JP4649359B2 - 冷却器 - Google Patents

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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 (9)

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。
  5. 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。
  6. 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。
  7. 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。
  8. 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。
  9. 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。
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