(57)【要約】  半導体素子を効果的に冷却できる半導体モジュール用冷却器を提供する。半導体モジュール用冷却器は、冷媒ジャケット(２)に外部から冷媒を供給して、フィン(１１)を備えたヒートシンク(１)の外面に配置された半導体素子(１３)を冷却する。この冷却器は、外部から導入された冷媒が、冷媒拡散室(２６)で広がった後、冷媒拡散壁(２５)を乗り越えるようにしてフィン(１１)を配置した冷却フィン冷却室(２８)に導入され、フィン(１１)を冷却し、冷媒排出口(２１)から外部へ排出される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒ジャケットに外部から冷媒を供給して、その外面にヒートシンクを介して前記冷媒ジャケットに熱的に接続される一乃至複数の半導体素子を冷却する半導体モジュール用冷却器であって、
前記冷媒ジャケットは、
前記ヒートシンクの前記半導体素子が接続された面の裏面に形成された冷却フィンを挿通する開口部を有し、当該冷却フィンを冷却する冷却フィン冷却室と、
前記冷媒を導入する冷媒導入口と、
前記冷媒導入口から導入された冷媒を拡散して前記冷却フィン冷却室に供給する冷媒拡散室と、
前記冷媒拡散室の前記冷却フィン冷却室側に備えられ、前記冷媒拡散室で拡散された前記冷媒が乗り越えて前記冷却フィン冷却室側に導入される冷媒拡散壁と、
前記冷媒を外部に排出する冷媒排出口と、
前記冷却フィン冷却室と前記冷媒排出口との間に設けられた冷媒収束室とを少なくとも備えていることを特徴とする半導体モジュール用冷却器。
【請求項２】
前記冷媒拡散壁の上端位置は前記冷媒導入口の上端位置以上の高さを有することを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項３】
前記冷媒拡散壁の前記冷媒導入口との対向面は、その面の下部から上部に向い前傾する傾斜面とされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項４】
前記冷媒拡散壁の上端位置は前記冷媒導入口の上端位置以上の高さを有し、前記冷媒拡散壁の前記冷媒導入口との対向面は、その面の下部から上部に向い前傾する傾斜面とされていることを特徴とする請求項１に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項５】
前記冷媒拡散室は前記冷媒導入口から前記冷媒拡散壁に向かい末広がり形状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項６】
前記冷媒拡散室は前記冷媒導入口から前記冷媒拡散壁に向かい末広がり形状であり、前記冷媒収束室は前記冷媒排出口から前記冷却フィン冷却室に向かい末広がり形状であることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項７】
前記複数の半導体素子は、前記ヒートシンクにおいて前記冷媒導入口から前記冷媒排出口に向かう冷媒の流れる方向に対して交差する方向に配列されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項８】
前記冷却フィンは、
複数の平板からなるブレードフィン、断面が円形状である複数の丸ピン、断面が多角形状である複数の角ピンのいずれか１つで構成されていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項９】
前記冷却フィンを複数の前記丸ピン及び複数の前記角ピンの何れか一方で構成する場合に、ピン配列を千鳥状配列としたことを特徴とする請求項８に記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項１０】
前記ヒートシンクと前記冷媒ジャケットとの間には、少なくとも前記開口部を囲むシール部材を備えていることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の半導体モジュール用冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体モジュール用冷却器に関し、特に複数の半導体素子を配設した絶縁基板が接合されるヒートシンクの裏面に放熱フィンが一体に形成され、放熱フィンの間に冷却媒体を流すことで半導体素子の発熱を放熱する半導体モジュール用冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車や電気自動車等に代表される電力変換装置には、広く半導体モジュールが利用されている。省エネルギーのための制御装置を構成する半導体モジュールでは、大電流を制御するためにパワー半導体素子を備えている。
こうしたパワー半導体素子は、大電流を制御する際の発熱量が増大する傾向にある。とくに、パワー半導体素子の小型化や高出力化が進むにつれて発熱量が非常に大きくなるため、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールではその冷却方法が大きな問題となる。【０００３】
半導体モジュールの冷却効率を向上させるうえで、半導体モジュールには従来から一般に液冷式の冷却器（以下「冷却器」とも称する。）が用いられている。冷媒を循環させる液冷式の冷却器においては、その冷却効率を向上させるために、冷媒流量の増加、放熱用のフィン（冷却体）を熱伝達率のよい形状とする、あるいはフィンを構成する材料の熱伝導率を高めるなど、様々な工夫がなされてきた。【０００４】
このような冷却器は、肉厚の薄い板状の放熱フィンが冷却媒体を流す流路に均一密度で配置されるように金属ベースと一体に形成され、その金属ベースに発熱する半導体チップを配設した絶縁基板が接合される。流路に圧力をかけた冷却媒体を流すことにより、半導体チップの発熱エネルギーは、表面積の大きな放熱フィンを介して冷却媒体に効率よく放熱される。半導体チップからの放熱により昇温された冷却媒体は、外部の熱交換器にて冷却され、冷却された冷却媒体は、ポンプにより加圧されて放熱フィンが配置された流路に戻される。【０００５】
従来、このような冷却器として特開２００１−３０８２４６号公報に開示されているような装置が知られている。この従来例の構成を図２４、２５、２６に示す。
この従来例は、ヒートシンク１００１内に、幅広の冷却通路側壁１００４で囲まれる冷却通路１００２が形成されている。この冷却通路１００２には前端及び後端に冷却液の入口１００３ａ及び出口１００３ｂが形成されている。また、冷却通路１００２には、ヒートシンク１００１上に配置する２つの半導体モジュールの放熱基板１１０４に対向する位置に開口部１００５が形成されている。この開口部１００５内に放熱基板１１０４に並列配置された多数の放熱フィン１１０５が挿通され、この放熱フィン１１０５が冷却通路１００２内に浸漬されている。【０００６】
放熱基板１１０４には複数の絶縁基板１１０３が配置され、これら絶縁基板１１０３上にそれぞれ半導体素子１１０２や回路部品が実装されている。そして、複数の絶縁基板１１０３が上蓋１１０１で覆われている。また、ヒートシンク１００１と放熱基板１１０４との間には開口部１００５を囲むようにシール部１１０９が設けられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３０８２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような冷却器では、冷却器内を流れる冷却媒体の流量がその流路の幅方向の中央部で多く、周辺部で少ないことから、冷却器内を流れる流路の幅方向中央付近に配置された半導体素子１１０２が冷却される程度にくらべ、流路の周辺部に対応して配置された半導体素子１１０２の冷却される程度が少なくなっている。
半導体素子間に温度差があると、それぞれの半導体素子の出力電流は、温度の最も高い半導体素子の出力電流に律速されてしまうので、それ以外の半導体素子は、温度的により多くの出力電流を流せるにも拘わらず、最大温度の半導体素子の出力電流に制限されて十分な出力を確保できないという問題点がある。【０００９】
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、簡単な構造で冷却媒体の流れに交差する方向に配置されている半導体素子の温度差を小さくした半導体モジュール用冷却器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】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の第１の態様は、冷媒ジャケットに外部から冷媒を供給して、その外面にヒートシンクを介して前記冷媒ジャケットに熱的に接続される一乃至複数の半導体素子を冷却する半導体モジュール用冷却器である。そして、前記冷媒ジャケットは、前記ヒートシンクの前記半導体回路が接続された面の裏面に形成された冷却フィンを挿通する開口部を有し、当該冷却フィンを冷却する冷却フィン冷却室と、前記冷媒を導入する冷媒導入口と、前記冷媒導入口から導入された冷媒を拡散して前記冷却フィン冷却室に供給する冷媒拡散室と、前記冷媒拡散室の前記冷却フィン冷却室側に備えられ、前記冷媒拡散室で拡散された前記冷媒が乗り越えて前記冷却フィン冷却室側に導入される冷媒拡散壁と、前記冷媒を外部に排出する冷媒排出口と、前記冷却フィン冷却室と前記冷媒排出口との間に設けられた冷媒収束室とを少なくとも備えている。【００１１】
また、本発明の第２の態様は、前記冷媒拡散壁の上端位置が前記冷媒導入口の上端位置以上の高さを有している。
また、本発明の第３の態様は、前記冷媒拡散壁の前記冷媒導入口との対向面が、その面の下部から上部に向い前傾する傾斜面とされている。
また、本発明の第４の態様は、前記冷媒拡散壁の上端位置が前記冷媒導入口の上端位置以上の高さを有し、前記冷媒拡散壁の前記冷媒導入口との対向面が、その面の下部から上部に向い前傾する傾斜面とされている。【００１２】
また、本発明の第５の態様は、前記冷媒拡散室が前記冷媒導入口から前記冷媒拡散壁に向かい末広がり形状に形成されている。
また、本発明の第６の態様は、前記冷媒拡散室が前記冷媒導入口から前記冷媒拡散壁に向かい末広がり形状に形成され、前記冷媒収束室が前記冷媒排出口から前記冷却フィン冷却室に向かい末広がり形状に形成されている。【００１３】
また、本発明の第７の態様は、前記複数の半導体素子が、前記ヒートシンクにおいて前記冷媒導入口から前記冷媒排出口に向かう冷媒の流れる方向に対して交差する方向に配列されている。
また、本発明の第８の態様は、前記冷却フィンが、複数の平板からなるブレードフィン、断面が円形状である複数の丸ピン、断面が多角形状である複数の角ピンのいずれか１つで構成されている。【００１４】
また、本発明の第９の態様は、前記冷却フィンを複数の前記丸ピン及び複数の前記角ピンの何れか一方で構成する場合に、ピン配列を千鳥状配列とした。
また、本発明の第１０の態様は、前記ヒートシンクと前記冷媒ジャケットとの間に、少なくとも前記開口部を囲むシール部材を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様によれば、冷媒ジャケットに半導体素子を配置したヒートシンクの裏面に形成された冷却フィンを挿通した冷却フィン冷却室に対してその幅方向に均等に冷媒を流すことができ、ヒートシンク上に冷媒の流れに直交する方向に１つ又は複数の半導体素子を配置した場合に、各半導体素子の冷却が均等になされる。その結果、発熱する半導体素子の温度差が小さくなり、どの半導体チップも十分に出力電流を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の冷却器を示す図である。
【図２】本発明の半導体モジュールを示す図である。
【図３】本発明に係るフィンの一例を示す図である。
【図４】本発明に係る冷媒ジャケットの第一の例のＡＡ’断面図である。
【図５】本発明に係る冷媒ジャケットの第一の例のＢＢ’断面図である。
【図６】フィンに流入する冷媒の従来の流入状態を示す概念図である。
【図７】フィンに流入する冷媒の本発明の流入状態を示す概念図である。
【図８】（ａ）が本発明の冷媒拡散壁の第二の実施態様を示す図であり、（ｂ）が図５のＣＣ’断面図である。
【図９】ブレードフィンを用いた本発明に係る冷媒の流れのシミュレーション結果の概念図である。
【図１０】丸ピンを並行に配置した本発明に係るフィンの一例を示す図である。
【図１１】並行に配置した丸ピンを用いた本発明に係る冷媒の流れのシミュレーション結果の概念図である。
【図１２】丸ピンを千鳥状に配置した本発明に係るフィンの一例を示す図である。
【図１３】図１２のフィンの一つの実施例を示す図である。
【図１４】千鳥状に配置した丸ピンを用いた本発明に係る冷媒の流れのシミュレーション結果の概念図である。
【図１５】角ピンを並行に配置した本発明に係るフィンの一例を示す図である。
【図１６】角ピンを千鳥状に配置した本発明に係るフィンの一例を示す図である。
【図１７】千鳥状に配置した角ピンを用いた本発明に係る冷媒の流れのシミュレーション結果の概念図である。
【図１８】冷媒ジャケットの長手方向に冷媒を流した本発明の実施態様を示す概念図である。
【図１９】冷媒ジャケットの短手方向に冷媒を流した本発明の実施態様における冷媒の流入、流出位置の例を示す概念図である。
【図２０】冷媒ジャケットの長手方向に冷媒を流した本発明の実施態様における冷媒の流入、流出位置の例を示す概念図である。
【図２１】丸ピン、角ピン、ブレードフィンの各場合における冷媒流量とＩＧＢＴ接合温度との関係を示すグラフである。
【図２２】丸ピン、角ピン、ブレードフィンの各場合における冷媒流量と圧力損失との関係を示すグラフである。
【図２３】熱抵抗と圧力損失の流量依存性を示すグラフである。
【図２４】従来例である。
【図２５】図２４のＡＡ−ＡＡ’断面図である。
【図２６】図２４のＢＢ−ＢＢ’断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の半導体モジュール用冷却器の外観と内部構造を示す図である。図１（ｂ）は、半導体モジュール用冷却器３の外観である。図１（ａ）は、本発明に係るヒートシンク１とヒートシンク１に取りつけられた半導体回路（１４、１５、１６）を示している。ここではこの半導体回路はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュールを例にしたものである。図１（ｃ）は、本発明に係る冷媒ジャケット（ウオータージャケット）２を示している。図１（ｄ）は、本発明に係る冷媒ジャケット（ウオータージャケット）２の冷媒導入口を見た図である。
【００１８】
ここで、半導体回路１４、１５及び１６は、三相インバータを形成するＷ相用回路、Ｖ相用回路及びＵ相用回路として構成されている。Ｗ相用回路となる半導体回路１４は、図１（ａ）に示すように、上側アームを構成する半導体素子としてのＩＧＢＴ素子１３及びこのＩＧＢＴ素子１３に逆並列に接続されるフリーホイールダイオード１２と、下側アームを形成するＩＧＢＴ素子１３及びこのＩＧＢＴ素子１３に逆並列に接続されるフリーホイールダイオード１２とがヒートシンク１に取付けられた絶縁基板上に実装されている。また、Ｖ相用回路となる半導体回路１５及びＵ相用回路となる半導体回路１６もＷ相用回路を構成する半導体回路１４と同様の構成を有する。
また、冷媒ジャケット（ウオータージャケット）２は扁平な直方体状態に構成されている。
【００１９】
図２は、本発明の半導体モジュール用冷却器３を用いて半導体モジュール２００を構成した例を示す図である。この半導体モジュール２００は、ＩＧＢＴモジュールを例にしたものである。電子回路基板２９が取りつけられたＩＧＢＴモジュールの側方には平滑コンデンサ４が設けられている。
【００２０】
図３は、本発明に係るフィンの一例であるブレードフィンを示す図である。これは、図１におけるヒートシンク１を裏面から見たものである。この図３で、ブレードフィン１１はヒートシンク１の裏面上に冷媒の流れる方向１００に対して直交する方向に並列配置されている。
【００２１】
図４は、図１におけるＡＡ’断面図である。図５は、図１におけるＢＢ’断面図である。両図を用いて本発明に係る半導体モジュール用冷却器３を説明する。冷媒ジャケット２は、一方の長辺側における中央部の底面側に冷媒インレット２２が形成されている。この冷媒インレット２２から導入された矢印２０１で示す冷却水などの冷媒は冷媒ジャケット２の他方の長辺側における中央部の底面側に形成された冷媒排出口２１から矢印２０２に示すように放出される。
【００２２】
冷媒導入口２４とブレードフィン１１が配置される直方体状の冷却フィン冷却室２８の冷媒流入側端との間には空間が設けられている。この空間を冷媒拡散室２６と呼ぶ。冷媒拡散室２６の冷却フィン冷却室２８寄りには堰となる冷媒拡散壁２５が設けられている。冷却フィン冷却室２８の冷媒流出側端と冷媒排出口２１との間には空間が設けられている。この空間を冷媒収束室２７と呼ぶ。
【００２３】
冷媒インレット２２から導入された冷媒は冷媒導入口２４から冷媒拡散室２６に至り、冷却フィン冷却室２８に配置されたブレードフィン１１の間を通過して冷媒収束室２７に至り、冷媒排出口２１を経て冷媒アウトレットから導出される。この過程でブレードフィン１１が冷媒により冷却されヒートシンク１に取りつけられた半導体回路１４〜１６が冷却される。ここで、冷媒拡散室２６、冷媒収束室２７及び冷却フィン冷却室２８のヒートシンク１と対向する上面は開口部３０とされ、この開口部３０がヒートシンク１によってブレードフィン１１を冷却フィン冷却室２８内に挿入した状態で閉塞される。そして、ヒートシンク１に形成された取り付け穴１７に固定ねじを挿通し、この固定ねじを冷媒ジャケット２に形成された雌ねじに螺合させて締め付けて、冷媒ジャケット２にヒートシンク１を固定する。
【００２４】
冷媒拡散室２６と冷媒拡散壁２５との相乗作用で冷媒流が冷媒流入方向と直交する方向に並んだブレードフィン１１に対して均一化される。冷媒拡散壁２５がない場合は、図６に示すように、冷媒導入口２４から放出された冷媒は、矢印２０４で示すように、冷媒導入口２４の直前部となる中央部のブレードフィン１１、特にブレードフィン１１の下部に多く流れ、冷媒導入口２４から離れたブレードフィン１１には相対的に少ない冷媒しか流れず、さらにブレードフィン１１の上方すなわちヒートシンク１の近傍には少ない冷媒しか流れず冷却効率が悪く、また冷媒導入口２４の付近にあるブレードフィン１１に比べ冷媒導入口２４から離れたブレードフィン１１は相対的に冷却がうまく行われわれず、その結果、半導体回路１４〜１６の冷却が十分になされず、ヒートシンク１に取りつけられた複数の半導体回路１４〜１６間に冷却のばらつきが大きかった。
【００２５】
冷媒拡散壁２５があると、図７で矢印２０４で示すように、冷媒導入口２４から流入した冷媒は冷媒拡散壁２５に当たって堰止められ、冷媒拡散室２６で幅方向の左右に広がり拡散し、さらに冷媒拡散壁２５を乗り越えてブレードフィン１１の上部すなわちヒートシンク１寄りからブレードフィン１１の間隙に進入するようになる。このような流路を形成されることから冷媒流は流入口の幅方向で中央部とその周辺部とで均一化される。
【００２６】
冷媒拡散壁２５の高さＨは、図４に示すように、冷媒導入口２４の上端と同じかそれより高く設定すると良い（Ｈ≧０）。冷媒拡散室２６の水平断面形状は長方形でも良いが、図５に示すように、冷媒導入口２４から前記冷媒拡散壁２５に向かい末広がり形状であると冷媒導入口２４から流入した冷媒を効率的に流入方向と直交する左右方向に拡散する効果がある。すなわち、図５における冷媒拡散室２６を形成する側壁の冷媒流入方向に対する傾斜角θｉｎが９０°以下となるよう角度をつけるとさらに冷媒流が均一化される。具体的には、６０°≦θｉｎ≦８０°となる範囲において冷媒がスムーズに拡散し、冷却性能の向上に寄与する。
【００２７】
さらに、冷媒拡散室２６の垂直断面構造については、図８（ｂ）に示すように底面にテーパー状の斜面２０６を形成することで、冷媒の流れをよりスムーズにでき、冷媒流の均一化、半導体チップ温度の均一化にさらに寄与する。すなわち、図８（ｂ）における冷媒拡散室２６の断面形状が逆台形形状となるよう構成することで、冷媒の流れをよりスムーズにでき、冷媒流の均一化、半導体チップ温度の均一化にさらに寄与する。
【００２８】
また、冷媒拡散壁２５の冷媒拡散室２６に面する側の面すなわち冷媒導入口２４に面する面は、図４にあるような垂直面であっても良いが、図８（ａ）に示す冷媒拡散壁２５の斜面２０５のように、その面の下部から上部に向い前傾する傾斜面となるように構成した場合はより冷媒流を均一化でき、半導体チップ温度の均一化にさらに寄与する。垂直に対するこの傾斜角度は、６０度から８０度であると良い。
【００２９】
冷媒収束室２７についても冷媒拡散室２６と同様であって、冷媒収束室２７の水平断面形状は、長方形であっても良いが、図５に示すように、冷媒排出口２１からブレードフィン１１の冷媒流れ方向端部に向かい末広がり形状であると冷媒の流れをよりスムーズにでき、冷媒流の均一化、半導体チップ温度の均一化にさらに寄与する。具体的には、冷媒収束室２７を形成する側壁の冷媒流出方向に対する傾斜角θｏｕｔを、６０°≦θｏｕｔ≦８０°となる範囲に設定することにより、冷媒がスムーズに拡散し、冷却性能に寄与する。
【００３０】
実施例として製作した冷却器の寸法は、図４において、冷媒導入口２４についてはＤｉｎ＝１３ｍｍ、Ｄ＝１３ｍｍである。冷媒拡散壁２５の高さと冷媒導入口２４の上端との関係についてはＨ＝４．５ｍｍである。冷媒導入口２４の上下方向の中心位置と冷却フィン冷却室２８の底面との差ＳＳはＳＳ＝３ｍｍである。ブレードフィン１１の下端と冷却フィン冷却室２８の底面との間隔ＳはＳ＝０．５ｍｍである。冷媒排出口２１については直径Ｄｏｕｔ＝１３ｍｍである。ブレードフィン高さＨｆはＨｆ＝１０ｍｍである。
【００３１】
この発明は、冷媒の流れを冷媒の流れ方向に対して直交する方向に均一化するよう作用するので、被冷却対象である半導体回路１４〜１６はヒートシンク１上で図１に示すように冷媒の流路に対して交差する方向、特に冷媒の流路に対して直交する方向に配置することが各半導体回路１４〜１６の冷却効果を均等に向上させることができるので望ましい。
ヒートシンク１と冷媒ジャケット２の間には冷媒ジャケット２の冷媒流路を囲むように開口部３０の周囲に沿いその開口部３０の外側にシール部材としてのＯリング２３を備えている構成をとることができる。この場合、シール部材としてはＯリング２３に限らずパッキンなどの他のシール部材を適用することができる。
【００３２】
図９に、ブレードフィン１１を用いた構成について冷媒流をシミュレーションした結果を示す。中央部にあるブレードフィン１１についても周辺部のブレードフィン１１についても冷媒流は均一な流れとなっている。この構成について半導体素子の温度分布をシミュレーションした結果では、半導体回路１４〜１６の各ＩＧＢＴ素子１３について低い温度と均一な温度分布が得られた。ヒートシンク１及び冷媒ジャケット２については、銅やアルミニウム等の熱伝導率の高い金属材料で製作されている。
【００３３】
以上の実施形態では、ヒートシンク１に設けたフィンとしてブレードフィン１１を適用した場合について説明したが、図１１に示す断面円形の丸ピン１８を並列配置したもの、図１５に示す断面四角形の角ピン１９を並列配置したものでも同様の作用効果がある。
【００３４】
図１２に丸ピン１８を千鳥配列したフィンを示す。図１２、図１５及び図１６で矢印１００は冷媒の流れ方向を示し、符号１０１は取り付け穴を示す。また、図１６に角ピン１９を千鳥配列したフィンを示す。これらの図のようなフィンを用いても本発明は効果を奏する。この場合、配列した丸ピン１８の配置密度は図１３に示すように前面（冷媒導入側）から見たときに、前列の丸ピン１８間に後列の丸ピン１８が配置されて隙間がない場合の方が隙間がある場合に比較して効果が大きい。図１３において、実線のピンは手前、点線で表したピンはその次の列のピンを示している。これらのフィンでは、前述のブレードフィン１１の場合に比べて、冷媒拡散壁２５の高さは低くとも同様の効果を奏することができる効果がある。
【００３５】
丸ピン１８を用いた実施例においては、丸ピン１８の直径は２ｍｍ、丸ピン１８の高さは１０ｍｍ、丸ピン１８間のピッチは１ｍｍである。
角ピン１９を用いた実施例においては、角ピン１９の一辺は２ｍｍ、角ピン１９の高さは１０ｍｍ、角ピン１９間のピッチは１ｍｍである。
【００３６】
図１０の丸ピン１８を並列配置したフィンの場合について、冷媒の流れをシミュレーションした結果の概念図を図１１に示す。図１４に、千鳥状に配置した丸ピン１８を用いた本発明に係る冷媒の流れのシミュレーション結果の概念図を示す。これらから、中央部にあるフィンについても周辺部のフィンについても冷媒流は均一な流れとなっているのが分かる。これらの構成について半導体チップの温度分布をシミュレーション及び実測した結果では、表１に示すように半導体回路１４〜１６の各ＩＧＢＴ素子１３について低い温度と均一な温度分布が得られた。
【００３７】
同様に図１７に示す千鳥配置した角ピン１９でも同様の効果を奏する。この場合も、角ピン１９間に隙間がない方が効果が大きい点は丸ピン１８の場合と同様である。また、前述のブレードフィン１１の場合に比べて、冷媒拡散壁２５の高さは低くとも同様の効果を奏することができる点も同様である。
【００３８】
冷却フィンについて、ブレードフィン１１、丸ピン１８、角ピン１９のそれぞれについて、半導体回路にＩＧＢＴチップを備えた例について冷媒流量に対するＩＧＢＴ接合温度、冷媒流量に対する圧力損失を測定した結果を図２１、２２に示す。最大チップ温度は丸ピンフィンが１４１．６℃、角ピンフィンが１３６．０℃となり、圧力損失は丸ピンフィンが４．８ｋＰａ、角ピンフィンが６．０ｋＰａとなった。丸ピンフィンはフィンの体積密度が小さいので圧力損失は低くなる。逆に、角ピンフィンは表面積が大きくなることでチップ温度は低くなるが、フィンの体積密度が上がり圧力損失が大きくなる。丸ピン１８、角ピン１９、ブレードフィン１１の順に冷却性能が向上することが分かる。
【００３９】
シミュレーションにて予測した冷却性能の妥当性を確認するため、角ピン１９について、実際の装置でチップ温度上昇を確認した。測定条件はシミュレーションの条件と合わせるため次のとおりとした。
・発生損失：ＩＧＢＴ ２５８Ｗ、ＦＷＤ３１Ｗ
・冷媒：ＬＬＣ５０％
・流量：５〜１５/min
・冷媒温度：６５℃
【００４０】
角ピン１９についてのシミュレーションとの比較は流量１０L/minで行った。比較結果を表１に示す。表のＡ〜Ｆは図１（ａ）における、図において左上から右下にかけて存在するＩＧＢＴ素子１３に対応する。各相の誤差は最大２％程度であり、シミュレーションの予測と実測が同等であることを確認した。実測の結果から、熱抵抗を計算すると０．２７Ｋ/Ｗ（ＩＧＢＴ平均値）となった。実測では流量を変えて測定を行い、熱抵抗の流量依存性を確認した。熱抵抗と圧力損失の、流量５〜１５L/minに対する流量依存性グラフ（実測値）を図２３に示す。５L/minと１５L/minを比較すると、ＩＧＢＴ、ＦＷＤどちらも１５L/min の方が１０％程度であるが熱抵抗が低下している。流量を上げることで放熱性能が向上することが分かる。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
これまで説明した実施態様では、冷媒ジャケット２の短手方向に冷媒流路を形成した場合について説明したが、図１８に示すように、冷媒ジャケット２の長手方向に冷媒インレット２２、冷媒拡散室２６、冷媒拡散壁２５、冷却フィン冷却室２８、冷媒収束室２７及び冷媒排出口２１を形成し、長手方向に冷媒流路を形成することもできる。この場合についても前述した短手方向に冷媒流路を形成する場合と同様の効果を奏する。
【００４３】
ＩＢＧＴモジュールのような半導体モジュールを自動車用途に用いた場合、平滑コンデンサ４を用いることになる。この平滑コンデンサ４は通常、図２に示すようにＩＧＢＴモジュールの長手方向の側面に配置される。このため、半導体モジュール用冷却器３に対する冷媒の導入、排出方向、すなわち冷媒インレット及び冷媒アウトレットの取り付け方法に制約を受ける。
【００４４】
短手方向に冷媒流路を形成する場合の冷媒インレット、アウトレットの配置を図１９（ａ）及び（ｂ）に示す。すなわち、図１９（ａ）の構成は、上述した図２のとは冷媒イッレット及びアウトレットが左右逆配置とした場合である。この場合には冷媒アウトレット側に平滑コンデンサ４を配置する。図１９（ｂ）の構成は、図１９（ａ）の構成において、冷媒インレットを冷媒ジャケット２の右側面に形成した場合である。この場合も冷媒アウトレット側に平滑コンデンサ４を配置する。
【００４５】
これに対して、冷媒ジャケット２の長手方向に冷媒流路を形成する場合の冷媒インレット、アウトレットの配置を図２０に示す。すなわち、図２０（ａ）の構成は、冷媒ジャケット２の長手方向の一端側に冷媒インレットを配置し、他端側に冷媒アウトレットを配置した場合であり、平滑コンデンサ４を冷媒ジャケット２の短手方向の左端部に配置した場合である。図２０（ｂ）の構成は、図２０（ａ）の構成において、冷媒アウトレットを下面側に配置した場合である。図２０（ｃ）の構成は、図２０（ａ）の構成において冷媒インレットを下面側に配置した場合である。図２０（ｄ）の構成は、図２０（ａ）の構成において、冷媒インレット及び冷媒アウトレットをともに下面側に配置した場合である。
【００４６】
これらいずれの冷媒インレット、アウトレットの配置についても本発明は適用でき、前述した実施形態と同様の効果を奏する。なお、これらの図で、二重丸は、冷媒が紙面の下から上に向かって流入することを示す。丸にバツ印は、冷媒が紙面の上から下に向かって流出することを示す。矢印は冷媒の流入方向を示す。
また、上記実施形態では、ヒートシンク１上に３つの半導体回路１４〜１６を配置した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、ヒートシンク１上に１以上の半導体回路を配置することができる。
【００４７】
また、上記実施形態では、冷媒として冷却水を適用して冷媒ジャケット２をウオータージャケットとして構成した場合について説明したが、冷却水以外の不凍液などの冷却液体又は冷却空気などの冷却気体を適用することができる。
さらに、上記実施形態では、冷却フィンとしての角ピン１９が断面四角形である場合について説明したが、これに限定されるものではなく、断面形状を三角形状、六角形状等の断面多角形状の角ピンを適用することもできる。
【００４８】
また、上記実施形態では、冷媒ジャケット２の冷媒拡張室２６、冷却フィン冷却室２８及び冷媒収束室２７の上面を開口部３０とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、冷却フィン冷却室２８のみに開口部を形成するようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明によれば、冷媒ジャケットの冷媒拡散室の冷却フィン側に冷媒拡散壁を設けることにより、簡単な構造で冷却媒体の流れに交差する方向に配置されている半導体チップ間の温度差を小さくした半導体モジュール用冷却器を提供できる。
【符号の説明】
【００５０】
１  ヒートシンク
２  冷媒ジャケット
３  冷却器
４  平滑コンデンサ
１１  ブレードフィン
１２  フリーホイールダイオード
１３  ＩＧＢＴ素子
１４  半導体回路（Ｗ相用回路）
１５  半導体回路（Ｖ相用回路）
１６  半導体回路（Ｕ相用回路）
１７、１０１  取り付け穴
１８、１０２、１０３  丸ピン
１９  角ピン
２１  冷媒排出口
２２  冷媒インレット
２３  Ｏリング
２４  冷媒導入口
２５  冷媒拡散壁
２６  冷媒拡散室
２７  冷媒収束室
２８  冷却フィン冷却室
２９  回路基板
１００、２０１、２０２  冷媒の流れの向き
２００  半導体モジュール
２０３  冷媒導入口の中心
２０４  冷媒の流路
２０５  冷媒拡散壁の斜面
２０６  冷媒拡散室の底面の斜面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月10日(2013.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
シミュレーションにて予測した冷却性能の妥当性を確認するため、角ピン１９について、実際の装置でチップ温度上昇を確認した。測定条件はシミュレーションの条件と合わせるため次のとおりとした。
・発生損失：ＩＧＢＴ ２５８Ｗ、ＦＷＤ３１Ｗ
・冷媒：ＬＬＣ５０％
・流量：５〜１５L/min
・冷媒温度：６５℃
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４８】
また、上記実施形態では、冷媒ジャケット２の冷媒拡散室２６、冷却フィン冷却室２８及び冷媒収束室２７の上面を開口部３０とした場合について説明したが、これに限定されるものではなく、冷却フィン冷却室２８のみに開口部を形成するようにしてもよい。
【国際調査報告】
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