JP4702311B2 - コンデンサを備えた電気ユニット - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサを備えた電気ユニットに関し、特に、コンデンサおよびコンデンサと異なる電子部品を筐体の内部に収容する電気ユニットに関する。

モータを駆動源とする電気自動車やハイブリッド車両が実用化されている。モータには、バッテリの電力が昇圧されたり変換されたりして供給される。モータに電力を供給するための電子部品（たとえばインバータを構成する半導体素子）は、通常、筐体に収容されて外部から保護されている。近年、スペース確保の観点から、モータに電力を供給するための電子部品を収容する筐体の小型化が要求されている。このような筐体を小型化する技術が、たとえば特開２００４−３１２９２５号公報（特許文献１）に開示されている。

この公報に開示された電気機器は、インバータ回路と、上部が開口され下部にインバータ回路を格納するケースと、インバータ回路に接続されるコンデンサと、コンデンサを格納するハウジングとを含む。コンデンサを格納するハウジングは、インバータ回路を格納するケースの上部の外周面に接続される。インバータとコンデンサとの間には、インバータ制御基板が設けられる。

この公報に開示された電気機器によると、インバータを格納するケース上部の開口部を、コンデンサを格納するハウジングにより閉じることができる。そのため、ケースの開口部を閉じるためだけの部材を設けることなく、コンデンサ、インバータ回路およびインバータ制御基板を外部から保護することができる。このようにすると、ケースの開口部を閉じるためだけの部材のスペースを削減することができるため、電気機器を小型化することができる。
特開２００４−３１２９２５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電気機器においては、インバータ回路等からの熱線がコンデンサに与える影響について考慮されていない。すなわち、インバータ回路やインバータ制御基板に実装される回路は、通電することにより発熱して、熱線を放射する。放出された熱線がコンデンサに吸収されてコンデンサの温度が上昇すると、コンデンサの機能が低下してしまうおそれがある。特に、ケースの小型化によって、インバータ回路等とコンデンサとの距離が一層短くなる傾向にあり、インバータ回路等からの熱線がコンデンサの温度上昇に与える影響は一層大きくなる傾向にある。

本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、コンデンサおよびコンデンサと異なる電子部品を筐体の内部に収容する電気ユニットであって、コンデンサの温度上昇を抑制することができる電気ユニットを提供することである。

第１の発明に係る電気ユニットは、コンデンサと、コンデンサを収容する筐体と、筐体に収容され、通電することにより機能を発現して発熱する電子部品と、電子部品とコンデンサとの間に設けられ、電子部品から放射される熱を反射する反射板とを含む。

第１の発明によると、筐体内部にコンデンサと電子部品とが収容される。この電子部品は、通電されると発熱する。電子部品とコンデンサとの間には、電子部品から放射される熱（熱線）を反射する反射板が設けられる。そのため、電子部品が発熱して熱線を放射した場合であっても、コンデンサの方向に放射された熱線がコンデンサに直接吸収されることが抑制される。その結果、コンデンサと電子部品とを筐体に収容する電気ユニットであって、コンデンサの温度上昇を抑制することができる電気ユニットを提供することができる。

第２の発明に係る電気ユニットにおいては、第１の発明の構成に加えて、反射板の素材には、熱反射率が高く、かつ熱伝導率が高い材料が用いられる。反射板は、コンデンサに当接した状態で筐体に接続される。

第２の発明によると、反射板の素材は、熱反射率が高く、かつ熱伝導率が高い。さらに、反射板は、コンデンサに当接した状態で筐体に接続される。そのため、電子部品から放射される熱線を反射板により反射するとともに、コンデンサの熱を反射板を経由させて筐体に積極的に伝達することができる。そのため、コンデンサの温度上昇をより抑制することができる。

第３の発明に係る電気ユニットにおいては、第２の発明の構成に加えて、反射板は、熱伝導率が高い締結部材により筐体に接続される。

第３の発明によると、反射板は、熱伝導率が高い締結部材により筐体に接続される。そのため、反射板に伝達されたコンデンサの熱を、結合部材を経由させて筐体に伝達することができる。

第４の発明に係る電気ユニットにおいては、第１〜３のいずれかの発明の構成に加えて、反射板の素材は、アルミニウムである。

第４の発明によると、熱反射率が高くかつ熱伝導率が高いアルミニウムを素材とする反射板により、電子部品からの熱線を多く反射するとともに、コンデンサの熱を多く筐体に伝達することができる。

第５の発明に係る電気ユニットにおいては、第１〜４のいずれかの発明の構成に加えて、コンデンサは、筐体に当接する。

第５の発明によると、コンデンサが筐体に当接するので、コンデンサの熱が直接筐体に伝達される。そのため、コンデンサの温度上昇をより抑制することができる。

第６の発明に係る電気ユニットにおいては、第１〜５のいずれかの発明の構成に加えて、筐体は、外側に冷媒流路が設けられた壁面を備える。

第６の発明によると、筐体の壁面が冷媒流路により冷却されるので、電子部品から筐体内部に放出された熱がより多く筐体へ伝達される。これにより、筐体内部の温度上昇が抑制されるので、コンデンサの温度上昇を抑制することができる。

第７の発明に係る電気ユニットにおいては、第６の発明の構成に加えて、電子部品は、壁面の内側に当接する半導体素子である。

第７の発明によると、半導体素子の熱が壁面を経由して冷媒流路に伝達されるので、半導体素子から筐体内部に放出される熱量を低減することができる。これにより、筐体内部の温度上昇がより抑制されるので、コンデンサの温度上昇をより抑制することができる。

第８の発明に係る電気ユニットは、第６の発明の構成に加えて、壁面の内側に当接する半導体素子が備えられる。電子部品は、半導体素子より筐体の内側に設けられた基板に実装され、半導体素子を制御する電子部品である。

第８の発明によると、半導体素子より筐体の内側に設けられた、半導体素子を制御する電子部品から放射される熱線を反射板により反射することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１を参照して、本実施の形態に係る電力制御ユニット（以下、ＰＣＵ（Power Control Unit）とも記載する）５００が搭載されたハイブリッド車両のモータ駆動用回路について説明する。なお、ＰＣＵ５００が搭載される車両は、ハイブリッド車両に限定されず、電気自動車であってもよい。また、本発明に係る電力制御ユニットは、車両に搭載されることに限定されない。

このモータ駆動用回路は、昇圧コンバータ１００と、コンデンサ２００と、インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂと、モータジェネレータ４００Ａ，４００Ｂとを含む。

昇圧コンバータ１００は、昇圧用ＩＰＭ１１０と、リアクトル１２０とを含む。昇圧用ＩＰＭ１１０は、２つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、ＩＧＢＴのエミッタ側からコレクタ側に電流を流すように、各ＩＧＢＴにそれぞれ並列に接続された２つのダイオードとを含む。リアクトル１２０は、一方端が走行用バッテリの電源ラインに接続され、他方端が昇圧用ＩＰＭ１１０の２つのＩＧＢＴの中間点に接続される。

昇圧コンバータ１００は、図示しないＥＣＵ（Electronic Control Unit）からの指令信号に基づいて昇圧用ＩＰＭ１１０の各ＩＧＢＴのゲートをオン／オフ（通電／遮断）することにより、走行用バッテリから供給された直流電圧を昇圧してコンデンサ２００に供給する。また、昇圧コンバータ１００は、ハイブリッド車両の回生制動時、車両駆動用のモータジェネレータ４００Ａ，４００Ｂによって発電され、インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂによって変換された直流電圧を降圧して走行用バッテリへ供給する。なお、昇圧コンバータ１００および各ＩＧＢＴには、周知の技術を利用すればよいため、ここではさらなる詳細な説明は繰返さない。

コンデンサ２００は、昇圧コンバータ１００から供給された直流電力の電圧を平滑化し、その平滑化された直流電力をインバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂへ供給する。なお、コンデンサ２００は、通電することにより発熱する。

インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂは、６つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）と、ＩＧＢＴのエミッタ側からコレクタ側に電流を流すように、各ＩＧＢＴにそれぞれ並列に接続された６つのダイオードとを含む。インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂは、ＥＣＵからの指令信号に基づいて各ＩＧＢＴのゲートをオン／オフ（通電／遮断）することにより、走行用バッテリから供給された電流を、直流電流から交流電流に変換し、モータジェネレータ４００Ａ，４００Ｂに供給する。なお、インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００ＢおよびＩＧＢＴには、周知の技術を利用すればよいため、ここではさらなる詳細な説明は繰返さない。

昇圧用ＩＰＭ１１０およびインバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂを構成する各ＩＧＢＴは、ゲートをオン／オフ（通電／遮断）することにより発熱する。なお、以下の説明においては、昇圧用ＩＰＭ１１０と、インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂとを、１つのモジュールとして設けられたＩＰＭ５３０とも記載する。なお、必ずしも、昇圧用ＩＰＭ１１０と、インバータ用ＩＰＭ３００Ａ，３００Ｂとが、１つのモジュールとして設けられることに限定されない。ＩＰＭ５３０の発熱量は、コンデンサ２００の発熱量よりも多い。

図２〜図４を参照して、本実施の形態に係るＰＣＵ５００について説明する。図２に示すように、ＰＣＵ５００は、アルミ製のケース５１０および底板５２０によって内部が密閉される。

ケース５１０は、下方が開放された略直方体の筐体である。ケース５１０の下方の外周面と底板５２０とが当接するようにボルト（図示せず）で固定される。

ケース５１０と底板５２０とで形成されるＰＣＵ５００の内部の空間には、ＩＰＭ５３０と、制御基板５４０と、コンデンサ２００とが収容される。

ＩＰＭ５３０は、底板５２０の上面に当接するように設けられる。なお、ＩＰＭ５３０は、放熱板（図示せず）を介在させて底板５２０の上面に当接するように設けられてもよい。

制御基板５４０は、ゲートドライバやトランス等の電子部品を備えた制御回路を実装する長方形状の板であり、ＩＰＭ５３０の上方に設けられる。制御基板５４０は、ＩＰＭ５３０と接続線５３２で電気的に接続される。制御基板５４０に実装された制御回路は、ＥＣＵからの指令信号に基づいて、ＩＰＭ５３０の各ＩＧＢＴのオンオフを制御する制御信号を生成し、ＩＰＭ５３０に送信する。この制御信号に基づいてＩＰＭ５３０が制御されることにより、モータジェネレータ４００Ａ，４００Ｂの出力が制御される。制御基板５４０に実装される制御回路は、通電することにより発熱する。なお、制御基板５４０に実装される電子部品は、通電することにより発熱する電子部品であれば、ＩＰＭ５３０の制御回路であることに限定されない。

コンデンサ２００は、略直方体のハウジング２１０に収容される。ハウジング２１０の側面の外側には、固定ボルト２１４が貫通する座面部２１２が設けられる。固定ボルト２１４は、後述するように、ケース５１０の上面の内側から下方に突出する突出部５１２（図４参照）に締結される。これにより、コンデンサ２００がケース５１０に固定され、コンデンサ２００の位置は、制御基板５４０より上方になる。固定ボルト２１４の素材には、熱伝導率が高い金属（たとえばアルミニウム）が用いられる。

コンデンサ２００の下面から下方に突出するバスバー２１６と、ＩＰＭ５３０の側面に設けられた接続端子５３４とが接続されることにより、コンデンサ２００とＩＰＭ５３０とが電気的に接続される。

図３は、コンデンサ２００およびケース５１０を、図２の矢印Ａの方向から見た図である。図３に示すように、コンデンサ２００のハウジング２１０の内部には、コンデンサ素子本体（図示せず）を内部に埋め込んだ樹脂製のポッテイング材２３０が充填される。

反射板２２０は、ポッテイング材２３０のコンデンサ素子本体より下方側には、略長方形状の反射板２２０が埋め込まれている。これにより、反射板２２０は、コンデンサ２００と当接するとともに、制御基板５４０に実装される制御回路とコンデンサ素子本体との間に設けられる。反射板２２０は、コンデンサ２００の下面全体に設けられる。反射板２２０の素材には、熱反射率が高く、かつ熱伝導率が高いアルミニウムが用いられる。なお、反射板２２０の素材は、熱反射率が高く、かつ熱伝導率が高い材料であれば、特にアルミニウムに限定されない。反射板２２０の四隅には、ポッテイング材２３０の外側に突出する端部２２２が設けられる。

図４は、ＰＣＵ５００を、図３の一点鎖線で示す面で切断した場合の断面図である。図４に示すように、固定ボルト２１４は、ハウジング２１０の座面部２１２と反射板２２０の端部２２２とを介在させて、ケース５１０の上面の内側から下方に突出する突出部５１２に締結される。これにより、ハウジング２１０の座面部２１２がケース５１０に当接する。固定ボルト２１４の頭部が反射板２２０に当接し、固定ボルト２１４の軸部がケース５１０に当接する。

底板５２０の内部には、冷却フィン５２４が設けられた冷却液通路５２２が設けられる。冷却液通路５２２には、冷却液（以下、ＬＬＣ（Long Life Coolant）とも記載する）が流れる。ＬＬＣは、冷却液通路５２２に沿って流れる際に、ＩＰＭ５３０やケース５１０から伝達された熱を冷却フィン５２４等から吸収する。すなわち、ＩＰＭ５３０やケース５１０の熱が冷却液通路５２２を流れるＬＬＣに放出される。ＬＬＣは、電動ウォータポンプ（図示せず）により、ラジエータ（図示せず）と冷却液通路５２２との間を循環する。ＬＬＣの熱は、ラジエータ（図示せず）を経由して外気に放出される。

以上のような構造に基づく、本実施の形態に係るＰＣＵ５００内部の熱の流れについて説明する。

ＰＣＵ５００の内部には、コンデンサ２００、ＩＰＭ５３０および制御基板５４０が収容される。ＩＰＭ５３０および制御基板５４０に実装される制御回路は、通電することにより発熱する。制御基板５４０に実装される制御回路とコンデンサ素子本体との間には、熱反射率が高いアルミニウムを素材とする反射板２２０が設けられる。

そのため、ＩＰＭ５３０および制御基板５４０に実装される制御回路が発熱して熱線を放射した場合であっても、図５の矢印Ｂに示すように、コンデンサ２００の方向に放射された熱線は、反射板２２０により反射され、コンデンサ素子本体に直接吸収されることが抑制される。これにより、コンデンサ２００の温度上昇を抑制することができるので、コンデンサ２００の機能の低下を抑制することができる。

さらに、ケース５１０の下方の外周面が、冷却液通路５２２が設けられる底板５２０と当接する。そのため、ケース５１０は底板５２０により冷却される。反射板２２０の端部２２２は、このように冷却されるケース５１０の突出部５１２に、熱伝導率が高い金属を素材とする固定ボルト２１４を経由して接続される。熱伝導率が高い反射板２２０が、コンデンサ２００と当接するように、ポッテイング材２３０に埋め込まれている。そのため、図５の矢印Ｃに示すように、コンデンサ２００の熱を、コンデンサ２００と当接する反射板２２０から固定ボルト２１４を経由させてケース５１０に積極的に伝達することができる。これにより、コンデンサ２００の温度上昇をより抑制することができる。

さらに、コンデンサ２００のハウジング２１０に設けられる座面部２１２は、ケース５１０の突出部５１２に直接当接する。そのため、図５の矢印Ｄに示すように、コンデンサ２００の熱は、座面部２１２を経由して直接ケース５１０に伝達される。そのため、コンデンサ２００の温度上昇をより抑制することができる。

さらに、ＩＰＭ５３０は底板５２０に当接するので、ＩＰＭ５３０で発生された熱の多くは、底板５２０の内部に設けられた冷却液通路５２２を流れるＬＬＣに伝達される。そのため、ＩＰＭ５３０からＰＣＵ５００の内部に放出される熱量が低減される。さらに、上述のようにケース５１０が底板５２０により冷却されるので、ＩＰＭ５３０からＰＣＵ５００の内部に放出された熱は、ケース５１０により多く伝達される。これらにより、ＰＣＵ５００の内部の温度上昇が抑制されるので、コンデンサ２００の温度上昇を抑制することができる。

以上のように、本実施の形態に係るＰＣＵによれば、ＩＰＭおよびＩＰＭを制御する制御回とコンデンサとの間に、熱反射率が高いアルミニウムを素材とする反射板が設けられる。そのため、ＩＰＭおよび制御回路から放射された熱線は、反射板により反射され、コンデンサに直接吸収されることが抑制される。これにより、コンデンサの温度上昇を抑制することができるので、コンデンサの機能の低下を抑制することができる。

＜第１の変形例＞
本実施の形態においては、ポッテイング材２３０に埋め込まれた反射板２２０について説明した。これに対し、本実施の形態に係る第１の変形例として、図６に示すように、ポッテイング材２３０に埋め込まれずにコンデンサ２００の下面全体を覆う反射板１２２０を設けるようにしてもよい。このようにすると、反射板１２２０より下方にポッテイング材２３０が存在しなくなるので、反射板２２０に比べて、熱線がコンデンサ素子本体に直接吸収されることをより抑制することができる。さらに、反射板１２２０をポッテイング材２３０に埋め込む必要がないので、反射板１２２０を容易にコンデンサ２００の下面に設けることがきる。

＜第２の変形例＞
本実施の形態においては、固定ボルト２１４を経由してケース５１０に接続される端部２２２を備えた反射板２２０について説明した。これに対し、本実施の形態に係る第２の変形例として、図７に示すように、固定ボルト２１４を経由してケース５１０に接続されるとともに、ケース５１０の側面の内側に当接するように伸ばされた端部２２２２を備えた反射板２２２０を設けるようにしてもよい。このようにすると、ケース５１０の上面に設けられた突出部５１２より底板５２０（冷却液通路５２２）に近いケース５１０の側面に反射板２２２０が当接されるので、コンデンサ２００の熱をより積極的にケース５１０に伝達することができる。これにより、コンデンサ２００の温度上昇をより抑制することができる。

＜第３の変形例＞
本実施の形態においては、ハウジング２１０の上面の外側がケース５１０の上面の内側に当接していないコンデンサ２００について説明した。これに対し、本実施の形態に係る第３の変形例として、図８に示すように、ハウジング２１０とケース５１０の上面との間に、空気より熱伝導率が高い樹脂製のポッテイング材２４０を充填してもよい。このようにすると、ハウジング２１０とケース５１０の上面とが空気である場合に比べて、ハウジング２１０からケース５１０に伝達される熱量が多くなる。そのため、コンデンサ２００の温度上昇をより抑制することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本実施の形態に係るＰＣＵが搭載されたハイブリッド車両のモータ駆動用回路図である。 本発明の実施の形態に係るＰＣＵを示す図（その１）である。 本発明の実施の形態に係るＰＣＵを示す図（その２）である。 本発明の実施の形態に係るＰＣＵの断面図である。 本発明の実施の形態に係るＰＣＵにおける熱の流れを示す図である。 本発明の実施の形態の第１の変形例に係るＰＣＵの断面図である。 本発明の実施の形態の第２の変形例に係るＰＣＵの断面図である。 本発明の実施の形態の第３の変形例に係るＰＣＵの断面図である。

符号の説明

１００ 昇圧コンバータ、１１０ 昇圧用ＩＰＭ、１２０ リアクトル、２００ コンデンサ、２１０ ハウジング、２１２ 座面部、２１４ 固定ボルト、２１６ バスバー、２２０ 反射板、２２２，２２２２ 端部、２３０，２４０ ポッテイング材、４００Ａ，４００Ｂ モータジェネレータ、５１０ ケース、５１２ 突出部、５２０ 底板、５２２ 冷却液通路、５２４ 冷却フィン、５３０ ＩＰＭ、５３２ 接続線、５３４ 接続端子、５４０ 制御基板、１２２０，２２２０ 反射板。

Claims (8)

1. コンデンサと、
   前記コンデンサを収容する筐体と、
   前記筐体に収容され、通電することにより機能を発現して発熱する電子部品と、
   前記電子部品と前記コンデンサとの間に設けられ、前記電子部品から放射される熱を反射する反射板とを含み、
   前記筐体は、前記電子部品よりも前記コンデンサに近い第１の壁面と、前記第１の壁面に対向し前記コンデンサよりも前記電子部品に近い第２の壁面とを有し、
   前記反射板は、前記コンデンサに当接した状態で締結部材により前記筐体の前記第１の壁面に接続される、電気ユニット。
2. 前記第１の壁面は、各々が前記筐体の内部に向かって突出する複数の突出部を有し、
   前記コンデンサは、前記複数の突出部の間の空間に収められ、
   前記締結部材は、前記複数の突出部に対応させて複数設けられ、
   複数の前記締結部材は、前記反射板に当接した状態で前記反射板を介在させて前記複数の突出部の先端部分にそれぞれ締結される、請求項１に記載の電気ユニット。
3. 前記コンデンサの側面には、前記複数の突出部に対応させて外側に延びるように形成された座面部が設けられ、
   複数の前記締結部材は、前記反射板に加えて前記座面部をさらに介在させて前記複数の突出部の先端部分にそれぞれ締結される、請求項２に記載の電気ユニット。
4. 前記反射板の素材には、熱反射率が高く、かつ熱伝導率が高い材料が用いられる、請求項１〜３のいずれかに記載の電気ユニット。
5. 前記反射板の素材は、アルミニウムである、請求項１〜３のいずれかに記載の電気ユニット。
6. 前記第２の壁面の外側には、冷媒流路が設けられる、請求項１〜５のいずれかに記載の電気ユニット。
7. 前記電子部品は、前記第２の壁面の内側に当接する半導体素子である、請求項６に記載の電気ユニット。
8. 前記電気ユニットには、前記第２の壁面の内側に当接する半導体素子が備えられ、
   前記電子部品は、前記半導体素子より前記筐体の内側に設けられた基板に実装され、前記半導体素子を制御する電子部品である、請求項６に記載の電気ユニット。

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