JP6686842B2 - 積層ユニット - Google Patents

Description

本明細書は、複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットを開示する。

上記した積層ユニットは、半導体モジュールの冷却能力が高く、例えば、電気自動車においてバッテリの電力を走行用モータの駆動電力に変換する電力変換器の主要部品として用いられる。夫々の冷却器の内部には、隣接する半導体モジュールに沿って液体冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。隣り合う冷却器は、半導体モジュールの一方の側方で夫々の冷却器の冷媒流路の上流側と連通する第１連結管で連結されており、半導体モジュールの他方の側方で夫々の冷媒流路の下流側と連通する第２連結管で連結されている。特許文献１に、そのような積層ユニットの一例が開示されている。特許文献１の積層ユニットでは、最上流側の冷却器が、積層方向で第１連結管と重なる位置に、異物を捕捉するフィルタを備えている。

特開２０１３−９８４６１号公報

特許文献１の積層ユニットでは、最上流側の冷却器の冷媒流入箇所にフィルタが備えられている。そのフィルタに多くの異物が捕捉されると、フィルタより下流で冷媒の流れが悪くなる。フィルタに異物が溜まっても冷媒の流れをできるだけ阻害しない積層ユニットが望まれる。

本明細書が開示する積層ユニットでは、複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている。夫々の冷却器の内部に、隣接する半導体モジュールに沿って冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。隣り合う冷却器は、半導体モジュールの一方の側方で夫々の冷却器の冷媒流路の上流側と連通する第１連結管で連結されている。隣り合う冷却器は、半導体モジュールの他方の側方で夫々の冷媒流路の下流側と連通する第２連結管で連結されている。冷却器と半導体モジュールの積層方向の一方の端の冷却器には、積層方向で第１連結管と重なるように冷媒供給口が設けられている。積層方向で冷媒供給口から最遠の冷却器は、冷媒流路に面した内側面のうち、積層方向で第１連結管と重なる位置に、冷媒流路よりも積層方向の外側へ膨らんでいる冷媒ポケットを備えている。その冷媒ポケットの開口は、積層方向からみて第１連結管よりも冷媒流路の下流側に拡がっている。冷媒ポケットと冷媒流路の間にフィルタが設けられている。

本明細書が開示する技術は、冷媒供給口から侵入した異物は途中の冷却器の冷媒流路へ流れるよりも、冷却供給口から最遠の冷却器まで積層方向に連なっている複数の第１連結管を真直ぐに流れる傾向があることを利用する。積層方向に連なっている複数の第１連結管を真直ぐに進んだ異物は、冷媒ポケットに到達する。異物は冷媒ポケットの内面に沿って移動し、その冷却器の冷媒流路へと向かうが、そこにフィルタが設けられており、そのフィルタに捕捉される。冷媒供給口から最遠の冷却器において、第１連結管から冷媒ポケットを経由せずに冷媒流路へ向かう冷媒の通り路が異物で狭くなることがない。第１連結管から直接に冷媒流路へ向かう冷媒の流れがフィルタに捕捉された異物によって阻害されることがない。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。

実施例の積層ユニットの斜視図である。 図１のＸＹ平面でカットした積層ユニットの断面図である。 図２の符号IIIが示す範囲の拡大断面図である。

図面を参照して実施例の積層ユニット２を説明する。図１に、積層ユニット２の斜視図を示す。積層ユニット２は、複数の半導体モジュール４と複数の冷却器３ａ−３ｇが積層されたユニットである。なお、図１では、半導体モジュール４の理解を助けるために、一つの半導体モジュール４を積層ユニット２から抜き出して描いてある。また、図１では、積層ユニット２の全体が見えるように、積層ユニット２を収容するケース４１は仮想線で描いてある。

一つの半導体モジュール４には４個の半導体素子が収容されている。４個の半導体素子は、具体的には、２個のトランジスタ１２ａ、１２ｂと、２個のダイオード１３ａ、１３ｂである。半導体モジュール４の本体は樹脂であり、その樹脂の中に、４個の半導体素子（トランジスタ１２ａ、１２ｂ、ダイオード１３ａ、１３ｂ）が封止されている。本体の中で、トランジスタ１２ａ、１２ｂは直列に接続されている。また、ダイオード１３ａは、トランジスタ１２ａに対して逆並列に接続されており、ダイオード１３ｂはトランジスタ１２ｂに対して逆並列に接続されている。図では、半導体素子間の結線は省略している。半導体モジュール４の上面からは、３本のパワー端子７ａ、７ｂ、７ｃが延びている。パワー端子７ａは、半導体モジュール４の内部で、２個のトランジスタ１２ａ、１２ｂの直列接続の高電位側と導通しており、パワー端子７ｂは、トランジスタ１２ａ、１２ｂの直列接続の低電位側と導通している。パワー端子７ｃは、トランジスタ１２ａ、１２ｂの直列接続の中点と導通している。半導体モジュール４の下面からは、複数の制御端子１５が延びている。制御端子１５は、トランジスタ１２ａ、１２ｂのゲートと導通しているゲート端子、各トランジスタ１２ａ、１２ｂを流れる電流を計測する電流センサや半導体モジュール４の内部温度を計測する温度センサなどと導通しているセンサ端子などである。

半導体モジュール４は平板型であり、その幅広面に放熱板１６ａ、１６ｂが露出している。図１において半導体モジュール４の裏側の幅広面にも放熱板が露出している。

複数の冷却器３ａ−３ｇも平板型である。以下、複数の冷却器３ａ−３ｇのいずれか１個を区別なく示すときには、冷却器３と称する。平板型の複数の冷却器３は、その幅広面が対向するように並んで配置されており、隣り合う冷却器の間に半導体モジュール４が挟まれている。なお、半導体モジュール４と冷却器３の間には伝熱性の高い絶縁板９が挟まれる。また、半導体モジュール４と絶縁板９の間、及び、冷却器３と絶縁板９の間には、伝熱性を高めるグリスが塗布される。

積層ユニット２は、ケース４１の内壁と板バネ４２に挟まれてケース４１に収容されている。板バネ４２により、積層ユニット２は、半導体モジュール４と冷却器３の積層方向に荷重を受ける。積層方向の荷重により、半導体モジュール４と冷却器３が密着し、両者の間の伝熱効率が高くなる。以下、半導体モジュール４と冷却器３の積層方向を単に積層方向と称する場合がある。図中の座標系におけるＸ軸方向が積層方向に相当する。その関係は、図２、図３でも同じである。

トランジスタ１２ａ、１２ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate bipolar Transistor）であり、インバータや電圧コンバータなどの電力変換器によく使われる。そのようなトランジスタは、パワートランジスタと呼ばれることがある。インバータや電圧コンバータなどの電力変換器に使われるパワートランジスタは発熱量が大きい。積層ユニット２は、２個のトランジスタ１２ａ、１２ｂ（電力変換用のパワートランジスタ）を封止した平板型の半導体モジュール４がその両面から冷却されるので、トランジスタ１２ａ、１２ｂに対する冷却性能が高い。積層ユニット２は、例えば、電気自動車においてバッテリの直流電力を走行用モータの駆動用電力に変換する電力変換器の主要部品として用いられる。

図１とともに図２を参照して、複数の冷却器３ａ−３ｇの連結構造について説明する。図２は、図１の座標系におけるＸＹ平面で積層ユニット２をカットした断面図である。なお、図２では、半導体モジュール４の内部構造の詳細は図示を省略した。

冷却器３は、内部が冷媒流路Ｐａとなっており、その冷媒流路Ｐａを液体の冷媒が流れる。冷媒は、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。冷媒は、各冷却器３の冷媒流路Ｐａを、半導体モジュール４に沿って図２における左から右へ流れる。図２では、冷却器３ａ、３ｇにのみ、冷媒流路を表す記号Ｐａを付し、他の冷却器３ｂ−３ｆへは記号Ｐａの図示を省略した。

隣り合う冷却器３同士は、２個の連結管（第１連結管５ａと第２連結管５ｂ）で連結されている。第１連結管５ａは、図中のＹ方向における半導体モジュール４の一方の側方（図中の左側の側方）にて、隣り合う冷却器３の冷媒流路Ｐａの上流側と連通する。第２連結管５ｂは、半導体モジュール４の他方の側方（図中の右側の側方）にて、隣り合う冷却器３の冷媒流路Ｐａの下流側と連通する。隣り合う冷却器３の冷媒流路Ｐａは、２か所（第１連結管５ａと第２連結管５ｂ）で連通する。複数の第１連結管５ａは、積層方向（図中のＸ軸方向）で一列に並んでいる。複数の第２連結管５ｂも、積層方向で一列に並んでいる。

複数の冷却器３ａ−３ｇのうち、積層方向の一端の冷却器３ａには、冷媒供給口６ａと冷媒排出口６ｂが設けられている。冷媒供給口６ａは、積層方向からみて複数の第１連結管５ａと重なるように設けられている。冷媒排出口６ｂは、積層方向からみて複数の第２連結管５ｂと重なるように設けられている。冷媒供給口６ａと冷媒排出口６ｂには、不図示の冷媒循環器が接続される。冷媒供給口６ａを介して外部（冷媒循環器）から冷媒が積層ユニット２に供給される。冷媒供給口６ａから供給された冷媒は、複数の第１連結管５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は、冷媒流路Ｐａの中を、上流から下流に向けて、別言すれば、第１連結管５ａから第２連結管５ｂへ向けて、隣接する半導体モジュール４に沿って流れる。冷媒は、冷媒流路Ｐａを通過する間に隣接する半導体モジュール４の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、第２連結管５ｂを通じて冷媒排出口６ｂから積層ユニット２の外部へ排出される。図２の太矢印線が冷媒の流れを表している。図２において、各冷媒流路Ｐａの左側が冷媒の流れの上流に相当し、右側が冷媒の流れの下流に相当する。

冷媒供給口６ａから最遠の冷却器３ｇには、冷媒ポケット２０が設けられている。冷媒ポケット２０とは、冷却器３ｇの内部空間を、積層方向へ拡張した空間である。冷媒ポケット２０は、冷却器３ｇの冷媒流路Ｐａに面した内側面３１のうち、積層方向からみて、冷却器３ｇの第１連結管５ａと重なる位置に設けられている。冷媒ポケット２０は、冷却器３ｇの冷媒流路Ｐａよりも積層方向の外側（図中のＸ軸負方向）へ膨らんでいる。

図３に、図２において符号IIIが示す範囲、即ち、冷媒ポケット２０の付近の拡大図を示す。冷媒ポケット２０の開口２１は、積層方向からみて、第１連結管５ａよりも冷媒流路Ｐａの下流側（図３における右側）に拡がっている。図３における破線Ｌが、第１連結管５ａのＹ軸方向の境界を示している。開口２１は、破線Ｌよりも冷媒流路Ｐａの下流側へ拡がっている。そして、冷媒ポケット２０と冷媒流路Ｐａの間には、冷媒に混在している塵埃などの異物を除去するフィルタ２５が設けられている。フィルタ２５は、例えば、直径０．１［ｍｍ］程度の網目を有するメッシュである。

冷媒ポケット２０とフィルタ２５の効果を説明する。冷媒供給口６ａから供給される冷媒は、夫々の第１連結管５ａの出口で分流し、全ての冷却器３に分配される。しかし、冷媒に混入した異物はまっすぐに流れる傾向がある。異物は、積層方向からみて一列に連なっている複数の第１連結管５ａをまっすぐに進み、冷媒供給口６ａから最遠の冷却器３ｇまで進む。積層方向からみて第１連結管５ａの先に冷媒ポケット２０が設けられている。異物は冷媒ポケット２０に侵入し、そこから冷媒流路Ｐａへと向かう。図３の太矢印線Ｂ１が、異物Ａ１の移動経路を示している。なお、図３では、異物Ａ１の大きさを誇張して描いてある。異物Ａ１の移動経路にフィルタ２５が存在し、異物Ａ１はフィルタ２５に捕捉される。フィルタ２５により、冷媒中の異物が除去される。

一方、冷媒は、図３の太矢印線Ｂ２、Ｂ３に沿って流れる。太矢印線Ｂ２は、一旦冷媒ポケット２０に侵入してからフィルタ２５を通過して冷媒流路Ｐａへ向かう流れである。太矢印線Ｂ３は、第１連結管５ａから冷媒ポケット２０を通らずに直接に冷媒流路Ｐａへ向かう流れである。冷却器３ｇ以外の冷却器３ａ−３ｆでは、太矢印線Ｂ３の経路のみで冷媒が第１連結管５ａから冷媒流路Ｐａへ流れる。フィルタ２５に多くの異物が溜まると、太矢印線Ｂ２に沿った冷媒の流れが悪くなる。フィルタ２５に多くの異物が溜まり、冷却器３ｇにおいて太矢印線Ｂ２の流れが悪くなっても、太矢印線Ｂ３の流れは阻害されない。太矢印線Ｂ３の流れは、他の冷却器３における冷媒の流れと同程度の流量を確保することができる。積層ユニット２は、フィルタ２５に多くの異物が溜まっても、冷却器３ｇにおける流量が他の冷却器と比較して著しく少なくなることはない。

また、図示は省略したが、各冷媒流路Ｐａには、ピッチの細かい複数のフィンが設けられることがある。複数のフィンは冷媒流の上流から下流に延びるように設けられる。フィンの上流側に異物が引っかかると、フィンの間へと流れる冷媒の量が減少する。冷媒ポケット２０と冷媒流路Ｐａの間にフィルタ２５が設けられているので、フィンの上流側に異物が引っかかる可能性は小さい。冷媒ポケット２０と冷媒流路Ｐａの間に設けられたフィルタ２５は、フィンの上流側に異物が引っかかることを防止するという効果も得られる。

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：積層ユニット
３：冷却器
３ａ：冷却器
３ａ−３ｇ：冷却器
４：半導体モジュール
５ａ：第１連結管
５ｂ：第２連結管
６ａ：冷媒供給口
６ｂ：冷媒排出口
７ａ−７ｃ：パワー端子
１２ａ、１２ｂ：トランジスタ
１３ａ、１３ｂ：ダイオード
２０：冷媒ポケット
２１：開口
２５：フィルタ
３１：内側面
Ａ１：異物
Ｐａ：冷媒流路

Claims (1)

1. 複数の冷却器が並んで配置されており、隣り合う前記冷却器の間に半導体モジュールが挟まれている積層ユニットであり、
   夫々の前記冷却器の内部に、隣接する半導体モジュールに沿って液体冷媒が流れる冷媒流路が形成されており、
   隣り合う前記冷却器は、前記半導体モジュールの一方の側方で夫々の前記冷媒流路の上流側と連通する第１連結管で連結されているとともに、前記半導体モジュールの他方の側方で夫々の前記冷媒流路の下流側と連通する第２連結管で連結されており、
   前記冷却器と前記半導体モジュールの積層方向の一端の冷却器に、前記積層方向からみて前記第１連結管と重なるように冷媒供給口が設けられており、
   前記積層方向で前記冷媒供給口から最遠の冷却器は、前記冷媒流路に面した内側面のうち、前記積層方向からみて前記第１連結管と重なる位置に、前記冷媒流路よりも前記積層方向の外側へ膨らんでいる冷媒ポケットを備えており、
   前記冷媒ポケットの開口は、前記積層方向からみて前記第１連結管よりも前記冷媒流路の下流側に拡がっており、前記冷媒ポケットと前記冷媒流路の間にフィルタが設けられている、積層ユニット。

Images