(57)【要約】【課題】冷却器での放熱性能がばらつくのを抑制することができる放熱装置を提供する。【解決手段】冷媒入口用ヘッダ３０の長手方向の側面において冷媒入口用ヘッダ３０の長手方向に沿うように冷媒入口用ヘッダ３０が冷却器２０と連通し、当該連通する部位から冷却水が冷却器２０に流入する。冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向の側面において冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向に沿うように冷媒出口用ヘッダ４０が冷却器２０と連通し、当該連通する部位から冷却器２０の内部を通過した冷却水が流出する。冷却器２０の内部の冷却液の通路において複数本の棒状のフィン２５が冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向に沿うように並設されている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を搭載可能な冷却器と、
筒状をなし、一端が閉塞され他端開口部から冷媒が導入される冷媒入口用ヘッダと、
筒状をなし、前記冷媒入口用ヘッダと同じ方向に配設され、一端が閉塞され他端開口部から冷媒が排出される冷媒出口用ヘッダと、
を備え、
前記冷媒入口用ヘッダの長手方向の側面において冷媒入口用ヘッダの長手方向に沿うように前記冷媒入口用ヘッダが前記冷却器と連通し、当該連通する部位から前記冷媒が前記冷却器に流入するとともに、前記冷媒出口用ヘッダの長手方向の側面において冷媒出口用ヘッダの長手方向に沿うように前記冷媒出口用ヘッダが前記冷却器と連通し、当該連通する部位から前記冷却器の内部を通過した前記冷媒が流出する放熱装置であって、
前記冷却器の内部の前記冷媒の通路において複数本の棒状のフィンを前記冷媒入口用ヘッダおよび前記冷媒出口用ヘッダの長手方向に沿うように並設してなることを特徴とする放熱装置。
【請求項２】
前記冷媒入口用ヘッダおよび前記冷媒出口用ヘッダの少なくとも一方は閉塞端に近づくに従って広がる拡張部を備えることを特徴とする請求項１に記載の放熱装置。
【請求項３】
前記冷媒入口用ヘッダおよび前記冷媒出口用ヘッダにおける冷媒流路面積は前記冷却器における冷媒流路面積よりも大きいことを特徴とする請求項１または２に記載の放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１においては、冷却液が流通する離間した二つのヘッダと、これらヘッダ間に配置され冷却液を流通させる流路を備えた冷却部材とにより水路が形成され、前記冷却部材の一面に被冷却体を取り付けられた構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２９４１２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、２本のヘッダ間に配される冷却器には半導体素子が搭載される。また、各ヘッダは一端が冷却液の出入口であるとともに他端が閉塞されており、ヘッダにおける一端の冷却液の入口に近い側と閉塞端である奥側で冷却水の流速が異なる。これにより、冷却器の内部を流れる冷却液においてもヘッダの延設方向において冷却水の流速に差が出てしまい場所によって半導体素子の冷却性能のばらつきが大きく、ヘッダの延設方向において奥に行くほど放熱性能が低下してしまう。
【０００５】
本発明の目的は、冷却器での放熱性能がばらつくのを抑制することができる放熱装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明では、半導体素子を搭載可能な冷却器と、筒状をなし、一端が閉塞され他端開口部から冷媒が導入される冷媒入口用ヘッダと、筒状をなし、前記冷媒入口用ヘッダと同じ方向に配設され、一端が閉塞され他端開口部から冷媒が排出される冷媒出口用ヘッダと、を備え、前記冷媒入口用ヘッダの長手方向の側面において冷媒入口用ヘッダの長手方向に沿うように前記冷媒入口用ヘッダが前記冷却器と連通し、当該連通する部位から前記冷媒が前記冷却器に流入するとともに、前記冷媒出口用ヘッダの長手方向の側面において冷媒出口用ヘッダの長手方向に沿うように前記冷媒出口用ヘッダが前記冷却器と連通し、当該連通する部位から前記冷却器の内部を通過した前記冷媒が流出する放熱装置であって、前記冷却器の内部の前記冷媒の通路において複数本の棒状のフィンを前記冷媒入口用ヘッダおよび前記冷媒出口用ヘッダの長手方向に沿うように並設してなることを要旨とする。
【０００７】
これによれば、冷却器の内部の冷媒の通路において複数本の棒状のフィンが冷媒入口用ヘッダおよび冷媒出口用ヘッダの長手方向に沿うように並設されているので、冷媒は冷却器に入る前に、一旦、冷媒入口用ヘッダの閉塞端側の奥まで流れる。その後に冷却器へ流入する。その結果、流速の一定化が図られる。よって、冷却器での放熱性能がばらつくのを抑制することができる。
【０００８】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の放熱装置において、前記冷媒入口用ヘッダおよび前記冷媒出口用ヘッダの少なくとも一方は閉塞端に近づくに従って広がる拡張部を備えることを要旨とする。
【０００９】
これによれば、冷媒は冷却器に入る前に、一旦、冷媒入口用ヘッダの閉塞端側の奥まで流れ、その後に冷却器へ流入するが、ヘッダは下流側に行くに従って広がる拡張部を備えるので、より流速の一定化が図られる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の放熱装置において、前記冷媒入口用ヘッダおよび前記冷媒出口用ヘッダにおける冷媒流路面積は前記冷却器における冷媒流路面積よりも大きいことを要旨とする。
【００１１】
これによれば、冷媒は冷却器に入る前に、一旦、冷媒入口用ヘッダの閉塞端側の奥まで流れ、その後に冷却器へ流入するが、冷媒入口用ヘッダおよび冷媒出口用ヘッダにおける冷媒流路の断面積は冷却器における冷媒流路の断面積よりも大きいので、より流速の一定化が図られる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、冷却器での放熱性能がばらつくのを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施形態における放熱装置の概略平面図。
【図２】放熱装置の概略正面図（図１のＡ矢視図）。
【図３】図２のＢ−Ｂ線での概略断面図。
【図４】別例の放熱装置の概略断面図。
【図５】別例の放熱装置の概略断面図。
【図６】別例の放熱装置の概略正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。
【００１５】
図１，２に示すように、放熱装置１０は、アルミ製の冷却器２０と、金属製の冷媒入口用ヘッダ３０と、金属製の冷媒出口用ヘッダ４０とを備えている。冷媒としての冷却水が入口パイプ３５に供給され、冷媒入口用ヘッダ３０、冷却器２０、冷媒出口用ヘッダ４０を通過して出口パイプ４５から排出される。
【００１６】
冷却器２０は、上下に扁平な四角箱体をなしている。冷却器２０は、平面視において長方形をなし、短辺がＸ方向、長辺がＹ方向となっている。つまり、冷却器２０は、平面視において短辺側の側面２０ａ，２０ｂと、長辺側の側面２０ｃ，２０ｄを有し、さらに、上面２０ｅと下面２０ｆを有する。
【００１７】
冷却器２０の上面２０ｅに半導体素子５０が搭載可能となっており、６個の半導体素子５０がＸ，Ｙ方向に並べて配置されている。半導体素子５０は、回路基板Ｂｃを介して冷却器２０の上面２０ｅに搭載されている。回路基板Ｂｃは、絶縁基板としてのセラミック基板５２の上面に配線層（金属層）５３が形成されるとともにセラミック基板５２の下面に緩衝層としてのアルミ層５１が形成されている。回路基板Ｂｃの配線層５３に半導体素子５０がはんだ付けにて接合されている。また、回路基板Ｂｃのアルミ層５１が冷却器２０の上面２０ｅに接合されている。
【００１８】
これにより、発熱する半導体素子５０を搭載する配線層５３と、セラミック基板５２と、セラミック基板５２への応力を緩和させるアルミ層（緩衝層）５１と、内部に冷却水が流れる冷却器２０とが一体化された構造となっている。
【００１９】
半導体素子５０としてパワー半導体スイッチング素子が用いられ、各半導体素子５０によりインバータの上下のアームが構成されている。詳しくは、３相インバータにおけるＵ相の上アームを構成するスイッチング素子が第１の半導体素子（５０）であり、Ｕ相の下アームを構成するスイッチング素子が第２の半導体素子（５０）であり、Ｖ相の上アームを構成するスイッチング素子が第３の半導体素子（５０）であり、Ｖ相の下アームを構成するスイッチング素子が第４の半導体素子（５０）であり、Ｗ相の上アームを構成するスイッチング素子が第５の半導体素子（５０）であり、Ｗ相の下アームを構成するスイッチング素子が第６の半導体素子（５０）である。これら第１〜第６の半導体素子（６個の半導体素子５０）が、冷却器２０の上面２０ｅにおいてＸ方向に２個、Ｙ方向に３個並ぶように配置されている。６個の半導体素子５０はスイッチング動作時に発熱する部品である。
【００２０】
冷媒入口用ヘッダ３０は四角筒状をなし、Ｙ方向に直線的に延びている。冷媒入口用ヘッダ３０は一端が閉塞されている。冷媒出口用ヘッダ４０は四角筒状をなし、Ｙ方向に直線的に延びている。冷媒出口用ヘッダ４０は一端が閉塞されている。
【００２１】
冷媒入口用ヘッダ３０は水平方向においてＹ方向に延びているとともに冷媒出口用ヘッダ４０は水平方向においてＹ方向に延びており、冷媒入口用ヘッダ３０と冷媒出口用ヘッダ４０とは平行に延びている。このように、冷媒入口用ヘッダ３０と冷媒出口用ヘッダ４０とは互いに同じ方向に配設されている。
【００２２】
冷媒入口用ヘッダ３０の他端には円管状の入口パイプ３５が連結されている。入口パイプ３５を通して冷却水が冷媒入口用ヘッダ３０に供給される。つまり、冷媒入口用ヘッダ３０は、一端が閉塞され、他端開口部から冷却水が導入される。
【００２３】
冷媒出口用ヘッダ４０の他端には円管状の出口パイプ４５が連結されている。出口パイプ４５を通して冷却水が冷媒出口用ヘッダ４０から排出される。つまり、冷媒出口用ヘッダ４０は、一端が閉塞され、他端開口部から冷却水が排出される。
【００２４】
Ｘ方向において冷却器２０を挟むように冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０が設けられ、冷媒入口用ヘッダ３０の閉塞端と冷却器２０の側面２０ａが面一となっているとともに冷媒出口用ヘッダ４０の閉塞端と冷却器２０の側面２０ａが面一となっている。
【００２５】
冷媒入口用ヘッダ３０の長手方向の側面において冷媒入口用ヘッダ３０の側面と冷却器２０の側面２０ｃとが接合されている。そして、図３に示すように、冷媒入口用ヘッダ３０の長手方向の側面において冷媒入口用ヘッダ３０の長手方向に沿うように冷媒入口用ヘッダ３０が冷却器２０と連通し、当該連通する部位から冷却水が冷却器２０に流入するようになっている。
【００２６】
図１に示すように、冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向の側面において冷媒出口用ヘッダ４０の側面と冷却器２０の側面２０ｄとが接合されている。そして、図３に示すように、冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向の側面において冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向に沿うように冷媒出口用ヘッダ４０が冷却器２０と連通し、当該連通する部位から冷却器２０の内部を通過した冷却水が流出するようになっている。
【００２７】
ヘッダ３０，４０は同一形状、同一寸法であるとともに、ヘッダ３０，４０の高さと冷却器２０の高さが同一である。図２に示すように、冷却器２０の上面２０ｅとヘッダ３０，４０の上面が面一となっているとともに、冷却器２０の下面２０ｆとヘッダ３０，４０の下面が面一となっている。
【００２８】
図３に示すように、冷却器２０の内部の冷却水の通路２１において複数本の棒状のフィン（ピン）２５が、ヘッダ３０，４０の長手方向であるＹ方向に沿うように並設されている。棒状のフィン（ピン）２５はアルミよりなり、断面形状が真円形状をなし、上下方向（Ｚ方向）に延設されている。各フィン２５は、Ｙ方向において離間した状態で並べて配置されているとともにＸ方向において離間した状態で並べて配置されている。複数本の棒状のフィン２５は千鳥配置されている。棒状の各フィン２５は立設された状態、即ち、Ｚ方向に延びるように配置されている。つまり、冷却器２０の内部における天井面から棒状のフィン２５が下方に延びるとともに当該棒状のフィン２５は冷却器２０の内部における底面とつながっている。
【００２９】
図３においてα−α断面で示す部位は冷却器２０における冷却水流路となる部位である。また、図３においてβ１−β１断面で示す部位は冷媒入口用ヘッダ３０における冷却水流路となる部位である。さらに、図３においてβ２−β２断面で示す部位は冷媒出口用ヘッダ４０における冷却水流路となる部位である。ここで、冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０における冷却水の流路面積は冷却器２０における冷却水の流路面積よりも大きくなっている。
【００３０】
次に、放熱装置１０の作用について説明する。
半導体素子５０で発生する熱は回路基板Ｂｃにおける配線層５３、セラミック基板５２、アルミ層５１を経由して冷却器２０に至り、棒状のフィン２５において冷却水と熱交換される。
【００３１】
ここで、冷却器２０の内部の冷却水の通路２１において複数本の棒状のフィン２５をヘッダ３０，４０の長手方向に沿うように並設することによって一定の圧力損失となり、冷却器２０の内部の流速が均一化する。これにより、冷却性能が向上する。
【００３２】
つまり、冷却器２０の内部においてヘッダ３０，４０の長手方向に沿うように並設した複数本の棒状のフィン２５の配置箇所においては一定の圧力損失が生じる。これにより、冷媒入口用ヘッダ３０の内部にまず冷却水が流れるが、例えば、図１において冷却水入口から冷媒入口用ヘッダ３０における冷却器２０に最も近い流路までの距離Ｙ１と、冷却水入口から冷媒入口用ヘッダ３０における冷却器２０に最も遠い流路までの距離Ｙ２のいずれの場所においても冷却水の流速を一定または流速のばらつきを抑えた状態で冷却水を冷媒入口用ヘッダ３０の奥まで、即ち、閉塞端まで流すことができる。
【００３３】
より詳しくは、複数本の棒状のフィン２５をヘッダ３０，４０の長手方向に沿うように並設したので、棒状のフィン２５の間が冷却水の流路となって冷却水が冷媒入口用ヘッダ３０から冷媒出口用ヘッダ４０に向かって流れる。このとき、ヘッダ３０，４０の閉塞端である奥の方が抵抗（損失）が少なかったとしても冷却液が斜め方向に流れて流速の均一化が図られる。
【００３４】
このようにして、半導体素子５０を冷却するエリアでは入口と出口の距離（図１のＹ１，Ｙ２）によらず流速が一定になり、ばらつきが低減される。
上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
【００３５】
（１）冷却器２０の内部の冷却水の通路２１において複数本の棒状のフィン２５を冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０の長手方向に沿うように並設した。これにより、冷却水は冷却器２０に入る前に、一旦、冷媒入口用ヘッダ３０の閉塞端側の奥まで流れ、その後に、冷却器２０へ流入する。その結果、流速の一定化が図られる。よって、冷却器２０での放熱性能がばらつくのを抑制することができる。
【００３６】
（２）冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０における冷却水流路面積は冷却器２０における冷却水流路面積よりも大きくなっている。即ち、ヘッダ３０，４０を冷却器２０のフィン２５の形成部より流路面積を大きくすることで冷却水の流速のばらつきを小さくすることができる。詳しくは、冷却水は冷却器２０に入る前に、一旦、冷媒入口用ヘッダ３０の閉塞端側の奥まで流れ、その後に冷却器２０へ流入するが、冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０における冷却水流路の断面積は冷却器２０における冷却水流路の断面積よりも大きいので、より流速の一定化が図られる。
【００３７】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０は矩形ではなく、図４に示すように、閉塞端に近づくに従って広がる拡張部３１，４１を備える構成、即ち、奥に行くほど広がっている構成としてもよい。これにより、冷却器２０での複数本の棒状のフィン２５の形成部においてフィン２５による損失に合わせて、奥に行くほど冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０を拡張することで、流速のばらつきを低減することができる。
【００３８】
具体的に説明すると、棒状のフィン（ピン）２５の本数を減らすと冷却水の損失（抵抗）が少なくなる。すると、冷媒入口用ヘッダ３０における冷却水流路の上流側（入口側）から遠いと冷却水が流れにくくなるとともに、冷媒出口用ヘッダ４０における冷却水流路の下流側（出口側）から遠いと冷却水が流れにくくなる。その場合には、冷媒入口用ヘッダ３０における冷却水流路の下流側（ヘッダの先端側）ほど広がるような形状にするとともに冷媒出口用ヘッダ４０における冷却水流路の上流側（ヘッダの奥）ほど広がるような形状にする。これにより、冷媒入口用ヘッダ３０における冷却水流路の下流側（ヘッダの奥）まで冷却水を流しやすくして冷却水の流速の均一化を図ることができる。
【００３９】
このようにして、冷媒入口用ヘッダ３０および冷媒出口用ヘッダ４０の少なくとも一方は奥に行くに従って広がる拡張部３１，４１を備えるとよい。これによれば、冷却水は冷却器２０に入る前に、一旦、冷媒入口用ヘッダ３０の閉塞端側の奥まで流れ、その後に冷却器２０へ流入するが、ヘッダ３０，４０は下流側に行くに従って広がる拡張部３１，４１を備えるので、より流速の一定化が図られる。
【００４０】
・棒状のフィン（ピン）２５は、断面形状が真円形状以外にも、例えば、図５に示すように棒状のフィン２６の断面形状は菱形でもよい。他にも、楕円形でもよい。
・図４に代わる手法として、横方向ではなく、図６に示すように縦方向に広げてもよい。つまり、ヘッダ３０，４０の断面積（流路面積）を広げてヘッダ３０，４０に冷却水を流れやすくしてもよい。
【００４１】
より詳しくは、ヘッダ３０，４０の高さが冷却器２０よりも高い（厚い）構成とする。これにより、ヘッダ３０，４０の流路面積を棒状のフィン２５の配置箇所での流路面積よりも更に大きくすることで、流速のばらつきをより低減することができる。図６においてヘッダ３０，４０と冷却器２０とは上面が面一で揃っているので、半導体素子５０を樹脂封止しやすくなる、電極を取り出しやすくなるといった効果がある。なお、ヘッダ３０，４０と冷却器２０とは下面が面一で揃っている構成としてもよく、この場合には下側でケースに取り付けやすくなる。
【符号の説明】
【００４２】
２０…冷却器、２５…棒状のフィン、３０…冷媒入口用ヘッダ、３１…拡張部、４０…冷媒出口用ヘッダ、４１…拡張部、５０…半導体素子。
【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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