JP5083288B2 - 半導体冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールに密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造に関する。

例えば、インバータ等の電力変換装置には、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールが配設され、該半導体モジュールに大きな電流が流れるよう構成されている。そのため、半導体素子の温度上昇を防ぐべく、半導体素子を冷却するための冷却媒体を流通させる冷却管を、半導体モジュールに密着配置した構造がある（特許文献１参照）。
そして、上記冷却管の内側の冷媒流路にはフィンが設けられ、半導体素子の表面の温度分布に応じて、冷媒流路の幅方向に不均一な冷却効率分布を冷却面に形成するように、フィンを配列している。ここで、幅方向とは、冷却媒体の流通する方向および冷却面に直交する方向との双方に直交する方向である。

ところが、上記従来の半導体冷却構造においては、冷媒流路における冷却面に直交する方向に温度分布が生じるおそれがある。すなわち、冷却管における半導体モジュールと密着する冷却面に近い位置を流れる冷却媒体は、半導体モジュールから離れた位置を流れる冷却媒体よりも、温度が上昇しやすい。そのため、冷却媒体と半導体モジュールとの間の熱交換が効率的ではない。

また、冷却管の両面に半導体モジュールを密着配置する場合においても、冷却管の一方の面に配置した半導体素子と他方の面に配置した半導体素子との間に発熱量の差があると、上記従来の半導体冷却構造では、冷媒流路における冷却面に直交する方向に温度分布が生じるおそれがある。その結果、同様に、半導体素子の冷却効率を充分に高めることが困難となるおそれがある。

そこで、図２０に示すごとく、半導体モジュールと密着する冷却面３３に垂直な冷却面垂直方向Ｘに冷媒流路３２を第一流路３２１と第二流路３２２とに仕切る中間プレート３４を設けた構成が提案されている。そして、図２１に示すごとく、第一流路３２１と第二流路３２２とのそれぞれに、傾斜フィン４を設けると共に中間プレート３４に連通部３４１を設け、第一流路３２１と第二流路３２２とを交互に、スパイラル状に冷却媒体が流れるようにしている。これにより、冷媒流路３２における冷却面垂直方向Ｘの温度分布の形成を抑制している（特許文献２の図２、図３等）。

特開２００６−６０１１４号公報 特開２００９−１８８３８７号公報

しかしながら、図２１（Ａ）、（Ｃ）に示すごとく、第一流路３２１及び第二流路３２２における冷却面幅方向Ｚの両端には、傾斜フィン４が形成されていない端部領域９１があり、この端部領域９１が、冷媒入口３１１から冷媒出口３１２へ向かって一直線状に連続している。そのため、一旦この端部領域９１に到達した冷却媒体Ｗが、冷媒入口３１１から冷媒出口３１２へ向かって一直線状に流れてしまうことがある。すなわち、この領域に到達した冷却媒体が、第一流路３２１から第二流路３２２へ、あるいは第二流路３２２から第一流路３２１へと移動し難くなるおそれがある。

しかも、上記端部領域９１には、冷却すべき半導体素子２１も対向配置されていないことが多く、その場合は端部領域９１を流れ続ける冷却媒体Ｗが半導体素子２１の冷却に使われることなく冷媒出口３１２から排出されてしまうこととなる。それゆえ、半導体素子２１の冷却効率を高めることが困難となるおそれがある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供しようとするものである。

本発明は、半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールに密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造において、
上記冷却管は、冷却媒体を導入する冷媒入口と、上記冷却媒体を排出する冷媒出口とを有すると共に、上記冷媒入口から上記冷媒出口に向かって上記冷却媒体を流通させる冷媒流路を内部に有し、かつ、上記半導体モジュールと密着する冷却面に垂直な冷却面垂直方向に上記冷媒流路を第一流路と第二流路とに仕切る中間プレートを有し、
該中間プレートは、上記冷媒入口から上記冷媒出口へ直線的に向かう冷媒流通方向に直交すると共に上記冷却面に平行な冷却面幅方向の両端部に、上記第一流路と上記第二流路とを連通する連通部を有し、
上記第一流路と上記第二流路とには、それぞれ、上記冷媒流通方向に対して斜めに形成された傾斜フィンを設けてなり、上記第一流路における上記傾斜フィンと、上記第二流路における上記傾斜フィンとは、互いに傾斜方向が逆であり、
また、上記第一流路及び上記第二流路は、素子配置領域における上記冷却面幅方向の両端の流路端部に、上記冷媒流通方向の冷却媒体の直線的な流れを阻止する仕切部を形成してなり、上記素子配置領域は、上記冷媒流通方向において当該冷却管に密着配置された上記半導体モジュールの上記半導体素子のうち最上流の半導体素子と最下流の半導体素子との配置領域及びこれらの間の領域であり、
上記冷却媒体が上記連通部を介して上記第一流路と上記第二流路とを交互に流れるよう構成されていることを特徴とする半導体冷却構造にある（請求項１）。

上記半導体冷却構造においては、冷媒流路に第一流路と第二流路とを仕切る中間プレートを設け、第一流路と第二流路とには傾斜フィンを設けることによって、冷却媒体が第一流路と第二流路とを交互に流れるよう構成してある。これにより、冷却管における冷却面直交方向の温度分布の形成を抑制している。

そして、特に本発明においては、上記第一流路及び上記第二流路が、素子配置領域に、上記冷媒流通方向の冷却媒体の直線的な流れを阻止する仕切部を形成してなる。これにより、第一流路或いは第二流路において傾斜フィンに沿って、冷媒流路の冷却面幅方向の一端に到達した冷却媒体が、冷媒流通方向へ直線的に流れてしまうことを抑制することができる。これにより、一旦、冷媒流路の冷却面幅方向の両端へ到達した冷却媒体を、第二流路から第一流路へ、あるいは第一流路から第二流路へと移動させ、再度傾斜フィンに沿って冷却管における冷却面幅方向の中心へ向かって流すことができる。
そのため、冷却媒体が、効率的に、第一流路と第二流路とを交互にスパイラル状に移動する。

また、仕切部は、上記素子配置領域に形成されているため、少なくとも、半導体素子と熱交換をした、あるいはこれから熱交換をする冷却媒体を、効率的に第一流路と第二流路との間で移動させることができる。その結果、効果的に半導体素子を冷却することが可能となる。
すなわち、仮に仕切部が素子配置領域から外れた位置にのみ形成されているとすると、素子配置領域においては、結局、冷却媒体が冷媒流路の冷却面幅方向の端部において、冷媒流通方向へ直線的に流れてしまうこととなり、上述の効果を得ることが困難となる。

以上のごとく、本発明によれば、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

実施例１における、半導体冷却構造の説明図。 （Ａ）図１のＡ−Ａ線矢視断面図、（Ｂ）図１のＢ−Ｂ線矢視断面図、（Ｃ）図１のＣ−Ｃ線矢視断面図。 実施例１における、仕切部を設けた冷却管の冷却面側から見た正面図。 図３のＤ−Ｄ線矢視断面図。 図３のＥ−Ｅ線矢視断面図。 実施例１における、半導体冷却構造を用いた電力変換装置の説明図。 実施例１における、片面に半導体モジュールが密着配置された冷却管に流れる冷却媒体の流れの説明図。 実施例１における、両面に発熱量の異なる半導体モジュールが密着配置された冷却管に流れる冷却媒体の流れの説明図。 実施例１における、冷却面垂直方向Ｘから見た冷却媒体の流れの説明図。 実施例１における、図２のＦ−Ｆ線矢視断面相当の説明図。 実施例１における、（Ａ）図２のＧ−Ｇ線矢視断面相当の説明図、（Ｂ）図２のＨ−Ｈ線矢視断面相当の説明図。 実施例２における、（Ａ）図１のＡ−Ａ線矢視断面相当図、（Ｂ）図１のＢ−Ｂ線矢視断面相当図、（Ｃ）図１のＣ−Ｃ線矢視断面相当図。 実施例２における、冷却面垂直方向Ｘから見た冷却媒体の流れの説明図。 実施例２における、図１２のＩ−Ｉ線矢視断面相当の説明図。 実施例２における、（Ａ）図１２のＪ−Ｊ線矢視断面相当の説明図、（Ｂ）図１２のＫ−Ｋ線矢視断面相当の説明図。 実施例３における、ＩＧＢＴとＦＷＤとを冷却面幅方向Ｚに並べた半導体冷却構造において、冷却面垂直方向Ｘから見た冷却媒体の流れの説明図。 実施例３における、ＩＧＢＴとＦＷＤとを冷媒流通方向Ｙに並べた半導体冷却構造において、冷却面垂直方向Ｘから見た冷却媒体の流れの説明図。 実施例４における、（Ａ）図１のＡ−Ａ線矢視断面相当図、（Ｂ）図１のＢ−Ｂ線矢視断面相当図、（Ｃ）図１のＣ−Ｃ線矢視断面相当図。 実施例４における、（Ａ）図１８のＬ−Ｌ線矢視断面相当の説明図、（Ｂ）図１８のＭ−Ｍ線矢視断面相当の説明図。 従来例における、冷却管の断面図。 従来例における、（Ａ）図２０のＮ−Ｎ線矢視断面図、（Ｂ）図２０のＯ−Ｏ線矢視断面図、（Ｃ）図２０のＰ−Ｐ線矢視断面図。

本発明（請求項１）において、上記半導体モジュールは、上記半導体素子を１個内蔵していてもよいし、複数個内蔵していてもよい。
また、上記半導体冷却構造は、たとえば、インバータ等の電力変換装置の一部を構成する構造とすることができる。

また、上記仕切部は、上記傾斜フィンの端部に連続又は近接して配置されていることが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記仕切部において直線的な流れを阻止された冷却媒体を、傾斜フィンに沿って流通させやすくなり、冷媒流路内の圧力損失を低減することができる。

また、上記冷却面幅方向の両端の一対の上記流路端部に設けた上記仕切部は、互いに同じ上記傾斜フィンの端部に連続又は近接して配置されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、仕切部とこれに端部が連続又は近接する傾斜フィンとによって、冷媒流路が複数の流路ブロックに分けられることとなる。これによって、冷媒流路内における圧力損失を低減して、冷却媒体を円滑に流通させることができる。

また、上記流路端部は、上記仕切部によって上記冷媒流通方向に仕切られた複数の端部セルを有し、上記第一流路及び上記第二流路は、上記傾斜フィンによって仕切られた複数の小流路を有し、各端部セルには、上記第一流路の複数の上記小流路の端部及び上記第二流路の複数の上記小流路の端部が面していることが好ましい（請求項４）。
この場合には、複数の小流路をそれぞれ流れてきた冷却媒体が、上記端部セルにおいて一旦混合されることとなる。これによって、各小流路を流れる冷却媒体の温度分布を抑制して、半導体素子を均一に冷却することができる。

また、上記流路端部は、上記仕切部によって上記冷媒流通方向に仕切られた複数の端部セルを有し、上記第一流路及び上記第二流路は、上記傾斜フィンによって仕切られた複数の小流路を有し、各端部セルには、上記第一流路の各小流路の端部及び上記第二流路の各小流路の端部が面していることが好ましい（請求項５）。
この場合には、各小流路を流れる冷却媒体が、冷媒入口付近から冷媒出口付近まで、他と交わることがほとんどない状態で流れる。そのため、圧力損失を小さくすることができ、半導体素子の冷却効率を向上させることができる。

また、上記仕切部は、上記傾斜フィンと連結されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には、冷却媒体を第一流路から第二流路へ、あるいは第二流路から第一流路へ、効率的に導くことができる。また、冷却媒体の圧力損失を小さくすることができる。

また、上記仕切部は、上記冷却管の外表面を構成する外側プレートの一部を上記冷媒流路側に突出させてなることが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記仕切板を容易に形成することができる。そして、上記仕切部を設けるに当たって特別に部材を用いる必要もないため、安価な半導体冷却構造を得ることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる半導体冷却構造につき、図１〜図１１を用いて説明する。
本例の半導体冷却構造１は、図１に示すごとく、半導体素子２１を内蔵する半導体モジュール２と、該半導体モジュール２に密着配置された冷却管３とを有する。
冷却管３は、冷却媒体を導入する冷媒入口３１１と、冷却媒体を排出する冷媒出口３１２とを有する。冷却管３の内部には、冷媒入口３１１から冷媒出口３１２に向かって冷却媒体を流通させる冷媒流路３２が形成されている。また、冷却管３は、半導体モジュール２と密着する冷却面３３に垂直な冷却面垂直方向Ｘに冷媒流路３２を第一流路３２１と第二流路３２２とに仕切る中間プレート３４を有する。

図４に示すごとく、中間プレート３４は、冷媒入口３１１から冷媒出口３１２へ直線的に向かう冷媒流通方向Ｙに直交すると共に冷却面３３に平行な冷却面幅方向Ｚの両端部に、第一流路３１１と第二流路３１２とを連通する連通部３４１を有する。
図２に示すごとく、第一流路３１１と第二流路３１２とには、それぞれ、冷媒流通方向Ｙに対して斜めに形成された傾斜フィン４を設けてなり、第一流路３１１における傾斜フィン４（図２（Ａ））と、第二流路３１２における傾斜フィン４（図２（Ｃ））とは、互いに傾斜方向が逆である。

また、第一流路３１１及び第二流路３１２は、素子配置領域Ｖにおける冷却面幅方向Ｚの両端の流路端部３２３に、冷媒流通方向Ｙの冷却媒体の直線的な流れを阻止する仕切部５を形成してなる。ここで、素子配置領域Ｖは、冷媒流通方向Ｙにおいて当該冷却管３に密着配置された半導体モジュール２の半導体素子２１のうち最上流の半導体素子２１と最下流の半導体素子２１との配置領域及びこれらの間の領域である。
そして、冷却管３は、図７、図８に示すごとく、冷却媒体Ｗが連通部３４１を介して第一流路３１１と第二流路３１２とを交互に流れるよう構成されている。なお、図７、図８における半導体モジュール２は、半導体素子２１と片面側の放熱板２２のみ表し、他の記載は省略してある。

図２（Ａ）、（Ｃ）に示すごとく、仕切部５は、傾斜フィン４の端部に連続又は近接して配置されている。そして、冷却面幅方向Ｘの両端の一対の流路端部３２３に設けた仕切部５は、互いに同じ傾斜フィン４の端部に連続又は近接して配置されている。
流路端部３２３は、仕切部５によって冷媒流通方向Ｙに仕切られた複数の端部セル３２４を有する。また、第一流路３２１及び第二流路３２２は、傾斜フィン４によって仕切られた複数の小流路３２５を有する。各端部セル３２４には、第一流路３２１の複数の小流路３２５の端部及び第二流路３２２の複数の小流路３２５の端部が面している。

図２（Ｂ）に示すごとく、中間プレート３４に設けた連通部３４１は、冷媒流通方向Ｙに複数に分割されており、分割された各連通部３４１は各端部セル３２４に対して一対一にて面している。
また、複数の傾斜フィン４は、一定の間隔を持って互いに平行に形成されており、冷媒流通方向Ｙに対する傾斜フィン４の傾斜角度は、例えば４５°とすることができる。

冷却管３は、アルミニウム又はその合金からなる複数の部材から構成される。すなわち、図４、図５に示すごとく、冷却管３は、外殻部を構成する一対の外殻プレート３５と、該一対の外殻プレート３５の間に配される中間プレート３４とをその周縁においてろう付け等によって接合してなる。一対の外殻プレート３５は、周縁の内側において、互いに離れる方向へ後退した凹部を形成している。この凹部と平板状の中間プレート３４の両面との間に、それぞれ第一流路３２１及び第二流路３２２が形成される。

仕切部５は、図３、図５に示すごとく、冷却管３の外表面を構成する外側プレートすなわち上記外殻プレート３５の一部を冷媒流路３２側に突出させてなる。すなわち、冷却管３における冷却面幅方向Ｚの上下端部付近において、外殻プレート３５を、流路端部３２３へ向かって、例えばクサビ状に屈曲変形させる。この仕切部５は、傾斜フィン４の端部に接触又は近接する。

外殻プレート３５及び中間プレート３４は、図２に示すごとく、上記冷媒流通方向Ｙに長い形状を有する。外殻プレート３５は、その両端部に、それぞれ冷媒入口３１１と冷媒出口３１２とを形成してなる。また、中間プレート３４は、外殻プレート３５の冷媒入口３１１と冷媒出口３１２とにそれぞれ対向する位置に、開口部３４２を設けてある。また、上述のごとく、中間プレート３５における冷却面幅方向Ｚの両端部付近には、それぞれ連通部３４１が、冷媒流通方向Ｙに沿って複数形成されている。

また、中間プレート３４と外殻プレート３５との間には、互いに平行な複数の傾斜フィン４が配設されている。これらの傾斜フィン４は、中間プレート３４と外殻プレート３５とのいずれか一方又は双方にろう付け接合されている。
図２（Ａ）に示すごとく、第一流路３２１に配設された傾斜フィン４は、冷媒入口３１１から中間プレート３４における上側の連通部３４１ｕに向かって、又は下側の連通部３４１ｄから上側の連通部３４１ｕもしくは冷媒出口３１２に向かって形成されている。

一方、図２（Ｃ）に示すごとく、第二流路３２２に配設された傾斜フィン４は、冷媒入口３１１から中間プレート３４における下側の連通部３４１ｄに向かって、又は上側の連通部３４１ｕから下側の連通部３４１ｄもしくは冷媒出口３１２に向かって形成されている。
ここで、「上側」、「下側」とは、図２における上下を意味する便宜上の表現であって、本発明の構成を特に限定するものではない。以下においても同様である。

このように構成された冷却管３の主面（冷却面３３）に、図１に示すごとく、半導体モジュール２が密着配置されている。本例において、半導体モジュール２は、２個の半導体素子２１を内蔵している。また、半導体モジュール２は、これら２個の半導体素子２１を挟持するように配設された一対の放熱板２２を有する。半導体素子２１は、一方の放熱板２２とは直接接触しているが、他方の放熱板２２との間には、熱伝導性に優れたスペーサ２３を介在させている。

半導体素子２１としては、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ダイオード等がある。本例においては、半導体モジュール２に内蔵した一方の半導体素子２１をＩＧＢＴとし、他方の半導体素子２１をフライホイールダイオードとする。

また、半導体モジュール２は、冷却管３における一方の冷却面３３と他方の冷却面に対してそれぞれ２個ずつ、冷媒流通方向Ｙに並べて配置してある。また、半導体モジュール２における放熱板２２と冷却管３との間には、熱伝導性に優れた絶縁部材を介在させてもよい。

本例の半導体冷却構造１は、インバータ等の電力変換装置の一部を構成する構造とすることができ、図６に示すごとく、冷却管３と半導体モジュール２とを交互に積層した積層型の冷却構造とすることができる。この冷却構造において、積層方向に隣り合う冷却管３同士は、その冷媒流通方向Ｙの両端部にそれぞれ設けた冷媒入口３１１及び冷媒出口３１２を互いに連結管３６によって連結している。積層方向の一端に配される冷却管３には、冷却管３の積層体全体に冷却媒体Ｗを導入するための冷媒導入管３７１と、積層体全体から冷却媒体Ｗを排出するための冷媒排出管３７２とを配設してなる。

連結管３６は、冷却管３の一部を構成する外殻プレート３５の一部によって構成してもよいし、冷却管３とは別部材を用いて冷媒入口３１１と冷媒出口３１２に固定してもよい。
また、積層方向の両端に配される冷却管３は、片側にのみ半導体モジュール２と密着する冷却面３３を有し、それ以外の冷却管３は、図１に示したように両側に冷却面３３を有する。

このように構成することにより、冷媒導入管３７１から導入された冷却媒体Ｗは、連結管３６を介して複数の冷却管３に分配される。すなわち、冷却媒体Ｗは、各冷却管３における冷媒入口３１１から導入されて、それぞれの冷媒流路３２を流れる。このとき、冷却媒体Ｗは、各冷却管３に密着配置された半導体モジュール２との間で熱交換を行う。熱交換を行った後の冷却媒体Ｗは、各冷却管３における冷媒出口３１２から、連結管３６を通じて冷媒排出管３７２に達し、排出される。

特に、本例においては、図２に示すごとく、冷却面幅方向Ｘの両端の一対の流路端部３２３に設けた仕切部５は、互いに同じ傾斜フィン４の端部に連続又は近接して配置されており、流路端部３２３は、仕切部５によって複数の端部セル３２４に分けられている。そのため、冷媒流路３２の全体においても、所定の傾斜フィン４とその両端に隣接する仕切部５とによって、複数の流路ブロック３２６に分割されている。

本例においては、図９に示すごとく、流路ブロック３２６は２つ形成されており、冷媒入口３１１付近において一旦各流路ブロック３２６に分配された冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は、冷媒出口３１２付近まで互いに混ざり合うことがほとんどない状態で流れる。なお、図９において、第一流路３２１を流れる冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は破線、第二流路３２２を流れる冷却媒体Ｗ３、Ｗ４は実線にて表す。図１３、図１６、図１７においても同様とする。また、図９、図１３、図１６、図１７においては、傾斜フィン４の記載を省略してある。

そして、それぞれの流路ブロック３２６は、第一流路３２１と第二流路３２２とを交互にスパイラル状に移動するように形成され、これに沿って、冷却媒体Ｗ１、Ｗ２が流れる。また、各流路ブロック３２６内においては、傾斜フィン４の間の小流路３２５をそれぞれ流れた冷却媒体Ｗ１（Ｗ２）が、流路端部３２３の端部セル３２４において混ざり合う。ただし、上記のごとく、一方の流路ブロック３２６を流れる冷却媒体Ｗ１と、他方の流路ブロック３２６を流れる冷却媒体Ｗ２とは、傾斜フィン４が形成されている冷媒流通方向Ｙの領域においては、全く或いは殆ど混ざり合うことがない。
そして、半導体素子２１は、各流路ブロック３２６の略中央位置に対向するように配置されている。

具体的には、まず、冷媒入口３１１から、第一流路３２１及び第二流路３２２にそれぞれ導入された冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は、図１０に示すごとく複数に分割された小流路３２５に更に分かれて斜めに流れる。ここで、最初に第一流路３２１に導入された冷却媒体Ｗ１はすべて一つの流路ブロック３２６に導入されることとなり、最初に第二流路３２２に導入された冷却媒体Ｗ２はすべて他の一つの流路ブロック３２６に導入されることとなる。

すなわち、図９に示すごとく、最初に第一流路３２１に導入された冷却媒体Ｗ１は、各小流路３２５を斜め上方に向って流れ、上側の流路端部３２３に達する。ここで、流路端部３２３は、上述のごとく、流路ブロック３２６に対応する端部セル３２４に分かれており、複数の小流路３２５の端部が面している。そのため、第一流路３２１における複数の小流路３２５を斜め上方に流れてきた冷却媒体Ｗ１は、この端部セル３２４の中で互いに混ざり合う。そして、図１１（Ａ）に示すごとく、冷却媒体Ｗ１は、端部セル３２４において、第二流路３２２側へ移動し、第二流路３２２における複数の小流路３２５に再び分かれて、斜め下方へ向かって流れていく。

一方、最初に第二流路３２２に導入された冷却媒体Ｗ２は、各小流路３２５を斜め下方に向って流れて下側の流路端部３２３に達し、端部セル３２４において混ざり合う。そして、図１１（Ｂ）に示すごとく、冷却媒体Ｗ２は、第二流路３２２から第一流路３２１へ移動し、第一流路３２１における複数の小流路３２５に再び分かれて、斜め上方へ向かって流れていく。

このような冷却媒体Ｗ１、Ｗ２の動きが二つの流路ブロック３２６においてそれぞれ繰り返される（図９）。
そして、各流路ブロック３２６の略中央位置に対向配置された半導体素子２１と熱交換をした後、冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は冷媒出口３１２から排出される。

冷却媒体としては、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒等を用いることができる。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
本例の半導体冷却構造１においては、冷媒流路３２に第一流路３２１と第二流路３２２とを仕切る中間プレート３４を設け、第一流路３２１と第二流路３２２とには傾斜フィン４を設けることによって、図７〜図９に示すごとく、冷却媒体Ｗが第一流路３２１と第二流路３２２とを交互に流れるよう構成してある。これにより、冷却管３における冷却面直交方向Ｘの温度分布の形成を抑制している。

すなわち、図７に示すごとく、冷却管３における一方の冷却面３３にのみ半導体モジュール２が密着配置している場合や、図８に示すごとく、冷却管３における両方の冷却面３３に発熱量の異なる半導体モジュール２が密着配置している場合などにも、冷媒流路３２における冷却面垂直方向Ｘに温度分布が生じることを抑制することができる。
その結果、冷媒流路３２に供給される冷却媒体の全体を効率的に、半導体素子２１との間の熱交換に利用することができる。それ故、半導体冷却構造１は、半導体素子２１の冷却効率を向上させることができる。

そして、特に本発明においては、第一流路３２１及び第二流路３２２が、素子配置領域Ｖに、冷媒流通方向Ｙの冷却媒体の直線的な流れを阻止する仕切部５を形成してなる。これにより、第一流路３２１或いは第二流路３２２において傾斜フィン４に沿って、冷媒流路３２の冷却面幅方向Ｚの一端（流路端部３２３）に到達した冷却媒体が、冷媒流通方向Ｙへ直線的に流れてしまうことを抑制することができる。これにより、一旦、冷媒流路３２の冷却面幅方向Ｚの両端（流路端部３２３）へ到達した冷却媒体を、第二流路３２２から第一流路３２１へ、あるいは第一流路３２１から第二流路３２２へと移動させ、再度傾斜フィン４に沿って冷却管３における冷却面幅方向Ｚの中心へ向かって流すことができる。
そのため、冷却媒体が、効率的に、第一流路３２１と第二流路３２２とを交互にスパイラル状に移動する（図７〜図９）。

また、仕切部５は、素子配置領域Ｖに形成されているため、少なくとも、半導体素子２１と熱交換をした、あるいはこれから熱交換をする冷却媒体を、効率的に第一流路３２１と第二流路３２２との間で移動させることができる。その結果、効果的に半導体素子２１を冷却することが可能となる。
すなわち、仮に仕切部５が素子配置領域Ｖから外れた位置にのみ形成されているとすると、素子配置領域Ｖにおいては、結局、冷却媒体が流路端部３２３において、冷媒流通方向Ｙへ直線的に流れてしまうこととなり、上述の効果を得ることが困難となる。

また、仕切部５は、傾斜フィン４の端部に連続又は近接して配置されているため、仕切部５において直線的な流れを阻止された冷却媒体を、傾斜フィン４に沿って流通させやすくなり、冷媒流路３２内の圧力損失を低減することができる。
また、冷却面幅方向Ｚの両端の一対の流路端部３２３に設けた仕切部５は、互いに同じ傾斜フィン４の端部に連続又は近接して配置されているため、仕切部５とこれに端部が連続又は近接する傾斜フィン４とによって、冷媒流路３２が複数の流路ブロック３２６に分けられることとなる。これによって、冷媒流路３２内における圧力損失を低減して、冷却媒体を円滑に流通させることができる。

また、流路端部３２３における各端部セル３２４には、第一流路３２１の複数の小流路３２５の端部及び第二流路３２２の複数の小流路３２５の端部が面している。そのため、複数の小流路３２５をそれぞれ流れてきた冷却媒体が、端部セル３２４において一旦混合されることとなる。これによって、各小流路３２５を流れる冷却媒体の温度分布を抑制して、半導体素子２１を均一に冷却することができる。

また、仕切部５は、外殻プレート３５の一部を冷媒流路３２側に突出させてなるものであり、容易に形成することができる。そして、仕切部５を設けるに当たって特別に部材を用いる必要もないため、安価な半導体冷却構造１を得ることができる。

なお、仕切部５は、傾斜フィン４と連結されていることが好ましいが、仕切部５と傾斜フィン４との間に隙間が形成されていてもよい。仕切部５と傾斜フィン４とが互いに連結されていると、冷却媒体を、第一流路３２１から第二流路３２２へ、あるいは第二流路３２２から第一流路３２１へ、効率的に導くことができ、冷却媒体の圧力損失を小さくすることができる。ただし、仕切部５と傾斜フィンと４の間に隙間が形成されていても、本発明の効果は充分に発揮しうる。

以上のごとく、本例によれば、半導体素子の冷却効率に優れた半導体冷却構造を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１２〜図１５に示すごとく、冷媒流路３２を、更に細かく流路ブロック３２６に分割した例である。すなわち、本例においては、図１２に示すごとく、傾斜フィン４の端部に連続又は近接する仕切部５の数を増やし、実施例１における流路ブロック３２６を更に二つに分割した流路ブロック３２７を設けている。

この場合、冷媒入口３１１から、第一流路３２１及び第二流路３２２にそれぞれ導入された冷却媒体Ｗは、図１４に示すごとく複数に分割された小流路３２５に更に分かれる。ここで、上端又は下端が仕切部５と連続または近接する傾斜フィン４０の上側と下側とでは、流路ブロック３２７が異なっている。それゆえ、最初に第一流路３２１に導入された冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は、二つの流路ブロック３２７に分割され、最初に第二流路３２２に導入された冷却媒体Ｗ３、Ｗ４も、二つの流路ブロック３２７に分割されることとなる。

図１３に示すごとく、最初に第一流路３２１から二つの流路ブロック３２７にそれぞれ導入された冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は、小流路３２５を斜め上方に向って流れ、上側の流路端部３２３の端部セル３２４に達する。この端部セル３２４内において、それぞれの流路ブロック３２７における冷却媒体Ｗ１同士、冷却媒体Ｗ２同士が混ざり合う。そして、図１５（Ａ）に示すごとく、冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は、端部セル３２４において、第二流路３２２側へ移動し、第二流路３２２における複数の小流路３２５に再び分かれて、図１３に示すごとく、斜め下方へ向かって流れていく。すなわち、二つの流路ブロック３２７の冷却媒体Ｗ１、Ｗ２は、互いに混ざり合うことなく並行して流れる。

一方、最初に第二流路３２２から二つの流路ブロック３２７にそれぞれ導入された冷却媒体Ｗ３、Ｗ４は、小流路３２５を斜め下方に向って流れ、下側の流路端部３２３の端部セル３２４に達する。この端部セル３２４内において、それぞれの流路ブロック３２７における冷却媒体Ｗ３同士、冷却媒体Ｗ４同士が混ざり合う。そして、図１５（Ｂ）に示すごとく、冷却媒体Ｗ３、Ｗ４は、端部セル３２４において、第一流路３２１側へ移動し、第一流路３２１における複数の小流路３２５に再び分かれて、図１３に示すごとく、斜め上方へ向かって流れていく。すなわち、二つの流路ブロック３２７の冷却媒体Ｗ３、Ｗ４は、互いに混ざり合うことなく並行して流れる。

このような冷却媒体Ｗの動きが４つの流路ブロック３２７においてそれぞれ繰り返される。
そして、各流路ブロック３２７には、それぞれ一つの半導体素子２１が対向配置されることとなり、一つの流路ブロック３２７を流れる冷却媒体が、一つの半導体素子２１を冷却するよう構成されている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、各半導体素子２１が、温度の低い冷却媒体と熱交換しやすくなるため、冷却効率を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図１６、図１７に示すごとく、実施例２と同様の構成の冷却管３を用いた半導体冷却構造１の例であって、異なる種類の半導体素子２１を異なる流路ブロック３２７に対向配置した例である。
たとえば、半導体素子２１として、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）２１１とＦＷＤ（フライホイールダイオード）２１２とがある場合、それぞれを、異なる流路ブロック３２７に対向配置させる。

なお、図１６に示す半導体冷却構造１は、異なる半導体素子２１同士を冷却面幅方向Ｚに並べたものであり、図１７に示す半導体冷却構造１は、異なる半導体素子２１同士を冷却流通方向Ｙに並べたものであり、
その他は、実施例２と同様である。

本例の場合には、発熱量の大きい半導体素子２１（ＩＧＢＴ２１１）によって温度上昇した冷却媒体が、発熱量の小さい半導体素子２１（ＦＷＤ２１２）と熱交換することを避けることが可能となる。その結果、効果的に複数種類の半導体素子２１を冷却することができる。
その他、実施例２と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図１８、図１９に示すごとく、各端部セル３２４には、第一流路３２１の各小流路３２５の端部及び第二流路３２２の各小流路３２５の端部が面している例である。
すなわち、流路端部３２３に面した傾斜フィン４の端部のすべてに対して、仕切部５が連続又は近接している。
また、中間プレート３４には、一つの小流路３２５に対して一つ連通部３４１が形成されている。

このような構成においては、各小流路３２５を流れて流路端部３２３に達した冷却媒体Ｗは、流路端部３２３においても、図１９（Ａ）、（Ｂ）に示すごとく、他の小流路３２５を流れてきた冷却媒体Ｗと交わることなく、第一流路３２１から第二流路３２２、あるいは第二流路３２２から第一流路３２１へ移動する。
その他は、実施例１と同様である。

この場合には、各小流路３２５を流れる冷却媒体が、冷媒入口３１１付近から冷媒出口３１２付近まで、他と交わることがほとんどない状態で流れる。そのため、各小流路３２５における圧力損失を均一にすることができ、冷却媒体の流量分布がなくなり、半導体素子２１を効率的に冷却することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

なお、仕切部５の形成手段については、上記実施例に示したものに限られるものではなく、種々の手段が考えられる。
たとえば、一部又はすべての傾斜フィン４を冷媒流路３２における冷却面幅方向Ｚの端部にまで延長することにより、その延長部分を仕切部５とすることもできる。
また、連通部３４１の間の枠部分を仕切部５とすることもできる。
あるいは、すべての傾斜フィン４を冷媒流路３２における冷却面幅方向Ｚの端部にまで延長すると共に、冷却管３を冷却面幅方向Ｚに開口させ、その開口部に仕切部５を設けたヘッダ部材を取り付けることにより、ヘッダ部材内を流路端部３２３とすると共に仕切部５を配置することもできる。

１ 半導体冷却構造
２ 半導体モジュール
２１ 半導体素子
３ 冷却管
３１１ 冷媒入口
３１２ 冷媒出口
３２ 冷媒流路
３２１ 第一流路
３２２ 第二流路
３３ 冷却面
３４ 中間プレート
４ 傾斜フィン
５ 仕切部
Ｘ 冷却面垂直方向
Ｙ 冷媒流通方向
Ｚ 冷却面幅方向

Claims (7)

1. 半導体素子を内蔵する半導体モジュールと、該半導体モジュールに密着配置された冷却管とを有する半導体冷却構造において、
   上記冷却管は、冷却媒体を導入する冷媒入口と、上記冷却媒体を排出する冷媒出口とを有すると共に、上記冷媒入口から上記冷媒出口に向かって上記冷却媒体を流通させる冷媒流路を内部に有し、かつ、上記半導体モジュールと密着する冷却面に垂直な冷却面垂直方向に上記冷媒流路を第一流路と第二流路とに仕切る中間プレートを有し、
   該中間プレートは、上記冷媒入口から上記冷媒出口へ直線的に向かう冷媒流通方向に直交すると共に上記冷却面に平行な冷却面幅方向の両端部に、上記第一流路と上記第二流路とを連通する連通部を有し、
   上記第一流路と上記第二流路とには、それぞれ、上記冷媒流通方向に対して斜めに形成された傾斜フィンを設けてなり、上記第一流路における上記傾斜フィンと、上記第二流路における上記傾斜フィンとは、互いに傾斜方向が逆であり、
   また、上記第一流路及び上記第二流路は、素子配置領域における上記冷却面幅方向の両端の流路端部に、上記冷媒流通方向の冷却媒体の直線的な流れを阻止する仕切部を形成してなり、上記素子配置領域は、上記冷媒流通方向において当該冷却管に密着配置された上記半導体モジュールの上記半導体素子のうち最上流の半導体素子と最下流の半導体素子との配置領域及びこれらの間の領域であり、
   上記冷却媒体が上記連通部を介して上記第一流路と上記第二流路とを交互に流れるよう構成されていることを特徴とする半導体冷却構造。
2. 請求項１に記載の半導体冷却構造において、上記仕切部は、上記傾斜フィンの端部に連続又は近接して配置されていることを特徴とする半導体冷却構造。
3. 請求項２に記載の半導体冷却構造において、上記冷却面幅方向の両端の一対の上記流路端部に設けた上記仕切部は、互いに同じ上記傾斜フィンの端部に連続又は近接して配置されていることを特徴とする半導体冷却構造。
4. 請求項１〜３にいずれか一項に記載の半導体冷却構造において、上記流路端部は、上記仕切部によって上記冷媒流通方向に仕切られた複数の端部セルを有し、上記第一流路及び上記第二流路は、上記傾斜フィンによって仕切られた複数の小流路を有し、各端部セルには、上記第一流路の複数の上記小流路の端部及び上記第二流路の複数の上記小流路の端部が面していることを特徴とする半導体冷却構造。
5. 請求項１〜３にいずれか一項に記載の半導体冷却構造において、上記流路端部は、上記仕切部によって上記冷媒流通方向に仕切られた複数の端部セルを有し、上記第一流路及び上記第二流路は、上記傾斜フィンによって仕切られた複数の小流路を有し、各端部セルには、上記第一流路の各小流路の端部及び上記第二流路の各小流路の端部が面していることを特徴とする半導体冷却構造。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の半導体冷却構造において、上記仕切部は、上記傾斜フィンと連結されていることを特徴とする半導体冷却構造。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の半導体冷却構造において、上記仕切部は、上記冷却管の外表面を構成する外側プレートの一部を上記冷媒流路側に突出させてなることを特徴とする半導体冷却構造。

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