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WO2011132736A1 - 半導体モジュール及び冷却器 - Google Patents

半導体モジュール及び冷却器 Download PDF

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WO2011132736A1
WO2011132736A1 PCT/JP2011/059831 JP2011059831W WO2011132736A1 WO 2011132736 A1 WO2011132736 A1 WO 2011132736A1 JP 2011059831 W JP2011059831 W JP 2011059831W WO 2011132736 A1 WO2011132736 A1 WO 2011132736A1
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WO
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refrigerant
flow path
semiconductor module
water jacket
guide portion
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PCT/JP2011/059831
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English (en)
French (fr)
Inventor
広道 郷原
武 市村
朗 両角
Original Assignee
富士電機システムズ株式会社
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to a cooler for cooling a semiconductor element, and a semiconductor module for cooling a semiconductor element disposed on the outer surface of the cooler by supplying a coolant from the outside to a water jacket constituting the cooler.
  • Semiconductor modules are widely used in power converters represented by electric systems such as hybrid cars and electric cars.
  • a semiconductor module constituting a control device for energy saving a power semiconductor element is provided to control a large current.
  • Such power semiconductor elements tend to increase the amount of heat generated when a large current is controlled, and the amount of generated heat becomes extremely large as the power semiconductor element is miniaturized and the output is increased. Therefore, in a semiconductor module provided with a plurality of power semiconductor elements, the cooling method becomes a big problem.
  • a liquid cooling type cooling device has been generally used for the semiconductor module.
  • the liquid cooling type cooling device increases the flow rate of the refrigerant in order to improve its cooling efficiency, the heat dissipating fins (cooling bodies) have a good heat transfer coefficient, or the heat conductivity of the material constituting the fins.
  • Various ideas have been made, such as raising
  • a refrigerant introduction flow path for introducing a refrigerant and a refrigerant discharge flow path for discharging the refrigerant are arranged in parallel to each other, and a plurality of refrigerant flow directions are orthogonal to each other.
  • a device in which a heat sink is arranged is considered (see Patent Documents 1 to 7). In that case, the refrigerant flows in parallel between the fins constituting the heat sink, so that the cooling performance per pressure loss can be increased, and the pressure loss of the refrigerant in the flow path can be reduced (patent) Reference 5).
  • Patent Document 6 the entire rear side wall of the casing is smoothly inclined forward from the right side wall toward the left side wall, and the flow path cross-sectional area of the inlet header portion is from the coolant inlet side.
  • a liquid-cooling type cooling device that decreases toward the left side wall is described (see paragraph numbers [0024] and [0031] and FIG. 2).
  • Patent Document 3 describes a liquid cooling type cooling device in which connecting water channels for introducing and discharging refrigerant are arranged on the same side surface of the module, and each channel is arranged in a direction orthogonal to the fins without change in cross-sectional area. (See FIG. 1).
  • Patent Document 7 describes a heat sink device used for computer electronic elements and the like.
  • the shape of the inflow guide plate on the side toward the plurality of flow paths is provided so as to be inclined in a convex curved shape toward the plurality of flow paths as the distance from the inflow port increases, and the cross-sectional area of the inflow guide portion is from the inflow port.
  • the width gradually decreases, and the shape of the outflow guide plate is the same as the shape of the inflow guide plate (see paragraph [0030] and FIG. 6).
  • the distribution of the unbalanced refrigerant flows due to the shape of the heat sink and the refrigerant flow path, the arrangement method of the heating elements, the shape of the refrigerant inlet and outlet, and the like.
  • such a drift distribution causes a bias in the cooling performance, so that a uniform and stable cooling performance cannot be obtained.
  • the present invention has been made in view of the above-described points, and eliminates the drift that occurs in the flow path of the refrigerant, particularly by improving the flow velocity in the vicinity of the refrigerant inlet and suppressing the temperature rise.
  • An object of the present invention is to provide a semiconductor module capable of cooling a semiconductor element uniformly and stably and reliably preventing malfunction and destruction due to heat generation of the semiconductor element.
  • Another object of the present invention is to provide a cooler capable of effectively cooling a semiconductor element.
  • a semiconductor module that cools a semiconductor element disposed on the outer surface of the cooler by supplying a coolant from the outside to a water jacket constituting the cooler.
  • the semiconductor module includes a heat sink that is thermally connected to the semiconductor element, and an inclination that extends from the coolant introduction port into the water jacket and guides the coolant toward one side surface of the heat sink.
  • the heat sink is disposed at a position where the second flow path having a side wall parallel to the other side surface of the heat sink and the first flow path and the second flow path in the water jacket communicate with each other.
  • a third flow path is disposed at a position where the second flow path having a side wall parallel to the other side surface of the heat sink and the first flow path and the second flow path in the water jacket communicate with each other.
  • the cooler of the present invention when a coolant is supplied from the outside to the water jacket to cool the semiconductor element disposed on the outer surface, the heat sink thermally connected to the semiconductor element, and the water jacket A first flow in which a guide portion extending from the refrigerant introduction port and having at least one inclined surface for guiding the refrigerant toward one side surface of the heat sink and at least another surface is disposed.
  • positioned is provided, It is characterized by the above-mentioned.
  • the flow rate of the refrigerant flowing into the heat sink from the first flow path is reduced by making the cross-sectional area of the refrigerant introduction path smaller than the discharge path so as to guide the refrigerant toward one side surface of the heat sink. Can be adjusted. Accordingly, the semiconductor element disposed on the outer surface of the cooler can be effectively cooled, and the semiconductor element can be stably operated.
  • FIG. 1 It is a cross-sectional schematic diagram which shows an example of the semiconductor module of this invention. It is a perspective view which shows the external appearance of a semiconductor module. It is a perspective view which shows the principal part structure of the water jacket of a cooler. It is a figure explaining the shape of two kinds of fins, Comprising: (A) is a perspective view which shows a blade fin, (B) is a perspective view which shows a corrugated fin. It is a figure which shows an example of the power converter circuit comprised as a semiconductor module.
  • (A) is a perspective view which shows the example of arrangement
  • (B) is a perspective view which shows the principal part structure of the water jacket of a cooler.
  • (B) is a perspective view which shows the principal part structure of the water jacket of a cooler. .
  • FIG. It is a top view which shows the shape of the flow path in the semiconductor module of FIG. It is a figure explaining the general cooling performance of a cooler, Comprising: (A) is a figure which shows typically the relationship between the flow velocity of a refrigerant
  • FIG. It is a figure explaining the shape of the flow path in the semiconductor module of this invention, Comprising: (A) is a top view of the water jacket of a cooler, (B) is explanatory drawing according to type of guide part shape. It is a figure which shows the flow rate of the refrigerant
  • FIG. 11 is a diagram illustrating an arrangement example of circuit elements
  • FIG. 12B is a diagram illustrating heat generation during the steady operation (B1 row downstream side).
  • FIG. 11A is a diagram illustrating an arrangement example of circuit elements
  • FIG. 11B is a diagram illustrating heat generation during the steady operation (B4 row downstream side).
  • FIG. 12A and 12B are diagrams illustrating the performance of the water jacket of FIG. 11, in which FIG. 11A is a diagram illustrating an arrangement example of circuit elements, and FIG. 12B is a diagram illustrating heat generation during the steady operation (B7 row upstream side).
  • FIG. 10 is a plan view showing a water jacket having a flow path shape different from that in FIG. 9 in a conventional semiconductor module. It is a top view which shows the water jacket of the flow path shape which formed the guide part which has a surface of two different inclination
  • FIG. 17 It is a top view which shows the water jacket of the flow path shape which formed the guide part which has a surface of three different inclination
  • the semiconductor module shown in FIG. 17 it is a figure which shows the shape of the flow path which has a level
  • (A) is a figure which shows the shape of the flow path which has a level
  • (B) is the heat_generation
  • FIG. It is a figure explaining the performance of the water jacket of FIG. 22, Comprising: (A) is a figure which shows the shape of the flow path which has a level
  • FIG. It is a figure explaining the flow-path shape which has a level
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line L2-L2 in the vicinity of the refrigerant inlet. It is a figure explaining the flow-path shape which has a level
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a configuration of a main part of a water jacket having a shape different from that of FIG. 3, which is a conventional semiconductor module cooler.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the principal part structure of the water jacket which has a flow-path shape different from FIG. It is a figure which shows the flow rate of a refrigerant
  • FIG. 39 It is a figure which shows the flow rate of a refrigerant
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor module of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view showing an external appearance of the semiconductor module.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along line L1-L1 in FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of the main part of the water jacket of the cooler, and the arrows indicate the direction in which the refrigerant flows.
  • the semiconductor module 10 includes a cooler 2 and a plurality of circuit element portions 3A to 3C arranged on the cooler 2, as shown in FIGS.
  • the cooler 2 includes a water jacket 2A as a fin cover and a fin base 2B in which a plurality of fins 2C as heat sinks are planted, and the plurality of fins 2C are accommodated in the water jacket 2A. ing.
  • the side to which the fin base 2B is attached in FIG. 3 when viewed from the direction of the arrow with the upper side of the water jacket 2 ⁇ / b> A facing up, the front side is “front side”, the side where the right discharge port 25 is formed is “right side”, etc.
  • the side closer to the inlet 24 is defined as “upstream side”.
  • the outer shape of the water jacket 2A of the cooler 2 is a substantially rectangular parallelepiped shape.
  • the upper main surface of the cooler 2 is provided with a refrigerant introduction channel 21, an inlet port 21a, a refrigerant discharge channel 22, a discharge port 22a, and a cooling channel 23.
  • the water jacket 2A is provided with an inlet 24 for introducing the refrigerant into the left side wall 2Ab thereof, and an outlet 25 for discharging the refrigerant to the outside at the opposite right side wall 2Ad. That is, the introduction port 24 and the discharge port 25 are arranged on the diagonal line of the water jacket 2A.
  • the space such as the refrigerant introduction channel 21 is defined by the front side wall 2Aa, the left side wall 2Ab, the rear side wall 2Ac, the right side wall 2Ad, and the bottom wall 2Ae.
  • fins 2C are drawn for convenience of explanation.
  • the refrigerant introduction channel 21 extends as a first channel from the introduction port 24 to the right side wall 2Ad in parallel with the front side wall 2Aa of the water jacket 2A through the introduction port 21a so as to follow the inflow direction of the refrigerant. Be present.
  • coolant discharge flow path 22 is linear from the left side wall 2Ab to the discharge port 25 through the discharge port part 22a in parallel with the rear side wall 2Ac so that it may go to the refrigerant
  • the refrigerant introduction channel 21 and the refrigerant discharge channel 22 are provided substantially in parallel.
  • the cooling flow path 23 is disposed as a third flow path between the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22 and is formed so as to communicate with the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22. ing. That is, the cooling flow path 23 extends in a direction orthogonal to the extending direction of the refrigerant introduction flow path 21 and the extending direction of the refrigerant discharge flow path 22.
  • the inner surfaces of the left side wall 2Ab and the right side wall 2Ad that define the boundary of the cooling channel 23 are formed perpendicular to the bottom surface of the cooling channel 23 and the inner surface of the rear side wall 2Ac, respectively.
  • a heat sink composed of a plurality of fins 2C is disposed, and the refrigerant flows through the flow path defined by the fins 2C. Then, the refrigerant introduced from the introduction port 24 is discharged from the discharge port 25 through the refrigerant introduction channel 21, the cooling channel 23, and the refrigerant discharge channel 22 in the water jacket 2 ⁇ / b> A.
  • the heat sink has a substantially rectangular parallelepiped shape, and is disposed in the cooling flow path 23 so that the left side surface, the rear side surface, and the right side surface thereof are parallel to the inner surfaces of the left side wall 2Ab, the rear side wall 2Ac, and the right side wall 2Ad. ing.
  • the water jacket 2A having such a configuration can be formed using a metal material such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
  • a metal material such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
  • the water jacket 2A is formed using such a metal material, for example, the above-described refrigerant introduction flow path 21, refrigerant discharge flow path 22, cooling flow path 23, introduction port 24, and discharge port are formed by die casting. 25 can be formed.
  • the water jacket 2A can use a material containing a carbon filler.
  • a ceramic material, a resin material, or the like can be used depending on the type of the refrigerant, the temperature of the refrigerant flowing in the water jacket 2A, and the like.
  • the refrigerant introduction flow path 21, the refrigerant discharge flow path 22, and the plurality of cooling flow paths 23 are formed on the side where the refrigerant is introduced as shown in FIGS. Is sealed by the fin base 2B.
  • a plurality of fins 2C are planted with a base material 26 interposed.
  • FIG. 4A and 4B are diagrams for explaining the shapes of two types of fins.
  • FIG. 4A is a perspective view showing a blade fin
  • FIG. 4B is a perspective view showing a corrugated fin.
  • the fins 2 ⁇ / b> C of the cooler 2 can be formed as a plurality of blade fins 2 ⁇ / b> Ca in which plate-like fins are juxtaposed as shown in FIG. 4 (A), for example.
  • the blade fin 2Ca is disposed in the cooling flow path 23, and the refrigerant flows in the direction indicated by the arrow in FIG. At this time, the blade fins 2Ca are held by the base material 26 and the fin base 2B in the cooling channel 23.
  • FIG. 4A illustrates the blade fin 2Ca
  • the corrugated fin 2Cb shown in FIG. 4B can also be used.
  • the fin 2C having the shape of the blade fin 2Ca or the corrugated fin 2Cb is integrated with the fin base 2B and disposed toward the water jacket 2A on the fin 2C side, for example, as shown in FIG.
  • the fin 2C is formed in a dimension (height) such that a certain clearance C exists between the tip thereof and the bottom wall 2Ae of the water jacket 2A (see FIG. 1).
  • the fin 2C is in the cooling channel 23 of the water jacket 2A. It is supposed to be arranged in. It is also possible to form a fin shape by a wire cut method such as forming the fin 2C integrally with the fin base 2B itself or forming the fin 2C from the fin base 2B into a convex shape by die casting.
  • the fin shape of the fin 2C a variety of conventionally known shapes can be used. Since the fin 2C serves as a resistance of the refrigerant flowing in the cooling flow path 23, it is desirable that the fin 2C has a small pressure loss with respect to the refrigerant.
  • the shape and dimensions of the fins 2C are appropriately set in consideration of the conditions for introducing the refrigerant into the cooler 2 (that is, pump performance, etc.), the type of refrigerant (viscosity, etc.), the target heat removal amount, and the like. Is preferred.
  • the external shape of the heat sink composed of the fins 2C is a substantially rectangular parallelepiped, preferably a rectangular parallelepiped, and may be chamfered or deformed as long as the effects of the invention are not impaired.
  • the fin 2C and the fin base 2B can be formed using a metal material such as aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, etc., similarly to the water jacket 2A.
  • the fins 2 ⁇ / b> C can be formed by joining, for example, predetermined pins or plates formed using a metal material to the metal base material 26 in addition to the blade fins 2 ⁇ / b> Ca and the corrugated fins 2 ⁇ / b> Cb described above.
  • the base material 26 to which the fins 2C are bonded in this way is bonded to a predetermined region of the fin base 2B such as a metal plate, that is, a region corresponding to the cooling flow path 23 shown in FIG. In this way, not only the base material 26 to which the fins 2C are previously bonded can be bonded to the fin base 2B, but also a plurality of fins 2C can be directly bonded to the fin base 2B to constitute a heat sink.
  • the inlet 24 is connected to a pump provided on the upstream side thereof, and the discharge port 25 is connected to a heat exchanger provided on the downstream side thereof.
  • a closed-loop refrigerant flow path including the vessel is configured. The refrigerant is forcibly circulated in such a closed loop by a pump.
  • each of the circuit element units 3A to 3C has a configuration in which a total of four two types of semiconductor elements 32 and 33 are mounted on the substrate 31, respectively.
  • the substrate 31 has a configuration in which conductor patterns 31b and 31c are formed on both surfaces of an insulating substrate 31a.
  • the insulating substrate 31a of the substrate 31 for example, a ceramic substrate such as aluminum nitride or aluminum oxide can be used.
  • the conductor patterns 31b and 31c on the insulating substrate 31a can be formed using a metal such as copper (for example, copper foil).
  • the semiconductor elements 32 and 33 are bonded to the conductor pattern 31b side of the substrate 31 using a bonding layer 34 such as solder, and are electrically connected to the conductor pattern 31b directly or via a wire (not shown).
  • the substrate 31 on which the semiconductor elements 32 and 33 are mounted is bonded to the fin base 2B of the cooler 2 via the bonding layer 35 on the other conductor pattern 31c side.
  • the substrate 31 and the semiconductor elements 32 and 33 mounted on the substrate 31 are thermally connected to the cooler 2.
  • the exposed surfaces of the conductor patterns 31b and 31c and the wire surfaces that electrically connect the semiconductor elements 32 and 33 and the conductor pattern 31b are protected from contamination, corrosion, external force, etc. by nickel plating or the like.
  • a protective layer may be formed.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a power conversion circuit configured as a semiconductor module.
  • power semiconductor elements are used as the semiconductor elements 32 and 33 mounted on the substrate 31.
  • one semiconductor element 32 may be a free wheeling diode (FWD) and the other semiconductor element 33 may be an insulated gate bipolar transistor (IGBT). it can.
  • FWD free wheeling diode
  • IGBT insulated gate bipolar transistor
  • the inverter circuit 40 can be configured by three circuit element units 3A to 3C.
  • FIG. 5 illustrates an inverter circuit 40 that converts a direct current into an alternating current and supplies the alternating current to the three-phase AC motor 41.
  • the inverter circuit 40 includes a bridge circuit of a semiconductor element 33 that is an IGBT and a semiconductor element 32 that is an FWD for each of the three phases U, V, and W. By performing switching control of the semiconductor element 33, a direct current can be converted into an alternating current and the three-phase alternating current motor 41 can be driven.
  • circuit element portions 3A to 3C having the above-described configuration are arranged on the fin base 2B of the cooler 2. These circuit element units 3A to 3C can be connected to form an inverter circuit on the cooler 2, for example.
  • the heat generated in each of the circuit element units 3A to 3C is transmitted to the fin base 2B to which it is joined, and further to the fin 2C below it. Since the fin 2C is disposed in the cooling flow path 23 as described above, the refrigerant flows through the cooling flow path 23, whereby the fin 2C is cooled.
  • the circuit element units 3A to 3C that generate heat are cooled by the cooler 2 in this way.
  • circuit element portions 3A to 3C of the semiconductor module 10 are three is illustrated.
  • the number of circuit element portions is not limited to three as in the semiconductor module shown in FIG.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams illustrating a first modification of a conventional semiconductor module, in which FIG. 6A is a perspective view illustrating an example of arrangement of circuit elements, and FIG. 6B illustrates a configuration of a main part of a water jacket of a cooler. It is a perspective view.
  • circuit element portions 3D are arranged in 7 rows (B1 to B7) in the longitudinal direction of the cooler 2 and 2 rows in the vertical position of the fin base 2B.
  • These circuit element units 3D can be appropriately combined and connected, for example, to form a plurality of inverter circuits 40 as illustrated in FIG.
  • the water jacket 2A is provided with a refrigerant introduction channel 21, a refrigerant discharge channel 22, and a cooling channel 23 on one main surface side.
  • a size corresponding to the fin 2C is formed.
  • the fin 2C is integrated with the fin base 2B and is disposed toward the water jacket 2A on the fin 2C side.
  • the fin base 2B finally integrated with the fin 2C is arrange
  • the fin base 2B and the water jacket 2A are joined using, for example, a suitable sealing material (not shown).
  • a suitable sealing material not shown.
  • the cooler 2 provided with water jacket 2A, fin base 2B, and fin 2C can be comprised.
  • a guide portion having an inclination angle of about 45 ° is formed at the end portion of the refrigerant flowing into the refrigerant introduction passage 21 from the introduction port 24 and the start end portion of the refrigerant discharge passage 22 through which the refrigerant flows out to the discharge port 25.
  • Chamfering is performed so as to form 21So and 22So.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the flow rate of the refrigerant in the semiconductor module of FIG. 6 according to the position of the circuit board.
  • the blade fin 2Ca shown in FIG. 4 (A) is arranged in the cooling flow path 23 as an example and a refrigerant with a flow rate of 10 L / min is flowed from the inlet 24, the space between the fins 2C is shown.
  • the flowing refrigerant flow rate is shown.
  • the characteristic shown in FIG. 7 is L-shaped, and the flow rate of the refrigerant flowing between the fins 2C under the circuit element unit 3D arranged at the position B7 in the seventh row is arranged in another row. Compared to the flow velocity of the circuit element portion 3D, it becomes extremely large.
  • the fins 2C are arranged in the cooling channel 23 as shown in FIG. 6 so as to be substantially orthogonal to the refrigerant introduction channel 21, the refrigerant flowing between the fins 2C is introduced to the coolant. There is a drift characteristic that the flow velocity increases from the port 24 toward the discharge port 25.
  • FIG. 8A and 8B are diagrams for explaining a second modification of the conventional semiconductor module, in which FIG. 8A is a perspective view showing an arrangement example of circuit elements, and FIG. 8B shows a configuration of a main part of a water jacket of a cooler. It is a perspective view.
  • the circuit element units 3D and 3E of 2 rows and 6 columns are arranged, and two circuit element units 3Fu and 3Fd are arranged on the cooler 2 in the same manner as in FIG. Is arranged.
  • the two circuit element units 3Fu and 3Fd added here one having a configuration different from that of the other 12 circuit element units 3D and 3E can be used.
  • the twelve circuit element units 3D and 3E can be appropriately combined and connected to form a plurality of inverter circuits 40 as exemplified in FIG.
  • the circuit element units 3Fu and 3Fd can be configured as a boost converter circuit using, for example, a predetermined number of IGBTs and FWDs.
  • the circuit element units 3Fu and 3Fd of the boost converter circuit are connected to the battery and the inverter circuit 40, and the battery voltage is boosted by the circuit element units 3Fu and 3Fd.
  • the boosted DC current can be converted into an AC current by the inverter circuit 40 and supplied to the three-phase AC motor 41.
  • circuit element units 3Fu and 3Fd of a different type from such circuit element units 3D and 3E, considering the circuit layout or the wiring layout in manufacturing, FIG. ), It is relatively easy to arrange the circuit element units 3Fu and 3Fd at the end of the semiconductor module 10B.
  • the cooler 2 has two heat generation points inside the fin 2C along the flow direction of the refrigerant flowing through the cooling flow path 23. And these heat_generation
  • the refrigerant flowing on the downstream side has already risen in temperature due to heat absorption on the upstream side. Therefore, the cooling efficiency of the circuit element portions 3D and 3E arranged on the upstream side is increased.
  • the circuit element portions 3D and 3E that are higher in the amount of heat generated when they are driven can be more easily cooled by disposing them on the refrigerant introduction channel 21 side.
  • the refrigerant flowing through the cooling flow path 23 of the cooler 2 has a drift characteristic in which the refrigerant flow rate increases at a position closer to the discharge port 25 from the refrigerant inlet 24 side.
  • the cooling efficiency by the fins 2 ⁇ / b> C increases as the coolant flows faster through the cooling flow path 23.
  • the semiconductor module 10B it is required not only to flow the refrigerant according to the amount of heat generated in the circuit element units 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd, but also to circulate the refrigerant at a certain flow rate.
  • the flow velocity of the low flow velocity portion is increased, more refrigerant than necessary flows in the high flow velocity portion. Therefore, for that purpose, the refrigerant flow rate to the cooler 2 must be increased and supplied, and a high-performance pump is required.
  • FIG. 9 is a plan view showing the shape of the flow path in the semiconductor module of FIG.
  • a second modification of the guide portion 21So conventionally employed is shown.
  • the guide portion 21So constitutes a guide wall S1 that is uniformly inclined over the entire range in which the refrigerant introduction channel 21 faces the cooling channel 23.
  • the guide portion 21So is disposed at the end portion of the coolant introduction flow path 21 as in the water jacket 2A shown in FIG.
  • the front side wall 2 ⁇ / b> Aa facing the heat sink is configured as a guide wall S ⁇ b> 1 extending over the entire refrigerant introduction flow path 21, and the inclined surface thereof is the guide portion of FIG. 6. It is formed longer than 21 So. It is well known that the flow velocity distribution of the refrigerant flowing into the cooling flow path 23 from the inlet 24 can be adjusted to some extent by devising the shape of the guide portion 21So in this way.
  • thermofluid analysis including physical phenomena such as refrigerant flow, heat conduction, and heat transfer is required.
  • produces in a steady operation state can be given and an analysis result can be obtained.
  • the refrigerant introduced into the water jacket 2A from the introduction port 24 passes through the refrigerant introduction passage 21 extending linearly from the introduction port 24 with a large flow velocity. It flows in. It is known that the refrigerant flowing into the cooling flow path 23 is a relatively fast flow, particularly on the side close to the refrigerant outlet 25.
  • a plurality of circuit element units 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd are required to maintain the flow rate of the refrigerant necessary for cooling the semiconductor elements 32 and 33 according to the generated loss. If the flow velocity distribution of the refrigerant is widened, the cooling performance is similarly biased. In particular, on the side of the discharge port 25 where the flow velocity becomes fast in the cooling flow path 23, the change in cooling performance is slow with respect to the flow velocity, and the change is large on the inlet 24 side where the flow velocity tends to be slow. This means that a flow velocity component that hardly contributes to the improvement of the cooling performance is generated on the discharge port 25 side. Therefore, if such drift characteristics can be improved, not only more stable cooling performance can be obtained, but also the overall cooling performance can be improved.
  • coolant discharge flow path 22 or the discharge port 25 is a shape which generate
  • coolant may rotate in a track shape within the water jacket 2A.
  • Such a phenomenon can be suppressed by adjusting the drift characteristics. That is, in order to secure a flow rate necessary for cooling each circuit element portion 3D, 3E, 3Fu, 3Fd to a certain level or more while suppressing an increase in cost due to a change in pump function, a cooler with a small pressure loss. 2 and adjusting the flow rate reliably is effective.
  • the above-described drift characteristics of the refrigerant is a phenomenon that occurs in a parallel flow path having a cooling flow path 23 sandwiched between the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22. Therefore, the flow rate of the refrigerant flowing between the cooling fins 2 ⁇ / b> C arranged in the cooling flow channel 23 from the refrigerant introduction flow channel 21 is a flow rate that flows linearly only by narrowing the cross-sectional area of the refrigerant introduction flow channel 21. Only the component becomes strong, which is insufficient for adjusting the drift characteristics.
  • FIG. 10 is a diagram for explaining the general cooling performance of a cooler, in which (A) schematically shows the relationship between the flow rate of refrigerant and pressure, and (B) shows the relationship between the flow rate of refrigerant and the element temperature. It is a figure which shows a relationship typically.
  • the horizontal axis represents the refrigerant flow velocity
  • the vertical axis represents the cooler pressure loss.
  • the curve X is a curve indicating the pump performance, and is defined by the factor (1) described above, that is, the performance specific to the pump actually used.
  • Curves Y1 and Y2 shown in FIG. 10 (A) show the relationship between the refrigerant flow velocity and the pressure loss at the inlet 24 and outlet 25 of a certain cooler 2, respectively. This is a curve defined by the above-described factor (4), that is, the shape of the refrigerant introduction flow path 21 and can be obtained by design or experimentally for each cooler 2 to be used.
  • curves X and Y1, Y2 determine the flow rate of the refrigerant that can actually flow in each cooler 2. That is, the refrigerant flow rates Q1 and Q2 are determined from the position of the intersection of the curve X indicating the performance of the pump and heat exchanger used for refrigerant circulation and the curve Y1 or the curve Y2 indicating the relationship between the flow velocity and the pressure loss. .
  • the cooler 2 shows a curve Y1 in which the increase in pressure loss with respect to the increase in the flow rate of the refrigerant is relatively small, it flows through the cooler 2 from the intersection with the curve X.
  • the possible refrigerant flow rate is Q1.
  • the intersection with the curve X shifts to the upper left, and the refrigerant flow rate Q2 that can flow through the cooler 2 Becomes smaller (Q2 ⁇ Q1).
  • the horizontal axis represents the flow rate of the refrigerant
  • the vertical axis represents the junction temperature (element temperature) of the semiconductor element to be cooled.
  • the element temperature tends to increase as the refrigerant flow velocity decreases, as shown by the curve Z.
  • the curve Z is a curve defined by the above-described factors (2) and (3). Therefore, the element temperature T1 at the refrigerant flow rate Q1 is lower than the element temperature T2 at the refrigerant flow rate Q2 (T1 ⁇ T2). Therefore, naturally, it is easier to suppress the rise in the element temperature when the cooler 2 having the flow velocity Q1 having a larger flow rate of the flowable refrigerant is used than when the flow rate of the flowable refrigerant is Q2.
  • the pressure loss increases in proportion to the square of the flow velocity, but the cooling performance only increases in proportion to the half of the flow velocity. This generally means that a merit is increased if a flow path with a small pressure loss is used instead of increasing the flow rate of the refrigerant. Therefore, in order to suppress the load required for the pump and reduce the cost, it is effective to adjust the flow rate of the refrigerant so as to reduce the pressure loss.
  • FIG. 11A and 11B are views for explaining the shape of the flow path in the semiconductor module of the present invention, wherein FIG. 11A is a plan view of a water jacket of the cooler, and FIG. 11B is an explanatory view for each type of guide portion shape. .
  • the guide portion 21S is composed of an inclined surface S and a flat surface F having a predetermined inclination, as shown in FIG.
  • the guide portion 21S of the present embodiment is formed on the front side wall 2Aa of the water jacket 2A, and the inclined surface S and the flat surface F facing the front side surface of the heat sink made of the fins 2C are the channel width of the coolant introduction channel 21. Is regulated.
  • the inclined surface S acts to guide the refrigerant toward the front side surface of the heat sink.
  • the inclination angle of the inclined surface S is greater than 0 degree and smaller than 90 degrees with respect to the front side surface of the heat sink, and the flat surface F is parallel to the front side surface of the heat sink.
  • the corner portion sandwiched between the inclined surface S and the flat surface F of the guide portion 21S forms an obtuse angle, and the guide portion 21S protrudes toward the heat sink in the middle of the refrigerant introduction channel 21.
  • the coolant introduction channel 21 of the water jacket 2A in the present embodiment has a cross-sectional area defined by the bottom wall 2Ae surface and the guide portion 21S and the front side surface of the heat sink from the inlet 24 of the coolant introduction channel 21. It becomes smaller at a constant rate toward the end portion.
  • a flat surface F is formed in which the rate of decrease changes in the middle of the refrigerant introduction flow path 21 and becomes zero.
  • the heat sink is arranged so that the front side surface thereof is substantially parallel to the inflow direction of the refrigerant flowing from the introduction port 24 and is flush with the inner wall of the introduction port portion 21a so as not to block the flow of the refrigerant. It is installed. Further, the height of the refrigerant introduction flow path 21, that is, the interval between the bottom wall 2Ae surface of the water jacket 2A and the fin base 2B is constant.
  • the refrigerant discharge passage 22 for flowing the refrigerant out to the discharge port 25 is chamfered at the start end so as to form a guide portion 22So having an inclination angle of about 45 ° with respect to the rear side surface of the heat sink.
  • a rear side wall 2Ac is formed in parallel with the rear side surface of the heat sink toward the downstream side.
  • the shape of the coolant introduction flow path 21 is such that the guide wall S1 shown in FIG. 9 and the A-type and B-type guide portions 21S have an interval (minimum value) y0 between the fins 2C and the guide portions 21S of 3 mm.
  • a flat surface F having an inclination of 0 ° is arranged on the terminal end side of the A type, the length x0 is set to 30 mm, and the flat surface F is similarly arranged in the B type, and the length x0 is set to 40 mm.
  • the total length of the refrigerant introduction channel 21 is 255 mm, the height is 10.5 mm, and the width is 15 mm.
  • the loss given to the circuit element unit 3D and the like is divided into two groups each consisting of three columns B1 to B3 and B4 to B6 from the introduction port 24 side. The same size is set immediately below the parts 3D and 3E. Only in the seventh row, different losses are set in the upstream circuit element unit 3Fu and the downstream circuit element unit 3Fd.
  • the loss value set according to the heat generation amount is set to a relationship of 3D ⁇ 3E ⁇ 3Fu ⁇ 3Fd based on the relationship between the refrigerant flow rate, the refrigerant temperature, and the cooling performance.
  • circuit elements 3D and 3E in the first row (B1) and the fourth row (B2) are respectively compared with the IGBT elements arranged on the downstream side, and the circuit element portions 3F in the seventh row 3Fd with a large loss is set as a comparison target.
  • FIG. 12 and 13 are diagrams showing the flow rate of the refrigerant for each guide portion shape in the semiconductor module of FIG. 11 according to the position of the circuit board. These are all examples of simulation results obtained by the above-described method.
  • the flow velocity distribution shown here is the result of simulating the flow velocity between the fins 2C arranged immediately below the center of the circuit elements 3D, 3E, 3Fu, 3Fd arranged in 7 rows.
  • the flow velocities are shown in order from B1 to B7 from the inlet 24 side toward the outlet 25.
  • the flow velocity at each comparison position is improved in the A-type guide portion 21S than in the case of FIG. 9, and in the B-type guide portion 21S rather than the A type.
  • the flow velocity is improved including the first row (B1) corresponding to the vicinity of the inlet where the flow velocity tends to decrease.
  • the average value of the flow velocity of the refrigerant flowing between the fins 2C under the substrate at seven locations is 0.0609 m / s in FIG. 9, 0.0805 m / s for the A type, and 0.081 m / s for the B type. It has become. That is, it can be seen that by providing the refrigerant introduction channel 21 with a plurality of inclinations by the inclined surface S and the flat surface F, the average flow velocity of the refrigerant increases by about 25%.
  • the gap y0 between the fin 2C and the guide part 21S also brings a drift characteristic to the refrigerant as one factor that defines the guide part shape. Therefore, in the BD type guide portion 21S shown in FIG. 11B, the length of the flat portion F1 is set to a common value of 40 mm, and the distance y0 between the fin 2C and the guide portion 21S is set to the B type. 3mm, 2mm for the C type, 4mm for the D type, and the drift characteristics are compared.
  • FIG. 13 an example of the simulation result about a drift characteristic is shown.
  • the refrigerant flowing between the fins 2C immediately below the center of the circuit elements 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd has an average flow velocity of 0.078 m / s for the C type and 0.081 m / s for the B type.
  • D The type is 0.083 m / s. Therefore, it can be seen that the average flow velocity is improved by increasing the interval y0 from 2 mm to 4 mm. Further, as compared with the conventional guide portion 21So (0.0609 m / s) that constitutes the linear guide wall S1 as a whole, an improvement effect of about 25% is produced in reducing the drift.
  • the drift can be adjusted, and the flow velocity immediately below the center of the circuit elements 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd can be adjusted as a whole. Can be improved.
  • the circuit portion portions 3D, 3E, 3Fu A heat generation state of the power semiconductor element was confirmed by giving a loss corresponding to 3Fd.
  • FIGS. 14 to 16 are diagrams for explaining the performance of the water jacket of FIG. 11, (A) is a diagram showing an example of arrangement of circuit elements, and (B) is a diagram showing heat generation during steady operation. is there. Here, an example of the simulation result of the heat generation value is shown.
  • the flow velocity directly under the center of the circuit element part 3D, 3E, 3Fu, 3Fd is improved, and the junction temperature of the power semiconductor element can be reduced by the effect.
  • the junction temperature of the circuit element portion 3D arranged at the position B1 in the first row having the highest effect is 123.6 ° C. in the conventional shape (FIG. 9), and 122. It becomes 117.7 degreeC in 3 degreeC and D type. Accordingly, since the D type is reduced by 5.9 ° C. with respect to the conventional shape (FIG. 9), the cooling efficiency can be improved by 5%.
  • the refrigerant flow velocity is lower than at other positions, but the junction temperature is as shown in FIG. Can be reduced.
  • the flow velocity of the refrigerant flowing between the fins 2C is 0.05 m / s or less, the flow velocity has a great influence on the cooling capacity, and stable cooling performance can be obtained at 0.1 m / s or more.
  • the same cooling performance can be obtained for the upstream power semiconductor element 3Fu at the position B7 in the seventh row.
  • the following guide part shape is preferable in adjusting the refrigerant flow velocity distribution.
  • the change point of the inclination angle that is, the position of the corner portion sandwiched between the inclined surface S and the flat surface F is defined as the end portion. It is arrange
  • the interval between the fin 2C and the guide portion 21S at the end portion of the refrigerant introduction flow path 21 is set to 1 mm or more and 1/3 or less of the maximum flow path width of the refrigerant introduction flow path 21.
  • FIG. 17 is a plan view showing a water jacket having a channel shape different from that in FIG. 9 in a conventional semiconductor module.
  • the positions of the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22 are exchanged in the front-rear direction with those described in FIGS.
  • the introduction port portion 21a and the discharge port portion 22a are formed so as to protrude from the left side wall 2Ab and the right side wall 2Ad of the water jacket 2AI, respectively, and a cylindrical pipe or the like is connected to the refrigerant to be sent from the pump. It flows into the cooler 2 and flows out from the discharge port 22a.
  • the side wall of the refrigerant introduction channel 21 is configured by a guide wall S1 that is uniformly inclined with respect to the entire range facing the cooling channel 23, like the refrigerant introduction channel 21 of FIG.
  • the inlet port 21a of the refrigerant inlet channel 21 and the outlet port 22a of the refrigerant outlet channel 22 provided for the convenience of connection between the pump and the cooler 2 are connected to the inlet 24 and the exhaust port depending on the cross-sectional area of the channel. This may cause the balance of the pressure difference at the outlet 25 to be lost, and the drift characteristics may change.
  • the refrigerant may rotate in a racetrack shape in the refrigerant introduction channel 21, the refrigerant discharge channel 22, and the cooling channel 23. This is particularly noticeable when the refrigerant is difficult to be discharged in a shape in which the refrigerant is easily disturbed at the discharge port 25 or before and after the discharge port 25.
  • the drift characteristics in the cooling flow path 23 of the cooler 2 have a low flow rate on the inlet 24 side and a high flow rate on the outlet 25 side. Therefore, in the refrigerant discharge channel 22, the flow velocity component toward the discharge port 25 becomes larger on the discharge port 25 side of the cooling channel 23 and collides with the wall surface of the refrigerant discharge channel 22 on the introduction port 24 side. It tends to be small due to the flow velocity component returning to the inlet 24 side. That is, when there is an element in which the pressure loss increases in the refrigerant discharge channel 22 and the discharge port 25, it is necessary to devise the cooling channel 23 to flow at the same flow velocity on both the introduction port 24 side and the discharge port 25 side.
  • FIG. 18 is a plan view showing a water jacket having a channel shape in which a guide portion having two surfaces with different inclination angles is formed.
  • the guide part is comprised by the inclined member S2 whose plane shape makes an isosceles triangle among the flow path forms of the cooler 2 for adjusting the drift.
  • a coolant introduction channel 21 is formed by a conventionally used guide wall S1, and an inclined member S2 is placed on the guide wall S1 so as to overlap the two.
  • the new guide part which makes a different inclination-angle is comprised.
  • the inclined member S2 constituting the new guide portion has a first inclined surface inclined so as to guide the refrigerant toward the front side surface of the heat sink made of the fins 2C, and a second inclined surface similarly inclined. Yes.
  • the new guide portion has a maximum inclination angle at the first inclined surface located on the upstream side of the refrigerant introduction flow channel 21 facing the fins 2C in the cooling flow channel 23, and ends from the change point P of the inclination angle.
  • a second inclined surface is continuously formed on the side. A corner portion sandwiched between the first inclined surface and the second inclined surface protrudes toward the heat sink.
  • the guide portion formed in the refrigerant introduction channel 21 has a plurality of inclined surfaces and is different from the water jacket 2AI in FIG. ing. That is, when the circuit element units 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd having different loss values are arranged so that the loss in the circuit element unit 3D shown in FIG. It becomes possible to improve.
  • FIGS. 19 to 21 show modified examples of the shape of the guide portion for adjusting the drift.
  • FIG. 19 is a plan view showing a water jacket having a channel shape in which a guide portion having two surfaces different in length from FIG. 18 is formed.
  • a guide portion having a plurality of inclined surfaces is formed by the inclined member S3 in the coolant introduction channel 21 as in the case of FIG.
  • the inclination angle of the inclined surface is the largest in the vicinity of the central portion of the refrigerant introduction flow path 21. That is, in the planar shape of the inclined member S3, the apex (change point P) facing the fins 2C in the cooling flow path 23 approaches the terminal end side of the refrigerant introduction flow path 21. Therefore, when the circuit element portions 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd having different loss values are arranged so that the loss at the position B4 in the fourth row shown in FIG. It becomes possible to improve cooling performance.
  • FIG. 20 is a plan view showing a channel-shaped water jacket in which a guide portion having three surfaces with different inclination angles is formed.
  • an inclined member S4 is arranged so as to form three inclined surfaces in the refrigerant introduction flow path 21.
  • the inclined member S4 is formed in a planar shape such that the inclination angle of the second inclined surface 21b is the largest. Further, the position of the second inclined surface 21 b is not limited to the central portion of the refrigerant introduction channel 21.
  • the inclination angles of the three inclined surfaces can be set in the range of 5 ° to 45 °, respectively. Therefore, when any one of the circuit element portions 3D, 3E, 3Fu, 3Fd generates heat locally, by providing the inclined member S4 so as to arrange the second inclined surface 21b corresponding to the position, Efficient cooling is possible.
  • a guide piece 22G for guiding the refrigerant to the discharge port 25 with a predetermined inclination angle may be provided at a corresponding position on the refrigerant discharge flow path 22 side. Thereby, it is possible to further increase the flow rate of the refrigerant toward the discharge port 25.
  • the guide piece 22G is set at a height of 70% or less with respect to the refrigerant discharge flow path 22 and is inclined at an inclination angle of 60 degrees or less with respect to the longitudinal direction on the refrigerant discharge flow path 22. It is preferable to arrange at a position close to the fin 2C side from the center in the width direction.
  • FIG. 21 is a plan view showing a water jacket having a channel shape having a concave shape on a parallel surface in the vicinity of the terminal end of the first channel.
  • the water jacket 2AI is configured by an inclined member S5 in which the guide portion formed in the coolant introduction flow path 21 has a plurality of inclined surfaces, as in FIG.
  • the inclined member S5 has a concave shape 21c in the vicinity of the end portion of the refrigerant introduction passage 21, and constitutes an inclined surface that reverses along the refrigerant introduction direction. Is different.
  • the refrigerant flowing from the introduction port 24 is divided into two refrigerants directed in the vertical direction in FIG. 21 by the concave shape 21c located immediately before the collision at the terminal portion of the refrigerant introduction flow path 21. Therefore, when the refrigerant directly flowing into the fins 2C merges with the refrigerant colliding with the concave shape 21c in the opposite direction, the flow rate of the refrigerant toward the cooling flow path 23 is increased, so that the cooling performance can be improved. It becomes possible.
  • FIG. 22 is a diagram showing the shape of a flow path having a step in the height direction in the semiconductor module shown in FIG. 17, wherein (A) is a plan view of the main part of the water jacket of the cooler, and (B) is a refrigerant. L2-L2 cross-sectional view in the vicinity of the inlet, (C) is an explanatory diagram of the shape of the guide portion by type.
  • the inclined member S21 is disposed so as to overlap along the inclined surface of the guide wall S1 in the refrigerant introduction channel 21 formed by the inclined guide wall S1.
  • the guide portion constituted by the inclined member S21 is a side wall inclined with respect to the front side surface of the heat sink, and the inclined member S21 has two inclined surfaces inclined so as to guide the refrigerant toward the front side surface. ing.
  • the inclined member S21 is not only different in inclination angle with respect to the front side surface of the heat sink from the inclination angle of the guide wall S1, but also forms a step in the height direction in the flow path.
  • the inclined member S21 is formed in a band shape within a predetermined height range from the bottom surface of the water jacket 2AI.
  • the interval between the inclined surface of the inclined member S21 and the front side surface of the heat sink is reduced from the opening to the terminal end of the refrigerant introduction flow path 21, and at the corner portion sandwiched between the upstream inclined surface and the downstream inclined surface.
  • the rate of decrease has changed and has decreased.
  • the corners are formed so as to protrude toward the heat sink. Thereby, the area of the cross section defined by the front side surface of the heat sink, the guide wall S1, and the inclined member S21 is also changed so as to be reduced.
  • the thickness of one plate-like blade is 1.2 mm
  • the pitch between adjacent blades is 2.1 mm
  • the height of the plate-like blade from the base material 26 is 10 mm.
  • the fin 2Ca is disposed. The simulation was performed assuming that the gap between the tip of the blade fin 2Ca and the bottom of the water jacket 2AI is 0.5 mm, and the refrigerant is introduced into the inlet 24 at a flow rate of 10 L / min.
  • the shape of the coolant introduction flow path 21 formed by the guide wall S ⁇ b> 1 forms a straight inclined surface in the entire range facing the cooling flow path 23.
  • the second guide portion constituted by the inclined member S21 has two inclined surfaces, and this inclined member S21 is an inclined surface of the guide wall S1. Is disposed on the bottom surface of the refrigerant introduction flow path 21.
  • the first inclined surface of the inclined member S21 as the second guide portion is inclined from this base point with a point where the refrigerant from the inlet 24 first flows into the fin 2C in the refrigerant introduction flow path 21 as a base point.
  • the distance x1 to the angle change point is set to 10.0 mm.
  • the interval y0 between the guide portion of the inclined member S21 and the fin 2C at the end portion of the refrigerant introduction channel 21 was set to 4.0 mm.
  • the total length of the refrigerant introduction channel 21 is 255 mm, the height from the bottom surface is 10.5 mm, and the width is 15 mm.
  • the height z1 of the inclined member S21 is preferably 1 ⁇ 2 or less with respect to the height of the refrigerant introduction channel 21. Therefore, when the coolant introduction channel 21, the coolant discharge channel 22, the cooling channel 23, and the like of the water jacket 2AI are formed at a height of 10 mm, as shown in FIG. In the J-type guide portion shape, the height z1 of the inclined member S21 is set to 2.5 mm, and in the K type, 5.0 mm.
  • FIG. 23 is a diagram illustrating the flow rate of the refrigerant for each guide portion shape in the semiconductor module of FIG. 22 according to the position of the circuit board.
  • the flow velocity distribution shown here is the result of simulating the flow velocity between the fins 2C arranged immediately below the center of the substrate of the circuit element units 3D to 3F arranged in seven rows, as in FIG. 12 of the first embodiment. It is.
  • the flow velocities are shown in order from B1 to B7 from the inlet 24 side toward the outlet 25.
  • the flow velocity distribution shown here is the same as that of the J type and the K type by adding an inclined member S21 as a second guide portion, so that the inlet 24 of the cooling flow path 23 is improved from that of the conventional type shown in FIG. From the side, the refrigerant flows in at a larger flow rate.
  • increasing the height z1 of the inclined member S21 also shows that the flow velocity of the refrigerant increases at both ends of the refrigerant introduction channel 21.
  • the flow velocity distribution along the refrigerant introduction channel 21 is U-shaped, and in the K type flow velocity distribution, a significantly large flow velocity is present at both ends of the refrigerant introduction channel 21. can get.
  • the flow velocity on the inlet 24 side is equivalent to that on the outlet 25 side.
  • the flow rate distribution of the conventional type is L-shaped, and the flow velocity near the inlet 24 is small.
  • the flow rate of the refrigerant flowing between the fins 2C immediately below the center of the circuit elements 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd is 0.
  • the average flow rate of the refrigerant can be increased to about 20%, and the flow rate distribution can be adjusted.
  • the flow rate of the refrigerant introduced into the cooling flow path 23 can be reduced without reducing the flow speed under the element substrate by forming the multi-step inclined surface in the height direction of the refrigerant introduction flow path 21. It becomes possible to improve the cooling performance.
  • FIG. 24 is a diagram illustrating the temperature of the refrigerant for each guide portion shape in the semiconductor module of FIG. 22 according to the position of the circuit board.
  • an inclined member S21 as a second guide portion is additionally arranged to increase the flow velocity immediately below the center of the circuit element portions 3D to 3F, thereby improving the power semiconductor element.
  • Junction temperature can be reduced. In particular, it significantly decreases on the upstream side of the refrigerant introduction channel 21. That is, as shown in the graph of FIG. 24, the refrigerant temperature also decreases according to the rate at which the flow rate is improved. Therefore, it can be confirmed that not only a plurality of slopes are provided in the guide portion shape, but also a step is provided to realize a stable coolant flow rate corresponding to the loss of the power semiconductor element.
  • FIGS. 25 to 27 are views for explaining the performance of the water jacket of FIG. 22, in which (A) shows the shape of the flow path having a step in the height direction, and (B) shows the heat generation during steady operation.
  • FIG. Here, an example of the simulation result of the heat generation value is shown.
  • the junction temperature of the circuit element unit 3D arranged at the position B1 in the first row which is the most effective, is 123.degree.
  • the K type can reduce the cooling efficiency by 7.5 ° C. compared to the conventional shape (FIG. 17), so that the cooling efficiency can be improved by 5.8%.
  • the flow velocity is maintained at 0.1 m / s, and the junction temperature does not rise.
  • the same cooling performance can be obtained for the power semiconductor element 3Fd at the position B7 in the seventh row.
  • FIG. 28 is a view for explaining a flow channel shape having a step in the height direction of the flow channel, different from the semiconductor module shown in FIG. 22, and (A) is a plan view of the main part of the water jacket of the cooler. (B) is a cross-sectional view taken along the line L2-L2 in the vicinity of the refrigerant inlet.
  • a guide wall S1 and an inclined member S21 as a second guide part are disposed at the end of the refrigerant introduction channel 21, and an inclined member is further provided on the upper surface of the inclined member S21.
  • S22 is arranged as a third guide portion.
  • the flow path shape having three steps in the height direction is different from the flow path shape shown in FIG.
  • the refrigerant that has flowed in from the introduction port 24 can easily flow into the cooling flow path 23 in which the fins 2C are arranged, and the cooling performance can be improved.
  • FIG. 29 is a diagram illustrating a flow channel shape having a step in the height direction of the flow channel, which is different from the semiconductor module shown in FIG. 22, and (A) is a plan view of a main part of the water jacket of the cooler.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along arrow L2-L2 in the vicinity of the refrigerant inlet.
  • a guide wall S1 and an inclined member S21 as a second guide portion are arranged at the end of the refrigerant introduction passage 21, and a planar shape is formed on the upper surface of the inclination member S21.
  • a third guide part constituted by an inclined member S23 forming an isosceles triangle is further arranged with a third guide part constituted by an inclined member S23 forming an isosceles triangle.
  • the inclined member S23 as the third guide portion is different from the shape of the flow path shown in FIG. 28 in that it is disposed with a predetermined gap between the inclined member S23 and the guide wall S1.
  • the refrigerant flowing from the introduction port 24 easily flows into the cooling flow path 23 in which the fins 2C are locally and selectively arranged.
  • a plurality of inclined members S23 may be arranged on the upper surface of the inclined member S21 as the second guide portion instead of only one.
  • the inclined member S23 instead of the inclined member S23 having a planar shape of isosceles triangles, it is possible to arrange parallelogram or elliptical plates, and to replace them with guide vanes or the like.
  • FIG. 30 is a perspective view showing a main part configuration of a water jacket having a shape different from that of FIG. 3, which is a conventional semiconductor module cooler.
  • the arrow by the broken line in the water jacket 2AR indicates the direction in which the refrigerant flows.
  • the semiconductor module 10 includes a cooler 2 and a plurality of circuit element units 3A to 3C arranged on the cooler 2, as shown in FIGS.
  • the cooler 2 includes a water jacket 2AR as a fin cover and a fin base 2B in which a plurality of fins 2C as heat sinks are planted, and the plurality of fins 2C are accommodated inside the water jacket 2AR. ing.
  • the outer shape of the water jacket 2AR of the cooler 2 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and a cooling introduction channel 21, a refrigerant discharge channel 22, and fins are arranged on the upper main surface thereof.
  • a flow path 23 is provided.
  • the inlet 24 for introducing the refrigerant into the inside is provided on the right side wall 2Ad, which is the same side as the outlet 25 for discharging the refrigerant to the outside. .
  • These spaces such as the refrigerant introduction flow path 21 are defined by the front side wall 2Aa, the left side wall 2Ab, the rear side wall 2Ac, the right side wall 2Ad, and the bottom wall 2Ae.
  • fins 2C are drawn for convenience of explanation.
  • the refrigerant introduction passage 21 extends from the introduction port 24 to the left side wall 2Ab in parallel with the front side wall 2Aa of the water jacket 2AR through the introduction port portion 21a so as to follow the refrigerant inflow direction. Be present. Moreover, the refrigerant
  • the refrigerant introduction channel 21 and the refrigerant discharge channel 22 are provided substantially in parallel.
  • the cooling flow path 23 is disposed as a third flow path between the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22 and is formed so as to communicate with the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22. ing.
  • the cooling flow path 23 extends in a direction orthogonal to the extending direction of the refrigerant introduction flow path 21 and the extending direction of the refrigerant discharge flow path 22.
  • the inner surfaces of the left side wall 2Ab and the right side wall 2Ad that define the boundary of the cooling channel 23 are formed perpendicular to the bottom surface of the cooling channel 23 and the inner surface of the rear side wall 2Ac, respectively.
  • a heat sink composed of a plurality of fins 2C is disposed, and the refrigerant flows through the flow path defined by the fins 2C. Then, the refrigerant introduced from the introduction port 24 is discharged from the discharge port 25 through the refrigerant introduction channel 21, the cooling channel 23, and the refrigerant discharge channel 22 in the water jacket 2AR.
  • the heat sink has a substantially rectangular parallelepiped shape, and is disposed in the cooling flow path 23 so that the left side surface, the rear side surface, and the right side surface thereof are parallel to the inner surfaces of the left side wall 2Ab, the rear side wall 2Ac, and the right side wall 2Ad. ing.
  • the water jacket 2AR having such a configuration can be formed using a metal material such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
  • a metal material such as aluminum, aluminum alloy, copper, or copper alloy.
  • the above-described refrigerant introduction flow path 21, cooling flow path 23, refrigerant discharge flow path 22, introduction port 24, and discharge port are formed by die casting. 25 can be formed.
  • the water jacket 2AR can use a material containing a carbon filler. Further, depending on the type of refrigerant, the temperature of the refrigerant flowing in the water jacket 2AR, etc., it is also possible to use a ceramic material or a resin material.
  • the inlet 24 is connected to a pump provided on the upstream side thereof, and the discharge port 25 is connected to a heat exchanger provided on the downstream side thereof.
  • a closed-loop refrigerant flow path including the vessel is configured. The refrigerant is forcibly circulated in such a closed loop by a pump.
  • each circuit element portion 3D, 3E, 3Fu, 3Fd of the semiconductor module 10B shown in FIG. 8A is transferred to the fin base 2B to which it is joined, and It is transmitted to the fin 2C below it. Since the fin 2C is disposed in the cooling flow path 23 as described above, the refrigerant flows through the cooling flow path 23, whereby the fin 2C is cooled.
  • the circuit element portions 3D and 3E and 3Fu and 3Fd that generate heat are cooled by the cooler 2 in this way.
  • FIG. 31 is a perspective view showing a main configuration of a water jacket having a flow path shape different from that in FIG. 30.
  • a refrigerant introduction channel 21, a refrigerant discharge channel 22, and a cooling channel 23 are provided on one main surface side, and the cooling channel 23 surrounded by a broken line. Is formed in a size corresponding to the fin 2C.
  • fins 2C integrated with the fin base 2B are arranged in the cooling channel 23 of the water jacket 2AL.
  • the fin 2C is formed in a dimension (height) such that a certain clearance C exists between the tip of the fin 2C and the bottom wall 2Ae of the water jacket 2AL (see FIG. 1).
  • the fin base 2B finally integrated with the fin 2C is joined to the water jacket 2AL using, for example, an appropriate sealing material as shown in FIGS.
  • the cooler 2 provided with water jacket 2AL, the fin base 2B, and the fin 2C can be comprised.
  • the front side wall 2Aa constituting the refrigerant introduction flow path 21 from the introduction port 24 is provided with a guide wall S1 that is inclined from the start end to the entire surface of the cooling flow path 23 at the end.
  • a guide portion 22So having an inclination angle of 45 degrees is disposed at the start end portion of the refrigerant discharge passage 22 through which the refrigerant flows out to the discharge port 25.
  • Each of the guide wall S1 and the guide portion 22So has an inclination of 60 degrees or less, but the guide wall S1 of the refrigerant introduction flow path 21 has a uniform inclination over the entire region in contact with the cooling flow path 23. Yes.
  • FIG. 31 (A) shows an L-type water jacket 2AL in which the introduction port 24 and the discharge port 25 are arranged on the same surface side of the left side wall 2Ab.
  • the R-type water jacket 2AR shown in FIG. 30B has an introduction port 24 and a discharge port 25 arranged on the same surface side of the right side wall 2Ad. That is, although a plurality of shapes are conceivable depending on the convenience of pipe connection for actually introducing the refrigerant, the water jacket is similar to the case of the above-described embodiment in which the inlet 24 and the outlet 25 are respectively arranged on the left and right side walls 2Ab, 2Ad. It is necessary to optimize the channel shape for each shape.
  • FIG. 32 is a diagram showing the flow rate of the refrigerant for each shape of the water jacket according to the position of the circuit board. Note that these graphs flow between the fins 2C when the blade fin 2Ca shown in FIG. 4A is disposed in the cooling flow path 23 as an example, and a refrigerant having a flow rate of 10 L / min is caused to flow from the inlet 24. The refrigerant flow rate is shown.
  • the flow velocity distribution is indicated by a dotted line.
  • the flow velocity distribution is indicated by a solid line.
  • the introduction port 24 and the discharge port 25 are arranged at symmetrical positions (LR type) as in the water jacket 2A shown in FIG. 6B, the flow velocity distribution shown by the one-dot chain line in FIG. .
  • the semiconductor module 10B shown in FIG. 8A it is required to circulate the refrigerant at a certain flow rate or higher according to the amount of heat generated in the circuit element units 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd.
  • the flow rate from the introduction port 24 is simply increased for the purpose of increasing the flow rate of the low flow rate portion, more refrigerant than necessary flows at the high flow rate portion. Therefore, the refrigerant flow must be increased and supplied to the cooler, and a high-performance pump is required.
  • the refrigerant introduced into the water jackets 2AL and 2AR from the introduction port 24 flows so as to be drawn to the position of the discharge port 25 for cooling.
  • the refrigerant flowing into the flow path 23 has a relatively fast flow especially on the side close to the refrigerant outlet 25.
  • a plurality of circuit element units 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd are required to maintain the flow rate of the refrigerant necessary for cooling the semiconductor elements 32 and 33 according to the generated loss. Therefore, if the flow velocity distribution of the refrigerant is increased, the cooling performance is similarly biased. In particular, on the side of the discharge port 25 where the flow velocity becomes fast in the cooling flow path 23, the change in cooling performance is slow with respect to the flow rate, and the change is large at a position away from the discharge port side where the flow velocity tends to be slow. This means that a flow velocity component that is difficult to contribute to the improvement of the cooling performance is generated in the cooling flow path 23 on the discharge port 25 side. Therefore, if such drift characteristics can be improved, not only more stable cooling performance can be obtained, but also the overall cooling performance can be improved.
  • the refrigerant flow rate is 0.1 [m / s] or more.
  • the drift characteristic of the refrigerant is a phenomenon that occurs in a parallel flow path having a cooling flow path 23 sandwiched between the refrigerant introduction flow path 21 and the refrigerant discharge flow path 22.
  • the interval between the cooling fins 2 ⁇ / b> C arranged in the cooling flow path 23 is widened, the resistance to the refrigerant flowing from the refrigerant introduction flow path 21 to the fin 2 ⁇ / b> C becomes small, and the refrigerant easily flows. Therefore, the drift characteristics are increased as the distance between the fins 2C is wider.
  • FIG. 33 is a diagram illustrating the shape of the flow path in the semiconductor module according to the fifth embodiment.
  • FIG. 34 is also a view for explaining the shape of the flow path in the semiconductor module according to the fifth embodiment, where (A) is a plan view of the water jacket of the cooler, and (B) is a guide portion shape type. It is another explanatory drawing.
  • the refrigerant inlet 24 and the outlet 25 are provided in the left side wall 2Ab, and the refrigerant introduction passage 21 extends to the right side wall 2Ad along the front side wall 2Aa. is doing.
  • a guide portion 21So is formed at the end portion of the refrigerant introduction channel 21 by an inclined member having a triangular planar shape.
  • FIG. 34A shows an M type water jacket in which an inclined member S2 having two surfaces with different inclination angles is arranged along a uniformly inclined guide wall S1.
  • the flow path of the cooler 2 for adjusting the drift is formed with an inclined surface having a length x by a conventionally used guide wall S1, and along the inclined surface of the guide wall S1.
  • the inclined member S2 has a first inclined surface that is inclined so as to guide the refrigerant toward the front side surface of the heat sink formed of the fins 2C, and a second inclined surface that is also inclined.
  • the inclined member S2 is formed such that the height z1 from the bottom surface of the refrigerant introduction channel 21 is lower than the guide wall S1.
  • the new guide portion formed by arranging the inclined member S2 along the guide wall S1 has a first inclined surface at a distance x1 on the upstream side of the refrigerant introduction flow channel 21 facing the fin 2C in the cooling flow channel 23.
  • the second inclined surface is continuously formed from the change point P of the inclination angle to the end side.
  • a corner portion sandwiched between the first inclined surface and the second inclined surface protrudes toward the heat sink.
  • a guide portion having two inclined surfaces other than the guide wall S1 is formed in the refrigerant introduction channel 21.
  • This is different from the L1 type and L type flow channel shapes of FIGS. 33A and 33B in that the inclination on the introduction port 24 side is the largest. That is, in the M type guide portion-shaped refrigerant introduction channel 21 shown in FIG. 34 (A), the cross-sectional area continuously decreases in the refrigerant introduction direction, whereby the flow velocity distribution in the cooling channel 23 is obtained. Can be improved.
  • the refrigerant introduction flow path 21 of the water jacket 2AL in the fifth embodiment has a cross-sectional area defined by the bottom wall 2Ae surface, the guide wall S1, and the front side surface of the heat sink. Then, the area of the cross section decreases at a constant rate from the opening side of the refrigerant introduction channel 21 toward the end portion, and the rate of decrease is reduced in the middle by the inclined member S2 in the refrigerant introduction channel 21. Shaped to change.
  • the heat sink is arranged so that the front side surface thereof is substantially parallel to the inflow direction of the refrigerant flowing from the introduction port 24 and is flush with the inner wall of the introduction port portion 21a so as not to block the flow of the refrigerant. It is installed. Further, in the water jacket 2AL, the height of the coolant introduction channel 21, that is, the distance between the bottom wall 2Ae surface of the water jacket 2AL and the fin base 2B is constant.
  • the refrigerant discharge flow path 22 through which the refrigerant flows out to the discharge port 25 is chamfered so as to form a guide portion 22So having an inclination angle of about 45 ° with respect to the rear side surface of the heat sink at the start end.
  • a side wall parallel to the rear side surface of the heat sink is formed toward the downstream side of the refrigerant discharge passage 22.
  • blade fins having a thickness of 1.2 mm, a pitch of 2.1 mm, and a height of 10 mm are disposed in a region of width 255 mm and length 117 mm of the cooling channel 23, and the refrigerant introduction channel 21 is introduced from the inlet 24. It is assumed that the refrigerant is introduced at a flow rate of 10 L / min. In this case, the effect of the difference in the guide portion shape on the flow velocity distribution was confirmed by simulation for each channel type having a different guide portion shape.
  • the refrigerant introduction flow path 21 used here has a slope shape shown in FIGS. 33 and 34, and in any of the L-type to Mc-type guide portions, the distance between the fin 2C and the guide wall S1 or the inclined member S2 (minimum value).
  • y0 is set to 2 mm.
  • the distance x1 to the changing point of the inclined member S2 is 11.5 mm, and only the Ma type is 20 mm.
  • the interval y1 with the fin 2C at the changing point of the inclined member S2 is 5 mm, and the Mb type alone is 10 mm.
  • the height z1 of the inclined member S2 is 2.5 mm, and the Mc type only is 5 mm.
  • the height of the flow path of the cooling flow path 23 is 10.5 mm
  • the width of the flow path at the introduction port 24 is 15 mm.
  • heat loss given to the refrigerant from the circuit element portion 3D and the like will be considered.
  • the same size is set in each of the circuit element units 3D and 3E, with the three rows B1 to B3 and B4 to B6 being divided into two groups from the introduction port 24 side, and the upstream side is only in the seventh row.
  • Different losses are set in the circuit element unit 3Fd and the downstream circuit element unit 3Fu.
  • the loss value set according to the heat generation amount is set to a relationship of 3D ⁇ 3E ⁇ 3Fu ⁇ 3Fd based on the relationship between the refrigerant flow rate, the refrigerant temperature, and the cooling performance.
  • FIG. 35 is a diagram showing the flow rate of the refrigerant for each type of water jacket of FIG.
  • FIG. 36, FIG. 37, and FIG. 38 are diagrams showing the heat generation during the steady operation of the semiconductor element for each type.
  • Each of these is an example of a simulation result by the above-described method, and the flow rate of the refrigerant for each guide portion shape shown in FIG. 34B is shown for each position of the circuit board.
  • FIG. 35 shows the result of simulating the flow velocity between the fins 2C arranged immediately below the center of the circuit elements 3D, 3E, 3Fu, 3Fd arranged in 7 rows.
  • the flow velocity is sequentially increased from B1 to B7 from the introduction port 24 side toward the end portion of the introduction passage 20a, and FIG.
  • the flow speed of the refrigerant at the position B7 where the cooling is most required is increased.
  • the L type having a guide shape having a longer inclined surface than the L1 type is suitable.
  • the flow velocity can be made higher than that of the L type and L1 type shown in FIGS. 33 (A) and 33 (B).
  • the L type is 0.084 m / s
  • the L1 type is 0.083 m. / S, 0.02 m / s for the L2 type, 0.084 m / s for the L3 type, and 0.088 m / s for the M type. That is, even if the length of only one inclined surface of the guide portion 21S is increased, there is almost no change in the average flow velocity between the L type and the L1 to L3 types. However, by arranging a plurality of inclined surfaces as in the M type, the average flow velocity in the circuit element portion is improved. Therefore, it can be seen that more efficient cooling performance can be obtained by configuring the guide portion with the inclined member S2 having a plurality of inclined surfaces in addition to the guide wall S1.
  • the drift characteristics in which the flow velocity at the position B1 increases depending on the position of the discharge port 25 are almost the same in any type, and the drift characteristics themselves are the presence or absence of the inclined member S2. It can be confirmed that it is not affected by. That is, it is clear that even if the inclined member S2 is arranged in the refrigerant introduction channel 21, there is an effect of improving the cooling efficiency without particularly promoting the drift characteristics.
  • the distance x1 to the changing point of the inclined member S2 disposed on the inclined surface of the guide wall S1, and the fin 2C at the changing point Even when the interval y1 and the height z1 of the inclined member S2 are made different, it is possible to adjust the flow rate of the refrigerant from the inlet port 24 toward the end portion without damaging the flow rate, so that an appropriate flow rate distribution is obtained.
  • the drift characteristics are adjusted by providing the inclined member S2 having a plurality of inclined surfaces on the inclined surface of the guide wall S1. be able to.
  • the flow velocity of the circuit element portions 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd immediately below the center of the substrate can be improved as a whole.
  • the L-type, L1-L3 type, and M-type flow paths are given losses corresponding to the circuit element portions 3D, 3E, 3Fu, and 3Fd, respectively. The exothermic state was confirmed.
  • FIGS. 33 and 34A show examples of simulation results of heat generation values during steady operation of the semiconductor elements arranged in the water jacket of FIGS. 33 and 34A for each type.
  • the heat generation temperature is compared with the circuit element portions 3D and 3E arranged on the downstream side of the first row (position B1) and the fourth row (position B4), respectively, and the circuit element portion 3Fd with higher generation loss in the seventh row.
  • Three IGBT elements were used for comparison.
  • the junction temperature of the L3 type is 144.6 ° C.
  • that of the M type is 141.8 ° C., which is 3 ° C., the lowest. That is, by improving the flow path shape of the refrigerant introduction flow path 21 not only by the guide wall S1 but also by the inclined member S2, the flow velocity at the B7 directly below the central portion of the circuit element portion 3Fd on the upstream side where the loss value is particularly high is improved.
  • the junction temperature of the power semiconductor element can be reduced.
  • the cooling performance at positions B1 to B6 is sufficient for the loss, so there is almost no difference in the junction temperature between each type. Absent.
  • FIG. 39 is a plan view showing the shape of the flow path in the semiconductor module according to the sixth embodiment.
  • the R type water jacket 2AR shown in FIG. 39 (A) has the inlet 24 and the outlet 25 arranged symmetrically with respect to the L type shown in FIG. 33 (B), and is uniformly inclined.
  • the guide wall S1 has an inclined surface having a predetermined length.
  • the S-type water jacket 2AR shown in FIG. 4B has the inlet 24 and the outlet 25 arranged symmetrically with respect to the M-type one shown in FIG. 34A, and the guide wall S1.
  • the inclined member S21 arranged along the surface has two surfaces with different inclination angles.
  • FIG. 40 is a diagram showing the flow rate of the refrigerant for each shape of the guide portion in the semiconductor module of FIG. According to the simulation results shown in FIG. 40, the flow velocity distribution in the cooling flow path 23 is faster for the flow rates on the inlet 24 and outlet 25 sides in both the R type and M type. That is, the flow velocity flowing between the fins immediately below the center of the circuit element portion 3Fd disposed near the discharge port 25 is 0.141 m / s for the S type and 0.158 m / s for the R type, whichever circuit is used. A flow velocity distribution commensurate with the loss in the element portion is realized.
  • the flow velocity at the position B1 on the low flow velocity side of the cooling flow path 23 is compared between the S type and the R type, it is 0.052 m / s for the S type and 0.045 m / s for the R type. . That is, the S type in which the guide portion having two inclined surfaces other than the guide wall S1 is configured in the refrigerant introduction flow path 21 has a higher flow velocity at the positions B1 to B3 where the flow velocity is low and a position where the flow velocity is high. The flow velocity at B6 and B7 is low. From this, it can be seen that the S type can be improved to a more uniform flow velocity distribution.
  • the introduction port 24 and the discharge port 25 on the 3Fd, 3Fu side where the loss is large and the substrate size is large.
  • the cooling efficiency becomes higher. Therefore, a loss corresponding to the circuit element portions 3D, 3E, 3Fd, and 3Fu was given, and the heat generation state of the power semiconductor element was confirmed.
  • FIG. 41 is a diagram for explaining the performance of the semiconductor element during steady operation of the water jacket of FIG. 39, where (A) is the heat generation temperature on the downstream side of the B1 row, and (B) is the downstream side of the B4 row. Exothermic temperature, (C) is a diagram showing the exothermic temperature on the upstream side of row B7 for each type.
  • the flow velocity necessary for cooling can be adjusted with respect to the loss of the circuit element portions 3D, 3E, 3Fd, and 3Fu. .
  • the S type and the R type can be reduced by 8.6 ° C. compared with the M type, and the cooling efficiency is improved by 6%.
  • the junction temperature of the circuit element unit 3Fd has improved to a sufficient flow rate for cooling, so there is almost no difference between them, but on the downstream side of the circuit element unit 3D having a low flow rate, There is a difference of approximately 2 ° C between 130.4 ° C for the S type and 132.3 ° C for the R type. From this, it is clear that the inclined member S21 disposed in the S type refrigerant introduction flow path 21 has an effect of adjusting the flow velocity distribution and improving the overall cooling performance.

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Abstract

　半導体素子を効果的に冷却できる半導体モジュール及び冷却器である。　半導体モジュールは、冷却器を構成するウォータージャケット（２Ａ）に外部から冷媒を供給し、フィンベースの外面に配置された回路素子部を冷却する。この半導体モジュールは、回路素子部と熱的に接続されたフィン（２Ｃ）と、ウォータージャケット（２Ａ）に配置され、導入口（２４）から延在され、かつ、フィン（２Ｃ）の一の側面に向かって冷媒を誘導するよう傾斜した一の面と、他の面とを有するガイド部を備えた冷媒導入流路（２１）と、冷媒導入流路（２１）と並列してウォータージャケット（２Ａ）内に配置され、排出口（２５）に延在され、かつフィン（２Ｃ）の他の側面に平行な側壁を有する冷媒排出流路（２２）と、ウォータージャケット（２Ａ）内で冷媒導入流路（２１）と冷媒排出流路（２２）とを連通する位置に形成され、フィン（２Ｃ）が配置された冷却用流路（２３）を備える。

Description

半導体モジュール及び冷却器
　本発明は、半導体素子を冷却するための冷却器、及び冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュールに関する。
　ハイブリッド自動車や電気自動車等の電気システムに代表される電力変換装置には、広く半導体モジュールが利用されている。省エネルギーのための制御装置を構成する半導体モジュールでは、大電流を制御するためにパワー半導体素子を備えている。
　こうしたパワー半導体素子は、大電流を制御する際の発熱量が増大する傾向にあって、とくにパワー半導体素子の小型化や高出力化が進むにつれて発熱量が非常に大きくなる。そこで、パワー半導体素子を複数備えた半導体モジュールでは、その冷却方法が大きな問題となる。
　半導体モジュールには、従来から一般に液冷式の冷却装置が用いられているが、半導体モジュールの冷却効率を向上させるうえでは、パワー半導体素子を効率よく冷却する必要があった。液冷式の冷却装置は、その冷却効率を向上させるために冷媒流量を増加する、放熱用のフィン（冷却体）を熱伝達率のよい形状とする、あるいはフィンを構成する材料の熱伝導率を高めるなど、様々な工夫がなされていた。
　ところで、冷却装置への冷媒流量を増加し、あるいは熱伝達率のよいフィン形状を採用する場合、装置内部で冷媒の圧力損失が増加するなどの不都合が生じやすい。とくに、複数のヒートシンクを用いて多数のパワー半導体素子を冷却する冷却装置では、冷媒の流路を直列接続する流路形状であると、冷媒に対する圧力損失の増加が顕著となる。冷媒の圧力損失を低減するには、少ない冷媒流量で冷却効率を高めるような冷却装置を構成することが理想的である。しかし、冷却装置を構成するフィン材料の熱伝導率を改善するために、新たなフィン材料を採用することとすれば、装置全体のコストアップに繋がるおそれがあった。
　そこで、近年の冷却装置では冷媒を導入するための冷媒導入流路と、それを排出するための冷媒排出流路とを互いに平行に並べ、それらの間で略直交する冷媒の流通方向に複数のヒートシンクを配置するものが考えられている（特許文献１～７参照）。その場合、ヒートシンクを構成する各フィンの間を冷媒が並列に流れるようになって、圧力損失当たりの冷却性能を高くすることができ、また流路内での冷媒の圧力損失を低減できる（特許文献５参照）。
　また、特許文献６には、ケーシングの後側壁の全体が、右側壁側から左側壁側に向かって前側に滑らかに傾斜しており、入口ヘッダ部の流路断面積が、冷却液入口側から左側壁側に向かって小さくなっている液冷式冷却装置が記載されている（段落番号［００２４］、［００３１］、及び図２参照）。また、特許文献３には、冷媒を導入し排出する接続水路がモジュールの同一側面に配置され、各々の流路が断面積の変化なくフィンと直交方向に配置された液冷式冷却装置が記載されている（図１参照）。
　また、特許文献７には、コンピュータ電子素子等に用いられるヒートシンク装置が記載されている。ここでは、複数の流路に向かう側の流入案内板の形状が流入口から遠くなるほど複数の流路側に凸面の曲線状に傾くように設けられていて、流入案内部の断面積が流入口から遠くなるほど順次狭くなっており、かつ、流出案内板の形状も流入案内板の形状と同一である（段落番号［００３０］、及び図６参照）。
特開２００１－３５９８１号公報 特開２００７－１２７２２号公報 特開２００８－２０５３７１号公報 特開２００８－２５１９３２号公報 特開２００６－８０２１１号公報 特開２００９－２３１６７７号公報 特開２００６－２９５１７８号公報
　しかし、これまでの冷却技術では、ヒートシンクや冷媒流路の形状、発熱素子の配置方法、あるいは冷媒の導入口、排出口の形状等に起因して、冷媒が偏って流れる偏流分布が生じる。従来の冷却装置では、こうした偏流分布は冷却性能に偏りをもたらすことから、均一かつ安定した冷却性能を得ることができなかった。しかも、冷媒の排出口側と対極する位置に配置された半導体素子の発熱温度だけが顕著に上昇する等の不都合も生じるため、素子寿命が低下し、あるいは故障などが発生しやすいという問題があった。
　また、特許文献６、特許文献７に開示された冷却装置のように、入口ヘッダ部の流路断面積が、その延在する方向に向かって小さくなっているものでは、その流量分布に改善の傾向は見られるものの、冷媒の導入口近傍の温度上昇を抑制するには至っていない。
　本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、冷媒の流路に生じる偏流を解消し、とくに冷媒の導入口近傍での流速を向上させて、その温度上昇を抑制することで半導体素子を均一かつ安定に冷却し、半導体素子の発熱による誤動作や破壊を確実に防止できる半導体モジュールを提供することを目的とする。
　また、本発明は、半導体素子を効果的に冷却することのできる冷却器を提供することを目的とする。
　本発明では、上記問題を解決するために、冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、前記冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュールが提供される。この半導体モジュールは、前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、前記ウォータージャケット内に、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するための傾斜した一の面、及び他の面を少なくとも有するガイド部が配置された第１流路と、前記第１流路と並列して前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒排出口に延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成され、前記ヒートシンクが配置された第３流路と、を備えることを特徴とする。
　また、本発明の冷却器では、ウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、その外面に配置された半導体素子を冷却する場合に、前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、前記ウォータージャケット内に、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するための傾斜した一の面、及び他の面を少なくとも有するガイド部が配置された第１流路と、前記第１流路と並列して前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒排出口に延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成され、前記ヒートシンクが配置された第３流路と、を備えることを特徴とする。
　本発明の半導体モジュールによれば、ヒートシンクの一の側面に向かって冷媒を誘導するよう、冷媒導入路の断面積を排出路より小さくすることで、第１流路からヒートシンクに流入する冷媒の流速を調整できる。したがって、冷却器の外面に配置された半導体素子を効果的に冷却でき、半導体素子の安定した動作が可能になる。
　本発明の上記及び他の目的、特徴及び利点は本発明の例として好ましい実施の形態を表す添付の図面と関連した以下の説明により明らかになるであろう。
本発明の半導体モジュールの一例を示す断面模式図である。 半導体モジュールの外観を示す斜視図である。 冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。 ２通りのフィンの形状を説明する図であって、（Ａ）はブレードフィンを示す斜視図、（Ｂ）はコルゲートフィンを示す斜視図である。 半導体モジュールとして構成される電力変換回路の一例を示す図である。 従来の半導体モジュールの第１変形例を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す斜視図、（Ｂ）は冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。 図６の半導体モジュールにおける冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。 従来の半導体モジュールの第２変形例を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す斜視図、（Ｂ）は冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。 図８の半導体モジュールにおける流路の形状を示す平面図である。 冷却器の一般的な冷却性能を説明する図であって、（Ａ）は冷媒の流速と圧力の関係を模式的に示す図、（Ｂ）は冷媒の流速と素子温度の関係を模式的に示す図である。 本発明の半導体モジュールにおける流路の形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの平面図、（Ｂ）はガイド部形状のタイプ別の説明図である。 図１１の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。 図１１の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。 図１１のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱（Ｂ１列下流側）を示す図である。 図１１のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱（Ｂ４列下流側）を示す図である。 図１１のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱（Ｂ７列上流側）を示す図である。 従来の半導体モジュールにおける、図９とは異なる流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。 ２つの異なる傾斜角度の面を有するガイド部を形成した流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。 図１８とは異なる長さの２つの面を有するガイド部を形成した流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。 ３つの異なる傾斜角度の面を有するガイド部を形成した流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。 第１流路の終端部近傍の平行面に凹形状を有する流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。 図１７に示す半導体モジュールにおいて、高さ方向に段差を有する流路の形状を示す図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの要部平面図、（Ｂ）は冷媒導入口近傍でのＬ２－Ｌ２矢視断面図、（Ｃ）はタイプ別のガイド部形状の説明図である。 図２２の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。 図２２の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の温度を回路基板の位置別に示す図である。 図２２のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は高さ方向に段差を有する流路の形状を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱（Ｂ１列下流側）を示す図である。 図２２のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は高さ方向に段差を有する流路の形状を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱（Ｂ４列下流側）を示す図である。 図２２のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は高さ方向に段差を有する流路の形状を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱（Ｂ７列下流側）を示す図である。 図２２に示す半導体モジュールとは別の、流路の高さ方向に段差を有する流路形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの要部平面図、（Ｂ）は冷媒導入口近傍でのＬ２－Ｌ２矢視断面図である。 図２２に示す半導体モジュールとはさらに別の、流路の高さ方向に段差を有する流路形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの要部平面図、（Ｂ）は冷媒導入口近傍でのＬ２－Ｌ２矢視断面図である。 従来の半導体モジュールの冷却器であって、図３のものとは異なる形状を有するウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。 図３０とは異なる流路形状を有するウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。 ウォータージャケットの形状毎に冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールにおける流路の形状を示す平面図である。 第５の実施の形態に係る半導体モジュールにおける流路の形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの平面図、（Ｂ）はガイド部形状のタイプ別の説明図である。 図３４のウォータージャケットのタイプ毎での冷媒の流速を示す図である。 ウォータージャケットのＢ１列下流側に配置された半導体素子の定常運転時の発熱をタイプ毎に示す図である。 ウォータージャケットのＢ４列下流側に配置された半導体素子の定常運転時の発熱をタイプ毎に示す図である。 ウォータージャケットのＢ７列上流側に配置された半導体素子の定常運転時の発熱をタイプ毎に示す図である。 第６の実施の形態に係る半導体モジュールにおける流路の形状を示す平面図である。 図３９の半導体モジュールにおけるガイド部の形状毎に冷媒の流速を示す図である。 図３９のウォータージャケットについて、半導体素子の定常運転時の性能を説明する図であって、（Ａ）はＢ１列下流側での発熱温度、（Ｂ）はＢ４列下流側での発熱温度、（Ｃ）はＢ７列上流側での発熱温度をタイプ毎に示す図である。
　図１は、本発明の半導体モジュールの一例を示す断面模式図、図２は、半導体モジュールの外観を示す斜視図である。ここで、図１は図２のＬ１－Ｌ１矢視断面である。また、図３は、冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図であって、矢印は冷媒の流れる方向を示す。
　半導体モジュール１０は、図１及び図２に示すように、冷却器２及び冷却器２の上に配置された複数の回路素子部３Ａ～３Ｃから構成されている。この冷却器２は、フィンカバーとしてのウォータージャケット２Ａと、ヒートシンクとしてのフィン２Ｃが複数本植設されたフィンベース２Ｂとから構成され、複数のフィン２Ｃをウォータージャケット２Ａの内部に収容するようにしている。
　以下の説明では、ウォータージャケット２Ａ及びその内部に収容されたフィン２Ｃについて、図２においてフィンベース２Ｂが付けられる方を「上側」という。また、図３においてウォータージャケット２Ａの上側を上にして矢視方向から見たとき手前を「前側」、右の排出口２５が形成されている方を「右側」等とし、冷却器２内の冷媒の流れに関して、導入口２４に近い方を「上流側」とする。
　図３に示すように、冷却器２のウォータージャケット２Ａの外形は略直方体形状である。冷却器２の上側の主面には冷媒導入流路２１、導入口部２１ａ、冷媒排出流路２２、排出口部２２ａ及び冷却用流路２３が設けられている。さらに、ウォータージャケット２Ａには、その左側壁２Ａｂに冷媒を内部に導入するための導入口２４が、対向する右側壁２Ａｄに冷媒を外部に排出するための排出口２５がそれぞれ設けられている。すなわち、導入口２４と排出口２５はウォータージャケット２Ａの対角線上に配設されている。これら冷媒導入流路２１等の空間は、前側壁２Ａａ、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ、右側壁２Ａｄ及び底壁２Ａｅにより画定されている。なお、同図には説明の便宜のため、フィン２Ｃが描かれている。
　冷媒導入流路２１は、第１流路として、冷媒の流入方向に沿うように、導入口２４から導入口部２１ａを介して、ウォータージャケット２Ａの前側壁２Ａａと平行に、右側壁２Ａｄまで延在されている。また、冷媒排出流路２２は、第２流路として、冷媒の排出口２５に向かうように、左側壁２Ａｂから、後側壁２Ａｃと平行に、排出口部２２ａを介して排出口２５まで直線状に延在されている。冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２は略平行に設けられている。
　冷却用流路２３は、第３流路として、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２との間に配設され、冷媒導入流路２１及び冷媒排出流路２２を連通するように形成されている。すなわち、冷却用流路２３は、冷媒導入流路２１の延在方向及び冷媒排出流路２２の延在方向とそれぞれ直交する方向に延在される。冷却用流路２３の境界を画定している左側壁２Ａｂ及び右側壁２Ａｄの内面は、それぞれ冷却用流路２３の底面及び後側壁２Ａｃの内面に対して垂直に形成されている。
　冷却用流路２３には、複数のフィン２Ｃからなるヒートシンクが配置され、これらのフィン２Ｃで画定される流路を冷媒が流れる。そして、導入口２４から導入された冷媒は、ウォータージャケット２Ａ内で、冷媒導入流路２１、冷却用流路２３、及び冷媒排出流路２２を通って排出口２５から排出される。ヒートシンクは、その外形が略直方体であり、その左側側面、後側側面及び右側側面が、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ及び右側壁２Ａｄの内面と平行になるよう冷却用流路２３に配設されている。
　このような構成を有するウォータージャケット２Ａは、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。このような金属材料を用いてウォータージャケット２Ａを形成する場合、例えばダイキャストによって、上記のような冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、冷却用流路２３、導入口２４、及び排出口２５を形成することができる。ウォータージャケット２Ａは、このほかカーボンフィラーを含有する材料を用いることもできる。また、冷媒の種類やウォータージャケット２Ａ内に流れる冷媒の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能である。
　また、ウォータージャケット２Ａは、冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及び複数の冷却用流路２３の形成面側が、図１及び図２に示すように冷媒の導入口２４及び排出口２５を除いてフィンベース２Ｂにより封止されている。このフィンベース２Ｂの下面に、例えば基材２６を介在させて複数のフィン２Ｃが植設されている。
　つぎに、冷却器２のフィン２Ｃの形状について説明する。
　図４は、２通りのフィンの形状を説明する図であって、（Ａ）はブレードフィンを示す斜視図、（Ｂ）はコルゲートフィンを示す斜視図である。
　冷却器２のフィン２Ｃは、例えば図４（Ａ）に示すように、板状のフィンが並設された複数のブレードフィン２Ｃａとして形成することができる。ブレードフィン２Ｃａは、冷却用流路２３に配置され、冷媒が図４（Ａ）に矢印で示す方向に流通する。その際、こうしたブレードフィン２Ｃａは、冷却用流路２３内で基材２６及びフィンベース２Ｂによって保持される。
　図４（Ａ）にはブレードフィン２Ｃａを例示しているが、同図（Ｂ）に示すコルゲートフィン２Ｃｂを用いることもできる。
　このようなブレードフィン２Ｃａ、あるいはコルゲートフィン２Ｃｂの形状をもつフィン２Ｃは、例えば図２に示したように、フィンベース２Ｂと一体化してフィン２Ｃ側のウォータージャケット２Ａに向けて配置される。フィン２Ｃは、その先端とウォータージャケット２Ａの底壁２Ａｅとの間に一定のクリアランスＣが存在するような寸法（高さ）に形成される（図１参照）。
　図１では、基材２６がフィンベース２Ｂと一体化して構成され、フィンベース２Ｂのフィン２Ｃ側をウォータージャケット２Ａに向けて配置したときに、フィン２Ｃがウォータージャケット２Ａの冷却用流路２３内に配置されるようになっている。なお、フィン２Ｃをフィンベース２Ｂ自体と一体に形成し、あるいはダイキャストによってフィンベース２Ｂからフィン２Ｃを凸形状に形成するなどのワイヤーカット法によるフィン形状の形成も可能である。
　このようなフィン２Ｃのフィン形状については、従来公知の様々な形状のものを用いることが可能である。フィン２Ｃは、冷却用流路２３内を流れる冷媒の抵抗となるので、冷媒に対する圧力損失が小さいものが望ましい。また、フィン２Ｃの形状及び寸法は、冷媒の冷却器２への導入条件（すなわち、ポンプ性能等）、冷媒の種類（粘性等）、目的とする除熱量等を考慮して、適宜設定することが好ましい。
　また、フィン２Ｃからなるヒートシンクの外形は略直方体であり、好ましくは直方体であり、発明の効果を損ねない範囲で面取りや変形された形状であってもよい。
　フィン２Ｃ及びフィンベース２Ｂは、ウォータージャケット２Ａと同様に、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。フィン２Ｃは、上述したブレードフィン２Ｃａやコルゲートフィン２Ｃｂ等以外にも例えば金属材料を用いて形成された所定のピンや板体を金属製の基材２６に接合することによって形成することができる。
　このようにしてフィン２Ｃが接合された基材２６は、金属板等のフィンベース２Ｂの所定領域、すなわち図１に示した冷却用流路２３に対応する領域に接合される。このように予めフィン２Ｃを接合した基材２６をフィンベース２Ｂに接合するだけでなく、フィンベース２Ｂに直接、複数のフィン２Ｃを接合してヒートシンクを構成することも可能である。
　冷却器２の使用時には、例えば導入口２４がその上流側に設けられるポンプに接続され、排出口２５がその下流側に設けられる熱交換器に接続されて、これら冷却器２、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷媒流路が構成される。冷媒は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。
　各回路素子部３Ａ～３Ｃは、例えば図２に示したように、いずれも基板３１上に２種類の半導体素子３２，３３をそれぞれ２個ずつ、計４個搭載した構成を有する。基板３１は、例えば図１に示したように、絶縁基板３１ａの両面に導体パターン３１ｂ，３１ｃが形成された構成とされる。
　基板３１の絶縁基板３１ａには、例えば窒化アルミニウム、酸化アルミニウム等のセラミック基板を用いることができる。絶縁基板３１ａ上の導体パターン３１ｂ，３１ｃは、銅等の金属（例えば、銅箔）を用いて形成することができる。
　半導体素子３２，３３は、はんだ等の接合層３４を用いて基板３１の導体パターン３１ｂ側に接合され、その導体パターン３１ｂに直接、或いはワイヤ（図示せず）を介して、電気的に接続される。半導体素子３２，３３を搭載した基板３１は、もう一方の導体パターン３１ｃ側で、接合層３５を介して冷却器２のフィンベース２Ｂに接合される。
　こうして、基板３１と基板３１上に搭載された半導体素子３２，３３は、冷却器２と熱的に接続された状態になる。なお、導体パターン３１ｂ，３１ｃの露出表面や、半導体素子３２，３３と導体パターン３１ｂとを電気的に接続するワイヤ表面には、ニッケルめっき等により、それらの表面を汚れ、腐食、外力等から保護するための保護層を形成するようにしてもよい。
　図５は、半導体モジュールとして構成される電力変換回路の一例を示す図である。
　このような基板３１上に搭載される半導体素子３２，３３としては、ここではパワー半導体素子を用いている。一例として、図５に示すように、一方の半導体素子３２をフリーホイールダイオード（Ｆｒｅｅ Ｗｈｅｅｌｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＦＷＤ）とし、他方の半導体素子３３を絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＩＧＢＴ）とすることができる。
　半導体モジュール１０は、例えば３個の回路素子部３Ａ～３Ｃによってインバータ回路４０を構成することが可能である。
　図５では、直流電流を交流電流に変換して三相交流モータ４１に供給するインバータ回路４０を例示している。このインバータ回路４０は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相についてそれぞれ、ＩＧＢＴである半導体素子３３と、ＦＷＤである半導体素子３２とのブリッジ回路を備える。半導体素子３３のスイッチング制御を行うことで、直流電流を交流電流に変換し、三相交流モータ４１を駆動することができるようになっている。
　ここでは、上記のような構成を有する回路素子部３Ａ～３Ｃが、冷却器２のフィンベース２Ｂの上に配置されている。これらの回路素子部３Ａ～３Ｃは、例えば冷却器２上でインバータ回路を構成するように接続することができる。
　さて、このような電力変換回路の動作時に、各回路素子部３Ａ～３Ｃで発生した熱は、それが接合されているフィンベース２Ｂへと伝わり、さらにその下のフィン２Ｃへと伝わる。フィン２Ｃは、上述したように冷却用流路２３内に配置されているから、この冷却用流路２３に冷媒が流通されることで、フィン２Ｃが冷却される。発熱する回路素子部３Ａ～３Ｃは、このようにして冷却器２により冷却される。
　以上の説明では、半導体モジュール１０の回路素子部３Ａ～３Ｃを３個とした場合を例示した。しかし、つぎの図６などに示す半導体モジュールのように、回路素子部の個数は３個に限定されない。
　図６は、従来の半導体モジュールの第１変形例を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す斜視図、（Ｂ）は冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。
　図６（Ａ）に示す半導体モジュール１０Ａでは、冷却器２の長手方向に７列（Ｂ１～Ｂ７）、フィンベース２Ｂの上下位置に２行、計１４個の回路素子部３Ｄが配置されている。これらの回路素子部３Ｄを適当に組み合わせて、例えば図５に例示したようなインバータ回路４０を複数構成するように接続することができる。
　ウォータージャケット２Ａには、図６（Ｂ）に示すように、一方の主面側に冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及び冷却用流路２３が設けられ、冷却用流路２３がフィン２Ｃに対応する大きさに形成されている。このフィン２Ｃは、例えば図２に示したように、フィンベース２Ｂと一体化してフィン２Ｃ側のウォータージャケット２Ａに向けて配置される。そして、最終的にフィン２Ｃと一体化されたフィンベース２Ｂは、図１及び図２に示したようにウォータージャケット２Ａ上に配置される。
　フィンベース２Ｂとウォータージャケット２Ａとは、例えば適当なシール材（図示せず）を用いて接合される。これにより、ウォータージャケット２Ａ、フィンベース２Ｂ及びフィン２Ｃを備える冷却器２が構成できる。ここで、導入口２４から冷媒導入流路２１に流入する冷媒の終端部、及び冷媒を排出口２５に流出する冷媒排出流路２２の始端部には、約４５°の傾斜角をなすガイド部２１Ｓｏ、２２Ｓｏを形成するように、それぞれ面取りが施されている。
　図７は、図６の半導体モジュールにおける冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。
　図７のグラフには、一例として図４（Ａ）に示すブレードフィン２Ｃａを冷却用流路２３内に配置して、導入口２４から流量１０Ｌ／ｍｉｎの冷媒を流したとき、フィン２Ｃ間を流れる冷媒流速を示している。図７に示した特性はＬ字形状となっており、７列目の位置Ｂ７に配置された回路素子部３Ｄの基板下で、フィン２Ｃ間に流れる冷媒の流速は、他の列に配置された回路素子部３Ｄについての流速に比較して極端に大きくなる。
　このように、冷媒導入流路２１に対してフィン２Ｃが略直交する形で、図６に示すように冷却用流路２３内に配置されている場合、フィン２Ｃ間を流れる冷媒には、導入口２４から排出口２５に向けて流速が上昇するという偏流特性がある。
　図８は、従来の半導体モジュールの第２変形例を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す斜視図、（Ｂ）は冷却器のウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。
　図８（Ａ）に示す半導体モジュール１０Ｂは、図６のものと同様に、２行６列の回路素子部３Ｄ，３Ｅが配置され、さらに２個の回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄが冷却器２上に配置されている。ここで追加された２個の回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄには、その他の１２個の回路素子部３Ｄ，３Ｅとは異なる構成を有するものを用いることができる。
　１２個の回路素子部３Ｄ，３Ｅは適当に組み合わせて、例えば図５に例示したようなインバータ回路４０を複数構成するように接続することができる。また、回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄは、例えば所定数のＩＧＢＴとＦＷＤを用いた昇圧コンバータ回路として構成できる。
　このような場合には、例えば昇圧コンバータ回路の回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄをバッテリー及び上記インバータ回路４０に接続し、バッテリー電圧を回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄで昇圧する。そして、その昇圧された直流電流をインバータ回路４０によって交流電流に変換して三相交流モータ４１に供給するような回路構成とすることが可能である。
　なお、このような回路素子部３Ｄ，３Ｅとは種類の異なる回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄを新たに追加するには、回路の設計上、或いは製造上の配線レイアウト等を考慮すると、図８（Ａ）に示すように、回路素子部３Ｆｕ，３Ｆｄを半導体モジュール１０Ｂの端部に配置することが比較的容易である。
　このような半導体モジュール１０Ｂでは、冷却器２には冷却用流路２３を流れる冷媒の流通方向に沿ってフィン２Ｃ内部に発熱箇所が２箇所ある。そして、これらの発熱箇所は冷媒の流れる方向に対して、それぞれ上流側と下流側とに分かれて位置する。このうち、下流側を流れる冷媒は、上流側での吸熱によって、その冷媒温度がすでに上昇している。そのため、上流側に配置された回路素子部３Ｄ，３Ｅの冷却効率が高くなる。
　こうした事情を考慮すると、回路素子部３Ｄ，３Ｅのうちその駆動時に発生する熱量が高いものほど冷媒導入流路２１側に配置すれば、より容易に冷却することが可能である。また、冷却器２の冷却用流路２３を流れる冷媒には、冷媒の導入口２４側より、その排出口２５に近い位置で冷媒流速が上昇するという偏流特性がある。しかも、冷却用流路２３を冷媒が速く流れる箇所ほど、フィン２Ｃによる冷却効率は高くなる。
　このように、半導体モジュール１０Ｂでは、冷媒を回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄで発生する熱量に応じて流すだけでなく、ある一定以上の流速で流通させることが求められる。ところが、低流速部の流速を上昇させれば、流速の速い部分では必要以上の冷媒が流れることになる。したがって、そのために冷却器２への冷媒流量を増加して供給しなければならず、高性能のポンプが必要となる。
　図９は、図８の半導体モジュールにおける流路の形状を示す平面図である。
　ここには、従来から採用されているガイド部２１Ｓｏの第２変形例を示している。このガイド部２１Ｓｏは、図６のガイド部２１Ｓｏの形状とは異なり、冷媒導入流路２１が冷却用流路２３に面する全範囲で一様に傾斜したガイド壁Ｓ１を構成している。
　従来の冷却器２においては、図６に示すウォータージャケット２Ａのように、冷媒導入流路２１の終端部にガイド部２１Ｓｏが配置されているだけであった。これに対して図８、図９に示す冷却器２では、ヒートシンクに対向する前側壁２Ａａが冷媒導入流路２１の全体に及ぶガイド壁Ｓ１として構成され、その傾斜面が、図６のガイド部２１Ｓｏより長く形成される。このようにガイド部２１Ｓｏの形状を工夫することで、導入口２４から冷却用流路２３に流入する冷媒の流速分布をある程度調整可能であることは周知である。
　こうした流路特性をシミュレーションするには、冷媒の流れと熱伝導、熱伝達などの物理現象を含む熱流体解析が必要とされる。また、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄでの発熱による冷媒の温度上昇を求める際、定常運転状態で発生する損失を与えて解析結果を得ることができる。
　従来構造のウォータージャケット２Ａを用いて冷媒の流速分布をシミュレーションすると、導入口２４からウォータージャケット２Ａ内に導入された冷媒は、導入口２４から直線状に延在する冷媒導入流路２１を大きな流速で流れる。そして、冷却用流路２３に流れ込む冷媒は、とくに冷媒の排出口２５に近い側において、比較的速い流れとなることが知られている。
　一般に、複数配置された回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄでは、発生する損失に応じて半導体素子３２，３３の冷却に必要な冷媒の流速を維持することが求められるが、上述した偏流特性によって冷媒の流速分布が広がれば、その冷却性能も同様に偏った分布となる。とりわけ冷却用流路２３において流速が速くなる排出口２５側では、流速に対して冷却性能の変化は鈍く、流速が遅くなりやすい導入口２４側ではその変化は大きい。これは、排出口２５側に冷却性能の向上に寄与しづらい流速成分が生じることを意味している。そこで、このような偏流特性を改善することができれば、より安定した冷却性能が得られるだけでなく、全体的な冷却性能も向上させることも可能になる。
　また、冷媒排出流路２２や排出口２５が、圧力損失を発生するような形状であったり、その偏流特性が大きすぎる場合には、ウォータージャケット２Ａ内で冷媒がトラック状に回転することがある。このような現象も偏流特性を調整することで抑制することが可能になる。すなわち、ポンプ機能の変更によるコストアップを抑えつつ、各々の回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの冷却に必要な流速を一定以上の大きさに確保するためには、圧力損失の小さい冷却器２を用い、かつ流速を確実に調整することが有効である。
　上述した冷媒の偏流特性は、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２とに挟まれた冷却用流路２３を持つような並列流路において起こる現象である。そのため、冷媒導入流路２１から冷却用流路２３に配置された冷却用のフィン２Ｃ間に流入する冷媒の流速は、冷媒導入流路２１の断面積を狭めただけでは、直線状に流れる流速成分が強くなるだけで、偏流特性の調整としては不十分である。
　とくに、冷却用流路２３に配置される冷却用のフィン２Ｃの間隔を広げた場合には、冷媒導入流路２１からフィン２Ｃに流れる冷媒に対する抵抗が小さくなって、冷媒が流れ込みやすくなる。したがって、フィン２Ｃの間隔が広い形状であるほど、冷媒の流速分布が図９に示すような冷媒導入流路２１の終端部におけるフィン２Ｃとの間隔ｙ０に依存することになる。
　そこで、この点について詳細に説明する。まず、冷却器２の性能に影響を及ぼす因子について説明する。
　（１）冷媒導入に用いるポンプの性能、
　（２）フィン２Ｃの材質の形状及びその熱伝導率、
　（３）冷媒自体の性質（粘性、熱伝導率、温度等）、
　（４）冷媒導入流路２１の形状（幅、深さ、平面形状等）、
等が冷却器２の性能因子として指摘できる。以下では、とくに第４の因子が冷却性能に及ぼす影響について考察する。
　図１０は、冷却器の一般的な冷却性能を説明する図であって、（Ａ）は冷媒の流速と圧力の関係を模式的に示す図、（Ｂ）は冷媒の流速と素子温度との関係を模式的に示す図である。
　図１０（Ａ）では、横軸に冷媒の流速を、縦軸に冷却器の圧力損失をとっている。ここで、曲線Ｘはポンプ性能を示す曲線であって、上述した因子（１）、すなわち実際に使用するポンプに固有の性能によって規定される。
　図１０（Ａ）に示す曲線Ｙ１，Ｙ２は、ある冷却器２のそれぞれ導入口２４、排出口２５における冷媒の流速と圧力損失との関係を示している。これは上述した因子（４）、すなわち冷媒導入流路２１の形状によって規定される曲線であって、使用する冷却器２毎に設計上、或いは実験的に求めることができる。
　これらの曲線Ｘ及びＹ１，Ｙ２によって、それぞれの冷却器２において、実際に流通可能な冷媒の流速が決まる。すなわち、冷媒循環に使用するポンプ及び熱交換器の性能を示す曲線Ｘと、流速と圧力損失の関係を示す曲線Ｙ１又は曲線Ｙ２との交点の位置から、冷媒の流速Ｑ１，Ｑ２が決まってくる。
　例えば、図１０（Ａ）に示す例では、冷媒の流速の増加に対する圧力損失の増加が比較的小さい曲線Ｙ１を示す冷却器２であれば、曲線Ｘとの交点より、その冷却器２に流通可能な冷媒の流速はＱ１となる。一方、冷媒の流速の増加に対する圧力損失の増加が比較的大きい曲線Ｙ２を示す冷却器２の場合、曲線Ｘとの交点が左上に移行して、その冷却器２に流通可能な冷媒の流速Ｑ２はより小さくなる（Ｑ２＜Ｑ１）。
　また、図１０（Ｂ）では、横軸に冷媒の流速を、縦軸に冷却すべき半導体素子のジャンクション温度（素子温度）をとっている。同図（Ｂ）に示す冷媒の流速と素子温度との関係について見ると、曲線Ｚで示すように、素子温度は冷媒の流速の減少に伴って増加していく傾向にある。ここで、曲線Ｚは上述した因子（２）及び（３）によって規定される曲線である。そのため、冷媒の流速Ｑ１での素子温度Ｔ１は、冷媒の流速Ｑ２での素子温度Ｔ２より低くなる（Ｔ１＜Ｔ２）。したがって、流通可能な冷媒の流速がＱ２である場合より、流通可能な冷媒の流速が大きい流速Ｑ１の冷却器２を用いた方が、当然にも素子温度の上昇を抑えることが容易である。
　なお、圧力損失が大きくなる曲線Ｙ２のような挙動を示す冷却器２の場合であっても、より性能の優れたポンプを使用すれば、その冷却器２に流通可能な冷媒の流速が増加するから、素子温度の上昇を抑えることも可能になる。しかしながら、そのようなポンプを使用すれば、冷却器２によって冷却される半導体モジュールの、したがってそれを搭載した電子機器等の大幅なコストアップを招く。
　また、図１０に示すように、圧力損失は流速の２乗に比例して増加するが、冷却性能は流速の二分の一乗に比例して増加するだけである。このことは、一般に冷媒の流速を増加させるのではなく、圧力損失の小さな流路を用いればメリットが大きくなることを意味する。したがって、ポンプに要求される負荷を抑えて、コストを低減するうえでは、圧力損失を小さくするような冷媒の流速調整が有効となる。
　以下では、上述した冷却器２の冷媒流速分布の調整法について説明する。これらは、いずれも冷媒自体の性質（冷媒特性）と冷却性能をシミュレーションすることによって検証された結果である。
　（第１の実施の形態）
　第１の実施の形態では、半導体モジュールにおける偏流を調整するように冷媒導入流路２１にガイド部が配置された冷却器２について説明する。
　図１１は、本発明の半導体モジュールにおける流路の形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの平面図、（Ｂ）はガイド部形状のタイプ別の説明図である。
　最初に、冷媒導入流路２１にガイド部２１Ｓを有する流路形状について説明する。ここでは、冷却用流路２３の流速分布を改善するため、同図（Ａ）に示すように、ガイド部２１Ｓは所定の傾きをもつ傾斜面Ｓと平坦面Ｆとから構成されている。
　本実施例のガイド部２１Ｓは、ウォータージャケット２Ａの前側壁２Ａａに形成されており、フィン２Ｃからなるヒートシンクの前側側面に対向する傾斜面Ｓ及び平坦面Ｆが冷媒導入流路２１の流路幅を規制している。傾斜面Ｓは、ヒートシンクの前側側面に向かって冷媒を誘導するように作用する。この傾斜面Ｓの傾斜角度は、ヒートシンクの前側側面に対して０度より大きく９０度より小さい角度をなし、平坦面Ｆはヒートシンクの前側側面に対して平行である。ガイド部２１Ｓの傾斜面Ｓと平坦面Ｆに挟まれる角部は鈍角をなしており、ガイド部２１Ｓは冷媒導入流路２１の途中においてヒートシンク側へ突出している。
　本実施の形態におけるウォータージャケット２Ａの冷媒導入流路２１は、その底壁２Ａｅ面及びガイド部２１Ｓとヒートシンクの前側側面とで画定される断面の面積が、冷媒導入流路２１の導入口２４から終端部に向かって一定の割合で小さくなる。しかも、冷媒導入流路２１の途中においてその減少の割合が変化し、ゼロになる平坦面Ｆが形成されている。なお、本実施の形態において、ヒートシンクは、その前側側面が導入口２４から流入する冷媒の流入方向と略平行となり、冷媒の流れを遮らないよう導入口部２１ａの内壁に面一となるよう配設されている。また、冷媒導入流路２１の高さ、すなわち、ウォータージャケット２Ａの底壁２Ａｅ面とフィンベース２Ｂの間の間隔は一定である。
　冷媒を排出口２５に流出する冷媒排出流路２２には、その始端部に、ヒートシンクの後側側面に対し約４５°の傾斜角をなすガイド部２２Ｓｏを形成するよう面取りが施されており、続いて、下流側に向かってヒートシンクの後側側面と平行に後側壁２Ａｃが形成されている。冷媒排出流路２２の側壁を、ほぼ全長にわたって、ヒートシンクの後側側面に対し平行に形成することにより、ヒートシンクの下流側での圧力損失を小さくし、冷媒導入流路２１側に設けたガイド部２１Ｓによる流速調整の効果を得ることができる。
　いま、冷却用流路２３に厚さ１．２ｍｍ、ピッチ２．１ｍｍ、高さ１０ｍｍのブレードフィンを配置し、導入口２４から冷媒導入流路２１に流量１０Ｌ／ｍｉｎで冷媒を導入すると仮定する。その場合に、異なるガイド部２１Ｓ形状の流路タイプ毎に、ガイド部２１Ｓの形状の違いが流速分布に与える影響を、シミュレーションにより確認した。
　つぎに、図９のような流路形状を比較対象として実施されたシミュレーションの結果について説明する。
　ここで、冷媒導入流路２１の形状は、図９に示すガイド壁Ｓ１と、Ａタイプ及びＢタイプのガイド部２１Ｓのいずれも、フィン２Ｃとガイド部２１Ｓとの間隔（最小値）ｙ０を３ｍｍとする。また、Ａタイプの終端側には、傾きが０°の平坦面Ｆを配置して、その長さｘ０を３０ｍｍとし、Ｂタイプでも同様に平坦面Ｆを配置して、その長さｘ０を４０ｍｍとする。冷媒導入流路２１の全長を２５５ｍｍ、高さを１０．５ｍｍ、幅を１５ｍｍとする。
　また、回路素子部３Ｄ等に与える損失は、上述した図８（Ａ）に示すように、導入口２４側よりＢ１～Ｂ３とＢ４～Ｂ６の３列ずつを２つのグループとして、各々の回路素子部３Ｄ，３Ｅの直下で同様の大きさに設定する。７列目だけで上流側の回路素子部３Ｆｕと下流側の回路素子部３Ｆｄとで、異なる損失が設定される。この発熱量に応じて設定される損失値については、冷媒流速と冷媒温度及び冷却性能との関係に基づいて、３Ｄ＜３Ｅ＜３Ｆｕ＜３Ｆｄの関係に設定する。その際、１列目（Ｂ１）、４列目（Ｂ２）の回路素子部３Ｄ，３Ｅについては、それぞれ下流側に配置されたＩＧＢＴ素子を比較対象とし、７列目の回路素子部３Ｆについては損失の大きい３Ｆｄを比較対象とする。
　図１２及び図１３は、図１１の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。これらはいずれも、前述した手法によるシミュレーション結果の一例である。
　ここに示す流速分布は、７列に配置された回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下に配置されたフィン２Ｃ間の流速をシミュレーションした結果である。ここでは、導入口２４側から排出口２５に向けてＢ１～Ｂ７まで順に流速を示している。
　図１２に示すシミュレーション結果によれば、図９のものよりもＡタイプのガイド部２１Ｓ、ＡタイプよりもＢタイプのガイド部２１Ｓにおいて、各比較位置での流速が向上している。Ａタイプ、Ｂタイプともに、流速の低下しやすい導入口近傍に相当する１列目（Ｂ１）を含め流速が向上している。
　また、基板下のフィン２Ｃの間を流れる冷媒流速の７箇所での平均値は、図９のもので０．０６０９ｍ／ｓ、Ａタイプで０．０８０５ｍ／ｓ、Ｂタイプで０．０８１ｍ／ｓとなっている。すなわち、傾斜面Ｓと平坦面Ｆにより冷媒導入流路２１に複数の傾きを与えることで、冷媒の平均流速が２５％程度上昇することがわかる。
　なお、ガイド部２１Ｓに設ける傾斜面Ｓの変化点（傾斜面Ｓと平坦面Ｆで挟まれる角部の位置）から冷媒導入流路２１の終端側に向かって冷媒流速が乱れ、その流速が低下する場合がある。そこで、設定流量、各回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄで発生する損失との関係に基づいて、平坦面Ｆの最適長さを求めることが望ましい。
　また、フィン２Ｃとガイド部２１Ｓの隙間ｙ０も、ガイド部形状を規定する１つの要因として、冷媒に偏流特性をもたらすことになる。そこで、図１１（Ｂ）に示すＢ～Ｄタイプのガイド部２１Ｓでは、平坦部Ｆ１の長さを共通の値４０ｍｍに設定して、フィン２Ｃとガイド部２１Ｓとの間隔ｙ０を、それぞれＢタイプで３ｍｍ、Ｃタイプで２ｍｍ、Ｄタイプで４ｍｍに設定して偏流特性を比較している。
　図１３には、偏流特性についてのシミュレーション結果の一例を示す。
　回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下でのフィン２Ｃ間を流れる冷媒は、その流速の平均値がＣタイプで０．０７８ｍ／ｓ、Ｂタイプで ０．０８１ｍ／ｓ、Ｄタイプで０．０８３ｍ／ｓとなる。したがって、間隔ｙ０を２ｍｍから４ｍｍに広げることによっても、平均流速が向上することがわかる。また、全体が直線状のガイド壁Ｓ１を構成する従来のガイド部２１Ｓｏ（０．０６０９ｍ／ｓ）と比較して、偏流を低減するうえで約２５％の改善効果が生じている。
　以上のように、ガイド部２１Ｓにより複数タイプの傾斜面Ｓと平坦面Ｆを設けることで偏流を調整することができ、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下の流速を全体的に向上させることが可能となった。このようなシミュレーション結果により、図１１（Ｂ）に示すガイド部２１Ｓを有する流路のうち、図９に示すガイド部、Ｂタイプ及びＤタイプのものについて、それぞれ回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄに対応する損失を与えて、パワー半導体素子の発熱状態を確認した。
　図１４乃至図１６は、いずれも図１１のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は回路素子の配置例を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱を示す図である。ここでは、発熱値のシミュレーション結果の一例を示す。
　ガイド部形状を改善することで、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下の流速が向上し、その効果によりパワー半導体素子のジャンクション温度を低減することが可能である。図１４（Ｂ）に示すように、最も効果の高い１列目の位置Ｂ１に配置された回路素子部３Ｄのジャンクション温度は、従来形状（図９）で１２３．６℃、Ｂタイプで１２２．３℃、Ｄタイプで１１７．７℃となる。したがって、従来形状（図９）のものに対して、Ｄタイプでは５．９℃低減することから、５％の冷却効率の向上が可能である。
　また、図１２に示すように、設定された損失が高い４列目の位置Ｂ４の回路素子部３Ｅでは、他の位置より冷媒流速が低下しているが、そのジャンクション温度は図１２に示すように低減することができる。これは、ウォータージャケット２Ａが損失値に対し冷却に必要な流速０．１ｍ／ｓを保っており、熱干渉の影響を低減した効果である。これにより、フィン２Ｃ間を流れる冷媒の流速が０．０５ｍ／ｓ以下では、流速が冷却能力に与える影響が大きく、０．１ｍ／ｓ以上で安定した冷却性能を得られることがわかる。図１６（Ｂ）に示すように、７列目の位置Ｂ７における上流側のパワー半導体素子３Ｆｕについても、同様の冷却性能が得られる。
　なお、上述したＡ～Ｄタイプ以外に、図１１（Ｂ）に示すＥ～Ｉタイプのガイド部形状についても、同様のシミュレーションにより所定の改善効果が確認されている。
　こうしたシミュレーション結果によれば、冷媒流速分布の調整にあたって、以下のガイド部形状が好ましい。一つには、導入口２４とフィン２Ｃに対面する冷媒導入流路２１の長手方向に対して、傾斜角の変化点、すなわち傾斜面Ｓと平坦面Ｆで挟まれる角部の位置を終端部側から１／４の範囲に配設することである。また、冷媒導入流路２１の終端部におけるフィン２Ｃとガイド部２１Ｓの間隔を１ｍｍ以上であって、冷媒導入流路２１の最大流路幅の１／３以下に設定することである。
　（第２の実施の形態）
　図１７は、従来の半導体モジュールにおける、図９とは異なる流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。なお、図１７以降では、冷媒導入流路２１や冷媒排出流路２２の位置を、図２、図９等で説明したものと前後方向で入れ替えて説明している。
　ここでは、導入口部２１ａ及び排出口部２２ａがウォータージャケット２ＡＩの左側壁２Ａｂ及び右側壁２Ａｄからそれぞれ突出して形成されており、ここに円筒状のパイプなどを接続してポンプから送られる冷媒を冷却器２に流入させ、排出口部２２ａから流出させている。冷媒導入流路２１の側壁は、図９の冷媒導入流路２１と同様に、冷却用流路２３に面する全範囲に対して一様に傾斜したガイド壁Ｓ１によって構成されている。
　ポンプと冷却器２との接続の都合によって設けられた冷媒導入流路２１の導入口部２１ａ、冷媒排出流路２２の排出口部２２ａは、その流路断面積などによっては導入口２４と排出口２５の圧力差のバランスを崩す原因となり、偏流特性が変化することがある。また、冷媒が冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、冷却用流路２３内をレーストラック状に回転することもある。とくに、排出口２５やその前後に冷媒の乱れが生じやすい形状で、冷媒が排出されづらいような場合には顕著となる。
　上述したように、冷却器２の冷却用流路２３での偏流特性は、導入口２４側で流速が遅く、排出口２５側で流速は速い。そのため、冷媒排出流路２２において、排出口２５に向かう流速成分は、冷却用流路２３の排出口２５側でより大きくなり、導入口２４側では、冷媒排出流路２２の壁面に衝突して導入口２４側にもどる流速成分によって小さくなりやすい。すなわち、冷媒排出流路２２と排出口２５に圧力損失が上昇する要素がある場合、冷却用流路２３において導入口２４側、排出口２５側ともに同等の流速で流す工夫が必要である。
　このように、冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２がその終端部で冷媒の乱れが生じやすい形状の半導体モジュールにおいて、流路にガイド部を形成して偏流を調整する第２の実施の形態について説明する。
　図１８は、２つの異なる傾斜角度の面を有するガイド部を形成した流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。
　ここでは、偏流を調整するための冷却器２の流路形態のうち、平面形状が二等辺三角形をなす傾斜部材Ｓ２によって、ガイド部が構成されている。ウォータージャケット２ＡＩには、図１７に示すものと同様、従来から用いられているガイド壁Ｓ１によって冷媒導入流路２１が形成され、このガイド壁Ｓ１に傾斜部材Ｓ２を重ねて配置して、２つの異なる傾斜角度をなす新たなガイド部を構成している。新たなガイド部を構成する傾斜部材Ｓ２は、フィン２Ｃからなるヒートシンクの前側側面に向かって冷媒を誘導するよう傾斜した第１の傾斜面と、同じく傾斜した第２の傾斜面とを有している。新たなガイド部は、冷却用流路２３内のフィン２Ｃと対面する冷媒導入流路２１の上流側に位置する第１の傾斜面で最大傾斜角度を有し、傾斜角度の変化点Ｐから終端側に第２の傾斜面が連続して形成されている。第１の傾斜面及び第２の傾斜面で挟まれる角部はヒートシンク側へ突出している。
　したがって、この冷媒導入流路２１に形成されたガイド部は、複数の傾斜面を有し、かつ導入口２４での傾きを最も大きな傾斜面を構成した点で、図１７のウォータージャケット２ＡＩと異なっている。すなわち、図８（Ａ）に示す回路素子部３Ｄでの損失が高くなるように、損失値の異なる回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄが配置されている場合に、冷却器２の冷却性能を向上させることが可能になる。
　このように、図１８に示すガイド壁Ｓ１に傾斜部材Ｓ２を配置した冷媒導入流路２１では、冷媒の導入方向に向かって断面積が連続して低減するように２つの傾斜面が配置されることで、冷却用流路２３での流速分布が改善できる。なお、冷却器２の流速分布を改善するためのガイド部については、上記した二等辺三角形の傾斜部材Ｓ２によるもののほか、以下に示すような構成も可能である。
　つぎに、図１９乃至図２１により、偏流を調整するためのガイド部形状の変形例を示す。
　図１９は、図１８とは異なる長さの２つの面を有するガイド部を形成した流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。
　ここで、ウォータージャケット２ＡＩは、図１８のものと同様に、冷媒導入流路２１に傾斜部材Ｓ３によって複数の傾斜面を有したガイド部が形成されている。ただし、冷媒導入流路２１の中央部付近で傾斜面の傾斜角度が最も大きくなっている点で、図１８のガイド部とは異なる。すなわち、傾斜部材Ｓ３の平面形状は、冷却用流路２３内のフィン２Ｃと対面する頂点（変化点Ｐ）が冷媒導入流路２１の終端部側に近づいている。そのため、図８（Ａ）に示す４列目の位置Ｂ４での損失が高くなるように、損失値の異なる回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄが配置されている場合に、冷却器２の冷却性能を向上させることが可能になる。
　図２０は、３つの異なる傾斜角度の面を有するガイド部を形成した流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。
　このウォータージャケット２ＡＩには、冷媒導入流路２１に３つの傾斜面を構成するように傾斜部材Ｓ４が配置されている。傾斜部材Ｓ４は、第２の傾斜面２１ｂの傾斜角度が最も大きくなるような平面形状に形成されている。また、第２の傾斜面２１ｂの位置については、冷媒導入流路２１の中央部に限られない。
　また、３つの傾斜面の傾斜角度は、それぞれ５°乃至４５°の範囲で設定できる。したがって、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄのいずれかが局所的に発熱するような場合、その位置に対応して第２の傾斜面２１ｂを配置するように傾斜部材Ｓ４を設けることで、効率のよい冷却が可能になる。
　さらに、この冷媒排出流路２２側の対応する位置には、所定の傾斜角度をもって冷媒を排出口２５に導くガイド片２２Ｇを設けてもよい。これにより、排出口２５に向かう冷媒の流速を一層高めることが可能である。なお、このガイド片２２Ｇは、冷媒排出流路２２に対して７０％以下の高さに設定し、冷媒排出流路２２上で、その長手方向に対して６０度以下の傾斜角度で傾けるとともに、その幅方向中央からフィン２Ｃ側に近接する位置に配置することが好ましい。
　図２１は、第１流路の終端部近傍の平行面に凹形状を有する流路形状のウォータージャケットを示す平面図である。
　ここで、ウォータージャケット２ＡＩは、図１８のものと同様に、冷媒導入流路２１に形成されるガイド部が複数の傾斜面を有する傾斜部材Ｓ５によって構成されている。しかし、この傾斜部材Ｓ５は、冷媒導入流路２１の端部近傍において凹形状２１ｃを有し、冷媒の導入方向に沿って逆転する傾斜面を構成している点で、図１８のガイド部とは異なっている。
　ここでは、導入口２４から流入した冷媒は、冷媒導入流路２１の終端部で衝突する直前に位置する凹形状２１ｃによって、図２１の上下方向に向かう２つの冷媒に分かれることになる。したがって、直接フィン２Ｃに流入する冷媒は、その反対方向の凹形状２１ｃと衝突した冷媒と再度合流したとき、冷却用流路２３に向かう冷媒の流速が高められるから、冷却性能を向上させることが可能になる。
　（第３の実施の形態）
　つぎに、冷媒導入流路２１内で高さ方向に段差を有するように流路を形成して偏流を調整する方法について説明する。
　図２２は、図１７に示す半導体モジュールにおいて、高さ方向に段差を有する流路の形状を示す図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの要部平面図、（Ｂ）は冷媒導入口近傍でのＬ２－Ｌ２矢視断面図、（Ｃ）はタイプ別のガイド部形状の説明図である。
　本実施の形態のウォータージャケット２ＡＩでは、傾斜するガイド壁Ｓ１によって構成された冷媒導入流路２１内に、ガイド壁Ｓ１の傾斜面に沿って傾斜部材Ｓ２１が重ねて配置されている。この傾斜部材Ｓ２１によって構成されたガイド部は、ヒートシンクの前側側面に対し傾斜した側壁となっており、傾斜部材Ｓ２１はこの前側側面に向かって冷媒を誘導するよう傾斜した２つの傾斜面を有している。この傾斜部材Ｓ２１は、ヒートシンクの前側側面に対するその傾斜角度がガイド壁Ｓ１の傾斜角度と異なるだけでなく、その流路内の高さ方向でも段差を形成している。
　すなわち、第１の実施の形態のガイド部２１Ｓの形状と対比すると、傾斜部材Ｓ２１は、ウォータージャケット２ＡＩの底面から所定の高さの範囲内に帯状に形成されている。この傾斜部材Ｓ２１の傾斜面とヒートシンクの前側側面との間隔は、冷媒導入流路２１の開口部から終端部にわたって小さくなり、かつその上流側傾斜面及び下流側傾斜面に挟まれる角部においてその減少の割合が変化し、小さくなっている。また、この角部はヒートシンク側へ突出するよう形成されている。これによって、ヒートシンクの前側側面とガイド壁Ｓ１及び傾斜部材Ｓ２１とで画定される断面の面積も同様に減少するように変化している。
　このように流路高さ方向に複数の段差を与えて、多段ガイド部形状にした場合には、冷媒導入流路２１から冷却用流路２３に流入する冷媒の流速分布を改善することができるとともに、冷媒の逆流を防止することができる。
　つぎに、これらガイド部形状の違いが流速分布に与える影響について説明する。
　ここでは、一枚の板状ブレードの厚さを１．２ｍｍ、隣接するブレード間のピッチを２．１ｍｍ、板状ブレードの基材２６からの高さを１０ｍｍとして、冷却用流路２３にブレードフィン２Ｃａを配置する。そして、ブレードフィン２Ｃａの先端とウォータージャケット２ＡＩの底部との間隔を０．５ｍｍ、導入口２４に流量１０Ｌ／ｍｉｎの流量で冷媒を導入するものとしてシミュレーションを行った。
　つぎに、図１７に示す従来の半導体モジュールの流路形状を比較対象として実施されたシミュレーション結果について説明する。
　図１７に示されている半導体モジュールでは、ガイド壁Ｓ１によって形成された冷媒導入流路２１の形状が、冷却用流路２３に面する全範囲において一直線の傾斜面を構成していた。これに対して傾斜部材Ｓ２１によって構成された第２のガイド部には、図２２（Ａ）に示すように２つの傾斜面が構成されており、この傾斜部材Ｓ２１が、ガイド壁Ｓ１の傾斜面に沿って冷媒導入流路２１の底面に配置されている。
　ここで、第２のガイド部としての傾斜部材Ｓ２１の最初の傾斜面は、冷媒導入流路２１内で導入口２４からの冷媒が最初にフィン２Ｃに流入する箇所を基点として、この基点から傾斜角度の変化点までの距離ｘ１を１０．０ｍｍに設定している。また、冷媒導入流路２１の終端部における傾斜部材Ｓ２１のガイド部とフィン２Ｃとの間隔ｙ０は、４．０ｍｍに設定した。冷媒導入流路２１の全長は２５５ｍｍ、底面からの高さは１０．５ｍｍ、幅は１５ｍｍである。
　さらに、図２２（Ｂ）に示すように、傾斜部材Ｓ２１の高さｚ１は、冷媒導入流路２１の高さに対して１／２以下とすることが好ましい。そこで、ウォータージャケット２ＡＩの冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及び冷却用流路２３などが１０ｍｍの高さに形成されているものとした場合、図２２（Ｃ）に示すように、Ｊタイプのガイド部形状では傾斜部材Ｓ２１の高さｚ１を２．５ｍｍ、Ｋタイプでは５．０ｍｍに設定する。
　図２３は、図２２の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。
　ここに示す流速分布は、第１の実施の形態の図１２等と同様、７列に配置された回路素子部３Ｄ～３Ｆの基板中央部直下に配置されたフィン２Ｃ間の流速をシミュレーションした結果である。ここでは、導入口２４側から排出口２５に向けてＢ１～Ｂ７まで順に流速を示している。
　ここに示す流速分布は、Ｊタイプ、Ｋタイプのように第２のガイド部としての傾斜部材Ｓ２１を追加することによって、図１７に示す従来タイプのものより、冷却用流路２３の導入口２４側から、より大きな流速で冷媒が流入するようになる。しかも、傾斜部材Ｓ２１の高さｚ１を増大することによって、冷媒導入流路２１の両端部で冷媒の流速が高くなることも示している。
　また、Ｊタイプ、Ｋタイプのいずれでも、冷媒導入流路２１に沿った流速分布はＵ字形状を示していて、Ｋタイプの流速分布では冷媒導入流路２１の両端部で顕著に大きな流速が得られる。なお、冷却用流路２３内において、導入口２４側の流速は排出口２５側と同等である。これに対し、従来タイプの流速分布はＬ字形状となって、導入口２４付近での流速が小さい。
　さらに、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下において、フィン２Ｃ間に流れる冷媒の流速は、Ｂ１～Ｂ７の各箇所での平均値でみると、従来タイプのもので０．０６４ｍ／ｓ、Ｊタイプ、Ｋタイプではそれぞれ０．０８２ｍ／ｓと０．０８１ｍ／ｓとなる。すなわち、流路高さ方向に複数の段差を有するものでは、冷媒の平均流速を２０％程度まで上昇させ、かつ流速分布を調整することが可能となる。
　以上のように、冷媒導入流路２１の高さ方向に多段の傾斜面を形成することによって、素子基板下での流速を低下させることなく、冷却用流路２３に導入される冷媒の流速を高めて、冷却性能を向上させることが可能となる。
　図２４は、図２２の半導体モジュールにおけるガイド部形状毎の冷媒の温度を回路基板の位置別に示す図である。
　Ｊタイプ、Ｋタイプのものでは、第２のガイド部としての傾斜部材Ｓ２１を追加して配置して、回路素子部３Ｄ～３Ｆの基板中央部直下の流速を高めたことによって、パワー半導体素子のジャンクション温度が低減できる。とくに、冷媒導入流路２１の上流側では顕著に低下している。すなわち、図２４のグラフに示すように、流速が改善した割合に応じて冷媒温度も低下している。したがって、ガイド部形状に複数の傾斜を設けるだけでなく段差を設けて、パワー半導体素子の損失に対応するそれぞれ安定した冷媒流速を実現できることが確認できる。
　図２５乃至図２７は、図２２のウォータージャケットの性能を説明する図であって、（Ａ）は高さ方向に段差を有する流路の形状を示す図、（Ｂ）は定常運転時の発熱を示す図である。ここでは、発熱値のシミュレーション結果の一例を示す。
　図２５（Ｂ）に示すように、最も効果の高い１列目の位置Ｂ１に配置された回路素子部３Ｄのジャンクション温度は、従来タイプの１２８．４℃に比較して、Ｊタイプでは１２３．８℃、Ｋタイプで１２０．９℃となる。したがって、従来形状（図１７）のものに対して、Ｋタイプでは７．５℃低減するから、５．８％の冷却効率の向上が可能である。
　また、図２６（Ｂ）に示すように、設定された損失が高い４列目の位置Ｂ４のパワー半導体素子では、流速が０．１ｍ／ｓを保っており、そのジャンクション温度は上昇していない。図２７（Ｂ）に示すように、７列目の位置Ｂ７のパワー半導体素子３Ｆｄについても、同様の冷却性能が得られる。
　以上述べたように、図１７に示す従来タイプのガイド壁Ｓ１に、傾斜部材Ｓ２１によって構成されるガイド部を追加して配置し、冷媒導入流路２１での偏流を調整することができる。これにより、フィン２Ｃ間に流れる冷媒流速を、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部で全体として向上させることが可能となった。
　（第４の実施の形態）
　図２８は、図２２に示す半導体モジュールとは別の、流路の高さ方向に段差を有する流路形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの要部平面図、（Ｂ）は冷媒導入口近傍でのＬ２－Ｌ２矢視断面図である。
　図２８に示す冷媒導入流路２１内には、冷媒導入流路２１の端部においてガイド壁Ｓ１、第２のガイド部としての傾斜部材Ｓ２１が配置され、さらにこの傾斜部材Ｓ２１の上面に傾斜部材Ｓ２２が第３のガイド部として配置されている。ここでは、高さ方向で３段の段差を有する流路が構成されている点で、図２２に示す流路形状とは異なる。導入口２４から流入した冷媒は、フィン２Ｃを配置した冷却用流路２３に対して流れ込みやすくなり、冷却性能を向上させることが可能になる。
　図２９は、図２２に示す半導体モジュールとはさらに別の、流路の高さ方向に段差を有する流路形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの要部平面図、（Ｂ）は冷媒導入口近傍でのＬ２－Ｌ２矢視断面図である。
　図２９に示す冷媒導入流路２１内には、冷媒導入流路２１の端部においてガイド壁Ｓ１、第２のガイド部としての傾斜部材Ｓ２１が配置され、この傾斜部材Ｓ２１の上面に、平面形状が二等辺三角形をなす傾斜部材Ｓ２３によって構成された第３のガイド部がさらに配置されている。この第３のガイド部としての傾斜部材Ｓ２３は、ガイド壁Ｓ１との間に所定の間隙を持たせて配置されている点で、図２８に示す流路の形状とは異なる。
　ここでは、導入口２４から流入する冷媒が、局所的かつ選択的にフィン２Ｃを配置した冷却用流路２３に流れ込みやすくなる。
　なお、第２のガイド部としての傾斜部材Ｓ２１の上面には、傾斜部材Ｓ２３を一つだけでなく複数配置してもよい。また、平面形状が二等辺三角形の傾斜部材Ｓ２３に代えて、平行四辺形、あるいは楕円形状の板体を配置し、さらにはそれらを導翼などに置き換えることも可能である。
　（第５の実施の形態）
　ここまでに説明した第１乃至第４の実施の形態では、冷媒の導入口２４と排出口２５が左側壁２Ａｂと右側壁２Ａｄにそれぞれ分かれて配置されたウォータージャケット２Ａについて説明した。第５の実施の形態では、左右側壁２Ａｂ，２Ａｄのいずれか一方側面のみに導入口２４と排出口２５を配置した場合の偏流調整について説明する。
　図３０は、従来の半導体モジュールの冷却器であって、図３のものとは異なる形状を有するウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。図３０において、ウォータージャケット２ＡＲ内の破線による矢印は冷媒の流れる方向を示す。
　半導体モジュール１０は、図１及び図２に示した通り、冷却器２及び冷却器２の上に配置された複数の回路素子部３Ａ～３Ｃから構成されている。この冷却器２は、フィンカバーとしてのウォータージャケット２ＡＲと、ヒートシンクとしてのフィン２Ｃが複数本植設されたフィンベース２Ｂとから構成され、複数のフィン２Ｃをウォータージャケット２ＡＲの内部に収容するようにしている。
　図３０に示すように、冷却器２のウォータージャケット２ＡＲの外形は略直方体形状であって、その上側の主面には冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及びフィンを配置する冷却用流路２３が設けられている。ここでは、図３のウォータージャケット２ＡＲとは異なり、内部に冷媒を導入するための導入口２４が、冷媒を外部に排出するための排出口２５と同一側面である右側壁２Ａｄに設けられている。
　これら冷媒導入流路２１等の空間は、前側壁２Ａａ、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ、右側壁２Ａｄ及び底壁２Ａｅにより画定されている。なお、同図には説明の便宜のため、フィン２Ｃが描かれている。
　冷媒導入流路２１は、第１流路として、冷媒の流入方向に沿うように、導入口２４から導入口部２１ａを介して、ウォータージャケット２ＡＲの前側壁２Ａａと平行に、左側壁２Ａｂまで延在されている。また、冷媒排出流路２２は、第２流路として、冷媒の排出口２５に向かうように、左側壁２Ａｂから、後側壁２Ａｃと平行に、排出口２５まで直線状に延在されている。冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２とは、ほぼ平行に設けられている。
　冷却用流路２３は、第３流路として、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２との間に配設され、冷媒導入流路２１及び冷媒排出流路２２を連通するように形成されている。冷却用流路２３は、冷媒導入流路２１の延在方向及び冷媒排出流路２２の延在方向とそれぞれ直交する方向に延在される。冷却用流路２３の境界を画定している左側壁２Ａｂ及び右側壁２Ａｄの内面は、それぞれ冷却用流路２３の底面及び後側壁２Ａｃの内面に対して垂直に形成されている。
　冷却用流路２３には、複数のフィン２Ｃからなるヒートシンクが配置され、これらのフィン２Ｃで画定される流路を冷媒が流れる。そして、導入口２４から導入された冷媒は、ウォータージャケット２ＡＲ内で、冷媒導入流路２１、冷却用流路２３、及び冷媒排出流路２２を通って排出口２５から排出される。ヒートシンクは、その外形が略直方体であり、その左側側面、後側側面及び右側側面が、左側壁２Ａｂ、後側壁２Ａｃ及び右側壁２Ａｄの内面と平行になるよう冷却用流路２３に配設されている。
　このような構成を有するウォータージャケット２ＡＲは、例えばアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金等の金属材料を用いて形成することができる。このような金属材料を用いてウォータージャケット２ＡＲを形成する場合、例えばダイキャストによって、上記のような冷媒導入流路２１、冷却用流路２３、冷媒排出流路２２、導入口２４、及び排出口２５を形成することができる。ウォータージャケット２ＡＲは、このほかカーボンフィラーを含有する材料を用いることもできる。また、冷媒の種類やウォータージャケット２ＡＲ内に流れる冷媒の温度等によっては、セラミック材料や樹脂材料等を用いることも可能である。
　冷却器２の使用時には、例えば導入口２４がその上流側に設けられるポンプに接続され、排出口２５がその下流側に設けられる熱交換器に接続されて、これら冷却器２、ポンプ及び熱交換器を含む閉ループの冷媒流路が構成される。冷媒は、このような閉ループ内をポンプによって強制循環される。
　電力変換回路の動作時に、図８（Ａ）に示す半導体モジュール１０Ｂの各回路素子部３Ｄ，３Ｅ、及び３Ｆｕ，３Ｆｄで発生した熱は、それが接合されているフィンベース２Ｂへと伝わり、さらにその下のフィン２Ｃへと伝わる。フィン２Ｃは、上述したように冷却用流路２３内に配置されているから、この冷却用流路２３に冷媒が流通されることで、フィン２Ｃが冷却される。発熱する回路素子部３Ｄ，３Ｅ、及び３Ｆｕ，３Ｆｄは、このようにして冷却器２により冷却される。
　図３１は、図３０とは異なる流路形状を有するウォータージャケットの要部構成を示す斜視図である。
　図３１（Ａ）に示すウォータージャケット２ＡＬでは、一方の主面側に冷媒導入流路２１、冷媒排出流路２２、及び冷却用流路２３が設けられ、破線で囲まれた冷却用流路２３がフィン２Ｃに対応する大きさに形成されている。ウォータージャケット２ＡＬの冷却用流路２３には、例えば図２に示したように、フィンベース２Ｂと一体化したフィン２Ｃが配置される。フィン２Ｃは、その先端とウォータージャケット２ＡＬの底壁２Ａｅとの間に一定のクリアランスＣが存在するような寸法（高さ）に形成される（図１参照）。そして、最終的にフィン２Ｃと一体化されたフィンベース２Ｂは、図１及び図２に示したように例えば適当なシール材を用いてウォータージャケット２ＡＬと接合される。これにより、ウォータージャケット２ＡＬ、フィンベース２Ｂ及びフィン２Ｃを備える冷却器２が構成できる。
　ここで、導入口２４からの冷媒導入流路２１を構成する前側壁２Ａａには、その始端部から終端部で冷却用流路２３の全面に対して傾斜するガイド壁Ｓ１が設けられている。また、冷媒を排出口２５に流出する冷媒排出流路２２の始端部には、傾斜角４５度のガイド部２２Ｓｏが配置されている。ガイド壁Ｓ１とガイド部２２Ｓｏは、いずれも６０度以下の傾斜を有するものであるが、冷媒導入流路２１のガイド壁Ｓ１は冷却用流路２３と接する全領域にわたって一様な傾斜をなしている。
　図３１（Ａ）には導入口２４、及び排出口２５が左側壁２Ａｂの同一面側に配置されたＬタイプのウォータージャケット２ＡＬを示した。図３０のものと同様に、同図（Ｂ）に示すＲタイプのウォータージャケット２ＡＲには、導入口２４と排出口２５を右側壁２Ａｄの同一面側に配置している。すなわち、実際に冷媒を導入する配管接続の都合によって複数の形状が考えられるが、左右側壁２Ａｂ，２Ａｄに導入口２４と排出口２５をそれぞれ配置する前述の実施の形態の場合と同様、ウォータージャケットの形状ごとに流路形状の最適化が必要である。
　図３２は、ウォータージャケットの形状毎に冷媒の流速を回路基板の位置別に示す図である。なお、これらのグラフは、一例として図４（Ａ）に示すブレードフィン２Ｃａを冷却用流路２３内に配置し、導入口２４から流量１０Ｌ／ｍｉｎの冷媒を流したとき、フィン２Ｃ間に流れる冷媒流速を示している。
　ここで、図３１（Ａ）に示すウォータージャケット２ＡＬ（Ｌタイプ）については、その流速分布を点線で示す。また、図３１（Ｂ）に示すウォータージャケット２ＡＲ（Ｒタイプ）については、その流速分布を実線で示す。これに対して、図６（Ｂ）に示すウォータージャケット２Ａのように、導入口２４と排出口２５を対称位置に配置したもの（ＬＲタイプ）では、図３２の一点鎖線で示す流速分布となる。
　これらの流速分布を比較すると、導入口２４、排出口２５を同一面側に配置したウォータージャケット２ＡＬ，２ＡＲでは、それぞれ配管が接続される側の回路基板Ｂ１，Ｂ７直下での流速が速くなるだけでなく、導入口２４と排出口２５を対称位置に配置した場合と比較して流速分布が不均一となっている。すなわち、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２の間の冷却用流路２３に並列にフィンを配置して流路を構成した場合に、排出口２５側での冷媒の流速が速くなるという偏流特性が生じることがわかる。しかも、冷却用流路２３を冷媒が速く流れる箇所ほど、フィン２Ｃによる冷却効率は高くなる。
　このように、図８（Ａ）に示す半導体モジュール１０Ｂでは、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄで発生する熱量に応じて、冷媒をある一定以上の流速で流通させることが求められる。ところが、低流速部の流速の上昇を目的にして、単に導入口２４からの流量を増した場合は、流速の速い部分で必要以上の冷媒が流れることになる。したがって、そのため冷却器に冷媒流量を増加して供給しなければならず、高性能のポンプが必要となる。
　従来構造のウォータージャケット２ＡＬ，２ＡＲを用いて冷媒の流速分布をシミュレーションすると、導入口２４からウォータージャケット２ＡＬ，２ＡＲ内に導入された冷媒は、排出口２５の位置に引き寄せられるように流れ、冷却用流路２３に流れ込む冷媒は、とくに冷媒の排出口２５に近い側において、比較的速い流れとなる。
　一般に、複数配置された回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄでは、発生する損失に応じて半導体素子３２，３３の冷却に必要な冷媒の流速を維持することが求められるが、上述した偏流特性によって冷媒の流速分布が大きくなれば、その冷却性能も同様に偏った分布となる。とりわけ、冷却用流路２３において流速が速くなる排出口２５側では、流速に対して冷却性能の変化は鈍く、流速の遅くなりやすい排出口側から離れた位置ではその変化は大きい。これは、排出口２５側の冷却用流路２３において、冷却性能の向上に寄与しづらい流速成分が生じることを意味している。そこで、このような偏流特性を改善することができれば、より安定した冷却性能が得られるだけでなく、全体的な冷却性能も向上させることも可能になる。
　また、図１０（Ｂ）で説明したように、冷媒の流速と素子温度との関係について見ると、曲線Ｚで示すように、素子温度は冷媒の流速の減少に伴って急激に増加していく傾向にある。素子温度の上昇を抑えるうえで、安定した冷却性能を得るには、具体的には冷媒流速が０．１［ｍ／ｓ］以上であることが望ましい。
　なお、冷却器の圧力損失との関係だけで考えると、より性能の優れたポンプを使用すれば、その冷却器２に流通可能な冷媒の流速が増加するから、素子温度の上昇を抑えることも可能になる。しかしながら、そのようなポンプを使用すれば、冷却器２によって冷却される半導体モジュールの、したがってそれを搭載した電子機器等の大幅なコストアップを招く。
　また、冷媒の偏流特性は、冷媒導入流路２１と冷媒排出流路２２とに挟まれた冷却用流路２３を持つような並列流路において起こる現象である。とくに、冷却用流路２３に配置される冷却用のフィン２Ｃの間隔を広げた場合には、冷媒導入流路２１からフィン２Ｃに流れる冷媒に対する抵抗が小さくなって、冷媒が流れ込みやすくなる。したがって、フィン２Ｃの間隔が広い形状であるほど偏流特性は拡大する。
　上述した流路の偏流特性は、図３１（Ａ）、（Ｂ）に示した流路形状とフィンベースに配置する回路素子部での発生損失の分布とによって、必要とされる対策が異なる。以下では導入口２４、排出口２５を同一面側に配置したウォータージャケット２ＡＬ，２ＡＲにおける流速分布の調整法について説明する。なお、いずれも冷媒自体の性質（冷媒特性）と冷却性能をシミュレーションすることによって検証された結果に基づいている。
　つぎに、半導体モジュールの冷媒導入流路２１における偏流特性を調整可能なガイド部を有する冷却器２について説明する。
　図３３は、第５の実施の形態に係る半導体モジュールにおける流路の形状を説明する図である。図３４もまた、第５の実施の形態に係る半導体モジュールにおける流路の形状を説明する図であって、（Ａ）は冷却器のウォータージャケットの平面図、（Ｂ）はガイド部形状のタイプ別の説明図である。
　図３３（Ａ）に示すＬ１タイプのウォータージャケット２ＡＬは、冷媒の導入口２４と排出口２５が左側壁２Ａｂに設けられ、冷媒導入流路２１が前側壁２Ａａに沿って右側壁２Ａｄに延在している。冷媒導入流路２１の終端部には、平面形状が三角形をなす傾斜部材によってガイド部２１Ｓｏが構成されている。
　最初に、傾斜部材Ｓ２によって構成される冷媒導入流路２１の形状について説明する。ここでは、冷却用流路２３の流速分布を改善するため、図３３（Ａ）ではガイド部２１Ｓｏにより、同図（Ｂ）ではガイド壁Ｓ１により、それぞれ所定の長さを有する傾斜面を構成している。これに対して、図３４（Ａ）には、２つの異なる傾斜角度の面を有する傾斜部材Ｓ２を一様に傾斜したガイド壁Ｓ１に沿って配置したＭタイプのウォータージャケットを示している。
　Ｍタイプのウォータージャケットでは、偏流を調整するための冷却器２の流路が、従来用いられているガイド壁Ｓ１によって長さｘの傾斜面が形成され、このガイド壁Ｓ１の傾斜面に沿って傾斜部材Ｓ２を重ねて配置することで、２つの異なる傾斜角度をなす新たなガイド部が構成されている。この傾斜部材Ｓ２は、フィン２Ｃからなるヒートシンクの前側側面に向かって冷媒を誘導するよう傾斜した第１の傾斜面と、同じく傾斜した第２の傾斜面とを有している。なお、傾斜部材Ｓ２は、冷媒導入流路２１の底面からの高さｚ１がガイド壁Ｓ１より低く形成されている。
　こうして傾斜部材Ｓ２をガイド壁Ｓ１に沿って配置してなる新たなガイド部は、冷却用流路２３内のフィン２Ｃと対面する冷媒導入流路２１の上流側の距離ｘ１で第１の傾斜面が最大傾斜角度を有し、さらに傾斜角度の変化点Ｐから終端側に第２の傾斜面が連続して形成されている。第１の傾斜面及び第２の傾斜面で挟まれる角部は、ヒートシンク側へ突出している。
　したがって、この冷媒導入流路２１にはガイド壁Ｓ１以外に２つの傾斜面を有するガイド部が構成される。これは、導入口２４側での傾きを最も大きく構成した点で、図３３（Ａ）、（Ｂ）のＬ１タイプ、Ｌタイプの流路形状とは異なっている。すなわち、図３４（Ａ）に示すＭタイプのガイド部形状の冷媒導入流路２１では、冷媒の導入方向に向かって断面積が連続して低減することで、冷却用流路２３での流速分布を改善できる。
　このように、第５の実施の形態におけるウォータージャケット２ＡＬの冷媒導入流路２１は、その底壁２Ａｅ面、ガイド壁Ｓ１、及びヒートシンクの前側側面で断面の面積が画定される。そして、この断面の面積が、冷媒導入流路２１の開口側から終端部に向かって一定の割合で小さくなり、かつ冷媒導入流路２１内の傾斜部材Ｓ２により、その途中においてその減少の割合が変化するよう形成されている。なお、本実施の形態において、ヒートシンクは、その前側側面が導入口２４から流入する冷媒の流入方向と略平行となり、冷媒の流れを遮らないよう導入口部２１ａの内壁に面一となるよう配設されている。また、ウォータージャケット２ＡＬにおいて、冷媒導入流路２１の高さ、すなわちウォータージャケット２ＡＬの底壁２Ａｅ面とフィンベース２Ｂの間の間隔は一定である。
　冷媒を排出口２５に流出する冷媒排出流路２２には、その始端部に、ヒートシンクの後側側面に対し約４５°の傾斜角をなすガイド部２２Ｓｏを形成するよう面取りが施されている。そして、冷媒排出流路２２の下流側に向かってヒートシンクの後側側面と平行な側壁が形成されている。このように冷媒排出流路２２の側壁をほぼ全長にわたって、ヒートシンクの後側側面に対し平行に形成することにより、ヒートシンクの下流側の圧力損失を小さくして、冷媒導入流路２１側のガイド部による流速調整の効果を得ることができる。
　ここでは、冷却用流路２３の幅２５５ｍｍ、長さ１１７ｍｍの領域内に、厚さ１．２ｍｍ、ピッチ２．１ｍｍ、高さ１０ｍｍのブレードフィンが配置され、導入口２４から冷媒導入流路２１に流量１０Ｌ／ｍｉｎで冷媒を導入すると仮定する。その場合に、異なるガイド部の形状の流路タイプ毎に、ガイド部形状の違いが流速分布に与える影響を、シミュレーションにより確認した。
　つぎに、図３４（Ｂ）のように分類される流路形状を比較対象として実施されたシミュレーションの結果について説明する。
　ここで用いる冷媒導入流路２１は図３３、図３４に示すスロープ形状とし、ＬタイプからＭｃタイプのガイド部では、いずれもフィン２Ｃとガイド壁Ｓ１、あるいは傾斜部材Ｓ２との間隔（最小値）ｙ０を２ｍｍとしている。また、図３４（Ａ）に示すＭタイプのウォータージャケット２ＡＬでは、傾斜部材Ｓ２の変化点までの距離ｘ１を１１．５ｍｍとし、Ｍａタイプのみで２０ｍｍとしている。また、傾斜部材Ｓ２の変化点でのフィン２Ｃとの間隔ｙ１を５ｍｍとし、Ｍｂタイプのみで１０ｍｍとしている。さらに、傾斜部材Ｓ２の高さｚ１は２．５ｍｍとし、Ｍｃタイプのみで５ｍｍとしている。なお、冷却用流路２３の流路の高さを１０．５ｍｍ、導入口２４での流路幅を１５ｍｍとする。
　つぎに、上述した図３１（Ａ）に示すウォータージャケット２ＡＬについて、回路素子部３Ｄ等から冷媒に与えられる熱損失について考察する。ここでは、導入口２４側よりＢ１～Ｂ３とＢ４～Ｂ６の３列ずつを２つのグループとして、各々の回路素子部３Ｄ，３Ｅで同様の大きさが設定され、７列目だけで上流側の回路素子部３Ｆｄと下流側の回路素子部３Ｆｕとで異なる損失が設定される。この発熱量に応じて設定される損失値については、冷媒流速と冷媒温度及び冷却性能との関係に基づいて、３Ｄ＜３Ｅ＜３Ｆｕ＜３Ｆｄの関係に設定する。
　図３５は、図３４のウォータージャケットのタイプ毎での冷媒の流速を示す図である。また、図３６、図３７、及び図３８には、半導体素子の定常運転時の発熱をタイプ毎に示す図である。これらはいずれも、前述した手法によるシミュレーション結果の一例であって、図３４（Ｂ）に示すガイド部形状毎の冷媒の流速を回路基板の位置別に示している。
　図３５は、７列に配置された回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下に配置されたフィン２Ｃ間の流速をシミュレーションした結果である。ここでは、導入口２４側から導入路２０ａの終端部に向けてＢ１～Ｂ７まで順に流速を、さらに同図（Ｂ）に流速の低い部分のみを拡大して示している。
　図３５に示すシミュレーション結果によれば、ガイド壁Ｓ１によるひとつの傾斜面だけで流路の発生損失を高める場合には、冷却が最も必要とされる位置Ｂ７での冷媒の流速が速くなる流路形状としては、Ｌ１タイプのものより傾斜面の長さが長いガイド形状を持つＬタイプが適している。しかし、傾斜部材Ｓ２をガイド壁Ｓ１に沿って配置したＭタイプのウォータージャケット２ＡＬでは、図３３（Ａ），（Ｂ）に示すＬタイプ、Ｌ１タイプのもの以上に流速を高くすることができる。
　また、Ｌタイプ、Ｌ１タイプ及びＭタイプのウォータージャケット２ＡＬについて、フィン２Ｃの間を流れる冷媒流速の７箇所での平均値を比較すると、Ｌタイプで０．０８４ｍ／ｓ、Ｌ１タイプで０．０８３ｍ／ｓ、Ｌ２タイプで０．０８３ｍ／ｓ、Ｌ３タイプで０．０８４ｍ／ｓ、そしてＭタイプでは０．０８８ｍ／ｓとなっている。すなわち、ガイド部２１Ｓの１つの傾斜面だけ、その長さを長くしても、Ｌタイプ、Ｌ１～Ｌ３タイプの間でその平均流速にほとんど変化はない。しかし、Ｍタイプのように複数の傾斜面を配置することによって、回路素子部での平均流速が向上している。したがって、ガイド壁Ｓ１以外に複数の傾斜面を有する傾斜部材Ｓ２によってガイド部を構成することで、より効率のよい冷却性能を得ることができることがわかる。
　図３５のシミュレーション結果から、排出口２５の位置に依存して位置Ｂ１での流速が高くなるという偏流特性については、いずれのタイプでもほとんど変わりはなく、こうした偏流特性自体は、傾斜部材Ｓ２の有無に影響されるものではないことが確認できる。すなわち、冷媒導入流路２１に傾斜部材Ｓ２を配置しても、とくに偏流特性が助長されることなく、冷却効率を改善する効果があることは明らかである。
　また、図３４（Ｂ）におけるＭタイプ、Ｍａタイプ乃至Ｍｃタイプまでのように、ガイド壁Ｓ１の傾斜面に配置される傾斜部材Ｓ２の変化点までの距離ｘ１、変化点でのフィン２Ｃとの間隔ｙ１、及び傾斜部材Ｓ２の高さｚ１を異ならせた場合でも、導入口２４から終端部へ向かう冷媒の流速を損なわず、適切な流速分布となるよう調整することは可能である。
　以上のように、同一の壁面に導入口２４、及び排出口２５を配置するウォータージャケット２ＡＬにおいて、ガイド壁Ｓ１の傾斜面に複数の傾斜面を有する傾斜部材Ｓ２などを設けて偏流特性を調整することができる。また、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄの基板中央部直下での流速を全体的に向上させることも可能となった。さらに、このようなシミュレーション結果に基づいて、Ｌタイプ、Ｌ１～Ｌ３タイプ、及びＭタイプの流路について、それぞれ回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｕ，３Ｆｄに対応する損失を与えて、パワー半導体素子の発熱状態を確認した。
　図３６ないし図３８には、図３３と図３４（Ａ）のウォータージャケットに配置された半導体素子の定常運転時の発熱値のシミュレーション結果の一例をタイプ毎に示す。発熱温度の比較対象は１列目（位置Ｂ１）、４列目（位置Ｂ４）のそれぞれ下流側に配置された回路素子部３Ｄ，３Ｅ、７列目では発生損失がより大きい回路素子部３Ｆｄの３箇所のＩＧＢＴ素子を比較対象とした。
　図３８に示すように、Ｌ３タイプのものではジャンクション温度が１４４．６℃であるのに対し、Ｍタイプのものでは１４１．８℃と３℃低減し、もっとも低くなる。すなわち、ガイド壁Ｓ１だけでなく傾斜部材Ｓ２によって冷媒導入流路２１の流路形状を改善することで、特に損失値の高い上流側の回路素子部３Ｆｄの基板中央部直下Ｂ７での流速が向上した効果が大きく、パワー半導体素子のジャンクション温度を低減することが可能である。その他の回路素子部での流速についても、位置Ｂ１～Ｂ６での冷却性能は、その損失に対し十分な流速を確保できていることから、それぞれのタイプのものの間で、ジャンクション温度にほとんど相違はない。
　（第６の実施の形態）
　上述した実施の形態は、傾斜部材Ｓ２を用いることで、冷媒導入流路２１の終端部での流速向上に寄与するが、冷媒導入流路２１内を流れる冷媒の速度が排出口２５側でより高くなる流速分布を改善するまでには至っていない。したがって、流速分布と回路素子部での損失との関係を合わせて考慮し、傾斜部材Ｓ１，Ｓ２の配置する位置を決定することが望ましい。
　すなわち、ウォータージャケット２ＡＲにより回路素子部を冷却するには、図３９（Ａ）に示すように、流速分布の関係から損失の高い３Ｆｄ側に導入路を、３Ｆｕ側に排出路を設ける必要がある。
　図３９は、第６の実施の形態に係る半導体モジュールにおける流路の形状を示す平面図である。
　図３９（Ａ）に示すＲタイプのウォータージャケット２ＡＲは、図３３（Ｂ）に示したＬタイプのものに対して導入口２４、排出口２５が左右対称に配置され、かつ一様に傾斜したガイド壁Ｓ１により所定の長さの傾斜面を有している。また、同図（Ｂ）に示すＳタイプのウォータージャケット２ＡＲは、図３４（Ａ）に示したＭタイプのものに対して導入口２４、排出口２５が左右対称に配置され、かつガイド壁Ｓ１に沿って配置された傾斜部材Ｓ２１により２つの異なる傾斜角度の面を有している。
　図４０は、図３９の半導体モジュールにおけるガイド部の形状毎に冷媒の流速を示す図である。
　図４０に示すシミュレーション結果によれば、Ｒタイプ、Ｍタイプのいずれも、冷却用流路２３における流速分布は導入口２４、排出口２５側での流速ほど速くなっている。すなわち、排出口２５近くに配置された回路素子部３Ｆｄの中央部直下のフィン間を流れる流速は、Ｓタイプで０．１４１ｍ／ｓ、Ｒタイプで０．１５８ｍ／ｓと、いずれのものでも回路素子部での損失に見合う流速分布が実現されている。
　また、冷却用流路２３の低流速側の位置Ｂ１での流速をＳタイプとＲタイプとで比較した場合、Ｓタイプで０．０５２ｍ／ｓ、Ｒタイプで０．０４５ｍ／ｓとなっている。すなわち、ガイド壁Ｓ１以外に２つの傾斜面を有するガイド部を冷媒導入流路２１に構成したＳタイプの方が、低流速となる位置Ｂ１～Ｂ３での流速が高く、しかも高流速となる位置Ｂ６，Ｂ７での流速は低くなっている。このことから、Ｓタイプのものがより流速分布の均一化された状態へと改善できることがわかる。
　以上のように、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｄ，３Ｆｕの損失と基板サイズとの関係から、損失の大きくかつ基板サイズの大きな３Ｆｄ，３Ｆｕ側に導入口２４、排出口２５を配置した方がより冷却効率は高くなる。そこで、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｄ，３Ｆｕに対応する損失を与えて、パワー半導体素子の発熱状態が確認した。
　図４１は、図３９のウォータージャケットについて、半導体素子の定常運転時の性能を説明する図であって、（Ａ）はＢ１列下流側での発熱温度、（Ｂ）はＢ４列下流側での発熱温度、（Ｃ）はＢ７列上流側での発熱温度をタイプ毎に示す図である。
　ここでは、流速分布の改善結果とジャンクション温度の結果に相関が見られ、回路素子部３Ｄ，３Ｅ，３Ｆｄ，３Ｆｕの損失に対し、冷却に必要な流速の調整が可能になっていることがわかる。とくに、損失の高い回路素子部３Ｆｄにおいて、Ｓタイプ、ＲタイプはＭタイプと比較して８．６℃の低減が可能であり、６％の冷却効率が向上した。
　また、ＳタイプとＲタイプを比較した場合、回路素子部３Ｆｄのジャンクション温度は冷却十分な流速に向上したことから両者に相違はほとんどないが、低流速となる回路素子部３Ｄの下流側において、Ｓタイプで１３０．４℃，Ｒタイプで１３２．３℃と約２℃の差がある。このことから、Ｓタイプの冷媒導入流路２１に配置した傾斜部材Ｓ２１は、流速分布を調整し、全体的な冷却性能を向上できるという効果を有することが明らかである。
　なお、本発明は上述した６つの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
　上記については単に本発明の原理を示すものである。さらに、多数の変形、変更が当業者にとって可能であり、本発明は上記に示し、説明した正確な構成及び応用例に限定されるものではなく、対応するすべての変形例及び均等物は、添付の請求項及びその均等物による本発明の範囲とみなされる。
　２　冷却器
　２Ａ，２ＡＩ，２ＡＬ，２ＡＲ　ウォータージャケット
　２Ｂ　フィンベース
　２Ｃ　フィン
　１０，１０Ａ，１０Ｂ　半導体モジュール
　２１　冷媒導入流路
　２１ａ　導入口部
　２１ｂ　第２の傾斜面
　２１ｃ　凹形状
　２１Ｓ，２２Ｓ，２１Ｓｏ，２２Ｓｏ　ガイド部
　２２　冷媒排出流路
　２２Ｇ　ガイド片
　２３　冷却用流路
　２４　導入口
　２５　排出口
　２６　基材
　３Ａ～３Ｅ，３Ｆｄ，３Ｆｕ　回路素子部
　３１　基板
　３１ａ　絶縁基板
　３１ｂ，３１ｃ　導体パターン
　３２，３３　半導体素子
　３４，３５　接合層
　４０　インバータ回路
　４１　三相交流モータ
　Ｃ　クリアランス
　Ｂ１～Ｂ７　位置
　Ｆ　平坦面
　Ｑ１，Ｑ２　流速
　Ｓ　傾斜面
　Ｓ１　ガイド壁
　Ｓ２～Ｓ５，Ｓ２１～Ｓ２３　傾斜部材
　Ｔ１，Ｔ２　素子温度

Claims (22)

  1. 　冷却器を構成するウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、前記冷却器の外面に配置された半導体素子を冷却する半導体モジュールにおいて、
    　前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、
    　前記ウォータージャケット内に、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するための傾斜した一の面、及び他の面を少なくとも有するガイド部が配置された第１流路と、
    　前記第１流路と並列して前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒排出口に延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、
    　前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成され、前記ヒートシンクが配置された第３流路と、
    　を備えることを特徴とする半導体モジュール。
  2. 　前記ガイド部の、前記一の面及び前記他の面が、前記第１流路内で、ヒートシンク側へ突出する形状であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体モジュール。
  3. 　前記一の面及び前記他の面が、前記冷媒の導入方向に沿って順に形成され、前記第１流路内でその断面積を連続して低減し、かつその低減の割合を変化させるよう構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体モジュール。
  4. 　前記断面積の低減の割合において、前記一の面による割合が他の面による割合より大きいことを特徴とする請求の範囲第３項記載の半導体モジュール。
  5. 　前記ガイド部の前記他の面は、前記ヒートシンクの前記一の側面に対し平行であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体モジュール。
  6. 　前記他の面は、前記冷媒導入口から前記第１流路の終端部に至る流路長のうち、当該終端部側に１／４以下の長さに形成されるとともに、前記他の面と前記ヒートシンクとの隙間を前記第１流路の最大流路幅の１／３以下としたことを特徴とする請求の範囲第５項記載の半導体モジュール。
  7. 　前記他の面は、前記第１流路の終端部近傍で凹形状が形成されていることを特徴とする請求の範囲第５項記載の半導体モジュール。
  8. 　前記第１流路の側壁が、前記ヒートシンクの一の側面に対して一様に傾斜したガイド壁によって構成されていることを特徴とする請求の範囲第１項記載の半導体モジュール。
  9. 　前記冷媒導入口と前記冷媒排出口は、前記ウォータージャケットの互いに対向する壁面に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  10. 　前記冷媒導入口と前記冷媒排出口が、前記ウォータージャケットの同一の壁面に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  11. 　前記ガイド部は、前記第１流路内で前記ヒートシンクに対向する面から離間した位置に配置された複数の傾斜角度を有する傾斜部材によって形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  12. 　前記冷却器は、その外面に前記冷媒の導入方向に沿って発熱特性の異なる複数の半導体素子が配置され、
    　前記ガイド部は、前記第１流路内で前記冷媒導入口から当該発熱特性が最高である半導体素子の配置領域に至る傾斜角度が最大になるよう形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  13. 　前記ガイド部が、前記第１流路の底面から階段状に形成されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  14. 　前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するよう傾斜した一の面と、他の面とを少なくとも有する第２のガイド部が、前記ガイド部の上面に重ねて前記ガイド壁に沿って配置され、前記ガイド部の一の面の傾斜角度と前記第２のガイド部の一の面の傾斜角度が互いに異なることを特徴とする請求の範囲第１３項記載の半導体モジュール。
  15. 　前記ガイド部の一の面と他の面で挟まれる角部が、前記第２のガイド部の一の面と他の面とからなる角部より前記冷媒導入口側に位置することを特徴とする請求の範囲第１４項記載の半導体モジュール。
  16. 　前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するよう傾斜した一の面と、他の面とを少なくとも有する第３のガイド部が、前記ガイド部の上面に重ねて前記ガイド壁に対して離間した位置に配置されたことを特徴とする請求の範囲第１３項記載の半導体モジュール。
  17. 　前記ガイド部及び第３のガイド部は、各々の段差間あるいは前記冷媒の導入方向にそれぞれ連続する曲面によって接続されていることを特徴とする請求の範囲第１６項記載の半導体モジュール。
  18. 　前記第２流路内には、前記冷媒の排出方向の中央から前記冷媒排出口側であって前記第３流路の近傍に、前記ウォータージャケット底面から当該流路の高さに対して７０％以下の高さを持つ冷媒誘導用のガイド片を備えていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  19. 　前記ヒートシンクの外形が直方体であることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  20. 　前記ヒートシンクが、前記第３流路の底面から離隔して配置されたことを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  21. 　前記ウォータージャケットは、前記ヒートシンクを有するフィンベースにより前記冷媒導入口及び前記冷媒排出口を除いて封止されていることを特徴とする請求の範囲第１項または第８項に記載の半導体モジュール。
  22. 　ウォータージャケットに外部から冷媒を供給して、その外面に配置された半導体素子を冷却する冷却器において、
    　前記半導体素子と熱的に接続されたヒートシンクと、
    　前記ウォータージャケット内に、冷媒導入口から延在され、かつ前記ヒートシンクの一の側面に向かって前記冷媒を誘導するための傾斜した一の面、及び他の面を少なくとも有するガイド部が配置された第１流路と、
    　前記第１流路と並列して前記ウォータージャケット内に配置され、冷媒排出口に延在され、かつ前記ヒートシンクの他の側面に平行な側壁が形成された第２流路と、
    　前記ウォータージャケット内の前記第１流路と前記第２流路とを連通する位置に形成され、前記ヒートシンクが配置された第３流路と、
    　を備えることを特徴とする冷却器。
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