(57)【要約】【課題】本明細書では、複数のパワーカードと複数の冷却器が積層された積層ユニットにおいて、冷却性能を向上させるための技術を提供する。【解決手段】本明細書が開示する積層ユニットでは、複数のパワーカードと複数の冷却器とが積層されている。各冷却器は、液体冷媒が通過する流路が内部に形成されている樹脂製の本体であって、隣接するパワーカードと対向する両面に開口が設けられている本体と、開口を介して対向している２枚の金属板であって、一方の面が開口を塞いでいるとともに、他方の面がパワーカードと対向している２枚の金属板と、を備えている。各金属板は、本体内の液体冷媒の流れの方向と平行に配置されており、可撓性を有する複数の円筒を前記一方の面に備えている。一方の金属板が備えている各円筒は、他方の金属板が備えている各円筒に接している。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
夫々が半導体素子を収容している複数のパワーカードと、
前記複数のパワーカードと積層されている複数の冷却器であり、少なくとも一つの冷却器の積層方向の両側がパワーカードに接している複数の冷却器と、
を備えており、
前記少なくとも一つの冷却器は、
液体冷媒が通過する流路が内部に形成されている樹脂製の本体であって、隣接するパワーカードと対向する面に開口が設けられている本体と、
前記開口を介して対向している２枚の金属板であって、一方の面が前記開口を塞いでいるとともに、他方の面が前記パワーカードに接している２枚の金属板と、
を備えており、
各金属板は、前記本体内の前記液体冷媒の流れの方向と平行に配置されており、可撓性を有する複数の円筒を前記一方の面に備えており、
一方の金属板が備えている各円筒は、前記本体の内部で他方の金属板が備えている各円筒に接していることを特徴とする積層ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、夫々が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積層ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
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（電力変換器）に採用されている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１２１２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本願の出願人は、特徴ある冷却器をパワーカードと積層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２枚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、一方の面が夫々の開口を塞いでおり、他方の面がパワーカードに接している。夫々の金属板は、開口との対向面に冷媒の流れ方向に沿って伸びている複数のフィンを備えている。
【０００５】
上記の冷却器は、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、本体の内部で一方の金属板から伸びるフィンの先端と他方の金属板から伸びるフィンの先端との間に空隙ができてしまい、その空隙を流れる冷媒はフィンの平坦面同士の間の隙間を流れないので冷却効率上の無駄が生じる。本明細書は、本願の出願人が考案した積層ユニットの冷却器における無駄を排して冷却効率を改善する技術を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書が開示する積層ユニットでは、複数のパワーカードと複数の冷却器とが積層されている。少なくとも一つの冷却器は、積層方向の両側がパワーカードに接している。その少なくとも一つの冷却器は、隣接するパワーカードと対向する両面に開口が設けられている樹脂製の本体と、開口を介して対向している２枚の金属板と、を備えている。各金属板は、他方の金属板に対向する面に複数の円筒を備えている。円筒がフィンの役割を果たす。積層ユニットを積層方向に加圧すると、本体内で対向する円筒は互いに押圧され、塑性変形する。一方の金属板の円筒と他方の金属板の円筒の間の隙間が塑性変形した円筒で埋められる。塑性変形した円筒群が流路内にほぼ均等に分布することになり、即ち、流路内にフィンがほぼ均等に分布することになり、冷却効率が高まる。なお、円筒の塑性変形を許容することにより、各部材に寸法誤差があっても本体両面の開口は２枚の金属板で確実に封止される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】積層ユニットの斜視図である。
【図２】電力変換器のケース内レイアウトを示す平面図である。
【図３】冷却器の分解斜視図である。
【図４】一組の冷却器とそれらに挟まれるパワーカードの斜視図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。
【図６】金属板が備えるフィンの加圧前後を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図面を参照して実施例の積層ユニット１０を説明する。まず、積層ユニット１０を概説する。図１に、積層ユニット１０の斜視図を示す。積層ユニット１０は、電動車両に搭載されている電力変換器の主要部品である。電力変換器は、バッテリの直流電力を昇圧し、さらに交流に変換して走行用のモータに供給する。電力変換器は、電圧を高める電圧コンバータ回路と、インバータ回路を含んでいる。電圧コンバータ回路は、昇降圧コンバータであり、２個の半導体素子（ＩＧＢＴ）を含んでいる。また、インバータ回路は６個の半導体素子を含んでいる。電力変換器は、合計８個の半導体素子を含む。夫々の半導体素子は、大きな電流を導通／遮断するので発熱量が大きい。なお、半導体素子の数は、車両の種類（電力変換器の種類）によって異なっていてもよい。
【０００９】
積層ユニット１０は、上記した８個の半導体素子を集約して集中的に冷却するユニットである。積層ユニット１０は、４個のパワーカード３ａ−３ｄと５個の冷却器２ａ−２ｅが交互に積層されているユニットである。図中のＸ軸方向が積層方向に相当する。なお、複数の冷却器２ａ−２ｅは同じ構造を有している。同様に複数のパワーカード３ａ−３ｄは同じ構造を有している。以下では、複数の冷却器２ａ−２ｅのいずれか一つを区別なく表す場合に「冷却器２」と表記する。同様に、複数のパワーカード３ａ−３ｄのいずれか一つを区別なく表す場合に「パワーカード３」と表記する。なお、複数の冷却器２ａ−２ｅは同じ構造を有しているが、積層方向の両端の冷却器２ａ、２ｅを除く冷却器２ｂ−２ｃは、その両側にパワーカード３が接している。即ち、積層ユニット１０は、少なくとも一つの冷却器は、積層方向の両側でパワーカード３に接している。
【００１０】
夫々のパワーカード３は、２個の半導体素子を樹脂でモールドしたパッケージである。各パワーカード３の内部で２個の半導体素子が直列に接続されている。各パワーカード３からは３本の端子２９が伸びている。３本の端子２９の夫々は、半導体素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、直列回路の中点の端子に相当する。パワーカード３からは、上記３本の端子２９のほか、半導体素子（ＩＧＢＴ）のゲートに通じる端子（ゲート端子、図示省略）が、端子２９が伸びている側面とは反対側の側面から伸びている。
【００１１】
パワーカード３を挟み込んでいる冷却器２は、その内部を液体冷媒が通る。液体冷媒の典型は水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。各冷却器２はパワーカード３を挟んで図中Ｙ軸方向の両側に貫通孔４３を有しており、積層されて繋がった貫通孔４３が液体冷媒を供給する供給路Ｐ１と冷却器２の本体４０を通過した液体冷媒を排出する排出路Ｐ３を構成する。後述するが、本体内部の流路に符号Ｐ２を割り当てている。なお、積層ユニット１０の一端には、カバー２８が当てられて貫通孔４３が閉じられている。
【００１２】
積層ユニット１０を含む電力変換器１００のケース内のデバイスレイアウトを説明する。図２は、電力変換器１００のカバー２８を外したケース内平面図である。ケース２０には、積層ユニット１０のほか、複数のコンデンサ素子２４とリアクトル２５が収容されている。コンデンサ素子２４のいくつかは電圧コンバータ回路の低電圧側に接続されてフィルタコンデンサを構成している。コンデンサ素子２４の残りは、高電圧側に接続されて平滑化コンデンサを構成している。電力変換器１００は走行用モータに供給する大電流を扱うので、コンデンサ素子２４も体格が大きい。リアクトル２５は、チョッパ型の電圧コンバータ回路で用いられる。
【００１３】
積層ユニット１０は、ケース２０に設けられている支持壁２０ａと２０ｂの間に配置されており、積層ユニット１０の一端と支持壁２０ｂとの間に嵌挿された板バネ２３により積層方向に加圧される。板バネ２３による圧力の総計は、数キロニュートンにも及ぶ。積層ユニット１０の一端には、ケース外部から積層ユニット１０へ液体冷媒を供給する供給管２１と積層ユニット１０から液体冷媒を排出する排出管２２が接続されている。供給管２１と排出管２２は、夫々、前述した供給路Ｐ１と排出路Ｐ３と連通する。
【００１４】
上記デバイスのほか、パワーカード３の中の半導体素子に供給するＰＷＭ信号を生成する制御基板もケース２０に実装されているがその図示は省略している。
【００１５】
次に、冷却器２の構造を説明する。なお、ここでは、積層方向の両側にパワーカード３が接している冷却器２（即ち、冷却器２ｂ−２ｃのいずれか）を前提として説明する。図３は、冷却器２の分解斜視図である。冷却器２の本体４０は樹脂で作られている。図３に示すように本体４０は複雑な形状を有しているが、そのような形状は樹脂の射出成形によって低コスト且つ精度良く製造することができる。本体４０の内部は液体冷媒が通る流路Ｐ２となる。積層方向（図中のＸ方向）からみたときの本体４０の中央に開口４１ａが設けられている。開口４１ａは、パワーカード３と対向する位置に設けられている。開口４１ａは、金属板３２ａで塞がれている。詳しくは、金属板３２ａは、シリコンゴム製のガスケット３４ａ、３４ｂを挟んで、開口４１ａの周囲の本体側面４４ａに当接し、開口４１ａを塞いでいる。ガスケット３４ｂは、ガスケット３４ａの内側に位置している。本体４０の積層方向の一方側では両端に突出部４２が設けられており、金属板３２ａは一対の突出部４２の間で本体側面４４ａに密着している。本体４０の積層方向の他方側には開口４１ｂが設けられている。開口４１ｂも、別のパワーカード３と対向する位置に設けられている。開口４１ｂは金属板３２ｂで塞がれている。詳しくは、金属板３２ｂは、シリコンゴム製のガスケット３４ｃ、３４ｄを挟んで、開口４１ｂの周囲の本体側面４４ｂに当接し、開口４１ｂを塞がれている。ガスケット３４ｄは、ガスケット３４ｃの内側に位置している。開口４１ｂの側では本体４０に窪み４６が設けられており、金属板３２ｂはその窪み４６に嵌っている。
【００１６】
金属板３２ａの外側にはパワーカード３が当接している。金属板３２ｂの外側には別のパワーカード３が当接している。複数の冷却器２と複数のパワーカード３は一つずつ交互に積層され、冷却器２の本体４０と金属板３２ａ（３２ｂ）とパワーカード３が密着している。前述したように、積層ユニット１０はその積層方向に加圧される。圧力の総計は数キロニュートンに及ぶ。その圧力によって金属板３２ａ（３２ｂ）と本体４０の間のガスケット３４ａ、３４ｂ（３４ｃ、３４ｄ）が変形し、開口４１ａ（４１ｂ）を封止する。
【００１７】
金属板３２ａ（３２ｂ）の裏面（本体４０の内部を向く側）には複数のフィン３３ａ（３３ｂ）が設けられている。金属板３２ａ（３２ｂ）の裏面は本体４０の内部に面しており、本体内部の流路Ｐ２を流れる液体冷媒に直接に接触する。従って、パワーカード３の熱は主に金属板３２ａ（３２ｂ）とその裏面のフィン３３ａ（３３ｂ）を介して液体冷媒に放出される。
【００１８】
本体４０には、積層方向（図中のＸ軸方向）から見て開口４１ａのＹ軸方向の両側に積層方向に突出する突出部４２が設けられている。突出部４２の内側には積層方向に貫通する貫通孔４３が形成されている。先に述べたように、積層ユニット１０では突出部４２が隣接する冷却器２の本体４０と接合し、貫通孔４３同士が連結して供給路Ｐ１、排出路Ｐ３を構成する。供給路Ｐ１、排出路Ｐ３は、本体内部の流路Ｐ２と連通している。先に述べた供給管２１と供給路Ｐ１を通じて全ての冷却器２に液体冷媒が分配される。液体冷媒は流路Ｐ２を流れる間に金属板３２ａ（３２ｂ）とフィン３３ａ（３３ｂ）を通じてパワーカード３の熱を吸収する。熱を吸収した液体冷媒は排出路Ｐ３と排出管２２を通じてケース外部へと排出される。
【００１９】
先に述べたように、冷却器２の本体４０は樹脂製である。図３に良く示されているように、本体４０の突出部４２は肉厚が厚い。それゆえ、積層方向に対して高い強度を保持でき、圧力に対して変形量を小さくすることができる。なお、突出部４２の先端面には別のガスケット３１が当てられ、隣接する冷却器２の本体４０との間が封止される。なお、ガスケット３４ａ、３４ｂによる本体４０と金属板３２ａの間の封止と、ガスケット３１による突出部４２と隣接する本体４０の間の封止が同時に成立するように、ガスケット３４ａ、３４ｂ、３１の厚みが選定される。例えば、ガスケット３１の厚みをガスケット３４ａ、３４ｂの厚みよりも大きくする。そうすると、ガスケット３４ａ、３４ｂによる封止を確保した後に、ガスケット３１による封止を確保することができる。
【００２０】
図４に２個の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれるパワーカード３ａの斜視図を示す。そして図５に図４のV−V線に沿った断面図を示す。図４と図５を参照してパワーカード３の内部構造を説明するとともに、冷却器２の内部構造についても補足説明を行う。図４には、２個の冷却器２ａ、２ｂと一つのパワーカード３ａのみが描かれている。図１に示したように、冷却器２ａのパワーカード３ａとは反対側にも別のパワーカード３と別の冷却器２が積層されており、冷却器２ｂの反対側にもさらに別のパワーカード３と別の冷却器２が積層されていることに留意されたい。図４では、全ての金属板に同じ符号３２を付している。以下では、複数の金属板のいずれか一つを表す場合には金属板３２と称する。また、後述する絶縁板９ａ、９ｂについても、いずれか１つを表す場合には絶縁板９と称する。
【００２１】
パワーカード３ａの内部構造を説明する。パワーカード３ａは、２個の半導体素子５１を樹脂パッケージ５４で封止されているデバイスである。図５には一つの半導体素子しか表れていないが、もう一つは、半導体素子５１の紙面奥側に位置している。２個の半導体素子５１は、ＩＧＢＴである。２個の半導体素子５１は、樹脂パッケージ５４の内部で直列に接続されている。半導体素子５１は、小型平板のチップでありその両平面の一方にエミッタ電極が露出しており、他方にコレクタ電極が露出している。なお、ゲート電極の図示は省略している。半導体素子５１の両面の電極に導電性のスペーサ５２を接触させ、スペーサ５２の反対側に放熱板５３、５６を接触させている。放熱板５３、５６の一方の面は、樹脂パッケージ５４から露出する。放熱板５３、５６は、端子を兼ねており、放熱板５６は、２個の半導体素子５１を直列に接続する。放熱板５３は、図５にて紙面と垂直方向に２個並んでおり、その一方は、直列接続の高電位側の端子を兼ね、他方は低電位側の端子を兼ねる。図５には、放熱板５３が、樹脂パッケージ５４の上方へ伸びている端子２９と連続していることがよく表れている。このように、放熱板５３、５６が半導体素子５１の電極と導通しているため、放熱板５３と冷却器２の金属板３２ａとの絶縁を確保する絶縁板９ａが、樹脂パッケージ５４の一方側に配置されている。同様に、放熱板５６と冷却器２の金属板３２ｂとの絶縁を確保する絶縁板９ｂが、樹脂パッケージ５４の他方側に配置されている。絶縁板９の材料には高熱伝導率のセラミックが使われる。絶縁板９と樹脂パッケージ５４の間、及び、絶縁板９と金属板３２の間にはグリースが塗布されている。積層ユニット１０に加えられる積層方向の圧力によりグリースの層が薄く均一に形成される。絶縁板９もパワーカード３の部品の一つである。
【００２２】
次に、パワーカード３ａと対向している冷却器２ａ、２ｂの構造を補足説明する。本体４０の積層方向の一方の本体側面４４ａには開口４１ａが設けられている。他方の本体側面４４ｂには開口４１ｂが設けられている。開口４１ａは、ガスケット３４ａ、３４ｂを挟んで金属板３２ａで封止されている。金属板３２ａの裏面にはフィン３３ａが設けられている。本体４０の他方の本体側面４４ｂには開口４１ｂが設けられている。開口４１ｂは、ガスケット３４ｃ、３４ｄを挟んで金属板３２ｂで封止される。ガスケット３４ｃ、３４ｄは、夫々３４ａ、３４ｂと同じものである。本体４０の両側の開口４１ａ、４１ｂの夫々に金属板３２ａ、３２ｂがあてがわれており、夫々のフィン３３ａの上部（即ち、金属板３２ａから最も遠い部分）は、フィン３３ｂの上部（即ち、金属板３２ｂから最も遠い部分）に本体内部で接している。夫々のフィン３３ａ（３３ｂ）の側部は、隣り合う２個のフィン３３ａ（３３ｂ）に接している。
【００２３】
フィン３３ａについて説明する。なお、フィン３３ｂについては、フィン３３ａと同様であるため、説明を省略する。図６に、フィン３３ａの加圧前後を示す断面図を示す。図６の左に示されるように、積層ユニット１０が加圧される前では、フィン３３ａの断面は、内径Ｗ0（ｍｍ）の真円である。なお、フィン３３ａの厚さは、Ｗ0と比較して微小であるため、以下の説明では、フィン３３ａの厚さを考慮しないものとする。図６からは明らかではないが、フィン３３ａの側部は、隣り合う２個のフィン３３ａに接している。フィン３３ａは、可撓性を有しているため、積層ユニット１０が積層方向（図中のＸ軸方向）に加圧されることによって、塑性変形する。図６の右に示されるように、加圧後では、フィン３３ａの断面の形状は、角が丸い矩形となる。フィン３３ａの上部は、フィン３３ｂに押圧されるため、加圧後のフィン３３ａの高さは、Ｗ0よりも小さいＷ1（ｍｍ）となる。加圧前の状態から、フィン３３ａの側部は、隣り合うフィン３３ａに接しており、各フィン３３ａの位置関係は加圧前後で変化しないため、フィン３３ａの幅は、加圧前後でＷ0のまま変化しない。
【００２４】
このように、加圧前後でフィン３３ａ（３３ｂ）が塑性変形することによって、各フィン３３ａ（３３ｂ）の間（即ち、円筒の外部）が埋まるため、流路Ｐ２の内部空間全体に、各フィン３３ａ（３３ｂ）が均一に分布することになる。その結果、本体４０の内部の流路Ｐ２を流れる液体冷媒は、均等にフィン３３ａ（３３ｂ）に触れることになり、各部材を効率よく冷却することができる。即ち、冷却性能を向上させることができる。
【００２５】
加圧前後のフィン３３ａの高さの差ΔＷ＝Ｗ0―Ｗ1の最大値について説明する。加圧後のフィン３３ａの高さＷ1が低くなるほど、フィン３３ａの断面の形状は、角の丸みが小さくなるために、完全な矩形に近づく。ここで、フィン３３ａの高さＷ1が最小となる場合に、フィン３３ａの断面の形状を完全な矩形に近似して、ΔＷを計算する。
【００２６】
加圧前のフィン３３ａの断面の周の長さは、πＷ0で表される。加圧後のフィン３３ａの断面の周の長さは、２Ｗ0＋２Ｗ1で表される。フィン３３ａの断面の周の長さは、加圧前後で変化しないため、πＷ0＝２Ｗ0＋２Ｗ1が成り立つ。式変形すると、Ｗ1＝（π−２）Ｗ0／２となる。従って、ΔＷ＝（４−π）Ｗ0／２となる。加えられる圧力の大きさを調節することによって、ΔＷを（４−π）Ｗ0／２以下の範囲内で調節可能である。換言すると、Ｗ1を（π−２）Ｗ0／２以下の範囲内で調節可能である。即ち、各部材の位置誤差が生じることを抑制することができる。また、円筒のフィン３３ａ、３３ｂの塑性変形を許容することで、積層方向に充分な圧力を加えることができ、２枚の金属板３２ａ、３２ｂの夫々によって開口４１ａ、４１ｂを確実に封止することができる。
【００２７】
実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のフィン３３ａ（３３ｂ）は、「円筒」の一例である。フィン３３ａ（３３ｂ）の断面は、真円であるが、変形例では、例えば、楕円等の円に近い形状であってもよい。即ち、「円筒」は、断面が略円形である筒状の部材であればよい。
【００２８】
先に述べたように、パワーカード３の樹脂パッケージ５４の側面に露出している放熱板５３、５６は、内部の半導体素子５１と導通している。絶縁板９は、放熱板５３（５６）と金属板３２の間を絶縁する。それゆえ、絶縁板９は、パワーカード３の部品の一つである。絶縁板９の代わりに、パワーカード３の表面に、放熱板５３（５６）を覆う絶縁被膜が設けられていても良い。なお、「パワーカード３と冷却器２が積層されている」という表現は、パワーカード３と冷却器２の間に絶縁板９が挟まれている場合と、挟まれていない場合の両方を含む。
【００２９】
実施例で説明した積層ユニット１０は、好適には、電気自動車、ハイブリッド車、あるいは、燃料電池車に適用される。
【００３０】
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。
【符号の説明】
【００３１】
２ａ−２ｅ：冷却器
３ａ−３ｄ：パワーカード
９、９ａ、９ｂ：絶縁板
１０：積層ユニット
２０：ケース
２０ａ、２０ｂ：支持壁
２１：供給管
２２：排出管
２３：板バネ
２４：コンデンサ素子
２５：リアクトル
２８：カバー
２９：端子
３１、３４ａ−３４ｄ、：ガスケット
３２、３２ａ、３２ｂ：金属板
３３ａ、３３ｂ：フィン
４０：本体
４１ａ、４１ｂ：開口
４２：突出部（筒部）
４３：貫通孔
４４ａ、４４ｂ：本体側面
５１：半導体素子
５２：スペーサ
５３、５６：放熱板
５４：樹脂パッケージ
６１、６３、６４：溝
９０：金属枠
１００：電力変換器
Ｐ１：供給路
Ｐ２：流路
Ｐ３：排出路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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