JP2010245158A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】パワーデバイス等の発熱体の冷却に用いる水冷式の冷却器の冷却性能を向上させる。
【解決手段】パワーデバイス用基板２は、緩衝用基板３を介して、冷却器天板４上に搭載される。冷却器天板４と冷却器底板５との間に、冷媒流路が形成されるが、ここに、２つのコルゲートフィン６、７をこれらの間に板状体８を介して積層する。そして、発熱体に近い側のコルゲートフィン６の肉厚を、発熱体に遠い側のコルゲートフィン７の肉厚より厚くする。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体素子からなるパワーデバイスなどの、発熱体の冷却に用いる、水冷式の冷却器に関する。

ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（インバータ）などにおいて用いられているパワーデバイス用冷却器は、例えば特許文献１に示されるように、内部が冷媒流路となる筐体を含んで構成され、その１つの面（天板）を冷却面として、発熱体であるパワーデバイスに接触させるようにしており、筐体の内部、すなわち、冷却面（天板）とこれに対向する底面（底板）との間には、コルゲートフィンを設けている。

尚、特許文献２には、半導体素子等発熱体の冷却に使用されるヒートシンクとして、コルゲートフィンと板状体とを交互に積層したものが開示され、また、「多種類のコルゲート形状を組合わせることにより、熱交換効率を高めることができる」旨開示されている。

特開２００８−１２４１８７号公報 実開昭５７−１２４１５３号全文明細書

しかしながら、従来のコルゲートフィンでは、流速が低い冷却器においては、フィン効率が悪いと、フィンの一部でしか熱交換が行われず、言い換えれば、発熱体から深さ方向に離れるにつれて熱交換が行われ難いことから、十分な冷却性能が得られないという問題があり、また、フィン効率を上げようとピンフィン構造にしても同様であった。

また、特許文献２についてみても、熱交換効率を上げるために、どのような種類のコルゲートフィンを用い、どのような組合わせにするとよいのかは、全く開示されていない。

本発明は、このような実状に鑑み、コルゲートフィンを工夫して、冷却器の冷却性能を向上させることを課題とする。

このため、本発明は、内部が冷媒流路となる筐体において、発熱体に接触させる冷却面とこれに対向する底面との間に、複数のコルゲートフィンをこれらの間に板状体を介して積層し、発熱体に近い側のコルゲートフィンの肉厚を発熱体に遠い側のコルゲートフィンの肉厚より厚くする構成とする。

本発明によれば、発熱体に近い側のコルゲートフィンの肉厚を厚くすることで、冷却器の内部まで、すなわち、発熱体に遠い側のコルゲートフィンまで、熱を引き、熱交換を行う部分を増やすことにより、冷却性能を向上させることができる。

本発明の一実施形態を示すパワーデバイス用冷却器の概略断面図

以下に本発明の実施の形態を詳細に説明する。

ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）は、バッテリとモータジェネレータとの間に設けられており、バッテリからの直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、昇圧された直流電圧を交流電圧に変換するインバータとを備えている。但し、昇圧コンバータを備えず、インバータのみを備える構成のものもある。そして、インバータ及び昇圧コンバータでは、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体素子からなるパワーデバイスを用いている。

このようなパワーデバイスを用いる場合は、パワーデバイスから発せられる熱を効率良く放熱して、パワーデバイスの温度を所定温度以下に保つ必要があり、パワーデバイスの冷却のために、冷却器を設けている。

図１は本発明の一実施形態を示すパワーデバイス用冷却器の概略断面図である。

パワーデバイス用冷却器１は、パワーデバイス（図示せず）が搭載されるパワーデバイス用基板２と、緩衝用基板３と、冷却器天板４と、冷却器底板５と、放熱フィン（コルゲートフィン）６、７とを含んで構成される。尚、１つの冷却器１につき、１〜複数のパワーデバイス用基板２（及び緩衝用基板３）があり、各パワーデバイス用基板２にそれぞれ１〜複数のパワーデバイスが搭載される。

パワーデバイス用基板２は、絶縁性を有し、かつ熱伝導性の良いセラミック（例えば酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素など）からなるセラミック基板２ａを基体として構成される。

そして、セラミック基板２ａの両面に、高熱伝導性の金属層として、アルミ層２ｂ、２ｃを有していて、一方（上面側）のアルミ層２ｂがパワーデバイスが実装される回路層となり、他方（下面側）のアルミ層２ｃが緩衝用基板３を介して冷却器天板４と接合される伝熱層となる。

尚、かかるパワーデバイス用基板２としては、セラミック基板の両面に予めアルミ層がろう付けされたＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板を用いることができる。

緩衝用基板３は、高熱伝導性材料であるアルミ板に応力緩衝用に小径の貫通孔３ａを複数形成し、その両面を更にアルミ層で覆ったもので、パワーデバイス用基板２ごとに設けられる。尚、ここでいう応力緩衝とは、主に、パワーデバイス用基板２中のセラミック基板２ａと、これ以外の構成部品の材料であるアルミとの、熱膨張率の差に基づく、内部応力を緩和することを意図している。

冷却器天板４は、高熱伝導性材料であるアルミにより形成されており、１〜複数のパワーデバイス用基板２の底面に緩衝用基板３を介して接合される。

冷却器底板５は、同じくアルミにより形成されており、冷却器天板４に対しパワーデバイス用基板２（及び緩衝用基板３）とは反対側に配置されて、冷却器天板４との間に冷媒流路（ウォータジャケット）を形成する。

詳しくは、冷却器底板５は、その周縁部が側壁を形成するように立上がっていることにより、上面開放の筐体をなし、更にその上端部がフランジを形成するように外側に広がっている。冷却器天板４は、その周縁部に冷却器底板５側のフランジと接合可能なフランジを有している。従って、冷却器底板５により形成される上面開放の筐体の開口部が冷却器天板４により塞がれることで、冷却器天板４と冷却器底板５とは、筐体をなし、内部が冷媒流路となる。

放熱フィンとしてのコルゲートフィン６、７は、アルミ製で、前記冷媒流路内で、冷却器天板４と冷却器底板５との間に、２層に、積層される。そして、上側のコルゲートフィン６と、下側のコルゲートフィン７との間に、アルミ製の板状体（中間板）８が介装される。

詳しくは、コルゲートフィン６、７は、それぞれ、波頂部、波底部、及び、波頂部と波底部とを連結する連結部とからなる。従って、上側のコルゲートフィン６は、波頂部が冷却器天板４に、波底部が板状体８に接合され、下側のコルゲートフィン７は、波頂部が板状体８に、波底部が冷却器底板５に接合される。

ここにおいて、これらのコルゲートフィン６、７の肉厚は異ならせ、冷却対象の発熱体であるパワーデバイス（図示せず）に近い側である上側のコルゲートフィン６の肉厚ｔ１を、パワーデバイスに遠い側である下側のコルゲートフィン７の肉厚ｔ２より厚くしてある。一例を挙げると、ｔ１＝０．６ｍｍ、ｔ２＝０．３ｍｍ程度とする。

尚、冷却器１の筐体内にコルゲートフィン６、７が配置されることで、フィンの延在方向（コルゲートフィン６、７の波頂部及び波底部の連続方向；図１で紙面と直交する方向）が冷媒（冷却水）の流通方向となる。

そして、冷却器１の筐体内における前記フィンの延在方向の一端側が冷媒入口側空間、他端側が冷媒出口側空間となり、各空間に対し横方向でかつ対角線の位置に冷媒入口パイプと冷媒出口パイプとを連通接続するようにする。

また、上記のパワーデバイス用冷却器１は、次のように製造する。下から、冷却器底板５、コルゲートフィン７、板状体８、コルゲートフィン６、冷却器天板４、１〜複数の緩衝用基板３、１〜複数のパワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）２の順で、積層し、各層の間にはシート状のろう材を介装する。尚、冷却器底板５と冷却器天板４とのフランジ間も同様である。そして、これらを適当な手段で仮止めし、接合面に適当な荷重（圧力）を加える。そして、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気の炉中にて、６００℃程度まで加熱することによって、冷却器底板５、コルゲートフィン７、板状体８、コルゲートフィン６、冷却器天板４、緩衝用基板３、及び、パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）２を、同時にろう付けにより接合して一体化する。尚、パワーデバイスは、ろう付け工程後の、別工程で、実装する。

上記のパワーデバイス用冷却器１においては、パワーデバイス用基板２上に搭載されるパワーデバイスから発せられる熱を、パワーデバイス用基板２及び緩衝用基板３を介して冷却器天板４に伝え、コルゲートフィン６、７を介して、冷媒流路を流れる冷媒（冷却水）と熱交換することで、放熱し、これによってパワーデバイスを冷却する。

ところで、このような冷却器１における冷媒の流速は比較的低流速であり、低流速のため境界層剥離も起こり難い。このため、従来の１段のコルゲートフィンでは、フィン効率が悪く、フィンの一部でしか熱交換が行われず、十分な冷却効果が得られていない。言い換えれば、コルゲートフィンのうち、主に、冷却器天板に接合している上部でのみ、熱交換が行われ、冷却器天板から深さ方向に離れるにつれて熱交換が行われ難いことから、フィン効率が悪いものであった。

そこで、本実施形態では、コルゲートフィンを２段構成にし（コルゲートフィン６、７）、更に１段目、２段目において、フィンの肉厚を変更することにより、冷却性能を向上させる。

すなわち、１段目のコルゲートフィン６の肉厚を厚くすることで、冷却器の内部まで熱を引き、熱交換を行う部分を増やすことで、フィン効率を向上させる。

すなわち、発熱体であるパワーデバイス側の冷却器天板４から深さ方向に離れるにつれて熱交換が行われ難いことから、発熱体に近い側の１段目のコルゲートフィン６の肉厚を厚くすることで、冷却器の内部まで、すなわち、発熱体に遠い側の２段目のコルゲートフィン７まで、熱を引き、熱交換を行う部分を増やすことにより、冷却性能を向上させる。

尚、本実施形態では、２つのコルゲートフィン６、７を積層する構成としたが、３つ以上としてもよい。従って、複数のコルゲートフィンをこれらの間に板状体を介して積層し、発熱体に近い側のコルゲートフィンの肉厚を発熱体に遠い側のコルゲートフィンの肉厚より厚くすればよい。

また、ここでいう発熱体とは、パワーデバイスのような、主たる冷却対象を意味する。従って、本実施形態のようなハイブリッド自動車のパワーコントロールユニットにおけるパワーデバイス用冷却器では、冷却器底板５を、補助冷却面として、図１に示してあるように、補助冷却対象である、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１や、昇圧用リアクトル１２を熱的に接触させ、これらの冷却に用いるようにしてもよい。

また、本実施形態では、冷却器天板４の上面に緩衝用基板３を介してパワーデバイス用基板２を接合したが、緩衝用基板３を省略して、冷却器天板４上にパワーデバイス用基板２を直接接合するようにしてもよい。

１ パワーデバイス用冷却器
２ パワーデバイス用基板（ＤＢＡ基板）
２ａ セラミック基板
２ｂ、２ｃ アルミ層
３ 緩衝用基板
３ａ 貫通孔
４ 冷却器天板
５ 冷却器底板
６ コルゲートフィン（肉厚大）
７ コルゲートフィン（肉厚小）
８ 板状体
１１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１２ リアクトル

Claims (1)

1. 内部が冷媒流路となる筐体を含んで構成され、その１つの面を冷却面として発熱体に接触させるようにした冷却器であって、
   前記筐体の冷却面とこれに対向する底面との間に、複数のコルゲートフィンをこれらの間に板状体を介して積層し、
   前記発熱体に近い側のコルゲートフィンの肉厚を前記発熱体に遠い側のコルゲートフィンの肉厚より厚くする構成としたことを特徴とする冷却器。

Images