(57)【要約】【課題】パワーモジュールの体格を増大させることなく、高い放熱性能を有し、熱膨張差による反りや変形等を効果的に抑止して、これらに起因するはんだ層や半導体素子に生じ得るクラック等の損傷を抑止でき、もって高耐久なパワーモジュールを提供する。【解決手段】少なくとも基板２と半導体素子１とからなる回路ユニット４と冷却機構２０を備え、冷却機構２０は、冷却器３０、循環路６０ａ，６０ｂ、および、冷媒を循環させる駆動手段５１を備えた冷媒ポンプ５０を備え、回路ユニット４が冷却器３０の一側面に載置固定され、冷却器３０の内部には循環路６０ａ，６０ｂと連通して冷媒が流れる冷媒流路３５が形成され、駆動手段５１によって冷媒が冷媒流路３５と循環路６０ａ，６０ｂを循環でき、さらに、駆動手段５１によって駆動されて冷媒流路３５の冷媒に乱流を発生させる乱流発生手段４０を冷却機構２０が具備している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも基板と半導体素子とからなる回路ユニットと冷却機構を備え、該冷却機構は、冷却器、循環路、および、冷媒を循環させる駆動手段を備えた冷媒ポンプを少なくとも備え、該回路ユニットが該冷却器の一側面に載置固定され、該冷却器の内部には循環路と連通して冷媒が流れる冷媒流路が形成され、該駆動手段によって冷媒が冷媒流路と循環路を循環しているパワーモジュールにおいて、
前記冷却機構は、前記駆動手段によって駆動されて、前記冷媒流路の冷媒に乱流を発生させる乱流発生手段を具備しているパワーモジュール。
【請求項２】
前記乱流発生手段が回転翼からなる、請求項１に記載のパワーモジュール。
【請求項３】
前記乱流発生手段が回転軸を具備しており、前記冷却器の前記一側面と反対側の側面のうち乱流発生手段の該回転軸に対応する位置に配された開口を介して、前記冷媒ポンプおよび／または前記循環路を流れる冷媒を前記冷媒流路に提供する別途の循環路を備えている、請求項１または２に記載のパワーモジュール。
【請求項４】
前記冷却器の内部のうち、前記回路ユニットが載置された前記一側面に対応する側面に複数の冷却フィンが配されており、前記乱流発生手段の前記回転軸に対応する位置に配された冷却フィンの長さが、他の冷却フィンの長さに比して相対的に長くなっている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【請求項５】
前記冷媒が冷水、冷風、冷油のうちのいずれか一種からなる、請求項１〜４のいずれか一項に記載のパワーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱性能に優れたパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の半導体素子を搭載したパワーモジュールにおいては、該素子からの発熱を効率よく放熱し、発熱時においても基準温度以下となるような調整が図られている。
【０００３】
ここで、従来のパワーモジュールとその冷却機構を図５に基づいて説明する。なお、冷却機構が有する冷却器ｆの上部に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体等からなる絶縁基板ｂ（ＤＢＡ（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｂｒａｚｅｄ  Ａｌｕｍｉｎｕｍ）ともいう）の一側面に半導体素子ａがはんだ層ｃを介して固定されて回路ユニットｄを成し、絶縁基板ｂの他側面には半導体素子ａからの熱を絶縁基板ｂを介して放熱するための放熱板ｅ（ヒートシンク）がはんだ付けもしくは接着剤にて接合されたパワーモジュールＰが接合されている。
【０００４】
図示する従来の冷却機構は、冷却器ｆ、循環路ｇ１，ｇ２、および、冷媒を循環させる、たとえばモータ等の駆動手段ｍを備えた冷媒ポンプＱから構成されており、駆動手段ｍは外部の動力源Ｂから供給される電力で駆動されている。また、冷却器ｆは冷水等の冷媒を還流させる流路ｆ１を備え、流路ｆと循環路ｇ１，ｇ２、および、冷媒ポンプＱ内の流路ｈが連通していることから、流路ｆ１内を還流する冷媒は、循環路ｇ１を介して冷媒ポンプＱへ循環され、駆動手段ｍによって循環路ｇ２へ押し出され、たとえば不図示のラジエータ等で冷却されて、再び流路ｆ１へ循環されることで、半導体素子ａから発生する熱が伝熱された放熱板ｅからの放熱とクーリングを図っている。
【０００５】
上記のごとく、従来のパワーモジュールは各種構成部材の多層積層構造となっているが、たとえば半導体素子の熱膨張率が３ｐｐｍ／Ｋ程度、絶縁基板の熱膨張率が４〜５ｐｐｍ／Ｋ程度、ヒートシンクアルミ板の熱膨張率が２５ｐｐｍ／Ｋ程度と構成部材ごとに熱膨張率が非常に異なっている。
【０００６】
ところで、上記するパワーモジュールがハイブリッド自動車や電気自動車に搭載される場合には、長期に亘り、しかも寒暖差が極めて激しい冷熱サイクルに対してその耐久性の確保が要求される。しかし、上記のごとく構成部材ごとに熱膨張率が大きく異なっていることから、それぞれの部材を直付けした場合には、温度変化に起因する熱膨張差によって熱応力が構成部材間の接合部に生じ、たとえばはんだ層等の界面でクラックが生じ、これがパワーモジュールの耐久性を低下させる大きな要因となり得る。
【０００７】
特に、近時のパワーモジュールはその小型化が進んでおり、このパワーモジュールの小型化に伴って素子が発する熱もより大きなものとなり、かつ単位面積当りの熱量が増大していること、小型化に伴って構成部材の熱拡散面積が低下していること、冷却器による冷却性能には自ずと限界があること、などから、発熱を許容しながらも、回路ユニットに発熱に伴う変形や応力が作用し難い構造を有するパワーモジュールの開発が急務の課題となっている。
【０００８】
上記するパワーモジュールの冷却器に関する従来技術として特許文献１に開示の技術を挙げることができる。この冷却器は、その内部を流れる冷媒に乱流を発生させる乱流発生手段を具備しており、たとえば、固定式プロペラや円柱状の棒状部材をその乱流発生手段とするものである。なお、層流と比較して、乱流は相対的に多くの熱を輸送、および拡散する特性を有するものであり、層流における熱伝導率は流速の略0.5乗に比例する一方で、乱流におけるそれは流速の略0.8乗に比例することが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平９−３０７０４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、引用文献１に開示の固定式プロペラを有する冷却器においては、冷媒が有するエネルギーの一部に基づいてプロペラが回転し、冷媒が層流から乱流へ遷移することから、冷媒の流速が低下し、パワーモジュールの放熱性能が低下し得るという課題がある。また、棒状部材を有する冷却器においても、棒状部材の下流で乱流へ遷移した冷媒は、その流速が低下し、パワーモジュールの放熱性能が低下し得るものである。そこで、たとえばプロペラを回転させる回転駆動装置を別途設ける構成を適用しようとすると、今度はパワーモジュールの大型化の要因となりかねない。
【００１１】
上記する課題に対して、本発明者等は、冷媒を循環させる従来の冷媒ポンプの駆動手段を共有し、パワーモジュールの冷却器の構造を改良して、冷却器内の冷媒に乱流を発生させることによって、熱源である半導体素子から放熱される熱を効率的に外部へ放熱し、たとえば構造弱部であるはんだ層等の界面でのクラックの発生を抑制できるパワーモジュールの発案に至った。
【００１２】
本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、パワーモジュールの冷却器の構造を改良することにより、該パワーモジュールの小型化とそれに伴う熱応力の増大に対して優れた放熱性能と応力緩和性能を発揮できるパワー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】
【００１３】
前記目的を達成すべく、少なくとも基板と半導体素子とからなる回路ユニットと冷却機構を備え、該冷却機構は、冷却器、循環路、および、冷媒を循環させる駆動手段を備えた冷媒ポンプを少なくとも備え、該回路ユニットが該冷却器の一側面に載置固定され、該冷却器の内部には循環路と連通して冷媒が流れる冷媒流路が形成され、該駆動手段によって冷媒が冷媒流路と循環路を循環しているパワーモジュールにおいて、前記冷却機構は、前記駆動手段によって駆動されて、前記冷媒流路の冷媒に乱流を発生させる乱流発生手段を具備しているものである。
【００１４】
本発明における乱流発生手段の「乱流」とは、層流と比較して相対的に多くの熱を輸送、および拡散する特性を有する冷媒の流れを意味するものであり、冷媒を乱流へ遷移させることで、冷媒と放熱板との熱交換が盛んとなり、熱源である半導体素子から放熱板へ伝熱される熱の放熱性能が向上して、構成部材間の熱膨張差に起因する反りや変形を抑制するものである。
【００１５】
また、本発明において、「基板」とは、回路基板、もしくは回路基板と絶縁基板の組み合わせ、もしくは回路基板と絶縁基板と応力緩和基板の組み合わせなど、のすべてを総称するものである。また、この絶縁基板は、たとえば純アルミニウムからなる基板と窒化アルミニウムからなる基盤とを積層してなる積層体（ＤＢＡ）であってもよいことは勿論のことである。
【００１６】
また、このパワーモジュールは、上記基板の下方に、ヒートシンク板や、ヒートシンク板と冷媒流路を具備する冷却器とのアルミダイキャスト一体成形体を具備するものであってもよく、さらには、半導体素子、上記基板、ヒートシンク板等の積層体が絶縁素材（セラミックス、熱硬化性もしくは熱可塑性の樹脂素材、アルミニウムやその合金素材など）のケース内に収容されるものであっても、ケースレス構造のものであってもよい。
【００１７】
本発明のパワーモジュールは、冷媒を循環させる冷媒ポンプが備えている従来の駆動手段によって、冷媒流路の乱流発生手段を駆動して、冷媒流路を流れる冷媒に乱流を発生させるものである。したがって、パワーモジュールに別途の駆動手段を追加することなく、冷媒の流速の低下を抑制し、冷媒に乱流を発生することができ、熱源である半導体素子から冷却器へ伝熱した熱を、冷媒を介して効率的に外部へ放熱できる。すなわち、冷媒流路内において所望の流速を有する乱流を持続的に発生できること、及び、乱流発生手段のための別途の駆動手段を用いる必要がないことから、パワーモジュールの体格の大型化を抑制しながら、その放熱性能を高めることを可能とするものである。
【００１８】
この乱流発生手段により、温度変化に起因する熱膨張差が抑制され、構成部材間の接合部に生じる熱応力が減少し、たとえば構造弱部であるはんだ層等の界面でのクラックの発生を抑制することが可能となり、パワーモジュールの耐久性の向上に繋がる。
【００１９】
ここで、上記する乱流発生手段は回転翼であることが好ましい。すなわち、回転翼を用いて冷媒を乱流へ遷移させることで、乱流発生手段の回転時における冷媒に対する抵抗が低下し、その回転に必要な動力が抑制できることから、効率的に冷媒を層流から乱流へ遷移することが可能となる。
【００２０】
また、本発明のパワーモジュールの他の実施の形態は、前記乱流発生手段が回転軸を具備しており、前記冷却器の前記一側面と反対側の側面のうち乱流発生手段の該回転軸に対応する位置に配された開口を介して、前記冷媒ポンプおよび／または前記循環路を流れる冷媒を前記冷媒流路に提供する別途の循環路を備えているものである。
【００２１】
上記する形態によれば、回転軸に対応する位置で別途の循環路を介して冷媒流路に冷媒を提供でき、循環路から冷媒流路に冷媒を提供する従来の循環路が不要となり、冷却器の構造の簡素化を図ることができる。また、乱流発生手段の回転によって冷媒流路内部の冷媒に対して遠心力が働き、冷媒が乱流発生手段の外周方向へ拡散される一方で、乱流発生手段の略中心である回転軸から冷媒を提供できることから、冷媒流路内の冷媒の流れの円滑化を図ることもできる。
【００２２】
また、上記する冷却器の内部のうち、前記回路ユニットが載置された前記一側面に対応する側面に複数の冷却フィンが配されており、前記乱流発生手段の前記回転軸に対応する位置に配された冷却フィンの長さが、他の冷却フィンの長さに比して相対的に長くなっていることが好ましい。
【００２３】
上記する形態によれば、乱流発生手段が回転軸を中心として回転し、冷媒に遠心力が働くことで、乱流発生手段の外周方向へ拡散する作用を受ける冷媒は、その回転の中心方向への動きが抑制される。したがって、冷媒が外周方向へ拡散する効果が一層高まることから、冷媒流路内の冷媒の流れが円滑となり、冷媒の循環が促進されて、パワーモジュールの放熱性能を向上できる。
【００２４】
本発明のパワーモジュールは、上記のごとく、優れた放熱性能を有していることより、熱膨張量自体を抑制できることに加えて、構成部材間の熱膨張差に起因する変形や反りを抑制することができ、特に構造弱部であるはんだ層や半導体素子にクラック等が生じることを効果的に抑止できる。また、乱流発生手段を形成したことによって、別途の駆動手段を不要とでき、従来構造の駆動手段を適用して、パワーモジュールの体格増大を抑制することができる。これらのことから、本発明のパワーモジュールは、高耐久性や高放熱性、及び動力源の増加抑制が要求される、近時のハイブリッド車や電気自動車に車載されるインバータ等に好適である。
【発明の効果】
【００２５】
以上の説明から理解できるように、本発明のパワーモジュールによれば、その体格を増大させることなく、高い放熱性能を有し、熱膨張差による反りや変形等を効果的に抑止することができるため、該反りや変形等に起因するはんだ層や半導体素子に生じ得るクラック等の損傷を抑止でき、もって高耐久なパワーモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明のパワーモジュールを示した縦断面図である。
【図２】図１で示すパワーモジュールの、冷却器内部と乱流発生手段を模式的に示した斜視図である。
【図３】本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。
【図４】図１で示すパワーモジュールの冷却器の、他の実施の形態を示した縦断面図である。
【図５】従来のパワーモジュールを示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２８】
図１は本発明のパワーモジュールを模式的に示した縦断面図である。このパワーモジュール１００は、パワーモジュール本体１０とその冷却機構２０から構成されており、さらに、冷却機構２０は、冷却器３０、循環路６０ａ，６０ｂ、冷媒循環用の駆動手段５１を備えた冷媒ポンプ５０、および、別途の循環路４０ａを備えた乱流発生手段４０から大略構成されている。
【００２９】
図示するパワーモジュール本体１０は、放熱板５の上に回路基板２がろう付けされ、さらに回路基板２の上にはんだ層３を介して半導体素子１が載置固定されるものである。ここで、半導体素子１と回路基板２との接合体を回路ユニット４という。また、回路基板２は、２枚の純アルミニウム２ｂ，２ｃの間に窒化アルミニウム板２ａが介在されたＤＢＡである。そして、その放熱板５が、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる冷媒流路３５を具備する冷却器３０の上面３８にろう付けされて、パワーモジュール本体１０が冷却機構２０に載置されることとなる。
【００３０】
冷却機構２０の冷却器３０は、その内部に、冷水もしくは冷風、冷油などの冷媒が流れる冷媒流路３５を具備しており、さらに、冷却器３０は、パワーモジュール本体１０が載置されている面３８と反対側の面３８ａに、伝熱面積を拡大し、冷媒への放熱を促進する複数の冷却フィン３２を有するものである。
【００３１】
また、図示する冷却器３０は、その側方の外周面に循環路６０ａ，６０ｂがろう付け等で接続され、それらが冷却器３０の開口３６，３７を介して冷媒流路３５と連通されており、後述する冷媒ポンプによって、冷媒流路３５および循環路６０ａ，６０ｂの内部を冷媒が循環できるようになっている。さらに、その下面３９には、乱流発生手段４０の回転軸４５が通るための開口３４が配され、別途の循環路４０ａが開口３４に内接して配されることで、冷媒ポンプ５０へ吸入した冷媒が、別途の循環路４０ａを介して冷媒流路３５に提供できるようになっている。なお、冷却器３０の内部を流れる冷媒が漏れないように、開口３４と別途の循環路４０ａの上部４２は、シール材等で封止されるのがよい。
【００３２】
乱流発生手段４０は、略中心４４に回転軸４５を有する回転翼４３を冷媒流路３５に有しており、その回転軸４５は、冷却器３０の開口３４および別途の循環路４０ａの内部を通り、さらに、後述する冷媒ポンプ５０の吐出路５６の内部を通って、モータ５１のシャフト５１ａと接続されている。したがって、モータ５１が駆動してシャフト５１ａが回転し、それに基づいて回転軸４５および回転翼４３が回転することで、その回転翼４３が冷媒流路３５を流れる冷媒に乱流を発生させるようになっている。
【００３３】
また、乱流発生手段４０は、その回転軸４５の周囲に別途の循環路４０ａを備えており、既述のように、その上部４２が冷却器３０の開口３４に内接し、その下部４１が冷媒ポンプ５０の吐出路５６に接続されて、それらが連通することで、冷媒ポンプ５０へ吸入した冷媒が冷媒流路３５へ提供できるようになっている。
【００３４】
図示する冷媒ポンプ５０は、回転軸４５に接続されたシャフト５１ａ、ロータ５１ｂ、ステータ５１ｃからなる駆動手段であるモータ５１と、モータ５１を制御する制御装置５２が、パッケージ５３内に収容されている。なお、モータ５１は、外部に配設された不図示のバッテリー等から電力を供給されて駆動するものである。また、冷媒ポンプ５０は、循環路６０ａ，６０ｂから冷媒を吸入する吸入路５４，５５と、吸入した冷媒を冷媒流路３５に提供する吐出路５６を具備し、さらに、吸入路５４，５５には、モータ５１によって駆動されて冷媒を循環させる、たとえばゴム製の羽根を有するインペラ５４ａ，５５ａが配設されて、その全体が構成されている。
【００３５】
なお、吐出路５６は別途の循環路４０ａと接続されており、内部を流れる冷媒が漏れないように、その接続部はシール材等で封止されるものである。また、別途の循環路４０ａと吐出路５６が一体に形成され、吐出路５６から直接的に冷媒を冷媒流路３５に提供する形態であれば、上記する構成は不要となる。
【００３６】
したがって、モータ５１が駆動することで、シャフト５１ａが回転し、それに基づいて回転軸４５および回転翼４３が回転して、冷媒流路３５を流れる冷媒に乱流を発生させることができると同時に、別途の循環路４０ａを介して、冷媒ポンプ５０を流れる冷媒を冷媒流路３５に提供できるというものである。
【００３７】
図２は、図１で示すパワーモジュール１００の冷却器３０内部と乱流発生手段４０の構造を模式的に示した図である。
【００３８】
図示する乱流発生手段４０の回転翼４３は、４枚の回転翼を有しており、回転軸４５を回転中心として回転することで、冷却器３０内部の冷媒に乱流を発生させることができるものである。また、後述するように、冷却器３０の下部３３の開口３４から提供され、冷却器３０内部で乱流へ遷移した冷媒は、その回転によって外周方向へ拡散されて、冷却器側方の開口３６，３７を介して冷却器外部の循環路６０ａ，６０ｂへ循環されるようになっている。
【００３９】
なお、回転翼の枚数やその配列等、および循環路の配置や形状等は、所望の放熱性能に応じて変更することができる。また、図示する冷却器の上に、複数個の回路ユニットを載置する形態でもよい。
【００４０】
次に、パワーモジュール１００の使用時における、冷媒の循環の態様を説明する。
【００４１】
循環路６０ａ，６０ｂの内部を循環した冷媒は、循環路６０ａ，６０ｂと接続された吸入路５４，５５を通って冷媒ポンプ５０へ吸入され、モータ５１によって駆動されるインペラ５４ａ，５５ａの回転に基づいて吐出路５６へ押し出されて、別途の循環路４０ａを介して冷媒流路３５へと提供されることとなる。そして、冷媒流路３５では、モータ５１のシャフト５１ａの回転に基づいて回転翼４３が回転し、冷媒が乱流へと遷移して、かつ冷媒が外周方向へ拡散されることで、冷却器３０の外周面と連通する循環路６０ａ，６０ｂへ冷媒が循環される。ここで、冷媒流路３５では、冷媒が層流から乱流へ遷移していることで、冷却器３０と冷媒の熱交換が盛んとなり、熱源である半導体素子１から放熱される熱が効率的に冷媒へ伝熱される。また、回転翼４３がモータ５１を駆動手段として回転していることで、乱流への遷移が連続的におこなわれ、かつ所望の冷媒の流速を保持できることから、冷媒の拡散を促進できる。そして、循環路６０ａ，６０ｂへ提供された冷媒は、不図示のラジエータで吸熱した熱を外部へ放熱し、再び冷却されて、その冷媒の循環サイクルが完了する。
【００４２】
図３は、本発明のパワーモジュールの他の実施の形態を示した縦断面図である。このパワーモジュール１００Ａは、パワーモジュール本体１０とその冷却機構２０Ａから構成されており、図１と同じ構成に関する詳細な説明は省略する。
【００４３】
冷却機構２０Ａの乱流発生手段４０Ａは、略中心４４Ａに回転軸４５Ａを有する回転翼４３Ａを冷媒流路３５Ａに有しており、その回転軸４５Ａは、冷却器３０Ａの下部３３Ａの開口３４Ａを通って伸延し、その下部４１Ａにおいて、冷媒ポンプ５０Ａが有する吐出路５６Ａと接続される。ここで、回転軸４５Ａの内部４６Ａに別途の循環路４０ａＡが備えられていることで、冷媒流路３５Ａが、別途の循環路４０ａＡを介して吐出路５６Ａと連通され、冷媒ポンプ５０Ａへ吸入した冷媒が冷媒流路３５Ａへ提供できるようになっている。また、回転軸４５Ａの下部４１Ａにはベベルギア４７Ａが配され、シャフト５７Ａを介してモータ５１Ａのシャフト５１ａＡに接続されているベベルギア５８Ａと勘合していることで、モータ５１Ａの駆動によってベベルギア５８Ａが回転し、それに基づいて回転軸４５Ａおよび回転翼４３Ａが回転して、冷媒流路３５Ａを流れる冷媒に乱流を発生させるようになっている。
【００４４】
なお、冷却器３０Ａの下部３３Ａに開設され、回転軸４５Ａと外接する開口３４Ａには、回転軸４５Ａの回転摩擦を低減するためのベアリング３３Ａａが配されており、回転軸４５Ａの下部４１Ａにおける、回転軸４５Ａと吐出路５６Ａの接続部においても、同様の処理が施されている。
【００４５】
また、図示する冷媒ポンプ５０Ａは、冷媒を吸入する吸入路５４Ａと、吸入した冷媒の一部を回転軸４５Ａに配された別途の循環路４０ａＡを介して冷媒流路３５Ａへ提供する吐出路５６Ａと、循環路６０ｂＡを介して吸入した冷媒を冷媒流路３５Ａへ提供する吐出路５５Ａを具備しており、吐出路５５Ａには、モータ５１Ａによって駆動されて冷媒を循環させるインペラ５５ａＡが配設されている。
【００４６】
したがって、モータ５１Ａが駆動することで、シャフト５１ａＡおよびベベルギア５８Ａが回転し、それに基づいて回転軸４５Ａおよび回転翼４３Ａが回転して、冷媒流路３５Ａを流れる冷媒に乱流を発生させることができると同時に、別途の循環路４０ａＡを介して、冷媒ポンプ５０Ａを流れる冷媒を冷媒流路３５Ａに提供できるものである。
【００４７】
ここで、図３で示すパワーモジュール１００Ａの使用時における冷媒の循環の態様を説明する。
【００４８】
循環路６０ａＡの内部を循環した冷媒は、吸入路５４Ａへ吸入され、その一部が吐出路５６Ａへ押し出されて、回転軸４５Ａの内部に設けられた別途の循環路４０ａＡを介して冷媒流路３５Ａへ提供されることとなる。また、その他の冷媒は、インペラ５５ａＡの回転によって、吐出路５５Ａを介して循環路６０ｂＡへ押し出され、不図示のラジエータで外部へ熱を放熱し、冷却された冷媒が冷却器３０Ａの側方の開口３７Ａを介して冷媒流路３５Ａへ提供される。そして、冷媒流路３５Ａにおいて上記する冷媒と混合し、回転翼４３Ａの回転によって乱流へ遷移した冷媒は、冷却器３０Ａから伝熱された熱を吸熱し、冷却器３０Ａの開口３６Ａから循環路６０ａＡへ循環され、不図示のラジエータ等で吸熱した熱を外部へ放熱して、その冷媒の循環サイクルが完了する。
【００４９】
なお、上記する本発明のパワーモジュールにおいて、回転軸４５，４５Ａが別途の循環路を具備する形態でも、回転軸４５，４５Ａが別途の循環路を具備せず、従来の循環路のみから冷媒を提供する形態でもよいが、前者のほうが、従来の循環路が不要となり、パワーモジュールの構造を簡素化でき、かつ、回転翼４３，４３Ａの回転によって外周方向へ拡散される冷媒流路の冷媒を、その略中心部分から効率的に提供することができることから好ましい。
【００５０】
また、冷媒の循環経路に関し、上記する形態以外でも、たとえば、図１の吸入路５５を吐出路とし、循環路６０ｂから冷媒流路３５へ冷媒を提供する形態や、図２の吐出路５５Ａを吸入路とし、冷媒流路３５Ａから循環路６０ｂＡに冷媒を循環させる形態等、冷媒流路に冷却された冷媒が提供される形態であれば、いかなる形態であってもよい。
【００５１】
図４は、図１で示すパワーモジュールの冷却器の、他の実施の形態を示すものである。なお、この形態の冷却器は図３で示すパワーモジュールにも適用できる。
【００５２】
図示するパワーモジュール１００Ｂの冷却器３０Ｂの内部において、回転翼４３Ｂの中心に対応する位置に配された冷却フィン３２Ｂａの長さが、他の該冷却フィンの長さに比して相対的に長くなっているものである。
【００５３】
上記する形態によれば、回転翼４３Ｂが回転し、冷媒流路３５Ｂの冷媒に遠心力が作用することで、回転翼４３Ｂの中心から外周方向へ拡散しようとする冷媒に対して、略中心に位置する他の冷却フィンより長い冷却フィン３２Ｂａが逆流防止板として機能することができ、冷媒の中心方向への動きがさらに抑制されることとなる。したがって、外周方向へ拡散する効果が高まり、冷媒が効率的に循環することから、パワーモジュールの放熱性能を一層向上させることができる。
【００５４】
なお、図４で示す冷却フィン３２Ｂに関し、回転翼４３Ｂの中心に対応する位置に配させている冷却フィンのみが、その他の冷却フィンに比して相対的に長さが長い形態に限定されず、回転翼４３Ｂの外周方向に向かってその長さが短くなるように、冷却フィンの長さが徐変する形態であってもよい。
【００５５】
[熱応力解析によるパワーモジュールの放熱性能を検証した解析とその結果]
ここで、本発明者等は、図１，３で示す実施の形態（以下、「実施例１，２」という）と、実施例２に対して上記する回転翼及び別途の循環路を有しない従来構造の形態（以下、「比較例」という）に関し、約200Ｗの熱量を与えた際の熱応力を解析し、任意の点の最大温度を計測して、本発明のパワーモジュールの放熱性能の向上率を解析した。
【００５６】
解析の結果、比較例に対して、実施例１の放熱性能が15％、実施例２のそれが12％向上することが実証された。
【００５７】
この解析結果より、各実施例のパワーモジュールにおいては、放熱性能が向上し、熱膨張量自体を抑制できるが確認されたことで、構成部材間の熱膨張差による反りや変形等が抑制され、これに起因して生じ得るクラック等の発生を効果的に抑止できると考えられる。
【００５８】
このように高品質で高性能、高耐久なパワーモジュールは、搭載機器に高放熱性と高耐久性、及び動力源の増加抑制を要求する近時のハイブリッド車や電気自動車等に車載されるインバータ等への適用に最適である。
【００５９】
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
【符号の説明】
【００６０】
１…半導体素子、２…回路基板、３…はんだ層、４…回路ユニット、５…放熱板、１０…パワーモジュール本体、２０…冷却機構、３０…冷却器、３１…冷却器の上部、３２…冷却フィン、３３…冷却器の下部、３３Ａａ…ベアリング、３４…開口、３５…冷媒流路、３８…冷却器の上面、３９…冷却器の下面、４０…乱流発生手段、４０ａ…別途の循環路、４１…別途の循環路の下部、４２…別途の循環路の上部、４３…回転翼、４４…回転軸の中心、４５…回転軸、５０…冷媒ポンプ、５１…モータ、５１ａ…シャフト、５１ｂ…ロータ、５１ｃ…ステータ、５２…制御装置、５３…パッケージ、５４，５５…吸入路、５４ａ，５５ａ…インペラ、５６…吐出路、４７Ａ，５８Ａ…ベベルギア、６０ａ，６０ｂ…循環路、１００…パワーモジュール、
【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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