JP6406348B2 - 冷却器およびそれを用いた半導体モジュール - Google Patents

Description

本発明は、冷却性能を向上した冷却器およびそれを用いた半導体モジュールに関する。

冷却性能を向上しうる冷却器に関する文献として、次の特許文献１、２の構造が知られている。

特許文献１には、電子部品の被冷却部を冷却する冷却流路と、当該冷却流路に入口から冷却媒体を導入する導入流路と、前記冷却流路から前記冷却媒体を出口へ排出する排出流路とを含むとともに、前記導入流路及び前記排出流路の少なくともいずれかの流路面積は、所定位置においてよりも、前記入口又は前記出口から当該所定位置よりも遠い位置において大きいことを特徴とする冷却器が記載されている。

特許文献２には、波形のフィンを備えた冷却器が記載されている。

特開２０１２−１７４９６３号公報（図１） 特開２０１３−１６５２９８号公報（図３）

特許文献１は、導入流路及び排出流路の少なくともいずれかの流路面積は、所定位置においてよりも、入口又は出口から当該所定位置よりも遠い位置において大きいという構造であるため、入口および出口の近傍での圧力損失が大きくなり、冷媒を通流させるポンプの動力が大きくなるという問題点があった。ポンプの動力を下げるためには、入口および出口の近傍の流路面積を拡大する必要があり、そのため、冷却器が大きくなるという問題があった。

特許文献２は、フィンの冷媒出口側の端が、冷媒の排出方向に曲げられているため、後述する比較例のシミュレーション結果と同様に、フィンの冷媒出口側の端での冷媒の揺らぎが少なく、冷却器の伝熱性能が低くなるという問題があった。

上記の課題を解決するべく、本発明は、冷却性能を向上した冷却器およびそれを用いた半導体モジュールを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の冷却器は、冷却主面である天板と、前記天板に対向配置された底板と、前記天板及び前記底板の外周を接続する側壁と、を有し、前記天板、前記底板および前記側壁で囲まれる内部に冷媒通流空間を備えたジャケットと、前記側壁に設けられた２つの貫通孔にそれぞれ接続された冷媒流入配管および冷媒流出配管と、前記冷媒通流空間の一部をなし前記冷媒流入配管に連通する冷媒導入路と、前記冷媒通流空間の一部をなし前記冷媒流出配管に連通する冷媒導出路と、前記冷媒導入路及び冷媒導出路との間に、主面がそれぞれ離間して配置され、前記天板に熱的に接続された、複数枚のフィンからなるフィンユニットと、を備える冷却器において、前記フィンの第一の端が前記冷媒導入路における冷媒の流れ方向に対して鋭角に配向して配置され、前記フィンの第二の端が前記冷媒導出路における冷媒の流れ方向に対して鋭角に配向して配置されていることを特徴とする。

このような構成によれば、冷媒が、フィンの第一の端において冷媒導入路の流れ方向から鋭角的に流れ方向を変えられてフィンユニットへ流入し、フィンの第二の端においてフィンユニット内の流れ方向から鋭角的に流れ方向を変えられて冷媒導出路の流れ方向へ流出するため、第一及び第二の端付近で冷媒が揺らぎ、その揺らぎが伝播してフィンユニット中央部のフィン間でも揺らぐように流れる。そうすると、冷媒の伝熱抵抗が小さくなり、フィンの伝熱性能が向上する。

本発明の冷却器において、前記冷媒導出路に邪魔板が配置されていることが好ましい。

このような構成によれば、前記フィンユニットと前記冷媒導出路との間の冷媒の流れの揺らぎを促進できるので、冷却器の冷却性能を向上できる。

また、本発明の冷却器において、前記邪魔板の高さが前記冷媒導出路の高さよりも低いことが好ましい。

このような構成によれば、邪魔板の高さと冷媒導出路の高さとが異なるために、邪魔板と天板との隙間、または邪魔板と底板との隙間を冷媒が通るようになる。そうすると、フィンユニットから冷媒流出配管へ向かって流れる冷媒経路の圧力損失を低減できる。

本発明の冷却器において、前記邪魔板は、前記底板に接して配置されていることが好ましい。

このような構成によれば、邪魔板によってジャケットの底板の強度を補強できる。ジャケットの材質は、金属であっても樹脂であってもよい。金属製のジャケットを製造する場合は、金属の薄板をプレス成形し、底板と、側壁と、底板から突出させた邪魔板部分を一体として形成することが望ましい。また、樹脂でモールド成形する場合は、底板と邪魔板を一体に成形することが望ましい。

もしくは、本発明の冷却器において、前記邪魔板は、前記天板に接して配置されていることが好ましい。

このような構成によれば、天板の熱が邪魔板へ伝達されるため、伝熱面積を増やすことができ、さらに冷却器の冷却性能を向上できる。

本発明の冷却器において、前記邪魔板は、前記冷媒流出配管を接続した側壁と対向する側壁からは離間して配置されていることが好ましい。

このような構成によれば、邪魔板を高くした場合であっても、圧力損失の増大を緩和することができる。なお、邪魔板と冷媒通流空間の高さが同じである場合は、冷媒は邪魔板に沿って移動した後に冷媒流出配管へ流れることになる。

本発明の冷却器において、前記フィンの主面は、波状であることが好ましい。

このような構成によれば、単位面積当たりのフィンの表面積を増やして、フィンから冷媒への伝熱を向上できる。さらに、波状のフィンを天板に接続した場合は、天板の剛性が向上でき、直線状のフィンを用いた場合に比べて、天板の厚さを薄くできる。天板の厚さが薄くしたので熱抵抗が小さくなり、冷却器の冷却性能を向上できる。

前記波状のフィンに関して、本発明の冷却器が、第１の波状フィンと、前記第１の波状フィンに隣り合う第２の波状フィンを備え、前記第２の波状フィンの凸部が、前記第１の波状フィンの隣り合う凹部を直線状に結んだ線よりも第１の波状フィン側にあることが好ましい。

このような構成によれば、第１の波状フィンと第２の波状フィンとの間に直線状の冷媒経路が生じないようにでき、冷媒と波状フィンとの伝熱効率を向上できる。

本発明の冷却器において、前記冷媒導入路の流れ方向と、前記冷媒導出路の流れ方向とが、逆平行であることが好ましい。

このような構成によれば、冷却器をコンパクトにできる。

本発明の冷却器において、前記冷媒は、液体であることが好ましい。

このような構成によれば、気体の冷媒に比べて比熱が大きいため、冷却器の冷却性能を向上できる。

本発明の半導体モジュールは、前記天板の、前記フィンユニットが接続された面とは反対側の面に、半導体素子を配置した半導体モジュールユニットを備えることを特徴とする。

このような構成によれば、半導体モジュールユニットの熱を効率的に冷却器へ伝熱でき、半導体モジュールの定格出力を大きくすることが可能になる。

本発明によれば、冷媒導入路からフィンユニットへ流入する冷媒の流れや、フィンユニットから冷媒導出路へ流出する冷媒の流れが、鋭角的に流れ方向を変えられるため、フィンの第一の端、及び第二の端付近で冷媒が揺らぐようになり、冷媒がフィンユニット中央部のフィン間でも揺らぐように移動する。そうすると、冷媒の伝熱抵抗が小さくなり、フィンの伝熱性能が向上する。

本発明の第１の実施例に係る冷却器と複数の半導体モジュールユニットを組み合わせた半導体モジュールの鳥瞰図である。 本発明の第１の実施例に係る冷却器の内部の平面図である。 本発明の第１の実施例に係る冷却器の断面図である。 本発明の第２の実施例に係る冷却器の断面図である。 本発明の第３の実施例に係る冷却器の内部の平面図である。 比較例の冷却器の内部の平面図である。

以下、図面を参照しながら本発明に係る半導体モジュールの実施形態を説明する。同一の構成要素については、同一の符号を付け、重複する説明は省略する。なお、本発明は、下記の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲内で適宜変形して実施することができるものである。

（実施例１）
本発明に係る第１の実施例について説明する。図１は、本発明の第１の実施例に係る冷却器と複数の半導体モジュールユニットを組み合わせた半導体モジュールの鳥瞰図である。図２は、本発明の第１の実施例に係る冷却器の内部の平面図である。図３は、本発明の第１の実施例に係る冷却器の断面図である。

本発明の第１の実施例に係る冷却器１００は、天板１と、底板２ａと側壁２ｂで囲われ側壁２ｂの上部が天板１の裏面と接合されて内部に冷媒通流空間２ｃを備えたジャケット２と、側壁２ｂに備えられた２つの貫通孔２ｄにそれぞれ接続された冷媒流入配管３および冷媒流出配管４と、前記冷媒通流空間２ｃの一部をなし冷媒流入配管３に連通する冷媒導入路３ａと、前記冷媒通流空間２ｃの一部をなし冷媒流出配管４に連通する冷媒導出路４ａと、天板１に熱的に接続されたフィンユニット５と、冷媒導出路４ａの一部に配置された邪魔板８とを備えている。

フィンユニット５は、平面的に見て波状に曲折されて、主面がそれぞれ離間した状態で配置された複数枚のフィン５ａを有している。各フィン５ａの第一の端５ｂは、冷媒導入路３ａにおける冷媒の流れ方向６に対して鋭角をなすように、言い換えると、第一の端５ｂに沿った冷媒の流入方向が戻る方向に傾くように配向して配置され、フィン５ａの第二の端５ｃは、冷媒導出路４ａにおける冷媒の流れ方向７に対して鋭角をなすように、言い換えると、第二の端５ｃに沿った冷媒の流出方向が戻る方向に傾くように配向して配置されている。そして、フィンユニット５の天板１側に位置する第三の端５ｄが天板１に熱的に接続されている。

冷媒導入路３ａの流れ方向６と、冷媒導出路４ａの流れ方向７とは、逆平行である。

邪魔板８の高さが冷媒通流空間２ｃの高さより低く、冷媒導出路４ａに配置され、冷媒流出配管４と接続した側面２ｂと対向する側壁からは離間している。

図３に示すように、邪魔板８は、冷媒導出路４ａにおいて底板２ａに接触して配置されている。

フィンユニット５の各フィン５ａは、フィン５ａの端５ｂと、端５ｃの間の主面は、波状である。このようにすると、冷却器を上面から見て、単位面積当たりのフィンの表面積を増やすことができ、冷却器の冷却能力を向上できる。

なお、フィンの間隔は、冷媒に混入する可能性のある粒子の径を考慮して決定される。さらに、波状フィンを備えた冷却器は、第１の波状フィンと、前記第１の波状フィンに隣り合う第２の波状フィンを備え、前記第２の波状フィンの凸部が、前記第１の波状フィンの隣り合う凹部を直線状に結んだ線よりも第１の波状フィン側にあるような構造であることが望ましい。言い換えれば、第１の波状フィンと第２の波状フィンとの間に直線状の冷媒経路が生じないようなフィン間隔にすることが望ましい。数式で表現すると、次の式１と式２を満たすフィン間隔である。

Ｌ≦Ｐｆ＜Ｈ・・・式１
Ｈ＝Ｐｐ／（２ｔａｎθ）・・・式２

上記式１、式２において、Ｌは波状フィン間で目詰まりが生じない最小の波状フィンの間隔、Ｐｆはフィン間隔、Ｐｐは波状フィンの隣接する頂点間の距離、Ｈは波状フィンの凹部の頂点を結んだ直線から同波状フィンの凸部の頂点の間の距離、言い換えれば、波状フィンの振幅、θは冷媒導出路４ａにおける流れ方向７と波状フィン５ａの第二の端５ｃとのなす角度を意味する。

本実施例では、後述のシミュレーション実験で、このなす角θを６５度とし、フィンの間隔を０．９ｍｍとしてシミュレーションした。

（実施例２）
本発明に係る第２の実施例について説明する。図４は、本発明の第２の実施例に係る冷却器１０１の断面図である。第２の実施例の冷却器は、図４に示すように、邪魔板８が、冷媒導出路４ａにおいて天板１に接触して配置されている。第２の実施例の冷却器のその他の構成は、第１の実施例と同じである。

（実施例３）
本発明に係る第３の実施例について説明する。図５は、本発明の第３の実施例に係る冷却器１０２の内部の平面図である。第３の実施例の冷却器１０２は、第１の実施例とはフィンユニット５が相違しており、その他の部分は、同じである。すなわち、第３の実施例の冷却器１０２では、各フィン５ａの第一の端５ｂと第二の端５ｃとの間が直線状になっている。そして、第１の実施例と同様に、各フィン５ａの第一の端５ｂは、冷媒導入路３ａにおける冷媒の流れ方向６に対して鋭角をなすように配向して配置され、フィン５ａの第二の端５ｃは、冷媒導出路４ａにおける冷媒の流れ方向７に対して鋭角をなすように配向して配置されている。邪魔板８は、冷媒導出路４ａにおいて底板２ａに接触して配置されているが、第２の実施例と同様に、邪魔板８を天板１に接触して配置してもよい。

（比較例）
比較例について説明する。図６は、比較例の冷却器の内部の平面図である。比較例に係る冷却器１０３は、上記実施例１のフィンユニット５を左右逆にした点を除いて、実施例１と同じ構成を備えている。すなわち、比較例のフィンユニット５は、曲折した波状のフィン５ｅの主面をそれぞれ離間させた状態で複数枚配置され、フィン５ｅの第一の端５ｆが冷媒導入路３ａにおける冷媒の流れ方向６に対して鈍角をなすように、言い換えると、第一の端５ｆに沿った冷媒の流入方向が進行方向に傾くように配向して配置され、フィン５ｄの第二の端５ｇが冷媒導出路４ａにおける冷媒の流れ方向７に対して鈍角をなすように、言い換えると、第二の端５ｇに沿った冷媒の流出方向が進行方向に傾くように配向して配置されている。そして、フィンユニット５の天板１側に位置する第三の端が天板１に熱的に接続されている。

実施例１の冷却器と、比較例の冷却器において、シミュレーションによる流体解析を実施したところ、冷媒流出側の半導体チップの熱抵抗は、実施例１の構造では０．１４５（℃／Ｗ）、比較例の構造では０．１４７（℃／Ｗ）であった。

以上のように、実施例１の構造は、比較例の構造に比べて、冷却器の冷却性能を１．４％向上できた。

（実施例４）
本発明の半導体モジュールの一例を示す第４の実施例について、図１を参照して説明する。この半導体モジュール３００は、本発明の第１の実施例に係る冷却器と複数の半導体モジュールユニットを組み合わせたものである。半導体モジュール３００は、実施例１の冷却器の天板１のフィンユニット５が配置された面とは反対側の面に、半導体素子を持った半導体モジュールユニット２００を複数備えている。半導体モジュールユニット２００は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）と、フリーホイーリングダイオード（ＦＷＤ：Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を逆並列に接続して構成される回路を少なくとも１組備えている。１つの半導体モジュールに複数の半導体モジュールユニット２００を組み合せて３相のインバーター回路を構成している。それ以外の冷却器の構成は、実施例１の冷却器の構造と同じであるため、詳細な説明は省略する。

以上のように、本発明の実施例によれば、冷却性能を向上した冷却器およびそれを用いた半導体モジュールを提供できる。

１ 天板
２ ジャケット
２ａ 底板
２ｂ 側壁
２ｃ 冷媒通流空間
２ｄ 貫通孔
３ 冷媒流入配管
３ａ 冷媒導入路
４ 冷媒流出配管
４ａ 冷媒導出路
５ フィンユニット
５ａ フィン
５ｂ フィンの第一の端
５ｃ フィンの第二の端
５ｄ フィンの第三の端
６ 冷媒の流れ方向
７ 冷媒の流れ方向
８ 邪魔板
１００ 冷却器
１０１ 冷却器
１０２ 冷却器
１０３ 冷却器
２００ 半導体モジュールユニット
３００ 半導体モジュール

Claims (9)

1. 冷却主面である天板と、前記天板に対向配置された底板と、前記天板及び前記底板の外周を接続する側壁と、を有し、前記天板、前記底板および前記側壁で囲まれる内部に冷媒通流空間を備えたジャケットと、
   前記側壁に設けられた２つの貫通孔にそれぞれ接続された冷媒流入配管および冷媒流出配管と、
   前記冷媒通流空間の一部をなし前記冷媒流入配管に連通する冷媒導入路と、
   前記冷媒通流空間の一部をなし前記冷媒流出配管に連通する冷媒導出路と、
   前記冷媒導入路及び冷媒導出路との間にあって、主面がそれぞれ離間して配置され、前記天板と熱的に接続された、複数枚のフィンからなるフィンユニットと、
   を備える冷却器において、
   前記フィンの第一の端の全てが前記冷媒導入路における冷媒の流れ方向に対して鋭角に配向して配置され、前記フィンの第二の端の全てが前記冷媒導出路における冷媒の流れ方向に対して鋭角に配向して配置されており、
   前記冷媒導出路に邪魔板が配置され、該邪魔板の一端は、前記冷媒流出配管が接続された側壁に連結しており、前記邪魔板の他端は、前記冷媒流出配管が接続された側壁と対向する側壁から離間して配置されていることを特徴とする冷却器。
2. 請求項１に記載の冷却器において、
   前記邪魔板の高さが前記冷媒導出路の高さよりも低いことを特徴とする冷却器。
3. 請求項２に記載の冷却器において、
   前記邪魔板は、前記底板に接して配置されていることを特徴とする冷却器。
4. 請求項２に記載の冷却器において、
   前記邪魔板は、前記天板に接して配置されていることを特徴とする冷却器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却器において、
   前記フィンの主面は、波状であることを特徴とする冷却器。
6. 請求項５に記載の冷却器において、
   第１の波状フィンと、前記第１の波状フィンに隣り合う第２の波状フィンを備え、
   前記第２の波状フィンの凸部が、前記第１の波状フィンの隣り合う凹部を直線状に結んだ線よりも前記第１の波状フィン側にあることを特徴とする冷却器。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の冷却器において、
   前記冷媒導入路の流れ方向と、前記冷媒導出路の流れ方向とが、逆平行であることを特徴とする冷却器。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の冷却器において、
   前記冷媒は、液体であることを特徴とする冷却器。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の冷却器を備えた半導体モジュールにおいて、
   前記天板の、前記フィンユニットが接続された面とは反対側の面に、半導体素子を配置した半導体モジュールユニットを備えることを特徴とする半導体モジュール。
   

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