(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子（１２）を内蔵した半導体モジュール（１１）と、上記半導体モジュールを冷却する冷却器（２０，１２０）と、上記半導体モジュールとの間の通電経路を含む電子部品（３１）と、を備え、
上記冷却器は、上記半導体モジュールとの間で熱交換を行う冷媒が流れる本体部（２４，１２４）と、上記本体部に冷媒が流入する流入部（２１）と、上記本体部から冷媒が流出する流出部（２２）と、上記本体部からエアを抜くためのエア抜き部（２３）と、を有し、上記エア抜き部は、上記本体部のうち上記流入部における冷媒流入方向（Ｄ１）の延長線（Ｌ１）上から外れた位置（Ｐ）に設けられており、
上記電子部品は、上記冷却器の上記本体部と上記エア抜き部とで囲まれる空間に配置されている、電力変換装置（１）。
【請求項２】
上記冷却器は、上記流入部における冷媒流入方向（Ｄ１）と上記流出部における冷媒流出方向（Ｄ２）とが互いに逆方向であり、且つ上記エア抜き部におけるエア抜き方向（Ｄ３）が上記冷媒流出方向と逆方向とな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。
【請求項３】
上記冷却器は、上記エア抜き部における上記エア抜き方向と上記流出部における上記冷媒流出方向とが同一の直線（Ｌ２）上にあるように構成されている、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
上記冷却器の上記本体部は、上記流入部に連通して直線状に延在する流入ヘッダー管（２５）と、上記流入ヘッダー管と平行に直線状に延在し且つ上記流出部に連通する流出ヘッダー管（２６）と、互いに離間して配置され且つそれぞれが上記流入ヘッダー管と上記流出ヘッダー管とを接続する複数の冷却管（２７）と、を備え、
上記半導体モジュールの複数と上記複数の冷却管とが交互に積層配置されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体モジュールを冷却する冷却器を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両は、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を搭載している。例えば、下記の特許文献１には、半導体素子を内蔵した半導体モジュールと、この半導体モジュールを冷却する冷却器（ウォータージャケット）と、を備えた電力変換装置が開示されている。冷却器は、冷媒流路の流入口（流入部）と、冷媒流路の流出口（流出部）と、冷媒流路のエアを抜くためのエア抜き部と、を備えている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１０５３７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記電力変換装置の冷却器は、流入部とエア抜き部とが同一の軸線上に配置され、且つエア抜き部におけるエア流れ方向が流入部における冷媒流入方向と同方向となるように構成されている。本構成の場合、流入部から冷媒流路に流入した冷媒はその勢いで冷媒流入方向に沿って流れ易いため、エア抜き部に容易に侵入するという問題が生じ得る。この冷却器は、エア抜き部の上流側に冷媒流れを整えるためのガイドフィンを備えているが、流入部とエア抜き部とが同一の軸線上に配置されているため、エア抜き部に侵入しようとする冷媒の流れをこのガイドフィンによって完全に阻止するのは難しい。また、このガイドフィンのような要素を追加することで構造が複雑化するという問題が生じ得る。
【０００５】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、半導体モジュールを冷却する冷却器を流れる冷媒がエア抜き部に侵入するのを簡単な構造によって抑制することができる電力変換装置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】
【０００６】
本発明の一態様は、
半導体素子（１２）を内蔵した半導体モジュール（１１）と、上記半導体モジュールを冷却する冷却器（２０，１２０）と、上記半導体モジュールとの間の通電経路を含む電子部品（３１）と、を備え、
上記冷却器は、上記半導体モジュールとの間で熱交換を行う冷媒が流れる本体部（２４，１２４）と、上記本体部に冷媒が流入する流入部（２１）と、上記本体部から冷媒が流出する流出部（２２）と、上記本体部からエアを抜くためのエア抜き部（２３）と、を有し、上記エア抜き部は、上記本体部のうち上記流入部における冷媒流入方向（Ｄ１）の延長線（Ｌ１）上から外れた位置（Ｐ）に設けられており、
上記電子部品は、上記冷却器の上記本体部と上記エア抜き部とで囲まれる空間に配置されている、電力変換装置（１）にある。
【発明の効果】
【０００７】
上記電力変換装置によれば、冷却器においてエア抜き部が設けられている位置は、流入部から本体部に流入した冷媒がその流れ方向を転換した後の位置である。従って、この位置を流れる冷媒の勢いは、流れ方向を転換する前の冷媒の勢いよりも低下している。このため、前記の延長線上にエア抜き部を設ける場合に比べて、冷媒がエア抜き部に侵入するのを抑制することができる。また、エア抜き部の位置を適正に設定することのみによって対処可能であり、別部材が必要にならないため構造が複雑化するのを防止できる。
【０００８】
以上のごとく、上記態様によれば、半導体モジュールを冷却する冷却器を流れる冷媒がエア抜き部に侵入するのを簡単な構造によって抑制することができる。
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】
【０００９】
【図１】実施形態１の電力変換装置の概要を示す図。
【図２】図１のII−II線矢視断面図。
【図３】図１中の半導体積層ユニットをエア抜き管の出口側から視た図。
【図４】図１中の冷却器の平面図。
【図５】電力変換装置のインバータ回路図。
【図６】実施形態２の電力変換装置における冷却器の平面図。
【図７】冷却器の流入管、流入管、エア抜き管のそれぞれの配置についての第１変更例を模式的に示す図。
【図８】冷却器の流入管、流入管、エア抜き管のそれぞれの配置についての第２変更例を模式的に示す図。
【図９】冷却器の流入管、流入管、エア抜き管のそれぞれの配置についての第３変更例を模式的に示す図。
【図１０】冷却器の流入管、流入管、エア抜き管のそれぞれの配置についての第４変更例を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、電力変換装置に係る実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
【００１１】
なお、本明細書の図面では、特に断わらない限り、半導体積層ユニットにおける半導体モジュールの積層方向である第１方向を矢印Ｘで示し、半導体積層ユニットにおける半導体モジュールの幅方向及び冷却管の長手方向である第２方向を矢印Ｙで示し、第１方向及び第２方向の双方と直交する第３方向を矢印Ｚで示すものとする。
【００１２】
（実施形態１）
図１及び図２に示されるように、実施形態１の電力変換装置１は、半導体積層ユニット１０、電子部品３０，３１，３２及び制御回路基板４０を含む複数の要素を備えている。これら複数の要素はケース２及びカバー３，４によって区画された空間に収容されている。この電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、直流の電源電力を駆動用モータの駆動に必要な交流電力に変換するインバータとして用いられる。
【００１３】
電子部品３０は、インダクタを利用して電気エネルギーを磁気エネルギーに変換するリアクトル（以下、「リアクトル３０」ともいう。）である。このリアクトル３０は、半導体モジュール１１への入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成している。電子部品３１は、入力電圧又は昇圧した電圧を平滑化する平滑コンデンサ（以下、「コンデンサ３１」ともいう。）である。このコンデンサ３１は、直流電力を交流電力に変換する変換回路の一部を構成している。電子部品３２は、直流電源の電圧を降圧するコンバータ（以下、「コンバータ３２」ともいう。）である。
【００１４】
半導体積層ユニット１０は、複数の半導体モジュール１１と、複数の冷却管２７を有する冷却器２０と、を備えている。この半導体積層ユニット１０において、複数の半導体モジュール１１と複数の冷却管２７とが第１方向Ｘに交互に積層配置されている。即ち、各半導体モジュール１１は、２つの冷却管２７，２７によって第１方向Ｘの両側面から挟持されている。冷却管２７は、冷媒が流れる冷媒流路２７ａを備えている。半導体モジュール１１で生じた熱が冷却管２７の冷媒流路２７ａを流れる冷媒側へと移動することによって、半導体モジュール１１が冷却される。
【００１５】
なお、冷却管２７に流す冷媒として、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート（登録商標）等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。
【００１６】
図３に示されるように、半導体モジュール１１は、直流電力を交流電力に変換するＩＧＢＴ等の半導体素子１２を内蔵するとともに、パワー端子１３と、複数（図３では５つ）の制御端子１４と、を備えている。パワー端子１３と制御端子１４とは、半導体モジュール１１から互いに反対方向に延出している。制御端子１４は、制御回路基板４０に電気的に接続されている。制御回路基板４０は、半導体モジュール１１に供給された直流電力を交流電力に変換するために半導体素子１２のスイッチング動作を制御するように構成されている。
【００１７】
冷却器２０は、半導体モジュール１１を冷却する機能を有する。この冷却器２０は、図４に示されるように、流入管２１、流出管２２、エア抜き管２３及び本体部２４を備えている。この冷却器２０は、アルミニウム等の熱伝導性に優れた材料からなる。
【００１８】
流入管２１は、本体部２４に冷媒が流入する流入部として構成されている。この流入管２１は、第１方向Ｘに直線状に延在する円筒形状の配管であり、その一端部が本体部２４に接続されている。この流入管２１における冷媒流入方向が矢印Ｄ１で示される。そして、この本体部２４において半導体モジュール１１との間で熱交換を行う冷媒が流れる。
【００１９】
流出管２２は、本体部２４から冷媒が流出する流出部として構成されている。この流出管２２は、第１方向Ｘに直線状に延在する円筒形状の配管であり、その一端部が本体部２４に接続されている。この流出管２２における冷媒流出方向が矢印Ｄ２で示される。この場合、流入管２１及び流出管２２は、第１方向Ｘについて本体部２４の同じ側に配置されており、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１と流出管２２における冷媒流出方向Ｄ２とが互いに逆方向になっている。
【００２０】
本体部２４は、流入ヘッダー管２５と、流出ヘッダー管２６と、前記の複数の冷却管２７と、を備えている。流入ヘッダー管２５は、流入管２１に連通して第１方向Ｘに直線状に延在するように構成されている。流出ヘッダー管２６は、流入ヘッダー管２５と平行に直線状に延在し且つ流出管２２に連通するように構成されている。流入ヘッダー管２５及び流出ヘッダー管２６の双方が延在する平面と同一平面上に、前記の流入管２１、流出管２２及びエア抜き管２３が延在している。
【００２１】
複数の冷却管２７は、互いに離間して配置され且つそれぞれが流入ヘッダー管２５と流出ヘッダー管２６とを接続するように第２方向Ｙに延在している。従って、流入管２１から流入ヘッダー管２５に流入した冷媒は、複数の冷却管２７のそれぞれを流出ヘッダー管２６に向けて流れた後、流出ヘッダー管２６を通じて流出管２２から流出する。
【００２２】
エア抜き管２３は、本体部２４からエアを抜くためのエア抜き部として構成されている。エア抜き管２３は、流入管２１及び流出管２２の双方が延在する平面と同一平面上に延在している。このエア抜き管２３は、第１方向Ｘに直線状に延在する円筒形状の配管であり、その一端部が本体部２４の所定の位置Ｐに接続されている。この位置Ｐは、本体部２４の流出ヘッダー管２６のうち流出管２２から最も離れた位置であり、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１の延長線Ｌ１（図３中の二点鎖線で示される仮想線）上から外れた位置である。
【００２３】
なお、ここでいう「流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１の延長線Ｌ１上から外れた位置Ｐ」とは、流入管２１から本体部２４に冷媒が流入する方向に連続して直線状に延びる仮想線を通る位置を除く位置として定義される。この位置Ｐを、流入管２１から本体部２４に流入した冷媒がその流れ方向を転換した後の位置ということもできる。一方で、流入管２１から本体部２４に流入した冷媒がその流れ方向を転換するまでの位置を、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１の延長線Ｌ１上の位置として定義できる。本実施形態の場合、この位置は流入ヘッダー管２５の各部位に相当する。
【００２４】
エア抜き管２３の他端部は、リザーバタンク（図示省略）に接続されている。従って、本体部２４内にあるエアは、位置Ｐにおいて本体部２４から抜き出されてエア抜き管２３を通じてリザーバタンクに排出される。このエア抜き管２３におけるエア抜き方向が矢印Ｄ３で示される。この場合、エア抜き管２３は、本体部２４の第１方向Ｘについて流入管２１及び流出管２２とは反対側に配置されており、エア抜き管２３におけるエア抜き方向Ｄ３が冷媒流出方向Ｄ２と逆方向（冷媒流入方向Ｄ１と同方向）になっている。これにより、冷却器２０の第２方向Ｙの寸法を小さく抑えることが可能になる。更に、エア抜き管２３は、流出管２２の延長線上に配置されており、エア抜き方向Ｄ３（エア抜き管２３）と冷媒流出方向Ｄ２（流出管２２）とが同一の直線Ｌ２上にある。これにより、冷却器２０の第２方向Ｙの寸法を更に小さく抑えることが可能になる。また、流出ヘッダー管２６の一端部にエア抜き管２３を接続することによって、冷却器２０の構造を簡素化できる。
【００２５】
図５に示されるように、インバータ回路１００において、各半導体モジュール１１に内蔵されている半導体素子１２のスイッチング動作（オンオフ動作）が制御回路基板４０によって制御されて、直流電源Ｂ１の直流電力が交流電力に変換される。
【００２６】
本実施形態では、リアクトル３０及び半導体モジュール１１ａによって、インバータ回路１００の昇圧部１００ａが構成されている。この昇圧部１００ａは、直流電源Ｂ１の電圧を昇圧する機能を有する。一方で、コンデンサ３１及び半導体モジュール１１ｂによって、インバータ回路１００の変換部１００ｂが構成されている。この変換部１００ｂは、昇圧部１００ａで昇圧された後の直流電力を交流電力に変換する機能を有する。変換部１００ｂで得られた交流電力によって、車両走行用の三相交流モータＭが駆動される。
【００２７】
コンバータ３２は、直流電源Ｂ１に接続されており、直流電源Ｂ１の電圧を降圧して、直流電源Ｂ１よりも低圧の補助バッテリＢ２を充電するのに用いられる。補助バッテリＢ２は、車両に搭載される各種機器の電源として使用される。
【００２８】
次に、実施形態１の電力変換装置１の作用効果について図４を参照しつつ説明する。
【００２９】
この電力変換装置１の冷却器２０において、流入管２１から本体部２４の流入ヘッダー管２５に流入した冷媒は、その流れ方向をおよそ９０度転換して各冷却管２７を流れる。その後、各冷却管２７を流れた冷媒は、その流れ方向をおよそ９０度転換して本体部２４の流出ヘッダー管２６を流れた後、流出管２２から流出する。このとき、エア抜き管２３が設けられている位置Ｐは、流入管２１から本体部２４の流入ヘッダー管２５に流入した冷媒がその流れ方向を転換した後の位置である。
【００３０】
従って、この位置Ｐを流れる冷媒の勢いは、流入管２１から流入した後に流れ方向を転換する前の冷媒、即ち流入ヘッダー管２５を流れる冷媒の勢いよりも低下している。このため、前記の延長線Ｌ１上にエア抜き管２３を設ける場合に比べて、冷媒がエア抜き管２３に侵入するのを抑制することができる。また、エア抜き管２３の位置を適正に設定することのみによって対処可能であり別部材が必要にならないため構造が複雑化するのを防止できる。その結果、半導体モジュール１１を冷却する冷却器２０を流れる冷媒がエア抜き管２３に侵入するのを簡単な構造によって抑制することができる。
【００３１】
また、この冷却器２０の場合、本体部２４は、複数の半導体モジュール１１と積層される複数の冷却管２７を有する。これにより、半導体モジュール１１を冷却管２７によって効率良く冷却することができる。
【００３２】
（実施形態２）
実施形態２の電力変換装置は、実施形態１における冷却器２０に代えて、図６に示されるような冷却器１２０を備えている。その他の構成は、実施形態１と同様である。従って、ここでは冷却器１２０のみについて説明するものとし、その他の構成についての説明は省略する。また、図６において、図４に示される要素と同一の要素には同一の符号を付している。
【００３３】
冷却器１２０は、流入管２１、流出管２２、エア抜き管２３及び本体部１２４を備えている。流入管２１の一端部が本体部１２４に接続されている。流出管２２の一端部が本体部１２４に接続されている。エア抜き管２３の一端部が本体部１２４の所定の位置Ｐに接続されている。この位置Ｐは、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１の延長線Ｌ１（図６中の二点鎖線で示される仮想線）上から外れた位置である。
【００３４】
本体部１２４は、冷媒が流れる冷媒流路となる空間１２４ａを備えている。また、本体部１２４の外表面１２４ｂに、複数の半導体モジュール１１が取付けられている。要するに、この本体部１２４は、実施形態１における冷却器２０のように複数の配管を組み合わせてなり且つ複数の半導体モジュール１１と積層される複数の冷却管２７を有する本体部２４とは相違している。
【００３５】
この実施形態２によれば、実施形態１の場合と同様に、半導体モジュール１１を冷却する冷却器１２０を流れる冷媒がエア抜き管２３に侵入するのを簡単な構造によって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奏する。
【００３６】
本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記の実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。
【００３７】
上記の実施形態１では、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１と流出管２２における冷媒流出方向Ｄ２とが互いに逆方向であり、且つエア抜き管２３におけるエア抜き方向Ｄ３が冷媒流出方向Ｄ２と逆方向であり、且つエア抜き方向Ｄ３と冷媒流出方向Ｄ２とが同一の直線Ｌ２上にある構成について例示したが、本構成を図７〜図１０のように変更することもできる。
【００３８】
図７に示される第１変更例及び図８に示される第２変更例はいずれも、上記の冷却器２０において、エア抜き管２３を本体部２４のうち冷媒流出方向Ｄ２の延長線から外れた位置に配置した例である。このような配置を上記の冷却器１２０に適用することもできる。
【００３９】
図９に示される第３変更例は、上記の冷却器２０において、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１と流出管２２における冷媒流出方向Ｄ２を同方向とし、且つエア抜き管２３を本体部２４のうち冷媒流出方向Ｄ２の延長線から外れた位置に配置した例である。このような配置を上記の冷却器１２０に適用することもできる。
【００４０】
図１０に示される第４変更例は、上記の冷却器２０において、流入管２１における冷媒流入方向Ｄ１と流出管２２における冷媒流出方向Ｄ２を同方向とし、且つエア抜き管２３におけるエア抜き方向Ｄ３を冷媒流入方向Ｄ１と逆方向とした例である。このような配置を上記の冷却器１２０に適用することもできる。
【００４１】
これら第１〜第４変更例はいずれも、エア抜き管２３を設ける位置Ｐが冷媒流入方向Ｄ１の延長線Ｌ１上から外れた位置であるという要件を少なくとも備えているため、実施形態１及び２と同様に、冷媒がエア抜き管２３に侵入するのを簡単な構造によって抑制できるという作用効果を奏する。
【００４２】
また、実施形態１及び２、第１〜第４変更例のそれぞれにおいて、流入管２１及び流出管２２の双方が延在する平面と異なる平面上にエア抜き管２３が延在するように構成することもできる。例えば、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙによって規定される平面と交差する方向にエア抜き管２３が延在してもよい。
【００４３】
上記の実施形態では、冷却器の流入部、流出部及びエア抜き部が配管によって構成される場合について記載したが、冷却器の流入部、流出部及びエア抜き部が継手やフランジ等によって構成されてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１  電力変換装置
１１  半導体モジュール
１２  半導体素子
２０，１２０  冷却器
２１  流入管（流入部）
２２  流出管（流出部）
２３  エア抜き管（エア抜き部）
２４，１２４  本体部
２５  流入ヘッダー管
２６  流出ヘッダー管
２７  冷却管
Ｄ１  冷媒流入方向
Ｄ２  冷媒流出方向
Ｄ３  エア抜き方向
Ｌ１  延長線
Ｌ２  直線
Ｐ  位置
【図１】
0006512125.tif 000002
【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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