JP2024055057A - 電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機器の強度を維持するとともに、電気機器の周囲の温度が急変しても、電気機器の内部空間の温度変化を小さくし、内部空間を形成する内壁面における結露を防止する。【解決手段】電気部品と、電気部品支持部と、外側フレームと、内側フレームと、を備える電気機器であって、電気部品支持部と内側フレームとの間には、内部空間が形成され、電気部品は、内部空間に設置され、外側フレームと内側フレームとの間には、断熱層が設けられている。【選択図】図１

Description

本開示は、電気機器に関する。

ゼロカーボン社会の実現に向け、各国においてＣＯ_２排出規制が強く求められており、化石燃料を使用するエンジンの代替として、動力系統の電動化が盛んに進められている。あらゆるエンジン駆動のモビリティ製品において、パワーエレクトロニクス機器の適用が検討され、その出力密度の向上が求められている。これに伴い、パワーエレクトロニクス機器には、世界中のあらゆる気候に適用できることが求められている。航空機においては、急激な高度の変化に対応できる耐環境性が必須となる。同時に、冷却性能向上、高電圧化、軽量化などが求められ、そのための技術開発が進められている。

特許文献１には、腐食や温度変化の環境条件に耐えることができ、且つ、放熱効果、信頼性に優れた冷却構造を有する電力変換装置として、筐体に収納されたスイッチング素子及び制御部を、液体冷媒を強制循環させる冷媒通路を設けて熱交換するようにしたものが開示されている。

特許文献２には、ハイブリッド車両に搭載されたＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）として、コンデンサおよびインバータをケース体に収容し、ケース体の壁面の少なくとも一部にウェーブ構造を設けることにより、コンデンサで発生する振動が車両本体に伝達することを抑制するとともに、コンデンサ素子が、樹脂モールドおよび樹脂ケースを介してケース体と一体に設けられた構成により、コンデンサ素子で発生した熱を、積極的にケース体を介して、冷却水通路に流れる冷却水に放熱されるようにして、冷却効率を向上するものが開示されている。

特開２００４－２７４９５９号公報 特開２００７－２２０７９４号公報

特許文献１及び２においては、ケースに収容された電気部品の冷却のための構成が開示されている。

ケースに収容された電気部品を有する電気機器においては、冷却も重要な課題であるが、低気圧下での放電、急激な外気温変化による結露や着氷、耐雷性等も課題となっている。

本開示は、電気機器の強度を維持するとともに、電気機器の周囲の温度が急変しても、電気機器の内部空間の温度変化を小さくし、内部空間を形成する内壁面における結露を防止することを目的とする。

本開示の電気機器は、電気部品と、電気部品支持部と、外側フレームと、内側フレームと、を備え、電気部品支持部と内側フレームとの間には、内部空間が形成され、電気部品は、内部空間に設置され、外側フレームと内側フレームとの間には、断熱層が設けられている。

本開示によれば、電気機器の強度を維持するとともに、電気機器の周囲の温度が急変しても、電気機器の内部空間の温度変化を小さくし、内部空間を形成する内壁面における結露を防止することができる。

実施例１の電気機器を示す模式断面図である。 実施例２の電気機器を示す模式断面図である。 実施例２の変形例の電気機器を示す模式断面図である。 実施例３の電気機器を示す模式断面図である。 実施例３の変形例の電気機器を示す模式断面図である。 実施例４の電気機器を示す模式断面図である。 実施例５の電気機器を示す模式断面図である。

以下、本開示に係る実施例について、図面を参照して詳細に説明する。

なお、本明細書においては、電気をエネルギー源として機能する電気機器及び電子機器を「電気機器」と総称する。電気機器には、電力変換装置も含まれる。

図１は、実施例１の電気機器を示す模式断面図である。

本図に示す電気機器は、液冷機構を有する電力変換装置である。電力変換装置は、スイッチング素子１と、基板２と、基板支持部２１と、熱伝導部材２２と、外側フレーム９０と、内側フレーム９１と、断熱層９２と、を備えている。

基板支持部２１には、液体流路８が設けられている。基板支持部２１には、基板２及び熱伝導部材２２が設置されている。スイッチング素子１は、熱伝導部材２２に接するように配置されている。

断熱層９２は、外側フレーム９０と内側フレーム９１との間に設けられている。これらは、スイッチング素子１、基板２及び熱伝導部材２２を覆うように基板支持部２１に固定されている。これにより、基板支持部２１と内側フレーム９１との間に内部空間が形成されている。内部空間は、外部と空気の出入りがないように完全に密封されている。スイッチング素子１、基板２及び熱伝導部材２２は、内側フレーム９１に接しないように構成されている。内部空間には、乾燥空気等が封入されている。

スイッチング素子１は、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）又はパワーモジュールを含む。基板支持部２１は、金属製である。なお、本明細書においては、スイッチング素子１のように通電することにより機能する部品を「電気部品」と総称する。

外側フレーム９０は、アルミニウム合金、ステンレス鋼等の金属製であり、スイッチング素子１のカバーとしての強度を担っている。外側フレーム９０の厚さは、材質にもよるが、２～３ｍｍ程度が望ましい。一方、内側フレーム９１は、比較的軽量の材料を用いる。例えば、ポリメチルメタクリレート（アクリル樹脂）、ポリプロピレン等の樹脂、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、カーボン、紙、木材等、又はこれらのいずれかで形成されたハニカム構造材等である。

断熱層９２は、真空が維持される場合、乾燥空気等の気体が封入されている場合、固体の断熱材が充填される場合などがある。固体の断熱材を使用する場合、軽量断熱材が望ましく、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコーン等の発泡樹脂等が好適である。また、グラスウール、シリカ粉等を芯材とする真空断熱材等も望ましい。なお、断熱層９２の材料は、これらに限定されるものではない。

外側フレーム９０、断熱層９２及び内側フレーム９１の三層構造により、強度を維持するとともに、電力変換装置の周囲の温度が急変しても、電力変換装置の内部空間の温度変化を緩やかにすることができ、結果的に温度変化を小さくすることができる。また、内部空間には、乾燥空気等が封入されているため、水蒸気がほとんど存在しない。これにより、内側フレーム９１に結露が生じることがないようになっている。さらに、このような三層構造により、比較的軽量でかつ高強度の断熱構造を得ることができる。

また、外側フレーム９０を金属製としたことにより、落雷が生じても、電力変換装置の内部にノイズ電流が生じにくくなり、誤動作を生じにくくすることができる。

基板支持部２１と熱伝導部材２２との接触面積、及びスイッチング素子１と熱伝導部材２２との接触面積は、スイッチング素子１に発生する熱が十分に除去されるように、十分広くすることが望ましい。また、基板支持部２１の液体流路８は、液体流路８を流れる液体が熱伝導部材２２から十分に熱を除去できるように配置することが望ましい。液体流路８に流れる液体の例としては、水、鉱油、フルオロカーボン系冷却材、植物油などが挙げられる。なお、本明細書においては、液体流路８に流れる液体による電力変換装置等の冷却について説明しているが、本開示に係る電気機器の冷却機構は、これに限定されるものではなく、空気等の気体によるもの、相変化を伴う冷媒によるもの等であってもよい。具体的には、強制空冷によるものやヒートパイプを用いるものであってもよい。

液体流路８を有する基板支持部２１は、接地電位とすることが望ましい。基板支持部２１は、アルミニウム合金、ステンレス鋼、銅合金その他の金属で形成されることが望ましい。

低気圧環境下においては、部分放電開始電圧は、大気圧下に比べて大きく低下する。よって、電圧が印加される面と接地される面においては、空気よりも部分放電開始電圧が１０倍程度高い固体もしくは液体を適用する必要がある。

電圧が高い、電界ストレスが高いなどにより部分放電開始が懸念される場合、例えばスイッチング素子１の周辺のような電気的ストレスの高い部分には、シリコーン等の固体絶縁材で被覆することが望ましい。これにより、低気圧下における部分放電を発生しにくくすることができる。固体絶縁材としては、このほか、ポリフェニレンサルファイド樹脂（ＰＰＳ）、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステルなどが好適である。

本実施例においては、実施例１と異なる構成についてのみ説明する。

図２Ａは、実施例２の電気機器を示す模式断面図である。

本図においては、内側フレーム９１にベントフィルタ９９（調整弁）を設けている。

内部空間に封入されているスイッチング素子１、基板２等からは、スイッチング素子１等の発熱による温度上昇により、揮発性のガスが発生することがある。このような揮発性のガスは、内部空間の圧力を高める場合がある。ベントフィルタ９９は、このような場合に内部空間のガスを断熱層９２に放出し、圧力上昇を緩和する機能を有する。

（変形例）
図２Ｂは、変形例の電気機器を示す模式断面図である。

本図においては、ベントフィルタ９９は、外側フレーム９０、断熱層９２及び内側フレーム９１を貫通している。この場合、ベントフィルタ９９には、シリカゲル等の除湿材を入れておくことが望ましい。除湿材により、水蒸気を含む外気が内部空間に流入することを防止することができる。

ベントフィルタ９９が必要か否かは、内部空間に設置されている部品の性質に依存する。例えば、電力変換装置に電解コンデンサ（図示しない）が設置されている場合等は、ベントフィルタ９９が必要な場合がある。なお、電解コンデンサの代わりに、セラミックコンデンサやフィルムコンデンサを用いる場合には、ベントフィルタ９９を必要としない場合もあり得る。

電力変換装置の駆動中に大きな温度上昇が予想される場合においては、外側フレーム９０及び内側フレーム９１には、ベントを目的として小さな穴を設け、電力変換装置内部の保全性を確保することもある。

本実施例においては、実施例１と異なる構成についてのみ説明する。

図３は、実施例３の電気機器を示す模式断面図である。

本図においては、外側フレーム９０と内側フレーム９１との間に、実施例１の断熱層９２の代わりに、空気層９３を設けている。空気層９３は、通常の大気の成分である窒素約８０％及び酸素約２０％を含むものがコスト及び絶縁性の面から望ましい。

（変形例）
図４は、実施例３の変形例の電気機器を示す模式断面図である。

本図においては、外側フレーム９０と内側フレーム９１との間に真空層９４を設けている。真空層９４の内部の気圧は、１Ｐａ以下が望ましく、１０^－１Ｐａ以下が更に望ましく、１０^－３Ｐａ以下が更に望ましい。

本実施例においては、実施例１と異なる構成についてのみ説明する。

図５は、実施例４の電気機器を示す模式断面図である。

本図においては、外側フレーム９０と内側フレーム９１との間に、軽量断熱材９５を設けている。軽量断熱材９５としては、例えば、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、シリコーン等の発泡樹脂等が好適である。また、グラスウール、シリカ粉等を芯材とする真空断熱材等も望ましい。なお、軽量断熱材９５は、これらに限定されるものではない。

また、本図においては、外側フレーム９０の外表面及び内側フレーム９１の内部空間側に温度センサ４１を設けている。これにより、内外の温度データを取得し、温度変化に応じて液体流路８を流れる液体の流量等の冷却に寄与するパラメータを調整する制御が可能となる。この場合、内部空間の温度変化が極力発生しないようにすることが望ましい。

例えば、本実施例の電気機器の周囲温度が高い場合、電気機器の使用時における内部空間の温度は高くなると考えられ、この場合は、冷却性能を高めるために液体流路８に流れる流量等を大きくする。一方、周囲温度が高い状態から、周囲温度が低くなる条件、例えば、上空や水中（海水中）に移動した場合には、内部空間の熱が外側フレーム９０の表面からも除去される。この場合には、内部空間に水蒸気が含まれると、急激な温度変化により内側フレーム９１の内部空間側に結露が発生するおそれがある。上述のとおり、軽量断熱材９５を用いるとともに、液体流路８に流れる流量等を調整することにより、結露の発生を防止することができ、電気機器の漏電等による故障を防止することができる。

本実施例においては、実施例１と異なる構成についてのみ説明する。

図６は、実施例５の電気機器を示す模式断面図である。

本図においては、バスバ４８で外部と電気的に接続する構成を有し、ＢＮＣコネクタ４９（Ｂａｙｏｎｅｔ Ｎｅｉｌｌ－Ｃｏｎｃｅｌｍａｎ ｃｏｎｎｅｃｔｏｒ）を設けることにより、接続の作業を容易にすることができる。

なお、上記の実施例においては、電気機器は、基板２、基板支持部２１及び熱伝導部材２２を有しているが、本開示に係る電気機器は、これらの部品を必ずしも有していなくてもよく、基板支持部２１に代えて、電気部品を支持する部材を有するものであってもよい。そして、当該部材と内側フレーム９１との間に内部空間が形成された構成であってもよい。本明細書においては、基板支持部２１及び当該部材を「電気部品支持部」と総称する。

なお、本開示に係る電気機器は、航空機、輸送機器、建設機械等のモビリティ全般にも適用可能である。

以下、本開示に係る電気機器の望ましい実施形態について、まとめて説明する。

外側フレームは、金属材料で構成され、内側フレームは、非金属材料で構成されている。

断熱層は、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン及びシリコーンのうちいずれか一つ以上を含む発泡樹脂、又はグラスウール及びシリカ粉のうちいずれか一つ以上を芯材として含む真空断熱材で構成されている。

内側フレームは、ポリメチルメタクリレート及びポリプロピレンのうちいずれか一つ以上を含む樹脂、繊維強化プラスチック、カーボン、紙及び木材のうちいずれか一つ以上を含む材料、又はこれらのいずれか一つ以上を含むハニカム構造材で構成されている。

外側フレームは、アルミニウム合金及びステンレス鋼のうちいずれか一つ以上を含む。

電気部品支持部には、液体流路が設けられている。

外側フレームの外表面及び内側フレームの内部空間側には、温度センサが配置され、これらの温度センサにより外側フレームの外部及び内部空間の温度データを取得し、液体流路を流れる液体の流量を含む冷却に寄与するパラメータを調整する制御をするように構成されている。

外部と電気的に接続するバスバ及びＢＮＣコネクタを有する。

電気部品の全部又は一部は、固体絶縁材で被覆されている。

以下、本開示に係る電気機器の効果について、まとめて説明する。

外側フレームを金属で形成することにより、有機物で形成された部品が雷により発火することを防止するとともに、電気部品に過電流が発生することを防止することができる。また、ノイズを吸収することができる。

断熱することにより、電気機器の内部の温度を制御しやすくすることができる。

さらに、小型の電気機器である電力変換ユニットを複数用いて、モータを駆動すれば、モータへの電力供給に冗長性を持たせることができ、モータの運転時の安全性を向上することができる。

また、低気圧下での放電を防止するとともに、急激な外気温変化による結露や着氷に対し動作を保証することができる。

高高度環境での絶縁不良、結露発生に起因した腐食、耐雷サージによる誤作動などを防止することができる。

１：スイッチング素子、２：基板、８：液体流路、２１：基板支持部、２２：熱伝導部材、４１：温度センサ、９０：外側フレーム、９１：内側フレーム、９２：断熱層、９３：空気層、９４：真空層、９５：軽量断熱材、９９：ベントフィルタ。

Claims (10)

1. 電気部品と、
   電気部品支持部と、
   外側フレームと、
   内側フレームと、を備え、
   前記電気部品支持部と前記内側フレームとの間には、内部空間が形成され、
   前記電気部品は、前記内部空間に設置され、
   前記外側フレームと前記内側フレームとの間には、断熱層が設けられている、電気機器。
2. 前記外側フレームは、金属材料で構成され、
   前記内側フレームは、非金属材料で構成されている、請求項１記載の電気機器。
3. 前記断熱層は、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン及びシリコーンのうちいずれか一つ以上を含む発泡樹脂、又はグラスウール及びシリカ粉のうちいずれか一つ以上を芯材として含む真空断熱材で構成されている、請求項１記載の電気機器。
4. 前記内側フレームは、ポリメチルメタクリレート及びポリプロピレンのうちいずれか一つ以上を含む樹脂、繊維強化プラスチック、カーボン、紙及び木材のうちいずれか一つ以上を含む材料、又はこれらのいずれか一つ以上を含むハニカム構造材で構成されている、請求項１記載の電気機器。
5. 前記外側フレームは、アルミニウム合金及びステンレス鋼のうちいずれか一つ以上を含む、請求項１記載の電気機器。
6. 前記電気部品支持部には、液体流路が設けられている、請求項１記載の電気機器。
7. 前記外側フレームの外表面及び前記内側フレームの前記内部空間側には、温度センサが配置され、
   これらの温度センサにより前記外側フレームの外部及び前記内部空間の温度データを取得し、前記液体流路を流れる液体の流量を含む冷却に寄与するパラメータを調整する制御をするように構成されている、請求項６記載の電気機器。
8. 外部と電気的に接続するバスバ及びＢＮＣコネクタを有する、請求項１記載の電気機器。
9. 前記電気部品の全部又は一部は、固体絶縁材で被覆されている、請求項１記載の電気機器。
10. 電力変換装置である、請求項１記載の電気機器。

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