(57)【要約】【課題】半導体素子の冷却装置の流路抵抗を低減する。【解決手段】半導体素子の冷却装置の冷媒流路を接続する折り返し形の接続装置２０であって、冷媒入口管２１と、冷媒入口管２１と略同じ方向に向かって略平行に延びる冷媒出口管２２と、冷媒入口管２１と冷媒出口管２２とが接続され、冷媒入口管２１と冷媒出口管２２の延びる方向と反対方向に凸となるように湾曲する曲がり管２３と、を備え、曲がり管２３の少なくとも一部は、背側壁３１と腹側壁３２との間の間隔Ｄが背側壁３１または腹側壁３２に隣接する両側壁３３，３４の間隔Ｂよりも狭い扁平形状である。【選択図】図２
2012054444.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子の冷却装置の冷媒流路を接続する折り返し形の接続装置であって、
冷媒入口部と、
前記冷媒入口部と略同じ方向に向かって略平行に延びる冷媒出口部と、
前記冷媒入口部と前記冷媒出口部とが接続され、前記冷媒入口部と前記冷媒出口部の延びる方向と反対方向に凸となるように湾曲する曲がり管と、を備え、
前記曲がり管の少なくとも一部は、背側壁と腹側壁との間の間隔が背側壁または腹側壁に隣接する両側壁の間隔よりも狭い扁平形状であること、
を特徴とする接続装置。
【請求項２】
請求項１に記載の接続装置であって、
前記曲がり管の前記冷媒入口部又は前記冷媒出口部が接続される端部側の背側壁と腹側壁との間の間隔は、前記曲がり管の中央部の背側壁と腹側壁との間の間隔よりも長いこと、
を特徴とする接続装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の接続装置であって、
前記曲がり管は、扁平形状の前記中央部と、
前記中央部から前記冷媒入口部の設けられている入口側端部に向かって扁平度が小さくなる入口接続部と、前記中央部から前記冷媒出口部が設けられている出口側端部に向かって扁平度が小さくなる出口接続部とを有すること、
を特徴とする接続装置。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の接続装置であって、
前記曲がり管は、その流路断面積が前記入口冷媒部の流路断面積及び前記出口冷媒部の流路断面積よりも大きいこと、
を特徴とする接続装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体冷却装置の冷媒流路を接続する接続装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電気自動車やハイブリッド車両のような電動車両が多く用いられるようになって来ている。このような電動車両では、駆動用のモータへの電流を制御するパワーモジュールが用いられている。パワーモジュールはＩＧＢＴやスイッチングトランジスタのような発熱するスイッチチング素子を用いているので、スイッチング素子の温度を所定の温度以下となるように冷却する冷却装置が取り付けられている。
【０００３】
パワーモジュールの一例をあげると、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）板や純アルミニウム板の積層体からなる絶縁基板の一側面にＩＧＢＴやスイッチングトランジスタのような半導体素子がはんだ付けされ、絶縁基板の他側面には絶縁基板を介して半導体素子からの熱を放熱するための冷却装置がはんだ付けもしくは接着剤にて接合されている。この冷却器は冷水等の冷媒を還流させる機能を備えたものである。そして、これらがプラスチック等の樹脂素材のハウジング内に収容され、封止樹脂にてポッティングされてパワーモジュールが形成されている。
【０００４】
近年は、半導体素子によって大電力をスイッチングするので半導体素子からの発熱量が多くなることから、半導体素子を両面から冷却する両面冷却式の冷却装置が用いられることが多い。この冷却装置は、半導体素子の下側の面を冷却する第１の冷却器と半導体素子の上側の面を冷却する第２の冷却器の２つの冷却器とを備え、第１、第２の冷却器は接続パイプで接続され、ラジェータで冷却された冷媒は、第１の冷却器に流入して半導体素子の下側の面を冷却した後、接続パイプによって第２の冷却器に流れて半導体素子の上側の面を冷却するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１に記載されているように、この第１、第２の冷却器を接続する接続パイプは、円形の流路断面の単純な１８０度エルボが用いられている場合が多い。また、半導体素子を冷却する冷却器は厚さが薄いものが多く、冷媒を冷却器に流入させる部分に流路を直角方向に変更する９０度エルボが用いられることもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１６４１５６号公報
【特許文献２】特開２００３−２３２４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一方、電動車両、ハイブリッド車両では、効率の改善が求められている。半導体素子の冷却に必要な動力を低減することも効率の改善につながる。しかし、半導体素子を上下二面から冷却する半導体冷却装置では冷媒の流れる流路の距離が長くなると共に、上記の第１の流路から第２の流路に向かって冷媒の流れを折り返すので流路抵抗が増加し、半導体素子の冷却に必要な動力が大きくなり、全体の効率が低下してしまう。
【０００８】
本発明は、半導体素子の冷却装置の流路抵抗を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の接続装置は、半導体素子の冷却装置の冷媒流路を接続する折り返し形の接続装置であって、冷媒入口部と、前記冷媒入口部と略同じ方向に向かって略平行に延びる冷媒出口部と、前記冷媒入口部と前記冷媒出口部とが接続され、前記冷媒入口部と前記冷媒出口部の延びる方向と反対方向に凸となるように湾曲する曲がり管と、を備え、前記曲がり管の少なくとも一部は、背側壁と腹側壁との間の間隔が背側壁または腹側壁に隣接する両側壁の間隔よりも狭い扁平形状であること、を特徴とする。
【００１０】
本発明の接続装置において、前記曲がり管の前記冷媒入口部又は前記冷媒出口部が接続される端部側の背側壁と腹側壁との間の間隔は、前記曲がり管の中央部の背側壁と腹側壁との間の間隔よりも長いこと、としても好適であるし、前記曲がり管は、扁平形状の前記中央部と、前記中央部から前記冷媒入口部が設けられている入口側端部に向かって扁平度が小さくなる入口接続部と、前記中央部から前記冷媒出口部が設けられている出口側端部に向かって扁平度が小さくなる出口接続部とを有すること、としても好適である。
【００１１】
本発明の接続装置において、前記曲がり管は、その流路断面積が前記入口冷媒部の流路断面積及び前記出口冷媒部の流路断面積よりも大きいこと、としても好適である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、半導体素子の冷却装置の流路抵抗を低減することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態の接続装置を備えるパワーモジュールの構成を示す説明図である。
【図２】本発明の実施形態における接続装置の斜視図である。
【図３】本発明の実施形態における接続装置の断面図である。
【図４】本発明の実施形態における接続装置の入口部分の拡大断面図である。
【図５】本発明の他の実施形態における接続装置の入口部分の拡大断面図である。
【図６】本発明の他の実施形態における接続装置の入口部分の拡大断面図である。
【図７】本発明の他の実施形態における接続装置の入口部分の拡大断面図である。
【図８】本発明の他の実施形態における接続装置の４面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。本発明の接続装置について説明する前に、本発明の接続装置が取り付けられているパワーモジュールについて説明する。図１に示すように、パワーモジュール１００は、ＩＧＢＴ等の半導体素子１５が取り付けられているハウジング１０と、ハウジング１０の下面に取り付けられている第１の冷却器１２と、ハウジング１０の上部に設けられた第２の冷却器１３と、第１の冷却器１２と第２の冷却器１３とを接続する接続装置２０を含んでいる。第１の冷却器１２と第２の冷却器１３と接続装置２０とは半導体素子１５の冷却装置１６を構成する。半導体素子１５はハウジング１０の底にとつりけられ、その上部に図示しない放熱板が取り付けられ、半導体素子１５と放熱板とはポッティング材によって密封されている。第１の冷却器１２はハウジング１０の底面の半導体素子１５の取り付けられている面と反対側の面に接するように取り付けられ、第２の冷却器１３は半導体素子１５上部の放熱板の上面近傍に取り付けられている。図１（ｂ）に示すように、第１の冷却器１２と第２の冷却器１３とはハウジング１０を挟んで略平行となるように配置され、図１（ａ）に示すように、第１の冷却器１２は左右一体であるが、第２の冷却器１３は半導体素子１５の配置に従って二列配置となっている。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように冷媒は第１の冷却器１２の冷媒入口１１ａから第１の冷却器１２に流入し、半導体素子１５の下面を冷却した後、第１の冷却器１２の冷媒出口１１ｂから接続装置２０の冷媒入口管２１に流入し、接続装置２０によって冷媒の流れの方向が折り返され、接続装置２０の冷媒出口管２２から第２の冷却器の冷媒入口１４ａに流入する。第２の冷却器１３を流れて半導体素子１５の上面を冷却した冷媒は、第２の冷却器１３の冷媒出口１４ｂから外部に流出する。
【００１６】
図１（ｃ）に示すように、接続装置２０は冷媒入口管２１から滑らかに幅が広がった後、冷媒出口管２２に向って滑らかに幅が狭まっていくものである。この形状の実施形態については、後に図８を参照して詳細に説明することとし、図２から図７を参照しながら、本発明の接続装置２０の基本的な形状について説明する。
【００１７】
図２に示す実施形態では、接続装置２０は、冷媒入口部である円筒形状の冷媒入口管２１と、冷媒出口部である冷媒出口管２２と、曲がり管２３とを備えている。円筒形状の冷媒入口管２１と冷媒出口管２２とは略同じ方向に向かって略平行に延びている。曲がり管２３は、冷媒入口管２１が接続されている矩形断面の入口端２４から冷媒出口管２２が接続されている出口端２６に向って、冷媒入口管２１と冷媒出口管２２の延びる方向と反対方向に凸となるように湾曲している。曲がり管２３の中央部２５は、凸面側の背側壁３１と凹面側の腹側壁３２との間の間隔Ｄが背側壁３１または腹側壁３２に隣接する両側壁３３，３４の間隔Ｂよりも狭い扁平形状となっている。曲がり管２３の幅Ｂは入口端２４から出口端２６まで一定の幅となっている。
【００１８】
また、曲がり管２３の入口端２４の高さＣ1あるいは曲がり管２３の出口端２６の高さＣ2は曲がり管２３の中央部２５の凸面側の背側壁３１と凹面側の腹側壁３２との間の間隔Ｄよりも長くなっている。このため曲がり管２３では、入口端２４から中央部２５に向って流路幅が幅Ｂで同一で、流路高さがしだいに小さくなり、逆に中央部２５から出口端２６に向って流路高さがしだいに高くなってくる形状となっている。また、図３のＸ部分を拡大した図４に示すように、本実施形態では、冷媒入口管２１は直径Ａ1の円筒形で曲がり管２３の入口端２４の幅Ｂよりも狭く、冷媒出口管２２は直径Ａ2の円筒形で曲がり管２３の出口端２６の幅Ｂよりも狭くなっている。また、図２に示すように、入口端２４から中央部２５に向ってはＲ部分によって接続され、出口端２６と中央部２５との間も同様にＲで接続されている。
【００１９】
以上のように構成された接続装置２０に冷媒が流入した際の接続装置２０内の冷媒の流れについて説明する。図２、図３の矢印Ｌ1，Ｌ2は流線を示す。図２に示すように、冷媒入口管２１から流入した冷媒は、入口端２４から曲がり管２３の内部に入ったところで左右に分かれ、矢印Ｌ1，Ｌ2に示すように左右の各側壁３３，３４に沿って流れていく。そして、図３に示すように、流れが中央部２５に向うにつれて、流れは背側壁３１に沿って流れる。図２に示すように中央部２５から出口端２６に向うにつれて流れは幅方向の中心に向って集まる方向に向かって流れ、冷媒は冷媒出口管２２から外部に流出する。図２に示す中央の領域Ｇの部分はあまり冷媒が流れず、冷媒は冷媒入口管２１から冷媒出口管２２に向って曲がり管２３の壁面側を沿うように流れていく。このため、冷媒は冷媒入口管２１から冷媒出口管２２に向って直線的に曲がり管２３の背側壁３１に沿って流れるよりも大きなカーブを描いて流れることになることから、圧力損失が低減されるという効果を奏する。また、曲がり管２３は流れが背側壁３１に寄る中央部２５での流路が扁平形状となっているので、背側壁３１に沿って流れる冷媒の流速が単純な円筒形のエルボの中の冷媒の流速よりも遅くなり、冷媒の圧力損失を低く抑えることができる。
【００２０】
図５から図６を参照して本発明の他の実施形態について説明する。図５は、冷媒入口管２１から曲がり管２３への入口の部分をＲに変えて角度θをつけるようにしたものである。このように流れ方向に向って角度をつけることによって流れの方向を容易に変更することができ、例えば、特許文献２に記載された従来技術のように流れの方向を直角方向に変更する場合に比較して圧力損失をより低く抑えることができるという効果を奏する。
【００２１】
図２から図４を参照して説明した実施形態では、冷媒入口部、冷媒出口部はそれぞれ入口端２４、出口端２６に接続された円筒形状の冷媒入口管２１、冷媒出口管２２として説明したが、図６、図７に示すように、入口端２４に直接入口フランジ２１ａを接続して入口フランジ２１ａの穴２１ｂを冷媒入口部としてもよい。また、出口端２６も同様の構造としてもよい。この場合、図６に示すように、入口フランジ２１ａから曲がり管２３に向ってはＲによって接続するようにしてもよいし、図７に示すように入口フランジ２１ａの面と曲がり管２３との間に角度θを持たせる様に構成してもよい。
【００２２】
次に図８を参照して本発明の他の実施形態の接続装置２０について説明する。先に図２から図７を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図８（ａ）は本発明の接続装置２０を冷媒入口管２１側から見た正面図であり、図８（ｂ）はその側面図であり、図８（ｃ）はその上面図であり、図８（ｄ）はその下面図である。図８（ａ）、図８（ｂ）に示すように、本実施形態の接続装置２０は、円筒形の冷媒入口管２１と出口フランジ２２ａの穴２２ｂとの間を曲がり管２３で接続したものである。曲がり管２３は、入口端２４から出口端２６に向って冷媒入口管２１と出口フランジ２２ａの穴２２ｂの延びる方向と反対方向に凸となるように湾曲している。また、曲がり管２３は直径Ａ1の冷媒入口管２１に接続された直径Ａ1の入口端２４から幅Ｂの中央部２５にかけて滑らかに幅が広がり、中央部２５から穴２２ｂの直径Ａ2の出口端２６に向って幅が滑らかに縮小されている。この入口端２４から中央部２５にかけての部分は入口接続部４１であり、中央部２５から出口端２６にかけての部分は出口接続部４２である。また、曲がり管２３の中央部２５は、凸面側の背側壁３１と凹面側の腹側壁３２との間の間隔Ｄが背側壁３１または腹側壁３２に隣接する両側壁３３，３４の間隔Ｂよりも狭い扁平形状となっており、曲がり管２３の入口端２４の高さＣ1は曲がり管２３の中央部２５の凸面側の背側壁３１と凹面側の腹側壁３２との間の間隔Ｄよりも長くなっている。
【００２３】
本実施形態は、図２から図７を参照して説明した実施形態と同様、冷媒の圧力損失を低減することができるという効果を奏する。
【符号の説明】
【００２４】
１０  ハウジング、１１ａ，１４ａ  冷媒入口、１１ｂ，１４ｂ  冷媒出口、１２  第１の冷却器、１３  第２の冷却器、１５  半導体素子、１６  冷却装置、２０  接続装置、２１  冷媒入口管、２１ａ  入口フランジ、２１ｂ  穴、２２  冷媒出口管、２２ａ  出口フランジ、２２ｂ  穴、２３  曲がり管、２４  入口端、２５  中央部、２６  出口端、３１  背側壁、３２  腹側壁、３３，３４  側壁、４１  入口接続部、４２  出口接続部、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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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