CN105637632A - 冷却器及使用该冷却器的半导体模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高冷却性能的冷却器及使用该冷却器的半导体模块，该冷却器(100)具备：外壳(2)，其以顶板(1)、底板(2a)及侧壁(2b)包围而成，侧壁(2b)的上部与顶板(1)的背面接合且在内部具备冷媒流通空间；冷媒流入配管(3)及冷媒流出配管(4)，其分别与侧壁(2b)上具备的两个贯通孔连接；散热片单元(5)，其以弯曲的多片散热片(5a)的主面分别间隔的状态配置，使散热片(5a)的第一端(5b)相对于从冷媒流入配管(3)流入的冷媒流呈锐角的方式定向配置，使散热片(5a)的第二端(5c)相对于向冷媒流出配管(4)流出的冷媒的流向呈锐角的方式定向配置，并且，位于第一端(5a)与第二端(5c)之间的第三端(5d)与顶板(1)热连接。

Description

冷却器及使用该冷却器的半导体模块
技术领域
本发明涉及一种提高冷却性能的冷却器及使用该冷却器的半导体模块。
背景技术
作为可提高冷却性能的冷却器的相关文献，已知以下专利文献1、2的结构。
专利文献1中记载了一种冷却器，其特征在于，包含冷却电子部件的被冷却部的冷却流路、从入口向该冷却流路导入冷却介质的导入流路、以及从所述冷却流路向出口排出所述冷却介质的排出流路，并且所述导入流路及所述排出流路中至少任意一个的流路面积，相较于在规定位置处，在自所述入口或所述出口起比该规定位置更远的位置处的流路面积更大。
专利文献2中记载了一种具备波纹形状散热片的冷却器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利公开2012-174963号公报(图1)
专利文献2：日本专利公开2013-165298号公报(图3)
发明内容
(一)要解决的技术问题
在专利文献1中，由于导入流路及排出流路中至少任意一个的流路面积相较于在规定位置处，在自所述入口或所述出口起比该规定位置更远的位置处的流路面积更大，因此存在入口及出口附近的压力损失变大，使冷媒流通的泵的动力变大的问题。为了降低泵的动力，需要扩大入口及出口附近的流路面积，因此，存在冷却器变大的问题。
在专利文献2中，由于散热片的冷媒出口侧的那一端向冷媒的排出方向弯曲，因此与后述的比较例的仿真结果同样地，存在散热片的冷媒出口侧的那一端处的冷媒的波动减少，而冷却器的传热性能降低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术问题为，提供一种提高冷却性能的冷却器及使用该冷却器的半导体模块。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明的冷却器的特征在于，具备：外壳，其具有作为冷却主面的顶板、与所述顶板相对配置的底板以及连接所述顶板的外周和所述底板外周的侧壁，并在以所述顶板、所述底板及所述侧壁包围的内部具备冷媒流通空间；冷媒流入配管及冷媒流出配管，其分别与设置在所述侧壁上的两个贯通孔连接；冷媒导入路，其形成所述冷媒流通空间的一部分，并与所述冷媒流入配管连通；冷媒导出路，其形成所述冷媒流通空间的一部分，并与所述冷媒流出配管连通；散热片单元，其由多片散热片构成，该散热片位于所述冷媒导入路及冷媒导出路之间，主面分别留有间隔配置，并与所述顶板热连接，在所述冷却器中，使所述散热片的第一端以相对于所述冷媒导入路中的冷媒流向呈锐角的方式定向配置，使所述散热片的第二端相对于所述冷媒导出路中的冷媒流向呈锐角的方式定向配置。
根据这种结构，由于冷媒在散热片的第一端起从冷媒导入路的流向呈锐角地改变流向流入散热片单元，在散热片的第二端从散热片单元内的流向呈锐角地改变流向并向冷媒导出路的流向流出，因此，在第一及第二端附近冷媒发生波动，该波动进行传播，使冷媒在散热片单元中央部的散热片间也以波动的方式流动。于是，冷媒的传热阻力变小，散热片的传热性能提高。
本发明的冷却器中，优选在所述冷媒导出路上配置挡板。
根据这种结构，由于能够促进所述散热片单元与所述冷媒导出路之间冷媒流动的波动，因此能够提高冷却器的冷却性能。
此外，本发明的冷却器中，优选所述挡板的高度低于所述冷媒导出路的高度。
根据这种结构，由于挡板的高度与冷媒导出路的高度不同，因此使得冷媒在挡板与顶板的间隙，或挡板与底板的间隙通过。于是，能够降低从散热片单元向冷媒流出配管流动的冷媒路径的压力损失。
本发明的冷却器中，优选所述挡板与所述底板相接配置。
根据这种结构，通过挡板能够补强外壳底板的强度。外壳的材质可以为金属，也可以为树脂。在制造金属制外壳的情况下，优选压制成型金属薄板，并使底板、侧壁及从底板突出的挡板部分形成为一体。此外，在利用树脂成型模具的情况下，优选使底板与挡板成型为一体。
或者，本发明的冷却器中，优选所述挡板与所述顶板相接配置。
根据这种结构，由于使顶板的热向挡板传递，因此能够增加传热面积，能够进一步提高冷却器的冷却性能。
本发明的冷却器中，优选使所述挡板与连接有所述冷媒流出配管的侧壁的相对侧的侧壁分离配置。
根据这种结构，即使在挡板设置较高的情况下，也能缓和压力损失的增加。另外，在挡板与冷媒流通空间的高度相同的情况下，使得冷媒沿挡板移动后流入冷媒流出配管。
本发明的冷却器中，优选所述散热片的主面为波纹状。
根据这种结构，能够增加每单位面积的散热片表面积，提高从散热片向冷媒的传热。进而，在将波纹状散热片与顶板连接的情况下，能够提高顶板的刚性，与使用直线状散热片的情况相比，能够使顶板的厚度变薄。由于顶板厚度变薄，从而热阻变小，能够提高冷却器的冷却性能。
关于所述波纹状散热片，优选地，本发明的冷却器具备第一波纹状散热片、以及与所述第一波纹状散热片相邻的第二波纹状散热片，所述第二波纹状散热片的凸部，位于比呈直线状连接所述第一波纹状散热片的相邻凹部的线更靠第一波纹状散热片侧的位置。
根据这种结构，能够使第一波纹状散热片与第二波纹状散热片之间不产生直线状的冷媒路径，从而能够提高冷媒与波纹状散热片的传热效率。
在本发明的冷却器中，优选所述冷媒导入路的流向与所述冷媒导出路的流向相反且平行。
根据这种结构，能够使冷却器紧凑化。
本发明的冷却器中，优选所述冷媒为液体。
根据这种结构，由于相较于气体冷媒比热较大，因此能够提高冷却器的冷却性能。
本发明的半导体模块的特征在于，在所述顶板的与连接有所述散热片单元的面相反的一侧的面上，具备配置有半导体元件的半导体模块单元。
根据这种结构，能够向冷却器高效地传递半导体模块单元的热，能够增大半导体模块的额定输出。
(三)有益效果
根据本发明，由于从冷媒导入路向散热片单元流入的冷媒流、以及从散热片单元向冷媒导出路流出的冷媒流，可以呈锐角改变流向，因此在散热片的第一端及第二端附近冷媒发生波动，使冷媒在散热片单元中央部的散热片间也以波动的方式移动。于是，冷媒的传热阻力变小，散热片的传热性能提高。
附图说明
图1是将本发明第一实施例的冷却器与多个半导体模块单元组合的半导体模块的鸟瞰图。
图2是本发明第一实施例的冷却器内部的俯视图。
图3为本发明第一实施例的冷却器的剖面图。
图4为本发明第二实施例的冷却器的剖面图。
图5为本发明第三实施例的冷却器内部的俯视图。
图6为比较例的冷却器内部的俯视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的半导体模块的实施方式进行说明。对相同的结构标注相同的附图标记，并省略重复的说明。另外，本发明并不限定于以下的实施方式，在不改变其主旨的范围内，可以实施适当变形。
(实施例1)
对本发明的第一实施例进行说明。图1是将本发明第一实施例的冷却器与多个半导体模块单元组合而成的半导体模块的鸟瞰图。图2是本发明第一实施例的冷却器内部的俯视图。图3为本发明第一实施例的冷却器的剖面图。
本发明第一实施例的冷却器100具备：外壳2，其由顶板1、底板2a及侧壁2b所包围，侧壁2b的上部与顶板1的背面接合并在内部具备冷媒流通空间2c；冷媒流入配管3及冷媒流出配管4，其分别与侧壁2b上所具备的两个贯通孔2d连接；冷媒导入路3a，其形成所述冷媒流通空间2c的一部分，并与冷媒流入配管3连通；冷媒导出路4a，其形成所述冷媒流通空间2c的一部分，并与冷媒流出配管4连通；散热片单元5，其与顶板1热连接；挡板8，其配置在冷媒导出路4a的一部分上。
散热片单元5具有多片散热片5a，该散热片5a在俯视观察下呈波纹状弯曲，且以主面分别间隔的状态配置。使各散热片5a的第一端5b为，相对于冷媒导入路3a上的冷媒流向6形成为锐角，换言之，以使沿第一端5b的冷媒的流入方向向返回方向倾斜的方式定向配置，使散热片5a的第二端5c为，相对于冷媒导出路4a的冷媒流向7形成为锐角，换言之，以使沿第二端5c的冷媒的流出方向向返回方向倾斜的方式定向配置。并且，使位于散热片单元5的顶板1侧的第三端5d与顶板1热连接。
冷媒导入路3a的流向6与冷媒导出路4a的流向7相反且平行。
挡板8的高度低于冷媒流通空间2c的高度，该挡板8配置于冷媒导出路4a上，与连接冷媒流出配管4的侧面2b相对的侧壁分离。
如图3所示，挡板8在冷媒导出路4a上与底板2a接触配置。
散热片单元5的各散热片5a中，散热片5a的端5b与端5c之间的主面为波纹状。这样，俯视观察冷却器，能够增加每单位面积的散热片的表面积，从而能够提高冷却器的冷却能力。
另外，散热片的间隔是通过考虑有可能混入冷媒的粒子的直径来确定的。而且，具备波纹状散热片的冷却器优选如下结构：具备第一波纹状散热片、以及与所述第一波纹状散热片相邻的第二波纹状散热片，所述第二波纹状散热片的凸部，位于比呈直线状连接所述第一波纹状散热片的相邻凹部而成的线更靠第一波纹状散热片侧处。换言之，优选在第一波纹状散热片与第二波纹状散热片之间做成不产生直线状的冷媒路径的散热片间隔。若以数学公式表示，则满足下面的式1及式2的散热片间隔。
L≤Pf＜H……式1
H＝Pp/(2tanθ)……式2
在上述公式1、公式2中，L表示波纹状散热片间不发生堵塞的最小波纹状散热片间隔，Pf表示散热片间隔，Pp表示波纹状散热片邻接的顶点间的距离，H表示从连接波纹状散热片的凹部顶点所成的直线到同波纹状散热片凸部顶点间的距离，换句话说，波纹状散热片的振幅、θ表示冷媒导出路4a上的流向7与波纹状散热片5a的第二端5c所成的角度。
在本实施例中，在后述的仿真实验中，将该形成角θ设为65度，将散热片的间隔设为0.9mm并进行仿真。
(实施例2)
对本发明的第二实施例进行说明。图4为本发明第二实施例的冷却器101的剖面图。第二实施例的冷却器如图4所示，挡板8在冷媒导出路4a上与顶板1接触配置。第二实施例的冷却器的其他结构与第一实施例相同。
(实施例3)
对本发明的第三实施例进行说明。图5为本发明第三实施例的冷却器102内部的俯视图。第三实施例的冷却器102与第一实施例相比，在散热片单元5有所不同，其他部分均相同。即，在第三实施例的冷却器102中，各散热片5a的第一端5b与第二端5c之间成为直线状。并且，与第一实施例同样地，各散热片5a的第一端5b以相对于冷媒导入路3a上的冷媒流向6形成为锐角的方式定向配置，散热片5a的第二端5c以相对于冷媒导出路4a的冷媒流向7形成为锐角的方式定向配置。挡板8在冷媒导出路4a上与底板2a接触配置，但也可以与第二实施例同样地，使挡板8与顶板1接触配置。
(比较例)
对比较例进行说明。图6为比较例的冷却器内部的俯视图。比较例的冷却器103，除将上述实施例1的散热片单元5左右相反配置这一点以外，其他结构与实施例1相同。即，比较例的散热片单元5中，弯曲的波纹状散热片5e以其主面分别留有间隔的状态配置有多片，使散热片5e的第一端5f相对于冷媒导入路3a上的冷媒流向6形成为钝角，换言之，沿第一端5f的冷媒的流入方向以向前进方向倾斜的方式定向配置，使散热片5d的第二端5g相对于冷媒导出路4a上的冷媒流向7形成为钝角，换言之，沿第二端5g的冷媒的流出方向以向前进方向倾斜的方式定向配置。并且，位于散热片单元5的顶板1侧的第三端与顶板1热连接。
在实施例1的冷却器和比较例的冷却器中，实施基于仿真的流体解析，结果为，冷媒流出侧的半导体芯片的热阻，在实施例1的结构中为0.145(℃/W)，在比较例的结构中为0.147(℃/W)。
如上所述，实施例1的结构相较于比较例的结构，冷却器的冷却性能能够提高1.4％。
(实施例4)
参照图1对表示本发明的半导体模块一例的第四实施例进行说明。该半导体模块300由本发明的第一实施例的冷却器与多个半导体模块单元组合而成。半导体模块300在与配置有实施例1的冷却器顶板1的散热片单元5的面相反的一侧的面上，具备多个具有半导体元件的半导体模块单元200。半导体模块单元200至少具备一组将绝缘栅双极型晶体管(IGBT：InsulatedGateBipolarTransistor)和续流二极管(FWD：FreeWheelingDiode)反向并联连接构成的电路。在一个半导体模块中组合有多个半导体模块单元200并构成三相的反相器回路。除此以外的冷却器结构与实施例1的冷却器结构相同，故省略详细的说明。
如上所述，根据本发明的实施例，能够提供一种提高冷却性能的冷却器及使用该冷却器的半导体模块。
附图标记说明
1顶板
2外壳
2a底板
2b侧壁
2c冷媒流通空间
2d贯通孔
3冷媒流入配管
3a冷媒导入路
4冷媒流出配管
4a冷媒导出路
5散热片单元
5a散热片
5b散热片的第一端
5c散热片的第二端
5d散热片的第三端
6冷媒的流向
7冷媒的流向
8挡板
100冷却器
101冷却器
102冷却器
103冷却器
200半导体模块单元
300半导体模块

Claims (11)

1.一种冷却器，其特征在于，具备：
外壳，其具有作为冷却主面的顶板、与所述顶板相对配置的底板以及连接所述顶板的外周和所述底板外周的侧壁，并在以所述顶板、所述底板及所述侧壁包围的内部具备冷媒流通空间；
冷媒流入配管及冷媒流出配管，其分别与设置在所述侧壁上的两个贯通孔连接；
冷媒导入路，其形成所述冷媒流通空间的一部分，并与所述冷媒流入配管连通；
冷媒导出路，其形成所述冷媒流通空间的一部分，并与所述冷媒流出配管连通；
散热片单元，其由多片散热片构成，该散热片位于所述冷媒导入路及冷媒导出路之间，主面分别间隔配置，并与所述顶板热连接；
在所述冷却器中，使所述散热片的第一端以相对于所述冷媒导入路中的冷媒流向呈锐角的方式定向配置，使所述散热片的第二端相对于所述冷媒导出路中的冷媒流向呈锐角的方式定向配置。
2.根据权利要求1所述的冷却器，其特征在于，在所述冷媒导出路上配置挡板。
3.根据权利要求2所述的冷却器，其特征在于，所述挡板的高度低于所述冷媒导出路的高度。
4.根据权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述挡板与所述底板相接配置。
5.根据权利要求3所述的冷却器，其特征在于，所述挡板与所述顶板相接配置。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的冷却器，其特征在于，所述挡板与连接有所述冷媒流出配管的侧壁的相对侧的侧壁分离配置。
7.根据权利要求2至6中任一项所述的冷却器，其特征在于，所述散热片的主面为波纹状。
8.根据权利要求7所述的冷却器，其特征在于，具备第一波纹状散热片以及与所述第一波纹状散热片相邻的第二波纹状散热片，
所述第二波纹状散热片的凸部，位于比呈直线状连接所述第一波纹状散热片的相邻凹部的线更靠第一波纹状散热片侧的位置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的冷却器，其特征在于，所述冷媒导入路的流向与所述冷媒导出路的流向相反且平行。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的冷却器，其特征在于，所述冷媒为液体。
11.一种半导体模块，其特征在于，
具备权利要求1至10中任一项所述的冷却器，
在所述半导体模块中，在所述顶板的与连接有所述散热片单元的面相反的一侧的面上，具备配置有半导体元件的半导体模块单元。
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