JP5707910B2

JP5707910B2 - 積層型冷却器

Info

Publication number: JP5707910B2
Application number: JP2010272614A
Authority: JP
Inventors: 博人日下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2010-12-07
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2030-12-07
Also published as: JP2012124261A

Description

本発明は、電子部品を両面から冷却する積層型冷却器の構造の改良に関する。

従来から、冷媒が流れる冷媒流路を、発熱体である電子部品の両面にそれぞれ接触させて、この電子部品を冷却する積層型冷却器が知られている。

下記特許文献１には、冷却媒体が流れる複数の冷却管を、発熱体である半導体素子を内蔵する半導体モジュールの両面にそれぞれ接触させて、半導体モジュールを冷却する電力変換装置が記載されている。

この電力変換装置は、冷却管と半導体モジュールが積層する積層方向の一方側に延在し、各冷媒管に冷媒を導入する導入管と、導入管と同じ方向に延在し、各冷却管から冷媒を導出する導出管とを有する。

このように構成される電力変換装置においては、半導体モジュールの熱が、半導体モジュールの両面から冷却管の冷媒に伝達され、半導体モジュールが効率よく冷却される。

特開２００９−５９８８７号公報

従来の積層型冷却器は、電子部品を制御する基板とともにケースに収容される。ケースに収容される基板は、通常、ブラケットを介してケースの内壁に支持される。

このような積層型冷却器の電子部品が、自動車を駆動する回転電機に電力を供給する部品、すなわちインバータである場合、ケースは車両のトランクアクスル付近に搭載される例がある。この場合、トランクアクスルの熱が、ケースとブラケットを介して基板に伝達してしまい、基板に不具合が生じる可能性があった。

この不具合を防止するために、基板に実装される部品を、耐熱仕様の部品に置き換えるという対応が考えられる。しかし、耐熱仕様の部品の採用により、コストが上昇してしまうという問題がある。

また、積層型冷却器が、車両などの設置スペースが制限される装置に搭載される場合、積層型冷却器のケースの体格においては小型化が当然に要求されるので、その小型化に対応しなければならないという問題がある。

本発明の目的は、簡易な構造で、基板の冷却性能を高めるとともに省スペース化を図ることができる積層型冷却器を提供することにある。

本発明は、電子部品を両面から挟持し、冷媒が流れる冷媒流路と、電子部品及び冷媒流路の積層方向の一方側に延在し、各冷媒流路に冷媒を供給する供給ヘッダ部と、供給ヘッダ部と同じ方向に延在し、各冷媒流路から冷媒を排出する排出ヘッダ部と、を有し、電子部品を両面から冷却する積層型冷却器において、電子部品を制御する基板と、供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部のいずれか一方に接続して、基板を支持する複数の支持部材と、を有し、各支持部材は、前記供給ヘッダ及び前記排出ヘッダの軸方向における断面がＬ字状であり、一方の辺が供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部の軸方向に伸びる平面部を有しこの平面部に前記基板が取付けられ、他方の辺が前記供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部へ向けて伸びその端部が前記供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部に接続され、前記供給ヘッダ部に接続する支持部材と、前記排出ヘッダ部に接続する支持部材とで前記基板を支持することを特徴とする。

また、支持部材は、接続対象である、供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部の外形と嵌り合う接続面を有することが好適である。

また、支持部材と、この支持部材の接続対象とは同じ材質であり、ろう付け又はかしめにより接合されることが好適である。

本発明の積層型冷却器によれば、簡易な構造で、基板の冷却性能を高めるとともに省スペース化を図ることができる。

本実施形態に係る積層型冷却器の分解斜視図である。図１のＡ方向から見た積層型冷却器の側面図である。図１のＢ方向から見た積層型冷却器の側面図である。図１のＣ−Ｃ線による積層型冷却器の断面図である。

以下、本発明に係る積層型冷却器の実施形態について、図を用いて説明する。一例として、自動車を駆動するモータに電力を供給するパワーモジュールを挙げ、これを冷却する積層型冷却器について説明する。なお、本発明は、上記パワーモジュールに限らず、発熱体である電子部品を冷却する積層型冷却器にも適用することができる。

図１は、本実施形態に係る積層型冷却器の分解斜視図であり、図２は、図１のＡ方向から見た積層型冷却器の側面図であり、図３は、図１のＢ方向から見た積層型冷却器の側面図であり、図４は、図１のＣ−Ｃ線による積層型冷却器の断面図である。なお、図に示されるＸ軸は、後述する電子部品及び冷媒流路が積層する積層方向である。

積層型冷却器１０は、電子部品１２を両面から挟持する冷媒流路１４と、各冷媒流路１４に冷媒を供給する供給ヘッダ部１６と、各冷媒流路１４から冷媒を排出する排出ヘッダ部１８とを有する。本実施形態の冷媒は、ＬＬＣ（Long Life Coolant）であるが、本発明はこの構成に限定されず、周知の冷媒を用いることができる。

電子部品１２は、スイッチングモジュールである。電子部品１２は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と電極とを含み、これらを絶縁性の樹脂でモールドして形成される。電子部品１２は、積層方向に対して潰れた矩形板状である。本実施形態の自動車は、駆動用のモータを１個有し、このモータに対応するインバータを１個有する。１個のインバータは６個のスイッチングモジュールにより構成されるので、本実施形態の電子部品１２は計６個となる。電子部品１２は２個を１組にして積層方向に計３組配置される。

なお、電子部品１２の数及び積層数は一例であって、本発明は電子部品１２の数６個及び積層数３組に限定されない。例えば、自動車が駆動用のモータを２個有し、これらのモータにそれぞれ対応するインバータを２個有する場合、各インバータは、６個のスイッチングモジュールによりそれぞれ構成されるので、電子部品１２は計１２個となる。この場合、電子部品１２は２個を１組にして積層方向に計６組配置することができる。

冷媒流路１４はアルミニウム製である。冷媒流路１４は積層方向に対して潰れた角筒状である。冷媒流路１４は、積層方向に計４個配置される。冷媒流路１４の長手方向一端には、冷媒が流れ込む流入口２０が形成され、他端には、冷媒が流れ出す流出口２２が形成される。流入口２０と流出口２２とは、冷媒流路１４の内部において区画された空間により連通している。

供給ヘッダ部１６はアルミニウム製である。供給ヘッダ部１６は、供給ヘッダ本体部２４と供給ヘッダ連通管２６とを有する。供給ヘッダ連通管２６は、短軸の円筒状である。供給ヘッダ連通管２６は、積層方向において互いに隣接する冷媒流路１４に接続される。具体的には、互いの冷媒流路１４の流入口２０をそれぞれ覆うように接続される。供給ヘッダ連通管２６は、積層方向に直線上に並んで計３個配置される。

供給ヘッダ本体部２４は、供給ヘッダ連通管２６よりも長軸の円筒状である。供給ヘッダ本体部２４は、供給ヘッダ連通管２６と同じ直線上に、電子部品１２と冷媒流路１４からなる積層体より積層方向の一方側に延在するように設けられる。供給ヘッダ本体部２４の一端は、積層方向の一方側の端部に位置する冷媒流路１４に、これの流入口２０を覆うように接続される。供給ヘッダ本体部２４の他端は、放熱装置（図示せず）に接続される。また、供給ヘッダ本体部２４は、積層型冷却器１０を収容するケース２７（図３に示す）に固定される。

排出ヘッダ部１８はアルミニウム製である。排出ヘッダ部１８は、排出ヘッダ本体部２８と排出ヘッダ連通管３０とを有する。排出ヘッダ連通管３０は、短軸の円筒状である。排出ヘッダ連通管３０は、積層方向において互いに隣接する冷媒流路１４に接続される。具体的には、互いの冷媒流路１４の流出口２２をそれぞれ覆うように接続される。排出ヘッダ連通管３０は、積層方向に直線上に並んで計３個配置される。

排出ヘッダ本体部２８は、排出ヘッダ連通管３０よりも長軸の円筒状である。排出ヘッダ本体部２８は、排出ヘッダ連通管３０と同じ直線上に、電子部品１２と冷媒流路１４からなる積層体より積層方向の一方側に延在するように設けられる。排出ヘッダ本体部２８の一端は、積層方向の一方側の端部に位置する冷媒流路１４に、これの流出口２２を覆うように接続される。排出ヘッダ本体部２８の他端は、放熱装置（図示せず）に接続される。また、排出ヘッダ本体部２８は、積層型冷却器１０を収容するケース２７に固定される。

本実施形態の積層型冷却器１０は、電子部品１２を制御する基板３２と、供給ヘッダ連通管２６及び排出ヘッダ連通管３０にそれぞれ接続して、基板３２を支持する支持部材３４とを有する。

この構成により、基板３２と、冷媒が流れる供給ヘッダ連通管２６と排出ヘッダ連通管３０が熱的に接続されるので、基板３２の冷却性能を高めることができる。また、仮に、積層型冷却器１０が車両のトランクアクスル付近に搭載されたとしても、従来技術のように基板がケースから直接支持されていないので、トランクアクスルの熱が基板３２に伝達することを防ぐことができる。また、本実施形態においては、従来技術のように基板がケースから直接支持されていないので、ケースから内部側に突出して形成され、基板を支持するベース部のスペースを省略することができ、図３に示されるように、ケース２７の体格、特に冷媒流路１４の長手方向を小型化することができる。

支持部材３４はアルミニウム製である。支持部材３４は、断面Ｌ字状である。支持部材３４は、Ｌ字状一方の辺の平面を貫通するように形成された孔３４ａと、Ｌ字状他方の辺の端部に、接続対象である供給ヘッダ連通管２６及び排出ヘッダ連通管３０の外形に対して嵌り合うように形成された接続面３４ｂとを有する。支持部材３４は、接続対象である供給ヘッダ連通管２６と排出ヘッダ連通管３０に、それぞれ、積層方向に所定の間隔をあけて２個配置される。なお、本発明は支持部材３４の数、計４個に限定されない。

支持部材３４の上部、すなわち一方の辺の平面上に基板３２を載せて、ボルト（図示せず）を、基板３２に形成される孔３２ａと支持部材３４の孔３４ａとに挿入し締め付けることで、基板３２と支持部材３４が固定される。本実施形態の基板３２と支持部材３４の固定手段は、ボルトであるが、本発明はこの構成に限定されず、周知の固定手段を用いることができる。

冷媒流路１４と供給ヘッダ部１６と排出ヘッダ部１８と支持部材３４とは、それらの各接合部がろう付け、またはかしめにより接合される。そして、積層方向において隣接する冷媒流路１４の間に、電子部品１２をそれぞれ配置し、これらからなる積層体を積層方向外側から所定圧力で挟みこむことにより、電子部品１２が冷媒流路１４により挟持される。具体的には、上記所定圧力の挟みこみにより、供給及び排出ヘッダ連通管２６，３０が積層方向に縮むように塑性変形し、隣接する冷媒流路１４の距離が小さくなることで、電子部品１２と冷媒流路１４とが、積層方向に直交する接触面において密着することができる。

さらに、積層体をケース２７に組み付ける際に、図４に示されるように、弾性変形させた弾性部材３６が、積層方向の一方側の端部に位置する冷媒流路１４に対して押し当てられる。弾性部材３６は、例えば板ばねである。この弾性部材３６の復元力により、電子部品１２と冷媒流路１４との密着が保持される。

このように、支持部材３４の接触面３４ｂと、接続対象である供給ヘッダ連通管２６と排出ヘッダ連通管３０の外形とが、冷媒流路１４と供給ヘッダ部１６と排出ヘッダ部１８の接合工程において接続されることにより、組み立て工程における手間を省くことができる。

上述のように構成される積層型冷却器１０における冷媒の流れについて、図４を用いて説明する。なお、パワーモジュールが動作中であり、電子部品１２が発熱している場合について説明する。

図示しない放熱装置から供給ヘッダ本体部２４に導入される冷媒は、直接または供給ヘッダ連通管２６を介して、４個の冷媒流路１４にそれぞれ供給される。電子部品１２の熱は、冷媒流路１４を流れる冷媒に伝達される。電子部品１２の熱を受けて温度が上昇した冷媒は、冷媒流路１４から、直接または排出ヘッダ連通管３０を介して、排出ヘッダ本体部２８に流れ込む。このとき、基板３２の熱も、支持部材３２を介して、供給ヘッダ連通管２６と排出ヘッダ連通管３０を流れる冷媒に伝達される。排出ヘッダ本体部２８において合流した冷媒は、放熱装置へ供給され冷却される。そして、放熱装置において冷却された冷媒は、再び供給ヘッダ本体部２４に導入される。

本実施形態の積層型冷却器１０によれば、基板３２がケース２７から直接支持されなくなるので、基板３２がケース２７からの熱の影響を受けにくくなる。また、基板３２が支持部材３４を介して供給ヘッダ連通管２６と排出ヘッダ連通管３０に接続されるので、基板３２の冷却性能を高めることができる。また、支持部材３４と、供給ヘッダ連通管２６及び排出ヘッダ連通管３０との接続が、冷媒流路１４と供給ヘッダ部１６と排出ヘッダ部１８の接合工程において実現されるので、組み立て工程における手間を省くことができる。さらに、従来技術で採用されたケース２７から内側へ突出したベース部のスペースが空くので、その空間を、冷媒流路１４の長手方向において小さくするようにケース２７の体格を構成することができる。

本実施形態においては、支持部材３４の接続対象が、供給ヘッダ連通管２６と排出ヘッダ連通管３０である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。冷媒が流れる部材であれば、接続対象が、冷媒流路１４、供給ヘッダ部１６又は排出ヘッダ部１８の少なくとも一つとすることができる。

また、本実施形態においては、冷媒流路１４と供給ヘッダ部１６と排出ヘッダ部１８と支持部材３４とは、アルミニウム製である場合について説明したが、本発明はこの構成に限定されない。熱伝導性に優れた材質であれば、例えば銅製であってもよい。

１０積層型冷却器、１２電子部品、１４冷媒流路、１６供給ヘッダ部、１８排出ヘッダ部、２０流入口、２２流出口、２４供給ヘッダ本体部、２６供給ヘッダ連通管、２７ケース、２８排出ヘッダ本体部、３０排出ヘッダ連通管、３２基板、３４支持部材、３６弾性部材。

Claims

電子部品を両面から挟持し、冷媒が流れる冷媒流路と、
電子部品及び冷媒流路の積層方向の一方側に延在し、各冷媒流路に冷媒を供給する供給ヘッダ部と、
供給ヘッダ部と同じ方向に延在し、各冷媒流路から冷媒を排出する排出ヘッダ部と、
を有し、
電子部品を両面から冷却する積層型冷却器において、
電子部品を制御する基板と、
供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部のいずれか一方に接続して、基板を支持する複数の支持部材と、
を有し、
各支持部材は、前記供給ヘッダ及び前記排出ヘッダの軸方向における断面がＬ字状であり、一方の辺が供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部の軸方向に伸びる平面部を有しこの平面部に前記基板が取付けられ、他方の辺が前記供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部へ向けて伸びその端部が前記供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部に接続され、
前記供給ヘッダ部に接続する支持部材と、前記排出ヘッダ部に接続する支持部材とで前記基板を支持することを特徴とする積層型冷却器。
請求項１に記載の積層型冷却器において、
支持部材は、接続対象である、供給ヘッダ部又は排出ヘッダ部の外形と嵌り合う接続面を有する、
ことを特徴とする積層型冷却器。
請求項２に記載の積層型冷却器において、
支持部材と、この支持部材の接続対象とは同じ材質であり、ろう付け又はかしめにより接合される、
ことを特徴とする積層型冷却器。