JP2016029693A - 積層型冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の組み立て工程を複雑化させてしまうことがなく、比較的簡単な構成によって半導体モジュールを均等に冷却しうる積層型冷却器を提供すること。
【解決手段】この積層型冷却器１０は、並列方向に沿って並ぶように配置された複数の冷却管２０を備えている。複数の冷却管２０は、端部に配置された端部冷却管１２０を含む。端部冷却管１２０は、他の冷却管２０とは向き合わない側に一体に形成されてなる受圧プレート１２１を有する。積層型冷却器１０は更に、全ての冷却管２０及び半導体モジュールＳＭを並列方向に沿って圧縮するよう、受圧プレート１２１に対して圧縮力を加える加圧部材５０を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却する積層型冷却器に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車には、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータといった電力変換装置が搭載されている。電力変換装置の構成としては、スイッチング素子やダイオードのような一部の電子部品が薄板状のパッケージ内に収められてモジュール化されたもの（半導体モジュール）を、複数備えた構成とするのが一般的となっている。

電気自動車等に搭載される電力変換装置は、モーターを駆動させるための電力を調整、制御する装置であるから、その取り扱う電力が非常に大きい。このため、動作中においては半導体モジュールからの大きな発熱を伴う。電力変換装置を安定して動作させるためには、それぞれの半導体モジュールを冷却して適温に保ちがなら動作させる必要がある。

複数の半導体モジュールを冷却するための冷却器として、積層型冷却器が知られている。積層型冷却器は、複数の冷却管が互いに間を空けて並ぶように配置された構成となっており、それぞれの半導体モジュールをこれら冷却管の間に挟み込んだ状態で冷却するものである。具体的には、内部を流体が流れる扁平形状の冷却管と、冷却対象である半導体モジュールとが、一方向（以下、「積層方向」ともいう）に沿って交互に積層された構成となっている。冷却管の内部を流れる流体と半導体モジュールとの間で熱交換が行われて、半導体モジュールが冷却される（例えば、下記特許文献１を参照）。

電力変換装置の動作中においては、全ての半導体モジュールが均等に冷却される必要がある。このため、上記のような構成の積層型冷却器においては、積層された冷却管及び導体モジュールの全体が積層方向に沿って圧縮され、それぞれの冷却管と半導体モジュールとが互いに密着している状態が維持されることが望ましい。

下記特許文献１に記載の積層型冷却器は、積層方向の端部に弾性力を有するバネ部材が配置されている。バネ部材の弾性力により、それぞれの冷却管及び半導体モジュールが積層方向に沿って圧縮され、冷却管と半導体モジュールとが互いに密着している状態が維持される。

ところで、内部を流れる流体と半導体モジュールとの熱交換が効率的に行われるよう、冷却管は薄い金属板により構成されている。このため、端部の冷却管のうちバネ部材に当接されている部分が圧縮力によって変形してしまい、バネ部材の圧縮力が偏って加えられてしまう可能性がある。その結果、一部において冷却管と半導体モジュールとの密着が確保されなくなってしまう可能性がある。

そこで、下記特許文献１に記載の積層型冷却器では、積層方向の端部に配置された冷却管（以下、「端部冷却管」ともいう）とバネ部材との間に板材を介在させており、バネ部材による圧縮力が当該板材を介して端部冷却管の広い範囲に加えられる構成としている。板材を介在させることにより、圧縮力によって端部冷却管が変形してしまうことはなく、圧縮力は全ての冷却管及び半導体モジュールに対して均等に加えられるようになる。その結果、冷却管と半導体モジュールとの密着が積層型冷却器の全体において確保される。

特許第５０１２３８９号公報

上記のような積層型冷却器を備えた電力変換装置を組み立てる際には、隣り合う冷却管同士の隙間に半導体モジュールが挿入された状態で、積層型冷却器の全体が積層方向に沿って仮圧縮され、半導体モジュールが冷却管の間に保持された状態とされる。続いて、当該状態が維持されたまま、電力変換装置を収納するケースと端部冷却管との間の適切な位置に、別工程にてバネ部材が組みつけられた状態となった板材が配置される。その結果、バネ部材によって冷却管と半導体モジュールとが圧縮された状態とされる。

このように、上記特許文献１に記載されているような従来の積層型冷却器では、板材にバネ部材を組み付ける工程が別途必要となるため、電力変換装置の組み立て工程が複雑化してしまっていた。また、板材の追加によって部品点数も増加してしまっていた。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電力変換装置の組み立て工程を複雑化させてしまうことがなく、比較的簡単な構成によって半導体モジュールを均等に冷却しうる積層型冷却器を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る積層型冷却器は、半導体モジュールを冷却する積層型冷却器（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）であって、並列方向に沿って並ぶように配置されており、前記半導体モジュールを挟み込むための隙間（ＧＰ）を空けた状態で互いに連結された複数の冷却管（２０）と、前記冷却管の内部に形成された流路（ＦＣ）に流体を供給する供給管（３０）と、前記流路から前記流体を排出する排出管（４０）と、を備えている。前記複数の冷却管は、端部に配置された端部冷却管（１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ）を含み、前記端部冷却管は、他の前記冷却管とは向き合わない側に一体に形成されてなる受圧プレート（１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ，２００Ｃ）を有している。本発明に係る積層型冷却器は更に、前記隙間に前記半導体モジュールを挟み込んだ状態で、全ての前記冷却管及び前記半導体モジュールを前記並列方向に沿って圧縮するよう、前記受圧プレートに対して圧縮力を加える加圧部材（５０，５１Ａ）を設けている。

本発明の積層型冷却器では、加圧部材からの圧縮力が受圧プレートを介して端部冷却管に加えられる。このため、圧縮力によって端部冷却管が変形してしまうことはなく、圧縮力が全ての冷却管及び半導体モジュールに対して均等に加えられる。その結果、冷却管と半導体モジュールとの密着を積層型冷却器の全体において確保することができる。また、加圧部材からの圧縮力を直接受ける部材である受圧プレートが、端部冷却管と一体に形成されている。このため、電力変換装置を組み立てる際において、受圧プレートを適切な位置に位置決めし配置するための工程を設ける必要がない。また、受圧プレートを別部品として用意しておく必要がないため、部品点数が増加してしまうこともない。

本発明によれば、電力変換装置の組み立て工程を複雑化させてしまうことがなく、比較的簡単な構成によって半導体モジュールを均等に冷却しうる積層型冷却器を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る積層型冷却器の全体構造を示す上面図である。 隣り合う冷却管同士の接続部分の構造を示す部分断面図である。 端部冷却管と、これと隣り合う冷却管との接続部分の構造を示す部分断面図である。 加圧部材である板ばねを示す上面図である。 図１に示された積層型冷却器を、端部冷却管側から積層方向に沿って見た状態を示す図である。 図１に示された積層型冷却器を備える電力変換装置の、組み立て工程の一部を説明するための斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る積層型冷却器の全体構造を示す上面図である。 本発明の第３実施形態に係る積層型冷却器の全体構造を示す上面図である。 本発明の第４実施形態に係る積層型冷却器の端部冷却管と、これと隣り合う冷却管との接続部分の構造を示す部分断面図である。 図１に示された積層型冷却器の端部冷却管にメンテナンス用配管が接続された構成を説明するための部分断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

本発明の第１実施形態に係る積層型冷却器１０は、電気自動車に搭載される電力変換装置ＰＣＵの一部をなすものであって、当該電力変換装置ＰＣＵが備える複数の半導体モジュールＳＭを冷却するための冷却器である。冷却対象である半導体モジュールＳＭは、電力変換装置ＰＣＵの電力変換回路を構成する電子部品のうち、スイッチング素子やダイオードのような一部の電子部品が薄板状のパッケージ内に収められてモジュール化されたものであり、電力変換装置ＰＣＵに複数備えられている。

図１に示されるように、積層型冷却器１０は、複数の冷却管２０と、供給管３０と、排出管４０と、板バネ５０とを備えている。複数の冷却管２０は、互いに隙間ＧＰを空けて一方向に沿って並ぶように配置されており、それぞれの隙間ＧＰに一枚の半導体モジュールＳＭを挟み込んでいる。つまり、複数の冷却管２０と半導体モジュールＳＭとが一方向に沿って交互に並べられ積層されている。

電気自動車に搭載されているラジエータ（不図示）と積層型冷却器１０との間では冷却水が循環しており、それぞれの冷却管２０の内部には、当該冷却水が通る流路ＦＣ（図１では不図示）が形成されている。冷却管２０の内部を流れる冷却水と半導体モジュールＳＭとの間で熱交換が行われて、半導体モジュールＳＭが冷却される。

尚、図１においては、冷却管２０と半導体モジュールＳＭとが積層されている方向であって、供給管３０側から板バネ５０側に向かう方向をｘ方向としてｘ軸を設定している。また、ｘ方向に対して垂直な方向であって、排出管４０側から供給管３０側に向かう方向をｙ方向としてｙ軸を設定している。更に、ｘ方向及びｙ方向のいずれに対しても垂直な方向であって、紙面手前側に向かう方向をｚ方向としてｚ軸を設定している。以降の図面においても、同様にしてｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を設定している。

電力変換装置ＰＣＵは計１２枚の半導体モジュールＳＭを備えており、それぞれの半導体モジュールＳＭの形状は互いに同一となっている。半導体モジュールＳＭは、パッケージ部ＳＭａと、電極端子ＳＭｂと、制御端子ＳＭｃ（図１では不図示）とを有している。パッケージ部ＳＭａは、スイッチング素子等の電子部品を内部に収納する部分であって、矩形の薄板形状をなしている。それぞれの半導体モジュールＳＭは、パッケージ部ＳＭａの主面の法線がｘ軸に沿うように配置されており、ｘ軸に沿って見た場合において互いに全体が重なるように配置されている。

電極端子ＳＭｂは、電力変換装置ＰＣＵが取り扱う電力を入出力するための端子であり、パッケージ部ＳＭａからｚ方向に向かって延びるように形成されている。それぞれの半導体モジュールＳＭは３本の電極端子ＳＭｂを有している。

制御端子ＳＭｃは、パッケージ部ＳＭａ内のスイッチング素子に対する制御信号を入出力するための端子であり、パッケージ部ＳＭａから−ｚ方向に向かって延びるように形成されている。図５に示されるように、それぞれの半導体モジュールＳＭは１０本の制御端子ＳＭｃを有している。制御端子ＳＭｃは、電力変換装置ＰＣＵが備える制御基板（不図示）に接続される。

積層型冷却器１０は計１３個の冷却管２０を備えている。それぞれの冷却管２０は、ｘ軸に沿って見た場合において互いに全体が重なるように配置されている。これら複数の冷却管２０のうち、最もｘ方向側の端部に配置されているもの（以下、「端部冷却管１２０」とも表記する）以外のものは、全て同一の構造となっている。このため、まず端部冷却管１２０以外の冷却管２０の構造について説明する。

図１及び図２に示されるように、冷却管２０は、ｘ方向側に配置された第１プレート２１と、−ｘ方向側に配置された第２プレート２２と、によってその外郭が形成された管である。第１プレート２１は、ｘ軸に沿って見た場合における外縁部の近傍を除いた大部分が、平板状の平板部２１ａとなっている。平板部２１ａは、その表面がｘ軸に対して垂直となるように配置されており、ｘ方向側に隣り合う半導体モジュールＳＭのパッケージ部ＳＭａのうち−ｘ方向側の主面の略全体に当接している。

第２プレート２２は、ｘ軸に沿って見た場合における外縁部の近傍を除いた大部分が、平板状の平板部２２ａとなっている。平板部２２ａは、その表面がｘ軸に対して垂直となるように配置されており、−ｘ方向側に隣り合う半導体モジュールＳＭのパッケージ部ＳＭａのうちｘ方向側の主面の略全体に当接している。

第１プレート２１の平板部２１ａと、第２プレート２２の平板部２２ａとは、ｘ方向に沿って互いに離間しており、両者の間に形成された空間が冷却水の流路ＦＣとなっている。第１プレート２１と第２プレート２２とは、流路ＦＣを通る冷却水が外部に漏えいしないよう、ｘ軸に沿って見た場合における外縁部の全周において互いにろう接されている。

第１プレート２１のうちｙ方向側の端部近傍には、平板部２１ａからｘ方向側に向かって延びる円筒状の外側突出管部２１ｂが形成されている。外側突出管部２１ｂの先端部分（ｘ方向側の端部）は、他の部分に比べて拡径している。外側突出管部２１ｂの内部空間は流路ＦＣに通じている。

第２プレート２２のうちｙ方向側の端部近傍には、平板部２２ａから−ｘ方向側に向かって延びる円筒状の内側突出管部２２ｂが形成されている。内側突出管部２２ｂの先端部分（−ｘ方向側の端部）は、他の部分に比べて縮径している。内側突出管部２２ｂの先端部における外径は、外側突出管部２１ｂの先端部における内径よりも小さい。内側突出管部２２ｂの内部空間は流路ＦＣに通じている。

尚、第１プレート２１は、ｙ方向に沿った一方側の形状と他方側の形状とが互いに対称となっており、−ｙ方向側の端部近傍にも外側突出管部２１ｂが形成されている。同様に、第２プレート２２は、ｙ方向に沿った一方側の形状と他方側の形状とが互いに対称となっており、−ｙ方向側の端部近傍にも内側突出管部２２ｂが形成されている。

図２に示されるように、外側突出管部２１ｂの内側には、ｘ方向側に配置された他の冷却管２０の内側突出管部２２ｂが挿入されている。外側突出管部２１ｂの内周面と内側突出管部２２ｂの外周面とは互いに当接しており、当該当接部分において両者がろう接されている。このような構成により、全ての冷却管２０が互いに接合されて一体となっている。また、それぞれの冷却管２０の内部に形成された流路ＦＣの全てが、内側突出管部２２ｂ及び外側突出管部２１ｂによって互いに連通されている。

第１プレート２１と第２プレート２２との間、すなわち冷却管２０の内部には、平板である第３プレート２３が配置されている。第３プレート２３は、ｘ軸に沿って見た場合における外形が第１プレート２１及び第２プレート２２の外形と略同一の平坦な金属板であり、その表面がｘ軸に対して垂直となるように配置されている。第３プレート２３は、その外縁部において第１プレート２１及び第２プレート２２にろう接されている。

第３プレート２３のうち、内側突出管部２２ｂ及び外側突出管部２１ｂに対向する部分には、円形の貫通孔２３ａが形成されている。貫通孔２３ａは、第３プレート２３のうちｙ方向側の端部近傍及び−ｙ方向側の端部近傍の両方に形成されている。流路ＦＣは第３プレート２３によって二つに分かれるように仕切られているのであるが、これら二つの流路は貫通孔２３ａを介して連通されている。

流路ＦＣのうち、ｘ軸に沿って見た場合においてパッケージ部ＳＭａと重なる部分には、インナフィン２５が配置されている。インナフィン２５は波型に形成された金属板であり、第３プレート２３と平板部２１ａとの間、及び第３プレート２３と平板部２２ａとの間にそれぞれ配置されている。インナフィン２５により、第１プレート２１及び第２プレート２２と、流路ＦＣを流れる冷却水との間における伝熱が促進される。

続いて、図３を参照しながら、ｘ方向側の端部に配置された冷却管２０である端部冷却管１２０の構造について説明する。端部冷却管１２０は、第１プレート２１の形状において他の冷却管２０と異なっており、その他の構成、すなわち第２プレート２２や第３プレート２３の形状等については他の冷却管２０と同一である。このため、以下では端部冷却管１２０の第１プレート２１のことを第１プレート１２１と表記し、第１プレート１２１の形状についてのみ説明を行う。

第１プレート１２１は、端部冷却管１２０のうちｘ方向側の外郭を形成する部品である。つまり、端部冷却管１２０のうち他の冷却管１２０とは向き合わない側に配置された部品である。第１プレート１２１は、ｘ軸に沿って見た場合における外縁部（第２プレート２２にろう接されている部分）の近傍を除いた大部分が、平板状の平板部１２１ａとなっている。平板部１２１ａは、その主面の法線がｘ軸に沿うように配置されている。

他の端部冷却管１２０と同様に、第１プレート１２１の平板部１２１ａと、第２プレート２２の平板部２２ａとは、ｘ方向に沿って互いに離間しており、両者の間に形成された空間が冷却水の流路ＦＣとなっている。第１プレート１２１と第２プレート２２とは、流路ＦＣを通る冷却水が外部に漏えいしないよう、ｘ軸に沿って見た場合における外縁部の全周において互いにろう接されている。

端部冷却管１２０の内部において、平板部１２１ａと第３プレート２３との距離は、他の冷却管２０の内部における平板部２１ａと第３プレート２３との距離に等しい。端部冷却管１２０の内部に形成された流路ＦＣの形状は、他の冷却管２０内部に形成された流路ＦＣの形状と略等しくなっている。

一方、平板部１２１ａの厚さ（ｘ軸に沿った寸法）は、他の冷却管２０の平板部２１ａの厚さよりも厚くなっており、端部冷却管１２０の構成はこの点において他の冷却管２０の構成と異なっている。平板部１２１ａが厚くなっていることにより、端部冷却管１２０の剛性、特にｘ方向側の部分の剛性は、他の冷却管２０の剛性よりも高くなっている。

また、他の冷却管２０の第１プレート２１と異なり、第１プレート１２１には外側突出管部２１ｂが形成されていない。平板部１２１ａは、その全体が、凹凸や貫通孔等の形成されていない平坦な板となっている。この点においても、端部冷却管１２０の構成は他の冷却管２０の構成と異なっている。

図１に戻って説明を続ける。供給管３０は、それぞれの冷却管２０の流路ＦＣにラジエータからの冷却水を供給するための配管である。供給管３０は、−ｘ方向側の端部に配置された冷却管２０のうち、ｙ方向側の内側突出管部２２ｂに接続されている。

排出管４０は、それぞれの冷却管２０の流路ＦＣから冷却水を排出し、ラジエータに戻すための配管である。排出管４０は、−ｘ方向側の端部に配置された冷却管２０のうち、−ｙ方向側の内側突出管部２２ｂに接続されている。

電力変換装置ＰＣＵの動作中においては、ラジエータからの冷却水が供給管３０の内部をｘ方向側に向かって流れて、内側突出管部２２ｂ及び外側突出管部２１ｂの内部を通ってそれぞれの冷却管２０の流路ＦＣに供給される。冷却水は、それぞれの流路ＦＣを−ｙ方向側に向かって流れながら半導体モジュールＳＭからの熱を奪う。その後、冷却水は内側突出管部２２ｂ及び外側突出管部２１ｂの内部を通って排出管４０に到達し、排出管４０の内部を−ｘ方向側に向かって流れてラジエータに戻る。

板バネ５０は、ｚ軸に沿って見た場合の形状が略円弧状となるように形成された金属板であり、端部冷却管１２０のｘ方向側に配置されている。図４に示されるように、板バネ５０は、中央部が−ｘ方向側に向かって突出するような大きな円弧状に形成された主部５１と、主部５１のｙ方向側端部に繋がる部分であって、中央部がｘ方向側に向かって突出するような小さな円弧状に形成された第１副部５２と、主部５１の−ｙ方向側端部に繋がる部分であって、中央部がｘ方向側に向かって突出するような小さな円弧状に形成された第２副部５３とを有している。

板バネ５０は、端部冷却管１２０に対して−ｘ方向に圧縮力を加えることにより、全ての冷却管２０と半導体モジュールＳＭとを密着させた状態、すなわち、全ての半導体モジュールＳＭが均等に冷却される状態を維持するためのものである。

電力変換装置ＰＣＵが収納されるケース６０には、その底面６５に３つの固定ブロック６１、６２、６３が固定されている（図１及び図６を参照）。固定ブロック６１は、供給管３０と排出管４０との間となる位置においてケースの底面６５に固定されている。固定ブロック６１のうちｘ方向側の面６１ａは、その法線がｘ軸に沿った平坦な面となっている。この面６１ａが、最も−ｘ方向側の端部に配置された冷却管２０の平板部２２ａに当接している。

固定ブロック６２は、端部冷却管１２０よりもｘ方向側となる位置においてケースの底面６５に固定されている。固定ブロック６２のうち−ｘ方向側の面６２ａは、その法線がｘ軸に沿った平坦な面となっている。

固定ブロック６３は、固定ブロック６２と同一形状のブロックであって、固定ブロック６２よりも−ｙ方向側となる位置に配置されている。固定ブロック６３は、端部冷却管１２０よりもｘ方向側となる位置においてケースの底面６５に固定されている。固定ブロック６３のうち−ｘ方向側の面６３ａは、その法線がｘ軸に沿った平坦な面となっている。面６２ａと面６３ａとは、それぞれのｘ方向における位置が同一となっている。換言すれば、面６２ａと面６３ａとが同一の平面上に配置されている。

固定ブロック６３、６４と端部冷却管１２０との間には、スペーサ７０が配置されている。スペーサ７０は、板バネ５０の変形量（すなわち圧縮力）が適切な大きさとなるように、板バネ５０と固定ブロック６３、６４との間に介挿されている板材である。スペーサ７のうちｘ方向側の面７１は、その法線がｘ軸に沿った平坦な面となっている。この面７１が、固定ブロック６２の面６２ａ及び固定ブロック６３の面６３ａの両方に当接している。

固定ブロック６２の面６２ａは、その中央部がｘ方向側に後退しており、凹部６２ｂが形成されている。また、スペーサ７０のうち凹部６２ｂと対向する部分には、ｘ方向側に突出する凸部７２が形成されている。スペーサ７０の面７１と固定ブロック６２の面６２ａが当接している状態においては、凸部７２が凹部６２ｂの内部に収容されている。同様に、固定ブロック６３の面６３ａは、その中央部がｘ方向側に後退しており、凹部６３ｂが形成されている。また、スペーサ７０のうち凹部６３ｂと対向する部分には、ｘ方向側に突出する凸部７３が形成されている。スペーサ７０の面７１と固定ブロック６３の面６３ａが当接している状態においては、凸部７３が凹部６３ｂの内部に収容されている。このような構成により、スペーサ７０の位置がｙ方向にずれてしまうことが抑制されている。

スペーサ７０のうち−ｘ方向側の面７４は、その法線がｘ軸に沿った平坦な面となっている。スペーサ７０の面７４と端部冷却管１２０とは互いに離間しており、板バネ５０はこれらの間に配置されている。

板バネ５０は、主部５１の曲率半径が（外力を受けていない時よりも）大きくなるように弾性変形させられた状態で、スペーサ７０と端部冷却管１２０との間に配置されている。第１副部５２及び第２副部５３はスペーサ７０の面７４に当接している。また、主部５１は、端部冷却管１２０の第１プレート１２１に当接している。具体的には、第１プレート１２１のうちｙ方向に沿った中央となる位置であり、且つｚ方向に沿った中央となる位置において、主部５１が第１プレート１２１に当接している。

上記のように板バネ５０が配置された結果、板バネ５０の復元力により、端部冷却管１２０には−ｘ方向側に圧縮力が加えられている。当該圧縮力によって、全ての冷却管２０と半導体モジュールＳＭとが密着している状態、すなわち、全ての半導体モジュールＳＭが均等に冷却される状態が維持されている。

板バネ５０による圧縮力は、第１プレート１２１の全体（全面）に対して加えられるのではなく、第１プレート１２１と主部５１との当接部分において局所的に加えられる。その結果、第１プレート１２１のうち当接部分には高い圧力が加えられている。しかしながら、第１プレート１２１は他の冷却管２０の第１プレート２１に比べて肉厚となっているため、当該圧力が加えられていても変形してしまうことはない。第１プレート１２１の形状が維持されることにより、第１プレート１２１を介して伝達される圧縮力は、一部に偏って加えられてしまうことはなく、全ての冷却管２０及び半導体モジュールＳＭに対して均等に加えられる。その結果、冷却管２０と半導体モジュールＳＭとの密着が積層型冷却器１０の全体において確実に確保される。

このように、本実施形態においては、肉厚となっている第１プレート１２１が、板バネ５０からの圧縮力を直接受けるための部材、すなわち受圧プレートとして機能する。また、当該受圧プレート（第１プレート１２１）は、端部冷却管１２０を構成する部品であるから、端部冷却管１２０と一体に形成されているということもできる。

本実施形態では、このような構成により、電力変換装置ＰＣＵを組み立てる際において、受圧プレートを適切な位置に位置決めし配置するための工程、すなわち、受圧プレートと端部冷却管１２０との相対的な位置関係が適切となるように調整するための工程を設ける必要がない。また、受圧プレートを端部冷却管１２０とは別の部品として用意しておく必要がないため、部品点数が増加してしまうこともない。

第１プレート１２１のｘ方向側の面のうちｙ方向に沿った中央部分であり、且つｚ方向に沿った中央部分には、円形の凹部１２１ｂが形成されている（図５を参照）。また、板バネ５０の主部５１のうちｙ方向に沿った中央部分であり、且つｚ方向に沿った中央部分には、−ｘ方向側に向けて突出する円柱形上の凸部５４が形成されている（図４を参照）。板バネ５０による圧縮力が第１プレート１２１に加えられている状態においては、凸部５４が凹部１２１ｂの内部に収容されている。また、板バネ５０の主部５１のうち、凹部１２１ｂの周囲の部分が、第１プレート１２１に当接している。

このような構成により、板バネ５０と端部冷却管１２０との当接位置が、ｙ方向に沿ってずれてしまうことはなく、ｚ方向に沿ってずれてしまうこともない。つまり、凹部１２１ｂは本発明の「位置ずれ記載部」として機能するものである。その結果、板バネ５０からの圧縮力は、常に端部冷却管１２０の中央部対して加えられることになる。このため、圧縮力が偏って加えられてしまうことが抑制され、積層型冷却器１０の全体において冷却管２０と半導体モジュールＳＭとの密着状態が確実に確保される。

電力変換装置ＰＣＵの組み立て工程の一部について簡単に説明する。既に説明したように、積層型冷却器１０は複数の冷却管２０が互いにろう接されて一体となった構成となっている。このろう接が完了した直後の状態においては、冷却管２０同士の隙間ＧＰは半導体モジュールＳＭの厚さよりも大きくなっている。

冷却管２０同士がろう接されて一体となった後、それぞれの隙間ＧＰに半導体モジュールＳＭが挿入されて、全体がｘ方向に沿って仮圧縮される。仮圧縮により、それぞれの冷却管２０の第１プレート２１及び第２プレート２２が僅かに変形して、それぞれの隙間ＧＰが小さくなる。その結果、それぞれの冷却管２０と半導体モジュールＳＭとが互いに密着した状態（半導体モジュールＳＭが冷却管２０の間に保持された状態）となる。

仮圧縮は、積層型冷却器１０をケース６０の内部に配置した状態で行われる。具体的には、積層型冷却器１０をケース６０の底面６５上に設置して、最も−ｘ方向側の端部に配置された冷却管２０の平板部２２ａを固定ブロック６１の面６１ａに当接させた状態で行われる。

上記のような状態とされた後、圧縮治具９０により端部冷却管１２０がｘ方向に向けて加圧される（図６を参照）。圧縮治具９０は、主面９１が端部冷却管１２０と対向するように配置されたプレートであり、不図示の圧縮機構によりｘ軸に沿って移動可能となっている。圧縮機構の駆動力（圧縮力）が、圧縮治具９０を介して端部冷却管１２０に加えられる。

ところで、それぞれの冷却管２０と半導体モジュールＳＭとを確実に密着させるためには、仮圧縮において全ての冷却管２０を均等に変形させる必要がある。しかしながら、端部冷却管１２０のうち圧縮治具９０が当接している部分が局所的に変形してしまうと、圧縮力が他の冷却管２０に均等には加えられなくなり、例えば一部の冷却管２０が変形せず、当該冷却管２０と半導体モジュールＳＭとの密着が不十分となってしまう可能性がある。

このため、従来のように端部冷却管の全体が（他の冷却管２０と同様に）薄肉の金属板で形成されている場合には、端部冷却管が圧縮治具との当接部分において局所的に変形しないよう、端部冷却管のうちｘ方向側の面全体に対して圧縮治具を当接させる必要があった。このため、圧縮治具が大型化してしまっていた。

これに対し、本実施形態においては、端部冷却管１２０の第１プレート１２１が肉厚となっている。つまり、圧縮治具９０が当接する部品である第１プレート１２１の剛性が高くなっている。このため、圧縮治具９０を小型化し、端部冷却管１２０の全体ではなく一部のみに圧縮治具９０を当接させることとしても、端部冷却管１２０の局所的な変形が生じにくくなっている。

そこで、本実施形態においては、圧縮治具９０に二つの切欠き９２、９３が形成されており、これにより圧縮治具９０が小型化、軽量化されている。切欠き９２は、−ｚ方向側の端部からｚ方向側に向かって圧縮治具９０の一部を切欠くことにより、ｘ軸に沿って見た場合において固定ブロック６２と圧縮治具９０とが重ならないように形成されている。切欠き９３は、−ｚ方向側の端部からｚ方向側に向かって圧縮治具９０の一部（切欠き９２よりも−ｙ方向側の部分）を切欠くことにより、ｘ軸に沿って見た場合において固定ブロック６３と圧縮治具９０とが重ならないように形成されている。

圧縮治具９０には上記のような切欠き９２、９３が形成されているため、固定ブロック６２、６３と端部冷却管１２０との隙間が圧縮治具９０の厚さよりも狭い場合であっても、圧縮治具９０による仮圧縮を行うことが可能となっている。つまり、圧縮治具９０と固定ブロック６２、６３とを干渉させることなく、圧縮治具９０を上方側（ｚ方向側）から挿入し、端部冷却管１２０に当接させて仮圧縮を行うことが可能となっている。

図６に示されるような圧縮治具９０の形状はあくまで一例であって、固定ブロックの形状や配置、端部冷却管１２０の周囲に配置されたその他の構成部材の形状等に応じて、これらとの干渉を避けるように圧縮治具９０の形状は適宜変更すればよい。本実施形態においては、端部冷却管１２０の第１プレート１２１が肉厚となっており、その全面に圧縮治具９０を当接させる必要がないため、圧縮治具９０の形状の自由度が高くなっている。

仮圧縮が完了すると、圧縮治具９０がケース６０の外部に移動される。続いて、図１に示されるようにスペーサ７０が配置され、スペーサ７０と端部冷却管１２０との間に板バネ５０が配置される。このとき、凸部５４が凹部１２１ｂの内部に収容されるように位置合わせされる結果、板バネ５０が適切な位置に配置される。

続いて、本発明の第２実施形態に係る積層型冷却器１０Ａについて、図７を参照しながら説明する。積層型冷却器１０Ａは、板バネ５０の代わりに８つのコイルばね５１Ａが配置されている点、及び端部冷却管１２０Ａの形状において積層型冷却器１０と異なっているが、他の構成については積層型冷却器１０と同一である。

８つのコイルばね５１Ａは、いずれもｘ方向に沿って圧縮された状態で、スペーサ７０と端部冷却管１２０Ａとの間に配置されている。端部冷却管１２０Ａには、これらコイルばね５１Ａの復元力によって−ｘ方向側に圧縮力が加えられている。当該圧縮力によって、全ての冷却管２０と半導体モジュールＳＭとが密着している状態、すなわち、全ての半導体モジュールＳＭが均等に冷却される状態が維持されている。

端部冷却管１２０Ａは、第１プレート１２１Ａに凹部１２１ｂが形成されていない点、及び第１プレート１２１Ａに凹部１２１Ａｂが形成されている点において端部冷却管１２０と異なっているが、他の構成については端部冷却管１２０である。

凹部１２１Ａｂは、第１プレート１２１Ａのｘ方向側の面に形成された窪みであって、ｘ方向に沿って見た場合の外形が８つのコイルばね５１Ａ全体の外形よりも僅かに大きくなるように形成されている。コイルばね５１Ａのうち−ｘ方向側の端部近傍は、凹部１２１Ａｂの内部に収納されている。コイルばね５１Ａは、凹部１２１Ａｂの底面に当接している。

このような構成により、コイルばね５１Ａと端部冷却管１２０Ａとの当接位置がｙ方向に沿ってずれてしまうことはなく、ｚ方向に沿ってずれてしまうこともない。その結果、圧縮力が端部冷却管１２０Ａ偏って加えられてしまうことが抑制されるため、冷却管２０と半導体モジュールＳＭとの密着状態が確実に確保される。

本実施形態においては、端部冷却管１２０Ａに圧縮力を加えるための部材（加圧部材）として、板バネ５０の代わりに８つのコイルばね５１Ａが用いられている。本発明の加圧部材としてはこのような例に限定される必要はなく、例えば、コイルばね５１Ａの代わりに皿バネが用いられてもよい。

続いて、本発明の第３実施形態に係る積層型冷却器１０Ｂについて、図８を参照しながら説明する。積層型冷却器１０Ｂは、端部冷却管１２０Ｂの形状において積層型冷却器１０と異なっているが、他の構成については積層型冷却器１０と同一である。

端部冷却管１２０Ｂは、第１実施形態の端部冷却管１２０と同程度の厚さ（ｘ軸に沿った寸法）を有する扁平形状の管となっている。ｘ方向に沿って見た場合においては、端部冷却管１２０Ｂの外形と端部冷却管１２０の外形とは略同一である。

端部冷却管１２０Ｂのうちｙ方向側の端部近傍、及び−ｙ方向側の端部近傍には、−ｘ方向側に向かって延びる円筒状の内側突出管部２３Ｂｂが形成されている。これら２つの内側突出管部２２Ｂｂの形状及び機能は、他の冷却管２０に形成された内側突出管部２２ｂの形状及び機能と同一である。

端部冷却管１２０Ｂの内部には流路ＦＣＢが形成されている。流路ＦＣＢは、他の冷却管２０に形成された流路ＦＣと同一形状の空間である。第１実施形態における端部冷却管１２０の場合と同様に、冷却水はｙ方向側の内側突出管部２３Ｂｂを通って流路ＦＣＢに流入する。冷却水は、流路ＦＣＢを−ｙ方向に向かって流れた後、−ｙ方向側の内側突出管部２３Ｂｂを通って流路ＦＣＢから流出する。

流路ＦＣＢは、端部冷却管１２０Ｂのうちｘ方向における中央となる位置に形成されている。その結果、端部冷却管１２０Ｂは、板バネ５０に当接する部分（ｘ方向側の部分：符号１２１Ｂ）のみが肉厚となっているのではなく、半導体モジュールに当接する部分（−ｘ方向側の部分：符号１２２Ｂ）も肉厚となっている。このように、本発明の実施の態様としては、端部冷却管の一部のみではなく全体を肉厚の板によって構成し、端部冷却管の剛性を高くするような態様であってもよい。

続いて、本発明の第４実施形態に係る積層型冷却器１０Ｃについて、図９を参照しながら説明する。積層型冷却器１０Ｃは、端部冷却管１２０Ｃの形状、及び端部冷却管１２０Ｃに補強プレート２００Ｃが接合されている点において積層型冷却器１０と異なっているが、他の構成については積層型冷却器１０と同一である。

本実施形態においては、端部冷却管１２０Ｃの形状が他の冷却管２０の形状と同一となっている。つまり、第１プレート１２１Ｃは肉厚となっておらず、他の冷却管２０の第１プレート２１と同じ厚さの金属板により形成されている。

補強プレート２００Ｃは、ｘ方向に沿って見た場合の外形が冷却管２０の外形と略等しい金属板である。補強プレート２００Ｃには、ｙ方向に沿った中央部から端部冷却管１２０Ｃに向かって突出する当接部２１０Ｃが形成されている。

当接部２１０Ｃの形状は、導体モジュールＳＭのパッケージ部ＳＭａの形状と略等しい。当接部２１０Ｃのうち−ｘ方向側の面２１１Ｃは、その法線方向がｘ軸に沿う平坦な面となっている。また、面２１１Ｃの全体が第１プレート１２１Ｃに当接しており、当該当接部分の全体において補強プレート２００Ｃと第１プレート１２１Ｃとがろう接されている。その結果、端部冷却管１２０Ｃと補強プレート２００Ｃとが一体となっている。

補強プレートのうちｘ方向側の面２０１Ｃは、その法線方向がｘ軸に沿う平坦な面となっている。板バネ５０の主部５１は、面２０１Ｃの中央部分に当接しており、当該部分に圧縮力を加えている。

本実施形態においては、肉厚となっている補強プレート２００Ｃが、板バネ５０からの圧縮力を直接受けるための部材、すなわち受圧プレートとして機能する。また、当該受圧プレート（補強プレート２００Ｃ）と端部冷却管１２０Ｃとは一体となっている。その結果、板バネ５０に直接当接されている部分の剛性が（他の冷却管２０の剛性よりも）高くなっているため、第１実施形態で説明した効果と同一の効果を奏する。

補強プレート２００Ｃのうち当接部２１０Ｃよりもｙ方向側の部分には、端部冷却管１２０Ｃに向かって突出する内側突出管部２２０Ｃが形成されている。また、補強プレート２００Ｃのうち当接部２１０Ｃよりも−ｙ方向側の部分には、端部冷却管１２０Ｃに向かって突出する内側突出管部２３０Ｃが形成されている。

これら内側突出管部２２０Ｃ及び内側突出管部２３０Ｃの形状及び機能は、冷却管２０に形成された内側突出管部２２ｂの形状及び機能と同一である。すなわち、内側突出管部２２０Ｃ及び内側突出管部２３０Ｃは、いずれも円柱形状であり、その中心軸がｘ軸に沿うように配置されている。内側突出管部２２０Ｃの中心軸は、供給管３０の中心軸と一致している。内側突出管部２３０Ｃの中心軸は、排出管４０の中心軸と一致している。内側突出管部２２０Ｃの先端部近傍は、端部冷却管１２０Ｃから突出する外側突出管部２１Ｃｂに挿入されている。外側突出管部２１Ｃｂの内周面と内側突出管部２２０Ｃの外周面とは互いに当接しており、当該当接部分において両者がろう接されている。

また、内側突出管部２３０Ｃの先端部近傍は、端部冷却管１２０Ｃから突出する外側突出管部２１Ｃｂに挿入されている。外側突出管部２１Ｃｂの内周面と内側突出管部２３０Ｃの外周面とは互いに当接しており、当該当接部分において両者がろう接されている。

補強プレート２００Ｃのうちｙ方向側の部分には、補強プレート２００Ｃをｘ軸に沿って貫く貫通孔２５０Ｃが形成されている。貫通孔２５０Ｃは、ｘ方向に沿って見た場合の形状が円形をなす孔であり、その中心軸は内側突出管部２２０Ｃの中心軸と一致している。貫通孔２５０Ｃの内部空間は、内側突出管部２２０Ｃ及び外側突出管部２１Ｃｂを介して端部冷却管１２０Ｃの流路ＦＣに通じている。

貫通孔２５０Ｃには、円筒形状の配管であるメンテナンス用配管３００Ｃが挿入されている。メンテナンス用配管３００Ｃは、その中心軸がｘ軸に沿うように配置されており、−ｘ方向側の一端が貫通孔２５０Ｃ内に挿入されている。メンテナンス用配管３００Ｃの外径は、貫通孔２５０Ｃの内径に略等しい。メンテナンス用配管３００Ｃの外周面のうち、ｘ方向側の端部近傍の部分は、その全体が貫通孔２５０Ｃの内面に当接している。メンテナンス用配管３００Ｃは貫通孔２５０Ｃに圧入されており、両者の間が水密に保たれている。メンテナンス用配管３００Ｃの内部空間は、貫通孔２５０Ｃの内部空間及び端部冷却管１２０Ｃの流路ＦＣに通じている。

メンテナンス用配管３００Ｃのうちｘ方向側の部分には、不図示のバルブが接続される。通常時においては、冷却水がメンテナンス用配管３００Ｃを通じて外部に漏出しないよう、上記バルブは常に閉じられた状態となっている。つまり、メンテナンス用配管３００Ｃの内部は冷却水が循環する流路とはなっていない。メンテナンス用配管３００Ｃは、流路ＦＣの内部に空気が溜まった際において、当該空気を外部に排出するための配管である。また、積層型冷却器１０Ｃとラジエータとの間を循環する冷却水の交換を、メンテナンス用配管３００Ｃを介して行うことも可能となっている。

一般に、メンテナンス用配管３００Ｃのような空気を外部に排出するための配管は、冷却水が循環する流路のうち最も高い場所（空気がたまりやすい場所）に接続される必要がある。従って、積層型冷却器がそのような場所に設置された場合には、本実施形態のようにメンテナンス用配管を積層型冷却器に接続する必要がある。

しかしながら、従来のような積層型の冷却器は、全ての冷却管が薄肉の金属板で形成されていたため、メンテナンス用配管を積層型冷却器に接続することができなかった。その理由は、メンテナンス用配管が冷却管に接続された構成とすると、メンテナンス用配管を介して冷却管に外力が加えられてしまい、これにより冷却管が変形してしまう可能性があったからである。

これに対し、本実施形態では、肉厚の補強プレート２００Ｃが端部冷却管１２０Ｃと一体となっているため、積層型冷却器１０Ｃにメンテナンス用配管３００Ｃを接続することが可能となっている。つまり、メンテナンス用配管３００Ｃと端部冷却管１２０Ｃとの接続部分が、補強プレート２００Ｃによって補強されているから、メンテナンス用配管３００Ｃを介して外力が加えられても端部冷却管１２０Ｃが変形してしまうことはない。

このように、本実施形態においては、積層型冷却器１０Ｃにメンテナンス用配管３００Ｃを接続することが可能となったことにより、冷却水が循環する流路のうち最も高い場所に積層型冷却器１０Ｃを配置することが可能となっている。つまり、電気自動車の内部における積層型冷却器１０Ｃの配置の自由度が高くなっている。

尚、このようなメンテナンス用配管３００Ｃは、補強プレート２００Ｃを有する場合に限られず、例えば第１実施形態として説明した積層型冷却器１０の端部冷却管１２０に対しても接続することが可能である。

この場合、図１０に示されるように、端部冷却管１２０の第１プレート１２１に貫通孔１２５を形成し、当該貫通孔にメンテナンス用配管３００Ｃの端部を挿入した状態で、端部冷却管１２０とメンテナンス用配管３００Ｃとをろう接すればよい。このような構成であっても、上記の第４実施形態と同一の効果を奏することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素およびその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ：積層型冷却器
２０：冷却管
１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ：端部冷却管
２１，１２１，１２１Ａ，１２１Ｃ：第１プレート
２００Ｃ：補強プレート
５０：板バネ
５１Ａ：コイルばね
１２１ｂ，１２１Ａｂ：凹部
１２５，２５０Ｃ：貫通孔
３００Ｃ：メンテナンス用配管

Claims (4)

1. 半導体モジュールを冷却する積層型冷却器（１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ）であって、
   並列方向に沿って並ぶように配置されており、前記半導体モジュールを挟み込むための隙間（ＧＰ）を空けた状態で互いに連結された複数の冷却管（２０）と、
   前記冷却管の内部に形成された流路（ＦＣ）に流体を供給する供給管（３０）と、
   前記流路から前記流体を排出する排出管（４０）と、を備え、
   前記複数の冷却管は、端部に配置された端部冷却管（１２０，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ）を含み、
   前記端部冷却管は、他の前記冷却管とは向き合わない側に一体に形成されてなる受圧プレート（１２１，１２１Ａ，１２１Ｂ，２００Ｃ）を有し、
   前記隙間に前記半導体モジュールを挟み込んだ状態で、全ての前記冷却管及び前記半導体モジュールを前記並列方向に沿って圧縮するよう、前記受圧プレートに対して圧縮力を加える加圧部材（５０，５１Ａ）を設けたことを特徴とする積層型冷却器。
2. 前記端部冷却管は、複数の部品を組み合わせて形成されており、
   前記受圧プレートは、前記複数の部品のうち前記圧縮力が加えられる部品を肉厚とすることにより形成されたものである、請求項１に記載の積層型冷却器。
3. 前記受圧プレートは、前記加圧部材が所定位置に当接した状態を維持するための位置ずれ規制部（１２１ｂ、１２１Ａｂ）を有している、請求項１又は２に記載の積層型冷却器。
4. 内部空間が形成された配管（３００Ｃ）を備え、
   前記受圧プレートには、貫通穴（１２５、２５０Ｃ）が形成されており、
   前記配管は、その一端が前記貫通穴に挿入された状態で前記受圧プレートに固定され、前記内部空間と前記流路とが通じている、請求項１又は２に記載の積層型冷却器。

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