JP6157887B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体素子等を冷却する冷却装置に関する。

半導体素子等の発熱体を冷却するために様々な冷却装置が提案されている。

発熱体となる電気素子が設置された冷却基板面の直下にノズルを配置し、ノズルから噴射される冷媒が冷却基板面に直接衝突するように構成された半導体装置が開示されている（特許文献１）。また、冷却基板に近接させて設けられたノズルと空間的に干渉しないように冷却基板に放熱フィンを設けて冷却特性の向上を図った冷却器が開示されている（特許文献２）。また、冷却基板に設けられた放熱フィンに対して噴流を衝突させるようにノズルを設けた冷却器が開示されている（特許文献３〜５）。

特許第３２０３４７５号公報 特許第４６４９３５９号公報 特開２０１１−１６６１１３号公報 特開２００６−３１０３６３号公報 特許第３００２６１１号公報

ところで、冷却基板面の近傍にノズルを配置し、冷却基板面に冷媒を直接噴射して衝突流れを付与する構成では、ノズルからの噴流は隣接するノズルからの噴流や排出される冷媒の流れとの干渉によって速度低下や偏流、淀み等を生じ、冷却性能が低下する。また、干渉を回避するために邪魔板等を設けると、冷媒の流れの抵抗となり、圧力損失の増大を招く原因となる。

また、放熱フィンに衝突流れを付与する構成の場合、ノズルの噴出孔と放熱フィンとの間に隙間が存在すると冷媒の流れの一部が抵抗体である放熱フィンを回避して隙間から漏れ流れるために冷却性能が低下する。また、隙間を無くして放熱フィンに導入した場合でも、放熱フィンの表面での摩擦による損失のために流れは開放空間へ向かい易くなり、直進的な衝突噴射は流れの進行方向に向かって広がる。このため、噴流の流速は進行方向、すなわち放熱フィンの根元方向に向かって低下し、冷却に対する寄与度が高い放熱フィンの根元付近（冷却基板付近）での冷媒への熱伝達による冷却性能が充分でない。また、ノズル直下の放熱フィンに貫通スリットを設けたとしても、ノズルの開口部の中心と放熱フィンのスリット部の中心がずれると冷媒の流れが偏流して冷却性能の低下を招くので、ノズルと放熱フィンとの加工精度や高い組み付け精度が要求され、製造コストの増大を招く問題がある。

本発明は、冷却対象物が取り付けられる冷却基板と、前記冷却基板から突出し、その厚さ方向に沿って複数並べて配置された放熱板と、前記冷却基板に向けられた開口を有し、前記冷却基板に対して冷媒を供給するノズル部材と、を備え、前記開口の先端部は前記冷却基板に接することなく、前記先端部と前記冷却基板との距離が前記放熱板の突出高さよりも小さいことを特徴とする冷却装置である。

ここで、前記先端部と前記冷却基板との距離が前記開口の流路幅より小さいことが好適である。

また、前記ノズル部材は、前記放熱板と交差する方向に沿って前記放熱板に設けられた切り欠き部に嵌め込まれた案内壁を有することが好適である。

また、前記案内壁と前記放熱板とで外壁の一部が構成された前記冷媒を排出する排出路を備えることが好適である。

また、前記案内壁は、蛇行形状を有することが好適である。

また、前記冷却基板を複数備え、前記冷却基板によって前記ノズル部材が挟み込まれていることが好適である。

本発明によれば、冷媒の流れによる熱伝達の効率を向上して放熱フィンとの伝熱面積を拡大させ、加工及び組み立てにおいて高い精度を必要としない、高性能の冷却装置を提供することができる。

第１の実施の形態における冷却装置の構成を示す図である。 第１の実施の形態における冷却装置の内部構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態における冷却装置の別例の構成を示す図である。 第１の実施の形態における冷却装置の別例の構成を示す図である。 第１の実施の形態における冷却装置の別例の構成を示す図である。 第１の実施の形態における冷却装置の別例の構成を示す図である。 第２の実施の形態における冷却装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態における冷却装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態における冷却装置の構成を示す図である。 第２の実施の形態における冷却装置の構成の別例を示す図である。

＜第１の実施の形態＞
図１に本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置１０の構成を示す。冷却装置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、特に限定されるものではないが、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大電力素子において効果が顕著となる。冷媒は、特に限定されるものではないが、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（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。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。

冷却装置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、冷却基板１４、冷却基板１４の外周に設けられたユニット壁１６、および複数の放熱板１８を備えて構成される。また、ユニット壁１６は、冷媒の流出部を除いて基本ユニット１２の周囲を取り囲むように設けられる。基本ユニット１２は、熱伝導性の高い材料で構成することが好適であり、例えば、銅やアルミニウム等の金属を含む材料で構成される。

半導体素子２０は、冷却基板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が冷却基板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、冷却基板１４を変形させてもよい。例えば、冷却基板１４は、半導体素子２０を冷却基板１４内に埋め込む構成としてもよい。

放熱板１８は、長方形状の板であり、冷却基板１４から半導体素子２０の載置面の反対方向に向けて突出するように設けられる。放熱板１８は、ユニット壁１６に両端が接し、長辺が冷却基板１４の板面に接するよう冷却基板１４に配置される。放熱板１８は、複数枚設けられ、板面方向を揃えて、所定の間隔で厚さ方向に沿って連ねて配置されている。放熱板１８は、冷媒との接触面積を増大させて、半導体素子２０の冷却効果を高める。

基本ユニット１２には、ユニット壁１６で囲まれた領域の開口を覆う板状のノズル部材２４が取り付けられる。ノズル部材２４は、放熱板１８が連ねられた方向に延伸する冷媒供給ノズル２６が設けられている。冷媒供給ノズル２６は、放熱板１８が並置された領域に亘って設けられる。図１の例では、３つの冷媒供給ノズル２６が平行に設けられている。冷媒供給ノズル２６の数は、冷媒の流量に応じて決定することが好ましい。

ノズル部材２４には流入路ガイド３０が設けられ、流入路ガイド３０は冷媒供給ノズル２６を覆うように設けられる。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を備える。また、流入路ガイド３０には冷媒供給ノズル２６と共に形成される冷媒の入口３８（図１（ａ）の左端部）が設けられる。入口３８の反対側（図１（ａ）の右端部）には流入路ガイド３０の終端壁３６が設けられる。流入路板３２、流入路壁３４及び終端壁３６によって、冷媒の入口３８を除いて冷媒供給ノズル２６を覆う冷媒の通路が形成される。

なお、放熱板１８が連ねられた方向に沿って延伸する冷媒供給ノズル２６に代えて、放熱板１８が連ねられた方向に沿って複数の冷媒供給穴を並べて設けてもよい。

ノズル部材２４及び流入路ガイド３０は、熱伝導性の高い材料で構成することが好適であり、例えば、銅やアルミニウム等の金属を含む材料で構成される。

図２に冷媒供給ノズル２６、放熱板１８、および冷却基板１４の詳細な構成を示す。ノズル部材２４の放熱板１８側の板面には、冷媒供給ノズル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、ノズル部材２４から冷却基板１４へ向けて突出する流路を形成し、その開口の先端部２８ａは各放熱板１８に設けられた切り欠き１８ａに嵌め込まれる。すなわち、冷媒供給ノズル２６の開口の先端部２８ａが冷却基板１４に接することなく、先端部２８ａと冷却基板１４との距離Ｓが放熱板１８の突出高さＨよりも小さくなるように冷媒案内壁２８が設けられる。

次に、冷却装置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）及び図２の矢印Ｆ１に示すように、入口３８から冷却装置１０に導入される。入口３８から送り込まれた冷媒は、流入路ガイド３０およびノズル部材２４との間に形成されている流入路を流通し、冷却装置１０の内部に送り込まれる。冷媒は、図１（ａ），（ｃ）及び図２の矢印Ｆ２に示すように、冷媒案内壁２８に導かれて放熱板１８に沿った流れとなり、冷却基板１４の表面近傍まで延びた冷媒供給ノズル２６の先端まで供給され、冷媒供給ノズル２６の先端部２８ａの開口から冷却基板１４に向けて噴射される。冷却基板１４に直接噴射された冷媒は、図１（ｃ）及び図２の矢印Ｆ３に示すように、冷却基板１４の表面に沿って冷媒案内壁２８の延設方向に直交する方向に分散する。そして、冷媒は、冷媒供給ノズル２６とは反対側の冷媒案内壁２８の壁面に沿って、冷媒案内壁２８（ユニット壁１６）、ノズル部材２４及び放熱板１８で囲まれる排冷媒路４０へと送り出される。送り出された冷媒は、図１（ａ）及び図２の矢印Ｆ４に示すように、排冷媒路４０を通って冷却装置１０から放出される。

このように、冷媒は、冷却基板１４及び放熱板１８の表面に沿って流れ、絶縁層２２、冷却基板１４及び放熱板１８を介して半導体素子２０から熱を奪い排出される。このように冷媒が流通することで、半導体素子２０が冷却される。

このとき、冷媒供給ノズル２６の開口部内では冷媒の平均流速は一定に保たれ、冷媒の一様流れが形成され、冷媒供給ノズル２６の先端部２８ａへ減速することなく冷媒が供給される。その結果、放熱板１８の先端部では、冷媒の一様流の衝突によって温度境界層が薄い状態で熱交換が行われる前縁効果が得られ、高い熱伝達率が得られる。

また、冷媒供給ノズル２６の先端部２８ａが放熱板１８に挿入して設けられており、冷媒は冷媒案内壁２８及び放熱板１８により形成された流路に案内されて冷却基板１４へ向けて導入される。したがって、冷媒供給ノズル２６の開口部から冷媒が噴射されるまでの冷媒の拡散や、冷媒供給ノズル２６の先端部２８ａと放熱板１８との隙間からの冷媒の漏れを回避することができ、冷媒の効果的な供給を実現することができる。

また、冷媒供給ノズル２６の先端部２８ａと冷却基板１４との間の隙間から冷媒の高速な噴射が行われ、冷媒は冷却基板１４の表面に沿って放熱板１８の根元近傍へ供給されるので、そのせん断及び乱れ効果により冷却基板１４及び放熱板１８において高い熱伝達率を得ることができる。

特に、冷媒供給ノズル２６の先端部２８ａと冷却基板１４との距離Ｓを先端部２８ａの開口幅Ｗより小さく設定することによって、冷却基板１４の表面における冷媒の流速を高めることができ、冷却基板１４の近傍及び放熱板１８の根元近傍において冷媒の淀み等を回避することができ、冷却効率を高めることができる。

また、冷媒は、放熱板１８の間で独立に熱交換を行った後、排冷媒路４０に流れ込み、合流して排出される。これにより、各放熱板１８の間には熱交換前の低温の冷媒が効率良く供給され、他の放熱板１８の間に供給された冷媒や排冷媒路４０に一旦流れ込んだ冷媒の影響を受け難く、冷却基板１４及び放熱板１８が独立かつ全体的に均一に冷却される。これにより、下流側での冷却効率の低下や流れの干渉による圧力損失の増大を抑制でき、冷却装置１０全体として均一な冷却を実現することができる。

さらに、冷媒案内壁２８が放熱板１８の切り欠き１８ａに挿入された構成とすることにより、各部材の高い加工精度や各部材間の隙間等を設けるための高い組み立て精度は必要とされず、製造コストを低減することができる。

図３〜図６は、本実施の形態における冷却装置１０の変形例を示す。図３〜図６は、図１（ｃ）に相当する断面図である。

図３に示す変形例では、冷媒案内壁２８の間の放熱板１８がくり貫かれた構成となっている。この構成では、冷媒案内壁２８の対で形成される冷媒の供給路の全体が放熱板１８に差し込まれる。これにより、放熱板１８のくり貫き部の加工が容易となると共に、放熱板１８とノズル部材２４との嵌め込みの位置決めが容易となる。

図４に示す変形例では、流入路ガイド３０とノズル部材２４とを一体化し、冷媒の供給路を流入路板３２、冷媒案内壁２８及び放熱板１８で形成される空間で形成している。これにより、冷却装置１０全体の高さを低くし、冷却装置１０を小型化することができる。

図５に示す変形例では、冷媒案内壁２８の放熱板１８と嵌合していない部分を傾斜させた構造としている。これにより、冷媒の供給路と排出路との断面積を略等しくすることができ、放熱板１８の間の供給路への冷媒の分配を均一化することができる。

図６に示す変形例では、図３に示した放熱板１８のくり貫き構造と図５に示した冷媒案内壁２８の傾斜構造を組み合わせている。このように、本実施の形態及びその変形例を適宜組み合わせた構成としてもよい。

＜第２の実施の形態＞
図７〜図９に本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置５０の構成を示す。冷却装置５０は、ノズル部材２４を挟んで冷却基板１４が両側に設けられていることを特徴とする。

図７は、図８におけるＡ５−Ａ６断面を示し、図８は、図７におけるＡ７−Ａ８断面を示し、図９は、図７及び図８におけるＡ９−Ａ１０断面を示す。

冷却基板１４は、第１の実施の形態と同様に、半導体素子２０が載置される面と反対側に向けて突出した放熱板１８を備える。放熱板１８は、複数枚設けられ、板面方向を揃えて、所定の間隔で厚さ方向に沿って連ねて配置されている。

ノズル部材２４は、蛇腹形状に板を加工した冷媒案内壁２８を備える。ノズル部材２４は２つの冷却基板１４に挟まれ、冷媒案内壁２８の側端部がそれぞれの冷却基板１４の放熱板１８に設けられた切り欠き１８ａに嵌め込まれるように組み合わせされる。

ノズル部材２４は、半導体素子２０の数に合わせて複数設けてもよい。本実施の形態の冷却装置５０では、３つのノズル部材２４が並置された例を示している。各ノズル部材２４の冷媒案内壁２８は半導体素子２０の載置領域の長さに合わせて蛇腹状に折り返され、隣り合うノズル部材２４の蛇腹の山を向かい合わせるようにして並置される。

冷媒案内壁２８の先端部２８ａと冷却基板１４との距離Ｓは、放熱板１８の高さＨより小さく設定される。また、冷媒案内壁２８の先端部２８ａと冷却基板１４との距離Ｓは、ノズル部材２４の供給路の幅Ｗより小さく設定されることが好適である。

冷却基板１４の放熱板１８が並置された方向の両端には冷媒導入口１４ａと冷媒排出口１４ｂとが設けられる。冷媒導入口１４ａは、ノズル部材２４との延設方向端部において冷媒案内壁２８の蛇腹形状の谷部の開口に接続されて冷媒の導入口となる。冷媒は、２つの冷却基板１４、放熱板１８及び冷媒案内壁２８に囲まれた供給路５２を流通し、冷却装置５０の内部に送り込まれる。冷媒は、矢印Ｆ２に示すように、冷媒案内壁２８と放熱板１８とで仕切られた冷却基板１４へ向かう通路に沿って流れ、冷却基板１４の表面近傍まで延びたノズル部材２４の先端まで供給され、冷媒案内壁２８の先端部２８ａの開口から冷却基板１４に向けて噴射される。冷却基板１４に直接噴射された冷媒は、矢印Ｆ３に示すように、冷却基板１４の表面に沿ってノズル部材２４の延設方向に直交する方向に分散する。そして、冷媒は、冷媒案内壁２８の壁面に沿って、冷却基板１４、放熱板１８及び冷媒案内壁２８で囲まれた排冷媒路５４へと送り出される。送り出された冷媒は、次段のノズル部材２４の蛇腹形状の谷部の開口へと導かれ、次段のノズル部材２４においても同様に冷媒の流れが形成される。

このようにして、ノズル部材２４の各段において冷却基板１４の表面に向けて冷媒が噴射され、第１の実施の形態と同様に冷却特性、冷却の均一性、組み付けの容易性の向上が得られる。さらに、２面の冷却基板１４により半導体素子２０を冷却することができ、冷却効率が高められるとともに、同一の半導体素子２０の素子数に対して冷却装置５０の小型化を実現することができる。

なお、図１０に示すように、ノズル部材２４を冷媒の流れ方向に対して傾斜させた構造としてもよい。これにより、放熱板１８間の流路に対する冷媒の流量の分配が改善され、より効果的な冷却を行うことができる。

また、本実施の形態においてもノズル部材２４と放熱板１８との組み合わせは、図３〜図６に示したいずれの構成又はそれらの組み合わせとしてもよい。

上記では、半導体素子を冷却する冷却装置について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではない。半導体素子の冷却の他、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、冷却対象物が冷却基板に接触するよう、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 冷却装置、１２ 基本ユニット、１４ 冷却基板、１４ａ 冷媒導入口、１４ｂ 冷媒排出口、１６ ユニット壁、１８ 放熱板、１８ａ 切り欠き、２０ 半導体素子、２２ 絶縁層、２４ ノズル部材、２６ 冷媒供給ノズル、２８ 冷媒案内壁、２８ａ 先端部、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 排冷媒路、５０ 冷却装置、５２ 供給路、５４ 排冷媒路。

Claims (6)

1. 冷却対象物が取り付けられる冷却基板と、
   冷媒が前記冷却基板に接触しない第１流路と、前記第１流路のみから冷媒が供給され、冷媒が前記冷却基板に接触する第２流路と、を備え、
   前記冷却基板から突出し、前記第２流路内において第１の方向に沿って延設されると共に、その厚さ方向に沿って複数並べて配置された放熱板と、
   前記第１の方向に交差する第２の方向に沿って延設されると共に、前記第１流路から前記第２流路を繋ぎ前記冷却基板に向けられた開口を有し、前記冷却基板に対して冷媒を供給するノズル部材と、を備え、
   前記ノズル部材の前記開口の先端部は、前記開口に対向して前記放熱板の一部が位置するように前記放熱板に設けられた切り欠き部に嵌め込まれ、
   前記開口の先端部は前記冷却基板に接することなく、前記先端部と前記冷却基板との距離が前記放熱板の突出高さよりも小さいことを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１に記載の冷却装置であって、
   前記先端部と前記冷却基板との距離が前記開口の流路幅より小さいことを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載の冷却装置であって、
   前記ノズル部材は、前記第２の方向に沿って前記放熱板に設けられた切り欠き部に嵌め込まれた案内壁を有することを特徴とする冷却装置。
4. 請求項３に記載の冷却装置であって、
   前記案内壁と前記放熱板とで外壁の一部が構成された前記冷媒を排出する排出路を備えることを特徴とする冷却装置。
5. 請求項３又は４に記載の冷却装置であって、
   前記案内壁は、蛇行形状を有することを特徴とする冷却装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置であって、
   前記冷却基板を複数備え、
   前記冷却基板によって前記ノズル部材が挟み込まれていることを特徴とする冷却装置。

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