JP2012222952A - 負荷駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペース化、低コスト化を可能としつつ、電力変換装置の温度上昇を防ぐことができる負荷駆動装置を提供すること。
【解決手段】入力電力を変換して出力電力を出力する電力変換装置１１と、出力電力によって駆動する負荷１２と、電力変換装置１１と負荷１２とを接続する電気接続手段１３とからなる負荷駆動装置１。電力変換装置１１は、電力変換装置１１の構成部品（半導体モジュール２）を冷却する冷却媒体を流通させる冷媒流路３を備えている。電気接続手段１３の少なくとも一部は、冷媒流路３に熱的に接触している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置と、電力変換装置の出力電力によって駆動する負荷と、電力変換装置と負荷とを接続する電気接続手段とからなる負荷駆動装置に関する。

例えば電気自動車やハイブリッド自動車には、直流電源（バッテリー）と、該直流電源からの直流電力を昇圧すると共に交流電力に変換する電力変換装置と、該電力変換装置の出力電力によって駆動する負荷（交流回転電機）とが搭載されている。電力変換装置と負荷とは、出力ケーブルによって接続され、電力変換装置には出力ケーブルの一端を接続するための出力端子台が配設されている。このように、電力変換装置と負荷と出力ケーブル等の電気接続手段とから、負荷駆動装置が構成されている。

電力変換装置には、電力変換回路を構成する半導体モジュール等の電子部品の他に、これらを冷却するための冷媒流路が配設されている（特許文献１、２）。これによって、電力変換装置の構成部品の温度上昇を抑制している。

特開２００５−１３７１１６号公報 特開２００９−１４８０２７号公報

しかしながら、負荷駆動装置が搭載される車種等によっては、高い出力電力が要求される場合があり、かかる場合においては出力ケーブル等の電気接続手段に流れる電流が大きくなり、この部分からの発熱が大きくなる。これにより、電気接続手段の温度及びその周辺の雰囲気温度、さらには構成部品の温度が高くなりすぎるおそれがある。

このような電気接続手段の発熱に対する対策としては、出力ケーブル、出力端子台等の電気接続手段を大型化したり、その周囲の部品を耐熱性の高いものに設定したりするなどの方策が考えられる。しかし、この場合には、負荷駆動装置の搭載スペースの大型化、高コスト化を招くおそれがある。
また、高い出力電力が要求される車種のみにおいて上記のような対策を講じることも考えられるが、この場合には、車種ごとに上記電気接続手段等の仕様を変更することとなり、全体として、生産性の低下、高コスト化を招くこととなる。

また、負荷駆動装置の搭載スペースを縮小するために、電力変換装置と負荷との間の距離を縮めると共に、出力ケーブルを短くしようとしたとき、出力ケーブルを伝って負荷の熱が出力端子台に伝わりやすくなり、ひいては電力変換装置の内部温度の上昇も招きかねない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、省スペース化、低コスト化を可能としつつ、電力変換装置の温度上昇を防ぐことができる負荷駆動装置を提供しようとするものである。

本発明は、入力電力を変換して出力電力を出力する電力変換装置と、上記出力電力によって駆動する負荷と、上記電力変換装置と上記負荷とを接続する電気接続手段とからなる負荷駆動装置であって、
上記電力変換装置は、該電力変換装置の構成部品を冷却する冷却媒体を流通させる冷媒流路を備え、
上記電気接続手段の少なくとも一部は、上記冷媒流路に熱的に接触していることを特徴とする負荷駆動装置にある（請求項１）。

上記負荷駆動装置においては、上記電気接続手段の少なくとも一部が上記冷媒流路に熱的に接触している。これにより、上記冷媒流路を流れる冷却媒体によって上記電気接続手段を冷却することができる。それゆえ、大きな出力電流が流れても、電気接続手段の温度上昇を防ぐことができる。そのため、特に電気接続手段を大型化したり電気接続手段の周囲の部品を耐熱性の高いものにしたりするなどの措置をとる必要がない。その結果、負荷駆動装置の省スペース化、低コスト化を図ることができる。

また、上記電気接続手段を冷却することができるため、上記負荷から電気接続手段を通じて上記電力変換装置へ伝わる熱を低減することができる。すなわち、駆動時において一般に電力変換装置よりも高温となりやすい上記負荷の熱が、電気接続手段へ伝わっても、電気接続手段が上記のごとく冷却されることにより、その熱を放出することができる。その結果、電力変換装置へ伝熱することを抑制することができる。

また、上述のように上記電気接続手段を伝う電力変換装置への伝熱を抑制することができるため、電気接続手段の長さを短くして、電力変換装置と負荷との間の距離を縮めることもできる。その結果、車両等における負荷駆動装置の搭載スペースを縮小することができる。すなわち、負荷駆動装置の省スペース化を図ることができる。

また、上記電気接続手段の冷却を、上記電力変換装置の構成部品を冷却するための冷媒流路によって行うことができる。そのため、電気接続手段の冷却のために改めて冷却手段を配設する必要がないため、部品点数を低減することができる。かかる観点からも、負荷駆動装置の省スペース化、低コスト化を図ることができる。

以上のごとく、本発明によれば、省スペース化、低コスト化を可能としつつ、電力変換装置の温度上昇を防ぐことができる負荷駆動装置を提供することができる。

実施例１における、負荷駆動装置の断面説明図であって、図２のＡ−Ａ線矢視断面相当図。 実施例１における、電力変換装置の断面説明図であって、図１のＢ−Ｂ線矢視断面相当図。 実施例２における、負荷駆動装置の断面説明図。 実施例３における、負荷駆動装置の断面説明図。

上記負荷駆動装置は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される。また、上記負荷としては、例えば電気自動車やハイブリッド自動車を駆動するための交流回転電機とすることができる。
また、上記電気接続手段の少なくとも一部は、上記冷媒流路に対して、直接接触していてもよいし、例えば熱伝導性を有する部材を介して接触していてもよい。

また、上記電気接続手段は、上記電力変換装置に配設された出力端子台と、該出力端子台に一端が接続されると共に上記負荷に他端が接続された出力ケーブルとを有し、上記出力端子台が上記冷媒流路に熱的に接触していることが好ましい（請求項２）。この場合には、電力変換装置に配設した出力端子台を、同じく電力変換装置に設けた冷媒流路に熱的に接触させることになるため、設計自由度が比較的高くなりやすい。また、出力端子台の温度上昇を抑制することができるため、電力変換装置内の雰囲気温度の上昇を効果的に抑制することができる。また、出力端子台を冷媒流路に熱的に接触させることにより、伝熱面積を大きくとりやすく、放熱効率を高くしやすい。

また、上記電力変換装置は、内部に上記冷媒流路を有する冷却器を備え、該冷却器の一部に上記出力端子台が接触していることが好ましい（請求項３）。この場合には、上記冷却器によって直接上記出力端子台を冷却することができるため、出力端子台の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

また、上記電気接続手段は、上記電力変換装置に配設された出力端子台と、該出力端子台に一端が接続されると共に上記負荷に他端が接続された出力ケーブルとを有し、上記出力ケーブルが上記冷媒流路に熱的に接触していることが好ましい（請求項４）。この場合には、上記負荷からの伝熱経路を確実に冷却することができるため、負荷の熱が電力変換装置に伝わることを効果的に防ぐことができる。

また、上記冷媒流路の少なくとも一部は、上記電力変換装置の筐体における壁部の内側面に面して形成されており、上記出力ケーブルの少なくとも一部は、上記壁部を挟んで上記冷媒流路に対向配置されると共に上記壁部に接触していることが好ましい（請求項５）。この場合には、上記出力ケーブルの少なくとも一部を上記筐体の壁部に接触させればよいため、上記出力ケーブルの這い回しを簡単にすることができる。

また、上記出力端子台は、上記電力変換装置と上記負荷との配列方向において、上記冷媒流路よりも上記負荷から遠い位置に配設されていることが好ましい（請求項６）。この場合には、上記負荷と上記出力端子台とを接続する上記出力ケーブルを、上記冷媒流路に面した上記壁部に容易に接触させることができる。そして、上記出力ケーブルの這い回しを極めて簡単にすることができる。

また、上記電力変換装置は、コンバータ部とインバータ部とを備え、上記コンバータ部及び上記インバータ部は、それぞれを冷却する上記冷媒流路であるコンバータ用冷媒流路及びインバータ用冷媒流路を備え、上記電気接続手段は、上記コンバータ用冷媒流路及び上記インバータ用冷媒流路の少なくとも一方に熱的に接触していることが好ましい（請求項７）。この場合には、コンバータ用冷媒流路とインバータ用冷媒流路との２つの冷媒流路があるため、電気接続手段を冷媒流路に熱的に接触させるための設計自由度が高くなる。また、上記二つの冷媒流路の双方に電気接続手段を熱的に接触させることもでき、この場合には、さらに効果的に電気接続手段の温度上昇を防ぐことができ、電力変換装置の温度上昇を防ぐことができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる負荷駆動装置１につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の負荷駆動装置１は、図１に示すごとく、入力電力を変換して出力電力を出力する電力変換装置１１と、上記出力電力によって駆動する負荷１２と、電力変換装置１１と負荷１２とを接続する電気接続手段１３とからなる。
電力変換装置１１は、電力変換装置１１の構成部品である半導体モジュール２を冷却する冷却媒体を流通させる冷媒流路３を備えている。そして、電気接続手段１３の少なくとも一部は、冷媒流路３に熱的に接触している。

電気接続手段１３は、電力変換装置１１に配設された出力端子台１３１と、出力端子台１３１に一端が接続されると共に負荷１２に他端が接続された出力ケーブル１３２とを有する。そして、本例においては、出力端子台１３１が冷媒流路３に熱的に接触している。
すなわち、電力変換装置１１は、内部に冷媒流路３を有する冷却器３０を備え、該冷却器３０の一部に出力端子台１３１が接触している。

電力変換装置１１は、アルミニウム等の金属からなるケース６内に、複数の半導体モジュール２、該半導体モジュール２を冷却するための冷却器３０、半導体モジュール２を制御する制御回路を備えた制御回路基板４１を収容してなる。冷却器３０は、図２に示すごとく、複数の冷却管３１を積層すると共にその長手方向の両端部付近において連結してなる。そして、積層方向に隣り合う冷却管３１の間に、半導体モジュール２が挟持された状態で配設されている。

これにより、冷却管３１の内部の冷媒流路３を流れる冷却媒体によって、半導体モジュール２を両主面から冷却することができる。なお、冷却媒体としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、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媒を用いることができる。また、空気などの気体系の冷却媒体を用いることもできる。

上述のように複数の冷却管３１と共に積層された複数の半導体モジュール２のうちの一部が、直流電力を昇圧するコンバータ部を構成し、他の一部が昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ部を構成している。すなわち、本例の電力変換装置１１は、コンバータ部とインバータ部とを一体化してなる。そして、コンバータ部を冷却する冷媒流路３（コンバータ用冷媒流路）と、インバータ部を冷却する冷媒流路３（インバータ用冷媒流路）とは、互いに連結されて一つの積層型の冷却器３０の内部に形成されることとなる。

図１に示すごとく、半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等の半導体素子を内蔵した本体部２１と、該本体部２１の一つの端面から突出した制御端子２２と、その反対側の端面から突出した主電極端子２３とを有する。制御端子２２及び主電極端子２３は、半導体モジュール２と冷却管３０との積層方向及び冷却管３１の長手方向に対して直交する方向に突出している。

制御端子２２は、制御回路基板４１に接続されている。
また、半導体モジュール２は、２つ以上の半導体素子を内蔵しており、３本の主電極端子２３を有する。具体的には、主電極端子２３として、正極端子２３１、負極端子２３２、出力端子２３３が形成されている。正極端子２３１と負極端子２３２とには、それぞれ正極バスバー５１と負極バスバー５２とが接続され、これらにコンデンサ４２が接続されている。該コンデンサ４２もケース６内に収容され、電力変換装置１１の一部を構成している。

また、出力端子２３３に接続された出力バスバー５３は、電力変換装置１１に組み込まれた出力端子台１３１に接続されている。出力端子台１３１は、冷却器３０の一部に接触するように、ケース６内に固定されている。図１、図２に示すごとく、出力端子台１３１は、ケース６における一つの壁部６１の内側に配置されている。壁部６１には、出力端子台１３１が配設された部分に向かって開口する開口部（図示略）が形成されている。

この開口部を通じて、出力ケーブル１３２が出力端子台１３１に接続される。具体的には、出力ケーブル１３２の一端にコネクタ１３３が形成されており、このコネクタ１３３における導体端子（図示略）が、出力端子台１３１において出力端子５３と電気的に接続されるよう構成されている。

また、出力端子台１３１は、例えば樹脂等の絶縁体によって本体部を構成し、その本体部に金属製のナット等が埋設されたものであってもよい。この場合には、ナットの上に出力バスバー５３とコネクタ１３３の導体端子とを配置すると共にボルトにてこれらをナットに締結することで電気的接続が図れるようにすることができる。そして、出力端子台１３１の本体部を冷却器３０に接触させることができる。
また、出力端子台１３１を金属にて構成してもよいが、この場合において、冷却器３０も金属製である場合には、出力端子台１３１を、絶縁膜を介して冷却器３０と接触させるなど、両者の絶縁を図る必要はある。

コネクタ１３３側とは逆の出力ケーブル１３２の他端は、負荷１２に接続されている。本例において、負荷１２は、三相交流回転電機である。
本例の負荷駆動装置１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両に搭載され、負荷１２としての三相交流回転電機を駆動するものである。それゆえ、負荷駆動装置１における電力変換装置１１も負荷１２も、車両における所定の位置に搭載される。そして、両者は、出力ケーブル１３２によって電気的に接続されている。

また、電力変換装置１１は、直流電源（図示略）にも電気的に接続されている。直流電源も車両に搭載されている。電力変換装置１１は、直流電源の直流電力を昇圧するとともに交流電力に変換し、これを負荷１２へ出力することによって負荷１２を駆動させることができる。
また、負荷１２（三相交流回転電機）において発電した交流電力を電力変換装置１１によって電力変換して直流電源へ回生するようにすることもできる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記負荷駆動装置１においては、電気接続手段１３の少なくとも一部が冷媒流路３に熱的に接触している。これにより、冷媒流路３を流れる冷却媒体によって電気接続手段１３を冷却することができる。それゆえ、大きな出力電流が流れても、電気接続手段１３の温度上昇を防ぐことができる。そのため、特に電気接続手段１３を大型化したり電気接続手段１３の周囲の部品を耐熱性の高いものにしたりするなどの措置をとる必要がない。その結果、負荷駆動装置１の省スペース化、低コスト化を図ることができる。

また、電気接続手段１３を冷却することができるため、負荷１２から電気接続手段１３を通じて電力変換装置１１へ伝わる熱を低減することができる。すなわち、駆動時において一般に電力変換装置１１よりも高温となりやすい負荷１２の熱が、電気接続手段１３へ伝わっても、電気接続手段１３が上記のごとく冷却されることにより、その熱を放出することができる。その結果、電力変換装置１１へ伝熱することを抑制することができる。

また、上述のように電気接続手段１３を伝う電力変換装置１１への伝熱を抑制することができるため、電気接続手段１３の長さを短くして、電力変換装置１１と負荷１２との間の距離を縮めることもできる。その結果、車両における負荷駆動装置１の搭載スペースを縮小することができる。すなわち、負荷駆動装置１の省スペース化を図ることができる。

また、電気接続手段１３の冷却を、電力変換装置１１の構成部品（半導体モジュール２）を冷却するための冷媒流路３によって行うことができる。そのため、電気接続手段１３の冷却のために改めて冷却手段を配設する必要がないため、部品点数を低減することができる。かかる観点からも、負荷駆動装置１の省スペース化、低コスト化を図ることができる。

また、電気接続手段１３のうちの出力端子台１３１が冷媒流路３に熱的に接触している。すなわち、電力変換装置１１に配設した出力端子台１３１を、同じく電力変換装置１１に設けた冷媒流路３に熱的に接触させることになるため、設計自由度が比較的高くなりやすい。また、ケース６内に配置された出力端子台１３１の温度上昇を抑制することができるため、電力変換装置１１内の雰囲気温度の上昇を効果的に抑制することができる。また、出力端子台１３１を冷媒流路３に熱的に接触させることにより、伝熱面積を大きくとりやすく、放熱効率を高くしやすい。

また、冷却器３０の一部に出力端子台１３１が接触していることにより、冷却器３０によって直接出力端子台１３１を冷却することができるため、出力端子台１３１の温度上昇をより効果的に抑制することができる。

以上のごとく、本例によれば、省スペース化、低コスト化を可能としつつ、電力変換装置の温度上昇を防ぐことができる負荷駆動装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３に示すごとく、出力ケーブル１３２を冷媒流路３に熱的に接触させた負荷駆動装置１の例である。
電力変換装置１１は、コンバータ部１１１とインバータ部１１２とを備え、コンバータ部１１１及びインバータ部１１２は、それぞれを冷却する冷媒流路３であるコンバータ用冷媒流路３０１及びインバータ用冷媒流路３０２を備えている。コンバータ用冷媒流路３０１は、電力変換装置１１の筐体６における壁部６１の内側面に面して形成されている。

そして、出力ケーブル１３２の一部が、壁部６１を挟んでコンバータ用冷媒流路３０１に対向配置されている。出力ケーブル１３２は、その一部において、クランプ等によって壁部６１の外側面において保持されると共に接触している。
コンバータ部１１１は、コンバータ用冷媒流路３０１における壁部６１側と反対側の面（コンバータ冷却面３２）に接触配置されている。

出力端子台１３１は、電力変換装置１１と負荷１２との配列方向（図３の上下方向）において、コンバータ用冷媒流路３０１よりも負荷１２から遠い位置に配設されている。出力端子台１３１は、その一部が壁部６１の内側面に面するように配置されている。
そして、出力端子台１３１の一部は、コンバータ用冷媒流路３０１における負荷１２側と反対側の端面３３に接触させている。さらに、出力端子台１３１の他の一部は、インバータ用冷媒流路３０２にも接触させている。

このように、本例の負荷駆動装置１は、出力ケーブル１３２をコンバータ用冷媒流路３０１に接触させると共に、出力端子台１３１をコンバータ用冷媒流路３０１及びインバータ用冷媒流路３０２に接触させている。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合には、出力ケーブル１３２が冷媒流路３（コンバータ用冷媒流路３０１）に熱的に接触している。それゆえ、負荷１２からの伝熱経路を確実に冷却することができるため、負荷１２の熱が電力変換装置１１に伝わることを効果的に防ぐことができる。
また、出力ケーブル１３２の一部が壁部６１を挟んでコンバータ用冷媒流路３０１に対向配置されると共に壁部６１に接触している。これにより、出力ケーブル１３２の少なくとも一部を筐体６の壁部６１に接触させればよいため、出力ケーブル１３２の這い回しを簡単にすることができる。

また、出力端子台１３１は、電力変換装置１１と負荷１２との配列方向において、コンバータ用冷媒流路３０１よりも負荷１２から遠い位置に配設されている。これにより、負荷１２と出力端子台１３１とを接続する出力ケーブル１３２を、コンバータ用冷媒流路３０１に面した壁部６１に容易に接触させることができる。そして、出力ケーブル１３２の這い回しを極めて簡単にすることができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図４に示すごとく、電力変換装置１１の筐体６を通じて、電気接続手段１３が熱的に冷媒流路３に接触している負荷駆動装置１の例である。
筐体６は、コンバータ部１１１とインバータ部１１２との間に配置されるベースプレート部６２と、該ベースプレート部６２の全周からその法線方向の双方に立設した壁部６１とを有する。ベースプレート部６２における一方の面には、凹部６２１が形成され、該凹部６２１とコンバータ部１１１との間に、コンバータ用冷媒流路３０１が形成されている。
また、筐体６における壁部６１の両端部には、コンバータ部１１１及びインバータ部１１２を覆うような蓋部６３がそれぞれ固定されている。

出力端子台１３１は、筐体６の壁部６１に設けられた開口部６１１を貫通するように配置されており、筐体６に接触固定されている。そして、出力端子台１３１に出力ケーブル１３２のコネクタ１３３が接続されている。また、出力端子台１３１には、インバータ部１１２の出力端子（図示略）が接続されている。

電力変換装置１１と負荷１２とは、ベースプレート部６２の法線方向に配列されている。そして、負荷１２は、電力変換装置１１におけるコンバータ部１１１側に配置されている。
電力変換装置１１の筐体６は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属からなる。それゆえ、出力端子台１３１とコンバータ用冷媒流路３０１とは、筐体６を通じて熱的に接触している。
その他は、実施例１と同様である。

本例の場合にも、冷媒流路３を流通する冷却媒体によって、筐体６を通じて、出力端子台１３１（電気接続手段１３）を冷却することができる。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

１ 負荷駆動装置
１１ 電力変換装置
１２ 負荷
１３ 電気接続手段
１３１ 出力端子台
１３２ 出力ケーブル
２ 半導体モジュール
３ 冷媒流路

Claims (7)

1. 入力電力を変換して出力電力を出力する電力変換装置と、上記出力電力によって駆動する負荷と、上記電力変換装置と上記負荷とを接続する電気接続手段とからなる負荷駆動装置であって、
   上記電力変換装置は、該電力変換装置の構成部品を冷却する冷却媒体を流通させる冷媒流路を備え、
   上記電気接続手段の少なくとも一部は、上記冷媒流路に熱的に接触していることを特徴とする負荷駆動装置。
2. 請求項１に記載の負荷駆動装置において、上記電気接続手段は、上記電力変換装置に配設された出力端子台と、該出力端子台に一端が接続されると共に上記負荷に他端が接続された出力ケーブルとを有し、上記出力端子台が上記冷媒流路に熱的に接触していることを特徴とする負荷駆動装置。
3. 請求項２に記載の負荷駆動装置において、上記電力変換装置は、内部に上記冷媒流路を有する冷却器を備え、該冷却器の一部に上記出力端子台が接触していることを特徴とする負荷駆動装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の負荷駆動装置において、上記電気接続手段は、上記電力変換装置に配設された出力端子台と、該出力端子台に一端が接続されると共に上記負荷に他端が接続された出力ケーブルとを有し、上記出力ケーブルが上記冷媒流路に熱的に接触していることを特徴とする負荷駆動装置。
5. 請求項４に記載の負荷駆動装置において、上記冷媒流路の少なくとも一部は、上記電力変換装置の筐体における壁部の内側面に面して形成されており、上記出力ケーブルの少なくとも一部は、上記壁部を挟んで上記冷媒流路に対向配置されると共に上記壁部に接触していることを特徴とする負荷駆動装置。
6. 請求項５に記載の負荷駆動装置において、上記出力端子台は、上記電力変換装置と上記負荷との配列方向において、上記冷媒流路よりも上記負荷から遠い位置に配設されていることを特徴とする負荷駆動装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の負荷駆動装置において、上記電力変換装置は、コンバータ部とインバータ部とを備え、上記コンバータ部及び上記インバータ部は、それぞれを冷却する上記冷媒流路であるコンバータ用冷媒流路及びインバータ用冷媒流路を備え、上記電気接続手段は、上記コンバータ用冷媒流路及び上記インバータ用冷媒流路の少なくとも一方に熱的に接触していることを特徴とする負荷駆動装置。

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