JP6102641B2

JP6102641B2 - 積層型冷却器

Info

Publication number: JP6102641B2
Application number: JP2013178800A
Authority: JP
Inventors: 安浩水野; 功玉田; 智寛島津; 浜田　浩; 浩浜田; 勇輔高木; 栄治中川
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP2015050211A

Description

本発明は、積層型冷却器に関する。

ハイブリッドカーや電気自動車には、ＤＣ−ＤＣコンバータ等の電力変換装置が用いられている。電力変換装置は、スイッチング素子等の半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、半導体モジュールを冷却するための熱交換部を有する冷却器とを備えている。電力変換装置に用いられる冷却器としては、例えば、特許文献１に示されたものがある。

特許文献１には、複数の冷却管によって構成された熱交換部を有する冷却器を備えた電力変換装置が開示されている。熱交換部においては、複数の半導体モジュールと複数の冷却管とが交互に積層され、冷却管内に形成された冷媒流路内を流通する冷媒と熱交換することで冷却可能に構成されている。

特開２０１１−２２８５８０号公報

しかしながら、特許文献１に示された冷却器には以下の課題がある。
電力変換装置においては、小型化の要望があり、冷却器においても容積の大半を占める熱交換部の小型化が求められている。熱交換部を小型化するためには、熱交換部における積層方向の一端に配された前端冷却管と、前端冷却管と接続され冷媒流路内に冷媒を流通させる冷媒導入管及び冷媒排出管との接続部を小径化する必要がある。この場合、冷媒導入管及び冷媒排出管に外力が加わった際に、接続部に応力が集中しやすい。そのため、前端冷却管における応力が大きくなり変形が生じやすい。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、冷媒導入管及び冷媒排出管に外力が加わった際の変形を抑制しながら小型化を可能とする積層型冷却器を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、冷媒を流通させる冷媒流路を有する複数の冷却管を、隣り合う該冷却管同士が連結されると共に両者の間に発熱部品を配置するための配置空隙が形成されるように並べて配置してなる熱交換部と、
上記冷媒流路へ冷媒を導入する冷媒導入管と、
上記冷媒流路から冷媒を排出する冷媒排出管とを備えており、
上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管は、上記複数の冷却管のうち、該複数の冷却管の並び方向における一端である前端に配された前端冷却管から上記並び方向に延出されており、
該前端冷却管の剛性を向上させる剛性向上手段を備えており、
上記前端冷却管は、前方側に配された前方外殻プレートと、後方側に配されるとともに、上記前方外殻プレートに接合されて上記前方外殻プレートとの間に上記冷媒流路をなす空隙を形成する後方外殻プレートとを備えており、
上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管は、上記前方外殻プレートに接合されており、
上記剛性向上手段として、少なくとも、上記前方外殻プレートの厚さを、上記後方外殻プレートの厚さに比べて大きくしているとともに、上記前端冷却管に重ね合わされた補強プレートを備え、
該補強プレートは、上記前端冷却管における上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管との接続部の周囲に接合された接合部を有し、
上記補強プレートの厚さは上記前方外殻プレートの厚さよりも大きいことを特徴とする積層型冷却器にある。

上記積層型冷却器は、上記前端冷却管の剛性を向上させる剛性向上手段を備えている。そのため、上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管に外力がかかった際に、上記前端冷却管に変形が生じることを防止することができる。これにより、上記熱交換部の小型化を図るべく、上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管における上記前端冷却管との接続部を小径化した際にも、上記前端冷却管の変形を防止することができる。これにより、上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管に外力が加わった際の変形を抑制しつつ、上記積層型冷却器の小型化を図ることができる。

以上のごとく、上記積層型冷却器によれば、冷媒導入管及び冷媒排出管に外力が加わった際の変形を抑制しながら小型化が可能となる。

実施例１における、積層型冷却器を有する電力変換装置を示す説明図。図１における、II−II矢視断面図。実施例１における、積層型冷却器の部分断面図（図２のIII−III矢視断面相当）。実施例１における、補強プレートを示す説明図。図４における、Ｖ矢視図。実施例２における、積層型冷却器を示す説明図。実施例３における、積層型冷却器を示す部分断面図。実施例４における、積層型冷却器を示す部分断面図。

上記積層型冷却器において、上記熱交換部は、上記前端冷却管と、上記並び方向における後端に配された後端冷却管と、上記前端冷却管と上記後端冷却管との間に配された中間冷却管とを有しており、上記前端冷却管の剛性は、上記中間冷却管の剛性よりも大きいことが好ましい。この場合には、中間冷却管の重量及び材料費の増大とを抑制することができる。これにより、上記積層型冷却器の軽量化及びコストダウンをしつつ、変形を確実に防止することができる。

また、上記前端冷却管の剛性は、上記後端冷却管の剛性よりも大きいことが好ましい。この場合には、上記前端冷却管の剛性を、上記複数の冷却管のうち最も大きくすることにより、上記中間冷却管及び上記後端冷却管の重量及び材料費の増大とを抑制することができる。これにより、上記積層型冷却器の軽量化及びコストダウンをしつつ、変形を確実に防止することができる。

また、上記剛性向上手段として、上記前端冷却管に重ね合わされた補強プレートをさらに備え、該補強プレートは、上記前端冷却管における上記冷媒導入管及び上記冷媒排出管との接続部の周囲に接合された接合部を有することが好ましい。この場合には、上記補強プレートを用いて、上記前端冷却管の剛性を確実かつ容易に向上することができる。これにより、上記前端冷却管の変形を確実に防止することができる。

（実施例１）
上記積層型冷却器にかかる実施例について、図１〜図５を参照して説明する。
図１〜図３に示すごとく、積層型冷却器１は、複数の冷却管２を並べて配置してなる熱交換部１０と、冷媒流路２０へ冷媒を導入する冷媒導入管４１と、冷媒流路２０から冷媒を排出する冷媒排出管４２とを備えている。
複数の冷却管２は、冷媒を流通させる冷媒流路２０を有しており、隣り合う冷却管２同士は、互いに連結されると共に両者の間に発熱部品としての半導体モジュール５を配置するための配置空隙１１が形成されるように並べて配置してある。

冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２は、複数の冷却管２のうち、複数の冷却管２の並び方向Ｘにおける一端である前端に配された前端冷却管２１から並び方向Ｘに延出されている。
積層型冷却器１は、前端冷却管２１の剛性を向上させる剛性向上手段３を備えている。

以下、さらに詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく、本例において、積層型冷却器１の冷却管２が並べられた方向を並び方向Ｘとし、冷却管２における長手方向を横方向Ｙとし、並び方向Ｘと横方向Ｙの両方と直交する方向を上下方向Ｚとして説明する。
並び方向Ｘにおいて、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２が突出した方向を前方とし、反対側を後方とする。また、上下方向Ｚにおいて、半導体モジュール５の主電極端子５１２が突出した側を下方とし、反対側を上方として示す。
尚、上記の前後方向Ｘ、横方向Ｙ及び上下方向Ｚは、便宜的なものであり、これに限定されるものではない。

図１及び図２に示すごとく、本例の積層型冷却器１は、電力変換装置６において、複数の半導体モジュール５を冷却するためのものである。
電力変換装置６は、積層型冷却器１及び複数の半導体モジュール５からなる半導体ユニット６１と、これを収容するケース７とを有している。

図１及び図２に示すごとく、半導体ユニット６１を収容するケース７は、下方に配された底部７１と、底部７１の外周縁から上方に向かって立設した壁部７２とを有している。
底部７１は、上方から見て半導体ユニット６１の外形よりも大きい矩形状をなしている。

壁部７２は、底部７１の外周縁全周から上方に向かって立設した四角筒状をなしている。また、前方に配された壁部７２には、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２を挿通配置するための一対の貫通孔７２１が形成されている。

図１及び図２に示すごとく、半導体ユニット６１を構成する複数の半導体モジュール５は、スイッチング素子を有する本体部５１１と、本体部５１１から上方に向かって延びる複数の制御端子５１３と、本体部５１１から下方に向かって延びる複数の主電極端子５１２とを有している。

半導体モジュール５は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。本例の半導体モジュール５における本体部５１１は、平板状をなしており、１つのスイッチング素子を樹脂モールドして形成されている。
本体部５１１から上方に延びるよう形成された制御端子５１３は、制御回路基板（図示略）と接続されており、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。

図１〜図３に示すごとく、複数の半導体モジュール５を冷却する積層型冷却器１は、複数の冷却管２を並べて配置してなる熱交換部１０と、冷媒流路２０へ冷媒を導入する冷媒導入管４１と、冷媒流路２０から冷媒を排出する冷媒排出管４２とを備えている。

熱交換部１０を構成する複数の冷却管２は、冷媒を流通させる冷媒流路２０を有しており、隣り合う冷却管２同士は、互いに連結されると共に両者の間に半導体モジュール５を配置するための配置空隙１１が形成されるように並べて配置してある。複数の冷却管２は、熱交換部１０における前方側の端部に配された前端冷却管２１と、後方側の端部に配された後端冷却管２２と、前端冷却管２１と後端冷却管２２との間に配された中間冷却管２３とを有している。

本例において、冷却管２は、前方側に配された前方外殻プレート２１１と、後方側に配された後方外殻プレート２１２と、前方外殻プレート２１１及び後方外殻プレート２１２の間に配された中間プレート２１３とを有している。

前方外殻プレート２１１と後方外殻プレート２１２を接合した際に、両者の間には冷媒流路２０をなす空隙が形成されており、冷媒流路２０は、中間プレート２１３によって前後方向に２分割されている。複数の冷却管２は、半導体モジュール５を両面から挟持するように配されており、隣り合う冷却管２は、横方向Ｙの両端部付近において連結管４３によって、互いに連結されている。

図１〜図３に示すごとく、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２は、前端冷却管２１を基端として、前方に向けて延伸されている。また、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２は、基端側管部４１１、４２１から積層方向Ｘに向けて延伸されつつ２段階に拡径されており、前方側に配された先端部が先端側管部４１２、４２２を構成している。つまり、基端側管部４１１、４２１と先端側管部４１２、４２２との間には、両者の中間の外径を有する中間管部４１３、４２３が形成されており、基端側管部４１１、４２１と中間管部４１３、４２３との境界部分及び中間管部４１３、４２３と先端側管部４１２、４２２との境界部分の各々にテーパ状の段部４１４、４２４が形成されている。

本例において、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２は、基端側管部４１１、４２１の基端側の一部が、前端冷却管２１の前方外殻プレート２１１と共にプレス成形によって形成されており、これより先端側は、別部材で形成した後、接合されている。
冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２は、横方向Ｙの両端部付近において連結管４３と略同軸上に配され、ケース７の前方に配された壁部７２に形成された一対の貫通孔７２１にそれぞれ挿通配置されている。

積層型冷却器１において、冷媒導入管４１から導入された冷媒は、適宜連結管４３を通り、各冷却管２に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管２を流れる間に、冷媒は半導体モジュール５との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、下流側の連結管４３を通り、冷媒排出管４２に導かれ排出される。冷媒としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、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等の冷媒を用いることができる。

図１〜図３に示すごとく、積層型冷却器１における前端冷却管２１は、前端冷却管２１の剛性を向上させる剛性向上手段３としての補強プレート３１と、補強プレート３１を仮保持するための係合爪２５とを備えている。
補強プレート３１は、略長方形の平板からなり、長手方向が横方向Ｙ、法線方向が並び方向Ｘとなるように、接合部３１２において前端冷却管２１の前方面に接合されている。

図４及び図５に示すごとく、補強プレート３１の横方向Ｙにおける両端部には、横方向Ｙにおいて内側に窪むように形成された略Ｕ字状のプレート端凹部３１１を有しており、プレート端凹部３１１の内側には冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２が配されている（図２）。また、補強プレート３１における上下方向Ｚの幅は、前端冷却管２１の幅と同一に設定してある。

補強プレート３１は、前端冷却管２１における冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２との接続部２４の周囲に接合される接合部３１２を有している。接合部３１２は、プレート端凹部３１１における内周縁に沿うように形成されている。本例において、接合部３１２は、接続部２４（図３）の周囲において、前端冷却管２１の横方向Ｙの中央側における約半周に沿う略Ｃ型をなしている。接合部３１２は、その全面が前端冷却管２１に向かって突出した突起部３１３をなしている。本例においては、接合部３１２の全面を突起部３１３としたが、接合部３１２に部分的に突起部３１３を形成してもよい。

補強プレート３１の横方向Ｙ両端には、係合爪２５に契合される被係合部３２がそれぞれ一対形成されている。被係合部３２は、前端冷却管２１の係合爪２５と対応した位置において、前端冷却管２１の表面に沿うと共に、補強プレート３１から横方向Ｙ外側にそれぞれ延出するように形成されている。また、図５に示すごとく、補強プレート３１における接合部３１２と被係合部３２との間には、薄肉部３３が形成されている。並び方向Ｘにおいて、薄肉部３３の厚さは、接合部３１２の厚さよりも小さく設定されている。

前端冷却部２１と補強プレート３１とが接合される前の段階において、仮保持された補強プレート３１は、接合部３１２を前端冷却管２１の前面にろう付けすることによって接合される。このように、補強プレート３１を接合することにより、前端冷却管２１の剛性は、後端冷却管２２及び中間冷却管２３の剛性よりも大きくなる。

図１に示すごとく、積層型冷却器１と複数の半導体モジュール５からなる半導体ユニット６１は、並び方向Ｘの冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２が接続されている側と反対側から、並び方向Ｘに付勢するバネ部材７３によって押圧されている。バネ部材７３と後端冷却管２２との間には、後端冷却管２２の変形を防止するための当接板７４が配置されている。

以下、本例の作用効果について説明する。
積層型冷却器１は、前端冷却管２１の剛性を向上させる剛性向上手段３を備えている。そのため、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２に外力がかかった際に、前端冷却管２１に変形が生じることを防止することができる。これにより、熱交換部１０の小型化を図るべく、冷媒導入管４１と冷媒排出管４２における前端冷却管２１との接続部２４を小径化した際にも、前端冷却管２１の変形を防止することができる。これにより、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２に外力がかかった際の変形を抑制しつつ、積層型冷却器１の小型化を図ることができる。

また、熱交換部１０は、前端冷却管２１と、並び方向Ｘにおける後端に配された後端冷却管２２と、前端冷却管２１と後端冷却管２２との間に配された中間冷却管２３とを有しており、前端冷却管２１の剛性は、中間冷却管２３及び後端冷却管２２の剛性よりも大きい。そのため、前端冷却管２１の剛性を、複数の冷却管２のうち最も大きくすることにより、中間冷却管２３及び後端冷却管２２の重量及び材料費の増大を抑制することができる。これにより、積層型冷却器１の軽量化及びコストダウンをしつつ、変形を確実に防止することができる。

また、剛性向上手段３は、前端冷却管２１に重ね合わされた補強プレート３１からなり、補強プレート３１は、前端冷却管２１における冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２との接続部２４の周囲に接合された接合部３１２を有している。そのため、補強プレート３１を用いて、前端冷却管２１の剛性を確実かつ容易に向上することができる。これにより、前端冷却管２１の変形を確実に防止することができる。

また、補強プレート３１は、接合部３１２に、前端冷却管２１に向かって突出した突起部３１３を有している。そのため、突起部３１３を前端冷却管２１に確実に接触させることができる。これにより、接合部３１２において、補強プレート３１と前端冷却管２１とを確実に接合することができる。

また、前端冷却管２１は、補強プレート３１を保持する係合爪２５を有しており、補強プレート３１は、係合爪２５と係合可能な被係合部３２を有しており、係合爪２５を係合することにより、係合爪２５と被係合部３２と係合し、前端冷却管２１に補強プレート３１を仮保持可能に構成されている。そのため、補強プレート３１と前端冷却管２１との接合作業を容易に行うことができる。これにより、積層型冷却器１の生産性を向上することができる。

また、補強プレート３１において、接合部３１２と被係合部３２との間には、接合部３１２の厚さよりも薄い厚さで形成された薄肉部３３を有している。そのため、被係合部３２に力が掛かった際に、薄肉部３３を変形させることにより、接合部３１２に力が伝達されることを防止できる。これにより、接合部３１２における変形を防止することができる。

以上のごとく、本例の積層型冷却器１によれば、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２に外力が加わった際の変形を抑制しながら小型化が可能となる。

本例においては、一部材の補強プレート３１を用いたがこれに限るものではなく、冷媒導入管４１側及び冷媒排出管４２側に分割された補強プレート３１を用いることもできる。また、補強プレート３１は、本例に示すごとく、前端冷却管２１の前面に接合してもよいし、前端冷却面の後面に接合してもよい。

（実施例２）
本例は、図６に示すごとく、冷却管の形状を一部変更した積層型冷却器の例である。
本例の積層型冷却器１には、上下方向Ｚにおける幅寸法を増大させた冷却管２が用いられている。

図６に示すごとく、本例の冷却管２は、並び方向Ｘから見たとき、両端部から中央側に向かって、拡幅するように形成された一対のテーパ部２６と、一対のテーパ部２６の間に配され半導体モジュール５を挟持する拡幅冷却面２７とを有している。

前端冷却管２１に接合された補強プレート３１は、冷却管２の外形に沿った形状に形成されており、並び方向Ｘから見たとき、両端部から中央側に向かって、拡幅するように形成された一対のプレートテーパ部３４と、一対のプレートテーパ部３４の間に形成されたプレート拡幅部３５とを有している。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
また、拡幅された冷却管２に、実施例１に示した補強プレート３１を用いることもできる。

（実施例３）
本例は、図７に示すごとく、剛性向上手段の一例を示すものである。
本例の積層型冷却器１においては、剛性向上手段３として、前端冷却管２１の前方外殻プレート２１１の厚さを、後方外殻プレート２１２及び中間プレート２１３の厚さに比べて大きくしたものである。
また、冷媒導入管４１及び冷媒排出管４２は、前方外殻プレート２１１と別部材によって形成されており、前方外殻プレート２１１と嵌合すると共にろう付けして接合されている。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。
また、本例においては、前方外殻プレート２１１の厚さを大きくしたが、後方外殻プレート２１２の厚さを大きくしてもよい。

（実施例４）
本例は、図８に示すごとく、剛性向上手段の他の例を示すものである。
図８に示すごとく、本例の積層型冷却器１においては、剛性向上手段３として、前端冷却管２１を構成する中間プレート２１３の厚さを、前方外殻プレート２１１及び後方外殻プレート２１２に比べて大きくしたものである。
尚、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素等を表す。
本例においても、実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

１積層型冷却器
１０熱交換部
１１配置空隙
２冷却管
２０冷媒流路
２１前端冷却管
３剛性向上手段
４１冷媒導入管
４２冷媒排出管

Claims

冷媒を流通させる冷媒流路（２０）を有する複数の冷却管（２）を、隣り合う該冷却管（２）同士が連結されると共に両者の間に発熱部品（５）を配置するための配置空隙（１１）が形成されるように並べて配置してなる熱交換部（１０）と、
上記冷媒流路（２０）へ冷媒を導入する冷媒導入管（４１）と、
上記冷媒流路（２０）から冷媒を排出する冷媒排出管（４２）とを備えており、
上記冷媒導入管（４１）及び上記冷媒排出管（４２）は、上記複数の冷却管（２）のうち、該複数の冷却管（２）の並び方向における一端である前端に配された前端冷却管（２１）から上記並び方向に延出されており、
該前端冷却管（２１）の剛性を向上させる剛性向上手段（３、３１、２１１、２１３）を備えており、
上記前端冷却管（２１）は、前方側に配された前方外殻プレート（２１１）と、後方側に配されるとともに、上記前方外殻プレート（２１１）に接合されて上記前方外殻プレート（２１１）との間に上記冷媒流路（２０）をなす空隙を形成する後方外殻プレート（２１２）とを備えており、
上記冷媒導入管（４１）及び上記冷媒排出管（４２）は、上記前方外殻プレート（２１１）に接合されており、
上記剛性向上手段（３、３１、２１１、２１３）として、少なくとも、上記前方外殻プレート（２１１）の厚さを、上記後方外殻プレート（２１２）の厚さに比べて大きくしているとともに、上記前端冷却管（２１）に重ね合わされた補強プレート（３１）を備え、
該補強プレート（３１）は、上記前端冷却管（２１）における上記冷媒導入管（４１）及び上記冷媒排出管（４２）との接続部（２４）の周囲に接合された接合部（３１２）を有し、
上記補強プレート（３１）の厚さは上記前方外殻プレート（２１１）の厚さよりも大きいことを特徴とする積層型冷却器（１）。
上記熱交換部（１０）は、上記前端冷却管（２１）と、上記並び方向における後端に配された後端冷却管（２２）と、上記前端冷却管（２１）と上記後端冷却管（２２）との間に配された中間冷却管（２３）とを有しており、上記前端冷却管（２１）の剛性は、上記中間冷却管（２３）の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の積層型冷却器（１）。
上記前端冷却管（２１）の剛性は、上記後端冷却管（２２）の剛性よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の積層型冷却器（１）。
上記補強プレート（３１）は、上記接合部（３１２）に、上記前端冷却管（２１）に向かって突出した突起部（３１３）を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の積層型冷却器（１）。
上記前端冷却管（２１）は、上記補強プレート（３１）を保持する係合爪（２５）を有しており、上記補強プレート（３１）は、上記係合爪（２５）と係合可能な被係合部（３２）を有しており、上記係合爪（２５）を係合することにより、上記係合爪（２５）と上記被係合部（３２）と係合し、上記前端冷却管（２１）に上記補強プレート（３１）を仮保持可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の積層型冷却器（１）。
上記補強プレート（３１）において、上記接合部（３１２）と上記被係合部（３２）との間には、上記接合部（３１２）の厚さよりも薄い厚さで形成された薄肉部（３３）を有していることを特徴とする請求項５に記載の積層型冷却器（１）。