JP5086732B2

JP5086732B2 - 冷却装置

Info

Publication number: JP5086732B2
Application number: JP2007208634A
Authority: JP
Inventors: 貞久鬼丸; 啓仁松井; 剛前川
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP2009044015A

Description

本発明は、半導体パワー素子のような発熱素子を適切に冷却するための冷却装置に関する。

従来から、両面で放熱量が異なる半導体モジュールを効率的に冷却するために、冷媒が流れる流路を第１冷媒通路と第２冷媒通路とに分割し、第１冷媒通路に流入する冷媒の流量と第２冷媒通路に流入する冷媒の流量を異ならせて、第１冷媒通路側の冷却能力と第２冷媒通路側の冷却能力とを異ならせた冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この冷却装置では、半導体モジュールにおける放熱量が大きい方の面を、冷却能力が高い方の冷媒通路側に向け、半導体モジュールにおける放熱量が小さい方の面を、冷却能力が低い方の冷媒通路側に向けている。

また、発熱体を冷媒により冷却する液冷装置において、発熱体を均一に冷却するために、冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記冷媒が通流する副流路とを備え、上記主流路と上記副流路との間を仕切る壁に上記冷媒を通流させる連通流路が設けられている液冷装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００５−３１１０４６号公報特許第３９０８７０５号公報

しかしながら、上述の各特許文献に記載の構成では、いずれも冷却媒体の流れの方式（即ち冷却方式）は一定で変化しないので、冷却性能は主に冷却媒体の流量を調整することによって調整されることになるが、流量の調整だけでは発熱体の発熱状態に応じて適切に冷却性能を実現することが困難である。また、上述の特許文献２に記載の構成は、強制対流冷却方式と噴流冷却方式とを組み合わせた構成と考えることもできるが、連通流路での圧力損失の影響で副流路から主流路への流れ（噴流冷却）が実質的に生じない虞がある。

そこで、本発明は、強制対流冷却方式及び噴流冷却方式のそれぞれの特性を適切に生かすべく、発熱体の発熱状態に応じて強制対流冷却方式と噴流冷却方式との間で冷却方式の切替を行うことができる冷却装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明は、車両の走行制御に用いる半導体素子である発熱素子を冷却する冷却装置であって、
前記発熱素子を冷却媒体の強制対流により冷却する強制対流冷却手段と、
前記発熱素子を冷却媒体の噴流により冷却する噴流冷却手段と、
前記強制対流冷却手段による強制対流冷却状態と前記噴流冷却手段による噴流冷却状態の間を切替える冷却状態切替手段と、
車両の走行状態に基づいて、前記発熱素子の発熱状態を推定する発熱状態検出手段とを備え、
前記冷却状態切替手段は、前記発熱状態検出手段により推定された前記発熱素子の発熱状態に基づいて、前記発熱素子の発熱量が閾値を超えた場合には、前記強制対流冷却手段による強制対流冷却状態から前記噴流冷却手段による噴流冷却状態に切替え、
前記強制対流冷却手段は、ポンプと、前記発熱素子の冷却面に沿って流れる冷却媒体の流れを形成する強制対流流路と、前記強制対流流路への冷却媒体の流入口とを含み、
前記噴流冷却手段は、前記強制対流冷却手段と共通の前記ポンプと、前記強制対流流路に壁を介して隔てて形成された副流路と、前記副流路への冷却媒体の流入口と、前記壁に形成され、前記副流路から前記強制対流流路へと噴出する冷却媒体の噴流を形成する小孔とを含み、
前記冷却状態切替手段は、前記ポンプと前記副流路への流入口及び前記副流路への流入口との間に設けられるバルブを含み、該バルブは、前記ポンプから圧送される冷却媒体を前記強制対流流路への流入口及び前記副流路への流入口の双方に導く第１状態と、前記ポンプから圧送される冷却媒体を前記副流路への流入口のみに導く第２状態の間で切替わることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明に係る冷却装置において、
前記冷却状態切替手段は、前記ポンプ及び前記バルブを制御する手段を含み、前記発熱素子の発熱量が閾値を超えた場合には、前記バルブを前記第１状態から前記第２状態に切替えて前記強制対流冷却状態から前記噴流冷却状態に切替えると共に、前記ポンプの出力を増大することを特徴とする。

第３の発明は、第１の発明に係る冷却装置において、
前記壁の小孔は、前記噴流が前記発熱素子の冷却面に当たる位置に形成されることを特徴とする。

本発明によれば、発熱体の発熱状態に応じて強制対流冷却方式と噴流冷却方式との間で冷却方式の切替を行うことができる冷却装置が得られる。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態の説明を行う。

図１に本発明による実施例の冷却装置１の一実施例の全体構成、図２に図１のＡ−Ａ断面、図３及び図４に図２のＢ部の詳細構造、図５に図４のＣ−Ｃ断面を示す。

本実施例の冷却装置１は、ハウジング部１００と蓋部２００からなり、蓋部２００には半導体パッケージ２１０が取り付けられている。半導体パッケージ２１０は、図６に示すように、共に伝熱性の良い絶縁材料で形成されるベース部２１２とパッケージ部２１１からなり、パッケージ部２１１内に設けられた半導体素子２１３（図４、図５及び図７参照）の電極２２０はバスバー２２１に接続されている。図１ではバスバー２２１に半導体パッケージ２１０のひとつだけが接続されている様に省略して記載しているが、もちろんすべての半導体パッケージ２１０がバスバー２２１に繋がっていても良い。また、本例では、半導体素子２１３は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のようなスイッチング素子であるとする。半導体素子２１３は、例えばパワーＭＯＳＦＥＴのような、ＩＧＢＴ以外の任意の半導体パワー素子であってもよい。また、半導体パッケージ２１０の詳細な構造は、特開２００４−３６３３３７に記載のものと同一であってよい（図７参照）。

パッケージ部２１１の周辺には流路１１０（以下、「強制対流流路１１０」という）が形成されている。即ち、パッケージ部２１１は、その表面（伝熱面）に冷却媒体を導き強制対流冷却を行うために、強制対流流路１１０内の冷却媒体に浸漬されている。強制対流流路１１０は、半導体パッケージ２１０の表面に沿って平行に流れる冷却媒体の流れを形成する。隣接するフィン（縦壁）１２０の間には、強制対流流路１１０と副流路１２１（以下、「副流路１２１」という）が交互に画成される。フィン１２０には強制対流流路１１０と副流路１２１を連通する微小な孔１１１（たとえば孔径１ｍｍ）が開けられている。孔１１１は、半導体パッケージ２１０のパッケージ部２１１に正対する位置に設けられているが、特にパッケージ内部の半導体素子２１３（図４、図５及び図７参照）に正対していることが望ましい。即ち、孔１１１は、図３及び図４に最も良く示されているように、孔１１１からパッケージ部２１１に向けて噴出する冷却媒体が、パッケージ部２１１における半導体素子２１３を覆う面（冷却面）に略垂直方向に当たるように、配置され、孔１１１は、幅方向（図４の左右方向）のみならず高さ方向（図５の上下方向）に関しても、半導体素子２１３の略中心位置に対向することが望ましい。

ハウジング部１００には、冷却媒体の流入口３４０及び３４１が設けられ、流入口３４０及び３４１は切替機構３００に繋がっている。切替機構３００の中にはバルブ３３０があり、バルブ３３０を閉じると流入口３４０には流れなくなる。流入口３４０は強制対流流路１１０に繋がっている。流入口３４１はパイプ１３０に繋がっている。パイプ１３０には連通口１３１が設けられており副流路１２１に繋がっている。ハウジング部１００には流出口１５０が設けられており流出口１５０から出た冷却媒体は放熱器Ｒ、冷却媒体ポンプＰを通って切替機構３００の流入口３１０に繋がっている。バルブ３３０には駆動レバー３３１が設けられており、駆動レバー３３１は制御機構４００に接続されている。制御機構４００は、駆動レバー３３１を制御してバルブ３３０の開閉状態を制御する。制御機構４００は、また、冷却媒体ポンプＰに接続され、冷却媒体ポンプＰの出力を制御する。尚、図２において、参照符号１０１はハウジング部の外壁部、参照符号１０２は流路内に設けられた整流フィンを指示する。

次に、本実施例の冷却装置１の主要な作動を説明する。図８にフローチャートを示す。このフローチャートは、本実施例の冷却装置１をハイブリッド車のインバータ冷却に用いた場合を想定している。このフローチャートの処理は、制御機構４００に含まれるコンピューターのＣＰＵとメモリ内のソフトウェアにより実現される。

車両のＩＧがＯＮで走行状態のときに（Ｓ１０２）、Ｓ１０４において半導体素子２１３の発熱状態を検出する。これは、センサ等により直接素子温度を検出しても良いし、車両の走行状態が素子温度が高温となる条件（たとえば急加速や急な回生ブレーキ時）であることをハイブリッドＥＣＵ（図示せず）などの信号から判断（推定）しても良い。

Ｓ１０４において、発熱量が所定閾値以下の場合は、バルブ３３０を開ける（Ｓ１０５）。流入口３４０から流出口１５０までの流路に比べて、流入口３４１から副流路１２１、孔１１１を通る流路は孔１１１の圧損のため抵抗が大きい。そのため、冷却媒体は流入口３４０から入り、パッケージ部２１１の周辺を流れる。即ち、冷却媒体ポンプＰからの冷却媒体は、図２等で白抜きの矢印で流れを示すように、流入口３４０から整流フィン１０２を介して強制対流流路１１０を流れる。このとき、冷却媒体は、強制対流流路１１０を半導体パッケージ２１０の表面に沿って平行に流れ、半導体パッケージ２１０の表面を冷却する。そして、冷却媒体は、流出口１５０から排出される。このようにして、強制対流流路１１０内の冷却媒体の流れにより強制対流冷却状態が形成される。この場合、強制対流冷却となるので冷却性能は限られるが圧損が少ない冷却が出来る。そのため、ポンプ出力を小さく出来（Ｓ１０６）、省エネルギ化が図れる。通常の走行はこの状態で行われる。

一方、Ｓ１０４において、発熱量が所定閾値よりも大きい場合、例えば、急加速、急ブレーキなどに起因して素子発熱量が急激に増加する場合は、バルブ３３０を閉じる（Ｓ１５５）。すると、冷却媒体は、流入口３４０に入れなくなるので、図２等で黒塗りの矢印で流れを示すように、流入口３４１に入り、孔１１１を通って副流路１２１から強制対流流路１１０へ流入する。このとき、微細な孔１１１を通るので噴流となりパッケージ部２１１にぶつかり、半導体パッケージ２１０の表面が冷却される。このようにして、微細な孔１１１を介して副流路１２１から強制対流流路１１０へと噴出してパッケージ部２１１に当たる冷却媒体の流れにより噴流冷却状態が形成される。この噴流冷却状態では、高い熱伝達率が得られ冷却性能が向上する（一般に強制対流冷却に対し噴流冷却は熱伝達率が５〜１０倍高くなる）。ここで、上述の如く孔１１１を半導体パッケージ２１０のパッケージ部２１１に正対する位置に設けることで噴流の当たる位置を素子部に合わせると更に高い冷却性能向上効果が得られる。噴流冷却の場合は圧損が増える（たとえば、本発明者が試みた例では強制対流冷却に対し熱伝達率が１０倍になる条件で圧損が６倍ほどになった）。そのため、Ｓ１６０においてポンプ出力を大きくするように制御する。このときには、ポンプ出力増加に伴って消費動力が増加するが、たとえば、本実施例をハイブリッド車のインバータに適応した場合、噴流冷却を必要とするのは急速登坂など一部の条件のみで、ほとんどの条件を強制対流冷却で走行可能なので車両の走行燃費にほとんど影響を与えない冷却装置を作ることが出来る。

このように本実施例の冷却装置１によれば、通常は強制対流冷却で冷却を行い、一部の高い出力を必要する条件では噴流冷却の高い冷性能が利用可能となるので、省エネと高性能を両立できる優れた冷却装置とすること出来る。

また、本実施例の冷却装置１によれば、上述の如くバルブ３３０を開けても圧力損失の影響で流入口３４１から副流路１２１への流れが実質的に形成されないことを利用することで、開閉式のバルブ３３０を用いた簡易な構成で２系統の流れ（冷却方式）の切替を実現することができる。但し、他の実施例では、２方向バルブ等のようなバルブで流れを切替えても良いし、また、強制対流流路１１０への流入口３４０と副流路１２１への流入口３４１に冷却媒体を導くための流路及び冷却媒体ポンプＰを共用せず、強制対流流路１１０への流入口３４０と副流路１２１への流入口３４１のそれぞれに独立に冷却媒体を導くための流路及び冷却媒体ポンプＰ並びにバルブを別々に設定しても良い。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上述した実施例では、好ましい実施例として、半導体パッケージ２１０のパッケージ部２１１の両面での冷却を実現するために、半導体パッケージ２１０のパッケージ部２１１の両面で強制対流及び噴流を実現しているが、片面だけで実現してもよい。例えば、半導体素子が表面に形成された基板に裏面側を強制対流及び噴流の切替により冷却することとしても良い。

また、上述した実施例では、冷却媒体として車両への搭載を考慮してＬＬＣ（ロングライフクーラント）の利用が望ましいが、水などその他の流体が用いられても良い。また、上述した実施例では、発熱素子として半導体パワー素子を想定しているが、本発明は、他の如何なる発熱素子に対しても適用可能である。

本発明による実施例の冷却装置１の一実施例の全体構成を示す斜視図である。図１のラインＡ−Ａに沿った主要断面を示す断面図である。図２のＢ部の詳細構造を示す斜視図である。図２のＢ部の詳細構造を示す断面図である。図４のラインＣ−Ｃに沿った断面図である。代表として一の半導体パッケージ２１０を取り出した状態を示す図である。代表として一の半導体パッケージ２１０の内部構造を示す図である。本実施例の冷却装置１により実現される動作の要部を示すフローチャートである。

符号の説明

１冷却装置
１００ハウジング部
１０２整流フィン
１１１孔
１２０フィン
１２１副流路
１３０パイプ
１３１連通口
２００蓋部
２１０半導体パッケージ
２１１パッケージ部
２１２ベース部
２１３半導体素子
２２０電極
２２１バスバー
３００切替機構
３１０流入口
３３０バルブ
３３１駆動レバー
３４０強制対流流路への流入口
３４１副流路への流入口
４００制御機構
Ｐ冷却媒体ポンプ

Claims

車両の走行制御に用いる半導体素子である発熱素子を冷却する冷却装置であって、
前記発熱素子を冷却媒体の強制対流により冷却する強制対流冷却手段と、
前記発熱素子を冷却媒体の噴流により冷却する噴流冷却手段と、
前記強制対流冷却手段による強制対流冷却状態と前記噴流冷却手段による噴流冷却状態の間を切替える冷却状態切替手段と、
車両の走行状態に基づいて、前記発熱素子の発熱状態を推定する発熱状態検出手段とを備え、
前記冷却状態切替手段は、前記発熱状態検出手段により推定された前記発熱素子の発熱状態に基づいて、前記発熱素子の発熱量が閾値を超えた場合には、前記強制対流冷却手段による強制対流冷却状態から前記噴流冷却手段による噴流冷却状態に切替え、
前記強制対流冷却手段は、ポンプと、前記発熱素子の冷却面に沿って流れる冷却媒体の流れを形成する強制対流流路と、前記強制対流流路への冷却媒体の流入口とを含み、
前記噴流冷却手段は、前記強制対流冷却手段と共通の前記ポンプと、前記強制対流流路に壁を介して隔てて形成された副流路と、前記副流路への冷却媒体の流入口と、前記壁に形成され、前記副流路から前記強制対流流路へと噴出する冷却媒体の噴流を形成する小孔とを含み、
前記冷却状態切替手段は、前記ポンプと前記副流路への流入口及び前記副流路への流入口との間に設けられるバルブを含み、該バルブは、前記ポンプから圧送される冷却媒体を前記強制対流流路への流入口及び前記副流路への流入口の双方に導く第１状態と、前記ポンプから圧送される冷却媒体を前記副流路への流入口のみに導く第２状態の間で切替わることを特徴とする、冷却装置。
前記冷却状態切替手段は、前記ポンプ及び前記バルブを制御する手段を含み、前記発熱素子の発熱量が閾値を超えた場合には、前記バルブを前記第１状態から前記第２状態に切替えて前記強制対流冷却状態から前記噴流冷却状態に切替えると共に、前記ポンプの出力を増大する、請求項１に記載の冷却装置。
前記壁の小孔は、前記噴流が前記発熱素子の冷却面に当たる位置に形成される、請求項１に記載の冷却装置。