JP2015133384A - パワーカード積層ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、冷却器とパワーカードの積層構造を採用しつつ、冷却器に樹脂製の筐体を採用し、積層方向の圧縮荷重に強い積層ユニットを提供する。【解決手段】本明細書が開示する積層ユニット２は、半導体素子を収納した複数のパワーカード２０と複数の冷却器１０とを交互に積層したデバイスである。冷却器１０は、内部が空洞の樹脂製の筐体１８を有している。冷却器１０には、筐体の積層方向両側に、パワーカードと対向するように開口Ｈ１が設けられているとともに、その開口を塞ぐように金属板１３が取り付けられている。パワーカード２０を挟んで隣接する冷却器１０の筐体同士が冷媒を通す連結管（突出部１８ａ）によってガスケット４を挟んで連結されている。筐体１８の内部空間であって積層方向からみたときにガスケット４と重なる位置に、積層方向で対向する冷却器の一対の側板を連結する補強リブ１２が設けられている。【選択図】図５

Description

本発明は、大電流が流れる半導体素子を収容した複数のパワーカードと複数の冷却器を交互に積層した積層ユニットに関する。そのような積層ユニットは、典型的には、電気自動車の電力変換装置に使われる。

電気自動車の電力変換装置は、バッテリの電力を交流に変換して走行用モータに供給する。電力変換装置はインバータ回路や電圧コンバータ回路を備え、それらの回路は通称パワーデバイスと呼ばれる半導体素子を多数用いる。半導体素子の典型はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）である。

走行用モータは大出力であるため、電力変換装置は大電流を扱う。大電流の導通と遮断を繰り返す半導体素子は発熱量が大きいので、電力変換装置は半導体素子（及びその周辺素子）を冷却する冷却器を備える。一方、車載装置にはコンパクト性も求められる。多数の半導体素子をコンパクトで効率よく冷却するユニットとして、パワーカード積層ユニットが知られている（特許文献１）。なお、パワーカードとは、半導体素子を収容した扁平なモジュールである。パワーカードは、典型的には、半導体素子を樹脂でモールドしたデバイスである。

特許文献１の積層ユニットは、複数のパワーカードと複数の冷却器を交互に積層している。積層ユニットは、パワーカードと冷却器を交互に積層することで、大きな接触面積を確保し、冷却効率を高める。冷却器は、軽量、加工のし易さ、熱伝導性の高さ、の点からアルミニウムで作られることが多い。一方、パワーカードは、カード内部の半導体素子の熱を冷却器に効率よく伝えるため、パワーカードの内部で半導体素子と接触している金属板を樹脂モールドの表面に露出させる。その金属板が冷却器と接触する。即ち、金属板は、放熱板（ヒートスプレッダ板）に相当する。さらに、伝熱性を高めるため、放熱板と冷却器の間にグリスが塗布される。そして、放熱板と冷却器との密着性を高めるために、積層ユニットはその積層方向に荷重される。その荷重は数キロニュートンにもおよぶ場合がある。そのような大きな荷重には不利な点もある。一つには、アルミニウム製の冷却器は伝熱性は高いが、剛性が高くはなく、荷重によって変形し易いことが挙げられる。

そこで、特許文献２では、アルミニウムの冷却器を排した構造が検討されている。特許文献２で開示されている技術は、パワーカードを筒状の樹脂の筐体で囲み、その樹脂筐体を積層する。各樹脂筐体の内部は空洞であり、積層されたユニットでは複数の樹脂筐体の内部空間が一つに連通している。連通した内部空間に冷媒（液体冷媒）を通す。即ち、この技術は、複数の筒状の樹脂筐体を連結した大きな冷媒流路の中にパワーカードを配置することと等価である。

特許文献１のタイプも特許文献２のタイプも、積層された各冷却器に液体の冷媒を供給する必要がある。特許文献１のタイプは隣接する冷却同士を連結管で接続する。連結管は、冷却器の筐体の一部でありアルミニウムのパイプである。隣接する双方の冷却器からアルミニウムの連結管が延設されており、その連結管の先端同士を接合する。特許文献２のタイプはパワーカードを樹脂の筒状の筐体の内部に配置してしまうので筒状の筐体を積層し、積層体の内部全体が冷媒流路となる。

内部に液体冷媒を通す冷却器を積層する場合、連結部を密閉しなければならない。特許文献１の積層ユニットは薄肉のアルミパイプを用いるため、ガスケットが使えない。そこで、特許文献１では、対向する一方の連結管の開口は先細りのテーパとし、結合相手の管の開口は先広がりのテーパとしている。連結の際、両テーパ面を接合させることで連結管の先端同士を密封する。

特許文献２では、樹脂製の筐体を積層した後に筐体の接合面を封止する技術が開示されている。特許文献２の技術では、初期に流動性を有するガスケット（シール材）を利用する。各樹脂ケースは、隣接する樹脂ケースで封止される開口の周囲に、開口を一巡する溝（シール充填溝）が設けられている。そのシール充填溝には、積層方向に樹脂ケースを貫通する連絡孔が設けられている。複数の樹脂ケースを積層すると、全ての樹脂ケースのシール充填溝が連通する。パワーカードを内蔵した樹脂ケースを積層した後、連絡孔を通じて全ての樹脂ケースのシール充填溝にシール材を充填することができる。

特開２０１１−２２２８１５号公報 特開２０１２−９７３４号公報

特許文献２の技術は、パワーカードを直接に冷媒の流れに晒すことで、アルミニウムの冷却器を不要としつつ、高い冷却性能を実現する。しかし、冷媒の流れの中にパワーカードを直接に晒すので、パワーカードの防水対策が難しい。

そこで、本明細書が開示する積層ユニットは、特許文献２のようにパワーカードを直接に冷媒に晒すことは避け、特許文献１のように複数の冷却器と複数のパワーカードを積層する構造を採用する。しかし本明細書では、冷却器の筐体をアルミニウムではなく樹脂で作る。樹脂は射出成形法により複雑な形状が容易に製造できる。筐体の厚みも自由に実現することができ、圧縮荷重に強い構造を容易に得ることができる。

樹脂製の筐体を有する冷却器とパワーカードを積層する場合、パワーカードを挟んで隣接する冷却器同士を連結管で連結し、冷媒流路を確保する。筐体が樹脂であれば、連結管の壁厚を大きくすることができるのでガスケットを採用することができる。しかしながら内部が空洞の筐体に連結管を接続することになるので、積層方向からみたときに連結管の少なくとも一部は筐体の内部空間と重なる。積層ユニットに積層方向の荷重を加えた際、ガスケットの反発力は、内部が空洞の筐体を押しつぶすように作用する。樹脂製の筐体といえども、ガスケットの反力が直接に伝わる方向に筐体内部空間が存在すると、筐体の側板が変形する虞がある。本明細書は、複数のパワーカードと複数の冷却器を交互に積層し、その積層方向に荷重を受ける積層ユニットに関する。本明細書は、冷却器の筐体を樹脂で作るとともに、隣接する冷却器をガスケットを挟んで連結する際に、ガスケットの反力に抗して冷却器筐体の変形を抑制する技術を提供する。なお、特許文献２の積層ユニットは、筐体全体の外郭に相当する筒部外周壁の端面を当接させるので、外周壁の端面にガスケットを配置したとしても、積層方向でガスケットと重なる位置に空間が存在しない。従って特許文献２のタイプの積層ユニットでは本明細書が開示する技術は必要ない。

本明細書が開示する積層ユニットは、半導体素子を収容した複数のパワーカードと複数の冷却器とを交互に積層した積層ユニットである。パワーカードは、冷却器と対向する面に放熱板が露出している。前述したように、放熱板は、パワーカード内部で半導体素子と接続されている。

本明細書が開示する積層ユニットの冷却器は、前述したように、樹脂製の筐体を採用する。樹脂製の筐体は射出成形で複雑な形状が容易に得られるという利点がある。即ち、積層方向の高い荷重に耐え得る形状が容易に得られるという利点がある。ただし、前述したように、ガスケットの反力が直接に伝わる箇所に筐体内部空間が存在すると、その空間を画定する筐体側板が変形する虞がある。そこで、本明細書が開示する技術では、筐体の内部空間であって積層方向からみたときにガスケットと重なる位置に、積層方向で対向する冷却器の一対の側板を連結する補強リブを設け、筐体の変形を抑える。

なお、樹脂は、アルミニウムや銅などの金属よりも熱伝導率が低い。本明細書の冷却器は、樹脂製の筐体を採用しつつ、パワーカードの冷却性能にも配慮する。そこで、本明細書が開示する冷却器では、筐体の積層方向両側（積層方向の両側板）に開口を設ける。その開口は、パワーカードの放熱板と対向するように設けられる。そして、その開口を塞ぐように、樹脂よりも熱伝達率の高い金属板が取り付けられる。金属板は、好適には、アルミニウム、あるいは銅で作られる。金属板の内側面（筐体内部側の面）は、筐体内部空間に面しており、液体冷媒の流路になっている。放熱板と金属板を介して半導体素子の熱が冷媒に吸収される。

パワーカードを挟んで隣接する前記冷却器の筐体同士は、積層方向からみてパワーカードの両側で冷媒を通す一対の連結管によってガスケットを挟んで連結されている。積層ユニットの積層方向の端部に位置する冷却器には、一方の連結管に、外部から冷媒を供給する冷媒供給管が接続されており、他方の連結管に、冷却器から外部へ冷媒を排出する冷媒排出管が接続されている。冷媒供給管を通じて供給された冷媒は、積層方向からみたときに一列に並ぶ一連の連結管を通じて全ての冷却器に配分され、冷却器の内部を通過しながらパワーカードの熱を吸収し、そして、一列に並ぶ別の一連の連結管と冷媒排出管を通じて外部に排出される。

なお、積層ユニットは積層方向に荷重され、ガスケットはその反力を発生する。前述したように、ガスケットの反力に耐えて筐体の変形を抑制するように、筐体の内部空間であって積層方向からみたときにガスケットと重なる位置に、積層方向で対向する冷却器の一対の側面を連結する補強リブを設ける。補強リブは、ガスケットの少なくとも一部を重なるように設ければ、筐体の変形を抑制する効果を奏する。

複数の冷却器は、内部空間を冷媒が流れる際の流路抵抗が異なる第１タイプの冷却器と第２タイプの冷却器を含み得る。例えば、複数のパワーカードの発熱量が異なる場合、あるいは、パワーカードとともに、それとは発熱量が異なる別のデバイスを積層する場合、発熱量に応じて冷却性能が異なる冷却器を使うことがある。そのような場合には、補強リブは第２タイプよりも流路抵抗の小さい第１タイプの冷却器に設け、第２タイプの冷却器には補強リブを設けない態様も好適である。流路抵抗が大きい冷却器に補強リブを設けると流路抵抗がさらに低下してしまうからである。第１タイプの冷却器の一例は、連結管の一方から他方へ向けて筐体の内部を冷媒が直線的に流れる平行流型冷却器である。また、第２タイプの冷却器は、連結管の一方から他方へ向けて流れる間に冷媒が冷却器の側板（パワーカードと接している側板）に噴き付けられるように冷媒流路が屈曲又は湾曲している衝突噴流型冷却器である。

本明細書が開示する積層ユニットは、パワーカードと積層される冷却器の筐体に樹脂を使うことで荷重に強い構造を確保する。特に、上記の補強リブを備えることで、隣接する冷却器との間で冷媒を通す連結管を密閉するガスケットの反力に対しても強い。本明細書が開示するれ積層ユニットは、同時に、パワーカード（放熱板）と接触する範囲には金属板を配置することで冷却性能を確保している。

本明細書が開示する技術によれば、複数の冷却器と複数のパワーカードを積層した積層ユニットにおいて、積層方向の圧縮荷重に強い構造を実現する。特に、隣接する冷却器を連結する連結管の封止にガスケットを用い、そのガスケットの反力に対しても強い構造を実現する。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。 一対の冷却器とその間に挟まれるパワーカードのレイアウトを示す分解斜視図である。 一対の冷却器とその間に挟まれるパワーカードのアセンブリの斜視図である。 図３のIV−IV線に沿った断面図である。 図３のV−V線に沿った断面図である。 冷却器の分解斜視図である。 筐体を裏側からみた斜視図である。 図５のVIII−VIII線に沿った断面図である。 図５における符号IXが示す破線領域の拡大図である。 変形例の積層ユニットにおける一対の冷却器とその間に挟まれるパワーカードのレイアウトを示す分解斜視図である。 変形例の積層ユニットにおける一対の冷却器とその間に挟まれるパワーカードのアセンブリの斜視図である。 実施例の積層ユニットに用いることができる衝突噴流型の冷却器の斜視図である（筐体の一部をカットし内部構造が示してある）。

実施例を説明する前に、実施例の積層ユニットの特徴の幾つかを列挙する。

（特徴１）パワーカードと冷却器の間には絶縁板が挟まれていている。即ち、「パワーカードと冷却器が接触する」とは物理的な接触のみならず、熱力学的な見地において「接触している」場合を含む。あるいは、絶縁板は冷却器の一部（あるいはパワーカードの一部）と見なすことで、「パワーカードと冷却器は接触している」と表現することもできる。

（特徴２）樹脂の射出成形法によれば、複雑な形状が容易に得られる。そこで、冷却器の筐体は、連結管を筐体の一部として有していることも好適である。具体的には、冷却器は、積層方向の一方の側板に突出部を有するように射出成形で作られているとよい。すなわち、筐体は、金属板で覆われる開口の両側に、積層方向に突出した突出部を有し、その内部に、筐体を貫通する冷媒孔が設けられている。なお、突出部は、積層方向で対向する一対の側板の一方だけに設けてもよいし、一対の側板の夫々に設けてもよい。

図面を参照して実施例の積層ユニットを説明する。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、電気自動車に搭載される電力変換装置の主要部品である。電力変換装置は、バッテリの直流電力を昇圧し、さらに交流に変換して２個のモータの夫々に供給する。電力変換装置は、電圧を高める電圧コンバータ回路と、２組のインバータ回路を含む。電圧コンバータ回路は、２個の半導体素子（ＩＧＢＴ）を含み、夫々のインバータ回路は６個の半導体素子を含む。電力変換装置は、合計１４個の半導体素子を含む。夫々の半導体素子は、大きな電流を導通／遮断するので発熱量が大きい。

積層ユニット２は、上記した１４個の半導体素子を集約して集中的に冷却するデバイスである。積層ユニット２では、７個のパワーカード２０と８個の冷却器１０が交互に積層されている。図中のＸ軸方向が積層方向に相当する。なお、パワーカード２０と冷却器１０の間には絶縁板３が配置されている。

詳しくは後述するが、１個のパワーカード２０に２個の半導体素子が収容されている。夫々のパワーカード２０は、２個の半導体素子を樹脂でモールドしたパッケージである。１個のパワーカード２０の内部で２個の半導体素子が直列に接続されている。１個のパワーカード２０からは３本の平板端子２９が伸びている。３個の平板端子２９の夫々は、半導体素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、直列回路の中点の端子に相当する。パワーカード２０からは、上記３本の平板端子２９のほか、半導体素子（トランジスタ）のゲートに通じる端子（ゲート端子）も伸びているが、その図示は省略している。

冷却器１０の構造を概説する。詳しい構造は後に説明する。冷却器１０の筐体１８は樹脂で作られている。パワーカード２０と対向する側板に開口Ｈ１が設けられており、その開口Ｈ１を金属板１３が塞いでいる。冷却器１０は、内部が空洞であり、その空洞を液体の冷媒が通過する。冷媒は、典型的には、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。金属板１３を通じてパワーカード２０の熱が冷媒へと移送される。すなわち、パワーカード２０が冷却される。筐体１８の一方の側板には、積層方向からみて開口Ｈ１の両側に、積層方向に伸びる突出部１８ａが設けられている。別言すれば、突出部１８ａは、積層方向からみてパワーカード２０の両側に設けられている。突出部１８ａには、筐体１８を積層方向に貫通する冷媒孔Ｈ２が設けられている。突出部１８ａの高さ（突出部１８ａの図中Ｘ方向の長さ）は、概ね、パワーカード２０の厚みと２枚の絶縁板３の厚みを加えた長さに相当する。一対の突出部１８ａの間にパワーカード２０が配置され、冷却器１０が積層されると、冷却器１０とパワーカード２０が接するとともに、冷却器１０の突出部１８ａの先端が隣接する冷却器１０の側面に当接し、冷媒孔Ｈ２同士が連通する。即ち、内側に冷媒孔Ｈ２が形成された突出部１８ａは、パワーカード２０を挟んで隣接する２枚の冷却器１０を接続する連結管に相当する。一方の連結管を通じて冷媒が冷却器１０に送られ、他方の連結管を通じて冷却器１０から冷媒が排出される。即ち、積層方向で一列にならぶ一群の冷媒孔Ｈ２は冷媒供給路Ｐ１を構成し、積層方向で一列に並ぶ別の一群の冷媒孔Ｈ２は冷媒排出路Ｐ３を構成する。積層ユニット２の積層方向の端の冷却器１０には、開口Ｈ１と冷媒孔Ｈ２を塞ぐカバープレート４０が取り付けられている。図示を省略しているが、積層ユニット２の積層方向の他方の端の冷却器の一対の突出部１８ａには、冷媒供給管と、冷媒排出管が接続される。冷媒供給管によって積層ユニット２の外部から供給される冷媒は、冷媒供給路Ｐ１を通じ、全ての冷却器１０に分配される。冷媒は、冷却器１０の内部を通過し、パワーカード２０から熱を吸収する。冷却器１０を通過した冷媒は、冷媒排出路Ｐ３を通じ、冷媒排出管へと排出される。

なお、図に示す筐体１８には、パワーカードや隣接する冷却器１０との相対位置を決める孔、積層ユニットを電力変換装置に固定するためのリブなどが設けられているが、図ではそれらのパーツは省略している。

パワーカード２０と絶縁板３の間、及び、冷却器１０と絶縁板３の間には伝熱性を高めるグリース（不図示）が塗布されている。また、グリースを薄く延ばしてパワーカード２０と冷却器１０との密着性を高めるため、積層ユニット２には、積層方向に数キロニューロンの荷重（数百キログラムの荷重）が加えられる。積層ユニット２は、積層方向の荷重を加えられたまま、電力変換装置の筐体内に固定される。数キロニュートンの荷重は、電力変換装置の筐体内で、複数の冷却器１０と複数のパワーカード２０を確実に固定することにも寄与する。

冷却器１０の筐体１８は、突出部１８ａの壁厚が厚くなっており、積層方向の耐荷重性が高い。筐体１８は射出成形法によって樹脂で作られている。突出部１８ａも筐体１８の一部として射出成形で作られる。射出成形法は複雑な形状を容易に作ることができるので、形状を複雑にして、積層方向の耐荷重に対して高い剛性を実現した筐体も容易に低コストで作ることができる。実施例の積層ユニットの冷却器は、従来はアルミニウムで作られていた筐体を樹脂で作ることによって、上記の利点を達成する。

図２に、一対の冷却器１０とその間に挟まれるパワーカード２０のレイアウトを示す。図２に描かれている一対の冷却器１０とパワーカード２０は、図１の積層ユニット２の一部に相当する。パワーカード２０の表面には放熱板２３が露出しており、その放熱板２３が絶縁板３に接する。放熱板２３は、絶縁板３を挟んで冷却器１０の金属板１３と対向する。放熱板２３は、パワーカード２０の内部で半導体素子と接続しており、半導体素子の熱をパワーカード２０の表面へ移送する。なお、放熱板２３は、半導体素子を外部と電気的に接続する端子の一部であり、平板端子２９とも電気的に繋がっている。絶縁板３は、放熱板２３と冷却器１０の金属板１３の間を絶縁する。絶縁板３には、熱伝導率の高い素材が用いられる。絶縁板３が挟まれているが、熱力学的な見地からは、パワーカード２０と冷却器１０は接触しているとみなすことができる。絶縁板３は、例えばセラミックス製である。なお、セラミックスの中にも、熱伝導率が比較的に高いものがある。

前述したように、冷却器１０の突出部１８ａは、連結管に相当し、その先端が隣接する冷却器１０と接する。突出部１８ａの内側には冷媒を通す冷媒孔Ｈ２が設けられている。突出部１８ａの先端面において冷媒孔Ｈ２の周囲には溝Ｔが設けられている。溝Ｔにはガスケット４が嵌め込まれている。ガスケット４は、冷却器１０が積層されたときに突出部１８ａの先端と、隣接する冷却器１０（その筐体１８）の間を封止する。ガスケット４の一例は、断面が円形のゴムリングである。ガスケット４は、荷重を受けたときの反発力が高く、突出部１８ａの先端と筐体１８の間から冷媒が漏れないようにしっかりとそれらの間を封止する。なお、ガスケット４を収める溝Ｔも、筐体１８の一部として射出成形で作られる。溝Ｔのような複雑な形状も射出成形法によれば低コストで設けることができる。

パワーカード２０と冷却器１０の内部構造を詳しく説明する。図３は、図２に描かれた部品を組み立てた図である。即ち、図３は、一対の冷却器１０とその間に挟まれるパワーカード２０のアセンブリの斜視図である。図３のIV−IV線に沿った断面図を図４に示し、V−V線に沿った断面図を図５に示す。また、冷却器１０の分解斜視図を図６に示し、筐体１８の裏側（突出部１８ａが設けられていない側）を図７に示すのでそちらも参照されたい。

まず、パワーカード２０の内部構造を説明する。図４と図５を参照されたい。なお、図５は左右対称であるので、左側の部品だけに符号を付し、右側の部品への符号は省略していることに留意されたい。パワーカード２０は、２個の半導体素子２１を樹脂パッケージ２４で封止したデバイスである。２個の半導体素子２１は、一例として、ＩＧＢＴである。２個の半導体素子２１は、樹脂パッケージ２４の内部で直列に接続されている。半導体素子２１は、小型平板のチップでありその両面に、エミッタとコレクタの電極が露出している。なお、ゲート電極の図示は省略している。半導体素子２１の両面の電極に導電性のスペーサ２２を接触させ、スペーサ２２の反対側に放熱板２３、２６を接触させている。放熱板２３、２６の一方の面は、樹脂パッケージ２４から露出する。放熱板２３、２６は、端子を兼ねており、放熱板２６は、２個の半導体素子２１を直列に接続する。２個の放熱板２３の一方は、直列接続の高電位側の端子を兼ね、他方は低電位側の端子を兼ねる。図４には、放熱板２３が、樹脂パッケージ２４の上方へ伸びている平板端子２９と連続していることがよく表れている。

次に、絶縁板３を挟んでパワーカード２０と対向している冷却器１０の構造を説明する。図４、５とともに、図６、図７の斜視図も参照されたい。図６は、冷却器１０を突出部１８ａの側からみた分解斜視図であり、図７は、筐体１８を突出部１８ａとは反対側からみた斜視図である。冷却器１０の筐体１８は樹脂で作られている。図６と図７に筐体１８の構造がよく表されている。積層方向（図中のＸ方向）からみたときの筐体１８の中央に開口Ｈ１が設けられている。開口Ｈ１は、パワーカード２０と対向する位置に設けられている。開口Ｈ１は、筐体１８の積層方向の両側に設けられている。開口Ｈ１は、金属板１３で塞がれる。開口Ｈ１と金属板１３の間は密閉される。金属板１３については後述する。

前述したように、筐体１８には、積層方向からみたときの開口Ｈ１の両側に突出部１８ａが設けられている。突出部１８ａは、積層方向に延設されている。突出部１８ａの内部に、筐体１８を積層方向に貫通する冷媒孔Ｈ２が設けられている。

金属板１３について説明する。開口Ｈ１の内周には突起Ｒ１、Ｒ２が設けられており、金属板１３は、突起Ｒ１、Ｒ２に係止される。金属板１３のおもて面（露出する面）は、開口Ｈ１の周囲の筐体表面（側板１８ｂの表面）と面一である。この点については後述する。図７に示されているように、筐体の裏側の側板１８ｃ（突出部１８ａが設けられていない側板）にも開口Ｈ１が設けられているとともに、開口Ｈ１の内周に突起Ｒ１、Ｒ２が設けられている。側板１８ｃの開口Ｈ１に取り付けられる金属板１３についても同様である。

金属板１３の裏面（筐体内部側）には、複数のフィン１４が設けられている。図４と図６によく示されているように、筐体１８の積層方向の両側に開口Ｈ１が設けられており、夫々の開口Ｈ１にフィン付きの金属板１３が取り付けられる。金属板１３の裏面は、冷媒流路Ｐ２に面しており、フィン１４は、冷媒に直接触れる。フィン１４は、パワーカードの熱を効率よく冷媒に伝える。金属板１３とフィン１４は、ともにアルミニウムで作られている。フィン１４は金属板１３の一部であり、フィン１４と金属板１３は、押出成形法によって同時に作られる。

また、筐体１８の内部で、一方の金属板１３のフィン１４の先端と他方の金属板１３のフィン１４の先端が対向する。積層方向で対向するフィンの間には仕切板１５が嵌挿される。仕切板１５は、図４によく示されているように、積層方向で対向するフィンの間の空間を埋める。この構造は、冷却器１０が圧縮荷重を受けたときに金属板１３が撓むことを防止する。仕切板１５は、樹脂製であってもよいし、金属製であってもよい。樹脂製の仕切板１５は、筐体１８の一部として、射出成形で筐体１８と同時に作られるものであってもよい。なお、図５では、図を理解し易くするためにフィン１４と仕切板１５の図示を省略している。

冷却器１０は、全体が空洞であり、内部を液体の冷媒が流れる。図５によく示されているように、積層方向に並んだ一群の冷媒孔Ｈ２による貫通孔が冷媒供給路Ｐ１を構成し、積層方向に並んだ別の一群の冷媒孔Ｈ２による貫通孔が冷媒排出路Ｐ３を構成する。冷媒供給路Ｐ１を通じて冷媒が各冷却器１０に分配される。冷却器１０の内部の流路Ｐ２を通過する冷媒は、先に述べたように、金属板１３の裏面と複数のフィン１４と接し、パワーカードの熱を吸収する。冷却器１０を通過した冷媒は、冷媒排出路Ｐ３を通じて積層ユニット２の外部へと排出される。

筐体１８の内部空間において開口Ｈ１と冷媒孔Ｈ２の間に、筐体１８の積層方向の一対の側板１８ｂと１８ｃを連結する補強リブ１２が設けられている。図８は、図５のVIII−VIII線での断面図である。図８は、積層ユニット２を積層方向にカットした断面であってガスケット４を通る断面を示している。この断面に、ガスケット４の断面と補強リブ１２の断面が表れている。即ち、補強リブ１２は、積層方向にみたときにガスケット４と重なるように配置されている。補強リブ１２は、冷却器１０が積層方向の荷重を受けたときに側板１８ｂ、１８ｃが撓むことを防止する。特に、積層ユニット２に積層方向の荷重が加えられたとき、ガスケット４の反力が流路Ｐ２を潰す方向に作用する。補強リブ１２は、ガスケット４の反力に抗して流路Ｐ２の変形を防止する。また、補強リブ１２は、冷媒流路Ｐ２の中に設けられるので、冷媒の流れ方向に沿って平板形状に作られている。

冷却器１０は、その筐体１８が樹脂で作られている。樹脂は射出成形で複雑な形状が作成し易いという利点がある。突出部１８ａにおける冷媒孔Ｈ２の周囲の壁厚を厚くしたり、側板１８ｂ、１８ｃの厚みを薄くしたり、補強リブ１２を形成したりすることも容易である。冷却器１０は、射出成形で作られた筐体１８を備えることによって、積層方向の荷重に強い構造を安価に実現する。特に、補強リブ１２は、筐体内部空間において、ガスケット４の反発力が直接に加わる位置に設けられており、積層方向の高い荷重に抗して筐体の変形を防止する。一方、樹脂はアルミニウムや銅と比較して熱伝導率が低い。しかし冷却器１０は、全てを樹脂で形成するのではなく、パワーカード２０と対向する位置に開口Ｈ１を設け、そこに金属板１３を嵌め込んでいる。パワーカード２０の熱を吸収する箇所に金属板１３を配置することで冷却効率の低下を防止する。

冷却器１０の筐体を樹脂で作ることの別の利点を説明する。図９は、図５において破線ＩＸが示す領域の拡大図である。図９は、冷却器１０の金属板１３と、パワーカード２０の放熱板２３の位置関係をよく示している。金属板１３の表面と、開口Ｈ１の周囲（金属板１３の周囲）における筐体１８の表面は面一である。そして、その面一の表面に絶縁板３が接している。絶縁板３と筐体１８の間に隙間がないので、絶縁板３と筐体１８の間に水分が入り込むことはない。先に述べたように、放熱板２３は半導体素子２１の電極を兼ねているため、冷却器１０の金属板１３から絶縁する必要がある。それゆえ、金属板１３と放熱板２３の間には絶縁板３が配置される。仮に冷却器１０の筐体が金属製の場合、冷却器１０と放熱板２３の間の沿面距離は図８の符号Ｌ１が示す距離となる。しかし、筐体１８は絶縁性の樹脂で作られているため、冷却器１０と放熱板２３の間の沿面距離は、図８において符号Ｌ１が示す距離と、符号Ｌ２が示す距離の和となる。筐体１８と絶縁板３との間に隙間もないため、筐体１８と絶縁板３の間から水分が入って金属板１３を濡らすこともない。即ち、水分の侵入により事実上の絶縁距離が短くなることもない。このように筐体を絶縁性の樹脂で作ることによって、パワーカード２０の表面に露出している放熱板２３と冷却器１０の間の沿面距離を長くすることができる。なお、積層ユニット２では、冷却器１０の金属板１３が、積層方向からみたときに、絶縁板３の外形の内側に収まるように配置される。このレイアウトにより、上記した沿面距離の拡張という利点が得られる。

積層ユニット２の変形例を説明する。先に説明した積層ユニット２の冷却器１０では、筐体１８の積層方向の一方の側面（側板１８ｂ）に突出部１８ａが設けられており、他方の側面（側板１８ｃ）は平坦であった（図６、図７参照）。突出部は、積層方向で筐体の両側に設けられていてもよい。図１０に、変形例の積層ユニット１０２における一対の冷却器１１０とその間に挟まれるパワーカード２０のレイアウトを示す。図１１は、積層ユニット１０２における一対の冷却器１１０とその間に挟まれるパワーカード２０のアセンブリの斜視図である。図１０及び図１１では、先に説明した冷却器１０と同じいくつかの部品の符号を省略している。

冷却器１１０の筐体１１８は、積層方向の両側に突出部１１８ａと１１８ｂを有する。積層方向からみて直線上に並ぶ突出部１１８ａと１１８ｂを貫通するように冷媒孔Ｈ２が設けられている。一方の突出部１１８ａの先端には拡径部１１８ｄが設けられている。拡径部１１８ｄは、冷却器１１０とパワーカード２０が交互に積層された際、隣接する他方の冷却器の突出部１１８ｂと嵌合する（図１１参照）。隣接する冷却器においての一方の冷却器の拡径部１１８ｄが他方の冷却器の突出部１１８ｂに嵌合する構成は、積層ユニットを組み立てる際、冷却器の相対位置を容易に合わせることができる。また、ガスケット４は拡径部１１８ｄの内側に配置することができ、隣接する冷却器の間をより確実に封止する。

冷却器の変形例を説明する。図１２に変形例の冷却器２１０の斜視図を示す。なお、図１２では、冷却器２１０の内部構造を描くため、筐体２１８の一部をカットしているとともに、突出部２１８ａは仮想線で描いてあることに留意されたい。符号Ｇが示す箇所が、仕切板２４２（後述）を途中でカットした断面である。

図１−図９に示した冷却器１０は、２個の連結管（突出部１８ａ）の一方から流入した冷媒が他方の連結管（突出部１８ａ）に向けて筐体内部を直線的に流れる。そのような冷却器を本明細書では平行流型冷却器と称する。これに対して図１２の冷却器２１０は、連結管の一方から他方へ向けて流れる間に冷媒が冷却器の側板に噴き付けられるように冷媒流路が屈曲又は湾曲している。このタイプの冷却器は、一般に、衝突噴流型冷却器と呼ばれている。

冷却器２１０の筐体２１８の内部は、積層方向（図中のＸ軸方向）の中央に仕切板２４２が設けられ、２層の空間に区画されている。一つは、冷媒入口２４４を介して冷媒が供給される第１冷媒流路Ｐ２ｉｎであり、もう一つは、冷媒出口２４６を通じて冷媒が排出される第２冷媒流路Ｐ２ｏｕｔである。図１２において、仕切板２４２の上側が第１冷媒流路Ｐ２ｉｎであり、仕切板２４２の下側が第２冷媒流路Ｐ２ｏｕｔである。冷媒入口２４４は冷媒が供給される側の冷媒孔Ｈ２に通じており、冷媒出口２４６は、冷媒が排出される側の冷媒孔Ｈ２に通じている。第１冷媒流路Ｐ２ｉｎと第２冷媒流路Ｐ２ｏｕｔが、先の冷却器１０における冷媒流路Ｐ２に対応する。

仕切板２４２には、冷媒の流れ方向に沿って細長い開口を有する複数のノズル２４３が設けられている。ノズル２４３は、仕切板２４２から冷却器の一方の側板（パワーカードと接している金属板）に向けて伸びており、その先端が、金属板に向けて開口している。

前述したように、金属板の裏面には、前述の金属板１３と同様に複数のフィン１１４が設けられている。即ち、図１２には描かれていないが、図１２において筐体１１８の下面には、先の筐体１８と同様に開口Ｈ１が設けられており、その開口を金属板が塞いでいる。そして、その金属板の裏面から複数のフィン１１４が伸びている。ただし、フィンの向きが先の金属板１３のフィン１４と異なることに留意されたい。先の金属板１３のフィン１４は、冷却器１０の長手方向（図中のＹ軸方向）に沿って伸びているが、冷却器２１０のフィン１１４は、冷却器１０の短手方向（図中のＺ軸方向）に沿って伸びている。ノズル２４３の先端は、フィン１１４の先端に当接している。

冷却器２１０における冷媒の流れを説明する。一方の冷媒孔Ｈ２と冷媒入口２４４を通って流入する冷媒流Ｆｉｎは、第１冷媒流路Ｐ２ｉｎを流れる。第１冷媒流路Ｐ２ｉｎの先端（冷媒入口２４４と対向する面）は閉塞している。それゆえ、第１冷媒流路Ｐ２ｉｎを流れる冷媒は、ノズル２４３を通じて第２冷媒流路Ｐ２ｏｕｔへと向かう。ノズル２４３は、冷却器２１０のパワーカードと面している側板に向かって開口しており、ノズル２４３から噴出する冷媒は、その側板の裏面（側板に取り付けられた金属板の裏面）に衝突する。即ち、冷却器２１０は、連結管の一方から他方へ向けて流れる間に冷媒が冷却器の側板（金属板）の裏面に噴き付けられるように冷媒流路が屈曲又は湾曲している。図１２における矢印線Ｂが、屈曲または湾曲する冷媒の流れを示している。第１冷媒流路Ｐ２ｉｎとノズル２４３の内部空間が、屈曲または湾曲する冷媒に相当する。パワーカードに接している金属板の裏面に冷媒が噴き付けられることにより、冷媒は、金属板を介してパワーカードの熱を効率よく吸収する。なお、金属板の裏面に設けられた複数のフィン１１４も冷却効率向上に寄与する。金属板に衝突した冷媒は、フィン１１４からも熱を吸収しながら、第２冷媒流路Ｐ２ｏｕｔを進み、冷媒出口２４６を通り、他方の冷媒孔Ｈ２へと排出される。図１２の矢印線Ｃが、ノズル２４３を出て金属板に向かい、金属板から跳ね返り、フィン１１４の間を通り、冷媒出口２４６に向かう冷媒の流れを示している。

衝突噴流型の冷却器２１０は、平行流型の冷却器１０と比較して冷却能力が高い。一方、図１２に良く示されているように、冷却器２１０は流路構造が冷却器１０よりも複雑であるので、流路抵抗が冷却器１０よりも高い。積層ユニットの変形例とそして、複数の冷却器には、平行流型冷却器と衝突噴流型冷却器が混在していてもよい。そのような積層ユニットは、積層する複数の冷却対象の発熱量が異なる場合に有効である。積層ユニットが平行流型冷却器と衝突噴流型冷却器の冷却器を含む場合、先に説明した補強リブ１２は、衝突噴流型冷却器よりも流路抵抗が小さい平行流型冷却器に設け、衝突噴流型冷却器には設けないことも好適である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却器１０（１１０）は、筐体から突出する突出部１８ａ（１１８ａ、１１８ｂ）を有している。突出部１８ａ（１１８ａ、１１８ｂ）は、パワーカードを挟んで隣接する冷却器を連結し、冷媒を通す連結管に相当する。突出部１８ａ（１１８ａ、１１８ｂ）は、矩形筒状であるが、円筒状であってもよい。また、筐体から伸びる突出部１８ａ（１１８ａ、１１８ｂ）を設けるかわりに、筐体とは別部品の管（連結管）で対向する冷媒孔を接続してもよい。

実施例の積層ユニットでは、複数の冷却器と複数のパワーカードが一枚ずつ交互に積層されている。複数の冷却器と複数のパワーカードは一枚ずつ交互に積層することが望ましいがこれに限られない。２個のパワーカードを一対の冷却器で挟持してもよい。また、積層ユニットは、コンデンサやリアクトルもパワーカードと一緒に積層されるものであってもよい。実施例のパワーカードは半導体素子としてＩＧＢＴを内蔵している。パワーカードが内蔵する半導体素子は、ＩＧＢＴに限られない。

補強リブの数、及び厚みは実施例に限られない。補強リブの数を増やすと、あるいは、補強リブの厚みを増すと、流路抵抗が増える。そこで、複数の冷却器において補強リブの数あるいは厚みを変えることで、各冷却器の流路抵抗を意図的に変えることも好適である。例えば、冷媒供給管に近い冷却器は遠い冷却器と比較して冷媒流の圧力が高く、冷却器内に冷媒が多く流れ込む。それに比べて冷媒排出管から遠い冷却器には流れ込む冷媒の量が少なくなる傾向がある。それゆえ、冷媒供給管に近い冷却器は、遠い冷却器と比較して補強リブの数あるいは厚みを増すことで流路抵抗を高めることもよい。そうすることで、冷媒供給管に近い冷却器と遠い冷却器で流れる冷媒の量を均一化することができる。

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、１０２：積層ユニット
３：絶縁板
４：ガスケット
１０、１１０、２１０：冷却器
１２：補強リブ
１３：金属板
１４、１１４：フィン
１５：仕切板
１８、１１８、２１８：筐体
１８ａ、１１８ａ、１１８ｂ、２１８ａ：突出部
１８ｂ、１８ｃ：側板
２０：パワーカード
２１：半導体素子
２２：スペーサ
２３、２６：放熱板
２４：樹脂パッケージ
４０：カバープレート
１１０：冷却器
１１８：筐体
１１８ｄ：拡径部
２４２：仕切板
２４３：ノズル
２４４：冷媒入口
２４６：冷媒出口
Ｈ１：開口
Ｈ２：冷媒孔
Ｌ１、Ｌ２：沿面距離
Ｐ１：冷媒供給路
Ｐ２：冷媒流路
Ｐ２ｉｎ：第１冷媒流路
Ｐ２ｏｕｔ：第２冷媒流路
Ｐ３：冷媒排出路
Ｒ１、Ｒ２：突起
Ｔ：溝

Claims (3)

1. 半導体素子を収納した複数のパワーカードと複数の冷却器とを交互に積層した積層ユニットであり、
   前記冷却器は、
   内部が空洞の樹脂製の筐体を有しており、
   前記筐体の積層方向両側に、前記パワーカードと対向するように開口が設けられているとともに、その開口を塞ぐように金属板が取り付けられており、
   前記パワーカードを挟んで隣接する前記冷却器の筐体同士が冷媒を通す連結管によってガスケットを挟んで連結されており、
   積層方向からみたときに前記ガスケットと重なる位置に、積層方向で対向する冷却器の一対の側板を連結する補強リブが設けられている、
   ことを特徴とする積層ユニット。
2. 前記複数の冷却器は、内部空間を冷媒が流れる際の流路抵抗が異なる第１タイプの冷却器と第２タイプの冷却器を含み、前記補強リブは第２タイプよりも流路抵抗の小さい第１タイプの冷却器に設けられており、前記第２タイプの冷却器には前記補強リブが設けられていないことを特徴とする請求項１に記載の積層ユニット。
3. 前記第１タイプの冷却器は、前記連結管の一方から他方へ向けて前記筐体の内部を冷媒が直線的に流れる平行流型冷却器であり、
   前記第２タイプの冷却器は、前記連結管の一方から他方へ向けて流れる間に冷媒が冷却器の側板に噴き付けられるように冷媒流路が屈曲又は湾曲している衝突噴流型冷却器であることを特徴とする請求項２に記載の積層ユニット。

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