(57)【要約】【課題】  スイッチング素子の温度が限界を超えないように、効率的に冷却することができる冷却構造およびそれを用いた電力変換装置を提供する。【解決手段】  スイッチング素子７に沿うように位置し、スイッチング素子を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路５とを備え、その冷却媒体路が、スイッチング素子に対応する領域の流れを乱すための対応領域流れ乱し部１１を備える。【選択図】        図３
2008252969.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング動作を行うスイッチング素子と、
前記スイッチング素子に沿うように位置し、前記スイッチング素子を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路とを備え、
前記冷却媒体路が、前記スイッチング素子に対応する領域の流れを乱すための対応領域流れ乱し部を備えることを特徴とする、電力変換装置。
【請求項２】
前記冷却媒体路は、前記対応領域流れ乱し部として、前記スイッチング素子に対応する領域に集中的に、断面が円状の柱状フィンを複数有することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記冷却媒体路は、前記対応領域流れ乱し部として、前記スイッチング素子に対応する領域の下流側に、前記対応する領域に面するように位置する面状フィンを有することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記冷却媒体路は、前記対応領域流れ乱し部として、前記スイッチング素子に対応する領域の上流側に、その下流側の流れを乱す上流配置流れ乱し部を有することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記冷却媒体路は、前記対応領域流れ乱し部として、前記スイッチング素子の対応領域側の対向側の壁面に、前記冷却媒体路内に突き出す突出部を有し、前記冷却媒体を前記スイッチング素子側の対応領域壁面に向かわせることを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記冷却媒体路は、前記対応領域流れ乱し部として、前記スイッチング素子側の対応領域壁面に、前記冷却媒体の流れに沿って凹凸を繰り返す凹凸部を有することを特徴とする、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記スイッチング素子が、複数個、実装基板に実装され、前記冷却媒体路は前記実装基板に沿って位置し、前記対応領域流れ乱し部は前記スイッチング素子の対応領域ごとに形成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記冷却媒体路は、前記スイッチング素子の対向側の外面の平坦部に、前記スイッチング素子と異なる他の素子を配置することを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
平板状の被冷却部品に沿うように位置し、前記被冷却部品を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路を備え、
前記冷却媒体路が、前記被冷却部品に対応する領域の流れを乱すための対応領域流れ乱し部を備えることを特徴とする、冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置および冷却構造に関し、とくに自動車のモータの電力変換装置および冷却構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
自動車にはエンジンが圧倒的に多く用いられてきたが、化石燃料の高騰や、地球温暖化防止のためのＣＯ2排出量の抑制などを背景に、電気自動車やハイブリッド自動車が注目を集め、とくにハイブリッド自動車はエンジン車に比べて単位燃料当りの走行距離が高いために飛躍的にその台数を増やしている。ハイブリッド車等の自動車のモータには大きな電力が供給されるので、電力変換装置も大きな電力を扱うことになり、電力変換装置自体の電力損失を減らし、効率のよい電力変換を行う必要がある。このため電力変換装置には、電力のオン・オフを繰り返すスイッチとして動作する半導体デバイス、すなわちスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子は、オン状態で電圧ゼロ、またオフ状態で電流ゼロなので、オン・オフの電圧・電流のタイムラグが生じなければ消費電力はゼロである。しかし、実際はタイムラグが生じるため、スイッチング素子の電力の消費はゼロではなく、ロスとして熱が発生する。上記のハイブリッド自動車、燃料電池自動車などの電気自動車に搭載されるモータ駆動および電力回生用の電力変換装置では、バッテリーの大容量化、高速スイッチング化に伴い、上記の熱問題が深刻化している。
【０００３】
上記半導体素子の温度上昇は、自動車モータ用の電力変換装置に限られず、古くから問題とされ、多くの取り組みがなされてきた。たとえば、半導体装置の放熱に用いられる並列状の放熱フィンの放熱性を向上させるために、空気流が直線状に放熱フィン間隙を通過しないように、乱流発生用の邪魔板を取り付けた構造、または千鳥配列の円柱状フィンの構造が開示されている（特許文献１）。この構成によれば、斜めに取り付けた邪魔板または千鳥配列の円柱状フィンにより乱流が発生して放熱効果を高めることができる。
【特許文献１】特開２００１−３４５５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、自動車モータの電力変換装置に用いられるスイッチング素子は、年々性能が向上するにつれ小型化されるとともに、その小型化された素子に大電流が集中するため、発熱も局所的に突出して大きな形態をとる。このため、上記のような従来の冷却構造では、適切な対応をとることができない。すなわち、非常に大きな発熱箇所（スイッチング素子）が離散的にかつ局所的に配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、効果的に冷却する構造となっていない。換言すれば、上位従来の冷却構造は、スイッチング素子の配置箇所と、スイッチング素子が配置されない非配置箇所とを同一視して、隣接するスイッチング素子配置箇所と非配置箇所とを連続的に同様に冷却している。このため、自動車モータの電力変換装置におけるスイッチング素子に特有の発熱形態に対して、冷却技術が未だ十分に対応できていない。
【０００５】
本発明は、非常に大きな発熱箇所であるスイッチング素子が離散的に配置される発熱構造において、そのスイッチング素子の温度が限界を超えないように、効率的に冷却することができる冷却構造およびそれを用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電力変換装置は、スイッチング動作を行うスイッチング素子と、スイッチング素子に沿うように位置し、スイッチング素子を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路とを備える。そして、冷却媒体路が、スイッチング素子に対応する領域の流れを乱すための対応領域流れ乱し部を備えることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、冷却媒体路には、流れを乱す対応領域流れ乱し部が配置されるため、スイッチング素子対応領域では渦流の多い乱流が生じやすい。スイッチング素子対応領域に渦流の多い乱流が生じることにより渦流により熱が周囲に広がるようになる。このためスイッチング素子配置領域の熱抵抗は、対応領域流れ乱し部がない場合よりも減少し、放熱量が増大する。この結果、上記スイッチング素子配置領域の放熱性向上により、そのスイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。また、上記対応領域に狙いを定めて、対応領域流れ乱し部を設け、また他の領域では平坦な冷却媒体路により所定の放熱性を維持するので、放熱性を向上させながら冷却媒体路全体の圧力損失を抑制することができる。
【０００８】
なお、ここで、スイッチング素子対応領域は、スイッチング素子が１つの場合、平面的に見てスイッチング素子と重なるスイッチング素子側の壁面をさす。しかし、一まとまりの複数のスイッチング素子の場合には、その一まとまりのスイッチング素子が配置されている箇所に対応する領域をさす。また、対応領域流れ乱し部は、上記のスイッチング素子対応領域の流れを乱して、渦流を増大させるものであれば何でもよい。スイッチング素子対応領域以外の部分、とくに対応領域より下流域の渦流を増やすことは、当然、あってもよい。また、スイッチング素子に沿うように位置するとは、実装基板に実装されたスイッチング素子を実装基板を介在させてもよく、また実装基板の下に冷却板や筐体壁をさらに介在させる形態をも含むものである。冷却媒体路が、スイッチング素子モジュールの筐体内にその筐体の一部として形成されていてもよい。
【０００９】
上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、スイッチング素子に対応する領域に集中的に、断面が円状の柱状フィンを複数有することができる。この構成により、冷却媒体は何もなかった平坦な壁面に沿って流れていたのが、柱状フィンに衝突し分けられ柱状フィンの後方で再び会合して、柱状フィン後方で渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。このような渦流密度が高い乱流が複数の柱状フィンで生じるため、スイッチング素子対応領域において渦流が多い乱流が維持され、スイッチング素子対応領域における放熱性を向上することができる。この結果、スイッチング素子の温度上昇を抑制することができる。また、柱状フィンはスイッチング素子対応領域に集中的に配置され、他の領域では流れの障害物は何もないので、圧力損失を低く抑えることができる。柱状フィンを鏡面仕上げすることにより、摩擦損失を減少させ、ひいては圧力損失を軽減することができる。
【００１０】
上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、スイッチング素子に対応する領域の下流側に、その対応する領域（スイッチング素子対応領域）に面するように位置する面状フィンを有してもよい。この構成により、上流から流れてきた冷却媒体は面状フィンに当てって上記対応する部分に押し戻され、回り込みながら逆流する。このため、上記対応する領域では大きな渦流を伴う乱流状態が維持され、渦流は熱を受けながら上記面状フィンを回り次々に下流に流れ出るので高い放熱性が確保される。上記の面状フィンは、平面状でも曲面状でもよく、曲面状の場合、対応する部分に対して凹状に湾曲してもよい。上記の面状フィンは、冷却媒体の流れに対する配置角度、または曲面の曲面形状を調整することにより、圧力損失を抑えることができる。また、面状フィンを鏡面仕上げにすることによっても圧力損失を軽減することができる。
【００１１】
上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、スイッチング素子に対応する領域の上流側に、その下流側の流れを乱す上流配置流れ乱し部を有してもよい。この構成により、上流配置流れ乱し部の下流側に対応する領域において、冷却媒体は渦流の多い乱流状態となり、放熱性が向上する。なお、上流配置流れ乱し部は、仮に層流状態がある場合、その層流状態が確実に乱流状態に移行するほどのものであれば何でもよい。また、仮に乱流状態がある場合、その乱流状態における渦流よりも多くの渦流を導入できればそれでもよい。たとえば、対応領域の上流側において、流れ交差方向（斜め交差または直角交差）に延在または点在する凸状部または凹状部であってもよいし、スイッチング素子側壁面に設けられ、上記交差方向に延在または点在する網状体であってもよい。
【００１２】
上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、スイッチング素子対応領域側の対向側の壁面に、冷却媒体路内に突き出す突出部を有し、冷却媒体をスイッチング素子側の対応領域壁面に向かわせるようにしてもよい。この構成により、スイッチング素子側の対応領域壁面には渦流の多い乱流を生じ、対応領域に狙いを定めて、その領域の放熱性を向上させることができる。
【００１３】
上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、スイッチング素子側の対応領域壁面に、冷却媒体の流れに沿って凹凸を繰り返す凹凸部を有してもよい。この構成により、上記領域壁面において冷却媒体は渦流の多い乱流状態となり、放熱性を向上させることができる。スイッチング素子対応領域以外の場所では、平坦な壁面とすることにより、圧力損失を軽減することができる。
【００１４】
上記のスイッチング素子が、複数個、実装基板に実装され、冷却媒体路は実装基板に沿って位置し、対応領域流れ乱し部は前記スイッチング素子の対応領域ごとに形成される構成とすることができる。この構成により、離散的に配置されたスイッチング素子対応領域に狙いを定めて個別的に冷却することができる。この結果、冷却媒体路全体における圧力損失を大きく損なうことなく、各スイッチング素子の温度上昇を、狙いを定めた各対応領域の放熱性向上によって抑制することができる。なお、実装基板に沿って位置するとは、実装基板の下に冷却板、筐体壁等を介在させる形態を含む。
【００１５】
上記の冷却媒体路は、スイッチング素子の対向側の外面の平坦部において、スイッチング素子と異なる他の素子を配置する構成としてもよい。この構成により、電力変換用のスイッチング素子以外の素子を上記対向側の外面に配置して、冷却することができ、空間利用効率を高めることができる。
【００１６】
本発明の冷却構造は、平板状の被冷却部品に沿うように位置し、被冷却部品を冷却する冷却媒体を流す冷却媒体路を備える。そして、冷却媒体路が、被冷却部品に対応する領域の流れを乱すための対応領域流れ乱し部を備えることを特徴とする。
【００１７】
上記構成によれば、冷却媒体路には、対応領域の流れを乱す対応領域流れ乱し部が配置されるため、被冷却部品の対応領域では渦流の多い乱流が生じやすい。被冷却部品対応領域に渦流の多い乱流が生じることにより渦流により熱が周囲に広がるようになる。このため上記対応領域の熱抵抗が、対応領域流れ乱し部がない場合よりも減少し、放熱量が増大する。また、上記被冷却部品の対応領域に狙いを定めて、放熱性を向上させる対応領域流れ乱し部を設け、また他の領域では平坦な冷却媒体路により所定の放熱性を維持するので、被冷却部品の温度上昇を抑えながら、冷却媒体路全体の圧力損失を抑えることができる。
【００１８】
なお、ここで被冷却部品の対応領域は、被冷却部品が１つの場合、平面的に見て被冷却部品と重なる被冷却部品側の壁面をさすが、一まとまりの複数の被冷却部品の場合には、その一まとまりの被冷却部品が配置されている箇所に対応する領域をさす。また、対応領域流れ乱し部は、上記の被冷却部品対応領域の流れを乱して、渦流を増大させるものであれば何でもよい。被冷却部品対応領域以外の部分、とくに対応領域よりも下流域の渦流を増やすことは、当然、あってもよい。また、被冷却部品に沿うように位置するとは、実装基板に実装された被冷却部品を実装基板を介在させてもよく、また実装基板の下に放熱板や筐体壁をさらに介在させる形態をも含むものである。また冷却媒体路が、スイッチング素子モジュールの筐体内に、その筐体の一部として形成されてもよい。
【００１９】
上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、被冷却部品に対応する部分に集中的に、断面が円状の柱状フィンを複数有してもよい。この構成により、冷却媒体は何もなかった平坦な壁面に沿って流れていたのが、柱状フィンに衝突し分けられ柱状フィンの後方で再び会合して、柱状フィン後方で渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。このような渦流密度が高い乱流が複数の柱状フィンで生じるため、被冷却部品対応領域において渦流が多い乱流が維持され、被冷却部品対応領域における放熱性を向上することができる。この結果、被冷却部品の温度上昇を抑えることができる。また、柱状フィンは被冷却部品対応領域に集中的に配置され、他の領域では流れの障害物は何もないので、圧力損失を低く抑えることができる。柱状フィンを鏡面仕上げすることにより、摩擦損失を減少させ、ひいては圧力損失を軽減することができる。
【００２０】
また、冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、被冷却部品に対応する領域（被冷却部品対応領域）の下流側に、上記対応する領域に面するように位置する面状フィンを有してもよい。この構成により、上流から流れてきた冷却媒体は面状フィンに当てって上記対応する部分に押し戻され、回り込みながら逆流する。このため、上記対応する領域では大きな渦流を伴う乱流状態が維持され、渦流は熱を受けながら上記面状フィンを回り次々に下流に流れ出るので高い放熱性が確保される。上記の面状フィンは、平面状でも曲面状でもよく、曲面状の場合、対応する部分に対して凹状に湾曲してもよい。上記の面状フィンは、冷却媒体の流れに対する配置角度、または曲面の曲面形状を調整することにより、圧力損失を抑えることができる。また、面状フィンを鏡面仕上げにすることによっても圧力損失を軽減することができる。
【００２１】
また、冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、被冷却部品に対応する領域の上流側に、その下流側の流れを乱す上流配置流れ乱し部を有してもよい。この構成により、上流配置流れ乱し部の下流側の対応領域において、冷却媒体は渦流の多い乱流状態となり、放熱性が向上する。なお、上流配置流れ乱し部、仮に層流状態がある場合、その層流状態が確実に乱流状態に移行するほど大きな乱れを導入するものであれば何でもよい。また、仮に乱流状態がある場合、その乱流状態における渦流よりも多くの渦流を導入できればそれでもよい。たとえば、対応領域の上流側に位置して、流れ交差方向（斜め交差または直角交差）に延在または点在する凸状部または凹状部であってもよいし、スイッチング素子側壁面に設けられ、上記交差方向に延在または点在する網状体であってもよい。
【００２２】
また上記の冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、被冷却部品側の対応領域の対向側の壁面に、冷却媒体路内に突き出す突出部を有し、冷却媒体を前記被冷却部品側の対応領域壁面に向かわせる構成としてもよい。この構成により、被冷却部品側の対応領域壁面には渦流の多い乱流を生じ、対応領域に狙いを定めて、その領域の放熱性を向上させることができる。
【００２３】
また、上記冷却媒体路は、対応領域流れ乱し部として、被冷却部品側の領域壁面に、冷却媒体の流れに沿って凹凸を繰り返す凹凸部を有してもよい。この構成により、対応領域壁面において冷却媒体は渦流の多い乱流状態となり、放熱性を向上させることができる。対応領域以外の場所では、平坦な壁面とすることにより、圧力損失を軽減することができる。
【００２４】
さらに、上記の被冷却部品が、複数個、実装基板に実装され、冷却媒体路は実装基板に沿って位置し、対応領域流れ乱し部は被冷却部品の対応領域ごとに形成される構成としてもよい。この構成により、離散的に配置された被冷却部品の対応領域に狙いを定めて個別的に冷却することができる。この結果、狙いを定めた各対応領域の放熱性向上を得ながら、冷却媒体路全体における圧力損失を大きく損なうことがない。なお、実装基板に沿って位置するとは、実装基板の下に放熱板、筐体壁等を介在させる形態を含む。冷却媒体路が、スイッチング素子モジュール筐体内にその一部として形成されてもよい。
【００２５】
また、上記の冷却媒体路は、被冷却部品の対向側の外面に、スイッチング素子と異なる他の素子を配置するための平坦部を有してもよい。この構成により、被冷却部品以外の素子を上記対向側の外面に配置して、冷却することができ。空間利用効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
図１は、本発明の実施の形態における電力交換装置を説明するための図である。この電力変換装置１０は、ハイブリッド自動車のモータ用の端子である、Ｕ相端子、Ｖ相端子およびＷ相端子を有し、また発電機用の端子である、＋端子および−端子を有する。スイッチング素子７は、モータ用のスイッチング素子７ａ，７ｂと、発電機用のスイッチング素子７ｃとが配置される。モータ用スイッチング素子はＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)７ａと、還流ダイオード７ｂとがある。還流ダイオードはインダクタンスを含む図示しない負荷と並列に配置されるダイオードであり、負荷電流を平準化するために用いられる。本発明の実施の形態の説明において、厳密にはスイッチング素子ではないが、スイッチング素子とともに同じ回路に用いられる半導体素子もスイッチング素子と呼ぶこととする。これらスイッチング素子７ａ，７ｂ，７ｃは、図示を省略した実装基板上に実装され、その実装基板の下に放熱板３が配置される。上記のスイッチング素子７、実装基板等は、筐体３１に収納される。上記筐体３１内には、スイッチング素子７の上に絶縁板を介在させて、上記スイッチング素子のゲート信号を制御する半導体素子等が実装された、図示しない制御信号用実装基板が配置される。上記放熱板３の下にその放熱板３に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路５が設けられる。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。
【００２７】
図２は、本発明の実施の形態における電力変換装置の冷却構造を説明するための上面図である。上記放熱板３の下にその放熱板３に接するように、冷却媒体が流れる冷却媒体路５が設けられる。冷却媒体路５は、スイッチング素子モジュールの筐体３１の一部として形成されていてもよい。半導体スイッチング素子７ａ，７ｂは図示を省略した実装基板上に実装され、その実装基板の下に放熱板３が位置し、さらに放熱板３の下に平板状の冷却媒体路５が設けられている。冷却媒体には、不凍液であるエチレングリコール水溶液などを用いることができる。
【００２８】
図２において、スイッチング素子対応領域は、放熱板３の側またはスイッチング素子側の冷却媒体路の壁面であって、Ａ１のような範囲であってもよいし、Ａ２およびＡ３のような範囲であってもよいし、またＡ０のような範囲であってもよい。次に、本発明の実施の形態の電力変換装置について、各冷却構造の具体例にしたがって説明する。
【００２９】
（実施の形態１）
図３は、本発明の実施の形態１における冷却構造を説明する図である。本実施の形態では、スイッチング素子７の下方の冷却媒体路の上壁面５ａに断面が円状のフィン１１が集中して設けられている点に特徴がある。この複数のフィン１１が、本実施の形態における対応領域流れ乱し部である。上壁面５ａや底部壁面５ｂを含む冷却媒体路５は、スイッチング素子モジュールの筐体３１の一部として形成されていてもよい。図４はスイッチング素子の側からフィン１１を見た上面図である。また、図５は冷却媒体路の底面５ｂの側からフィン１１を見た下面図である。これらフィン１１により、冷却媒体は何もなかった平坦な壁面に沿って流れていたのが、柱状フィンに衝突し分けられ柱状フィンの後方で再び会合して、柱状フィン後方で渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。フィン１１は、放熱板３と一体成型加工で製作されることが望ましい。しかし、放熱板の対応領域の部分を別部品として、その別部品にフィン１１を一体成型加工で形成し、その別部品を放熱板の該当部分（孔部としてある）に嵌め入れて縁同士を溶接して形成してもよい。
【００３０】
このような渦流密度が高い乱流が複数の柱状フィンで生じるため、スイッチング素子対応領域において渦流が多い乱流が維持され、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。上記のような渦流の多い乱流の原因となったフィンは、冷却媒体との接触面積増大により、渦流増大による放熱性向上に加えてさらに放熱性を高めることになる。この結果、スイッチング素子７の温度上昇を効率よく抑えることができる。上記の柱状フィン１１はスイッチング素子対応領域に集中的に配置され、他の領域では流れの障害物は何もないので、圧力損失を抑えることができる。また、柱状フィンを鏡面仕上げすることにより、摩擦損失を減少させ、ひいては圧力損失を軽減することができる。
【００３１】
図３において、冷却媒体路５の底部壁の外面に平坦部２５を有する。この平坦部には、たとえば自動車エアコン用のＤＣコンバータ用半導体素子を配置して冷却することができる。この結果、自動車において非常に重要視される空間利用率の向上をはかることができる。他の実施の形態においても、冷却媒体路の底部壁の外面に平坦部を設けた構造を例示するが、上記図３の場合と同じ目的であるので、説明を繰り返さない。
【００３２】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における冷却構造を説明する図である。冷却媒体は、入口５ｕを通り冷却媒体路５の中に入り、出口５ｖを通って出てゆく。冷却媒体路５は、側部を側壁５ｄで囲まれ、半導体素子（スイッチング素子）７を実装する実装基板（図示省略）の下の放熱板３の下に位置している。これら冷却媒体路を構成する部分５ｕ，５ｖ，５ｄは、スイッチング素子モジュールの筐体３１の一部として形成されていてもよい。本実施の形態では、スイッチング素子対応領域の後縁（下流側）に位置し、スイッチング素子対応領域に面する面状フィンを、対応領域流れ乱し部として設けた点に特徴がある。
【００３３】
入口５ｕを入ってきた冷却媒体は、誘導フィン１２ｂによりスイッチング素子７の中央間隙に誘導される。中央間隙を進む冷却媒体は、スイッチング素子対応領域の下流側に位置し、スイッチング素子対応領域に面する面状フィン１２ａによりスイッチング素子領域へと回流される。このためスイッチング素子領域に大きな渦流が多く発生する。これら渦流は一部は対応領域を回流し、また他の一部は中央間隙を流れる流れに乗って熱を伴って流れ出てゆく。このためスイッチング素子から発生した熱はその対応領域において効率よく熱交換されて、渦流に乗って放散される。この結果、スイッチング素子７の温度上昇を効率よく抑えることができる。上記の面状フィン１２ａはスイッチング素子対応領域の下流側に集中的に配置され、他の領域では流れの障害物は何もないので、圧力損失を抑えることができる。
【００３４】
（実施の形態３）
図７および図８は、本発明の実施の形態３における冷却構造を説明するための図である。図７は冷却媒体の流れに沿った縦断面図であり、図８はスイッチング素子の側から見た上面図である。本実施の形態では、対応領域流れ乱し部として、対応領域の上流側に、流れの交差方向に延在する凸部（上流配置流れ乱し部）１３を設けた点に特色を有する。上記の凸部１３は、仮に層流状態がある場合、その層流状態を乱流状態に移行させるほど大きな乱れを導入するものであれば何でもよい。また、仮に乱流状態がある場合、その乱流状態における渦流よりも多くの渦流を導入できればそれでもよい。図８には、対応領域にの上流側に流れ交差方向に連続して延在する凸部１３を示すが、連続している必要はなく、途中が途切れて断続する凸部であってもよい。
【００３５】
冷却媒体は何もなかった平坦な壁面に沿って流れていたのが、凸部１３に押し出され、対応領域で渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。このような渦流密度が高い乱流が凸部１３の下流側で生じるため、スイッチング素子対応領域において渦流が多い乱流が維持され、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。上記のような渦流の多い乱流の原因となった凸部は、放熱板と簡単に一体成形加工で形成できる。また、スイッチング素子対応領域上流側に限定して設けるため、圧力損失は抑えられ、とくにその高さを加減することにより圧力損失を非常に小さく抑えることができる。
【００３６】
（実施の形態４）
図９および図１０は、本発明の実施の形態４における冷却構造を説明する図である。図９は流れ方向に沿った縦断面図であり、図８はスイッチング素子側から冷却媒体路を見た上面図である。本実施の形態では、スイッチング素子対応領域の上流側に、流れ交差方向に延在する網状体（上流配置流れ乱し部）１４を配置した点に特色を有する。網状体１４は、仮に層流状態がある場合、その層流状態を乱流状態に移行させるほど大きな乱れを導入するものであれば網目の大きさは問わない。また、仮に乱流状態がある場合、その乱流状態における渦流よりも多くの渦流を導入できればそれでもよい。網状体を形成する骨材も耐久性があれば何でも良い。図１０には、対応領域の上流側に流れ交差方向に連続して延在する網状体１４を示すが、連続している必要はなく、途中が途切れて断続する網状体であってもよい。
【００３７】
冷却媒体は何もなかった平坦な壁面に沿って流れていたのが、網状体１４の網目を通過せざるを得ず、網状体の網目を通ることにより渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。このような渦流密度が高い乱流が網状体１４の下流側で生じるため、スイッチング素子対応領域において渦流が多い乱流が維持され、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。上記のような渦流の多い乱流の原因となった網状体は、簡単に設けることができる。また、スイッチング素子対応領域上流側に限定して設けるため、圧力損失は低く抑えられる。
【００３８】
（実施の形態５）
図１１は、本発明の実施の形態５における冷却構造を説明するための縦断面図である。本実施の形態では、対応領域流れ乱し部として、対応領域の上流側に、流れの交差方向に延在する凹部（上流配置流れ乱し部）１５を設けた点に特色を有する。上記の凹部１３は、仮に層流状態がある場合、その層流状態を乱流状態に移行するほど大きな乱れを導入するものであれば何でもよい。また、仮に乱流状態がある場合、その乱流状態における渦流よりも多くの渦流を導入できればそれでもよい。対応領域の上流側に流れ交差方向に連続して延在する凹部でもよいが、連続している必要はなく、途中が途切れて断続する凹部であってもよい。
【００３９】
冷却媒体は、凹部１５に沿って流れ、凹部１５から出る際に冷却媒体路内へと押し出され、下流の対応領域で渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。このような渦流密度が高い乱流が凹部１５の下流側で生じるため、スイッチング素子対応領域において渦流が多い乱流が維持され、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。上記のような渦流の多い乱流の原因となった凹部は、放熱板への一体成型加工により簡単に形成できる。また、スイッチング素子対応領域上流側に限定して設けるため、圧力損失は抑えられる。
【００４０】
（実施の形態６）
図１２は、本発明の実施の形態６における冷却構造を説明するための縦断面図である。本実施の形態では、対応領域流れ乱し部として、対応領域に、流れの交差方向に延在する凹凸部または畝状部１６を設けた点に特色を有する。上記の畝状部１６は、仮に層流状態がある場合、その層流状態を確実に乱流状態に移行させるほど大きな乱れを導入するものであれば何でもよい。また、仮に乱流状態がある場合、その乱流状態における渦流よりも多くの渦流を導入できればそれでもよい。
【００４１】
冷却媒体は、畝状部１６の凹凸に沿って対応領域を流れるため、対応領域で渦流の多い乱流を生じる。次々に生じる渦流は熱を伴って次々に流れ出て行く。このような渦流密度が高い乱流が対応領域で生じるため、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。上記のような渦流の多い乱流の原因となった畝状部または凹凸部１６は、放熱板への一体成型加工により簡単に形成できる。また、スイッチング素子対応領域に限定して設けるため、圧力損失は抑えられる。
【００４２】
（実施の形態７）
図１３は、本発明の実施の形態７における冷却構造を説明するための縦断面図である。本実施の形態では、対応領域流れ乱し部として、対応領域の対向側の壁面５ｂに、冷却媒体路内に突き出す突出部１７を有し、冷却媒体をスイッチング素子７側の対応領域壁面に向かわせる構成とする点に特色を有する。この突出部１７により、冷却媒体は何もなかった平坦な壁面（底面）５ｂに沿って流れていたのが、突出部１７により対応領域側の壁面５ａに向かうように押し出される。押し出された冷却媒体は、冷却媒体の対応領域側壁面５ａに沿う流れと衝突し、干渉して多くの渦流を発生する。次々に生じる渦流はスイッチング素子で発生した熱を伴って次々に流れ出て行く。
【００４３】
このような渦流密度が高い乱流が対応領域壁面５ａに沿って生じるため、スイッチング素子対応領域において渦流が多い乱流が維持され、スイッチング素子対応領域に狙いを定めてその領域の放熱性を向上することができる。この結果、スイッチング素子７の温度上昇を効率よく制限することができる。上記の突出部１７はスイッチング素子対応領域の対向壁面５ｂにのみ配置され、他の領域では流れの障害物は何もないので、圧力損失を抑えることができる。また、突出部１７を鏡面仕上げすることにより、摩擦損失を減少させ、ひいては圧力損失を軽減することができる。
【００４４】
（実施の形態８）
図１４は、図２に示す流路の幅Ｗを仕切り壁２９で分けた変形例を示す図である。このような流路の幅の狭幅化は、実施の形態１〜７に示す冷却構造にも適用することができる。流路の狭幅化により、流路幅の位置による放熱性の変動を小さくでき、冷却媒体量を少なくすることができる。しかし、流路断面積の縮小および流路長さの増大による圧力損失の増大を生じ、また流路の入口側と出口側との冷却媒体の温度差の増大を招来する可能性がある。
【００４５】
上記本発明の実施の形態１〜８を例示して説明したが、本発明は上記実施の形態１〜８の例示に限定されるべきではない。対応領域流れ乱し部は、たとえば、スイッチング素子対応領域の冷却媒体の流れを乱し、渦流を多く発生させるものであれば、上記の例示に限定されない。要は、スイッチング素子対応領域に狙いを定めて、そのスイッチング素子対応領域のすべてまたは部分の冷媒の流れを乱し、渦流を多く発生させることができれば、すべてのものが対応する。換言すれば、本発明においては、スイッチング素子対応領域に狙いを定めて流れを乱すことにより、圧力損失を過度に大きくすることなく、スイッチング素子の温度上昇を抑制することにポイントがある。スイッチング素子対応領域および非対応領域の両方に対して、同じように放熱性を高めることは、圧力損失を過度に大きく害することになり、本発明と相容れない。
【００４６】
しかし、レイノルズ数の定義Ｒｅ＝（Ｖ・ｘ）／ν（ここでＶ＝流速、ｘ＝流れ始点からの距離（または典型長さ）、ν＝動粘性））から知れるように、層流の下流側では乱れ要因が次第に拡大して、層流で始まってもいずれは乱流になることが避けられない。すなわちｘが長ければ、Ｒｅは必ず層流限界値と見られる値を超えることになり、層流から乱流へと遷移する。これは乱れ要因が確率的に累積拡大することを意味するもので、自然の摂理にかなっている。本発明の対応領域流れ乱し部は、そのような不可避的に発生する乱流の発生を対象にするのではなく、乱流か層流かは問題にせず、対応領域の流れを積極的に乱し、渦流が数多く発生することを助長するもの（部分）であれば何でも良い。
【００４７】
上記において、本発明の実施の形態および実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態および実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明の電力変換装置および冷却構造では、大きな発熱体であるスイッチング素子または被冷却部品に狙いを定めて、その対応領域における放熱性を高めるよう対応領域流れ乱しを設け、非対応領域の放熱性については対象にしない(結果的に非対象箇所の放熱性が向上するのはかまわない）ので、圧力損失を大きく害することなく、そのスイッチング素子または被冷却部品の温度上昇を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態における電力変換装置を説明する図である。
【図２】図１の電力変換装置における冷却媒体路を説明する図である。
【図３】本発明の実施の形態１における冷却構造を示す図である。
【図４】図３の冷却構造をスイッチング素子側から見た上面図である。
【図５】図３の冷却構造を冷却媒体路の底面側から見た下面図である。
【図６】本発明の実施の形態２の冷却構造を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態３における冷却構造を示す図である。
【図８】図７の冷却構造の上面図である。
【図９】本発明の実施の形態４における冷却構造を示す図である。
【図１０】図９の冷却構造の上面図である。
【図１１】本発明の実施の形態５における冷却構造を示す図である。
【図１２】本発明の実施の形態６における冷却構造を示す図である。
【図１３】本発明の実施の形態７における冷却構造を示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態８における冷却構造を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
３  放熱板、５  冷却媒体路（流路）、５ａ  上壁面、５ｂ  底部壁面（対向側壁面）、５ｄ  側壁、５ｕ  入口、５ｖ  出口、７  スイッチング素子、７ａ  ＩＧＢＴ（スイッチング素子）、７ｂ  還流ダイオード（スイッチング素子）、７ｃ  スイッチング素子、１１  フィン、１２ａ  面状フィン、１２ｂ  誘導フィン、１３  凸部（層流かく乱部）、１４  網状体（層流かく乱部）、１５  凹部（層流かく乱部）、１６  凹凸部または畝状部（層流かく乱部）、１７  突出部、２５  冷却媒体路の底部壁外面の平坦部、２９  仕切り壁、３１  筐体、Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３  スイッチング素子対応領域。
【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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