JP2018121494A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器による複数の半導体素子の冷却性能が冷媒の流通方向においてばらつくことを抑制しやすい電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、複数の半導体素子２と冷却器３とを有する。冷却器３は、冷媒が流れる冷媒流路３０を有する。冷却器３は、複数の半導体素子２を冷却する。複数の半導体素子２は、冷媒流路３０に流れる冷媒の流通方向Ｘの複数の配置領域ｘａ、ｘｂに配されている。冷媒流路３０は、特定流路部３００を有する。特定流路部３００は、冷媒流路３０における流通方向Ｘに隣り合う２つの配置領域ｘａ、ｘｂの上流側の配置領域ｘａの上流側端部から下流側の配置領域ｘｂの下流側端部までにわたる領域である。さらに、特定流路部３００は、冷媒流路３０における上流側から下流側に向かって流路断面積が小さくなるよう形成された領域である。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の半導体素子と、冷媒が流れる冷媒流路を有する冷却器とを有する電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両には、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が搭載されている。電力変換装置に用いられる半導体素子は、半導体素子に流れる被制御電流によって発熱する。そのため、電力変換装置には、半導体素子を冷却する冷却器が搭載されることがある。

特許文献１に記載の電力変換装置は、内部に冷媒を流通させる冷媒流路を備えた冷却器と、前記冷媒流路に流れる冷媒の流通方向に並んで配された複数の半導体素子とを有する。そして、特許文献１に記載の冷却器は、複数の半導体素子の冷却性向上を図るべく、冷却器における冷媒流路に面する一面の形状を、特定の形状にしている。

特開２００８−７１８００号公報

しかしながら、冷媒流路に流れる冷媒は、半導体素子との間で熱交換を行うことにより温度上昇するため、冷媒流路の下流側に流れる冷媒ほど、冷媒温度が高くなりやすい。これに伴い、下流側に配された半導体素子ほど、冷却器による冷却性能が低下しやすくなる問題（以後、下流効果ということもある。）が生じる。特許文献１に記載の冷却器においては、下流効果の問題があり、改善の余地がある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、冷却器による複数の半導体素子の冷却性能が冷媒の流通方向においてばらつくことを抑制しやすい電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、複数の半導体素子（２１、２２）と、
冷媒が流れる冷媒流路（３０）を有するとともに、複数の前記半導体素子を冷却する冷却器（３）と、を有し、
複数の前記半導体素子は、前記冷媒流路に流れる冷媒の流通方向（Ｘ）の複数の配置領域（ｘａ、ｘｂ）に配されており、
前記冷媒流路は、下記の特定流路部（３００）を有し、
前記特定流路部は、前記冷媒流路における前記流通方向に隣り合う２つの前記配置領域の上流側の前記配置領域の上流側端部から下流側の前記配置領域の下流側端部までにわたる領域であって、前記冷媒流路において上流側から下流側に向かって流路断面積が小さくなるよう形成された領域である、電力変換装置（１）にある。

前記電力変換装置において、冷媒流路は、前記特定流路部を有する。それゆえ、特定流路部に流れる冷媒の流速を、下流側ほど速くすることができる。これに伴い、特定流路部の下流側の配置領域を流れる冷媒中に形成され得る後述の温度境界層を、冷媒の流速を速くすることによって、薄くすることができる。

ここで、温度境界層とは、冷媒が半導体素子からの発熱を受けることにより冷媒における半導体素子近傍に形成される領域であり、半導体素子に近付くほど温度が上昇するよう温度が遷移する領域である。温度境界層が厚くなるほど、半導体素子から温度境界層以外の主要な冷媒までの熱抵抗が大きくなる。これにより、温度境界層が厚くなるほど、半導体素子の冷却性能が低下する。換言すると、温度境界層を薄くするほど、半導体素子の冷却性能が向上する。

そして、前述のごとく、前記電力変換装置においては、特定流路部の下流側の配置領域を流れる冷媒中の温度境界層を薄くすることができる。それゆえ、冷却器による、特定流路部の上流側の配置領域に配された半導体素子の冷却性能に比べて、特定流路部の下流側の配置領域に配された半導体素子の冷却性能が低下することを抑制することができる。その結果、流通方向の異なる位置に配された複数の半導体素子に対する、冷却器による冷却性能にばらつきが生じることを抑制することができる。

以上のごとく、前記態様によれば、冷却器による複数の半導体素子の冷却性能が冷媒の流通方向においてばらつくことを抑制しやすい電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の上面図。 図１の、II−II線矢視断面図。 図１の、III−III線矢視断面図。 図１の、IV−IV線矢視断面図。 実施形態２における、電力変換装置の断面図。 実施形態３における、電力変換装置の断面図。 実施形態４における、電力変換装置の断面図。 実施形態５における、電力変換装置の上面図。 図８の、IX−IX線矢視断面図。 図８の、Ａ−Ａ線矢視断面図。 図８の、XI−XI線矢視断面図。 実施形態５における、電力変換装置の断面図。 実施形態６における、電力変換装置の断面図。 実施形態７における、電力変換装置の上面図。 実施形態７における、電力変換装置の断面図。 実施形態８における、電力変換装置の上面図。 実施形態８における、電力変換装置の断面図。 図１６の、XVIII−XVIII線矢視断面図。

（実施形態１）
電力変換装置の実施形態につき、図１〜図４を用いて説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、複数の半導体素子２と冷却器３とを有する。図２に示すごとく、冷却器３は、冷媒が流れる冷媒流路３０を有する。冷却器３は、複数の半導体素子２を冷却する。

複数の半導体素子２は、冷媒流路３０に流れる冷媒の流通方向Ｘの複数の配置領域ｘａ、ｘｂに配されている。冷媒流路３０は、下記の特定流路部３００を有する。特定流路部３００は、冷媒流路３０における流通方向Ｘに隣り合う２つの配置領域ｘａ、ｘｂの上流側の配置領域ｘａの上流側端部から下流側の配置領域ｘｂの下流側端部までにわたる領域である。さらに、図２〜図４に示すごとく、特定流路部３００は、冷媒流路３０における上流側から下流側に向かって流路断面積が小さくなるよう形成された領域である。本実施形態において、特定流路部３００は、上流側から下流側に向かって、段階的に流路断面積が小さくなるよう形成されている。なお、冷媒流路３０の流路断面積は、冷媒流路３０における流通方向Ｘに直交する断面の面積である。また、配置領域ｘａ、ｘｂは、流通方向Ｘの一部の領域であり、かつ、流通方向Ｘにおける半導体素子２の一端から他端までの領域である。

本明細書において、上流側、下流側といったときは、それぞれ、流通方向Ｘの上流側、下流側を意味するものとする。なお、図２等において、冷媒流路３０に流される冷媒の流れＦを矢印にて示している。つまり、冷媒流路３０に流れる冷媒は、矢印の先端側に向かって流れる。

本実施形態の電力変換装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるものとすることができる。電力変換装置１は、直流電源と交流負荷との間において電力変換を行うよう構成される。

図２に示すごとく、冷却器３の一面に、複数の半導体素子２が配置されている。以後、複数の半導体素子２と冷却器３との並び方向を上下方向Ｚという。上下方向Ｚにおいて、冷却器３に対する複数の半導体素子２側を上側、その反対側を下側という。また、流通方向Ｘ及び上下方向Ｚの双方に直交する方向を横方向Ｙという。

図２〜図４に示すごとく、冷却器３は、冷媒流路３０と、冷媒流路３０を全周から囲む金属製の流路形成部４と、を有する。流路形成部４は、上壁部４１と下壁部４２と一対の側壁部４３とを有する。上壁部４１は、冷媒流路３０の上側から冷媒流路３０を覆っている。下壁部４２は、冷媒流路３０の下側から冷媒流路３０を覆っている。一対の側壁部４３は、冷媒流路３０の横方向Ｙの両側から冷媒流路３０を覆っている。図３、図４に示すごとく、流路形成部４は、流通方向Ｘに直交する断面が環状を呈している。

図２に示すごとく、下壁部４２における冷媒流路３０に面する下壁内面４２１は、流通方向Ｘの一部に、平行面４２１ａ、４２１ｂを有し、他の一部に段形成面４２１ｆを有する。平行面４２１ａ、４２１ｂは、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行である。段形成面４２１ｆは、下流側に向かうにつれて上側に向かうように傾斜している。本実施形態において、下壁内面４２１は、上流側から下流側に向かって、平行面４２１ａ、段形成面４２１ｆ、平行面４２１ｂを、この順に有する。

上壁部４１における冷媒流路３０に面する上壁内面４１１は、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行に形成されている。また、上壁内面４１１と下壁内面４２１とは、上下方向Ｚに対向している。また、一対の側壁部４３における冷媒流路３０に面する一対の側壁内面４３１は、互いに横方向Ｙに対向しているとともに、いずれも流通方向Ｘ及び上下方向Ｚの双方に平行に形成されている。

冷媒流路３０は、流通方向Ｘの一部に一定流路部３０１を有し、他の一部に変動流路部３０２を有する。一定流路部３０１は、流通方向Ｘにおいて流路断面積が一定である。変動流路部３０２は、下流側に向かうほど流路断面積が小さくなる。本実施形態において、冷媒流路３０には、上流側から下流側に向かって、一定流路部３０１、変動流路部３０２、一定流路部３０１が、この順に形成されている。以後、上流側の一定流路部３０１を上流側一定流路部３０１ａといい、下流側の一定流路部３０１を下流側一定流路部３０１ｂということもある。

冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける平行面４２１ａ、４２１ｂの形成された領域のそれぞれが一定流路部３０１を構成している。また、冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける段形成面４２１ｆの形成された領域が変動流路部３０２を構成している。図２〜図４に示すごとく、下流側一定流路部３０１ｂの流路断面積は、上流側一定流路部３０１ａの流路断面積よりも小さい。図２に示すごとく、本実施形態において、前述の特定流路部３００は、上流側一定流路部３０１ａの一部、変動流路部３０２、及び下流側一定流路部３０１ｂの一部によって構成されている。

特定流路部３００は、各配置領域ｘａ、ｘｂにおける流路断面積が流通方向Ｘにおいて一定である。図２〜図４に示すごとく、特定流路部３００は、下流側の配置領域ｘｂにおける流路断面積が、上流側の配置領域ｘａにおける流路断面積よりも小さくなるよう構成されている。特定流路部３００における、上流側の配置領域ｘａの部位は、上流側一定流路部３０１ａの一部によって構成されている。また、特定流路部３００における、下流側の配置領域ｘｂの部位は、下流側一定流路部３０１ｂの一部によって構成されている。

なお、特定流路部３００を含む冷媒流路３０に関して、流通方向Ｘにおける流路断面積が一定、といったときは、流通方向Ｘにおいて、冷媒流路３０の流路断面積が同一である場合のほか、流通方向Ｘにおける冷媒流路３０の流路断面積が略同一の場合も含む。冷媒流路３０の流路断面積が流通方向Ｘにおいて略同一の場合には、例えば、流路形成部４の冷媒流路３０に面する内壁面に、放熱性向上のためのフィンを設けたり、放熱性向上のための凹凸を形成したりした場合が該当し得る。すなわち、ミクロに見ると冷媒流路３０の流路断面積が流通方向Ｘにおいて変動しているものの、流通方向Ｘの一定範囲内において流路断面積の増大を繰り返し、マクロに見ると流路断面積がほぼ一定の場合、流通方向Ｘにおいて冷媒流路３０の流路断面積が略同一といえる。また、冷媒流路３０に関して、流通方向Ｘにおける流路断面積が一定と言ったときは、設計誤差等により、流通方向Ｘにおいて流路断面積が若干変動するような場合も含む。

図１、図２に示すごとく、電力変換装置１は、２つの半導体素子２を有する。２つの半導体素子２は、互いに一体化されて半導体モジュール５を構成している。つまり、半導体モジュール５は、いわゆる２ｉｎ１型の半導体モジュール５である。半導体モジュール５は、冷却器３上に配置されている。

２つの半導体素子２は、流通方向Ｘに離隔して流通方向Ｘに並んで配されている。以後、半導体モジュール５における流通方向Ｘの上流側の半導体素子２を上流側素子２１といい、下流側の半導体素子２を下流側素子２２ということもある。図２に示すごとく、流通方向Ｘにおいて、上流側素子２１は、上流側一定流路部３０１ａが形成された位置に配されている。流通方向Ｘにおいて、下流側素子２２は、下流側一定流路部３０１ｂが形成された位置に配されている。流通方向Ｘにおいて、上流側素子２１と下流側素子２２とは、これらの間の位置に段形成面４２１ｆが位置するよう配されている。各半導体素子２は、ＩＧＢＴ（すなわち、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）からなる。流通方向Ｘの異なる位置に配された複数の半導体素子２は、発熱量が大きいものほど、上流側に位置していることが好ましい。

各半導体素子２は、配線基板６の上面に配されている。配線基板６は、後述する、絶縁層６１と、絶縁層６１の上面に配された配線パターン層６２と、絶縁層６１の下面に配された導体層６３とを有する。

絶縁層６１は、電気的絶縁性を有する。絶縁層６１は、例えばセラミック基板とすることができる。

配線パターン層６２は、絶縁層６１の上面において互いに流通方向Ｘに離れて配されている。上流側の配線パターン層６２の上面に、上流側素子２１がはんだ付けされており、下流側の配線パターン層６２の上面に、下流側素子２２がはんだ付けされている。

導体層６３は、例えば銅を板状に形成したものとすることができる。

絶縁層６１、配線パターン層６２、及び導体層６３は、いずれも、少なくとも上下方向Ｚに熱伝導可能に構成されている。

配線基板６の導体層６３の下面には、放熱板７が配されている。放熱板７は、熱伝導性に優れた材料からなる。放熱板７は、銅を板状に形成してなる。放熱板７は、配線基板６の導体層６３よりも、上下方向Ｚの厚み、上下方向Ｚから見た面積、全体の体積のいずれもが大きくなるよう形成されている。

図示は省略するが、配線基板６、半導体素子２、放熱板７等の半導体モジュール５の構成は、電気的絶縁性を有するモールド樹脂によってモールドされている。放熱板７の下面は、モールド樹脂から露出しているとともに、冷却器３に接触している。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電力変換装置１において、冷媒流路３０は、特定流路部３００を有する。それゆえ、特定流路部３００に流れる冷媒の流速を、下流側ほど速くすることができる。これに伴い、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂを流れる冷媒の流速を速くしやすい。それゆえ、冷媒中に形成され得る温度境界層を薄くしやすい。これにより、冷却器３による、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａに配された半導体素子２の冷却性能に比べて、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂに配された半導体素子２の冷却性能が低下することを抑制することができる。その結果、流通方向Ｘの異なる位置に配された複数の半導体素子２に対する、冷却器３による冷却性能にばらつきが生じることを抑制することができる。

また、特定流路部３００は、各配置領域ｘａ、ｘｂにおける流路断面積が流通方向Ｘにおいて一定であり、かつ、下流側の配置領域ｘｂにおける流路断面積が、上流側の配置領域ｘａにおける流路断面積よりも小さくなるよう構成されている。これにより、簡易な構成で特定流路部３００を形成しやすい。

また、流通方向Ｘの異なる位置に配された複数の半導体素子２は、発熱量が大きいものほど、上流側に位置している。それゆえ、発熱量が大きい半導体素子２を、比較的低温の冷媒によって効率的に冷却することができる。これにより、複数の半導体素子２の冷却性能がばらつくことを抑制しやすい。

以上のごとく、本実施形態によれば、冷却器による複数の半導体素子の冷却性能が冷媒の流通方向においてばらつくことを抑制しやすい電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図５に示すごとく、冷却器３が、特定流路部３００の少なくとも一方の配置領域ｘａ、ｘｂの部位に面する内壁面のうちの少なくとも一面に、傾斜面４４を有する実施形態である。傾斜面４４は、下流側に向かうほど冷媒流路３０の流路断面積を小さくするよう流通方向Ｘに対して傾斜している。本実施形態において、冷却器３は、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａの部位に面する内壁面の少なくとも一面と、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂの部位に面する内壁面の少なくとも一面とのそれぞれに、傾斜面４４を有する。

以後、２つの傾斜面４４のうち、上流側のものを上流側傾斜面４４１、下流側のものを下流側傾斜面４４２という。

上流側傾斜面４４１及び下流側傾斜面４４２は、いずれも、流路形成部４の下壁部４２の下壁内面４２１に形成されている。下壁内面４２１は、上流側から下流側に向かって、平行面４２１ｃ、上流側傾斜面４４１、平行面４２１ｄ、下流側傾斜面４４２、平行面４２１ｅを、この順に有する。なお、平行面４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｅは、実施形態１と同様、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行な面である。

ここで、対象とする傾斜面４４を対象傾斜面と定義する。そして、対象傾斜面が形成された配置領域に配された半導体素子２を対象素子と定義する。さらに下記の仮想直線を想定する。この場合、対象素子を通るとともに上下方向Ｚ及び流通方向Ｘの双方に平行な断面（すなわち、図５に示すような断面である。以後、平行断面という。）において、対象傾斜面は、冷却器３の上側の面と仮想直線との交点よりも上流側の位置から下流側に向かって形成されている。

仮想直線Ｌ１、Ｌ２は、対象素子の冷却器３側の面における上流側端部から下側に向かって延びている。また、仮想直線は、下側に向かうほど上流側に向かうよう傾斜している。さらに、仮想直線は、上下方向Ｚに延びる直線との間になす角度が４５°である。

なお、図５において、対象素子を上流側素子２１とした場合の仮想直線を破線Ｌ１にて、対象素子を下流側素子２２とした場合の仮想直線を破線Ｌ２にて表している。また、図５において、冷却器３の上側の面と仮想直線Ｌ１との交点の位置を、破線ｘ１、冷却器３の上側の面と仮想直線Ｌ２との交点の位置を破線ｘ２にて表している。対象素子を上流側素子２１とした場合の対象傾斜面は、上流側傾斜面４４１である。また、対象素子を下流側素子２２とした場合の対象傾斜面は、下流側傾斜面４４２である。

流通方向Ｘにおいて、上流側傾斜面４４１は、破線ｘ１よりも上流側から上流側素子２１の下流側の位置までにわたって連続的に形成されている。また、流通方向Ｘにおいて、下流側傾斜面４４２は、破線ｘ２よりも上流側から下流側素子２２の下流側の位置までにわたって連続的に形成されている。また、本実施形態において、上流側傾斜面４４１と下流側傾斜面４４２とは、流通方向Ｘに対する傾斜角度が同等である。

冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける平行面４２１ｃ、４２１ｄ、４２１ｅの形成された領域のそれぞれが、一定流路部３０１を構成している。３つの一定流路部３０１は、下流側のものほど、流路断面積が小さくなっている。

冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける上流側傾斜面４４１、下流側傾斜面４４２の形成された領域が、収縮流路部３０３を構成している。収縮流路部３０３は、下流側に向かうほど流路断面積が小さくなる。

その他は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、冷却器３は、特定流路部３００の少なくとも一方の配置領域ｘａ、ｘｂの部位に面する内壁面のうちの少なくとも一面に、下流側に向かうほど冷媒流路３０の流路断面積を小さくするよう流通方向Ｘに対して傾斜した傾斜面４４を有する。それゆえ、冷媒流路３０における、流通方向Ｘの傾斜面４４が形成された領域、すなわち収縮流路部３０３においては、下流側ほど流速が速くなる。つまり、収縮流路部３０３における上流側の領域と、下流側の領域との間に流速差が生じる。これに起因して、冷媒流路３０における傾斜面４４が形成された配置領域ｘａ、ｘｂの上流側の領域と下流側の領域との間に、圧力差を設けることが可能である。これは、ベルヌーイの定理に基づくものである。この圧力差により、冷媒流路３０における傾斜面４４が形成された配置領域ｘａ、ｘｂに形成され得る冷媒中の温度境界層中に、下流側に向かう加速流を形成することができる。以後、この効果を縮流効果という。この縮流効果により、温度境界層を一層薄くしやすく、半導体素子２の放熱性を向上させやすい。

また、平行断面において、対象傾斜面は、冷却器３の上面と仮想直線Ｌ１、Ｌ２との交点よりも上流側の位置から形成されている。それゆえ、半導体素子２から冷却器３に伝わった熱を一層放熱しやすい。すなわち、半導体素子２の熱は、配線基板６及び放熱板７において、下側に向かうほど、上下方向Ｚに直交する面方向における半導体素子２の外周側に向かうように広がって伝熱される。このとき、配線基板６や放熱板７等の伝熱部材において、熱が伝わる方向は、上下方向Ｚに延びる直線に対して４５°程度傾斜する。それゆえ、対象傾斜面を、前記平行断面における冷却器３の上面と仮想直線との交点よりも上流側の位置から形成することにより、半導体素子２の熱が伝わりやすい前記交点の位置よりも上流側から傾斜面４４を形成することができる。それゆえ、傾斜面４４を設けることにより得られる縮流効果を、一層得ることができる。

また、冷却器３は、少なくとも、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂの部位に面する内壁面の少なくとも一面に、傾斜面４４を有する。それゆえ、比較的温度境界層が厚くなりやすい、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂにおいて、縮流効果を得ることができる。それゆえ、効率的に、複数の半導体素子２を冷却しやすい。

また、冷却器３は、少なくとも、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａの部位に面する内壁面の少なくとも一面に、傾斜面４４を有する。それゆえ、縮流効果により、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａに配された半導体素子２の放熱性を向上させやすい。

また、冷却器３は、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａの部位に面する内壁面の少なくとも一面と、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂの部位に面する内壁面の少なくとも一面とのそれぞれに、傾斜面４４を有する。それゆえ、縮流効果により、特定流路部３００の双方の配置領域ｘａ、ｘｂに配された半導体素子２を、効率的に冷却しやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、傾斜面４４を、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂの部位に面する内壁面のみに形成し、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａの部位に面する内壁面には形成しない構成を採用することも可能である。また、傾斜面４４を、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａの部位に面する内壁面のみに形成し、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂの部位に面する内壁面には形成しない構成を採用することも可能である。

（実施形態３）
本実施形態は、図６に示すごとく、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂの部位に面する傾斜面４４の流通方向Ｘに対する傾斜角度θｂを、特定流路部３００の上流側の配置領域ｘａの部位に面する傾斜面４４の流通方向Ｘに対する傾斜角度θａよりも大きくした実施形態である。その他の基本構造は、実施形態２と同様である。

本実施形態においては、比較的温度境界層が厚くなりやすい、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂにおいて、縮流効果を一層得やすい。すなわち、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘａにおいて、流通方向Ｘに対する傾斜面４４の傾斜角度を大きくすることにより、特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂにおける上流側の領域と下流側の領域との圧力差を一層高めることができる。これにより、比較的温度境界層が厚くなりやすい特定流路部３００の下流側の配置領域ｘｂにおいて、縮流効果を一層得ることができる。
その他、実施形態２と同様の作用効果を有する。

（実施形態４）
本実施形態は、図７に示すごとく、実施形態１に対して、冷却器３の流路形成部４の形状を変更した実施形態である。本実施形態において、流路形成部４の上壁部４１の上壁内面４１１は、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行な平行面４１１ａ、４１１ｂと、下流側に向かうにつれて下側に向かうように傾斜した段形成面４１１ｃとを有する。本実施形態において、上壁内面４１１は、上流側から下流側に向かって、平行面４１１ａ、段形成面４１１ｃ、平行面４１１ｂを、この順に有する。流通方向Ｘにおいて、上流側の平行面４１１ａは上流側素子２１の配置領域ｘａに形成されており、下流側の平行面４１１ｂは下流側素子２２の配置領域ｘｂに形成されている。そして、流通方向Ｘにおいて、段形成面４１１ｃは、上流側素子２１の配置領域ｘａと下流側素子２２の配置領域ｘｂとの間に配されている。一方、下壁部４２の下壁内面４２１は、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行に形成されている。

冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける上壁部４１の平行面４１１ａ、４１１ｂの形成された領域のそれぞれが一定流路部３０１を構成している。また、冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける段形成面４１１ｃの形成された領域が変動流路部３０２を構成している。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態５）
本実施形態は、図８〜図１２に示すごとく、実施形態１に対して、冷却器３の流路形成部４の形状を変更した実施形態である。本実施形態において、図９〜図１１に示すごとく、側壁部４３の側壁内面４３１は、下流側に向かうほど、上下方向Ｚ及び流通方向Ｘに平行な面に対して傾斜するよう形成されている。本実施形態においては、一対の側壁部４３の側壁内面４３１が、下流側に向かうほど、上下方向Ｚ及び流通方向Ｘに平行な面に対して傾斜するよう形成されている。

図９に示すごとく、一対の側壁内面４３１は、上流側素子２１よりも上流側においては、上下方向Ｚ及び流通方向Ｘに平行に形成されている。

そして、図１０に示すごとく、上流側素子２１の配置領域ｘａにおいて、一対の側壁内面４３１は、上下方向Ｚ及び流通方向Ｘに平行な面に対して傾斜している。具体的には、上流側素子２１の配置領域ｘａにおいて、一対の側壁内面４３１は、下側に向かうほど互いに横方向Ｙに近付くよう傾斜している。

そして、図１１に示すごとく、下流側素子２２の配置領域ｘｂにおいても、一対の側壁内面４３１は、下側に向かうほど互いに横方向Ｙに近付くよう傾斜している。図１１に示す、下流側素子２２の配置領域ｘｂにおける側壁内面４３１と上下方向Ｚ及び流通方向Ｘに平行な面との間の傾斜角度θｄは、図１０に示す、上流側素子２１の配置領域ｘａにおける側壁内面４３１と上下方向Ｚ及び流通方向Ｘに平行な面との間の傾斜角度θｃよりも大きい。

図１２に示すごとく、本実施形態において、下壁部４２の下壁内面４２１、及び、上壁部４１の上壁内面４１１は、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行に形成されている。

以上の構成により、冷媒流路３０は、上流側素子２１よりも上流側、上流側素子２１の配置領域ｘａ、下流側素子２２の配置領域ｘｂ、の順に流路断面積が小さくなっていく。つまり、冷媒流路３０は、下流側に向かうに連れて流路断面積が小さくなっている。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態６）
本実施形態は、図１３に示すごとく、半導体モジュール５の放熱板７が冷却器３の流路形成部４の一部を構成している実施形態である。

冷却器３の上壁部４１には、半導体モジュール５の放熱板７と係合可能な、開口穴４１０が形成されている。開口穴４１０は、上壁部４１を上下方向Ｚに貫通するよう形成されている。

そして、半導体モジュール５は、放熱板７によって冷却器３の上壁部４１の開口穴４１０を閉塞するように配されている。

放熱板７の冷媒流路３０に面する放熱板下面７２は、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行な平行面７２１、７２２と、下流側に向かうにつれて下側に向かうように傾斜した段形成面７２３とを有する。本実施形態において、放熱板下面７２は、上流側から下流側に向かって、平行面７２１、段形成面７２３、平行面７２２を、この順に有する。流通方向Ｘにおいて、上流側の平行面７２１は、少なくとも一部が上流側素子２１の配置領域ｘａに形成されている。また、流通方向Ｘにおいて、下流側の平行面７２２は、少なくとも一部が下流側素子２２の配置領域ｘｂに形成されている。そして、流通方向Ｘにおいて、段形成面７２３は、上流側素子２１の配置領域と下流側素子２２の配置領域との間に配されている。一方、下壁部４２の下壁内面４２１は、流通方向Ｘ及び横方向Ｙの双方に平行に形成されている。

冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける放熱板下面７２の平行面７２１、７２２の形成された領域のそれぞれが一定流路部３０１を構成している。また、冷媒流路３０は、流通方向Ｘにおける段形成面７２３の形成された領域が変動流路部３０２を構成している。下流側の一定流路部３０１の流路断面積は、上流側の一定流路部３０１の流路断面積よりも小さい。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においても、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態７）
本実施形態は、図１４、図１５に示すごとく、半導体モジュール５を３つ備えた実施形態である。３つの半導体モジュール５は、流通方向Ｘに間隔をあけて、流通方向Ｘに並んで配されている。また、各半導体モジュール５の２つの半導体素子２は、流通方向Ｘに間隔をあけて、流通方向Ｘに並んで配されている。これにより、３つの半導体モジュール５が備える６つの半導体素子２は、流通方向Ｘに間隔をあけつつ、流通方向Ｘに並んで配されている。なお、便宜上、図１４において、半導体モジュール５は、上から見たときの半導体モジュール５の外形と、半導体素子２の外形とを表しており、詳細な部位の図示は省略している。また、図１５においては、半導体素子２及び放熱板７のみを表しており、これら以外の構成は適宜省略している。

図１５に示すごとく、各半導体モジュール５の２つの半導体素子２の配置領域の上流側の配置領域の上流側端部から下流側の配置領域の下流側端部わたって、特定流路部３００が形成されている。つまり、本実施形態においては、３つの特定流路部３００が形成されている。

３つの半導体モジュール５のうちの上流側端部に配された半導体モジュール５以外の半導体モジュール５は、特定流路部３００の上流側の配置領域の部位の流路断面積が、上流側に隣り合う半導体モジュール５の特定流路部３００の下流側の配置領域の部位の流路断面積と同じになるよう形成されている。
その他は、実施形態１と同様である。

本実施形態においては、冷却器による複数の半導体モジュール５の複数の半導体素子２の冷却性能が冷媒の流通方向Ｘにおいてばらつくことを抑制することができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

（実施形態８）
本実施形態は、図１６〜図１８に示すごとく、冷却器３が、複数の冷却管３１を備え、複数の冷却管３１と複数の半導体モジュール５とが、積層構造体１０を構成している実施形態である。

冷却管３１は、一方向に長尺な板状を呈している。本実施形態において、冷却管３１の長手方向をα方向という。複数の冷却管３１は、互いの間に間隔をあけつつ、冷却管３１の厚み方向に積層されている。以後、複数の冷却間の積層方向をβ方向と言う。

β方向に隣り合う冷却管３１は、α方向の両端部において、連結管３２によって互いに連結されている。連結管３２は、β方向に変形可能に構成されている。また、β方向の一端に配された冷却管３１には、冷却器３に冷媒を導入するための冷媒導入管３３と、冷却器３から冷媒を排出するための冷媒排出管３４とが接続されている。

積層構造体１０は、冷却器３における複数の冷却管３１の間に設けられた複数の隙間に、半導体モジュール５を配設してなる。複数の半導体モジュール５は、厚み方向をβ方向とした姿勢で配されている。複数の半導体モジュール５は、β方向に隣接する冷却管３１によって挟持されている。なお、図示は省略するが、積層構造体１０は、例えば板バネ等の弾性力によって、β方向に弾性的に圧縮された状態で保持されている。

図１６〜図１８に示すごとく、各半導体モジュール５は、２つの半導体素子２を有する。各半導体モジュール５において、２つの半導体素子２は、α方向に間隔をあけつつ、α方向に並んで配されている。半導体モジュール５は、β方向から見たとき、半導体素子２と冷却管３１とが重なるよう配されている。なお、図１６においては、α方向とβ方向との双方に直交する方向から見たときの、半導体素子２の輪郭位置を破線にて表している。また、図１７においては、β方向から見たときの半導体素子２の輪郭位置を破線にて表している。

図１７に示すごとく、半導体モジュール５は、冷却管３１を流れる冷媒によって冷却することができるよう構成されている。すなわち、冷媒導入管３３から冷却器３に導入された冷媒は、適宜連結管３２を介して複数の冷却管３１に分配されて流通する。この間に、冷媒は半導体モジュール５と熱交換をする。半導体モジュール５から半導体素子２の熱を受熱した冷媒は、連結管３２及び冷媒排出管３４を介して冷却器３から排出される。このようにして、半導体モジュール５は冷却される。

図１８に示すごとく、冷却管３１内における冷媒の流通方向Ｘは、α方向である。冷却管３１における冷媒の流通方向Ｘに隣り合う２つの配置領域の上流側の配置領域ｘａの上流側端部から下流側の配置領域ｘｂの下流側端部までに、特定流路部３００を有する。冷却管３１は、Ｚ方向の両側の壁部の内壁面が、下流側に向かうにつれて互いに近付くように傾斜した傾斜面４４となっている。これにより、冷却管３１は、下流側に向かうほど流路断面積が小さくなるよう形成されている。そして、冷却管３１の内側の冷媒流路３０は、全体が、下流側に向かうほど流路断面積が小さくなる収縮流路部３０３となっている。
その他は、実施形態２と同様である。

本実施形態においても、実施形態２と同様の作用効果を有する。

本発明は、前記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、冷媒流路は、流通方向に隣り合う２つの配置領域の上流側の配置領域の上流側端部から下流側の配置領域の下流側端部までにわたる領域に形成されるとともに、上流側から下流側に向かって流路断面積が小さくなるよう形成された特定流路部を有すれば、前記各実施形態に示した構造以外の構造を採用することも可能である。また、実施形態１等において、段形成面は、流通方向に直交する面であってもよい。また、実施形態１等において、例えば段形成面の上側の上壁部の上壁内面が下側に向かって凹んだ形状を有している場合において、段形成面も、下側に向かって凹んだ凹部とすることができる。また、例えば実施形態１等において、複数の半導体素子が流通方向の複数の位置に配されていれば、複数の半導体素子は横方向にずれて配されていてもよい。

１ 電力変換装置
２ 半導体素子
２ 冷却器
３０ 冷媒流路
３００特定流路部
Ｘ 流通方向
ｘａ、ｘｂ 配置領域

Claims (9)

1. 複数の半導体素子（２１、２２）と、
   冷媒が流れる冷媒流路（３０）を有するとともに、複数の前記半導体素子を冷却する冷却器（３）と、を有し、
   複数の前記半導体素子は、前記冷媒流路に流れる冷媒の流通方向（Ｘ）の複数の配置領域（ｘａ、ｘｂ）に配されており、
   前記冷媒流路は、下記の特定流路部（３００）を有し、
   前記特定流路部は、前記冷媒流路における前記流通方向に隣り合う２つの前記配置領域の上流側の前記配置領域の上流側端部から下流側の前記配置領域の下流側端部までにわたる領域であって、前記冷媒流路において上流側から下流側に向かって流路断面積が小さくなるよう形成された領域である、電力変換装置（１）。
2. 前記特定流路部は、前記各配置領域における流路断面積が前記流通方向において一定であり、かつ、下流側の前記配置領域における流路断面積が、上流側の前記配置領域における流路断面積よりも小さくなるよう構成されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記冷却器は、前記特定流路部の少なくとも一方の前記配置領域の部位に面する内壁面のうちの少なくとも一面に、下流側に向かうほど前記冷媒流路の流路断面積を小さくするよう前記流通方向に対して傾斜した傾斜面（４４）を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 対象とする前記傾斜面を対象傾斜面と定義し、前記対象傾斜面が形成された前記配置領域に配された前記半導体素子を対象素子と定義し、下記の仮想直線（Ｌ１、Ｌ２）を想定したとき、
   前記対象素子を通るとともに前記対象素子と前記冷却器との並び方向及び前記流通方向の双方に平行な断面において、前記対象傾斜面は、前記冷却器における前記対象素子側の面と前記仮想直線との交点よりも上流側の位置から形成されており、
   前記仮想直線は、前記対象素子の前記冷却器側の面における上流側端部から前記並び方向の前記冷却器側に向かって延びるとともに、前記並び方向の前記冷却器側に向かうほど上流側に向かうよう傾斜しており、かつ、前記並び方向に延びる直線との間になす角度が４５°である、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記冷却器は、少なくとも、前記特定流路部の下流側の前記配置領域の部位に面する内壁面の少なくとも一面に、前記傾斜面を有する、請求項３又は４に記載の電力変換装置。
6. 前記冷却器は、少なくとも、前記特定流路部の上流側の前記配置領域の部位に面する内壁面の少なくとも一面に、前記傾斜面を有する、請求項３〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記冷却器は、前記特定流路部の上流側の前記配置領域の部位に面する内壁面の少なくとも一面と、前記特定流路部の下流側の前記配置領域の部位に面する内壁面の少なくとも一面とのそれぞれに、前記傾斜面を有する、請求項３又は４に記載の電力変換装置。
8. 前記特定流路部の下流側の前記配置領域の部位に面する前記傾斜面は、前記特定流路部の上流側の前記配置領域の部位に面する前記傾斜面よりも、前記流通方向に対する傾斜角度が大きい、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記流通方向の異なる位置に配された複数の前記半導体素子は、発熱量が大きいものほど、上流側に位置している、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電力変換装置。

Images