(57)【要約】【課題】冷却器本体に取り付けられる半導体素子の冷却効率を向上させるとともに、冷却器本体に取り付け又は搭載される冷却器ハウジングの搭載性を改善する。【解決手段】冷却器１０は、冷媒が流れる複数の冷媒流路２６が内部に形成され、外側表面２３に半導体素子２６，２８が取り付けられる天板２２を有する冷却器本体１４と、天板２２の外側表面２３上に取り付けられ、半導体素子２６，２９と電気的に接続されるバスバを含む冷却器ハウジング１４とを備える。天板２２の外側表面２３には、冷媒流路２６側に凹状をなすとともに冷却器ハウジング１４の取付部分において冷却器ハウジング１４側に凸状をなす突出部３０，３２，３４が形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が流れる複数の冷媒流路が内部に形成され、半導体素子が外側表面に取り付けられる伝熱板を有する冷却器本体と、
前記伝熱板の前記外側表面上に取り付けられ、前記半導体素子と電気的に接続されるバスバを含む冷却器ハウジングとを備える冷却器であって、
前記伝熱板の前記外側表面には、前記冷媒流路側に凹状をなすとともに前記冷却器ハウジングの取付部分において前記冷却器ハウジング側に凸状をなす突出部が形成されていること特徴とする冷却器。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却器において、
前記冷却器本体内の冷媒流路は、対をなす２つの前記半導体素子の並び方向に延伸するとともに前記並び方向と直交または交差する方向に隣接し且つ前記２つの半導体素子に対応して複数形成され、前記突出部は、前記２つの半導体素子間において前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向に関し上流側と下流側とに分離して形成されており、前記２つの半導体素子に対応する複数の冷媒流路のうち前記突出部の凹状内側を介して連通する複数の冷媒流路が上流側突出部と下流側突出部とで異なるように前記上流側突出部と前記下流側突出部とを前記並び方向と直交または交差する方向に関してずらして配置したことを特徴とする冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に関し、特に、外側表面に取り付けられた半導体素子を冷却するための冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ハイブリッド車両等の電動車両においては、バッテリから供給される直流電圧をインバータで交流電圧に変換して、動力源である交流モータに印加して駆動する。インバータは、例えば、トランジスタやダイオード等の複数の電力用半導体素子等から構成されることができる。これらの半導体素子は、動作性能の維持および熱的損傷の防止のために、冷却器によって冷却されて過度の昇温が抑制されている。
【０００３】
冷却器の本体（以下、冷却器本体という）は、熱伝導性および放熱性が良好な金属板、例えばアルミニウム板等により筐体状に形成される。この冷却器本体の少なくとも１つの外側表面上に、複数の半導体素子がロウ付け等の方法で絶縁構造を介して取り付けられている。そして、冷却器本体の内部に冷媒を流通させることによって上記外側表面上に搭載された半導体素子を冷却するようになっている。
【０００４】
上記冷却器の本体において上記半導体素子が取り付けられた外側表面には、冷却器ハウジングが接着やねじ止め等の手段によって取り付けられる。冷却器ハウジングは、バスバが部分的に露出した状態で埋設された樹脂製の部品である。冷却器本体に冷却器ハウジングが固定された後、上記半導体素子と上記バスバとの間がワイヤボンディングされて電気的に接続される。
【０００５】
上記ワイヤボンディングを確実に行うには、半導体素子が取り付けられた冷却器本体の外側表面上に冷却器ハウジングががたつき無くしっかりと固定されていることが要請される。そのため、これまでは冷却器本体の外側表面上にスペーサ部材をロウ付け等により固定し、そのスペーサ部材上に冷却器ハウジングを固定することにより冷却器ハウジングの取り付け高さを調整することがあった。
【０００６】
しかし、このようなスペーサ部材を別部品として用いることは、部品点数および製造工数の増加につながり、コストアップを招くこととなる。
【０００７】
例えば特開２００８−１７２０１４号公報（特許文献１）には、半導体素子と、前記半導体素子が搭載される搭載面を有し内部に前記半導体素子の冷却用の冷媒が流れる冷媒流路が形成されたヒートシンクと、前記ヒートシンクにおける前記搭載面と反対側に位置する部分に設けられ、前記冷媒の流れ方向と交差する方向に延在し、前記冷媒流路の壁面から該冷媒流路の内方に向かって突出する突出部とを備え、前記突出部は、前記半導体素子の近傍であって前記半導体素子の前記冷媒の流れ方向における中心よりも上流側に位置するように設けられる、半導体素子の冷却構造が開示されている。この半導体素子の冷却構造によれば、半導体素子の近傍において、搭載面側の冷媒の流速が大きい流速分布を生じさせるとともに、冷媒の流れに乱れを発生させて境界層の成長を抑制することができ、その結果、冷媒による熱伝達効率が向上し、半導体素子の冷却効率が向上する、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−１７２０１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特開２００８−１７２０１４号公報に記載されるように冷媒流路の底面に突出部を形成することで冷却効率の向上は図れるが、この突出部は上述したような冷却器ハウジングの冷却器本体への搭載性に寄与するものではない。
【００１０】
本発明の目的は、冷却器本体に取り付けられる半導体素子の冷却効率を向上させるとともに、冷却器本体に取り付け又は搭載される冷却器ハウジングの搭載性を改善する冷却器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る冷却器は、冷媒が流れる複数の冷媒流路が内部に形成され、外側表面に半導体素子が取り付けられる伝熱板を有する冷却器本体と、前記伝熱板の前記外側表面上に取り付けられ、前記半導体素子と電気的に接続されるバスバを含む冷却器ハウジングとを備える冷却器であって、前記伝熱板の前記外側表面には、前記冷媒流路側に凹状をなすとともに前記冷却器ハウジングの取付部分において前記冷却器ハウジング側に凸状をなす突出部が形成されている。
【００１２】
本発明に係る冷却器において、前記冷却器本体内の冷媒流路は、対をなす２つの前記半導体素子の並び方向に延伸するとともに前記並び方向と直交または交差する方向に隣接し且つ前記２つの半導体素子に対応して複数形成され、前記突出部は、前記２つの半導体素子間において前記冷媒流路内の冷媒の流れ方向に関し上流側と下流側とに分離して形成されており、前記２つの半導体素子に対応する複数の冷媒流路のうち前記突出部の凹状内側を介して連通する複数の冷媒流路が上流側突出部と下流側突出部とで異なるように前記上流側突出部と前記下流側突出部とを前記並び方向と直交または交差する方向に関してずらして配置してもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る冷却器によれば、別部材を必要とせずに、冷却器ハウジングを冷却器本体の突出部上に適切な高さ位置に取り付けることができ、冷却器ハウジングの搭載性を改善することができる。また、突出部は、冷却器本体内の冷媒流路に対して凹状に形成されているため、凹状の突出部が抵抗または引っ掛かりとなって冷媒流路における冷媒の流れに乱れを発生させ、これにより温度境界層の成長を抑制することができ、その結果、冷媒による熱伝達効率が向上し、突出部より下流側に位置する半導体素子の冷却効率が向上する。
【００１４】
さらに、対をなす２つの半導体素子に対応する複数の冷媒流路のうち前記突出部の凹状内側を介して連通する複数の冷媒流路が上流側突出部と下流側突出部とで異なるように上流側突出部と前記下流側突出部とを並び方向と直交または交差する方向に関してずらして配置すれば、突出部の内側を通って冷媒が流れ込む別の冷媒流路が上流側と下流側とで同一の冷媒流路ではないものにすることができ、その結果、２つの半導体素子のうち下流側に位置する半導体素子について上記直交または交差する方向における冷却効率の偏りを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態である冷却器の冷却器本体を示す平面図である。
【図２】冷却器ハウジングが搭載された冷却器の図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図２におけるＩＩＩ部の拡大図である。
【図４】図１におけるＩＶ部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下に、本発明に係る実施の形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１７】
図１は本発明の一実施形態である冷却器１０の冷却器本体１２を示す平面図であり、図２は冷却器ハウジング１４が搭載された冷却器１０の図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００１８】
冷却器１０は、冷却器本体１２とその上に搭載される冷却器ハウジング１４とを備えている。冷却器本体１２は、略長方形の平面形状をなす筐体として形成されている。この冷却器本体１２の２つの短辺部１６ａ，１６ｂの側面であって上記長方形の対角位置には、冷媒導入管１８および冷媒導出管２０がそれぞれ連結されている。冷媒導入管１８から冷却器本体１２内に冷媒が導入され、冷却器本体１２内を流通した冷媒が冷媒導出管２０から排出される。ここで、冷媒には、例えばロングライフクーラント等の冷却液が好適に用いられるが、これに限定されず、冷却ガスが使用されてもよい。
【００１９】
また、冷却器本体１２内には、複数の冷媒流路２９が区画形成されている。各冷媒流路２９は、上記短辺部１６ａ，１６ｂに沿った方向にそれぞれ延伸して形成されるとともに、冷却器本体１２の長辺方向に並んで平行に配列されている。すなわち、冷媒導入管１８から冷却器本体１２内に導入された冷媒は、長辺部１７ａ側から各冷媒流路に流れ込み、冷媒流路内をそれぞれ矢印Ｆ方向に流れて他方の長辺部１７ｂ側で各冷媒流路から流出し、そこから冷媒導出管２０に向かって上記長辺部１７ｂに沿って流れることになる。以後、各冷媒流路２９に冷媒が流入する長辺部１７ａ側を上流側といい、各冷媒流路２９から冷媒が流出する長辺部１７ｂ側を下流側という。
【００２０】
図２に示すように、冷却器本体１２は、天板（伝熱板）２２と底板２４とで構成されている。天板２２および底板２４、特に天板２２は、伝熱性が良好な金属板（例えばアルミニウム板）で好適に形成されることができる。後述する突出部が形成された天板２２と略皿状に絞り加工された底板２４とは、四方縁部をロウ付け等の方法で一体に結合されることによって筐体状をなしている。
【００２１】
冷却器本体１２内に複数形成される冷媒流路２９は、フィン２５（図３参照）によって区画されている。フィン２５は、天板２２および底板２４の各内側表面の少なくとも一方にロウ付け等の方法で固定されている。フィン２５は、例えば、波板形状に折り曲げ加工されたアルミニウム板によって構成されてもよいし、または、櫛歯状に配列固定された複数の帯状アルミニウム板によって構成されてもよい。
【００２２】
冷却器本体１２の天板２２の外側表面または上面２３上であって上流側位置には、第１の半導体素子２６が絶縁板等を含む絶縁構造２７を介して搭載されている。第１の半導体素子２６は、例えば、図１中で大きめの四角で示されるスイッチング素子としてのトランジスタ（例えばＩＧＢＴ）と、このトランジスタに逆並列に接続される小さめの四角で示されるダイオードとを含んで構成される。
【００２３】
また、冷却器本体１２の天板２２の外側表面または上面２３上であって上記第１の半導体素子２６に対して下流側の位置には、第２の半導体素子２８が絶縁板等を含む絶縁構造２７を介して搭載されている。第２の半導体素子２６についても同様に、例えば、図１中で大きめの四角で示されるスイッチング素子としてのトランジスタ（例えばＩＧＢＴ）と、このトランジスタに逆並列に接続される小さめの四角で示されるダイオードとを含んで構成される。ただし、本実施形態では、第１および第２の半導体素子２６，２８は、トランジスタおよびダイオードを含んで構成されるものとして説明するが、各半導体素子２６，２８が例えばトランジスタ等の１つの半導体素子だけでそれぞれ構成される場合にも本発明は適用可能である。
【００２４】
上記第１および第２の半導体素子２６，２８は、対をなして、冷媒流れ方向（矢印Ｆ方向）に並んで配置されている。また、冷却器本体１２内の複数の冷媒流路２９は、第１および第２の半導体素子２６，２８の並び方向に対して直交する方向に互いに隣接して配列されていることになる。図１に示されるように本実施形態の冷却器１０では、９対の第１および第２の半導体素子２６，２８が搭載されており、これらの半導体素子２６，２８によってＡＣ／ＤＣインバータやＤＣ／ＤＣコンバータ等の電圧変換器が構成されている。ただし、第１および第２の半導体素子が９対であることは例示に過ぎず、搭載されるインバータやコンバータの回路構成に応じて適宜に変更されてもよい。また、半導体素子以外の電気部品（例えば、コンデンサ、リアクトル）が冷却器本体１２上に併せて搭載されてもよい。
【００２５】
なお、本実施形態では、第１および第２の半導体素子２６，２８の並び方向と複数の冷媒流路の配列方向とが直交する関係にあるものとして説明するが、これに限定されず、直角よりも広い角度で交差する関係に構成されてもよい。例えば、各冷媒流路２９における冷媒の流れ方向が矢印Ｆ´で示される方向となるように、各冷媒流路の配列方向を長辺方向に対して傾けてもよい。
【００２６】
図１，２を参照すると、冷却器本体１２の天板２２の外側表面２３上には、冷却器ハウジング１４が接着等の手段によって搭載されている。冷却器ハウジング１４は、天板２２の輪郭形状に略一致する長方形状をなす周囲フレーム部１４ａと、周囲フレーム部１４ａのうち対向する短辺部同士を連結する中央フレーム部１４ｂとが一体成形されて構成されている。冷却器ハウジング１４は、図３に示すように、バスバ３６が部分的に露出した状態で埋設された樹脂製の部品である。冷却器本体１２に冷却器ハウジング１４が固定された後、第１および第２の半導体素子２６，２８とバスバ３６との間がワイヤボンディングされて電気的に接続され、その後、第１および第２の半導体素子２６，２８およびワイヤボンディングされたバスバ３６の露出部分等を覆って樹脂モールディングが施されることになる。
【００２７】
冷却器本体１２の天板２２には、複数の突出部３０，３２，３３がプレス成形等の方法によって形成されている。突出部３０，３２，３４は、冷却器本体１２内の冷媒流路２９側が凹状になり、その反対側すなわち天板２２の外側表面で凸状になるように形成されている。これらの突出部３０，３２，３４は、天板２２の外側表面２３上において、冷却器ハウジング１４の中央フレーム部１４ｂが接着等により取り付けられる取付部分に形成されている。また、各突出部３０，３２，３４の突出高さは、上記ワイヤボンディングを確実に安定して行うのに適した位置に冷却器ハウジング１４の中央フレーム部１４ｂが支持されるように設定されている。
【００２８】
突出部３０，３２，３４のうち冷却器本体１２の短辺方向中央に位置する突出部（以下、中央突出部という）３０は、その上に接着層を介して取り付けられる冷却器ハウジング１４を支持することを主たる目的として、冷却器本体１２の長辺方向の略全体にわたって延伸して形成されている。ただし、冷却器ハウジング１４が例えばねじ止め等の接着以外の手段で冷却器本体１２上にしっかりと安定して固定される場合には、中央突出部３０は、短辺方向の幅をできるだけ狭く形成するか、あるいは、省略されてもよい。
【００２９】
上記突出部３２，３４は、中央突出部３０を間にして上流側と下流側とに分離して形成されている。図４は、図１中のＩＶ部の拡大図である。以下、上流側に位置する突出部３２を上流側突出部３２といい、下流側に位置する突出部３４を下流側突出部３４という。
【００３０】
図４に示すように、本実施形態では、対をなす第１および第２の半導体素子２６，２８の並び方向に沿って、且つ、上記対をなす第１および第２の半導体素子２６，２８に対応して４つの冷媒流路２９ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄが形成されている場合を例示する。ここで、各冷媒流路２９ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄは、互いに隣接した冷媒流路であってもよいし、あるいは、冷却器本体１２において冷媒流路を区画する隔壁が１枚の波板で構成される場合には１つ置きの冷媒流路であってもよい。なお、対をなす第１および第２の半導体素子２６，２８に対応する冷媒流路２９の数は、もちろん４つに限定されるものではなく、冷却効率向上を図るのに適した任意の数に設定することができる。
【００３１】
上流側突出部３２と下流側突出部３４とは、第１および第２の並び方向（すなわち矢印Ｆで示す冷媒流れ方向）と直交する方向に関してずらして配置されている。各突出部３２，３４は、冷媒流路２９側に凹状をなして形成されているため、複数の冷媒流路にまたがって形成されることにより複数の冷媒流路が突出部３２，３４の凹状内部を介して連通することになる。
【００３２】
そこで、本実施形態の冷却器１０では、上記のように上流側突出部３２と下流側突出部３４との配置をずらすことにより、互いに連通する複数の冷媒流路が異なるようにしている。具体的には、上流側突出部３２を介して２つの冷媒流路２９ｃ，２６ｄが連通し、下流側突出部３４を介して２つの冷媒流路２９ａ，２６が連通している。このように連通することで、上流側突出部３２においては冷却器本体１２への冷媒導入部である冷媒導入管１８により近い側の冷媒流路から遠い側の冷媒流路、すなわち冷媒流路２９ｃから冷媒流路２９ｄに冷媒の一部が流入し、下流側突出部３４においては冷媒流路２９ａから冷媒流路２９ｂに冷媒の一部が流入することになる。このように本実施形態の冷却器１０では、上流側突出部３２と下流側突出部３４の配置をずらすことにより、突出部３２,３４の内側を通って冷媒が流れ込む別の冷媒流路が上流側と下流側とで同一の冷媒流路にならないようにしている。
【００３３】
なお、上記中央突出部３０は、冷却器本体１２の長辺方向に延伸して形成されているために上記４つの冷媒流路２９ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄをすべて連通させることになる。したがって、中央突出部３０の内側においては、冷却器本体１２への冷媒導入部である冷媒導入管１８により近い側の冷媒流路から遠い側の冷媒流路へと冷媒の一部が移動する又は流れ込むことが生じる。ただし、上述したように中央突出部３０自体を省略した場合にはこの限りではない。
【００３４】
続いて、上記構成からなる本実施形態の冷却器１０の作用効果について説明する。
【００３５】
冷却器１０では、冷媒導入管１８から冷却器本体１２内に導入された冷媒が各冷媒流路２９を流れる際に、第１および第２の半導体素子２６，２８から絶縁構造２７および天板２２を介して伝熱され、これにより第１および第２の半導体素子２６が冷却される。このとき、冷媒流路２９において天板２２の内面近傍を流れる冷媒には、凹状に形成された突出部３０，３２，３３が抵抗または引っ掛かりとなることで冷媒の流れに乱れが発生する。これにより、冷媒流路内の冷媒流において温度境界層の成長を抑制することができ、その結果、冷媒による熱伝達効率が向上し、突出部３０，３２，３４より下流側に位置する第２の半導体素子２８の冷却効率が向上する。
【００３６】
また、各突出部３０，３２，３４は、冷却器ハウジング１４側に凸状をなしており、冷却器ハウジング１４の中央フレーム部１４ｂをワイヤボンディングに適した高さ位置に支持および固定することができる。これにより、冷却器ハウジング１４の高さ位置を調整するために用いられていた別部材であるスペーサ部材を省略することができ、冷却器１０における冷却器ハウジング１４の搭載性が向上する。
【００３７】
さらに、本実施形態の冷却器１０では、上流側突出部３２と下流側突出部３４の配置をずらすことにより、突出部３２,３４の内側を通って冷媒が流れ込む別の冷媒流路が上流側と下流側とで同一の冷媒流路にならないようにしてある。これにより、第１および第２の半導体素子２６，２８のうち下流側に位置する第２の半導体素子２８について冷媒流路２９の配列方向と直交する方向における冷却効率の偏りを抑制できる。
【００３８】
なお、上記実施形態では、冷却器本体１２の天板２２の外側表面２３上に半導体素子が搭載される例について説明したが、底板２４の外側表面にも半導体素子や他の電気部品が搭載される場合には上記のような突出部を底板にも形成してもよい。
【符合の説明】
【００３９】
１０  冷却器、１２  冷却器本体、１４  冷却器ハウジング、１４ａ  周囲フレーム部、１４ｂ  中央フレーム部、１６ａ，１６ｂ  短辺部、１７ａ,１７ｂ  長辺部、１８  冷媒導入管、２０  冷媒導出管、２２  天板、２３  外側表面または上面、２４  底板、２５  フィン、２６  第１の半導体素子、２７  絶縁構造、２８  第２の半導体素子、２９，２９ａ，２９ｂ，２９ｃ，２９ｄ  冷媒流路、３０  中央突出部、３２  上流側突出部、３４  下流側突出部、３６  バスバ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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