(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却水が流れる流路を備えた金属製のケースと、前記ケースに固定された半導体モジュールとを有し、
前記半導体モジュールは、直流電力を交流電力に変換する複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子を搭載するための金属製ベースと、を有しており、
前記流路は、給水管入口と冷却部と排出管出口とを有し、
前記流路の冷却部は、冷却水の流れに垂直な流路の断面形状が四角形で、その幅方向がその深さ方向より大きい形状を成していて、
前記給水管入口と前記冷却部との間の流路形状は、冷却水の流れに沿って、深さ方向が徐々に減少し、幅方向が徐々に増大するように変化する形状を成し、
前記ケースは、前記流路の前記冷却部と繋がる開口を形成し、
前記金属製ベースは、前記ケースの開口より大きく形成されており、かつ前記ケースの外面に固定されて当該開口を塞ぎ、
前記ケースの開口が形成された側を流路内上部と定義し、前記流路を介して前記流路内上部の反対側を流路内下部と定義した場合、前記給水管入口と前記冷却部との間の流路形状における深さ方向の減少は、当該流路内下部が、冷却水の流れに沿って前記流路内上部側に近づくことにより形成され、
前記金属製ベースの前記半導体素子が搭載された面から投影した場合に、前記給水管入口と前記冷却部との間の流路形状における深さ方向の減少の終端部は、その投影部が前記ケースの開口の投影部と重なるように形成される車両用インバータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載された車両用インバータ装置であって、
前記金属製ベースは、長手方向の辺と短手方向の辺とで構成され、かつ当該金属製ベースは当該長手方向の辺が前記冷却水の流れに沿うように前記流路の冷却部に固定され、
前記複数の半導体素子は、前記金属製ベースは長手方向の辺に沿って、Ｕ相を構成する半導体素子、Ｖ相を構成する半導体素子、Ｗ相を構成する半導体素子の順に前記金属製ベースに搭載される車両用インバータ装置。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれかに記載の車両用インバータ装置であって、
前記金属製ベースは、一方の面に冷却用のフィンを有し、かつ他方の面に前記複数の半導体素子を搭載し、さらに前記ケースの前記開口から当該フィンが流路内に突出し、
前記金属製ベースの前記半導体素子が搭載された面から投影した場合に、前記フィンは、その投影部が前記流路の冷却部の投影部よりも内側になるように形成される車両用インバータ装置。
【請求項４】
請求項２又は３のいずれかに記載の車両用インバータ装置であって、
前記フィンの高さは、前記冷却部の流路深さと同一であることを特徴とする車両用インバータ装置。
【請求項５】
請求項２ないし４のいずれかに記載の車両用インバータ装置であって、
前記フィンは、前記冷却水の流れ方向に沿って平行に複数形成され、隣り合うフィンどうしの間隔は一定であることを特徴とする車両用インバータ装置。
【請求項６】
請求項１に記載の車両用インバータ装置であって、
前記ケースに形成された冷却水が流れる流路は、前記給水管入口と排出管出口との間に、第１と第２の２つの冷却部を有し、前記第１の冷却部には直流電力を交流電力に変換する第１の半導体モジュールが固定され、前記第２の冷却部には直流電力を交流電力に変換する第２の半導体モジュールが固定され、
前記第１と第２の２つの冷却部にはそれぞれ第１と第２の開口が形成され、
前記第１の開口から前記第１の半導体モジュールのフィンが流路内に突出すると共に前記第１の開口は前記第１の半導体モジュールの金属製ベースにより塞がれ、前記第２の冷却部に形成された前記開口から前記第２の半導体モジュールのフィンが流路内に突出すると共に前記第２の開口は前記第２の半導体モジュールの金属製ベースによってふさがれており、
前記第１と第２の２つの冷却部は冷却水の流れ方向において曲線形状の流路で繋がっていることを特徴とする車両用インバータ装置。
【請求項７】
請求項６に記載の車両用インバータ装置であって、
前記第１と第２の２つの冷却部は、冷却水の流れの方向に沿って平行に配置されていることを特徴とする車両用インバータ装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の車両用インバータ装置を搭載した電動車両であって、
車両に搭載され、かつ前記直流電力を供給する電源と、
前記車両に搭載され、かつ前記冷却水を冷却する冷却装置と、を備え、
電動ポンプは、前記冷却装置から供給された前記前記冷却水を、電動機より先に、前記車両用インバータの前記給水管に供給する電動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両用インバータ装置及び電動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱体を冷却するための冷却媒体を流通させるための流路を内部に備えた従来の電気機器、例えば水冷インバータとしては、例えば特開平１０−２２４２８号公報の図８に記載されているように、モジュール基板の冷媒室に接する側の面に複数列のフィンが形成し、フィンの列は冷媒流入口から冷媒流出口に向かう方向を長手方向として並び、冷媒流れ方向には連続したフィンとして形成されたものが知られている。また、ここで、冷媒流入口の幅に対して、冷媒室の幅が広いため、冷媒室における冷媒の流量を均一にして、均一な冷却を可能にするため、冷媒流入口と冷媒室との間に、冷媒のたまり部を形成することが知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開平１０−２２４２８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、特開平１０−２２４２８号公報記載の構造について、本発明者らが検討したところ、流路の圧力損失が増大するという問題点があることが判明した。すなわち、特開平１０−２２４２８号公報記載のものでは、冷媒流入口の流路深さよりもフィン列の流路深さが小さい構造であるが、さらに、入口流路とフィン列の流路の間、及びフィン列の流路と出口流路の間に、それぞれ、たまり部を設けることにより、このたまり部では、入口流路とフィン列の流路との間で流路深さが急激に変化するため圧力損失が発生する。また、同様にして、フィン列の流路と出口流路との間でも流路深さが急激に変化するため圧力損失が発生する。これらの圧力損失は、流路に冷媒を送り出すポンプの負荷を増加させ、ポンプの体格を大きくするという問題点を生じることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減する流路構造を有する車両用インバータ装置及び電動車両を提供する。
【０００６】
（１）上記目的を達成するために、本発明は、冷却水が流れる流路を備えた金属製のケースと、前記ケースに固定された半導体モジュールとを有し、前記半導体モジュールは、直流電力を交流電力に変換する複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子を搭載するための金属製ベースと、を有しており、前記流路は、給水管入口と冷却部と排出管出口とを有し、前記流路の冷却部は、冷却水の流れに垂直な流路の断面形状が四角形で、その幅方向がその深さ方向より大きい形状を成していて、前記給水管入口と前記冷却部との間の流路形状は、冷却水の流れに沿って、深さ方向が徐々に減少し、幅方向が徐々に増大するように変化する形状を成し、前記ケースは、前記流路の前記冷却部と繋がる開口を形成し、前記金属製ベースは、前記ケースの開口より大きく形成されており、かつ前記ケースの外面に固定されて当該開口を塞ぎ、前記ケースの開口が形成された側を流路内上部と定義し、前記流路を介して前記流路内上部の反対側を流路内下部と定義した場合、前記給水管入口と前記冷却部との間の流路形状における深さ方向の減少は、当該流路内下部が、冷却水の流れに沿って前記流路内上部側に近づくことにより形成され、 前記金属製ベースの前記半導体素子が搭載された面から投影した場合に、前記給水管入口と前記冷却部との間の流路形状における深さ方向の減少の終端部は、その投影部が前記ケースの開口の投影部と重なるように形成されるものである。  
かかる構成により、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減し得るものとなる。
【０００７】
（２）前記（１）において、好ましくは、前記金属製ベースは、長手方向の辺と短手方向の辺とで構成され、かつ当該金属製ベースは当該長手方向の辺が前記冷却水の流れに沿うように前記流路の冷却部に固定され、前記複数の半導体素子は、前記金属製ベースは長手方向の辺に沿って、Ｕ相を構成する半導体素子、Ｖ相を構成する半導体素子、Ｗ相を構成する半導体素子の順に前記金属製ベースに搭載されるものである。
（３）前記（１）又は（２）において、好ましくは、前記金属製ベースは、一方の面に冷却用のフィンを有し、かつ他方の面に前記複数の半導体素子を搭載し、さらに前記ケースの前記開口から当該フィンが流路内に突出し、前記金属製ベースの前記半導体素子が搭載された面から投影した場合に、前記フィンは、その投影部が前記流路の冷却部の投影部よりも内側になるように形成されるものである。
【０００８】
（４）前記（２）又は（３）において、好ましくは、前記フィンの高さは、前記冷却部の流路深さと同一である。
【０００９】
（５）前記（２）ないし（４）において、好ましくは、前記フィンは、前記冷却水の流れ方向に沿って平行に複数形成され、隣り合うフィンどうしの間隔は一定である。
【００１０】
（６）前記（１）において、好ましくは、前記ケースに形成された冷却水が流れる流路は、前記給水管入口と排出管出口との間に、第１と第２の２つの冷却部を有し、前記第１の冷却部には直流電力を交流電力に変換する第１の半導体モジュールが固定され、前記第２の冷却部には直流電力を交流電力に変換する第２の半導体モジュールが固定され、前記第１と第２の２つの冷却部にはそれぞれ第１と第２の開口が形成され、前記第１の開口から前記第１の半導体モジュールのフィンが流路内に突出すると共に前記第１の開口は前記第１の半導体モジュールの金属製ベースによりふさがれ、前記第２の冷却部に形成された前記開口から前記第２の半導体モジュールのフィンが流路内に突出すると共に前記第２の開口は前記第２の半導体モジュールの金属製ベースによってふさがれており、前記第１と第２の２つの冷却部は冷却水の流れ方向において曲線形状の流路で繋がっているものである。  
【００１１】
（７）前記（６）において、好ましくは、前記第１と第２の２つの冷却部は、冷却水の流れの方向に沿って平行に配置されている。
【００１３】
（８）前記（１）ないし（７）に記載のいずれかの車両用インバータ装置を搭載した電動車両であって、好ましくは、車両に搭載され、かつ前記直流電力を供給する電源と、前記車両に搭載され、かつ前記冷却水を冷却する冷却装置と、を備え、電動ポンプは、前記冷却装置から供給された前記前記冷却水を、電動機より先に、前記車両用インバータの前記給水管に供給するものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
最初に、図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
ここで、図１を用いて、本実施形態によるインバータ装置の全体構成について説明する。本実施形態による水冷インバータは、環境対応自動車などの車載用に用いられる。
【００２５】
図１（Ａ）は、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置の６アーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれ上・下アーム）モジュールの平面図である。図１（Ｂ）は、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図１（Ｃ）は、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図１（Ｂ）のＡ−Ａ’断面図である。
【００２６】
図１（Ａ）に示すように、モジュール１００は、半導体素子１０３，１０４と基板１０２と、銅ベース１０１とから構成される。半導体素子１０３，１０４は、それぞれ、通常、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）とＦＷＤ
（Free Wheeling Diode）で構成される。インバータ装置は、自動車のバッテリ
ー等の直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するものであり、半導体素子１０３がＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御などによりスイッチングすることで、モータに交流電力を供給し、モータを駆動する。
【００２７】
銅ベース１０１の上には、図示の例では、６個の基板１０２が搭載され、６アームモジュールを構成している。個々の基板１０２の上には、それぞれ、３個の半導体素子１０３と、２個の半導体素子１０４が搭載される。基板１０２の大きさは、たとえば、２７ｍｍ×５５ｍｍ程度である。半導体素子１０３の大きさは、たとえば、９ｍｍ□程度であり、半導体素子１０４の大きさは、たとえば、６ｍｍ□程度である。基板１０２は、窒化アルミ板の表裏面に銅箔をロウで貼り付けた構造をしている。ここで、基板１０２には、１基板に２アーム（例えば、Ｕ相の上アームと下アーム）が搭載された構成でもよいものである。
【００２８】
図１（Ｃ）に示すように、基板１０２の上に、半導体素子１０３，１０４がハンダ１０６を介して搭載される。基板１０２は、銅ベース１０１上にハンダ１０７を介して搭載される。銅ベース１０１の大きさは１００ｍｍ×２３０ｍｍ程度である。銅ベース１０１上にはネジ留めのためのネジ穴１０５が形成されており、その大きさはＭ６程度である。モジュール１００は、アルミダイカストで形成されるケース１１０の上に、グリース１０８を介してネジ１１１で留めて接着される。
【００２９】
図１（Ｃ）に示すように、ケース１１０の内部に、ハッチングで示す流路１２０が形成される。流路１２０の形状は、図１（Ｃ）および図１（Ｂ）に示す形状となっている。図１（Ｃ）に示すように、ケース１１０の中央部で、半導体１０３，１０４が載置される箇所の下の部分（ここを「冷却部」と称する）には、ケース１１０と一体成形されたフィン１０９が形成されている。
【００３０】
図１（Ｂ）に示すように、フィン１０９は、流路１２０の長手方向に平行に形成されている。図示する例では、１３本の互いに平行なフィン１０９が設けられている。フィン１０９の幅Ｗｆ１は、たとえば、２．５ｍｍである。
【００３１】
図１（Ｂ）に示すように、流路１２０に対して、モジュール１００は、太い点線で示す位置に搭載される。電動ウォーターポンプ（図示せず）から流路１２０に冷却水であるＬＬＣ（Ｌｏｎｇ  Ｌｉｆｅ  Ｃｏｏｌａｎｔ）が供給されることによって冷却される。電動ウォーターポンプの最大流量は毎分２０リットル、最大圧力損失は１４ｋＰａ程度である。
【００３２】
流路１２０の左側の端部には、ラジエターに接続される給水パイプが接続される。流路１２０は、給水管１１２と、部分構造管１１３と、冷却部１１４と、部分構造管１１５と、排水管１１６とから構成されている。冷却部１１４の中央部には、フィン間流路１１８が形成される。排水管１１６の右側の端部には、ラジエターに接続される排水パイプが接続される。
【００３３】
ここで、さらに、図２も用いて、流路１２０の形状について説明する。  
図２は、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。
【００３４】
給水管入口２００には、ラジエターに接続される給水パイプが接続される。給水管入口２００の直径Ｒ１は、たとえば、１７ｍｍである。給水管１１２は、四角柱形状であり、高さＨ１は、たとえば、１７ｍｍであり、幅Ｗ１は、たとえば、１７ｍｍである。長さＬ１は、たとえば、１０ｍｍである。
【００３５】
給水管１１２から冷却部１１４に至る部分構造管１１３の断面流路形状は、おおよそ冷却部１１２の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大して、給水管１１２と冷却部１１４とを接続する形状になっている。すなわち、部分構造管１１３では、流路断面２０２から流路断面２０３へ流路幅（長辺）方向に徐々に広がり、流路深さ（短辺）方向に徐々に狭まる構造となっている。流路断面２０２の幅は、幅Ｗ１に等しく、たとえば、１７ｍｍである。流路断面２０３の幅Ｗ２は、たとえば、６０ｍｍである。部分構造管１１３の長さＬ２は、たとえば、２３ｍｍである。流路幅方向への拡大の変化率及び流路深さ方向への縮小の変化率はほぼ一定である。部分構造管１１３の流路深さ方向に狭まる角度，すなわち、冷却部１１４の周壁と部分構造管１１３の周壁のなす角度θ１は、３０°である。この角度θ１は、圧力損失低減のため４５°以下が望ましいものである。部分構造管１１３の流路幅方向に広がる角度，すなわち、冷却部１１４の周壁と部分構造管１１３の周壁のなす角度θ２は、３０°である。この角度θ２は、圧力損失低減のため４５°以下が望ましいものである。
【００３６】
冷却部１１４の中には、ケース１１０と一体成型されたフィン１０９が存在するフィン間流路１１８が形成される。フィン１０９のフィン幅Ｗｆ１は、たとえば、２．５ｍｍであるのに対して、フィン間隔Ｗｆ２は、たとえば、２ｍｍであい、フィン高さは、たとえば、５ｍｍである。流量が毎分２０リットルのとき、フィン間流路１１８での流速は２．５ｍ／ｓ程度となる。フィン間流路１１８の長さＬ４は、たとえば、１５０ｍｍであり、その前後の冷却部１１４の長さＬ３，Ｌ５は、たとえば、１０ｍｍである。
【００３７】
フィン１０９を通ったＬＬＣは、部分構造管１１５において、流路断面２０４から流路断面２０５へ流路幅方向に３０°で狭まり、流路深さ方向に徐々に広がる。さらに、排水管１１６から直径１７φの排水管出口２０１に流れる。部分構造管１１５の流路深さ方向に広がる角度についても４５°以下が望ましい。部分構造管１１５の長さＬ６は、たとえば、２３ｍｍである。流路断面２０４の幅および高さは、流路断面２０３に等しく、流路断面２０５の幅および高さは、流路断面２０２に等しくしている。排水管１１６の幅Ｗ４は、たとえば、１７ｍｍであり、高さＨ４は、たとえば、１７ｍｍである。
【００３８】
また、流路の圧力損失を低減するため、部分構造管１１３がなす角度θ１は、部分構造管１１５がなす角度θ３よりも小さいことが望ましいものである。例えば、上述の例では、角度θ１が３０°であり、角度θ３も３０°であるが、角度θ１を２０°にするものである。これによって、流路の全長は長くなるものの、さらに、圧力損失を低減することができる。なお、流路の全長を短くしたい場合には、例えば、角度θ１が３０°であり、角度θ３が３０°の場合に対して、角度θ３を４０°にすることにより、圧力損失は若干増えるものの流路長を短くして、インバータ装置を小型化することができる。なお、ケース１１０は、鋳物であるため、それぞれの角にはコーナーＲ（Ｒ＝１ｍｍ程度）が付き、実際には角抜きのための勾配も数°程度ついている。
【００３９】
ここで、図３を用いて、従来例における流路構造について説明する。  
図３は、従来例における流路の形状を示す斜視図である。
【００４０】
図３に示す流路構造の流路３００は、給水管入口２００から流路入口１１２を通って部分構造部３０１に入る。流路断面３０５から流路断面３０６へは、流路幅方向には広がっているが、流路深さ方向には変化しないものである。排水管側に関しても、流路断面３０７から流路断面３０８へは、流路幅方向には狭まっているが、流路深さ方向には変化しない。また、給水管側には部分構造部３０１と冷却部１１４の間にたまり部３０３が存在し、排水管側にも冷却部１１４と部分構造部３０２の間にたまり部３０４が存在する。ＬＬＣは部分構造部３０２から排水管１１６を経て、排水管出口２０１から排出される。
【００４１】
次に、図４を用いて、本実施形態による流路構造を用いた場合の流路断面積の変化について、従来例と対比して説明する。  
図４（Ａ）は、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造の流路断面積の変化を示す図である。同図（Ｂ）は、従来例の流路断面積の変化を示す図である。
【００４２】
図４（Ａ）において、横軸は、流路１２０の長手方向の位置Ｘを示している。縦軸は、流路断面積Ｓである。図中、ｘ１は、図２の給水管入口２００の位置であり、この位置で、流路断面形状が１７φから１７ｍｍ□に変化する場合、流路断面積は、Ｓ２（２２７ｍｍ２）からＳ３（２８９ｍｍ２）に急に変化する。位置ｘ２は、図２の流路断面２０２の位置である。また、位置ｘ３は、図２の流路断面２０３の位置である。位置ｘ２〜位置ｘ３は、部分構造管１１３を用いているため、流路断面積は、Ｓ３（２８９ｍｍ２）からＳ４（３００ｍｍ２）に徐々に変化する。位置ｘ４〜ｘ５は、フィン間流路１１８が形成される位置である。位置ｘ４では、断面積Ｓ４（３００ｍｍ２）からＳ１（１５０ｍｍ２）に急に変化する。位置ｘ６は、図２の流路断面２０４の位置であり、位置ｘ７は、流路断面２０５の位置である。位置ｘ６〜位置ｘ７は、部分構造管１１５を用いているため、流路断面積は、Ｓ４（３００ｍｍ２）からＳ３（２８９ｍｍ２）に徐々に変化する。位置ｘ８は、図２の排水管出口２０１の位置であり、この位置で、流路断面形状が１７ｍｍ□から１７φに変化する場合、流路断面積は、Ｓ３（２８９ｍｍ２）からＳ２（２２７ｍｍ２）に急に変化する。
【００４３】
図４（Ｂ）において、図中、位置ｘ２は、図３の流路断面３０５の位置である。また、位置ｘ９は、図３の流路断面３０６の位置である。位置ｘ２〜位置ｘ９では、流路断面積は、Ｓ３（２８９ｍｍ２）からＳ５（１０２０ｍｍ２）に変化する。位置ｘ３は、冷却部１１４の入口であり、位置ｘ３では、断面積Ｓ５（１０２０ｍｍ２）からＳ４（３００ｍｍ２）に急に変化する。同様にして、位置ｘ６は、図３の冷却部１１４の出口の位置であり、位置ｘ１０は、流路断面３０７の位置であり、位置ｘ７は、流路断面３０８の位置である。位置ｘ１０〜位置ｘ７は、流路断面積は、Ｓ５（１０２０ｍｍ２）からＳ３（２８９ｍｍ２）に急激に変化する。
【００４４】
次に、図５を用いて、本実施形態による流路構造を用いた場合の冷却部以外の圧力損失について、従来例と比較して説明する。  
図５は、本発明の第１の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造を用いた場合の冷却部以外の圧力損失値の説明図である。縦軸は、冷却部以外の圧力損失値（ｋＰａ）を示している。
【００４５】
図中、（Ｘ）は、図３に示した従来例の流路構造による圧力損失値であり、部分構造部３０１，３０２とたまり口３０３，３０４の存在により、これらと冷却部１１４との間で流路形状及び断面積に急激な変化が生じる。図３の冷却部１１４以外の圧力損失値を測定すると２．４ｋＰａであった。この圧力損失値は、熱伝達にまったく寄与しておらず、できるだけ小さくすることが望まれる。
【００４６】
一方、図中、（Ｙ）が本実施形態による流路構造の場合であり、部分構造管１１３，１１５を流路幅及び流路深さ方向に徐々に変化することで、部分構造管１１３，１１５と冷却部１１４との間で流路断面形状及び断面積の急激な変化を回避することができ、圧力損失が低減できる。本例の冷却部１１４以外の圧力損失値を測定すると０．５ｋＰａとなり、図３の２．４ｋＰａから約１／５に低減することができた。冷却部１１４の圧力損失値は図２と図３で変化はなく、モジュール１００の放熱能力は同じである。
【００４７】
また、図２に示したように、部分構造管１１３は、流路幅及び流路深さ方向に徐々に変化する構成としているので、給水パイプ（１７φ）に対して、冷却部の幅Ｗ２（６０ｍｍ）が広い場合でも、冷却部１１４における冷媒（冷却水）の流量を均一にして、均一な冷却を可能にすることができる。即ち、本実施形態により、流路の熱伝達特性を悪化させることなく、流路の圧力損失を低減することができた。したがって、ポンプを小型化することができる。また、圧力損失の低減により、インバータをより高効率に冷却することが可能になるので、インバータの小型化を実現することができる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路に、冷却部の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大する断面形状の部分構造部を設け、また、冷却部から排水管出口に至る流路に、冷却部の短辺から徐々に拡大し、長辺から徐々に縮小する断面形状の部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【００４９】
次に、図６を用いて、本発明の第２の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。本実施形態による水冷インバータの全体構成は、図１に示したものと同様である。  
図６は、本発明の第２の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。なお、図２と同一符号は、同一部分を示している。
【００５０】
流路５００を構成する給水管５０１，排水管５０４は、それぞれ、給水管入口２００，排水管出口２０１の直径と同じ直径を持つ円筒である。部分構造部５０２は、断面流路５０５から断面流路５０６へ流路幅方向に徐々に拡大し、流路深さ方向に徐々に縮小する構造を有している。また、部分構造部５０３は、断面流路５０７から断面流路５０８へ流路幅方向に徐々に縮小し、流路深さ方向に徐々に拡大する構造を有している。部分構造部５０２，５０３は入れ子構造とするか、あるいはモジュールに接する面のみ開口部を設けて半円筒と直方体の組合せとしても良いものである。
【００５１】
本実施形態では、図２に示した構造に比べて、圧力損失値をさらに低減できる。これは、給水管５０１は円形断面を有し、ラジエターに接続された給水パイプと同じ直径とすることにより、この部分における圧力損失が生じないし、また、部分構造部５０２は、徐々に断面積が変化する構造であるため、圧力損失を少なくできる。冷却部１１４以外の圧力損失値を測定したところ、０．３ｋＰａと、図２に示した構造の圧力損失０．５ｋＰａよりさらに低減することができた。したがって、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。また、給水管，排水管の形状を円筒形状とすることにより、さらに、圧力損失を低減することができる。
【００５３】
次に、図７を用いて、本発明の第３の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図７（Ａ）は、本発明の第３の実施形態によるインバータ装置の６アーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれ上・下アーム）モジュールの平面図である。図７（Ｂ）は、本発明の第３の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図７（Ｃ）は、本発明の第３の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図７（Ｂ）のＢ−Ｂ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５４】
本実施形態のインバータ装置では、フィン付き直冷モジュール構造を持つ水冷インバータとしている。すなわち、銅ベース６０１には、フィン６０２が一体的に形成されている。ケース１１０の上部の中央には、開口部が形成されている。この開口部にフィン６０２を挿入するようにして、モジュール６００をケース１１０にネジ１１１によって留めることで、流路６０３が形成される。フィン６０２のサイズは、図１に示したフィン１０９と同等である。このように、銅ベース６０１にフィン６０２を一体的に形成することにより、モジュール６００の銅ベース６０１に冷却水を直接当てる直冷方式として、冷却効率を向上することができる。なお、モジュール６００は、通常、ネジ留めとＯリング（図示せず）によって、流路から高圧部への漏水を防止しているが、溶接やＦＳＷ（Friction 
Stirring Welding）によって被水を防いでも良いものである。
【００５５】
流路部分１１２，１１３，１１４，１１５，１１６は、図１，図２に示したものとほぼ同じであり、部分構造部１１３，１１５を設けるようにしている。なお、銅ベース６０１によって流路を形成する構成とした結果、ケース１１０の上板の中央部よりの端部１１０Ａにおいて、上板の板厚ｔ１（例えば、２ｍｍ）分だけ流路の幅が狭くなり、圧力損失が生じる恐れがあるため、端部１１０Ａに対応する部分に、コーナーＲ１１７を設けて、圧力損失を低減するようにしている。
【００５６】
図７に示した形状の流路構造において、冷却部１１４以外の圧力損失値を測定すると０．６ｋＰａであった。図２に示した構造よりは、０．１ｋＰａほど圧力損失が大きくなるものの、従来構造より低減できており、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。一方、直冷構造とすることにより、冷却効率を向上できている。
【００５７】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。また、直冷方式とすることにより、冷却効率を向上することができる。
【００５８】
次に、図８を用いて、本発明の第４の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図８（Ａ）は、本発明の第４の実施形態によるインバータ装置の６アーム（Ｕ，Ｖ，Ｗ相のそれぞれ上・下アーム）モジュールの平面図である。図８（Ｂ）は、本発明の第４の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図８（Ｃ）は、本発明の４の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図８（Ｂ）のＣ−Ｃ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００５９】
本実施形態のインバータ装置では、フィンレスの直冷モジュール構造を持つ水冷インバータとしている。すなわち、銅ベース１００は、フィンのない平板である。そして、その点以外の構成は、図６に示した構成と同じものである。冷却方式も直冷方式である。モジュール１００がネジ留めや溶接などによってケース１１０に接合されることで、流路７００が形成される。冷却部７０１の流路深さＨ６は、例えば、２ｍｍ程度であり、流量が毎分２０リットルのとき、冷却部７０１での流速は２．５ｍ／ｓ程度となる。
【００６０】
図８に示した形状の流路構造において、冷却部１１４以外の圧力損失値を測定すると１ｋＰａであった。図７に示した構造よりは、圧力損失が大きくなるものの、従来構造より低減できており、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。一方、直冷構造とすることにより、冷却効率を向上できている。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。また、直冷方式とすることにより、冷却効率を向上することができる。
【００６２】
次に、図９を用いて、本発明の第５の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図９（Ａ）は、本発明の第５の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図９（Ｂ）は、本発明の５の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図９（Ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００６３】
本実施形態によるインバータは、直列で平行な流路を持つ２インバータシステムである。本実施形態によるインバータ装置の平面構成は、図１（Ａ）に示したものと同様であるが、２つのモジュールが、同一平面上に、流路流れ方向に直列に並んでいる。
【００６４】
流路８００内で、冷却水は、前段の冷却部１１４から流路８０１を経て、後段の冷却部８０２に流れる。フィン８０３のサイズはフィン１０９と同等であり、フィン１０９とフィン８０３は、途中でつながって一体であっても良いものである。給排水管１１２，１１６は、冷却部１１４に対して概略垂直でも良い。
【００６５】
冷却水を毎分２０リットル流したとき、冷却部１１４，８０２以外の圧力損失を測定すると、１．５ｋＰａであった。これは、流路８０１の部分における圧力損失が大きいためである。それでも、図３に示した従来構造を２インバータに適用した場合、その圧力損失値は、３．４ｋＰａあったので、それに対して、圧力損失を低減することができる。なお、ポンプの供給能力を超えるような場合は、圧力損失上限値に相当する流量に低減すれば良いものである。本構造においても、インバータの小型化を実現することができる。なお、水冷方式は、間接水冷方式を示しているが、図７，図８のような直冷方式でも良いものである。
【００６６】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【００６７】
次に、図１０を用いて、本発明の第６の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図１０（Ａ）は、本発明の第６の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図である。図１０（Ｂ）は、本発明の６の実施形態によるインバータ装置の流路部分の断面図であり、図１０（Ａ）のＥ−Ｅ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００６８】
本実施形態では、給排水管が冷却部に対して概略垂直であって、給水管から冷却部に至る断面流路形状は、おおよそ部分構造部と冷却部との接続断面の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大しており、冷却部から排水管に至る断面流路形状は、おおよそ冷却部と部分構造部との接続断面の短辺から徐々に拡大し、長辺から徐々に縮小している構造としている。
【００６９】
図１０に示す構成において、流路９００の構成以外は、図１と同様である。給水管９０１と排水管９０４は、ともに、冷却部１１４に対して概略垂直の位置関係にある。給水管９０１と冷却部１１４の間には、流路断面９０５から流路断面９０６へ流路幅（長辺）方向に拡大し、流路深さ（短辺）方向に縮小する部分構造部９０２を設けている。同様に、冷却部１１４と排水管９０４の間は、流路断面９０７から流路断面９０８へ流路幅（長辺）方向に縮小し、流路深さ（短辺）方向に拡大する部分構造部９０３を設けている。
【００７０】
図１０に示した形状の流路構造において、冷却部１１４以外の圧力損失値を測定すると１．７ｋＰａであった。図３に示した従来構造に比べ、圧力損失値を３０％程度低減することができ、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。また、流路の給水側と排水側を垂直方向に設けることにより、水冷インバータの面積を従来構造より低減でき、インバータを小型化できる。さらに、インバータの同じ側に給排水管があることで、設計上の自由度が大きくなる。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【００７２】
次に、図１１を用いて、本発明の第７の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図１１（Ａ）は、本発明の第７の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図である。図１１（Ｂ）は、本発明の７の実施形態によるインバータ装置の流路部分の断面図であり、図１１（Ａ）のＦ−Ｆ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００７３】
本実施形態においては、給排水管が冷却部と概略垂直とした点は、図１０の場合と同様である。流路１０００の構成以外は、図１と同様である。給水管１００１と排水管１００４は、ともに、冷却部１１４に対して概略垂直の位置関係にある。給水管１００１と冷却部１１４の間には、流路断面１００５から流路断面１００６へ流路幅方向に拡大し、流路深さ方向に縮小する部分構造部１００２を設けている。同様に、冷却部１１４と排水管１００４の間は、流路断面１００７から流路断面１００８へ流路幅方向に縮小し、流路深さ方向に拡大する部分構造部１００３を設けている。
【００７４】
本実施形態では、図１０に示したものとは、部分構造部１００２，１００３の周壁の冷却部１１４に対する角度が異なっている。すなわち、給水管１００１の周壁と部分構造部１００２の周壁のなす角度θ５を４５°としている。また、部分構造部１００２の周壁と冷却部１１４の周壁のなす角度θ６を４５°としている。これによって、給水管入口２００に流入した冷却水は、給水管１００１と部分構造部１００２の間で流れの向きが概略４５°曲がり、部分構造部１００２と冷却部１１４の間で更に概略４５°曲がって、冷却部１１４に流れる。同様に、排水管側に関しても、冷却部１１４と部分構造部１００３の間で流れの向きが概略４５°曲がり、部分構造部１００３と排水管１００４の間で更に概略４５°曲がり、排水管出口２０１から流出する。
【００７５】
以上のように、本実施形態では、給排水管１００１，１００４と冷却部１１４の間での流れの向きの変化を２段階に分け、ベクトル変化を４５°とすることにより、急激なベクトル変化による圧力損失の発生を防いでいる。給水管１００１のの周壁と部分構造部１００２の周壁のなす角度θ５が４５°以下が好ましく、また、部分構造部１００２の周壁と冷却部１１４の周壁のなす角度θ６は９０°未満が好ましいものである。
【００７６】
本実施形態において、冷却部１１４以外の圧力損失値を測定すると、１．１ｋＰａとなり、図１０に示した例に比べ、更に圧力損失値を低減することができた。また、流路の給水側と排水側を垂直方向に設けることにより、水冷インバータの面積を従来構造より低減でき、インバータを小型化できる。さらに、インバータの同じ側に給排水管があることで、設計上の自由度が大きくなる。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【００７８】
次に、図１２を用いて、本発明の第８の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図１２（Ａ）は、本発明の第８の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図１２（Ｂ）は、本発明の８の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図１２（Ａ）のＧ−Ｇ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００７９】
本実施形態によるインバータは、直列でＬ字型の流路を持つ２インバータシステムである。本実施形態によるインバータ装置の平面構成は、図１（Ａ）に示したものと同様であるが、２つのモジュールが、同一平面上に存在する。また、流路１１００では、２つのモジュールが流れ方向に直列に並んでおり、２インバータの間で概略Ｌ字型を成している。
【００８０】
流路１１００内で、冷却水は、前段の冷却部１１４から流路１１０１を経て、後段の冷却部１１０２に流れる。フィン１１０３のサイズは、フィン１０９と同等であり、フィン１０９と１１０３は途中でつながって一体であっても良いものである。給排水管１１２，１１６と部分構造部１１３，１１５は、冷却部１１４に対して概略垂直でも良いものである。なお、水冷方式は、間接水冷方式を示しているが、図７，図８のような直冷方式でも良いものである。
【００８１】
冷却水を毎分２０リットル流したとき、冷却部１１４，１１０２以外の圧力損失値を測定すると、３．２ｋＰａであった。そして、図３に示した従来構造を２インバータに適用した場合に対して、圧力損失を低減することができる。なお、ポンプの供給能力を超えるような場合は、圧力損失上限値に相当する流量に低減すれば良いものである。本構造においても、インバータの小型化を実現することができる。
【００８２】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【００８３】
次に、図１３を用いて、本発明の第９の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。  
図１３（Ａ）は、本発明の第９の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図１３（Ｂ）は、本発明の９の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図１３（Ａ）のＨ−Ｈ’断面図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
【００８４】
本実施形態によるインバータは、直列でＵ字型の流路を持つ２インバータシステムである。本実施形態によるインバータ装置の平面構成は、図１（Ａ）に示したものと同様であるが、２つのモジュールが、同一平面上に存在する。また、流路１２００は、流れ方向に直列に並んでおり、２インバータの間で概略Ｕ字型を成している。
【００８５】
流路１２００内で、冷却水は、前段の冷却部１１４から流路１２０１を経て、後段の冷却部１２０２に流れる。フィン１２０３のサイズは、フィン１０９と同等であり、フィン１０９とフィン１２０３は途中でつながって一体であっても良いものである。給排水管１１２，１１６と部分構造部１１３，１１５は、冷却部１１４に対して概略垂直でも良いものである。なお、水冷方式は、間接水冷方式を示しているが、図７，図８のような直冷方式でも良いものである。
【００８６】
冷却水を毎分２０リットル流したとき、冷却部１１４，１２０２以外の圧力損失値を測定すると、４．２ｋＰａであった。そして、図３に示した従来構造を２インバータに適用した場合に対して、圧力損失を低減することができる。なお、ポンプの供給能力を超えるような場合は、圧力損失上限値に相当する流量に低減すれば良いものである。本構造においても、インバータの小型化を実現することができる。
【００８７】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【００８８】
図１４は、電気自動車やハイブリッド自動車など、前記いずれかのインバータ装置が適用される電動車両のコントローラ（インバータ装置）及び電動機の冷却システムを示す。冷却システムは、車輪を駆動する電動機２と、電動機２の出力を制御するコントローラ１（インバータ装置）と、冷却媒体冷却用ラジエータ３と、電動式ポンプ４とが冷却パイプ５で連結されて構成されている。冷却パイプ５には冷媒である不凍液が封入されている。ラジエータ３の側面には冷媒を強制冷却するためのラジエータファンモータ６が取付けられている。前記構成においてコントローラ１（インバータ装置）と電動機２から発生する熱量はほぼ同程度であるが、コントローラ１（インバータ装置）を構成しているトランジスタ，コンデンサなどの電子部品は、自身の発熱や周りからの熱のあおりで誤動作又は破壊する恐れがある。これらの部品の耐熱保証温度は１５０℃以下であり、電動車両内の温度環境は非常に厳しいものとなる。従って、システムの冷却順序としてはコントローラ１（インバータ装置）を優先し、次に耐熱性の高い電動機２を冷却するように配置し、熱的バランスを良くして効果的に冷却するようにシステムを構成している。
【００８９】
本実施形態によれば、前記いずれかのインバータ装置、すなわち圧力損失を低減できるインバータ装置を備えているので、冷却媒体である不凍液或いは水を強制循環する電動式ポンプ４の能力を小さく（電動式ポンプ４を小型化）することができる。従って、本実施形態によれば、小型でかつ安価な冷却システムを提供することができる。
【００９０】
図１５は、前記冷却システムが搭載された電動車両の電機駆動系システムの構成を示す。本実施例では、電動機を唯一の駆動源とする電気自動車に前記いずれかのインバータ装置を搭載した場合を例にとり説明するが、内燃機関であるエンジンと電動機とを車両の駆動減とするハイブリッド自動車に前記いずれかのインバータ装置を適用してもよい。
【００９１】
図において３９は車体である。車体３９の前部には、両端に車輪４０ａ，４０ｂを設けた車軸４２が回転可能に取り付けられている。すなわち前輪が取り付けられている。車体３９の後部には、両端に車輪４１ａ，４１ｂを設けた車軸４３が回転可能に取り付けられている。すなわち後輪が取り付けられている。車軸４２にはギア４４を介して電動機２が機械的に接続されている。電動機２にはインバータ装置１０が電気的に接続されており、車両電源であるバッテリ２０から供給された直流電力が三相交流電力に変換され供給される。インバータ装置１０には上位制御装置２１が電気的に接続されており、アクセルの踏込みに対応する指令信号などが入力される。
【００９２】
本実施例によれば、前記いずれかのインバータ装置、すなわち圧力損失を低減できるインバータ装置を備えているので、インバータ装置を冷却するための冷却システムを構成する電動式ポンプの能力を小さく（電動式ポンプを小型化）することができる。従って、本実施例によれば、安価で小型な冷却システムを提供することができるので、電動車両への冷却システムの搭載性を向上させることができると共に、電動車両のコスト低減に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】本発明の第１の実施形態によるインバータ装置のモジュールの平面図，インバータ装置の流路部分の平面透視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。
【図３】従来例おける流路の形状を示す斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造の流路断面積の変化を示す図，従来例の流路断面積の変化を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造を用いた場合の冷却部以外の圧力損失値の説明図である。
【図６】本発明の第２の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の実施形態によるインバータ装置のモジュールの平面図，インバータ装置の流路部分の平面透視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態によるインバータ装置のモジュールの平面図，インバータ装置の流路部分の平面透視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図９】本発明の第５の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の第６の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図１１】本発明の第７の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図１２】本発明の第８の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の第９の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図，インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図１４】本発明の各実施形態のいずれかのインバータ装置が適用される電動車両のコントローラ（インバータ装置）及び電動機の冷却システムのシステムブロック図である。
【図１５】図１４に示した冷却システムが搭載された電動車両の電機駆動系システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
【００９４】
１００，６００…モジュール
１０１，６０１…銅ベース
１０２…窒化アルミ基板
１０３，１０４…半導体素子
１０５…ネジ穴
１０６，１０７…ハンダ
１０８…グリース
１０９，６０２，８０３，１１０３，１２０３…フィン
１１０…ケース
１１１…ネジ
１１２，５０１，９０１，１００１…給水管
１１３，１１５，３０１，３０２，５０２，５０３，９０２，９０３，１００２，１００３…部分構造部
１１４，７０１，８０２，１１０２，１２０２…冷却部
１１６，５０４，９０４，１００４…排水管
１１７…コーナーＲ
１１８…フィン間流路
１２０，３００，５００，６０３，７００，８００，８０１，９００，１１００，１１０１，１２００，１２０１…流路
２００…給水管入口
２０１…排水管出口
２０２，２０３，２０４，２０５，３０５，３０６，３０７，３０８，５０５，５０６，５０７，５０８，９０５，９０６，９０７，９０８，１００５，１００６，１００７，１００８…流路断面
３０３，３０４…たまり口
【図１】
0004675975.tif 000002
【図２】
0004675975.tif 000003
【図３】
0004675975.tif 000004
【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】
0004675975.tif 000010
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004675975.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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