JP5114967B2 - 冷却装置および半導体電力変換装置 - Google Patents
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Description
また、例えば、特許文献1には、沸騰冷却形半導体装置において、冷却体の表面で冷媒を沸騰させ、発熱部品から発生した熱を気化熱として伝熱させ、気泡となった冷媒蒸気をその浮力で移動させて放熱させる方法が開示されている。そして、特許文献1に開示された発明では、冷却体内に歯列穴を形成することで、冷却体と冷媒との間の有効伝熱面積を増加させ、上昇流動する冷媒流にて伝熱面に生じた気泡の泡切れを向上させて沸騰冷却の効果を促進させることができる。
また、特許文献2に開示された方法では、パワーモジュールを冷却フィンに取り付けるに当たり、Oリング、接着剤およびガスケットなどのシール材が使用されるため、パワーモジュールおよび冷却フィンの取り付け時の組み立てが複雑化し、コストアップを招くとともに、冷媒漏れの恐れがあることから、シール材の保守が必要になるという問題があった。
そこで、本発明の目的は、電力変換器の大型化を抑制しつつ、冷却体による冷却効率を向上させることが可能な冷却装置および半導体電力変換装置を提供することである。
また、請求項3記載の冷却装置によれば、前記中間流路は、前記冷却体の外側から形成され、該中間流路の開口端が封止材で封止されていることを特徴とする。
図1(a)は、本発明の第1実施形態に係る冷却装置の概略構成を示す断面図、図1(b)は、図1(a)の冷却装置の概略構成を示す正面図、図1(c)は、図1(a)の冷却装置の冷媒流路を拡大して示す断面図、図2は、図1の封止材の概略構成を示す斜視図である。
そして、冷媒流路2aは冷媒入口に接続されるとともに、冷媒流路2bは冷媒出口に接続され、冷媒流路2a、2bの端部は中間流路となる冷媒流路3にて接続されている。そして、冷媒流路3の開口端は封止材4にて封止されている。なお、冷却体1の材料としては、例えば、銅やアルミニウムなどの高熱伝導材を用いることができる。
そして、冷却体1の表面には、半導体スイッチング素子などの発熱体を取り付けることができる。なお、半導体スイッチング素子としては、例えば、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)の他、パワーMOSFETやバイポーラトランジスタなどを用いるようにしてもよい。
さらに、歯列構造5が形成された冷媒流路2a、2b、3内に冷媒を強制通流させることにより、冷媒流路2a、2b、3が鉛直方向に向くように冷却体1を配置する必要がなくなり、冷却体1の配置上の制約を軽減することができる。また、冷媒流路2a、2b、3も直線状である必要もない。
図3において、冷却体11内には、冷媒を強制通流させる冷媒流路12a〜12d、13a〜13cが設けられている。ここで、冷媒流路12a〜12dは互いに並列になるように配置され、冷媒流路13aは、冷媒流路12a、12bの端部で冷媒流路12a、12bと直交するように配置され、冷媒流路13bは、冷媒流路12c、12cの端部で冷媒流路12ba、12cと直交するように配置され、冷媒流路13cは、冷媒流路12c、12dの端部で冷媒流路12c、12dと直交するように配置されている。
ここで、冷媒流路12a〜12dの内壁面には、冷媒流路12a〜12dの内壁面に乱流を発生させる歯列構造15が形成され、歯列は、冷媒流路12a〜12dを通流する冷媒の通流方向に沿って配列することができる。
ここで、冷媒流路12a〜12dを冷却体11に設けることにより、図1の冷却体11に比べて伝熱面積を2倍に増加させることが可能となることから、冷却性能を2倍に向上させることができる。
図4において、電力変換器21には、半導体素子が搭載された半導体モジュール23が設けられ、半導体モジュール23は冷却体22上に取り付けられている。なお、電力変換器21には、半導体素子のゲートに入力されるパルス幅を制御するゲート制御回路やスナバ回路などが含まれるが、図4の例では、これらは省略して示した。
ここで、冷却体22としては、例えば、図1または図3の構成を用いることができる。そして、冷却体22は、冷媒循環配管26を介してポンプ24および放熱器25に接続されている。
図5は、本発明の第4実施形態に係る半導体電力変換装置の概略構成を示す平面図である。
すなわち、冷却体32aの冷媒出口は冷媒循環配管36aを介して放熱器35の冷媒入口に接続され、冷却体32bの冷媒入口は冷媒循環配管36aを介してポンプ34の冷媒出口に接続され、冷却体32aの冷媒入口と冷却体32bの冷媒出口とは冷媒循環配管36bを介して互いに接続されている。
これにより、1つのポンプ34および1つの放熱器35を用いることで、半導体モジュール33a、33bの温度が許容値を超えないようにしながら、複数の電力変換器31a、31bを冷却することが可能となり、半導体電力変換装置の小型化を図ることができる。
図6において、電力変換器41a、41bには、半導体素子が搭載された半導体モジュール43a、43bがそれぞれ設けられ、半導体モジュール43a、43bは冷却体42a、42b上にそれぞれ取り付けられている。なお、電力変換器41a、41bには、半導体素子のゲートに入力されるパルス幅を制御するゲート制御回路やスナバ回路などがそれぞれ含まれるが、図6の例では、これらは省略して示した。
すなわち、冷却体42a、42bの冷媒出口は冷媒循環配管46a、46bをそれぞれ介して放熱器45の冷媒入口に接続され、冷却体42a、42bの冷媒入口は冷媒循環配管46c、46aをそれぞれ介してポンプ44の冷媒出口に接続されている。
2a、2b、3、12a〜12d、13a〜13c 冷媒流路
4、14a〜14c 封止材
5、15 歯列構造
21、31a、31b、41a、41b 電力変換器
23、33a、33b、43a、43b 半導体モジュール
24、34、44 ポンプ
25、35、45 放熱器
26、36a、36b、46a〜46c 冷媒循環配管
Claims (4)
- 発熱体から発生した熱を熱伝導にて放熱する冷却体と、
前記冷却体内に雌ねじ加工され互いに並列になるように配置された複数の雌ねじ穴と、隣接する前記雌ねじ穴の端部を接続する中間流路とによって形成され、冷媒を強制通流させる冷媒流路と、
前記冷媒流路に前記冷媒を強制循環させるポンプと、
前記冷媒が前記発熱体から受け取った熱を放熱する放熱器と
を備えることを特徴とする冷却装置。 - 複数の前記冷却体を前記ポンプに対して直列接続または並列接続することを特徴とする請求項1記載の冷却装置。
- 前記中間流路は、前記冷却体の外側から形成され、該中間流路の開口端が封止材で封止されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の冷却装置。
- 半導体素子と、
前記半導体素子が表面に配置され、前記半導体素子から発生した熱を熱伝導にて放散させる冷却体と、
前記冷却体内に雌ねじ加工され互いに並列になるように配置された複数の雌ねじ穴と、隣接する前記雌ねじ穴の端部を接続する中間流路とによって形成され、冷媒を強制通流させる冷媒流路と、
前記冷媒流路に前記冷媒を強制循環させるポンプと、
前記冷媒が前記半導体素子から受け取った熱を放熱する放熱器と
を備えることを特徴とする半導体電力変換装置。
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