(57)【要約】【課題】  ベース上に載置された発熱体を効果的に冷却でき且つ組立効率を向上させた冷却装置を提供する。【解決手段】  冷却装置２は、発熱体３と熱的に接続される第１の面４ａを有するベース４と、ベースとともに冷媒流路の一部を形成し、ベースの第１の面４ａと反対側の第２の面４ｂと対向する第３の面８ａに突起６が設けられた対向壁８と、を備える。好適には、突起６には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面６ａが形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向（Ｙ方向）に直交する平面（ＸＺ平面）との交差線が、第３の面８ａの法線方向（Ｚ方向）と鋭角をなすように形成されている。【選択図】図１
2005252151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、ベースとともに冷媒流路の一部を形成し、ベースの上記第１の面と反対側の第２の面と対向する第３の面に一つまたはそれ以上の突起が設けられた対向壁と、
を備えた冷却装置。
【請求項２】
突起には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面が形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第３の面部分の法線方向と鋭角をなすように形成されたことを特徴とする請求項１の冷却装置。
【請求項３】
複数の上記突起が冷媒主流方向に直交する方向に沿って並んだ突起列を冷媒主流方向に沿って複数有し、
複数の突起列は、冷媒主流方向に沿って千鳥状に配置されることを特徴とする請求項１または２の冷却装置。
【請求項４】
対向壁と突起が樹脂で一体成形されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は発熱体を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体パワーモジュールとして、パワー半導体素子（例えばＩＢＧＴ）で発生する熱を逃がすために、該半導体素子が載置された絶縁基板を放熱板に接合し、放熱板に冷却部材を固定したものが知られている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
なお、特許文献２に記載の冷却構造は、発熱部品を板に取り付け、板の表面と対向し該表面とともに冷媒流路を形成する壁面上にターブレータを設けたものである。発熱部品は冷却流路内に配置されている。ターブレータは、冷媒の流れを乱し、これにより発熱部品間の領域で冷媒がよどむのを防止するためのものである。
【特許文献１】特開２００３−２１８３１８号公報
【特許文献２】特開平４−２２９６９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
熱をより効率的に逃がすために、絶縁基板に放熱板を介さずにヒートシンクを直接接合する方法が考えられる。この場合、絶縁基板とヒートシンクの基部とは半田などのろう材で接合される。しかしながら、絶縁基板にろう材を塗布するのに先立って絶縁基板の表面粗さの調整などの前処理を行う必要があり、また、ろう材の厚さを管理しながら絶縁基板にろう材を塗布する必要があるため、組立工程が増え組立効率が低下する。接着剤を用いてヒートシンクと絶縁基板を接合することも考えられるが、接着剤はろう材よりも熱伝導率が低い。
【０００５】
そこで、本発明は、絶縁基板などのベース上に載置されたパワー半導体素子などの発熱体を効果的に冷却でき且つ組立効率を向上させた冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係る冷却装置は、発熱体と熱的に接続される第１の面を有するベースと、ベースとともに冷媒流路の一部を形成し、ベースの第１の面と反対側の第２の面と対向する第３の面に一つまたはそれ以上の突起が設けられた対向壁と、を備えることを特徴とする。
【０００７】
好適には、突起には冷媒主流に対し迎え角を有する傾斜面が形成されており、傾斜面は、冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第３の面部分の法線方向と鋭角をなすように形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、対向壁に設けた突起により冷媒流れが乱れ、これによりベースの第２の面への熱伝達率を高めることができる。さらに、冷却構造の組立時にベースの冷媒流路側の面に部材をろう付けする必要はないので組立工程が簡略化でき、したがって組立効率が向上する。
【０００９】
一般に冷媒が突起を通過すると冷媒主流方向に沿って回転軸を有する一対の縦渦が発生するのに対し、好適な実施形態では、傾斜面は、冷媒主流方向から見て観察される位置であって且つ突起近傍の第３の面部分（第３の面が平坦であれば第３の面全体）に対し斜めの位置に形成されているため、回転半径の異なる非対称の一対の縦渦が発生する。その結果、回転半径の大きな縦渦により、ベースの第２の面に対し冷媒の吹き付けが行われ、その結果、第２の面での熱伝達率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付図面を参照して本発明に係る実施形態を説明する。以下の説明では、同一または類似の構成要素は、複数の図面にわたって同一の符号または同一の符号に適当な添字を付して表す。
【００１１】
実施の形態１．
図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る冷却装置の実施の形態１を示す。この冷却装置２は、発熱体３が載置される（発熱体と熱的に接続される）平坦面（第１の面）４ａを有する板状のベース４と、ベース４の平坦面４ａと反対側の平坦面（第２の面）４ｂと対向する平坦面（第３の面）８ａ上にマトリックス状に配置された同一形状の複数（図の例では、５×４＝２０個）の突起６を有する板状の壁（以下、対向壁という。）８とを備える。ベース４と対向壁８は、冷媒流路を形成し、突起６は冷媒流路内に配置される。以下の説明では、ベース４および対向壁８はＸＹ平面と平行に位置し、突起の配列方向をＸ方向およびＹ方向とし、ベース４の平坦面４ｂおよび対向壁８の平坦面８ａの法線は、Ｘ，Ｙ方向と垂直なＺ方向とする。
【００１２】
冷却装置２の動作時には、冷媒を＋Ｙ方向に流すようにしてある。冷媒は、例えば、冷却水などの液体、冷風やフロンなどの気体が用いられる。冷媒の漏れを防ぐために、通常は、冷媒の流れ方向に関して冷却装置２の上流および下流に配管を設けるとともに、ベース４と対向壁８とともにＹ方向両端を除いて閉鎖した空間を形成する板を設けて、冷媒を流すようにする。
【００１３】
各突起６は、冷媒の主流方向（＋Ｙ方向）から見て右側に位置する傾斜面６ａが形成されるよう、図１（ｃ）に示すように直方体の一部を切断してなる。詳しくは、傾斜面６ａは、直方体の同時に見える側の３つの平面、すなわち−Ｙ側のＸＺ平面、（＋Ｚ側の）ＸＹ平面、＋Ｘ側のＹＺ平面の各対角線を含む仮想平面で直方体を切断して形成されるもので、冷媒主流に対し迎え角を有する（言い換えれば、冷媒主流方向から見て傾斜面６ａが見える。）とともに、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向の３軸全てに対し傾斜する（傾斜面６ａとＸ，Ｙ，Ｚ軸が鋭角をなす。）ようになっている。
【００１４】
冷却装置２の対向壁８および突起６は、一体的に形成してもよいし別体で形成してもよい。対向壁８および突起６の材料は任意であり、冷却装置２の製造コストを下げるために樹脂成形により一体成形してもよい。
【００１５】
かかる構成を備えた冷却装置２において、図２に示すように、冷媒を＋Ｙ方向に流すと、各突起６の下流側の２つの頂点（＋Ｙ側の頂点）６ｅ，６ｆ近傍を起点としてそれぞれ、冷媒主流方向（＋Ｙ方向）に沿った回転軸を有する非対称の縦渦１４，１６が発生する。冷媒主流方向から見て、縦渦１４の回転方向は時計回り方向、縦渦１６の回転方向は反時計回り方向である。突起６には冷媒主流方向から見て右側に傾斜面６ａが形成されているため、傾斜面６ａに沿って流れ頂点６ｅを通過する冷媒の流量が、上面６ｃ（ＸＹ平面）に沿って流れ頂点６ｆを通過する冷媒の流量に比べて多くなる。また、傾斜面６ａに沿って流れる冷媒に、Ｙ方向を軸とし冷媒主流方向から見て時計回り方向へ旋回する速度成分が発生する。したがって、右側の縦渦１４は左側の縦渦１６に比べて回転半径が大きくなる。縦渦１４は、螺旋渦として下流方向に進行するので、ベース４の平坦面４ｂへの冷媒の吹き付けが繰り返し行われ、その結果、平坦面４ｂでの熱伝達率が向上する。このように、本実施形態によれば熱伝達特性の高い冷却装置を提供できる。
【００１６】
実施の形態２．
図３は、本発明に係る冷却装置の実施の形態２において、発熱体を載置するベースと対向する壁を示す。本実施形態に係る冷却装置の対向壁８Ｂは、実施の形態１の冷却装置２の対向壁８と類似しているが、Ｘ方向に複数の突起６が平坦面８Ｂａ上に並んでなる突起列２０が冷媒主流方向（Ｙ方向）に対して千鳥状に配置されている点が異なる。
【００１７】
本実施形態では、冷媒主流方向に関して上流側に位置する同じ列の隣り合う２つの突起、例えば６１，６２の間を通過することで加速された冷媒流れ１８が、下流側に位置する突起６３に向かうため、突起６３で発生する回転半径の大きな縦渦１４Ｂにより冷媒がベース平坦面４ｂ（図１）に吹き付けられる速度が増加し、その結果、平坦面４ｂでの熱伝達率を向上させることができる。
【００１８】
実施の形態３．
図４は、実施の形態３に係る冷却装置を備えた半導体パワーモジュールの一例を示す。このモジュール３０は、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣなどの絶縁基板３２を備え、その上面には銅からなる所定の回路パターン３４が半田などのろう材（図示せず）を介して形成されている。絶縁基板３２が冷却装置のベースを構成する。回路パターン３４には、半導体パワーモジュール３０の用途、目的に応じて設けられた複数の半導体チップ３６（例えばＩＧＢＴ、ダイオード）が、ろう材（図示せず）で接合され、実装されている。半導体チップ３６同士は、アルミなどの金属細線３８を介して互いに接続されている。
【００１９】
モジュール３０の下部には、絶縁基板３２に対向して複数の突起４０を有する底壁と絶縁基板３２の下面両端部と一対のＯリング４２を介して接続された側壁とからなる断面コ状のダクト４４が設けてある。このダクト４４の底壁が冷却装置の対向壁を構成し、ダクト４４と絶縁基板３２で囲まれた閉鎖空間を冷媒４６が紙面垂直方向に流れるようになっている。図示は省略するが突起４０には、上記実施形態で説明したのと同様の傾斜面が形成されている。
【００２０】
絶縁基板３２、ダクト４４、回路パターン３４、半導体チップ３６、および金属細線３８を囲むように樹脂ケース４８が設けてある。ダクト４４の底壁は露出するが、その他の部分は、絶縁性を確保するためにシリコンゲル５０で充填されている。
【００２１】
本実施形態によれば、ダクト４４をＯリング４２を介して絶縁基板３２に押さえ付けることにより冷却構造が形成されるので、上述したように冷却構造の組立時にろう材を用いる必要はなく組立工程が簡略化でき、したがって組立効率が向上する。
【００２２】
以上、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明はこれらに限らず、種々改変可能である。例えば、上記実施形態では、各突起に冷媒の主流方向から見て右側に傾斜面を設けたが、左側に設けてもよい。また、全ての突起に関して同じ側に傾斜面を設ける必要はなく、突起は同一形状でなくてもよい。突起の切断面は、直方体の同時に見える３つの対角線を含む仮想平面で切断して形成される面である必要はなく、冷媒主流に対し迎え角を有するとともにＸ，Ｙ，Ｚ方向に対し傾斜する面であれば、例えば図５（ａ）のように、突起６Ｃの傾斜面６Ｃａの頂点６ｇ，６ｈ，６ｉは、直方体の頂点６ｊ，６ｋ，６ｍと一致しなくてもよい。但し、この場合、傾斜面６Ｃａの頂点６ｇおよび直方体の頂点６ｊからそれぞれ冷媒主流方向から見て時計回り方向に回転する縦渦が発生するが、上記実施形態の冷却装置で発生する縦渦に比べてその回転半径は小さいため、上記実施形態のように、傾斜面６Ｃａの頂点６ｇおよび直方体の頂点６ｊを一致させるのが好ましい。
【００２３】
また、突起が形成される対向壁の第３の面は、平坦面である必要はなく、例えば湾曲してもよい。このように、突起の傾斜面が冷媒主流に対し迎え角を有し（言い換えれば、冷媒主流方向から見て傾斜面が見える位置にある。）、且つ、該傾斜面と冷媒主流方向に直交する平面との交差線が、該突起の近傍の第３の面部分の法線方向と鋭角をなす構成（上記実施形態の場合、該交差線は直線で、第３の面である平坦面と９０°以外の角である鋭角をなしている。）は、本発明の範囲に含まれる。
【００２４】
さらに、突起は、直方体から形成する必要はなく、例えば図５（ｂ）に示すような円柱、図５（ｃ）に示すような円錐、図５（ｄ）に示すような多角錐をＸ，Ｙ，Ｚ方向に対し傾斜する平面で切断してそれぞれ傾斜面６Ｄａ，６Ｅａ，６Ｆａを有する突起６Ｄ，６Ｅ，６Ｆを形成してもよい。図５（ｅ）に示すように、対向壁８’として金属などの材料を用い、壁面の一部を切り起こして非対称の渦１４，１６が発生するような傾斜面６Ｇａとしてもよい。あるいは、いわゆるボルテックスジェネレータを対向壁上に形成してもよい。
【００２５】
加えて、傾斜面は平滑面である必要はない。
【００２６】
さらにまた、対向壁に設ける突起は、例えば図５（ｆ）に示すように傾斜面を形成しないものを用いた冷却装置も本発明の範囲に含まれる。この冷却装置において、冷媒を＋Ｙ方向に流すと、突起６’の頂点６ｅ’，６ｆ’から左右対称に縦渦１４’，１６’が発生するが、これら縦渦１４’，１６’は回転半径がほぼ同じで小さく、したがって、ベース平坦面４ｂ（図１参照）への冷媒の吹き付け効果は少ないが、突起６’を設けない構成に比べてベース平坦面４ｂへの熱伝達率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】（ａ）本発明に係る冷却装置の実施の形態１を示す斜視図。（ｂ）図１（ａ）のＩｂ方向から見た冷却装置の側面図。（ｃ）図１（ａ）の突起を示す拡大斜視図。
【図２】（ａ）図１の冷却装置に発生する冷媒流れを示す、図１（ｂ）に類似した図。（ｂ）図１（ｃ）の突起周りに発生する冷媒流れを示す拡大斜視図。
【図３】本発明に係る冷却装置の実施の形態２における対向壁を示す斜視図。
【図４】本発明に係る冷却装置の実施の形態３を備えた半導体パワーモジュールの一例を示す断面図。
【図５】本発明に係る冷却装置の対向壁に設けられる突起の他の形状の例を示す斜視図。
【符号の説明】
【００２８】
２  冷却装置
３  発熱体
４  ベース
４ａ  第１の面
４ｂ  第２の面
６  突起
６ａ  傾斜面
８  対向壁
８ａ  第３の面
１４  回転半径の大きな縦渦
１６  回転半径の小さな縦渦
【図１】
2005252151.tif 000003
【図２】
2005252151.tif 000004
【図３】
2005252151.tif 000005
【図４】
2005252151.tif 000006
【図５】
2005252151.tif 000007