JP3946018B2 - 液冷却式回路装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路素子がモジュール基板に取り付けられているモジュールを備え、このモジュールを冷却液で冷却する液冷却式回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の走行モータ制御用のインバータ装置などのように、発熱量が大きい電力回路素子を有する電子回路装置では、その電力回路素子の冷却を効率よく行う必要から、空気より熱容量が大きい液体を利用した液体冷却が有効である。従来における電力回路素子の液体冷却では、電気絶縁性の冷媒液中に電力回路素子を直接浸す直接浸漬方式と、電力回路素子が搭載された回路ケースに、循環する冷却液を接触させ、回路ケースを冷却することで、電力回路素子を冷却する、間接伝熱方式が主に採用されている。
【０００３】
しかし、直接浸漬方式では、特殊な冷媒の漏洩、廃棄処理、安全性など付随する問題が多いという欠点がある。また、間接伝熱方式では、回路ケースに電力回路素子等を搭載するにあたり、両者の間の伝熱性を確保するために、両者間の隙間にグリース等の物質を挿入する必要があり、これが電力回路素子の放熱を阻害するため、冷却効率が小さいという欠点がある。
【０００４】
この間接伝熱方式の欠点を解決する方法として、電力回路素子を基板に搭載し（以後、電力回路素子が搭載された装置を電力モジュールと呼ぶ）、基板の素子搭載面とは逆の面（裏面と呼ぶ）に、冷却液を直接接触させれば電力回路素子を効率よく冷却できることは容易に考えられる。この場合には、回路ケースに開口部を設け、その開口部にモジュール基板裏面を押し当てて、その開口部を塞ぎ、モジュール基板裏面に直接冷却液を接触させることが必要になる。この場合、モジュール基板裏面を回路ケース開口部に押し当て、接触した部分に隙間が生ずると、冷却液がその隙間を通って、回路ケース内に入ってしまい、回路ケース内のモジュール及び電子回路が冷却液で浸漬され、電子装置の誤動作を誘発する。
【０００５】
そこで、このような欠点を解決するために、特開平１１−１６３５７２号公報では、モジュール基板と冷却液ケースとをビス等で接合し、その内周側にＯリングを設けて、両者間のシールを行い、万一、冷却液ケース内の冷却液が漏れ出したとしても、その漏液が回路ケースに直接入ることなく、大気中に放出される構造が提示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−１６３５７２号公報に記載されている技術では、モジュール基板に、Ｏリングやビス等を取り付ける部分を確保する必要があるため、モジュール基板が大型化してしまうという問題点がある。このようにモジュール基板が大型化すると、モジュール基板自体が比較的高価であるため、コストが嵩む上に、多数の電力モジュールを搭載する場合、電力回路素子相互間の間隔が大きくなり、結果として装置全体が大きくなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目し、モジュール基板の大型化を抑え、回路ケース内に冷却液の侵入を避けることができる液冷却式回路装置及び回路素子装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための第１の液冷却式回路装置は、
電力回路素子、及び、電気的絶縁をとって該電力回路素子を実装した金属モジュール基板を有するモジュールと、
前記金属モジュール基板の裏面に形成された放熱フィンと、
前記金属モジュール基板のサイズに合った第１の開口部が形成されている金属モジュール支持板と、
前記モジュールを収納する回路ケースと、を備え、
前記金属モジュール基板の前記裏面を冷却液で冷却する液冷却式回路装置において、
前記金属モジュール支持板の前記第１の開口部には、前記金属モジュール基板が嵌め込まれ、該第１の開口部の開口縁と該金属モジュール基板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、
前記回路ケースは、平坦内面を有し、該平坦内面内であって該平坦内面の外縁から隔てた位置に、前記金属モジュール支持板のサイズに合った第２の開口部が形成され、該第２の開口部の開口縁を基点として、該回路ケースの内側から外側へ直線的に延びる側周面と、該側周面の該外側の端辺をつなぐ底面とを有する凹部が形成され、
前記金属モジュール支持板は、該金属モジュール支持板に設けられた前記金属モジュール基板の前記裏面が前記凹部側を向くように、前記回路ケースの前記第２の開口部に嵌め込まれ、該第２の開口部の開口縁と該金属モジュール支持板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、該回路ケースは、該金属モジュール支持板により、二室に仕切られ、該二室のうち、前記凹部側が冷却液室を成し、他方の室が回路収納室を成し、
前記回路ケースの前記平坦内面を形成する壁板と、前記回路ケースの前記側周面を形成する壁板とは、同一部材により一体形成されており、
前記冷却液室には、前記冷却液の流入口及び流出口が形成されている、
ことを特徴とするものである。
【０００９】
前記目的を達成するための第２の液冷却式回路装置は、
電力回路素子、及び、電気的絶縁をとって該電力回路素子を実装した金属モジュール基板を有するモジュールと、
前記金属モジュール基板の裏面に形成された放熱フィンと、
前記モジュールを収納する回路ケースと、を備え、
前記金属モジュール基板の前記裏面を冷却液で冷却する液冷却式回路装置において、
前記回路ケースは、平坦内面を有し、該平坦内面内であって該平坦内面の外縁から隔てた位置から、前記金属モジュール基板のサイズに合った開口部が形成されていると共に、該回路ケースの内側から外部側へ凹み且つ該開口部を臨む凹部が形成され、
前記凹部は、前記回路ケースの内側から外側へ直線的に延びる側周面と、該側周面の該外側の端辺をつなぐ底面とを有し、
前記金属モジュール基板は、該金属モジュール基板の前記裏面が前記凹部側を向くように、前記回路ケースの前記開口部に嵌め込まれ、該開口部の開口縁と該金属モジュール基板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、該回路ケースは、該金属モジュール基板により、二室に仕切られ、該二室のうち、前記凹部側が冷却液室を成し、他方の室が回路収納室を成し、
前記回路ケースの前記平坦内面を形成する壁板と、前記回路ケースの前記凹部の側周面を形成する壁板とは、同一部材により一体形成されており、
前記冷却液室には、前記冷却液の流入口及び流出口が形成されている、
ことを特徴とするものである。
【００１０】
以上の構成により、モジュール基板及びモジュール支持板で、又はモジュール基板で、回路ケース内を二室に仕切るにあたり、これらを溶接で隙間なく回路ケースの内面に接合したので、二室のうちの一方の冷却水室からの冷却水が、他方の回路収納室内へ入ることはない。しかも、このような構成にすれば、Ｏリング等の封止部材やビス等の接続部材等が不要になり、より部品点数を減らすことができる。
【００１１】
なお、以上の液冷却式回路装置において、前記回路ケースを形成するケース形成部材のうち、前記冷却液室を形成する部材の少なくとも一部が、該ケース形成部材の他の部分に対して、着脱可能に取り付けられている場合には、部品点数が若干増加するものの、メインテナンス作業等の各種作業を容易に行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関する液冷却式回路装置の各種参考例、及び各種実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１３】
まず、本発明に関する液冷却式回路装置の第１参考例について、図１及び図２を用いて説明する。なお、本参考例、後述する各参考例及び各変形例、さらに各実施形態の相互間において、同一構成要素には同一の数字を付し、重複した説明を省略している。また、一実施形態、一変形例、一参考例内において、同種の部材が複数存在する場合には、この部材に対して、同一の数字を付し、その数字の添え字として異なる英小字を付している。
【００１４】
図１において、１ａ〜１ｄは電力回路素子、２ａ，２ｂ，…は電力回路素子１ａ〜１ｄが搭載されるモジュール基板、３は各モジュール基板２ａ，２ｂ，…が取り付けられるモジュール支持板、４ａ，４ｂ，…は電力モジュール基板２ａ，２ｂ，…とモジュール支持板３との間の溶接部、５は回路ケース、６は回路ケース５に設けられた開口部、７は冷却ケース、８は冷却ケース７とモジュール支持板３との間を封止する封止部材(例えばOリング)、９は回路ケース５とモジュール支持板との間を封止する封止部材(例えばOリング)、１０ａ，１０ｂは回路ケース５とモジュール支持板３と冷却ケース７とを締結するボルト、１１は冷却ケース７内の冷却液が通る冷却液室、１２は冷却液、１３は回路ケース５の内側、１４ａ，１４ｂ，…はモジュール基板２ａ，２ｂ，…の素子搭載面（表面）、１５ａ，１５ｂはモジュール搭載面とは反対面（裏面）である。
【００１５】
電力回路素子１には、発熱素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワーデバイスが内部に設けられている。この電力回路素子１は、基板２の素子搭載面１４に電気的絶縁をとって実装され、電力回路素子１と基板２との間の熱抵抗が極力小さくされている。ここでは、電気的絶縁をとるため、基板２の素子搭載面１４上に熱伝導が高い、例えばAlNセラミックスが接着され、その上の電極パターン上に電力回路素子１がはんだ付けされて、電力モジュールが形成されている。
【００１６】
モジュール支持板３には、モジュール基板２のサイズに応じた複数の開口が形成されており、これらの開口に各モジュール基板２が嵌め込まれ、これらの開口縁と各モジュール基板２の外縁との間が溶接で隙間なく接合されている。
【００１７】
この溶接は、摩擦拡散溶接（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）と呼ばれる溶接方法で、図１３に示すように、接合部材相互間、ここではモジュール支持板３の開口縁とモジュール基板２の外縁との間に、回転している回転ツールを所定の深さまで挿入し、回転ツールを回転させたまま、接合線の方向に相対移動させ、接合部材との間の摩擦熱で接合部材を塑性流動化し、接合部材の融点以下の低温で且つ局所的な加熱（摩擦熱による加熱）のみで、接合部材相互を溶接する方法である。この溶接による溶接部の結晶粒は、レーザビーム溶接やアーク溶接等の溶接と異なり、元のそれぞれの部材の結晶粒よりも小さくなる。以上のように、この溶接は、低温で且つ局所的な加熱で済むため、モジュール基板等の機械的な熱歪みの悪影響や絶縁劣化等の電気的悪影響等、つまり、電力モジュールへの熱的な各種悪影響を回避することができる。また、この溶接では、金属蒸気や金属粉が発生しないため、溶接過程における電気モジュールの汚染も回避することができる。なお、この実施形態では、伝熱性に優れ且つ摩擦拡散溶接に適した金属であるＡｌ合金又はＡｌＳｉＣ合金で、モジュール支持板３及びモジュール基板２を形成している。
【００１８】
以上のように、複数の電力モジュールがモジュール支持板３に溶接されることによって、複数の電力モジュールは一体化される。モジュール支持板３のサイズは、回路ケース５の開口部６のサイズよりも大きい。このモジュール支持板３は、これに搭載されている各電力モジュールが回路ケース５の開口部６から内側１３を臨むように、回路ケース５の外側から、この回路ケース５にセットされる。また、モジュール支持板３に対し、回路ケース５とは反対側に冷却ケース７がセットさせる。回路ケース５、モジュール支持体３及び冷却ケース７は、これらにボルト１０ａ，１０ｂ，…が捩じ込まれて、相互に接続固定される。各部材相互間であって、ボルト１０よりも電力回路素子側には、Ｏリングのような封止部材８,９が、互いの接合部全周に挿入されている。回路ケース５の内側１３には、図示されていないが、電力モジュールの制御回路、その電源回路及びそれらの基板が収納されている。
【００１９】
この第１参考例において、複数の電力モジュールは、図２に示すように、３相インバータ回路を構成している。同図において、Ｐは＋直流電源、Ｎは−直流電源、１８ａ〜１８ｆはＩＧＢＴとダイオードで構成する１アーム分、１９ａ〜１９ｆはコレクタ、２０ａ〜２０ｆはエミッタ、２１ａ〜２１ｆはゲート、２２ａ〜２２ｆは補助エミッタを示す。３相インバータ回路は、全部で６アームによって構成されている。以上で説明した電力回路素子１が、図２における１アーム（１８ａ〜１８ｆのうちのいずれか一つ）を構成する場合には、モジュール支持板３に、６個の電力モジュールが溶接搭載されることで、３相インバータが形成される。また、電力回路素子１が、図２における２アームを構成する場合（例えば、１８a及び１８b）には、モジュール支持板３に、３個の電力モジュールが溶接搭載されることで、３相インバータが形成される。当然、電力回路素子１が、図２における６アームを構成する場合（例えば、１８a〜１８f）には、モジュール支持板３に、１個の電力モジュールが溶接搭載されることで、３相インバータが形成される。このように、１つのモジュール支持体で、３相インバータ回路を構成することで、この回路の使い勝って性をよくする。
【００２０】
１つの３相インバータ回路は１台の３相モータを制御する。このため、あるシステムが複数台のモータを必要とする場合、回路ケース５には、モータ台数に対応した数量の３相インバータ回路を搭載する必要がある。したがって、例えば、電力回路素子１が図２における１アームを構成し、２台のモータを有するシステムへ適用する場合、回路素子１は、２つのインバータ回路を構成する分の１２（＝６×２）個必要になる。２つのインバータ回路を構成する１２個の回路素子１は、一つのモジュール支持板３に取り付けてもよいが、二つのモジュール支持板３を用い、各モジュール支持板３に、一つのインバータ回路を構成する６個の回路素子１を取り付けるようにしてもよい。また、ここでは、３相モータを駆動するための３相インバータ回路について説明したが、２相モータを駆動する場合、インバータ回路は２相インバータ回路になることは言うまでもない。
【００２１】
以上、第１参考例では、冷却液１２が冷却液室１１を通過すると、モジュール基板裏面１５が冷却液１２に直接接触することになるので、モジュール基板２に搭載されている電力回路素子1を効率よく冷却することができる。また、モジュール基板２とモジュール支持板３とは、溶接部４で結合されるため、この接合部の経時変化による劣化がほとんどなく、しかも、接合部が溶接で形成されて劣化がほとんどないために、現時点においても将来的にも、この溶接部４を通って冷却液が回路ケース内に漏液することはなく高い信頼性を得ることができる。また、冷却ケース７とモジュール支持板３との間に配されている封止部材８が経時変化を起こし、仮に、冷却液１２が漏液した場合でも、両者間の接続部分は回路ケース５の外に位置しているため、両者間の隙間１６から冷却液１２が外部へ流れ出すだけで、回路ケース５内に浸液することはない。さらに、モジュール基板２を溶接でモジュール支持板３に接合しているため、モジュール基盤２には、Ｏリングやビス等の取り付け部分を形成する必要がなくなり、モジュール基板２の小型化を図ることができる。この結果、比較的高価なモジュール基板のコストを抑えることができると共に、電力回路素子１の相互間の間隔が狭まり、装置全体の小型化も図ることができる。また、モジュール基板２の小型化のために、モジュール基板２をモジュール支持板３に溶接で接合しているが、この溶接は、前述したように、摩擦拡散溶接であるため、溶接時における電力回路素子１への熱影響を抑えることができる。
【００２２】
なお、本第１参考例では、モジュール基板２の全周に渡って、摩擦拡散溶接を行っているが、回転ツールが他の部材と干渉して、この回転ツールを目的の溶接位置に配置することができない場合には、その部分に関して、他の溶接、例えば、アーク溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接等を行ってもよいし、はんだ付けやろう付け等の接合方法を採用してもよい。
【００２３】
次に、本発明に関する液冷却式回路装置の第２参考例について、図３を用いて説明する。
【００２４】
第１参考例は、１つの回路ケース５に対して１つのモジュール支持板３を設けたものであるが、本第２参考例は、第１参考例の変形例で、１つの回路ケース５に対して複数のモジュール支持板３を設けたもので、その他の構成に関しては、基本的に第１参考例と同様である。
【００２５】
この第２参考例では、回路ケース５の底に、二つの開口部６ａ，６ｂを形成し、各開口部６ａ，６ｂに、モジュール支持板３ａ，３ｂ、さらに、冷却ケース７，７を取り付けている。各冷却ケース７，７内の冷却液室１１ａ，１１ｂは、図示されていない箇所で接続されており、同図が画かれている紙面に対して垂直に、一方の冷却液室１１ａ内に流れ込んだ冷却液１２ａは、他方の冷却液室１１ｂから、冷却液１２ｂとなって流れ出すようになっている。すなわち、ここでは、冷却液供給源に対して、二つの冷却液室１１ａ，１１ｂは、直列に接続されている。なお、複数の冷却液室は、本第２参考例のように、冷却液供給源に対して直列に接続されている必要はなく、電力モジュールの冷却効率や使用冷却水量等を考慮して、冷却供給源に対して並列に接続させてもよい。
【００２６】
以上、本第２参考例によれば、モジュール支持体単位で、電力モジュールを回路ケース５に対して着脱させることができる。このため、いずれかのモジュール支持体中の電力モジュールが故障した場合には、この電力モジュールが搭載されているモジュール支持体を交換すればよく、他のモジュール支持体までも交換する必要はない。
【００２７】
次に、図４を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置の第３参考例について説明する。
【００２８】
回路ケース５の底には、搭載する電力モジュールの数量と同じ数量で、且つモジュール基板２のサイズに合った複数の開口部６が形成されている。各開口部６には、電力回路素子１が搭載されているモジュール基板２が入れられ、その基板２の外周縁と回路ケース開口部６の内周縁とが隙間なく溶接されて、複数の電力モジュールが回路ケース５に固定されている。冷却ケース７は、複数の回路ケース開口部６を覆うように配置され、ボルト１０により、回路ケース５に固定されている。両部材間には、例えば、Ｏリングのような封止部材８が、互いの接合部全周に挿入されている。
【００２９】
この構造において、冷却液１２が冷却液室１１を通過すると、モジュール基板裏面１５及び回路ケースの一部５aを効率よく冷却する。この際、モジュール基板２と回路ケース５は溶接で固定されているため、この接合部品質の経時変化による劣化はない。従って、この溶接部４を通って冷却液１２が回路ケース５内に漏液することはなく高い信頼性が得られる。また、封止部材８の品質が経時変化を起こし、仮に、冷却液が漏液した場合でも、冷却液１２は、冷却ケース７と回路ケース５との隙間１６から外部へ流れ出し、回路ケース５内へ冷却液が漏液することは全くない。
【００３０】
さらに、本第３参考例では、電力モジュールを回路ケース５に直接溶接するため、第１参考例におけるモジュール支持板３や封止部材８を減らすことができ、製造コストを抑えることができる。しかも、封止部材による封止箇所が少なくなっているので、漏液に対する信頼性を向上させることができる。また、回路ケース５の一部５ａも冷却するため、この一部ａ又はその近傍に、制御回路として用いられるマイクロコンピュータを搭載することで、これを冷却することもできる。
【００３１】
なお、この第３参考例では、モジュール基板２を回路ケース５の開口部６の縁に直接溶接したが、第１参考例のように、モジュール基板２をモジュール支持板３に溶接し、このモジュール支持板３を回路ケース５の開口の縁に溶接してもよい。
【００３２】
次に、図５を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置の第４参考例について説明する。
【００３３】
以上で説明した第３参考例は、電力モジュールを回路ケース５に溶接したものであるが、本第４参考例は、電力モジュールを冷却ケース７Ａに溶接したものである。
【００３４】
本第４参考例の冷却ケース７Ａは、外部から冷却液室１１に貫通し、且つモジュール基板２のサイズに応じたサイズの開口が形成されている。この冷却ケース７Ａの開口に、モジュール基板２が入れられて、この開口の縁とモジュール基板２とが溶接で隙間なく接合されている。この冷却ケース７Ａは、電力モジュールが回路ケース開口部６を通して回路ケース５内に位置するように、回路ケース５の外側から、回路ケース５にボルト１０で固定されている。両部材間には、例えば、Ｏリングのような封止部材８が、互いの接合部全周（回路ケース開口部６の全周）に挿入されている。
【００３５】
この構造においても、以上の各参考例と同様に、冷却液１２が冷却液室１１を通過すると、電力モジュール基板裏面１５を効率よく冷却する。この際、モジュール基板２と冷却ケース７Ａは溶接で固定されるため、この接合部品質の経時変化による劣化はない。従って、この溶接部４を通って冷却液が回路ケース内に漏液することはなく高い信頼性が得られる。また、封止部材８の品質が経時変化を起こし、仮に、冷却液が漏液した場合でも、冷却液１２は、冷却ケース７Ａと回路ケース５との隙間１６から外部へ流れ出し、回路ケース５内へ冷却液が漏液することは全くない。
【００３６】
さらに、本第４参考例では、電力モジュールを冷却ケース７に直接溶接するため、第１参考例におけるモジュール支持板３や封止部材８を減らすことができ、製造コストを抑えることができる。しかも、封止部材による封止箇所が少なくなっているので、漏液に対する信頼性を向上させることができる。
【００３７】
なお、この第４参考例では、モジュール基板２を冷却ケース７Ａの開口部の縁に直接溶接したが、第１参考例のように、モジュール基板２をモジュール支持板３に溶接し、このモジュール支持板３を冷却ケース７Ａの開口の縁に溶接してもよい。
【００３８】
次に、図６を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第１の実施形態について説明する。
【００３９】
本実施形態は、以上の参考例における回路ケース及び冷却ケースを一体化した回路ケース５Ａを用いている。この回路ケース５Ａの壁板の一部は、冷却液室１１を形成すべく、内側から外側に向かって凹んでいる。この凹みの開口部６には、冷却液室１１と反対側に電力回路素子１が位置するように、電力モジュールが搭載されているモジュール支持板３が、溶接により隙間なく接合されている。このモジュール支持板３により、回路ケース５Ａ内は、二室に仕切られている。この二室のうち、一方が前述した冷却液室１１を形成し、他方が回路収納室１３を形成する。冷却液室１１には、図示されていないが、冷却液の流入口及び流出口が形成されている。
【００４０】
本実施形態では、冷却液室１１が完全封止されているので、漏液の問題を回避することができる。また、Ｏリング等の封止部材を一切に用いないので、構造が非常に簡単になり、製造コストを抑えることができる。
【００４１】
次に、図７を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第２の実施形態について説明する。
【００４２】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、回路収納室１３から冷却液室１１へ貫通する開口部６のサイズを、モジュール基板２のサイズに合せ、この開口部６にモジュール基板２を入れて、開口部６の縁とモジュール基板２とを溶接で隙間なく接合したものである。言い換えると、本実施形態は、第１の実施形態におけるモジュール支持板３を省略し、モジュール基板２を回路ケース５Ａの内面の一部に直接溶接したものである。
【００４３】
この実施形態は、基本的に、第１の実施形態とモジュール支持板９の有無の差のみなので、モジュール支持板９を省略できるという効果以外、第４参考例と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
次に、図８を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第３の実施形態について説明する。
【００４５】
本実施形態は、第２の実施形態の変形例で、回路ケース５Ｂを二分割にしたもので、その他は基本的に第１の実施形態と同様である。本実施形態の回路ケース５Ｂは、冷却液室１１となる凹部を形成する部分、及びこの凹部の開口縁に連なっている壁部から成る冷却室側部７Ｂと、残りの部分とで構成されている。回路ケース５Ｂを形成する二つの部分は、ボルト１０で連結され、両者間には、封止部材８としてのＯリングが設けられている。
【００４６】
このように、回路ケース５Ｂを二分割することで、部品点数が多くなるものの、回路ケース５Ｂへの電力モジュールの溶接作業や、回路ケース５Ｂ内の配線作業、さらに、修理や保守点検作業を容易に行うことができる。
【００４７】
次に、図９を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第４の実施形態について説明する。
【００４８】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、回路ケース５Ｃを二分割にしたもので、その他は基本的に第１の実施形態と同様である。本実施形態の回路ケース５Ｃは、冷却液室１１の凹部の底壁７Ｃと、残りの部分とで構成されている。回路ケース５Ｃを形成する二つの部分は、ボルト１０で連結され、両者間には、封止部材８としてのＯリングが設けられている。
【００４９】
このように、回路ケース５Ｃを二分割することで、部品点数が多くなるものの、回路ケース５Ｃへのモジュール支持板３の溶接作業や、冷却液室１１内のメインテナンス作業等を容易に行うことができる。
【００５０】
なお、先の述べた第１〜第４参考例、第１実施形態及び２の実施形態も、第３及び第４の実施形態のように、回路ケースを二分割したものの一種である。
【００５１】
次に、図１０を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第５の実施形態について説明する。
【００５２】
本実施形態は、第２の実施形態の変形例で、各電力モジュールに対して、冷却液１２が直列的に接触するように、この冷却液１２の流路を形成したもので、その他は基本的に第２の実施形態と同様である。本実施形態の回路ケース５Ａａの壁面の一部は、コ字型に凹んでおり、この凹んだ部分が冷却液室１１Ａを形成している。
【００５３】
冷却液室１１Ａの開口部６の幅は、モジュール基板２の幅と実質的に同じである。モジュール基板２は、この開口部６に嵌めこまれて、この開口部６の縁に隙間なく溶接で接合されている。コ字型の冷却液室１１Ａの一方の端部１１ａは、冷却水流入口と接続され、他方の端部１１ｂは、冷却水排出口と接続されている。
【００５４】
以上のように、冷却液室１１Ａの幅を狭くして、冷却液１２の流路断面積を狭めることにより、冷却液１２の流速を上げることができ、結果として、電力モジュールに対する冷却性能を高めることができる。
【００５５】
なお、当該実施形態における冷却液室１１Ａの形状は、第１の実施形態のみならず、他の実施形態の装置に採用してもよいことは言うまでもない。
【００５６】
次に、図１１を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置に第５参考例について説明する。
【００５７】
本第５参考例は、第１参考例の変形例で、各モジュール基板２の裏面１５ａ，１５ｂに対して、ほぼ垂直に冷却水１２を噴射するノズル２３，２３を、冷却水室１１内に形成したもので、その他の構成は基本的に第１参考例と同様である。
【００５８】
冷却水室１１から冷却水を排出するための冷却水排出口は、図示されていないが、ノズル２３と同様に、各モジュール基板２毎に設けられており、ノズル２３から噴出した冷却水と、モジュール基板２の裏面１５に接触した冷却水とが、干渉しないように設計されている。
【００５９】
なお、当該参考例における冷却水室の形状は、第１参考例のみならず、各実施形態における装置に採用してもよい。
【００６０】
次に、図１２を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置の第６参考例について説明する。
【００６１】
本第６参考例も、第１参考例の変形例で、モジュール基板２の裏面１５に複数の放熱フィンを形成したものである。このように、放熱フィンを形成すると、冷却水１２との接触面積が増加するため、電力モジュールに対する冷却効率を高めることができる。
【００６２】
なお、この第６参考例では、放熱フィンのタイプとして平行フィンを採用しているが、他のタイプのフィンを採用してもよい。また、当該第６参考例で説明した放熱フィンは、第１参考例のみならず、以上の各実施形態に採用してもよいことは言うまでもない。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、モジュール基板と、これと接合させる相手側部材とを溶接で接合しているため、両部材間に冷却水が侵入することを避けることができると共に、モジュール基板にＯリングやビス等を取り付ける部分を設ける必要なく、モジュール基板の小型化を図ることができる。この結果、製造コストの削減を図ることができると共に、装置全体の小型化も図ることができる。
【００６４】
さらに、以上の溶接として、摩擦拡散溶接法を採用する場合には、溶接時における回路素子への熱影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図２】 本発明に係る第１参考例としての液冷却式回路装置の電力モジュール部の代表回路図である。
【図３】 本発明に係る第２参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図４】 本発明に係る第３参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図５】 本発明に係る第４参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図６】 本発明に係る第１の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図７】 本発明に係る第２の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図８】 本発明に係る第３の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図９】 本発明に係る第４の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１０】 本発明に係る第５の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１１】 本発明に関する第５参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１２】 本発明に関する第６参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１３】 摩擦拡散溶接法を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電力モジュール、２…モジュール基板、３…モジュール支持板、４…溶接部、５…回路ケース、６…回路ケースの開口部、７…冷却ケース、８，９…封止部材、１０…ボルト、１１…冷却水室、１２…冷却水、１３…回路収納室、１４…モジュール基板表面、１５…電力モジュール基板裏面、２３…ノズル、２４…回転ツール。
【発明の属する技術分野】
本発明は、回路素子がモジュール基板に取り付けられているモジュールを備え、このモジュールを冷却液で冷却する液冷却式回路装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気自動車の走行モータ制御用のインバータ装置などのように、発熱量が大きい電力回路素子を有する電子回路装置では、その電力回路素子の冷却を効率よく行う必要から、空気より熱容量が大きい液体を利用した液体冷却が有効である。従来における電力回路素子の液体冷却では、電気絶縁性の冷媒液中に電力回路素子を直接浸す直接浸漬方式と、電力回路素子が搭載された回路ケースに、循環する冷却液を接触させ、回路ケースを冷却することで、電力回路素子を冷却する、間接伝熱方式が主に採用されている。
【０００３】
しかし、直接浸漬方式では、特殊な冷媒の漏洩、廃棄処理、安全性など付随する問題が多いという欠点がある。また、間接伝熱方式では、回路ケースに電力回路素子等を搭載するにあたり、両者の間の伝熱性を確保するために、両者間の隙間にグリース等の物質を挿入する必要があり、これが電力回路素子の放熱を阻害するため、冷却効率が小さいという欠点がある。
【０００４】
この間接伝熱方式の欠点を解決する方法として、電力回路素子を基板に搭載し（以後、電力回路素子が搭載された装置を電力モジュールと呼ぶ）、基板の素子搭載面とは逆の面（裏面と呼ぶ）に、冷却液を直接接触させれば電力回路素子を効率よく冷却できることは容易に考えられる。この場合には、回路ケースに開口部を設け、その開口部にモジュール基板裏面を押し当てて、その開口部を塞ぎ、モジュール基板裏面に直接冷却液を接触させることが必要になる。この場合、モジュール基板裏面を回路ケース開口部に押し当て、接触した部分に隙間が生ずると、冷却液がその隙間を通って、回路ケース内に入ってしまい、回路ケース内のモジュール及び電子回路が冷却液で浸漬され、電子装置の誤動作を誘発する。
【０００５】
そこで、このような欠点を解決するために、特開平１１−１６３５７２号公報では、モジュール基板と冷却液ケースとをビス等で接合し、その内周側にＯリングを設けて、両者間のシールを行い、万一、冷却液ケース内の冷却液が漏れ出したとしても、その漏液が回路ケースに直接入ることなく、大気中に放出される構造が提示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平１１−１６３５７２号公報に記載されている技術では、モジュール基板に、Ｏリングやビス等を取り付ける部分を確保する必要があるため、モジュール基板が大型化してしまうという問題点がある。このようにモジュール基板が大型化すると、モジュール基板自体が比較的高価であるため、コストが嵩む上に、多数の電力モジュールを搭載する場合、電力回路素子相互間の間隔が大きくなり、結果として装置全体が大きくなってしまう。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点に着目し、モジュール基板の大型化を抑え、回路ケース内に冷却液の侵入を避けることができる液冷却式回路装置及び回路素子装置の製造方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための第１の液冷却式回路装置は、
電力回路素子、及び、電気的絶縁をとって該電力回路素子を実装した金属モジュール基板を有するモジュールと、
前記金属モジュール基板の裏面に形成された放熱フィンと、
前記金属モジュール基板のサイズに合った第１の開口部が形成されている金属モジュール支持板と、
前記モジュールを収納する回路ケースと、を備え、
前記金属モジュール基板の前記裏面を冷却液で冷却する液冷却式回路装置において、
前記金属モジュール支持板の前記第１の開口部には、前記金属モジュール基板が嵌め込まれ、該第１の開口部の開口縁と該金属モジュール基板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、
前記回路ケースは、平坦内面を有し、該平坦内面内であって該平坦内面の外縁から隔てた位置に、前記金属モジュール支持板のサイズに合った第２の開口部が形成され、該第２の開口部の開口縁を基点として、該回路ケースの内側から外側へ直線的に延びる側周面と、該側周面の該外側の端辺をつなぐ底面とを有する凹部が形成され、
前記金属モジュール支持板は、該金属モジュール支持板に設けられた前記金属モジュール基板の前記裏面が前記凹部側を向くように、前記回路ケースの前記第２の開口部に嵌め込まれ、該第２の開口部の開口縁と該金属モジュール支持板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、該回路ケースは、該金属モジュール支持板により、二室に仕切られ、該二室のうち、前記凹部側が冷却液室を成し、他方の室が回路収納室を成し、
前記回路ケースの前記平坦内面を形成する壁板と、前記回路ケースの前記側周面を形成する壁板とは、同一部材により一体形成されており、
前記冷却液室には、前記冷却液の流入口及び流出口が形成されている、
ことを特徴とするものである。
【０００９】
前記目的を達成するための第２の液冷却式回路装置は、
電力回路素子、及び、電気的絶縁をとって該電力回路素子を実装した金属モジュール基板を有するモジュールと、
前記金属モジュール基板の裏面に形成された放熱フィンと、
前記モジュールを収納する回路ケースと、を備え、
前記金属モジュール基板の前記裏面を冷却液で冷却する液冷却式回路装置において、
前記回路ケースは、平坦内面を有し、該平坦内面内であって該平坦内面の外縁から隔てた位置から、前記金属モジュール基板のサイズに合った開口部が形成されていると共に、該回路ケースの内側から外部側へ凹み且つ該開口部を臨む凹部が形成され、
前記凹部は、前記回路ケースの内側から外側へ直線的に延びる側周面と、該側周面の該外側の端辺をつなぐ底面とを有し、
前記金属モジュール基板は、該金属モジュール基板の前記裏面が前記凹部側を向くように、前記回路ケースの前記開口部に嵌め込まれ、該開口部の開口縁と該金属モジュール基板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、該回路ケースは、該金属モジュール基板により、二室に仕切られ、該二室のうち、前記凹部側が冷却液室を成し、他方の室が回路収納室を成し、
前記回路ケースの前記平坦内面を形成する壁板と、前記回路ケースの前記凹部の側周面を形成する壁板とは、同一部材により一体形成されており、
前記冷却液室には、前記冷却液の流入口及び流出口が形成されている、
ことを特徴とするものである。
【００１０】
以上の構成により、モジュール基板及びモジュール支持板で、又はモジュール基板で、回路ケース内を二室に仕切るにあたり、これらを溶接で隙間なく回路ケースの内面に接合したので、二室のうちの一方の冷却水室からの冷却水が、他方の回路収納室内へ入ることはない。しかも、このような構成にすれば、Ｏリング等の封止部材やビス等の接続部材等が不要になり、より部品点数を減らすことができる。
【００１１】
なお、以上の液冷却式回路装置において、前記回路ケースを形成するケース形成部材のうち、前記冷却液室を形成する部材の少なくとも一部が、該ケース形成部材の他の部分に対して、着脱可能に取り付けられている場合には、部品点数が若干増加するものの、メインテナンス作業等の各種作業を容易に行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に関する液冷却式回路装置の各種参考例、及び各種実施形態について、図面を用いて説明する。
【００１３】
まず、本発明に関する液冷却式回路装置の第１参考例について、図１及び図２を用いて説明する。なお、本参考例、後述する各参考例及び各変形例、さらに各実施形態の相互間において、同一構成要素には同一の数字を付し、重複した説明を省略している。また、一実施形態、一変形例、一参考例内において、同種の部材が複数存在する場合には、この部材に対して、同一の数字を付し、その数字の添え字として異なる英小字を付している。
【００１４】
図１において、１ａ〜１ｄは電力回路素子、２ａ，２ｂ，…は電力回路素子１ａ〜１ｄが搭載されるモジュール基板、３は各モジュール基板２ａ，２ｂ，…が取り付けられるモジュール支持板、４ａ，４ｂ，…は電力モジュール基板２ａ，２ｂ，…とモジュール支持板３との間の溶接部、５は回路ケース、６は回路ケース５に設けられた開口部、７は冷却ケース、８は冷却ケース７とモジュール支持板３との間を封止する封止部材(例えばOリング)、９は回路ケース５とモジュール支持板との間を封止する封止部材(例えばOリング)、１０ａ，１０ｂは回路ケース５とモジュール支持板３と冷却ケース７とを締結するボルト、１１は冷却ケース７内の冷却液が通る冷却液室、１２は冷却液、１３は回路ケース５の内側、１４ａ，１４ｂ，…はモジュール基板２ａ，２ｂ，…の素子搭載面（表面）、１５ａ，１５ｂはモジュール搭載面とは反対面（裏面）である。
【００１５】
電力回路素子１には、発熱素子であるIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等のパワーデバイスが内部に設けられている。この電力回路素子１は、基板２の素子搭載面１４に電気的絶縁をとって実装され、電力回路素子１と基板２との間の熱抵抗が極力小さくされている。ここでは、電気的絶縁をとるため、基板２の素子搭載面１４上に熱伝導が高い、例えばAlNセラミックスが接着され、その上の電極パターン上に電力回路素子１がはんだ付けされて、電力モジュールが形成されている。
【００１６】
モジュール支持板３には、モジュール基板２のサイズに応じた複数の開口が形成されており、これらの開口に各モジュール基板２が嵌め込まれ、これらの開口縁と各モジュール基板２の外縁との間が溶接で隙間なく接合されている。
【００１７】
この溶接は、摩擦拡散溶接（ＦＳＷ：Friction Stir Welding）と呼ばれる溶接方法で、図１３に示すように、接合部材相互間、ここではモジュール支持板３の開口縁とモジュール基板２の外縁との間に、回転している回転ツールを所定の深さまで挿入し、回転ツールを回転させたまま、接合線の方向に相対移動させ、接合部材との間の摩擦熱で接合部材を塑性流動化し、接合部材の融点以下の低温で且つ局所的な加熱（摩擦熱による加熱）のみで、接合部材相互を溶接する方法である。この溶接による溶接部の結晶粒は、レーザビーム溶接やアーク溶接等の溶接と異なり、元のそれぞれの部材の結晶粒よりも小さくなる。以上のように、この溶接は、低温で且つ局所的な加熱で済むため、モジュール基板等の機械的な熱歪みの悪影響や絶縁劣化等の電気的悪影響等、つまり、電力モジュールへの熱的な各種悪影響を回避することができる。また、この溶接では、金属蒸気や金属粉が発生しないため、溶接過程における電気モジュールの汚染も回避することができる。なお、この実施形態では、伝熱性に優れ且つ摩擦拡散溶接に適した金属であるＡｌ合金又はＡｌＳｉＣ合金で、モジュール支持板３及びモジュール基板２を形成している。
【００１８】
以上のように、複数の電力モジュールがモジュール支持板３に溶接されることによって、複数の電力モジュールは一体化される。モジュール支持板３のサイズは、回路ケース５の開口部６のサイズよりも大きい。このモジュール支持板３は、これに搭載されている各電力モジュールが回路ケース５の開口部６から内側１３を臨むように、回路ケース５の外側から、この回路ケース５にセットされる。また、モジュール支持板３に対し、回路ケース５とは反対側に冷却ケース７がセットさせる。回路ケース５、モジュール支持体３及び冷却ケース７は、これらにボルト１０ａ，１０ｂ，…が捩じ込まれて、相互に接続固定される。各部材相互間であって、ボルト１０よりも電力回路素子側には、Ｏリングのような封止部材８,９が、互いの接合部全周に挿入されている。回路ケース５の内側１３には、図示されていないが、電力モジュールの制御回路、その電源回路及びそれらの基板が収納されている。
【００１９】
この第１参考例において、複数の電力モジュールは、図２に示すように、３相インバータ回路を構成している。同図において、Ｐは＋直流電源、Ｎは−直流電源、１８ａ〜１８ｆはＩＧＢＴとダイオードで構成する１アーム分、１９ａ〜１９ｆはコレクタ、２０ａ〜２０ｆはエミッタ、２１ａ〜２１ｆはゲート、２２ａ〜２２ｆは補助エミッタを示す。３相インバータ回路は、全部で６アームによって構成されている。以上で説明した電力回路素子１が、図２における１アーム（１８ａ〜１８ｆのうちのいずれか一つ）を構成する場合には、モジュール支持板３に、６個の電力モジュールが溶接搭載されることで、３相インバータが形成される。また、電力回路素子１が、図２における２アームを構成する場合（例えば、１８a及び１８b）には、モジュール支持板３に、３個の電力モジュールが溶接搭載されることで、３相インバータが形成される。当然、電力回路素子１が、図２における６アームを構成する場合（例えば、１８a〜１８f）には、モジュール支持板３に、１個の電力モジュールが溶接搭載されることで、３相インバータが形成される。このように、１つのモジュール支持体で、３相インバータ回路を構成することで、この回路の使い勝って性をよくする。
【００２０】
１つの３相インバータ回路は１台の３相モータを制御する。このため、あるシステムが複数台のモータを必要とする場合、回路ケース５には、モータ台数に対応した数量の３相インバータ回路を搭載する必要がある。したがって、例えば、電力回路素子１が図２における１アームを構成し、２台のモータを有するシステムへ適用する場合、回路素子１は、２つのインバータ回路を構成する分の１２（＝６×２）個必要になる。２つのインバータ回路を構成する１２個の回路素子１は、一つのモジュール支持板３に取り付けてもよいが、二つのモジュール支持板３を用い、各モジュール支持板３に、一つのインバータ回路を構成する６個の回路素子１を取り付けるようにしてもよい。また、ここでは、３相モータを駆動するための３相インバータ回路について説明したが、２相モータを駆動する場合、インバータ回路は２相インバータ回路になることは言うまでもない。
【００２１】
以上、第１参考例では、冷却液１２が冷却液室１１を通過すると、モジュール基板裏面１５が冷却液１２に直接接触することになるので、モジュール基板２に搭載されている電力回路素子1を効率よく冷却することができる。また、モジュール基板２とモジュール支持板３とは、溶接部４で結合されるため、この接合部の経時変化による劣化がほとんどなく、しかも、接合部が溶接で形成されて劣化がほとんどないために、現時点においても将来的にも、この溶接部４を通って冷却液が回路ケース内に漏液することはなく高い信頼性を得ることができる。また、冷却ケース７とモジュール支持板３との間に配されている封止部材８が経時変化を起こし、仮に、冷却液１２が漏液した場合でも、両者間の接続部分は回路ケース５の外に位置しているため、両者間の隙間１６から冷却液１２が外部へ流れ出すだけで、回路ケース５内に浸液することはない。さらに、モジュール基板２を溶接でモジュール支持板３に接合しているため、モジュール基盤２には、Ｏリングやビス等の取り付け部分を形成する必要がなくなり、モジュール基板２の小型化を図ることができる。この結果、比較的高価なモジュール基板のコストを抑えることができると共に、電力回路素子１の相互間の間隔が狭まり、装置全体の小型化も図ることができる。また、モジュール基板２の小型化のために、モジュール基板２をモジュール支持板３に溶接で接合しているが、この溶接は、前述したように、摩擦拡散溶接であるため、溶接時における電力回路素子１への熱影響を抑えることができる。
【００２２】
なお、本第１参考例では、モジュール基板２の全周に渡って、摩擦拡散溶接を行っているが、回転ツールが他の部材と干渉して、この回転ツールを目的の溶接位置に配置することができない場合には、その部分に関して、他の溶接、例えば、アーク溶接、レーザビーム溶接、電子ビーム溶接等を行ってもよいし、はんだ付けやろう付け等の接合方法を採用してもよい。
【００２３】
次に、本発明に関する液冷却式回路装置の第２参考例について、図３を用いて説明する。
【００２４】
第１参考例は、１つの回路ケース５に対して１つのモジュール支持板３を設けたものであるが、本第２参考例は、第１参考例の変形例で、１つの回路ケース５に対して複数のモジュール支持板３を設けたもので、その他の構成に関しては、基本的に第１参考例と同様である。
【００２５】
この第２参考例では、回路ケース５の底に、二つの開口部６ａ，６ｂを形成し、各開口部６ａ，６ｂに、モジュール支持板３ａ，３ｂ、さらに、冷却ケース７，７を取り付けている。各冷却ケース７，７内の冷却液室１１ａ，１１ｂは、図示されていない箇所で接続されており、同図が画かれている紙面に対して垂直に、一方の冷却液室１１ａ内に流れ込んだ冷却液１２ａは、他方の冷却液室１１ｂから、冷却液１２ｂとなって流れ出すようになっている。すなわち、ここでは、冷却液供給源に対して、二つの冷却液室１１ａ，１１ｂは、直列に接続されている。なお、複数の冷却液室は、本第２参考例のように、冷却液供給源に対して直列に接続されている必要はなく、電力モジュールの冷却効率や使用冷却水量等を考慮して、冷却供給源に対して並列に接続させてもよい。
【００２６】
以上、本第２参考例によれば、モジュール支持体単位で、電力モジュールを回路ケース５に対して着脱させることができる。このため、いずれかのモジュール支持体中の電力モジュールが故障した場合には、この電力モジュールが搭載されているモジュール支持体を交換すればよく、他のモジュール支持体までも交換する必要はない。
【００２７】
次に、図４を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置の第３参考例について説明する。
【００２８】
回路ケース５の底には、搭載する電力モジュールの数量と同じ数量で、且つモジュール基板２のサイズに合った複数の開口部６が形成されている。各開口部６には、電力回路素子１が搭載されているモジュール基板２が入れられ、その基板２の外周縁と回路ケース開口部６の内周縁とが隙間なく溶接されて、複数の電力モジュールが回路ケース５に固定されている。冷却ケース７は、複数の回路ケース開口部６を覆うように配置され、ボルト１０により、回路ケース５に固定されている。両部材間には、例えば、Ｏリングのような封止部材８が、互いの接合部全周に挿入されている。
【００２９】
この構造において、冷却液１２が冷却液室１１を通過すると、モジュール基板裏面１５及び回路ケースの一部５aを効率よく冷却する。この際、モジュール基板２と回路ケース５は溶接で固定されているため、この接合部品質の経時変化による劣化はない。従って、この溶接部４を通って冷却液１２が回路ケース５内に漏液することはなく高い信頼性が得られる。また、封止部材８の品質が経時変化を起こし、仮に、冷却液が漏液した場合でも、冷却液１２は、冷却ケース７と回路ケース５との隙間１６から外部へ流れ出し、回路ケース５内へ冷却液が漏液することは全くない。
【００３０】
さらに、本第３参考例では、電力モジュールを回路ケース５に直接溶接するため、第１参考例におけるモジュール支持板３や封止部材８を減らすことができ、製造コストを抑えることができる。しかも、封止部材による封止箇所が少なくなっているので、漏液に対する信頼性を向上させることができる。また、回路ケース５の一部５ａも冷却するため、この一部ａ又はその近傍に、制御回路として用いられるマイクロコンピュータを搭載することで、これを冷却することもできる。
【００３１】
なお、この第３参考例では、モジュール基板２を回路ケース５の開口部６の縁に直接溶接したが、第１参考例のように、モジュール基板２をモジュール支持板３に溶接し、このモジュール支持板３を回路ケース５の開口の縁に溶接してもよい。
【００３２】
次に、図５を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置の第４参考例について説明する。
【００３３】
以上で説明した第３参考例は、電力モジュールを回路ケース５に溶接したものであるが、本第４参考例は、電力モジュールを冷却ケース７Ａに溶接したものである。
【００３４】
本第４参考例の冷却ケース７Ａは、外部から冷却液室１１に貫通し、且つモジュール基板２のサイズに応じたサイズの開口が形成されている。この冷却ケース７Ａの開口に、モジュール基板２が入れられて、この開口の縁とモジュール基板２とが溶接で隙間なく接合されている。この冷却ケース７Ａは、電力モジュールが回路ケース開口部６を通して回路ケース５内に位置するように、回路ケース５の外側から、回路ケース５にボルト１０で固定されている。両部材間には、例えば、Ｏリングのような封止部材８が、互いの接合部全周（回路ケース開口部６の全周）に挿入されている。
【００３５】
この構造においても、以上の各参考例と同様に、冷却液１２が冷却液室１１を通過すると、電力モジュール基板裏面１５を効率よく冷却する。この際、モジュール基板２と冷却ケース７Ａは溶接で固定されるため、この接合部品質の経時変化による劣化はない。従って、この溶接部４を通って冷却液が回路ケース内に漏液することはなく高い信頼性が得られる。また、封止部材８の品質が経時変化を起こし、仮に、冷却液が漏液した場合でも、冷却液１２は、冷却ケース７Ａと回路ケース５との隙間１６から外部へ流れ出し、回路ケース５内へ冷却液が漏液することは全くない。
【００３６】
さらに、本第４参考例では、電力モジュールを冷却ケース７に直接溶接するため、第１参考例におけるモジュール支持板３や封止部材８を減らすことができ、製造コストを抑えることができる。しかも、封止部材による封止箇所が少なくなっているので、漏液に対する信頼性を向上させることができる。
【００３７】
なお、この第４参考例では、モジュール基板２を冷却ケース７Ａの開口部の縁に直接溶接したが、第１参考例のように、モジュール基板２をモジュール支持板３に溶接し、このモジュール支持板３を冷却ケース７Ａの開口の縁に溶接してもよい。
【００３８】
次に、図６を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第１の実施形態について説明する。
【００３９】
本実施形態は、以上の参考例における回路ケース及び冷却ケースを一体化した回路ケース５Ａを用いている。この回路ケース５Ａの壁板の一部は、冷却液室１１を形成すべく、内側から外側に向かって凹んでいる。この凹みの開口部６には、冷却液室１１と反対側に電力回路素子１が位置するように、電力モジュールが搭載されているモジュール支持板３が、溶接により隙間なく接合されている。このモジュール支持板３により、回路ケース５Ａ内は、二室に仕切られている。この二室のうち、一方が前述した冷却液室１１を形成し、他方が回路収納室１３を形成する。冷却液室１１には、図示されていないが、冷却液の流入口及び流出口が形成されている。
【００４０】
本実施形態では、冷却液室１１が完全封止されているので、漏液の問題を回避することができる。また、Ｏリング等の封止部材を一切に用いないので、構造が非常に簡単になり、製造コストを抑えることができる。
【００４１】
次に、図７を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第２の実施形態について説明する。
【００４２】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、回路収納室１３から冷却液室１１へ貫通する開口部６のサイズを、モジュール基板２のサイズに合せ、この開口部６にモジュール基板２を入れて、開口部６の縁とモジュール基板２とを溶接で隙間なく接合したものである。言い換えると、本実施形態は、第１の実施形態におけるモジュール支持板３を省略し、モジュール基板２を回路ケース５Ａの内面の一部に直接溶接したものである。
【００４３】
この実施形態は、基本的に、第１の実施形態とモジュール支持板９の有無の差のみなので、モジュール支持板９を省略できるという効果以外、第４参考例と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
次に、図８を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第３の実施形態について説明する。
【００４５】
本実施形態は、第２の実施形態の変形例で、回路ケース５Ｂを二分割にしたもので、その他は基本的に第１の実施形態と同様である。本実施形態の回路ケース５Ｂは、冷却液室１１となる凹部を形成する部分、及びこの凹部の開口縁に連なっている壁部から成る冷却室側部７Ｂと、残りの部分とで構成されている。回路ケース５Ｂを形成する二つの部分は、ボルト１０で連結され、両者間には、封止部材８としてのＯリングが設けられている。
【００４６】
このように、回路ケース５Ｂを二分割することで、部品点数が多くなるものの、回路ケース５Ｂへの電力モジュールの溶接作業や、回路ケース５Ｂ内の配線作業、さらに、修理や保守点検作業を容易に行うことができる。
【００４７】
次に、図９を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第４の実施形態について説明する。
【００４８】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例で、回路ケース５Ｃを二分割にしたもので、その他は基本的に第１の実施形態と同様である。本実施形態の回路ケース５Ｃは、冷却液室１１の凹部の底壁７Ｃと、残りの部分とで構成されている。回路ケース５Ｃを形成する二つの部分は、ボルト１０で連結され、両者間には、封止部材８としてのＯリングが設けられている。
【００４９】
このように、回路ケース５Ｃを二分割することで、部品点数が多くなるものの、回路ケース５Ｃへのモジュール支持板３の溶接作業や、冷却液室１１内のメインテナンス作業等を容易に行うことができる。
【００５０】
なお、先の述べた第１〜第４参考例、第１実施形態及び２の実施形態も、第３及び第４の実施形態のように、回路ケースを二分割したものの一種である。
【００５１】
次に、図１０を用いて、本発明に係る液冷却式回路装置の第５の実施形態について説明する。
【００５２】
本実施形態は、第２の実施形態の変形例で、各電力モジュールに対して、冷却液１２が直列的に接触するように、この冷却液１２の流路を形成したもので、その他は基本的に第２の実施形態と同様である。本実施形態の回路ケース５Ａａの壁面の一部は、コ字型に凹んでおり、この凹んだ部分が冷却液室１１Ａを形成している。
【００５３】
冷却液室１１Ａの開口部６の幅は、モジュール基板２の幅と実質的に同じである。モジュール基板２は、この開口部６に嵌めこまれて、この開口部６の縁に隙間なく溶接で接合されている。コ字型の冷却液室１１Ａの一方の端部１１ａは、冷却水流入口と接続され、他方の端部１１ｂは、冷却水排出口と接続されている。
【００５４】
以上のように、冷却液室１１Ａの幅を狭くして、冷却液１２の流路断面積を狭めることにより、冷却液１２の流速を上げることができ、結果として、電力モジュールに対する冷却性能を高めることができる。
【００５５】
なお、当該実施形態における冷却液室１１Ａの形状は、第１の実施形態のみならず、他の実施形態の装置に採用してもよいことは言うまでもない。
【００５６】
次に、図１１を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置に第５参考例について説明する。
【００５７】
本第５参考例は、第１参考例の変形例で、各モジュール基板２の裏面１５ａ，１５ｂに対して、ほぼ垂直に冷却水１２を噴射するノズル２３，２３を、冷却水室１１内に形成したもので、その他の構成は基本的に第１参考例と同様である。
【００５８】
冷却水室１１から冷却水を排出するための冷却水排出口は、図示されていないが、ノズル２３と同様に、各モジュール基板２毎に設けられており、ノズル２３から噴出した冷却水と、モジュール基板２の裏面１５に接触した冷却水とが、干渉しないように設計されている。
【００５９】
なお、当該参考例における冷却水室の形状は、第１参考例のみならず、各実施形態における装置に採用してもよい。
【００６０】
次に、図１２を用いて、本発明に関する液冷却式回路装置の第６参考例について説明する。
【００６１】
本第６参考例も、第１参考例の変形例で、モジュール基板２の裏面１５に複数の放熱フィンを形成したものである。このように、放熱フィンを形成すると、冷却水１２との接触面積が増加するため、電力モジュールに対する冷却効率を高めることができる。
【００６２】
なお、この第６参考例では、放熱フィンのタイプとして平行フィンを採用しているが、他のタイプのフィンを採用してもよい。また、当該第６参考例で説明した放熱フィンは、第１参考例のみならず、以上の各実施形態に採用してもよいことは言うまでもない。
【００６３】
【発明の効果】
本発明によれば、モジュール基板と、これと接合させる相手側部材とを溶接で接合しているため、両部材間に冷却水が侵入することを避けることができると共に、モジュール基板にＯリングやビス等を取り付ける部分を設ける必要なく、モジュール基板の小型化を図ることができる。この結果、製造コストの削減を図ることができると共に、装置全体の小型化も図ることができる。
【００６４】
さらに、以上の溶接として、摩擦拡散溶接法を採用する場合には、溶接時における回路素子への熱影響を最小限に抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る第１参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図２】 本発明に係る第１参考例としての液冷却式回路装置の電力モジュール部の代表回路図である。
【図３】 本発明に係る第２参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図４】 本発明に係る第３参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図５】 本発明に係る第４参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図６】 本発明に係る第１の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図７】 本発明に係る第２の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図８】 本発明に係る第３の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図９】 本発明に係る第４の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１０】 本発明に係る第５の実施形態としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１１】 本発明に関する第５参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１２】 本発明に関する第６参考例としての液冷却式回路装置の要部切欠き斜視図である。
【図１３】 摩擦拡散溶接法を示す説明図である。
【符号の説明】
１…電力モジュール、２…モジュール基板、３…モジュール支持板、４…溶接部、５…回路ケース、６…回路ケースの開口部、７…冷却ケース、８，９…封止部材、１０…ボルト、１１…冷却水室、１２…冷却水、１３…回路収納室、１４…モジュール基板表面、１５…電力モジュール基板裏面、２３…ノズル、２４…回転ツール。
Claims (3)
- 電力回路素子、及び、電気的絶縁をとって該電力回路素子を実装した金属モジュール基板を有するモジュールと、
前記金属モジュール基板の裏面に形成された放熱フィンと、
前記金属モジュール基板のサイズに合った第１の開口部が形成されている金属モジュール支持板と、
前記モジュールを収納する回路ケースと、を備え、
前記金属モジュール基板の前記裏面を冷却液で冷却する液冷却式回路装置において、
前記金属モジュール支持板の前記第１の開口部には、前記金属モジュール基板が嵌め込まれ、該第１の開口部の開口縁と該金属モジュール基板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、
前記回路ケースは、平坦内面を有し、該平坦内面内であって該平坦内面の外縁から隔てた位置に、前記金属モジュール支持板のサイズに合った第２の開口部が形成され、該第２の開口部の開口縁を基点として、該回路ケースの内側から外側へ直線的に延びる側周面と、該側周面の該外側の端辺をつなぐ底面とを有する凹部が形成され、
前記金属モジュール支持板は、該金属モジュール支持板に設けられた前記金属モジュール基板の前記裏面が前記凹部側を向くように、前記回路ケースの前記第２の開口部に嵌め込まれ、該第２の開口部の開口縁と該金属モジュール支持板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、該回路ケースは、該金属モジュール支持板により、二室に仕切られ、該二室のうち、前記凹部側が冷却液室を成し、他方の室が回路収納室を成し、
前記回路ケースの前記平坦内面を形成する壁板と、前記回路ケースの前記側周面を形成する壁板とは、同一部材により一体形成されており、
前記冷却液室には、前記冷却液の流入口及び流出口が形成されている、
ことを特徴とする液冷却式回路装置。 - 電力回路素子、及び、電気的絶縁をとって該電力回路素子を実装した金属モジュール基板を有するモジュールと、
前記金属モジュール基板の裏面に形成された放熱フィンと、
前記モジュールを収納する回路ケースと、を備え、
前記金属モジュール基板の前記裏面を冷却液で冷却する液冷却式回路装置において、
前記回路ケースは、平坦内面を有し、該平坦内面内であって該平坦内面の外縁から隔てた位置から、前記金属モジュール基板のサイズに合った開口部が形成されていると共に、該回路ケースの内側から外部側へ凹み且つ該開口部を臨む凹部が形成され、
前記凹部は、前記回路ケースの内側から外側へ直線的に延びる側周面と、該側周面の該外側の端辺をつなぐ底面とを有し、
前記金属モジュール基板は、該金属モジュール基板の前記裏面が前記凹部側を向くように、前記回路ケースの前記開口部に嵌め込まれ、該開口部の開口縁と該金属モジュール基板の外縁との間が溶接で隙間無く接合され、該回路ケースは、該金属モジュール基板により、二室に仕切られ、該二室のうち、前記凹部側が冷却液室を成し、他方の室が回路収納室を成し、
前記回路ケースの前記平坦内面を形成する壁板と、前記回路ケースの前記凹部の側周面を形成する壁板とは、同一部材により一体形成されており、
前記冷却液室には、前記冷却液の流入口及び流出口が形成されている、
ことを特徴とする液冷却式回路装置。 - 請求項１または２に記載の液冷却式回路装置において、
前記回路ケースを形成するケース形成部材のうち、前記凹部の底面を形成する壁板が着脱可能に取り付けられている、
ことを特徴とする液冷却式回路装置。
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