层叠单元

摘要

本发明涉及层叠收置有半导体元件的多个电力卡与多个冷却器而成的层叠单元，并提供提高向收置层叠单元的壳体的组装性的技术。层叠单元(2)是收置有半导体的多个电力卡(5a～5d)与多个冷却器(3a～3e)层叠而成的单元。外框(40)对多个电力卡(5a～5d)与多个冷却器(3a～3e)在其层叠方向上进行加压同时捆束。各冷却器具备：主体，在内部设置有制冷剂的流道并且在与电力卡相对的位置设置有与流道相通的开口；和塞住该开口的金属板。通过从外框(40)施加的压力确保开口与金属板之间的密封。

权利要求

1.一种层叠单元，其特征在于，具备：分别收置有半导体元件的多个电力卡；

多个冷却器，与所述多个电力卡层叠，并分别与所述多个电力卡相接；和外框，对所述多个电力卡与所述多个冷却器的层叠体在其层叠方向上进行加压同时进行捆束；

所述多个冷却器分别具备：

主体，在内部设置有制冷剂的流道，并且在与所述电力卡相对的位置设置有与所述流道相通的开口；和金属板，一方的面塞住所述开口，另一方的面与所述电力卡相接；

通过从所述外框施加的压力确保所述开口与所述金属板之间的密封，在所述主体的与所述外框相接的侧面设置有限制所述外框的上下方向的位置的突起。

2.根据权利要求1所述的层叠单元，其特征在于，所述外框由U字部件和将所述U字部件的两端连结的连结部件构成。

说明书

层叠单元

技术领域

[0001] 本发明涉及层叠有多个电力卡(power card)与多个冷却器的层叠单元，该电力卡收置有半导体元件。

背景技术

[0002] 已知层叠有多个电力卡与多个冷却器的层叠单元，该电力卡收置有半导体元件。各冷却器与各电力卡分别相接。这样的层叠单元能够集成且高效地对多个半导体元件进行冷却。这样的层叠单元用在例如在电动汽车中向行驶用马达供给电力的逆变器中(例如专利文献1、2)。在专利文献2所公开的层叠单元中，为了提高电力卡与冷却器的紧贴性，板簧对层叠单元在其层叠方向上进行加压。层叠单元在收置有层叠单元的壳体的内壁与板簧之间被加压同时被支撑。

[0003] 专利文献1：日本特开2013-121236号公报

[0004] 专利文献2：日本特开2012-231591号公报

发明内容

[0005] 本申请的申请人发明了采用具有特征的冷却器的层叠单元(日本特愿2014-189299号，2014年9月17日提交，本申请相对应的日本在先申请提交时未公开)。该冷却器具备主体与金属板。冷却器主体在内部设置有制冷剂的流道，另外，在与电力卡相对的位置设置有与该流道相通的开口。金属板塞住开口。电力卡与金属板的外侧面相接。该层叠单元在其层叠方向被加压，通过该压力确保开口与金属板之间的密封，并且提高冷却器(金属板)与电力卡的紧贴性。

[0006] 本申请申请人发明的层叠单元，也如专利文献2所记载的层叠单元那样，能够在壳体中使用板簧进行加压。但是，本申请申请人发明的层叠单元，通过层叠方向的压力确保主体与金属板之间的密封。因而，必须注意确保主体与金属板之间的密封同时将层叠单元与板簧向壳体组装。本说明书涉及对本申请的申请人发明的层叠单元的改良，提供改善其向壳体的组装性的技术。

[0007] 本说明书公开的层叠单元具备对多个电力卡与多个冷却器在它们的层叠方向上进行加压同时捆束的外框。通过从该外框施加的压力确保冷却器的主体的开口与金属板之间的密封。该层叠单元能够在收置于壳体之中前就保持加压状态，所以向壳体的组装性优异。本说明书公开的技术细节及其进一步改良在以下的“具体实施方式”中说明。

附图说明

[0008] 图1是实施例的层叠单元的立体图。

[0009] 图2是电力卡的立体图。

[0010] 图3是冷却器的分解立体图。

[0011] 图4是电力卡与冷却器的层叠体的立体图。

[0012] 图5是外框的立体图。

[0013] 图6是安装于壳体的层叠单元的局部剖视图。

[0014] 符号说明

[0015] 2：层叠单元             2a：层叠体

[0016] 3a～3e：冷却器          4a：前端盖

[0017] 4b：后端盖              5a～5d：电力卡

[0018] 12a、12b：垫圈           13a、13b：金属板

[0019] 14a、14b：翅片           30：主体

[0020] 31：突起模具            31a、31b：突起

[0021] 32、32a、32b：开口       34a、34b：贯通孔

[0022] 35a、35b：筒部           40：外框

[0023] 41：U字部件             41a：前板

[0024] 41b：侧板              42：连结部件

[0025] 42a：后板              44a、44b：肋

[0026] 45：突耳(tab)          49：鼓起部

[0027] 51：封装体             52a、52b：半导体元件

[0028] 53a、53b：散热板       54a、54b：绝缘板

[0029] 60：壳体               91：制冷剂供给管

[0030] 92：制冷剂排出管

具体实施方式

[0031] 参照附图对实施例的层叠单元进行说明。图1中示出层叠单元2的立体图。实施例的层叠单元2是搭载于电动汽车的电力控制装置的主要零件。电力控制装置包括：对电池的输出电压进行升压的电压转换器；和将升压后的直流转换为交流而向行驶用马达供给的逆变器。电压转换器与逆变器包括发热量大的多个开关元件(半导体元件)。层叠单元2是集约且高效地对该多个开关元件进行冷却的单元。

[0032] 如图1所示，层叠单元2是层叠有多个电力卡(power card)5a～5d与多个冷却器3a～3e的单元。外框40包围多个电力卡5a～5d与多个冷却器3a～3e的层叠体的周围。外框40对多个电力卡5a～5d与多个冷却器3a～3e进行捆束。

[0033] 图中的X轴方向相当于层叠方向。在以后的图中也是同样的。以下，在不区别表示时将多个电力卡5a～5d的任一都称为“电力卡5”。另外，在不区别表示时将多个冷却器3a～3e的任一个都称为“冷却器3”。另外，以下，为了方便说明，有时将Z轴正方向称为“上”，将负方向称为“下”，将Y轴方向称为“横方向”。

[0034] 多个电力卡5与多个冷却器3逐一交替地层叠。冷却器3与各电力卡5的两侧相接。电力卡5与冷却器3b～3d的各自的两面相接。电力卡5仅与层叠方向的两端的冷却器3a、3e的一方的面相接。在冷却器3a的不与电力卡5相接的面安装有前端盖4a，该前端盖4a具有制冷剂供给管91与制冷剂排出管92。在冷却器3e的不与电力卡相接的面安装有后端盖4b。包括前端盖4a与后端盖4b在内，多个冷却器3与多个电力卡5由外框40包围并捆束。

[0035] 各冷却器3在图中的Y轴方向的两端具有贯通孔，详请后述。各贯通孔在层叠方向(X轴方向)上贯通冷却器3。贯通孔与在冷却器3的内部与电力卡5平行而延伸的流道相连。从设置于前端盖4a的制冷剂供给管91供给的制冷剂穿过一方的贯通孔而走遍所有冷却器。
制冷剂是液体，典型地是水或者LLC(Long Life Coolant，长寿命冷却液)。制冷剂在经过各冷却器3的流道期间从相邻的电力卡5吸热。然后，制冷剂穿过另一方的贯通孔，从设置于前端盖4a的制冷剂排出管92排出。

[0036] 对电力卡5的构造进行说明。图2中示出电力卡5的立体图。电力卡5是用树脂的封装体51将半导体元件52a、52b密封而成的器件。半导体元件52a、52b是晶体管(IGBT)，在封装体51的内部串联连接。以下将半导体元件52a、52b的串联连接称为串联电路。从封装体51的上侧延伸出3个电力端子56a～56c。电力端子56a在封装体51的内部连接于串联电路的一端，电力端子56b连接于串联电路的另一端。电力端子56c在封装体51的内部连接于串联电路的中点。从封装体51的下侧延伸出多个控制端子57。控制端子57是连接于半导体元件52a、52b的栅端子的端子和/或连接于传感发射极(sense emitter)的端子、以及连接于在半导体元件52a、52b的芯片中内置的温度传感器的端子等。

[0037] 在封装体51的两面配置有散热板53a、53b。散热板53a是电力端子56a的一部分。即，在图2中，符号56a表示的部分与符号53a表示的部分在封装体51的内部相连。同样，散热板53b是电力端子56b的一部分。同样的散热板也配置于封装体51的与散热板53a、53b相反侧的面。这些散热板是电力端子56c的一部分。以下，在不区别表示的情况下将半导体元件
52a、52b都称为半导体元件52，在不区别表示的情况下将散热板53a、53b以及相反侧的散热板都称为散热板53。

[0038] 在图中的X轴方向上冷却器3抵接于电力卡5的两侧。如后所述，冷却器3在与电力卡5相对的面具备金属板13(金属板13a与金属板13b)。因而，为了使散热板53a、53b相对于金属板13绝缘，而以覆盖散热板53a、53b的方式在封装体51的表面安装有绝缘板54a。在封装体51的与绝缘板54a相反侧的表面也安装有绝缘板54b。绝缘板54b使在封装体51的与散热板53a、53b相反侧的表面配置的散热板(未图示)相对于与其相对的冷却器3的金属板13绝缘。以下，在不区别表示时将绝缘板54a、54b都称为绝缘板54。内置于封装体51的半导体元件52的热，经过散热板53与绝缘板54而由与电力卡5相邻的冷却器3吸收。绝缘板54如果也有粘接于封装体51的情况，则也会有在层叠单元2中仅由封装体51与冷却器3夹着保持的情况。即使绝缘板54能够从封装体51分离，但在本说明书中，绝缘板54仍视为电力卡5的零件。

[0039] 接下来，对冷却器3的构造进行说明。冷却器3a～3e具有相同的构造。在此，将冷却器3b作为多个冷却器3的代表而进行说明。图3中示出冷却器3b的分解立体图。另外，图3中，用假想线画出位于冷却器3b的层叠方向两侧的电力卡5a、5b。冷却器3b由树脂制的主体30与一对金属板13a、13b和垫圈12a、12b构成。在主体30的内部形成有供制冷剂流动的流道Ps。在主体30的与两侧的电力卡5分别相对的位置设置有开口32a、32b。开口32a、32b与内部的流道Ps相通。符号93所示的是用于实现轻量化的槽。在主体30的相反侧的侧面也设置有用于实现轻量化的槽，但在图3中被遮挡看不见。这样主体30具有复杂的形状，但主体30能够通过树脂的注塑成型以低成本制作。另外，主体30是用树脂制作的，所以轻量。

[0040] 主体30的一方的开口32a夹着垫圈12a被金属板13a塞住。另一方的开口32b夹着垫圈12b被金属板13b塞住。在金属板13a的朝向流道侧的面13a1设置有多个翅片14a，相反侧的面13a2与电力卡5a相对。在金属板13b的朝向流道侧的面13b1设置有多个翅片14b，相反侧的面13b2与电力卡5b相对。若冷却器3b被组装入层叠单元2中，则金属板13a与电力卡5a接触，金属板13b与电力卡5b接触。开口32a(32b)与金属板13a(13b)之间的密封通过能够从外框40施加的压力来确保。金属板13a的翅片14a与金属板13b的翅片14b被配置于制冷剂的液流之中。电力卡5a的热经由金属板13a与设置于其的翅片14a被制冷剂吸收。电力卡5b的热经由金属板13b与设置于其的翅片14b被制冷剂吸收。冷却器3b的主体30用导热率不高的树脂制作。但是，冷却器3b通过具备一方的面与电力卡5a(电力卡5b)相接且另一方的面与制冷剂相接的金属板13a(13b)从而确保高冷却性能。在不区别表示时将开口32a、32b都称为开口32。在不区别表示时将金属板13a、13b都称为金属板13。

[0041] 主体30在Y轴方向上横向较长，在Y轴方向的两端分别设置有筒部35a、35b。在不区别表示时将筒部35a、35b都称为筒部35。筒部35在层叠方向上延伸。在筒部35的内侧形成有在层叠方向上延伸的贯通孔34(34a、34b)。从一方的筒部35a的贯通孔34a供给的制冷剂在流道Ps中在Y轴方向上流动，从另一方的筒部35b的贯通孔34b排出。制冷剂在图中的Y轴方向上流动。在层叠单元2中，相邻冷却器3的贯通孔彼此连通，从制冷剂供给管91(参照图1)供给的制冷剂穿过一方的贯通孔34a分配到所有冷却器3。另外，经过了各冷却器3的流道Ps的制冷剂穿过另一方的贯通孔34b而集合，并从制冷剂排出管92(参照图1)排出。

[0042] 在主体30的朝向Y轴方向的侧面30a设置有突起31a、31b。突起31a、31b是为了限制外框40的上下方向(Z轴方向)的移动而设置的(参照图1)。突起31a、31b在主体30的内部相连，将两者合称为突起模具31。在与侧面30a相反侧的侧面30b也同样设置有2个突起(突起模具)。

[0043] 图4中示出除外框40外的层叠单元2的立体图。以下，为了方便说明，将除外框40外的层叠单元2称为层叠体2a。层叠体2a是层叠多个电力卡5与多个冷却器3而成的。图4中还图示有突起模具31。冷却器3a、3c～3e具有与冷却器3b相同的构造。但是，前端盖4a代替电力卡5而与位于层叠单元2的层叠方向的一端的冷却器3a的一方的面相接。后端盖4b代替电力卡5而与位于层叠单元2的层叠方向的另一端的冷却器3e的一方的面相接。前端盖4a塞住在冷却器3a的主体30设置的开口32a(参照图3)。另外，前端盖4a还塞住在主体30设置的贯通孔34a、34b(参照图3)的一方的开口。进一步，在前端盖4a设置有制冷剂供给管91与制冷剂排出管92。后端盖4b塞住在冷却器3e的主体30设置的开口32b(参照图3)。另外，后端盖4b还塞住在主体30设置的贯通孔34a、34b(参照图3)的另一方的开口。

[0044] 图5中示出外框40的立体图。将外框40安装于图4所示的层叠体2a，从而完成层叠单元2。外框40由包围层叠体2a的三个方向的U字部件41和将U字部件41的U字的两端连结的连结部件42构成。在图5中，个别地画出U字部件41与连结部件42。双点划线示出与U字部件41相连结的连结部件42。

[0045] U字部件41具备与U字的底相当的前板41a和与U字的两臂相当的2块侧板41b。侧板41b从前板41a的两端分别沿与前板41a的板面垂直的方向延伸，整体呈U字形状。前板41a与侧板41b是用一块钢板制作的。U字部件41用冲压加工制成。

[0046] 前板41a抵接于层叠体2a的前端盖4a。在前板41a设置有与前端盖4a的制冷剂供给管91和制冷剂排出管92相通的孔43。

[0047] 侧板41b抵接于层叠体2a的侧面。所谓层叠体2a的侧面是冷却器3的朝向Y轴方向的侧面30a、30b(参照图3)连成的面。在侧板41b的上下边缘设置有肋44a、44b。肋44a与各冷却器3的突起31a抵接。肋44b与各冷却器3的突起31b抵接。各冷却器3的突起31a、31b上下夹持侧板41b，从而使外框40的上下方向的位置受到限制。另外，突起31a(31b)与肋44a(44b)被焊接。肋44a(44b)与突起31a(31b)的焊接，在将U字部件41与连结部件42接合后进行。对于U字部件41与连结部件42的接合，后述。另外，肋44a、44b提高侧板41b的强度。在肋44a、44b进一步设置有用于将外框40固定于电力控制装置的壳体(未图示)的突耳45。

[0048] 在前板41a与各侧板41b，沿着其长度方向形成有长尺寸的鼓起部49。鼓起部49是为了提高前板41a、侧板41b的强度而设置的。鼓起部49在冲压加工出U字部件41时同时形成。

[0049] 对于连结部件42进行说明。连结部件42是用钢板制作的，后板42a的两方的端部42b弯折成直角。在连结部件42的后板42a，也沿着长度方向设置有长尺寸的鼓起部49。鼓起部49也是为了提高连结部件42的强度而设置的。

[0050] 连结部件42连结U字部件41的U字的两端。U字部件41的两端的内侧面A1、A2与连结部件42的弯折成直角的端部42b的外侧面B1、B2，通过焊接而接合，完成外框40。

[0051] 对外框40与层叠体2a的组装工序进行说明。为了方便说明，将层叠体2a的朝向X轴正方向的面称为前面，将朝向Y轴方向的两方的面称为侧面，将朝向X轴负方向的面称为后面。

[0052] 外框40的U字部件41被组装于层叠体2a。在该阶段中，层叠体2a的多个冷却器3、多个电力卡5与前端盖4a、后端盖4b仅被临时固定，各开口32与各金属板13之间的密封不完全。在将U字部件41组装于层叠体2a后，连结部件42被按到层叠体2a的后面。在该状态下，在层叠方向上对还包括U字部件41与连结部件42的层叠体2a进行加压。压力由组装机械(未图示)施加。组装机械对层叠体2a进行加压，直到各开口32与各金属板13之间的密封变得完全为止。在实现了各开口32与各金属板13之间的密封后，将U字部件41的U字的两端与连结部件42接合。如前所述，U字部件41与连结部件42通过焊接而接合。若将U字部件41与连结部件42接合，则即使释放由组装机械产生的压力，也由外框40(U字部件41与连结部件42)保持向层叠体2a的压力。通过从外框40施加的压力保持开口32与金属板13之间的密封。然后，在各冷却器3的侧面设置的突起31a(31b)被焊接于U字部件41的肋44a(44b)。这样一来，完成层叠体2a由外框40在层叠方向进行加压的层叠单元2。在层叠单元2中，外框40保持层叠体2a的层叠方向的加压状态。层叠单元2由外框40确保各冷却器3的开口32与金属板13之间的密封。

[0053] 层叠单元2被安装于电力控制装置的壳体。在向壳体的安装前，多个电力卡5与多个冷却器3的层叠体2a由外框40以加压状态保持。由外框40也确保了开口32与金属板13之间的密封。因而，层叠单元2被简单地安装于壳体。参照图6，对电力控制装置的壳体60与层叠单元2的关系的一例进行说明。图6是被安装于电力控制装置的壳体60的层叠单元2的局部剖视图。图6示出壳体60与层叠单元2的一部分，电力控制装置的其他零件的图示省略。图6示出经过一个冷却器3的金属板13的截面。另外，图6示出层叠单元2的右半部分。左半部分也具有与右半部分同样的构造。进一步，在图6中，电力卡5的电力端子56a等与控制端子57的图示也省略。

[0054] 如图6所示，在冷却器3的侧面设置的突起31a与在外框40的侧板41b设置的肋44a相抵接，它们被焊接起来。同样，突起31b与肋44b相抵接，它们被焊接起来。层叠单元2经由外框40的肋44a与从肋44b分别延伸出的突耳45而由螺栓61固定于壳体60。层叠单元2由外框40确保了开口32与金属板13之间的密封，所以层叠单元2的向壳体60的安装仅通过拧紧螺栓61即可，很简单。

[0055] 层叠单元2的下面(朝向Z轴负方向的面)抵接于壳体60的底面60a。而且，如图6中符号C的箭头所示，冷却器3的金属板13与壳体60的底面60a相接。另外，壳体60是由金属制作的。即，金属板13与壳体60导通。如前所述，电力卡5的散热板53与半导体元件52导通。因而，散热板53、金属板13和由它们夹着的绝缘板54构成电容器。半导体元件52发出的开关噪音经过该电容器被向壳体60引导。壳体60被搭载于车辆的车身，所以半导体元件52发出的开关噪音被向车辆的车身引导。半导体元件52发出的开关噪音从电力卡5的散热板53经过金属板13与壳体60向车辆的车身流动。由此，能够降低半导体元件52发出的开关噪音对其他电气器件造成的影响。

[0056] 对与实施例中说明了的技术有关的注意点进行叙述。外框40的U字部件41与连结部件42通过焊接而接合。U字部件与连结部件也可以由螺栓等其他紧固单元加以紧固。实施例的外框40由U字部件41与连结部件42构成。也可以，作为连结部件采用U字形状的框部件，配置2个U字形状的框部件使得它们的端部彼此相对并将层叠体夹入它们之间。

[0057] 多个冷却器3a～3e具有相同的构造。而且，在端部的冷却器3a、3e分别安装有前端盖4a、后端盖4b。在层叠单元中，层叠方向的一端的冷却器也可以具有与其他冷却器不同的形状。典型地，也可以采用层叠方向的一端的冷却器3a与前端盖4a成为一体的冷却器。同样，也可以采用层叠方向的另一端的冷却器3e与后端盖4b成为一体的冷却器。在该情况下，除层叠方向两端的冷却器外其余的冷却器具有图3所示的构造。

[0058] 以上，对本发明的具体例详细进行了说明，但它们只不过是例示，并不限定技术方案的范围。在技术方案的范围所记载的技术中，包括对以上所例示的具体例进行各种变形、变更后的技术。在本说明书或附图中说明了的技术要素，单独或者通过各种组合发挥技术有用性，并不限定于申请时技术方案所记载的组合。另外，本说明书或附图所例示的技术能够同时实现多个目的，实现其中的一个目这件事本身也具有技术有用性。