JP5962326B2 - 強制空冷式ヒートシンク - Google Patents

Description

本発明は、モーター等の負荷を駆動するインバータ装置、無停電電源装置、アクティブフィルター等の電力変換装置において、内蔵する複数の半導体モジュールを冷却する強制空冷式ヒートシンクの構造に関する。

電力変換装置は、家電製品から運輸、産業製品に至る様々な用途で使用されており、容量範囲も数Ｗ（ワット）から数ＭＷ（メガワット）にまで及んでいる。この電力変換装置のスイッチング時および定常時に発生する損失は、熱に変換される為、発生した熱を速やかに放熱し、半導体素子のジャンクション温度を上限値（最大150℃）以下に抑える必要がある。

発生損失が、数Ｗ（ワット）レベルまでは、半導体素子表面からの自然空冷でも良いが、数十Ｗ（ワット）を越えるレベルでは、ファン等を用いてヒートシンクのフィン部分に強制的に送風してヒートシンクの冷却を促進する強制空冷式ヒートシンクが採用される事が多い。

従来の強制空冷式ヒートシンクについて、図６〜図８を用いて説明する。
図６は、従来の強制空冷式ヒートシンクの外観斜視図である。
図７は、図６に示す構成の一部（本体部分）を取り出して示すものである。

図８は、図６に示す構成の側断面図である。
まず、図６に示すように、従来の強制空冷式ヒートシンクの一例は、複数の半導体モジュール５３（図示の例では２個の風上側半導体モジュール５３ａと、２個の風下側半導体モジュール５３ｂ）が、ヒートシンク５０の上面に設置され、ヒートシンク５０が、筐体５２内に収容されている。尚、ヒートシンク５０は、後に図７で説明するように、ベース５６とフィン５７とから形成されている。筐体５２の一方の端面側には冷却ファン５５（及び不図示の排気口）が設置され、他方の端面には吸気口５４が設けられている。尚、冷却ファン５５は、例えば図８に示すように筐体５２内に配置されている。

冷却ファン５５によって、図示の気流６１，６２が形成される。すなわち、周辺の空気を気流６１（吸気）として吸気口５４から筐体５２内に流入させて、後述するフィン５７等を通過させた後（その際にフィン５７からの放熱により温度上昇して）、気流６２（排気）として上記筐体５２の一方の端面（不図示の排気口）から排出する。

また、複数の半導体モジュール５３は、ブスバー５１で電気的に接続されている。すなわち、各半導体モジュール５３は、不図示の主端子によって、ブスバー５１に接続しており、これは電気的な接続のためであるが、熱もブスバーに伝わることになる。尚、当然、各半導体モジュール５３で発生する熱は、ヒートシンク５０にも伝わるものであり、ヒートシンク５０（そのフィン５７）から放熱される。

尚、ブスバーとは一般に、電源供給ラインに替わって使用される細長い金属であるが、この定義に限定されるものではない。また、ブスバーの材質は一般に銅である場合が多いが、この例に限らない。

尚、筐体５２は、更に、図８に示すように、ヒートシンク５０の上方空間（複数の半導体モジュール５３の設置空間）を覆うように形成されても良い。
図７は、筐体５２からヒートシンク５０（半導体モジュール５３を搭載した状態）を取出したものである。但し、ブスバー５１は省略して示している。

ヒートシンク５０は、熱良導体（高熱伝導材料）であるベース５６と熱良導体（高熱伝導材料）である複数のフィン５７とによって形成されている。尚、これらは高熱伝導材料、すなわち高熱伝導性を有する材料に限らず、単なる熱伝導材料であっても構わない。

ベース５６の下面に垂直に且つ互いに並行に並べて複数の（図では２５枚程度の）フィン５７が設けられている。これら各フィン５７間の隙間を、上記気流６１として吸気口５４から筐体５２内に流入した空気が通過することになり、これによって各フィン５７からの放熱が促進されることになる。

また、ベース５６の上面側には複数の半導体モジュール５３が搭載されている。各半導体モジュール５３で発生した熱は、ベース５６を介して各フィン５７に伝わり、上記の通り各フィン５７から空気中へ放熱される。

更に、図７では省略しているが、図６で説明したように、各半導体モジュール５３で発生した熱の一部は、不図示の主端子を介してブスバー５１にも伝わるが、ブスバー５１からの放熱効率は悪く、主端子やブスバー５１の温度上昇を招いている。

図８は、図６に示した強制空冷式ヒートシンクの断面図であり、筐体内の空気の流れ（気流）も示している。
気流は図上では矢印で示すものとする。筐体５２等によって図示のように吸気口５４、風上側風洞５８ａ、フィン５７の設置空間、風下側風洞５８ｂ等から成る風洞が形成され、冷却ファン５によって図上矢印で示す空気の流れ（風洞内を流れてフィン５７を通過する）が形成される。尚、空気は、吸気口５４から吸気し（気流（吸気）６１）、冷却ファン５の後段にある不図示の排気口から外部へ排気される（気流（排気）６２）。尚、以後、空気の流れに関して、冷却ファン５について逐一言及しないものとする。

尚、図６には示していないが、筐体５２は、図６に示す側面等だけでなく、図８に示すように半導体モジュール５３を覆うように上面にも設けられていても良い。
上記の通り、吸気口５４より取込まれた空気は、風上側風洞５８ａを経由してヒートシンク５０の複数のフィン５７の間を抜けて風下側風洞５８ｂに至り、不図示の排気口から外部に排気される。一方、半導体モジュール５３で発生した熱は、ベース５６を経由してフィン５７に伝わり、フィン５７の間を通過する空気に吸熱されて外部に排気される。

これにより、半導体モジュール５３で発生した熱がフィン５７等から放熱されて、以って半導体モジュール５３を冷却する。強制空冷式ヒートシンクでは、半導体モジュール５３から発生した熱をベース５６を介してフィン５７から空気中に放熱するため、フィン５７間を通過する空気の温度は、風上側よりも風下側の方が高くなる。換言すれば、空気の温度は、フィン５７間を通過中に徐々に上昇していく。

この為、仮に、風上側半導体モジュール５３ａと風下側半導体モジュール５３ｂの発熱量が同じであった場合、風上側半導体モジュール５３ａに比べて風下側半導体モジュール５３ｂの温度が高くなる。一方、半導体モジュール５３には、使用温度に限界があり、局部的な温度上昇が装置稼働のボトルネックになる。このため、通常、風上側に発熱温度の高い（発熱量が多い）半導体モジュール５３を配置し、風下側に発熱温度の低い（発熱量が少ない）半導体モジュール５３を配置して、半導体モジュール５３の温度が使用限界を超えない様にしている。換言すれば、風上側半導体モジュール５３ａが、風下側半導体モジュール５３ｂに比べて、発熱温度が高い（発熱量が多い）ものとなるようにしている。

ところが、半導体モジュールのレイアウトによっては、この様な方法が採れない事もあり、風下側半導体モジュール５３ｂの温度が高くなって強制空冷式ヒートシンクの冷却能力を充分に活用する事が出来ないという不具合が発生する。

また、上記フィン５７からの放熱以外の伝熱経路として、半導体チップから主端子を経由して外部に放熱する経路がある構成が知られている。この様な構成の一例を図９に示す。

図９は、半導体モジュールの構造図である。尚、これは、上記半導体モジュール５３の構造例としてもよいが、この例に限らない。
図９に示す例の半導体モジュールは、発熱源となる半導体チップ７３を有し、この半導体チップ７３は、内部配線７４を介して主端子７１と電気的に接続されている。また、内部配線７４は、熱良導体でもある為、半導体チップ７３で発生した熱は、内部配線７４を介して主端子７１に伝わることになる。主端子７１にブスバー（バスバー）７７が接続された構成の場合には、上記熱は主端子７１から更にブスバー７７に伝わることになり、ブスバー７７から空気中に放熱される。但し、そのままでは放熱効率はよくない。

このため、上記プレート７７からの放熱を促進する構造が、特許文献１に開示されている。
特許文献１の発明は、パワー半導体の主端子電極に接続するプレートを、放熱器として利用し、パワー半導体を放熱面だけでなく素子からの伝熱も放熱させる相乗効果により、高効率な放熱を実現するものである。

図１０は、上記特許文献１の構成例である。
図１０の構成では、複数のパワー半導体８５の各主端子８６を電気的に接続し、ＤＣバスラインを形成するプレート８２を設ける。主たる冷却を担う主放熱器８１（上記フィンに相当する）及び主ファンモータ８３に加えて、副放熱器としてのプレート８２と副ファンモータ８４を設けている。プレート８２は、パワー半導体８５の主端子８６にネジ固定させ、プレート２全体を副ファンモータ８４からの送風によって強制冷却させる。

パワー半導体８５が発する熱は、主端子８６からプレート８２に伝わるので、プレート８２を冷却することで放熱することになる。熱は発生源の半導体素子と直接結合している主端子から取り出すため、送風による強制冷却を行えば放熱効率が高い。これにより主放熱器８１の負担が軽減され、小型化等を図れる。

特開２００１−８６７０５号公報

半導体モジュールの主端子に接続したブスバー等からの放熱を促進する方法として、上述した特許文献１の構造が提案されているが、半導体モジュールの周囲に空気を流す為、半導体モジュールの主端子や制御端子に塵や埃が付着して絶縁性能が低下するという問題が生じる。

このため、通常、エアーフィルターを使用して塵や埃を除去しているが、エアーフィルターの目を細かくして捕集能力を上げると圧力損失が大きくなり、強力な冷却ファンが必要になったり、エアーフィルターのメンテナンス周期が短くなったりする不具合を生じる。

本発明の課題は、半導体モジュールの周囲に空気を流すことなく半導体モジュールの主端子に接続されたプレートに送風して強制冷却させることができ、以って半導体モジュールの主端子等に塵や埃が付着することなく放熱効率が高い強制空冷式ヒートシンクを提供することである。

本発明の強制空冷ヒートシンクは、熱伝導材料から成るベースの一方の面に半導体モジュールが搭載され他方の面に熱伝導材料から成る複数のフィンが設けられて成るヒートシンクと、前記ヒートシンクを収納する筐体であってその一部によって前記フィンを囲む風洞を形成する筐体と、該風洞に外部空気を流入させて前記フィンを通過させて排気する気流を生成する冷却ファンとを有する強制空冷ヒートシンクにおいて、前記ベースの一方の面側に設けられ、前記風洞内に流入させた空気の一部を通過させるダクトであって、１以上の開口部を有するダクトと、前記半導体モジュールの主端子に接続すると共に、前記１以上の開口部を塞ぐ形で設置される、熱伝導材料から成るプレートとを有し、前記半導体モジュール内で発生する熱が、前記主端子を介して前記プレートに伝達され、前記１以上の開口部において前記ダクト内を通過する空気へ当該プレートから放熱される。

本発明の強制空冷式ヒートシンク等によれば、半導体モジュールの周囲に空気を流すことなく半導体モジュールの主端子に接続されたプレートに送風して強制冷却させることができ、以って半導体モジュールの主端子等に塵や埃が付着することなく放熱効率が高い強制空冷式ヒートシンクを実現できる。

本例の強制空冷式ヒートシンクの外観斜視図である。 本例の強制空冷式ヒートシンクの断面図である。 図１におけるプレートを外した状態を示すものである。 （ａ）は適用対象例、（ｂ）は具体例を示す図である。 （ａ）、（ｂ）は、先願の強制空冷式ヒートシンクの構造図である。 従来の強制空冷式ヒートシンクの外観斜視図である。 図６に示す構成の一部を取り出して示すものである。 図６に示す構成の側断面図である。 半導体モジュールの構造図である。 特許文献１の構成例である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１〜図３は、本例の強制空冷式ヒートシンクを示したものである。
すなわち、図１、図３は、本例の強制空冷式ヒートシンクの本体部分の外観斜視図である。図３は、図１におけるプレート１３を外した状態を示すものである。また、図２は、本例の強制空冷式ヒートシンク全体の断面図である。

尚、図１や図３は上記従来の図面の図７に相当する図面であり（本体部分を示すものであり）、強制空冷式ヒートシンク全体の構成は図６と略同様に上記本体部分が筐体内に収容された構成であり（但しここでは図示しない）、図２は当該全体構成の断面図に相当するものと言える。

図１〜図３に示すように、本例による強制空冷式ヒートシンクの本体部分は、まず基本的には、ベース２とフィン３とから成るヒートシンク１を有する。すなわち、ヒートシンク１は、熱良導体（特に銅などの高熱伝導材料）であるベース２と熱良導体（特に銅などの高熱伝導材料）である複数のフィン３から形成されている。尚、これらベース２やフィン３は、高熱伝導材料、すなわち熱伝導率の高い材料に限らず、単なる熱伝導材料であっても構わない。尚、これらの構成自体は、従来と同様であってよい。

上記ベース２の一方の面側（図では上面側であるがこの例に限らない）には、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂが設けられている。更に、これら各半導体モジュール４の主端子１１ａに接続するプレート（ブスバーや平板電極等）１３なども設けられている。

尚、上記の通り、ヒートシンク１は基本的にはベース２とフィン３とから成るものであるが、上記半導体モジュール４が搭載された状態をヒートシンク１と呼んでもよいものとする。

ベース２の他方の面側（図では下面側であるがこの例に限らない）には、複数枚の上記フィン３が、当該他方の面に垂直に且つ互いに並行に並べる形で形成されている。これより、上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂで発生する熱は、ベース２に伝わり、更にフィン３に伝わって放熱される。強制空冷式ヒートシンクへ流入する空気（風上側気流７ａ）は、その一部がフィン３を通過し、フィン３からの放熱効率を向上させると共に、自身はフィン３からの放熱によって温度上昇して風下側気流７ｂとして排出される。

尚、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとを特に区別する必要がない場合には、半導体モジュール４と記す場合もあるものとする。これは、他の構成要素についても同様である。

尚、図では、風上側半導体モジュール４ａ、風下側半導体モジュール４ｂは、それぞれ２個ずつ設けられているが、この例に限らない。図の例では、ベース２上には４個の半導体モジュールが設けられており、上記フィン３を通過する空気の流れの風上側にある２個を風上側半導体モジュール４ａ、風下側にある２個を風下側半導体モジュール４ｂと呼んでいるものである。また、図では、全ての半導体モジュール４は、その主端子１１ａがプレート（ブスバー等）１３に接続されるが、この例に限らない。つまり、その主端子１１ａがプレート（ブスバー等）１３に接続されない半導体モジュール４が、存在していても構わない。

尚、フィン３に関しては、例えば図２に示すように、上記フィン３を通過する空気の流れの風上側の部分（風上側半導体モジュール４ａの下に位置する部分）を風上側フィン３ａ、風下側の部分（風下側半導体モジュール４ｂの下に位置する部分）を風下側フィン３ｂと呼ぶ場合もあるものとする。これは、換言すれば、後述するベース開口部９ａよりも風上側は風上側フィン３ａ、風下側は風下側フィン３ｂと見做してもよい。

また、上記ベース２の一方の面側（図では上面側）には更に洞１０が設けられており、ベース２にはベース開口部９ａ（後述する）が設けられている。これらの構成により、上記風上側気流７ａは、上記の通りその一部（本流とする）はフィン３全体を通過するが、他の一部（支流とする）は洞１０内を通過することで、風上側フィン３ａは通過せず（パスして）、風下側フィン３ｂのみを通過する。

また、図２、図３に示すように、ベース２に関して、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間にベース開口部９ａが形成されており、洞１０内を通過した空気（風上側気流７ａの一部；支流）は、ベース開口部９ａを通ってベース２の下方側に流入し、上記本流と合流して上記風下側フィン３ｂを通過して、風下側気流７ｂとして排出される。尚、ベース開口部９ａは、例えば後述する図５（ｂ）に示す形状・配置であるが、この例に限らない。

上記洞１０は、上記ベース２の上面における空きエリア（各半導体モジュール４の設置エリア以外のエリア）に設置されると共に、ベース開口部９ａを覆うように設置される。更に、上記のように風上側気流７ａの一部（支流）が洞１０内に流入するように設置される。これより、洞１０は、例えば図３に示すようなＥ字形状となるが、この例に限らない。何れにしても、洞１０によって、各半導体モジュール４（特に風上側半導体モジュール４ａ）の周囲に空気を流さずに、風上側気流７ａの一部（支流）がベース２の上面側を通過するように構成している。ここまでは先願（特願2011-232901号）と略同様であってもよいが、本例では更に後述する洞開口部９ｂが設けられると共に、主端子１１ａに接続されたプレート１３が洞開口部９ｂを塞ぐように設置される。これについては後に説明する。

ここで、図２に示すように、本例の強制空冷式ヒートシンクは全体的には、図６や図８と略同様に、上記図１に示す本体部分が筐体６内に収容されており、更に筐体６によって風上側風洞８ａや風下側風洞８ｂ等が形成されている。更に、冷却ファン５等が設けられている。また、図６の吸気口５４と同様にして図２に示すように筐体６には穴（吸気口１２）が形成されている。更に、図示していないが、風下側気流７ｂを排出するための排気口も、筐体６に形成されている。

また、図６では省略しているが図８等と略同様に、図２に示すように筐体６の一部がプレート１３や半導体モジュール４の設置空間を覆うように構成されている。更に、図２に示す風上側風洞８ａの天井部分６ａや風下側風洞８ｂの天井部分６ｂ等も筐体６の一部と見做してよく、これらを含む筐体６全体によって、半導体モジュール４等の設置空間には、外気は流入しないように構成されている。尚、換言すれば、上記天井部分６ａ、６ｂなどを含む筐体６によって、上記風上側風洞８ａ、風下側風洞８ｂ等が形成されるものと言える。更に、これら風上側風洞８ａ、風下側風洞８ｂや、フィン３の設置空間等から成る風洞（基本的にはフィン３に空気を通過させる為の風洞；上記本流の空気を流すための風洞）が形成されるものと言える。

一方、洞１０の風上側の下部には図２に示す穴１０ａが設けられており、風上側気流７ａの空気の一部（支流）は、この穴１０ａを通って洞１０内に流入する。尚、風上側風洞８ａの天井部分６ａにも、この穴１０ａに対応する位置にこの穴１０ａと同じ大きさ（もしくは穴１０ａより小さい）不図示の穴が空けられている。

ここで、気流に関しては、例えば図２において矢印で示すような空気の流れが形成される。この空気の流れは、冷却ファン５によって作られる。すなわち、メインの空気の流れ（本流）は、吸気口１２から取り込んだ空気（風上側気流７ａ）が、風上側風洞８ａを経由してフィン３の間を抜けて風下側風洞８ｂに至り（風上側風洞８ａ→フィン３→風下側風洞８ｂの順に通過させて）、風下側気流７ｂとして外部へ放出する。

但し、風上側風洞８ａに流入させた空気の一部（支流）は、洞１０内を通過させた後、ベース開口部９ａを通って上記本流に途中で合流させる（これを、サブの空気の流れとする）。

上記支流の空気は、洞１０内を通過中に、主端子１１ａに接続するプレート１３の端面（上記洞開口部９ｂを塞いでいる部分）を流れるため、プレート１３からの放熱が促進される。これについては詳しくは後に説明する。尚、洞１０の材質は例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック；Fiber Reinforced Plastics）等の絶縁体であり、従ってプレート１３から洞１０への熱伝達は殆どないものと考えてよい。

このように、強制空冷式ヒートシンクに流入する風上側気流７ａは、風上側風洞８ａにおいて２方向に分かれて、その一部（本流の空気）はベース２の下方側に流入してフィン３を通過し、他の一部（支流の空気）はベース２の上面に設けられた洞１０内を通過する。尚、図２に示す例では、支流の空気は、洞１０内を通過後に本流に途中で合流するが、この例に限らず、例えば本流に合流することなくそのまま風下側風洞８ｂや冷却ファン５等を介して外部へ排出される構成としてもよい。但し、ここでは図示の例に従って説明する。

洞１０内に流入した上記“支流の空気”は、風上側半導体モジュール４ａに接触することなく、プレート１３に接触して放熱を受けた後、上記の通りベース開口部９ａを通ってベース２の下方側に流入し、上記“本流の空気”と合流する。合流後は、風下側フィン３ｂを通過した後、風下側風洞８ｂを通過し、冷却ファン５を通過して、風下側気流７ｂとして排出される。

また、洞１０には、図３に示すように、その一面（図では上面）に１または複数の洞開口部９ｂが設けられている。一方、図２に示すように、プレート１３は、各半導体モジュール４の主端子１１ａ（風上側半導体モジュール４ａや風下側半導体モジュール４ｂの主端子１１ａ）と接続していると共に、各洞開口部９ｂを塞ぐように設けられている。これより、上記の通り、プレート１３には、各洞開口部９ｂにおいて上記“支流の空気”が流れることになる。この様な構成により、風上側半導体モジュール４ａで発生した熱は、主端子１１ａを介してプレート１３に伝わり、プレート１３から上記“支流の空気”へと放熱されることになる。

ここで、プレート１３は、一例としてはブスバー（バスバーとも言う）であってよいが、この例に限らない。ブスバーの材質は、一般的に銅であるが、プレート１３の材質は、この例に限らず、例えばアルミニウム等の他の金属であってもよい。あるいは、プレート１３は、金属プレートに限らず、基板配線パターンを利用するものであっても構わない。

ここで、各半導体モジュール４で発生する熱は、基本的にはベース２→フィン３へと伝わってフィン３から上記“本流の空気”へ放熱されるが、半導体モジュール４→主端子１１ａ→プレート１３（ブスバー等）の経路で伝わる熱もある。この熱は、従来ではブスバーからの放熱効率が悪く、ブスバーや主端子等の温度上昇を招いていた。これに対して上記特許文献１の発明では、小型ファンを設けてプレートに風を送ることで、放熱効率を向上させ、主端子→ブスバーへと伝わる熱を効率よく放熱させていた。しかしながら、既に述べたように、特許文献１の構成では、半導体モジュールの主端子や制御端子に塵や埃が付着して絶縁性能が低下するという問題が生じる。

上記従来の課題を解決するために、本手法では、上述した洞開口部９ｂを有する洞１０（穴空きのダクト）を設けると共に、半導体モジュール４の主端子１１ａと接触するプレート１３（ブスバー等）を、洞開口部９ｂを塞ぐように設ける。この構成により、半導体モジュール４の周囲（特に主端子１１ａや制御端子１１ｂ周辺）に空気を流さずにプレート１３の表面へ空気（支流の空気）を通流できるため、半導体モジュール４の主端子１１ａや制御端子１１ｂに塵や埃を付着させることなく、プレート１３からの放熱を促進させることができる。これにより、プレート１３からの放熱量が多くなり、半導体モジュール４（その半導体チップ等）の温度を効率良く下げる事が出来る。

このように、半導体モジュールの主端子や制御端子に通風せず、主端子に接続するブスバーに通風できる為、ブスバーからの放熱量が増加し、半導体チップや内部配線で発生する熱を効率的に放熱して半導体チップの温度上昇を低減する事が出来る。

尚、図示の例では、洞１０は、風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間に設置したベース開口部９ａと、筐体の吸気口（風上側風洞８ａ）とを結ぶ形で配置したが、この例に限らない。例えば、ベース開口部（ベース２に空ける穴）を、図示のベース開口部９ａの位置ではなく、風下側半導体モジュール４ｂの後段（不図示）に設けると共に、洞１０を延長させる形で、上記不図示のベース開口部と筐体の吸気口とを結ぶ形で洞（不図示）を配置するように構成してもよい。

あるいは、上述したベース２に開口部を設ける構成例の代わりに、風下側風洞８ｂの上部（天井部分６ｂ）に開口部（不図示）を設けるようにしてもよい。この例の場合、この不図示の開口部と筐体の吸気口とを結ぶ形で洞（不図示；洞１０を延長させる形）を配置するように構成してもよい。

ここで、基本的に、“支流の空気”は“本流の空気”よりも速度が速い（抵抗が少ないので；逆に言えば、フィン３間の狭い間隙を空気が通る場合、抵抗が大きいものとなる）。つまり、所定の断面積あたりの空気の通過量は、“支流の空気”の方が“本流の空気”より多い。また、フィン３からの放熱量の方が、プレート１３からの放熱量よりも大きい場合が多い。これら２つの要素により、ベース開口部９ａを介して“支流の空気”が“本流の空気”に合流したとき、“支流の空気”の温度は“本流の空気”の温度より低いことになる。これより、“支流の空気”が“本流の空気”に合流することで“本流の空気”が温度低下することになる。つまり、合流後の空気の温度は、“本流の空気”の温度より低くなり、これが風下側フィン３ｂに供給されることになる。これより、“本流の空気”がそのまま風下側フィン３ｂに供給される場合に比べて、風下側フィン３ｂからの放熱効率が向上する（風下側半導体モジュール４ｂの温度を効率よく下げることができる）。

従来では、風上側フィン３ａを通過後の空気は、温度が高いため、風下側半導体モジュール４ｂの冷却性能が低下するという問題があったが、本手法では上記の通り、この様な問題を軽減できるという効果も得られる。

図４（ａ）は、本例の強制空冷式ヒートシンクの適用対象の一例を示すものである。
例えば図示のインバータ等に本例の強制空冷式ヒートシンクは適用されるが、この例に限らない。

また、図４（ｂ）は、半導体モジュールの一例の外観図や内部回路構成を示すものであるが、これについては特に説明しない。
ここで、図５（ａ）、（ｂ）に、先願（特願2011-232901号）の強制空冷式ヒートシンクの構造図を示す。尚、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す構成からダクト２０を外した状態を示すものである。

図５については、上記図１〜図３に示す本例の構造と異なる点についてのみ説明する。
図５（ａ）に示す構成では、まず、プレート１３は存在しない。また、洞１０の代わりに、ダクト２０が設けられている。洞１０とダクト２０との相違点は、ダクト２０には上記各洞開口部９ｂは設けられていない点である。

以上の相違点を除けば、図５（ａ）に示す構成は、上記図１〜図３に示す本例の構成と同様であると見做してよい（図５において、図１〜図３の構成要素と同等の構成要素には同一符号を付してある）。

ここで、上述した図２等に示すベース開口部９ａは、例えば図５（ｂ）に示すような形状・配置となっている。つまり、ベース開口部９ａは、例えば角型の穴であるが、この例に限らず、丸形の穴や、楕円形状などの他の形状の穴であってもよい。また、図では穴の数は２つであるが、この例に限らず、１つ又は３つ以上であっても構わない。

そして、全てのベース開口部９ａを覆うようにして且つ風上側気流７ａの一部を流入ささせるようにして且つ各半導体モジュールを避けるようにしてダクト２０を設けることで、ダクト２０は例えば図５（ａ）に示す形で設置されることになる。この点に関しては、上記のように洞１０も略同様であってよい。

上述したことから、先願（特願2011-232901号）の構成の場合には、ダクト２０内を通過する空気は、プレート１３を冷却することなく（そもそもプレート１３は存在しないかもしれない）そのまま上記ベース開口部９ａを通ってベース２の下方空間（フィン３の間）に流入することになる。

このように、フィン３の風上部分（風上側半導体モジュール４ａの下方に位置する部分）を通過しない空気（温度上昇していない空気）を、ベース開口部９ａを介して途中からフィン３部分に供給することで、フィン３の風下部分（風下側半導体モジュール４ｂの下方に位置する部分）を通過する空気の温度を下げることができ、風下側半導体モジュール４ｂを効率良く冷却することができる。

本手法では、上述したように、この様な効果も（多少効果が下がるかもしれないが）得ることができる。
以上説明したように、本例の強制空冷ヒートシンクは、フィン３に流入させる空気の一部を、洞１０に流入させる（支流）。洞１０の上面には洞開口部９ｂが設けられており、各半導体モジュール４ａ、４ｂの主端子に接続される不図示のプレート（ブスバー）１３が、この洞開口部９ｂを塞ぐように設けられている。これより、この洞開口部９ｂの部分において、プレート１３には上記支流の空気が通風され、以ってプレート１３が強制空冷されてプレート１３からの放熱効率が向上する。

本例の強制空冷ヒートシンクは、熱伝導材料から成るベース２の一方の面（例えば上面）に半導体モジュール４が搭載され他方の面（例えば下面）に熱伝導材料から成る複数のフィン３が設けられて成るヒートシンク１と、このヒートシンク１を収納する筐体６であってその一部によってフィン３を囲む風洞（風上側風洞８ａ、風下側風洞８ｂ、フィン３の設置空間等）を形成する筐体６と、該風洞に外部空気を流入させてフィン３を通過させて排気する気流を生成する冷却ファン５とを有する構成において、例えば以下に列挙する構成を有する。

・ベース２の一方の面側に設けられ、上記風洞内に流入させた空気の一部を通過させるダクトであって、その１面（ベース対面；上面など）に１以上の開口部（洞開口部９ｂ）を有するダクト（洞１０）；、
・上記半導体モジュール４の主端子１１ａに接続すると共に、上記１以上の開口部（洞開口部９ｂ）を塞ぐ形で設置される、熱伝導材料から成るプレート１３（ブスバー等）；
・半導体モジュール４内で発生する熱が、主端子１１ａを介してプレート１３に伝達され、１以上の開口部（洞開口部９ｂ）においてダクト（洞１０）内を通過する空気へ当該プレート１３から放熱される。

また、上記構成において、上記半導体モジュール４は、上記風洞内を通過する気流の上流側に配置される風上側半導体モジュール４ａと、下流側に配置される風下側半導体モジュール４ｂとから成るものであってもよい。

更に、この場合において、上記ベース２において、上記風上側半導体モジュール４ａと風下側半導体モジュール４ｂとの間にベース開口部９ａを有しており、上記ダクト（洞１０）内を通過する空気は、上記ベース開口部９ａからこの風洞内に流入して当該風洞内を通過する空気（上記風上側フィン３ａを通過した空気）と合流後、上記風下側半導体モジュール４ｂに対応するフィン３（上記風下側フィン３ｂ）を通過するように構成してもよい。上述したように、この構成では風下側半導体モジュール４ｂの冷却効率が向上する効果も得られる。

１ ヒートシンク
２ ベース
３ フィン
４ａ 風上側半導体モジュール
４ｂ 風下側半導体モジュール
５ 冷却ファン
６ 筐体
７ａ 風上側気流
７ｂ 風下側気流
８ａ 風上側風洞
８ｂ 風下側風洞
９ａ ベース開口部
９ｂ 洞開口部
１０ 洞
１１ａ 主端子
１１ｂ 制御端子
１２ 吸気口
１３ プレート

Claims (4)

1. 熱伝導材料から成るベースの一方の面に半導体モジュールが搭載され他方の面に熱伝導材料から成る複数のフィンが設けられて成るヒートシンクと、前記ヒートシンクを収納する筐体であってその一部によって前記フィンを囲む風洞を形成する筐体と、該風洞に外部空気を流入させて前記フィンを通過させて排気する気流を生成する冷却ファンとを有する強制空冷ヒートシンクにおいて、
   前記ベースの一方の面側に設けられ、前記風洞内に流入させた空気の一部を通過させるダクトであって、１以上の開口部を有するダクトと、
   前記半導体モジュールの主端子に接続すると共に、前記１以上の開口部を塞ぐ形で設置される、熱伝導材料から成るプレートとを有し、
   前記半導体モジュール内で発生する熱が、前記主端子を介して前記プレートに伝達され、前記１以上の開口部において前記ダクト内を通過する空気へ当該プレートから放熱されることを特徴とする強制空冷ヒートシンク。
2. 前記半導体モジュールは、前記風洞内を通過する気流の上流側に配置される風上側半導体モジュールと、下流側に配置される風下側半導体モジュールとから成り、
   前記ベースにおいて、該風上側半導体モジュールと風下側半導体モジュールとの間にベース開口部を有しており、
   前記ダクトは該ベース開口部を覆うように設けられており、
   前記ダクト内を通過する空気は、前記ベース開口部から前記風洞内に流入して該風洞内を通過する空気と合流後、前記風下側半導体モジュールに対応する前記フィンを通過することを特徴とする請求項１記載の強制空冷ヒートシンク。
3. 前記半導体モジュールの設置空間は前記筐体によって囲われており、
   前記半導体モジュールやその主端子には、前記風洞内を流れる空気や前記ダクト内を通過する空気は通流しないことを特徴とする請求項１または２記載の強制空冷ヒートシンク。
4. 前記プレートは、ブスバーであることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の強制空冷ヒートシンク。