(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
通電時に熱を発する電子回路装置及び、
内部に冷却媒体が流れる空間を備え、該冷却媒体が出入りする入口と出口とを備えた流路であって、該流路の一部は前記電子回路装置によって構成されている冷却媒体流路を有し、
前記冷却媒体流路の前記冷却媒体の流れ方向に垂直な流路断面の面積である流路断面積のうち、前記電子回路装置と接する部分の流路断面積がそれ以外の部分よりも小さく、
前記電子回路装置と接する流路の区間において、該区間の入口の流路断面積が該区間の出口の流路断面積よりも大きく、
前記電子回路装置と接する流路の前記区間における前記電子回路装置と該電子回路装置に対面する前記冷却媒体流路との距離である流路深さが、後流に行くにしたがって階段状に小さくなることを特徴とする冷却装置付き電子回路装置。
【請求項２】
請求項１記載の冷却装置付き電子回路装置において、
前記電子回路装置は、前記入口側に存在する第１回路部と前記出口側に存在する第２回路部とを有し、
前記流路深さは、前記第１回路部の下において小さくなることを特徴とする冷却装置付き電子回路装置。
【請求項３】
通電時に熱を発する電子回路装置及び、
内部に冷却媒体が流れる空間を備え、該冷却媒体が出入りする入口と出口とを備えた流路であって、該流路の一部は前記電子回路装置によって構成されている冷却媒体流路を有し、
前記冷却媒体流路の前記冷却媒体の流れ方向に垂直な流路断面の面積である流路断面積のうち、前記電子回路装置と接する部分の流路断面積がそれ以外の部分よりも小さく、
前記電子回路装置と接する流路の区間において、該区間の入口の流路断面積が該区間の出口の流路断面積よりも大きく、
前記電子回路装置は、前記入口側に存在する第１回路部と前記出口側に存在する第２回路部とを有し、
前記流路の深さは、前記第１回路部の下において階段状に小さくなり、
前記流路には、前記電子回路装置と接する流路の前記区間において、乱流発生部材が設けられていることを特徴とする冷却装置付き電子回路装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却装置付き電子回路装置に関し、特に、水冷インバータのパワー回路部の冷却装置付き電子回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平４−２１５６号公報には、発熱量の多い半導体部分のみ凸部を設けて流路を狭め、流速を増し冷却効果を高めるようにしたことが記載されている。
【０００３】
特開平１０−２２４２８号公報には、半導体チップの冷却に関し、流路ケーシングの冷媒室に突起を形成して、突起の後流に流れの乱れを生じ、モジュール基板と冷媒との間の熱交換を促進すること、及び、乱れの生じる位置とＩＧＢＴ素子の位置が同じになるように、突起の設置位置をＩＧＢＴ素子よりも流れの前方側にくるようにすることが開示されている。
【０００４】
特開平１０−２７４００１号公報には、ガスタービンエンジンにおける翼の内部冷却に関し、動翼の冷却通路の少なくとも一つの壁の内面に形成した乱流促進構造が開示されている。
【０００５】
特開平１１−３４６４８０号公報には、インバータ装置におけるインバータ主回路をヒートシンク表面に接合して取り付け、ヒートシンクの裏側に形成した冷却水路で水冷すること及び、ヒートシンクの背面に冷却水路を形成し、その内側の熱交換面には、熱交換
（放熱）効率を高めるために、凹凸するフィンを形成することが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
今回、発明者らは、インバータ装置を小型化するに際し、発熱体（半導体）を一つの流路で水冷する際の冷却構造に関して種々検討した。そして、上記の従来の流路構造を用いることは、発熱体の底面を冷却するにあたって、上流側と下流側で熱伝達率の差が生じてしまう問題は全く解決していないことを見出した。これにより、上流側が適切な冷却を行っている場合は下流側が冷却不足となり、逆に下流側が適切な冷却を行っている場合は、上流側が必要以上の冷却を行っている。
【０００７】
本発明の目的は、電子回路装置の底面をより均一に冷却する冷却装置付き電子回路装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、電子回路装置に接する流路において、電子回路装置と接する部分の流路の断面積をそれ以外の流路の断面積よりも小さくし、かつ、電子回路装置と接する部分の流路の入口の断面積を、出口の断面積よりも大きくする。これによれば、電子回路装置と接する部分の流路の入口での流路断面積の変化によって流れが乱流となり、電子回路装置から冷却水への熱伝達係数を大きくする事が出来る。これにより、電子回路装置と接する部分の流路全域での流れを乱流とする事が出来る。そのため、電子回路装置から冷却水への熱伝達係数を上流から下流にかけてほぼ一定に維持できるので、電子回路装置の冷却をより均一に冷却する事が出来る。
【０００９】
また、電子回路と接する部分の流路断面積を入口よりも出口を小さくする事により、下流の流速を高くすることができる。そのため、流れが層流になって電子回路装置から冷却水への熱伝達係数が低下しても単位時間あたりの冷却熱量の低下を押さえる事が出来るので下流でも電子回路装置をより均一に冷却する事が出来る。また、電子回路装置と接する部分の流路の断面積を下流で階段状に変化させる場合においては、該階段部分において再び乱流が発生するので、上流で発生した乱流が層流になることを防止する事が出来る。これにより、電子回路装置と接する部分の流路全域での流れを乱流とする事が出来る。そのため、電子回路装置から冷却水への熱伝達係数を上流から下流にかけてほぼ一定に維持できるので、電子回路装置の冷却をより均一に冷却する事が出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
今回、発明者らは、インバータ装置を小型化するに際し、発熱体（半導体）を一つの流路で水冷する際の冷却構造に関して種々検討した。そして、上記の従来の流路構造を用いることは、以下の問題点を有する事を見出した。
【００１１】
まず、特開平４−２１５６号公報に開示されている、発熱量の多い半導体部分のみ凸部を設けて流路を狭め、流速を増し冷却効果を高めることについてである。これは、流路を狭めることで、流体を流すための圧力損失が速度の自乗に比例して大幅に増加してしまう。また、流路が狭くなっている部分において、上流と下流で冷却の不均一が生じている。これは、下流に行くほど流れが発達することで、速度境界層が厚くなり、熱伝達が低減するためである。また、流速を増すことによって冷却効果は高まるが、半導体と冷媒との間の熱伝達率は大きく変化しないので、発熱量が大きくなるとそれに伴って流速を上げる必要性がある。そのため、大発熱量の半導体の場合冷却装置が大規模なものが必要となる。また、流路抵抗が大きくなるため、一つの冷却系に複数の凸部を設ける場合、後段の凸部による圧力変化が前段にまで及び、前段の冷却を悪化させる惧れがある。
【００１２】
次に、特開平１０−２２４２８号公報に開示されている、流路ケーシングの冷媒室に突起を形成して、突起の後流に流れの乱れを生じる方法は、流路方向の長さが大きくなると途中で乱れが無くなり層流に移行してしまうため、上流は冷却され、下流は冷却不十分となる惧れがある。
【００１３】
次に、特開平１０−２７４００１号公報については、流路内に乱流促進体を多数設けているために、流路断面積を狭めた割合だけ流路内の圧力損失が増加してしまう。また、発熱源直下以外に配置された乱流促進体については、冷却性能向上に寄与する割合が、発熱源直下の乱流促進体よりも小さい。
【００１４】
特開平１１−３４６４８０号公報に開示されている、ヒートシンクの背面に冷却水路を形成し、その内側の熱交換面には、熱交（放熱）換効率を高めるために、凹凸するフィンを形成することは、ヒートシンクの制作にかかる工程数が多く、安価に量産することが困難であるという問題を有する。
【００１５】
以下、実施態様を説明する。
【００１６】
（実施例１）
本実施例は、下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さくした流路構造の実施例である。図１は、発熱源直下の流路内に段差を設けた流路構造の平面及び断面模式図であり、図２は、本実施例と従来技術の熱伝達を比較したグラフである。
【００１７】
図１を用いてインバータ流路構成を説明する。図１の上側は、２アーム（例えば、Ｕ相の上・下アーム）モジュールの平面図を示しており、中央が流路部分の平面透視図、下側が中央平面透視図のＡ−Ａ′断面図である。実際には、図１の２アームモジュールが３直列に並んで、６アーム分でインバータを構成する。本実施例のインバータは、環境対応自動車などの車載用である。
【００１８】
モジュール１００は、半導体素子１０３,１０４と基板１０２,銅ベース１０１から構成される。半導体素子１０３，１０４はそれぞれ、通常、ＩＧＢＴ
（Insulated Gate Bipolar Transistor）とＦＷＤ（Free Wheeling Diode）で構成され、半導体素子１０３がスイッチングすることでモータを駆動する。半導体素子１０３の大きさは９mm四方程度であり、半導体素子１０４の大きさは６mm四方程度である。基板１０２は、窒化アルミ板の表裏面に銅箔を貼り付けた構造をしており、その上に半導体素子１０３，１０４がハンダを介して搭載される。基板１０２の大きさは２５mm×４０mm程度である。基板１０２は銅ベース１０１上に搭載される。銅ベース１０１の大きさは６０mm×７０mm程度である。本実施例では、半導体素子１０３，１０４と基板１０２，銅ベース１０１が組み上げられたものを電子回路装置と呼ぶ。
【００１９】
アルミダイカストで形成されるケース１１３上に、モジュール１００をネジ留めや溶接により接着することで流路が形成され、溶接やＯリングによって、漏水を防止している。図１中央では、モジュール１００が搭載される位置を点線で示している。インバータは、電動ウォーターポンプ（図示せず）から供給される冷却水ＬＬＣ（Long Life Coolant）によって冷却される。電動ウォーターポンプの最大流量は２０Ｌ／min 、最大圧力損失は１４ｋＰａ程度である。冷却水は、直径１７φの配管を通った後、流路入口１０５に入る。その後、流路幅方向に
４５°で広がる深い流路１０６を経て、深い流路１０７に入る。深い流路１０７の途中で、流路深さ方向が浅い流路１０８に入る。それから、下流側モジュールの半導体素子１０３直下の流路内で、浅い流路１０８より流路深さが小さい浅い流路１０９へと流れる。したがって、上流側に存在するモジュール前段に相当する浅い流路１０８と、下流側に存在するモジュール後段に相当する浅い流路109との間には段差が生じており、浅い流路１０９の方が浅い流路１０８より流路断面積が小さくなっている。浅い流路１０８の流路深さは例えば５mmであり、浅い流路１０９の流路深さは例えば２mmである。浅い流路１０８，１０９の流路幅は少なくとも半導体素子１０３，１０４の幅以上であるのが望ましい。したがって、浅い流路１０８，１０９の流路幅は、例えば４５mmである。浅い流路１０８，１０９を通った冷却水は、深い流路１１０に広がり、流路幅方向に４５°で狭まる深い流路１１１を経て、流路出口１１２から直径１７φの配管に流れて行く。なお、ケース１１３は鋳物であるため、角にはコーナーＲが付き、実際には抜きのための勾配が数°程度ついている。
【００２０】
次に、図２を用いて、本構成による利点を説明する。図２（ａ）が発熱源直下の流路深さを小さくした従来技術の断面流路構造であり、図２（ｂ）が本実施例の断面流路構造である。図２（ａ）では、浅い流路２００を形成することで、浅い流路２００内の冷却水の流速を上げ、熱伝達係数を向上している。浅い流路
２００の流路深さは例えば２mmである。しかし、流路深さを狭くすることで、冷却水を流すための圧力損失が速度の自乗に比例して大幅に増加し、ポンプの最大圧力損失１４ｋＰａを超過するという問題点がある。また、下流に行くに従って流れが発達することで、速度境界層が厚くなり、熱伝達が低減するという問題点も持つ。これを表したのが図２のグラフ（ａ）である。モジュール前段２０１の熱伝達係数は１００００Ｗ／ｍ2・Ｋ 程度と高いが、流れが発達したモジュール後段２０２の熱伝達係数は５０００Ｗ／ｍ2・Ｋ 程度にまで低減する。従来技術の流路構造では、モジュール前段２０１とモジュール後段２０２の熱伝達係数の差Δｈ１は５０００Ｗ／ｍ2・Ｋ 程度にもなり、上流と下流で冷却の不均一が生じていることが分かった。実際に、熱設計を行う場合、熱伝達の小さい下流側のモジュールを基準にしなければならず、冷却の不均一により、効率が悪い設計を行わざるを得ないことが分かる。
【００２１】
これに対して、本実施例の場合、モジュール前段とモジュール後段で段差を設けることで、流路前段１１４では、乱流促進効果により熱伝達を向上させ、流路後段１１５では、乱流促進効果と高速流により熱伝達を向上させている。流路前段１１４以降は徐々に流れが発達するため熱伝達係数が低減していくが、流路後段１１５で再び乱流促進効果により熱伝達係数が増加する。乱流促進効果は、流路前段１１４の方が流路後段１１５よりも大きくなるが、流路後段１１５では高速流による熱伝達向上を加えることで、流路前段１１４との熱伝達係数の差を低減している。これを表したのが図２のグラフ(ｂ)である。モジュール前段２０１の熱伝達係数は８０００Ｗ／ｍ2・Ｋ 程度と、従来技術の熱伝達係数より小さくなるが、モジュール後段２０２の熱伝達係数は７０００Ｗ／ｍ2・Ｋ 程度と、従来技術の熱伝達係数より大きくすることができる。したがって、モジュール前段２０１とモジュール後段２０２の熱伝達係数の差Δｈ２は１０００Ｗ／ｍ2・Ｋ 程度となり、従来技術に比べて大幅に低減できたことが分かる。冷却性能が比較的均一なので、熱設計も効率よく行うことができる。また、発熱源直下の流路にのみ熱伝達向上手段を設けているので、冷却効率も良く、流路の圧力損失を従来技術に比べて大幅に低減することができる。したがって、ポンプの最大圧力損失１４ｋＰａ以下に抑えることも容易であり、より小さいポンプへの代替の可能性が出てくる。このように、インバータの熱伝達のばらつきを抑え、冷却性能を向上させることで、インバータの小型化を実現することができる。
【００２２】
（実施例２）
本実施例は、下流側の発熱源直下の流路内に乱流を維持する手段を設けた流路構造の実施例である。図３は、下流側の発熱源直下の流路内にピンを設けた流路構造の平面及び断面模式図である。
【００２３】
図３は、モジュール前段及びモジュール後段の流路深さが同じであり、モジュール後段の流路内にピン３０１が存在している以外は図１と同じ構成である。浅い流路３００の流路深さは例えば３mmである。図３のピン３０１は円柱形状であるが、多角柱や楕円柱，多角錘や楕円錘でも良い。また、ピン３０１の材質は銅やアルミといった金属の他、プラスティックや樹脂でも良い。ピン３０１は、半導体素子１０３より上流側に配置され、半導体素子１０３間に配置される。平面図には、半導体素子１０３，１０４が搭載される位置を点線で示してある。
【００２４】
本構造の利点について述べる。浅い流路３００を形成し、モジュール後段にピン３０１を設けることで、モジュール前段は乱流促進効果で熱伝達を向上させ、モジュール後段はピン３０１による乱流促進効果と断面積低減による高速流で熱伝達を向上させている。熱伝達係数をグラフ化すると、図２（ｂ）と同等になる。したがって、モジュール前段とモジュール後段の熱伝達係数の差を従来構造より低減できるので、圧力損失を低減させつつ、冷却性能を向上させることができる。
【００２５】
（実施例３）
本実施例は、下流側の発熱源直下の流路内に乱流を維持する手段を設けた流路構造の実施例である。図４は、下流側の発熱源直下の流路内にケース一体の突起を設けた流路構造の平面及び断面模式図である。
【００２６】
図４は、モジュール後段の流路内に突起４０１が存在している以外は図３と同じ構成である。浅い流路４００の流路深さは例えば３mmである。図４の突起401は円柱形状であるが、多角柱や楕円柱，多角錘や楕円錘でも良い。突起４０１はケース１１３と一体成型され、材質はアルミダイカストである。突起４０１は、半導体素子１０３より上流側に配置され、半導体素子１０３間に配置される。平面図には、半導体素子１０３，１０４が搭載される位置を点線で示してある。
【００２７】
本構造の利点について述べる。浅い流路３００を形成し、モジュール後段に突起４０１を設けることで、モジュール前段は乱流促進効果で熱伝達を向上させ、モジュール後段は突起４０１による乱流促進効果と断面積低減による高速流で熱伝達を向上させている。熱伝達係数をグラフ化すると、図２（ｂ）と同等になる。したがって、モジュール前段とモジュール後段の熱伝達係数の差を従来構造より低減できるので、圧力損失を低減させつつ、冷却性能を向上させることができる。また、突起４０１はケース１１３と一体で成型できるので、図３に比べて工数を削減することができるという利点も持つ。
【００２８】
（実施例４）
本実施例は、下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さくした流路構造の実施例である。図５は、下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さくした流路構造の平面及び断面模式図である。
【００２９】
図５は、発熱源直下の流路内に段差を設ける代わりに、下流側に行くに従って流路断面積を小さくする以外は図１と同じ構成である。浅い流路５００の流路深さは、例えばモジュール前段で５mm、モジュール後段で２mmである。浅い流路
５００の流路断面積は下流に行くに従って、線形に減少する必要はなく、距離のｎ乗（ｎ＞０）に比例して減少しても良い。平面図には、半導体素子１０３，
１０４が搭載される位置を点線で示してある。
【００３０】
本構造の利点について述べる。下流に行くに従って浅い流路５００の流路断面積が減少することで、モジュール前段は乱流促進効果で熱伝達を向上させ、モジュール後段は断面積低減による高速流で熱伝達を向上させている。熱伝達係数をグラフ化すると、図２（ｂ）と同等になる。したがって、モジュール前段とモジュール後段の熱伝達係数の差を従来構造より低減できるので、圧力損失を低減させつつ、冷却性能を向上させることができる。
【００３１】
（実施例５）
本実施例は、下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さくした流路構造の実施例である。図６は、下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さくした箇所が存在する流路構造の平面及び断面模式図である。
【００３２】
図６は、下流側の浅い流路長さを短くした以外は図１と同じ構成である。浅い流路１０８の流路深さは、例えば５mmであり、浅い流路６００の流路深さは、例えば２mmである。浅い流路６００の流路長さは図１では２０mm程度であるが、図６では５mm程度である。平面図には、半導体素子１０３，１０４が搭載される位置を点線で示してある。
【００３３】
本構造の利点について述べる。下流に行くに従って浅い流路６００の流路断面積が減少することで、モジュール前段が乱流促進効果で熱伝達を向上させ、モジュール後段が断面積低減による高速流で熱伝達を向上させる効果は図１と同じである。これは、浅い流路６００内の流速が速いために、浅い流路６００の流路長さが５mm程度と短くても、冷却水の慣性によって、深い流路６０１内に入ってもしばらくは高速流が保たれるためである。冷却水の高速流は１０mm程度保たれるので、半導体素子１０３，１０４ともに冷却することができる。熱伝達係数をグラフ化すると、モジュール後段の効果が若干低減するが、図２（ｂ）と略同一になる。したがって、モジュール前段とモジュール後段の熱伝達係数の差を従来構造より低減できるので、圧力損失を低減させつつ、冷却性能を向上させることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、電子回路装置の底面をより均一に冷却する冷却装置付き電子回路装置を提供することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】発熱源直下の流路内に段差を設けた流路構造の平面及び断面模式図。
【図２】本実施例と従来技術の熱伝達を比較したグラフ。
【図３】下流側の発熱源直下の流路内にピンを設けた流路構造の平面及び断面模式図。
【図４】下流側の発熱源直下の流路内にケース一体の突起を設けた流路構造の平面及び
断面模式図。
【図５】下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さ
くした流路構造の平面及び断面模式図。
【図６】下流側の発熱源直下の流路断面積を上流側の発熱源直下の流路断面積より小さ
くした箇所が存在する流路構造の平面及び断面模式図。
【符号の説明】
１００…モジュール、１０１…銅ベース、１０２…窒化アルミ基板、１０３，１０４…半導体素子、１０５…流路入口、１０６，１０７，１１０，１１１，
６０１…深い流路、１０８，１０９，２００，３００，４００，５００，６００…浅い流路、１１２…流路出口、１１３…ケース、１１４…流路前段、１１５…流路後段、２０１…モジュール前段、２０２…モジュール後段、３０１…ピン、４０１…突起。
【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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