JP2015149825A - 積層冷却ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、複数の冷却器と複数のパワーカードを積層した積層冷却ユニットに関し、衝突噴流型の冷却器を採用しつつコンパクトで冷却効率のよい積層冷却ユニットを提供する。
【解決手段】積層冷却ユニット１０２は、パワートランジスタＴ１、Ｔ２を収容した複数のパワーカード２０ａ（２０ｂ）と、それらパワーカードよりも発熱密度が小さい電気部品３１（３２）が冷却器１０ａ（１０ｂ）を挟んで積層されている。冷却器１０ａ（１０ｂ）は、その内部空間を積層方向に二分する仕切板１２を有しているとともに、その仕切板１２に、パワーカード２０ａ（２０ｂ）と接している側板の裏面に向けて冷媒を噴出するノズル１３が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器が積層された積層冷却ユニットに関する。

電動車両の走行用モータに電力を供給する電力変換装置は、多数の半導体素子を備えることが多い。半導体素子の典型はパワートランジスタである。一般に、「パワートランジスタ」とは、電力を制御するトランジスタを意味し、典型的には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）である。

例えば３相交流モータ用のインバータ回路は、上アーム用パワートランジスタと下アーム用パワートランジスタの組を３セット備えているため、少なくとも６個のパワートランジスタを備える。電力変換装置がインバータ回路に加えて電圧コンバータ回路も備える場合には、さらに少なくとも２個のパワートランジスタを含む。走行用モータなどの大出力デバイスの電力変換に用いるパワートランジスタは発熱量が大きいため、冷却器が必要となる。

発熱量の大きい複数のパワートランジスタを集約して効率よく冷却するユニットが提案されている（特許文献１−３）。特許文献１、２では、パワートランジスタを収容した複数のパワーカードと複数の平板型の冷却器を交互に積層した積層冷却ユニットが開示されている。また、特許文献３には、内部にパワーカードを収容した複数の冷却器を積層した積層冷却ユニットが開示されている。特許文献１、２の積層冷却ユニットは、パワーカードに冷却器を接触させて冷却するのに対して、特許文献３の積層冷却ユニットは冷却器の内部にパワーカードを収容し、パワーカードの周りに直接に冷媒を流す点で異なる。

さらに特許文献１、２では、衝突噴流型と呼ばれる冷却器を採用している。その構造は、次の通りである。冷却器は、その内部空間がパワーカードとの積層方向に３層に区分されており、冷却器の外部から中央の空間に冷媒が供給される。中央の空間と外側の空間を区画する仕切板にノズルが設けられている。中央の空間に供給された冷媒は、ノズルを介して冷却器の側板の裏面に衝突する。パワーカードが接している側板の裏面に冷媒を衝突させることで、パワーカードが効率よく冷却される。なお、本明細書では、冷却器の筐体を構成する側板の筐体内側の面を「裏面」と称することがある。

衝突噴流型の冷却器については、特許文献４にも開示されているので参照されたい。また、冷却器の冷媒は液体であり、典型的には、水、あるいはＬＬＣ（Long Life Coolant）である。

特開２００８−１９８７５１号公報 特開２００７−２５８４５８号公報 特開２０１２−０１０５４０号公報 特開２０１１−１６６１１３号公報

特許文献１、２の積層冷却ユニットの冷却器は、内部空間が３層に区分されており、中央の空間から両サイドの空間へ冷媒を噴出させる。それゆえ、積層方向の両面で高い冷却能力が得られる。その半面、内部空間を３層に区分するので冷却器の厚みが大きくなる。電動車両の電力変換装置などではコンパクト性も重要な要因である。本明細書は、衝突噴流型の冷却器を採用しつつ、コンパクトで冷却効率のよい積層冷却ユニットを提供する。

本明細書が開示する積層冷却ユニットは、半導体素子を収容したパワーカードと、そのパワーカードよりも発熱密度が小さい電気部品が冷却器を挟んで積層されているデバイスである。そして、その冷却器は、内部空間を積層方向に二分する仕切板を有するとともに、その仕切板に、パワーカードと接している側板の裏面に向けて冷媒を噴出するノズルが設けられている。電気部品は、例えば、リアクトルやコンデンサなどである。なお、発熱密度は、物体が単位表面積当たり放熱する熱エネルギで表され、その単位系は、Ｗ／ｃｍ^２である。パワーカードと電気部品の発熱密度は、冷却器に対向している面における値で比較される。

本明細書が開示する積層冷却ユニットの冷却器は、その筐体の内部空間が積層方向に２層に区分されている。そして、内部空間を区画する仕切板にはノズルが設けられており、一方の空間から他方の空間へと冷媒を噴出させる。内部空間を３層ではなく２層に区分するので、特許文献１や２の積層冷却ユニットよりも積層方向の厚みを薄くできる。一方、２層の一方の空間から他方の空間へ冷媒を噴出させるので、側板の裏面に冷媒が噴き付けられる側では冷却能力が高いが反対側では冷却能力が相対的に低くなる。説明の便宜上、以下では、冷却器の積層方向の２つの側板について、裏面に冷媒が噴き付けられる側を高冷却側と称し、反対側を低冷却側と称する。

電力変換装置などは、パワートランジスタ以外にも発熱する電気部品、即ち、冷却を必要とする電気部品を含む。そこで、本明細書が開示する積層冷却ユニットでは、冷却器の高冷却側に発熱密度の大きいパワーカードを積層し、低冷却側にパワーカードよりも発熱密度の小さい電気部品を積層する。本明細書が開示する積層冷却ユニットは、２層に区画された衝突噴流型冷却器を採用することで冷却器の厚みを大きくせず、さらに、冷却能力の相違に応じて発熱密度の異なるデバイスを配置することによって効率のよい冷却を実現する。

上記の積層冷却ユニットでは、高冷却側の側板の裏面に複数のフィンを設けるとよい。側板の裏面に衝突した冷媒がフィンに沿って流れ、冷却効率がさらに高まる。なお、低冷却側の側板の裏面にフィンを設けてもよい。

本明細書が開示する技術は、衝突噴流型の冷却器を採用した積層冷却ユニットに関し、小型で冷却効率の良い積層冷却ユニットを提供する。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。

積層冷却ユニットが組み込まれる電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系のブロック図である。 積層冷却ユニットの平面図である。 積層冷却ユニットの側面図である。 図２ＢにおけるIII−III線に沿った部分断面図である。 変形例の積層冷却ユニットの平面図である。 変形例の積層冷却ユニットの断面図である。 別の変形例の積層冷却ユニットの断面図である。 第２実施例の積層冷却ユニットの斜視図である。 図７のVIII−VIII線に沿った冷却器の断面図である。 図８のIX−IX線に沿った冷却器の断面図である。 一つの分岐流路の斜視図である。 変形例の冷却器における一つの分岐流路の斜視図である。

積層冷却ユニットを説明する前に、積層冷却ユニットが採用される電力変換装置を含むハイブリッド車の電力系を説明する。図１にハイブリッド車１００の電力系のブロック図を示す。ハイブリッド車１００は、走行用のモータ８３とエンジン８４を有する。モータ８３の出力トルクとエンジン８４の出力トルクは動力分配機構８５によって合成されて車軸８６（即ち駆動輪）へと伝達される。動力分配機構８５は、エンジン８４の出力トルクを車軸８６とモータ８３に分配する場合がある。その場合には、モータ８３はエンジン８４のトルクで発電する。発電された電力はバッテリ８１の充電に使われる。

ハイブリッド車１００の電力系はバッテリ８１と電力変換装置４０と走行用のモータ８３を含む。バッテリ８１は、システムメインリレー８２を介して電力変換装置４０と接続される。電力変換装置４０は、バッテリ８１の出力電圧を昇圧する電圧コンバータ回路４１と、電圧コンバータ回路４１が出力する直流電力を交流に変換するインバータ回路４２を備える。インバータ回路４２の交流出力がモータ８３を駆動する。なお、モータ８３が発電する際には、モータ８３が出力する回生電力をインバータ回路４２が直流電力に変換し、その直流電力を電圧コンバータ回路４１が降圧してバッテリ８１に供給する。

電圧コンバータ回路４１は、２個のパワートランジスタＴ７、Ｔ８の直列回路と、その直列回路の中点とバッテリ側の高電位端子との間に接続されるリアクトル４４と、バッテリ側の高電位端子とグランド端子の間に接続されるフィルタコンデンサ４３で構成されている。なお、各パワートランジスタＴ７、Ｔ８にはダイオードが逆並列に接続されている。ダイオードは、パワートランジスタがオフ状態のときに電流を逆方向に流すために備えられている。電圧コンバータ回路４１は、バッテリ８１の電力を昇圧する場合には主にパワートランジスタＴ８を作動させ、インバータ側から送られる回生電力を降圧する場合には主にパワートランジスタＴ７を作動させる。図１の電圧コンバータ回路の構成と機能は良く知られているので詳しい説明は省略する。

インバータ回路４２は、２個のパワートランジスタの直列回路が３セット並列に接続された構成を有している。各直列回路の中点から交流が出力される。なお、各パワートランジスタにはダイオードが逆並列に接続されている。図１のインバータ回路４２の構成もよく知られているので詳しい説明は省略する。

電圧コンバータ回路４１とインバータ回路４２の間には平滑化コンデンサ４５が接続されている。平滑化コンデンサ４５は、電圧コンバータ回路４１が出力した電流の脈動を抑制するために備えられている。

図１に示すように、電力変換装置４０は、８個のパワートランジスタＴ１−Ｔ８を備える。走行用モータに電力を供給する電力変換装置４０は数十アンペアの電流を扱うので回路を構成する電気部品の発熱量が大きい。特に、パワートランジスタの発熱量が大きい。そこで、電力変換装置４０は、ハードウエアとして、８個のパワートランジスタＴ１−Ｔ８、リアクトル４４、及び、２個のコンデンサ４３、４５を集中して冷却するユニットを備える。次にそのユニット（積層冷却ユニット）について説明する。

８個のパワートランジスタＴ１−Ｔ８は、直列回路の２個がワンセットで樹脂パッケージに封止（収容）されている。そのようなパッケージを以下ではパワーカードと称する。即ち、パワーカードには、２個のパワートランジスタと各パワートランジスタに並列接続されるダイオードが封止される。図１において符号２０ａ−２０ｄが示す破線の夫々が、パワーカードに対応する。

（第１実施例）図２Ａに、パワーカード２０ａ−２０ｄを冷却する積層冷却ユニット１０２の平面図を示し、図２Ｂに側面図を示す。符号３１と３３はコンデンサモジュールを示している。各コンデンサモジュールの中には複数のコンデンサ素子が並列に接続されている。コンデンサモジュール３１が図１のフィルタコンデンサ４３に相当し、コンデンサモジュール３３が図１の平滑化コンデンサ４５に相当する。符号３２は、リアクトルモジュールを示しており、リアクトルモジュール３２が図１のリアクトル４４に相当する。なお、以下では、コンデンサモジュール３１、３３、及び、リアクトルモジュール３２を電気部品３１−３３と総称する場合がある。また、冷却器１０ａとパワーカード２０ａには詳しく符号を付すが、図を理解し易くするため、冷却器１０ｂ−１０ｄとパワーカード２０ｂ−２０ｄでは一部の符号の図示を省略している。

図２Ａ、図２Ｂに示すように、積層冷却ユニット１０２は、複数の冷却器１０ａ−１０ｄと複数のパワーカード２０ａ−２０ｄと複数の電気部品３１−３３が積層されたユニットである。冷却器１０ａの積層方向の両側にはコンデンサモジュール３１とパワーカード２０ａが接しており、冷却器１０ｂの積層方向の両側にはパワーカード２０ｂとリアクトルモジュール３２が接しており、冷却器１０ｃの積層方向の両側にはリアクトルモジュール３２とパワーカード２０ｃが接しており、冷却器１０ｄの積層方向の両側にはパワーカード２０ｄとコンデンサモジュール３３が接している。総じて言えば、積層冷却ユニット１０２では、パワートランジスタを収容したパワーカードと、電気部品が冷却器を挟んで積層されている構造を有する。別言すれば、各冷却器は、積層方向の対向する２側板の一方にパワーカードが接触しており他方に電気部品が接触している。なお、各パワーカードは絶縁板８を挟んで冷却器と接している。絶縁板８は熱伝達率が高く、パワーカードと冷却器は、熱力学的な観点からは「接触している状態」に相当する。

２個の冷却器の間で隣接配置されている２個のパワーカード２０ａ、２０ｂの間には圧縮バネ７が嵌挿されている。圧縮バネ７は、２個のパワーカード２０ａ、２０ｂを相互に遠ざける方向に付勢する。圧縮バネ７によって、パワーカード２０ａは冷却器１０ａに押し付けられ、パワーカード２０ｂは冷却器１０ｂに押し付けられ、冷却器とパワーカードの密着度が高められる。

各冷却器は、積層方向からみたときに電気部品やパワーカードの両側に連結管６を備えており、隣接する冷却器の連結管同士が継手５で接続されている。連結管６の内部、及び、冷却器の内部は空洞であり、冷媒が流れる流路になっている。積層冷却ユニット１０２の積層方向の一端の冷却器１０ａには冷媒供給管４と冷媒排出管３が接続されている。積層方向にみたときに冷媒供給管４と各冷却器の一方の連結管６が一直線に並び、冷媒排出管３と各冷却器の他方の連結管６が一直線に並ぶ。冷媒供給管４を通じて外部から冷媒が供給される。供給された冷媒は各冷却器の一方の連結管６を介して各冷却器に分配される。冷媒は、各冷却器の中を流れる間に隣接するパワーカードと電気部品から熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は各冷却器の他方の連結管６と冷媒排出管３を通じて外部へと排出される。

前述したように、各冷却器は、積層方向で対向する２つの側板の一方にパワーカードが接しており、他方に電気部品が接している。電気部品は、コンデンサモジュールあるいはリアクトルであり、それらはパワーカードよりも発熱量が小さい。なお、より正確には、電気部品の冷却器に対向する面における発熱密度は、パワーカードの冷却器に対向する面における発熱密度よりも小さい。各冷却器は、その内部構造に依存して積層方向の両側で冷却能力が異なる。各冷却器は、冷却能力が高い側にパワーカードが接しており冷却能力が低い側にはパワーカードよりも発熱密度が小さい電気部品が接している。すなわち、電気部品よりも単位面積当たりの放熱量が大きいパワーカードの一側面には冷却器の冷却能力が高い面が接し、パワーカードの上記一側面よりも単位面積当たりの放熱量が小さい電気部品の側面には冷却能力の低い面が接する。

次に、図３を参照して、積層冷却ユニット１０２の内部構造を説明する。特に、積層方向の夫々の側で冷却能力が異なる冷却器の内部構造を説明する。図３は、図２ＢにおけるIII−III線に沿った積層冷却ユニット１０２の断面図であって、冷却器１０ａ、１０ｂとその近傍を拡大した断面図である。なお、図３では、一方の冷却器１０ａと一方のパワーカード２０ａだけに細かく符号を付し、他方の冷却器１０ｂと他方のパワーカード２０ｂには符号を省略した。以下、パワーカード２０ａと冷却器１０ａについて説明するが、他のパワーカード２０ｂ−２０ｄと冷却器１０ｂ−１０ｄも同様の構造を有している。

まず、パワーカード２０ａについて説明する。パワーカード２０ａは、２個のパワートランジスタＴ１、Ｔ２と、夫々のパワートランジスタに並列に接続されるダイオードを樹脂でモールドしたデバイスである。なお、ダイオードの図示は省略している。前述したように、２個のパワートランジスタＴ１、Ｔ２は、樹脂のパッケージ２４の内部で直列に接続されている。図２Ａ、図２Ｂに示された３本の端子９１は、２個のパワートランジスタの直列回路の高電位側端子、低電位側端子、及び、中間点の端子に相当する。また、図２Ｂに示した別の端子９２は、パワートランジスタのゲート電極に導通する端子である。

２個のパワートランジスタＴ１、Ｔ２は平板型のチップであり、その幅広面に電極が露出している。図３に示されているように、２個のパワートランジスタＴ１、Ｔ２の夫々の一面に金属板２１が当接しており、この金属板２１が、一方のパワートランジスタＴ１の低電位側電極と他方のパワートランジスタＴ２の高電位側電極を接続している。即ち、金属板２１が２個のパワートランジスタを直列に接続している。なお、金属板２１とパワートランジスタＴ１、Ｔ２の間に導電性のスペーサが挿入される場合もある。

金属板２１は、前述した３本の端子９１の一つと連続している。金属板２１の一方の面は、平板型のパッケージ２４の幅広い側面に露出している。そして、この金属板２１が、絶縁板８を介して冷却器１０ａと接している。即ち、金属板２１は、パワートランジスタＴ１、Ｔ２の電極に通じる端子の役割を果たすとともに、放熱板（ヒートスプレッダ）としても機能する。

冷却器１０ａの内部構造について説明する。冷却器１０ａは、その筐体１７が樹脂で作られている。筐体１７から伸びている連結管６も樹脂製である。筐体１７と連結管６は、射出成形により一体的に製造される。樹脂の筐体は射出成形で作ることができるので、複雑な形状が低コストで製造できるという利点を有する。筐体１７と連結管６を一体成形することも、樹脂の射出成形法により低コストで実現できる。冷却器１０ａの筐体１７は樹脂製であるが、筐体１７において絶縁板８を挟んでパワーカード２０ａと接する側面には金属板１４が配置されている。より具体的には、樹脂製の筐体１７は、パワーカードと対向する面に大きな開口１７ａを有しており、金属板１４は、その開口１７ａを閉塞する。また、筐体１７には、コンデンサモジュール３１と対向する面にも大きな開口１７ｂが設けられており、その開口１７ｂは、金属板１８で閉塞されている。なお、開口１７ａ（開口１７ｂ）の周囲と金属板１４（金属板１８）は、不図示のガスケットによって封止されている。

筐体１７の内部は冷媒が通る流路となっており、金属板１４、１８は、その流路の内壁を構成する。また、別言すれば、金属板１４、１８は、冷却器の側板に相当する。冷却器１０ａは、パワーカード２０ａと対向する側板に金属板１４を配することによって、筐体１７が樹脂製であってもパワーカード２０ａに対する高い冷却効率を実現している。同様に、コンデンサモジュール３１と対向する側板に金属板１８を配することによって、コンデンサモジュール３１に対する高い冷却効率を実現している。金属板１４の裏面（筐体内側を向く面）には、複数のフィン１５が設けられている。複数のフィン１５も冷却性能を高めることに貢献する。一方、金属板１８の裏面にはフィンは設けられていない。

冷却器１０ａは、衝突噴流型と呼ばれる構造を有している。その構造を説明する。筐体１７の内部空間は、積層方向（図中のＸ軸方向）と直交する仕切板１２によって２層の空間に区画されている。夫々の空間は冷媒が通るので、以下では流路と称する。仕切板１２で仕切られた２つの空間のうち、コンデンサモジュール３１に近い側（パワーカード２０ａから遠い側）の流路を冷媒供給路Ｐａと称し、パワーカード２０ａに近い側の流路を冷媒排出路Ｐｂと称する。仕切板１２には、筐体１７の長手方向（図中のＹ軸方向）に細長いノズル１３が設けられている。ノズル１３は、仕切板１２から金属板１４へ向かって伸びており、その先端はフィン１５に当接している。冷媒供給管４と連結管６を通じて供給される冷媒は、冷媒供給路Ｐａへと流れる。冷媒供給路Ｐａの下流は閉塞しており、冷媒は、ノズル１３を通じて冷媒排出路Ｐｂへと流れる。ノズル１３の図中Ｚ軸方向の幅は狭く、冷媒はノズル１３から勢いよく噴出する。図３の符号Ａ１が示す矢印太線が、冷媒供給路Ｐａからノズル１３を通る冷媒の流れを示している。

ノズル１３は金属板１４に向いているので、ノズル１３から噴出した冷媒は、冷却器の側板である金属板１４の裏面（冷却器の内側を向く面）に衝突し、その後、フィン１５に沿って流れる。冷媒は、冷媒排出路Ｐｂから下流の連結管６へと流れ、最後は冷媒排出管３を通じて積層冷却ユニット１０２から排出される。図３中の符号Ａ２が示す矢印太線が、金属板１４に衝突した後の冷媒の流れを示している。

以上、パワーカード２０ａ、冷却器１０ａについて説明したが、他のパワーカードと冷却器の構造も同じである。図３において冷却器１０ｂに描かれている矢印太線も冷媒の流れを示している。矢印太線が示すように、冷却器１０ｂにおいて、冷媒は、ノズルを通過し、パワーカード２０ｂに面している金属板１４の裏面に衝突し、その後、フィンに沿って流れ、下流の連結管６を通り排出される。

なお、冷却器１０ａの連結管６と冷媒排出管３は、ガスケット９を挟んで密着しているとともに、ガスケット９を覆うように継手５によって強固に連結されている。他の連結管６と冷媒供給管４についても同様である、また、隣り合う冷却器１０ａと１０ｂの間の連結管同士もガスケット９と継手５によって高い水密性を保持しながら、強固に連結されている。

衝突噴流型の冷却器１０ａは、冷却対象（パワーカード２０ａ）と接している筐体側板（金属板１４）の裏面に冷媒を勢いよく衝突させることで高い冷却効率を実現する。一方、金属板１８の側では、冷媒が金属板１８に沿って流れるだけである。従って、金属板１８の側の冷却能力は金属板１４の側の冷却能力ほどには高くない。そこで、冷却能力の高い金属板１４の側には発熱密度の大きいパワーカードを配し、反対側の金属板１８の側にはパワーカードと比較して発熱密度の小さいコンデンサモジュール３１（電気部品）を配する。積層冷却ユニット１０２では、冷却能力に応じて発熱密度の異なるデバイスを冷却器の両側に配置し、効率のよい冷却を実現している。なお、パワーカードと電気部品の発熱密度は、金属板１８に対向する面における値で比較される。

また、冷却器１０ａは、その内部空間が積層方向に二分割されている。特許文献１、２（特開２００８−１９８７５１号公報、特開２００７−２５８４５８号公報）に開示された積層冷却ユニットでは、冷却器の内部空間は積層方向に３層に分割されている。冷却器１０ａは内部空間が二分割なので積層方向（図中のＸ軸方向）の厚みが特許文献１、２の冷却器よりも薄くできるので、積層冷却ユニットの積層方向の長さを上記特許文献の積層冷却ユニットと比較して短くすることができる。

図３に示されているように、冷却器１０ｂも、冷却能力が高い側（図３において冷却器１０ｂの図中の左側）にパワーカード２０ｂが接しており、反対側にパワーカードよりも発熱密度の小さいリアクトルモジュール３２が接している。図２Ａ、図２Ｂに示した他の冷却器１０ｃ、１０ｄについても同様である。

なお、図２Ａに示したように、パワーカードよりも発熱密度が小さいコンデンサモジュール３１と３３は、積層冷却ユニット１０２の積層方向の端に位置している。

次に、積層冷却ユニット１０２の変形例を説明する。図４に変形例の積層冷却ユニット２０２の部分平面図を示し、図５にその断面図を示す。変形例の積層冷却ユニット２０２は、一つのパワーカード２０ａの両側に冷却器１０ａ、１０ｂが配置されている点で先の積層冷却ユニット１０２とは異なる。パワーカードの構造と冷却器の構造は第１実施例のパワーカード、冷却器と同じである。図３と図５にて同じ符号は同じ部品を示す。それゆえ、ここでは、パワーカードと冷却器の構造の説明はせず、先の積層冷却ユニット１０２との相違点だけを説明する。

積層冷却ユニット２０２では、図５に示すように、冷却器１０ａの金属板１４が絶縁板８を介してパワーカード２０ａと接しており、金属板１８がコンデンサモジュール３１と接している。冷却器１０ｂは、金属板１４が絶縁板８を介してパワーカード２０ａと接しており、金属板１８がリアクトルモジュール３２と接している。前述したように、冷却器１０ａ（１０ｂ）は、金属板１４の側が金属板１８の側よりも冷却能力が高い。積層冷却ユニット２０２は、その両側で冷却能力が異なる２つの冷却器１０ａ、１０ｂを備え、夫々の冷却器は冷却能力の高い側（金属板１４の側）がパワーカード２０ａに接しており、冷却能力の低い側（金属板１８の側）には、パワーカードよりも発熱密度が小さい電気部品（コンデンサモジュール３１とリアクトルモジュール３２）が接している。積層冷却ユニット２０２も、内部空間が積層方向（図中のＸ軸方向）で二分割され積層方向の両側で冷却能力が異なる衝突噴流型の冷却器を用い、冷却能力に応じたデバイスを夫々の側に配置することによって、コンパクトでなおかつ高い冷却効率を実現している。パワーカード２０ａとコンデンサモジュール３１とリアクトルモジュール３２以外の部品については説明を省略する。

図６に、更に別の変形例の積層冷却ユニット３０２の断面図を示す。図６は、冷却器のフィン３５以外の構造は図５に示した積層冷却ユニット２０２と同じである。積層冷却ユニット３０２の冷却器１０ａ、１０ｂは、冷却能力が高い側の側板（金属板１４）の裏面に複数のフィン１５を備えるとともに、冷却能力が低い側の側板（金属板１８）の裏面にも複数のフィン３５を備える。複数のフィン３５は、図中のＺ軸方向に平行に設けられており、夫々のフィンは、冷媒の流れ方向（図中のＹ軸方向）に伸びている。積層冷却ユニット３０２は、冷却能力が低い側の側板（金属板１８）の裏面にも複数のフィン３５を配して電気部品（コンデンサモジュール３１やリアクトルモジュール３２）に対する冷却能力を高めている。

（第２実施例）次に、第２実施例の積層冷却ユニットを説明する。図７に積層冷却ユニット５０２の斜視図を示す。図７には、４個の平板型の冷却器５０ａ−５０ｄと２個の平板型のパワーカード２０ａ、２０ｂと２個のコンデンサモジュール３１、３３とリアクトルモジュール３２を積層した部位を示している。図１に示したパワーカード２０ｂ、２０ｄは図示と説明を省略する。

冷却器５０ａ−５０ｄは、衝突噴流型であるが、内部の構造が先の冷却器１０ａ−１０ｄとは異なる。冷却器５０ａ−５０ｄは同一の構造を有する。以下では、冷却器５０ａ−５０ｄを区別なく表す際には冷却器５０と表現する。

詳しい内部構造は後述するが、冷却器５０は衝突噴流型であり、内部空間が積層方向に２層に区画されており、その仕切板にノズルが設けられている。ノズルを介して一方の空間から他方の空間に冷媒が噴出し、その他方の空間に面する側板の裏面に冷媒が衝突する。裏面に冷媒が衝突する側板の側の冷却性能がその側板に対向する他方の側板の側の冷却性能よりも高い。冷却性能が高い側の側板にパワーカード２０ａ（あるいは２０ｂ）が接しており、他方の側の側板に電気部品（コンデンサモジュール３１、３３あるいはリアクトルモジュール３２）が接している。以下、冷却器５０の構造を詳しく説明する。

冷却器５０は、その一側面に、冷媒を取り込む冷媒供給口５１ａと、冷却器５０の内部を通過した冷媒を排出する冷媒排出口５１ｂが設けられている。冷媒供給口５１ａと冷媒排出口５１ｂは、各冷却器５０の長手方向の一側面に設けられている。その一側面に対向するように、冷媒供給管６４と冷媒排出管６３が平行に配置されている。冷媒供給管６４と冷媒排出管６３は、各冷却器５０の一側面に対向しているとともに、積層方向に伸びている。冷媒供給管６４は、各冷却器５０の冷媒供給口５１ａと接続しており、冷媒排出管６３は、各冷却器５０の冷媒排出口５１ｂと接続している。図中の矢印Ｆ１は、冷媒の流入方向を示しており、矢印Ｆ２は冷媒の排出方向を示している。符号Ｆ１とＦ２の意味は、以下図でも同様である。

図８から図１０を使って冷却器５０の内部構造を説明する。図８に、図７のVIII−VIII線に沿った冷却器５０の断面図を示す。図８は、冷却器５０の長手方向の断面図である。図中のＸ軸が冷却器とパワーカードの積層方向に相当し、Ｙ軸が冷却器５０の長手方向に相当し、Ｚ軸は冷却器５０の短手方向に相当する。なお、図８において、符号Ｆ１とＦ２は冷媒の流れの方向を表している。冷媒供給管６４では、冷媒は紙面手前から奥に向かって流れ（符号Ｆ１）、冷媒排出管６３では冷媒は紙面奥から手前に向けて流れる（符号Ｆ２）。また、図９に、図８のIX−IX線に沿った冷却器の断面図を示す。図９は、冷却器５０の短手方向の断面図である。図９には、冷却器１０ａと接するパワーカード２０ａとコンデンサモジュール３３を仮想線で模式的に描いてある。

冷却器５０の長手方向の一側面に、冷媒を取り込む冷媒供給口５１ａと、冷却器５０の内部を流れた冷媒を排出する冷媒排出口５１ｂが設けられている。冷却器５０の内部には、冷媒供給流路５２、４本の分岐流路５３−１、５３−２、５３−３、及び、５３−４、冷媒排出流路５８が備えられている。なお、以下では、４本の分岐流路５３−１、５３−２、５３−３、及び、５３−４を総称する場合には「分岐流路５３」と表現する。

冷媒供給流路５２は、一端５２ａが冷媒供給口５１ａに接続しており、他端５２ｂは閉塞している。冷媒供給流路５２は、冷却器５０の短手方向の一端側で、長手方向（図中のY軸方向）に真直ぐに伸びている。４本の分岐流路５３は、それぞれ、冷媒供給流路５２の途中から分岐している。４本の分岐流路５３は、流れの方向に順に冷媒供給流路５２から分岐している。分岐流路５３−１、５３−２の流路断面は、分岐流路５３−３、５３−４の流路断面よりも大きい。

分岐流路５３は、冷却器５０の短手方向（図中のＺ軸方向）に真直ぐに伸びており、その先端は閉塞している。冷却器５０の内部には、積層方向（Ｘ軸方向）のほぼ中央に、冷却器５０の内部空間を積層方向に二分する仕切板５４が備えられている。積層方向において仕切板５４の一方側の空間（図９において仕切板５４の上方）が分岐流路５３に相当し、他方側の空間（図９において仕切板５４の下側）は、分岐後排出流路５６に相当する。分岐後排出流路５６は、冷媒排出流路５８につながっている。

夫々の分岐流路５３には、分岐流路５３の延設方向に沿って伸びる、即ち、冷却器５０の短手方向に沿って伸びるノズル５５が備えられている。ノズル５５は、別言すれば、分岐流路５３を画定する仕切板５４に設けられている。ノズル５５は、その先端が、パワーカード２０ａと接している側板５９ａの裏面に向けられている。ノズル５５は、分岐流路５３を流れてきた冷媒を、側板５９ａの裏面に向けて噴出させる。一つの分岐流路に複数のノズル５５が平行に設けられている。複数のノズル５５は、流れ方向に直交する方向に並んで設けられている。各ノズル５５は、冷媒の流れ方向に細長い。

側板５９ａの裏面には複数のフィン５７が設けられている、ノズル５５の先端はフィン５７の上端と接している。なお、「側板５９ａの裏面」とは、冷却器５０の内側の面に相当する。

冷却器５０の内部の冷媒の流れを説明する。冷媒供給管６４を流れる冷媒は、冷媒供給口５１ａを通じて冷却器５０に流れ込む。冷媒は、冷媒供給流路５２から、各分岐流路５３へと流れる。分岐流路５３に流れ込んだ冷媒は、ノズル５５を通じて側板５９ａの裏面に噴出される。側板５９ａの裏面に噴出された冷媒は、複数のフィン５７の間を通り、冷媒排出流路５８へと流れる。最後に冷媒は、冷媒排出流路５８から、冷媒排出口５１ｂを通じ、冷媒排出管６３へと流れ出る。図８及び図９の太線矢印線が冷媒の流れを示している。

なお、分岐流路５３と仕切板５４とノズル５５とフィン５７のレイアウトについては、図１０も参照されたい。図１０は、一方の側の側板５９ｂを外し、分岐流路５３の内部を示した斜視図である。なお、図１０では、仕切板５４は途中でカットして描いてある。仕切板５４についてハッチングを施している面が、カット面に相当する。図１０の太い矢印線も冷媒の流れを示している。図１０から、冷媒が、冷媒供給流路５２から分岐流路５３に入り、仕切板５４に設けられている細長のノズル５５を通じて側板５９ａの裏面に衝突し、複数のフィン５７の間を通り、分岐後排出流路５６を通り、冷媒排出流路５８に流れていく様子がよく理解される。なお、図１０において、符号５９ｃは、分岐流路５３を画定するの側壁を構成するリブを示している。

先に示した第１実施例の冷却器１０ａにおける仕切板１２とノズル１３とフィン１５のレイアウトも図１０で表される。

冷却器５０の冷却効果について説明する。内部にパワートランジスタＴ１とＴ２を収容するパワーカード２０ａは、冷却器５０の側板５９ａと接している。側板５９ａの裏面には冷媒が衝突するので冷却効果が高い。側板５９ａと対向する別の側板５９ｂは、分岐流路５３に面した側板であり、冷媒は側板５９ｂに沿って流れるだけである。それゆえ、側板５９ｂの側の冷却能力は側板５９ａの側の冷却能力よりも低い。その側板５９ｂには、パワーカード２０ａよりも発熱密度が小さいコンデンサモジュール３３が接している（図９参照）。他の冷却器５０ｂ−５０ｄについても同様である。即ち、冷却器５０ｂ−５０ｄにおいて、裏面に冷媒が衝突する側板にはパワーカードが接しており、その側板と対向する他方の側板にはパワーカードよりも発熱密度が小さい他の電気部品（コンデンサモジュール３１、３３、あるいは、リアクトルモジュール３２）が接している。積層冷却ユニット５０２も、第１実施例の積層冷却ユニット１０２と同様に、内部空間が積層方向に２層に区分されている衝突噴流型冷却器を採用しつつ、積層方向にコンパクトでありながら効率のよい冷却を実現する。

図１１に、図８−図１０に示した冷却器５０の変形例を示す。冷却器５０は、仕切板５４に、冷媒の流れ方向に細長いノズル５５を備えていた。図１１に示す冷却器１５０は、冷媒の流れ方向に細長いノズル５５に代えて、楕円孔の複数のノズル１５５を有する。複数のノズル１５５は、楕円孔の長軸が一直線に並ぶように配置されている。このような楕円孔の複数のノズル１５５は、図８−図１０に示した冷媒の流れ方向に細長いノズル５５と同様の効果を奏する。一列に並んだ複数のノズルの夫々は、楕円孔の代わりに円径の孔を有していてもよい。

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。

３、４３：冷媒排出管
４、４４：冷媒供給管
５：継手
６：連結管
７：圧縮バネ
８：絶縁板
９：ガスケット
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：冷却器
１２：仕切板
１３：ノズル
１４、１８、２１：金属板
１５、３５：フィン
１７：筐体
１７ａ、１７ｂ：開口
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ：パワーカード
２４：パッケージ
３１、３３：コンデンサモジュール（電気部品）
３２：リアクトルモジュール（電気部品）
４０：電力変換装置
４１：電圧コンバータ回路
４２：インバータ回路
４３：フィルタコンデンサ
４４：リアクトル
４５：平滑化コンデンサ
５０、５０ａ、５０ｂ、５０ｃ、５０ｄ、１５０：冷却器
５１ａ：冷媒供給口
５１ｂ：冷媒排出口
５２：冷媒供給流路
５３−１、５３−２、５３−３、５３−４：分岐流路
５４：仕切板
５５、１５５：ノズル
５７：フィン
５９ａ、５９ｂ：側板
８１：バッテリ
８２：システムメインリレー
８３：モータ
８４：エンジン
８５：動力分配機構
８６：車軸
１００：ハイブリッド車
１０２、２０２、３０３、５０２：積層冷却ユニット

Claims (2)

1. 半導体素子を収容したパワーカードと、
   前記パワーカードよりも発熱密度が小さい電気部品と、
   対向する２つの側板の一方に前記パワーカードが積層されているとともに他方に前記電気部品が積層されている冷却器と、を備えており、
   前記冷却器は、
   その内部空間を積層方向に二分する仕切板を有しているとともに、その仕切板に、前記パワーカードと接している側板の裏面に向けて冷媒を噴出するノズルが設けられている、
   ことを特徴とする積層冷却ユニット。
2. 前記裏面に複数のフィンが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の積層冷却ユニット。

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