JP5476585B2

JP5476585B2 - 冷却器

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Publication number: JP5476585B2
Application number: JP2010234109A
Authority: JP
Inventors: 裕司長田; 玄太郎山中; 靖山田; 忠史吉田
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-10-19
Also published as: JP2011166113A

Description

本発明は、複数の放熱板を備え、放熱板が設けられた領域に冷媒を流通させる冷却器に関する。

電気機器に電力を供給する回路には、半導体素子等の熱を発生する電気部品が用いられる。このような電気部品は冷却器に取り付けられることが多い。冷却器には、電気部品を取り付ける部材に複数の放熱板（フィン）が設けられ、放熱板が設けられた領域に冷媒を流通させる通路が形成されているものがある。冷却器内を流通する冷媒は、電気部品が発生した熱を放熱板を介して取得する。これによって、電気部品は、冷媒によって熱を奪われ冷却される。以下の特許文献１〜５には、複数の放熱板が設けられた領域に冷媒を流通させる冷却器について記載されている。

特開２００６−３１０３６３号公報特開２００９−１７６８８１号公報特開２００８−１２４４３０号公報特開２００６−０１９７３０号公報特開２００４−２４１４４５号公報

放熱板が設けられた領域に冷媒を流通させる冷却器では、冷媒を流通させる通路の形状、放熱板の配置等によっては冷媒が滞留する領域が生じ、冷却性能に空間的なばらつきが生じることがある。また、冷媒は、冷却対象物から熱を取得すると共に温度が上昇する。これによって、下流側の領域においては、上流側の領域よりも冷却性能が低下することがある。

本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、複数の放熱板を備え、放熱板が設けられた領域に冷媒を流通させる冷却器において、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することを目的とする。

本発明は、冷却対象物が取り付けられる基本部材と、対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、前記放熱板の間の領域に冷媒を供給する冷媒供給部が設けられたノズル面を有し、前記複数の放熱板を挟んで当該ノズル面が前記放熱板配置面と対向するよう配置されたノズル部材と、を備え、前記冷媒供給部は、前記複数の放熱板が連なる方向に延伸する冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域に開口が及ぶ冷媒供給穴を含み、前記冷媒供給穴から短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を供給し、前記ノズル部材は、一方の板面に前記ノズル面を有するノズル板を含み、前記冷却器は、前記ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする。また、本発明は、冷却対象物が取り付けられる基本部材と、対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、前記放熱板の間の領域に冷媒を供給する冷媒供給部が設けられたノズル面を有し、前記複数の放熱板を挟んで当該ノズル面が前記放熱板配置面と対向するよう配置されたノズル部材と、を備え、前記冷媒供給部は、前記複数の放熱板が連なる方向に配列された複数の冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域のそれぞれに対して冷媒供給穴が設けられた複数の冷媒供給穴を含み、前記冷媒供給穴から短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を供給し、前記ノズル部材は、一方の板面に前記ノズル面を有するノズル板を含み、前記冷却器は、前記ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする。

また、本発明に係る冷却器においては、前記冷媒供給部を挟むよう前記ノズル面に配置された冷媒案内壁、を備え、前記冷媒案内壁は、前記冷媒供給部から前記放熱板間領域に冷媒を導くと共に、前記冷媒供給部の側とは反対側の壁面に前記放熱板間領域から放出された冷媒を、案内することを特徴とする。

また、本発明に係る冷却器においては、前記ノズル面が各放熱板と接するよう前記ノズル部材が配置され、前記放熱板配置面と前記ノズル面との間に挟まれる領域のうち前記放熱板間領域外の領域に設けられ、当該放熱板間領域から放出された冷媒を案内する排冷媒案内壁を備えることが好適である。

また、本発明に係る冷却器においては、前記放熱板間領域と前記排冷媒案内壁との間の領域に設けられ、前記ノズル面および前記放熱板配置面の少なくとも一方から突出する突起部を備えることが好適である。

本発明は、冷却対象物が取り付けられる基本部材と、対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、前記複数の放熱板が連なる方向に交差する方向に波打つよう形成され、前記放熱板配置面に接する長辺に対向する前記放熱板の長辺に、一方の板面に形成された頂部が接するよう配置された波状ノズル板と、を備え、前記波状ノズル板は、前記複数の放熱板が連なる方向に延伸する冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域に開口が及ぶ冷媒供給穴を前記頂部に有し、前記一方の板面とは反対側の板面から前記冷媒供給穴を介して短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を導くと共に、前記放熱板間領域から放出された冷媒を、前記放熱板間領域と前記波状ノズル板との間に形成された領域に導き、前記冷却器は、前記波状ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする。また、本発明は、冷却対象物が取り付けられる基本部材と、対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、前記複数の放熱板が連なる方向に交差する方向に波打つよう形成され、前記放熱板配置面に接する長辺に対向する前記放熱板の長辺に、一方の板面に形成された頂部が接するよう配置された波状ノズル板と、を備え、前記波状ノズル板は、前記複数の放熱板が連なる方向に配列された複数の冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域のそれぞれに対して冷媒供給穴が設けられた複数の冷媒供給穴を前記頂部に有し、前記一方の板面とは反対側の板面から前記冷媒供給穴を介して短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を導くと共に、前記放熱板間領域から放出された冷媒を、前記放熱板間領域と前記波状ノズル板との間に形成された領域に導き、前記冷却器は、前記波状ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする。

また、本発明に係る冷却器においては、前記放熱板配置面と前記波状ノズル板との間に挟まれる領域のうち前記放熱板間領域外の領域に設けられ、当該放熱板間領域から放出された冷媒を案内する排冷媒案内壁を備えることが好適である。

また、本発明は、冷却器であって、冷却対象物が取り付けられる基本部材と、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、前記放熱板の間の領域に冷媒を供給する冷媒供給部が設けられたノズル面を有し、前記複数の放熱板を挟んで当該ノズル面が前記放熱板配置面と対向するよう配置されたノズル部材と、を備え、前記冷媒供給部は、複数の放熱板間領域に対し、前記放熱板と前記放熱板配置面とが接する線の方向に交わる方向に冷媒を供給し、前記ノズル面が各放熱板と接するよう前記ノズル部材が配置され、前記冷却器は、さらに、前記放熱板配置面と前記ノズル面との間に挟まれる領域のうち前記放熱板間領域外の領域に設けられ、当該放熱板間領域から放出された冷媒を案内する排冷媒案内壁と、前記放熱板間領域と前記排冷媒案内壁との間の領域に設けられ、前記ノズル面および前記放熱板配置面の少なくとも一方から突出する突起部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る冷却器においては、帯形状に形成され、当該帯形状の一方の長辺が前記放熱板配置面に接するよう配置され、当該放熱板配置面上で屈曲すると共に、屈曲区間の間の区間が前記放熱板を形成するコルゲートフィン、を備えることが好適である。

本発明によれば、放熱板が設けられた領域に冷媒を流通させる冷却器において、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る半導体冷却器の構成を示す図である。冷媒供給穴、放熱板、および基本ユニット板の詳細な構成を示す図である。コルゲートフィンを用いた半導体冷却器の構成を示す図である。本発明の第２実施形態に係る半導体冷却器の構成を示す図である。第２実施形態に係る半導体冷却器について、コルゲートフィンを採用した構成を示す図である。本発明の第３実施形態に係る半導体冷却器の構成を示す図である。本発明の第４実施形態に係る半導体冷却器の構成を示す図である。波状ノズル板、放熱板、および基本ユニット板の詳細な構成を示す図である。波状ノズル板の製造工程を説明する図である。ジグザグ形状の波状ノズル板、放熱板、および基本ユニット板の詳細な構成を示す図である。本発明の第５実施形態に係る半導体冷却器の構成を示す図である。ジグザグ形状に波打つ波状ノズル板を用いた半導体冷却器の断面図である。第２実施形態に係る半導体冷却器を縦続接続した場合の構成例を示す図である。

図１に本発明の第１実施形態に係る半導体冷却器１０の構成を示す。半導体冷却器１０は、冷媒を内部に流通させ、冷媒と半導体素子２０との間の熱交換によって半導体素子２０を冷却するものである。冷却対象の半導体素子２０は、昇降圧コンバータ回路、交流／直流インバータ回路等、送配電設備の電力変換回路や車両駆動用モータジェネレータの電力供給回路に用いられるものであってもよい。冷媒には、水、アンモニア、フロン等の流体を用いることができる。

図１（ｂ）は、図１（ａ）に示される構成から流入路ガイド３０を取り除いたものを、図１（ａ）の下側から見た図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）におけるＡ１−Ａ２断面を示し、図１（ｃ）は図１（ｂ）におけるＡ３−Ａ４断面を示す。

半導体冷却器１０は、冷却対象の半導体素子２０が取り付けられる基本ユニット１２を備える。基本ユニット１２は、基本ユニット板１４、基本ユニット板１４の外周に設けられた基本ユニット壁１６、および複数の放熱板１８を備えて構成される。また、基本ユニット壁１６は、図１（ｂ）において、基本ユニット板１４の横辺および左側の縦辺に設けられる。

各放熱板１８は、長方形状に形成されており、対向する基本ユニット壁１６に両端が接し、長辺が基本ユニット板１４の板面に接するよう基本ユニット板１４に配置されている。また、複数の放熱板１８は、板面方向を揃えて、所定の間隔で厚み方向に連ねて配置されている。

半導体素子２０は、基本ユニット板１４の放熱板配置面とは反対側の板面に、絶縁層２２を介して取り付けられる。なお、ここでは、半導体素子２０が基本ユニット板１４の板面に取り付けられるものとしているが、半導体素子２０の固定態様に応じて、基本ユニット板１４を変形させてもよい。例えば、基本ユニット板１４は、半導体素子２０を基本ユニット板１４内に埋め込む構成としてもよい。

基本ユニット１２には、基本ユニット壁１６で囲まれた領域の開口を覆うノズル板２４が取り付けられている。ノズル板２４には、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴２６が設けられている。冷媒供給穴２６の長さは、放熱板間の各領域に開口が及ぶ長さとする。図１の例では、３つの冷媒供給穴２６が平行に設けられている。冷媒供給穴２６の数は、冷媒の流量に応じて決定することが好ましい。

なお、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴２６に代えて、放熱板１８が連ねられた方向に複数の冷媒供給穴を配置してもよい。また、複数の放熱板間領域のうちの一部については、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴を採用し、その他の放熱板間領域については、複数の冷媒供給穴を配列した構成を採用してもよい。

図２に冷媒供給穴２６、放熱板１８、および基本ユニット板１４の詳細な構成を示す。ノズル板２４の放熱板１８側の板面には、冷媒供給穴２６の開口を囲むよう冷媒案内壁２８が設けられている。冷媒案内壁２８は、冷媒供給穴２６から突出する管を形成し、その管の先端は各放熱板１８の縁に接触している。冷媒案内壁２８が形成する管の開口は、冷媒供給穴２６の開口よりも大きくしてもよい。すなわち、冷媒案内壁２８は、冷媒供給穴２６の縁から離れた位置に冷媒供給穴２６の縁と並ぶよう配置してもよい。

再び図１を参照する。ノズル板２４は、流入路ガイド３０によって覆われている。図１の例では、流入路ガイド３０は、流入路板３２、および流入路板３２の対向する２辺に設けられた流入路壁３４を備え、Ｕ字形状の通路を形成している。図１（ａ）および（ｂ）において、流入路ガイド３０の右端には終端壁３６が設けられている。流入路ガイド３０の左端には、壁は設けられておらず、ノズル板２４と共に冷媒の入口３８を形成する。

半導体冷却器１０を構成する基本ユニット１２、ノズル板２４、および流入路ガイド３０は、金属、セラミック等、熱伝導率の高い材料で形成してもよい。

次に、半導体冷却器１０に冷媒を流通させたときの冷媒の流れ、および半導体素子２０と冷媒との間の熱交換作用について説明する。冷媒は、図１（ａ）の矢印Ｆ１に示すように、入口３８から半導体冷却器１０に送り込まれる。入口３８から送り込まれた冷媒は、流入路ガイド３０およびノズル板２４との間に形成されている流入路を流通する。流入路を流通する冷媒は、図１（ａ）および（ｃ）の矢印Ｆ２に示すように、冷媒供給穴２６から冷媒案内壁２８に導かれて、放熱板１８の間の領域に送られる。放熱板１８の間の領域に送られた冷媒は、絶縁層２２、基本ユニット板１４、および放熱板１８を介して半導体素子２０から熱を取得する。半導体素子２０から熱を取得した冷媒は、図１（ｃ）の矢印Ｆ３に示すように、冷媒供給穴２６とは反対側の冷媒案内壁２８の壁面、ノズル板２４、および基本ユニット壁１６で囲まれる排冷媒路４０、ならびに、冷媒案内壁２８およびノズル板２４に囲まれる排冷媒路４０へと送り出される。排冷媒路４０に送り出された冷媒は、図１（ａ）の矢印Ｆ４に示すように、排冷媒路４０を通って半導体冷却器１０から放出される。このように冷媒が流通することで、冷媒は半導体素子２０から熱を取得する。一方、半導体素子２０は冷媒によって熱を奪われ冷却される。

本実施形態に係る半導体冷却器１０では、総ての放熱板間領域に冷媒供給穴２６が及ぶよう冷媒供給穴２６が形成されている。したがって、半導体素子２０の熱を取得する前の冷媒が各放熱板間領域に供給される。これによって、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態に係る半導体冷却器１０では、放熱板間領域に送られた冷媒は、熱を取得して排冷媒路４０へと導かれる。したがって、冷媒の滞留、逆流等が回避され、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る半導体冷却器１０では、放熱板１８の短辺方向に向けて放熱板間領域に冷媒が送られる。これによって、放熱板の長辺方向に向けて放熱板間領域に冷媒が送られる構成に比べて、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。

本実施形態に係る半導体冷却器１０においては、放熱板１８の代わりに、帯状の放熱用部材を葛折れ形状に屈曲させたコルゲートフィンを採用してもよい。コルゲートフィンを用いた場合における構成を図３に示す。

コルゲートフィン４２は、Ｕ字形状に屈曲した複数の屈曲区間４４と、屈曲区間４４の間を結ぶ延伸区間４６とからなる帯形状を有する。このような屈曲形状により、複数の延伸区間４６は、所定の間隔で厚み方向に連ねられる。複数の延伸区間４６は、上記の複数の放熱板１８と同様の機能を有する。この構成例では、複数のコルゲートフィン４２が、延伸区間４６の配列方向が平行となり、屈曲区間４４の突出部が互いに接触するよう配置されている。

このような構成においても、図１および図２に示した半導体冷却器１０の原理と同様の原理により、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができ、さらに、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。

図４に本発明の第２実施形態に係る半導体冷却器４８の構成を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）に示される構成から流入路ガイド３０を取り除いたものを、図４（ａ）の下側から見た図である。図４（ａ）は、図４（ｂ）におけるＢ１−Ｂ２断面を示し、図４（ｃ）は図４（ｂ）におけるＢ３−Ｂ４断面を示す。図１に示す構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

第２実施形態に係る半導体冷却器４８は、第１実施形態に係る半導体冷却器１０における冷媒案内壁２８を取り除いてノズル板２４を放熱板に接触させると共に、第１実施形態に係る半導体冷却器１０における放熱板１８より短い放熱板５０を用いたものである。第１実施形態に係る半導体冷却器１０に対し放熱板が欠損した領域には排冷媒路５２が形成されている。

半導体冷却器４８は、冷却対象の半導体素子２０が取り付けられる基本ユニット１２を備える。基本ユニット１２は、基本ユニット板１４、基本ユニット板１４の外周に設けられた基本ユニット壁１６、および複数の放熱板５０を備えて構成される。

各放熱板５０は、長方形状に形成されており、長辺が基本ユニット板１４に接するよう基本ユニット板１４に配置されている。複数の放熱板５０は、延伸方向を揃えて所定の間隔で厚み方向に連ねて配置され、放熱板列を構成する。本実施形態に係る基本ユニット１２では、このような放熱板列が複数列に亘て配置されている。図４は、２列の放熱板列が平行に配置されている例を示している。放熱板５０は、その端が基本ユニット壁１６または他の放熱板５０と接触しないよう配置されている。放熱板列間の領域、および放熱板列と基本ユニット壁１６との間の領域には、排冷媒路５２が形成されている。

基本ユニット１２には、各放熱板５０に接触しつつ、基本ユニット壁１６で囲まれた領域の開口を覆うノズル板２４が取り付けられている。ノズル板２４には、各放熱板列に対応して、放熱板５０が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴２６が設けられている。冷媒供給穴２６の長さは、総ての放熱板間領域に開口が及ぶ長さとする。図４の例では、各放熱板列に１つの冷媒供給穴２６が設けられている。冷媒供給穴２６を設ける数は、冷媒の流量に応じて決定することが好ましい。ノズル板２４は、流入路ガイド３０によって覆われている。

なお、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴２６に代えて、放熱板１８の間の領域ごとに冷媒供給穴を設けてもよい。この場合、放熱板１８が連ねられた方向に複数の冷媒供給穴が配置される。また、複数の放熱板間領域のうちの一部については、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴を採用し、その他の放熱板間領域については、複数の冷媒供給穴を配列した構成を採用してもよい。

次に、半導体冷却器４８に冷媒を流通させた場合の冷媒の流れ、および半導体素子２０と冷媒との間の熱交換作用について説明する。冷媒は、図４（ａ）の矢印Ｆ５に示すように、入口３８から半導体冷却器４８に送り込まれる。入口３８から送り込まれた冷媒は、流入路ガイド３０およびノズル板２４との間に形成されている流入路を流通する。流入路を流通する冷媒は、図４（ａ）および（ｃ）の矢印Ｆ６に示すように、冷媒供給穴２６から放熱板５０の間の領域に送られる。放熱板間領域に送られた冷媒は、絶縁層２２、基本ユニット板１４、および放熱板５０を介して半導体素子２０から熱を取得する。半導体素子２０から熱を取得した冷媒は、図４（ｃ）の矢印Ｆ７に示すように、ノズル板２４と基本ユニット板１４との間に挟まれた領域のうち、放熱板間領域外の領域に形成された排冷媒路５２へと送り出される。排冷媒路５２に送り出された冷媒は、図４（ａ）の矢印Ｆ８に示すように、排冷媒路５２を通って半導体冷却器４８から放出される。このように冷媒が流通することで、冷媒は半導体素子２０から熱を取得する。一方、半導体素子２０は冷媒によって熱を奪われ冷却される。

本実施形態に係る半導体冷却器４８では、総ての放熱板間領域に冷媒供給穴２６が及ぶよう冷媒供給穴２６が形成されている。したがって、半導体素子２０の熱を取得する前の冷媒が各放熱板間領域に供給される。これによって、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができる。

また、本実施形態に係る半導体冷却器４８では、放熱板間領域に送られた冷媒は、排冷媒路５２へと導かれる。したがって、冷媒の滞留、逆流等が回避され、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る半導体冷却器４８では、放熱板５０の短辺方向に向けて放熱板間領域に冷媒が送られる。これによって、放熱板の長辺方向に向けて放熱板間領域に冷媒が送られる構成に比べて、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。

本実施形態に係る半導体冷却器４８においては、放熱板列の代わりに、図５に示すようにコルゲートフィン４２を採用してもよい。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示される構成から流入路ガイド３０を取り除いたものを図５（ａ）の下側から見た図である。図５（ａ）は、図５（ｂ）におけるＣ１−Ｃ２断面を示し、図５（ｃ）は図５（ｂ）におけるＣ３−Ｃ４断面を示す。図４の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図５（ｂ）に示すように、図４（ｂ）に示された複数の放熱板５０は、コルゲートフィン４２の延伸区間４６に置き換えられている。コルゲートフィン４２は、基本ユニット壁１６および他のコルゲートフィン４２に接触しないよう配置されている。

図５（ｃ）の矢印Ｆ６に示すように、冷媒供給穴２６から延伸区間４６の間の領域に送られた冷媒は、絶縁層２２、基本ユニット板１４、およびコルゲートフィン４２を介して半導体素子２０から熱を取得する。半導体素子２０から熱を取得した冷媒は、図５（ｃ）の矢印Ｆ７に示すように、屈曲区間４４がない側へと送り出される。コルゲートフィン４２から送り出された冷媒は、ノズル板２４と基本ユニット板１４との間に挟まれた領域のうち、延伸区間４６の間の領域外の領域に形成された排冷媒路５２へと送り出される。

このような半導体冷却器５４の構成においても、図４に示した半導体冷却器４８の原理と同様の原理により、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができ、さらに、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。

図６に本発明の第３実施形態に係る半導体冷却器５６の構成を示す。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示される構成から流入路ガイド３０を取り除いたものを、図６（ａ）の下側から見た図である。図６（ａ）は、図６（ｂ）におけるＤ１−Ｄ２断面を示し、図６（ｃ）は図６（ｂ）におけるＤ３−Ｄ４断面を示す。図４の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。この半導体冷却器５６は、排冷媒路５２にサブ放熱板５８としての突起部を設けたものである。

各サブ放熱板５８は、基本ユニット板１４からノズル板２４に向かう方向への高さが放熱板５０より低い長方形状に形成されており、一辺が基本ユニット板１４に接するよう基本ユニット板１４に配置されている。また、複数のサブ放熱板５８は、板面方向を揃えて、所定の間隔で厚み方向に連ねて配置されている。図６の例では、各サブ放熱板５８は、一方の端が基本ユニット壁１６に接触し、他方の端が放熱板５０に接触するよう、対応する放熱板５０と一体形成されている。

サブ放熱板５８は、放熱板５０の間隔と同一の間隔で配置しなくてもよい。また、基本ユニット板１４のみならず、ノズル板２４にもサブ放熱板５８を設けてもよいし、ノズル板２４のみにサブ放熱板５８を設けてもよい。なお、本実施形態に係る半導体冷却器５６においても、放熱板列をコルゲートフィンに置き換えることができる。

第３実施形態に係る半導体冷却器５６によれば、第１および第２実施形態に係る半導体冷却装置と同様の原理により、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができ、さらに、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。加えて、排冷媒路５２の表面積が広くなるため、サブ放熱板５８を設けない場合に比べて冷却性能を高くすることができる。

図７に本発明の第４実施形態に係る半導体冷却器６０の構成を示す。図７（ｂ）は、図７（ａ）に示される構成から流入路ガイド３０を取り除いたものを、図７（ａ）の下側から見た図である。図７（ａ）は、図７（ｂ）におけるＥ１−Ｅ２断面を示し、図７（ｃ）は図７（ｂ）におけるＥ３−Ｅ４断面を示す。本実施形態に係る半導体冷却器６０は、第１実施形態に係る半導体冷却器１０におけるノズル板２４および冷媒案内壁２８を、波状ノズル板６２に置き換えたものである。図１および図２に示す構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図８に波状ノズル板６２、放熱板１８、および基本ユニット板１４の詳細な構成を示す。基本ユニット１２には、基本ユニット壁１６で囲まれた領域の開口を覆う波状ノズル板６２が取り付けられている。波状ノズル板６２は、放熱板１８が連ねられた方向に対し交差する方向に波打つ形状を有し、放熱板１８が連ねられた方向に山および谷が延伸するよう形成されている。ここでは、放熱板１８が連ねられた方向に対し垂直な方向に波打つ形状であるものとし、波打ち形状は、コルゲート形状（葛折り形状）であるものとする。放熱板１８側を臨む板面側の山の頂部は、各放熱板１８の縁に接触している。

波状ノズル板６２においては、放熱板１８の縁に接触する頂部に、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴２６が設けられている。冷媒供給穴２６は、放熱板間の各領域に開口が及ぶよう長さが定められる。ただし、冷媒供給穴２６は、放熱板１８が配置されている領域の全区間に及んでいなくともよい。例えば、図７（ｂ）に示すように、放熱板間の領域にさしかかった所で終端Ｔを有するものとし、放熱板１８が配置されている領域において所定の長さで分割されていてもよい。

なお、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴２６に代えて、放熱板１８が連ねられた方向に、放熱板間の領域ごとに冷媒供給穴を配列してもよい。また、複数の放熱板間領域のうちの一部については、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給穴を採用し、その他の放熱板間領域については、放熱板間の領域ごとに冷媒供給穴を配列した構成を採用してもよい。

図７に示すように波状ノズル板６２は、流入路ガイド３０によって覆われている。図７の例では、流入路ガイド３０は、流入路板３２、および流入路板３２の対向する２辺に設けられた流入路壁３４を備え、断面がＵ字形状を有する通路を形成している。図７（ａ）および（ｂ）において、流入路ガイド３０の右端には終端壁３６が設けられている。流入路ガイド３０の左端には、壁は設けられておらず、波状ノズル板６２と共に冷媒の入口３８を形成する。

波状ノズル板６２は、金属板で形成してもよい。その製造工程には、プレス加工およびロール成形を用いてもよい。すなわち、先に、平坦な金属板にプレス加工によって冷媒供給穴２６を開ける。その後、図９に示すように、冷媒供給穴２６の位置と山の位置とが一致し、冷媒供給穴２６の延伸方向と山の延伸方向とが一致するよう、ロール成形によって金属板をコルゲート形状に形成する。

次に、半導体冷却器６０に冷媒を流通させたときの冷媒の流れ、および半導体素子２０と冷媒との間の熱交換作用について説明する。冷媒は、図７（ａ）の矢印Ｆ１に示すように、入口３８から半導体冷却器６０に送り込まれる。入口３８から送り込まれた冷媒は、流入路ガイド３０および波状ノズル板６２との間に形成されている流入路を流通する。流入路を流通する冷媒は、図７（ａ）および（ｃ）の矢印Ｆ２に示すように、波状ノズル板６２の谷に導かれ、冷媒供給穴２６から放熱板１８の間の領域に送られる。放熱板１８の間の領域に送られた冷媒は、絶縁層２２、基本ユニット板１４、および放熱板１８を介して半導体素子２０から熱を取得する。半導体素子２０から熱を取得した冷媒は、図７（ｃ）の矢印Ｆ３に示すように、流入路とは反対側の面に形成されている波状ノズル板６２の谷によって形成される排冷媒路４０、および、波状ノズル板６２と基本ユニット壁１６とに囲まれる、図７（ｃ）の上下の排冷媒路４０へと送り出される。排冷媒路４０に送り出された冷媒は、図７（ａ）の矢印Ｆ４に示すように、排冷媒路４０を通って半導体冷却器６０から放出される。このように冷媒が流通することで、冷媒は半導体素子２０から熱を取得する。一方、半導体素子２０は冷媒によって熱を奪われ冷却される。

ここでは、波状ノズル板として、コルゲート形状に波打つものについて説明した。波状ノズル板としては、図１０（ａ）に符号６４を以て示すようにジグザグ形状（三角波形状）に波打つものを採用してもよい。この場合、平坦な金属板にプレス加工によって冷媒供給穴２６を開けた後、冷媒供給穴２６の位置と山の位置とが一致し、冷媒供給穴２６の延伸方向と山の延伸方向とが一致するよう、金属板をジグザグ形状に折り曲げればよい。また、各斜面を形成する長方形状の金属板を接合することで波状ノズル板６４を形成してもよい。図１０（ｂ）は、ジグザグ形状に波打つ波状ノズル板６４を用いた場合の断面図であり、コルゲート形状に波打つ波状ノズル板６２を用いた半導体冷却器６０の図７（ｃ）の断面図に対応させたものある。

第４実施形態に係る半導体冷却器６０によれば、第１、第２および第３実施形態に係る半導体冷却器と同様の原理により、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができ、さらに、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。加えて、簡易な工法かつ単純な構成で波状ノズル板を提供することができるため、冷却器の軽量化、コスト低減化を図ることができる。

図１１（ａ）に本発明の第５実施形態に係る半導体冷却器６６の構成を示す。この半導体冷却器６６は、第４実施形態に係る半導体冷却器６０について、波状ノズル板６２の山の頂部に流入路板３２を接触させたものである。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示される構成から流入路板３２を取り除いたものを、図１１（ａ）の下側から見た図である。図１１（ａ）は、図１１（ｂ）におけるＧ１−Ｇ２断面を示し、図１１（ｃ）は図１１（ｂ）におけるＧ３−Ｇ４断面を示す。図７に示す構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。

図１１（ｃ）に示すように波状ノズル板６２は、流入路板３２によって覆われている。波状ノズル板６２と、流入路板３２との間には流入路６８が形成されている。なお、ここでは、波状ノズル板６２の山の高さが一様である構成について示しているが、山の高さがそれぞれ異なる場合には、波状ノズル板６２の山の頂部に流入路板３２が接触するよう流入路板３２を変形させる。図１１（ａ）において、波状ノズル板６２と流入路板３２との間の領域の左端は冷媒の入口３８となる。

次に、半導体冷却器６６に冷媒を流通させたときの冷媒の流れ、および半導体素子２０と冷媒との間の熱交換作用について説明する。冷媒は、図１１（ａ）の矢印Ｆ１に示すように、入口３８から半導体冷却器６６に送り込まれる。入口３８から送り込まれた冷媒は、波状ノズル板６２と流入路板３２との間に形成されている流入路６８を流通する。流入路６８を流通する冷媒は、図１１（ａ）および（ｃ）の矢印Ｆ２に示すように、冷媒供給穴２６から放熱板１８の間の領域に送られる。放熱板１８の間の領域に送られた冷媒は、絶縁層２２、基本ユニット板１４、および放熱板１８を介して半導体素子２０から熱を取得する。半導体素子２０から熱を取得した冷媒は、図１１（ｃ）の矢印Ｆ３に示すように、流入路６８とは反対側の面に形成されている波状ノズル板６２の谷によって形成される排冷媒路４０、および、波状ノズル板６２と基本ユニット壁１６とに囲まれる、図１１（ｃ）の上下の排冷媒路４０へと送り出される。排冷媒路４０に送り出された冷媒は、図１１（ａ）の矢印Ｆ４に示すように、排冷媒路４０を通って半導体冷却器６６から放出される。このように冷媒が流通することで、冷媒は半導体素子２０から熱を取得する。一方、半導体素子２０は冷媒によって熱を奪われ冷却される。

ここでは、波状ノズル板として、コルゲート形状に波打つものについて説明した。波状ノズル板としては、第４実施形態と同様、図１０（ａ）に示すようにジグザグ形状に波打つものを採用してもよい。図１２は、ジグザグ形状に波打つ波状ノズル板６４を用いた場合の断面図であり、コルゲート形状に波打つ波状ノズル板６２を用いた半導体冷却器６６の図１１（ｃ）の断面図に対応させたものである。

なお、第４および第５実施形態に係る半導体冷却器においても、放熱板１８による放熱板列を、図３、図５に示すようなコルゲートフィン４２に置き換えることができる。

第５実施形態に係る半導体冷却器６６によれば、第１、第２、第３および第４実施形態に係る半導体冷却器と同様の原理により、冷却性能の空間的なばらつきを抑制することができ、さらに、半導体冷却器に送り込む冷媒の圧力を低減することができる。加えて、簡易な工法かつ単純な構成で波状ノズル板を提供することができるため、冷却器の軽量化、コスト低減化を図ることができる。

第１、第２、第３、第４および第５実施形態に係る半導体冷却器は、前段から放出された冷媒が、後段の入口へと導かれるよう縦続接続して用いてもよい。この場合、前段の半導体冷却器の排冷媒路から、後段の入口へと至る流路を設ける。

図１３に、第２実施形態に係る半導体冷却器４８を縦続接続した場合の構成例を示す。図４の構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。この構成例では、各段の基本ユニット板１４および流入路板３２は一体に形成されている。各段に対して一体に形成された基本ユニット板１４および流入路板３２によって、前段の排水路の出口から後段の入口との間には、前段から後段へと冷媒を導く接続路７０が形成されている。

なお、第１、第３、第４および第５実施形態に係る半導体冷却器についても同様に、複数の半導体冷却器を縦続接続した構成とすることができる。

上記では、半導体素子２０を冷却する冷却器について説明した。本発明は、半導体素子２０の冷却の他、エンジン、モータ等他の冷却対象物の冷却に用いてもよい。この場合、冷却対象物が基本ユニット板１４に接触するよう、本発明の実施形態に係る冷却器に冷却対象物を配置すればよい。

１０，４８，５４、５６，６０，６６半導体冷却器、１２基本ユニット、１４基本ユニット板、１６基本ユニット壁、１８，５０放熱板、２０半導体素子、２２絶縁層、２４ノズル板、２６冷媒供給穴、２８冷媒案内壁、３０流入路ガイド、３２流入路板、３４流入路壁、３６終端壁、３８入口、４０，５２排冷媒路、４２コルゲートフィン、４４屈曲区間、４６延伸区間、５８サブ放熱板、６２，６４波状ノズル板、６８流入路、７０接続路。

Claims

冷却対象物が取り付けられる基本部材と、
対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、
前記放熱板の間の領域に冷媒を供給する冷媒供給部が設けられたノズル面を有し、前記複数の放熱板を挟んで当該ノズル面が前記放熱板配置面と対向するよう配置されたノズル部材と、
を備え、
前記冷媒供給部は、
前記複数の放熱板が連なる方向に延伸する冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域に開口が及ぶ冷媒供給穴を含み、
前記冷媒供給穴から短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を供給し、
前記ノズル部材は、
一方の板面に前記ノズル面を有するノズル板を含み、
前記冷却器は、
前記ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする冷却器。
冷却対象物が取り付けられる基本部材と、
対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、
前記放熱板の間の領域に冷媒を供給する冷媒供給部が設けられたノズル面を有し、前記複数の放熱板を挟んで当該ノズル面が前記放熱板配置面と対向するよう配置されたノズル部材と、
を備え、
前記冷媒供給部は、
前記複数の放熱板が連なる方向に配列された複数の冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域のそれぞれに対して冷媒供給穴が設けられた複数の冷媒供給穴を含み、
前記冷媒供給穴から短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を供給し、
前記ノズル部材は、
一方の板面に前記ノズル面を有するノズル板を含み、
前記冷却器は、
前記ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする冷却器。
請求項１または請求項２に記載の冷却器において、
前記冷媒供給部を挟むよう前記ノズル面に配置された冷媒案内壁、
を備え、
前記冷媒案内壁は、
前記冷媒供給部から前記放熱板間領域に冷媒を導くと共に、前記冷媒供給部の側とは反対側の壁面に前記放熱板間領域から放出された冷媒を、案内することを特徴とする冷却器。
前記ノズル面が各放熱板と接するよう前記ノズル部材が配置される、
請求項１または請求項２に記載の冷却器において、
前記放熱板配置面と前記ノズル面との間に挟まれる領域のうち前記放熱板間領域外の領域に設けられ、当該放熱板間領域から放出された冷媒を案内する排冷媒案内壁を備えることを特徴とする冷却器。
請求項４に記載の冷却器において、
前記放熱板間領域と前記排冷媒案内壁との間の領域に設けられ、前記ノズル面および前記放熱板配置面の少なくとも一方から突出する突起部を備えることを特徴とする冷却器。
冷却対象物が取り付けられる基本部材と、
対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、
前記複数の放熱板が連なる方向に交差する方向に波打つよう形成され、前記放熱板配置面に接する長辺に対向する前記放熱板の長辺に、一方の板面に形成された頂部が接するよう配置された波状ノズル板と、を備え、
前記波状ノズル板は、
前記複数の放熱板が連なる方向に延伸する冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域に開口が及ぶ冷媒供給穴を前記頂部に有し、
前記一方の板面とは反対側の板面から前記冷媒供給穴を介して短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を導くと共に、前記放熱板間領域から放出された冷媒を、前記放熱板間領域と前記波状ノズル板との間に形成された領域に導き、
前記冷却器は、
前記波状ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする冷却器。
冷却対象物が取り付けられる基本部材と、
対向する２つの長辺と、各長辺と交わる方向に伸び対向する２つの短辺と、をそれぞれが有する複数の放熱板であって、前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一方の長辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、
前記複数の放熱板が連なる方向に交差する方向に波打つよう形成され、前記放熱板配置面に接する長辺に対向する前記放熱板の長辺に、一方の板面に形成された頂部が接するよう配置された波状ノズル板と、を備え、
前記波状ノズル板は、
前記複数の放熱板が連なる方向に配列された複数の冷媒供給穴であって、複数の放熱板間領域のそれぞれに対して冷媒供給穴が設けられた複数の冷媒供給穴を前記頂部に有し、
前記一方の板面とは反対側の板面から前記冷媒供給穴を介して短辺方向に向けて前記放熱板間領域に冷媒を導くと共に、前記放熱板間領域から放出された冷媒を、前記放熱板間領域と前記波状ノズル板との間に形成された領域に導き、
前記冷却器は、
前記波状ノズル板における前記一方の板面とは反対側の板面を覆って１つの冷媒流入路を形成する流入路形成部材を備え、前記冷媒流入路に前記冷媒供給穴が開口していることを特徴とする冷却器。
請求項６または請求項７に記載の冷却器において、
前記放熱板配置面と前記波状ノズル板との間に挟まれる領域のうち前記放熱板間領域外の領域に設けられ、当該放熱板間領域から放出された冷媒を案内する排冷媒案内壁を備えることを特徴とする冷却器。
冷却器であって、
冷却対象物が取り付けられる基本部材と、
前記基本部材が有する放熱板配置面にそれぞれの一辺が接し、厚み方向に連ねて配置された複数の放熱板と、
前記放熱板の間の領域に冷媒を供給する冷媒供給部が設けられたノズル面を有し、前記複数の放熱板を挟んで当該ノズル面が前記放熱板配置面と対向するよう配置されたノズル部材と、
を備え、
前記冷媒供給部は、
複数の放熱板間領域に対し、前記放熱板と前記放熱板配置面とが接する線の方向に交わる方向に冷媒を供給し、
前記ノズル面が各放熱板と接するよう前記ノズル部材が配置され、
前記冷却器は、さらに、
前記放熱板配置面と前記ノズル面との間に挟まれる領域のうち前記放熱板間領域外の領域に設けられ、当該放熱板間領域から放出された冷媒を案内する排冷媒案内壁と、
前記放熱板間領域と前記排冷媒案内壁との間の領域に設けられ、前記ノズル面および前記放熱板配置面の少なくとも一方から突出する突起部と、
を備えることを特徴とする冷却器。
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の冷却器において、
帯形状に形成され、当該帯形状の一方の長辺が前記放熱板配置面に接するよう配置され、当該放熱板配置面上で屈曲すると共に、屈曲区間の間の区間が前記放熱板を形成するコルゲートフィン、
を備えることを特徴とする冷却器。