JP2006339271A - 電子部品冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能であると共に放熱効率に優れた電子部品冷却ユニットを提供すること。
【解決手段】複数の電子部品２と、該電子部品２を挟持するように並列配置されると共に冷却媒体ｆを流通させる冷媒流路を設けた複数の冷却チューブ３とを有する電子部品冷却ユニット１。隣り合う冷却チューブ３の間には、複数の上記電子部品２を並列配置している。該複数の電子部品２のうち少なくとも１つの上記電子部品２における一方又は双方の主面２０と、冷却チューブ３との間には、複数の電子部品２の厚み寸法差を調整するための寸法差調整部材４を介在させている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子等を内蔵する電子部品と、該電子部品を冷却するための複数の冷却チューブとを有する電子部品冷却ユニットに関する。

従来より、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するものとして用いられる。
一般に、電気自動車やハイブリッド自動車等では、交流モータから大きな駆動トルクを得る必要があるため、駆動電流として大電流が必要となる。
そして、そのため、その交流モータ向けの駆動電流を生成する上記電力変換装置においては、該電力変換装置を構成するＩＧＢＴ等の電力用半導体素子を含む半導体モジュールからの発熱が大きくなる傾向にある。

そこで、電力変換装置９を構成する複数の半導体モジュール９２を均一性高く冷却できるように、図１３に示すごとく、冷却媒体（冷媒）の供給及び排出を担う一対のヘッダの間に多数の冷却チューブ９３を配置し、該冷却チューブ９３の間に半導体モジュール９２を挟持した半導体冷却ユニット９１を構成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、上記従来の電力変換装置においては、次のような問題がある。
即ち、上記電力変換装置９は、隣り合う冷却チューブ９３の間には半導体モジュール９２が１個配設されているのみであり、多数の半導体モジュール９２を配設する場合には、電力変換装置９が積層方向に大型化すると共に、多数の冷却チューブ９３が必要となる。

そこで、隣り合う冷却チューブの間に複数の半導体モジュールを配設することが考えられる。ところが、半導体モジュールの厚みにバラツキがあると、複数の半導体モジュールを全て冷却チューブに密着させることが困難となる。それ故、冷却チューブに充分に密着しない半導体モジュールは、冷却効率が低下するおそれがある。尚、ここで密着とは、半導体モジュールと冷却チューブとの間に隙間を生じさせないことを意味し、例えば、両者の間に絶縁板を介在させた場合に、半導体モジュールと冷却チューブとの間に絶縁板が隙間なく配設された状態をも意味する。以下も同様とする。

特開２００２−２６２１５号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型化が可能であると共に放熱効率に優れた電子部品ユニットを提供しようとするものである。

本発明は、複数の電子部品と、該電子部品を挟持するように並列配置されると共に冷却媒体を流通させる冷媒流路を設けた複数の冷却チューブとを有する電子部品冷却ユニットであって、
隣り合う上記冷却チューブの間には、複数の上記電子部品を並列配置しており、
該複数の電子部品のうち少なくとも１つの上記電子部品における一方又は双方の主面と、上記冷却チューブとの間には、上記複数の電子部品の厚み寸法差を調整するための寸法差調整部材を介在させていることを特徴とする電子部品冷却ユニットにある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記電子部品冷却ユニットにおいては、隣り合う冷却チューブの間に複数の電子部品を並列配置している。そのため、多数の電子部品をコンパクトに配設することができると共に、冷却チューブの本数を少なくすることができる。その結果、電子部品冷却ユニットの小型化を図ることができる。

また、並列配置した複数の電子部品のうち少なくとも１つの電子部品における一方又は双方の主面と、冷却チューブとの間には、上記寸法差調整部材を介在させている。そのため、上記複数の電子部品の間に厚みバラツキがあっても、上記寸法差調整部材によって、複数の電子部品の間の厚み寸法差を調整することができる。即ち、上記複数の電子部品の双方の主面は、いずれも直接或いは寸法差調整部材を介して冷却チューブに密着することができる。その結果、電子部品と冷却チューブとの間の伝熱効率を確保し、電子部品の放熱効率を向上させることができる。

以上のごとく、本発明によれば、小型化が可能であると共に放熱効率に優れた電子部品冷却ユニットを提供することができる。

上記電子部品冷却ユニットは、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するための、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換装置の一部を構成するものとすることができる。
上記電子部品としては、例えば、ＭＯＳ型ＦＥＴ素子、ＩＧＢＴ素子、ダイオード、トランジスタ、サイリスタ、パワー集積回路等の半導体素子を内蔵した半導体モジュール、或いは、抵抗器、コンデンサ等を配置することができる。

また、上記寸法差調整部材は、金属板からなることが好ましい（請求項２）。
この場合には、熱伝導率の高い寸法差調整部材を得ることができ、上記電子部品冷却ユニットの冷却効率を向上させることができる。また、上記電子部品から生じる電磁波を上記寸法差調整部材によって遮蔽することができる。

また、上記寸法差調整部材は、銅板からなることが好ましい（請求項３）。
この場合には、寸法差調整部材の熱伝導率をより向上させることができるため、より一層冷却効率に優れた電子部品冷却ユニットを得ることができる。また、電磁波シールド機能を向上させることができる。

また、上記寸法差調整部材は、上記電子部品の少なくとも一つの端面をも覆うように配設されていることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記電子部品から生じる電磁波を、上記端面方向においても、上記寸法差調整部材によって遮蔽することができる。これにより、例えば、並列配置されているもう一方の電子部品、上記電子部品冷却ユニットを組み込んだ電力変換装置における他の部品、更には電力変換装置の外部の部品に与える電磁波の影響をも抑制することができる。

また、隣り合う上記冷却チューブの間には、互いに動作周波数の異なる複数の上記電子部品が並列配置されており、該複数の電子部品のうち最も動作周波数の高い電子部品と上記冷却チューブとの間に上記寸法差調整部材が介在していることが好ましい（請求項５）。

この場合には、上記寸法差調整部材によって、上記電子部品から生じる電磁波をより効果的に遮蔽することができる。即ち、一般に動作周波数が高い電子部品ほど強い電磁波を発生させているが、該動作周波数が高い電子部品と上記冷却チューブとの間に上記寸法差調整部材を介在させることにより、上記寸法差調整部材の電磁波シールド機能をより効率的に発揮することができる。

また、上記複数の電子部品のうち、少なくとも１個はインバータ用スイッチング素子であり、他の少なくとも１個はコンバータ用スイッチング素子であり、該コンバータ用スイッチング素子と上記冷却チューブとの間に上記寸法差調整部材が介在していることが好ましい（請求項６）。

この場合には、上記電子部品冷却ユニットの冷却効率を充分に確保することができると共に、上記寸法差調整部材の電磁波シールド機能をより一層発揮することができる。即ち、上記コンバータ用スイッチング素子は、上記インバータ用スイッチング素子よりも小型（厚みも小さい）であり、かつ、より強い電磁波を発生させている。したがって、上記コンバータ用スイッチング素子と上記冷却チューブとの間に上記寸法差調整部材を介在させることにより、小型である上記コンバータ用スイッチング素子を上記冷却チューブに密着させることができると共に、電磁波シールド機能をより効果的に発揮することができる。

また、上記電子部品は上記主面に放熱板を露出して配設してなり、上記寸法差調整部材は、上記放熱板及び上記冷却チューブのヤング率以下のヤング率を有することが好ましい（請求項７）。
この場合には、上記寸法差調整部材は、上記放熱板又は上記冷却チューブの変形に追従して変形することができるため、上記電子部品と上記冷却チューブとの密着性向上を図ることができると共に、上記電子部品及び上記冷却チューブの損傷を防ぐことができる。

また、上記電子部品は上記主面に放熱板を露出して配設してなり、上記寸法差調整部材は、上記放熱板又は上記冷却チューブの熱伝導率以下の熱伝導率を有することが好ましい（請求項８）。
この場合には、上記電子部品の放熱効率を向上させることができるため、上記電子部品冷却ユニットの冷却効率を向上させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電子部品冷却ユニットにつき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の電子部品冷却ユニット１は、図１に示すごとく、複数の電子部品２と、該電子部品２を挟持するように並列配置されると共に冷却媒体ｆを流通させる冷媒流路を設けた複数の冷却チューブ３とを有する電子部品冷却ユニット１の例である。

図１、図２に示すごとく、隣り合う冷却チューブ３の間には、複数の電子部品２を並列配置している。
また、該複数の電子部品２のうち１つの電子部品２における一方の主面２０と、冷却チューブ３との間には、複数の電子部品２の厚み寸法差を調整するための寸法差調整部材４を介在させている。

即ち、上記電子部品冷却ユニット１は、厚みの異なる２種類の電子部品２ａ、２ｂを有している。そして、隣り合う冷却チューブ３の間には、互いに異種の２つの電子部品２ａ、２ｂが並列配置されている。
そして、比較的厚みが小さい方の電子部品２ｂの一方の主面２０と冷却チューブ３との間に、寸法差調整部材４を介在させている。
尚、以下単に電子部品２という場合は、上記２つの電子部品のいずれをも示すものとする。以下の他の実施例においても同様とする。

また、図３に示すごとく、電子部品２はＩＧＢＴ等の半導体素子を内蔵した半導体モジュールであって、本体部２３と、該本体部２３から突出させた主電極端子２２１と、該主電極端子２２１と反対方向へ突出させた信号端子２２２とよりなる。そして、本体部２３の主面２０に、主電極端子２２１と導通する放熱板２００を露出している。
また、図２に示すごとく、電子部品２の主面２０には絶縁体５が当接配置されている。そして、この絶縁体５と冷却チューブ３との間に寸法差調整部材４が配設されている。

また、電子部品２は主面２０に放熱板２００を露出して配設してなり、寸法差調整部材４は、放熱板２００及び冷却チューブ３のヤング率以下のヤング率を有する。更に、寸法差調整部材４は、放熱板２００又は冷却チューブ３の熱伝導率以上の熱伝導率を有する。
また、本例においては、放熱板２００は銅からなり、冷却チューブ３はアルミニウムからなり、寸法差調整部材４は銅板からなる。

電子部品冷却ユニット１は、図１に示すごとく、複数の冷却チューブ３の入口側端部を接続し冷媒流路に冷却媒体ｆを供給する冷媒供給ヘッダ３１と、複数の冷却チューブ３の出口側端部を接続し冷媒流路から冷却媒体ｆを排出する冷媒排出ヘッダ３２とを有する。

また、図１に示すごとく、冷媒供給ヘッダ３１と冷媒排出ヘッダ３２とは、互いに平行に配置されており、冷却チューブ３は、冷媒供給ヘッダ３１及び冷媒排出ヘッダ３２に対して直角に配設されている。
また、冷媒供給ヘッダ３１の端部には冷媒入口３１０が配設されており、冷媒排出ヘッダ３２の端部には冷媒出口３２０が配設されている。

冷媒入口３１０より供給された冷却媒体ｆは、冷却チューブ３の冷媒流路を通過する際に電子部品２からの放熱を受熱する。そして、受熱した冷却媒体ｆは、冷却チューブ３の冷媒流路を通過し、冷媒排出ヘッダ３２へ排出される。冷媒排出ヘッダ３２に達した冷却媒体ｆは、冷媒出口３２０へ向かって流れ、冷媒出口３２０から排出される。
このようにして、電子部品冷却ユニット１においては、冷却媒体ｆを冷却チューブ３内を循環させて、電子部品２との熱交換を行うことにより、電子部品２を冷却する。
尚、冷却媒体ｆの循環は、循環ポンプ等を用いて行っている。

また、電子部品冷却ユニット１は、例えば、電力変換装置の外装ケースに収納配置されている。
また、電子部品冷却ユニット１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電流を生成するための、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の電力変換装置の一部を構成するものとすることができる。

また、上記冷却媒体ｆとしては、例えば、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、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等を用いることができる。
また、上記絶縁体５には、例えば、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）等からなるシート状体を使用することができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
電子部品冷却ユニット１においては、隣り合う冷却チューブ３の間に複数の電子部品２を並列配置している。そのため、多数の電子部品２をコンパクトに配設することができると共に、冷却チューブ３の本数を少なくすることができる。その結果、電子部品冷却ユニット１の小型化を図ることができる。

また、並列配置した２つの電子部品２のうち１つの電子部品２における一方の主面２０と、冷却チューブ３との間には、寸法差調整部材４を介在させている。そのため、並列配置された上記２つの電子部品２の間に厚みバラツキがあっても、寸法差調整部材４によって、複数の電子部品２の間の厚み寸法差を調整することができる。即ち、複数の電子部品２の双方の主面は、いずれも直接或いは寸法差調整部材４を介して冷却チューブ３に密着することができる。その結果、電子部品２と冷却チューブ３との間の伝熱効率を確保し、電子部品２の放熱効率を向上させることができる。

また、寸法差調整部材４は銅板からなるため、寸法差調整部材４の熱伝導率をより向上させることができ、より一層冷却効率に優れた電子部品冷却ユニット１を得ることができる。また、電子部品２から生じる電磁波を、銅板からなる寸法差調整部材４によって効果的に遮蔽することができる。

また、寸法差調整部材４は、放熱板２００及び冷却チューブ３のヤング率以下のヤング率を有する。これにより、寸法差調整部材４は、放熱板２００又は冷却チューブ３の変形に追従して変形することができるため、電子部品２と冷却チューブ３との密着性向上を図ることができると共に、電子部品２及び冷却チューブ３の損傷を防ぐことができる。
更に、寸法差調整部材４は、放熱板２００又は冷却チューブ３の熱伝導率以上の熱伝導率を有する。これにより、電子部品２の放熱効率を向上させることができるため、電子部品冷却ユニット１の冷却効率を向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、小型化が可能であると共に放熱効率に優れた電子部品冷却ユニットを提供することができる。

上記実施例１においては、図１、図２に示すごとく、寸法差調整部材４が、絶縁体５と冷却チューブ３との間に介在する構成となっているが、図４に示すごとく、寸法差調整部材４と冷却チューブ３との間に絶縁体５を介在させてあってもよい。
尚、図４は、説明の便宜上、並列配置された二つの電子部品２と該電子部品２を挟持する二本の冷却チューブ３との位置関係を簡略化して示してある。以下、図５、図７〜図１２についても同様とする。

（実施例２）
本例は、図５に示すごとく、電子部品２ｂの双方の主面２０及び２つの端面２１の４面が、銅板からなる寸法差調整部材４に覆われている電子部品冷却ユニット１の例である。

本例においては、隣り合う冷却チューブ３の間に互いに動作周波数の異なる複数の電子部品２が並列配置されている。上記複数の電子部品２のうち、比較的厚みの大きい電子部品２ａが動作周波数の小さいインバータ用スイッチング素子である。また、比較的厚みの小さい電子部品２ｂが動作周波数の大きいコンバータ用スイッチング素子である。そして、該コンバータ用スイッチング素子（電子部品２ｂ）と冷却チューブ３との間に寸法差調整部材４が介在している。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、電子部品２ｂから生じる電磁波を上記端面方向においても、寸法差調整部材４によって遮蔽することができる。これにより、例えば、並列配置されているもう一方の電子部品２ａ、電子部品冷却ユニット１を組み込んだ電力変換装置における他の部品、更には電力変換装置の外部の部品に与える電磁波の影響をも抑制することができる。

即ち、動作周波数の大きいコンバータ用スイッチング素子は、インバータ用スイッチング素子よりも小型（厚みも小さい）であり、かつ、より強い電磁波を発生させている。したがって、コンバータ用スイッチング素子と冷却チューブ３との間に寸法差調整部材４を介在させることにより、小型であるコンバータ用スイッチング素子を冷却チューブ３に密着させることができると共に、電磁波シールド機能をより効率的に発揮することができる。
このように、電子部品冷却ユニット１の冷却効率を充分に確保することができると共に、寸法差調整部材４の電磁波シールド機能をより一層発揮することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図６に示すごとく、銅板からなる寸法差調整部材４が、電子部品２の主面２０及び一つの端面２１を覆うように配設されると共に、上記銅板が電子部品２の信号端子２２２の接続先である制御部６をも覆うように構成されている電子部品冷却ユニット１の例である。
その他は、実施例１と同様である。

この場合には、銅板からなる寸法差調整部材４の電磁波シールド機能を充分に発揮することができる。また、他の電子部品２や他の装置への電磁波の影響を充分に抑制することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例４）
本例は、図７〜図９に示すごとく、主面２０に主電極端子（図３における符号２２１参照）に導通する放熱板が露出していない電子部品２を含む場合の電子部品冷却ユニット１の例である。
電子部品２の主面２０には放熱板が露出していないため、図７、図８に示すごとく、電子部品２と冷却チューブ３との間には、絶縁体を介在させなくともよい。

また、図８に示すごとく、銅板からなる寸法差調整部材４は、電子部品２ｂの２つの主面２０及び２つの端面２１を覆うように配設されていてもよい。
また、本例の場合は、図９に示すごとく、一枚の銅板からなる寸法差調整部材４により二つの電子部品２の寸法差を調整することも可能である。
その他、実施例１と同様である。

本例の場合においても、小型化が可能であると共に、放熱効率に優れた電子部品冷却ユニット１を得ることができる。
更に、図８に示すごとく、特に寸法差調整部材４が電子部品２ｂの２つの主面２０及び２つの端面２１を覆うように配設されている場合には、上述した作用効果に加えて寸法差調整部材４に電磁波シールド機能をも持たせることができる。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例は、図１０に示すごとく、並列配置された２つの電子部品２のうち、一方の電子部品２ｃの主面２０においては放熱板２００が露出しており、他方の電子部品２ｄの主面２０においては放熱板が露出していない場合の電子部品冷却ユニット１の例である。

本例においては、主面２０に放熱板２００を露出している電子部品２ｃには絶縁体５からなる寸法差調整部材４を介在させ、主面２０に放熱板を露出していない電子部品２ｄには銅板からなる寸法差調整部材４を介在させることができる。
この場合、２枚の寸法差調整部材４の厚みの合計と２枚の絶縁体５の厚みの合計との差が２つの電子部品２ａ、２ｂの間の厚み寸法差に対応するようにする。
その他は、実施例１と同様であり、同様の作用効果を有する。

（実施例６）
本例は、図１１、図１２に示すごとく、並列配置された電子部品２の寸法差を絶縁体５からなる寸法差調整部材４により調整している電子部品冷却ユニット１の例である。即ち、電子部品２と冷却チューブ３との間には、絶縁体５からなる寸法差調整部材４が介在している。

尚、本例は、並列配置された電子部品２の主面２０の双方において放熱板２００を露出する電子部品２を有する電子部品冷却ユニット１の例であるが、２つの電子部品２のうち、少なくともどちらか一方が放熱板を露出していない場合においても本例の電子部品冷却ユニット１の構成を適用することは可能である。
その他は、実施例１と同様であり、同様の作用効果を有する。
尚、シート状体からなる絶縁体５を複数枚重ねて厚みをつけることによっても、寸法差調整部材４としての機能を充分に発揮することができる。

実施例１における、電子部品冷却ユニットの正面図。 実施例１における、電子部品の配置方法を示す断面説明図。 実施例１における、電子部品の斜視説明図。 実施例１における、電子部品の他の配置方法を示す断面説明図。 実施例２における、電子部品の配置方法を示す断面説明図。 実施例３における、電力変換装置の断面説明図。 実施例４における、電子部品の配置方法を示す断面説明図。 実施例４における、電子部品の他の配置方法を示す断面説明図。 実施例４における、電子部品の他の配置方法を示す断面説明図。 実施例５における、電子部品の配置方法を示す断面説明図。 実施例６における、電子部品の配置方法を示す断面説明図。 実施例６における、電子部品の他の配置方法を示す断面説明図。 従来例における、電力変換装置の説明図。

符号の説明

１ 電子部品冷却ユニット
２ 電子部品
２０ 主面
３ 冷却チューブ
４ 寸法差調整部材
ｆ 冷却媒体

Claims (8)

1. 複数の電子部品と、該電子部品を挟持するように並列配置されると共に冷却媒体を流通させる冷媒流路を設けた複数の冷却チューブとを有する電子部品冷却ユニットであって、
   隣り合う上記冷却チューブの間には、複数の上記電子部品を並列配置しており、
   該複数の電子部品のうち少なくとも１つの上記電子部品における一方又は双方の主面と、上記冷却チューブとの間には、上記複数の電子部品の厚み寸法差を調整するための寸法差調整部材を介在させていることを特徴とする電子部品冷却ユニット。
2. 請求項１において、上記寸法差調整部材は、金属板からなることを特徴とする電子部品冷却ユニット。
3. 請求項２において、上記寸法差調整部材は、銅板からなることを特徴とする電子部品冷却ユニット。
4. 請求項２又は３において、上記寸法差調整部材は、上記電子部品の少なくとも一つの端面をも覆うように配設されていることを特徴とする電子部品冷却ユニット。
5. 請求項２〜４のいずれか一項において、隣り合う上記冷却チューブの間には、互いに動作周波数の異なる複数の上記電子部品が並列配置されており、該複数の電子部品のうち最も動作周波数の高い電子部品と上記冷却チューブとの間に上記寸法差調整部材が介在していることを特徴とする電子部品冷却ユニット。
6. 請求項５において、上記複数の電子部品のうち、少なくとも１個はインバータ用スイッチング素子であり、他の少なくとも１個はコンバータ用スイッチング素子であり、該コンバータ用スイッチング素子と上記冷却チューブとの間に上記寸法差調整部材が介在していることを特徴とする電子部品冷却ユニット。
7. 請求項１〜６のいずれか一項において、上記電子部品は上記主面に放熱板を露出して配設してなり、上記寸法差調整部材は、上記放熱板及び上記冷却チューブのヤング率以下のヤング率を有することを特徴とする電子部品冷却ユニット。
8. 請求項１〜７のいずれか一項において、上記電子部品は上記主面に放熱板を露出して配設してなり、上記寸法差調整部材は、上記放熱板又は上記冷却チューブの熱伝導率以上の熱伝導率を有することを特徴とする電子部品冷却ユニット。

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