(57)【要約】【課題】ドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供する。【解決手段】電力変換装置１は冷却器２と部品保持板３と電子部品４とを有している。冷却器２は、冷媒導入口２１１と、冷媒導出口２１３と、冷媒導入口２１１と冷媒導出口２１３との間に配置された冷却開口２１２と、を備えた冷媒流路２１を有している。部品保持板３は冷却開口２１２に面した冷却面３１を備えている。電子部品４は部品保持板３上に保持されている。冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、部品保持板３の外表面上に電子部品４を投影してなる投影領域３２の端点３２１から端点３２１に最も近い冷却面３１上の点である最近傍点３１１までの熱抵抗をＲｔｈA、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、ＲｔｈBの値がＲｔｈAの値よりも大きい。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒（Ｃ）が導入される冷媒導入口（２１１）と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口（２１３）と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口（２１２）と、を備えた冷媒流路（２１、２４）を有する冷却器（２、２０２、２０６）と、
前記冷却開口に面した冷却面（３１、３６、３８）を備え、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板（３、３０２、３０４、３０５）と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品（４）と、を有し、
前記冷媒流路の流路方向に垂直な断面において、外表面上に前記電子部品を投影してなる投影領域（３２）の端点（３２１）から当該端点に最も近い前記冷却面上の点である最近傍点（３１１、３６１）までの熱抵抗をＲｔｈA、前記投影領域の端点から前記冷却面の端点（３１２、３６２）までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、前記ＲｔｈBの値が前記ＲｔｈAの値よりも大きい、電力変換装置（１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）。
【請求項２】
前記ＲｔｈAの値に対する前記ＲｔｈBの値の比率であるＲｔｈB／ＲｔｈAの値が１．０超え５．３以下である、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電力変換装置は、
前記冷却器と前記部品保持板との間に形成された空間からなり前記冷却開口の周囲に配置されたシール材保持空間（２２７、２３６）と、
前記シール材保持空間内に収容され、前記冷却器と前記部品保持板との間に狭持されたシール材（５、５０３）と、をさらに有しており、
前記部品保持板は、前記冷却面と前記シール材保持空間に面する表面（３３１、３５１）との間に、これらの面よりも前記冷却器までの距離が短い流路周縁面（３３２、３５２）を有しており、
前記冷媒流路の流路方向に垂直な断面における、前記投影領域の端点から前記流路周縁面における前記シール材保持空間側の端点（３３３、３５３）までの熱抵抗をＲｔｈCと表した場合に、前記ＲｔｈCの値が前記ＲｔｈAの値よりも大きい、請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記シール材は、前記シール材保持空間内に収容されたシール本体部（５１）と、前記シール本体部に連なり前記冷却器と前記部品保持板との間に狭持されたシール延設部（５２）と、を有している、請求項３に記載の電力変換装置（１０３）。
【請求項５】
前記部品保持板は、前記冷却器の前記冷却開口上に配置された保持板中央部（３０４ａ）と、前記保持板中央部の外周に配置され、前記部品保持板の厚み方向において、前記保持板中央部よりも前記冷却器側に突出しているスペーサー部（３０４ｂ）と、を有している、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０４）。
【請求項６】
前記部品保持板は、前記冷却開口の端縁に沿って配置された高熱抵抗部（３９１）と、前記高熱抵抗部の内側に配置された低熱抵抗部（３９２）と、を有しており、前記部品保持板の厚み方向における前記高熱抵抗部の熱抵抗は前記低熱抵抗部よりも大きい、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０５）。
【請求項７】
前記冷媒流路の流路方向に垂直な断面において、前記投影領域の端点から前記冷却面の端点までの前記冷媒流路の幅方向の距離が３．３ｍｍ以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記電子部品は、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記冷媒流路は、幅方向の各端部に配置された流路側方部（２４１）と、前記流路側方部同士の間に配置された流路中央部（２４２）と、を有しており、前記流路側方部における前記冷却面から当該冷却面に対面する底面までの深さが前記流路中央部における前記深さよりも浅い、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０６）。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置と、前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記電力変換装置の前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置（６）と、を備えた冷却システム（１０）であって、
前記電子部品の最大発熱量Ｐmax［Ｗ］と、前記電子部品の発熱量がＰmax［Ｗ］であるときの前記投影領域の端点の温度Ｔj［℃］と、前記冷媒の沸点Ｔboil［℃］とが、Ｔboil≧Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈBの関係を満足する、冷却システム（１０）。
【請求項１１】
Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈA≧Ｔboilの関係を更に満足する、請求項１０に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置及び冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ハイブリッド自動車や電気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。電力変換装置は、電力変換を行うための電子部品と、電子部品を冷却するための冷却器と、を有している。この種の電力変換装置は、電子部品の冷却効率を向上させるため、沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却するように構成されていることがある。
【０００３】
例えば特許文献１には、直方体形状を呈する第１導電体及び第２導電体と、第１導電体と第２導電体との間に狭持された第１半導体素子及び第２半導体素子と、第１導電体及び第２導電体が載置された放熱用金属板と、放熱用金属板に接合された冷却ブロックを備えた冷却器と、を有する電力変換装置が記載されている。冷却ブロックは、矩形状を呈する凹所と、凹所の周囲を囲む環状の係合溝と、凹所と係合溝との間に形成された接合面と、を有している。冷却ブロックの凹所及び係合溝は、放熱用金属板により覆われている。
【０００４】
この電力変換装置における冷媒流路は、放熱用金属板と凹所の内表面とによって囲まれた空間から構成されている。また、係合溝内には、冷媒流路の周囲をシールし、冷媒の漏洩を防止するためのシール材が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−５３７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の電力変換装置のように沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却しようとする場合、放熱用金属板に接触させた液状の冷媒を沸騰させる必要がある。この際、放熱用金属板と接触した冷媒が激しく沸騰すると、放熱用金属板の表面が気化した冷媒によって覆われる、ドライアウトと呼ばれる現象が起こり、電子部品の冷却効率の低下を招く。
【０００７】
従来の電力変換装置においては、放熱用金属板との接触によって気化した冷媒が液状の冷媒に押し流されるため、ドライアウトの発生は顕在化していなかった。しかし、近年、電力変換装置の大出力化に伴って、電子部品からの発熱量がますます増大する傾向にある。発明者らの詳細な検討の結果、かかる状況においては、例えば冷却ブロックの接合面と放熱用金属板との間等の比較的流速の遅い部分に滞留した冷媒が気化し、冷媒流路の幅方向の端部にドライアウトが発生しやすくなることが明らかとなった。
【０００８】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、ドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様は、冷媒（Ｃ）が導入される冷媒導入口（２１１）と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口（２１３）と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口（２１２）と、を備えた冷媒流路（２１、２４）を有する冷却器（２、２０２、２０６）と、
前記冷却開口に面した冷却面（３１、３６、３８）を備え、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板（３、３０２、３０４、３０５）と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品（４）と、を有し、
前記冷媒流路の流路方向に垂直な断面において、外表面上に前記電子部品を投影してなる投影領域（３２）の端点（３２１）から当該端点に最も近い前記冷却面上の点である最近傍点（３１１、３６１）までの熱抵抗をＲｔｈA、前記投影領域の端点から前記冷却面の端点までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、前記ＲｔｈBの値が前記ＲｔｈAの値よりも大きい、電力変換装置（１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６）にある。
【００１０】
本発明の他の態様は、前記の態様の電力変換装置と、前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記電力変換装置の前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置（６）と、を備えた冷却システム（１０）であって、
前記電子部品の最大発熱量Ｐmax［Ｗ］と、前記電子部品の発熱量がＰmax［Ｗ］であるときの前記投影領域の端点の温度Ｔj［℃］と、前記冷媒の沸点Ｔboil［℃］とが、Ｔboil≧Ｔj−Ｐ・ＲｔｈBの関係を満足する、冷却システム（１０）にある。
【発明の効果】
【００１１】
前記電力変換装置は、冷媒流路を備えた冷却器と、冷媒流路の冷却開口を閉鎖する部品保持板と、部品保持板の外表面に保持された電子部品と、を有しており、部品保持板の冷却面に冷媒を接触させて電子部品を冷却することができるように構成されている。また、前記電力変換装置は、冷媒流路の流路方向に垂直な断面における前記投影領域の端点から前記冷却面上の最近傍点までの熱抵抗をＲｔｈA、前記投影領域の端点から前記冷却面の端点までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、ＲｔｈBの値がＲｔｈAの値よりも大きくなるように構成されている。
【００１２】
それ故、前記電力変換装置によれば、電子部品が発熱した際に、冷媒流路の幅方向における冷却面の端部、つまり、冷却面の前記端点を含む部分の温度を、冷却面の中央部、つまり、冷却面の前記最近傍点を含む部分の温度よりも低くすることができる。その結果、例えば冷媒流路の幅方向の端部などの、比較的冷媒の流速が遅く、冷媒が滞留しやすい部分におけるドライアウトの発生を抑制することができる。
【００１３】
また、前記冷却システムは、前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記電力変換装置の前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置と、を有している。そして、電子部品の最大発熱量Ｐmax［Ｗ］と、前記電子部品の発熱量がＰmax［Ｗ］であるときの前記投影領域の端点の温度Ｔj［℃］と、前記冷媒の沸点Ｔboil［℃］とが前記特定の関係式を満足している。このように、冷媒の沸点Ｔboilを考慮して投影領域の端点から前記冷却面の端点までの熱抵抗ＲｔｈBの値を設定することにより、冷媒流路の幅方向の端部におけるドライアウトの発生を容易に回避することができる。
【００１４】
以上のごとく、上記態様によれば、ドライアウトの発生を抑制することができる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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、実施形態１における電力変換装置の斜視図である。
【図２】図２は、実施形態１における電力変換装置の平面図である。
【図３】図３は、図２のIII−III線矢視断面図である。
【図４】図４は、図３における冷却面の端点近傍の拡大図である。
【図５】図５は、図２のV−V線矢視断面図である。
【図６】図６は、実施形態１の電力変換装置における熱抵抗ＲｔｈA及びＲｔｈBの算出方法の模式図である。
【図７】図７は、実施形態１の電力変換装置における熱抵抗ＲｔｈCの算出方法の模式図である。
【図８】図８は、実施形態２における、部品保持板が冷却開口内に挿入されている電力変換装置の要部を示す断面図である。
【図９】図９は、実施形態３における、シール延設部を備えたシール材を有する電力変換装置の要部を示す断面図である。
【図１０】図１０は、実施形態４における、スペーサー部を備えた部品保持板を有する電力変換装置の要部を示す断面図である。
【図１１】図１１は、実施形態５における、低熱抵抗部と高熱抵抗部とを備えた部品保持板を有する電力変換装置の要部を示す断面図である。
【図１２】図１２は、実施形態６における、流路側方部の深さが流路中央部よりも浅くなっている冷媒流路を備えた電力変換装置の要部を示す断面図である。
【図１３】図１３は、実施形態７における冷却システムの概略構成を示す説明図である。
【図１４】図１４は、実験例における試験体の要部を示す一部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施形態１）
前記電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図７を参照して説明する。本形態の電力変換装置１は、図１及び図２に示すように、冷却器２と、部品保持板３と、電子部品４と、を有している。図５に示すように、冷却器２は、冷媒Ｃが導入される冷媒導入口２１１と、冷媒導入口２１１に連なり冷媒Ｃが導出される冷媒導出口２１３と、冷媒導入口２１１と冷媒導出口２１３との間に配置された冷却開口２１２と、を備えた冷媒流路２１を有している。図３及び図５に示すように、部品保持板３は、冷却開口２１２に面した冷却面３１を備えている。また、冷却器２の冷却開口２１２は、部品保持板３によって閉鎖されている。電子部品４は、部品保持板３の外表面に保持されている。
【００１７】
図６に示す冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、部品保持板３の外表面上に電子部品４を投影してなる投影領域３２の端点３２１から当該端点３２１に最も近い冷却面３１上の点である最近傍点３１１までの熱抵抗をＲｔｈA、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、ＲｔｈBの値がＲｔｈAの値よりも大きい。
【００１８】
以下、本形態の電力変換装置１の構成をより詳細に説明する。本形態の冷却器２は、図１に示すように直方体状を呈する流路形成部２２と、図３及び図５に示すように流路形成部２２の内部を貫通する冷媒流路２１と、を有している。図１及び図５に示すように、流路形成部２２の長手方向における一方の端面２２１には冷媒導入口２１１が開口しており、他方の端面２２２には冷媒導出口２１３が開口している。
【００１９】
また、冷媒導入口２１１を有する端面２２１と冷媒導出口２１３を有する端面２２２との間には、冷却開口２１２を備えた頂面２２３と、頂面２２３の反対側に位置する底面２２４と、頂面２２３と底面２２４とを接続する２か所の側面２２５とが存在している。流路形成部２２は、例えば、アルミニウム等の金属から構成されていてもよい。
【００２０】
本形態の冷媒流路２１は、図３に示すように長方形状の断面形状を有している。冷媒流路２１は、図５に示すように、冷媒導入口２１１から冷媒導出口２１３までに亘って延設されている。また、冷媒流路２１は、流路方向（つまり、流路形成部２２の長手方向）における冷媒導入口２１１と冷媒導出口２１３との間に冷却開口２１２を有している。なお、冷却器２の形状及び流路形成部２２内における冷媒流路２１の配置は本形態の態様に限定されるものではない。
【００２１】
以下において、冷媒流路２１の流路方向に平行な方向を「縦方向Ｘ」、流路形成部２２における２枚の側面２２５の並び方向を「横方向Ｙ」、頂面２２３と底面２２４との並び方向を「高さ方向Ｚ」ということがある。また、高さ方向Ｚにおける頂面２２３側を「上方Ｚ１」、底面２２４側を「下方Ｚ２」ということがある。これらの方向に関する表示は便宜上のものであり、電力変換装置１を車両等に取り付ける際の向きとは何ら関係がない。
【００２２】
図３及び図５に示すように、本形態の流路形成部２２は、頂面２２３における冷却開口２１２の周囲に配置された溝２２６を有している。後述するように、溝２２６の上方Ｚ１には部品保持板３が配置されており、溝２２６の内表面と部品保持板３の内表面との間には、後述するシール材５を収容するためのシール材保持空間２２７が形成されている。
【００２３】
図１及び図２に示すように、流路形成部２２の頂面２２３上には部品保持板３が配置されている。部品保持板３は、例えば、銅やアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する金属から構成されていてもよいし、アルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの高い熱伝導率を有する電気絶縁性のセラミックスから構成されていてもよい。
【００２４】
図３及び図５に示すように、本形態の部品保持板３は、セラミックスからなり流路形成部２２の頂面２２３上に配置された絶縁基板３３と、導体からなり絶縁基板３３の上方Ｚ１に積層された回路パターン部３４と、を有している。絶縁基板３３は、流路形成部２２の冷却開口２１２及び溝２２６を覆うように配置されている。本形態においては、絶縁基板３３の表面のうち冷却開口２１２に面する部分が冷媒Ｃに接触する冷却面３１となる。
【００２５】
また、図４に示すように、絶縁基板３３の内表面のうち流路形成部２２の溝２２６を覆う部分３３１は、溝２２６の内表面とともに、シール材保持空間２２７の壁面を構成している。本形態のシール材保持空間２２７は、冷却開口２１２を取り囲むように延設されている。
【００２６】
本形態の絶縁基板３３は、図４に示すように、その内表面における溝２２６に対面する部分３３１と冷却面３１との間に、これらの面よりも冷却器２までの距離が短い流路周縁面３３２を有している。本形態の電力変換装置１においては、流路周縁面３３２と冷却器２の表面、つまり、流路形成部２２の頂面２２３との間に微小な隙間Ｓが形成されている。そして、この微小な隙間Ｓを介してシール材保持空間２２７と冷媒流路２１とが互いに連通している。
【００２７】
部品保持板３は、冷却開口２１２を閉鎖し、冷媒流路２１内を流れる冷媒Ｃの漏出を防止することができるようにして冷却器２に取り付けられている。部品保持板３の取り付けの態様は、冷却開口２１２を閉鎖し、冷媒Ｃの漏出を防止することができれば、どのような態様であってもよい。例えば、部品保持板３は、Ｓｉ等の金属微粒子を焼結してなる金属焼結体や、ろうなどの接合材を介して流路形成部２２に接合されていてもよい。
【００２８】
また、例えばＯリングや液状ガスケットなどのシール材５を部品保持板３と流路形成部２２との間に介在させた状態で部品保持板３を流路形成部２２に取り付けることもできる。この場合には、部品保持板３と流路形成部２２との間に狭持されたシール材５によって両者の間を液密に封止し、冷媒Ｃの漏出を防止することができる。
【００２９】
本形態においては、図３〜図５に示すように、部品保持板３の絶縁基板３３と流路形成部２２の溝２２６との間にシール材保持空間２２７が形成されており、シール材保持空間２２７内にシール材５としてのＯリングが配置されている。そして、シール材５は溝２２６の内表面と部品保持板３との間に狭持されている。これにより、流路形成部２２と部品保持板３との間が液密に封止されている。
【００３０】
部品保持板３の回路パターン部３４上には、電子部品４が保持されている。電子部品４としては、例えば、電界効果トランジスタや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子や、フリーホイールダイオード等の半導体整流素子等を採用することができる。これらの素子には、例えば、シリコン半導体や炭化ケイ素半導体などの半導体が含まれていてもよい。本形態の電子部品４は、具体的には、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子である。また、本形態においては、回路パターン部３４上に１個の電子部品４が保持されているが、１か所の回路パターン部３４上に複数の電子部品４が保持されていてもよい。
【００３１】
電子部品４は、はんだ等の導電性を有する接合材を介して回路パターン部３４に接合されていてもよい。図には示さないが、本形態の電子部品４は、接合材としてのはんだを介して回路パターン部３４に接合されている。
【００３２】
前述したように、本形態の電力変換装置１は、図６に示す冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、投影領域３２の端点３２１から最近傍点３１１までの熱抵抗をＲｔｈA、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、ＲｔｈA＜ＲｔｈBの関係を満足している。
【００３３】
上記の内容を本形態に即してより具体的に説明する。本形態における投影領域３２の端点３２１は、冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、電子部品４の外周端縁４１を通り下方Ｚ２に延びる直線と、回路パターン部３４の外表面との交点である。また、本形態における最近傍点３１１は、前記直線と冷却面３１との交点である。そして、本形態における冷却面３１の端点３１２は、冷却開口２１２の開口端縁を通り上方Ｚ１に延びる直線と冷却面３１との交点である。なお、図３及び図６においては、便宜上、前述した直線の記載を省略した。
【００３４】
熱抵抗ＲｔｈAの値は、投影領域３２の端点３２１から部品保持板３の内部を通り最近傍点３１１に至る最短経路上に存在する材料のバルク熱抵抗を合計した値である。本形態における熱抵抗ＲｔｈAの値は、具体的には、回路パターン部３４内において熱が高さ方向Ｚに伝わるときの熱抵抗ＲｔｈA1の値と、絶縁基板３３内において熱が高さ方向Ｚに伝わるときの熱抵抗ＲｔｈA2の値との合計である。
【００３５】
同様に、熱抵抗ＲｔｈBの値は、投影領域３２の端点３２１から部品保持板３の内部を通り冷却面３１の端点３１２に至る最短経路上に存在する材料のバルク熱抵抗を合計した値である。本形態における熱抵抗ＲｔｈBの値は、具体的には、回路パターン部３４内を、投影領域３２の端点３２１と冷却面３１の端点３１２とを結ぶ直線Ｌ１に沿って熱が伝わるときの熱抵抗ＲｔｈB1の値と、絶縁基板３３内を直線Ｌ１に沿って熱が伝わるときの熱抵抗ＲｔｈB2の値との合計である。
【００３６】
本形態における電子部品４及び冷却開口２１２は、投影領域３２の端点３２１から最近傍点３１１までの距離、つまり、回路パターン部３４の厚みと絶縁基板３３の厚みとの合計が、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの距離よりも短くなるように配置されている。これにより、熱抵抗ＲｔｈBの値がＲｔｈAの値よりも大きくなっている。
【００３７】
また、本形態の電力変換装置１は、図７に示すように、冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、投影領域３２の端点３２１からの流路周縁面３３２におけるシール材保持空間２２７側の端点３３３までの熱抵抗をＲｔｈCと表した場合に、ＲｔｈA＜ＲｔｈCの関係を満足している。
【００３８】
上記の内容を本形態に即してより具体的に説明する。本形態における流路周縁面３３２のシール材保持空間２２７側の端点３３３は、冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面における、溝２２６の内側の端縁を通り高さ方向Ｚに延びる直線と、流路周縁面３３２との交点である。なお、図３及び図６においては、便宜上、前述した直線の記載を省略した。
【００３９】
熱抵抗ＲｔｈCの値は、投影領域３２の端点３２１から部品保持板３の内部を通り流路周縁面３３２の端点３３３に至る最短経路上に存在する材料のバルク熱抵抗を合計した値である。本形態における熱抵抗ＲｔｈCの値は、具体的には、回路パターン部３４内を、投影領域３２の端点３２１と流路周縁面３３２の端点３３３とを結ぶ直線Ｌ２に沿って熱が伝わるときの熱抵抗ＲｔｈC1の値と、絶縁基板３３内を直線Ｌ２に沿って熱が伝わるときの熱抵抗ＲｔｈC2の値との合計である。
【００４０】
本形態においては、投影領域３２の端点３２１から最近傍点３１１までの最短経路の長さが、投影領域３２の端点３２１から流路周縁面３３２の端点３３３までの最短経路の長さよりも短くなっている。これにより、熱抵抗ＲｔｈCの値がＲｔｈAの値よりも大きくなっている。
【００４１】
次に、本形態の作用効果を説明する。本形態の電力変換装置１は、前述した熱抵抗ＲｔｈBの値が熱抵抗ＲｔｈAの値よりも大きくなるように構成されている。それ故、電力変換装置１によれば、電子部品４が発熱した際に、冷媒流路２１の幅方向における冷却面３１の端部、つまり、冷却面３１の端点３１２を含む部分の温度を、冷却面３１の中央部、つまり、冷却面３１の最近傍点３１１を含む部分の温度よりも低くすることができる。その結果、冷媒流路２１の幅方向の端部や、絶縁基板３３の流路周縁面３３２と流路形成部２２の頂面２２３との間などの比較的冷媒Ｃの流速が遅く、冷媒Ｃが滞留しやすい部分におけるドライアウトの発生を抑制することができる。
【００４２】
ＲｔｈAの値に対する前記ＲｔｈBの値の比率であるＲｔｈB／ＲｔｈAの値は、１．０超え５．３以下の範囲から適宜設定することができる。ＲｔｈB／ＲｔｈAの値が１．０以下の場合には、冷却面３１の端点３１２を含む部分の温度が冷却面３１の中央部と同等以上になりやすい。そのため、冷媒Ｃが滞留しやすい部分において冷媒Ｃが蒸発しやすくなり、ドライアウトが発生しやすくなるおそれがある。
【００４３】
ドライアウトの発生を抑制する観点からは、ＲｔｈB／ＲｔｈAの値が大きい方が好ましい。かかる観点からは、ＲｔｈB／ＲｔｈAの値を２．０以上とすることがより好ましく、２．６以上とすることがさらに好ましい。しかし、ＲｔｈB／ＲｔｈAの値が過度に大きい場合には、絶縁基板３３の大型化を招くおそれがあり、ひいては電力変換装置１の大型化を招くおそれがある。ＲｔｈB／ＲｔｈAの値を５．３以下とすることにより、電力変換装置１の大型化を回避しつつ、ドライアウトの発生を抑制することができる。
【００４４】
更に、本形態の電力変換装置１は、前述した熱抵抗ＲｔｈCの値が熱抵抗ＲｔｈAの値よりも大きくなるように構成されている。それ故、電力変換装置１によれば、電子部品４が発熱した際に、絶縁基板３３の流路周縁面３３２の温度を、冷却面３１の中央部よりも低くすることができる。それゆえ、例えばシール材保持空間２２７の内部や絶縁基板３３の流路周縁面３３２と流路形成部２２の頂面２２３との間の隙間Ｓなどの、冷媒流路２１の外方に冷媒Ｃが滞留した場合においても、冷媒Ｃの蒸発をより効果的に抑制することができる。その結果、冷媒流路２１の幅方向の端部におけるドライアウトの発生をより効果的に抑制することができる。
【００４５】
（実施形態２）
本形態の電力変換装置１０２における部品保持板３０２は、図８に示すように、冷却開口２１２内に挿入されている。なお、本形態以降において用いた符号のうち、既出の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、既出の形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【００４６】
図８に示すように、本形態の電力変換装置１０２は、冷却器２０２と、部品保持板３０２としての絶縁基板３５及び回路パターン部３４と、回路パターン部３４上に保持された電子部品４と、を有している。冷却器２０２は、直方体状を呈する流路形成部２３と、流路形成部２３の内部を貫通する冷媒流路２１と、を有している。流路形成部２３の頂面２３１には冷却開口２１２が開口している。また、図には示さないが、流路形成部２３の長手方向における一方の端面には冷媒導入口が開口しており、他方の端面には冷媒導出口が開口している。
【００４７】
図８に示すように、本形態の流路形成部２３は、冷却開口２１２の内周面２１４、つまり、流路形成部２３の頂面２３１と冷媒流路２１に面する内表面２３３とを接続する面の全周に亘って延設された溝２３５を有している。溝２３５は、高さ方向Ｚにおける流路形成部２３の頂面２３１と内表面２３３との中間に配置されている。
【００４８】
本形態の部品保持板３０２は、絶縁基板３５と、絶縁基板３５の上方Ｚ１に積層された回路パターン部３４と、を有している。絶縁基板３５は、冷却開口２１２の内部に挿入されており、絶縁基板３５の側端面３５１と冷却開口２１２の内周面２１４とが対面している。また、絶縁基板３５の下方Ｚ２の一部は流路形成部２３の内周面２１４の下端よりも下方Ｚ２に突出している。この絶縁基板３５における下方Ｚ２への突出部分の表面は、冷媒に接触し、冷媒との熱交換を行う冷却面３６となる。
【００４９】
また、絶縁基板３５の側端面３５１のうち流路形成部２３の溝２３５を覆う部分は、溝２３５の内表面とともに、シール材保持空間２３６の壁面を構成している。本形態のシール材保持空間２３６は、冷却開口２１２の内周面２１４の全周に亘って延設されている。シール材保持空間２３６内には、シール材５としてのＯリングが配置されている。
【００５０】
図には示さないが、絶縁基板３５は、その側端面３５１における溝２３５に対面する部分と冷却面３６との間に、これらの面よりも冷却器２０２までの距離が短い流路周縁面３５２を有している。流路周縁面３５２と冷却開口２１２の内周面２１４との間には微小な隙間が形成されている。そして、この微小な隙間を介してシール材保持空間２３６と冷媒流路２１とが互いに連通している。
【００５１】
本形態の電力変換装置１０２は、図８に示すような冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、外表面上に電子部品４を投影してなる投影領域３２の端点３２１から当該端点３２１に最も近い冷却面３６上の点である最近傍点３６１までの熱抵抗をＲｔｈA、投影領域３２の端点３２１から冷却面３６の端点３６２までの熱抵抗をＲｔｈBと表した場合に、ＲｔｈA＜ＲｔｈBの関係を満足している。
【００５２】
上記の内容を本形態に即してより具体的に説明する。本形態における投影領域３２の端点３２１は、冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面において、電子部品４の外周端縁４１を通り高さ方向Ｚに延びる直線と、回路パターン部３４の外表面との交点である。また、本形態における最近傍点３６１は、前記直線と冷却面３６との交点である。そして、本形態における冷却面３６の端点３６２は、冷却開口２１２の内周面２１４の下端を通り横方向Ｙに延びる直線と、冷却面３６との交点である。なお、図８においては、便宜上、前述した直線の記載を省略した。
【００５３】
本形態における電子部品４及び冷却開口２１２は、投影領域３２の端点３２１から最近傍点３６１までの最短経路の長さ、つまり、回路パターン部３４の厚みと絶縁基板３５の厚みとの合計が、投影領域３２の端点３２１から冷却面３６の端点３６２までの最短経路の長さよりも短くなるように配置されている。これにより、熱抵抗ＲｔｈBの値がＲｔｈAの値よりも大きくなっている。
【００５４】
また、本形態の電力変換装置１０２は、冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面における、投影領域３２の端点３２１から流路周縁面３５２におけるシール材保持空間２３６側の端点３５３までの熱抵抗をＲｔｈCと表した場合に、ＲｔｈA＜ＲｔｈCの関係を満足している。
【００５５】
上記の内容を本形態に即してより具体的に説明する。本形態における流路周縁面３５２のシール材保持空間２３６側の端点３５３は、冷媒流路２１の流路方向に垂直な断面における、溝２３５の下端を通り横方向Ｙに延びる直線と、絶縁基板３５の側端面３５１との交点である。本形態においては、投影領域３２の端点３２１から最近傍点３６１までの最短経路の長さが、投影領域３２の端点３２１から流路周縁面３５２の端点３５３までの最短経路の長さよりも短くなっている。これにより、熱抵抗ＲｔｈCの値がＲｔｈAの値よりも大きくなっている。その他は実施形態１と同様である。なお、図８においては、便宜上、前述した直線の記載を省略した。
【００５６】
本形態の電力変換装置１０２は、実施形態１と同様に、熱抵抗ＲｔｈBの値が熱抵抗ＲｔｈAの値よりも大きくなり、かつ、熱抵抗ＲｔｈCの値が熱抵抗ＲｔｈAの値よりも大きくなるように構成されている。それ故、本形態の電力変換装置１０２は、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００５７】
（実施形態３）
本形態の電力変換装置１０３は、図９に示すように、シール材保持空間２２７内に収容されたシール本体部５１と、シール本体部５１に連なり冷却器２と部品保持板３との間に狭持されたシール延設部５２と、を備えたシール材５０３を有している。シール延設部５２は、具体的には、冷却器２における流路形成部２２の頂面２２３と絶縁基板３３の流路周縁面３３２との間に狭持されている。シール延設部５２は、流路周縁面３３２に密着しており、シール延設部５２と流路周縁面３３２との間への冷媒Ｃの進入を防止することができる。その他は実施形態１と同様である。
【００５８】
本形態の電力変換装置１０３は、冷却器２と部品保持板３との間にシール延設部５２が狭持されているため、冷媒流路２１の外方における冷媒Ｃと絶縁基板３３との接触を抑制することができる。その結果、絶縁基板３３との接触によって滞留した冷媒Ｃが蒸発することをより効果的に抑制し、ひいては冷媒流路２１の幅方向の端部におけるドライアウトの発生をより効果的に抑制することができる。その他、本形態の電力変換装置１０３は、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００５９】
（実施形態４）
本形態の電力変換装置１０４は、図１０に示すように、冷却器２の冷却開口２１２上に配置された保持板中央部３０４ａと、保持板中央部３０４ａの外周に配置されたスペーサー部３０４ｂと、を備えた部品保持板３０４を有している。スペーサー部３０４ｂは、部品保持板３０４の厚み方向において、保持板中央部３０４ａよりも冷却器２側に突出している。
【００６０】
本形態の部品保持板３０４は、絶縁基板３７と、絶縁基板３７上に形成された回路パターン部３４と、を有している。絶縁基板３７は、冷却開口２１２上に配置された薄板部３７１と、薄板部３７１の外周に配置され、薄板部３７１よりも板厚の厚い厚板部３７２と、を有している。厚板部３７２は、薄板部３７１よりも冷却器２側、つまり高さ方向Ｚの下方Ｚ２に突出している。また、厚板部３７２は、冷却開口２１２の外方に配置されており、流路形成部２２の頂面２２３及び溝２２６を上方Ｚ１から覆っている。
【００６１】
本形態の絶縁基板３７において、薄板部３７１と厚板部３７２とによって構成される凹状空間の内表面には冷媒Ｃが接触し得る。換言すると、本形態の絶縁基板３７における冷却面３８には、薄板部３７１の内表面３７３と、これに連なる厚板部３７２の内表面３７４とが含まれる。
【００６２】
また、回路パターン部３４は、薄板部３７１上に配置されている。
【００６３】
本形態の部品保持板３０４における保持板中央部３０４ａには、絶縁基板３７の薄板部３７１と、回路パターン部３４とが含まれる。また、スペーサー部３０４ｂには、絶縁基板３７の厚板部３７２が含まれる。その他は実施形態１と同様である。
【００６４】
本形態の電力変換装置１０４は、スペーサー部３０４ｂを有しない構成に比べて、スペーサー部３０４ｂの分だけ投影領域３２の端点３２１から冷却面３８の端部３８２までの最短経路の長さを長くすることができる。それ故、前述した熱抵抗ＲｔｈBの値を熱抵抗ＲｔｈAの値よりも大きくし、電子部品４が発熱した際の冷媒流路２１の幅方向における冷却面３８の端部の温度を、冷却面３８の中央部の温度よりもさらに低くすることができる。その結果、冷媒Ｃが滞留しやすい部分におけるドライアウトの発生をより効果的に抑制することができる。その他、本形態の電力変換装置１０４は実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００６５】
（実施形態５）
本形態の電力変換装置１０５は、図１１に示すように、冷却開口２１２の端縁に沿って配置された高熱抵抗部３９１と、高熱抵抗部３９１の内側に配置された低熱抵抗部３９２と、を備えた部品保持板３０５を有している。部品保持板３０５の厚み方向における高熱抵抗部３９１の熱抵抗は低熱抵抗部３９２よりも大きい。
【００６６】
本形態の部品保持板３０５は、絶縁基板３９と、絶縁基板３９上に配置された回路パターン部３４と、を有している。絶縁基板３９は、セラミックスなどの比較的熱伝導率の高い絶縁体からなる低熱抵抗部３９２と、低熱抵抗部３９２内に埋設され、低熱抵抗部３９２よりも部品保持板３０５の厚み方向における熱伝導率の低い材料からなる高熱抵抗部３９１と、を有している。高熱抵抗部３９１の一部は冷却開口２１２上に配置されており、残部は冷却開口２１２の外方まで延出している。
【００６７】
高熱抵抗部３９１を構成する材料としては、例えば、樹脂などの等方的な熱伝導率を有する材料や、グラファイトなどの熱伝導率の異方性を有する材料を使用することができる。高熱抵抗部３９１として等方的な熱伝導率を有する材料を使用する場合には、材料の配向は特に限定されることはない。高熱抵抗部３９１として熱伝導率の異方性を有する材料を使用する場合には、部品保持板３０５の厚み方向と、より低い熱伝導率を有する方向とが合致するように材料を配向させることが好ましい。その他は実施形態１と同様である。
【００６８】
本形態のように、冷却開口２１２の端縁に沿って高熱抵抗部３９１を設けることにより、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの最短経路上に、比較的熱抵抗の高い高熱抵抗部３９１が配置される。これにより、高熱抵抗部３９１を設けない場合に比べて、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの熱抵抗ＲｔｈBをより大きくすることができる。
【００６９】
それ故、本形態の電力変換装置１０５は、前述した熱抵抗ＲｔｈBの値を熱抵抗ＲｔｈAの値よりも大きくし、電子部品４が発熱した際の冷媒流路２１の幅方向における冷却面３１の端部の温度を、冷却面３１の中央部の温度よりもさらに低くすることができる。その結果、冷媒Ｃが滞留しやすい部分におけるドライアウトの発生をより効果的に抑制することができる。
【００７０】
また、冷却開口２１２の端縁に沿って高熱抵抗部３９１を設けることにより、高熱抵抗部３９１を設けない場合と同程度の熱抵抗ＲｔｈBを確保しつつ、冷媒流路２１の幅方向における電子部品４から冷却面３１の端点３１２までの距離を短縮することもできる。それ故、本形態の電力変換装置１０５によれば、冷媒流路２１の幅をより狭くし、冷媒流路２１の幅方向、つまり横方向Ｙにおける電力変換装置１０５の寸法をより容易に小さくすることができる。その他、本形態の電力変換装置１０５は実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。
【００７１】
（実施形態６）
本形態の電力変換装置１０６は、幅方向の各端部における深さが中央部によける深さよりも浅くなるように形成された冷媒流路２４を備えた冷却器２０６を有している。図１２に示すように、本形態の冷却器２０６は、冷媒流路２４と、冷媒流路２４を取り囲む流路形成部２２と、を有している。冷媒流路２４は、幅方向の各端部に配置された流路側方部２４１と、流路側方部２４１同士の間に配置された流路中央部２４２と、を有している。本形態において、流路側方部２４１及び流路中央部２４２は、冷却器２０６の長手方向（つまり、縦方向Ｘ）における冷却開口２４３が形成された領域に設けられている。
【００７２】
流路中央部２４２の底は、流路側方部２４１の底に比べて高さ方向Ｚの下方Ｚ２に陥没している。これにより、流路側方部２４１の深さは、流路中央部２４２の深さよりも浅くなっている。
【００７３】
本形態の電力変換装置１０６において、電子部品４は、流路中央部２４２の上方Ｚ１に配置されている。その他は実施形態４と同様である。
【００７４】
本形態のように、冷媒流路２４に、流路中央部２４２と、流路中央部２４２よりも浅い流路側方部２４１とを設けることにより、流路中央部２４２を流れる冷媒Ｃの流量を流路側方部２４１よりも多くすることができる。それ故、流路中央部２４２の上方Ｚ１に電子部品４を配置することにより、電子部品４の熱を効率よく除去することができる。
【００７５】
また、流路側方部２４１は、流路中央部２４２に比べて電子部品４との熱交換効率が低い。そのため、流路側方部２４１における冷媒流路２４の深さを流路中央部２４２よりも浅くすることにより、電子部品４の冷却効率を損なうことなく、冷媒Ｃの流量を低減することができる。その他、本形態の電力変換装置１０６は、実施形態４と同様の作用効果を奏することができる。
【００７６】
（実施形態７）
本形態は、電力変換装置１と、電力変換装置１の冷媒流路２１内を流れる冷媒Ｃと、電力変換装置１に冷媒Ｃを循環させる冷媒循環装置６と、を備えた冷却システム１０の例である。冷媒循環装置６は、例えば図１３に示すように、冷媒Ｃを流動させるためのポンプ６１と、ポンプ６１と冷媒導入口２１１との間、及び、ポンプ６１と冷媒導出口２１３との間を接続する配管６２を有している。冷媒循環装置６は、更に、ラジエータなどの、冷媒と外気等との熱交換を行う熱交換器６３を有していてもよい。
【００７７】
冷却システム１０内に循環させる冷媒Ｃとしては、例えば、水やロング・ライフ・クーラント等を使用することができる。本形態の冷却システム１０は、冷媒Ｃとしてのロング・ライフ・クーラントを最大２ＭＰａの圧力で冷媒流路２１内に供給することができるように構成されている。なお、電子部品４が定格出力で作動している場合における冷媒Ｃの圧力は０．２ＭＰａ程度であり、流速は１０ｍ／ｓ程度である。
【００７８】
また、本形態の冷却システム１０における電子部品４の最大発熱量は２０００Ｗである。
【００７９】
本形態の冷却システム１０は、電子部品４の最大発熱量Ｐmax［Ｗ］と、電子部品４の発熱量がＰmax［Ｗ］であるときの投影領域３２の端点３２１の温度Ｔj［℃］と、冷媒Ｃの沸点Ｔboil［℃］とが、Ｔboil≧Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈBの関係を満足するように構成されている。また、本形態の冷却システム１０は、Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈA≧Ｔboilの関係を更に満足するように構成されている。
【００８０】
換言すると、本形態の冷却システム１０は、電子部品４からの発熱量がＰmax［Ｗ］である場合に、冷却面３１の中央部、つまり、電子部品４が保持された部分の背面の温度Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈA［℃］が冷媒Ｃの沸点Ｔboil以上となるように構成されている。また、幅方向における冷却面３１の端部の温度Ｔj−Ｐ・ＲｔｈB［℃］が冷媒Ｃの沸点Ｔboil以下となるように構成されている。
【００８１】
それ故、本形態の冷却システム１０は、電子部品４からの発熱量が最も大きくなった状態においても、冷却面３１の端部における冷媒Ｃの沸騰を抑制し、ひいてはドライアウトの発生を抑制することができる。
【００８２】
更に、本形態の冷却システム１０は、冷却面３１の中央部、つまり、電子部品４が保持された部分の背面において冷媒Ｃを沸騰させ、沸騰熱伝達によって電子部品４の熱を効率よく除去することができる。その結果、電子部品４の冷却効率をより向上させることができる。
【００８３】
本形態の冷却システムは、特に、電子部品４からの最大発熱量Ｐmaxが２５０Ｗ以上となる用途において、ドライアウトの発生を効果的に抑制することができる。かかる用途としては、例えば、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子の冷却システム等がある。
【００８４】
（実験例）
本例は、投影領域３２の端点３２１から冷却面３１の端点３１２までの熱抵抗ＲｔｈBの値を種々変更した場合のドライアウトの発生の有無を評価した例である。本例においては、図１４に示す冷却面３１の端点３１２から電子部品４までの横方向Ｙにおける距離Ｄを表１に示すように種々変更して電力変換装置１（試験体Ａ１〜Ａ３）を作製した。なお、図には示さないが、各試験体の底面２２４には透明窓が設けられており、冷却面３１からの気泡の発生の有無を目視により観察することができるように構成されている。
【００８５】
これらの試験体Ａ１〜Ａ３における冷媒流路２１内に、冷媒Ｃとしての水を圧力０．２ＭＰａで供給した。なお、冷媒Ｃの温度は８５℃とした。また、冷媒流路２１内における冷媒Ｃの流速は２ｍ／ｓであった。
【００８６】
冷媒流路２１内に冷媒Ｃを循環させながら、電子部品４を最大発熱量Ｐmaxで発熱させた。そして、冷却面３１の幅方向の端部からの気泡の発生の有無を目視観察した。各試験体における気泡の発生の有無、及び、（Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈB）−Ｔboilの値は表１に示す通りであった。なお、本例における電子部品４の最大発熱量Ｐmaxは４５０Ｗであった。本例では、いずれの試験体についても、冷却面３１の中央部において冷媒を沸騰させることができた。
【００８７】
【表１】
2019220611.tif 000003
【００８８】
表１に示したように、試験体Ａ３は、Ｔboil≧Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈBの関係を満足している。そのため、試験体Ａ３は、冷却面３１の中央部において冷媒を沸騰させ、かつ、冷却面３１の幅方向の端部における気泡の発生を抑制することができた。
【００８９】
試験体Ａ１及び試験体Ａ２は、Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈBの値がＴboilよりも大きかった。そのため、これらの試験体は、冷却面３１の幅方向の端部から気泡が発生した。
【００９０】
これらの結果から、Ｔboil≧Ｔj−Ｐmax・ＲｔｈBの関係を満たすように冷却システムを構成することにより、冷却面３１の幅方向の端部における気泡の発生を抑制し、ひいてはドライアウトの発生を抑制できることが容易に理解できる。
【００９１】
本発明は上記各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。
【符号の説明】
【００９２】
１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６  電力変換装置
２、２０２、２０６  冷却器
２１、２４  冷媒流路
２１１  冷媒導入口
２１２、２４３  冷却開口
２１３  冷媒導出口
３、３０２、３０４、３０５  部品保持板
３１、３６、３８  冷却面
３２  投影領域
４  電子部品
【図１】
2019220611.tif 000004
【図２】
2019220611.tif 000005
【図３】
2019220611.tif 000006
【図４】
2019220611.tif 000007
【図５】
2019220611.tif 000008
【図６】
2019220611.tif 000009
【図７】
2019220611.tif 000010
【図８】
2019220611.tif 000011
【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】
2019220611.tif 000017