JP2014138449A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】積層ユニットのケースの変形を防止する。
【解決手段】電力変換装置１０は、積層ユニット３０をケース２０内に収容した装置であって、積層方向Ａに沿って押圧する押圧部４０と、当接壁面構成部５０と、を備える。当接壁面構成部５０は、外壁他端側部２１と連接されるとともに、積層ユニットの積層方向Ａの他端と当接する当接壁面５２ａを有するように構成されている。更に、外壁他端側部２１は他部材をケース２０と締結するための締結部２１ａを有する。当接壁面構成部５０は、外壁他端側部２１の高さ方向Ｈにおいて締結部２１ａから所定の距離だけ離れた部分から積層方向Ａに沿って延設された基部５１と、基部５１から立設して当接壁面５２ａを構成する縦壁部５２と、を有する。この縦壁部５２は積層ユニット３０から過大な力を受けると、基部５１に対して変形する。これにより、締結部２１ａに発生する応力が低減する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却器とを交互に積層してなる積層ユニットをケース内に収容した電力変換装置に関する。

従来から、発熱量の大きい半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）を平板状のモジュール内に収容し、そのモジュール（半導体モジュール）を平板型の冷却器と交互に積層することにより形成された積層ユニットが知られている（例えば、特許文献１乃至４を参照。）。このような積層ユニットによれば、半導体素子を両面から効率よく冷却することができる。

この積層ユニットは、一般に、インバータなどを構成するケース内に収容・保持される。この場合、半導体モジュールから冷却器へと熱が効率よく伝達されるように、積層ユニットには積層ユニットの積層方向の圧縮力が加えられ、その状態にてケースに取り付けられる。

より具体的に述べると、図５に示したように、積層ユニット１００は、ケース１１０に支持されたバネ部材１２０により一端から他端へと向かう方向（図５の矢印を参照。）に押圧される。この方向は、便宜上、「積層ユニットの積層方向」とも称呼される。ケース１１０にはケースの外壁に連接された壁部１３０が設けられている。壁部１３０は積層ユニット１００の他端と当接し、バネ部材１２０から積層ユニット１００へと加えられた力を受ける。

特開２００５−３３２８６３号公報 特開２０１１−１８１６８７号公報 特開２００７−１６６８１９号公報 特開２０１１−２０００５７号公報

しかしながら、積層ユニット１００及びケース１１０が小型化するにつれて壁部１３０が受けた力をケース１１０の外壁全体で吸収することができず、ケース１１０の締結点１４０に応力が集中し、その結果、ケース１１０の外壁が変形する。一般に、ケース１１０の外壁は他の部材と締結点１４０を用いて締結されるので、締結点１４０の近傍の外壁の部分が変形すると他部材とケース１１０との間のシール性能が低下するという問題がある。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものである。即ち、本発明の電力変換装置は、電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却器とを交互に積層してなる積層ユニットをケース内に収容した電力変換装置であって、押圧部と、当接壁面構成部と、を備える。

前記押圧部は、前記積層ユニットの積層方向の一端側に配置され同積層ユニットを同積層ユニットの積層方向の他端側に向けて押圧するように構成されている。
前記当接壁面構成部は、前記ケースの外壁のうち前記積層ユニットの積層方向の他端側に位置する部分である外壁他端側部と連接され且つ前記積層ユニットの積層方向の他端と当接する当接壁面を有するように構成されている。

更に、
前記外壁他端側部は他部材を前記ケースと締結するための締結部を有し、
前記当接壁面構成部は、前記外壁他端側部の一部であって前記締結部と同外壁他端側部の高さ方向において所定の距離だけ離れた部分から前記積層ユニットの他端に向けて延設された基部と、前記基部の端部であって前記積層ユニットの他端に隣接した部分から立設して前記当接壁面を構成する縦壁部と、を有する。

これによれば、縦壁部が積層ユニットからの力を受けて基部に対して「積層ユニットの積層方向」に変形することにより、縦壁部が積層ユニットから受ける力が締結部に直接伝達されないので、締結部に発生する応力が低減される。従って、外壁他端側部の締結部近傍部位の変形量が小さくなるので、ケースと締結される部材とケースとの間のシール性能が低下することを回避することができる。

この場合、前記当接壁面構成部は、前記基部の前記積層ユニットの積層方向の剛性が前記締結部から「前記積層ユニットの積層方向及び前記外壁他端側部の高さ方向の両方向と直交する方向」において離れるほど高くなる形状を有することが望ましい。

このような形状は、例えば、基部に形成される積層ユニットの積層方向のリブの配置、形状及び基部の板厚等を適切に設定することにより実現できる。より具体的には、基部が複数の「積層ユニットの積層方向に伸びるリブ」を有するとともに、それらのリブの積層方向の剛性が締結部から離れた位置にあるリブほど高くなるように構成されることにより、上述した形状を実現できる。そして、この形状を有する基部を含む当接壁面構成部によれば、縦壁部が積層ユニットから受ける力のうち締結部に伝達される力を一層低減することができる。従って、ケースと締結される他部材とケースとの間のシール性能が低下することをより確実に回避することができる。

更に、前記当接壁面構成部は、前記縦壁部から前記外壁他端側部へと前記積層ユニットの積層方向において延設されたリブを有し、且つ、前記ケースの平面視において前記リブが前記締結部を前記積層ユニットの積層方向に仮想的に伸ばした領域以外の領域に形成されていることが望ましい。

これによれば、縦壁部が積層ユニットから受ける力のうち締結部に伝達される力をより一層低減することができる。従って、ケースと締結される他部材とケースとの間のシール性能が低下することをより一層確実に回避することができる。

本発明の他の目的、他の特徴及び付随する利点は、以下の図面を参照しつつ記述される本発明の各実施形態についての説明から容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の平面図である。 図２は、図１に示した積層ユニットの概略斜視図である。 図３は、図１に示した「当接壁面構成部及び外壁他端側部」を示す図であり、（１）はそれらの拡大平面図、（Ａ）は（１）のＡ−Ａ面に平行な平面にてそれらを切断した断面図、（Ｂ）は（１）のＢ−Ｂ面に平行な平面にてそれらを切断した断面図、（Ｃ）は（１）のＣ−Ｃ面に平行な平面にてそれらを切断した断面図、（Ｄ）は（１）のＤ−Ｄ面に平行な平面にてそれらを切断した断面図、（Ｅ）は（１）のＥ−Ｅ面に平行な平面にてそれらを切断した断面図、である。 図４は、図１に示した「当接壁面構成部及び外壁他端側部」が積層ユニットの積層方向の力を受けたときの状態を示した、それらの断面図である。 図５は、一般的な電力変換装置の平面図である。

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置について図面を参照しながら説明する。図１に示したように、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０は、モータに交流電力を供給するためのインバータを構成している。電力変換装置１０は、ケース（筐体）２０、積層ユニット３０、押圧部４０、当接壁面構成部５０、及び、第１〜第３部材６１〜６３を含んでいる。第１〜第３部材６１〜６３は、リアクタ、平滑コンデンサ及び電流センサ等である。

ケース２０は、直方体形状を有する箱体であり、ケース２０の側壁（外壁）を構成する「第１外壁部２１、第２外壁部２２、第３外壁部２３及び第４外壁部２４」を含む。従って、ケース２０の平面視における形状は略長方形である。ケース２０の上面は実質的に開放されている。ケース２０の下面は板部材により閉じられるとともに、その板部材の所定の位置に穴が設けられている。

第１外壁部２１は第３外壁部２３と平行であって対向している。第２外壁部２２は第４外壁部２４と平行であって対向している。第１外壁部２１の一端は第２外壁部２２の一端と連接されており、第１外壁部２１の他端は第４外壁部２４の一端と連接されている。第３外壁部２３の一端は第２外壁部２２の他端と連接されており、第３外壁部２３の他端は第４外壁部２４の他端と連接されている。

「第１外壁部２１、第２外壁部２２、第３外壁部２３及び第４外壁部２４」のそれぞれの上部は、ケース２０の平面視における所定の位置においてケース２０の外方に屈曲した庇部を有している。各庇部には「締結部材としてのボルト」の貫通穴が形成されている。これらの庇部であってボルト貫通穴が形成されている部分は「締結部」とも称呼される。ケース２０は、別のインバータケース（他の部材）と、これらの締結部を貫通するボルトによって締結される。

より具体的に述べると、第１外壁部２１の中央部には第１締結部２１ａが設けられている（図１、図３の（１）及び図３の（Ｄ）を参照。）。第１外壁部２１の一端には第２締結部２１ｂが設けられている。第１外壁部２１の他端には第３締結部２１ｃが設けられている。
第２外壁部２２の略中央部には第４締結部２２ａが設けられている。
第３外壁部２３の一端には第５締結部２３ａが設けられている。第３外壁部２３の他端には第６締結部２３ｂ設けられている。
第４外壁部２４の略中央部には第７締結部２４ａが設けられている。

積層ユニット３０は、図１及び図２に示したように、複数の半導体モジュール３１と、複数の冷却器３２と、供給管３３と、排出管３４と、を含んでいる。

複数の半導体モジュール３１のそれぞれは、図示しない単数又は複数のパワー半導体素子（例えば、ＩＧＢＴ）を平板型の樹脂モールド内に埋設・固定している。
複数の冷却器３２のそれぞれは、アルミニウムからなる中空平板状部材であり、その一の端部において供給管３３と連通され、他の端部において排出管３４と連通されている。
半導体モジュール３１と冷却器３２とは交互に積層されている。即ち、一つの半導体モジュール３１は、その両面のそれぞれが冷却器３２に接触している。なお、互いに隣接する一対の冷却器３２の間には二つの半導体モジュール３１が所定の幅を隔てて配置されている。
供給管３３及び排出管３４は互いに平行に配置され、各冷却器３２と連通している。

従って、供給管３３から供給される冷媒（例えば、冷却水）は各冷却器３２内を流れ、半導体モジュール３１との間で熱交換を行ない、その後、排出管３４を通って排出される。これにより、半導体モジュール３１が冷却される。

図１に示したように、押圧部４０は、積層ユニット３０の積層方向（矢印Ａにより示した方向）の一端側に配置されている。押圧部４０は、一対の支柱４１と、バネ部材（板バネ）４２と、を含む。

より具体的に述べると、一対の支柱４１は、ケース２０の短手方向（第１外壁部２１が延びる方向）の両端部においてケース２０と一体的に形成されている。バネ部材４２は中央部及び両端部において湾曲している。バネ部材４２の両端部に形成された湾曲部のそれぞれは支柱４１のそれぞれに係止されている。バネ部材４２の中央部は積層ユニット３０の「積層方向Ａの一端側」に配置された冷却器３２（便宜上、符号「３２−１」を付与する。）と当接している。この結果、バネ部材４２は、積層ユニット３０を積層方向Ａに押圧するようになっている。

当接壁面構成部５０は、積層ユニット３０の「積層方向Ａの他端側」であって、第１外壁部２１の略中央部に配置されている。第１外壁部２１は、ケース２０の外壁のうち積層ユニット３０の積層方向Ａの他端側に位置する部分であるから、便宜上、「外壁他端側部２１」とも称呼される。

当接壁面構成部５０は、外壁他端側部２１と連接されるとともに、積層ユニット３０の積層方向Ａの他端（即ち、積層ユニット３０の積層方向Ａの他端側に配置された冷却器３２であって、便宜上、符号「３２−２」を付与した冷却器）と当接する当接壁面５２ａを有する。

より具体的に述べると、当接壁面構成部５０は、基部５１と、縦壁部５２と、を含む。
図３の（Ｄ）に示したように、基部５１は、第１締結部２１ａと「外壁他端側部２１の高さ方向Ｈにおいて所定の距離だけ離れた部分」から積層ユニット３０の他端に向けて（即ち、積層方向Ａと平行に）延設されている。基部５１は、図３の（１）に示したように、ケース２０の平面視において所定の幅Ｗを有し、積層方向Ａにおいて所定の長さＬを有している。更に、基部５１は、図３の（Ｂ），（Ｄ），及び（Ｅ）に示したように、基本厚さｔ０を有している。

縦壁部５２は、基部５１の端部（積層ユニットの他端である冷却器３２−２）に隣接した部分から立設して（基部５１から上方へと屈曲して）当接壁面５２ａを構成している。縦壁部５２は、積層ユニット３０から積層方向Ａに沿う力を受けたとき、図４に破線により示したように、基部５１との連接部を中心として、その上部が積層方向Ａ（即ち、外壁他端側部２１に近づく方向）へと変形するようになっている。

基部５１は、基部５１の「積層ユニット３０の積層方向Ａ」の剛性が「積層ユニットの積層方向Ａ及び外壁他端側部２１の高さ方向Ｈ」の両方向と直交する方向（即ち、第１外壁部２１が延びる方向であり、以下、便宜上、「積層ユニット幅方向Ｙ」と称呼する。）において第１締結部２１ａから離れるほど高くなる形状を有している。

このような剛性をもたらすため、基部５１は、図３に示したように、第１リブ５１ａ、第２リブ５１ｂ及び第３リブ５１ｃを有している。

第１リブ５１ａは、図３の（１）に示したように、これら３つのリブのうち、積層ユニット幅方向Ｙにおいて第１締結部２１ａから最も遠い位置に形成されている。第１リブ５１ａは、外壁他端側部２１と縦壁部５２とを繋ぐように積層方向Ａに沿って伸びている。第１リブ５１ａが形成されている部分における基部５１の厚さは、図３の（Ａ）に示したように、ｔ１である。換言すると、第１リブ５１ａの高さはｔ１−ｔ０である。

第２リブ５１ｂは、図３の（１）に示したように、これら３つのリブのうち、積層ユニット幅方向Ｙにおいて、第１リブ５１ａと第３リブ５１ｃとの中間の位置に形成されている。第２リブ５１ｂは、外壁他端側部２１と縦壁部５２とを繋ぐように積層方向Ａに沿って伸びている。第２リブ５１ｂが形成されている部分における基部５１の厚さは、図３の（Ｃ）に示したように、ｔ１よりも小さいｔ２である。換言すると、第２リブ５１ｂの高さはｔ２−ｔ０であって、第１リブ５１ａの高さｔ１−ｔ０よりも低い。

第３リブ５１ｃは、図３の（１）に示したように、これら３つのリブのうち、積層ユニット幅方向Ｙにおいて第１締結部２１ａに最も近い位置に形成されている。第３リブ５１ｃが形成されている部分における基部５１の厚さは、図３の（Ｅ）に示したように、ｔ２よりも小さいｔ３である。換言すると、第３リブ５１ｃの高さはｔ３−ｔ０であって、第２リブ５１ｂの高さｔ２−ｔ０よりも低い。更に、第３リブ５１ｃは、縦壁部５２から積層方向Ａに沿って伸びているが、外壁他端側部２１と縦壁部５２との略中央の位置で消滅している。なお、第１リブ５１ａ、第２リブ５１ｂ及び第３リブ５１ｃの積層ユニット幅方向Ｙにおける長さは、互いに同一である。即ち、各リブの幅は互いに同じである。よって、積層方向Ａにおけるリブの剛性は、第１リブ５１ａが最大であり、第３リブ５１ｃが最小であり、第２リブ５１ｂがそれらの中間である。

従って、縦壁部５２が積層ユニット３０から受ける力の殆どは、第１リブ５１ａ及び第２リブ５１ｂを介して外壁他端側部２１へと伝わり、その部分には締結部（第１締結部２１ａ）が存在していないので、締結部に発生する応力を低減することができる。

更に、第１リブ５１ａ、第２リブ５１ｂ及び第３リブ５１ｃの何れも、ケース２０の平面視において「第１締結部２１ａを積層ユニット３０の積層方向Ａに仮想的に伸ばした領域」以外の領域、に形成されている。

このように構成された電力変換装置１０において、積層ユニット３０は押圧部４０により積層方向Ａに沿って、その一端（冷却器３２−１）から他端（冷却器３２−２）に向けて押圧される。積層ユニット３０の他端（冷却器３２−２）は縦壁部５２の当接壁面５２ａに当接する。その結果、積層ユニット３０は積層方向Ａにおいて圧縮されるので、各半導体モジュール３１と冷却器３２とが確実に密着する。よって、それらの間の熱伝達率が高くなるから、半導体モジュール３１内の半導体素子が効率よく冷却される。

更に、万一、積層方向Ａに沿って積層ユニット３０から当接壁面５２ａに大きな力が加わった場合であっても、図４に破線により示したように縦壁部５２が変形するから、第１締結部２１ａに大きな応力が集中しない。即ち、縦壁部５２は積層ユニット２０から受ける力により、基部５１に対して「積層ユニット２０の積層方向」に変形する。これにより、縦壁部５２は「積層ユニット２０から受ける力によって締結部（２１ａ）に発生する応力」を低減するように構成されている。従って、第１締結部２１ａにてケース２０に連結される他部材（例えば、別のコンバータケース）とケース２０との間のシール性能が低下しない。

加えて、第１リブ５１ａ、第２リブ５１ｂ及び第３リブ５１ｃにより、基部５１の積層方向Ａにおける剛性は、ケース２０の平面視において第１締結部２１ａに近づくほど小さくなる。よって、当接壁面５２ａに加えられた力が低減された上で第１締結部２１ａに伝わるから、第１締結部２１ａにてケース２０に連結される他の部材とケース２０との間のシール性能が低下しない。これらの結果、電力変換装置１０は信頼性が高い装置となる。

本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の範囲内において種々の変形例を採用することができる。例えば、電力変換装置１０はインバータである必要はなく、コンバータ等の他の電力変換装置であってもよい。また、基部５１は、第１リブ５１ａ、第２リブ５１ｂ及び第３リブ５１ｃを有する代わりに、積層ユニット幅方向Ｙにおいて第１締結部２１ａから離れるほど、その厚さが大きくなる形状を有していてもよい。

１０…電力変換装置、２０…ケース、２１…第１外壁部（外壁他端側部）、２１ａ…第１締結部、３０…積層ユニット、３１…半導体モジュール、３２…冷却器、３３…供給管、３４…排出管、４０…押圧部、４１…支柱、４２…バネ部材、５０…当接壁面構成部、５１…基部、５１ａ…第１リブ、５１ｂ…第２リブ、５１ｃ…第３リブ、５２…縦壁部、５２ａ…当接壁面。

Claims (3)

1. 電力変換回路の一部を構成する半導体モジュールと前記半導体モジュールを冷却する冷却器とを交互に積層してなる積層ユニットをケース内に収容した電力変換装置であって、
   前記積層ユニットの積層方向の一端側に配置され同積層ユニットを同積層ユニットの積層方向の他端側に向けて押圧する押圧部と、
   前記ケースの外壁のうち前記積層ユニットの積層方向の他端側に位置する部分である外壁他端側部と連接され且つ前記積層ユニットの積層方向の他端と当接する当接壁面を有する当接壁面構成部と、
   を備え、
   前記外壁他端側部は他部材を前記ケースと締結するための締結部を有し、
   前記当接壁面構成部は、前記外壁他端側部の一部であって前記締結部と同外壁他端側部の高さ方向において所定の距離だけ離れた部分から前記積層ユニットの他端に向けて延設された基部と、前記基部の端部であって前記積層ユニットの他端に隣接した部分から立設して前記当接壁面を構成する縦壁部と、を有する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記当接壁面構成部は、前記基部の前記積層ユニットの積層方向の剛性が前記締結部から前記積層ユニットの積層方向及び前記外壁他端側部の高さ方向の両方向と直交する方向において離れるほど高くなる形状を有することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、
   前記当接壁面構成部は、前記縦壁部から前記外壁他端側部へと前記積層ユニットの積層方向において延設されたリブを有し、且つ、前記ケースの平面視において前記リブが前記締結部を前記積層ユニットの積層方向に仮想的に伸ばした領域以外の領域に形成されていることを特徴とする電力変換装置。

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