JP2009117545A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多孔質体に冷媒流路を設けた冷却装置の冷却性能を向上させる。
【解決手段】半導体素子８が接合される上壁３を冷却面Ｓとするケーシング２と、ケーシングの冷媒入口ＩＮと冷媒出口ＯＵＴの間に設けられた多孔質体１０とからなり、多孔質体１０には、冷媒入口ＩＮに開口し下壁４を流路壁の一部とする第１流路２０を設けるとともに、冷媒出口ＯＵＴに開口し上壁を流路壁の一部とする第２流路３０を設ける。第１流路２０は冷媒出口ＯＵＴ側が閉じ、第２流路３０は冷媒入口ＩＮ側が閉じているので、冷媒入口ＩＮから第１流路２０に入った冷媒はすべて多孔質体１０内へ染み出て上方へ流れ、第２流路３０へ至って冷媒出口ＯＵＴから流れ出る。冷媒が冷却面Ｓに向かって流れるので、半導体素子８は効率良く冷却される。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却するための冷却装置に関する。

半導体素子はその動作に伴って発熱するので、従来より半導体素子を接合してこれを冷却するフィン型の冷却装置が使用されている。
近年、とくに半導体素子の高出力化により発熱量も増大し高温度になるようになっているため、例えば特開２００１−３５８２７０号公報には、フィンの代わりに多孔質体を利用して、多孔質体に形成した流路に冷媒を流すようにした冷却装置が提案されている。
これによれば、冷媒が多孔質体を染み通って半導体素子等の発熱体を接着した冷却板に接し、冷却板から満遍なく熱を奪い取ることが期待された。
特開２００１−３５８２７０号公報

しかしながら、上記従来の装置では、多孔質体内の流路孔を冷却板の面に対して平行に、かつ冷却板からの距離を異ならせて複数層に設けて、この流路孔に冷媒をすべて同方向に流すようにしているので、各冷媒流路から流れ出る冷媒が層間で干渉し、その結果、冷却板から距離のある層から出る冷媒ほど冷却板に到達するのが困難になり、期待に反して十分な冷却能力を発揮できないという問題がある。

したがって本発明は、冷媒流路を多孔質体に設けた冷却装置において、冷媒がより効率よく冷却板から熱を奪い取り冷却性能を向上させるようにした装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、発熱体が接合される冷却面を備えるケーシングと、該ケーシングの冷媒入口と冷媒出口の間に設けられた多孔質体とからなり、該多孔質体には、冷却面を流路壁の一部とする冷却面側流路と、冷却面から離間した離間側流路とが形成されて、冷却面側流路と離間側流路は多孔質体における両流路間の冷媒の流れが冷却面を横切る方向となるように配置されたものとした。

本発明によれば、冷媒が有効に冷却面方向へ流れるので、冷却面から十分に熱を奪い、発熱体が効率良く冷却される。

以下、本発明の実施の形態を実施例により詳細に説明する。
図１、図２は、ＩＧＢＴやダイオード等の大電流を流す半導体素子の冷却に適用した第１の実施例の構成を示す。図１の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図であって、とくに（ｃ）は（ｂ）におけるＡ−Ａ部断面を拡大して示している。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＢ−Ｂ部断面にあたる。さらに図２の（ｄ）は図１の（ｂ）におけるＣ−Ｃ矢視図、（ｅ）は同（ｂ）におけるＤ−Ｄ矢視図である。
冷却装置１は、冷媒の通路を構成するケーシング２の上壁３を冷却面Ｓとして、この冷却面Ｓ上に発熱体としての複数の半導体素子８を一定間隔で配して構成される。
ケーシング２は主に銅あるいはアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属製であり、半導体素子８はセラミック基板などの絶縁板９を介して冷却面Ｓに接合される。絶縁板９は半導体素子８の平面形より大きいサイズとしてある。

ケーシング２は横断面が４角形であり、長手方向両端の所定領域を除いて、多孔質体１０がケーシング２の内壁に接合されて内部空間を埋めている。所定領域の一方は冷媒入口ＩＮとなり、他方は冷媒出口ＯＵＴとなっている。
多孔質体１０はケーシング２と同様に銅あるいはアルミニウムなどの熱伝導率の高い金属で作製され、気孔径が数十μ〜数ｍｍの範囲としてある。

多孔質体１０とケーシング２の壁面間にはそれぞれ冷媒を流す第１流路２０と第２流路３０が形成されている。すなわち、第１流路２０は多孔質体１０のケーシングの下壁４との接合面に溝を設けるとともに下壁４を流路壁の一部として形成され、第２流路３０は冷却面Ｓとなっているケーシングの上壁３との接合面に溝を設けるとともに上壁３を流路壁の一部として形成されている。

第１流路２０は一定断面で複数本の流路としてケーシング２の幅方向に並べられ、それぞれ冷媒入口ＩＮに開口して冷媒出口ＯＵＴ近傍まで互いに平行に延び、当該冷媒出口ＯＵＴ側は閉じている。
第２流路３０は一定断面で複数本の流路としてケーシングの幅方向に並べられ、それぞれ冷媒出口ＯＵＴに開口して冷媒入口ＩＮ近傍まで互いに平行に延び、当該冷媒入口ＩＮ側は閉じている。
第１流路２０の本数は第２流路３０の本数よりも多い。
以下、第１流路の個別の流路または第２流路の個別の流路は、個別の流路間を識別する場合のほかは、一括して第１流路あるいは第２流路と呼ぶ。

第１流路２０は、その複数の流路が平面図においてケーシング２の幅方向に等間隔に並んで層を形成し、同様に、第２流路３０は、複数の流路が平面図においてケーシング２の幅方向に等間隔に並んで層を形成しており、第１流路２０の上記幅方向間隔と第２流路３０の幅方向間隔とは同一である。
とくに、（ｃ）の横断面図に示されるように、第１流路２０と第２流路３０はケーシング２の幅方向において幅方向間隔の１／２だけ互いにオフセットしている。このため、横断面において、第１流路２０と第２流路３０は上下方向に交互に、すなわちジグザグに配置されたものとなっている。
第２流路３０は冷却面Ｓ側の上層となり、第１流路２０は相対的に冷却面Ｓから遠い下層となる。

以上の構成になる冷却装置１に、冷媒入口ＩＮから冷媒が供給されると、冷媒は第１流路２０に流入する。第２流路３０と第１流路２０は上下の関係にあるから、冷媒は第１流路２０から染み出て多孔質体１０内を冷却面Ｓと平行な方向ではなく上方向へ流れ、一部は第２流路３０へ直接達し、残部は冷却面Ｓ近傍まで達してから熱を奪った後第２流路３０へ到達して、その後冷媒出口ＯＵＴへ向かう。すなわち、半導体素子８で発生した熱は絶縁板９、冷却面Ｓ、および多孔質体１０を熱伝導により流れて冷媒に吸収される。
第２流路３０も冷却面Ｓを流路壁の一部としているので、第１流路２０から染み出た冷媒は大部分が冷却面Ｓから熱を奪って冷媒出口ＯＵＴへ出て行くことになる。
本実施例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０が離間側流路に、そして第２流路３０が冷却面側流路に該当している。

本実施例の冷却装置１は以上のように構成され、半導体素子８が接合される冷却面Ｓを備えるケーシング２と、ケーシングの冷媒入口ＩＮと冷媒出口ＯＵＴの間に設けられた多孔質体１０とからなり、多孔質体１０には、冷却面Ｓを流路壁の一部とする第２流路３０の層と、冷却面Ｓから離間した第１流路２０の層とが上下の関係に形成されて、冷媒が多孔質体１０内を冷却面Ｓと平行な方向ではなく冷却面Ｓを横切る方向に、第１流路２０から第２流路３０へ流れるものとしたので、冷媒が有効に冷却面Ｓを通過して、半導体素子８は効率良く冷却される。

そして、第１流路２０は冷媒出口ＯＵＴ側が閉じ、第２流路３０は冷媒入口ＩＮ側が閉じているので、冷媒入口ＩＮから第１流路２０に入った冷媒はすべて多孔質体１０内へ染み出て第２流路３０へ至り、冷媒出口ＯＵＴから流れ出て、冷媒が有効に冷却作用に利用される。
また、第１流路２０と第２流路３０はそれぞれ等間隔に並べて配置された複数の流路からなり、第２流路３０を第１流路２０に対して並び方向にオフセットして、第２流路３０の各流路が第１流路２０の流路間隔の中間に配置されているので、多孔質体１０の全断面が冷媒の通路として用いられ、高い熱伝達性能が得られる。

次に、図３は第１の実施例の第１の変形例を示す。これは、冷媒入口に開口する第１流路と冷媒出口に開口する第２流路とを上下逆にしたものである。
図３は縦断面図であって、図１の（ｂ）に対応するものである。
冷却装置１’において、第１流路２０’は多孔質体１０’のケーシングの冷却面Ｓ（上壁３）との接合面に複数本の溝を平行に設けるとともに上壁３を流路壁の一部として形成され、それぞれ冷媒入口ＩＮに開口するとともに、冷媒出口ＯＵＴ近傍まで延び、当該冷媒出口ＯＵＴ側は閉じている。溝の並びは図２の（ｅ）における第１流路２０と同様である。

第２流路３０’は多孔質体１０’のケーシング２の下壁４との接合面に複数本の溝を平行に設けるとともに下壁４を流路壁の一部として形成され、それぞれ冷媒出口ＯＵＴに開口するとともに、冷媒入口ＩＮ近傍まで延び、当該冷媒入口ＩＮ側は閉じている。溝の並びは図２の（ｄ）における第２流路３０と同様である。
本構造は、換言すれば、第１の実施例における第１流路２０を冷媒出口ＯＵＴに開口させ、第２流路３０を冷媒入口ＩＮに開口させたものに相当する。
その他の構成は上記実施例と同じである。

冷媒入口ＩＮから冷媒が供給されると、冷媒は第１流路２０’に流入する。第１流路２０’はケーシング２の冷却面Ｓを流路壁の一部として上層にあるから、冷媒は第１流路２０’から染み出て多孔質体１０’内を下方へ流れて第２流路３０’へ達し、その後冷媒出口ＯＵＴへ向かう。
冷媒入口ＩＮから供給された冷媒はすべて第１流路２０’に入り、第１流路２０’においてその流路壁の一部をなす冷却面Ｓと接触してから多孔質体１０’内に染み出て第２流路３０’へ向かい、また第１流路２０’の複数の流路間の部分へ染み出た冷媒は冷却面Ｓに接してとくに高温となっている多孔質体１０’を通過してから第２流路３０’へ向かうことになる。これにより、半導体素子８で発生した熱は絶縁板９、冷却面Ｓ、および多孔質体１０’を熱伝導により流れ、半導体素子８は効率良く冷却される。
なお、この変形例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０’が冷却面側流路に、そして第２流路３０’が離間側流路に該当している。

次に、図４、図５は第１の実施例のさらに第２の変形例を示す。
図４の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図であって、とくに（ｃ）は（ｂ）におけるＥ−Ｅ部断面を拡大して示している。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＦ−Ｆ部断面にあたる。さらに図５の（ｄ）は図４の（ｂ）におけるＧ−Ｇ矢視図、（ｅ）は同（ｂ）におけるＨ−Ｈ矢視図である。
上記実施例では第１流路２０および第２流路３０をそれぞれ多孔質体１０に溝を設けて形成したが、この変形例の冷却装置１”は、ケーシング側に溝を設けたものである。
すなわち、第１流路２０”はケーシング２”の下壁４”に溝を設けるとともに多孔質体１０”をその流路壁の一部として形成してある。同様に、第２流路３０”はケーシング２”の冷却面Ｓ（上壁３”）に溝を設けるとともに多孔質体１０”をその流路壁の一部として形成してある。

第１流路２０”および第２流路３０”がそれぞれ平行な複数本からなることは上記実施例と同じである。
第１流路２０”は、それぞれ多孔質体１０”の冷媒入口ＩＮ側の端面より延びて冷媒入口ＩＮに開口するとともに、冷媒出口ＯＵＴ近傍まで延び、当該冷媒出口ＯＵＴ側は閉じている。
第２流路３０”は、それぞれ多孔質体１０”の冷媒出口ＯＵＴ側の端面より延びて冷媒出口ＯＵＴに開口するとともに、冷媒入口ＩＮ近傍まで延び、当該冷媒入口ＩＮ側は閉じている。
他の構成は上記実施例と同じである。
この変形例によっても、半導体素子８で発生した熱は絶縁板９、冷却面Ｓ、および多孔質体１０”を熱伝導により流れ、半導体素子８は効率良く冷却される。
また、多孔質体１０”の形状が簡素化されるので、その作製が容易となる。
この変形例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０”
が離間側流路に、そして第２流路３０”が冷却面側流路に該当している。

図６、図７は第１の実施例の第３の変形例を示す。これは、冷却面が２つの場合に対応させたものである。
図６の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は横断面図であって、とくに（ｃ）は（ｂ）におけるＪ−Ｊ部断面を拡大して示している。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＫ−Ｋ部断面にあたる。さらに図７の（ｄ）は図６の（ｂ）におけるＬ−Ｌ矢視図、（ｅ）は同（ｂ）におけるＭ−Ｍ部断面図である。
冷却装置１”’は、ケーシング２”’の上壁３と下壁４が冷却面Ｓ、Ｓとなっており、それぞれの冷却面Ｓに半導体素子８が絶縁板９を介して接合されている。
ケーシング２”’の内壁に接合された多孔質体１０”’の高さ方向中央位置に、平行な複数本からなり冷媒入口ＩＮに開口する第１流路２０”’が設けられ、第１流路２０”’は冷媒出口ＯＵＴ近傍まで延びて、当該冷媒出口ＯＵＴ側は閉じている。

第１流路２０”’を挟んで、上側と下側の第２流路３０、３０”’が設けられている。
上側の第２流路３０は、多孔質体１０”’の上壁３との接合面に溝を設けるとともに上壁３を流路壁の一部として形成され、下側の第２流路３０”’は多孔質体１０”’の下壁４との接合面に溝を設けるとともに下壁４を流路壁の一部として形成されている。第２流路３０”’の平面配置は透視したとき図７の（ｄ）と一致する。
第１流路２０”’の断面は、上側の第２流路３０と下側の第２流路３０”’との２流路に流す冷媒量を賄うために、各第２流路の断面よりも大きな面積に設定される。
その他の構成は、上記実施例と同じである。

以上のように構成した変形例によっても、第１流路２０”’と上側の第２流路３０間および第１流路２０”’と下側の第２流路３０”’間の冷媒の流れが、上記実施例と同様に、冷却面Ｓ、Ｓに対して垂直な上下方向となって半導体素子８が効率良く冷却される。
また、冷却面が２面となるので、多くの半導体素子の冷却をコンパクトな形態で賄うことができる。
この変形例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０”’が離間側流路に、そして第２流路３０および３０”’が冷却面側流路に該当している。

次に、第２の実施例について説明する。これは第１の実施例に対して、第１流路と第２流路の形状を変えたものである。
図８、図９は第２の実施例の構成を示し、図８の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＮ−Ｎ部の拡大断面図、（ｄ）は（ｂ）におけるＰ−Ｐ部の拡大断面図である。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＱ−Ｑ部断面にあたる。さらに図９の（ｅ）は図８の（ｂ）におけるＲ−Ｒ矢視図、（ｆ）は同（ｂ）におけるＴ−Ｔ矢視図である。
第１の実施例と同一部分には同符号を付して、詳細な説明は省略する。

冷却装置１Ａにおいて、互いに平行な複数本の流路からなる第１流路２０Ａは、それぞれ多孔質体１０Ａのケーシング２の下壁４との接合面に溝を設けるとともに下壁４を流路壁の一部として形成され、互いに平行な複数本からなる第２流路３０Ａはそれぞれ冷却面Ｓとなっているケーシング２の上壁３との接合面に溝を設けるとともに上壁３を流路壁の一部として形成されている。
とくに（ｂ）の縦断面図に示されるように、第１流路２０Ａは、それぞれ冷媒入口ＩＮへの開口部において溝の深さを大きくして断面積を大とし、冷媒出口ＯＵＴ側へ進むに従って溝の深さを浅くして断面積を減少させ、冷媒出口ＯＵＴ近傍において溝の深さが０となって閉じている。

第２流路３０Ａは、それぞれ冷媒出口ＯＵＴへの開口部において溝の深さを大きくして断面積を大とし、冷媒入口ＩＮ側へ進むに従って溝の深さを浅くして断面積を減少させ、冷媒入口ＩＮ近傍において溝の深さが０となって閉じている。
したがって、（ｂ）の縦断面において、それぞれ多孔質体１０Ａに形成された第１流路２０Ａの溝と第２流路３０Ａの溝の各底壁は互いに平行な状態で傾斜しており、第１流路２０Ａと第２流路３０Ａの各断面積はケーシングの長手方向において相補的に変化している。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

本実施例は以上のように構成され、冷媒が多孔質体１０Ａ内を第１流路２０Ａから第２流路３０Ａへ冷却面Ｓを横切る方向に流れるものとしたので、冷媒が有効に冷却面Ｓを通過して、半導体素子８は効率良く冷却される。
そして、第１流路２０Ａは冷媒出口ＯＵＴ側が閉じ、第２流路３０Ａは冷媒入口ＩＮ側が閉じているので、冷媒入口ＩＮから第１流路２０Ａに入った冷媒はすべて多孔質体１０Ａ内へ染み出て第２流路３０Ａへ至り、冷媒出口ＯＵＴから流れ出て、冷媒が有効に冷却作用に利用される。
また、第１流路２０Ａと第２流路３０Ａはそれぞれ等間隔に並べて配置された複数の流路からなり、第２流路３０Ａを第１流路２０Ａに対して並び方向にオフセットして、第２流路３０Ａの各流路が第１流路２０Ａの流路間隔の中間に配置されているので、多孔質体１０Ａの全断面が冷媒の通路として用いられ、高い熱伝達性能が得られる。

さらに本実施例では、第１流路２０Ａの断面積が冷媒入口ＩＮに近いほど大きく、第２流路３０Ａの断面積が冷媒出口ＯＵＴに近いほど大きくなっているので、ケーシング２の長手方向の位置がどこであるかに関わらず、第１流路２０Ａからは均一に多孔質体１０Ａへ冷媒が染み出てゆき、多孔質体１０Ａを通過した冷媒も均一に第２流路３０Ａへ流れ出るので、冷媒が冷却面Ｓからの熱を均一に奪い取り、半導体素子８を一層効率良く冷却することができる。
本実施例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０Ａが離間側流路に、そして第２流路３０Ａが冷却面側流路に該当している。
なお、本実施例は第１の実施例をベースとして、第１流路と第２流路の形状を変えたが、上述の第１〜第３の変形例についても同様に適用できるものである。

図１０、図１１は第１流路と第２流路の形状を変えた第３の実施例を示す。
図１０の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＵ−Ｕ部の拡大断面図、（ｄ）は（ｂ）におけるＶ−Ｖ部の拡大断面図である。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＷ−Ｗ部断面にあたる。さらに図１１の（ｅ）は図１０の（ｂ）におけるＸ−Ｘ矢視図、（ｆ）は同（ｂ）におけるＹ−Ｙ矢視図である。
第１の実施例と同一部分には同符号を付して、詳細な説明は省略する。
冷却装置１Ｂにおいて、第２流路３０Ｂは多孔質体１０Ｂのケーシング２の上壁３との接合面に一定深さの溝を設けるとともに上壁３を流路壁の一部として形成されている。
平面図において、第２流路３０Ｂは冷却面Ｓに接合する各半導体素子８の接合位置に対応して、換言すれば半導体素子の直下に、半導体素子８の外形をカバーする格子状部３２を備えている。ここでは、格子状部３２は格子枠３４、３５によって縦横３列に区切られており、合計９個の格子穴相当部３７が形成されている。

そして、半導体素子８の列に沿う方向（ケーシング２の長手方向）の４本の格子枠３４は順次接続されて冷媒出口ＯＵＴに開口している。換言すれば、ケーシング２の長手方向に４本の溝が冷媒出口ＯＵＴまで延ばして設けられ、これら４本の溝を各半導体素子８の接合位置に対応した部位においてそれぞれ幅方向に延びる４本の溝（格子枠３５）でつないでいる。
第１流路２０Ｂは多孔質体１０Ｂのケーシング２の下壁４との接合面に溝を設けるとともに下壁４を流路壁の一部として形成され、冷媒入口ＩＮに開口し、第２流路３０Ｂの長手方向の４本の溝と平行に延びて冷媒出口ＯＵＴ近傍で閉じている。

第２流路３０Ｂの長手方向の溝（格子枠３４）と第１流路２０Ｂとはケーシング２の幅方向において幅方向間隔の１／２だけ互いにオフセットしており、第１流路２０Ｂは平面図において第２流路３０Ｂが形成する格子の格子穴相当部３７の中心を通っている。
第１流路２０Ｂは、各格子穴相当部３７の中心に対応して冷却面Ｓ方向へ延びる膨出部２２を備えている。膨出部２２の底壁２３ｂの高さ（深さ）は第２流路３０Ｂの溝の底壁との間に所定の高さ方向間隙ｈを残している。
他の構成は第１の実施例と同じである。

上記構成によれば、第２流路３０Ｂが格子状部３２を有して幅方向に延びる溝を備えているので、第１、第２の実施例では横断面における幅方向に隣接する第１流路２０の溝から第２流路３０の溝へ向かう傾斜した流れが主であるのに対して、第１流路２０Ｂの膨出部２２から第２流路３０Ｂの幅方向に延びる格子枠３５の溝への流れも追加されて、全体として冷却面Ｓを横切る方向の流れを増大させるとともに、半導体素子８が接合される冷却面Ｓの領域からより均等に熱を奪うことができる。
本実施例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０Ｂが離間側流路に、そして第２流路３０Ｂが冷却面側流路に該当している。

本実施例は以上のように構成され、第１の実施例と同様に、冷媒が多孔質体１０Ｂ内を第１流路２０Ｂから第２流路３０Ｂへ冷却面Ｓを横切る方向に流れるものとしたので、冷媒が有効に冷却面Ｓを通過して、半導体素子８は効率良く冷却される。
そして、第１流路２０Ｂは冷媒出口ＯＵＴ側が閉じ、第２流路３０Ｂは冷媒入口ＩＮ側が閉じているので、冷媒入口ＩＮから第１流路２０Ｂに入った冷媒はすべて多孔質体１０Ｂ内へ染み出て第２流路３０Ｂへ至り、冷媒出口ＯＵＴから流れ出て、冷媒が有効に冷却作用に利用される。
また、第１流路２０Ｂと第２流路３０Ｂはそれぞれ等間隔に並べて配置された複数の流路からなり、第２流路３０Ｂを第１流路２０Ｂに対して並び方向にオフセットして、第２流路３０Ｂの各流路が第１流路２０Ｂの流路間隔の中間に配置されているので、多孔質体１０Ｂの全断面が冷媒の通路として用いられて高い熱伝達性能が得られる。

さらに、第２流路３０Ｂが格子状部３２を有して幅方向に延びる溝も備えているので、冷媒流量を増加できるとともに、半導体素子８が接合される冷却面Ｓの領域をより細かく網羅して均質な冷却が可能となる。
なお、図示では、第１流路２０Ｂの本数を第２流路３０Ｂが形成する格子穴相当部３７の列に対応させた３本としたが、その両側にさらに追加して第１の実施例等と同様に５本とすれば、さらに冷媒の流量を増大させることができる。

なお、本実施例は第１の実施例をベースとして、第１流路と第２流路の形状を変えたが、上述の第１〜第３の変形例についても同様に適用できるものである。
例えば、第３の実施例では第１流路２０Ｂを冷媒入口ＩＮに開口し、第２流路３０Ｂを冷媒出口ＯＵＴに開口して、第１流路２０Ｂと冷却面Ｓ間の冷媒の流れを上向きとしたが、これと反対に第１の変形例にそわせて、冷媒入口ＩＮと冷媒出口ＯＵＴを反転させ、冷却面Ｓ側の第２流路３０Ｂを冷媒入口ＩＮに開口し、下壁４側の第１流路２０Ｂを冷媒出口ＯＵＴに開口して、第１流路２０Ｂと冷却面Ｓ間の冷媒の流れを下向きとしても、ほとんど全ての冷媒が有効に冷却面を通過することに変わりないから、上述したのと同一の効果が得られる。
また、第３の変形例に対しては、上側の第２流路２０および下側の第２流路３０”’に格子状部３７を備え、第１流路２０”’に上方向および下方向に延びる膨出部２２を備えればよい。

次に第４の実施例について説明する。これは第１流路と第２流路の形状を変えるとともに、多孔質体の特定領域の特性を変えたものである。
図１２、図１３は第４の実施例の構成を示し、図１２の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）横断面図であって、とくに（ｃ）は（ｂ）におけるＺ−Ｚ部の拡大断面を示している。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＡＡ−ＡＡ部断面にあたる。さらに図１３の（ｄ）は図１２の（ｂ）におけるＢＢ−ＢＢ矢視図、（ｅ）は同（ｂ）におけるＣＣ−ＣＣ矢視図である。
第１の実施例と同一部分には同符号を付して、詳細な説明は省略する。
冷却装置１Ｃにおいて、第１流路２０Ｃが多孔質体１０Ｃのケーシング２の下壁４との接合面に溝を設けるとともに下壁４を流路壁の一部として形成されている。第１流路２０Ｃは冷却面Ｓに接合する各半導体素子８の下方において、半導体素子８のサイズよりも若干小さめの広幅で、断面スリット状を呈している。

第１流路２０Ｃは冷媒入口ＩＮに開口するとともに、冷媒出口ＯＵＴ近傍で閉じている。
第１流路２０Ｃはさらに半導体素子８の接合位置に対応する部位、すなわち半導体素子の直下に膨出部２２Ｃを備えている。膨出部２２Ｃのケーシング長手方向における寸法も幅寸法と同様に半導体素子８のサイズよりも若干小さめに設定されて、平面図において膨出部２２Ｃの形状は半導体素子８の外形と略相似となっている。

第２流路３０Ｃは冷却面Ｓとなっているケーシング２の上壁３との接合面に一定断面の溝を設けるとともに上壁３を流路壁の一部として形成されている。
第２流路３０Ｃは、半導体素子８の直下の領域を挟んで配置され、半導体素子８の外形よりも外側をケーシング２の長手方向と平行に延びている。
第２流路３０Ｃはそれぞれ冷媒出口ＯＵＴに開口して冷媒入口ＩＮ近傍まで延び、当該冷媒入口ＩＮ側は閉じている。
第１流路２０Ｃの膨出部２２Ｃの底壁２３ｃの高さ（深さ）は第２流路３０Ｃの溝の底壁との間に所定の高さ方向間隙ｈ’を残している。

多孔質体１０Ｃの、両側の第２流路３０Ｃに挟まれるとともに膨出部２２Ｃの底壁２３ｃから冷却面Ｓとの接合面に至る領域は、他の領域よりも気孔率を高くした低圧力損失部１５としてある。低圧力損失部１５のケーシング長手方向における寸法は半導体素子８のサイズよりも若干大きめに設定されて、平面図において低圧力損失部１５の形状は半導体素子８の外形と略相似となっている。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

冷媒入口ＩＮから冷媒が供給されると、冷媒は第１流路２０Ｃに流入する。第１流路２０Ｃは半導体素子８のサイズに近い幅で半導体素子８の直下にあるので、冷媒は第１流路２０Ｃの膨出部２２Ｃから染み出て多孔質体１０Ｃ内を冷却面Ｓへ向かって上方向へ流れ、広い範囲で冷却面Ｓと接触し熱を奪う。
この際、第１流路の膨出部２２Ｃと冷却面Ｓの間は、多孔質体の気孔率を高くして低圧力損失部１５としてあるので、冷媒が集中しやすく、ほとんどの冷媒が当該低圧力損失部１５を通って冷却面Ｓへ案内されることになる。
冷却面Ｓから熱を奪った冷媒は、その後第２流路３０Ｃへ流れて、冷媒出口ＯＵＴへ向かう。
本実施例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０Ｃが離間側流路に、そして第２流路３０Ｃが冷却面側流路に該当している。

本実施例は以上のように構成され、冷媒が冷却面Ｓへ向かって当該冷却面を横切る方向、すなわち第１流路２０Ｃから多孔質体１０Ｃ内を上方へ流れるものとしたので、第１の実施例と同様に、冷媒が有効に冷却面Ｓを通過して、半導体素子８は効率良く冷却される。
また、第１流路２０Ｃは冷媒出口ＯＵＴ側が閉じ、第２流路３０Ｃは冷媒入口ＩＮ側が閉じているので、冷媒入口ＩＮから第１流路２０Ｃに入った冷媒はすべて多孔質体１０Ｃ内へ染み出て第２流路３０Ｃへ至り、冷媒出口ＯＵＴから流れ出て、冷媒が有効に冷却作用に利用される。

そしてとくに、第１流路２０Ｃを半導体素子８の直下部位で半導体素子のサイズに対応した広幅としたので、冷却面Ｓに接合している多孔質体１０Ｃの広い範囲が冷媒への熱伝導領域となって、伝達する熱量を増大させる。
さらに、第１流路２０Ｃに底壁２３ｃを冷却面Ｓに近づけた膨出部２２Ｃを設けるとともに、膨出部２２Ｃと冷却面Ｓの間の多孔質体を低圧力損失部１５としたので、冷媒が冷却面Ｓへ向かって集中し、半導体素子８の冷却効率を一層向上させる。
低圧力損失部１５は多孔質体１０Ｃの気孔率を他の領域よりも大きくすることにより形成でき、気孔率の設定により圧力損失の度合いを適宜選択することができる。

なお、第４の実施例では第１流路２０Ｃを冷媒入口ＩＮに開口し、第２流路３０Ｃを冷媒出口ＯＵＴに開口して、第１流路２０Ｃと冷却面Ｓ間の冷媒の流れを上向きとしたが、これと反対に、冷媒入口ＩＮと冷媒出口ＯＵＴを反転させ、第２流路３０Ｃを冷媒入口ＩＮに開口し、第１流路２０Ｃを冷媒出口ＯＵＴに開口して、第１流路２０Ｃと冷却面Ｓ間の冷媒の流れを下向きとしても、ほとんど全ての冷媒が有効に冷却面Ｓを通過することに変わりないから、上述したのと同一の効果が得られる。

また、本実施例では、第１流路２０Ｃを広幅の単一流路としたが、第１流路が複数の流路からなる場合であっても、それぞれ第１流路と冷却面の間の多孔質体を低圧力損失部とすることができる。
低圧力損失部１５は多孔質体の気孔率を大きくすることで形成するものとしたが、気孔率の代わりに気孔径を他の領域よりも大きくすることによっても形成することができる。

図１４、図１５は第５の実施例を示す。これはケーシングに遮蔽板を設けたものである。
図１４の（ａ）は平面図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）におけるＤＤ−ＤＤ部の拡大断面図、（ｄ）はケーシングのみを取り出して示す拡大横断面図である。また、（ｂ）は（ｃ）におけるＦＦ−ＦＦ部断面にあたる。さらに図１５の（ｅ）は（ｂ）におけるＥＥ−ＥＥ矢視図である。（ｆ）は図１４の（ｂ）におけるＧＧ−ＧＧ矢視図、（ｇ）は同（ｂ）におけるＨＨ−ＨＨ矢視図である。
第１の実施例と同一部分には同符号を付して、詳細な説明は省略する。
冷却装置１Ｄにおいては、金属製のケーシング２Ｄは横断面が４角形であり、上壁３を冷却面Ｓとし、これに平行に対向する下壁４に４枚の遮蔽板１８を幅方向等間隔に設けている。

遮蔽板１８は、下壁４から上壁３に向かって垂直に立ち上がるとともに、長手方向に互いに平行に延びており、冷媒入口ＩＮ側は後述する多孔質体１０Ｄの端面に一致させ、冷媒出口ＯＵＴ側は多孔質体１０Ｄの端面より退避している。
遮蔽板１８の上端と上壁３の間には所定の間隙ｈ”が設けられており、遮蔽板１８の上端面は後述する第２流路３０Ｄの底壁となる。
ケーシング２Ｄには、長手方向両端の冷媒入口ＩＮと冷媒出口ＯＵＴになる領域の間に、多孔質体１０Ｄがケーシングの内壁と接合されている。

冷媒出口ＯＵＴ近傍を残して、多孔質体１０Ｄの下壁４との接合面を全幅にわたって切り欠いて、ケーシングの下壁４との間に一定の間隙を設ける。この間隙部分が遮蔽板によりケーシングの幅方向に分割された溝を形成して、冷媒入口ＩＮに開口した第１流路２０Ｄとなっている。
すなわち、第１流路２０Ｄは多孔質体１０Ｄの上記切り欠いた面を底壁とし下壁４を流路壁の一部として形成されている。第１流路２０Ｄの冷媒出口ＯＵＴ側は閉じている。

一方、多孔質体１０Ｄのケーシングの上壁３との接合面には遮蔽板１８の位置に整合させて遮蔽板１８の上端面までの深さの溝を設けるとともに上壁３を流路壁の一部として第２流路３０Ｄが形成されている。第２流路３０Ｄは遮蔽板１８の厚みを溝幅としており、すなわち遮蔽板１８の上端面が底壁となっている。
第２流路３０Ｄは冷媒出口ＯＵＴに開口し、冷媒入口ＩＮ側は閉じている。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

本実施例では、第１流路２０Ｄが遮蔽板１８により複数に分割され、遮蔽板１８が第２流路３０Ｄの底壁まで延びているので、第１流路２０Ｄから多孔質体１０Ｄ内に染み出た冷媒はケーシング幅方向への流れを規制されて、すべて冷却面Ｓである上壁３へ向かって案内され、冷却面Ｓ近傍に達してから第２流路３０Ｄへ流れ出ることになる。
本実施例では、半導体素子８が発明における発熱体に該当し、第１流路２０Ｄが離間側流路に、そして第２流路３０Ｄが冷却面側流路に該当している。

本実施例は以上のように構成され、冷媒が冷却面Ｓへ向かって当該冷却面を横切る方向、すなわち第１流路２０Ｄから多孔質体１０Ｄ内を上方へ流れるものとしたので、半導体素子は効率良く冷却される。
そして、第１流路２０Ｄは冷媒出口ＯＵＴ側が閉じ、第２流路３０Ｄは冷媒入口ＩＮ側が閉じているので、冷媒入口ＩＮから第１流路２０Ｄに入った冷媒はすべて多孔質体１０Ｄ内へ染み出て第２流路３０Ｄへ至り、冷媒出口ＯＵＴから流れ出て、冷媒が有効に冷却作用に利用される。
また、第１流路２０Ｄと第２流路３０Ｄはそれぞれ等間隔に並べて配置された複数の流路からなり、第２流路３０Ｄを第１流路２０Ｄに対して並び方向にオフセットして、第２流路３０Ｄの各流路が第１流路２０Ｄの流路間隔の中間に配置されているので、多孔質体１０Ｄの全断面が冷媒の通路として用いられ、高い熱伝達性能が得られる。

さらに、多孔質体１０Ｄに冷却面Ｓを横切る方向の遮蔽板１８が設けられているので、第１流路２０Ｄから多孔質体１０Ｄ内に染み出た冷媒は、熱伝達に有効でない領域へ流れるのを阻止されて、すべて冷却面である上壁３へ向かって案内され、半導体素子８の冷却効率が一層向上する。
本実施例は第１の実施例をベースとしたが、その各変形例や、第２〜第４の各実施例についても同様に適用できるものである。
例えば、第３の変形例においては、ケーシング２の上壁３と下壁４間の中間位置において、多孔質体１０”内の第１流路２０”’の複数の流路間に遮蔽板を鋳込めばよい。

以上、各実施例について説明したが、本発明は図示の実施例に限定されることなく、本発明の効果を奏する範囲において、第１流路、第２流路の本数や形状を適宜変更することができ、また各実施例や変形例を組み合わせることができる。

第１の実施例の構成を示す図である。 第１の実施例の構成を示す図である。 第１の変形例を示す図である。 第２の変形例を示す図である。 第２の変形例を示す図である。 第３の変形例を示す図である。 第３の変形例を示す図である。 第２の実施例の構成を示す図である。 第２の実施例の構成を示す図である。 第３の実施例の構成を示す図である。 第３の実施例の構成を示す図である。 第４の実施例の構成を示す図である。 第４の実施例の構成を示す図である。 第５の実施例の構成を示す図である。 第５の実施例の構成を示す図である。

符号の説明

１、１’、１”、１”’、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ 冷却装置
２、２”、、２”’、２Ｄ ケーシング
３、３” 上壁
４、４” 下壁
８ 半導体素子
９ 絶縁板
１０、１０’、１０”、１０”’、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ 多孔質体
１５ 低圧力損失部
１８ 遮蔽板
２０、２０’、２０”、２０”’、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ、２０Ｄ 第１流路
２２、２２Ｃ 膨出部
２３ｂ、２３ｃ 底壁
３０、３０’、３０”、３０”’、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ 第２流路
３２ 格子状部
３４、３５ 格子枠
３７ 格子穴相当部
ＩＮ 冷媒入口
ＯＵＴ 冷媒出口
Ｓ 冷却面

Claims (14)

1. 発熱体が接合される冷却面を備えるケーシングと、
   該ケーシングの冷媒入口と冷媒出口の間に設けられた多孔質体とからなり、
   該多孔質体には、前記冷却面を流路壁の一部とする冷却面側流路と、前記冷却面から離間した離間側流路とが形成されて、
   前記冷却面側流路と離間側流路は、前記多孔質体における当該冷却面側流路と離間側流路間の冷媒の流れが前記冷却面を横切る方向となるように配置されたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記ケーシングは長手方向の一端側が冷媒入口、他端側が冷媒出口とされ、
   前記冷却面側流路と離間側流路はそれぞれ前記ケーシングの長手方向に平行に延び、
   前記冷却面側流路は前記冷媒入口に開口するとともに、前記冷媒出口側が閉じており、
   前記離間側流路は前記冷媒出口に開口するとともに、前記冷媒入口側が閉じていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記ケーシングは長手方向の一端側が冷媒入口、他端側が冷媒出口とされ、
   前記冷却面側流路と離間側流路はそれぞれ前記ケーシングの長手方向に平行に延び、
   前記冷却面側流路は前記冷媒出口に開口するとともに、前記冷媒入口側が閉じており、
   前記離間側流路は前記冷媒入口に開口するとともに、前記冷媒出口側が閉じていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記ケーシングは互いに対向する上壁および下壁を冷却面とし、長手方向の一端側が冷媒入口、他端側が冷媒出口とされ、
   前記離間側流路は上壁側の冷却面側流路と下壁側の冷却面側流路間の中間に設けられて、各冷却面側流路と離間側流路はそれぞれ前記ケーシングの長手方向に平行に延び、
   前記離間側流路は前記冷媒入口に開口するとともに、前記冷媒出口側が閉じており、各冷却面側流路は前記冷媒出口に開口するとともに、前記冷媒入口側が閉じていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記冷却面側流路と離間側流路はそれぞれ等間隔に並べて配置された複数の流路からなり、前記冷却面側流路を前記離間側流路に対して並び方向にオフセットして、冷却面側流路の各流路が離間側流路の流路間隔の中間に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の冷却装置。
6. 前記冷却面側流路および離間側流路はそれぞれその断面積を開口側が大きく、閉じ側が小さくなるように変化させてあることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の冷却装置。
7. 前記冷却面側流路は、複数の流路間をその並び方向につないで形成した格子状部を発熱体の接合位置に対応して備えることを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
8. 前記離間側流路には、前記冷却面側流路の格子状部における格子穴相当部の中心に向かって延びる膨出部を備えていることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
9. 前記多孔質体は、発熱体の接合位置に対応する部位における前記離間側流路から前記冷却面までの領域を低圧力損失部としてあることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の冷却装置。
10. 前記低圧力損失部は、多孔質体の気孔率または気孔径を他の領域よりも大きくしたものであることを特徴とする請求項９に記載の冷却装置。
11. 前記冷却面側流路は前記低圧力損失部の側方に隣接して配置してあることを特徴とする請求項９または１０に記載の冷却装置。
12. 前記多孔質体には前記冷却面を横切る方向に遮蔽板が設けられて、
    多孔質体内の冷媒の流れ方向を規制することを特徴とする請求項１から６および９から１１のいずれか１に記載の冷却装置。
13. 前記ケーシングは互いに対向する上壁および下壁を備えて上壁を冷却面とし、
    前記離間側流路は前記下壁を流路壁の一部として形成され、
    前記冷却面側流路と離間側流路はそれぞれ等間隔に並べて配置された複数の流路からなり、前記冷却面側流路を前記離間側流路に対して並び方向にオフセットして、冷却面側流路の各流路が離間側流路の流路間隔の中間に配置されており、
    前記下壁には前記離間側流路の複数の流路間に前記冷却面へ向かって延びる遮蔽板が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載の冷却装置。
14. 前記冷却面側流路と離間側流路の少なくとも一方は、前記ケーシングの壁面に形成した溝を前記多孔質体でカバーしてなることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１に記載の冷却装置。

Images