冷却器.pdf

本发明涉及一种冷却器，该冷却器具有气力扬水泵，该气力扬水泵包括：利用制冷剂来冷却发热体(7)的冷却部(6A)、以及使热量从在冷却部(6A)中被加热的制冷剂释放的散热部(6C)，并通过使制冷剂在冷却部(6C)中沸腾来使制冷剂在散热部(6C)与冷却部(6A)之间循环，冷却器包括：以散热部(6C)彼此相邻的形态重叠的多个冷却模块(6)、以及产生吹向散热部(6C)的风的冷却风扇(2)。

1.  一种冷却器，其特征在于，包括：
多个冷却模块，该冷却模块具有利用制冷剂来冷却发热体的冷却部、以及使热量从在该冷却部中被加热的制冷剂中释放的散热部，且该冷却模块是通过使制冷剂在所述冷却部中沸腾来使制冷剂在所述散热部与所述冷却部之间循环的气力扬水泵式的，所述多个冷却模块以所述散热部彼此相邻的形态重叠；以及
产生吹向所述散热部的风的冷却风扇。

2.  如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，所述冷却模块以使重叠的所述散热部的列相邻的形态排列有多列。

3.  如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，对应于规定个所述冷却模块分别设置所述冷却风扇。

4.  如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，还包括固定部件，该固定部件对装设有发热体的多个所述冷却模块进行固定。

5.  如权利要求1所述的冷却器，其特征在于，设置有供所述冷却风扇产生的风穿过的风洞，在该风洞内配置有所述散热部。

冷却器
技术领域
本发明涉及一种对半导体元件等发热体进行冷却的冷却器。
背景技术
作为一般工业领域的电动机用的电源，可使用由换流器(converter)和变频器(inverter)等半导体元件来进行切换的功率转换装置。在换流器和变频器等功率转换装置中使用的绝缘栅双极晶体管(工nsulated GateBipolar Transistor)、晶闸管、晶体管、二极管等半导体元件发热，随着输出功率的增大，发热量也增大，因此对半导体元件进行有效冷却很重要。另外，假定将驱动电路等也包括在内的使半导体元件模块化后的智能功率模块(Intelligent Power Module)也包括在半导体元件中。
在以往的冷却器中，有的使用热管来进行冷却。所谓热管，是指在上下方向竖立的管内密封制冷剂、使冷却对象物与管的下部接触并在管的上部具有翅片等散热效率高的构造的部件。被密封在管内的制冷剂在下部从冷却对象物得到热量而蒸发。蒸发后的制冷剂向管的上部移动，在管的上部被夺去热量而变回液体，并经由管的内壁积留到下部。积留的制冷剂再次进行蒸发。像这样，在热管中，通过使制冷剂蒸发来使热量从下部向上部移动，并使热量从上部向外部释放，从而使与下部接触的冷却对象物冷却。
在利用热管的冷却器中，将安装有发热的半导体元件的电路基板以半导体元件面向下方的形态水平配置，使热管与面向上方的电路基板的背面侧接触(例如参照专利文献1)。
另外，还有一种在电车用功率转换装置中使用的冷却器，它包括：内部具有供冷却液流动的流路并安装半导体元件的受热板、在来自受热板的冷却液与空气之间进行热交换的热交换器、使冷却液在受热板与热交换器之间循环的泵、以及将冷却风吹向热交换器的送风装置，并将受热板、热交换器、泵和送风装置的多个组与车身的长度方向垂直地排列配置。在该冷却器中，从车身的侧面送风，送风装置和热交换器均与车身的长度方向平行且彼此相对，热交换器和沿车身长度方向配置的受热板处于正交的位置关系(例如参照专利文献2)。
专利文献1：日本专利特开2002-134670号公报。
专利文献2：日本专利特开平9-246767号公报。
发明的公开
发明所要解决的技术问题
在使用热管的冷却器中，由于需要使热管垂直配置并使电路基板水平配置，且热管需要有10cm以上的高度，因此很难重叠配置电路基板。由于半导体元件的发热量和装设半导体元件所需的面积确定，根据单位面积的发热量来确定热管的高度和体积，因此，对于规定发热量的电路基板而言，冷却器也需要规定体积。
在使用泵来使冷却液循环的冷却器中，泵和冷却液的储存箱等附属设备需要空间。另外，由于热交换器与受热板正交，热交换器需要规定的面积，因此受热板、热交换器、泵和送风装置的组无法以较小的间隔进行配置。
本发明的目的在于提供一种能在实现规定的冷却能力的基础上使所需的装置体积比以往小的冷却器。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的冷却器包括：多个冷却模块，该冷却模块具有利用制冷剂来冷却发热体的冷却部、以及使热量从在该冷却部中被加热的制冷剂中释放的散热部，且该冷却模块是通过使制冷剂在所述冷却部中沸腾来使制冷剂在所述散热部与所述冷却部之间循环的气力扬水泵式(日文：気泡ポンプ型)的，所述多个冷却模块以所述散热部彼此相邻的形态重叠；以及产生吹向所述散热部的风的冷却风扇。
发明效果
由于本发明的冷却器包括：多个冷却模块，该冷却模块具有利用制冷剂来冷却发热体的冷却部、以及使热量从在该冷却部中被加热的制冷剂中释放的散热部，且该冷却模块是通过使制冷剂在所述冷却部中沸腾来使制冷剂在所述散热部与所述冷却部之间循环的气力扬水泵式的，所述多个冷却模块以所述散热部彼此相邻的形态重叠；以及产生吹向所述散热部的风的冷却风扇，因此具有能在实现规定的冷却能力的基础上使所需的装置体积变得比以往小的效果。
附图说明
图1是使用了本发明实施形态1的冷却器的功率转换装置被安装在电车上的状态的图。
图2是对使用了本发明实施形态1的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。
图3是对使用了本发明实施形态1的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的剖视图。
图4是装设有构成使用了本发明实施形态1的冷却器的功率转换装置的半导体元件的冷却模块的立体图。
图5是对在本发明实施形态1的冷却器中使用的冷却模块的结构和制冷剂流进行说明的图。
图6是对使用了本发明实施形态2的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。
图7是对使用了本发明实施形态3的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。
图8是对使用了本发明实施形态3的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的从下方看的平面图。
图9是对使用了本发明实施形态4的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。
图10是对使用了本发明实施形态4的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的从下方看的平面图。
图11是对使用了本发明实施形态4的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的剖视图。
(符号说明)
100 功率转换装置
1 主电路单元
1A 框体(固定部件)
1B 开口部
1C 过滤器
2 风机(冷却风扇)
3 电气安装件
4 风道(风洞)
5 电容
6 冷却模块
6A 冷却部
6B 热交换器
6C 散热部
6D 受热管
6E 配管
6F 隔板
6G 配管
6H 配管
6J 配管
6K 散热管
6L 散热翅片
7 半导体元件
8 配线基板
具体实施方式
实施形态1
参照图1～图5对将本发明实施形态1的冷却器应用于具有换流器和变频器的电车用的功率转换装置中的情况进行说明。图1是对使用了实施形态1的冷却器的功率转换装置进行说明的图。图1(a)是侧视图，图1(b)是从下方看的平面图。图2是对使用了实施形态1的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。图2(a)是整体的立体图，图2(b)是装设有规定个半导体元件的一个冷却模块的立体图。图3是图1(b)的沿XX截面的剖视图。图4是构成本发明实施形态1的冷却器的冷却模块在装设了半导体元件的状态下的立体图。图5是对在本发明实施形态1的冷却器中使用的冷却模块的结构和制冷剂流进行说明的图。
如图1(a)所示，在电车车身的下侧安装有功率转换装置100。由图1(b)可知，在功率转换装置100的图中上侧的大致一半具有主电路单元1，该主电路单元1将构成进行功率转换的主电路的半导体元件和半导体元件的冷却机构收纳在框体1A内。在功率转换装置100的下面的大致中央具有与主电路单元1接触、产生在冷却机构中进行冷却用的风的冷却风扇即风机2。在主电路单元1的下侧以包围风机2的形态配置有电气安装件3。所谓电气安装件3是指构成功率转换装置所需的电气零件。但是，装设在冷却模块6上的半导体元件以及另行设置的电容除外。
由图1(a)可知，在主电路单元1的侧面，在框体1A上具有供风机2将外部气体吸入的开口部1B(图1中未图示)，在该开口部1B内安装有过滤器1C，该过滤器1C用于防止尘埃等进入主电路单元1的内部。如图3所示，在主电路单元1上设置有供外部气体从开口部1B流向风机2的风洞即风道4。从电车侧面的开口部1B吸入的外部气体经由贯穿主电路单元1的风道4对构成主电路的半导体元件进行冷却，被风机2向电车的下侧排出。风机2在中央配置有电动机，并在电动机的两侧具有旋转叶片。旋转叶片将空气从电动机侧吸入，并利用离心力将空气向外侧排出。
图2(a)是电车车身、框体1A和进行电连接的零件等未图示的功率转换装置100的立体图。在主电路单元1的内部，冷却模块6横向排列有规定个(在本实施形态中是六个)，且排列有两列，在该冷却模块6上装设有进行功率转换用切换动作的作为发热体的半导体元件。在主电路单元1的上方配置有作为变频器的直流电源的电容5。位于内侧的一列冷却模块6的上方的电容5未图示。半导体元件7(图2(b)中未图示)以一个面与冷却模块6紧贴的形态装设，在另一个面上连接进行电气配线的配线基板8。只要能实现电绝缘，则排列的冷却模块6的间隔再小也可以。冷却模块6的列利用框体1A或由合适的部件构成的固定部件来固定。
在图4中，冷却模块6包括：装设有规定个(在本实施形态中是三个)半导体元件7的冷却部6A、在从冷却部6A出来的制冷剂与进入冷却部6A的制冷剂之间进行热交换的热交换器6B、以及使热量从在冷却部6A中被加热的制冷剂释放的散热部6C。冷却部6A、热交换器6B和散热部6C配置在大致同一平面上，冷却部6A和散热部6C横向排列，在冷却部6A的上侧具有热交换器6B。图2(b)图示的是还安装有使半导体元件7可构成电气回路的配线基板8的状态，但图4图示的是配线基板8被拆下后的状态。
由图3可知，散热部6C位于风道4的内部，由穿过风道4的风进行冷却。由于散热部6C有两列，因此，风道4在主电路单元1的内部分离成两个。
假定装设在一个冷却模块6上的半导体元件在换流器和变频器等的一相或一个桥臂等的电气回路上靠近地配置。这样一来，便可减小电气回路的阻抗和感抗，也容易进行配线。也可在冷却模块6上装设将多个元件做成一个封装体的部件。一个冷却模块6的冷却部6A和散热部6C的面积以及冷却模块6的个数如下确定：即能实现可装设所有要装设的半导体元件7，可使装设的半导体元件7的预估发热量从散热部6C散热，并可使整体体积尽可能的小。由于靠近开口部的冷却模块6所冷却的空气的温度低、冷却能力高，因此，可使靠近开口部的冷却模块6的发热量大，并使越是远离开口部则发热量越小。
参照图5来说明冷却模块6的结构。在冷却部6A的装设用虚线表示的半导体元件7的部分上，以规定间隔纵向设置有供制冷剂流动的多个受热管6D，受热管6D的下端与一个配管6E连接，上端与热交换器6B连接。
热交换器6B的外形呈圆筒状，在从两端离开规定距离的位置上分别具有一块形状相同的隔板6F。在两块隔板6F上具有规定个圆形孔，在该孔内连接有圆形的配管6G。由于两块隔板6F之间的热交换器6B的内部被分成配管6G的内侧和外侧，配管6G的内侧与隔板6F的外侧相连，因此热交换器6B的内部被分割成两部分。来自冷却部6的受热管6D在两块隔板6F之间的部分上与配管6G的外侧连接。在图中右侧的隔板6F的右侧部分上连接通向冷却部6A的配管6E。在紧靠左侧隔板6F的右侧下部连接与散热部6C的下侧连接的配管6H。在左侧隔板6F的左侧部分上连接来自散热部6C的配管6J。
散热部6C具有以规定间隔纵向配置的多个散热管6K，散热管6K的上侧与配管6J连接，下侧与配管6H连接。为了增大散热量，在散热管6K之间设置有散热翅片6L。散热翅片6L的形状做成下述形状：可供穿过风道4的冷却风通过，冷却风通过散热翅片6L时的压力损失处在可允许范围之内，且散热量增大。
图5表示了制冷剂流。在处于冷却部6A的受热管6D中，制冷剂因半导体元件产生的热量而被加热并沸腾。沸腾产生的制冷剂蒸汽向上方的热交换器6B移动，受到制冷剂蒸汽的气泡的带动，液体制冷剂也向热交换器6B移动。进入热交换器6B的制冷剂处在配管6G的外侧，在将热量赋予配管6G内侧的制冷剂后，制冷剂蒸汽变回液体，温度也下降。从热交换器6B出来的制冷剂经由配管6H进入散热部6C。进入散热部6C的制冷剂将热量赋予空气，温度进一步下降。从散热部6C出来的制冷剂经由配管6E进入热交换器6B。从配管6E进入热交换器6B的制冷剂流过配管6G的内侧，从外侧的制冷剂得到热量，温度上升。从热交换器6B经由配管6E返回冷却部6A。
在处于冷却部6A的受热管6D中，制冷剂沸腾并向上方移动，移动的制冷剂蒸汽被冷却而变回液体，因此，制冷剂恒定地从沸腾的部位向变回液体的部位流动，即使不设置泵，制冷剂也能循环。这种利用制冷剂沸腾来使制冷剂循环的机构也称作气力扬水泵。由于使用气力扬水泵，因此不需要泵及其附属设备等，冷却模块的构造变得简单，维护变得容易。
在节省空间方面，通过使用气力扬水泵，至少可减小与泵等相应的体积。另外，当存在泵等时，需要在考虑泵等的纵横尺寸的基础上确定冷却模块6间的间隔，无法将冷却模块6间的间隔做成很小，但本实施形态可将冷却模块6间的间隔抑制成冷却模块6自身的厚度左右，可使冷却规定发热量所需的体积小于存在泵时的情况。在使用热管时，热管需要有在装设发热体来进行冷却的冷却部的面积上乘以热管的高度而得到的体积，与此相反，本实施形态只要能确保与发热量相应的面积的散热部即可，不存在散热部厚度的限制条件，因此，通过减小冷却部和散热部的厚度，即可减小冷却所需的体积。
由于两列散热部彼此靠近配置，因此对应两列散热部配置一个风机即可，可削减零件数，并可降低成本、提高可靠性。即使是在散热部仅有一列时，由于将散热部重叠，因此具有对应多个散热部配置一个风机即可的优点。
在本实施形态中，冷却模块配置有两列，但也可配置一列或三列以上。本实施形态使两列冷却模块的散热部相邻，用一个风机来冷却两列冷却模块，但也可对应每列冷却模块或对应规定个冷却模块等设置风机。
在本实施形态中，冷却模块的冷却部和散热部在大致同一平面上横向配置，但也可使冷却部与散热部之间成规定角度，或将冷却部和散热部配置在大致平行但又不同的平面上，或将冷却部和散热部上下或者斜着横向配置。
上面说明的是将本发明的冷却器应用于电车用功率转换装置中的情况，但也可将其应用于电车用以外的功率转换装置和功率转换装置以外的装置。例如，也可用于对装设有发热半导体元件的电气基板等进行冷却。也可应用于半导体元件以外的发热体的情况，只要作为冷却对象的发热体可与冷却部接触，则对于任何发热体均可应用本发明的冷却器。
上面的情况在其它实施形态中也一样。
实施形态2
该实施形态2是以对应排列的冷却模块的每一列设置风机的方式对实施形态1进行了变更的情况。图6是对使用了实施形态2的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。
仅对与实施形态1中的图2的不同之处进行说明。两列冷却模块6以散热部6C分离的形态配置，在散热部6C的列的图中的内侧分别配置有一个风机2。
该实施形态也与实施形态1一样，具有可紧凑(可减小冷却规定发热量所需的冷却器的体积)地构成冷却模块6的效果。
实施形态3
该实施形态3是以对应规定个冷却模块分别设置风机、进一步提高冷却模块的模块性的方式对实施形态1进行了变更的情况。图7是对使用了实施形态3的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。图8是从下方看主电路单元1的平面图。
仅对与实施形态1中的图2的不同之处进行说明。由于将风机2配置在冷却模块1的下侧，因此立体图中看不到风机2。由图8的从下方看的平面图可知，对应两个冷却模块1分别配置两个风机2。
该实施形态也与实施形态1一样，具有可紧凑地构成冷却模块6的效果。另外，由于对应规定个冷却模块分别设置风机，因此还具有可进一步提高风机和规定个冷却模块的组的模块性的效果。
实施形态4
该实施形态4是以从电车两侧的侧面吸入外部气体的方式对实施形态3进行了变更的情况。图9是对使用了实施形态4的冷却器的功率转换装置的结构进行说明的立体图。图10是从下方看主电路单元1的平面图。图11是对主电路单元1内部的风的流动进行说明的剖视图。
仅对与实施形态3中的图7和图8的不同之处进行说明。将主电路单元1与电车的前进方向正交地配置，以使冷却模块6的散热部6C位于电车的侧面侧。风机2将外部气体从电车两侧的侧面吸入，并将其向功率转换装置的下侧排出。
该实施形态也与实施形态1一样，具有可紧凑地构成冷却模块6的效果。由于对应规定个冷却模块分别设置风机，因此还具有可进一步提高风机和规定个冷却模块的组的模块性的效果。另外，由于从电车的两侧面即两个部位吸入外部气体，因此可吸入更多的外部气体，从而还具有可提高冷却效率的效果。