JP5589468B2 - 発熱素子の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱素子の冷却装置に関するものである。

従来より、発熱素子を冷却する冷却装置として、一対の放熱体を各放熱体に備えられた嵌合部で組み合わせてなるものが知られている。このような発熱素子の冷却装置として、一対の放熱体の嵌合部間から冷媒が漏出することを防止するために、一対の放熱体の嵌合部間に、Ｏ−リングなどのシール部材が介装された発熱素子の冷却装置が開示されている（特許文献１）。

特開２００６−１９４７７号公報

しかしながら、従来技術では、シール部材が劣化し、シール部材のシール性能が低下した場合に、冷媒が漏出してしまう場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、シール部材が劣化した場合でも、冷媒の漏出を有効に防止できる発熱素子の冷却装置を提供することである。

本発明は、第１嵌合部を有する第１放熱体と、第２嵌合部を有する第２放熱体と、第１嵌合部と第２嵌合部との間に介装されるシール部材と、を備える発熱素子の冷却装置において、第１嵌合部と第２嵌合部との間に形成された間隙は、第１嵌合部と第２嵌合部とが第１放熱体の主面に沿う第１方向において対向し、第１の幅を有する第１部分、および、第１嵌合部と第２嵌合部とが第１の方向に対して略垂直な第２の方向において対向し、第１の幅よりも狭い第２の幅を有する第２部分を有し、シール部材は、冷媒流路側において冷媒に接するとともに、間隙側において空気と接しており、シール部材は、劣化していない初期状態においては、第１部分のうち、第２部分から離れた位置であり、かつ、シール部材の断面が第２嵌合部と２か所で接する位置または当該位置の近傍に設置されることにより、上記課題を解決する。

本発明によれば、第１嵌合部と第２嵌合部との間の間隙に、幅狭部が形成されているため、シール部材が劣化した場合であっても、劣化したシール部材が、該幅狭部において、冷媒流路を適切にシールすることができ、これにより、冷媒流路からの冷媒の漏出を有効に防止することができる。

本実施形態に係る半導体装置を示す正面図である。 図１に示す半導体装置の側面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 図１のIV-IV線に沿う断面図である。 半導体素子と放熱フィンとの位置関係を説明するための図である。 図４のVI部分における要部断面図である。 第１実施形態に係る半導体装置の作用効果を説明するための図である。 第２実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 第２実施形態に係る半導体装置の作用効果を説明するための図である。 第３実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置を示す断面図である。 第４実施形態に係る半導体装置の作用効果を説明するための図である。

以下、本発明の本実施形態を図面に基づいて説明する。

≪第１実施形態≫
本実施形態に係る半導体装置は、スイッチング素子やダイオードを含む半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却するための冷却器とからなるものである。このような半導体装置は、スイッチング素子の導通／非導通を制御することにより、直流電源からの直流電流を三相交流電流に変換することが可能となっており、例えば、ハイブリッド車や燃料電池車等の電動車両用駆動モーターへ電力を供給するインバータ装置に用いることができる。

図１は第１実施形態に係る半導体装置を示す正面図、図２は図１に示す半導体装置の側面図である。図１および図２に示すように、本実施形態に係る半導体装置１は、３つの半導体モジュール２と、２つの冷却器３，７（第１冷却器３および第２冷却器７）とから構成されており、各半導体モジュール２を２つの冷却器３，７で挟み込むことにより、半導体装置１においては、半導体モジュール２を両面から冷却する両面冷却構造が採られている。

冷却器３，７による冷却対象物である半導体モジュール２は、三相インバータブリッジ回路を個別に構成するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのトランジスタやダイオードからなる半導体素子２１，２２を有している。これら半導体素子２１，２２の両主面には、はんだ付けにより形成されたはんだ層２３，２４を介して、一対の電極２５，２６が接続されている。また、半導体装置１を構成する各半導体モジュール２は、端子電極２７，２８に電気的に接続されており、端子電極２７，２８を介して、電力の入力／出力が可能となっている。なお、半導体モジュール２は、通電により発熱することから、以下に説明する冷却器３，７により、除熱が行われることとなる。また、半導体素子２１，２２は、ＩＧＢＴなどのトランジスタやダイオードに限定されるものではなく、他の発熱素子であってもよい。

第１冷却器３および第２冷却器７は、半導体モジュール２を冷却するための冷却器であり、図１に示すように、第１冷却器３は、各半導体モジュール２の下側に配置されており、第２冷却器７は、各半導体モジュール２の上側に配置されている。ここで、図３は、図２のIII-III線に沿う断面図である。

第１冷却器３は、図３に示すように、各半導体モジュール２に対応して設けられた３つの第１放熱体４に、単一の第２放熱体５を組み合わせて構成されており、これら第１放熱体４と第２放熱体５とが組み合わさることにより、内部に冷媒が流れるための流路（以下、冷媒流路。）が形成されている。そして、導入パイプ３１から、第１冷却器３内に形成された冷媒流路内に冷媒が連続的に導入され、導入された冷媒が、Ｘ方向に沿って、この冷媒流路を流れることにより、各半導体モジュール２により発生した熱を放熱できるようになっている。なお、第１冷却器３内に導入された冷媒は、排出パイプ３２から連続的に排出されることとなる。また、第１冷却器３を構成する各第１放熱体４および第２放熱体５は、例えば、熱伝導性の優れたアルミニウムやアルミニウム合金などを原材料として、ダイカストや押出し成型などにより、それぞれ個別に成型されてなるものである。

図４は、図１のIV-IV線に沿う断面図である。この図４中においては、第１冷却器３を構成する３つの第１放熱体４のうち、冷媒流路の最も上流側に配置された第１放熱体４を通る断面を示している。以下、３つの第１放熱体４のうち、冷媒流路の最も上流側に配置された第１放熱体４を例示して説明を行なうが、他の第１放熱体４も同様の構成を有するものである。第１放熱体４は、図４に示すように、一方の主面に、半導体モジュール２が配置され、半導体モジュール２から伝達された熱を受熱するような構成となっている。また、第１放熱体４は、他方の主面に、受熱した熱を放熱するための放熱部４１と、放熱部４１を周囲する第１嵌合部４３とを有している。なお、第１嵌合部４３は、後述する第２放熱体５の第２嵌合部５２に嵌合するための部分である。

図５は、半導体素子２１，２２と放熱部４１との位置関係を説明するための図であり、第１放熱体４をＺ軸方向に沿って半導体モジュール２側から見た図である。なお、図５においては、半導体素子２１，２２を実線で、放熱フィン４２ａ〜４２ｅを破線で、放熱部４１を一点鎖線で、それぞれ示している。図４、図５に示すように、放熱部４１は、第２放熱体５側に向かって突出した複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅを有しており、これら複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅは、図４、図５に示すように、半導体素子２１，２２を中心として、Ｙ方向に所定の間隔で配列されている。また、これら複数の放熱フィン４２ａ〜４２ｅは、図５に示すように、Ｘ方向（すなわち、冷媒の流れ方向）に沿って、連続的に延伸してなるものである。

第１嵌合部４３は、図４、図５に示すように、放熱部４１を周囲している。第１嵌合部４３は、シール部材６を介して、第２放熱体５の第２嵌合部５３と嵌合されており、第１嵌合部４３および第２嵌合部５３を互いに嵌合することで、第１放熱体４と第２放熱体５とが組み合わされている。

一方、第２放熱体５は、図４に示すように、第１放熱体４の放熱部４１を受容する受容部５１と、この受容部５１を周囲する第２嵌合部５３とを有している。図４に示すように、第２嵌合部５３は、第１放熱体４の第１嵌合部４３と、シール部材６を介して嵌合しており、これにより、受容部５１は、図４に示すように、第１放熱体４の放熱部４１（放熱フィン４２ａ〜４２ｅを含む）を受容しつつ、第１放熱体４の放熱部４１とともに、冷媒流路を形成することとなる。

そして、第１放熱体と第２放熱体とを組み合わせて形成された冷媒流路内に、冷媒を流通させることで、冷媒流路内を流通する冷媒により、第１放熱体４が冷却され、これにより、半導体モジュール２が冷却されるようになっている。具体的には、半導体モジュール２で発生した熱は、半導体モジュール２が配置されている第１放熱体４により受熱され、第１放熱体４の放熱フィン４２ａ〜４２ｅに熱拡散し、拡散した熱が、冷媒流路内を流れる冷媒により、第１放熱体４の放熱フィン４２ａ〜４２ｅが冷却されることで、第１放熱体４に配置された半導体モジュール２が冷却されることとなる。

また、第１放熱体４と第２放熱体５との間には、図４に示すように、シール部材６が介装されている。このシール部材６は、各嵌合部４３，５３により両側から押圧された状態で介装されており、これにより、各嵌合部４３，５３にそれぞれ密着し、冷媒流路をシールしている。なお、シール部材６としては、特に限定されないが、例えば、ゴム材料などの弾性体からなるシールリングなどを用いることができる。

図６は、図４のVI部分における要部断面図であり、図４に示す第１放熱体４の第１嵌合部４３と第２放熱体５の第２嵌合部５３との嵌合部分を示している。第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間には、図６に示すように、シール部材６が介装されており、シール部材６を介して、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３とが嵌合されている。

図６に示すように、第１嵌合部４３には、高さｈ_１の段差形状が設けられており、また、第２嵌合部５３には、高さｈ_２の段差形状が設けられている。そして、このように段差形状をそれぞれ有する第１嵌合部４３および第２嵌合部５３は、シール部材６を介して、嵌合されており、これにより、図６に示すように、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に、間隙１００が形成されている。

この間隙１００は、図６に示すように、シール部材６により冷媒流路から隔てられており、シール部材６を間にして、冷媒流路が形成されている側と異なる側に形成されている。また、この間隙１００は、図６に示すように、第１冷却器３の外部に連通して形成されているため、シール部材６は、冷媒流路側の部分において、冷媒と接する一方で、冷媒流路とは異なる間隙１００側の部分において、該間隙１００を介して、外気と接することとなる。

この間隙１００は、図６に示すように、幅がｗ_１である第１部分１０１と、幅がｗ_２である第２部分１０２とを有している。第１部分１０１は、第１嵌合部４３の対向面４４と、第２嵌合部５３の対向面５４とが、幅ｗ_１で対向することにより形成されている。また、図６に示すように、第１部分１０１は、第１嵌合部４３の対向面４４と第２嵌合部５３の対向面５４とにより、シール部材６を押圧することにより、幅ｗ_１で形成されてなるものである。そのため、シール部材６の配置位置における第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間の幅も、幅ｗ_１となっている。

一方、第２部分１０２は、第１嵌合部４３の対向面４５と、第２嵌合部５３の対向面５５とが、幅ｗ_２で対向することにより、形成されている。本実施形態においては、この第２部分１０２の幅ｗ_２は、第１部分１０１の幅ｗ_１よりも、幅が狭く形成されている。すなわち、図６中において、間隙１００の幅は、ｗ_１＞ｗ_２の関係となるように形成されている。

以上のように、第１冷却器３は構成される。

また、半導体装置１は、図３、図４に示すように、上述した第１冷却器３以外に、第２冷却器７を備えており、第２冷却器７は、複数の放熱フィン７１ａ〜７１ｅと、導入パイプ７２と、排出パイプ７３とを有している。第２冷却器７においても、第１冷却器３と同様に、冷媒が、連続的に、導入パイプ７２から第２冷却器７の冷媒流路内へと導入され、これにより、半導体モジュール２を冷却するようになっている。

以上のように、本実施形態では、半導体モジュール２を冷却するための冷却器として、第１放熱体４と第２放熱体５とが組み合わされてなる第１冷却器３を有している。そして、この第１冷却器３においては、第１放熱体４の第１嵌合部４３と第２放熱体５の第２嵌合部５３との間には、間隙１００が形成されており、この間隙１００は、幅がｗ_１である第１部分１０１と、幅がｗ_２である第２部分１０２とを有し、この第２部分１０２の幅ｗ_２が、第１部分１０１の幅ｗ_１よりも、幅が狭く形成されている。これにより、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、劣化したシール部材６が、幅の狭い第２部分１０２において、冷媒流路を適切にシールすることができるため、冷媒の漏れを有効に防止することができる。具体的には、図６に示すように、シール部材６は、劣化していない初期状態においては、図６に示す位置において、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３とにより挟持され、冷媒流路をシールしている。そして、図７に示すように、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、図７に示す位置において、冷媒流路をシールすることができる。すなわち、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、第１部分１０１よりも狭い幅を有する第２部分１０２において、冷媒流路を適切にシールすることができる。すなわち、シール部材６の自封効果により、冷媒流路を適切にシールすることができる。ここで、図７は、第１実施形態に係る半導体装置１の作用効果を説明するための図であり、図７に示す断面は、図６に示す断面に相当するものである。

すなわち、図６に示す初期状態においては、シール部材６は、第１嵌合部４３の対向面４４と第２嵌合部５３の対向面５４とにより両側から押圧されており、第１嵌合部４３および第２嵌合部５３に密着している。そのため、シール部材６は、図６に示す位置で、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３とにより挟持され、冷媒流路をシールしている。

一方、シール部材６が劣化し、シール部材６の弾性力の低下や、シール部材６の変形などにより、シール部材６のシール性能が低下した場合、シール部材６と第１嵌合部４３との間、および、シール部材６と第２嵌合部５３との間の密着力は小さくなる。ここで、シール部材６は、上述したように、冷媒流路側において、冷媒流路内を流れる冷媒と接しており、冷媒の圧力により、間隙１００側へと押圧されている一方、シール部材６は、間隙１００側において、間隙を介して、外気と接しており、外気からの圧力により、冷媒流路側へと押圧されている。通常、冷媒の圧力は外気の圧力よりも大きく、シール部材６には、間隙側に押し上げる押圧力がより大きく掛かることとなる。そのため、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合、シール部材６は、冷媒の押圧力に耐え切れず、図７に示すように、間隙１００側に向かって、図７に示す位置まで、押し上げられることとなる。

ここで、上述したように、第１嵌合部４３と第２嵌合部５３との間に形成された間隙１００は、幅がｗ_１である第１部分１０１と、幅がｗ_２である第２部分１０２とを有しており、第２部分の幅ｗ_２は、第１部分の幅ｗ_１よりも、幅が狭く形成されている。そのため、本実施形態によれば、冷媒の圧力により間隙１００側に押し上げられたシール部材６は、図７に示す位置に移動し、図７に示す位置において、冷媒流路を適切にシールすることができ、これにより、冷媒流路からの冷媒の漏出を有効に防止することができる。

≪第２実施形態≫
続いて、本発明の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る第１冷却器３ａの断面図であり、図４のIV部分に相当する部分における要部断面図である。第２実施形態においては、第１冷却器３ａが、以下に説明する点において、第１実施形態の第１冷却器３と異なる以外は、上述の第１実施形態と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

図８に示すように、第１冷却器３ａは、第１放熱体４ａの第１嵌合部４３ａに、第２放熱体５の対向面５４に対向するテーパー面４４ａが形成されており、この点において、第１実施形態に係る第１冷却器３と異なる。なお、このテーパー面４４ａは、例えば、個別成型した第１放熱体の嵌合部を、切削加工することにより設けることができる。

そして、テーパー面４４ａが設けられた第１嵌合部４３ａと、段差形状が設けられた第２嵌合部５３とは、シール部材６を介して、嵌合されており、これにより、図８に示すように、第１嵌合部４３ａと第２嵌合部５３との間に、間隙１００ａが形成されている。

この間隙１００ａは、図８に示すように、シール部材６の配置位置から遠いほど、幅が連続的に狭くなる第１部分１０１ａと、幅がｗ_２である第２部分１０２ａとを有している。

第１部分１０１ａは、第１嵌合部４３ａのテーパー面４４ａと、第２嵌合部５３の対向面５４との間に形成される間隙であり、第１部分１０１ａは、図８に示すように、テーパー面４４ａが対向面５４に対して傾いて形成されているため、第１部分１０１ａの幅は、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、連続的に狭くなっている。すなわち、図８に示すように、第１部分１０１ａは、シール部材６の配置位置付近において、その幅が最も広くなるように形成されている。

一方、第２部分１０２ａは、第１嵌合部４３ａの対向面４５ａと、第２嵌合部５３の対向面５５とが、幅ｗ_２で対向することにより、形成されている。本実施形態においては、この第２部分１０２ａの幅ｗ_２は、第１部分１０１ａの幅よりも、幅が狭く形成されている。

以上のように、第２実施形態では、第１嵌合部４３ａにテーパー面４４ａが設けられており、テーパー面４４ａを有する第１嵌合部と、段差形状を有する第２嵌合部５３との間に、間隙１００ａが形成されている。そして、この間隙１００ａは、第１部分１０１ａと、第２部分１０２ａとを有しており、この第１部分１０１ａは、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、幅が連続的に狭く形成されている。これにより、第１冷却器３ａでは、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、劣化したシール部材６が、第１部分中のシール部材６の劣化度合いに応じた位置において、冷媒流路を連続的にシールすることができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。すなわち、シール部材６の自封効果を持続することができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。

具体的には、シール部材６は、劣化していない初期状態においては、図８に示す位置で、第１嵌合部４３ａと第２嵌合部５３とにより挟持され、冷媒流路をシールしている。そして、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合、冷媒の圧力により、間隙１００ａ側に向かって、徐々に押し上げられていくこととなる。

ここで、上述したように、第１嵌合部４３ａと第２嵌合部５３との間に形成された間隙１００ａは、テーパー面４４ａと対向面５４との間に形成された第１部分１０１ａを有しており、この第１部分１０１ａは、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、連続的に幅が狭く形成されている。そのため、シール部材６が劣化すると、シール部材６は、劣化度合いに応じて、徐々に間隙１００ａ側に移動し、例えば、図９（Ａ）に示す位置で、第１嵌合部４３ａと第２嵌合部５３とに挟持され、冷媒流路をシールする。

そして、同様に、シール部材６がさらに劣化していくと、シール部材６は、劣化度合いに応じて、徐々に間隙１００ａ側に移動し、例えば、図９（Ａ）に示す位置よりさらに幅の狭い図９（Ｂ）に示す位置で冷媒流路をシールし、その後、さらにシール部材６が劣化した場合には、例えば、図９（Ｂ）に示す位置よりさらに幅の狭い図９（Ｃ）に示す位置で、冷媒流路をシールする。このように、第２実施形態に係る第１冷却器３ａでは、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、シール部材６は、シール部材６の劣化度合いに応じて、冷媒流路を連続的にシールすることができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。なお、図９は、第２実施形態に係る半導体装置の作用効果を説明するための図であり、図９は、図８に示す断面に相当する断面における断面図である。

≪第３実施形態≫
続いて、本発明の第３実施形態について説明する。図１０は、第３実施形態に係る第１冷却器３ｂの断面図であり、図４のIV部分に相当する要部断面図である。第３実施形態においては、第１冷却器３ｂが、以下に説明する点において、第１実施形態の第１冷却器３と異なる以外は、上述の第１実施形態と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

図１０に示すように、第１冷却器３ｂは、第１放熱体４ｂの第１嵌合部４３ｂにテーパー面４４ｂが、第２放熱体５ｂの第２嵌合部５３ｂに、テーパー面４４ｂに対向するテーパー面５４ｂが、それぞれ形成されており、これらの点において、第１実施形態に係る第１冷却器３と異なる。なお、テーパー面４３ｂおよびテーパー面５４ｂは、例えば、個別成型した各放熱体の嵌合部を、切削加工することにより設けることができる。

そして、テーパー面４４ｂが設けられた第１嵌合部４３ｂと、テーパー面５４ｂが設けられた第２嵌合部５３ｂとは、シール部材６を介して、嵌合されており、図１０に示すように、第１嵌合部４３ｂと第２嵌合部５３ｂとの間に、間隙１００ｂが形成されている。

この間隙１００ｂは、図１０に示すように、シール部材６の配置位置から遠いほど、幅が連続的に狭くなる第１部分１０１ｂと、幅がｗ_２である第２部分１０２ｂとを有している。

第１部分１０１ｂは、第１嵌合部４３ｂのテーパー面４４ｂと、第２嵌合部５４ｂのテーパー面５４ｂとの間に形成される間隙であり、第１部分１０１ｂは、図１０に示すように、テーパー面４４ｂの傾斜角度とテーパー面５４ｂの傾斜角度とが互いに異なるため、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、その幅が連続的に狭くなっている。すなわち、図１０に示すように、第１部分１０１ｂは、シール部材６の配置位置付近において、その幅が最も広くなるように形成されている。

一方、第２部分１０２ｂは、第１嵌合部４３ｂの対向面４５ｂと、第２嵌合部５３ｂの対向面５５ｂとが、幅ｗ_２で対向することにより、形成されている。本実施形態においては、この第２部分１０２ｂの幅ｗ_２は、第１部分１０１ｂの幅よりも、幅が狭く形成されている。

以上のように、第３実施形態では、第１嵌合部４３ｂにテーパー面４４ｂが、第２嵌合部５３ｂにテーパー面５４ｂがそれぞれ設けられており、テーパー面４４ｂを有する第１嵌合部４３ｂとテーパー面５４ｂを有する第２嵌合部５３ｂとの間に、間隙１００ｂが形成されている。そして、この間隙１００ｂは、第１部分１０１ｂと、第２部分１０２ｂとを有しており、この第１部分１０１ｂは、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、幅が連続的に狭く形成されている。これにより、第３実施形態に係る第１冷却器３ｂでは、第２実施形態に係る第１冷却器３ａと同様に、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、シール部材６が、シール部材６の劣化度合いに応じた位置において、冷媒流路をより適切にシールすることができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。すなわち、シール部材６の自封効果を持続することができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。

≪第４実施形態≫
続いて、本発明の第４実施形態について説明する。図１１は、第４実施形態に係る第１冷却器３ｃの断面図であり、図４のIV部分に相当する要部断面図である。第４実施形態においては、第１冷却器３ｃが、以下に説明する点において、第１実施形態の第１冷却器３と異なる以外は、上述の第１実施形態と同様の構成と作用を有し、その重複する説明は省略する。

図１１に示すように、第１冷却器３ｃにおいては、第１放熱体４ｃの第１嵌合部４３ｃに凹曲面４４ｃが、第２放熱体５ｃの第２嵌合部５３ｃに凸曲面５４ｃが、それぞれ形成されており、第１冷却器３ｃは、この点において、第１実施形態の第１冷却器３と異なる。なお、この凹曲面４４ｃと凸曲面５４ｃとは、図１１に示すように、互いに異なる曲面形状に形成されている。

そして、凹曲面４４ｃが設けられた第１嵌合部４３ｃと、凸曲面５４ｃが設けられた第２嵌合部５３ｃとは、シール部材６を介して、嵌合されており、これにより、図１１に示すように、第１嵌合部４３ｃと第２嵌合部５３ｃとの間に、間隙１００ｃが形成されている。

この間隙１００ｃは、図１１に示すように、シール部材６から遠いほど、幅が連続的に狭くなる第１部分１０１ｃと、幅がｗ_２である第２部分１０１ｃとを有している。

第１部分１０１ｃは、第１嵌合部４３ｃの凹曲面４４ｃと、第２嵌合部５３ｃの凸曲面５４ｃとの間に形成される間隙であり、第１部分１０１ｃの幅は、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、連続的に狭くなっている。すなわち、図１１に示すように、第１部分１０１ｃは、シール部材６の配置位置付近において、その幅が最も広くなるように形成されている。

一方、第２部分１０２ｃは、第１嵌合部４３ｃの対向面４５ｃと、第２嵌合部５３ｃの対向面５５ｃとが、幅ｗ_２で対向することにより、形成されている。本実施形態においては、この第２部分１０２ｃの幅ｗ_２は、第１部分１０１ｃの幅よりも、幅が狭く形成されている。

以上のように、第４実施形態では、第１嵌合部４３ｃに凹曲面４４ｃが、第２嵌合部５３ｃに凸曲面５４ｃがそれぞれ設けられており、凹曲面４４ｃが形成された第１嵌合部４３ｃと、凸曲面５４ｃが形成された第２嵌合部５３ｃとの間に、間隙１００ｃが形成されている。そして、この間隙１００ｃは、第１部分１０１ｃと、第２部分１０２ｃとを有しており、これらのうち、第１部分１０１ｃは、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、幅が連続的に狭く形成されている。これにより、第４実施形態においては、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、シール部材６が、第１部分１０１ｃ中のシール部材６の劣化度合いに応じた位置において、冷媒流路を連続的にシールすることができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。すなわち、シール部材６の自封効果を持続することができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。

具体的には、シール部材６は、劣化していない初期状態においては、図１１に示す位置で、第１嵌合部４３ｃと第２嵌合部５３ｃとにより挟持され、冷媒流路をシールしている。そして、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合には、シール部材６は、冷媒の圧力により、間隙１００ｃ側に向かって、徐々に押し上げられていくこととなる。

ここで、上述したように、第１部分１０１ｃは、シール部材６の配置位置から遠くなるほど、連続的に幅が狭く形成されている。そのため、シール部材６が劣化すると、シール部材６は、劣化度合いに応じて、徐々に間隙１００ａ側に移動し、例えば、図１２（Ａ）に示す位置で、第１嵌合部４３ｃと第２嵌合部５３ｃとにより挟持され、冷媒流路をシールする。

そして、同様に、シール部材６がさらに劣化していくと、シール部材６は、劣化度合いに応じて、徐々に間隙１００ａ側に移動し、例えば、図１２（Ａ）に示す位置よりもさらに幅の狭い図１２（Ｂ）に示す位置で冷媒流路をシールし、その後、さらにシール部材６が劣化した場合には、例えば、図１２（Ｂ）よりもさらに幅が狭い図１２（Ｃ）に示す位置で冷媒流路をシールし、さらにシール部材が劣化した場合には、例えば、図１２（Ｃ）よりもさらに幅が狭い図１２（Ｄ）に示す位置で、冷媒流路をシールする。このように、第４実施形態に係る第１冷却器３ｃでは、シール部材６が劣化し、シール部材６のシール性能が低下した場合でも、シール部材６は、シール部材６の劣化度合いに応じた位置において、冷媒流路を連続的にシールすることができるため、冷媒流路からの冷媒の漏出をより有効に防止することができる。なお、図１２は、第４実施形態に係る半導体装置の作用効果を説明するための図であり、図１２は、図１１に示す断面に相当する断面における断面図である。

さらに、本実施形態では、シール部材６と接する第１嵌合部４３ｃの凹曲面４４ｃ、およびシール部材６と接する第２嵌合部５３ｃの凸曲面５４ｃは、いずれも曲面形状となっているため、シール部材６の凹曲面４４ｃとの接点、およびシール部材６の凸曲面５４ｃとの接点は、第１部分１０１ｃ中のシール部材６の位置に応じて、徐々に変化していくこととなる。

例えば、図１１および図１２に示すシール部材６を例示して説明すると、図１１に示す初期状態では、シール部材６は、凹曲面４４ｃおよび凸曲面５４ｃと、それぞれ接点６１，６２で接している。一方、シール部材６は、図１２（Ａ）に示す位置では、図１１に示す接点６１，６２とは異なる接点６１ａ，６２ａで、それぞれ凹曲面４４ｃおよび凸曲面５４ｃと接することとなる。同様に、シール部材６は、図１２（Ｂ）〜（Ｄ）に示す位置では、それぞれ異なる接点、すなわち、接点６１ｂ，６２ｂ（図１２（Ｂ））、接点６１ｃ，６２ｃ（図１２（Ｃ））、接点６１ｄ，６２ｄ（図１２（Ｄ））にて、凹曲面４４ｃおよび凸曲面５４ｃと接することとなる。

このように、シール部材と凹曲面４４ｃとの接点、シール部材６と凸曲面５４ｃとの接点は、第１部分１０１ｃ中のシール部材６の位置に応じて、連続的に変化している。そのため、例えば、図１１においては、シール部材６と凹曲面４４ｃとの接点６１、およびシール部材６と凸曲面５４ｃとの接点６２は、略Ｙ方向に沿った線上に位置しているのに対し、シール部材６が間隙１００ｃ側に徐々に押し上げられていくと、シール部材６と凹曲面４４ｃとの接点、およびシール部材６と凸曲面５４ｃとの接点は、反時計回りに、徐々に変化していき、図１２（Ｄ）においては、シール部材６と凹曲面４４ｃとの接点６１ｄ、およびシール部材６と凸曲面５４ｃとの接点６２ｄは、略Ｚ方向に沿った線上に位置することとなる。

このように、シール部材６が劣化し、シール部材６が間隙１００ｃ側に押し上げられていくと、シール部材６の凹曲面４４ｃとの接点、およびシール部材６の凸曲面５４ｃとの接点は、第１部分１０１ｃ中のシール部材６の位置に応じて、連続的に変化していくこととなるため、シール部材６の劣化を有効に抑制することができ、シール部材６のシール性能をより持続させることができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

例えば、上述した実施形態においては、３つの半導体モジュール２を、２つの冷却器３，７で冷却する半導体装置１を例示したが、半導体装置１が備える半導体モジュールの数は特に限定されず、例えば、インバータ装置に用いられる半導体装置においては、６つの半導体モジュールを備える構成としてもよい。あるいは、単一の半導体モジュールを冷却器３，７で冷却する構成としてもよく、その場合には、第１冷却器３を、単一の第１放熱体と単一の第２放熱体とを組み合わせてなるものとすることができる。

また、上述した実施形態では、第１冷却器３と第２冷却器７とを半導体モジュール２の両主面に配置し、半導体モジュール２を両側から冷却する半導体装置１を例示したが、半導体装置１の構成はこれに限定されず、例えば、第２冷却器７を第１冷却器３と同様の構成としてもよいし、または、半導体モジュール２の片面のみを単一の第１冷却器３で冷却する構成としてもよい。

なお、上述した実施形態の半導体素子２１，２２は本発明の発熱素子に、第１放熱体４，４ａ，４ｂ，４ｃは本発明の第１放熱体に、第１嵌合部４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃは本発明の第１嵌合部に、第２放熱体５，５ｂ，５ｃは本発明の第２放熱体に、第２嵌合部５３，５３ｂ，５３ｃは本発明の第２嵌合部に、シール部材６は本発明のシール部材に、それぞれ相当する。

１…半導体装置
２…半導体モジュール
２１，２２…半導体素子
２３，２４…はんだ層
２５，２６…電極
２７，２８…電極端子
３，３ａ，３ｂ，３ｃ…第１冷却器
４，４ａ，４ｂ，４ｃ…第１放熱体
４１…放熱部
４２ａ〜４２ｅ…放熱フィン
４３，４３ａ，４３ｂ，４３ｃ…第１嵌合部
４４，４５，４５ａ，４５ｂ，４５ｃ…対向面
４４ａ，４４ｂ…テーパー面
４４ｃ…凹曲面
５，５ｂ，５ｃ…第２放熱体
５３，５３ｂ，５３ｃ…第２嵌合部
５４，５５，５５ｂ，５５ｃ…対向面
５４ｂ…テーパー面
５４ｃ…凸曲面
６…シール部材
７…第２冷却器

Claims (8)

1. 発熱素子が配置される主面と、放熱部および該放熱部を周囲する第１嵌合部が形成された他の主面と、を有する第１放熱体と、
   前記第１放熱体と組み合わせることで、前記放熱部を受容して冷媒流路を形成する受容部と、前記受容部を周囲する第２嵌合部とを有する第２放熱体と、
   前記第１嵌合部と前記第２嵌合部との間に介装され、前記冷媒流路をシールするシール部材と、を備える発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１嵌合部と前記第２嵌合部との間には、前記冷媒流路と異なる側に、前記シール部材により、前記冷媒流路から隔てられた間隙が形成されており、
   前記間隙は、前記第１嵌合部と前記第２嵌合部とが前記第１放熱体の主面に沿う第１方向において対向し、第１の幅を有する第１部分、および、前記第１嵌合部と前記第２嵌合部とが前記第１の方向に対して略垂直な第２の方向において対向し、前記第１の幅よりも狭い第２の幅を有する第２部分を有し、
   前記シール部材は、前記冷媒流路側において冷媒と接するとともに、前記間隙側において空気と接しており、
   前記シール部材は、劣化していない初期状態においては、前記第１部分のうち、前記第２部分から離れた位置であり、かつ、前記シール部材の断面が前記第２嵌合部と２か所で接する位置または当該位置の近傍に設置されることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
2. 請求項１に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１部分および前記第２部分は、前記第１嵌合部および／または前記第２嵌合部に段差形状を設けることにより形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
3. 請求項１に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１部分は、前記シール部材の配置位置からの距離が遠くなるほど、連続的に幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
4. 請求項３に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１部分は、前記第１嵌合部および前記第２嵌合部のいずれか一方にテーパー面を設けることにより、連続的に幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
5. 請求項３に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１部分は、前記第１嵌合部および前記第２嵌合部の両方にテーパー面を設けることにより、連続的に幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
6. 請求項３に記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記第１部分は、前記第１嵌合部および前記第２嵌合部に、互いに異なる曲面形状を設けることにより、連続的に幅が狭くなるように形成されていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記シール部材は、前記冷媒流路を流れる冷媒により押圧された場合に、前記間隙側からの押圧力よりも強い押圧力で押圧されるようになっていることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の発熱素子の冷却装置であって、
   前記シール部材は、弾性体であることを特徴とする発熱素子の冷却装置。
   

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