JP2012023844A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】収納ケースの横幅を狭くでき、収納ケース内に水滴が浸入しにくく、かつ部品点数の増加を抑制でき、容易に製造できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２０と冷却チューブ２１とを積層した積層体２と、該積層体２を収納する収納ケース３とを備える。冷却チューブ２１ａには、その両端に、冷媒１５を導入又は導出するための一対のパイプ４ａ，４ｂが取り付けられている。収納ケース３は、下側ケース３ａと上側ケース３ｂとからなる。積層体２は、収納ケース３内に斜めに収納されている。収納ケース３の側壁３１には、一対のパイプ４ａ，４ｂを挿通するための一対の貫通穴６ａ，６ｂが、接合部５と連続する位置に形成されている。そして、一対の貫通穴６ａ，６ｂは、底壁３０からの高さが互いに異なる位置に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却チューブとを積層した電力変換装置に関する。

例えば、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として、図５に示すごとく、半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュール９２０と、該半導体モジュール９２０を冷却する複数の冷却チューブ９９とを積層した積層体９２を有するものが従来から知られている（下記特許文献１参照）。

この電力変換装置９１では、隣り合う２個の冷却チューブ９９は、その両端において、連結管９８によって連結されている。また、複数の冷却チューブ９９のうち、積層体９２の積層方向Ｘにおける一端に位置する冷却チューブ９９ａには、一対のパイプ９４ａ，９４ｂが取り付けられている。一方のパイプ９４ａから冷媒９０を導入すると、冷媒９０は連結管９８を通って全ての冷却チューブ９９内を流れ、他方のパイプ９４ｂから導出する。これにより、半導体モジュール９２０を冷却している。

図５に示すごとく、積層体９２は収納ケース９３に収納されている。収納ケース９３は、下側に配置された下側ケース９３ａと、上側に配置された上側ケース９３ｂとからなる。下側ケース９３ａと上側ケース９３ｂとは各々開口部９７を有する。これらの開口部９７同士を対向させて接合することにより、収納ケース９３を構成している。

下側ケース９３ａと上側ケース９３ｂの開口部９７には、それぞれ凹部９６０が形成されている。下側ケース９３ａと上側ケース９３ｂとを結合すると、これらの凹部９６０が組み合わさって、一対のパイプ９４を挿通するための貫通穴９６となる。

電力変換装置９１を製造する際には、図５に示すごとく、下側ケース９３ａに積層体９２を収納し、下側ケース９３ａの凹部９６０に一対のパイプ９４を配置する。その後、下側ケース９３ａと上側ケース９３ｂとを結合する。

特開２００７−１７４７５９号公報

近年、他の部品を電力変換装置９１の周囲に配置するスペースを設けるため、電力変換装置９１の横幅Ｗを狭くしたいという要求がある。

この要求に応えるため、図６に示すごとく、電力変換装置９１を縦置きにすることも考えられる。しかし、このようにすると、接合部９５が収納ケース９３の上壁部９３０に形成されるという問題が生じる。収納ケース９３の上壁部９３０には水滴等が溜まる場合があるため、上壁部９３０に接合部９５が形成されていると、水滴が接合部９５を通って収納ケース９３内に浸入する可能性がある。そのため、接合部９５は、収納ケース９３の側壁に形成することが望ましい。

一方、図７に示すごとく、下側ケース９３ａ、中央ケース９３ｂ、上側ケース９３ｃの３個の分割ケースによって収納ケース９３を構成することも考えられる。下側ケース９３ａと中央ケース９３ｂとの接合部９５ａに、一方のパイプ９４ａを挿通する貫通穴９６ａを形成する。そして、中央ケース９３ｂと上側ケース９３ｃとの接合部９５ｂに他方のパイプ９４ｂを挿通する貫通穴９６ｂを形成する。このようにすると、接合部９５ａ，９５ｂを収納ケース９３の側壁に形成できるため、水滴がケース内に浸入する不具合を防止できる。また、収納ケース９３の横幅Ｗも狭くすることができる。
しかし、この場合、３個の分割ケース９３ａ〜９３ｃが必要となり、電力変換装置９１の部品点数が増加するという問題が生じる。そのため、上記問題を解決しつつ、部品点数の増加を抑制できる電力変換装置が望まれている。

また、図８に示すごとく、下側ケース９３ａと上側ケース９３ｂとを互いに結合させて収納ケース９３を形成した場合は、２個の分割ケース９３ａ，９３ｂのみを用いて、側壁にのみ接合部９５を有する収納ケース９３を形成することができる。しかし、この場合、接合部９５から外れた位置に貫通穴９６を形成する必要がある。そのため、積層体９２を収納ケース９３に収納し、パイプ９４を貫通穴９６に挿通させる作業が困難になる。したがって、貫通穴９６は、接合部９５に連続する位置に形成することが望ましい。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、収納ケースの横幅を狭くでき、収納ケース内に水滴が浸入しにくく、かつ部品点数の増加を抑制でき、容易に製造できる電力変換装置を提供しようとするものである。

第１の発明は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
該積層体を収納する収納ケースとを備え、
上記複数の冷却チューブのうち、上記積層体の積層方向における一方の端部に位置する冷却チューブには、その両端に、上記複数の冷却チューブに冷媒を導入又は導出するための一対のパイプが取り付けられており、
上記収納ケースは、下側に配置された下側ケースと、該下側ケースの上側に配置された上側ケースとからなり、上記下側ケースと上記上側ケースとは各々開口部を有し、互いの上記開口部を接合することにより上記収納ケースを構成しており、
上記積層体は、上記冷却チューブの長手方向が、上記収納ケースの底壁に対して傾斜するよう斜めに収納され、
上記下側ケースと上記上側ケースとの接合部は、上記収納ケースの側壁に形成されており、
上記収納ケースの側壁には、上記一対のパイプを挿通するための一対の貫通穴が上記接合部と連続する位置に形成され、該一対の貫通穴は、上記底壁からの高さが互いに異なる位置に形成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）。

第２の発明は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
該積層体を収納する収納ケースとを備え、
該収納ケースは、下側に配置された下側ケースと、該下側ケースの上側に配置された上側ケースとからなり、上記下側ケースと上記上側ケースとは各々開口部を有し、互いの上記開口部を接合することにより上記収納ケースを構成しており、
上記積層体は、上記冷却チューブの長手方向が、上記収納ケースの底壁に対して斜め方向を向くか又は垂直となるように上記収納ケース内に収納され、
上記積層体には、上記複数の冷却チューブに冷媒を導入又は導出するための一対のパイプが取り付けられ、該一対のパイプのうちの一方のパイプは、上記積層体の積層方向における前端に位置する上記冷却チューブの下端に取り付けられ、他方のパイプは、上記積層方向における後端に位置する上記冷却チューブの上端に取り付けられ、
上記下側ケースと上記上側ケースとの接合部は、上記収納ケースの側壁に形成されており、
上記収納ケースの側壁には、上記一対のパイプを挿通するための一対の貫通穴が上記接合部と連続する位置に形成され、該一対の貫通穴は、上記底壁からの高さが互いに異なる位置に形成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２）。

第１の発明の作用効果について説明する。上述したように、電力変換装置を容易に製造するため、貫通穴は接合部と連続する位置に形成する必要がある。しかしながら、この要件を満たしつつ、図６に示すごとく一対のパイプ９４を上下に配置すると、収納ケース９３の上壁９３０に接合部９５を形成する必要が生じる。そのため、上壁９３０に形成された接合部９５から水滴がケース内に浸入しやすくなる。

そこで本発明では、２個の分割ケースを使って収納ケースを形成し、側壁に接合部を形成しつつ、積層体を斜めに収納した。積層体を斜めに収納すると、収納ケースの横幅を狭くできる。また、積層体を斜めにすると、一対のパイプの高さ位置が互いに異なっていても、貫通穴を、接合部に連続する位置に形成できる。例えば、接合部の高さを部分的に異ならせるようにしておき、接合部の高さ位置が低い部分に一方の貫通穴を形成し、接合部の高さ位置が高い部分に他方の貫通穴を形成する。これにより、一対の貫通穴を、接合部に連続する位置に形成でき、電力変換装置の製造工程を容易にすることが可能になる。

また、本発明では、上記のように積層体を斜めに配置することで、分割ケースの数を２個にすることが可能となるため、部品点数の増加を抑制できる。さらに、本発明では接合部を側壁に形成したため、水滴の浸入を防止できる。このように、上記構成を採用することにより、収納ケースの横幅を狭くし、部品点数の増加を抑制し、水滴の浸入を防止し、かつ製造工程を容易にするという４つの要求を同時に満たすことが可能になる。

次に、第２の発明の作用効果について説明する。本発明では積層方向における前端に位置する冷却チューブの下端に一方のパイプを取り付け、積層方向における後端に位置する冷却チューブの上端に他方のパイプを取り付けた。このようにすると、一対のパイプの高さ位置が互いに異なっていても、貫通穴を、接合部に連続する位置に形成することができる。例えば、積層方向の後端側において接合部の位置を高くしておき、前端側において接合部を低くしておく。そして、接合部の高さ位置が低い部分に一方の貫通穴を形成し、接合部の高さ位置が高い部分に他方の貫通穴を形成する。これにより、貫通穴を、接合部に連続する位置に形成することができ、電力変換装置の製造工程を容易にすることが可能になる。

このように、本発明では積層体を垂直に配置できるため、収納ケースの横幅を一層、狭くすることができる。また、２個の分割ケースを使って収納ケースを形成したため、部品点数の増加を抑制できる。さらに、接合部を側壁に形成したため、水滴の浸入を防止できる。このように、上記構成を採用することにより、収納ケースの横幅を狭くし、部品点数の増加を抑制し、水滴の浸入を防止し、かつ製造工程を容易にするという４つの要求を同時に満たすことが可能になる。

以上のごとく、本発明によれば、収納ケースの横幅を狭くでき、収納ケース内に水滴が浸入しにくく、かつ部品点数の増加を抑制でき、容易に製造できる電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の一部透視斜視図。 図１の正面図であって、制御回路基板およびコンデンサと共に描いたもの。 実施例２における、電力変換装置の一部透視斜視図。 図３の正面図であって、制御回路基板およびコンデンサと共に描いたもの。 従来例における、電力変換装置の分解斜視図。 図５の電力変換装置を縦置きにしたもの。 図５、図６の従来例とは別の従来例における、電力変換装置の一部透視斜視図。 図５〜図７の従来例とは別の従来例における、電力変換装置の一部透視斜視図。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記一対のパイプのうち、下方に位置する下側パイプから上記冷媒を導入し、上記下側パイプよりも上方に位置する上側パイプから上記冷媒を導出するよう構成されていることが好ましい（請求項３）。
このようにすると、冷媒に気泡が混入していた場合でも、該気泡が冷却チューブ内に溜まりにくくなる。すなわち、上記構成にすると、下側パイプから冷媒を導入するため、気泡が移動する向き（上昇する向き）に冷媒を流すことができる。そのため、冷媒の流れに伴って気泡が移動しやすくなり、気泡を冷却チューブから追い出しやすくなる。

（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２を用いて説明する。
図１、図２に示すごとく、本例の電力変換装置１は、複数の半導体モジュール２０と冷却チューブ２１とを積層した積層体２と、該積層体２を収納する収納ケース３とを備える。半導体モジュール２０は、電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵している。また、冷却チューブ２１は、半導体モジュール２０を両面から冷却している。

複数の冷却チューブ２１のうち、積層体２の積層方向Ｘにおける一方の端部に位置する冷却チューブ２１ａには、その両端に、複数の冷却チューブ２１に冷媒１５を導入又は導出するための一対のパイプ４（４ａ，４ｂ）が取り付けられている。
収納ケース３は、下側に配置された下側ケース３ａと、該下側ケース３ａの上側に配置された上側ケース３ｂとからなる。下側ケース３ａと上側ケース３ｂとは各々開口部を有し、互いの開口部を接合することにより収納ケース３を構成している。

積層体２は、冷却チューブ２１の長手方向が、収納ケース３の底壁３０に対して傾斜するよう斜めに収納されている。
下側ケース３ａと上側ケース３ｂとの接合部５は、収納ケース３の側壁３１に形成されている。収納ケース３の側壁３１には、一対のパイプ４ａ，４ｂを挿通するための一対の貫通穴６ａ，６ｂが接合部５と連続する位置に形成されている。そして、一対の貫通穴６ａ，６ｂは、底壁３０からの高さが互いに異なる位置に形成されている。
以下、詳説する。

図１に示すごとく、隣り合う２個の冷却チューブ２１は、その両端において、連結管１６によって連結されている。上記一対のパイプ４ａ，４ｂのうち、下方に位置する下側パイプ４ａから冷媒１５を導入し、上方に位置する上側パイプ４ｂから冷媒１５を導出する。下側パイプ４ａから導入された冷媒１５は、連結管１６を通って全ての冷却チューブ２１内を流れる。これにより、半導体モジュール２０を冷却している。

図１に示すごとく、下側ケース３ａの開口部の端面と、上側ケース３ｂの開口部の端面とが重なり合って、本例の接合部５となっている。接合部５は、収納ケース３の側壁３１にのみ形成されている。下側ケース３ａの側壁３１には、上方に突出した矩形状の凸部３５が形成されている。また、上側ケース３ｂには、凸部３５に係合する凹部３６が形成されている。接合部５は、凸部３５以外の部分は平坦状になっている。凸部３５の最上部３５０に、上側パイプ４ｂを挿通するための貫通穴６ｂが形成されている。また、最上部３５０よりも高さが低い部分において、接合部５に連続する位置に、下側パイプ４ａを挿通するための貫通穴６ａが形成されている。

図２に示すごとく、個々の半導体モジュール２０は、パワー端子１３と、制御端子１４とを備える。パワー端子１３には、直流電源（図示しない）の正電極に接続される正極端子１３ａと、直流電源の負電極に接続される負極端子１３ｂと、交流負荷に接続される交流端子１３ｃとがある。
また、制御端子１４には、制御回路基板１１が接続されている。制御回路基板１１が半導体モジュール２０を制御することにより、正極端子１３ａと負極端子１３ｂとの間に印加される直流電圧を交流電圧に変換し、交流端子１３ｃから出力する。

パワー端子１３ａ〜１３ｃには、バスバー１２が溶接されている。このバスバー１２によって、パワー端子１３ａ〜１３ｃを直流電源や交流負荷に接続している。
また、収納ケース３内には、正極端子１３ａと負極端子１３ｂとの間に印加される直流電圧を平滑化するためのコンデンサ１０が収納されている。

本例の電力変換装置１は、車両に搭載して用いるものである。車両には、電力変換装置１の他、三相交流モータ（図示しない）が搭載されている。本例の電力変換装置１によって得られた交流電力によって三相交流モータを駆動し、車両を走行させている。

本例の作用効果について説明する。上述したように、電力変換装置１を容易に製造するため、貫通穴は接合部と連続する位置に形成する必要がある。しかしながら、この要件を満たしつつ、図６に示すごとく一対のパイプ９４を上下に配置すると、収納ケース９３の上壁９３０に接合部９５を形成する必要が生じる。そのため、上壁９３０に形成された接合部９５から水滴がケース内に浸入しやすくなる。

そこで本例では、２個の分割ケース３ａ，３ｂを使って収納ケース３を形成し、側壁３１に接合部５を形成しつつ、積層体２を斜めに収納した。積層体２を斜めに収納すると、収納ケース３の横幅Ｗを狭くできる。また、積層体２を斜めにすると、一対のパイプ４ａ，４ｂの高さ位置が互いに異なっていても、貫通穴６ａ，６ｂを、接合部５に連続する位置に形成できる。すなわち、図１、図２に示すごとく、下側ケース３ａに凸部３５を形成しておき、凸部３５の最上部３５０に上側パイプ４ｂの貫通穴６ｂを形成し、凸部３５以外の部分に下側パイプ４ａの貫通穴６ａを形成することができる。これにより、一対の貫通穴６ａ，６ｂを、接合部５に連続する位置に形成でき、電力変換装置１の製造工程を容易にすることが可能になる。

また、本例では、上記のように積層体２を斜めに配置することで、分割ケースの数を２個にすることが可能となるため、部品点数の増加を抑制できる。さらに、本例では接合部５を側壁３１にのみ形成したため、水滴の浸入を防止できる。このように、上記構成を採用することにより、収納ケース３の横幅Ｗを狭くし、部品点数の増加を抑制し、水滴の浸入を防止し、かつ製造工程を容易にするという４つの要求を同時に満たすことが可能になる。

また、本例では、一対のパイプ４ａ，４ｂのうち、下方に位置する下側パイプ４ａから冷媒１５を導入し、上方に位置する上側パイプ４ｂから冷媒１５を導出している。
このようにすると、冷媒１５に気泡が混入していた場合でも、気泡が冷却チューブ２１内に溜まりにくくなる。すなわち、上記構成によると、下側パイプ４ｂから冷媒１５を導入するため、気泡が移動する向き（上昇する向き）に冷媒１５を流すことができる。そのため、冷媒１５の流れに伴って気泡が移動しやすくなり、気泡を冷却チューブ２１から追い出しやすくなる。

以上のごとく、本例によれば、収納ケースの横幅を狭くでき、収納ケース内に水滴が浸入しにくく、かつ部品点数の増加を抑制でき、容易に製造できる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、積層体２および収納ケース３の形状を変更した例である。図３、図４に示すごとく、本例では、下側パイプ４ａは、積層体２の積層方向Ｘにおける前端に位置する冷却チューブ２１ａの下端に取り付けられている。また、上側パイプ４ｂは、積層方向における後端に位置する冷却チューブ２１ｂの上端に取り付けられている。
積層体２は、冷却チューブ２１の長手方向が、収納ケース３の底壁３０に対して垂直となるように収納ケース３内に収納されている。

図３に示すごとく、下側ケース３ａの開口部の端面と、上側ケース３ｂの開口部の端面とが重なり合って、本例の接合部５になっている。接合部５は、収納ケース３の側壁３１にのみ形成されている。接合部５の高さは、積層方向Ｘの後端側において高くなっており、前端側において低くなっている。そして、積層方向Ｘの前端側において、接合部５と連続する位置に下側パイプ４ａの貫通穴６ａを形成し、後端側において、接合部５と連続する位置に上側パイプ４ｂの貫通穴６ｂを形成した。
その他、実施例１と同様の構成を備える。

本例の作用効果について説明する。上記構造にすると、一対のパイプ４ａ，４ｂが互いに反対側から突出することになる。そのため、パイプ４ａ，４ｂの高さが互いに異なっていても、貫通穴６ａ，６ｂを、接合部５に連続する位置に形成することができる。そのため、電力変換装置１を容易に製造することができる。

また、本例では積層体２を垂直に配置できるため、収納ケース３の横幅Ｗを一層、狭くすることができる。さらに本例では、２個の分割ケース３ａ，３ｂによって収納ケース３を形成したため、部品点数の増加を抑制できる。また、本例では、接合部５を側壁３１にのみ形成したため、水滴の浸入を防止できる。このように、上記構成を採用することにより、収納ケース３の横幅Ｗを狭くし、部品点数の増加を抑制し、水滴の浸入を防止し、かつ製造工程を容易にするという４つの要求を同時に満たすことが可能になる。
その他、実施例１と同様の作用効果を備える。

１ 電力変換装置
２ 積層体
３ 収納ケース
３ａ 下側ケース
３ｂ 上側ケース
３０ 底壁
３１ 側壁
４ パイプ
５ 接合部
６ 貫通穴

Claims (3)

1. 電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
   該積層体を収納する収納ケースとを備え、
   上記複数の冷却チューブのうち、上記積層体の積層方向における一方の端部に位置する冷却チューブには、その両端に、上記複数の冷却チューブに冷媒を導入又は導出するための一対のパイプが取り付けられており、
   上記収納ケースは、下側に配置された下側ケースと、該下側ケースの上側に配置された上側ケースとからなり、上記下側ケースと上記上側ケースとは各々開口部を有し、互いの上記開口部を接合することにより上記収納ケースを構成しており、
   上記積層体は、上記冷却チューブの長手方向が、上記収納ケースの底壁に対して傾斜するよう斜めに収納され、
   上記下側ケースと上記上側ケースとの接合部は、上記収納ケースの側壁に形成されており、
   上記収納ケースの側壁には、上記一対のパイプを挿通するための一対の貫通穴が上記接合部と連続する位置に形成され、該一対の貫通穴は、上記底壁からの高さが互いに異なる位置に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 電力変換回路を構成する半導体素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該半導体モジュールを両面から冷却する複数の冷却チューブとを積層した積層体と、
   該積層体を収納する収納ケースとを備え、
   該収納ケースは、下側に配置された下側ケースと、該下側ケースの上側に配置された上側ケースとからなり、上記下側ケースと上記上側ケースとは各々開口部を有し、互いの上記開口部を接合することにより上記収納ケースを構成しており、
   上記積層体は、上記冷却チューブの長手方向が、上記収納ケースの底壁に対して斜め方向を向くか又は垂直となるように上記収納ケース内に収納され、
   上記積層体には、上記複数の冷却チューブに冷媒を導入又は導出するための一対のパイプが取り付けられ、該一対のパイプのうちの一方のパイプは、上記積層体の積層方向における前端に位置する上記冷却チューブの下端に取り付けられ、他方のパイプは、上記積層方向における後端に位置する上記冷却チューブの上端に取り付けられ、
   上記下側ケースと上記上側ケースとの接合部は、上記収納ケースの側壁に形成されており、
   上記収納ケースの側壁には、上記一対のパイプを挿通するための一対の貫通穴が上記接合部と連続する位置に形成され、該一対の貫通穴は、上記底壁からの高さが互いに異なる位置に形成されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１または請求項２において、上記一対のパイプのうち、下方に位置する下側パイプから上記冷媒を導入し、上記下側パイプよりも上方に位置する上側パイプから上記冷媒を導出するよう構成されていることを特徴とする電力変換装置。

Images