JP6638565B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却器に関する。特に、冷媒流路の一対の側板の外側に冷却対象物が取り付け可能な冷却器に関する。

冷却対象物が取り付けられる側板の裏面に冷媒を衝突させて冷却効果を高める冷却器が知られている（特許文献１−３）。そのような冷却器は、衝突噴流型の冷却器と呼ばれることがある。特許文献２、３の冷却器は、冷媒流路の対向する側板の夫々の外側に冷却対象物を取り付けることができる。冷媒流路は、２枚の仕切板によって、一対の側板の間の空間が３層に区画されている。２枚の仕切板の夫々に、対向する側板に向かって突出するノズルが設けられている。３層に区画された冷媒流路の中央の流路に冷媒が供給される。中央の流路に供給された冷媒は、ノズルから噴出し、夫々の側板の裏面に衝突する。

特開２０１５−０８８５９９号公報 特開２０１５−１３３４２０号公報 特開２０１５−１４９３６１号公報

冷媒流路を３層に分けると冷却器の厚み（一対の側板の間の距離）が大きくなる。本明細書は、冷媒流路の対向する一対の側板の夫々に冷媒を噴き出す冷却器に関し、冷却器の厚みを抑える技術を提供する。

本明細書が開示する冷却器は、冷媒流路の対向する一対の側板の夫々の外側に冷却対象を取り付けることが可能な冷却器である。その冷却器は、一対の側板の間にそれら側板と平行に、互いに対向する２枚の仕切板が配置されている。夫々の仕切板は、相対する仕切板を向く面に互いに対向する溝を備えているとともに、その溝の中に、対向する側板に向かって突出するノズルを備えている。２枚の仕切板は互いに接している。２枚の仕切板の溝が対向して冷媒供給流路を形成している。冷媒供給流路を通じてノズルに冷媒が供給され、対向する側板に向けてノズルから冷媒が噴出する。

本明細書が開示する冷却器は、２枚の仕切板の間の全空間を冷媒供給流路にするのではなく、２枚の仕切板に互いに対向する溝を設け、２枚の仕切板を密着させ、従来技術の冷却器における中央の層を無くした。中央の層の代わりに、２枚の仕切板に設けられた溝が対向して冷媒供給路を形成する。そのような構造により、本明細書が開示する冷却器は厚みを抑えることが可能となった。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の冷却器（冷却ユニット）の斜視図である。 樹脂筐体の斜視図である。 図中のＸＹ平面でカットした樹脂筐体の断面図である。 積層された樹脂筐体の断面図とその一部の拡大断面図である。 図中のＸＺ平面でカットした樹脂筐体の断面図である。

図面を参照して実施例の冷却ユニット２（冷却器）を説明する。図１に、冷却ユニット２の斜視図を示す。冷却ユニット２は、冷却器と冷却対象のトランジスタチップが一体化したデバイスである。冷却ユニット２は、複数のトランジスタチップを内蔵しており、例えば直流電力を３相交流電力に変換するインバータの主要部として用いられる。

冷却ユニット２は、複数の樹脂筐体１０が積層された構造を有している。樹脂筐体１０の内部構造の詳しい説明は後述する。ここでは樹脂筐体１０の概要を説明する。各樹脂筐体１０は、内部に２個のトランジスタチップを備えているとともに、図のＸ方向に延びる２個の貫通孔を備えている。複数の樹脂筐体１０の積層体の端は、前端カバー５と後端カバー６で塞がれている。前端カバー５には冷媒供給口７と冷媒排出口８が設けられている。冷媒供給口７は、冷却ユニット２の内部でＸ方向からみて一方の貫通孔と重なっており、冷媒排出口８は、冷却ユニット２の内部でＸ方向からみて他方の貫通孔と重なっている。冷媒供給口７から供給される冷媒は一方の貫通孔を通じて各樹脂筐体１０の内部へ導かれる。冷媒は樹脂筐体１０の内部を通過している間にトランジスタチップの熱を吸収し、他方の貫通孔を通じ、冷媒排出口８から排出される。トランジスタチップが冷却ユニット２の冷却対象である。冷媒は、水、あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）などの液体である。

各樹脂筐体１０の外表面から３個のパワー端子３ａ、３ｂ、３ｃが延びているとともに、複数の制御端子４が延びている。２個のトランジスタチップは、樹脂筐体１０の内部で直列に接続されており、パワー端子３ａは、直列接続の高電位側と導通している。パワー端子３ｂは直列接続の低電位側と導通している。パワー端子３ｃは、直列接続の中点と導通している。複数の制御端子４は、トランジスタチップのゲートと接続しているゲート端子、トランジスタチップの内部温度を計測するセンスエミッタと接続しているセンサ端子などである。

なお、冷却ユニット２は、複数の樹脂筐体１０の積層方向に不図示のバネで加圧され、隣接する樹脂筐体１０同士が密着する。図中の座標系のＸ方向が複数の樹脂筐体１０の積層方向に相当する。以降の図でも同様である。

図２に、隣り合う２個の樹脂筐体１０の斜視図を示す。２個の樹脂筐体の一方を符号１０ａで表し、他方を符号１０ｂで表す。２個の樹脂筐体のいずれか一方を区別なく示すときには符号１０を用いる。樹脂筐体１０は、外枠１２とパッケージ１３で構成されている。パッケージ１３は、外枠１２の対向する内面に掛け渡されている。外枠１２とパッケージ１３は一続きの樹脂ブロックであり、樹脂の射出成形で同時に形成される。パッケージ１３の内部に２個のトランジスタチップが封止されている。２個のトランジスタチップはパッケージ１３の内部で直列に接続されている。パッケージ１３の積層方向を向く面には、後述する冷却プレートが露出しており、その冷却プレートに複数のフィン１４が接合されている。図２に描かれているフィン１４とは反対側のパッケージ１３の面にも冷却プレートとフィンが備えられている。外枠１２の積層方向の幅はフィン１４を含むパッケージ１３の積層方向の幅よりも大きく、外枠１２の積層方向の両端の部分は、フィン１４を囲んでいる。外枠１２において、フィン１４を囲んでいる部分を周壁１２ａと称する。

周壁１２ａの上端面１２ｂには、二重のガスケット１８が備えられており、２個の樹脂筐体１０ａ、１０ｂが隣接するとき、ガスケット１８が２個の外枠１２の上端面１２ｂ同士を密着させ、外枠１２同士が繋がる。２個の樹脂筐体１０が密着すると、周壁１２ａで囲まれた部分が冷媒流路となる。

周壁１２ａの内側で、パッケージ１３のＹ方向の両横に、樹脂筐体１０を貫通する貫通孔１２ｃ、１２ｄが設けられている。貫通孔１２ｃは、冷却ユニット２を積層方向（Ｘ方向）からみたときに冷媒供給口７（図１参照）と重なり、貫通孔１２ｄは、冷却ユニット２を積層方向（Ｘ方向）からみたときに冷媒排出口８と重なる。冷媒供給口７から供給された冷媒は、複数の樹脂筐体１０の貫通孔１２ｃを通じて各樹脂筐体１０の流路（冷媒流路）に導かれる。冷媒はパッケージ１３に沿って流れる間に冷却プレート（後述）とフィン１４を介してトランジスタチップから熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の貫通孔１２ｄと冷媒排出口８を通じて冷却ユニット２の外部へと排出される。

隣接する樹脂筐体１０ａ、１０ｂの間には、２枚の仕切板３０ａ、３０ｂが挟まれる。仕切板３０ａ、３０ｂの夫々には、相対する仕切板の側を向く面に３本の溝３１が設けられている。溝３１は、貫通孔１２ｃから貫通孔１２ｄに向かって、即ち、冷媒の流れ方向に沿って延びている。各溝の中に（各溝の底）に、フィン１４に向かって突出するノズル３２が設けられている。ノズル３２は、溝３１の長手方向に沿って細長く伸びている。仕切板３０ａと３０ｂは同じ形状を有している。説明の便宜上、ノズル３２が上に突出している仕切板を符号３０ａで表し、ノズル３２が下に突出している仕切板を符号３０ｂで表す。仕切板３０ａ、３０ｂのいずれか一方を区別なく示すときには仕切板３０と表記する。また、図１に示した複数の樹脂筐体１０の積層体において、いずれの隣接する樹脂筐体の間にも２枚の仕切板３０が配置されている。

ノズル３２は、仕切板３０のフィン１４の側の空間とその反対側の空間とを連通している。仕切板３０の貫通孔１２ｃの側の端には、流れ止め板３３が設けられている。先に述べたように、貫通孔１２ｃを通じて冷媒が流入し、貫通孔１２ｄを通じて冷媒が排出される。即ち、貫通孔１２ｃの側が冷媒流の上流に相当し、貫通孔１２ｄの側が冷媒流の下流に相当する。流れ止め板３３は、仕切板３０の上流側の端に設けられている。流れ止め板３３は、貫通孔１２ｃを通じて供給される冷媒が直接フィン１４に到達することを防ぐ。流れ止め板３３によって、貫通孔１２ｃを通じて供給される冷媒はノズル３２を通ってフィン１４へ至る。仕切板３０については後に詳しく説明する。

図３を参照して、トランジスタチップを封止しているパッケージ１３の構造について説明する。図３は、樹脂筐体１０を図中のＸＹ平面でカットした断面図である。図３は、仕切板３０ａ（３０ｂ）のノズル３２を通る平面（ＸＹ平面）でカットした断面図である。

パッケージ１３は、平板型のトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止した樹脂ブロックである。トランジスタチップ２１ａ、２１ｂの一方の面（図中の下側の面）には放熱板１７がハンダで接合されており、他方の面（図中の上側の面）には銅ブロック２２を介して放熱板１７が接合されている。放熱板１７は熱伝導率が高い銅で作られている。銅ブロック２２と放熱板１７もハンダで接合されている。放熱板１７のトランジスタチップ２１ａ、２１ｂとは反対側の面に絶縁板１６が接合されている。絶縁板１６の放熱板１７とは反対側の面に冷却プレート１５が接合されている。冷却プレート１５の絶縁板１６とは反対側の面に複数のフィン１４が接合されている。冷却プレート１５とフィン１４は、熱伝導率が高い材料、例えば、アルミニウムで作られている。なお、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂの表面には電極が露出しており、放熱板１７は、電極と導通している。電極と他の導電部材との短絡を防ぐため、放熱板１７は絶縁板１６で覆われる。

仕切板３０について説明する。先に述べたように、ノズル３２が上に突出している仕切板を符号３０ａで表し、ノズル３２が下に突出している仕切板を符号３０ｂで表す。図４に、２個の樹脂筐体１０ａ、１０ｂの積層体の断面図と、符号Ａが示す円内の図の部分拡大図を示す。図４は、仕切板３０のノズル３２に沿って樹脂筐体１０をカットした断面を示す。また、図５に、２個の樹脂筐体１０の積層体を図中のＸＺ平面でカットした断面図を示す。先に述べたように、外枠１２とパッケージ１３は一続きの樹脂ブロックであるが、図５では、理解を助けるため、便宜上、点線を描いて外枠１２とパッケージ１３の境界とした。さらに、図４、図５では、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂを除き、パッケージ１３の内部の部品には符号を省略した。図５では、３個のノズル３２のうち、右側のノズルにのみ符号を付し、中央と左側の溝とノズルには符号を省略した。図３とともに図４と図５を参照して仕切板３０を説明する。

隣接する樹脂筐体１０は、外枠１２の上端面１２ｂ（図２参照）同士が、ガスケット１８を挟んで密着する。外枠１２の周壁１２ａで囲まれた部分が冷媒流路３９を形成する。

先に述べたように、仕切板３０ａ（３０ｂ）の相対する仕切板３０ｂ（３０ａ）の側を向く面に３本の溝３１が設けられている。夫々の仕切板３０ａ（３０ｂ）の溝３１同士が対向している。互いの仕切板３０ａ、３０ｂの対向面が、溝３１を除き、接している（図５参照）。仕切板３０ａと３０ｂが接しており、対向する溝３１が空間を形成する。その空間を冷媒供給流路３９ａと称する。冷媒供給流路３９ａは、先に述べた冷媒流路３９の一部である。

冷媒供給流路３９ａは、樹脂筐体１０ａ、１０ｂの貫通孔１２ｃと連通している。即ち。貫通孔１２ｃを通じて供給される冷媒は冷媒供給流路３９ａに導かれる。溝３１の中（具体的には溝３１の底面）に、フィン１４（冷却プレート１５）に向かって突出するノズル３２が設けられている。冷媒供給流路３９ａに流れ込んだ冷媒は、ノズル３２を通り、フィン１４と冷却プレート１５に向かって噴出する。噴出した冷媒は、フィン１４の間を通り、冷却プレート１５に衝突する。仕切板３０と冷却プレート１５の間の空間を冷媒排出流路３９ｂと称する。冷媒排出流路３９ｂも冷媒流路３９の一部である。

冷媒排出流路３９ｂと貫通孔１２ｃは、仕切板３０の冷却プレート１５の側の端に設けられた流れ止め板３３で仕切られており、貫通孔１２ｃから冷媒排出流路３９ｂに直接に冷媒が移動することはない。また、冷媒排出流路３９ｂは貫通孔１２ｄと連通している。ノズル３２から噴出し、冷却プレート１５に衝突した冷媒は、フィン１４の間を戻って冷媒排出流路３９ｂへ至る。冷媒は、冷媒排出流路３９ｂから貫通孔１２ｄへと流れる。図４の太矢印線、図５の矢印線が、冷媒の流れを模式的に示している。ノズル３２から噴出した冷媒がフィン１４の間を通って冷却プレート１５に衝突することで、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂの冷却効果が高められる。

実施例の冷却ユニット２の特徴をまとめると次の通りである。冷却ユニット２は、冷却対象であるトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを内蔵した冷却器である。冷却ユニット２は、トランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止したパッケージ１３を枠状の外枠１２が囲んでおり、パッケージ１３を含む外枠１２（即ち樹脂筐体１０）が枠の軸線方向に複数個積層した構造を有している。隣接した外枠１２の内面とパッケージ１３の側面で冷媒流路３９が構成される。パッケージ１３の側面にはフィン１４を備えた冷却プレート１５が冷媒流路３９に面しており、冷却プレート１５が冷媒流路の側板に相当する。冷媒流路３９を挟んで対向する一対の冷却プレート１５の夫々は、冷媒流路３９とは反対側の面に冷却対象であるトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを取り付けることが可能である。冷却ユニット２は、冷媒流路３９を挟んで対向する一対の冷却プレートの間にそれら冷却プレートと平行に、互いに対向する２枚の仕切板３０ａ、３０ｂを備えている。夫々の仕切板３０ａ（３０ｂ）は、相対する仕切板３０ｂ（３０ａ）を向く面に互いに対向する溝３１を備えている。夫々の溝３１の底に、対向する冷却プレート１５に向かって突出するノズル３２を備えている。２枚の仕切板３０ａ、３０ｂは溝３１の範囲を除いて互いに接しているとともに、２枚の仕切板３０ａ、３０ｂの溝３１が対向して冷媒供給流路３９ａを形成しており、その冷媒供給流路３９ａが冷媒取り入れ口（即ち、貫通孔１２ｃ）に連通している。

対向する仕切板３０ａ、３０ｂは、溝３１の範囲を除き、密着している。対向する溝３１が冷媒供給流路３９ａを形成している。対向する溝３１を有する２枚の仕切板３０ａ、３０が接していることで、ノズルへ冷媒を導く冷媒供給流路３９ａを確保すると同時に、冷媒流路３９を挟んで対向する一対の冷却プレート１５の間の距離（即ち、冷却器の厚み）を抑えることができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却ユニット２は、冷却対象であるトランジスタチップ２１ａ、２１ｂを内蔵した冷却器であった。トランジスタチップ２１ａ、２１ｂを封止したパッケージ１３の側面に露出しており、冷媒流路３９に面している冷却プレート１５が、冷媒流路３９を構成する冷却器の側板に相当する。冷却対象であるトランジスタチップ２１ａ、２１ｂは、冷媒流路３９を挟んで対向する一対の冷却プレート１５の流路外側の面（即ち、冷媒流路３９とは反対側の面）に取り付けられる。本明細書が開示する技術は、冷却対象を内蔵しない冷却器に適用することも好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：冷却ユニット
３ａ、３ｂ、３ｃ：パワー端子
４：制御端子
５：前端カバー
６：後端カバー
７：冷媒供給口
８：冷媒排出口
１０、１０ａ、１０ｂ：樹脂筐体
１２：外枠
１２ａ：周壁
１２ｂ：上端面
１２ｃ、１２ｄ：貫通孔
１３：パッケージ
１４：フィン
１５：冷却プレート
１６：絶縁板
１７：放熱板
１８：ガスケット
２１ａ、２１ｂ：トランジスタチップ
２２：銅ブロック
３０、３０ａ、３０ｂ：仕切板
３１：溝
３２：ノズル
３３：止め板
３９：冷媒流路
３９ａ：冷媒供給流路
３９ｂ：冷媒排出流路

Claims (1)

1. 冷媒流路の対向する一対の側板の夫々の外側に冷却対象を取り付けることが可能な冷却器であり、
   前記一対の側板の間に当該側板と平行に、互いに対向する２枚の仕切板が配置されており、
   夫々の前記仕切板は、相対する仕切板を向く面に互いに対向する溝を備えているとともに、前記溝の中に、対向する前記側板に向かって突出するノズルを備えており、
   ２枚の前記仕切板は互いに接しているとともに、２枚の前記仕切板の前記溝が対向して冷媒供給流路を形成している、ことを特徴とする冷却器。