(57)【要約】【課題】吸熱器における熱伝達率の低下を抑制しつつ、半導体素子の温度が耐熱温度を超えることを阻止できる沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】沸騰冷却装置１０は、吸熱器１１の内圧を調節する圧力調節機構１３と、半導体素子２１の温度を検出するための温度センサ１５と、吸熱器１１における冷媒の沸騰開始前に、圧力調節機構１３を駆動して吸熱器１１の内圧を低下させ、半導体素子２１への通電開始後に、温度センサ１５に基づいて半導体素子２１の温度変化として所定量の温度低下が検出されると、圧力調節機構１３を駆動して吸熱器１１の内圧を増加させる圧力制御部とを備えている。【選択図】図２
2016115805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環する冷媒回路に、半導体素子から伝達された熱を冷媒が吸収して沸騰する吸熱器が接続された沸騰冷却装置であって、
前記吸熱器の内圧を調節する圧力調節機構と、
前記半導体素子の温度を検出するための温度センサと、
前記吸熱器における冷媒の沸騰開始前に、前記圧力調節機構を駆動して前記吸熱器の内圧を低下させ、前記半導体素子への通電開始後に、前記温度センサに基づいて前記半導体素子の温度変化として所定量の温度低下が検出されると、前記圧力調節機構を駆動して前記吸熱器の内圧を増加させる圧力制御部とを備えている、沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子の冷却に使用される沸騰冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷媒が沸騰する際の気化潜熱を利用する沸騰冷却装置が知られている。特許文献１には、半導体素子に対応して複数の熱吸収流路が並列に設けられた沸騰冷却装置が記載されている。複数の熱吸収流路は、供給流路と還流流路との間に設けられている。この沸騰冷却装置には、還流流路内の容積又は供給流路内の容積を変更可能な流通抵抗可変機構が設けられている。この沸騰冷却装置では、熱吸収流路で冷媒の沸騰中に微小な気泡が過多となることで冷媒の流通が阻害される状況を解消するために、流通抵抗可変機構によって、還流流路内の容積又は供給流路内の容積が調節される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−４１００５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の沸騰冷却装置は、冷媒が沸騰を開始するときの沸騰開始温度の再現性に問題がある。つまり、沸騰開始温度が常に同じにはならない。具体的に、沸騰冷却装置の停止状態では、冷媒が沸騰する吸熱器のうち、半導体素子からの熱が冷媒に伝達される伝熱面に、微細な気泡が保持される。この伝熱面に保持される気泡が少ない場合、次の運転の際に冷媒が沸騰しにくくなる。沸騰冷却装置の停止後に伝熱面の温度が比較的低い温度にまで低下する場合、伝熱面に保持される気泡が少なくなり、次の運転の際に沸騰開始温度が高くなる。
【０００５】
ここで、通電開始後の半導体素子の温度は、冷媒の沸騰開始の直後にピークになり、その後はピークよりも低い温度で維持される。従来の沸騰冷却装置では、冷媒の沸騰中に還流流路内の容積又は供給流路内の容積が調整され、吸熱器の内圧が変化するが、沸騰開始温度が高くなる状況は想定されていない。沸騰開始温度が高くなる場合に、半導体素子の温度のピークも高くなり、半導体素子の温度が耐熱温度を超える虞がある。また、冷媒の沸騰中に吸熱器の内圧を低下させると、吸熱器では伝熱面における熱伝達率が低下する。
【０００６】
本発明は、吸熱器における熱伝達率の低下を抑制しつつ、半導体素子の温度が耐熱温度を超えることを阻止できる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の発明は、冷媒が循環する冷媒回路に、半導体素子から伝達された熱を冷媒が吸収して沸騰する吸熱器が接続された沸騰冷却装置であって、吸熱器の内圧を調節する圧力調節機構と、半導体素子の温度を検出するための温度センサと、吸熱器における冷媒の沸騰開始前に、圧力調節機構を駆動して吸熱器の内圧を低下させ、半導体素子への通電開始後に、温度センサに基づいて半導体素子の温度変化として所定量の温度低下が検出されると、圧力調節機構を駆動して前記吸熱器の内圧を増加させる圧力制御部とを備えている。
【０００８】
第１の発明では、吸熱器における冷媒の沸騰開始前に、圧力調節機構を駆動して吸熱器の内圧を低下させる。そのため、吸熱器の伝熱面に保持される気泡が少ない場合に沸騰開始温度が高くなることが阻止される。そして、半導体素子への通電開始後に、温度センサに基づいて半導体素子の温度変化として所定量の温度低下が検出されると、圧力調節機構を駆動して吸熱器の内圧を増加させる。半導体素子の温度変化として所定量の温度低下を検出することで、吸熱器における冷媒の沸騰開始を検出できる。第１の発明では、吸熱器における冷媒の沸騰が開始されると、吸熱器の内圧を増加させる。そのため、冷媒の沸騰中に、吸熱器の伝熱面における熱伝達率が低下することが抑制される。
【発明の効果】
【０００９】
第１の発明では、吸熱器における冷媒の沸騰開始前に吸熱器の内圧を低下させることで、沸騰開始温度が高くなることを阻止し、冷媒の沸騰開始後に吸熱器の内圧を増加させることで、冷媒の沸騰中に吸熱器における熱伝達率が低下することを抑制している。沸騰開始温度が高くなることが阻止されるため、冷媒の沸騰開始の直後における半導体素子のピークの温度が高くなることも阻止される。従って、吸熱器における熱伝達率の低下を抑制しつつ、半導体素子の温度が耐熱温度を超えることを阻止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態に係る沸騰冷却装置の概略構成図
【図２】制御部で行われる処理のフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図１−図２を参照しながら、実施の形態について詳細に説明する。本実施の形態は、本発明に係る沸騰冷却装置１０である。沸騰冷却装置１０は、吸熱器１１に接続された圧力調整機構１３を利用して、吸熱器１１における冷媒の沸騰開始前に吸熱器１１の内圧を低下させ、冷媒の沸騰開始後に吸熱器１１の内圧を増加させるように構成されている。
【００１２】
［沸騰冷却装置の構成］
沸騰冷却装置１０は、自動車などで使用されるパワー半導体素子を冷却する装置である。沸騰冷却装置１０は、車両に搭載される。沸騰冷却装置１０は、例えば車両の駆動モータ用のインバータを構成する半導体素子２１（スイッチ素子）を冷却する。半導体素子２１は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。
【００１３】
図１は、沸騰冷却装置１０の概略構成図である。沸騰冷却装置１０は、冷媒が循環する冷媒回路２５と、沸騰冷却装置１０を制御する制御部３０とを備えている。冷媒回路２５には、冷媒を循環させるポンプ５と、半導体素子２１から伝達された熱を液冷媒（液状態の冷媒）に吸収させる吸熱器１１と、ガス冷媒（ガス状態の冷媒）が放熱して凝縮する放熱器１２とが接続されている。冷媒回路２５では、放熱器１２の出口と吸熱器１１の入口との間に、ポンプ５が配置されている。冷媒回路２５は、気密状態に形成されている。冷媒には、使用温度範囲内に沸点があり、使用温度範囲外に融点があるものを選択することが望ましい。
【００１４】
ポンプ５は、制御部３０によって制御される。制御部３０は、半導体素子２１への通電開始（つまり、駆動モータの運転開始）に伴ってポンプ５の運転を開始する。ポンプ５の運転が行われると、冷媒回路２５では吸熱器１１と放熱器１２との間で冷媒が循環する。
【００１５】
図１に示すように、吸熱器１１は、例えば、液冷媒の流路を形成する密閉容器である。吸熱器１１内で液冷媒が沸騰を開始する前は、吸熱器１１内は液冷媒でほぼ満たされている。吸熱器１１の底板は、半導体素子２１が接合された放熱板２０（ヒートシンク）により構成されている。放熱板２０の上面は、液冷媒に接触する伝熱面を構成する。放熱板２０の下面には、半田などによって複数の半導体素子２１が接合されている。各半導体素子２１に通電を行うと、各半導体素子２１から発せられた熱が放熱板２０を介して液冷媒に吸収され、液冷媒が沸騰する。液冷媒が沸騰している間は、各半導体素子２１からの熱が気化潜熱として冷媒に吸収される。なお、放熱板２０の下面における半導体素子２１の数は、１つであってもよい。
【００１６】
吸熱器１１には、接続配管を介して圧力調整機構１３（減圧機構）が接続されている。圧力調整機構１３は、制御部３０によって制御される。圧力調整機構１３は、吸熱器１１の内圧を低下させた減圧状態に吸熱器１１内を調節するための機構である。圧力調整機構１３は、例えば、ポンプと貯留容器とを備えている。この場合、ポンプによって吸熱器１１の液冷媒を貯留容器に排出することによって、吸熱器１１の内圧が低下して、吸熱器１１内が減圧状態に調節される。また、ポンプによって貯留容器の液冷媒を吸熱器１１へ戻すことによって、吸熱器１１の内圧が増加して、圧力調整機構１３による減圧状態が解除される。なお、圧力調整機構１３は、ピストン機構であってもよい。この場合、ピストンの進退に伴って容積が変化するシリンダ室が吸熱器１１に繋がっている。ピストンを進退させてシリンダ室の容積を増減させることによって、吸熱器１１の内圧が調節される。
【００１７】
放熱器１２には、吸熱器１１で気化したガス冷媒が流入する。放熱器１２では、ガス冷媒が、放熱器１２の外壁を介して外部の空気に放熱して凝縮する。放熱器１２で凝縮した液冷媒は、ポンプ５を通過した後に、再び吸熱器１１に流入する。沸騰冷却装置１０では、吸熱器１１と放熱器１２との間で冷媒が循環することによって、半導体素子２１が継続的に冷却される。
【００１８】
また、沸騰冷却装置１０は、図１に示すように、第１温度センサ１５と、第２温度センサ１６と、圧力センサ１７とをさらに備えている。第１温度センサ１５と第２温度センサ１６と圧力センサ１７の各々は、制御部３０に接続されている。第１温度センサ１５は、半導体素子２１の温度を検出するためのセンサである。第１温度センサ１５の感温部は半導体素子２１に取り付けられている。第２温度センサ１６は、吸熱器１１内の液冷媒の温度を検出するためのセンサである。第２温度センサ１６の感温部は吸熱器１１内で液冷媒に接触している。圧力センサ１７は、吸熱器１１の内圧を検出するためのセンサである。圧力センサ１７の感圧部は、例えば上述の接続配管内に配置されている。
【００１９】
［沸騰冷却装置の制御部］
図１に示すように、制御部３０は、沸騰検出部３１と圧力制御部３２とを備えている。なお、制御部３０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）及びＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えたマイクロコンピュータである。制御部３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムをＣＰＵが実行することにより、沸騰検出部３１及び圧力制御部３２の各機能ブロックの処理を実現する。
【００２０】
沸騰検出部３１は、第１温度センサ１５の出力信号に基づいて半導体素子２１の温度を監視し、第２温度センサ１６の出力信号に基づいて吸熱器１１内の液冷媒の温度を監視する。具体的に、沸騰検出部３１には、第１温度センサ１５の出力信号及び第２温度センサ１６の出力信号の各々が逐次入力される。沸騰検出部３１は、第１温度センサ１５の出力信号に基づいて、所定のサンプリング周期で半導体素子２１の温度を検出する。沸騰検出部３１は、第２温度センサ１６の出力に基づいて、所定のサンプリング周期で吸熱器１１内の液冷媒を検出する。以下では、沸騰検出部３１によって検出される半導体素子２１の温度を「素子温度」と言い、沸騰検出部３１によって検出される吸熱器１１内の液冷媒を「冷媒温度」と言う。
【００２１】
沸騰検出部３１は、素子温度の変化に基づいて、吸熱器１１内で液冷媒の沸騰が開始されたか否かを検出する。また、沸騰検出部３１は、素子温度及び冷媒温度に基づいて、半導体素子２１への通電の停止後に、吸熱器１１の周囲の環境温度にまで、半導体素子２１の温度及び吸熱器１１内の液冷媒の温度が低下したか否かを検出する。
【００２２】
圧力制御部３２は、圧力センサ１７の出力信号に基づいて吸熱器１１の内圧を監視する。具体的に、沸騰検出部３１には、圧力センサ１７の出力信号が逐次入力される。沸騰検出部３１は、圧力センサ１７の出力信号に基づいて、所定のサンプリング周期で吸熱器１１の内圧を検出する。圧力制御部３２は、圧力センサ１７の出力信号に基づいて検出した吸熱器１１の内圧に基づいて、吸熱器１１内を減圧状態に調節する減圧制御を行う。減圧状態は、吸熱器１１の内圧が所定の設定圧力に調節された状態である。また、圧力制御部３２は、減圧状態を解除する減圧解除制御を行う。
【００２３】
［制御部の処理］
図２は、制御部３０で行われる処理のフローチャートである。制御部３０は、例えば、車両のイグニッションスイッチがオンされた後、又は、車両の走行中に駆動モータが停止された後などに、半導体素子２１への通電が停止された状態で、図２に示す処理を開始する。この状態では、ポンプ５も停止されている。ポンプ５の運転は、半導体素子２１への通電開始に伴って開始される。
【００２４】
ステップＳ１１では、制御部３０は、減圧実行条件が成立するか否かを判定する。減圧実行条件は、素子温度と冷媒温度とがほぼ等しい場合に成立する。減圧実行条件は、例えば、素子温度と冷媒温度との差が所定の第１判定値以下の場合に成立する。制御部３０は、素子温度と冷媒温度との差が第１判定値以下である場合、減圧実行条件が成立したと判定して、ステップＳ１２に進む。一方、制御部３０は、素子温度と冷媒温度との差が第１判定値以下ではない場合、減圧実行条件が成立していないと判定して、ステップＳ１１を再び行う。
【００２５】
ステップＳ１２において、制御部３０は、吸熱器１１内を減圧状態に調節する減圧制御を実行する。具体的に、制御部３０は、圧力調整機構１３に電力を供給して圧力調整機構１３を駆動する。圧力調整機構１３は、吸熱器１１の液冷媒を貯留容器に排出する。これに伴って、吸熱器１１の内圧が低下していく。制御部３０は、圧力センサ１７の出力信号に基づいて吸熱器１１の内圧が上述の設定圧力に到達したことを検出すると、圧力調整機構１３を停止する。液冷媒の沸騰が開始される前に、吸熱器１１内は、減圧前の通常状態よりも圧力が低い減圧状態に調節される。圧力調整機構１３の停止後に、ステップＳ１３に進む。なお、半導体素子２１への通電開始直後（つまり、ポンプ５の運転開始直後）に、吸熱器１１で液冷媒が沸騰するまでに、減圧制御を実行してもよい。
【００２６】
ステップＳ１３において、制御部３０は、減圧解除条件が成立するか否かを判定する。減圧解除条件は、半導体素子２１の温度変化として所定量の温度低下が検出された場合に成立する。ここで、図２に示す処理の開始後に、半導体素子２１への通電が開始されると、半導体素子２１の温度が上昇してゆく。これに伴って、吸熱器１１内の液冷媒の温度も上昇し、液冷媒が沸騰する。通電開始後の半導体素子２１の温度は、液冷媒の沸騰開始の直後まで上昇し、液冷媒の沸騰開始温度よりも少し高い温度まで急激に低下する。
【００２７】
制御部３０は、上述したように所定のサンプリング周期で素子温度を取得している。制御部３０には、素子温度がハンチングした場合を想定した場合の温度低下量（サンプリング周期での低下量）よりも大きい値として、第２判定値が予め設定されている。制御部３０は、前回サンプリングした素子温度から現在の素子温度を引いた値が第２判定値以上の場合、減圧解除条件が成立したと判定して（つまり、液冷媒の沸騰が開始されたと判定して）、ステップＳ１４に進む。一方、制御部３０は、前回サンプリングした素子温度から現在の素子温度を引いた値が第２判定値未満の場合、減圧解除条件が成立していないと判定して、ステップＳ１３を再び行う。
【００２８】
なお、冷媒温度の時間変化率を用いて、減圧解除条件が成立したか否かを判定してもよい。冷媒温度の時間変化率を用いて、吸熱器１１で液冷媒の沸騰が開始されたか否かを判定してもよい。つまり、この場合、冷媒温度の時間変化率（低下率）が所定の閾値よりも大きい場合に、減圧解除条件が成立したと判定される。また、図１では、１つの半導体素子２１に対してだけ第１温度センサ１５を設けているが、各半導体素子２１に対して第１温度センサ１５を設けてもよい。この場合、例えば複数の半導体素子２１の温度の平均値が、ステップＳ１１の判定及びステップＳ１３の判定に使用される。
【００２９】
ステップＳ１４において、制御部３０は、減圧状態を解除する減圧解除制御を実行する。具体的に、制御部３０は、圧力調整機構１３に電力を供給して圧力調整機構１３を駆動する。圧力調整機構１３は、貯留容器の液冷媒を吸熱器１１へ戻す。圧力調整機構１３は、貯留容器に液冷媒がなくなると停止する。減圧解除制御の結果、吸熱器１１の内圧が増加する。そのため、減圧解除制御の実行前に比べて、吸熱器１１の放熱板２０の伝熱面における熱伝達率が増加する。
【００３０】
［実施の形態の効果］
本実施の形態では、吸熱器１１における液冷媒の沸騰開始前に吸熱器１１の内圧を低下させることで、沸騰開始温度が高くなることを阻止し、液冷媒の沸騰開始後に吸熱器１１の内圧を増加させることで、液冷媒の沸騰中に吸熱器１１における熱伝達率が低下することを抑制している。沸騰開始温度が高くなることが阻止されるため、液冷媒の沸騰開始の直後における各半導体素子２１のピークの温度が高くなることも阻止される。従って、吸熱器１１における熱伝達率の低下を抑制しつつ、各半導体素子２１の温度が耐熱温度を超えることを阻止できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明は、半導体素子の冷却に使用される沸騰冷却装置などに適用可能である。
【符号の説明】
【００３２】
１０    沸騰冷却装置
１１    吸熱器
１２    放熱器
１３    圧力調整機構
２０    放熱板
２１    半導体素子
２５    冷媒回路
３０    制御部
３１    沸騰検出部
３２    圧力制御部
【図１】
2016115805.tif 000003
【図２】
2016115805.tif 000004