JP6443674B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、入力電力と出力電力との間で変換を行う電力変換装置に関する。

車両のバッテリからの直流電力を交流電力に変換した後、モータへと供給する電力供給装置に関する従来技術があった（例えば、特許文献１参照）。このような電力供給装置においては、電力を変換するためのインバータ回路およびその制御回路を収容するケースを備えている。当該ケースは、インバータ回路および制御回路において短絡が発生することを防止するために、外部からの水の浸入がないように形成されている。しかしながら、そのためにケースの内外の連通を完全に遮断した場合、温度変化等により、ケース内部において負圧が発生する。このように、ケース内において負圧が発生すると、毛細管現象によって、却って外部からケース内部への水分の浸入が起こり得る。そのため、通常、電力供給装置のケースには、外部からの水分の浸入を防止するが、内外の空気の連通を許容する呼吸栓を設け、ケース内部における圧力変化の発生を防いでいる。

ところが、ケースに設けられた呼吸栓は、外部から水分を含んだ空気の進入を許しているため、ケース内において所定の環境が整った場合、空気中の水分が結露するという問題がある。ケース内に発生した結露は、インバータ回路および制御回路を短絡させ、これらの回路部の故障へと繋がる。
これに対して、上述した従来技術による電力供給装置においては、昇圧回路の一対の出力端子の間に抵抗素子を設け、抵抗素子と直列にスイッチを配置している。制御回路は、結露センサにより、ケース内において結露が生じたことを検出した場合、スイッチを閉じて抵抗素子に通電する。通電によって、抵抗素子にはジュール熱が発生するため、結露により生じた水は再び蒸発させられ、インバータ回路や制御回路等の短絡を防いでいる。

特開２００８−１０４２８１号公報

しかしながら、上述した従来技術による電力供給装置においては、抵抗素子等の部品の能力以上に発熱させることはできない。したがって、電力供給装置が高温にある場合、抵抗素子がそれ以上に温度を上昇させることができず、高温多湿の状態にある電力供給装置においては、結露を防止することはできなかった。特に、電力供給装置が車両のエンジンルーム内に取り付けられている場合には、電力供給装置の内部は既に相当な高温状態にあり、結露による水を蒸発させることは困難であった。これに対し、部品の発熱能力を増大させようとすれば、大容量の発熱素子を必要とするために、電力供給装置が大型化し、車両への搭載性が悪化する。また、発熱素子による消費電力が増大し、電力供給装置の作動コストも増大する。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、装置全体を大型化せずに、電気部品への結露を防止することができる電力変換装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために、請求項１に係る電力変換装置の発明は、ハウジング（８、８Ａ）と、ハウジング内に収容され、入力電力と出力電力との間で変換を行う電力変換回路（２）と、を備えた電力変換装置（１）であって、ハウジングに取り付けられ、内外の空気の連通を許容するとともに、外部からの水分の浸入を防ぐ呼吸栓（９）と、ハウジング内の空気から吸熱し、結露させる、ペルチェ素子（４３）を含む除湿手段（４）と、ハウジング内に設けられた湿度センサ（６）と、ハウジング内に設けられた温度センサ（７）と、湿度センサによって検出されたハウジング内湿度（Ｈ_０）と、温度センサによって検出されたハウジング内温度（ｔ_０）とに基づいて、露点温度（ｔｄ）を算出する露点演算ステップと、露点温度とハウジング内温度との差である露点温度差（Δｔ）と、ハウジング内温度を露点温度まで低下させるために必要な放熱量（Ｑｃ）とから、ペルチェ素子に通電する電流（Ｉｄ）を取得する通電量取得ステップと、を含み、除湿手段の作動制御を行う除湿制御手段（５２）と、を備えている。

この構成によれば、ハウジング内の空気から吸熱し、結露させる除湿手段と、ハウジング内湿度とハウジング内温度とに基づいて、除湿手段の作動制御を行う除湿制御手段とを備えている。これにより、除湿制御手段によって、除湿手段を作動させてハウジング内の空気から吸熱し、除湿手段に対し集中して結露させることができるため、電力変換回路といった電気部品への結露を防止することができる。
また、電力変換装置が既に高温状態にあっても、除湿手段は、それ以上に温度を上昇させる必要がないため、大容量の発熱素子を必要とせず、電力変換装置の大型化を避けることができる。
除湿手段は、ペルチェ素子を含んでいることにより、小型で応答性に優れたものにすることができる。また、ハウジング内の空気の冷却のために、コンプレッサーを使用した場合に比べて、振動および騒音の発生を防ぐことができる。
除湿制御手段は、ハウジング内湿度とハウジング内温度とに基づいて、露点温度を算出する露点演算ステップと、露点温度とハウジング内温度との差である露点温度差と、ハウジング内温度を露点温度まで低下させるために必要な放熱量とから、ペルチェ素子に通電する電流を取得する通電量取得ステップとを含み、除湿手段の作動制御を行う。これにより、ハウジング内において結露を発生させるために、湿度センサによって検出されたハウジング内湿度と、温度センサによって検出されたハウジング内温度のみに基づいて、精度よく除湿手段を作動させることができる。また、除湿手段の作動制御を行うために、湿度センサと温度センサ以外の検出装置を必要とすることがない。

本発明の実施形態１によるインバータ装置の車両に取り付けられた状態を示した簡略的なブロック図 図１に示したインバータ装置のハウジング内部を表した断面図 図２のIII視図 ペルチェ素子の作動特性を表したグラフを示した図 実施形態２によるインバータ装置の内部を表した断面図 実施形態３によるインバータ装置の内部を表した断面図 実施形態４によるインバータ装置の内部を表した断面図 実施形態５によるインバータ装置の内部を表した断面図

＜実施形態１の構成＞
図１乃至図４に基づき、本発明の実施形態１によるインバータ装置１（電力変換装置に該当する）について説明する。本実施形態によるインバータ装置１は、走行用モータＭＲを駆動するために車両（図示せず）に搭載されている。しかしながら、インバータ装置１は、この用途に限られるものではなく、家庭用電機または一般産業用電機を作動させるために適用することも可能である。

図１に示した半導体モジュール２（電力変換回路に該当する）は、これに限られるものではないが、複数のＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)２１により形成されたインバータ回路である。半導体モジュール２の入力側には、平滑コンデンサ３を介して、車両電源ＢＴが接続されている。平滑コンデンサ３は、車両電源ＢＴからの電圧を平滑化し、その脈動を低減している。半導体モジュール２の出力側には、走行用モータＭＲの図示しないステータコイルに接続されている。半導体モジュール２は、車両の状態に応じて、車両電源ＢＴからの直流電力（入力電力に該当する）を交流電力（出力電力に該当する）に変換し、走行用モータＭＲに供給する。また、半導体モジュール２は、走行用モータＭＲによって発電された交流電力を、直流電力に変換して車両電源ＢＴに蓄電する。

除湿装置４（除湿手段に該当する）は、放熱板４１と吸熱板４２との間に、ペルチェ素子４３が挟持された構造を有している。ペルチェ素子４３は、複数の金属電極間に、Ｐ型半導体とＮ型半導体とが配置されて形成されている。ペルチェ素子４３は、公知の構成であるため、これ以上の説明は省略する。除湿装置４は、通電されることにより、吸熱板４２において吸熱（冷却）が行われ、その熱を放熱板４１にて放熱する。吸熱板４２によって、ハウジング８内の空気が冷却されることにより、空気から吸熱板４２に対して結露する。

制御基板５は、エポキシ樹脂からなるプリント基板によって形成されている。制御基板５上（制御基板上に該当する）には、変換制御回路５１（変換制御手段に該当する）と除湿制御回路５２（除湿制御手段に該当する）とが形成されている。変換制御回路５１は、半導体モジュール２の作動を制御し、一方、除湿制御回路５２は、除湿装置４の作動を制御する。さらに、制御基板５には、結露センサ６（湿度センサに該当する）と、温度センサ７とが設けられている。結露センサ６および温度センサ７は、除湿制御回路５２による除湿装置４の作動制御に使用される。

図２および図３に示したように、上述した半導体モジュール２、平滑コンデンサ３、除湿装置４、制御基板５、結露センサ６および温度センサ７は、ハウジング８内に収容されている。ハウジング８は、アルミニウム合金または合成樹脂材料にて箱型に形成されている。半導体モジュール２および平滑コンデンサ３は、ハウジング８の底板８ａ上において、互いに並ぶように固定されている（図３示）。制御基板５は、半導体モジュール２の上方において、水平方向に広がるようにハウジング８に固定されている。結露センサ６および温度センサ７は、制御基板５上に固定されており、制御基板５を介してハウジング８に取り付けられている。

ハウジング８には、底板８ａから立ち上がった側壁８ｂが形成されており、そのうちの一つの側壁８ｂには、呼吸栓９が取り付けられている。呼吸栓９は、ゴアテックス（登録商標）のような防水透湿性素材により一体に形成されたメンブレムフィルターである。呼吸栓９は、ハウジング８の内外の空気の連通を許容するとともに、外部からの水分の浸入を防いでいる。呼吸栓９は、ハウジング８の内外を連通させ、ハウジング８内において負圧が発生することを防止している。

除湿装置４は、ハウジング８の側壁８ｂにおいて、呼吸栓９の直下に取り付けられている。除湿装置４は、必ずしも、呼吸栓９の直下に取り付けられていなければならないわけではない。除湿装置４は、呼吸栓９を介して、ハウジング８内に流入した空気が到達可能な位置に配置されていればよく、側壁８ｂにおいて、呼吸栓９の直上または呼吸栓９の左右近傍に位置していてもよい。除湿装置４は、半導体モジュール２と水平方向に対向するように配置されている（図２示）。除湿装置４は、吸熱板４２が半導体モジュール２の側に向き、放熱板４１が側壁８ｂ側に位置するように取り付けられている。除湿装置４の放熱板４１には、複数の放熱フィン４４が接続されており、放熱フィン４４は、側壁８ｂを貫通してハウジング８の外部に延在している。

ハウジング８の底板８ａには、除湿装置４と半導体モジュール２との間に位置するように、仕切板１０が立設されている。仕切板１０は、上下方向に延びるとともに、横方向（図３において左右方向）に所定の幅を有している。仕切板１０は除湿装置４を覆っており、除湿装置４によって形成された結露が、半導体モジュール２側に飛散することを防止している。また、仕切板１０の下方部からは、除湿装置４から落下した水分を案内するための水滴ガイド部１０ａが、側壁８ｂ側に向けて突出している。一方、ハウジング８の底板８ａ上において、仕切板１０と側壁８ｂとの間には、除湿装置４の作動により結露した水分が溜まる水分集積部８ｃが形成されている。

以下、図４を用いて、インバータ装置１における、除湿装置４の作動制御方法について説明する。除湿制御回路５２は、結露センサ６によって検出されたハウジング内湿度Ｈ_０と、温度センサ７によって検出されたハウジング内温度ｔ_０とに基づいて、露点温度ｔｄを算出する（露点演算ステップ）。露点温度ｔｄは、例えば、下記数式によって算出される。

次に、算出された露点温度ｔｄとハウジング内温度ｔ_０との差である露点温度差Δｔ（＝ｔ_０−ｔｄ）と、ハウジング内温度ｔ_０を露点温度ｔｄまで低下させるために必要な放熱量Ｑｃ（インバータ装置１自体の大きさ、形状等により決定される値）とから、ペルチェ素子４３への通電電流Ｉｄを求める（通電量取得ステップ）。通電電流Ｉｄは、図４にしたがって取得することができる。
例えば、ハウジング内湿度Ｈ_０が６０％、ハウジング内温度ｔ_０が７０℃である場合、上記数式から露点温度ｔｄは５８．７℃となり、露点温度差Δｔは１１．３℃となる。この時、ハウジング内温度ｔ_０を１１．３℃まで低下させるために必要な放熱量Ｑｃが、２９Ｗであった場合、図４に基づいて、ペルチェ素子４３への通電電流Ｉｄを３．０Ａとして作動させればよい。除湿制御回路５２は、ハウジング内温度ｔ_０を露点温度ｔｄ以下にするために、ペルチェ素子４３を、図４におけるハッチングにて示した領域内にて作動させる。

除湿装置４のペルチェ素子４３の作動により、吸熱板４２においてハウジング８内の空気が冷却（ハウジング８内の空気から吸熱）されて結露する。所定量の水滴が吸熱板４２に付着すると落下し、仕切板１０の水滴ガイド部１０ａに導かれて、水分集積部８ｃに集められる。
一方、除湿装置４の作動により、吸熱板４２から放熱板４１へと移動した熱は、放熱フィン４４を介して、ハウジング８の外部へと放出される。

＜実施形態１の作用効果＞
本実施形態によれば、ハウジング８内の空気から吸熱する除湿装置４と、ハウジング内湿度Ｈ_０とハウジング内温度ｔ_０とに基づいて、除湿装置４の作動制御を行う除湿制御回路５２とを備えている。これにより、除湿制御回路５２によって、除湿装置４を作動させてハウジング８内の空気から吸熱し、除湿装置４に対し集中して結露させることができるため、半導体モジュール２といった電気部品への結露を防止することができる。
また、インバータ装置１が既に高温状態にあっても、除湿装置４は、それ以上に温度を上昇させる必要がないため、大容量の発熱素子を必要とせず、インバータ装置１の大型化を避けることができる。

除湿装置４は、呼吸栓９を介して、ハウジング８内に流入した空気が到達可能な位置に配置されていることにより、呼吸栓９からハウジング８内に流入した空気に含まれた水分を、早期に確実に結露させることができる。
特に、除湿装置４は、ハウジング８の側壁８ｂにおいて、呼吸栓９の直下に取り付けられているため、ハウジング８内に流入した空気が、半導体モジュール２まで到達する以前に、除湿装置４によって水分を結露させることが可能になる。
除湿装置４は、ペルチェ素子４３を含んでいることにより、小型で応答性に優れた吸熱装置にすることができる。また、ハウジング８内の空気の冷却のために、コンプレッサーを使用した場合に比べて、振動および騒音の発生を防ぐことができる。

除湿制御回路５２は、ハウジング内湿度Ｈ_０とハウジング内温度ｔ_０とに基づいて、露点温度ｔｄを算出する露点演算ステップと、露点温度ｔｄとハウジング内温度ｔ_０との差である露点温度差Δｔと、ハウジング内温度ｔ_０を露点温度ｔｄまで低下させるために必要な放熱量Ｑｃとから、ペルチェ素子４３に通電する電流Ｉｄを取得する通電量取得ステップとにより、除湿装置４の作動制御を行う。これにより、ハウジング８内において結露を発生させるために、結露センサ６によって検出されたハウジング内湿度Ｈ_０と、温度センサ７によって検出されたハウジング内温度ｔ_０のみに基づいて、精度よく除湿装置４を作動させることができる。また、除湿装置４の作動制御を行うために、結露センサ６と温度センサ７以外の検出装置を必要とすることがない。

ハウジング８内において、除湿装置４と半導体モジュール２との間に取り付けられた仕切板１０を備えている。これにより、除湿装置４によって形成された結露が、半導体モジュール２側に飛散することを防止し、電気回路における短絡を確実に防ぐことができる。
また、仕切板１０の下方部からは、除湿装置４から落下した水分を案内するための水滴ガイド部１０ａが、側壁８ｂ側に突出している。これにより、ハウジング８内において、水滴が水分集積部８ｃに集められるため、その後の水分の処理を行いやすくなる。
また、除湿制御回路５２は、制御基板５上に形成され、制御基板５上には、半導体モジュール２の作動を制御する変換制御回路５１が形成されている。これにより、制御基板５を取り付けるのみで、ハウジング８内に変換制御回路５１と除湿制御回路５２とを形成することができ、小型で組付性のよいインバータ装置１にすることができる。

＜実施形態２の構成＞
以下、図５に基づいて、本発明の実施形態２によるインバータ装置１Ａ（電力変換装置に該当する）について、実施形態１によるインバータ装置１との相違点を中心に説明する。本実施形態において、ハウジング８の互いに対向する一対の側壁８ｂには、それぞれ除湿装置４が取り付けられている。一対の除湿装置４は、ともに実施形態１によるものと同一の構成を有しており、それぞれ放熱板４１、吸熱板４２、ペルチェ素子４３および放熱フィン４４を含んでいる。各々の除湿装置４と半導体モジュール２との間には、実施形態１の場合と同様の仕切板１０が立設されている。その他の構成は、実施形態１によるインバータ装置１と同様であるため、説明は省略する。

＜実施形態２の作用効果＞
本実施形態によるインバータ装置１Ａにおいて、ハウジング８内には、複数の除湿装置４が設けられている。これにより、一方の除湿装置４によって冷却し損なった空気に対して、他方の除湿装置４が冷却して結露させることが可能になる。
また、呼吸栓９が設けられた側壁８ｂと対向した側壁８ｂにも除湿装置４（図５において右側のもの）が設けられている。これにより、呼吸栓９から進入し、ハウジング８の奥まで空気が到達したとしても、呼吸栓９から離れた側にある除湿装置４によって、当該空気に含まれた水分を冷却することが可能になる。

＜実施形態３の構成＞
以下、図６に基づいて、本発明の実施形態３によるインバータ装置１Ｂ（電力変換装置に該当する）について、実施形態１によるインバータ装置１との相違点を中心に説明する。本実施形態において、除湿装置４の吸熱板４２には、電動ファン１１（送風装置に該当する）が取り付けられている。電動ファン１１は、除湿制御回路５２から電流が供給されることにより駆動され、吸熱板４２に対しハウジング８内の空気を誘導する。本実施形態による仕切板１０Ａの下方部には、実施形態１のものよりも長い水滴ガイド部１０ｂが、側壁８ｂ側に向けて突出している。その他の構成は、実施形態１によるインバータ装置１と同様であるため、説明は省略する。

＜実施形態３の作用効果＞
本実施形態によるインバータ装置１Ｂにおいて、除湿装置４の吸熱板４２には、ハウジング８内の空気を、除湿装置４へと誘導する電動ファン１１が取り付けられている。これにより、ハウジング８内の空気を除湿装置４へと積極的に移動させることができ、空気に含まれた水分を効率よく結露させることができる。

＜実施形態４の構成＞
以下、図７に基づいて、本発明の実施形態４によるインバータ装置１Ｃ（電力変換装置に該当する）について、実施形態１によるインバータ装置１との相違点を中心に説明する。本実施形態におけるハウジング８Ａには、ドレンチューブ８ｄ（排出路に該当する）が形成されている。ドレンチューブ８ｄは、ハウジング８Ａの底板８ａを貫通することにより、水分集積部８ｃに接続されている。ドレンチューブ８ｄは、水分集積部８ｃに集められた水分を、ハウジング８Ａの外部へと排出する。ドレンチューブ８ｄには、水分の逆流を防止するために、逆止弁であるドレンバルブ１２が設けられている。その他の構成は、実施形態１によるインバータ装置１と同様であるため、説明は省略する。

＜実施形態４の作用効果＞
本実施形態によるインバータ装置１Ｃは、ハウジング８Ａに形成され、除湿装置４の作動により結露した水分を外部に排出するドレンチューブ８ｄを備えている。これにより、除湿装置４によって結露した水分が、ハウジング８Ａの内部において再び蒸発して、空気に含まれることを防止し、半導体モジュール２等に結露することを防ぐことができる。

＜実施形態５の構成＞
以下、図８に基づいて、本発明の実施形態５によるインバータ装置１Ｄ（電力変換装置に該当する）について、実施形態１によるインバータ装置１との相違点を中心に説明する。本実施形態において、ハウジング８に設けられた仕切板１３（ガイド壁に該当する）は、実施形態１による仕切板１０よりも上方に長く形成されている。これにより、仕切板１３は、呼吸栓９に対して水平方向に対向している。したがって、呼吸栓９からハウジング８内に流入した空気が、仕切板１３によって除湿装置４へと導かれる。尚、本実施形態による仕切板１３にも、実施形態１による仕切板１０と同様に、水滴ガイド部１３ａが形成されている。また、本実施形態による仕切板１３も、実施形態１による仕切板１０と同様に、除湿装置４によって形成された結露が、半導体モジュール２側に飛散することを防止する効果を有することは言うまでもない。その他の構成は、実施形態１によるインバータ装置１と同様であるため、説明は省略する。

＜実施形態５の作用効果＞
本実施形態によるインバータ装置１Ｄにおいては、ハウジング８に取り付けられ、呼吸栓９を介して、ハウジング８内に流入した空気を、除湿装置４へと導く仕切板１３を備えている。これにより、ハウジング８内に流入した空気が、半導体モジュール２に到達することを防ぎ、吸熱板４２において結露させることができるため、電気回路に結露することを防止することが可能となる。

＜他の実施形態＞
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、次のように変形または拡張することができる。
ハウジング８内の空気から吸熱するために使用できる手段としては、ペルチェ素子４３に限られるものではなく、小型のコンプレッサーを利用して空気を冷却してもよい。
また、ハウジング８内に、除湿装置４を３つ以上設けてもよい。
また、本発明は、コンバータ装置、チョッパ回路といった、インバータ装置１以外の電力変換装置に使用してもよい。

図面中、１はインバータ装置（電力変換装置）、２は半導体モジュール（電力変換回路）、４は除湿装置（除湿手段）、５は制御基板、６は結露センサ（湿度センサ）、７は温度センサ、８，８Ａはハウジング、８ｄはドレンチューブ（排出路）、９は呼吸栓、１０，１０Ａは仕切板、１１は電動ファン（送風装置）、１３は仕切板（ガイド壁）、４３はペルチェ素子、５１は変換制御回路（変換制御手段）、５２は除湿制御回路（除湿制御手段）、Ｈ_０はハウジング内湿度、Ｉｄは通電電流、ｔ_０はハウジング内温度、ｔｄは露点温度、Δｔは露点温度差、Ｑｃは必要な放熱量を示している。

Claims (8)

1. ハウジング（８、８Ａ）と、
   該ハウジング内に収容され、入力電力と出力電力との間で変換を行う電力変換回路（２）と、
   を備えた電力変換装置（１）であって、
   前記ハウジングに取り付けられ、内外の空気の連通を許容するとともに、外部からの水分の浸入を防ぐ呼吸栓（９）と、
   前記ハウジング内の空気から吸熱し、結露させる、ペルチェ素子（４３）を含む除湿手段（４）と、
   前記ハウジング内に設けられた湿度センサ（６）と、
   前記ハウジング内に設けられた温度センサ（７）と、
   前記湿度センサによって検出されたハウジング内湿度（Ｈ_０）と、前記温度センサによって検出されたハウジング内温度（ｔ_０）とに基づいて、露点温度（ｔｄ）を算出する露点演算ステップと、前記露点温度と前記ハウジング内温度との差である露点温度差（Δｔ）と、前記ハウジング内温度を前記露点温度まで低下させるために必要な放熱量（Ｑｃ）とから、前記ペルチェ素子に通電する電流（Ｉｄ）を取得する通電量取得ステップと、を含み、前記除湿手段の作動制御を行う除湿制御手段と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記除湿手段は、
   前記呼吸栓を介して、前記ハウジング内に流入した空気が到達可能な位置に配置されている請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記ハウジング内には、
   複数の前記除湿手段が設けられている請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記ハウジング内の空気を、前記除湿手段へと誘導する送風装置（１１）を備えている請求項１乃至３のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 前記ハウジング内において、前記除湿手段と前記電力変換回路との間に取り付けられた仕切板（１０、１０Ａ、１３）を備えている請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記ハウジング（８Ａ）に形成され、前記除湿手段の作動により結露した水分を外部に排出する排出路（８ｄ）を備えた請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記ハウジングに取り付けられ、前記呼吸栓を介して、前記ハウジング内に流入した空気を、前記除湿手段へと導くガイド壁（１３）を備えた請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記除湿制御手段は、制御基板（５）上に形成され、
   該制御基板上には、前記電力変換回路の作動を制御する変換制御手段（５１）が形成されている請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の電力変換装置。

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