JP5194557B2 - パワー素子搭載用液冷式冷却器とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、被冷却体を冷却するためのパワー素子搭載用液冷式冷却器とその製造方法に関する。

従来、液冷式冷却器としては、例えば特許文献１に記載されたものが知られている。これは冷却器本体の内部に互いに平行に離間して形成された二つのヘッダーと、これらヘッダー間に配置され各ヘッダーの水路と連通される複数の微細水路を有する多流路管（冷却部材）と、前記多流路管の上面を覆い前記冷却器本体とともに該液冷式冷却器の外周面を形成する蓋板とを備えている。また各ヘッダーの一方端には冷却液を流入又は流出させるための各配管口が夫々備えられている。そしてこの液冷式冷却器の前記蓋板の外面に被冷却体を取り付けてパワーモジュールとされ、この被冷却体から発せられる熱を、水路を流れる冷却液が熱交換させて冷却させるようになっている。前記冷却液は、流入側の配管口からヘッダーへと流入され、ヘッダー水路を通り、該ヘッダーに連通される前記多流路管の複数の微細水路を通って流出側のヘッダー水路へと送られ、該ヘッダーに備えられる配管口から流出される道中において前記被冷却体から発せられる熱を回収し、この被冷却体を冷却するようになっている。
特開２００５−２７４１２０号公報

ところで、このような液冷式冷却器では、その構成部材が上記説明したように冷却器本体、蓋板、多流路管、配管口など数種類に亘っており、また夫々の部材の形状は複雑であり、加工も鋳造後切削、押出後切削等多工程に亘り製作されるため、その生産効率は決して良いとは言えず、費用も安価とは言えない。また加工工程中も含め各部材管理が煩雑になりがちである。このような液冷式冷却器の生産効率を上げコストダウンを行うためには、いかにこれらの部材の種類を低減し、加工を簡便にして大量生産し、費用を抑え、生産・管理を容易にするかという点が課題となっていた。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、構成部材の種類を低減し、簡便な加工で大量生産して費用を抑え、生産・管理を容易にし、且つ信頼性の高いパワー素子搭載用液冷式冷却器とその製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提案している。すなわち本発明は、冷却液が流通する離間した二つのヘッダーと、これらヘッダー間に配置され冷却液を流通させる流路を備えた冷却部材とにより水路が形成され、前記冷却部材の一面に被冷却体を取り付け、この被冷却体を冷却させるよう構成されるパワー素子搭載用液冷式冷却器において、前記ヘッダーは、アルミニウムブレージングシートからなる二つの矩形皿状板が対向配置されて形成されており、前記矩形皿状板は、その外周縁に、両矩形皿状板同士で重ね合わせられる接合縁部と、前記冷却部材の流路端を含む端部を嵌入するための切り欠き部とを備え、前記接合縁部同士及び前記切り欠き部と前記端部とがろう付けにより接合されていることを特徴とする。

この発明に係るパワー素子搭載用液冷式冷却器によれば、前記ヘッダーは二つの矩形皿状板により形成されているので、これら矩形皿状板を極力共通部品となるよう成形してヘッダーを構成すれば、部材の種類を少なく抑えることができ、その生産・管理を容易に行うことができる。
またプレス加工等を用いて該矩形皿状板を成形させることとすれば、その製作が簡便となり、安価に大量生産することが可能である。

本発明のパワー素子搭載用液冷式冷却器において、前記対向配置される二つの矩形皿状板は、その接合位置を対称面として面対称に形成されていることとしてもよく、これにより、前記ヘッダーの構成部材の種類を極力少なく抑えることができる。また前記接合縁部は、フランジ状のリブ部で形成されていることとしてもよく、これにより、該接合縁部が広範囲に亘り接合されその接合強度及び本体強度が高められるので、信頼性を向上させることができる。

また本発明は、パワー素子搭載用液冷式冷却器を製造する方法であって、前記接合は、少なくとも接合される側の面にろう材料を介在させておき、このろう材料を加熱してろう付けさせることにより、同時に行われることとしてもよい。これにより、これら接合を一工程でまとめて行うことができるので、工程数が削減され生産性が向上する。また、前記端部に形成される端面には、予め酸化膜が形成されていることとしてもよく、これにより、前記酸化膜が、ろう付け接合時におけるろうダレによって、前記冷却部材の流路端を塞ぐことを防止し、良好に接合を行うことができる。

本発明に係るパワー素子搭載用液冷式冷却器とその製造方法によれば、構成部材の種類を低減し、簡便な加工で大量生産して費用を抑え、生産・管理を容易にし、且つ信頼性の高いパワー素子搭載用液冷式冷却器とその製造方法を提供することができる。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る液冷式冷却器を備えるパワー素子搭載用ユニットを示す平面図である。
このパワー素子搭載用ユニット２０は、冷却液Ｃを流通させる水路を備える液冷式冷却器１０と、この液冷式冷却器１０に設けられる冷却部材１１の一面に接合されたセラミックス絶縁層（以下「絶縁層」と省略する）５２と、絶縁層５２の一面に接合される回路層５１とにより構成されている。また前記回路層５１の一面にＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのパワー素子５３を接合することで、パワーモジュールとされる。これら絶縁層５２と回路層５１とパワー素子５３とにより被冷却体５０が構成されて、この液冷式冷却器１０により冷却されるようになっている。

図１に示すように、前記液冷式冷却器１０は、平行に離間される二つのヘッダー１及びヘッダー２と、これら両ヘッダー１，２間に配置され図の矢印Ｄ１方向に並列に配置される二つの冷却部材１１とを備えている。前記ヘッダー１，２は、扁平した直方体状の形状を有し矢印Ｄ１方向に延在され、その長手方向の一端側に近づくに連れ平面視徐々に先が細くなる態様に形成され、その端部には冷却液Ｃを流入又は流出させるための配管口３，４を夫々設けている。また前記冷却部材１１の形状は、図の矢印Ｄ１方向と矢印Ｄ２方向とに平たく扁平した板状とされている。該冷却部材１１の矢印Ｄ２方向の両端部は、夫々前記ヘッダー１，２と接合されて支持されている。

図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図を示す。また図３は、図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図を示す。前記ヘッダー１，２は、その長手方向の一端側に近づくに連れ、図２に示すように側面視徐々に先が太くなる態様に形成されている。そしてその胴体部分の断面形状は図３に示すように扁平した略矩形状から、前記一端側へ近づくに連れなだらかにその形状を略円筒状へと変化させるように形成されている。

前記ヘッダー１は、母材の両面に夫々ろう材層を有するクラッド材のアルミニウムブレージングシートをプレス成形して形成された矩形皿状板１ａと、同材料で形成されこの矩形皿状板１ａと矢印Ｄ３方向に対向配置され該矩形皿状板１ａと対称面Ｏについて面対称の形状を有する矩形皿状板１ｂとが、この対称面Ｏの位置で互いに密着され接合されて形成されている。そしてこれら矩形皿状板１ａ，１ｂの密着部にあたるその外周縁には、夫々にフランジ状のリブ部１ｄが備えられ、互いのリブ部１ｄ同士を接合させてこの中空状のヘッダー１を形成している。

前記ヘッダー２についても、上記ヘッダー１同様の構成となっている。前記アルミニウムブレージングシートをプレス成形して形成された矩形皿状板２ａと、同材料で形成されこの矩形皿状板２ａと対向配置される矩形皿状板２ｂとが、互いに密着され接合されて、その外周縁に夫々備えられるフランジ状のリブ部２ｄ同士を接合させ、この中空状のヘッダー２を形成している。そして、こうして形成される前記ヘッダー１，２は、互いに同形状・同寸法とされている。すなわち、上記矩形皿状板１ａ及び前記矩形皿状板２ｂ、上記矩形皿状板１ｂ及び前記矩形皿状板２ａは、夫々同一部品により形成されている。そして、上記対向配置される両矩形皿状板同士は、その接合位置を前記対称面Ｏとして面対称となるように、夫々その形状が形成されている。

また前記ヘッダー１，２の、互いに向き合う内側部には、前記二つの冷却部材１１を夫々支持し接合するための切り欠き部１ｅ，２ｅが二つずつ形成されている。これらの切り欠き部１ｅ，２ｅは、二つの冷却部材１１に対応する位置に開口されており、その開口部の大きさは、前記冷却部材１１の後述する端面１３と略同一寸法とされている。そしてこれら二つの冷却部材１１は、この端面１３を夫々前記切り欠き部１ｅ，２ｅに嵌入させて両ヘッダー１，２と接合され支持されている。これら冷却部材１１は、押出成形により加工された押出加工品を同一寸法に切断し、同一部品に形成されている。

図１に示すように、前記冷却部材１１には、該冷却部材１１を矢印Ｄ２方向へ貫通する複数の微細水路１２が備えられている。前記微細水路１２の両端部には、前記微細水路１２と直交する平面を形成する端面１３が形成されている。この端面１３は、予めワイヤ放電加工されたものであり、加工時においてその表面に酸化膜が形成されている。また図２に示すように、前記微細水路１２はその水路の断面形状が矩形状に形成されており、断面の上下の向きを同一にして互いに平行に矢印Ｄ１方向に連設されている。

略円筒状の外形を有する前記配管口３には、そのヘッダー１側の端部に該ヘッダー１先端を嵌入させるための略円筒穴状の穴３ａが設けられており、前記先端と接合されている。また同様に略円筒状の外形を有する前記配管口４にも、そのヘッダー２側の端部に該ヘッダー２先端を嵌入させるための略円筒穴状の穴４ａが設けられており、前記先端と接合されている。これらの配管口３及び配管口４も、同一部品により形成されている。

また、前記両ヘッダー１，２の内部には、冷却液Ｃを流通させるためのヘッダー水路１ｃ，２ｃが夫々形成されている。前記ヘッダー水路１ｃ，２ｃの形状は、その外周面を形成する前記ヘッダー１，２より肉厚分小さく前記リブ部１ｄ，２ｄを除いた略同形状に形成されている。前記ヘッダー水路１ｃ，２ｃが延在される水路形成方向と、前記複数の微細水路１２の水路形成方向とは、図１に示すように平面視略垂直になるよう配設されている。前記配管口３，４の内部に夫々形成される配管口水路３ｃ，４ｃは、その断面形状が略円形状とされ、前記両ヘッダー水路１ｃ，２ｃの一端側の端部に形成される略円形状断面と同一寸法とされ、なめらかに繋がるように接続されている。また前記両ヘッダー水路１ｃ，２ｃの長手方向の他方側の端部は、夫々その水路が閉塞されている。

図３に示すように、前記両ヘッダー水路１ｃ，２ｃは、そのヘッダー胴体部分の断面形状が夫々矢印Ｄ２方向に長く矢印Ｄ３方向に短い扁平した略矩形状に形成されている。前記冷却部材１１はその前記端面１３を夫々のヘッダー１，２の前記切り欠き部１ｅ，２ｅに嵌入させて接合されている。ここで前記端面１３は、夫々前記ヘッダー水路１ｃ，２ｃの矩形断面の短辺の一辺を構成するように配設されている。すなわち、これらの端面１３は、前記ヘッダー水路１ｃ，２ｃの内部に突出されないように配置されるため、冷却液Ｃが流通する際にその接合部分に圧力損失を発生させることを極力防止するようになっている。

また図示しないが、前記配管口３は、冷却液Ｃを流入させる冷却液流入管とその前記ヘッダー１側と反対側の端部とを接続可能に形成されている。また前記配管口４も、冷却液Ｃを流出させる冷却液流出管とその前記ヘッダー２側と反対側の端部とを接続可能に形成されている。そしてこれら冷却液流入管と冷却液流出管とを連結する外部の管路には、冷却液Ｃを冷却するための冷却手段と、冷却液Ｃを循環させるためのポンプ等の循環手段とが備えられ、これらにより冷却液Ｃが冷却され循環させられるようになっている。

そして、冷却液Ｃは、冷却液流入側の前記配管口３よりこの液冷式冷却器１０に流入され、前記ヘッダー水路１ｃを通り複数連設される前記微細水路１２を通り、前記ヘッダー水路２ｃへ送られた後、冷却液流出側の前記配管口４から流出されるようになっている。

ここで、上記各水路は、夫々の相当直径から算出した断面積が冷却液Ｃの流入から流出までにわたりすべて同一になるよう設定されている。すなわち、前記配管口水路３ｃ，４Ｃの夫々の相当直径から算出した断面積と、前記ヘッダー水路１ｃ，２ｃの各部における夫々の相当直径から算出した断面積と、前記微細水路１２の相当直径から算出した断面積の総和とは、すべて等しく、一定となるように設定されている。すなわち、この液冷式冷却器１０は、その水路の各断面における相当直径から算出した断面積の変化に起因する冷却液Ｃの圧力損失を最小限に抑えることが出来るようになっている。

また、上記構成において、両ヘッダー１，２と、二つの冷却部材１１と、両配管口３，４とは、すべてが互いにろう付け接合されて形成されている。この接合は、前記両ヘッダー１，２がアルミニウムブレージングシートで形成されていることにより、一工程において同時に行うことができるようになっている。その密閉性及び強度は、内圧をかけ試験したところ、最低でも内圧２０ｋｇｆ／ｃｍ^２に耐えうることがわかり、十分な強度を有していると言える。また前記端面１３に形成される微細水路１２の流路端は、その流路端の上下に形成される面を夫々挟むようにして接合される両ヘッダー１，２の内壁部からのろうダレにより閉塞される虞が考えられるが、その表面にはワイヤ放電加工により予め酸化膜が形成されているので、これらのろうダレを弾き、閉塞が防止されるようになっている。

前記冷却部材１１の一面には、前記液冷式冷却器１０により冷却される前記絶縁層５２及び回路層５１が、矢印Ｄ１と矢印Ｄ２の向きとに夫々間隔をあけて複数連設されている。
前記絶縁層５２は、その必要とされる絶縁特性、熱伝導率及び機械的強度を満たしていればどのようなセラミックスから形成されていてもよいが、例えば窒化アルミニウムや窒化ケイ素、酸化アルミニウムにより形成される。前記回路層５１は、導電性材料による層であり、例えば銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、銅（Ｃｕ）若しくはアルミニウム（Ａｌ）系導電材料により形成される。そして回路層５１と絶縁層５２と冷却部材１１との夫々の接合手段には、ろう付けが用いられる。またこのパワー素子搭載用ユニット２０にパワー素子５３を設けてパワーモジュールとする場合には、前記回路層５１との接合手段には、はんだ付けが用いられる。本実施形態ではこれらのろう付け層及びはんだ付け層の図示は省略する。

以上説明したように、本実施形態に係る液冷式冷却器１０を備えるパワー素子搭載用ユニット２０によれば、冷却液Ｃが複数の前記微細水路１２を流通して、冷却部材１１の一面に備えられる被冷却体５０から発せられる熱を回収するようになっている。

前記両ヘッダー１，２を構成する前記矩形皿状板１ａ及び前記矩形皿状板２ｂ、上記矩形皿状板１ｂ及び前記矩形皿状板２ａは、同一型を使用したプレス成形による同一部品に成形されているので、簡便に大量生産することができる。また、前記二つの冷却部材１１は、押出成形品を切断して同一部品に成形されている。前記配管口３，４も、同一部品により成形されている。よって、構成部材の種類が少なく製作が簡便とされ、安価に大量生産することが可能である。またその管理も容易とされる。

そしてこれらの両ヘッダー１，２、冷却部材１１、配管口３，４が、互いにろう付け接合されており、この接合は前記両ヘッダー１，２がアルミニウムブレージングシートで形成されていることにより一工程において同時に行われるので、簡便且つ確実に行われつつ工程数が削減され、生産性を向上することができる。

また前記リブ部１ｄ，２ｄは、フランジ状に形成されているため、これにより両ヘッダー１，２の縁部の接合強度及び本体強度、熱サイクルに対する耐久性が高められ、装置の信頼性を向上させることができる。また、前記端面１３には、前記ろう付けされる以前に予め酸化膜が形成されているため、ろう付け接合時におけるろうダレによって前記微細水路１２の端部が塞がれるのを防止し、良好に接合を行うことができる。

また前記ろう付けは、ろう付け用の開放炉内を窒素雰囲気にしフラックスを塗布するノコロックろう付けにより行うこととすれば、その接合処理を連続的に行うことができる。これにより、さらに生産性を向上させることが可能である。またノコロックろう付けによれば、接合部に形成されるフィレットのシール性をより高めることができる。

また、前記配管口水路３ｃ，４Ｃの夫々の相当直径から算出した断面積と、前記ヘッダー水路１ｃ，２ｃの各部における夫々の相当直径から算出した断面積と、前記微細水路１２の相当直径から算出した断面積の総和とは、すべて等しく一定となるように設定されているので、各水路を流通する冷却液Ｃに発生する圧力損失は極力小さく抑えられるようになっている。よって、該冷却液Ｃを搬送する為のポンプ出力を最小限に抑えることができ、動力ロスを低減することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、本実施形態では前記冷却部材１１の水路を多穴管により形成させるものとしたがこれに限らず、水路を矩形コルゲートフィンによって形成させたり、三角インナーフィンによって形成させたり、あるいはピンフィン、オフセットフィン等いずれの形態を用いて形成させてもよい。

また両ヘッダー１，２を構成する矩形皿状板１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂとして、母材の両面に夫々ろう材層を有するクラッド材のアルミニウムブレージングシートを用いることとしたが、これに限らず、水路側の面を形成する内側の面のみに前記ろう材層が形成されているアルミニウムブレージングシートを用いてもよい。また、本発明の参考例としては、アルミニウムブレージングシートを用いずに、接合される面にろう材料の粉体とフラックスとを混合したものを塗布することによって、ろう付け接合を行うこととしてもよい。

また図３に示すように、冷却部材１１の他面には、微細水路１２を流通する冷却液Ｃを冷却するためのアウターフィン５が備えられていることとしてもよい。前記アウターフィン５は極めて薄い金属帯板を波形に曲折形成することにより製作でき、その稜線は図２の矢印Ｄ１方向に形成されている。前記アウターフィン５は、例えばアルミニウムブレージングシートの帯板状素材を用いれば、該アウターフィン５の一面と前記冷却部材１１の他面とを簡便にろう付け接合することができる。

前記アウターフィン５が備えられた場合には、冷却液Ｃが被冷却体５０から回収した熱を効率良く空気中へ放出することができる。よって冷却液Ｃが被冷却体５０からの回収熱により各微細水路１２内で沸騰し泡が発生して、該水路形成面と冷却液Ｃとの間に膜を作って熱交換が良好に行われなくなるのを極力防止し、効率良く熱交換を行わせることができる。またこのアウターフィン５は、放熱効果を持つものであれば図２及び図３に示すような形状に限られず、例えば該アウターフィン５の替わりに冷却部材１１の他方の面の形状を凹凸形状に形成することで放熱効果を持たせる構成としてもよい。また前記アウターフィン５と前記凹凸形状とを併用した構成としても構わない。

本発明の一実施形態に係る液冷式冷却器を備えるパワー素子搭載用ユニットを示す平面図である。 図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１に示すＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。

符号の説明

１，２ ヘッダー
１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂ 矩形皿状板
１ｃ，２ｃ ヘッダー水路
１ｄ，２ｄ リブ部
１ｅ，２ｅ 切り欠き部
１０ 液冷式冷却器
１１ 冷却部材
１２ 微細水路
１３ 端面
５０ 被冷却体
５１ 回路層
５２ セラミックス絶縁層
５３ パワー素子
Ｃ 冷却液
Ｏ 対称面

Claims (5)

1. 冷却液が流通する離間した二つのヘッダーと、これらヘッダー間に配置され冷却液を流通させる流路を備えた冷却部材とにより水路が形成され、前記冷却部材の一面に被冷却体を取り付け、この被冷却体を冷却させるよう構成されるパワー素子搭載用液冷式冷却器において、
   前記ヘッダーは、アルミニウムブレージングシートからなる二つの矩形皿状板が対向配置されて形成されており、
   前記矩形皿状板は、その外周縁に、両矩形皿状板同士で重ね合わせられる接合縁部と、前記冷却部材の流路端を含む端部を嵌入するための切り欠き部とを備え、
   前記接合縁部同士及び前記切り欠き部と前記端部とがろう付けにより接合されていることを特徴とするパワー素子搭載用液冷式冷却器。
2. 請求項１記載のパワー素子搭載用液冷式冷却器において、
   前記対向配置される二つの矩形皿状板は、その接合位置を対称面として面対称に形成されていることを特徴とするパワー素子搭載用液冷式冷却器。
3. 請求項１又は請求項２記載のパワー素子搭載用液冷式冷却器において、
   前記接合縁部は、フランジ状のリブ部で形成されていることを特徴とするパワー素子搭載用液冷式冷却器。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のパワー素子搭載用液冷式冷却器を製造する方法であって、
   前記接合は、少なくとも接合される側の面にろう材料を介在させておき、このろう材料を加熱してろう付けさせることにより、同時に行われることを特徴とするパワー素子搭載用液冷式冷却器の製造方法。
5. 請求項４記載のパワー素子搭載用液冷式冷却器の製造方法であって、
   前記端部に形成される端面には、予め酸化膜が形成されていることを特徴とするパワー素子搭載用液冷式冷却器の製造方法。

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