JP4023416B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本発明は，複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器に関する。

従来より、図６に示すごとく、半導体素子を内蔵した半導体モジュール９２の放熱を行うために、該半導体モジュール９２を両面から挟持するように冷却チューブ９３を配設してなる冷却器９がある（特許文献１、特許文献２参照）。
この冷却器９においては、上記半導体モジュール９２とその両面に配置した冷却チューブ９３とを、挟圧部材９４１，９４２によって挟圧した構成となっている。上記半導体モジュール９２の両面に配置された一対の上記冷却チューブ９３と上記挟圧部材９４１，９４２とによって両面冷却ユニット９５を構成している。

しかしながら、隣り合う上記両面冷却ユニット９５における冷却チューブ９３の間には、少なくとも上記挟圧部材９４１，９４２の厚み分以上の隙間９１、即ち例えば１０ｍｍ強の隙間９１を設ける必要がある。そのため、上記冷却器９の体格が大きくなってしまうという問題がある。
また、両面冷却ユニット９５ごとに上記挟圧部材９４１，９４２を配設するため、部品点数も多くなり、組付け工数の増加、製造コストの増加につながるという問題もある。

また、冷却チューブと半導体モジュールとを交互に積層配置することにより、冷却器の小型化を図ることが考えられる。
しかしながら、かかる構造をとると、一つの冷却チューブを挟んでその両側面に２つの半導体モジュールを配置することとなる。そのため、それらの半導体モジュールの発熱量が大きく異なると、一方の半導体モジュールから他方の半導体モジュールに熱移動が生じるおそれがある。これにより、上記冷却器の冷却能力が低下する原因となりうる。

また、上記半導体モジュールの発熱量のばらつきに伴う熱膨張のばらつきが、積層方向に関して互いに干渉し合い、部分的な負荷がかかるおそれがあるという問題がある。
また、各半導体モジュールの間に厚みのばらつきがあった場合にも、そのばらつきが積層方向について影響し合うこととなる。

更に、半導体モジュールを複数並列配置して冷却チューブと積層して、多層とした場合、並列配置された上記半導体モジュールの間の厚みばらつきを吸収することが困難となる。即ち、上記半導体モジュールの厚みばらつきは、多層となるほどその全体としての厚みばらつきが大きくなり、冷却チューブによる挟持力にばらつきが生ずるおそれがある。その結果、冷却チューブと半導体モジュールとの接触熱抵抗が大きくなり、冷却能力が低下するおそれがある。
特開２００１−３２０００５号公報 特開２００２−２６２１５号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、小型で優れた冷却能力を有する冷却器を提供しようとするものである。

第１の発明は、複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器であって、
該冷却器は、上記電子部品を複数個並列させた状態で挟持するように配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる一対の扁平状の冷却チューブからなる両面冷却ユニットを有し、
該両面冷却ユニットは、上記冷却チューブの厚み方向に複数個配列しており、
かつ、隣り合う上記両面冷却ユニットの間には、隙間が形成されており、
隣り合う上記両面冷却ユニットの間の上記隙間には、断熱部材が配設されていることを特徴とする冷却器にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記冷却器においては、隣り合う上記両面冷却ユニットの間に隙間が形成されている。そのため、各電子部品の発熱量が異なっても、他の電子部品に熱移動することを防ぐことができる。これにより、上記冷却器の冷却能力を確保することができる。

また、上記電子部品の発熱量のばらつきに伴う熱膨張のばらつきがあっても、個々の両面冷却ユニットにおいて、そのばらつきを吸収することができ、他の両面冷却ユニットに干渉することを防ぐことができる。即ち、上記電子部品の厚みの変化にばらつきがあっても、上記各両面冷却ユニットにおける扁平状の冷却チューブが適宜撓んだりすることにより上記電子部品に追従させることができると共に、その各冷却チューブの撓み等が他の両面冷却ユニットに干渉することがない。

また、各電子部品の間に厚みのばらつきがあった場合にも、そのばらつきを個々の両面冷却ユニットにおいて吸収することができる。
更に、並列配置した複数の上記電子部品の間の厚みばらつきについても、個々の両面冷却ユニットにおいて吸収することができる。それ故、冷却チューブと電子部品との接触熱抵抗を小さくすることができ、充分な冷却能力を確保することができる。

また、上記両面冷却ユニットの両面から挟圧する挟圧部材として、積層方向に大きな厚みを有するものを用いなければ、隣り合う上記両面冷却ユニットの間の隙間を小さくすることができ、冷却器の小型化を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、小型で優れた冷却能力を有する冷却器を提供することができる。
第２の発明は、複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器であって、
該冷却器は、上記電子部品を複数個並列させた状態で挟持するように配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる一対の扁平状の冷却チューブからなる両面冷却ユニットを有し、
該両面冷却ユニットは、上記冷却チューブの厚み方向に複数個配列しており、
かつ、隣り合う上記両面冷却ユニットの間には、隙間が形成されており、
上記冷却器は、上記隙間の厚みと略同等の幅を有する凸部と、その間に形成され上記両面冷却ユニットと略同等の幅を有する凹部とを、それぞれ複数設けてなるストッパを有し、該ストッパは、上記凸部を上記隙間に嵌入すると共に、上記凹部に上記両面冷却ユニットを嵌入させていることを特徴とする冷却器にある（請求項３）。

本発明において、上記電子部品は、例えば、ＩＧＢＴ等の半導体素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールとすることができる。そして、該半導体モジュールは、自動車用インバータ、産業機器のモータ駆動インバータ、ビル空調用のエアコンインバータ等に用いるものとすることができる。
また、上記電子部品として、上記半導体モジュール以外にも、例えば、パワートランジスタ、パワーＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を用いることもできる。

また、上記冷却媒体としては、例えば、エチレングリコール系の不凍液が混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒などを用いることができる。

また、上記第１の発明（請求項１）においては、隣り合う上記両面冷却ユニットの間の上記隙間には、断熱部材が配設されていている。
これにより、複数の電子部品の間の熱移動を防止することができるため、冷却能力の高い冷却器を得ることができる。また、上記断熱部材として伸縮可能な部材を用いることにより、上記電子部品の厚みばらつきを上記両面冷却ユニット毎に吸収することができ、冷却チューブによる電子部品の挟持を確実に行うことができる。その結果、冷却能力を向上させることができる。
上記断熱部材としては、例えば樹脂板、樹脂系充填材等の熱伝導率が低い部材等を用いることができる。

また、上記隙間の厚みは、上記電子部品の厚みよりも小さいことが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記冷却器の体格を小さくすることができる。また、複数の上記電子部品同士の距離を短くすることができるため、隣り合う電子部品の端子間を接続する場合、その間の電気的抵抗を小さくすることができる。
また、上記隙間の厚みを上記電子部品の厚みより小さくすることにより、上記電子部品を上記冷却器に組み入れる際に、電子部品を上記隙間に挿入することができないようにすることができる。これにより、確実に電子部品を正しい位置、即ち上記両面冷却ユニットにおける一対の冷却チューブの間にのみ配設することができ、上記電子部品を確実に冷却することができる。

また、上記隙間の厚みは、０．１〜１０ｍｍであることが好ましい（請求項５）。
この場合には、小型で優れた冷却能力を有する冷却器を確実に得ることができる。上記隙間の厚みが０．１ｍｍ未満の場合には、上記電子部品間の熱移動を充分に防止することができないおそれがある。また、上記電子部品の厚みばらつきがあったとき、隣り合う両面冷却ユニット同士が互いに干渉するおそれがあり、冷却能力が低下するおそれがある。
一方、上記隙間の厚みが１０ｍｍを超える場合には、上記冷却器の小型化が困難となるおそれがある。

また、上記第２の発明（請求項３）においては、上記冷却器は、上記隙間の厚みと略同等の幅を有する凸部と、その間に形成され上記両面冷却ユニットと略同等の幅を有する凹部とを、それぞれ複数設けてなるストッパを有し、該ストッパは、上記凸部を上記隙間に嵌入すると共に、上記凹部に上記両面冷却ユニットを嵌入させている。
これにより、上記電子部品と上記冷却チューブとの間の押圧力確保し、両者を確実に接触させることができる。それ故、電子部品と冷却チューブとの接触熱抵抗を低減することができ、冷却能力に優れた冷却器を得ることができる。
また、上記ストッパは、複数の上記両面冷却ユニットに対して１個取り付けることができるため、冷却器の製造が容易であり、製造コストを低減することもできる。
なお、上記冷却器におけるストッパの配設個数は、１個でもよいし、複数個であってもよい。
また、上記第１の発明（請求項１）において、更に、上記冷却器は、上記隙間の厚みと略同等の幅を有する凸部と、その間に形成され上記両面冷却ユニットと略同等の幅を有する凹部とを、それぞれ複数設けてなるストッパを有し、該ストッパは、上記凸部を上記隙間に嵌入すると共に、上記凹部に上記両面冷却ユニットを嵌入させていることが好ましい（請求項２）。

また、上記両面冷却ユニットは、上記電子部品と上記冷却チューブとの間に介在させた接着剤によって、上記電子部品と上記一対の冷却チューブとを一体化することもできる（請求項６）。
この場合には、容易かつ確実に上記冷却チューブによって上記電子部品を挟持することができる。上記接着剤としては、例えば熱伝導性接着剤等を用いることができる。また、薄型挟圧部材で強度を持たせた上から熱伝導性接着剤等を塗布してもよい。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる冷却器につき、図１を用いて説明する。
上記冷却器１は、複数の電子部品２を両面から冷却するための冷却器である。
該冷却器１は、図１に示すごとく、内部に冷却媒体６を流通させる一対の扁平状の冷却チューブ３からなる両面冷却ユニット４を有する。上記冷却チューブ３は、上記電子部品２を２個並列させた状態で挟持するように配置される。

上記両面冷却ユニット４は、上記冷却チューブ３の厚み方向に複数個配列している。そして、隣り合う上記両面冷却ユニット４の間には、隙間１１が形成されている。
即ち、該隙間１１は、上記冷却チューブ３における電子部品２と反対側の面と、これと隣合う冷却チューブ３における電子部品２と反対側の面との間に、上記隙間１１が形成される。
該隙間１１の厚みδは、上記電子部品２の厚みｔよりも小さく、約２ｍｍである。
また、上記冷却チューブ３は、アルミニウムの押出成形品からなる。

上記電子部品２は、ＩＧＢＴ素子とダイオードとを内蔵した半導体モジュールである。そして、該半導体モジュール（電子部品２）は、自動車用インバータの一部を構成する。
また、上記冷却媒体６としては、エチレングリコール系の不凍液が混入した水等を用いる。

上記冷却器１は、冷却媒体６を上記冷却チューブ３に供給するための供給ヘッダ１２と、上記冷却チューブ３から冷却媒体６を排出する排出ヘッダ１３とを有する。各冷却チューブ３は、その両端において、上記供給ヘッダ１２及び排出ヘッダ１３と接続されている。上記冷却チューブ３と、上記供給ヘッダ１２及び排出ヘッダ１３との接続は、かしめ及び樹脂系の接着剤による接着によって行われる。

上記冷却器１を製造するに当っては、治具等を用いて、多数の上記冷却チューブ３を所定の間隔を設けて略平行に並べる。上記所定の間隔は、上記電子部品２の厚みｔ分の間隔と上記隙間１１の厚みδ分の間隔であり、これらが交互に形成されるように冷却チューブ３を並べる。上記電子部品２の厚みｔ分の間隔を設けて略平行に並べられた一対の冷却チューブ３によって、上記両面冷却ユニット４が形成される。

そして、該両面冷却ユニット４における一対の冷却チューブ３の間に、それぞれ上記電子部品２を２個ずつ並列して挿入する。
電子部品２を装着した後に、一対の上記冷却チューブ３を電子部品２に押し付けるようにして保持する。

この状態において、上記冷却チューブ３の両端部を、それぞれ、上記供給ヘッダ１２及び排出ヘッダ１３に接続する。上記冷却チューブ３と供給ヘッダ１２及び排出ヘッダ１３とは、かしめ及び樹脂系の接着剤により接合する。
以上により、上記冷却器１を得る。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記冷却器１においては、隣り合う上記両面冷却ユニット４の間に隙間１１が形成されている。そのため、各電子部品２の発熱量が異なっても、他の電子部品２に熱移動することを防ぐことができる。これにより、上記冷却器１の冷却能力を確保することができる。

また、上記電子部品２の発熱量のばらつきに伴う熱膨張のばらつきがあっても、個々の両面冷却ユニット４において、そのばらつきを吸収することができ、他の両面冷却ユニット４に干渉することを防ぐことができる。即ち、上記電子部品２の厚みｔの変化にばらつきがあっても、上記各両面冷却ユニット４における扁平状の冷却チューブ３が適宜撓んだりすることにより上記電子部品２に追従させることができると共に、その各冷却チューブ３の撓み等が他の両面冷却ユニット４に干渉することがない。

また、各電子部品２の間に厚みのばらつきがあった場合にも、そのばらつきを個々の両面冷却ユニット４において吸収することができる。
更に、並列配置した複数の上記電子部品２の間の厚みばらつきについても、個々の両面冷却ユニット４において吸収することができる。それ故、冷却チューブ３と電子部品２との接触熱抵抗を小さくすることができ、充分な冷却能力を確保することができる。

また、上記冷却器１においては、上記両面冷却ユニット４の両面から挟圧する挟圧部材を特に用いないため、隣り合う上記両面冷却ユニット４の間の隙間１１を小さくすることができ、冷却器１の小型化を図ることができる。

また、上記隙間１１の厚みδは、上記電子部品２の厚みｔよりも小さいため、上記冷却器１の体格を小さくすることができる。また、複数の上記電子部品２同士の距離を短くすることができるため、隣り合う電子部品２の端子間を接続する場合、その間の電気的抵抗を小さくすることができる。

また、上記隙間１１の厚みδを上記電子部品２の厚みｔより小さくすることにより、上記電子部品２を上記冷却器１に組み入れる際に、電子部品２を上記隙間１１に挿入することができないようにすることができる。これにより、確実に電子部品２を正しい位置、即ち上記両面冷却ユニット４における一対の冷却チューブ３の間にのみ配設することができ、上記電子部品２を確実に冷却することができる。
また、上記隙間１１の厚みδは、約２ｍｍであるため、小型で優れた冷却能力を有する冷却器１を確実に得ることができる。

以上のごとく、本例によれば、小型で優れた冷却能力を有する冷却器を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図２に示すごとく、隣り合う両面冷却ユニット４の間の隙間１１に、断熱部材１４を配設した例である。
該断熱部材１４としては、熱伝導率の低い伸縮可能な樹脂からなるもの、例えば、シリコン板、フッ素樹脂板、樹脂充填材、ゴム板等を用いる。
その他は、実施例１と同様である。

この場合にも、複数の電子部品２の間の熱移動を防止することができるため、冷却能力の高い冷却器１を得ることができる。また、上記断熱部材１４として、伸縮可能な部材を用いているため、上記電子部品２の厚みｔばらつきを上記両面冷却ユニット４毎に吸収することができ、冷却チューブ３による電子部品２の挟持を確実に行うことができる。その結果、冷却能力を向上させることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

（実施例３）
本例は、図３、図４に示すごとく、隙間１１の厚みδと略同等の幅を有する凸部５１と、その間に形成され両面冷却ユニット４と略同等の幅を有する凹部５２とを、それぞれ複数設けてなるストッパ５を配設した冷却器１の例である。
該ストッパ５は、凸部５１を隙間１１に嵌入すると共に、凹部５２に両面冷却ユニット４を嵌入させている。

上記ストッパ５は、図３に示すごとく、上記冷却チューブ３の長さ方向の中間位置であって、並列配置された２つの上記電子部品２の間において、冷却チューブ３に直交するように配設される。
また、上記ストッパ５における上記凹部５２は、若干斜めに切り込まれたテーパ形状に形成されている。
上記ストッパ５は、上記冷却器１に全ての電子部品２を挿入した後に、上記凸部５１を隙間１１に押し込むようにして配設する。
その他は、実施例１と同様である。

この場合には、上記電子部品２と上記冷却チューブ３との間の押圧力を確保し、両者を確実に接触させることができる。それ故、電子部品２と冷却チューブ３との接触熱抵抗を低減することができ、冷却能力に優れた冷却器１を得ることができる。
また、上記ストッパ５は、複数の上記両面冷却ユニット３に対して１個取り付けることができるため、冷却器１の製造が容易であり、製造コストを低減することもできる。
その他、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本例においては、上記ストッパ５の配設個数は１個としたが、複数個とすることもできる。即ち、上記ストッパ５を上記冷却チューブ３に対して、例えば上方と下方との双方から配設することもでき、また、上記ストッパ５を上記電子部品２の配設位置に交差するように配設することもできる。

（実施例４）
本例は、図５に示すごとく、電子部品２と冷却チューブ３との間に介在させた接着剤１５によって、上記電子部品２と一対の冷却チューブ３とを一体化した例である。上記接着剤１５としては、熱伝導性接着剤を用いることができる。なお、図５においては、上記接着剤１５が電子部品２や冷却チューブ３の上面にまではみ出した状態を表している。
その他は、実施例１と同様である。
この場合には、容易かつ確実に冷却チューブ３によって電子部品２を挟持することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

実施例１における、冷却器の平面図。 実施例２における、冷却器の平面図。 実施例３における、冷却器の平面図。 図３のＡ−Ａ線矢視断面図。 実施例４における、冷却器の平面図。 従来例における、冷却器の平面図。

符号の説明

１ 冷却器
１１ 隙間
１２ 供給ヘッダ
１３ 排出ヘッダ
２ 電子部品
３ 冷却チューブ
４ 両面冷却ユニット
６ 冷却媒体

Claims (6)

1. 複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器であって、
   該冷却器は、上記電子部品を複数個並列させた状態で挟持するように配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる一対の扁平状の冷却チューブからなる両面冷却ユニットを有し、
   該両面冷却ユニットは、上記冷却チューブの厚み方向に複数個配列しており、
   かつ、隣り合う上記両面冷却ユニットの間には、隙間が形成されており、
   隣り合う上記両面冷却ユニットの間の上記隙間には、断熱部材が配設されていることを特徴とする冷却器。
2. 請求項１において、上記冷却器は、上記隙間の厚みと略同等の幅を有する凸部と、その間に形成され上記両面冷却ユニットと略同等の幅を有する凹部とを、それぞれ複数設けてなるストッパを有し、該ストッパは、上記凸部を上記隙間に嵌入すると共に、上記凹部に上記両面冷却ユニットを嵌入させていることを特徴とする冷却器。
3. 複数の電子部品を両面から冷却するための冷却器であって、
   該冷却器は、上記電子部品を複数個並列させた状態で挟持するように配置されると共に内部に冷却媒体を流通させる一対の扁平状の冷却チューブからなる両面冷却ユニットを有し、
   該両面冷却ユニットは、上記冷却チューブの厚み方向に複数個配列しており、
   かつ、隣り合う上記両面冷却ユニットの間には、隙間が形成されており、
   上記冷却器は、上記隙間の厚みと略同等の幅を有する凸部と、その間に形成され上記両面冷却ユニットと略同等の幅を有する凹部とを、それぞれ複数設けてなるストッパを有し、該ストッパは、上記凸部を上記隙間に嵌入すると共に、上記凹部に上記両面冷却ユニットを嵌入させていることを特徴とする冷却器。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記隙間の厚みは、上記電子部品の厚みよりも小さいことを特徴とする冷却器。
5. 請求項１〜４のいずれか一項において、上記隙間の厚みは、０．１〜１０ｍｍであることを特徴とする冷却器。
6. 請求項１〜５のいずれか一項において、上記両面冷却ユニットは、上記電子部品と上記冷却チューブとの間に介在させた接着剤によって、上記電子部品と上記一対の冷却チューブとを一体化していることを特徴とする冷却器。

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