JP2013033773A - 電子部品用冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比して熱抵抗が小さく、効率良い冷却により、トランジスタのジャンクション温度を確実に所定温度以下に保持可能とする。
【解決手段】冷却装置は、発熱性電子部品であるＩＧＢＴ１を収納する収納ケース２を有し、収納ケース２の頂面は、外部から供給される冷却液４が流通せしめられる冷却液通路３ｃが形成されたフィン３ａを複数有してなるヒートシンク３が設けられて閉鎖される一方、収納ケース２内には、絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテル６が、冷却液非充填空間７が確保されるように充填されてなり、ハイドロフルオロエーテル６の気化によるＩＧＢＴ１の冷却が可能に構成されたものとなっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品の冷却装置に係り、特に、トランジスタ等に代表される発熱性電子部品の冷却における冷却能力の向上等を図ったものに関する。

従来から電子部品、特に、トランジスタ等に代表される発熱性電子部品については、その冷却のための構造、装置等が種々提案されている（例えば、特許文献１等参照）。
図３には、インバータ装置におけるＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)の冷却装置の従来例が示されており、以下、同図を参照しつつ、この従来装置について説明する。
この冷却装置は、車両に搭載されたインバータ装置を構成するＩＧＢＴ２１の冷却に適用されるもので、冷却液２５が流通せしめられる複数の冷却液通路２２ａが形成されたヒートシンク２２を有し、このヒートシンク２２の上に銅板２３及び絶縁シート２４を介してＩＧＢＴ２１が載置され、ヒートシンク２２によるＩＧＢＴ２１の冷却が可能に構成されたものとなっている。なお、冷却液２５は、車両用空調装置の冷却液が流用されるものとなっている。

特開平１１−１３５９７１号公報（第２−３頁、図１−図２）

ところで、上述の冷却装置においては、ＩＧＢＴ２１とヒートシンク２２との間には、多くの熱抵抗が存在する構成となっているため、ＩＧＢＴ２１のジャンクション温度を、正常動作が確保される所定温度、例えば、１５０℃程度までに下げるには、ヒートシンク２２の温度を６５℃以下にする必要がある。
このため、上述の冷却装置においては、ヒートシンク２２に車両用空調装置の冷却液２５を流通せしめる構成を採っているが、外気温が高い場合などには、冷却液２５と外気温との温度差が小さくなり、十分な冷却効果を得ることができなくなるという問題を生ずる。

本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、従来に比して、熱抵抗が小さく、効率良い冷却を可能とし、特に、トランジスタのジャンクション温度を確実に所定温度以下に保持可能な冷却装置を提供するものである。

上記本発明の目的を達成するため、本発明に係る冷却装置は、
電子回路を構成する発熱性電子部品の冷却装置であって、
前記冷却装置は、前記発熱性電子部品を収納する収納ケースを有し、当該収納ケースの頂面には、外部冷却装置の冷却液が流通せしめられる冷却液通路が複数配設される一方、
前記収納ケースには、絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテルが充填されてなるものである。

本発明によれば、発熱性電子部品が絶縁性冷却液中に浸され、発熱性電子部品の熱が絶縁性冷却液によって直接奪われるため、従来と異なり冷却の際の熱抵抗が極めて低く、効率の良い冷却ができる。
また、発熱性電子部品全体がほぼ均一に冷却されるため、発熱分布を均一にし、熱応力の発生を防止でき、ひいては、電子回路装置の信頼性の向上に寄与することができる。
さらに、電気自動車などのインバータ装置を構成するパワートランジスタの冷却に用いる場合にあっては、従来と異なり、外気温度が高く、車両用空調装置の冷却液温度が高い場合であっても、それとは無関係に、パワートランジスタを確実に冷却でき、ジャンクション温度を上限値以下に保つことができるという効果を奏するものである。

本発明の実施の形態における冷却装置の第１の構成例における縦断面図を模式的に示す模式図である。 本発明の実施の形態における冷却装置の第２の構成例における縦断面図を模式的に示す模式図である。 従来の冷却装置の一例を模式的に示す模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、図１及び図２を参照しつつ説明する。
なお、以下に説明する部材、配置等は本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨の範囲内で種々改変することができるものである。
最初に、第１の構成例における冷却装置について、図１を参照しつつ説明する。
本発明の実施の形態における冷却装置は、全体外観形状が直方体状に形成された収納ケース２を有しており、かかる収納ケース２に発熱性電子部品としてのＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)１が後述するように絶縁性冷却液としてのハイドロフルオロエーテル（以下「ＨＦＥ」と称する）６に浸漬されて収納されたものとなっている。

本発明の実施の形態における収納ケース２は、その一面が開口面とされ、この開口面側が頂面として配設されるものとなっていると共に、この開口面を閉鎖するようにヒートシンク３が配設されたものとなっている。
ヒートシンク３は、例えば、全体外観形状が短冊状に形成されたフィン３ａが適宜な間隔を隔てて、平板状の基部３ｂに複数立設されてなるものである。
さらに、本発明の実施の形態のヒートシンク３においては、フィン３ａがやや厚めに形成されており、その内部には、冷却液４を流通せしめることができるよう冷却液通路３ｃが長手軸方向（図１において紙面表裏方向）に沿って形成されたものとなっている。かかるヒートシンク３は、フィン３ａ側が収納ケース２の内部に位置するようにして収納ケース２の頂面側の一面を閉鎖するように設けられている。

本発明の実施の形態において冷却対象とされるＩＧＢＴ１は、電気自動車やハイブリット車に搭載されたインバータ装置（図示せず）に用いられるもので、上述の冷却液通路３ｃには、外部から供給される冷却液４が流通せしめられるものとなっている。
この外部から供給される冷却液４は、例えば、電気自動車の駆動モータ（図示せず）の冷却用水、又は、ハイブリット車の駆動エンジン（図示せず）の冷却用水を用いるのが好適である。
さらに、車両用空調装置（図示せず）を備えるものにあっては、冷凍サイクルの冷媒液を冷却液４として用いるようにしても好適である。
一方、収納ケース２の底部、すなわち、ヒートシンク３が設けられた面と反対側の面には、ＩＧＢＴ１が搭載される少なくとも２つの絶縁体５ａ，５ｂが固着されており、ＩＧＢＴ１は、その対向する２つの縁の近傍において、収納ケース２の底部側に臨む部位が絶縁体５ａ，５ｂに固着されたものとなっている。

ＩＧＢＴ１は、本発明の実施の形態においては、先に述べたように、インバータ装置（図示せず）に用いられるものであり、図１においては、便宜上、ＩＧＢＴ１のみが絶縁体５ａ，５ｂに載置される如くに示されているが、実際には、例えば、いわゆるチップオンボードで用いられることが多く、したがって、その場合には、ＩＧＢＴ１が設けられたプリント基板（図示せず）が絶縁体５ａ，５ｂ上に載置されるものとなる。

収納ケース２内には、その内部の空間の体積の大凡７〜８割程度を占めるように絶縁性冷却液としてのＨＦＥ６が充填されており、残余の空間は、冷却液非充填空間７となっており、ヒートシンク３のフィン３ａは、この冷却液非充填空間７に位置するようになっている。
この冷却液非充填空間７は、大気圧よりも低い気圧、例えば、大凡０．７気圧前後に設定するのが好適である。これは、後述するようにＨＦＥ６が気化した場合に冷却液非充填空間７の圧が上昇するため、その上昇分程度を予め低い気圧にしておき、上昇した際にほぼ大気圧程度とするためである。

ＨＦＥ６は、例えば、この種の同様な冷媒として用いられるフロリナート（登録商標）と比較すると、単位重量当たりの蒸発潜熱は凡そ１．５倍あり、しかも、オゾン破壊係数はゼロで、地球温暖化係数もフロリナート（登録商標）に比して低く、地球環境に対して十分配慮された物質であるので、絶縁性冷却液としては極めて好適である。
また、絶縁性冷却液の絶縁耐力としては、体積抵抗率で１０^８Ω・ｃｍ以上あることが望ましいが、ＨＦＥ６の体積抵抗率は、大凡２×１０^１１Ω・ｃｍ程あり、十分な絶縁耐力が確保できる点で有効である。

そして、ＨＦＥ６は、ＩＧＢＴ１のジャンクション温度の上限値よりも低い温度に沸点を有するものが好適である。例えば、ジャンクション温度の上限値が１５０℃である場合、ＨＦＥ６は、１３０℃前後に沸点を有するものを選択するのが好適である。

次に、かかる構成における冷却作用について説明する。
ＩＧＢＴ１の動作に伴う発熱によってＨＦＥ６の温度が徐々に上昇し、その温度がＨＦＥ６の温沸点付近になるとＨＦＥ６は徐々に気化し始め、沸点ではＨＦＥ６が沸騰し、大量に気化することとなる。それにより、ＩＧＢＴ１の熱が奪われるため、ジャンクション温度の上昇が抑圧されることとなる。

また、上述の気化によって冷却液非充填空間７は、ＨＦＥ６が気化した気体に満たされることとなるが、フィン３ａ近傍の気体はフィン３ａ内部を冷却液４が流通せしめられているため冷却され、液化し、再びＨＦＥ６となってＩＧＢＴ１の冷却に供されることとなる。
なお、図１において符号８はＨＦＥ６が沸騰し気化する際に生ずる気泡を示し、符号９は、気体から再び液化した際の滴を示している。
上述の第１の構成例における冷却状態は、ＨＦＥ６を沸騰させ、その際に生ずるＨＦＥ６の気化によってＩＧＢＴ１の冷却が行われることから、”気相冷却”と称することができるものである。

次に、第２の構成例について、図２を参照しつつ説明する。
なお、第１の構成例と同一の構成要素については、同一の符号を付して、その詳細な説明を省略し、以下、異なる点を中心に説明する。
この第２の構成例は、先の第１の構成例における気相冷却に対して、いわば液相冷却が行われるよう構成されたものである。
すなわち、この第２の構成例において、ＨＦＥ６は、収納ケース２の空間をほぼ埋め尽くされるように充填され、冷却液非充填空間７は、大凡収納ケース２内の全空間の１割に満たない程度となっている。換言すれば、この第２の構成例にあっては、フィン３ａの大部分がＨＦＥ６に浸るように、ＨＦＥ６が充填されたものとなっている。

そのため、ＨＦＥ６は、ＩＧＢＴ１を冷却しつつも、内部を冷却液４が流通するフィン３ａによってＨＦＥ６自体が冷却されるため、沸騰点以下に保たれた状態に維持でき、ＩＧＢＴ１に対する液相冷却が行われるものとなっている。
なお、本発明の実施の形態における冷却装置においては、冷却対象を、ハイブリット車や電気自動車におけるインバータ装置に用いられるＩＧＢＴとしたが、勿論、これに限定される必要はなく、他の発熱性電子部品、例えば、サイリスタや電力用トランジスタ等にも同様に適用できるものである。さらに、冷却液４についても、必ずしも、エンジンの冷却用水等を流用する場合に限定される必要はなく、専用の冷却液を流通せしめる構成としても勿論良いものである。

電気自動車などの電子回路における発熱性電子部品の効率の良い冷却に適用できる。

１…ＩＧＢＴ
２…収納ケース
３…ヒートシンク
３ａ…フィン
３ｃ…冷却液通路
６…ハイドロフルオロエーテル
７…冷却液非充填空間

Claims (5)

1. 電子回路を構成する発熱性電子部品の冷却装置であって、
   前記冷却装置は、前記発熱性電子部品を収納する収納ケースを有し、当該収納ケースの頂面には、外部から供給される冷却液が流通せしめられる冷却液通路が複数配設される一方、
   前記収納ケースには、絶縁性冷却液としてハイドロフルオロエーテルが充填されてなることを特徴とする電子部品用冷却装置。
2. 発熱性電子部品は、トランジスタであって、ハイドロフルオロエーテルは、前記トランジスタのジャンクション温度の上限値より低い沸点を有し、当該ハイドロフルオロエーテルは、その気化により生じた気体を貯留可能な冷却液非充填空間が確保されるよう収納ケースに充填されてなることを特徴とする請求項１記載の電子部品用冷却装置。
3. 冷却液通路に外部から供給される冷却液は、電気自動車の駆動モータの冷却用水、又は、ハイブリット車のエンジンの冷却用水であることを特徴とする請求項２記載の電子部品用冷却装置。
4. 冷却液通路に外部から供給される冷却液は、車両に搭載された車両用空調装置の冷凍サイクルに用いられる冷媒液であることを特徴とする請求項２記載の電子部品用冷却装置。
5. 発熱性電子部品は、トランジスタであって、ハイドロフルオロエーテルは、前記トランジスタのジャンクション温度の上限値より低い沸点を有し、収納ケース内をほぼ満たすように充填されてなることを特徴とする請求項１記載の電子部品用冷却装置。

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