JP6493141B2 - 冷却器モジュール - Google Patents

Description

本発明は、チューブ内を流れる冷媒とチューブ間に挟持された熱交換対象物とを熱交換させる冷却器モジュールに関するものである。

従来、この種の冷却器モジュールとして、冷媒が流れるチューブ内通路を有する扁平のチューブを積層した冷却器をケース内に収容し、隣接するチューブ間に熱交換対象物としての電子部品を挟持して電子部品を冷却する冷却器モジュールが知られている。

また、冷却器モジュールは、ケース外からチューブ内通路に冷媒を導く入口管やチューブ内通路からケース外に冷媒を導く出口管を備え、それらの管はいずれも、冷却器におけるチューブ積層方向の一端側に配置されるとともに、ケースに固定されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−１７１４４９号公報

ところで、冷却器におけるチューブ積層方向の一端側に入口管を配置し、冷却器におけるチューブ積層方向の他端側に出口管を配置するニーズがでてきている。換言すると、冷却器におけるチューブ積層方向の両側に管を配置するニーズがでてきている。

この場合、冷却器におけるチューブ積層方向の一端側は入口管を介してケースに固定され、冷却器におけるチューブ積層方向の他端側は出口管を介してケースに固定されるため、電子部品の発熱により冷却器がチューブ積層方向に熱膨張しようとしても、冷却器は熱膨張することができない。したがって、冷却器にひずみが発生してしまう。

また、冷却器内を流れる冷媒中の気体をケース外に導くガス抜き管を設けるニーズもでてきている。この場合、例えば、冷却器におけるチューブ積層方向の一端側に入口管および出口管を配置し、冷却器におけるチューブ積層方向の他端側にガス抜き管を配置する。

このように配置すると、冷却器におけるチューブ積層方向の一端側は入口管および出口管を介してケースに固定され、冷却器におけるチューブ積層方向の他端側はガス抜き管を介してケースに固定されるため、電子部品の発熱により冷却器がチューブ積層方向に熱膨張しようとしても、冷却器は熱膨張することができない。したがって、冷却器にひずみが発生してしまう。

本発明は上記点に鑑みて、冷却器におけるチューブ積層方向の両側に管が配置される冷却器モジュールにおいて、熱膨張による冷却器のひずみを防止することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、内部と外部を連通させるケース貫通孔（１４１ａ）を有するケース（１４）と、ケースの内部に配置され、冷媒が流れるチューブ内通路（１２１ａ）を有する扁平状の複数のチューブ（１２１）が熱交換対象物（１０）を配置するための隙間を形成しつつ積層された冷却器（１２）と、ケース貫通孔に挿入され、一端側が冷却器に接続されてチューブ内通路に連通し、他端側がケースの外部に突出し、ケースに固定された管（１６）とを備え、管に対して冷却器がチューブ積層方向に相対移動可能な状態で管と冷却器が嵌合され、管と冷却器の嵌合部の隙間をシールする摺動シール部材（２２）が管と冷却器の嵌合部に配置されている。

これによると、熱膨張により冷却器が伸縮しようとする際には、管に対して冷却器がチューブ積層方向に相対移動するため、熱膨張による冷却器のひずみを防止することができる。

また、摺動シール部材により、管と冷却器の嵌合部からの冷媒漏れを防止することができる。

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を示すものである。

本発明の第１実施形態に係る冷却器モジュールを一部断面で示す図である。 図１の冷却器モジュールの要部の断面図である。 図１の冷却器モジュールにおけるケースの分解斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る冷却器モジュールを一部断面で示す図である。 図４の冷却器モジュールにおけるケースの分解斜視図である。 図４の冷却器モジュールにおける嵌合シール部材の斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、先行する実施形態で説明した事項と同一もしくは均等である部分には、同一の参照符号を付し、その説明を省略する場合がある。また、各実施形態において、構成要素の一部だけを説明している場合、構成要素の他の部分に関しては、先行する実施形態において説明した構成要素を適用することができる。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。

図１〜図３に示すように、冷却器モジュールは、電力変換回路の一部を構成する熱交換対象物としての半導体モジュール１０を冷却する冷却器１２、冷却器１２を収容するケース１４、冷却器１２に接続されるガス抜き管１６、冷却器１２に接続される冷媒導入管１８、および冷却器１２に接続される冷媒排出管２０を、主要構成要素として備えている。

ケース１４は、内部に直方体状の収容空間を有し、一面が開口した直方体状のケース本体１４１と、ケース本体１４１の開口部を覆うケース蓋１４２とからなる。

ケース本体１４１の対向する２つの側壁面のうち一方の側壁面に、ケース１４の内部と外部を連通させる円形の第１ケース貫通孔１４１ａが形成され、他方の側壁面に、ケース１４の内部と外部を連通させる矩形の第２ケース貫通孔１４１ｂが形成されている。

冷却器１２は、扁平状の複数のチューブ１２１、板状の冷却器プレート１２２、および板状の閉塞プレート１２３が積層配置されている。以下、チューブ１２１の積層方向を、チューブ積層方向Ｘという。チューブ１２１は、図１の紙面左右方向の長さが図１の紙面垂直方向の長さより長くなっている。以下、チューブ１２１の長辺方向（すなわち図１の紙面左右方向）を、チューブ長手方向Ｙという。

隣接するチューブ１２１間には隙間が形成されており、その隙間に半導体モジュール１０が配置されている。

チューブ１２１は、２枚のプレートを最中状に合わせて周縁部が接合され、冷媒（例えば、エチレングリコール系の不凍液）が流れるチューブ内通路１２１ａが内部に形成されている。なお、その冷媒は、図示しない放熱器にて冷却される。

チューブ１２１には、チューブ長手方向Ｙの一端側に、積層方向Ｘに延びる円筒状の導入管部１２１ｂが形成され、チューブ長手方向Ｙの他端側に、積層方向Ｘに延びる円筒状の排出管部１２１ｃが形成されている。

そして、隣接するチューブ１２１の導入管部１２１ｂ同士が接合されるとともに、隣接するチューブ１２１の排出管部１２１ｃ同士が接合されている。これにより、導入管部１２１ｂに流入した冷媒は、チューブ内通路１２１ａを通って排出管部１２１ｃに流出するようになっている。

冷却器プレート１２２は、複数のチューブ１２１のうちチューブ積層方向Ｘの最上端に位置する端部チューブに接合されている。

冷却器プレート１２２には、チューブ長手方向Ｙの一端側に、ガス抜き管１６の一端側が挿入される断面円形の管挿入孔１２２ａが形成されている。この管挿入孔１２２ａは、チューブ積層方向Ｘに延びるとともに、冷却器プレート１２２を貫通している。

冷却器プレート１２２には端部のチューブ１２１の導入管部１２１ｂが接合され、管挿入孔１２２ａは、その導入管部１２１ｂを介して端部のチューブ１２１のチューブ内通路１２１ａに連通している。

ガス抜き管１６は、樹脂またはアルミニウムよりなり、チューブ積層方向Ｘに延びるとともに、第１ケース貫通孔１４１ａに挿入されて先端側がケース１４の内部に突出する円筒状の内側筒部１６１、およびチューブ積層方向Ｘに延びるとともに、ケース１４の外部に突出する外側筒部１６２を有している。

また、ガス抜き管１６における軸方向中間部で且つ外周部には、ケース本体１４１における第１ケース貫通孔１４１ａの周囲の面に対向する鍔部１６３が形成されている。この鍔部１６３におけるケース本体１４１に対向する面は、チューブ積層方向Ｘに対して交差しており、より詳細には、チューブ積層方向Ｘに対して垂直になっている。

内側筒部１６１はその先端側が冷却器プレート１２２の管挿入孔１２２ａに挿入されている。より詳細には、ガス抜き管１６に対して冷却器１２がチューブ積層方向Ｘに相対移動可能な状態で、内側筒部１６１と冷却器プレート１２２が嵌合されている。

内側筒部１６１における管挿入孔１２２ａに挿入される部位の外周面には、環状の溝１６１ａが２つ形成されている。この溝１６１ａに、摺動シール部材としてのＯリング２２が組み付けられている。そして、このＯリング２２より、内側筒部１６１と管挿入孔１２２ａの嵌合部の隙間をシールしている。

外側筒部１６２は、図示しない配管を介して放熱器またはリザーブタンクに接続される。これにより、冷却器１２内への気体の滞留を防止し、半導体モジュール１０を冷却する能力の低下を防止することができる。

鍔部１６３は、ケース本体１４１における第１ケース貫通孔１４１ａの周囲の面に当接して第１ケース貫通孔１４１ａを閉塞し、図示しないねじにてケース本体１４１に固定されている。

ケース本体１４１における第１ケース貫通孔１４１ａの周囲の面と鍔部１６３との間には、固定シール部材としてのＯリング２４が配置されており、このＯリング２４により、ケース本体１４１における第１ケース貫通孔１４１ａの周囲の面と鍔部１６３との間の隙間をシールしている。

閉塞プレート１２３は、複数のチューブ１２１のうち冷却器プレート１２２とは反対側（すなわち、最下端）に位置するチューブに接合されている。より詳細には、閉塞プレート１２３は、端部のチューブ１２１の導入管部１２１ｂおよび排出管部１２１ｃと接合されている。

また、閉塞プレート１２３には、冷媒導入管１８および冷媒排出管２０が接合されている。なお、冷媒導入管１８および冷媒排出管２０は、図示しない配管を介して放熱器に接続される。

そして、閉塞プレート１２３に接合された導入管部１２１ｂと冷媒導入管１８は、閉塞プレート１２３に形成された図示しない貫通孔を介して連通している。また、閉塞プレート１２３に接合された排出管部１２１ｃと冷媒排出管２０は、閉塞プレート１２３に形成された図示しない貫通孔を介して連通している。

ケース本体１４１における冷却器プレート１２２近傍に、ケース本体１４１の底部壁面から突出するストッパピン２６が固定されている。そして、冷却器プレート１２２とストッパピン２６との間に、湾曲した板ばね２８が配置されている。

次に、本実施形態の冷却器モジュールの組み付けについて説明する。

まず、冷却器１２、冷媒導入管１８、および冷媒排出管２０を一体化して、冷却器構造体とする。また、ガス抜き管１６に、Ｏリング２２を装着しておく。

そして、冷却器構造体における冷却器１２のチューブ１２１および冷却器プレート１２２の部分を、第２ケース貫通孔１４１ｂからケース本体１４１の内部に挿入する。また、閉塞プレート１２３をケース本体１４１の外周面における第２ケース貫通孔１４１ｂの周囲の面に当接させて第２ケース貫通孔１４１ｂを閉塞し、図示しないねじにて閉塞プレート１２３をケース本体１４１に固定し、ひいては冷却器構造体をケース本体１４１に固定する。

続いて、隣接するチューブ１２１間の隙間に半導体モジュール１０を挿入した後、冷却器プレート１２２とストッパピン２６との間に板ばね２８を配置して、板ばね２８によりチューブ１２１と半導体モジュール１０をチューブ積層方向Ｘに加圧する。

続いて、ケース本体１４１にＯリング２４を装着した後、ガス抜き管１６の内側筒部１６１を第１ケース貫通孔１４１ａに挿入するとともに、内側筒部１６１の先端側を冷却器プレート１２２の管挿入孔１２２ａに挿入する。また、ガス抜き管１６の鍔部１６３をケース本体１４１における第１ケース貫通孔１４１ａの周囲の面およびＯリング２４に当接させて第１ケース貫通孔１４１ａを閉塞し、図示しないねじにて鍔部１６３をケース本体１４１に固定し、ひいてはガス抜き管１６をケース本体１４１に固定する。

続いて、ケース蓋１４２にてケース本体１４１の開口部を覆い、ケース本体１４１とケース蓋１４２を図示しないねじにて接合する。

ここで、内側筒部１６１を管挿入孔１２２ａに挿入する際、ガス抜き管１６は第１ケース貫通孔１４１ａ内で第１ケース貫通孔１４１ａの径方向に位置調整が可能である。したがって、冷却器構造体をケース本体１４１に固定した状態での管挿入孔１２２ａの位置に合わせてガス抜き管１６の位置調整を行うことにより、内側筒部１６１と冷却器プレート１２２を位置ずれなく嵌合させることができる。その結果、Ｏリング２４のシール性が良好に発揮される。

次に、本実施形態の冷却器モジュールの作動について説明する。

まず、放熱器にて冷却された冷媒は、冷媒導入管１８、閉塞プレート１２３に形成された貫通孔、およびチューブ２の導入管部１２１ｂを介して、各チューブ２のチューブ内通路１２１ａに流入する。そして、冷媒がチューブ内通路１２１ａを流れる際に、冷媒と半導体モジュール１０との間で熱交換が行われ、半導体モジュール１０が冷却される。

また、半導体モジュール１０と熱交換した冷媒は、チューブ２の排出管部１２１ｃ、閉塞プレート１２３に形成された貫通孔、および冷媒排出管２０を介して、放熱器に排出される。

ここで、半導体モジュール１０の発熱により冷却器１２がチューブ積層方向Ｘに熱膨張する。そして、閉塞プレート１２３はケース本体１４１に固定されているため、冷却器１２が熱膨張しても閉塞プレート１２３側は変位することができない。

一方、ガス抜き管１６に対して冷却器１２がチューブ積層方向Ｘに相対移動可能な状態で、内側筒部１６１と冷却器プレート１２２が嵌合されているため、冷却器１２が熱膨張すると、冷却器１２は冷却器プレート１２２側が変位する。したがって、熱膨張による冷却器１２のひずみは発生しない。また、ガス抜き管１６に対して冷却器１２が相対移動しても、Ｏリング２２により、内側筒部１６１と冷却器プレート１２２の嵌合部からの冷媒漏れが防止される。

以上述べたように、本実施形態によると、熱膨張により冷却器１２が伸縮しようとする際には、ガス抜き管１６に対して冷却器１２がチューブ積層方向Ｘに相対移動するため、熱膨張による冷却器１２のひずみを防止することができる。

また、Ｏリング２２により、内側筒部１６１と冷却器プレート１２２の嵌合部からの冷媒漏れを防止することができる。

また、ガス抜き管１６は第１ケース貫通孔１４１ａ内で第１ケース貫通孔１４１ａの径方向に位置調整が可能であるため、ガス抜き管１６の位置調整により内側筒部１６１と冷却器プレート１２２を位置ずれなく嵌合させることができる。その結果、Ｏリング２４のシール性が良好に発揮される。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態では、第１実施形態と同様または均等な部分についての説明を省略、または簡略化して説明する。

図４〜図６に示すように、閉塞プレート１２３は廃止されており、冷媒導入管１８及び冷媒排出管２０はチューブ１２１に接合されている。また、ケース本体１４１は、第２ケース貫通孔１４１ｂが廃止されている。そして、ケース本体１４１には、２つのＵ字状の切欠部１４１ｃが所定間隔をあけて形成されている。

切欠部１４１ｃには、ケース１４外部からの浸水を防止する嵌合シール部材３０が嵌合されている。この嵌合シール部材３０は、ゴム等の軟質弾性材よりなり、円筒状の円筒部３０１とＵ字状のＵ字部３０２とが一体に形成されている。

円筒部３０１及びＵ字部３０２には、貫通する挿通孔３０３が形成され、この挿通孔３０３に冷媒導入管１８及び冷媒排出管２０が挿通されている。

Ｕ字部３０２の外周面には、Ｕ字部溝３０４が形成され、このＵ字部溝３０４に、ケース本体１４１における切欠部１４１ｃを囲む部位が挿入されている。円筒部３０１は、ケース１４の内側に配置されている。

ケース本体１４１には、冷媒導入管１８及び冷媒排出管２０を保持して固定するパイプクランプ３２がねじ止め固定されている。

本実施形態の冷却器モジュールは、冷媒導入管１８及び冷媒排出管２０がパイプクランプ３２にてケース本体１４１に固定されているため、冷却器１２が熱膨張しても閉塞プレート１２３側は変位することができない。したがって、第１実施形態と同様に、冷却器１２が熱膨張すると、冷却器１２は冷却器プレート１２２側が変位し、熱膨張による冷却器１２のひずみの発生が防止される。

本実施形態によると、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した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。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

また、上記各実施形態において、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。

また、上記各実施形態において、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るものではない。

また、上記各実施形態において、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るものではない。

（まとめ）
上記各実施形態の一部または全部で示された第１の観点によれば、冷却器モジュールはケースに固定された管に対して冷却器がチューブ積層方向に相対移動可能な状態で管と冷却器が嵌合され、管と冷却器の嵌合部に摺動シール部材が配置されている。

また、第２の観点によれば、冷却器は、チューブ積層方向の端部に位置する端部チューブに接合された板状のプレートを有し、プレートは、端部チューブのチューブ内通路に連通するとともにチューブ積層方向に延びる管挿入孔を有している。そして、管の一端側が管挿入孔に挿入されている。

この第２の観点によれば、ケースに固定された管に対して冷却器がチューブ積層方向に相対移動可能な構成を実現することができる。

また、第３の観点によれば、管は、冷却器におけるチューブ積層方向の一端側に配置された第１の管である。冷却器におけるチューブ積層方向の他端側に配置され、一端側がチューブ内通路に連通するとともに他端側がケースの外部に突出する第２の管を備える。そして、冷却器は、第２の管が配置された側がケースに固定されている。

この第３の観点によれば、ケースに固定された第１の管に対して冷却器がチューブ積層方向に相対移動可能である。

また、第４の観点によれば、管は、チューブ積層方向に対して交差して、ケースにおけるケース貫通孔の周囲の面に対向する鍔部を備えている。そして、ケースにおけるケース貫通孔の周囲の面と鍔部との間の隙間をシールする固定シール部材が、ケースと鍔部との間に配置されている。

したがって、固定シール部材により、ケース貫通孔を介するケースの外部からの浸水を防止することができる。

また、管はケース貫通孔内でケース貫通孔の径方向に位置調整が可能である。したがって、管の位置調整により管と冷却器を位置ずれなく嵌合させることができるため、固定シール部材のシール性が良好に発揮される。

また、第５の観点によれば、熱交換対象物は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールである。この第５の観点によれば、半導体モジュールを冷却することができる。

１０ 半導体モジュール
１２ 冷却器
１４ ケース
１６ ガス抜き管
２２ Ｏリング
１２１ チューブ
１２１ａ チューブ内通路
１４１ａ ケース貫通孔

Claims (7)

1. 内部と外部を連通させるケース貫通孔（１４１ａ）を有するケース（１４）と、
   前記ケースの内部に配置され、冷媒が流れるチューブ内通路（１２１ａ）を有する扁平状の複数のチューブ（１２１）が熱交換対象物（１０）を配置するための隙間を形成しつつ積層された冷却器（１２）と、
   前記ケース貫通孔に挿入され、一端側が前記冷却器に接続されて前記チューブ内通路に連通し、他端側が前記ケースの外部に突出し、前記ケースに固定された管（１６）とを備え、
   前記管に対して前記冷却器がチューブ積層方向に相対移動可能な状態で前記管と前記冷却器が嵌合され、
   前記管と前記冷却器の嵌合部の隙間をシールする摺動シール部材（２２）が前記管と前記冷却器の嵌合部に配置されており、
   前記冷却器は、前記複数のチューブのうちチューブ積層方向の端部に位置する端部チューブに接合された板状のプレート（１２２）を有し、
   前記プレートは、前記端部チューブの前記チューブ内通路に連通するとともにチューブ積層方向に延びる管挿入孔（１２２ａ）を有し、
   前記管の一端側が前記管挿入孔に挿入されている冷却器モジュール。
2. 前記管は、前記冷却器におけるチューブ積層方向の一端側に配置された第１の管であり、
   前記冷却器におけるチューブ積層方向の他端側に配置され、一端側が前記チューブ内通路に連通するとともに他端側が前記ケースの外部に突出する第２の管（１８、２０）を備え、
   前記冷却器は、前記第２の管が配置された側が前記ケースに固定されている請求項１に記載の冷却器モジュール。
3. 前記管は、チューブ積層方向に対して交差して、前記ケースにおける前記ケース貫通孔の周囲の面に対向する鍔部（１６３）を備え、
   前記ケースにおける前記ケース貫通孔の周囲の面と前記鍔部との間の隙間をシールする固定シール部材（２４）が、前記ケースと前記鍔部との間に配置されている請求項１または２に記載の冷却器モジュール。
4. 前記熱交換対象物は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール（１０）である請求項１ないし３のいずれか１つに記載の冷却器モジュール。
5. 内部と外部を連通させるケース貫通孔（１４１ａ）を有するケース（１４）と、
   前記ケースの内部に配置され、冷媒が流れるチューブ内通路（１２１ａ）を有する扁平状の複数のチューブ（１２１）が熱交換対象物（１０）を配置するための隙間を形成しつつ積層された冷却器（１２）と、
   前記ケース貫通孔に挿入され、一端側が前記冷却器に接続されて前記チューブ内通路に連通し、他端側が前記ケースの外部に突出し、前記ケースに固定された第１の管（１６）とを備え、
   前記第１の管は、前記冷却器におけるチューブ積層方向の一端側に配置され、
   前記第１の管に対して前記冷却器がチューブ積層方向に相対移動可能な状態で前記第１の管と前記冷却器が嵌合され、
   前記第１の管と前記冷却器の嵌合部の隙間をシールする摺動シール部材（２２）が前記第１の管と前記冷却器の嵌合部に配置されており、
   前記冷却器におけるチューブ積層方向の他端側に配置され、一端側が前記チューブ内通路に連通するとともに他端側が前記ケースの外部に突出する第２の管（１８、２０）を備え、
   前記冷却器は、前記第２の管が配置された側が前記ケースに固定されている冷却器モジュール。
6. 前記第１の管は、チューブ積層方向に対して交差して、前記ケースにおける前記ケース貫通孔の周囲の面に対向する鍔部（１６３）を備え、
   前記ケースにおける前記ケース貫通孔の周囲の面と前記鍔部との間の隙間をシールする固定シール部材（２４）が、前記ケースと前記鍔部との間に配置されている請求項５に記載の冷却器モジュール。
7. 前記熱交換対象物は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール（１０）である請求項５または６に記載の冷却器モジュール。

Images