JP2016131209A - 積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】複数のパワーモジュールと複数の冷却器が積層されている積層ユニットに関し、各パワーモジュールを均一に冷却する。
【解決手段】各冷却器３は、孔１３ａ−１３ｄを有している。冷却器３に冷媒を供給する接続管９ａ、９ｂの夫々と孔１３ａ、１３ｂの夫々が接続されている。冷却器３から冷媒を排出する接続管９ｃ、９ｄの夫々と孔１３ｃ、１３ｄが接続されている。冷却器３の内部に第１流路１４と第２流路１７が設けられており、孔１３ａ、１３ｃは第１流路１４の冷媒入口、冷媒出口に相当し、孔１３ｂ、１３ｄは、第２流路１７の冷媒入口と出口に相当する。第１流路１４の冷媒入口（孔１３ａ）と第２流路１７の冷媒出口（孔１３ｄ）が冷却器の一方の側に設けられており、第１流路１４の冷媒出口（孔１３ｃ）と第２流路１７の冷媒入口（孔１３ｂ）が冷却器の他方の側に設けられている。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子を収容しているパワーモジュールと冷却器が交互に積層されている積層ユニットに関する。

半導体素子を収容している複数のパワーモジュールを効率良く冷却するデバイスが例えば特許文献１に開示されている。そのデバイスは、複数のパワーモジュール（半導体モジュール）と複数の冷却器（冷却管）を一つずつ交互に積層した構造を有している。パワーモジュールを挟んで隣接している冷却器は一対の接続管で接続されている。一方の接続管は各冷却器に冷媒を供給する。他方の接続管は冷却器を通過した冷媒を排出する。冷却器の内部をパワーモジュールと平行に冷媒が流れる。この積層ユニットは、各パワーモジュールを両側から冷却するのでパワーモジュールを効率良く冷却することができる。

特開２００９−１８８３８７号公報

特許文献１の積層ユニットの各冷却器は、両側のパワーモジュールと接する一対の側板の間に冷媒が流れる流路が設けられている。流路は一対の側板に沿って延びている。冷媒は、流路内を、側板に沿って、即ち、パワーモジュールに対して平行に一方向に流れる。それゆえ、冷媒の上流から下流に向けて冷媒温度が高くなり、下流では上流と比較してパワーモジュールの冷却効率が低くなってしまう。特許文献１の積層ユニットでは、冷却器内の冷媒流の上流と下流でパワーモジュールに対する冷却効率が不均一となってしまう。本明細書が開示する技術は、パワーモジュールに対する冷却効率の上記した不均一性を解消する積層ユニットを提供する。

本明細書が開示する積層ユニットは、半導体素子を収容しているパワーモジュールと冷却器が交互に積層されているデバイスである。冷却器の内部には液体の冷媒が流れる。各冷却器は、第１冷媒入口及び第２冷媒入口と、第１冷媒出口及び第２冷媒出口と、第１流路及び第２流路を備える。第１冷媒入口と第２冷媒入口の夫々から冷却器へ冷媒が供給される。第１冷媒入口から供給された冷媒は、第１流路を通り、第１冷媒出口から排出される。第２冷媒入口から供給された冷媒は、第２流路を通り、第２冷媒出口から排出される。第１冷媒入口と第２冷媒出口は、パワーモジュールと冷却器の積層方向からみたときに、冷却器の一方の側に設けられている。第２冷媒入口と第１冷媒出口は、積層方向からみたときに冷却器の他方の側に設けられている。そして、第１流路と第２流路は、パワーモジュールに対して平行に延びているとともに互いに逆方向に冷媒が流れる。

本明細書が開示する積層ユニットでは、各冷却器に、パワーモジュールに対して平行に２本の冷媒流路（第１流路と第２流路）が設けられている。一対の冷媒入口と一対の冷媒出口の上記した配置により、その２本の流路内を冷媒が互いに逆方向に流れる。従って、第１流路の下流と第２流路の上流が隣接し、第１流路の上流と第２流路の下流が隣接する。それゆえ、パワーモジュールの一部は、温度の高い第１流路下流の冷媒と、温度の低い第２流路上流の冷媒によって冷却され、パワーモジュールの別の一部は、温度の低い第１流路上流の冷媒と、温度の高い第２流路下流の冷媒によって冷却される。その結果、パワーモジュールは全体が均一に冷却される。このように、本明細書が開示する積層ユニットは、パワーモジュールを均一に冷却することができる。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。

第１実施例の積層ユニットの斜視図である。 第１実施例の積層ユニットの冷却器の分解図である。 第２実施例の積層ユニットの斜視図である。 第２実施例の積層ユニットの冷却器の分解図である。 図４のV−V線に沿った断面図である。 変形例の冷却器の分解図である。

（第１実施例）図１、図２を参照して第１実施例の積層ユニットを説明する。図１に積層ユニット２の斜視図を示す。積層ユニット２は、４枚のパワーモジュール９５と、５枚の冷却器３を一つずつ交互に積層したデバイスである。図中の座標系のＸ軸方向が積層方向に相当する。以下の説明でも「積層方向」という表現を用いるが、それは、複数のパワーモジュール９５と複数の冷却器３の積層方向という意味であることに留意されたい。

各パワーモジュール９５の両側に冷却器３が接している。パワーモジュール９５は、電力制御用の複数のパワートランジスタ（半導体素子）を樹脂でモールドしたデバイスである。パワーモジュール９５の中には、パワートランジスタの温度を計測する温度センサも備えられている。パワートランジスタの回路（及び、その駆動回路やセンサなど）を組み込んだモジュールは、ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）と呼ばれることがある。パワーモジュール９５は、平板型（カードタイプ）のインテリジェントパワーモジュールである。

５枚の冷却器３は全て同じ構造を有している。積層ユニット２の積層方向の一端の冷却器３を個別に示す場合には符号「３ｂ」を用いる。積層方向の他端の冷却器３を個別に示す場合には符号「３ｃ」を用いる。両端の冷却器３ｂ、３ｃ以外の冷却器を示す場合には符号「３ａ」を用いる。いずれの冷却器も区別なく表現するときには符号「３」を用いる。隣接する冷却器３は、４個の接続管９ａ−９ｄで接続されている。図１では接続管９ｄは隠れて見えない。詳しくは図２を参照して後述するが、冷却器３は、その内部に冷媒が通る流路を有しており、各接続管９ａ−９ｄはその流路と接続されている。各冷却器３の内部には、積層方向からみて各接続管９ａ−９ｄの夫々と同じ位置に貫通孔が設けられている。但し、積層方向の他端に位置する冷却器３ｃの積層方向外側の端面では貫通孔の開口が塞がれている。また、積層方向の一端の冷却器３ｂでは、接続管９ａ−９ｄに、一対の冷媒供給管９１ａ、９１ｂと、一対の冷媒排出管９３ｃ、９３ｄが接続されている。冷媒供給管９１ａ、９１ｂ、冷媒排出管９３ｃ、９３ｄは、不図示の冷媒循環装置に接続されている。冷媒供給管９１ａ、９１ｂを通じて冷媒循環装置から積層ユニット２へ低温の冷媒が供給される。各パワーモジュール９５から熱を吸収して温度の上昇した冷媒は、冷媒排出管９３ｃ、９３ｄを通じて冷媒循環装置へ戻される。

冷媒供給管９１ａと複数の接続管９ａは積層方向に一直線に一列に並んでいる。冷媒供給管９１ｂと複数の接続管９ｂも積層方向に一列に並んでいる。冷媒排出管９３ｃと複数の接続管９ｃも積層方向に一列に並んでいる。図１では隠れて見えないが、冷媒排出管９３ｄと複数の接続管９ｄも積層方向に一例に並んでいる。冷媒供給管９１ａ、９１ｂから供給される冷媒は、複数の接続管９ａ、９ｂを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は各冷却器３の内部を通る間に隣接するパワーモジュール９５の熱を吸収する。パワーモジュール９５の熱を吸収した冷媒は、複数の接続管９ｃ、９ｄを通り、冷媒排出管９３ｃ、９３ｄから不図示の冷媒循環装置へと戻る。冷媒は液体であり、典型的には、水、不凍液、又は、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。以下では、各冷却器３に冷媒を供給する接続管９ａ、９ｂを供給接続管９ａ、９ｂと称し、各冷却器３を通過した冷媒が通る接続管９ｃ、９ｄを排出接続管９ｃ、９ｄと称する。

図２を参照して冷却器３の構造を説明する。図２は、冷却器３の分解斜視図である。理解を助けるため、隣接する冷却器３を接続する一対の供給接続管９ａ、９ｂと、一対の排出接続管９ｃ、９ｄを仮想線で描いてある。

冷却器３は、一対のハーフケース１１、１６と、仕切板２１で構成されている。ハーフケース１１、１６、仕切板２１は、いずれもアルミニウムで作られている。ハーフケース１１は、側板１２の周囲に枠が設けられた浅いケースである。ハーフケース１６も同様であり、側板１７の周囲に枠が設けられた浅いケースである。仕切板２１は、一対のハーフケース１１、１６の間でそれらに平行に配置されている。仕切板２１を挟んで一対のハーフケース１１、１６を閉じると、冷却器３の内部に第１流路１４と第２流路１９が形成される。第１流路１４は、ハーフケース１１の側板１２と仕切板２１で挟まれた空間であり、第２流路１９は、ハーフケース１６の側板１７と仕切板２１で挟まれた空間である。冷却器３が積層ユニット２に組み込まれると、側板１２と側板１７の夫々の外面にはパワーモジュール９５が当接する。一対の側板１２、１７は、積層方向と交差する方向に拡がっている。側板１２と側板１７の夫々の内面は流路に面している。別言すれば、ハーフケース１１の側板１２とハーフケース１６の側板１７は、隣接するパワーモジュール９５の夫々と接する冷却器３の一対の側板である。そして、冷却器３は、その一対の側板１２、１７の間に仕切板２１によって仕切られた２つの流路（第１流路１４と第２流路１９）を備えている。第１流路１４と第２流路１９は、仕切板２１に沿って、冷却器３の一方の側から他方の側へ向かって（Ｙ軸の方向に）延びている。

ハーフケース１６は、積層方向（図中のＸ軸方向）からみて矩形であり、一対の対角部１６ａ、１６ｃは枠が内側に厚く膨らんでいる。枠の内側が厚く膨らんでいる一対の対角部を夫々、対角部１６ａ、１６ｃと称する。ハーフケース１６の側板１７に４個の孔１８ａ−１８ｄが設けられており、孔１８ｂと孔１８ｄは第２流路１９と連通している。孔１８ａは、枠が内側に張り出した対角部１６ａに設けられており、孔１８ｃは、対角部１６ｃに設けられている。孔１８ａ、１８ｃは、第２流路１９に通じることなくハーフケース１６を貫通している。

ハーフケース１１も、積層方向（図中のＸ軸方向）からみて矩形であり、一対の対角部１１ｂ、１１ｄは枠が内側に厚く膨らんでいる。ハーフケース１１の側板１２に４個の孔１３ａ−１３ｄが設けられており、孔１３ａと孔１３ｃは第１流路１４と連通している。孔１３ｂは、枠が内側に膨らんだ対角部１１ｂに設けられており、孔１３ｄは対角部１１ｄに設けられている。孔１３ｂ、１３ｄは、第１流路１４に通じることなくハーフケース１１を貫通している。

仕切板２１は４個の孔２３ａ−２３ｄを備えている。積層方向（Ｘ軸方向）からみたときに、仕切板２１の孔２３ａと、一対のハーフケース１１、１６の孔１３ａ、１８ａが一直線に並ぶ。同様に、孔２３ｂ、１３ｂ、１８ｂが一直線に並ぶ。孔２３ｃ、１３ｃ、１８ｃが一直線に並び、孔２３ｄ、１３ｄ、１８ｄが一直線に並ぶ。図１と図２を参照すると理解されるように、孔２３ａ、１３ａ、１８ａは、積層方向からみて、冷媒供給管９１ａと複数の供給接続管９ａと一直線に並び、積層方向に延びる冷媒流路を構成する。孔２３ｂ、１３ｂ、１８ｂは、積層方向からみて、冷媒供給管９１ｂと複数の供給接続管９ｂと一直線に並び、積層方向に延びる冷媒流路を構成する。同様に、孔２３ｃ、１３ｃ、１８ｃは、積層方向からみて、冷媒排出管９３ｃと複数の排出接続管９ｃと一直線に並び、積層方向に延びる冷媒流路を構成する。孔２３ｄ、１３ｄ、１８ｄは、積層方向からみて、冷媒排出管９３ｄと複数の排出接続管９ｄと一直線に並び、積層方向に延びる冷媒流路を構成する。

仕切板２１は側板１２に面する側に複数のフィン２２ａを備えており、側板１７に面する側に複数のフィン２２ｂを備えている。冷却器３の内部でフィン２２ａの先端は側板１２の内面に当接する。従って、第１流路１４は、側板１２と仕切板２１の両者の間に架け渡されている複数のフィン２２ａによって、複数の細長流路に分割される。冷却器３の内部でフィン２２ｂの先端は側板１７の内面に当接する。従って、第２流路１９は、側板１７と仕切板２１の両者の間に架け渡されている複数のフィン２２ｂによって、複数の細長流路に分割される。なお、フィン２２ａは、側板１２の内面に設けられていてもよい。フィン２２ｂは、側板１７の内面に設けられていてもよい。

上記したように、冷却器３の内部には、仕切板２１で区画された２つの流路（第１流路１４と第２流路１９）が形成されている。図２の矢印線Ａ１、Ａ２、Ａ３が、冷媒供給管９１ａから供給され、第１流路１４を通り、冷媒排出管９３ｃから排出される冷媒の流れを示している。図２の矢印線Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３が、もう一方の冷媒の流れ、即ち、冷媒供給管９１ｂから供給され、第２流路１９を通り、冷媒排出管９３ｄから排出される冷媒の流れを示している。なお、図１に示す矢印線Ａ０は、外部から冷媒供給管９１ａを通じて積層ユニット２に供給される冷媒の流れを示しており、矢印線Ａ４は、冷媒排出管９３ｃを通じて積層ユニット２から排出される冷媒の流れを示している。同様に、図１に示す矢印線Ｂ０は、外部から冷媒供給管９１ｂを通じて積層ユニット２に供給される冷媒の流れを示しており、矢印線Ｂ４は、冷媒排出管９３ｄを通じて積層ユニット２から排出される冷媒の流れを示している。

供給接続管９ａを通じて孔１３ａから流入した冷媒の一部は、ハーフケース１１の第１流路１４を通り、孔１３ｃから流出する（矢印線Ａ１−Ａ３）。孔１３ａから流入した冷媒の残りは孔２３ａと孔１８ａを通り、ハーフケース１６を積層方向に通過して次の冷却器へと向かう。また、Ｘ軸の負方向で隣接する冷却器の孔１３ｃから流出した冷媒は、ハーフケース１６の孔１８ｃを積層方向に流れ、孔２３ｃを通り、図２のハーフケース１１の第１流路１４を通過した冷媒と合流し、孔１３ｃから排出される。孔１３ｃは排出接続管９ｃに接続されている。孔１３ａ、２３ａ、１８ａを通る冷媒、及び、孔１３ｃ、２３ｃ、１８ｃを通る冷媒は、第１流路１４を通るが第２流路１９は通らない。

一方、供給接続管９ｂを通じて孔１３ｂから流入した冷媒は、ハーフケース１１を積層方向に流れ、孔２３ｂを通過し、ハーフケース１６に至る。冷媒の一部は第２流路１９を通り、孔２３ｄと孔１３ｄを通過して冷却器３から排出される（矢印線Ｂ１−Ｂ３）。冷媒の残りは孔１８ｂを通り、Ｘ軸方向負方向で隣接する別の冷却器へと向かう。また、Ｘ軸の負方向で隣接する冷却器の孔１３ｄから流出した冷媒は、ハーフケース１６の孔１８ｄを通過し、図２のハーフケース１６の第２流路１９を通過した冷媒と合流し、孔２３ｄ、孔１３ｄを通って排出される。孔１３ｄは、排出接続管９ｄに接続されている。孔１３ｂ、２３ｂ、１８ｂを通る冷媒、及び、孔１３ｄ、２３ｄ、１８ｄを通る冷媒は、第２流路１９を通るが第１流路１４は通らない。

供給接続管９ａに接続されている孔１３ａは、第１流路１４の冷媒入口（第１冷媒入口）に相当する。排出接続管９ｃに接続されている孔１３ｃは、第１流路１４の冷媒出口（第１冷媒出口）に相当する。また、供給接続管９ｂと接続されている孔１３ｂと、排出接続管９ｄに接続されている孔１３ｄは、それぞれ、第２流路１９の冷媒入口（第２冷媒入口）と冷媒出口（第２冷媒出口）に相当する。孔１３ａ（第１冷媒入口）と孔１３ｄ（第２冷媒出口）は、共に、冷却器３の一方の側（Ｙ軸負方向の側）に設けられている。そして、孔１３ｃ（第１冷媒出口）と孔１３ｂ（第２冷媒入口）は、共に、冷却器３の他方の側（Ｙ軸正方向の側）に設けられている。それゆえ、図２に示すように、平行に延びている第１流路１４と第２流路１９には、互いに反対方向に冷媒が流れる。

冷却器３の内部を冷媒が互いに反対方向に流れることの利点を説明する。冷却器３の一対の側板１２、１７の夫々にパワーモジュール９５が接する。第１流路１４では、孔１３ａ（第１冷媒入口）が冷媒の流れの上流に相当し孔１３ｃ（第１冷媒出口）が下流に相当する。冷媒は第１流路１４を流れる間にパワーモジュール９５から熱を吸収する。第１流路１４を流れる冷媒の温度は、孔１３ａ（冷媒入口）から孔１３ｃ（第１冷媒出口）に向かって高くなる。一方、第２流路１９では、孔１３ｂ（第２冷媒入口）が冷媒の流れの上流に相当し、孔１３ｄ（第２冷媒出口）が下流に相当する。冷媒は第２流路１９を流れる間にパワーモジュール９５から熱を吸収する。第２流路１９を流れる冷媒の温度は、孔１３ｂ（第２冷媒入口）から孔１３ｄ（第２冷媒出口）に向かって高くなる。第１流路１４と第２流路１９は、仕切板２１を挟んで隣接している。より詳しくは、第１流路１４の上流と第２流路１９の下流が仕切板２１を挟んで隣接しており、第１流路１４の下流と第２流路１９の上流が仕切板２１を挟んで隣接している。従って、第１流路１４の冷媒と第２流路１９の冷媒の間で仕切板２１を介して熱交換が行われ、第１流路１４の下流における高温の冷媒の熱は、隣接する第２流路の上流の温度が低い冷媒へ移動する。同様に、第２流路１９の下流における高温の冷媒の熱は、隣接する第１流路の上流の温度が低い冷媒へ移動する。その結果、第１流路１４と第２流路のいずれにおいても、上流と下流の温度差が小さくなる。それゆえ、冷却器３は、接しているパワーモジュールを場所によらずに均一に冷却することができる。仕切板２１は、第１流路１４の冷媒と第２流路１９の冷媒の間で熱を交換する伝熱板の役割を果たす。

なお、冷媒供給管９１ａ、９１ｂには、同じ温度の冷媒が供給されることが望ましい。即ち、第１流路１４の冷媒入口（孔１３ａ）と第２流路１９の冷媒入口（孔１３ｂ）には、同じ温度の冷媒が供給されることが望ましい。第１流路１４に流入する冷媒の温度と第２流路１９に流入する冷媒の温度が等しく、さらに、第１流路１４の下流と第２流路１９の上流の間、及び、第２流路の下流と第１流路の上流の間で熱交換が行われることで、冷却器３内の冷媒温度の分布が一層均一化する。なお、具体的には、不図示の冷媒循環装置から送られる冷媒が２つの流れに分かれて夫々が孔１３ａと孔１３ｂに供給されればよい。

（第２実施例）次に、図３−図５を参照して、第２実施例の積層ユニット１０２を説明する。第２実施例の積層ユニット１０２では、複数のパワーモジュール９５と複数の冷却器１０３が一つずつ交互に積層されている。第１実施例と同様に、Ｘ軸正方向の端に位置する冷却器を符号「１０３ｂ」で示し、Ｘ軸負方向の端に位置する冷却器を符号「１０３ｃ」で示し、両端以外の冷却器を符号「１０３ａ」で示す。複数の冷却器のいずれか一つを区別なく示す場合には符号「１０３」を用いる。

隣接する冷却器１０３は、４個のヘッダ５０ａ−５０ｄで接続されている。ヘッダ５０ａ−５０ｄの構造は後に詳しく説明する。ここでは、ヘッダ５０ａ−５０ｄを概説する。ヘッダ５０ａ−５０ｄの夫々は、隣接するヘッダに通じる主流路と、その主流路から冷却器１０３に通じる枝流路を有している。積層方向の一端に位置する冷却器１０３ｂのヘッダ５０ａに冷媒供給管９１ａが接続されており、冷却器１０３ｂのヘッダ５０ｂに冷媒供給管９１ｂが接続されている。冷却器１０３ｂのヘッダ５０ｃに冷媒排出管９３ｃが接続されており、冷却器１０３ｂのヘッダ５０ｄに冷媒排出管９３ｄが接続されている。ヘッダ５０ａ−５０ｄは積層方向に貫通する貫通孔（主流路）を有しているが、積層方向の他端に位置する冷却器１０３ｃのヘッダ５０ａ−５０ｄだけは、貫通孔の積層方向外側の開口が閉じられている。

冷却器１０３を概説する。冷却器１０３は平板型であり、各冷却器１０３の内部には２本の流路（第１流路と第２流路）が設けられている。前述したようにヘッダ５０ａとヘッダ５０ｃの中にも流路が形成されており、それらは第１流路に繋がっている。ヘッダ５０ｂとヘッダ５０ｄの中にも流路が形成されており、それらは第２流路に繋がっている。冷媒供給管９１ａから供給された冷媒は、複数のヘッダ５０ａを介して各冷却器１０３に分配される。各冷却器１０３の第１流路を通過する間に、冷媒は隣接しているパワーモジュール９５の熱を奪う。第１流路を通過した冷媒は、複数のヘッダ５０ｃを通り、冷媒排出管９３ｃから排出される。冷媒供給管９１ｂから供給された冷媒は、複数のヘッダ５０ｂを介して各冷却器１０３に分配される。各冷却器１０３の第２流路を通過する間に、冷媒は隣接しているパワーモジュール９５の熱を奪う。第２流路を通過した冷媒は、複数のヘッダ５０ｄを通り、冷媒排出管９３ｄから排出される。

図４と図５を参照して、ヘッダ５０ａ−５０ｄと冷却器１０３の構造を説明する。図４は、冷却器１０３の分解斜視図であり、図５は、図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。冷却器１０３は、一対のハーフケース３１、３６と、波板４１で構成されている。一対のハーフケース３１、３６と波板４１は、アルミニウムで作られている。ハーフケース３１は側板３２の周囲に枠が設けられた浅いケースである。側板３２の図中Ｙ軸方向の一方の側に、Ｚ軸方向に延びるスリット３３ａが設けられており、他方の側にＺ軸方向に延びるスリット３３ｂが設けられている。ハーフケース３６も側板３７の周囲に枠が設けられた浅いケースである。側板３７の図中Ｙ軸方向の一方の側に、Ｚ軸方向に延びるスリット３８ａが設けられており、他方の側にＺ軸方向に延びるスリット３８ｂが設けられている。一対の側板３２と３７の夫々が、隣接するパワーモジュール９５と接する（図３参照）。

波板４１は、一対のハーフケース３１、３６の間でそれらに平行に配置されている。波板４１を挟んで一対のハーフケース３１、３６を閉じると、波板４１が、一対のハーフケース３１、３６で閉じられた空間を仕切る。後述するが、冷媒は冷却器１０３の内部をＹ軸方向に流れる。波板４１は、その稜線をＹ軸方向、即ち冷媒の流れ方向に向けて一対の側板３２、３７の間に配置される。

波板４１の波頭面４４が側板３２に内面に当接し、波底面４５の裏面が側板３７の内面に当接する。その結果、冷却器１０３の内部空間が複数の細かい細長流路に分けられる（図５参照）。複数の細長流路は、側板３２のスリット３３ａ、３３ｂに通じる細長流路３４ａ−３４ｄと、側板３７のスリット３８ａ、３８ｂに通じる細長流路の２種類に分けられる。細長流路３４ａ−３４ｄを第１流路３４と総称し、細長流路３９ａ−３９ｄを第２流路３９と総称する。

ヘッダ５０ａを説明する。ヘッダ５０ａは、隣接するヘッダ５０ａと接続される筒部５１と、筒部５１から側板３２に沿って延びている枝部５２を有する。筒部５１には、積層方向（Ｘ軸方向）に延びる貫通孔５３が設けられている。枝部５２の内側（側板３２に面する側）には、導水溝５４が設けられており、その導水溝５４は、貫通孔５３に繋がっている。なお、図４では導水溝５４は隠れて見えない。後述するヘッダ５０ｄも同様の導水溝５４を有するのでそちらを参照されたい。

ヘッダ５０ｃもヘッダ５０ａと同じ構造を有している。ヘッダ５０ａを冷却器１０３に取り付けると、導水溝５４がスリット３３ａと連通する。ヘッダ５０ｃを冷却器１０３に取り付けると、ヘッダ５０ｃの導水溝５４がスリット３３ｂと連通する。即ち、ヘッダ５０ａの導水溝５４とヘッダ５０ｃの導水溝５４が第１流路３４と連通する。また、積層ユニット１０２が組み立てられると、隣接するヘッダ５０ａの筒部５１同士が接続する。即ち、隣接するヘッダ５０ａの貫通孔５３同士が連通する。貫通孔５３が先に述べた主流路に相当し、導水溝５４が先に述べた枝流路に相当する。なお、積層方向の一端のヘッダ５０ａの貫通孔５３には冷媒供給管９１ａが接続される。積層方向の他端のヘッダ５０ａでは、貫通孔５３の積層方向外側の開口は塞がれる。また、隣接するヘッダ５０ｃの貫通孔５３同士が連通する。積層方向の一端のヘッダ５０ｃの貫通孔５３には冷媒排出管９３ｃが接続される。積層方向の他端のヘッダ５０ｃでは、貫通孔５３の積層方向外側の開口は塞がれる。

ヘッダ５０ｂとヘッダ５０ｄも、ヘッダ５０ａと同様の構造を有している。ヘッダ５０ｂ、５０ｄは、筒部５６と枝部５７を有する。筒部５６には積層方向に貫通する貫通孔５８が設けられている。ヘッダ５０ｂ、５０ｄの枝部５７の内側（側板３７に面する側）には導水溝５９が設けられており、その導水溝５９は、貫通孔５８に繋がっている。ヘッダ５０ｂを冷却器１０３に取り付けると、導水溝５９がスリット３８ｂと連通する。ヘッダ５０ｄを冷却器１０３に取り付けると、ヘッダ５０ｄの導水溝５９がスリット３８ａと連通する。即ち、ヘッダ５０ｂの導水溝５９とヘッダ５０ｄの導水溝５９が第２流路３９と連通する。また、積層ユニット１０２が組み立てられると、隣接するヘッダ５０ｂの筒部５６同士が接続する。即ち、隣接するヘッダ５０ｂの貫通孔５８同士が連通する。積層方向の一端のヘッダ５０ｂの貫通孔５８には冷媒供給管９１ｂが接続される。積層方向の他端のヘッダ５０ｂでは、貫通孔５８の積層方向外側の開口は塞がれる。

同様に、隣接するヘッダ５０ｄの貫通孔５８同士が連通する。積層方向の一端のヘッダ５０ｄの貫通孔５８には冷媒排出管９３ｄが接続される。積層方向の他端のヘッダ５０ｄでは、貫通孔５８の積層方向外側の開口が塞がれる。貫通孔５８が先に述べた主流路に相当し、導水溝５９が枝流路に相当する。

積層ユニット１０２における冷媒の流れを説明する。図４、図５における矢印線Ａ１−Ａ７が、第１流路３４を通る冷媒の流れを示している。矢印線Ｂ１−Ｂ７が、第２流路３９を通る冷媒の流れを示している。なお、図３に示す矢印線Ａ０は、外部から冷媒供給管９１ａを通じて積層ユニット１０２に供給される冷媒の流れを示しており、矢印線Ａ８は、冷媒排出管９３ｃを通じて積層ユニット１０２から排出される冷媒の流れを示している。同様に、図１に示す矢印線Ｂ０は、外部から冷媒供給管９１ｂを通じて積層ユニット１０２に供給される冷媒の流れを示しており、矢印線Ｂ８は、冷媒排出管９３ｄを通じて積層ユニット１０２から排出される冷媒の流れを示している。

矢印線Ａ１−Ａ７で示される冷媒の流れを説明する。この流れは、第１流路３４（細長流路３４ａ−３４ｄ）を通る流れである。冷媒供給管９１ａから供給される冷媒は、ヘッダ５０ａの貫通孔５３を通じ、一部は下流のヘッダ５０ａへと流れ、残りは導水溝５４とスリット３３ａを通じて第１流路３４に流入する（矢印線Ａ１、Ａ２）。冷媒は向きを変え、第１流路３４をＹ軸の正から負の方向に向かって流れる（矢印線Ａ３）。冷媒は、波板４１に沿って流れる。冷媒は、第１流路３４の下流でさらに向きを変え、スリット３３ｂを通り、第１流路３４から流出する（矢印線Ａ４、Ａ５）。冷媒は、ヘッダ５０ｃの導水溝５４と貫通孔５３を通り（矢印線Ａ６、Ａ７）、最後に冷媒排出管９３ｃから排出される（図３の矢印線Ａ８参照）。

矢印線Ｂ１−Ｂ７で示される冷媒の流れを説明する。この流れは、第２流路３９（細長流路３９ａ−３９ｄ）を通る流れである。冷媒供給管９１ｂから供給される冷媒は、ヘッダ５０ｂの貫通孔５８を通じ、一部は下流のヘッダ５０ｂへと流れ、残りは導水溝５９とスリット３８ｂを通じて第２流路３９に流入する（矢印線Ｂ１、Ｂ２）。冷媒は向きを変え、第２流路３９をＹ軸の負から正の方向に向かって流れる（矢印線Ｂ３）。冷媒は波板４１に沿って流れる。冷媒は、第２流路３９の下流でさらに向きを変え、スリット３８ａを通り、第２流路３９から流出する（矢印線Ｂ４、Ｂ５）。冷媒は、ヘッダ５０ｄの導水溝５９と貫通孔５８を通り（矢印線Ｂ６、Ｂ７）、最後に冷媒排出管９３ｄから排出される（図３の矢印線Ｂ８参照）。

冷媒は、ヘッダ５０ａに接続されているスリット３３ａを通じて第１流路３４に流入し、ヘッダ５０ｃに接続されているスリット３３ｂを通じて第１流路３４から流出する。即ち、スリット３３ａは第１流路３４の冷媒入口（第１冷媒入口）に相当し、スリット３３ｂは第１流路３４の冷媒出口（第１冷媒出口）に相当する。一方、冷媒は、ヘッダ５０ｂに接続されているスリット３８ｂを通じて第２流路３９に流入し、ヘッダ５０ｄに接続されているスリット３８ａを通じて第２流路３９から流出する。即ち、スリット３８ｂは第２流路３９の冷媒入口（第２冷媒入口）に相当し、スリット３８ａは第２流路３９の冷媒出口（第２冷媒出口）に相当する。第１冷媒入口（スリット３３ａ）と第２冷媒出口（スリット３８ａ）は、側板３２、３７に沿った冷却器１０３一方の側（Ｙ軸正方向の側）に設けられている。第１冷媒出口（スリット３３ｂ）と第２冷媒入口（スリット３８ｂ）は、側板３２、３７に沿った冷却器１０３の他方の側（Ｙ軸負方向の側）に設けられている。これら冷媒入口と冷媒出口の配置により、第１流路３４と第２流路３９で冷媒が互いに反対方向に流れる。

また、第１流路３４と第２流路３９は、波板４１によって区画されている。第１流路３４の上流と第２流路３９の下流が波板４１を隔てて隣接しており、第１流路３４の下流と第２流路３９の上流が波板４１を隔てて隣接している。波板４１はアルミニウムで作られており、熱をよく通す。第１流路３４を流れる冷媒は上流から下流に至る間にパワーモジュール９５から熱を吸収する。第１流路３４の下流に達した高温の冷媒の熱が、第２流路３９の上流の低温の冷媒へと移動する。同様に、第２流路３９の下流に達した高温の冷媒の熱が、第１流路３４の上流の低温の冷媒へと移動する。こうして、第１流路３４の上流と下流の間で冷媒の温度差が小さくなり、第２流路３９の上流と下流の間で冷媒の温度差が小さくなる。その結果、冷却器１０３は、接しているパワーモジュール９５を均一に冷却することができる。波板４１は、第１流路３４と第２流路３９を区画する仕切板の役割を果たすとともに、第１流路３４の冷媒と第２流路３９の冷媒の間で熱を交換する伝熱板の役割を果たす。

図５に示すように、複数の第１流路３４（細長流路３４ａ−３４ｄ）と複数の第２流路３９（細長流路３９ａ−３９ｄ）は、一つずつ交互に並んでいる。より詳しくは、複数の第１流路３４（細長流路３４ａ−３４ｄ）と複数の第２流路３９（細長流路３９ａ−３９ｄ）は、一対の側板３２、３７の間でそれらの側板に沿って一つずつ交互に並んでいる。さらに、波板４１の波頭面４４が一方の側板３２の内面に接し、波底面４５の裏面が他方の側板３７の内面に接する。この構造により、複数の第１流路３４（細長流路３４ａ−３４ｄ）と複数の第２流路３９（細長流路３９ａ−３９ｄ）の間で熱交換が活発に行われるだけでなく、第１流路３４の冷媒と第２流路３９の冷媒は、共に、側板３２に接するパワーモジュールと側板３７に接するパワーモジュールの双方から熱を吸収する。この構造により、冷却器１０３の両側に接するパワーモジュールが均一に冷却される。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第２実施例の積層ユニット１０２では、波板４１の波頭面４４が一方の側板３２の内面に接しており、波底面４５の裏面が他方の側板３７の内面に当接している。波板４１が一対の側板３２、３７の夫々と当接していることが好ましいが、当接しておらずともよい。

第１実施例の冷却器３では、仕切板２１が、複数のフィン２２ａ、２２ｂを備えていた。フィン２２ａは、側板１２に面する側に設けられており、フィン２２ｂは、側板１７に面する側に設けられている。フィン２２ａ、２２ｂは、仕切板２１に設けるかわりに、側板１２、１７に設けてもよい。図６に、そのような冷却器２０３の分解図を示す。図６は、図２に対応しており、図２に記した部品と同じ部品には符号を省略している。図３に示す冷却器２０３では、一方のハーフケース２１１の側板２１２と、他方のハーフケース２１６の側板２１７の夫々に、複数のフィン２２ａ、２２ｂが設けられている。フィン２２ａは、側板２１２の仕切板２２１と対向する面に設けられており、フィン２２ｂは、側板２１７の仕切板２２１と対向する面に設けられている。図６において、矢印線Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ３は冷媒の流れを示しており、冷媒の流れは図２のケースと同じである。図６では、ハーフケース内での冷媒の流れを示す矢印線の符号を省略しているが、ハーフケース内の冷媒の流れも図２と同じである。複数のフィンがハーフケースの側板に設けられていると、側板からフィンへ効率よく熱が伝わる。

第１実施例の側板１２と１７、第２実施例の側板３２と３７が、一対の側板の例に相当する。第１実施例の仕切板２１と第２実施例の波板４１が伝熱板の一例に相当する。第１実施例の供給接続管９ａが第１供給接続管の一例に相当し、供給接続管９ｂが第２供給接続管の一例に相当する。排出接続管９ｃが第１排出接続管の一例に相当し、排出接続管９ｄが第２排出接続管の一例に相当する。また、第２実施例のヘッダ５０ａが第１供給接続管の一例に相当し、ヘッダ５０ｂが第２供給接続管の一例に相当する。ヘッダ５０ｃが第排出接続管の一例に相当し、ヘッダ５０ｄが第２排出接続管の一例に相当する。

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、１０２：積層ユニット
３、３ａ−３ｃ、１０３、１０３ａ−１０３ｃ、２０３：冷却器
９ａ：接続管（第１供給接続管）
９ｂ：接続管（第２供給接続管）
９ｃ：接続管（第１排出接続管）
９ｄ：接続管（第２排出接続管）
１１、１６、３１、３６、２１１、２１６：ハーフケース
１１ｂ、１１ｄ、１６ａ、１６ｃ：対角部
１２、１７、３２、３７、２１２、２１７：側板
１３ａ：孔（第１冷媒入口）
１３ｂ：孔（第２冷媒入口）
１３ｃ：孔（第１冷媒出口）
１３ｄ：孔（第２冷媒出口）
１４：第１流路
１９：第２流路
２１、２２１：仕切板
３３ａ：
４１：波板
５０ａ−５０ｄ：ヘッダ
５１、５６：筒部
５２、５７：枝部
５３、５８：貫通孔
５４、５９：導水溝
９１ａ、９１ｂ：冷媒供給管
９３ｃ、９３ｄ：冷媒排出管
９５：パワーモジュール

Claims (6)

1. 半導体素子を収容しているパワーモジュールと冷却器が交互に積層されている積層ユニットであり、
   各冷却器は、
   液体の冷媒が供給される第１冷媒入口及び第２冷媒入口と、
   前記第１冷媒入口から供給された冷媒が流れる第１流路と、
   前記第２冷媒入口から供給された冷媒が流れる第２流路と、
   前記第１流路を流れた冷媒が排出される第１冷媒出口と、
   前記第２流路を流れた冷媒が排出される第２冷媒出口と、
   を備えており、
   前記パワーモジュールと前記冷却器の積層方向からみたときに、前記第１冷媒入口と前記第２冷媒出口が冷却器の一方の側に設けられているとともに、前記第２冷媒入口と前記第１冷媒出口が他方の側に設けられており、
   前記第１流路と前記第２流路は、前記パワーモジュールに対して平行に延びているとともに互いに逆方向に冷媒が流れる、
   ことを特徴とする積層ユニット。
2. 複数の前記パワーモジュールと複数の前記冷却器が一つずつ交互に積層されており、
   隣接する冷却器同士が、各冷却器に冷媒を供給する第１供給接続管と第２供給接続管で接続されているとともに、各冷却器の内部を通った冷媒を排出する第１排出接続管及び第２排出接続管で接続されており、
   各冷却器は、
   隣接するパワーモジュールに当接している一対の側板と、前記一対の側板の間でそれらに対して平行に配置されている伝熱板とを備えており、
   前記一対の側板の一方と前記伝熱板の間に、前記第１流路が形成されており、
   前記一対の側板の他方と前記伝熱板の間に、前記第２流路が形成されており、
   前記第１流路と前記第２流路は、前記伝熱板に沿って当該冷却器の一方の側から他方の側に向けて延びており、
   前記第１冷媒入口に前記第１供給接続管が接続されているとともに前記第１冷媒出口に前記第１排出接続管が接続されており、
   前記第２冷媒入口に前記第２供給接続管が接続されているとともに前記第２冷媒出口に前記第２排出接続管が接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層ユニット。
3. 前記第１流路と前記第２流路は、前記一対の側板に沿って並んで設けられていることを特徴とする請求項２に記載の積層ユニット。
4. 複数の前記第１流路と複数の前記第２流路が一つずつ交互に並んでいることを特徴とする請求項３に記載の積層ユニット。
5. 前記伝熱板は、前記第１流路と前記第２流路を区画する波板であり、当該波板の稜線を冷媒の流れ方向に向けて配置されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の積層ユニット。
6. 前記波板の波頭が前記一対の側板の一方に接しており、前記波板の波底の裏面が前記一対の側板の他方に接していることを特徴とする請求項５に記載の積層ユニット。

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