JP5838926B2

JP5838926B2 - 電力変換装置とその製作方法

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Publication number: JP5838926B2
Application number: JP2012151852A
Authority: JP
Inventors: 清次小谷
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-07-05
Filing date: 2012-07-05
Publication date: 2016-01-06
Anticipated expiration: 2032-07-05
Also published as: JP2014017906A

Description

本発明は、電力変換回路を構成する電力変換装置とその製作方法に関するものである。

ハイブリッド車や電気自動車などの動力源である交流モータと車載直流バッテリの間に配設される電力変換装置として、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（もしくはパワーカード）と冷却管が交互に積層された半導体積層ユニットがケース内に収容された形態が一般に適用されている。

昨今、交流モータに要求される駆動力の増加に伴って増大する半導体モジュールの発熱量を如何に低減もしくは冷却するかが当該技術分野における重要な解決課題となっているが、上記するように半導体モジュールに冷却管が密着した構成となっていることにより、半導体モジュールの発熱に起因する半導体モジュールの温度上昇を効果的に抑制することができる。

また、上記構成の電力変換装置が特許文献１に開示されている。特許文献１で開示の電力変換装置は、フレームの一端（支承部）で半導体積層ユニットにおける積層方向の一端面を支承し、半導体積層ユニットの積層方向の他端面には半導体積層ユニットを積層方向に加圧する板ばね部材を配した装置である。また、板ばね部材は、フレームに対して積層方向にねじ込まれる螺合部材であるボルトによって締結されるようになっている。

特許文献１で開示の電力変換装置は、当該装置が掲げる従来技術に相当する電力変換装置の有する構成、具体的には、ケース内に板ばね部材を配設するとともにこの板ばね部材を固定ピンで支承する形態を有している。この装置は、固定ピンをケース内に配設するためにその分だけケース内のスペースが必要となり、電力変換装置の大型化を招いてしまうといった課題を解決することを目的としたものである。このような従来技術の有する課題を解消するべく、板ばね部材をフレームに対して積層方向にねじ込まれる螺合部材で締結したことにより、装置の小型化を図ることができ、しかも、ボルトで締結することから組み付け作業性にも優れているというものである。

しかしながら、特許文献１で開示の電力変換装置では、フレーム内に半導体積層ユニットを組み付けるに際し、より詳細には、フレーム内に半導体積層ユニットを配設し、さらに板ばね部材を配設した状態でボルト締結にて電力変換装置を組み付けるに際し、フレームに対する半導体積層ユニットの位置ずれを解消する方策が講じられていない。

実際にフレームに対する半導体積層ユニットの位置ずれを解消するには、固定用治具を用いてフレーム内における半導体積層ユニットの仮固定をおこない、この仮固定姿勢を維持しながら半導体積層ユニットの端部に板ばね部材を配設し、さらにこの姿勢を保持しながらボルトのねじ込みを実行する組み付け方法が適用されると考えられる。

このように、ボルト締結までの段階でフレームと半導体積層ユニットと板ばね部材の少なくとも３つの部材の相対的な位置決めを図り、さらにこの位置決め姿勢を維持しながらボルトのねじ込みを実行するのは容易な作業ではない。また、このように少なくとも３つの部材の相対的な位置決めを図った状態を一定時間保持する間に、相対位置がずれることが十分に想定され、相対位置がずれた際には各部材の位置決め姿勢を再度形成する必要があることから製造効率も好ましくない。このような観点から、特許文献１で開示の電力変換装置はその組み付け作業性に多分に改良の余地がある技術である。

特開２０１１−１０３７２８号公報

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、組み付け作業性に優れた電力変換装置とその製作方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明による電力変換装置は、冷媒が流入する流入管と冷媒が流出する流出管が間隔を置いて相互に併設し、該間隔に複数の半導体モジュールと複数の冷却管（第１の冷却管〜第ｎの冷却管）が交互に積層して配設されるとともに、それぞれの冷却管が流入管および流出管に流体連通してなる半導体積層ユニットが、少なくとも側面と底面から構成されるケース内で固定されてなる電力変換装置であって、前記流入管の冷媒流入孔を有する端部と前記流出管の冷媒流出孔を有する端部はともに、ケースの側面のうち流入管と流出管が貫通する第１の側面を貫通するように配設されており、第１の側面に最も近い位置にある第１の冷却管と、これに隣接する第２の冷却管の間であって半導体モジュールの側方の位置にはケースの底面もしくは側面から突設するリブが入り込み、第１の側面と第１の冷却管の間にスペーサが介在しており、第１の側面と対向する第２の側面と該第２の側面に最も近い位置にある第ｎの冷却管の間に押圧部材が介在しており、押圧部材による押圧力によって第１の冷却管がリブとスペーサによって締め付けられ、この締め付けられた箇所と押圧部材による押圧箇所で半導体積層ユニットの両端が固定されているものである。

本発明の電力変換装置は、半導体積層ユニットを構成する端部の２つの冷却管（第１の冷却管とこれに隣接する第２の冷却管）の間にケースの底面もしくは側面から突設するリブが入り込み、ケースの側面と第１の冷却管の間にスペーサが介在するとともに半導体モジュールが押圧部材で押圧された姿勢でケース内に固定された構造を有するものである。このリブとスペーサによって端部の第１の冷却管を挟み込むことにより、電力変換装置の製作過程において押圧部材で押圧して最終組み付けをおこなう前段における半導体モジュールのケース内での位置決めを保証することができる。

なお、半導体積層ユニットを構成する流入管と流出管はケースの第１の側面に設けられた貫通孔を貫通した姿勢で配設されるが、流入管と流出管の外径（もしくは外寸法）に比して貫通孔の内径（もしくは内寸法）は大きめに製作されているのが一般的であるため、単に流入管と流出管をケースの第１の側面に組み付けて貫通させただけでは半導体積層ユニットの位置決めは保証されない。

ここで、ケース、冷却管、流入管や流出管はいずれも、アルミニウムやその合金などから形成できる。

そして、隣接する冷却管の間には、半導体モジュール（もしくはパワーカード）が配設される。ここで、半導体モジュールの配設形態は任意であるが、たとえば２つの半導体モジュールが間隔を置いて冷却管内に配設される形態などが挙げられる。

また、流入管や流出管はそれぞれ、１本の管の形態でこれが複数の冷却管と流体連通する形態や、複数の冷却管の間に固有の連結管が配設され、この連結管と、冷媒が流入もしくは流出する端部流入管もしくは端部流出管の組み合わせからなる形態がある。すなわち、後者の形態では、端部流入管もしくは端部流出管と、それぞれに固有の複数の連結管が冷却管を介して離れた態様で流入管もしくは流出管を構成している。また、後者の形態では、たとえば連結管と冷却管の取付箇所にダイヤフラムを設けることで、隣接する冷却管の間の間隔をある程度変化させることが可能となる。

また、「スペーサ」は、押圧部材によって半導体積層ユニットが押圧された際に自身が圧縮変形することなく、その形状および寸法を保持できる剛性を有しているのが好ましい。

また、「リブ」も、ケースを構成する底面や側面と同様の素材から形成され、ケースの製作段階で一体成形されるのが好ましいが、ケースの底面や側面に突設するようにして接着や嵌め込み等で後付けされるものであってもよい。

さらに、「押圧部材」は、コイルバネや板バネのほか、冷却管等に比して変形性能のある定型の樹脂部材等を挙げることができる。

流入管や流出管が、連結管と、冷媒が流入もしくは流出する端部流入管もしくは端部流出管との組み合わせからなる形態（既述する後者の形態）の場合には、押圧部材で半導体積層ユニットが押圧された際に、連結管がスライドし、このスライドに応じて各冷却管（および冷却管で挟まれた半導体モジュール）もスライドし、最終的に各冷却管も各半導体モジュールも相互に所定の押圧力で押圧された状態で電力変換装置が構成される。本発明の電力変換装置においては、半導体積層ユニットを構成する端部の第１の冷却管がリブとスペーサによってケースに組み付けられている（固定されている）ことから、半導体積層ユニットを構成する部材同士が上記するように相互にスライドする場合であっても、半導体積層ユニットの位置決めは装置の製作初期段階から保証することができる。

また、本発明は電力変換装置の製作方法にも及ぶものであり、この製作方法は、冷媒が流入する流入管と冷媒が流出する流出管が間隔を置いて相互に併設し、該間隔に複数の半導体モジュールと複数の冷却管（第１の冷却管〜第ｎの冷却管）が交互に積層して配設されるとともに、それぞれの冷却管が流入管および流出管に流体連通してなる半導体積層ユニットが、少なくとも側面と底面から構成されるケース内で固定されてなる電力変換装置の製作方法であって、前記流入管の冷媒流入孔を有する端部と前記流出管の冷媒流出孔を有する端部をともに、ケースの側面のうち流入管と流出管が貫通する第１の側面に貫通するように配設するとともに、第１の側面に最も近い位置にある第１の冷却管と、これに隣接する第２の冷却管の間であって半導体モジュールの側方の位置にケースの底面もしくは側面から突設するリブを入り込ませ、かつ、第１の側面と第１の冷却管の間にスペーサを介在させることでケース内において半導体積層ユニットの一端を仮固定してその位置決めを図るステップ、第１の側面と対向する第２の側面と該第２の側面に最も近い位置にある第ｎの冷却管の間に押圧部材を押し込むことにより、押圧部材による押圧力によって第１の冷却管がリブとスペーサによって締め付けられ、この締め付けられた箇所と押圧部材による押圧箇所で半導体積層ユニットの両端を固定するステップからなるものである。

本発明の製作方法では、半導体積層ユニットの端部に位置する第１の冷却管をケースに固定されたリブとスペーサで挟んで半導体積層ユニットの仮固定を図り、その位置決めを保証した上で、押圧部材にて半導体積層ユニットとケースの本固定を図る方法である。

リブとスペーサは既にケースに固定されており、これらに第１の冷却管を挟んで半導体積層ユニットの仮固定を図ることから、押圧部材による組み付け前段階における複数部材の位置決め姿勢の保持が極めて容易となる。また、この位置決め姿勢を保持した状態で仮組み付けされた装置を移動等させた場合でもその組み付け姿勢を保持することができ、位置決め姿勢を保持した状態でのハンドリング性にも優れている。

このように本発明の製作方法によれば、ケースに設けられたリブとスペーサで半導体積層ユニットの端部に位置する第１の冷却管をケースに仮固定し、その後に押圧部材で押圧してケースと半導体積層ユニットの本固定を図ることから、製作過程における部材同士の位置決め姿勢を保持することができ、優れた組み付け作業性を奏することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明の電力変換装置とその製作方法によれば、半導体積層ユニットを構成する端部の２つの冷却管（第１の冷却管とこれに隣接する第２の冷却管）の間にケースの底面もしくは側面から突設するリブが入り込み、ケースの側面と第１の冷却管の間にスペーサが介在し、これらリブとスペーサにて半導体積層ユニットの端部を製作当初から仮固定してその位置決めを図ることができるため、押圧部材で押圧して最終組み付けをおこなうまでの製作過程における部材同士の位置決めを保証することができ、製作過程でのハンドリング性を向上させることができ、優れた組み付け作業性を実現することができる。

本発明の電力変換装置の製作方法の第１のステップを説明した平面図である。図１のII−II矢視図である。図１のIII−III矢視図である。電力変換装置の製作方法の第２のステップを説明した側面図である。製作された本発明の電力変換装置の平面図である。図５のVI−VI矢視図である。

以下、図面を参照して本発明の電力変換装置の製作方法とこの製作方法によって製作された電力変換装置の実施の形態を説明する。

（電力変換装置の製作方法）
図１は本発明の電力変換装置の製作方法の第１のステップを説明した平面図であり、図２は図１のII−II矢視図であり、図３は図１のIII−III矢視図である。また、図４は電力変換装置の製作方法の第２のステップを説明した側面図である。

まず、第１のステップとして、予め仮に組み付けられた半導体積層ユニット４をケース５に配設して仮固定を図る。

半導体積層ユニット４は、複数の冷却管（第１の冷却管２Ａ，第２の冷却管２Ｂ、以下、順に、２Ｃ〜２Ｇ，第ｎの冷却管２Ｈ）が、相互に連結管１Ａ’、１Ｂ’で相互にスライド自在に組み付けられ、第１の冷却管２Ａはさらに、端部流入管１Ａと端部流出管１Ｂに固定されてその全体が構成されている。

第１の冷却管２Ａと端部流入管１Ａおよび端部流出管１Ｂ、他の冷却管と連結管はいずれも、それらの有する中空が相互に流体連通するようにして半導体積層ユニット４が構成されている。具体的には、連結管１Ａ’、１Ｂ’と冷却管２Ａ〜２Ｈの取付箇所には不図示のダイヤフラムが設けてあり、この連結構造によって隣接する冷却管の間の間隔をある程度変化させることが可能となっている。

各冷却管２Ａ〜２Ｈ、連結管１Ａ’、１Ｂ’、端部流入管１Ａおよび端部流出管１Ｂはいずれも、アルミニウムもしくはその合金から形成されている。

一方、ケース５は、４つの側面を構成する第１の側面５Ａ，この第１の側面５Ａに対向する第２の側面５Ｂ、これらに直交する他の側面５Ｃと、半導体積層ユニット載置治具Ｊの出入りを自在とした治具出入開口５ｂを備えた底面５Ｄ（図２，３参照）から構成されている。

ケース５も、アルミニウムもしくはその合金から形成されている。

第１の側面５Ａには、端部流入管１Ａと端部流出管１Ｂが貫通する２つの管貫通孔５ａが開設されている。

また、底面５Ｄの内面には、端部流入管１Ａと端部流出管１Ｂのそれぞれに固有の連結管１Ａ’、１Ｂ’の一部を挟み込むリブ７，７が突設している。なお、図示例のリブ７はケース５の底面５Ｄから突設した形態であるが、たとえばケース５の側面５Ｃから突設して連結管１Ａ’、１Ｂ’の一部を挟み込む形態であってもよい。

予め組み付けられた半導体積層ユニット４をケース５の内部に移載し、第１の冷却管２Ａと第２の冷却管２Ｂの間の連結管１Ａ’、１Ｂ’をリブ７，７で挟み込むとともに、第１の冷却管２Ａとケース５の第１の側面５Ａの間の隙間に比較的硬質で図１の平面図における幅がt1のスペーサ６を介層させる。なお、このスペーサ６は、アルミニウムやその合金をはじめとする金属素材、硬質の樹脂素材、セラミックス素材などから形成できる。

また、この際に、半導体積層ユニット４を仮に支持する半導体積層ユニット載置治具Ｊを治具出入開口５ｂを介してケース５内に位置決めし、この上に半導体積層ユニット４を載置するとともに、第１の冷却管２Ａをリブ７とスペーサ６で挟み込むことにより、ケース５内で半導体積層ユニット４を仮固定する。ここで、半導体積層ユニット載置治具Ｊは、各冷却管を載置する平面と、この平面から突出して半導体モジュール３を支持する突起から構成されている。

隣接する冷却管の間には隙間が設けてあり、この隙間に２つの半導体モジュール３（もしくはパワーカード）が間隔を置いて配設されており、図示する第１のステップの段階では、半導体モジュール３は冷却管の間の隙間内に余裕をもって配設されているが、半導体積層ユニット載置治具Ｊにて下方から支持されていることから半導体モジュール３の配設状態も保持される。

また、第１のステップでケース５内に半導体積層ユニット４が仮固定された際に、半導体積層ユニット４の端部に位置する第ｎの冷却管２Ｈとケース５の第２の側面５Ｂの間には隙間Ｓが形成される。なお、図示例では、第ｎの冷却管２Ｈは、第１の冷却管２Ａから８番目の冷却管であるが、半導体積層ユニットを構成する冷却管の基数は図示例に何等限定されるものではない。

次に、第２のステップとして、図４で示すように、第ｎの冷却管２Ｈとケース５の第２の側面５Ｂの間に形成された隙間Ｓに押圧部材８を嵌め込んでいく（Ｙ１方向）。

図示する押圧部材８は板バネから形成されるものであるが、これ以外にも、コイルバネ、冷却管等に比して変形性能のある定型の樹脂部材等から形成されてもよい。

隙間Ｓへの押圧部材８の嵌め込みに呼応するようにして、半導体積層ユニット４を下から支持する半導体積層ユニット載置治具Ｊを治具出入開口５ｂから取り外していくことにより（Ｙ２方向）、半導体積層ユニット載置治具Ｊが押圧部材８の嵌め込みによって半導体積層ユニット４の構成部材が押し込まれてスライドする（Ｚ方向）ことの障害とならないようにする。

押圧部材８の嵌め込みにより、連結管１Ａ’、１Ｂ’と冷却管２Ａ〜２Ｈの取付箇所に設けられたダイヤフラムによる連結構造によって隣接する冷却管同士の隙間が狭くなり、冷却管の間の隙間内に余裕をもって配設されていた半導体モジュール３は両側から挟まれて冷却管に押圧された姿勢で密着することになる。

一方、比較的硬質なスペーサ６は当初の厚みt1を保持し、したがって、底面５Ｄに固定されたリブ７とスペーサ６で挟まれた第１の冷却管２Ａの位置は当初の仮固定段階の位置からスライドすることなく、他の冷却管が第１の冷却管２Ａ側に押し込まれてスライドしてくる。

この第２のステップにより、押圧部材８による押圧力によって第１の冷却管２Ａがリブ７とスペーサ６によって締め付けられ、この締め付けられた箇所と押圧部材８による押圧箇所で半導体積層ユニット４の両端が固定されて電力変換装置が製作される。

図示する電力変換装置の製作方法によれば、半導体積層ユニット４を構成する端部の２つの冷却管（第１の冷却管２Ａとこれに隣接する第２の冷却管２Ｂ）の間にケース５の底面５Ｄから突設するリブ７が入り込み、ケース５の第１の側面５Ａと第１の冷却管２Ａの間にスペーサ６が介在し、これらリブ７とスペーサ６にて半導体積層ユニット４の端部を製作当初から仮固定してその位置決めを図ることができる。したがって、押圧部材８で押圧して最終組み付けをおこなうまでの製作過程における部材同士の位置決めを保証することができ、製作過程でのハンドリング性を向上させることができ、優れた組み付け作業性を実現することができる。次に、以下、製作された電力変換装置の構成を説明する。

（電力変換装置）
図５は製作された本発明の電力変換装置の平面図であり、図６は図５のVI−VI矢視図である。

図示する電力変換装置１０は、ケース５内において、半導体積層ユニット４が押圧部材８によって押圧力Ｑを受けながら、押圧部材８による押圧箇所と、第１の冷却管２Ａがリブ７とスペーサ６によって締め付けられた箇所を固定端として半導体積層ユニット４が固定されたその全体が大略構成されている。

第１の側面５Ａの管貫通孔５ａを遊嵌する冷媒流入孔１Ａの流入端１Ａａから冷媒が提供され（Ｘ１方向）、各連結管１Ａ’を流通しながら冷却管２Ａ〜２Ｈを流通し（Ｘ２方向）、この過程で半導体モジュール３のクーリングを図り、半導体モジュール３にて昇温した冷媒は、各連結管１Ｂ’を流通し、端部流出管１Ｂの冷媒流出孔１Ｂａから冷媒が排出される（Ｘ３方向）。

ここで、使用される冷媒としては、水やアンモニアのほか、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、メタノール、アルコール、アセトンなどを挙げることができる。

なお、図示を省略するが、ケース５の上端に通気孔を具備する蓋が取付けられてもよい。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１Ａ…端部流入管、１Ａ’…連結管、１Ｂ…端部流出管、１Ｂ’…連結管、２Ａ…第１の冷却管（冷却管）、２ａ…流路、２Ｂ…第２の冷却管（冷却管）、２Ｃ〜２Ｇ…冷却管、２Ｈ…第ｎの冷却管（冷却管）、３…半導体モジュール（もしくはパワーカード）、４…半導体積層ユニット、５…ケース、５Ａ…第１の側面、５Ｂ…第２の側面、５Ｃ…側面、５Ｄ…底面、５ａ…管貫通孔、５ｂ…治具出入開口、６…スペーサ、７…リブ、８…押圧部材、１０…電力変換装置、Ｊ…半導体積層ユニット載置治具

Claims

冷媒が流入する流入管と冷媒が流出する流出管が間隔を置いて相互に併設し、該間隔に複数の半導体モジュールと複数の冷却管（第１の冷却管〜第ｎの冷却管）が交互に積層して配設されるとともに、それぞれの冷却管が流入管および流出管に流体連通してなる半導体積層ユニットが、少なくとも側面と底面から構成されるケース内で固定されてなる電力変換装置であって、
前記流入管の冷媒流入孔を有する端部と前記流出管の冷媒流出孔を有する端部はともに、ケースの側面のうち流入管と流出管が貫通する第１の側面を貫通した位置に配設されており、
第１の側面に最も近い位置にある第１の冷却管と、これに隣接する第２の冷却管の間であって半導体モジュールの側方の位置にはケースの底面もしくは側面から突設するリブが入り込み、
第１の側面と第１の冷却管の間にスペーサが介在しており、
第１の側面と対向する第２の側面と該第２の側面に最も近い位置にある第ｎの冷却管の間に押圧部材が介在しており、
押圧部材による押圧力によって第１の冷却管がリブとスペーサによって締め付けられ、この締め付けられた箇所と押圧部材による押圧箇所で半導体積層ユニットの両端が固定されている電力変換装置。
冷媒が流入する流入管と冷媒が流出する流出管が間隔を置いて相互に併設し、該間隔に複数の半導体モジュールと複数の冷却管（第１の冷却管〜第ｎの冷却管）が交互に積層して配設されるとともに、それぞれの冷却管が流入管および流出管に流体連通してなる半導体積層ユニットが、少なくとも側面と底面から構成されるケース内で固定されてなる電力変換装置の製作方法であって、
前記流入管の冷媒流入孔を有する端部と前記流出管の冷媒流出孔を有する端部をともに、ケースの側面のうち流入管と流出管が貫通する第１の側面を貫通した位置に配設するとともに、第１の側面に最も近い位置にある第１の冷却管と、これに隣接する第２の冷却管の間であって半導体モジュールの側方の位置にケースの底面もしくは側面から突設するリブを入り込ませ、かつ、第１の側面と第１の冷却管の間にスペーサを介在させることでケース内において半導体積層ユニットの一端を仮固定してその位置決めを図るステップ、
第１の側面と対向する第２の側面と該第２の側面に最も近い位置にある第ｎの冷却管の間に押圧部材を押し込むことにより、押圧部材による押圧力によって第１の冷却管がリブとスペーサによって締め付けられ、この締め付けられた箇所と押圧部材による押圧箇所で半導体積層ユニットの両端を固定するステップからなる電力変換装置の製作方法。