JP6349594B2 - 半導体冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車のモータ制御等に用いられるスイッチング素子である半導体パワーデバイスを冷却する半導体冷却装置に関するものである。

ＩＧＢＴやパワートランジスタ等の半導体パワーデバイス（半導体素子）は、スイッチング時に大電流が流れるため、多くの熱を発生する。そのため、使用時には半導体素子を冷却する必要があり、従来から熱交換機能を有する半導体冷却装置が用いられている。

このような半導体冷却装置として、複数の放熱フィンによって区切られて、直進部と曲がり部との組み合わせによって蛇行状に形成された冷却水の流路を有する熱交換器が知られている（例えば特許文献１）。

特開２００９−１３５４７７号公報

しかしながら、特許文献１に記載された熱交換器にあっては、熱交換器に流入する冷媒の圧力（流速）が高くなると、その圧力によって熱交換器の内部の冷媒流路が浸食されて配管が減肉摩耗する、所謂エロージョンが発生する虞があった。このエロージョンは、冷媒が高い圧力で突き当たる位置、例えば、冷媒流路が急激に曲がる箇所に多く発生することが知られている。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みなされたもので、熱交換器に流入する冷媒の圧力に応じて冷媒流路の幅を変化させることにより、エロージョンの発生を未然に防止することができる半導体冷却装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の半導体冷却器は、発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、複数の放熱フィンによって仕切られた複数の冷媒流路をそれぞれ有し、互いに隣接する第１直進部と第２直進部と、前記第１直進部と前記第２直進部のそれぞれの同じ側の端部に接合されて、外部から前記第１直進部への冷媒の供給と前記第２直進部から外部への冷媒の排出を行う、外枠部に囲まれた冷媒給排部と、前記冷媒給排部に設けられた、外部から前記冷媒給排部に供給される冷媒の圧力に応じて、前記第１直進部と前記第２直進部との仕切り位置を変更する可変リブと、を有することを特徴とする。

本発明に係る半導体冷却装置によれば、前記した構造としたため、外部から第１直進部に供給される冷媒の圧力（流速）が高くなると、冷媒の圧力に押された可変リブが第２直進部側に撓むため、第１直進部を構成する冷媒流路の幅が拡大する。すると、第１直進部における冷媒の流速が低下するため、冷媒が流れる際の高い圧力によって冷媒流路が浸食される、所謂エロージョンの発生を未然に防止することができる。

本発明の一実施形態である実施例１に係る半導体冷却装置の構造を示す断面図である。 実施例１における、冷媒給排部および可変リブの構造を示す斜視図である。 （ａ）は実施例１における可変リブの作用を説明する第１の図であり、可変リブが撓んでいない状態を示す図である。（ｂ）は実施例１における可変リブの作用を説明する第２の図であり、可変リブが撓んでいる状態を示す図である。 （ａ）は図３（ａ）を切断線Ｍ−Ｍで切った断面図であり、可変リブが撓んでいない状態を示す図である。（ｂ）は図３（ｂ）を切断線Ｎ−Ｎで切った断面図であり、可変リブが撓んでいる状態を示す図である。

以下、本発明の半導体冷却器の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態である半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０の外観を示す断面図である。図２は、冷媒給排部および可変リブの構造を示す斜視図である。まず、図１，図２を用いて、半導体冷却装置１０の全体構成について説明する。
［全体構成の説明］

図１の断面図に示すように、半導体冷却装置１０は、複数の放熱フィン１４が平行に配列された第１直進部１２と、複数の放熱フィン２４が平行に配列された第２直進部２２と、第１直進部１２と第２直進部２２の、放熱フィン１４の端部１４ｂ側と放熱フィン２４の端部２４ｂ側とを接続する曲がり部３２と、から構成された冷却部４０と、第１直進部１２を構成する放熱フィン１４の他方の端部１４ａと連通して、外部から第１直進部１２に冷媒を供給する冷媒供給部３４と、第２直進部２２を構成する放熱フィン２４の他方の端部２４ａと連通して、第２直進部２２から外部に冷媒の排出を行う冷媒排出部３８と、からなる。なお、冷却部４０は、外側を本体容器部３１に囲まれている。また、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とは、外側を外枠部３０に囲まれて一体的に形成されている。この一体的に形成された冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とを総称して冷媒給排部３５と呼ぶ。

そして、冷媒給排部３５が内包された外枠部３０と冷却部４０が内包された本体容器部３１とは、例えば、摩擦撹拌接合（ＦＳＷ）によって一体的に接合されている。

冷媒供給部３４には、第１直進部１２に冷媒を供給する冷媒供給口４２が連通しており、冷媒排出部３８には、第２直進部２２から流出した冷媒を排出する冷媒排出口４４が連通している。

冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とは、可変リブ５０によって仕切られている。この可変リブ５０は、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とを仕切るように設けられており、第１直進部１２の端部１４ａおよび第２直進部２２の端部２４ａと対向する位置に固定端５２を有する片持ち梁として形成されている。そして、この可変リブ５０の自由端５４は、仕切りフィン１６の先端と当接することによって、第１直進部１２と第２直進部２２とを仕切っている。

以下、図２を用いて、冷媒給排部３５（冷媒供給部３４，冷媒排出部３８）の詳細構造について説明する。

冷媒給排部３５は、例えばアルミダイキャストで成形された外枠部３０の内部に、可変リブ５０によって、前述した冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とに仕切られて形成されている。そして、図２に示すように、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とは、それぞれ、外枠部３０の内面側に、平面状の上面部３０ｃと平面状の下面部３０ｄとに挟まれた空間として形成されている。

可変リブ５０は、図２において、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８の奥側に固定端５２を有して、図２の手前側を自由端５４とする片持ち梁状に形成されている。そして、可変リブ５０の梁を形成する両端面は、それぞれ上面部３０ｃと下面部３０ｄとに接しており、詳しくは後述するが、冷媒の圧力（流速）によって可変リブ５０が撓むことにより、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８の仕切り位置を変更する。なお、図２は、図面をわかりやすくするために、可変リブ５０が撓んだ状態を示している。

この可変リブ５０は、上面部３０ｃと下面部３０ｄの表面にそれぞれ形成された凹溝部３０ａ，３０ｂに沿って形成されている。凹溝部３０ａ，３０ｂの作用については後述する。
［冷媒の流通経路の構成］

再び図１に戻って、冷媒の流通経路について説明する。冷媒である冷却水は、冷媒供給口４２から矢印Ａの方向に給水されて、冷媒供給部３４を経て、隣接する放熱フィン１４の隙間に形成された複数の冷媒流路１１を直進する。複数の冷媒流路１１で構成された部位が、前述した第１直進部１２である。そして、第１直進部１２に面する領域である冷媒流出部３６に流出した後、冷媒流路３９を進み、第２直進部２２に面する領域である冷媒流入部３７に達した後、矢印Ｂに沿って、隣接する放熱フィン２４の隙間に形成された複数の冷媒流路２１に流入して冷媒流路２１を直進する。複数の冷媒流路２１で構成された部位が、前述した第２直進部２２である。その後、冷却水は、冷媒排出部３８を経て、冷媒排出口４４から矢印Ｃの方向に排出される。なお、排出された冷却水は、図示しない冷媒冷却装置で冷却されて、再び、冷媒供給口４２に給水される。

このようにして形成された複数の冷媒流路１１および複数の冷媒流路２１を流れる冷却水は、第１直進部１２および第２直進部２２を内包する本体容器部３１に当接して配置された、図示しない発熱型半導体が収容されたパワーモジュールを冷却する。

なお、パワーモジュールに収容される発熱型半導体としては、例えば、ＩＧＢＴ素子やパワートランジスタ素子に代表されるパワーデバイスが用いられる。
［実施例１の作用の説明］

次に、図３（ａ），（ｂ）を用いて、実施例１の作用を説明する。図３（ａ）は、冷媒供給口４２に供給される冷媒の量が少なく、その流速が低い場合を示している。すなわち、矢印Ａ１で示される冷媒の流れが少ないときには、冷媒供給部３４に流入する冷媒の量は少なく、その速度も遅い。このとき、冷媒供給部３４に流入した冷媒は、可変リブ５０を撓ませることなく、第１直進部１２内を冷媒流路１１に沿って進み、図１に示した冷媒流出部３６に向かう。

一方、冷媒供給口４２に供給される冷媒の量が多く、なおかつ、その流速が高い場合には、矢印Ａ２で示される冷媒の流れは、図３（ｂ）に示すように、第１直進部１２の方向のみならず、可変リブ５０の方向にも進む。そして、可変リブ５０に突き当たって、可変リブ５０を冷媒排出部３８の方向に撓ませる。

このとき、可変リブ５０が撓むことによって自由端５４の位置が移動して、放熱フィン２４の先端に当接する。これにより、可変リブ５０が撓む前に形成されていた冷媒流路１１の幅が広がり、冷媒流路２１の幅が狭まる。そして、仕切りフィン１６は、第１直進部１２を形成する放熱フィン１４となる。この可変リブ５０の撓みによって、冷媒流路１１の幅が広がるため、冷媒流出部３６に流出する冷媒の圧力（流速）が低下する。そのため、冷媒流出部３６に流出した冷媒が、高い圧力で、本体容器部３１の曲がり部３２を形成する側の内面部３１ａに突き当たることによる浸食（エロージョン）の発生を未然に防止することができる。

さらに、可変リブ５０が撓むことによって、冷媒流路２１から流出した後の冷媒排出部３８の体積が増加するため、冷媒流路２１から流出する冷媒の圧力（流束）が低下する。そのため、冷媒流路２１から流出した冷媒が、高い圧力で、外枠部３０の内面部３０ｅに突き当たることによる浸食（エロージョン）の発生を未然に防止することができる。

なお、このとき、可変リブ５０は、冷媒給排部３５を構成する上面部３０ｃと下面部３０ｄにそれぞれ接した状態を保持しながら撓む。したがって、可変リブ５０が撓んだ場合であっても、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とは仕切られた状態となって、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８の密閉性は保持される。詳しくは後述する。
［可変リブの成形方法の説明］

次に、可変リブ５０を成形する方法について、図４（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
図４（ａ）は、図３（ａ）を切断線Ｍ−Ｍで切った断面図であり、可変リブが撓んでいない状態を示す図である。図４（ｂ）は、図３（ｂ）を切断線Ｎ−Ｎで切った断面図であり、可変リブが撓んでいる状態を示す図である。

外枠部３０と可変リブ５０は、材料である溶融アルミニウム等の金属を成形型に流し込んで、一体的に成形される。このとき、成形した後の型抜きを容易に行い、なおかつ、可変リブ５０に所望の機能を持たせるために、外枠部３０の上面部３０ｃと下面部３０ｄには、それぞれ、図４（ａ）に示すように、可変リブ５０を形成する位置に沿って、可変リブ５０のリブ厚よりも若干幅広の凹溝部３０ａ，３０ｂを形成する。

この凹溝部３０ａ，３０ｂを設けることによって、可変リブ５０と上面部３０ｃ，下面部３０ｄとの間に隙間を確保することができるため、成形後の型抜きを確実に行うことができる。さらに、図４（ｂ）に示すように、成形された可変リブ５０は、上面部３０ｃと下面部３０ｄにともに接触した状態とすることができるため、可変リブ５０が撓んだときに、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とを確実に仕切られた状態とすることができる。

以上説明したように、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０は、発熱型半導体に当接させることにより、発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、複数の放熱フィン１４，２４によって仕切られた複数の冷媒流路１１，２１をそれぞれ有し、互いに隣接する第１直進部１２と第２直進部２２と、第１直進部１２と第２直進部２２のそれぞれの同じ側の端部１４ａ，２４ａに接合される冷媒給排部３５（第１直進部１２に外部から冷媒を供給する冷媒供給部３４と第２直進部２２から外部に冷媒の排出を行う冷媒排出部３８）と、冷媒給排部３５（冷媒供給部３４）から供給される冷媒の圧力に応じて、第１直進部１２と第２直進部２２との仕切り位置を変更する可変リブ５０と、を有するため、第１直進部１２に供給される冷媒の圧力が高くなると、冷媒の流れに押された可変リブ５０が第２直進部２２側に撓み、第１直進部１２を構成する冷媒流路１１の幅が拡大する。すると、第１直進部１２における冷媒の流速が低下するため、第１直進部１２の出口において冷媒流路３９が浸食される、所謂エロージョンの発生を未然に防止することができる。さらに、可変リブ５０の撓みによって、第２直進部２２の出口において冷媒排出部３８の体積が増加するため、冷媒排出部３８における冷媒の流速が低下して、外枠部３０の内面部３０ｅにおけるエロージョンの発生を未然に防止することができる。

また、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０によれば、可変リブ５０は、第１直進部１２および第２直進部２２に沿って延設されて、冷媒給排部３５の、第１直進部１２および第２直進部２２とは反対側に固定端５２を有する片持ち梁として形成されて、冷媒供給部３４（冷媒給排部３５）に供給される冷媒の圧力が高いときほど、第１直進部１２を構成する冷媒流路１１の幅が増加して、第２直進部２２を構成する冷媒流路２１の幅が減少するように、第１直進部１２と第２直進部２２との仕切り位置を変更するため、第１直進部１２を流れる冷媒の流速が低下するため、第１直進部１２から流出した冷媒によって冷媒流路３９が浸食されるのを確実に防止することができる。

そして、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０によれば、可変リブ５０は、冷媒給排部３５（冷媒供給部３４および冷媒排出部３８）と一体的に成形されるため、部品点数が削減される。したがって、部品コスト，製造コストを低減することができる。

さらに、実施例１に係る半導体冷却構造を有する半導体冷却装置１０によれば、可変リブ５０は、外枠部３０の内面である上面部３０ｃと下面部３０ｄにそれぞれ形成された一対の凹溝部３０ａ，３０ｂの位置に形成されるため、可変リブ５０を冷媒給排部３５と一体的に成形できるとともに、この片持ち梁が撓んだときに、冷媒供給部３４と冷媒排出部３８とを確実に仕切ることができる。

なお、実施例１にあっては、冷媒流路１１が半導体冷却装置１０内で１回折り返す（１往復する）、所謂２パス方式の冷却装置を形成したが、本発明が適用される半導体冷却装置のパス数に制限はなく、いかなるパス数を有する半導体冷却装置であっても同様に適用することができる。

以上、この発明の実施例を図面により詳述してきたが、実施例はこの発明の例示にしか過ぎないものであるため、この発明は実施例の構成にのみ限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれることは勿論である。

１０ 半導体冷却装置
１１，２１，３９ 冷媒流路
１２ 第１直進部
１４，２４ 放熱フィン
１４ａ，１４ｂ 端部
２２ 第２直進部
３０ 外枠部
３０ｅ 内面部
３１ 本体容器部
３１ａ 内面部
３２ 曲がり部
３４ 冷媒供給部
３５ 冷媒給排部
３６ 冷媒流出部
３７ 冷媒流入部
３８ 冷媒排出部
４０ 冷却部
４２ 冷媒供給口
４４ 冷媒排出口
５０ 可変リブ
５２ 固定端
５４ 自由端

Claims (4)

1. 発熱型半導体に当接させることにより、前記発熱型半導体を冷却する半導体冷却装置であって、
   複数の放熱フィンによって仕切られた複数の冷媒流路をそれぞれ有し、互いに隣接する第１直進部と第２直進部と、
   前記第１直進部と前記第２直進部のそれぞれの同じ側の端部に接合されて、外部から前記第１直進部への冷媒の供給と前記第２直進部から外部への冷媒の排出を行う、外枠部に囲まれた冷媒給排部と、
   前記冷媒給排部に設けられた、外部から前記冷媒給排部に供給される冷媒の圧力に応じて、前記第１直進部と前記第２直進部との仕切り位置を変更する可変リブと、を有することを特徴とする半導体冷却装置。
2. 前記可変リブは、前記第１直進部および前記第２直進部に沿って延設されて、前記冷媒給排部を構成する外枠部の、前記第１直進部の前記端部および前記第２直進部の前記端部と対向する側に固定端を有する片持ち梁として形成されて、前記冷媒給排部に供給される冷媒の圧力が高いときほど、前記第１直進部を構成する冷媒流路の幅が増加して、前記第２直進部を構成する冷媒流路の幅が減少するように、前記第１直進部と前記第２直進部との仕切り位置を変更することを特徴とする請求項１に記載の半導体冷却装置。
3. 前記可変リブは、前記冷媒給排部と一体的に成形されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の半導体冷却装置。
4. 前記可変リブは、前記外枠部の内面に形成された一対の凹溝部の位置に形成されることを特徴とする請求項３に記載の半導体冷却装置。