JP5577801B2 - 冷凍装置 - Google Patents
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Description
図1に、空気調和機10の概略構成を示す。空気調和機10は、主として、室内ユニット20と、室外ユニット30とを備える。室内ユニット20および室外ユニット30に含まれる各構成は、冷媒配管62によって接続され、冷媒回路を構成する。
冷却機構37は、パワー半導体素子40のジャンクション温度Tjが規定値(一般的には、約125[℃])を超えないように、パワー半導体素子40を冷却する機構である。
空冷機構37aは、ヒートシンク50を用いてパワー半導体素子40を冷却する機構である。図2に、空冷機構37aの一の態様を示す。空冷機構37aでは、スプレッダ42とヒートシンク50とを接触させることにより、チップ41からスプレッダ42に伝えられた熱を、ヒートシンク50に伝えてパワー半導体素子40を冷却する。
冷媒冷却機構37bは、冷却ジャケット60を用いてパワー半導体素子40を冷却する機構である。図3に、冷媒冷却機構37bの一の態様を示す。冷却ジャケット60は、アルミ製のベース板61を含む。冷媒冷却機構37bでは、ベース板61と冷媒配管62とを接触させ、さらに、ベース板61とパワー半導体素子40とを接触させることで、パワー半導体素子40を冷却する。ベース板61と接触させる冷媒配管62には、中間圧の冷媒が流れる。
図4に、ジャンクション温度Tjを一定にした場合の、冷却機構37の違いによるケース温度Tcと、周囲温度Taとの違いを示す(図2および3参照)。ここで、ジャンクション温度(またはチャネル温度)Tjは、チップ41の動作接合部温度である。ケース温度Tcは、スプレッダ42の露出面の温度である。周囲温度Taは、空冷機構37aの場合はヒートシンク50のフィン先端部分の温度、冷媒冷却機構37bの場合は冷媒配管62の外側の温度である。
上述したように、冷媒冷却機構37bは、空冷機構37aよりもケース温度Tcを効率よく低減させるため、空気調和機10に冷媒冷却機構37bを採用する場合には、空冷機構37aを採用する場合と比較して、ジャンクション温度Tjとケース温度Tcとの差(ジャンクション−ケース間温度ΔTj−c)を大きく設定することが可能である。
式(1)は、下記式(2)〜(4)によって導出される。
なお、上記式(2)は、下記に示す、ジャンクション温度Tjの推定式(5)に基づいて得られる。
まず、空冷機構37aを用いてパワー半導体素子40を冷却する場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率K1を0.18[℃/W・cm2]、オン抵抗率Ronを3[mΩ・cm2]、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを35[℃]とする。上記式(1)に熱抵抗率K1、オン抵抗率Ron、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを代入すると、式(10)に示すようにチップサイズScが求められる。ここで、得られるチップサイズScが空冷機構37aに適したチップサイズである。
次に、冷媒冷却機構37bを用いてパワー半導体素子40を冷却する場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率K1を0.18[℃/W・cm2]、オン抵抗率Ronを3[mΩ・cm2]、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを75[℃]とする。上述したように、冷媒冷却機構37bの場合、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cは、空冷機構37aよりも大きな値を設定可能であるため、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cは75[℃]としている。上記式(1)に熱抵抗率K1、オン抵抗率Ron、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを代入すると、式(11)に示すようにチップサイズScが求められる。ここで、得られるチップサイズScが冷媒冷却機構37bに適したチップサイズである。
図5に、チップサイズと最大電流との関係を示す。具体的に、図5は、従来技術により選定されたチップサイズとそのチップの最大電流との関係と、本実施形態において選定されたチップサイズとその最大電流との関係とを示す。より具体的には、符号501に示す直線は、従来技術によって選定されたチップサイズScと、その最大電流Imax[A]との関係を示し、符号502で示す一点破線は、本実施形態に係る空冷機構に適したチップサイズScとその最大電流Imax[A]との関係を示し、さらに、符号503で示す二点破線は、本実施形態に係る冷媒冷却機構に適したチップサイズScとその最大電流Imax[A]との関係を示す。
本実施形態に係る空気調和機10では、チップサイズScに応じてヒートスプレッダ(銅ブロック)42の厚みdを選定する。これにより、パワー半導体素子40の小型化と放熱設計の効率化を図る。
Rj−c=絶縁層熱抵抗Rep+銅ブロック熱抵抗Rsp+チップ41熱抵抗Rch・・・(15)
絶縁層熱抵抗Repは、式(16)
絶縁層熱抵抗Rep=絶縁層熱抵抗率1/γep*絶縁層幅dep/絶縁層面積Sep・・・(16)
によって求められ、銅ブロック熱抵抗Rspは、式(17)
銅ブロック熱抵抗Rsp=銅ブロック熱抵抗率1/γsp*銅ブロック幅dsp/銅ブロック面積Ssp・・・(17)
によって求められ、チップ41熱抵抗Rchは、式(18)
チップ41熱抵抗Rch=チップ41熱抵抗率1/γch*チップ41幅dch/チップ41面積Sch・・・(18)
によって求められる。
d[mm]≧1.75Sc−0.38・・・(19)
(5−1)
上記実施形態に係る空気調和機10は、パワー半導体素子40の冷却機構37を有する。また、空気調和機10が有する冷却機構37に応じてパワー半導体素子40のチップサイズScを選定する。これにより、チップ41gが冷却機構37に応じた電流密度を有するため、結果として、チップ41の発熱量を効果的に抑制することができる。
また、上記実施形態に係る空気調和機10では、冷却機構37に応じたパワー半導体素子40のチップサイズScを採用し、さらに、チップサイズScに応じた厚みdを有するスプレッダ(銅ブロック)42を採用している。これにより、ジャンクション−ケース間熱抵抗Rj−cの増加を効果的に抑えることができると共に、チップサイズScの小型化を実現することができる。
(6−1)変形例A
上記実施形態で説明したチップサイズScの選定時に、キャリア周波数をさらに考慮してもよい。
空冷機構37aを用いてパワー半導体素子40を冷却し、さらにキャリア周波数fcを考慮した場合のチップサイズScについて説明する。例えば、熱抵抗率K1を0.18[℃/W・cm2]、オン抵抗率Ronを3[mΩ・cm2]、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを35[℃]とする。上記式(22)に熱抵抗率K1、オン抵抗率Ron、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを代入すると、下記式(24)に示すようにチップサイズScが求められる。ここで、得られるチップサイズScが、キャリア周波数fcを考慮した上で空冷機構37aに適したチップサイズである。
冷媒冷却機構37bを用いてパワー半導体素子40を冷却し、さらにキャリア周波数fcを考慮した場合のチップサイズについて説明する。例えば、熱抵抗率K1を0.18[℃/W・cm2]、オン抵抗率Ronを3[mΩ・cm2]、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを75[℃]とする。上述したように、冷媒冷却機構37bの場合、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cは、空冷機構37aよりも大きな値を設定可能であるため、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cは75[℃]としている。上記式(22)に熱抵抗率K1、オン抵抗率Ron、ジャンクション−ケース間温度ΔTj−cを代入すると、下記式(25)に示すようにチップサイズScが求められる。ここで、得られるチップサイズScが、キャリア周波数fcを考慮した上で冷媒冷却機構37bに適したチップサイズである。
20 室内ユニット
30 室外ユニット
37 冷却機構
40 パワー半導体素子
41 チップ
42 スプレッダ(銅ブロック)
43 樹脂カバー(絶縁層)
Claims (3)
- ヒートシンク(50)を用いて空冷する第1の冷却方式および冷媒を流す冷却部品を介して冷却する第2の冷却方式のいずれか一方の冷却方式に基づいてサイズが選定されたチップ(41)を含むパワー半導体素子(40)と、
前記パワー半導体素子を含む駆動装置によって駆動される圧縮機(31)と、
を備え、
前記チップは、
前記冷却方式に応じた所定の電流密度を有し、
前記圧縮機を駆動させる前記駆動装置であるインバータのキャリア周波数に応じたサイズである、
冷凍装置。 - 前記パワー半導体素子は、前記チップに連結して前記チップの熱を発散させ、前記チップのサイズに応じた厚みを有するヒートスプレッダ(42)を有する、
請求項1に記載の冷凍装置。 - 前記ヒートスプレッダは、前記チップのサイズが所定値以下の場合に、前記チップのサイズに応じた厚みを有する、請求項2に記載の冷凍装置。
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