JP2022143711A - インバータケース及びインバータ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ装置の軽量化と冷却性能向上を実現するインバータケースを提供する。【解決手段】インバータ装置１００は、インバータケース１０と、内部に収容されるインバータ回路３０とを有する。インバータケース１０は、一方の面（基板配置面１１）にインバータ回路３０が取り付けられるベース部１と、ベース部１を覆うカバー部２と、を備える。ベース部１とカバー部２は、樹脂組成物で構成される。樹脂組成物は、フェノール樹脂組やエポキシ樹脂組成物など熱硬化性樹脂であり、硬化剤や無機充填剤などを適宜含有する。【選択図】図２

Description

本発明は、インバータケース及びインバータ装置に関する。

自動車の電動化の拡大により、駆動源であるインバータ型のモータの大出力化と軽量化への対応が求められており、各種の技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１は、インバータ型のモータに適用する技術として、ステータのティース部に集中巻きしたコイルを、ティース部間のスロットに収容した回転電機において、スロットの内部空間に軸方向に延びる複数のパイプを並列配置し、かつこれらパイプの隙間及びパイプと前記コイルとの隙間に樹脂材料を充填して、ステータ内周側に向けて開口するスロットを閉塞する樹脂層を形成し、パイプ内に冷媒を流している。

特許４４９６７１０号公報

ところで、モータの大出力化に伴い、インバータ装置側においても大出力に対応する技術が求められていた。内部に搭載されるインバータ回路自体は、各種のパワー半導体モジュールが提案されて大出力に対応することが可能となっているが、インバータ装置の軽量化と冷却性能向上の観点で新たな技術が求められていた。

本発明はこのような状況に鑑みなされたものであって、インバータ装置の軽量化と冷却性能向上を実現する技術を提供することを目的としている。

本発明によれば、
一方の面にインバータ回路が取り付けられるベース部と、前記ベース部を覆うカバー部と、を備えるインバータケースであって、
前記ベース部は樹脂組成物で構成される、インバータケースが提供される。
本発明によると、上述のインバータケースと、
前記インバータケースに取り付けられたインバータ回路と、
を有し、
前記インバータ回路が有する放熱部材が、前記インバータケースの冷却用流路の内部に面している、インバータ装置が提供される。

本発明によれば、インバータ装置の軽量化と冷却性能向上を実現する技術を提供することができる。

実施形態に係る、インバータ装置を模式的に示した斜視図である。 実施形態に係る、インバータ装置の内部構造を模式的に示した断面図である。 実施形態に係る、インバータ回路を配置した状態のベース部の斜視図である。 実施形態に係る、インバータ回路を取り除いた状態のベース部の斜視図である。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
＜インバータ装置１００の概要＞
図１は、本実施形態のインバータ装置１００を模式的に示した斜視図である。図２はインバータ装置１００の内部構造を模式的に示した断面図である。図３はインバータ回路３０を配置した状態のベース部１を模式的に示した斜視図である。図４は、図３のインバータ回路３０及び水路蓋部２５を取り除いた状態を模式的に示した斜視図である。本実施形態では、主に冷却機能に着目して説明し、インバータ装置の一般的な構成については適宜省略して示している。また、本実施形態では、便宜的に、図中でｘｙｚ軸で示すように、横方向（左右方向）をｘ方向、奥行き方向（前後方向）をｙ方向、高さ方向（上下方向）をｚ方向として説明する。

インバータ装置１００は、例えばインバータータイプのモータに取り付けられる。インバータ装置１００は、樹脂組成物で構成された略箱形の形状のインバータケース１０と、内部に収容されたインバータ回路３０と、インバータ回路３０（特にパワーモジュール４０）を冷却する冷却用流路２０とを有する。インバータ回路３０は、パワーモジュール４０やその他の部品（第１および第２の回路基板５０、６０、配電盤３など）を有する。
以下、各構成を具体的に説明する。

＜インバータケース１０＞
インバータケース１０は、板状のベース部１と、ベース部１を覆う底部が開口した直方体形状でカバー部２とを有し、それらはネジ５により固定されている。インバータケース１０の内部にはインバータ回路３０が設けられている。

＜インバータ回路３０＞
インバータ回路３０は、パワーモジュール４０と、第１の回路基板５０および第２の回路基板６０とを有する。パワーモジュール４０は、半導体チップ４３と、半導体チップ４３の下面に取り付けられた金属製の放熱部材４５と、半導体チップ４３に接続するリードフレーム４８とを備え樹脂により封止されている。

＜ベース部１＞
ベース部１は、上面視で略矩形であって板状に一体成形により設けられている。
ベース部１は図示で上側の面を基板配置面１１としており、基板配置面１１にインバータ回路３０や第１及び第２の回路基板５０、６０、配電盤３（バスバー４）等の部品が取り付けられる。基板配置面１１は、冷却用流路２０の一部を構成する凹状に形成された水路壁１５と、部品配置部１６と、絶縁隔壁部１７と、基板固定部１８と、端子台１９とを一体に有する。

＜冷却用流路２０／水路壁１５＞
冷却用流路２０は、基板配置面１１が凹状に形成された水路壁１５と、水路壁１５の上面を蓋するように設けられた水路蓋部２５とにより構成されている。水路蓋部２５は、例えば樹脂製で板状に設けられている。なお、水路蓋部２５と基板配置面１１との間には、冷却水の漏れを防止する為に必要なパッキンやシール材などが適宜配置される。

冷却用流路２０は、第１の水路接続口２１と、第２の水路接続口２２と、流路本体２３とを有し、冷却水が流れる。

流路本体２３は、左右方向に延びる第１の流路２３ａ、前後方向に延びる第２の流路２３ｂ、左右方向に延びる第３の流路２３ｃとを有し、全体として略コ字状に設けられている。

流路本体２３には樹脂製で板状の水路蓋部２５が設けられており、流路本体２３が基板配置面１１の上面において密閉されている。水路蓋部２５において、第１の流路２３ａとなる部分には、複数（ここでは３つ）のパワーモジュール４０が取り付けられている。また、第３の流路２３ｃの部分には、図示しないフィルムコンデンサ等の電子部品が配置される。

水路蓋部２５においてパワーモジュール４０が取り付けられる領域には、上下に貫通する開口が設けられており、パワーモジュール４０の下面に設けられたピン状の放熱部材４５がこの開口から第１の流路２３ａ内に延びている。これによって、パワーモジュール４０の放熱部材４５が直接冷却水により冷却される。なお、放熱部材４５の形状は、ピン状に限らずフィン状であってもよく、冷却水により冷却可能であれば各種の形状を採用することができる。

第１の水路接続口２１は、冷却水の導入口として機能する。第２の水路接続口２２は冷却水の排出口として機能する。第１の水路接続口２１と第２の水路接続口２２とは、ベース部１の右側側面に並んで配置され、それぞれが第１の流路２３ａ、第３の流路２３ｃに連結している。より具体的には、例えば図２に示すように、第１の水路接続口２１はベース部１の右側の側面下側か左側にパイプ状に延出して、連結部２１ａで上方向に屈曲して流路本体２３（第１の流路２３ａ）に連結している。第２の水路接続口２２も、第１の水路接続口２１と同様の構成により、第３の流路２３ｃと連結している。

このような冷却用流路２０の構成によると、第１の水路接続口２１から冷却用流路２０内に導入された冷却水は、第１の流路２３ａにおいてパワーモジュール４０（放熱部材４５）を冷却し、第２の流路２３ｂ、第３の流路２３ｃを順に流れ、第２の水路接続口２２から外部に排出される。なお、インバータ装置１００が取り付けられるモータが水冷式である場合、その冷却流路と冷却用流路２０とが接続されてもよい。

＜部品配置部１６＞
部品配置部１６は、図示で基板配置面１１に凹状に形成されており、さらに底面の一部が貫通している。部品配置部１６には、配電盤３が配置され、配電盤３のバスバー４が上記の貫通孔を介して外部から電力をインバータ回路３０に供給する。

＜基板固定部１８＞
ベース部１の基板配置面１１には、インバータ回路３０の第１および第２の回路基板５０、６０を固定するための複数の基板固定部１８を有する。基板固定部１８は、円柱形状でボス状に延出している。

本実施形態では、図２に示すように、パワーモジュール４０の上に２段の高さで第１および第２の回路基板５０、６０が取り付けられる。この配置に対応するために、第１の流路２３ａの両サイド（手前側および奥側）に基板固定部１８は、第１の回路基板５０を取り付けるための低い基板固定部１８と、第２の回路基板６０を取り付けるための高い基板固定部１８との２種類設けられている。

基板固定部１８の呈する円柱形状は、延出先端側ほど外径が狭くなっている。これによって、ベース部１を樹脂成形する際に、基板固定部１８のボス形状において、金型を抜くときの抜き勾配が設けられることで、成形時の反りを防止できる。

＜端子台１９＞
基板配置面１１には、第１の流路２３ａの両サイド（手前側および奥側）に、複数の端子台１９が設けられている。手前側の３つの端子台１９には、配電盤３のバスバー４が取り付けられるとともに、パワーモジュール４０から延びるリードフレーム４８がネジ等で取り付けられる。奥側の３つの端子台１９には、パワーモジュール４０から延びるリードフレーム４８が取り付けられるとともに第１の回路基板５０等から延びる配線（図示せず）が固定される。

＜絶縁隔壁部１７＞
基板配置面１１には、部品配置部１６と冷却用流路２０（第１の流路２３ａ）の間の領域、より具体的には、端子台１９よりも手前側に、絶縁隔壁部１７が設けられている。絶縁隔壁部１７は、所定高さのリブ状に設けられており、部品配置部１６に配置される配電盤３とインバータ回路３０とを確実に絶縁する。なお、絶縁隔壁部１７を乗り越えるようにしてバスバー４が端子台１９まで延びている。

＜インバータケース１０の材料＞
インバータケース１０を構成するベース部１とカバー部２は、熱硬化性樹脂の硬化物で形成される。ベース部１とカバー部２は同じ材料で形成されてもよいし、異なる材料で形成されてもよい。具体的には、熱硬化性樹脂として、例えばフェノール樹脂組やエポキシ樹脂組成物が挙げられ、硬化剤や無機充填剤等が適宜含有される。

フェノール樹脂としては、例えばフェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ビスフェノールＡノボラック樹脂等のノボラック型フェノール樹脂、レゾール型フェノール樹脂等が挙げられる。

エポキシ樹脂としては、一分子中にエポキシ基を２個以上有するものであれば特に分子量や構造は限定されるものではない。
エポキシ樹脂としては、例えばフェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のノボラック型エポキシ樹脂；ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂；Ｎ，Ｎ－ジグリシジルアニリン、Ｎ，Ｎ－ジグリシジルトルイジン、ジアミノジフェニルメタン型グリシジルアミン、アミノフェノール型グリシジルアミンのような芳香族グリシジルアミン型エポキシ樹脂；ハイドロキノン型エポキシ樹脂；ビフェニル型エポキシ樹脂；スチルベン型エポキシ樹脂；トリフェノールメタン型エポキシ樹脂；トリフェノールプロパン型エポキシ樹脂；アルキル変性トリフェノールメタン型エポキシ樹脂；トリアジン核含有エポキシ樹脂；ジシクロペンタジエン変性フェノール型エポキシ樹脂；ナフトール型エポキシ樹脂；ナフタレン型エポキシ樹脂；ナフチレンエーテル型エポキシ樹脂；フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル型エポキシ樹脂、フェニレンおよび／またはビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル型エポキシ樹脂等のアラルキル型エポキシ樹脂等のエポキシ樹脂、またはビニルシクロヘキセンジオキシド、ジシクロペンタジエンオキシド、アリサイクリックジエポキシ－アジペイド等の脂環式エポキシ等の脂肪族エポキシ樹脂が挙げられる。これらは単独でも２種以上混合して使用しても良い。
エポキシ樹脂を含む場合、芳香族環にグリシジルエーテル構造あるいはグリシジルアミン構造が結合した構造を含むものが、耐熱性、機械特性、および耐湿性の観点から好ましい。

硬化剤は、熱硬化性樹脂に好ましい態様として含まれるエポキシ樹脂が選択される場合に、三次元架橋させるために用いられるものである。硬化剤としては、特に限定されないが、例えばフェノール樹脂を用いることができる。このようなフェノール樹脂系硬化剤は、一分子内にフェノール性水酸基を２個以上有するモノマー、オリゴマー、ポリマー全般であり、その分子量、分子構造を特に限定するものではない。
フェノール樹脂系硬化剤としては、例えば、フェノールノボラック樹脂、クレゾールノボラック樹脂、ナフトールノボラック樹脂等のノボラック型樹脂；トリフェノールメタン型フェノール樹脂等の多官能型フェノール樹脂；テルペン変性フェノール樹脂、ジシクロペンタジエン変性フェノール樹脂等の変性フェノール樹脂；フェニレン骨格及び／又はビフェニレン骨格を有するフェノールアラルキル樹脂、フェニレン及び／又はビフェニレン骨格を有するナフトールアラルキル樹脂等のアラルキル型樹脂；ビスフェノールＡ、ビスフェノールＦ等のビスフェノール化合物、ナフテン酸コバルト等のナフテン酸金属塩等が挙げられる。これらは、１種類を単独で用いても２種類以上を併用してもよい。

無機充填剤としては、ケース材に用いられる樹脂組成物の技術分野で一般的に用いられる無機充填剤（フィラーや強化繊維）を使用することができる。無機充填剤としては、例えば溶融破砕シリカ及び溶融球状シリカ等の溶融シリカ、結晶シリカ、アルミナ、カオリン、タルク、クレイ、マイカ、ロックウール、ウォラストナイト、ガラスパウダー、ガラスフレーク、ガラスビーズ、ガラスファイバー、炭化ケイ素、窒化ケイ素、窒化アルミ、カーボンブラック、グラファイト、二酸化チタン、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、炭酸バリウム、炭酸マグネシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム、セルロース、アラミド、木材、フェノール樹脂成形材料やエポキシ樹脂成形材料の硬化物を粉砕した粉砕粉等が挙げられる。この中でも、溶融破砕シリカ、溶融球状シリカ、結晶シリカ等のシリカが好ましく、溶融球状シリカがより好ましい。また、この中でも、炭酸カルシウムがコストの面で好ましい。無機充填剤としては、一種で使用しても良いし、または二種以上を併用してもよい。

インバータケース１０（ベース部１やカバー部２）を樹脂製とすることで、他部材への密着性を改善でき、かつ軽量化を実現できる。また、樹脂製であることで、成形性・加工性が優れているため設計の自由度が大幅に高まるとともに、振動を吸収し、騒音を低下させることができる。
なお、熱硬化性樹脂に含まれるフィラーの含有率は６０体積％以上であり、好ましくは７０％以上である。これによって、一層の軽量化と高い機械的強度を実現できる。

＜インバータケース１０の物性＞

ベース部１やカバー部２を形成する熱硬化性樹脂のＭＤ（機械方向）線膨張係数は、例えば、１０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下にすることができる。下限値は、好ましくは１５ｐｐｍ以上である。上限値は好ましくは３５ｐｐｍ以下であり、より好ましくは３０ｐｐｍ以下である。

ベース部１やカバー部２を形成する熱硬化性樹脂のＴＤ（横断方向）線膨張係数は、例えば、１０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下にすることができる。下限値は、好ましくは１５ｐｐｍ以上である。上限値は好ましくは３５ｐｐｍ以下であり、より好ましくは３０ｐｐｍ以下である。

熱硬化性樹脂のＭＤ線膨張係数やＴＤ線膨張係数を上記範囲とすることで、インバータ装置１００を高温下で使用した場合であっても、インバータケース１０の熱による変形を抑えることができる。

ベース部１やカバー部２を形成する熱硬化性樹脂のガラス転移温度は１６０℃以上、好ましくは１８０℃以上にすることができる。ガラス転移点が高いことで、インバータ装置１００を高温下で使用することができる。

＜電磁波シールド層（めっき層）＞
インバータケース１０のベース部１やカバー部２の外表面には、電磁波シールド層が設けられている。電磁波シールド層は、めっき層で構成されている。めっき層は１つの層から構成されていても複数の層を有してもよい。また、めっき層は、好ましくはベース部１やカバー部２の外表面全体に設けられている。

ベース部１やカバー部２へのめっきの種類は、無電解めっきでもよいし電解めっきでもよい。樹脂成形体であるベース部１やカバー部２とめっき層との密着性を向上する観点では、無電解めっき層が好ましい。めっき層を複数層で構成する場合は、ベース部１やカバー部２側（内側）を無電解めっきとして、外側を電解めっきとしてもよい。

めっき層は、金属層であり、たとえば、これらの層は独立して、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｆｅ、Ａｕおよびこれらの合金からなる群から選択される１または２種以上を含む層とすることができる。例えば、電磁波シールド性と耐候性を両立する観点から、内側のめっき層を電磁シールド性の高いＣｕ層とし、外側のめっき層を耐候性が高いＮｉ層とすることができる。

めっき層の全体の厚さは、電磁波シールド性の向上の観点から、例えば０．１μｍ以上１００μｍ以下とすることができる。

＜実施形態のまとめ＞
本実施形態の特徴を纏めるとつぎの通りである。
（１）一方の面にインバータ回路３０が取り付けられるベース部１と、ベース部１を覆うカバー部２と、を備えるインバータケース１０であって、
ベース部１は樹脂組成物で構成される。
インバータ装置１００のインバータケース１０を樹脂製とすることで、他部材への密着性を改善でき、かつ軽量化を実現できる。また、樹脂製であることで、成形性・加工性が優れているため設計の自由度が大幅に高まるとともに、振動を吸収し、騒音を低下させることができる。
（２）ベース部１は、インバータ回路３０が取り付けられる面（基板配置面１１）の一部を壁面（水路壁１５）とする冷却用流路２０を備える。
冷却用流路２０により、インバータ装置１００（より具体的にはパワーモジュール４０）を効果的に冷却できる。また、冷却用流路２０が樹脂製であるので、金属製と異なり、防錆性や漏電防止の観点で好ましい。
（３）樹脂組成物は、熱硬化性樹脂の硬化物を含む。インバータケース１０が熱硬化性樹脂で構成されるので、インバータ装置１００が高温に晒される場合でも十分高い強度を維持できる。
（４）熱硬化性樹脂に含まれるフィラーの含有率は６０体積％以上である。これによって軽量化と高い機械的強度を両立できる。
（５）熱硬化性樹脂のＭＤ線膨張係数は１０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下である。これによってインバータケース１０の熱による変形を抑えることができる。
（６）熱硬化性樹脂のＴＤ線膨張係数は１０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下である。これによってインバータケース１０の熱による変形を抑えることができる。
（７）熱硬化性樹脂のガラス転移温度は１６０℃以上である。これによって、インバータ装置１００が高温下で使用される場合であっても、インバータケース１０が熱によって変形することを抑制できる。
（８）ベース部１はインバータ回路３０を固定するためのボス状に延出する基板固定部１８を有し、基板固定部１８は、延出先端側ほど外径が狭くなっている。
これによって、ベース部１を成形する際に、金型を抜く際に反りが発生してしまうことを防止できる。
（９）ベース部１は電磁波シールド層（例えばめっき層）を備える。これによって、ノイズ等の影響を抑え、インバータ回路３０の動作を安定させることができる。
（１０）ベース部１は、インバータ回路３０とは別の部品（例えばバスバー４、配電盤３）を配置する部品配置部１６と、
部品配置部１６とインバータ回路３０が取り付けられる領域との間に設けられた隔壁（絶縁隔壁部１７）とを有する。
これによって、絶縁隔壁部１７をベース部１の成形時に一体に設けることができ、後加工を回避でき、また、インバータ回路３０と他の部品との絶縁を効果的に実現できる。
（１１）インバータ装置１００は、上述のインバータケース１０と、
インバータケース１０に取り付けられたインバータ回路３０と、
を有し、
インバータ回路３０が有する放熱部材４５が、インバータケース１０の冷却用流路２０の内部に面している。

以上、本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１ ベース部
２ カバー部
３ 配電盤
４ バスバー
５ ネジ
１０ インバータケース
１１ 基板配置面
１５ 水路壁
１６ 部品配置部
１７ 絶縁隔壁部
１８ 部品配置部
１９ 端子台
２０ 冷却用流路
２１ 第１の水路接続口
２２ 第２の水路接続口
２３ 流路本体
２３ａ 第１の流路
２３ｂ 第２の流路
２３ｃ 第３の流路
２５ 水路蓋部
３０ インバータ回路
４０ パワーモジュール
４３ 半導体チップ
４５ 放熱部材
５０ 第１の回路基板
６０ 第２の回路基板

Claims (11)

1. 一方の面にインバータ回路が取り付けられるベース部と、前記ベース部を覆うカバー部と、を備えるインバータケースであって、
   前記ベース部は樹脂組成物で構成される、
   インバータケース。
2. 前記ベース部は、前記インバータ回路が取り付けられる面の一部を壁面とする冷却用流路を備える、請求項１に記載のインバータケース。
3. 前記樹脂組成物は、熱硬化性樹脂の硬化物を含む、請求項１または２に記載のインバータケース。
4. 前記熱硬化性樹脂に含まれるフィラーの含有率は６０体積％以上である、請求項３に記載のインバータケース。
5. 前記熱硬化性樹脂のＭＤ線膨張係数は１０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下である、請求項３または４に記載のインバータケース。
6. 前記熱硬化性樹脂のＴＤ線膨張係数は１０ｐｐｍ以上４０ｐｐｍ以下である、請求項３から５までのいずれか１項に記載のインバータケース。
7. 前記熱硬化性樹脂のガラス転移温度は１６０℃以上である、請求項３から６までのいずれか１項に記載のインバータケース。
8. 前記ベース部は前記インバータ回路を固定するためのボス状に延出する基板固定部を有し、
   前記基板固定部は、延出先端側ほど外径が狭くなっている、請求項１から７までのいずれか１項に記載のインバータケース。
9. 前記ベース部は電磁波シールド層を備える、請求項１から８までのいずれか１項に記載のインバータケース。
10. 前記ベース部は、
    前記インバータ回路とは別の部品を配置する部品配置部と、
    前記部品配置部と前記インバータ回路が取り付けられる領域との間に設けられた隔壁とを有する、請求項１から９までのいずれか１項に記載のインバータケース。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項に記載のインバータケースと、
    前記インバータケースに取り付けられたインバータ回路と、
    を有し、
    前記インバータ回路が有する放熱部材が、前記インバータケースの冷却用流路の内部に面している、インバータ装置。

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