JP2009176881A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却プレートの半導体を接合した冷却面と反対側の面にフィンを設けた冷却装置において、バーンアウト状態の発生を抑えて冷却性能を向上させる。
【解決手段】冷却面Ｓに半導体素子５を接合した冷却プレート２の反対側の面に、冷媒通路４を横切って延びる板状フィン１０を設ける。板状フィン１０は基部１２と基部から櫛歯状に延びるピン１４とからなるものを冷媒の毛細管現象を生じさせる幅間隔ｄで冷媒の流れ方向に複数並べてある。隣接する板状フィン１０の基部１２により溝部２０が形成される。半導体素子からの熱で溝部２０の底壁に気泡が発生するが、気泡の界面に毛細管現象で冷媒が継続的に供給されるので、核沸騰状態が維持され、バーンアウト状態となることを極力抑制することができるため、効率よく冷却される。
【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。例えば特開２００４−３４９３２４号公報には、半導体素子を接合したベースプレートの裏面に板状フィンを設け、そのフィンを冷媒通路に臨ませて放熱するようにしている。
特開２００４−３４９３２４号公報

近年、とくにモータ駆動用の半導体素子などはそ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、半導体素子の冷却性能向上への要求が強まっており、特開２００４−３４９３２４号公報に示されたものでは、多数の板状フィンをそれぞれ冷媒の流れと平行な方向に延ばして、冷媒との接触面積を拡大するようにしている。

しかしながら、単に端に冷媒との接触面積を増大させただけでは、ＳｉＣ（炭化ケイ素半導体）に代表されるような超高発熱素子の冷却に適用した場合、フィンの界面における膜沸騰が発生してバーンアウト（ドライアウト）状態に達してしまい、期待通りの冷却性能を得ることができないという問題がある。

したがって本発明は、上記の問題点に鑑み、バーンアウトを抑えて冷却性能を向上させ得る冷却装置を提供することを目的とする。

このため本発明は、冷却プレートの発熱体を接合した面と反対側の冷媒の流路に臨ませた面に複数のフィンを設けた冷却装置において、さらに、フィンの間に冷媒の毛細管現象を生じさせる幅で冷媒の流路を横切る方向に延びる溝部を設けたものとした。

本発明によれば、溝部の底壁で熱により冷媒が沸騰して生じた気泡の界面に毛細管現象で冷媒が継続的に供給されるので、核沸騰状態を維持するから、これにより、バーンアウトを抑制し、発熱体が効率よく冷却される。

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は、半導体素子の冷却に適用した第１の実施例の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ部断面図である。また図２は冷媒通路のカバーを取外して示す上面図、図３はカバーを取外して示す斜視図である。なお、図１の（ａ）は図２におけるＢ−Ｂ部断面に相当する。
なお、実施の形態を通じて図中の矢示Ｒは冷媒の流れ方向を示す。
冷却装置１は、冷却プレート２と、この冷却プレート２に結合されて冷媒通路４を形成するカバー３とからなり、両者を結合するボルトやボルト穴等は図示省略してある。

冷却プレート２の冷媒通路４と反対側の面（図１では下面）を冷却面Ｓとして、この冷却面Ｓ上に発熱体としての半導体素子５が接合される。
冷却プレート２とカバー３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５はセラミック基板などの絶縁板６を介して冷却面Ｓに接合される。

冷媒通路４は横断面が４角形である。
冷媒通路４内において、長手方向（冷媒の流れ方向）両端の所定領域を除いて、冷却プレート２には板厚０．５〜１ｍｍの板状フィン１０が立ち上がっている。板状フィン１０は冷却プレート２と一体であり、削り出しあるいは鋳造により形成される。板状フィン１０は冷却プレート２と一体であるから、材質も冷却プレート２と同一である。

板状フィン１０は、図２の上面図において冷媒通路４の長手方向に対して垂直に複数枚が配置され、板状フィン１０間の間隔ｄは所定値に設定されている。この間隔ｄの所定値は冷媒の毛細管現象を発生させ得る値として設定され、冷媒として水やエチレングリコールなどを使用する場合は０．５ｍｍ以下が好ましい。
冷媒通路４両端の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。

板状フィン１０には、冷却プレート２から０．５〜１．０ｍｍの高さまでを基部１２として、基部１２よりも上側にスリット１５が形成されて櫛歯状となっている。これにより、板状フィン１０は基部１２と基部から互いに平行に立ち上がった多数の柱状のピン１４からなる形態を呈する。ピン１４の先端（上端）はカバー３の内壁に当接し、またはカバー３の内壁と若干の隙間をもつまで延びている。

各ピン１４は正方形断面を有し、図１の（ｂ）に示すように、スリット１５はピン１４の幅寸法Ｗと同等レベルの幅を有している。なお、限られたスペース内で板状フィン１０の枚数、ピン１４の本数を多くして冷媒との接触面積を増大させるために、板状フィン１０の板厚、ピン１４やスリット１５の幅はできるだけ小さい寸法とするのが好ましい。
冷媒通路４の長手方向に並んだ各板状フィン１０はすべて同一形状であり、冷媒通路４の長手方向に見たとき、各板状フィンのピン１４は整合して重なっており、スリット１５も同様に重なっている。
各隣接する板状フィン１０の基部１２は冷媒の流れ方向に対して直角、すなわち冷媒通路４を直角に横切る溝部２０を形成している。溝部２０の溝幅は板状フィン１０間の間隔ｄである。

以上の構成になる冷却装置１において、半導体素子５が発生した熱は冷却プレート２に伝わり、冷却プレート２から板状フィン１０やカバー３へ伝わる。
冷媒入口ＩＮから冷媒通路４に冷媒が供給されると、冷却プレート２近傍を流れる冷媒は冷却プレート２と熱交換し、冷却プレート２近傍にない冷媒は、カバー３あるいは冷媒通路４を横切って配置された板状フィン１０に接触することにより熱交換して、半導体素子５が発生した熱を奪い取って、その後冷媒出口ＯＵＴへ向かう。

ここで、板状フィン１０まわりにおける冷媒の挙動について、図４により説明する。図４の（ａ）は冷却プレート２上の溝部２０を冷媒通路４の長手方向に見た正面図、（ｂ）は（ａ）におけるＣ−Ｃ矢視図である。
この冷却装置１において最も温度が上昇しやすい部位は、溝部２０の底壁（冷却プレート２）である。半導体素子５からの発熱量が増大すると、まずこの溝部２０の底壁２２で冷媒が沸騰し始め、底壁２２の界面に気泡Ｋが発生する。
気泡Ｋが発生すると、溝部２０に働く毛細管現象により、気泡Ｋが発生した界面に向けて冷媒が供給される。この新たに供給された冷媒も底壁２２の熱で沸騰して、前の気泡に加わってゆき、これにより気泡Ｋの大きさが増大していく。

気泡Ｋが所定サイズまで大きくなると、その気泡は基部１２から上のスリット１５の領域に顔を出して、冷媒通路４の長手方向にスリット１５を通過する冷媒の流れに臨む。こうして、気泡Ｋの冷媒流れに臨んだ部分は冷媒の流速により溝部２０から剥ぎ取られて、冷媒とともに冷媒出口ＯＵＴ方向へ流れていく。
以上の一連の作動が繰り返されることにより、温度が最も上昇しやすい部位で発生した気泡が成長したまま滞留することがないから、膜沸騰に至ってバーンアウト状態となることなく核沸騰状態を維持する。

本実施例の冷却装置１は以上のように構成され、一方の面が冷媒通路４に臨み、他方の面に発熱体としての半導体素子５が接合される冷却プレート２を備え、冷却プレート２の冷媒通路４に臨む面に板状フィン１０を設けるとともに、板状フィン１０の間に、冷媒通路４を横切って延びるとともに冷媒の毛細管現象を生じさせる幅の溝部２０を冷媒の流れ方向に対して垂直に形成したので、冷却プレート２と気泡Ｋの界面に毛細管現象で冷媒が継続的に供給され、核沸騰状態を維持する。これにより、バーンアウト状態となることを極力抑制することができるため、半導体素子５回りが効率よく冷却される。

とくに、板状フィン１０は、冷媒通路４を横切る方向に延びる基部１２と基部から櫛歯状に延びるピン１４とからなるものを冷媒の流れ方向に複数並べたので、隣接する板状フィン１０の基部１２間をそのまま溝部２０とすることができる。

次に、第２の実施例について説明する。これは、板状フィンをその上端が冷媒入口ＩＮ寄りとなるように傾斜させたものである。
図５は第２の実施例の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は冷媒通路のカバーを取外して示す上面図である。図６はカバーを取外して示す斜視図である。なお、図５の（ａ）は（ｂ）におけるＤ−Ｄ部断面に相当する。横断面図は図２と同様であるため省略する。
冷却装置１Ａは、冷却プレート２と、この冷却プレート２に結合されて冷媒通路４を形成するカバー３とからなる。
冷却プレート２から一体に立ち上がる板状フィン１０Ａは、第１の実施例の板状フィン１０と同様に、基部１２Ａよりも上側にスリット１５が形成されて多数のピン１４Ａを有する櫛歯状となっている。

板状フィン１０Ａの各ピン１４Ａは正方形断面を有し、スリット１５はピン１４Ａの幅寸法と同等レベルの幅を有している。基部１２Ａの高さは０．５〜１．０ｍｍとしてある。
この板状フィン１０Ａが０．５ｍｍ以下の間隔で冷媒通路４の長手方向に複数枚が配置され、冷媒通路４を長手方向に見たとき、各板状フィン１０Ａのピン１４Ａは整合して重なっており、スリット１５も同様に重なっている。
隣接する板状フィン１０Ａの基部１２Ａが、当該部位の冷却プレート２を底壁２２とする溝部２０Ａを形成している。

図６の上面図において、各板状フィン１０Ａは冷媒通路４の長手方向に対して直角であるが、図５の縦断面図においては、ピン１４Ａの上側が冷媒入口ＩＮ側に傾斜している。板状フィン１０Ａの傾斜角度α（図７参照）は３０°以内が好ましい。
図７は縦断面の一部を示す部分拡大図である。個々の板状フィン１０Ａのスリットの底壁１７（基部の上面）およびピン１４Ａの頂壁１６は冷却プレート２と平行となっている。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

本実施例の冷却装置１Ａは以上のように構成され、一方の面が冷媒通路４に臨み、他方の面に半導体素子５が接合される冷却プレート２を備え、冷却プレート２の冷媒通路４に臨む面に板状フィン１０Ａを設けるとともに、板状フィン１０Ａの間に冷媒の毛細管現象を生じる幅の溝部２０Ａを冷媒通路を横切る方向に延ばして設けたので、溝部２０Ａの底壁２２に発生する気泡の界面に毛細管現象で冷媒が継続的に供給され、核沸騰状態を維持する。これにより、バーンアウト状態となることを極力抑制することができるため、、半導体素子５回りが効率よく冷却される。

とくに、板状フィン１０Ａは、冷媒通路４を横切る方向に延びる基部１２Ａと基部から櫛歯状に延びるピン１４Ａとからなるものを冷媒の流れ方向に複数並べたので、隣接する板状フィン１０Ａの基部１２Ａ間をそのまま溝部２０Ａとすることができる。
そして、板状フィン１０Ａが冷媒入口ＩＮ側に傾斜しているので、板状フィンの基部１２Ａで形成される溝部２０Ａが冷媒入口ＩＮ側に傾いて開口することになり、冷媒が溝部２０Ａ内に入りやすくなる結果、毛細管現象による供給に加えて、冷媒が冷却プレート２と気泡の界面に多量に供給されて、冷却性能が一層向上する。

次に、第３の実施例について説明する。
図８は第３の実施例の構成を示し、（ａ）は冷媒通路のカバーを取外して示す上面図、（ｂ）は（ａ）におけるＥ−Ｅ部断面図である。図９はカバーを取外して示す斜視図であり、図１０は図８の（ａ）の部分拡大図である。
この実施例の冷却装置１Ｂは、板状フィンを縦断面図上冷却プレートから垂直に立ち上げた上で、上面図において冷媒通路の長手方向に対して直角の位置から所定角度だけ傾斜させて配置したものである。

冷却装置１Ｂは、冷却プレート２と、この冷却プレート２に結合されて冷媒通路を形成するカバー３とからなる。
ここでは、板状フィン１０Ｂが冷媒通路４を斜めに横切るように、すなわち、とくに図８の（ａ）の上面図に示すように、冷媒入口ＩＮに向かって板状フィン１０Ｂの左側が冷媒の流れ方向Ｒに対して上流側に、右側が下流側になるように傾斜させてある。
上面図における板状フィン１０Ｂの傾斜角度βは３０°以内が好ましい。

冷却プレート２から一体に立ち上がる板状フィン１０Ｂは、第１の実施例の板状フィン１０と同様に、基部１２Ｂよりも上側にスリット１５が形成されて多数のピン１４Ｂを有する櫛歯状となっている。基部１２Ｂの高さは０．５〜１．０ｍｍとしてある。
各ピン１４Ｂは、図１０に示すように、上記傾斜に対応したひし形断面を有し、スリット１５はピン１４Ｂの幅寸法と同じ幅を有している。したがって、図８の（ｂ）に示すように、冷媒通路４の長手方向に見たとき各板状フィン１０Ｂのピン１４Ｂは整合して重なっており、スリット１５も同様に重なっている。
互いに隣接する板状フィン１０Ｂ間の間隔ｄは０．５ｍｍ以下に設定されている。

なお、板状フィン群のうち冷媒入口ＩＮに面する先頭の板状フィン１０Ｂａの前面は冷媒流れに対して垂直となるように、図８の（ａ）に示す線ｘにそって削がれており、冷媒出口ＯＵＴに面する最後尾の板状フィン１０Ｂｂの後面も同様に、冷媒流れに対して垂直となるように線ｙにそって削がれている。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

本実施例の冷却装置１Ｂは以上のように構成され、一方の面が冷媒通路４に臨み、他方の面に半導体素子５が接合される冷却プレート２を備え、冷却プレート２の冷媒通路４に臨む面に板状フィン１０Ｂを設けるとともに、板状フィン１０Ｂの間に冷媒の毛細管現象を生じる幅の溝部２０Ｂを冷媒通路４を横切る方向に延ばして設けたので、冷却プレート２と気泡の界面に毛細管現象で冷媒が継続的に供給され、核沸騰状態を維持する。これにより、バーンアウト状態となることを極力抑制することができるため、半導体素子回りが効率よく冷却される。

とくに、板状フィン１０Ｂは、冷媒通路４を横切る方向に延びる基部１２Ｂと基部から櫛歯状に延びるピン１４Ｂとからなるものを冷媒の流れ方向に複数並べたので、隣接する板状フィン１０Ｂの基部１２Ｂ間をそのまま溝部２０Ｂとすることができる。
そして、各板状フィン１０Ｂが冷媒通路４を斜めに横切るように配置してあるので、冷媒通路４の長手方向に隣接するピン１４Ｂ間の間隙が、スリットを通過する冷媒の流れ方向に対して斜めに開口する形となって、図１０に矢示Ｒで示すように、冷媒を取り込みやすい。これにより、毛細管現象による供給に加えて、冷媒が冷媒通路４を斜めに横切る方向に供給されやすくなり、一層冷却性能が向上する。

次に、第４の実施例について説明する。これは溝部を冷却プレートに形成したものである。
図１１は第４の実施例の構成を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＦ−Ｆ部断面図である。また図１２は冷媒通路のカバーを取外して示す上面図、図１３はカバーを取外して示す斜視図である。なお、図１１の（ａ）は図１２におけるＧ−Ｇ部断面に相当する。
冷却装置１Ｃは、冷却プレート２Ｃと、この冷却プレート２Ｃに結合されて冷媒通路４を形成するカバー３Ｃとからなる。

冷媒通路４は横断面が４角形である。
冷却プレート２Ｃの冷媒通路４に臨む面（半導体素子８が接合される冷却面Ｓと反対側の面）には、長手方向（冷媒の流れ方向）両端の冷媒入口ＩＮと冷媒出口ＯＵＴの領域を除いて、０．５〜１ｍｍ角の柱状のピンフィン１４Ｃが立ち上がっている。ピンフィン１４Ｃは冷却プレート２Ｃと一体であり、削り出しあるいは鋳造により形成される。

ピンフィン１４Ｃは、冷媒通路４を直角に横切る方向に一直線上に等間隔で整列したフィン群１１を形成しており、同一配置の複数のフィン群１１が冷媒の流れ方向に等間隔で並べられている。そして、冷媒通路４の長手方向に見たとき各列（フィン群）のピンフィン１４Ｃはそれぞれ整合して重なっている。
冷却プレート２Ｃの冷媒通路４に臨む面には、隣接するフィン群１１に挟まれた各部位に、冷媒の毛細管現象を発生させ得る値として０．５ｍｍ以下の溝幅を有する溝部２０Ｃが形成されている。溝部２０Ｃは０．５〜１．０ｍｍの深さで、フィン群１１と同じく冷媒通路４を直角に横切る。
その他の構成は第１の実施例と同じである。

この実施例でも、最も温度が上昇しやすい部位は、溝部２０Ｃの底壁２２である。半導体素子５からの発熱量が増大すると、まずこの溝部２０Ｃの底壁２２で冷媒が沸騰し始め、底壁の界面に気泡が発生する。
気泡が成長して冷却プレート２Ｃの表面に顔を出すと、フィンピン１４Ｃ間のスリットを通過して流れる冷媒の流速により溝部２０Ｃから剥ぎ取られていく一方で、溝部２０Ｃに働く毛細管現象により、気泡が発生した界面に向けて冷媒が供給される。

本実施例の冷却装置１Ｃは以上のように構成され、冷媒通路４を横切る方向に整列した柱状のピンフィン１４Ｃで形成したフィン群１１を冷媒の流れ方向に並べるとともに、隣接するフィン群１１に挟まれた部位の冷却プレート２Ｃに溝部２０Ｃを形成して冷媒通路４を横切る方向に延びるものとしたので、第１〜第３の実施例と同様に、冷却プレート２Ｃの溝部の底壁２２と気泡の界面に毛細管現象で冷媒が継続的に供給され、核沸騰状態を維持する。これにより、バーンアウト状態となることを極力抑制することができるため、半導体素子５回りが効率よく冷却される。

なお、各実施例では、冷媒通路が発明における冷媒の流路に該当する。
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、フィンやそのピンの数、サイズ、あるいは形状を適宜変更することができ、また各実施例を組み合わせることができる。
例えば、第１〜第３の実施例における板状フィンの配置について、個々の実施例だけに限定されず、各実施例の配置を適宜選択的に組み合わせることができる。

また、第４の実施例ではフィン群および溝部を冷媒通路に対して直角に横切るように配置したが、第２の実施例と同様に、フィン群のピンフィンを冷媒入口ＩＮ側に傾斜させてもよく、また第３の実施例のように、フィン群を冷媒通路に対して斜めに横切るように配置してもよい。
さらにはこれらを選択的に組み合わせてもよい。

各実施例では板状フィンやピンフィンを冷却プレートと一体に形成するものとしたが、別体のフィンを鋳込みや圧入等により冷却プレートに固定するようにしてもよい。この場合、フィンと冷却プレートの材質は、いずれも熱伝導率の高い金属が望ましいが、必ずしも互いに同一でなくてもよい。

第１の実施例の構成を示す図である。 冷媒通路のカバーを取外して示す上面図である。 カバーを取外して示す斜視図である。 フィンまわりにおける冷媒の挙動を示す説明図である。 第２の実施例の構成を示す図である。 カバーを取外して示す斜視図である。 部分拡大図である。 第３の実施例の構成を示す図である カバーを取外して示す斜視図である。 部分拡大図である。 第４の実施例の構成を示す図である。 冷媒通路のカバーを取外して示す上面図である。 カバーを取外して示す斜視図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 冷却装置
２、２Ｃ 冷却プレート
３、３Ｃ カバー
４ 冷媒通路
５ 半導体素子
６ 絶縁板
１０、１０Ａ、１０Ｂ 板状フィン
１１ フィン群
１２、１２Ａ、１２Ｂ 基部
１４、１４Ａ、１４Ｂ ピン
１４Ｃ ピンフィン
１５ スリット
１６ 頂壁
１７ 底壁
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 溝部
２２ 底壁
ＩＮ 冷媒入口
Ｋ 気泡
ＯＵＴ 冷媒出口
Ｓ 冷却面

Claims (8)

1. 一方の面が冷媒の流路に臨み、他方の面に発熱体が接合される冷却プレートを備え、
   冷却プレートの前記一方の面に複数のフィンを設けるとともに、該フィンの間に冷媒の毛細管現象を生じさせる幅で前記冷媒の流路を横切る方向に延びる溝部を設けたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記フィンが冷媒の流れ方向に対して直角に横切るように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記フィンが冷媒の流れ方向に対して斜めに横切るように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記フィンが冷却プレートに対して垂直に配置さ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。
5. 前記フィンが冷媒の流れの上流側へ傾斜させて配置さ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。
6. 前記フィンが、前記冷媒の流路を横切る方向に延びる基部と該基部から櫛歯状に延びる柱状のピンとからなる板状フィンであって、複数の板状フィンが冷媒の流れ方向に並べられ、
   隣接する前記板状フィンの基部間が前記溝部を形成してい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. 前記フィンが柱状のピンフィンを前記冷媒の流路を横切る方向に整列させたピンフィン群であり、複数の前記ピンフィン群が冷媒の流れ方向に並べられ、
   冷却プレートの前記一方の面における、隣接する前記ピンフィン群に挟まれた部位に前記溝部が形成し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。
8. 前記溝部の溝幅が０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１に記載の冷却装置。

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