JP6432909B2 - 電力機器 - Google Patents

Description

本発明は、電力機器に関し、特にヒートシンクを取り付けた電力機器に関する。

所定の機能を有する電気回路基板とその電気回路基板に対してインダクタンス素子の機能を有するリアクトルとを併設した電力機器が知られている。リアクトルは発熱量が比較的大きく、電気回路基板は耐熱性が比較的小さい。そのため、このような電力機器にはヒートシンクを設け、併設したリアクトルと電気回路基板とをそのヒートシンクのベース板上に配置し、リアクトルが発生した熱から電気回路基板を保護するようにしている（例えば特許文献１）。

特開２０１２−２４４７７０号公報

電気回路基板の耐熱温度は、リアクトルの耐熱温度よりも低い。そのため、ヒートシンクが有する一つのベース板上にリアクトルと電気回路基板とを併設した場合、リアクトルの熱が電気回路基板に伝わることによって電気回路基板の温度が耐熱温度を超えてしまう虞がある。

リアクトルは、一般的に、コイル本体にコイル巻線を複数回巻いて構成されている。そのため、ヒートシンクが有する一つのベース板上にリアクトルと電気回路基板とを併設した場合、リアクトルの高さ方向の厚みが電気回路基板の厚みと比較して大きくなる。リアクトル及び電気回路基板の温度を低減するために高さが大きい放熱フィンを設置した場合、電力機器全体のサイズの大型化（下方向への大型化）だけでなく、リアクトル自体の高さ方向の厚みによる電力機器全体のサイズの大型化（上方向への大型化）も問題となり得る。

本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、リアクトルによって放出される熱から電気回路基板を適切に保護しつつも、大型化の抑制が可能な電力機器を提供することを目的としている。

本発明に係る電力機器は、電気回路基板と、電気回路基板の電気回路のインダクタンス
素子となるリアクトルと、第１方向の一方側の表面に電気回路基板とリアクトルとが配置
され、電気回路基板及びリアクトルに生じる熱を第１方向の他方側に放出するヒートシン
クとを備える。ヒートシンクの表面においてリアクトルが配置される表面は電気回路基板
が配置される表面よりも他方側に位置する。ヒートシンクは、電気回路基板の他方側とな
る位置に配置された第１放熱部とリアクトルの他方側となる位置に配置された第２放熱部
とを備える。第１放熱部の第１方向における寸法は、第２放熱部の第１方向における寸法
よりも大きく、第１放熱部は第１放熱ベース板を有し、第２放熱部は第２放熱ベース板を有し、ヒートシンクは、第１放熱部と第２放熱部とを接続する接続板を備え、接続板の熱抵抗は、第１放熱ベース板及び第２放熱ベース板よりも大きい。

本発明によれば、リアクトルによって放出される熱から電気回路基板を適切に保護しつつも、電力機器の設置場所を確保すべく電力機器の大型化の可及的な抑制が可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電力機器を示す側面図である。 本発明の実施の形態１に係る電力機器を示す側面分解図である。 本発明の実施の形態１に係る電力機器を車両に配置した構成を示す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る電力機器を示す側面分解図である。 本発明の実施の形態３に係る電力機器を示す平面分解図である。 本発明の実施の形態４に係る電力機器を示す平面分解図である。

以下、添付図面を参照して、本願が開示する電力機器の実施の形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態は一例であり、これらの実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力機器１を示す側面図である。また図２は、本発明の実施の形態１に係る電力機器１を示す側面分解図であり、図１で示した電力機器１から後述するカバー部材５が取り除いてある。

電力機器１は、電気回路基板であるパワー基板２とリアクトル３とヒートシンク４とを備える。パワー基板２及びリアクトル３が、ヒートシンク４上において横方向に併設してある。つまり、図１及び図２に示した例の場合、パワー基板２とリアクトル３とは、ヒートシンク４に対し、第１方向である高さ方向（図ではｙ軸方向）の一方側に配置してあり、パワー基板２及びリアクトル３は、第１方向と直交する第２方向である横方向（図ではｘ軸方向）に併設してある。なお、第１方向（高さ方向）はパワー基板２及びリアクトル３が取り付けられたヒートシンク４の面に垂直な方向である。また、電力機器１はカバー部材５を備える。パワー基板２及びリアクトル３はカバー部材６によって覆われているが、ヒートシンク４はカバー部材６から露出している。

パワー基板２は、電流が流れて所定の機能を実現する基板であり、複数の素子２ａが取り付けられている。所定の機能を実現すべく複数の素子２ａが取り付けてあり、たとえばコンデンサなど高温で劣化する可能性がある素子も含まれるためパワー基板２は耐熱性が比較的小さい。実施の形態１に係る電力機器１では、パワー基板２の一例として、インバータによって生じる３相交流信号を増幅するパワー基板２を使用している。しかしながらパワー基板２としては、コンバータ、インバータ等の電力変換器としての機能、又はその他の機能を有するように構成してもよい。

リアクトル３は、コイル本体にコイル線が複数回巻かれた静止誘導器であり、パワー基板２の電気回路に対しインダクタンス素子として機能する。コイルに電流が流れることによって、リアクトル３には比較的大きな発熱が生じる。このような構成であるため、リアクトル３はパワー基板２と比較して、高さ方向（図１及び図２のｙ軸方向）の寸法が大きい（図２を参照）。つまり、図１及び図２に示した例の場合、リアクトル３は、第１方向である高さ方向における寸法が、パワー基板２の高さ方向における寸法よりも大きい。実施の形態１に係る電力機器１では、リアクトル３の一例として、パワー基板２の上流側に配置してありパワー基板２に流れる電流を平滑化するリアクトル３を使用している。

ヒートシンク４は、パワー基板２及びリアクトル３と接触するように配置された放熱部材であり、パワー基板２及びリアクトル３が発生する熱を放出するように構成してある。実施の形態１に係る電力機器１では、一例として、アルミニウムを用いて構成されたヒートシンク４を使用している。

ヒートシンク４は、パワー基板２の下方に位置する第１放熱部４ａとリアクトル３の下方に位置する第２放熱部４ｂとを含んでいる。つまり、図１及び図２に示した一例の場合、ヒートシンク４は、パワー基板２の第１方向他方側に位置する第１放熱部４ａとリアクトル３の第１方向他方側に位置する第２放熱部４ｂとを含んでいる。

第１放熱部４ａは、パワー基板２に接触する第１放熱ベース板４ａａを上部に備え、第１放熱ベース板４ａａに伝わった熱を効率よく放出すべく複数の第１放熱フィン４ａｂを下部に備える。また第２放熱部４ｂは、リアクトル３と接触する第２放熱ベース板４ｂａを上部に備え、第２放熱ベース板４ｂａに伝わった熱を効率よく放出すべく複数の第２放熱フィン４ｂｂを下部に備える。

第１放熱部４ａは、第１放熱ベース板４ａａにおけるパワー基板２の配置面とは反対側の面に、複数の第１放熱フィン４ａｂが配置してある。また、第２放熱部４ｂは、第２放熱ベース板４ｂａにおけるリアクトル３の配置面とは反対側の面に、複数の第２放熱フィン４ｂｂが配置してある。図１及び図２に示した一例では、第１放熱フィン４ａｂの枚数を８枚とし、第２放熱フィン４ｂｂの枚数を４枚とした。しかしながら、ベース板に伝わった熱を効率よく放出できるのであれば、その他の枚数の放熱フィンを備える放熱部を使用してもよい。また実施の形態１に係る電力機器１では、一例として複数の放熱フィンを備える放熱部を使用しているが、ベース板に伝わった熱を効率よく放出できるのであれば、単数の薄板など他の形状を備える放熱部を使用してもよい。

複数の第１放熱フィン４ａｂ及び複数の第２放熱フィン４ｂｂはそれぞれ横方向において離隔してある。そのため、複数の第１放熱フィン４ａｂの間には複数の隙間が形成されており、複数の第２放熱フィン４ｂｂの間にも複数の隙間が形成されている。この隙間を通って空気が図１及び図２における高さ方向に流れるように構成してあり、ヒートシンク４の放熱効果が高められている。また、複数の第１放熱フィン４ａｂのフィン間及び複数の第２放熱フィン４ｂｂのフィン間には、第１方向（高さ方向）および第２方向と直交する第３方向、図１及び図２における紙面奥行方向、にも空気が流れる隙間が形成されている。

第１放熱ベース板４ａａ及び第２放熱ベース板４ｂａは、高さ方向に伸長した接続板４ｃにより接続してあり、ヒートシンク４の強度を維持している。

第１放熱部４ａの上面と第２放熱部４ｂの上面とは同一平面上にはなく、電力機器１の高さ方向において第１放熱部４ａの上面は第２放熱部４ｂの上面よりも上方に位置している。つまり、図１及び図２に示した例の場合、第１方向である高さ方向において、第１放熱部４ａが有する一方側の表面は第２放熱部４ｂが有する一方側の表面よりも一方側に位置している。一方、第１放熱部４ａの下端は第２放熱部４ｂの下端と実質的に同一平面上に位置している。したがって、電力機器１の高さ方向における第１放熱部４ａの寸法は、第２放熱部４ｂの寸法よりも大きい。ここで言う第１放熱部４ａの寸法とは、第１放熱部４ａの高さ方向一端から他端までの寸法を意味する。しかしながら、第１放熱部４ａの平均寸法であってもよい。具体的には、第１放熱部４ａが有する高さ方向の厚みを横方向全体で平均化した値であってもよい。このような構成によって、リアクトル３に対する放熱効果よりもパワー基板２に対する放熱効果の方が大きくなり、リアクトル３が発生した熱からパワー基板２であるパワー基板２を適切に保護することができる。

高さ方向における第１放熱部４ａの寸法が高さ方向における第２放熱部４ｂの寸法よりも大きくなっているが、電力機器１の高さ方向において第１放熱部４ａの上面が第２放熱部４ｂの上面よりも上方に位置するように第１放熱部４ａを上方へずらした構成になっているため、第１放熱部４ａの下端と第２放熱部４ｂの下端とが実質的に同一平面上に位置するように構成することができる。したがって、リアクトル３の発熱からパワー基板２を適切に保護しつつも、第１放熱部４ａ及び第２放熱部４ｂの高さ方向の寸法の違いに依存した電力機器１の大型化を可及的に抑制することができる。

図１及び図２に示してあるように、第１放熱部４ａの上面を第２放熱部４ｂの上面よりも上方に位置することによって、電力機器１の高さ方向においてパワー基板２の上端面とリアクトル３の上端面とが実質的に同一平面上に位置するように構成してある。そのため、パワー基板２とリアクトル３とを一ベース板上に併設した場合に生じるパワー基板２上方の空間を縮小でき、電力機器１の高さ上方向に対する電力機器１の大型化を可及的に抑制することができる。したがって、電力機器１の更なる小型化が可能となる。

カバー部材５は、第１放熱ベース板４ａａにおける第１放熱フィン４ａｂの設置面とは反対側の面と第２放熱ベース板４ｂａにおける第２放熱フィン４ｂｂの設置面とは反対側の面とに、防水部材を介し締結部品を用いて取り付けてある。防水部材とは、シーリング、パッキン等の部材を意味する。また締結部品とは、ネジ、ボルト等の部品を意味する。

カバー部材５は、例えば樹脂、ステンレス、アルミニウム等から構成してあり、パワー基板２とリアクトル３とを覆うように配置してある。そのため、雨水等の液体がパワー基板２及びリアクトル３に接触することを防止でき、電力機器１の防水性を高めることが可能となり、電力機器１の設置可能場所を広げることができる。また、カバー部材５はパワー基板２とリアクトル３とを覆っているがヒートシンク４を露出しているため、電力機器１の防水性を高めつつも、パワー基板２に対する高い放熱効果を維持することが可能となる。

高さ方向の厚みが異なるパワー基板２とリアクトル３とを一ベース板上に併設するような従来構成の場合、パワー基板２の上端面とリアクトル３の上端面との間に高さ方向の差異が存在する。この構成に対してカバー部材５を設置する場合、この差異に係る空間を覆うようにカバー部材５を形成する必要がある。一方、第１放熱部４ａの上面と第２放熱部４ｂの上面とは同一平面上になく、そのような第１放熱部４ａの上面にパワー基板２を配置して第２放熱部４ｂの上面にリアクトル３を配置している本発明に係る電力機器１にあっては、従来構成で見られるような差異に係る空間を縮小できるため、カバー部材の形成に必要な材料を削減することができ、電力機器１の製造コストを下げることが可能となる。またこのようなカバー部材５を設けた場合においても、電力機器１全体としては高さ方向の上面が段差のない一平面となり、高さ方向の下端も一平面上に配置し得るため、電力機器１は設置し易い直方体様の形状を有することになる。

図３は、実施の形態１に係る電力機器１を車両６に配置した構成を示す模式図である。車両６は、エンジンルーム内にエンジン７、鉛バッテリ８、及び電力機器１を搭載している。電力機器１は車両６内で使用する電気機器を動作させる際の電力変換などに使用される。

鉛バッテリ８は、電力機器１を含む各部と接続されており、各部に電力を供給する。図３に示した一例では、電力機器１のｘ軸方向の大きさと鉛バッテリ８のｘ軸方向の大きさとが同等となるように構成してあり、電力機器１のｙ軸方向の大きさと鉛バッテリ８のｙ軸方向の大きさとが同等となるように構成してある。このような電力機器１を鉛バッテリ８と共にエンジンルーム内に搭載することによって、電力機器１を車室内に搭載した場合と比較し、車室内に広い空間を確保できるようになる。また、電力機器１を鉛バッテリ８と共にエンジンルーム内に搭載した場合、搭載に必要な配線が短くなるため、コストの低減が可能となり、搭載作業も容易となる。また、電力機器１は上述したように小型化可能であるため、電力機器１を鉛バッテリ８と共にエンジンルーム内に搭載する際、設置場所を確保することも容易となる。

また、この図では、電力機器１の第１方向（ｙ軸方向）および第２方向（ｘ軸方向）が水平方向である。カバー部材５側が鉛バッテリ８等の装置に向けて固定され、第１放熱フィン４ａｂと第２放熱フィン４ｂｂが固定部の水平方向の反対側に露出する。第１放熱フィン４ａｂと第２放熱フィン４ｂｂのすきまを空気が対流することが容易である。このような配置はファンを用いない自然放冷に適している。

上述したように、高さ方向の厚みが異なるパワー基板２とリアクトル３とを使用しているが、配置したパワー基板２の上端面とリアクトル３の上端面との間における高さ方向の差異を抑制するように電力機器１が構成されているため、耐熱性が比較的小さいパワー基板２に対しリアクトル３よりも大きな放熱フィンを設けた場合であっても、電力機器１全体の高さ（ｙ軸方向の大きさ）を小さくすることができ、電力機器１の小型化が可能となる。したがって、実施の形態１に係る電力機器１では、リアクトル３が発生する熱からパワー基板２であるパワー基板２を適切に保護しつつも、設置場所を確保すべく電力機器１の大型化の可及的な抑制が可能となる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る電力機器１を示す側面分解図である。実施の形態１に係る電力機器１では、図１及び図２に示してあるように、接続板４ｃが第１放熱ベース板４ａａ及び第２放熱ベース板ｂａと同等の厚みを有していた。しかしながら、実施の形態２に係る電力機器１では、接続板４ｃの厚みが第１放熱ベース板４ａａ及び第２放熱ベース板ｂａの厚みよりも薄くなるように構成してある。そのため、接続板４ｃの板面内方向を伝わる熱抵抗は第１放熱ベース板４ａａ及び第２放熱ベース板ｂａの板面内方向を伝わる熱抵抗よりも大きくなる。また、第１放熱ベース板４ａａ及び第２放熱ベース板ｂａと接続板４ｃとは、一体構造となるように構成してある。ここで熱抵抗とは、ある物体から１Ｗの熱流を放出するために必要な温度差を意味しており、この値が高ければ温度が伝わりにくく、この値が低ければ温度が伝わりやすいことを表す値である。

このような構造を用いることによって、一体構造に基づき機密性を保ちながらも、耐熱性が比較的小さいパワー基板２に向けてパワー基板２より発熱量の大きいリアクトル３の熱が伝わることを抑制でき、パワー基板２に設置した素子２ａの温度上昇を低減することが可能となる。

実施の形態２に係る電力機器１では、厚みの異なる接続板４ｃを用いたが、例えばチタン等、熱伝導率が低い他の物質により構成してある接続板４ｃを使用してもよい。

実施の形態３．
図５は、実施の形態３に係る電力機器１の平面分解図である。電力機器１を分解してカバー部材５を取り除いた構成が図示されている。実施の形態３に係る電力機器１では、実施の形態１に係る電力機器１と異なり、より複雑な電気回路を実現すべく２個のリアクトル３が並列に配置してある。図５に示してあるように、２個のリアクトル３は、同一平面上（図５のｚ軸方向）に併設してある。２個のリアクトル３を用いた構成は一例であって、リアクトル３は３個以上でも構わない。

このような構造を用いることによって、複数のリアクトル３を用いた複雑な電気回路の実現しつつも、パワー基板２の素子２ａに熱が伝わることを防ぎことができ、且つ電力機器１の大型化の可及的な抑制が可能となる。

また、図のようなパワー基板２とリアクトル３との配置では、電力機器１の第１方向（ｙ軸方向）および第２方向（ｘ軸方向）が水平方向、ｚ軸方向を鉛直方向に保持した際に、パワー基板２とリアクトル３とが鉛直方向で重ならない。第１放熱ベース板４ａａ及び第２放熱ベース板ｂａで放熱した熱が対流によって相互に伝わりにくいため、パワー基板２がリアクトル３の発熱の影響を受けにくくなる。

実施の形態４．
図６は、実施の形態４に係る電力機器１の平面分解図である。電力機器１を分解してカバー部材５を取り除いた構成が図示されている。実施の形態４に係る電力機器１では、実施の形態３に係る電力機器１と異なり、１個のリアクトル３を有している。また、パワー基板２及びリアクトル３は横方向（図６のｘ軸方向）に併設してあるが、横方向（図６のｘ軸方向）におけるヒートシンク４の大きさが縦方向（図６のｚ軸方向）におけるヒートシンク４の大きさよりも大きくなるように構成してある。つまり、ヒートシンク４のベース板の表面では、パワー基板２及びリアクトル３が並ぶ第２方向（ｘ軸方向）の寸法が、第２方向に直交する第３方向（ｚ軸方向）の寸法よりも大きい。

ヒートシンク４のｚ軸方向が鉛直方向、ｘ軸方向が水平方向となるように保持した際、つまり、第１放熱ベース板４ａａ、第２放熱ベース板４ｂａの表面が鉛直となり、パワー基板２とリアクトル３とが水平方向に並ぶように保持した際に、放熱フィン側ではｚ軸方向の下側から空気が対流により吸い込まれる。このような構造を用いることによって、ｚ軸方向の下側となるｘ軸方向の長さはｚ軸方向の長さより長くなり、ヒートシンク３における流体入口の吸い込み面積が広くなるため、冷却性能が向上する。更に、通風距離を小さくした場合には通風抵抗を小さくすることができ、風量が上がるため、冷却性能を更に向上することができる。また、パワー基板２とリアクトル３とが水平方向に並び、鉛直方向に重ならないので、相互に熱が伝わりにくい。

更なる変形例及び効果は、当業者によって容易に導き出すことができる。以上のように説明し且つ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 電力機器、２ パワー基板（電気回路基板）、２ａ 素子、３ リアクトル、４ ヒートシンク、４ａ 第１放熱部、４ａａ 第１放熱ベース板、４ａｂ 第１放熱フィン、４ｂ 第２放熱部、４ｂａ 第２放熱ベース板、４ｂｂ 第２放熱フィン、４ｃ 接続板、５ カバー部材、６ 車両、７ エンジン、８ 鉛バッテリ。

Claims (8)

1. 電気回路基板と、
   前記電気回路基板の電気回路のインダクタンス素子となるリアクトルと、
   第１方向の一方側の表面に前記電気回路基板と前記リアクトルとが配置され、前記電気回路基板及び前記リアクトルに生じる熱を前記第１方向の他方側に放出するヒートシンクと、
   を備え、
   前記ヒートシンクの前記表面において前記リアクトルが配置される表面は前記電気回路基板が配置される表面よりも前記他方側に位置し、
   前記ヒートシンクは、前記電気回路基板の前記他方側となる位置に配置された第１放熱部と前記リアクトルの前記他方側となる位置に配置された第２放熱部とを備え、
   前記第１放熱部の前記第１方向における寸法は、前記第２放熱部の前記第１方向における寸法よりも大きく、
   前記第１放熱部は第１放熱ベース板を有し、
   前記第２放熱部は第２放熱ベース板を有し、
   前記ヒートシンクは、前記第１放熱部と前記第２放熱部とを接続する接続板を備え、
   前記接続板の熱抵抗は、前記第１放熱ベース板及び前記第２放熱ベース板よりも大きい
   ことを特徴とする電力機器。
2. 前記接続板の厚みは、前記第１放熱ベース板の厚みよりも小さい
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力機器。
3. 前記接続板の熱伝導率は、前記第１放熱ベース板の熱伝導率よりも小さい
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力機器。
4. 前記電気回路基板は、流れる電流を増幅するパワー基板であり、
   前記リアクトルは、前記パワー基板に流れる前記電流を平滑化する
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力機器。
5. 前記電気回路基板と前記リアクトルとを覆うカバー部材を更に備え、
   前記第１放熱部及び前記第２放熱部は、前記カバー部材から露出している
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の電力機器。
6. 前記第１放熱部は複数の第１放熱フィンを有し、
   前記第２放熱部は複数の第２放熱フィンを有し、
   前記電気回路基板と前記リアクトルとは前記第１方向と直交する第２方向に並ぶように配置され、
   前記複数の第１放熱フィンおよび前記複数の第２放熱フィンにはフィン間に前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に空気が流れる隙間が形成されている
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電力機器。
7. 前記第２方向における前記ヒートシンクの寸法は、前記第３方向における前記ヒートシンクの寸法よりも大きい
   ことを特徴とする請求項６に記載の電力機器。
8. 前記リアクトルは、動作中に発熱量が前記電気回路基板の発熱量よりも大きくなり、
   前記複数の第１フィン及び前記複数の第２フィンはそれぞれ、離隔してある
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の電力機器。

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