JP2016076639A - 半導体冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却部と冷媒給排部を確実に接合するとともに、冷媒流路の合流箇所または分配箇所における潰食の発生を防止する。
【解決手段】冷媒給排部２４ｂの内部に、フィン付押出チューブ２１ａの内部に形成した冷媒流路２１ｆをなす複数の放熱フィン２１ｃの立設方向と平行に、摩擦撹拌接合によって発生する押付荷重Ｆに抗する荷重受けリブ２４ｆを形成して、放熱フィン２１ｃの端部２１ｈと荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈとを、隣接する放熱フィン２１ｃの隙間Ｘよりも大きい間隔Ｙを隔てて配置する。
【選択図】図７

Description

本発明は、電気自動車のモータ制御等に用いられるスイッチング素子である半導体パワーデバイスを冷却する半導体冷却装置に関するものである。

ＩＧＢＴやパワートランジスタ等の半導体パワーデバイス（半導体素子）は、スイッチング時に大電流が流れるため、多くの熱を発生する。そのため、使用時には半導体素子を冷却する必要があり、従来から熱交換機能を有する半導体冷却装置が用いられている。

このような半導体冷却装置に用いられる熱交換器は、例えば、熱交換機能を有する多穴管の端部を管板に挿通し、両者を摩擦撹拌接合（Friction Stir Welding、略してＦＳＷ）と呼ばれる接合方法によって固定することによって製造される（例えば特許文献１）。

この摩擦撹拌接合は、図９に示すように、先端に突起状のプローブ５１を有する円柱状の回転工具５２を回転させながら、接合しようとする部材５３，５４に強い力で押し付けて、プローブ５１を部材５３，５４の接合部５５に嵌入させることにより、摩擦熱を発生させて部材５３，５４を軟化させると共に、回転工具５２の回転力によって接合部５５の周辺を塑性流動させて練り混ぜるようにしつつ部材５３，５４を一体化する接合方法である。そして、部材５３，５４の接合部５５に沿って、回転工具５２を移動させながら接合を行うことによって、部材５３，５４の接合部５５が一体化される。

特許文献１に記載された、摩擦撹拌接合を用いたパイプ状部材の接合方法にあっては、摩擦撹拌接合を行う際に、被接合部材であるパイプに、プローブによって大きな押付荷重を加える必要があるため、この押付荷重によってパイプ状部材が変形しないよう、一方のパイプの肉厚を厚くして、この肉厚部で２本のパイプを突き合わせて摩擦撹拌接合を行っている。

特開２００３−２３６６８２号公報

しかしながら、特許文献１の摩擦撹拌接合による接合方法は、円筒状部材同士の摩擦撹拌接合を行う場合を対象にしていたため、特許文献１の技術をそのまま適用しただけでは、より複雑な形状を有する部材に対して、部材を変形させることなく摩擦撹拌接合を行うのは困難であった。また、例えば、摩擦撹拌接合によって接合されたパイプ状部材の内部に冷媒を流して半導体冷却装置に適用する場合、パイプ状部材の肉厚を厚くすると、冷媒の流量が減少するため冷却性能が悪化するという問題があった。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、半導体冷却装置を構成する部材同士を、高い冷却性能を確保しつつ、確実に摩擦撹拌接合によって接合することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体冷却装置は、発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、内部に複数の放熱フィンによって仕切られた冷媒流路を有する冷却部と、前記冷却部と摩擦撹拌接合によって接合されて、前記冷却部からの冷媒の排出または前記冷却部への冷媒の供給を行う冷媒給排部と、を有し、前記冷媒給排部の内部に、摩擦撹拌接合を行う際に発生する押付荷重に抗する、前記放熱フィンの延設方向と平行な荷重受けリブを立設して、さらに、前記冷却部と前記冷媒給排部とを接合したときに、互いに対向する側にある前記荷重受けリブの端部と、前記放熱フィンの端部と、を隣接する前記放熱フィンの隙間よりも大きい間隔を隔てて配置したことを特徴とする。

また、本発明の半導体冷却装置は、発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、内部に複数の放熱フィンによって仕切られた冷媒流路を有する冷却部と、前記冷却部と摩擦撹拌接合によって接合されて、前記冷却部からの冷媒の排出と前記冷却部への冷媒の供給を行う冷媒給排部と、前記冷媒給排部の内部に設けられて、摩擦撹拌接合を行う際に発生する押付荷重に抗する、前記放熱フィンの立設方向と平行に立設された荷重受けリブと、を有し、少なくとも、前記冷却部の前記荷重受けリブの端部と対向する位置に、前記荷重受けリブと同等の板厚を有する放熱フィンの端部を配置したことを特徴とする。

本発明に係る半導体冷却装置によれば、冷媒給排部の内部に荷重受けリブを形成したため、冷却部と冷媒給排部とを摩擦撹拌接合した際に、荷重受けリブが、摩擦撹拌接合の際に発生する回転工具の押付荷重に抗することによって、冷媒給排部と冷却部とを変形させることなく、確実に摩擦撹拌接合することができる。また、荷重受けリブは冷媒給排部の内部にフィン状に形成されるため、冷媒給排部の内部を流れる冷媒の流量を減少させることがなく、高い冷却性能を確保することができる。

さらに、荷重受けリブの端部と、それに対向する放熱フィンの端部と、が隣接する放熱フィンの隙間よりも大きい間隔を隔てて配置されるため、冷媒（例えば水等の冷却液）の急激な方向変化が発生せず、そのため、放熱フィンの端部と荷重受けリブの端部との間における冷媒の流速の増加や冷媒の流れの乱れが防止される。したがって、冷媒流路の内面が腐食する潰食（流体腐食）の発生を防止することができ、半導体冷却装置の耐久性を向上させることができる。

また、本発明に係る半導体冷却装置によれば、荷重受けリブの端部と対向する位置に、荷重受けリブと同等のフィン厚を有する放熱フィンを配置したため、放熱フィン側から流出した冷媒が、荷重受けリブの端部に突き当たることなくスムーズに流れて、冷媒給排部側に流入する。そのため、放熱フィンの端部付近における乱流の発生や流速の増加を防止することができる。したがって、潰食（流体腐食）の発生をより一層防止することができ、半導体冷却装置の耐久性を向上させることができる。

本発明の一実施形態である実施例１に係る半導体冷却装置の斜視図である。 図１の主要構成部品の分解斜視図である。 図１を切断線Ａ−Ａで切った断面図である。 図３を切断線Ｂ−Ｂで切った、フィン付押出チューブと冷媒給排部との接続構造について説明する断面図である。 （ａ）はフィン付押出チューブと冷媒給排部とを接続した状態を示す平面図である。（ｂ）は図５（ａ）を切断線Ｃ−Ｃで切った、フィン付押出チューブと冷媒給排部とを摩擦撹拌接合によって接合している様子を説明する断面図である。 冷媒給排部の荷重受けリブと、フィン付押出チューブの冷却フィンと、を配置する際の問題点について説明する冷媒流路の断面図である。 本発明の一実施形態である実施例１に係る半導体冷却装置の荷重受けリブと放熱フィンの配置について説明するフィン付押出チューブと冷媒給排部の断面図である。 実施例２に係る半導体冷却装置の荷重受けリブと放熱フィンの配置について説明するフィン付押出チューブと冷媒給排部の断面図である。 摩擦撹拌接合によって部材を接合している様子を示す斜視図である。

以下、本発明の半導体冷却装置の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態である上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）を有する半導体冷却構造１０ａの外観を示す斜視図である。図２は、半導体冷却構造１０ａを構成する主要部品の分解斜視図である。まず、図１，図２を用いて、半導体冷却構造の全体構成について説明する。
［全体構成の説明］

図１の斜視図に示すように、半導体冷却構造１０ａは、少なくとも１個の発熱型半導体３０ａ（半導体）が収容されたパワーモジュール３０と、パワーモジュール３０の下部に設置された下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂと、パワーモジュール３０の上部に設置された上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）と、この上部半導体冷却装置２０ａの上部に当接して配置された荷重受板１２ａ，１２ｂと、この荷重受板１２ａ，１２ｂの上面側に設けられて荷重受板１２ａ，１２ｂを介して上部半導体冷却装置２０ａをパワーモジュール３０の上面へ圧接可能な弾性部材１４ａ，１４ｂと、を備えている。なお、発熱型半導体３０ａとしては、例えば、ＩＧＢＴ素子やパワートランジスタ素子に代表されるパワーデバイスが用いられる。

本実施例においては、パワーモジュール３０は、発熱型半導体３０ａ（半導体）を６個内蔵する平面視長方形状の板状体とされている。ただし、発熱型半導体３０ａの設置数は６個に限るものではなく、適宜設計された、適切な個数の発熱型半導体３０ａが実装される。

以下、図２の主要構成部品の分解斜視図を用いて、各構成要素の詳細構造について説明する。

上部半導体冷却装置２０ａは、絶縁シート３２ａ，３２ｂを介して、パワーモジュール３０の上面に当接して配置されており、フィン付押出チューブ２１ａ，２２ａ（冷却部）と、冷媒給排部２４ａ，２４ｂ，２４ｃと、冷媒流路接続部２３と、から構成されている。

フィン付押出チューブ２１ａ，２２ａの内部には、後述する複数の放熱フィン２１ｃ（図３）が設けられている。そして、隣接する放熱フィン２１ｃの隙間が、冷媒である冷却液の流路とされている。この冷媒の流路である冷媒流路の構造について、詳しくは後述する。

冷媒給排部２４ａ，２４ｂ，２４ｃは、それぞれ、ダイカストで成形されて、フィン付押出チューブ２１ａ，２２ａ（冷却部）の内部に形成された複数の冷媒流路に、冷媒である冷却液を分配させ、また、複数の冷媒流路から流出した冷却液を合流させて、上部半導体冷却装置２０ａの内部に冷媒の流通経路を形成する。冷媒の流通経路の構成について、詳しくは後述する。

冷媒流路接続部２３は、上部半導体冷却装置２０ａの冷媒流路と下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂの冷媒流路とを接続する。詳しくは後述する。

下部半導体冷却装置４０ａは、本体容器部４１と上蓋部４２ａと、本体容器部４１の一端側に設けられた冷媒入口４７ａとから構成されている。また、下部半導体冷却装置４０ｂは、本体容器部４１と上蓋部４２ｂと、本体容器部４１の一端側に設けられた冷媒出口４７ｂとから構成されている。そして下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂは、それぞれ、絶縁シート４３ａ，４３ｂを介して、パワーモジュール３０の下面に当接している。

本体容器部４１には、図２に示すように、長手方向に沿って凹状部４１ａ，４１ｂが形成されており、凹状部４１ａは上蓋部４２ａによって閉止されている。また、凹状部４１ｂは上蓋部４２ｂによって閉止されている。

上蓋部４２ａ，４２ｂの裏面側には後述する放熱フィン４４（図３）が設けられている。そして、この放熱フィン４４と凹状部４１ａとの隙間、および、放熱フィン４４と凹状部４１ｂとの隙間が、それぞれ、冷媒である冷却液の流路とされている。冷媒流路の構造について、詳しくは後述する。

下部半導体冷却装置４０ａの他端側（冷媒入口４７ａが形成されていない側）には、冷媒出口４９ａが設けられている。この冷媒出口４９ａは、冷媒流路接続部２３を介して冷媒給排部２４ａと接続されており、その接続位置である冷媒出口４９ａには冷却液の漏洩を防止するためのシール部材４８が設けられている。また、冷媒給排部２４ｃは、冷媒流路接続部２３を介して下部半導体冷却装置４０ｂの他端側（冷媒出口４７ｂが形成されていない側）に設けられた冷媒入口４９ｂと接続されており、その接続位置である冷媒入口４９ｂには冷却液の漏洩を防止するためのシール部材４８が設けられている。

下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂと上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）とは、ボルトなどの締結具１６を用いて締結固定されている。即ち、本実施例においては、締結具１６は、直接、またはブラケット１８を介して冷媒流路接続部２３に取り付けられて、上部半導体冷却装置２０ａと下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂとを締結している。

弾性部材１４ａ，１４ｂは、上部半導体冷却装置２０ａの幅方向へ延びる短冊状のものとされて、ボルトなどの締結具１５，１５を用いて本体容器部４１に締結固定され、その締結力によって荷重受板１２ａ，１２ｂを押圧する。そして、この押圧力によって、上部半導体冷却装置２０ａと、パワーモジュール３０（発熱型半導体３０ａ）と、下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂと、が圧接される。

次に、実施例１の半導体冷却構造１０ａにおける、冷媒である冷却液の流通経路について、図１，図２を用いて説明する。
［冷媒の流通経路の構成］

図１に示すように、冷媒入口４７ａには、矢印Ｌ_inの方向に冷却液が流入する。そして、下部半導体冷却装置４０ａ，上部半導体冷却装置２０ａ，下部半導体冷却装置４０ｂの内部を順に通過しながら、発熱型半導体３０ａ（半導体）を冷却して、冷媒出口４７ｂから矢印Ｌ_outの方向に流出する。なお、冷媒入口４７ａと冷媒出口４７ｂの設置位置は、図１に示した位置に限定されるものではなく、半導体冷却構造１０ａの設置要件に応じて適切な位置に設置される。

冷媒入口４７ａから下部半導体冷却装置４０ａに流入した冷却液は、下部半導体冷却装置４０ａの内部を通過した後、下部半導体冷却装置４０ａから流出して、図２に示す冷媒流路接続部２３を介して冷媒給排部２４ａに流入する。そして、冷媒給排部２４ａの内部を通過してフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）に流入する。このとき、冷媒給排部２４ａは、下部半導体冷却装置４０ａから流入した冷却液をフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）の内部に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）に分配する分配部として作用する。

この冷媒の流通経路をより詳しく説明すると、冷媒給排部２４ａからフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）に流入した冷却液は、フィン付押出チューブ２１ａ内に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）を通過して、冷媒給排部２４ｂに流入する。このとき、冷媒給排部２４ｂは、複数の冷媒流路２１ｆ（図３）から流入した冷却液を合流させる合流部として作用する。

冷媒給排部２４ｂに流入した冷却液は、冷媒給排部２４ｂの内部を通過して、フィン付押出チューブ２２ａ（冷却部）に流入する。このとき、冷媒給排部２４ｂは、冷却液をフィン付押出チューブ２２ａ（冷却部）の内部に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）に分配する分配部として作用する。

フィン付押出チューブ２２ａ内に形成された複数の冷媒流路２１ｆ（図３）を通過した冷却液は、次に冷媒給排部２４ｃに流入する。このとき、冷媒給排部２４ｃは、複数の冷媒流路２１ｆ（図３）から流入した冷却液を合流させる合流部として作用する。

そして、冷媒給排部２４ｃから流出した冷却液は、下部半導体冷却装置４０ｂに流入して、下部半導体冷却装置４０ｂの内部を通過した後、冷媒出口４７ｂから流出する。

次に、図３を用いて、フィン付押出チューブ２１ａ，２２ａ（冷却部）、および、下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂの内部に形成される冷媒流路の詳細な構造について説明する。
［冷媒流路の構造］

図３は、図１に示した半導体冷却構造１０ａを切断線Ａ−Ａで切った、弾性部材１４ａが圧接している位置の断面図である。

フィン付押出チューブ２１ａ，２２ａ（冷却部）の内部には、フィン付押出チューブ２１ａ，２２ａの長手方向に沿って、複数の壁状の放熱フィン２１ｃによって仕切られた冷媒流路２１ｆが形成されている。なお、このフィン付押出チューブ２１ａ，２２ａは押し出し成形によって形成される。

下部半導体冷却装置４０ａは、図３に示すように、上蓋部４２ａの裏面側に、上蓋部４２ａの長手方向に沿って立設した互いに平行な複数の放熱フィン４４と、本体容器部４１の凹状部４１ａとの間に形成された隙間によって冷媒流路４６が形成されている。下部半導体冷却装置４０ｂも同様の構造を有している。

図３に示すように、放熱フィン４４のうち、下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂの幅方向中央付近に設けられた放熱フィン４４ａの先端部は、下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂの幅方向左右端付近に設けられた放熱フィン４４ｂの先端部よりも下方に延長されて、本体容器部４１の凹状部４１ａ，４１ｂの内底面に当接している。そして、放熱フィン４４ｂの先端部と本体容器部４１の凹状部４１ａ，４１ｂの内底面との間には、僅かな隙間が設けられている。

このように、放熱フィン４４ａの先端部を本体容器部４１の内底面に当接させることによって、弾性部材１４ａによる圧接に耐えて、パワーモジュール３０と下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂを確実に当接させることができ、これによって高い冷却効果を得ることができる。

また、放熱フィン４４ｂの先端部よりも下の部分を互いに連通させることによって、下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂの幅方向への伝熱を促進することにより、放熱フィンの間を完全に隔離して下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂの幅方向への伝熱を抑制した場合と比べて高い冷却効率を得ることができる。

なお、上蓋部４２ａ，４２ｂは、それぞれ、本体容器部４１に嵌合された後、摩擦撹拌接合によって閉止固定される。そのため、本体容器部４１および下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂは、摩擦撹拌接合が可能で、しかも熱伝導率の高い金属、例えば、アルミニウムや銅などによって構成されている。

次に、図４，図５を用いて、上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）を構成するフィン付押出チューブ２１ａ，２２ａ（冷却部）と冷媒給排部２４ａ，２４ｂ，２４ｃとの接続構造のうち、フィン付押出チューブ２１ａと冷媒給排部２４ｂとの接続構造を例にあげて、具体的な接続構造について説明する。
［冷媒給排部の内部構造およびフィン付押出チューブとの接続構造］

図４は、図３を切断線Ｂ−Ｂで切った断面図の一部であり、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）の冷媒入口４７ａ（図２）側端部２１ｉと、冷媒給排部２４ｂとの接続構造を示す断面図である。

フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）の端部２１ｉ側は、冷媒給排部２４ｂを接続するために、放熱フィン２１ｃ、および、フィン付押出チューブ２１ａの内面の一部が切除されている。この切除部２１ｊは、冷媒給排部２４ｂが接続される、フィン付押出チューブ２１ａの端部２１ｉから深さＤの範囲、および、深さＤの位置からさらに深さＹの範囲に亘る。

ここで、深さＤは、後述する嵌合部２４ｄの寸法と等しく設定される。また、深さＹは、後述するように、隣接する放熱フィン２１ｃの間隔よりも大きくなるように設定される。

一方、冷媒給排部２４ｂの端部２４ｉの周縁は、深さＤに亘って切り欠かれて、段差状の嵌合部２４ｄが形成されている。そして、この嵌合部２４ｄによって形成された段差部分が、フィン付押出チューブ２１ａの端部２１ｉ側に形成された深さＤの領域（切除部２１ｊ）に嵌合される。

冷媒給排部２４ｂの内部には、放熱フィン２１ｃの突設方向に沿って平行に延びる荷重受けリブ２４ｆが、摩擦撹拌接合に耐えるために必要な間隔を隔てて複数形成されている。これらの荷重受けリブ２４ｆの、放熱フィン２１ｃに対向する側の端部２４ｈは、図４に示すように、放熱フィン２１ｃ側から流入した冷媒の流動抵抗が小さくなるように、荷重受けリブ２４ｆの高さ方向に亘って、放熱フィン２１ｃ側に向かう半円形状などの先細形状をなしている。なお、この先細形状は、半円形状に限定されるものではなく、翼端形状や鋭角形状等、冷媒の流動抵抗が小さくなるような形状としてもよい。

図５（ａ）は、図４に示した冷媒給排部２４ｂとフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）とを、実際に接続した状態を示す平面図である。図５（ａ）に示すように、冷媒給排部２４ｂに形成した嵌合部２４ｄが、フィン付押出チューブ２１ａの端部２１ｉ側に形成された切除部２１ｊに嵌合されて接続される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）を切断線Ｃ−Ｃで切った断面図に、摩擦撹拌接合を行うための回転工具５２を書き加えた図である。荷重受けリブ２４ｆは、図５（ｂ）に示すように、冷媒給排部２４ｂの上面側から下面側まで達するように形成されている。そして、回転工具５２の先端のプローブ５１が、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）の端部２１ｉの位置に直角に押し当てられて、回転工具５２を端部２１ｉに沿って移動することによって、フィン付押出チューブ２１ａと冷媒給排部２４ｂとが摩擦撹拌接合される。

このとき、プローブ５１が当てられた位置には荷重受けリブ２４ｆが形成されているため、プローブ５１の押付荷重が加わっても、荷重受けリブ２４ｆがこの押付荷重に抗するため、フィン付押出チューブ２１ａと冷媒給排部２４ｂとを変形させることなく確実に接合することができる。

次に、図６，図７を用いて、本実施例における、荷重受けリブ２４ｆと放熱フィン２１ｃとの配置関係について説明する。
［荷重受けリブと放熱フィンの配置要件］

図６は、前述した図４，図５に示す方法によって接合された上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）を構成する、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）と冷媒給排部２４ｂとの接続箇所を示す、フィン付押出チューブ２１ａの幅方向に沿う断面図（図３を切断線Ｂ−Ｂで切った断面図の一部）の一例である。

このように構成された半導体冷却装置２０ａにあっては、荷重受けリブ２４ｅは、摩擦撹拌接合を行う際の押付荷重に抗して被接合部材の変形を防止するという目的上、そのリブ厚を薄くするのに限界があるため、一般に、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）に設けられた放熱フィン２１ｃの整列状態（フィン厚，ピッチ）と、冷媒給排部２４ｂに設けられた荷重受けリブ２４ｅの整列状態（リブ厚，ピッチ）とが異なり、放熱フィン２１ｃの端部２１ｈと荷重受けリブ２４ｅの端部２４ｇとが、不揃いの状態で配置される。

このような不揃いの配置状態で冷媒流路２１ｆを形成すると、荷重受けリブ２４ｅの端部２４ｇにおいて、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）から流出した冷媒の進行方向（例えば、図６に記載した冷媒の流れを示す流れベクトルＦａ）が急激に変化する。すると、冷媒の流速の増加や、冷媒の流れの乱れ（乱流）（例えば、図６の流れベクトルＦｂ）が発生する虞がある。そして、このような冷媒の流速の増加や、冷媒の流れの乱れが発生することによって、冷媒給排部２４ｂの内部で潰食（流体腐食）が発生する虞があった。

なお、図６の例は、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）から流出した冷媒が、冷媒給排部２４ｂに流入する場合について示すものだが、図６に図示しない、冷媒流路２１ｆの入口側、即ち、冷媒が複数の冷媒流路２１ｆに分配されて流入する側においても、同様の問題が発生する。

これに対して、図７は、本実施例１におけるフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）と冷媒給排部２４ｂとの接続構造を示す図である。図３を切断線Ｂ−Ｂで切った断面図の一部である。図７に示すように、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）と冷媒給排部２４ｂとが摩擦撹拌接合によって接合されたとき、荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈと、放熱フィン２１ｃの端部２１ｈとは、間隔Ｙを隔てて配置される。この間隔Ｙは、前述した深さＹに相当する量であり、隣接する放熱フィン２１ｃの隙間Ｘに対して、Ｙ≧Ｘになるように設定されている。

荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈと放熱フィン２１ｃの端部２１ｈとをこのような位置関係で配置することによって、図７に示す流れベクトルＦｃのように、冷媒流路２１ｆから流出した冷却液（冷媒）が、放熱フィン２１ｃを通過した後、進行方向が急激に変化することなく、スムーズに荷重受けリブ２４ｆ側に流入する。

さらに、本実施例１にあっては、荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈが、放熱フィン２１ｃ側に向かって半円筒面（先細形状）をなすように形成されているため、冷却液が荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈに対して鋭角に突き当たるため、冷却液の流れが、より一層スムーズになる。したがって、冷却液がフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）から冷媒給排部２４ｂに流入した際に、冷却液の流速の変化がより一層小さくなるため、冷媒給排部２４ｂの内部における潰食（流体腐食）の発生を防止することができる。

なお、冷却液の流れをさらにスムーズにするために、図７に示すように、荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈは、隣接する放熱フィン２１ｃの中間付近に位置するように設置する、もしくは、荷重受けリブ２４ｆの立設方向と放熱フィン２１ｃの立設方向とが一直線上に位置するように設置するのが望ましい。

そして、図７に図示しない、冷媒流路２１ｆの入口側に接続される冷媒給排部２４ａについても、図７に示した接続構造と同様の構造をなすように、荷重受けリブが配置される。

次に、本発明の半導体冷却装置の別の実施形態である実施例２について、図８を参照して説明する。

図８は、実施例１とほぼ同様に構成された上部半導体冷却装置２０ｂ（半導体冷却装置）における、フィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）と冷媒給排部２４ｂとが接続された状態を示す断面図である。上部半導体冷却装置２０ｂは、実施例１で説明した上部半導体冷却装置２０ａが備えたフィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）の代わりに、フィン付押出チューブ２１ｂを用いたものである。また、冷媒給排部２４ｂの内部に形成される荷重受けリブ２４ｅの構造が実施例１で説明した荷重受けリブ２４ｆの構造とは異なっている。

図７において、フィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）の内部には、２種類の厚さを有する複数の放熱フィン２１ｄ（フィン厚ｔ２），２１ｅ（フィン厚ｔ３）が、ｔ３＜ｔ２の関係をもって形成されている。

放熱フィン２１ｄ（フィン厚ｔ２）と荷重受けリブ２４ｅ（板厚ｔ１）とは、ほぼ同じ厚さを有している。即ち、ｔ１≒ｔ２である。そして、放熱フィン２１ｄと荷重受けリブ２４ｅとは、同じ位置に対向するように形成されている。

また、放熱フィン２１ｅ（フィン厚ｔ３）は、隣接する放熱フィン２１ｄの間、または、フィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）の内壁と放熱フィン２１ｄとの間に、等間隔で設置されている。

放熱フィン２１ｄ，２１ｅと、荷重受けリブ２４ｅと、をこのように配置することによって、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）から流出した冷却液が、冷媒給排部２４ｂに流入した際に、荷重受けリブ２４ｅが冷却液の流れを阻害しないため、冷却液の流れが乱されずにスムーズに流入する。また、放熱フィン２１ｅの間に細かく等間隔に形成された冷媒流路２１ｇによって、十分な冷却効果を得ることができる。なお、実施例１と実施例２とを組み合わせた構成を採ることも可能である。即ち、荷重受けリブ２４ｅと放熱フィン２１ｄ，２１ｅの構成は、摩擦撹拌接合に耐える荷重受けリブ２４ｅのリブ厚とリブ数に応じて、適宜設計することができる。

以上説明したように、実施例１に係る上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）によれば、冷媒給排部２４ｂの内部に荷重受けリブ２４ｆを形成したため、フィン付押出チューブ２１ａ（冷却部）と冷媒給排部２４ｂとを摩擦撹拌接合した際に、荷重受けリブ２４ｆが、摩擦撹拌接合の際に発生する回転工具の押付荷重に抗することによって、冷媒給排部２４ｂとフィン付押出チューブ２１ａとを変形させることなく、確実に摩擦撹拌接合することができる。また、荷重受けリブ２４ｆは冷媒給排部２４ｂの内部にフィン状に立設するため、冷媒給排部２４ｂの内部を流れる冷却液（冷媒）の流量を減少させることがなく、高い冷却性能を確保することができる。

さらに、実施例１に係る上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）によれば、荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈと、それに対向する側にある放熱フィン２１ｃの端部２１ｈと、が隣接する放熱フィン２１ｃの隙間Ｘよりも大きい間隔Ｙを隔てて配置されるため、冷却液の急激な方向変化が発生せず、そのため、放熱フィン２１ｃの端部２１ｈと荷重受けリブ２４ｆの端部２４ｈとの間における冷却液（冷媒）の流速の増加や冷却液の流れの乱れが防止される。したがって、冷媒流路の内面が腐食する潰食（流体腐食）の発生を防止することができ、上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）の耐久性を向上させることができる。

また、実施例１に係る上部半導体冷却装置２０ａ（半導体冷却装置）によれば、荷重受けリブ２４ｆの、放熱フィン２１ｃに対向する側の端部２４ｈは、荷重受けリブ２４ｆの高さ方向に亘って、放熱フィン２１ｃ側に向かう半円筒面（先細形状）をなすため、放熱フィン２１ｃの端部２１ｈから流出する冷却液（冷媒）の流れがより一層スムーズになり、冷媒流路２１ｆの内面が腐食する潰食（流体腐食）の発生をより一層防止することができる。

そして、実施例２に係る上部半導体冷却装置２０ｂ（半導体冷却装置）によれば、荷重受けリブ２４ｅの端部２４ｇと対向する位置に、荷重受けリブ２４ｅと同等のフィン厚ｔ２を有する放熱フィン２１ｄを立設することによって、放熱フィン２１ｄ側から流出した冷却液（冷媒）が、荷重受けリブ２４ｅの端部２４ｇに突き当たることなくスムーズに流れて、冷媒給排部２４ｂ側に流入する。そのため、フィン付押出チューブ２１ｂ（冷却部）からの冷却液の出口である放熱フィン２１ｄの端部付近における、冷却液の乱流の発生や冷却液の流速の増加を防止することができる。したがって、潰食（流体腐食）の発生を防止することができ、上部半導体冷却装置２０ｂ（半導体冷却装置）の耐久性を向上させることができる。

さらに、実施例２に係る上部半導体冷却装置２０ｂ（半導体冷却装置）によれば、隣接する荷重受けリブ２４ｅ間に対向する位置に、荷重受けリブ２４ｅの板厚ｔ１よりも薄いフィン厚ｔ３を有する複数の放熱フィン２１ｅを等ピッチで形成したため、十分な冷却効果を発揮することができる。

なお、実施例１、および実施例２にあっては、冷媒流路が冷却装置内で３回折り返しす（２往復する）流通経路が形成されて、所謂４パス方式の冷却装置を形成したが、本発明が適用される半導体冷却装置の構成は４パス方式に限定されるものではなく、その他のパス数を有する冷却装置であっても同様に適用することができる。

また、実施例１、および実施例２にあっては、フィン付押出チューブ２１ａ，２１ｂ（冷却部）の内部の複数の冷媒流路２１ｆ，２１ｇを流れた冷却液（冷媒）が、冷媒給排部２４ｂの内部に流入して合流する例をあげて説明したが、これは、冷却液の流れる方向が逆である場合にも同様に適用することができる。すなわち、例えば、図２に示す下部半導体冷却装置４０ａ（本体容器部４１と上蓋部４２ａとで構成される）から流出した冷却液が、冷媒給排部２４ａに流入した後、フィン付押出チューブ２１ａの内部の複数の冷媒流路２１ｆ（図７）に分配される場合であっても、冷媒給排部２４ａの内部に形成される荷重受けリブと、フィン付押出チューブ２１ａの内部に形成される放熱フィンと、の配置関係を、実施例１または実施例２で説明したのと同様に設定することによって、同様の効果が得られる。

さらに、実施例１および実施例２は、上部半導体冷却装置２０ａに適用した例であるが、同様の構成は、下部半導体冷却装置４０ａ，４０ｂに対しても適用することができる。即ち、図２の例は、本体容器部４１，冷媒出口４９ａ，冷媒入口４９ｂが一体成形されているが、これを別体で成形した後、摩擦撹拌接合によって接続する場合に、冷媒出口４９ａ，冷媒入口４９ｂの内部に荷重受けリブを設置して、実施例１および実施例２に従った接続構造とすることができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。

２０ａ 上部半導体冷却装置（半導体冷却装置）
２１ａ フィン付押出チューブ（冷却部）
２１ｃ 放熱フィン
２１ｆ 冷媒流路
２１ｈ，２１ｉ，２４ｈ，２４ｉ 端部
２４ｂ 冷媒給排部
２４ｆ 荷重受けリブ
Ｆｃ 流れベクトル
Ｘ 隙間
Ｙ 間隔

Claims (6)

1. 発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、
   内部に複数の放熱フィンによって仕切られた冷媒流路を有する冷却部と、
   前記冷却部と摩擦撹拌接合によって接合されて、前記冷却部からの冷媒の排出または前記冷却部への冷媒の供給を行う冷媒給排部と、を有し、
   前記冷媒給排部の内部に、摩擦撹拌接合を行う際に発生する押付荷重に抗する、前記放熱フィンの延設方向と平行な荷重受けリブを立設して、さらに、前記冷却部と前記冷媒給排部とを接合したときに、互いに対向する側にある前記荷重受けリブの端部と、前記放熱フィンの端部と、を隣接する前記放熱フィンの隙間よりも大きい間隔を隔てて配置したことを特徴とする半導体冷却装置。
2. 前記荷重受けリブの、前記放熱フィンに対向する側の端部は、前記荷重受けリブの高さ方向に亘って、先細形状をなすことを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
3. 少なくとも、前記冷却部の前記荷重受けリブの端部と対向する位置に、前記荷重受けリブと同等の板厚を有する放熱フィンの端部を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体冷却装置。
4. 前記放熱フィンの間に、前記放熱フィンの板厚よりも薄い板厚を有する複数の放熱フィンを等ピッチで形成したことを特徴とする請求項３に記載の半導体冷却装置。
5. 発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、
   内部に複数の放熱フィンによって仕切られた冷媒流路を有する冷却部と、
   前記冷却部と摩擦撹拌接合によって接合されて、前記冷却部からの冷媒の排出または前記冷却部への冷媒の供給を行う冷媒給排部と、を有し、
   前記冷媒給排部の内部に、摩擦撹拌接合を行う際に発生する押付荷重に抗する、前記放熱フィンの延設方向と平行な荷重受けリブを立設して、さらに、前記冷却部の内部の、少なくとも前記荷重受けリブの端部と対向する位置に、前記荷重受けリブと同等のフィン厚を有する前記放熱フィンを立設することを特徴とする半導体冷却装置。
6. 前記放熱フィンの間に、前記放熱フィンのフィン厚よりも薄いフィン厚を有する複数の放熱フィンを等ピッチで形成したことを特徴とする請求項５に記載の半導体冷却装置。