(57)【要約】【課題】導入パイプ及び導出パイプを下壁に取り付けた場合でも、全ての半導体モジュールを冷却できる冷却器を提供する。【解決手段】ケース２の下壁２０に導入パイプ４と導出パイプ５とが設けられている。ケース２の前面には、半導体モジュール３が取り付けられている。ケース２は、ケース２内の空間を前方空間Ｓ１と後方空間Ｓ２とに区画する隔壁６を有する。また、ケース２は第１仕切板１１と第２仕切板１２とを備える。第１仕切板１１と第２仕切板１２によって、後方空間Ｓ２を第１部分Ｓ２１と、第２部分Ｓ２２と、第３部分Ｓ２３とに区画している。隔壁６は、第１部分Ｓ２１に貫通形成した導入側貫通孔６１と、第２部分Ｓ２２に形成した導出側貫通孔６２とを備える。第２部分Ｓ２２と第３部分Ｓ２３との間には、上壁２１に沿った連通部７が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を内蔵した半導体モジュールを冷却するための冷却器であって、
下壁と、該下壁よりも上方に位置する上壁と、上記下壁と上記上壁とを繋ぐ左右一対の側壁とを備え、内部に冷媒が流れるケースと、
該ケースの上記下壁に取り付けられ、上記ケース内に上記冷媒を導入する導入パイプと、該ケースから上記冷媒が導出する導出パイプとを備え、
上記半導体モジュールは、上記ケースの前面に配置されており、
上記ケース内には、上記下壁と上記上壁とを繋ぐ隔壁が設けられ、該隔壁によって、上記ケース内の空間は、上記半導体モジュール側に位置する前方空間と、該隔壁に関して上記前方空間の反対側に位置する後方空間とに区画され、
上記後方空間内には、上記下壁から少なくとも上記上壁の近傍まで延びる第１仕切板および第２仕切板が設けられ、
上記後方空間は、上記第１仕切板および上記第２仕切板によって、第１部分と、第２部分と、第３部分とに仕切られており、上記第１部分は上記第２部分および上記第３部分に対して独立しており、上記第１部分には上記導入パイプが開口し、上記第３部分には上記導出パイプが開口し、上記第２部分と上記第３部分とは、上記上壁に沿った連通部によって連通しており、
上記隔壁は、上記第１部分において貫通形成された導入側貫通孔と、上記第２部分において貫通形成された導出側貫通孔とを有し、
上記冷媒は、上記導入パイプを通って上記第１部分に導入され、上記導入側貫通孔を通って上記前方空間に移り、該前方空間において上記半導体モジュールを冷却した後、上記導出側貫通孔を通って上記第２部分に移動し、さらに上記連通部を通って上記第３部分に移り、上記導出パイプから導出されるよう構成されていることを特徴とする冷却器。
【請求項２】
請求項１において、上記第３部分は、上記第１部分と上記第２部分との間に介在していることを特徴とする冷却器。
【請求項３】
請求項２において、上下方向に垂直な平面における上記第１部分の断面積が、上記下壁から上記上壁に向かうほど次第に小さくなるよう、上記第１仕切板は上記上下方向に対して斜めに配置されていることを特徴とする冷却器。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記ケースの上記前面において、複数個の半導体モジュールが上下方向に配置されていることを特徴とする冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールを冷却するための冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子を内蔵した半導体モジュールを冷却するための部品として、図１１、図１２に示すごとく、ケース９２と、冷媒９１０を下方からケース９２に導入する導入パイプ９４と、冷媒９１０を上方から導出する導出パイプ９５とを備えた冷却器９１が従来から知られている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
ケース９２は、下壁９２０と、該下壁９２０よりも上方に配置された上壁９２１と、下壁９２０と上壁９２１とを繋ぐ左右一対の側壁９２２とを備える。
【０００４】
半導体モジュール９３は、ケース９２の前方に取り付けられている。また、ケース９２内には隔壁９６が設けられている。この隔壁９６によって、ケース９２内の空間を、半導体モジュール９３側に位置する前方空間Ｓ９１と、該前方空間Ｓ９１よりも後方に位置する後方空間Ｓ９２とに区画している。また、後方空間Ｓ９２には、下壁９２０と上壁９２１とを繋ぐ仕切板９１１が設けられている。この仕切板９１１によって、後方空間Ｓ９２は、導入パイプ９４が開口する第１部分Ｓ９２１と、導出パイプ９５が開口する第２部分Ｓ９２２とに仕切られている。
【０００５】
また、隔壁９６は、第１部分Ｓ９２１において貫通形成された導入側貫通孔９６１と、第２部分Ｓ９２２において貫通形成された導出側貫通孔９６２とを備える。冷媒９１０を導入パイプ９４から導入すると、冷媒９１０は第１部分Ｓ９２１に入り、導入側貫通孔９６１を通って前方空間Ｓ９１に移動し、前方空間Ｓ９１において半導体モジュール９３を冷却した後、導出側貫通孔９６２を通って第２部分Ｓ９２２に移る。その後、冷媒９１０は導出パイプ９５から導出される。
【０００６】
図１３、図１４に示すごとく、導出パイプ９５は上壁９２１に形成されているため、冷媒９１０を導入すると、ケース９２内の空気が導出パイプ９５から抜ける。そのため、ケース９２内の空間には空気が溜まることがなく、該空間を冷媒９１０で充填することができる。したがって、ケース９２に取り付けられた全ての半導体モジュール９３を、冷媒９１０で冷却することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００６−１５６６２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
近年、冷却器９１の周辺に存在する他の機器との関係から、導出パイプ９５をも下壁９２０に取り付けたいという要求がある。しかしながら従来の冷却器９１は、図１５に示すごとく、導出パイプ９５を下壁９２０に設けると、冷媒９１０を導入した場合、ケース９２内の空気が抜けにくくなり、ケース９２内を冷媒９１０で充填しにくくなるという問題があった。そのため、高い位置に取り付けた半導体モジュール９３ａ，９３ｂ（図１２参照）を冷却しにくいという問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、導入パイプ及び導出パイプを下壁に取り付けた場合でも、全ての半導体モジュールを冷却できる冷却器を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、半導体素子を内蔵した半導体モジュールを冷却するための冷却器であって、
下壁と、該下壁よりも上方に位置する上壁と、上記下壁と上記上壁とを繋ぐ左右一対の側壁とを備え、内部に冷媒が流れるケースと、
該ケースの上記下壁に取り付けられ、上記ケース内に上記冷媒を導入する導入パイプと、該ケースから上記冷媒が導出する導出パイプとを備え、
上記半導体モジュールは、上記ケースの前面に配置されており、
上記ケース内には、上記下壁と上記上壁とを繋ぐ隔壁が設けられ、該隔壁によって、上記ケース内の空間は、上記半導体モジュール側に位置する前方空間と、該隔壁に関して上記前方空間の反対側に位置する後方空間とに区画され、
上記後方空間内には、上記下壁から少なくとも上記上壁の近傍まで延びる第１仕切板および第２仕切板が設けられ、
上記後方空間は、上記第１仕切板および上記第２仕切板によって、第１部分と、第２部分と、第３部分とに仕切られており、上記第１部分は上記第２部分および上記第３部分に対して独立しており、上記第１部分には上記導入パイプが開口し、上記第３部分には上記導出パイプが開口し、上記第２部分と上記第３部分とは、上記上壁に沿った連通部によって連通しており、
上記隔壁は、上記第１部分において貫通形成された導入側貫通孔と、上記第２部分において貫通形成された導出側貫通孔とを有し、
上記冷媒は、上記導入パイプを通って上記第１部分に導入され、上記導入側貫通孔を通って上記前方空間に移り、該前方空間において上記半導体モジュールを冷却した後、上記導出側貫通孔を通って上記第２部分に移動し、さらに上記連通部を通って上記第３部分に移り、上記導出パイプから導出されるよう構成されていることを特徴とする冷却器にある（請求項１）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の作用効果について説明する。空気で満たされた上記冷却器に最初に冷媒を充填させた場合、導入パイプから導入した冷媒は第１部分に入り、導入側貫通孔を通って前方空間に移動した後、導出側貫通孔を通って第２部分へ移る。そして冷媒は、一旦、第２部分を満たした後、上記連通部を通って第３部分に移り、その後、導出パイプから導出される。それゆえ、少なくとも上記連通部を形成した高さまで、冷媒を第２部分に溜めることができる。そのため、第２部分において、冷媒の液位を高くすることができる。これに伴い、前方空間を含めたケース内部における冷媒の液位を高くすることができ、高い位置に取り付けられた半導体モジュールをも充分に冷却することが可能になる。
【００１２】
以上のごとく、本発明によれば、導入パイプ及び導出パイプを下壁に取り付けた場合でも、全ての半導体モジュールを冷却できる冷却器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例１における、冷却器の斜視図。
【図２】実施例１における、冷却器の断面図であって、図３のＣ−Ｃ断面図。
【図３】図２のＡ−Ａ断面図。
【図４】図２のＢ−Ｂ断面図。
【図５】実施例１における、半導体モジュールの断面図。
【図６】実施例１における、冷却器に冷媒を導入した状態の説明図。
【図７】図６に続く図。
【図８】図７に続く図。
【図９】実施例１における、第２部分を中央に配置した冷却器の断面図。
【図１０】実施例１における、第１部分を中央に配置した冷却器の断面図。
【図１１】従来例における、冷却器の断面図であって、図１２のＥ−Ｅ断面図。
【図１２】図１１のＤ−Ｄ断面図。
【図１３】図１１の冷却器に冷媒を導入した状態の説明図。
【図１４】図１３に続く図。
【図１５】従来例において、仮に導出パイプを下壁に設けた場合の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記第３部分は、上記第１部分と上記第２部分との間に介在していることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、ケースの両端に第１部分と第２部分とが設けられているため、導入側貫通孔から導出側貫通孔までの距離を長くすることができる。そのため、前方空間を流れる冷媒の左右方向の距離を長くすることができ、半導体モジュールを冷却する面積を広くすることが可能になる。
【００１５】
また、上下方向に垂直な平面における上記第１部分の断面積が、上記下壁から上記上壁に向かうほど次第に小さくなるよう、上記第１仕切板は上記上下方向に対して斜めに配置されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、冷媒による充填が完了した後、半導体モジュール冷却の用に供されるとき、前方空間における冷媒の流速の、高さ位置におけるばらつきを抑制することができる。すなわち、導入パイプから冷媒をケース内に導入すると、ケースの低い位置から順に導入側貫通孔を通して前方空間へ送られることになる。そのため、仮に、第１隔壁を上下方向に平行に設けたとすると、低い位置に設けた導入側貫通孔は冷媒の流速が速くなり、高い位置に設けた導入側貫通孔は冷媒の流速が遅くなってしまう。そのため、前方空間における冷媒の流速が、低い位置では早く、高い位置では遅くなり、半導体モジュールを均一に冷却できなくなるという問題が生じやすい。
しかしながら、上述のように第１仕切板を斜めに設けると、高い位置に向かうほど、水平方向における第１部分の断面積が小さくなるため、前方空間における冷媒の流速を、低い位置と高い位置とで均等にすることが可能になる。これにより、半導体モジュールを均等に冷却しやすくなる。
【００１６】
また、上記ケースの上記前面において、複数個の半導体モジュールが上下方向に配置されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記複数個の半導体モジュールの冷却ばらつきを効果的に抑制できる。すなわち、上記冷却器においては、ケース内の高い部分にも冷媒を供給できるため、上下に取り付けた複数の半導体モジュールのうち、低い位置に取り付けた半導体モジュールだけでなく、高い位置に取り付けた半導体モジュールをも冷却することができる。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
本発明の実施例にかかる冷却器につき、図１〜図８を用いて説明する。
図１〜図４に示すごとく、本例の冷却器１は、半導体素子３０を内蔵した半導体モジュール３を冷却するものである。冷却器１は、ケース２と、導入パイプ４と、導出パイプ５とを備える。
ケース２は、下壁２０と、該下壁２０よりも上方に位置する上壁２１と、下壁２０と上壁２１とを繋ぐ左右一対の側壁２２とを備え、内部に冷媒１０が流れている。
導入パイプ４と導出パイプ５は、ケース２の下壁２０に取り付けられている。導入パイプ４は、ケース２内に冷媒１０を導入するパイプである。導出パイプ５は、ケース２から冷媒１０を導出させるためのパイプである。
【００１８】
半導体モジュール３は、ケース２の前面に配置されている。図３に示すごとく、ケース２内には、下壁２０と上壁２１とを繋ぐ隔壁６が設けられ、該隔壁６によって、ケース２内の空間は、半導体モジュール３側に位置する前方空間Ｓ１と、隔壁６に関して前方空間Ｓ１の反対側に位置する後方空間Ｓ２とに区画されている。
【００１９】
図２に示すごとく、後方空間Ｓ２内には、下壁２０から少なくとも上壁２１の近傍まで延びる第１仕切板１１および第２仕切板１２が設けられている。
後方空間Ｓ２は、第１仕切板１１および第２仕切板１２によって、第１部分Ｓ２１と、第２部分Ｓ２２と、第３部分Ｓ２３とに仕切られている。第１部分Ｓ２１は第２部分Ｓ２２および第３部分Ｓ２３に対して独立している。すなわち、第１部分Ｓ２１は、後方空間Ｓ２において、第２部分Ｓ２２又は第３部分Ｓ２３のいずれとも連通していない。また、第１部分Ｓ２１には導入パイプ４が開口し、第３部分Ｓ２３には導出パイプ５が開口している。そして、第２部分Ｓ２２と第３部分Ｓ２３とは、上壁２１に沿った連通部７によって連通している。
【００２０】
図２に示すごとく、隔壁６は、第１部分Ｓ２１において貫通形成された導入側貫通孔６１と、第２部分Ｓ２２において貫通形成された導出側貫通孔６２とを有する。
冷媒１０は、導入パイプ４を通って第１部分Ｓ２１に導入され、導入側貫通孔６１を通って前方空間Ｓ１に移り、該前方空間Ｓ１において半導体モジュール３を冷却した後、導出側貫通孔６２を通って第２部分Ｓ２２に移動する。冷媒１０は、さらに連通部７を通って第３部分Ｓ２３に移り、導出パイプ５から導出されるよう構成されている。
以下、詳説する。
【００２１】
図２に示すごとく、第３部分Ｓ２３は、第１部分Ｓ２１と第２部分Ｓ２２との間に介在している。また、導入側貫通孔６１と導出側貫通孔６２は、それぞれ上下に細長い形状をしており、かつ複数個、隔壁６に形成されている。
【００２２】
また、図２に示すごとく、上下方向に垂直な平面における第１部分Ｓ２１の断面積が、下壁２０から上壁２１に向かうほど次第に小さくなるよう、第１仕切板１１は上下方向に対して斜めに配置されている。
さらに本例では、上下方向に垂直な平面における第２部分Ｓ２２の断面積が、下壁２０から上壁２１に向かうほど次第に大きくなるよう、第２仕切板１２は上下方向に対して斜めに配置されている。
【００２３】
図５に示すごとく、半導体モジュール３は、複数の半導体素子３０を合成樹脂３１で封止したものである。半導体素子３０には、ＩＧＢＴ素子等のスイッチング素子や、フリーホイールダイオード等が含まれる。また、半導体モジュール３は、半導体素子３０に電気的に接続した金属製の放熱板３２を備える。この放熱板３２には、放熱用のフィン３３が突出形成されている。
図１、図３に示すごとく、ケース２の前面には、複数個の半導体モジュール３（３ａ〜３ｃ）が上下方向に並べて配置されている。
【００２４】
図３に示すごとく、ケース２は、前方に開口した開口部８を備える。この開口部８を塞ぐように、半導体モジュール３が取り付けられている。また、隔壁６には、ケース２の前方に突出したリブ部６５が形成されている。このリブ部６５によって、ケース２の前方空間Ｓ１は３個の部分に区画されている。また、半導体モジュール３とケース２との間には冷媒１０が漏出することを防止するためのシール部材１３が介在している。
【００２５】
図６に示すごとく、導入パイプ４から冷媒１０を導入すると、冷媒１０は後方空間Ｓ２の第１部分Ｓ２１に入り、その後、複数個形成した導入側貫通孔６１ａ〜６１ｃのうち、一番低い位置に設けた導入側貫通孔６１ｃに導入される。そして、冷媒１０は前方空間Ｓ１を流れ、ここで一番低い位置に取り付けた半導体モジュール３ｃを冷却する。その後、冷媒１０は、複数個形成した導出側貫通孔６２ａ〜６２ｃのうち、一番低い位置に形成した導入側貫通孔６２ｃから導出し、第２部分Ｓ２２に溜まる。
【００２６】
さらに冷媒１０を導入すると、図７に示すごとく、冷媒１０の液位が上昇する。そして冷媒１０は、下から２番目の高さ位置に設けた導入側貫通孔６１ｂに導入され、前方空間Ｓ１を通って半導体モジュール３ｂを冷却する。その後、冷媒１０は下から２番目の高さ位置に設けた導出側貫通孔６２ｂから導出し、第２部分Ｓ２２に溜まる。
【００２７】
続けて冷媒１０を導入すると、図８に示すごとく、冷媒１０の液位が更に上昇する。そして冷媒１０は、最も高い位置に形成した導入側貫通孔６１ａに導入され、前方空間Ｓ１を通って半導体モジュール３ａを冷却する。その後、冷媒１０は、一番高い位置に設けた導出側貫通孔６２ａから導出し、第２部分Ｓ２２から溢れ出て、連通部７を通り第３部分Ｓ２３へ移る。そして、冷媒１０は導出パイプ５から導出される。
【００２８】
本例の作用効果について説明する。図６〜図８に示すごとく、空気で満たされた冷却器１に最初に冷媒１０を充填させた場合、導入パイプ４から導入した冷媒１０は第１部分Ｓ２１に入り、導入側貫通孔６１を通って前方空間Ｓ１に移動した後、導出側貫通孔６２を通って第２部分Ｓ２２へ移る。そして冷媒１０は、一旦、第２部分Ｓ２２を満たした後、連通部７を通って第３部分Ｓ２３に移り、その後、導出パイプ５から導出される。それゆえ、図８に示すごとく、少なくとも連通部７を形成した高さまで、冷媒１０を第２部分Ｓ２２に溜めることができる。そのため、第２部分Ｓ２２において、冷媒１０の液位を高くすることができる。これに伴い、前方空間Ｓ１を含めたケース内部における冷媒１０の液位を高くすることができ、高い位置に取り付けられた半導体モジュール３ａをも充分に冷却することが可能になる。
【００２９】
また、本例では図２に示すごとく、第３部分Ｓ２３は、第１部分Ｓ２１と第２部分Ｓ２２との間に介在している。
このようにすると、ケース２の両端に第１部分Ｓ２１と第２部分Ｓ２２とが設けられているため、導入側貫通孔６１から導出側貫通孔６２までの距離を長くすることができる。そのため、前方空間Ｓ１を流れる冷媒１０の左右方向の距離を長くすることができ、半導体モジュール３を冷却する面積を広くすることが可能になる。
【００３０】
また、本例では図２に示すごとく、上下方向に垂直な平面における第１部分Ｓ２１の断面積が、下壁２０から上壁２１に向かうほど次第に小さくなるよう、第１仕切板１１は上下方向に対して斜めに配置されている。
この場合には、冷媒による充填が完了した後、半導体モジュール冷却の用に供されるとき、前方空間Ｓ１における冷媒１０の流速の、高さ位置におけるばらつきを抑制することができる。すなわち、導入パイプ４から冷媒１０をケース２内に導入すると、図６〜図８に示すごとく、ケース２の低い位置から順に導入側貫通孔６１ａを通して前方空間Ｓ１へ送られることになる。そのため、仮に、第１隔壁１１を上下方向に平行に設けたとすると、低い位置に設けた導入側貫通孔６１ｃは冷媒１０の流速が速くなり、高い位置に設けた導入側貫通孔６１ａは冷媒１０の流速が遅くなってしまう。そのため、前方空間Ｓ１における冷媒１０の流速が、低い位置では早く、高い位置では遅くなり、半導体モジュール３を均一に冷却できなくなるという問題が生じやすい。
しかしながら、図８に示すごとく、第１仕切板１１を斜めに設けると、高い位置に向かうほど、水平方向における第１部分Ｓ２１の断面積が小さくなるため、前方空間Ｓ１における冷媒１０の流速を、低い位置と高い位置とで均等にすることが可能になる。これにより、半導体モジュール３を均等に冷却しやすくなる。
【００３１】
また、本例では図１、図３に示すごとく、ケース２の前面において、複数個の半導体モジュール３ａ〜３ｃが上下方向に配置されている。
この場合には、複数個の半導体モジュール３の冷却ばらつきを効果的に抑制できる。すなわち、図８に示すごとく、本例の冷却器１においては、ケース２内の高い部分にも冷媒１０を供給できるため、上下に取り付けた複数の半導体モジュール３ａ〜３ｃのうち、低い位置に取り付けた半導体モジュール３ｃだけでなく、高い位置に取り付けた半導体モジュール３ａ，３ｂをも冷却することができる。
【００３２】
なお、本発明は、ケース２の構造を適宜変更することができる。例えば、図９に示すごとく、第１部分Ｓ２１と第３部分Ｓ２３とをケース２の両端に設け、第２部分Ｓ２２を中央に設けてもよい。また、図１０に示すごとく、第１部分Ｓ２１を中央に設け、第２部分Ｓ２２と第３部分Ｓ２３とをケース２の両端に設けてもよい。
【００３３】
以上のごとく、本例によれば、導入パイプ及び導出パイプを下壁に取り付けた場合でも、全ての半導体モジュールを冷却できる冷却器を提供することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  冷却器
１０  冷媒
１１  第１仕切板
１２  第２仕切板
２  ケース
２０  下壁
２１  上壁
２２  側壁
３  半導体モジュール
４  導入パイプ
５  導出パイプ
６  隔壁
６１  導入側貫通孔
６２  導出側貫通孔
７  連通部
Ｓ１  前方空間
Ｓ２  後方空間
Ｓ２１  第１部分
Ｓ２２  第２部分
Ｓ２３  第３部分
【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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【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１５】
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