(57)【要約】【課題】本明細書が開示する技術は、パワーカードと冷却器を積層した積層ユニットに関し、パワーカードを直接に冷媒に触れさせることはせず、しかも、組み立て性のよい積層ユニットを提供する。【解決手段】積層ユニット１０にて隣接する少なくとも一対の冷却器２の夫々は、本体２０、第１開口２３、一対の筒部２６、第２開口２２、第１金属板３５、第２金属板３１を備えている。一対の筒部２６は、第１開口２３の両側で本体第１側面２７から積層方向へ伸びている。第２開口２２は、隣接する他方のパワーカード３ａに対向している本体第２側面２４に設けられており、積層方向からみたときに、第１開口２３及び一対の筒部２６と重なる大きさを有している。第１金属板３５が第１開口２３を覆い、第２金属板３１が第２開口２２を覆う。第２金属板３１には、積層方向からみたときに一対の筒部２６の各内側空間（内孔２１）と重なる位置に孔３２が設けられている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を収容した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であってパワーカードと冷却器が一つずつ交互に積層されている積層ユニットであり、
隣接する少なくとも一対の冷却器の夫々は、
内部が空洞の本体と、
第１金属板と、
第２金属板を備えており、
前記本体の隣接する一方のパワーカードに対向している本体第１側面に第１開口が設けられており、
前記本体の前記第１開口の両側で前記本体第１側面から積層方向へ伸びている一対の筒部が設けられており、
前記本体の隣接する他方のパワーカードに対向している本体第２側面に、積層方向からみたときに、前記第１開口及び前記一対の筒部と重なる大きさを有している第２開口が設けられており、
前記第１金属板が前記第１開口を覆っており、
前記第２金属板が前記第２開口を覆っているとともに、積層方向からみたときに前記第２金属板の前記一対の筒部の各内側空間と重なる位置に孔が設けられており、
一の冷却器の前記筒部の先端が隣接する冷却器の前記第２金属板と密着して前記一対の冷却器の互いの内空間が連通しており、前記一の冷却器の前記第１金属板と、前記隣接する冷却器の前記第２金属板との間に一つのパワーカードが挟まれており、
前記複数のパワーカードと前記複数の冷却器の積層ユニットに積層方向の圧力が加えられており、その圧力によって前記第１開口が前記第１金属板で封止されているとともに前記第２開口が前記第２金属板で封止されている、
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】
本発明は、半導体素子を収容した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であってパワーカードと冷却器が一つずつ交互に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た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が知られている。パワーカードと冷却器は一つずつ交互に積層されている。そのような積層ユニットは、各パワーカードの両側に冷却器が接しているのでパワーカードの冷却効率が高い。そのような積層ユニットの一例が特許文献１に開示されている。積層ユニットは、パワーカードから冷却器への伝熱効率を高めるため、積層方向に加圧される。
【０００３】
他方、パワーカードの冷却効率をさらに高めるべく、特許文献２には、内部を冷媒が流れる樹脂製の枠体を有する冷却器の内部にパワーカードを組み込み、その冷却器（枠体）を積層した積層ユニットが開示されている。この積層ユニットでは、特許文献１の技術と異なり、連続した枠体の内部を冷媒が流れる。この積層ユニットではパワーカードの周囲を冷媒が流れるので冷却性能がさらに高い。
【０００４】
特許文献１や特許文献２の積層ユニットは、発熱量の大きい複数のパワーカードを使う装置、例えば、電気自動車の走行モータ用のインバータに採用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１２−２３８６８１号公報
【特許文献２】特開２００６−１６５５３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２の積層ユニットは、パワーカードを組み込んだ枠体の冷却器を積層していけばよいので組み立て性はよい。しかし、特許文献２の積層ユニットでは、パワーカードの周囲を冷媒が流れるのでパワーカードの防水性を確保する必要がある。一方、特許文献１の積層ユニットは、冷却器がパワーカードから独立しているのでパワーカードの防水対策は不要である。そのかわり、特許文献１の積層ユニットの場合、複数の冷却器を製造してから複数のパワーカードと積層するという製造工程が必要となる。
【０００７】
本明細書が開示する技術は、パワーカードを直接に冷媒に触れさせることはせず、しかも、組み立て性のよい積層ユニットを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本明細書が開示する積層ユニットは、半導体素子を収容した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。パワーカードと冷却器は一つずつ交互に積層されている。この積層ユニットの隣接する少なくとも一対の冷却器の夫々は、本体と第１金属板と、第２金属板を備える。本体には、第１開口と第２開口と一対の筒部が設けられている。本体の内部は空洞である。第１開口は、隣接する一方のパワーカードに対向している本体第１側面に設けられている。一対の筒部の夫々は、第１開口の両側の各側に一つずつ、本体第１側面から積層方向へ、一方のパワーカードの側方に沿って伸びている。第２開口は、隣接する他方のパワーカードに対向している本体第２側面に設けられている。第２開口は、積層方向からみたときに、第１開口及び一対の筒部と重なる大きさを有している。第１金属板は、第１開口を覆っている。第２金属板は、第２開口を覆っている。第２金属板は、さらに、積層方向からみたときに一対の筒部の各内側空間と重なる位置に孔が設けられている。そして、一の冷却器の筒部の先端が隣接する冷却器の第２金属板と密着して一対の冷却器の互いの内空間が連通している。さらに、一の冷却器の第１金属板と、隣接する冷却器の第２金属板との間に一つのパワーカードが挟まれている。複数のパワーカードと複数の冷却器の積層ユニットに積層方向の圧力が加えられており、その圧力によって第１開口が第１金属板で封止されているとともに第２開口が第２金属板で封止されている。
【０００９】
上記の積層ユニットの冷却器は、積層方向の一方の面に第１開口を有し、他方の面に第２開口を有する本体と２枚の金属板とパワーカードを積層するときに冷却器の開口が封止されて冷却器が完成する。冷却器とパワーカードの積層工程がそのまま冷却器の組み立て工程を兼ねており、積層ユニットの組み立て性が良い。さらにこの積層ユニットは、積層方向に順番に、一の冷却器本体、第１金属板、パワーカード、第２金属板、別の冷却器本体というように積層していくことで組み立てられる。この点も、組み立て性の良さに寄与している。なお、積層ユニットの積層方向の端の冷却器は、一方が塞がれるので上記構造を有している必要はない。少なくとも隣接している一対の冷却器が上記の構造を有していればよい。
【発明の効果】
【００１０】
本明細書は、半導体素子を収容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、組み立て性のよい構造を提供する。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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例の積層ユニットの斜視図である。
【図２】積層ユニットを含むインバータ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】冷却器の分解断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図面を参照して実施例の積層ユニット１０を説明する。実施例の積層ユニット１０は、電気自動車のインバータ９０の一部品である。インバータ９０は、バッテリの直流電力を交流に変換して走行用モータに供給するデバイスである。図１に積層ユニット１０の斜視図を示し、図２に積層ユニット１０を含むインバータ９０のケース内レイアウトを示す平面図を示す。
【００１３】
積層ユニット１０は、５個の冷却器２ａ〜２ｅと４個のパワーカード３ａ〜３ｄを積層したデバイスである。各パワーカードにはスイッチング素子が埋設されている。スイッチング素子は、インバータの上アームスイッチング素子や下アームスイッチング素子として使われる。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は冷却器２と称する。なお、積層方向の端の冷却器２ｄ、２ｅは、片方の面にパワーカードが接しないので、中間の冷却器２ａ〜２ｃとは若干形状が異なることに留意されたい。複数のパワーカード３ａ〜３ｄのいずれか１つを区別なく表す場合にはパワーカード３と称する。図中の座標系におけるＸ軸方向が積層方向に相当する。
【００１４】
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ており、一つのパワーカード３の両側に冷却器２が位置する。積層ユニット１０の一端の冷却器２ｅには、冷媒の供給管９１と排出管９２が接続されている。複数の冷却器２は内部で連通しており、供給管９１から供給された冷媒は、全ての冷却器２に分配される。冷却器２の内部を通るうちに冷媒は隣接しているパワーカード３から熱を吸収する。冷却器２の内部を通過するうちにパワーカード３の熱を吸収した冷媒は、排出管９２を通じて積層ユニット１０から排出される。冷媒は、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）である。詳しくは後述するが、パワーカード３の本体の積層方向の両面には内部のスイッチング素子と導通している放熱板が露出している。その放熱板を覆う絶縁板１０９がパワーカード３の本体の両面に接着されている。図１では、パワーカード３ｄの絶縁板のみに符号１０９を付しており、他のパワーカードの絶縁板には符号を省略している。
【００１５】
図２に、積層ユニット１０を含むインバータ９０のケース内レイアウトを表した平面図を示す。図２は、ケース９５のカバーを外した様子を示している。積層ユニット１０は、ケース９５の両側の壁の間に設置される。積層ユニット１０の図中右端とケース９５の壁との間に板バネ９３が挿入されている。板バネ９３は、積層ユニット１０を積層方向に加圧する。この加圧によって、隣接するパワーカード３と冷却器２の密着性が高まり、パワーカード３から冷却器２への熱伝達率が向上する。積層ユニット１０の供給管９１と排出管９２は、ケース９５の壁を通じてケース外部へと伸びている。供給管９１と排出管９２には冷媒循環装置から伸びるパイプ（不図示）が接続される。ケース９５には、積層ユニット１０のほか、複数のコンデンサ素子９４、パワーカード内のスイッチング素子に与える指令信号を生成する基板（不図示）などが収められる。
【００１６】
図３に、積層ユニット１０に含まれる複数の冷却器２のうち、一つの冷却器２ａの分解斜視図を示す。図４に、冷却器２ａの断面図を示す。図３と図４には、冷却器２ａと接するパワーカード３ａ、３ｂ、及び、パワーカード３ｂを挟んで隣接する冷却器２ｂも図示されている。図４は、冷却器２ａ、２ｂとパワーカード３ａ、３ｂを図中のＸＹ平面で切断した断面図である。
【００１７】
冷却器２ａの構造を説明する。なお、冷却器２ａ〜２ｃは同じ構造を有している。冷却器２ａは、本体２０と、第１金属板３５ｂ、第２金属板３１ａと、ガスケット４１〜４３で構成されている。なお、図３、図４に示すように、第１金属板３５ｂは冷却器２ａの部品であるが、冷却器２ａの本体２０に組み合わされるのに先立ってパワーカード３ｂに固定されている。同様に、第２金属板３１ａは、冷却器２ａを構成する部品であるが、冷却器２ａの本体２０と組み合わされるのに先立ってパワーカード３ａに固定されている。
【００１８】
本体２０は、樹脂製であり、内部が空洞である。符号２８が示す溝（溝２８）は、軽量化のための肉抜きの溝である。本体２０には、第１開口２３と第２開口２２が設けられている。第１開口２３は、積層方向の一方側で隣接するパワーカード３ｂに対向している本体第１側面２７に設けられている。第１開口２３は、パワーカード３ｂと対向する位置に設けられている。第２開口２２は、積層方向の他方側で隣接するパワーカード３ａに対向している本体第２側面２４に設けられている。第２開口２２は、パワーカード３ａと対向する位置に設けられている。第１開口２３は、ガスケット４２を介して第１金属板３５ｂによって塞がれる。第２開口２２は、ガスケット４３を介して第２金属板３１ａによって塞がれる。
【００１９】
本体２０には、さらに、一対の筒部２６が設けられている。一対の筒部２６は、第１開口２３の両側で本体第１側面２７から積層方向へ伸びている。組み立てられた積層ユニット１０において、一対の筒部２６は、本体第１側面側で対向するパワーカード３ｂの側方に沿って伸びている。第２金属板３１ａには、積層方向から見たときに、筒部２６の内孔２１（筒部２６の内側空間）と重なる位置に貫通孔３２が設けられている。第２開口２２は、積層方向から見たときに、第１開口２３と一対の筒部２６と重なる大きさを有している。なお、厳密には、第２開口２２は、積層方向から見たときに、第１開口２３と重なるとともに、一対の筒部２６の貫通孔３２と重なる大きさを有している。
【００２０】
図３、図４に示されているように、パワーカード３ｂの第１金属板３５ｂが取り付けられている側とは反対側に、金属板３１ｂが取り付けられている。この金属板３１ｂは、冷却器２ａの一方側に隣接する冷却器２ｂの部品であり、冷却器２ｂの第２開口２２を覆う。同様に図３、図４に示されているように、パワーカード３ａの第２金属板３１ｂが取り付けられている側とは反対側に、金属板３５ａが取り付けられている。この金属板３５ａは、冷却器２ａの他方側に隣接する冷却器２ｅ（図３、図４では不図示）の部品であり、冷却器２ｅの本体の第１開口２３を覆う。なお、以下では、パワーカード３ａに接着された第１金属板３５ａとパワーカード３ｂに接着された第１金属板３５ｂの一方を区別なく表す際には第１金属板３５と称する場合がある。同様に、パワーカード３ａに接着された第２金属板３１ａとパワーカード３ｂに接着された第２金属板３１ｂの一方を区別なく表す際には第２金属板３１と称する場合がある。
【００２１】
冷却器２ａの筒部２６の先端がガスケット４１を介して隣接する冷却器２ｂの第２金属板３１ｂに密着する。筒部２６の先端が第２金属板３１ｂに密着すると、第２金属板３１ｂの貫通孔３２を通じて一対の冷却器（冷却器２ａとこれに隣接する冷却器２ｂ）の互いの内空間が連通する。筒部２６の先端と隣接する冷却器２ｂの第２金属板３１ｂとの封止は、先に述べた板バネ９３による積層方向の加圧によって達成される。同様に、第１開口２３と第１金属板３５ｂの間の封止と、第２開口２２と第２金属板３１ａの間の封止も、板バネ９３による積層方向の加圧によって達成される。第１金属板３５ｂによって第１開口２３が封止され、第２金属板３１ａによって第２開口２２が封止されると、本体２０の内部に冷媒の流路が完成する。図３における符号Ｐ２が本体２０の内部空間を示しており、冷却器２が完成すると、この内部空間Ｐ２が流路となる。また、加圧によって隣接する冷却器の内空間も連通する。そして、冷却器２ａの第１金属板３５ｂと、冷却器２ａに隣接する冷却器２ｂの第２金属板３１ｂとの間に一つのパワーカード３ｂが挟まれることになる。なお、パワーカード３ｂの第１金属板３５ｂと対向する面には絶縁板１０９が接着されている。同様に、パワーカード３ｂの第２金属板３１ｂと対向する面には絶縁板１０９が接着されている。パワーカード３ａの両側にも絶縁板１０９が接着されている。
【００２２】
第１金属板３５ｂと第２金属板３１ａの本体２０に面した側にはフィン３６が取り付けられている。流路が完成すると、フィン３６は冷媒流路内に配置されることになり、フィン３６が、流路を流れる冷媒へのパワーカード３の熱の放出を促進する。
【００２３】
以上、冷却器２ａについて説明したが、冷却器２ｂ、２ｃも同様の構造を有している。冷却器２ｄは、第２開口側が冷却器２ａと同じ構造を有している。冷却器２ｄの第１開口側は、単純に開口が塞がれている。冷却器２ｅの第１開口側は冷却器２ａと同じ構造を有している。冷却器２ｅの第２開口側は、図１に示されているように、第２開口２２が塞がれているとともに、一対の筒部２６の夫々の内孔２１と積層方向で重なる位置に、供給管９１と排出管９２が取り付けられている。
【００２４】
図４を参照してパワーカード３の内部構造を概説する。なお、先に述べたように、図４では絶縁板１０９の図示を省略している。また、図４では、パワーカード３ａのみに各部品に符号を付してあり、パワーカード３ｂの一部の部品には符号を省略している。以下、図４のパワーカード３ａを参照しつつパワーカードの内部構造を概説する。
【００２５】
パワーカード３ａは、樹脂製の筐体５１の内部にスイッチング素子５３を埋設したデバイスである。筐体５１の積層方向の一方の面には放熱板５２が露出しており、他方の面には放熱板５５が露出している。放熱板５２の裏面（筐体５１と接している面）にスイッチング素子５３の電極が接合されている。スイッチング素子５３は積層方向の両側に電極が露出している。積層方向の他方側の電極には銅製のスペーサ５４が接合している。そのスペーサ５４のスイッチング素子５３とは反対側の面に、別の放熱板５５が接合されている。放熱板５２と５５はスイッチング素子５３の電極と導通しているので、冷却器２の第１金属板３５ｂや第２金属板３１ａとの絶縁を確保するために、先に述べた絶縁板１０９が放熱板と金属板の間に挟まれる。
【００２６】
冷却器２ａ、２ｃの上記構造の利点を説明する。積層ユニット１０では、冷却器２の内部を流れる冷媒がパワーカード３に直接触れることがないので、パワーカード３の防水対策は不要である。一方、図３、図４に示した構造から理解されるように、積層ユニット１０は、冷却器２とパワーカード３を積層方向（図中のＸ軸方向）に積層していって組み立てることができる。このように、積層ユニット１０は組み立て性がよい。
【００２７】
また、先に説明したように、第１開口２３を覆う第１金属板３５ｂは隣接するパワーカード３ｂに予め接着されており、第２開口２２を覆う第２金属板３１ａは、他方向で隣接するパワーカード３ａに予め接着されている。積層ユニット１０は、冷却器２の本体２０と、第１、第２金属板３５、３１が接着されたパワーカードを積層していくことにより、積層ユニット１０の組み立てと同時に冷却器２の組み立てが行われる。この組み立て容易性は、特に、冷却器２の部品である第１、第２金属板３５、３１を予めパワーカードに接着しておくことで得られる利点である。
【００２８】
実施例で説明した技術に関する他の利点又は留意点を述べる。第１金属板３５は、絶縁板１０９を挟んでパワーカード３の放熱板５２と対向している。第２金属板３１は、絶縁板１０９を挟んでパワーカード３の放熱板５５と対向している。先に述べたように、放熱板５２と５５は、スイッチング素子５３の電極と導通している。従って、第１金属板３５と絶縁板１０９と放熱板５２がコンデンサを形成し、第２金属板３１と絶縁板１０９と放熱板５５がコンデンサを形成する。冷却器２の本体２０は樹脂製であるが、インバータ９０のケース９５は導電性である。第１金属板３５と第２金属板３１をインバータ９０のケースと導通させることによって、スイッチング素子５３が発するスイッチングノイズを放熱板５２、５５と絶縁板１０９と第１金属板３５及び第２金属板３１を通じてケース９５へと導くことができる。
【００２９】
図４から理解されるように、冷却器２の本体２０の内部、即ち、冷媒流路にて、パワーカード３ｂに接着された第１金属板３５ｂのフィンの先端と、パワーカード３ａに接着された第２金属板３１ａのフィン３６の先端が対向する。先に述べたように、第１、第２金属板３５、３１を通じてスイッチングノイズが通過するが、スイッチングノイズをケース９５へ誘導することによって、フィンの先端同士の間で電流が流れることはない。
【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】
２、２ａ〜２ｅ：冷却器
３、３ａ〜３ｄ：パワーカード
１０：積層ユニット
２０：本体
２１：内孔
２２：第２開口
２３：第１開口
２６：筒部
３１、３１ａ、３１ｂ：第２金属板
３２：貫通孔
３５、３５ａ、３５ｂ：第１金属板
３６：フィン
４１、４２、４３：ガスケット
５１：筐体
５２、５５：放熱板
５３：スイッチング素子
５４：スペーサ
９０：インバータ
９３：板バネ
９５：ケース
１０９：絶縁板
【図１】
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【図２】
2016100353.tif 000004
【図３】
2016100353.tif 000005
【図４】
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