JP2015082950A - 冷却器及び電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、半導体装置と積層される冷却器であって衝突噴流型の冷却効率を高める技術を提供する。
【解決手段】冷却器１０は、半導体装置２１との積層方向からみたときの外形状が細長である。冷却器１０は、冷却器内に冷媒を取り込む冷媒供給口１１ａ、冷媒排出口１１ｂ、冷媒供給流路１２、複数の分岐流路１３、分岐流路から冷媒を噴出するノズル１５、冷媒排出流路１８を備える。冷媒供給口１１ａは、冷却器の長手方向の一端に設けられている。冷媒供給流路１２は、冷媒供給口に接続しているとともに、冷却器の長手方向に伸びている。複数の分岐流路の夫々は、冷媒供給流路から分岐して冷却器の短手方向に平行に伸びている。ノズル１５は、半導体装置２１と接している冷却器側板に向けて冷媒を噴出する。ノズルを備える分岐流路が短いので、ノズルの上流と下流での圧力損失が小さい。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体装置と積層される冷却器と、その冷却器を利用した電力変換装置に関する。冷却器を必要とする電力変換装置の典型は、例えば、ハイブリッド車においてバッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給する装置である。

ハイブリッド車の走行用モータに代表される大出力デバイスに電力を供給する電力変換装置は、複数のパワートランジスタを備えることが多い。例えば３相交流モータ用のインバータ回路は、上アーム用パワートランジスタと下アーム用パワートランジスタの組を３セット備えているため、少なくとも６個のパワートランジスタを備える。電力変換装置がインバータ回路に加えて電圧コンバータ回路も備える場合には、さらに少なくとも２個のパワートランジスタを含む。大出力デバイスの電力変換に用いるパワートランジスタは発熱量が大きいため、冷却器が欠かせない。

パワートランジスタなどの発熱量の大きい複数の半導体素子を効率よく冷却する冷却器と、その冷却器を使った電力変換装置が例えば特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている電力変換装置は、平板型の複数の半導体装置と平板型の複数の冷却器を交互に積層した構造を有している。半導体装置は、典型的には半導体素子を樹脂でモールドしたパワーカードである。パワーカードは半導体モジュール、あるいはパワーモジュールと呼ばれることもある。なお、一般に、「パワートランジスタ」とは、電力を制御するトランジスタを意味し、典型的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

特許文献１の電力変換装置は、半導体素子を収めた平板型の半導体装置をその両側から冷却器で挟み込む。複数の半導体装置と複数の冷却器は交互に積層されているので、いずれの半導体装置もその両側から冷却される。特許文献１の電力変換装置は、半導体装置と冷却器の総接触面積が大きいので、冷却効率がよい。

特許文献１の技術では、また、冷却器として、いわゆる衝突噴流型を採用している。具体的には、冷却器は、半導体装置との積層方向に仕切壁によって３層に分割された冷媒流路を有している。そして、外側の冷媒流路と中央の冷媒流路との間の仕切壁に、中央の冷媒流路から外側の冷媒流路へ冷却媒体を噴出する噴出孔が設けられている。噴出した冷媒は、半導体装置と接している冷却器側板の裏面に衝突する。衝突噴流型の冷却器は、冷却対象に接している側板の裏面に冷媒を衝突させることで冷却効果を高める。衝突噴流型の冷却器の詳細については、例えば特許文献２を参照されたい。なお、特許文献１の冷却器における冷媒は液体であり、典型的には、水、あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

特開２００８−１９８７５１号公報 特開２０１１−１６６１１３号公報

衝突噴流型の冷却器は、冷媒を噴出する噴出口（ノズル）を、冷媒の流れ方向に沿って多数有するので（あるいは冷媒の開口が流れ方向に細長いノズルを有するので）、冷媒が単純に流れる冷却器と比較すると圧力損失が大きい。ノズルの流路抵抗が圧力損失の一因である。特許文献１の冷却器は、半導体装置との積層方向からみたときに細長い形状である。具体的には矩形である。細長い冷却器の長手方向の一端に冷媒供給口が設けられており、他端に冷媒排出口が設けられている。そして、冷媒は、冷却器の内部をその長手方向に沿って流れる。冷媒は長手方向に沿って流れる間にノズルから噴出される。特許文献１の冷却器では、冷却器の長手方向に沿って多数のノズルが設けられているので、上流と下流の間での圧力損失が大きい。即ち、上流と下流の間での冷媒の圧力差が大きくなる。そうすると冷媒の上流と下流で冷却効率に差が生じる。

本明細書は、半導体装置と積層して用いる衝突噴流型の冷却器において、冷媒の上流と下流の圧力差を小さくする技術を提供する。また、本明細書は、そのような冷却器と半導体装置を積層した冷却効率の良い電力変換装置を提供する。

特許文献１の冷却器では、その長手方向に沿って冷媒が流れる冷媒流路があり、その冷媒流路に複数のノズルが設けられている。ノズルも冷却器の長手方向に沿って並んでいる。特許文献１の冷却器では、冷却器の長手方向に沿って、長い距離にわたって多数のノズルが設けられているいため、ノズルの上流と下流の間の圧力差が大きくなる。なお、冷却器の「長手方向」及び、「短手方向」は、半導体装置との積層方向から視たときの細長形状の「長手方向」と「短手方向」を意味する。

そこで、本明細書が開示する冷却器では、冷却器の短手方向に伸びる複数の流路を設け、その流路にノズルを設ける。ノズルの上流とノズルの下流との間の距離を短くすることで圧力差を小さくする。なお、ノズルを有する流路を複数平行に設けるとともに、各流路にノズルを設けることによって、ノズルの総面積が小さくなることを防止している。

本明細書が開示する冷却器は、半導体装置との積層方向からみたときの外形状が細長である。冷却装置の外形状は、典型的には矩形であるが、長手方向の両端の縁が湾曲していてもよいし、あるいは、クサビ型になっていてもよい。

冷却器は、冷却器内に冷媒を取り込む冷媒供給口と、冷却器内を通過した冷媒を排出する冷媒排出口を備える。冷媒供給口は、冷却器の長手方向の端に設けられている。冷却器は、その内部に、冷媒供給流路、複数の分岐流路、冷媒排出流路を備える。冷媒供給流路は、一端が冷媒供給口に接続しており、冷却器の長手方向に伸びており、他端が閉塞している。複数の分岐流路は、冷媒供給流路の途中から分岐して平行に伸びており、先端が閉塞している。また、複数の分岐流路は、冷却器の短手方向に伸びている。各分岐流路にノズルが設けられている。ノズルは、半導体装置と接している冷却器側板の裏面に向けて冷媒を噴出する。各分岐流路のノズルは、冷却器の短手方向（即ち分岐流路が伸びる方向）に細長い。冷媒排出流路は、ノズルから噴出した冷媒を冷媒排出口へ導く。

上記の冷却器は、冷却器の短手方向に伸びる複数の流路（分岐流路）を備え、さらに、その分岐流路にノズルを設ける。即ち、上記の冷却器は、その短手方向に沿って冷媒の流れを作り、その短い分岐流路にて冷媒をノズルから噴出させる。冷却器の長手方向に沿ったノズルを有する場合と比較すると、ノズルの上流側端部と下流側端部の間の距離が短いので圧力差が小さい。包括的に表現すれば、特許文献１の冷却器は、冷媒の流れ方向に長いノズルを設けるのに対して、本明細書が開示する冷却器では、冷媒の流れ方向には短いノズルを多数設ける。そうして、ノズルの上流端と下流端の間の距離を短くして圧力差を小さくする。

なお、「冷却器の短手方向に細長いノズル」は、ノズルの開口が冷却器の短手方向に細長いノズルであってもよいし、開口が小径の複数のノズルが冷却器の短手方向に並んでいるノズル群であってもよい。一列に並んだ複数の小径ノズルも巨視的にみれば、細長い開口を有する一つのノズルと等価である。

上記の冷却器では、複数の分岐流路の利点を活用して、一の分岐流路の冷媒流入口の面積を、別の分岐流路の冷媒流入口の面積と異ならせることも好適である。即ち、複数の分岐流路の流量を異ならせる。これは、積層される半導体装置が複数の発熱量の異なる半導体素子を含むときに有効である。即ち、各半導体素子に対向するように分岐流路を配置し、さらに、各半導体素子の発熱量に応じて各分岐流路の冷媒流入口の面積を調整することで、各半導体素子の発熱量に応じて部位ごとに冷却能力が異なる冷却器を実現できる。

上記の冷却器は、発熱量の異なる第１及び第２半導体素子を含む半導体装置と積層するとよい。冷却器の冷媒供給口に近い側が遠い側よりも冷媒の流量が多いので、冷媒供給口に近い側に発熱量の大きい半導体装置が位置するように、半導体装置と冷却器を積層する。即ち、第２半導体素子が第１半導体素子よりも発熱量が小さい場合、第２半導体素子が、冷却器の長手方向で第１半導体素子よりも冷媒供給口から遠くに位置するように半導体装置と冷却器を積層する。そして、第１半導体素子に対向するように第１分岐流路を設け、第２半導体素子に対向するように第２分岐流路を設ける。さらに、第２分岐流路の冷媒流入口の面積を第１分岐流路の冷媒流入口の面積よりも小さくする。上記の構成では、冷媒供給口に近い第１分岐流路の流量が多くなり、逆に、冷媒供給口から遠い第２分岐流路の流量が少なくなる。流量の多い方が冷却能力が高い。上記の冷却器と半導体装置との積層ユニットは、発熱量の比較的大きい第１半導体素子と比較的少ない第２半導体素子の夫々の発熱量に応じて分岐流路の冷却能力を異ならしめることができる。即ち、上記の技術は、発熱量の異なる複数の半導体素子を備えた電力変換装置の冷却効率の向上に寄与する。なお、半導体装置と冷却器の積層ユニットは、電力変換装置の主要なユニットである。

冷媒排出口を冷媒供給口の近くに配置すると、次の通り、積層ユニット（電力変換装置）のコンパクト化を実現することができる。即ち、複数の半導体装置と積層された複数の冷却器の夫々の冷媒供給口と冷媒排出口を、冷却器の長手方向の一側面に配置する。そして、複数の冷媒供給口に接続する冷媒供給管と、複数の冷媒排出口に接続する冷媒排出管を、半導体装置と冷却器の積層ユニットの一側面で積層方向に平行に伸びるように配置する。先に示した特許文献１の電力変換装置では、冷媒供給管と冷媒排出管が積層ユニットの両側に配置されていた。これに対して本明細書が開示する電力変換装置の一態様は、積層ユニットの一方の側方に冷媒供給管と冷媒排出管を配置する。冷媒供給管と冷媒排出管を隣合わせに配置することによって、冷媒供給管と冷媒排出管を集中配置することができ、電力変換装置を省スペース化することができる。

また、複数の半導体装置と複数の冷却器の積層ユニットは、積層方向の両側から荷重が加えられる場合がある。荷重を加えることによって、半導体装置と冷却器の密着性が高まり、冷却性能が向上する。その荷重に耐えるために、冷却器内の隣接する分岐流路の間に、両端が積層方向で対向する２つの側板の夫々に当接する補強リブを設けると良い。隣接する分岐流路の間とは、隣接する分岐流を隔てる壁に相当する。その壁を積層方向の荷重に耐えるための補強材として用いる。

本明細書が開示する技術は、半導体装置と積層される衝突噴流型の冷却器とそれを使った電力変換装置に関し、冷媒の流れ方向の圧力差を小さくし、冷却能力を向上させる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

積層ユニットの斜視図である。 図１のII−II線に沿った冷却器の断面図である。 図２のIII−III線に沿った冷却器の断面図である。 一つの分岐流路の斜視図である。 図２のV−V線に沿った冷却器の断面図である。 冷媒流入口の異なる分岐流路と発熱量の異なる半導体素子の位置関係を示す図である。 冷媒流路の配置と分岐流路の流量の関係を示すグラフである。 冷媒流路の配置と分岐流路の圧力損失の関係を示すグラフである。 実施例の電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系のブロック図である。 電力変換装置のハードウエア構成を示す斜視図である。

図面を参照して実施例の冷却器とそれを使った積層ユニットを説明する。図１に積層ユニット２０の斜視図を示す。積層ユニット２０は、５個の平板型の冷却器１０と４個の平板型のパワーモジュール２１を積層したデバイスである。５個の冷却器１０は、平行に配置されている。隣接する冷却器１０の間に、パワーモジュール２１が配置されている。図示を省略しているが、積層ユニット２０は、その積層方向の両側から荷重を加えられており、冷却器１０とパワーモジュール２１は密着する。積層ユニット２０は、冷却器１０とパワーモジュール２１が密着していることにより冷却効率を高めている。

冷却器１０は、その内部を液体の冷媒が通り、隣接するパワーモジュール２１を冷却する。冷媒は、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

各冷却器１０の一側面に、冷媒を取り込む冷媒供給口１１ａと、冷却器１０の内部を通過した冷媒を排出する冷媒排出口１１ｂが設けられている。冷媒供給口１１ａと冷媒排出口１１ｂは、各冷却器１０の長手方向の一側面に設けられている。その一側面に対向するように、冷媒供給管２３と冷媒排出管２４が平行に配置されている。冷媒供給管２３と冷媒排出管２４は、各冷却器１０の一側面に対向しているとともに、積層方向に伸びている。別言すれば、冷媒供給管２３と冷媒排出管２４は、積層ユニット２０の一側面に沿って伸びている。冷媒供給管２３は、各冷却器１０の冷媒供給口１１ａと接続しており、冷媒排出管２４は、各冷却器１０の冷媒排出口１１ｂと接続している。図中の矢印Ｆ１は、冷媒の流入方向を示しており、矢印Ｆ２は冷媒の排出方向を示している。符号Ｆ１とＦ２の意味は、以下図でも同様である。冷媒は、不図示のポンプから矢印Ｆ１の示す方向に冷媒供給管２３に供給され、冷媒供給口１１ａを通じて各冷却器１０に供給される。各冷却器１０を通る間に冷媒は隣接するデバイス（パワーモジュール２１）の熱を吸収し、冷媒排出口１１ｂを通じて冷媒排出管２４へと流れる。最後に矢印Ｆ２が示す方向に流れ、不図示のラジエータへ向かう。ラジエータで冷却された冷媒は、不図示のポンプにより、再び冷媒供給管２３を通じて各冷却器１０へと流れる。

図２から図４を使って冷却器１０の内部構造を説明する。図２に、図１のII−II線に沿った冷却器１０の断面図を示す。図２は、冷却器１０の長手方向の断面図である。図２によく表れているように、冷却器１０は、パワーモジュール２１との積層方向（Ｚ軸方向）から視たときに細長い形状をしている。図中のＺ軸が積層方向に相当し、Ｘ軸が冷却器１０の長手方向に相当し、Ｙ軸は冷却器１０の短手方向に相当する。なお、図２において、符号Ｆ１とＦ２は冷媒の流れの方向を表している。冷媒供給管２３では、冷媒は紙面手前から奥に向かって流れ（符号Ｆ１）、冷媒排出管２４では冷媒は紙面奥から手前に向けて流れる（符号Ｆ２）。また、図３に、図２のIII−III線に沿った冷却器の断面図を示す。図３は、冷却器１０の短手方向の断面図である。なお、図３では、冷却器１０を挟む２個のパワーモジュールを区別するため、図中上側のパワーモジュールを符号２１ａで表し、冷却器１０の下側のパワーモジュールを符号２１ｂで表している。

冷却器１０の長手方向の一側面に、冷媒を取り込む冷媒供給口１１ａと、冷却器１０の内部を流れた冷媒を排出する冷媒排出口１１ｂが設けられている。冷却器１０の内部には、冷媒供給流路１２、４本の分岐流路１３−１、１３−２、１３−３、及び、１３−４、冷媒排出流路１８が備えられている。なお、以下では、４本の分岐流路１３−１、１３−２、１３−３、及び、１３−４を総称する場合には「分岐流路１３」と表現する。

冷媒供給流路１２は、一端１２ａが冷媒供給口１１ａに接続しており、他端１２ｂは閉塞している。冷媒供給流路１２は、冷却器１０の短手方向の一端側で、長手方向に真直ぐに伸びている。４本の分岐流路１３は、それぞれ、冷媒供給流路１２の途中から分岐している。４本の分岐流路１３は、流れの方向に順に冷媒供給流路１２から分岐している。詳しくは後述するが、分岐流路１３−１、１３−２の流路断面は、分岐流路１３−３、１３−４の流路断面よりも大きい。

分岐流路１３は、冷却器１０の短手方向に真直ぐに伸びており、その先端は閉塞している。図３によく示されているように、冷却器１０の内部には、積層方向（Ｚ軸方向）のほぼ中央に、積層方向と直交する仕切板１４が設けられている。その仕切板１４は、分岐流路１３を画定する。仕切板１４の一方側（図３において仕切板１４の上方）が分岐流路１３に相当し、他方側（図３において仕切板１４の下側）は、分岐後排出流路１６に相当する。分岐後排出流路１６は、冷媒排出流路１８につながっている。

夫々の分岐流路１３には、分岐流路１３の延設方向に沿って伸びる、即ち、冷却器１０の短手方向に沿って伸びるノズル１５が備えられている。ノズル１５は、別言すれば、分岐流路１３を画定する仕切板１４に設けられている。ノズル１５は、その先端が、パワーモジュール２１ａと接している側板１０ａの裏面に向けられている。ノズル１５は、分岐流路１３を流れてきた冷媒を、側板１０ａの裏面に向けて噴出する。一つの分岐流路に複数のノズル１５が平行に設けられている。複数のノズル１５は、流れ方向に直交する方向に並んで設けられている。各ノズル１５は、冷媒の流れ方向に細長い。

側板１０ａの裏面には複数のフィン１７が設けられている、ノズル１５の先端はフィン１７の上端と接している。なお、「側板１０ａの裏面」とは、冷却器１０の内側の面に相当する。

冷却器１０の内部の冷媒の流れを説明する。冷媒供給管２３を流れる冷媒は、冷媒供給口１１ａを通じて冷却器１０に流れ込む。冷媒は、冷媒供給流路１２から、各分岐流路１３へと流れる。分岐流路１３に流れ込んだ冷媒は、ノズル１５を通じて側板１０ａの裏面に噴出される。側板１０ａの裏面に噴出された冷媒は、複数のフィン１７の間を通り、冷媒排出流路１８へと流れる。最後に冷媒は、冷媒排出流路１８から、冷媒排出口１１ｂを通じ、冷媒排出管２４へと流れ出る。図２及び図３の太線矢印線が冷媒の流れを示している。

冷却器１０の冷却効果について説明する。パワーモジュール２１ａは、冷却器１０の側板１０ａと接しており、そのパワーモジュール２１ａの内部にはパワートランジスタＰＴがモールドされている。パワートランジスタＰＴは、分岐流路１３と対向する位置に配置されている。分岐流路１３を流れてきた冷媒は、ノズル１５から噴き出されて側板１０ａの裏面に衝突する。側板１０ａの裏面に冷媒が衝突し、側板１０ａを効率よく冷却する。側板１０ａはパワートランジスタＰＴと対向しており、パワートランジスタＰＴの熱は、側板１０ａに伝達され、側板１０ａの裏面に衝突する冷媒に効率よく伝達される。なお、側板１０ａの裏面に設けられているフィン１７も、冷却能力の向上に寄与している。冷却対象（この場合はパワートランジスタＰＴ）と対向する冷却器側板１０ａの裏面に冷媒を衝突させて冷却効率を高める冷却器１０は、衝突噴流型と呼ばれている。

なお、分岐流路１３と仕切板１４とノズル１５とフィン１７のレイアウトについては、図４も参照されたい。図４は、分岐流路１３の内部を示した斜視図である。なお、図４では、仕切板１４は途中でカットして描いてある。仕切板１４についてハッチングを施している面が、カット面に相当する。図４の太い矢印線も冷媒の流れを示している。図４から、冷媒が、冷媒供給流路１２から分岐流路１３に入り、仕切板１４に設けられている細長のノズル１５を通じて側板１０ａの裏面に衝突し、複数のフィン１７の間を通り、分岐後排出流路１６を通り、冷媒排出流路１８に流れていく様子がよく理解される。なお、図４において、符号１０ｂは、分岐流路１３の側壁を構成するリブを示している。リブ１０ｂについては後に説明する。

冷却器１０の特徴の一つを説明する。冷却器１０は、いわゆる衝突噴流型の冷却器である。冷媒は、分岐流路１３においてノズル１５から噴き出され、冷却対象に接している側板１０ａの裏面に衝突する。図２によく示されているように、分岐流路１３は冷却器１０の短手方向（Ｙ軸方向）に伸びており、ノズル１５も短手方向に沿って細長く伸びている。冷媒をノズル１５から勢いよく噴き出させるために、ノズル１５の幅が狭い。幅が狭いゆえに、ノズル１５において冷媒の圧力損失が大きい。しかし、ノズル１５は冷却器１０の短手方向に伸びており、ノズルが冷却器の長手方向に伸びている場合と比較すると、ノズルの長さが短い。以下、ノズルが冷却器の長手方向に伸びている冷却器を従来の冷却器と称する。

実施例の冷却器１０では、従来の冷却器と比較してノズル１５の長さが短いので、分岐流路１３におけるノズル１５の上流側と下流側の圧力差は小さい。冷却器１０は、冷媒を噴出させるノズルを、冷却器の短手方向に沿って設けることによって、冷媒の流れ方向における長さを短くし、その上流と下流の圧力差を小さくしている。なお、図２によく示されているように、冷却器１０の長手方向に沿って複数の分岐流路１３を設けることによって、多数のノズルを確保している。別言すれば、冷却器１０は、長さの短いノズルの数を増やすことによって、従来の冷却器と同等の冷媒流量（ノズルから噴出される冷媒流量）を確保している。従って、実施例の冷却器１０は、従来の冷却器と同等の冷媒流量を確保しつつ、圧力損失が小さいので、従来よりも高い冷却効率を達成することができる。

次に、図５を参照して、冷却器１０の別の特徴を説明する。図５は、図２のV−V線に沿った冷却器１０の断面図である。即ち、図５は、隣接する分岐流路１３の間における冷却器１０の横断面に相当する。図５に示されているように、冷却器１０は、隣接する分岐流路１３の間に、両端が積層方向（図中のＺ方向）で対向する２つの側板１０ａ、１０ｃの夫々に当接している補強リブ１０ｂを備えている。前述したように、積層ユニット２０は、その積層方向に圧縮荷重を受ける。冷却器１０では、積層方向の圧縮荷重は補強リブ１０ｂが受ける。それゆえ、冷却器１０は圧縮荷重でへこむことはない。

次に、図６を参照して、冷却器１０のさらに別の特徴を説明する。図６は、図２と同じ図である。理解を助けるために、図２に示した符号のいくつかを省略するとともに、複数の分岐流路１３の冷媒流入口の幅を記号で示している。なお、冷媒流入口の高さは同じであるので、冷媒流入口の幅の相違は、冷媒流入口の面積の相違と等価である。

冷却器１０では、冷媒供給口１１ａから遠くに配置された分岐流路１３−３、１３−４の冷媒流入口の幅Ｗ２（面積）が、冷媒供給口１１ａの近くに配置された分岐流路１３−１、１３−２の冷媒流入口の幅Ｗ２（面積）よりも小さくなっている。従って、冷媒供給口１１ａから遠くに配置された分岐流路１３−３、１３−４を流れる冷媒の流量は、冷媒供給口１１ａの近くに配置された分岐流路１３−１、１３−２を流れる冷媒の流量よりも少なくなる。それゆえ、冷媒供給口１１ａから遠くに配置された分岐流路１３−３、１３−４に対向する位置における冷却能力が、冷媒供給口１１ａの近くに配置された分岐流路１３−１、１３−２に対向する位置における冷却能力よりも相対的に低くなる。別言すれば、冷媒供給口１１ａの近くに配置された分岐流路１３−１、１３−２に対向する位置における冷却能力が、冷媒供給口１１ａから遠くに配置された分岐流路１３−３、１３−４に対向する位置における冷却能力よりも相対的に高くなる。従って、分岐流路１３−１、１３−２に対向する位置に発熱量の大きい冷却対象を配置し、分岐流路１３−３、１３−４に対向する位置に発熱量の小さい冷却対象を配置するとよい。図６には、冷却器１０と接するパワーモジュール２１が仮想線で描かれており、パワーモジュール２１にモールドされている４個のパワートランジスタＰＴ１、ＰＴ２も仮想線で描かれている。図６では、模式的に、パワーモジュールを示す矩形の大きさで発熱量の大きさの相違を表している。パワーモジュール２１では、分岐流路１３−１、１３−２に対向する位置に発熱量の大きいパワートランジスタＰＴ１を配置し、分岐流路１３−３、１３−４に対向する位置に発熱量の小さいパワートランジスタＰＴ２が配置されている。

なお、分岐流路の冷媒流入口の面積を異ならせることは、冷却器全体の総冷却能力は変わらず、しかし冷媒供給口からの距離に応じて局所的な冷却能力に差を付けることを意味する。大きな冷却能力が必要とされない部位の冷却能力を低くすることによって、他の部位の冷却能力を高くすることができる。冷却器１０のこの構造は、パワーモジュールが発熱量の異なる複数のパワートランジスタを含む場合に有効である。

また、冷却器１０では、冷媒供給流路１２と冷媒排出流路１８は、平行であって流れの方向が相互に逆向きである。この構造は、冷媒供給流路１２から直交方向に分岐しているとともに平行に配置されている複数の分岐流路１３における冷媒流量の差及び圧力損失を小さくすることに寄与している。このことはシミュレーションで確かめられている。図７と図８に、シミュレーションの結果の一例を示す。シミュレーションで用いた流路構成は次の通りである。平行に伸びる冷媒供給流路ｆｉｎと冷媒排出流路ｆｏｕｔを設定する。冷媒供給流路ｆｉｎの上流から下流に向けて、冷媒供給流路ｆｉｎの直交方向に伸びる５本の分岐流路（ｆ１−ｆ５）を設ける。複数の分岐流路の冷媒流入口の面積、及び、流路断面積は同じである。分岐流路の先端は冷媒排出流路ｆｏｕｔに接続している。図７（Ａ）のケースでは、冷媒供給口（ｑｉｎ）と冷媒排出口（ｑｏｕｔ）を、同じ側に設けてある。即ち、冷媒供給流路ｆｉｎと冷媒排出流路ｆｏｕｔは、平行であって流れの方向が相互に逆向きである。図７（Ｂ）のケースでは、冷媒供給口（ｑｉｎ）と冷媒排出口（ｑｏｕｔ）を、分岐流路の反対側に設ける。即ち、冷媒供給流路ｆｉｎと冷媒排出流路ｆｏｕｔは、平行であって流れの方向が同じである。

図７の下側のグラフは、各分岐流路における流量を示している。図８（Ａ）及び図８（Ｂ）は、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）の夫々のケースのときの各分岐流路における圧力損失を示している。図７（Ａ）の場合は、冷媒供給口ｑｉｎに最も近い分岐流路ｆ１の流量が最も多い。但し、冷媒供給口ｑｉｎに最も近い分岐流路ｆ１と最も遠い分岐流路ｆ５の間の流量差は０．２１［Ｌ／ｍｉｎ］であった。なお、冷媒供給口ｑｉｎと冷媒排出口ｑｏｕｔの間の圧力損失は、０．７２［ｋＰａ］であった。これに対して図７（Ｂ）の場合は、冷媒供給口ｑｉｎに近い分岐流路ｆ１における流量が最も小さい。そして、冷媒供給口ｑｉｎに最も近い分岐流路ｆ１と最も遠い分岐流路ｆ５の間の流量差は０．７９［Ｌ／ｍｉｎ］であった。なお、冷媒供給口ｑｉｎと冷媒排出口ｑｏｕｔの間の圧力損失は１．１０［ｋＰａ］であった。

このシミュレーション結果から理解されるように、図７（Ａ）のケースは、図７（Ｂ）のケースと比較して、複数の分岐流路における流量の差を小さくすることができるとともに、複数の分岐流路の上流側と下流側の間の圧力損失を小さくすることができる。圧力損失の差を小さくできることは、冷却能力の向上に寄与する。

また、図７（Ａ）に示されているように、複数の分岐流路の流入口の面積が同じ場合、冷媒供給口の近くに配置された分岐流路ｆ１の流量が、冷媒供給口より遠くに配置された分岐流路ｆ５の流量よりも多い。それゆえ、図６に示したように、複数の分岐流路において冷媒流入口の面積を異ならしめる場合は、冷媒供給口の近くに配置された分岐流路の冷媒流入口の面積を、遠くに配置された分岐流路の冷媒流入口の面積よりも大きくすることが望ましい。

最後に、上記した冷却器１０と積層ユニット２０を適用した電力変換装置を説明する。この実施例の電力変換装置は、ハイブリッド車に搭載され、バッテリの直流電力を交流電力に変換してモータに供給するとともに、モータで発電した交流電力を直流電力に変換してバッテリに供給するデバイスである。まず、ハイブリッド車の電力系の全体を説明する。

図９に、ハイブリッド車２の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車２は、２個のモータ４５、４６とエンジン４１を備える。２個のモータのうち、第１モータ４５は主として走行用であり、第２モータ４６は主として発電用である。但し、車両が強い制動を発揮する場合には、第１モータ４５でも発電する。また、高い出力トルクが要求される場合には、第２モータ４６も走行用の駆動力を発揮する。なお、第１モータ４５の出力は第２モータ４６の出力よりも大きい。

２個のモータ４５、４６とエンジン４１の駆動力の調整は動力分配機構４２で行われる。動力分配機構４２は、プラネタリギアであり、サンギアにエンジン４１の出力軸が連結しており、キャリアに第２モータ４６の出力軸が連結しており、リングギアに第１モータ
４５の出力軸が連結している。プラネタリギアの各ブレーキとクラッチを適宜に調整することにより、エンジン４１と２個のモータ４５、４６の出力トルクを全て車軸４３に伝達したり、あるいは、エンジン４１の出力トルクを車軸４３と第２モータ４６に分配したりする。エンジン４１の出力トルクが第２モータ４６に伝達される場合は、第２モータ４６が発電機として働く。なお、車軸４３は、デファレンシャルギア４４を介して駆動輪４７と連結している。

電力変換装置３０は、第１インバータ回路５、第２インバータ回路６、及び、昇降圧回路４で構成される。ハイブリッド車２では、バッテリ３の出力電圧よりも、第１モータ４５、及び、第２モータ４６の駆動電圧が高い。そこで、昇降圧回路４は、バッテリ３の電圧をモータ駆動に適した電圧に高める昇圧動作と、モータが発電した電力の電圧をバッテリの出力電圧まで下げる降圧動作の双方を実行できる。昇降圧回路４は、バッテリ３の電力を一時的に蓄えるフィルタコンデンサ４９と、リアクトル７と、２個のパワートランジスタＰＴ３と、２個のダイオードで構成される。各ダイオードは、各パワートランジスタＰＴ３と逆並列に接続されている。パワートランジスタＰＴ３は、典型的にはＩＧＢＴである。パワートランジスタＰＴ３は、不図示のコントローラから供給される駆動信号（ＰＷＭ信号）で動作する。コントローラから供給される駆動信号を調整することで、昇降圧回路４は、バッテリ側からインバータ回路側に向けて電圧を高めたり、逆にインバータ回路側からバッテリ側に向けて電圧を下げたりする。図１の昇降圧回路４の回路構成とその動作は良く知られているので詳しい説明は省略する。

第１インバータ回路５、及び、第２インバータ回路６は、基本的に同じ回路構成を有する。いずれのインバータ回路も、２個のパワートランジスタＰＴ１、ＰＴ２の組をセット有する。３セットの直列接続回路は並列に接続されている。各パワートランジスタにはダイオードが逆並列に接続されている。各インバータ回路の入力端にはコンデンサ９（８）が接続されている。コンデンサ８、９は、インバータ回路に入力される電流を平滑化するために備えられている。符号ＰＴ１は第１インバータ回路５のパワートランジスタを示しており、符号ＰＴ２は、第２インバータ回路６のパワートランジスタを示している。

前述したように、主として走行用の第１モータ４５は、主として発電用の第２モータ４６より大きい。それゆえ、第１インバータ回路５のパワートランジスタＰＴ１の発熱量は、第２インバータ回路６のパワートランジスタＰＴ２の発熱量よりも大きい。また、昇降圧回路４は、大出力の第１インバータ回路５に電力を供給する。それゆえ、昇降圧回路４のパワートランジスタＰＴ３の発熱量も、第２インバータ回路６のパワートランジスタＰＴ２よりも大きい。

電力変換装置３０のハードウエア構成を図１０に示す。電力変換装置３０のケース３１に、コンデンサユニット３２、３３、積層ユニット２０、制御基板３４が収納される。コンデンサユニット３２は、回路ブロック図（図９）におけるコンデンサ４９に対応する。コンデンサユニット３３は、回路ブロック図（図９）におけるコンデンサ８及び、コンデンサ９に対応する。なお、コンデンサユニット３３、３４の夫々は、複数のフィルム型のコンデンサ素子を内蔵している。積層ユニット２０は、複数のパワーモジュール２１と複数の冷却器１０を積層したユニットである。夫々のパワーモジュール２１には、複数のパワートランジスタが樹脂でモールドされている。パワーモジュール２１がモールドしているパワートランジスタは、回路ブロック図（図９）におけるパワートランジスタＰＴ１、ＰＴ２、及び、ＰＴ３に対応する。

前述したように、パワートランジスタＰＴ１の発熱量は、パワートランジスタＰＴ２の発熱量よりも大きい。また、パワートランジスタＰＴ３の発熱量も、パワートランジスタＰＴ２の発熱量よりも大きい。冷却器１０は、複数の分岐流路の冷媒流入口の面積を異ならしめることで、冷却器の位置に応じて冷却能力を変えることができる。特に、冷却器の冷媒供給口１１ａに近い分岐流路の冷却能力を、冷媒供給口１１ａから遠い分岐流路の冷却能力よりも高めることが効率的である。そこで、冷却器１０において、冷媒供給口１１ａの近くに配置された分岐流路の冷媒流入口の面積を、遠くに配置された分岐流路の冷媒流入口の面積よりも大きくするとともに、冷媒供給口１１ａの近くに配置された分岐流路にパワートランジスタＰＴ１（あるいはＰＴ３）が対向し、遠くに配置された分岐流路１３−３、１３−４にパワートランジスタＰＴ２が対向するようにパワーモジュール２１を配置するとよい。繰り返すが、パワートランジスタＰＴ１は、バッテリ３の電力を主として走行用の第１モータ４５の駆動電力に変換する第１インバータ回路５のパワートランジスタであり、パワートランジスタＰＴ２は、第２モータ４６が発電した電力をバッテリ３の充電用の電力に変換する第２インバータ回路６のパワートランジスタである。また、パワートランジスタＰＴ３は、バッテリ３の電圧を昇圧する昇圧回路（昇降圧回路４）のパワートランジスタである。

上記実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。パワーモジュール２１が、冷却器１０と積層される半導体装置の一例に相当する。

冷媒供給口は、冷却器の長手方向の一方の面に設けられることが好ましいが、長手方向の一端側に設けられていればよい。例えば、冷媒供給口は、半導体装置と接している面において、長手方向の一端側に設けられていてもよい。あるいは、冷媒供給口は、短手方向と交差する面において、長手方向の一端側に設けられていてもよい。

冷却器と対向する半導体装置に含まれる半導体素子は、典型的には実施例で用いたようにパワートランジスタである。しかし、冷却器と対向する半導体装置に含まれる半導体素子は、パワートランジスタ以外の半導体素子であってもよい。

実施例では、冷却器１０を、ハイブリッド車の電力変換装置に適用した。実施例の冷却器は、エンジンを有さない電気自動車の電力変換装置に適用することも好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：ハイブリッド車
３：バッテリ
４：昇降圧回路
５：第１インバータ回路
６：第２インバータ回路
７：リアクトル
８、９：コンデンサ
１０：冷却器
１０ａ、１０ｃ：側板
１０ｂ：補強リブ
１１ａ 冷媒供給口
１１ｂ：冷媒排出口
１２：冷媒供給流路
１３：分岐流路
１４：仕切板
１５：ノズル
１７：フィン
１８：冷媒排出流路
２０：積層ユニット
２１：パワーモジュール
２３：冷媒供給管
２４：冷媒排出管
３０：電力変換装置
４５：第１モータ
４６：第２モータ
ｆ５：分岐流路
ｆｉｎ：冷媒供給流路
ｆｏｕｔ：冷媒排出流路
ＰＴ：パワートランジスタ
ｑｉｎ：冷媒供給口
ｑｏｕｔ：冷媒排出口

Claims (7)

1. 半導体素子を収めている半導体装置と積層される冷却器であり、
   前記冷却器は、半導体装置との積層方向からみたときの外形状が細長であり、
   冷却器の長手方向の一端に設けられており、冷却器内に冷媒を取り込む冷媒供給口と、
   冷却器内を通過した冷媒を排出する冷媒排出口と、
   前記冷媒供給口に接続しており、冷却器の長手方向に伸びている冷媒供給流路と、
   前記冷媒供給流路から分岐して冷却器の短手方向に平行に伸びている複数の分岐流路と、
   前記複数の分岐流路の夫々に設けられている前記短手方向に細長いノズルであって、前記半導体装置と接している冷却器側板に向けて前記分岐流路から冷媒を噴出するノズルと、
   前記ノズルから噴出した冷媒を前記冷媒排出口へ導く冷媒排出流路と、
   を備えていることを特徴とする冷却器。
2. 一の分岐流路の冷媒流入口の面積が、別の分岐流路の冷媒流入口の面積と異なることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 複数の半導体装置と複数の請求項１又は２の冷却器が積層された電力変換装置であり、
   前記複数の冷却器の夫々の前記冷媒供給口と前記冷媒排出口が、前記冷却器の前記長手方向の一側面に設けられており、
   前記複数の冷却器の前記冷媒供給口に接続されている冷媒供給管と、
   前記複数の冷却器の前記冷媒排出口に接続されている冷媒排出管と、
   を備えており、
   前記冷媒供給管と前記冷媒排出管は、前記一側面に対向しているとともに、前記積層方向に沿って互いに平行に伸びている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 前記冷却器は、隣接する前記分岐流路の間に、両端が前記積層方向で対向する２つの側板の夫々に当接している補強リブを備えていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 半導体装置と請求項２の冷却器が積層された電力変換装置であり、
   前記半導体装置は、
   第１半導体素子と、
   前記長手方向で前記第１半導体素子よりも前記冷媒供給口から遠くに配置されているとともに前記第１半導体よりも発熱量が小さい第２半導体素子と、
   を備えており、前記冷却器は、
   前記第１半導体素子と対向するように配置されている第１分岐流路と、
   前記第２半導体素子と対向するように配置されており、前記第１分岐流路よりも冷媒流入口の面積が小さい第２分岐流路と、
   を備えていることを特徴とする電力変換装置。
6. 前記冷却器は、隣接する前記分岐流路の間に、両端が前記積層方向で対向する２つの側板の夫々に当接している補強リブを備えていることを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. バッテリの電圧を昇圧する昇圧回路と、
   前記バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用モータに供給する第１電力変換回路と、
   発電機の交流電力を直流電力に変換して前記バッテリに供給する第２電力変換回路と、
   を備えており、
   前記第１半導体素子は、前記昇圧回路のパワートランジスタ、又は、前記第１電力変換回路のパワートランジスタであり、前記第２半導体素子は前記第２電力変換回路のパワートランジスタである、
   ことを特徴とする請求項５又は６に記載の電力変換装置。

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