(57)【要約】【課題】物質の相変化時の熱吸収を利用することにより、半導体装置等が発生させる熱を充分に蓄熱及び放熱でき、簡単に構成できる冷却装置の提供。【解決手段】半導体装置１を冷却する冷却装置において、半導体装置１が外面に固定される箱体３と、１００℃よりも高く、半導体装置１の機能が一部又は全部喪失する温度よりも低い温度に融点を持ち、箱体３内に封入された蓄熱材４とを備えるようにした。また、蓄熱材４を、加熱されて固相から液相になったときの体積が箱体３の容積未満になるようにした。さらに、箱体３の内壁に連結されて蓄熱材４の内部に導入された放熱部材５を備えるようにした。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体装置を冷却する冷却装置において、
前記半導体装置が外面に固定される箱体と、１００℃よりも高く、前記半導体装置の機能が一部又は全部喪失する温度よりも低い温度に融点を持ち、前記箱体内に封入された蓄熱材とを備えることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記蓄熱材は、加熱されて固相から液相になったときの体積が前記箱体の容積未満であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記箱体の内壁に連結されて前記蓄熱材の内部に導入された放熱部材を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば車両用操舵装置に備えられた半導体装置を冷却する冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
車両用操舵装置の一種である電動パワーステアリング装置、及びステアバイワイヤ式と称される車両用操舵装置は、操舵部材（ステアリングホイール）の回転操作に応じて駆動制御されるモータを備え、該モータが発生する力を、操向車輪が連結された舵取軸に加えて操舵を補助する又は舵取りを行うものである。
【０００３】
前記モータの駆動回路は、基板上に実装された半導体装置及びその他の回路部品等により構成されており、この半導体装置等は、モータの駆動電流が流れることにより発熱する。
【０００４】
前述の電動パワーステアリング装置及びステアバイワイヤ式の車両用操舵装置においては、操舵部材を操作範囲の端まで操作して固定したとき、操向車輪が縁石に乗り上げたとき、又は操向車輪が溝に嵌り込んだとき等は、舵取軸の動きが外力により固定される。このとき、モータは回転せずに出力トルクが維持されている状態となっており、また、モータの駆動回路を流れる電流も舵取軸が固定された瞬間の値を維持した状態となる。
【０００５】
また、モータがブラシレスＤＣモータであり、３相正弦波駆動方式にて駆動されている場合、前述のような状態においては、定常時に対して電流の損失が約２倍となることから、駆動回路を構成する半導体装置等は定常時に対して急激に発熱することになる。
【０００６】
この発熱により半導体装置等の温度が上昇するが、半導体装置は熱に弱いために、半導体装置の温度を下げるためのヒートシンク等の冷却装置が従来から用いられている。
【０００７】
電気器具においての半導体装置を冷却する冷却装置として、箱体の内部に低融点物質を封入し、半導体装置を止着した放熱板を前記低融点物質に接触させたものが開示されている（特許文献１参照）。
【０００８】
また、電動モータと、前輪アクチュエータと、モータを制御する回路を設けた基板とを備え、前記電動モータのケース及び前記前輪アクチュエータのケースの間に、前記基板を組み込んだケースを組み付け、該ケースに充填材を封入した電動パワーステアリング装置が開示されている（特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−１１１８９８号公報
【特許文献２】
特開平９−１３６６５２号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１に記載された半導体装置の冷却装置は、炊飯器等の調理器具に搭載されることを想定している。このため、この冷却装置の雰囲気温度はあまり高くなく、箱体内に封入される低融点物質は１００℃以下で完全に融解しているべきであるとされている。
【００１１】
しかしながら、車両用操舵装置においては、車両のエンジンルーム内に配設されることが多く、このエンジンルーム内の温度は１２０℃にも達する。特許文献１に記載された半導体装置の冷却装置を車両用操舵装置に適用した場合は、雰囲気温度により低融点物質が融解した状態となり、冷却装置として十分な性能を発揮できずに半導体装置の温度が上昇して故障することが想定される。
【００１２】
また、特許文献２に記載された電動パワーステアリング装置は、モータのケースと前輪アクチュエータのケースとの間に組み付けられた基板のケース内に充填材を封入するから、充填時の作業性が悪く、電動パワーステアリング装置を組み立てる工程時間を上昇させることが考えられる。
【００１３】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、物質の相変化時の熱吸収を利用することにより、半導体装置等が発生させる熱を充分に蓄熱及び放熱でき、簡単に構成できる冷却装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
第１発明に係る冷却装置は、半導体装置を冷却する冷却装置において、前記半導体装置が外面に固定される箱体と、１００℃よりも高く、前記半導体装置の機能が一部又は全部喪失する温度よりも低い温度に融点を持ち、前記箱体内に封入された蓄熱材とを備えることを特徴とする。
【００１５】
第１発明においては、電流が半導体装置に流れることにより発生する熱は、箱体に伝導され、箱体内に封入された蓄熱材に伝導される。蓄熱材は、伝導された熱により昇温され、融点に達したとき、伝導された熱を吸収しながら融解し、融解が全て完了するまで融点の温度近傍を維持する。蓄熱材が融解するために吸収する熱量は、固相の蓄熱材を昇温させる熱量に対して非常に大きいから、小さい体積でも多くの熱量を吸収でき、半導体装置の発熱を効率よく蓄熱できる。
【００１６】
第２発明に係る冷却装置は、第１発明における前記蓄熱材は、加熱されて固相から液相になったときの体積が前記箱体の容積未満であることを特徴とする。
【００１７】
第２発明においては、伝導された熱で蓄熱材が融解して液相になり、固相時より体積が膨張しても、蓄熱材は、液相時の体積が箱体の容積未満であるから、箱体に内圧が加わらず、冷却装置から蓄熱材が噴き出すような不具合もない。
【００１８】
第３発明に係る冷却装置は、第１発明又は第２発明において、前記箱体の内壁に連結されて前記蓄熱材の内部に導入された放熱部材を備えることを特徴とする。
【００１９】
第３発明においては、半導体装置が発生する熱が箱体から放熱部材に伝導され、放熱部材から蓄熱材の内部にも熱が伝導されるから、効率よく熱を吸収することができ、半導体装置の温度を過度に上昇させることがない。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１は本発明に係る冷却装置の外観を示す斜視図である。
【００２２】
図において１は半導体装置であり、半導体装置１は、絶縁層を介して金属基板２上に実装されている。この半導体装置１は、その他の回路部品（図示せず）と共に、車両用操舵装置に備えられるモータの駆動回路等を構成している。
【００２３】
半導体装置１が実装された金属基板２は、箱体３の蓋部３ａの外面に固定されており、この金属基板２は、半導体装置１が発生させる熱を箱体３に伝導する熱伝導部材も兼ねる。蓋部３ａは、アルミニウム合金により形成された矩形の平板であり、この蓋部３ａと共に箱体３を構成する升状の収容部３ｂが有する開口部を塞ぎ、密閉するものである。収容部３ｂは、蓋部３ａと同様にアルミニウム合金により形成されており、内部に収容空間を備えている。収容部３ｂの一側面の外側には、矩形をなす複数のフィン３ｃが平行に略等間隔で凸設されている。
【００２４】
図２は本発明に係る冷却装置の断面図であり、図３は図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【００２５】
箱体３は、蓋部３ａを上側にして車両用操舵装置に配設されており、箱体３の内壁となる蓋部３ａの内面には、アルミニウム合金により形成された放熱部材５が連結されている。この放熱部材５は、蓋部３ａの内面に交叉するように連結された熱伝導軸５ａと、熱伝導軸５ａに連結されており、熱伝導軸５ａの略軸心から軸長方向に交叉する方向へ放射状に形成された放熱部５ｂとを備える。熱伝導軸５ａと蓋部３ａとの連結位置は、蓋部３ａの外面に固定された金属基板２上の半導体装置１の位置に対応している。
【００２６】
また、箱体３の内部には、スズ（Ｓｎ）：ビスマス（Ｂｉ）：亜鉛（Ｚｎ）が４０：５６：４の割合にて含有された蓄熱材４が封入されており、前述の放熱部材５は、蓄熱材４の内部に導入された状態となっている。この蓄熱材４は、液相時の体積が、収容部３ｂと蓋部３ａとにより形成される内部空間の体積から放熱部材５の体積を引いた空間の体積、つまり、箱体３の容積未満になるように封入されている。このため、蓄熱材４が固相のときは、蓄熱材４が収縮するために、箱体３の内部空間の蓋部３ａ側に減圧された空隙６が形成されている。蓄熱材４は、本発明に係る冷却装置が配設される場所の最高雰囲気温度よりも高く、保護しようとする半導体装置１の機能が一部又は全部喪失する温度（機能保証温度）よりも低い温度に融点を持つものである。本実施の形態においては、冷却装置が配設される場所の最高雰囲気温度は１２０℃であり、保護しようとする半導体装置１の機能保証温度は１５０℃である。そして、前述の蓄熱材４の融点は１３０℃である。
【００２７】
以上のような冷却装置を構成するには、融点以上に熱して液相にした蓄熱材４を箱体３の容積よりも少ない量だけ収容部３ｂの内部に入れ、放熱部材５が連結された蓋部３ａを、放熱部材５が液相の蓄熱材４に浸かるように組み付ければよい。そうすると自然冷却することにより蓄熱材４は凝固する。このようにして構成することにより、放熱部材５を簡単に蓄熱材４の内部に導入することができる。また、蓄熱材４が液相のときに箱体３の内部に封入するから、箱体３内に形成された空隙６は、蓄熱材４が凝固して収縮することにより減圧される。固相の蓄熱材４が熱せられて液相になり、熱膨張によって体積が増加しても、箱体３の内圧は大気圧より高くならず、箱体３から蓄熱材４が噴出することもない。
【００２８】
本発明に係る冷却装置に固定された金属基板２上の半導体装置１が通電されることにより熱を発生させた場合、この熱は、金属基板２から蓋部３ａに伝導される。蓋部３ａに伝導された熱は、主に熱伝導軸５ａに伝導され、熱伝導軸５ａから放熱部５ｂへ伝導される。放熱部５ｂに伝導された熱は蓄熱材４に伝導され、蓄熱材４を昇温させる。蓄熱材４は、昇温されて融点１３０℃に達したときに融解を始め、熱を吸収しつつ融解を進行させ、融解が完全に終了するまで融点である１３０℃近傍の温度を維持すると共に蓄熱し、半導体装置１が発生させる熱を吸収する。融解が全て終了し、液相となった蓄熱材４に熱が加え続けられた場合は、１３０℃以上に昇温される。蓄熱材４に加えられた熱は、箱体３の収容部３ｂに伝導され、収容部３ｂの外面及びフィン３ｃから空気中に放熱される。
【００２９】
本発明に係る冷却装置は、箱体３の内部に封入した蓄熱材４が融解するときに熱を吸収することを利用する。融解するときに吸収する熱量は、固相時の熱容量よりも１０倍以上大きいため、蓄熱及び放熱する部分を小さい体積としても、十分に熱を吸収して蓄熱し、放熱することができる。よって、冷却装置全体を小型化できる。
【００３０】
また、蓄熱材４は、融解しているとき、熱を吸収して温度を略一定に保つから、半導体装置１の温度変化を緩やかにすることができ、半導体装置１の性能安定性を高めることができる。
【００３１】
また、箱体３の形状を必要な形状に形成し、この箱体３の内部に蓄熱材４を封入することにより冷却装置が構成できるから、簡単に構成でき、冷却装置の形状の自由度も高い。
【００３２】
また、箱体３の内部に封入する蓄熱材４は、箱体３を構成する材料と反応しないものであればよいため、取扱いが簡単である。
【００３３】
また、箱体３の内壁に連結されて蓄熱材４の内部に導入された放熱部材５を備えたから、蓄熱材４の内部にも熱を伝導することができ、効率よく蓄熱して半導体装置１の温度を過度に上昇させることがない。
【００３４】
さらに、放熱部材５が、箱体３の内壁に連結した熱伝導軸５ａと、熱伝導軸５ａに連結されており、熱伝導軸５ａの略軸心から熱伝導軸５ａの軸長方向に交叉する方向に放射状に形成された放熱部５ｂとを備えるから、伝導する熱を蓄熱材４全体に伝えることができ、半導体装置１が急激に発熱しても、効率よく蓄熱して半導体装置１の温度上昇を緩やかにすることができる。
【００３５】
以上の実施の形態では、蓄熱材４を、スズ（Ｓｎ）：ビスマス（Ｂｉ）：亜鉛（Ｚｎ）が４０：５６：４の割合にて含有された物質としたが、蓄熱材４は、前記割合の物質に限定されず、異なる割合の物質でもよい。また、蓄熱材４は、前述のスズ（Ｓｎ）、ビスマス（Ｂｉ）及び亜鉛（Ｚｎ）が含有された物質に限らず、例えばハンダ等、冷却装置が配設される場所の最高雰囲気温度よりも高く、保護しようとする半導体装置１の機能が一部又は全部喪失する温度（機能保証温度）よりも低い温度に融点を持つ物質であればよい。
【００３６】
また、放熱部材５を蓋部３ａの内面に連結しているが、放熱部材５を連結する場所は、蓋部３ａの内面に限らず、箱体３の内壁であればどこでもよい。なお、熱源となる半導体装置１が固定された面に対応して連結したほうが、熱伝導経路の観点から好ましい。
【００３７】
また、放熱部材５は、箱体３の内壁に連結された熱伝導軸５ａと、熱伝導軸５ａに連結されており、熱伝導軸５ａの略軸心から熱伝導軸５ａの軸長方向に交叉する方向に放射状に形成された放熱部５ｂとを備えるようにしたが、放熱部材５の形状はこれに限らず、例えば図４に示したように、蓋部３ａの内面から箱体３の内部に凸設された複数のフィン状の放熱部材５等、他の形状としてもよい。
【００３８】
また、半導体装置１が実装された金属基板２は、蓋部３ａの外面に固定したが、金属基板２を固定する位置は、蓋部３ａの外面に限らず、収容部３ｂの側面の外側又は底面の外側等、他の場所でもよい。
【００３９】
また、収容部３ｂの一側面の外側に複数のフィン３ｃを凸設したが、フィン３ｃを凸設する場所は、一側面の外側に限らず、例えば、底面の外側又は側面の外側全面等、他の場所でもよい。
【００４０】
また、半導体装置１は、金属基板２を介して箱体３に当接したが、箱体３に直接当接させてもよい。
【００４１】
また、、箱体３の蓋部３ａ及び収容部３ｂをアルミニウム合金にて形成したが、蓋部３ａ及び収容部３ｂを形成する材料は、アルミニウム合金に限らず、他の材料にて形成してもよい。
【００４２】
さらに、以上の実施の形態では、車両用操舵装置に備えられるモータの駆動回路等を構成している半導体装置１を冷却する冷却装置として説明したが、本発明に係る冷却装置は、前記半導体装置１を冷却するものに限らず、他の用途、目的の半導体装置を冷却するものでもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上、詳述したように、第１発明に係る冷却装置においては、半導体装置が発生させた熱を、箱体の内部に封入された蓄熱材が融解することにより吸収するから、十分に蓄熱することができる。融解時に吸収する熱量は、固相の蓄熱材を昇温させる熱量よりも非常に大きいから、冷却装置を小型化できる。また、冷却装置の構成も単純なため、簡単に構成できる。
【００４４】
また、第２発明に係る冷却装置においては、蓄熱材は、加熱されて固相から液相になったときの体積が箱体の容積未満であるから、伝導された熱で蓄熱材が融解して液相になり、固相時より体積が膨張しても、箱体に内圧が加わらず、冷却装置から蓄熱材が噴き出すような不具合もない。
【００４５】
さらに、第３発明に係る冷却装置においては、半導体装置が発生させた熱を放熱部材を介して蓄熱材の内部にも伝導できるから、効率よく熱を吸収して蓄熱し、半導体装置の過度の温度上昇を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明に係る冷却装置の断面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。
【図４】放熱部材の他の形態を示す断面図である。
【符号の説明】
１  半導体装置
３  箱体
４  蓄熱材
５  放熱部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004247423.tif 000005
【図４】
2004247423.tif 000006