JP6233257B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器に関する。特に、夫々が半導体素子を収容した複数のパワーカードと複数の冷却器が積層された電力変換器に関する。

電力変換器は発熱量が大きい。特に、スイッチング素子、又は、パワー素子と呼ばれる電力変換用の半導体素子の発熱量が大きい。例えば、電動車両の駆動用モータに電力を供給する電力変換器は、多数のスイッチング素子を備えるので、特に発熱量が大きい。

発熱量の大きい多数のスイッチング素子を集約して効率よく冷却するための技術が特許文献１−３に開示されている。特許文献１に開示された技術では、スイッチング素子を収容した複数のパワーカードと複数の冷却器を備えており、パワーカードと冷却器を交互に積層した積層ユニットを採用する。平板型の各パワーカードはその両面に冷却器が当接して冷却される。特許文献１には、冷却器の本体はアルミニウムであることが開示されている。このタイプの冷却器は、熱伝導率の高い金属（典型的にはアルミニウム）のプレス加工で容易に製造できるからである。また、積層ユニットは、パワーカードから冷却器への熱伝達効率を高めるために、積層ユニットをその積層方向に加圧しつつ電力変換器のケースに収容される。特許文献１では、積層ユニットの端面とケース内側面との間に板バネを挿入して積層ユニットを加圧する。

特許文献２と３には、内部を冷媒が流れる樹脂製の本体を有する冷却器の内部にパワーカードを組み込み、その冷却器を積層した積層ユニットが開示されている。この積層ユニットでは、特許文献１の技術と異なり、パワーカードの周囲を冷媒が流れるので冷却性能が高い。

なお、本明細書が開示する技術では冷却器の本体の開口を封止するのにガスケットを用いる。特許文献４にガスケットの例が開示されている。

特開２０１２−２３８６８１号公報 特開２００６−１６５５３４号公報 特開２０１２−００９５６８号公報 特開２００４−１８０８２４号公報

特許文献１の積層ユニットでは、冷却器の本体は製造容易性と熱伝導性の観点から金属薄板で製造される。しかし、金属薄板の冷却器を使った積層ユニットを積層方向に加圧すると、冷却器の変形量が大きく、パワーカードの位置誤差が大きくなる。なお、積層ユニットに加える圧力の総計は、数キロニュートンにも及ぶ場合がある。

特許文献２、３の技術は、パワーカードを直接に冷媒の流れに晒すことで、金属本体の冷却器を不要としつつ、高い冷却性能を実現する。しかし、冷媒の流れの中にパワーカードを直接に晒すので、パワーカードの防水対策が難しい。

本明細書が開示する電力変換器は、パワーカードを直接に冷媒に晒すことは避け、特許文献１のように冷却器とパワーカードを積層する構造を採用する。本明細書が開示する電力変換器は、積層ユニットに加えられる積層方向の圧力を活用する。本明細書が開示する技術は、冷却器とパワーカードを積層する構造でありながら冷却器に樹脂製の本体を採用しつつ、パワーカードの冷却性能も確保する電力変換器を提供する。

本明細書が開示する電力変換器の一実施形態は、次の通りである。電力変換器は、複数のパワーカードと複数の冷却器を備える。各パワーカードは、半導体素子を収容している。複数の冷却器は、夫々がパワーカードに対向するように、複数のパワーカードと積層されている。各冷却器は、樹脂製の本体と、金属板を備える。本体は、隣接するパワーカードと対向する側面に開口が設けられている。金属板は、一方の面がガスケットを介して本体の開口を塞いでおり、他方の面がパワーカードと対向している。本体に、ガスケットを収める溝が開口の周囲に設けられている。溝の開口側の縁の高さが外側の縁よりも高くなっている。複数のパワーカードと複数の冷却器の積層ユニットは積層方向に加圧されており、その圧力によって本体の開口が金属板で封止される。

上記した電力変換器は、積層方向に加圧される積層ユニットの冷却器に樹脂製の本体を採用する。樹脂製の本体は射出成形にて複雑な形状が容易に作れるので強度の高い本体を低コストで得られる。樹脂製の本体を採用することで冷却器の強度が確保され、変形が抑えられる。ただし、樹脂はアルミニウムなどの金属と比較して熱伝導率が低い。そこで、本明細書における積層ユニットの冷却器では、パワーカードの熱を伝える部材には金属板を採用する。具体的には、樹脂製の本体のパワーカードと対向する面に開口を設け、その開口を塞ぐように金属板を配置する。金属板の一方の面はパワーカードと対向している。金属板がパワーカードの熱を本体内部の冷媒によく伝える。なお、本体内部は冷媒が通る空間であるので金属板の裏面には冷媒が直接に触れる。それゆえ、高い冷却性能も確保できる。

本明細書が開示する電力変換器では、積層ユニットがその積層方向に圧力を受けることを利用する。金属板は開口の周囲の本体側面に接する大きさとし、圧力によって金属板と開口との封止が確保される。なお、金属板と開口周囲の本体側面の間にはガスケットが嵌挿され、上記の圧力でガスケットが圧縮されて開口と金属板の間が密封される。開口の封止構造は極めて簡単である。上記の電力変換器は、冷却器の強度が高く、その上、パワーカードの冷却効率もよい。

金属板は、パワーカードに直接に接していてもよいし、パワーカードとの間に絶縁板が挟まれていてもよい。後者の場合は、パワーカードの表面に放熱板が露出している場合に好適である。絶縁板は、パワーカードの一部と見なしてもよい。

本明細書は、上記した電力変換器の好適な製造方法も開示する。その方法は、次の工程を含む。（１）隣接するパワーカードと対向する側面に開口が設けられている樹脂製の複数の本体を準備する工程。（２）金属板を夫々のパワーカードに固定する工程。（３）固定する工程の後に、金属板が開口を覆うように複数のパワーカードと複数の本体を積層する工程。（４）複数のパワーカードと複数の冷却器の積層ユニットに積層方向の圧力を加えつつケースに収容する工程。この製造方法によると、冷却器の本体に対するパワーカードと金属板の位置決めが同時にできる。

本明細書が開示する技術は、半導体素子を収容したパワーカードと冷却器を積層した積層ユニットを有する電力変換器に関し、冷却器に樹脂製の本体を採用しつつ、パワーカードに対する冷却性能も確保した電力変換器を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

第１実施例の電力変換器における積層ユニットの斜視図である。 第１実施例の電力変換器のケース内レイアウトを示す平面図である。 冷却器の分解斜視図である。 一組の冷却器とそれらに挟まれるパワーカードの斜視図である。 図４のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図５の破線VIの範囲の拡大図である。 第２実施例の電力変換器における積層ユニットの斜視図である。 一対の冷却器とそれらに挟まれるパワーカードの斜視図である。 図８のサブアセンブリの分解斜視図である。 フィン付き金属板の分解斜視図である。 フィン付き金属板の斜視図である。 パワーカードサブアセンブリの分解斜視図である。 パワーカードサブアセンブリの斜視図である。 図８のＡＡ線に沿った断面図である。 図８のＢＢ線に沿った断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換器を説明する。まず、積層ユニットを概説する。図１に、積層ユニット１０の斜視図を示す。積層ユニット１０は、電動車両に搭載される電力変換器の主要部品である。電力変換器は、バッテリの直流電力を昇圧し、さらに交流に変換して走行用のモータに供給する。電力変換器は、電圧を高める電圧コンバータ回路と、インバータ回路を含む。電圧コンバータ回路は、昇降圧コンバータであり、２個の半導体素子（ＩＧＢＴ）を含む。また、インバータ回路は６個の半導体素子を含む。電力変換器は、合計８個の半導体素子を含む。夫々の半導体素子は、大きな電流を導通／遮断するので発熱量が大きい。なお、半導体素子の数は、車両の種類（電力変換器の種類）によって異なっていてもよい。

積層ユニット１０は、上記した８個の半導体素子を集約して集中的に冷却するユニットである。積層ユニット１０は、４個のパワーカード３ａ−３ｄと５個の冷却器２ａ−２ｅが交互に積層されたユニットである。図中のＸ軸方向が積層方向に相当する。なお、複数の冷却器２ａ−２ｅは同じ構造を有している。同様に複数のパワーカード３ａ−３ｄは同じ構造を有している。以下では、複数の冷却器２ａ−２ｅのいずれか一つを区別なく表す場合に「冷却器２」と表記する。同様に、複数のパワーカード３ａ−３ｄのいずれか一つを区別なく表す場合に「パワーカード３」と表記する。

夫々のパワーカード３は、２個の半導体素子を樹脂でモールドしたパッケージである。各パワーカード３の内部で２個の半導体素子が直列に接続されている。各パワーカード３からは３本の端子２９が伸びている。３本の端子２９の夫々は、半導体素子の直列回路の高電位側端子、低電位側端子、直列回路の中点の端子に相当する。パワーカード３からは、上記３本の端子２９のほか、半導体素子（ＩＧＢＴ）のゲートに通じる端子（ゲート端子）が、端子２９が伸びている側面とは反対側の側面から伸びている（図１１Ａ等を参照のこと）。

パワーカード３を挟み込んでいる冷却器２は、その内部を液体の冷媒が通る。冷媒の典型は水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。各冷却器２はパワーカード３を挟んで図中Ｙ軸方向の両側に貫通孔４３を有しており、積層されて繋がった貫通孔４３が冷媒を供給する供給路Ｐ１と冷却器の本体を通過した冷媒を排出する排出路Ｐ３を構成する。後述するが、本体内部の流路に符号Ｐ２を割り当てている。なお、積層ユニット１０の一端には、カバー２８が当てられて貫通孔が閉じられている。

積層ユニット１０を含む電力変換器１００のケース内のデバイスレイアウトを説明する。図２は、電力変換器１００のカバーを外したケース内平面図である。ケース２０には、積層ユニット１０のほか、複数のコンデンサ素子２４とリアクトル２５が収容される。コンデンサ素子２４のいくつかは電圧コンバータ回路の低電圧側に接続されてフィルタコンデンサを構成する。コンデンサ素子２４の残りは、高電圧側に接続されて平滑化コンデンサを構成する。電力変換器１００は走行用モータに供給する大電流を扱うので、コンデンサ素子２４も体格が大きい。リアクトル２５は、チョッパ型の電圧コンバータ回路で用いられる。

積層ユニット１０は、ケース２０に設けられた支持壁２０ａと２０ｂの間に配置され、積層ユニット１０の一端と支持壁２０ｂとの間に嵌挿された板バネ２３により積層方向に加圧される。板バネ２３による圧力の総計は、数キロニュートンにも及ぶ。積層ユニット１０の一端には、ケース外部から積層ユニット１０へ冷媒を供給する供給管２１と積層ユニット１０から冷媒を排出する排出管２２が接続される。供給管２１と排出管２２は、それぞれ、前述した供給路Ｐ１と排出路Ｐ３と連通する。

上記デバイスのほか、パワーカード３の中の半導体素子に供給するＰＷＭ信号を生成する制御基板もケース２０に実装されるがその図示は省略している。

次に、冷却器２の構造を説明する。図３は、冷却器２の分解斜視図である。冷却器２の本体４０は樹脂で作られている。図３に示すように本体４０は複雑な形状を有しているが、そのような形状は樹脂の射出成形によって低コスト且つ精度良く製造することができる。本体４０の内部は冷媒が通る流路Ｐ２となる。積層方向（図中のＸ方向）からみたときの本体４０の中央に開口４１ａが設けられている。開口４１ａは、パワーカード３と対向する位置に設けられている。開口４１ａは、金属板３２ａで塞がれる。詳しくは、金属板３２ａは、シリコンゴム製のガスケット３４ａを挟んで、開口４１ａの周囲の本体側面４４ａに当接し、開口４１ａを塞ぐ。本体４０の積層方向の一方側では両端に突出部４２が設けられており、金属板３２ａは一対の突出部４２の間で本体側面４４ａに密着する。本体４０の積層方向の他方側には開口４１ｂが設けられている。開口４１ｂも、別のパワーカード３と対向する位置に設けられている。開口４１ｂは金属板３２ｂで塞がれる。詳しくは、金属板３２ｂは、シリコンゴム製のガスケット３４ｂを挟んで、開口４１ｂの周囲の本体側面４４ｂに当接し、開口４１ｂを塞ぐ。開口４１ｂの側では本体４０に窪み４６が設けられており、金属板３２ｂはその窪み４６に嵌る。

金属板３２ａの外側にはパワーカード３が当接する。金属板３２ｂの外側には別のパワーカード３が当接する。複数の冷却器２と複数のパワーカード３は一つずつ交互に積層され、冷却器２の本体４０と金属板３２ａ（３２ｂ）とパワーカード３が密着する。前述したように、積層ユニット１０はその積層方向に加圧される。圧力の総計は数キロニュートンに及ぶ。その圧力によって金属板３２ａ（３２ｂ）と本体４０の間のガスケット３４ａ（３４ｂ）が変形し、開口４１ａ（４１ｂ）を封止する。

金属板３２ａ（３２ｂ）の裏面（本体４０の内部を向く側）には複数のフィン３３が設けられている。金属板３２ａ（３２ｂ）の裏面は本体４０の内部に面しており、本体内部の流路Ｐ２を流れる冷媒に直接に接触する。従って、パワーカード３の熱は主に金属板３２ａ（３２ｂ）とその裏面のフィン３３を介して冷媒に放出される。

本体４０には、積層方向（図中のＸ軸方向）から見て開口４１ａのＹ軸方向の両側に積層方向に突出する突出部４２が設けられている。突出部４２の内側には積層方向に貫通する貫通孔４３が形成されている。先に述べたように、積層ユニット１０では突出部４２が隣接する冷却器の本体４０と接合し、貫通孔４３同士が連結して供給路Ｐ１、排出路Ｐ３を構成する。流路Ｐ１、Ｐ３は、本体内部の流路Ｐ２と連通している。先に述べた供給管２１と供給路Ｐ１を通じて全ての冷却器に冷媒が分配される。冷媒は流路Ｐ２を流れる間に金属板３２ａ（３２ｂ）とフィン３３を通じてパワーカード３の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は排出路Ｐ３と排出管２２を通じてケース外部へと排出される。

先に述べたように、冷却器２の本体は樹脂製である。図３に良く示されているように、本体４０の突出部４２は肉厚が厚い。それゆえ、積層方向に対して高い強度を保持でき、圧力に対して変形量を小さくすることができる。なお、突出部４２の先端面には別のガスケット３１が当てられ、隣接する冷却器の本体４０との間が封止される。なお、ガスケット３４ａによる本体４０と金属板３２ａの間の封止と、ガスケット３１による突出部４２と隣接する本体４０の間の封止が同時に成立するように、ガスケット３４ａ、３１の厚みが選定される。例えば、ガスケット３１の厚みをガスケット３４ａの厚みよりも大きくする。そうすると、ガスケット３４ａによる封止を確保した後に、ガスケット３１による封止を確保することができる。

図４に２個の冷却器２ａ、２ｂとそれらに挟まれるパワーカード３ａの斜視図を示す。そして図５に図４のV−V線に沿った断面図を示す。図４と図５を参照してパワーカード３の内部構造を説明するとともに、冷却器２の内部構造についても補足説明を行う。図４には、２個の冷却器２ａ、２ｂと一つのパワーカード３ａのみが描かれている。図１に示したように、冷却器２ａのパワーカード３ａとは反対側にも別のパワーカードと別の冷却器が積層されており、冷却器２ｂの反対側にもさらに別のパワーカードと別の冷却器が積層されていることに留意されたい。図４では、全ての金属板に同じ符号３２を付している。以下では、複数の金属板のいずれか一つを表す場合には金属板３２と称する。また、後述する絶縁板９ａ、９ｂについても、いずれか１つを表す場合には絶縁板９と称する。

パワーカード３ａの内部構造を説明する。パワーカード３ａは、２個の半導体素子５１を樹脂パッケージ５４で封止したデバイスである。図５には一つの半導体素子しか表れていないが、もう一つは、半導体素子５１の紙面奥側に位置している。２個の半導体素子５１は、ＩＧＢＴである。２個の半導体素子５１は、樹脂パッケージ５４の内部で直列に接続されている。半導体素子５１は、小型平板のチップでありその両平面の一方にエミッタ電極が露出しており、他方にコレクタ電極が露出している。なお、ゲート電極の図示は省略している。半導体素子５１の両面の電極に導電性のスペーサ５２を接触させ、スペーサ５２の反対側に放熱板５３、５６を接触させている。放熱板５３、５６の一方の面は、樹脂パッケージ５４から露出する。放熱板５３、５６は、端子を兼ねており、放熱板５６は、２個の半導体素子５１を直列に接続する。放熱板５３は、図５にて紙面と垂直方向に２個並んでおり、その一方は、直列接続の高電位側の端子を兼ね、他方は低電位側の端子を兼ねる。図５には、放熱板５３が、樹脂パッケージ５４の上方へ伸びている端子２９と連続していることがよく表れている。このように、放熱板５３、５６が半導体素子５１の電極と導通しているため、放熱板５３と冷却器２の金属板３２ａとの絶縁を確保する絶縁板９ａが、パワーカード３ａの一方側に配置されている。同様に、放熱板５６と冷却器２の金属板３２ｂとの絶縁を確保する絶縁板９ｂが、パワーカード３ａの他方側に配置されている。絶縁板９の材料には高熱伝導率のセラミックが使われる。絶縁板９とパワーカード３の間、及び、絶縁板９と金属板３２の間にはグリースが塗布されている。積層ユニット１０に加えられる積層方向の圧力によりグリースの層が薄く均一に形成される。

次に、絶縁板９を挟んでパワーカード３ａと対向している冷却器２ａ、２ｂの構造を補足説明する。本体４０の積層方向の一方の側面４４ａには開口４１ａが設けられている、他方の側面４４ｂには開口４１ｂが設けられている。夫々の開口４１ａは、ガスケット３４ａを挟んで金属板３２ａで封止される。図５ではガスケット３４ａはその断面を楕円で表しているが、その詳しい形状は後述する。金属板３２ａの裏面にはフィン３３が伸びている。本体４０の他方の側面４４ｂには開口４１ｂが設けられている。開口４１ｂは、ガスケット３４ｂを挟んで金属板３２ｂで封止される。ガスケット３４ａと３４ｂは同じものである。本体４０の両側の開口４１ａ、４１ｂの夫々に金属板３２ａ、３２ｂがあてがわれており、本体内部で夫々のフィン３３の先端が対向する。なお、一対のフィンの先端の間の隙間を埋めるように仕切板４７を設けてもよい。仕切板４７は、本体４０の内部の流路Ｐ２を区画して冷媒の流れをスムーズにするとともに、積層方向の圧力に対して金属板３２ａ、３２ｂが撓むことを防止することを可能とする。なお、仕切板４７は、樹脂製であってもよく、金属製であってもよい。仕切板４７が樹脂製の場合、本体４０と一体的に成形することが可能である。図３では仕切板４７の図示を省略している。

ガスケット３４ａについて説明する。図６に、図５において符号VIが示す破線範囲の拡大図を示す。ガスケット３４ａは、開口４１ａの周囲の本体側面４４ａと金属板３２ａの間に嵌挿される。ガスケット３４ａは、耐熱性が高く、柔軟なシリコンゴムで作られている。図６に良く示されているように、ガスケット３４ａは、その本体３５ａから金属板側（図中左側）と本体側（図中右側）の夫々に２個の突起を有している。ガスケット３４ａの断面は一様であり、突起は開口４１ａを囲んで一巡しており、突条３５ｂをなしている。即ち、ガスケット３４ａは、開口４１ａを二重に囲む４本のリング状の突条３５ｂを有している。開口４１ａを多重に囲むリング状の突条３５ｂを備えることで、積層方向の圧力に対して夫々の突条が良く押しつぶされて、金属板３２ａと開口４１ａの間がより確実に密閉される。なお、突条３５ｂはリップと呼ばれることがある。図３と図５ではガスケットの断面形状を簡略化して表していたことに留意されたい。反対側の本体側面４４ｂと金属板３２ｂの間にも同様のガスケット３４ｂが挟まれている。

第１実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例の冷却器は、開口４１ａの周囲の側面４４ａ（図３参照）が平坦であり、その平坦面にガスケット３４ａが配置される（図６参照）。しかしながら、本体側面４４ａに開口４１ａを一巡する溝を設け、その溝にガスケット３４ａを収容する構造であってもよい。この場合、ガスケット３４ａの一部は溝から露出させることで、その露出した部位が金属板３２ａと接触し、開口４１ａを封止する。反対に、金属板３２ａにもガスケットの一部を埋める溝を設けてもよい。反対側の開口４１ｂとその周囲の側面４４ｂについても同様である。他の冷却器１０２ａ、１０２ｄ、１０２ｅも、１０２ｂ、１０２ｃと同じ構造を有している。このような構造により、ガスケット３４を容易に所定位置に固定することが可能となり、冷却器の組み立て工数の削減に寄与し得る。

金属板３２の裏面（本体内部側）には、複数のフィン３３が設けられている。金属板３２とフィン３３は、ともにアルミニウムで作られている。フィン３３は金属板３２の一部であり、フィン３３と金属板３２は、押出成形法によって同時に作られる。フィン３３は金属板３２とは別に作られて後に金属板３２に取り付けられるものであってもよい。

金属板３２と絶縁板９は予めパワーカード３に接着されていてもよい。前述したように、金属板３２ａ（３２ｂ）による開口４１ａ（４１ｂ）の封止は、積層ユニット１０への加圧によって成立する。それゆえ、金属板３２は冷却器２の本体４０に固着されている必要はない。そこで、金属板３２と絶縁板９を予めパワーカード３に接着することによって、積層ユニット１０の組み立てとケース２０への組み込みの工程が単純化できる。

先に述べたように、パワーカード３の側面に露出している放熱板５３、５６は、内部の半導体素子５１と導通している。絶縁板９は、放熱板５３（５６）と金属板３２の間を絶縁する。それゆえ、絶縁板９は、パワーカード３の部品の一つである。絶縁板９の代わりに、パワーカード３の表面に、放熱板５３（５６）を覆う絶縁被膜が設けられていても良い。なお、「パワーカード３と冷却器２が積層されている」という表現は、パワーカード３と冷却器２の間に絶縁板が挟まれている場合と、挟まれていない場合の両方を含む。

第１実施例における突出部４２の貫通孔が、本体内部の空間に通じている連絡孔の一例に相当する。貫通孔４３を有する突出部４２は、「筒部４２」と換言してもよい。

（第２実施例）次に、図７から図１２Ｂを使って第２実施例の電力変換器１００ｂを説明する。なお、パワーカード３は、第１実施例におけるパワーカード３と同一なので説明は省略する。第２実施例では、電力変換器の製造方法を含めて説明する。

図７は、第２実施例の電力変換器１００ｂの積層ユニット１０ｂの斜視図である。積層ユニット１０ｂは、４個のパワーカード３ａ−３ｄと、５個の冷却器１０２ａ−１０２ｅを積層している。各パワーカードと各冷却器は平板型であり、パワーカードの平坦面と冷却器の平坦面が向かい合うように積層されている。積層方向（図中のＸ軸方向）の夫々の端の冷却器１０２ａと１０２ｅは、他の冷却器１０２ｂ−１０２ｄと若干形状が異なるが、基本的には同じものである。パワーカード３ａ−３ｄと冷却器１０２ａ−１０２ｅは、一つずつ交互に積層されており、パワーカードの夫々の面に冷却器が対向する。以下では、パワーカード３ａ−３ｄのいずれか１つを表現する場合には、パワーカード３と称する。詳しくは後述するが、冷却器１０２−１０２ｅの夫々のパワーカード３と対向する面には開口が設けられており、各開口は金属板１３２で封止される。金属板１３２とパワーカード３の間には絶縁シート１０９が挟まれている。絶縁シート１０９はパワーカード３の一部である。

冷却器１０２ａには、冷媒供給管９１と冷媒排出管９２が取り付けられている。冷媒供給管９１は、第１実施例の供給管２１に相当し、冷媒排出管９２は、第１実施例の排出管２２に相当する（図２参照）。パワーカードを挟んで隣接する冷却器は連通しており、冷媒供給管９１を介して冷却器１０２ａ−１０２ｅの夫々に冷媒が供給される。冷却器１０２ａ−１０２ｅの夫々は、その本体内部を冷媒が通る。パワーカードの熱を吸収した冷媒は、冷媒排出管９２を通じて外部に排出される。冷媒は、液体であり、典型的には水でよい。

冷却器１０２ａの両側には、ケースに固定するためのフランジ１０１ａが設けられている。冷却器１０２ｅは、積層方向の外側の面の開口が予め塞がれている。図示は省略するが、積層ユニット１０ｂも、第１実施例と同様に、ケースに固定されるとともに、ケースと板バネによって積層方向に加圧される。なお、板バネは、冷却器１０２ｅの外側に配置される。また、冷却器１０２ａ−１０２ｅの夫々の上面には、軽量化溝１４６が設けられている。

図８に、一対の冷却器１０２ｂ、１０２ｃと、それらに挟まれるパワーカード３ｂの斜視図を示す。冷却器１０２ｂのパワーカード３ｂとは反対側にも別のパワーカードと別の冷却器が連結されており、冷却器１０２ｃの反対側にもさらに別のパワーカードと別の冷却器が連結されていることに留意されたい。図９に、図８に示した構造の分解図を示す。冷却器１０２ｂと１０２ｃは同じ構造を有している。冷却器１０２ｂと冷却器１０２ｃで同じ部品には同じ符号を付してある。以下では、主に、図９の冷却器１０２ｂを参照しつつ説明する。それゆえ、以下の説明において、冷却器１０２ｂと１０２ｃを区別しない限り、符号を付した部品については図９の冷却器１０２ｂを参照されたい。

冷却器１０２ｂは、第１実施例の冷却器２と同様に、開口１４１ａ、１４１ｂを有する樹脂製の本体１４０と、その開口を塞ぐ金属板１３２ａ、１３２ｂで作られている。図８、図９では、冷却器１０２ｂの開口１４１ａを塞ぐ金属板と、冷却器１０２ｃの開口１４１ｂを塞ぐ金属板は図示が省略されている。冷却器１０２ｂの開口１４１ａを塞ぐ金属板は、冷却器１０２ｃの開口１４１ａを塞ぐ金属板１３２ａと同様である。冷却器１０２ｃの開口１４１ｂを塞ぐ金属板は、冷却器１０２ｂの開口１４１ｂを塞ぐ金属板１３２ｂと同じである。詳しくは後述するが、図９に示すように、金属板１３２ａ、１３２ｂは、パワーカード３ｂに取り付けられている。他のパワーカード３ａ、３ｃ、３ｄの夫々も同様に、その両面の夫々に金属板１３２ａ、１３２ｂが取り付けられている。

冷却器１０２ｂの構造を詳しく説明する。樹脂製の本体１４０は、パワーカード３ｂに面する側面１４４ｂに開口１４１ｂが設けられている。パワーカード３ａ（図９、図１０では不図示）と対向する側面１４４ａに開口１４１ａが設けられている。開口１４１ａとその周囲の構造については、図９に示された冷却器１０２ｃの開口１４１ａとその周辺の構造を参照されたい。

開口１４１ａは、ガスケット１３４ａを挟んで金属板１３２ａによって封止される。開口１４１ｂは、ガスケット１３４ｂを挟んで金属板１３２ｂによって封止される。前述したように、積層ユニット１０ｂは積層方向に加圧されるので、その圧力で開口１４１ａと金属板１３２ａの封止が確立され、開口１４１ｂと金属板１３２ｂの封止が確立される。従って金属板１３２ａ、１３２ｂは本体１４０に固定される必要はない。なお、本体１４０の側面１４４ａ（１４４ｂ）には、ガスケット１３４ａ（１３４ｂ）を収める溝が設けられているが、図９では図示を省略している。ガスケット１３４ａ（１３４ｂ）を収める溝は後述する。

以下、金属板１３２ａと１３２ｂを区別なく扱う場合には金属板１３２と称する。同様に、絶縁シート１０９ａと１０９ｂを区別なく扱う場合には絶縁シート１０９と称する。金属板１３２は、一方の面（本体１４０を向く面）にフィン１３３が設けられており、他方の面はパワーカード３ｂに面している。金属板１３２は、絶縁シート１０９を挟んでパワーカード３ｂに固定されている。金属板１３２と絶縁シート１０９の固定には、シリコン系の放熱性接着剤が用いられる。絶縁シート１０９とパワーカード３ｂとの固定にも同様の接着剤が用いられる。本体１４０の両側の開口１４１ａ、１４１ｂが塞がれると、その内部が冷媒流路Ｐ２を形成する。フィン１３３は、流路Ｐ２にて直接に冷媒に触れるので、パワーカード３ｂの熱は金属板１３２とフィン１３３を通じて冷媒によく吸収される。

本体１４０の積層方向の夫々の側面には２個の突出部１４２が設けられている。２個の突出部１４２は、積層方向に突出している。２個の突出部１４２は、積層方向（Ｘ軸方向）からみたときにパワーカード３ｂの両側に位置する。突出部１４２の内側には積層方向に貫通する貫通孔１４３が設けられている。パワーカード３ｂを挟んで一対の冷却器１０２ｂ、１０２ｃが合わさるとき、一方の冷却器１０２ｂの突出部１４２と他方の冷却器１０２ｃの突出部１４２が別のガスケット１３５を挟んで連結する。連結される２個の突出部１４２も、積層方向に加えられる圧力により封止が確立される。隣接する一対の冷却器の突出部１４２同士が連結されると、内部の貫通孔１４３が連通する。連結された２個の貫通孔１４３を通じて、隣接する冷却器の内部空間Ｐ２同士が連通する。なお、突出部１４２の先端面１４７ａ、１４７ｂには、ガスケット１３５を収める溝が設けられているが、図９では図示を省略している。ガスケット１３５を収める溝は後述する。貫通孔１４３を備える突出部１４２は、「筒部１４２」と言い換えてもよい。本体１４０の上面（Ｚ軸正方向を向く面）には、軽量化溝１４６が設けられている。

電力変換器１０ｂの製造方法を説明する。図１０Ａ−図１１Ｂは、パワーカードサブアセンブリの組み立て工程を示す。以下では、図７の冷却器１０２ｂ−１０２ｄの一つを冷却器１０２と称する。先に述べたように、冷却器１０２の部品である金属板１３２ａ、１３２ｂは、冷却器１０２の本体１４０に組み付けられる前にパワーカード３に固定される。より具体的には、金属板１３２ａは、一つのパワーカード３（例えばパワーカード３ｂ）に固定され、金属板１３２ｂは、別のパワーカード３（例えばパワーカード３ｃ）に固定される。なお、パワーカード３ｂの他方の側面には金属板１３２ｂが固定され、パワーカード３ｃの他方の側面には金属板１３２ａが固定される。即ち、一つのパワーカードの積層方向（Ｘ軸方向）の一方の側面に金属板１３２ａが固定され、他方の側面に金属板１３２ｂが固定される。一つのパワーカードの夫々の側面に固定された金属板は、別々の冷却器の開口を封止する部品となる。

まず、図９に示した冷却器１０２の本体１４０を準備する。積層ユニットに必要なだけの複数の本体１４０が用意される。本体１４０は、樹脂の射出形成により低コストで作ることができる。本体１４０とは別に、複数のパワーカードが準備される。

次に、パワーカード３と金属板１３２ａ、１３２ｂのサブアセンブリを製造する。前述したように、金属板１３２ａ、１３２ｂを区別なく表す場合、金属板１３２と表す。絶縁シート１０９ａ、１０９ｂを区別なく表す場合、絶縁シート１０９と表す。まず、金属板１３２の一方の面に複数のフィン１３３がろう付けされ、他方の面に絶縁シート１０９が接着される（図１０Ａ）。図１０Ｂは、金属板１３２にフィン１３３と絶縁シート１０９が取り付けられた後の図である。以下、図１０Ｂに示した、フィン１３３と金属板１３２と絶縁シート１０９のサブアセンブリをフィン付き金属板１３０と称することがある。繰り返すが、図では理解を助けるためにフィン１３３の厚みを強調して描いてあるが、実際のフィンは非常に薄い。金属板１３２とフィン１３３は共にアルミニウムで作られている。

次に、２個のフィン付き金属板の夫々（金属板１３０ａ、金属板１３０ｂ）をパワーカード３の積層方向の各側面に接着する（図１１Ａ）。以下、この工程を第１工程と称する場合がある。なお、パワーカード３には２個の半導体素子５１が埋め込まれている。パワーカード３の本体５４は樹脂製であり、２個の半導体素子５１は、本体５４に封止されている。本体５４の表面には放熱板１１６ａ、１１６ｂが露出している。放熱板１１６ａ、１１６ｂは、本体５４の内部で半導体素子５１と接している。フィン付き金属板１３０ｂは、放熱板１１６ａ、１１６ｂと対向するように、パワーカード３に取り付けられる。パワーカード３の裏面には別の放熱板が露出しており、その裏面にフィン付き金属板１３０ａが取り付けられる。図１１Ｂに、パワーカード３にフィン付き金属板１３０ａ、１３０ｂを取り付けたサブアセンブリの斜視図を示す。冷却器１０２の一部である金属板１３２は、冷却器の組み立てに先立ってパワーカード３に固定される。なお、図１１Ｂのサブアセンブリを、以下では、パワーカードサブアセンブリ１３１と称する場合がある。４個のパワーカード３ａ−３ｄの夫々が同じようにパワーカードサブアセンブリ１３１に組み立てられる。

次に、図７に示したように、４個のパワーカード３ａ―３ｄ（４個のパワーカードサブアセンブリ１３１）と、５個の冷却器１０２ａ−１０２ｅの本体１４０を交互に積層する。即ち、冷却器の本体１４０の開口１４１ａ（１４１ｂ）を覆うように、金属板１３２ａ（１３２ｂ）が固定されたパワーカードを本体に取り付ける。この工程を以下では第２工程と称する場合がある。第２工程は、第１工程の後に実施される。複数のパワーカードサブアセンブリ１３１と冷却器の複数の本体１４０が一つずつ交互に積層されたときに、各冷却器が完成することに留意されたい。なお、積層ユニット１０ｂの一方の端の冷却器１０２ａでは、一方の側面には開口が設けられていない。他方の側面には、冷却器１０２ｂと同様に開口１４１ｂが設けられており、その開口１４１ｂは、金属板１３２ｂで塞がれる。その金属板１３２ｂは、予めパワーカード３ａの側面に固定されている。積層ユニット１０ｂの他方の端の冷却器１０２ｅでは、一方の側面には開口が設けられていない。他方の側面には、冷却器１０２ｂと同様に開口１４１ａが設けられており、その開口１４１ａは、金属板１３２ａで塞がれる。その金属板１３２ａは、予めパワーカード３ｄの側面に固定されている。

図８、図９に示したように、金属板１３２は、本体１４０の２個の突出部１４２の間に嵌り込み、その位置が定まる。パワーカード３は、本体１４０に金属板１３２を嵌め込むのに先立って金属板１３２に固定されている。それゆえ、金属板１３２を本体１４０に嵌め込むと、従属的に本体１４０に対するパワーカード３の位置が定まる。即ち、本実施例の製造工程（上記した第１工程と第２工程）は、パワーカード３と冷却器１０２との位置決めが容易である。

次に、積層ユニット１０ｂを、板バネとともにケースに収容する。ケースと板バネは、第１実施例の図２と同様である。但し、先に述べたように、板バネは、冷却器１０２ｅとケースの壁面との間に挿入される。積層ユニット１０ｂは、板バネにより積層方向に加圧されつつケースに保持される。最後に、他の部品（図２のコンデンサ素子２４やリアクトル２５など）をケースに収めて電力変換器１００ｂが完成する。

ガスケット１３４ａ（１３４ｂ）、１３５について説明する。図１２Ａは、図８のＡＡ線に沿った拡大断面図である。図１２Ｂは、図８のＢＢ線に沿った拡大断面図である。図１２Ａ、１２Ｂに示されているように、金属板１３２ａ（１３２ｂ）と対向する本体側面には、開口１４１ａ（１４１ｂ）を囲むように溝６１が設けられている。この溝６１に、ガスケット１３４ａ（１３４ｂ）が収められる。ガスケット１３４ａ（１３４ｂ）は、２個のリップ１３９（突条）を有しており、２個のリップ１３９が開口１４１ａ（１４１ｂ）を二重に囲む。２個のリップ１３９を有するガスケット１３４ａ（１３４ｂ）は、ダブルリップガスケットと呼ばれることがある。なお、理解を助けるために、図１２Ａの右上にガスケット１３４ａを単独で描いてある。

本体１４０の突出部１４２の一方の先端面１４７ａには溝６４が設けられており、他方の先端面１４７ｂには溝６４とは形状の異なる溝６３が設けられている。溝６３と溝６４は対向し、それらの間にガスケット１３５が収容される。前述したように、ガスケット１３５は、隣接する冷却器の一対の突出部１４２の間を封止する。ガスケット１３５もダブルリップタイプである。

冷却器１０２ｂの一方の面には３個の開口（開口１４１ｂと２個の貫通孔１４３）を有する。それら３個の開口は、１個のガスケット１３４ｂと２個のガスケット１３５を介して封止される。３個の開口の封止が同時に確保できるように、冷却器１０２ｂは、以下の構造を備える。まず、ガスケット１３４ｂの高さはガスケット１３５の高さよりも低い。そして、溝６１の開口側の縁６１ａの高さＨ１は、外側の縁６１ｂの高さＨ２よりも高くなっている。それゆえ、開口側の縁６１ａが金属板１３２ｂと当接する。高さの低いガスケット１３４ｂは、開口側の縁６１ａと金属板１３２ｂが当接したときに、本体１４０と金属板１３２ｂの間で適度に圧縮され、開口１４１ｂと金属板１３２ｂの間の封止を確立する。金属板１３２ｂを開口側の縁６１ａに当接させることで、本体１４０と金属板１３２ｂの積層方向の相対位置が正確に定まる。

このとき、冷却器１０２ｂの突出部１４２と、これに隣接する冷却器１０２ｃの突出部１４２との間には隙間Ｈ５が確保されるように本体各部の寸法が定められている。ガスケット１３５はガスケット１３４ｂよりも高さが高く、隙間Ｈ５が確保されたときに、溝６３と溝６４の間で適度に圧縮され、一対の突出部１４２（貫通孔１４３）の封止を確立する。開口１４１ａとガスケット１３４ａについても同様である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。第２実施例で述べたように、冷却器の開口を封止する金属板１３２は、冷却器の本体１４０に取り付けられる前に予めパワーカード３に固定される。その固定には、シリコン系の放熱性接着剤が好適である。金属板は、接着に代えてスズメッキなどでパワーカードに固定されてもよい。冷却器の部品である金属板がパワーカードに固定されており、複数のパワーカードと複数の冷却器は積層方向に加圧される。それゆえ、金属板は冷却器の本体に必ずしも固定されなくてよい。別言すれば、金属板は、冷却器の本体に固定されることなく、積層方向の圧力により本体の開口に押し当てられている。

第２実施例の本体１４０も、第１実施例の本体４０と同じく樹脂製である。樹脂製の本体は、射出成形などで複雑な形状を低コストで作ることができる。特に、側板が厚くて積層方向の圧力に良く耐え得る本体を低コストで作ることができる。即ち、実施例の電力変換器は、複数の冷却器と複数のパワーカードを積層する構造を採用しつつ、積層に強い。なおかつ、実施例の電力変換器は、冷却器のパワーカードと対向する面には金属板を配置するので高い冷却性能を確保できる。なお、樹脂は金属よりも軽いので、樹脂製の本体は軽量化の点でも有利である。

ケースは、枠状のものであってもよい。電力変換器のケースは、積層ユニットの他にも様々なデバイスを収容する。積層ユニットのケースは、電力変換器のケースの中に収容される枠（インナーケース）であってもよい。上記ガスケットは、開口を多重に囲む複数の突条を有しているとよい。また、金属板とパワーカードの間に絶縁板が挟まれていてもよい。絶縁板は、パワーカードの一部である。

第２実施例では、冷却器の金属板とパワーカードの間に絶縁シートが挟まれている。絶縁シートも絶縁板の一種である。実施例における絶縁板あるいは絶縁シートが絶縁部材の一例に相当する。絶縁シートはパワーカードの一部であるとみなせる。パワーカードの側面の放熱板が内部の半導体素子と導通していない場合、絶縁板（絶縁シート）は不要である。

特許文献１（特開２０１２−２３８６８１号公報）に開示されたように、冷却器を完成させた後にパワーカードを挿入する場合、冷却器とパワーカードの間の熱伝達を良くするためにそれらの間にグリスが塗布される。第２実施例の電力変換器の場合、冷却器の一部である金属板が予め接着剤などでパワーカードに固定されているため、グリスが不要となる利点がある。

実施例の電力変換器の特徴は、別言すると、以下の通り表現することもできる。電力変換器は、複数のパワーカードと複数の冷却器を積層した積層ユニットと、その積層ユニットを収容するケースを備える。積層ユニットは、半導体素子を収納したパワーカードと冷却器とが交互に積層されている。ケースは、積層ユニットを、その積層方向に加圧しつつ収容している。各冷却器は、樹脂製の本体と、金属板を備えている。本体は、内部が空洞であり、パワーカードと対向する側面に開口が設けられている。金属板は、本体の開口の周囲の本体側面にガスケットを介して当接しており開口を塞ぐとともにパワーカードと隣接している。積層ユニットがその積層方向に加圧されて、開口が金属板によって封止されている。

実施例で説明した電力変換器は、好適には、電気自動車、ハイブリッド車、あるいは、燃料電池車に適用される。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２ａ−２ｅ、１０２ａ−１０２ｅ、２０２ａ−２０２ｅ：冷却器
３ａ−３ｄ：パワーカード
９、９ａ、９ｂ：絶縁板
１０、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ：積層ユニット
２０：ケース
２０ａ、２０ｂ：支持壁
２１：供給管
２２：排出管
２３：板バネ
２４：コンデンサ素子
２５：リアクトル
２９：端子
３１、３４ａ、３４ｂ、１３４、１３４ａ、１３４、１３５ｂ：ガスケット
３２、３２ａ、３２ｂ、１３２、１３２ａ、１３２ｂ：金属板
３３、１３３：フィン
４０、１４０：本体
４１ａ、４１ｂ、１４１ａ、１４１ｂ：開口
４２、１４２：突出部（筒部）
４３：貫通孔
４４ａ、４４ｂ、１４４ａ、１４４ｂ：本体側面
４７：仕切板
５１：半導体素子
５２：スペーサ
５３、５６：放熱板
５４：樹脂パッケージ
６１、６３、６４：溝
９０：金属枠
１００、１００ｂ：電力変換器
１０９：絶縁シート
１３０：フィン付き金属板
１３１：パワーカードサブアセンブリ

Claims (7)

1. 複数のパワーカードであって夫々が半導体素子を収容した複数のパワーカードと、
   前記複数のパワーカードと積層されている複数の冷却器であって夫々がパワーカードに対向している複数の冷却器と、
   を備えており、
   各冷却器は、
   隣接するパワーカードと対向する側面に開口が設けられている樹脂製の本体と、
   一方の面がガスケットを介して前記開口を塞いでいるとともに、他方の面が前記パワーカードと対向している金属板と、
   を備えており、
   前記本体に、前記ガスケットを収める溝が前記開口の周囲に設けられており、前記溝の開口側の縁の高さが外側の縁よりも高くなっており、
   前記複数のパワーカードと前記複数の冷却器の積層ユニットが積層方向に加圧されており、その圧力によって前記開口が前記金属板で封止されていることを特徴とする電力変換器。
2. 前記パワーカードは、前記冷却器と対向する面に絶縁部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記金属板の前記一方の面に複数のフィンが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器。
4. 前記パワーカードと前記本体が組み付けられる前に前記金属板が前記パワーカードに固定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換器。
5. 前記複数のパワーカードと前記複数の冷却器は、一つずつ交互に積層されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換器。
6. 前記本体から積層方向に伸びている２個の筒部を備えており、
   当該２個の筒部の夫々は、積層方向に見たときに前記パワーカードを挟むように位置しており、夫々の筒部の先端が隣接する別の冷却器と連結して隣接する２個の冷却器の内部空間が連通する、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換器。
7. 前記ガスケットは、開口を多重に囲む複数の突条を有していることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電力変換器。

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