JP6540665B2 - 両面冷却器 - Google Patents

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Description

本明細書が開示する技術は、対向する第１冷却板と第２冷却板の間を冷媒が流れるとともに夫々の冷却板の外面に発熱体が取り付けられる両面冷却器に関する。
半導体モジュールや電子部品の冷却用に、半導体モジュールなどの発熱体を取り付けた冷却板の内面に向けて冷媒を噴き出すタイプの冷却器が知られている。そのような冷却器は衝突噴流型の冷却器と呼ばれている。対向する２枚の冷却板の夫々の外面に発熱体が取り付けられ、夫々の冷却板の内面に対して冷媒を噴き付ける衝突噴流型の両面冷却器が提案されている（例えば特許文献１、２）。特許文献１、２の両面冷却器は、次の構造を備えている。対向する一対の冷却板の間の冷媒流路が、２枚の中板によって冷却板の法線方向で三層に分割されている。中央の空間に冷媒が供給される。夫々の中板には、外側の冷却板に向かって冷媒を噴出するノズルが設けられている。中央の空間に供給された冷媒は、夫々の中板のノズルから、各中板に対面する冷却板に向けて噴き出される。
特開２０１５−１３３４２０号公報 特開２０１５−１４９３６１号公報
特許文献１、２のいずれの両面冷却器も、対向する冷却板の間の空間が２枚の中板によって冷却板の法線方向で三層に分割され、夫々の中板にノズルが設けられている。それゆえ、一対の冷却板の間の距離（冷却器の厚み）が大きくなる。本明細書は、衝突噴流型の両面冷却器の厚みを小さくする技術を提供する。
本明細書が開示する両面冷却器は、対向する第１冷却板と第２冷却板の間を冷媒が流れるとともに夫々の冷却板の外面に発熱体が取り付けられる冷却器である。第１冷却板の法線方向からみたときに両面冷却器の一端に冷媒の供給口が設けられているとともに他端に冷媒の排出口が設けられている。第１冷却板と第２冷却板の間の冷媒流路は、冷媒の供給口から排出口へ向かう冷媒の流れ方向と上記した法線方向の両方に直交する流路幅方向で複数の狭い流路に分割されている。以下、分割された一つひとつの狭い流路を分割流路と称する。少なくとも１つの分割流路は、第１中板と第１上流閉塞板と第１下流閉塞板を備えている。第１中板は、分割流路の内部空間を第１冷却板側の空間と第２冷却板側の空間に区画するとともに、第１冷却板の空間から第２冷却板へ向けて冷媒を噴出する第１ノズルが設けられている。第１上流閉塞板は、第１ノズルの供給口側で第２冷却板側の空間を塞いでいる。第１下流閉塞板は、第１ノズルの排出口側で第１冷却板側の空間を塞いでいる。別の少なくとも１つの分割流路は、第２中板と第２上流閉塞板と第２下流閉塞板を備えている。第２中板は、分割流路の内部空間を第１冷却板側の空間と第２冷却板側の空間に区画するとともに第２冷却板側の空間から第１冷却板へ向けて冷媒を噴出する第２ノズルが設けられている。第２上流閉塞板は、第２ノズルの供給口側で第１冷却板側の空間を塞いでいる。第２下流閉塞板は、第２ノズルの排出口側で第２冷却板側の空間を塞いでいる。そして、第１中板と第２中板が、流路幅方向に並んでいる。
本明細書が開示する両面冷却器は、冷媒流路を流路幅方向に複数の狭い流路（分割流路）に分割する。少なくとも一つの分割流路では、第２冷却板へ向けて冷媒を噴出し、第２冷却板に取り付けられた発熱体に対する冷却性能を高める。別の少なくとも一つの分割流路では、第１冷却板へ向けて冷媒を噴出し、第１冷却板に取り付けられた発熱体に対する冷却性能を高める。夫々の分割流路では、一対の冷却板の間の空間が２層に分割されている。この両面冷却器では、一対の冷却板の間の冷媒流路を冷却板の法線方向で３層に分割する必要がない。それゆえ、両面冷却器の厚み（一対の冷却板の間の距離）を小さくすることができる。
本明細書が開示する両面冷却器は、さらに、次の特徴を備えていてよい。第１冷却板と第２冷却板の間の冷媒流路が、流れ方向に沿って上流部分と下流部分に分割されている。少なくとも一つの分割流路の上流部分に第１中板と第１上流閉塞板と第２下流閉塞板が備えられているとともに下流部分に第２中板と第２上流閉塞板と第２下流閉塞板が備えられている。別の少なくとも一つの分割流路の上流部分に第２中板と第２上流閉塞板と第２下流閉塞板が備えられているとともに下流部分に第１中板と第１上流閉塞板と第１下流閉塞板が備えられている。今、上流部分に第１中板が備えられている分割流路に着目する。その分割流路の上流部分では、第２冷却板へ向けて冷媒が噴出される。噴出された冷媒は、第２冷却板に沿って下流へ流れる。冷媒は、そのまま、下流部分の第２中板で仕切られた第２冷媒板側の空間に流れ込む。そして冷媒は、反対側の第１中板へ向けて噴出される。上流部分に第２中板が備えられている分割流路では、上流部分にて第１冷却板に向けて噴出された冷媒は、第１冷却板に沿って下流へと流れる。冷媒はそのまま、下流部分にて第１中板で仕切られた第１冷却板側の空間に流れ込む。そして、冷媒は、反対側の第２冷却板へ向けて噴出される。そのような両面冷却器は、上流部分と下流部分で２回、冷却板に向けて冷媒が噴出される。しかも、分割流路の上流部分から下流部分へ移るときに冷媒が冷却板の法線方向で蛇行せずに済み、冷媒がスムーズに流れる。従って分割流路における損失の増加を抑えられる。上記の態様の両面冷却器は、冷媒流路での損失の増加を抑えつつ冷媒を２回噴出させることができ、冷却性能のさらなる向上が期待できる。
また、冷媒流路を上流部分と下流部分に分けた両面冷却器では、上流部分にて第１冷却板に衝突した冷媒は、下流部分では第２冷却板に衝突する。上流部分にて第２冷却板に衝突した冷媒は下流部分では第１冷却板に衝突する。このことは、第１冷却板に取り付けられた発熱体と第２冷却板に取り付けられた発熱体の発熱量が相違する場合に次の利点を与える。例えば、第１冷却板に取り付けられた発熱体が第２冷却板に取り付けられた発熱体よりも発熱量が大きい場合を考える。上流部分で第１冷却板に衝突した冷媒は、上流部分で第２冷却板に衝突した冷媒よりも温度が高くなる。下流部分では、温度の高い側の冷媒は第２冷却板に衝突し、温度の低い側の冷媒が第１冷却板に衝突する。従って第１冷却板に取り付けられた発熱体に対する冷却性能が高まる。比較的発熱量の小さい発熱体が取り付けられた第２冷却板に対しては、下流部分においては温度の高い側の冷媒が衝突する。上記した両面冷却器は、両面の発熱体の発熱量が相違する場合、下流部分では、発熱量の大きい側の冷却板に温度の低い冷媒が衝突する。従って上記の構造の両面冷却器は、両面の夫々の発熱体を効率良く冷却することができる。
本明細書が開示する両面冷却器は、さらに、上流部分と下流部分の境界に、流路幅方向で隣接する分割流路同士を連通する連通空間が設けられているとよい。連通空間では、隣接する分割流路の冷媒同士が熱交換を行える。よって、下流部分において、冷媒温度の均一化が図れる。
本明細書が開示する両面冷却器は、第１中板と第２中板が流路幅方向で交互に並んでいるとよい。この構造によって、流路幅方向で冷却性能の均一化が図れる。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
実施例の冷却器を用いた積層ユニットの斜視図である。 第１実施例の冷却器とその両側の半導体モジュールの積層体を図１のＸＺ平面でカットした断面図である。 第１冷却板を外した冷却器の平面図である。 図４（Ａ）は、図３のIVA−IVA線でカットした断面図であり、図４（Ｂ）は、図３のIVB−IVB線でカットした断面図である。 図５（Ａ）は、分割流路３ａの模式的斜視図である。図５（Ｂ）は、分割流路３ｂの模式的斜視図である。 図２に相当する冷却器の断面図であって、冷媒の流れを説明する断面図である。 図７（Ａ）、（Ｂ）は、変形例の冷却器の断面図である。 図８（Ａ）、（Ｂ）は、別の変形例の冷却器の断面図である。 図９（Ａ）、（Ｂ）は、第２実施例の冷却器の断面図である。 図１０は、第１冷却板を外した第３実施例の冷却器の平面図である。 図１１（Ａ）、（Ｂ）は、第３実施例の冷却器の断面図である。 図１２は、さらに別の変形例の冷却器の模式的斜視図である。
（第１実施例）図面を参照して実施例の両面冷却器を説明する。まず、図１に、実施例の両面冷却器を使った積層ユニット１０の斜視図を示す。積層ユニット１０は、複数の半導体モジュール５０と複数の冷却器２ａ−２ｇが積層されたユニットである。図１では、理解を助けるため、一つの半導体モジュール５０を積層ユニット１０から抜き出して描いてある。一つの半導体モジュール５０の本体は、樹脂の射出成形で作られる樹脂パッケージ５１であり、その樹脂パッケージ５１に、２個のトランジスタチップが封止されている。積層ユニット１０は、電圧コンバータやインバータなどの電力変換器の主要部品として利用される。以下では、複数の冷却器２ａ−２ｇを区別なく示すときには冷却器２と表記する場合がある。
半導体モジュール５０は、平板状であり、樹脂パッケージ５１の幅広面に放熱板５２が露出している。図１では見えていない反対側の幅広面にも放熱板が露出している。積層ユニット１０では、複数の冷却器２が平行に並んでおり、隣り合う冷却器の間に半導体モジュール５０が挟まれる。なお、半導体モジュール５０と冷却器２の間には、絶縁板５５が挟まれる。夫々の半導体モジュール５０は、その両面から冷却される。
積層ユニット１０の積層方向の一端の冷却器２ａには、冷媒供給管６１と冷媒排出管６２が接続されている。隣り合う冷却器２は、２本の連結管（供給連結管６３と排出連結管６４）で連結されている。冷却器２は、内部に冷媒流路が形成されており、供給連結管６３と排出連結管６４は、隣り合う冷却器２の冷媒流路を連通する。供給連結管６３は、半導体モジュール５０の一方の側方に位置しており、排出連結管６４は、半導体モジュール５０の他方の側方に位置している。冷媒供給管６１と供給連結管６３は積層方向（図中のＸ方向）からみて重なるように配置されている。冷媒排出管６２と排出連結管６４も、積層方向からみて重なるように配置されている。冷媒供給管６１と冷媒排出管６２は、不図示の冷媒循環器に接続されている。冷媒循環器から供給される冷媒は、冷媒供給管６１及び供給連結管６３を通じて全ての冷却器２に分配される。冷媒は、冷却器２の中の冷媒流路を流れる間に隣接する半導体モジュール５０から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、排出連結管６４と冷媒排出管６２を通じて冷媒循環器へ戻る。なお、冷媒は液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。
図２−図６を参照して冷却器２の構造を説明する。なお、積層方向の両端の冷却器２ａと２ｇを除く冷却器２ｂ―２ｆには、その両面に冷却対象である半導体モジュール５０が当接する。冷却器２ｂ−２ｆは、両面の夫々に取り付けられた発熱体を冷却することができる両面冷却器である。以下では、両側に半導体モジュール５０が接している冷却器２ｂ−２ｆを対象とし、それら冷却器２ｂ−２ｆの一つを冷却器２と表記する。
図２に、一つの冷却器２とその両側の半導体モジュール５０の積層体を図１のＸＺ平面でカットした断面図を示す。冷却器２は扁平であり、対向する一対の冷却板（第１冷却板４１と第２冷却板４２）の夫々の外面に半導体モジュール５０が当接する。両面の半導体モジュール５０（より正確には、半導体モジュール５０の中のトランジスタチップ）が、冷却対象の発熱体である。第１冷却板４１と第２冷却板４２の間が、液体の冷媒が流れる冷媒流路に相当する。図３に、第１冷却板４１を外した冷却器２の平面図を示す。なお図２は、図３のII−II線に沿った断面図に相当する。
図３に示すように、冷却器２の図中のＹ方向の一端に冷媒の供給口４３が設けられており、他端に冷媒の排出口４４が設けられている。供給口４３には、図１に示す供給連結管６３が接続され、排出口４４には排出連結管６４が接続される。冷媒は供給口４３から供給され、冷却器２の冷媒流路を流れ、排出口４４から排出される。
第１冷却板４１と第２冷却板４２の間の冷媒流路は、複数の仕切板３３によって、図中のＺ方向に沿って複数の分割流路３ａ−３ｆに分割されている。分割流路３ａ−３ｆは、図中のＹ方向に延びている。図４に、冷却器２とその両側の半導体モジュール５０が接している積層体を図１のＸＹ平面でカットした断面図を示す。図４（Ａ）は、図２の平面図におけるIVA−IVA線に沿った断面に相当する。図４（Ｂ）は、図２の平面図におけるIVB−IVB線に沿った断面に相当する。図４（Ａ）は、分割流路３ａの断面に相当し、図４（Ｂ）は、分割流路３ｂの断面に相当する。なお、理解を助けるため、図２は、Ｚ方向のみ冷却器２を拡大した図になっている。
冷媒は、供給口４３から排出口４４へ向けて流れる。図中のＹ方向が冷媒の流れ方向に相当する。Ｘ方向は、第１冷却板４１と第２冷却板４２の法線方向に相当する。流れ方向（Ｙ方向）と法線方向（Ｘ方向）の双方と直交する方向（Ｚ方向）を、流路幅方向と称することにする。第１冷却板４１と第２冷却板４２の間の冷媒流路は、流路幅方向で複数の分割流路３ａ−３ｆに分割されている。
図２と図４を参照して、先に、半導体モジュール５０の内部構造を説明する。半導体モジュール５０は、樹脂パッケージ５１の内部に２個のトランジスタチップ５３ａ、５３ｂを封止している。トランジスタチップ５３ａ、５３ｂは平板型であり、一方の面に放熱板５２が接続されており、他方の面は銅ブロック５４を介して放熱板５２が接続されている。トランジスタチップ５３ａ、５３ｂの熱は、直接に、あるいは、銅ブロック５４を介して、放熱板５２に伝達される。放熱板５２は、樹脂パッケージ５１の表面に露出しており、絶縁板５５を介して冷却器２に熱的に接している。トランジスタチップ５３ａ、５３ｂの熱は、冷却器２の内部を通る冷媒に吸収される。
次に、主に図４（Ａ）を参照して、分割流路３ａの内部構造について説明する。図４（Ａ）において太矢印線が冷媒の流れを示している。図中の左側が冷媒流の上流に相当し、右側が下流に相当する。図５（Ａ）に分割流路３ａの模式的斜視図を示すので合わせて参照されたい。図５（Ａ）では、第１冷却板４１と手前側の仕切板３３は図示を省略している。
分割流路３ａの内部には第１中板３４と第１上流閉塞板３４ａと第１下流閉塞板３４ｂが備えられている。第１中板３４は、分割流路３ａの内部空間を、第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する。第１中板３４には、流れ方向に細長い第１ノズル３６が設けられている（図３も参照されたい）。第１ノズル３６は、第１中板３４から第２冷却板４２に向けて突出している（図２も参照されたい）。第２冷却板４２のノズル３６と対向する範囲には複数のフィン３７が設けられている。第１ノズル３６の先端はフィン３７の先端に接している。
第１上流閉塞板３４ａは、第１ノズル３６の上流側（即ち、供給口４３の側）で第２空間３２を塞いでいる。第１下流閉塞板３４ｂは、第１ノズル３６の下流側（即ち、排出口４４の側）で第１空間３１を塞いでいる。
分割流路３ａにおける冷媒の流れについて説明する。冷媒の供給口４３から入った冷媒は、第１空間３１に侵入する。なお、第２空間３２の上流端は第１上流閉塞板３４ａによって塞がれているので、冷媒供給口４３から入った冷媒が直接に第２空間３２に侵入することはない。第１空間３１に進んだ冷媒は、第１ノズル３６を通じて第２冷却板４２に向けて噴出する。冷媒は、隣接するフィン３７の間を通り、第２冷却板４２に衝突する。第２冷却板４２で跳ね返った冷媒は、第１ノズル３６の外側を通り、第２空間３２を下流へと流れ、冷媒排出口４４から排出される。なお、図６に、ノズル３６から噴出した冷媒が冷却板４１、４２に衝突して跳ね返る様子を模式的に描いた断面図を示す。図６は、図２において半導体モジュール５０を消した断面図である。図６における太矢印線が冷媒の流れを示している。
分割流路３ａにおいて冷媒は、第１空間３１を第１冷却板４１に沿って進む間に第１冷却板４１を通じて図４（Ａ）の上側の半導体モジュール５０の熱を吸収する。冷媒は、第１ノズル３６を通じて噴出し、隣接するフィン３７の間を通り、第２冷却板４２とぶつかって跳ね返る間、第２冷却板４２とフィン３７を通じて図４（Ａ）の下側の半導体モジュール５０から熱を吸収する。冷媒は第２冷却板４２に衝突して乱流を生じる。冷媒に乱流が生じることで、第２冷却板４２とフィン３７から多くの熱が吸収される。冷媒を第２冷却板４２に衝突させることで、分割流路３ａでは、図４（Ａ）の下側の半導体モジュール５０に対して高い冷却効果が得られる。
なお、分割流路３ａにおいて、第１中板３４は、下流にいくほど第１空間３１の流路断面積が小さくなるように第１冷却板４１に対して傾斜している。これは、下流にいくほど第１空間３１の冷媒量が減ることに対応している。
次に、主に図４（Ｂ）を参照して、分割流路３ｂの内部構造について説明する。図４（Ｂ）において太矢印線が冷媒の流れを示しており、図中の左側が冷媒流の上流に相当し、右側が下流に相当する。図５（Ｂ）に分割流路３ｂの模式的斜視図を示すので合わせて参照されたい。図５（Ｂ）では、第１冷却板４１とフィン３７と手前側の仕切板３３は図示を省略している。分割流路３ｂは、分割流路３ａの内部構造を冷却板４１、４２の法線方向（Ｘ方向）で反転させた構造を有している。
分割流路３ｂの内部には第２中板３５と第２上流閉塞板３５ａと第２下流閉塞板３５ｂが備えられている。第２中板３５は、分割流路３ｂの内部空間を、第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する。第２中板３５には、流れ方向に細長い第２ノズル３８が設けられている（図３も参照されたい）。第２ノズル３８は、第２中板３５から第１冷却板４１に向けて突出している（図２も参照されたい）。第１冷却板４１の第２ノズル３８と対向する範囲には複数のフィン３７が設けられている。第２ノズル３８の先端はフィン３７の先端に接している。
第２上流閉塞板３５ａは、第２ノズル３８の上流側（即ち、供給口４３の側）で第１空間３１を塞いでいる。第２下流閉塞板３５ｂは、第２ノズル３８の下流側（即ち、排出口４４の側）で第２空間３２を塞いでいる。
分割流路３ｂにおける冷媒の流れについて説明する。冷媒の供給口４３から入った冷媒は、第２空間３２に侵入する。なお、第１空間３１の上流端は第２上流閉塞部３５ａによって塞がれているので、供給口４３から入った冷媒が直接に第１空間３１に侵入することはない。第２空間３２に進んだ冷媒は、第２ノズル３８を通じて第１冷却板４１に向けて噴出する。冷媒は、隣接するフィン３７の間を通り、第１冷却板４１に衝突する。冷媒は、第１冷却板４１で跳ね返る（図６参照）。第１冷却板４１で跳ね返った冷媒は、第２ノズル３８の外側を通り、第１空間３１を下流へと流れ、排出口４４から排出される。
分割流路３ｂにおいて冷媒は、第２空間３２を第２冷却板４２に沿って進む間に第２冷却板４２を通じて図４（Ｂ）の下側の半導体モジュール５０の熱を吸収する。冷媒は、第２ノズル３８を通じて噴出し、隣接するフィン３７の間を通り、第１冷却板４１とぶつかって跳ね返る間、第１冷却板４１とフィン３７を通じて図４（Ｂ）の上側の半導体モジュール５０から熱を吸収する。冷媒は第１冷却板４１に衝突して乱流を生じる。冷媒に乱流が生じることで、第１冷却板４１とフィン３７から多くの熱が吸収される。冷媒を第１冷却板４１に衝突させることで、分割流路３ｂでは、図中上側の半導体モジュール５０に対して高い冷却効果が得られる。
分割流路３ｂにおいて、第２中板３５は、下流にいくほど第２空間３２の流路断面積が小さくなるように傾斜している。これは、下流にいくほど第２空間３２における冷媒量が減ることに対応している。
第１中板３４と第１上流閉塞板３４ａと第１下流閉塞板３４ｂを備える分割流路３ａは、第２冷却板４２に対して冷媒を噴き出す衝突噴流型の冷却器を構成する。第２中板３５と第２上流閉塞板３５ａと第２下流閉塞板３５ｂを備える分割流路３ｂは、第１冷却板４１に冷媒を噴き出す衝突噴流型の冷却器を構成する。図２と図３に示すように、分割流路３ｃ、３ｅには、分割流路３ａと同じく第１中板３４が配置されている。分割流路３ｄ、３ｆには、分割流路３ｂと同じく第２中板３５が配置されている。図には表れていないが、分割流路３ｃ、３ｅには、分割流路３ａと同じく第１上流閉塞板３４ａと第１下流閉塞板３４ｂも備えられている。また、分割流路３ｄ、３ｆには、分割流路３ｂと同じく第２上流閉塞板３５ａと第２下流閉塞板３５ｂも備えられている。なお、図２では、分割流路３ａ、３ｂにのみ、中板とノズルに符号を付した。分割流路３ｃ−３ｆの中板とノズルには符号を省略した。冷却器２の図２と同じ断面を示す図６では、全ての分割流路に符号を付しているので参照されたい。
分割流路３ａ、３ｃ、３ｅは、第２冷却板４２に向けて冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器に相当し、分割流路３ｂ、３ｄ、３ｆは、第１冷却板４１に向けて冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器に相当する。実施例の冷却器２は、第１、第２冷却板４１、４２の間の冷媒流路を複数の細長い衝突噴流型の冷却器に分割し、いくつかを一方の冷却板に向け、残りを他方の冷却板に向け、両面を冷却する。実施例の冷却器２では、一対の冷却板の間の冷媒流路を３層に分ける必要がないので、冷却器の厚み（一対の冷却板の間の距離）を小さくすることができる。
図３に示されているように、冷却器２では、第１中板３４と第２中板３５が、流路幅方向（図中のＺ方向）に並んでいる。さらに、図３の態様は、より詳しくは、複数の分割流路３ａ−３ｆに分割された冷媒流路において、第１中板３４と第２中板３５が流路幅方向（Ｚ方向）で交互に並んでいる。そのような配置により、流路幅方向（Ｚ方向）で冷却性能の均一化が図れる。図３において、供給口４３から延びる実線の矢印線は、第１中板３４の紙面手前側（第１空間３１）に流れ込む冷媒流を表している。供給口４３から延びる破線の矢印線は、第２中板３５の紙面奥側（第２空間３２）に流れ込む冷媒流を表している。分割流路３ａ−３ｆを通る冷媒は、途中でノズルから噴出し、逆側の空間へ移動する。図３において、排出口４４へ向かう実線の矢印線は、第２中板３５の紙面手前側（第１空間３１）から流れ出る冷媒流を表している。排出口４４へ向かう破線の矢印線は、第１中板３４の紙面奥側（第２空間３２）から流れ出る冷媒流を表している。
図７を参照して冷却器２の第１変形例を説明する。第１変形例の冷却器２は、ノズルの形状が図２-図５の冷却器２と相違する。図７（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、図４の（Ａ）、（Ｂ）に対応する。即ち、図７（Ａ）は、分割流路３ａの断面図であり、図７（Ｂ）は分割流路３ｂの断面図である。なお、図４の（Ａ）、（Ｂ）に描いた部品と同じ部品には同じ符号を付してある。また、図７、及び、後の図８では、半導体モジュール５０の図示を省略した。この変形例では、第１中板３４に設けられた第１ノズル１３６、及び、第２中板３５に設けられた第２ノズル１３８の形状が実施例のノズルと異なる。この変形例の第ノズル１３６と第２ノズル１３８は、第１中板３４、第２中板３５に設けられた単純なスリットである。ノズルは、図２−図５の第１実施例のノズルように、筒状であることが望ましいが、単純なスリットであってもよい。
図８を参照して冷却器２の第２変形例を説明する。図８（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、図４の（Ａ）、（Ｂ）に対応する。即ち、図８（Ａ）は、分割流路３ａの断面図であり、図８（Ｂ）は分割流路３ｂの断面図である。なお、図４の（Ａ）、（Ｂ）に描いた部品と同じ部品には同じ符号を付してある。この第２変形例では、第１中板１３４、第２中板１３５が、第１冷却板４１、第２冷却板４２に対して平行に設けられている。なお、第１ノズル１３６、第２ノズル１３８は、図７の変形例と同じく単純なスリットである。中板は、第１実施例の中板（第１中板３４、第２中板３５）のように傾斜していることが望ましいが、第２変形例のように、第１冷却板４１と第２冷却板４２に対して平行であってもよい。
（第２実施例）図９を参照して第２実施例の冷却器１０２を説明する。図９（Ａ）、（Ｂ）は、夫々、図４の（Ａ）、（Ｂ）に対応する。即ち、図９（Ａ）は、分割流路３ａの断面図であり、図９（Ｂ）は分割流路３ｂの断面図である。なお、図４の（Ａ）、（Ｂ）に描いた部品と同じ部品には同じ符号を付してある。また、冷却対象を、発熱体５９ａ−５９ｄで表している。発熱体５９ａ、５９ｂは第１冷却板４１の外側に取り付けられ、発熱体５９ｃ、５９ｄは、第２冷却板４２の外側に取り付けられる。
第２実施例の冷却器１０２では、供給口４３から排出口４４までの間の冷媒流路を、上流部分１０２ａと下流部分１０２ｂに分けている。なお、冷却器１０２も、先の冷却器２と同様に、冷媒流路は、流路幅方向に複数の分割流路３ａ−３ｆに分割されている。分割流路３ｃ、３ｅは分割流路３ａと同じ構造を有しており、分割流路３ｄ、３ｆは分割流路３ｂと同じ構造を有している。
図９（Ａ）を参照して、冷却器１０２の分割流路３ａの構造を説明する。分割流路３ａの上流部分１０２ａには、第１中板７１と第１上流閉塞板７１ａと第１下流閉塞板７１ｂが配置されている。第１中板７１は、先の第１中板３４と同じく、分割流路３ａの空間を第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する。第１中板７１には、第１空間３１から第２冷却板４２に向けて冷媒を噴出する第１ノズル３６ａが設けられている。第１上流閉塞板７１ａは、第１ノズル３６ａの上流側（即ち供給口４３の側）で第２空間３２を塞いでいる。第１下流閉塞板７１ｂは、第１ノズル３６ａの下流側（即ち排出口４４の側）で第１空間３１を塞いでいる。なお、第１下流閉塞板７１ｂは、後述する第２上流閉塞板７２ａを兼ねている。分割流路３ａの上流部分１０２ａは、第２冷却板４２へ冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器を構成する。
分割流路３ａの下流部分１０２ｂには、第２中板７２と、第２上流閉塞板７２ａと、第２下流閉塞板７２ｂが備えられている。第２中板７２は、先の第２中板３５と同じく、分割流路３ａの空間を第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する。第２中板７２には、第２空間３２から第１冷却板４１に向けて冷媒を噴出する第２ノズル３８ａが設けられている。第２上流閉塞板７２ａは、第２ノズル３８ａの上流側（即ち供給口４３の側）で第１空間３１を塞いでいる。先に述べたように、第２上流閉塞板７２ａは、第１下流閉塞板７１ｂを兼ねている。第２下流閉塞板７２ｂは、第２ノズル３８ａの下流側（即ち排出口４４の側）で第２空間３２を塞いでいる。分割流路３ａの下流部分１０２ｂは、第１冷却板４１へ冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器を構成する。
図９（Ｂ）を参照して分割流路３ｂの構造を説明する。分割流路３ｂの上流部分１０２ａには、第２中板７４と第２上流閉塞板７４ａと第２下流閉塞板７４ｂが備えられている。第２中板７４は、先の第２中板３５と同じく、分割流路３ｂの空間を第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する。第２中板７４には、第２空間３２から第１冷却板４１に向けて冷媒を噴出する第２ノズル３８ｂが設けられている。第２上流閉塞板７４ａは、第２ノズル３８ｂの上流側（即ち供給口４３の側）で第１空間３１を塞いでいる。第２下流閉塞板７４ｂは、第２ノズル３８ｂの下流側（即ち排出口４４の側）で第２空間３２を塞いでいる。なお、第２下流閉塞板７４ｂは、後述する第１上流閉塞板７３ａを兼ねている。分割流路３ｂの上流部分１０２ａは、第１冷却板４１へ冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器を構成する。
分割流路３ｂの下流部分１０２ｂには、第１中板７３と第１上流閉塞板７３ａと第１下流閉塞板７３ｂが備えられている。第１中板７３は、分割流路３ｂの空間を第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する。第１中板７３には、第１空間３１から第２冷却板４２に向けて冷媒を噴出する第１ノズル３６ｂが設けられている。第１上流閉塞板７３ａは、第１ノズル３６ｂの上流側（即ち供給口４３の側）で第２空間３２を塞いでいる。先に述べたように、第１上流閉塞板７３ａは、第２下流閉塞板７４ｂを兼ねている。第１下流閉塞板７３ｂは、第１ノズル３６ｂの下流側（即ち排出口４４の側）で第１空間３１を塞いでいる。分割流路３ｂの下流部分１０２ｂは、第２冷却板４２へ冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器を構成する。
冷却器１０２の分割流路３ａにおける冷媒の流れを説明する。供給口４３から入った冷媒は、冷媒流路の上流部分１０２ａにて、第１中板７１で仕切られた第１空間３１に進む。冷媒は第１中板７１の第１ノズル３６ａを通り、第２空間３２へ進み、第２冷却板４２に衝突する。第２冷却板４２で跳ね返った冷媒は、第１ノズル３６ａの外側にて、下流部分１０２ｂへと進む、下流部分１０２ｂでは第２中板７２によって仕切られた第２空間３２に進む。冷媒は、第２中板７２の第２ノズル３８ａを通じて第１空間３１へ噴出し、第１冷却板４１に衝突する。そして冷媒は下流部分１０２ｂの第１空間３１から排出口４４を通じて冷却器１０２の外部へ排出される。
分割流路３ｂにおける冷媒の流れは、分割流路３ａにおける冷媒の流れの逆である。分割流路３ｂでは、上流部分１０２ａにおいて、第２冷却板４２の側の第２空間３２から、第２中板７４の第２ノズル３８ｂを通じて第１冷却板４１へ冷媒が噴出される。第１冷却板４１で跳ね返った冷媒が、第１空間３１を下流部分１０２ｂへ移動する。下流部分１０２ｂでは、冷媒は、第１冷却板４１の側の第１空間３１から、第１中板７３の第１ノズル３６ｂを通じて第２冷却板４２へ噴出される。
分割流路３ｃ、３ｅでは、分割流路３ａと同じく、上流部分１０２ａに第１中板７１と第１上流閉塞板７１ａと第１下流閉塞板７１ｂが配置され、下流部分１０２ｂに第２中板７２と第２上流閉塞板７２ａと第２下流閉塞板７２ｂが配置される。分割流路３ｄ、３ｆでは、分割流路３ｂと同じく、上流部分１０２ａに第２中板７４と第２上流閉塞板７４ａと第２下流閉塞板７４ｂが配置され、下流部分１０２ｂには第１中板７３と第１上流閉塞板７３ａと第１下流閉塞板７３ｂが配置される。上流部分１０２ａでは、第１中板７１と第２中板７４が流路幅方向（Ｚ方向）に並んでおり、下流部分１０２ｂでは、第１中板７３と第２中板７２が流路幅方向（Ｚ方向）に並んでいる。上流部分１０２ａでは、流路幅方向（Ｚ方向）で第１中板７１と第２中板７４が交互に配置されており、下流部分１０２ｂでも、流路幅方向（Ｚ方向）で第１中板７３と第２中板７２が交互に配置されている。
第２実施例の冷却器１０２は、冷媒の流れ方向（図中のＹ方向）に沿って、第１実施例の冷却器２の構造が２組並んだ構造を有している。ただし、上流部分の第１中板の下流には第２中板が配置され、上流部分の第２中板の下流には第１中板が配置される。この構成には、次の利点がある。冷却器１０２では、第１ノズル３６ａ（３６ｂ）と第２ノズル３８ａ（３８ｂ）の流れ方向の長さを短くして、流れ方向に２個のノズルを配置した。この特徴により、ノズルから噴出する冷媒の勢いを強くすることができる。ノズルから噴出する冷媒の勢いを強くすることで、冷却性能の向上が期待できる。
第２実施例の冷却器１０２では、冷媒は、上流部分１０２ａから下流部分１０２ｂへスムーズに流れる。即ち、上流部分で第１空間３１（第２空間３２）から第２空間３２（第１空間３１）へ噴出した冷媒は、下流部分で第２空間３２（第１空間３１）から第１空間３１（第２空間３２）へ噴出する。上流部分１０２ａから下流部分１０２ｂへ移る際、冷却板の法線方向（図中のＸ方向)で冷媒が移動する必要がない。よって、流路抵抗の増加が抑えられる。別言すれば、第２実施例の冷却器１０２では、上流部分１０２ａの衝突噴流型の冷却器から下流部分１０２ｂの衝突噴流型の冷却器へ冷媒が移動することに伴う損失の増大を抑えることができる。
また、第２実施例の冷却器１０２は、第１冷却板４１の側の発熱体５９ａ、５９ｂと、第２冷却板４２の側の発熱体５９ｃ、５９ｄの発熱量が相違するとき、次の利点を与える。例えば、第１冷却板４１の側の発熱量が第２冷却板４２の側の発熱量よりも大きいと仮定する。上流部分１０２ａを通過したとき、第１冷却板４１に向かって噴出した冷媒は、第２冷却板４２に向かって噴出した冷媒よりも温度が高くなる。温度が高くなった冷媒は、下流部分１０２ｂでは、今度は第２冷却板４２へ向かって、即ち、比較的に発熱量が少ない側に噴出する。上流部分１０２ａにおいて第２冷却板４２に向かって噴出した冷媒は、第１冷却板４１に向かって噴出した冷媒よりも温度が低い。相対的に温度の低い冷媒は、下流部分１０２ｂでは、今度は第１冷却板４１へ向かって、即ち、比較的に発熱量が大きい側に噴出する。このように、下流部分１０２ｂでは、発熱量が比較的に高い側に比較的に温度が低い冷媒が衝突する。こうして、第２実施例の冷却器１０２は、第１冷却板４１の側と第２冷却板４２の側の発熱量が相違するとき、発熱量が低い側から発熱量の高い側へ冷却性能がシフトする。
（第３実施例）図１０と図１１を参照して第３実施例の冷却器２０２を説明する。この冷却器２０２は、上流部分２０２ａと下流部分２０２ｂの間に、連通空間８０が設けられている。図１０は、第１冷却板４１を外した冷却器２０２の平面図である。図１１（Ａ）は、分割流路３ａの断面図であり、図１１（Ｂ）は、分割流路３ｂの断面図である。図１１（Ａ）は、図９（Ａ）に対応し、図１１（Ｂ）は図９（Ｂ）に対応する。図１１において、図９と同じ部品には同じ符号を付した。図９と同じ部品については説明を省略する。ただし冷却器２０２の分割流路３ａにおいて、上流部分２０２ａの第１下流閉塞板７１ｂが下流部分２０２ｂの第２上流閉塞板７２ａを兼ねていない点で先の冷却器１０２と相違する。同様に、冷却器２０２の分割流路３ｂにおいて、上流部分２０２ａの第２下流閉塞板７４ｂが下流部分２０２ｂの第１上流閉塞板７３ａを兼ねていない点で相違する。
連通空間８０では、流路幅方向（図中のＺ方向）で隣接する分割流路同士が連通する。冷却器２０２では、冷媒が上流部分２０２ａから下流部分２０２ｂへ移動する間、連通空間８０において、隣接する分割流路の間で冷媒間の熱交換が促進される。それゆえ、下流部分２０２ｂで、第１冷却板４１の側の冷却性能と、第２冷却板４２の側の冷却性能が均一化される。図１０の連通空間８０に描かれた太矢印線が、隣接する分割流路の間で冷媒が交錯する様子を模式的に表している。なお、連通空間８０では、第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と、第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）を隔てる仕切も無く、両空間の間でも冷媒の熱交換が行われる。
以上に説明したように、実施例の冷却器２、１０２、２０２は、衝突噴流型の両面冷却器であって、冷媒流路が冷却板の法線方向で二層に分かれている。冷流路が法線方向で三層に分かれている従来の両面冷却器と異なり、冷却器の法線方向の厚みを小さくすることができる。
冷却器２の特徴部分は次の通りである。冷却器２は、第１冷却板４１と第２冷却板４２の間の流路が流路幅方向に沿って複数の分割流路３ａ−３ｆに分割されている。分割流路３ａ、３ｃ、３ｅには、その内部空間を第１冷却板４１の側の空間（第１空間３１）と第２冷却板４２の側の空間（第２空間３２）に区画する第１中板３４が配置されている。第１中板３４には、第１空間３１から第２冷却板４２へ冷媒を噴出する第１ノズル３６が設けられている。分割流路３ｂ、３ｄ、３ｆには、その内部空間を第１空間３１と第２空間３２に区画する第２中板３５が配置されている。第２中板３５には、第２空間３２から第１冷却板４１へ冷媒を噴出する第２ノズル３８が設けられている。分割流路３ａ、３ｃ、３ｅの第１中板３４と分割流路３ｂ、３ｄ、３ｆの第２中板３５は、流路幅方向（Ｚ方向）に並んでいる。第１中板３４と第２中板３５は、流路幅方向（Ｚ方向）で交互に配置されている。分割流路３ａ、３ｃ、３ｅが第２冷却板４２へ向けて冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器に相当し、分割流路３ｂ、３ｄ、３ｆが、第１冷却板４１へ向けて冷媒を噴出する衝突噴流型の冷却器に相当する。
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却器２、１０２、２０２では、冷媒流路は、流路幅方向に沿って６個の分割流路３ａ−３ｆに分割されている。分割流路の数は複数であればいくつでもよい。
実施例の冷却器では、第１上流閉塞板は第２冷却板から垂直に延びており、第１下流閉塞板第１冷却板から垂直に延びている。第１上流閉塞板と第１下流閉塞板は、第１中板から折れ曲がるように延びている。第１閉塞板は、必ずしも第２冷却器から垂直に延びている必要はなく、また、第１中板から折れ曲がるように延びている必要はない。図１２に、変形例の冷却器３０２の分割流路３ａの模式的斜視図を示す。第１上流閉塞板２３４ａは、湾曲しており、第１中板２３４と滑らかにつながっている。同様に、第１下流閉塞板２３４ｂも湾曲しており、第１中板２３４と滑らかにつながっている。第１上流閉塞板２３４ａと第１中板２３４の境界は曖昧であり、第１下流閉塞板２３４ｂと第１中板２３４の境界も曖昧である。なお、図１２における破線は、第１上流閉塞板２３４ａ（第１下流閉塞板２３４ｂ）と第１中板２３４の仮想的な境界を示している。本明細書が開示する技術は、図１２の態様であってもよい。さらには、第１上流閉塞板と第１下流閉塞板が、第１中板と面一であってもよい。第２上流閉塞板と第２下流閉塞板と第２中板の関係も同様である。
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
２、２ａ−２ｇ、１０２、２０２、３０２：冷却器
３ａ−３ｆ：分割流路
１０：積層ユニット
３１：第１空間
３２：第２空間
３３：仕切板
３４、７１、７３、１３４、２３４：第１中板
３５、７２、７４、１３５：第２中板
３４ａ、１３４ａ、２３４ａ：第１上流閉塞板
３４ｂ、１３４ｂ、２３４ｂ：第１下流閉塞板
３５ａ、１３５ａ：第２上流閉塞板
３５ｂ、１３５ｂ：第２下流閉塞部
３６、３６ａ、３６ｂ、１３６：第１ノズル
３８、３８ａ、３８ｂ、１３８：第２ノズル
３７：フィン
４１：第１冷却板
４２：第２冷却板
４３：供給口
４４：排出口
５０：半導体モジュール
５１：樹脂パッケージ
５２：放熱板
５３ａ、５３ｂ、５９ａ−５９ｄ：トランジスタチップ（発熱体）
５４：銅ブロック
５５：絶縁板
６１：冷媒供給管
６２：冷媒排出管
６３：供給連結管
６４：排出連結管
８０：連通空間
１０２ａ、２０２ａ：上流部分
１０２ｂ、２０２ｂ：下流部分

Claims (4)

  1. 対向する第１冷却板と第２冷却板の間を冷媒が流れるとともに夫々の冷却板の外面に発熱体が取り付けられる両面冷却器であり、
    前記第１冷却板の法線方向からみたときに前記両面冷却器の一端に前記冷媒の供給口が設けられているとともに他端に前記冷媒の排出口が設けられており、
    前記第１冷却板と前記第２冷却板の間の冷媒流路は、前記供給口から前記排出口へ向かう前記冷媒の流れ方向と前記法線方向の両方に直交する流路幅方向で複数の分割流路に分割されており、
    少なくとも１つの前記分割流路は、その内部空間を前記第１冷却板側の空間と前記第２冷却板側の空間に区画するとともに前記第１冷却板側の空間から前記第２冷却板へ向けて冷媒を噴出する第１ノズルが設けられている第１中板と、前記第１ノズルの前記供給口側で前記第２冷却板側の空間を塞ぐ第１上流閉塞板と前記第１ノズルの前記排出口側で前記第１冷却板側の空間を塞ぐ第１下流閉塞板と、を備えており、
    別の少なくとも１つの前記分割流路は、その内部空間を前記第１冷却板側の空間と前記第２冷却板側の空間に区画するとともに前記第２冷却板側の空間から前記第１冷却板へ向けて冷媒を噴出する第２ノズルが設けられている第２中板と、前記第２ノズルの前記供給口側で前記第１冷却板側の空間を塞ぐ第２上流閉塞板と前記第２ノズルの前記排出口側で前記第２冷却板側の空間を塞ぐ第２下流閉塞板と、を備えており、
    前記第１中板と前記第２中板が、前記流路幅方向に並んでいる、両面冷却器。
  2. 前記冷媒流路が前記流れ方向に沿って上流部分と下流部分に分割されており、
    前記少なくとも一つの前記分割流路の前記上流部分に前記第１中板と前記第１上流閉塞板と前記第１下流閉塞板が備えられているとともに、前記下流部分に、その内部空間を前記第１冷却板側の空間と前記第２冷却板側の空間に区画するとともに前記第２冷却板側の空間から前記第１冷却板へ向けて冷媒を噴出する第３ノズルが設けられている第３中板と、前記第３ノズルの前記供給口側で前記第１冷却板側の空間を塞ぐ第３上流閉塞板と、前記第３ノズルの前記排出口側で前記第２冷却板側の空間を塞ぐ第３下流閉塞板と、が備えられており、
    前記別の少なくとも一つの前記分割流路の前記上流部分に前記第２中板と前記第２上流閉塞板と前記第２下流閉塞板が備えられているとともに、前記下流部分に、その内部空間を前記第１冷却板側の空間と前記第２冷却板側の空間に区画するとともに前記第１冷却板側の空間から前記第２冷却板へ向けて冷媒を噴出する第４ノズルが設けられている第４中板と、前記第４ノズルの前記供給口側で前記第２冷却板側の空間を塞ぐ第４上流閉塞板と、前記第４ノズルの前記排出口側で前記第１冷却板側の空間を塞ぐ第４下流閉塞板と、が備えられている、請求項１に記載の両面冷却器。
  3. 前記上流部分と前記下流部分の境界に、前記流路幅方向で隣接する前記分割流路同士を連通する連通空間が設けられている、請求項２に記載の両面冷却器。
  4. 前記第１中板と前記第２中板が、前記流路幅方向で交互に並んでいる、請求項１から３のいずれか１項に記載の両面冷却器。
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