(57)【要約】【課題】冷却流体中に浸漬されている面を放熱に有効利用すると共に、冷却流体を適度に乱流状態とすることにより優れた冷却性能を発揮可能な発熱体モジュール、及び発熱体モジュールユニットの提供を目的とした。【解決手段】発熱体モジュール１０は、発熱体１２，１４を内蔵しており、冷却流体が所定方向に向けて流通する冷却器５２に浸漬することにより冷却されるものである。発熱体モジュール１０は、先端部１０ａがくさび状の形状であり、後端部１０ｃが渦流を発生させることが可能な形状とされている。発熱体モジュール１０は、先端部１０ａ側における発熱量が、後端部１０ｃ側における発熱量よりも大きい。発熱体モジュール１０は、先端部１０ａが上流側に向き、後端部１０ｃが前記冷却流体の流れ方向下流側に向くように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電により発熱する発熱体を内蔵しており、冷却流体が所定方向に向けて流通する冷却器に浸漬することにより冷却される発熱体モジュールであって、
先端側がくさび状の形状であり、後端側が渦流を発生させることが可能な形状とされており、
前記先端側が冷却器内における冷却流体の流れ方向上流側に向き、前記後端側が前記冷却流体の流れ方向下流側に向くように配置され、
前記先端側における発熱量が、前記後端側における発熱量よりも大きいことを特徴とする発熱体モジュール。
【請求項２】
底部が下方に向けて凸形状となるように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の発熱体モジュール。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の発熱体モジュールを複数備えた発熱体モジュールユニットであって、
前記発熱体モジュールを千鳥状に配置してなる発熱体モジュール群が複数形成されており、
前記発熱体モジュール群のうちの一に係る発熱体モジュール群Ａを構成する発熱体モジュールの底部と、他の一つに係る発熱体モジュール群Ｂを構成する発熱体モジュールの底部とが突き合わせた状態になるように前記発熱体モジュール群Ａ，Ｂが配置されていることを特徴とする発熱体モジュールユニット。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の発熱体モジュールを複数備えた発熱体モジュールユニットであって、
前記発熱体モジュール、及び前記発熱体モジュールの底部に対向するように配置された他部材のうちいずれか一方又は双方に突部が設けられており、
前記突部に対向する位置に開口部が設けられており、前記開口部に前記突部が嵌入されていることを特徴とする発熱体モジュールユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車において用いられるインバータの発熱素子のように通電により発熱する発熱体を備えた発熱体モジュール、及び発熱体モジュールを複数備えた発熱体モジュールユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、下記特許文献１に開示されているような冷却装置が、インバータの発熱素子のように通電により発熱する発熱体を冷却するために提供されている。この冷却装置は、平行に並べたアルミ板の間に複数の隔材等を挟んで構成された各区画に冷却用気体を流すことにより発熱素子を冷却するものである。この冷却装置は、各区画に波形間隔材を設け冷却用気体の流れを乱流とすることにより、冷却効率を向上させている。
【０００３】
下記特許文献２に開示されている冷却装置は、冷却流体の流れの上流側に向って凸となるように配置された略三角形の冷却フィンを複数備えたものである。この冷却装置が備える冷却フィンは、冷却流体の流れ方向に対して略平行な平行面と、冷却流体の流れ方向に対して交差する傾斜面とを有している。この冷却装置では、冷却フィンが冷却流体の流れ方向に沿って略同一直線状に並び、冷却流体の流れ方向に隣接する冷却フィンの傾斜面が互いに反対側に位置するように配置されている。これにより、冷却流体の流れを乱流化し、冷却効率を向上させている。
【０００４】
また、下記特許文献３〜５に開示されているような半導体モジュール（発熱体モジュール）が提供されている。これらの半導体モジュールは、冷却流体中に浸漬することにより半導体装置の冷却を行う、いわゆる浸漬冷却を行おうとするものである。特許文献３の半導体モジュールは、パワー半導体とその接合部材とを金属パッケージ表面に密着して浸漬冷却するものであり、発熱体たる半導体から金属パッケージまでの熱抵抗を低減する構造を提案している。特許文献４の半導体モジュールは、半導体とその接合部材とを絶縁性を有する樹脂によってシールしたものであり、材料及び製造コストの低減を図るための構造を提案している。また、特許文献５の半導体モジュールは、モジュール片側表面にストレート型のフィンを形成することにより表面積を増加させると共に、複数のモジュールを重ね合わせ、フィン部を冷却流路として利用したものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１６４４８７号公報
【特許文献２】特開２００６−２７８７３５号公報
【特許文献３】特開２００５−５７２１２号公報
【特許文献４】特開２００４−３６３３３７号公報
【特許文献５】特開２００４−１１９６６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１，２に係る冷却装置を用いた場合は、伝熱経路が冷却装置との接触面のみに限定されてしまう。また、特許文献３〜５に係る半導体モジュールにおいても、伝熱経路が半導体素子の実装面あるいは半導体素子の両側面のみに限定されてしまう。従って、従来技術の構造では、インバータの発熱素子などの発熱体において発生した熱を十分に冷却できないという問題があった。また、上述した従来技術の構成では、冷却流体の流れは層流が支配的であり、熱伝達性能が低く十分な冷却性能を発揮できないという問題があった。
【０００７】
また、二つめの問題として、冷却流体の流れが層流になるのを避けようとして乱流化を促進すると、逆に圧力損失が増加し、冷却流体を圧送するポンプに過大な負荷が作用するという問題があった。また、冷却流体の流れを乱流化すると、発熱体モジュール表面に形成される温度境界層が薄くなり、発熱体から冷却流体への熱伝達係数を低減できる。その一方、冷却流体の流れが過剰に乱流化すると各渦のスケールが小さくなり、局所的に激しい乱流が発生する現象が発生し、発熱体モジュール全体を均等に冷却することができないという問題があった。
【０００８】
さらに、三つ目の問題として、特許文献３〜５に係る半導体モジュールでは浸漬冷却方式を採用しているにもかかわらず、伝熱効率を考慮した形状でないため、実質的に発熱体たる半導体の表面側及び裏面側の２面しか放熱に使用できていないという問題があった。すなわち、従来技術の半導体モジュールでは、冷却流体に浸漬された面のうち、冷却流体の流れ方向上流側の面（前面）や下流側の面（後面）、下面を放熱に有効利用できるような形状となっておらず、十分な放熱効率を発揮できているとは言えなかった。また、半導体モジュール全体における発熱量の分布を考慮した形状でないため、放熱効率が十分高いとは言えなかった。
【０００９】
そこで、本発明は、冷却流体中に浸漬されている面を放熱に有効利用すると共に、冷却流体を適度に乱流状態とすることにより優れた冷却性能を発揮可能な発熱体モジュール、及び発熱体モジュールユニットの提供を目的とした。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決すべく提供される本発明の発熱体モジュールは、通電により発熱する発熱体を内蔵しており、冷却流体が所定方向に向けて流通する冷却器に浸漬することにより冷却される発熱体モジュールであって、先端側がくさび状の形状であり、後端側が渦流を発生させることが可能な形状とされている。本発明の発熱体モジュールは、前記先端側が冷却器内における冷却流体の流れ方向上流側に向き、前記後端側が前記冷却流体の流れ方向下流側に向くように配置され、前記先端側における発熱量が、前記後端側における発熱量よりも大きいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の発熱体モジュールは、先端側が冷却流体の流れ方向上流側に向くように冷却器内に設置することにより先端側に低温の冷却流体を優先的に衝突させ、十分冷却させることができる。また、本発明の発熱体モジュールは、先端側がくさび状の形状とされており、その分だけ表面積が大きく、且つ内蔵している発熱体と先端側の部分の表面との距離が小さいため、先端側における冷却性能が高い。従って、本発明の発熱体モジュールのように後端側よりも先端側の方が発熱量が大きくなる特性を有するものであっても、モジュール全体における発熱量の分布に応じて部位毎に適切な放熱特性を発揮することが可能であり、全体として十分かつ略均一に冷却することが可能である。
【００１２】
また、本発明の発熱体モジュールは、冷却流体の流れ方向上流側（先端側）がくさび状の形状とされていることから、冷却流体の流れが先端部分に衝突した場合であっても、その衝突による圧力損失を大幅に低減することができる。これにより、冷却流体を圧送するためのポンプに過大な負荷が作用するのを防止することができる。さらに、くさび状の先端部分に効率よく乱流渦を衝突させると、発熱体モジュール表面に形成される温度境界層の厚みが低減し、熱伝達係数が向上する。そのため、従って、本発明の発熱体モジュールは、放熱特性が極めて高い。
【００１３】
ここで、発熱体モジュールが車両などにおいて駆動モータの制御用として用いられる場合は、複数の発熱体モジュールが用いられる。複数の発熱体モジュールを用いる場合は、冷却流体の流れ方向下流側にも他の発熱体モジュールを配置することが一般的である。このように発熱体モジュールを配置した場合において、上流側の発熱体モジュールを通過してきた冷却流体が渦流を形成したものであれば、下流側に配置された発熱体モジュールにおいても十分な冷却特性が得られるものと考えられる。
【００１４】
かかる知見に基づき、本発明の発熱体モジュールは、後端側が渦流を発生させることが可能な形状とされている。従って、本発明の発熱体モジュールを用いれば、冷却流体の流れ方向下流側に配置された他の発熱体モジュールにおける冷却特性をも改善することが可能となる。
【００１５】
本発明の発熱体モジュールは、底部が下方に向けて凸形状となるように形成されたものであることが好ましい。
【００１６】
かかる構成とすることにより、底部表面と発熱体との距離が小さくなり、発熱体において発生した熱がスムーズに放出されることになる。従って、本発明の発熱体モジュールは、放熱特性が極めて優れている。
【００１７】
本発明の発熱体モジュールユニットは、上述した本発明の発熱体モジュールを複数備えたものである。本発明の発熱体モジュールユニットは、前記発熱体モジュールを千鳥状に配置してなる発熱体モジュール群が複数形成されたものであり、前記発熱体モジュール群のうちの一に係る発熱体モジュール群Ａを構成する発熱体モジュールの底部と、他の一つに係る発熱体モジュール群Ｂを構成する発熱体モジュールの底部とが突き合わせた状態になるように前記発熱体モジュール群Ａ，Ｂが配置されていることを特徴としている。
【００１８】
かかる構成によれば、発熱体モジュールの収納効率を向上させることが可能となり、冷却能力の高い発熱体モジュールユニットをコンパクトに形成することができる。また、発熱体モジュール群Ａ，Ｂをなす複数の発熱体モジュールの底部によって、ラビリンス状の経路が形成され、この経路を冷却流体が流れることになる。これにより、上流側に配置された発熱体モジュールの底部近傍を流れてきた冷却流体が下流側に配置された他の発熱体モジュールに対して効率的に当たり、さらに放熱効果を高めることができる。
【００１９】
また、本発明の発熱体モジュールユニットは、前記発熱体モジュール、及び前記発熱体モジュールの底部に対向するように配置された他部材のうちいずれか一方又は双方に突部が設けられており、前記突部に対向する位置に開口部が設けられており、前記開口部に前記突部が嵌入されていることを特徴としている。
【００２０】
かかる構成によれば、発熱体モジュールの底部側において後方（下流側）に向けて流れる乱流渦を発生させ、この乱流渦を後方に配置された他の発熱体モジュールの先端側に設けられたくさび状の部分に接触させることができる。これにより、放熱特性を向上させることができる。これに加えて、本発明の発熱体モジュールユニットでは、突部を開口部に嵌入させることにより、モジュールを他部材に対して所定の位置に強固に固定することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、冷却流体中に浸漬されている面を放熱に有効利用すると共に、冷却流体を適度に乱流状態とすることにより優れた冷却性能を発揮可能な発熱体モジュール、及び発熱体モジュールユニットを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第一実施形態に係る半導体モジュールを示す斜視図である。
【図２】（ａ）は図１の幅方向の断面図、（ｂ）は図１の長手方向の断面図、（ｃ）は（ａ）の放熱器を除く部分についての分解斜視図である。
【図３】（ａ）は本発明の第一実施形態に係る半導体モジュールユニットを示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ部拡大図、（ｃ）は半導体モジュールの先端部近傍を拡大した拡大図である。
【図４】図１に示す半導体モジュールの先端部におけるくさび角度とフィン効率との関係を示したグラフである。
【図５】図３に示す半導体モジュールユニットの変形例を示す正面図である。
【図６】（ａ）は本発明の第二実施形態に係る半導体モジュールを示す正面図であり、（ｂ）は（ａ）の側面図である。
【図７】（ａ）は本発明の第三実施形態に係る半導体モジュール及び半導体モジュールユニットを示す側面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ方向矢視図、（ｃ）は（ａ）の半導体モジュールにおいて形成される渦流を模式的に示した説明図である。
【図８】（ａ）は図７（ａ）の柱状体と開口との関係を模式的に示した説明図、（ｂ）は図７（ａ）の変形例を示す説明図である。
【図９】（ａ）は本発明の第四実施形態に係る半導体モジュールユニットを示す正面図、（ｂ）は（ａ）のＣ部近傍における冷却流体の流れを模式的に示した説明図である。
【図１０】図９（ａ）に示した半導体モジュールユニットの変形例を示す正面図である。
【図１１】（ａ）は図１０のＤ部拡大図、（ｂ）はフィン近傍に形成される渦流を模式的に示した説明図である。
【図１２】半導体モジュールのオフセット間隔についての説明図である。
【図１３】本発明の第五実施形態に係る半導体モジュール及び半導体モジュールユニットを示す正面図である。
【図１４】本発明の第六実施形態に係る半導体モジュールユニットを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
≪第一実施形態≫
本発明の第一実施形態に係る半導体モジュール１０（発熱体モジュール）及び半導体モジュールユニット５０（発熱体モジュールユニット）について図面を参照しつつ詳細に説明する。半導体モジュールユニット５０は、ハイブリッド車や電気自動車等の車両において駆動モータの制御用として用いられるものであり、複数の半導体モジュール１０と冷却器５２とを備えている。
【００２４】
半導体モジュール１０は、冷却流体が流れる冷却器５２の容器５４中に浸漬して冷却する浸漬冷却方式により冷却されるものである。半導体モジュール１０は、図１に示すような扁平な外観形状を有し、後に詳述するように先端部１０ａ、底部１０ｂ、後端部１０ｃ、側面１０ｄ，１０ｅ、上面１０ｆ、縮幅部１０ｇに大別される。また、図２（ａ）や図２（ｂ）に示すように、半導体モジュール１０は、パワー半導体素子１２，１４（発熱体）や、一対の電極部材１６，１８、パワー半導体素子１２，１４の制御信号端子１９、一対の絶縁板２０，２２、一対の放熱器２４，２６、封止部材２８などによって構成されている。
【００２５】
パワー半導体素子１２，１４は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Insulated Gate Bipolar Transistor：ＩＧＢＴ）やフライホイールダイオード（Free Wheel Diode：ＦＷＤ）によって構成された平板状の部材である。パワー半導体素子１２，１４は、それぞれ銅やアルミニウムなどの導電性を有する素材によって形成された板状の電極部材１６，１８に対して、はんだなどによって電気的に接続されている。
【００２６】
パワー半導体素子１２，１４は、いずれも電極部材１６，１８を介して通電することにより発熱するが、その発熱量はパワー半導体素子１４（ＦＷＤ）よりもパワー半導体素子１２（ＩＧＢＴ）の方が大きい。パワー半導体素子１２，１４及び電極部材１６，１８は、それぞれ半導体モジュール１０の側面１０ｄ，１０ｅに沿って広がる状態で封入されている。また、電極部材１６，１８は、それぞれ上面１０ｆから半導体モジュール１０の外側に取り出されており、図示しない電源のバスバーなどに接続される。半導体素子１２は半導体モジュール１０の先端部１０ａ側の位置に封入されており、半導体素子１４は後端部１０ｃ側の位置に封入されている。従って、半導体モジュール１０は、通電すると先端部１０ａ側の方が後端部１０ｃ側よりも大きく発熱する特性を有する。
【００２７】
絶縁板２０，２２は、エポキシ樹脂やフェノール樹脂などのような絶縁性樹脂や、窒化アルミニウムや窒化珪素などのような絶縁性セラミックスからなる板状部材である。絶縁板２０，２２は、一対の電極部材１６，１８においてパワー半導体素子１２，１４が接合された面とは反対側の面に接続されている。放熱器２４，２６は、アルミニウムや銅などの熱伝導率の高い素材を用いた中空体を縦方向に分割したものであり、絶縁板２０，２２において電極部材１６，１８が接続された面とは反対側に接続されている。
【００２８】
半導体モジュール１０は、先端部１０ａ及び底部１０ｂがそれぞれ外側に向けて凸形状、具体的にはくさび状（鋭角）の外観形状とされている。また、後端部１０ｃは、側面１０ｄ，１０ｅに対して略垂直であり略平坦な面とされている。半導体モジュール１０は、側面１０ｄ，１０ｅと後端部１０ｃとの間の部分（以下、「縮幅部１０ｇ」とも称す）において、後端部１０ｃ側に向かうにつれて幅（側面１０ｄ，１０ｅ間の間隔）が狭くなる形状とされている。言い換えれば、縮幅部１０ｇにおいて半導体モジュール１０の外観形状がテーパー状となっており、後端部１０ｃに向けて徐々に幅が狭くなっている。上面１０ｆは略平坦であり、電極部材１６，１８をなす金属板が上面１０ｆを介して外部に取り出されている。
【００２９】
上述したように、半導体モジュール１０の先端部１０ａ及び底面１０ｂがくさび状の形状とされているため、半導体モジュール１０に対して先端部１０ａ側から後端部１０ｂ側に向けてラジエータ水などの冷却用の流体（冷却流体）を流した際の圧力損失が小さい。また、冷却流体の流れ方向に対して傾斜した面が先端部１０ａに存在するため、先端部１０ａの前方において乱流渦を発生させた場合、この乱流渦が半導体モジュール１０の表面に接触しながら後端部１０ｂ側に向けて流れることになる。従って、半導体モジュール１０の表面に形成される温度境界層の厚みを最小限に抑制することができ、効率よく放熱させることが可能となる。
【００３０】
さらに、先端部１０ａの外観形状がくさび状（外側に向けて凸形状）であるため、先端部１０ａと発熱体たるパワー半導体素子１２の距離が小さく、通電により発生した熱が先端部１０ａからスムーズに放出される。同様に、底面１０ｂの外観形状がくさび状（外側に向けて凸形状）であるため、底面１０ｂとパワー半導体素子１２，１４との距離が小さいため、パワー半導体素子１２，１４において発生した熱は、底面１０ｂからもスムーズに放出される。
【００３１】
また、上述したように、半導体モジュール１０の後端部１０ｃが側面１０ｄ，１０ｃに対して略垂直であって略平坦な面によって形成されているため、側面１０ｄ，１０ｃと後端部１０ｃとの境界に存在している縮幅部１０ｇ近傍において冷却流体が半導体モジュール１０の表面から剥離しはじめ、冷却流体の流れが圧力低下する。これにより、半導体モジュール１０と冷却流体との接触が疎となる。これにより、冷却流体は半導体モジュール１０の後端部１０ｃの後方において渦流を形成し、下流側に向けて流れる。
【００３２】
図３（ａ）に示すように、半導体モジュールユニット５０は、上述した半導体モジュール１０を複数（図３に示す例では３つ）、冷却器５２の内部に収容した構成とされている。冷却器５２は容器５４を有し、外部から供給されてきた冷却流体を容器５４の導入口５４ａから導入し、排出口５４ｂから排出させることにより、容器５４内に一定方向に流れる冷却流体の流れを形成することができる。半導体モジュール１０は、容器５４内において冷却流体の流れ方向に所定の間隔毎に直線状に並べた状態で配置されている。半導体モジュールユニット５０は、容器５４内に冷却流体を導入することにより、半導体モジュール１０を冷却流体中に浸漬させ、冷却することができる。
【００３３】
続いて、半導体モジュールユニット５０における半導体モジュール１０の冷却メカニズムについて説明する。上述したように、半導体モジュール１０は、先端部１０ａ及び底部１０ｂがくさび状の形状とされており、先端部１０ａ側が冷却流体の流れ方向上流側に向き、後端部１０ｃ側が下流側に向いた状態で配置されている。そのため、冷却器５２に冷却流体を流通させると、先ず最も導入口５４ａ側に存在する半導体モジュール１０（半導体モジュール１０ｘ）の先端部１０ａに冷却流体が衝突し、略層流の状態で側面１０ｄ，１０ｅ側に分かれる。
【００３４】
半導体モジュール１０ｘの先端部１０ａの両側を流れる略層流状の冷却流体は、半導体モジュール１０ｘの表面に接触しながら後端部１０ｂ側に向けて流れる。また、半導体モジュール１０ｘの底部１０ｂ側を流れる冷却流体についても、底部１０ｂの表面に沿って流れ、パワー半導体素子１２，１４から放出された熱を冷却する。図３（ｂ）に示すように、半導体モジュール１０ｘの側面１０ｄ，１０ｅに沿って流れる冷却流体は、縮幅部１０ｇ近傍において剥がれはじめる。冷却流体は、後端部１０ｃの後方とその後方の空隙部分との圧力差によって後端部１０ｃにおいて表面剥がれを生じ、周期性をもった渦流（カルマン渦）を形成する。
【００３５】
ここで、半導体モジュール１０ｘの後端部１０ｃにおいて形成される乱流渦（カルマン渦）は、後端部１０ｃの端部を起点として２列で互いに順に逆方向にカールしながら生成される。そのため、冷却流体の流れ方向上流側の半導体モジュール１０ｘの後方に発生した渦流（カルマン渦）は、下流側に隣接する位置に配置された半導体モジュール１０（半導体モジュール１０ｙ）の先端部１０ａをなす２つの傾斜面β１，β２に対しておのおの衝突する。冷却流体は、先端部１０ａにおいて渦流を形成した状態で側面１０ｄ，１０ｅ側に分かれて流れ、側面１０ｄ，１０ｅを冷却する。その後、後端部１０ｃの後方において渦流（カルマン渦）を形成する。半導体モジュール１０ｘ，１０ｙにおける冷却流体の流れと同様の流れが、これよりも下流側の半導体モジュール１０（本実施形態では半導体モジュール１０ｚ）においても形成され、通電により発生した熱が冷却される。
【００３６】
上述したように、半導体モジュール１０は、先端部１０ａがくさび状、換言すれば冷却流体の流れ方向上流側に向かうほど先細りとなる形状とされているため、先端部１０ａに相当する分だけ伝熱に供する表面積を増大させうるだけでなく、発熱体たるパワー半導体素子１２と半導体モジュール１０の表面との距離を抑制し、半導体モジュール１０内部の熱抵抗を大幅に低減させることができる。従って、半導体モジュール１０においては、パワー半導体素子１２において発生した熱をスムーズに放出させる。
【００３７】
また、半導体モジュール１０は、冷却流体の温度の低い導入口５４側（上流側）の位置にくさび形状の先端部１０ａを配置することにより、熱がより低い温度側に流れる性質を利用して先端部１０ａ側に熱を引き出す効果が得られると共に、パワー半導体素子１２，１４と半導体モジュール１０の表面との温度差を低減させ、冷却効率を向上させることができる。
【００３８】
また、半導体モジュール１０の幅方向（側面１０ｄ，１０ｅ間）の略中心線上にパワー半導体素子１２，１４が配置されるため、当該素子１２，１４において発生した熱が側面１０ｄ，１０ｅの双方に略均一に分配される。そのため、パワー半導体素子１２，１４と半導体モジュール１０の表面との温度差をより一層低減させ、冷却効率をさらに向上させることができる。
【００３９】
ここで、半導体モジュール１０の表面における熱伝達について検討すると、上流側に配置された半導体モジュール１０の後端部１０ｃ後方において発生した乱流渦（カルマン渦）が下流側モジュールの先端部１０ａを構成する傾斜面β１，β２と衝突しながら効率よく接触することにより、熱伝達係数を増加させる効果が得られる。これにより、くさび状の先端部１０ａを設けることによる表面積増大による効果と相まって、さらに半導体モジュール１０の表面と冷却流体間の熱抵抗を低減させ、放熱性能を向上させることができる。なお、冷却流体の流れ方向最上流側（最前列）に設けられた半導体モジュール１０ｘにおいては、先端部１０ａに冷却流体が略層流の状態で衝突するため、その分だけ渦流による冷却効果、すなわち渦流による温度境界層の厚みの低減に伴う熱伝達係数の向上効果が下流側に配された他の半導体モジュール１０ｙ，１０ｚにおける効果よりも低いと想定される。しかし、最前列の半導体モジュール１０ｘには下流側の半導体モジュール１０ｙ，１０ｚよりも低温の冷却流体が衝突することになる。従って、半導体モジュール１０ｘにおいても半導体モジュール１０ｙ，１０ｚにおけるのと遜色のない冷却効果が得られる。
【００４０】
半導体モジュール１０の先端部１０ａを構成する傾斜面β１，β２の開き角度（以下、「くさび角θ」とも称す）の大きさは、適宜設定することが可能であるが、以下のようにして設定することにより最適な大きさとすることができる。
【００４１】
図３（ｃ）に示すように、半導体モジュール１０の幅（側面１０ｄ，１０ｅ間の厚み）をｄ、先端部１０ａを構成するくさびの長さをｌとしたとき、くさび角θとの間に下記数式（１）の関係が成立する。
θ＝２・ｔａｎ−１｛ｄ／（２・ｌ）｝  ・・・（１）
【００４２】
ここで、半導体モジュール１０の厚みｄを６〜１０ｍｍの範囲とし、放熱器２４，２６として熱伝導が良好なアルミ材を用いたとした場合、くさび形状に形成された先端部１０ａのフィン効率とくさび角θの関係をレイノルズ数（Ｒｅ）が１００（カルマン渦が発生し始めるとされる条件）、２３００（層流から乱流への遷移点），５０００（乱流時の使用限界）の３条件について検討すると、図４に示すグラフのようになる。
【００４３】
ここで、放熱性能向上の観点からすると、くさび角θを極力大きく設定することが望ましいが、くさび長さｌが大きくなるとフィン効率が著しく低下する。そのため、くさび角θは、フィン効率が０．８以上確保できるような大きさに設定することが望ましい。図４に示すグラフを参照すると、レイノルズ数が１００の場合は、くさび角θが１８度程度であることが望ましく、レイノルズ数が２３００の場合は、くさび角θが２５度程度であることが望ましい。また、レイノルズ数が５０００の場合は、くさび角θが３８度程度であることが望ましい。よって、半導体モジュール１０の厚みｄを６〜１０ｍｍとする場合は、くさび角θを１８〜３８度の範囲内に設定し、かつ所望の放熱量が得られるようにすることが望ましい。
【００４４】
上述した半導体モジュールユニット５０は、半導体モジュール１０を冷却流体の流れ方向に複数、一列に並べて配置したものであったが、本発明はこれに限定されるものではなく、図５に示すように複数列（図５では２列）に亘って半導体モジュール１０を設けた構成としてもよい。
【００４５】
≪第二実施形態≫
続いて、本発明の第二実施形態に係る半導体モジュール６０について説明する。なお、半導体モジュール６０は、上述した第一実施形態に係る半導体モジュール１０と大部分の構成が共通するため、共通部分には同一の符号を付し、詳細の説明については省略する。
【００４６】
図６（ａ），（ｂ）に示すように、半導体モジュール６０は、半導体モジュール１０と略同一の形状及び構造とされているが、側面１０ｄ，１０ｅに複数、ピン状のフィン６２を備えている点が相違する。前方（上流側）に配された半導体モジュール１０の後端部１０ｃの後方において発生した乱流渦は、先端部１０ａのくさび形状を構成している傾斜面β１，β２に接触した後、引き続き側面１０ｄ，１０ｅにおいてフィン６２が設けられた領域（以下、「乱流促進領域６４」とも称する）に至る。乱流促進領域６４では、冷却流体の流れがフィン６２に衝突し、乱流状態になる。
【００４７】
具体的には、乱流促進領域６４に至った冷却流体は、フィン６２に接触しながら側面１０ｄ，１０ｅの表面に沿って流れた後、後端部１０ｃ近傍において表面剥がれを生じ、カールしながら渦流を引き起こす。フィン６２への接触により発生した渦流は、下流側に設けられたフィン６２に接触しやすくなるため、側面１０ｄ，１０ｅの表面における温度境界層が薄くなり、フィン６２による表面積増加効果と相まって側面１０ｄ，１０ｅにおける放熱性能が向上する。従って、各フィン６２に対して渦流が相互に接触することによる放熱性の向上を図ることが可能となる。
【００４８】
また、上記第一実施形態の半導体モジュール１０と同様に、通電による発熱量の大きいパワー半導体素子１２（ＩＧＢＴ）が冷却流体の上流側に配され、発熱量の小さいパワー半導体素子１４が下流側に配されている。これにより、放熱性能が高いくさび状の先端部１０ａ付近に発熱量の大きいパワー半導体素子１２が配されることになり、半導体モジュール６０全体としての放熱性をさらに向上させることができる。
【００４９】
本実施形態では、半導体モジュール６０の側面１０ｄ，１０ｅにフィン６２を形成する構成を例示したが、フィン６２の代わりに波状フィンや、コルゲートフィン、スカイプフィンなどを採用し、表面積を拡大させることにより放熱性を向上させることも可能である。
【００５０】
≪第三実施形態≫
続いて、本発明の第三実施形態に係る半導体モジュール７０及び半導体モジュールユニット８０について説明する。なお、本実施形態の半導体モジュール７０や半導体モジュールユニット８０は、上述した半導体モジュール１０，６０や半導体モジュールユニット５０と大部分の構成が共通するため、共通部分には同一の符号を付し、詳細の説明については省略する。
【００５１】
図７（ａ）に示すように、半導体モジュールユニット８０は、半導体モジュールユニット５０を構成する半導体モジュール１０に代えて半導体モジュール７０を採用することにより底部１０ｂにおける放熱特性をさらに向上させたものである。具体的には、上記第一，第二実施形態の半導体モジュール１０，６０では、底部１０ｂを外側（下方）に向けて凸形状、具体的にはくさび形状となるように形成することにより、パワー半導体素子１２，１４から底部１０ｂの表面までの距離を短くし、熱抵抗を低減して放熱性能を向上させている。しかし、半導体モジュール１０，６０の底部１０ｂと冷却器５２の容器５４との間の隙間を流れる冷却流体が略層流状態になる傾向にあるため、この冷却流体の流れを確実に乱流化することにより、さらに放熱性能を向上させうるものと考えられる。
【００５２】
かかる知見に基づき、本実施形態の半導体モジュールユニット８０では、図７（ａ），（ｂ）に示すように、半導体モジュール７０の底部１０ｂにおいて後端部１０ｃ側の位置に、半導体モジュール７０と一体化され下方に向けて突出した円柱状の柱状体７２を設け、この柱状体７２を容器５４側に設けた開口７４に嵌入させて接続した構造としている。このような構造とした場合、柱状体７２に衝突した冷却流体の流れが渦流を形成し、冷却流体の流れが乱流化される。これにより、乱流化された冷却流体がさらに下流側に配置された他の半導体モジュール７０の先端部１０ａや底部１０ｂに接触することになり（図７（ｃ）参照）、放熱性能がより一層向上することになる。
【００５３】
上述した柱状体７２の大きさや形状はいかなるものであってもよいが、下流側に配された他の半導体モジュール７０との関係や、冷却流体の圧力損失を考慮した上で大きさや形状を規定することが望ましい。具体的には、上述した柱状体７２の直径を大きくすることによりダイナミックな乱流渦を生成できるが、乱流渦を後方（下流側）に配された半導体モジュール７０に対して接触させることを考慮すると、柱状体７２の直径は、代表的に半導体モジュールの厚み寸法（側面１０ｄ，１０ｅ間の長さ）以下であることが望ましい。また、底部１０ｂと容器５４との間を流れる冷却流体の流れを乱流化させる観点からすると、柱状体７２は先端部１０ａ側（上流側）や後端部１０ｃ側（下流側）等、いかなる位置に設けられていても良いが、冷却流体の圧力損失を回避させる観点からすると後端部１０ｃ近傍に設置することが好ましい。また、柱状体７２は、円柱状のものでなく、四角柱など断面形状が多角形の柱状体であっても良いが、冷却流体の圧力損失を最小限に抑制するとの観点からすると円柱であることが好ましい。
【００５４】
また、本実施形態では、半導体モジュール７０側に柱状体７２を設け、容器５４の底面に柱状体７２を嵌入可能な開口７４を設けた構成（図７（ａ）、図８（ａ）参照）を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図８（ｂ）に示すように容器５４側に半導体モジュール７０の底部１０ｂ側に向けて突出した柱状体７２を設け、半導体モジュール７０の底部１０ｂに開口７４を設けた構成とすることも可能である。また、半導体モジュール７０及び容器５４を、柱状体７２と開口７４の双方を備えた構成とし、半導体モジュール７０及び容器５４のうち一方に設けられた柱状体７２を他方側に設けられた開口７４に嵌入させる構成としてもよい。
【００５５】
≪第四実施形態≫
続いて、本発明の第四実施形態に係る半導体モジュールユニット９０について説明する。なお、本実施形態の半導体モジュールユニット９０において上記第一実施形態〜第三実施形態において説明したものと共通する部分には同一の符号を付し、詳細の説明については省略する。半導体モジュールユニット９０は、半導体モジュール１０が冷却流体の流れ方向に対して交差する方向（略直交方向）に複数列に亘って設けられている点において上記第一実施形態において半導体モジュールユニット５０の変形例として示したもの（図５参照）と構造が共通しているが、図９に示すように半導体モジュール１０が千鳥状に配置されている点で構造が相違している。
【００５６】
具体的には、図９（ａ），（ｂ）に示すように、冷却流体の流れ方向上流側に配置された半導体モジュール１０に対して斜め後方（下流側）において、冷却流体の流れ方向に対して交差する方向（以下、「幅方向」とも称す）にオフセットした位置に下流側の半導体モジュール１０が配置されている。そのため、図９（ａ），（ｂ）に示すように、上流側に配された半導体モジュール１０の側面１０ｄ，１０ｅに沿って延びる延長線Ｘ１，Ｘ２を想定した場合に、この延長線Ｘ１，Ｘ２が下流側において幅方向に並んだ２つの半導体モジュール１０，１０の先端部１０ａ，１０ａに挟まれた領域内を通る位置関係になる。従って、上流側の半導体モジュール１０の後端部１０ｃの後方において発生した渦流（カルマン渦）は、図９（ｂ）に示すように下流側に隣接する半導体モジュール１０，１０の先端部１０ａ，１０ａをなす傾斜面β１，β２に衝突し、下流側に向けて流れる。
【００５７】
本実施形態のように、半導体モジュール１０を千鳥状に配置することにより、上流側の半導体モジュール１０の後端部１０ｃの後方において発生した渦流（カルマン渦）がその配列を崩すことなく、渦流の幅を収束させながら下流側の半導体モジュール１０，１０間に導入される。また、半導体モジュール１０の後端部１０ｃの後方において発生する渦流は、側面１０ｄ側及び側面１０ｅ側の計２列に亘って形成され、互いに逆方向に回転するように千鳥状に形成されるため、各々下流側において近い位置に存在する半導体モジュール１０，１０の側面１０ｄ，１０ｅに接触しながら流通することになる。従って、本実施形態のような半導体モジュール１０の配列とすることにより、上流側の半導体モジュール１０の後端部１０ｃの後方において発生する渦流（カルマン渦）を、下流側の半導体モジュール１０，１０の冷却のために有効利用することができる。
【００５８】
本実施形態においては、半導体モジュールユニット９０において半導体モジュール１０を採用した構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体モジュール６０のように側面１０ｄ，１０ｅにフィン６２等のフィンを備えたものであってもよい（図１０参照）。このように、側面１０ｄ，１０ｅにフィン６２を設けた場合であっても、半導体モジュール６０の後端部１０ｃの後方において発生する渦流、及びフィン６２によって形成される渦流は、互いに干渉し合うことなく形成され、半導体モジュール６０の冷却に対して効果的に作用する。
【００５９】
さらに詳細に説明すると、フィン６２を備えた半導体モジュール６０を採用した場合は、図１１（ａ）や図１１（ｂ）に示すように、半導体モジュール６０の後端部１０ｃの後方だけでなく、フィン６２の周りにおいても渦流が発生する。ここで、渦流（カルマン渦）の生成間隔をＬ、渦発生体の幅をｄ、ストロハル数をＳｔとした場合、下記数式（２）の関係が成立する。なお、フィン６２のように渦発生体が円柱形である場合のストロハル数は０．２である。
Ｌ＝ｄ／Ｓｔ・・・（２）
【００６０】
本実施形態では、半導体モジュール６０の後端部１０ｃ及びフィン６２が渦発生体として機能し、後端部１０ｃの幅ｄ１とフィン６２の直径ｄ２との間には、ｄ１≫ｄ２の関係が成立する。そのため、上流側に配置された半導体モジュール６０の後端部１０ｃの後方において発生する渦流の間隔Ｌ１と、フィン６２において発生する渦流の間隔Ｌ２との間にもＬ１≫Ｌ２の関係が成立する。すなわち、半導体モジュール６０の後端部１０ｃの後方においては、フィン６２において発生する渦流よりも格段に大きなスケールの渦流が発生する。また、半導体モジュール６０の側面１０ｄ，１０ｅにおいては、小さいスケールの渦流が多数形成される。
【００６１】
図１１（ａ）に示す状態において、半導体モジュール６０の後端部１０ｃの後方に発生する渦流（図１１（ａ）では図示せず省略）がｘ−ｙ面方向に形成される。これに対し、図１１（ｂ）に示すように、フィン６２によって形成される渦流はｘ−ｚ面方向に形成される。従って、後端部１０ｃの後方に発生する渦流、及びフィン６２によって形成される渦流は、それぞれ形成方向が交差（略直交）している。よって、半導体モジュール６０の後端部１０ｃの後方において発生する渦流、及びフィン６２によって形成される渦流は、互いに弱め合うという現象が生じない。
【００６２】
また、上述したように後端部１０ｃの後方においてｘ−ｙ面方向に形成される渦流と、フィン６２によってｘ−ｚ面方向に形成される渦流のスケールが大幅に相違する。すなわち、後端部１０ｃの後方において発生する巨視的な渦流に、フィン６２によって形成される小さな渦流が重畳しながら冷却流体の流れが形成されることになる。これにより、上流側の半導体モジュール６０の後端部１０ｃにおいて発生した渦流が、下流側において冷却流体の流れ方向に対して交差する方向に並ぶように配された半導体モジュール６０，６０の間を流れる場合であっても、圧力損失が殆ど生じず、冷却流体の流速が低下することなくスムーズに流れることになる。従って、側面１０ｄ，１０ｅにフィン６２を有する半導体モジュール６０を千鳥状に配置することにより、スケールの相違する渦流の相乗効果による放熱特性の向上が見込まれる。
【００６３】
第四実施形態において示した半導体モジュールユニット９０のように半導体モジュール１０等を千鳥状に配置した場合、冷却流体の流れ方向に対して交差（略直交）する方向に並ぶ半導体モジュール１０，１０同士の間隔（以下、「オフセット寸法Ｌｗ」とも称す）は、適宜設定することが可能であるが、オフセット寸法Ｌｗが半導体モジュール１０等の厚みＤ（側面１０ｄ，１０ｅの間隔）の１／２程度（Ｌｗ≒Ｄ／２）となるように設定することにより半導体モジュールユニット９０の冷却性能や容器５４内における半導体モジュール１０等の収納効率を最適化することが可能である（図１２参照）。
【００６４】
具体的に説明すると、カルマン渦は渦発生体として機能する後端部１０ｃの幅が投影される領域において千鳥状に発生する。オフセット寸法ＬｗがＤ／２よりも顕著に大きくなると、上流側に配された半導体モジュール１０等の後端部１０ｃにおいて生成されたカルマン渦が下流側に配された半導体モジュール１０等に十分接触しなくなり、放熱特性が低下する。これとは逆に、オフセット寸法ＬｗがＤ／２よりも小さい場合は、冷却流体の流れ方向に対して交差（略直交）する方向に並ぶ半導体モジュール１０，１０の側面１０ｄ，１０ｅに形成されたフィン６２，６２が相互に入れ子状態となる。これにより、フィン６２，６２間において冷却流体が乱流状態になる効果が得られる一方、半導体モジュール１０，１０間において冷却流体が流通可能な領域が小さくなり、冷却流体の圧力損失の増加や流量減少などの現象が生じ、冷却能力が低下する傾向が見られる。オフセット寸法ＬｗをＤ／２程度とした場合は、複数の半導体モジュール１０等によって冷却流体の流路がハニカム状に形成された状態となる。これにより、半導体モジュール１０等の収納効率の最適化され、冷却能力の高い半導体モジュールユニット９０を提供することが可能となる。
【００６５】
≪第五実施形態≫
続いて、第五実施形態に係る半導体モジュール１００及び半導体モジュールユニット１１０について図面を参照しつつ説明する。なお、上記第一実施形態〜第四実施形態において説明したものと共通する部分には同一の符号を付し、詳細の説明については省略する。図１３に示すように、半導体モジュール１００は、先端部１０ａのくさび形状が非対称とされている。具体的には、先端部１０ａの先端を通り側面１０ｄ，１０ｅと平行な仮想面αを想定し、先端部１０ａを構成する側面１０ｄ側の傾斜面をβ１、側面１０ｅ側の傾斜面をβ２、仮想面αと傾斜面β１，β２とがなす角をθ１，θ２とした場合に、角θ１と角θ２とが相違する。
【００６６】
図１３に示す例では、冷却器５２の容器５４内に半導体モジュール１００，１００（以下、「半導体モジュール１００ｘ，１００ｙ」とも称す）が流れ方向に対して交差（略直交）する方向に空間１０２を介して並べて配置されている。半導体モジュール１００ｘ，１００ｙは、冷却流体の流れ方向上流側に向かうにつれて空間１０２が先細り状となるように先端部１０ａ，１０ａが形成されている。具体的には、図１３中において空間１０２よりも上方側に配置された半導体モジュール１００ｘは、傾斜面β１が空間１０２側に向くように配置されており、下方側に配置された半導体モジュール１００ｙは、傾斜面β２が空間１０２側に向くように配置されている。半導体モジュール１００ｘの先端部１０ａはθ１＜θ２となるように形成されており、半導体モジュール１００ｙの先端部１０ａはθ１＞θ２となるように形成されている。このような構成とすることにより、冷却流体の流れが空間１０２だけでなく、半導体モジュール１００ｘ，１００ｙの外側、すなわち半導体モジュール１００ｘの側面１０ｅ側や半導体モジュール１００ｙの側面１０ｄ側にも流通しやすくなり、半導体モジュール１００ｘ，１００ｙを部位によらず略均一に冷却することが可能となる。
【００６７】
≪第六実施形態≫
続いて、第六実施形態に係る半導体モジュールユニット１２０について図面を参照しつつ説明する。なお、上記第一実施形態〜第五実施形態において説明したものと共通する部分には同一の符号を付し、詳細の説明については省略する。図１４は、上述した第四実施形態の半導体モジュールユニット９０のように半導体モジュール１０を千鳥状に配置してなる半導体モジュール群１２２を２群備えている。半導体モジュール群１２２，１２２の一方（発熱体モジュール群Ａ）を構成する半導体モジュール１０の底部１０ｂと、他方の半導体モジュール群１２２（発熱体モジュール群Ｂ）を構成する半導体モジュール１０の底部１０ｂとが突き合わせた状態になるように半導体モジュール群１２２，１２２が配置されている。このような構成とすることにより、冷却器５２の容器５４内における半導体モジュール１０の収納効率を向上させることが可能となる。また、半導体モジュール群１２２，１２２を構成する各半導体モジュール１０の底部１０ｂ間にラビリンス状の流路が形成され、この流路を冷却流体が流れることになるため、上流側に配置された発熱体モジュールの底部近傍を流れてきた冷却流体が下流側に配置された他の発熱体モジュールに対して効率的に当たり、さらに放熱効果を高めることができる。
【００６８】
上記第一実施形態〜第六実施形態は、本発明の一例を示したものに過ぎず、適宜設計変更等することが可能である。具体的には、半導体モジュール１０等は、先端部１０ａや底部１０ｂが略「Ｖ」字型（くさび形）に屈曲した形状を有するものであったが、例えば略「Ｕ」字型等にすることが可能である。
【００６９】
上述した半導体モジュール１０等は、後端部１０ｃを鉛直面によって構成することにより渦流を発生させることが可能としていたが、下流側に向けて渦流を形成可能な形状であればいかなる形状であってもよい。また、後端部１０ｃにおいて形成される渦流は、カルマン渦であることが望ましいが、他の形態の渦流であってもよい。
【００７０】
また、上記第一実施形態〜第六実施形態において示した半導体モジュール１０等は、いずれも２つのパワー半導体素子１２，１４（ＩＧＢＴ，ＦＷＤ）を組み込んだものであったが、いずれか一方のみを備えたものや、ＩＧＢＴ及びＦＷＤを１チップ化したパワー半導体素子を組み込んだもの、さらに多数の半導体素子などを組み込んだもの等とすることが可能である。このような構成とする場合についても、後端部１０ｃ側よりも先端部１０ａ側の方が通電による発熱量が大きくなるようにパワー半導体素子等を配置することが好ましい。具体的には、パワー半導体素子１２，１４のいずれか一方のみを組み込んだ場合や、前述したような１チップ化したパワー半導体素子を組み込む場合は、中央よりも先端部１０ａ側に半導体素子等を偏在させることが好ましい。また、多数の半導体素子等を組み込む場合は、発熱量の大きな半導体素子等を先端部１０ａ側に偏在させる構成や、後端部１０ｃ側よりも先端部１０ａ側に多くの半導体素子を組み込んだ構成とすることが好ましい。このような構成とすることにより、先端部１０ａにおける高い放熱性能を有効利用することが可能となる。
【００７１】
上記各実施形態では、パワー半導体素子１２，１４としてＩＧＢＴやＦＷＤを使用したものを例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、電解効果トランジスタ（Field Effect Transistor：ＦＥＴ）等であってもよい。また、冷却流体としては、水やエチレングリコール系の不凍液を混入した水等の液体の他、空気などの気体を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１０，６０，７０，１００  半導体モジュール（発熱体モジュール）
１０ａ  先端部
１０ｂ  底部
１０ｃ  後端部
１２，１４  パワー半導体素子（発熱体）
５０，８０，９０，１１０，１２０  半導体モジュールユニット（発熱体モジュールユニット）
１２２  半導体モジュール群
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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