(57)【要約】【課題】冷媒による電子部品の冷却効率を向上させることができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力変換装置は、電力変換回路の一部を構成する電子部品２と、電子部品２に接するように液体の冷媒を流通させる冷却空間３１を備えた冷却器２と、を有する。冷却器３は、冷却空間３１に冷媒を導入する冷媒導入口３２と、冷却空間３１から冷媒を排出する冷媒排出口３３と、冷却空間３１から空気を抜くためのエア抜き部３４とを有する。エア抜き部３４は、冷媒導入口３２及び冷媒排出口３２よりも上方であり、かつ、冷却空間３１内に配置された電子部品２の下端部２１よりも上方に設けてある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換回路の一部を構成する電子部品（２）と、
該電子部品（２）に接するように冷媒（Ｗ）を流通させる冷却空間（３１）を備えた冷却器（３）と、を有し、
上記冷却器（３）は、上記冷却空間（３１）に液体の冷媒（Ｗ）を導入する冷媒導入口（３２）と、上記冷却空間（３１）から冷媒（Ｗ）を排出する冷媒排出口（３３）と、上記冷却空間（３１）から空気を抜くためのエア抜き部（３４）とを有し、
該エア抜き部（３４）は、上記冷媒導入口（３２）及び上記冷媒排出口（３３）よりも上方であり、かつ、上記冷却空間（３１）内に配置された上記電子部品（２）の下端部（２１）よりも上方に設けてあることを特徴とする電力変換装置（１）。
【請求項２】
上記電子部品（２）として、半導体素子（２２）を封止樹脂（２３）に封止してなる半導体モジュール（２０）を有し、上記エア抜き部（３４）は、上記冷却空間（３１）内に配置された上記半導体モジュール（２０）の下端部（２１）よりも上方に設けてあることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
【請求項３】
上記エア抜き部（３４）は、上記冷却空間（３１）内に配置された上記半導体モジュール（２０）における上記半導体素子（２２）の下端部（２２１）よりも上方に設けてあることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。
【請求項４】
上記電子部品（２）として、コンデンサ素子（２６）を封止樹脂（２３）に封止してなるコンデンサモジュール（２００）を有し、上記エア抜き部（３４）は、上記冷却空間（３１）内に配置された上記コンデンサモジュール（２００）の下端部（２１）よりも上方に設けてあることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
【請求項５】
上記エア抜き部（３４）は、上記冷却空間（３１）内に配置された上記コンデンサモジュール（２００）における上記コンデンサ素子（２６）の下端部（２６１）よりも上方に設けてあることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器を備えた電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載されるインバータ等の電力変換装置は、半導体モジュール等の電子部品を冷却するための冷却器を備えている。特許文献１に開示された電力変換装置は、冷却器の冷却空間を流通する冷却水等の液体の冷媒が、半導体モジュール及びコンデンサモジュールに接するよう構成されている。そして、冷却器には、冷却空間に冷媒を導入する冷媒導入口と、冷却空間から冷媒を排出する冷媒排出口とが設けてある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−８２８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１には、冷却空間から空気を抜くためのエア抜き部について、何ら記載されていない。それゆえ、冷却空間に冷媒を充填する際には、例えば、冷媒導入口から冷媒を導入しつつ、冷媒排出口から冷却空間内の空気を抜く必要がある。ところが、冷媒排出口も冷媒導入口も、コンデンサモジュールよりも下側に配置されているため、冷媒をコンデンサモジュールに接する高さまで充填することができないという問題がある。
【０００５】
また、冷媒排出口から空気を抜く場合、冷媒排出口から冷媒導入口へ冷媒を送るポンプの始動時において、空気がポンプに噛み込むことにより、冷媒の流量が低下するおそれがある。
その結果、冷媒による電子部品の冷却性能が低下してしまう。また、冷却性能を補うべくポンプ能力等を高めるためには、ポンプの大型化を招くこととなる。
【０００６】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、冷媒による電子部品の冷却効率を向上させ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】
【０００７】
本発明の一態様は、電力変換回路の一部を構成する電子部品と、
該電子部品に接するように液体の冷媒を流通させる冷却空間を備えた冷却器と、を有し、
上記冷却器は、上記冷却空間に冷媒を導入する冷媒導入口と、上記冷却空間から冷媒を排出する冷媒排出口と、上記冷却空間から空気を抜くためのエア抜き部とを有し、
該エア抜き部は、上記冷媒導入口及び上記冷媒排出口よりも上方であり、かつ、上記冷却空間内に配置された上記電子部品の下端部よりも上方に設けてあることを特徴とする電力変換装置にある。
【発明の効果】
【０００８】
上記電力変換装置において、上記冷却器は、上記冷媒導入口及び上記冷媒排出口よりも上方に、上記エア抜き部を有する。これにより、冷却空間に冷媒を注入する際に、冷媒導入口及び冷媒排出口よりも液面を高くすることができる。これにより、冷媒排出口から冷媒導入口へ冷媒を送るポンプに空気が噛み込むことを防ぎつつ、冷媒を冷却空間に注入することができる。
【０００９】
そして、エア抜き部は、冷却空間内に配置された電子部品の下端部よりも上方に設けてある。これにより、冷却空間における冷媒の液面を、電子部品の下端部よりも上方に位置させることができる。これにより、電子部品に冷媒が接触した状態を確保することができる。その結果、冷媒による電子部品の冷却効率を向上させることができる。
【００１０】
以上のごとく、本発明によれば、冷媒による電子部品の冷却効率を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１における、冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図２】実施形態１における、冷媒が注入された冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図３】実施形態１における、エア抜き部の高さを変更した冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図４】実施形態１における、エア抜き部の高さを更に変更した冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図５】実施形態１における、エア抜き部の形状を変更した冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図６】実施形態１における、エア抜き部の形状を更に変更した冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図７】実施形態１における、空気流路の形状を変更した冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図８】実施形態１における、電力変換装置の水平断面説明図。
【図９】実施形態２における、冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図１０】実施形態３における、冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図１１】実施形態３における、冷却器及び半導体モジュールの断面説明図。
【図１２】実施形態４における、冷却器及びコンデンサモジュールの断面説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
上記電力変換装置の実施形態につき、図１〜図８を用いて説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１、図８に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する電子部品２と、電子部品２に接するように冷媒を流通させる冷却空間３１を備えた冷却器３と、を有する。
【００１３】
冷却器３は、図１に示すごとく、冷却空間３１に液体の冷媒を導入する冷媒導入口３２と、冷却空間３１から冷媒を排出する冷媒排出口３３と、冷却空間３１から空気を抜くためのエア抜き部３４とを有する。
エア抜き部３４は、冷媒導入口３２及び冷媒排出口３３よりも上方であり、かつ、冷却空間３１内に配置された電子部品２の下端部２１よりも上方に設けてある。
【００１４】
本実施形態において、エア抜き部３４は、冷却空間３１から側方へ水平方向に引き出されている。そして、エア抜き部３４は、上方へ向かって延びる空気流路３５を介して冷却器３の外部へ通じている。すなわち、空気流路３５は、少なくともエア抜き部３４の最上部よりも上方に延びている。
【００１５】
これにより、冷却空間３１に冷媒を注入する際に、冷却空間３１に存在していた空気がエア抜き部３４から冷却器３の外部へ排出される。そして、図２に示すごとく、冷却空間３１における冷媒Ｗの液面Ｓは、エア抜き部３４の高さまで上昇する。より具体的には、冷媒Ｗの液面Ｓの高さは、エア抜き部３４が冷媒Ｗによって塞がれるまで上昇する。つまり、冷媒Ｗがエア抜き部３４を塞ぐと、冷却空間３１における液面Ｓよりも上方に存在する空気は、エア抜き部３４を通過できなくなり、冷却空間３１内に閉じ込められることとなる。それゆえ、冷媒Ｗがエア抜き部３４を塞いだ時点で冷媒Ｗの液面Ｓはそれ以上、上昇しない。つまり、エア抜き部３４の高さ位置によって、冷却空間３１における冷媒Ｗの液面Ｓの最高位が定まることとなる。
【００１６】
そこで、上記のように、エア抜き部３４を、電子部品２の下端部２１よりも上方に配置することで、図２に示すごとく、冷媒Ｗの液面Ｓを電子部品２の下端部２１よりも上方に位置させることができる。
かかる観点から、例えば、図１〜図４に示すように、エア抜き部３４が冷却空間３１の側面から水平方向に直線状に引き出された構成の場合、エア抜き部３４の内壁面の最上部が、電子部品２の下端部２１よりも上方に配置されていればよい。
【００１７】
一方、図５、図６に示すごとく、エア抜き部３４の上面が冷却空間３１から水平方向に延びておらず、傾斜していたり、うねっていたりする場合は、単純に、エア抜き部３４の内壁面の最上部が、電子部品２の下端部２１よりも上方に配置されていればよいわけではない。例えば、図５の構成の場合は、エア抜き部３４の上面のうち、冷却空間３１から最も離れた部位Ｐ１が、電子部品２の下端部２１よりも上方に配置されている必要がある。また、図６の構成の場合は、エア抜き部３４の上面に形成された２つの凸部のうち、冷却空間３１から遠い側の凸部の最下点Ｐ２が、電子部品２の下端部２１よりも上方に配置されている必要がある。
【００１８】
このように、冷却空間３１に注入された冷媒Ｗが、エア抜き部３４の通気方向の少なくとも一部を塞いだ時点において、液面Ｓが電子部品２の下端部２１よりも上方に配置されるよう構成されている必要がある。すなわち、「エア抜き部３４が、冷却空間３１内に配置された電子部品２の下端部２１よりも上方に設けてある」の意義としては、「エア抜き部３４における通気方向の少なくとも一部を冷媒が塞ぐために最低限必要とされる液面の高さが、冷却空間３１内に配置された電子部品２の下端部２１よりも上方となるように構成されている」と実質的に同義である。
【００１９】
また、エア抜き部３４に連結された空気流路３５は、通気方向の少なくとも一部が、図７に示すごとく、エア抜き部３４における通気方向の少なくとも一部を塞ぐために必要な冷媒Ｗの液面Ｓの高さよりも上方に配されていればよい。したがって、空気流路３５の出口は、必ずしもエア抜き部３４よりも上方にある必要はない。
【００２０】
本実施形態の電力変換装置１は、電子部品２として、半導体素子２２を封止樹脂２３に封止してなる半導体モジュール２０を有する。そして、エア抜き部３４は、冷却空間３１内に配置された半導体モジュール２０の下端部２１よりも上方に設けてある。
また、図１、図２、図４〜図７に示すごとく、エア抜き部３４は、冷却空間３１内に配置された半導体モジュール２０における半導体素子２２の下端部２２１よりも上方に設けてあることが好ましい。
【００２１】
半導体モジュール２０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等の半導体素子２２を、封止樹脂２３に封止してなる。また、図８に示すごとく、半導体モジュール２０は、主電極端子２４及び制御端子（図示略）を封止樹脂２３から突出してなる。なお、図８においては、半導体モジュール２０の内部の半導体素子２２の記載が省略されている。
【００２２】
図８に示すごとく、本実施形態において、電力変換装置１は、半導体モジュール２０を複数有している。また、冷却器３に設けた複数の冷却空間３１に、それぞれ半導体モジュール２０が収容配置されている。冷却器３は、冷却空間３１に半導体モジュール２０を挿入配置するための開口部３６を備えている。半導体モジュール２０は、開口部３６から冷却空間３１内に挿入配置されおり、半導体モジュール２０と開口部３６との間はシール部材１１によって塞がれている。また、半導体モジュール２０の主電極端子２４及び制御端子は、冷却空間３１と反対側に向かって突出している。
【００２３】
なお、図８は、電力変換装置１の水平断面説明図であり、図１は、電力変換装置１における複数の半導体モジュール２０のうちの一つと、その半導体モジュール２０を収容する一つの冷却空間３１、及びその周辺の断面説明図である。
【００２４】
また、図１〜図７に示すごとく、冷媒導入口３２及び冷媒排出口３３は、冷却空間３１における半導体モジュール２０（電子部品２）の下端部２１よりも下方に位置している。冷媒導入口３２及び冷媒排出口３３は、冷却器３の外部において、ポンプに接続されている（図示略）。これにより、冷媒排出口３３から排出された冷媒Ｗは、ポンプによって冷媒導入口３２へ圧送されて、循環する。冷媒Ｗは液体であり、冷媒Ｗとしては、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。
【００２５】
また、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るインバータやコンバータ等とすることができる。
また、本明細書において、「上方」、「下端部」、「鉛直方向」等の表現は、電力変換装置１を車両等に搭載して使用する際の姿勢を基準にしたものである。
【００２６】
冷却器３の冷却空間３１には、例えば、電力変換装置１の製造後や、冷媒交換時等に、冷媒を注入することとなる。このとき、例えば、冷媒排出口３３をバルブ等によって塞いだ後、冷媒導入口３２から冷媒を冷却空間３１に送り込む。これにより、冷却空間３１内に存在していた空気がエア抜き部３４から排出されることにより、冷却空間３１内に冷媒Ｗが溜り、液面Ｓが上昇する。そして、冷媒Ｗがエア抜き部３４を塞ぐ高さまで液面Ｓが上昇したとき、冷却空間３１内の空気の逃げ場がなくなり、冷媒Ｗの液面上昇が阻止される。つまり、この時点で冷媒Ｗの注入が終了することとなり、冷媒Ｗの液面Ｓがエア抜き部３４の高さにある状態で、電力変換装置１が運転されることとなる。
【００２７】
次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、冷却器３は、冷媒導入口３２及び冷媒排出口３３よりも上方に、エア抜き部３４を有する。これにより、冷却空間３１に冷媒Ｗを注入する際に、冷媒導入口３２及び冷媒排出口３３よりも液面Ｓを高くすることができる。これにより、冷媒排出口３３から冷媒導入口３２へ冷媒Ｗを送るポンプに空気が噛み込むことを防ぎつつ、冷媒Ｗを冷却空間３１に注入することができる。
【００２８】
そして、エア抜き部３４は、冷却空間３１内に配置された電子部品２の下端部２１よりも上方に設けてある。これにより、冷却空間３１における冷媒Ｗの液面Ｓを、電子部品２の下端部２１よりも上方に位置させることができる。これにより、電子部品２に冷媒Ｗが接触した状態を確保することができる。その結果、冷媒Ｗによる電子部品２の冷却効率を向上させることができる。
【００２９】
また、図１、図２、図４〜図７に示すごとく、エア抜き部３４を、冷却空間３１内に配置された半導体モジュール２０における半導体素子２２の下端部２２１よりも上方に設けることにより、半導体モジュール２０の冷却効率をより向上させことができる。すなわち、図３に示すごとく、エア抜き部３４が半導体素子２２の下端部２２１よりも下方であっても、半導体モジュール２０の下端部２１よりも上方に配置されていれば、半導体モジュール２０の一部が冷媒Ｗに浸漬されるため、半導体モジュール２０の冷却は可能である。しかし、半導体モジュール２０の冷却効率をより向上させるべく、エア抜き部３４を半導体素子２２の下端部２２１よりも上方に設けることが好ましい。つまり、発熱源である半導体素子２２の少なくとも一部が冷媒Ｗの液面Ｓよりも下方に位置することで、半導体モジュール２０の放熱をより効率的に行うことができる。
【００３０】
以上のごとく、本実施形態によれば、冷媒による半導体モジュールの冷却効率を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
【００３１】
（実施形態２）
本実施形態は、図９に示すごとく、エア抜き部３４を電子部品２の上端部２５よりも上方に設けたものである。
特に、本実施形態においては、冷却空間３１の最上部にエア抜き部３４が設けてある。
その他は、実施形態１と同様である。なお、本実施形態又は本実施形態に関する図面において用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。
【００３２】
本実施形態の場合には、冷却空間３１内に注入する冷媒の液面を、電子部品２の上端部２５よりも上方に位置させることができる。それゆえ、電子部品２の全体を冷媒に浸漬することができる。その結果、電子部品２はその全周から放熱することが可能となり、冷却効率を一層向上させることができる。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。
【００３３】
（実施形態３）
本実施形態は、図１０、図１１に示すごとく、複数の電子部品２を一つの冷却空間３１に配置している。
本実施形態においては、電子部品２として半導体モジュール２０を冷却空間３１に配置している。そして、複数の半導体モジュール２０のうちのいずれの下端部２１よりも上方に、エア抜き部３４が設けてある。
【００３４】
図１０に示す構成においては、複数の半導体モジュール２０が同じ高さ位置に配置されている。そして、これらの半導体モジュール２０の下端部２１よりも上方に、エア抜き部３４が設けてある。
一方、図１１に示す構造においては、複数の半導体モジュール２０のうちの一部は、他の半導体モジュール２０よりも上方に配置されている。そして、このような場合、エア抜き部３４は、下端部２１が最も上方に配置された半導体モジュール２０の下端部２１よりも上方に、エア抜き部３４が設けてある。
その他は、実施形態１と同様である。なお、本実施形態又は本実施形態に関する図面において用いた符号のうち、実施形態１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施形態１と同様の構成要素等を表す。
【００３５】
（実施形態４）
本実施形態は、図１２に示すごとく、コンデンサモジュール２００を冷却空間３１に配置したものである。
すなわち、電力変換装置１は、電子部品２として、コンデンサ素子２６を封止樹脂２３に封止してなるコンデンサモジュール２００を有する。エア抜き部３４は、冷却空間３１内に配置されたコンデンサモジュール２００の下端部２１よりも上方に設けてある。
【００３６】
また、エア抜き部３４は、冷却空間３１内に配置されたコンデンサモジュール２００におけるコンデンサ素子２６の下端部２６１よりも上方に設けてあることが好ましい。
その他は、実施形態１と同様である。
【００３７】
本実施形態の場合には、冷媒によるコンデンサモジュールの冷却効率を向上させることができる電力変換装置を提供することができる。
【００３８】
また、実施形態４における、冷却空間３１、冷媒導入口３２、冷媒排出口３３、エア抜き部３４等と、コンデンサモジュール２００との位置関係に関しては、実施形態１〜３における「半導体モジュール２０」を「コンデンサモジュール２００」と置き換えて解釈できる種々の態様を採りうる。
【００３９】
また、上記複数の実施形態を適宜組み合わせた形態とすることもできる。例えば、実施例３に示したように、複数の電子部品２を一つの冷却空間３１に配置した構成において、一つの冷却空間３１に半導体モジュール２０とコンデンサモジュール２００とを配置した構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００４０】
１  電力変換装置
２  電子部品
３  冷却器
３１  冷却空間
３２  冷媒導入口
３３  冷媒排出口
３４  エア抜き部
Ｗ  冷媒
【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】
2016081949.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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