JP2005531133A - 電気部品を冷却するための冷却装置、冷却装置および電気部品から成るモジュール、冷却装置またはモジュールおよび支持体から成る冷却システム - Google Patents

Abstract

本発明は１つまたは複数の電力半導体素子（２０，２０’）を冷却するための冷却装置（１）を提供する。この冷却装置は、冷却流体（３）を通流させるための、銅から成る平坦なプレート状の中空体（１０）を有している。中空体の第１の表面（１０１）に電気部品が固定され、第２の表面には冷却流体を導入および導出するための２つの開口（１１）が設けられている。２つの開口のあいだは凹面状に湾曲されておりかつ弾性変形可能である。冷却装置はさらに凹面状に湾曲された中空体の第２の表面を支持体（４）の平坦面（４１）に固定する固定部材（５）を有している。固定部材は凹面状に湾曲された表面と平坦面とが弾性変形によって互いに圧着するように固定するので、２つの開口はＯリングによって水密に密封される。中空体内には付加的に２つの表面を接続する中実のウェブ（６０）が構成されている。
また本発明は、冷却装置としてのモジュール（１’）、および冷却装置またはモジュールおよび支持体から成るシステム（１”，１’”）も提供する。本発明は特に車両の電気式トランスミッションに適用される。

Description

本発明は、請求項１または３の上位概念記載の１つまたは複数の電気部品を冷却するための冷却装置、冷却装置および電気部品から成るモジュール、冷却装置またはモジュールおよび支持体から成る冷却システムに関する。

前述のような冷却装置は米国特許第６０１４３１２号明細書から公知である。この公知の冷却装置は中空体を有しており、中空体の２つの平坦面のあいだを冷却流体が通流する。当該の中空体は主として相互に積層され接合された複数の金属層から成っている。これらの層はそれぞれ複数の小さな開口を有しており、それらが重ねられて、流体が積層体を通流するようになっている。

各層には小さい開口のあいだに２つの大きな開口が設けられている。この大きな開口は積層体の上下方向に配置されており、中空体内に冷却流体を集める２つの中空室を形成している。この中空室は相互に懸隔しており、それぞれ閉鎖された層の平坦面によって定義される。

中空体の２つの平坦面上に冷却すべき各電気部品が固定されており、これらの電気部品は熱伝導性および絶縁性のセラミックから成る層によって中空体内の冷却流体から電気的に絶縁されている。セラミック層は中空体の平坦面上に被着されるか、または中空体の２つの金属層のあいだに配置される。

冷却流体を集める２つの中空室のそれぞれに対して１つずつ冷却流体を中空室へ導入するための流体開口と中空室から導出するための流体開口とが設けられている。この流体開口は中空体の第２の表面に形成されており、この表面は開口部以外の部分は閉鎖されている。冷却流体を集める２つの中空室は所属の流体開口よりも大きな径を有する。

中空体は支持体の平坦面に固定される。このとき中空体の第２の表面と支持体の平坦面とが相互に向き合い、双方が全面にわたって接触するように配置される。

支持体は一枚のプレートであってもよいし、支持体全体にわたって分散された冷却流体導入および導出用の複数の流路から成る構造体であってもよい。

本発明は冒頭に言及した形式の冷却装置における冷却流体の案内を改善することを目的としている。

本発明の冷却装置は、請求項１に記載されている通り、ａ）中空体の第２の表面は凹面状に湾曲されておりかつ弾性変形可能であり、ｂ）中空体を支持体の平坦面に固定するための固定部材が設けられており、この固定部材は凹面状に湾曲された中空体の第２の表面と支持体の平坦面とが弾性変形によって互いに圧着するように固定する特徴を有しており、これにより冷却流体の案内が改善される。

請求項１記載の冷却装置は支持体の一方の平坦面に簡単に固定できるという利点を有する。その際に支持体全体にわたって分散された冷却流体導入および導出用の複数の流路から成る構造体は必要なく、有利には流体開口あたり１つずつ冷却流体を導入および導出する流路を設けるだけでよい。さらに特に有利には、冷却装置を支持体に固定する過程中に流体開口および流体流路に共通のＯリングを１つ設けるのみで簡単確実に周囲への漏れを回避し密封することができる。

したがって冷却流体は支持体の唯一の冷却流体流路を通って対応する冷却装置の流体開口へ導入されるかまたは流体開口から導出される。こうした流路は簡単に製造できる。例えばこうした流路は穿孔により支持体に形成される貫通孔によって形成することができる。

請求項１記載の冷却装置を固定するために、ａ）支持体が平坦面を有しており、この平坦面は凹面状に湾曲した中空体の第２の表面の流体開口に対してそれぞれ１つずつ対応する導入および導出用の流路の流口を有し、ｂ）支持体の平坦面と中空体の凹面状に湾曲した第２の表面とが向き合うように配置し、流体開口と流口とを対向させ、ｃ）相互に向き合った支持体の平坦面と中空体の第２の表面とのあいだに弾性材料から成るＯリングを設け、流体開口とこれに対応する流口とが閉鎖されるようにし、ｄ）冷却装置と支持体とを固定部材により固定し、凹面状に湾曲された中空体の第２の表面と支持体の平坦面とを弾性変形によって互いに圧着させ、こうして圧着した２つの表面のあいだをＯリングで封止して流体開口とこれに対応する流路の流口とが閉鎖されて周囲に対して水密に密封されるようにするだけでよい。

簡単な固定過程ののち、流体開口とこれに対応する流路の流口とが自動的に周囲に対して水密に密封され、有利には特に簡単な冷却流体案内部材が実現される。

中空体の第２の表面が凹面状に湾曲していることが冷却装置を支持体に簡単に固定する手段の実現にとって重要な前提条件である。なぜなら充分な強さの圧力が流体開口に配置されたＯリングにかかり、封止に利用されるからである。弾性変形可能な中空体の第２の表面を仮に凸面状に湾曲させるとすると、Ｏリングには不都合なことに応力がかからなくなってしまう。

請求項１記載の冷却装置の固定部材は、有利には、中空体の２つの流体開口のあいだに少なくとも１つねじ孔を設けることにより簡単に実現できる。ここでａ）ねじ孔は冷却流体が中空体から漏れ出さないようそれぞれ水密に密封されており、ｂ）凹面状に湾曲された第２の表面にねじ入口が設けられており、このねじ入口を通して支持体から突出しているボルトがねじ孔へねじ込まれ、冷却装置と支持体とが固定される。

ねじを当該のねじ孔へねじ込むことにより、支持体の平坦面とこれに対向する凹面状に湾曲した中空体の第２の表面とが引きつけられ、相互に圧着する。

特に有利には、固定部材は中空体の２つの流体開口のあいだに２つのねじ孔を有しており、ここでａ）各ねじ孔は冷却流体が中空体から漏れ出さないようそれぞれ水密に密封されており、ｂ）凹面状に湾曲された第２の表面に各ねじ孔に対するねじ入口が設けられており、このねじ入口を通して支持体から突出しているボルトがねじ孔へねじ込まれ、冷却装置と支持体とが固定される。

これにより強い圧力がＯリングにかかり、信頼性の高いＯリングの密封作用が得られる。このために特に、一方のねじ孔を第１の流体開口の近傍に設け、他方のねじ孔を第２の流体開口の近傍に設ける。

ボルトに対して支持体は冷却装置の中空体のねじ孔の位置に貫通孔を有しているだけでよい。こうした貫通孔は例えばボルトを差し込むかまたはねじ込むことのできるように穿孔によって簡単に形成される。

冷却流体の案内の改善は、冒頭に言及した形式の冷却装置において、請求項３に記載されている通り、中空体の流体開口のあいだに冷却流体案内部材が構成されており、この冷却流体案内部材は第１の流体開口から中空体内へ導入される冷却流体を流体開口間の中心を横方向に通過させて第２の流体開口へ案内することにより達成される。

この手段により、有利には冷却すべき電気部品へ流体が集中して案内され、電気部品での良好な冷却作用が得られる。さほど熱くはならず、あまり冷やすべきでないバスバーなどは有利には冷却流体の通らない中空体の中心付近の平坦面に固定する。

特に有利には、請求項３記載の特徴と請求項１および２記載の特徴とを問題なく組み合わせることができる。

冷却流体案内部材は第１の流体開口の近傍に配置された少なくとも１つの偏向面を必要とする。この偏向面は流体開口を通って流れる流体を偏向させ、流体が第１の流体開口から２つの開口部間の中心を通って第２の流体開口へ直接に流れるのを阻止する。こうした偏向面は種々の手段で実現される。

請求項３記載の冷却装置の有利な実施形態では、冷却流体案内部材は中空体の中心付近に熱伝導性材料から成る中実のウェブを有しており、ａ）このウェブは中空体の２つの表面を相互に接続しており、ｂ）かつ冷却流体にとって不透過であり、ｃ）かつ２つの冷却開口の接続線に沿って延在しており、ｄ）これにより一方の冷却開口から中空体へ導入される冷却流体が横方向に他方の冷却開口へ流れる。

この場合、冷却流体案内部材の偏向面はウェブの端部により簡単に実現することができる。この端部は冷却流体の導入される第１の流体開口に対向するほうの端部である。偏向面は当該の端部の形状設定によってそれぞれのケースに合わせて自由に選定できる。例えばこの端部をプリズム状のウェブの頂部とすることができる。

特に有利な実施形態では、当該のウェブは、流体開口に対向しかつ丸み部を備えた端部を有する。

中実のウェブは有利には付加的なヒートシンクとしても作用し、これにより冷却装置の冷却作用がさらに向上する。

中空体のねじ孔は有利にはウェブ内に配置されている。

冷却装置案内部材は流体開口の縁から所定の距離またはこの縁まで所定の距離を有している。

中空体内に熱伝導性材料から成る構造体が構成されており、これを通って冷却流体が流れるように構成すると、冷却流体の接触面積が拡大され、中空体の表面への良好な熱伝導性接触が達成される。

このような構造体は熱放出作用、ひいては冷却装置の冷却作用を向上させる。この構造体は種々の手段によって実現することができる。構造体は例えば格子および／またはメッシュ組織および／またはスポンジから形成される。

有利には熱伝導性材料から成る構造体は、それぞれ材料によって包囲され、これと接触する小さな中空室を有しているか、および／またはそれぞれ材料によって包囲され、２つの流体開口を相互に接続する小さな流路を有している。

こうした構造体として例えば前述の米国特許第６０１４３１２号明細書から公知の格子やスポンジなどが挙げられる。

特に本発明の冷却装置の中空体は、米国特許第６０１４３１２号明細書の積層体を備えた冷却体と同様に、熱伝導性材料の複数の層に小さな孔を設けたものとして構成されている。ここで孔は層から層へ相互に重なるように配置されている。中空体内の中実のウェブは、この構造では、積層体として積層された孔のない層領域として簡単に実現される。

熱伝導性材料から成る構造体は本発明の冷却装置では有利には流体開口の縁まで延在しており、この点で米国特許第６０１４３１２号明細書の冷却体とは異なっている。本発明の構造体は流体開口の縁を閉鎖するように包囲している。また特に冷却装置案内部材が冷却装置の縁まで延在している場合には、本発明の構造体は縁の一部分に沿うのみで全周にはわたらないように構成してもよい。

本発明の冷却装置の特に有利な実施形態では、請求項１の特徴と請求項３の特徴とが組み合わされる。すなわちａ）中空体は導電性材料を有しており、ｂ）冷却装置に固定される１つまたは複数の電気部品は熱伝導性および絶縁性の材料から成る層を介して内部を流れる冷却流体から電気的に絶縁されており、層は中空室の第１の表面に対して平行であり、かつ中空体に固定に接合されている。

熱伝導性および絶縁性の材料から成る層は、有利には、中空体の第１の表面に被着される。また中空体が熱伝導性材料から成る層の積層体を有する場合は、これらの層のあいだに当該の層を配置することもできる。

中空体の反対側の熱伝導性および絶縁性の材料から成る層は、積層体のうちの１つの層であってもよいし、または後から被着された導電性材料から成る層であってもよい。ここに有利には電気導体路がパターニングされる。例えば冷却すべき電気部品が電力半導体素子である場合にはこれはバスバーである。

導電性材料から成る層は中空体の全面にわたって延在している。中空体の導熱性材料と絶縁性材料とのあいだの熱膨張係数が異なることから例えば中空体から絶縁層が剥離しやすくなるという問題が生じる。このとき、熱伝導性および絶縁性の材料から成る層は相互に分離したセクションへ分割されていると有利である。

熱伝導性および絶縁性の材料から成る層は有利にはセラミック材料を有する。導電性材料は有利には銅を有する。

特に有利には、中空体に固定に接合された、熱伝導性および絶縁性の材料から成る層は、中空体よりも小さな熱膨張係数を有する。

この手段から有利には特に簡単に本発明の中空体を備えた冷却装置を実現することができる。本発明の中空体は弾性変形可能であり、凹面状に湾曲した第２の表面を有する。

この手法は熱伝導性および絶縁性の材料から成る層を高温のもとで中空体に固定に接合し、そののち当該の層および中空体を冷却することにより達成される。冷却の際に中空体の材料は絶縁性材料よりも大きく収縮するが、この“バイメタル効果”に基づいて自然に弾性変形が生じ、第２の表面が凹面状に湾曲する。

例えば金属でコーティングされた絶縁性材料は金属から成る中空体の第１の表面にはんだ付けされる。はんだ付け過程において当該の層および中空体は加熱され、異なって膨脹する。すなわち中空体のほうが層よりも大きく膨脹する。はんだが固化すると中空体と層とは高温のもとで固定に接合される。続く冷却の際には中空体は固定に接合された層よりも強く収縮するので、冷却後には中空体の第２の表面は自然に凹面状に湾曲し、弾性変形する。

これまで“バイモルフ効果”または“バイメタル効果”は障害的な効果であり、回避すべきものとされてきた。例えば中空体の表面は平坦であるべきであり、絶縁層を介することにより中空体の他の表面と同じ材料を使用することが望ましいとされていた。

しかし本発明はこれとは異なり、“バイモルフ効果”または“バイメタル効果”を活用する。

“バイモルフ効果”または“バイメタル効果”は、有利には、中空体が冷却流体案内部材（特に中実なウェブ）を有するか否かに関わらず利用される。

本発明の冷却装置は冷却装置および１つまたは複数の電気部品を備えたモジュールであってもよい。電気部品は冷却装置の中空体の第１の表面に固定される。

本発明のモジュールは有利には冷却装置および電気部品に関連して前述したのと同様にＯリングを介して支持体に固定される。

具体的には、この種のモジュールでは、ａ）支持体は平坦面を有しており、この平坦面に冷却流体流路からの導入および流路への導出のための流口が設けられており、この流口はそれぞれ中空体の凹面状に湾曲した第２の表面の流体開口に対応しており、ｂ）支持体の平坦面と中空体の凹面状に湾曲した第２の表面とは向き合っており、冷却装置の流体開口はそれぞれ対応する支持体の冷却流体流路の流口に対向するように配置されており、ｃ）向き合う面のあいだに弾性材料から成るＯリングが配置されており、このＯリングは冷却装置の流体開口とこれに対応する支持体の流路の流口とが閉鎖されるように包囲し、ｄ）冷却装置および支持体は、冷却装置の固定部材を介して、凹面状に湾曲された中空体の第２の表面と支持体の平坦面とが弾性変形によって互いに圧着するように固定され、さらにＯリングが当該の中空体の第２の表面と支持体の平坦面とのあいだを封止し、これにより冷却装置の流体開口とこれに対応する支持体の冷却流体流路の流口とはＯリングで閉鎖され、周囲に対して水密に密封される。

モジュールは有利には、ａ）冷却流体案内部材を有する冷却装置と、ｂ）中空体の第１の表面に固定された１つまたは複数の電気部品とを有しており、ｃ）電気部品は、流体が冷却流体案内部材の側方、中空体の２つの流体開口のあいだの中心付近を通って第２の流体開口へ流れるように配置されている。

有利には、このモジュールにおいて、動作時にそれぞれ異なる熱量を形成する電気部品が、中空体の第１の流体開口から中心を通って第２の流体開口へいたる流れ方向に順に配置されており、小さい熱量が形成される第１の部分の後方に大きい熱量が形成される第２の部分が置かれる。

ここでさらに有利には、このモジュールにおいて、動作時にそれぞれ異なる熱量を形成する電気部品が、中空体の第１の流体開口から中心を通って第２の流体開口へいたる流れ方向に順に配置されており、大きい熱量が形成される内側部分と小さい熱量が形成される外側部分とが置かれる。

一般に上述の電気部品は電力半導体素子である。すなわち少なくとも１つの電気部品は電力半導体素子である。

本発明は請求項２１記載の冷却装置および支持体から成る冷却システム、および請求項２２記載のモジュールおよび支持体から成る冷却システムにも関する。

これら２つのシステムは製造が簡単であることと、構造がきわめて平坦になることという利点が得られる。

請求項２２および請求項２３に記載の有利な実施形態では、支持体は電気式トランスミッションの一部である。

請求項２２および請求項２３に記載の有利な実施形態では、支持体は車両用の電気式トランスミッションの一部である。

冷却流体として有利には水が使用されるが、もちろん他の流体、例えばオイルなどを使用することもできる。

本発明を以下に実施例に則して詳細に説明する。図１には本発明の適用される電力半導体素子の斜視図が示されている。図２には図１の素子をＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図が示されている。図３ａには図１の素子をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図が示されている。図３ｂには中空体の凹面状に湾曲した第２の表面の断面の下方部分が示されている。図４には図１の素子をＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図が示されている。図５には熱伝導性かつ絶縁性の材料から成る分割された層の断面の上方部分が示されている。図６には図３ａの丸い囲み部分Ｂの拡大図が示されている。図７には冷却装置またはモジュールおよび支持体から成るシステムの断面図が示されている。ただし図７では支持体は概略的にブロックとして表されている。

図１に示されているモジュール１’は、本発明の冷却装置１と冷却すべき複数の電気部品から成るデバイス２とを有している。電気部品は電力半導体素子２０，２０’の形態で構成されている。これらの電気部品は良好な熱伝導性を有する材料（例えば銅）を用いて平坦なプレート状に構成された冷却装置の中空体１０の相互に懸隔された表面１０１，１０２のいずれかに固定されている。

以下の説明では、本発明の一般性を限定するものではないが、電力半導体素子２０，２０’が中空体１０の平坦な第１の表面１０１に固定されているものとする。中空体１０の平坦な２つの表面は第１の表面１０１および第２の表面１０２から成る。

もちろん同様に電力半導体素子２０，２０’を表面１０２に固定することもできる。いずれの場合にも素子を固定するほうの表面を第１の表面と見なすものとする。

中空体１０は冷却流体３を案内するために用いられる（図２，図４では矢印で冷却流体の流れ方向が示されている）。冷却流体は平坦な２つの表面１０１，１０２のあいだの中空体を通って流れる。冷却流体３は例えば水である。

中空体１０は平坦なプレート状に構成されており、長手軸線Ａを備えたほぼ長方形の形状である。

電力半導体素子２０，２０’から成るデバイス２は、中空体１０の第１の表面に直接に固定されるのではなく、それとは反対側の表面１８０上、良好な熱伝導性および絶縁性を有するセラミック材料から成るほぼ矩形の層１８を介して固定される。この層１８は中空体１０の第１の表面１０１上にはんだ付けにより被着され固定されている。デバイス２は当該の絶縁層１８を介して中空体１０から電気的に絶縁されている。

絶縁層１８の表面１８０には冷却すべき電力半導体素子２０，２０’から成るデバイス２のほか、冷却すべきでない電気部品、例えばバスバー２１なども固定されている。

冷却装置１またはモジュール１’の構造を説明するために、図２〜図４について述べる。ただし図中モジュール１’の電気部品２０，２０’，バスバー２１は全体を眺めるうえでの簡単化のために省略されている。

図によれば、冷却装置１またはモジュール１’の中空体１０の第２の表面１０２に、冷却流体３を中空体へ導入するまたは中空体から導出するための２つの流体開口１１が相互に懸隔して設けられている。

後に図７に即して詳述するが、中空体１０は、その第２の表面１０２と支持体４の平坦面４１とが向き合うように支持体４の平坦面４１に固定されている。

本発明によれば中空体１０の第２の表面１０２側の流体開口１１のあいだの部分は凹面状に湾曲して弾性変形している。また中空体１０を支持体４の平坦面４１に固定するための固定部材５が設けられており、この固定部材は凹面状に湾曲された中空体の表面と支持体の平坦面とが弾性変形によって互いに圧着するように固定する。

中空体１０の第２の表面１０２は主として中空体１０の長手軸線Ａの方向で湾曲しており、これに加えてまたはこれに代えて、長手軸線Ａに対して垂直な図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線、または図３ｂに示されているようにＩＶ−ＩＶ線において湾曲していてもよい。

固定部材５は例えば中空体１０の流体開口１１のあいだに形成された内溝を有する２つのねじ孔１２を有する。これは中空体１０内の冷却流体３に対して水密に密封されているので、ねじ孔１２を通して冷却流体３が中空体１０から外部へ漏れ出すことはない。また中空体１０の凹面状に湾曲した第２の表面１０２はねじ入口１２０を有しており、このねじ入口を通して支持体から突出しているボルト１３がねじ孔１２へねじ込まれ、冷却装置１またはモジュール１’と支持体４とが相互に固定される。

有利にはねじ孔１２は中空体１０の長手軸線Ａ上で、それぞれ各流体開口１１の近傍に配置されている。

各ねじ孔１２は例えば中空体１０内へ組み込まれている内溝を有するスリーブ１２１であり、中空体１０の材料よりも硬い材料から構成されている。

図示の実施例では各ねじ孔１２は貫通孔であり、中空体１０の断面方向にわたって延在し、中空体１０の第１の表面１０１にもねじ入口を有する。ねじ孔をスリーブ孔とし、中空体１０の第２の表面１０２のねじ入口１２０のみを有し、第１の表面１０１にねじ入口を有さないように構成してもよい。

本発明によれば中空体１０内には流体開口１１のあいだに冷却流体案内部材６も構成されている。この冷却流体案内部材は冷却流体３を第１の流体開口から中空体１０へ導入し、流体開口間の中心１１０を通過させ、第２の流体開口へ案内する。

冷却流体案内部材６は有利には中空体の中ほどに熱伝導性材料から構成された中実のウェブ６０を有している。このウェブは中空体の２つの表面１０１，１０２を相互に接続し、冷却流体３にとって不透過である。これは図２の接続線１１１に沿って２つの流体開口１１のあいだに構成されており、冷却流体３は、中空体１０内へ導入される冷却流体３に沿う２つの側面６２のわきを通って第２の流体開口へいたる。

ウェブ６０は各流体開口１１に対して１つの端部６１を有する。ウェブ６０の端部６１は流体開口１１に対向かつ隣接しており、これを通して冷却流体３が中空体１０内へ導入される。図２，図４ではこれは例えばウェブ６０の左方の流体開口側の側面であり、中空体１０内へ導入される流体を偏向させる偏向面として定義されている。この偏向面は有利には端部６１の丸み部６１０として定義される。

有利には、図４に示されているように、ウェブ６０は中空体の流体開口１１のあいだの中心１１０に対してほぼ鏡面対称に構成されており、ウェブ６０の左方の流体開口側の側面に対向する他方の端部も丸み部を有する。

丸み部６１０に代えて、これらの端部が別の形状、例えば頂部を有していてもよい。

例えばウェブ６０の端部６１は流体開口１１から懸隔して配置されている。またウェブ６０の端部６１または他方の端部が流体開口１１の縁１１２に達するように構成することもできる。

中空体１０のねじ孔１２は有利にはウェブ６０内、特に有利にはウェブ６０の端部６１の近傍に配置される。ウェブ６０の材料が充分に硬ければ、内溝を有するスリーブ１２１を省略し、内溝を有するねじ孔１２を直接にウェブ６０へ組み込むことができる。これらの手段では双方ともにねじ孔１２は水密に構成されている。つまりねじ孔１２が存在しても流体３は中空体１０の内部から外部へ漏れ出さない。

中空体１０内には有利には良好な熱伝導性を有する材料から成る構造体１７が構成されている。この構造体を通して冷却流体３は流れることができる。構造体は冷却流体３に対して大きな接触面積を有しており、中空体１０の２つの表面１０１，１０２およびウェブ６０と熱伝導的に接触している。

熱伝導性材料から成る構造体１７は、有利には、材料によって包囲された小さな中空室１７１および／または小さな流路１７２を有するように構成されている。流路は２つの流体開口１１のあいだを相互に接続するように構成される。

したがって構造体１７は、前掲の米国特許第６０１４３１２号明細書に記載されている構造体と同様に、それぞれ小さな孔を備えた複数の層から成る積層体として製造することもできる。相違点は本発明の構造体１７はウェブ６０の領域には孔を有さない点である。中実のウェブ６０はこの場合には積層体の上下方向で一貫して孔のない領域として形成される。

構造体１７は、例えば既存の中実のウェブ６０を包囲する中空室を熱伝導性材料から成る格子材料および／またはメッシュ組織および／またはスポンジで充填することにより形成することもできる。この構造体は中空体１０の２つの表面１０１，１０２および中実のウェブ６０と熱伝導的に密接する。

また前掲の米国特許第６０１４３１２号明細書の記載と異なり、本発明の熱伝導性材料から成る構造体１７は流体開口１１の縁１１２に達する。ウェブ６０の端部６１は流体開口１１の縁１１２までは延在しないので、流体開口１１の縁１１２に達する構造体１７がこの縁を有利には完全に閉鎖することになる。

ウェブ６０の端部６１が流体開口１１の縁に達する場合には、構造体１７はもちろん縁１１２を閉鎖しなくてもよく、単に縁１１２の一部を超えて延在すればよい。

図１〜図４の冷却装置１またはモジュール１’は熱伝導性および絶縁性の材料から成る層１８の上に全面にわたって被着および固定されている。

例えば図６では、絶縁層１８の表面１８０の反対側、つまり中空体に近い側の表面１８１が金属層１０８でコーティングされており、これがさらに中空体１０の金属から成る第１の表面１０１にはんだ１０９によってはんだ付けされている。

絶縁層１８は図示の実施例では相対的に小さな熱膨張係数α１を有し、中空体１０は相対的に大きな熱膨張係数α２を有する。したがってはんだ付け過程において絶縁層１８および中空体１０は異なって膨脹する。つまり中空体１０のほうが絶縁層１８よりも大きく膨脹する。

流動性のはんだ１０９が硬化すると中空体１０と絶縁層１８とが高温で固定に接合される。続く冷却過程では中空体１０は接合された絶縁層１８よりも大きく収縮するので、冷却後には中空体の第２の表面１０２は自然に凹面状に湾曲し、弾性変形する。

後の支持体４への固定の際には絶縁層１８と中空体１０とのあいだにかかる応力のために絶縁層１８が中空体１０から或る程度剥離しやすくなる。このことは熱伝導性および絶縁性の材料から成る絶縁層１８を図示のように相互に分離したセクション１８’に分割することによって回避される。

本発明の対象を限定するものではないが、前述した実施例の具体的な数値を挙げておく。図１の冷却装置１またはモジュール１’は銅から成る中空体１０を有しており、この中空体は長さ約１００ｍｍ，幅約６０ｍｍ，厚さ約３．５ｍｍであり、銅層の積層体から形成されている。長手軸線Ａ上で中心１１０に対して対称に配置された２つの流体開口１１は約８５ｍｍの間隔とそれぞれの径約５．５ｍｍとを有する。同様に長手軸線Ａ上で中心１１０に対して対称に配置されたねじ孔１２は約６５ｍｍの間隔とそれぞれの径約４ｍｍとを有する。分割されておらず、中空体１０の第１の表面１０１のほぼ全面にわたってはんだ付けされた絶縁層１８はＡｌ_２Ｏ_３から成り、厚さ約０．４ｍｍである。長手軸線Ａに沿って凹面状に湾曲した中空体１０の矩形の第２の表面１０２は中心１１０の付近で端部１０５に対して最大の湾曲度ｔすなわち約１００μｍの深さを有する。

長手軸線Ａに対して垂直に、中空体１０の幅の方向で、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って、図３ｂに示されている凹面状に湾曲した中空体１０の第２の表面が存在する。

図１に示されているモジュール１’は絶縁層１８に固定された電力半導体素子２０，２０’であり、ここにはウェブ６０のわきの絶縁層１８の表面１８０をウェブ６０の２つの側面６２（図４を参照）を結ぶ方向で眺めた平面図が示されている。中空体１０内でウェブの２つの側面６２を結ぶ方向で冷却流体３が流れる。

ウェブ６０の２つの側面６２を結ぶ方向で、例えばそれぞれ６つの電力半導体素子２０，２０’が一列に配置される。これらの電力半導体素子はウェブ６０の２つの側面６２を結ぶ冷却流体３の流れ方向（図４を参照）に順に並べられている。

列になった電力半導体素子２０は最初の２つは例えばＩＧＢＴであり、これに続く２つは例えばダイオード２０’であり、さらに続く２つは再びＩＧＢＴ２０である。

ダイオード２０’は駆動中ＩＧＢＴ２０よりも大きな熱量を発生するので、冷却装置１による最適な冷却作用を得るために、２組のＩＧＢＴ２０のあいだに２つのダイオード２０’を配置する。

周知の電気回路として配線するために、ＩＧＢＴ２０およびダイオード２０’は絶縁層１８上に配置されたバスバー２１に所定の手段で電気的に接続される。例えば個々のバスバー２１をウェブ６０の上方に配置するか、または２つ以上の相互に絶縁されたバスバー２１をウェブ６０の上方に積層して配置するか、および／または他のバスバー２１を例えば絶縁層１８と電力半導体素子２０，２０’とのあいだで相互に絶縁して個別にまたは積層して配置することができる。

バスバー２１および他の電気線路は導電性材料から成る１つまたは複数の層を絶縁層１８上にパターニングすることにより形成される。

図１のモジュール１’はバスバー２１に対する電流負荷２２である。

図７には冷却装置１またはモジュール１’と支持体４とが示されており、冷却装置１および支持体４からシステム１”が形成され、またはモジュール１’および支持体４からシステム１’”が形成されることがわかる。

ブロックとしてしか示されていないが、支持体４は平坦面４１を有するように構成されている。ここで中空体１０の凹面状に湾曲した第２の表面１０２の流体開口１１に対して１つずつ、冷却流体３を中空体１０へ導入する流口および中空体１０から導出する流口４０１を備えた流路４０が設けられている。

支持体４の平坦面４１と凹面状に湾曲した中空体１０の第２の表面１０２とは向き合っており、冷却装置１の流体開口１１はそれぞれ対応する支持体４の流口４０１に対向している。

向き合っている支持体４の平坦面４１と中空体１０の第２の表面１０２とのあいだには弾性材料から成るＯリング７が配置され、これにより冷却装置１の流体開口１１とこれに対向する支持体４の流路４０の流口４０１とが閉鎖される。

冷却装置１および支持体４は冷却装置１の固定部材５を介して固定されている。これは冷却装置１の中空体１０の凹面状に湾曲した第２の表面１０２が支持体４の平坦面４１のほうへ（つまり図２，図４の矢印Ｐのほうへ）弾性変形して圧着し、Ｏリング７がこれらの面どうしを封止することにより行われる。これにより冷却装置１の流体開口１１とこれに対向する支持体４の流路４０の流口４０１とが閉鎖される。Ｏリング７はこれらの面を包囲するので、周囲に対して水密な密封が達成される。

Ｏリング７は例えば支持体４の平坦面４１の切欠内に配置されるので、システム１”または１’”を組み立てる際にも横方向にずれない。もちろんこの手段に加えてまたはこの手段に代えて、こうした切欠を中空体１０の第２の表面１０２に設けてもよい。

中空体１０の２つのねじ孔１２およびボルト１３から成る固定部材５により、システムの組み立ては次のように行われる。例えば冷却装置１またはモジュール１’および支持体４を用意した後、まず中空体１０の第２の表面１０２と支持体４の平坦面４１とを向き合わせ、そのあいだの適切な位置にＯリング７を嵌め、中空体１０のねじ孔１２のねじ入口１２０に対向する支持体４の貫通孔１３４を通してボルト１３を差し入れてねじ孔１２へねじ込む。次に支持体４の平坦面４１とは反対側の面４２において、支持体４から突出しているボルト１３に対してナット１３’を嵌めて固定する。これにより中空体１０の第２の表面１０２に応力がかかり、Ｏリングによって封止された中空体１０と支持体４とが固定に接合される。また支持体４とナット１３’とのあいだにボルト１３に対するシムリングを使用してもよい。

支持体４を貫通する貫通孔１３４は内溝を有するねじ孔であり、これを通してボルト１３が中空体１０のねじ孔１２へねじ込まれる。

図７にはモジュール１’および支持体４から成るシステム１’”が示されている。冷却装置１および支持体４から成るシステム１”はここから得られるが、図では電気部品２０，２０’およびバスバー２１は示されていない。

支持体４は有利には電気式トランスミッション４’の一部、特に有利には車両用の電気式トランスミッション４’の一部であり、この部分に必要な電力半導体素子への電力供給部を冷却するために用いられる。

冷却装置１およびモジュール１’はきわめて平坦な形状であるため、狭い空間内へ組み込むのに特に都合がよい。

本発明の適用される電力半導体素子の斜視図である。 図１の素子をＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図である。 ａは図１の素子をＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した断面図であり、ｂは中空体の凹面状に湾曲した第２の表面の下方部分の断面図である。 図１の素子をＩＶ−ＩＶ線で切断した断面図である。 熱伝導性かつ絶縁性の材料から成る分割された層の上方部分を示す断面図である。 図３ａの丸い囲み部分Ｂの拡大図である。 冷却装置またはモジュールおよび支持体から成るシステムの断面図である。

Claims (24)

1. １つまたは複数の電気部品、例えば電力半導体素子（２０，２０’）を冷却するための冷却装置（１）であって、
   熱伝導性の材料から成るほぼ平坦なプレート状の中空体（１０）を有しており、該中空体の相互に懸隔された２つの表面（１０１，１０２）のあいだを冷却流体（３）が通流し、
   中空体の第１の表面（１０１）に冷却すべき電気部品が固定され、該電気部品は中空体の熱伝導性および絶縁性の材料によって流体から電気的に絶縁されており、
   中空体の第２の表面（１０２）には冷却流体を中空体へ導入しまた中空体から導出するために相互に懸隔された少なくとも２つの流体開口（１１）が設けられており、
   中空体はその第２の表面（１０２）と支持体（４）の平坦面（４１）とが向き合うように該平坦面（４１）に固定される
   冷却装置において、
   中空体（１０）の第２の表面（１０２）は凹面状に湾曲されておりかつ弾性変形可能であり、
   中空体（１０）を支持体（４）の平坦面（４１）に固定するための固定部材（５）が設けられており、該固定部材により凹面状に湾曲された中空体（１０）の第２の表面（１０２）と支持体（４）の平坦面（４１）とが弾性変形によって互いに圧着される
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記固定部材（５）は中空体（１０）の２つの流体開口（１１）のあいだに構成された２つのねじ孔（１２）を有しており、該ねじ孔は冷却流体（３）が中空体（１０）から漏れ出さないようそれぞれ水密に密封されており、凹面状に湾曲された第２の表面（１０２）にねじ入口（１２０）が設けられており、該ねじ入口を通して支持体（４）から突出しているボルト（１３）がねじ孔（１２）へねじ込まれ、冷却装置（１）と支持体（４）とが固定される、請求項１記載の装置。
3. １つまたは複数の電気部品、例えば電力半導体素子（２０，２０’）を冷却するための冷却装置（１）であって、
   熱伝導性の材料から成るほぼ平坦なプレート状の中空体（１０）を有しており、該中空体の相互に懸隔された２つの表面（１０１，１０２）のあいだを冷却流体（３）が通流し、
   中空体の第１の表面（１０１）に冷却すべき電気部品が固定され、該電気部品は中空体の熱伝導性および絶縁性の材料によって流体から電気的に絶縁されており、
   中空体の第２の表面（１０２）には冷却流体を中空体へ導入しまた中空体から導出するために相互に懸隔された少なくとも２つの流体開口（１１）が設けられており、
   中空体はその第２の表面（１０２）と支持体（４）の平坦面（４１）とが向き合うように該平坦面（４１）に固定される
   冷却装置において、
   中空体（１０）の流体開口（１１）のあいだに冷却流体案内部材（６）が構成されており、該冷却流体案内部材は第１の流体開口から中空体（１０）内へ導入される冷却流体（３）を流体開口間の中心（１１０）を横方向に通過させて第２の流体開口へ案内する
   ことを特徴とする冷却装置。
4. 前記冷却流体案内部材（６）は中空体（１０）の中心付近に熱伝導性材料から成る中実のウェブ（６０）を有しており、該ウェブは中空体（１０）の２つの表面（１０１，１０２）を相互に接続させており、かつ冷却流体にとって不透過であり、かつ２つの流体開口（１１）の接続線（１１１）に沿って延在しており、これにより第１の流体開口から中空体（１０）へ導入された冷却流体（３）が第２の流体開口へ流れる、請求項３記載の装置。
5. 前記ウェブ（６０）は流体開口に対向しかつ丸み部（６１０）を有する端部（６１）を有している、請求項４記載の装置。
6. 中空体（１０）のねじ孔（１２）が前記ウェブ（６０）内に設けられている、請求項４または５記載の装置。
7. 中空体（１０）内に冷却流体（３）を通流させるための熱伝導性材料から成る構造体（１７）が構成されており、該構造体は冷却流体に対して大きな接触面積を提供し、中空体（１０）の表面（１０１，１０２）との熱伝導性の接触を形成する、請求項１から６までのいずれか１項記載の装置。
8. 前記構造体（１７）は熱伝導性材料によって包囲された熱伝導性の複数の中空室（１７１）を有しており、該中空室はそれぞれ相互に接続している、請求項７記載の装置。
9. 前記構造体（１７）は熱伝導性材料によって包囲された熱伝導性の複数の流路（１７２）を有しており、該流路は前記２つの流体開口（１１）を接続している、請求項７または８記載の装置。
10. 熱伝導性材料から成る前記構造体（１７）は流体開口の縁（１１２）に達している、請求項７から９までのいずれか１項記載の装置。
11. 前記中空体（１０）は導電性材料を有しており、冷却装置（１）に固定される１つまたは複数の電気部品（２０，２０’）は熱伝導性および絶縁性の材料から成る層（１８）を介して中空体内を流れる冷却流体（３）から電気的に絶縁されており、前記層は中空室（１０）の第１の表面（１０１）に対して平行であり、かつ中空体（１０）に固定に接合されている、請求項１から１０までのいずれか１項記載の装置。
12. 熱伝導性および絶縁性の材料から成る前記層（１８）は相互に分離したセクション（１８’）へ分割されている、請求項１１記載の装置。
13. 熱伝導性および絶縁性の材料から成る前記層（１８）はセラミック材料を有する、請求項１１または１２記載の装置。
14. 中空体（１０）の導電性材料は銅を有する、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
15. 前記中空体（１０）に固定に接合された、熱伝導性および絶縁性の材料から成る前記層（１８）は、中空体（１０）よりも小さな熱膨張係数（α１）を有する、請求項１１から１４までのいずれか１項記載の装置。
16. 請求項１から１５までのいずれか１項記載の冷却装置（１）と、該冷却装置の中空体（１０）の第１の表面（１０１）に固定されている１つまたは複数の電気部品（２０，２０’）とを有する
    ことを特徴とするモジュール（１’）。
17. 請求項３から６までのいずれか１項記載の冷却装置（１）と、該冷却装置の中空体（１０）の第１の表面（１０１）に固定されている１つまたは複数の電気部品（２０，２０’）とを有しており、
    該電気部品は、中空体の第１の表面（１０１）上、流体を第１の流体開口から中空体（１０）の中心を通過して第２の流体開口へ流す冷却流体案内部材（６）の側方に配置されている
    ことを特徴とするモジュール（１’）。
18. 動作時にそれぞれ異なる熱量を形成する電気部品（２０，２０’）が、中空体（１０）の第１の流体開口から中心を通って第２の流体開口へいたる流れ方向（３０）に順に配置されており、小さい熱量が形成される部分に続いて大きい熱量が形成される第２の部分が置かれる、請求項１７記載のモジュール。
19. 動作時にそれぞれ異なる熱量を形成する電気部品（２０，２０’）が、中空体（１０）の第１の流体開口から中心を通って第２の流体開口へいたる流れ方向（３０）に順に配置されており、大きい熱量が形成される第１の部分に続いて小さい熱量が形成される第２の部分が置かれる、請求項１８記載のモジュール。
20. 少なくとも１つの電気部品（２０，２０’）は電力半導体素子である、請求項１６から１９までのいずれか１項記載のモジュール。
21. 請求項１から１５までのいずれか１項記載の冷却装置（１）および支持体（４）から成る冷却システム（１”）において、
    支持体（４）は平坦面（４１）を有しており、該平坦面に冷却流体流路（４０）からの導入および流路への導出のための流口（４０１）が設けられており、該流口はそれぞれ中空体（１０）の凹面状に湾曲した第２の表面（１０２）の流体開口（１１）に対応しており、
    支持体（４）の平坦面（４１）と中空体（１０）の凹面状に湾曲した第２の表面（１０２）とが向き合い、冷却装置の各流体開口がそれぞれ対応する支持体の流路の流口に対向するように配置されており、
    向き合う面（４１，１０２）のあいだに弾性材料から成るＯリング（７）が配置されており、該Ｏリングは冷却装置の流体開口とこれに対応する支持体の流路の流口とが閉鎖されるように包囲し、
    冷却装置（１）および支持体（４）は、冷却装置の固定部材（５）を介して、凹面状に湾曲した中空体の第２の表面と支持体の平坦面とが弾性変形によって互いに圧着するように固定され、さらにＯリングが当該の中空体の第２の表面と支持体の平坦面とのあいだを封止し、これにより冷却装置の流体開口とこれに対応する支持体の流路の流口とがＯリングで閉鎖され、周囲に対して水密に密封される
    ことを特徴とする冷却装置および支持体から成る冷却システム。
22. 請求項１６から２０までのいずれか１項記載のモジュール（１’）および支持体（４）から成る冷却システム（’”）において、
    支持体（４）は平坦面（４１）を有しており、該平坦面に冷却流体流路（４０）からの導入および流路への導出のための流口（４０１）が設けられており、該流口はそれぞれ中空体（１０）の凹面状に湾曲した第２の表面（１０２）の流体開口（１１）に対応しており、
    支持体（４）の平坦面（４１）と中空体（１０）の凹面状に湾曲した第２の表面（１０２）とが向き合い、冷却装置の各流体開口がそれぞれ対応する支持体の流路の流口に対向するように配置されており、
    向き合う面（４１，１０２）のあいだに弾性材料から成るＯリング（７）が配置されており、該Ｏリングは冷却装置の流体開口とこれに対応する支持体の流路の流口とが閉鎖されるように包囲し、
    冷却装置（１）および支持体（４）は、冷却装置の固定部材（５）を介して、凹面状に湾曲した中空体の第２の表面と支持体の平坦面とが弾性変形によって互いに圧着するように固定され、さらにＯリングが当該の中空体の第２の表面と支持体の平坦面とのあいだを封止し、これにより冷却装置の流体開口とこれに対応する支持体の流路の流口とがＯリングで閉鎖され、周囲に対して水密に密封される
    ことを特徴とするモジュールおよび支持体から成る冷却システム。
23. 前記支持体（４）は電気式トランスミッション（４’）の一部である、請求項２２記載のシステム。
24. 前記支持体（４）は車両用の電気式トランスミッション（４’）の一部である、請求項２３記載のシステム。

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