(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の並列接続する半導体モジュールを近くに配置しつつ、効率的に冷却する電力変換装置を提供する。【解決手段】対向する二平面を有し、二平面の少なくとも一平面は冷却面を有する複数の発熱体（パワーモジュール７００）と、複数の発熱体をそれぞれ挿入するための挿入口が複数形成されている受熱ブロック６０１と、を有する。受熱ブロックのうち挿入口が形成されていない領域は、複数の発熱体のうち一の発熱体の一つの冷却面から熱を受ける非共有冷却部と、複数の挿入口のうち隣り合う挿入口に挟まれる領域であって、隣り合う発熱体のそれぞれから熱を受ける共有冷却部と、を備える。共有冷却部における発熱体からの受熱量は、非共有冷却部における発熱体からの受熱量よりも大きい。【選択図】図７
2017103263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する二平面を有し、前記二平面の少なくとも一平面は冷却面を有する複数の発熱体と、
前記複数の発熱体をそれぞれ挿入するための挿入口が複数形成されている受熱ブロックと、を有し、
前記受熱ブロックのうち前記挿入口が形成されていない領域は、
前記複数の発熱体のうち一の発熱体の一つの冷却面から熱を受ける非共有冷却部と、
前記複数の挿入口のうち隣り合う挿入口に挟まれる領域であって、隣り合う発熱体のそれぞれから熱を受ける共有冷却部と、を備え、
前記共有冷却部における発熱体からの受熱量は、前記非共有冷却部における発熱体からの受熱量よりも大きい発熱体の冷却構造。
【請求項２】
前記共有冷却部および前記非共有冷却部には熱伝達部材が設けられており、前記共有冷却部に設けられた熱伝達部材の熱輸送量は、前記非共有冷却部に設けられた熱伝達部材の熱輸送量よりも大きい請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
【請求項３】
前記発熱体はパワーモジュールであって、前記パワーモジュールの端子が前記パワーモジュール本体の外部側に向かって延伸している延伸方向とは逆方向に、前記発熱体を冷却する放熱フィンとを備えている請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
【請求項４】
前記熱伝達部材は内部にウィック構造および作動液を有しており、前記ウィック構造によって前記作動液に働く毛細管力が重力より大きく働く請求項２に記載の発熱体の冷却構造。
【請求項５】
前記共有冷却部に設けられた熱伝達部材の数は、前記非共有冷却部に設けられた熱伝達部材の数よりも大きい請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
【請求項６】
前記共有冷却部に設けられた熱伝達部材の内径は、前記非共有冷却部に設けられた熱伝達部材の内径よりも大きい請求項１に記載の発熱体の冷却構造。
【請求項７】
前記発熱体の二平面をそれぞれ覆うように設けられる一対の受熱板と、
前記一対の受熱板が互いに対向する領域に設けられる弾性部材と、
前記発熱体および前記一対の受熱板を前記挿入口に挿入した場合に、前記弾性部材によって、前記一対の受熱板が前記挿入口の内壁面に当接するような押圧力が負荷される請求項１に記載の発熱体の固定構造。
【請求項８】
請求項１に記載の発熱体の冷却構造が接続されているバスバには、コンデンサが接続されており、
前記コンデンサの本体部は、前記バスバに対して前記冷却構造が設けられている領域側に設けられている電力変換ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体の冷却構造および電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュール等の発熱体が放熱部材に配置して冷却する場合において、発熱体の放熱部材への取り付け構造として、例えば特許文献１に記載された技術が記載されている。
特許文献１には、「弾性部材８と、双方向に電流が流通する直流正極側配線部材５及び直流負極側配線部材６とを積重して加圧治具を構成し、この加圧治具によって第１固定治具１を押圧し、第１固定治具１によって半導体装置３を押圧し、半導体装置３を、その放熱面が放熱部材２の側壁面２ｃ，２ｄに面接触した状態で放熱部材２に固定した。」ことが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−２８６６７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の図２乃至図５には、放熱部材に複数のパワーモジュールを並列に接続して搭載する場合の構成が記載されている。特に、複数のパワーモジュールを並列に接続して電力変換装置を構成する場合、電気的に複数のパワーモジュールは近接することが好ましい。しかしながら、パワーモジュールが近接すると、パワーモジュール間の熱密度が高まるため、より大きな冷却器が必要となる。したがって、電気的に好ましい配置を優先すると、冷却器の好ましい形状とが相反する関係にあり、より大きな上述の大きな空冷型冷却器によって、電気的に理想的な配置が阻害されてしまう点に課題がある。特許文献１では、並列接続されたパワーモジュールが固定治具により放熱板に当接され、固定治具には弾性部材が設けられているが、パワーモジュール間の熱密度が高まることにより、効率的に冷却されない恐れがある。本発明は、複数のパワーモジュールを放熱部材に設ける場合において、パワーモジュールを効率的に冷却することのできる発熱体の冷却構造および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】
【０００５】
上記課題を解決するため、例えば、対向する二平面を有し、前記二平面の少なくとも一平面は冷却面を有する複数の発熱体と、複数の発熱体をそれぞれ挿入するための挿入口が複数形成されている受熱ブロックと、を有し、受熱ブロックのうち挿入口が形成されていない領域は、複数の発熱体のうち一の発熱体の一つの冷却面から熱を受ける非共有冷却部と、複数の挿入口のうち隣り合う挿入口に挟まれる領域であって、隣り合う発熱体のそれぞれから熱を受ける共有冷却部と、を備え、共有冷却部における発熱体からの受熱量は、非共有冷却部における発熱体からの受熱量よりも大きい発熱体の冷却構造を有する。
【発明の効果】
【０００６】
複数のパワーモジュールを放熱部材に設ける場合において、パワーモジュールを効率的に冷却することのできる発熱体の冷却構造および電力変換装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本実施形態に係る電力変換装置１００の回路図である。
【図２】電力変換装置１００のコンバータ１０２の回路図である。
【図３】電力変換装置１００のインバータ１０３の回路図である。
【図４】電力変換装置１００のチョッパ１０４の回路図である。
【図５（Ａ）】パワーモジュール５００の外観図である。
【図５（Ｂ）】パワーモジュール５００の同回路図である。
【図６（Ａ）】本実施形態の冷却器６００の分解斜視図を示している。
【図６（Ｂ）】本実施形態の冷却器６００の斜視図である。
【図７】図６（B）の冷却器６００にパワーユニット７００を挿入した状態の斜視図である。
【図８】図７に示した冷却器６００のＡ−Ａ‘断面図である。
【図９】共有冷却部８００の断面である図１２中のＢ−Ｂ‘断面図である。
【図１０】非共有冷却部８０１の断面である図７中のＣ−Ｃ‘断面図である。
【図１１（Ａ）】単位変換器ユニット１５００の分解斜視図である。
【図１１（Ｂ）】単位変換器ユニット１１００の斜視図である。
【図１２】複数の単位変換器ユニットを配置してなる電力変換装置１７００の外観斜視図である。
【図１３】共有冷却部８００に設けられたヒートパイプの太さを変えた場合の冷却器の斜視図である。
【図１４】ヒートパイプの本数を変えた場合の冷却器６００の斜視図である。
【図１５】ヒートパイプの配置を変えた場合の冷却器６００の斜視図である。
【図１６】冷却器６００に配置するパワーモジュール６００の数量を変えた場合の冷却器の斜視図である。
【図１７（Ａ）】受熱スペーサの斜視図である。
【図１７（Ｂ）】受熱スペーサの斜視図である。
【図１８】受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂをパワーモジュール５００に取り付けた状態を示す。
【図１９】図１８の破線で囲まれたＢ部の拡大平面図を示す。
【図２０】図１８におけるＡ−Ａ’断面の要部（端部）の拡大図を示す。
【図２１（Ａ）】パワーモジュール５００を冷却器６１０に装着前の状態をｘ軸方向から見た状態を示す。
【図２１（Ｂ）】パワーモジュール５００を冷却器６１０に装着した状態をｘ軸方向から見た状態を示す。
【図２２】パウダーウィック構造を有するヒートパイプ６０２の断面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜電力変換装置の電気的構成＞
次に、本発明の一実施形態による電力変換装置１００の構成を説明する。
【０００９】
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１００の回路図である。
【００１０】
図１に示すように、電力変換装置１００には、電力系統の受電点１０７から変圧器１０５を介して、適当な電圧に調整された交流電力が供給される。供給される交流電力は、コンバータ１０２に入力され、直流電力に変換される。直流電力はインバータ１０３に入力され、交流電力に変換される。この交流電力は三相の交流負荷１０８にて消費される。
【００１１】
一方、電力系統の不具合等でコンバータ１０２に電力が供給されない場合、これを上位制御回路１０９が検知し、チョッパ１０４が動作する。蓄電池１０６からチョッパ１０４に入力される直流電力はチョッパ１０４で適当な電力に調整され、インバータ１０３に入力される。インバータ１０３に入力された直流電力は交流電力へと変換され、三相の交流負荷１０８にて消費される。
【００１２】
以上の動作は上位制御回路１０９で所望の動作を判定し、コンバータ１０２への指令信号１１０Ｃ、インバータ１０３への指令信号１１０Ｉ、チョッパ１０４への指令信号１１０Ｘにより調整される。コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４はその動作に際して、熱が発生し温度が上昇する。この温度上昇を抑制するために、冷却ファン１０１（送風機）により発生させた冷却風１１１を送り込み冷却する。以上で構成された電気システムのうち、冷却ファン１０１、コンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４、上位制御回路１０９等が本実施形態における電力変換装置１００に収容される。また、必要に応じて、コンバータ１０２と変圧器１０５との間、またはインバータ１０３と交流負荷１０８との間にフィルタ回路を配置してもよい。
【００１３】
図２は、電力変換装置１００のコンバータ１０２の回路図、図３は電力変換装置１００のインバータ１０３の回路図、図４は電力変換装置１００のチョッパ１０４の回路図である。以下、図２〜図４を参照してコンバータ１０２、インバータ１０３、チョッパ１０４の回路について説明する。
【００１４】
図２に示すコンバータ１０２は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｒ、２０３Ｓ、２０３Ｔ）で構成され、レグ２０３は、複数のスイッチング素子２０４（例えば、２０４ＲＨ、２０４ＲＬ）とダイオード素子２０５（例えば、２０５ＲＨ、２０５ＲＬ）で構成される。以後、個々の要素全体を示す場合は総称として、レグ２０３、スイッチング素子２０４、ダイオード素子２０５を用いる。
【００１５】
レグ２０３の両端はコンデンサ２０１に接続されている。レグ２０３Ｒの上側アームは、スイッチング素子２０４ＲＨと、還流用のダイオード素子２０５ＲＨとで構成される。また、レグ２０３Ｒの下側アームは、スイッチング素子２０４ＲＬと、還流用のダイオード素子２０５ＲＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｓの上側アームは、スイッチング素子２０４ＳＨと、還流用のダイオード素子２０５ＳＨとで構成される。また、レグ２０３Ｓの下側アームは、スイッチング素子２０４ＳＬと、還流用のダイオード素子２０５ＳＬとで構成される。また、レグ２０３Ｔの上側アームは、スイッチング素子２０４ＴＨと、還流用のダイオード素子２０５ＴＨとで構成される。また、レグ２０３Ｔの下側アームは、スイッチング素子２０４ＴＬと、還流用のダイオード素子２０５ＴＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＲＨ、２０４ＲＬ、２０４ＳＨ、２０４ＳＬ、２０４ＴＨ、２０４ＴＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるコンバータゲート制御部２０２で制御される。
【００１６】
なお、本実施形態のスイッチング素子には、電流のオン・オフを切り替え可能な素子なら使用することが可能である。例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、パワーＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）がある。
【００１７】
図３に示すインバータ１０３は、複数の半導体素子で構成されるレグ２０３（２０３Ｕ、２０３Ｖ、２０３Ｗ）で構成され、レグ２０３の両端はコンデンサ３０１に接続されている。レグ２０３Ｕの上側アームは、スイッチング素子２０４ＵＨと、還流用のダイオード素子２０５ＵＨとで構成される。また、レグ２０３Ｕの下側アームは、スイッチング素子２０４ＵＬと、還流用のダイオード素子２０５ＵＬとで構成される。同様に、レグ２０３Ｖの上側アームは、スイッチング素子２０４ＶＨと、還流用のダイオード素子２０５ＶＨとで構成される。また、レグ２０３Ｖの下側アームは、スイッチング素子２０４ＶＬと、還流用のダイオード素子２０５ＶＬとで構成される。また、レグ２０３Ｗの上側アームは、スイッチング素子２０４ＷＨと、還流用のダイオード素子２０５ＷＨとで構成される。また、レグ２０３Ｗの下側アームは、スイッチング素子２０４ＷＬと、還流用のダイオード素子２０５ＷＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＵＨ、２０４ＵＬ、２０４ＶＨ、２０４ＶＬ、２０４ＷＨ、２０４ＷＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるインバータゲート制御部３０２で制御される。
【００１８】
図４に示すチョッパ１０４は、半導体素子で構成されるレグ２０３Ｘで構成され、レグ２０３Ｘの両端はコンデンサ４０１に接続されている。レグ２０３Ｘの上側アームは、スイッチング素子２０４ＸＨと、還流用のダイオード素子２０５ＸＨとで構成される。また、レグ２０３Ｘの下側アームは、スイッチング素子２０４ＸＬと、還流用のダイオード素子２０５ＸＬとで構成される。スイッチング素子２０４ＸＨ、２０４ＸＬの連系点は、リアクトル４０３を介して蓄電池１０６（図１参照）に接続されている。スイッチング素子２０４ＸＨ、２０４ＸＬへのスイッチング信号は、下位制御部であるチョッパゲート制御部４０２で制御される。
【００１９】
制御動作の例として、チョッパゲート制御部４０２の一例について説明する。
【００２０】
チョッパ１０４に与えられるスイッチング信号は、昇圧降圧切換回路（図示せず）を通して与えられる。これらの選択は、コンバータ１０２、インバータ１０３の間の直流電圧値とコンバータ１０２（整流機能）の出力電圧値の大小関係に依存する。そして、チョッパ１０４の出力がコンバータ１０２の出力電圧より大きい時、スイッチング素子２０４ＸＬにＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）信号を送信し、逆の場合は、スイッチング素子２０４ＸＨにＰＷＭ信号を送信する。
【００２１】
蓄電池１０６の電力を放電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＬをＰＷＭ信号に従いスイッチングする。スイッチング素子がオンしたときリアクトル４０３にエネルギーを蓄積する。一方、オフしたとき、蓄電池１０６の電圧とリアクトル４０３のエネルギーにより蓄電池１０６の電圧より高い電圧をコンデンサ４０１に、スイッチング素子２０４ＸＨに接続されているダイオード素子２０５ＸＨを介して充電する。
【００２２】
蓄電池１０６に電力を充電する場合は、スイッチング素子２０４ＸＨをＰＷＭ信号に従いスイッチングし、スイッチング素子２０４ＸＨがオンしたときリアクトル４０３を介して、コンデンサ４０１の電力を蓄電池１０６に充電する。スイッチング素子２０４ＸＨがオフしているとき、スイッチング素子２０４ＸＬに接続されているダイオード素子２０５ＸＬを介してリアクトル４０３に蓄積したエネルギーを循環させる。これらの動作により、蓄電池１０６の電力を充放電させることができる。
【００２３】
なお、一般的な電力変換装置では、コンデンサは一括して配置する場合もあるが、本実施形態では、後記する単位変換器ユニット９６０（図１２参照）の構成を規格化する観点からコンデンサ２０１、３０１、４０１を分割している。具体的には、コンデンサ２０１、３０１は、レグ２０３ごとに更に分割される。
【００２４】
図２〜図４に示すレグ２０３のスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５による電流の通電と阻止を行うことで、コンバータ１０２では交流から直流変換を、インバータ１０３では直流から交流変換を行っている。通電時にはスイッチング素子２０４とダイオード素子２０５に内蔵する抵抗により損失が発生する。また、通電状態から阻止状態に切り替える際にも損失が発生する。このため、電力変換装置１００の作動には発熱が伴う。
＜パワーユニット５００の構成＞
次に、本実施形態にて用いられるパワーモジュール５００（発熱体、電力変換装置用半導体装置）について、図５(Ａ）の外観図および図５(Ｂ)の回路図を参照しつつ説明する。
【００２５】
図５(Ａ)において、パワーモジュール５００は、略直方体状の本体部７１０と、本体部７１０の一側面を広げるように形成された略直方体状のフランジ部７２０と、フランジ部７２０において本体部７１０に対向する面から突出した、複数の端子から成る端子部７３０とから構成されている。端子部７３０を構成する端子は、図５(Ｂ)に示したＰ端子７５４Ｐと、Ｎ端子７５４Ｎと、ＡＣ端子７５４ＡＣと、ゲート端子７５１とによって構成されている。
【００２６】
図５(Ｂ)において、パワーモジュール５００には、不図示の絶縁体７５３の上にマウントされたスイッチング素子２０４ＭＨ、２０４ＭＬとダイオード素子２０５ＭＨ、２０５ＭＬとが含まれる。各々の半導体素子間は、レグ２０３（例えば、図２参照）を構成するように接続される。また、不図示の絶縁体７５３には、Ｐ端子７０４Ｐ（直流正極端子）、Ｎ端子７０４Ｎ（直流負極端子）、ＡＣ端子７０４ＡＣ（交流端子）、スイッチング素子のオンとオフとを制御するゲート端子７０１が取り付けられる。
【００２７】
図５（Ａ）に戻り、本体部７１０の一の面７６０Ａには、微小円柱状の突起であるピンフィン７６２Ａが、多数（合計約２００以上）突出している。また、本体部７１０において面７６０Ａに対向する他の面７６０Ｂにおいても、同数のピンフィン７６２Ｂ（図示せず）が形成されている。以下、ピンフィン７６２Ａ、７６２Ｂを総称して、単に「ピンフィン７６２」と呼ぶこともある。また面７６０Ａ、７６０Ｂを「冷却面」と呼ぶ。ピンフィン７６２を除いた本体部７１０の厚さ、すなわち冷却面７６０Ａ、７６０Ｂ間の距離を「ｄ１」とする。
【００２８】
なお、本発明の実施形態においては、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂにピンフィンがない形態も考えられ、また冷却面も両面ではなく片面のみ有する場合も想定されるが、以下の実施例ではピンフィンが冷却面に設けられたパワーモジュール５００を例に説明する。
【００２９】
前述の半導体素子が動作する際、端子部７３０を経由して外部と電気的な導通を得る一方で、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂを経由して排熱する。すなわち、端子部７３０は、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂに隣接するひとつの側面に形成され、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂとは電気的に絶縁されていることから、熱輸送経路と電気経路は独立している。
【００３０】
なお、本実施例においては、両面冷却パワーモジュールに変えて、少なくとも一つの冷却面を有するパワーモジュールであればよく、また冷却面にピンフィンが設けられていなくてもよい。
【００３１】
＜冷却器の構成＞
次に、本実施形態における冷却器について図６〜図１０を参照して説明する。
【００３２】
図６(A)は、本実施形態の冷却器６００の分解斜視図を示している。
【００３３】
冷却器６００は、受熱ブロック６０１、ヒートパイプ６０２および放熱フィン６０３からなる。
【００３４】
受熱ブロック６０１は、アルミニウムや銅などの比較的熱伝導率の高い金属からなる。また、受熱ブロック６０１にはヒートパイプ６０２の片端が挿入されるための挿入口６０４が形成され、挿入口６０４にヒートパイプ６０２の片端が挿入されることにより受熱ブロック６０１とヒートパイプ６０２が接続される。
【００３５】
ヒートパイプ６０２は、熱伝達部材であればよくヒートパイプ６０２以外の構成であってもよい。なお、以下の実施例では熱伝達部材としてヒートパイプ６０２を例に説明する。
【００３６】
放熱フィン６０３は、放熱板がz軸方向に積層されることにより形成されており、各放熱板にヒートパイプ６０２のもう片端が挿入されるための挿入口６０５が形成され、ヒートパイプ６０２の片端が挿入されることにより放熱フィン６０３とヒートパイプ６０２が接続される。
【００３７】
また、受熱ブロック６０１には、パワーモジュールの形状に沿ったパワーモジュール挿入口６０５が設けられている。また、挿入口６０５は、後述するパワーモジュールと当接する受熱面６０７を有している。
【００３８】
図６（B）は、本実施形態の冷却器６００の斜視図である。図６（A）で示したヒートパイプ６０２が受熱ブロック６０１および放熱フィン６０３に形成された挿入口に挿入された状態の冷却器６００の斜視図である。
【００３９】
本実施例では、冷却風６０６が−ｙ方向から送風される。
【００４０】
図７は、図６（B）の冷却器６００にパワーユニット７００を挿入した状態の斜視図である。パワーモジュール７００の形状に沿ってパワーモジュール挿入口６０５が設けられているので、受熱面６０７はパワーモジュールの冷却面（ｙｚ平面）と当接して設けることができる。
【００４１】
図８は、図７に示した冷却器６００のＡ−Ａ‘断面図である。
【００４２】
パワーモジュール７００の発熱は、まず受熱面受熱ブロック６０１に熱が伝わり、受熱ブロック６０１から各々のヒートパイプ６０２を介して放熱フィン６０３へと熱が伝わる。最終的には、放熱フィン間を通流する冷却風６０６により放熱される。
【００４３】
ところで、ヒートパイプ６０２は、中空管構造になっており、その内部に純水などの作動液とよばれる液体を封止している。例えば、ヒートパイプ６０２の一端が発熱体に接した場合、ヒートパイプ６０２の一端で熱を受け、その熱が内部の作動液に伝わり蒸発、気化する。気化した作動液はヒートパイプ６０２の他方一端に移動し、そこで冷却され液化する。液化した作動液は再びヒートパイプのもう一端に移動し気化する。ヒートパイプは以上のようなサイクルで熱を輸送する部材である。
【００４４】
ところで、液体の作動液は流動性が高いため、基本的には重力方向にその移動方向が従う。このため、ヒートパイプを用いる場合、発熱部を重力方向における下方に、冷却部を重力方向における上方に設置することが一般的である。本実施形態における冷却器６００で用いるヒートパイプ６０２は、内壁にパウダーウィックと呼ばれる微粉末で形成される多孔質層を形成する。なお、ウィックはパウダーのほかにもグルーブウィック、金網ウィックであってもよい。
【００４５】
図２２は、パウダーウィック構造を有するヒートパイプ６０２の断面図を示す。ヒートパイプ６０２の内壁面には、パウダーウィック２２０１が微粒子体がヒートパイプ内壁面に沿うように焼結されることにより形成されている。ヒートパイプ６０２には作動液２２０２が格納されているが、作動液２２０２は、パウダーウィック２２０１に形成される空隙に浸透し、毛細管力２２０３が重力２２０４より大きく働くことにより重力方向とは逆方向に移動する。つまりパウダーウィックが毛細管のように水を吸い上げる機能を有する。移動した作動液２２０２は、ヒートパイプ６０２が取り付けられている受熱ブロック６０１の熱を受熱し蒸気２２０５となる。その後、蒸気２２０５は重力方向である放熱フィン６０３の方向に移動し、放熱フィン６０３によって冷却され液化して作動液２２０２となる。このように作動液２２０５は、上記循環を繰り返す。この構成により、重力に対して上方側に発熱部８０２、下方側に冷却部８０３を設置する冷却器の構成が可能となる。
【００４６】
以上のメカニズムでヒートパイプ６０２を経由した熱輸送が行われるが、図８に示す各々の受熱面を通流する放熱経路１〜４により冷却が行われる。二つのパワーモジュールに挟まれる放熱経路２と放熱経路３の熱を分担する共有冷却部８００は、一つの受熱面からの熱のみを分担する放熱経路１と放熱経路４からなる非非共有冷却部８０１に比べ、大きな熱量を受熱することになる。
【００４７】
図９は、共有冷却部８００の断面である図１２中のＢ−Ｂ‘断面図である。
【００４８】
共有冷却部８００には４本のヒートパイプをｙ軸方向に配置している。不図示のパワーモジュールは、共有冷却部８００を介して紙面に対して手前側に２つと奥手側に２つ配置されており、これらから生じた熱が共有冷却部８００に伝達する。紙面に対して奥手側に設けられたパワーモジュールからの放熱経路９０１、紙面に対して手前側に設けられたパワーモジュールからの放熱経路９０２が、共有冷却部８００に伝達する。伝達された熱は、図示するように軸方向に伝達しヒートパイプ６０２、冷却部８０３に伝達する。共有冷却部８００には非非共有冷却部８０１の２倍程度の熱量が通流するが、共有冷却部のヒートパイプ数を２倍としているため、一本あたりのヒートパイプが輸送を負担する熱量は同等程度にすることができる。
【００４９】
図１０は、非共有冷却部８０１の断面である図７中のＣ−Ｃ‘断面図である。
【００５０】
非共有冷却部８０１には２本のヒートパイプが配置されている。不図示のパワーモジュールは、非共有冷却部８０１を介して紙面に対して奥手側に２つ配置されており、これらから生じた熱が非共有冷却部８０１に伝達する。
【００５１】
共有冷却部８００のヒートパイプは冷却風方向と平行に直線状に配置することが好ましい。直線状に配置することで、パワーモジュール間の距離を最小化することができる。
【００５２】
＜単位変換器ユニットの構成＞
次に、本実施形態における単位変換器ユニットについて図１６〜図１７を参照して説明する。
【００５３】
図１１（A）は、単位変換器ユニット１５００の分解斜視図である。
【００５４】
図５で説明したパワーユニット５００の電気端子のＰ端子７０４Ｐ、Ｎ端子７０４Ｎ、ＡＣ端子７０４ＡＣがそれぞれバスバに接続されている。バスバは、バスバ（P）１１０１、バスバ（AC）１１０２、中間バスバ１１０４およびバスバ（N）１１０３から構成されている。さらに、電気端子のゲート端子７０１がゲートドライバ基板１１０４に接続されている。また、コンデンサ１１０５の正極端子と負極端子とがバスバにそれぞれ接続されている。
【００５５】
このようにコンデンサ１１０５とパワーモジュール６００とを電気的に接続するバスバは、なるべくｙ軸方向に短く、曲げを少なくすることが好ましい。
【００５６】
ところで、このように異なる機能の部品を組み合わせ、電力変換装置を構成する場合、部品が配置されないスペース（以下、デッドスペース）を小さくすることが好ましい。デッドスペースの増加は、機能に対して、電力変換装置の大型化に繋がるためである。この観点から、パワーモジュール６００およびパワーモジュール６００が取り付けられた冷却器６００と、コンデンサ１１０５はバスバ１１０６に対して、同一方向に接続する。仮に、両者のうち一方をバスバ１１０６に対して反対方向に配置すると、デッドスペースが生じる。例えば、パワーモジュール６００および冷却器６００を、バスバ１１０６に対して＋Z方向に設けた場合、コンデンサの脇（図１６中ｙ軸方向）にデッドスペースが生じる。一方、コンデンサ１１０５をバスバ１１０６に対して＋Z方向に設けた場合、冷却器の脇（ｙ軸方向）にデッドスペースが生じる。本実施例では、上述した冷却器６００の構成を有することにより、このようなデッドスペースの発生を予防することができる。
【００５７】
図１１（B）は、単位変換器ユニット１１００の斜視図である。
【００５８】
本実施例においては、単位変換器ユニット１１００における−ｙ方向すなわちコンデンサ１１０５および１１０６から冷却器６００に向かって冷却風を送風する。
【００５９】
＜単位変換器ユニットの構成における電解コンデンサとヒートパイプの指向性＞
コンデンサ１１０５は、容量密度が高く、小型、大容量の電解コンデンサを用いることが好ましい。これにより、電力変換装置の機能を維持する静電容量を、少ない数量、体積のコンデンサで構成することができ、電気端子とバスバの接続にかかる製造工程を簡易に、電力変換装置を小型に構成することができる。
【００６０】
このようなコンデンサ１１０５は内部に流動性の高い電解液を封止し、その機能である静電容量を維持している。そして、コンデンサ１１０５は安全弁１１０７と呼ばれる機構を、電気端子が配置される面と同一面に備える。安全弁１１０７は内部の圧力が一定以上に上昇すると、外部と内部を開通することで、内部の圧力上昇を抑制する。安全弁１１０７は、最も好ましくは、安全弁が配置される面を、上方（ｚ軸方向）にむけて配置する。これにより、安全に容量密度の高いコンデンサ１１０５を利用することができる。
【００６１】
以上の理由からコンデンサ１１０５の配置を決定されるが、上述の構成によりデッドスペースの発生を予防することが出来る。
【００６２】
＜電力変換装置の外観構成＞
図１２は、複数の単位変換器ユニットを配置してなる電力変換装置１７００の外観斜視図である。
【００６３】
電力変換装置１２００内では、コンバータ１２０３、インバータ１７０２、チョッパ１７０１を横並びに配置している。コンバータ１２０３は、図２に示した３つのレグ２０３Ｒ，２０３Ｓ，２０３Ｔに対応する単位変換器ユニット１２０４で構成されている。インバータ１２０２は、図３に示した３つのレグ２０３Ｕ，２０３Ｖ，２０３Ｗに対応する単位変換器ユニット１２０４で構成されている。チョッパ１２０１は１つ単位変換器ユニット１２０４で構成されている。ただし、本実施の形態と異なる順序で、コンバータ１２０３、インバータ１２０２、チョッパ１２０１を並べてもよく、各々のコンバータ１２０３、インバータ１２０２、チョッパ１２０１の中で異なる相順で並べても良い。また、−ｙ方向からコンデンサ１６０５および１６０６から冷却器６００の順に冷却風が送風される。これにより、単位変換器ユニット１２０４を横並びに密に実装しても、各単位変換器ユニット１２０４間の冷却効果を低減させることがない利点を有する。また、コンバータ１２０３、インバータ１２０２、チョッパ１２０１のそれぞれの半導体素子温度が異なる場合、冷却風の風速などを変更してもよい。
【００６４】
以上のように本実施形態によれば、本実施形態においては、冷却器は、一つの冷却面から熱を受ける非共有冷却部と、二つの冷却面に挟まれ、二つの冷却面から熱を受ける共有冷却部を有する。共有冷却部が非共有冷却部に比べ、冷却能力が高くなるようヒートパイプを配置するため、非共有冷却部と同等の体積で所望の冷却をすることができる。
【００６５】
また、本実施形態においては、パウダーウィッグを用いたヒートパイプを備えるため、電力変換装置を構成する際に、デッドスペースを少なくでき、小型化することができる。
【００６６】
＜変形例＞
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のように種々の変形が可能である。
【００６７】
（１）ヒートパイプのｘｙ平面における断面積の大きさ
図１３は、共有冷却部８００に設けられたヒートパイプの太さを変えた場合の冷却器の斜視図である。
【００６８】
共有冷却部８００に設けられたヒートパイプ１３０１のｘｙ平面における断面積は、非共有冷却１３０１に設けられたヒートパイプ１３００のｘｙ平面における断面積よりも大きくすることで輸送可能な熱量の規定値を、大きくすることができる。これにより、全体的にヒートパイプ本数の削減、部品点数を削減でき、部材の管理が容易になる利点がある。
【００６９】
その他の構成については、図６（B）と同様なので割愛する。
【００７０】
（２）ヒートパイプの本数
図１４は、ヒートパイプの本数を変えた場合の冷却器６００の斜視図である。
【００７１】
共有冷却部８００に設けられたヒートパイプ１４０１の本数は、非共有冷却１３０１に設けられたヒートパイプ１４００の本数よりも多く設けることができる。一方、ヒートパイプ１４０１の直径を小さくすることで、より多くのヒートパイプ１４０１を同じ体積に配置することが可能である。この場合、少ないヒートパイプの場合よりも、熱を空間的に広く拡散できるため、冷却効率が向上し、冷却器をより小型にすることができる。
【００７２】
（３）ヒートパイプの配置
図１５は、ヒートパイプの配置を変えた場合の冷却器６００の斜視図である。
【００７３】
共有冷却部８００に設けられたヒートパイプ１５０１の直径を小さくすることで、同じ体積に２列以上でヒートパイプを配置することが可能である。この場合、共有冷却部８００のヒートパイプの合計の熱輸送量を、非非共有冷却部８０１の熱輸送量の倍程度にすることで所望の冷却機能を実現できる。また、非共有冷却部８０１に設けれたヒートパイプ１５００よりも小さい直径のヒートパイプ１５０１を用いるため、両面冷却パワーモジュールの特に発熱する部分に対し、密にヒートパイプを配置し、それ以外の部分にはヒートパイプを配置しないなどの最適な配置が、大きなヒートパイプよりも行いやすい。その結果、より効率的な冷却が可能となる。
【００７４】
（４）共有冷却部および非共有冷却部の厚さ
ｘ軸方向における共有冷却部の厚さを、非共有冷却部の厚さよりも大きくすることも可能である。本構成により、共有冷却部の放熱フィンの面積が非共有冷却部の放熱フィンの面積よりも大きくすることが出来るため、共有冷却部を介しての放熱経路の熱抵抗を、非共有冷却部を介しての放熱経路の熱抵抗よりも下げることができ、放熱効率を高めることが可能となる。
【００７５】
（５）パワーモジュールの数量
図１６は、冷却器６００に配置するパワーモジュール６００の数量を変えた場合の冷却器の斜視図である。
【００７６】
本変形例では、挿入口６０５が３つ設けられ、共有冷却部８００が２つ設けられている。なお、挿入口６０５を３つ以上にしても良い。この場合、ヒートパイプは図２１のように、共有冷却部８００に設けられたヒートパイプの本数を、非非共有冷却部８０１に設けられたヒートパイプの本数よりも多く設けているが、上記（１）ないし（３）のような変形例や（４）のような変形例を適用してもよい。
【００７７】
（６）パワーモジュールの配置
上述では複数の挿入口６０５をｘ軸方向に配置する例を示したが、パワーモジュール６００の冷却面がｘｚ平面にもある場合には、ｙ軸方向にも複数の挿入口６０５を配置することができる。その場合、ｙ軸方向に並んで配置される挿入口６０５の間には共有冷却部８００が形成されるとともに、非共有冷却部８０１も形成される。このｙ軸方向における共有冷却部８００および非共有冷却部８０１において、上述の実施例ないし（１）ないし（５）の変形例を適用することができる。
【００７８】
（７）基板自立型電解コンデンサ
コンデンサには、安全弁を持たないコンデンサを用いても良い。一般的に安全弁を持たないコンデンサは体積あたりの静電容量が小さいが、複数個を並列に接続して大容量のコンデンサバンクを形成すればよい。これにより、単位変換器ユニットの天地を反転させることができ、より自由な設置が可能となる。
【００７９】
＜パワーユニットの構成＞
上述した冷却器６００に設置するパワーモジュール５００は、以下のような形態を採用することが考えられる。なお、以下の実施例では、対向する２面に冷却面を有し、冷却面にピンフィンを有する例で説明するが、少なくとも一つの冷却面を有していればよく、ピンフィンを有していなくてもよい。
【００８０】
図１７（Ａ）および図１７（Ｂ）は、受熱スペーサの斜視図である。
【００８１】
パワーモジュール５００の冷却面７６０Ａ、７６０Ｂには、図１７Ａに示す一対の受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが衝合される。受熱スペーサ６３０Ａは、略長方形板状の受熱部６３１Ａ（受熱板）と、受熱部６３１Ａの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ａとから構成されている。また、受熱部６３１Ａには、円柱状の貫通孔６３３Ａ（穴）が多数形成されている。これら貫通孔６３３Ａは、冷却面７６０Ａのピンフィン７６２Ａに対向する位置に形成され、かつ、ピンフィン７６２Ａの直径よりも若干大きな直径を有している。本来は、貫通孔６３３Ａがピンフィン７６２Ａに隙間なく嵌合することが理想的であるが、ピンフィン７６２Ａの直径や位置には若干の製造誤差が伴うため、その製造誤差を吸収できる程度まで、貫通孔６３３Ａの直径は広げられている。なお、１つのピンフィン７６２Ａが１つの貫通孔６３３Ａに挿入される他に、複数のピンフィン７６２Ａが貫通孔６３３に挿入される場合もある。また、貫通孔６３３の形状は、円柱状だけでなく四角柱状などピンフィンが挿入できる形状であればよい。このように、貫通孔に対してピンフィンが挿入されることにより、―ｙ軸方向に重力が係るようにパワーユニットが設置されても、パワーモジュール５００に受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが衝合されたまま組み付けられた状態が保たれる。なお、ピンフィンがない形態の場合、取っ掛かりとなる勘合部分がなくなるため、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂがパワーモジュール５００に対して横にすべることが懸念される。この場合、すべりが生じないように、例えば、パワーモジュール５００のフランジ部７２０と後述する冷却器６１０とをねじ止めするなどして固定する。
【００８２】
受熱スペーサ６３０Ｂは、略長方形板状の受熱部６３１Ｂと、受熱部６３１Ｂの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ｂとから構成されている。受熱スペーサ６３０Ｂは、受熱スペーサ６３０Ａに対して全体として上下対称の形状を有しているが、受熱部６３１Ｂにあっては、パワーモジュール５００の冷却面７６０Ｂから突出するピンフィン７６２Ｂに各々対向する位置に、貫通孔６３３Ｂが形成されている。また、受熱スペーサ６３０Ａも同様に、略長方形板状の受熱部６３１Ａと、受熱部６３１Ａの両端から受熱スペーサ６３０Ｂに向かって突出する、略直方体状の一対の空間確保部６３２Ａとから構成されている。受熱スペーサ６３０Ｂは、受熱スペーサ６３０Ａに対して全体として上下対称の形状を有する。
【００８３】
ここで、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは、放熱特性の観点からはアルミニウムや銅などの高熱伝導金属から構成することが好ましいが、パワーモジュール５００と冷却器６１０とを絶縁する必要がある場合には、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂとして、樹脂やセラミックスなどを用いてもよい。
【００８４】
また、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂは、受熱スペーサのｘｚ平面においてｘ軸方向の両端に設けられている必要はなく、パワーモジュール５００に対して組み付けた時、受熱スペーサ間の間隔を確保できるような位置に設けられていればよい。また空間確保部は、受熱スペーサと一体型となっている必要もなく別体として組み付けられていてもよい。
【００８５】
図１８は、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂをパワーモジュール５００に取り付けた状態を示す。
【００８６】
受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂをパワーモジュール５００に取り付ける際には、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂに充分に熱伝導グリスを塗布し、各ピンフィン７６２に貫通孔６３３Ａ、６３３Ｂの位置を合わせつつ、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合させる。そして、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合させた衝合面には弾性部材８０１を設けている。また、本体部７１０はその端面７１０ａを露出させているが、冷却面７６０Ａ、７６０Ｂの大部分は受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂによって覆われている。なお、熱伝導グリス６０６に代えて、熱伝導シートを用いてもよい。このような構成を有することにより、パワーモジュール５００が挿入口６０５に挿入され、受熱面６０７からの押圧力を受けた場合でも、冷却面に押圧力がかかることを防ぐことが出来る。
【００８７】
図１９は、図１８の破線で囲まれたＢ部の拡大平面図を示す。
【００８８】
上述したように、貫通孔６３３Ａの直径は、ピンフィン７６２Ａの直径よりも若干大きいため、ピンフィン７６２Ａは、貫通孔６３３Ａとの間に空隙６３５を形成しつつ、空隙６３５に遊挿される。その際、ピンフィン７６２Ａに塗布された熱伝導グリスがこの空隙６３５内に押し出されるように浸透し、空隙６３５は、隙間なく熱伝導グリスによって充填される。
【００８９】
図２０は、図１８におけるＡ−Ａ’断面の要部（端部）の拡大図を示す。
【００９０】
空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合させた際、受熱部６３１Ａ、６３１Ｂは所定の距離を隔てて対向する。この距離をｄ2とする。パワーモジュール５００の本体部７１０の厚さｄ1よりも距離ｄ2が若干大きくなるように、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは形成されている。この結果、受熱部６３１Ａと本体部７１０の間、および受熱部６３１Ｂと本体部７１０の間には、それぞれ空隙６３７Ａ、６３７Ｂが形成される。この空隙６３７Ａ、６３７Ｂを有することにより、受熱部６３１Ａおよび６３１Ｂに外力である押圧力Ｆが印加された場合においても、パワーモジュール５００に対する押圧力を防ぐことができる。なお、パワーモジュール５００は、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに対して遊びを有するため、空隙６３７Ａ、６３７Ｂの幅は必ずしも同一ではない。
【００９１】
空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂを衝合する際、ピンフィン７６２に塗布された熱伝導グリスは、空隙６３７Ａ、６３７Ｂ内にも押し出されるように浸透し、空隙６３７Ａ、６３７Ｂも隙間なく熱伝導グリスによって充填される。また、ピンフィン７６２Ａの先端からピンフィン７６２Ｂの先端まで含めた本体部７１０の厚さをｄ4とし、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを衝合させた際の全体の幅をｄ5とする。このとき、幅ｄ5は厚さｄ4よりも若干大きくなるように、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは形成されている。これにより、図中における受熱スペーサ６３０Ａの上面とピンフィン７６２Ａの先端との間、および受熱スペーサ６３０Ｂの下面とピンフィン７６２Ｂの先端との間には、それぞれ空隙６３９Ａ、６３９Ｂが形成される。空隙６３９Ａ、６３９Ｂを有することにより、上述したように、パワーモジュール５００は、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂに対して遊びを有するため、空隙６３７Ａ、６３７Ｂの幅は必ずしも同一ではない。
【００９２】
受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを冷却器６１０（詳細は後述する）に装着する際には、ハッチングを付した矢印で示すような押圧力Ｆが印加される。この押圧力Ｆは、空間確保部６３２Ａ、６３２Ｂの衝合部分に印加される。本実施形態においては、本体部７１０と受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂとの間に空隙６３７Ａ、６３７Ｂが形成され、さらにピンフィン７６２Ａ、７６２Ｂの各先端部分にも空隙６３９Ａ、６３９Ｂが形成されているから、この押圧力がピンフィン７６２Ａ、７６２Ｂを介してパワーモジュール５００に印加されることを防止できる。これにより、パワーモジュール５００の破損を未然に防止することが可能である。また、空間確保部６３２A、６３２Bの衝合部分に弾性部材８０１を取り付ける。ここで、弾性部材８０１は、弾性部材として弾性を持つ樹脂板を用いることができるが、金属製のバネ材などを用いてもよい。これにより、弾性部材の伸縮範囲において、受熱スペーサの冷却面に対向する面同士の間隔d２および受熱スペーサの表面同士の間隔d５の寸法が変化する。弾性部材を圧縮する際には、圧縮量に応じた反発力fが発生し、受熱スペーサが上下方向に押し出される力が発生する。
【００９３】
図２１（Ａ）は、パワーモジュール５００を冷却器６１０に装着前の状態をｘ軸方向から見た状態を示す。
【００９４】
図２１（Ａ）に示すように、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂは、パワーモジュール５００を挟んでいる。受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂの衝合部分には弾性部材８０１が設けられている。冷却器６１０Ａは、パワーモジュールを挿入するためのスロット６１１を有しており、ｚ軸方向に寸法Ｈ、ｙ軸方向に寸法Ｗ、不図示のｘ軸方向に寸法Ｓの形態をとる。パワーモジュール５００を冷却器６１０に装着する場合には、図示のように、受熱スペーサー６３０Ａおよび６３０Ｂにｙ軸方向の押圧力Ｆが負荷され、d２、d５の寸法を変化させることによりスロット６１１に装着される。
【００９５】
具体的には、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂ（弾性部材８０１）に押圧力Ｆがかからない状況下では、スロット６１１の寸法Wは寸法d5より小さくなるように設計する。そして、パワーモジュール５００をスロット６１１に挿入する際には、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂを介して弾性部材８０１を圧縮し、寸法d5が、冷却器の挿入穴寸法W以下にするようにする。この状態を維持しながらパワーモジュール５００を冷却器のスロットに挿入する。十分に挿入されたところで、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂ（弾性部材８０１）への押圧力Ｆを開放する。
【００９６】
図２１（Ｂ）は、パワーモジュール５００を冷却器６１０に装着した状態をｘ軸方向から見た状態を示す。挿入されたパワーモジュール５００は、弾性部材８０１の反発力Ｎにより、受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが冷却器６１０の受熱面６１２に押し当てられる力がかかる。この力により、パワーモジュール５００をｘ、ｙ、ｚ軸方向に移動させようとすると、静止摩擦力が働くため、両面冷却パワーモジュールを冷却器に固定することができる。また、受熱面６１２に、反発力Ｎにより受熱スペーサ６３０Ａ、６３０Ｂが接することにより、パワーモジュール５００からの発熱を効率よく冷却器６１０に伝えることができる。
【符号の説明】
【００９７】
１０１  冷却ファン
１０２  コンバータ
１０３  インバータ
１０４  チョッパ
１０５  変圧器
１０６  蓄電池
１０７  受電点
１０８  交流負荷
１０９  上位制御回路
【図１】
2017103263.tif 000003
【図２】
2017103263.tif 000004
【図３】
2017103263.tif 000005
【図４】
2017103263.tif 000006
【図５（Ａ）】
2017103263.tif 000007
【図５（Ｂ）】
2017103263.tif 000008
【図６（Ａ）】
2017103263.tif 000009
【図６（Ｂ）】
2017103263.tif 000010
【図７】
2017103263.tif 000011
【図８】
2017103263.tif 000012
【図９】
2017103263.tif 000013
【図１０】
2017103263.tif 000014
【図１１（Ａ）】
2017103263.tif 000015
【図１１（Ｂ）】
2017103263.tif 000016
【図１２】
2017103263.tif 000017
【図１３】
2017103263.tif 000018
【図１４】
2017103263.tif 000019
【図１５】
2017103263.tif 000020
【図１６】
2017103263.tif 000021
【図１７（Ａ）】
2017103263.tif 000022
【図１７（Ｂ）】
2017103263.tif 000023
【図１８】
2017103263.tif 000024
【図１９】
2017103263.tif 000025
【図２０】
2017103263.tif 000026
【図２１（Ａ）】
2017103263.tif 000027
【図２１（Ｂ）】
2017103263.tif 000028
【図２２】
2017103263.tif 000029