JP5838908B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールと冷却器とを備えた電力変換装置に関する。

例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等には、インバータ等の電力変換装置が搭載されている。該電力変換装置は、その電力変換回路を構成する半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを備えており、高出力かつ小型のものが望まれている。

また、冷却器は、半導体モジュールから発生する熱を効率よく除去するため、冷却器内に冷却媒体を流通させている。そのため、冷却器は、冷却器内に冷却媒体を導入する冷媒導入管と、冷却器外へ冷却媒体を排出する冷媒排出管とを備えている。

このような電力変換装置の例として、例えば特許文献１に開示された電力変換装置が提案されている。特許文献１に開示された電力変換装置は、冷媒導入管と冷媒排出管とが互いに並んで配置されている。そして、冷媒導入管と冷媒排出管とは、それぞれ支承部とクランプとに狭持され、フレームに固定されている。これにより、電力変換装置を車両等に配設し、冷媒導入管及び冷媒排出管に外部配管を接続する際等に、冷媒導入管及び冷媒排出管に対してその長手方向に直交する方向の外力が作用した時にも、冷媒導入管及び冷媒排出管が変位することを防ぎ、冷却器に負荷がかかることを防いでいる。

特開２０１２−１６２６４号公報

しかしながら、特許文献１に開示された電力変換装置は、上記クランプを使用する必要があるため、部品点数が増加する。また、これに伴い、電力変換装置の製造に当ってクランプを取り付ける工程が必要となるため、電力変換装置の高コスト化を招くおそれがある。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたもので、冷媒導排管の変位を規制でき、部品点数の少ない電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体素子を備えた半導体モジュールと、
一方が冷却媒体を導入し他方が冷却媒体を排出する一対の冷媒導排管を備え、上記半導体モジュールを冷却する冷却器と、
上記一対の冷媒導排管の長手方向と直交する高さ方向において互いに重ね合わされるケース本体と蓋体とを備え、上記半導体モジュール及び上記冷却器を収容するケースとを有し、
上記一対の冷媒導排管は、上記ケースにおける上記ケース本体と上記蓋体との間から突出しており、
上記ケース本体には、上記高さ方向における上記蓋体と反対側から上記一対の冷媒導排管をそれぞれ支承する支承部が配設されており、
上記蓋体には、上記一対の冷媒導排管に対して上記支承部と反対側から近接配置された蓋側規制部がそれぞれ形成されており、
該蓋側規制部は、
上記一対の冷媒導排管のそれぞれの外周面に沿って形成され、
また、上記蓋側規制部を近接させた上記冷媒導排管における上記高さ方向に直交する方向の幅が最も大きい最大幅部よりも、上記高さ方向における上記ケース本体側まで延びていることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置は、上記蓋体に、上記一対の冷媒導排管に対して上記支承部と反対側から近接配置された蓋側規制部が形成されている。そのため、上記一対の冷媒導排管は、上記一対の冷媒導排管と上記蓋側規制部とが当接した状態が限度となるように蓋体側への変位を規制される。すなわち、上記冷媒導排管は、上記支承部と上記蓋側規制部とによって、冷媒導排管の長手方向に直交する方向への変位が規制される。これにより、上記冷媒導排管に外力が作用しても、該冷媒導排管の変位を抑制することができる。

そして、上記蓋側規制部は、上記蓋体に形成したものであるため、上記一対の冷媒導排管の変位を、クランプ等の固定部材を用いずに規制することができる。そのため、部品点数を容易に削減することができる。また、上記ケース本体に対する上記蓋体の組み付けによって、一対の蓋側規制部を一対の冷媒導排管に近接配置することとなるため、上記電力変換装置の生産効率を向上させることができる。

以上のごとく、上記態様によれば、冷媒導排管の変位を規制でき、部品点数の少ない電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置を冷媒導排管の突出方向から見た平面図。 実施例１における、電力変換装置を冷媒導排管の並び方向から見た平面図。 図１のIII−III線矢視断面図。 実施例１における、電力変換装置のフレームをケース本体に収容した状態を高さ方向から見た平面図。 図４における、V−V線矢視断面図。 実施例２における、蓋側規制部を冷媒導排管のケース本体部側の外周端よりもケース本体部側まで延ばした電力変換装置の平面図。 実施例３における、端縁に屈曲リブを設けた蓋側規制部を冷媒導排管の突出方向から見た平面図。 図７のVIII−VIII線矢視断面図。

上記電力変換装置において、上記蓋側規制部は、上記一対の冷媒導排管のそれぞれの外周面に沿って形成されている。
これにより、より効果的に上記冷媒導排管の変位を規制することができる。

また、上記蓋側規制部は、該蓋側規制部を近接させた上記冷媒導排管の上記高さ方向における上記蓋体側の外周端よりも上記ケース本体側まで延びている。

さらに、上記蓋側規制部は、該蓋側規制部を近接させた上記冷媒導排管における上記高さ方向に直交する方向の幅が最も大きい最大幅部よりも、上記高さ方向における上記ケース本体側まで延びている。
それ故、上記冷媒導排管が上記長手方向及び上記高さ方向の双方に直交する方向の外力を受けても、その方向への上記冷媒導排管の変位をより効果的に規制することができる。

また、上記蓋側規制部は、該蓋側規制部を近接させた上記冷媒導排管における上記ケース本体側の外周端よりも上記ケース本体側まで延びていてもよい（請求項２）。
この場合には、上記冷媒導排管が上記長手方向に直交する方向の外力を受けても、その方向への上記冷媒導排管の変位をより効果的に規制することができる。

また、上記ケース本体は、上記一対の冷媒導排管をそれぞれ貫通させるとともに上記蓋体側に開口した管用切欠部を有し、該管用切欠部には、上記冷媒導排管の外周面と上記管用切欠部の端縁と上記蓋体との間の隙間を密封するグロメットが嵌合されていてもよい（請求項３）。
この場合には、上記電力変換装置の外部からの水分等の浸入を阻止することができる。

また、上記蓋側規制部は、上記冷媒導排管の突出方向から上記グロメットを覆うように配置されていてもよい（請求項４）。
この場合には、上記冷媒導排管の変位を、より先端部に近い位置において規制することができる。その結果、上記冷媒導排管の変位の大きさを容易に低減することができる。また、上記蓋側規制部により上記蓋体が補強されるため、上記グロメットとの当接部において、蓋体の強度を高めることができる。その結果、グロメットと蓋体とを大きな圧接力で圧接したときに蓋体が変形することを防ぎ、両者の間の水密性を向上させることができる。

また、上記蓋側規制部は、上記冷媒導排管と対向する端縁に、上記冷媒導排管の突出方向と平行な方向に向かって屈曲された屈曲リブを有していてもよい（請求項５）。
この場合には、上記屈曲リブにより上記蓋側規制部の端縁が補強される。そのため、上記一対の冷媒導排管が上記蓋側規制部の端縁と接触する場合に該端縁が変形しにくくなり、上記冷媒導排管の変位の規制をより確実に行うことができる。

また、上記半導体モジュールと上記冷却器とを保持し、上記ケース内部に収容されるフレームを有し、上記支承部が上記フレームに形成されていてもよい（請求項６）。
この場合には、上記半導体モジュールと上記冷却器との組み付けを上記ケースの外部において行うことができる。そのため、電力変換装置の組立作業を容易に行うことができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例を、図１〜図５を用いて説明する。電力変換装置１は、図１及び図４に示すごとく、半導体素子を備えた半導体モジュール１０と、半導体モジュール１０を冷却する冷却器２と、半導体モジュール１０及び冷却器２を収容するケース３とを有している。

冷却器２は、図４に示すごとく、一方が冷却媒体を導入し他方が冷却媒体を排出する一対の冷媒導排管２０を備えている。ケース３は、図１及び図２に示すごとく、一対の冷媒導排管２０の長手方向と直交する高さ方向において互いに重ね合わされるケース本体３０と蓋体３２とを備えている。一対の冷媒導排管２０は、図１に示すごとく、ケース３におけるケース本体３０と蓋体３２との間から突出している。ケース本体３０には、図４及び図５に示すごとく、高さ方向における蓋体３２と反対側から一対の冷媒導排管２０をそれぞれ支承する支承部４１が配設されている。

そして蓋体３２には、図１に示すごとく、一対の冷媒導排管２０に対して支承部４１と反対側から近接配置された蓋側規制部３３がそれぞれ形成されている。以下、一対の冷媒導排管２０の長手方向を「積層方向Ｘ」といい、積層方向Ｘと直交し、ケース本体３０と蓋体３２とが重なる高さ方向を「高さ方向Ｚ」という。また、積層方向Ｘと高さ方向Ｚとの双方に直交する方向を「横方向Ｙ」という。

ケース３を構成するケース本体３０及び蓋体３２はいずれも金属製であり、これらを組み合わせたケース３は、図１及び図２に示すごとく略直方体形状を呈している。ケース本体３０の積層方向Ｘにおける一方の側壁３００には、蓋体３２側に開口した一対の管用切欠部３１が設けられている。そして、一対の管用切欠部３１からは、円筒状の冷媒導排管２０が積層方向Ｘに向けてそれぞれ突出している。また、一対の管用切欠部３１には冷媒導排管２０の外周面と管用切欠部３１の端縁と蓋体３２との間の隙間を密封するグロメット１１が嵌合されている。

また、蓋体３２の端縁部には、図１に示すごとく、一対の蓋側規制部３３が配設されている。一対の蓋側規制部３３は、図３に示すごとく、蓋体３２の端縁部におけるグロメット１１と当接している部分が冷媒導排管２０の突出方向（積層方向Ｘ）に向けて延伸されるとともに、その先端部が高さ方向Ｚの冷媒導排管２０側に向けて屈曲されることにより形成されている。これにより、一対の蓋側規制部３３は、図１に示すごとく、冷媒導排管２０の突出方向からグロメット１１を覆うように配置されている。

蓋側規制部３３は一対の冷媒導排管２０のそれぞれの外周面に沿って形成されており、図１に示すごとく、蓋体３２側において冷媒導排管２０と対向する端縁が積層方向Ｘから見て略円弧状を呈している。また、蓋側規制部３３の冷媒導排管２０に対する両脇部分は、図１に示すごとく、冷媒導排管２０における横方向Ｙの幅が最も大きい最大幅部２３よりも、高さ方向Ｚにおけるケース本体３０側まで延びている。

また、蓋側規制部３３と冷媒導排管２０の外周面との間には、各部品の製造公差や組付公差を考慮した大きさのクリアランスが形成されている。クリアランスの大きさは、例えば２ｍｍ以下とすることができる。

半導体モジュール１０と冷却器２とは、図４に示すごとく、これらを四方から囲むフレーム４に保持された状態でケース本体３０に収容されている。また、フレーム４の積層方向Ｘにおける一方の壁部４００には一対の支承部４１が配設されている。一対の支承部４１は、それぞれ周囲よりも高さ方向Ｚに陥没するように形成されており、図５に示すごとく、積層方向Ｘから見た断面が略Ｖ字状を呈している。このように形成された支承部４１には、図４に示すごとく、それぞれ冷媒導排管２０が載置され、図５に示すごとく各冷媒導排管２０が支承部４１に対して２箇所において当接している。

冷却器２は、図４に示すごとく、内部に冷却媒体を流通させる冷媒流路を有する複数の冷却管２１を積層方向Ｘにおいて所定の間隔を設けて並べて配置すると共に、隣り合う冷却管２１同士を、その長手方向（横方向Ｙ）の両端部において連結管２２によって連結している。そして、積層方向Ｘの一端に配置された冷却管２１における長手方向の両端部に一対の冷媒導排管２０が接続されている。

半導体モジュール１０は、隣り合う冷却管２１の間に配置されており、半導体モジュール１０は、その両主面から一対の冷却管２１によって挟持されている。すなわち、複数の冷却管２１と複数の半導体モジュール１０とは交互に積層されている。

これにより、一方の冷媒導排管２０から導入された冷却媒体は、連結管２２を適宜通り、各冷却管２１に分配されると共にその長手方向に流通する。そして、各冷却管２１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール１０との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷却媒体は、下流側の連結管２２を適宜通り、他方の冷媒導排管２０に導かれ、冷却器２から排出される。

また、複数の冷却管２１と複数の半導体モジュール１０との積層体は、図４に示すごとく、積層方向Ｘの冷媒導排管２０が接続されている側と反対側からバネ部材４２によって積層方向Ｘに押圧されている。すなわち、フレーム４における支承部４１を有する一方の壁部４００に積層方向Ｘの一端に配された冷却管２１が接触し、フレーム４における他方の壁部４０１と積層体の他端に配された冷却管２１との間に、積層方向Ｘに広がる方向に付勢されたバネ部材４２が配置されている。バネ部材４２と冷却管２１との間には、冷却管２１の変形を防止するための当接板４２０が配置されている。

次に、本例の作用効果について説明する。電力変換装置１は、蓋体３２に、一対の冷媒導排管２０に対して支承部４１と反対側から近接配置された蓋側規制部３３が形成されている。これにより、冷媒導排管２０は、支承部４１と蓋側規制部３３とによって、冷媒導排管２０の高さ方向Ｚへの変位が規制される。

また、蓋側規制部３３は一対の冷媒導排管２０のそれぞれの外周面に沿って形成されており、蓋側規制部３３を近接させた冷媒導排管２０における横方向Ｙの幅が最も大きい最大幅部２３よりも、高さ方向Ｚにおけるケース本体３０側まで延びている。そのため、一対の冷媒導排管２０は、一対の冷媒導排管２０と蓋側規制部３３とが当接した状態が限度となるように蓋体３２側への変位を規制される。これにより、冷媒導排管２０に横方向Ｙへの外力が作用しても、冷媒導排管２０の変位をより効果的に規制することができる。

また、蓋側規制部３３は、蓋体３２に形成したものであるため、一対の冷媒導排管２０の変位を、クランプ等の固定部材を用いずに規制することができる。そのため、部品点数を容易に削減することができる。また、ケース本体３０に対する蓋体３２の組み付けによって、一対の蓋側規制部３３を一対の冷媒導排管２０に近接配置することとなるため、電力変換装置１の生産効率を向上させることができる。

また、ケース本体３０は、一対の冷媒導排管２０をそれぞれ貫通させるとともに蓋体３２側に開口した管用切欠部３１を有し、該管用切欠部３１には、冷媒導排管２０の外周面と管用切欠部３１の端縁と蓋体３２との間の隙間を密封するグロメット１１が嵌合されている。そのため、電力変換装置１の外部からの水分等の浸入を阻止することができる。

また、蓋側規制部３３は、冷媒導排管２０の突出方向（積層方向Ｘ）からグロメット１１を覆うように配置されている。そのため、冷媒導排管２０の変位を、より先端部に近い位置において規制することができる。その結果、冷媒導排管２０の変位の大きさを容易に低減することができる。また、蓋側規制部３３により蓋体３２が補強されるため、グロメット１１との当接部において、蓋体３２の強度を高めることができる。すなわち、グロメット１１と蓋体３２とを大きな圧接力で圧接したときに蓋体３２が変形することを防ぎ、両者の間の水密性を向上させることができる。

また、半導体モジュール１０と冷却器２とを保持し、ケース３内部に収容されるフレームを有しており、支承部４１がフレームに形成されている。これにより、半導体モジュール１０と冷却器２との組み付けをケース３の外部において行うことができる。そのため、電力変換装置１の組立作業を容易に行うことができる。

以上のごとく、本例によれば、冷媒導排管の変位を規制でき、部品点数の少ない電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１における蓋側規制部３３の形状を変更した例である。本例の蓋側規制部３３は、図６に示すごとく、冷媒導排管２０に対する両脇部分を、冷媒導排管２０におけるケース本体３０側の外周端２４よりもケース本体３０側まで延伸させている。その他は実施例１と同様である。なお、図６において用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例１と同様の構成要素等を表す。

本例では、蓋側規制部３３を冷媒導排管２０におけるケース本体３０側の外周端２４よりもケース本体３０側まで延びるように形成している。これにより、冷媒導排管２０が長手方向（積層方向Ｘ）に直交する方向、つまり高さ方向Ｚや横方向Ｙ等の種々の方向への外力を受けても、その方向への冷媒導排管２０の変位をより効果的に規制することができる。その他、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

（実施例３）
本例は、実施例２における蓋側規制部３３に屈曲リブ３４を形成した例である。本例の蓋側規制部３３は、図７及び図８に示すごとく、冷媒導排管２０と対向する端縁に、冷媒導排管２０の突出方向（積層方向Ｘ）と平行な方向に向かって屈曲された屈曲リブ３４を有している。屈曲リブ３４は、図８に示すごとく、その端縁が積層方向Ｘのケース３の内側に向かうように屈曲形成されている。その他は、実施例２と同様である。なお、図７及び図８において用いた符号のうち、実施例１または実施例２において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り実施例１または実施例２と同様の構成要素等を表す。

このように、蓋側規制部３３の冷媒導排管２０と対向する端縁に屈曲リブ３４を形成することにより、蓋側規制部３３の端縁が補強される。そのため、一対の冷媒導排管２０が蓋側規制部３３の端縁と接触する場合に端縁が変形しにくくなり、冷媒導排管２０の変位の規制をより確実に行うことができる。その他、実施例２と同様の作用効果を奏することができる。なお、屈曲リブ３４の形状は本例に限定されるものではなく、例えば屈曲リブ３４は積層方向Ｘにおけるケース３の外側へ向かって屈曲形成されていてもよい。また、屈曲リブ３４は必ずしも積層方向Ｘと平行である必要はなく、積層方向Ｘに対して斜めに形成されていてもよい。

また、実施例１〜３においては、蓋側規制部３３が蓋体３２の端縁から突出形成された例を示したが、蓋側規制部３３の位置はこれに限定されることはない。例えば、蓋側規制部３３を蓋体３２の内周部分、つまりケース本体３０と当接する端縁部分よりも内側の部分に形成する構成をとることも可能である。

また、蓋側規制部３３の形状も特に限定されることはなく、少なくとも支承部４１と反対方向への冷媒導排管２０の変位を抑制できる形状であればよい。

また、支承部４１をケース本体３０に一体的に形成する構成をとることも可能である。

また、実施例１〜３においては、冷媒流路を冷却管２１によって形成し、冷却管２１を半導体モジュール１０に接触させた例を示したが、半導体モジュール１０の冷却態様はこれに限定されるものではない。例えば、半導体モジュール１０に直接冷却媒体が接触するように冷媒流路を設けることもできる。

また、一対の冷媒導排管２０の突出方向は同一方向に限定されることはなく、例えば互いに反対方向に突出する構成や、互いに非平行な方向に突出する構成も可能である。

また、バネ部材４２と当接板４２０とを、半導体モジュール１０及び冷却器２に対して冷媒導排管２０とは反対側に配した例を示したが、これに限るものではなく、冷媒導排管２０を設けた側に配してもよい。つまり、例えば一対の冷媒導排管２０の間にバネ部材４２及び当接板４２０を配し、バネ部材４２により半導体モジュール１０と冷却器２との積層体が積層方向Ｘの冷媒導排管２０側から押圧されるよう構成することも可能である。

１ 電力変換装置
１０ 半導体モジュール
２ 冷却器
２０ 冷媒導排管
３ ケース
３０ ケース本体
３２ 蓋体
３３ 蓋側規制部
４１ 支承部

Claims (6)

1. 半導体素子を備えた半導体モジュール（１０）と、
   一方が冷却媒体を導入し他方が冷却媒体を排出する一対の冷媒導排管（２０）を備え、上記半導体モジュール（１０）を冷却する冷却器（２）と、
   上記一対の冷媒導排管（２０）の長手方向と直交する高さ方向において互いに重ね合わされるケース本体（３０）と蓋体（３２）とを備え、上記半導体モジュール（１０）及び上記冷却器（２）を収容するケース（３）とを有し、
   上記一対の冷媒導排管（２０）は、上記ケース（３）における上記ケース本体（３０）と上記蓋体（３２）との間から突出しており、
   上記ケース本体（３０）には、上記高さ方向における上記蓋体（３２）と反対側から上記一対の冷媒導排管（２０）をそれぞれ支承する支承部（４１）が配設されており、
   上記蓋体（３２）には、上記一対の冷媒導排管（２０）に対して上記支承部（４１）と反対側から近接配置された蓋側規制部（３３）がそれぞれ形成されており、
   該蓋側規制部（３３）は、
   上記一対の冷媒導排管（２０）のそれぞれの外周面に沿って形成され、
   また、上記蓋側規制部（３３）を近接させた上記冷媒導排管（２０）における上記高さ方向に直交する方向の幅が最も大きい最大幅部（２３）よりも、上記高さ方向における上記ケース本体（３０）側まで延びていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 請求項１に記載の電力変換装置（１）において、上記蓋側規制部（３３）は、該蓋側規制部（３３）を近接させた上記冷媒導排管（２０）における上記ケース本体（３０）側の外周端（２４）よりも上記ケース本体（３０）側まで延びていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 請求項１または２に記載の電力変換装置（１）において、上記ケース本体（３０）は、上記一対の冷媒導排管（２０）をそれぞれ貫通させるとともに上記蓋体（３２）側に開口した管用切欠部（３１）を有し、該管用切欠部（３１）には、上記冷媒導排管（２０）の外周面と上記管用切欠部（３１）の端縁と上記蓋体（３２）との間の隙間を密封するグロメット（１１）が嵌合されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
4. 請求項３に記載の電力変換装置（１）において、上記蓋側規制部（３３）は、上記冷媒導排管（２０）の突出方向から上記グロメット（１１）を覆うように配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）において、上記蓋側規制部（３３）は、上記冷媒導排管（２０）と対向する端縁に、上記冷媒導排管（２０）の突出方向と平行な方向に向かって屈曲された屈曲リブ（３４）を有していることを特徴とする電力変換装置（１）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置（１）において、上記半導体モジュール（１０）と上記冷却器（２）とを保持し、上記ケース（３）内部に収容されるフレーム（４）を有し、上記支承部（４１）が上記フレーム（４）に形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。

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