JP5621908B2

JP5621908B2 - 冷却器

Info

Publication number: JP5621908B2
Application number: JP2013503297A
Authority: JP
Inventors: 高人村田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-10
Filing date: 2011-03-10
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2031-03-10
Also published as: JPWO2012120672A1; US9072197B2; EP2685494A4; CN103443917A; US20130335920A1; EP2685494A1; EP2685494B1; WO2012120672A1; CN103443917B

Description

本発明は、冷却器に関し、特に、冷媒通路内に素子モジュールが配置された冷却器に関する。

従来から素子を冷却する冷却器に関して、各種提案されている。
たとえば、特開２００６−３３９２３９号公報に記載された半導体装置は、発熱素子を含む半導体モジュールと、冷媒を保有する冷却ジャケットとを備える。冷媒は、絶縁性材料であり、発熱素子が冷媒に直接浸漬されている。

冷却ジャケットは、冷媒を冷却ジャケット内で強制流通させるためのポンプと、冷媒を冷却するための熱交換器とが設けられている。冷却ジャケット内の冷媒を冷却する熱交換器には、自動車のラジエータ冷却水やエアコンディショナの冷媒が循環するように形成されている。

特開２０１０−１７７５２９号公報に記載された半導体装置は、トランジスタを冷却するヒートシンクを備え、ヒートシンク上にはトランジスタが実装されている。

特開２００６−１６６６０４号公報に記載された電力変換装置は、水路カバーと、この水路カバー上に設けられたパワー半導体モジュールを備え、水路カバー内には、冷却液が流通している。

特開２００５−５７２１２号公報に記載された浸漬式両面放熱パワーモジュールは、パワー素子と、パワー素子の一面と接合される第一の電極と、ヒートシンクを介してパワー素子の他面と接合される第二の電極と、パワー素子とワイヤを介して接合される第三の電極と、箱状のパッケージとを備える。

パワー素子と、第一、第二および第三の電極と、ヒートシンクとは、パッケージ内に収容されており、第一、第二および第三の電極は、熱伝導性絶縁層を介してパッケージの内面に密着してる。そして、パッケージ内の空間のうち、パワー素子が位置する部分以外の空間には、シリコーンゲルやエポキシ樹脂等で構成される封止材が充填されている。

特開２００８−２８３０６７号公報に記載された冷却器は、半導体モジュールの両主面に設けられた冷却管を備える。

特開２００５−１９１５２７号公報に記載された積層型冷却器は、電子部品の両面に配置された冷却管を備える。

特開２００６−３３９２３９号公報特開２０１０−１７７５２９号公報特開２００６−１６６６０４号公報特開２００５−５７２１２号公報特開２００８−２８３０６７号公報特開２００５−１９１５２７号公報

２００６−３３９２３９号公報に記載された半導体装置においては、発熱素子の電極が冷媒に直接接触しており、絶縁性冷媒以外の冷媒を採用することができないという問題がある。

特開２０１０−１７７５２９号公報に記載された半導体装置においては、ヒートシンク上にトランジスタが配置されているため、トランジスタを冷媒内に浸漬した場合よりも冷却効率が低くなる。

特開２００６−１６６６０４号公報に記載された電力変換装置においても、パワー半導体モジュールは、冷却液内に浸漬されていないため、パワー半導体モジュールを冷却液内に浸漬した場合よりも冷却効率が低くなる。

特開２００５−５７２１２号公報に記載された浸漬式両面放熱パワーモジュールにおいては、冷却水と接触するパッケージが絶縁材料で形成されていない。このため、膜厚の厚い熱伝導性絶縁層を採用する必要が生じたり、パワー素子とパッケージの内壁面との間の距離を広くする必要が生じる。この結果、放熱モジュールが大型化するという問題が生じる。

特開２００８−２８３０６７号公報に記載された冷却器においては、冷却管の間に配置された半導体モジュールと冷却管との熱膨張係数が異なり、半導体モジュールが高温となると、半導体モジュールが損傷するおそれがある。その一方で、半導体モジュールと冷却管との間に隙間が設けられると、半導体モジュールの冷却効率が著しく低下するという問題が生じる。

また、上記冷却器と同様の問題が特開２００５−１９１５２７号公報に記載された積層型冷却器においても生じる。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、各種の冷媒を採用することができると共に、小型で高い冷却性能を発揮することができる冷却器を提供することである。

本発明に係る冷却器は、内部に冷媒が流れる冷媒通路が形成されたケースと、冷媒通路内に一部が配置され、内部に設けられた素子を含む素子モジュールとを備える。上記素子モジュールのうち冷媒と接触する部分は、絶縁材料によって形成される。上記素子は、第１単位素子と、第１単位素子よりも発熱量の多い第２単位素子とを含む。上記第２単位素子と冷媒通路の内壁面との間の距離は、第１単位素子と冷媒通路の内壁面との間の距離よりも小さい。

好ましくは、上記素子モジュールは、冷媒に接触する第１絶縁基板と、第１絶縁基板と対向すると共に第１絶縁基板から間隔をあけて配置され、冷媒と接触する第２絶縁基板と、第１絶縁基板および第２絶縁基板の間に充填され、絶縁材料から形成された樹脂部とを含む。上記素子は、第１絶縁基板と第２絶縁基板との間に設けられ、樹脂部内に配置される。

好ましくは、上記第１絶縁基板は、第２絶縁基板と対向する第１内側面と、第１内側面に対して第２絶縁基板と反対側に位置する第１外側面とを含む。上記第２絶縁基板は、第１絶縁基板と対向する第２内側面と、第２内側面に対して第１絶縁基板と反対側に位置する第２外側面とを含む。上記樹脂部は、第１絶縁基板および第２絶縁基板の間から第１外側面および第２外側面に達し、第２外側面の一部を覆うように形成される。上記第１外側面には、樹脂部から露出して冷媒と接触する第１冷却面が形成される。上記第２外側面には、樹脂部から露出して冷媒と接触する第２冷却面が形成される。上記第１絶縁基板と第２絶縁基板と素子とを、第１絶縁基板および第２絶縁基板の配列方向から見ると、素子は、第１冷却面および第２冷却面内に位置する。

好ましくは、上記樹脂部は、第１絶縁基板および第２絶縁基板の間から第１外側面および第２外側面の一部を覆うように形成され、第１絶縁基板および第２絶縁基板の外周に沿って延びる縁部を含む。上記第１冷却面は、第１外側面のうち縁部から露出する部分に形成され、第２冷却面は、第２外側面のうち縁部から露出する部分に形成される。上記冷媒通路の内表面には、縁部の一部を受け入れる受入部が形成される。

好ましくは、上記第１絶縁基板は、第１冷却面から張り出す複数の第１冷却フィンを含む。上記第２絶縁基板は、第２冷却面から張り出す複数の第２冷却フィンを含む。好ましくは、上記第１絶縁基板および第２絶縁基板は、セラミックスから形成される。好ましくは、上記第１絶縁基板は、第２絶縁基板と対向する第１内側面と、第１内側面に対して第２絶縁基板と反対側に位置する第１外側面とを含む。上記第２絶縁基板は、第１絶縁基板と対向する第２内側面と、第２内側面に対して第１絶縁基板と反対側に位置する第２外側面とを含む。上記第１単位素子は第２内側面よりも第１内側面に近い位置に設けられ、第２単位素子は第１内側面よりも第２内側面に近い位置に設けられる。

上記第２外側面と冷媒通路の内壁面との間の距離は、上記第１外側面と冷媒通路の内壁面との間の距離よりも小さい、好ましくは、上記冷媒通路の内表面には、複数の凹部または複数の凸部の少なくとも一方が形成される。好ましくは、上記ケースは、樹脂成形によって一体成形される。

本発明に係る冷却器によれば、各種の冷媒を採用することができ、小型で高い冷却性能を得ることができる。

本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却装置が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。インバータ１２０を冷却する冷却回路１０を模式的に示す回路図である。冷却器１３の断面図である。冷却器１３の側断面図である。素子モジュール２１の側面図である。図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図である。図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。素子モジュールの絶縁樹脂５２を充填するときの製造工程を示す断面図である。本実施の形態２に係る冷却器１３に搭載された素子モジュール２１を示す断面図である。図９に示す素子モジュール２１の側面図である。冷却フィン９０の変形例を示す素子モジュール２１の側面図である。本実施の形態３に係る冷却器１３の断面図である。本実施の形態４に係る冷却器１３の断面図である。本実施の形態５に係る冷却器１３に搭載された素子モジュール２１を示す側面図である。本実施の形態５に係る冷却器１３の断面図である。冷却回路１０の変形例を示す回路図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組み合わせることは、当初から予定されている。

図１は、本発明の１つの実施の形態に係る半導体素子の冷却装置が適用されるＰＣＵの主要部の構成を示す回路図である。なお、図１に示されるＰＣＵ１００は、「車両を駆動する回転電機の制御装置」である。

図１を参照して、ＰＣＵ１００は、コンバータ１１０と、インバータ１２０，１３０と、制御装置１４０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。コンバータ１１０は、バッテリＢとインバータ１２０，１３０との間に接続され、インバータ１２０，１３０は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２と接続される。

コンバータ１１０は、パワートランジスタＱ１３，Ｑ１４と、ダイオードＤ１３，Ｄ１４と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１３，Ｑ１４は直列に接続され、制御装置１４０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１３，Ｄ１４は、それぞれパワートランジスタＱ１３，Ｑ１４のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１３，Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリＢの正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１３，Ｑ１４の接続点に他端が接続される。

このコンバータ１１０は、リアクトルＬを用いてバッテリＢから受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。コンバータ１１０は、インバータ１２０，１３０から受ける直流電圧を降圧してバッテリＢを充電する。

インバータ１２０，１３０は、それぞれ、Ｕ相アーム１２１Ｕ，１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗを含む。Ｕ相アーム１２１Ｕ、Ｖ相アーム１２１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１３１ＶおよびＷ相アーム１３１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム１２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ１，Ｑ２を含む。同様に、Ｕ相アーム１３１Ｕ、Ｖ相アーム１２１Ｖ，１３１ＶおよびＷ相アーム１２１Ｗ，１３１Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３〜Ｑ１２を含む。各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１２のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１２がそれぞれ接続されている。

インバータ１２０，１３０の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイルの各相端に接続されている。モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

インバータ１２０，１３０は、制御装置１４０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２を駆動する。

制御装置１４０は、モータトルク指令値、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相電流値、およびインバータ１２０，１３０の入力電圧に基づいてモータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１〜Ｑ１１をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ１２０，１３０へ出力する。

また、制御装置１４０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ１２０，１３０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１２，Ｑ１３のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１２，Ｑ１３をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ１１０へ出力する。

さらに、制御装置１４０は、モータジェネレータＭＧ１，ＭＧ２によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリＢを充電するため、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

ＰＣＵ１００の動作時において、コンバータ１１０およびインバータ１２０，１３０を構成するパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４およびダイオードＤ１〜Ｄ１４は発熱する。したがって、これらの半導体素子の冷却を促進するための冷却装置を設ける必要がある。

図２は、インバータ１２０を冷却する冷却回路１０を模式的に示す回路図である。この図２に示すように、冷却回路１０は、車両のラジエータ内に設けられた熱交換器１１と、ポンプ１２と、冷却器１３と、冷媒１５が内部を流れる冷媒管１４とを備える。

冷媒管１４は、熱交換器１１とポンプ１２との間と、ポンプ１２と冷却器１３との間と、冷却器１３と熱交換器１１との間とを接続する。

熱交換器１１は、外気を用いて冷媒１５を冷却する。冷却された冷媒１５は、ポンプ１２によって冷却器１３に供給され、冷却器１３は内部に設けられたインバータ１２０の各素子を冷却する。冷却器１３から排出された冷媒１５は、熱交換器１１に供給され、熱交換器１１内で冷却される。

図３は、冷却器１３の断面図であり、図４は、冷却器１３の側断面図である。図３に示すように、冷却器１３は、内部を冷媒１５が流れるケース２０と、ケース２０の内部に設けられた複数の素子モジュール２１，２２，２３，２４，２５，２６とを備える。

ケース２０は、ケース２０の内部に間隔をあけて配置された複数の仕切板３２，３３を含み、この仕切板３２，３３によってケース２０内に複数の冷媒通路３４，３５，３６が形成されている。なお、冷媒通路３４と、冷媒通路３５と、冷媒通路３６とは直列的に接続されている。

ケース２０の周壁部には、供給口３０と排出口３１とが形成されており、供給口３０と冷媒通路３４とが連通し、排出口３１と冷媒通路３６とが連通している。このため、供給口３０から冷媒通路３４内に入り込んだ冷媒１５は、冷媒通路３４と、冷媒通路３５と冷媒通路３６とを順次流れ、排出口３１から排出される。

素子モジュール２１の内部には、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１が設けられている。同様に、素子モジュール２２，２３，２４，２５，２６内には、パワートランジスタＱ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６と、ダイオードＤ２，Ｄ３，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６とが設けられている。

図４に示すように、ケース２０は、上面が開口するケース本体４１と、ケース本体４１の開口部を覆う上壁部４２と、上壁部４２上に敷き詰められたポッティング材４３とを含む。なお、ケース本体４１および上壁部４２は、たとえば、絶縁性材料から形成されている。仕切板３２および仕切板３３は、ケース本体４１の底面に一体的に形成されており、仕切板３２および仕切板３３は、ケース本体４１の底面から上方に向けて突出している。

そして、ケース本体４１の側壁部と仕切板３３との間に冷媒通路３６が形成されており、仕切板３３および仕切板３２の間に冷媒通路３５が形成されている。また、仕切板３２と、ケース本体４１の側壁部との間に冷媒通路３４が形成されている。

冷媒１５は、冷媒通路３４、冷媒通路３５および冷媒通路３６の上端部まで満たされている。

冷媒通路３４には、素子モジュール２１の下端部を受け入れる受入部４４と、素子モジュール２１の上端部を受け入れる受入部４７とが形成されている。媒通路３５には、素子モジュール２４の下端部を受け入れる受入部４５と、素子モジュール２４の上端部を受け入る受入部４８とが形成されている。冷媒通路３６には、素子モジュール２５の下端部を受け入れる受入部４６と、素子モジュール２５の上端部を受け入れる受入部４９とが形成されている。

受入部４４、４５，４６は、ケース本体４１の底面を凹ますことで形成されており、受入部４７，４８，４９は、上壁部４２に形成された貫通孔である。素子モジュール２１，２４，２５の下端部は、受入部４４，４５，４６にはめ込まれ、素子モジュール２１，２４，２５の上端部は、受入部４７，４８，４９に嵌め込まれている。

素子モジュール２１，２４，２５の上端部が、受入部４７，４８，４９に嵌め込まれることで、各素子モジュール２１，２４，２５の位置決めがされており、受入部４４，４５，４６は、素子モジュール２１，２４，２５の下端部よりも僅かに幅広に形成されている。素子モジュール２１，２４，２５の上端面からは、各々電極配線が突出しており、各電極配線は、ポッティング材４３を貫通している。

素子モジュール２１，２４，２５のうち、上端部および下端部の間に位置する部分は、冷媒通路３４，３５，３６内に配置されており、素子モジュール２１，２４，２５の当該部分は、冷媒１５と直接接触する。

このように、各素子モジュールを直接冷媒１５に接触させることで、冷却器１３の素子の冷却効率は高くなっている。

各素子モジュール２１〜２６は、いずれも、実質的に同じ構造となっている。そこで、代表的に素子モジュール２１の構造を説明する。

図５は、素子モジュール２１の側面図であり、この図５および図３に示すように、ダイオードＤ１およびパワートランジスタＱ１が冷媒１５の流通方向に配列している。なお、この図５に示す例においては、ダイオードＤ１がパワートランジスタＱ１よりも冷媒１５の流通方向の上流側に配置されているが、パワートランジスタＱ１をダイオードＤ１よりも冷媒１５の流通方向の上流側に配置してもよい。

一般的に、パワートランジスタＱ１の発熱量の方がダイオードＤ１の発熱量よりも多い。このため、パワートランジスタＱ１を冷媒１５の流通方向の上流側に配置することで、ダイオードＤ１によって暖められていない冷媒１５でパワートランジスタＱ１を冷却することができ、パワートランジスタＱ１を良好に冷却することができる。

図６は、図５のＶＩ−ＶＩ線における断面図であり、図７は、図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線における断面図である。図６において、素子モジュール２１は、冷媒１５と接触する絶縁基板５０と、絶縁基板５０と対向すると共に、絶縁基板５０から間隔をあけて配置された絶縁基板５１と、絶縁基板５０および絶縁基板５１の間に充填された絶縁樹脂５２と、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１と、電極板５７，５８とを含む。

絶縁基板５１および絶縁樹脂５２は、たとえば、セラミックス、アルミナ（酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃））、窒化アルミ（窒化アルミニウム(ＡｌＮ)）などの絶縁材料から形成されている。

絶縁基板５０は、外側面５３と、絶縁基板５１と対向する内側面５４とを含む。外側面５３は、内側面５４に対して絶縁基板５１と反対側に配置され、外側面５３の一部は、冷媒１５と接触する。

絶縁基板５１は、外側面５５と、絶縁基板５０と対向する内側面５６とを含む。外側面５５は、内側面５６に対して絶縁基板５０と反対側に配置されており、外側面５５の一部は、冷媒１５に直接接触している。

電極板５８は、絶縁基板５１の内側面５６に設けられており、電極板５７は、絶縁基板５０の内側面５４に設けられている。図７に示すように、電極板５７の上端部には、電極配線７４が形成されており、さらに、電極板５８の上端部には、電極配線７３が形成されている。

図６において、パワートランジスタＱ１は、電極板５８に固定されており、パワートランジスタＱ１の一方の主表面が半田６０によって電極板５８に固定されている。パワートランジスタＱ１の他方の主表面は、半田６１によって電極板５７の台座部に固定されている。

ダイオードＤ１は、電極板５７に固定されており、ダイオードＤ１の一方の主表面が半田６２によって電極板５７に固定されている。さらに、ダイオードＤ１の他方の主表面は半田６３によって電極板５８の台座部に固定されている。

パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、絶縁基板５０と絶縁基板５１との間に位置しており、絶縁樹脂５２は絶縁基板５０および絶縁基板５１の間に充填されている。

このため、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、絶縁樹脂５２内に位置しており、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１が冷媒１５と接触することが防止されている。

絶縁樹脂５２は、絶縁材料から形成されており、たとえば、ＢＭＣ(Bulk Molding Compound)、エポキシ樹脂といった熱硬化性樹脂やPPS(Polyphenylene Sulfide)、ＰＢＴ(Polybutylene Terephthalate)などの絶縁性の熱可塑性樹脂などから形成されている。

図６および図７を参照して、絶縁樹脂５２は、絶縁基板５０と絶縁基板５１との間から絶縁基板５０の外側面５３および絶縁基板５１の外側面５５に達し、外側面５３および
外側面５５の一部を覆うように形成された縁部７０を含む。縁部７０は、絶縁基板５０および絶縁基板５１の外周縁部に沿って環状に形成されている。

縁部７０は、絶縁基板５０，５１の上辺部に沿って形成された上辺部７０ａと、絶縁基板５０，５１の下辺部に沿って形成された下辺部７０ｂと、絶縁基板５０，５１の側辺部に沿って延びる側辺部７０ｃとを含む。

図７および図５において、上辺部７０ａおよび下辺部７０ｂは、絶縁基板５０および絶縁基板５１の間から絶縁基板５０，５１の周縁部をとおり、外側面５３，５１に達するように形成されている。そして、上辺部７０ａおよび下辺部７０ｂは、外側面５３および外側面５５の一部を覆うように形成されている。図６および図５に示すように、側辺部７０ｃは、外側面５３および外側面５５と面一となるように形成されている。外側面５３には、縁部７０から露出する部分に冷却面７１が形成されており、外側面５５にも、縁部７０から露出する冷却面７２が形成されている。

図４に示すように、各素子モジュール２１，２４，２５の上辺部７０ａが受入部４７，４８，４９に嵌め込まれ、下辺部７０ｂが受入部４４，４５，４６に嵌め込まれることで、素子モジュール２１，２４，２５がケース２０に固定されている。

上辺部７０ａの上面は、上壁部４２の上面より上方に位置しており、冷媒通路３４の外側に位置している。電極配線７３，７４は、上辺部７０ａの上面から上方に突出しており、電極配線７３，７４が冷媒１５と接触することが抑制されている。

その一方で、素子モジュール２１のうち、冷媒通路３４内に位置して冷媒１５と接触する部分は、絶縁材料によって形成されている。

これにより、冷媒１５として、絶縁冷媒に限られず、ＬＬＣ（ロングライフクーラント）などの冷媒を採用することができる。これに伴い、一般的に車両に搭載されている冷却回路内に、図１に示す冷却回路１０を組み込むこともでき、車両搭載機器のコンパクト化も図ることができる。

素子モジュール２１を絶縁基板５０および絶縁基板５１の配列方向から見ると、図５に示すように、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、絶縁基板５１の冷却面７２内に位置している。同様に、素子モジュール２１の絶縁基板５０を平面視すると、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、冷却面７１内に位置している。

このため、冷却面７１および冷却面７２に冷媒１５が直接接触することで、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１が良好に冷却される。

さらに、絶縁樹脂５２の一部である上辺部７０ａを利用して、素子モジュール２１をケース２０に固定することで、部品点数の低減が図られている。

本実施の形態１に係る冷却器１３においては、上辺部７０ａと受入部４７，４８，４９に嵌め込むことで各素子モジュール２１，２４，２５の位置決めがなされている。絶縁基板５０，５１の上端部は、受入部４７よりも下方に離れている。このため、受入部４７の内壁面と上辺部７０ａとの間で熱応力が生じたとしても、絶縁基板５０，５１に大きな熱応力が加えられることが抑制されており、絶縁基板５０，５１の損傷の損傷が抑制されている。

図８は、素子モジュールの絶縁樹脂５２を充填するときの製造工程を示す断面図である。この図８に示すように、絶縁樹脂５２を充填する際には、絶縁樹脂５２が形成されていない素子モジュールを樹脂モールド装置８０内に配置する。

樹脂モールド装置８０は、金型８１と金型８２とを含み、金型８１および金型８２によって樹脂モールド装置８０内にはキャビティ８３が形成されている。金型８１には、キャビティ８３と連通し、樹脂材料８４が供給される供給口８５が形成されている。

そして、絶縁樹脂５２を形成する際には、まず、素子モジュールをキャビティ８３内に配置する。素子モジュールの絶縁基板５０は、金型８１の内壁面と接触し、絶縁基板５１は、金型８２と接触する。

絶縁基板５０の外側面のうち、金型８１と接触している部分が冷却面７１となり、絶縁基板５１の外側面のうち、金型８２と接触している部分が冷却面７２となる。

このように、絶縁基板５０，５１が金型８１，８２の内壁面と接触している状態で、キャビティ８３内に樹脂材料８４を充填する。

この際、仮に、金型８１，８０の内壁面と絶縁基板５０，５１の外側面その間に僅かな隙間が形成されていると、冷却面７１，７２に僅かな樹脂が形成されることになる。

本実施の形態に係る冷却器１３においては、冷却面７１，７２の略全面に冷媒１５が接触するため、冷却面７１，７２の一部に薄膜状の樹脂膜が形成されたしても、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１の冷却効率は殆ど低下しない。

このため、絶縁樹脂５２を形成する工程において、絶縁基板５０，５１に過大な荷重を加える必要がなく、絶縁基板５０，５１に加えられ荷重を低く抑えることができる。

これにより、素子モジュールの製造過程において、絶縁基板５０，５１が損傷することを抑制することができ、歩留りの向上を図ることができる。

また、図４において、ケース本体４１は、上方に向けて開口する箱型形状に形成されており、仕切板３２，３３は、ケース本体４１の底面から上方に向けて延びるように形成されている。このようなケース本体４１および仕切板３２，３３は、射出成型によって簡単に一体的に樹脂成形することができ、冷却器１３の製造工程数の低減が図られている。

（実施の形態２）
図９から図１１および適宜図３などを用いて、本実施の形態２に係る冷却器１３について説明する。なお、図９から図１１に示す構成のうち、上記図１から図８に示す構成と同一または相当する構成については同一の符号を付してその説明を省略する場合がある。

図９は、本実施の形態２に係る冷却器１３に搭載された素子モジュール２１を示す断面図である。この図９に示す素子モジュール２１は、冷却面７１に設けられた複数の冷却フィン９１と、冷却面７２に設けられた複数冷却フィン９０とを備える。冷却フィン９０，９１は、高さ方向に間隔をあけて複数形成されている。

図１０は、図９に示す素子モジュール２１の側面図である。この図１０に示すように、各冷却フィン９０は、素子モジュール２１の幅方向に延びている。換言すれば、各冷却フィン９０は、冷媒１５の流通方向に延びている。これにより、冷却フィン９０によって、冷媒１５の流通抵抗が過大に大きくなることが抑制されている。なお、冷却フィン９１も冷却フィン９０と同様に、冷媒１５の流通方向に延びるように形成されている。

図１１は、冷却フィン９０の変形例を示す素子モジュール２１の側面図である。この図１１に示す例においては、各冷却フィン９０は、斜め方向に延びるように形成されている。このため、各冷却フィン９０は、冷媒１５の流通方向に対して交差するように配置されており、冷媒１５が冷却フィン９０の間を流れる際に、冷媒１５の流れが乱され、乱流が生じやすくなっている。冷媒１５の流れが乱流となることで、冷媒１５による冷却効率を向上させることができる。なお、この図１１に示す例においては、冷却フィン９１も、冷却フィン９０と同様に形成されている。このように、冷却フィン９０，９１は、様々な形状を採用することができる。

（実施の形態３）
図１２および上記図６を用いて、本実施の形態３に係る冷却器１３について説明する。図１２は、本実施の形態３に係る冷却器１３の断面図である。

ここで、図６において、ダイオードＤ１は、絶縁基板５１の内側面５６よりも絶縁基板５０の内側面５４に近い位置に設けられており、パワートランジスタＱ１は、絶縁基板５０の内側面５４よりも絶縁基板５１の内側面５６に近い位置に設けられている。

図１２において、素子モジュール２１に着目すると、冷媒１５は、絶縁基板５０と素子モジュール２１の内壁面との間と、絶縁基板５１と仕切板３２との間を流れる。

そして、絶縁基板５０の外側面とケース２０の内壁面との間に形成された流路の流路幅Ｗ１よりも、絶縁基板５１の外側面と仕切板３２との間に形成された流路の流路幅Ｗ２の方が小さい。

このため、絶縁基板５１と仕切板３２との間を流れる冷媒１５の流速の方が、絶縁基板５０とケース２０の内壁面との間を流れる冷媒１５の流速よりも速くなる。これにより、ダイオードＤ１よりも発熱量が多いパワートランジスタＱ１が良好に冷却され、パワートランジスタＱ１が高温となることを抑制することができる。

なお、素子モジュール２２も、素子モジュール２１と同様に配置されており、素子モジュール２１のパワートランジスタＱ２が良好に冷却されている。

素子モジュール２３，２４は、素子モジュール２３，２４と仕切板３２との間の距離よりも、素子モジュール２３、２４と仕切板３３との距離が小さくなるように配置されている。これにより、仕切板３３と素子モジュール２３，２４の間を流れる冷媒１５の流速は、仕切板３２と素子モジュール２３，２４との間を流れる冷媒１５の流速よりも速くなり、パワートランジスタＱ３，Ｑ４を良好に冷却することができる。なお、パワートランジスタＱ３，Ｑ４は、仕切板３２と対向する絶縁基板よりも、仕切板３３と対向する絶縁基板に近い位置に配されている。

素子モジュール２５，２６は、素子モジュール２５，２６と仕切板３３との間の距離よりも、ケース２０の内壁面と素子モジュール２５，２６との間の距離の方が小さくなるように、配置されている。これにより、仕切板３３と素子モジュール２５，２６の間を流れる冷媒１５の流速よりも、ケース２０の内壁面と素子モジュール２５，２６との間を流れる冷媒１５の流速の方が速くなる。

パワートランジスタＱ５，Ｑ６は、仕切板３３よりもケース２０の内壁面に近い位置に配置されているため、流速の速い冷媒１５によって良好に冷却される。

（実施の形態４）
図１３を用いて、本実施の形態４に係る冷却器１３について説明する。図１３は、本実施の形態４に係る冷却器１３の断面図である。

この図１３に示すように、ケース２０の内表面、仕切板３２の表面および仕切板３３の表面には、複数の凸部９５および凹部９６が形成されている。

このように、冷媒通路３４，３５，３６の内表面に複数の凸部９５および凹部９６を形成することで、冷媒通路３４，３５，３６内を流れる冷媒１５の流れを乱流とすることができる。これにより、各素子が良好に冷却される。なお、図１３に示す例においては、複数の凹凸部を形成した例について説明したが、凹部のみを形成してもよく、さらには、凸部のみを形成するようにしてもよい。

（実施の形態５）
図１４および図１５を用いて、本実施の形態５に係る冷却器１３について説明する。

図１４は、本実施の形態５に係る冷却器１３に搭載された素子モジュール２１を示す側面図である。この図１４に示すように、パワートランジスタＱ１およびダイオードＤ１は、素子モジュール２１の高さ方向に配列している。この図１４に示す例においては、パワートランジスタＱ１は、ダイオードＤ１の上方に配置されている。

図１５は、本実施の形態５に係る冷却器１３の断面図である。この図１５において、素子モジュール２１の絶縁基板５１は、仕切板３２と対向しており、絶縁基板５０は、ケース本体４１の内壁面と対向するように配置されている。

同様に、素子モジュール２４の絶縁基板５１は、仕切板３３と対向しており、素子モジュール２１の絶縁基板５０は、仕切板３２と対向するように配置されている。

素子モジュール２５の絶縁基板５０は、ケース本体４１の内壁面と対向しており、素子モジュール２５の絶縁基板５１は、仕切板３３と対向するように配置されている。

パワートランジスタＱ１，Ｑ４、Ｑ５は、絶縁基板５０よりも絶縁基板５１に近接するように配置されている。

仕切板３２のうち、素子モジュール２１のパワートランジスタＱ１と対向する部分には、素子モジュール２１に向けて膨出部９７が形成されている。さらに、仕切板３３のうち、素子モジュール２４のパワートランジスタＱ４と対向する部分には、素子モジュール２４に向けて張り出す膨出部９８が形成されている。ケース２０内壁面のうち、素子モジュール２５のパワートランジスタＱ５と対向する部分には、素子モジュール２５に向けて張り出す膨出部９９が形成されている。

このため、膨出部９７，９８，９９と素子モジュール２１，２３，２５との間を流れる冷媒１５の流速は、冷媒通路３４,３５，３６の他の部分を流れる冷媒１５の流速よりも速くなる。この結果、パワートランジスタＱ１、Ｑ４，Ｑ５を良好に冷却することができる。

なお、上記実施の形態１〜５においては、図１に示すインバータ１２０の冷却装置について説明したが、インバータ１３０の冷却器やコンバータ１１０を冷却する冷却器にも適用することができることはいうまでもない。また、１つの冷却器でインバータ１２０、１３０およびコンバータ１１０の各素子を冷却するようにしてもよい。

さらに、インバータ１２０を冷却する冷却器と、インバータ１３０を冷却する冷却器と、コンバータ１１０を冷却する冷却器とを接続する際には、冷媒１５の流通方向に直列的に接続する。具体的には、図１６に示すように、冷却回路１０は、インバータ１２０の素子を冷却する冷却器１３Ａと、インバータ１３０の素子を冷却する冷却器１３Ｂと、コンバータ１１０の素子を冷却する冷却器１３Ｃとを含む。そして、冷媒管１４は、冷却器１３Ａと、冷却器１３Ｂと冷却器１３Ｃとを直列に接続している。

以上のように本発明の実施の形態について説明を行なったが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、素子を冷却する冷却器に適用することができる。

１０冷却回路、１１熱交換器、１２ポンプ、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ冷却器、１４冷媒管、１５冷媒、２０ケース、２１，２２，２３，２４，２５，２６素子モジュール、３０，８５供給口、３１排出口、３２，３３仕切板、３４，３５，３６冷媒通路、３５冷媒通路、４１ケース本体、４２上壁部、４３ポッティング材、４４，４５，４６，４７，４８，４９受入部、５０，５１，５０絶縁基板、５１，５３，５５外側面、５４，５６内側面、５７，５８電極板、６０，６１，６２，６３半田、７０縁部、７０ａ上辺部、７０ｂ下辺部、７０ｃ側辺部、７１，７２冷却面、７３，７４電極配線、８１，８２金型、８３キャビティ、８４樹脂材料、９０，９１冷却フィン、９５凸部、９６凹部、９７，９７，９８，９９膨出部、１１０コンバータ、１２０，１３０インバータ、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ５，Ｑ６パワートランジスタ、Ｗ１，Ｗ２流路幅。

Claims

内部に冷媒（１５）が流れる冷媒通路が形成されたケース（２０）と、
前記冷媒通路内に一部が配置され、内部に設けられた素子を含む素子モジュール（２１）と、
を備え、
前記素子モジュール（２１）のうち前記冷媒（１５）と接触する部分は、絶縁材料によって形成され、
前記素子は、第１単位素子（Ｄ１）と、前記第１単位素子（Ｄ１）よりも発熱量の多い第２単位素子（Ｑ１）とを含み、
前記第２単位素子（Ｑ１）と前記冷媒通路の内壁面との間の距離は、前記第１単位素子（Ｄ１）と前記冷媒通路の内壁面との間の距離よりも小さい、冷却器。
前記素子モジュール（２１）は、前記冷媒（１５）に接触する第１絶縁基板（５０）と、前記第１絶縁基板（５０）と対向すると共に前記第１絶縁基板（５０）から間隔をあけて配置され、前記冷媒（１５）と接触する第２絶縁基板（５１）と、前記第１絶縁基板（５０）および前記第２絶縁基板（５１）の間に充填され、絶縁材料から形成された樹脂部（５２）とを含み、
前記素子は、前記第１絶縁基板（５０）と前記第２絶縁基板（５１）との間に設けられ、前記樹脂部（５２）内に配置された、請求項１に記載の冷却器。
前記第１絶縁基板（５０）は、前記第２絶縁基板（５１）と対向する第１内側面（５４）と、前記第１内側面（５４）に対して前記第２絶縁基板（５１）と反対側に位置する第１外側面（５３）とを含み、
前記第２絶縁基板（５１）は、前記第１絶縁基板（５０）と対向する第２内側面（５６）と、前記第２内側面（５６）に対して前記第１絶縁基板（５０）と反対側に位置する第２外側面（５５）とを含み、
前記樹脂部（５２）は、前記第１絶縁基板（５０）および第２絶縁基板（５１）の間から前記第１外側面（５３）および前記第２外側面（５５）に達し、前記第２外側面（５５）の一部を覆うように形成され、
前記第１外側面（５３）には、前記樹脂部（５２）から露出して前記冷媒（１５）と接触する第１冷却面が形成され、
前記第２外側面（５５）には、前記樹脂部（５２）から露出して前記冷媒（１５）と接触する第２冷却面が形成され、
前記第１絶縁基板（５０）と前記第２絶縁基板（５１）と前記素子とを、前記第１絶縁基板（５０）および前記第２絶縁基板（５１）の配列方向から見ると、前記素子は、前記第１冷却面および前記第２冷却面内に位置する、請求項２に記載の冷却器。
前記樹脂部（５２）は、前記第１絶縁基板（５０）および第２絶縁基板（５１）の間から前記第１外側面（５３）および前記第２外側面（５５）の一部を覆うように形成され、前記第１絶縁基板（５０）および第２絶縁基板（５１）の外周に沿って延びる縁部を含み、
前記第１冷却面は、前記第１外側面（５３）のうち前記縁部から露出する部分に形成され、前記第２冷却面は、前記第２外側面（５５）のうち前記縁部から露出する部分に形成され、
前記冷媒通路の内表面には、前記縁部の一部を受け入れる受入部が形成された、請求項３に記載の冷却器。
前記第１絶縁基板（５０）は、前記第１冷却面から張り出す複数の第１冷却フィンを含み、
前記第２絶縁基板（５１）は、前記第２冷却面から張り出す複数の第２冷却フィンを含む、請求項３に記載に冷却器。
前記第１絶縁基板（５０）および前記第２絶縁基板（５１）は、セラミックスから形成された、請求項２に記載の冷却器。
前記第１絶縁基板（５０）は、前記第２絶縁基板（５１）と対向する第１内側面（５４）と、前記第１内側面（５４）に対して前記第２絶縁基板（５１）と反対側に位置する第１外側面（５３）とを含み、
前記第２絶縁基板（５１）は、前記第１絶縁基板（５０）と対向する第２内側面（５６）と、前記第２内側面（５６）に対して前記第１絶縁基板（５０）と反対側に位置する第２外側面（５５）とを含み、
前記第１単位素子（Ｄ１）は前記第２内側面（５６）よりも前記第１内側面（５４）に近い位置に設けられ、前記第２単位素子（Ｑ１）は前記第１内側面（５４）よりも前記第２内側面（５６）に近い位置に設けられ、
前記第２外側面（５５）と前記冷媒通路の内壁面との間の距離は、前記第１外側面（５３）と前記冷媒通路の内壁面との間の距離よりも小さい、請求項２に記載の冷却器。
前記冷媒通路の内表面には、複数の凹部または複数の凸部の少なくとも一方が形成された、請求項１に記載の冷却器
前記ケースは、樹脂成形によって一体成形された、請求項１に記載の冷却器。