JP2005228877A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】 部品点数を増加させることなく、電子部品とチューブとの接触面積を充分に確保可能にする。
【解決手段】 隣接する扁平チューブ１間に配置された電子部品７を、チューブ積層方向Ｙに押圧力を付加して保持した冷却器において、扁平チューブ１に、チューブ積層方向Ｙに細くなったくびれ１ｂを形成する。扁平チューブ１間の隙間や電子部品７の厚さに応じて、扁平チューブ１はくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに容易に変形する。この際、扁平チューブ１におけるくびれ１ｂとくびれ１ｂの間は弓なりにならないため、扁平チューブ１と電子部品７は両者が対向する面の全域で密着する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子部品を冷却する冷却器に関するもので、特にハイブリッド電気自動車用インバータの両面冷却型電子部品を冷却する冷却器として好適である。

従来、半導体モジュール（電子部品）を水冷式の冷却器に取り付けて冷却するものが知られている。また、両面冷却型半導体装置としては、特許文献１で提案されている。この特許文献１に示された装置は、冷却水の通路を有するチューブと両面冷却型半導体モジュールとを交互に積層し、チューブ積層方向に押圧力を付加して、チューブ間に半導体モジュールを保持する構成となっている。そして、特許文献１には、チューブ間の隙間や半導体モジュールの厚さにばらつきがあっても、半導体モジュールとチューブとを密着させるようにした装置の例が多数示されている。

そのうちの１つ（以下、第１従来装置という）は、隣接するチューブ同士を蛇腹状の弾性筒部で連結し、チューブ間の隙間や半導体モジュールの厚さに応じて弾性筒部が伸縮するようになっている。

また、他の例（以下、第２従来装置という）では、チューブの途中に低剛性の鍔状筒部を設け、チューブ間の隙間や半導体モジュールの厚さに応じて鍔状筒部を変形させるようになっている。

また、さらに他の例（以下、第３従来装置という）では、チューブを薄肉化して低剛性にし、チューブ間の隙間や半導体モジュールの厚さに応じてチューブ自体を変形させるようにしている。
特開２００２−２６２１５号公報

しかしながら、第１従来装置または第２従来装置は、チューブの積層段数分の弾性筒部または鍔状筒部が必要であり、製品の部品点数が多くなると言う問題が生じてしまう。

また、第３従来装置は、チューブが弓なりに変形するため、チューブは半導体モジュールの表面に完全に密着することができず、したがって両者の接触面積が減少してしまうという問題が生じてしまう。しかも、第３従来装置は、チューブが変形したときにヘッダタンクとの接合部に応力が集中するという問題が発生する。

本発明は上記点に鑑みて、部品点数を増加させることなく、電子部品とチューブとの接触面積を充分に確保可能にすることを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷却流体が流れる流体通路（１ａ）が内部に形成されるとともに、流体通路（１ａ）内での冷却流体流れ方向（Ｘ）に対して直交する方向に所定間隔を隔てて積層された複数の扁平チューブ（１）と、扁平チューブ（１）の両端に配置されて冷却流体の分配・集合を行うヘッダタンク（３、５）とを備え、隣接する扁平チューブ（１）間に配置された電子部品（７）を、チューブ積層方向（Ｙ）に押圧力を付加して保持した冷却器において、扁平チューブ（１）は、チューブ積層方向（Ｙ）に細くなったくびれ（１ｂ）が形成されていることを特徴とする。

これによると、扁平チューブ間の隙間や電子部品の厚さに応じて、扁平チューブはくびれの部位でチューブ積層方向に容易に変形する。その際、扁平チューブにおけるくびれとくびれの間は弓なりにならないため、扁平チューブと電子部品は両者が対向する面の全域で密着し、電子部品とチューブとの接触面積を充分に確保することができる。

また、扁平チューブにくびれを形成するだけであるため、部品点数を増加させることなく実施することができる。

さらに、扁平チューブはくびれの部位でチューブ積層方向に容易に変形するため、扁平チューブが変形したときにヘッダタンクとの接合部に応力が集中することがなく、変形時の応力を緩和することができる。

また、ヘッダタンクと扁平チューブをろう付けする場合は、くびれがろうだまりとなり、扁平チューブと電子部品が接触する箇所までろうが流れることを防止することができる。

請求項２に記載の発明では、くびれ（１ｂ）は、扁平チューブ（１）における電子部品（７）を保持しない部位に位置することを特徴とする。

これによると、電子部品と扁平チューブとの接触面積の減少を防止することができる。

請求項３に記載の発明では、チューブ積層方向（Ｙ）の剛性が扁平チューブ（１）よりも高い補強板（９）を、チューブ積層方向（Ｙ）の一端側に備えることを特徴とする。

これによると、チューブ積層方向の押圧力を冷却器自体で受けることができる。また、冷却器の強度を向上させることができるため、電子部品を保持する前の時点において冷却器を搬送するとき、冷却器自体が変形するのをおさえることができる。

請求項４に記載の発明では、電子部品（７）は、チューブ積層方向（Ｙ）に見たときに複数列配置されるとともに、各列毎に独立して押圧力が付加されることを特徴とする。

これによると、各列毎に独立して押圧力を付加するため、隣り合う電子部品の厚さがばらついたとしてもそのバラツキを吸収することができ、接触熱抵抗を低減することができる。

請求項５に記載の発明では、くびれ（１ｂ）は、チューブ積層方向（Ｙ）に対して直交するとともに、流体通路（１ａ）内での冷却流体流れ方向（Ｘ）に対して直交する方向に延びていることを特徴とする。

これによると、扁平チューブをくびれの部位でチューブ積層方向に容易に変形させることができる。

請求項６に記載の発明では、熱交換を促進するフィン（２）が、扁平チューブ（１）内で且つくびれ（１ｂ）が形成されていない位置に配置されていることを特徴とする。

これによると、冷却器の製造工程において、くびれをフィンの位置決めに利用することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る冷却器について説明する。図１は第１実施形態に係る冷却器の正面図、図２は図１の平面図、図３は図１のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線に沿うチューブの断面図、図５は図１のＣ部の拡大図である。

本発明の冷却器は、ハイブリッド電気自動車用インバータの両面冷却型半導体モジュールの冷却に用いることができる。

図１〜図４に示すように、冷却器は、冷却流体が流れる流体通路１ａが内部に形成された多数の扁平チューブ１を備えている。扁平チューブ１は、流体通路１ａ内での冷却流体の流れ方向Ｘ（以下、流れ方向Ｘという）に対して直交する方向Ｙ（以下、積層方向Ｙという）に所定間隔を隔てて多数積層配置されている。なお、本実施形態では、冷却流体としてエチレングリコール系の不凍液が混入した水を用いている。

扁平チューブ１は、アルミニウム製の薄板をプレス成形にて所定形状に加工した２枚のプレートからなり、アルミニウム製の薄板をプレス成形にて波板状に加工したフィン２を２枚のプレート間に挟み込んだ状態で、２枚のプレートの縁部をろう付け接合して形成されている。

扁平チューブ１には、積層方向Ｙに細くなったくびれ１ｂが、流れ方向Ｘの両端付近と中央部の計３個所に形成されている。このくびれ１ｂは、積層方向Ｙに対して直交するとともに、流れ方向Ｘに対して直交する方向に延びている。また、くびれ１ｂは、扁平チューブ１において半導体モジュール（詳細後述）を保持しない部位に位置している。

フィン２は、冷却流体と扁平チューブ１との間の熱交換を促進するもので、くびれ１ｂが形成されていない位置に配置されている。

扁平チューブ１の一端は、扁平チューブ１へ冷却流体を分配するアルミニウム製の入口ヘッダタンク３がろう付け接合され、入口ヘッダタンク３の一端には、冷却流体が流入するアルミニウム製の入口パイプ４がろう付け接合されている。

扁平チューブ１の他端は、扁平チューブ１からの冷却流体を集合させるアルミニウム製の出口ヘッダタンク５がろう付け接合され、出口ヘッダタンク５の一端には、冷却流体が流出するアルミニウム製の出口パイプ６がろう付け接合されている。

入口パイプ４および出口パイプ６は、冷却流体を循環させる図示しないポンプ、および冷却流体を冷却する図示しない熱交換器に接続される。

発熱体となる両面冷却型の半導体モジュール７は、隣接する扁平チューブ１間に２個ずつ配置されており、換言すると、半導体モジュール７は、積層方向Ｙに見たときに複数列（本例では２列）配置されている。扁平チューブ１と半導体モジュール７は、直接または絶縁材（主にセラミック板）や熱伝導グリスを介して接触するようになっている。本例の半導体モジュール７は、ＩＧＢＴ素子とダイオードを内蔵したものであり、本発明の電子部品に相当する。

そして、積層された扁平チューブ１を積層方向Ｙ両端から板ばね８によって挟圧することにより、積層方向Ｙに押圧力を付加して扁平チューブ１間に半導体モジュール７を保持するようになっている。また、板ばね８は、複数列配置された半導体モジュール７を、各列毎に独立して挟圧することにより、各列毎に独立して押圧力を付加するようになっている。

このように、板ばね８にて積層方向Ｙに押圧力を付加することにより、扁平チューブ１間の隙間や半導体モジュール７の厚さに応じて、図５に示すように扁平チューブ１がくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに変形する。これにより、扁平チューブ１と半導体モジュール７は両者が対向する面の全域で密着する。また、各列毎に独立して押圧力を付加しているため、隣り合う半導体モジュール７の厚さがばらついたとしても、中央部のくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに変形して、そのばらつきを吸収する。

上記構成において、入口パイプ４から流入した冷却流体は、入口ヘッダタンク３内を通って各扁平チューブ１の流体通路１ａの一端側に流入し、流体通路１ａ内を流れて出口ヘッダタンク５に流入し、出口パイプ６に至る。そして、流体通路１ａ内を流れる冷却流体と半導体モジュール７との間で熱交換が行われ、半導体モジュール７が冷却される。

上記した本実施形態では、扁平チューブ１間の隙間や半導体モジュール７の厚さに応じて、扁平チューブ１はくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに容易に変形する。この際、扁平チューブ１におけるくびれ１ｂとくびれ１ｂの間は弓なりにならないため、扁平チューブ１と半導体モジュール７は両者が対向する面の全域で密着し、半導体モジュール７とチューブとの接触面積を充分に確保することができる。

また、扁平チューブ１にくびれ１ｂを形成するだけであるため、部品点数を増加させることなく実施することができる。

さらに、扁平チューブ１はくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに容易に変形するため、扁平チューブ１が変形したときにヘッダタンク３、５との接合部ｄ（図５参照）に応力が集中することがなく、変形時の応力を緩和することができる。

また、ヘッダタンク３、５と扁平チューブ１をろう付けする場合は、くびれ１ｂがろうだまりとなり、扁平チューブ１と半導体モジュール７が接触する箇所までろうが流れることを防止することができる。

また、くびれ１ｂは、扁平チューブ１において半導体モジュール７を保持しない部位に位置しているため、半導体モジュール７と扁平チューブ１との接触面積の減少を防止することができる。

また、積層方向Ｙに見たときに２列になった半導体モジュール７に対して、各列毎に独立して押圧力を付加するため、隣り合う半導体モジュール７の厚さがばらついたとしても、中央部のくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに変形してそのバラツキを吸収することができ、接触熱抵抗を低減することができる。

また、くびれ１ｂは、積層方向Ｙに対して直交するとともに、流れ方向Ｘに対して直交する方向に延びているため、扁平チューブ１をくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに容易に変形させることができる。

また、フィン２が、扁平チューブ１内で且つくびれ１ｂが形成されていない位置に配置されているため、製造工程において、くびれ１ｂをフィン２の位置決めに利用することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る冷却器について説明する。図６は第２実施形態に係る冷却器の正面図である。第１実施形態と同一もしくは均等部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。

本実施形態では、図６に示すように、積層方向Ｙの剛性が扁平チューブ１よりも高い補強板９を備えている。補強板９は、アルミニウム製であり、両端がヘッダタンク３、５にろう付け接合され、中間部が積層方向Ｙの一端側の扁平チューブ１に接している。

この冷却器を例えば車両に装着した後、積層方向Ｙの他端側の扁平チューブ１と車両の固定壁１０との間に、コイルばね１１が装着される。そして、コイルばね１１により積層方向Ｙに押圧力を付加して扁平チューブ１間に半導体モジュール７を保持する。この際、コイルばね１１の押圧力は補強板９にて受ける。なお、コイルばね１１は、複数列配置された半導体モジュール７を、各列毎に独立して押圧する。

このように、コイルばね１１にて積層方向Ｙに押圧力を付加することにより、扁平チューブ１間の隙間や半導体モジュール７の厚さに応じて、扁平チューブ１がくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに変形して、扁平チューブ１と半導体モジュール７は両者が対向する面の全域で密着する。また、各列毎に独立して押圧力を付加しているため、隣り合う半導体モジュール７の厚さがばらついたとしても、中央部のくびれ１ｂの部位で積層方向Ｙに変形して、そのばらつきを吸収する。

本実施形態では、補強板９により冷却器の強度を向上させることができるため、半導体モジュール７を保持する前の時点において冷却器を搬送するとき、冷却器自体が変形するのをおさえることができる。

なお、本実施形態ではコイルばね１１を用いたが、板ばねにて積層方向Ｙに押圧力を付加するようにしてもよい。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、冷却流体としてエチレングリコール系の不凍液が混入した水を用いたが、冷却流体としては、水やアンモニア等の自然冷媒や、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒などを用いることができる。

また、上記実施形態においては、ハイブリッド電気自動車用インバータの両面冷却型半導体モジュールの冷却に本発明を適用したが、例えば産業機器のモータ駆動インバータや、ビル空調用のエアコンインバータなどの半導体モジュールの冷却に本発明を適用することもできる。

また、本発明の冷却器は、半導体モジュール７ではなく、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの半導体モジュール７を冷却することも可能である。

本発明の第１実施形態に係る冷却器の正面図である。 図１の平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。 図２のＢ−Ｂ線に沿うチューブの断面図である。 図１のＣ部の拡大図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却器の正面図である。

符号の説明

１…扁平チューブ、１ａ…流体通路、３、５…ヘッダタンク、７…半導体モジュール（電子部品）、Ｘ…冷却流体流れ方向、Ｙ…チューブ積層方向。

Claims (6)

1. 冷却流体が流れる流体通路（１ａ）が内部に形成されるとともに、前記流体通路（１ａ）内での冷却流体流れ方向（Ｘ）に対して直交する方向に所定間隔を隔てて積層された複数の扁平チューブ（１）と、
   前記扁平チューブ（１）の両端に配置されて冷却流体の分配・集合を行うヘッダタンク（３、５）とを備え、
   隣接する前記扁平チューブ（１）間に配置された電子部品（７）を、チューブ積層方向（Ｙ）に押圧力を付加して保持した冷却器において、
   前記扁平チューブ（１）は、チューブ積層方向（Ｙ）に細くなったくびれ（１ｂ）が形成されていることを特徴とする冷却器。
2. 前記くびれ（１ｂ）は、前記扁平チューブ（１）における前記電子部品（７）を保持しない部位に位置することを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. チューブ積層方向（Ｙ）の剛性が前記扁平チューブ（１）よりも高い補強板（９）を、チューブ積層方向（Ｙ）の一端側に備えることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却器。
4. 前記電子部品（７）は、チューブ積層方向（Ｙ）に見たときに複数列配置されるとともに、各列毎に独立して押圧力が付加されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却器。
5. 前記くびれ（１ｂ）は、チューブ積層方向（Ｙ）に対して直交するとともに、前記流体通路（１ａ）内での冷却流体流れ方向（Ｘ）に対して直交する方向に延びていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷却器。
6. 熱交換を促進するフィン（２）が、前記扁平チューブ（１）内で且つ前記くびれ（１ｂ）が形成されていない位置に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の冷却器。

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