JP3969360B2 - 冷却装置及びこれを備えた電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は，発熱する電子部品を冷却するための冷却装置，及びこれを備えた電力変換装置に関する。

従来より，半導体チップを内蔵する半導体モジュールやコンデンサ等，発熱する電子部品の放熱を行うために，該電子部品を両面から挟持するように冷却チューブを配設した両面冷却半導体装置がある（特許文献１）。

該両面冷却半導体装置においては，上記半導体モジュールの一対の主面に，冷却チューブが配されており，該冷却チューブ内には，冷却媒体を流通させる。また，上記コンデンサの両面にも，上記冷却チューブが配置されている。
特開２００１−３２０００５号公報

しかしながら，上記電子部品と冷却チューブとの間には，特に位置決めするための手段がない。そのため，各部品を組付ける際に，互いの位置決めを容易かつ正確に行うことができないという問題がある。これにより，電子部品と冷却チューブとの組付け作業が困難となり，また冷却不良の原因となるおそれがある。
また，上記冷却チューブは上記電子部品の一対の主面に配設されてはいるが，他の四方向については特に冷却手段がなく，冷却効率が不充分となる場合もある。

本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，電子部品の冷却を充分に行うことができると共に，電子部品に対する位置決めを容易かつ正確に行うことができる冷却装置及びこれを備えた電力変換装置を提供しようとするものである。

第１の発明は，冷却すべき電子部品を挟持するように並列配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる少なくとも一対の扁平な冷却チューブを有する冷却装置であって，
上記一対の冷却チューブは，各冷却チューブの幅方向の一端に接続した連結板によって連結されていることを特徴とする冷却装置にある（請求項１）。

次に，本発明の作用効果につき説明する。
上記冷却装置においては，上記一対の冷却チューブが，その幅方向の一端において連結板によって連結されている。それ故，上記冷却装置における一対の冷却チューブによって上記電子部品を挟持するとき，該電子部品の一端を上記連結板に当接させることにより位置決めすることが可能である。これにより，電子部品と冷却装置との位置決めを容易かつ正確に行うことができる。

また，上記連結板には，上記一対の冷却チューブの幅方向の一端が接続されているため，上記連結板も冷却される。これにより，該連結板も上記冷却チューブと同様の或いはそれに近い冷却機能を発揮しうる。そのため，上記冷却装置は，一対の冷却チューブ及び連結板によって，上記電子部品を三方向から冷却することが可能となり，冷却効率を向上させることができる。

特に，上記連結板として伝熱特性に優れたものを用いた場合には，この連結板がより大きな冷却機能を発揮するため，冷却効率をより向上させることができる。
以上のごとく，本発明によれば，電子部品の冷却を充分に行うことができると共に，電子部品に対する位置決めを容易かつ正確に行うことができる冷却装置を提供することができる。

第２の発明は，電力変換回路の一部を構成する電子部品と，該電子部品を挟持するように並列配置された少なくとも一対の冷却チューブを有する冷却装置とを備えた電力変換装置であって，
上記冷却装置は，上記第１の発明にかかる冷却装置からなることを特徴とする電力変換装置にある（請求項９）。

本発明の電力変換装置は，上記冷却装置として，上述した作用効果を奏する上記第１の発明の冷却装置を備えている。そのため，上記のごとく，電子部品と冷却装置との位置決めを容易かつ正確に行うことができる。それ故，上記電力変換装置は，その製造が容易で，組付け精度に優れたものとなる。
また，上記電力変換装置においては，上記のごとく上記電子部品を三方向から冷却することも可能となり，冷却効率が向上するので，熱による電子部品の暴走等をより確実に防止することができる。

以上のごとく，本発明によれば，電子部品の冷却を充分に行うことができると共に，電子部品と冷却装置との位置決めを容易かつ正確に行うことができる電力変換装置を提供することができる。

上記第１の発明（請求項１）においては，上記冷却チューブは，例えば，アルミニウム，銅，ステンレス等の金属からなる扁平状の長尺体とすることができる。
また，上記連結板は，上記冷却チューブに対して，例えば，接着剤による接着，ネジ止め，ろう付け，溶接，或いは両部品に形成した嵌合手段による嵌合等によって接続することができる。

また，上記連結板は，可撓性を有することが好ましい（請求項２）。
この場合には，上記冷却チューブによって，上記電子部品を確実に挟持することができる。即ち，上記冷却装置の連結板が撓んでいない状態において，一対の上記冷却チューブの間隔を上記電子部品の厚みよりも若干大きくしておき，電子部品を組付ける際に，上記一対の冷却チューブの間隔を狭めるようにして，電子部品を挟持することができる。

このとき，可撓性を有する上記連結板が容易に撓むため，上記一対の冷却チューブを容易に電子部品に密着させることができる。また，このように一対の冷却チューブの間隔を容易に調整できるため，上記電子部品に厚みの寸法公差が多少あっても，一対の冷却チューブにより確実に挟持することができる。

また，上記連結板は，上記電子部品から発生する電磁波をシールドするシールド板よりなる。
これにより，一対の上記冷却チューブと連結板とによって，上記電磁波を，三方向についてシールドすることができる。これにより，上記連結板を配設した方向についても，電磁波の影響を受けやすい電子部品等を配設することが可能となる。
なお，上記シールド板としての連結板は，導電性材料によって形成することができる。

また，上記連結板は，金属板又はカーボンシートよりなることが好ましい（請求項３）。
この場合には，容易かつ確実に，電磁波のシールドを行うことができる。また，これらの部材は熱伝導性にも優れるため，電子部品の冷却効率を向上させることができる。

また，上記連結板は，上記電子部品の外部端子を挿通するための挿通孔を形成してなることが好ましい（請求項４）。
この場合には，上記外部端子を，上記連結板を配設した側にも突出させることができる。

また，上記挿通孔は，少なくともその内周面が絶縁部材によって構成されていることが好ましい（請求項５）。
この場合には，上記連結板を導電性材料によって形成しても，上記電子部品の外部端子の絶縁を確保することができる。

また，上記連結板は，複数の上記挿通孔を独立して形成してなり，各挿通孔は上記電子部品の各外部端子をそれぞれ挿通できるよう構成されていることが好ましい（請求項６）。
この場合には，上記核電子部品を，上記冷却装置に対して，より容易かつ正確に位置決めすることができる。

また，上記冷却装置は，上記一対の冷却チューブの間に上記電子部品を複数個並列して配設できるよう構成することができる（請求項７）。
この場合には，上記複数個の電子部品を効率よく冷却することができる。

また，上記電子部品は，半導体素子を内蔵した半導体モジュール，コンデンサ，又はリアクトルとすることができる（請求項８）。
この場合には，発熱しやすい上記半導体モジュール，コンデンサ，又はリアクトルを充分に冷却することができると共に，位置決めを容易かつ正確に行うことができる。

次に，上記第２の発明（請求項９）において，上記電力変換装置としては，例えば，インバータ，コンバータ，電源等がある。

本発明の実施例にかかる冷却装置及びこれを備えた電力変換装置につき，図１〜図６を用いて説明する。

上記冷却装置１は，図１〜図３に示すごとく，冷却すべき電子部品としての半導体モジュール２を挟持するように並列配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる少なくとも一対の扁平な冷却チューブ４を有する。
上記一対の冷却チューブ４は，各冷却チューブ４の幅方向の一端４２に接続した連結板３によって連結されている。
上記冷却チューブ４は，例えば，アルミニウム等の金属からなる扁平状の長尺体であり，その長手方向に沿って冷却媒体を流通させる流路４１を，幅方向に複数本並列して形成してなる。

また，上記連結板３は，上記冷却チューブ４に対して，接着剤により接着してある。
該連結板３は，可撓性を有すると共に，上記電子部品（半導体モジュール２）から発生する電磁波をシールドするシールド板，即ち導電性材料からなる板状体よりなる。具体的には，上記連結板３は，厚み約０．５ｍｍのアルミニウム等の金属板よりなる。なお，厚みは０．０１〜５ｍｍが好ましい。
上記連結板３は，上記半導体モジュール２の外部端子２１を挿通するための挿通孔３１を形成してなる。該挿通孔３１は，少なくともその内周面が絶縁部材３２によって構成されている。上記連結板３は，複数の上記挿通孔３１を独立して形成してなり，各挿通孔３１は上記半導体モジュール２の各外部端子２１をそれぞれ挿通できるよう構成されている。

また，図１に示すごとく，上記冷却装置１は，上記一対の冷却チューブ４の間に上記半導体モジュール２を複数個並列して配設できるよう構成されている。
また，上記冷却チューブ４を３本以上並列配置して，それらの間に形成される２列以上の間隙に，上記半導体モジュール２を配設することができる。
上記冷却装置１を備えた電力変換装置として，図１〜図３に示すごとく，電力変換回路の一部を構成する電子部品としての半導体モジュール２と，該半導体モジュール２を挟持するように並列配置された少なくとも一対の冷却チューブ４を有する冷却装置１とを備えた電力変換装置がある。

上記半導体モジュール２は，図２，図５に示すごとく，半導体素子２２を内蔵してなると共に略矩形状の本体部２６から一端に突出した２本の主電極端子と，反対側の一端から突出した複数本の制御電極端子とを，それぞれ外部端子２１，２１０として有する。そして，図１，図２に示すごとく，上記主電極端子としての外部端子２１が，上記連結板３の貫通孔３１に挿通され，上記制御電極端子としての外部端子２１０は，上記連結板３が設けられていない側の上記冷却チューブ４の幅方向の一端４３から突出している。

上記電力変換装置の組付け方法につき説明する。
まず，図４に示すごとく，所定位置に開口部３６を形成した連結板３に，複数の冷却チューブ４を，その幅方向の一端４２において，互いに平行になるように接着する。このとき，隣り合う冷却チューブ４の間の間隔が，上記半導体モジュール２の厚みよりも若干大きめになるように配置する。

また，図５に示すごとく，上記開口部３６に，貫通孔３１をそれぞれ２個ずつ有する絶縁部材３２を嵌め込む。上記開口部３６及び貫通孔３１は，挿嵌させる半導体モジュール２の外部端子２１の大きさや配置に対応して形成してある。
ここで，本例では，後述する連結板３の撓みをスムーズに実現できるように開口部３６のうち上記冷却チューブ４に平行な辺部のみにおいて連結板３と絶縁部材３２とを接合する。

次いで，図５，図６に示すごとく，隣り合う冷却チューブ４の間に上記半導体モジュール２を配設する。このとき，該半導体モジュール２の外部端子２１を，上記連結板３の貫通孔３１に挿嵌させる。また，上記半導体モジュール２の本体部２６における主電極端子側の一端２６１を上記連結板３に当接させる。
次いで，図６，図１に示すごとく，上記冷却チューブ４と上記半導体モジュール２との積層方向に押圧力Ｆを加えることにより，上記冷却チューブ４と半導体モジュール２とを密着させる。このとき，上記連結板３は，図１〜図３に示すごとく，連結部分３５において撓む。
なお，冷却チューブ４と半導体モジュール２との間にはシリコングリスを介在させてもよい。

また，本例では，絶縁部材３２を可撓性の小さい材料により構成してあるため，絶縁部材３２そのものは殆ど撓まないが，上述したごとく開口部３６に対する絶縁部材３２の接合部位を限定したことにより，上記連結部材３の連結部分３５は，冷却チューブ４に垂直な方向について絶縁部材３２に拘束されずに自由に撓む。図１〜図３においては，説明のため，上記連結部分３５の変形を極端に大きくしてあるが，実際にはわずかな撓みとなる。

次に，本例の作用効果につき説明する。
上記冷却装置１においては，図１〜図３に示すごとく，上記一対の冷却チューブ４が，その幅方向の一端４２において連結板３によって連結されている。それ故，上記冷却装置１における一対の冷却チューブ４によって上記半導体モジュール２を挟持するとき，該半導体モジュール２の一端２６１を上記連結板３に当接させることにより位置決めすることが可能である。これにより，半導体モジュール２と冷却装置１との位置決めを容易かつ正確に行うことができる。

また，上記連結板３には，上記一対の冷却チューブ４の一端４２が接続されているため，上記連結板３も冷却される。これにより，該連結板３も上記冷却チューブ４と同様の或いはそれに近い冷却機能を発揮しうる。そのため，上記冷却装置１は，一対の冷却チューブ４及び連結板３によって，上記半導体モジュール２を三方向から冷却することが可能となり，冷却効率を向上させることができる。

また，上記連結板３は，可撓性を有するため，上記冷却チューブ４によって，上記半導体モジュール２を確実に挟持することができる。即ち，上記冷却装置１の連結板３が撓んでいない状態において，図６に示すごとく，一対の上記冷却チューブ４の間隔を上記半導体モジュール２の厚みよりも若干大きくしておき，半導体モジュール２を組付ける際に，上記一対の冷却チューブの間隔を狭めるようにして，半導体モジュール２を挟持することができる。
このとき，可撓性を有する上記連結板３が容易に撓むため，上記一対の冷却チューブ４を容易に半導体モジュール２に密着させることができる。また，このように一対の冷却チューブ４の間隔を容易に調整できるため，上記半導体モジュール２に厚みの寸法公差が多少あっても，一対の冷却チューブ４により確実に挟持することができる。

また，上記連結板は，上記半導体モジュール２から発生する電磁波をシールドするシールド板（導電性材料からなる板状体）よりなるため，一対の上記冷却チューブ４と連結板３とによって，上記電磁波を，三方向についてシールドすることができる。これにより，上記連結板３を配設した方向についても，電磁波の影響を受けやすい電子部品等を配設することが可能となる。
また，上記連結板３は金属板よりなるため，容易かつ確実に，電磁波のシールドを行うことができる。また，これらの部材は熱伝導性にも優れるため，半導体モジュール２の冷却効率を向上させることができる。
また，上記連結板３は上記挿通孔３１を形成してなるため，上記外部端子２１を，上記連結板３を配設した側にも突出させることができる。

また，上記挿通孔３１は，少なくともその内周面を絶縁部材３２によって構成しているため，上記半導体モジュール２の外部端子２１の絶縁を確保することができる。

また，上記連結板３は，複数の上記挿通孔３１を独立して形成してなり，各挿通孔は上記半導体モジュール２の各外部端子２１をそれぞれ挿通できるよう構成されている。そのため，上記核半導体モジュール２を，上記冷却装置１に対して，より容易かつ正確に位置決めすることができる。
また，図１に示すごとく，上記冷却装置１は，上記一対の冷却チューブ４の間に上記半導体モジュール２を複数個並列して配設できるよう構成してあるため，上記複数個の半導体モジュール２を効率よく冷却することができる。
また，本例の冷却装置１は，発熱しやすい上記半導体モジュール２の冷却に用いられるため，その機能を充分に発揮することができる。

以上のごとく，本例によれば，半導体モジュールの冷却を充分に行うことができると共に，半導体モジュールに対する位置決めを容易かつ正確に行うことができる冷却装置，及びこれを備えた電力変換装置を提供することができる。

本例は，図７に示すごとく，連結板３と冷却チューブ４とを，両部品に形成した嵌合手段による嵌合によって接続した冷却装置１の例である。

上記嵌合手段は，上記冷却チューブ４に設けた，開口側の狭い溝部４４と，該溝部４４にスライドさせて嵌合させることができる，上記連結板３に設けた凸条部３４とによって構成されている。
その他は，実施例１と同様である。
この場合には，上記冷却チューブ４と連結板３とを容易かつ確実に接続することができる。

その他，実施例１と同様の作用効果を有する。
また，上記連結板３と冷却チューブ４との接続には，上述した以外にも，例えば，ネジ止め，ろう付け，溶接等種々の手段を用いることができる。

本例は，図８に示すごとく，冷却すべき電子部品として，コンデンサ２０を冷却チューブ４の間に挟持する冷却装置１の例である。

該冷却装置１は，上記コンデンサ２０を，その外部端子２１を連結板３の貫通孔３１に挿通して冷却チューブ４の間に配置し，該冷却チューブ４によって挟持することができるよう構成してある。そして，実施例１の場合と同様に，上記コンデンサ２０の外部端子２１が突出した側の一端２６１は，上記連結板３に当接させることができ，また，該連結板３の連結部分３５は容易に撓ませることができる。
その他は，実施例１と同様である。

本例によれば，コンデンサ２０の冷却を充分に行うことができると共に，コンデンサ２０に対する位置決めを容易かつ正確に行うことができる冷却装置１，及びこれを備えた電力変換装置を提供することができる。
その他，実施例１と同様の作用効果を有する。
また，本発明にかかる冷却装置によって冷却する電子部品として，半導体モジュール，回路モジュール，電源モジュール，コンデンサ以外にも，例えば，リアクトル，セラミックヒータ等他の電子部品を配置することができる。

また，上記連結板としては，金属板以外にも，例えば，カーボンシート，金属繊維等からなるメッシュ状のシート，金属板等に塗装を施してなるシート，金属板に異種の金属をメッキしたメッキ品，絶縁板に導電物を塗布・貼り付けしたものや絶縁材に導電物を混入したもの等によって構成することができる。

さらに，連結板は外部端子の片側に取り付け，電子部品を挿入した後，反対側にも連結板を配置することで，四方向から冷却・電磁シールド可能となることは言うまでもない。
また，数枚に分離された連結板でも同じ効果が得られる。

実施例１における，半導体モジュールを配置した冷却装置の斜視図。 図１のＡ−Ａ線矢視断面図。 図１のＢ−Ｂ線矢視断面図。 実施例１における，連結板に冷却チューブを接続する前の状態を示す斜視図。 実施例１における，冷却装置に半導体モジュールを配置する前の状態を示す斜視図。 実施例１における，冷却装置に配置した半導体モジュールを冷却チューブによって挟持する前の状態を示す斜視図。 実施例２における，半導体モジュールを配置した冷却装置の断面図。 実施例３における，コンデンサを冷却装置に配置する前の状態を示す斜視図。

符号の説明

１．．．冷却装置，
２．．．半導体モジュール，
２１．．．外部端子，
３．．．連結板，
３１．．．貫通孔，
４．．．冷却チューブ，

Claims (9)

1. 冷却すべき電子部品を挟持するように並列配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる少なくとも一対の冷却チューブを有する冷却装置であって，
   上記一対の冷却チューブは，各冷却チューブの幅方向の一端に接続した連結板によって連結されており，
   該連結板は，上記電子部品から発生する電磁波をシールドするシールド板よりなることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１において，上記連結板は，可撓性を有することを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１又は２において，上記連結板は，金属板又はカーボンシートよりなることを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において，上記連結板は，上記電子部品の外部端子を挿通するための挿通孔を形成してなることを特徴とする冷却装置。
5. 請求項４において，上記挿通孔は，少なくともその内周面が絶縁部材によって構成されていることを特徴とする冷却装置。
6. 請求項４又は５において，上記連結板は，複数の上記挿通孔を独立して形成してなり，各挿通孔は上記電子部品の各外部端子をそれぞれ挿通できるよう構成されていることを特徴とする冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項において，上記冷却装置は，上記一対の冷却チューブの間に上記電子部品を複数個並列して配設できるよう構成されていることを特徴とする冷却装置。
8. 請求項１〜７のいずれか１項において，上記電子部品は，半導体素子を内蔵した半導体モジュール，コンデンサ，又はリアクトルであることを特徴とする冷却装置。
9. 電力変換回路の一部を構成する電子部品と，該電子部品を挟持するように並列配置された少なくとも一対の冷却チューブを有する冷却装置とを備えた電力変換装置であって，
   上記冷却装置は，請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却装置からなることを特徴とする電力変換装置。

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