JP6079421B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両には、インバータやコンバータ等の電力変換部を備える電力変換装置が搭載されている。そして、電力変換装置には、発熱量の多い電力変換部を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路が備えられている。例えば、特許文献１には、電力変換装置の筐体内に設けられた仕切部に、電力変換部の冷却用の冷媒流路を設けた構成が開示されている。

特開２０１２−２１７３１６号公報

特許文献１に開示の構成において、冷媒流路は仕切部に設けられた溝部を蓋部で塞ぐことによって形成されている。そして、電力変換部を構成する電子部品は、溝部を塞ぐ蓋部に直接固定されている。電力変換部に故障等が生じた場合には、メンテナンス作業のために電力変換部を筐体から取りはずす必要が生じる場合がある。しかしながら、電力変換部を構成する電子部品は蓋部に直接固定されているため、電力変換部は蓋部ごと取りはずさなければならない。そして、蓋部を取りはずすと冷媒流路が開放されて、冷媒が漏れ出すこととなる。そのため、電力変換部を取りはずす際には、冷媒の漏れを考慮しなければならず、メンテナンス作業に手間がかかっていた。また、再度、蓋部を筐体に取り付ける際に、蓋部と筐体との間に異物が混入すると、両者のシール性が低下して冷媒流路から冷媒が漏れ出す恐れがある。そのため、当該異物の混入が生じないように細心の注意を払わなければならず、メンテナンス作業に手間がかかっていた。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、メンテナンス作業の手間が軽減される電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の第１の態様は、電子部品を筐体内に収納してなる電力変換装置であって、
上記筐体の内側に形成されている溝部と、
該溝部を塞ぐように、蓋部固定部材を介して、上記筐体に固定されている蓋部と、
上記溝部と上記蓋部との間に形成されているとともに、上記電子部品を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路と、
を備え、
上記電子部品は、上記蓋部における上記溝部と反対側の面に設けられているベースプレートに固定されており、該ベースプレートは、ベースプレート固定部材を介して、上記筐体に固定されており、
上記ベースプレート固定部材は、上記ベースプレートを上記蓋部と共締めして上記筐体に固定していることを特徴とする電力変換装置にある。
本発明の第２の態様は、電子部品を筐体内に収納してなる電力変換装置であって、
上記筐体の内側に形成されている溝部と、
該溝部を塞ぐように、蓋部固定部材を介して、上記筐体に固定されている蓋部と、
上記溝部と上記蓋部との間に形成されているとともに、上記電子部品を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路と、
を備え、
上記電子部品は、上記蓋部における上記溝部と反対側の面に設けられているベースプレートに固定されており、該ベースプレートは、ベースプレート固定部材を介して、上記筐体に固定されており、
上記ベースプレートには、上記蓋部固定部材に対向する位置に切り欠き部が形成されており、上記蓋部固定部材のうち、上記蓋部から上記ベースプレート側に突出する突出部が上記切り欠き部に収納されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、電力変換部を構成する電子部品はベースプレートに固定されており、溝部を塞ぐ蓋部には直接取り付けられていない。そして、ベースプレートは、ベースプレート固定部材を介して筐体に固定されている。そのため、電力変換部を取り外す際には、ベースプレート固定部材を筐体から取り外すことにより、ベースプレートを筐体から取り外せばよい。したがって、蓋部を取り外すことなく、電力変換部を取り外すことができる。その結果、電力変換部を取りはずす際に冷媒流路が開放されないため、冷媒の漏れを考慮する必要がないことから、メンテナンス作業の手間が軽減される。また、再度、電力変換部を取り付ける際においても、冷媒流路が開放されていないため、冷媒の漏れの防止ために蓋部とベースプレートとの間の異物の混入についての注意を払う必要がないことから、メンテナンス作業の手間が軽減される。

以上のごとく、本発明によれば、メンテナンス作業の手間が軽減される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、電力変換装置の底面図。 図１におけるII-II線断面図。 図１におけるIII-III線断面図。 図２における切り欠き部の断面拡大図。 図３における切り欠き部の断面拡大図。 実施例２における、切り欠き部の断面拡大図。

上記電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される電力変換装置として使用することができる。

（実施例１）
本例の実施例に係る電力変換装置につき、図１〜図５を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１に示すように、電子部品１０を筐体２０内に収納している。そして、図２に示すように、筐体２０の内側に形成されている溝部２１と、溝部２１を塞ぐように筐体２０に固定されている蓋部３０と、溝部２１と蓋部３０との間に形成されているとともに、電子部品１０を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路４０と、を備える。電子部品１０は、蓋部３０における溝部２１と反対側の面３１に設けられているベースプレート５０に固定されている。

本例の電力変換装置１は、図２、図３に示すように、筐体２０内に２つの電力変換部２、３を収容して構成されている。
筐体２０は、４つの側壁部２２とその４つの側壁部２２に囲まれた空間を上下に仕切る仕切部２３とにより構成されている。筐体２０は、上下方向Ｘの断面において、Ｈ型の形状を成している。仕切部２３の上側に上側収容部２０１、下側に下側収容部２０２を形成している。筐体２０の上側収容部２０１及び下側収容部２０２は、それぞれ上側及び下側に開口しており、その開口部はそれぞれカバー２４によって塞がれている。

筐体２０の上側収容部２０１には、一方の電力変換部２である、直流電力を交流電力に変換するインバータユニット２（以下、適宜、インバータ２ともいう）が収容されている。また、筐体２０の下側収容部２０２には、もう一方の電力変換部３である、直流電力を昇圧又は降圧するコンバータユニット３（以下、適宜、コンバータ３ともいう）が収容されている。
すなわち、インバータ２とコンバータ３とは、筐体２０の仕切部２３を挟んで互いに重なるように上下方向Ｘに配置されている。そして、両者は、上下方向Ｘに直交する方向から筐体２０の４つの側壁部２２に囲まれている。
なお、インバータ２は、コンバータ３が昇圧又は降圧した直流電力を交流電力に変換するように構成されている。

インバータ２は、図２、図３に示すように、交互に積層された複数の半導体モジュール２０３と複数の冷却管２０４とを有している。各冷却管２０４は連結管（図示せず）で接続されているとともに、半導体モジュール２０３と冷却管２０４との積層体における一端側の冷却管２０４には、冷媒導入管２０７及び冷媒排出管２０８が接続されている。冷媒は、冷媒導入管２０７を介して一端側の冷却管２０４に供給されて流通するとともに、連結管を介して他の冷却管２０４を流通して、冷媒排出管２０８を介して排出される。冷媒が各冷却管２０４を流通することにより、各半導体モジュール２０３との間で熱交換がなされて、各半導体モジュール２０３はそれぞれ冷却されることとなる。また、上側収容部２０１にはリアクトル２０６が収容されている。リアクトル２０６は仕切部２３に当接するように配置されている。仕切部２３における冷媒流路４０内を流通する冷媒とリアクトル２０６との間で熱交換がなされることにより、リアクトル２０６が仕切部２３との当接面側から冷却されるように構成されている。なお、各半導体モジュール２０３は仕切部２３と反対側（上側収容部２０１の開口側）に配置されている制御回路基板２０５と電気的に接続されている。また、リアクトル２０６は、図示しないが、半導体モジュール２０３のパワー端子と電気的に接続されている。上側収容部２０１において、複数の半導体モジュール２０３、複数の冷却管２０４、制御回路基板２０５、リアクトル２０６、冷媒導入管２０７及び冷媒排出管２０８は一体化されて、インバータユニット２が構成されている。

仕切部２３には溝部２１が設けられている。溝部２１は、コンバータ３が配置されている下側収容部２０２側に開口した溝状に形成されている。溝部２１の当該開口側（コンバータ３側）は、蓋部３０によって塞がれている。これにより、蓋部３０と溝部２１との間に冷媒流路４０が形成されている。

冷媒流路４０は、図示しない冷媒導入部と冷媒排出部を有している。冷媒導入部から導入された冷媒は冷媒流路４０内を流通して冷媒排出部から排出される。冷媒流路４０に流通させる冷媒としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、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、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等の冷媒を用いることができる。
なお、冷媒流路４０を流通させる冷媒として、インバータ２における冷却管２０４に流通させる冷媒を利用することとしてもよい。

蓋部３０は、図１〜図３に示すように、金属製の板状部材である。蓋部３０の外形形状は、仕切部２３の外形形状よりも若干小さい形状である。そして、蓋部３０は、溝部２１を塞ぐように下側収容部２０２内において、複数の蓋部固定部材３２によって筐体２０に固定されている。本例では図１に示すように、蓋部固定部材３２は６個備えられている。蓋部固定部材３２は、金属製のネジ部材である。蓋部３０は、図２に示すように、蓋部固定部材３２が、下側収容部２０２側から仕切部２３に向かって、蓋部３０を介して溝部２１内に設けられたボス部２１ａに螺入されることにより、筐体２０に固定されている。なお、蓋部３０と筐体２０との間には、図示しないＯリングや液状ガスケットなどのシール部材が介在しており、両者の間の気密性を保っている。なお、蓋部固定部材３２は、軸部３２ａと頭部３２ｂとからなり、蓋部３０が筐体２０に固定された状態において、図２、図３に示すように、頭部３２ｂが蓋部３０からベースプレート５０側に突出している。

ベースプレート５０は、図２、図３に示すように、蓋部２０における溝部２１と反対側の面３１に設けられている。ベースプレート５０は金属製であって、その平面視形状は、蓋部３０の平面視形状と略同一である。ベースプレート５０は、ベースプレート固定部材５１を介して、筐体２０に固定されている。ベースプレート固定部材５１は、金属製のネジ部材であって５個備えられており、図２に示すように、下側収容部２０２側から仕切部２３に向かって、ベースプレート５０及び蓋部３０を介して溝部２１内に設けられたボス部２１ｂに螺入されている。すなわち、ベースプレート５０は、蓋部３０とともにベースプレート固定部材５１により共締めされて筐体２０に固定されている。
なお、ベースプレート５０と蓋部３０との間には、図示しない冷却グリスを介在させている。これにより、両者間の熱伝導性を高めて、冷媒流路４０を流通する冷媒によるコンバータ３の冷却効果を向上させている。

また、ベースプレート５０には、蓋部固定部材３２に対向する位置に切り欠き部５２、５３が形成されている。図２において、ベースプレート５０の長手方向Ｙの略中央に位置する切り欠き部５２は、溝部２１側に開口する凹状に形成されている。一方、図２において、ベースプレート５０の長手方向Ｙの一方の端部側に位置する切り欠き部５３は、蓋部２１側から反対側（下側収容部２０２側）に貫通するように形成されている。両切り欠き部５２、５３には、蓋部固定部材３２のうち、蓋部３０からベースプレート５０側に突出する突出部（頭部３２ｂ）が収納されている。これにより、蓋部３０とベースプレート５０との両対向面３１、５０ａが互いに接するように構成されている。

また、図２、図３に示すように、ベースプレート５０には、電子部品１０（コンデンサ１１、トランジスタ１２、回路基板１３の他、図示しないトランス、ＭＯＳ等）が固定されている。コンデンサ１１はベースプレート５０における蓋部３０と反対側の面５０ｂに直接固定されている。トランジスタ１２は回路基板１３に実装されており、回路基板１３を介してベースプレート５０に固定されている。回路基板１３はベースプレート５０における蓋部３０と反対側の面５０ｂに、基板固定部材１４によって固定されている。これにより、図１、図３に示すように、ベースプレート５０の中央に形成された切り欠き部５３の蓋部３０と反対側には電子部品１０（回路基板１３）が配置されることとなっている。
このように電子部品１０がベースプレート５０に固定されていることにより一体化されて、コンバータユニット３が構成されている。

図４に示すように、凹状の切り欠き部５２の内側底面５２ａと蓋部３０のベースプレート５０側の面３１との距離Ｄ１は、蓋部固定部材３２の軸方向の長さＬよりも短くなるように構成されている。また、図５に示すように、蓋部３０と、切り欠き部５２に対向する電子部品１０（回路基板１３）との距離Ｄ２は、蓋部固定部材３２の軸方向の長さＬよりも短くなるように構成されている。

次に、本例の電力変換装置１の作用効果について詳述する。
電力変換装置１では、電力変換部（コンバータ３）を構成する電子部品１０はベースプレート５０に固定されており、溝部２１を塞ぐ蓋部３０には直接取り付けられていない。そして、ベースプレート５０は、ベースプレート固定部材５１を介して筐体２０に固定されている。そのため、電力変換部（コンバータ３）を取り外す際には、ベースプレート固定部材５１を筐体２０から取り外すことにより、ベースプレート５０を筐体２０から取り外せばよい。したがって、蓋部固定部材３２によって蓋部３０を筐体２０に固定した状態のまま、蓋部３０を取り外すことなく、電力変換部（コンバータ３）を取り外すことができる。その結果、電力変換部（コンバータ３）を取り外す際に冷媒流路４０が開放されないため、冷媒の漏れを考慮する必要がないことから、メンテナンス作業の手間が軽減される。また、再度、電力変換部（コンバータ３）を取り付ける際においても、冷媒流路４０が開放されていないため、冷媒の漏れの防止ために蓋部３０とベースプレート５０との間の異物の混入についての注意を払う必要がないことから、メンテナンス作業の手間が軽減される。

電力変換装置１では、ベースプレート５０を蓋部３０と共締めして筐体２０に固定するベースプレート固定部材５１を備えている。蓋部３０がベースプレート固定部材５１によって、ベースプレート５０と共締めされていることにより、蓋部３０の剛性が高まる。その結果、蓋部３０と筐体２０との間のシール性が向上して、冷媒流路４０からの冷媒の漏れが防止される。

さらに、電力変換装置１では、蓋部３０を筐体２０に固定する蓋部固定部材３２を備えるとともに、ベースプレート５０には、蓋部固定部材３２に対向する位置に切り欠き部５２、５３が形成されている。そして、蓋部固定部材３２のうち、蓋部３０からベースプレート５０側に突出する突出部（頭部３２ｂ）が切り欠き部５２、５３に収納されている。これにり、蓋部固定部材３２とベースプレート５０との干渉が回避されるため、ベースプレート５０と蓋部３０とを密着させることが容易となる。そして、両者を密着させることにより、蓋部３０の剛性を一層高めることができ、蓋部３０と筐体５０との間のシール性を一層向上させることができる。

さらに、電力変換装置１では、切り欠き部５２は、蓋部３０側に開口した凹状に形成されている。これにより、図４に示すごとく、万が一、筐体２０に固定された蓋部固定部材３２が緩んだ場合に、蓋部固定部材３２を凹状の切り欠き部５２に内に留めることができる。その結果、蓋部固定部材３２が筐体２０内の高電圧の電気回路や電子部品等に接触して漏電や短絡が生じるのを防止することができる。また、切り欠き部５２は凹状であるため、切り欠き部５２が形成されている側と反対側、すなわち電子部品１０が固定される側には開口していない。これにより、切り欠き部５２においてその反対側に設けられた電子部品１０（回路基板１３）に対して、ベースプレート５０を介した冷却効果を奏する。
また、本例では、図４に示すごとく、凹状の切り欠き部５２の内側底面５２ａと蓋部３０のベースプレート５０側の面３１との距離Ｄ１は、蓋部固定部材３２の軸方向の長さＬよりも短くなるように構成されている。これにより、万が一、筐体２０に固定された蓋部固定部材３２が緩んだ場合であっても、蓋部固定部材３２が筐体２０のボス部２１ａから抜け落ちる前に凹状の切り欠き部５２の底面５２ａに当接するため、蓋部固定部材３２が抜け落ちることが防止される。

また、電力変換装置１において、切り欠き部５３は、ベースプレート５０において、蓋部３０側から反対側に貫通するように形成されており、切り欠き部５３の蓋部３０と反対側には電子部品１０（回路基板１３）が配置されている。そして、蓋部３０と、切り欠き部５２の蓋部３０と反対側に配置された電子部品１０（回路基板１３）との距離Ｄ２は、蓋部固定部材３２の軸方向の長さＬよりも短くなるように構成されている。これにより、万が一、筐体２０に固定された蓋部固定部材３２が緩んだ場合においても、蓋部固定部材３２が筐体２０のボス部２１ａから抜け落ちる前に、蓋部固定部材３２は電子部品１０に当接して筐体２０内に抜け落ちることが防止される。

また、電力変換装置１において、電子部品１０とベースプレート５０とは、直流電力を昇圧または降圧するコンバータユニット３を形成している。そして、コンバータユニット３によって昇圧又は降圧された直流電力を交流電力に変換するインバータユニット２を備えている。コンバータユニット３とインバータユニット２とは、冷媒流路４０を挟むように筐体２０内に配置されている。そして、本例では、インバータユニット２におけるリアクトル２０６が仕切部２３に当接している。これにより、冷媒流路４０を流通する冷媒によってコンバータユニット３を冷やすとともに、インバータユニット２におけるリアクトル２０６を冷やすことができる。さらに、上側収納部２０１内の雰囲気温度を低下させることができる。そして、上側収納部２０１内の雰囲気温度の低下により、各冷却管２０４を流通する冷媒による各半導体モジュール２０３の冷却作用が補助されることとなる。したがって、このような構成とすることにより、コンバータユニット３の取りはずし及び取付けの際のメンテナンス作業を軽減できるとともに、インバータユニット２の冷却効果を向上することができる。

以上のごとく、本発明によれば、メンテナンス作業の手間が軽減される電力変換装置１を提供することができる。

（実施例２）
本例の電力変換装置１は、実施例１における切り欠き部５２（図４）に替えて、図６に示す切り欠き部５２０を備える。その他の構成要素は実施例１の場合と同様であり、本例においても実施例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

図６に示すように、切り欠き部５２０は、ベースプレート５０において、蓋部固定部材３２に対向する位置に、溝部２１側に開口する凹状に形成されている。蓋部固定部材３２の軸方向の長さＬは、切り欠き部５２０の内側底面５２０ａと蓋部３０のベースプレート５０側の面３１との距離Ｄ３よりも短い。そのため、万が一、筐体２０に固定された蓋部固定部材３２が緩んだ場合には、筐体２０のボス部２１ａから蓋部固定部材３２が抜け落ちる可能性がある。しかし、切り欠き部５２０は凹状であって、蓋部３０における溝部２１と反対側の面３１との間で箱状の空間部が形成されていることにより、万が一、蓋部固定部材３２が抜け落ちたとしても、蓋部固定部材３２は凹状の切り欠き部５２０内に留まることとなる。その結果、抜け落ちた蓋部固定部材３２が筐体２０内の高電圧の電気回路や電子部品等に接触することが防止され、漏電や短絡の発生を防止することができる。
なお、本例の電力変換装置１においても、実施例１の場合と同様の作用効果を奏する。

１ 電力変換装置
１０ 電子部品
２０ 筐体
２１ 溝部
３０ 蓋部
３２ 蓋部固定部材
４０ 冷媒流路
５０ ベースプレート
５１ ベースプレート固定部材
５２、５３、５２０ 切り欠き部

Claims (6)

1. 電子部品（１０）を筐体（２０）内に収納してなる電力変換装置（１）であって、
   上記筐体（２０）の内側に形成されている溝部（２１）と、
   該溝部（２１）を塞ぐように、蓋部固定部材（３２）を介して、上記筐体（２０）に固定されている蓋部（３０）と、
   上記溝部（２１）と上記蓋部（３０）との間に形成されているとともに、上記電子部品（１０）を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路（４０）と、
   を備え、
   上記電子部品（１０）は、上記蓋部（３０）における上記溝部（２１）と反対側の面（３１）に設けられているベースプレート（５０）に固定されており、該ベースプレート（５０）は、ベースプレート固定部材（５１）を介して、上記筐体（２０）に固定されており、
   上記ベースプレート固定部材（５１）は、上記ベースプレート（５０）を上記蓋部（３０）と共締めして上記筐体（２０）に固定していることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 電子部品（１０）を筐体（２０）内に収納してなる電力変換装置（１）であって、
   上記筐体（２０）の内側に形成されている溝部（２１）と、
   該溝部（２１）を塞ぐように、蓋部固定部材（３２）を介して、上記筐体（２０）に固定されている蓋部（３０）と、
   上記溝部（２１）と上記蓋部（３０）との間に形成されているとともに、上記電子部品（１０）を冷却する冷媒を流通させる冷媒流路（４０）と、
   を備え、
   上記電子部品（１０）は、上記蓋部（３０）における上記溝部（２１）と反対側の面（３１）に設けられているベースプレート（５０）に固定されており、該ベースプレート（５０）は、ベースプレート固定部材（５１）を介して、上記筐体（２０）に固定されており、
   上記ベースプレート（５０）には、上記蓋部固定部材（３２）に対向する位置に切り欠き部（５２、５３、５２０）が形成されており、上記蓋部固定部材（３２）のうち、上記蓋部（３０）から上記ベースプレート（５０）側に突出する突出部（３２ｂ）が上記切り欠き部（５２、５３、５２０）に収納されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 上記ベースプレート（５０）には、上記蓋部固定部材（３２）に対向する位置に切り欠き部（５２、５３、５２０）が形成されており、上記蓋部固定部材（３２）のうち、上記蓋部（３０）から上記ベースプレート（５０）側に突出する突出部（３２ｂ）が上記切り欠き部（５２、５３、５２０）に収納されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記切り欠き部（５２、５２０）は、上記蓋部（３０）側に開口した凹状に形成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記切り欠き部（５３）は、上記ベースプレート（５０）において、上記蓋部（３０）側から反対側に貫通するように形成されているとともに、上記切り欠き部（５３）の上記蓋部（３０）と反対側には上記電子部品（１０）が配置されており、上記蓋部（３０）と上記電子部品（１０）との距離（Ｄ２）は、上記蓋部固定部材（３２）の軸方向の長さ（Ｌ）よりも短いことを特徴とする請求項２又は３に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記電子部品（１０）と上記ベースプレート（５０）とは、直流電力を昇圧または降圧するコンバータユニット（３）を形成しているとともに、上記コンバータユニット（３）によって昇圧又は降圧された直流電力を交流電力に変換するインバータユニット（２）を備え、上記コンバータユニット（３）と上記インバータユニット（２）とは、上記冷媒流路（４０）を挟むように上記筐体（２０）内に配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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