JP6375797B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、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に搭載されたインバータやコンバータ等の電力変換装置は、その構成部品を収容するケース本体内におけるコンデンサ収容部に、コンデンサを配置している（例えば特許文献１）。

特開２０１３−５５８４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の電力変換装置は、コンデンサがケース本体に対して直接的に接触していないため、放熱性の観点で改善の余地がある。

つまり、ケース本体のコンデンサ収容部にコンデンサセルを配置し、そこに直接ポッティング材を充填することにより、コンデンサを構成することが考えられる。これにより、ポッティング材が直接ケース本体に接触するため、コンデンサの放熱性を向上させることができる。

ところが、かかる構造を採用した場合には、以下のような問題がある。すなわち、コンデンサセルを配置したコンデンサ収容部にポッティング材を充填するにあたっては、コンデンサセルがポッティング面から露出することを防ぐべく、ポッティング面を管理しながら充填作業を行う必要がある。この充填作業にはばらつきが生じ得るため、ばらつきを考慮してポッティング面をコンデンサセルの上端よりも充分に高くする必要があり、それに伴い、コンデンサ収容部の深さを充分に深くする必要がある。その結果、本体ケースひいては電力変換装置の大型化を招くこととなる。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、コンデンサセルの放熱性の向上を図り、かつ、小型化を容易にすることが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、上方が開口したケース本体と、
該ケース本体の一部に収容されたコンデンサセルと、
該コンデンサセルを封止するポッティング材と、を有する電力変換装置であって、
上記ケース本体は、下面と側面とから上記コンデンサセルを囲むように該コンデンサセルを収容すると共に上記ポッティング材が充填されたセル収容空間と、該セル収容空間に連結すると共に該セル収容空間の底面よりも高い位置に底面を有する連結空間とを有し、
上記セル収容空間と上記連結空間とからなる一体空間は、上記コンデンサセルの上端よりも高い位置まで延びた空間側面によって全周が囲まれており、
上記ポッティング材は、上記セル収容空間と上記連結空間とにわたって連続して配置されていることを特徴とする電力変換装置にある。
本発明の他の態様は、上方が開口したケース本体と、
該ケース本体の一部に収容されたコンデンサセルと、
該コンデンサセルを封止するポッティング材と、を有する電力変換装置であって、
上記ケース本体は、下面と側面とから上記コンデンサセルを囲むように該コンデンサセルを収容すると共に上記ポッティング材が充填されたセル収容空間と、該セル収容空間に連結すると共に該セル収容空間の底面よりも高い位置に底面を有する連結空間とを有し、
上記セル収容空間と上記連結空間とからなる一体空間は、上記コンデンサセルの上端よりも高い位置まで延びた空間側面によって全周が囲まれており、
上記連結空間の底面は、上記コンデンサセルの上端よりも下方に形成されていることを特徴とする電力変換装置にある。
本発明のさらに他の態様は、上方が開口したケース本体と、
該ケース本体の一部に収容されたコンデンサセルと、
該コンデンサセルを封止するポッティング材と、を有する電力変換装置であって、
上記ケース本体は、下面と側面とから上記コンデンサセルを囲むように該コンデンサセルを収容すると共に上記ポッティング材が充填されたセル収容空間と、該セル収容空間に連結すると共に該セル収容空間の底面よりも高い位置に底面を有する連結空間とを有し、
上記セル収容空間と上記連結空間とからなる一体空間は、上記コンデンサセルの上端よりも高い位置まで延びた空間側面によって全周が囲まれており、
上記ケース本体は、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冷却器とを収容した主回路部収容空間を有し、上記連結空間は、上記主回路部収容空間の上側に隣接配置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、ケース本体は、下面と側面とからコンデンサセルを囲むようにコンデンサセルを収容すると共にポッティング材が充填されたセル収容空間を有する。すなわち、ポッティング材は、直接ケース本体のセル収容空間に充填されている。これにより、コンデンサセルの放熱性を向上させることができる。

また、ケース本体は、連結空間を有し、セル収容空間と連結空間とからなる一体空間は、上記空間側面によって全周が囲まれている。それゆえ、セル収容空間にポッティング材を注入するときに、セル収容空間からポッティング材が溢れ出たとしても、ポッティング材は連結空間に流れ込むことができるため、ポッティング材が一体空間の外に溢れることを防ぐことができる。そのため、ポッティング面をコンデンサセルの上端よりも上側の位置となるようにポッティング材をセル収容空間に充填するとき、ポッティング面が高くなることを抑制できる。つまり、ポッティング材を注入しすぎても、ポッティング材の一部が連結空間へ溢れることにより、ポッティング面が高くなり難い。そのため、セル収容空間の深さを深くすることなく、ポッティング材の溢れ出しを防ぐことができる。その結果、ケース本体の小型化を図りやすくすることができ、これに伴い、電力変換装置の小型化を容易にすることができる。

以上のごとく、本発明によれば、コンデンサセルの放熱性の向上を図り、かつ、小型化を容易にすることが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。 図１のII−II矢視断面図。

本明細書において、「上方」、「下方」とは、ケース本体内にポッティング材を注入する際におけるケース本体の姿勢を基準にしており、電力変換装置を自動車に搭載したとき等、電力変換装置の使用時の向きとは無関係である。

上記電力変換装置において、ポッティング材は、セル収容空間と連結空間とにわたって連続して配置されていることが好ましい。この場合には、ポッティング面の調整を容易に行うことができる。すなわち、連結空間における底面よりも上方の領域では、一体空間の水平方向の断面積が大きいため、上記領域においては、ポッティング材を注入する際の液面の上昇速度を低くすることができ、液面の微調整を容易にすることができる。そのため、ポッティング材がセル収容空間と連結空間とにわたって連続して配置されている状態にある電力変換装置を得るにあたっては、ポッティング面をコンデンサセルの上端から大きく上方に位置させるように設計する必要がない。その結果、よりケース本体の小型化を図りやすくすることができ、これに伴い、電力変換装置の小型化を一層容易にすることができる。

また、連結空間の底面は、コンデンサセルの上端よりも下方に形成されていることが好ましい。この場合には、ケース本体内にポッティング材を注入する際の、コンデンサセルの上端付近における液面調整が容易となる。

（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、上方が開口したケース本体２と、ケース本体２の一部に収容されたコンデンサセル１１と、コンデンサセル１１を封止するポッティング材１２とを有する。ケース本体２は、下面と側面とからコンデンサセル１１を囲むようにコンデンサセル１１を収容すると共にポッティング材１２が充填されたセル収容空間３１と、セル収容空間３１に連結すると共にセル収容空間３１の底面３１１よりも高い位置に底面３２１を有する連結空間３２とを有する。セル収容空間３１と連結空間３２とからなる一体空間３は、コンデンサセル１１の上端１１１よりも高い位置まで延びた空間側面２１１によって全周が囲まれている。

セル収容空間３１及び連結空間３２は、略直方体形状を有する。図２に示すごとく、セル収容空間３１の高さ方向Ｚにおける寸法は、連結空間３２の高さ方向Ｚにおける寸法よりも小さい。セル収容空間３１の上面３１２と連結空間３２の上面３２２とは、面一になるように形成されている。一方、連結空間３２の底面３２１は、セル収容空間３１の底面３１１よりも高いところに位置する。図１、図２に示すごとく、セル収容空間３１と連結空間３２とは、互いの側面において接して、互いに連通している。

さらに、ケース本体２は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール４と、半導体モジュール４を冷却する冷却器５とを収容した主回路部収容空間６を有する。そして、連結空間３２は、主回路部収容空間６の上側に隣接配置されている。また、セル収容空間３１は、主回路部収容空間６の側方に隣接配置されている。

ケース本体２は、高さ方向Ｚに立設する複数の外周壁部２１と、外周壁部２１の内側の空間を高さ方向Ｚに直交する方向（水平方向）に仕切る複数の仕切壁部２２と、水平方向に広がる複数の底壁部２３とを一体的に形成してなる。

セル収容空間３１と連結空間３２とからなる一体空間３は、一部の外周壁部２１と一部の仕切壁部２２と一部の底壁部２３とによって囲まれている。一体空間３を囲む底壁部２３によって、セル収容空間３１の底面３１１、連結空間３２の底面３２１が形成されている。また、一体空間３を囲む外周壁部２１と仕切壁部２２とによって、一体空間３を囲む空間側面２１１が形成されている。

主回路部収容空間６は、略直方体形状を有する。そして、主回路部収容空間６は、ケース本体２における一部の外周壁部２１と一部の仕切壁部２２と一部の底壁部２３とによって囲まれている。

半導体モジュール４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なる。また、図２に示すごとく、半導体モジュール４は、高さ方向Ｚにおいて互いに反対側に突出したパワー端子４１と制御端子４２とを有する。

図１に示すごとく、冷却器５は、複数の冷却管５１と、該複数の冷却管５１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５２とを有する。そして、半導体モジュール４と冷却管５１とは積層されており、半導体積層ユニット１０が構成されている。すなわち、半導体モジュール４は、その両主面から一対の冷却管５１によって挟持されている。冷却器５３は、アルミニウム等、熱伝導性に優れた金属からなる。半導体積層ユニット１０の積層方向Ｘの一方側には、加圧部材１３が弾性変形した状態で配されている。これにより、半導体積層ユニット１０は、積層方向Ｘに加圧された状態になっている。

積層方向Ｘの一端に配された冷却管５１には、冷却管５１に冷媒を導入・排出するための冷媒導入管５３と冷媒排出管５４とが接続されており、それらの先端はケース本体２から外側に突出している。

冷媒導入管５３から導入された冷却媒体は、連結管５２を適宜通り、各冷却管５１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５１を流れる間に、冷却媒体は半導体モジュール４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５２を適宜通り、冷媒排出管５４に導かれ、冷却器５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。

図２に示すごとく、主回路部収容空間６における冷却管５１の長手方向の一端部の上方には、連結空間３２の下側に配された底壁部２３が位置している。つまり、連結空間３２は、主回路部収容空間６における冷却管５１の長手方向の一端部の上方に隣接配置されている。すなわち、連結空間３２は、冷却器５の一部の上方に位置している。また、セル収容空間３１は、主回路部収容空間６に対して、積層方向Ｘにおける冷媒導入管５３、冷媒排出管５４の突出側と反対側に隣接配置されている。また、セル収容空間３１を囲っている仕切壁部２２の一部が、主回路部収容空間６を囲っている仕切壁部２２の一部をも構成している。

セル収容空間３１には、１つもしくは複数のコンデンサセル１１が配置されている。本例においては、セル収容空間３１には、複数のコンデンサセル１１が配置されている。そして、セル収容空間３１におけるコンデンサセル１１の周囲には、ポッティング材１２が充填されている。また、ポッティング材１２は、連結空間３２にも配されている。つまり、ポッティング材１２は、セル収容空間３１と連結空間３２とにわたって連続して配置されている。そして、図２に示すごとく、ポッティング材１２は、その表面であるポッティング面１２１が連結空間３２の底面３２１よりも高い位置（上側）になるように充填されている。

連結空間３２の底面３２１は、コンデンサセル１１の上端１１１よりも下方に形成されている。ここで、コンデンサセル１１の上端１１１とは、複数のコンデンサセル１１が異なる高さに上端を有する場合には、これらのうち最も高い位置にある上端をいう。そして、ポッティング面１２１は、コンデンサセル１１の上端１１１の上側であって、一体空間３を囲む外周壁部２１及び仕切壁部２２の上端よりも下側に位置している。

本例の電力変換装置１を製造する際、セル収容空間３１においてコンデンサセル１１をポッティング材１２によって封止するにあたっては、以下のような手順を採る。

まず、セル収容空間３１における所定の位置に、コンデンサセル１１を配置する。そして、セル収容空間３１におけるコンデンサセル１１の周囲に、液状のポッティング材１２を注入する。ポッティング材１２の液面が徐々に上昇し、該液面が連結空間３２の底面３２１の高さまで達すると、連結空間３２にもポッティング材１２が広がる。ポッティング材１２が連結空間３２にまで広がると、ポッティング材１２の液面上昇速度が緩やかになる。すなわち、単位時間当たりのポッティング材１２の注入量が同じでも、液面の上昇速度は低下する。そして、コンデンサセル１１の上端１１１よりも、上側の所定の高さにポッティング材１２の液面が達した時点で、ポッティング材１２の注入をやめる。そして、ポッティング材１２を硬化させる。

以上により、コンデンサセル１１をポッティング材１２によって封止することができる。

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、ケース本体２は、下面と側面とからコンデンサセル１１を囲むようにコンデンサセル１１を収容すると共にポッティング材１２が充填されたセル収容空間３１を有する。すなわち、ポッティング材１２は、直接ケース本体２のセル収容空間３１に充填されている。これにより、コンデンサセル１１の放熱性を向上させることができる。

また、ケース本体２は、連結空間３２を有し、セル収容空間３１と連結空間３２とからなる一体空間３は、上記空間側面２１１によって全周が囲まれている。それゆえ、セル収容空間３１にポッティング材１２を注入するときに、セル収容空間３１からポッティング材１２が溢れ出たとしても、ポッティング材１２は連結空間３２に流れ込むことができるため、ポッティング材１２が一体空間３の外に溢れることを防ぐことができる。そのため、ポッティング面１２１をコンデンサセル１１の上端１１１よりも上側の位置となるようにポッティング材１２をセル収容空間３１に充填するとき、ポッティング面１２１が高くなることを抑制できる。つまり、ポッティング材１２を注入しすぎても、ポッティング材１２の一部が連結空間３２へ溢れることにより、ポッティング面１２１が高くなり難い。そのため、セル収容空間３１の深さを深くすることなく、ポッティング材１２の溢れ出しを防ぐことができる。その結果、ケース本体２の小型化を図りやすくすることができ、これに伴い、電力変換装置１の小型化を容易にすることができる。

また、ポッティング材１２は、セル収容空間３１と連結空間３２とにわたって連続して配置されている。これにより、ポッティング面１２１の調整を容易に行うことができる。すなわち、連結空間３２における底面よりも上方の領域では、一体空間３の水平方向の断面積が大きいため、上記領域においては、ポッティング材１２を注入する際の液面の上昇速度を低くすることができ、液面の微調整を容易にすることができる。そのため、ポッティング材１２がセル収容空間３１と連結空間３２とにわたって連続して配置されている状態にある電力変換装置１を得るにあたっては、ポッティング面１２１をコンデンサセル１１の上端１１１から大きく上方に位置させるように設計する必要がない。その結果、よりケース本体２の小型化を図りやすくすることができ、これに伴い、電力変換装置１の小型化を一層容易にすることができる。

また、連結空間３２の底面は、コンデンサセル１１の上端１１１よりも下方に形成されている。これにより、ケース本体２内にポッティング材１２を注入する際の、コンデンサセル１１の上端１１１付近における液面調整が容易となる。

また、ケース本体２は、主回路部収容空間６を有し、連結空間３２は、主回路部収容空間６の上側に隣接配置されている。それゆえ、主回路部収容空間６に配された冷却器５によって、連結空間３２に配されたポッティング材１２を冷却することができる。また、主回路部収容空間６の上方のデッドスペースを有効活用することができるため、電力変換装置１の一層の小型化を図ることができる。

また、セル収容空間３１は、主回路部収容空間６の側方に隣接配置されている。それゆえ、主回路部収容空間６に配された冷却器５によって、セル収容空間３１に配されたコンデンサセル１１及びポッティング材１２を冷却することができる。

以上のごとく、本例によれば、コンデンサセル１１の放熱性の向上を図り、かつ、小型化を容易にすることができる電力変換装置１を提供することができる。

なお、実施例においては、ポッティング材をセル収容空間と連結空間とにわたって連続して配置した例を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、ポッティング材を、連結空間には充填せず、セル収容空間のみに充填する構成としてもよい。この場合、連結空間の底面を、コンデンサセルの上端よりも上方に形成することにより、コンデンサセルがポッティング面から露出することを防ぐことができる。

その他、本発明は、種々の態様を採り得る。例えば、上記実施例においては、ケース本体は、一つの連結空間を有するが、複数の連結空間を設けてもよい。

１ 電力変換装置
１１ コンデンサセル
１２ ポッティング材
２ ケース本体
２１１ 空間側面
３ 一体空間
３１ セル収容空間
３２ 連結空間

Claims (7)

1. 上方が開口したケース本体（２）と、
   該ケース本体（２）の一部に収容されたコンデンサセル（１１）と、
   該コンデンサセル（１１）を封止するポッティング材（１２）と、を有する電力変換装置（１）であって、
   上記ケース本体（２）は、下面と側面とから上記コンデンサセル（１１）を囲むように該コンデンサセル（１１）を収容すると共に上記ポッティング材（１２）が充填されたセル収容空間（３１）と、該セル収容空間（３１）に連結すると共に該セル収容空間（３１）の底面（３１１）よりも高い位置に底面（３２１）を有する連結空間（３２）とを有し、
   上記セル収容空間（３１）と上記連結空間（３２）とからなる一体空間（３）は、上記コンデンサセル（１１）の上端（１１１）よりも高い位置まで延びた空間側面（２１１）によって全周が囲まれており、
   上記ポッティング材（１２）は、上記セル収容空間（３１）と上記連結空間（３２）とにわたって連続して配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上方が開口したケース本体（２）と、
   該ケース本体（２）の一部に収容されたコンデンサセル（１１）と、
   該コンデンサセル（１１）を封止するポッティング材（１２）と、を有する電力変換装置（１）であって、
   上記ケース本体（２）は、下面と側面とから上記コンデンサセル（１１）を囲むように該コンデンサセル（１１）を収容すると共に上記ポッティング材（１２）が充填されたセル収容空間（３１）と、該セル収容空間（３１）に連結すると共に該セル収容空間（３１）の底面（３１１）よりも高い位置に底面（３２１）を有する連結空間（３２）とを有し、
   上記セル収容空間（３１）と上記連結空間（３２）とからなる一体空間（３）は、上記コンデンサセル（１１）の上端（１１１）よりも高い位置まで延びた空間側面（２１１）によって全周が囲まれており、
   上記連結空間（３２）の底面（３２１）は、上記コンデンサセル（１１）の上端（１１１）よりも下方に形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
3. 上方が開口したケース本体（２）と、
   該ケース本体（２）の一部に収容されたコンデンサセル（１１）と、
   該コンデンサセル（１１）を封止するポッティング材（１２）と、を有する電力変換装置（１）であって、
   上記ケース本体（２）は、下面と側面とから上記コンデンサセル（１１）を囲むように該コンデンサセル（１１）を収容すると共に上記ポッティング材（１２）が充填されたセル収容空間（３１）と、該セル収容空間（３１）に連結すると共に該セル収容空間（３１）の底面（３１１）よりも高い位置に底面（３２１）を有する連結空間（３２）とを有し、
   上記セル収容空間（３１）と上記連結空間（３２）とからなる一体空間（３）は、上記コンデンサセル（１１）の上端（１１１）よりも高い位置まで延びた空間側面（２１１）によって全周が囲まれており、
   上記ケース本体（２）は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（４）と、該半導体モジュール（４）を冷却する冷却器（５）とを収容した主回路部収容空間（６）を有し、上記連結空間（３２）は、上記主回路部収容空間（６）の上側に隣接配置されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
4. 上記セル収容空間（３１）は、上記主回路部収容空間（６）の側方に隣接配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記ポッティング材（１２）は、上記セル収容空間（３１）と上記連結空間（３２）とにわたって連続して配置されていることを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記連結空間（３２）の底面（３２１）は、上記コンデンサセル（１１）の上端（１１１）よりも下方に形成されていることを特徴とする請求項１、３〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
7. 上記ケース本体（２）は、スイッチング素子を内蔵した半導体モジュール（４）と、該半導体モジュール（４）を冷却する冷却器（５）とを収容した主回路部収容空間（６）を有し、上記連結空間（３２）は、上記主回路部収容空間（６）の上側に隣接配置されていることを特徴とする請求項１、２、４〜６のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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