JP5884685B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを、フレームに保持させてなる電力変換装置に関する。

電力変換装置としては、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールとこれを冷却する冷却器とを有するものがある。そして、半導体モジュール及び冷却器を内側に保持する枠体としてのフレームに冷却器を保持させる際には、例えば特許文献１に示されたように、クランプを用いて固定する手段が考えられる。

上記クランプは、円筒状パイプを押圧する押さえ部と、この押さえ部の一端から延設され、フレームに締結される１つの締結部とを有している。また、フレームは、円筒状パイプを支持するパイプ支持部と、クランプを締結固定する被締結部とを有している。
円筒状パイプは、クランプの押さえ部とフレームのパイプ支持部とによって挟持されることで、フレームに押圧支持されている。

特開２０１２−０１６２６４号公報

しかしながら、特許文献１の電力変換装置には以下の課題がある。
上記の電力変換装置において、フレーム内に配され、クランプによって固定される前の円筒状パイプは、寸法公差や組み付け時の位置のばらつきによる影響を受け、円筒状パイプがフレームのパイプ支持部からずれた位置に配される場合がある。円筒状パイプがパイプ支持部からずれた状態でクランプを組み付けた場合、円筒状パイプの位置が十分に補正されず、正しい固定位置からずれて配される場合がある。

したがって、円筒状パイプを正しい位置に固定するためには、フレームにクランプを締結固定する際に、円筒状パイプをパイプ支持部に向かって押圧して円筒状パイプをパイプ支持部側へと移動させる。そして、この状態を保持しながら、ボルトなどの締結用部品を用いて、クランプをフレームに締結固定する。このように、円筒状パイプを押圧する作業、及びクランプの締結作業の２つの作業を行う必要があり、組み付け作業性の悪化及び組付工数の増大が発生しやすい。

本発明は、上記の背景に鑑みてなされたものであり、クランプの組み付け作業性を向上すると共に、筒状パイプを適正な固定位置に安定して配置でき、かつ部品点数の削減に伴う作業工数の低減が可能な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、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却すると共に、内部の冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対の筒状パイプを備えた冷却器と、
該冷却器を保持するフレームと、
上記筒状パイプを上記フレームと共に挟持することにより、上記筒状パイプを上記フレームに固定するクランプとを有し、
該クランプは、上記フレームに係合する一対の係合部と、該一対の係合部の間に形成され上記筒状パイプを押圧する押さえ部とを有しており、
上記フレームは、上記筒状パイプを支承するパイプ支持部と、上記係合部が係合可能な被係合部とを有しており、
上記クランプは、上記押さえ部が上記筒状パイプを上記フレームの上記パイプ支持部へ向かって押圧した状態で、上記一対の係合部が、それぞれ上記フレームの上記被係合部に係合することにより、上記筒状パイプを上記フレームに固定しており、
上記クランプは、上記押さえ部の両端からフレーム側へ向かって立設した一対の脚部を備え、上記係合部は、上記脚部の端部をフレームと反対側へ屈曲して形成されると共に、上記脚部に対して弾性的に変位できるよう構成され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、上記のごとく、上記クランプを用いて上記筒状パイプを上記フレームへと固定している。そのため、上記クランプの組み付け作業性を向上しつつ、上記筒状パイプを正しい位置に固定することができる。

すなわち、上記クランプにおける上記フレームへの組み付けは、上記一対の係合部を上記被係合部に係合させることによって行うことができる。上記一対の係合部と上記被係合部とを係合させるためには、両者を相対的に近づけるように移動する。このとき、上記クランプの上記一対の係合部の間に配された上記押さえ部は、上記被係合部の間に配された上記パイプ支持部側に向かって移動する。したがって、上記押さえ部によって、上記筒状パイプを押圧し、該筒状パイプを正しい固定位置へと移動させることができる。つまり、上記クランプの組み付け作業によって上記筒状パイプの位置合わせを同時に行うことができる。これにより、上記クランプの組み付けを容易とし、組み付け作業の効率を向上することができる。

また、上記クランプは、上記一対の係合部を上記フレームの上記被係合部に係合させることで固定してあり、上記押さえ部は、その両端に配された係合部によって、フレームに固定される。これにより、上記押さえ部を両持ちで支持することができ、上記筒状パイプを安定して正しい固定位置に配することができる。
また、クランプをフレームに固定するにあたり、ボルトなどの締結用部品が不要となる。これにより、上記電力変換装置の部品点数を削減し、組み付けにかかる作業工数を低減することができる。

以上のごとく、本発明によれば、クランプの組み付け作業性を向上すると共に、筒状パイプを適正な固定位置に安定して配置でき、かつ部品点数の削減に伴う作業工数の低減が可能な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、電力変換装置を示す説明図。 図１のII−II矢視線断面を示す部分断面図。 実施例１における、固定前の筒状パイプを示す説明図（図１のII−II矢視線断面相当）。 実施例１における、押さえ部と筒状パイプとを当接させた状態を示す説明図（図１のII−II矢視線断面相当）。 実施例１における、筒状パイプが正しい固定位置へと移動した状態を示す説明図（図１のII−II矢視線断面相当）。 実施例２における、電力変換装置を示す断面図（図１のII−II矢視線断面相当）。

上記電力変換装置において、上記クランプは、上記押さえ部の両端からフレーム側へ向かって立設した一対の脚部を備え、上記係合部は、上記脚部の端部をフレームと反対側へ屈曲して形成されると共に、上記脚部に対して弾性的に変位できるよう構成されていてもよい。上記係合部の弾性変形を利用することで、上記係合部を上記被係合部に、容易かつ確実に係合させることができる。

また、上記クランプは、上記押さえ部が弾性変形して上記筒状パイプを上記フレームの上記パイプ支持部側に向かって押しつけた状態で配設されていてもよい（請求項２）。この場合には、上記フレームに上記筒状パイプを固定際に、上記押さえ部が弾性変形することで上記筒状パイプを上記パイプ支持部に向かって押圧する押圧力が生じる。これにより、上記筒状パイプをより確実に固定することができる。また、上記押さえ部を弾性域で変形させているため、永久変形を生じず、上記クランプを繰り返し使用することができる。

また、上記パイプ支持部は、一対のテーパ面からなり、該テーパ面は、パイプ支持部よりも外側へ延設されたフレーム導入面を備えていてもよい（請求項３）。この場合には、上記クランプの上記押さえ部によって押圧された上記筒状パイプを、上記フレーム導入面に沿って移動させ、上記筒状パイプを正しい位置へと導くことができる。これにより、上記筒状パイプを容易かつ確実に正しい位置へと移動することができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、図１〜図５を参照して説明する。
図１に示すごとく、電力変換装置１は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール１１と、半導体モジュール１１を冷却すると共に、内部の冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対の筒状パイプ１２３、１２４を備えた冷却器１２とを有している。また、電力変換装置１は、冷却器１２を保持するフレーム２と、筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２と共に挟持することにより、筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２に固定するクランプ３とを有している。

図２に示すごとく、クランプ３は、フレーム２に係合する一対の係合部３１と、一対の係合部３１の間に形成され筒状パイプ１２３、１２４を押圧する押さえ部３２とを有している。
フレーム２は、筒状パイプ１２３、１２４を支承するパイプ支持部２４と、係合部３１が係合可能な被係合部２３とを有している。
クランプ３は、押さえ部３２が筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２のパイプ支持部２４へ向かって押圧した状態で、一対の係合部３１が、それぞれフレーム２の被係合部２３に係合することにより、筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２に固定している。

以下、さらに詳細に説明する。
図１に示すごとく、冷却器１２は、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１２１を、所定の間隔を設けて積層配置すると共に、隣り合う冷却管１２１同士を、その長手方向の両端部において連結部１２２によって連結してなる。そして、積層方向の一端（前端）に配置された冷却管１２１における長手方向の両端部に、冷却媒体を冷却器１２に導入又は排出するための一対の筒状パイプ１２３、１２４が接続してある。

図１及び図２に示すごとく、一対の筒状パイプ１２３、１２４は、円筒状をなしており、そのうちの一方が、冷却媒体を冷却器１２に導入するための冷媒導入管であり、他方が冷却媒体を冷却器１２から排出するための冷媒排出管である。
隣り合う冷却管１２１の間には、半導体モジュール１１が配置されており、半導体モジュール１１は、その両主面から一対の冷却管１２１によって挟持されている。すなわち、複数の冷却管１２１と複数の半導体モジュール１１とは交互に積層されている。

これにより、一方の筒状パイプ１２３（冷媒導入管）から導入された冷却媒体は、連結部１２２を適宜通り、各冷却管１２１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１２１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール１１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、下流側の連結部１２２を適宜通り、他方の筒状パイプ１２４（冷媒排出管）に導かれ、冷却器１２から排出される。

図１に示すごとく、複数の冷却管１２１と複数の半導体モジュール１１とを積層した積層体１０は、矩形枠体状のフレーム２内に配置されている。そして、積層体１０は、積層方向の他端（後端）からバネ部材４１によって積層方向に押圧されている。すなわち、フレーム２における前方壁部２１に積層体１０の前端に配された冷却管１２１が接触し、フレーム２における後方壁部２５と積層体１０の後端に配された冷却管１２１との間に、積層方向に広がる方向に付勢されたバネ部材４１が配置されている。バネ部材４１と冷却管１２１との間には、冷却管１２１の変形を防止するための当接板４２が配置されている。

図１及び図２に示すごとく、フレーム２の前方壁部２１には、一対のパイプ支持部２４と、クランプ３が有する係合部３１と係合可能な被係合部２３が形成されている。
図２に示すごとく、パイプ支持部２４は、一対のテーパ面に形成されており、このテーパ面には、パイプ支持部２４と共にフレーム導入面２４１が形成されている。

パイプ支持部２４は、筒状パイプ１２３、１２４を固定位置に配した際に、一対のテーパ面にそれぞれ接する部位である。本例において、パイプ支持部は、一対のテーパ面上における、筒状パイプ１２３、１２４の外周側面と接触する直線上にそれぞれ形成される。

パイプ支持部よりも外側の位置には、フレーム導入面２４１が形成されている。フレーム導入面２４１は、一対のテーパ面によって構成されており、筒状パイプ１２３、１２４をフレーム導入面２４１に沿わせて移動することで、筒状パイプ１２３、１２４をパイプ支持部１２３、１２４上へと導くことができる。フレーム導入面２４１と、クランプ３の押さえ部３２とによって挟持されている。

図２に示すごとく、各パイプ支持部２４の外側には、パイプ支持部２４に沿って前方壁部２１の前方面から後方面に通じて凹溝部２２が形成されている。図２の矢印Ｗ方向における、凹溝部２２の幅寸法は、組み付け後の状態で、クランプ３における一方の脚部３３とこの脚部３３から延設された係合部３１の先端との間における幅寸法と略同一となるように設定してある。また、組み付け後の状態においては、係合部３１の先端と凹溝部２２の内側面２２１とが接触し、脚部３３と内側面２２１に対向する内側面とが接触する。

図２に示すごとく、凹溝部２２の内側面において、パイプ支持部２４と反対側に配された内側面２２１には、パイプ支持部２４側に突出する段状をなす被係合部２３が形成されている。被係合部２３は、その下面２３１とクランプ３の係合部３１の先端部とを当接させ互いに係合させることができるように構成されている。尚、被係合部２３の下面２３１の高さ位置（図２矢印Ｈ方向の位置）は、係合部３１と被係合部２３とを係合させた際に、筒状パイプ１２３、１２４と当接した押さえ部３２が弾性変形する位置に設定してある。

図２及び図３に示すごとく、クランプ３は、バネ性を有する金属製の板材を曲げ加工して形成されており、フレーム２に係合する一対の係合部３１と、一対の係合部３１と接続された一対の脚部３３と、一対の脚部３３の間に形成された押さえ部３２とを有している。
押さえ部３２は、板厚方向から見たとき、外形が略矩形状をなしており、自然状態において、平坦な板状をなしている。押さえ部３２における長手方向に配された両端部には、一対の脚部３３が配されている。

図２に示及び図３に示すごとく、押さえ部３２の両端に配された一対の脚部３３は、フレーム２側へ向かって立設している。
一対の脚部３３の先端部には、それぞれ係合部３１が形成されている。係合部３１は、脚部３３の端部から、一対の脚部３３の外側方向で、かつフレーム２と反対側へ屈曲するように形成されている。係合部３１は、脚部３３に対して弾性的に変位できるよう構成されており、フレーム２に組付けた際に被係合部２３と係合して配されている。

クランプ３によって、筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２に固定するにあたっては、まず、フレーム２に冷却器１２を配置する。このとき、一対の筒状パイプ１２３、１２４を、フレーム２における前方壁部２１に設けた一対のパイプ支持部２４にそれぞれ配置する。
次いで、図３に示すごとく、凹溝部２２の位置と脚部３３の位置とを合わせながら、クランプ３を筒状パイプ１２３、１２４に被せるように配置する。

次いで、クランプ３の押さえ部３２を押圧し、係合部３１とフレーム２の被係合部２３とを係合させる。
このとき、図４及び図５に示すごとく、押さえ部３２は、筒状パイプ１２３、１２４と当接し、筒状パイプ１２３、１２４をパイプ支持部２４に向かって移動させる。そして、押さえ部３２によって押圧された筒状パイプ１２３、１２４は、一対のフレーム導入面２４１の一方に当接すると、フレーム導入面２４１に沿って移動し、正しい固定位置へと導かれる。

また、図４に示すごとく、被係合部２３の側面と当接した係合部３１は、押さえ部３２側に向かって弾性変形しながら、凹溝部２２へと挿入される。そして、係合部３１の先端部が被係合部２３の下面２３１よりも下側の位置まで移動すると、図２に示すごとく、係合部３１が押さえ部３２と反対向かって広がり、被係合部２３と係合部３１が係合される。
このとき、押さえ部３２は、その両端部が中央部に対してパイプ支持部２４側に向かって変形するように弾性変形をする。
以上により、筒状パイプ１２３、１２４は、パイプ支持部２４に支承されつつ、クランプ３によってフレーム２に固定される。

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、上記のごとく、クランプ３を用いて筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２へと固定している。そのため、クランプ３の組み付け作業性を向上しつつ、筒状パイプ１２３、１２４を正しい位置に固定することができる。

すなわち、クランプ３におけるフレーム２への組み付けは、一対の係合部３１を被係合部２３に係合させることによって行うことができる。一対の係合部３１と被係合部２３とを係合させるためには、両者を相対的に近づけるように移動する。このとき、クランプ３の一対の係合部３１の間に配された押さえ部３２は、被係合部２３の間に配されたパイプ支持部２４側に向かって移動する。したがって、押さえ部３２によって、筒状パイプ１２３、１２４を押圧し、筒状パイプ１２３、１２４を正しい固定位置へと移動させることができる。つまり、クランプ３の組み付け作業によって筒状パイプ１２３、１２４の位置合わせを同時に行うことができる。これにより、クランプ３の組み付けを容易とし、組み付け作業の効率を向上することができる。

また、クランプ３は、一対の係合部３１をフレーム２の被係合部２３に係合させることで固定してあり、押さえ部３２は、その両端に配された係合部３１によって、フレーム２に固定される。これにより、押さえ部３２を両持ちで支持することができ、筒状パイプ１２３、１２４を安定して正しい固定位置に配することができる。
また、従来の電力変換装置１において用いられていた、ボルトなどの締結用部品が不要となる。これにより、電力変換装置１の部品点数を削減し、組み付けにかかる作業工数を低減することができる。

電力変換装置１において、クランプ３は、押さえ部３２の両端からフレーム２側へ向かって立設した一対の脚部３３を備え、係合部３１は、脚部３３の端部をフレーム２と反対側へ屈曲して形成されると共に、脚部３３に対して弾性的に変位できるよう構成されている。そのため、係合部３１の弾性変形を利用することで、係合部３１を被係合部２３に、容易かつ確実に係合させることができる。

また、クランプ３は、押さえ部３２が弾性変形して筒状パイプ１２３、１２４をフレーム２のパイプ支持部２４側に向かって押しつけた状態で配設されている。そのため、フレーム２に筒状パイプ１２３、１２４を固定際に、押さえ部３２が弾性変形することで筒状パイプ１２３、１２４をパイプ支持部２４に向かって押圧する押圧力が生じる。これにより、筒状パイプ１２３、１２４をより確実に固定することができる。また、押さえ部３２を弾性域で変形させているため、永久変形を生じず、クランプ３を繰り返し使用することができる。

また、パイプ支持部２４は、一対のテーパ面からなり、テーパ面は、パイプ支持部２４よりも外側へ延設されたフレーム２導入面を備えている。そのため、クランプ３の押さえ部３２によって押圧された筒状パイプ１２３、１２４を、フレーム２導入面に沿って移動させ、筒状パイプ１２３、１２４を正しい位置へと導くことができる。これにより、筒状パイプ１２３、１２４を容易かつ確実に正しい位置へと移動することができる。

以上のごとく、本例の電力変換装置１によれば、クランプ３の組み付け作業性を向上すると共に、筒状パイプ１２３、１２４を適正な固定位置に安定して配置でき、かつ部品点数の削減に伴う作業工数の低減が可能な電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例は、実施例１の電力変換装置におけるクランプの係合部、及びフレームの被係合部の形状を変更した例を示す。

図６に示すごとく、クランプ３は、バネ性を有する金属製の板材を曲げ加工して形成されており、フレーム２に係合する一対の係合部３１０と、一対の係合部３１０と接続された一対の脚部３３と、一対の脚部３３の間に形成された押さえ部３２とを有している。
係合部３１０は、筒状パイプ１２３、１２４と直交する断面の形状が、半円状をなしており、脚部３３の先端側において、外側に向かって突出するように形成されている。

図６に示すごとく、フレーム２において、各パイプ支持部２４の外側に形成された凹溝部２２には被係合部２３０が形成されている。
被係合部２３０は、凹溝部２２の内側面において、パイプ支持部２４と反対側に配された内側面２２１に形成されている。被係合部２３０において、筒状パイプ１２３、１２４の軸方向と直交する断面の形状は、係合部３１０の外側面と対応した円弧状をなしており、係合部３１０と係合可能に構成されている。

尚、被係合部２３０の高さ位置（図６矢印Ｈ方向の位置）は、固定位置に配された筒状パイプ１２３、１２４に押さえ部３２を当接させ、押さえ部３２の両端が下方に向かって移動するように、押さえ部３２を弾性変形させることで、係合部３１と被係合部２３０とを係合させることができるように設定してある。
その他の構成は実施例１と同様である。尚、本例に関する図面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。
本例においても実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

上記の実施例１、２においては、加圧部材を半導体積層ユニットの後方側（筒状パイプと反対側）に配したが、これに限るものではなく、一対の筒状パイプを設けた側に配してもよい。例えば、一対の筒状パイプの間に加圧部材を配し、フレームの前方壁部２１と半導体積層ユニットの前面との間で加圧力を生じさせてもよい。

また、係合部及び被係合部の形状は、実施例１、２に示されたもの以外にも、種々の形状によって形成することができる。また、係合部の形成方向は、一対の脚部の内側方向であってもよい。この場合、被係合部は、凹溝部における係合部と対応する内側面に形成される。

１ 電力変換装置
１１ 半導体モジュール
１２ 冷却器
１２３、１２４ 筒状パイプ
２ フレーム
２３、２３０ 被係合部
２４ パイプ支持部
３ クランプ
３１、３１０ 係合部
３２ 押さえ部

Claims (3)

1. スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（１１）と、
   該半導体モジュール（１１）を冷却すると共に、内部の冷媒流路に冷却媒体を導入又は排出する一対の筒状パイプ（１２３、１２４）を備えた冷却器（１２）と、
   該冷却器（１２）を保持するフレーム（２）と、
   上記筒状パイプ（１２３、１２４）を上記フレーム（２）と共に挟持することにより、上記筒状パイプ（１２３、１２４）を上記フレーム（２）に固定するクランプ（３）とを有し、
   該クランプ（３）は、上記フレーム（２）に係合する一対の係合部（３１、３１０）と、該一対の係合部（３１、３１０）の間に形成され上記筒状パイプ（１２３、１２４）を押圧する押さえ部（３２）とを有しており、
   上記フレーム（２）は、上記筒状パイプ（１２３、１２４）を支承するパイプ支持部（２４）と、上記係合部（３１、３１０）が係合可能な被係合部（２３、２３０）とを有しており、
   上記クランプ（３）は、上記押さえ部（３２）が上記筒状パイプ（１２３、１２４）を上記フレーム（２）の上記パイプ支持部（２４）へ向かって押圧した状態で、上記一対の係合部（３１、３１０）が、それぞれ上記フレーム（２）の上記被係合部（２３、２３０）に係合することにより、上記筒状パイプ（１２３、１２４）を上記フレーム（２）に固定しており、
   上記クランプ（３）は、上記押さえ部（３２）の両端からフレーム（２）側へ向かって立設した一対の脚部（３３）を備え、上記係合部（３１、３１０）は、上記脚部（３３）の端部をフレーム（２）と反対側へ屈曲して形成されると共に、上記脚部（３３）に対して弾性的に変位できるよう構成され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、上記クランプ（３）は、上記押さえ部（３２）が弾性変形して上記筒状パイプ（１２３、１２４）を上記フレーム（２）の上記パイプ支持部（２４）側に向かって押しつけた状態で配設されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）において、上記パイプ支持部（２４）は、一対のテーパ面上に形成されており、該テーパ面は、パイプ支持部（２４）よりも外側へ延設されたフレーム導入面（２４１）を備えていることを特徴とする電力変換装置（１）。

Images