JP2007250673A - Power converter and cooling structure - Google Patents

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Takuji Kozu
卓司 神頭
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power converter where cooling is performed so that a temperature of an element does not exceed a limit in a heat generation structure in which a switching element in a large heat generation part is arranged. <P>SOLUTION: The power converter is provided with a plurality of switching elements 7 performing a switching operation, a switching element cooler where a cooling medium cooling the switching element flows, and at least one rotation body 11 which is positioned in a passage 5 of the cooling medium of the switching element cooler and can be rotated around a pivot 14. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電力変換装置および冷却構造に関し、とくに自動車のモータの電力変換装置および冷却構造に関するものである。   The present invention relates to a power conversion device and a cooling structure, and more particularly to a power conversion device and a cooling structure for an automobile motor.

自動車にはエンジンが圧倒的に多く用いられてきたが、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのCO2排出量の抑制などを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集め、とくにハイブリッド自動車はエンジン車に比べて単位燃料当りの走行距離が高いために飛躍的にその台数を増やしている。ハイブリッド車等の自動車のモータには大きな電力が供給されるので、電力変換装置も大きな電力を扱うことになり、電力変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行う必要がある。このため電力変換装置には、電力のオン・オフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子は、オン状態で電圧ゼロ、またオフ状態で電流ゼロなので、オン・オフの電圧・電流のタイムラグが生じなければ消費電力はゼロである。しかし、実際はタイムラグが生じるため、スイッチング素子の電力の消費はゼロではなく、ロスとして熱が発生する。上記のハイブリッド自動車、燃料電池自動車などの電気自動車に搭載されるモータ駆動および電力回生用の電力変換装置では、バッテリーの大容量化、高速スイッチング化に伴い、上記の熱問題が深刻化している。 Engines have been overwhelmingly used in automobiles, but electric cars and hybrid cars have attracted attention, especially against the backdrop of soaring fossil fuels and the suppression of CO 2 emissions to prevent global warming. The number of hybrid vehicles has increased dramatically since the mileage per unit fuel is higher than that of engine vehicles. Since a large amount of electric power is supplied to a motor of an automobile such as a hybrid vehicle, the power conversion device also handles a large amount of power, and it is necessary to reduce power loss of the power conversion device itself and perform efficient power conversion. For this reason, a semiconductor device that operates as a switch that repeatedly turns on and off power, that is, a switching element is used in the power conversion device. Since the switching element has zero voltage in the on state and zero current in the off state, the power consumption is zero if there is no time lag between the on / off voltage and current. However, since a time lag actually occurs, the power consumption of the switching element is not zero, and heat is generated as a loss. In a power conversion device for driving a motor and regenerating power mounted in an electric vehicle such as a hybrid vehicle or a fuel cell vehicle, the above-described thermal problem has become serious as the battery has a large capacity and high-speed switching.

上記半導体素子の温度上昇は、自動車モータ用の電力変換装置に限られず、古くから問題とされ、多くの取り組みがなされてきた。たとえば、半導体装置の放熱に用いられる並列状の放熱フィンの放熱性を向上させるために、空気流が直線状に放熱フィン間隙を通過しないように、乱流発生用の邪魔板を取り付けた構造、または千鳥配列の円柱状フィンの構造が開示されている(特許文献1)。この構成によれば、斜めに取り付けた邪魔板または千鳥配列の円柱状フィンにより乱流が発生して放熱効果を高めることができる。
特開2001−345585号公報
The temperature rise of the semiconductor element is not limited to power converters for automobile motors, and has been a problem for a long time, and many efforts have been made. For example, a structure in which a baffle plate for generating turbulent flow is attached so that the airflow does not pass straight through the gap between the fins in order to improve the heat dissipation of the parallel fins used for heat dissipation of the semiconductor device, Or the structure of the cylindrical fin of a staggered arrangement is disclosed (patent document 1). According to this structure, a turbulent flow is generated by the baffle plate or the staggered columnar fins attached obliquely, and the heat dissipation effect can be enhanced.
JP 2001-345585 A

しかしながら、自動車モータの電力変換装置に用いられるスイッチング素子は、年々性能が向上するにつれ小型化されるとともに、その小型化された素子に大電流が集中するため、発熱も局所的に突出して大きな形態をとる。このため、上記のような従来の冷却構造では、適切な対応をとることができない。すなわち、非常に大きな発熱箇所(スイッチング素子)が離散的にかつ局所的に配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、効果的に冷却する構造となっていない。換言すれば、上位従来の冷却構造は、スイッチング素子の配置箇所と、スイッチング素子が配置されない非配置箇所とを同一視して、隣接するスイッチング素子配置箇所と非配置箇所とを連続的に同様に冷却している。このため、自動車モータの電力変換装置におけるスイッチング素子に特有の発熱形態に対して、冷却技術が未だ十分に対応できていない。   However, the switching element used in the power conversion device for an automobile motor is miniaturized as the performance improves year by year, and a large current concentrates on the miniaturized element. Take. For this reason, the conventional cooling structure as described above cannot take an appropriate measure. That is, in a heat generation structure in which very large heat generation points (switching elements) are discretely and locally arranged, the structure is not effectively cooled so that the temperature of the switching elements does not exceed the limit. In other words, the higher-order conventional cooling structure identifies the switching element placement location and the non-placement location where the switching element is not placed in the same manner, and makes adjacent switching element placement locations and non-placement locations continuously the same. It is cooling. For this reason, the cooling technology has not yet sufficiently coped with the heat generation characteristic peculiar to the switching element in the power conversion device for an automobile motor.

本発明は、非常に大きな発熱箇所であるスイッチング素子が配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、効率的に冷却することができる電力変換装置、およびそこで用いられる冷却構造を提供することを目的とする。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention relates to a power conversion device capable of efficiently cooling a heating structure in which a switching element, which is a very large heating point, is arranged, so that the temperature of the switching element does not exceed the limit, and is used therein. An object is to provide a cooling structure.

本発明の電力変換装置は、スイッチング動作を行う複数個のスイッチング素子と、スイッチング素子を冷却する冷却媒体が流れるスイッチング素子冷却部と、スイッチング素子冷却部の冷却媒体の流路内に位置し、支軸まわりに回転可能な少なくとも1つの回転体とを備えることを特徴とする。   The power conversion device of the present invention is located in the cooling medium flow path of the switching element cooling section, the switching element cooling section in which a plurality of switching elements that perform the switching operation, the cooling medium that cools the switching elements flows, and the switching element cooling section. And at least one rotating body rotatable about an axis.

上記構成により、冷却媒体の流速に応じて回転体が回転し、冷却媒体を遠心力で分散させ、また乱流状態を生じさせ、放熱効果を向上させることができる。この結果、スイッチング素子の温度上昇を抑え、スイッチング素子のオン抵抗を低減でき、電力変換装置の損失を低減することができる。   With the above configuration, the rotating body rotates according to the flow rate of the cooling medium, the cooling medium is dispersed by centrifugal force, and a turbulent flow state is generated, so that the heat dissipation effect can be improved. As a result, the temperature rise of the switching element can be suppressed, the on-resistance of the switching element can be reduced, and the loss of the power conversion device can be reduced.

上記の回転体はスイッチング素子の対応領域ごとに配置することができる。ここで、スイッチング素子の対応領域は、スイッチング素子1つを対象とする場合、平面的に見てスイッチング素子と重なる冷却媒体路の領域をさす。しかし、一まとまりの複数のスイッチング素子を対象とする場合には、その一まとまりのスイッチング素子が配置されている箇所に対応する領域をさす。上記構成により、スイッチング素子対応領域ごとに回転体が配置されるため、スイッチング素子に狙いを定めて、回転体により、上記冷却媒体の分散および渦流の発生(乱流状態の発生)を起し、離散的に配置された個々のスイッチング素子の温度上昇を効率よく抑えることができる。   Said rotary body can be arrange | positioned for every corresponding | compatible area | region of a switching element. Here, the corresponding region of the switching element refers to a region of the cooling medium path that overlaps with the switching element in plan view when one switching element is targeted. However, when a group of a plurality of switching elements are targeted, the area corresponding to the place where the group of switching elements is arranged is indicated. With the above configuration, since the rotating body is arranged for each switching element corresponding region, aiming at the switching element, the rotating body causes dispersion of the cooling medium and generation of a vortex (occurrence of a turbulent flow state), It is possible to efficiently suppress the temperature rise of the individual switching elements arranged discretely.

上記の回転体が、支軸から放射状に延び出る翼部分を有することができる。この構成により、冷却媒体の流れエネルギーを感度よく受けて、冷却媒体の分散および渦流発生を、効率よく行うことができる。   The rotator may have a wing portion extending radially from the support shaft. With this configuration, the flow energy of the cooling medium can be received with high sensitivity, and the cooling medium can be dispersed and the vortex can be generated efficiently.

上記の翼部分の面は、スイッチング素子が配置される面と斜めに交差する斜め交差面部分を有することができる。この構成により、回転帯の斜め交差面部分は、冷却媒体に、スイッチング素子が配置される素子側壁面に向かう交差方向、または遠ざける交差方向(素子対向側壁面に向かう方向)の速度成分を、付与することができる。冷却媒体は、この交差方向の速度成分を得て、冷却媒体路の素子側壁面における層流(熱伝達が低い)の形成を妨げて、渦流を発生しやすくする。渦流は、スイッチング素子側の壁面での発生および離脱を頻繁に生じるため、熱伝達性に優れ、スイッチング素子の温度上昇を効果的に抑制できる。なお、上記の斜め交差面部分は、素子側壁面に交差する方向の速度成分を冷却媒体に与えることができれば、どのような面でもよく、たとえば平面でも曲面(凹面、凸面など)でもよい。   The surface of the wing portion may have an oblique intersection surface portion that obliquely intersects the surface on which the switching element is disposed. With this configuration, the oblique crossing surface portion of the rotation band gives the cooling medium a velocity component in the crossing direction toward the element side wall surface on which the switching element is disposed or in the crossing direction away (direction toward the element facing side wall surface). can do. The cooling medium obtains the velocity component in the intersecting direction, prevents the formation of laminar flow (low heat transfer) on the element side wall surface of the cooling medium path, and makes it easy to generate vortex. Since eddy currents frequently occur and leave on the wall surface on the switching element side, the eddy current is excellent in heat transfer and can effectively suppress the temperature rise of the switching element. The oblique crossing surface portion may be any surface as long as it can give the cooling medium a speed component in a direction intersecting the element side wall surface, and may be a flat surface or a curved surface (concave surface, convex surface, etc.).

上記の回転体が水車構造を有するものであってもよい。この構成により、冷却媒体の流れエネルギーを効率よく利用して、スイッチング素子対応領域における冷却媒体を分散させ、渦流発生すなわち乱流状態を促進することができる。ここで、水車構造には、ベルトン水車、フランシス水車、斜流(デリア)水車、プロペラ(カプラン)水車、チューブラ(バルブ)水車など任意の水車構造を用いることができる。   The rotating body may have a water wheel structure. With this configuration, it is possible to efficiently utilize the flow energy of the cooling medium, disperse the cooling medium in the switching element corresponding region, and promote the vortex generation, that is, the turbulent flow state. Here, any turbine structure such as a Berton turbine, a Francis turbine, a mixed flow (Delia) turbine, a propeller (Kaplan) turbine, or a tubular (valve) turbine can be used as the turbine structure.

また、上記の回転体を樹脂材料で形成することができる。これにより、回転体を軽量化して冷却媒体の流れにより容易に回転させることができ、その結果、冷却媒体の分散および渦流発生促進を確保することができる。また金属製の場合に比して、耐食性を向上させることができる。樹脂材料は、どのようなものでもよいが、軽量樹脂がより好ましい。   In addition, the above rotating body can be formed of a resin material. As a result, the rotating body can be reduced in weight and can be easily rotated by the flow of the cooling medium, and as a result, the dispersion of the cooling medium and the promotion of eddy current generation can be ensured. Moreover, corrosion resistance can be improved compared with the case where it is metal. Any resin material may be used, but a lightweight resin is more preferable.

また、上記の回転体を、DLC(Diamond Like Carbon)コーティング処理を施した樹脂材料で形成してもよい。これにより、耐摩耗性を向上でき、さらに摩擦係数を小さくでき、その結果、圧力損失を小さくすることができる。   Further, the rotating body may be formed of a resin material subjected to DLC (Diamond Like Carbon) coating. As a result, the wear resistance can be improved, the coefficient of friction can be further reduced, and as a result, the pressure loss can be reduced.

また、上記の冷却媒体の流路の、スイッチング素子の対向側の外面に、他の素子をさらに備えることができる。この構成により、上記他の素子を上記素子対向側の外面に配置して、冷却することができ、空間利用効率を高めることができる。上記他の素子がスイッチング作用を有する素子であってもよい。   Further, another element can be further provided on the outer surface of the cooling medium flow path facing the switching element. With this configuration, the other elements can be arranged on the outer surface on the element facing side to be cooled, and space utilization efficiency can be improved. The other element may be an element having a switching action.

本発明の冷却構造は、被冷却部品を冷却する冷却媒体が流れる冷却部と、冷却部の冷却媒体の流路内に位置し、支軸まわりに回転可能な少なくとも1つの回転体とを備えることを特徴とする。   The cooling structure of the present invention includes a cooling section through which a cooling medium for cooling a component to be cooled flows, and at least one rotating body that is positioned in the flow path of the cooling medium in the cooling section and is rotatable around a support shaft. It is characterized by.

上記構成により、冷却媒体の流速に応じて回転体が回転し、冷却媒体を遠心力で分散させ、また乱流状態を生じさせ、放熱効果を向上させることができる。この結果、被冷却部品の温度上昇を抑えることができる。   With the above configuration, the rotating body rotates according to the flow rate of the cooling medium, the cooling medium is dispersed by centrifugal force, and a turbulent flow state is generated, so that the heat dissipation effect can be improved. As a result, the temperature rise of the component to be cooled can be suppressed.

図1は、本発明の実施の形態における電力交換装置を説明するための図である。この電力変換装置10は、ハイブリッド自動車のモータ用の端子であるU相端子、V相端子およびW相端子を有し、また発電機用の端子である+端子および−端子を有する。スイッチング素子7は、モータ用のスイッチング素子7a,7bと、発電機用のスイッチング素子7cとが配置される。モータ用スイッチング素子はIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)7aと、還流ダイオード7bとがある。還流ダイオードはインダクタンスを含む図示しない負荷と並列に配置されるダイオードであり、負荷電流を平準化するために用いられる。本発明の実施の形態の説明において、厳密にはスイッチング素子ではないが、スイッチング素子とともに同じ回路に用いられる半導体素子もスイッチング素子と呼ぶこととする。これらスイッチング素子7a,7b,7cは、図示を省略した実装基板上に実装され、その実装基板の下に放熱板3が配置される。上記のスイッチング素子7、実装基板等は、筐体31に収納される。上記筐体31内には、スイッチング素子7の上に絶縁板を介在させて、上記スイッチング素子のゲート信号を制御する半導体素子等が実装された、図示しない制御信号用実装基板が配置される。上記放熱板3の下にその放熱板に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路(流路)5が設けられる。冷却媒体路5は、スイッチング素子モジュールの筐体31の一部として形成されていてもよい。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。   FIG. 1 is a diagram for explaining a power exchange device according to an embodiment of the present invention. This power conversion device 10 has a U-phase terminal, a V-phase terminal, and a W-phase terminal that are terminals for a motor of a hybrid vehicle, and also has a + terminal and a − terminal that are terminals for a generator. The switching element 7 includes motor switching elements 7a and 7b and a generator switching element 7c. The motor switching element includes an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 7a and a reflux diode 7b. The freewheeling diode is a diode disposed in parallel with a load (not shown) including an inductance, and is used for leveling the load current. In the description of the embodiment of the present invention, although not strictly a switching element, a semiconductor element used in the same circuit as the switching element is also called a switching element. These switching elements 7a, 7b, and 7c are mounted on a mounting board (not shown), and the heat sink 3 is disposed under the mounting board. The switching element 7, the mounting board, and the like are housed in a housing 31. A control signal mounting board (not shown) on which a semiconductor element or the like for controlling the gate signal of the switching element is mounted on the switching element 7 with an insulating plate interposed therebetween is disposed in the casing 31. A cooling medium path (flow path) 5 through which a cooling medium flows is provided under the heat radiating plate 3 so as to be in contact with the heat radiating plate. The cooling medium path 5 may be formed as a part of the casing 31 of the switching element module. An ethylene glycol aqueous solution that is an antifreeze can be used as the cooling medium.

(実施の形態1)
図2は、本発明の実施の形態における電力変換装置の冷却構造を説明するための模式図(スイッチング素子を裏側から見た裏面図)である。図2において、入口37から出口38に向かって冷却媒体が流れ、中央流Fが形成される。回転体11は、スイッチング素子7の真下に配置されている。回転体11において、翼固定部13に固定された、放射状に延び出る翼部分12は、中央流Fの付勢力を得て、支軸14のまわりに回転する。
(Embodiment 1)
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the cooling structure of the power conversion device according to the embodiment of the present invention (a back view when the switching element is viewed from the back side). In FIG. 2, the cooling medium flows from the inlet 37 toward the outlet 38 to form a central flow Fo . The rotating body 11 is disposed directly below the switching element 7. In the rotor 11, is fixed to the wing fixing portion 13, the wing portions 12 extending out radially, with the biasing force of the central flow F o, rotates about the support shaft 14.

この回転により、冷却媒体は、冷却媒体路の壁面に平行なH流成分を主に生じるが、翼部分の幅端部(エッヂ)ではH流成分に交差する成分(後で説明するN流成分およびS流成分)を有する流れも生じる。上記H流成分の流れは、中央流部だけでなく、端部Eにも十分に生じ、スイッチング素子全体を冷却することができる。端部Eでは、冷却媒体は、回転体11の駆動により中央流Fの流れ方向と逆方向に流れる箇所も出てくる。翼部分12は、冷却媒体路5の厚み全体をカバーするほどの幅(高さ範囲)を有してもよいし、たとえば支軸14が冷却媒体路の素子側壁面に固定される場合、スイッチング素子側に近い冷却媒体路をカバーするだけでもよい。 By this rotation, the cooling medium mainly generates an H flow component parallel to the wall surface of the cooling medium passage, but a component that intersects the H flow component at the width end (edge) of the blade portion (an N flow component described later). And a flow with S flow component). The flow of the H flow component is sufficiently generated not only at the central flow portion but also at the end portion E, so that the entire switching element can be cooled. At the end E, the coolant flows in a direction opposite to the flow direction of the central flow Fo by driving the rotating body 11. The blade portion 12 may have a width (height range) that covers the entire thickness of the cooling medium path 5. For example, when the support shaft 14 is fixed to the element side wall surface of the cooling medium path, switching is performed. It is sufficient to cover the cooling medium path close to the element side.

図3は、図2の電力変換装置の変形例を示す図である。図3の電力変換装置の場合、複数のスイッチング素子7a,7bに対応して1つの回転体11が配置されている。スイッチング素子7a,7bと、回転体11とは、たとえて言えば結晶における結晶基を形成し、スイッチング素子7a,7bと回転体11とは、電力変換装置において繰り返し配列される。スイッチング素子対応領域とは、上記結晶基の領域のように、繰り返される配列における1つの単位模様の領域と考えることができる。   FIG. 3 is a diagram illustrating a modification of the power conversion device in FIG. 2. In the case of the power conversion device of FIG. 3, one rotating body 11 is arranged corresponding to the plurality of switching elements 7 a and 7 b. For example, the switching elements 7a and 7b and the rotating body 11 form a crystal group in the crystal, and the switching elements 7a and 7b and the rotating body 11 are repeatedly arranged in the power converter. The switching element corresponding region can be considered as one unit pattern region in a repeated arrangement, such as the crystal group region.

回転体11の翼部分12は、樹脂で形成するのがよい。なかでも軽量樹脂で形成するのがよい。冷却媒体の流れのエネルギーで容易に回転するからであり、また圧力損失を軽減することができる。樹脂単体の比重はポリメチルペンテンの0.83から四フッ化樹脂の2.1の範囲まであるが、発泡材とすると0.04程度となり、無機質または金属などの重い材料を充填すると3程度にすることができる。これらの樹脂のどれを用いてもよいが、比重は2.0以下とするのが好ましい。また、耐食性および耐熱性(冷却媒体は150〜250℃となる場合がある)を十分備えた材料とするのがよい。ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルスルフォン樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂など耐熱性を兼ね備えたものがよいが、さらに強度向上、耐熱性向上のためこれらの樹脂にグラファイト、シリカ等の充填材を充填した樹脂を用いてもよい。その他の、グラファイト、シリカ等の充填材を充填したもの、または非充填の樹脂を用いることができる。   The wing portion 12 of the rotating body 11 is preferably formed of resin. Especially, it is good to form with a lightweight resin. This is because it easily rotates with the energy of the flow of the cooling medium, and the pressure loss can be reduced. The specific gravity of the resin itself ranges from 0.83 for polymethylpentene to 2.1 for tetrafluororesin, but is about 0.04 for foamed materials, and about 3 for heavy materials such as minerals or metals. can do. Any of these resins may be used, but the specific gravity is preferably 2.0 or less. Moreover, it is good to set it as the material fully equipped with corrosion resistance and heat resistance (a cooling medium may be 150-250 degreeC). Polyimide resin, polyamide resin, polyamide imide resin, polyether imide resin, polyether sulfone resin, polyphenylene sulfide resin and the like having good heat resistance are preferable. However, these resins are made of graphite and silica to improve strength and heat resistance. Alternatively, a resin filled with a filler such as may be used. Other fillers such as graphite and silica, or unfilled resins can be used.

また、冷却媒体の流量は、通常、7〜8リットル/分とするが、それより多くても、また少なくてもよい。また、上記の翼部分は、平面状でも曲面状でもよく、曲面状の場合、流れに向かって凹状に湾曲してもよい。上記の翼部分を鏡面仕上げにすることによっても圧力損失を軽減することができる。 Further, the flow rate of the cooling medium is usually 7 to 8 liters / minute, but it may be more or less. Further, the wing portion may be flat or curved, and in the case of a curved surface, the wing may be curved concavely toward the flow. Pressure loss can also be reduced by mirror finishing the wing portion.

とくに、翼部分の表層がDLC(Diamond-like-carbon)コーティング処理されていることが好ましい。DLCコーティング処理により耐食性および耐摩耗性を向上させ、さらに摩擦係数を低減して圧力損失を小さくできるからである。DLCコーティング処理を行う樹脂の場合は、樹脂は電導性があることが望ましい。DLCコーティングは、高真空中でのプラズマプロセスであるイオンプレーティング法により成膜される。まず、真空チャンバ内にベンゼンガスまたは他の炭化水素ガスを導入し、直流アーク放電プラズマ中で炭化水素イオンや励起されたラジカルが生成する。炭化水素イオンは、直流の負電圧にバイアスされた被コーティング材(今の場合、翼部分)にバイアス電圧に応じたエネルギーで衝突し固体化し、成膜される。非平衡プラズマを用いるため成膜時の基板温度は、通常、200℃以下とする。DLCコーティング膜はアモルファス構造のため結晶粒界を有さず、多結晶構造の硬質薄膜と比べて非常に平滑な表面となる。この結果、冷却媒体との摩擦係数を低減でき、圧力損失を抑えることができる。   In particular, the surface layer of the wing portion is preferably DLC (Diamond-like-carbon) coated. This is because the corrosion resistance and wear resistance can be improved by the DLC coating treatment, the friction coefficient can be further reduced, and the pressure loss can be reduced. In the case of a resin to be subjected to DLC coating treatment, the resin is preferably conductive. The DLC coating is formed by an ion plating method that is a plasma process in a high vacuum. First, benzene gas or other hydrocarbon gas is introduced into the vacuum chamber, and hydrocarbon ions and excited radicals are generated in DC arc discharge plasma. The hydrocarbon ions collide with the material to be coated (in this case, the blade portion) biased to a negative DC voltage with energy corresponding to the bias voltage, and are solidified to form a film. Since non-equilibrium plasma is used, the substrate temperature during film formation is usually 200 ° C. or lower. Since the DLC coating film has an amorphous structure, the DLC coating film does not have a crystal grain boundary and has a very smooth surface compared to a hard thin film having a polycrystalline structure. As a result, the friction coefficient with the cooling medium can be reduced, and the pressure loss can be suppressed.

(実施の形態2)
図4は、本発明の実施の形態2における電力変換装置の冷却構造を説明するための図である。図4(a)は中央流側から見た部分断面図であり、図4(b)は平面図である。本実施の形態では、翼部分12が冷却媒体路の壁面5a,5bに対して交差するように傾いている点に特徴を有する。すなわち翼部分12が、スイッチング素子が配置される面と斜めに交差する斜め交差面部分を有する。回転体11は、支軸根元部14bが素子対向側壁面5bに固定され、また翼部分12は図示していない軸受を含む軸受部14aに回転可能に支持されている。翼部分12の中央流側Fの翼部分Wでは、前端エッヂaが素子側壁面5aより遠く、後端エッヂbが素子側壁面5aに前端側より近い位置となるような方向に傾いている。また、翼部分Wは、前端と後端との関係では、翼部分Wと同じ傾きを有する。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram for explaining a cooling structure of the power conversion device according to Embodiment 2 of the present invention. FIG. 4A is a partial cross-sectional view seen from the central flow side, and FIG. 4B is a plan view. The present embodiment is characterized in that the blade portion 12 is inclined so as to intersect the wall surfaces 5a and 5b of the cooling medium passage. In other words, the wing portion 12 has an oblique intersection surface portion that obliquely intersects the surface on which the switching element is disposed. The rotating body 11 has a support shaft root portion 14b fixed to the element facing side wall surface 5b, and the wing portion 12 is rotatably supported by a bearing portion 14a including a bearing (not shown). In the wing portion W 1 of the central flow side F o of the wing portions 12, the front end edge a is farther than the element-side wall surface 5a, it is inclined in a direction such trailing edge b is a position closer than the front end side to the device side wall 5a Yes. Also, the wing parts W 2, in the relationship between the front end and the rear end, has the same inclination as the wing portion W 1.

図4(b)に示す配置において回転体11が回転したとき、第1にH流成分を生じるが、それに伴って、図4(a)に示すように、素子側壁面5aに向かうN流成分が、両方の翼部分W,Wで生じる。このため、素子側壁面5aにおいて熱伝達の低い層流の形成を防止でき、素子側壁面5aにおける渦流の生成と離脱とを盛んにすることができ、その結果、熱伝達を向上させてスイッチング素子の温度上昇を抑えることができる。また、図4(a)において、素子対向側壁5bの外面に他の素子(スイッチング作用をもつ素子でもよい)17を配置して冷却することができる。その素子17の温度上昇を抑えながら、空間利用効率を高めることができるからである。なお、上記N流成分は素子側壁面5aに向かう速度成分のみを図示しているが、実際は、その他に、回転する翼部分の後ろ側に回り込む流れや、後ろ側の流れから離脱する渦流など非常に複雑な流れが現出するが、そのような複雑な流れを含めた流れを「N流成分」および「矢印」で代表させている。S流成分についても同様である。以後の説明に出てくるN流成分(S流成分)は、とくに断らない限り、そのような、実際の複雑な流れを代表しているものとする。 When the rotating body 11 rotates in the arrangement shown in FIG. 4B, first, an H flow component is generated, and accordingly, as shown in FIG. 4A, the N flow component toward the element side wall surface 5a. Occurs in both wing portions W 1 and W 2 . For this reason, formation of laminar flow with low heat transfer can be prevented on the element side wall surface 5a, and generation and separation of eddy currents on the element side wall surface 5a can be promoted. As a result, the heat transfer is improved and the switching element is improved. Temperature rise can be suppressed. In FIG. 4A, another element (an element having a switching action) 17 may be disposed on the outer surface of the element facing side wall 5b for cooling. This is because the space utilization efficiency can be increased while suppressing the temperature rise of the element 17. Note that the N flow component shows only the velocity component toward the element side wall surface 5a. However, in actuality, in addition to this, an emergency flow such as a flow that wraps around the rotating blade portion or a vortex flow that separates from the flow on the rear side. A complicated flow appears, and the flow including such a complicated flow is represented by “N flow component” and “arrow”. The same applies to the S flow component. The N flow component (S flow component) appearing in the following description represents such an actual complicated flow unless otherwise specified.

図5は、図4の電力変換装置の冷却構造の変形例を示す図である。図5(a)は中央流側から見た部分断面図であり、図5(b)は平面図である。図5に示す回転体11の翼部分12のW,Wはともに、図4に示す翼部分12に比して、前端と後端との傾きが回転方向に関して逆となっている。このため、翼部分12の回転によって、翼部分12のW,W両方ともに、H流成分と、素子対向側壁面5bに向かう交差方向の流れ成分(S流成分)とを生じる。 FIG. 5 is a diagram showing a modification of the cooling structure of the power conversion device of FIG. FIG. 5A is a partial cross-sectional view seen from the central flow side, and FIG. 5B is a plan view. W 1, W 2 of the airfoil portion 12 of the rotating body 11 shown in FIG. 5 together than the wing portions 12 shown in FIG. 4, the inclination of the front and rear ends are opposite with respect to the direction of rotation. For this reason, the rotation of the blade portion 12 generates an H flow component and a flow component (S flow component) in the cross direction toward the element facing sidewall surface 5b in both W 1 and W 2 of the blade portion 12.

上記のS流成分によっても、素子側壁面5aに沿う層流の形成は抑えられる。素子側壁面5aでは、離脱する渦流のあとに次々に渦流を発生し、抜熱が円滑に進行し、スイッチング素子の温度上昇が抑制される。 Also by the above S flow component, the formation of a laminar flow along the element side wall surface 5a can be suppressed. On the element side wall surface 5a, vortex flows are generated one after another after the separating vortex flow, heat removal proceeds smoothly, and the temperature rise of the switching element is suppressed.

図6は、図4および図5に示す冷却構造の変形例を示す図である。図6(a)は中央流側から見た部分断面図であり、図6(b)は平面図である。図6に示す回転体11の翼部分12のW,Wは、単一の板状翼であり、一体的に形成されている。すなわち傾いた板の中央に支軸が配置されている。このため、翼部分12のWと、Wとで、回転方向に関して、前端と後端との傾きが逆になる。このため、図6に示すように、WでN流成分を生じるとき、WではS流成分を生じ、またWでS流成分を生じるとき、WではN流成分を生じる。 FIG. 6 is a view showing a modification of the cooling structure shown in FIGS. 4 and 5. FIG. 6A is a partial cross-sectional view seen from the central flow side, and FIG. 6B is a plan view. W 1, W 2 of the airfoil portion 12 of the rotating body 11 shown in FIG. 6 is a single plate-like vanes are integrally formed. That is, the support shaft is arranged at the center of the inclined plate. For this reason, the inclination of the front end and the rear end is reversed in the rotation direction between W 1 and W 2 of the blade portion 12. Therefore, as shown in FIG. 6, when the by W 1 produces the N flow component causes a W 2 in S flow component, also when producing S flow component by W 1, resulting in W 2 in N current component.

回転体11の支軸根元部14bや軸受部14aは、金属で形成するのが、安価で強度的な耐久性を確保する上で好ましい。また、支軸根元部14bが素子側壁面5aに固定される場合には、スイッチング素子で発生する熱を伝達することができ、一種のフィンの役目をするので、熱伝導度の高い金属で形成するのがよい。   It is preferable that the support shaft base portion 14b and the bearing portion 14a of the rotating body 11 are made of metal in order to ensure inexpensive and strong durability. Further, when the support shaft base portion 14b is fixed to the element side wall surface 5a, heat generated by the switching element can be transmitted, and it functions as a kind of fin, so it is formed of a metal having high thermal conductivity. It is good to do.

このため、スイッチング素子7直下の素子側壁面5aでは、回転体の回転周期内で複雑に変動する流れが発生する。このような複雑な流れにおいて、素子側壁面5aでは渦流の発生と離脱が頻繁に生じて、これまで説明した場合と同様に、熱伝達性に優れた乱流状態を実現することができる。   For this reason, in the element side wall surface 5a immediately below the switching element 7, a flow that fluctuates in a complicated manner occurs within the rotation period of the rotating body. In such a complicated flow, eddy currents are frequently generated and separated on the element side wall surface 5a, and a turbulent state with excellent heat transfer can be realized as in the case described above.

(実施の形態3)
図7は、本発明の実施の形態3における電力変換装置の冷却構造を説明するための図である。上記の実施の形態2は、支軸根元部14bが素子対向側壁面5bに固定された例であったが、本実施の形態では支軸根元部14bが素子側壁面5aに固定される点に特徴を有する。翼部分の傾きは、図4の場合と同様であり、回転体11の回転にともない、両方の翼部分は、H流成分とともに素子側壁面5aに向かうN流成分を生じる。
(Embodiment 3)
FIG. 7 is a diagram for explaining a cooling structure of the power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention. The second embodiment is an example in which the support shaft root portion 14b is fixed to the element facing side wall surface 5b. However, in the present embodiment, the support shaft root portion 14b is fixed to the element side wall surface 5a. Has characteristics. The inclination of the blade portion is the same as in the case of FIG. 4. As the rotating body 11 rotates, both blade portions generate an N-flow component toward the element side wall surface 5 a together with the H-flow component.

図7に示すように、支軸根元部14bが素子側壁面5aに固定される場合、図4に示す構造におけるN流成分の作用のほかに、支持根元部14bによる流れ乱し作用が期待できる。また、支持根元部14bを金属製とした場合、スイッチング素子7からの熱を伝導させ、放散する作用を得ることができる。   As shown in FIG. 7, in the case where the support shaft base portion 14b is fixed to the element side wall surface 5a, in addition to the action of the N flow component in the structure shown in FIG. . Further, when the support base portion 14b is made of metal, it is possible to obtain an effect of conducting and dissipating heat from the switching element 7.

(実施の形態4)
図8は、本発明の実施の形態4における電力変換装置の冷却構造を説明するための図である。図8によれば、たとえば、本来、仕切り壁を設けて冷却媒体路(流路)を折り返すのが妥当な場合においても、仕切り壁を設けず、回転体を設けることにより、流路長さを短くして端部Eにおける冷却媒体流れを確保することができる。この結果、スイッチング素子の温度上昇を抑え、圧力損失を低減し、冷却媒体の駆動に要する電力を軽減することができる。図8に図示していないが、冷却媒体の流れが、回転体11に対して十分な回転力を付与できるように、冷却媒体の流れガイドを、とくに入口側に配置することができる。
(Embodiment 4)
FIG. 8 is a diagram for explaining a cooling structure of the power conversion device according to the fourth embodiment of the present invention. According to FIG. 8, for example, even when it is appropriate to provide a partition wall and fold the cooling medium path (flow path), the flow path length can be reduced by providing a rotating body without providing the partition wall. The cooling medium flow at the end E can be ensured by shortening the length. As a result, the temperature rise of the switching element can be suppressed, the pressure loss can be reduced, and the power required for driving the cooling medium can be reduced. Although not shown in FIG. 8, the cooling medium flow guide can be arranged particularly on the inlet side so that the cooling medium flow can apply a sufficient rotational force to the rotating body 11.

図9は、冷却媒体路(流路)の幅Wを仕切り壁29で分けたものを示す図である。流路の狭幅化により、流路幅の位置による放熱性の変動を小さくでき、冷却媒体量を少なくすることができる。しかし、流路断面積の縮小および流路長さの増大による圧力損失の増大を生じ、また流路の入口側と出口側との冷却媒体の温度差の増大を招来する可能性がある。   FIG. 9 is a diagram showing a cooling medium path (flow path) having a width W divided by a partition wall 29. By narrowing the flow path, variation in heat dissipation due to the position of the flow path width can be reduced, and the amount of cooling medium can be reduced. However, there is a possibility that an increase in pressure loss occurs due to a reduction in the cross-sectional area of the flow path and an increase in the length of the flow path, and an increase in the temperature difference of the cooling medium between the inlet side and the outlet side of the flow path.

上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described above, the embodiments and examples of the present invention disclosed above are merely examples, and the scope of the present invention is the implementation of these inventions. It is not limited to the form. The scope of the present invention is indicated by the description of the scope of claims, and further includes meanings equivalent to the description of the scope of claims and all modifications within the scope.

本発明の電力変換装置およびそこで用いられる冷却構造では、大きな発熱体であるスイッチング素子に狙いを定めて、その対応領域における放熱性を高めるよう回転体を設けて、渦流発生とその渦流の離脱を促進するので、圧力損失を損なうことなく、そのスイッチング素子の温度上昇を非常に効果的に抑制することができる。   In the power conversion device of the present invention and the cooling structure used there, a switching element, which is a large heating element, is aimed at, and a rotating body is provided so as to improve heat dissipation in the corresponding region, so that vortex generation and separation of the vortex flow are prevented. Since it accelerates | stimulates, the temperature rise of the switching element can be suppressed very effectively, without impairing pressure loss.

本発明の実施の形態における電力変換装置を説明する図である。It is a figure explaining the power converter device in embodiment of this invention. 本発明の実施の形態1における電力変換装置における冷却媒体路を説明する図である。It is a figure explaining the cooling medium path in the power converter device in Embodiment 1 of this invention. 図2の電力変換装置の冷却構造の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the cooling structure of the power converter device of FIG. 本発明の実施の形態2における電力変換装置における冷却媒体路を説明する図であり、(a)は中央流側から見た部分断面図であり、(b)は平面図である。It is a figure explaining the cooling-medium path | route in the power converter device in Embodiment 2 of this invention, (a) is the fragmentary sectional view seen from the center flow side, (b) is a top view. 図4の冷却構造の変形例を示す図であり、(a)は中央流側から見た部分断面図であり、(b)は平面図である。It is a figure which shows the modification of the cooling structure of FIG. 4, (a) is the fragmentary sectional view seen from the center flow side, (b) is a top view. 図4および図5の冷却構造の変形例を示す図であり、(a)は中央流側から見た部分断面図であり、(b)は平面図である。It is a figure which shows the modification of the cooling structure of FIG.4 and FIG.5, (a) is a fragmentary sectional view seen from the center flow side, (b) is a top view. 本発明の実施の形態3における電力変換装置の冷却構造を示す図である。It is a figure which shows the cooling structure of the power converter device in Embodiment 3 of this invention. 本発明の実施の形態4における電力変換装置の冷却構造を示す図である。It is a figure which shows the cooling structure of the power converter device in Embodiment 4 of this invention. 図8の冷却構造の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of the cooling structure of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

3 放熱板、5 冷却媒体路(流路)、5a 素子側壁面、5b 素子対向側壁面、7 スイッチング素子、7a IGBT(スイッチング素子)、7b 還流ダイオード(スイッチング素子)、7c スイッチング素子、11 回転体、12 翼部分、13 翼固定部、14 支軸、14a 軸受部、14b 支軸根元部、17 他の素子、29 仕切り壁、31 筐体、37 入口、38 出口、F 中央流、E 端部、a,b 翼部分の幅端部(エッヂ)。 3 heat sink, 5 cooling medium path (flow path), 5a element side wall surface, 5b element opposing side wall surface, 7 switching element, 7a IGBT (switching element), 7b reflux diode (switching element), 7c switching element, 11 rotator , 12 blade parts, 13 blade fixing parts, 14 support shafts, 14a bearing parts, 14b support shaft root parts, 17 other elements, 29 partition walls, 31 housing, 37 inlet, 38 outlet, F 0 central flow, E end Part, a, b The width edge part (edge) of a wing | blade part.

Claims (9)

スイッチング動作を行う複数個のスイッチング素子と、
前記スイッチング素子を冷却する冷却媒体が流れるスイッチング素子冷却部と、
前記スイッチング素子冷却部の冷却媒体の流路内に位置し、支軸まわりに回転可能な少なくとも1つの回転体とを備えることを特徴とする、電力変換装置。
A plurality of switching elements for performing a switching operation;
A switching element cooling unit through which a cooling medium for cooling the switching element flows;
An electric power converter comprising: at least one rotating body that is positioned in a flow path of a cooling medium of the switching element cooling unit and is rotatable around a support shaft.
前記回転体は前記スイッチング素子の対応領域ごとに配置されることを特徴とする、請求項1に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein the rotating body is arranged for each corresponding region of the switching element. 前記回転体が、前記支軸から放射状に延び出る翼部分を有することを特徴とする、請求項1または2に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein the rotating body has a blade portion extending radially from the support shaft. 前記翼部分の面は、前記スイッチング素子が配置される面と斜めに交差する斜め交差面部分を有することを特徴とする、請求項3に記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 3, wherein a surface of the wing portion has an oblique intersection surface portion that obliquely intersects a surface on which the switching element is disposed. 前記回転体が水車構造を有することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein the rotating body has a water wheel structure. 前記回転体が、樹脂材料で形成されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein the rotating body is made of a resin material. 前記回転体が、DLC(Diamond Like Carbon)コーティング処理を施した樹脂材料で形成されていることを特徴とする、請求項6に記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 6, wherein the rotating body is made of a resin material subjected to a DLC (Diamond Like Carbon) coating process. 前記冷却媒体の流路の、前記スイッチング素子の対向側の外面に、他の素子をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜7のいずれかに記載の電力変換装置。   The power conversion device according to claim 1, further comprising another element on an outer surface of the cooling medium flow path facing the switching element. 被冷却部品を冷却する冷却媒体が流れる冷却部と、
前記冷却部の冷却媒体の流路内に位置し、支軸まわりに回転可能な少なくとも1つの回転体とを備えることを特徴とする、冷却構造。
A cooling unit through which a cooling medium for cooling the component to be cooled flows;
A cooling structure comprising: at least one rotating body that is positioned in a flow path of the cooling medium of the cooling unit and is rotatable around a support shaft.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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