JP2019221015A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を流しやすくするとともにノイズの低減を図ることができる電気機器を提供する。【解決手段】ハウジング２０内に固定されるパワーモジュール３０とパワーモジュール３０上に固定される基板４０とを有する。ハウジング２０は、ハウジング２０の内面２０ａに対して突出するとともに、パワーモジュール３０が固定される載置部２５と、載置部２５を挟んでパワーモジュール３０に対向する位置にて、ハウジング２０の外面２０ｂに対して突出する複数の冷却フィン２２と、複数の冷却フィン２２の間に形成される冷媒流路Ｐｆと、を有する。基板４０は、載置部２５に対向する第１面Ｆ１と、第１面Ｆ１の外周側でハウジング２０の内面２０ａに対向する第２面Ｆ２とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電気機器に関するものである。

特許文献１に開示のインバータ装置は、図４に示すように、冷却ジャケット１００を備えている。冷却ジャケット１００は、電力用半導体素子を含んでなるパワーモジュール１０１が取り付けられる取り付け面と、取り付け面の裏面側全域にかけて所定方向に沿って配設される複数の放熱フィン１０２と、裏面側全域中の所定方向に沿った中央領域に配設されるボス部１０３と、を具備している。パワーモジュール１０１の主面中央部には、貫通孔１０４が形成され、ボス部１０３の取り付け面側には、孔部１０５が形成されており、パワーモジュール１０１は、貫通孔１０４に挿通させた締結部材１０６を孔部１０５へ挿入して固定することによって取り付け面へ取り付けられる。

特開２０１３−２５５４１４号公報

ところが、ボス部（ねじ部）１０３がフィン形成面から飛び出しているので冷媒の流路抵抗が大きくなってしまう。また、更なるノイズ低減を図りたいというニーズがある。

本発明の目的は、冷媒を流しやすくするとともにノイズの低減を図ることができる電気機器を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、ハウジング内に固定されるパワーモジュールとパワーモジュール上に固定される基板とを有する電気機器であって、前記ハウジングは、前記ハウジングの内面に対して突出するとともに、前記パワーモジュールが固定される載置部と、前記載置部を挟んで前記パワーモジュールに対向する位置にて、前記ハウジングの外面に対して突出する複数の冷却フィンと、前記複数の冷却フィンの間に形成される冷媒流路と、を有し、前記基板は、前記載置部に対向する第１面と、該第１面の外周側で前記内面に対向する第２面とを有することを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、基板が、載置部に対向する第１面の外周側でハウジングの内面に対向する第２面を有するので、基板と、第１面の外周側におけるハウジングとの間で空間容量が形成されるが、ハウジングの内面に対して突出するとともにパワーモジュールが固定される載置部を有するので、空間容量を小さくできノイズの低減を図ることができる。また、載置部がハウジングの内面に対して突出しているので、冷媒を流しやすくなる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の電気機器において、前記冷媒流路に対向する位置に、前記パワーモジュールを前記載置部に固定するためのねじ締結部を有するとよい。

本発明によれば、冷媒を流しやすくするとともにノイズの低減を図ることができる。

（ａ）は実施形態におけるインバータ装置の一部平面図、（ｂ）はインバータ装置の一部正面図、（ｃ）はインバータ装置の一部下面図、（ｄ）はインバータ装置の一部側面図。 （ａ）は別例のインバータ装置の一部平面図、（ｂ）はインバータ装置の一部正面図、（ｃ）はインバータ装置の一部下面図、（ｄ）はインバータ装置の一部側面図。 （ａ）は比較例におけるインバータ装置の一部平面図、（ｂ）はインバータ装置の一部正面図、（ｃ）はインバータ装置の一部下面図、（ｄ）はインバータ装置の一部側面図。 特許文献１のインバータ装置の一部断面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。

図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように、電気機器としてのインバータ装置１０は、直流（例えば２００Ｖ）を入力して交流に変換してモータに出力する電力変換装置であって、ハウジング２０と、パワーモジュール３０と、基板４０とを有する。基板４０は、制御基板であり、プリント基板等が用いられる。ハウジング２０内においてパワーモジュール３０が固定されているとともに、パワーモジュール３０上に基板４０が固定されている。

ハウジング２０はアルミよりなり、ボディアースされている。ハウジング２０は壁としての平板部２１を有し、平板部２１は水平方向に延存している。平板部２１によりハウジング２０の底面が構成されている。平板部２１は薄く形成されている。なお、ハウジング２０は、全体形状として四角箱型をなし、下側部材と上側部材により構成されるが、図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）では、下側部材の一部のみを示しており、他の部分については省略している。

ハウジング２０において、平板部２１の下面には複数の冷却フィン２２が形成されている。各冷却フィン２２は、平板部２１の下面から下方に突出している。各冷却フィン２２は、それぞれ、平板状をなしている。各冷却フィン２２は、一定の間隔をおいて平行に並んで配置されている。ハウジング２０の下面側は樹脂製フードカバー５０（図１（ｂ）参照）で覆われ、各冷却フィン２２の下端における開口部は樹脂製フードカバー５０で塞がれる。そして、冷却フィン２２の間の空間、即ち、冷却フィン２２と冷却フィン２２との間の隙間Ｓｐが冷媒流路Ｐｆとなる。つまり、平板部２１と樹脂製フードカバー５０と冷却フィン２２とで区画された空間に、冷媒としての空気の流れである冷却風Ｗが通過するようになっている。より詳しくは、ファンにより冷却用の空気が送られてくる。

このように、ハウジング２０は、複数の冷却フィン２２の間に形成される冷媒流路Ｐｆを有する。

パワーモジュール３０は、素子モールド部３１と、絶縁金属基板３２と、複数本の端子部３３とを有する。パワーモジュール３０は、ハウジング２０内において壁としての平板部２１に固定される。

素子モールド部３１においては、半導体素子であるパワースイッチング素子及び配線材が樹脂モールドされている。パワースイッチング素子として、例えばパワーＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ等を挙げることができる。

より具体的には、パワーモジュール３０においては、正極入力端子に正極母線が接続されるとともに負極入力端子に負極母線が接続され、正極母線と負極母線との間において、Ｕ相上アーム用スイッチング素子とＵ相下アーム用スイッチング素子とが直列接続されている。正極母線と負極母線との間において、Ｖ相上アーム用スイッチング素子とＶ相下アーム用スイッチング素子とが直列接続されている。正極母線と負極母線との間において、Ｗ相上アーム用スイッチング素子とＷ相下アーム用スイッチング素子とが直列接続されている。Ｕ相上アーム用スイッチング素子とＵ相下アーム用スイッチング素子との間がＵ相出力端子となる。Ｖ相上アーム用スイッチング素子とＶ相下アーム用スイッチング素子との間がＶ相出力端子となる。Ｗ相上アーム用スイッチング素子とＷ相下アーム用スイッチング素子との間がＷ相出力端子となる。

素子モールド部３１においては、パワースイッチング素子が配線材としてのバスバーにより電気的に接続された状態で樹脂によりモールドされている。

また、素子モールド部３１の上面から複数本の端子部３３が上方に延びている。

絶縁金属基板３２は、銅よりなる金属板と、金属板の上面に形成された絶縁層とで構成される絶縁金属基板（ＩＭＳ）であり、金属板の上面には絶縁層を介して銅よりなる導体パターンが形成されている。

基板４０は、パワーモジュール３０上に固定される。基板４０は水平方向に延存している。パワーモジュール３０の各端子部３３は基板４０を貫通する状態で半田付けされている。基板４０において制御回路（ＩＣ等）が搭載されており、基板４０には制御ライン及び電力ラインが形成されている。電力ライン（詳しくは、上下のアーム用スイッチング素子の間とモータとの接続ライン）にスイッチング素子のオンオフ動作に伴うノイズが乗りやすく、その対策としてコモンモードノイズ対策用のフィルタが実装されている。

ハウジング２０において冷却フィン２２は、パワーモジュール３０が固定される壁としての平板部２１の外側の空気が流れる部位に突出している。

ハウジング２０は、パワーモジュール載置部（以下、載置部という）２５を有する。載置部２５は、壁としての平板部２１の内側に突出している。つまり、ハウジング２０は、ハウジング２０の内面２０ａに対して突出するとともに、パワーモジュール３０が固定される載置部２５と、載置部２５を挟んでパワーモジュール３０に対向する位置にて、ハウジング２０の外面２０ｂに対して突出する複数の冷却フィン２２を有する。

載置部２５はパワーモジュール３０の絶縁金属基板３２と、図１（ａ）の平面視においてほぼ同じ形状寸法であるとともに図１（ｂ）の正面視において一定の高さＬ２を有する。

冷却フィン２２の間に、パワーモジュール３０を載置部２５に固定するためのねじ締結部２６を有する。載置部２５において、冷却フィン２２間に対応する位置、即ち、冷却フィン２２と冷却フィン２２との間の隙間Ｓｐに、ねじ締結部２６が位置するようにして、パワーモジュール３０が固定されている。より詳しくは、絶縁金属基板３２を貫通するねじＳｃを載置部２５に螺入することにより締結固定される。載置部２５の高さ（距離）はＬ２であり、また、パワーモジュール３０の高さはＬ３である。よって、ハウジング２０の平板部２１の上面と基板（制御基板）４０の下面との距離Ｌ１は、パワーモジュール３０の高さＬ３と載置部２５の高さＬ２との和（＝Ｌ２＋Ｌ３）となる。図１（ａ）の平面視においてパワーモジュール３０の絶縁金属基板３２のサイズよりも基板４０のサイズの
方が大きく、図１（ｂ）に示すように基板４０とハウジング２０とは空間結合しており、空間容量Ｃ１が形成される。つまり、基板４０がパワーモジュール３０の外側でハウジング２０と対向しており、当該部位（基板４０におけるパワーモジュール３０の外側でのハウジング２０と対向する部位）において、空間容量Ｃ１が形成される。

また、ハウジング２０の平板部２１の下面においては載置部２５が飛び出していない。

基板４０は、載置部２５に対向する第１面Ｆ１（図１（ａ）参照）と、第１面Ｆ１の外周側でハウジング２０の内面２０ａに対向する第２面Ｆ２（図１（ａ）参照）とを有する。冷媒流路Ｐｆに対向する位置（冷却フィン２２と冷却フィン２２との間の隙間Ｓｐ）に、パワーモジュール３０を載置部２５に固定するためのねじ締結部２６を有する。

次に、作用について説明する。

パワーモジュール３０においてスイッチング素子がオンオフ制御されると発熱する。その熱は、絶縁金属基板３２を通して、図１（ｂ）においてＱ１で示すようにハウジング２０の載置部２５から平板部２１の下面に伝わる。熱は主にねじ締結部２６を通して絶縁金属基板３２から平板部２１側に伝わる。そして、冷却フィン２２により放熱面積が多い状態で冷却風Ｗと熱交換される。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、比較例である。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、ハウジング２０は、パワーモジュール３０が固定される壁としての平板部２１の外側の冷媒（空気）が流れる部位に突出した冷却フィン２２を有する。平板部２１において、冷却フィン２２間に対応する位置（冷却フィン２２と冷却フィン２２との間の隙間Ｓｐ）に、ねじＳｃの締結部が位置する状態でパワーモジュール３０が固定されている。

図３（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の比較例においては、パワーモジュール３０をハウジング２０の底面にねじ締結している。また、パワーモジュール３０上に、パワーラインや駆動回路などを含む基板４０を配置している。

このようにすると、基板４０とハウジング２０との間の空間において高さ方向の距離Ｌ１０が小さくなり、空間容量Ｃ１が大きくなる。

その結果、基板４０とハウジング２０との間のインピーダンスが低くなり、基板４０で発生した高調波ノイズがハウジング２０に流れ、コモンモードノイズが悪化する。

これに対し、図１の本実施形態においては、パワーモジュール３０の配置位置に高さＬ２の載置部２５を形成することにより、パワーモジュール３０の底面のみハウジング２０を厚くしている。つまり、ハウジング２０の平板部２１の上面と基板（制御基板）４０の下面との距離Ｌ１は、パワーモジュール３０の高さＬ３と載置部２５の高さＬ２との和（＝Ｌ２＋Ｌ３）であり、図３の比較例に比べて載置部２５の高さＬ２分だけＬ１値を大きくできる（例えば２倍ぐらいにすることができる）。その結果、ハウジング２０と基板４０との距離Ｌ１が大きくなる。

このように、ハウジング２０におけるパワーモジュール３０の底面のみ厚くすることに伴い、基板４０とハウジング２０との間の距離（空間距離）Ｌ１は大きくなり、空間容量Ｃ１が小さくなる。その結果、基板４０とハウジング２０との間のインピーダンスが高くなる。よって、基板４０で発生した高調波ノイズがハウジング２０に流れにくく、コモン
モードノイズは悪化しない。

このようにして、基板４０がパワーモジュール３０の外側でハウジング２０と対向しているので、基板４０と、パワーモジュール３０の外側におけるハウジング２０との間で空間容量Ｃ１が形成されるが、壁としての平板部２１の内側に突出するとともにパワーモジュー３０ルが固定される載置部２５を有するので、空間容量Ｃ１を小さくできノイズの低減を図ることができる。また、コモンモードノイズ対策のフィルタの小型化が可能となる。

一方、図３（ａ），（ｂ），（ｃ）の比較例においては、ボス部９０が平板部２１の下面から突出している。これは、ボス部９０において雌ねじ（孔）の深さが必要となるためである。ボス部９０が平板部２１の下面から突出すると冷却フィン２２間における隙間Ｓｐを通る冷却風が透過しにくくなって放熱し難くなる。

これに対し、図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の本実施形態においては、ハウジング２０の平板部２１の下面には載置部２５が飛び出しておらず、冷媒としての空気の流路抵抗の低減（冷媒の圧力損失の低減）を図ることができる。

このようにして、載置部２５が壁としての平板部２１の内側に突出しているので、冷媒としての空気を流しやすくなる。また、載置部２５を通して熱Ｑ１が逃がされることにより載置部２５の分だけ熱マスが増加する。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。

（１）電気機器としてのインバータ装置１０の構成として、ハウジング２０内に固定されるパワーモジュール３０とパワーモジュール３０上に固定される基板４０とを有する。ハウジング２０は、ハウジング２０の内面２０ａに対して突出するとともに、パワーモジュール３０が固定される載置部２５と、載置部２５を挟んでパワーモジュール３０に対向する位置にて、ハウジング２０の外面２０ｂに対して突出する複数の冷却フィン２２と、複数の冷却フィン２２の間に形成される冷媒流路Ｐｆと、を有する。基板４０は、載置部２５に対向する第１面Ｆ１と、第１面Ｆ１の外周側でハウジング２０の内面２０ａに対向する第２面Ｆ２とを有する。よって、基板４０が、載置部２５に対向する第１面Ｆ１の外周側でハウジング２０の内面２０ａに対向する第２面Ｆ２を有するので、基板４０と、第１面Ｆ１の外周側におけるハウジング２０との間で空間容量が形成されるが、ハウジング２０の内面２０ａに対して突出するとともにパワーモジュール３０が固定される載置部２５を有するので、空間容量を小さくできノイズの低減を図ることができる。また、載置部２５がハウジング２０の内面２０ａに対して突出しているので、冷媒を流しやすくなる。その結果、冷媒を流しやすくするとともにノイズの低減を図ることができる。

（２）冷媒流路Ｐｆに対向する位置に、パワーモジュール３０を載置部２５に固定するためのねじ締結部２６を有する。よって、冷媒としての空気が通る部位に対しねじＳｃで締結する部位（ねじ締結部２６）が放熱抵抗の少ない部位であり、主たる放熱経路となって熱Ｑ１を伝えやすく放熱性に優れる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

○ 図１（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に代わり、図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように構成してもよい。図２（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）において、円柱状のボス部２７が左側に形成されているとともに円柱状のボス部２８が右側に形成されている。ボス部２７，２８がパワーモジュール３０の載置部となる。つまり、載置部として
のボス部２７，２８が壁としての平板部２１の内側に突出しており、ボス部２７，２８にパワーモジュール３０が固定される。具体的には、絶縁金属基板３２を貫通するねじＳｃをボス部２７，２８に螺入することによりパワーモジュール３０がハウジング２０に固定される。また、冷却フィン２２の間に、パワーモジュール３０をボス部２７，２８に固定するためのねじ締結部２６を有する。

このように、ハウジング２０は、ハウジング２０の内面２０ａに対して突出するとともに、パワーモジュール３０が固定される載置部（２７，２８）と、載置部（２７，２８）を挟んでパワーモジュール３０に対向する位置にて、ハウジング２０の外面２０ｂに対して突出する複数の冷却フィン２２と、複数の冷却フィン２２の間に形成される冷媒流路Ｐｆと、を有する。基板４０は、載置部（２７，２８）に対向する第１面Ｆ１１と、第１面Ｆ１１の外周側でハウジング２０の内面２０ａに対向する第２面Ｆ１２とを有する。冷媒流路Ｐｆに対向する位置に、パワーモジュール３０を載置部（２７，２８）に固定するためのねじ締結部２６を有する。このような構成としてもよい。

○ 冷媒として空気を用い冷却フィン２２に送るようにしたが、冷媒として液体（冷却水等）を冷却フィン２２に供給する方式であってもよい。

○ ねじ締結部２６は冷却フィン間に設けたが、冷却フィン上に設けてもよい。

○ パワーモジュール３０は６個のスイッチング素子を有していたが、その数は問わない。

○ 電気機器としてインバータ装置１０に具体化したが、インバータ装置以外の電気機器に具体化してもよい。

１０…インバータ装置、２０…ハウジング、２０ａ…内面、２０ｂ…外面、２２…冷却フィン、２５…載置部、２６…ねじ締結部、２７，２８…ボス部、３０…パワーモジュール、４０…基板、Ｆ１，Ｆ１１…第１面、Ｆ２，Ｆ１２…第２面、Ｐｆ…冷媒流路。

Claims (2)

1. ハウジング内に固定されるパワーモジュールとパワーモジュール上に固定される基板とを有する電気機器であって、
   前記ハウジングは、
   前記ハウジングの内面に対して突出するとともに、前記パワーモジュールが固定される載置部と、
   前記載置部を挟んで前記パワーモジュールに対向する位置にて、前記ハウジングの外面に対して突出する複数の冷却フィンと、
   前記複数の冷却フィンの間に形成される冷媒流路と、を有し、
   前記基板は、前記載置部に対向する第１面と、該第１面の外周側で前記内面に対向する第２面とを有する
   ことを特徴とする電気機器。
2. 前記冷媒流路に対向する位置に、前記パワーモジュールを前記載置部に固定するためのねじ締結部を有することを特徴とする請求項１に記載の電気機器。