JP2006019477A - インテリジェント・パワー・モジュールの冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 加工コストを増加させることなく放熱性を確保可能なＩＰＭの冷却構造を提供する。
【解決手段】 ケース１０表面にＩＰＭ１（インテリジェント・パワー・モジュール）を取付ける取付部１２を備え且つケース１０内部に冷却媒体を循環させる冷媒通路１１を備える冷却部２のケース１０を貫通してＩＰＭ１を取付ける取付部１２に開口し且つ冷媒通路１１に連通するシリンダ３を設け、このシリンダ３内に液密状態で摺動可能に高い熱伝導性材製の冷却ベース４を挿入し、冷却部２の取付部１２に固定したＩＰＭ１の放熱板５にシリンダ３内の冷却ベース４の外側面４Ａを密着させた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＩＧＢＴやダイオード等の電力変換を行うパワー素子によりインバータ回路を構成するパワー素子部と、インバータ回路を制御駆動するドライブ回路、保護回路、およびこれらを統括制御する制御回路と、を一つのパッケージに内蔵したインテリジェント・パワー・モジュール（以下、ＩＰＭという）の冷却構造に関するものである。

従来からＩＰＭを冷却するため、ＩＰＭの放熱板を冷却部に密着させる冷却方法が知られている（特許文献１参照）。

これは、ＩＰＭの放熱板を、例えば、放熱フィン、放熱板、または内部に冷却水を巡回させた冷却器等から構成した冷却部に密着させ、この密着部を経由させてＩＰＭのパワー素子部から冷却部へ放熱するようにしている。
特開平８−５１７４３号公報

しかしながら、上記従来例では、ＩＰＭの放熱板と冷却部側ＩＰＭ取付部とを隙間なく密着させるために、冷却部側ＩＰＭ取付部を広範囲に平面加工する必要があり、この平面加工には高い平面精度および面粗度が要求され、加工コストを増加させる不具合があった。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、加工コストを増加させることなく放熱性を確保可能なＩＰＭの冷却構造を提供することを目的とする。

本発明は、ケース表面にＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）を取付ける取付部を備え且つケース内部に冷却媒体を循環させる冷媒通路を備える冷却部と、前記冷却部のケースを貫通してＩＰＭを取付ける取付部に開口し且つ冷媒通路に連通するシリンダと、前記シリンダ内に液密状態で摺動可能に挿入された高い熱伝導性材製の冷却ベースと、を備え、前記冷却部の取付部に固定したＩＰＭの放熱板に前記シリンダ内の冷却ベースの外側面を密着させ、冷却ベースを介してＩＰＭの放熱板と冷却媒体との間で熱交換を行わせるようにした。

したがって、本発明では、ケース表面にＩＰＭ（インテリジェント・パワー・モジュール）を取付ける取付部を備え且つケース内部に冷却媒体を循環させる冷媒通路を備える冷却部のケースを貫通してＩＰＭを取付ける取付部に開口し且つ冷媒通路に連通するシリンダを設け、このシリンダ内に液密状態で摺動可能に高い熱伝導性材製の冷却ベースを挿入し、冷却部の取付部に固定したＩＰＭの放熱板にシリンダ内の冷却ベースの外側面を密着させるため、ＩＰＭの放熱板は密着した冷却ベースを介して冷却媒体へ効果的に放熱させることができる。

しかも、冷却ベースの外側面の平面加工は、その平面精度および面粗度を良好に仕上げする必要があるが、冷却部の表面加工に比較して小型の冷却ベース単独での平面加工であり、容易に且つ安価に加工することができ、ＩＰＭ放熱板への密着性を高めることができ、また、冷却ベースはシリンダ内で摺動自在に可動できるものであるため、ＩＰＭ放熱板に対して外側面を倣わせてより一層密着させることができ、密着により放熱効果を向上させることができる。

以下、本発明のＩＰＭの冷却構造を一実施形態に基づいて説明する。

図１〜図３は、本発明を適用したＩＰＭの冷却構造の第１実施形態を示し、図１は第１実施例のＩＰＭの冷却構造の断面図、図２は第２実施例のＩＰＭの冷却構造の断面図、図３は第３実施例のＩＰＭの冷却構造の断面図である。

図１において、第１実施例のＩＰＭの冷却構造は、ケース１０の内部に冷却媒体を循環させる冷媒通路１１を備える冷却部２と、ＩＰＭ１を取付ける取付部１２において冷却部２のケース１０を貫通させて冷媒通路１１を開口させるシリンダ３と、シリンダ３内に摺動可能に挿入された冷却ベース４と、を備える。

前記冷却部２は、ケース１０内に冷却媒体を循環させる冷媒通路１１を備え、少なくとも一方のケース１０表面をＩＰＭ１を取付ける取付部１２に構成して、ＩＰＭ１の金属等からなる放熱板５の少なくとも周縁部分を前記取付部１２に接触させた状態でねじ１３により固定可能としている。前記ＩＰＭ１の放熱板５に接触する取付部１２の一部には、取付部１２から取付面に直交して冷媒通路１１に連通するようケース１０を貫通させて設けたシリンダ３を備える。シリンダ３の開口形状としては、例えば、円形、三角形、四角形、多角形若しくは楕円等の任意の形状とすることができる。また、シリンダ３を開口させる位置および大きさは、対象とするＩＰＭ１の主な発熱部分であるパワー素子、例えば、ＩＧＢＴおよびフリーホイールダイオードが配列されている領域をカバーする範囲とする。すなわち、対象とするＩＰＭ１に応じて、シリンダ３を開口させる位置および大きさが設定される。

前記シリンダ３には、熱伝導性の優れた材料より形成した冷却ベース４がシリンダ３の軸方向に摺動可能に挿入されている。冷却ベース４の周縁とシリンダ３の内壁との間には、微小な隙間を備え、冷却ベース４の周縁に設けた周溝にシールリング１４の内周部を保持させ、シールリング１４の外周部をシリンダ３内壁に摺接させて、シリンダ３内壁と冷却ベース４との間の隙間から冷媒通路１１の冷却媒体が外部に洩れ出すの防止するようにしている。そして、前記冷却ベース４は冷媒通路１１を流通する冷却媒体の圧力を受けてケース１０外方に付勢され、シリンダ３内壁をシールリング１４を介して摺動移動して、その外側面４ＡをＩＰＭ１の放熱板５に密着させるようにしている。

この場合においては、両者の密着時に、冷却ベース４の外側面４ＡとＩＰＭ１の放熱板５の面とが平行な状態となっていなくとも、冷却ベース４は前記内圧により、シールリング１４のシリンダ３への接触位置を部分的に変化させて姿勢変化されて、外側面４Ａを放熱板５の面に密着させる密着状態となる。なお、冷却ベース４の外側面４Ａの平面精度および面粗度は、予め平面加工により良好に仕上げする必要があるが、冷却ベース４単独での平面加工であり、容易に且つ安価に加工することができる。また、シールリング１４は、図示例のように、一本であってもよいが、二本以上のシールリングを多重に配置するものであってもよく、この場合には、冷却媒体の洩れを確実に抑制可能とできる。

前記冷却ベース４の冷媒通路１１の冷却媒体と接する内側面４Ｂには、複数のフィン６を一体に備えている。複数のフィン６は、冷却媒体との接触面積を増加させて、冷却ベース４と冷却媒体との間の熱交換を促進させる。この場合において、フィン６を配列する方向は、フィン６の長手方向に冷却媒体が流れるように、予めフィン６の配列方向を設定して冷却ベース４に配列するようにする。このようにすることで、フィン６は冷却媒体の流れに対して抵抗とならず、冷却媒体の流速を増加できるため、フィン６に接触する冷却媒体量を増加でき、フィン６と冷却媒体との間での熱交換量を増加できる。

前記冷却ベース４の周縁形状が円形である場合には、冷却ベース４が回転することによりフィン６の配列方向が変化することのないように、冷却ベース４に回り止めを施す必要があり、この回り止めはシリンダ３と冷却ベース４周縁部との間で行うことも可能であるが、フィン６を冷媒通路１１若しくは冷媒通路１１中に設けた突起、例えば、図示しないが、冷却媒体の流れ方向に沿って薄い突起を冷媒通路１１中に固定して配置し、この突起にフィン６の一部を係合させることにより回り止めとしてもよい。勿論、冷却ベース４が三角形〜多角形である場合や楕円形である場合には、上記のような回り止め手段を設けることなく冷却ベース４を回り止めすることができる。なお、図示しないが、冷却ベース４の冷却媒体と接する内側面４Ｂと冷却媒体との熱交換を促進する手段として、フィン６を配置することに代えて、複数の冷却溝を設けるようにしてもよい。その場合においても、冷却溝の方向は冷却媒体の流れ方向に一致させるようにする。

図２に示す第２実施例のＩＰＭの冷却構造においては、第１実施例のＩＰＭの冷却構造とほとんど同じ構成であるが、冷却ベース４をＩＰＭ１の放熱板５に付勢する手段として、冷却媒体の圧力に加えて、冷却ベース４と冷媒通路１１の壁面とに着座するばね７によっても冷却ベース４を放熱板５側に付勢するようにしたものである。このように、冷却ベース４を放熱板５側に付勢するばね７を付加することにより、冷却媒体の圧力が低い場合であっても、冷却ベース４と放熱板５との密着を良好とでき、放熱板５から冷却ベース４への放熱状態を良好とできる。図示例では、ばね７は冷却ベース４の内側面４Ｂに着座するものについて説明しているが、図示しないが、フィン６先端と冷媒通路１１の壁面との間で冷却ベース４を放熱板５側に付勢するものであれば、どのようなばねであってもよい。

図３に示す第３実施例においては、複数のＩＰＭを備える場合のＩＰＭの冷却構造を示し、冷媒通路１１を備える冷却部２を縦型に複数配列し、冷却部２同士の対向する取付面１２に放熱板５を夫々固定してＩＰＭ１を背中合わせに配置している。ＩＰＭ１の背中合わせに対向した部位に配置したボルト端子はＩＰＭの電力端子であり、複数の細い端子は信号端子である。

前記冷却部２の取付面１２から冷媒通路１１に向けて夫々シリンダ３が開口され、夫々のシリンダ３内に冷却ベース４をシールリング１４を介して摺動自在に収容している。冷却ベース４は夫々冷却媒体の圧力により互いに近寄る方向である外方へ付勢され、その外側面４ＡをＩＰＭ１の放熱板５に密着させている。冷却ベース４の冷却媒体と接する部分には冷却フィン６が配置され、冷却媒体との熱交換を促進するよう構成している。この例では、冷却フィン６が図の上下方向に沿って配列されているため、冷却媒体は図中上下方向に流通するよう構成している。なお、図示しないが、冷却フィン６を図の紙面に直交する方向に配列することもでき、その場合には、冷却媒体を図中の紙面に直交する方向に流すようにする。

この構成のＩＰＭの冷却構造においては、ＩＰＭ１を冷却部２の縦壁に固定しているため、複数のＩＰＭ１を少ないスペースに配置することができ、その集積度を向上させることができる。

本実施形態においては、以下に記載する効果を奏することができる。

（ア）ケース１０表面にＩＰＭ１（インテリジェント・パワー・モジュール）を取付ける取付部１２を備え且つケース１０内部に冷却媒体を循環させる冷媒通路１１を備える冷却部２のケース１０を貫通してＩＰＭ１を取付ける取付部１２に開口し且つ冷媒通路１１に連通するシリンダ３を設け、このシリンダ３内に液密状態で摺動可能に高い熱伝導性材製の冷却ベース４を挿入し、冷却部２の取付部１２に固定したＩＰＭ１の放熱板５にシリンダ３内の冷却ベース４の外側面４Ａを密着させるため、ＩＰＭ１の放熱板５は密着した冷却ベース４を介して冷却媒体へ効果的に放熱させることができる。

しかも、冷却ベース４の外側面４Ａの平面加工は、その平面精度および面粗度を良好に仕上げする必要があるが、冷却部２の表面加工に比較して小型の冷却ベース４単独での平面加工であり、容易に且つ安価に加工することができ、ＩＰＭ１の放熱板５への密着性を高めることができ、また、冷却ベース４はシリンダ３内で摺動自在に可動できるものであるため、ＩＰＭ１の放熱板５に対して外側面４Ａを倣わせてより一層密着させることができ、密着により放熱効果を向上させることができる。

（イ）冷却ベース４は、シリンダ３に対してシールリング１４を介して液密状態で摺動可能であるため、冷却媒体の洩れを抑制しつつ、外側面４ＡをＩＰＭ１の放熱板５に沿わせて密着させるよう冷却ベース４を傾けることが容易となり、ＩＰＭ１の放熱板５よりの熱を冷却媒体へより一層伝熱させて放熱させることができる。

（ウ）冷却ベース４は、冷却媒体と接する内側面４Ｂに複数の冷却フィン６若しくは複数の冷却溝を備え、これら複数の冷却フィン６若しくは複数の冷却溝を介して冷却媒体と接触するため、放熱面積を増大でき、ＩＰＭ１の冷却性能を向上させることができる。

（エ）複数の冷却フィン６若しくは複数の冷却溝を、冷却フィン６の長手方向若しくは冷却溝の長手方向に沿って冷媒通路１１の冷却媒体が流れるように配列させると、冷却媒体の流れを阻害することがなく、放熱フィン６若しくは放熱溝に接触する冷却媒体の流量を増加できて、冷却媒体への放熱量を増大できる。

（オ）冷却ベース４を、冷却媒体の圧力および／または冷媒通路１１に配置したばね７によりＩＰＭ１の放熱板５に密着するよう付勢することにより、ＩＰＭ１の放熱板５への密着性が向上でき、ＩＰＭ１の放熱板５よりの熱を冷却媒体へより一層伝熱させて放熱させることができる。

本発明の一実施形態を示す第１実施例のＩＰＭの冷却構造の断面図。 同じく第２実施例のＩＰＭの冷却構造の断面図。 同じく第３実施例のＩＰＭの冷却構造の断面図。

符号の説明

１ インテリジェント・パワー・モジュール、ＩＰＭ
２ 冷却部
３ シリンダ
４ 冷却ベース
４Ａ 外側面
４Ｂ 内側面
５ 放熱板
６ 冷却フィン
７ ばね
１０ ケース
１１ 冷媒通路
１２ 取付部
１４ シールリング

Claims (5)

1. ケース表面にインテリジェント・パワー・モジュールを取付ける取付部を備えると共にケース内部に冷却媒体を循環させる冷媒通路を備える冷却部と、
   前記冷却部のケースを貫通してインテリジェント・パワー・モジュールを取付ける取付部に開口させ且つ冷媒通路に連通するシリンダと、
   前記シリンダ内に液密状態で摺動可能に挿入された高い熱伝導性材製の冷却ベースと、を備え、
   前記冷却部の取付部に固定したインテリジェント・パワー・モジュールの放熱板に前記シリンダ内の冷却ベースの外側面を密着させ、冷却ベースを介してインテリジェント・パワー・モジュールの放熱板と冷却媒体との間で熱交換を行わせることを特徴とするインテリジェント・パワー・モジュールの冷却構造。
2. 前記冷却ベースは、シリンダに対してシールリングを介して液密状態で摺動可能であることを特徴とする請求項１に記載のインテリジェント・パワー・モジュールの冷却構造。
3. 前記冷却ベースは、冷却媒体と接する内側面に複数の冷却フィン若しくは複数の冷却溝を備え、これら複数の冷却フィン若しくは複数の冷却溝を介して冷却媒体と接触することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインテリジェント・パワー・モジュールの冷却構造。
4. 前記複数の冷却フィン若しくは複数の冷却溝は、冷却フィンの長手方向若しくは冷却溝の長手方向に沿って冷媒通路の冷却媒体が流れるように配列させていることを特徴とする請求項３に記載のインテリジェント・パワー・モジュールの冷却構造。
5. 前記冷却ベースは、冷却媒体の圧力および／または冷媒通路に配置したばねによりインテリジェント・パワー・モジュールの放熱板に密着するよう付勢されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載のインテリジェント・パワー・モジュールの冷却構造。

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