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技術 電力変換装置

出願人 株式会社デンソー
発明者 坂賢二
出願日 2009年11月11日 (10年11ヶ月経過) 出願番号 2009-257661
公開日 2011年5月26日 (9年5ヶ月経過) 公開番号 2011-103728
状態 特許登録済
技術分野 半導体または固体装置の組立体 半導体または固体装置の冷却等 整流装置 インバータ装置 DC‐DCコンバータ
主要キーワード 当接プレート 螺合部材 各冷却管 冷媒導入口 冷媒排出口 板バネ部材 板ばね部材 炭素工具鋼
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図面 (12)

課題

組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な電力変換装置を提供すること。

解決手段

電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール21と半導体モジュール21を冷却する冷却管22とを交互に積層してなる半導体積層ユニット2と、半導体積層ユニット2を保持するフレーム3とを有する電力変換装置1。フレーム3は、半導体積層ユニット2における積層方向の一端面201を支承する支承部31を有する。半導体積層ユニット2の積層方向の他端面202には、半導体積層ユニット2を積層方向に加圧する板ばね部材4が配されている。板ばね部材4は、フレーム3に固定された一対の固定端部41と、一対の固定端部41の間において半導体積層ユニット2の他端面202を押圧する押圧部42とを有し、一対の固定端部41の少なくとも一方は、フレーム3に対して積層方向にねじ込まれる螺合部材ボルト5)によって締結されている。

概要

背景

例えば、電気自動車ハイブリッド自動車等には、その動力源である交流モータ直流電源との間の電力変換を行うための電力変換装置が搭載されている。
かかる電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールを有するが、この半導体モジュールが発熱して温度が上昇しすぎると誤動作等の原因となるおそれがある。この温度上昇を防ぐべく、図11に示すごとく、複数の半導体モジュール921を複数の冷却管922と共に交互に積層した構造が提案されている。なお、図11においては、後述する図1等に示すフレーム3と同様なフレームは描かれていないが、実際には同様のフレームが配設されている。

かかる構成の電力変換装置9においては、冷却管922と半導体モジュール921との間の密着を確保することにより、両者の間の熱抵抗を小さくして、半導体モジュール921の冷却効率を高める必要がある。そこで、特許文献1、2に開示されているように、板ばね部材932によって、複数の半導体モジュール921と冷却管922との積層体である半導体積層ユニット92を積層方向Sに加圧する構成が提案されている(図11)。
すなわち、略円弧状に形成された板ばね部材932を、その中央部における凸面側を半導体積層ユニット92に押圧し、両端部933を電力変換装置9のケース911内に固定した固定ピン913に係止している。

概要

組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な電力変換装置を提供すること。電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール21と半導体モジュール21を冷却する冷却管22とを交互に積層してなる半導体積層ユニット2と、半導体積層ユニット2を保持するフレーム3とを有する電力変換装置1。フレーム3は、半導体積層ユニット2における積層方向の一端面201を支承する支承部31を有する。半導体積層ユニット2の積層方向の他端面202には、半導体積層ユニット2を積層方向に加圧する板ばね部材4が配されている。板ばね部材4は、フレーム3に固定された一対の固定端部41と、一対の固定端部41の間において半導体積層ユニット2の他端面202を押圧する押圧部42とを有し、一対の固定端部41の少なくとも一方は、フレーム3に対して積層方向にねじ込まれる螺合部材ボルト5)によって締結されている。

目的

本発明によれば、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な電力変換装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
1件

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請求項1

電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットと、該半導体積層ユニットを保持するフレームとを有する電力変換装置であって、上記フレームは、上記半導体積層ユニットにおける積層方向の一端面を支承する支承部を有しており、上記半導体積層ユニットの積層方向の他端面には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する板ばね部材が配されており、該板ばね部材は、上記フレームに固定された一対の固定端部と、該一対の固定端部の間において上記半導体積層ユニットの他端面を押圧する押圧部とを有し、上記一対の固定端部の少なくとも一方は、上記フレームに対して上記積層方向にねじ込まれる螺合部材によって締結されていることを特徴とする電力変換装置。

請求項2

請求項1に記載の電力変換装置において、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の双方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されていることを特徴とする電力変換装置。

請求項3

請求項1に記載の電力変換装置において、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の一方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されており、他方が上記フレームに設けられた係止溝係止されていることを特徴とする電力変換装置。

技術分野

0001

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットを有する電力変換装置に関する。

背景技術

0002

例えば、電気自動車ハイブリッド自動車等には、その動力源である交流モータ直流電源との間の電力変換を行うための電力変換装置が搭載されている。
かかる電力変換装置は、スイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールを有するが、この半導体モジュールが発熱して温度が上昇しすぎると誤動作等の原因となるおそれがある。この温度上昇を防ぐべく、図11に示すごとく、複数の半導体モジュール921を複数の冷却管922と共に交互に積層した構造が提案されている。なお、図11においては、後述する図1等に示すフレーム3と同様なフレームは描かれていないが、実際には同様のフレームが配設されている。

0003

かかる構成の電力変換装置9においては、冷却管922と半導体モジュール921との間の密着を確保することにより、両者の間の熱抵抗を小さくして、半導体モジュール921の冷却効率を高める必要がある。そこで、特許文献1、2に開示されているように、板ばね部材932によって、複数の半導体モジュール921と冷却管922との積層体である半導体積層ユニット92を積層方向Sに加圧する構成が提案されている(図11)。
すなわち、略円弧状に形成された板ばね部材932を、その中央部における凸面側を半導体積層ユニット92に押圧し、両端部933を電力変換装置9のケース911内に固定した固定ピン913に係止している。

先行技術

0004

特開2005-143244号公報
特開2007−166819号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、上記電力変換装置9においては、半導体積層ユニット92に対する板ばね部材932の組み付け作業が大掛かりになるという問題がある。
すなわち、上記板ばね部材932を半導体積層ユニット92に組み付けて加圧力を付与するに当たっては、まず半導体積層ユニット92及び板ばね部材932をケース911内に配置する。次いで、板ばね部材932の中央部を半導体積層ユニット92の一端に当接させながら、両端部933を加圧治具(図示略)によって半導体積層ユニット92の方向へ押し込むことで、板ばね部材932を弾性変形させる。次いで、板ばね部材932の両端部933における押し込み方向後方位置において、それぞれ固定ピン913をケース911内に固定する。次いで、加圧治具を後退させることにより、板ばね部材932をスプリングバックさせて、その両端部933を一対の固定ピン913に係止させる。
このように、電力変換装置9は、半導体積層ユニット92への板ばね部材932の組み付けにあたっての作業効率の点で問題がある。

0006

また、上記のごとく、板ばね部材932の両端部933は、一対の固定ピン913によって支承されているが、固定ピン913をケース911内に配置するということは、その分ケース911内のスペースが必要となり、電力変換装置9の大型化を招いてしまうという問題が生じる。しかも、固定ピン913は、板ばね部材932を支承するに当たってある程度の大きさの直径(例えば20mm程度)が必要であるため、固定ピン913を設置するためのスペースもそれ相応に大きくなる。

0007

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な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

0008

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと該半導体モジュールを冷却する冷却管とを交互に積層してなる半導体積層ユニットと、該半導体積層ユニットを保持するフレームとを有する電力変換装置であって、
上記フレームは、上記半導体積層ユニットにおける積層方向の一端面を支承する支承部を有しており、
上記半導体積層ユニットの積層方向の他端面には、該半導体積層ユニットを積層方向に加圧する板ばね部材が配されており、
該板ばね部材は、上記フレームに固定された一対の固定端部と、該一対の固定端部の間において上記半導体積層ユニットの他端面を押圧する押圧部とを有し、
上記一対の固定端部の少なくとも一方は、上記フレームに対して上記積層方向にねじ込まれる螺合部材によって締結されていることを特徴とする電力変換装置にある(請求項1)。

発明の効果

0009

上記電力変換装置においては、上記板ばね部材における上記一対の固定端部の少なくとも一方が、上記フレームに対して上記積層方向にねじ込まれる螺合部材によって締結されている。そのため、板ばね部材を半導体積層ユニットに組み付けて加圧力を付与するに当たっては、上記螺合部材をフレームにねじ込むだけでよい。それゆえ、この組み付け作業においては、例えばスパナインパクトレンチ等の工具を用いるだけで、半導体積層ユニットに加圧力を付与することができるため、その作業が容易であると共に作業効率を向上させることができる。

0010

また、板ばね部材の一対の固定端部を支承する固定ピン等をケース内に配置する必要もないため、電力変換装置の大型化を防ぐことができる。すなわち、螺合部材が板ばね部材の固定端部から積層方向へ突出するとしても、その突出量は充分に小さくすることができる。それゆえ、電力変換装置のケースに大きなスペースを設ける必要がなく、電力変換装置の大型化を防ぐことができる。

0011

以上のごとく、本発明によれば、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な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

0012

実施例1における、電力変換装置の平面図。
図1のA−A線矢視断面図。
図1のB−B線矢視断面図。
実施例1における、板ばね部材の斜視図。
実施例1における、板ばね部材を組み付ける途中の電力変換装置の平面図。
実施例1における、ケースに納められた電力変換装置の平面図。
実施例2における、電力変換装置の平面図。
実施例2における、板ばね部材を組み付ける途中の電力変換装置の平面図。
実施例3における、電力変換装置の平面図。
実施例3における、板ばね部材を組み付ける途中の電力変換装置の平面図。
従来例における、電力変換装置の平面図。

0013

本発明において、上記電力変換装置としては、例えば、DC−DCコンバータインバータ等がある。また、上記電力変換装置は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等の動力源である交流モータに通電する駆動電力の生成に用いることができる。
なお、上記半導体モジュールと上記冷却管とは、直接密着していてもよいし、熱伝導性を有する絶縁材等を介して密着していてもよい。
また、上記板ばね部材は、上記半導体積層ユニットの他端面を直接押圧していてもよいし、金属板等の他部材を介して押圧していてもよい。

0014

また、上記螺合部材は、上記フレームに形成されたネジ穴にねじ込まれるボルトであっても、上記フレームから突出形成された雄ネジ部にねじ込まれるナットであってもよい。
ただし、上記螺合部材はボルトであることが好ましい。この場合には、上記フレームの形状を単純化して、その製造を容易にすることができる。また、上記ボルトを用いることにより、螺合部の長さを確保しつつ、板ばね部材から積層方向への突出量を小さくすることが可能となる。これにより、板ばね部材のフレームへの固定力を高くしつつ、電力変換装置の小型化を、より容易に行うことができる。

0015

また、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の双方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されていることが好ましい(請求項2)。
この場合には、板ばね部材をフレームに固定するに当たり、一対の螺合部材を略均等に締め付けることにより、バランスよく半導体積層ユニットを加圧することができる。

0016

また、上記板ばね部材は、上記一対の固定端部の一方が上記螺合部材によって上記フレームに固定されており、他方が上記フレームに設けられた係止溝に係止されていてもよい(請求項3)。
この場合には、上記螺合部材を一個とすることができるため、組み付け作業効率をより向上させることができると共に、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置の低コスト化を図ることができる。

0017

(実施例1)
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図1図6を用いて説明する。
本例の電力変換装置1は、図1図2に示すごとく、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュール21と該半導体モジュール21を冷却する冷却管22とを交互に積層してなる半導体積層ユニット2と、該半導体積層ユニット2を保持するフレーム3とを有する。

0018

フレーム3は、半導体積層ユニット2における積層方向Sの一端面201を支承する支承部31を有している。
半導体積層ユニット2の積層方向Sの他端面202には、半導体積層ユニット2を積層方向Sに加圧する板ばね部材4が配されている。
板ばね部材4は、フレーム3に固定された一対の固定端部41と、該一対の固定端部41の間において半導体積層ユニット2の他端面202を押圧する押圧部42とを有する。
一対の固定端部41は、フレーム3に対して積層方向Sにねじ込まれる螺合部材としてのボルト5によって締結されている。

0019

半導体積層ユニット2は、半導体モジュール21を両面から挟持するように冷却管22を複数配設してなる。すなわち、冷却管22と半導体モジュール21とが交互に積層されている。各冷却管22は、内部に冷媒流路(図示略)を設けてなる扁平形状の管である。この冷媒流路に、例えばエチレングリコール系の不凍液混入した水、水やアンモニア等の自然冷媒フロリナート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の冷却媒体流通させることができるよう構成してある。

0020

また、複数の冷却管22は、その両端部において連結パイプ222によって連結されている。また、半導体積層ユニット2の一端に配された冷却管22に、冷却媒体を導入する冷媒導入口224と、冷却媒体を排出する冷媒排出口225とがそれぞれ設けてある。

0021

これらの冷却管22と連結パイプ222と冷媒導入口224と冷媒排出口225とによって、アルミニウム製の冷却器220が構成されている。
そして、半導体モジュール21は、冷却器220における隣り合う冷却管22の間に2個ずつ並列配置された状態で挟持されている。半導体モジュール21は両主面に放熱板露出させており、この放熱板と扁平形状の上記冷却管22の主面とを密着させることにより、両者の間で熱交換を行うことができるよう構成されている。
なお、冷却器220においては、例えば連結パイプ222を蛇腹状にしたり、連結パイプ222と冷却管22との取付部にダイヤフラム部を設けたりすることにより、隣り合う冷却管22の間の間隔をある程度変化させることができるよう構成してある。

0022

半導体積層ユニット2における他端面202には、剛性の高い平板状の当接プレート23が配置されており、該当接プレート23を介して、板ばね部材4の押圧部42が半導体積層ユニット2を押圧している。当接プレート23及び板ばね部材4は、いずれも、炭素工具鋼SK5)等の金属からなる。当接プレート23を半導体積層ユニット2の他端面221すなわち冷却管22の主面と板ばね部材4との間に介在させることにより、冷却管22の局部的な変形を防いでいる。

0023

フレーム3は、図1に示すごとく、積層方向Sの一端面201を支承する支承部31と、該支承部31の両端部から積層方向Sの他端面202側へ向かって延設された一対の側辺部32とを有する。支承部31は、冷媒導入口224及び冷媒排出口225を突出させる開口部分を除いては、図2に示すごとく、半導体積層ユニット2の一端面201の略全面を支承している。

0024

また、図2図3に示すごとく、支承部31及び一対の側辺部32の下端部からは、半導体積層ユニット2の下面の一部を支持する底板部33が突出形成されている。ただし、図1に示すごとく、側辺部32における積層方向Sの他端面202側の端部(以下、「前端部321」という。)には、上記底板部33が形成されておらず、他の側辺部32よりも幅が大きい。

0025

この一対の側辺部32の前端部321に、図1図5に示すごとく、上記ボルト5を螺合させるネジ穴322が形成されている。そして、前端部321に板ばね部材4の固定端部41が当接し、固定端部41がボルト5によって前端部321に固定されている。
板ばね部材4は、図4に示すごとく、短冊状の金属板を湾曲させてなり、長手方向の両端部において略平坦に形成された一対の固定端部41と、該一対の固定端部41の間において略円弧状に形成された押圧部42とを有する。固定端部41には、ボルト5を挿通させるための貫通孔411が穿設されている。
そして、図1に示すごとく、一対の固定端部41がボルト5によって、フレーム3の前端部321に固定され、押圧部42が当接プレート23に当接すると共に半導体積層ユニット2を積層方向Sへ押圧している。

0026

本例の電力変換装置1において、半導体積層ユニット2に板ばね部材4を取り付けるに当たっては、フレーム3に半導体積層ユニット2を配設した後、半導体積層ユニット2の他端面202に当接プレート23を介して板ばね部材4を当接配置する。すなわち、板ばね部材4における押圧部42を、その凸側面において当接プレート23に当接させる。当接プレート23は、予め半導体積層ユニット2の他端面202に取り付けておいてもよいし、板ばね部材4を取り付ける際に板ばね部材4と他端面202との間に挟持させてもよい。

0027

次いで、図5に示すごとく、板ばね部材4における固定端部41に形成された貫通孔411にボルト5を挿通すると共に、ボルト5をフレーム3の前端部321に設けたネジ穴322に螺合させる。
次いで、2つのボルト5を、スパナやインパクトレンチ等の工具を用いて、それぞれフレーム3のネジ穴322にねじ込んでいく。このとき、板ばね部材4の弾性力復元力)に抗するように2つのボルト5をねじ込む。すなわち、このねじ込み量が大きくなるに従って、板ばね部材4による半導体積層ユニット2への加圧力が大きくなる。
また、一対のボルト5をそのねじ込み量がなるべく均等になるように徐々にねじ込んでいく。

0028

そして、図1に示すごとく、一対の固定端部41がフレーム3の前端部321に接触するまで、ボルト5をねじ込む。
そして、フレーム3に装着された半導体積層ユニット2に板ばね部材4を取り付けた状態において、図6に示すごとく、これらをケース11内に配置する。

0029

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置1においては、板ばね部材4における一対の固定端部41が、フレーム3に対して積層方向Sにねじ込まれる螺合部材(ボルト5)によって締結されている。そのため、板ばね部材4を半導体積層ユニット2に組み付けて加圧力を付与するに当たっては、ボルト5をフレーム3にねじ込むだけでよい。それゆえ、この組み付け作業においては、例えばスパナやインパクトレンチ等の工具を用いるだけで、半導体積層ユニット2に加圧力を付与することができるため、その作業が容易であると共に作業効率を向上させることができる。

0030

また、板ばね部材4の一対の固定端部41を支承する固定ピン等をケース11内に配置する必要もないため、電力変換装置1の大型化を防ぐことができる。すなわち、ボルト5の頭部51が板ばね部材4の固定端部41から積層方向Sへ突出するとしても、その突出量は、例えば数mm程度と充分に小さくすることができる。
それゆえ、図6に示すごとく、電力変換装置1のケース11に大きなスペースを設ける必要がなく、電力変換装置11の大型化を防ぐことができる。
これに対して、例えば図11に示すような電力変換装置9においては、固定ピン913の直径が通常2mm程度は必要となるため、ケース911内にどうしても大きなスペースが必要となる。

0031

また、板ばね部材4は、一対の固定端部41の双方がボルト5によってフレーム3に固定されている。そのため、板ばね部材4をフレーム3に固定するに当たり、一対のボルト5を略均等に締め付けることにより、バランスよく半導体積層ユニット2を加圧することができる。

0032

以上のごとく、本例によれば、組み付け作業性に優れると共に小型化が容易な電力変換装置を提供することができる。

0033

(実施例2)
本例は、図7図8に示すごとく、板ばね部材4における一対の固定端部41の一方がボルト5によってフレーム3に固定されており、他方がフレーム3に設けられた係止溝34に係止された電力変換装置1の例である。
すなわち、フレーム3は、一方の側辺部32の前端部321に、その内側面から切り込まれた係止溝34を有する。該係止溝34の幅(積層方向Sの寸法)は、板バネ部材4の厚みよりも充分に大きく、例えば2倍以上ある。
他方の側辺部32の前端部321は、実施例1と同様の構成となっており、ネジ穴322が形成されている。

0034

そして、板ばね部材4は、その一方の固定端部41を係止溝34に係止し、他方の固定端部41を、ボルト5によってフレーム3の側辺部32の前端部321に締結されている。
半導体積層ユニット2に板ばね部材4を取り付けるに当たっては、フレーム3に半導体積層ユニット2を配設した後、図8に示すごとく、板ばね部材4の一方の固定端部41を係止溝34に遊嵌させる。そして、板ばね部材4における押圧部42を、その凸側面において、半導体積層ユニット2の他端面202に配置した当接プレート23に当接させる。

0035

次いで、板ばね部材4における他方の固定端部41に形成された貫通孔411にボルト5を挿通すると共に、ボルト5をフレーム3の前端部321に設けたネジ穴322に螺合させる。
次いで、ボルト5を、スパナやインパクトレンチ等の工具を用いて、フレーム3のネジ穴322にねじ込んでいく。そして、図7に示すごとく、固定端部41がフレーム3の前端部321に接触するまで、ボルト5をねじ込む。
その他は、実施例1と同様である。

0036

本例の場合には、ボルト5を一個とすることができるため、組み付け作業効率をより向上させることができると共に、部品点数を少なくすることができ、電力変換装置1の低コスト化を図ることができる。
その他、実施例1と同様の作用効果を有する。

0037

(実施例3)
本例は、図9図10に示すごとく、フレーム3の前端部321に雄ネジ部323を突出形成し、これに螺合するナット50を螺合部材とした例である。
すなわち、板ばね部材4の一対の固定端部41に設けた貫通孔411に、フレーム3における一対の側辺部32の前端部321にそれぞれ設けた一対の雄ネジ部323を挿通し、該雄ネジ部323にそれぞれナット50を螺合させる。
そして、これらのナット50を雄ネジ部323にねじ込んでいくことによって、板ばね部材4を弾性変形させながら、フレーム3に締結し、半導体積層ユニット2を加圧する。
その他は、実施例1と同様である。

実施例

0038

本例の場合にも、実施例1と同様の作用効果を得ることができる。
なお、雄ネジ部323が板ばね部材4から突出する突出量をできるだけ小さくすることにより、ケース11(図6参照)内のスペース拡大を抑制して、電力変換装置1の小型化を図ることができる。
また、本例と実施例2の構成とを組み合わせることも可能である。すなわち、板ばね部材4の一方の固定端部41を係止溝34(図7図8)に係止し、他方の固定端部41を
ナット50(図9図10)によって固定することもできる。

0039

1電力変換装置
2半導体積層ユニット
201 一端面
202 他端面
21半導体モジュール
22冷却管
3フレーム
31 支承部
4板ばね部材
41固定端部
42押圧部
5ボルト(螺合部材)

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