JP2014078549A - コンデンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】複数のコンデンサ素子を収容するケース内の熱を効率よく排出する技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示するコンデンサユニット３０は、略円柱状の複数のコンデンサ素子４０を二次元的に配置して収容するインナーケース５０を備える。インナーケース５０には、複数のコンデンサ素子４０に囲まれるようにインナーケース５０の底から突出する突起５２が設けられているとともに、突起５２の内部にナット６０が埋め込まれている。インナーケース５０は、ウォータージャケット７４を備えるアウターケース７０内に収容される。さらに、アウターケースのボルト孔７２を挿通させたボルト８０を、ナット６０に螺入することにより、インナーケース５０がアウターケース７０に固定される。
【選択図】図３

Description

本明細書で開示する技術は、複数のコンデンサ素子を収容したコンデンサユニットに関する。特に、車両に搭載されるコンデンサユニットに関する。

車両に搭載されるコンデンサユニットが提案されている。例えば特許文献１には、並列に接続された複数のコンデンサ素子と、複数のコンデンサ素子を収容する樹脂製のインナーケースと、さらにそのインナーケースを収容する金属製のアウターケースとを備えるコンデンサユニットが開示されている。インナーケースの外周面にはフランジが形成されており、フランジにはボルト孔が形成されている。特許文献１の技術では、コンデンサ素子を収容したインナーケースをアウターケースに収容した状態で、インナーケースのフランジに形成されたボルト孔と、アウターケースに形成されたボルト孔とにボルトを螺入することによって、インナーケースをアウターケースに固定する。

特開２００９−２８６３２６号公報

複数のコンデンサ素子を収容すると、コンデンサが発生する熱がケース内部に籠る。本明細書は、複数のコンデンサ素子を収容するケース内の熱を効率よく排出する技術を提供する。

多くのコンデンサ素子は略円柱形状である。そのような複数のコンデンサ素子を二次元的に並べると、コンデンサ素子の間に隙間ができる。本明細書が開示する技術は、その隙間にケースの底から突起を突出させ、さらにその突起の内側に、ケースを冷却器（好ましくは冷却器付きのアウターケース）に固定するボルトを螺入する。突起は複数のコンデンサ素子に囲まれるように位置することになる。コンデンサ素子が発する熱は突起及び突起の内側に通されたボルトを介して冷却器に移動し、ケース内の熱が効率よく排出される。ケースが冷却器付きのアウターケースにボルトで固定されている場合、コンデンサ素子が発する熱は突起とボルトを介してアウターケースに伝搬し、そこで冷却器に吸収される。コンデンサ素子が発する熱は突起を介して効率よくケース外へ移送される。

本明細書が開示するコンデンサユニットは、略円柱状の複数のコンデンサ素子を（円柱の中心線を平行にして）二次元的に配置して収容するケースを備える。ケースには、複数のコンデンサ素子に囲まれるようにケースの底から突出する突起が設けられているとともに、突起の内部に、ケースを冷却器に固定するボルトが螺入する締結孔が設けられている。締結孔は、典型的には、突起に埋設されたナットでよい。また、好適には、ケースが冷却器付きのアウターケースに固定されるとよい。冷却器付きのアウターケースは、典型的には、ウォータージャケット付きのケースである。また、ケース内部が樹脂で充填されているとよい。樹脂と突起を介して熱がケースの外へ排出される。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は発明を実施するための形態の欄にて詳しく説明する。

電気自動車２のシステム構成を示す図。 コンデンサユニット３０を示す平面図。 図２のIII−III断面図。

以下に説明する実施例の主要な特徴を列記しておく。なお、以下に記載する技術要素は、それぞれ独立した技術要素であって、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。

（特徴１） インナーケースは樹脂製であり、アウターケースは金属製である。

（特徴２） アウターケースの底部には、ウォータージャケットが形成されている。ウォータージャケット内には、冷却液を通過させるための流路が形成されている。

（実施例）
本実施例のコンデンサユニットは、電気自動車２に搭載されるデバイスである。まず、電気自動車２のシステムにおけるコンデンサの役割を説明する。図１に、電気自動車２のシステム構成を示す。電気自動車２は、バッテリ１０と、ＰＣＵ（Power Control Unit）１２と、モータ１４と、動力伝達機構１６とを備える。

バッテリ１０は、モータ１４を駆動するための電力を蓄えるバッテリである。バッテリ１０は、典型的には、リチウムイオン電池や、ニッケル水素電池である。他の例では、バッテリ１０に代わる直流電源として、燃料電池を用いることもできる。

ＰＣＵ１２は、バッテリ１０とモータ１４との間に設けられている。ＰＣＵ１２は、コンバータ２１と、コンデンサ２３、２４と、インバータ２２とを含む。

コンバータ２１は、昇圧機能を備えた電圧コンバータである。コンバータ２１は、バッテリ１０の出力電圧（例えば３００Ｖ）を、モータ駆動に適した電圧（例えば６５０Ｖ）に変換（昇圧）する。図１に示すように、コンバータ２１は、リアクトル、スイッチング素子（具体的にはトランジスタ）、及びダイオードで構成されている。コンバータの回路構成は良く知られているので、本明細書ではその説明は省略する。

インバータ２２は、コンバータ２１が出力した直流電力を交流電力に変換してモータ１４へ出力する。インバータ２２の出力によってモータ１４が駆動される。モータ１４の出力軸は動力伝達機構１６を介して車輪１８に伝達される。図１に示すように、インバータ２２は、２個のスイッチング素子の直列接続の組が３セット並列に接続した回路構成を有している。各スイッチング素子にはダイオードが逆並列に接続されている。インバータ２２を制御するコントローラ（不図示）が、車速、アクセル開度などから、インバータ２２の出力電流の周波数を決定し、その周波数の交流が出力されるように、各スイッチング素子への駆動指令（ＰＷＭ信号）を決定する。インバータの回路構成も良く知られているので詳しい説明は省略する。

コンデンサ２３は、バッテリ１０とコンバータ２１との間に設けられており、コンバータ２１への入力電流の脈動を抑える平滑コンデンサとして機能する。また、コンデンサ２４は、コンバータ２１とインバータ２２の間にも設けられており、コンバータ２１からインバータ２２へ入力される電流の脈動を抑える平滑コンデンサとして機能する。電気自動車の走行用モータの出力は数十キロワットであり大電流を要する。すなわち、コンバータ２１、インバータ２２は大電流を扱う、それゆえ、コンデンサ２３、２４も大容量のものが必要になる。回路図で表したコンデンサ２３、２４は、ハードウエアとしては、図２に示すコンデンサユニット３０にまとめられ、電気自動車２に搭載されている。

次いで、図２、図３を用いて、コンデンサユニット３０の構成を説明する。図２に示すように、コンデンサユニット３０は、複数のコンデンサ素子４０と、モールド樹脂４２と、インナーケース５０と、アウターケース７０とを有している。

複数のコンデンサ素子４０は、上記したコンデンサ２３、２４に相当する。コンデンサ素子４０は、例えば、耐圧性に優れたフィルムコンデンサである。本実施例では、図２、図３に示すように、各コンデンサ素子４０は円柱形状である。各コンデンサ素子４０は、インナーケース５０内に二次元的に並べて配置されている。即ち、各コンデンサ素子４０は、円柱の中心軸線を上下方向に向けて、インナーケース５０内に並べられている。複数のコンデンサ素子４０は、その中心軸線が略平行となるように二次元的に並べられている。並べられた各コンデンサ素子４０の間には所定幅の隙間が形成される。複数のコンデンサ素子４０は、図示しないバスバーによって並列に接続されている。

モールド樹脂４２は、インナーケース５０内に充填された樹脂であり、コンデンサ素子４０を全て覆っている。それゆえ、図２では、コンデンサ素子４０と突起５２（後述）を破線（隠れ線）で描いてある。モールド樹脂４２は、例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）又はＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート）を材料とする。

インナーケース５０は、複数のコンデンサ素子４０及びモールド樹脂４２を収容するケースである。インナーケース５０も、例えばＰＰＳ又はＰＢＴを材料とする。図３に示すように、インナーケース５０は、上面開口の箱状の容器である。図２及び図３に示すように、インナーケース５０には、コンデンサ素子４０とコンデンサ素子４０の間の隙間に、インナーケース５０の底面からインナーケース５０の内側方向に突出する突起５２が設けられている。図３に示すように、突起５２の内部には、ボルト８０を螺入するためのナット６０が埋め込まれている。ボルト８０は、インナーケース５０をアウターケース７０に固定するためのボルト８０である。ナット６０及びボルト８０は金属製である。

アウターケース７０は、インナーケース５０を収容するケースである。アウターケース７０は、例えば、アルミ等の金属によって形成されている。図３に示すように、アウターケース７０も、上面開口の箱状の容器である。アウターケース７０の底面の複数箇所には、上記ボルト８０を挿通させるためのボルト孔７２が形成されている。各ボルト孔７２は、インナーケース５０をアウターケース７０内に収容した際に、ナット６０の孔と連通する位置に開口されている。さらに、アウターケース７０の底部には、ウォータージャケット７４が形成されている。ウォータージャケット７４内には、冷却液を通過させるための流路７６が形成されている。

続いて、コンデンサユニット３０の組み立て方法について説明する。まず、インナーケース５０内に複数のコンデンサ素子４０を、中心軸線を平行にして二次元的に並べる。複数のコンデンサ素子４０の配置は図２に示す通りである。この際、コンデンサ素子４０とコンデンサ素子４０の間の隙間に突起５２が配置されるように、各コンデンサ素子４０を並べる。次いで、インナーケース５０内にモールド樹脂４２を充填する。これにより、インナーケース５０内に配置された各コンデンサ素子４０がモールド樹脂４２で被覆される。

次いで、インナーケース５０をアウターケース７０内に収容する。インナーケース５０をアウターケース７０内に収容させると、インナーケース５０に設けられたナット６０の孔と、アウターケース７０のボルト孔７２とが連通する。この際、図３に示すように、インナーケース５０の外壁面と、アウターケース７０の内壁面との間には所定幅の隙間が形成される。

次いで、ボルト８０を、アウターケース７０のボルト孔７２に挿通させるとともに、ナット６０の孔に螺入する。これにより、インナーケース５０とアウターケース７０とが固定され、コンデンサユニット３０が形成される。

以上、本実施例のコンデンサユニット３０の構成と組み立て方法について説明した。次いで、本実施例のコンデンサユニット３０の作用効果を説明するための比較例として、従来の構成のコンデンサユニットについて説明する。従来のコンデンサユニットも、複数のコンデンサ素子を収容する樹脂製のインナーケースと、そのインナーケースを収容する金属製のアウターケースとを備えている。ただし、従来の構成では、インナーケースの外周面に、ボルト孔が形成されたフランジが設けられている。従来の構成では、コンデンサ素子を収容したインナーケースをアウターケースに収容した状態で、インナーケースのフランジに形成されたボルト孔と、アウターケースに形成されたボルト孔とにボルトを螺入することによって、インナーケースをアウターケースに固定する。

従来の構成を踏まえて、本実施例のコンデンサユニット３０の構成によって得られる作用効果について説明する。コンデンサユニット３０を使用し、複数のコンデンサ素子４０に電流が流れ込むと、複数のコンデンサ素子４０が発熱する。上記の従来の構成では、コンデンサ素子間には伝熱部材が存在しないため、インナーケース内のコンデンサ素子が発熱すると、コンデンサ素子間の熱を効率良くインナーケース外へ放熱させることができず、熱がインナーケース内に籠っていた。これに対し、本実施例では、上記の通り、コンデンサ素子４０はモールド樹脂４２で被覆されている。また、コンデンサ素子４０とコンデンサ素子４０の間には突起５２が設けられ、突起５２にはナット６０が埋め込まれている。ナット６０にはボルト８０が螺入されており、ボルト８０によって、インナーケース５０がアウターケース７０に固定されている。そのため、複数のコンデンサ素子４０が発する熱は、モールド樹脂４２と、突起５２と、ナット６０と、ボルト８０とを介して、アウターケース７０に伝搬する。アウターケース７０に伝搬した熱は、ウォータージャケット７４の流路７６内の冷却液に吸収される。従って、本実施例のコンデンサユニット３０では、複数のコンデンサ素子４０が発する熱が、インナーケース５０内に籠ることなく、効率良くインナーケース５０外へ排出される。本実施例のコンデンサユニット３０は、従来の構成に比べて放熱効率が良い。

また、複数のコンデンサ素子４０に脈動する電流（リプル電流）が流れ込むと、略円柱形状のコンデンサ素子４０の外周面が振動する。上記従来の構成では、コンデンサ素子を収容したインナーケースは、インナーケースの外周面に設けられたフランジにおいて、アウターケースとボルト固定されている。そのため、従来の構成では、各コンデンサ素子で生じた振動が、アウターケースにも伝わり易く、振動騒音が発生するおそれがある。これに対し、本実施例のコンデンサユニット３０は、コンデンサ素子４０とコンデンサ素子４０の間に突起５２が設けられ、突起５２にはナット６０が埋め込まれている。そのナット６０にボルト８０が螺入されることで、インナーケース５０がアウターケース７０に固定されている。図２の例では、中央のコンデンサ素子４０の周囲の４箇所でインナーケース５０がアウターケース７０にボルト８０で固定される。そのため、従来の構成に比べて、インナーケース５０とアウターケース７０を固定する各ボルト８０間の距離（ピッチ）を比較的短くすることができる。ボルト８０間のピッチが短ければ、インナーケース５０内の各コンデンサ素子４０で振動が生じる場合であっても、振動がアウターケース７０に伝わり難くなる。従って、本実施例のコンデンサユニット３０では、振動騒音の発生を抑制することができる。

また、本実施例のコンデンサユニット３０では、インナーケース５０は、コンデンサ素子４０とコンデンサ素子４０の間に設けられた突起５２の位置で、アウターケース７０と固定されている。そのため、インナーケース５０の外周面にボルト固定用のフランジ等を設ける必要がない。即ち、インナーケースの外周面にボルト固定用のフランジを形成していた従来の構成に比べて、インナーケース５０を小型化することができる。従って、本実施例では、従来の構成に比べて、コンデンサユニット３０全体を小型化することもできる。

以上、本実施例のコンデンサユニット３０について説明した。本実施例と特許請求の範囲の記載の対応関係を説明しておく。ナット６０の孔が「締結孔」の一例である。ウォータージャケット７４が「冷却器」の一例である。

以上、実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。例えば、以下の変形例を含んでもよい。

（変形例１） 上記の実施例では、アウターケース７０は、冷却手段としてウォータージャケット７４を備えている。これに限られず、アウターケース７０には、ウォータージャケットに代えて、他の冷却手段（例えばフィン等）が備えられていてもよい。この変形例のアウターケースも「冷却器付きのアウターケース」の一例に含まれる。

（変形例２） 上記の実施例では、インナーケース５０は、突起５２内にナット６０が埋め込まれており、そのナット６０の孔にボルト８０を螺入できるようにしてある。これに限られず、突起５２内にナット６０を埋め込む代わりに、突起５２内に、ボルト８０を螺入可能な締結孔を形成してもよい。この変形例も「ボルトが螺入する締結孔が突起の内部に設けられている」の一例に含まれる。

その他、実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のコンデンサ素子４０は円柱形状であった。本明細書が開示する技術は、コンデンサ素子が略円柱形状であることを利用する。略円柱形状の複数のコンデンサ素子を中心軸線を平行にして二次元的に配置すると、コンデンサ素子で囲まれた比較的大きなスペースができる。本明細書が開示する技術は、そのスペースにインナーケースから伸びる突起を設け、その突起を伝熱経路に利用する。本明細書が開示する技術は、特に、略円柱の複数のコンデンサ素子を中心軸線を平行にして格子状に並べた場合に都合がよい。コンデンサ素子を格子状に並べると縦横２つずつ並んだ合計４つのコンデンサ素子の中心に大きなスペースができるのでそのスペースに比較的に断面積の大きい突起を設けることができる。コンデンサ素子が発した熱を突起を介してケース外へ輸送するのであるから、突起は長い方がよい。突起の長さは、少なくともコンデンサ素子の長さの半分よりも長い方が好ましい。

略円柱形状とは、中心軸線に直交する断面が円あるいは楕円の柱であればよい。また略円柱形状には、中心線に沿った方向において中心部の半径が端部の半径よりも大きい樽型が含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：電気自動車
１０：バッテリ
１２：ＰＣＵ
１４：モータ
１６：動力伝達機構
２１：コンバータ
２２：インバータ
２３、２４：コンデンサ
３０：コンデンサユニット
４０：コンデンサ素子
４２：モールド樹脂
５０：インナーケース
５２：突起
６０：ナット
７０：アウターケース
７２：ボルト孔
７４：ウォータージャケット
７６：流路
８０：ボルト

Claims (4)

1. 略円柱形状の複数のコンデンサ素子を収容したコンデンサユニットであって、
   略円柱形状の複数のコンデンサ素子を二次元的に配置して収容するケースを備えており、
   ケースに、複数のコンデンサ素子に囲まれるようにケースの底から突出する突起が設けられているとともに、ケースを冷却器に固定するボルトが螺入する締結孔が突起の内部に設けられている、
   ことを特徴とするコンデンサユニット。
2. 前記ケースをさらに収容する冷却器付きのアウターケースを備えており、
   アウターケースがボルトで締結孔に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサユニット。
3. ケース内の隙間に樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコンデンサユニット。
4. 突起の内部にボルトが螺合するナットが埋め込まれていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のコンデンサユニット。

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