(57)【要約】【課題】冷却機能を有するスイッチング素子モジュールについて、冷却性能および電気的性能を向上させると共に、小型化を図ることを目的とする。【解決手段】冷却型スイッチング素子モジュール１は、外導体筒２４、外導体筒２４と共に電力を伝送する内導体筒、第１スイッチング素子（３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ）、および第２スイッチング素子（３６Ｕ，３６Ｖ、３６Ｗ）を備える。内導体筒２６は、外導体筒の開口から突出した突出部分を有する。第１スイッチング素子は外導体筒２４の外側面に設けられ、第２スイッチング素子は突出部分の外側面に設けられる。内導体筒２６の内側、外導体筒２４の外側には冷媒が流通する。第１スイッチング素子および第２スイッチング素子は、内導体筒２６の内側を流通する冷媒、および、外導体筒２４の外側に流通する冷媒によって両面から冷却される。【選択図】図２
2014135410.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外導体筒と、
少なくとも一部が前記外導体筒の内側に位置し、前記外導体筒と共に電力を伝送する内導体筒と、
第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
を備え、
前記内導体筒は、前記外導体筒の開口から突出した突出部分を有し、
前記第１スイッチング素子は前記外導体筒の外側面に設けられ、
前記第２スイッチング素子は前記突出部分の外側面に設けられ、
前記内導体筒の内側、前記突出部分の外側および前記外導体筒の外側に冷媒が流通することを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却型スイッチング素子モジュールにおいて、
前記外導体筒との間に前記第１スイッチング素子を挟むと共に、前記突出部分との間に前記第２スイッチング素子を挟む導線を備えることを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【請求項３】
外導体筒と、
前記外導体筒の内側に位置し、前記外導体筒と共に電力を伝送する内導体筒と、
第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
を備え、
前記外導体筒は、前記内導体筒の一端の位置から延伸した延伸部分を有し、
前記第１スイッチング素子は前記延伸部分の内側面に設けられ、
前記第２スイッチング素子は前記内導体筒の内側面に設けられ、
前記内導体筒の内側、前記延伸部分の内側、および前記外導体筒の外側に冷媒が流通することを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却型スイッチング素子モジュールにおいて、
前記延伸部分との間に前記第１スイッチング素子を挟むと共に、前記内導体筒との間に前記第２スイッチング素子を挟む導線を含むことを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の冷却型スイッチング素子モジュールにおいて、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の対をそれぞれが含む、複数のスイッチング素子対を備え、
各スイッチング素子対における前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、前記外導体筒および前記内導体筒の長手方向に並べて配列され、
前記複数のスイッチング素子対は、それぞれの前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチングの配列方向を揃えて、前記内導体筒および前記外導体筒の周方向に配置されていることを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の冷却型スイッチング素子モジュールにおいて、
前記外導体筒および前記内導体筒は多角筒形状を有し、
前記外導体筒および前記内導体筒の１つの側平面に対して、１つの前記スイッチング素子対を備えることを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【請求項７】
請求項６に記載の冷却型スイッチング素子モジュールにおいて、
第１インバータを構成する複数の前記スイッチング素子対と、
第２インバータを構成する複数の前記スイッチング素子対と、
を備え、
前記第１インバータを構成する前記スイッチング素子対と、前記第２インバータを構成する前記スイッチング素子対とが、前記外導体筒および前記内導体筒における隣接する側平面に対して設けられていることを特徴とする冷却型スイッチング素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却型スイッチング素子モジュールに関し、特に、冷媒を流通させてスイッチング素子を冷却する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド自動車、電気自動車等、モータジェネレータを用いて走行する電動車両が広く用いられている。一般に、電動車両には、モータジェネレータと二次電池との間で電力変換を行う電力変換回路が搭載されている。この電力変換回路には、電圧の変換を行う昇降圧コンバータ、直流電力を交流電力に変換するインバータ等がある。
【０００３】
電力変換回路に用いられるスイッチング素子は、スイッチング動作に伴い発熱する。そのため、電力変換回路にはスイッチング素子に対する冷却器が設けられる。冷却器には冷媒が流通する経路が設けられた放熱フィン等があり、一般に、体積が大きい程冷却性能が良好である。したがって、冷却性能を向上させる場合、冷却器が大型となることがある。また、スイッチング素子の配置によっては、電力変換回路の配線用の導線に含まれるインダクタンス成分が大きくなる。このインダクタンス成分によって、電力変換回路およびその周辺の電気回路にサージ電圧が生じることを考慮した場合、耐圧のための設計製造コストが高価となることがある。さらに、直流電力を多相交流電力に変換する場合には、スイッチング素子の配置によっては、電気定数に相間でばらつきが生じ、相電圧および相電流が不均一となったり、中性点電位が変動したりする等、交流電圧および交流電流が不安定となることがある。これらの問題点に対し、特許文献１〜４に記載されているような技術が考え出されている。
【０００４】
特許文献１には、冷却流体冷却型半導体装置が記載されている。この装置では、平行に連ねられた複数の扁平冷却チューブおよび複数の半導体モジュールを備える。半導体モジュールは、複数の扁平冷却チューブの各隙間に挟まれている。半導体モジュールを挟む２つの扁平冷却チューブをＵ字状ばね部材で狭圧することで、冷却性能が向上するとの記載がある。
【０００５】
特許文献２には、冷却器を備える電力変換装置が記載されている。この電力変換装置はモータに用いられ、モータのドライブシャフトの周りに冷却器が配置されている。冷却器の冷却面には、モータに電力を供給する電力半導体モジュールが装着されている。この構成によって、電力変換装置が小型化されるとの記載がある。
【０００６】
特許文献３には、ＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ  Ｐｏｗｅｒ  Ｍｏｄｕｌｅ）を用いた電力変換装置が記載されている。この電力変換装置では、ＩＰＭの正極端子に接続された平板導体と、ＩＰＭの負極端子に接続された平板導体との間に絶縁体を挟み込むことで、正極端子と負極端子との間に平滑コンデンサが形成される。この平滑コンデンサによって、回路に発生する跳ね上がり電圧が抑制されるとの記載がある。
【０００７】
特許文献４には、インバータモジュールが記載されている。このインバータモジュールにおいては、スイッチング素子が搭載された複数の絶縁基板が、円筒形状のハウジングの中心軸に対して所定間隔を隔てて周方向に配置されている。絶縁基板に接続される各導体は、複数の絶縁基板の内側に配置されている。このような構成により、各導体の長さを均等にすると共にインバータモジュールが小型化されるとの記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−２６２１５号公報
【特許文献２】特開２００４−２９７８４６号公報
【特許文献３】特開２００１−１２８４６７号公報
【特許文献４】特開２００７−１１６８４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これらの特許文献に記載されている技術は、冷却性能の向上、小型化、および電気的性能の向上という複数の課題を同時に解決するものではない。また、各特許文献に記載されている装置は構造が異なるため、各特許文献に記載されている技術を単に組み合わせることは困難である。
【００１０】
本発明は、冷却機能を有するスイッチング素子モジュールについて、冷却性能および電気的性能を向上させると共に、小型化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、外導体筒と、少なくとも一部が前記外導体筒の内側に位置し、前記外導体筒と共に電力を伝送する内導体筒と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、を備え、前記内導体筒は、前記外導体筒の開口から突出した突出部分を有し、前記第１スイッチング素子は前記外導体筒の外側面に設けられ、前記第２スイッチング素子は前記突出部分の外側面に設けられ、前記内導体筒の内側、前記突出部分の外側および前記外導体筒の外側に冷媒が流通することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る冷却型スイッチング素子モジュールは、望ましくは、前記外導体筒との間に前記第１スイッチング素子を挟むと共に、前記突出部分との間に前記第２スイッチング素子を挟む導線を備える。
【００１３】
また、本発明は、外導体筒と、前記外導体筒の内側に位置し、前記外導体筒と共に電力を伝送する内導体筒と、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、を備え、前記外導体筒は、前記内導体筒の一端の位置から延伸した延伸部分を有し、前記第１スイッチング素子は前記延伸部分の内側面に設けられ、前記第２スイッチング素子は前記内導体筒の内側面に設けられ、前記内導体筒の内側、前記延伸部分の内側、および前記外導体筒の外側に冷媒が流通することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る冷却型スイッチング素子モジュールは、望ましくは、前記延伸部分との間に前記第１スイッチング素子を挟むと共に、前記内導体筒との間に前記第２スイッチング素子を挟む導線を含む。
【００１５】
また、本発明に係る冷却型スイッチング素子モジュールは、望ましくは、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の対をそれぞれが含む、複数のスイッチング素子対を備え、各スイッチング素子対における前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、前記外導体筒および前記内導体筒の長手方向に並べて配列され、前記複数のスイッチング素子対は、それぞれの前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチングの配列方向を揃えて、前記内導体筒および前記外導体筒の周方向に配置されている。
【００１６】
また、本発明に係る冷却型スイッチング素子モジュールは、望ましくは、前記外導体筒および前記内導体筒は多角筒形状を有し、前記外導体筒および前記内導体筒の１つの側平面に対して、１つの前記スイッチング素子対を備える。
【００１７】
また、本発明に係る冷却型スイッチング素子モジュールは、望ましくは、第１インバータを構成する複数の前記スイッチング素子対と、第２インバータを構成する複数の前記スイッチング素子対と、を備え、前記第１インバータを構成する前記スイッチング素子対と、前記第２インバータを構成する前記スイッチング素子対とが、前記外導体筒および前記内導体筒における隣接する側平面に対して設けられている。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、冷却機能を有するスイッチング素子モジュールについて、冷却性能および電気的性能を向上させると共に、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図３】第１実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図４】第１実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図５】インバータの回路図である。
【図６】変形例に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図７】変形例に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図８】変形例に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図９】応用例に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図１０】応用例に係る冷却型スイッチング素子モジュールの上面図である。
【図１１】ジョイント部の拡大図である。
【図１２】第２実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図１３】第２実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図１４】第２実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図１５】第３実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図１６】第３実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【図１７】第３実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１には、本発明の第１実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュール１の斜視図が示されている。冷却型スイッチング素子モジュール１は、円柱形状の筐体１２に、スイッチング素子を備えるインバータを収納したものである。筐体１２の一端側からは、直流電力を伝送する正極導線Ｐおよび負極導線Ｎが引き出されている。また、筐体１２の他端側からは、三相交流電力を伝送するＵ相導線、Ｖ相導線、およびＷ相導線が引き出されている。これらの導線は帯状の金属で形成され、バスバーとも称される。
【００２１】
筐体１２の側面には、冷媒入口１４および冷媒出口１６が設けられている。冷媒入口１４からはスイッチング素子を冷却するための冷媒が流入する。冷媒は、筐体１２内に設けられたスイッチング素子を冷却した後、冷媒出口１６から流出する。
【００２２】
図２には、図１のＡＯＢ線における断面図が示されている。図３および図４には、図２におけるＣＤ線およびＥＦ線における断面図がそれぞれ示されている。
【００２３】
図２に示されるように、筐体１２は、円筒形状の筒部１８、筒部１８の一端を塞ぐ第１蓋部２０、筒部１８の他端を塞ぐ第２蓋部２２を備える。筐体１２は、例えば、鉄、アルミニウム等の金属やセラミック等の絶縁体によって形成される。ここでは、筐体１２の形状は円柱形状としているが、筐体１２の形状は、その他の多角柱形状であってもよい。
【００２４】
筐体１２の内部には、筒部１８と軸を共通にして外導体筒２４および内導体筒２６が配置されている。外導体筒２４および内導体筒２６は六角筒形状を有し、互いに側面が平行となるよう配置されている。外導体筒２４と内導体筒２６との間には絶縁層２８が設けられている。絶縁層２８には、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、マイカ等、耐電圧性および熱伝導性があるものが用いられる。外導体筒２４の右端は外導体板３０で塞がれ、内導体筒２６の右端は内導体板３１で塞がれている。内導体筒２６の右側は外導体筒２４の内側に位置しており、残りの一部分は外導体筒２４の開口から左側に突出している。外導体筒２４および内導体筒２６のそれぞれの開口付近には、後述するスイッチング素子を所定の位置に配置するため、他の部分よりも外側方向に厚みを持たせている。
【００２５】
正極導線Ｐは、筐体１２の第２蓋部２２を貫通し、外導体板３０に接合されている。第２蓋部２２が導体で形成されている場合には、正極導線Ｐと第２蓋部２２との間は電気的に絶縁される。この場合、正極導線Ｐと第２蓋部２２との間には絶縁体材料が設けられる。また、負極導線Ｎは、第２蓋部２２および外導体板３０を貫通し、内導体板３１に接合されている。負極導線Ｎと外導体筒２４との間、および、負極導線Ｎと第２蓋部２２との間には、絶縁層２８が設けられている。第２蓋部２２が絶縁体で形成されている場合には、負極導線Ｎおよび第２蓋部２２は直接接触していてもよい。
【００２６】
図３に示されるように、外導体筒２４のうち、内導体筒２６と共に２重構造をなす部分には、六角筒形状の１つの側面おきに、第１スイッチング素子３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗが配置されている。この六角筒形状が正六角筒形状である場合には、第１スイッチング素子３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗは、１２０°間隔で配置されることとなる。各第１スイッチング素子は板形状を有し、両板面に平面状の端子を有する。また、各第１スイッチング素子の側面からは制御線３４が引き出されている。各第１スイッチング素子は、一方の板面が外導体筒２４の側面に向けられ、外導体筒２４の側面に固定されている。各第１スイッチング素子の外導体筒２４側の端子は、外導体筒２４の側面に半田付け等の手法により電気的に接続されている。
【００２７】
第１スイッチング素子３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ  Ｇａｔｅ  Ｂｉｐｏｌａｒ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。この場合、コレクタ端子がある板面が外導体筒２４側に向けられ、エミッタ端子がある板面が外導体筒２４側とは反対側に向けられる。
【００２８】
図４に示されるように、内導体筒２６には、六角筒形状の１つの側面おきに第２スイッチング素子３６Ｕ、３６Ｖおよび３６Ｗが配置されている。この六角筒形状が正六角筒形状である場合には、第２スイッチング素子３６Ｕ、３６Ｖおよび３６Ｗは、１２０°間隔で配置されることとなる。各第２スイッチング素子は、板形状を有し、両板面に平面状の端子を有する。また、各第２スイッチング素子の側面からは制御線３４が引き出されている。各第２スイッチング素子は、一方の板面が内導体筒２６の側面に向けられて、内導体筒２６の側面に固定されている。各第２スイッチング素子の内導体筒２６側の端子は、内導体筒２６の側面に半田付け等の手法により電気的に接続されている。
【００２９】
第２スイッチング素子３６Ｕ、３６Ｖおよび３６Ｗとしては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、エミッタ端子がある板面が内導体筒２６側に向けられ、コレクタ端子がある板面が内導体筒２６側とは反対側に向けられる。
【００３０】
図２に示されるように、第１スイッチング素子３２Ｕおよび第２スイッチング素子３６Ｕは、外導体筒２４および内導体筒２６の長手方向に配列されている。同様に、第１スイッチング素子３２Ｖおよび第２スイッチング素子３６Ｖもまた、外導体筒２４および内導体筒２６の長手方向に配列され、第１スイッチング素子３２Ｗおよび第２スイッチング素子３６Ｗもまた、外導体筒２４および内導体筒２６の長手方向に配列されている。以下の説明では、各第１スイッチング素子における、各導体筒の内側方向に向けられた板面を内側面とし、その反対側の板面を外側面とする。また、各第２スイッチング素子における、各導体筒の内側方向に向けられた板面を内側面とし、その反対側の板面を外側面とする。
【００３１】
第１スイッチング素子３２Ｕおよび第２スイッチング素子３６Ｕのそれぞれの外側面には、Ｕ相導線が固定されている。すなわち、Ｕ相導線は、外導体筒２４との間に第１スイッチング素子３２Ｕを挟み、内導体筒２６の突出部分との間に第２スイッチング素子３６Ｕを挟む。Ｕ相導線は、半田付け等の手法により、第１スイッチング素子３２Ｕおよび第２スイッチング素子３６Ｕのそれぞれの外側面にある端子に電気的に接続されている。
【００３２】
第１スイッチング素子３２Ｖおよび第２スイッチング素子３６Ｖのそれぞれの外側面には、Ｖ相導線が固定されている。すなわち、Ｖ相導線は、外導体筒２４との間に第１スイッチング素子３２Ｖを挟み、内導体筒２６の突出部分との間に第２スイッチング素子３６Ｖを挟む。Ｖ相導線は、半田付け等の手法により、第１スイッチング素子３２Ｖおよび第２スイッチング素子３６Ｖのそれぞれの外側面にある端子に電気的に接続されている。
【００３３】
第１スイッチング素子３２Ｗおよび第２スイッチング素子３６Ｗのそれぞれの外側面には、Ｗ相導線が固定されている。すなわち、Ｗ相導線は、外導体筒２４との間に第１スイッチング素子３２Ｗを挟み、内導体筒２６の突出部分との間に第２スイッチング素子３６Ｗを挟む。Ｗ相導線は、半田付け等の手法により、第１スイッチング素子３２Ｗおよび第２スイッチング素子３６Ｗのそれぞれの外側面にある端子に電気的に接続されている。
【００３４】
Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線は左方向に伸び、第１蓋部２０を貫通して筐体１２の外側に引き出されている。第１蓋部２０が導体で形成されている場合には、各相導線と第１蓋部２０との間は電気的に絶縁される。この場合、各相導線と第１蓋部２０との間には絶縁体材料が設けられる。
【００３５】
各第１スイッチング素子および各第２スイッチング素子の制御線３４は、右方向に伸び、第２蓋部２２を貫通して筐体１２の外側に引き出されている。第２蓋部２２が導体で形成されている場合には、制御線３４と第２蓋部２２との間は電気的に絶縁される。この場合、制御線３４と第２蓋部２２との間には絶縁体材料が設けられる。
【００３６】
外導体筒２４、内導体筒２６、絶縁層２８、各第１スイッチング素子、各第２スイッチング素子、および各相導線は、モールド樹脂３８によってモールドされ、モールド本体４８として一体化されている。モールド樹脂３８としては、エポキシ樹脂等、耐熱性および熱伝導性があるものが用いられる。筒部１８の側壁は、右端の部分が内側方向に厚みを帯びており内径が小さくなっている。モールド本体４８は、筒部１８の右端における内径が小さくなっている部分で筐体１２に固定されている。また、モールド本体４８と筐体１２との間の領域には、冷媒が流通する冷媒流通路４６が形成される。
【００３７】
図５には、冷却型スイッチング素子モジュール１に含まれるインバータの回路図が示されている。図１〜図４に示されている構成要素と同一の構成要素については、同一の符号を付する。インバータは、Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線のそれぞれに対応して、スイッチング素子対４０Ｕ、４０Ｖおよび４０Ｗを備える。各スイッチング素子対は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子による対を備える。第１スイッチング素子の一端は、正極導線Ｐに接続され、他端はそれと対をなす第２スイッチング素子の一端に接続されている。そして、第２スイッチング素子の他端は負極導線Ｎに接続されている。Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線は、それぞれに対応するスイッチング素子対における、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子との接続節点に接続されている。第１スイッチング素子および第２スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いた場合には、それぞれの上側の端子がコレクタ端子となり、下側の端子がエミッタ端子となるよう回路が構成される。また、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のゲート端子に制御線３４が接続される。
【００３８】
正極導線Ｐおよび負極導線Ｎによって伝送される直流電力に応じた直流電圧は、スイッチング素子対４０Ｕ、４０Ｖおよび４０Ｗのスイッチング動作によって、三相交流電圧に変換される。そして、Ｕ相電圧、Ｖ相電圧およびＷ相電圧が、それぞれ、Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線に出力される。Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線は、三相交流電圧に応じた三相交流電力を伝送する。
【００３９】
また、各スイッチング素子に整流素子が内蔵されている場合には、Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線によって伝送される三相交流電力に応じた三相交流電圧は、各スイッチング素子の整流作用によって直流電圧に変換される。そして、正極導線Ｐおよび負極導線Ｎは、その直流電力に応じた直流電力を伝送する。
【００４０】
冷媒を流通させる構造について図２を参照して説明する。冷媒には、フロリナート（登録商標）等のフッ素系液体、水等が用いられる。また、冷媒として気体を用いてもよい。冷却型スイッチング素子モジュール１において冷媒が流通する経路の壁面に絶縁処理を施した場合には、導電性の冷媒を用いてもよい。筐体１２の側面からは、入口管４２が挿入されている。入口管４２は、筒部１８の側壁、冷媒流通路４６、モールド樹脂３８、外導体筒２４の側壁、および内導体筒２６の側壁を貫通し、その開口が内導体筒２６の内側に向けられている。また、筐体１２の側面からは、出口管４４が挿入され、冷媒流通路４６にその開口が向けられている。筐体１２の外側における入口管４２の一端は冷媒入口１４となり、出口管４４の一端は冷媒出口１６となる。
【００４１】
冷媒入口１４から流入した冷媒は、入口管４２を通って内導体筒２６の内側に至る。冷媒は、各スイッチング素子対の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子から熱を奪いつつ、内導体筒２６の内側を通ってその開口から冷媒流通路４６に至る。冷媒は、第１蓋部２０とモールド本体４８の間の冷媒流通路４６から、筒部１８とモールド本体４８との間の冷媒流通路４６に至る。そして、各スイッチング素子対の第２スイッチング素子および第１スイッチング素子から熱を奪いつつ、筒部１８とモールド本体４８との間の冷媒流通路４６を通り、さらに、出口管４４を通って冷媒出口１６から放出される。なお、冷媒の流通方向は、逆方向であってもよい。
【００４２】
本実施形態においては、正極導線Ｐおよび負極導線Ｎに印加された電圧は、外導体筒２４および内導体筒２６を介して各スイッチング素子対に印加される。外導体筒２４および内導体筒２６は、絶縁層２８を挟んで広い面積で近接対向する。そのため、外導体筒２４および内導体筒２６の間の容量が増加すると共に、それぞれのインダクタンス成分が減少する。これによって、インバータにおいて発生するサージ電圧が抑制される。
【００４３】
また、正極導線Ｐおよび負極導線Ｎから各相のスイッチング素子対に至るまでの電流経路の長さは、各相について均一である。これによって、相間の電気定数（寄生インダクタンス、寄生容量、損失抵抗等）のばらつきが低減され、相電圧および相電流の不均一が抑制される。
【００４４】
さらに、各スイッチング素子対の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子は、内導体筒２６の内側を流通する冷媒、および、冷媒流通路４６を流通する冷媒によって両面から冷却される。これによって、同一の冷媒流量に対する熱抵抗が低減され、冷却効果が高められる。各相のスイッチング素子対は、外導体筒２４および内導体筒２６の周方向に沿って配置される。これによって、相間における冷却性能のばらつきが抑制される。
【００４５】
また、直流電力を伝送すると共に冷媒を流通させる外導体筒２４および内導体筒２６にスイッチング素子を配置することで、スペースの無駄が排除され、冷却型スイッチング素子モジュールが小型化される。そして、電力伝送および冷却のための構造が筐体１２内に一体化されているため、部品点数およびコストが削減される。
【００４６】
変形例に係る冷却型スイッチング素子モジュールについて説明する。図６には、冷却型スイッチング素子モジュール２の長手方向に垂直な面における断面図が示されている。また、図７には、図６のＧＨ線における断面図が示されている。図６は、図７のｇｈ線における断面図である。図１〜図５に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４７】
この変形例は、図６に示されるように冷媒流通路を狭い通路に分岐し、分岐した冷媒流通路４６Ｕ、４６Ｖおよび４６Ｗを各スイッチング素子対の位置に設けたものである。図７における冷媒流通区間５０−１および冷媒流通区間５０−３の冷媒流通路４６の構造は、図２に示される冷媒流通路４６の構造と同様である。
【００４８】
冷媒を流通させる構造について図７を参照して説明する。内導体筒２６の開口から、第１蓋部２０とモールド本体４８との間の冷媒流通路４６に至った冷媒は、冷媒流通区間５０−２において冷媒流通路４６Ｕ、４６Ｖおよび４６Ｗに分岐する。冷媒は、冷媒流通路４６Ｕ、４６Ｖおよび４６Ｗを通って、各スイッチング素子対から熱を奪い、冷媒流通区間５０−３において合流し、さらに、出口管４４を通って冷媒出口１６から放出される。なお、冷媒の流通方向は逆方向であってもよい。
【００４９】
このような構成によれば、冷媒入口１４および冷媒出口１６における冷媒の単位時間当たりの流量が一定であるという条件下では、分岐した冷媒流通路４６Ｕ、４６Ｖおよび４６Ｗにおける冷媒の流速が増加するため、冷却性能が高められる。
【００５０】
上記では、外導体筒２４および内導体筒２６が六角筒形状に形成された例について説明した。外導体筒２４、および内導体筒２６の形状は、その他の多角筒形状としてもよい。図８には、図６および図７に示される冷却型スイッチング素子モジュール２について、外導体筒２４および内導体筒２６を略三角筒形状のものに置き換えた冷却型スイッチング素子モジュール３が示されている。この略三角筒形状は、正六角筒形状をなす６つの側面のうち、１つおきに隣接する側面の幅を狭くし三角筒形状に近づけたものである。外導体筒２４および内導体筒２６を略三角筒形状とした場合、冷媒入口１４および冷媒出口１６における冷媒の単位時間当たりの流量が一定であるという条件下では、六角筒形状とした場合に比べて冷媒の流速が増加し、冷却性能が高められる。
【００５１】
なお、図６および図７に示される冷却型スイッチング素子モジュール２の他、図２〜図４に示される冷却型スイッチング素子モジュール１についても、外導体筒２４および内導体筒２６を略三角筒形状のものに置き換えてもよい。
【００５２】
冷却型スイッチング素子モジュールの応用例について説明する。ハイブリッド自動車等には、複数のモータジェネレータが用いられることが多い。例えば、近年開発されているハイブリッド自動車では、発電用として用いられるモータジェネレータと、駆動および回生制動用として用いられるモータジェネレータとを備える。各モータジェネレータには、インバータが接続されている。
【００５３】
このように、２つのモータジェネレータが用いられる場合に、２つの冷却型スイッチング素子モジュールを用いることとしてもよい。図９には、図２と同様の角度で２つの冷却型スイッチング素子モジュールを切断した場合の断面図が示されている。冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌおよび１Ｒは、図１〜図４に示されている冷却型スイッチング素子モジュール１と同様の構成を有し、ジョイント部５２を除き、左右対称に構成されている。２つの冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌおよび１Ｒにおける各正極導線Ｐ、および、各負極導線Ｎは電気的に共通に接続されている。
【００５４】
図１０には、冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌおよび１Ｒの上面図が示されている。右側の冷却型スイッチング素子モジュール１Ｒから左方向に引き出された正極導線Ｐは、左側の冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌから右方向に引き出され終端した正極導線Ｐと重なり、２つの正極導線Ｐが重なった位置から図１０の上方向に伸びている。また、右側の冷却型スイッチング素子モジュール１Ｒから左方向に引き出された負極導線Ｎは、左側の冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌから右方向に引き出され終端した正極導線Ｎと重なり、２つの正極導線Ｎが重なった位置から図１０の上方向に伸びている。なお、冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌおよび１Ｒのそれぞれから引き出された正極導線Ｐおよび負極導線Ｎの重なり関係は逆であってもよい。また、左側の冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌから引き出された正極導線Ｐが上方向に伸びる構成としてもよいし、左側の冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌから引き出された負極導線Ｎが上方向に伸びる構成としてもよい。
【００５５】
図１１には、ジョイント部５２の拡大図が示されている。冷却スイッチング素子モジュール１Ｌの第２蓋部２２からは、その正極導線Ｐを保持する正極ジョイント板５４Ｌが右方向に突出している。冷却型スイッチング素子モジュール１Ｌの正極導線Ｐは、正極ジョイント板５４Ｌの上面に位置している。また、冷却スイッチング素子モジュール１Ｌの第２蓋部２２からは、その負極導線Ｎを保持する負極ジョイント板５６Ｌが右方向に突出している。冷却スイッチング素子モジュール１Ｌの負極導線Ｎは、負極ジョイント板５６Ｌの上面に位置している。
【００５６】
同様に、冷却スイッチング素子モジュール１Ｒの第２蓋部２２からは、その正極導線Ｐを保持する正極ジョイント板５４Ｒが左方向に突出している。冷却スイッチング素子モジュール１Ｒの正極導線Ｐは、正極ジョイント板５４Ｒの下面に位置している。また、冷却スイッチング素子モジュール１Ｒの第２蓋部２２からは、その負極導線Ｎを保持する負極ジョイント板５６Ｒが左方向に突出している。冷却スイッチング素子モジュール１Ｒの負極導線Ｎは、負極ジョイント板５６Ｒの下面に位置している。
【００５７】
左右の正極ジョイント板５４Ｌおよび５４Ｒ、並びに、左右の負極ジョイント板５６Ｒおよび５６Ｌには、ボルト穴が設けられている。また、左右の正極導線Ｐおよび負極導線Ｎにもボルト穴が設けられている。冷却スイッチング素子モジュール１Ｌおよび１Ｒは、各正極導線Ｐのボルト穴、各負極導線Ｎのボルト穴、各正極ジョイント板のボルト穴および各負極ジョイント板のボルト穴が合致する位置に固定される。そして、各ボルト穴にボルト５８が通され、左右の正極ジョイント板、および、左右の負極ジョイント板が、ボルト５８およびナット６０によって接合される。これによって左右の正極導線Ｐおよび左右の負極導線Ｎが電気的に接触する。なお、ボルト５８が導体で形成されている場合には、ボルト５８と各正極導線Ｐとは絶縁され、ボルト５８と各負極導線Ｎとは絶縁される。
【００５８】
このような構成によれば、２つのモータジェネレータのそれぞれに対してインバータを設ける場合において、各インバータについての冷却性能および電気的性能を向上させると共に、小型化を図り、部品点数およびコストを削減することができる。
【００５９】
第２実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールについて説明する。図１２および図１３には、冷却型スイッチング素子モジュール４の長手方向に垂直な面における断面図が示されている。図１４には、図１２のＩＯＪ線における断面図が示されている。図１２は、図１４のＫＭ線における断面図であり、図１３は、図１４のＱＲ線における断面図である。図１〜図５に記載されている構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６０】
この実施形態は、外導体筒２４を内導体筒２６の開口の位置から延伸させたものである。外導体筒２４の延伸部分の内側に第１スイッチング素子が設けられ、内導体筒２６の内側に第２スイッチング素子が設けられている。
【００６１】
図１２〜図１４に示されるように筐体１２の内部には、筒部１８と軸を共通にして外導体筒２４および内導体筒２６が配置されている。外導体筒２４および内導体筒２６は六角筒形状を有し、互いに側面が平行となるよう配置されている。外導体筒２４と内導体筒２６との間には絶縁層２８が設けられている。内導体筒２６は外導体筒２４の内側に位置しており、外導体筒２４は、内導体筒２６の開口の位置から延伸した部分を有する。
【００６２】
図１２に示されるように、外導体筒２４の延伸部分の内側には、六角筒形状の１つの側面おきに第１スイッチング素子３２Ｕ、３２Ｖおよび３２Ｗが配置されている。各第１スイッチング素子は、一方の板面が外導体筒２４の側面に向けられ、外導体筒２４の側面に固定されている。各第１スイッチング素子の外導体筒２４側の端子は、外導体筒２４の側面に半田付け等の手法により電気的に接続されている。
【００６３】
第１スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、コレクタ端子がある板面が外導体筒２４側に向けられ、エミッタ端子がある板面が外導体筒２４側とは反対側に向けられる。
【００６４】
また、図１３に示されるように、内導体筒２６のうち、外導体筒２４と共に２重構造をなす部分の内側には、六角筒形状の１つの側面おきに第２スイッチング素子３６Ｕ、３６Ｖおよび３６Ｗが配置されている。各第２スイッチング素子は、一方の板面が内導体筒２６の側面に向けられ、内導体筒２６の側面に固定されている。各第２スイッチング素子の内導体筒２６側の端子は、内導体筒２６の側面に半田付け等の手法によって電気的に接続されている。
【００６５】
第２スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴが用いられる。この場合、エミッタ端子がある板面が内導体筒２６側に向けられ、コレクタ端子がある板面が内導体筒２６側とは反対側に向けられる。
【００６６】
図１４に示されるように、Ｕ相導線、Ｖ相導線、およびＷ相導線は、それぞれに対応する第１スイッチング素子および第２スイッチング素子に固定される部分において、外側方向に厚みを帯びている。各相における第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のそれぞれの内側面には、各相に対応する相導線が固定されている。すなわち、各相導線は、外導体筒２４の延伸部分との間に第１スイッチング素子を挟み、内導体筒２６との間に第２スイッチング素子を挟む。相導線は、半田付け等の手法により、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子のそれぞれの内側面にある端子に電気的に接続されている。
【００６７】
各相導線は、左方向に伸び、第１蓋部２０を貫通して筐体１２の外側に引き出されている。第１蓋部２０が導体で形成されている場合には、各相導線と第１蓋部２０との間は電気的に絶縁される。この場合、各相導線と第１蓋部２０との間には絶縁体材料が設けられる。
【００６８】
外導体筒２４、内導体筒２６、絶縁層２８、各第１スイッチング素子、各第２スイッチング素子、および各相導線は、外導体筒２４および内導体筒２６の内側においてモールド樹脂３８によってモールドされ、モールド本体４８として一体化されている。筒部１８の側壁は、右端の部分が内側方向に厚みを帯びており内径が小さくなっている。モールド本体４８は、筒部１８の右端における内径が小さくなっている部分で、筐体１２に固定されている。
【００６９】
冷媒を流通させる構造について説明する。筐体１２の側面からは、入口管４２が挿入されている。入口管４２は、筒部１８の側壁、冷媒流通路４６、外導体筒２４の側壁、内導体筒２６の側壁、およびモールド樹脂３８を貫通し、その開口が内導体筒２６の内側に向けられている。また、筐体１２の側面からは、出口管４４が挿入され、冷媒流通路４６にその開口が向けられている。筐体１２の外側における入口管４２の一端は冷媒入口１４となり、出口管４４の一端は冷媒出口１６となる。
【００７０】
冷媒入口１４から流入した冷媒は、入口管４２を通って内導体筒２６の内側に至る。冷媒は、各スイッチング素子対の第２スイッチング素子および第１スイッチング素子から熱を奪いつつ、内導体筒２６の内側および外導体筒２４の延伸部分の内側を通って、外導体筒２４の開口から冷媒流通路４６に至る。冷媒は、第１蓋部２０とモールド本体４８との間の冷媒流通路４６から、筒部１８と外導体筒２４との間の冷媒流通路４６に至る。そして、各スイッチング素子対の第１スイッチング素子および第２スイッチング素子から熱を奪いつつ、筒部１８とモールド本体４８との間の冷媒流通路４６を通り、さらに、出口管４４を通って冷媒出口１６から放出される。なお、冷媒の流通方向は、逆方向であってもよい。
【００７１】
このような構成によれば、第１の実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、インバータにおいて発生するサージ電圧が抑制される、交流電圧が安定化される等の効果と共に、冷却効果が高められる、冷却型スイッチング素子モジュールが小型化される、部品点数およびコストが削減される等の効果が得られる。
【００７２】
次に、第３実施形態に係る冷却型スイッチング素子モジュールについて説明する。図１５および図１６には、冷却型スイッチング素子モジュール５の長手方向に垂直な面における断面図が示されている。図１７には、図１５のＳＴ線における断面図が示されている。図１５は、図１７におけるＸＹ線における断面図であり、図１６は、図１７におけるαβ線における断面図である。
【００７３】
この実施形態は、２つのインバータを構成するスイッチング素子を、１つの筐体１２内に収納したものである。図１〜図５に示される構成要素と同一の構成要素については同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７４】
図１５に示されるように、外導体筒２４のうち、内導体筒２６と共に２重構造をなす部分には、１つの側面おきに、第１インバータの第１スイッチング素子３２Ｕ−１、３２Ｖ−１および３２Ｗ−１が配置されている。また、第１インバータの第１スイッチング素子３２Ｕ−１が配置されている側面に対向する位置の側面には、第２インバータの第１スイッチング素子３２Ｕ−２が配置されている。同様に、第１インバータの第１スイッチング素子３２Ｖ−１が配置されている側面に対向する位置の側面には、第２インバータの第１スイッチング素子３２Ｖ−２が配置され、第１インバータの第１スイッチング素子３２Ｗ−１が配置されている側面に対向する位置の側面には、第２インバータの第１スイッチング素子３２Ｗ−２が配置されている。このように、第１インバータの第１スイッチング素子３２Ｕ−１、３２Ｖ−１および３２Ｗ−１と、第２インバータの第１スイッチング素子３２Ｕ−２、３２Ｖ−２および３２Ｗ−２とは、１８０°回転対称の位置に配置されている。すなわち、第１インバータの第１スイッチング素子、および第２インバータの第１スイッチング素子は、隣接する側面に設けられ、時計回りに、３２Ｕ−１、３２Ｗ−２、３２Ｖ−１、３２Ｕ−２、３２Ｗ−１、３２Ｖ−２の順に交互に配置されている。
【００７５】
図１６に示されるように、内導体筒２６の突出部分には、１つの側面おきに、第１インバータの第２スイッチング素子３６Ｕ−１、３６Ｖ−１および３６Ｗ−１が配置されている。また、第１インバータの第２スイッチング素子３６Ｕ−１が配置されている側面に対向する位置の側面には、第２インバータの第２スイッチング素子３６Ｕ−２が配置されている。同様に、第１インバータの第２スイッチング素子３６Ｖ−１が配置されている側面に対向する位置の側面には、第２インバータの第２スイッチング素子３６Ｖ−２が配置され、第１インバータの第２スイッチング素子３６Ｗ−１が配置されている側面に対向する位置の側面には、第２インバータの第２スイッチング素子３６Ｗ−２が配置されている。このように、第１インバータの第２スイッチング素子３６Ｕ−１、３６Ｖ−１および３６Ｗ−１と、第２インバータの第２スイッチング素子３６Ｕ−２、３６Ｖ−２および３６Ｗ−２とは、１８０°回転対称の位置に配置されている。すなわち、第１インバータの第２スイッチング素子、および第２インバータの第２スイッチング素子は隣接する側面に設けられ、時計回りに、３６Ｕ−１、３６Ｗ−２、３６Ｖ−１、３６Ｕ−２、３６Ｗ−１、３６Ｖ−２の順に交互に配置されている。
【００７６】
なお、第１インバータのスイッチング素子対および第２インバータのスイッチング素子対は、必ずしも、外導体筒２４および内導体筒の周囲に沿って、交互に配置しなくてもよく、設計に応じて順序を入れ替えてもよい。
【００７７】
図１７に示されるように、第１インバータのＵ相導線Ｕ１、Ｖ相導線Ｖ１およびＷ相導線Ｗ１は左方向に伸び、第１蓋部２０を貫通して筐体１２の外側に引き出されている。第１蓋部２０が導体で形成されている場合には、第１インバータの各相導線と第１蓋部２０との間は電気的に絶縁される。この場合、第１インバータの各相導線と第１蓋部２０との間には絶縁体材料が設けられる。
【００７８】
第２インバータのＵ相導線Ｕ２、Ｖ相導線Ｖ２およびＷ相導線Ｗ２は右方向に伸び、第２蓋部２２を貫通して筐体１２の外側に引き出されている。第２蓋部２２が導体で形成されている場合には、第２インバータの各相導線と第２蓋部２２との間は電気的に絶縁される。この場合、第２インバータの各相導線と第２蓋部２２との間には絶縁体材料が設けられる。
【００７９】
本実施形態においては筐体１２の両端から三相の導線が引き出されている。そのため、正極導線Ｐおよび負極導線Ｎは、次のような構成によって筐体１２に挿入される。すなわち、正極導線Ｐは、筒部１８およびモールド樹脂３８を貫通し、外導体筒２４に接合されている。筒部１８が導体で形成されている場合には、正極導線Ｐと筒部１８との間は電気的に絶縁される。この場合、正極導線Ｐと筒部１８との間には絶縁体材料が設けられる。また、負極導線Ｎは、筒部１８、モールド樹脂３８、および外導体筒２４を貫通し、内導体筒２６に接合されている。筒部１８が導体で形成されている場合には、負極導線Ｎと筒部１８との間は電気的に絶縁される。この場合、負極導線Ｎと筒部１８との間には絶縁体材料が設けられる。また、負極導線Ｎと外導体筒２４との間には、絶縁体材料が設けられ、負極導線Ｎと外導体筒２４との間は電気的に絶縁されている。
【００８０】
このような構成によれば、第１実施形態で得られる効果と同様の効果を得ると共に、２つのインバータを構成するスイッチング素子を１つの筐体内に収納することができる。これによって、２つのインバータについての冷却性能および電気的性能を向上させると共に、小型化を図り、部品点数およびコストを削減することができる。
【００８１】
なお、上記では、インバータが収納された実施形態について説明した。本発明は、直流電圧の昇圧または降圧を行う昇降圧コンバータ等、スイッチング素子対を備えるその他の電力変換回路に用いることができる。
【００８２】
また、直流電力と三相交流電力との間で直流交流変換を行うインバータの他、直流電力と単相交流電力との間で、あるいは、直流電力と四相以上の多相相交流電力との間で直流交流変換を行うインバータに本発明を用いてもよい。
【００８３】
上記では、内導体筒２６の内側から冷媒流通路４６に向かう方向に冷媒を流通させる各実施形態について説明した。冷媒の流通方向は、この逆向きであってもよい。この場合、上記の出口管４４を入口管として用い、上記の入口管４２を出口管として用いる。
【００８４】
また、冷却型スイッチング素子モジュールにおいて冷媒が流通する経路の壁面には、伝熱面積を拡大するためのフィンを設けてもよい。また、冷媒が流通する経路の壁面に突起、溝等を形成する、多孔質表面処理を施す等により、冷媒の流れの乱れや冷媒の沸騰を生じさせてもよい。冷媒の流れの乱れや冷媒の沸騰によって、冷却性能が向上することがあるためである。
【００８５】
さらに、上記では、筒部１８、外導体筒２４および内導体筒２６が同軸状に配置された実施形態について説明した。このような構成の他、設計に応じて、筒部１８、外導体筒２４または内導体筒２６のいずれかの中心軸を、他の中心軸と異ならせた構成を採用してもよい。さらに、これらの筒状部材は、中心軸に対して回転非対称な形状を有していてもよい。
【００８６】
また、上記では、外導体筒２４に正極導線Ｐが接続され、内導体筒２６に負極導線Ｎが接続された実施形態について説明した。このような構成の他、外導体筒２４に負極導線Ｎが接続され、内導体筒２６に正極導線Ｐが接続された構成を採用してもよい。この場合、各スイッチング素子の各端子の接続は、直流電圧の極性に応じて変更される。
【００８７】
さらに、上記では、正極導線Ｐ、負極導線Ｎ、Ｕ相導線、Ｖ相導線およびＷ相導線は、帯状の金属で形成されたものとした。これらの導線は、断面が円形、その他の多角形である導線であってもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１〜５，１Ｒ，１Ｌ  冷却型スイッチング素子モジュール、１２  筐体、１４  冷媒入口、１６  冷媒出口、１８  筒部、２０  第１蓋部、２２  第２蓋部、２４  外導体筒、２６  内導体筒、２８  絶縁層、３０  外導体板、３１  内導体板、３２Ｕ，３２Ｖ，３２Ｗ，３２Ｕ−１，３２Ｖ−１，３２Ｗ−１，３２Ｕ−２，３２Ｖ−２，３２Ｗ−２  第１スイッチング素子、３４  制御線、３６Ｕ，３６Ｖ，３６Ｗ，３６Ｕ−１，３６Ｖ−１，３６Ｗ−１，３６Ｕ−２，３６Ｖ−２，３６Ｗ−２  第２スイッチング素子、３８  モールド樹脂、４０Ｕ，４０Ｖ，４０Ｗ  スイッチング素子対、４２  入口管、４４  出口管、４６，４６Ｕ，４６Ｖ，４６Ｗ  冷媒流通路、４８  モールド本体、５０−１〜５０−３  冷媒流通区間、５２  ジョイント部、５４Ｒ，５４Ｌ  正極ジョイント板、５６Ｒ，５６Ｌ  負極ジョイント板、５８  ボルト、６０  ナット、Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｕ１，Ｕ１，Ｗ１，Ｕ２，Ｖ２，Ｗ２  相導線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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