JP2017103983A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突出管と連結部材とを組み付ける際の荷重を低減することが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、半導体モジュール２と冷却器３とケース４と連結部材５とを有する。連結部材５は、冷却器３の内部流路３０とケース４の外部の外部流路６とを連結する。冷却器３は、内部流路３０の出入口を突出管３１によって構成している。突出管３１は、突出先端側へ向かうほど外径が小さくなるテーパ状外周面３３を有する。連結部材５は、突出管３１を内側に嵌入させる嵌入筒部５１を有する。嵌入筒部５１は、ケース４の内側へ向かうほど内径が大きくなるテーパ状内周面５２を有する。突出管３１と連結部材５とは、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２とを互いに対向させた状態で嵌合している。テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２とは、互いの間に配された環状のシール部材７に密着している。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

特許文献１に記載されているように、インバータ等の電力変換装置として、半導体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ための冷却器と、半導体モジュール及び冷却器を内部に収容したケースとを有するものがある。また、上記電力変換装置は、冷却器内の内部流路とケースの外部に配される冷媒の外部流路とを連結するための連結部材を有する。そして、上記冷却器は、内部流路の出入口となる突出管を有し、該突出管が、連結部材の内側に嵌入されている。

連結部材と突出管とは、互いの間に配された環状のシール部材に、突出管の径方向に密着している。これにより、突出管と連結部材との間がシールされている。

上記電力変換装置において、連結部材に対する突出管の組み付けは、例えば以下のように行われる。
まず、シール部材が配された連結部材内に突出管を挿入し、突出管とシール部材とを接触させる。次に、連結部材内において、突出管をさらに奥側まで押し込む。これにより、突出管がシール部材の内周面を摺動すると共に、シール部材が突出管に押圧されて径方向に弾性圧縮する。次に、突出管を、その先端がシール部材よりも奥側に位置するまで押し込む。これにより、突出管と連結部材との間にシール部材が介在した状態を確保している。以上のように、突出管は、シール部材が配された連結部材に対して組み付けられる。

特開２０１５−９７２４号公報

しかしながら、上記電力変換装置においては、突出管を連結部材に対して組み付ける際、突出管をシール部材に対して摺動させつつ、シール部材を弾性圧縮させなければならない。そのため、突出管とシール部材との間に、大きな摺動摩擦が生じる。これにより、連結部材に対して突出管を組み付ける際の挿入荷重が大きくなってしまう。これに伴い、冷却器の剛性を、上記挿入荷重に耐え得る程度に高くする必要が生じ、冷却器の大型化、高コスト化を招くおそれがある。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、突出管と連結部材とを組み付ける際の荷重を低減することが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、半導体素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
内部に冷媒を流通させる内部流路（３０）を有すると共に、上記半導体モジュールを冷却する冷却器（３）と、
上記半導体モジュール及び上記冷却器を内部に収容するケース（４）と、
該ケースに固定され、上記冷却器の上記内部流路と上記ケースの外部に配される冷媒の外部流路（６）とを連結するための連結部材（５）と、を有し、
上記冷却器は、上記内部流路の出入口の少なくとも一方を突出管（３１）によって構成し、
該突出管は、突出先端側へ向かうほど外径が小さくなるテーパ状外周面（３３）を有し、
上記連結部材は、上記突出管を内側に嵌入させる嵌入筒部（５１）を有し、
該嵌入筒部は、上記ケースの内側へ向かうほど内径が大きくなるテーパ状内周面（５２）を有し、
上記突出管と上記連結部材とは、上記テーパ状外周面と上記テーパ状内周面とを互いに対向させた状態で嵌合しており、
上記テーパ状外周面と上記テーパ状内周面とは、互いの間に配された環状のシール部材（７）に密着している、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置において、テーパ状外周面とテーパ状内周面とが、互いの間に配された環状のシール部材に密着している。それゆえ、シール部材を介在させた状態で、突出管のテーパ状外周面を連結部材のテーパ状内周面に対し、突出方向に押し付けることにより、突出管と連結部材とを組み付けることができる。そのため、突出管と連結部材とを組み付ける際に、シール部材を大きな力で圧縮しつつ、シール部材に対して、突出管又は連結部材を大きく摺動させる必要がない。そして、そのような摺動を生じさせることなく、シール部材が突出管のテーパ状外周面と連結部材のテーパ状内周面との双方に充分に密着した状態を確保することができる。このように、突出管と連結部材との間のシール性を確保しつつ、突出管と連結部材とを組み付ける際の組付荷重を低減することができる。これに伴い、冷却器に要求される剛性を低くできる結果、冷却器の小型化、低コスト化を図ることもできる。

以上のごとく、本態様によれば、突出管と連結部材とを組み付ける際の荷重を低減することができる電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

実施形態１における、電力変換装置の一部断面図。 図１の、II−II線矢視断面図。 実施形態における、電力変換装置を、突出管の突出先端側から見た正面図。 図１の、連結部材と突出管との嵌合部周辺を拡大した図。 図４において、突出管を取り外した状態を示す図。 実施形態１における、電力変換装置に、外部流路を接続した様子を示す一部断面図。 実施形態１における、連結部材をケースの貫通孔に挿入しながら、突出管を覆っている様子を示す図であって、シール部材が突出管に接触する前の状態を示す図。 実施形態１における、接触状態を示す図。 実施形態２における、冷却器と連結部材とシール部材の断面図。

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図８を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体モジュール２と冷却器３とケース４と連結部材５とを有する。半導体モジュール２は、半導体素子を内蔵している。冷却器３は、内部に冷媒を流通させる内部流路３０を有する。そして、冷却器３は、半導体モジュール２を冷却する。ケース４は、半導体モジュール２及び冷却器３を内部に収容する。図６に示すごとく、連結部材５は、ケース４に固定され、冷却器３の内部流路３０とケース４の外部に配される冷媒の外部流路６とを連結する。

図１に示すごとく、冷却器３は、内部流路３０の出入口の少なくとも一方を突出管３１によって構成している。本実施形態において、冷却器３は、内部流路３０の出入口の双方を、一対の突出管３１によって構成している。図１、図２、図４に示すごとく、突出管３１は、突出先端側へ向かうほど外径が小さくなるテーパ状外周面３３を有する。連結部材５は、突出管３１を内側に嵌入させる嵌入筒部５１を有する。嵌入筒部５１は、ケース４の内側へ向かうほど内径が大きくなるテーパ状内周面５２を有する。突出管３１と連結部材５とは、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２とを互いに対向させた状態で嵌合している。テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２とは、互いの間に配された環状のシール部材７に密着している。

本実施形態の電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載され、電源電力を駆動用モータの駆動に必要な駆動用電力に変換するインバータとして用いることができる。

図１、図２に示すごとく、ケース４は、矩形板状の底壁部４１と、底壁部４１の端縁から底壁部４１の厚み方向の一方に立設した側壁部４２とを有する。ケース４内には、複数の半導体モジュール２及び冷却器３が配されている。半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオードなどの半導体素子を樹脂モールドしてなる。なお、以下において、底壁部４１の厚み方向を、高さ方向Ｚという。

冷却器３は、複数の冷却管３４を有する。複数の冷却管３４は、半導体モジュール２と共に積層されて半導体積層ユニット１０を構成している。なお、以下において、冷却管３４と半導体モジュール２との積層方向を、単に積層方向Ｘという。また、積層方向Ｘの一方を前方、その反対側を後方という。

半導体モジュール２は、積層方向Ｘの両側から、一対の冷却管３４によって挟持されている。これにより、一対の冷却管３４は、半導体モジュール２を積層方向Ｘの両側面から冷却することができるようになっている。冷却管３４は、積層方向Ｘと高さ方向Ｚとの双方に直交する方向に長尺な形状を有する。そして、積層方向Ｘに隣り合う冷却管３４は、冷却管３４の長手方向の両端部付近において、連結管３５によって互いに連結されている。連結管３５は、例えばその形状を蛇腹状にしたり、冷却管３４との接続部にダイヤフラムを設けたりすることにより、隣り合う冷却管３４の間の間隔を変化させることができるよう構成されている。

複数の冷却管３４のうち、前端に配された冷却管３４の前面から、冷却器３の内部流路３０に冷媒を導入するための突出管３１と、冷却器３から冷媒を排出するための突出管３１とが、前方に向って突出形成されている。一対の突出管３１は、前端に配された冷却管３４における、長手方向の両端部から突出している。

図１、図２、図４に示すごとく、突出管３１は、略円筒状を呈している。すなわち、突出管３１は、積層方向Ｘに直交する断面形状が円環形状である。上述のごとく、突出管３１は、突出先端側（すなわち前方）へ向かうほど、外径が小さくなるように傾斜したテーパ状外周面３３を有する。本実施形態においては、突出管３１の外周面の全体がテーパ状外周面３３となっている。図２に示すごとく、突出管３１の中心軸を含む断面において、テーパ状外周面３３の形状は、前方へ向かうほど突出管３１の径方向における内側に向かうように傾斜した直線形状である。本実施形態において、突出管３１は、積層方向Ｘにおいて一定の厚みを有する。

図１、図２、図４に示すごとく、一対の突出管３１には、先端側から、突出管３１と中心軸を一致させた筒状の一対の連結部材５が嵌合されている。一対の連結部材５は、ケース４の側壁部４２における一対の突出管３１の前方にそれぞれ形成された一対の貫通孔４２０の内側に挿入配置されている。一対の連結部材５は、互いに同形状を有する。

連結部材５は、全体として略円筒形状を有する。連結部材５は、嵌入筒部５１と前方筒部５３とフランジ部５４とを有する。嵌入筒部５１は、ケース４内に挿入されている。そして、上述のごとく、嵌入筒部５１の内側に突出管３１が嵌入されている。また、前方筒部５３は、ケース４の外側に配されている。前方筒部５３の内側の空間と嵌入筒部５１の内側の空間とは、連通している。図１〜図４に示すごとく、フランジ部５４は、積層方向Ｘにおける嵌入筒部５１と前方筒部５３との間の位置において、連結部材５の径方向における外側に向って突出している。

嵌入筒部５１は、略円筒形状を有する。すなわち、嵌入筒部５１は、積層方向Ｘに直交する断面形状が円環形状である。図１、図２、図４に示すごとく、嵌入筒部５１は、テーパ状内周面５２を有する。連結部材５の中心軸を含む断面において、テーパ状内周面５２の形状は、後方へ向かうほど連結部材５の径方向における外側に向かうように傾斜した直線形状である。連結部材５の中心軸を含む断面において、連結部材５のテーパ状内周面５２と突出管３１のテーパ状外周面３３とは、積層方向Ｘに対する傾斜の程度が同程度である。

図１、図２、図４、図５に示すごとく、連結部材５のテーパ状内周面５２と突出管３１のテーパ状外周面３３との間には、環状のシール部材７が介在している。シール部材７は、テーパ状内周面５２とテーパ状外周面３３との互いの対向方向に弾性圧縮した状態で、テーパ状内周面５２とテーパ状外周面３３との間に介在している。これにより、シール部材７は、突出管３１と連結部材５との双方に、上記対向方向に弾性的に密着している。シール部材７は、例えばゴムからなるＯリングとすることができる。そして、シール部材７は、外周端縁の全周において、テーパ状内周面５２に密着しており、内周端縁の全周において、テーパ状外周面３３に密着している。これにより、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２との間のシール性が確保されている。すなわち、連結部材５と突出管３１との間のシール性が確保されている。

本実施形態において、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２との間には、複数のシール部材７が配されている。本実施形態においては、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２との間に、２つのシール部材７が配されている。テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２との間に配された２つのシール部材７は、互いに積層方向Ｘに間隔をあけて配されている。後方に配されたシール部材７は、前方に配されたシール部材７よりも、内径、外径のそれぞれが若干大きい。そして、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２とは、それぞれ、複数のシール部材７に密着している。このように、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２との間は、いわゆる二重シール構造でシールされている。

シール部材７は、テーパ状内周面５２に、径方向外側に向って凹んだ凹部を設け、その凹部に嵌合してもよい。この場合には、連結部材５に対するシール部材７の位置決めを容易かつ正確に行うことができる。また、シール部材７は、例えば、テーパ状外周面３３に、径方向内側に向って凹んだ凹部を設け、その凹部に嵌合してもよい。この場合には、突出管３１に対するシール部材７の位置決めを容易かつ正確に行うことができる。なお、シール部材７の位置決めの仕方は、これらに限られない。

図４、図７に示すごとく、連結部材５のフランジ部５４は、積層方向Ｘに貫通形成されたボルト挿通孔５５を有する。そして、図４に示すごとく、ボルト挿通孔５５に挿通されたボルト８が側壁部４２に締結固定されている。これにより、連結部材５は、ケース４の側壁部４２に対して締結固定されている。本実施形態において、連結部材５は、ケース４の外側から内側に向って貫通孔４２０内に積層方向Ｘに挿入されている。そして、連結部材５は、フランジ部５４において、ケース４の外側から側壁部４２に締結固定されている。

図６に示すごとく、連結部材５の前方筒部５３は、略円筒形状を有する。すなわち、前方筒部５３は、積層方向Ｘに直交する断面形状が円環形状である。前方筒部５３には、例えばケース４の外部に設けられたラジエータと冷却器３とを接続するための外部流路６や、冷却器３とケース４内に配された別の冷却部とをケース４の外部において連結する外部流路６等が連結される。外部流路６は、例えばゴムホース６０によって形成される。前方筒部５３にゴムホース６０が連結されることにより、内部流路３０と外部流路６とが、連結部材５を介して連通される。

半導体積層ユニット１０は、図示は省略したが、積層方向Ｘに弾性圧縮された状態で、ケース４に収容されている。例えば、半導体積層ユニット１０の後端に、積層方向Ｘに圧縮させた状態の板ばねを配置し、半導体積層ユニット１０の前端に配された冷却管３４の前面をケース４の一部に支持させることにより、半導体積層ユニット１０を積層方向Ｘに圧縮した状態とすることができる。

次に、図４、図７、図８を用いて、ケース４内に収容された冷却器３の突出管３１に対して、シール部材７が配された連結部材５を組み付ける方法の一例について説明する。

図７に示すごとく、ケース４の側壁部４２の貫通孔４２０に、ケース４の外側から、シール部材７を配した連結部材５を積層方向Ｘに挿入する。このとき、連結部材５を貫通孔４２０内に挿入しながら、連結部材５の嵌入筒部５１で、突出管３１を覆うようにする。そして、図８に示すごとく、シール部材７の内周側の全周が、突出管３１のテーパ状外周面３３の全周に接触するまで、連結部材５を貫通孔４２０内に挿入する。シール部材７の内周側の全周が、突出管３１の外周面の全周に接触した状態を、便宜上、接触状態ということとする。接触状態において、連結部材５は、電力変換装置１の完成時に位置決めされる位置の近辺まで挿入される。さらに、接触状態になるまでは、シール部材７と突出管３１との間に、摺動を全く生じさせず、あるいはほとんど生じさせず、連結部材５が貫通孔４２０内に挿入される。

そして、接触状態において、連結部材５のフランジ部５４のボルト挿通孔５５にボルト８を挿通すると共に、ボルト８を側壁部４２に締結する。これにより、ボルト８の締結力によって、連結部材５は側壁部４２に向って押され、これに伴いシール部材７が対向方向に圧縮される。シール部材７は、テーパ状内周面５２及びテーパ状外周面３３の双方に弾性密着される。そして、図４に示すごとく、ボルト８によって連結部材５をケース４に対して締結固定する。また、これにより、連結部材５が突出管３１に嵌合される。

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
電力変換装置１において、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２とが、互いの間に配された環状のシール部材７に密着している。それゆえ、シール部材７を介在させた状態で、突出管３１のテーパ状外周面３３を連結部材５のテーパ状内周面５２に対し、突出方向に押し付けることにより、突出管３１と連結部材５とを組み付けることができる。そのため、突出管３１と連結部材５とを組み付ける際に、シール部材７を大きな力で圧縮しつつ、シール部材７に対して、突出管３１又は連結部材５を大きく摺動させる必要がない。そして、そのような摺動を生じさせることなく、シール部材７が突出管３１のテーパ状外周面３３と連結部材５のテーパ状内周面５２との双方に充分に密着した状態を確保することができる。このように、突出管３１と連結部材５との間のシール性を確保しつつ、突出管３１と連結部材５とを組み付ける際の組付荷重を低減することができる。これに伴い、冷却器３に要求される剛性を低くできる結果、冷却器３の小型化、低コスト化を図ることもできる。

また、テーパ状外周面３３とテーパ状内周面５２との間には、複数のシール部材７が配されている。それゆえ、突出管３１と連結部材５との間のシール性を一層確保することができる。

また、複数の冷却管３４は、半導体モジュール２と共に積層されて半導体積層ユニット１０を構成している。これにより、冷却器３の大型化を抑制しつつ、半導体モジュール２の冷却性を向上させることができる。すなわち、このような構造を採用すると、半導体モジュール２をその両主面から冷却できるため、半導体モジュール２の冷却性を向上させやすい反面、冷却器３が複雑化、大型化しやすい。そこで、本実施形態の構成を採用することにより、上述のごとく、冷却器３に要求される剛性を低くすることができるため、冷却器３が大型化することを抑制しつつ、半導体モジュール２の冷却性を向上させることができる。

また、冷却器３は、内部流路３０の出入口の双方を、一対の突出管３１によって構成している。それゆえ、突出管３１と連結部材５とを組み付ける際の組付荷重を一層低減することができる。

以上のごとく、本実施形態によれば、突出管と連結部材とを組み付ける際の荷重を低減することができる電力変換装置を提供することができる。

（実施形態２）
本実施形態は、図９に示すごとく、実施形態１に対して、突出管３１の形状を変更した実施形態である。具体的には、突出管３１を、突出先端側（すなわち前方）へ向かうほど厚みが小さくなるようにしている。

その他は、実施形態１と同様である。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。

本実施形態においては、突出管３１の内部流路３０の流路断面積が、突出管３１を流れる冷媒の流通方向（すなわち積層方向Ｘ）において、大きく変化することを抑制できる。その結果、突出管３１における冷媒の圧損を低減させやすい。
その他、実施形態１と同様の作用効果を有する。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記実施形態においては、一対の突出管の両方に本発明を適用した実施形態を示したが、一対の突出管の一方のみに本発明を適用してもよい。また、上記実施形態においては、突出管の外周面の全体が、テーパ状外周面となっている実施形態を示したが、突出管の外周面の一部をテーパ状外周面としてもよい。すなわち、突出部における、少なくともシール部材と接触する領域をテーパ状外周面とすればよい。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
３ 冷却器
３０ 内部流路
３１ 突出管
３３ テーパ状外周面
４ ケース
５ 連結部材
５１ 嵌入筒部
５２ テーパ状内周面
６ 外部流路
７ シール部材

Claims (4)

1. 半導体素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、
   内部に冷媒を流通させる内部流路（３０）を有すると共に、上記半導体モジュールを冷却する冷却器（３）と、
   上記半導体モジュール及び上記冷却器を内部に収容するケース（４）と、
   該ケースに固定され、上記冷却器の上記内部流路と上記ケースの外部に配される冷媒の外部流路（６）とを連結するための連結部材（５）と、を有し、
   上記冷却器は、上記内部流路の出入口の少なくとも一方を突出管（３１）によって構成し、
   該突出管は、突出先端側へ向かうほど外径が小さくなるテーパ状外周面（３３）を有し、
   上記連結部材は、上記突出管を内側に嵌入させる嵌入筒部（５１）を有し、
   該嵌入筒部は、上記ケースの内側へ向かうほど内径が大きくなるテーパ状内周面（５２）を有し、
   上記突出管と上記連結部材とは、上記テーパ状外周面と上記テーパ状内周面とを互いに対向させた状態で嵌合しており、
   上記テーパ状外周面と上記テーパ状内周面とは、互いの間に配された環状のシール部材（７）に密着している、電力変換装置（１）。
2. 上記テーパ状外周面と上記テーパ状内周面との間には、複数の上記シール部材が配されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記冷却器は、複数の冷却管（３４）を有し、該複数の冷却管は、上記半導体モジュールと共に積層されて半導体積層ユニット（１０）を構成している、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 上記冷却器は、上記内部流路の出入口の双方を、一対の上記突出管によって構成している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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