(57)【要約】【課題】半導体素子用冷却器において、圧力損失の増加を抑えつつ放熱性能を向上させる。【解決手段】冷媒の入口と冷媒の出口が設けられるケーシング２０と、ケーシング２０の一方の外面に設けられ、ＩＧＢＴ１７が取り付けられる絶縁基板２４と、ケーシング２０の絶縁基板２４が取り付けられる面と反対側の内面に各頂部が接合され、冷媒流路３７を規定するコルゲートフィン３０と、を含み、コルゲートフィン３０は各頂部の延びる方向が直線であり、絶縁基板２４が取り付けられているケーシング２０の部分に対応する部分は冷媒の流れの方向と直角方向に設けられたスリット３４によって冷媒の流れる方向に複数のブロック３１ａ〜３１ｂ，３２ａ〜３２ｃに分割され、隣接する各ブロックのコルゲートフィン３０は冷媒の流れる方向と直角方向にピッチをずらして配置される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒の入口と冷媒の出口が設けられるケーシングと、
ケーシングの一方の外面に設けられ、半導体素子が取り付けられる絶縁基板と、
ケーシングの絶縁基板が取り付けられる面と反対側の内面に各頂部が接合され、冷媒流路を規定するコルゲートフィンと、を含み、
コルゲートフィンは各頂部の延びる方向が直線であり、
絶縁基板が取り付けられているケーシングの部分に対応する部分は冷媒の流れの方向と直角方向に設けられたスリットによって冷媒の流れる方向に複数のブロックに分割され、隣接する各ブロックのコルゲートフィンは冷媒の流れる方向と直角方向にピッチをずらして配置されていること、
を特徴とする半導体素子用冷却器。
【請求項２】
請求項１に記載された半導体素子用冷却器であって、
ケーシングの外面には冷媒の流れの方向に沿って複数の絶縁基板が設けられ、各絶縁基板の間に対応するケーシングの部分のコルゲートフィンは１ブロックであること、
を特徴とする半導体素子用冷却器。
【請求項３】
請求項２記載の半導体素子用冷却器であって、
半導体素子は、ケーシングの冷媒入口側の外面と冷媒出口側の外面とに取り付けられ、
コルゲートフィンは冷媒流路の上流部と下流部と上流部と下流部との間の中間部とを含み、上流部と下流部とは冷媒の流れの方向と直角方向に設けられたスリットによって冷媒の流れる方向に複数のブロックに分割され、隣接する各ブロックのコルゲートフィンは冷媒の流れる方向と直角方向にピッチをずらして配置され、中間部のコルゲートフィンは１つのブロックであること、
を特徴とする半導体素子用冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子用冷却器の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、エンジンとモータジェネレータの２種類の駆動源を組み合わせて車両の駆動源とするハイブリッド車両や、モータジェネレータによって車両を駆動する電気自動車等が多く用いられるようになってきている。このような電動車両には、充放電可能な二次電池と、二次電池の直流電力をモータジェネレータ駆動用の三相交流電力に変換して出力するとともにモータジェネレータによって回生した交流電力を二次電池に充電する電力変換器であるインバータとが搭載されている。インバータは、スイッチング素子のスイッチング動作によって電力の変換を行うものであるが、スイッチング動作の際に大きな熱を発生する。また、電動車両にはインバータの他に、直流電圧を変換する昇圧コンバータやＤＣ／ＤＣコンバータが搭載される場合があるが、これらのコンバータにも動作時に大きな発熱をするスイッチング素子が用いられている。スイッチング素子には、パワートランジスタが用いられることが多く、例えば、絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ（ＩＧＢＴ）等が用いられる。
【０００３】
このような高発熱性の半導体素子を用いたインバータなどの電気機器では、半導体素子で発生した熱を除去して半導体素子を適正な動作温度とするために、冷却器が取り付けられている。例えば、パワーモジュール用回路基板に放熱用のコルゲートフィンを取り付けて、コルゲートフィンに波長方向に切れ目を入れて分断し、各切れ目を挟んで隣り合う各フィンのピッチをずらして配置する冷却方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、プレート部材をジグザグに折り曲げた折板を両面から挟み込んで冷媒流路を構成した冷却器において、折板の側面のスリットを開け、スリット間の板を所定の角度だけ起こしてルーバー状にしたり、折板に交互に膨出部を設けたりして熱交換効率を向上させることが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−３１０４８６号公報
【特許文献２】特開２００２−５５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、熱伝達率と流路の抵抗とは相反する関係にあり、熱伝達率を向上させて放熱性能を向上させようとすると流路抵抗が増加してしまい、ポンプの吐出圧力を上げたり配管径を大きくしたりすることが必要となり、逆に装置が大型になったりコストが高くなってしまう場合がある。
【０００７】
特許文献１に記載されたコルゲートフィンのピッチをずらして配置する方法は、冷媒流路の全長さに渡って略均等にスリットが配置されているため、半導体素子が取り付けられていない部分でも冷媒の流路が折れ曲がり、放熱量の増加の割に流体抵抗が大きくなってしまうという問題があった。
【０００８】
また、特許文献２に記載された従来技術は、折板の側面に略均等にルーバーを設けたり、略均等の間隔で折板に交互に膨出部を設けたりするので放熱量の増加の割に流体抵抗の増加が大きくなってしまうという問題があった。
【０００９】
そこで、本発明は、圧力損失の増加を抑えつつ放熱性能を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の半導体素子用冷却器は、冷媒の入口と冷媒の出口が設けられるケーシングと、ケーシングの一方の外面に設けられ、半導体素子が取り付けられる絶縁基板と、ケーシングの絶縁基板が取り付けられる面と反対側の内面に各頂部が接合され、冷媒流路を規定するコルゲートフィンと、を含み、コルゲートフィンは各頂部の延びる方向が直線であり、絶縁基板が取り付けられているケーシングの部分に対応する部分は冷媒の流れの方向と直角方向に設けられたスリットによって冷媒の流れる方向に複数のブロックに分割され、隣接する各ブロックのコルゲートフィンは冷媒の流れる方向と直角方向にピッチをずらして配置されていること、を特徴とする。
【００１１】
本発明の半導体素子用冷却器において、ケーシングの外面には冷媒の流れの方向に沿って複数の絶縁基板が設けられ、各絶縁基板の間に対応するケーシングの部分のコルゲートフィンは１ブロックであること、としても好適である。
【００１２】
本発明の半導体素子用冷却器において、半導体素子は、ケーシングの冷媒入口側の外面と冷媒出口側の外面とに取り付けられ、コルゲートフィンは冷媒流路の上流部と下流部と上流部と下流部との間の中間部とを含み、上流部と下流部とは冷媒の流れの方向と直角方向に設けられたスリットによって冷媒の流れる方向に複数のブロックに分割され、隣接する各ブロックのコルゲートフィンは冷媒の流れる方向と直角方向にピッチをずらして配置され、中間部のコルゲートフィンは１つのブロックであること、としても好適である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、圧力損失の増加を抑えつつ放熱性能を向上させることができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に示すように、本実施形態の冷却器１０は、入口流路１１と出口流路１４とが設けられ、その内部にＬＬＣ等の冷媒が流れるケーシング２０とを備えている。
【００１５】
図２に示すように、ケーシング２０はアルミニウム製の天板２１と底板２２とを有している。天板２１は半導体素子であるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ）１７が取り付けられる平板２１ａと平板２１ａの周囲に設けられ、平板２１ａから底板２２に向かって延びるスカート部２１ｂとスカート部２１ｂに設けられたフランジ２１ｃとを備えている。底板２２はアルミニウム製の平面板であり、天板２１のフランジ２１ｃは底板２２にロウ付けによって取り付けられている。ケーシング２０の内部の平板２１ａと底板２２との間には、Ｕ字型の山部３５と谷部３６とが連続するよう成形されたコルゲートフィン３０がロウ付け３８によって取り付けられている。山部３５と谷部３６との間は冷媒が流れる流路３７となる。コルゲートフィン３０は板厚０．３ｍｍのアルミニウムの板を高さ約５ｍｍでフィン間の隙間が０．９ｍｍとなるように成形したものである。コルゲートフィン３０は、山部３５と谷部３６とが直線状に延びるストレートフィンである。
【００１６】
図２に示すように、平板２１ａの外表面には、多孔アルミニウム板の緩衝材２３が取り付けられ、緩衝材２３の上には絶縁基板２４が取り付けられている。絶縁基板２４は、セラミック製で両面にアルミニウムの薄板がクラッドによって取り付けられている。絶縁基板２４のアルミニウムクラッド２５の一方は緩衝材２３にロウ付けされ、他方の表面にはＩＧＢＴ１７とダイオード１８が取り付けられている。緩衝材２３は、アルミニウム製の平板２１ａとセラミック製の絶縁基板２４との熱膨張差を低減するものである。
【００１７】
図３に示すように、ケーシング２０のコルゲートフィン３０の延びる方向の端面１３，１６は開放端となっており、入口流路１１と出口流路１４とが接続されている。図１に示す冷媒入口１２から入口流路１１に流入した冷媒はケーシング２０の端面１３からケーシング２０の内部のコルゲートフィン３０によって規定された流路３７に入り、端面１６から出口流路１４に流出し図１に示す冷媒出口１５から外部に流出する。
【００１８】
図３に示すように、コルゲートフィン３０は上流部３１と下流部３２と上流部３１と下流部３２との間の中間部３３とを備えている。上流部３１と下流部３２との長さは全体の流路長さの約１／４程度である。上流部３１と下流部３２は更に冷媒の流れる方向と直角方向に延びるスリット３４によって３つのブロック３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃに分割されている。各スリットの幅は略１.０ｍｍである。これは、スリット３４の幅が０．９ｍｍ以上あると冷媒中の異物によるスリット３４に目詰まりが発生するのを防止できるためである。また、スリット３４の幅は１．５ｍｍ以上となると冷却性能が大きく低下してくるので、その幅は０．９ｍｍに近い寸法に余裕を取った１．０ｍｍとしている。
【００１９】
図４及び図２に示すように、コルゲートフィン３０の上流部３１の隣接するブロック３１ａとブロック３１ｂは各ブロックの山部３５と谷部３６とが冷媒の流れる方向と直角方向にずれる様に配置されている。本実施形態では、ブロック３１ａの山部３５がブロック３１ｂの谷部３６となるように、山部３５あるいは谷部３６のピッチの半ピッチ分だけずらして配置してある。上流部３１のブロック３１ｂとブロック３１ｃとの間もブロック３１ａとブロック３１ｂとの間と同様の配置となっている。このため、ブロック３１ａとブロック３１ｃの各コルゲートフィン３０の山部３５と谷部３６の各ピッチはずれることなく揃っている。下流部３２の各ブロック３２ａ〜３２ｃは上流部３１のブロック３１ａ〜３１ｃと同様の配置となっている。また、上流部３１の下流側にあるブロック３１ｃと下流部３２の上流側にあるブロック３２ｃとの各コルゲートフィン３０の山部３５と谷部３６の各ピッチはずれることなく揃っている。
【００２０】
上流部３１と下流部３２との間の中間部３３は上流部３１と下流部３２との間にスリット３４を介して配置され、中間部３３のコルゲートフィン３０の山部３５と谷部３６とのピッチは上流部３１の下流側にあるブロック３１ｃおよび下流部３２の上流側にあるブロック３２ｃのコルゲートフィン３０の山部３５と谷部３６とのピッチとずれるように配置されている。本実施形態では、山部３５あるいは谷部３６のピッチの半ピッチ分だけずらして配置してある。図３に示すように、上流部３１と下流部３２に対応するケーシング２０の平板２１ａには、ＩＧＢＴ１７とダイオード１８が取り付けられている絶縁基板２４が取り付けられている。このため、上流部３１と下流部３２とはＩＧＢＴ１７等から発生する熱を冷媒に吸収させる必要があるが、図１に示すように、中間部３３に対応するケーシング２０の上部には交流バスバー１９が設けられており、ＩＧＢＴ１７等の発熱体が取り付けられていないので、冷媒に熱を吸収させる必要がない部分である。
【００２１】
以上のように構成された冷却器１０での冷媒の流れについて説明する。図１に示す冷媒入口１２から入口流路１１に入った冷媒は、ケーシング２０の端面１３からケーシング２０の内部に流入する。図４に示すように、冷媒はまず上流部３１の上流側にあるブロック３１ａの流路３７に流入する。冷媒は流路３７を流れながらコルゲートフィン３０を冷却し、ＩＧＢＴ１７およびダイオード１８によって発生した熱を吸収する。ブロック３１ａの流路３７を流れた冷媒はブロック３１ａから流出してスリット３４に入る。ブロック３１ｂの山部３５または谷部３６のピッチはブロック３１ａの山部３５または谷部３６のピッチと半ピッチ分だけずれている。またフィンの厚さは０．３ｍｍで流路３７を構成するフィンの面間寸法は０．９ｍｍとなっているので、ブロック３１ａを流出した冷媒はブロック３１ｂのコルゲートフィン３０の端面に当たり、左右に分かれて流れ、ブロック３１ｂの流路３７に流れ込んでいく。このようにスリット３４の部分で冷媒の流れが乱れることによって、ブロック３１ｂの内部に乱流が発生する。そして、この乱流によってブロック３１ｂのコルゲートフィン３０と冷媒との熱交換が促進される。そして、ブロック３１ｂを流出した冷媒はスリット３４を通って左右に分かれ、コルゲートフィン３０の山部３５または谷部３６とのピッチが半ピッチずれているブロック３１ｃに流入し、再び乱流となってブロック３１ｃの中を流れ、ＩＧＢＴ１７或いはダイオード１８の熱を吸収していく。そして、ブロック３１ｃから流出した冷媒は再びスリット３４に入って左右に別れ中間部３３の流路３７に流入していく。
【００２２】
中間部３３は１つのブロックであり、その流路はストレートとなっている。このため、冷媒は次第に乱れが無くなり層流となって中間部３３を流れていく。中間部３３はその上面にＩＧＢＴ１７等の発熱体が取り付けられておらず熱を吸収する必要がない。このため流れを乱して伝熱特性を向上させるよりも流れを安定させて流路抵抗を低減するほうが効果的である。この中間部３３は流体が層流として流れていくため、熱吸収は低いが流体の抵抗も少なくなる。
【００２３】
そして、中間部３３を流出した冷媒は再びスリット３４に入って左右に別れ乱流となって下流部３２の上流側のブロック３２ｃに入っていく。そして、上流部３１の各ブロック３１ａから３１ｃを流れたのと同様、スリット３４に入るたびに冷媒は左右に分かれて乱流となり、各ブロック３２ｃ〜３２ａを流れ、図１に示すケーシング２０の端面１６から出口流路１４に流出する。出口流路１４に流出した冷媒は図１に示す冷媒出口１５から外部に流出する。
【００２４】
以上説明した本実施形態では、ＩＧＢＴ１７等の発熱体が取り付けられる絶縁基板２４の設けられている部分のケーシング２０に対応するコルゲートフィン３０の上流部３１と下流部３２とは複数のブロック３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃに分割され、隣接するブロックのフィンの山部３５或いは谷部３６のピッチをずらして配置されているので、放熱性能が向上し、絶縁基板２４の設けられていない部分のケーシング２０に対応するコルゲートフィン３０の中間部３３は１ブロックとしてストレートな流路３７を形成して流路抵抗を低減するようにしている。このため、本実施形態は圧力損失の増加を抑えつつ放熱性能を向上させることができるという効果を奏する。
【００２５】
また、本実施形態では、ＩＧＢＴ１７とダイオード１８の取り付けられているセラミックス製の絶縁基板２４のある部分に対応する部分にスリット３４が設けられている。ＩＧＢＴ１７やダイオード１８が発熱すると絶縁基板２４とケーシング２０の平板２１ａの温度が上昇する。この場合、セラミックス製の絶縁基板２４の熱膨張量はアルミニウム製のケーシング２０の平板２１ａよりも少なく、絶縁基板２４と平板２１ａとの間に熱膨張差が生じ、平板２１ａは上下方向に曲げ変形をしようとする。スリット３４は平板２１ａと底板２２とにロウ付けで固定されているコルゲートフィン３０が平板２１ａの補強部材として働いて曲げ変形に抵抗することを抑制するので、絶縁基板２４と平板２１ａとの熱膨張差は平板２１ａの曲げ変形によって吸収されてしまい、セラミックス製の絶縁基板２４が破損することを防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態における半導体素子用冷却器の平面図である。
【図２】本発明の実施形態における半導体素子冷却器の流路と直角方向の断面図である。
【図３】本発明の実施形態における半導体素子冷却器の流路方向の断面図である。
【図４】本発明の実施形態における半導体素子冷却器のコルゲートフィンを示す平面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  冷却器、１１  入口流路、１２  冷媒入口、１３，１６  端面、１４  出口流路、１５  冷媒出口、１７  ＩＧＢＴ、１８  ダイオード、１９  交流バスバー、２０  ケーシング、２１  天板、２１ａ  平板、２１ｂ  スカート部、２１ｃ  フランジ、２２  底板、２３  緩衝材、２４  絶縁基板、２５  アルミニウムクラッド、３０  コルゲートフィン、３１  上流部、３１ａ-３１ｃ  ブロック、３２  下流部、３２ａ-３２ｃ  ブロック、３３  中間部、３４  スリット、３５  山部、３６  谷部、３７  流路、３８  ロウ付け。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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