(57)【要約】【課題】  半導体冷却装置において冷却チューブの冷媒流量のバラツキを抑制する。【解決手段】  半導体冷却装置１０は、略平板形状の複数の半導体部材１２と、半導体部材の板面に密接した複数の冷却チューブ１４と、複数の冷却チューブの冷媒流入側の一端に接続された管状の入口ヘッダ１６と、複数の冷却チューブの冷媒流出側の他端に接続された管状の出口ヘッダ１８と、を有している。ここで、出口ヘッダ１８の冷媒流路の断面積は、入口ヘッダ１６の冷媒流路の断面積の１．２倍〜２．０倍である。これにより、入口ヘッダ１６の圧力損失の総和と、出口ヘッダ１８の圧力損失の総和がほぼ等しくなり、入口ヘッダ１６の静圧の上昇率と出口ヘッダ１８の静圧の降下率を近づけて、冷却チューブ１４の冷媒流量のバラツキを抑制することができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の半導体部材を冷却する半導体冷却装置において、
前記半導体部材に密接した受熱面を有し、内部に冷媒流路が形成された複数の冷却チューブと、
複数の前記冷却チューブの冷媒流入側の一端に接続され、内部に冷媒流路が形成された管状の入口ヘッダと、
複数の前記冷却チューブの冷媒流出側の他端に接続され、内部に冷媒流路が形成された管状の出口ヘッダと、
を有し、
前記出口ヘッダの冷媒流路の断面積は、前記入口ヘッダの冷媒流路の断面積の１．２倍〜２．０倍であること
を特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
前記出口ヘッダの冷媒流路の断面積は、前記入口ヘッダの冷媒流路の断面積の１．３倍〜１．８倍であることを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を用いて半導体部材を冷却する半導体冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インバータ回路などを構成する半導体部材（ＩＧＢＴ）は、回路駆動により発熱するため、冷却する必要がある。半導体部材の冷却性を向上するために、半導体部材に水冷式の冷却部材を接触させることが提案されている。例えば、特開２００１−３２０００５号公報（特許文献１）では、複数の半導体部材に、内部に冷媒流路が形成された冷却チューブを密接させて、当該冷却チューブに冷媒を流すことで半導体部材を冷却している。
【０００３】
特許文献１に係る冷却装置では、同じ長さの複数の冷却チューブが平行に配置されている。また、入口ヘッダ及び出口ヘッダが、各冷却チューブに対して垂直に配置されている。各冷却チューブの冷媒流入側の一端は入口ヘッダに接続され、冷媒流出側の他端は出口ヘッダに接続されている。入口ヘッダの冷媒取込口と出口ヘッダの冷媒排出口は同じ方向に配置されており、冷媒取込口から入口ヘッダ内に流れ込んだ冷媒は入口ヘッダ〜冷却チューブ〜出口ヘッダと進み、Ｕ字を描くようにして冷媒排出口から流れ出していく。なお、入口ヘッダの冷媒流路の断面積と、出口ヘッダの冷媒流路の断面積は等しい。
【特許文献１】特開２００１−３２０００５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に係る冷却装置では、冷媒が入口ヘッダ内を冷媒取込口から先端方向に進むほど、冷媒の一部が冷却チューブに分岐するため、入口ヘッダ内を流れる冷媒の流速は遅くなり、冷媒の動圧は減少していく。ここで、冷媒の静圧と動圧を加算した総圧はほぼ一定であるため、冷媒の動圧の減少に応じて冷媒の静圧は増加する。一方、冷却チューブを通過した冷媒が出口ヘッダ内を先端側から冷媒排出口方向に進むほど、冷却チューブから出口ヘッダに冷媒が流れ込むため、出口ヘッダ内を流れる冷媒の流速は速くなり、冷媒の動圧は増加していく。ここで、冷媒の静圧と動圧を加算した総圧はほぼ一定であるため、冷媒の動圧の増加に応じて冷媒の静圧は減少する。
【０００５】
入口ヘッダにおける冷媒の静圧の上昇率と、出口ヘッダにおける冷媒の静圧の降下率が等しければ、冷媒流入側一端における冷媒静圧と冷媒流出側他端における冷媒静圧の差圧は各冷却チューブについて等しくなり、全ての冷却チューブの冷媒流量は等しくなるはずである。しかし、実際には冷却チューブの冷媒流量は等しくならない。この理由は、冷媒の分岐による圧力損失と、冷媒の合流による圧力損失が異なることに起因している。
【０００６】
つまり、冷媒の分岐による圧力損失は比較的に小さく、特に入口ヘッダの冷媒流路の断面積よりも冷却チューブの冷媒流路の断面積が十分に小さい場合には、冷媒の分岐による圧力損失は無視できる程度である。一方、冷媒の合流による圧力損失は比較的に大きく、無視することはできない。このように冷媒の分岐による圧力損失と冷媒の合流による圧力損失は大きさが異なるため、入口ヘッダにおける冷媒の静圧の上昇率と出口ヘッダにおける冷媒の静圧の降下率は等しくならない。このため、冷媒流入側一端における冷媒静圧と冷媒流出側他端における冷媒静圧の差圧は、冷媒取込口側及び冷媒排出口に近い冷却チューブほど大きくなり、冷媒取込口側及び冷媒排出口から遠い冷却チューブほど小さくなる。よって、冷却チューブ内を流れる冷媒の流量は冷却チューブごとに異なり、冷却チューブの冷媒流量のバラツキが生じている。
【０００７】
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、入口ヘッダの静圧の上昇率と出口ヘッダの静圧の降下率を近づけることで、冷却チューブの冷媒流量のバラツキを抑制することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の半導体冷却装置は、複数の半導体部材を冷却する半導体冷却装置において、半導体部材に密接した受熱面を有し、内部に冷媒流路が形成された複数の冷却チューブと、複数の冷却チューブの冷媒流入側の一端に接続され、内部に冷媒流路が形成された管状の入口ヘッダと、複数の冷却チューブの冷媒流出側の他端に接続され、内部に冷媒流路が形成された管状の出口ヘッダと、を有し、出口ヘッダの冷媒流路の断面積は、入口ヘッダの冷媒流路の断面積の１．２倍〜２．０倍であることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、出口ヘッダの冷媒流路の断面積が入口ヘッダの冷媒流路の断面積の１．２倍〜２．０倍となっているため、出口ヘッダの管摩擦損失よりも入口ヘッダの管摩擦損失の方が大きい。よって、入口ヘッダにおける冷媒分岐による圧力損失と管摩擦損失の総和と、出口ヘッダにおける冷媒合流による圧力損失と管摩擦損失の総和が近い値となる。よって、入口ヘッダにおける冷媒静圧の上昇率と出口ヘッダにおける冷媒静圧の降下率が近くなり、全ての冷却チューブの冷媒流量をほぼ等しくして、冷媒流量のバラツキを抑制することができる。これによれば、同程度に発熱する複数の半導体部材に対して各冷却チューブの冷媒流量を等しくすることで、全ての半導体部材をより均一に冷却することができる。こうすることで、各半導体部材の温度バラツキが低減されるため、各半導体部材の性能を十分に引き出して半導体回路全体の高性能化を実現することができる。
【００１０】
また、半導体冷却装置では、出口ヘッダの冷媒流路の断面積は、入口ヘッダの冷媒流路の断面積の１．３倍〜１．８倍であることが好ましい。この構成によれば、冷却チューブの流量バラツキが特に小さくなり、半導体部材の温度バラツキを十分に小さくすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の半導体冷却装置によれば、入口ヘッダの静圧の上昇率と出口ヘッダの静圧の降下率を近づけて、冷却チューブの冷媒流量のバラツキを抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して、本発明の半導体冷却装置１０の好適な実施形態について説明する。図１には、半導体冷却装置１０の構成の概略が示されている。半導体冷却装置１０は、複数の冷却チューブ１４、入口ヘッダ１６及び出口ヘッダ１８を含んで構成されている。
【００１３】
複数の半導体部材１２により、交流モータを駆動するためのインバータ回路が形成されている。複数の半導体部材１２は、例えば、ＩＧＢＴ素子が形成された半導体チップと、フライホイールダイオードが形成された半導体チップと、で構成された半導体モジュールである。半導体チップには、フライホイールダイオードがいわゆる逆並列で接続されている。各半導体モジュールは、略平板形状であり、板面を紙面に対して垂直にして配置されている。また、複数の半導体モジュールは、その板面を互いに平行にして、板面に垂直な方向に離間して一定距離ごとに配置されている。なお、半導体部材１２は、ＩＧＢＴ素子が形成された半導体チップのみで構成してもよい。
【００１４】
複数の冷却チューブ１４のそれぞれは、例えば、アルミニウム合金が引き抜き成形法あるいは押し出し成形法で成形された板材を必要な長さに切断して作製されている。各冷却チューブ１４の内部には、入口ヘッダ１６から出口ヘッダ１８の方向に延在する多数の細孔が形成されており、これらの細孔が冷媒流路となっている。複数の冷却チューブ１４は、半導体部材１２の左右両面に密接して配置されている。各冷却チューブ１４は半導体部材１２と接合されており、各半導体部材１２は一対の冷却チューブ１４により挟持されている。半導体部材１２に密接した各冷却チューブ１４の一面が、半導体部材１２の発熱を吸収する受熱面となっている。
【００１５】
入口ヘッダ１６は、長手方向を左右に向けて配置された管状の部材であり、その内部には、長手方向に沿って冷媒流路が形成されている。入口ヘッダ１６の図示されない右端には冷媒取込口が配置されており、当該冷媒取込口は冷媒配管に接続されている。当該冷媒流路を長手方向に垂直な面で切断した断面積は、長手方向の各位置で一定の値ＡＩＮとなっている。入口ヘッダ１６の下側一面には複数のスリットが平行に形成されており、各スリットには冷却チューブ１４の冷媒流入側の一端が垂直に差し込まれ、接合されている。
【００１６】
出口ヘッダ１８は、長手方向を左右に向けて配置された管状の部材であり、その内部には、長手方向に沿って冷媒流路が形成されている。出口ヘッダ１８の図示されない左端には冷媒排出口が配置されており、当該冷媒排出口は冷媒配管に接続されている。当該冷媒流路を長手方向に垂直な面で切断した断面積は、長手方向の各位置で一定の値ＡＯＵＴとなっている。出口ヘッダ１８の上側一面には複数のスリットが平行に形成されており、各スリットには冷却チューブ１４の冷媒流出側の一端が垂直に差し込まれ、接合されている。
【００１７】
入口ヘッダ１６及び出口ヘッダ１８がそれぞれ接続される冷媒配管はラジエータに連通しており、ラジエータから送られてくる低温冷媒が冷媒配管を経由して入口ヘッダ１６の冷媒流路に流れ込む。低温冷媒は、入口ヘッダ１６から各冷却チューブ１４の冷媒流路に流れ込み、冷却チューブ１４のアルミ材を介して半導体部材１２と熱交換する。これにより高温となった冷媒は、各冷却チューブ１４から出口ヘッダ１８の冷媒流路に流れ込み、その後、冷媒配管を経由してラジエータに送られる。このように、冷媒を半導体冷却装置１０の内部でＵ字状に折り返して循環させることにより、半導体部材１２の冷却が行われる。
【００１８】
上述した半導体冷却装置１０では、出口ヘッダ１８の冷媒流路の断面積ＡＯＵＴを、入口ヘッダ１６の冷媒流路の断面積ＡＩＮの１．５倍としている。この構成とすることで、入口ヘッダ１６における冷媒の静圧上昇率と出口ヘッダ１８における冷媒の静圧降下率を近づけて、全ての冷却チューブ１４の冷媒流量を等しくすることができる。この作用について、以下に詳しく説明する。
【００１９】
冷媒が入口ヘッダ１６内を右から左に流れる際には、冷媒の一部が冷却チューブ１４に分岐して流れるため、冷媒が入口ヘッダ１６内を左に進むほど、冷媒の流速が低下して冷媒の動圧が降下する。その一方で、冷媒の静圧は上昇する。ここで、冷媒の一部が冷却チューブ１４に分岐するときに冷媒の分岐により圧力損失が生じるが、当該圧力損失は無視できるほど小さく冷媒の静圧にほとんど影響しない。また、冷媒が入口ヘッダ１６内を進むときに、冷媒流路の断面積ＡＩＮに応じた管摩擦損失が生じている。
【００２０】
一方、冷媒が出口ヘッダ１８内を左から右に流れる際には、冷媒の一部が冷却チューブ１４から合流するため、冷媒が出口ヘッダ１８内を右に進むほど、冷媒の流速が上昇して冷媒の動圧が上昇する。その一方で、冷媒の静圧は降下する。ここで、冷媒の一部が冷却チューブ１４から合流するときに冷媒の合流により圧力損失が生じる。この冷媒の合流による圧力損失は比較的に大きく、冷媒の静圧に影響する。また、冷媒が出口ヘッダ１８内を進むときに、冷媒流路の断面積ＡＯＵＴに応じた管摩擦損失が生じている。
【００２１】
ここで本実施形態では、出口ヘッダ１８の冷媒流路の断面積ＡＯＵＴが入口ヘッダ１６の冷媒流路の断面積ＡＩＮの１．５倍とされているため、出口ヘッダ１８の管摩擦損失よりも入口ヘッダ１６の管摩擦損失の方が適度に大きい。よって、入口ヘッダ１６における冷媒分岐による圧力損失と管摩擦損失の総和と、出口ヘッダ１８における冷媒合流による圧力損失と管摩擦損失の総和が近い値となる。よって、入口ヘッダ１６における冷媒静圧の上昇率と出口ヘッダ１８における冷媒静圧の降下率が近くなり、全ての冷却チューブ１４の冷媒流量をほぼ等しくして、冷媒流量のバラツキを抑制することができる。
【００２２】
これによれば、同程度に発熱する複数の半導体部材１２に対して各冷却チューブ１４の冷媒流量を等しくすることで、全ての半導体部材１２をより均一に冷却することができる。こうすることで、各半導体部材１２の温度バラツキが低減されるため、各半導体部材１２の性能を十分に引き出して半導体回路全体の高性能化を実現することができる。
【００２３】
なお、上述した実施形態では、冷却チューブ１４内の流量バラツキを最小とするために、入口ヘッダ１６の流路断面積ＡＩＮに対する出口ヘッダ１８の流路断面積ＡＯＵＴの比である断面積比ＡＯＵＴ／ＡＩＮを１．５倍としたが、冷媒流路の断面積比はこれに限られない。図２に示すように、冷媒流路の断面積比ＡＯＵＴ／ＡＩＮを１．２倍〜２．０倍とすれば、冷却チューブ１４内の流量バラツキを小さくして、半導体部材１２の温度バラツキを実用に耐える程度に小さくすることができる。さらに、冷媒流路の断面積比ＡＯＵＴ／ＡＩＮを１．３倍〜１．８倍とすれば、冷却チューブ１４内の流量バラツキは１０％以下となり、半導体部材１２の温度バラツキを十分に小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】半導体冷却装置の構成を示す概略図である。
【図２】断面積比に対する流量ばらつきを示すグラフである。
【符号の説明】
【００２５】
１０…半導体冷却装置、１２…半導体部材、１４…冷却チューブ、１６…入口ヘッダ、１８…出口ヘッダ。
【図１】
2006210819.tif 000003
【図２】
2006210819.tif 000004