JP6458699B2

JP6458699B2 - 冷却器付き放電抵抗装置

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Publication number: JP6458699B2
Application number: JP2015192846A
Authority: JP
Inventors: 長瀬　敏之; 敏之長瀬; 雅人駒崎; 航岩崎
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2019-01-30
Anticipated expiration: 2035-09-30
Also published as: JP2017069371A

Description

この発明は、抵抗体の放電特性に応じて冷却効率を最適化させることが可能な冷却器付き放電抵抗装置に関するものである。

近年、ハイブリット自動車や燃料電池自動車などに代表される高圧直流電源を備えた車両が急速に普及しつつある。
こうした高圧直流電源を備えた車両では、主に安全性の観点から、モータ駆動電圧よりも低い電圧の高圧直流電源を用いている。そして、この高圧直流電源の出力電圧を昇圧コンバータ（アップコンバータ）により昇圧し、モータ駆動用のインバータに印加する昇圧コンバータ・インバータ回路方式が主に採用されている。

こうした昇圧コンバータ・インバータ回路では、高圧直流電源の電圧を昇圧する昇圧コンバータと、この昇圧直流電圧を交流電圧に変換して交流回転電機に印加するインバータとを接続したものから構成されている（例えば、特許文献１参照）。

昇圧コンバータ・インバータ回路では、昇圧コンバータの一対の入力端子間にコンバータ用の平滑コンデンサを接続し、また、インバータの一対の入力端子間にインバータ用の平滑コンデンサを接続している。これら平滑コンデンサは交直変換によって生じる直流波形中の脈流（リップル）を低減するためのコンデンサであって、スイッチングサージ電圧低減のためにコンバータ用の平滑コンデンサは昇圧コンバータのスイッチング素子に近接して、またインバータ用の平滑コンデンサはインバータのスイッチング素子に近接して配置されている。

そして、昇圧コンバータ・インバータ回路では、インバータ用の平滑コンデンサと並列に放電抵抗素子が接続されている。放電抵抗素子は、モータの運転停止時にインバータの一対の入力端子間を放電させる常用の放電抵抗素子と、車両に何らかの異常、例えば衝突などが生じた場合に、安全確保のためにインバータの一対の入力端子間を短時間で放電させる非常用の放電抵抗素子（短時間放電抵抗素子）とが並列に接続されている。

短時間放電抵抗素子は、高圧直流電源と昇圧コンバータとの間の電力ケーブルが断線するなどして、高圧直流電源から昇圧コンバータ・インバータ回路への給電が途絶えた場合に、コンバータ用の平滑コンデンサ及びインバータ用の平滑コンデンサを短時間（たとえば数分以内）に放電させ、電気的安全性を向上させる。即ち、短時間放電抵抗素子はインバータ用の平滑コンデンサを直接放電するとともに、コンバータ用の平滑コンデンサを昇圧コンバータ内蔵のダイオードを通じて放電する。

特開２００５−２５３２７６号公報

従来、インバータなどに組み込まれる常用の放電抵抗素子と短時間放電抵抗素子とを両方備えた放電抵抗装置は、短時間で多量の熱を放出する短時間放電抵抗素子を充分に冷却可能な、大きな熱容量の冷却器を用いていた。このため、冷却器のサイズが大型化し、放電抵抗装置の小型化の妨げとなっていた。

この発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、冷却器を備えた放電抵抗装置の小型化、軽量化を可能にし、かつ、放電抵抗体の確実な冷却が可能な冷却器付き放電抵抗装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の冷却器付き放電抵抗装置は、セラミックスからなる絶縁層と、該絶縁層の一方の面側に並べて形成された第一の抵抗体および第二の抵抗体と、前記絶縁層の他方の面側に順に積層された金属層および冷却器とを有する冷却器付き放電抵抗装置であって、前記金属層および前記冷却器はＡｌまたはＡｌ合金からなり、前記冷却器は、放熱領域と、該放熱領域よりも体積が大きく、かつ表面積の小さい吸熱領域とを有し、前記第一の抵抗体は、前記第二の抵抗体よりも印加された電圧を短時間で放電可能な放電抵抗体であり、前記第一の抵抗体は、前記吸熱領域と重なる位置に形成され、前記第二の抵抗体は、前記放熱領域と重なる位置に形成されていることを特徴とする。

このような構成の冷却器付き放電抵抗装置によれば、互いに放電時間が異なる第一の抵抗体と第二の抵抗体のそれぞれの発熱特性に合わせて、冷却器に放熱領域と吸熱領域とを形成することによって、第一の抵抗体と第二の抵抗体をそれぞれ確実に冷却可能であり、かつ、冷却器付き放電抵抗装置の小型化、軽量化を可能にする。
即ち、短時間放電による急激な放熱を伴う第一の抵抗体に対しては、冷却器の吸熱領域と重なる位置に形成することによって、第一の抵抗体の急激な温度上昇による熱を大きな熱容量の吸熱領域で速やかに吸熱（熱移動）し、第一の抵抗体を短時間で冷却することができる。一方、比較的長時間の放電による緩慢な放熱を伴う第二の抵抗体に対しては、冷却器の放熱領域と重なる位置に形成することによって、第二の抵抗体を広い表面積で冷媒に接する放熱領域で確実に冷却することができる。
そして、第一の抵抗体の形成位置に重なる吸熱領域は、放熱領域よりも表面積が小さく、体積が大きいブロック状（塊状）に形成することによって、冷却器全体に広い表面積が必要なフィンなどを形成する場合と比較して、小さく、かつ軽量な冷却器付き放電抵抗装置を実現することができる。通常では、第一の抵抗体で発生した大きな熱を冷却するためには、第一の抵抗体を大きな面積とするか、もしくは、天板部の厚い冷却器とする必要があり、これに第二の抵抗体用の放熱フィン領域を付加すると、さらに装置が大型化することとなる。

前記絶縁層と前記金属層、および前記金属層と前記冷却器は、それぞれ直接接合されていることを特徴とする
これにより、絶縁層と冷却器とを、金属層を介して強固に接合することができ、熱膨張係数の違いによって互いの接合面に応力が生じても、接合部分での剥離を確実に防止することができる。

前記冷却器の一部には、Ｃｕ又はＣｕ合金を含む熱伝導体が更に形成され、前記冷却器と前記熱伝導体、および前記金属層と前記熱伝導体は、それぞれ固体拡散接合によって接合されていることを特徴とする。
これにより、第一の抵抗体や第二の抵抗体と冷却器との間の熱伝導性の向上による冷却特性の更なる改善を実現することができ、かつ、冷却器と熱伝導体、および金属層と熱伝導体を強固に接合することができる。

前記放熱領域には、冷媒を流通させる流路が形成されていることを特徴とする。
これにより、冷却器の放熱領域における放熱効率を高め、小さな表面積でも効率的に第二の抵抗体を冷却することができる。

前記絶縁層と前記金属層とは、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合されていることを特徴とする。
絶縁層と金属層との直接接合にＡｌ−Ｓｉ系ろう材を用いることにより、絶縁層と金属層のそれぞれの接合面においてろう材の拡散性が高められ、互いに異種材料からなる絶縁層と金属層とを極めて強固に直接接合することが可能になる。

前記金属層は、厚みが０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする。
こうした厚み範囲になるように金属層を形成することによって、絶縁層に発生する熱応力をこの金属層によって効果的に吸収でき、絶縁層にクラックや割れが生じることを防止することができる。

本発明によれば、冷却器を備えた放電抵抗装置の省スペース化を可能にし、かつ、放電抵抗体の確実な冷却が可能な冷却器付き放電抵抗装置を提供することができる。

第一実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す断面図である。第二実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す断面図である。第三実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す断面図である。第四実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す模式図である。実験例のおける第一の抵抗体への電圧の印加パターンである。

以下、図面を参照して、本発明の冷却器付き放電抵抗装置について説明する。なお、以下に示す各実施形態は、発明の趣旨をより良く理解させるために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。また、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために、便宜上、要部となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（第一実施形態）
第一実施形態の冷却器付き放電抵抗装置について、図１を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す断面図である。
冷却器付き放電抵抗装置１０は、絶縁性の基板である絶縁層２１，２２と、絶縁層２１の一方の面側２１ａに形成された第一の抵抗体２３と、絶縁層２２の一方の面側２２ａに形成された第二の抵抗体２４と、絶縁層２１，２２の他方の面側２１ａ，２２ｂそれぞれ積層された金属層２５，２６と、この金属層２５，２６に直接接合された共通の冷却器３１とを有する。また、絶縁層２１の一方の面側２１ａには、第一の抵抗体２３に通電させる電極２７ａ，２７ｂが、絶縁層２２の一方の面側２２ａには、第二の抵抗体２４に通電させる電極２８ａ，２８ｂが、それぞれ形成されている。

絶縁層２１，２２は、例えば、絶縁性および放熱性に優れたＳｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム）、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）等のセラミックスで構成されている。本実施形態では、絶縁層２１，２２は、アルミナで構成されている。また、絶縁層２１，２２の厚さは、例えば、０．２〜１．５ｍｍの範囲内に設定されており、本実施形態では、０．６３５ｍｍに設定されている。

第一の抵抗体（放電抵抗体）２３および第二の抵抗体（放電抵抗体）２４は、電極２７ａ，２７ｂおよび電極２８ａ，２８ｂにそれぞれ電圧が印加された際の電気抵抗として機能させるためのものである。こうした第一の抵抗体２３および第二の抵抗体２４の構成材料の例として、Ｔａ−Ｓｉ系薄膜抵抗体やＲｕＯ_２厚膜抵抗体が挙げられる。第一の抵抗体２３および第二の抵抗体２４は、本実施形態においては、Ｔａ−Ｓｉ系薄膜抵抗体によって構成され、厚さが例えば０．５μｍとされている。

第一の抵抗体２３と第二の抵抗体２４とは、印加された電圧を放電させる時間（放電速度）が異なっており、第一の抵抗体２３は、第二の抵抗体２４よりも印加された電圧を短時間で放電可能な放電抵抗体とされている。

例えば、本実施形態の冷却器付き放電抵抗装置１０を電気自動車用の車載インバータ装置として用いた際に、第一の抵抗体２３は、電気自動車に何らかの異常、例えば衝突などが生じた場合に、安全確保のためにインバータ装置の入力端子間を短時間で放電させ、電気的な安全を確保するために用いられる（短時間放電抵抗体）。こうした目的のため、第一の抵抗体２３には、例えば、車両の衝突衝撃を検出する衝突センサからの信号によって開閉されるスイッチ素子などを接続し、このスイッチ素子が閉じることによって、第一の抵抗体２３の通電を行わせる構成などにされる。

一方、第二の抵抗体２４は、電気自動車の駆動モータの運転停止時に、インバータ装置の入力端子間を放電させるなど、常用放電抵抗体として用いられ、第一の抵抗体２３よりも放電速度が低いものが用いられる。

こうした放電速度の特性の違いにより、放電時において、第一の抵抗体２３は、第二の抵抗体２４よりも短時間に多量の放熱が生じるため、第一の抵抗体２３は第二の抵抗体２４よりも急速に冷却を行う必要がある。

電極２７ａ，２７ｂおよび電極２８ａ，２８ｂは、第一の抵抗体２３と第二の抵抗体２４にそれぞれ電圧を印加するための電気的な接続部であり、導電体、例えば、Ｃｕ、Ｃｕ合金、或いはＡｌ，Ａｇ，銀−パラジウム合金などにより構成されている。本実施形態においては、Ｃｕによって構成されている。厚さが例えば１．５μｍとされている。

金属層２５，２６は、ＡｌまたはＡｌ合金から構成される。本実施形態では、金属層２５，２６として、純度が９９．９８ｍａｓｓ％以上の高純度Ａｌからなる板状の部材を用いている。この金属層２５，２６の厚みは、例えば、０．４ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であればよい。こうした金属層２５，２６を絶縁層２１，２２と冷却器３１との間にそれぞれ形成することによって、金属層２５，２６は応力緩衝層としての機能を果たす。即ち、金属層２５，２６の形成によって、セラミックスからなる絶縁層２１，２２と、ＡｌやＡｌ合金からなる冷却器３１との熱膨張係数の差によって生じる熱応力を吸収し、絶縁層２１，２２の破損を防止することができる。

また、金属層２５，２６を純度９９．９８ｍａｓｓ％以上の高純度Ａｌで形成すれば、変形抵抗が小さくなり、第一の抵抗体２３や第二の抵抗体２４の通電時の発熱と非通電時の温度低下の繰り返しによる冷熱サイクルが負荷された際に、絶縁層２１，２２に発生する熱応力をこの金属層２５，２６によって効果的に吸収できる。

絶縁層２１と金属層２５、および絶縁層２２と金属層２６とは、それぞれろう材を用いて直接接合されている。ろう材としては、Ａｌ−Ｃｕ系ろう材、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材などが挙げられる。本実施形態で、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材が用いられている。

冷却器３１は、放熱領域Ｅ２と、この放熱領域Ｅ２よりも体積が大きく、かつ表面積の小さい吸熱領域Ｅ１とを有する。放熱領域Ｅ２は、冷却器付き放電抵抗装置１０の積層方向に沿って、常用放電抵抗体となる第二の抵抗体２４と重なる位置を成す。冷却器３１は、この放熱領域Ｅ２においては、天板部３２と、この天板部３２に形成された複数のフィン３３，３３…から構成されている。ここで、冷却器３１の熱伝導率は、９０Ｗ／ｍＫ以上、好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上とされている。さらに、放熱領域Ｅ２の天板部３２の体積と吸熱領域Ｅ１の体積比率は、Ｅ１／Ｅ２＝３〜１０とされている。
また、放熱領域Ｅ２の平均熱伝達係数は、フィンなどを形成することで、吸熱領域Ｅ１の８倍以上とされている。なお、本発明において、放熱領域Ｅ２の平均熱伝達係数は、天板部面換算、即ち、フィンが形成されておらず平板で形成したと仮定した場合における平均熱伝達係数である。

フィン３３，３３…は、互いに所定の間隔をあけて配置された板状部材である。このような冷却器３１の放熱領域Ｅ２は、フィン３３，３３…によって、その表面積が吸熱領域Ｅ１よりも大きくされる。そして、フィン３３，３３どうしの隙間（流路）を冷媒である空気が流通することによって、主に第二の抵抗体２４の通電によって生じる熱を効率的に冷却する、いわゆる空冷式の冷却器を構成している。
なお、冷却器３１の放熱領域Ｅ２は、例えば、天板部３２に接して、例えば冷却水を流通させる液体流路を一体に形成した、いわゆる水冷式の冷却器であってもよい。

冷却器３１の放熱領域Ｅ２を構成する天板部３２やフィン３３，３３…は、例えば、Ａｌ又はＡｌ合金などから形成されている。具体的には、Ａ３００３、Ａ１０５０、４Ｎ−Ａｌ、Ａ６０６３などが挙げられる。本実施形態では、Ａ１０５０の圧延板を用いている。なお、天板部３２とフィン３３，３３…とは一体の部材として形成された構成であっても、天板部３２に複数のフィン３３，３３…をろう材等で接合した構成であってもよい。天板部３２と複数のフィン３３，３３…とを別部材で構成する場合、天板部３２と複数のフィン３３，３３…とは、Ａｌの組成が互いに異なる材料を用いて形成してもよい。

冷却器３１の吸熱領域Ｅ１は、冷却器付き放電抵抗装置１０の積層方向に沿って、短時間放電抵抗体となる第一の抵抗体２３と重なる位置を成す。こうした吸熱領域Ｅ１は、放熱領域Ｅ２よりも大きな熱容量を有する形状、例えば、中実な塊状のＡｌまたはＡｌ合金からなる。

吸熱領域Ｅ１は、放熱領域Ｅ２よりも大きな熱容量を有し、さらに高い熱伝導率を有するため、これらの特徴より、放熱領域Ｅ２で熱を放熱するよりも短時間に、第一の抵抗体２３の急速な通電によって短時間に生じた大きな熱を吸収（熱移動）させることができる。これによって、第一の抵抗体２３の急速な通電による温度の急上昇を防止し、第一の抵抗体２３の熱による性能低下や劣化を防止する。

冷却器３１の吸熱領域Ｅ１は、例えば、Ａｌ又はＡｌ合金のブロック体などから形成されている。具体的には、Ａ３００３、Ａ１０５０、４Ｎ−Ａｌ、Ａ６０６３などが挙げられる。本実施形態では、Ａ１０５０のブロック体を用いている。

なお、こうした冷却器３１の放熱領域Ｅ２と吸熱領域Ｅ１とは、一体の部材で形成されていればよい。例えば、ブロック状のＡｌ合金を用いて、第二の抵抗体２４と重なる部分に空気の流路となる溝を形成することによってフィン３３，３３…を構成し、１つの部材から放熱領域Ｅ２と吸熱領域Ｅ１とを形成することができる。この場合、放熱領域Ｅ２と吸熱領域Ｅ１との境界は、冷却器３１を平面視した際の、絶縁層２１と絶縁層２２との間の中央である。

あるいは、板状のＡｌ合金を用いて、第二の抵抗体２４と重なる部分にフィン３３，３３…を接合し、第一の抵抗体２３と重なる部分に、ブロック状のＡｌ合金を接合することによって、放熱領域Ｅ２と吸熱領域Ｅ１とを備えた冷却器３１を形成することもできる。

金属層２５，２６と冷却器３１とは、それぞれ互いに直接接合されている。金属層２５，２６と冷却器３１との直接接合の方法としては、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材による直接接合を適用することができる。Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いる場合には、例えば、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材箔を金属層２５，２６と冷却器３１との間にそれぞれ配して、６４０℃程度で加熱することにより、金属層２５，２６と冷却器３１にＡｌ−Ｓｉ系ろう材が拡散し、金属層２５，２６と冷却器３１とが直接接合される。

金属層２５，２６と冷却器３１との直接接合の別な方法としては、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材と、Ｆ（フッ素）を含むフラックス、例えばＫＡｌＦ_４を主成分とするフラックスを用いたろう付けによって接合することもできる。この場合は、窒素などの不活性雰囲気中で接合することができる。

金属層２５，２６と冷却器３１との直接接合の更に別な方法としては、窒素等の不活性雰囲気中でＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系ろう材を用いてろう付けを行う、フラックスレスろう付けによって接合することもできる。

以上のような構成の冷却器付き放電抵抗装置１０によれば、互いに放電時間が異なる第一の抵抗体２３と第二の抵抗体２４のそれぞれの発熱特性に合わせて、冷却器３１に放熱領域Ｅ２と吸熱領域Ｅ１とを形成することによって、第一の抵抗体２３と第二の抵抗体２４をそれぞれ確実に冷却可能であり、かつ、冷却器付き放電抵抗装置１０の小型化、軽量化を可能にする。

即ち、短時間放電による急激な放熱を伴う第一の抵抗体２３は、冷却器３１の吸熱領域Ｅ１と重なる位置に形成することによって、第一の抵抗体２３の急激な温度上昇による熱を大きな熱容量の吸熱領域Ｅ１で速やかに吸熱（熱移動）し、第一の抵抗体２３を短時間で冷却することができる。

比較的長時間の放電による緩慢な放熱を伴う第二の抵抗体２４は、冷却器３１の放熱領域Ｅ２と重なる位置に形成することによって、第二の抵抗体２４を広い表面積で冷媒に接する放熱領域Ｅ２で確実に冷却することができる。

そして、例えば第一の抵抗体２３の形成位置に重なる吸熱領域Ｅ１は、放熱領域Ｅ２よりも表面積が小さく、体積が大きいブロック状（塊状）に形成することによって、冷却器全体に広い表面積が必要なフィンなどを形成する場合と比較して、小さく、かつ軽量な冷却器付き放電抵抗装置１０を実現することができる。

なお、上述した実施形態では、第一の抵抗体２３および第二の抵抗体２４のそれぞれに対応して、独立した絶縁層２１，２２および金属層２５，２６を形成しているが、これ以外にも、第一の抵抗体２３および第二の抵抗体２４に共通した１つの絶縁層や１つの金属層にすることもできる。

また、本発明の冷却器付き放電抵抗装置１０を用いて、例えば、車載用のインバータ装置を形成する場合、インバータ回路を構成するパワーモジュールを形成し、第二の抵抗体２４は、モータの運転停止時にインバータ装置の入力端子間を放電させ、また、第一の抵抗体２３は、何らかの異常、例えば衝突などが生じた場合に、安全確保のためにインバータ装置の入力端子間を短時間で放電させ、電気的な安全を確保する構成とすればよい。第一の抵抗体２３は、通電時にはコンデンサを直接放電させるとともに、昇圧コンバータ装置のコンデンサを昇圧コンバータ回路に内蔵されたダイオードを通じて放電させる。

（第二実施形態）
第二実施形態の冷却器付き放電抵抗装置について、図２を参照して説明する。
図２は、本発明の第二実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す断面図である。なお、第一実施形態の冷却器付き放電抵抗装置と同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第二実施形態の冷却器付き放電抵抗装置４０は、絶縁性の基板である絶縁層２１，２２と、絶縁層２１の一方の面側２１ａに形成された第一の抵抗体２３と、絶縁層２２の一方の面側２２ａに形成された第二の抵抗体２４と、絶縁層２１，２２の他方の面側２１ａ，２２ｂそれぞれ積層された、ＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層２５，２６と、この金属層２５，２６に直接接合された共通の冷却器５１とを有する。

本実施形態では、冷却器５１の一部に、Ｃｕ又はＣｕ合金を含む熱伝導体５２，５３が形成されている。このうち、熱伝導体５２は、ブロック状のＣｕ又はＣｕ合金からなり、短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３に重なる吸熱領域Ｅ１に形成されている。熱伝導体５２は、冷却器５１の吸熱領域Ｅ１に、上面を露呈させた状態で埋め込まれるように形成されている。熱伝導体５２の厚さ５ｍｍ〜３０ｍｍとするとよい。本実施形態では、熱伝導体５２は、厚さ１０ｍｍの無酸素銅により形成されている。そして、熱伝導体５２と金属層２５、および熱伝導体５２と冷却器５１とは、それぞれ固相拡散接合によって接合されている。

熱伝導体５３は、薄板状のＣｕ又はＣｕ合金からなり、常用放電抵抗体である第二の抵抗体２４に重なる放熱領域Ｅ２に形成されている。熱伝導体５３の厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍとするとよい。本実施形態では、熱伝導体５３は、厚さ２ｍｍの無酸素銅により形成されている。そして、熱伝導体５３と金属層２６、および熱伝導体５３と冷却器５１とは、固相拡散接合によって接合されている。

これら熱伝導体５２と金属層２５、熱伝導体５２と冷却器５１、熱伝導体５３と金属層２６、および熱伝導体５３と冷却器５１を固相拡散接合によって直接接合する際には、例えば、ＡｌやＡｌ合金からなる金属層２５，２６や冷却器４１と、Ｃｕ又はＣｕ合金からなる熱伝導体５２，５３とをそれぞれ表面処理し、５００〜６００℃程度で加熱しつつ圧力を加えることによって、これら各部材の接合面で固相拡散を行い、ＡｌやＡｌ合金とＣｕやＣｕ合金との異種金属による固相拡散接合によって接合することができる。

第二実施形態の冷却器付き放電抵抗装置４０によれば、短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３に重なる吸熱領域Ｅ１に、Ａｌよりも熱伝導性に優れたＣｕからなるブロック状の熱伝導体５２を形成することによって、第一の抵抗体２３で生じた急激な温度上昇による熱を、より一層速やか吸収でき、短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３の冷却効率を一層高めることが可能になる。

また、常用放電抵抗体である第二の抵抗体２４に重なる放熱領域Ｅ２にも、Ａｌよりも熱伝導性に優れたＣｕ又はＣｕ合金からなる板状の熱伝導体５３を形成することによって、第二の抵抗体２４で生じた熱を効率的に冷却器５１の放熱領域Ｅ２に伝搬させることができ、第二の抵抗体２４の冷却効率も一層高めることが可能になる。

（第三実施形態）
第三実施形態の冷却器付き放電抵抗装置について、図３を参照して説明する。
図３は、本発明の第三実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を示す断面図である。なお、第一実施形態の冷却器付き放電抵抗装置と同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第三実施形態の冷却器付き放電抵抗装置６０は、絶縁性の基板である絶縁層２１，２２と、絶縁層２１の一方の面側２１ａに形成された第一の抵抗体２３と、絶縁層２２の一方の面側２２ａに形成された第二の抵抗体２４と、絶縁層２１，２２の他方の面側２１ａ，２２ｂそれぞれ積層された、ＡｌまたはＡｌ合金からなる金属層２５，２６と、この金属層２５，２６に直接接合された共通の冷却器７１とを有する。

本実施形態では、冷却器７１は、例えばＡ１０５０からなり、吸熱領域Ｅ１の内部に、Ｃｕ又はＣｕ合金を含む熱伝導体７２を埋め込み形成している。熱伝導体７２は、例えば、ブロック状のＣｕ又はＣｕ合金からなる。こうした熱伝導体７２を冷却器７１の内部に埋め込み形成するために、冷却器７１は、互いに分割可能な上部部材７１Ａと下部部材７１Ｂとからなる。上部部材７１Ａは、平板状の部材であり、下部部材７１Ｂの吸熱領域Ｅ１には、熱伝導体７２を収容可能な凹部７３が形成されている。

本実施形態の冷却器７１では、下部部材７１Ｂの凹部７３に熱伝導体７２を収容して固相拡散接合した上で、熱伝導体７２を覆うように上部部材７１Ａと下部部材７１Ｂとを、例えばネジ７５によって締結して一体化させている。なお、上部部材７１Ａと下部部材７１Ｂとの接触面には、熱伝導性のサーマルグリースを塗布して密着性を高めておくことが好ましい。

第三実施形態の冷却器付き放電抵抗装置６０によれば、短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３に重なる吸熱領域Ｅ１に、Ａｌよりも熱伝導性に優れたＣｕからなるブロック状の熱伝導体７２を埋め込むように形成することによって、第一の抵抗体２３で生じた急激な温度上昇による熱を、より一層速やか吸収でき、短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３の冷却効率を一層高めることが可能になる。

（第四実施形態）
第四実施形態の冷却器付き放電抵抗装置について、図４を参照して説明する。
図４は、本発明の第四実施形態の冷却器付き放電抵抗装置を冷却器側から見た時の模式図である。なお、第一実施形態の冷却器付き放電抵抗装置と同一構成の部材には同一の符号を付し、その詳細な構造や作用の説明を省略する。
第四実施形態の冷却器付き放電抵抗装置８０は、冷却器９１の放熱領域Ｅ２に重なる位置に常用放電抵抗体である第二の抵抗体２４が形成され、また、吸熱領域Ｅ１に重なる位置に短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３が形成されている。また、放熱領域Ｅ２は、更に第一の抵抗体２３が形成された領域よりも外側に広がり、この部分に重ねて絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）９３，９３…が実装されている（第二放熱領域Ｅ３）。

そして、放熱領域Ｅ２および第二放熱領域Ｅ３には、冷媒として冷却水を流通させる流路９２が形成されている。一方、吸熱領域Ｅ１は、熱容量を増大させるブロック状のＡｌ合金からなり、流路９２は形成されない。

第四実施形態の冷却器付き放電抵抗装置８０によれば、常用放電抵抗体である第二の抵抗体２４に重なる放熱領域Ｅ２や、ＩＧＢＴ９３，９３…に重なる第二放熱領域Ｅ３に、選択的に冷却水の流路９２を形成し、短時間放電抵抗体である第一の抵抗体２３に重なる吸熱領域Ｅ１を熱容量を増大させるブロック状に形成することによって、第一の抵抗体２３、第二の抵抗体２４、ＩＧＢＴ９３のそれぞれの発熱特性に応じて、冷却器９１を最適な形状に形成することで、冷却器付き放電抵抗装置８０の小型化、軽量化を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの各実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら各実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、追加、ないし変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

以下、本実施形態の効果を検証した実験例を示す。
（実施例１、第一の実施形態に示す構造の冷却器付き放電抵抗装置に相当）
第一および第二の抵抗体（Ｔａ−Ｓｉ系薄膜抵抗体、１０ｍｍ×５ｍｍ）をそれぞれ厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板上に形成したのち、Ｃｕからなる電極を形成した。第一および第二の抵抗体が形成されたアルミナ基板を、それぞれ、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、４Ｎ−Ａｌ金属層（１０ｍｍ×５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材、Ａ１０５０材の冷却器（５０ｍｍ×２０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）の順に積層し、６１０℃で真空中で加熱してそれぞれ接合した。第一の抵抗体は吸熱領域Ｅ１に、第二の抵抗体は放熱領域Ｅ２に形成した。なお、放熱領域Ｅ２における、冷却器のフィン高さは１２ｍｍ、フィン厚１ｍｍ、フィン間隔１．５ｍｍとした。実施例１において、吸熱領域Ｅ１の体積は７５００ｍｍ^３、放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積は３９００ｍｍ^３、吸熱領域Ｅ１の平均熱伝達係数は１０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、放熱領域Ｅ２の天板部換算の平均熱伝達係数は１００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、吸熱領域Ｅ１の表面積は１８５０ｍｍ^２、放熱領域Ｅ２の表面積は５７５０ｍｍ^２である。なお、実施例１における冷却器の占有容積（吸熱領域Ｅ１の体積＋放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積＋放熱領域Ｅ２のフィンによって形成される空間の体積）は１５０００ｍｍ^３であった。

（実施例２、第二の実施形態に示す構造の冷却器付き放電抵抗装置に相当）
第一および第二の抵抗体（Ｔａ−Ｓｉ系薄膜抵抗体、１０ｍｍ×５ｍｍ）をそれぞれ厚さ０．６３５ｍｍのアルミナ基板上に形成したのち、Ｃｕからなる電極を形成した。第一および第二の抵抗体が形成されたアルミナ基板の他方の面側に、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を介し、４Ｎ−Ａｌ材（１０ｍｍ×５ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を積層し、６４０℃で真空中で加熱して接合した。そして、Ａ１０５０からなる冷却器を彫り込み加工し、加工された部分を吸熱領域Ｅ１とし、２０ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ１０ｍｍの無酸素銅を配置し、放熱領域Ｅ２には、２０ｍｍ×１５ｍｍ、厚さ２ｍｍの無酸素銅を配置し、それらの上に、他方の面側に金属層が接合され第一および第二の抵抗体が形成されたアルミナ基板を、それぞれの位置に、５３０℃で真空中で加熱して固相拡散接合で接合した。
なお、放熱領域Ｅ２における、冷却器のフィン高さは１２ｍｍ、フィン厚１ｍｍ、フィン間隔１．５ｍｍとした。実施例２において、吸熱領域Ｅ１の体積は７５００ｍｍ^３、放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積は３９００ｍｍ^３、吸熱領域Ｅ１の平均熱伝達係数は１０Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、放熱領域Ｅ２の天板部換算の平均熱伝達係数は１００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、吸熱領域Ｅ１の表面積は１８５０ｍｍ^２、放熱領域Ｅ２の表面積は５７５０ｍｍ^２である。なお、実施例２における冷却器の占有容積（吸熱領域Ｅ１の体積＋放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積＋放熱領域Ｅ２のフィンによって形成される空間の体積）は１５０００ｍｍ^３であった。

（比較例１）
実施例１で天板部厚さ１０ｍｍ、フィン高さ１２ｍｍの冷却器を用いて製造した。なお、比較例１では、吸熱領域Ｅ１にもフィンが形成されている。
比較例１において、吸熱領域Ｅ１のフィンを含む体積は７４００ｍｍ^３、放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積も７４００ｍｍ^３、吸熱領域Ｅ１の天板部換算の平均熱伝達係数は１００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、放熱領域Ｅ２の平均熱伝達係数も１００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、吸熱領域Ｅ１の表面積は６２４０ｍｍ^２、放熱領域Ｅ２の表面積も６２４０ｍｍ^２である。なお、比較例１における冷却器の占有容積（吸熱領域Ｅ１のフィンを含む体積＋放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積＋吸熱領域Ｅ１及び放熱領域Ｅ２のフィンによって形成される空間の体積）は２２０００ｍｍ^３であった。

（比較例２）
天板厚さ３ｍｍ、フィン高さ１２ｍｍで、冷却器形状を７５ｍｍ×２０ｍｍとした以外は実施例１と同様とした。なお、比較例２では、吸熱領域Ｅ１にもフィンが形成されている。
比較例２において、吸熱領域Ｅ１のフィンを含む体積は５８５０ｍｍ^３、放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積も５８５０ｍｍ^３、吸熱領域Ｅ１の天板部の平均熱伝達係数は１００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、放熱領域Ｅ２の天板部換算の平均熱伝達係数も１００Ｗ／（ｍ^２・Ｋ）、吸熱領域Ｅ１の表面積は８５９５ｍｍ^２、放熱領域Ｅ２の表面積も８５９５ｍｍ^２である。なお、比較例２における冷却器の占有容積（吸熱領域Ｅ１のフィンを含む体積＋放熱領域Ｅ２の天板部およびフィン部の体積＋放熱領域Ｅ２のフィンによって形成される空間の体積）は２２５００ｍｍ^３であった。

（比較例３）
第二の抵抗体を吸熱領域Ｅ１に、第一の抵抗体を放熱領域Ｅ２に形成した以外は、実施例１と同様に製造した。

（評価）
得られた冷却器付き放電抵抗装置を図５に示す放電パターンとなるように第一の抵抗体に電圧を印加した際の第一抵抗体の最高温度を熱電対で測定した。また、第二抵抗体には５Ｗで定常発熱させた場合の温度を熱電対で測定した。なお、表１には実施例１の占有容積を１とした場合の比率を記載した。

実施例は第一抵抗体温度、第二抵抗体温度が９５℃以下を満足しているが、比較例１及び比較例２は、冷却器全体の占有容積比が１．５倍であるのにもかかわらず、第一抵抗体の温度が９５℃以下を満足していないことが分かる。また、第一の抵抗体を放熱領域Ｅ２に配置し、第二の抵抗体を吸熱領域Ｅ１に配置した比較例３では、第一の抵抗体および第二の抵抗体の温度が９５℃以下を満足していない。

１０冷却器付き放電抵抗装置
２１，２２絶縁層
２３第一の抵抗体
２４第二の抵抗体
２５，２６金属層
３１冷却器
Ｅ２放熱領域
Ｅ１吸熱領域

Claims

セラミックスからなる絶縁層と、該絶縁層の一方の面側に並べて形成された第一の抵抗体および第二の抵抗体と、前記絶縁層の他方の面側に順に積層された金属層および冷却器とを有する冷却器付き放電抵抗装置であって、
前記金属層および前記冷却器はＡｌまたはＡｌ合金からなり、
前記冷却器は、放熱領域と、該放熱領域よりも体積が大きく、かつ表面積の小さい吸熱領域とを有し、
前記第一の抵抗体は、前記第二の抵抗体よりも印加された電圧を短時間で放電可能な放電抵抗体であり、
前記第一の抵抗体は、前記吸熱領域と重なる位置に形成され、前記第二の抵抗体は、前記放熱領域と重なる位置に形成されていることを特徴とする冷却器付き放電抵抗装置。
前記絶縁層と前記金属層、および前記金属層と前記冷却器は、それぞれ直接接合されていることを特徴とする請求項１記載の冷却器付き放電抵抗装置。
前記冷却器の一部には、Ｃｕ又はＣｕ合金を含む熱伝導体が更に形成され、前記冷却器と前記熱伝導体、および前記金属層と前記熱伝導体は、それぞれ固体拡散接合によって接合されていることを特徴とする請求項１または２記載の冷却器付き放電抵抗装置。
前記放熱領域には、冷媒を流通させる流路が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３いずれか一項記載の冷却器付き放電抵抗装置。
前記絶縁層と前記金属層とは、Ａｌ−Ｓｉ系ろう材を用いて接合されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか一項記載の冷却器付き放電抵抗装置。
前記金属層は、厚みが０．６ｍｍ以上、２．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし５いずれか一項記載の冷却器付き放電抵抗装置。