(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、その外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュール用冷却器において、
前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、
前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド部が配置された第１流路と、
前記ウォータージャケット内に前記第１流路と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、
前記第２流路内に配置され、前記ヒートシンクの前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整板と、
前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成された第３流路と、
を備え、前記ヒートシンクが前記第３流路内に配置され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】
前記複数のガイド部は、前記第１流路の底面からの高さが互いに異なり、任意の前記傾斜面を互いに有している請求項１記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項３】
前記複数のガイド部は、前記ウォータージャケットの側面と接するガイド部の高さが最も高く、前記第３流路に近い位置に配置されるガイド部ほど高さが低くなるように形成されて、前記第１流路の底面から階段状に形成されている請求項２記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項４】
前記複数のガイド部の前記傾斜面は、前記冷媒導入口の延在方向に向かって前記第１流路の断面積が狭小化するように形成されている請求項１記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項５】
前記複数のガイド部は、前記ウォータージャケットの側面と接する第１のガイド部と、前記第３流路に面する範囲に渡って前記第１のガイド部に接する第２のガイド部と、を含み、前記第１のガイド部の高さは、前記第２のガイド部の高さよりも大きく形成されている請求項１記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項６】
前記第１のガイド部の前記傾斜面は、前記第３流路に面する範囲に対して一様な傾斜を有して、前記冷媒導入口の延在方向に向かって前記第１流路の断面積が狭小化するように形成され、
前記第２のガイド部の前記傾斜面は、前記第３流路に面する範囲に対して異なる複数の傾斜を有して、前記冷媒導入口の延在方向に向かって前記第１流路の断面積が狭小化するように形成されている請求項５記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項７】
冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、前記冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、
前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド部が配置された第１流路と、
前記ウォータージャケット内に前記第１流路と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、
前記第２流路内に配置され、前記ヒートシンクの前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整板と、
前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成された第３流路と、
を備え、前記冷媒導入口と前記冷媒排出口が前記ウォータージャケットの同一壁面に形成、または前記ウォータージャケットについて前記冷媒導入口の位置と対角の位置に前記冷媒排出口が形成されて、前記ヒートシンクが前記第３流路内に配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
【請求項８】
ウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、その外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュール用冷却器において、
前記半導体素子と熱的に接続された熱放散手段と、
前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記熱放散手段の一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド手段が配置された第１流路手段と、
前記ウォータージャケット内に前記第１流路手段と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記熱放散手段の他の側面に平行な側壁が形成された第２流路手段と、
前記第２流路手段内に配置され、前記熱放散手段の前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整手段と、
前記ウォータージャケット内の前記第１流路手段と前記第２流路手段とを連通する位置に形成された第３流路手段と、
を備え、前記熱放散手段が前記第３流路手段内に配置され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９】
前記複数のガイド手段は、前記第１流路手段の底面からの高さが互いに異なり、任意の前記傾斜面を互いに有している請求項８記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項１０】
前記複数のガイド手段は、前記ウォータージャケットの側面と接するガイド手段の高さが最も高く、前記第３流路手段に近い位置に配置されるガイド手段ほど高さが低くなるように形成されて、前記第１流路手段の底面から階段状に形成されている請求項９記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項１１】
前記複数のガイド手段の前記傾斜面は、前記冷媒導入口の延在方向に向かって前記第１流路手段の断面積が狭小化するように形成されている請求項８記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項１２】
前記複数のガイド手段は、前記ウォータージャケットの側面と接する第１のガイド手段と、前記第３流路手段に面する範囲に渡って前記第１のガイド手段に接する第２のガイド手段と、を含み、前記第１のガイド手段の高さは、前記第２のガイド手段の高さよりも大きく形成されている請求項８記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項１３】
前記第１のガイド手段の前記傾斜面は、前記第３流路手段に面する範囲に対して一様な傾斜を有して、前記冷媒導入口の延在方向に向かって前記第１流路手段の断面積が狭小化するように形成され、
前記第２のガイド手段の前記傾斜面は、前記第３流路手段に面する範囲に対して異なる複数の傾斜を有して、前記冷媒導入口の延在方向に向かって前記第１流路手段の断面積が狭小化するように形成されている請求項１２記載の半導体モジュール用冷却器。
【請求項１４】
冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、前記冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュールにおいて、
前記半導体素子と熱的に接続された熱放散手段と、
前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記熱放散手段の一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド手段が配置された第１流路手段と、
前記ウォータージャケット内に前記第１流路手段と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記熱放散手段の他の側面に平行な側壁が形成された第２流路手段と、
前記第２流路手段内に配置され、前記熱放散手段の前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整手段と、
前記ウォータージャケット内の前記第１流路手段と前記第２流路手段とを連通する位置に形成された第３流路手段と、
を備え、前記冷媒導入口と前記冷媒排出口が前記ウォータージャケットの同一壁面に形成、または前記ウォータージャケットについて前記冷媒導入口の位置と対角の位置に前記冷媒排出口が形成されて、前記熱放散手段が前記第３流路手段内に配置されていることを特徴とする半導体モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子を冷却するための半導体モジュール用冷却器、及び冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュールに関する。
【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。こうした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、大電流を制御するパワー半導体素子を備えている。通常のパワー半導体素子は、大電流を制御する際に発熱するが、電力変換装置の小型化や高出力化が進むにつれてその発熱量が増大している。そのため、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、従来から液冷式の冷却装置が用いられている。液冷式の冷却装置においては、その冷却効率を向上させるために冷媒流量を増加させたり、放熱用のフィン（冷却体）を熱伝達率のよい形状とし、あるいはフィンを構成する材料の熱伝導率を高めたりするなど、様々な工夫がなされている。【０００４】
ところが、冷却装置への冷媒流量を増加し、あるいは熱伝達率のよい複雑なフィン形状を用いる場合には、装置内部で冷媒の圧力損失が増加するなど、冷媒を循環させるための冷却ポンプへの負荷が増大する。とくに、複数のヒートシンクを用いて多数のパワー半導体素子を冷却する冷却装置では、複数流路を直列に接続する流路構成の場合、圧力損失の増加が顕著となる。圧力損失を低減するには、少ない冷媒流量で冷却効率を高める構成を用いることが理想的であって、例えばフィン材料の熱伝導率を改善すればよいが、高い熱伝導率を有するフィン材料を採用することは、装置全体のコストアップに繋がる恐れがある。【０００５】
従来から、冷却性能を維持しつつ低圧力損失化を図るため、冷媒を導入するための冷媒導入流路と、冷媒を排出するための冷媒排出流路とを互いに平行に並べ、それらの間で略直交する冷媒の流通方向に複数のヒートシンクを配置する冷却装置が考えられている（特許文献１〜８参照）。その場合、ヒートシンクを構成する各フィンの間を冷媒が並列に流れて、冷却性能を高くすることができ、また流路内での冷媒の圧力損失が低減できる（特許文献５参照）。【０００６】
また、特許文献３には、冷却液を導入し排出する流路（ヘッダ水路１１ａ，１１ｂ）がモジュールの同一側面に配置され、各々の流路が断面積の変化なくフィンに直交方向に配置された液冷式冷却装置が記載されている（図１参照）。これにより、冷却液に発生する圧力損失を極力少なく抑えることができる。【０００７】
また、特許文献６には、冷却液流入部を構成するケーシングの後側壁の全体が、右側壁側から左側壁側に向かって前側に滑らかに傾斜しており、入口ヘッダ部の流路断面積が、冷却液入口側から左側壁側に向かって小さくなっている液冷式冷却装置が記載されている。これにより、ケーシングの並列流路部分の全流路での流速分布、すなわち並列流路部分の幅方向の流速分布が均一化される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−３５９８１号公報（段落番号［００２０］、及び図１参照）
【特許文献２】特開２００７−１２７２２号公報（段落番号［０００６］、及び図７参照）
【特許文献３】特開２００８−２０５３７１号公報（段落番号［００２１］、及び図１参照）
【特許文献４】特開２００８−２５１９３２号公報（段落番号［００３７］、［００３８］、及び図７参照）
【特許文献５】特開２００６−８０２１１号公報（段落番号［０００６］、及び図１参照）
【特許文献６】特開２００９−２３１６７７号公報（段落番号［００２４］、［００３１］、及び図２参照）
【特許文献７】特開２００６−２９５１７８号公報（段落番号［００１７］〜［００２４］、及び図２参照）
【特許文献８】特開２０１０−２０３６９４号公報（段落番号［００２６］、及び図３参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、これまでの冷却技術では、ヒートシンクや冷媒流路の形状、発熱素子の配置方法、あるいは冷媒の導入口、排出口の形状等に起因して、冷却器内を冷媒が偏って流れる偏流分布が生じる。こうした偏流分布は冷却性能に偏りをもたらすことから、従来の冷却装置では、均一かつ安定した冷却性能を得ることが困難であった。しかも、冷媒の排出口側と対極位置に配置された半導体素子の発熱温度だけが顕著に上昇する等の不都合も生じるため、素子寿命が低下し、あるいは故障などが発生しやすいという問題があった。【００１０】
また、特許文献６、７に開示された冷却装置のように、入口ヘッダ部の流路断面積が延在する方向に小さくなっていると流量分布に改善の傾向は見られるが、冷媒の導入口近傍の温度上昇を解消するには至っておらず、導入流路の形状変更による流速調整だけでは圧力損失の上昇を招きやすい。【００１１】
ところで、特許文献８の液冷式冷却装置では、並列流路部分に、複数の流路からなりかつ通路抵抗の異なる複数の流路群が、並列流路部分の幅方向に並んで設けられて、並列流路部分の幅方向の流速分布を均一化することが可能になり、流速が低下することに起因して、冷却性能が低下する部分の発生を防止することができる。しかし、冷却装置の製造工程で発生するフィンベースの反りなどの影響から、安定した冷却性能を得ることは容易でない。【００１２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、流路に生じる偏流、および半導体素子の発熱分布を踏まえて冷媒の流速分布を調整することで、一部の半導体素子だけの温度上昇を解消して、半導体素子を均一かつ安定して冷却できる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。【００１３】
また、本発明は、半導体素子を効果的に冷却することにより、半導体素子の発熱による誤動作や破壊を確実に防止できる半導体モジュール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】
【００１６】
本発明では、上記問題を解決するために、１つの案では、ウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、その外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュール用冷却器が提供される。この半導体モジュール用冷却器は、前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド部が配置された第１流路と、前記ウォータージャケット内に前記第１流路と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、前記第２流路内に配置され、前記ヒートシンクの前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整板と、前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成された第３流路と、を備え、前記ヒートシンクが前記第３流路内に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の半導体モジュールは、冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、前記冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却するものであって、前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド部が配置された第１流路と、前記ウォータージャケット内に前記第１流路と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、前記第２流路内に配置され、前記ヒートシンクの前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整板と、前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成された第３流路と、を備え、前記冷媒導入口と前記冷媒排出口が前記ウォータージャケットの同一壁面に形成、または前記ウォータージャケットについて前記冷媒導入口の位置と対角の位置に前記冷媒排出口が形成されて、前記ヒートシンクが前記第３流路内に配置されていることを特徴とする。【００２０】
さらに１つの案では、ウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、その外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュール用冷却器が提供される。この半導体モジュール用冷却器は、前記半導体素子と熱的に接続された熱放散手段と、前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記熱放散手段の一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド手段が配置された第１流路手段と、前記ウォータージャケット内に前記第１流路手段と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記熱放散手段の他の側面に平行な側壁が形成された第２流路手段と、前記第２流路手段内に配置され、前記熱放散手段の前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整手段と、前記ウォータージャケット内の前記第１流路手段と前記第２流路手段とを連通する位置に形成された第３流路手段と、を備え、前記熱放散手段が前記第３流路手段内に配置されていることを特徴とする。【００２１】
また、本発明の半導体モジュールは、冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、前記冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却するものであって、前記半導体素子と熱的に接続された熱放散手段と、前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒導入口から延在され、かつ前記熱放散手段の一の側面に向かって前記冷媒を誘導するために、異なる傾斜面を互いに有する複数のガイド手段が配置された第１流路手段と、前記ウォータージャケット内に前記第１流路手段と並列に離間して配置され、冷媒排出口に向かって延在され、かつ前記熱放散手段の他の側面に平行な側壁が形成された第２流路手段と、前記第２流路手段内に配置され、前記熱放散手段の前記他の側面と離間して平行に形成された流速調整手段と、前記ウォータージャケット内の前記第１流路手段と前記第２流路手段とを連通する位置に形成された第３流路手段と、を備え、前記冷媒導入口と前記冷媒排出口が前記ウォータージャケットの同一壁面に形成、または前記ウォータージャケットについて前記冷媒導入口の位置と対角の位置に前記冷媒排出口が形成されて、前記熱放散手段が前記第３流路手段内に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の半導体モジュール用冷却器及び半導体モジュールによれば、冷媒排出口に向かって延在する第２流路に、ヒートシンクの他の側面と離間して平行に流速調整板を配置することで、第１流路からヒートシンクの一の側面に流入する冷媒の流速を調整できる。また、第１流路に傾斜面を有するガイド部を併用することで、ヒートシンクに流入する冷媒の流速分布を調整できる。したがって、冷却器の外面に配置された半導体素子を効果的に冷却でき、半導体素子の安定した動作が可能になる。【００２３】
本発明の上記および他の目的、特徴および利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の半導体モジュールの一例を示す外観斜視図である。
【図２】図１の半導体モジュールのＬ１−Ｌ１線に沿って示す矢視断面図である。
【図３】冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。
【図４】２通りのフィンの形状を説明する図であって、（Ａ）はブレードフィンを示す斜視図、（Ｂ）はコルゲートフィンを示す斜視図である。
【図５】半導体モジュールとして構成される電力変換回路の一例を示す図である。
【図６】従来の半導体モジュールを第１の比較例として説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す斜視図、（Ｂ）は冷却器のウォータージャケットの要部構成を示した斜視図である。
【図７】第２、第３の比較例として、図６（Ｂ）の冷却器とは異なるタイプのウォータージャケットの形状を示す斜視図である。
【図８】従来の半導体モジュールを第４の比較例として説明する図であって、（Ａ）はウォータージャケットの形状を示す平面図、（Ｂ）はその部分斜視図である。
【図９】図６乃至図８のウォータージャケットの冷却特性であって、回路基板の位置毎の冷媒流速分布をタイプ別に示す図である。
【図１０】図６乃至図８の半導体モジュールに冷媒を流した際の、導入口と排出口における圧力損失差をタイプ別に示す図である。
【図１１】本発明の半導体モジュール用冷却器に使用されるウォータージャケットの形状を示す平面図である。
【図１２】図１１の半導体モジュール用冷却器における流速調整板のタイプ別の寸法を示す説明図である。
【図１３】図１１のウォータージャケットの冷却特性であって、回路基板の位置毎の冷媒流速分布をタイプ別に示す図である。
【図１４】図１１のウォータージャケットの冷却特性であって、回路素子部毎に定常運転時での発熱温度をタイプ別に示す図である。
【図１５】図１１の半導体モジュールに冷媒を流した際の、導入口と排出口における圧力損失差をタイプ別に示す図である。
【図１６】本発明の別の半導体モジュール用冷却器に使用されるウォータージャケットの形状を示す平面図である。
【図１７】図１６の半導体モジュール用冷却器における流速調整板、及び導入口と排出口における流路幅のタイプ別の寸法を示す説明図である。
【図１８】図１６のウォータージャケットの冷却特性であって、（Ａ）は回路基板の位置毎の冷媒流速分布をタイプ別に示す図、（Ｂ）は導入口と排出口における圧力損失差をタイプ別に示す図である。
【図１９】半導体モジュール用冷却器に使用されるウォータージャケットの構成例を示す図である。
【図２０】ガイド部の構成例を示す図である。
【図２１】Ｌ２−Ｌ２線の断面図である。
【図２２】ウォータージャケットの変形例を示す図である。
【図２３】ウォータージャケットの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
図１は、本発明の半導体モジュールの一例を示す外観斜視図であり、図２、図３は、それぞれ図１の半導体モジュールのＬ１−Ｌ１線に沿って示す矢視断面図、及び冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。なお、図３における矢印は、冷媒の流れる方向を示す。
【００２６】
半導体モジュール１０は、図１及び図２に示すように、冷却器２及び冷却器２の上に配置された複数の回路素子部３Ａ〜３Ｃから構成されている。この冷却器２は、フィンカバーとしてのウォータージャケット２Ａと、ヒートシンクとして複数本のフィン２Ｃが植設されたフィンベース２Ｂとから構成され、複数のフィン２Ｃをウォータージャケット２Ａの内部に収容するようにしている。
【００２７】
以下の説明では、ウォータージャケット２Ａ及びその内部に収容されたフィン２Ｃについて、図２においてフィンベース２Ｂが付けられる方を「上側」、図３においてウォータージャケット２Ａの上側を上に矢視の方向を「前側」、冷媒の導入口部２１ａ及び排出口部２２ａが形成されている方を「左側」等とする。また、冷却器２内の冷媒の流れに関して、導入口２４に近い方を「上流側」とする。
【００２８】
図３に示すように、冷却器２のウォータージャケット２Ａの外形は略直方体形状である。その上側の主面には冷媒導入流路２１、導入口部２１ａ、冷媒排出流路２２、排出口部２２ａ及びフィン２Ｃを配置する冷却用流路２３が設けられている。さらに、ウォータージャケット２Ａの左側壁２Ａｂには、内部に冷媒を導入するための導入口２４が、また外部に冷媒を排出するための排出口２５がそれぞれ設けられている。これら冷媒導入流路２１等は、前側壁２Ａａ、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ、右側壁２Ａｄ及び底壁２Ａｅにより画定されている。なお、同図には説明の便宜上、フィン２Ｃが描かれている。
【００２９】
冷媒導入流路２１は、冷媒の流入方向に沿う第１流路として、導入口２４から導入口部２１ａを介して、ウォータージャケット２Ａの前側壁２Ａａと平行に、右側壁２Ａｄまで延在されている。また、冷媒排出流路２２は、冷媒の排出口２５に向かう第２流路として、ウォータージャケット２Ａの後側壁２Ａｃと平行に、右側壁２Ａｄから排出口部２２ａまで延在されている。これら冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２はウォータージャケット２Ａの内部で、直線状に略平行に設けられている。ここで、導入口２４から冷媒が流入する冷媒導入流路２１の終端部、及び排出口２５に冷媒を排出する冷媒排出流路２２の始端部には、それぞれ６０°以下の傾斜を有するガイド部２１Ｓｉ，２２Ｓｏが形成されている。
【００３０】
冷却用流路２３は、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２の中間位置に、第３流路として配設され、冷媒導入流路２１及び冷媒排出流路２２を連通するように形成されている。すなわち、冷却用流路２３は、冷媒導入流路２１の延在方向及び冷媒排出流路２２の延在方向とそれぞれ直交する方向に延在している。この冷却用流路２３の境界を画定している左側壁２Ａｂ及び右側壁２Ａｄの内面は、それぞれ冷却用流路２３の底面及び後側壁２Ａｃの内面に対して垂直に形成されている。
【００３１】
冷却用流路２３には、基材２６に植設された複数のフィン２Ｃからなるヒートシンクが配置され、これらのフィン２Ｃで画定される各流路にそれぞれ冷媒が流れる。そして、導入口２４から導入された冷媒は、ウォータージャケット２Ａ内で、冷媒導入流路２１、冷却用流路２３、及び冷媒排出流路２２を通って排出口２５から排出される。ヒートシンクは、その外形が略直方体であり、その左側側面、後側側面及び右側側面が、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ及び右側壁２Ａｄの内面と平行になるよう冷却用流路２３に配設されている。
【００３２】
このような構成を有するウォータージャケット２Ａは、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。このような金属材料を用いてウォータージャケット２Ａを形成する場合、例えばダイキャストによって、上記のような冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、冷却用流路２３、導入口２４、及び排出口２５を形成することができる。ウォータージャケット２Ａは、このほかカーボンフィラーを含有する材料を用いることもできる。また、冷媒の種類やウォータージャケット２Ａ内に流れる冷媒の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能である。
【００３３】
このような構成を有するウォータージャケット２Ａは、冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及び複数の冷却用流路２３の形成面側が、図１及び図２に示すように冷媒の導入口２４及び排出口２５を除いてフィンベース２Ｂにより封止されている。また、フィンベース２Ｂのウォータージャケット２Ａ側は、複数のフィン２Ｃが植設された基材２６が接合されている。
【００３４】
つぎに、冷却器２を構成するフィン２Ｃの形状について説明する。
図４は、２通りのフィンの形状を説明する図であって、（Ａ）はブレードフィンを示す斜視図、（Ｂ）はコルゲートフィンを示す斜視図である。
【００３５】
冷却器２のフィン２Ｃは、例えば図４（Ａ）に示すように、板状のフィンが並設された複数のブレードフィン２Ｃａとして形成することができる。ブレードフィン２Ｃａは、冷却用流路２３に配置され、冷媒が図４（Ａ）に矢印で示す方向に流通する。その際、こうしたブレードフィン２Ｃａは、冷却用流路２０ｂ内で基材２６及びフィンベース２Ｂによって保持される。
【００３６】
図４（Ａ）にはブレードフィン２Ｃａを例示しているが、同図（Ｂ）に示すコルゲートフィン２Ｃｂを用いることもできる。
このようなブレードフィン２Ｃａ、あるいはコルゲートフィン２Ｃｂの形状をもつフィン２Ｃは、例えば図２に示したように、フィンベース２Ｂと一体化してフィン２Ｃ側のウォータージャケット２Ａに向けて配置される。フィン２Ｃは、その先端とウォータージャケット２Ａの底壁２Ａｅとの間に一定のクリアランスＣが存在するような寸法（高さ）に形成される。
【００３７】
図２では、基材２６がフィンベース２Ｂと一体化して構成され、フィンベース２Ｂのフィン２Ｃ側をウォータージャケット２Ａに向けて配置したときに、フィン２Ｃがウォータージャケット２Ａの冷却用流路２３内に配置されるようになっている。なお、フィン２Ｃをダイキャストやロウ付け、または各種溶接するなど、フィンベース２Ｂ自体と一体に形成し、あるいはダイキャストやプレスによってフィンベース２Ｂからフィン２Ｃを凸形状に形成した後、切削やワイヤーカット法により所望するフィン形状に加工することも可能である。
【００３８】
このようなフィン２Ｃのフィン形状については、従来公知の様々な形状のものを用いることが可能である。フィン２Ｃは、冷却用流路２３内を流れる冷媒の抵抗となるので、冷媒に対する圧力損失が小さいものが望ましい。また、フィン２Ｃの形状及び寸法は、冷媒の冷却器２への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷媒の種類（粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。
【００３９】
また、フィン２Ｃからなるヒートシンクの外形は略直方体であり、好ましくは直方体であり、発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。
フィン２Ｃ及びフィンベース２Ｂは、ウォータージャケット２Ａと同様に、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。フィン２Ｃは、上述したブレードフィン２Ｃａやコルゲートフィン２Ｃｂ等以外にも、例えば金属材料を用いて形成された所定のピンや板体を金属製の基材２６に接合することによって形成することができる。
【００４０】
このようにしてフィン２Ｃが植設された基材２６は、金属板等のフィンベース２Ｂの所定領域、すなわち図２に示した冷却用流路２３に対応する領域に接合される。このように予めフィン２Ｃを植設した基材２６をフィンベース２Ｂに接合するだけでなく、フィンベース２Ｂに直接、複数のフィン２Ｃを接合してヒートシンクを構成することも可能である。
【００４１】
冷却器２の使用時には、その上流側に設けられるポンプと例えば導入口２４が接続され、排出口２５がその下流側に設けられる熱交換器に接続されて、これら冷却器２、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷媒流路が構成される。冷媒は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。
【００４２】
各回路素子部３Ａ〜３Ｃは、例えば図２に示したように、いずれも基板３１上に２種類の半導体素子３２，３３がそれぞれ２個ずつ、計４個搭載された構成を有する。基板３１は、例えば図２に示したように、絶縁基板３１ａの両面に導体パターン３１ｂ，３１ｃが形成された構成とされる。
【００４３】
基板３１の絶縁基板３１ａには、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等のセラミック基板を用いることができる。絶縁基板３１ａ上の導体パターン３１ｂ，３１ｃは、銅やアルミニウム等の金属（例えば、銅箔）を用いて形成することができる。
【００４４】
半導体素子３２，３３は、はんだ等の接合層３４を用いて基板３１の導体パターン３１ｂ側に接合され、その導体パターン３１ｂに直接、或いはワイヤ（図示せず）を介して、電気的に接続される。半導体素子３２，３３を搭載した基板３１は、もう一方の導体パターン３１ｃ側で、接合層３５を介して冷却器２のフィンベース２Ｂに接合される。
【００４５】
こうして、基板３１と基板３１上に搭載された半導体素子３２，３３は、冷却器２と熱的に接続された状態になる。なお、導体パターン３１ｂ，３１ｃの露出表面や、半導体素子３２，３３と導体パターン３１ｂとを電気的に接続するワイヤ表面には、ニッケルめっき等により、それらの表面を汚れ、腐食、外力等から保護するための保護層を形成するようにしてもよい。
【００４６】
図５は、半導体モジュールとして構成される電力変換回路の一例を示す図である。
このような基板３１上に搭載される半導体素子３２，３３としては、ここではパワー半導体素子を用いている。一例として、図５に示すように、一方の半導体素子３２をフリーホイールダイオード（Free Wheeling Diode：ＦＷＤ）とし、他方の半導体素子３３を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）とすることができる。
【００４７】
半導体モジュール１０は、例えば３個の回路素子部３Ａ〜３Ｃによってインバータ回路４０を構成することが可能である。
図５では、直流電流を交流電流に変換して三相交流モータ４１に供給するインバータ回路４０を例示している。このインバータ回路４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相についてそれぞれ、ＩＧＢＴである半導体素子３３と、ＦＷＤである半導体素子３２とのブリッジ回路を備える。半導体素子３３のスイッチング制御を行うことで、直流電流を交流電流に変換し、三相交流モータ４１を駆動することができるようになっている。
【００４８】
ここでは、上記のような構成を有する回路素子部３Ａ〜３Ｃが、冷却器２のフィンベース２Ｂの上に配置されている。これらの回路素子部３Ａ〜３Ｃは、例えば冷却器２上でインバータ回路を構成するように接続することができる。
【００４９】
さて、このような電力変換回路の動作時に、各回路素子部３Ａ〜３Ｃで発生した熱は、それが接合されているフィンベース２Ｂへと伝わり、さらにその下のフィン２Ｃへと伝わる。フィン２Ｃは、上述したように冷却用流路２３内に配置されているから、この冷却用流路２３に冷媒が流通されることで、フィン２Ｃが冷却される。発熱する回路素子部３Ａ〜３Ｃは、このようにして冷却器２により冷却される。
【００５０】
以上の説明では、半導体モジュール１０の回路素子部３Ａ〜３Ｃを３個とした場合を例示した。しかし、回路素子部の個数は、つぎに比較例として図６などに示す半導体モジュールのように、必ずしも３個には限定されない。
【００５１】
（比較例）
図６は、従来の半導体モジュールを第１の比較例として説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す斜視図、（Ｂ）は冷却器のウォータージャケット（タイプＡ）の要部構成を示した斜視図である。
【００５２】
図６（Ａ）に示す半導体モジュール１０Ａでは、冷却器２の長手方向に７列（Ｂ１〜Ｂ７）、短手方向に２行、計１４個の回路素子部３Ｄ〜３Ｉ、及び３Ｉｕ，３Ｉｄが配置されている。これらの回路素子部３Ｄ〜３Ｉ、及び３Ｉｕ，３Ｉｄを適当に組み合わせて、例えば図５に例示したようなインバータ回路４０を複数構成するように接続することができる。
【００５３】
図６（Ｂ）に示すタイプＡのウォータージャケット２Ａには、一方の主面側に冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及び破線で示す矩形領域に冷却用流路２３が設けられ、このうち冷却用流路２３がフィン２Ｃに対応する大きさに形成されている。フィン２Ｃは、例えば図２に示したように、フィンベース２Ｂと一体化してフィン２Ｃ側がウォータージャケット２Ａに向けて配置される。そして、最終的にフィン２Ｃと一体化されたフィンベース２Ｂは、図１及び図２に示したように、ウォータージャケット２Ａの内部に配置される。
【００５４】
フィンベース２Ｂとウォータージャケット２Ａとは、例えば適当なシール材（図示せず）を用いて接合される。これにより、ウォータージャケット２Ａ、フィンベース２Ｂ及びフィン２Ｃを備える冷却器２が構成できる。ここで、導入口２４から冷媒が流入する冷媒導入流路２１の終端部、及び冷媒を排出口２５に流出する冷媒排出流路２２の始端部には、６０°以下の傾斜を有するガイド部２１Ｓｉ，２２Ｓｏが形成されている。なお、ガイド部２１Ｓｉにおいては、冷却用流路２３に対向する全領域に亘って、一様な傾斜面となっている。
【００５５】
図７（Ａ），（Ｂ）は、第２、第３の比較例として、図６（Ｂ）の冷却器とは異なるタイプのウォータージャケットの形状を示す斜視図である。
図６（Ｂ）には、導入口２４及び排出口２５を左側壁２Ａｂの同一面側に配置したタイプＡを示している。しかし、冷媒を導入し排出する配管の接続方法の違いから、互いに対向する左右側壁２Ａｂ，２Ａｄの対極する位置に、それぞれ導入口２４と排出口２５が配置される図７（Ａ）に示すタイプＢ、あるいは右側壁２Ａｄだけに導入口２４と排出口２５が配置される同図（Ｂ）に示すタイプＣなど、複数の形状のものが使用されている。そのため、実際に使用するウォータージャケット２Ａでは、それぞれの形状毎に冷媒流路の形状を最適化することが必要になる。
【００５６】
また、図８は、従来の半導体モジュールを第４の比較例として説明する図であって、（Ａ）はウォータージャケットの形状を示す平面図、（Ｂ）はその部分斜視図である。
図８には、図６に示したタイプＡのウォータージャケットに対して、その導入口２４の幅を変化させると同時に、冷媒導入流路２１内に分離壁２７を設置した改善例（タイプＤ）のウォータージャケットを示している。
【００５７】
すなわち、タイプＤのウォータージャケット２Ａでは、冷媒導入流路２１に冷媒を導く導入口部２１ａでの断面がテーパ形状に形成され、導入口２４での流路幅ｗ１に対して冷媒導入流路２１の始端部での流路幅ｗ２が狭くなるように、導入口部２１ａの流路幅を変化させている。また、このタイプＤのウォータージャケット２Ａは、冷媒導入流路２１の終端部にそれぞれ長さ１３ｍｍの傾斜部分と５ｍｍの平坦部分とを有するガイド部２１Ｓｉが配置されている。さらに、冷媒導入流路２１内には、分離壁２７が始端部から流路を２分するように形成されている。この分離壁２７は、冷却用流路２３内のフィン２Ｃに対してその冷媒流入側の側面と平行に配置される。
【００５８】
ここで、冷媒導入流路２１に配置された分離壁２７は、冷媒導入流路２１内で全長が２１５ｍｍであって、その１０ｍｍ幅に形成された流路を、フィン２Ｃ側に３．５ｍｍ、前側壁２Ａａ側に５ｍｍの幅で２つの流路に分割するように設けられている。なお、分離壁２７の上流側の先端部２７ａは、冷媒導入流路２１と導入口部２１ａとの境界部分に位置している。
【００５９】
このように分離壁２７を形成することで、導入口２４から流入する冷媒の流速を高めるだけでなく、その先端部２７ａに対向するフィン２Ｃに流入する冷媒の流量を増やすことができる。そのため、冷媒導入流路２１内の終端部に向かう冷媒の流速が高くなるとともに、分離壁２７の先端部２７ａ位置に配置されている回路素子部３Ｄ（図６（Ａ）参照）に対する冷却効果をも高めることができる。
【００６０】
すなわち、冷媒導入流路２１内でその終端部に向かう冷媒の流速を向上して、図６（Ａ）に示す半導体モジュール１０Ａに配置された回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄでの発生損失に応じて、適切に冷却器２の冷却性能を向上させることが可能になる。
【００６１】
図９は、図６乃至図８のウォータージャケットの冷却特性であって、回路基板の位置毎の冷媒流速分布をタイプ別に示す図である。図１０は、図６乃至図８の半導体モジュールに冷媒を流した際の、導入口と排出口における圧力損失差をタイプ別に示す図である。
【００６２】
図９のグラフには、一例として図４（Ａ）に示すブレードフィン２Ｃａを冷却用流路２３内に配置して、導入口２４から流量１０Ｌ／ｍｉｎの冷媒を流したとき、ブレードフィン２Ｃａ間を流れる冷媒流速を、それぞれ回路基板の位置（Ｂ１〜Ｂ７）毎に示している。
【００６３】
これらのグラフから分かるように、各タイプ（Ａ〜Ｄ）のウォータージャケット２Ａでは、その流路形状毎にそれぞれ回路基板位置Ｂ１〜Ｂ７に流れる冷媒流速分布が不均一になる偏流特性を有する。例えば、導入口２４と排出口２５をいずれも同一面側に配置したタイプＡ、あるいはタイプＣのウォータージャケット２Ａでは、配管が接続されるＢ１、あるいはＢ７側でそれぞれ冷媒の流速が速く、いずれも０．１５ｍ／秒以上になる。他方、導入口２４と排出口２５とを対称位置に配置したタイプＢのようなウォータージャケット２Ａでは、排出口２５側の回路基板位置Ｂ７で冷媒流速が最も速く（０．１０ｍ／秒）なる。
【００６４】
このように冷却用流路２３内の冷媒は、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２の間でブレードフィン２Ｃａが形成する並列流路のうち、排出口２５側での流速が著しく速くなる偏流特性がある。また、タイプＡに改良を加えたタイプＤでは、導入口２４側での冷媒流速も改善されているだけでなく、導入口２４と排出口２５とを対称位置に配置したタイプＢに類似する流速分布（偏流特性）が形成可能であることがわかる。
【００６５】
また、図１０に示す圧力損失差のグラフでは、改善前のタイプＡ〜Ｃの各ウォータージャケット２Ａでは、ほぼ同等の圧力損失差（３．２〜３．４ｋＰａ）を示している。これに対して、冷媒導入流路２１の幅を２／３に狭めて、かつそこに分離壁２７を配置したタイプＤのものでは、圧力損失差が５．２ｋＰａとなり、３割以上増加することが示されている。
【００６６】
つぎに、冷却器２によって冷却される回路素子部３Ｄ〜３Ｉ、及び３Ｉｕ，３Ｉｄの配置について説明する。
図６（Ａ）に示すように、従来の半導体モジュール１０Ａにおいては、２行６列の回路素子部３Ｄ〜３Ｉの１２個とは別に、冷却器２上の７列目に２個の回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄとして異なる構成のものを配置することができる。このとき、１２個の回路素子部３Ｄ〜３Ｉを適当に組み合わせることで、例えば図５に例示したようなインバータ回路４０を複数構成するように接続できる。また、回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄは、例えば所定数のＩＧＢＴとＦＷＤを用いた昇圧コンバータ回路として構成できる。
【００６７】
このような場合、例えば昇圧コンバータ回路の回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄをバッテリー及び上記インバータ回路４０に接続し、バッテリー電圧を回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄで昇圧する。そして、その昇圧された直流電流をインバータ回路４０によって交流電流に変換して三相交流モータ４１に供給するような回路構成とすることが可能である。なお、このような回路素子部３Ｄ〜３Ｉとは種類の異なる回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄを新たに追加するには、回路の設計上、或いは製造上の配線レイアウト等を考慮すると、図６（Ａ）に示すように、回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄは半導体モジュール１０Ａの端部に配置することが比較的容易である。
【００６８】
また、半導体モジュール１０Ａは、冷却器２の冷却用流路２３を流れる冷媒の流通方向に沿ってフィン２Ｃ内部に２箇所の発熱部が存在する。すなわち、２箇所の発熱部は冷媒の流れる方向に対して、それぞれ上流側と下流側とに分かれて位置する。したがって、下流側を流れる冷媒温度は、上流側の発熱部での吸熱によって、すでに上昇して下流側の発熱部に達する。そのため、下流側に比較して、上流側に配置された回路素子部の冷却効率がより高くなる。こうした冷却効率の違いを考慮するとき、回路素子部３Ｄ〜３Ｉのうちその駆動時に発生する熱量が高いものほど冷媒導入流路２１側に配置すれば、より容易に冷却することが可能である。
【００６９】
さらに、冷却器２の冷却用流路２３を流れる冷媒の流速分布には、その導入口２４側より排出口２５に近い位置で冷媒流速が上昇するという、上述したような偏流特性がある。しかも、冷却用流路２３を冷媒が速く流れる高流速部ほど、フィン２Ｃによる冷却効率が高くなる。したがって、半導体モジュール１０Ａの冷却用流路２３には、回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄで発生する熱量に応じて、冷媒をある一定以上の流速で流通させることが求められる。ところが、低流速部での流速の上昇を目的として、導入口２４からの冷媒の流量を単に増加させるだけでは、冷却用流路２３の高流速部に必要以上の冷媒が流れることになる。その結果、冷却器２に供給する冷媒流量を増加する必要が生じ、そのために高性能のポンプを用意しなければならない。
【００７０】
一般に、こうした半導体モジュール１０Ａにおける冷却用流路２３の流路特性をシミュレーションするには、冷媒の流れと熱伝導、熱伝達などの物理現象を含む熱流体解析が必要とされる。また、回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄでの発熱による冷媒の温度上昇を求める際には、定常運転状態で発生する圧力損失を与えることで、その解析結果が得られる。
【００７１】
そこで、図６、図７に示す従来のタイプＡ〜Ｃのウォータージャケット２Ａを用いて冷媒の流速分布をシミュレーションすると、導入口２４からウォータージャケット２Ａ内に導入された冷媒は、排出口２５の位置に引き寄せられるように流れる。そのため、冷却用流路２３に流れ込む冷媒は、図９の冷媒流速分布図に示したように、とくに冷媒の排出口２５に近い側において比較的速い流れとなる。
【００７２】
また、複数配置された回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄでは、一般に、発生する圧力損失に応じて半導体素子３２，３３の冷却に必要な冷媒の流速を維持することが求められる。しかし、上述したような偏流特性によって冷媒の流速が大きく異なると、その冷却性能も同様に偏った分布となる。とりわけ、流速が速くなる排出口２５側の冷却用流路２３では、流速変動に対して冷却性能の変化は鈍く、流速が遅くなりやすい導入口２４側では、その変化が大きい。このことは、排出口２５側で冷却性能の向上に寄与しづらい流速成分が生じることを意味している。
【００７３】
そこで、このような冷却用流路２３の偏流特性を改善して、できるだけ一様な冷媒流速を得ることができれば、より安定した冷却性能が得られるだけでなく、回路素子部３Ｄ〜３Ｉ、及び３Ｉｕ，３Ｉｄを冷却する冷却器２の全体的な冷却性能を向上させることが可能になる。
【００７４】
また、冷媒の偏流特性は、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２とに挟まれた冷却用流路２３内の並列流路において起こる現象である。とくに、冷却用流路２３に配置される冷却用のフィン２Ｃの間隔を広げた場合には、冷媒導入流路２１からフィン２Ｃに流れる冷媒に対する抵抗が小さくなって、冷却用流路２３内に冷媒が流れ込みやすくなる。したがって、冷却用流路２３のフィン２Ｃは、その間隔が広い形状であるほど偏流特性が拡大する。
【００７５】
なお、図６および図７に示すタイプＡ〜Ｃのものでは、上述したように偏流特性が異なるため、フィンベース２Ｂに配置される回路素子部３Ｄ〜３Ｉ、及び３Ｉｕ，３Ｉｄ毎に異なる冷却用流路２３内での圧力損失の分布に応じて、均一かつ安定に冷却する方法は異なる。
【００７６】
以下の実施の形態は、図６に示した従来タイプＡのウォータージャケット２Ａと同様に、導入口２４、排出口２５を同一面側に配置して、半導体モジュールについての流速分布を調整するように改良された半導体モジュール用冷却器について説明したものである。これらの冷却効果は、いずれも冷媒自体の性質（冷媒特性）と冷却性能を前提に、上述したシミュレーションにより検証された流速分布に基づいている。
【００７７】
（第１の実施の形態）
ここでは、半導体モジュールにおける偏流を調整するため、冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に流速調整板２８を配置した冷却器２について説明する。
【００７８】
図１１は、本発明の半導体モジュール用冷却器に使用されるウォータージャケットの形状を示す平面図である。
ここに示すタイプＦｃのウォータージャケット２Ａは、図６（Ａ）の半導体モジュール１０Ａの冷却器２として用いられる。したがって、このタイプＦｃのウォータージャケット２Ａは、図６（Ｂ）に示す従来のタイプＡのものと同様に、その左側壁２Ａｂに導入口２４及び排出口２５が配置されている。しかし、導入口２４から冷媒導入流路２１に冷媒を導く導入口部２１ａ、および冷媒排出流路２２から冷媒を排出口２５に流出するための排出口部２２ａが、図６（Ｂ）あるいは図３に示すものと比較して長く形成される。すなわち、導入口部２１ａと排出口部２２ａは、いずれも同じ左側壁２Ａｂから突出するように形成されている。
【００７９】
また、タイプＦｃのウォータージャケット２Ａでは、導入口部２１ａと排出口部２２ａがそれぞれ導入口２４と排出口２５と等しい幅（Ｗ１＝Ｗ２）に形成され、例えば同じ１５ｍｍである。冷媒導入流路２１の長さｘは２５５．２ｍｍであって、その終端部分には、冷却用流路２３に配置されたフィン２Ｃの前側側面（冷媒流入面）と対向する前側壁２Ａａの内面側に、約４５°の傾斜面が施されたガイド部２１Ｓｉを有している。この冷媒導入流路２１の終端部におけるガイド部２１Ｓｉとフィン２Ｃとの隙間ｙは、タイプＤのウォータージャケット２Ａ（図８）と同じく、２ｍｍである。
【００８０】
ここで、タイプＦｃのウォータージャケット２Ａには、冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に流速調整板２８が配置されている。この流速調整板２８の形状は、全長Ｌ（＝２１５ｍｍ）、そのウォータージャケット２Ａの底面からの高さｈ（＝９．５ｍｍ）、幅（厚さ）３ｍｍに形成されている。また、流速調整板２８の側壁面が、フィン２Ｃの後側側面（冷媒流出面）に対して隙間ｙ２（＝２ｍｍ）をもって平行に位置するとともに、その一方の端部がウォータージャケット２Ａの左側壁２Ａｂと隙間ｘ２（＝５ｍｍ）をなすように配置されている。
【００８１】
また、冷媒排出流路２２には、冷媒導入流路２１のガイド部２１Ｓｉと同様、約４５°の傾斜面が施されたガイド部２２Ｓｏが右側壁２Ａｄ側の始端部に配置されている。ここでは、流速調整板２８の側壁面をフィン２Ｃの側面と平行に形成したことによって、流路断面積の減少による圧力損失増加の割合を低減することが可能であり、さらに冷媒排出流路２２の流路幅を広げることによって好適な効果が得られる。
【００８２】
図１２は、図１１の半導体モジュール用冷却器における流速調整板のタイプ別の寸法を示す説明図である。
ここでは、図１１に示すタイプＦｃのウォータージャケット２Ａ以外の、タイプＥ、タイプＥａ、タイプＥｂ、タイプＦ、タイプＦａ、及びタイプＦｂのウォータージャケット２Ａについて説明する。なお、何れのタイプであっても、そのウォータージャケット２Ａの大きさについては、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２の流路幅（ｗ１，ｗ２）がいずれも１５ｍｍと等しく、冷却用流路２３の幅が２５５ｍｍ、その長さが１１７ｍｍ、ガイド部２１Ｓｉとフィン２Ｃの隙間ｙが２ｍｍ、流速調整板２８とフィン２Ｃとの隙間ｙ２が２ｍｍになるように形成されている。
【００８３】
また、タイプＥ、タイプＥａ、タイプＥｂのウォータージャケット２Ａでは、Ｌ，ｘ２はそれぞれ１７５ｍｍ，０ｍｍと同じであるが、流速調整板２８の高さｈが９．５ｍｍから５．５ｍｍの範囲で変化している点で異なる。また、タイプＦのものでも同様に、タイプＦ，Ｆａ，Ｆｂでは、ｘ２を０ｍｍとし、かつ流速調整板２８の高さｈを９．５ｍｍから５．５ｍｍの範囲で変化させているが、その長さＬを２１５ｍｍとして、タイプＥのものより長く形成した点で異なっている。なお、図１１に示すタイプＦｃだけが、ｘ２を０ｍｍでなく５ｍｍとした点で、他のいずれのものとも異なっている。
【００８４】
このように、図１２に示す各タイプの流路形状を基に、流速調整板２８の長さＬ、フィン２Ｃとの間隔ｙ２、さらに流路左側壁２Ａｂとの間隔ｘ２が変更されて構成することによって、冷媒導入流路２１内で終端部へ向かう冷媒の流速を適正な程度にまで抑制することができる。この点については、以下の図１３ないし図１４により説明する。
【００８５】
なお、同じ導入口２４の面積であっても、冷媒の導入方向に向かって断面積が連続して低減する導入口部２１ａ（図８参照）によって、冷却用流路２３での流速分布は改善される。
【００８６】
つぎに、図１２に示した各種タイプの流路形状を有するウォータージャケット２Ａについて実施された冷媒流速、及び冷却効果のシミュレーション結果を説明する。ここでは、幅２５５ｍｍ、長さ１１７ｍｍの領域に形成された冷却用流路２３に、厚さ１．２ｍｍ、ピッチ２．１ｍｍ、高さ１０ｍｍのブレードフィン２Ｃａが配置され、導入口２４から冷媒導入流路２１に冷媒を１０Ｌ／ｍｉｎの流量で導入する場合を仮定した。また、それぞれ異なるタイプのウォータージャケット２Ａについてシミュレーションすることによって、流速調整板２８の長さと位置関係の違いが、冷媒の流速分布等に与える影響を確認している。
【００８７】
図１３は、図１１のウォータージャケットの冷却特性であって、回路基板の位置毎の冷媒流速分布をタイプ別に示す図である。
同図に示す流速分布は、７列（位置Ｂ１〜Ｂ７）に配置された回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄの基板中央部直下に配置されたフィン２Ｃ間で、冷媒の流速をシミュレーションした結果である。ここでは、導入口２４側から冷媒導入流路２１の終端部に向けてＢ１〜Ｂ７まで順に流速を示している。また、この流速分布のシミュレーションで用いられる冷媒導入流路２１は、いずれもその全長が２５５ｍｍ、その高さが１０．５ｍｍとしている。
【００８８】
図１３に示すシミュレーション結果によれば、流速調整板２８の高さを９．５ｍｍと高くしたタイプＥ、タイプＦ、タイプＦｃの場合に、その流速分布が大きく変化している。また、流速調整板２８の高さを９．５ｍｍとしたタイプＥ，タイプＦでは、その長さＬに依存した流速分布を示している。すなわち、タイプＦｂと比較して、タイプＥは回路基板の位置Ｂ６，Ｂ７で流速が向上し、さらにタイプＦは特に位置Ｂ７での流速が向上している。
【００８９】
このことから、フィン２Ｃから排出される冷媒は、流速調整板２８に衝突する際に発生した圧力によって流速が低下するため、流速分布の調整が可能となる。また、タイプＦｃのように、ウォータージャケット２Ａの左側壁２Ａｂに対して、流速調整板２８の排出口２５側の端部で隙間ｘ２（＝５ｍｍ）を設けた場合、位置Ｂ１で冷媒の流速が向上することによって、フィン２Ｃ内での流速分布がＵ字状になる。すなわち、冷媒排出流路２２内の流速調整板２８を用いて任意の流速分布を作り出すことが可能であること、及び冷媒排出流路２２の排出口２５付近では、５ｍｍ程度のわずかな隙間であっても流速調整に大きく影響することを示している。
【００９０】
以上のシミュレーション結果から、図１２に示すタイプ別のウォータージャケット２Ａについて、それぞれ回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄでの冷媒流速に対応するパワー半導体素子による発熱状態、すなわち冷却特性を確認することができる。
【００９１】
図１４は、図１１のウォータージャケットの冷却特性であって、回路素子部毎に定常運転時での発熱温度をタイプ別に示す図である。これらはいずれも、前述した手法によるシミュレーション結果の一例である。
【００９２】
回路素子部３Ｄ等を冷却する際にウォータージャケット２Ａ内の冷媒が受ける圧力損失は、図１２に示すタイプ毎に異なる。ただし、ウォータージャケット２Ａ内の熱損失は、上述した図６（Ａ）に示すように、導入口２４側より３列ずつ回路素子部３Ｄ〜３Ｆの位置Ｂ１〜Ｂ３と、回路素子部３Ｇ〜３Ｉの位置Ｂ４〜Ｂ６の２グループに分類して、同じグループでは同じ大きさに設定できるものとする。また、７列目の回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄでは、上流側の回路素子部３Ｉｄと下流側の回路素子部３Ｉｕで、互いに異なる熱損失が設定されている。
【００９３】
図１４における発熱温度の比較対象は、それぞれ１列目（位置Ｂ１）の回路素子部３Ｄ、４列目（位置Ｂ４）の回路素子部３Ｇのそれぞれ下流側に配置されたＩＧＢＴ素子としている。また、７列目（位置Ｂ７）では、回路素子部３Ｉｕ，３Ｉｄのうち、発生損失のより大きい上流側のもの（３Ｉｄ）を比較対象とした。さらに、回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄにそれぞれの発熱量に応じて設定される発生損失値については、冷媒流速と冷媒温度及び冷却性能との関係に基づいて、３Ｄ＜３Ｇ＜３Ｉｕ＜３Ｉｄの関係に設定している。
【００９４】
図１４（Ｃ）に示すように、回路素子部３Ｉｄのジャンクション温度（Ｔｊ）は、タイプＥでは１３６．７℃、タイプＦでは１３４．７℃、流速分布が排出口２５側に偏るタイプＦｂでは１４２．０℃である。ここでは、流速調整板２８の長さにより５℃以上の温度低減効果が見られる。また、同図（Ａ）、（Ｂ）に示すように、その他の回路素子部３Ｄ，３Ｇでは、Ｂ１列下流側とＢ４列下流側での流速分布の変化に伴って、各ＩＧＢＴのジャンクション温度は変化する。しかし、それぞれ回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄでの発生損失に見合った流速分布となるように、流速調整板２８の長さを調整すれば、冷却器２の長手方向の各列（Ｂ１〜Ｂ７）のそれぞれで、安定した冷却性能が得られることを示している。
【００９５】
このように、本発明の半導体モジュールに用いられるウォータージャケット２Ａでは、流速調整板２８を冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に配置することで、パワー半導体素子のジャンクション温度を低減することが可能である。特に、発生損失の高い回路素子部３Ｉｄの基板中央部直下（位置Ｂ７）での流速が向上した効果は大きい。
【００９６】
図１５は、図１１の半導体モジュールに冷媒を流した際の、導入口と排出口における圧力損失差をタイプ別に示す図である。図１５に示すシミュレーション結果によれば、いずれも４．５ｋＰａ未満の値を示している。これは、図８に示した第４の比較例のように、冷媒導入流路２１側での改善例（タイプＤ）と比較しても、その圧力損失は低くなり、しかも流速分布がほぼ一致している。このように冷媒排出流路２２側で流速調整を行う流速調整板２８を配置することで、低圧力損失化が可能になり、ポンプへの負荷の軽減が可能になる。
【００９７】
本実施の形態におけるウォータージャケット２Ａでは、その底壁２Ａｅの内面とヒートシンクを構成するフィン２Ｃの前側側面とによって、冷媒導入流路２１が画定され、底壁２Ａｅの内面とフィン２Ｃの後側側面とによって、冷媒排出流路２２が画定される。そして、冷媒排出流路２２に流速調整板２８を配置して、フィン２Ｃから流れ出る冷媒がそこに衝突する圧力によって、冷媒導入流路２１からフィン２Ｃに流入する冷媒流速を適当に調整するようにして、フィン２Ｃ内での冷媒流速に生じる偏流が解消できる。これにより、冷却器２の上に配置された半導体素子を均一かつ安定に冷却でき、半導体素子の発熱による誤動作や破壊を確実に防止できる。
【００９８】
また、第１の実施の形態のものでは、導入口２４及び排出口２５がウォータージャケット２Ａの同一面に配置され、異なる回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄでの発生損失に対応する冷却性能を得るように流路形状を構成できる。とりわけ、導入口２４から排出口２５までの長さがより短いウォータージャケット２Ａにおいては、安価かつ容易に製造することが可能である。
【００９９】
また、冷媒排出流路２２に流速調整板２８を配置するだけでなく、さらに従来の冷媒導入流路２１の幅の調整や、図８のような分離壁２７を組み合わせて用いることで、より大きな流速調整効果が発揮できる。
【０１００】
なお、ヒートシンクを構成するフィン２Ｃは、その前側側面が導入口２４から流入する冷媒の流入方向と略平行であって、かつ冷媒導入流路２１における冷媒の流れを遮らないように導入口部２１ａの内壁と面一になる位置に配設される。また、冷媒導入流路２１の高さを規定する、ウォータージャケット２Ａの底壁２Ａｅからフィンベース２Ｂまでの間隔は一定である。
【０１０１】
（第２の実施の形態）
図１６は、本発明の別の半導体モジュール用冷却器に使用されるウォータージャケットの形状を示す平面図である。
【０１０２】
この実施の形態では、冷媒排出流路２２内に流速調整板２８が設置されているだけでなく、さらにその長さを冷媒排出流路２２と同一にすることによって、半導体モジュールにおける偏流を調整して、均一かつ安定に半導体素子の冷却をするようにした冷却器について説明する。
【０１０３】
図１６に示すタイプＧのウォータージャケット２Ａでは、いずれも図８に示すタイプＤ、あるいは図１１に示すタイプＦｃ等と同様、導入口２４から冷媒導入流路２１に冷媒を導く導入口部２１ａ、及び冷媒排出流路２２から冷媒を排出口２５に流出するための排出口部２２ａがそれぞれウォータージャケット２Ａの同じ左側壁２Ａｂから突出して形成される。また、タイプＧのウォータージャケット２Ａは、冷却器の導入口２４、排出口２５を同一面側に形成しただけでなく、冷媒排出流路２２の長さｘに等しい流速調整板２８を冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に配置している。
【０１０４】
図１７は、図１６の半導体モジュール用冷却器における流速調整板、及び導入口と排出口における流路幅のタイプ別の寸法を示す説明図である。この図１７に示すように、タイプＧの冷媒排出流路２２内には、流速調整板２８がウォータージャケット２Ａの底壁２Ａｅ面から垂直に８ｍｍを超えない任意の高さで形成されている。また、冷却用流路２３が幅１０ｍｍの冷媒導入流路２１と幅１５ｍｍの冷媒排出流路２２との間に構成されている。ここには、タイプＧの他、タイプＧａ、タイプＧｂ、タイプＧｃ、タイプＨ、及びタイプＩの寸法を示している。
【０１０５】
前述したように、冷却用流路２３を流れる冷媒流速は、ウォータージャケット２Ａの排出口２５の位置に依存した流速分布となる。ここでは、さらに長さＬ＝２５５ｍｍ、幅（厚さ）３ｍｍの流速調整板２８を冷媒排出流路２２内に形成し（すなわち、ウォータージャケット２Ａの左側壁２Ａｂと隙間ｘ２は０ｍｍである。）、フィン２Ｃから排出する冷媒流速を均一化して、一定の流速分布になるように調整している。
【０１０６】
このように、タイプＧのウォータージャケット２Ａは、流速調整板２８の長さを冷媒排出流路２２の長さｘ（すなわち、冷却用流路２３の幅）と同一とし、流速調整板２８をウォータージャケット２Ａの左側壁２Ａｂ（冷却用流路２３の排出口２５側の側壁）に接続した点で、図１２に示すタイプＥ、タイプＦのものとは異なる。
【０１０７】
図１８は、図１６のウォータージャケットの冷却特性であって、（Ａ）は回路基板の位置毎の冷媒流速分布をタイプ別に示す図、（Ｂ）は導入口と排出口における圧力損失差をタイプ別に示す図である。
【０１０８】
同図（Ａ）に示す流速分布では、図６（Ａ）に示した回路基板位置Ｂ１〜Ｂ７に配置された回路素子部３Ｄ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄの基板中央部直下でシミュレーションして、冷媒流速分布を位置Ｂ１〜Ｂ７毎にタイプ別に比較している。また、圧力損失差は導入口２４と排出口２５の圧力差である。
【０１０９】
ここには、タイプＧ、タイプＧａ、タイプＧｂ、タイプＧｃ、タイプＨ、及びタイプＩについてのシミュレーション結果を示す。流路幅Ｗ１を１０ｍｍとした冷媒導入流路２１に、それぞれ流速調整板２８が、２，４，６，８ｍｍと異なる高さｈで設置されたタイプＧ，Ｇａ，Ｇｂ，Ｇｃにおいては、とくに回路基板位置Ｂ７での冷媒流速を低減することで、流速分布を均一になるよう調整できることがわかる。また、冷媒導入流路２１の流路幅Ｗ１を１０ｍｍ、１５ｍｍ、１２．５ｍｍと異ならせたタイプＧ〜Ｇｃ、タイプＨ、及びタイプＩについてのシミュレーション結果によれば、冷媒導入流路２１の流路幅Ｗ１と冷媒排出流路２２の流路幅Ｗ２との差が２．５ｍｍの場合（タイプＩ）に、最高流速と最低流速の差が最も小さくなる。そして、流路幅がＷ１＝Ｗ２（＝１５ｍｍ）のタイプＨでは、回路基板位置Ｂ１とＢ７での流速が逆転する。すなわち、冷媒導入流路２１の流路幅Ｗ１を１２．５ｍｍとしたタイプＩのウォータージャケット２Ａで、最も良く流速分布の均一化が実現されている。
【０１１０】
もっとも、導入口２４、及び排出口２５のそれぞれの幅Ｗ１，Ｗ２を１５ｍｍとしたタイプＨにあっても、その流速調整板２８の高さｈを８ｍｍとすることで、冷媒流速の最低値が流速調整板２８のない従来のタイプＡの最低値（＝０．０４ｍ／秒）と比較して、０．０５ｍ／秒と向上している。そのため、冷却用流路２３での流速分布の均一化が図られ、各回路の発生損失に応じた流速調整が可能である。一方、図１８（Ｂ）に示す圧力損失によれば、タイプＩのウォータージャケット２Ａで５．２ｋＰａであって、圧力損失の変化は冷媒導入流路２１の幅Ｗ１に依存している。これは、冷媒流速分布の均一化が圧力損失差との関係でトレードオフにあることを示している。
【０１１１】
また、フィン２Ｃと流速調整板２８との隙間ｙ２（ここでは、いずれのタイプでも２ｍｍとしている。）についても、その間隔を狭くするほど流速分布を均一に調整するうえでの効果は高くなるが、それに伴ってウォータージャケット２Ａ内での圧力損失が上昇する。しかし、いずれのタイプＧ〜Ｇｃ、タイプＨ、及びタイプＩのものでも最大圧力差が６ｋＰａ以下であることから、これらはウォータージャケット２Ａで想定される１０ｋＰａ以下の圧力損失差の範囲内であって、従来のポンプ性能であっても十分な冷媒流量を流すうえで支障は生じない。
【０１１２】
このように、本実施の形態におけるウォータージャケット２Ａでは、冷却器の導入口２４、排出口２５を同一面側に形成し、同時に流速調整板２８を冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に配置したものにおいて、流速調整板２８の長さを冷媒排出流路２２と同一にし、かつ冷媒導入流路２１の流路幅ｗ１をある程度まで狭めることで偏流分布を均一化することができる。したがって、第２の実施の形態では、ウォータージャケット２Ａ内での冷媒流速の偏流分布を均一化することで、上流側の回路素子部と下流側の回路素子部とで熱損失がほぼ一定である場合においても、冷却効率のよい流速分布が得られる。
【０１１３】
次に冷媒導入流路内に複数のガイド部を設けて、複数並列からなる冷却用流路の流速分布の調整をより効果的に行った場合の実施の形態について以下説明する。
図１９は半導体モジュール用冷却器に使用されるウォータージャケットの構成例を示す図である。半導体モジュール用冷却器のウォータージャケット２Ａ−０の外形は略直方体形状である。
【０１１４】
ウォータージャケット２Ａ−０には、冷媒導入流路２１、導入口部２１ａ、冷媒排出流路２２、排出口部２２ａ及びフィン２Ｃを配置する冷却用流路２３が設けられている。また、これら冷媒導入流路２１等は、前側壁２Ａａ、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ、右側壁２Ａｄ及びウォータージャケット２Ａ−０の底面により画定されている。なお、同図には説明の便宜上、フィン２Ｃが描かれている。
【０１１５】
一方、内部に冷媒を導入するための導入口２４と、外部に冷媒を排出するための排出口２５とは、ウォータージャケット２Ａ−０について導入口２４の位置と対角の位置に排出口２５が形成されている。例えば、図１９の場合では、ウォータージャケット２Ａ−０の左側壁２Ａｂの下部に導入口２４が設けられ、右側壁２Ａｄの上部に排出口２５が設けられている（または、左側壁２Ａｂの上部に導入口２４が設けられ、右側壁２Ａｄの下部に排出口２５が設けられるという構成でもよい）。なお、導入口２４の冷媒導入方向と、排出口２５の冷媒排出方向とは、同一方向となる向きに設けられている。
【０１１６】
また、冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置において、冷媒排出流路２２の略中央部に流速調整板２８が配置されている。流速調整板２８の側壁面は、フィン２Ｃの冷媒流出面に対して隙間ｙ２をもって平行に位置するとともに、一方の端部は、左側壁２Ａｂの側面と隙間ｘ２ａをなし、他方の端部は、右側壁２Ａｄの側面と隙間ｘ２ｂをなすように配置されている。
【０１１７】
さらに、冷媒を排出口２５に流出する冷媒排出流路２２の始端部には、約４５°の傾斜角をなすガイド部２２Ｓｏを形成するように面取りが施されている。さらにまた、冷媒導入流路２１内には、ガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２が設けられている。
【０１１８】
図２０はガイド部の構成例を示す図である。図１９に示した構成のガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２およびその周辺を拡大して示している。ガイド部２１Ｓｏ−１は、冷却用流路２３側の面にガイド壁Ｓ１を有し、ガイド壁Ｓ１の反対体側の面は、前側壁２Ａａに接している。
【０１１９】
ガイド部２１Ｓｏ−１のガイド壁Ｓ１は、導入口２４から冷媒導入流路２１内の突き当たり壁ａ１に向かって、冷媒導入流路２１の導入流路断面積が狭くなるような傾斜を有している。
【０１２０】
一方、ガイド部２１Ｓｏ−２は、冷却用流路２３側の面にガイド壁Ｓ２ａ、Ｓ２ｂを有し、ガイド壁Ｓ２ａ、Ｓ２ｂの反対体側の面は、ガイド部２１Ｓｏ−１のガイド壁Ｓ１に接している。また、ガイド部２１Ｓｏ−２のガイド壁Ｓ２ａ、Ｓ２ｂは、傾斜変曲点Ｐを境にして形成されている。
【０１２１】
ガイド壁Ｓ２ａは、導入口２４から傾斜変曲点Ｐに向かって、冷媒導入流路２１の導入流路断面積が狭くなるような傾斜を有している。さらに、ガイド壁Ｓ２ｂは、傾斜変曲点Ｐから冷媒導入流路２１内の突き当たり壁ａ１に向かって、冷媒導入流路２１の導入流路断面積が狭くなるような傾斜を有している。
【０１２２】
ここで、冷媒導入流路２１の長手方向の直線と、ガイド壁Ｓ２ａとがなす角度を傾斜角αとし、冷媒導入流路２１の長手方向の直線と、ガイド壁Ｓ２ｂとがなす角度を傾斜角βとする。
【０１２３】
このとき、β＜αであり、ガイド壁Ｓ２ａの傾斜角αは、ガイド壁Ｓ２ｂの傾斜角βよりも大きい。なお、フィン２Ｃとガイド壁Ｓ２ｂとは、突き当たり壁ａ１において、間隔（最小値）ｙ０を形成している。
【０１２４】
図２１はＬ２−Ｌ２線の断面図である。図１９に示したＬ２−Ｌ２線の断面を矢印Ａ方向からみた図を示している。ここで、ガイド部２１Ｓｏ−１の冷媒導入流路２１の底面からの高さ、すなわち、ガイド壁Ｓ１の高さをｈ１とする。
【０１２５】
また、ガイド部２１Ｓｏ−１の手前に位置するガイド部２１Ｓｏ−２の冷媒導入流路２１の底面からの高さ、すなわち、ガイド壁Ｓ２ａ、Ｓ２ｂの高さをｈ２とする。この場合、ｈ２＜ｈ１の関係がある。
【０１２６】
高さｈ１、ｈ２として例えば、ガイド壁Ｓ２ａ、Ｓ２ｂの高さｈ２は、冷媒導入流路２１の底面からフィン２Ｃの略１／２の長さとし、ガイド壁Ｓ１の高さｈ１は、冷媒導入流路２１の底面から基材２６（図２）のフィン２Ｃの略取り付け面までの長さとする。
【０１２７】
なお、上記では、冷媒導入流路２１内に２つのガイド部として、ガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２を設けて、ガイド部２１Ｓｏ−１の方が、ガイド部２１Ｓｏ−２よりも高い構成としている。
【０１２８】
このことを冷媒導入流路２１内に３つ以上の複数のガイド部を設けた場合に一般化すると、ウォータージャケット２Ａ−０の前側壁２Ａａと接するガイド部（ガイド部２１Ｓｏ−１に該当）の側面（ガイド壁Ｓ１に該当）を、複数のガイド部の中で最も高くする。そして、前側壁２Ａａと接するガイド部から冷却用流路２３により近い位置にあるガイド部へ向かうほど、ガイド部の側面の高さは低くすることになる。
【０１２９】
このように、冷媒導入流路２１内でウォータージャケット２Ａ−０の前側壁２Ａａと接するガイド部のガイド壁の高さを最も高くし、前側壁２Ａａから冷却用流路２３に近づくガイド部ほどガイド壁の高さを低く設定して、冷媒導入流路２１内において複数のガイド部の高さを階段状に形成する。
【０１３０】
このように前側壁２Ａａから冷却用流路２３に近づくほど、複数ガイド部のガイド壁それぞれの高さを階段状に低くする形状とすることにより、冷却用流路２３の流速分布を簡易にかつ効果的に調整することが可能になる。
【０１３１】
ここで、ウォータージャケット２Ａ−０において、内部に冷媒を導入するための導入口２４と、外部に冷媒を排出するための排出口２５とが、互いに対称的な位置に設けられて、ガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２を有していない場合について考える。
【０１３２】
このウォータージャケットの構成では、冷媒は排出口２５側でより流れやすくなるので、冷却用流路２３内の冷媒の流速分布は、導入口２４側が低く、排出口２５側が集中的に高くなるという特徴を持つ。
【０１３３】
一方、このような構成に対して、ガイド部２１Ｓｏ−１を設けることで、導入口２４側の冷媒の流れを増加させることができるので、冷却用流路２３内の冷媒の流速分布が、排出口２５側で集中的に高くなるという現象を抑制することができる。また、ガイド部２１Ｓｏ−２をさらに設けることで、導入口２４側の冷媒の流れをさらに増加させることが可能になる。
【０１３４】
したがって、基材２６に搭載される回路素子の発熱分布において、基材２６の導入口２４の周辺部及び排出口２５の周辺部に対して、損失密度が高く発熱の高い回路素子部が搭載され、基材２６の中央部に対して、損失密度が低く発熱の低い回路素子部が搭載される場合には、ガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２を有するウォータージャケット２Ａ−０は、これら回路素子部を有効に冷却することが可能になる。
【０１３５】
次にウォータージャケット２Ａ−０の変形例について説明する。図２２はウォータージャケットの変形例を示す図である。図１９に示した構成と異なる箇所について主に説明する。
【０１３６】
第１の変形例のウォータージャケット２Ａ−１において、ウォータージャケット２Ａ−１の導入口２４と排出口２５とは、同一側面に設けられている。図２２の場合では、ウォータージャケット２Ａ−１の左側壁２Ａｂの下部に導入口２４が設けられ、左側壁２Ａｂの上部に排出口２５が設けられている。なお、導入口２４の冷媒導入方向と、排出口２５の冷媒排出方向とは、逆方向となる向きに設けられている。
【０１３７】
また、冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置において、排出口２５に近い方の冷媒排出流路２２には、流速調整板２８−１が配置され、冷媒排出流路２２の略中央部には、流速調整板２８−１に隣接して流速調整板２８−２が配置されている。
【０１３８】
ここで、流速調整板２８−１の冷媒排出流路２２の底面からの高さをｈａとし、流速調整板２８−２の冷媒排出流路２２の底面からの高さをｈｂとすれば、ｈａ＜ｈｂである。
例えば、流速調整板２８−１の高さｈａは、冷媒排出流路２２の底面からフィン２Ｃの略１／２の長さとし、流速調整板２８−２の高さｈｂは、冷媒排出流路２２の底面から基材２６のフィン２Ｃの略取り付け面までの長さとする。なお、ガイド部等のその他の構成は、図１９と基本的に同じ構成である。
【０１３９】
ウォータージャケット２Ａ−１の流速分布では、導入口２４側と排出口２５とが配置されている左側壁２Ａｂに近い位置で冷媒流速が上昇し、かつ右側壁２Ａｄに近い位置で冷媒流速が上昇する。また、冷却用流路２３の略中央部では、冷媒流速の上昇が抑えられることになる。
【０１４０】
このように、第１の変形例のウォータージャケット２Ａ−１では、同一側面に導入口２４と排出口２５とが設けられ、冷媒導入流路２１内に複数のガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２を有し、冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に、高さの異なる流速調整板２８−１、２８−２を配置する構成とした。
【０１４１】
これにより、導入口２４と排出口２５とが配置されている一方の壁側に近い位置の冷却用流路２３を流れる流速分布を高くし、導入口２４と排出口２５とが配置されていない他方の壁側に近い位置の冷却用流路２３を流れる流速分布を高くする。また、冷却用流路２３の略中央部では、冷媒流速の上昇が抑えられることになる。
【０１４２】
このような偏流特性によって、基材２６に搭載される回路素子の発熱分布において、基材２６の導入口２４と排出口２５とが配置されている一方の側と、導入口２４と排出口２５とが配置されていない他方の側とに対して、損失密度が高く発熱の高い回路素子部が搭載され、基材２６の中央部に対して、損失密度が低く発熱の低い回路素子部が搭載される場合には、これら回路素子を効果的に冷却することが可能になる。
【０１４３】
図２３はウォータージャケットの変形例を示す図である。図１９に示した構成と異なる箇所について主に説明する。第２の変形例のウォータージャケット２Ａ−２において、ウォータージャケット２Ａ−２の導入口２４と排出口２５とは、ウォータージャケット２Ａ−２について導入口２４の位置と対角の位置に排出口２５が形成されている。例えば、図２３の場合では、ウォータージャケット２Ａ−２の左側壁２Ａｂの下部に導入口２４が設けられ、右側壁２Ａｄの上部に排出口２５が設けられており、導入口２４の冷媒導入方向と、排出口２５の冷媒排出方向とは、互いに直角方向になっている。なお、流速調整板やガイド部等のその他の構成は、図１９と基本的に同じ構成である。
【０１４４】
このように、第２の変形例のウォータージャケット２Ａ−２では、対称的な位置に導入口２４と排出口２５とが設けられ、導入口２４の冷媒導入方向と、排出口２５の冷媒排出方向とは、互いに直角方向になるような向きに設けられる。そして、冷媒導入流路２１内に複数のガイド部２１Ｓｏ−１、２１Ｓｏ−２を有し、冷媒排出流路２２と冷却用流路２３との境界位置に、流速調整板２８を配置する構成とした。
【０１４５】
これにより、導入口２４が配置されている一方の壁側に近い位置の冷却用流路２３を流れる流速分布を高くし、排出口２５が配置されている他方の壁側に近い位置の冷却用流路２３を流れる流速分布を高くする。また、冷却用流路２３の略中央部では、冷媒流速の上昇が抑えられることになる。
【０１４６】
このような偏流特性によって、基材２６に搭載される回路素子の発熱分布において、基材２６の導入口２４の周辺部及び排出口２５の周辺部に対して、損失密度が高く発熱の高い回路素子部が搭載され、基材２６の中央部に対して、損失密度が低く発熱の低い回路素子部が搭載される場合には、これら回路素子を効果的に冷却することが可能になる。
【０１４７】
なお、図１９、図２３において、冷媒導入流路２１の幅をｗａとし、冷媒排出流路２２の幅をｗｂとした場合、ｗａ≦ｗｂの場合は、図１９に示したウォータージャケット２Ａ−０を使用するのが好ましい。また、ｗａ≧ｗｂの場合は、図２３に示したウォータージャケット２Ａ−２を使用するのが好ましい。
【０１４８】
以上説明したように、冷媒導入流路２１内に複数のガイド部を設けることで、冷媒導入流路２１内での冷媒の圧力分布を調整することができるので、冷却用流路２３の流速分布を容易にかつ効果的に調整することができ、基材２６に搭載される回路素子を効率よく冷却することが可能になる。
【０１４９】
上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成および応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例および均等物は、添付の請求項およびその均等物による本発明の範囲とみなされる。
【符号の説明】
【０１５０】
２    冷却器
２Ａ  ウォータージャケット
２Ｂ  フィンベース
２Ｃ  フィン
３Ａ〜３Ｉ，３Ｉｕ，３Ｉｄ  回路素子部
１０，１０Ａ  半導体モジュール
２１  冷媒導入流路
２１ａ  導入口部
２１Ｓｉ，２２Ｓｏ  ガイド部
２２  冷媒排出流路
２２ａ  排出口部
２３  冷却用流路
２４  導入口
２５  排出口
２６  基材
２７  分離壁
２８  流速調整板
３１  基板
３１ａ  絶縁基板
３１ｂ，３１ｃ  導体パターン
３２，３３  半導体素子
３４，３５  接合層
４０  インバータ回路
４１  三相交流モータ
Ｃ  クリアランス
Ｂ１〜Ｂ７  回路基板の位置
ｘ  冷却用流路の幅
ｘ２，ｙ２  流速調整板の隙間
ｗ１，ｗ２  流路幅
【図１】
0005900507.tif 000002
【図２】
0005900507.tif 000003
【図３】
0005900507.tif 000004
【図４】
0005900507.tif 000005
【図５】
0005900507.tif 000006
【図６】
0005900507.tif 000007
【図７】
0005900507.tif 000008
【図８】
0005900507.tif 000009
【図９】
0005900507.tif 000010
【図１０】
0005900507.tif 000011
【図１１】
0005900507.tif 000012
【図１２】
0005900507.tif 000013
【図１３】
0005900507.tif 000014
【図１４】
0005900507.tif 000015
【図１５】
0005900507.tif 000016
【図１６】
0005900507.tif 000017
【図１７】
0005900507.tif 000018
【図１８】
0005900507.tif 000019
【図１９】
0005900507.tif 000020
【図２０】
0005900507.tif 000021
【図２１】
0005900507.tif 000022
【図２２】
0005900507.tif 000023
【図２３】
0005900507.tif 000024