JP7238635B2 - 電力変換装置及び冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及び冷却システムに関する。

例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、電力変換を行うための電子部品と、電子部品を冷却するための冷却器と、を有している。この種の電力変換装置は、電子部品の冷却効率を向上させるため、沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却するように構成されていることがある。

例えば特許文献１には、直方体形状を呈する第１導電体及び第２導電体と、第１導電体と第２導電体との間に狭持された第１半導体素子及び第２半導体素子と、第１導電体及び第２導電体が載置された放熱用金属板と、放熱用金属板に接合された冷却ブロックを備えた冷却器と、を有する電力変換装置が記載されている。冷却ブロックは、矩形状を呈する凹所と、凹所の周囲を囲む環状の係合溝と、凹所と係合溝との間に形成された接合面と、を有している。冷却ブロックの凹所及び係合溝は、放熱用金属板により覆われている。

この電力変換装置における冷媒流路は、放熱用金属板と凹所の内表面とによって囲まれた空間から構成されている。また、係合溝内には、冷媒流路の周囲をシールし、冷媒の漏洩を防止するためのシール材が配置されている。

特開２０１５－５３７７５号公報

特許文献１の電力変換装置のように沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却しようとする場合、放熱用金属板に接触させた液状の冷媒を気化させる必要がある。この際、放熱用金属板と接触した冷媒が激しく気化すると、放熱用金属板の表面が気化した冷媒によって覆われる、ドライアウトと呼ばれる現象が起こり、電子部品の冷却効率の低下を招く。

従来の電力変換装置においては、放熱用金属板との接触によって気化した冷媒が液状の冷媒に押し流されるため、ドライアウトの発生は顕在化していなかった。しかし、近年、電力変換装置の大出力化に伴って、電子部品からの発熱量がますます増大する傾向にある。発明者らの詳細な検討の結果、かかる状況においては、例えば冷却ブロックの接合面と放熱用金属板との間等の比較的流速の遅い部分に滞留した冷媒が気化し、冷媒流路の幅方向の端部にドライアウトが発生しやすくなることが明らかとなった。

ドライアウトの発生を抑制するためには、例えば、冷媒流路の幅を広くすることにより、冷媒流路の幅方向の端部の温度の上昇を抑制する方法が考えられる。しかし、冷媒流路の幅が広くなると、冷却効率を維持するために必要な冷媒の流量の増大を招き、ひいては圧力損失の増大を招くおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供しようとするものである。

本発明の一態様は、 冷媒が導入される冷媒導入口（５１、５１３）と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口（５３、５３３）と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口（５２）と、を備えた冷媒流路（５、５０２～５０４）を有する冷却器（２、２０２～２０４）と、
前記冷却器に積層され、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板（３）と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品（４）と、を有し、
前記冷媒流路は、
前記電子部品を前記冷却器と前記部品保持板との積層方向（Ｚ）において前記冷却器の内表面に投影してなる部品投影面（２１）と、前記部品保持板における前記電子部品の背面（３１）との間の空間である部品背面領域（５４）と、
前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域（５５）と、を有し、
冷媒の流れ方向（Ｘ）に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている、電力変換装置（１、１０２～１０４）にある。

本発明の他の態様は、前記の態様の電力変換装置と、前記電力変換装置の前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置（７）と、を備えた冷却システム（１０）にある。

前記電力変換装置は、冷媒流路を備えた冷却器と、冷媒流路の冷却開口を閉鎖する部品保持板と、部品保持板の外表面に保持された電子部品と、を有しており、部品保持板に冷媒を接触させて電子部品を冷却することができるように構成されている。また、前記冷媒流路は、前記部品背面領域と、前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域と、を有しており、電力変換装置は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。

このように、部品背面領域における冷媒の平均流速を部品周辺領域よりも大きくすることにより、電子部品からの熱が最も伝わりやすい、部品保持板における前記電子部品の背面を効率よく冷却することができる。また、部品周辺領域に冷媒を流すことにより、冷媒の気泡を押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができる。更に、部品周辺領域における冷媒の平均流速を部品背面領域よりも小さくすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。

以上のごとく、上記態様によれば、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１は、実施形態１における電力変換装置の斜視図である。 図２は、実施形態１における電力変換装置の上面図である。 図３は、図２のIII－III線矢視断面図である。 図４は、実施形態１における冷却器の斜視図である。 図５は、実施形態２における、副流路部内に凸条部が設けられた電力変換装置の要部を示す断面図である。 図６は、実施形態２における冷却器の斜視図である。 図７は、実施形態３における、冷媒流路の一部に副流路部を設けた冷却器の上面図である。 図８は、図７のVIII－VIII線矢視断面図である。 図９は、図７のIX－IX線矢視断面図である。 図１０は、実施形態４における、冷媒導入口から冷媒導出口に向かうにつれて副流路部の幅が広くなっている冷却器の上面図である。 図１１は、実施形態５における冷却システムの概略構成を示す説明図である。 図１２は、実験例における試験体Ｓ１の流速分布を示す説明図である。 図１３は、実験例における試験体Ｓ２の流速分布を示す説明図である。 図１４は、実験例における熱抵抗の算出結果を示す説明図である。

（実施形態１）
前記電力変換装置に係る実施形態について、図１～図４を参照して説明する。本形態の電力変換装置１は、図１及び図２に示すように、冷却器２と、部品保持板３と、電子部品４と、を有している。図３及び図４に示すように、冷却器２は、冷媒が導入される冷媒導入口５１と、冷媒導入口５１に連なり冷媒が導出される冷媒導出口５３と、冷媒導入口５１と冷媒導出口５３との間に配置された冷却開口５２と、を備えた冷媒流路５を有している。図３に示すように、部品保持板３は、冷却器２に積層されている。また、冷却器２の冷却開口５２は、部品保持板３によって閉鎖されている。電子部品４は、部品保持板３の外表面に保持されている。

冷媒流路５は、電子部品４を冷却器２と部品保持板３との積層方向において冷却器２の内表面に投影してなる部品投影面２１と、部品保持板３における電子部品４の背面３１との間の空間である部品背面領域５４と、部品背面領域５４以外の領域である部品周辺領域５５と、を有している。また、冷媒流路５は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において、部品背面領域５４における冷媒の平均流速が部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。

以下、本形態の電力変換装置１の構成をより詳細に説明する。本形態の冷却器２は、図１に示すように直方体状を呈する流路形成部２２と、図３及び図４に示すように流路形成部２２の内部を貫通する冷媒流路５と、を有している。図４に示すように、流路形成部２２の長手方向における一方の端面２２１には冷媒導入口５１が開口しており、他方の端面２２２には冷媒導出口５３が開口している。

また、冷媒導入口５１を有する端面２２１と冷媒導出口５３を有する端面２２２との間には、冷却開口５２を備えた頂面２２３と、頂面２２３の反対側に位置する底面２２４と、頂面２２３と底面２２４とを接続する２か所の側面２２５とが存在している。流路形成部２２は、例えば、アルミニウム等の金属から構成されていてもよい。

以下において、冷媒の流れ方向に平行な方向を「縦方向Ｘ」、流路形成部２２における２枚の側面２２５の並び方向を「横方向Ｙ」、冷却器２と部品保持板３との積層方向を「積層方向Ｚ」ということがある。また、積層方向Ｚにおける頂面２２３側を「上方Ｚ１」、底面２２４側を「下方Ｚ２」ということがある。これらの方向に関する表示は便宜上のものであり、電力変換装置１を車両等に取り付ける際の向きとは何ら関係がない。

本形態の冷却開口５２は、図４に示すように、流路形成部２２における縦方向Ｘの全体に亘って延在している。なお、冷却器２の形状及び流路形成部２２内における冷媒流路５の配置は本形態の態様に限定されるものではない。

また、本形態の流路形成部２２の頂面２２３には、横方向Ｙにおける冷却開口５２の外方に配置された溝２２６を有している。溝２２６の内部には、後述するシール材６が収容される。

図１及び図２に示すように、流路形成部２２の頂面２２３上には部品保持板３が配置されている。部品保持板３は、例えば、銅やアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する金属から構成されていてもよいし、アルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの高い熱伝導率を有する電気絶縁性のセラミックスから構成されていてもよい。

図３に示すように、本形態の部品保持板３は、セラミックスからなり流路形成部２２の頂面２２３上に配置された絶縁基板３３と、導体からなり絶縁基板３３の上方Ｚ１に積層された回路パターン部３４と、を有している。絶縁基板３３は、流路形成部２２の冷却開口５２及び溝２２６を覆うように配置されている。図には示さないが、絶縁基板３３と流路形成部２２の頂面２２３との間には、微小な隙間が形成されている。

部品保持板３は、冷却開口５２を閉鎖し、冷媒流路５内を流れる冷媒の漏出を防止することができるようにして冷却器２に取り付けられている。部品保持板３の取り付けの態様は、冷却開口５２を閉鎖し、冷媒の漏出を防止することができれば、どのような態様であってもよい。例えば、部品保持板３は、Ｓｉ等の金属微粒子を焼結してなる金属焼結体や、ろうなどの接合材を介して流路形成部２２に接合されていてもよい。

また、例えばＯリングや液状ガスケットなどのシール材６を部品保持板３と流路形成部２２との間に介在させた状態で部品保持板３を流路形成部２２に取り付けることもできる。この場合には、部品保持板３と流路形成部２２との間に狭持されたシール材６によって両者の間を液密に封止し、冷媒の漏出を防止することができる。

本形態においては、図３に示すように、部品保持板３の絶縁基板３３と流路形成部２２の溝２２６との間にシール材６としてのＯリングが配置されている。そして、シール材６は溝２２６の内表面と部品保持板３との間に狭持されている。これにより、流路形成部２２と部品保持板３との間が液密に封止されている。

部品保持板３の回路パターン部３４上には、電子部品４が保持されている。電子部品４としては、例えば、電界効果トランジスタや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子や、フリーホイールダイオード等の半導体整流素子等を採用することができる。これらの素子には、例えば、シリコン半導体や炭化ケイ素半導体などの半導体が含まれていてもよい。本形態の電子部品４は、具体的には、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子である。また、本形態においては、回路パターン部３４上に１個の電子部品４が保持されているが、１か所の回路パターン部３４上に複数の電子部品４が保持されていてもよい。

電子部品４は、はんだ等の導電性を有する接合材を介して回路パターン部３４に接合されていてもよい。図には示さないが、本形態の電子部品４は、接合材としてのはんだを介して回路パターン部３４に接合されている。

電力変換装置１における冷媒流路５は、冷却器２の流路形成部２２と、部品保持板３とによった囲まれた空間から構成されている。冷媒流路５は、電子部品４を冷却器２と部品保持板３との積層方向Ｚ（つまり、上下方向）において冷却器２の内表面に投影してなる部品投影面２１と、部品保持板３における電子部品４の背面３１との間の空間である部品背面領域５４と、部品背面領域５４以外の領域である部品周辺領域５５と、を有している。冷媒流路５は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において、部品背面領域５４における冷媒の平均流速が部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されていれば、種々の態様をとり得る。

例えば、冷媒流路５は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面における部品周辺領域５５の流路断面積が部品背面領域５４の流路断面積よりも小さくなるように構成されていてもよい。この場合には、冷媒導入口５１から供給された冷媒が、部品周辺領域５５よりも流路断面積が大きく管路抵抗の小さい部品背面領域５４に流れやすくなる。その結果、部品背面領域５４における冷媒の平均流速を部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくし、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる。

前記の態様の冷媒流路５には、具体的には、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において、半円状、Ｖ字状、Ｔ字状等の、冷媒流路５の深さが一様ではない形状を有する冷媒流路５が含まれる。冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において、冷媒流路５の深さが最も深い部分を含むように部品背面領域５４を配置することにより、前述した作用効果を奏することができる。

また、冷媒流路５は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において矩形状を呈する主流路部５６と、主流路部５６から冷却器２と部品保持板３との積層方向に直角な方向に延出し、主流路部５６よりも流路断面積の小さい副流路部５７と、を有し、部品背面領域５４は主流路部５６に配置されていてもよい。この場合には、前記と同様に、冷媒導入口５１から供給された冷媒が、より流路断面積が大きく、管路抵抗の小さい主流路部５６に流れやすくなる。それ故、部品背面領域５４を主流路部５６に配置することにより、部品背面領域５４における冷媒の平均流速を部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくすることができる。その結果、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる。

本形態における冷媒流路５は、縦方向Ｘの全長にわたって一定の断面形状を有している。より具体的には、冷媒流路５は、図３に示すように、冷媒の流れ方向に直交する断面において、主流路部５６と、主流路部５６の上端から幅方向の外方に延出した２か所の副流路部５７とを備えたＴ字状の断面形状を有している。

また、本形態の部品周辺領域５５は、冷却器２の頂面２２３と部品保持板３との間の隙間（図示略）に連なっている。これにより、冷却器２の頂面２２３と部品保持板３との間の隙間から発生した気泡を冷媒によって速やかに押し流し、ドライアウトの発生をより効果的に抑制することができる。

部品背面領域５４における冷媒の平均流速は、以下の方法により算出することができる。まず、Ｚｅｒｏ Ｅｑｕａｔｉｏｎ＆ｋ－Ｏｍｅｇａ法によって流体解析を行い、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面における冷媒の流量分布を算出する。この解析結果に基づいて得られる部品背面領域５４内を流れる冷媒の流量を、部品背面領域５４の流路断面積で除した値を部品背面領域５４における冷媒の平均流速とすればよい。なお、本形態における部品背面領域５４の流路断面積は、具体的には、縦方向Ｘに直交する断面における部品背面領域５４の断面積である。

また、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速は、部品背面領域５４における冷媒の平均流速と同様の方法により算出することができる。即ち、Ｚｅｒｏ Ｅｑｕａｔｉｏｎ＆ｋ－Ｏｍｅｇａ法によって流体解析を行い、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面における冷媒の流量分布を算出する。この解析結果に基づいて得られる部品周辺領域５５内を流れる冷媒の流量を、部品周辺領域５５の流路断面積で除した値を部品周辺領域５５における冷媒の平均流速とすればよい。なお、本形態における部品周辺領域５５の流路断面積は、具体的には、縦方向Ｘに直交する断面における部品周辺領域５５の断面積である。

部品背面領域５４における冷媒の平均流速は、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速の１．０倍よりも大きい。電子部品の冷却効率をより高める観点からは、部品背面領域５４における冷媒の平均流速は、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速の２．０倍以上であることが好ましく、３．０倍以上であることがより好ましい。

また、圧力損失の増大を抑制する観点からは、部品背面領域５４における冷媒の平均流速は、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速の５．０倍以下であることが好ましく、４．０倍以下であることがより好ましく、３．０倍以下であることがより好ましい。

次に、本形態の作用効果を説明する。電力変換装置１は、冷媒流路５を備えた冷却器２と、冷媒流路５の冷却開口５２を閉鎖する部品保持板３と、部品保持板３の外表面に保持された電子部品４と、を有しており、部品保持板３に冷媒を接触させて電子部品４を冷却することができるように構成されている。また、冷媒流路５は、部品背面領域５４と、部品背面領域５４以外の領域である部品周辺領域５５と、を有している。そして、電力変換装置１は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において、部品背面領域５４における冷媒の平均流速が部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。

このように、部品背面領域５４における冷媒の平均流速を部品周辺領域５５よりも大きくすることにより、電子部品４からの熱が最も伝わりやすい、部品保持板３における電子部品４の背面を効率よく冷却することができる。また、部品周辺領域５５に冷媒を流すことにより、冷媒の気泡を押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができる。更に、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速を部品背面領域５４よりも低くすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。

以上のごとく、本形態によれば、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置１を提供することができる。

（実施形態２）
本形態の電力変換装置１０２における冷媒流路５０２は、図５に示すように、主流路部５６と副流路部５８と、を有しており、副流路部５８内に突起部５８１が設けられている。なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本形態の電力変換装置１０２は、冷却器２０２と、部品保持板３と、電子部品４と、を有している。冷却器２０２は、冷媒導入口５１（図示略）と、冷却開口５２と、冷媒導出口５３（図示略）とを備えた冷媒流路５０２を有している。本例の冷媒流路５０２は、部品背面領域５４と、部品背面領域５４以外の領域である部品周辺領域５５と、を有しており、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において、部品背面領域５４における冷媒の平均流速が部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。

また、冷媒流路５０２は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面において矩形状を呈する主流路部５６と、主流路部５６から冷却器２０２と部品保持板３との積層方向に直角な方向に延出し、主流路部５６よりも流路断面積の小さい副流路部５８と、を有している。本形態の部品背面領域５４は主流路部５６に配置されている。

副流路部５８は、主流路部５６の上端から幅方向の外方に延出している。また、副流路部５８内には、流路形成部２２の内表面から上方Ｚ１に突出した複数の突起部５８１が設けられている。図６に示すように、突起部５８１は、縦方向Ｘ（つまり、冷媒の流れ方向）に延在した板状を呈しており、横方向Ｙに互いに間隔をおいて配置されている。また、図５に示すように、突起部５８１の上端と部品保持板３との間には冷媒が流通可能な大きさを有する隙間が存在している。

本形態のように、副流路部５８内に突起部５８１を設けることにより、副流路部５８内の管路抵抗をより大きくすることができる。これにより、副流路部５８内に流れる冷媒の平均流速をより小さくし、ひいては部品周辺領域５５内を流れる冷媒の平均流速をより小さくすることができる。その結果、部品背面領域５４における冷媒の平均流速をより大きくし、電子部品４の冷却効率をより向上させることができる。その他、本形態の電力変換装置１０２は、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。

なお、突起部５８１の配置や形状は、本形態の態様以外にも種々の態様をとり得る。例えば、突起部５８１は、円柱状や角柱状等の柱状を呈し、副流路部５８内に点在していてもよい。また、突起部５８１は、横方向Ｙや、縦方向Ｘに対して斜め方向等の、縦方向Ｘ以外に延在する板状を呈していてもよい。

（実施形態３）
本形態の電力変換装置１０３は、図には示さないが、冷却器２０３と、部品保持板３と、電子部品４と、を有している。冷却器２０３は、図７に示すように、冷媒導入口５１と、冷却開口５２と、冷媒導出口５３とを備えた冷媒流路５０３を有している。

冷媒流路５０３における冷媒導入口５１３は、図８に示すように、冷媒の流れ方向に直交する断面において、矩形状を呈している。冷媒導出口５３３は、図には示さないが、冷媒導入口５１３と同様に、冷媒の流れ方向に直交する断面において、矩形状を呈している。

また、冷媒流路５０３における、冷媒導入口５１３と冷媒導出口５３３との間の部分は、図９に示すように、主流路部５６と副流路部５７とを備えたＴ字状の断面形状を有している。また、図７に示すように、横方向Ｙにおける主流路部５６の幅と副流路部５７の幅との合計は、冷媒導入口５１３の幅及び冷媒導出口５３３の幅と同一である。その他は実施形態１と同様である。

図８と図９との比較から理解できるように、本形態の冷媒流路５０３は、冷媒の流れ方向に直交する断面における冷媒導入口５１３及び冷媒導出口５３３の流路断面積が、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品４を通る断面における部品周辺領域５５の流路断面積と部品背面領域５４の流路断面積との合計よりも大きくなるように構成されている。これにより、冷媒導入口５１３から冷媒を供給する際の圧力損失をより低減することができる。その結果、電子部品４の冷却効率をより高めることができる。その他、本形態の電力変換装置１０３は、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施形態４）
本形態の電力変換装置１０４は、図１０に示す冷却器２０４と、部品保持板３と、２個の電子部品４と、を有している。２個の電子部品４は、縦方向Ｘに互いに間隔をおいて配置されている。また、冷却器２０４は、冷媒導入口５１と、冷却開口５２と、冷媒導出口５３とを備えた冷媒流路５０４を有している。

本形態の冷媒流路５０４は、冷媒導入口５１から冷媒導出口５３までの全長にわたって、主流路部５６と副流路部５９とを備えたＴ字状の断面形状を有している。副流路部５９は、冷媒導入口５１における幅が最も狭く、冷媒導出口５３側へ近づくほど幅が狭くなるように構成されている。その他は実施形態１と同様である。

本形態のように、複数の電子部品４が冷媒の流れ方向に沿って並んで配置されている場合、上流側の電子部品４ａは比較的温度の低い冷媒によって冷却される。一方、下流側の電子部品４ｂは、上流側の電子部品４ｂとの熱交換によって温度が上昇した冷媒と熱交換するため、上流側の電子部品４ａに比べて冷却効率が低下しやすかった。

これに対し、本形態の冷媒流路５０４は、冷媒導出口５３に近づくほど冷媒の流れ方向における流路断面積が小さくなるように構成されている。これにより、冷媒導出口５３に近づくほど冷媒の流速を大きくすることができる。その結果、下流側の電子部品４ｂの冷却効率をより向上させることができる。その他、本形態の電力変換装置１０４は、実施形態１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施形態５）
本形態では、電力変換装置１と、電力変換装置１の冷媒流路５内を流れる冷媒と、電力変換装置１に冷媒を循環させる冷媒循環装置７と、を備えた冷却システム１０を説明する。冷媒循環装置７は、例えば図１１に示すように、冷媒を流動させるためのポンプ７１と、ポンプ７１と冷媒導入口５１との間、及び、ポンプ７１と冷媒導出口５３との間を接続する配管７２を有している。冷媒循環装置７は、更に、ラジエータなどの、冷媒と外気等との熱交換を行う熱交換器７３を有していてもよい。

冷却システム１０内に循環させる冷媒としては、例えば、水やロング・ライフ・クーラント等を使用することができる。本形態の冷却システム１０は、冷媒としてのロング・ライフ・クーラントを最大２ＭＰａの圧力で冷媒流路５内に供給することができるように構成されている。なお、電子部品４が定格出力で作動している場合における冷媒の圧力は０．２ＭＰａ程度であり、流量は１０Ｌ／分程度である。

本形態の冷却システム１０は、部品背面領域５４における冷媒の平均流速を３．０ｍ／ｓ以上とし、かつ、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速を１．５ｍ／ｓ以下とすることができるように構成されている。また、本形態の冷却システム１０は、部品背面領域５４における冷媒の流れを乱流とし、かつ、部品周辺領域５５における冷媒の流れを層流とすることができるように構成されている。

それ故、本形態の冷却システム１０は、部品保持板３における電子部品４の背面を効率よく冷却することができる。また、本形態の冷却システム１０は、冷媒の気化によって生じた気泡を速やかに押し流すことができる。更に、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速を部品背面領域５４よりも小さくすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。その結果、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる。

本形態の冷却システムは、特に、電子部品４からの最大発熱量が２５０Ｗ以上となる用途において、ドライアウトの発生を効果的に抑制することができる。かかる用途としては、例えば、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子の冷却システム等がある。

（実験例）
実施形態１における冷媒流路５の作用効果を確認するため、以下のようにしてシミュレーション及び実験を行った。本例において使用した試験体Ｓ１及び試験体Ｓ２の構造を以下に説明する。なお、試験体Ｓ１及び試験体Ｓ２は、実施形態１における冷却器２を模擬している。

・試験体Ｓ１
試験体Ｓ１は、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの外寸法を有している。また、試験体Ｓ１は、縦方向の全長にわたって延在する冷媒流路５を有している。冷媒流路５は、縦方向に直交する断面において、主流路部５６と副流路部５７とを有するＴ字状の断面形状を有している。主流路部５６の幅は１２ｍｍであり、深さは３ｍｍである。また、副流路部５７の幅は３ｍｍであり、深さは１ｍｍである。

・試験体Ｓ２
試験体Ｓ２は、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、高さ１００ｍｍの外寸法を有している。また、試験体Ｓ２は、縦方向の全長にわたって延在する冷媒流路５を有している。冷媒流路５は、縦方向に直交する断面において、幅１８ｍｍ、深さ３ｍｍの矩形状を呈している。

なお、各試験体の底面２２４には透明窓が設けられており、気泡の発生の有無を目視により観察することができるように構成されている。また、電子部品４は、冷媒流路５における幅方向の端部からの距離が９ｍｍとなり、かつ、冷媒導出口５３からの距離が５０ｍｍとなる位置に配置した。

・シミュレーション
試験体Ｓ１、Ｓ２の構造モデルを準備し、Ｚｅｒｏ Ｅｑｕａｔｉｏｎ＆ｋ－Ｏｍｅｇａ法を用いた熱流体解析により、冷媒流路５内を流れる冷媒の流速分布を算出した。なお、冷媒の温度は６０℃とし、電子部品４の発熱量は４５０Ｗとした。図１２に、冷媒導入口５１から供給する冷媒の流量を１５Ｌ／分とした場合における、試験体Ｓ１内を流れる冷媒の流速分布を示す。また、図１３に、冷媒導入口５１から供給する冷媒の流量を１５Ｌ／分とした場合における、試験体Ｓ２内を流れる冷媒の流速分布を示す。なお、図１２及び図１３は、部品保持板３から下方に１００μｍ離れた断面における流速分布を示した図である。

図１２に示したように、試験体Ｓ１において冷媒導入口５１から流入した冷媒は、冷媒導出口５３側へ向かうほど流速が大きくなる傾向を示した。また、主流路部５６における冷媒の流速と、副流路部５７における冷媒の流速とを、縦方向Ｘの位置が同一となる断面において比較すると、主流路部５６における冷媒の流速が副流路部５７における冷媒の流速よりも大きくなる傾向があることが理解できる。本例の試験体Ｓ１においては、部品背面領域５４における冷媒の平均流速を３．０ｍ／ｓ以上とし、かつ、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速を１．５ｍ／ｓ以下とすることができた。

一方、図１３に示したように、副流路部５７を有しない試験体Ｓ２は、試験体Ｓ１に比べて冷媒流路５内の冷媒の流速の変化が小さく、冷媒が一様に流れていることが理解できる。また、試験体Ｓ２においては、冷媒流路５の幅方向の両端における冷媒の流速が、中央における冷媒の流速よりも大きくなる傾向があることが理解できる。本例の試験体Ｓ２においては、部品背面領域５４における冷媒の平均流速が、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも小さくなった。なお、試験体Ｓ２の部品背面領域５４における冷媒の平均流速及び部品周辺領域５５における冷媒の平均流速は、いずれも約２ｍ／ｓ程度であった。

更に、前述した熱流体解析において、定常状態、つまり、電子部品４の温度が一定の温度に達した時点における、電子部品４から冷媒までの熱抵抗を算出した。図１４に、冷媒の流量を種々変更した場合の、試験体Ｓ１及び試験体Ｓ２の熱抵抗の値を示す。なお、図１４の縦軸は部品保持板３の熱抵抗、つまり、電子部品４と冷媒との温度差を発熱量で除した値であり、横軸は、冷媒導入口５１から供給する冷媒の流量である。

図１４に示したように、試験体Ｓ１は、試験体Ｓ２よりも冷媒の流量を低減しつつ、試験体Ｓ２と同程度の熱抵抗を実現することができる。

・実験
次に、試験体Ｓ１及び試験体Ｓ２の冷媒流路５に冷媒を流し、電子部品４を冷却した場合のドライアウトの有無を評価した。具体的には、試験体Ｓ１、Ｓ２における冷媒流路５内に、冷媒としての水を供給した。なお、冷媒の温度は６０℃とした。また、冷媒導入口５１から供給する冷媒の流量は１５Ｌ／分とした。

そして、冷媒流路５内に冷媒を流しながら、電子部品４を発熱させ、気泡の発生の有無を目視観察した。なお、電子部品４の発熱量は、４５０Ｗとした。

試験体Ｓ１においては、冷媒流路５内に生じた気泡を速やかに押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができた。一方、試験体Ｓ２においては、冷媒流路５の幅方向の両端において気泡が成長し、ドライアウトが発生した。

これらの結果から、部品背面領域５４における冷媒の平均流速を、部品周辺領域５５における冷媒の平均流速よりも大きくすることにより、ドライアウトの発生を抑制できることが容易に理解できる。

本発明は上記各形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

１、１０２～１０４ 電力変換装置
２、２０２～２０４ 冷却器
２１ 部品投影面
３ 部品保持板
３１ 背面
４ 電子部品
５、５０２～５０４ 冷媒流路
５１ 冷媒導入口
５２ 冷却開口
５３ 冷媒導出口
５４ 部品背面領域
５５ 部品周辺領域

Claims (7)

1. 冷媒が導入される冷媒導入口（５１、５１３）と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口（５３、５３３）と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口（５２）と、を備えた冷媒流路（５、５０２～５０４）を有する冷却器（２、２０２～２０４）と、
   前記冷却器に積層され、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板（３）と、
   前記部品保持板の外表面に保持された電子部品（４）と、を有し、
   前記冷媒流路は、
   前記電子部品を前記冷却器と前記部品保持板との積層方向（Ｚ）において前記冷却器の内表面に投影してなる部品投影面（２１）と、前記部品保持板における前記電子部品の背面（３１）との間の空間である部品背面領域（５４）と、
   前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域（５５）と、を有し、
   冷媒の流れ方向（Ｘ）に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている、電力変換装置（１、１０２～１０４）。
2. 冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面における前記部品周辺領域の流路断面積は前記部品背面領域の流路断面積よりも小さい、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記冷媒流路は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において矩形状を呈する主流路部（５６）と、前記主流路部から前記冷却器と前記部品保持板との積層方向に直角な方向に延出し、前記主流路部よりも流路断面積の小さい副流路部（５７～５９）と、を有し、前記部品背面領域は前記主流路部に配置されている、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 冷媒の流れ方向に直交する断面における前記冷媒導入口（５１３）及び前記冷媒導出口（５３３）の流路断面積は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面における前記部品周辺領域の流路断面積と前記部品背面領域の流路断面積との合計よりも大きい、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置（１０３）。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置と、前記電力変換装置の前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置（７）と、を備えた冷却システム（１０）。
6. 前記部品背面領域における冷媒の平均流速を３．０ｍ／ｓ以上とし、かつ、前記部品周辺領域における冷媒の平均流速を１．５ｍ／ｓ以下とすることができるように構成されている、請求項５に記載の冷却システム（１０）。
7. 前記部品背面領域における冷媒の流れを乱流とし、かつ、前記部品周辺領域における冷媒の流れを層流とすることができるように構成されている、請求項５または６に記載の冷却システム（１０）。

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