JP2015023124A - 積層冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書が開示する技術は、衝突噴流型の冷却器とパワーカードを積層した積層ユニットに関し、冷却効率を高める技術を提供する。【解決手段】積層冷却ユニット２は、半導体子を封止した第１及び第２パワーカード２０ａ、２０ｂの間に冷却器１０ｂが積層された構造を有している。夫々のパワーカードは、冷却器に対向する側面に放熱板２１ａ、２１ｂを有している。冷却器は、第１パワーカード２０ａに対向する側に第１流路ＦＰ１を備えているとともに、第２パワーカード２０ｂに対向する側に窪み１６を有しており、その窪み１６は、第２パワーカード２０ｂの側面で閉塞されて第２流路ＦＰ２を形成する。第１流路ＦＰ１と第２流路ＦＰ２を区画する隔壁１２に、第２流路から第１パワーカード側に向けて冷媒を噴出するノズル１３が設けられている。第２流路に面している第２パワーカードの放熱板２１ａから隔壁１２に達するピンフィン２２が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、半導体素子を樹脂で封止したパワーカードと冷却器を積層した積層冷却ユニットに関する。

ハイブリッド車を含む電気自動車は、数十キロワットの出力のモータを備える。モータの出力が大きいため、バッテリの直流電力をモータの駆動に適した交流に変換するインバータの発熱量が大きい。特に、インバータは、パワートランジスタと呼ばれるＩＧＢＴなどのトランジスタを多数備えており、それらトランジスタの発熱量が大きい。パワートランジスタを効率よく冷却する技術が例えば特許文献１に開示されている。その構造は、パワートランジスタを樹脂で封止した平板型のパワーカードと冷却器を交互に積層するものである。夫々のパワーカードはその両面から冷却されるので、冷却効果が高い。本明細書では、パワーカードと冷却器を積層した構造体を積層冷却ユニットと称する。

特許文献１の冷却器、あるいは、特許文献２、３に開示された冷却器は、衝突噴流型と呼ばれている。その構造は、次の通りである。チップなどの冷却対象を取り付ける冷却器筐体壁の裏側に、筐体壁に垂直な方向に２層の冷媒流路が設けられている。冷却対象を取り付けた筐体壁から遠い方の冷媒流路（供給側冷媒流路）に外部から冷媒が供給され、筐体壁に近い側の冷媒流路（排出側冷媒流路）から外部に冷媒が排出される。そして、供給側冷媒流路と排出側冷媒流路を区画する隔壁には、供給側冷媒流路から筐体壁（冷却対象を取り付けた筐体壁）に向けて冷媒を勢いよく衝突させるノズルを備えている。筐体壁の裏側に冷媒を勢いよく噴き付けることで冷却効果を高めている。なお、特許文献２、３の冷却器では、冷却対象を取り付けた筐体壁の裏面に複数のフィンを設け、冷却効果をさらに高めている。

特開２００８−１９８７５１号公報 特開２０１１−１６６１１３号公報 特開２０１０−０１０５０４号公報

特許文献２、３の冷却器では、ノズルの先端がフィンの上端に当接している。それゆえ、ノズルから突出した冷媒はフィンの間を通り、筐体壁の裏側へ勢いよく衝突する。このため、排出側冷媒流路の圧力が高まり、排出側冷媒流路と供給側冷媒流路を仕切る隔壁が供給側冷媒流路の側に撓むことがある。そうすると、隔壁に設けられているノズルの先端とフィンとの間に隙間を生じる。ノズル先端とフィンとの間に隙間が生じるとその隙間から冷媒が流れ、筐体壁の裏側へ噴き付けられる冷媒の量が減少し、冷却効果が低下する。本明細書は、衝突噴流型の冷却器とパワーカードを積層した積層ユニットの特徴を活用し、ノズルとフィンとの間に隙間が生じ難くするとともに、排出側冷媒流路の側で冷却器に接するパワーカードの冷却効率を高める技術を提供する。

本明細書が開示する積層冷却ユニットは、半導体素子を樹脂で封止した第１及び第２パワーカードの間に冷却器が積層された構造を有する。積層冷却ユニットでは多くの場合、冷却器と接する面に放熱板を露出させている。本明細書が開示する技術は、その放熱板を活用する。

冷却器は前述したように衝突噴流型であり、パワーカードとの積層方向に、供給側冷媒流路と排出側冷媒流路が形成されている。そして、供給側冷媒流路の側で冷却器に接するパワーカードの表面の放熱板に突起を設け、その突起で隔壁（供給側冷媒流路と排出側冷媒流路を区画する隔壁）を支える。突起は、排出側冷媒流路内の圧力で隔壁が変形することを防止するとともに、パワーカード内の熱を冷媒へ伝達するフィン（ピンフィン）としても機能する。上記の突起が、ノズルとフィンとの間に隙間が生じ難くすると同時に、排出側冷媒流路の側で冷却器に接するパワーカードの冷却効率を高める。

本明細書が開示する積層冷却ユニットの構造の一態様を説明する。夫々のパワーカードは、冷却器に対向する側面に露出している放熱板を有している。放熱板は、樹脂の内部で半導体素子に接している。第１及び第２のパワーカードに挟まれた冷却器は、第１パワーカードに対向する側に第１冷媒流路を備えるとともに、第２パワーカードに対向する側に窪みを有している。この窪みは、第２パワーカードの側面で閉塞されて第２冷媒流路を形成する。第２パワーカードの第２冷媒流路に面する放熱板に複数の突起を設ける。その突起の先端は、第１冷媒流路と第２冷媒流路を区画する隔壁に達している。なお、突起は、典型的には、金属製の放熱板と一体に形成されていることが好ましい。

なお、窪みの側面には、外部から第２冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給口が設けられている。また、第１冷媒流路には冷却器の外へ冷媒を排出する冷媒排出口が設けられている。そして、第１冷媒流路と第２冷媒流路を区画する隔壁に、第２冷媒流路から第１パワーカード側に向けて冷媒を噴出するノズルが設けられている。すなわち、第２冷媒流路が前述の供給側冷媒流路に相当し、第１冷媒流路が前述の排出側冷媒流路に相当する。第１パワーカードに接する冷媒流路壁の内側には複数のフィンが設けられており、ノズルの先端はそのフィンに当接している。

前述したように、第２パワーカードの放熱板から隔壁に達する複数の突起が、ノズルとフィンとの間に隙間が生じ難くするとともに、第２パワーカードの冷却効率を高める。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の積層ユニットの斜視図である。 冷却器とパワーカードを分離した斜視図である。 第２パワーカードの斜視図である（ピンフィン側からみた斜視図）。 図２のIV−IV線に沿った断面図である。 冷媒の流れを説明する斜視図である。 冷媒の流れを説明する断面図である。

図面を参照して実施例の積層冷却ユニットを説明する。図１は、積層冷却ユニット２の模式的斜視図である。積層冷却ユニット２は、ハイブリッド車や電気自動車において、走行用モータに電力を供給するインバータの部品の一部である。具体的には、直流電力から交流電力を生成する２個のトランジスタを一つの樹脂パッケージに封止した複数のパワーカードを冷却器と交互に積層したものである。

図１には、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂが３個の冷却器１０ａ、１０ｂ、１０ｃと交互に積層された構造が示されている。なお、パワーカードの数と冷却器の数は、実際にはさらに多いが、図１では、説明に必要な一部だけを示していることに留意されたい。また、冷媒供給口１７には不図示の冷媒供給管が接続されており冷媒排出口１８には不図示の冷媒排出管が接続されていることにも留意されたい。冷媒は、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図２に、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂと、それらに挟まれる冷却器１０ｂを分離した斜視図を示す。２個のパワーカード２０ａと２０ｂは同一の構造であるが、説明の便宜上、符号２０ａが示すパワーカードを第１パワーカードと称し、符号２０ｂが示すパワーカードを第２パワーカードと称する。また、第１と第２を区別せずに言及する場合にはパワーカード２０と表記する。同様に、複数の冷却器１０ａ、１０ｂ、１０ｃを区別しない場合は冷却器１０と表記する。

詳しくは後述するが、それぞれのパワーカード２０には２個の半導体素子が樹脂パッケージ２６で封止されている。符号２４ａ〜２４ｃは、樹脂パッケージ２６の内部で半導体素子に接続している端子である。内部の２個のトランジスタは直列に接続されており、その直列接続の高電位側が端子２４ａに接続しており、低電位側が端子２４ｂに接続している。また、直列接続の中間点に端子２４ｃが接続している。

端子２４ａ、２４ｂは途中でパワーカード２０の表面に露出しており、放熱板の役割を担っている。符号２１ｂが、端子２４ｂの一部であってパワーカード２０の一側面に露出して部分であり、この部分を以下では放熱板２１ｂと称する。図３にパワーカード２０の反対側の側面を示すが、符号２１ａが、端子２４ａの一部であってパワーカード２０の他の側面に露出している部分であり、この部分を以下では放熱板２１ａと称する。別言すれば、放熱板２１ａ、２１ｂは、樹脂の内部で半導体素子に接しているとともに、冷却器１０と対向するパワーカード２０の側面に露出している。なお、符号２５は、トランジスタのゲートに接続している端子である。放熱板２１ａには、複数のピンフィン２２が立設している。ピンフィン２２の機能についても後述する。

図２に戻り、冷却器１０の構造を説明する。なお、図２のIV−IV線に沿った断面図を図４に示すので、図２とともに図４を参照して冷却器１０の構造を説明する。

冷却器１０の内部には、その内部空間をパワーカード２０との積層方向に２つに区分する隔壁１２が設けられている。なお、図２では、理解を助けるために隔壁１２の一部をカットした図を示している。図２では、隔壁１２は符号Ｇが示す部位でカットされている。隔壁１２は、実際には途中でカットされず、冷却器内部を完全に２つに区分する。図２において隔壁１２の下側の空間、即ち、第１パワーカード２０ａに対向する側は、閉じた空間であり、この空間は第１冷媒流路ＦＰ１を構成する。第１冷媒流路ＦＰ１には、第１パワーカード２０ａと対向する壁面の裏側に複数のフィン１４が設けられている。

図２において隔壁１２の上側の空間、即ち、第２パワーカード２０ｂに対向する側は、上側が開放された空間である。この開放された空間は、隔壁１２と、冷却器１０ｂの側壁１５で囲まれた空間である。別言すれば、冷却器１０の第２パワーカード２０ｂに対向する側には、隔壁１２と側壁１５によって、第２パワーカード２０ｂの側に開放した窪み１６が形成されている。この窪み１６は、第２パワーカード２０ｂの側面で閉塞され、第２冷媒流路ＦＰ２を構成する。

冷却器１０の側壁１５には、第１冷媒流路ＦＰ１に開口する冷媒排出口１８が設けられているとともに、第２冷媒流路ＦＰ２に開口する冷媒供給口１７が設けられている。冷媒供給口１７と冷媒排出口１８は、側壁１５の対向する２面に夫々設けられている。また、隔壁１２には、第２冷媒流路ＦＰ２の側から第１パワーカード２０ａに向かって伸びる複数のノズル１３が形成されている。ノズル１３は、隔壁１２から伸びており、その先端はフィン１４の上端に接している。

図３を参照して説明したように、第２パワーカード２０ｂの冷却器１０ｂに面する放熱板２１ａには、複数のピンフィン２２が設けられている。図４に良く表されているように、ピンフィン２２は、第２パワーカード２０ｂから隔壁１２に向かって伸びており、その先端は隔壁１２に到達している。

ここで、図４を参照してパワーカードの内部構造を説明する。パワーカード２０（２０ａあるいは２０ｂ）は、トランジスタ２３ａ、２３ｂ（半導体素子）を樹脂パッケージ２６で封止したデバイスである。樹脂パッケージ２６の内部でトランジスタ２３ａ、２３ｂの一方の電極は金属製のスペーサ２７を介して放熱板２１ａに接続しており、他方の電極は金属製のスペーサ２７を介して放熱板２１ｂに接続している。なお、放熱板２１ａは端子２４ａの一部であり、放熱板２１ｂは端子２４ｂの一部である。その放熱板２１ｂから複数のピンフィン２２が隔壁１２に向かって立設している。

図５と図６を参照して冷媒の流れとピンフィン２２の機能を説明する。図５は、図２の冷却器１０ｂの斜視図を拡大したものに矢印Ａ−Ｃを加えたものであり、図６は、図４の積層冷却ユニット２の断面図を拡大したものに矢印Ｄを加えたものである。なお、図６では、図を見易くするために、図４で付した符号のいくつかは省略している。

冷却器１０ｂの冷媒供給口１７には不図示の冷媒供給管が接続されており、冷媒供給管から冷却器１０ｂの第２冷媒流路ＦＰ２に冷媒が供給される。供給された冷媒はノズル１３を通じて第１冷媒流路ＦＰ１に噴出する（図５の矢印Ａ及び図６の矢印Ｄ参照）。噴出した冷媒は、第１パワーカード２０ａに面した冷却器の側壁内側に衝突する（図５の矢印Ｂ、及び、図６の矢印Ｄ参照）。その後、冷媒は、フィン１４の間を通り、さらに、フィン１４と隔壁１２の間の空間（即ち第１冷媒流路ＦＰ１）を通り、冷媒排出口１８から排出される（図５の矢印Ｃ参照）。冷媒排出口１８の先には、冷媒を回収する不図示の冷媒排出管が接続されている。

ノズル１３から噴出した冷媒が第１パワーカード２０ａに面した側壁内側に勢いよく衝突することで、第１パワーカード２０ａの冷却が促進される。冷却器１０ｂは、第１パワーカード２０ａに対しては衝突噴流型の冷却器として機能する。

他方、第２パワーカード２０ｂに対しては、第２冷媒流路ＦＰ２にて放熱板２１ａから伸びる複数のピンフィン２２の間を冷媒が通過することで冷却が促進される。複数のピンフィン２２は放熱板２１ａから伸びており、その放熱板２１ａは樹脂パッケージ２６の内部でスペーサ２７を介してトランジスタ２３ａ、２３ｂ（半導体素子）と接しているから、トランジスタ２３ａ、２３ｂの熱が放熱板２１ａとピンフィン２２を通じて効率よく冷媒に放出される。

また、ノズル１３から冷媒が勢いよく突出することで、第１冷媒流路ＦＰ１の内圧が第２冷媒流路ＦＰ２の内圧よりも高くなり、隔壁１２が第２冷媒流路ＦＰ２の側に向かう荷重を受ける。この荷重に対してはピンフィン２２が隔壁１２を支えるので、隔壁１２は変形しない。隔壁１２が第２冷媒流路ＦＰ２の側に変形するとノズル１３の先端とフィン１４の上端との間に隙間が生じる虞があるが、実施例の積層冷却ユニット２では、ピンフィン２２の存在によりほとんど隙間が生じない。

上記したように、積層冷却ユニット２では、第２パワーカード２０ｂの一方の放熱板２１ａから伸びるピンフィン２２が、ノズル１３の先端とフィン１４の上端の間に隙間が生じることを防止すると同時に、第２パワーカード２０ｂの冷却を促進する。この構造は、冷却器の両側で夫々別のパワーカードと接してこれを冷却するという、積層冷却ユニット２の構造的特徴を巧みに活用したものである。

なお、図２と図４では１個の冷却器１０ｂとこれを挟む２個のパワーカード２０ａ、２０ｂのみを示したが、さらに複数の冷却器とパワーカードが交互に積層されており、いずれの冷却器に着目しても同様の構造が得られる（ただし、積層冷却ユニットの最外側の冷却器を除く）。例えば、図４では第１パワーカード２０ａの放熱板２１ａにもピンフィン２２が描かれている。第１パワーカード２０ａの放熱板２１ａの側にも別の冷却器が積層され、第２パワーカード２０ｂと冷却器１０ｂの構造的関係と同じ構造的関係が実現される。同様に、第２パワーカード２０ｂの放熱板２１ｂの側にも別の冷却器が積層され、第１パワーカード２０ａと冷却器１０ｂの構造的関係と同じ構造的関係が実現される。即ち、両側を冷却器１０で挟まれたパワーカード２０は、一方の面で衝突噴流で効率よく冷却され、他方の面ではピンフィン２２により効率よく冷却される。

実施例で説明した積層冷却ユニットについての留意点を述べる。実施例のピンフィン２２が、「第２冷媒流路に面している第２パワーカードの放熱板から隔壁に達する突起」の一例に相当する。実施例では突起の形状は円柱であったが、突起の形状は円柱に限られない。また、突起の数にも制限はない。突起の数は、冷媒の流れ易さと冷却効率に基づいて決定すればよい。

パワーカード２０が封止する半導体素子は、トランジスタに限られない。ダイオードなど、別の素子であってもよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：積層冷却ユニット
１０、１０ａ、１０ｂ：冷却器
１２：隔壁
１３：ノズル
１４：フィン
１５：側壁
１７：冷媒供給口
１８：冷媒排出口
２０、２０ａ、２０ｂ：パワーカード
２１ａ、２１ｂ：放熱板
２２：ピンフィン（突起）
２３ａ、２３ｂ：トランジスタ（半導体素子）
２４ａ、２４ｂ、２４ｃ：端子
２５：ゲート端子
２６：樹脂パッケージ
２７：スペーサ
ＦＰ１：第１冷媒流路（排出側冷媒流路）
ＦＰ２：第２冷媒流路（供給側冷媒流路）

Claims (1)

1. 半導体素子を樹脂で封止した第１及び第２パワーカードの間に冷却器が積層された積層冷却ユニットであり、
   夫々のパワーカードは、冷却器に対向する側面に露出している放熱板を有しており、
   前記冷却器は、その内部に、第１パワーカードに対向する側に第１冷媒流路を備えているとともに、第２パワーカードに対向する側に窪みを有しており、前記窪みが第２パワーカードの側面で閉塞されて第２冷媒流路を形成し、
   前記窪みの側面に、外部から前記第２冷媒流路に冷媒を供給する冷媒供給口が設けられているとともに前記第１冷媒流路には冷却器の外へ冷媒を排出する冷媒排出口が設けられており、
   前記第１冷媒流路と前記第２冷媒流路を区画する隔壁に、前記第２冷媒流路から前記第１パワーカード側に向けて冷媒を噴出するノズルが設けられており、
   前記第２冷媒流路に面している前記第２パワーカードの前記放熱板から前記隔壁に達する突起が設けられている、
   ことを特徴とする積層冷却ユニット。

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