JP2011138960A - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 車両用電力変換装置の簡素な構造を達成する。
【解決手段】 制御箱２は、制御箱裏面２ｄ、風洞板正面３ａ、風洞板左面３ｂ、風洞板右面３ｃとが囲むことで構成される風洞３を有している。風洞３の内側の面には格子状の風洞用冷却フィン４を設ける。風洞３の外側の面には、受熱板５ａ、半導体素子５ｂ、フィルタコンデンサ６、ゲートアンプ７が配置されている。それぞれ装置は端子で接続されている。また制御箱左面２ｅにはファン８を設ける。このような構成の車両用電力変換装置は、制御箱内に設置したパワーユニット５から発生する熱を効率的に外気へと放熱することが可能である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、車両用電力変換装置に関する。

従来の車両用電力変換装置は 通常、図８に示すように、電力変換部１００の一部を構成する放熱部１１０は、冷却フィン１１１、ヒートパイプ１１２、受熱板１１３で構成され、他部を構成するパワーユニット部１２０は、半導体素子１２１、フィルタコンデンサ１２２、ゲートアンプ１２３で構成される。パワーユニット部１２０は、制御箱１３０内に収められ、放熱部１１０は、制御箱１３０外に突出するように、制御箱１００に取り付けられている。
電力を直流から交流に変換するパワーユニット部１２０の半導体素子１２１は、、塵、埃、水等が半導体素子１２１に付着することにより破損する恐れがあるため、外部からの影響を受けないよう密閉した空間に設置する必要がある。一方、パワーユニット部１２０が電力を変換する際に生じる熱を機内から機外へと放出する放熱部１１０は、外部に開放されている状態で設置する必要がある。そのため、電力変換部１００とパワーユニット部１２０の間には、外部への開放が必要とされる放熱部１１０に対して、外部からの影響を防止する必要のある半導体素子１２１を保護するために防水パッキン１３１が設けられている。

このような電力変換部１００は、メンテナンス時には放熱部１１０とパワーユニット部１２０で構成される電力変換部１００全体を取り外すことで修理や部品交換を行うことが可能であるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平８−２７１１０４号公報

しかしながら、電力の出力容量の増加に伴って放熱部１１０の処理する熱容量は大きくなると、放熱部１１０も大型化するため、制御箱１００全体も大型化し重量も増えていく。図７や図８で示すように、大型化した放熱部１１０は、車両用電力変換装置の制御箱１３０よりも外部に大きく突出するため、艤装上の問題を生じる虞もある。

また、冷却フィン１１１は開放部に設置しなければならないため、密閉部に収める半導体素子は防水が必要となり、パワーユニット部１２０と放熱部１１０の間にはパッキン構造が設けられている。そのため、車両用電力変換装置全体の構造が複雑になることがあった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、電力変換装置全体を大型化することなく充分な冷却を行うことのでき、簡素な構造の車両用電力変換装置を提供することを目的とする。

上記を解決するために、本発明による車両用電力変換装置は、スイッチングにより電流を直流から交流に変換する半導体素子と、前記半導体素子を収納する制御箱と、前記半導体素子が取り付けられ、前記半導体素子の前記スイッチングにより発生する熱を冷却する冷却ユニットと、前記制御箱内の空気を攪拌するファンを有し、前記冷却ユニットは、前記制御箱の一部により少なくとも構成されることを特徴としている。

本発明によれば、車両用電力変換装置を大型化することなく冷却することが可能であるので、車両用電力変換装置の艤装時に生じる艤装スペースの問題を軽減することができる。

本発明の第１の実施形態の車両用電力変換装置の斜視図。 本発明の第１の実施形態のファンの斜視図。 本発明の第２の実施形態の車両用電力変換装置の斜視図。 本発明の第３の実施形態の車両用電力変換装置の斜視図。 本発明の第１冷却フィンの斜視図。 本発明の第２冷却フィンの斜視図。 従来の車両用電力変換装置の斜視図。 従来の車両用電力変換装置の断面図。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態の車両用電力変換装置の斜視図である。また、図２は本発明の第１の実施形態のファンの斜視図である。図１及び、図２を参照して本実施形態について以下に説明する。

（構成）
以下に本実施形態の構成について説明する。図１に示すように、電力変換装置１は箱体の制御箱２を有する。箱体の制御箱２は、制御箱天井面２ａ、制御箱底面２ｂ、制御箱正面２ｃ、制御箱裏面２ｄ、制御箱左面２ｅ、制御箱右面２ｆで構成されている。また、制御箱正面２ｃ、制御箱裏面２ｄの制御箱天井面２ａ近傍に、制御箱用吊耳２ｇがボトル等で固定されて取り付けられている。

制御箱２は風洞３を備え、内部にはファン８が取り付けられている。風洞３は、制御箱２の制御箱底面２ｂに設けられた開口部を入気口とし、制御箱２の制御箱天井面２ａに設けられた開口部が排気口となるように構成され、入気口と開口部間は、風洞板正面３ａ、風洞板左面３ｂ、風洞板右面３ｃと、風洞用冷却フィン４により形成される。このように制御箱２、風洞３や冷却フィンを形成するそれぞれの板において、広い面を面と称し、狭い面を辺と称するようにする。風洞正面３ａの面は、制御箱正面２ｃと制御箱裏面２ｄの面同士が対向するように設けられている。風洞板左面３ｂは、制御箱左面２ｅ側で風洞板正面３ａの辺と制御箱裏面２ｄの面に接続され、直行するように設けられている。風洞右面３ｃは、制御箱右面２ｆ側で風洞板正面３ａの辺と制御箱裏面２ｄの面に接続され、直行するように設けられている。

風洞用冷却フィン４は、風洞３内で格子状に配列されている。具体的には、風洞板左面３ｂと風洞板右面３ｃに冷却フィンの面同士が対向し、風洞板正面３ａと制御箱裏面２ｄに風洞用冷却フィン４の辺が接続された複数の縦方向の冷却板４ａと、風洞正面３ａと制御箱裏面２ｄに冷却フィンの面が対向し、風洞板左面３ｂと風洞板右面３ｃに風洞用冷却フィン４の辺が接続された複数の横方向の冷却板４ｂが、互いに直行するように組み合わされて風洞３内に溶接等で固定され取り付けられている。

図２に示すように、ファン８は、ファンカバー８ａと羽根８ｂから構成され、箱体のファンカバー８ａ内に羽根８ｂが設置されている。ファン８は、制御箱左面２ｅの内側の面に、制御箱左面２ｅの側面とファン８の間に間隙を有するように、制御箱左面２ｅの上部に２個、下部に２個、並列して取り付けられている。

風洞３には、パワーユニット５、フィルタコンデンサ６、ゲートアンプ７が取り付けられる。パワーユニット５は、受熱板５ａ、半導体素子５ｂ、半導体素子端子５ｃから構成される。受熱板５ａは、受熱板５ａの面と風洞板正面３ａの面が接続し、風洞板正面３ａにネジ等で固定されて取り付けられている。 半導体素子５ｂは、受熱板５ａと風洞３が接続している面とは反対側の面に設置されている。半導体素子端子５ｃは、半導体素子５ｂ上に、受熱板５ａとは反対側の面に設けられている。フィルタコンデンサ６は、フィルタコンデンサ６本体とフィルタコンデンサ端子６ａで構成される。フィルタコンデンサ６は、風洞板右面３ｃにネジ等で固定されて取り付けられ、フィルタコンデンサ６の制御箱正面２ｃ側の側面にフィルタコンデンサ端子６ａを有している。ゲートアンプ７は、ゲートアンプ７本体とゲートアンプ端子７ａで構成される。ゲートアンプ７は、風洞板左面３ｂにネジ等で固定されて設置され、ゲートアンプ７の制御箱正面２ｃ側の側面にゲートアンプ端子７ａを有している。フィルタコンデンサ６と半導体素子５ｂは、フィルタコンデンサ端子６ａと半導体素子端子５ｃが図示しない導体で接続されている。また、半導体素子５ｂとゲートアンプ７は、半導体素子端子５ｃとゲートアンプ端子７ａが図示しない導線で接続されている。

（作用）
以下に、本実施形態の電力変換装置の作用について説明する。図示しない電力供給源によって電力変換装置１へ供給された電力は、パワーユニット５へ突入電流を防止するため、フィルタコンデンサ６が十分に充電されてから、パワーユニット５の半導体素子５ｂへと供給される。半導体素子５ｂは、ゲートアンプ７のターンオフ／ターンオンによってスイッチングを行い、直流電力から交流電力へ電力の変換を行う。

このような電力変換装置１の稼働中、直流から交流への電力の変換行為を行う半導体素子５ｂは熱を発生する。半導体素子５ｂより発生した熱は、受熱板５ａに伝導し、受熱板５ａから風洞板正面３ａに伝導する。風洞板正面３ａに伝導した熱は、制御箱裏面２ｄ側の風洞板正面３ａの面が外気と接触することよって、外気へと熱が伝導し、風洞板正面３ａに伝導された熱が外気へと放熱されることになる。そのため、風洞３内では、入気口から風洞３内へ流入した外気が、暖められ、上に流れる自然対流の現象を引き起こされる。自然対流が引き起こされることによって、入気口から排気口へと外気が流れる。外気が入気口から排気口天井面２ａへと流れることによって、半導体素子５ｂで発生した熱は、受熱板５ａで滞留することなく外部から常に新たに風洞３内へ流入してくる外気へと放散されることになる。

また、本実施形態は風洞用冷却フィン４が風洞３内に設けられていることにより、より半導体素子５ｂからの熱を外気へと放散することが可能となる。半導体素子５ｂより受熱板５ａに伝導された熱は、まず風洞板正面３ａと接続されている縦方向の風洞用冷却フィン４aへと伝導される。縦方向の風洞用冷却フィン４ａへと伝導された熱は、縦方向の風洞用冷却フィン４ａと接続された横方向の風洞用冷却フィン４ｂへと伝導される。そのため、より風洞３における熱の放熱作用が促進されることになる。

また、ファン８が回転すると、制御箱２内の空気は、制御箱左面２ｅとファン８の間隙からファン８へと吸い込まれ、ファン８の作用によって、制御箱右面２ｆ方面に押し出される。制御箱裏面２ｄ側の縦２つのファン８から押し出される空気は、風洞板左面３ｂまたは風洞板正面３ａとぶつかる。また制御箱正面２ｃ側の縦２つのファン８から押し出される空気は、制御箱右面２ｆとぶつかり、その後、風洞板右面３ｃまたは風洞板正面３ａとぶつかる。このようにファン８で風洞３の壁面に、制御箱２内の温度の高い空気を吹き当てることで、風洞３の壁面に溶接等で取り付けられた冷却フィン４を介して外気に放熱することが可能となる。そのため、制御箱２内の全体の温度を下げることができる。

（効果）
このように構成された車両用の電力変換装置１は、風洞３、風洞３内に取り付けられる風洞用冷却フィン４及び、ファン８によって半導体素子５ｂから発生する熱を効率的に冷却することが可能となる。

また、従来の電力変換装置１００の放熱部１１０のように個別の冷却機構を用意する必要がない。そのため、従来の電力変換装置１００に設けられた放熱部１１０が電力変換装置１００外部へと突出し、装置全体を大型化することによって艤装スペースに問題を生じるようなケースを防ぐことが可能となる。

また、防水パッキン１３１による開放部、密閉部の区分けをする必要もなく、風洞３の壁面に各装置を設置するような簡単な構造で必要な冷却機能を有することが可能となる。また、この構造により電力変換装置１の大きさを変えずに熱容量の増大に対応することが可能である。

以上のことから、電力変換装置１の冷却は十分に行われ、且つ密閉構造を実現することにより製品の信頼性が向上し、さらにメンテナンスの容易化を実現することが可能となる。

（第２の実施形態）
本発明に基づく第２の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図３は、本発明の第２の実施形態の車両用電力変換装置の斜視図である。尚、図１及び図２と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。以下、図を参照して説明する。

（構成）
以下に本実施形態の構成について説明する。図３に示すように、制御箱２の機外には外風洞１０を取り付け、機内にはファン８、パワーユニット５、ゲートアンプ１２、フィルタコンデンサ１３を取り付ける。

制御箱裏面２ｄの機外側の面に外風洞１０を取り付ける。外風洞１０は、外風洞天井面１０ａ、外風洞底面１０ｂ、外風洞裏面１０ｃ、外風洞用冷却フィン１１で構成される。外風洞裏面１０ｃの面は、制御箱裏面２ｄの面と対向するように設けられている。外風洞板天井面１０ａは、制御箱天井面２ａ側で外風洞板裏面１０ｃの辺と制御箱裏面２ｄに面に接続され、直行するように設けられている。外風洞底面１０ｂは、制御箱底面２ｂ側で外風洞板裏面１０ｂの辺と制御箱裏面２ｄの面に接続され、直行するように設けられている。外風洞用冷却フィン１１は、外風洞板天井面１０ａと外風洞板底面１０ｂの面と冷却フィンの面が対向し、外風洞板裏面１０ｃと制御箱裏面２ｄに冷却フィン１１の辺が接続された複数の板が外風洞１０内に設置されている。このような構成の外風洞１０は、制御箱右面２ｆ側と制御箱左面２ｅ側に開口部を有している。

ファン８は、制御箱正面２ｃの機内側の面に、制御箱正面２ｃの面とファン８の間に間隙を有するように、フィルタコンデンサ１３と制御箱左面２ｅの間に２個、並列して取り付けられている。パワーユニット５は、制御箱裏面２ｄに第１の実施形態と同様に設置されている。ゲートアンプ１２は、制御箱底面２ｂに、制御箱底面２ｂとゲートアンプ１２の接続部分に間隙を有するようにネジ等で制御箱裏面２ｄに固定されて取り付けられている。フィルタコンデンサ１３は、制御箱底面２ｂにネジ等で固定されて取り付けられている。

（作用）
以下に本実施形態の作用について説明する。車両が走行すると、車両の走行方向とは逆の向きに走行風が発生する。図４は、制御箱右面２ｆ側の外風洞１０の開口部を入気口とし、制御箱左面２ｅ側の開口部を排気口としている一例で、走行風が入気口から排気口へ流れている。そのため、走行風は入気口から外風洞１０内に流入し、排気口から外風洞１０外へと排出される。走行風が外風洞１０内を通過することで、半導体素子５ｂより発生した熱が、受熱板５ａ及び制御箱裏面２ｄを介して走行風中に放熱される。

ファン８が回転すると、制御箱２内の空気は、制御箱正面２ｃ側からファン８内へと吸い込まれ、ファン８の作用によって、制御箱裏面２ｄ方面に押し出され、制御箱裏面２ｄとぶつかる。また制御箱正面２ｃの制御箱左面２ｅ側から押し出される空気は、制御箱右面２ｆとぶつかる。外風洞１０を外側に有する制御箱裏面壁面に、制御箱２内の温度の高い空気を吹き当てることで、外風洞１０の壁面に溶接等で取り付けられた外風洞用冷却フィン１１を介して外気に放熱することが可能となる。そのため、制御箱２内の全体の温度は下げることができる。

（効果）
このように構成された電力変換装置は、外風洞１０、外風洞１０内に取り付けられる外風洞用冷却フィン１１及び、ファン８によって半導体素子５ｂから発生する熱を効率的に冷却することが可能となる。

また、走行風を利用した冷却機能を有するため、第１の実施形態よりも冷却機能を向上させることが可能となる。また、風洞を制御箱２外に取り付けているため、第１の実施形態より制御箱２の小型化が可能となる。

以上のことから、電力変換装置１の冷却は十分に行われ、且つ密閉構造を実現することにより製品の信頼性が向上し、さらにメンテナンスの容易化を実現することが可能となる。

（第３の実施形態）
本発明に基づく第３の実施形態について図を参照し、詳細に説明する。図４は、本発明の第３の実施形態の車両用電力変換装置の斜視図である。尚、図１乃至３と同一の構成をとるものについては、同符号を付して説明を省略する。以下、図を参照して説明する。

（構成）
以下に本実施形態の構成について説明する。図４に示すように、制御箱２に内風洞２０を備え、制御箱２内部にパワーユニット５、ゲートアンプ１２、フィルタコンデンサ１３、ファン８、ファン２２が取り付けられている。

内風洞２０は、内風洞板正面２０ａ、制御箱天井面２ａ、制御箱底面２ｂ、制御箱裏面２ｄ、内風洞用冷却フィン２１で構成される。内風洞板正面２０ａの面は、制御箱正面２ｃと制御箱裏面２ｄの面と対向するように設けられている。内風洞板正面２０ａは、内風洞板正面２０ａの辺が制御箱天井面２ａ、制御箱底面２ｂ及び制御箱左面２ｅの面に接続され、直行するように設けられている。内風洞用冷却フィン２１は、制御箱天井面２ａと制御箱底面２ｂの面と内風洞用冷却フィン２１の面が対向し、内風洞板正面２０ａと制御箱裏面２ｄに内風洞用冷却フィン２１の辺が接続された複数の板が内風洞２０内に設置されている。

パワーユニット５は、内風洞板正面２０ａに第１の実施形態と同様の取り付け方法で設置されている。

ゲートアンプ１２は、内風洞板正面２０ａと制御箱正面２ａの間の制御箱底面２ｂに、制御箱底面２ｂとゲートアンプ１２の接続部分に間隙を有するように、ネジ等で制御箱裏面２ｄに固定されて取り付けられている。

フィルタコンデンサ１３は、内風洞板正面２０ａと制御箱正面２ａの間の制御箱底面２ｂにネジ等で固定されて取り付けられている。

ファン２２は、制御箱裏面２ｄと内風洞板正面２０ａの間に位置するように制御箱右面２ｆの側面に、ファン２２と制御箱左面２ｆの間に取り付けられている。またファン２２が取り付けられている制御箱右面２ｆには、開口部２２ａが設けられている。

（作用）
以下に本実施形態の作用について説明する。ファン８は第２の実施形態と同様の作用が得られる。ファン２２が回転すると、開口部２２ａより外気が制御箱２内に流入する。制御箱２内に流入した外気は、内風洞用冷却フィンを通過して、制御箱左面２ｅより排出される。内風洞用冷却フィン２１の放熱作用は、第２の実施形態の外風洞冷却フィン１１と同様である。そのため、半導体素子５ｂより発生した熱が内風洞板正面２０ａを介して外気中に放熱される。

（効果）
このように構成された電力変換装置は、内風洞２０、内風洞２０内に取り付けられる内風洞用冷却フィン２１及、ファン８及び、ファン２２によって半導体素子５ｂから発生する熱を効率的に冷却することが可能となる。

また、強制冷却風を利用した冷却機能を有するため、第１の実施形態よりも冷却機能が向上し、第２の実施形態よりも安定した冷却が可能となる。

以上のことから、電力変換装置１の冷却は十分に行われ、且つ密閉構造を実現することにより製品の信頼性が向上し、さらにメンテナンスの容易化を実現することが可能となる。

（変形例）
以下に冷却フィンの変形例を示す。図５は第１の冷却フィンである。図６は第２の冷却フィンである。

図７に示すように第１冷却フィン３０は、板状の金属板に複数の円形の孔を設けてある。この金属板が複数枚重ねられることによって、第１冷却フィン３０の全体を構成している。

また図８の第２風洞用冷却フィン４０、第１冷却フィン３０の孔が四角形である。第１冷却フィン３０と同様に構成される。

放熱フィンが穴を有することにより、上下方向または横方向のどちらかの冷却風を取入れることが可能である。

１ 電力変換装置
２ 制御箱
２ａ 制御箱天井面
２ｂ 制御箱底面
２ｃ 制御箱正面
２ｄ 制御箱裏面
２ｅ 制御箱左面
２ｆ 制御箱右面
２ｇ 制御箱用吊耳
３ 風洞
３ａ 風洞板正面
３ｂ 風洞板左面
３ｃ 風洞板右面
４ 風洞用冷却フィン
４ａ 縦方向の冷却板
４ｂ 横方向の冷却板
５ パワーユニット
５ａ 受熱板
５ｂ 半導体素子
５ｃ 半導体素子端子
６ フィルタコンデンサ
６ａ フィルタコンデンサ端子
７ ゲートアンプ
８ ファン
８ａ ファンカバー
８ｂ 羽根
１０ 外風洞
１０ａ 外風洞板天井面
１０ｂ 外風洞板底面
１０ｃ 外風洞板裏面
１１ 外風洞用冷却フィン
１２ ゲートアンプ
１３ フィルタコンデンサ
２０ 内風洞
２０ａ 内風洞板正面
２１ 内風洞用冷却フィン
２２ ファン
２２ａ 開口部
３０ 第１冷却フィン
４０ 第２冷却フィン
１００ 電力変換部
１１０ 放熱部
１１１ 冷却フィン
１１２ ヒートパイプ
１１３ 受熱板
１２０ パワーユニット部
１２１ 半導体素子
１２２ フィルタコンデンサ
１２３ デートアンプ
１３０ 制御箱
１３１ 防水パッキン
１３２ 冷却フィンカバー
１３３ 制御箱用吊耳
１３４ 冷却フィンカバー

Claims (6)

1. スイッチングにより電流を直流から交流に変換する半導体素子と、
   前記半導体素子を収納する制御箱と、
   前記半導体素子が取り付けられ、前記半導体素子の前記スイッチングにより発生する熱を冷却する冷却ユニットと、
   前記制御箱内の空気を攪拌するファンを有し、
   前記冷却ユニットは、前記制御箱の一部により少なくとも構成されることを特徴とした車両用電力変換装置。
2. 前記冷却ユニットは、
   前記冷却ユニットの一部を構成する制御箱の一面と、
   前記制御箱の内部に設置され、前記制御箱の一面に対向する対向面と、
   前記制御箱の内部に設置され、前記制御箱と前記対向面との間に位置する２つ側面と、
   前記制御箱の一面と前記対向面と前記２つの側面とが囲むことで構成される風洞と、
   前記風洞が前記制御箱が外気と連通するために前記制御箱に設けられた２つ開口部と、
   前記風洞内に設けられた板状の冷却フィンと、
   前記対抗面に取り付けられた半導体素子と、
   前記半導体素子と前記対抗面の間に設けられた受熱板と、
   前記側面に取り付けられたフィルタコンデンサとゲートアンプとから構成され、
   前記ファンは、前記フィルタコンデンサまたは前記ゲートアンプと対向する前記制御箱内の側面に取り付けらたことを特徴とする前記請求項１記載の車両用電力変換装置。
3. 前記冷却ユニットは、
   前記冷却ユニットの一部を構成する制御箱の一面と、
   前記制御箱外に設置され、前記制御箱の一面に対向する対向面と、
   前記筐外に設置され、前記制御箱の一面と前記対向面との長手方向に位置する２つ側面と、
   前記制御箱の一面と前記対向面と前記２つの側面とが囲むことで構成される外風洞と、
   前記外風洞内に設けられた板状の冷却フィンと、
   前記制御箱内で前記制御箱の一面に取り付けられた半導体素子と、
   前記半導体素子と前記制御箱の一面に設けられた受熱板と、
   前記制御箱内に取り付けられたフィルタコンデンサとゲートアンプから構成され、
   前記ファンは、前記半導体素子と対向する前記制御箱内の側面に取り付けられたことを特徴とする前記請求項１記載の車両用電力変換装置。
4. 前記冷却ユニットは、
   前記冷却ユニットの一部を構成する制御箱の一側面と、
   前記制御箱の内部に設置され、前記制御箱の一面に対向する対向面と、
   前記制御箱と前記対向面との間に位置する前記制御箱の天井面と底面と、
   前記制御箱の一面と前記対向面と前記天井面と前記底面とが囲むことで構成される内風洞と、
   前記内風洞が前記制御箱の外部と連通するために前記制御箱に設けられた２つの開口部と、
   前記風洞内に設けられた板状の冷却フィンと、
   前記対抗面に取り付けられた半導体素子と、
   前記半導体素子と前記対抗面の間に設けられた受熱板と、
   前記制御箱内に取り付けられたフィルタコンデンサとゲートアンプから構成され、
   前記ファンは、前記半導体素子と対向する前記制御箱内の側面に取り付けられたことを特徴とする前記請求項１記載の車両用電力変換装置。
5. 前記冷却フィンは、格子状であることを特徴とする請求項１乃至４記載の車両用電力変換装置。
6. 前記冷却フィンは、板上に孔を有することを特徴とした請求項１乃至４記載の車両用電力変換装置。

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