パワーモジュールの冷却装置
【課題】ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールの冷却装置の冷却特性を改善する。
【解決手段】半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間に、熱拡散板３１を挿入し、この熱拡散板３１をベース板側に凸形状に形成することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１６への直接の熱伝導を改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３１を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値をより小さくなり、従って、その温度差もより少なくすることができる。
【解決手段】半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間に、熱拡散板３１を挿入し、この熱拡散板３１をベース板側に凸形状に形成することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１６への直接の熱伝導を改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３１を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値をより小さくなり、従って、その温度差もより少なくすることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８，９は、下記特許文献１，２の構成を含む一般的なパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図８はこの上部の平面図，図９はその側面図である。
すなわち図８の平面図において、１１は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈそれぞれを搭載したベース板、１２は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈと同様配置で半導体パワーチップ１２ａ〜１２ｈそれぞれを搭載したベース板、１３は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈと同様配置で半導体パワーチップ１３ａ〜１３ｈをそれぞれ搭載したベース板、１４はアルミニウムなどを素材にしたヒートシンクを示し、この図において、ベース板１１と半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈとでパワーモジュールを形成し、同様に、ベース板１２と半導体パワーチップ１２ａ〜１２ｈとでパワーモジュールを、ベース板１３と半導体パワーチップ１３ａ〜１３ｈとでパワーモジュールをそれぞれ形成している。
【０００３】
また、図９の側面図において、１４ａはヒートシンク１４のフィン部、１５〜１７は伝熱管としての丸棒形のヒートパイプをそれぞれ示し、これらのヒートパイプ１５〜１７はベース板１１〜１３とヒートシンク１４とが接するヒートシンク１４の面側に設けられた溝に埋め込まれている。
【０００４】
図１０は、従来のパワーモジュールの冷却装置における図９の部分詳細構成図を示し、ヒートパイプ１５をヒートシンク１４に埋め込むための前記溝が半導体パワーチップ１１ａなどのほぼ真下に位置し、また、ヒートパイプ１５が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３それぞれとの隙間には熱伝導性のグリース１８が充填されている。
【０００５】
また、図１１は従来のパワーモジュールの冷却装置における図１０とは異なった部位の部分詳細構成図を示し、ヒートパイプ１６をヒートシンク１４に埋め込むための前記溝が半導体パワーチップ１１ｂなどと半導体パワーチップ１１ｃなどとのほぼ中間に位置し、さらに、ヒートパイプ１６が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３それぞれとの隙間には熱伝導性のグリース１９が充填されている。
【特許文献１】実開平５−３６８９７号公報。
【特許文献２】特開２００４−９６０７４号公報。
【特許文献３】特開２００３−４８５３３号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図８，９に示した従来のパワーモジュールの冷却装置では、ヒートシンク１４のフィン部１４ａの長手方向に沿ってヒートシンク１４のベース板１１〜１３側に埋め込まれたヒートパイプ１５〜１７により、ヒートシンク１４の長手方向に沿い放熱効果を均一化する方式が採用されている。
【０００７】
しかしながら、図１０に示した如く、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどのほぼ真下に設けられたヒートパイプ１５の溝により、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどの温度上昇値に比して、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの温度上昇値が大きくなるという難点があり、これらの温度上昇値の差をより小さくするために、ヒートパイプ１５が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３との隙間には熱伝導性のグリース１８を充填している。
【０００８】
また、図１１に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝は、これらの半導体パワーチップ間の温度上昇値にはわずかの差しか生じないが、この温度上昇値をより小さくするためのヒートパイプ１６が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３との隙間の充填された熱伝導性のグリース１９は、上述のグリース１８と同様に、例えばアルミニウなどを素材としたヒートシンク１４に比してその熱伝導率が小さく、前記放熱効果を阻害する要因となっている。
【０００９】
この発明の目的は、前記半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくしつつ、上記放熱効果を改善できるパワーモジュールの冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この第１の発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、前記ベース板に接する面側が凸形状の湾曲を有する熱拡散板を挿設したことを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記熱拡散板の周部を承接する受容部を設けたことを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板は前記段差の底面で承接されることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明〜第３の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記熱拡散板は、さらに前記伝熱管の外周と接する面側が凹形状の湾曲を有することを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に溝を設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、２組に分割され且つ勝手違いの断面形状を有し、それぞれの一方の表面が前記ベース板に接し、他方の表面が前記伝熱管に接する熱拡散板を挿設したことを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記２組に分割された熱拡散板それぞれの側縁部を承接する受容部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第６の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記２組に分割された熱拡散板それぞれはその側縁部に突起を備え、前記２組に分割された熱拡散板の突起が前記段差の底面で承接されていることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に前記ベース板と前記伝熱管とに熱的に接触する熱拡散板を挿設し、前記熱拡散板の周部が前記溝の開口周部に設けられた受容部で承接されていることを特徴とする。
【００１７】
第９の発明は、第８の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板の側縁部または前記熱拡散板の側縁部に設けられた突起が前記段差の底面で承接されることを特徴とする。
【００１８】
第１０の発明は前記第１〜第９の発明のパワーモジュールの冷却装置において、車両走行時の走行風を利用して前記ヒートシンクが吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部から前記ヒートシンクのフィン部が露出するように配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明に係るパワーモジュールの冷却装置によれば、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接するヒートシンク面内に設けた溝にヒートパイプなどの伝熱管を埋設し、この伝熱管と前記ベース板との隙間に熱伝導率の大きな熱拡散板を挿設することによりヒートシンクによる放熱効果を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１，２は、この発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図１はこの上部の平面図，図２はその側面図である。これらの図において、図８，９に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００２１】
すなわち図１，２に示した構成図では、ヒートシンク２１におけるヒートパイプ１５，ヒートパイプ１７それぞれの埋設位置が図８，９に示した構成図におけるヒートシンク１４での埋設位置とは大きく異なり、全ての半導体パワーチップに重ならないようにヒートパイプの溝が設けられており、図のとおり半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの搭載位置から外れた位置（図１，２の例では重ならない位置）にヒートパイプ１５の溝が設けられ、同様に、半導体パワーチップ１１ｄ，１１ｈなどの搭載位置から外れた位置にヒートパイプ１７の溝が設けられている。
【００２２】
その結果、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では、半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈなどの温度上昇値それぞれの差をより小さくすることができるとともに、後述の図３〜７に示すこの発明の第１〜第４の実施例構成のようにパワーモジュールの冷却装置を形成することにより、これらの温度上昇値もより小さくすることができる。
【００２３】
図３は、この発明の第１の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図３に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えば、ヒートシンク２１と同一素材の熱拡散板３１が挿入され、この熱拡散板３１を図４に示すように形成することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１６への直接の熱伝導を改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３１を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値をより小さくなり、従って、その温度差もより少なくすることができる。なお、熱拡散板３１と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。
【００２４】
図４は図３に示した熱拡散板の詳細構成図を示し、この図のように、熱拡散板３１のベース板１１〜１３側に凸状の僅かな湾曲を、また、熱拡散板３１のヒートハイプ１６側に凹状の僅かな湾曲をそれぞれ持たせることに持たせることにより、ベース板１１〜１３と熱拡散板３１との接触部および熱拡散板３１とヒートパイプ１６との接触部それぞれの熱抵抗をより低減することができる。
【００２５】
図５は、この発明の第２の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における図３とは異なった部位での部分詳細構成図を示している。
すなわち、図５に示した如く、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの搭載位置に対して外れた位置にヒートパイプ１５の溝を設け、また、ベース板１１〜１３との隙間には、図３に示した熱拡散板３１と同一素材，形状の熱拡散板３２を挿入することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１５への直接の熱伝導を改善できるともに、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどと、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｆなどとの温度上昇値の差をより少なくすることができる。なお、図３と同様に、熱拡散板３２と、ヒートパイプ１５およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１７に対しても、図５に示した構成を用いることができる。
【００２６】
図６は、この発明の第３の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図６に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えば、ヒートシンク２１と同一素材の熱拡散板３３が挿入される。この熱拡散板３３の断面形状は、ヒートパイプ１６と接する側にはヒートパイプ１６の外周とほぼ同一形状の湾曲を持たせるとともにベース板１１と接する側は平らとすることにより、熱拡散板３３からヒートパイプ１６への熱伝導をより改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３３を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値を小さくしつつ、その差を少なくすることができる。なお、熱拡散板３３と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１５，１７に対しても、図６に示した構成を用いることができる。
【００２７】
図７は、この発明の第４の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図７に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えばヒートシンク２１と同一素材、且つ２分割されたそれぞれの断面形状が略三角形状の勝手違いの熱拡散板３４，３５それぞれを挿入することにより、熱拡散板３４，３５からヒートパイプ１６への熱伝導をより改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３４，３５を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値を小さくしつつ、その差を少なくすることができる。
【００２８】
さらに、図７に示したような構成にすることにより、ベース板１５〜１７と熱拡散板３４，３５および熱拡散板３４，３５とヒートパイプ１６との接触を確実なものとすると同時に、ヒートパイプ１６に無理な力が加わらないようにするこができる。なお、熱拡散板３４，３５と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１５，１７に対しても、図７に示した構成を用いることができる。
【００２９】
図１２は、この発明の第２の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図１２（ａ）はこの上部の部分平面図，図１２（ｂ）はその部分側面図である。
【００３０】
すなわち図１２に示した構成では、ヒートシンク２２の溝に埋設されたヒートパイプ２３は、パワーモジュールのベース板２６での半導体パワーチップＣｐ１Ａ，１ＢとＣｐ２Ａ，２Ｂとのほぼ中間位置に、前記双方のチップの搭載位置には重ならないように配置され、また、ヒートシンク２２の溝に埋設されたヒートパイプ２４，２５それぞれは、パワーモジュールのベース板２６での半導体パワーチップＣｐ４Ａ，４Ｂや、Ｃｐ６Ａ，６Ｂの搭載位置に重なっているが、その重なり幅をそれぞれの半導体パワーチップの幅の１／２未満にしている。なお、ヒートパイプ２３〜２５それぞれとベース板２６との間の隙間には熱伝導性のグリースを充填している。
【００３１】
図１３は、パワーモジュールの冷却装置の実験モデルを用いた解析により得られた温度上昇値の特性グラフであり、その実線グラフは上述の図１２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値であり、また、破線グラフはヒートパイプ２３が半導体パワーチップＣｐ１Ａ，１ＢおよびＣｐ２Ａ，２Ｂの搭載位置に重ならない中間位置、ヒートパイプ２４が半導体パワーチップＣｐ３Ａ，３ＢおよびＣｐ４Ａ，４Ｂの搭載位置に重ならない中間位置、ヒートパイプ２５が半導体パワーチップＣｐ５Ａ，５Ｂの搭載位置にほぼ一致する位置にそれぞれ配置されたときの値である。
【００３２】
すなわち、図１３に示した実線グラフの特性から明らかなように、破線グラフにおける半導体パワーチップＣｐ５Ａ，５Ｂの温度上昇値が６２．４Ｋと他のチップに比して極端に高くなっており、これを解消して各チップ間の温度上昇値を均一化するためにも、半導体パワーチップとヒートパイプとの重なり幅を最大１／２チップ幅に抑える必要があり、実線グラフで示した図１２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では半導体パワーチップＣｐ１Ａ，Ｃｐ１Ｂ〜Ｃｐ６Ａ，Ｃｐ６Ｂの温度上昇値それぞれの差がより小さくなっている。なお、図１２に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
【００３３】
図１４は、この発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち図１４に示した構成は、一つの溝に対して２個の半導体パワーチップが重なる例を示したものであり、ヒートシンク２７におけるヒートパイプ２８，２９それぞれの埋設位置が、図示の如く、パワーモジュールのベース板３０での半導体パワーチップＣｐ２，Ｃｐ３およびＣｐ５，Ｃｐ６の搭載位置に重なっているが、半導体パワーチップＣｐ２，Ｃｐ３それぞれの幅をａとし、Ｃｐ２での重なり幅をｂとし、Ｃｐ３での重なり幅をｃとすると、ａ／２＞ｂ＋ｃの関係を持たせた配置にしている。同様に、半導体パワーチップＣｐ５，Ｃｐ６それぞれの幅をｋとし、Ｃｐ５での重なり幅をｍとし、Ｃｐ６での重なり幅をｎとすると、ｋ／２＞ｍ＋ｎの関係を持たせた配置にしている。なお、ヒートパイプ２８，２９とベース板３０との間の隙間には熱伝導性のグリースを充填している。また、図１４に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
【００３４】
図１５は、この発明の第４の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち、図１５に示した構成が上述の図１４に示した構成と異なる点は、ヒートシンク２７とベース板３０との間に銅板などの熱伝導板３７を挿設していることである。
【００３５】
図１６は、パワーモジュールの冷却装置の実験モデルを用いた解析により得られた温度上昇値の特性グラフであり、その実線グラフは上述の図１５に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値であり、また、破線グラフは上述の図１４に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値である。
【００３６】
すなわち、図１６に示した実線グラフの特性から明らかなように、図１５に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では半導体パワーチップＣｐ１〜Ｃｐ６それぞれの温度上昇値の差を、図１４に示したパワーモジュールの冷却装置の構成に比して、より小さくすることができる。なお、図１５に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
【００３７】
なお、先述の図１３に示した特性グラフと上述の図１６に示した特性グラフと温度上昇値が異なるのは、図１３の構成では半導体パワーチップがＩＧＢＴであるのに対して、図１４，図１５の構成では半導体パワーチップが比較的温度上昇値の大きいダイオードチップであることやヒートパイプの本数の差に起因している。
【００３８】
図１７は、この発明の第５の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち、図１７に示した構成が上述の図１４に示した構成と異なる点は、ヒートシンク２７に代えて、貫通穴を有するヒートシンク２７ａとし、この貫通穴にヒートパイプ２８，２９を挿設していることであり、このような構成にすることにより、上述の図１５に示した構成と同様の効果を得ることができる。このとき、温度上昇値を小さくするために、前記貫通穴とヒートパイプとの隙間に熱伝導性のグリースや半田を充填する、または、ヒートパイプを拡管して貫通穴に密着させることなどが行われる。
【００３９】
なお、図１７に示した構成の場合にも、図１２や図１３に示した構成のように、半導体パワーチップとヒートパイプとの重なり幅を半導体パワーチップ幅の１／２未満とすることにより、半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくすることが可能となる。
【００４０】
図１８は、この種のパワーモジュールの冷却装置が使用される鉄道車両用電力変換装置の回路構成図であり、主変圧器（ＭＴｒ）の二次巻線から得られる単相交流電圧を３レベルコンバータ（Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）により直流電圧に変換し、この直流電圧を３レベルインバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）により所望の周波数，振幅の三相交流電圧に変換し、この三相交流電圧により電動機（ＩＭ）を可変速駆動する回路構成である。
【００４１】
また図１９は、上述の鉄道車両用電力変換装置が搭載される鉄道車両の模式的断面構成図であり、Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，Ｉｎｖｅｒｔｅｒをパワーユニットとし、車両走行時の走行風を利用して前記パワーユニットのヒートシンク（冷却体）が吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部からヒートシンクのフィン部（冷却フィン）が露出するように配置している。
【００４２】
図２０は、この発明の第６の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図であり、上述の図１８，図１９に示したＣｏｎｖｅｒｔｅｒの一部を形成する半導体パワーモジュール４１〜４６、ヒートシンク５０、ヒートパイプ５１〜５３などから構成されている。このとき、ヒートパイプ５０のフィン部５０ａは走行風に沿うように設置されている。
【００４３】
図２１は、図２０に示した構成において、走行風の入口の空気温度と発熱している半導体パワーモジュール４１〜４６それぞれの表面温度との差（実測値）を示す特性グラフであり、実線グラフはヒートパイプ５１〜５３を設置したときの値を示し、破線グラフはヒートパイプ５１〜５３を省略したときの値を示している。
【００４４】
すなわち、ヒートパイプ５１〜５３を設けたことにより、図２１に示した実線グラフと破線グラフとから明らかなように、半導体パワーモジュール４１〜４６それぞれの温度差の違いがより小さくすることができ、また、実線グラフから明らかなように、風上と風下での半導体パワーモジュール間の値の違いもより小さくすることができる。
【００４５】
なお、図２０に示した構成ではヒートパイプをパワーモジュール各列に対して３本ずつ設けた場合について示しているが、ヒートパイプの本数は適宜決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の平面図
【図２】図１の側面図
【図３】この発明の第１の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図４】図３の部分詳細構成図
【図５】この発明の第２の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図６】この発明の第３の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図７】この発明の第４の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図８】一般的なパワーモジュールの冷却装置の平面図
【図９】図８の側面図
【図１０】従来例を示す図９の部分詳細図
【図１１】従来例を示す図９の部分詳細図
【図１２】この発明の第２の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の構成図
【図１３】図１２の動作を説明する特性グラフ
【図１４】この発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の断面図
【図１５】この発明の第４の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の断面図
【図１６】図１４，図１５の動作を説明する特性グラフ
【図１７】この発明の第５の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の断面図
【図１８】鉄道車両用電力変換装置の回路構成図
【図１９】鉄道車両の模式的断面構成図
【図２０】この発明の第６の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の構成図
【図２１】図２０の動作を説明する特性グラフ
【符号の説明】
【００４７】
１１〜１３…ベース板、１４…ヒートシンク、１５〜１７…ヒートパイプ、１８，１９…グリース、２１，２２…ヒートシンク、２３〜２５…ヒートパイプ、２６…ベース板、２７…ヒートシンク、２８，２９…ヒートパイプ、３０…ベース板、３１〜３５…熱拡散板、３７…熱伝導板、４１〜４６…パワーモジュール、５０…ヒートシンク、５１〜５３…ヒートパイプ。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８，９は、下記特許文献１，２の構成を含む一般的なパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図８はこの上部の平面図，図９はその側面図である。
すなわち図８の平面図において、１１は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈそれぞれを搭載したベース板、１２は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈと同様配置で半導体パワーチップ１２ａ〜１２ｈそれぞれを搭載したベース板、１３は半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈと同様配置で半導体パワーチップ１３ａ〜１３ｈをそれぞれ搭載したベース板、１４はアルミニウムなどを素材にしたヒートシンクを示し、この図において、ベース板１１と半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈとでパワーモジュールを形成し、同様に、ベース板１２と半導体パワーチップ１２ａ〜１２ｈとでパワーモジュールを、ベース板１３と半導体パワーチップ１３ａ〜１３ｈとでパワーモジュールをそれぞれ形成している。
【０００３】
また、図９の側面図において、１４ａはヒートシンク１４のフィン部、１５〜１７は伝熱管としての丸棒形のヒートパイプをそれぞれ示し、これらのヒートパイプ１５〜１７はベース板１１〜１３とヒートシンク１４とが接するヒートシンク１４の面側に設けられた溝に埋め込まれている。
【０００４】
図１０は、従来のパワーモジュールの冷却装置における図９の部分詳細構成図を示し、ヒートパイプ１５をヒートシンク１４に埋め込むための前記溝が半導体パワーチップ１１ａなどのほぼ真下に位置し、また、ヒートパイプ１５が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３それぞれとの隙間には熱伝導性のグリース１８が充填されている。
【０００５】
また、図１１は従来のパワーモジュールの冷却装置における図１０とは異なった部位の部分詳細構成図を示し、ヒートパイプ１６をヒートシンク１４に埋め込むための前記溝が半導体パワーチップ１１ｂなどと半導体パワーチップ１１ｃなどとのほぼ中間に位置し、さらに、ヒートパイプ１６が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３それぞれとの隙間には熱伝導性のグリース１９が充填されている。
【特許文献１】実開平５−３６８９７号公報。
【特許文献２】特開２００４−９６０７４号公報。
【特許文献３】特開２００３−４８５３３号公報。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図８，９に示した従来のパワーモジュールの冷却装置では、ヒートシンク１４のフィン部１４ａの長手方向に沿ってヒートシンク１４のベース板１１〜１３側に埋め込まれたヒートパイプ１５〜１７により、ヒートシンク１４の長手方向に沿い放熱効果を均一化する方式が採用されている。
【０００７】
しかしながら、図１０に示した如く、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどのほぼ真下に設けられたヒートパイプ１５の溝により、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどの温度上昇値に比して、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの温度上昇値が大きくなるという難点があり、これらの温度上昇値の差をより小さくするために、ヒートパイプ１５が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３との隙間には熱伝導性のグリース１８を充填している。
【０００８】
また、図１１に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝は、これらの半導体パワーチップ間の温度上昇値にはわずかの差しか生じないが、この温度上昇値をより小さくするためのヒートパイプ１６が埋め込まれた前記溝とベース板１１〜１３との隙間の充填された熱伝導性のグリース１９は、上述のグリース１８と同様に、例えばアルミニウなどを素材としたヒートシンク１４に比してその熱伝導率が小さく、前記放熱効果を阻害する要因となっている。
【０００９】
この発明の目的は、前記半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくしつつ、上記放熱効果を改善できるパワーモジュールの冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この第１の発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、前記ベース板に接する面側が凸形状の湾曲を有する熱拡散板を挿設したことを特徴とする。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記熱拡散板の周部を承接する受容部を設けたことを特徴とする。
第３の発明は、第２の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板は前記段差の底面で承接されることを特徴とする。
【００１２】
第４の発明は、第１の発明〜第３の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記熱拡散板は、さらに前記伝熱管の外周と接する面側が凹形状の湾曲を有することを特徴とする。
【００１３】
第５の発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に溝を設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、２組に分割され且つ勝手違いの断面形状を有し、それぞれの一方の表面が前記ベース板に接し、他方の表面が前記伝熱管に接する熱拡散板を挿設したことを特徴とする。
【００１４】
第６の発明は、第５の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記２組に分割された熱拡散板それぞれの側縁部を承接する受容部を設けたことを特徴とする。
【００１５】
第７の発明は、第６の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記２組に分割された熱拡散板それぞれはその側縁部に突起を備え、前記２組に分割された熱拡散板の突起が前記段差の底面で承接されていることを特徴とする。
【００１６】
第８の発明は、ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に前記ベース板と前記伝熱管とに熱的に接触する熱拡散板を挿設し、前記熱拡散板の周部が前記溝の開口周部に設けられた受容部で承接されていることを特徴とする。
【００１７】
第９の発明は、第８の発明に係るパワーモジュールの冷却装置において、前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板の側縁部または前記熱拡散板の側縁部に設けられた突起が前記段差の底面で承接されることを特徴とする。
【００１８】
第１０の発明は前記第１〜第９の発明のパワーモジュールの冷却装置において、車両走行時の走行風を利用して前記ヒートシンクが吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部から前記ヒートシンクのフィン部が露出するように配置したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１９】
この発明に係るパワーモジュールの冷却装置によれば、前記パワーモジュールとヒートシンクとが接するヒートシンク面内に設けた溝にヒートパイプなどの伝熱管を埋設し、この伝熱管と前記ベース板との隙間に熱伝導率の大きな熱拡散板を挿設することによりヒートシンクによる放熱効果を改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１，２は、この発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図１はこの上部の平面図，図２はその側面図である。これらの図において、図８，９に示した従来例構成と同一機能を有するものには同一符号を付している。
【００２１】
すなわち図１，２に示した構成図では、ヒートシンク２１におけるヒートパイプ１５，ヒートパイプ１７それぞれの埋設位置が図８，９に示した構成図におけるヒートシンク１４での埋設位置とは大きく異なり、全ての半導体パワーチップに重ならないようにヒートパイプの溝が設けられており、図のとおり半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの搭載位置から外れた位置（図１，２の例では重ならない位置）にヒートパイプ１５の溝が設けられ、同様に、半導体パワーチップ１１ｄ，１１ｈなどの搭載位置から外れた位置にヒートパイプ１７の溝が設けられている。
【００２２】
その結果、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では、半導体パワーチップ１１ａ〜１１ｈなどの温度上昇値それぞれの差をより小さくすることができるとともに、後述の図３〜７に示すこの発明の第１〜第４の実施例構成のようにパワーモジュールの冷却装置を形成することにより、これらの温度上昇値もより小さくすることができる。
【００２３】
図３は、この発明の第１の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図３に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えば、ヒートシンク２１と同一素材の熱拡散板３１が挿入され、この熱拡散板３１を図４に示すように形成することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１６への直接の熱伝導を改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３１を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値をより小さくなり、従って、その温度差もより少なくすることができる。なお、熱拡散板３１と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。
【００２４】
図４は図３に示した熱拡散板の詳細構成図を示し、この図のように、熱拡散板３１のベース板１１〜１３側に凸状の僅かな湾曲を、また、熱拡散板３１のヒートハイプ１６側に凹状の僅かな湾曲をそれぞれ持たせることに持たせることにより、ベース板１１〜１３と熱拡散板３１との接触部および熱拡散板３１とヒートパイプ１６との接触部それぞれの熱抵抗をより低減することができる。
【００２５】
図５は、この発明の第２の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における図３とは異なった部位での部分詳細構成図を示している。
すなわち、図５に示した如く、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどの搭載位置に対して外れた位置にヒートパイプ１５の溝を設け、また、ベース板１１〜１３との隙間には、図３に示した熱拡散板３１と同一素材，形状の熱拡散板３２を挿入することにより、ベース板１１〜１３からのヒートパイプ１５への直接の熱伝導を改善できるともに、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｅなどと、半導体パワーチップ１１ａ，１１ｆなどとの温度上昇値の差をより少なくすることができる。なお、図３と同様に、熱拡散板３２と、ヒートパイプ１５およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１７に対しても、図５に示した構成を用いることができる。
【００２６】
図６は、この発明の第３の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図６に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えば、ヒートシンク２１と同一素材の熱拡散板３３が挿入される。この熱拡散板３３の断面形状は、ヒートパイプ１６と接する側にはヒートパイプ１６の外周とほぼ同一形状の湾曲を持たせるとともにベース板１１と接する側は平らとすることにより、熱拡散板３３からヒートパイプ１６への熱伝導をより改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３３を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値を小さくしつつ、その差を少なくすることができる。なお、熱拡散板３３と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１５，１７に対しても、図６に示した構成を用いることができる。
【００２７】
図７は、この発明の第４の実施例を示す構成図であり、図１，２に示したパワーモジュールの冷却装置における部分詳細構成図を示している。
すなわち、図７に示した如く、半導体パワーチップ１１ｂ，１１ｆなどと、半導体パワーチップ１１ｃ，１１ｇなどとのほぼ中間位置に設けられたヒートパイプ１６の溝とベース板１１〜１３との隙間には、例えばヒートシンク２１と同一素材、且つ２分割されたそれぞれの断面形状が略三角形状の勝手違いの熱拡散板３４，３５それぞれを挿入することにより、熱拡散板３４，３５からヒートパイプ１６への熱伝導をより改善することができ、また、前記溝に段差を持たせたことによりベース板１１〜１３から熱拡散板３４，３５を経由してヒートシンク２１に放熱する経路ができ、その結果、これらの半導体パワーチップでの温度上昇値を小さくしつつ、その差を少なくすることができる。
【００２８】
さらに、図７に示したような構成にすることにより、ベース板１５〜１７と熱拡散板３４，３５および熱拡散板３４，３５とヒートパイプ１６との接触を確実なものとすると同時に、ヒートパイプ１６に無理な力が加わらないようにするこができる。なお、熱拡散板３４，３５と、ヒートパイプ１６およびベース板１１〜１３との間の僅かな隙間には熱伝導性のグリースを充填することが望ましい。また、ヒートパイプ１５，１７に対しても、図７に示した構成を用いることができる。
【００２９】
図１２は、この発明の第２の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図を示し、図１２（ａ）はこの上部の部分平面図，図１２（ｂ）はその部分側面図である。
【００３０】
すなわち図１２に示した構成では、ヒートシンク２２の溝に埋設されたヒートパイプ２３は、パワーモジュールのベース板２６での半導体パワーチップＣｐ１Ａ，１ＢとＣｐ２Ａ，２Ｂとのほぼ中間位置に、前記双方のチップの搭載位置には重ならないように配置され、また、ヒートシンク２２の溝に埋設されたヒートパイプ２４，２５それぞれは、パワーモジュールのベース板２６での半導体パワーチップＣｐ４Ａ，４Ｂや、Ｃｐ６Ａ，６Ｂの搭載位置に重なっているが、その重なり幅をそれぞれの半導体パワーチップの幅の１／２未満にしている。なお、ヒートパイプ２３〜２５それぞれとベース板２６との間の隙間には熱伝導性のグリースを充填している。
【００３１】
図１３は、パワーモジュールの冷却装置の実験モデルを用いた解析により得られた温度上昇値の特性グラフであり、その実線グラフは上述の図１２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値であり、また、破線グラフはヒートパイプ２３が半導体パワーチップＣｐ１Ａ，１ＢおよびＣｐ２Ａ，２Ｂの搭載位置に重ならない中間位置、ヒートパイプ２４が半導体パワーチップＣｐ３Ａ，３ＢおよびＣｐ４Ａ，４Ｂの搭載位置に重ならない中間位置、ヒートパイプ２５が半導体パワーチップＣｐ５Ａ，５Ｂの搭載位置にほぼ一致する位置にそれぞれ配置されたときの値である。
【００３２】
すなわち、図１３に示した実線グラフの特性から明らかなように、破線グラフにおける半導体パワーチップＣｐ５Ａ，５Ｂの温度上昇値が６２．４Ｋと他のチップに比して極端に高くなっており、これを解消して各チップ間の温度上昇値を均一化するためにも、半導体パワーチップとヒートパイプとの重なり幅を最大１／２チップ幅に抑える必要があり、実線グラフで示した図１２に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では半導体パワーチップＣｐ１Ａ，Ｃｐ１Ｂ〜Ｃｐ６Ａ，Ｃｐ６Ｂの温度上昇値それぞれの差がより小さくなっている。なお、図１２に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
【００３３】
図１４は、この発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち図１４に示した構成は、一つの溝に対して２個の半導体パワーチップが重なる例を示したものであり、ヒートシンク２７におけるヒートパイプ２８，２９それぞれの埋設位置が、図示の如く、パワーモジュールのベース板３０での半導体パワーチップＣｐ２，Ｃｐ３およびＣｐ５，Ｃｐ６の搭載位置に重なっているが、半導体パワーチップＣｐ２，Ｃｐ３それぞれの幅をａとし、Ｃｐ２での重なり幅をｂとし、Ｃｐ３での重なり幅をｃとすると、ａ／２＞ｂ＋ｃの関係を持たせた配置にしている。同様に、半導体パワーチップＣｐ５，Ｃｐ６それぞれの幅をｋとし、Ｃｐ５での重なり幅をｍとし、Ｃｐ６での重なり幅をｎとすると、ｋ／２＞ｍ＋ｎの関係を持たせた配置にしている。なお、ヒートパイプ２８，２９とベース板３０との間の隙間には熱伝導性のグリースを充填している。また、図１４に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
【００３４】
図１５は、この発明の第４の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち、図１５に示した構成が上述の図１４に示した構成と異なる点は、ヒートシンク２７とベース板３０との間に銅板などの熱伝導板３７を挿設していることである。
【００３５】
図１６は、パワーモジュールの冷却装置の実験モデルを用いた解析により得られた温度上昇値の特性グラフであり、その実線グラフは上述の図１５に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値であり、また、破線グラフは上述の図１４に示したパワーモジュールの冷却装置の構成での値である。
【００３６】
すなわち、図１６に示した実線グラフの特性から明らかなように、図１５に示したパワーモジュールの冷却装置の構成では半導体パワーチップＣｐ１〜Ｃｐ６それぞれの温度上昇値の差を、図１４に示したパワーモジュールの冷却装置の構成に比して、より小さくすることができる。なお、図１５に示した構成図においても、図３〜図７に示した熱拡散板３１〜３５の何れかを挿入することにより、熱伝導性を改善することができる。
【００３７】
なお、先述の図１３に示した特性グラフと上述の図１６に示した特性グラフと温度上昇値が異なるのは、図１３の構成では半導体パワーチップがＩＧＢＴであるのに対して、図１４，図１５の構成では半導体パワーチップが比較的温度上昇値の大きいダイオードチップであることやヒートパイプの本数の差に起因している。
【００３８】
図１７は、この発明の第５の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図としての部分側面図である。
すなわち、図１７に示した構成が上述の図１４に示した構成と異なる点は、ヒートシンク２７に代えて、貫通穴を有するヒートシンク２７ａとし、この貫通穴にヒートパイプ２８，２９を挿設していることであり、このような構成にすることにより、上述の図１５に示した構成と同様の効果を得ることができる。このとき、温度上昇値を小さくするために、前記貫通穴とヒートパイプとの隙間に熱伝導性のグリースや半田を充填する、または、ヒートパイプを拡管して貫通穴に密着させることなどが行われる。
【００３９】
なお、図１７に示した構成の場合にも、図１２や図１３に示した構成のように、半導体パワーチップとヒートパイプとの重なり幅を半導体パワーチップ幅の１／２未満とすることにより、半導体パワーチップ間の温度上昇値の差をより小さくすることが可能となる。
【００４０】
図１８は、この種のパワーモジュールの冷却装置が使用される鉄道車両用電力変換装置の回路構成図であり、主変圧器（ＭＴｒ）の二次巻線から得られる単相交流電圧を３レベルコンバータ（Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）により直流電圧に変換し、この直流電圧を３レベルインバータ（Ｉｎｖｅｒｔｅｒ）により所望の周波数，振幅の三相交流電圧に変換し、この三相交流電圧により電動機（ＩＭ）を可変速駆動する回路構成である。
【００４１】
また図１９は、上述の鉄道車両用電力変換装置が搭載される鉄道車両の模式的断面構成図であり、Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，Ｉｎｖｅｒｔｅｒをパワーユニットとし、車両走行時の走行風を利用して前記パワーユニットのヒートシンク（冷却体）が吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部からヒートシンクのフィン部（冷却フィン）が露出するように配置している。
【００４２】
図２０は、この発明の第６の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の模式的概念構成図であり、上述の図１８，図１９に示したＣｏｎｖｅｒｔｅｒの一部を形成する半導体パワーモジュール４１〜４６、ヒートシンク５０、ヒートパイプ５１〜５３などから構成されている。このとき、ヒートパイプ５０のフィン部５０ａは走行風に沿うように設置されている。
【００４３】
図２１は、図２０に示した構成において、走行風の入口の空気温度と発熱している半導体パワーモジュール４１〜４６それぞれの表面温度との差（実測値）を示す特性グラフであり、実線グラフはヒートパイプ５１〜５３を設置したときの値を示し、破線グラフはヒートパイプ５１〜５３を省略したときの値を示している。
【００４４】
すなわち、ヒートパイプ５１〜５３を設けたことにより、図２１に示した実線グラフと破線グラフとから明らかなように、半導体パワーモジュール４１〜４６それぞれの温度差の違いがより小さくすることができ、また、実線グラフから明らかなように、風上と風下での半導体パワーモジュール間の値の違いもより小さくすることができる。
【００４５】
なお、図２０に示した構成ではヒートパイプをパワーモジュール各列に対して３本ずつ設けた場合について示しているが、ヒートパイプの本数は適宜決定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の平面図
【図２】図１の側面図
【図３】この発明の第１の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図４】図３の部分詳細構成図
【図５】この発明の第２の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図６】この発明の第３の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図７】この発明の第４の実施例を示す図２の部分詳細構成図
【図８】一般的なパワーモジュールの冷却装置の平面図
【図９】図８の側面図
【図１０】従来例を示す図９の部分詳細図
【図１１】従来例を示す図９の部分詳細図
【図１２】この発明の第２の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の構成図
【図１３】図１２の動作を説明する特性グラフ
【図１４】この発明の第３の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の断面図
【図１５】この発明の第４の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の断面図
【図１６】図１４，図１５の動作を説明する特性グラフ
【図１７】この発明の第５の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の断面図
【図１８】鉄道車両用電力変換装置の回路構成図
【図１９】鉄道車両の模式的断面構成図
【図２０】この発明の第６の実施の形態を示すパワーモジュールの冷却装置の構成図
【図２１】図２０の動作を説明する特性グラフ
【符号の説明】
【００４７】
１１〜１３…ベース板、１４…ヒートシンク、１５〜１７…ヒートパイプ、１８，１９…グリース、２１，２２…ヒートシンク、２３〜２５…ヒートパイプ、２６…ベース板、２７…ヒートシンク、２８，２９…ヒートパイプ、３０…ベース板、３１〜３５…熱拡散板、３７…熱伝導板、４１〜４６…パワーモジュール、５０…ヒートシンク、５１〜５３…ヒートパイプ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、
前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、前記ベース板に接する面側が凸形状の湾曲を有する熱拡散板を挿設したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項２】
前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記熱拡散板の周部を承接する受容部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項３】
前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板は前記段差の底面で承接されることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項４】
前記熱拡散板は、さらに前記伝熱管の外周と接する面側が凹形状の湾曲を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項５】
ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、
前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に溝を設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、２組に分割され且つ勝手違いの断面形状を有し、それぞれの一方の表面が前記ベース板に接し、他方の表面が前記伝熱管に接する熱拡散板を挿設したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項６】
前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記２組に分割された熱拡散板それぞれの側縁部を承接する受容部を設けたことを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項７】
前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記２組に分割された熱拡散板それぞれはその側縁部に突起を備え、前記２組に分割された熱拡散板の突起が前記段差の底面で承接されていることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項８】
ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、
前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に前記ベース板と前記伝熱管とに熱的に接触する熱拡散板を挿設し、前記熱拡散板の周部が前記溝の開口周部に設けられた受容部で承接されていることを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項９】
前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板の側縁部または前記熱拡散板の側縁部に設けられた突起が前記段差の底面で承接されることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のパワーモジュールの冷却装置において、
車両走行時の走行風を利用して前記ヒートシンクが吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部から前記ヒートシンクのフィン部が露出するように配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項１】
ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、
前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、前記ベース板に接する面側が凸形状の湾曲を有する熱拡散板を挿設したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項２】
前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記熱拡散板の周部を承接する受容部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項３】
前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板は前記段差の底面で承接されることを特徴とする請求項２に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項４】
前記熱拡散板は、さらに前記伝熱管の外周と接する面側が凹形状の湾曲を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項５】
ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、
前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に溝を設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に、２組に分割され且つ勝手違いの断面形状を有し、それぞれの一方の表面が前記ベース板に接し、他方の表面が前記伝熱管に接する熱拡散板を挿設したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項６】
前記ヒートシンク面内に設けた溝に前記２組に分割された熱拡散板それぞれの側縁部を承接する受容部を設けたことを特徴とする請求項５に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項７】
前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記２組に分割された熱拡散板それぞれはその側縁部に突起を備え、前記２組に分割された熱拡散板の突起が前記段差の底面で承接されていることを特徴とする請求項６に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項８】
ベース板上に半導体パワーチップを複数個搭載してなるパワーモジュールをヒートシンク上に固着することにより、パワーモジュールが発する熱をヒートシンクが吸収して外部に放熱するパワーモジュールの冷却装置において、
前記パワーモジュールとヒートシンクとが接する側のヒートシンク面内に設けた溝に埋設した丸棒形の伝熱管と前記ベース板との隙間に前記ベース板と前記伝熱管とに熱的に接触する熱拡散板を挿設し、前記熱拡散板の周部が前記溝の開口周部に設けられた受容部で承接されていることを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【請求項９】
前記受容部は前記溝の開口周部に設けられた段差を備え、前記熱拡散板の側縁部または前記熱拡散板の側縁部に設けられた突起が前記段差の底面で承接されることを特徴とする請求項８に記載のパワーモジュールの冷却装置。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載のパワーモジュールの冷却装置において、
車両走行時の走行風を利用して前記ヒートシンクが吸収した熱を放熱させるために、前記車両の下部から前記ヒートシンクのフィン部が露出するように配置したことを特徴とするパワーモジュールの冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−６４９７６（Ｐ２０１２−６４９７６Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２７３９５５（Ｐ２０１１−２７３９５５）
【出願日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【分割の表示】特願２００６−５００２１（Ｐ２００６−５００２１）の分割
【原出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【分割の表示】特願２００６−５００２１（Ｐ２００６−５００２１）の分割
【原出願日】平成１８年２月２７日（２００６．２．２７）
【出願人】（０００００５２３４）富士電機株式会社 (3,146)
【Ｆターム（参考）】
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