JPH06120383A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】内部に一個の空洞を設けた伝熱ブロック１に半
導体素子６が取り付けられており、伝熱ブロック１の空
洞側内壁に複数個の溝１０が設けられている。その伝熱
ブロック１の空洞に冷媒液５を注入し、ヒートパイプ３
の沸騰部７とする。放熱フィン４を装着した複数本のヒ
ートパイプ３の凝縮部８と伝熱ブロック１とは、絶縁体
２を介して接続される。ヒートパイプ３の開口部と伝熱
ブロック１内空洞とは連通した構造となっている。 【効果】沸騰部の伝熱面積が増加するため、冷却性能が
向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体素子の冷却装置
に係り、特に、車両制御用電力変換装置に好適な半導体
冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の半導体冷却装置は、特開平2−208
958 号公報に開示されているように、沸騰部となる管状
の孔を設けた伝熱ブロックを有し、その孔と放熱フィン
を装着したヒートパイプ凝縮部とを管体の絶縁体を介し
て接続した構造となっている。また、特開平2−130948
号公報に開示されているように、１本のヒートパイプに
おいて、伝熱ブロック内の沸騰部の断面積を、凝縮部よ
りも大きく設定した構造となっている。あるいは特開平
2−161756 号公報に開示されているように、伝熱ブロッ
ク内に設けられた孔の数と、凝縮部の管体の数とが異な
る構造となっている。

【０００３】図２に従来からの代表的なヒートパイプ式
半導体冷却装置の斜視図を示す。金属製の伝熱ブロック
１上に発熱源となる半導体素子６が装着されている。ま
た伝熱ブロック１には、複数本のヒートパイプ３が挿入
されている。ヒートパイプ３の中間部には碍子９が取り
付けられており、そこで絶縁が行われている。ヒートパ
イプ３内底部には、冷媒液５が封入されている。またヒ
ートパイプ３の伝熱ブロック１から突出している部分に
は、放熱フィン４が装着されている。

【０００４】図３に従来からの装置の縦断面図を示す。
便宜上ヒートパイプ３の本数は４本としている。この装
置では、ヒートパイプ３ａ，３ｂ，３ｃ及び３ｄの凝縮
部８ａ，８ｂ，８ｃ及び８ｄがそれぞれ独立しており、
また伝熱ブロック１内の沸騰部７ａ，７ｂ，７ｃ及び７
ｄもそれぞれ独立した構造となっている。つまり、ヒー
トパイプ３が１本につき一箇所の凝縮部８と、一箇所の
沸騰部７を所有する構造となっている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】電力変換装置やコンピ
ュータ機器等の高性能，高効率化に伴い、それらの主要
回路を構成する半導体素子への電気入力が増加し、発熱
量も増大している。従ってそれら半導体素子の発熱量増
大に対応すべく、冷却装置の性能向上を図る必要があ
る。

【０００６】半導体冷却装置の一つとして、ヒートパイ
プ式冷却装置がある。ヒートパイプ内に封入された冷媒
液の沸騰，凝縮により半導体素子を冷却する装置であ
る。一般に沸騰熱伝達では、伝熱面積が増加するにつれ
伝熱量も増加する。しかし、図２に示す従来までの装置
におけるヒートパイプの場合、半導体素子の発熱を受け
る伝熱ブロックの面積に対し、ヒートパイプが受熱する
面積の割合が小さく、またヒートパイプ内に封入される
冷媒液の量も限られている。従って、一度に多量の伝熱
を行うことは出来ない。これを解決するには、ヒートパ
イプの沸騰部の伝熱面積を大きくする必要がある。

【０００７】また半導体素子にかかる電流の絶縁は、半
導体素子自身が絶縁構造をとっている場合は問題無い
が、そうでない場合は冷却装置部で絶縁を行わなければ
ならない。従来までの装置では、図２の碍子９のように
ヒートパイプの途中で絶縁が行われており、そこの部分
には放熱フィンが装着出来ないので、同寸法の碍子が無
いヒートパイプに比べて冷却性能がやや低下するという
問題がある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】ヒートパイプの沸騰部の
伝熱面積を大きくする方法は、パイプごとに個別になっ
ている複数本のヒートパイプの沸騰部を、一個にまとめ
る方法が考えられる。複数本のヒートパイプの凝縮部
が、一個の沸騰部を共用する構造にし、さらに伝熱ブロ
ック内壁に溝を設けることにより、沸騰部が受熱する面
積を大きくすることが可能となり、冷却効率が向上す
る。

【０００９】また、半導体素子にかかる電流の絶縁は、
伝熱ブロックとヒートパイプとの間に平板状の絶縁体を
設けることにより、ヒートパイプに碍子を取り付ける必
要が無く、放熱フィンを碍子がある場合に比べて多数装
着出来るため、冷却性能も向上する。

【００１０】

【作用】複数本のヒートパイプの凝縮部に対し、沸騰部
が一個の構造をとれば、沸騰部が個別の場合に比べ、沸
騰部の伝熱面積を大きくすることが出来る。また冷媒液
の封入量も多くすることが出来る。また本発明のよう
に、伝熱ブロック内の沸騰部内壁に複数個の溝を設ける
ことにより、更に伝熱面積を大きくすることが出来るた
め、冷却効率がより向上する。この方法の場合、伝熱ブ
ロック表面上のごく一部分が発熱を起こしても、伝熱ブ
ロック内の沸騰部における冷媒液の温度は対流によりほ
ぼ均一になり、発生する冷媒ガスも複数本のヒートパイ
プ凝縮部へ均一に移動する。従って各ヒートパイプが受
ける熱負荷の偏りが無く、冷却性能も安定する。

【００１１】また絶縁に関してであるが、伝熱ブロック
とヒートパイプとの間に平板状の絶縁体を設けることに
より、ヒートパイプに碍子を取り付ける必要が無くな
る。そして従来碍子があった部分に余分に放熱フィンが
装着出来るため、同寸法のヒートパイプで比べると冷却
性能が向上する。また、放熱フィンの枚数が同一の場合
は、碍子の分だけ寸法を短く出来るため、装置全体の小
型化が可能である。

【００１２】

【実施例】図１に本発明の一実施例を示す。この装置
は、伝熱ブロック１，絶縁体２，ヒートパイプ３，放熱
フィン４及び冷媒液５より構成される冷却装置であり、
伝熱ブロック１には、発熱体である半導体素子６が半田
等により取り付けられている。

【００１３】図４に伝熱ブロック１の斜視図を示す。伝
熱ブロック１は金属製であり、材質は熱伝導の良好なも
のが好ましい。伝熱ブロック１内には上端部のみ開口し
ている空洞が設けられている。この空洞部分に、冷媒液
５が適量注入されている。この空洞部分が、冷媒液５の
沸騰部７となる。伝熱ブロック１の空洞側壁面には、鉛
直方向に複数本の溝１０が設けられている。溝１０を設
けることにより、伝熱ブロック１の空洞側壁面と冷媒液
５とが接触する面積、つまり、伝熱面積が、平滑な壁面
の場合よりも増加するため、冷却効率が向上する。な
お、図４において、溝１０の形状は矩形となっている
が、この限りではない。

【００１４】伝熱ブロック１上端の開口部は、絶縁体２
で塞がれている。図５に絶縁体２の斜視図を示す。絶縁
体２の材質は、セラミック等の特に絶縁性の高い材質が
好ましい。伝熱ブロック１と絶縁体２とは、銀ろう等に
より密着接合されている。絶縁体２には、ヒートパイプ
３の内径寸法と同径の穴１１が、ヒートパイプ３と同数
個開いている。各々の穴１１には、ヒートパイプ３が銀
ろう等により密着接合されている。なお、図１の例で
は、ヒートパイプ３の本数は４本となっているが、この
限りではない。

【００１５】ヒートパイプ３は、熱伝導の良好な金属製
であり、中空構造となっている。ヒートパイプ３の内壁
には長手方向に複数本の溝が刻まれている。ヒートパイ
プ３の外壁には、放熱フィン４が、ヒートパイプ３に対
し垂直方向に多数装着されている。この部分が凝縮部８
となり、半導体素子６から発生した熱を、最終的に大気
へと放出する。

【００１６】冷媒液５の注入は、ヒートパイプ３先端の
開口部より行う。まず、ヒートパイプ３の開口部より脱
気を行う。脱気が完全に行われ、真空状態になった後、
冷媒液５を適量注入する。冷媒液５の材質は、絶縁性が
高く、また環境に害を及ぼすことの無いものが好まし
い。冷媒液５を注入した後、ヒートパイプ３の先端の開
口部をかしめ等により塞ぎ密封する。

【００１７】次に動作について説明する。まず半導体素
子６が作動し発熱する。その熱は伝熱ブロック１を介し
て、伝熱ブロック１内の沸騰部に封入されている冷媒液
５へ到達する。冷媒液５へ伝わる熱量が増加すると、冷
媒液５は沸騰し、冷媒ガスが発生する。冷媒ガスは、伝
熱ブロック１内の圧力上昇により、ヒートパイプ３内の
凝縮部８へと移動する。冷媒ガスの潜熱は、ヒートパイ
プ３の凝縮部８で、放熱フィン４を介し大気へと放出さ
れ、冷媒ガスは熱を失い縮凝する。ヒートパイプ３の内
壁には長手方向に細い溝が刻まれており、縮凝した冷媒
液５は毛細管現象により溝内を移動し、再び伝熱ブロッ
ク１内の沸騰部７に蓄積する。この一連の動作の繰り返
しにより、半導体素子６の冷却を行う。

【００１８】図６に本発明の装置の縦断面図を示す。便
宜上、ヒートパイプ３の本数は４本としている。この装
置では、ヒートパイプ３ｅ，３ｆ，３ｇ及び３ｈの凝縮
部８ｅ，８ｆ，８ｇ及び８ｈはそれぞれ独立している
が、伝熱ブロック１内の沸騰部７は、ヒートパイプ３
ｅ，３ｆ，３ｇ及び３ｈとも一箇所の沸騰部７ｅを共用
する構造となっている。ここで、伝熱ブロック１表面の
ごく一部分が発熱を起こす場合、例えば、図１におい
て、複数個の半導体素子６のうち、左下端に位置する６
ａのみが作動し、発熱を起こす場合を考える。図６に示
す本発明の装置では、伝熱ブロック１を介して冷媒液５
も局所的に受熱するが、矢印１２のような冷媒液５の対
流により、受熱部分に温度の低い冷媒液５が次々と供給
され、冷媒液５全体の温度がほぼ均一になる。従って、
冷媒液５の対流のみである程度の冷却が行われる。ま
た、半導体素子６ａの発熱が増加すると、冷媒液５は沸
騰して主に半導体素子６ａ直下部分から冷媒ガス１３を
発生する。発生した冷媒ガス１３は、矢印１４のように
ヒートパイプ３ｅ，３ｆ，３ｇ及び３ｈのそれぞれの凝
縮部８ｅ，８ｆ，８ｇ及び８ｈへほぼ均一に移動し、そ
こで冷却されて液化し、沸騰部７ｅへ戻ってくる。

【００１９】以上のように、伝熱ブロック１表面のごく
一部分が発熱を起こす場合、ヒートパイプ３ｅ，３ｆ，
３ｇ及び３ｈの凝縮部８ｅ，８ｆ，８ｇ及び８ｈが受け
る熱負荷はほぼ同一となり、従来からの装置のような沸
騰部８が独立したヒートパイプ装置よりも冷却効率が向
上する。

【００２０】なお、半導体素子自身が絶縁構造となって
いる場合には、絶縁体２は必要としない。そこで冷媒液
５として水を使用することが可能となり、フロン系の冷
媒液を使用する必要がなく、環境破壊の心配は無くな
る。

【００２１】図７(ａ)(ｂ)に本発明の他の実施例の斜視
図（図７(ａ)）及び部分断面図（図７(ｂ)）を示す。こ
こで放熱フィン４への送風を行わない自然空冷の場合を
考える。放熱フィン４からの熱により温められた空気は
上昇しようとする。そこで放熱フィン４が水平方向に装
着されていると空気の上昇の妨げとなる。従って放熱フ
ィン４は鉛直方向に装着する必要がある。そこで図７に
示すように、絶縁体２をＬ字型にし、ヒートパイプ３を
水平よりやや上向きに接合する。そうすることにより、
放熱フィン４はほぼ鉛直となり、放熱効率が良好にな
る。

【００２２】図８(ａ)(ｂ)に本発明の冷却装置１５を搭
載した車両１６の側面図(図８(ａ))及び断面図（図８
(ｂ)）を示す。架線１７からの電流を、制御器筐体１８
内に納められた電力変換装置１９により、モータ駆動電
流へ変換する。その電力変換装置１９内の半導体素子６
を冷却するために本発明の半導体冷却装置１５を用い
る。図７に示す構造の冷却装置を用いれば、制御器筐体
１８内に冷却装置１５を上下二段に搭載することが出
来、限られたスペース内に実装密度の高い機器配置が可
能となる。なお、図８(ａ)(ｂ)は軌道上を移動する鉄道
車両を示しているが、この限りではなく、電気自動車等
の移動体も本発明の冷却装置を搭載した車両に含まれ
る。

【００２３】

【発明の効果】複数本のヒートパイプの凝縮部が、伝熱
ブロック内の一個の沸騰部を共用する構造とすることに
より、沸騰部が個別のヒートパイプよりも伝熱面積を増
加させ、また各々のヒートパイプごとに異なる熱負荷の
偏りを無くし、冷却性能の向上を図る。

【００２４】伝熱ブロック内空洞側内壁に複数個の溝を
設けることにより、伝熱面積を増加させ、冷媒液への伝
熱促進を図る。

【００２５】伝熱ブロックとヒートパイプとの間に平板
状の絶縁体を設けることにより、冷却フィンを碍子があ
る場合よりも多数装着して、冷却性能の向上を図る。も
しくは碍子の寸法分だけヒートパイプを短くして、装置
の小型化を図る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す斜視図。

【図２】従来技術を示す斜視図。

【図３】従来技術を示す断面図。

【図４】本発明の伝熱ブロックを示す斜視図。

【図５】本発明の絶縁体を示す斜視図。

【図６】本発明の冷媒液及び冷媒ガスの動きを示す断面
図。

【図７】本発明の他の実施例を示す斜視図（ａ）及び部
分断面図（ｂ）。

【図８】本発明の冷却装置を搭載した車両を示す側面図
（ａ）及び断面図（ｂ）。

【符号の説明】

１…伝熱ブロック、２…絶縁体、３…ヒートパイプ、４
…放熱フィン、５…冷媒液、６…半導体素子、９…碍
子、１０…伝熱ブロック内空洞側内壁の溝。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に一個の空洞を設けた伝熱ブロックに
   半導体素子が取り付けられており、前記伝熱ブロック内
   の前記空洞は冷媒液を有しており、前記伝熱ブロックと
   放熱フィンが装着してある複数個の管体とを接続する絶
   縁体を設け、管体開口部と前記伝熱ブロック内空洞とが
   連通している構造を有することを特徴とする半導体冷却
   装置。