JP5167364B2 - 冷却部材 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

［０００１］ 本特許出願は、「可変速度駆動装置及び誘導子用の冷却システム（ＣＯＯＬＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＳＰＥＥＤ ＤＲＩＶＥＳ ＡＮＤ ＩＮＤＵＣＴＯＲＳ）」という名称にて、２００７年１０月３１日付けで出願された、優先権主張の米国特許出願第１１／９３２，４７９号の利益を主張し且つその開示内容を参考として引用し本明細書に含めるものである。

［０００２］ 本出願は、全体として、可変速度駆動装置に関する。本出願は、より具体的には、可変速度駆動装置内の液体冷却式パワー半導体モジュールに関する。

［０００３］ 暖房、換気、空気調和及び冷房（ＨＶＡＣ＆Ｒ）状況のため使用される可変速度駆動装置（ＶＳＤｓ）は、通常、絶縁したゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）半導体スイッチの取り付け及び熱管理のため、例えば、銅のような金属、冷却部材又は冷却ブロックを使用する。

金属製の冷却ブロックは、切削のような製造と関係した高価な材料及び高労働コストのため、高価である。ＶＳＤは、冷却のため材料コストを削減するプラスチック製の冷却ブロックを使用することもあるが、プラスチック製の冷却ブロックは切削を必要とするため、このプラスチック製の冷却ブロックは、労働コストを削減しない。プラスチック製の冷却ブロックは、通常、その寸法が大きく且つ年間の使用回数が少ないため、射出成型過程にて製造するのに適していない。特定の冷却ブロックの寸法は、例えば、冷却ブロックに取り付けられるモジュールのような、多数の構成要素によって決まる。冷却ブロックは、２つ、又は６つ又はより多くのモジュールに取り付けることができる。冷却ブロックに取り付けられたモジュールの各々は、冷却ブロックに多数の通路を切削し、タブを形成することを必要とする。このため、取り付けられるモジュールの数に依存して、１つの冷却ブロックが６つ又はより多くのタブを有することがある。冷却ブロックの物理的寸法のため、冷却ブロックを形成する射出成型過程は実用的でなくなる。また、低馬力から高馬力の範囲にわたる用途に対応するＶＳＤｓは、２つから６つのタブを有する冷却ブロックを必要とする。かかる用途において、各個別の寸法の使用量は少なく、このため各個別の寸法の冷却ブロックを射出成形するためのコストが増大することになる。

［０００４］ 本発明の１つの実施の形態は、駆動装置の作動中、熱を発生させる構成要素と、該構成要素を受け入れる面を有する基部とを備える可変速度駆動装置に関する。該基部は、また、該基部の面に形成されたタブと、該基部に形成され且つ貫通する流体を受け入れる形態とされた通路とを有している。通路を貫通して通って流れる流体の一部分は、タブに向けられ、また、流体は構成要素に対する冷却効果を提供する。基部は射出成形過程により製造される。

［０００５］ 本発明の別の実施の形態は、構成要素を受け入れる面を有する基部を含む可変速度駆動装置に関する。基部は、また、該基部の面に形成されたタブと、該基部に形成され且つ貫通する流体を受け入れる形態とされた通路とを有している。通路を通って流れる流体の一部分は、タブに向けられ、また、流体は構成要素に対する冷却効果を提供する。基部は射出成形過程により製造される。

［０００６］ 本発明の更に別の実施の形態は、駆動装置の作動中、熱を発生させる少なくとも２つの構成要素と、該少なくとも２つの構成要素を受け入れる形態とされた面を有する少なくとも２つの基部とを備える可変速度駆動装置に関する。基部の各々は、該基部の面に形成されたタブと、貫通する流体を受け入れるべく基部に形成された通路とを有している。通路を通って流れる流体の一部分は、タブに向けられ、また、流体は構成要素に対する冷却効果を提供する。少なくとも２つの基部は射出成形過程により製造され、また、該少なくとも２つの基部は貫通する連続的な通路を形成するよう接続される。

商業的環境内の暖房、換気、空気調和及び冷房（ＨＶＡＣ＆Ｒ）の一例としての実施の形態を示す。 図１の一例としての実施の形態にて使用することのできるＨＶＡＣ＆Ｒシステムの一例としての実施の形態を概略図的に示す。 冷却塔を備える、可変速度駆動システムの一部分の分解図にて一例としての実施の形態を示す。 本発明の特徴に従った冷却部材の１つの実施の形態の頂面斜視図を示す。 本発明の特徴に従った冷却部材の１つの実施の形態の底面斜視図を示す。 本発明の特徴に従った冷却部材の１つの実施の形態の頂面図を示す。 本発明の特徴に従った冷却部材の１つの実施の形態の底面図を示す。 本発明の特徴に従って相互に接続された複数の冷却部材を示す。 本発明の特徴に従って相互に接続された複数の冷却部材の底面図を示す。

［００１６］ 図１は、典型的な商業的目的のための建物１２内にて暖房、換気、空気調和システム（ＨＶＡＣシステム）１０の一例としての環境を示す。システム１０は、建物１２を冷房するため使用可能な冷却した液体を供給することのできる冷却装置１４内に組み込んだ圧縮機を含む。システム１０は、建物１２を暖房するため使用することのできる加熱した液体を供給するボイラー１６と、空気を建物１２内にて循環させる空気分配システムとを含む。空気分配システムは、空気戻りダクト１８と、空気供給ダクト２０と、空気取り扱い装置２２とを含む。空気取り扱い装置２２は、導管２４によりボイラー１６及び冷却装置１４と接続された熱交換機を含む。空気取り扱い装置２２内の熱交換器は、システム１０の作動モードに依存して、ボイラー１６からの加熱した液体又は冷却装置１４からの冷却した液体の何れかを受け取る。システム１０は、建物１２の各床にて別個の空気取り扱い装置を有する状態にて示されているが、これらの構成要素は、床の間にて共用してもよいことが理解されよう。

［００１７］ 図２は、図１の建物１２内にて使用することのできるＶＳＤ２６を有するシステム１０の一例としての実施の形態を概略図にて示す。システム１０は、圧縮機２８と、凝縮器３０と、液体冷却装置又は蒸発器３２と、制御盤３４とを含むことができる。圧縮機２８は、ＶＳＤ２６により作動されるモータ３６により駆動される。ＶＳＤ２６は、特定の一定の線電圧及び一定の線周波数を有するＡＣ電力をＡＣ電源３８から受け取り且つ所望の電圧及び所望の周波数（その双方は特定の必要条件を満足させるよう変化させることができる）のＡＣ電力をモータ３６に提供する。制御盤３４は、アナログ対デジタル（Ａ／Ｄ）変換器、マイクロプロセッサ、不揮発性メモリ、及びインターフェースボードのような、システム１０の作動を制御するための多様な異なる構成要素を含むことができる。制御盤３４は、ＶＳＤ２６及びモータ３６の作動を制御するためにも使用することもできる。

［００１８］ 圧縮機２８は、冷媒蒸気を圧縮し且つ蒸気を排出管を通して凝縮器３０に供給する。圧縮機２８は、例えば、スクリュー圧縮機、遠心圧縮機、往復圧縮機、スクロール圧縮機等のような、任意の適正な型式の圧縮機とすることができる。圧縮機２８により凝縮器３０に供給された冷媒蒸気は、例えば、空気又は水のような流体との熱交換関係に入り、また、流体との熱交換関係の結果として、冷媒液体に相変化する。凝縮器３０からの凝結した液体冷媒は、膨張装置（図示せず）を通って蒸発器３２まで流れる。

［００１９］ 蒸発器３２は、冷却負荷の供給管及び戻り管の接続部を含むことができる。例えば、水、エチレン、塩化カルシウム食塩水又は塩化ナトリウム食塩水のような第二の液体は、戻り管を介して蒸発器３２に入り、また、供給管を介して蒸発器３２から出る。蒸発器３２内の液体冷媒は、第二の液体と熱交換関係に入り、第二の液体の温度を低下させる。蒸発器３２内の冷媒液体は、第二の液体との熱交換関係の結果として、冷媒蒸気に相変化する。蒸発器３２内の蒸気冷媒は、吸引管により蒸発器３２から出て、圧縮機２８に戻り、サイクルを完成させる。凝縮器３０及び蒸発器３２内にて冷媒の適正な相変化が得られるならば、凝縮器３０及び蒸発器３２の任意の適正な形態をシステム１０内にて使用することができることを理解すべきである。

［００２０］ システム１０は、図２に示さない多くのその他の特徴部を含むことができる。これらの特徴部は、図示の容易化のため図面を簡略化すべく意図的に省略されている。システム１０は、図２に示したように単一のＶＳＤ又は１つ又はより多くの冷媒回路の各々に接続された多数のＶＳＤｓにより作動される、多数の圧縮機を有することができる。

［００２１］ 図３は、冷却部材４２の上方に配置された複数のスイッチ４０を有する可変速度誘導モータ駆動装置２６の一部分を示す。ＶＳＤ２６は、異なる用途又はＨＶＡＣシステムに対するモータ又は圧縮機に対し所望の電力を提供するよう使用することができる。例えば、かかるモータは、冷却装置システムの圧縮機を駆動することができる。ＶＳＤ２６のスイッチ４０は、３つのデュアルＩＧＢＴｓを保持するインフィニオン（Ｉｎｉｎｅｏｎ）モジュールとして示されているが、最適な作動のため冷却を必要とするその他の半導体デバイス又はその他のエレクトロニクス構成要素を、この部材４２にて冷却してもよい。冷却流体管４３、４５は、入口供給４７及び出口通路４９とそれぞれ接続され、冷却流体を部材４２内に導入する。管４３、４５は、部材４２に対して連続的な冷却流体の流れを提供する、冷却システムと接続されている。復水のような冷却流体は、管４３に供給され、以下に説明するように、部材４２を通って流れ、且つ管４５から流れ出る。端板３９を最後の冷却部材４２に固定し、流体の流れを管４３から管４５に向ける。

［００２２］ 水及び既知の冷媒を含む、多様な異なる冷却流体は、冷却部材４２に導入し且つエレクトロニクス構成要素を冷却するため使用することができる。更に、既知の熱交換器のような、多様な異なる冷却システムは、冷却部材４２に供給され且つ冷却部材４２から出る冷却流体を冷却するため使用することができる。

［００２３］ 冷却部材４２は、ＨＶＡＣシステムのモータ又は圧縮機を作動させるため使用されるモジュールを冷却する。モジュールは、冷却部材４２に封止関係にて固定されている。冷却部材４２に供給された冷却流体は、閉ループにて冷却部材４２及び熱交換機を通って流れる水であることが好ましい。熱交換機は、水が冷却部材４２に再導入される前に、水を冷却する。好ましくは、熱交換機は、円筒多管式熱交換機であり、この熱交換機にて、ＨＶＡＣシステムの冷却塔からの水を使用して冷却部材４２に供給された水を冷却するようにする。

［００２４］ 図４及び図５に示した１つの実施の形態において、冷却部材４２は、頂面４８に形成された通路４６を有するプラスチック製の基部４４を含む。代替的な実施の形態において、部材４２は、非金属材料のようなその他の材料から成るものとしてもよい。１つの構成要素（図示せず）、例えば、半導体モジュールは、頂面４８上に取り付けられる。頂面４８に形成された通路４６は、Ｏリング（図示せず）が構成要素の基部板に対して封止するための空間を提供する。基部４４は、基部４４を貫通して伸びる入口通路４７と、基部４４を貫通して伸びる出口通路４９とを有している。通路４７、４９は、多数の冷却部材４２が共に使用されるとき、流量及び圧力降下の必要量を満足させる寸法とされた所定の直径６０又は、代替的な輪郭外形に対する断面積を有している。例えば、１３０馬力のＶＳＤ設計の一例としての用途において、６つの冷却部材が共に使用される。通路４７、４９は円形の輪郭外形にのみ限定されるものではないことを理解すべきである。冷却液体、例えば、復水は、通路４７、４９内を循環して構成要素に対する冷却効果を提供する。

［００２５］ 基部４４は、構成要素（図示せず）に対する冷却効果を提供すべく、頂面４８に形成されたタブ４１を有している。入口通路４７を通って流れる冷却流体の一部分は、タブの入口５１を通って向けられ、タブ４１を横断し且つタブ出口５３から排出される。次に、冷却流体は、出口通路４９を通って流れる。タブ４１を横断して流れる冷却流体は、構成要素（図示せず）と直接、接触する。冷却流体は、構成要素と熱交換して該構成要素を冷却する。

［００２６］ 基部４４は、構成要素（図示せず）を基部４４に取り付けるための少なくとも１つの取り付け孔６２を有している。更に、基部４４は、基部４４をＶＳＤ２６の組立体（図示せず）に取り付けるための少なくとも１つのＶＳＤ取り付け孔６４を有することができる。締結具（図示せず）、例えば、ねじを使用して基部４４を構成要素（図示せず）及びＶＳＤ２６に固定することができる。その他の型式の締結具を使用してもよい。基部４４は、また、多数の基部４４を多数の構成要素に対して固定し且つ互いに保持するため貫通ボルト又はその他の適当な締結具用とすることを目的とする、貫通穴６６も有している。貫通ボルトが多数の基部４４を互いに固定するとき、Ｏリング又はその他の適当な封止装置は溝６８内にて圧縮され、このことは、隣接する基部４４の間にてシールを形成することになる。

［００２７］ 図６及び図７は、基部４４の別の実施の形態を示す。基部４４は、合わさる特徴部、例えば、締結具つまみ７０と、締結具受容部７２とを有することができる。多数の基部が互いに締結されたとき、１つの基部からの締結具つまみ７０は、隣接する基部上の締結具受容部７２と合わさり、基部を互いに固定するスナップ嵌め機構を提供する。かかるスナップ嵌め機構は、隣接する基部間を封止するため使用されるＯリングにて十分な圧力を提供する。冷却部材４２は、射出成形過程又はその他の適当な経済的な過程又は方法により製造することができる。

［００２８］ 図８、図９は、冷却のため冷却部材４２上に取り付けた構成要素７４と相互に接続された複数の冷却部材４２を示す。ＶＳＤ（図示せず）が１つ以上の構成要素７４を有するとき、各構成要素７４は、基部４４の相応する面に取り付けられる。図示したように、構成要素７４は、回路板を有する半導体モジュールである。例えば、ＶＳＤが４つの構成要素７４を有する場合、各構成要素７４は、別個の基部４４に取り付けられ、各基部４４は隣接する基部に固定される。基部４４は該基部４４に配設され且つ該基部を貫通して側面５４から反対側の側面まで軸方向に伸びる貫通穴６６を有することができる。少なくとも１つの締結具（図示せず）、例えば、ねじは、貫通穴６６内に且つ隣りの基部４４の貫通穴内に固定し、これにより多数の基部を互いに固定することができる。多数の基部が互いに固定されたとき、各基部４４の通路４７、４９は、互いに流体的に連通し、全ての基部を通って伸びる１つの大きい通路を形成する。入口４７及び出口４９は、Ｏリング（図示せず）又はその他の適当なシーラント又はシーラを受け入れる溝６８を有することができる。多数の基部が互いに締結されたとき、Ｏリングは、基部の間にて圧縮され通路を封止し且つ漏出を防止する。複数の締結具７８は、構成要素７４を冷却部材４２に固定することができる。

［００２９］ 本発明の特定の特徴及び実施の形態のみを示し且つ説明したが、当該技術の当業者には、特許請求の範囲に記載した主題事項の新規な教示及び有利な効果から実質的に逸脱することなく、多数の改変及び変更例が案出されよう（例えば、寸法、次元、構造、形状及び各種の要素の比率、パラメータ（例えば、温度、圧力、等）の値、取り付けの配置、材料の使用、色、向き等）の任意の過程又は方法のステップの順番又は順序は、代替的な実施の形態に従って変更し又は順序変更することができる）。このため、特許請求の範囲は、本発明の真の思想に属するとしてかかる改変及び変更例の全てを包含することを意図するものであることを理解すべきである。更に、一例としての実施の形態を簡潔に説明するため、必ずしも実施例の全ての特徴を説明するものではない（例えば、本発明を実施するため現在考えられる最良の形態と関係しないもの、又は請求の範囲に記載した本発明を可能にするものと関係しないものは説明しない）。任意の技術上又はデザイン上の計画におけるように、かかる任意の実施例の開発において、多数の実施例に特有の具体化を図ることができることを理解すべきである。かかる開発努力は、複雑で且つ時間が掛かるであろうが、不必要な実験を行うことなく、本発明の利点を享受する当業者にとって、デザイン、組み立て又は製造の定常的な作業であろう。

Claims (20)

1. 可変速度駆動装置の構成要素用の冷却部材において、
   構成要素を受け入れるように形状づけられかつ位置決めされた面を有する基部と、
   前記基部の前記面に位置決めされたタブと、
   前記基部を通して伸びかつ前記タブと流体連通した第１の通路と、
   前記基部を通して伸びかつ前記タブと流体連通した第２の通路であって、第１の通路の反対側に位置決めされた第２の通路と、
   該基部を少なくとも１つの付加的な基部に連結する連結装置と、を更に備え、
   前記第１の通路と第２の通路とタブとは、構成要素に対する冷却効果を提供するように流体を循環するために使用され、前記基部は、射出成形過程により製造される、冷却部材。
2. 請求項１に記載の冷却部材において、前記基部の表面に位置決めされてタブを取り囲む通路を備え、該通路はシールを受け入れて流体の漏出を防止する形態とされた、冷却部材。
3. 請求項１に記載の冷却部材において、第１の通路は入口通路であり、第２の通路は出口通路であり、流体は該入口通路を通って基部に入り、該出口通路を通って基部から出る、冷却部材。
4. 請求項３に記載の冷却部材において、前記タブはタブ入口と、タブ出口とを備え、入口通路内の流体の一部分は、前記タブ入口に入り且つ前記タブを横断して流れ、前記タブ出口を通じてタブを出て前記出口通路に排出される、冷却部材。
5. 請求項１に記載の冷却部材において、前記基部は単一の構成要素を装着するように形状づけられている、冷却部材。
6. 請求項１に記載の冷却部材において、前記基部は非金属材料製である、冷却部材。
7. 請求項１に記載の冷却部材において、前記基部へ構成要素を装着するために該基部の表面に孔を有する、冷却部材。
8. 請求項１に記載の冷却部材において、連結装置により基部へ連結された端板を備え、該端板は流体を第１の通路から第２の通路へ指向するように形状づけられかつ位置決めされた、冷却部材。
9. 請求項１に記載の冷却部材において、前記連結装置は突起と該突起を受け入れる対応する穴とを有し、該突起と穴は第１及び第２の通路付近にて前記基部の反対側に位置決めされている、冷却部材。
10. 請求項９に記載の冷却部材において、前記突起はスナップ嵌め機構を有する、冷却部材。
11. 請求項１に記載の冷却部材において、前記連結装置は第１及び第２の通路付近にて前記基部の反対側に位置決めされた一対の穴を有し、該対の穴の各穴は締結具を受け入れるように形状づけられている、冷却部材。
12. 可変速度駆動装置において、
    作動中、熱を発生させる少なくとも２つの構成要素と、
    少なくとも２つの構成要素を冷却するため流体を循環するように形状づけられた冷却部材とを備え、
    該冷却部材は、
    各々が前記少なくとも２つの構成要素の対応する構成要素を受け入れるように形状づけられかつ位置決めされた面を有する少なくとも２つの相互接続された基部とを備え、 前記少なくとも２つの相互接続された基部の各基部の前記面に形成されたタブと、
    前記少なくとも２つの相互接続された基部の各基部を通して伸び、かつ基部のタブと流体連通する第１の通路と、
    前記少なくとも２つの相互接続された基部の各基部を通して伸び、かつ対応する基部のタブと流体連通する第２の通路であって、第１の通路の反対側に位置決めされた第２の通路と、
    少なくとも２つの相互接続される基部を連結する少なくとも1つの連結装置と、を備え、
    前記第１の通路と、第２の通路と、各基部のタブは流体を循環して対応する構成要素に対する冷却効果を提供するために使用され、前記少なくとも２つの相互接続された基部は、射出成形過程により製造される、可変速度駆動装置。
13. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、
    前記冷却部材は、連結装置により相互接続された少なくとも２つの基部の各基部に連結された端板を有する、可変速度駆動装置。
14. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、前記各基部の表面に位置決めされて対応するタブを取り囲んでいる通路であって、シールを受け入れて流体の漏出を防止する形態とされた通路を備える、可変速度駆動装置。
15. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、第１の通路は入口通路であり、第２の通路は出口通路であり、流体は該入口通路を通って各基部に入り、該出口通路を通って各基部から出る、可変速度駆動装置。
16. 請求項１５に記載の可変速度駆動装置において、前記タブはタブ入口と、タブ出口とを備え、入口通路内の流体の一部分は、前記タブ入口に入り前記タブを横断して流れ、前記タブ出口を通してタブを出て前記出口通路に排出される、可変速度駆動装置。
17. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、前記第１の通路の断面積は、所定の流体の流れ及び流体の圧力降下の必要量を満足させる寸法とされる、可変速度駆動装置。
18. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、前記各基部は非金属材料製である、可変速度駆動装置。
19. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、前記少なくとも１つの連結装置は、締結具を受け入れるため各基部の反対側に貫通穴を備え、該締結具は、前記少なくとも２つの基部の間の確実な接続部を提供する、可変速度駆動装置。
20. 請求項１２に記載の可変速度駆動装置において、前記少なくとも１つの連結装置は、各基部の反対側に締結具タブと、隣りの基部の締結具タブを受け入れる形態とされた締結具受容部とを備え、締結具タブが締結具受容部内に固定されたとき、前記隣りの基部との確実な接続部が形成される、可変速度駆動装置。

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