JP4649359B2

JP4649359B2 - 冷却器

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Publication number: JP4649359B2
Application number: JP2006105056A
Authority: JP
Inventors: 忠史吉田; 豊横井; 裕司長田
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2026-04-06
Also published as: CN101416307B; DE112007000829B4; US20090090490A1; DE112007000829T5; CN101416307A; WO2007116894A1; JP2007281163A

Description

本発明は、冷却器に関する。特に、電力変換器の冷却器に関する。

近年においては、ハイブリッド自動車（Hybrid Vehicle）、電気自動車（Electric Vehicle）および燃料電池（Fuel Cell）を搭載した燃料電池車などの電力を動力源とする車が注目されている。ハイブリッド自動車は、従来のエンジンに加え、モータを動力とする自動車である。ハイブリッド自動車は、エンジンを駆動することにより動力を得るとともに、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換し、変換された交流電圧によりモータを駆動することによって動力を得るものである。また、電気自動車は、直流電源からの直流電圧を変換した交流電圧によりモータを駆動して動力を得る自動車である。

このような電気を動力源とする自動車においては、電力変換器が搭載される。電力変換器には、たとえば、インバータやコンバータなどのパワー半導体素子が含まれる。パワー半導体素子には、たとえば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）等が含まれる。

自動車等に搭載される電力変換器においては、自動車の高い動力性能等を得るために大電力を必要とする場合がある。大電力の電力変換器等は発熱量が大きいために、電力変換器を冷却するための冷却器が搭載される。

大電力の電力変換器等の発熱体の冷却においては、電力変換器等に接する部材に冷却板（フィン）を接合して、伝熱面積を拡大することにより効率を向上させる冷却、または、電力変換器が配置されている領域に向かって冷却水を衝突させる、いわゆる衝突噴流による冷却が有用である。さらに、これらの冷却方法を複合させる方法が効果的である。

特開平２−１００３５０号公報においては、フィンを有する冷却板を備える集積回路の冷却構造が開示されている。この冷却構造は、複数の集積回路素子を基板に実装した集積回路と、基板を保持する基板枠と、集積回路素子と対向する基板の反対面にざぐり穴を有し、かつ、このざぐり穴の底面に配置された扇状のフィンを有する冷却板と、この扇状のフィンの中心に冷媒を噴出するノズルとを有する。この集積回路の冷却構造によれば、集積回路素子と冷媒との間の熱抵抗が低く抑えられ、冷媒の流量を少なくして、効率的に熱を機器の外部へ排出できると開示されている。

特許第２９９５５９０号公報においては、基板上に配列された複数の半導体素子と、それぞれの半導体素子を挟んで基板の反対側に配置される冷却媒体供給ヘッダと、冷却媒体供給ヘッダに連通したチューブ状の冷却媒体供給部材と、冷却媒体供給部材の先端に形成され、冷却媒体供給ヘッダからの冷却媒体をそれぞれの半導体素子に向かって噴出する冷却媒体噴出口と、冷却媒体戻りヘッダとを備えた半導体冷却装置が開示されている。この半導体冷却装置においては、基板を垂直方向に設置するとともに、冷却媒体戻りヘッダに連通した冷却媒体戻り管を設け、かつそれぞれの半導体素子の間を仕切る仕切部材を設けている。この半導体冷却装置によれば、各素子で発生した冷却媒体の気泡の他の素子へ流入することを防止し、各素子を独立して冷却するため、各素子間の温度差を小さくすることができると開示されている。

特許第２８５３４８１号公報においては、放熱体とノズルとを組合せてなる半導体素子の冷却構造が開示されている。この冷却構造においては、放熱体は、底部放熱板と第１および第２の垂直放熱板とを有しており、底部放熱板は、配線基板上に搭載され内部に半導体素子が実装されたケースの放熱面に設けられている。第１の垂直放熱板は、湾曲する複数の放熱板からなる。その湾曲凸面は向き合わされ、湾曲凸面の相互間に噴流の流路が形成されている。第２の垂直放熱板は、第１の垂直放熱板による通路の噴流吹出口に設けられたものであり、ノズルは、第１の垂直放熱板による通路を介して底部放熱板に衝突するように冷媒を噴出させるものである。この半導体素子の冷却構造によれば、一度噴流として衝突させた冷媒を再度噴流として放熱板に衝突させることで、流速や流量を増やすことなく冷却効率を高めることができると開示されている。

特開平５−１９０７１６号公報においては、セラミック多層基板上に集積回路パッケージが多数搭載されており、個々のパッケージには冷却ジャケットが装着されている半導体装置が開示されている。個々の冷却ジャケットには柔軟性を有する管が接続されている。柔軟流路の内部には冷却流体をスリット状の噴流として冷却ジャケットに流入させるためのノズルが設けられる。冷却ジャケット内にはフィンおよび冷却流体の戻りのための空間が設けられている。この半導体装置によれば、冷却能力の高い水を冷却媒体に利用でき、伝熱面積の拡大が容易な平板型フィンを使用でき、スリット状の噴流により各フィンに均一に冷却流体を供給できるため、優れた冷却構造の半導体装置を提供することができると開示されている。
特開平２−１００３５０号公報特許第２９９５５９０号公報特許第２８５３４８１号公報特開平５−１９０７１６号公報

電力変換器の温度が上昇すると、効率の低下や電力変換器に含まれる半導体素子が破損する場合がある。このため、前述のように、電力変換器を冷却するための冷却器が搭載される場合があり、特に大電力に対応した電力変換器等の発熱体の冷却は重要な課題である。

本発明は、冷却性能の優れた電力変換器の冷却器を提供することを目的とする。

本発明に基づく冷却器は、インバータを冷却するための冷却器であって、インバータを一方の面に配置するための基板を備える。上記基板の他方の面に固定された放熱部材を備える。冷媒が上記放熱部材に接触するように形成された第１流路を構成する第１流路構成手段を備える。上記他方の面のうち上記インバータが配置されている領域に向かって冷媒を噴出させるように形成された第２流路を構成する第２流路構成手段を備える。上記第２流路は、上記第１流路と分離して形成されている。

上記発明において好ましくは、上記放熱部材は、板状部材または棒状部材のうち少なくとも一方を含む。

上記発明において好ましくは、上記放熱部材は、上記インバータが配置されている領域の周りに配置されている。上記第２流路構成手段は、上記基板の上記他方の面から離れて配置された主管と、上記主管から上記基板に向かって突出するように形成された補助管とを含む。上記補助管は、上記基板の上記インバータが配置されている領域に対向するように配置されている。上記第１流路は、上記主管と上記基板とに挟まれる空間を含む。

上記発明において好ましくは、上記補助管は、上記基板に対向する端面を含み、上記端面は、上記第１流路構成手段を流れる上記冷媒の向きに沿って流路が大きくなるように傾斜している。

上記発明において好ましくは、上記補助管は、上記基板に向かって細くなるようにテーパ状に形成されている。

上記発明において好ましくは、上記第２流路を流れる冷媒を排出するための第３流路構成手段を備える。上記第３流路構成手段は、上記主管と上記基板との間に配置された隔離板を含む。上記補助管は、上記隔離板を貫通するように形成されている。上記補助管は、上記隔離板に隙間無く固定されている。

上記発明において好ましくは、上記基板は、上記一方の面の延びる方向が、鉛直方向または鉛直方向に対して傾斜する方向のいずれかになるように配置されている。

上記発明において好ましくは、上記基板は、上記一方の面が鉛直方向の下側を向くように配置されている。また、上記発明において好ましくは、上記インバータは、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを含む。

本発明によれば、冷却性能の優れた電力変換器の冷却器を提供することができる。

（実施の形態１）
図１から図４を参照して、本発明に基づく実施の形態１における冷却器について説明する。本実施の形態における冷却器は、被冷却体としての電力変換器を冷却するための冷却器である。

電力変換器には、直流の電力を交流の電力に変換するためのインバータや、電圧を変化させるためのコンバータなどの機器が含まれる。たとえば、電力変換器には、パワーＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴなどのパワー半導体素子が含まれる。

図１は、本実施の形態における半導体装置の概略分解斜視図である。本実施の形態における半導体装置は、電気機器としての電力変換器と、電力変換器を冷却するための冷却器とを含む。

本実施の形態における半導体装置は、電力変換器としての半導体素子２１を含む。半導体素子２１は、平面形状が長方形になるように形成されている。半導体素子２１は、図示しない外部の電気回路と接続されている。半導体素子２１は、駆動することにより発熱する発熱体である。本実施の形態においては、半導体素子２１が被冷却体になる。

本実施の形態における冷却器は、半導体素子２１を一方の面に配置するための基板１を備える。基板１は、板状に形成されている。本実施の形態においては、基板１の表側の面に複数の半導体素子２１が配置されている。半導体素子２１は、矢印５４に示すように、主表面が基板１に接合するように配置されている。本実施の形態における基板１は、金属板と金属板の表面に形成された絶縁層とを含む。半導体素子２１は、絶縁層の表面に固定されている。

本実施の形態における冷却器は、基板１の半導体素子２１が配置される面と反対側の面に固定された放熱部材を備える。本実施の形態における放熱部材は、板状部材２を含む。板状部材２は、たとえばストレートフィンである。板状部材２は、半導体素子２１が配置される領域および半導体素子２１が配置される領域の周りの領域のうち、少なくとも一方の領域に配置されている。板状部材２は、基板１の裏面に配置されている。板状部材２は、主表面が基板１の主表面とほぼ垂直になるように配置されている。

図２に、本実施の形態における半導体装置の第１の概略断面図を示す。図２は、基板の主表面に平行な面で切断したときの概略断面図である。半導体装置の冷却器は、複数の板状部材２を含み、それぞれの板状部材２は、配列して配置されている。板状部材２は、それぞれの主表面が互いにほぼ平行になるように配置されている。板状部材２は、互いに離れるように配置されている。板状部材２は、後述する補助管１２が配置されている領域に形成された切欠き部２ａを有する。

図３に、本実施の形態における半導体装置の第２の概略断面図を示す。図４に、本実施の形態における半導体装置の第３の概略断面図を示す。図３は、図２におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に関する矢視断面図であり、図４は、図２におけるＩＶ−ＩＶ線に関する矢視断面図である。

本実施の形態における板状部材２は、平面形状が長方形に形成されている。切欠き部２ａは、補助管１２と板状部材２の端部との間に隙間が生じるように形成されている。矢印５１に示す向きは、冷却媒体が流れる向きである。板状部材２は、主表面が、冷媒が流れる向きとほぼ平行になるように配置されている。板状部材２は、後述する第１流路の高さとほぼ同じ高さを有するように形成されている。

図１から図４を参照して、本実施の形態における冷却器は、冷媒が放熱部材に接触するように形成された第１流路構成手段を備える。第１流路構成手段は、冷媒の第１流路を構成するように形成されている。本実施の形態における第１流路構成手段は、基板１と、基板１の板状部材２が配置されている側に配置された主管１１を含む。第１流路構成部材は、基板１および主管１１の側方に配置された壁部材５を含む。第１流路は、基板１と、主管１１と、壁部材５とに囲まれる空間によって形成されている。

本実施の形態における冷却器は、基板１と主管１１とに挟まれる第１流路に第１冷媒が流れるように形成されている。本実施の形態においては、冷却器の第１流路に冷媒を供給するための冷媒供給装置が配置されている（図示せず）。

本実施の形態における冷却器は、基板１の裏面のうち電力変換器が配置されている領域に向かって第２冷媒を衝突させるように形成された第２流路構成手段を備える。第２流路構成手段は、電力変換器が配置されている部分に直接的に第２冷媒を噴出するように形成されている。

本実施の形態における第２流路構成手段は、冷媒の第２流路を構成するように形成されている。第２流路構成部材は、基板１の裏面から離れて配置された主管１１を含む。主管１１は、流路構成板１１ａおよび流路構成板１１ｂを含む。流路構成板１１ａと流路構成板１１ｂとは互いに離れて配置されている。流路構成板１１ａと流路構成板１１ｂとは主表面同士が互いに平行になるように配置されている。流路構成板１１ａと流路構成板１１ｂとの側方には、壁部材５が配置されている。流路構成板１１ａ，１１ｂおよび壁部材５によって囲まれる空間によって第２流路の一部が形成されている。

本実施の形態における第２流路構成手段は、主管１１から基板１に向かって突出するように形成された補助管１２を含む。補助管１２は、基板１の半導体素子２１が配置されている領域に対向するように配置されている。本実施の形態における補助管１２は、円筒状に形成されている。補助管１２は、流路構成板１１ａから突出するように形成されている。補助管１２は、主管１１と連通するように形成されている。補助管１２と主管１１とによって第２流路が構成されている。本実施の形態においては、第２流路に第２冷媒を供給するための冷媒供給装置が配置されている（図示せず）。

本実施の形態においては、第１流路を流れる第１冷媒および第２流路を流れる第２冷媒として、それぞれに水が用いられている。第１流路および第２流路には、共通の冷媒供給装置によって、冷却水が供給されている。

図１および図３を参照して、本実施の形態における補助管１２は、端面１２ａを含む。端面１２ａは、基板１に対向している。端面１２ａは、矢印５１に示す第１流路を流れる第１冷媒の向きに沿って流路が大きくなるように傾斜している。すなわち、端面１２ａは、第１冷媒の流れる向きに沿って、基板１との距離が大きくなるように形成されている。端面１２ａは、傾斜する面が第１冷媒の下流側に向くように形成されている。

図２から図４を参照して、半導体素子２１が発する熱は、基板１および板状部材２に伝熱する。冷媒供給装置によって供給される第１冷媒は、第１流路に導入される。第１冷媒は、矢印５１に示すように、基板１と主管１１との挟まれる空間を流れる。第１冷媒は、第１流路のうち、板状部材２同士の間を流れる。第１冷媒は、板状部材２および基板１に接触しながら流れる。第１冷媒が板状部材２および基板１に接触することにより、板状部材２および基板１が冷却される。この後に、第１冷媒は排出される。

半導体素子２１は、基板１を介して冷却される。半導体素子２１は、板状部材２が冷却されることにより基板１を通じて冷却される。半導体素子２１の熱は、基板１および板状部材２に伝わって、基板１および板状部材２から第１冷媒に放熱される。

冷媒供給装置によって供給される第２冷媒は、第２流路構成部材により構成される第２流路に導入される。第２冷媒は、矢印５２に示すように、主管１１の内部に導入される。主管１１の内部を流れる第２冷媒のうち一部の第２冷媒は、矢印５３に示すように、補助管１２に流入する。

補助管１２に流入した第２冷媒は、矢印５３に示すように、補助管１２の端面１２ａの部分から放出される。本実施の形態において、第１冷媒から隔離された第２流路から供給される第２冷媒は、補助管１２から噴出されたときに初めて半導体素子２１の冷却に寄与する。第２冷媒は、補助管１２から噴出されるまでは、第２流路に配置された板状部材２に接触していないために冷却能力が低下することはない。第２冷媒は、補助管１２から噴出されることにより、基板１の裏面のうち半導体素子２１が配置されている領域に衝突する。すなわち、第２冷媒は、基板１の半導体素子２１が配置されている領域を衝突噴流で冷却する。第２冷媒が基板１に衝突することにより、効果的に半導体素子２１を冷却することができる。

基板１に衝突した第２冷媒は、第１冷媒とともに第１流路を流れる。このときに、第２冷媒は、基板１および板状部材２に接触することにより、基板１および板状部材２を冷却しながら進行する。この後に、第２冷媒は、第１冷媒とともに排出される。

本実施の形態においては、冷媒が放熱部材に接触するように形成された第１流路構成手段と、半導体素子が配置されている領域に衝突噴流を衝突させるための第２流路構成手段とを備え、第１流路と第２流路とが分離されている。第１流路においては、放熱部材が配置されることにより、放熱面積が拡大されて効率よく除熱を行なうことができる。第２流路においては、第２冷媒は、補助管から噴出されるまで第１冷媒と分離された状態で供給される。第１流路を流れる第１冷媒は、第１冷媒の下流側に向かうにつれて徐々に温度が上昇するが、第２冷媒は、下流側においても上流側の温度とほぼ同じである。このため、低い温度の第２冷媒を半導体素子２１に衝突させることができ、半導体素子２１を効率よく冷却することができる。また、冷媒の流路において下流側に向かうにつれて冷却能力が低下することを抑制でき、半導体素子２１をほぼ均一に冷却することができる。

このように、本実施の形態においては、衝突噴流と伝熱部材の対流による冷却とをほぼ分離して行なうことができ、効果的に被冷却体を冷却することができる。

本実施の形態においては、第２流路構成手段が主管と補助管とを含む。第１流路は、主管と基板とに挟まれる空間を含む。板状部材は、半導体素子が配置されている領域の周りに配置されている。この構成により、上記の第１流路構成手段および第２流路構成手段を容易に形成することができる。また、冷却器の構成を簡単にすることができる。

図１および図３を参照して、本実施の形態においては、補助管１２の端面１２ａは、第１冷媒の流れの向きに沿って流路が大きくなるように傾斜している。この構成により、補助管１２により噴出される衝突噴流を第１冷媒の下流側に導くことができる。

本実施の形態における冷却器は、基板の半導体素子が配置されている面が鉛直方向の上側を向くように配置されているが、この形態に限られず、冷却器は、基板の半導体素子が配置されている面が鉛直方向の下側を向くように配置されていても構わない。この構成により、第１流路または第２流路に気泡が発生したときに、基板が配置されている側と反対側に気泡を導くことができ、基板の裏面に滞留することを抑制することができる。気泡により基板裏面の液膜が除去され、熱伝達の効率が低下することを抑制できる。

または、冷却器は、基板の半導体素子の配置されている面の延びる方向が、鉛直方向または鉛直方向に対して傾斜する方向のうちいずれかになるように配置されていても構わない。この構成により、第１の流路または第２の流路に生じた気泡を鉛直方向の上側に向かって移動させることができる。基板の裏面に気泡が滞留することを抑制できる。第１流路または第２流路に気泡が生じた場合においても基板の裏面に液膜を確保することができる。

特に、冷媒として液体を用いて熱流束が大きな場合には、冷媒に蒸気が発生する場合がある。上記のいずれかの構成を採用することにより、このような蒸気を、冷却器の外部に排出したり、冷却器の周辺部に移動させたりすることができる。この結果、気泡の発生による冷却効率の低下を抑制することができる。

本実施の形態における放熱部材としての板状部材は、高さが第１流路の高さとほぼ同じになるように形成されている。この構成により、板状部材を第１流路の高さ方向全体に亘って配置することができ、伝熱面積を大きくすることができる。この結果、効果的に第１冷媒による冷却を行なうことができる。

本実施の形態においては、冷媒が流れる方向に沿って複数の半導体素子が配置され、それぞれの半導体素子に対して、同じ形状の補助管が配置されている。補助管としては、この形態に限られず、互いに異なる大きさや異なる形状の補助管が配置されていても構わない。また、本実施の形態においては、補助管として、円筒状の管が配置されているが、この形態に限られず、補助管は、任意の形状を採用することができる。

たとえば、被冷却体の種類が異なる場合には、発熱量の大きな被冷却体に対して径の大きな補助管を配置して、発熱量の小さな被冷却体に対して径の小さな補助管を配置しても構わない。このように、本実施の形態における冷却器は、それぞれの被冷却体に合わせて除熱量を容易に調節することができる。

さらに、補助管または主管に、特定の補助管から噴出する冷媒の流量を調整するための調整弁や、特定の補助管の流れを遮断するための遮断弁などが配置されていても構わない。この構成により、被冷却体の発熱量に対応させて衝突噴流の流量を調整したり、衝突噴流による冷却を間欠的に行なったりすることができる。さらには、被冷却体の発熱量が時系列で変化する場合があるが、このような発熱量の変動に対応して衝突噴流の流量を変更することができ、最適な冷却を行なうことができる。

また、本実施の形態においては、放熱部材としての板状部材に切欠き部が形成されているが、この形態に限られず、板状部材は、切欠き部が形成されていなくても構わない。たとえば、板状部材が補助管を貫通するように形成されていても構わない。さらに、板状部材は、平面状に限られず、曲面を有するように形成されていても構わない。

本実施の形態においては、第１冷媒と第２冷媒とに同じ冷媒が用いられているが、この形態に限られず、互いに異なる冷媒が使用されても構わない。さらに、冷媒としては、液体に限られず気体を含んでいて構わない。

また、本実施の形態における冷却器は、第１流路の第１冷媒の流れの向きと第２流路の第２冷媒の流れの向きとが互いに同じになるように形成されているが、この形態に限られず、第１流路の第１冷媒の流れの向きと第２流路の第２冷媒の流れの向きとが、互いに異なるように形成されていても構わない。

また、冷媒供給装置としては、第１冷媒を供給するための冷媒供給装置と第２冷媒を供給するための冷媒供給装置が配置されていても構わない。または、冷媒供給装置は、冷媒を冷却しながら循環させる循環装置を含んでいても構わない。

本実施の形態においては、被冷却体として、大電力の電力変換器を例に採り上げて説明したが、この形態に限られず、任意の被冷却体の冷却器に本発明を適用することができる。たとえば、電力の小さな電力変換器やその他の被冷却体の冷却器にも本発明を適用することができる。

（実施の形態２）
図５から図７を参照して、本発明に基づく実施の形態２における冷却器について説明する。本実施の形態における冷却器は、電力変換器を冷却するための冷却器である。冷却器が、第１の流路構成手段と第２の流路構成手段とを備えることは、実施の形態１と同様である。本実施の形態においては、被冷却体の熱を放熱するための放熱部材が、実施の形態１と異なる。

図５に、本実施の形態における半導体装置の概略分解斜視図を示す。本実施の形態における放熱部材は、棒状部材３を含む。棒状部材３は、基板１の裏面に固定されている。棒状部材３は、基板１の裏面から突出するように配置されている。本実施の形態における棒状部材３は、長手方向が基板１の裏面とほぼ垂直になるように配置されている。

図６に、本実施の形態における半導体装置の第１の概略断面図を示す。図６は、基板の主表面に平行な面で切断したときの概略断面図である。棒状部材３は、補助管１２の周りに配置されている。棒状部材３は、半導体素子２１が配置される領域の周りに配置されている。棒状部材３は、半導体素子２１が配置される領域の近傍に配置されている。本実施の形態においては、１個の半導体素子２１に対して４個の棒状部材３が配置されている。第１冷媒は、矢印５１に示す向きに流れる。

図７に、本実施の形態における半導体装置の第２の概略断面図を示す。図７は、図６におけるＶＩＩ−ＶＩＩ線に関する矢視断面図である。棒状部材３は、主管１１と基板１とに挟まれる第１流路の高さとほぼ同じ長さになるように形成されている。

本実施の形態における放熱部材は、棒状部材を含む。棒状部材の位置、長さおよび本数などを変更することにより、放熱部材により除熱を行なう位置および冷媒との接触面積を容易に変更することができる。

本実施の形態においては、被冷却体が配置されている領域を取囲むように棒状部材が配置されているが、この形態に限られず、棒状部材は、第２冷媒が基板の冷却面に衝突後、放射状に広がることをできるだけ妨げない様に、かつ第１冷媒の流れを妨げないように、任意の位置および任意の数を配置することができる。

本実施の形態における棒状部材は、第１冷媒が流れる第１流路の高さとほぼ同じ高さを有する。この構成を採用することにより、第１流路の高さ方向のほぼ全体に亘って棒状部材を配置することができ、効果的に第１冷媒による冷却を行なうことができる。

その他の構成、作用および効果的については実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

（実施の形態３）
図８を参照して、本発明に基づく実施の形態３における冷却器について説明する。冷却器が第１流路構成手段と第２流路構成手段とを備えることは、実施の形態１と同様である。本実施の形態における冷却器は、放熱部材の形状および第２流路構成手段の補助管の形状が実施の形態１と異なる。

図８に、本実施の形態における冷却器の概略断面図を示す。図８は、基板の主表面に垂直な面で切断したときの概略断面図である。本実施の形態における冷却器は、主管１１の表面から突出するように形成された補助管１３を備える。補助管１３は、断面形状が山形になるように形成されている。補助管１３は、基板１に向かって流路が細くなるようにテーパ状に形成されている。本実施の形態における補助管１３の端面は、基板１とほぼ平行になるように形成されている。

本実施の形態における冷却器は、板状部材４を備える。板状部材４は、切欠き部４ａを有する。切欠き部４ａは、補助管１３の形状に沿って傾斜するように形成されている。切欠き部４ａは、断面形状が基板１に向かって細くなるように傾斜している。切欠き部４ａは、板状部材４が補助管１３から離れるように形成されている。

本実施の形態においては、矢印５２に示すように流入する第２冷媒が、矢印５５に示すように補助管１３から排出される。第２冷媒が補助管１３から排出されるときには、矢印５１に示す第１冷媒の流れに沿って排出される。補助管１３がテーパ状に形成されていることにより、第２冷媒による衝突噴流を滑らかに第１冷媒と合流させることができる。また、補助管のテーパ状の形状を変更することにより、衝突噴流の圧力および流量を容易に調節することができる。

また、第２流路を構成する補助管１３の断面形状がテーパ状であるため、第１流路の第１冷媒が基板１に寄りやすくなり、基板１に衝突した後の第２冷媒を基板１に寄ることができる。このため、第２冷媒による基板１の冷却効果を向上させることができる。さらに、第１流路内において第１冷媒および第２冷媒の層別流れをもたらして、両冷媒の混合による圧力損失を小さくすることができる。

その他の構成、作用および効果については実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

（実施の形態４）
図９および図１０を参照して、本発明に基づく実施の形態４における冷却器について説明する。本実施の形態における冷却器は、第１流路構成手段および第２流路構成手段に加えて第３流路構成手段を備える。すなわち、本実施の形態における冷却器は、第１流路および第２流路に加えて、第３流路を有する。第３流路は、第２流路に連通するように形成されている。

図９に、本実施の形態における冷却器の第１の概略断面図を示す。図９は、基板の主表面に平行な面で切断したときの概略断面図である。図１０に、本実施の形態における冷却器の第２の概略断面図を示す。図１０は、図９におけるＸ−Ｘ線に関する矢視断面図である。

図９および図１０を参照して、本実施の形態における冷却器は第２流路に流れる冷媒を排出するための第３流路を構成する第３流路構成手段を備える。第３流路構成手段は、隔離板６を含む。隔離板６は、主管１１と基板１との間に配置されている。隔離板６は、平板状に形成されている。隔離板６は、主表面が、基板１の裏面とほぼ平行になるように配置されている。隔離板６は、第１流路を２個の流路に分割するように配置されている。

本実施の形態における第２流路構成部材は、補助管１４を備える。補助管１４は、隔離板６を貫通するように配置されている。補助管１４の噴出口は、基板１と隔離板６とに挟まれる空間に配置されている。補助管１４は、隔離板６に隙間無く固定されている。すなわち、補助管１４と隔離板６との間に隙間が生じないように形成されている。

本実施の形態における冷却器は、放熱部材としての板状部材７を備える。板状部材７は、隔離板６を貫通するように形成されている。板状部材７は、切欠き部７ａを有する。切欠き部７ａは、平面形状が円形になるように形成されている。切欠き部７ａは、補助管１４の形状に沿って形成されている。

本実施の形態においては、主管１１と隔離板６とに挟まれる空間によって第１流路が形成されている。また、基板１と隔離板６とに挟まれる空間によって第３流路が形成されている。主管１１と補助管１４とによって第２流路が形成されている。

本実施の形態における冷媒供給装置は、第１流路および第２流路に直接的に冷媒を供給するように形成され、第３流路には直接的に冷媒を供給しないように形成されている。

本実施の形態においては、第１流路と第２流路とが隔離されている。第１冷媒は、第１流路において、矢印５１に示すように板状部材７を冷却しながら進行する。第２冷媒は、第２流路において、矢印５３に示すように補助管１４から噴出される。第２冷媒は、衝突噴流として基板１の裏面を冷却する。

第２冷媒は、基板１に衝突した後に第３流路を流れる。第３流路においては、矢印５６に示すように、排出口に向けて流れる。第３流路においては、第２冷媒は、基板１および板状部材７を冷却しながら進行する。第１経路は、第２経路および第３経路と完全に分離されている。

本実施の形態における冷却器は、衝突噴流によって冷却を行なう経路が、放熱部材を冷却する経路と互いに分離されている。衝突噴流のための第２冷媒と放熱部材を冷却するための第１冷媒とが混合することがないように形成されている。このため、衝突噴流を生じる第２冷媒に対する放熱部材を冷却する第１冷媒の干渉を抑制することができ、衝突噴流による冷却効果を高めることができる。

または、本実施の形態における冷却器は、第１冷媒と第２冷媒とが混合してしまうことを避けることができる。たとえば、第１冷媒と第２冷媒として、それぞれ異なる冷媒を用いることができる。この場合には、冷媒供給装置は、第１冷媒の循環装置および第１冷媒とは異なる第２冷媒の循環装置を含む供給装置を用いることができる。

また、本実施の形態においては、板状部材が切欠き部を有し、切欠き部は補助管の形状に沿って形成されている。補助管から噴出される第２冷媒は補助管の形状に沿って放射状に広がるが、この構成により第２冷媒の広がりが板状部材によって阻害されることを抑制できる。

その他の構成、作用および効果については、実施の形態１と同様であるのでここでは説明を繰返さない。

上述のそれぞれの図において、同一または相当する部分には、同一の符号を付している。

なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

実施の形態１における半導体装置の概略分解斜視図である。実施の形態１における半導体装置の第１の概略断面図である。実施の形態１における半導体装置の第２の概略断面図である。実施の形態１における半導体装置の第３の概略断面図である。実施の形態２における半導体装置の概略分解斜視図である。実施の形態２における半導体装置の第１の概略断面図である。実施の形態２における半導体装置の第２の概略断面図である。実施の形態３における半導体装置の概略断面図である。実施の形態４における半導体装置の第１の概略断面図である。実施の形態４における半導体装置の第２の概略断面図である。

符号の説明

１基板、２，４，７板状部材、２ａ，４ａ，７ａ切欠き部、３棒状部材、５壁部材、６隔離板、１１主管、１１ａ，１１ｂ流路構成板、１２〜１４補助管、１２ａ端面、２１半導体素子、５１〜５６矢印。

Claims

インバータを冷却するための冷却器であって、
前記インバータを一方の面に配置するための基板と、
前記基板の他方の面に固定された放熱部材と
冷媒が前記放熱部材に接触するように形成された第１流路を構成する第１流路構成手段と、
前記他方の面のうち前記インバータが配置されている領域に向かって冷媒を噴出させるように形成された第２流路を構成する第２流路構成手段と
を備え、
前記第２流路は、前記第１流路と分離して形成されている、冷却器。
前記放熱部材は、板状部材または棒状部材のうち少なくとも一方を含む、請求項１に記載の冷却器。
前記放熱部材は、前記インバータが配置されている領域の周りに配置され、
前記第２流路構成手段は、前記基板の前記他方の面から離れて配置された主管と、
前記主管から前記基板に向かって突出するように形成された補助管と
を含み、
前記補助管は、前記基板の前記インバータが配置されている領域に対向するように配置され、
前記第１流路は、前記主管と前記基板とに挟まれる空間を含む、請求項１または２に記載の冷却器。
前記補助管は、前記基板に対向する端面を含み、
前記端面は、前記第１流路構成手段を流れる前記冷媒の向きに沿って流路が大きくなるように傾斜している、請求項３に記載の冷却器。
前記補助管は、前記基板に向かって細くなるようにテーパ状に形成されている、請求項３または４に記載の冷却器。
前記第２流路を流れる冷媒を排出するための第３流路構成手段を備え、
前記第３流路構成手段は、前記主管と前記基板との間に配置された隔離板を含み、
前記補助管は、前記隔離板を貫通するように形成され、
前記補助管は、前記隔離板に隙間無く固定されている、請求項３から５のいずれかに記載の冷却器。
前記基板は、前記一方の面の延びる方向が、鉛直方向または鉛直方向に対して傾斜する方向のいずれかになるように配置された、請求項１から６のいずれかに記載の冷却器。
前記基板は、前記一方の面が鉛直方向の下側を向くように配置された、請求項１から６のいずれかに記載の冷却器。
前記インバータは、ＭＯＳＦＥＴまたはＩＧＢＴを含む、請求項１から８のいずれかに記載の冷却器。