(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外表面に素子を着設可能にし、内部に通路内表面が微細凹凸加工されたフィン面にて形成された複数の中空通路を有し、かつ封入する低沸点冷媒液が該通路間で連通可能な少なくとも１つの連通路を内蔵した中空面板からなる蒸発部と、前記冷媒液の気化ガスの作動冷媒通路を有するプレートフィン型熱交換器の構成からなる凝縮部とが、前記中空通路と作動冷媒通路とを気液分離手段のない空間部からなるヘッダータンク部を介して接続された構成を有し、素子からの蒸発部への入熱にて前記冷媒液が沸騰気化され、発生した気化ガスがヘッダータンク部を経て凝縮部の作動冷媒通路に入り、放熱液化するプレートフィン型素子冷却器。
【請求項２】
凝縮部が、作動冷媒通路と空気通路とを交互に積層しろう付けにて一体化したプレートフィン型熱交換器であることを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン型素子冷却器。
【請求項３】
ヘッダータンクがサイドバーにて形成されたことを特徴とする請求項１に記載のプレートフィン型素子冷却器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどの半導体素子を使用して電力の変換、制御、開閉を行うパワーエレクトロニクス技術で不可欠である半導体素子の冷却器に係り、内部に中空通路を有した中空面板に取付けた素子から効率よく奪った熱をサーモサイホンの原理にて移動させ、高性能プレートフィンを介して空気中に放熱する、小型軽量で高性能なプレートフィン型素子冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＧＴＯサイリスタやＩＧＢＴ（モールド型複合素子）に代表されるパワーエレクトロニクス技術の進展はめざましく、インバーターによる電源の制御が各分野で主流になりつつある。
これらに使用される大容量半導体素子の冷却は当該装置の大きさと重量に直接影響を与える重要な要素である。
【０００３】
従来の素子冷却器は、動作冷媒の蒸発と凝縮により熱を移動させるサーモサイホンの原理による、所謂ヒートパイプを使用している。すなわち、パイプの一端側に着設した素子の熱がパイプ内の冷媒液体を蒸発させ、パイプの他端側に設けられた放熱フィンにて冷却され、蒸発ガスが凝縮すると液成分はパイプ内に内張したウィックと呼ばれる多孔質物質の毛細管現象で蒸発部へ還流することにより、素子の熱が移動して空気中に放熱される構成からなる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
パワーエレクトロニクス技術、すなわち、一般産業分野での交流電源制御技術あるいは鉄道車両の動力として、所謂インバーターモーターが採用され、インバーターによる電源の制御が行われるが、例えば、今日の鉄道の高速化に伴い、動力の高出力化とともに全ての構成部品に高性能、小型軽量化が要求され、特に、インバーターに使用される素子冷却器には、鉄道車両の加速時の如く、負荷が集中する際の高放熱性能、並びにこれとは相反する小型軽量化が強く要求される。
【０００５】
従来のヒートパイプを使用した構成では、実開昭５８−１０５７７号、実開昭５８−１０５７８号に示されるごとく、半導体素子の着設は板材を介して行われ、素子数や発熱量などに応じてヒートパイプの数やフィン容量を選定するが、素子の取付アレンジや大容量化に対して制約が多く、また、パイプから離れている部分の温度が高くなり、素子間のアンバランス負荷の場合には特に入熱が平均化せずに、高密度熱流束や過負荷に対応し難いものであり、さらには、その体積、重量共に大型化するきらいがあった。
【０００６】
この発明は、かかる従来の素子冷却器の問題に鑑み、素子間のアンバランス負荷時においても均熱化が可能で、高密度熱流束や過負荷に対しても放熱性能にすぐれ、特に、素子の取付アレンジや大容量化に対して制約が少なく、小型軽量化が容易な素子冷却器の提供を目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明は、外表面に素子を着設可能にし、内部に通路内表面が微細凹凸加工されたフィン面にて形成された複数の中空通路を有し、かつ封入する低沸点冷媒液が該通路間で連通可能な少なくとも１つの連通路を内蔵した中空面板からなる蒸発部と、前記冷媒液の気化ガスの作動冷媒通路を有するプレートフィン型熱交換器の構成からなる凝縮部とが、前記中空通路と作動冷媒通路とを気液分離手段のない空間部からなるヘッダータンク部を介して接続された構成を有し、素子からの蒸発部への入熱にて前記冷媒液が沸騰気化され、発生した気化ガスがヘッダータンク部を経て凝縮部の作動冷媒通路に入り、放熱液化することを特徴とするプレートフィン型素子冷却器である。
【０００８】
また、この発明は、上記の構成において、
凝縮部が、作動冷媒通路と空気通路とを交互に積層しろう付けにて一体化したプレートフィン型熱交換器であるプレートフィン型素子冷却器、
ヘッダータンクがサイドバーにて形成されたプレートフィン型素子冷却器、
を併せて提案する。
【０００９】
【作用】
前述のように構成された発明によれば、動作冷媒の凝縮をプレートフィン型熱交換器の凝縮部にて行うために、ヘッダータンクを介して接続する蒸発部として、相互に連通する多数の中空通路を有する中空面板を用いこれに半導体素子を着設し、また、該中空通路内に表面に微細凹凸加工を施したフィンを設けることにより、中空面板のいずれの箇所からの受熱も直ちに分散して冷媒に伝熱するため、アンバランス負荷でも均熱化が可能であり、大きな蒸発面積で冷媒の沸騰も容易に行われ、熱交換効率にすぐれるプレートフィン型熱交換器内で冷媒ガスが容易に凝縮するため放熱性能にすぐれ、さらに、蒸発部の中空面板と凝縮部のプレートフィン型熱交換器をヘッダータンクを介して連通するため、蒸発部と凝縮部を水平、垂直のいずれの方向にも配置でき、素子の取付アレンジや大容量化に対して設計の自由度が高い。
【００１０】
【実施例】
この発明を図面に基づいて詳述する。図１はこの発明の一実施例を示す一部破断正面説明図であり、図２は一部破断側面図であり、図３は図１の蒸発部のＡ−Ａ線における横断上面説明図である。また、図４は垂直方向の強制風冷式の冷却ファンを有する実施例を示す一部破断説明図である。図５、図６は凝縮部と蒸発部との配列例を示す一部破断説明図である。
図１では、水平方向の強制風冷式で凝縮部と蒸発部とを垂直に配置した例を示す。蒸発部１はここでは押し出し型材であり、図３の断面に示すごとく、８本の通路２及びその両端に２本の液戻り補助通路２ａを垂直方向に設けてあり、各通路は内面に垂直方向のフィン３が多数設けられ、いずれの表面もローレット加工、エッチング加工またはサンドプラスト加工などにて微細な凹凸が設けてある。また、蒸発部１の上下端は開放されており、上側が後述の凝縮部１０のヘッダータンク１１に望み、下側は蓋板４にて閉塞されるが、蓋板４と中空通路２下端との間に隙間５が形成され各中空通路２は同隙間通路にて相互に連通している。蒸発部１表面は両面とも半導体素子をねじ止めできるように所定位置にねじ穴６が設けられ、ここでは最大１２個の素子が着設できる。
【００１１】
凝縮部１０は、内部に熱交換用セレートフィンを配置し、その周囲をサイドバーにて囲った作動冷媒通路１２と凝縮のための空気用フィンを内部に配置し、上端はサイドバーで下端はヘッダー部材兼サイドバーで閉塞された空気通路１３とを下方に複数の連通孔を穿孔したチューブプレートを挟んで交互に積層し、ろう付けにて一体結合化し、図１で作動冷媒通路１２の流体は上下方向に、空気通路１３の流体は前後方向（図２では空気通路１３の流体は左右方向）に移動するよう構成されている。なお、図示しないが、図１の凝縮部１０前面に冷却用ファンが設置されている。
凝縮部１０下部にヘッダータンク１１が設けられ、下端中央部の開口部に蒸発部１上端開口部が対向し、凝縮部１０と蒸発部１が溶接一体化されて両者の内部が連通している。ヘッダータンク１１は、サイドバーにて偏平直方体に形成してあり、他に型材で同様に構成することが可能である。
【００１２】
以上の構成において、動作冷媒に、例えば、沸点が３０℃または５６℃のパーフロロカーボン、沸点が約２７℃または約３２℃のフロロカーボンなどを使用することにより、動作冷媒の蒸発と凝縮により熱を移動させるサーモサイホンの原理を利用することができ、蒸発部１に取り付けられた素子は内部の動作冷媒の蒸発による気化潜熱で冷却され、気化した冷媒ガスは上部の凝縮部１０で空気により冷却され、凝縮潜熱を放出し液化されて再びヘッダータンク１１に滴下し、蒸発部１で加熱、凝縮部１０で冷却される同じサイクルを繰り返す。
【００１３】
図４に示す構成例は、垂直方向の強制風冷式の冷却ファンを有する実施例であり、凝縮部１０の上面に冷却ファン２０を配置し、空気が凝縮部１０の下面から上面へ抜けるように空気通路１３を構成し、蒸発部１を凝縮部１０下面中央に接続して凝縮部１０内の中央部にヘッダータンク１１を設けることにより、蒸発部１からの気化した冷媒ガスはヘッダータンク１１より図で左右の凝縮部１０内に分配されて冷却、凝縮、滴下して蒸発部１に戻るよう構成されている。
冷却ファン２０の作動により空気が凝縮部１０の下面から上面へ抜けるが、この空気流は蒸発部１表面に着設された半導体素子３０近傍も流れることになり、半導体素子３０近傍の空気を滞留させることがなく、冷却効率がより向上する。
【００１４】
図５に示す構成例は、上下方向に空気が抜ける空気通路１３と直交配置した作動冷媒通路１２からなる凝縮部１０の側面にヘッダータンク１１を設け、その下部に蒸発部１を垂下接続してあり、蒸発部１からの気化した冷媒ガスはヘッダータンク１１を上昇して作動冷媒通路１２内に入り、冷却、凝縮、滴下して蒸発部１に戻るように構成してある。
冷却ファンを装着しない自然冷却であるが、空気が凝縮部１０の下面から上面へ抜け、この際、空気流は蒸発部１表面に着設された半導体素子３０近傍も流れて、滞留させることがない。
また、図６に示すごとく、同一の構成の凝縮部１０の側面にヘッダータンク１１下部に、蒸発部１を水平に接続配置することもでき、冷却器の設置箇所に応じて、蒸発部１を図５の垂直配置、図６の水平配置と適宜選定できる。
【００１５】
前述した図１〜図３に示す構成のこの発明による冷却器を、蒸発部１は内部にフィンを設けたＪＩＳ規格のアルミニウム材質Ａ６０６３の押出型材を使用し、凝縮部１０とヘッダータンク１１はＪＩＳ規格のアルミニウム材質Ａ３００３を主材料としたセレートフィンを用いたプレートフィン構造で真空ろう付けで一体化して作製し、これらを溶接により接合した後、内部を高真空にして、動作冷媒として沸点が５６℃のパーフロロカーボンを封入した。
得られた冷却器に、モールド型複合素子（ＩＧＢＴ）を１２個取付けたところ、総放熱量３７００Ｗ、熱抵抗０．０１２℃／Ｗの素子冷却器を実現した。
【００１６】
この発明による素子冷却器の冷却能力を図７に示す。図７は負荷（ｋＷ）に対する熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）と素子取付面温度上昇値ΔＴ（℃）を示している。
また、比較のため、この発明による素子冷却器の上記設計値と同じ値を有するヒートパイプ式冷却器を作製して体積と重量を測定したところ、体積と重量ともに本発明が従来の４７％と、著しく小型軽量化することができた。
【００１７】
この発明において、蒸発部は実施例の押し出しによる複数の中空通路部を有する型材からなる中空面板の如く、表面に半導体素子を着設して内部に冷媒液を満たすことが可能な通路を有し、連通する凝縮部のヘッダータンク内あるいはその近傍に冷媒液液面を形成できればいずれの構成も採用できる。
中空通路部は、実施例のように複数配置する他、面板が筒状で１つの中空しかないものでも利用できるが、複数通路の場合は液面差が生じないように相互に連通させたり、通路内に乱流促進材を挿入したり、フィンを形成したり、さらには内表面にローレット加工、エッチングなどの微細凹凸加工を施すなど蒸発面積の拡大並びに蒸発を促進する手段を用いることが望ましい。
また、凝縮のための冷媒流体には実施例の空気の他、水、冷却液など公知の冷媒を適宜選定できる。
【００１８】
この発明において、凝縮部のプレートフィン型熱交換器には、凝縮のための冷媒流体種及び流体方向に応じて、作動冷媒通路との積層構造を並流、向流、直交流等のいずれも適宜選定でき、蒸発部と連通してタンク内に冷媒液面を形成するヘッダータンクから作動冷媒通路への分配は気化ガスを適宜分散することにより行われ、また積極的に分配フィンを設けることも可能で、凝縮部と蒸発部との配列に垂直型、水平型、Ｌ字型などのいずれを採用するか、あるいは上記の積層構造によっても適宜選定でき、同様に凝縮液の集合もフィンにセレートフィンを用いることで容易に滴下させることが可能であるが、積極的に集合フィンを配置することも適宜採用することができる。
【００１９】
プレートフィン型熱交換器のコルゲーションには、セレートフィンを用いることができ、これは波形方向は同一であるが所要幅でコルゲーションが細分されかつ波形方向に少しずつずれるように成形するため、細分されたコルゲーション間に多数のすき間が形成され、流体のガス分配または液体の滴下を通路幅不幸に均一にすることができ、通常のプレーン型に多数の孔を設けた孔あきフィンもセレートフィンと同様の作用効果を奏する。
【００２０】
【発明の効果】
この発明は、鉄道車両用に代表されるインバーター制御技術や、一般産業分野での交流電源制御技術のパワーエレクトロニクス技術で不可欠である半導体素子冷却器を、高性能化、小型軽量化できるプレートフィン型素子冷却器であり、以下の利点を有する。
（１）従来型ヒートパイプ式冷却器と比べ体積、重量共に１／２以下にできる。
（２）大きな蒸発面積と適量な冷媒液のために、高密度熱流束や過負荷でも冷却能力が安定している。
（３）蒸発部は内部で連通し、冷媒液で満たされているので素子間のアンバランス負荷に対しても平均化されるため小型化が可能である。
（４）蒸発部の中空通路内に表面に微細凹凸加工を施したフィンを設けることにより、中空面板のいずれの箇所からの受熱も直ちに分散して冷媒に伝熱するため、アンバランス負荷でも均熱化が可能である。
（５）冷媒にパーフロロカーボンを使用することにより凍結することがなく、また、大きな蒸発面積を有しているため低温起動時のバーンアウト現象が生じない。
（６）凝縮部にプレートフィン型熱交換器を用いているため、半導体素子の取付アレンジや大容量化に対して設計の自由度が高い。
（７）強制風冷式の場合、他の型式の冷却器より冷却風量を少なくできるため、ファン動力や騒音を最小にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるプレートフィン型素子冷却器の一実施例を示す一部破断正面説明図である。
【図２】図１の一部破断側面図である。
【図３】図１の蒸発部のＡ−Ａ線における横断上面説明図である。
【図４】垂直方向の強制風冷式の冷却ファンを有するこの発明による実施例を示す一部破断説明図である。
【図５】この発明による凝縮部と蒸発部との配列例を示す一部破断説明図である。
【図６】この発明による凝縮部と蒸発部との配列例を示す一部破断説明図である。
【図７】負荷（ｋＷ）に対する熱抵抗Ｒ（℃／Ｗ）と素子取付面温度上昇値ΔＴ（℃）を示すグラフである。
【符号の説明】
１  蒸発部
２  中空通路
３  フィン
４  蓋板
５  隙間
６  ねじ穴
１０  凝縮部
１１  ヘッダータンク
１２  作動冷媒通路
１３  空気通路
２０  冷却ファン
３０  半導体素子
【図１】
0003549933.tif 000002
【図２】
0003549933.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
0003549933.tif 000007
【図７】
0003549933.tif 000008