JP2011159862A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの低減と冷却効率の向上を両立させた冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置は、電気部品１０と、冷却器２０と、電気部品１０および冷却器２０の間に設けられ、電気部品１０および冷却器２０の表面の凹凸を吸収するとしてのシリコングリス３０と、電気部品１０および冷却器２０の表面に密着するように設けられ、電気部品１０と冷却器２０との間の電気的絶縁性を確保する絶縁フィルム４０とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、電気部品を含む被冷却体を冷却する冷却器を備えた冷却装置に関する。

特開２００１−３５２０２３号公報（特許文献１）には、ＩＧＢＴ素子が形成された半導体チップの両面を、絶縁スペーサを介して冷却チューブに当接させることが示されている。

特開２００２−２６２１５号公報（特許文献２）には、両面冷却型の半導体モジュールが示されている。ここでは、熱導電面にはシリコングリスを塗布することが好ましいとされている。

特開２００５−３１０９８７号公報（特許文献３）には、半導体チップと受熱部材との間の熱伝導面にグリス層を設けることが示されている。

特開２００１−３５２０２３号公報 特開２００２−２６２１５号公報 特開２００５−３１０９８７号公報

冷却効率向上の観点からは、被冷却部と冷却器との間の受熱面には、グリスなどの良熱伝導材料層を設けることが好ましい。しかし、グリスを塗布する工程が導入されることで、製造コストが増大する。また、被冷却部と冷却器との間の電気的絶縁性を確保するための絶縁板を挿入した場合、上記グリスが絶縁板の両側で２層形成されることにより、熱抵抗が増大し、冷却効率が低下する。引用文献１〜３に記載の発明では、製造コストの低減と冷却効率の向上を十分に両立することができない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、製造コストの低減と冷却効率の向上を両立させた冷却装置を提供することにある。

本発明に係る冷却装置は、第１凹凸を有する第１表面を含み、かつ、少なくとも電気部品を含む被冷却体と、第１表面と対向し第２凹凸を有する第２表面を含む冷却器と、第１表面と第２表面との間に設けられ、第１凹凸および第２凹凸を吸収する凹凸吸収部と、第１表面および第２表面に密着するように設けられ、電気部品と冷却器との間の電気的絶縁性を確保する絶縁フィルムとを備える。

上記発明によれば、被冷却体の表面（第１表面）および冷却器の表面（第２表面）に密着するように絶縁フィルムを設けることにより、電気部品と冷却器との間の電気的絶縁性を確保するための高価な絶縁板を設ける必要がない。さらには、一層の凹凸吸収部により第１表面上の第１凹凸と第２表面上の第２凹凸とを吸収することができる。すなわち、絶縁板の両側に凹凸吸収部を形成する必要がないため、凹凸吸収部の形成工程を簡略化することができる。以上の結果として、冷却装置の製造コストを低減することが可能である。また、被冷却体と冷却器との間の凹凸吸収部が一層のみであるので、凹凸吸収部が介在することによる熱抵抗の増大が抑制され、冷却効率が向上する。このように、本発明によれば、冷却装置の製造コストの低減と冷却効率の向上を両立させることが可能である。

なお、本発明において「密着」とは、第１凹凸または第２凹凸に追随して変形した状態で第１表面または第２表面に接触している状態を意味する。

１つの例として、上記冷却装置において、被冷却体と冷却器とが交互に積層されている。

１つの例として、上記冷却装置において、凹凸吸収部はシリコングリスを含む。
１つの例として、上記冷却装置において、絶縁フィルムは、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、およびポリフッ化ビニリデン樹脂からなる群のうち少なくとも１つを含む。

１つの例として、上記冷却装置において、電気部品は、電動車両用の制御装置に含まれるスイッチング素子である。

本発明によれば、冷却装置の製造コストの低減と冷却効率の向上を両立させることができる。

本発明の１つの実施の形態に係る冷却装置を含む電動車両用の制御装置の主要部の構成を示す回路図である。 本発明の１つの実施の形態に係る冷却装置の構造を示す断面図である。 図２に示す冷却装置に対する比較例を示す断面図である。 図２に示す冷却装置における絶縁フィルム周辺の構造の詳細を示す拡大断面図である。 本発明の１つの実施の形態に係る冷却装置の使用状態の典型的な一例を示す図である。 本発明の１つの実施の形態に係る冷却装置の他の変形例の構造を示す断面図である。 図６に示す冷却装置に対する比較例を示す断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

図１は、本実施の形態に係る冷却装置を含む電動車両用の制御装置（ＰＣＵ３００）の主要部の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る冷却装置において、「被冷却体」に含まれる電気部品は、後述するコンバータ３１０およびインバータ３２０に含まれるスイッチング素子（パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４）である。

図１を参照して、ＰＣＵ３００は、バッテリ１００、モータジェネレータ２１０，２２０に接続される。ＰＣＵ３００は、コンバータ３１０と、インバータ３２０（３２１，３２２）と、制御装置３３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。コンバータ３１０は、バッテリ１００とインバータ３２０との間に接続され、インバータ３２１，３２２は、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０と接続される。

コンバータ３１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置３３０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ１００の正極と接続される電源ラインに一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ３１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ１００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインに供給する。また、コンバータ３１０は、インバータ３２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ１００を充電する。

インバータ３２１，３２２は、それぞれ、Ｕ相アーム３２１Ｕ，３２２Ｕ、Ｖ相アーム３２１Ｖ，３２２ＶおよびＷ相アーム３２１Ｗ，３２２Ｗを含む。Ｕ相アーム３２１Ｕ、Ｖ相アーム３２１ＶおよびＷ相アーム３２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム３２２Ｕ、Ｖ相アーム３２２ＶおよびＷ相アーム３２２Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム３２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム３２２Ｕ、Ｖ相アーム３２１Ｖ，３２２ＶおよびＷ相アーム３２１Ｗ，３２２Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。

インバータ３２１，３２２の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータ２１０，２２０においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

コンデンサＣ１は、バッテリ１００に並列に接続される。また、コンデンサＣ２は、インバータ３２１，３２２に並列に接続される。コンデンサＣ１，Ｃ２は、電源ラインの電圧レベルを平滑化する。

インバータ３２１，３２２は、制御装置３３０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ２１０，２２０を駆動する。

電流センサ３４０Ｕ，３４０Ｖ，３４０Ｗ，３５０Ｕ，３５０Ｖ，３５０Ｗは、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０に流れる電流を検出し、その検出した電流を制御装置３３０へ出力する。

制御装置３３０は、モータトルク指令値、モータジェネレータ２１０，２２０の各相電流値、およびインバータ３２１，３２２の入力電圧に基づいてモータジェネレータ２１０，２２０の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ３２１，３２２へ出力する。

また、制御装置３３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ３２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ３１０へ出力する。

さらに、制御装置３３０は、モータジェネレータ２１０，２２０によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ１００を充電するため、コンバータ３１０およびインバータ３２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

コンバータ３１０およびインバータ３２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４がスイッチング動作を行なう際、当該パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４は発熱する。このため、パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４を冷却するための冷却装置が必要である。

図２は、本実施の形態に係る冷却装置の構造を示す断面図である。図２を参照して、本実施の形態に係る冷却装置は、電気部品１０と、冷却器２０と、シリコングリス３０と、絶縁フィルム４０とを含む。

本実施の形態に係る電気部品１０は、上述したパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４である。冷却器２０の内部には、冷媒が流されている。電気部品１０で発生した熱は、シリコングリス３０および絶縁フィルム４０を介して冷却器２０に伝達される。これにより、電気部品１０の冷却が行なわれる。

図２に示すように、絶縁フィルム４０は、電気部品１０に密着する第１部分４１と冷却器２０に密着する第２部分４２とを含む。第１部分４１と第２部分４２との間にシリコングリス３０が設けられる。より具体的には、袋状に形成した絶縁フィルム４０内に予めシリコングリス３０が設けられており、電気部品１０と冷却器２０とを積層する際に、両者の間にシリコングリス３０および絶縁フィルム４０が介装される。したがって、図２の例では、シリコングリス３０の層は一層のみである。

図３は、図２に示す冷却装置に対する比較例を示す断面図である。図３を参照して、比較例に係る冷却装置は、図２の冷却装置と同様に、電気部品１０Ａと、冷却器２０Ａとを含む。

図３の比較例では、電気部品１０Ａと冷却器２０Ａとの間に設けられる部材が図２の例と異なる。すなわち、図３の比較例とでは、電気部品１０Ａと冷却器２０Ａとの間に絶縁板３２Ａが設けられ、その両面にシリコングリス３１Ａ，３３Ａが設けられている。すなわち、図３の例では、電気部品１０Ａと冷却器２０Ａとの間に二層のシリコングリス層３１Ａ，３３Ａが形成されている。

図４は、図２に示す冷却装置における絶縁フィルム周辺の構造の詳細を示す拡大断面図である。

図４に示すように、電気部品１０の第１表面１１および冷却器２０の第２表面２１は、各々凹凸を有している。絶縁フィルム４０は、第１表面１１および第２表面２１の凹凸に追随して該表面に密着している。したがって、第１表面１１と絶縁フィルム４０との間、および、第２表面２１と絶縁フィルム４０との間にシリコングリスを設けなくとも、当該部分に空気層が形成されることがない。なお、第１表面１１および第２表面２１上の凹凸は、絶縁フィルム４０に挟持されたシリコングリス３０の流動により吸収される。

絶縁フィルム４０は、たとえば、ポリエチレンナフタレート樹脂（ＰＥＮ）、ポリプロピレン樹脂（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート樹脂（ＰＥＴ）、またはポリフッ化ビニリデン樹脂（ＰＶＤＦ）を含む。ただし、絶縁フィルム４０の材質はこれに限定されるものではなく、電気部品１０と冷却器２０との間の電気的絶縁性を確保し、かつ、電気部品１０および冷却器２０の表面に密着可能なものであれば、どのような材質であってもよい。

絶縁フィルム４０は、たとえば、１〜５μｍ程度の厚み、より好ましくは１〜２μｍ程度の厚みを有するものである。ただし、熱伝達の効率および絶縁性を確保できるものであれば、絶縁フィルム４０の厚みは上記に限定されるものではない。

本願発明者らは、本実施の形態に係る冷却装置による効果を確認するため、図２と図３の構造で熱抵抗を計算した。その計算条件および計算結果は、下記表１，表２のとおりである。

表１，表２を参照して、本実施の形態に係る冷却装置（図２）によれば、比較例に係る冷却装置（図３）に対して、電気部品１０と冷却器２０との間の熱抵抗が減少している。さらに、本実施の形態に係る冷却装置では、袋状の絶縁フィルム４０に予めシリコングリス３０を設けたものを用いているため、電気部品１０と冷却器２０とを積層する際に、シリコングリスの塗布工程が不要である。このため、冷却装置の製造コストが低減される。さらに、本実施の形態に係る冷却装置（図２）では、比較例に係る冷却装置（図３）のように高価なセラミック絶縁板を用いていないため、冷却装置の製造コストがさらに低減される。このように、本実施の形態に係る冷却装置によれば、冷却効率の向上と製造コストの低減とを両立することが可能である。

図５は、本実施の形態に係る冷却装置の使用状態の典型的な一例を示す図である。
図５に示すように、本実施の形態に係る冷却装置では、電気部品１０と冷却器２０とが交互に積層されたものである。このようにすることで、電気部品１０を冷却器２０により挟み込み、電気部品１０を両面から冷却することができるので、電気部品１０の冷却効率が高くなる。

なお、図５の例では、電気部品１０は４個積層されているが、典型的な例では、電気部品１０は、１０個以上積層されている。

図６は、本実施の形態に係る冷却装置の他の変形例の構造を示す断面図である。また、図７は、図６に示す冷却装置に対する比較例を示す断面図である。

図６，図７の例では、電気部品１０と冷却器２０との間に放熱板５０，５０Ｂが各々設けられている。図７の比較例では、電気部品１０Ｂと放熱板５０Ｂとの間に絶縁板３２Ｂを設け、放熱板５０Ｂと冷却器２０との間にシリコングリス３１Ｂを設けているのに対し、図６の例では、放熱板５０上に電気部品１０を直接搭載し、放熱板５０と冷却器２０との間に、図２と同様のシリコングリス３０および絶縁フィルム４０を設けている。シリコングリス３０は、放熱板５０および冷却器２０の表面の凹凸を吸収する。絶縁フィルム４０は、放熱板５０および冷却器２０の表面の凹凸に追随しながら該表面に各々密着している。このような構造によっても、図２の例と同様に、冷却効率の向上と製造コストの低減とを両立することが可能である。

本実施の形態に係る冷却装置によれば、電気部品１０の第１表面１１および冷却器２０の第２表面２１に密着するように絶縁フィルム４０を設けることにより、電気部品１０と冷却器２０との間の電気的絶縁性を確保するために、図３中の絶縁板３２Ａのような高価なセラミック部材を設ける必要がない。さらには、一層のシリコングリス３０により第１表面１１上の凹凸と第２表面２１上の凹凸とを吸収することができる。すなわち、図３の比較例のように、絶縁板３２Ａの両側にシリコングリス３０を形成する必要がないため、シリコングリス３０の形成工程を簡略化することができる。より具体的には、図２に示すように、袋状に形成した絶縁フィルム４０内に予めシリコングリス３０を設けた構造とすることで、第１表面１１および第２表面１２にシリコングリス３０を塗布するという工程が不要となり、製造工程を大幅に簡略化することができる。以上の結果として、冷却装置の製造コストを低減することが可能である。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る冷却装置（図２の例）は、凹凸を有する第１表面１１を含む「被冷却体」としての電気部品１０と、第１表面１１と対向し凹凸を有する第２表面２１を含む冷却器２０と、第１表面１１と第２表面２１との間に設けられ、第１表面１１および第２表面２１の凹凸を吸収する「凹凸吸収部」としてのシリコングリス３０と、第１表面１１および第２表面２１に密着するように設けられ、電気部品１０と冷却器２０との間の電気的絶縁性を確保する絶縁フィルム４０とを備える。なお、図７の変形例では、電気部品１０および放熱板５０が「被冷却体」を構成している。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 電気部品、１１ 第１表面、２０，２０Ａ，２０Ｂ 冷却器、２１ 第２表面、３０，３１Ａ，３１Ｂ，３３Ａ シリコングリス、３２Ａ，３２Ｂ 絶縁板、４０ 絶縁フィルム、４１ 第１部分、４２ 第２部分、５０，５０Ｂ 放熱板、１００ バッテリ、２１０，２２０ モータジェネレータ、３００ ＰＣＵ、３１０ コンバータ、３２０，３２１，３２２ インバータ、３２１Ｕ，３２２Ｕ Ｕ相アーム、３２１Ｖ，３２２Ｖ Ｖ相アーム、３２１Ｗ，３２２Ｗ Ｗ相アーム、３３０ 制御装置、３４０Ｕ，３４０Ｖ，３４０Ｗ，３５０Ｕ，３５０Ｖ，３５０Ｗ 電流センサ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｑ１〜Ｑ１４ パワートランジスタ。

Claims (5)

1. 第１凹凸を有する第１表面を含み、かつ、少なくとも電気部品を含む被冷却体と、
   前記第１表面と対向し第２凹凸を有する第２表面を含む冷却器と、
   前記第１表面と前記第２表面との間に設けられ、前記第１凹凸および前記第２凹凸を吸収する凹凸吸収部と、
   前記第１表面および前記第２表面に密着するように設けられ、前記電気部品と前記冷却器との間の電気的絶縁性を確保する絶縁フィルムとを備えた、冷却装置。
2. 前記被冷却体と前記冷却器とが交互に積層された、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記凹凸吸収部はシリコングリスを含む、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記絶縁フィルムは、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、およびポリフッ化ビニリデン樹脂からなる群のうち少なくとも１つを含む、請求項１から請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記電気部品は、電動車両用の制御装置に含まれるスイッチング素子である、請求項１から請求項４のいずれかに記載の冷却装置。

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