JP2014103368A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】筒状パイプの軸ズレ量を低減することで冷媒配管と筒状パイプとの接続を容易に行うことのできる電力変換装置を提供すること。
【解決手段】電力変換装置１は、外部ケース６に内包して配される。電力変換装置１は、半導体モジュール３１と、冷却器３２と、フレーム２と、筒状パイプ３２２、３２３をフレーム２と共に挟持するクランプ５とを有している。冷却器３２は、冷却媒体を導入又は排出する一対の筒状パイプ３２２、３２３を備えている。筒状パイプ３２２、３２３は、シール部材７１に嵌合するパイプ先端部３２４と、パイプ先端部３２４に対して基端側に近接する先端近接部３２５とを有している。フレーム２は、一対のパイプ支持部２３１を有しており、クランプ５とパイプ支持部２３１とによって先端近接部３２５を挟持することにより一対の筒状パイプ３２２、３２３をフレーム２に固定している。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを、フレームに保持させてなる電力変換装置に関する。

電力変換装置としては、特許文献１に示されたように、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを有するものがある。冷却器は、その内部に冷媒を流通させる冷媒流路と、この冷媒流路内に冷媒を導入又は排出するための嵌合部材と連結される一対の筒状パイプを備えている。

特許文献１の電力変換装置は、半導体モジュールと冷却器の冷媒流路とを交互に積層して半導体積層ユニットを形成しケースの内側に保持してある。冷却器が有する一対の筒状パイプは、ケースが有する一対のパイプ支持部によって支持されると共に、パイプ支持部よりも先端側がケースに形成された一対の挿通孔から外側に向かってそれぞれ突出するように配されている。一対の筒状パイプと挿通孔との間には、両者の間の隙間を封止するために、ゴム材料からなるシール部材を配してある。

特開２０１１−２０５００１号公報

しかしながら、特許文献１の電力変換装置には以下の課題がある。
上記のごとく、上記電力変換装置の一対の筒状パイプは、半導体積層ユニット側の位置に配されたパイプ支持部において支持されると共に、ケースの貫通孔を通じて外側に突出するように配されており、筒状パイプと貫通孔との間にはシール部材が配されている。このシール部材が配されることにより、筒状パイプにおけるパイプ支持部から先端部までの間の距離が長くなりやすい。

筒状パイプにおけるパイプ支持部から先端部までの間の距離が長くなると、冷却器の本体とパイプ支持部との間にパイプの軸方向と直交する方向の位置ズレが生じた場合に、パイプ先端部に大きな軸ズレ（軸方向に直交する方向の筒状パイプの位置ズレ）が生じやすくなる。これにより、筒状パイプの先端に嵌合される冷媒配管との間に位置ズレが生じ、筒状パイプの位置を修正する作業が生じたり、嵌合作業の作業性が悪化する場合がある。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、筒状パイプの軸ズレ量を低減することで冷媒配管と筒状パイプとの接続を容易に行うことのできる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、冷媒配管接続用の一対の貫通孔を備えた外部ケースに内包して配される電力変換装置であって、
スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却すると共に、内部の冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対の筒状パイプを備えた冷却器と、
該冷却器及び上記半導体モジュールを内側に保持するフレームと、
上記筒状パイプを上記フレームと共に挟持するクランプとを有し、
上記筒状パイプは、上記外部ケースにおける上記貫通孔との間をシールするシール部材に嵌合するパイプ先端部と、該パイプ先端部に対して基端側に近接する先端近接部とを有し、
上記フレームは、上記先端近接部を支承する一対のパイプ支持部を有しており、
上記クランプと上記パイプ支持部とによって上記先端近接部を挟持することにより上記一対の筒状パイプを上記フレームに固定していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置においては、上記筒状パイプの上記先端近接部を、上記クランプと上記パイプ支持部とによって挟持することにより、上記一対の筒状パイプを上記フレームに固定している。それゆえ、上記パイプ先端部により近い位置で上記筒状パイプを固定することができる。これにより、上記筒状パイプの上記パイプ先端部における軸ズレ量を低減することができる。その結果、上記電力変換装置を上記外部ケース内に配置したときに、上記一対の筒状パイプが、上記外部ケースの一対の貫通孔に対して、軸ズレすることを抑制することができる。それゆえ、冷媒配管を上記筒状パイプに容易に接続することができる。

以上のごとく、上記電力変換装置によれば、筒状パイプの軸ズレ量を低減し、冷媒配管と筒状パイプとの接続を容易に行うことができる。

実施例１における、電力変換装置の平面図。 図１における、II−II線矢視断面図。 図２における、部分拡大図。 図２における、IV−IV線矢視断面の部分断面図。

上記電力変換装置において、上記パイプ支持部は、上記フレームにおける外周縁部に形成することが好ましい（請求項２）。この場合には、上記パイプ支持部をより外側の位置に形成することができる。これにより、上記パイプ支持部を上記パイプ先端部により近い位置に配することができ、上記パイプ先端部における軸ズレ量を低減することができる。

また、上記冷却器は、複数の上記冷媒流路を有しており、該複数の冷却管と複数の上記半導体モジュールとを積層することにより半導体積層ユニットを形成し、該半導体積層ユニットが上記フレームに保持され、上記一対の筒状パイプは、上記半導体積層ユニットの積層方向に突出していてもよい（請求項３）。この場合には、上記電力変換装置が上記半導体積層ユニットを有していても、上記一対の筒状パイプの軸ズレを効果的に抑制することができる。上記半導体積層ユニットを構成する上記冷却管と上記半導体モジュールとの間に積層方向と交差した方向のズレが生じることにより、上記半導体背基礎ユニットが、積層方向と交差した方向に撓み、上記一対の筒状パイプが、上記フレームに対して傾斜した方向に突出し上記パイプ先端部の軸ズレ量が大きくなる場合がある。これに対して、上記電力変換装置においては、上記先端近接部で上記筒状パイプを固定しているため、上記パイプ先端部における軸ズレ量を効果的に抑制することができる。

また、上記一対の筒状パイプは、同一方向に向かって延出しており、上記外部ケースは、上記一対の筒状パイプの間であって、フレームの内側の位置に電子部品を配置してあってもよい（請求項４）。この場合には、上記一対の筒状パイプの間のスペースを利用して電子部品を配することにより、上記電力変換装置の小型化をすることができる。しかし一方で、上記一対の筒状パイプの全長が長くなりやすい。このような場合にも、上記のごとく、軸ズレ量の低減効果に優れた上記電力変換装置によれば、上記一対の筒状パイプの先端部における軸ズレ量の悪化を効果的に抑制することができる。

（実施例１）
電力変換装置にかかる実施例について、図１〜図４を参照して説明する。
図１に示すごとく、電力変換装置１は、冷媒配管接続用の一対の貫通孔６２１を備えた外部ケース６に内包して配されるものである。電力変換装置１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール３１と、半導体モジュール３１を冷却する冷却器３２と、冷却器３２及び半導体モジュール３１を内側に保持するフレーム２と、筒状パイプ３２２、３２３をフレーム２と共に挟持するクランプ５とを有している。一対の筒状パイプ３２２、３２３は、冷却器３２の内部に形成された冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出するよう構成されている。

図２及び図３に示すごとく、筒状パイプ３２２、３２３は、外部ケース６における貫通孔６２１との間をシールするシール部材７１に嵌合するパイプ先端部３２４と、該パイプ先端部３２４に対して基端側に近接する先端近接部３２５とを有している。フレーム２は、先端近接部３２５を支承する一対のパイプ支持部２３１を有しており、クランプ５とパイプ支持部２３１とによって先端近接部３２５を挟持することにより一対の筒状パイプ３２２、３２３をフレーム２に固定している。

以下、さらに詳細に説明する。
図１及び図２に示すごとく、本例において、半導体モジュール３１と冷却管３２６が積層された方向を積層方向Ｘ、冷却管３２６の長手方向を横方向Ｙ、また、積層方向Ｘ及び横方向Ｙの両方に対して直交する方向を高さ方向Ｚとして、以下説明する。
また、積層方向Ｘにおいて、加圧部材４を配した側を後方とし、反対側を前方とする。また、高さ方向Ｚにおいて、フレーム２の底部２１が配される側を下方とし、反対側を上方とする。

図１及び図２に示すごとく、電力変換装置１は、電力変換回路の一部を構成する半導体積層ユニット３と、半導体積層ユニット３を内包するフレーム２と、該フレーム２の内側に半導体積層ユニット３と共に配される加圧部材４とを有している。
半導体積層ユニット３は、同図中に示すごとく、複数の半導体モジュール３１と、該複数の半導体モジュール３１を両主面から冷却する複数の冷却管３２６とを積層してなる。

図１及び図２に示すごとく、半導体モジュール３１は、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）等のスイッチング素子を内蔵してなる。半導体モジュール３１は、スイッチング素子を樹脂モールドしてなる平板状の本体部３１１と、該本体部３１１の端面から互いに反対方向に突出した主電極端子３１２及び制御端子３１３とからなる。平板状の本体部３１１における主面の法線方向が積層方向Ｘとなるように、半導体モジュール３１は冷却管３２６と積層されている。主電極端子３１２は、高さ方向Ｚの下方に突出させてあり、制御端子３１３は、高さ方向Ｚの上方に突出させてある。主電極端子３１２は、バスバー（図示略）と接続されており、該バスバーを介して被制御電力が半導体モジュール３１に入出力される。また、制御端子３１３は、制御回路基板（図示略）と接続されており、スイッチング素子を制御する制御電流が入力される。

図１及び図２に示すごとく、冷却管３２６は、半導体モジュール３１の両主面に配されると共に、冷却管３２６へ冷却媒体を循環させるための冷媒導入管３２２及び冷媒排出管３２３からなる筒状パイプを有している。本例において、冷却管３２６は、アルミニウム等の金属によって構成され、複数の冷却管３２６が半導体モジュール３１を両主面から挟持するように配されている。隣り合う冷却管３２６は、横方向Ｙの両端部付近において連結管３２７によって、互いに連結されている。これら冷却管３２６、連結管３２７、筒状パイプ３２２、３２３によって、冷却器３２が構成されている。

図２に示すごとく、筒状パイプ３２２、３２３は、半導体積層ユニット３の前端部に配された冷却管３２６の前面から、前方に向かって突出するよう設けてある。また、筒状パイプ３２２、３２３は、外部ケース６における貫通孔６２１との間をシールするシール部材７１に嵌合するパイプ先端部３２４と、パイプ先端部３２４に近接する先端近接部３２５とを有している。

図２及び図３に示すごとく、パイプ先端部３２４は、半導体積層ユニット３をフレーム２の内側に配した際に、前方壁部２３よりも外側に向かって突出して配されており、その先端は端部側に向かって縮径している。

図１〜図３に示すごとく、先端近接部３２５は、パイプ先端部３２４に対して基端側（後方側）に近接した位置に配されている。本例においては、半導体積層ユニット３をフレーム２の内側に配した際に、前方壁部２３のパイプ支持部２３１と対向した位置となる。また、先端近接部３２５は、半導体積層ユニット３よりもパイプ先端部３２４に近い位置に形成されている。特に本例では、先端近接部３２５の先端、すなわちパイプ支持部２３１の先端が、筒状パイプ３２２、３２３の先端から半導体積層ユニット３とパイプ先端部３２４との中間の中点よりパイプ先端部３２４に近い位置に配されている。

図１に示すごとく、冷媒導入管３２２から導入された冷却媒体は、適宜連結管３２７を通り、各冷却管３２６に分配されると共にその長手方向（横方向Ｙ）に流通する。そして、各冷却管３２６を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール３１との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、適宜下流側の連結管３２７を通り、冷媒排出管３２３に導かれ排出される。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。

図１に示すごとく、半導体積層ユニット３は、加圧部材４と共にフレーム２の内側に配される。加圧部材４は、その付勢力によって半導体積層ユニット３を積層方向Ｘに押圧保持している。また、フレーム２の内側には、加圧部材４と共に、下記の介在部材を配してある。
加圧部材４は湾曲して形成された板ばねからなり、加圧部材４の横方向Ｙの中央において当接プレート４５を介して半導体積層ユニット３を押圧する押圧部４１と、横方向Ｙの両端部において支承部材２６に支承される一対の被支承部４３とを有している。

図１に示すごとく、介在部材としては、平板状をなす当接プレート４５と、円筒状をなす支承部材２６とがある。
当接プレート４５は、加圧部材４と半導体積層ユニット３との間に配されており、半導体積層ユニット３の後端に配される冷却管３２６と面接触している。
支承部材２６は、加圧部材４と、後述する後方壁部２４との間に配されている。

上述した半導体積層ユニット３を内包するフレーム２は、図１及び図２に示すごとく、半導体積層ユニット３の下方に配される底部２１と、底部２１の外周において上方に立設すると共に高さ方向Ｚと直交する方向の全周を囲む壁部とからなる。フレーム２は、例えば、アルミニウム、ステンレス鋼等の金属又は合金によって構成することができる。

図２に示すごとく、フレーム２の底部２１には、半導体モジュール３１の主電極端子３１２を挿通する底部挿通孔２１１が形成されている。底部２１は、冷却管３２６の下面と当接するように形成してある。
図１に示すごとく、フレーム２は、壁部として、積層方向Ｘの両側に配された前方壁部２３及び後方壁部２４と、その両端において連結する一対の側方壁部２５とを有する。

図１及び図２に示すごとく、前方壁部２３は、筒状パイプ３２２、３２３を配置する一対のパイプ配置溝２３２と、各パイプ配置溝２３２の前方端部に形成されたパイプ支持部２３１と、一対のパイプ配置溝２３２の間に形成された部品配置部２３４とを有している。前方壁部２３は、部品配置部２３４に電子部品３３を配置するのに十分な大きさを確保するため、部品配置部２３４を設けない場合に比べて積層方向Ｘにおける寸法が大きく形成されている。

図１及び図２に示すごとく一対のパイプ配置溝２３２は、フレーム２の内側に半導体積層ユニット３を配した際に、一対の筒状パイプ３２２、３２３と対向する位置に形成された凹溝からなる。
図４に示すごとく、パイプ支持部２３１は、積層方向Ｘと直交する断面において略Ｖ字断面形状を有しており、フレーム２における外周縁部において、筒状パイプ３２２、３２３の先端近接部３２５と対向するように形成されている。

図４に示すごとく、各パイプ配置溝２３２における先端近接部３２５の外側には、先端近接部３２５を跨ぐように固定ボルト５４を螺合可能なネジ穴２３３と、クランプ５の一端を挿入する挿入穴２３５とを有している。
図１に示すごとく、パイプ配置溝２３２の間に形成された部品配置部２３４には、電子部品３３が配されている。電子部品３３としては、例えば、コンデンサやリアクトル等を配することができる。

図４に示すごとく、ネジ穴２３３に締結固定されるクランプ５は、ネジ穴２３３と対向する締結部５１と、締結部５１の一端から屈曲して延設された挿入端部５３とを有している。
締結部５１は、固定ボルト５４を挿通可能な挿通孔を有しており、筒状パイプ３２２、３２３と対向する位置まで延設されている。したがって、クランプ５をネジ穴２３３に締結固定することで、締結部５１によって、筒状パイプ３２２、３２３をパイプ支持部２３１側に押圧するよう形成されている。

図１に示すごとく、フレーム２の内側に配された半導体積層ユニット３は、上述のように、加圧部材４の付勢力によって半導体積層ユニット３を積層方向Ｘに押圧保持すると共に、筒状パイプ３２２、３２３の先端近接部３２５をクランプ５とパイプ支持部２３１とによって挟持することにより一対の筒状パイプ３２２、３２３をフレーム２に固定されている。

上記のごとく構成された電力変換装置１は、車両等に搭載される際に、図１及び図２に示すように外部ケース６の内部に収容配置される。
外部ケース６は、電力変換装置１の上方に配される矩形状の天井部６１と、上面部の外周縁全周から垂下し電力変換装置１の側方全周を囲うケース側壁部６２とを有している。電力変換装置１の組み付け前の状態において、外部ケース６のケース側壁部６２の下方は開口しており、ここから外部ケース６の内側に、電力変換装置１を配することができる。尚、電力変換装置１を内包した状態においては、ケース側壁部６２の下端は封止される。

図１〜図３に示すごとく、電力変換装置１を外部ケース６の内側に配した状態において、筒状パイプ３２２、３２３のパイプ先端部３２４と対向して配されたケース側壁部６２には、一対の貫通孔６２１が配してある。貫通孔６２１は、各パイプ先端部３２４と対向した位置にそれぞれ貫通形成されている。

図１〜図３に示すごとく、一対の貫通孔６２１には、それぞれ冷媒配管７が挿通配置される。
冷媒配管７は、貫通孔６２１に挿通配置されたシール部材７１における前方側に配された端部と嵌合している。

図３に示すごとく、シール部材７１は、冷媒を流通する筒状のシール側流通部７１１と、シール側流通部７１１の外周側面から外側に向かって延設されたシール鍔部７１２とを有している。
シール側流通部７１１は、内側に冷媒を流通する流路を備えており、後方側に配された端部に筒状パイプ３２２、３２３を挿入して嵌合すると共に、前方側に配された端部を冷媒配管７に挿入して嵌合することにより、筒状パイプ３２２、３２３と冷媒配管７とを連通するよう構成されている。また、シール側流通部７１１の外径は、貫通孔６２１の内周と嵌合可能な寸法に設定してある。

図３に示すごとく、シール鍔部７１２は、シール側流通部７１１を貫通孔６２１に嵌合した際に、外部ケース６のケース側壁部６２における前方側面と当接し、シール部材７１とケース側壁部６２との間をシールするように構成されている。これにより、貫通孔６２１から水分等の流入を防止することができる。
図１に示すごとく、この状態において、パイプ支持部２３１の先端とシール側流通部７１１の基端との間の距離は、パイプ先端部３２４の先端とシール側流通部７１１の基端との間の距離よりも小さい。

次に、本例の作用効果について説明する。
電力変換装置１においては、筒状パイプ３２２、３２３の先端近接部３２５を、クランプ５とパイプ支持部２３１とによって挟持することにより、一対の筒状パイプ３２２、３２３をフレーム２に固定している。それゆえ、先端近接部３２５において筒状パイプ３２２、３２３を固定することにより、パイプ先端部３２４により近い位置で筒状パイプ３２２、３２３を固定することができる。その結果、電力変換装置１を外部ケース６内に配置したときに、一対の筒状パイプ３２２、３２３が外部ケース６の一対の貫通孔６２１に対して、軸ズレすることを抑制することができる。それゆえ、冷媒配管７を筒状パイプ３２２、３２３に容易に接続することができる。

また、パイプ支持部２３１は、フレーム２における外周縁部に形成されている。そのため、パイプ支持部２３１をより外側の位置に形成することができる。これにより、パイプ支持部２３１をパイプ先端部３２４により近い位置に配することができ、パイプ先端部３２４における軸ズレ量を低減することができる。

また、冷却器３２は、複数の冷却管３２６を有しており、該複数の冷却管３２６と複数の半導体モジュール３１とを積層することにより半導体積層ユニット３を形成し、該半導体積層ユニット３がフレーム２に保持され、一対の筒状パイプ３２２、３２３は、半導体積層ユニット３の積層方向Ｘに突出している。そのため、電力変換装置１が半導体積層ユニット３を有していても、一対の筒状パイプ３２２、３２３の軸ズレを効果的に抑制することができる。半導体積層ユニット３を構成する冷却管３２６と半導体モジュール３１との間に積層方向Ｘと交差した方向のズレが生じることにより、半導体背基礎ユニット３が、積層方向Ｘと交差した方向に撓み、一対の筒状パイプ３２２、３２３が、フレーム２に対して傾斜した方向に突出しパイプ先端部３２４の軸ズレ量が大きくなる場合がある。これに対して、電力変換装置１においては、先端近接部３２５で筒状パイプ３２２、３２３を固定しているため、パイプ先端部３２４における軸ズレ量を効果的に抑制することができる。

また、一対の筒状パイプ３２２、３２３は、同一方向に向かって延出しており、外部ケース６は、一対の筒状パイプ３２２、３２３の間であって、フレーム２の内側の位置に電子部品３３を配置してある。そのため、一対の筒状パイプ３２２、３２３の間のスペースを利用して電子部品３３を配することにより、電力変換装置１の小型化をすることができる。しかし一方で、一対の筒状パイプ３２２、３２３の全長が長くなりやすい。上記のごとく、軸ズレ量の低減効果に優れた電力変換装置１によれば、一対の筒状パイプ３２２、３２３の先端部における軸ズレ量の悪化を効果的に抑制することができる。

以上のごとく、電力変換装置１によれば、筒状パイプ３２２、３２３の軸ズレ量を低減することができる。

尚、本例においては、半導体積層ユニットの後端と後方壁部との間に加圧部材を配したが、半導体積層ユニットにおける前方側に配された冷却管の前面と前方壁部との間に加圧部材を配することもできる。

１ 電力変換装置
２ フレーム
２３１ パイプ支持部
３ 半導体積層ユニット
３１ 半導体モジュール
３２ 冷却器
３２２、３２３ 筒状パイプ
３２４ パイプ先端部
３２５ 先端近接部
５ クランプ
６ 外部ケース
７ 冷媒配管
７１ シール部材

Claims (4)

1. 冷媒配管（７）接続用の一対の貫通孔（６２１）を備えた外部ケース（６）に内包して配される電力変換装置（１）であって、
   スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（３１）と、
   該半導体モジュール（３１）を冷却すると共に、内部の冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対の筒状パイプ（３２２、３２３）を備えた冷却器（３２）と、
   該冷却器（３２）及び上記半導体モジュール（３１）を内側に保持するフレーム（２）と、
   上記筒状パイプ（３２２、３２３）を上記フレーム（２）と共に挟持するクランプ（５）とを有し、
   上記筒状パイプ（３２２、３２３）は、上記外部ケース（６）における上記貫通孔（６２１）との間をシールするシール部材（７１）に嵌合するパイプ先端部（３２４）と、該パイプ先端部（３２４）に対して基端側に近接する先端近接部（３２５）とを有し、
   上記フレーム（２）は、上記先端近接部（３２５）を支承する一対のパイプ支持部（２３１）を有しており、
   上記クランプ（５）と上記パイプ支持部（２３１）とによって上記先端近接部（３２５）を挟持することにより上記一対の筒状パイプ（３２２、３２３）を上記フレーム（２）に固定していることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記パイプ支持部（２３１）は、上記フレーム（２）における外周縁部に形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）において、上記冷却器（３２）は、複数の上記冷媒流路を有しており、該複数の冷媒流路と複数の上記半導体モジュール（３１）とを積層することにより半導体積層ユニット（３）を形成し、該半導体積層ユニット（３）が上記フレーム（２）に保持され、上記一対の筒状パイプ（３２２、３２３）は、上記半導体積層ユニット（３）の積層方向に突出していることを特徴とする電力変換装置（１）。
4. 請求項３に記載の電力変換装置（１）において、上記一対の筒状パイプ（３２２、３２３）は、同一方向に向かって延出しており、上記一対の筒状パイプ（３２２、３２３）の間であって、上記フレーム（２）の内側の位置に電子部品（３３）を配置してなることを特徴とする電力変換装置（１）。

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