(57)【要約】【課題】複数の冷媒流路に冷却水を均一に流して、パワーモジュールを均一に冷却する。【解決手段】複数の放熱フィン１４，２４によって仕切られた、隣接する第１直進部１２と、第２直進部２２と、第１直進部１２の端部１４ｂと第２直進部２２の端部２４ｂを接続する曲がり部３２ａと、から構成された、冷媒流路１１，３９，２１を有する冷却部４０のうち、曲がり部３２ａの冷媒流路３９を、第１直進部１２に面する位置の断面積Ｓよりも、第２直進部２２に面する位置の断面積Ｓの方が小さくなるように形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、
内部に、複数の放熱フィンによって仕切られた、互いに隣接する第１直進部と第２直進部と、前記第１直進部と前記第２直進部の同じ側の端部同士を接続する曲がり部と、から構成された冷媒流路を有する冷却部と、
前記第１直進部と前記第２直進部の他方の端部とそれぞれ連通して、前記第１直進部への冷媒の供給および前記第２直進部からの冷媒の排出を行う冷媒給排部と、を有し、前記曲がり部の冷媒流路を、前記第１直進部に面する位置の断面積よりも、前記第２直進部に面する位置の断面積が小さくなるように形成することを特徴とする半導体冷却装置。
【請求項２】
前記曲がり部は、前記第１直進部に面する位置の前記第１直進部の延伸方向に沿う長さよりも、前記第２直進部に面する位置の前記第２直進部の延伸方向に沿う長さを短く形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
【請求項３】
前記曲がり部の断面積は、前記第１直進部に面する位置から前記第２直進部に面する位置に向かって徐々に小さくなるように形成することを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車のモータ制御等に用いられるスイッチング素子である半導体パワーデバイスを冷却する半導体冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＩＧＢＴやパワートランジスタ等の半導体パワーデバイス（半導体素子）は、スイッチング時に大電流が流れるため、多くの熱を発生する。そのため、使用時には半導体素子を冷却する必要があり、従来から熱交換機能を有する半導体冷却装置が用いられている。
【０００３】
このような半導体冷却装置として、複数の放熱フィンによって区切られて、直進部と曲がり部との組み合わせによって蛇行状に形成された冷却水の流路を有する熱交換器が知られている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１３５４７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載された熱交換器にあっては、曲り部の断面形状が一定に形成されており、直進部から流出した冷却水の流れをコントロールする格別の施策をとっていないため、直進部から流出した冷却水は、より直近の直進部に向かってＵターンする流れを形成する傾向があった。そのため、冷却水の流れが特定の流路に集中してしまい、半導体パワーデバイスを均一に冷却できなくなる虞があった。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、複数の流路に冷却水を均一に流すことによって、半導体パワーデバイスを均一に冷却することができる半導体冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明の半導体冷却装置は、発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、内部に、複数の放熱フィンによって仕切られた、互いに隣接する第１直進部と第２直進部と、前記第１直進部と前記第２直進部の同じ側の端部同士を接続する曲がり部と、から構成された冷媒流路を有する冷却部と、前記第１直進部と前記第２直進部の他方の端部とそれぞれ連通して、前記第１直進部への冷媒の供給および前記第２直進部からの冷媒の排出を行う冷媒給排部と、を有し、前記曲がり部の冷媒流路を、前記第１直進部に面する位置の断面積よりも、前記第２直進部に面する位置の断面積が小さくなるように形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る半導体冷却装置によれば、前記の構造としたため、複数の冷媒流路に冷却水を均一に流すことができる。したがって、半導体冷却装置に当接させた発熱型半導体を均一に冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態である実施例１に係る半導体冷却装置の構造を示す図である。
【図２】冷媒給排部側の第１直進部および第２直進部における放熱フィンの配置構造を示す図である。
【図３Ａ】半導体冷却装置の主要な構成要素を図１のＫ−Ｋ断面で表示した図である。
【図３Ｂ】半導体冷却装置の主要な構成要素を図１のＬ−Ｌ断面で表示した図である。
【図３Ｃ】半導体冷却装置の主要な構成要素を図１のＭ−Ｍ断面で表示した図である。
【図３Ｄ】半導体冷却装置の主要な構成要素を図１のＮ−Ｎ断面で表示した図である。
【図４】実施例１における曲り部側の第１直進部および第２直進部における冷媒の流れを示す図である。
【図５】実施例１の変形例における曲り部側の第１直進部および第２直進部における冷媒の流れを示す図である。
【図６】実施例１に本発明を適用しない場合の、曲り部側の第１直進部および第２直進部における冷媒の流れを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の半導体冷却装置の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態である半導体冷却装置１０ａの構造を示す縦断面図である。また、図２は、冷媒給排部側の第１直進部および第２直進部における放熱フィンの配置構造を示す図である。まず、図１を用いて、半導体冷却装置１０ａの全体構成について説明する。
［全体構成の説明］
【００１２】
半導体冷却装置１０ａは、図１に示すように、複数の放熱フィン１４が平行に配列された第１直進部１２と、複数の放熱フィン２４が平行に配列された第２直進部２２と、第１直進部１２と第２直進部２２とを、放熱フィン１４の端部１４ｂ側と放熱フィン２４の端部２４ｂ側とを接続する曲がり部３２ａと、から構成された冷却部４０と、第１直進部１２を構成する放熱フィン１４の他方の端部１４ａと連通して、第１直進部１２に冷媒を供給する冷媒給水部３４と、第２直進部２２を構成する放熱フィン２４の他方の端部２４ａと連通して、第２直進部２２からの冷媒の排出を行う冷媒排水部３８と、を有する。なお、冷媒給水部３４と冷媒排水部３８とを総称して冷媒給排部３５と呼ぶ。
【００１３】
なお、第１直進部１２と第２直進部２２とは、仕切りフィン１６によって仕切られている。この仕切りフィン１６は、冷媒給水部３４と冷媒排水部３８とを仕切る仕切り板５０に形成された溝部５２に嵌め込まれて、第１直進部１２と第２直進部２２を隔絶する。仕切りフィン１６に隣接している第１直進部１２側の冷媒流路１１ａと、第２直進部２２側の冷媒流路２１ａは、仕切り板５０の板厚分だけ、他の冷媒流路１１，２１よりも広く形成されている。
【００１４】
また、曲がり部３２ａは、第１直進部１２の端部１４ｂが面する冷媒流出部３６と、第２直進部２２の端部２４ｂが面する冷媒流入部３７ａとからなり、冷媒流入部３７ａの断面積は、冷媒流出部３６の断面積よりも小さくなるように形成されている。詳しくは後述する。
【００１５】
そして、冷媒給水部３４は、冷媒給水口４２と連通しており、冷媒排水部３８は、冷媒排水口４４と連通している。
［冷媒の流通経路の構成］
【００１６】
図１において、冷媒である冷却水は、冷媒給水口４２から矢印Ａの方向に給水されて、冷媒給水部３４を経て、隣接する放熱フィン１４の隙間に形成された複数の冷媒流路１１を直進する。複数の冷媒流路１１で構成された部位を、以下第１直進部１２と呼ぶ。そして、冷媒流出部３６に流出した後、冷媒流入部３７ａに向かって、曲がり部３２ａを構成している冷媒流路３９を進み、矢印Ｂに沿って、隣接する放熱フィン２４の隙間に形成された複数の冷媒流路２１に流入して、冷媒流路２１を直進する。複数の冷媒流路２１で構成された部位を、以下、第２直進部２２と呼ぶ。その後、冷媒排水部３８を経て冷媒排水口４４から矢印Ｃの方向に排水される。なお、排水された冷却水は、図示しない冷媒冷却装置で冷却されて、再び、冷媒給水口４２に給水される。
【００１７】
このようにして形成された複数の冷媒流路１１，複数の冷媒流路２１を流れる冷却水は、第１直進部１２、および第２直進部２２に当接して配置された、発熱型半導体が収容されたパワーモジュール１９（図３Ａ参照）を冷却する。
【００１８】
次に、図２を用いて、放熱フィン１４，２４の配置構造について説明する。放熱フィン１４，２４、および仕切りフィン１６は、いずれも同じ厚さｄを有している。そして、放熱フィン１４，２４は厚さｄと等しい間隔の隙間を有して配置されている。
【００１９】
なお、仕切りフィン１６は、仕切り板５０に形成された溝部５２に嵌め込まれている。したがって、仕切りフィン１６に面する、第１直進部１２（図１参照）と第２直進部２２（図１参照）の境界位置のみ、仕切りフィン１６と放熱フィン１４、および仕切りフィン１６と放熱フィン２４は、厚さｄの２倍の間隔（２ｄ）の隙間を有して配置されている。
［冷却部の詳細構造の説明］
【００２０】
以下、図３Ａから図３Ｄを用いて、半導体冷却装置１０ａの冷却部４０の詳細構造について説明する。
【００２１】
図３Ａ，図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄは、それぞれ、半導体冷却装置１０ａの主要な構成要素を、図１のＫ−Ｋ断面，Ｌ−Ｌ断面，Ｍ−Ｍ断面，Ｎ−Ｎ断面でそれぞれ表示した図である。
【００２２】
半導体冷却装置１０ａは図３Ａに示すように、冷媒流路形成部２６と本体容器部２８とから構成されている。冷媒流路形成部２６は、上蓋部１５と、前述した放熱フィン１４，放熱フィン２４，仕切りフィン１６と、が一体的に、例えば、押し出し成形によって形成される。
【００２３】
また、本体容器部２８には、前述した溝部５２が形成された仕切り板５０と、冷媒給水口４２と、冷媒排水口４４と、が形成されている。
【００２４】
上蓋部１５は、本体容器部２８に形成された凹状部２９に嵌め込まれて、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）によって本体容器部２８と一体的に接合される。このとき、放熱フィン１４，放熱フィン２４，仕切りフィン１６の先端は、本体容器部２８の内底面３１に当接して、密閉された冷媒流路が形成される。
【００２５】
なお、冷媒流路形成部２６と本体容器部２８は、摩擦撹拌接合が可能で、しかも熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウムや銅などによって形成されている。
【００２６】
なお、上蓋部１５の上面部１８には、前述した発熱型半導体が収容されたパワーモジュール１９が当接して配置される。このパワーモジュール１９は、冷却効果を高めるために、図３Ａには図示しない弾性部材によって、上方から半導体冷却装置１０ａに圧接されている。なお、パワーモジュール１９に収容される発熱型半導体としては、例えば、ＩＧＢＴ素子やパワートランジスタ素子に代表されるパワーデバイスが用いられる。
【００２７】
次に、図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄを用いて、曲がり部３２ａの構造について説明する。図３Ｂ，図３Ｃ，図３Ｄは、半導体冷却装置１０ａを、第１直進部１２（放熱フィン１４），仕切りフィン１６，第２直進部２２（放熱フィン２４）に沿う断面でそれぞれ切った断面図である。すなわち、図３Ｂは第１直進部１２の断面を示し、図３Ｃは第１直進部１２と第２直進部２２を隔絶している仕切りフィン１６の位置の断面を示し、図３Ｄは第２直進部２２の断面を示している。
【００２８】
図３Ｂに示すように、上蓋部１５は、本体容器部２８に形成された凹状部２９に嵌め込まれる。そして、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）によって、本体容器部２８と一体的に接合される。このとき、第１直進部１２の下流側には、放熱フィン１４と本体容器部２８との間に空間が形成される。この空間が、曲がり部３２ａ（冷媒流出部３６）である。この曲がり部３２ａの第１直進部１２の延伸方向に沿った長さＬはＬ＝Ｌ１であり、曲がり部３２ａの断面積Ｓは、図３Ｂに示すようにＳ＝Ｓ１であるとする。
【００２９】
図３Ｃは、半導体冷却装置１０ａを仕切りフィン１６に沿って切った断面を示している。図３Ｃに示すように、仕切りフィン１６は、仕切り板５０に形成された溝部５２に嵌め込まれて、第１直進部１２と第２直進部２２を隔絶する。また、仕切りフィン１６の下流側には、仕切りフィン１６と本体容器部２８との間に空間が形成される。この空間が、曲がり部３２ａ（冷媒流入部３７ａ）である。この曲がり部３２ａの仕切りフィン１６の延設方向に沿った長さＬはＬ＝Ｌ２であり、曲がり部３２ａの断面積Ｓは、図３Ｃに示すようにＳ＝Ｓ２であるとする。
【００３０】
さらに、図３Ｄは、半導体冷却装置１０ａを第２直進部２２に沿って切った断面を示している。このとき、第２直進部２２の上流側には、放熱フィン２４と本体容器部２８との間に空間が形成される。この空間が、曲がり部３２ａ（冷媒流入部３７ａ）である。この曲がり部３２ａの第２直進部２２の延伸方向に沿った長さＬはＬ＝Ｌ２であり、曲がり部３２ａの断面積Ｓは、図３Ｄに示すようにＳ＝Ｓ２であるとする。
【００３１】
そして、本実施例では、曲り部３２ａが、冷媒流出部３６の断面積よりも冷媒流入部３７ａの断面積の方が小さくなるように形成されている。すなわち、図３Ｂ〜図３Ｄにおいて、Ｓ１＞Ｓ２、また、Ｌ１＞Ｌ２となるように形成されている。
［実施例１の作用の説明］
【００３２】
次に、図４，図６を用いて、実施例１の作用を説明する。図４は、実施例１における曲り部３２ａ側の第１直進部１２および第２直進部２２における冷媒の流れを示す図である。図６は、本発明を適用しない場合の、曲り部３２ｃ側の第１直進部１２および第２直進部２２における冷媒の流れを示す図である。
【００３３】
まず、図６を用いて、本発明を適用しない場合の冷却水の流れについて説明する本発明を適用していない半導体冷却装置１０ｃは、図６に示すように、曲がり部３２ｃの断面積が、場所によらずに一定になるように形成されている。このとき、複数の冷媒流路１１を通過した冷却水は、本体容器部２８の壁面に当たって向きを変える。そして、曲がり部３２ｃを右方向に向かって進行する。このとき、曲がり部３２ｃの断面積は一定になるように形成されているため、冷媒流路１１から流出する冷却水の量が一定であれば、曲がり部３２ｃを進行する冷却水の流速が増加することはない。そのため、冷却水は、仕切りフィン１６の近傍、即ち、複数の冷媒流路２１のうち、仕切りフィン１６にできるだけ近い冷媒流路２１に進入する。したがって、図６に矢印Ｆで示すように、冷却水が特定の冷媒流路に集中してしまう虞がある。
【００３４】
これに対して、本実施例によると、図４に示すように、複数の冷媒流路１１を通過した冷却水は、曲がり部３２ａを構成する冷媒流出部３６に流出した後、図４に示すように、本体容器部２８の壁面に当たって向きを変え、曲がり部３２ａを構成する冷媒流入部３７ａに向かって移動する。このとき、曲がり部３２ａの断面積が、冷媒流出部３６よりも冷媒流入部３７ａにおいて小さくなっているため、複数の冷媒流路１１から流出する冷却水の量が一定であれば、断面積が小さくなった分、冷却水の流速が増加する。したがって、冷却水は、図４に矢印Ｄで示すように、冷媒流入部３７ａの、より奥側にまで到達して、複数の冷媒流路２１に均等に流入する。そのため、仕切りフィン１６の近傍への冷却水の集中を防止することができ、均一な冷却水の流れを確保することができる。
［実施例１の変形例の説明］
【００３５】
曲がり部３２ａの構造は、実施例１で説明した構造に限定されるものではない。図５に示す半導体冷却装置１０ｂは、一定の断面積を有する冷媒流出部３６と、断面積が徐々に減少する冷媒流入部３７ｂと、からなる曲がり部３２ｂを有している。
【００３６】
このような構成の曲がり部３２ｂを形成することによっても、複数の冷媒流路１１から流出する冷却水の量が一定であれば、曲がり部３２ｂにおいて、冷却水の流速を増加させることができる。したがって、図５に矢印Ｅで示すように、冷却水を複数の冷媒流路２１に均等に流入させることができる。特に、曲がり部３２ｂの構造によると、実施例１で説明した曲がり部３２ａの構造に比べて、冷媒流路の断面積Ｓの変化が滑らかになるため、冷却水が流れる際の抵抗が減少して、冷却水をより一層スムーズに流すことができる。
【００３７】
以上説明したように、実施例１に係る半導体冷却装置１０ａによれば、内部に、複数の放熱フィン１４，２４によって仕切られた、互いに隣接する第１直進部１２と第２直進部２２と、第１直進部１２の端部１４ｂと第２直進部２２の端部２４ｂを接続する曲がり部３２ａと、から構成された冷媒流路１１，３９，２１を有する冷却部４０と、第１直進部１２の端部１４ａと第２直進部２２の端部２４ａとそれぞれ連通して、第１直進部１２への冷媒の供給および第２直進部２２からの冷媒の排出を行う冷媒給排部３５と、を有し、曲がり部３２ａの冷媒流路３９を、第１直進部１２に面する位置の断面積Ｓ（＝Ｓ１）よりも、第２直進部２２に面する位置の断面積Ｓ（＝Ｓ２）が小さくなるように形成したため、第１直進部１２（冷媒流路１１）から流出した冷媒が冷媒流路３９を通過する際に、冷媒流路３９の断面積Ｓが小さくなることによって流速が高まることによって、第２直進部２２の奥側まで到達するため、第２直進部２２（冷媒流路２１）の各流路の流量のばらつきが小さくなって、半導体冷却装置１０ａの冷却性能の均一性を高めることができる。
【００３８】
さらに、実施例１に係る半導体冷却装置１０ａによれば、曲がり部３２ａの第１直進部１２に面する位置の第１直進部１２の延伸方向に沿う長さＬ（＝Ｌ１）よりも、曲がり部３２ａの第２直進部２２に面する位置の第２直進部２２の延伸方向の長さＬ（＝Ｌ２）を短く形成したため、曲がり部３２ａの簡単な加工で、半導体冷却装置１０ａの冷却性能の均一性を高めることができる。
【００３９】
また、実施例１の変形例に係る半導体冷却装置１０ｂによれば、曲がり部３２ｂの冷媒流路３９の断面積Ｓを、第１直進部１２に面する位置から前記第２直進部２２に面する位置に向かって徐々に小さくなるように形成したため、第１直進部１２（冷媒流路１１）から流出した冷却水の抵抗が減ることによって、冷却水を第２直進部２２（冷媒流路２１）の奥側にまで、より一層スムーズに流すことができる。
【００４０】
なお、実施例１にあっては、仕切りフィン１６に面した冷媒流路１１ａ，２１ａが、他の冷媒流路１１，２１よりも広く形成された場合であっても、曲がり部３２ａによって構成される冷媒流路３９の断面積Ｓを、第１直進部１２に面する領域よりも第２直進部２２に面する領域側で小さくなるように形成したため、冷却水が、第２直進部２２の広い冷媒流路２１ａに集中することを防止することができる。
【００４１】
また、実施例１にあっては、冷媒流路が冷却部４０内で１回だけ折り返す（１往復する）、所謂２パス方式の冷却装置を形成する例を示した。しかし、本発明が適用される半導体冷却装置のパス数は２パス方式に制限されるものではなく、より多いパス数を有する半導体冷却装置であっても同様に適用することができる。
【００４２】
以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００４３】
１０ａ      半導体冷却装置
１２        第１直進部
１４，２４  放熱フィン
１４ａ，１４ｂ，２４ａ，２４ｂ  端部
１６        仕切りフィン
２２        第２直進部
３２ａ      曲がり部
３４        冷媒給水部
３５        冷媒給排部
３６        冷媒流出部
３７ａ      冷媒流入部
３８        冷媒排水部
４０        冷却部
４２        冷媒給水口
４４        冷媒排水口
５０        仕切り板
５２        溝部
【図１】
2016076641.tif 000003
【図２】
2016076641.tif 000004
【図３Ａ】
2016076641.tif 000005
【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2016076641.tif 000008
【図４】
2016076641.tif 000009
【図５】
2016076641.tif 000010
【図６】
2016076641.tif 000011