JP2011217553A

JP2011217553A - 電力変換装置

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Publication number: JP2011217553A
Application number: JP2010084953A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Harada; 大輔原田; Hiroshi Ishiyama; 弘石山; Takahisa Kaneko; 高久金子; Sachikazu Suzuki; 祥和鈴木
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-01
Filing date: 2010-04-01
Publication date: 2011-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-01
Also published as: JP5492638B2

Abstract

【課題】冷媒に含まれる気泡が冷却ケース内に溜まりにくい電力変換装置を提供する。
【解決手段】
底壁２０と、該底壁２０の周縁部から上方に立設した側壁２１と、該側壁２１の上端に取り付けられた金属製の上壁板２２とを有する冷却ケース２を備える。側壁２１には、冷媒導入管４および冷媒導出管５が設けられている。上壁板２２に、半導体モジュール３が配置されている。冷媒導入管４から冷媒１０をケース内空間Ｓに導入し、冷媒導出管５から冷媒１０を導出することにより、上壁板２２に配置された半導体モジュール３を冷却している。冷媒導出管５の、ケース内空間Ｓに開口した端部である導出側開口端部５０は、その上端縁５１が、上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置している。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷媒を使って半導体モジュールを冷却する電力変換装置に関する。

例えば、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置として、図１０に示すごとく、電力変換回路を構成する半導体素子９５を封止した半導体モジュール９４と、該半導体モジュール９４を冷却する冷媒９６が流れる冷却ケース９１とを備えたものが知られている（下記特許文献１参照）。この電力変換装置９０では、冷却ケース９１は上方に開口する開口部９９を有し、該開口部９９を塞ぐように金属製の上壁板９７および半導体モジュール９４が取り付けられている。

また、冷却ケース９１には冷媒導入管９２と冷媒導出管９３が設けられている。冷媒導入管９２から冷媒９６を冷却ケース９１内に導入し、冷媒導出管９３から導出する。これにより、冷却ケース９１内に冷媒９６を流し、半導体モジュール９４を冷却している。

特開２００６−１６６６０４号公報

しかしながら、冷却ケース９１には、気泡９８が冷媒９６と共に流入することがあり、従来の電力変換装置９０には、この気泡９８が冷却ケース９１内に溜まりやすいという問題があった。すなわち、従来の電力変換装置９０は、冷媒９６の導入口９２０および導出口９３０よりも上方に上壁板９７が存在するため、導入口９２０から冷媒９６と共に冷却ケース９１内に入った気泡９８が浮き上がり、上壁板９７の下側に溜まってしまう。空気は水等の冷媒９６よりも熱伝導率が低いため、気泡９８が上壁板９７の下側に溜まると、冷媒９６と上壁板９７との間の熱交換が起こりにくくなり、半導体モジュール９４の冷却効率が低下しやすくなる。

本発明は、かかる問題に鑑みてなされたもので、冷媒に含まれる気泡が冷却ケース内に溜まりにくい電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、底壁と、該底壁の周縁部から上方に立設した側壁と、該側壁の上端に取り付けられた金属製の上壁板とを備えた冷却ケースと、
電力変換回路を構成する半導体素子と、該半導体素子を封止した封止部とを有し、上記上壁板の上面に配置された半導体モジュールと、
上記側壁に設けられた冷媒導入管および冷媒導出管とを備え、
上記底壁と上記側壁と上記上壁板とに囲まれたケース内空間に上記冷媒導入管から冷媒を導入し、上記冷媒導出管から該冷媒を導出することにより、上記上壁板に配置された上記半導体モジュールを上記冷媒で冷却するよう構成されており、
上記冷媒導出管の、上記ケース内空間に開口した端部である導出側開口端部は、その上端縁が、上記上壁板の下面よりも上方に位置していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

本発明の作用効果について説明する。本発明では、上記導出側開口端部の上端縁が、上壁板の下面よりも上方に位置している。
このようにすると、冷却ケース内に気泡が溜まりにくくなる。すなわち、冷媒導入管から冷却ケース内に導入した冷媒に気泡が含まれていた場合、気泡は冷媒よりも軽いため浮き上がって上壁板の下面に接触する。そして、冷媒の流れに伴って、気泡は上壁板の下面に沿って下流に移動し、導出側開口端部付近に達する。本発明では、導出側開口端部の上端縁が上壁板の下面よりも上方に位置しているため、気泡はそのまま浮き上がりながら冷媒導出管に入ることができる。
ここで仮に、導出側開口端部の上端縁が上壁板の下面よりも下方に位置していたとすると、気泡は下方に移動できないため、容易に気泡を排出できなくなる。そのため、上壁板の下面に気泡が溜まりやすくなる。これに対して本発明では、導出側開口端部の上端縁が上壁板の下面よりも上方に位置しているため、気泡は冷媒導出管に容易に入ることができる。そのため、冷却ケース内に気泡が溜まりにくくなる。これにより、半導体モジュールの冷却効率の低下を抑制できる。

以上のごとく、本発明によれば、冷媒に含まれる気泡が冷却ケース内に溜まりにくい電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、冷却ケースの分解斜視図。図１のＡ−Ａ断面図であって、半導体モジュールおよび冷却フィンと共に描いたもの。図１のＢ−Ｂ断面図であって、半導体モジュールおよび冷却フィンと共に描いたもの。実施例１における、電力変換装置の分解断面図。実施例２における、冷却ケースの分解斜視図。図５のＣ−Ｃ断面図であって、半導体モジュールおよび冷却フィンと共に描いたもの。実施例３における、電力変換装置の断面図。図７のＤ−Ｄ断面図。実施例４における、電力変換装置の断面図。従来例における、電力変換装置の断面図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記上壁板の上記下面に、上方に凹んだエア逃がし溝が形成されていることが好ましい（請求項２）。
このようにすると、冷媒に含まれる気泡が冷却ケース内に溜まりにくいという本発明の作用効果を効果的に発揮できる。すなわち、冷却フィンの周囲に上記エア逃がし溝を形成することにより、冷媒導入管から冷媒と共にケース内に入った気泡を、エア逃がし溝へ導くことが可能となる。そのため、例えば冷却フィンが存在する場合、冷却フィンと上壁板との隙間に気泡が付着しにくくなり、半導体モジュールの冷却効率が低下することを抑制できる。また、エア逃がし溝に入った気泡は、冷媒の流れに伴って下流に移動するため、冷媒導出管から容易にケース外へ排出することができる。

また、上記封止部が上記上壁板と密着することにより、上記半導体モジュールと上記上壁板とが一体に構成されていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、半導体モジュールと上壁板とを一体にできるため、部品点数を減らすことができ、電力変換装置の製造コストを削減することが可能になる。

また、上記冷媒導入管の、上記ケース内空間に開口した端部である導入側開口端部は、その上端縁が、上記上壁板の下面よりも上方に位置していることが好ましい（請求項４）。
この場合には、冷媒導入管から導入される冷媒に気泡が含まれていたとしても、導入側開口端部の上端縁よりも下方に上壁板の下面が位置しているため、気泡がケース内空間に入りにくくなる。これにより、冷却ケース内に気泡が溜まることを防止しやすくなる。

また、上記冷媒導入管を取り付けた上記側壁の上端部に、上記ケース内空間へ気泡が流入することを防止するエア流入防止部が設けられ、該エア流入防止部は、上記側壁の上端部から上記ケース内空間へ向かって斜め下方に延びるとともに、その下端が、上記冷媒導入管の、上記ケース内空間に開口した端部である導入側開口端部の上端縁よりも下方に位置していることが好ましい（請求項５）。
このようにすると、導入側開口端部とエア流入防止部の下端との間に気泡が溜まるため、エア流入防止部よりも下流側に気泡が進入することを防止できる。これにより、冷却ケース内に気泡が溜まることを一層、防止しやすくなる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図４を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１〜図３に示すごとく、冷却ケース２と、半導体モジュール３と、冷媒導入管４と、冷媒導出管５とを備える。
冷却ケース２は、底壁２０と、該底壁２０の周縁部から上方に立設した側壁２１と、該側壁２１の上端に取り付けられた金属製の上壁板２２とを有する。側壁２１には、冷媒導入管４および冷媒導出管５が設けられている。
また、図２、図３に示すごとく、半導体モジュール３は、電力変換回路を構成する半導体素子３０と、該半導体素子３０を封止した封止部３１とを有し、上壁板２２の上面２２１に配置されている。

図３に示すごとく、電力変換装置１は、底壁２０と側壁２１と上壁板２２とに囲まれたケース内空間Ｓに冷媒導入管４から冷媒１０を導入し、冷媒導出管５から冷媒１０を導出することにより、上壁板２２に配置された半導体モジュール３を冷媒１０で冷却するよう構成されている。
そして、冷媒導出管５の、ケース内空間Ｓに開口した端部である導出側開口端部５０は、その上端縁５１が、上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置している。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、底壁２０は四辺形板状に形成されており、その周縁部から４個の側壁２１が立設している。側壁２１には、冷媒導入管４を設けた第１側壁２１ａと、冷媒導出管５を設けた第２側壁２１ｂと、これら第１側壁２１ａ，第２側壁２１ｂよりも高さが低い第３側壁２１ｃおよび第４側壁２１ｄがある。この第３側壁２１ｃ、第４側壁２１ｄの上端面２１０に上壁板２２が載置されている。また、上壁板２２にはボルト挿通孔２２２が形成され、第３側壁２１ｃ、第４側壁２１ｄにはボルト１２（図２参照）を螺合するための締結孔２２３が形成されている。ボルト挿通孔２２２にボルト１２を挿通すると共に、締結孔２２３にボルト１２を螺合することにより、上壁板２２を第３側壁２１ｃ、第４側壁２１ｄに固定している。上壁板２２と第１側壁２１ａの間および、上壁板２２と第２側壁２１ｂの間には、冷媒１０の漏洩を防止するためのシール部材１１が取り付けられている。また、図３に示すごとく、第１側壁２１ａおよび第２側壁２１ｂの上端面２１１と、上壁板２２の上面２２１は略面一になっている。

図２に示すごとく、半導体モジュール３は、半導体素子３０に接続された信号端子３３、パワー端子３４，３５、金属製の放熱板３２、絶縁部材３７を備える。パワー端子３４は、はんだ３６ａを介して半導体素子３０に接続されている。また、パワー端子３５は放熱板３２及びはんだ３６ｂを介して半導体素子３０に接続されている。信号端子３３は、図示しない制御回路基板に接続されている。制御回路基板が半導体素子３０の動作制御を行うことにより、パワー端子３４，３５間に流れる電流の量やタイミングを制御している。
また、放熱板３２はパワー端子３５と接続しているが、放熱板３２と上壁板２２との間に絶縁部材３７が介在するため、上壁板２２はパワー端子３５と絶縁されている。

図４に示すごとく、半導体モジュール３は、信号端子３３、パワー端子３４，３５の一部を突出させた状態で、放熱板３２、信号端子３３、パワー端子３４，３５、絶縁部材３７を封止部３１によって封止してなる。そして、本例では、絶縁部材３７の主面を上壁板２２に面接触させると共に、封止部３１を上壁板２２に密着させることにより、半導体モジュール３と上壁板２２とを一体化している。
また、上壁板２２の下面２２０に、波型の冷却フィン６が取り付けられている。冷却フィン６の上端部６０は、上壁板２２の下面２２０に溶接されている。図３に示すごとく、冷却フィン６内に冷媒１０が導入する側の端部６ａが冷媒導入管４側を向き、冷媒１０が冷却フィン６から導出する側の端部６ｂが冷媒導出管５側を向くように、冷却フィン６が冷却ケース２内に配置されている。

一方、図３に示すごとく、冷媒導入管４の、ケース内空間Ｓに開口した端部である導入側開口端部４０は、その上端縁４１が、上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置している。

本例の作用効果について説明する。図３に示すごとく、本例では、導出側開口端部５０の上端縁５１が、上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置している。
このようにすると、冷却ケース２内に気泡８が溜まりにくくなる。すなわち、冷媒導入管４から冷却ケース２内に導入した冷媒１０に気泡８が含まれていた場合、気泡８は冷媒１０よりも軽いため浮き上がって上壁板２２の下面２２０に接触する。そして、冷媒１０の流れに伴って、気泡８は上壁板２２の下面２２０に沿って下流に移動し、導出側開口端部５０付近に達する。本例では、導出側開口端部５０の上端縁５１が上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置しているため、気泡８はそのまま浮き上がりながら冷媒導出管５に入ることができる。
ここで仮に、図１０に示すごとく、導出側開口端部９３０の上端縁９３１が上壁板９７の下面９７０よりも下方に位置していたとすると、気泡９８は下方に移動できないため、容易に気泡９８を排出できなくなる。そのため、上壁板９７の下面９７０に気泡９８が溜まりやすくなる。これに対して本例では、図３に示すごとく、導出側開口端部５０の上端縁５１が上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置しているため、気泡８は冷媒導出管５に容易に入ることができる。そのため、冷却ケース２内に気泡８が溜まりにくくなる。これにより、半導体モジュール３の冷却効率の低下を抑制できる。

また、図３に示すごとく、冷媒導入管４の、ケース内空間Ｓに開口した端部である導入側開口端部４０は、その上端縁４１が、上壁板２２の下面２２０よりも上方に位置している。
このようにすると、冷媒導入管４から導入される冷媒１０に気泡８が含まれていたとしても、導入側開口端部４０の上端縁４１よりも下方に上壁板２２の下面２２０が位置しているため、気泡８がケース内空間Ｓに入りにくくなる。これにより、冷却ケース２内に気泡８が溜まることを防止しやすくなる。

また、図４に示すごとく、本例では、封止部３１が上壁板２２に密着することにより、半導体モジュール３と上壁板２２とが一体化している。
このようにすると、半導体モジュール３と上壁板２２とを一体にできるため、部品点数を減らすことができ、電力変換装置１の製造コストを削減することが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、冷媒１０に含まれる気泡８が冷却ケース２内に溜まりにくい電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、冷却ケース２の形状を変更した例である。図５、図６に示すごとく、本例の電力変換装置１は、冷媒導入管４を取り付けた側壁２１ａの上端部に、ケース内空間Ｓへ気泡８が流入することを防止するエア流入防止部７が設けられている。このエア流入防止部７は、側壁２１の上端部からケース内空間Ｓへ向かって斜め下方に延びるとともに、その下端７０が、冷媒導入管４の、ケース内空間Ｓに開口した端部である導入側開口端部４０の上端縁４１よりも下方に位置している。

図５に示すごとく、エア流入防止部７は、側壁２１ａの長手方向Ｘの全体にわたって形成されている。また、図６に示すごとく、エア流入防止部７は、側壁２１ａの上端部からケース内空間Ｓへ向かって斜め下方に延びるテーパ部７２と、該テーパ部７２から側壁２１ｂへ向かって延びる水平部７３とを有する。この水平部７３上に、上壁板２２が載置されている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。上記構成にすると、導入側開口端部４０とエア流入防止部７の下端７０との間に気泡８が溜まるため、エア流入防止部７よりも下流側に気泡８が進入することを防止できる。これにより、冷却ケース２内に気泡８が溜まることを一層、防止しやすくなる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例３）
本例は、上壁板２２の形状を変更した例である。図７に示すごとく、本例では、上壁板２２の下面２２０に、上方に凹んだエア逃がし溝２５が形成されている。
すなわち、図７に示すごとく、上壁板２２は、下面２２０が下方に突出した中央部２３と、該中央部２３の周辺に形成された薄肉の周縁部２４とからなり、中央部２３と周縁部２４と側壁２１とに囲まれる隙間が、エア逃がし溝２５になっている。
また、図７、図８に示すごとく、中央部２３の下面２２０に冷却フィン６が接続されている。エア逃がし溝２５は、中央部２３の四辺を囲むように形成されている。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。
上記構成にすると、冷媒１０に含まれる気泡８が冷却ケース２内に溜まりにくいという本発明の作用効果を効果的に発揮できる。すなわち、エア逃がし溝２５を形成することにより、図８に示すごとく、冷媒導入管４から冷媒１０と共にケース内に入った気泡８を、エア逃がし溝２５へ導くことが可能となる。そのため、冷却フィン６が存在する場合、冷却フィン６と上壁板２２との隙間に気泡８が付着しにくくなり、半導体モジュール３の冷却効率が低下することを抑制できる。また、エア逃がし溝２５に入った気泡８は、冷媒１０の流れに伴って下流に移動するため、冷媒導出管５から容易にケース外へ排出することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

（実施例４）
本例は、冷却ケース２の構造を変更した例である。図９に示すごとく、本例では、冷却ケース２内に冷却フィン６を設けていない。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の場合には、冷却ケース２内に冷却フィン６が存在しないため、冷却フィン６と上壁板２２との隙間に気泡８が付着して半導体モジュール３の冷却効率が低下する問題を解決できる。また、上壁板２２の下面２２０に気泡８が接触した場合でも、下面２２０は凹凸がなく平坦であるため、冷媒１０の流れに伴って気泡８が下流へ移動しやすい。そのため、気泡８をケース外へ容易に排出することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

１電力変換装置
１０冷媒
２０底壁
２１側壁
２２上壁板
３半導体モジュール
４冷媒導入管
５冷媒導出管
５０導出側開口端部
５１（導出側開口端部の）上端縁
Ｓケース内空間

Claims

底壁と、該底壁の周縁部から上方に立設した側壁と、該側壁の上端に取り付けられた金属製の上壁板とを備えた冷却ケースと、
電力変換回路を構成する半導体素子と、該半導体素子を封止した封止部とを有し、上記上壁板の上面に配置された半導体モジュールと、
上記側壁に設けられた冷媒導入管および冷媒導出管とを備え、
上記底壁と上記側壁と上記上壁板とに囲まれたケース内空間に上記冷媒導入管から冷媒を導入し、上記冷媒導出管から該冷媒を導出することにより、上記上壁板に配置された上記半導体モジュールを上記冷媒で冷却するよう構成されており、
上記冷媒導出管の、上記ケース内空間に開口した端部である導出側開口端部は、その上端縁が、上記上壁板の下面よりも上方に位置していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１において、上記上壁板の上記下面に、上方に凹んだエア逃がし溝が形成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２において、上記封止部が上記上壁板と密着することにより、上記半導体モジュールと上記上壁板とが一体に構成されていることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項において、上記冷媒導入管の、上記ケース内空間に開口した端部である導入側開口端部は、その上端縁が、上記上壁板の下面よりも上方に位置していることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜請求項４のいずれか１項において、上記冷媒導入管を取り付けた上記側壁の上端部に、上記ケース内空間へ気泡が流入することを防止するエア流入防止部が設けられ、該エア流入防止部は、上記側壁の上端部から上記ケース内空間へ向かって斜め下方に延びるとともに、その下端が、上記冷媒導入管の、上記ケース内空間に開口した端部である導入側開口端部の上端縁よりも下方に位置していることを特徴とする電力変換装置。