JP2022110297A - 冷却器、電力変換モジュール、電力変換装置及び冷却器の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、冷却器、電力変換モジュール、電力変換装置及び冷却器の製造方法に関する。
電力変換装置に用いられる半導体モジュールは、運転状態において高温になるため、半導体モジュールを冷却する冷却器が用いられる。
特許文献1には、冷媒冷却型両面冷却半導体装置が開示されている。特許文献1には、冷媒冷却型両面冷却半導体装置の扁平冷媒管部(冷却管)が、左右方向中央部において両面冷却型半導体モジュールと積層方法へ交互に積層配置されることが開示されている。
両面冷却型の半導体モジュールを二つの多穴管の間に挟んで冷却する場合に、多穴管と半導体モジュールとを十分熱接触させる必要がある。多穴管と半導体モジュールとを十分熱接触させるためには、隣接する多穴管の間隔を所定の間隔にする必要がある。また、多穴管と半導体モジュールとを十分熱接触させるためには、多穴管に対して半導体モジュールを正しい位置に位置合わせする必要がある。
例えば、複数の多穴管を用いて電力変換モジュールを製造する場合には、多穴管の間隔を所定の間隔にしたり、所定の位置に位置合わしたりするために、高精度な治具が必要であった。また、当該治具を使用するために、製造に係るリードタイムが長くなっていた。このように、多穴管と半導体モジュールを備える電力変換モジュールを製造する場合に、製造する工程が複雑になっていた。
本開示は、電力変換モジュールの製造工程を簡略化できる半導体モジュールを冷却する冷却器を提供することを目的とする。
本開示の一の態様によれば、それぞれ内部に第1方向に流体が流れる流路が形成され、前記第1方向に交差する第2方向に離隔して並んで位置する複数の多穴管と、前記複数の多穴管のそれぞれに対して前記第1方向及び前記第2方向に交差する第3方向に設けられ、前記複数の多穴管のすべての前記第3方向の片側の第1側面に連結し、前記複数の多穴管と同一の材料で一体に形成される第1リブと、を備える冷却器を提供する。
本開示によれば、電力変換モジュールの製造工程を簡略化できる半導体モジュールを冷却する冷却器を提供できる。
以下、本発明の各実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。なお、各実施形態に係る明細書及び図面の記載に関して、実質的に同一の又は対応する機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重畳した説明を省略する場合がある。また、理解を容易にするため、図面における各部の縮尺は、実際とは異なる場合がある。
平行、直角、直交、水平、垂直、上下、左右などの方向には、実施形態の効果を損なわない程度のずれが許容される。角部の形状は、直角に限られず、弓状に丸みを帯びてもよい。平行、直角、直交、水平、垂直には、略平行、略直角、略直交、略水平、略垂直が含まれてもよい。
<<第1実施形態>>
≪電力変換モジュール1≫
図1及び図2は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の斜視図である。電力変換モジュール1は、例えば、直流電力を交流電力に変換して、3相モータに供給する。電力変換モジュール1は、例えば、三相モータの各相の電力を2つの半導体モジュール20によって供給する。電力変換モジュール1は、例えば、モータを駆動する電力変換装置に用いられる。
≪電力変換モジュール1≫
図1及び図2は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の斜視図である。電力変換モジュール1は、例えば、直流電力を交流電力に変換して、3相モータに供給する。電力変換モジュール1は、例えば、三相モータの各相の電力を2つの半導体モジュール20によって供給する。電力変換モジュール1は、例えば、モータを駆動する電力変換装置に用いられる。
なお、図には、説明の便宜のためXYZ直交座標系が設定される場合がある。図面の紙面に対して垂直な座標軸については、座標軸の丸の中にバツ印は紙面に対して奥の方向が正、丸の中に黒丸印は紙面に対して手前側が正であることを表している。ただし、当該座標系は、説明のために定めるものであって、電力変換モジュール等の姿勢について限定するものではない。
なお、本開示では、特に説明しない限り、Y軸は冷却器10の多穴管121、多穴管122及び多穴管123それぞれの延在方向とする。また、Z軸は冷却器10の多穴管121、多穴管122及び多穴管123が隣接する方向とする。なお、Z軸方向を、上下方向と呼ぶ場合がある。X軸は、当該Y軸、Z軸に垂直な方向とする。
電力変換モジュール1は、冷却器10と、複数の半導体モジュール20と、を備える。
本実施形態の電力変換モジュール1は、6個の半導体モジュール20を備える。具体的には、電力変換モジュール1は、半導体モジュール21、22、23、24、25及び26を備える。なお、以下の説明では、半導体モジュール21、22、23、24、25及び26のそれぞれを区別して説明する必要がない場合は、それぞれを総称して半導体モジュール20と呼ぶ場合がある。
半導体モジュール20は、冷却器10の後述する多穴管121、多穴管122及び多穴管123の間に、横3列、縦2段に配置され、保持される。具体的には、多穴管122と多穴管123との間に、-Y側から順に半導体モジュール21、22及び23が配置される。多穴管121と多穴管122との間に、-Y側から順に半導体モジュール24、25及び26が配置される。半導体モジュール20は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123内を通流する冷却水と熱交換することにより冷却される。
電力変換モジュール1の冷却器10及び半導体モジュール20のそれぞれの詳細について説明する。
<冷却器10>
図3及び図4は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の斜視図である。図5は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の側面図である。
図3及び図4は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の斜視図である。図5は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の側面図である。
冷却器10は、半導体モジュール20を冷却する。冷却器10の内部には、冷媒(流体)が通流する。冷却器10は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123の内部を通流する冷媒(例えば冷却水)と半導体モジュール20との間で熱交換することにより、半導体モジュール20を冷却する。なお、冷媒は不凍液などでも良く、水に限るものではない。
冷却器10は、第1ヘッダ110と、多穴管121、多穴管122及び多穴管123と、第2ヘッダ130と、を備える。更に、冷却器10は、複数のリブ、すなわち、リブ125、126、127及び128、を備える。
第2ヘッダ130は、第1ヘッダ110からY軸方向に離隔して設けられる。多穴管121、多穴管122及び多穴管123は、Z軸方向、すなわち、Y軸方向と交差する方向、に所定の間隔、具体的には、半導体モジュール20を保持できる間隔、を隔てて設けられる。第1ヘッダ110は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123それぞれの一方の端に連結される。第2ヘッダ130は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123それぞれの他方の端に連結される。
[第1ヘッダ110]
最初に、第1ヘッダ110について説明する。第1ヘッダ110は、本体部111と、管112及び管113を有する。
最初に、第1ヘッダ110について説明する。第1ヘッダ110は、本体部111と、管112及び管113を有する。
本体部111は、内部が空洞の直方体状である。本体部111の-Y側の面には、管112及び管113が取り付けられる。本体部111の内部には、本体部111の内部を二つの空間に分ける仕切り板を有する。本体部111の内部の仕切られた二つの空間の一方の空間には、管112の管内部の空間がつながる。本体部111の内部の仕切られた二つの空間の他方の空間には、管113の管内部の空間がつながる。
また、本体部111の+Y側の面には、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれの-Y側の端が挿入される3つの孔が形成されている。そして、本体部111の+Y側の面に形成された複数の孔のそれぞれには、対応する多穴管121、多穴管122及び多穴管123の-Y側の端が挿入される。
第1ヘッダ110には、管112及び管113の一方から冷却用の冷媒が外部の冷媒冷却装置から流入する。管112及び管113の一方から流入した冷媒は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のいずれかの流路を通って、第2ヘッダ130に送られる。そして、第2ヘッダ130に送られた冷媒は、第2ヘッダ130で折り返される。第2ヘッダ130で折り返された冷媒は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のいずれかの流路を通って、第1ヘッダ110に戻る。そして、第1ヘッダ110に戻った冷媒は、管112及び管113の他方から外部に流出する。
[多穴管121、多穴管122及び多穴管123]
多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれは、内部の流路に冷媒が流れることにより、半導体モジュール20を冷却する。多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれの内部には、Y軸方向に延びる流路が複数形成される(図8及び図9を参照)。
多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれは、内部の流路に冷媒が流れることにより、半導体モジュール20を冷却する。多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれの内部には、Y軸方向に延びる流路が複数形成される(図8及び図9を参照)。
多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれは、+Z軸方向に互いに距離を開けて並んで位置する。いいかえると、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれは、+Z軸方向に離隔して並んで位置する。
多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれの流路には、冷媒が流れる。冷媒は、本体部111の内部の仕切られた二つの空間のどちらにつながっているかによって、第1ヘッダ110から第2ヘッダ130に向かう向き(+Yの向き)又は第2ヘッダ130から第1ヘッダ110に向かう向き(-Yの向き)のいずれかの向きに流れる。
+Z軸方向の+Z側の一番端(最端部)に位置する多穴管121は、+Z側の面に外側に突出するとともに、Y軸方向に延びる補強リブ121fを複数備える。また、+Z軸方向の-Z側の一番端(最端部)に位置する多穴管123は、-Z側の面に外側に突出するとともに、Y軸方向に延びる補強リブ123fを複数備える。
補強リブ121fは、多穴管121が長手方向(Y軸方向)において反ったり撓んだりして変形することを防止する。すなわち、補強リブ121fは、多穴管121を補強して、反りや撓みを防止する。また、補強リブ121fを複数備えることにより、補強リブ121fの周りの空気を冷却する。
補強リブ123fは、多穴管123が長手方向(Y軸方向)において反ったり撓んだりして変形することを防止する。すなわち、補強リブ123fは、多穴管123を補強して、反りや撓みを防止する。また、補強リブ123fを複数備えることにより、補強リブ123fの周りの空気を冷却する。
更に、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれに対して、X軸方向の-X側に設けられるリブ125、126、127及び128を備える。リブ125、126、127及び128のそれぞれは、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する-X側の面(図13の面121A1、面122A1及び面123A1のそれぞれ)のすべてに連結する。
また、後で述べるように、多穴管121、多穴管122及び多穴管123と、リブ125、126、127及び128とは、同一の材料で一体成型された部材から加工される。すなわち、リブ125、126、127及び128は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123と同一の材料で一体に形成される。
多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する+X側の面(図13の面121A2、面122A2及び面123A2のそれぞれ)には、+X向きに突出するリブ121e、リブ122e及びリブ123eが形成されている。なお、リブ121e、リブ122e及びリブ123eのそれぞれは、後述する連結部230を除去した際に残る部分である。
多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する-X側の面(図13の面121A1、面122A1及び面123A1のそれぞれ)のリブ125、126、127及び128以外の部分には、-X向きに突出するリブ121e、リブ122e及びリブ123eが形成されている。なお、リブ121e、リブ122e及びリブ123eのそれぞれは、後述する連結部240を除去した際に残る部分である。
なお、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する-X側の面(図13の面121A1、面122A1及び面123A1のそれぞれ)が片側の第1側面の一例、リブ125、126、127及び128が第1リブの一例である。
[第2ヘッダ130]
第2ヘッダ130は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のいずれかの流路から流入する冷媒を、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のいずれかの流路に折り返す。なお、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のどの流路から冷媒が流入するか又はどの流路に流出するかは、多穴管121、多穴管122及び多穴管123の流路が第1ヘッダ110の仕切られた空間のどちらにつながっているかによって決まる。
第2ヘッダ130は、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のいずれかの流路から流入する冷媒を、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のいずれかの流路に折り返す。なお、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のどの流路から冷媒が流入するか又はどの流路に流出するかは、多穴管121、多穴管122及び多穴管123の流路が第1ヘッダ110の仕切られた空間のどちらにつながっているかによって決まる。
第2ヘッダ130は、内部が空洞の直方体状である。第2ヘッダ130の-Y側の面には、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれの+Y側の端が挿入される3つの孔が形成されている。そして、第2ヘッダ130の-Y側の面に形成された複数の孔のそれぞれには、対応する多穴管121、多穴管122及び多穴管123の+Y側の端が挿入される。
<半導体モジュール20>
図6は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の半導体モジュール20の上面図である。図7は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の半導体モジュール20の下面図である。なお、半導体モジュール21、22、23、24、25及び26は、互いに同じ構造を有している。したがって、以下の説明では、半導体モジュール21、22、23、24、25及び26のそれぞれを説明するのに換えて、半導体モジュール20を用いて説明を行う。
図6は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の半導体モジュール20の上面図である。図7は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の半導体モジュール20の下面図である。なお、半導体モジュール21、22、23、24、25及び26は、互いに同じ構造を有している。したがって、以下の説明では、半導体モジュール21、22、23、24、25及び26のそれぞれを説明するのに換えて、半導体モジュール20を用いて説明を行う。
半導体モジュール20は、例えば、1相分の上下アームを構成する二つの半導体素子がパッケージされたいわゆる2in1の半導体モジュールである。また、半導体モジュール20は、いわゆる両面冷却型の半導体モジュールである。半導体モジュール20の内部には、例えば、IGBT、FET等のパワートランジスタ等の半導体素子が内蔵される。
半導体モジュール20は、略直方体状の形状の樹脂、例えば、エポキシ樹脂等、のケース20dを備える。ケース20dは、上面20dAと、上面20dAの反対側に下面20dBと、を有する。半導体モジュール20は、ケース20dの側面に、電流端子20a1、20a2、20a3と、制御端子20b1、20b2、20b3、20b4と、を有する。電流端子20a1、20a2、20a3と、制御端子20b1、20b2、20b3、20b4とは、半導体モジュール20のケース20dの側面から突出して設けられる。
電流端子20a1、20a2、20a3は、例えば、負荷に電流を流すための端子である。電流端子20a1、20a2、20a3は、導電材料(例えば銅)で形成される。制御端子20b1、20b2、20b3、20b4は、負荷に流す電流を制御するための端子である。制御端子20b1、20b2、20b3、20b4は、導電材料(例えば銅)で形成される。
また、半導体モジュール20は、放熱板20c1、20c2を有する。半導体モジュール20に内蔵される例えばパワートランジスタは、発熱素子であることから、冷却する必要がある。放熱板20c1、20c2は、当該発熱素子を放熱するために設けられる。放熱板20c1、20c2は、熱伝導性の高い材料、例えば、銅などの金属で形成される。放熱板20c1、20c2は、当該発熱素子に熱的に接続される。
放熱板20c1は、ケース20dの上面20dAに設けられる。放熱板20c2は、ケース20dの下面20dBに設けられる。なお、電流端子20a1、20a2は、ケース20dの側面のうち-X側の側面20dCから突出して設けられる。
<電力変換モジュール1及び冷却器10の製造方法>
電力変換モジュール1及び冷却器10の製造方法について説明する。図8から図11は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法を説明する図である。第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、下記に示す5つの工程を有する。
電力変換モジュール1及び冷却器10の製造方法について説明する。図8から図11は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法を説明する図である。第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、下記に示す5つの工程を有する。
図12及び図13は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の製造方法を説明する図である。第1実施形態に係る電力変換モジュール1の製造方法は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法に加えて、冷却器10に半導体モジュール20を取り付ける工程を有する。
[(a)第1部材200を用意する工程]
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、最初に、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240と、を有し、同一の材料で一体に形成される第1部材200を用意する工程を有する。
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、最初に、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240と、を有し、同一の材料で一体に形成される第1部材200を用意する工程を有する。
図8は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法において、用意された第1部材200の斜視図である。
第1部材200は、Y軸方向に沿って一様の断面を有する。第1部材200は、Y軸方向に離隔して並んで位置する多穴管221、多穴管222及び多穴管223を有する。多穴管221、多穴管222及び多穴管223は、最終的に、多穴管121、多穴管122及び多穴管123を構成する。
また、多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれに対してX軸方向の+X側に連結部230を有する。連結部230は、多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれが有する+X側の面のすべてに連結する。
更に、多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれに対してX軸方向の-X側に連結部240を有する。連結部240は、多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれが有する-X側の面(図13の面121A1、面122A1及び面123A1のそれぞれに相当する面)のすべてに連結する。連結部240の一部は、最終的に、リブ125、126、127及び128を構成する。
第1部材200は、例えば、押し出し成型により成型される。第1部材200は、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240と、が一体に形成される。また、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240とは、同一の材料により形成される。第1部材200は、熱伝導性の高い材料、例えば、アルミニウムにより形成される。
第1部材200を押し出し成形する際には、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240とを一体にした第1部材200の断面形状となる金型が製作される。そして、製作した金型を用いて押し出し成形することにより、第1部材200が成形される。
[(b)第1部材200を第2部材201に加工する工程]
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、第1部材200を、それぞれ第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130に接合できるように、第2部材201に加工する工程を有する。
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、第1部材200を、それぞれ第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130に接合できるように、第2部材201に加工する工程を有する。
図9は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法において、第1部材200を加工した第2部材201の斜視図である。
第1部材200のY軸方向の-Y側の端の部分(端部200A)を、多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれが、加工後、第2部材201のY軸方向の-Y側の端の部分(端部201A)から突出するように加工する。また、突出した多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれの外形を少し削って、外形の小さい挿入部221A、挿入部222A及び挿入部223Aを形成する。
また、第1部材200のY軸方向の+Y側の端の部分(端部200B)を、多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれが、加工後、第2部材201のY軸方向の+Y側の端の部分(端部201B)から突出するように加工する。また、突出した多穴管221、多穴管222及び多穴管223のそれぞれの外形を少し削って、外形の小さい挿入部221B等を形成する。
挿入部211A、挿入部221B等を形成するように加工することにより、第2部材201の端部201A及び201Bのそれぞれを、それぞれ第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130に挿入可能にできる。
[(c)第2部材201に第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130を接合する工程]
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、第2部材201に第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130を接合する工程を有する。
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、第2部材201に第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130を接合する工程を有する。
図10は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法において、第2部材201に、第1ヘッダ110及び第2ヘッダ130を接合する工程を説明する図である。
第2部材201に対して、第1ヘッダ110を矢印Aの方向に移動する。そして、第1ヘッダ110の+Y側の面に形成された孔に、第2部材201の挿入部221A、挿入部222A及び挿入部223Aを挿入する。また、第2部材201に対して、第2ヘッダ130を矢印Bの方向に移動する。そして、第2ヘッダ130の-Y側の面に形成された孔に、第2部材201の挿入部221B等を挿入する。
そして、第1ヘッダ110と、第2部材201と、第2ヘッダ130と、を、例えば、ろう付け又は溶接により接合する。
[(d)連結部240を加工する工程]
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、連結部240を加工して、リブ125、126、127及び128を形成する工程を有する。
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、連結部240を加工して、リブ125、126、127及び128を形成する工程を有する。
図11は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法において、連結部230及び連結部240を加工する工程を説明する図である。
図11の矢印Cで示すように、連結部240の一部を切削加工して取り除く。連結部240の一部を取り除くことにより、残った部分がリブ125、126、127及び128となる。
[(e)連結部230を加工する工程]
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、連結部230を加工して取り除く工程を有する。
本実施形態に係る電力変換モジュール1の冷却器10の製造方法は、次に、連結部230を加工して取り除く工程を有する。
図11の矢印Dで示すように、連結部230の一部を切削加工して取り除く。連結部230を取り除くことにより、多穴管121と多穴管122との間及び多穴管122と多穴管123との間のそれぞれに、半導体モジュール20を挿入できる。
[(f)半導体モジュール20を取り付ける工程]
本実施形態に係る電力変換モジュール1の製造方法は、上述の(a)から(e)まで工程に加えて、半導体モジュール20を取り付ける工程を有する。
本実施形態に係る電力変換モジュール1の製造方法は、上述の(a)から(e)まで工程に加えて、半導体モジュール20を取り付ける工程を有する。
図12及び図13は、第1実施形態に係る電力変換モジュール1の製造方法において、冷却器10に半導体モジュール20を取り付ける工程を説明する図である。図13は、図12のI-I断面図である。
上述の(a)から(e)までの工程で作成した冷却器10に、半導体モジュール20を取り付ける。図12及び図13の矢印Eで示すように、冷却器10に対して+X側から-Xの向きに半導体モジュール20を冷却器10の多穴管121と多穴管122との間又は多穴管122と多穴管123との間に挿入する。図12及び図13においては、半導体モジュール22、24、25及び26を示している。
半導体モジュール20を冷却器10の多穴管121と多穴管122との間に挿入する際には、リブ125、126、127及び128に、半導体モジュール20の-X側の側面(図6及び図7の側面20dC)が接触するように取り付ける。また、多穴管122と多穴管123との間に挿入する際には、リブ125、126、127及び128に、半導体モジュール20の-X側の側面(図6及び図7の側面20dC)が接触するように取り付ける。
例えば、図13に示す例では、半導体モジュール22及び半導体モジュール25は、それぞれ多穴管121と多穴管122との間又は多穴管122と多穴管123との間に矢印Eの方向に移動しながら挿入される。そして、図13のFに示すように、半導体モジュール22の側面22dC及び半導体モジュール25の側面25dCのそれぞれはリブ126に接触する。
半導体モジュール22及び半導体モジュール25のそれぞれがリブ126に接触することにより、X軸方向の位置決めを行うことができる。
リブ126は、多穴管121と多穴管122との間に、Y軸方向及びZ軸方向に平行な平面である面126A1を有する。また、リブ126は、多穴管122と多穴管123との間に、Y軸方向及びZ軸方向に平行な平面である面126A2を有する。
半導体モジュール22の側面22dC及び半導体モジュール25の側面25dCのそれぞれが、それぞれリブ126の平面である面126A2及び面126A1に接触する。半導体モジュール22の側面22dCが、リブ126の面126A2に接触することによって、半導体モジュール22のXY平面での傾きを抑えることができる。半導体モジュール25の側面25dCが、リブ126の面126A1に接触することによって、半導体モジュール25のXY平面での傾きを抑えることができる。
なお、上記の説明では、リブ126について説明したが、リブ125、リブ127及びリブ128でも同様である。
<作用・効果>
本実施形態に係る電力変換モジュール1によって、電力変換モジュール1の製造工程を簡略化できる半導体モジュール20を冷却する冷却器10を提供できる。
本実施形態に係る電力変換モジュール1によって、電力変換モジュール1の製造工程を簡略化できる半導体モジュール20を冷却する冷却器10を提供できる。
冷却器10は、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240と、を有し、同一の材料で一体に形成される第1部材200から形成される。第1部材200から形成された冷却器10の多穴管121、多穴管122及び多穴管123の隣接する多穴管との間の距離は、所定の寸法範囲内となる。したがって、冷却器10の多穴管121、多穴管122及び多穴管123の隣接する多穴管との間の距離の管理が容易にできる。
また、第1部材200は、多穴管221、多穴管222及び多穴管223と、連結部230及び連結部240と、を一体成型(例えば、押し出し成型等)することにより、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれの半導体モジュール20が接触する面の平面度を保つことができる。
多穴管と半導体モジュールの間には熱伝導部材(例えばコンパウンドや熱伝導樹脂、熱伝導シート、はんだなど)が設けられる。熱伝導部材の厚みが変わると、熱伝導部材における熱抵抗が異なる。したがって、熱伝導部材の厚みが変わると、半導体モジュールに対する冷却器の放熱性能に影響がある。また、熱伝導部材の厚みが変わると、電力変換モジュールの組立が困難になる。
本実施形態の電力変換モジュールによれば、多穴管同士の距離を所定の範囲内にするとともに平面度も保つことができる。したがって、電力変換モジュールにおける半導体モジュールに対する冷却器の放熱性能を一定に保つことができる。また、電力変換モジュールを容易に組み立てできる。
また、リブ125、126、127及び128により、多穴管121、122及び123のそれぞれに対する半導体モジュール20の位置合わせを容易にできる。多穴管121、122及び123のそれぞれに対する半導体モジュール20の位置合わせを容易にできることにより、冷却器10の組立作業性と信頼性を向上させることができる。
更に、多穴管221、多穴管222及び多穴管223の隣接する多穴管の間の寸法を高い精度に保てるため、冷却器10の冷却品質や信頼性を向上させることができる。また、多穴管221、多穴管222及び多穴管223の隣接する多穴管の間の寸法を保つための高精度な治具が不要となることから、組立作業性を向上させて、低コスト化を図ることができる。
更にまた、第1部材200において、補強リブ121f及び補強リブ123fを形成することにより、多穴管121、多穴管122及び多穴管123、特に、多穴管121及び多穴管123の変形を防止することができる。
更にまた、リブ125、126、127及び128のそれぞれで、多穴管121、122及び123が連結されることにより、多穴管121、多穴管122及び多穴管123、の間の温度を均一にすること(均温化すること)ができる。
なお、Y軸方向が第1方向の一例、Z軸方向が第2方向の一例、X軸方向が第3方向の一例である。また、連結部240が第1連結部の一例、連結部230が第2連結部の一例、端部200Aが第1端部の一例、端部200Bが第2端部の一例、補強リブ121f又は補強リブ123fが凸部の一例、である。
<<第2実施形態>>
≪電力変換モジュール2≫
電力変換モジュール1に対して冷却器10を冷却器11に換えた第2実施形態に係る電力変換モジュール2について説明する。
≪電力変換モジュール2≫
電力変換モジュール1に対して冷却器10を冷却器11に換えた第2実施形態に係る電力変換モジュール2について説明する。
図14及び図15は、第2実施形態に係る電力変換モジュール2の斜視図である。図16及び図17は、第2実施形態に係る電力変換モジュール2の側面図である。
<冷却器11>
冷却器11は、冷却器10の構成に加えて、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれに対して、X軸方向の+X側に設けられるリブ131、132、133及び134を備える。リブ131、132、133及び134のそれぞれは、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する+X側の面のすべてに連結する。
冷却器11は、冷却器10の構成に加えて、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれに対して、X軸方向の+X側に設けられるリブ131、132、133及び134を備える。リブ131、132、133及び134のそれぞれは、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する+X側の面のすべてに連結する。
更に、リブ131、132、133及び134は、半導体モジュール20をZ軸方向に位置合わせする切り欠き部を有する。
ここでは、図17を用いて、リブ132の切り欠き部132a及び切り欠き部132bと、リブ133の切り欠き部133a及び切り欠き部133bと、について説明する。
リブ132は、+Y側の端に切り欠き部132aと、切り欠き部132bとを有する。切り欠き部132aは切り欠き部132bより上側(+Z側)に位置する。切り欠き部132a及び切り欠き部132bのZ軸方向の幅は、半導体モジュール20のZ方向の幅と等しい又はZ方向の幅より若干長い。
リブ133は、-Y側の端に切り欠き部133aと、切り欠き部133bとを有する。切り欠き部133aは切り欠き部133bより上側(+Z側)に位置する。切り欠き部133a及び切り欠き部133bのZ軸方向の幅は、半導体モジュール20のZ方向の幅と等しい又はZ方向の幅より若干長い。
リブ132の切り欠き部132aの-Y側の端と、リブ133の切り欠き部133aの+Y側の端との間は、半導体モジュール20のY軸方向の幅と等しい又は若干長い。同様に、リブ132の切り欠き部132bの-Y側の端と、リブ133の切り欠き部133bの+Y側の端との間は、半導体モジュール20のY軸方向の幅と等しい又は若干長い。
したがって、+X側から見たとき、切り欠き部132a及び133aとの間の形状が、半導体モジュール20(ここでは、半導体モジュール25)の外形とほぼ一致する。同様に、+X側から見たとき、切り欠き部132b及び133bとの間の形状が、半導体モジュール20(ここでは、半導体モジュール22)の外形とほぼ一致する。切り欠き部132a、132b、133a及び133bを有することにより、Y軸方向及びZ軸方向の位置合わせができる。
例えば、半導体モジュール20は、Z軸方向の位置としては、半導体モジュール20のZ方向中心が隣接する多穴管の間の真ん中になるようにしてもよい。また、半導体モジュール20の発熱状況に応じて、半導体モジュール20のZ方向中心が隣接する多穴管のどちらかに近づけてもよい。
なお、上記の説明では、リブ132及びリブ133について説明したが、リブ131及びリブ134も同様に切り欠き部を有する。
リブ131、リブ132、リブ133及びリブ134は、Y軸方向の半導体モジュール20が位置する側に切り欠き部を有する。例えば、リブ131は、リブ131のY軸方向における+Y側に切り欠き部を有する。リブ132及びリブ133は、リブ132及びリブ133のそれぞれのY軸方向における両側に切り欠き部を有する。リブ134は、リブ134のY軸方向における-Y側に切り欠き部を有する。
冷却器11は、冷却器10と同様に、リブ125、126、127及び128を有している。したがって、冷却器11は、半導体モジュール20を多穴管121と多穴管122との間又は多穴管122と多穴管123との間に挿入したときに、X軸方向に位置合わせできる。更に、冷却器11は、切り欠き部を備えるリブ131、132、133及び134を有することにより、Y軸方向及びZ軸方向に位置合わせできる。
なお、多穴管121、多穴管122及び多穴管123のそれぞれが有する+X側の面が第2側面の一例、リブ131、132、133及び134が第2リブの一例である。
<<電力変換装置>>
次に、第1実施形態に係る電力変換モジュール1及び第2実施形態に係る電力変換モジュール2を用いる電力変換装置について説明する。
次に、第1実施形態に係る電力変換モジュール1及び第2実施形態に係る電力変換モジュール2を用いる電力変換装置について説明する。
図18及び図19は、本実施形態に係る電力変換モジュール1を用いる電力変換装置5の斜視図である。図19は、図18の電力変換装置5のカバー51を外した図である。なお、図18及び図19では、第1実施形態に係る電力変換モジュール1を用いた例を示す。
電力変換装置5は、例えば、直流電力を所定の周波数の3相の交流電力に変換する。電力変換装置5は、例えば、自動車等に搭載される。
電力変換装置5は、カバー51と、ケース52と、を備える。ケース52は、外部の電源や負荷を接続するためのコネクタ53及びコネクタ54を備える。なお、カバー51及びケース52の組み合わせを筐体50という場合がある。
電力変換装置5は、カバー51及びケース52の内部に、制御基板55と、電力変換モジュール1と、コンデンサ56と、を備える。
制御基板55は、所望の出力が得られるように、電力変換モジュール1を制御する。電力変換モジュール1は、制御基板55からの制御信号に基づいて、直流電力を3相の交流電力に変換する。コンデンサ56は、コンバータ及びインバータとの間に接続されるコンデンサである。
電力変換モジュール1の冷却器10の管112及び管113が、カバー51及びケース52から外部に出されている。管112及び管113の一方から冷媒が流入して、他方から冷媒が流出することにより、冷却器10の中を冷媒が流れる。冷却器10の中に冷媒が流れることにより、半導体モジュール20が冷却される。
また、補強リブ121f及び補強リブ123fにより、冷却器10と筐体50内の空気との接触面積を増やすことができる。したがって、補強リブ121f及び補強リブ123fにより、筐体50内の空気をより冷やすことができる。筐体50内の空気が冷やされることにより、電力変換装置5全体を冷却することができる。電力変換装置5全体が冷却されることにより、例えば、筐体50内部のコンデンサ56が冷却されることから、コンデンサ56の寿命を延ばすことができる。
なお、今回開示された実施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。上記の実施形態は、添付の請求の範囲及びその主旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されてもよい。
例えば、電力変換モジュールの半導体モジュールの数は、6個に限らず、1個以上の任意の個数を選択してもよい。また、多穴管の数も3本に限らず、2本以上の本数を選択してもよい。
1、2 電力変換モジュール
5 電力変換装置
10、11 冷却器
20、21、22、23、24、25、26 半導体モジュール
20dC、22dC、25dC 側面
50 筐体
51 カバー
52 ケース
53、54 コネクタ
55 制御基板
56 コンデンサ
110 第1ヘッダ
111 本体部
112 管
113 管
121、122、123 多穴管
121f、123f 補強リブ
125、126、127、128 リブ
126A1、126A2 面
130 第2ヘッダ
131、132、133、134 リブ
132a、132b、133a、133b 欠き部
200 第1部材
201 第2部材
221、222、223 多穴管
221A、221B、222A、223A 挿入部
230、240 連結部
5 電力変換装置
10、11 冷却器
20、21、22、23、24、25、26 半導体モジュール
20dC、22dC、25dC 側面
50 筐体
51 カバー
52 ケース
53、54 コネクタ
55 制御基板
56 コンデンサ
110 第1ヘッダ
111 本体部
112 管
113 管
121、122、123 多穴管
121f、123f 補強リブ
125、126、127、128 リブ
126A1、126A2 面
130 第2ヘッダ
131、132、133、134 リブ
132a、132b、133a、133b 欠き部
200 第1部材
201 第2部材
221、222、223 多穴管
221A、221B、222A、223A 挿入部
230、240 連結部
Claims (10)
- それぞれ内部に第1方向に流体が流れる流路が形成され、前記第1方向に交差する第2方向に離隔して並んで位置する複数の多穴管と、
前記複数の多穴管のそれぞれに対して前記第1方向及び前記第2方向に交差する第3方向に設けられ、前記複数の多穴管のすべての前記第3方向の片側の第1側面に連結し、前記複数の多穴管と同一の材料で一体に形成される第1リブと、を備える、
冷却器。 - 前記第1リブを前記第1方向に並んで複数備える、
請求項1に記載の冷却器。 - 前記第1リブは、隣接する二つの前記多穴管の間に、前記第1方向及び前記第2方向に平行な面を有する、
請求項1又は請求項2のいずれかに記載の冷却器。 - 前記複数の多穴管のそれぞれに対して、前記第3方向において前記第1リブと反対側に設けられ、前記複数の多穴管のすべての前記第3方向において前記第1側面と反対側の第2側面に連結し、前記複数の多穴管と同一の材料で一体に形成される第2リブを更に備える、
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の冷却器。 - 前記第2リブを前記第1方向に並んで複数備える、
請求項4に記載の冷却器。 - 前記第2リブは、隣接する二つの前記多穴管の間に、前記第1方向に切り欠かれた切り欠き部を有する、
請求項4又は請求項5のいずれかに記載の冷却器。 - 前記複数の多穴管の中で前記第2方向において最端部に設けられた多穴管は、前記第2方向の外側に突出し、前記第1方向に延びる凸部を有する、
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の冷却器。 - 請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の冷却器と、
隣接する二つの前記多穴管の間に設けられた半導体モジュールと、
を備える電力変換モジュール。 - 筐体と、
前記筐体の内部に設けられた請求項8に記載の電力変換モジュールと、
を備える、
電力変換装置。 - (a)それぞれ内部に第1方向に流体が流れる流路が形成され、前記第1方向に交差する第2方向に離隔して並んで位置する複数の多穴管と、前記複数の多穴管のそれぞれに対して前記第1方向及び前記第2方向に交差する第3方向に設けられ、前記複数の多穴管のすべての前記第3方向の片側の第1側面に連結する第1連結部と、前記複数の多穴管のそれぞれに対して、前記第3方向において前記第1連結部と反対側に設けられ、前記複数の多穴管のすべての前記第3方向において前記第1側面と反対側の第2側面に連結する第2連結部と、が同一の材料で一体に形成され、前記第1方向において、同一の断面を有する第1部材を用意する工程と、
(b)前記第1方向における前記第1部材の一方の第1端部と他方の第2端部をヘッダに挿入可能になるように切削して、第2部材に加工する工程と、
(c)前記第2部材を前記ヘッダに接合する工程と、
(d)前記第1連結部を加工して第1リブを形成する工程と、
(e)前記第2連結部を加工する工程と、
を有する、
冷却器の製造方法。
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JP (1) | JP2022110297A (ja) |
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2021
- 2021-01-18 JP JP2021005604A patent/JP2022110297A/ja active Pending
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