JP2012243808A

JP2012243808A - 冷却装置

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Publication number: JP2012243808A
Application number: JP2011109561A
Authority: JP
Inventors: Yoshiki Tomita; 芳樹冨田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-12-10

Abstract

【課題】放熱フィンの熱伸びによる筐体の位置ずれを抑制し筐体を確実に接合できる冷却装置を提供する。
【解決手段】液状の冷媒により発熱体を冷却する冷却装置１は、上側板部材４０と下側板部材５０とが接合されて形成された筐体３０を備える。上側板部材４０と下側板部材５０との間には冷媒の流路となる中空空間６０が形成され、発熱体は筐体５０の外面４８に熱的に接触する。冷却装置１はさらに、中空空間６０に配置された放熱フィン７０を備える。下側板部材５０は、放熱フィン７０が載せ置かれるフィン載置面５１を有する。フィン載置面５１には、フィン載置面５１の一部が放熱フィン７０の延在方向に沿って窪んだ窪み部５２が形成されている。放熱フィン７０は、窪み部５２の内側に嵌合する。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、液状の冷媒により発熱体を冷却する冷却装置に関する。

従来、ハイブリッド車両や電気自動車などに搭載されるインバータなどの電気機器の冷却装置が種々提案されている。たとえば特許文献１には、半導体装置を冷却する冷却器の内部に波状のフィンが挿入されることが開示されている。特許文献２には、冷却器底板、放熱フィン、冷却器天板、パワーデバイス用基板をロウ材とともに積層し、加熱してロウ付けにより接合するパワーデバイス用冷却器において、冷却器底板に凸部が形成され放熱フィンの端部が凸部に当接している例が開示されている。特許文献３には、パワーモジュールに接合される冷媒式のヒートシンクが、天板と、底板と、これらの間に差し渡される放熱フィンとを備える例が開示されている。

特許文献４には、波形状を有する波状板部と、波状板部を収納し流体を流動させる流体流動部と、流体流動部を構成する第１構造体および第１構造体より熱源側に設けられた第２構造体と、を有し、第２構造体は波状板部のうち第２構造体側の部分に対応させて設けられた溝部を有する、熱交換器が開示されている。特許文献５には、押出成形した中空形材内にフィン材を圧入させて構成した放熱フィンにおいて、フィン材が単板フィンの場合には中空形材はその上下板の内面に溝を形成し、該溝間に複数枚の単板フィンを圧入する例が開示されている。

特開２０１０−０９７９６７号公報特開２０１０−２２１２５０号公報特開２０１０−０９３０２０号公報特開２００７−３０５８４１号公報実開平６−０５０３５４号公報

底板と天板とにより形成される筐体の内部に放熱フィンが配置される冷却装置では、底板が曲げ加工されて形成された角部において、底板の内面が曲面になる。筐体の内部に放熱フィンが挿入された状態で天板と底板とをロウ付けするために加熱するとき、放熱フィンの熱伸び量が底板の熱伸び量よりも大きくなる。そのため、放熱フィンが角部の曲面に沿って底板に乗り上げるように移動し、天板を押し上げて、天板と底板との間に隙間を発生させ、天板と底板とのロウ付けができなくなる問題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、放熱フィンの熱伸びによる筐体の位置ずれを抑制し、筐体を確実に接合できる、冷却装置を提供することである。

本発明に係る冷却装置は、液状の冷媒により発熱体を冷却する冷却装置であって、上側板部材と下側板部材とが接合されて形成された筐体を備える。上側板部材と下側板部材との間には冷媒の流路となる中空空間が形成され、発熱体は筐体の外面に熱的に接触する。冷却装置はさらに、中空空間に配置された放熱フィンを備える。下側板部材は、放熱フィンが載せ置かれるフィン載置面を有する。フィン載置面には、フィン載置面の一部が放熱フィンの延在方向に沿って窪んだ窪み部が形成されている。放熱フィンは、窪み部の内側に嵌合する。

好ましくは、放熱フィンは、波頂部と、波底部と、波頂部および波底部を連結する連結部と、を有するコルゲートフィンであり、波底部は窪み部の側面に当接する。

好ましくは、下側板部材は、窪み部の底面側において板厚が減少している。

本発明の冷却装置によると、放熱フィンの熱伸びによる筐体の位置ずれを抑制できるので、筐体を確実に接合することができる。

ハイブリッド自動車のＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。冷却装置の構成を示す断面図である。下側板部材の斜視図である。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において、同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、その説明は繰返さない。

図１は、ハイブリッド自動車のパワーコントロールユニット（ＰＣＵ）７００の主要部の構成を示す回路図である。図１を参照して、ＰＣＵ７００は、コンバータ７１０と、インバータ７２０と、制御装置７３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１〜ＰＬ３と、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗとを含む。コンバータ７１０は、バッテリ８００とインバータ７２０との間に接続され、インバータ７２０は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続される。

コンバータ７１０に接続されるバッテリ８００は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池である。バッテリ８００は、発生した直流電圧をコンバータ７１０に供給し、また、コンバータ７１０から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ７１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続され、制御装置７３０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ８００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ７１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ８００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。また、コンバータ７１０は、インバータ７２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ８００を充電する。

インバータ７２０は、Ｕ相アーム７５０Ｕ、Ｖ相アーム７５０ＶおよびＷ相アーム７５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム７５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム７５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム７５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８からなる。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン７４０Ｕ，７４０Ｖ，７４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。

このインバータ７２０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。また、インバータ７２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

制御装置７３０は、モータジェネレータ１００の回転子の回転角度、モータトルク指令値、モータジェネレータ１００の各相電流値、およびインバータ７２０の入力電圧に基づいてモータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ７２０へ出力する。

また、制御装置７３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ７２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ７１０へ出力する。

さらに、制御装置７３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ８００を充電するため、コンバータ７１０およびインバータ７２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

このＰＣＵ７００においては、コンバータ７１０は、制御装置７３０からの制御信号に基づいて、バッテリ８００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ７２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。

また、インバータ７２０は、モータジェネレータ１００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ７１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ８００を充電する。

パワートランジスタＱ１〜Ｑ８は、たとえばＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）などの半導体素子である。このような半導体素子からなるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８を用いる場合は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８が発する熱を効率的に放熱して、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８の温度を所定温度以下に保つ必要がある。そのため、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８を冷却するための冷却装置が設けられている。

図２は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８を冷却する冷却装置１の構成を示す断面図である。パワートランジスタＱ１〜Ｑ８の冷却のために使用される冷却装置１は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８（図２中には不図示）が搭載される放熱基板２０と、冷却装置１の筐体３０を形成する上側板部材４０および下側板部材５０と、放熱フィン７０とを備える。１台の冷却装置１毎に一枚または複数枚の放熱基板２０が設けられ、一枚の放熱基板２０にそれぞれ一個または複数個のパワートランジスタＱ１〜Ｑ８が搭載される。

放熱基板２０は、基体としてのセラミック基板２１と、セラミック基板２１の両面側に配置されたアルミ層２２，２３とを有する。セラミック基板２１は、絶縁性を有しかつ熱伝導性の良好なセラミック材料により形成される。セラミック材料としては、たとえば酸化アルミニウム、窒化アルミニウムおよび窒化ケイ素などが用いられる。アルミ層２２，２３は、高熱伝導性の金属材料により形成される金属層の一例であり、金属材料の一例としてのアルミニウムにより形成されている。一方（上面側）のアルミ層２２は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８が実装される回路層である。他方（下面側）のアルミ層２３は、上側板部材４０と接合される伝熱層である。

なお、このような構成を有する放熱基板２０としては、セラミック基板の両面に予めアルミ層がロウ付けされた、ＤＢＡ（Direct Brazed Aluminum）基板を用いることができる。

冷却装置１の筐体３０を構成する上側板部材４０と下側板部材５０とは、高熱伝導性材料であるアルミニウムにより形成されている。上側板部材４０と下側板部材５０とは、板状の部材を機械加工することにより成形されている。上側板部材４０はフランジ部４６を有し、下側板部材５０はフランジ部５６を有し、上側板部材４０と下側板部材５０とはフランジ部４６，５６がロウ付けされることにより接合され、冷却装置１の筐体３０を形成する。

上側板部材４０の上面４８と、下側板部材５０の下面５８とは、筐体３０の外面の一部を形成する。発熱体としてのパワートランジスタＱ１〜Ｑ８は、放熱基板２０を介在させて上側板部材４０の上面に接合され、上面４８に熱的に接触している。下側板部材５０は、上側板部材４０に対し放熱基板２０とは反対側に配置されている。ここで「熱的に接触」とは、二つの部材間（この場合、発熱体としてのパワートランジスタＱ１〜Ｑ８と、冷却装置１の筐体３０を形成する上側板部材４０と、の間）において熱が直接的に伝達され、熱伝達効率が十分に高い状態とされていることをいう。

上側板部材４０と下側板部材５０との間には、中空空間６０が形成されている。より具体的には、下側板部材５０は、その周縁部が側壁を形成するように立ち上がる形状に形成されて、筐体３０の底部および側壁部を成す上面開放の箱型に形成されている。下側板部材５０の立ち上がり形状の上端部は外側に広がっており、フランジ部５６を形成している。上側板部材４０は、その周縁部に下側板部材５０のフランジ部５６と接合可能なフランジ部４６を有する。下側板部材５０の上面の開口部が上側板部材４０により塞がれることにより、上側板部材４０と下側板部材５０とは筐体３０を形成し、その間に中空空間６０が形成される。

中空空間６０は、冷媒液の流路となる。上側板部材４０と下側板部材５０との間には、冷媒流路（ウォータジャケット）が形成される。液状の冷媒が中空空間６０の内部を流通することにより、筐体３０に熱的に接触した発熱体が冷却される。

中空空間６０には、放熱フィン７０が配置されている。放熱フィン７０は、熱伝導性の良好な金属材料製であり、たとえばアルミニウムにより形成されている。放熱フィン７０は、コルゲートフィンの形状を有している。具体的には、放熱フィン７０は、波頂部７１と、波底部７２と、波頂部７１および波底部７２を連結する連結部７３とを有する。
図２に示す放熱フィン７０が中空空間６０に配置された状態で、波頂部７１は上側板部材４０に対向し、波底部７２は下側板部材５０に対向する。放熱フィン７０は、波頂部７１が上側板部材４０に接合され、波底部７２が下側板部材５０に接合されて、冷却装置１の筐体３０内に配置される。

冷却装置１の筐体３０の内部の中空空間６０にコルゲートフィン形状の放熱フィン７０が配置されることで、放熱フィン７０の延在方向（図２で紙面と直交する方向）が冷媒（冷却水）の流通方向となる。放熱フィン７０の延在方向における中空空間６０の一端側が冷媒入口側空間、他端側が冷媒出口側空間となり、冷媒入口側空間に冷媒入口パイプが接続され、冷媒出口側空間に冷媒出口パイプが接続される。冷媒入口パイプと冷媒出口パイプとは、筐体３０の対角線の位置に接続され、筐体３０の内部の中空空間６０と筐体３０の外部空間とを連通する。

冷媒は、冷媒入口パイプを経由して中空空間６０へ流入し、放熱フィン７０の延在方向に沿って中空空間６０内を流れ、冷媒出口パイプを経由して中空空間６０から流出する。放熱基板２０に搭載されたパワートランジスタＱ１〜Ｑ８が発生する熱は、放熱基板２０および上側板部材４０を経由して放熱フィン７０に伝達される。放熱フィン７０において中空空間６０内を流れる冷媒流路を流れる冷媒（冷却水）と熱交換することで、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８の発熱が放熱される。このようにして、パワートランジスタＱ１〜Ｑ８が冷却される。

図３は、冷却装置１の筐体３０を構成する下側板部材５０の斜視図である。図２および図３に示すように、放熱フィン７０は、下側板部材５０の底部の上面に載せ置かれる。下側板部材５０の底部の上面は、放熱フィン７０が載置されるフィン載置面５１を形成する。下側板部材５０は、筐体３０の内面の一部を形成するフィン載置面５１を有する。放熱フィン７０は、波底部７２がフィン載置面５１に対向するように配置される。放熱フィン７０の波底部７２は、フィン載置面５１に接触する。

フィン載置面５１には、フィン載置面５１の一部が窪んだ窪み部５２が形成されている。窪み部５２は、図３中に両矢印ＤＲ１で示す放熱フィン７０の延在方向（中空空間６０内の冷媒の流れ方向）に沿って延びる、溝形状に形成されている。図２および図３に示す側面５３は、溝形状の窪み部５２の側面を形成し、底面５４は、溝形状の窪み部５２の底面を形成する。放熱フィン７０は、窪み部５２の内部に収容されている。放熱フィン７０は、波底部７２が窪み部５２の側面５３に当接するように窪み部５２の内側に配置され、窪み部５２の内側に嵌合されている。

下側板部材５０は、フィン載置面５１の一部が窪んだ窪み部５２が形成されることにより、窪み部５２の底面５４側において板厚が減少している。すなわち、図３に示すように、窪み部５２の形成されていないときの下側板部材５０の板厚をｔ０とすると、深さｔ２の窪み部５２が形成されることにより、下側板部材５０の板厚は、ｔ０よりも小さいｔ１に減少している。このような窪み部５２は、たとえば、下側板部材５０にプレス溝を加工することで形成されてもよく、下側板部材５０の一部の板圧を減少させるように下側板部材５０を機械加工して形成されてもよい。

以上の構成を備える冷却装置１は、以下のように製造される。まず、下側板部材５０、放熱フィン７０、上側板部材４０、放熱基板２０の順に下から積層し、各部材の間および下側板部材５０のフランジ部５６と上側板部材４０のフランジ部４６との間には、シート状のロウ材を介装する。各部材を適当な手段により仮止めし、接合面に適当な荷重（圧力）を加える。そして、真空雰囲気または不活性ガス雰囲気の炉中にて、６００℃程度まで加熱することによって、下側板部材５０、放熱フィン７０、上側板部材４０および放熱基板２０を、同時にロウ付けにより接合して一体化する。発熱体（パワートランジスタＱ１〜Ｑ８）は、ロウ付け工程後の別工程で、放熱基板２０に搭載される。

冷却装置１をロウ付けして一体化するための加熱によって、放熱フィン７０および下側板部材５０が加熱される。この加熱に伴って、放熱フィン７０および下側板部材５０の熱変形が発生する。放熱フィン７０の熱伸び量は、下側板部材５０の熱伸び量よりも大きい。このとき、放熱フィン７０が下側板部材５０に対して自由に移動し得る構成とすると、放熱フィン７０が下側板部材５０に乗り上げ、上側板部材４０を押し上げて、フランジ部４６，５６間に隙間を発生させ、フランジ部４６，５６同士のロウ付けができなくなる場合があった。

そこで、本実施の形態の冷却装置１では、下側板部材５０に窪み部５２を形成し、放熱フィン７０の波底部７２を窪み部５２の側面５３に当接させて放熱フィン７０を窪み部５２の内側に嵌合させることにより、放熱フィン７０の熱変形が抑制されている。放熱フィン７０が加熱されたとき、窪み部５２の両方の側面５３に放熱フィン７０の波底部７２が係合することにより、放熱フィン７０の熱伸びが妨げられ、放熱フィン７０が下側板部材５０に対して相対的に位置ずれすることが抑制される。

このようにすれば、冷却装置１をロウ付けするための加熱時に、放熱フィン７０が熱伸びして上側板部材４０を押し上げ筐体３０を位置ずれさせることを抑制できる。下側板部材５０のフランジ部５６と上側板部材４０のフランジ部４６とは、その間にロウ材を介在させて互いに接触した状態に保たれ、この配置を維持しながら加熱されることによりロウ付けされて一体化される。したがって、冷却装置１の筐体３０を確実に接合することができる。

窪み部５２は、下側板部材５０のフィン載置面５１を加工することにより形成されており、窪み部５２が形成された結果、下側板部材５０の板厚が窪み部５２の底面５４側において減少している。下側板部材５０の板厚が小さくなることにより、下側板部材５０の厚み方向の熱抵抗が低減され、下側板部材５０を厚み方向に経由する熱の伝達がより容易になる。したがって、下側板部材５０の下面５８からの放熱量を増大することができ、冷却装置１による発熱体の冷却性能をより向上することができる。

これまでの実施の形態では、上側板部材４０の上面４８に直接接合された放熱基板２０に発熱体が搭載される例について説明したが、この構成に限られない。たとえば、放熱基板２０を形成する材料の熱膨張率の差に基づく内部応力を緩和するための基板や、絶縁基板などを介在させて、放熱基板２０と上側板部材４０とが接合されてもよい。

また、ハイブリッド自動車のＰＣＵ７００に含まれるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８を冷却装置１の主たる冷却対象である発熱体とし、発熱体を放熱基板２０に搭載し冷却する例について説明したが、冷却装置１は、下側板部材５０の下面５８を補助冷却面としてもよい。たとえば、図２に示すように、ＰＣＵケース１０に搭載されたＤＣ−ＤＣコンバータ１１または昇圧用リアクトルなどを補助冷却対象とし、ＰＣＵケース１０を下側板部材５０の下面５８に熱的に接触させ、補助冷却対象の冷却に冷却装置１を用いるようにしてもよい。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１冷却装置、１０ＰＣＵケース、１１ＤＣ−ＤＣコンバータ、２０放熱基板、２１セラミック基板、２２，２３アルミ層、３０筐体、４０上側板部材、４６，５６フランジ部、４８上面、５０下側板部材、５１フィン載置面、５２窪み部、５３側面、５４底面、５８下面、６０中空空間、７０放熱フィン、７１波頂部、７２波底部、７３連結部、Ｑ１〜Ｑ８パワートランジスタ。

Claims

液状の冷媒により発熱体を冷却する冷却装置であって、
上側板部材と下側板部材とが接合されて形成された筐体を備え、前記上側板部材と前記下側板部材との間には前記冷媒の流路となる中空空間が形成され、前記発熱体は前記筐体の外面に熱的に接触し、さらに、
前記中空空間に配置された放熱フィンを備え、
前記下側板部材は、前記放熱フィンが載せ置かれるフィン載置面を有し、
前記フィン載置面には、前記フィン載置面の一部が前記放熱フィンの延在方向に沿って窪んだ窪み部が形成されており、
前記放熱フィンは、前記窪み部の内側に嵌合する、冷却装置。
前記放熱フィンは、波頂部と、波底部と、前記波頂部および前記波底部を連結する連結部と、を有するコルゲートフィンであり、
前記波底部は前記窪み部の側面に当接する、請求項１に記載の冷却装置。
前記下側板部材は、前記窪み部の底面側において板厚が減少している、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。