JP2016111167A - 積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、半導体素子を収納した複数のパワーカードと複数の冷却器を積層した積層ユニットに関し、パワーカードの冷却効率を高める。【解決手段】積層ユニットの冷却器３ｂは、本体３０と、一対の金属板１３ａ、１３ｂを備える。本体３０には、その両側のパワーカード５の夫々と対向する位置に流路Ｐｓに連通する開口３２ａ、３２ｂが設けられている。各金属板は、夫々の開口をガスケットを介して塞いでいる。各金属板の流路側の面には、複数のフィン１４ａ、１４ｂが設けられており、反対側の面がパワーカード５に接している。本体３０の流路Ｐｓの積層方向の中央に、リブ３１が設けられている。各金属板１３ａ、１３ｂの複数のフィンに、リブ３１が通る切欠１５が設けられている。切欠１５にてリブ３１と複数のフィン１４ａ、１４ｂとの間に弾性部材３３ａ。３３ｂが挟まれている。【選択図】図３

Description

本発明は、複数のパワーカードと複数の冷却器が積層されている積層ユニットに関する。

半導体素子を収容している複数のパワーカードと複数の冷却器が積層されており、少なくとも一つの冷却器の両側にパワーカードが接している積層ユニットが知られている。そのような積層ユニットは、多数の半導体素子を集積して効率よく冷却することができる。そのような積層ユニットは、例えば、電気自動車において走行用モータに電力を供給するインバータに採用されている（例えば特許文献１）。

特開２０１３−１２１２３６号公報

本願の出願人は、特徴ある冷却器を採用した積層ユニットを考案した（特願２０１４−１８９２９９号、２０１４年９月１７日出願、本願出願時は未公開）。その冷却器は、本体と一対の金属板で構成されている。本体は、内部に積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されている、また、本体には、両側のパワーカードの夫々と対向する面に流路と連通する開口が設けられている。夫々の金属板は夫々の開口を塞いでいる。夫々の金属板は、流路側の面に冷媒の流れ方向に沿って延びている複数のフィンが設けられており、反対側の面がパワーカードに接している。この積層ユニットは、その積層方向に加圧されており、その圧力によって冷却器の本体の両側の開口がガスケットと一対の金属板で封止されている。

この冷却器は、パワーカードに接する部位に金属板を用いるが、その金属板とは別体の本体は金属以外の材料、例えば樹脂で作ることができる。一方、部品交差等により本体の内部で一方の金属板から延びるフィンの先端と他方の金属板から延びるフィンの先端との間に空隙ができた場合、冷媒はフィンの平坦面同士の間の隙間よりも上記空隙を流れ易いため冷却効率上の損失が増加する虞がある。本明細書は、本願の出願人が考案した上記積層ユニットの冷却器における損失を低減する技術を提供する。

本明細書が開示する技術が対象とする積層ユニットは次の通りである。その積層ユニットは、半導体素子を収容している複数のパワーカードと複数の冷却器が積層されているデバイスである。少なくとも一つの冷却器の両側にパワーカードが接している。その少なくとも一つの冷却器は、本体と一対の金属板を備える。本体は、内部に積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されている。また、本体には、両側のパワーカードの夫々と対向する位置に流路に連通する開口が設けられている。一対の金属板の夫々は、本体の夫々の開口をガスケットを介して塞いでいる。各金属板は、流路側の面に冷媒の流れ方向に沿って延びている複数のフィンが設けられており、反対側の面がパワーカードに接している。そして、積層ユニットはその積層方向に加圧されることによって本体の両側の開口が一対の金属板で封止されている。本明細書が開示する積層ユニットの冷却器の本体には、流路を横断する少なくとも一つのリブが設けられている。その少なくとも一つのリブは、一対の金属板と平行な方向であって冷媒の流れ方向に交差する方向に延びている。また、リブは、流路の対向する内面の一方から他方まで延びている。さらにまた、一対の金属板の夫々が備える複数のフィンの先端同士が流路内で対向しているとともに、夫々の金属板の複数のフィンに、上記したリブが通る切欠が設けられている。その切欠にて上記したリブと複数のフィンとの間に弾性部材が挟まれている。

切欠において、リブと弾性体部材が、一方の金属板から延びるフィンの先端と他方の金属板から延びるフィンの先端との間の空隙を塞ぐ。それゆえ、フィンの先端同士の間を流れていた冷媒は、フィンの平坦面間の隙間へと誘導される。上記の構造によれば、フィンの平坦面に沿って流れる冷媒の量を増やすことができ、冷却効率が向上する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の積層ユニットの斜視図である。 実施例の積層ユニットを使った電力変換器のケース内レイアウトを示す平面図である。 冷却器の分解斜視図である。 図中のＸＹ平面でカットした冷却器の断面図である。

図面を参照して実施例の積層ユニットを説明する。図１に、積層ユニット２の斜視図を示す。実施例の積層ユニット２は、電気自動車に搭載される電力変換器の主要部品である。電力変換器は、バッテリの直流を昇圧する電圧コンバータと、昇圧された直流を交流に変換して走行用モータに供給するインバータを含む。電圧コンバータとインバータは、発熱量の大きい多数のスイッチング素子（半導体素子）を含む。積層ユニット２は、それら多数のスイッチング素子を集約して効率良く冷却するユニットである。

図１に示すように、積層ユニット２は、複数のパワーカード５と複数の冷却器３ａ〜３ｅが積層されているユニットである。図中のＸ軸の方向が積層方向に相当する。以降の図でも同様である。

各パワーカード５の両側に冷却器が接している。３個の冷却器３ｂ〜３ｄは同じ構造を有しており、冷却器３ｂ〜３ｄの夫々の両面にパワーカード５が接している。積層方向の両端の冷却器３ａ、３ｅは、一方の面だけにパワーカード５が接している。それゆえ、積層方向の両端の冷却器３ａ、３ｅは、冷却器３ｂ〜３ｄと少し異なる構造を有している。しかし、冷却器３ａ〜３ｅは、その内部に図中のＹ軸方向に冷媒が流れる流路を有する点では共通している。詳しくは後述するが、冷却器３ａ〜３ｅは、図中のＹ軸方向の両端に積層方向に貫通する貫通孔を有しており、冷却器３ａに設けられた供給管９１から供給された冷媒は、一方の貫通孔を通じて積層方向の他端の冷却器３ｅまで冷媒が行き渡る。冷媒は液体であり、典型的には水あるいはＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。冷媒は各冷却器３ａ〜３ｅを通過する間に隣接するパワーカード５から熱を吸収し、他方の貫通孔を通じ、冷却器３ａに設けられた排出管９２から排出される。

両側にパワーカード５が接している３個の冷却器３ｂ〜３ｄの一つ、冷却器３ｂの構造を概説する。冷却器３ｂは、樹脂製の本体３０と一対の金属板１３で構成されている。後に詳しく説明するが、本体３０は内部を冷媒が通る流路を有しており、パワーカード５と対向する面にその流路と連通する開口が設けられている。一対の金属板１３の夫々がガスケットを挟んで夫々の開口を塞いでいる。一対の金属板１３と後述するガスケットによって本体３０の流路が密閉される。冷却器３ｃ、３ｄも冷却器３ｂと同様の構造を有している。冷却器３ａ、３ｅは、内部に流路が形成されており、パワーカード５と対向する面に開口が設けられており、その開口が金属板とガスケットで封止されている点は、冷却器３ｂ〜３ｄと同じである。積層方向の一端に位置する冷却器３ａは、積層ユニット２の最外側の面が塞がれているとともに、その面に供給管９１と排出管９２が設けられている点が冷却器３ｂ〜３ｄと異なる。積層方向の他端に位置する冷却器３ｅは、積層ユニット２の最外側の面が塞がれている点が冷却器３ｂ〜３ｄと異なる。

図２は、積層ユニット２を組み込んだ電力変換器１００の部品レイアウトを示す平面図である。積層ユニット２は、電力変換器１００のハウジング８０の内壁と支柱８２の間に収容される。積層ユニット２と支柱８２の間に板バネ８３が挿入される。板バネ８３により、積層ユニット２は、積層方向に加圧された状態で保持される。後に詳しく説明するが、積層方向の加圧により、本体３０の開口と金属板１３の間の水密性が保持される。また、積層方向の加圧により、冷却器３ａ〜３ｅとパワーカード５の密着性が高まり、パワーカード５から冷却器３ａ〜３ｅへの熱伝達効率が高められている。ハウジング８０には、積層ユニット２のほか、コンデンサ素子８１、リアクトル８４が収容される。幾つかのコンデンサ素子８１とリアクトル８４は、電圧コンバータの部品であり、残りのコンデンサ素子は、電圧コンバータの出力電流の脈動を抑制する平滑化コンデンサとして使われる。ハウジング８０には、その他、パワーカード５が収容しているスイッチング素子を制御するための基板や電流センサなども収容されるがそれらの図示は省略している。

次に、両側にパワーカード５が接している冷却器３ｂ〜３ｄについて、冷却器３ｂを説明する。冷却器３ｃ、３ｄも冷却器３ｂと同じ構造を有している。冷却器３ａ、３ｅの構造の詳細は説明を省略する。

図３に冷却器３ｂの分解斜視図を示す。なお、図３には、冷却器３ｂの積層方向の両側に位置するパワーカード５を仮想線で描いてある。先に述べたように、冷却器３ｂは、樹脂製の本体３０と一対の金属板１３ａ、１３ｂ、ガスケット１２ａ、１２ｂ、及び、弾性部材３３ａ、３３ｂで構成されている。本体３０は内部に冷媒が流れる流路Ｐｓが形成されている。本体３０には、両側のパワーカード５の夫々と対向する位置に開口３２ａ、３２ｂが設けられている。開口３２ａ、３２ｂは内部の流路Ｐｓに通じている。符号９３が示しているのは、軽量化のための溝である。図３では隠れて見えないが、本体３０の反対側の側面にも軽量化のための溝が設けられている。このように本体３０は複雑な形状を有しているが、本体３０は樹脂の射出成形で低コストで作ることができる。また、本体３０は樹脂で作られているので軽量である。

本体３０の一方の開口３２ａはガスケット１２ａを挟んで金属板１３ａで塞がれる。他方の開口３２ｂはガスケット１２ｂを挟んで金属板１３ｂで塞がれる。一対の金属板１３ａ、１３ｂは、本体３０を挟んで対向する。金属板１３ａの流路側を向く面１３ａ１には複数のフィン１４ａが設けられており、反対側の面１３ａ２はパワーカード５に接する。金属板１３ｂの流路側を向く面１３ｂ１には複数のフィン１４ｂが設けられており、反対側の面１３ｂ２は別のパワーカード５に接する。金属板１３ａのフィン１４ａと金属板１３ｂのフィン１４ｂは、冷媒の流れの中に配置されることになる。パワーカード５の熱は、金属板１３ａ、１３ｂとそれらに設けられたフィン１４ａ、１４ｂを介して冷媒に吸収される。冷却器３ｂは、その本体３０は熱伝導率の高くない樹脂で作られるが、一方の面がパワーカード５に接し他方の面が冷媒に接する部分に金属板１３ａ、１３ｂを備えることで高い冷却性能を確保している。

本体３０はＹ軸方向に横長であり、Ｙ軸方向の両端に、積層方向に延びる筒部３５が設けられている。筒部３５の内側には、積層方向に延びる貫通孔３４が形成されている。一方の筒部３５ａの貫通孔３４ａから入った冷媒は、流路ＰｓをＹ軸方向に流れ、他方の筒部３５ｂの貫通孔３４ｂから出ていく。冷媒は図中のＹ軸方向に流れる。積層ユニット２では、隣接する冷却器の貫通孔同士が連通しており、一方の貫通孔３４ａを通じて全ての冷却器に冷媒が分配される（図１参照）。また、各冷却器の流路Ｐｓを通った冷媒は、他方の貫通孔３４ｂを通じて集合し、排出管９２から排出される（図１参照）。

複数のフィン１４ａ、１４ｂは、冷媒の流れ方向に沿って延びている。流路Ｐｓ内で冷媒は、フィンの平坦面間を流れる間にフィンを通じてパワーカードの熱を吸収する。複数のフィン１４ａの夫々に切欠１５が設けられている。複数のフィン１４ａの全てが同じ位置に同じ形状の切欠を有しており、それらの切欠がフィンの並び方向に延びる空間を形成する。その空間を後述するリブ３１が通る。複数のフィン１４ｂの夫々にも同様に切欠１５が設けられている。

本体３０の流路Ｐｓにリブ３１が設けられている。リブ３１は、図中のＺ軸方向に延びている。即ち、リブ３１は、一対の金属板１３ａ、１３ｂと平行に延びているとともに、冷媒の流れ方向（Ｙ軸方向）に交差する方向に延びている。リブ３１は、流路Ｐｓに面する平行な一対の本体内面３７、３８をつなぐように設けられている。リブ３１の冷媒上流側の縁に弾性部材３３ａが嵌合しており、冷媒下流側の縁に弾性部材３３ｂが嵌合している。弾性部材３３ａは、流路Ｐｓに面する平行な一対の本体内面３７、３８の一方から他方に達する長さを有している。別言すれば、弾性部材３３ａ、３３ｂは、流路Ｐｓを横断する長さを有している。弾性部材３３ａ、３３ｂは、ガスケット１２ａ、１２ｂと同じ材料で作られている。弾性部材３３ａ、３３ｂ、及び、ガスケット１２ａ、１２ｂは、例えばシリコンゴムで作られている。

リブ３１と弾性部材３３ａ、３３ｂとフィン１４ａ、１４ｂの関係について説明する。図４は、冷却器３ｂをＺ軸方向の中央にてＸＹ平面でカットした断面図である。冷却器３ｂは、リブ３１を中心にＺ軸に対して対象であるので、図４では、リブ３１より左側の一部の図示を省略している。

リブ３１は、流路Ｐｓの積層方向（Ｘ軸方向）の中央に位置する。リブ３１は冷媒の流れ方向（Ｙ軸方向）においても本体３０の中央に位置する。図４によく示されているように、リブ３１は、フィン１４ａ、１４ｂに設けられた切欠１５を通っている。弾性部材３３ａは、リブ３１の冷媒流れ方向の上流側の縁を覆っている。弾性部材３３ｂは、リブ３１の冷媒流れ方向の下流側の縁を覆っている。弾性部材３３ａ、３３ｂは、いずれも、切欠１５にてリブ３１とフィン１４ａ、１４ｂの間に挟まれている。

一方の金属板１３ａのフィン１４ａの先端と他方の金属板１３ｂのフィン１４ｂの先端は、流路Ｐｓ内で対向する。ここで、「フィンの先端」とは、金属板の法線方向（図中のＸ軸方向）におけるフィンの先端を意味する。フィン１４ａの先端とフィン１４ｂの先端の間にはギャップＧが存在する。このギャップＧは、次の理由でゼロにすることが難しい。金属板１３ａはガスケット１２ａを介して本体３０の一方の側面に当接しており、金属板１３ｂはガスケット１２ｂを介して本体３０の他方の側面に当接している。先に述べたように、積層ユニット２はその積層方向（即ち図４のＸ軸方向）に加圧されており、その圧力によって、一対の金属板１３ａ、１３ｂの夫々が、夫々の開口３２ａ、３２ｂを封止している。加圧によるガスケット１２ａ、１２ｂの変形量は個々の冷却器で異なる。また、ガスケット１２ａ、１２ｂが開口３２ａ、３２ｂを封止するのに充分なほどに変形する前にフィン１４ａの先端とフィン１４ｂの先端が当接してしまうと、金属板１３ａ、１３ｂはそれ以上に両者の間隔を狭めることができなくなり、開口３２ａ、３２ｂの封止が不完全となる虞がある。加圧によるガスケット１２ａ、１２ｂの変形量のばらつきを許容するために、ギャップＧはゼロにすることができない。

一方、ギャップＧを流れる冷媒はフィンの平坦面に接しないので冷却性能上の無駄が生じる。即ち、冷却効率上の損失が増加する。リブ３１と弾性部材３３ａ、３３ｂは、冷媒の流れ方向の一部でギャップＧを埋める。これにより、図４の矢印Ｆ１、Ｆ２が示すように、冷媒はギャップＧからフィンの平坦面間の空間へと誘導される。その結果、流路Ｐｓを通過する全ての冷媒が少なくともフィンの平坦面の一部に触れることになり、冷却効果が高まる。即ち、冷却効率上の損失が抑制される。なお、切欠１５にてフィン１４ａ、１４ｂの先端が弾性部材３３ａ、３３ｂに当接しても、弾性部材３３ａ、３３ｂが変形し、フィン１４ａ、１４ｂの変形は抑えられる。冷却器３ｃ、３ｄも冷却器３ｂと同じ構造を有している。

実施例の積層ユニット２は、次の特徴を有する。複数のパワーカード５の夫々は、半導体素子を収容している。その複数のパワーカード５と複数の冷却器３ａ−３ｅが一つずつ交互に積層されている。各パワーカード５の両側に冷却器が接している。積層ユニット２の積層方向両端の冷却器（冷却器３ａと３ｅ）を除く冷却器（３ｂ−３ｄ）の夫々が、図３に示した構造を有している。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却器３ｂは、本体３０の冷媒の流れ方向の中央に一つのリブ３１を有する。冷却器の本体は複数のリブを有していてもよい。弾性部材３３ａ、３３ｂは、ガスケット１２ａ、１２ｂとともに、射出成形で直接に本体３０に形成されるものであってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

３ａ−３ｅ；冷却器
２：積層ユニット
５：パワーカード
１２ａ、１２ｂ；ガスケット
１３ａ、１３ｂ；金属板
１４ａ、１４ｂ；フィン
１５；切欠
３０；本体
３１；リブ
３２ａ、３２ｂ；開口
３３ａ、３３ｂ；弾性部材
３４ａ、３４ｂ；貫通孔
３５ａ、３５ｂ；筒部
３７、３８；本体内面
８０；ハウジング
８１；コンデンサ素子
８２；支柱
８３；板バネ
８４；リアクトル
１００；電力変換器
Ｇ；ギャップ
Ｐｓ；流路

Claims (2)

1. 半導体素子を収容している複数のパワーカードと複数の冷却器が積層されており、少なくとも一つの冷却器の両側にパワーカードが接している積層ユニットであり、
   前記少なくとも一つの冷却器は、
   内部に積層方向と交差する方向に冷媒が流れる流路が形成されており、両側の前記パワーカードの夫々と対向する位置に前記流路に連通する開口が設けられている本体と、
   前記本体の夫々の開口をガスケットを介して塞いでおり、流路側の面に冷媒の流れ方向に沿って延びている複数のフィンが設けられているとともに反対側の面が前記パワーカードに接している一対の金属板と、
   を備えており、
   当該積層ユニットはその積層方向に加圧されることによって前記本体の両側の前記開口が前記一対の金属板で封止されており、
   前記流路に、前記一対の金属板と平行な方向であって冷媒の流れ方向に交差する方向に延びており、前記流路の対向する内面の一方から他方まで延びている少なくとも１つのリブが設けられており、
   前記一対の金属板の夫々が備える複数のフィンの先端同士が前記流路内で対向しているとともに、夫々の金属板の複数のフィンに、前記リブが通る切欠が設けられており、
   前記切欠にて前記リブと前記複数のフィンとの間に弾性部材が挟まれている、
   ことを特徴とする積層ユニット。
2. 前記本体は樹脂で作られていることを特徴とする請求項１に記載の積層ユニット。

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