JP6880776B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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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り、
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)を有し、前記傾斜面よりも前記流通方向の上流には前記傾斜面に連続した面(421c,421d)が前記傾斜面における流路断面積以上の流路断面積を形成するように設けられている、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。
参考形態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。 実施形態における、電力変換装置の断面図。 実施形態における、電力変換装置の断面図。 参考形態における、電力変換装置の断面図。 参考形態における、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。 参考形態における、電力変換装置の断面図。 参考形態における、電力変換装置の断面図。 参考形態における、電力変換装置の上面図。 参考形態における、電力変換装置の断面図。 参考形態における、電力変換装置の上面図。 参考形態における、電力変換装置の断面図。 図16の、XVIII−XVIII線矢視断面図。
参考形態1)
電力変換装置の参考形態につき、図1〜図4を用いて説明する。
本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
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、参考形態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、参考形態1と同様である。
なお、実施形態以降において用いた符号のうち、既出の実施形態または参考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、既出の実施形態または参考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、参考形態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
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、実施形態と同様の作用効果を有する。
参考形態
本形態は、図7に示すごとく、参考形態1に対して、冷却器3の流路形成部4の形状を変更した形態である。本形態において、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、参考形態1と同様である。
本形態においても、参考形態1と同様の作用効果を有する。
参考形態
本形態は、図8〜図12に示すごとく、参考形態1に対して、冷却器3の流路形成部4の形状を変更した形態である。本形態において、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、参考形態1と同様である。
本形態においても、参考形態1と同様の作用効果を有する。
参考形態
本形態は、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、参考形態1と同様である。
本形態においても、参考形態1と同様の作用効果を有する。
参考形態
本形態は、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、参考形態1と同様である。
本形態においては、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、参考形態1と同様の作用効果を有する。
参考形態
本形態は、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、実施形態と同様である。
本形態においても、実施形態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、前記各実施形態または参考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、実施形態または参考形態において、段形成面は、流通方向に直交する面であってもよい。また、実施形態または参考形態において、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、実施形態または参考形態において、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 (7)

  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り、
    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)を有し、前記傾斜面よりも前記流通方向の上流には前記傾斜面に連続した面(421c,421d)が前記傾斜面における流路断面積以上の流路断面積を形成するように設けられている、電力変換装置(1)。
  2. 前記冷却器は、上記傾斜面と前記傾斜面に連続した前記面との境界が前記配置領域の上流側端部よりも前記流通方向の上流に位置するように構成されている、請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記冷却器は、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、請求項又はに記載の電力変換装置。
  4. 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、請求項のいずれか一項に記載の電力変換装置。
  5. 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、請求項又はに記載の電力変換装置。
  6. 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、請求項に記載の電力変換装置。
  7. 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〜のいずれか一項に記載の電力変換装置。
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