JP6331849B2

JP6331849B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6331849B2
Application number: JP2014159195A
Authority: JP
Inventors: 紀博田中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2018-05-30
Anticipated expiration: 2034-08-05
Also published as: JP2016039638A

Description

本発明は、半導体モジュールを冷却する冷却器内の空気を抜くためのエア抜き管を備える電力変換装置に関する。

電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される電力変換装置として、半導体モジュールと、該半導体モジュールを冷却する冷却器とを有するものがある。そして、特許文献１には、冷却器内の空気を抜くためのエア抜き管を備えるものが開示されている。

特開２０１２−１０５３７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載のエア抜き管は、冷却器内の空気を抜く役割を果たしているものの、さらに有効活用する余地がある。すなわち、エア抜き管内にも冷媒が流入するため、エア抜き管も低温に保たれ、その周囲に冷熱を放散することとなる。ところが、冷却器の本体部とは異なり、エア抜き管には、電子部品が隣接しているわけではないので、上記の冷熱は無駄に放散されてしまう。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、エア抜き管を、電子部品の冷却にも有効活用できる電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体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冷却器とを有する電力変換装置であって、
上記冷却器は、上記半導体モジュールと冷媒との熱交換を行う本体部と、該本体部へ冷媒を導入するための冷媒導入管と、上記本体部から冷媒を排出する冷媒排出管と、上記本体部内の空気を抜くためのエア抜き管とを有し、
上記エア抜き管には、上記電力変換装置の一部を構成する電子部品が隣接し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、エア抜き管には、上記電力変換装置の一部を構成する電子部品が隣接している。そのため、エア抜き管に流入した冷媒と、上記電子部品との間において熱交換を行うことができる。つまり、エア抜き管によって電子部品を冷却することができる。それゆえ、エア抜き管に、冷却器内の空気を抜く役割に加えて、電子部品を冷却する役割を持たせることができる。これにより、エア抜き管を有効活用できる。

また、これに伴い、上記電子部品を冷却するための冷却手段を別途設ける必要もなくなるため、電力変換装置の部品点数の低減、小型化を図ることもできる。

以上のごとく、本発明によれば、エア抜き管を電子部品の冷却にも有効活用でき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、電力変換装置の上面図。実施例１における、エア抜き管側からみた電力変換装置の正面図。実施例２における、電力変換装置の上面図。実施例２における、エア抜き管側からみた電力変換装置の正面図実施例３における、電力変換装置の上面図。実施例３における、エア抜き管側から見た電力変換装置の正面図。実施例４における、電力変換装置の上面図。実施例４における、エア抜き管側から見た電力変換装置の正面図。実施例５における、電力変換装置の上面図。実施例５における、エア抜き管側から見た電力変換装置の正面図。実施例６における、電力変換装置の上面図。実施例６における、エア抜き管側から見た電力変換装置の正面図。

本発明の電力変換装置は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車に使用することができる。また、上記電子部品は、例えば、コンデンサ、リアクトル等とすることができる。

（実施例１）
上記電力変換装置の実施例につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、半導体素子を内蔵した半導体モジュール２と、該半導体モジュール２を冷却する冷却器３とを有する。冷却器３は、半導体モジュール２と冷媒との熱交換を行う本体部３１と、本体部３１へ冷媒を導入するための冷媒導入管３２と、本体部３１から冷媒を排出する冷媒排出管３３と、本体部３１内の空気を抜くためのエア抜き管３４とを有する。エア抜き管３４には、電力変換装置１の一部を構成する電子部品４が隣接している。

半導体モジュール２は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等のスイッチング素子やＦＷＤ（フリーホイールダイオード）等のダイオードを内蔵している。半導体モジュール２の主面は、冷却器３の本体部３１と熱的に接触している。

図１に示すごとく、本体部３１は、その厚み方向から見た形状が、略長方形状を有する。本体部３１における厚み方向の一方の面に、複数の半導体モジュール２が搭載されている。本体部３１には、冷媒導入管３２と冷媒排出管３３とエア抜き管３４とが接合されている。

冷媒導入管３２、冷媒排出管３３、エア抜き管３４は、本体部３１の厚み方向に直交する方向側に配されている。冷媒導入管３２と冷媒排出管３３とは、本体部３１における同じ側に配されており、エア抜き管３４は、本体部３１における冷媒導入管３２及び冷媒排出管３３の反対側に配されている。本例においては、冷媒導入管３２と冷媒排出管３３とエア抜き管３４とは、同じ方向に突出しているが、これに限られるものではない。例えば、冷媒導入管３２と冷媒排出管３３との突出方向を同じにして、エア抜き管３４の突出方向を、冷媒導入管３２及び冷媒排出管３３の突出方向と直交する方向となるように配置してもよい。

冷媒導入管３２、冷媒排出管３３、エア抜き管３４は、それぞれ、円筒形状を有する。冷却器３（本体部３１、冷媒導入管３２、冷媒排出管３３、エア抜き管３４）は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属からなる。

なお、本例においては、冷媒導入管３２、冷媒排出管３３、及びエア抜き管３４の突出方向を、「突出方向Ｘ」といい、冷媒導入管３２と冷媒排出管３３との並び方向を「横方向Ｙ」といい、突出方向Ｘと横方向Ｙとの双方に直交する方向を「高さ方向Ｚ」という。

本体部３１の内部には、冷媒を流通するための冷媒流路が形成されている。本体部３１は、冷媒導入管３２から本体部３１への冷媒の導入方向である冷媒導入方向に、エア抜き管３４との接続部７が配されており、本体部３１の冷媒流路は、本体部３１と冷媒導入管３２との接続部８から本体部３１とエア抜き管３４との接続部７まで、冷媒導入方向に連続している。本例においては、冷媒導入管３２と、本体部３１の一部と、エア抜き管３４とは、一直線上に配されている。

冷媒導入管３２から導入した冷媒は、本体部３１内の冷媒流路を流れる間に、半導体モジュール２との間で熱交換を行う。そして、熱交換により温度が上昇した冷媒は、冷媒排出管３３から排出される。

冷却媒体としては、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（登録商標）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を用いることができる。

エア抜き管３４は、本体部３１における鉛直方向の最も高い位置から突出しており、その一端は、図示しないリザーバタンクに接続されている。リザーバタンクは、本体部３１よりも鉛直方向における上方に位置している。そして、冷却器３内の冷媒の交換時等において、冷却器３の本体部３１内の空気は、エア抜き管３４を通じてリザーバタンクへ排出されることとなる。

電子部品４は、エア抜き管３４内に流入した冷媒と熱交換できる程度に近接した位置に配されている。本例においては、電子部品４は、エア抜き管３４との間に間隙を設けて配されているが、間隙を設けなくてもよい。電子部品４は、例えばコンデンサとすることができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、エア抜き管３４には、電力変換装置１の一部を構成する電子部品４が隣接している。そのため、エア抜き管３４に流入した冷媒と、電子部品４との間において熱交換を行うことができる。つまり、エア抜き管３４によって電子部品４を冷却することができる。それゆえ、エア抜き管３４に、冷却器３内の空気を抜く役割に加えて、電子部品４を冷却する役割を持たせることができる。これにより、エア抜き管３４を有効活用できる。

また、これに伴い、上記電子部品４を冷却するための冷却手段を別途設ける必要もなくなるため、電力変換装置１の部品点数の低減、小型化を図ることもできる。

また、冷媒導入管３２と冷媒排出管３３とは、本体部３１における同じ側に配されており、エア抜き管３４は、本体部３１における冷媒導入管３２及び冷媒排出管３３の反対側に配されている。それゆえ、冷媒導入管３２、冷媒排出管３３、及びエア抜き管３４の突出方向Ｘに直交する方向における電力変換装置１の小型化を図ることができる。

また、本体部３１の冷媒流路は、本体部３１と冷媒導入管３２との接続部７から本体部３１とエア抜き管３４との接続部８まで、冷媒導入方向に連続している。これにより、冷媒導入管３２から導入した冷媒が、エア抜き管３４に流入しやすくなる。それゆえ、エア抜き管３４内の冷媒と、電子部品４との熱交換の効率を向上させることができる。

以上のごとく、本例によれば、エア抜き管を電子部品の冷却にも有効活用できる電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図３、図４に示すごとく、本体部３１が、複数の冷却管３１１と、該複数の冷却管３１１を長手方向の両端部において互いに連結する複数の連結管３１２とを有する例である。半導体モジュール２と冷却管３１１とは積層されている。すなわち、図３に示すごとく、半導体モジュール２は、その両主面から一対の冷却管３１１によって挟持されている。本例においては、隣接する一対の冷却管３１１は、２つの半導体モジュール２を挟持している。

冷媒導入管３２及び冷媒排出管３３は、複数の冷却管３１１の積層方向の一端に配された冷却管３１１から積層方向に突出しており、エア抜き管３４は、積層方向の他端に配された冷却管３１１から積層方向に突出している。つまり、突出方向Ｘは、複数の冷却管３１１の積層方向となっている。

複数の連結管３１２の一部は、冷媒導入管３２と一直線上に配されて、複数の冷却管３１１の一方の端部と共に導入ヘッダ部５を構成し、複数の連結管３１２の他の一部は、冷媒排出管３３と一直線上に配されて、複数の冷却管３１１の他方の端部と共に排出ヘッダ部６を構成している。そして、エア抜き管３４は、導入ヘッダ部５に接続されている。これにより、冷媒導入管３２と、導入ヘッダ部５と、エア抜き管３４とは、一直線上に配されている。

なお、導入ヘッダ部５においては、導入ヘッダ部５を構成する連結管３１２の中心軸と、冷媒導入管３２の中心軸とが一直線上に並んでいることが好ましいが、必ずしも正確に一直線上に並んでいる必要はなく、連結管３１２と冷媒導入管３２とが、概略一直線上に配されていればよい。排出ヘッダ部６における連結管３１２と冷媒排出管３３との配置についても同様である。

冷却器３において、冷媒導入管３２から導入された冷媒は、導入ヘッダ部５を通り、各冷却管３１１に分配される。そして、各冷却管３１１を流れる間に、冷媒は半導体モジュール２との間で熱交換を行う。熱交換により温度上昇した冷媒は、排出ヘッダ部６を通り、冷媒排出管３３に導かれ、冷却器３から排出される。

図４に示すごとく、半導体モジュール２は、高さ方向Ｚにおける一方側からパワー端子２１が突出しており、高さ方向Ｚにおけるパワー端子２１と反対側からは制御端子２２が突出している。

その他は、実施例１と同様である。なお、本例又は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。

本例の場合には、本体部３１は、半導体モジュール２と冷却管３１１とは積層されている。これにより、半導体モジュール２を両主面から効率的に冷却することができる。

また、エア抜き管３４は、冷媒導入管３２と一直線上に配された導入ヘッダ部５に接続されている。これにより、冷媒導入管３２から導入した冷媒は、直接エア抜き管３４に流入しやすくなる。それゆえ、エア抜き管３４内の冷媒と電子部品４との間の熱交換効率を一層向上させることができる。特に、冷媒導入管３２から本体部３１への冷媒導入方向に、冷媒導入管３２と導入ヘッダ部５とエア抜き管３４とが一直線上に配されているため、冷媒がエア抜き管３４へも充分に流入しやすい。
その他、実施例１と同様の作用効果を有する。

（実施例３）
本例は、図５、図６に示すごとく、エア抜き管３４に隣接した電子部品４が、熱伝導性を有する接続部材１１を介してエア抜き管３４に固定されている例である。接続部材１１は、横方向Ｙにおけるエア抜き管３４と電子部品４との間に配されている。電子部品４は、接続部材１１を介してエア抜き管３４と熱的に接続している。接続部材１１としては、熱伝導性を有する接着剤等を使うことができる。

その他は、実施例２と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、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２と同様の構成要素等を表す。

本例の場合には、エア抜き管３４に隣接した電子部品４の剛性を向上させることができる。
その他、実施例２と同様の効果を有する。

（実施例４）
本例は、図７、図８に示すごとく、実施例３の変形例である。本例において、電子部品４は、突出方向Ｘに貫通する貫通空間４０を有する。当該貫通空間４０にエア抜き管３４が挿通されており、貫通空間４０における、電子部品４とエア抜き管３４との間に接続部材１１が配されている。

その他は、実施例３と同様である。なお、本例又は本例に関する図面において用いた符号のうち、実施例３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３と同様の構成要素等を表す。
本例においても、実施例３と同様の作用効果を有する。

（実施例５）
本例も、図９、図１０に示すごとく、実施例３の変形例である。本例において、接続部材１１は、エア抜き管３４の外周面に沿った形状を有する面接触部１１１を有する。面接触部１１１は、エア抜き管３４の外周面に面接触している。より具体的には、接続部材１１は、高さ方向Ｚにおけるエア抜き管３４の一部を覆う円弧状の面接触部１１１と、面接触部１１１の一端と電子部品４とをつなぐ連結部１１２とを有する。本例の接続部材１１は、例えば、金属から構成することができる。

（実施例６）
本例も、図１１、図１２に示すごとく、実施例３の変形例である。本例において、電子部品４には、高さ方向Ｚの一方側の面に、断面半円状の凹部４１が突出方向Ｘの全域に形成されている。エア抜き管３４は、電子部品４の凹部４１に嵌合している。そして、接続部材１１は、高さ方向Ｚにおけるエア抜き管３４の一部を覆う面接触部１１１と、その両端から横方向Ｙに延設した延設部１１３を有する。面接触部１１１は、エア抜き管３４の外周面に面接触している。接続部材１１は、延設部１１３において、電子部品４と図示しないボルトによって締結されている。

１電力変換装置
２半導体モジュール
３冷却器
３１本体部
３２冷媒導入管
３３冷媒排出管
３４エア抜き管
４電子部品

Claims

半導体素子を内蔵した半導体モジュール（２）と、該半導体モジュール（２）を冷却する冷却器（３）とを有する電力変換装置（１）であって、
上記冷却器（３）は、上記半導体モジュール（２）と冷媒との熱交換を行う本体部（３１）と、該本体部（３１）へ冷媒を導入するための冷媒導入管（３２）と、上記本体部（３１）から冷媒を排出する冷媒排出管（３３）と、上記本体部（３１）内の空気を抜くためのエア抜き管（３４）とを有し、
上記エア抜き管（３４）には、上記電力変換装置（１）の一部を構成する電子部品（４）が隣接していることを特徴とする電力変換装置（１）。
上記冷媒導入管（３２）と上記冷媒排出管（３３）とは、上記本体部（３１）における同じ側に配されており、上記エア抜き管（３４）は、上記本体部（３１）における上記冷媒導入管（３２）及び上記冷媒排出管（３３）の反対側に配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）。
上記本体部（３１）は、上記冷媒導入管（３２）から上記本体部（３１）への冷媒の導入方向である冷媒導入方向に、上記エア抜き管（３４）との接続部（７）が配されており、上記本体部（３１）の冷媒流路は、上記本体部（３１）と上記冷媒導入管（３２）との接続部（８）から上記本体部（３１）と上記エア抜き管（３４）との接続部（７）まで、上記冷媒導入方向に連続していることを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置（１）。
上記本体部（３１）は、複数の冷却管（３１１）と、該複数の冷却管（３１１）を長手方向の両端部において互いに連結する複数の連結管（３１２）とを有し、上記半導体モジュール（２）と上記冷却管（３１１）とは積層されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
上記複数の連結管（３１２）の一部は、上記冷媒導入管（３２）と一直線上に配されて、上記複数の冷却管（３１１）の一方の端部と共に導入ヘッダ部（５）を構成し、上記複数の連結管（３１２）の他の一部は、上記冷媒排出管（３３）と一直線上に配されて、上記複数の冷却管（３１１）の他方の端部と共に排出ヘッダ部（６）を構成しており、上記エア抜き管（３４）は、上記導入ヘッダ部（５）に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置（１）。
上記エア抜き管（３４）に隣接した上記電子部品（４）は、熱伝導性を有する接続部材（１１）を介して上記エア抜き管（３４）に固定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）。