JP2018101691A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器と半導体モジュールの積層ユニットを備える電子機器に関し、積層ユニットの端の冷却器を均一に荷重する技術を提供する。【解決手段】積層ユニット１０は、電力変換装置２０の筐体２１の内壁２１ｂと支柱２５の間に収容される。一端の冷却器３ａの積層方向外側に冷媒給排管４が接続されている。積層ユニット１０の積層方向の一端の冷却器３ａとこれに対向する内壁２１ｂとの間にバネ２３が挟まれている。バネ２３は、２本の冷媒給排管の間で積層ユニット１０をその積層方向に荷重する。積層ユニット１０とバネ２３の間にバックプレート２４が挟まれている。バックプレート２４は、冷却器３ａの長手方向と積層ユニット１０の積層方向の双方と直交する直線回りの曲げ剛性が冷却器３ａの曲げ剛性よりも高い。そのバックプレート２４は、冷却器３ａの長手方向で冷媒給排管４の外側まで延びている。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、電子機器に関する。特に、細長の複数の冷却器が平行に配置されているとともに、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備える電子機器に関する。

上記した積層ユニットを備えた電子機器が特許文献１、２に開示されている。いずれの電子機器も、電気自動車に搭載され、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装置である。夫々の半導体モジュールには、電力変換用のパワートランジスタが封止されている。パワートランジスタは発熱量が大きい。上記した積層ユニットは、カードタイプの複数の半導体モジュールをその両面から冷却することができ、パワートランジスタを効果的に冷却することができる。

積層ユニットにおいて半導体モジュールを挟んで隣り合う冷却器は、細長の冷却器の長手方向で半導体モジュールの両側に位置する２本の連結管で接続されている。積層方向の一端の冷却器の積層方向外側に、積層方向からみて２本の連結管の夫々と重なるように冷媒給排管が接続されている。

積層ユニットは、電子機器の筐体に設けられた一対の支持部の間に収容される。支持部は、筐体の床から延びている支柱、あるいは、筐体の壁である。積層ユニットと一方の支持部の間にバネが挟まれており、そのバネが、積層ユニットをその積層方向（冷却器と半導体モジュールの積層方向）に荷重する。板バネの荷重により、隣接する冷却器と半導体モジュールが密着し、半導体モジュールから冷却器への熱の移動が促進される。

特開２０１１−２１１８５３号公報 特開２０１１−２３９６２３号公報

特許文献１、２の電子機器では、バネは、２本の冷媒給排管の間で積層ユニットを荷重する。２本の冷媒給排管は、筐体の壁を貫通して外部へと延びている。一方、冷却器はその内部が冷媒流路となっており、曲げ剛性が高くない。冷媒給排管が接続されている冷却器の中央部分をバネが局所的に荷重すると、冷却器が変形し、冷媒給排管の付け根に応力が集中するおそれがある。本明細書は、積層ユニットの端の冷却器（冷媒給排管が接続された冷却器）に荷重が均一に加えられる技術を提供する。

本明細書が開示する電子機器は、積層ユニットと筐体とバネとバックプレートを備えている。積層ユニットは、細長の複数の冷却器が平行に配置されているとともに、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デバイスである。筐体には一対の支持部が設けられており、その一対の支持部の間に積層ユニットが収容される。バネは、積層ユニットの積層方向の一端の冷却器とこれに対向する一方の支持部との間に挟まれており、積層ユニットをその積層方向に荷重する。バックプレートは、上記した一端の冷却器とバネの間に挟まれている。半導体モジュールを挟んで隣り合う冷却器は、冷却器の長手方向で半導体モジュールの両側に位置する２本の連結管で接続されている。一端の冷却器の積層方向外側に、積層方向からみて２本の連結管の夫々と重なるように冷媒給排管が接続されている。バックプレートは、冷却器の長手方向で給排管の外側まで延びている。そして、バックプレートは、冷却器の長手方向と積層ユニットの積層方向の双方と直交する直線回りの曲げ剛性が冷却器の曲げ剛性よりも高い。バネは、２本の冷媒給排管の間で積層ユニットを荷重している。この電子機器は、バネの荷重を、冷媒給排管の外側まで延びている高剛性のバックプレートで受け、そのバックプレートが隣接する冷却器に対して均一な荷重を加える。冷媒給排管の外側まで延びているとともに高い剛性を有するバックプレートを備えることで、冷媒給排管が接続された冷却器が均一に荷重される。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。

積層ユニットの斜視図である。 電力変換装置の平面図である。 図２の破線IIIで囲まれた範囲の断面図である。

図面を参照して実施例の電子機器を説明する。実施例の電子機器は、電気自動車に搭載され、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装置である。電力変換装置は、複数の電力変換用のパワートランジスタを備えている。複数のパワートランジスタは、２個ずつ半導体モジュールに収容されている。複数の半導体モジュールは、カードタイプであり、複数の冷却器と、一つずつ交互に積層されて積層ユニットを構成する。

図１に積層ユニット１０の斜視図を示す。積層ユニット１０は、扁平な細長い複数の冷却器３がその幅広面を対向させて平行に配置されているとともに、隣り合う冷却器３の間に半導体モジュール２が挟まれているユニットである。図１では、理解を助けるため、一つの半導体モジュール２を積層ユニット１０から抜き出して描いてある。

図中の座標系のＸ軸は、冷却器３と半導体モジュール２の積層方向に相当する。冷却器３は扁平で細長であり、Ｙ軸が冷却器３の長手方向に相当する。

半導体モジュール２の本体は樹脂製であり、その本体に２個のパワートランジスタＴａ、Ｔｂと２個のダイオードＤａ、Ｄｂが封止されている。２個のパワートランジスタＴａ、Ｔｂは、本体内部で直列に接続されている。夫々のダイオードＤａ、Ｄｂは、夫々のパワートランジスタＴａ、Ｔｂに逆並列に接続されている。半導体モジュール２の一つの幅狭面から３本のパワー端子２ａ、２ｂ、２ｃが延びている。パワー端子２ａ、２ｂ、２ｃは、半導体モジュール２の本体内部で、パワートランジスタＴａ、Ｔｂの直列接続の高電位側と低電位側と中点に夫々接続されている。半導体モジュール２の別の幅狭面からは複数の制御端子２ｄが延びている。制御端子２ｄは、夫々のパワートランジスタのゲートに接続されているゲート端子や、夫々のパワートランジスタを流れる電流を計測するセンスエミッタに接続されている端子や、半導体モジュール２に内蔵されている温度センサとつながっている端子などである。

複数の冷却器３は扁平で細長い形状を有しており、その内部は空洞である。その空洞が、液体の冷媒が流れる冷媒流路となっている。半導体モジュール２を挟んで隣り合う冷却器３は２個の連結管５ａ、５ｂで連結されている。図１では、左端の連結管にのみ符号５ａ、５ｂを付し、他の連結管の符号は省略した。２個の連結管５ａ、５ｂは、細長の冷却器３の長手方向（Ｙ方向）で半導体モジュール２を挟むように位置している。

積層ユニット１０の積層方向の一方の端の冷却器３（図１の左端の冷却器３）には、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂが接続されている。冷媒供給管４ａは、積層ユニット１０を積層方向に沿ってみたときに、一対の連結管５ａ、５ｂの一方（連結管５ａ）と重なるように配置されている。冷媒排出管４ｂは、積層ユニット１０を積層方向に沿ってみたときに一対の連結管５ａ、５ｂの他方（連結管５ｂ）と重なるように配置されている。冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂは、不図示の冷媒循環器に接続される。冷媒循環器から冷媒供給管４ａを通じて液体の冷媒が積層ユニット１０に供給される。冷媒は、一方の連結管５ａを通じて全ての冷却器３に分配される。冷媒は冷却器３の内部を通過する間に隣接する半導体モジュール２の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、他方の連結管５ｂと冷媒排出管４ｂを通じて積層ユニット１０から排出される。排出された冷媒は、冷媒循環器に戻り、熱を放出して温度が低下した後に再び積層ユニット１０へと送られる。冷媒は、水あるいは、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。以下では、冷媒供給管４ａと冷媒排出管４ｂを合わせて冷媒給排管４と称する場合がある。

なお、図示を省略しているが、半導体モジュール２と冷却器３の間には絶縁板が挟まれる。絶縁板は、半導体モジュール２の一部とみなしてもよいし、冷却器３の一部とみなしてもよい。

図２に電力変換装置２０の平面図を示す。図２は、上カバーを外した筐体２１を上から見た図である。なお、図２は、積層ユニット１０を収容する筐体２１の内部を模式的に表しており、電力変換装置２０の他の部品の図示は省略している。図２では、理解し易いように、半導体モジュール２に薄いグレーのハッチングを施してあり、後述するバックプレート２４には濃いグレーのハッチングを施してある。また積層ユニット１０に含まれる複数の冷却器３のうち、積層方向の端の冷却器を他の冷却器と区別するときには符号３ａ、３ｂを用いる。冷媒給排管４が接続されている冷却器を符号３ａで表し、反対側の端の冷却器を符号３ｂで表す。また、図２と後述する図３でも、冷却器３と半導体モジュール２の間に挟まれている絶縁板は図示を省略してある。

積層ユニット１０は、筐体２１に設けられた支柱２５と内壁２１ｂとの間に収容される。支柱２５は、筐体２１の床面２１ａに立設されている。内壁２１ｂは、筐体２１の周囲の側壁の一部を肉厚にした部位である。

積層ユニット１０は、冷却器３と半導体モジュール２の積層方向の一端の冷却器３ａが内壁２１ｂに対向し、積層方向の他端の冷却器３ｂが支柱２５に対向するように配置される。冷却器３ｂは支柱２５に直接当接している。支柱２５は、冷却器３ｂの長手方向の長さとほぼ同じ長さを有しており、冷却器３ｂの積層方向の外側の側面のほぼ全体と接している。

積層ユニット１０の一端の冷却器３ａに接続されている２本の冷媒給排管４は、筐体２１の側壁を貫通し、筐体２１の外部へと延びている。冷却器３ａと内壁２１ｂの間に板バネ２３とスペーサ２２とバックプレート２４が挟まれている。スペーサ２２は内壁２１ｂと板バネ２３に挟まれるように配置されており、バックプレート２４は板バネ２３と冷却器３ａに挟まれるように配置されている。板バネ２３は、積層ユニット１０をその積層方向に荷重し、隣接する半導体モジュール２と冷却器３の密着性を高める。半導体モジュール２と冷却器３の密着性を高めることによって、半導体モジュール２を効果的に冷却することが可能となる。

図２において破線IIIが囲んでいる範囲を図中のＸＹ平面でカットした断面図を図３に示す。図３では、半導体モジュール２の内部構造は省略し、樹脂製の本体の断面のみを示している。板バネ２３は、図中のＺ方向からみて湾曲しており、その両端２３ｂがスペーサ２２に当接し、中央部２３ａがバックプレート２４に当接している。

冷却器３（３ａ）は、フランジを有する２枚の側板３１、３２をそれらのフランジ面で溶接したものである。側板３１、３２はアルミニウムで作られている。冷却器３の内部は空洞であり、冷媒供給管４ａを通じて導入された冷媒がその内部を通り、冷媒排出管４ｂを通じて排出される。図中の太矢印線Ａ−Ｃが冷媒の流れを示している。なお、冷媒供給管４ａを通じて導入される冷媒の一部は連結管５ａを通じて下流の冷却器３にも分配される（図３の太矢印線Ｂ参照）。また、下流の冷却器３を通った冷媒は連結管５ｂを通じて合流し（図３の太矢印線Ｃ参照）、冷媒排出管４ｂを通って積層ユニット１０から排出される。

冷却器３（３ａ）は２枚のアルミニウム製の側板３１、３２を貼り合わせたものであり、面外変形に対する曲げ剛性が高くない。ここで、面外変形とは、積層ユニット１０の積層方向（図中のＸ方向）及び、細長の冷却器３（３ａ）の長手方向（図中のＹ方向）の双方と直交する方向（図中のＺ方向）への変形を意味する。別言すれば、冷却器３（３ａ）は、積層ユニット１０の積層方向及び冷却器３（３ａ）の長手方向の双方と直交する方向（図中のＺ方向）に延びる直線回りの曲げ剛性が高くない。

これに対してバックプレート２４は、厚みの大きい鉄板あるいは銅板で作られており、積層ユニット１０の積層方向及び冷却器３（３ａ）の長手方向の双方と直交する方向（図中のＺ方向）に延びる直線回りの曲げ剛性が、冷却器３（３ａ）のそれよりも高い。それゆえ、板バネ２３がその中央部２３ａのみでバックプレート２４に荷重を加えても、バックプレート２４はほとんど変形しない。さらに、バックプレート２４は、２個の貫通孔２４ａを備えており、冷媒給排管４の夫々が夫々の貫通孔２４ａを通過している。そして、バックプレート２４は、冷却器３ａの長手方向で一対の冷媒給排管４よりも外側まで延びている。なお、バックプレート２４の図中のＺ方向の幅は、冷却器３（３ａ）のＺ方向の幅とほぼ等しい。

板バネ２３は、一対の冷媒給排管４の間でバックプレート２４に荷重を加える。バックプレート２４は、板バネ２３からその中央部２３ａを介して局所的に荷重を受ける。しかし、曲げ剛性の高いバックプレート２４は、板バネ２３からの荷重ではほとんど変形せず、隣接する冷却器３ａを均一に荷重する。一対の冷媒給排管４の外側まで延びているバックプレート２４は、冷却器３ａの長手方向の一端から他端までを均一に荷重する。この高剛性のバックプレート２４により、積層ユニット１０の端の冷却器３ａは一様の荷重を受ける。仮に冷却器３ａが曲げ変形を生じると、冷媒給排管４の付け根が変形する。一方、冷媒給排管４は、筐体２１を貫通しており、その位置と姿勢が拘束されている。位置と姿勢が拘束されている冷媒給排管４の付け根が変形すると、付け根に集中応力が生じる。実施例の電力変換器２０では、高剛性のバックプレート２４により、冷媒給排管４が接続されている冷却器３ａは一様な荷重を受けるので変形し難い。このことにより、冷媒給排管４の付け根に高い集中応力が生じ難くなる。

実施例に関する留意点を述べる。支柱２５と内壁２１ｂが、それらの間に積層ユニット１０が収容される一対の支持部に相当する。板バネ２３が、積層ユニットをその積層方向に荷重するバネの一例に相当する。積層ユニットを荷重するバネは、板バネに限られない。本明細書が開示する技術は、積層ユニットを備える電子機器であれば、電力変換装置以外の電子機器に適用されてもよい。

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：半導体モジュール
２ａ、２ｂ、２ｃ：パワー端子
２ｄ：制御端子
３、３ａ、３ｂ：冷却器
４ａ：冷媒供給管（冷媒給排管）
４ｂ：冷媒排出管（冷媒給排管）
５ａ、５ｂ：連結管
１０：積層ユニット
２０：電力変換装置
２１：筐体
２１ａ：床面
２１ｂ：内壁
２３：板バネ
２３ａ：中央部
２３ｂ：両端
２４：バックプレート
２５：支柱
３１、３２：側板
Ｄａ、Ｄｂ：ダイオード
Ｔａ、Ｔｂ：パワートランジスタ

Claims (1)

1. 細長の複数の冷却器が平行に配置されているとともに、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と、
   一対の支持部が設けられているとともに、前記一対の支持部の間に前記積層ユニットを収容する筐体と、
   前記積層ユニットの積層方向の一端の前記冷却器とこれに対向する一方の前記支持部との間に挟まれており、前記積層ユニットをその積層方向に荷重するバネと、
   前記一端の冷却器と前記バネの間に挟まれているバックプレートと、
   を備えており、
   前記半導体モジュールを挟んで隣り合う前記冷却器は、前記冷却器の長手方向で前記半導体モジュールの両側に位置する２本の連結管で接続されており、
   前記一端の冷却器の前記積層方向外側に、積層方向からみて前記２本の連結管の夫々と重なるように冷媒給排管が接続されており、
   前記バックプレートは、前記冷却器の長手方向で前記冷媒給排管の外側まで延びており、
   前記バックプレートは、前記冷却器の長手方向と前記積層ユニットの積層方向の双方と直交する直線回りの曲げ剛性が前記冷却器の曲げ剛性よりも高く、
   前記バネは、２本の前記冷媒給排管の間で前記積層ユニットを荷重している、電子機器。

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