JP6533755B2 - 発熱体の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、発熱体の冷却構造に関する。

特許文献１は、その段落０００１によれば「放熱性および信頼性に優れたパワーモジュールに関する」ものであり、その段落００１１には、「扁平状ケースの面積の広い対向する２つの面の一方には放熱部３０７Ａが設けられ、他方の面には放熱部３０７Ｂが設けられている。放熱部３０７Ａおよび放熱部３０７Ｂはモジュールケース３０４の放熱壁として機能するものであり、それらの外周面には複数のフィン３０５が均一に形成されている」と記載されている。

特開２０１３−７３９６４号公報

ところで、元々水冷式のものとして設計された半導体モジュール等の発熱体を空冷式のものとして使用したいという要望がある。これは、空冷式を採用すると、冷媒の配管などが不要になり、メンテナンス上有利である等の理由による。空冷式を採用するならば、発熱体にある程度の大きさの外付けの冷却フィン等を装着する必要が生じる。しかし、元々水冷式のものとして設計された発熱体は、小型のピンフィン（ピン状に突出したフィン）などを有しているものの、外付けの冷却フィンの取付が想定されていないため、強い押圧力が印加されることは想定されていない。従って、ボルト締めなどによって単純に外付けの冷却フィンを取り付けようとすると、発熱体を破損させてしまうおそれがある。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、ピンフィンを有する半導体モジュール等の発熱体を、破損を防止しつつ冷却できる発熱体の冷却構造を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明である発熱体の冷却構造は、複数のピンフィンを突出させて成る、少なくとも一の冷却面を有する発熱体と、前記ピンフィンに対向する箇所に前記ピンフィンが遊挿される穴を備える受熱板と、前記受熱板を押圧しつつ挟持する一対の挟持部材を有し、前記受熱板を冷却する冷却器と、を有し、前記一対の挟持部材と前記受熱板とを面接触させることで前記発熱体の冷却を行い、前記冷却器および前記受熱板と前記発熱体とは熱伝導剤のみを介して接触していることを特徴とする。

本発明によれば、ピンフィンを有する発熱体を、破損を防止しつつ冷却できる。

本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置の回路図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置のコンバータの回路図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置のインバータの回路図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置のチョッパの回路図である。 (a)本発明の一実施形態に係る両面冷却パワーモジュールの外観図、および(b)同回路図である。 本発明の一実施形態に係る受熱スペーサの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る受熱スペーサの取り付け状態を示す斜視図である。 図７におけるＢ部拡大図である。 図７におけるＡ−Ａ’断面図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される空冷型両面冷却パワーユニット６２０の斜視図である。 図１０におけるＣ部分解図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される単位変換器ユニットの斜視図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される単位変換器ユニットの分解図である。 ラミネートバスバの分解図である。 単位変換器ユニットの回路図である。 本発明の一実施形態に係る構造が適用される複数の単位変換器ユニットを配置した電力変換装置の外観図である。 相間ラミネートバスバの分解図である。 受熱スペーサの一変形例におけるＢ部拡大図に相当する図である。 受熱スペーサの他の変形例におけるＢ部拡大図に相当する図である。 受熱スペーサの他の変形例におけるＢ部拡大図に相当する図である。 受熱スペーサの他の変形例における、図１０のＣ部分解図に相当する図である。

＜電力変換装置の電気的構成＞
次に、本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０の構成を説明する。
図１は、本実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０の回路図である。図１に示すように、電力変換装置１５０には、電力系統の受電点１０７から変圧器１０５を介して、適当な電圧に調整された交流電力が供給される。供給される交流電力は、コンバータ１５２に入力され、直流電力に変換される。直流電力はインバータ１５３に入力され、交流電力に変換される。この交流電力は三相の交流負荷１０８にて消費される。

一方、電力系統の不具合等でコンバータ１５２に電力が供給されない場合、これを上位制御回路１０９が検知し、チョッパ１５４が動作する。蓄電池１０６からチョッパ１５４に入力される直流電力はチョッパ１５４で適当な電力に調整され、インバータ１５３に入力される。インバータ１５３に入力された直流電力は交流電力へと変換され、三相の交流負荷１０８にて消費される。

以上の動作は上位制御回路１０９で所望の動作を判定し、コンバータ１５２への指令信号１１０Ｃ、インバータ１５３への指令信号１１０Ｉ、チョッパ１５４への指令信号１１０Ｘにより調整される。コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４はその動作に際して、熱が発生し温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、冷却ファン１０１（送風機）により発生させた冷却風１１１を送り込み冷却する。以上で構成された電気システムのうち、冷却ファン１０１、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４、上位制御回路１０９等が本実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０に収容される。また、必要に応じて、コンバータ１５２と変圧器１０５との間、またはインバータ１５３と交流負荷１０８との間にフィルタ回路を配置してもよい。

図２は本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０のコンバータ１５２の回路図、図３は本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０のインバータ１５３の回路図、図４は本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０のチョッパ１５４の回路図である。以下、図２〜図４を参照してコンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４の回路について説明する。

図２に示すコンバータ１５２は、複数の半導体素子で構成されるレグ２５３（２５３Ｒ，２５３Ｓ，２５３Ｔ）で構成され、レグ２５３は、複数のスイッチング素子２０４（例えば、２０４ＲＨ，２０４ＲＬ）とダイオード素子２０５（例えば、２０５ＲＨ，２０５ＲＬ）で構成される。以後、個々の要素全体を示す場合は総称として、レグ２５３、スイッチング素子２０４、ダイオード素子２０５を用いる。

レグ２５３の両端はコンデンサ２０１に接続されている。レグ２５３Ｒの上側アームは、スイッチング素子２０４ＲＨと、還流用のダイオード素子２０５ＲＨとで構成される。また、レグ２５３Ｒの下側アームは、スイッチング素子２０４ＲＬと、還流用のダイオード素子２０５ＲＬとで構成される。同様に、レグ２５３Ｓの上側アームは、スイッチング素子２０４ＳＨと、還流用のダイオード素子２０５ＳＨとで構成される。また、レグ２５３Ｓの下側アームは、スイッチング素子２０４ＳＬと、還流用のダイオード素子２０５ＳＬとで構成される。また、レグ２５３Ｔの上側アームは、スイッチング素子２０４ＴＨと、還流用のダイオード素子２０５ＴＨとで構成される。また、レグ２５３Ｔの下側アームは、スイッチング素子２０４ＴＬと、還流用のダイオード素子２０５ＴＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＲＨ，２０４ＲＬ，２０４ＳＨ，２０４ＳＬ，２０４ＴＨ，２０４ＴＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるコンバータゲート制御部２０２で制御される。

なお、本発明の一実施形態に係る構造が適用されるスイッチング素子には、電流のオン・オフを切り替え可能な素子なら使用することが可能である。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）がある。

図３に示すインバータ１５３は、複数の半導体素子で構成されるレグ２５３（２５３Ｕ，２５３Ｖ，２５３Ｗ）で構成され、レグ２５３の両端はコンデンサ３０１に接続されている。レグ２５３Ｕの上側アームは、スイッチング素子２０４ＵＨと、還流用のダイオード素子２０５ＵＨとで構成される。また、レグ２５３Ｕの下側アームは、スイッチング素子２０４ＵＬと、還流用のダイオード素子２０５ＵＬとで構成される。同様に、レグ２５３Ｖの上側アームは、スイッチング素子２０４ＶＨと、還流用のダイオード素子２０５ＶＨとで構成される。また、レグ２５３Ｖの下側アームは、スイッチング素子２０４ＶＬと、還流用のダイオード素子２０５ＶＬとで構成される。また、レグ２５３Ｗの上側アームは、スイッチング素子２０４ＷＨと、還流用のダイオード素子２０５ＷＨとで構成される。また、レグ２５３Ｗの下側アームは、スイッチング素子２０４ＷＬと、還流用のダイオード素子２０５ＷＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＵＨ，２０４ＵＬ，２０４ＶＨ，２０４ＶＬ，２０４ＷＨ，２０４ＷＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるインバータゲート制御部３０２で制御される。

図４に示すチョッパ１５４は、半導体素子で構成されるレグ２５３（２５３Ｘ）で構成され、レグ２５３の両端はコンデンサ４０１に接続されている。レグ２５３Ｘの上側アームは、スイッチング素子２０４ＸＨと、還流用のダイオード素子２０５ＸＨとで構成される。また、レグ２５３Ｘの下側アームは、スイッチング素子２０４ＸＬと、還流用のダイオード素子２０５ＸＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＸＨ，２０４ＸＬの連系点は、リアクトル４０３を介して蓄電池１０６（図１参照）に接続されている。スイッチング素子２０４ＸＨ，２０４ＸＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるチョッパゲート制御部４０２で制御される。

制御動作の例として、チョッパゲート制御部４０２の一例について説明する。
チョッパ１５４に与えられるスイッチング信号は、昇圧降圧切換回路（図示せず）を通して与えられる。これらの選択は、コンバータ１５２、インバータ１５３の間の直流電圧値とコンバータ１５２（整流機能）の出力電圧値の大小関係に依存する。そして、チョッパ１５４の出力がコンバータ１５２の出力電圧より大きい時、スイッチング素子２０４ＸＬにＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）信号を送信し、逆の場合は、スイッチング素子２０４ＸＨにＰＷＭ信号を送信する。

蓄電池１０６の電力を放電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＬをＰＷＭ信号に従いスイッチングする。スイッチング素子がオンしたときリアクトル４０３にエネルギーを蓄積する。一方、オフしたとき、蓄電池１０６の電圧とリアクトル４０３のエネルギーにより蓄電池１０６の電圧より高い電圧をコンデンサ４０１に、スイッチング素子２０４ＸＨに接続されているダイオード素子２０５ＸＨを介して充電する。

蓄電池１０６に電力を充電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＨをＰＷＭ信号に従いスイッチングし、スイッチング素子２０４ＸＨがオンしたときリアクトル４０３を介して、コンデンサ４０１の電力を蓄電池１０６に充電する。スイッチング素子２０４ＸＨがオフしているとき、スイッチング素子２０４ＸＬに接続されているダイオード素子２０５ＸＬを介してリアクトル４０３に蓄積したエネルギーを循環させる。これらの動作により、蓄電池１０６の電力を充放電させることができる。

なお、一般的な電力変換装置では、コンデンサは一括して配置する場合もあるが、本発明の一実施形態に係る構造が適用される電力変換装置では、後記する単位変換器ユニット９６０（図１２参照）の構成を規格化する観点からコンデンサ２０１，３０１，４０１を分割している。具体的には、コンデンサ２０１，３０１は、レグ２５３ごとに更に分割される。

図２〜図４に示すレグ２５３のスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５による電流の通電と阻止を行うことで、コンバータ１５２では交流から直流変換を、インバータ１５３では直流から交流変換を行っている。通電時にはスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５に内蔵する抵抗により損失が発生する。また、通電状態から阻止状態に切り替える際にも損失が発生する。このため、電力変換装置１５０の作動には発熱が伴う。

＜空冷型両面冷却パワーユニット６００の構成＞
次に、本発明の一実施形態に係る構造が適用される両面冷却パワーモジュール６００（発熱体、電力変換装置用半導体装置）について、図５(a)の外観図および図５(b)の回路図を参照しつつ説明する。図５(b)において、両面冷却パワーモジュール６００には、絶縁体７５３の上にマウントされたスイッチング素子２０４ＭＨ，２０４ＭＬとダイオード素子２０５ＭＨ，２０５ＭＬとが含まれる。各々の半導体素子間は、レグ２５３（例えば、図２参照）を構成するように接続される。また、絶縁体７５３には、Ｐ端子７５４Ｐ（直流正極端子）、Ｎ端子７５４Ｎ（直流負極端子）、ＡＣ端子７５４ＡＣ（交流端子）、スイッチング素子のオンとオフとを制御するゲート端子７５１が取り付けられる。

次に、図５(a)において、両面冷却パワーモジュール６００は、本発明の一実施形態に係る構造が適用される略直方体状の本体部７１０と、本体部７１０の一側面を広げるように形成された略直方体状のフランジ部７２０と、フランジ部７２０において本体部７１０に対向する面から突出した、複数の端子から成る端子部７３０とから構成されている。端子部７３０を構成する端子は、図５(b)に示したＰ端子７５４Ｐと、Ｎ端子７５４Ｎと、ＡＣ端子７５４ＡＣと、ゲート端子７５１とによって構成されている。

本体部７１０の一の面７６０Ａには、本発明の一実施形態に係る構造である微小円柱状の突起であるピンフィン７６２Ａが、多数（合計約２００以上）突出している。また、本体部７１０において面７６０Ａに対向する他の面７６０Ｂにおいても、同数のピンフィン７６２Ｂ（図示せず）が形成されている。以下、ピンフィン７６２Ａ，７６２Ｂを総称して、単に「ピンフィン７６２」と呼ぶこともある。両面冷却パワーモジュール６００は、本来は水冷式にて冷却することを想定したものであり、端子部７３０を上に向け、本体部７１０を下に向けた上で本体部７１０を冷媒槽に浸け、ピンフィン７６２間に冷媒を流通させることが可能になっている。そこで、面７６０Ａ，７６０Ｂを以下「冷却面」と呼ぶ。ピンフィン７６２を除いた本体部７１０の厚さ、すなわち冷却面７６０Ａ，７６０Ｂ間の距離を「ｄ1」とする。

前述の半導体素子が動作する際、端子部７３０を経由して外部と電気的な導通を得る一方で、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂを経由して排熱する。すなわち、端子部７３０は、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂに隣接するひとつの側面に形成され、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂとは電気的に絶縁されていることから、熱輸送経路と電気経路は独立している。

＜空冷型両面冷却パワーユニットの機械的構成＞
本発明の一実施形態に係る構造である両面冷却パワーモジュール６００の冷却面７６０Ａ，７６０Ｂには、図６に示す一対の本発明の一実施形態に係る構造である受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂが衝合される。受熱スペーサ６３０Ａは、略長方形板状の受熱部６３１Ａ（受熱板）と、受熱部６３１Ａの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ａとから構成されている。また、受熱部６３１Ａには、円柱状の貫通孔６３３Ａ（穴）が多数形成されている。これら貫通孔６３３Ａは、冷却面７６０Ａのピンフィン７６２Ａに対向する位置に形成され、かつ、ピンフィン７６２Ａの直径よりも若干大きな直径を有している。本来は、貫通孔６３３Ａがピンフィン７６２Ａに隙間なく嵌合することが理想的であるが、ピンフィン７６２Ａの直径や位置には若干の製造誤差が伴うため、その製造誤差を吸収できる程度まで、貫通孔６３３Ａの直径は広げられている。

また、受熱スペーサ６３０Ｂは、略長方形板状の受熱部６３１Ｂと、受熱部６３１Ｂの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ｂとから構成されている。受熱スペーサ６３０Ｂは、受熱スペーサ６３０Ａに対して全体として上下対称の形状を有しているが、受熱部６３１Ｂにあっては、両面冷却パワーモジュール６００の冷却面７６０Ｂから突出するピンフィン７６２Ｂに各々対向する位置に、貫通孔６３３Ｂが形成されている。

受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂを両面冷却パワーモジュール６００に取り付ける際には、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂに充分に熱伝導グリスを塗布し、各ピンフィン７６２に貫通孔６３３Ａ，６３３Ｂの位置を合わせつつ、空間確保部６３２Ａ，６３２Ｂを衝合させる。このようにして、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂを両面冷却パワーモジュール６００に取り付けた状態を図７に示す。図示のように、本体部７１０はその端面７１０ａを露出させているが、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂの大部分は受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂによって覆われている。

図７において、破線で囲まれたＢ部の拡大平面図を図８に示す。
上述したように、貫通孔６３３Ａの直径は、ピンフィン７６２Ａの直径よりも若干大きいため、ピンフィン７６２Ａは、貫通孔６３３Ａとの間に空隙６３５を形成しつつ、空隙６３５に遊挿される。その際、ピンフィン７６２Ａに塗布された熱伝導グリスがこの空隙６３５内に押し出されるように浸透し、空隙６３５は、隙間なく熱伝導グリスによって充填される。

次に、図７におけるＡ−Ａ’断面の要部（端部）の拡大図を図９に示す。空間確保部６３２Ａ，６３２Ｂを衝合させた際、受熱部６３１Ａ，６３１Ｂは所定の距離を隔てて対向する。この距離をｄ2とする。両面冷却パワーモジュール６００の本体部７１０の厚さｄ1よりも距離ｄ2が若干長くなるように、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂは形成されている。この結果、受熱部６３１Ａと本体部７１０の間、および受熱部６３１Ｂと本体部７１０の間には、それぞれ空隙６３７Ａ，６３７Ｂが形成される。両面冷却パワーモジュール６００は、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに対して遊びを有するため、空隙６３７Ａ，６３７Ｂの幅は必ずしも同一ではない。

空間確保部６３２Ａ，６３２Ｂを衝合する際、ピンフィン７６２に塗布された熱伝導グリスは、空隙６３７Ａ，６３７Ｂ内にも押し出されるように浸透し、空隙６３７Ａ，６３７Ｂも隙間なく熱伝導グリスによって充填される。また、ピンフィン７６２Ａの先端からピンフィン７６２Ｂの先端まで含めた本体部７１０の厚さをｄ4とし、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂを衝合させた際の全体の幅をｄ5とすると、幅ｄ5は厚さｄ4よりも若干広くなるように、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂは形成されている。これにより、図中における受熱スペーサ６３０Ａの上面とピンフィン７６２Ａの先端との間、および受熱スペーサ６３０Ｂの下面とピンフィン７６２Ｂの先端との間には、それぞれ空隙６３９Ａ，６３９Ｂが形成される。上述したように、両面冷却パワーモジュール６００は、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに対して遊びを有するため、空隙６３７Ａ，６３７Ｂの幅は必ずしも同一ではない。

受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂを冷却器６１０（詳細は後述する）に装着する際には、ハッチングを付した矢印で示すような押圧力が印加される。この押圧力は、空間確保部６３２Ａ，６３２Ｂの衝合部分に印加される。本実施形態においては、本体部７１０と受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂとの間に空隙６３７Ａ，６３７Ｂが形成され、さらにピンフィン７６２Ａ，７６２Ｂの各先端部分にも空隙６３９Ａ，６３９Ｂが形成されているから、この押圧力が本体部７１０に印加されることを防止できる。これにより、両面冷却パワーモジュール６００の破損を未然に防止することが可能である。

次に、二の両面冷却パワーモジュール６００を、冷却器６１０に装着した状態の斜視図を図１０に示す。冷却器６１０は、一対の冷却器６１０Ａ，６１０Ｂから構成される。冷却器６１０Ａ，６１０Ｂは、各々略直方体ブロック状に形成された受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂを有しており、これら受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂに、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂをそれぞれ装着した二の両面冷却パワーモジュール６００が挟まれている。

受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂは、複数の固定具６０４によって相互に締め付けられ、受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂには、ハッチングを付した矢印で示す方向に押圧力が印加される。但し、図９において説明したように、この押圧力は受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに印加されるものの両面冷却パワーモジュール６００には印加されない。なお、固定具６０４としては、一般的なボルトとナットを用いることができる。

図１０において、ｘ軸，ｙ軸が成すｘｙ平面（水平面）に対して約１０°傾斜して、受熱ブロック６０１Ａからｙ軸方向に４本のヒートパイプ６０２が突出している。また、これらヒートパイプ６０２の半径方向に、複数の板状の放熱フィン６０３が溶接されている。従って、各放熱フィン６０３は、ｘ軸，ｚ軸が成すｘｚ平面（鉛直面）に対して、約１０°傾斜している。冷却器６１０Ｂも、冷却器６１０Ａと同様に構成されている。以上のようにして、二の両面冷却パワーモジュール６００を冷却器６１０に実装することにより、一の空冷型両面冷却パワーユニット６２０が構成される。

両面冷却パワーモジュール６００が発熱すると、その熱は受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂを介して受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂに伝搬され、さらにヒートパイプ６０２によって後方に（ｙ軸方向に）伝搬される。そして、この空冷型両面冷却パワーユニット６２０に対して、下から上に向かう（ｚ軸方向に向かう）冷却風８５３を送風すると、冷却風８５３は本発明の一実施形態に係る構造である各放熱フィン６０３を冷却しつつ上方向に向かって抜けるから、熱が速やかに排出される。このような熱伝搬経路を図中の矢印８５１で示す。なお、冷却風８５３と直交する方向の熱伝搬は、主にヒートパイプ６０２による伝搬である。

図１０において、破線で囲まれた領域Ｃの分解図を図１１に示す。
図１１において、受熱スペーサ６３０Ａと受熱ブロック６０１Ａとの間、および、受熱スペーサ６３０Ｂと受熱ブロック６０１Ｂとの間には、それぞれ熱伝導グリス６０６が塗布される。固定具６０４によって受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂを締め付けると、熱伝導グリス６０６は、受熱スペーサ６３０Ａと受熱ブロック６０１Ａとの対向面、および、受熱スペーサ６３０Ｂと受熱ブロック６０１Ｂとの対向面に沿って拡がり、図示のような薄膜層状になる。その際、各ピンフィン７６２Ａ，７６２Ｂの先端部分の空隙６３９Ａ，６３９Ｂ（図９参照）にも熱伝導グリス６０６が浸透し、各ピンフィン７６２Ａ，７６２Ｂの外面には隙間なく熱伝導グリス６０６が浸透する。

＜単位変換器ユニット９６０の構成＞
次に、本発明の一実施形態に係る構造適用される単位変換器ユニット９６０について図１２〜図１５を参照して説明する。図１２は単位変換器ユニット９６０の斜視図、図１３は同分解図、図１４はＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９５５の分解図、図１５は単位変換器ユニット９６０の回路図である。

図１２に示す単位変換器ユニット９６０では、前述の空冷型両面冷却パワーユニット６２０の電気端子のＰ端子７５４Ｐ（図５参照）、Ｎ端子７５４Ｎ、ＡＣ端子７５４ＡＣがＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９５５のＰ層、Ｎ層、ＡＣ層のそれぞれに接続されている。さらに、電気端子のゲート端子７５１がゲートドライバ基板９５４に接続されている。また、複数のコンデンサ９５１の正極端子９５２Ｐと負極端子９５２ＮとがＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９５５のＰ層とＮ層とにそれぞれ接続されている。さらに、正極フューズ９５３Ｐと負極フューズ９５３ＮとがＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９５５のＰ層とＮ層とにそれぞれ接続されている。ただし、ここに示す正極フューズ９５３Ｐと負極フューズ９５３Ｎは、規定以上の電流が通流する際に機器を保護するために回路を遮断する機能を持つのであって、このような保護機能が必要なければ、フューズを省略することも可能である。

図１３は図１２の分解図である。また、図１４はＰ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ９５５の分解図である。図１４に示すように、バスバ９５５は、Ｐ層バスバ９５５Ｐ、Ｎ層バスバ９５５Ｎ、ＡＣ層バスバ９５５ＡＣで構成されており、各バスバ間は絶縁層９５５Ｓで絶縁されている。単位変換器ユニット９６０において、さらに説明すると、両面冷却パワーモジュールのＰ端子７５４Ｐ、Ｎ端子７５４Ｎ、ＡＣ端子７５４ＡＣは、Ｐ層バスバ９５５Ｐ、Ｎ層バスバ９５５Ｎ、ＡＣ層バスバ９５５ＡＣにそれぞれ接続される。また、コンデンサ９５１のＰ端子をＰ層バスバ９５５Ｐに、Ｎ端子をＮ層バスバ９５５Ｎに接続する。以上の構成を電気回路図で示すと図１５のようになる。

＜電力変換装置の外観構成＞
図１６は、複数の単位変換器ユニット９６０を配置してなる電力変換装置１５０の外観図である。
電力変換装置１５０内では、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４を横並びに配置している。コンバータ１５２は、図２に示した３つのレグ２５３Ｒ，２５３Ｓ，２５３Ｔに対応する単位変換器ユニット９６０で構成されている。インバータ１５３は、図３に示した３つのレグ２５３Ｕ，２５３Ｖ，２５３Ｗに対応する単位変換器ユニット９６０で構成されている。チョッパ１５４は１つ単位変換器ユニット９６０で構成されている。ただし、本実施の形態と異なる順序で、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４を並べてもよく、各々のコンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４の中で異なる相順で並べても良い。

図１０において説明したように、本発明の一実施形態に係る構造適用される空冷型両面冷却パワーユニット６２０は、両面冷却パワーモジュール６００が発生する熱をヒートパイプ６０２によって後方（ｙ方向）に伝搬させ、後方に設けられた放熱フィン６０３を介して熱を排出する。図１６に示す構成においては、このような空冷型両面冷却パワーユニット６２０を装着した複数の単位変換器ユニット９６０を横方向に配列しているため、メンテナンス性を高めることができる。何れかの単位変換器ユニット９６０が故障したとき、電力変換装置１５０からこの故障したユニットを引き出し、スペアのユニットを挿入することが一般的である。その際、故障したユニットを引き出すことも、スペアのユニットを挿入することも、これらユニットを単純にｙ方向に移動させれば実現でき、速やかに対応することができる。

コンバータ１５２は３つの単位変換器ユニット９６０を、Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ１０５３をそれぞれの正極端子１０５１と負極端子１０５２とを接続することで構成する。インバータ１５３もコンバータ１５２と同様に構成する。チョッパ１５４は１つの単位変換器ユニット９６０で構成されているため、必ずしも、Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ１０５３には接続する必要はない。但し、チョッパ１５４の容量を増設したり、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４とからなる一体のシステムとする本発明の一実施形態に係る構造が適用されるコンバータ１５２においては、コンバータ１５２、インバータ１５３と同時に接続することが好ましい。ここで、図１７に示すように、Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ１０５３は、相間Ｐバスバ１０５３Ｐ、相間Ｎバスバ１０５３Ｎを有し、各バスバ間は絶縁層１０５３Ｓで絶縁されている。

以上のような構成を備えるコンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４において、１レグにつき単位変換器ユニット９６０を複数個並列に接続することもできる。このため電力変換装置の定格出力容量を大きくすることができる。

図１６に示す電力変換装置内の単位変換器ユニット９６０の冷却方法において、図１０と同様に、下方から上方に向かって放熱フィン６０３に対し冷却風８５３を送風している。これにより、電力変換装置１５０に単位変換器ユニット９６０を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット９６０間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。また、コンバータ１５２、インバータ１５３、チョッパ１５４のそれぞれの半導体素子温度が異なる場合、冷却風８５３Ａ，８５３Ｂ，８５３Ｃの風速などを変更してもよい。

＜実施形態の効果＞
以上のように本実施形態によれば、複数のピンフィン（７６２）を突出させて成る、少なくとも一の冷却面（７６０Ａ，７６０Ｂ）を有する発熱体（６００）と、冷却面（７６０Ａ，７６０Ｂ）に沿った形状を有し、各ピンフィン（７６２）に対向する箇所に各ピンフィン（７６２）が遊挿される穴（６３３Ａ，６３３Ｂ）を形成してなる受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）と、発熱体（６００）と受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）とを押圧しつつ挟持する一対の挟持部材（６０１Ａ，６０１Ｂ）を有し、受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）を冷却する冷却器（６１０）と、受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）に設けられ、挟持部材（６０１Ａ，６０１Ｂ）による押圧力が発熱体（６００）に印加されないように、一対の挟持部材（６０１Ａ，６０１Ｂ）の間隔を抑制する空間確保部（６３２Ａ，６３２Ｂ）とを備える。
これにより、本実施形態によれば、受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）および挟持部材（６０１Ａ，６０１Ｂ）を介して発熱体（６００）の熱を伝搬し冷却することができる。

また、本実施形態においては、発熱体（６００）は、対向する二面に冷却面（７６０Ａ，７６０Ｂ）を有し、受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）は二面の冷却面（７６０Ａ，７６０Ｂ）に沿った形状を有し、二面の冷却面（７６０Ａ，７６０Ｂ）から各々突出する前記各ピンフィン（７６２）に対向する箇所に穴（６３３Ａ，６３３Ｂ）を形成している。これにより、二面の冷却面から熱を伝搬することができ、熱伝導効果を一層高めることができる。

また、本実施形態においては、ピンフィン（７６２）と受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）との間に熱伝導剤（６０６）を塗布したから、発熱体（６００）と受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）との間の熱抵抗を低減することができ、冷却器（６１０）を小型化することができる。

また、本実施形態においては、空間確保部（６３２Ａ，６３２Ｂ）によって抑制された一対の挟持部材（６０１Ａ，６０１Ｂ）の間隔（ｄ5＋熱伝導グリス６０６の幅）は、ピンフィン（７６２）を含んだ発熱体（６００）の厚さ（ｄ4）よりも大きいから、発熱体（６００）、受熱板（６３１Ａ，６３１Ｂ）、空間確保部（６３２Ａ，６３２Ｂ）を挟持部材（６０１Ａ，６０１Ｂ）に挟持させる際、ピンフィン（７６２）に押圧力が印加されることを防止でき、発熱体（６００）の破損を防止できる。

また、本実施形態に係る構造が適用される電力変換装置１５０においては、複数の電力変換装置用半導体装置（６００）の電気端子を有する側面（端子部７３０）は、同一面に配置され、該同一面の裏側から複数の放熱フィン（６０３）に対して送風機（１０１）から送風されるため、Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ１０５３によって、電力変換装置用半導体装置（６００）間の配線を容易に実現することができる。

＜変形例＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように種々の変形が可能である。
（１）受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに形成される貫通孔は、実施形態のものに限定されるわけではなく、要するにピンフィン７６２が遊挿できる貫通孔であれば、種々の形状および寸法を備えるものに変更することができる。例えば、図１８に示すように、ピンフィン７６２Ａに対応する位置に矩形状の貫通孔６４０Ａを形成してもよい。この場合、矩形状の貫通孔６４０Ａの一辺の長さが上記実施形態における円形の貫通孔６３３Ａ（図８参照）の直径と同等であっても、貫通孔の面積を大きくすることができるため、両面冷却パワーモジュール６００に受熱スペーサ６３０Ａを取り付ける作業が一層容易になるという利点がある。

（２）また、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに形成される一の貫通孔は、一のピンフィン７６２が遊挿されるものに限定されるわけではない。例えば、図１９に示すように、四のピンフィン７６２Ａが遊挿される貫通孔６４２Ａを形成してもよい。このように、複数のピンフィン７６２が遊挿されるように貫通孔６４２Ａを形成すると、形成すべき貫通孔の数を減少させることができるため、寸法の精度を緩和することができるとともに、製造工程を削減できる効果がある。なお、図１９の例では、四のピンフィン７６２Ａを一の略平行四辺形状の貫通孔６４２Ａに遊挿しているが、一の貫通孔に遊挿されるピンフィン７６２の数は、二、三、あるいは五以上であってもよい。また、これに伴って、貫通孔の形状を略平行四辺形以外の形状にしてもよい。

（３）また、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに形成される貫通孔の形状、および貫通孔に遊挿されるピンフィン７６２の数は、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂ上の領域毎に変更してもよい。例えば、図２０に示すように、四のピンフィン７６２Ａが遊挿される貫通孔６４２Ａと、一のピンフィン７６２Ａが遊挿される貫通孔６３３Ａとを受熱スペーサ６３０Ａに形成してもよい。前者の貫通孔６４２Ａは、製造工程を削減できる点において貫通孔６３３Ａよりも有利であり、後者の貫通孔６３３Ａは熱抵抗をより削減できる点で貫通孔６４２Ａよりも有利である。そこで、両面冷却パワーモジュール６００において放熱量が少ない領域は、複数のピンフィン７６２Ａをまとめて遊挿させる貫通孔６４２Ａを採用し、放熱量の大きい箇所は個々のピンフィン７６２を遊挿する貫通孔６３３Ａを採用するとよい。これにより、製造容易性と熱性能とを両立することができる。

（４）上述の実施形態においては、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂと冷却器６１０Ａ，６１０Ｂとは別体であったが、受熱スペーサと冷却器とを一体に構成してもよい。例えば、図１１に示した受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂと、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂとに代えて、図２１に示す受熱ブロック６５０Ａ，６５０Ｂを適用してもよい。受熱ブロック６５０Ｂは、両面冷却パワーモジュール６００のピンフィン７６２に対向する箇所に、円柱状の凹部６５４Ｂが複数形成されている。同様に、受熱ブロック６５０Ａにおいても、ピンフィン７６２に対向する箇所に、円柱状の凹部（図示せず）が複数形成されている。

また、受熱ブロック６５０Ｂにおいて凹部６５４Ｂが形成されている領域を挟むように、略直方体状の一対の空間確保部６５２が形成されている。なお、この変形例において受熱ブロック６５０Ａの対応箇所には、空間確保部６５２に相当するものは形成されていない。空間確保部６５２は、ピンフィン７６２を含めた本体部７１０の厚さｄ4（図９参照）よりも低く、かつ、ピンフィン７６２を除いた本体部７１０の厚さｄ1（図９参照）よりも若干高くなっている。また、受熱ブロック６５０Ｂに形成されている凹部６５４Ｂの深さ、および、受熱ブロック６５０Ａに形成されている凹部（図示せず）の深さは、ピンフィン７６２の高さよりも、若干深くなっている。これにより、図２１において受熱ブロック６５０Ａ，６５０Ｂの間に両面冷却パワーモジュール６００を挟み、固定具６０４によって受熱ブロック６５０Ａ，６５０Ｂを締め付けたとしても、両面冷却パワーモジュール６００には押圧力は印加されない。

本変形例においては、上記実施形態における受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂおよび受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂの機能を、受熱ブロック６５０Ａ，６５０Ｂが併せ持つから、全体の熱抵抗を一層抑制することが可能である。また、部品点数を削減することができるため、製造管理が一層容易になるという利点もある。なお、本変形例における空間確保部６５２は、必ずしも受熱ブロック６５０Ｂとは一体に形成する必要はなく、別体のものとして形成してもよい。

（５）上記実施形態においては、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂに貫通孔６３３Ａ，６３３Ｂを形成したが、貫通孔に代えて、図２１に示したような凹部６５４Ｂと同様の凹部を形成してもよい。その際においても、凹部の深さがピンフィン７６２の高さよりも深ければよい。

（６）受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂは、放熱特性の観点からはアルミニウムや銅などの高熱伝導金属から構成することが好ましいが、両面冷却パワーモジュール６００と冷却器６１０とを絶縁する必要がある場合には、受熱スペーサ６３０Ａ，６３０Ｂとして、樹脂やセラミックスなどを用いてもよい。

（７）上記実施形態において、空間確保部６３２Ａ，６３２Ｂの衝合面にゴム板などの柔軟な部材を挿入してもよい。これにより、微小な高さ調整や、押圧の緩和を行うことも可能になる。
（８）上記実施形態においては、冷却器６１０Ａ，６１０Ｂには、ヒートパイプ６０２と放熱フィン６０３とを用いたが、ヒートパイプ６０２を有さず、受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂに放熱フィンを直接的に接合した冷却器を用いてもよい。また、内部に冷媒を流動させる液冷型の冷却器を採用してもよい。すなわち、受熱ブロック６０１Ａ，６０１Ｂに接合された冷媒の流通経路を形成し、この流通経路に放熱フィンを接合してもよい。

（９）上記実施形態においては、固定具６０４としてボルトとナットを用いたが、バネ材などを用いてもよい。
（１０）上記実施形態において、熱伝導グリス６０６に代えて、熱伝導シートを用いてもよい。
（１１）上記実施形態において、両面冷却パワーモジュール６００の冷却面７６０Ａ，７６０Ｂは平面であり、受熱部６３１Ａ，６３１Ｂは平板形状であったが、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂは必ずしも平面でなくてもよい。すなわち、受熱部６３１Ａ，６３１Ｂの形状を、冷却面７６０Ａ，７６０Ｂに沿った形状にすることにより、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
（１２）上記実施形態の図１０において、ヒートパイプ６０２はｘｙ平面（水平面）に対して約１０°傾斜させたが、ヒートパイプ６０２を傾斜させることなく水平にしてもよい。

１０１ 冷却ファン
１０５ 変圧器
１０６ 蓄電池
１０７ 受電点
１０８ 交流負荷
１０９ 上位制御回路
１１０Ｃ コンバータへの指令信号
１１０Ｉ インバータへの指令信号
１１０Ｘ チョッパへの指令信号
１１１ 冷却風
１５０ 電力変換装置
１５２ コンバータ
１５３ インバータ
１５４ チョッパ
２０１ コンデンサ
２０２ コンバータゲート制御部
２０４ スイッチング素子
２０５ ダイオード素子
２５３ レグ
６００ 両面冷却パワーモジュール（発熱体）
６０１ 受熱ブロック
６０１Ａ，６０１Ｂ 受熱ブロック（挟持部材）
６０２ ヒートパイプ
６０３ 放熱フィン
６０４ 固定具
６０６ 熱伝導グリス
６１０，６１０Ａ，６１０Ｂ 冷却器
６２０ 空冷型両面冷却パワーユニット
６３０Ａ，６３０Ｂ 受熱スペーサ（受熱部材）
６３１Ａ，６３１Ｂ 受熱部（受熱板）
６３２Ａ，６３２Ｂ 空間確保部
６３３Ａ，６３３Ｂ，６４０Ａ，６４２Ａ 貫通孔（穴）
６３５，６３７Ａ，６３７Ｂ，６３９Ａ，６３９Ｂ 空隙
６５０Ａ，６５０Ｂ 受熱ブロック（挟持部材）
６５２ 空間確保部
６５４Ｂ 凹部
７１０ 本体部
７１０ａ 端面
７２０ フランジ部
７３０ 端子部
７５１ ゲート端子
７５３ 絶縁体
７５４Ｎ Ｎ端子
７５４Ｐ Ｐ端子
７５４ＡＣ ＡＣ端子
７６０Ａ，７６０Ｂ 冷却面
７６２，７６２Ａ，７６２Ｂ ピンフィン
８５３ 冷却風
９５１ コンデンサ
９５２Ｎ 負極端子
９５２Ｐ 正極端子
９５３Ｎ 負極フューズ
９５３Ｐ 正極フューズ
９５４ ゲートドライバ基板
９５５ ラミネートバスバ
９５５ Ｐ・Ｎ・ＡＣ積層ラミネートバスバ
９５５Ｎ Ｎ層バスバ
９５５Ｐ Ｐ層バスバ
９５５Ｓ 絶縁層
９５５ＡＣ ＡＣ層バスバ
９６０ 単位変換器ユニット
１０５１ 正極端子
１０５２ 負極端子
１０５３ Ｐ・Ｎ積層相間ラミネートバスバ

Claims (5)

1. 複数のピンフィンを突出させて成る、少なくとも一の冷却面を有する発熱体と、
   前記ピンフィンに対向する箇所に前記ピンフィンが遊挿される穴を備える受熱板と、
   前記受熱板を押圧しつつ挟持する一対の挟持部材を有し、前記受熱板を冷却する冷却器と、
   を有し、前記一対の挟持部材と前記受熱板とを面接触させることで前記発熱体の冷却を行い、前記冷却器および前記受熱板と前記発熱体とは熱伝導剤のみを介して接触していること
   を特徴とする発熱体の冷却構造。
2. 前記受熱板および前記一対の挟持部材は、前記熱伝導剤を介して面接触する
   ことを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
3. 前記ピンフィンと前記受熱板との間に前記熱伝導剤が充填されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
4. 前記受熱板に設けられ、前記挟持部材による押圧力が前記発熱体に印加されないように、前記一対の挟持部材の間隔を抑制する空間確保部を有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
5. 前記穴は前記ピンフィンが遊挿される貫通孔であって、
   前記一対の挟持部材を前記受熱板の前記貫通孔を除く面と面接触させるとともに、前記ピンフィンの先端を前記一対の挟持部材に対向させることで、前記発熱体の冷却を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却構造。

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