JP6451566B2 - 冷却器、冷却器モジュール - Google Patents

Description

本発明は、異なる発熱量の発熱体を冷却する冷却器、当該冷却器を備える冷却器モジュールに関する。

従来、冷媒が流通する冷却管と、冷却対象物である発熱体とを交互に積層し、冷媒と電子部品とを熱交換させて発熱体を冷却する積層型の冷却器が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の冷却器では、発熱体としてＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュール等が例示されている。

特開２００６−５０１４号公報

ところで、従来の冷却器では、単位面積当たりの発熱量が同様となる同種の発熱体を隣り合う冷却管で狭持することを前提としており、単位面積当たりの発熱量の異なる発熱体を冷却するためには、発熱体毎に冷却器を用意する必要があった。

このように、発熱体毎に冷却器を用意することは、単位面積当たりの発熱量の異なる発熱体が増加するに伴って冷却器が増加したり、各冷却器への冷媒の供給路が複雑化したりすることから好ましくない。

本発明は上記点に鑑みて、単位面積当たりの発熱量の異なる発熱体それぞれを冷却可能な冷却器、および当該冷却器を備える冷却器モジュールを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、複数の発熱体（２１、２２）を冷却する冷却器を対象としている。上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、冷媒の流通路（３０）が形成された複数の冷却管（３）が、複数の冷却管における流通路が形成された部位の間に、複数の発熱体のうち相対的に単位面積当たりの発熱量の多い高発熱体（２１）を挟むことが可能な状態で積層された積層体（１０ａ）と、複数の発熱体のうち高発熱体よりも単位面積当たりの発熱量が少ない低発熱体（２２）を取り付けることが可能なベースプレート（６）と、を備える構成とする。そして、複数の冷却管の少なくとも１つに、流通路の外側に延伸する延伸部位（３１１、３２１、３３１、３３１Ａ〜３３１Ｄ）が設け、ベースプレートを、延伸部位に接合する構成としている。

また、請求項５に記載の発明は、冷却対象物を冷却する冷却器モジュールを対象としている。上記目的を達成するため、請求項５に記載の発明では、冷却対象物である複数の発熱体のうち、相対的に単位面積当たりの発熱量の多い高発熱体（２１）と、複数の発熱体のうち、高発熱体よりも単位面積あたりの発熱量の少ない低発熱体（２２）と、冷媒の流通路（３０）が形成された複数の冷却管（３）が、複数の冷却管における流通路を形成する部位の間に高発熱体が挟まれた状態で積層された積層体（１０ａ）、低発熱体が取り付けられたベースプレート（６）を含んで構成される冷却器（１０）と、を備える構成とする。そして、複数の冷却管の少なくとも１つに、流通路の外側に延伸する延伸部位（３１１、３２１、３３１、３３１Ａ〜３３１Ｄ）を設け、ベースプレートを延伸部位に接合する構成としている。

これらによれば、積層体を構成する各冷却管の両面で高発熱体を冷却する構成としているので、高発熱体を充分に冷却することができる。さらに、冷却管における流通路の外側に延伸した部位に接合されたベースプレートで低発熱体を冷却する構成としているので、高発熱体と低発熱体との不必要な熱交換を抑えることができる。このため、低発熱体についても充分に冷却することができる。

このように、冷却管を流れる冷媒で直接的に高発熱体を冷却しつつ、冷却管の延伸部位に接合されたベースプレートで間接的に低発熱体を冷却することで、単位面積当たりの発熱量の異なる複数の発熱体を単一の冷却器で冷却することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

実施形態の冷却器を備える冷却器モジュールの全体構成図である。 図１に示す矢印ＩＩの方向から見た冷却器モジュールの側面図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ断面図である。 図３に示す矢印Ｖの方向から見た冷却管の側面図である。 実施形態の冷却器の変形例を示す図であって、実施形態の図１に相当する全体構成図である。 実施形態の冷却管の変形例を示す図であって、実施形態の図４に相当する断面図である。 実施形態の冷却管の変形例を示す図であって、実施形態の図３に相当する全体構成図である。

本発明の一実施形態について図１〜図５に基づいて説明する。図１は、本実施形態の冷却器１０を備える冷却器モジュール１の全体構成図であり、図２は、図１に示す矢印ＩＩの方向から見た冷却器モジュール１の側面図である。

冷却器モジュール１は、図１、図２に示すように、主たる構成要素として、冷却対象物である複数の発熱体２１、２２、および冷却器１０を備えている。冷却器モジュール１は、冷却器１０によって各発熱体２１、２２を冷却する。

複数の発熱体２１、２２は、それぞれ通電されることで発熱する電気部品である。複数の発熱体２１、２２は、例えば、自動車の電力変換器を構成する電気部品で構成されている。

本実施形態の複数の発熱体２１、２２には、相対的に単位面積当たりの発熱量が多い高発熱体２１、および高発熱体２１に比べて単位面積当たりの発熱量が少ない低発熱体２２が含まれる。高発熱体２１としては、例えば、半導体素子等を内蔵したパワーカードと呼ばれる半導体モジュールが挙げられる。また、低発熱体２２としては、リアクトルやコンデンサ等の電子部品が挙げられる。

冷却器１０は、複数の冷却管３を積層して構成される積層型熱交換器である。冷却器１０は、高発熱体２１を冷却するための積層体１０ａ、および低発熱体２２を冷却するためのベースプレート６を備える。

積層体１０ａは、複数の冷却管３を有しており、各冷却管３における冷媒が流通する流通路３０を形成する部位の間に高発熱体２１を挟むことが可能なように、隣り合う冷却管３同士が所定の間隔をあけて積層されている。積層体１０ａは、各冷却管３を流通する冷媒と冷却管３の間に配置された高発熱体２１とを熱交換させて、高発熱体２１を冷却する。

本実施形態の積層体１０ａは、複数の冷却管３のうち、積層方向の最も外側に配置される一対の冷却管３の一方の長手方向両端部に、冷媒を冷却器１０に導入するための冷媒導入部４と、冷媒を冷却器１０から導出するための冷媒導出部５とが接続されている。冷媒導入部４および冷媒導出部５は、ろう付け等の接合技術により積層方向の最も外側に配置される冷却管３に接合されている。

冷却管３は、図３に示すように、その短手方向の一対の周縁部が長手方向に沿って延在すると共に、その長手方向の周縁端部の形状が半円を描くように半円弧形状となっている。なお、冷却管３における長手方向は、冷媒導入部４と冷媒導出部５とを結ぶ方向に沿って延びる方向であり、短手方向は、長手方向に直交する方向である。

本実施形態の冷却管３は、長手方向に延びる一対の周縁部のうち、一方の周縁部の中央部に、短手方向に延伸する延伸部位３３１が設けられている。この延伸部位３３１については後述する。

本実施形態の冷却管３は、アルミニウムや銅等の熱伝導性に優れた金属製のプレートを積層し、これらプレートを接合して構成されている。具体的には、冷却管３は、図４に示すように、一対の外殻プレート３１、３２と、一対の外殻プレート３１、３２の間に配された中間プレート３３と、外殻プレート３１、３２および中間プレート３３の間に配された波形状のインナーフィン３４とを有する。

そして、外殻プレート３１、３２および中間プレート３３の間には、冷媒が流通する流通路３０が形成されている。なお、冷媒としては、例えば、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒を採用することができる。

一対の外殻プレート３１、３２は、冷却管３の外殻を構成するプレートである。一対の外殻プレート３１、３２は、外側表面が高発熱体２１と接する接触部位を構成している。一対の外殻プレート３１、３２は、その周縁部が中間プレート３３の表面に配されたろう材により接合されている。

一対の外殻プレート３１、３２は、図５に示すように、流通路３０を流通する冷媒と高発熱体２１とを熱交換させるための熱交換領域を構成する扁平面３ｃと、供給ヘッダ部１１および排出ヘッダ部１２を構成する部位３ｄとに大別することができる。

一対の外殻プレート３１、３２には、供給ヘッダ部１１および排出ヘッダ部１２を構成する部位３ｄに、積層方向に突出する突出管部３５と、この突出管部３５の根元部（付け根付近）に所定の幅を有する環状のダイヤフラム部３６が設けられている。ダイヤフラム部３６は、冷却管３に対して積層方向に圧縮荷重が作用した際に、突出管部３５を介して当該圧縮荷重を受けて冷却管３の内側に向かって変形する変形部位である。

ここで、本実施形態の冷却管３には、図３に示すように、冷却管３の長手方向に延びる周縁部に爪部３ａが設けられている。この爪部３ａは、一対の外殻プレート３１、３２における周縁部同士の接合を外側から補強する補強部材である。本実施形態の爪部３ａは、冷却管３の長手方向に延びる周縁部のうち、後述する突出管部３５から所定の間隔をあけた位置に形成されている。

図４に戻り、中間プレート３３は、一対の外殻プレート３１、３２に狭持されて、一対の外殻プレート３１、３２との間に流通路３０を形成する長方形状の板部材である。中間プレート３３は、流通路３０を流れる冷媒を一対の外殻プレート３１、３２の内表面側に近づけるために設けられている。

本実施形態の中間プレート３３は、その表面に配されたろう材により一対の外殻プレート３１、３２、およびインナーフィン３４に接合されている。なお、図示しないが、中間プレート３３には、突出管部３５の開口部に対応して円形の開口部が形成されている。

本実施形態の中間プレート３３は、長手方向の中央部における短手方向の寸法が一対の外殻プレート３１、３２の短手方向の寸法よりも大きくなっており、長手方向の中央部の部位が冷媒の流通路３０の外側に延伸している。中間プレート３３における流通路３０の外側に延伸する延伸部位３３１は、後述するベースプレート６を冷却管３に接合するために設けられている。本実施形態では、各冷却管３の全ての中間プレート３３に延伸部位３３１が設けられている。

インナーフィン３４は、流通路３０を流通する冷媒と冷却対象物である各発熱体２１、２２との伝熱を促進させる部材である。本実施形態のインナーフィン３４は、図３に示す冷却管３の長手方向に延びる周縁部に内側に向かって膨出するように形成されたリブ３ｂによって、長手方向の端部が位置決めされている。なお、本実施形態のリブ３ｂは、冷却管３の長手方向に延びる周縁部のうち、後述する突出管部３５から所定の間隔をあけた位置に形成されている。

ここで、本実施形態の積層体１０ａは、高発熱体２１と冷却管３との密着性を高めるために、冷却管３同士の間に形成される隙間に高発熱体２１を配置した状態で、図示しないプレス機で圧縮して高発熱体２１を冷却管３の両面で挟み込む構造となっている。この際、冷却管３の突出管部３５の根元部を構成するダイヤフラム部３６が、圧縮荷重により冷却管３の内側に向かって変形する。これにより、高発熱体２１を冷却管３の両面で挟み込む際に、高発熱体２１に対して過剰な圧縮荷重が作用しないようになっている。

続いて、ベースプレート６は、図２に示すように、低発熱体２２に接触して低発熱体２２を冷却する部材である。ベースプレート６は、低発熱体２２を取り付けることが可能なプレートであって、冷却管３と同様に、アルミニウムや銅等の熱伝導性に優れた金属性のプレートで構成されている。本実施形態の低発熱体２２は、図示しないボルト等の締結部材によってベースプレート６に対して取り付けられている。

具体的には、本実施形態のベースプレート６は、積層体１０ａの積層方向に沿って延びる一枚のプレートで構成されており、各冷却管３の中間プレート３３の延伸部位３３１を介して各冷却管３に対して接合されている。

ここで、前述したように、本実施形態の積層体１０ａは、図示しないプレス機で圧縮して高発熱体２１と冷却管３との密着性を高めるようにしている。このように、積層体１０ａの製造過程において、積層体１０ａを圧縮する圧縮工程を設ける場合、当該圧縮工程時に中間プレート３３の延伸部位３３１の位置が積層方向にずれる可能性がある。

このため、ベースプレート６は、積層体１０ａの圧縮工程を終えた後に、中間プレート３３の延伸部位３３１に対して接合することが望ましい。なお、ベースプレート６は、溶接やろう付け等の接合技術により中間プレート３３の延伸部位３３１に接合すればよい。

このように構成される冷却器モジュール１では、冷媒導入部４から導入された冷媒が、供給ヘッダ部１１を介して、各冷却管３の長手方向の一端部側から流入し、各冷却管３の流通路３０内を他端部側へ向かって流れる。そして、流通路３０を流れる冷媒は、排出ヘッダ部１２を介して、冷媒導出部５から排出される。

この際、各冷却管３の扁平面３ｃに狭持された高発熱体２１は、流通路３０を流通する冷媒と熱交換して直接的に冷却される。また、流通路３０を冷媒が流通する際に、中間プレート３３およびベースプレート６が冷やされることで、ベースプレート６に取り付けられた低発熱体２２が間接的に冷却される。

次に、上記構成に係る冷却器１０および冷却器モジュール１の特徴的な効果について説明する。本実施形態では、積層体１０ａを構成する各冷却管３の両面で高発熱体２１を冷却する構成としているので、高発熱体２１を充分に冷却することができる。

さらに、本実施形態では、冷却管３における流通路３０の外側に延伸した部位に接合されたベースプレート６で低発熱体２２を冷却する構成としている。このように、高発熱体２１と低発熱体２２との冷却する部位を個別に設ける構成とすれば、高発熱体２１と低発熱体２２との不必要な熱交換を抑えることができるので、低発熱体２２を充分に冷却することができる。

このように、冷却管３で直接的に高発熱体２１を冷却し、冷却管３の延伸部位３３１に接合されたベースプレート６で間接的に低発熱体２２を冷却することで、単位面積当たりの発熱量の異なる複数の発熱体２１、２２を単一の冷却器１０で冷却可能となる。

また、本実施形態は、ベースプレート６を積層体１０ａの積層方向に沿って延ばすと共に、２以上の冷却管３に設けた延伸部位３３１に対してベースプレート６を接合する構成としている。これによれば、積層体１０ａとベースプレート６との間の熱伝導の効率が向上することから、低発熱体２２を充分に冷却することが可能となる。

さらに、本実施形態では、中間プレート３３の一部を冷却管３における流通路３０の外側に延伸させて、延伸させた延伸部位３３１をベースプレート６に対して接合する構成としている。このように、高発熱体２１に対して直に接しない中間プレート３３に延伸部位３３１を設ける構成とすれば、冷却管３を介した高発熱体２１と低発熱体２２との不必要な熱交換を避けることができる。このため、低発熱体２２を充分に冷却することが可能となる。

（変形例１）
上述の実施形態で説明した冷却器１０の変形例について、図６を参照して説明する。なお、図６は、実施形態の冷却器１０の変形例を示す図であって、実施形態の図１に相当している。

図６に示すように、本変形例では、各冷却管３の中間プレート３３における長手方向の一方向側の寸法を一対の外殻プレート３１、３２の長手方向の一方向側の寸法よりも大きくすることで、中間プレート３３の一部を冷媒の流通路３０の外側に延伸させている。そして、中間プレート３３における冷媒の流通路３０の外側に延伸させた延伸部位３３１Ａに対してベースプレート６を接合する構成としている。図６に示す構成としても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

なお、図６では、中間プレート３３を冷却管３の長手方向における排出ヘッダ部１２側に延伸させる例を図示しているが、これに限らず、供給ヘッダ部１１に延伸させる構成としてもよい。

（変形例２）
上述の実施形態で説明した冷却管３の変形例について、図７を参照して説明する。なお、実施形態の冷却管３の変形例を示す図であって、実施形態の図４に相当している。

図７に示すように、本変形例では、一対の外殻プレート３１、３２の長手方向の中央部における短手方向の寸法を中間プレート３３の短手方向の寸法よりも大きくすることで、一対の外殻プレート３１、３２の一部を冷媒の流通路３０の外側に延伸させている。

そして、一対の外殻プレート３１、３２における流通路３０の外側に延伸する延伸部位３１１、３２１に対して、ベースプレート６を接合する構成としている。

これによっても、冷却管３で直接的に高発熱体２１を冷却し、冷却管３の延伸部位３１１、３２１に接合されたベースプレート６で間接的に低発熱体２２を冷却することができ、高発熱体２１および低発熱体２２を単一の冷却器１０で冷却することが可能となる。なお、本変形例については、冷却管３に中間プレート３３が設けられていない構成に対しても適用することができる。

（変形例３）
上述の実施形態で説明した冷却管３の変形例について、図８を参照して説明する。なお、実施形態の冷却管３の変形例を示す図であって、実施形態の図３に相当している。

図８に示すように、本変形例では、中間プレート３３に対して３つの延伸部位３３１Ｂ〜３３１Ｄを設ける構成としている。各延伸部位３３１Ｂ〜３３１Ｄは、冷却管３の長手方向に並ぶように設けられている。図８に示す構成としても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

ここで、高発熱体２１には、図示しないが、給電用のバスバーや各種信号線を接続する接続端子等が設けられている。本変形例の如く、中間プレート３３に対して３つの延伸部位３３１Ｂ〜３３１Ｄを設ける構成とすれば、延伸部位３３１Ｂ〜３３１Ｄの間の空間を高発熱体２１のバスバーや接続端子の取付用の空間として利用することができる。すなわち、高発熱体２１のバスバーや接続端子と延伸部位３３１Ｂ〜３３１Ｄとが干渉してしまうことを抑制することができる。このような構成は、図７に示す変形例２の構成に対しても適用可能である。

なお、図８では、中間プレート３３に対して３つの延伸部位３３１Ｂ〜３３１Ｄを設ける例を図示しているが、これに限らず、２つの延伸部位を設けたり、４つ以上の延伸部位を設けたりしてもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。例えば、以下のように種々変形可能である。

（１）上述の実施形態では、各冷却管３の全ての中間プレート３３に延伸部位３３１を設ける例について説明したが、これに限定されない。中間プレート３３の延伸部位３３１は、各冷却管３の１つ以上に設けられていればよい。なお、中間プレート３３とベースプレート６との熱伝導性を確保するためには、少なくとも２以上の冷却管３の中間プレート３３に延伸部位３３１を設けることが望ましい。

（２）上述の実施形態では、各冷却管３の中間プレート３３の延伸部位３３１それぞれにベースプレート６を接合するために、ベースプレート６を積層体１０ａの積層方向に沿って延びる一枚のプレートで構成する例について説明したが、これに限定されない。

例えば、ベースプレート６を中間プレート３３の延伸部位３３１の延伸方向、すなわち冷却管３の短手方向に延びるプレートで構成し、各冷却管３の中間プレート３３の延伸部位３３１の一部に接合するようにしてもよい。また、ベースプレート６は、積層体１０ａの積層方向に沿って延びる複数枚のプレートで構成してもよい。

（３）上述の実施形態において、実施形態を構成する要素は、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。

（４）上述の実施形態において、実施形態の構成要素の個数、数値、量、範囲等の数値が言及されている場合、特に必須であると明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されない。

（５）上述の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に特定の形状、位置関係等に限定される場合等を除き、その形状、位置関係等に限定されない。

１０ 冷却器
１０ａ 積層体
２１ 高発熱体
２２ 低発熱体
３ 冷却管
３０ 流通路
３３ 中間プレート
３３１ 延伸部位
６ ベースプレート

Claims (5)

1. 複数の発熱体（２１、２２）を冷却する冷却器であって、
   冷媒の流通路（３０）が形成された複数の冷却管（３）が、前記複数の冷却管における前記流通路が形成された部位の間に、前記複数の発熱体のうち相対的に単位面積当たりの発熱量の多い高発熱体（２１）を挟むことが可能な状態で積層された積層体（１０ａ）と、
   前記複数の発熱体のうち前記高発熱体よりも単位面積当たりの発熱量が少ない低発熱体（２２）を取り付けることが可能なベースプレート（６）と、を備え、
   前記複数の冷却管の少なくとも１つには、前記流通路の外側に延伸する延伸部位（３１１、３２１、３３１、３３１Ａ〜３３１Ｄ）が設けられており、
   前記ベースプレートは、前記延伸部位に接合されている冷却器。
2. 前記複数の冷却管のうち、２以上の冷却管には、前記延伸部位が設けられており、
   前記ベースプレートは、前記複数の冷却管の積層方向に沿って延びると共に、前記複数の冷却管のうち、前記延伸部位が設けられた冷却管それぞれに接合されている請求項１に記載の冷却器。
3. 前記冷却管は、外側表面が前記高発熱体に接する一対の外殻プレート（３１、３２）、および前記一対の外殻プレートに狭持されて前記一対の外殻プレートとの間に前記流通路を形成する中間プレート（３３）を有しており、
   前記延伸部位は、前記中間プレートにおける前記一対の外殻プレートよりも前記流通路の外側に延伸した部位（３３１、３３１Ａ〜３３１Ｄ）で構成されている請求項１または２に記載の冷却器。
4. 前記冷却管は、前記流通路を形成する一対の外殻プレート（３１、３２）を有しており、
   前記延伸部位は、前記一対の外殻プレートにおける前記流通路の外側に延伸した部位（３１１、３２１）で構成されている請求項１または２に記載の冷却器。
5. 冷却対象物を冷却する冷却器モジュールであって、
   前記冷却対象物である複数の発熱体のうち、相対的に単位面積当たりの発熱量の多い高発熱体（２１）と、
   前記複数の発熱体のうち、前記高発熱体よりも単位面積あたりの発熱量の少ない低発熱体（２２）と、
   冷媒の流通路（３０）が形成された複数の冷却管（３）が、前記複数の冷却管における前記流通路を形成する部位の間に前記高発熱体が挟まれた状態で積層された積層体（１０ａ）、前記低発熱体が取り付けられたベースプレート（６）を含んで構成される冷却器（１０）と、を備え、
   前記複数の冷却管の少なくとも１つには、前記流通路の外側に延伸する延伸部位（３１１、３２１、３３１、３３１Ａ〜３３１Ｄ）が設けられており、
   前記ベースプレートは、前記延伸部位に接合されている冷却器モジュール。

Images