JP4429251B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関するものであり、特に小型軽量化が要求される電気自動車や、エンジンや回転機等の複数のコンポーネントを備えるハイブリッド車用の電力変換装置に係るものである。

従来の電力変換装置は、複数の電力変換用の半導体素子及び発熱性の電気部品を絶縁基板に設け、前記絶縁基板がケースの下蓋を構成する冷却プレート（冷却基板）に接合され、前記冷却プレートにケース上蓋をネジ止め等で固定してモジュールを構成し、前記冷却プレートの下面に接するように、開口を有するヒートシンクが設けられたものがある（例えば、特許文献１）。

特開２００１−３０８２４６号公報（０００６，図２）

前記特許文献１に示される電力変換装置は、冷却プレートとヒートシンクをボルトで締結する際、十分なシール効果が得られるように締結する前に冷却プレート（放熱フィン）の先端とヒートシンクが接触すると、シール部に必要な加圧力が得られなくなる。このため、放熱フィンの先端とヒートシンクの間に隙間を設ける必要があるが、冷却液がこの隙間を流れてしまい、冷却性能が低下するという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、放熱フィンの先端部とヒートシンクとの間の隙間をなくして冷媒が前記隙間を流れることを防止して、冷却性能を向上させた電力変換装置を提供するものである。

この発明に係る電力変換装置は、電力変換用半導体素子が実装されたパワーモジュールと、該パワーモジュールを冷却するための冷媒を有するヒートシンクを備え、ヒートシンクは上面に電力変換用半導体素子が設置され、下面には複数の放熱フィンが設けられた放熱基板と、開口部を有する冷却ケースとで構成されているものであり、複数の放熱フィンは冷却ケースに設けられた開口部に挿入されて組み付けられており、冷却ケースの開口部の外側には、冷媒のシールを行うためのシール材を配置したシール部が設けられており、複数の放熱フィンに対応する冷却ケースの開口部には、放熱フィンの先端部と接するように冷媒流動防止部材が設けられているとともに、シール材の圧縮変形率が冷媒流動防止部材の圧縮変形率よりも小さいものである。

この発明に係る電力変換装置は、上記のような構成を備えているので、放熱フィンと冷却ケース開口部の間の隙間を冷媒が流動することが防止され、複数の放熱フィンの放熱間隙を流動する冷媒の割合が増え、冷却性能を向上させた電力変換装置を得ることができる。

実施の形態の説明の前に、この発明をより理解し易くする為、放熱フィン部に関する課題を詳しく述べる。

本発明に係る電力変換装置は、基本的に電気自動車の駆動システムに適用される。ただし、この駆動システムは一例であり、ハイブリッド車の場合にはエンジンが、燃料電池車の場合には燃料電池システムがこの駆動システムに適宜付加される。しかし、いずれのシステムの場合も電力変換装置によって電動機を駆動・制御するシステムは基本的に同一であるため、最も基本的な電気自動車の駆動システムを例として説明する。

電気自動車に搭載される電力変換機は、車両への搭載スペースが限られることから、小型化の要求が非常に高い。したがって、電力変換装置の冷却構造においても、放熱フィンのピッチを小さくし、フィンの高さを低くして、冷却性能と小型化の両立を図る要求が増加している。

前記特許文献１に示される従来の電力変換装置の場合、放熱フィン（冷却プレート）とヒートシンクをボルトで締結する際、完全に締結する前に放熱フィンの先端とヒートシンクが接触すると、それ以上ボルトを締めてもシール部が密着しなくなる。
シール部材としてＯリングや固体ガスケットを用いる場合には、このような状態ではＯリングや固体ガスケットに十分な加圧力を与えることができず、必要なシール性能が得られなくなる。
また、液状ガスケットを用いる場合には、液状ガスケットの厚さにばらつきが生じ、安定したシール性能を確保することができなくなる。

このような状態になることを回避するため、シール部が密着しても、放熱フィンの先端とヒートシンクが接触しないよう、両者の間に隙間を設ける必要がある。この隙間は、電力変換装置の大きさ、冷却プレートの反り、フィン高さやヒートシンク深さの寸法ばらつきを考慮して決定されるが、従来より一般的に１ｍｍから３ｍｍ程度に設定されている。

放熱フィンのピッチが大きく、放熱フィン高さが高い場合には、放熱フィンの先端とヒートシンクの隙間が１ｍｍから３ｍｍ程度の場合、放熱フィン間の流動抵抗は放熱フィンの先端とヒートシンクの隙間の流動抵抗よりも十分に小さく、冷却液は主に放熱フィン間を流れるので、放熱フィンの先端とヒートシンクの隙間が冷却性能に与える影響は僅かであった。
しかしながら、最近の電力変換装置は放熱フィン高さが１０ｍｍ以下となるような電力変換装置が要求され、放熱フィンの先端とヒートシンクとの隙間が１ｍｍから３ｍｍ程度もあると、放熱フィン間の流動抵抗に比較して、冷却液がこの隙間を流れる割合が増加し、放熱フィン間を流れる冷却液の割合が減少するため、冷却性能が低下してしまう。

このような課題を解決するため、前記放熱フィンの先端とヒートシンクとの隙間を小さく設定することは次の理由からも容易でない。
すなわち、電力変換装置の小型化要求は厚さ方向と長手方向の双方にあるとは限らず、薄型化、半導体素子数の設置増加に伴う長尺化の場合もある。この長尺化要求の場合、放熱フィンのそり変形が増加しヒートシンクとの隙間が不均一となり、またこのそり変形のため放熱フィン先端とヒートシンクが接触する。従って薄型化や長尺化に伴い前記隙間はむしろ大きく設定することも必要となる。

この発明は以上のような課題を解決するためのものであって、以下に実施の形態の説明に移行する。

実施の形態１．
実施の形態１を図に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１による電力変換装置１００の構成を示す複数の放熱フィンを示す断面図であり、図２は、前記図１の直角方向の断面図である。図３は前記図１、図２のヒートシンクと冷媒の流れを示す概略平面図であり、前記図１は図３のＡ−Ａを、図２は図３におけるＢ−Ｂ断面を示す。

図１において、電力変換装置１００はパワーモジュール２０、ヒートシンク３０とで構成されている。パワーモジュール２０は絶縁板２上に少なくとも１以上の電力変換用半導体素子１や、図示省略した電気回路部品を搭載し、これらを覆う上蓋３とによって構成される。ヒートシンク３０は前記パワーモジュール２０の絶縁板３の下面に取り付けられ、複数の放熱フィン４ａが設けられた放熱基板４と、冷却ケース５とで構成されている。冷却ケース５には開口部５ａが設けられ、この開口部５ａに前記複数の放熱フィン４ａを挿入可能とする構造である。

図３に示すように、冷却ケース５の一方には冷媒の入口６ａと、他方に出口６ｂとが設けられており、入口６ａから供給される水や油等液状の冷媒や、空気、ガス等の気体状冷媒が、前記冷却ケース５に設けられた開口部５ａ内を流動して放熱フィン４ａや放熱基板４を介して熱交換し、出口６ｂより外部に排出される。従って放熱基板４は冷媒との接触面積を可能な限り増加させるため、複数の放熱フィン４ａが冷媒の流動方向に平行となるよう設けてある。
なお、放熱基板４の額縁部すなわち上蓋３の外側に位置する放熱基板４上には、ボルト締結用の非貫通のネジ穴９ａが、冷却ケース５にはボルト締結用のバカ穴がそれぞれ複数個設けられている。このバカ穴に冷却ケース５側からボルト９を挿入してパワーモジュール２０とヒートシンク３０とを後述するシール部７を介して締結している。
さらにパワーモジュール２０と他の電気部品との接続に用いる電極１０が上蓋３上に設けられている。なお、図１、図２において、電力変換用半導体モジュール１や図示省略の電気回路部品と前記電極との配線は省略している。

この実施の形態１では、図２に示すようにヒートシンク３０上に、前記したパワーモジュール２０が２個搭載されている例を示しているが、このパワーモジュール２０の個数は２個に限らず１個でも２個以上でも良いことは言うまでもない。
各パワーモジュール２０は、それぞれ独立したインバータ回路を構成している。なお、このような構成は、例えば２つのモジュールで１つのインバータ回路を構成し、１つの大容量回転電機を制御する場合に適用される。また図示省略したが、本ヒートシンク３０上には、例えばコンデンサ等の電気部品も実装されている。

パワーモジュール２０を冷却する冷媒は、図３に示す開口部５ａ内の冷媒の流れＬに沿って複数の放熱フィン４ａ間の放熱間隔４ｃを流動する。ここで、図１に示すように放熱フィン４ａと対向する冷却ケース５の開口部５ａと、前記放熱フィン４ａとの先端部４ｂとの間に、隙間Ｃが設けてある。この隙間Ｃの寸法は既述したように１ｍｍ〜３ｍｍ程度である。この実施の形態１ではこの隙間Ｃに冷媒流動防止部材１１が設けている。この冷媒流動防止部材１１としては、例えばゴムやウレタン樹脂、シリコーン樹脂などをシート状にしたもの、特にスポンジ状で僅かな荷重で大きく変形するものが好ましい。
この冷媒流動防止部材１１によって前記隙間Ｃが埋められることにより、従来技術のような隙間Ｃを流動する冷媒が無くなり、冷却効率が向上する。なおこの冷媒流動防止部材１１の圧縮変形率、つまり加えられる荷重に対して圧縮変化する割合は、後述するシール部７のシール材７ａの圧縮変形率より大きい。

ヒートシンク３０を構成する放熱基板４と冷却ケース５の開口部５ａの外側をとりまく環状の接触領域のシール部７に、シール材７ａが挿入されている。このシール材７の材質・種類については、例えば、ゴムやコンパウンドや金属、あるいはこれらを積層・複合した固体ガスケットや液状ガスケット、Ｏリング等が用いられる。また、図２、図３に示すようにシール材７ａは２個のシール材として設置しているが設置しやすさの観点から、部分的に結合させた１枚のガスケットにして、シール部７に挿入することもできる。
そして、このシール材７ａは圧縮変形率が、前記冷媒流動防止部材１１のそれよりも小さいものが選定されている。その理由は、冷却ケース５と放熱基板４とをボルト９にて締め付け組みつけようとする場合、前記放熱フィン４ａの先端部４ｂが前記冷媒流動防止部材１１に接触する。この接触は放熱基板４の製造上、取扱上の理由により、放熱基板４にそり変形が生じていた場合には局部的な接触、一方精度良い放熱基板４の場合には、全面的な接触となる。
いずれにしてもこの接触は、冷媒が隙間Ｃを流動するのを防止するものであり、放熱フィン４ａを積極的に冷媒流動防止部材１１に、食い込むように押し付ける必要がある。この場合、シール部７のシール材７ａの圧縮変形率より冷媒流動防止部材１１の圧縮変形率が小さい場合には、シール材７ａによる気密、液密を保持するために必要なつぶし代を与えることができない。従って、シール材７ａの圧縮変形率は冷媒流動防止部材１１より小さいことが必要である。

また、前記冷媒流動防止部材１１は冷却ケース５内に液状の樹脂、たとえば熱や化学反応によって硬化するシリコーン樹脂やエポキシ樹脂等を所望の厚みになるまで注入し、放熱基板４を組み付けた後に樹脂を硬化させる、あるいは硬化後も柔軟性を有する樹脂、たとえば熱や化学反応によって硬化するシリコーン樹脂等であれば、樹脂を硬化後に放熱基板４を組み付ける方法であってもよい。

また、図４に示すように弾性を有する波状板１３を設置してもよい。この波状板１３の材質としてはアルミや銅などの金属箔や樹脂などが適しているが、特にこれに限定するものではなく、放熱フィン４ａの先端部４ｂに押圧されて容易に変形する前述したシール材７ａより圧縮変形率が大きいものであればよい。また、波状板１３を金属で構成する場合、犠牲腐食を防止する観点から、波状板１３は冷却ケース５および放熱フィン４ａと同種の金属であることが望ましい。

またこの実施の形態１では、放熱基板４に冷却ケース５、締結用のメネジ穴９ａを設け、このメネジ穴９ａを非貫通とした。このため、パワーモジュール２０取り付け面側へ冷媒が漏れ出ることはない。

実施の形態２．
次に図５を用いて実施の形態２について説明する。
図５は図１、図２と同様の電力変換装置１００を示す断面図である。
この実施の形態２では、冷却ケース５の開口部５ａの放熱フィン４ａとの対向する面に複数の波状突起１４を設けている。この波状突起１４は、そのそれぞれの頂点が複数の放熱間隔４ｃ間に位置するように設けている。

本実施の形態２では、開口部５ａに波状突起１４を設けているので、部品点数を増加させることなく開口部５ａと放熱フィン４ａの先端部４ｂの間の隙間Ｃの面積を減少させ、冷媒の流動抵抗を増加させることで前記隙間Ｃを冷媒が流れることを抑制し、ひいては冷却性能の低下を抑制することができる。
なお、図５では波状突起１４を示したが、これに限らず鋸歯状や、球状、凸状等の突起形状であってもよく、これら複数の突起の間に前記放熱フィン４ａの先端部４ｂが配置されてもよい。

実施の形態３．
次に図６を用いて実施の形態３について説明する。
図６は電力変換装置１００を示す断面図である。
この実施の形態３では、放熱基板４下面には、放熱フィンとして、複数の舌状フィン４ｄを設けている。
この舌状フィン４ｄは放熱基板４の下面を切削することによって切り起こされた傾斜面が並んだ形状のものであり、例えば昭和アルミＫ・Ｋの商品名である昭和アルミスカイブ・フィンヒートシンクに用いられている。また、特公平０７−１０７４７９号公報にその舌状フィンの概要が記載されている。
この舌状の放熱フィン４ｄの先端を開口部５ａに押し付けるような舌状フィン高さ方向の寸法とし、舌状フィン４ｄを積極的に変形させ、前記隙間Ｃを埋める。なお、この舌状フィン４ｄの圧縮変形率は、シール材７ａより大きいことが必要である。
このようにこの実施の形態３では、舌状フィン４ｄを冷却ケース５の開口部５ａに押し付け、舌状フィン４ｄを積極的に変形させる構成としたので、隙間Ｃが無くなり、この間を冷媒が流動防止され、したがって冷却性能の低下もない。なお、前記舌状フィンは放熱基板の下面を削り出して形成することを示したが、前記放熱基板と同質の材料の舌状フィン板を別途準備し、放熱基板に真空ろう付けや溶接によって一体化してもよい。

この発明は、電気自動車や、エンジンや回転機等の複数のコンポーネントを備えるハイブリッド車用の電力変換装置に適用可能である。

この発明の実施の形態１の電力変換装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置を示す図１の直角方向の断面図である。 この発明の実施の形態１のヒートシンクと冷媒の流れを示す概略平面図である。 この発明の実施の形態１の他の実施例の電力変換装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態２の電力変換装置を示す断面図である。 この発明の実施の形態３の電力変換装置を示す断面図である。

符号の説明

１ 電力変換用半導体素子、４ 放熱基板、４ａ 放熱フィン、
４ｂ 放熱フィン先端部、４ｃ 放熱間隙、４ｄ 舌状フィン、５ 冷却ケース、
５ａ 開口部、７ シール部、７ａ シール材、１１ 冷媒流動防止部材、
１３ 波状板、２０ パワーモジュール、３０ ヒートシンク、１００ 電力変換装置。

Claims (6)

1. 電力変換用半導体素子が実装されたパワーモジュールと、該パワーモジュールを冷却するための冷媒を有するヒートシンクを備えた電力変換装置であって、前記ヒートシンクは上面に前記電力変換用半導体素子が設置され、下面には複数の放熱フィンが設けられた放熱基板と、開口部を有する冷却ケースとで構成されているものであり、前記複数の放熱フィンは前記冷却ケースに設けられた開口部に挿入されて組み付けられており、前記冷却ケースの開口部の外側には、前記冷媒のシールを行うためのシール材を配置したシール部が設けられており、前記複数の放熱フィンに対向する前記冷却ケースの開口部には、前記放熱フィンの先端部と接するように冷媒流動防止部材が設けられているとともに前記シール材の圧縮変形率が、前記冷媒流動防止部材の圧縮変形率よりも小さいことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記冷媒流動防止部材が樹脂材であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記冷媒流動防止部材が波状板であることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 電力変換用半導体素子が実装されたパワーモジュールと、該パワーモジュールを冷却するための冷媒を有するヒートシンクを備えた電力変換装置であって、前記ヒートシンクは上面に前記電力変換用半導体素子が設置された放熱基板と、開口部を有する冷却ケースとで構成されているものであり、前記放熱基板の下面には、複数の舌状フィンが設けられているとともに、前記冷却ケースの開口部の外側には、前記冷媒のシールを行うためのシール材を配置したシール部が設けられており、前記舌状フィンの先端部が前記開口部に接するように前記放熱基板と前記冷却ケースが組み付けられるとともに、前記シール材の圧縮変形率が前記舌状フィンの圧縮変形率より小さいことを特徴とする電力変換装置。
5. 前記複数の舌状フィン間に冷媒の流路を形成したことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記複数の舌状フィンは、前記放熱基板に溶接またはろう付けによって一体化されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。

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