JP2006093293A

JP2006093293A - 冷却器

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Publication number: JP2006093293A
Application number: JP2004275114A
Authority: JP
Inventors: Motohiro Shirai; 基紘白井; Masaaki Ozaki; 正明尾崎
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-04-06
Anticipated expiration: 2024-09-22
Also published as: JP4265510B2

Abstract

【課題】発熱量が異なる半導体モジュールの温度のバラツキを少なくして、半導体モジュールやチューブの耐久性を向上させる。
【解決手段】複数のチューブ１が所定間隔を隔てて積層され、隣接するチューブ１間に保持された複数の電子部品５を冷却する冷却器において、チューブ１内を流れる冷媒の流量をチューブ１によって異ならせることによりチューブ１の冷却能力を異ならせ、冷却能力が高いチューブ１間に発熱量が高い電子部品５を保持し、冷却能力が低いチューブ１間に発熱量が低い電子部品５を保持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱する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。両面冷却型半導体装置として特許文献１で提案された装置は、冷却水の通路を有する扁平の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ている。
特開２００２−２６２１５号公報

ところで、発熱体である半導体モジュールは、素子の役割によって発熱量が異なる。例えば、ハイブリッド電気自動車用インバータの半導体モジュールにおいては、昇圧用素子を有する半導体モジュールは、制御用素子を有する半導体モジュールと比較して発熱量が大きい。

しかしながら、発熱量が異なる半導体モジュールを冷却する場合、発熱量が大きい半導体モジュールの温度は、発熱量が小さい半導体モジュールの温度よりも高くなってしまう。そのため、発熱量が大きい半導体モジュールの耐久性が低下してしまうという問題があった。

また、発熱量が大きい半導体モジュールに接しているチューブと発熱量が小さい半導体モジュールに接しているチューブとの温度差により、チューブには熱応力が発生し、その熱応力によりチューブの腐食や破壊が早められるという問題があった。

本発明は上記点に鑑みて、発熱量が異なる半導体モジュールの温度のバラツキを少なくして、半導体モジュールやチューブの耐久性を向上させ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、冷媒が流れる冷媒通路（１１、１２）を有する複数のチューブ（１）が所定間隔を隔てて積層され、隣接するチューブ（１）間に保持された複数の電子部品（５）を冷却する冷却器において、複数のチューブ（１）は冷却能力が異なり、複数の電子部品（５）は発熱量が異なり、冷却能力が高いチューブ（１）間に発熱量が高い電子部品（５）が保持されるとともに、冷却能力が低いチューブ（１）間に発熱量が低い電子部品（５）が保持されることを特徴とする。

これによると、発熱量が異なる半導体モジュールの温度のバラツキが少なくなるため、半導体モジュールやチューブの耐久性を向上させることができる。

請求項２に記載の発明のように、請求項１に記載の冷却器において、チューブ（１）内を流れる冷媒の流量をチューブ（１）によって異ならせることにより、チューブの冷却能力を異ならせることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の冷却器において、複数のチューブ（１）と連通して複数のチューブ（１）に冷媒を分配する入口ヘッダ部（７）と、入口ヘッダ部（７）内の通路を絞る絞り手段（７１）とを備えることを特徴とする。

これによると、入口ヘッダ部における絞り手段よりも上流側の部位と連通するチューブには冷媒が多量流れ、入口ヘッダ部における絞り手段よりも下流側の部位と連通するチューブには冷媒が少量流れるため、チューブの冷却能力を異ならせることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項２または３に記載の冷却器において、複数のチューブ（１）と連通して複数のチューブ（１）からの冷媒を回収する出口ヘッダ部（８）と、出口ヘッダ部（８）内の通路を絞る絞り手段（８１）とを備えることを特徴とする。

これによると、出口ヘッダ部における絞り手段よりも下流側の部位と連通するチューブには冷媒が多量流れ、出口ヘッダ部における絞り手段よりも上流側の部位と連通するチューブには冷媒が少量流れるため、チューブの冷却能力を異ならせることができる。

請求項５に記載の発明では、請求項２に記載の冷却器において、隣接するチューブ（１）における冷媒の入口側を連結する筒状の連結部材（２）を備え、チューブ（１）には、連結部材（２）の筒部（２２）が挿入される挿入穴（１３１）が形成され、筒部（２２）は、挿入穴（１３１）から冷媒通路（１１、１２）内に突出しており、筒部（２２）の突出長さ（Ｌ）がチューブ（１）によって異なることを特徴とする。

これによると、連結部材からチューブ内の冷媒通路に冷媒が分配される部分の通路断面積が筒部の突出長さに応じて異なって、チューブ内を流れる冷媒の流量がチューブによって異なるため、チューブの冷却能力を異ならせることができる。

請求項６に記載の発明のように、請求項１に記載の冷却器において、チューブ（１）内に熱交換を促進するフィン（１５）を備え、フィン（１５）の熱交換促進性能をチューブ（１）によって異ならせることにより、チューブの冷却能力を異ならせることができる。

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Ａ−Ａ線に沿う要部の断面図、図３は図１のＢ部の正面断面図である。

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３に示すように、冷却器は、冷媒が流れる冷媒通路１１、１２が内部に形成されるとともに、冷媒通路１１、１２内での冷媒の流れ向きＸ（以下、流れ向き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積層された多数のチューブ１と、隣接するチューブ１間に配置されて隣接するチューブ１同士を連結するベローズ２と、積層方向Ｙの一端側に位置するチューブ１にろう付け接合されて、冷媒が流入する入口パイプ３と、積層方向Ｙの一端側に位置するチューブ１にろう付け接合されて、冷媒が流出する出口パイプ４とを備えている。冷媒としては、本実施形態では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。なお、ベローズ２は本発明の連結部材に相当する。

積層方向Ｙ両端に位置するチューブ１と、他のチューブ１は、具体的構成が異なっている。すなわち、積層方向Ｙ両端のチューブ１を除いたチューブ１は、２枚の外部プレート１３を最中状に合わせて内部に空間が形成されており、扁平形状になっている。その空間は、２枚の外部プレート１３間に狭持された平板状の１枚の内部プレート１４によって、積層方向Ｙに並ぶ第１冷媒通路１１と第２冷媒通路１２とに分割されている。各冷媒通路１１、１２には、熱交換を促進する波板状のフィン１５が配置されている。

一方、積層方向Ｙ両端のチューブ１は、外部プレート１３と同形状のプレートと、内部プレート１４と同形状のプレートとを合わせて、内部に１つの冷媒通路が形成されており、扁平形状になっている。その冷媒通路には、熱交換を促進する波板状のフィンが配置されている。

各プレート１３、１４およびフィン１５は、アルミニウム製の薄板をプレス成形したものであり、孔食防止の観点から、内側が犠牲陽極材付きのブレージングシート材を使用するのが望ましい。

外部プレート１３には、冷媒通路１１、１２内での冷媒の流れ方向の両端側に、ベローズ２の筒部（詳細後述）が挿入される円形の挿入穴１３１が形成されている。内部プレート１４には、挿入穴１３１に対向する位置に、第１冷媒通路１１と第２冷媒通路１２とを連通させる連通穴１４１が形成されている。

ベローズ２は、蛇腹状の管であり、積層方向Ｙに容易に伸縮可能な蛇腹部２１と、蛇腹部２１の両端に設けられた円筒状の筒部２２と、筒部２２の外周部に設けられた鍔部２３とを有する。ベローズ２は、アルミニウムよりなり、隣接する２つのチューブ１の挿入穴１３１に筒部２２を挿入して接合されている。

入口パイプ３および出口パイプ４は、アルミニウムよりなり、積層方向Ｙの一端側に位置するチューブ１の挿入穴１３１に挿入されてチューブ１にろう付け接合されている。入口パイプ３および出口パイプ４は、冷媒を循環させる図示しないポンプ、および冷媒を冷却する図示しない熱交換器に接続されている。

発熱体となる両面冷却型の半導体モジュール５は、本発明の電子部品に相当するものであり、ＩＧＢＴ素子５１と、銅板５２と、放熱板５３が、モールド樹脂５４にて一体化されている。そして、半導体モジュール５は隣接する２つのチューブ１間に配置され、半導体モジュール５は、絶縁材６（主にセラミック板）や熱伝導グリスを介してチューブ１に接触するようになっている。なお、半導体モジュール５は、チューブ１に直接接触させた状態で配設してもよい。また、図示しない板ばねによって、積層されたチューブ１を積層方向Ｙ両端から挟圧することにより、チューブ１間に半導体モジュール５が保持される。

上記構成において、入口パイプ３から流入した冷媒は、ベローズ２内を通って各チューブ１の冷媒通路１１、１２の一端側に流入し、冷媒通路１１、１２内を流れ向きＸに沿って流れ、冷媒通路１１、１２の他端側からベローズ２内を通って出口パイプ４に至る。このとき、冷媒通路１１、１２内を流れる冷媒と半導体モジュール５との間で熱交換が行われ、半導体モジュール５が冷却される。

ここで、積層方向Ｙに並んだ多数の半導体モジュール５のうち、最も入口パイプ３側に位置する半導体モジュール５を１列目半導体モジュール５−１とし、以下、入口パイプ３から遠ざかる向きに向かって２列目半導体モジュール５−２、…、ｎ列目半導体モジュール５−ｎとする。また、１列目半導体モジュール５−１の両側に位置する２つの冷媒通路を１列目冷媒通路群Ｗ１とし、ｎ列目半導体モジュール５−ｎの両側に位置する２つの冷媒通路をｎ列目冷媒通路群Ｗｎとする。

図４は、本実施形態の冷却器の流量分配特性、すなわち、冷媒通路群Ｗ１〜Ｗ１１毎の冷媒流量を示したものである。因みに、冷却器全体での流量は、１２Ｌ／ｍｉｎである。

図４から明らかなように、入口パイプ３に近い側の冷媒通路群ほど冷媒流量が多く、入口パイプ３から遠い側の冷媒通路群ほど冷媒流量が少なくなっている。したがって、入口パイプ３に近い側のチューブ１ほど冷却能力が高く、入口パイプ３から遠い側のチューブ１ほど冷却能力が低くなっている。

そして、本実施形態では、半導体モジュール５のうち発熱量が大きい昇圧用素子を有する半導体モジュールを、冷却能力が高いチューブ１間に配置し、半導体モジュール５のうち発熱量が小さいモータ制御用素子を有する半導体モジュールを、冷却能力が低いチューブ１間に配置している。したがって、発熱量が異なる半導体モジュール５の温度のバラツキが少なくなる。

このように、発熱量が異なる半導体モジュール５の温度のバラツキが少なくなることにより、半導体モジュール５やチューブ１の耐久性を向上させることができる。

具体的には、発熱量が大きい半導体モジュールの温度を従来よりも低下させることができるため、発熱量が大きい半導体モジュールの耐久性を向上させることができる。

また、半導体モジュール５の温度のバラツキが大きい場合、温度が高い半導体モジュール５においては、温度が低い半導体モジュール５よりも放熱板５３の熱膨張が相対的に大きくなるため、温度が高い半導体モジュール５のＩＧＢＴ素子５１に大きな圧縮荷重が作用するのに対し、本実施形態では、半導体モジュール５の放熱板５３の表面温度も同様に均一化することで、ＩＧＢＴ素子５１に大きな圧縮荷重が作用するのが防止され、半導体モジュール５の信頼性（寿命）も向上する。

さらに、発熱量と冷却性能の比が各チューブ１において等価になるため、冷却器全体の熱ひずみが減少するとともに、熱応力によるチューブ１の腐食や破壊が抑制される。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。図５は第２実施形態に係る冷却器の正面図である。なお、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。

図５に示すように、本実施形態は、全てのチューブ１と連通して全てのチューブ１に冷媒を分配供給する入口ヘッダ部７と、全てのチューブ１と連通して全てのチューブ１からの冷媒を集合回収する出口ヘッダ部８とを有する。

そして、入口ヘッダ部７には、入口ヘッダ部７内の通路を絞る入口側絞り７１が一体に形成されている。また、出口ヘッダ部８には、出口ヘッダ部８内の通路を絞る出口側絞り８１が一体に形成されている。なお、入口側絞り７１および出口側絞り８１は、本発明の絞り手段に相当する。

これによると、入口ヘッダ部７における入口側絞り７１よりも上流側の部位７ａと入口側絞り７１よりも下流側の部位７ｂとの圧力差が大きくなり、また、出口ヘッダ部８における出口側絞り８１よりも上流側の部位８ａと出口側絞り８１よりも下流側の部位８ｂとの圧力差が大きくなる。

したがって、入口側絞り７１よりも上流側の部位７ａと出口側絞り８１よりも下流側の部位８ｂとの圧力差が極めて大きくなって、これらの部位７ａ、８ｂと連通するチューブ１には冷媒が多量流れ、一方、入口側絞り７１よりも下流側の部位７ｂと出口側絞り８１よりも上流側の部位８ａとの圧力差が極めて小さくなって、これらの部位７ｂ、８ａと連通するチューブ１には冷媒が少量流れるため、チューブ１の冷却能力を大きく異ならせることができる。

そして、第１実施形態と同様に、半導体モジュール５のうち発熱量が大きい半導体モジュールを冷却能力が高いチューブ１間に配置し、半導体モジュール５のうち発熱量が小さい半導体モジュールを冷却能力が低いチューブ１間に配置している。したがって、発熱量が異なる半導体モジュール５の温度のバラツキが少なくなり、半導体モジュール５やチューブ１の耐久性を向上させることができる。

なお、本実施形態では、絞り７１、８１を入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８に一体に形成したが、入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８とは別体に形成した板状のセパレータを入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８に接合し、そのセパレータにより入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８内の通路を絞るようにしてもよい。なお、そのセパレータは、本発明の絞り手段に相当する。

また、絞り７１、８１やセパレータは、入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８の一方のみに設けてもよい。

さらに、内部プレート１４の連通穴１４１の穴径を小さくすることによって、絞り７１、８１やセパレータと同様の役割を持たせることもできる。

さらにまた、入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８の径（通路面積）を小さくして、入口ヘッダ部７および出口ヘッダ部８内での圧損をより大きくすることにより、入口パイプ３に近い側の冷媒通路群と入口パイプ３から遠い側の冷媒通路群との流量差を大きくすることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。図６は第３実施形態に係る冷却器における要部の正面断面図である。なお、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。

図６に示すように、本実施形態は、筒部２２の第１冷媒通路１１への突出長さＬをチューブ１によって異ならせることによって、チューブ１の入口断面積、すなわち、ベローズ２から各冷媒通路１１、１２に冷媒が分配される部分の通路断面積を変えるようにしている。これにより、チューブ１内を流れる冷媒の流量がチューブ１によって異なるため、チューブ１の冷却能力を異ならせることができる。

（他の実施形態）
上記各実施形態では、チューブ１内を流れる冷媒の流量をチューブ１によって異ならせることにより、チューブ１の冷却能力を異ならせるようにしたが、一部のチューブ１にのみ熱交換促進性能が高い高性能なフィン１５を配置し、他のチューブ１には熱交換促進性能が低いフィン１５を配置することにより、チューブ１の冷却能力を異ならせるようにしてもよい。因みに、上記の高性能なフィンは、微細な流路、伝熱面積の拡大、オフセットフィンにすることで実現可能である。

上記各実施形態では、冷媒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、冷媒としては、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５ではなく、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴなどの電子部品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Ａ−Ａ線に沿う要部の断面図である。図１のＢ部の正面断面図である。本実施形態の冷却器の流量分配特性を示す図である。本発明の第２実施形態に係る冷却器の正面図である。本発明の第３実施形態に係る冷却器における要部の正面断面図である。

符号の説明

１…チューブ、５…半導体モジュール（電子部品）、１１、１２…冷媒通路。

Claims

冷媒が流れる冷媒通路（１１、１２）を有する複数のチューブ（１）が所定間隔を隔てて積層され、隣接する前記チューブ（１）間に保持された複数の電子部品（５）を冷却する冷却器において、
前記複数のチューブ（１）は冷却能力が異なり、前記複数の電子部品（５）は発熱量が異なり、
冷却能力が高い前記チューブ（１）間に発熱量が高い前記電子部品（５）が保持されるとともに、冷却能力が低い前記チューブ（１）間に発熱量が低い前記電子部品（５）が保持されることを特徴とする冷却器。
前記チューブ（１）内を流れる冷媒の流量がチューブ（１）によって異なることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
前記複数のチューブ（１）と連通して前記複数のチューブ（１）に冷媒を分配する入口ヘッダ部（７）と、前記入口ヘッダ部（７）内の通路を絞る絞り手段（７１）とを備えることを特徴とする請求項２に記載の冷却器。
前記複数のチューブ（１）と連通して前記複数のチューブ（１）からの冷媒を回収する出口ヘッダ部（８）と、前記出口ヘッダ部（８）内の通路を絞る絞り手段（８１）とを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の冷却器。
隣接する前記チューブ（１）における冷媒の入口側を連結する筒状の連結部材（２）を備え、
前記チューブ（１）には、前記連結部材（２）の筒部（２２）が挿入される挿入穴（１３１）が形成され、
前記筒部（２２）は、前記挿入穴（１３１）から前記冷媒通路（１１、１２）内に突出しており、
前記筒部（２２）の突出長さ（Ｌ）がチューブ（１）によって異なることを特徴とする請求項２に記載の冷却器。
前記チューブ（１）内に熱交換を促進するフィン（１５）を備え、前記フィン（１５）の熱交換促進性能がチューブ（１）によって異なることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。