JP2023142139A - 放熱部材、および半導体モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】コンタミ対策を行いつつ冷却性能を確保する放熱部材を提供する。【解決手段】放熱部材５は、冷媒が流れる方向に沿う第１方向、かつ、第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向及び第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部２と、ベース部２から第３方向一方側に突出して第２方向に複数配置されるフィン１０と、を有する。冷媒が流れる下流側を第１方向一方側として、フィン１０は、第１方向、かつ、第３方向に広がり、かつ、第２方向に厚みを有する平板状の側壁部１１を有する。側壁部１１には、第２方向に貫通するスリットと、スリットの第１方向一方側と第１方向他方側との少なくともいずれかに配置され、かつ、第２方向に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａと、が設けられる。折り曲げ部１１Ａの長さは、スリットの折り曲げ部１１Ａと対向する第１方向端と折り曲げ部の折り曲げ開始位置との間の第１方向長さよりも短い。【選択図】図１

Description

本開示は、放熱部材に関する。

従来、水冷に用いられるウォータージャケットと放熱部材を備える冷却装置が知られている。放熱部材は、冷却用のフィンを有する。ウォータージャケットには、フィンが収容される。ウォータージャケット内部が冷却水の流路となり、発熱体はフィンを介して冷却される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７－１０８０６８号公報

ここで、冷却水内に含まれるコンタミの詰まりを抑制するためには、隣り合うフィン間の間隔を確保する必要がある。しかしながら、当該間隔を広くすると、フィンの設置密度が低下し、冷却性能が低下する課題があった。

上記状況に鑑み、本開示は、コンタミ対策を行いつつ冷却性能を確保することが可能となる放熱部材を提供することを目的とする。

本開示の例示的な放熱部材は、冷媒が流れる方向に沿う第１方向、かつ第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向および第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部と、前記ベース部から前記第３方向一方側に突出して第２方向に複数配置されるフィンと、を有する。前記冷媒が流れる下流側を第１方向一方側として、前記フィンは、第１方向かつ第３方向に広がり、かつ第２方向に厚みを有する平板状の側壁部を有する。前記側壁部には、第２方向に貫通するスリットと、前記スリットの第１方向一方側と第１方向他方側との少なくともいずれかに配置され、かつ第２方向に折り曲げられる折り曲げ部と、が設けられる。前記折り曲げ部の長さは、前記スリットの前記折り曲げ部と対向する第１方向端と前記折り曲げ部の折り曲げ開始位置との間の第１方向長さよりも短い。

本開示の例示的な放熱部材によれば、コンタミ対策を行いつつ冷却性能を確保することが可能となる。

図１は、本開示の例示的な実施形態に係る放熱部材の斜視図である。 図２は、放熱部材の側面断面図である。 図３は、放熱フィン部の上面断面の一部を模式的に示す図である。 図４は、比較例に係る構成を示す図である。 図５は、第１変形例に係る放熱フィン部の上面断面の一部を模式的に示す図である。 図６は、第２変形例に係る放熱フィン部の上面断面の一部を模式的に示す図である。 図７は、折り曲げ部の傾斜角度を変化させた各種放熱部材の側面断面図である。 図８は、シミュレーション結果の一例を示す図である。 図９は、一変形例に係る放熱部材の側面断面図である。

以下に、本開示の例示的な実施形態について、図面を参照して説明する。

なお、図面においては、第１方向をＸ方向として、Ｘ１を第１方向一方側、Ｘ２を第１方向他方側として示す。第１方向は、冷媒Ｗが流れる方向Ｆに沿う方向であり、下流側をＦ１、上流側をＦ２として示す。下流側Ｆ１が第１方向一方側、上流側Ｆ２が第１方向他方側である。また、第１方向に直交する第２方向をＹ方向として、Ｙ１を第２方向一方側、Ｙ２を第２方向他方側として示す。また、第１方向および第２方向に直交する第３方向をＺ方向として、Ｚ１を第３方向一方側、Ｚ２を第３方向他方側として示す。なお、上記直交とは、９０度から若干ずれた角度での交差も含む。また、上記の各方向は、放熱部材５を各種機器に組み込んだときの方向を限定しない。

＜１．放熱部材の構成＞
図１は、本開示の例示的な実施形態に係る放熱部材５の斜視図である。図２は、放熱部材５の側面断面図である。図２は、放熱部材５の第２方向途中位置で第２方向に直交する切断面で切断した状態を第２方向一方側へ視た図である。

放熱部材５と、放熱部材５が設置される図示しない液冷ジャケットと、から冷却装置が構成される。当該冷却装置は、複数の半導体装置３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ（以下、３Ａ等）（図２参照）を冷却するための装置である。半導体装置は、発熱体の一例である。半導体装置３Ａ等は、例えば、車両の車輪を駆動するためのトラクションモータに備えられるインバータのパワートランジスタである。当該パワートランジスタは、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。この場合、冷却装置は、トラクションモータに搭載される。なお、半導体装置の個数は、６個以外の複数個であってもよいし、１個であってもよい。

放熱部材５は、ベース部２と、放熱フィン部１０と、を有する。ベース部２は、第１方向かつ第２方向に広がり、第３方向に厚みを有する板形状である。ベース部２は、熱伝導性の高い金属から構成され、例えば銅合金から構成される。

放熱フィン部１０は、ベース部２の第３方向一方側に固定される。放熱フィン部１０は、第１方向に延びる１枚の金属板から構成されるフィン１を第２方向に複数並べて形成されるいわゆるスタックドフィンとして構成される。フィン１は、例えば銅板により構成される。

フィン１は、側壁部１１と、底板部１２と、天板部１３と、を有する。側壁部１１は、第１方向かつ第３方向に広がり、かつ第２方向に厚みを有する平板状である。

底板部１２は、側壁部１１の第３方向他方側端部において第２方向一方側に折れ曲がる。天板部１３は、側壁部１１の第３方向一方側端部において第２方向一方側に折れ曲がる。従って、フィン１の断面は、角型Ｕ字状となる。フィン１を第２方向に積み重ねた放熱フィン部１０は、底板部１２がベース部２の第３方向一方側面２１に例えばろう付けにより固定されることでベース部２に固定される。すなわち、放熱部材５は、ベース部２から第３方向一方側に突出して第２方向に複数配置されるフィン１を有する。

放熱フィン部１０は、図示しない液冷ジャケットに収容される。液冷ジャケットに流れ込んだ冷媒Ｗは、図１に示すように第１方向他方側（上流側）から放熱フィン部１０へ流れ込む。冷媒Ｗは、例えば水またはエチレングリコール水溶液である。冷媒Ｗは、第２方向に隣り合うフィン１間に形成される流路内部を第１方向一方側へ流れ、放熱フィン部１０から排出された後、液冷ジャケットから外部へ排出される。半導体装置３Ａ等は、ベース部２の第３方向他方側に配置される（図２参照）。半導体装置３Ａ等から発生した熱がベース部２およびフィン１を介して冷媒Ｗへ移動することにより、半導体装置３Ａ等が冷却される。なお、半導体モジュール５０は、放熱部材５と、ベース部２の第３方向他方側に配置される半導体装置３Ａ等と、を有する（図２参照）。

＜２．折り曲げ部に関して＞
図１および図２に示すように、フィン１は、折り曲げ部１１Ａを有する。以下、折り曲げ部１１Ａに関する構成について説明する。

図３は、放熱フィン部１０の上面断面の一部を模式的に示す図である。図３は、放熱フィン部１０の第３方向途中位置で第３方向に直交する切断面で切断した状態を第３方向他方側へ視た図である。なお、図４、図５，図６も同様である。

図３（図１、図２）に示すように、フィン１における側壁部１１には、第２方向他方側に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａが設けられる。折り曲げ部１１Ａの第１方向他方側に位置する側壁部１１の一部１１Ｂと、折り曲げ部１１Ａとの間には、第２方向に貫通するスリットＳが設けられる。すなわち、側壁部１１には、第２方向に貫通するスリットＳと、スリットＳの第１方向一方側に配置され、かつ第２方向に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａと、が設けられる。折り曲げ部１１Ａを設けることで乱流を発生させ、側壁部１１に沿って成長する境界層を破壊し、冷却性能を向上させることができる。

また、折り曲げ部１１Ａの長さＬ１は、側壁部１１の一部１１Ｂと折り曲げ部１１Ａの折り曲げ開始位置との間の第１方向長さＬ２よりも短い。すなわち、折り曲げ部１１Ａの長さＬ１は、スリットＳの折り曲げ部１１Ａと対向する第１方向端１１ＢＴと折り曲げ部１１Ａの折り曲げ開始位置との間の第１方向長さＬ２よりも短い。

ここで、本実施形態との対比のため、図４には、側壁部１１において、側壁部１１の一部１１Ｂと折り曲げ部１１Ａとの間にスリットＳを設けない場合の構成を示す。この場合、折り曲げ部１１Ａの先端部１１Ａｓと、当該先端部１１Ａｓの第２方向他方側に隣接する先端部１１Ａｓの第１方向他方側に配置される側壁部１１の一部１１Ｂとの間の隙間ｆは、折り曲げ部１１Ａの折り曲げにより狭くなりやすい。第２方向に隣り合うフィン１間を流れる冷媒Ｗに含まれるコンタミＣの詰まりを抑制するためには、最小隙間となるｆは、次のような条件を満たす必要がある。
ｆ＝Ｄｃ＋α
ここで、Ｄｃは、コンタミＣの直径、αはマージンである。

これに対して、図３に示す本実施形態に係る構成であれば、スリットＳを設けることで、最小隙間はｆｍとなり、ｆｍ＝ｆ＋ｇで表される。つまり、図４と同じＦｔの場合、ｆｍ＝Ｄｃ＋α＋ｇとなり、ｇだけ最小隙間が拡大することになり、さらに最小隙間ｆｍをｇだけ小さくしてもコンタミＣの詰まりを抑制できる。すなわち、本実施形態であれば、コンタミ対策を行いつつ、間隔Ｆｔを小さくすることができる。従って、フィン１の設置密度を高め、冷却性能を向上させることができる。

また、図３に破線で囲むように、同じ第１方向位置において第２方向に複数並んで配置される折り曲げ部１１Ａは、第２方向の同じ側（第２方向他方側）に折り曲げられる。これにより、隣り合う折り曲げ部１１Ａ間の間隔が狭くなることによるコンタミ詰まりを抑制できる。

図５は、第１変形例に係る放熱フィン部１０の上面断面の一部を模式的に示す図である。図５に示す構成では、側壁部１１には、第２方向一方側に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａが設けられる。折り曲げ部１１Ａの第１方向一方側に位置する側壁部１１の一部１１Ｂと、折り曲げ部１１Ａとの間には、第２方向に貫通するスリットＳが設けられる。すなわち、側壁部１１には、スリットＳの第１方向他方側に配置され、かつ第２方向に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａが設けられる。また、折り曲げ部１１Ａの長さＬ１は、スリットＳの折り曲げ部１１Ａと対向する第１方向端１１ＢＴと折り曲げ部１１Ａの折り曲げ開始位置との間の第１方向長さＬ２よりも短い。

このような構成によっても、フィン１間の間隔Ｆｔを狭くしても、隙間ｆが広くなり、コンタミ詰まりを抑制しつつ、冷却性能を向上させることができる。

図６は、第２変形例に係る放熱フィン部１０の上面断面の一部を模式的に示す図である。図６に示す構成では、側壁部１１には、第２方向一方側に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａ１と、第２方向他方側に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａ２と、が設けられる。折り曲げ部１１Ａ１と折り曲げ部１１Ａ２との間には、第２方向に貫通するスリットＳが設けられる。すなわち、側壁部１１には、スリットＳの第１方向一方側および第１方向他方側に配置され、かつ第２方向に折り曲げられる折り曲げ部１１Ａ１，１１Ａ２が設けられる。

このような構成によっても、フィン１間の間隔Ｆｔを狭くしても、折り曲げ部１１Ａ１，１１Ａ２間の隙間ｆが広くなり、コンタミ詰まりを抑制しつつ、冷却性能を向上させることができる。

＜３．傾斜した折り曲げ部＞
折り曲げ部１１Ａについては、第２方向に視て第３方向に対して傾斜してもよい。このような構成を有する各種の放熱部材５の側面断面図を図７に示す。図７は、折り曲げ部１１Ａの傾斜角度を変化させた構成例を示す。なお、図７の最も上段には、傾斜していない折り曲げ部１１Ａの構成例も示す。

図７に示すように、傾斜した折り曲げ部１１Ａとは、具体的には、折り曲げ部１１Ａの第２方向に視た第１方向端において、第３方向一方側端１１Ａｔ１は第３方向他方側端１１Ａｔ２よりも第１方向一方側に位置する。すなわち、ベース部２から離れた第３方向一方側端１１Ａｔ１が、ベース部２側の第３方向他方側端１１Ａｔ２よりも下流側に位置する。これにより、折り曲げ部１１Ａの下流側において逆圧力勾配が発生し、後流の流れが停滞し、停滞していないベース部２側で冷媒Ｗの流速が速くなり、冷却性能をより向上させることができる。

なお、この場合、スリットＳも傾斜しており、上述した第１方向長さＬ２は、スリットＳの辺に沿った長さである。すなわち、第１方向長さＬ２は、第１方向成分を含む方向の長さである。

図７に示すように、折り曲げ部１１Ａの第２方向に視た第１方向端は、第３方向に対して傾斜角度θで傾斜している。図７の例では、θ＝１５°、３０°、４５°、－３０°のそれぞれの場合を示している。

図８は、このようなθ＝１５°、３０°、４５°、－３０°で折り曲げ部１１Ａが傾斜している構成のモデルについてシミュレーションを実施した結果を示す。図８においては、圧力損失および半導体装置３Ａ等の最高温度のシミュレーション結果をプロットしている。

図８に示すように、折り曲げ部１１Ａの第２方向に視た第１方向端が第３方向に対して３０°で傾斜している場合、最高温度が最も低く、冷却性能を優先する場合に好適となる。

図８に示すように、折り曲げ部１１Ａの第２方向に視た第１方向端が第３方向に対して４５°で傾斜している場合、圧力損失が最も低く、圧力損失の低減を優先する場合に好適となる。

図８に示すように、折り曲げ部１１Ａの第２方向に視た第１方向端が第３方向に対して１５°で傾斜している場合、圧力損失の性能と冷却性能の両方が必要な場合に好適となる。

なお、θ＝－３０°で冷却性能が低下しているのは、折り曲げ部１１Ａの下流側において逆圧力勾配が発生し、後流の流れが停滞するが、停滞していないベース部２と反対側で冷媒Ｗの流速が速くなり、ベース部２側では流速が低くなるからである。

また、上記のような効果を鑑みて、図９の側面断面図に示すような構成の放熱部材５を採用してもよい。図９では、上流側の半導体装置３Ａ、３Ｂに対応してθ＝４５°で傾斜する折り曲げ部１１Ａを設け、中央の半導体装置３Ｃ、３Ｄに対応してθ＝１５°で傾斜する折り曲げ部１１Ａを設け、下流側の半導体装置３Ｅ、３Ｆに対応してθ＝３０°で傾斜する折り曲げ部１１Ａを設けている。

これにより、冷媒Ｗの温度が低く、冷却性能が比較的に不要な上流側で圧力損失の低減を優先し、冷却により冷媒Ｗの温度が高く、冷却性能が比較的に必要な下流側で冷却性能を優先し、中央では圧力損失性能と冷却性能の両方をある程度確保できる。従って、全体の圧力損失を抑制しつつ、半導体装置３Ａ等における温度差を抑制できる。

換言すると、折り曲げ部１１Ａは、第１方向に複数配置される。折り曲げ部１１Ａの第２方向に視た第１方向端の第３方向に対する傾斜角度θは、第１方向において変化する。これにより、上記のように全体として圧力損失の増加を抑制しつつ、発熱体の温度差を抑制できる。

＜４．その他＞
以上、本開示の実施形態を説明した。なお、本開示の範囲は上述の実施形態に限定されない。本開示は、発明の主旨を逸脱しない範囲で上述の実施形態に種々の変更を加えて実施することができる。また、上述の実施形態で説明した事項は、矛盾を生じない範囲で適宜任意に組み合わせることができる。

本開示は、各種発熱体の冷却に利用することができる。

１ フィン
２ ベース部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ，３Ｅ，３Ｆ 半導体装置
５ 放熱部材
１０ 放熱フィン部
１１ 側壁部
１１Ａ 折り曲げ部
１１Ａ１，１１Ａ２ 折り曲げ部
１１Ａｔ１ 第３方向一方側端
１１Ａｔ２ 第３方向他方側端
１２ 底板部
１３ 天板部
５０ 半導体モジュール
Ｃ コンタミ
Ｓ スリット
Ｗ 冷媒

Claims (8)

1. 冷媒が流れる方向に沿う第１方向、かつ第１方向に直交する第２方向に広がり、第１方向および第２方向に直交する第３方向に厚みを有する板形状のベース部と、
   前記ベース部から前記第３方向一方側に突出して第２方向に複数配置されるフィンと、
   を有し、
   前記冷媒が流れる下流側を第１方向一方側として、
   前記フィンは、第１方向かつ第３方向に広がり、かつ第２方向に厚みを有する平板状の側壁部を有し、
   前記側壁部には、
   第２方向に貫通するスリットと、
   前記スリットの第１方向一方側と第１方向他方側との少なくともいずれかに配置され、かつ第２方向に折り曲げられる折り曲げ部と、
   が設けられ、
   前記折り曲げ部の長さは、前記スリットの前記折り曲げ部と対向する第１方向端と前記折り曲げ部の折り曲げ開始位置との間の第１方向長さよりも短い、放熱部材。
2. 同じ第１方向位置において第２方向に複数並んで配置される前記折り曲げ部は、第２方向の同じ側に折り曲げられる、請求項１に記載の放熱部材。
3. 前記折り曲げ部の第２方向に視た第１方向端において、第３方向一方側端は第３方向他方側端よりも第１方向一方側に位置する、請求項１または請求項２に記載の放熱部材。
4. 前記折り曲げ部の第２方向に視た第１方向端は、第３方向に対して１５°傾斜している、請求項３に記載の放熱部材。
5. 前記折り曲げ部の第２方向に視た第１方向端は、第３方向に対して３０°傾斜している、請求項３に記載の放熱部材。
6. 前記折り曲げ部の第２方向に視た第１方向端は、第３方向に対して４５°傾斜している、請求項３に記載の放熱部材。
7. 前記折り曲げ部は、第１方向に複数配置され、
   前記折り曲げ部の第２方向に視た第１方向端の第３方向に対する傾斜角度は、第１方向において変化する、請求項３から請求項６のいずれか１項に記載の放熱部材。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の放熱部材と、前記ベース部の第３方向他方側に配置される半導体装置と、を有する、半導体モジュール。