JP6481413B2 - 電力変換装置の冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に冷媒を供給して冷却を行う冷却構造に関する。

近年、走行用駆動源としてエンジンおよびモータを備えたハイブリッド車両や、モータのみを備えた電気自動車が急速に普及しつつあり、各種方式の駆動装置が実用化されている。モータは、三相同期電動発電機が多用され、力行時には車載のバッテリからの給電で駆動輪を駆動し、制動時には回生発電を行ってバッテリを充電する。ここで、モータに給電する駆動電圧を可変に調整することで車速を制御できるが、一方でバッテリの充電電圧は時間的に変動する。このため、モータとバッテリとの間に電力変換装置を設け、力行時にはバッテリからモータの方向に、制動時にはモータからバッテリの方向に電力変換を行わせることが一般的になっている。電力変換装置は、コンデンサ、リアクトル、およびスイッチング素子を有する電力変換部などにより構成される。この種の電力変換装置は、車載の用途に限定されず、分散型発電設備などにも広く用いられる。

車載の用途に好適な電力変換装置（例えば、パワー半導体モジュール（スイッチング素子）、コンデンサ装置、リアクトル装置、コンバータ装置、およびインバータ装置）が特許文献１〜３などに開示されている。これらの装置は、中空筒型構造を採用することで小型軽量化を図り、車両への搭載性を向上させている。そして、直流回路の高圧側と低圧側とを同軸内外に配置するとともに交流三相回路を回転対称に配置し、さらにはリード長の削減やバスバーの構成にも配慮してノイズの発生を抑制している。

特開２００９−８８４６６号公報 特開２０１３−１９７４８６号公報 特開２０１４−２１６４５５号公報

特許文献２に開示されたインバータ装置では、小型軽量化の実現に伴い、スイッチング素子を有する電力変換部での温度上昇が厳しくなる。このため、スイッチング素子の近傍に冷却ジャケットを配置して、冷却ジャケットの内部に冷却水を循環させる特別な冷却構造が必要となる。しかしながら、冷却ジャケットの追加は、装置内部および装置周りのレイアウト設計上の制約となるため、さらなる小型軽量化を難しくしていた。

また、冷却ジャケットを追加してもジャケット壁面の熱抵抗などにより冷却性能が制約される。冷却性能が制約されると、装置の内部温度が上昇して寿命低下や信頼性低下を引き起こすおそれが生じる。このような冷却構造のレイアウト設計上の制約や冷却性能の制約は、特許文献２に開示されたインバータ装置に限定されるものでなく、電力変換装置に共通するものである。

本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、電力供給用のバスバーによりバス冷媒路を形成して、さらなる小型軽量化を実現した電力変換装置の冷却構造を提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の電力変換装置の冷却構造は、電力変換を行う電力変換部に対して、第１バスバーおよび第２バスバーを介して電力供給が成され、前記電力変換部に対して冷媒を供給して冷却を行う電力変換装置の冷却構造であって、中空筒状の第１バスバーと、前記第１バスバーの同軸外側に配置される中空筒状の第２バスバーとにより同軸形状の外部導体と接続が成され、前記第１バスバーと前記第２バスバーとの間に形成されるバス冷媒路、および前記第１バスバーの中空内部に形成される中央冷媒路に前記冷媒が流れる。

これによれば、電力供給用の第１バスバーおよび第２バスバーを利用して冷媒を供給する冷媒路を形成でき、冷媒路を形成する専用部材の少なくとも一部を省略できる。したがって、レイアウト設計上の制約が軽減され、電力変換装置のさらなる小型軽量化が実現される。

本発明を実施する電力変換装置の構成を例示する電気回路図であり、上部はコンバータ部の回路構成を示し、下部はインバータ部の回路構成を示している。 電力変換装置の内部構造を説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 図２に示された第１層〜第６層の断面の中心角の６０°相当分をそれぞれ示した矢視図である。 第１実施形態の電力変換装置の冷却構造を示すとともに、その作用を模式的に説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 第２実施形態の電力変換装置の冷却構造を示すとともに、その作用を模式的に説明する中心軸線に対して片側の断面図である。 第２実施形態における連結部の分離状態を示す側面断面図である。 図６のＺ−Ｚ矢視図であり、第１バスバーの中心軸線と直交する断面形状を示している。 連結部の連結状態を示す側面断面図である。

まず、本発明を実施する電力変換装置１の回路構成および構造について、図１〜図３を参考にして説明する。図１は、本発明を実施する電力変換装置１の構成を例示する電気回路図である。電力変換装置１は、直流電源９１の電源電圧Ｖｄ１を昇圧して直流出力電圧Ｖｄ２を生起し、さらに、直流出力電圧Ｖｄ２を交流出力電圧Ｖａに変換して交流負荷９９に出力する。図１の上側は電気的な昇圧を行う昇圧部に相当するコンバータ部１ＣＶの回路構成であり、図１の下側は交流負荷を駆動させるインバータ部６の回路構成である。

電力変換装置１は、コンバータ部１ＣＶおよびインバータ部６と、電力供給を成すためのバスバーセット７で回路構成されている。バスバーセット７は、高圧側の第１バスバー７１および低圧側の第２バスバー７２からなる。

コンバータ部１ＣＶは、入力コンデンサ２、リアクトル３、電力変換部４、および出力コンデンサ５で回路構成されている。入力コンデンサ２の第１端子２１１は、内部導体９２１を経由して直流電源９１の高圧側端子９１Ｐに電気的に接続されている。入力コンデンサ２の第２端子２１２は、外部導体９２２を経由して直流電源９１の低圧側端子９１Ｎに電気的に接続されている。リアクトル３の入力側の第３端子３１１は、入力コンデンサ２の第１端子２１１に電気的に接続されている。リアクトル３の出力側の第４端子３１２は、高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。

電力変換部４は、上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２を含んで回路構成されている。上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２は、それぞれスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓとダイオード４１Ｄ、４２Ｄの並列接続で構成されている。スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓとして、本願出願人が特許文献１に開示した正六角形の板形状のパワー半導体モジュールや公知のＩＧＢＴ素子を例示でき、これらに限定されない。

高圧側のスイッチング素子４１Ｓのコレクタ端子４１Ｃおよびダイオード４１Ｄのカソード端子４１Ｋは、高圧側出力電極４３を経由して出力コンデンサ５の第５端子５１１に電気的に高圧側で接続されている。また、スイッチング素子４１Ｓのエミッタ端子４１Ｅおよびダイオード４１Ｄのアノード端子４１Ａは、高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。

一方、低圧側のスイッチング素子４２Ｓのコレクタ端子４２Ｃおよびダイオード４２Ｄのカソード端子４２Ｋは、高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。また、スイッチング素子４２Ｓのエミッタ端子４２Ｅおよびダイオード４２Ｄのアノード端子４２Ａは、低圧側共通電極２４を経由して、入力コンデンサ２の第２端子２１２および出力コンデンサ５の第６端子５１２に電気的に低圧側で接続されている。出力コンデンサ５の第５端子５１１および第６端子５１２は、インバータ部６に電気的に接続されている。

インバータ部６は、三相の上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ、および下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗを含んで回路構成されている。各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ、および各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗは、それぞれスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓとダイオード６１Ｄ、６２Ｄの並列接続で構成されている。スイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓとして、本願出願人が特許文献１に開示した正六角形の板形状のパワー半導体モジュールや公知のＩＧＢＴ素子を例示でき、これらに限定されない。

図１に示されるように、インバータ部６の回路構成はＵ相、Ｖ相、およびＷ相で同じであるので、Ｕ相を例にして詳細に説明し、Ｖ相およびＷ相の説明は省略する。Ｕ相上側スイッチ部６１Ｕのスイッチング素子６１Ｓのコレクタ端子６１Ｃおよびダイオード６１Ｄのカソード端子６１Ｋは、コンバータ部１ＣＶの出力コンデンサ５の第５端子５１１に電気的に接続されている。また、Ｕ相上側スイッチ部６１Ｕのスイッチング素子６１Ｓのエミッタ端子６１Ｅおよびダイオード６１Ｄのアノード端子６１Ａは、Ｕ相インバータ出力電極６３Ｕに電気的に接続されている。

一方、Ｕ相下側スイッチ部６２Ｕのスイッチング素子６２Ｓのコレクタ端子６２Ｃおよびダイオード６２Ｄのカソード端子６２Ｋは、Ｕ相インバータ出力電極６３Ｕに電気的に接続されている。また、Ｕ相下側スイッチ部６２Ｕのスイッチング素子６２Ｓのエミッタ端子６２Ｅおよびダイオード６２Ｄのアノード端子６２Ａは、出力コンデンサ５の第６端子５１２に電気的に接続されている。そして、各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗが交流負荷９９に電気的に接続される。

次に、電力変換装置１の構造について説明する。図２は、電力変換装置１の内部構造を説明する中心軸線ＣＬに対して片側の断面図である。また、図３は、図２に示された第１層〜第６層の断面の中心角の６０°相当分をそれぞれ示した矢視図である。入力コンデンサ２、リアクトル３、および出力コンデンサ５は、それぞれ中空筒型形状を呈している。

入力側のバスバーセット７は、同軸形状の外部導体を経由して、コンバータ部１ＣＶを直流電源９１に接続する。バスバーセット７は、中空筒状の第１バスバー７１および第２バスバー７２が中心軸線ＣＬの周りに同軸内外に離隔配置されて構成されている。第１バスバー７１および第２バスバー７２は、銅やアルミニウムなどの導体材料を用いて形成される。同軸外側に配置された第２バスバー７２は、フレームグラウンドに接地しても、接地しなくてもよい。接地しない場合には、筒状のフレームグラウンドを第２バスバー７２の外周に配置することが好ましい。第１バスバー７１および第２バスバー７２は、コンバータ部１ＣＶに近い側の端部がそれぞれ径方向外向きに展開されたフランジ状接続部７１１、７２１を有している。

入力コンデンサ２の内径側には、リアクトル３が配設されている。リアクトル３の内径側には、電力変換部４が配設されている。つまり、入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４は、中心軸線ＣＬの周りに同軸内外三重構造となっている。なお、三重構造の配置順序は、上記以外に変更することもできる、例えば、同軸外側から内側へリアクトル３、入力コンデンサ２、および電力変換部４の順序に配置してもよい。同軸内外三重構造の軸線方向に並んで（図２では下側に並んで）、出力コンデンサ５およびインバータ部６が同軸内外二重構造に配置されている。出力コンデンサ５は、入力コンデンサ２およびリアクトル３の軸線方向に並んで配設されている。インバータ部６は、電力変換部４の軸線方向に並んで配設されている。

入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、例えば、本願出願人が特許文献２に開示した中空筒型コンデンサとすることができる。すなわち、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、内周筒部およびこの内周筒部の一方の端部から外周側に延在する一側面部を有する一方極接続部と、内周筒部と中心軸線上に同軸に配置された外周筒部およびこの外周筒部の他方の端部から内周側に延在する他側面部を有する他方極接続部と、一方極接続部に接続される一方電極板、この一方電極板と対向し他方極接続部に接続される他方電極板、および一方電極板と他方電極板との間に介在される誘電体を有する静電容量部とを備え、内周筒部、一側面部、外周筒部、および他側面部の間に形成される環状空間内に静電容量部が高密度に収容されている中空筒型コンデンサとすることができる。

図２に示されるように、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、本体が中空筒型形状を呈し、互いに外径が等しい。入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、外周電極２３および低圧側共通電極２４を共有している。外周電極２３は、円筒状であって、入力コンデンサ２および出力コンデンサ５の本体の外周に配置される。外周電極２３は、本発明の収容部に相当する。低圧側共通電極２４は、円環状であって、外周電極２３の内側面の軸線方向の概ね中間位置に接続されている。低圧側共通電極２４は、入力コンデンサ２と出力コンデンサ５の間に配置され、出力コンデンサ５よりも径方向内側まで延在している。

入力コンデンサ２の本体の出力コンデンサ５から離れた面（図２では上面）に第１端子２１１が形成されている。第１端子２１１は、第１バスバー７１のフランジ状電極７１１に接触して接続されている。さらに、第１端子２１１は、中空筒型形状の内周側に折り曲げられており、内周に接続面２５を有する。また、入力コンデンサ２の本体の出力コンデンサ５に対向する面（図２では下面）に第２端子２１２が形成されている。第２端子２１２は、低圧側共通電極２４に接触配置されており、外周電極２３およびフランジ状電極７２１を経由して第２バスバー７２に電気的に接続されている。

リアクトル３は、例えば、本願出願人が特許文献３に開示した中空筒型リアクトル装置とすることができる。すなわち、リアクトル３は、絶縁被覆された導体を巻回したコイル３５を中心軸線ＣＬの周りに有するインダクタンス素子を往路に備え、リターン導体を復路に備えたリアクトル装置であって、インダクタンス素子は、中心軸線ＣＬが中空の筒状または環状であり、リターン導体は、中心軸線ＣＬを共通とする筒状であってインダクタンス素子の同軸外周側に配置されている中空筒型リアクトル装置とすることができる。ここで、リターン導体の役割は、外周電極２３が担っている。第１実施形態において、コイル３５は、中心軸線ＣＬの周りにトロイダル形状に形成され、コイル３５の外側にギャップを有するコア３６が配置されている。

リアクトル３の第３端子３１１は、中空筒型形状の本体の外周面に設けられている。第３端子３１１は、入力コンデンサ２の第１端子２１１の接続面２５と同軸内外に対向配置されて相互に接触し、リード線を用いることなく直接的に電気的に接続されている。リアクトル３の第４端子３１２は、本体の内周面に設けられている。第４端子３１２の内側には、円環状の高圧側中間電極３２ｍが配置されている。高圧側中間電極３２ｍは、外周に接続面３３を有している。第４端子３１２と、高圧側中間電極３２ｍの接続面３３とは、同軸内外に対向配置されて相互に接触し、直接的に電気的に接続されている。

電力変換部４は、例えば、本願出願人が特許文献３に開示した中空筒型コンバータ装置に用いられる中空筒型電力変換部とすることができる。電力変換部４は、接続される電極とともに中心軸線ＣＬの軸線方向に沿って配置されている。すなわち、図２に示される上側から下側へと順番に、高圧側出力電極４３、上側スイッチ部４１、高圧側中間電極３２ｍ、下側スイッチ部４２、チャンネル材４４、および低圧側共通電極２４が配置されている。高圧側出力電極４３は、内周側が軸線方向に折り曲げられて、インバータ部６の内側まで延在している。

ここで、上側スイッチ部４１および下側スイッチ部４２のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓは、外周電極２３（収容部）の中心に近い位置に、軸線方向に離間し並設した状態で配置されている。スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓは、板形状であって、表面にコレクタ端子４１Ｃ、４２Ｃが形成され、裏面にゲート端子４１Ｇ、４２Ｇおよびエミッタ端子４１Ｅ、４２Ｅが形成されている。そして、高圧側のスイッチング素子４１Ｓのコレクタ端子４１Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に高圧側出力電極４３に電気的に接続されている。また、スイッチング素子４１Ｓのエミッタ端子４１Ｅも、はんだ付けを用いて直接的に高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。はんだ付けに用いるはんだ材料は、高融点タイプが好ましいがこれに限定されない（以降に説明する他のはんだ付け箇所も同様）。図２に省略された高圧側のダイオード４１Ｄは、高圧側出力電極４３と高圧側中間電極３２ｍとの間に配置されて電気的に接続されている。

一方、低圧側のスイッチング素子４２Ｓのコレクタ端子４２Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に高圧側中間電極３２ｍに電気的に接続されている。また、スイッチング素子４２Ｓのエミッタ端子４２Ｅは、断面コ字形状のチャンネル材４４を用いて、低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。図２に省略された低圧側のダイオード４２Ｄは、高圧側中間電極３２ｍと低圧側共通電極２４との間に配置されて電気的に接続されている。

出力コンデンサ５の本体の入力コンデンサ２に対向する面（図２では上面）に第６端子５１２が形成されている。第６端子５１２は、低圧側共通電極２４に接触配置されており、低圧側共通電極２４を経由して電力変換部４およびインバータ部６に電気的に接続されている。つまり、低圧側共通電極２４は、低圧側インバータ入力電極を兼ねる。出力コンデンサ５の本体の入力コンデンサ２から離れた面（図２では下）に第５端子５１１が形成されている。第５端子５１１は、高圧側インバータ入力電極５３に接触して電気的に接続されている。

高圧側インバータ入力電極５３は、円環状であって、出力コンデンサ５よりも径方向内側まで延在している。高圧側インバータ入力電極５３の内周寄りに、インバータ部６が電気的に接続されている。高圧側インバータ入力電極５３の内縁は、電力変換部４の高圧側出力電極４３の軸線方向に延在する端部に電気的に接続されている。

インバータ部６は、例えば、本願出願人が特許文献１や特許文献２に開示したインバータ装置とすることができる。すなわち、インバータ部６は、６つの正三角形のパワー半導体モジュール（スイッチング素子）を正六角形状に配置し、これを三相の上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗおよび下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗにそれぞれ用いた構成のインバータ装置とすることができる。各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓは、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配置されている。同様に、各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓも、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配置されている。

また、インバータ部６は、接続される電極とともに中心軸線ＣＬの軸線方向に沿って配置されている。すなわち、図２に示される上側から下側へと順番に、低圧側インバータ入力電極に相当する低圧側共通電極２４、チャンネル材６４、各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗ、インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗ、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗ、および高圧側インバータ入力電極５３が配置されている。

ここで、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗおよび各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓは、外周電極２３（収容部）の中心に近い位置に、軸線方向に離間し並設した状態で配置されている。スイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓは、板形状であって、表面にコレクタ端子６１Ｃ、６２Ｃが形成され、裏面にゲート端子６１Ｇ、６２Ｇおよびエミッタ端子６１Ｅ、６２Ｅが形成されている。そして、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓのコレクタ端子６１Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に高圧側インバータ入力電極５３に電気的に接続されている。また、スイッチング素子６１Ｓのエミッタ端子６１Ｅも、はんだ付けを用いて直接的に各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続されている。図２に省略された各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのダイオード６１Ｄは、高圧側インバータ入力電極５３と各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗとの間に配置されて電気的に接続されている。

一方、各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓのコレクタ端子６２Ｃは、はんだ付けを用いて直接的に各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに電気的に接続されている。また、スイッチング素子６２Ｓのエミッタ端子６２Ｅは、断面コ字形状のチャンネル材６４を用いて低圧側共通電極２４に電気的に接続されている。図２に省略された各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのダイオード６２Ｄは、各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗと低圧側共通電極２４との間に配置されて、電気的に接続されている。

三相のインバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗは、中心軸線ＣＬの周りに１２０°ピッチで回転対称に配置されている。各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗは、出力コンデンサ５とインバータ部６との間で折り曲げられて軸線方向（図２の下方）に引き出され、交流負荷９９に電気的に接続される。

なお、第１バスバー７１のフランジ状接続部７１１と、第２バスバー７２のフランジ状接続部７２１との間に、絶縁部材９４１が介挿されている。同様に、外周電極２３と入力コンデンサ２との間に絶縁部材９４２が介挿され、外周電極２３と出力コンデンサ５との間に絶縁部材９４３が介挿されている。さらに、リアクトル３のコア３６とフランジ状接続部７１１との間に絶縁部材９４４が介挿され、コア３６と低圧側共通電極２４との間に絶縁部材９４５が介挿されている。また、フランジ状接続部７１１と高圧側出力電極４３との間にも、絶縁部材９４６が介挿されている。これらの絶縁部材９４１〜９４６により、所定の絶縁距離が確保されて絶縁性能が維持される。

図３の第１層には、第１バスバー７１および第２バスバー７２のフランジ状接続部７２１が示されている。第２層には、第１バスバー７１のフランジ状接続部７１１が示されている。第３層には、入力コンデンサ２、リアクトル３、および電力変換部４（高圧側スイッチング部４１）の同軸内外三重構造が示されている。第４層には、低圧側共通電極２４が示されている。第５層には、出力コンデンサ５およびインバータ部６の同軸内外二重構造が示されている。第６層には、出力コンデンサ５の第５端子５１１およびインバータ部６の各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓが示されている。

電力変換装置１は、直流電源９１がバッテリであって電源電圧Ｖｄ１が変化しても、コンバータ部１ＣＶの可変昇圧機能により所望する直流出力電圧Ｖｄ２を生起できる。さらに、電力変換装置１は、インバータ部６により所望する周波数および実効値の交流出力電圧Ｖａを交流負荷９９に出力できる。加えて、電力変換装置１は、逆方向の電力変換機能を有する。つまり、電力変換装置１は、交流負荷９９に相当するモータジェネレータから入力された三相交流電力を直流に変換して、直流電源９１に相当するバッテリを充電できる。

続いて、本発明の第１実施形態の電力変換装置１の冷却構造８について説明する。図４は、第１実施形態の電力変換装置１の冷却構造８を示すとともに、その作用を模式的に説明する中心軸線ＣＬに対して片側の断面図である。冷却構造８は、電力変換部４およびインバータ部６に対して冷媒を供給して冷却を行うものである。冷却構造８は、冷媒が循環するバス冷媒路８１、本体冷媒路８２、圧送ポンプ８５、および冷却装置８６などで構成されている。冷媒は、流体であり、液相、気相、および液相と気相の混合のいずれでもよい。冷媒として、冷却油、フロン、および二酸化炭素などを例示でき、これらに限定されない。

バス冷媒路８１は、筒状バス冷媒路８１１および径方向バス冷媒路８１２からなる。図４に示されるように、バスバーセット７を構成する第１バスバー７１と第２バスバー７２との間の筒状空間によって、筒状バス冷媒路８１１が形成されている。また、絶縁部材９４１によって離隔配置された高圧側のフランジ状接続部７１１と低圧側のフランジ状接続部７２１との間に、径方向バス冷媒路８１２が形成されている。径方向バス冷媒路８１２の内周は、筒状バス冷媒路８１１に連通している。第２バスバー７２の軸線方向の途中に冷媒導入口８７が穿設されている。冷媒導入口８７は、図略の管路を用いて密閉性を維持しつつ圧送ポンプ８５の吐出口８５１に連通されている。なお、第２バスバー７２と管路との電気的な絶縁は、図略の絶縁体により確保されている。

本体冷媒路８２は、電気回路を構成する複数の部材の隙間、および部材に穿設された液孔８３１〜８３３により形成されている。本体冷媒路８２は、径方向冷媒路であるリアクトル冷媒路８２１、電力変換部内向き冷媒路８２２、電力変換部外向き冷媒路８２３、インバータ内向き冷媒路８２４、およびインバータ外向き冷媒路８２５と、これらを順番に連通させる符号略の軸線方向冷媒路との組合せにより形成されている。本体冷媒路８２について、以下に詳述する。

リアクトル冷媒路８２１は、絶縁部材９４４によって離隔配置された高圧側のフランジ状接続部７１１とリアクトル３のコア３６との間に、径方向内向きに形成されている。径方向バス冷媒路８１２の外周からリアクトル冷媒路８２１の外周に連通する液孔８３１が、高圧側のフランジ状接続部７１１に穿設されている。液孔８３１の大きさおよび個数は、必要とされる冷媒の流量に応じて適宜定めることができる(後述の液孔８３２、８３３も同様)。

電力変換部内向き冷媒路８２２は、電力変換部４の高圧側スイッチング部４１と高圧側中間電極３２ｍとの間に、径方向内向きに形成されている。リアクトル冷媒路８２１の内周と、電力変換部内向き冷媒路８２２の外周とは、屈折を含んだ軸線方向冷媒路で連通されている。電力変換部外向き冷媒路８２３は、低圧側スイッチング部４２と低圧側共通電極２４との間に、径方向外向きに形成されている。電力変換部内向き冷媒路８２２の内周と電力変換部外向き冷媒路８２３の内周とは、軸線方向冷媒路で連通されている。

インバータ内向き冷媒路８２４は、低圧側共通電極２４と各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗとの間に、径方向内向きに形成されている。電力変換部外向き冷媒路８２３の外周からインバータ内向き冷媒路８２４の外周に連通する液孔８３２が、低圧側共通電極２４に穿設されている。インバータ外向き冷媒路８２５は、各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗと各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗとの間に、径方向外向きに形成されている。インバータ内向き冷媒路８２４の内周とインバータ外向き冷媒路８２５の内周とは、軸線方向冷媒路で連通されている。インバータ外向き冷媒路８２５の外周から外部に連通する液孔８３３が、高圧側インバータ入力電極５３に穿設されている。

以上の説明で分かるように、本体冷媒路８２は、断面視で交差せずに一筆書きができるように形成されている。また、本体冷媒路８２は、電力変換部４およびインバータ部６の内部で、軸線方向冷媒路と径方向冷媒路とを交互に組み合わせて形成されている。したがって、本体冷媒路８２により、軸線方向に離間したスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓ間をクランク状に流して冷却を行うことができる。見方を変えれば、本体冷媒路８２により、軸線方向に離間したスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓ間を径方向内向きおよび外向きに向きを変えながら流して、外周電極２３内（収容部内）の冷却を行うことができる。

高圧側インバータ入力電極５３の液孔８３３は、図略の管路を用いて密閉性を維持しつつ冷却装置８６の流入口８６１に連通されている。なお、高圧側インバータ入力電極５３と管路との電気的な絶縁は、図略の絶縁体により確保されている。冷却装置８６の流出口８６２は、直結構造によりあるいは図略の管路を用いて、圧送ポンプ８５の吸入口８５２に連通されている。これにより、閉じた循環路が形成される。圧送ポンプ８５および冷却装置８６には、公知の各種装置を適宜用いることができる。

次に、上述のように構成された第１実施形態の電力変換装置１の冷却構造８の作用について説明する。電力変換装置１が運転されると、電気回路で損失熱が発生する。入力コンデンサ２および出力コンデンサ５は、発生する損失熱がわずかであるので、空気の対流などによる自然冷却でよい。一方、リアクトル３、電力変換部４、およびインバータ部６は、損失熱が相当量発生するので、冷媒の循環が必要になる。

図４の白抜き矢印Ａ１に示されるように、電力変換部４の高圧側のスイッチング素子４１Ｓで発生した損失熱は、はんだ付けを介して高圧側出力電極４３に伝達される。同様に、白抜き矢印Ａ２に示されるように、低圧側のスイッチング素子４２Ｓで発生した損失熱は、はんだ付けを介して高圧側中間電極３２ｍに伝達される。これにより、電力変換部４のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓの放熱表面積は、等価的に増加する。

さらに、図４の白抜き矢印Ａ３に示されるように、インバータ部６の各相下側スイッチ部６２Ｕ、６２Ｖ、６２Ｗのスイッチング素子６２Ｓで発生した損失熱は、はんだ付けを介して各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗに伝達される。同様に、白抜き矢印Ａ４に示されるように、各相上側スイッチ部６１Ｕ、６１Ｖ、６１Ｗのスイッチング素子６１Ｓで発生した損失熱は、はんだ付けを介して高圧側インバータ入力電極５３に伝達される。これにより、インバータ部６のスイッチング素子６１Ｓ、６２Ｓの放熱表面積は、等価的に増加する。

また、電力変換装置１の運転に伴って、圧送ポンプ８５も運転される。圧送ポンプ８５は、冷媒を圧送して循環する。冷媒は、圧送ポンプ８５から筒状バス冷媒路８１１に導入され（図４の矢印Ｆ１示）、径方向バス冷媒路８１２へと流れる（矢印Ｆ２示）。そして、冷媒は、液孔８３１を通ってリアクトル３に流入する（矢印Ｆ３示）。冷媒は、リアクトル冷媒路８２１を径方向内向きに流れ、コア３６に直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ４示）。

続いて、冷媒は、電力変換部４に流入する。冷媒は、電力変換部内向き冷媒路８２２を径方向内向きに流れ、高圧側のスイッチング素子４１Ｓおよび高圧側中間電極３２ｍに直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ５示）。さらに、冷媒は、電力変換部外向き冷媒路８２３を径方向外向きに流れ、スイッチング素子４２Ｓおよび低圧側共通電極２４に直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ６示）。

その後、冷媒は、液孔８３２を通りインバータ部６に流入する。冷媒は、インバータ内向き冷媒路８２４を径方向内向きに流れ、低圧側共通電極２４およびスイッチング素子６２Ｓに直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ７示）。さらに、冷媒はインバータ外向き冷媒路８２５を径方向外向きに流れ、各相インバータ出力電極６３Ｕ、６３Ｖ、６３Ｗおよびスイッチング素子６１Ｓに直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ８示）。

本体冷媒路８２を流れて温度上昇した冷媒は、液孔８３３から流入口８６１を経て冷却装置８６に導入され（矢印Ｆ９示）、冷却装置８６の内部で冷却される。冷却された冷媒は、冷却装置８６の流出口８６２から圧送ポンプ８５の吸入口８５２へと吸入される（矢印Ｆ１０示）。これにより、冷媒は循環される。また、バス冷媒路８１は、循環する往路の役割を果たす。

第１実施形態の電力変換装置１の冷却構造８は、電力変換を行う電力変換部４およびインバータ部６に対して、第１バスバー７１および第２バスバー７２を介して電力供給が成され、電力変換部４およびインバータ部６に対して冷媒を供給して冷却を行う電力変換装置１の冷却構造８であって、中空筒状の第１バスバー７１と、第１バスバー７１の同軸外側に配置される中空筒状の第２バスバー７２とにより同軸形状の外部導体と接続が成され、第１バスバー７１と第２バスバー７２との間に形成されるバス冷媒路８１に冷媒が流れる。

これによれば、電力供給用の第１バスバー７１および第２バスバー７２を利用して冷媒を供給する冷媒路を形成でき、冷媒路を形成する専用部材の少なくとも一部を省略できる。したがって、レイアウト設計上の制約が軽減され、電力変換装置１のさらなる小型軽量化が実現される。また、第１バスバー７１および第２バスバー７２を同軸内外に配置したので、電気力線が外部に漏れず低ノイズである。加えて、第１バスバー７１および第２バスバー７２を接続することで電気回線の接続と冷媒路の接続とを同時に行え、作業工数が低減される。また、高圧側の第１バスバー７１が低圧側の第２バスバー７２で被覆され守られているので、信頼性および安全性が向上する。

さらに、第２バスバー７２は径方向に拡張した収容部（外周電極２３）を有し、収容部内に電気的な昇圧を行う昇圧部（コンバータ部１ＣＶ）と、交流負荷９９を駆動させるインバータ部６とを設け、昇圧部およびインバータ部６のいずれかに有するスイッチングを行う複数のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓを収容部の中心に近い位置に、軸線方向に離間し並設した状態で配置している。

これによれば、収容部（外周電極２４）の内側に入力コンデンサ２からインバータ部６までの回路要素を組み付けて接続すればよいので、組み付け工数および電気接続工数が低減される。また、入力コンデンサ２からインバータ部６までの回路要素が低圧側の収容部（外周電極２３）で被覆され守られているので、信頼性および安全性が向上する。さらに、直流回路の同軸内外配置および三相交流回路の回転対称配置により、インピーダンス不整合が排除される。

さらに、複数のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓを軸線方向に沿って離間した状態で配置し、冷媒をバス冷媒路８１から収容部（外周電極２３）内の複数のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓに向けて流す場合、軸線方向に離間したスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓ間をクランク状に流して冷却を行う。これによれば、スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓが高密度に配置された配置空間の隙間を利用して、効率の良い冷却を行える。

さらに、複数のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓを軸線方向に沿って離間した状態で配置し、冷媒をバス冷媒路８１から収容部（外周電極２３）内の複数のスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓに向けて流す場合、軸線方向に離間したスイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓ間を径方向内向きおよび外向きに向きを変えながら流して収容部（外周電極２３）内の冷却を行う。これによれば、スイッチング素子４１Ｓ、４２Ｓ、６１Ｓ、６２Ｓが高密度に配置された配置空間の隙間を利用して、効率の良い冷却を行える。

次に、第２実施形態の電力変換装置１Ａの冷却構造８Ａについて、第１実施形態の冷却構造８と異なる点を主に説明する。図５は、第２実施形態の電力変換装置１Ａの冷却構造８Ａを示すとともに、その作用を模式的に説明する左側半分の断面図である。第２実施形態では、リアクトル３の冷却方法、ならびに冷媒を循環する復路の構成が第１実施形態と異なり、その他は第１実施形態に類似する。

第２実施形態において、本体冷媒路８２Ａに第２リアクトル冷媒路８２６が追加される。第２リアクトル冷媒路８２６は、絶縁部材９４５によって離隔配置されたリアクトル３のコア３６と低圧側共通電極２４との間に、径方向内向きに形成されている。そして、リアクトル冷媒路８２１および第２リアクトル冷媒路８２６の外周同士を連通する符号略の軸線方向分流冷媒路が形成されている。これにより、高圧側のフランジ状接続部７１１の液孔８３１から電気回路本体のリアクトル３に流入した冷媒は、リアクトル冷媒路８２１と第２リアクトル冷媒路８２６とに分流する。

リアクトル冷媒路８２１に分流した冷媒は、第１実施形態と同様に、リアクトル冷媒路８２１を径方向内向きに流れ、コア３６の一方の面（図５の上面）に直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ４示）。続いて、この冷媒は、電力変換部４に流入し、電力変換部内向き冷媒路８２２および電力変換部外向き冷媒路８２３を流れる（矢印Ｆ５、Ｆ６示）。

一方、第２リアクトル冷媒路８２６に分流した冷媒は、第２リアクトル冷媒路８２６を径方向内向きに流れ、コア３６の他方の面（図５の下面）に直接触れながら流れて冷却を行う（矢印Ｆ１１示）。続いて、この冷媒は、電力変換部外向き冷媒路８２３の外周に合流する。合流後の冷媒は、第１実施形態と同様に、液孔８３２からインバータ部６に流入し、インバータ内向き冷媒路８２４およびインバータ外向き冷媒路８２５を流れて、液孔８３３に達する（矢印Ｆ７、Ｆ８示）。

本体冷媒路８２Ａを流れて温度上昇した冷媒を冷却装置８６に導入するための復路として、中央冷媒路８１３が用いられる。中央冷媒路８１３は、第１バスバー７１の中空内部に形成されている。さらに、図５に示されるように、第１バスバー７１および第２バスバー７２を径方向に貫通して、戻り管路８８が配設されている。戻り管路８８の一端は中央冷媒路８１３に開口し、他端は冷却装置８６の流入口８６１に連通されている。なお、第１バスバー７１および第２バスバー７２と戻り管路８８との電気的な絶縁は、図略の絶縁体により確保されている。

高圧側インバータ入力電極５３の液孔８３３から流出した冷媒は、中央冷媒路８１３を流れ（矢印Ｆ１２示）、戻り管路８８を経由して冷却装置８６に導入される（矢印Ｆ１３示）。これにより、冷媒は循環される。また、筒状バス冷媒路８１１および径方向バス冷媒路８１２は循環する往路の役割を果たし、中央冷媒路８１３は循環する復路の役割を果たす。

次に、第２実施形態においてバスバーセット７と外部導体７Ｘとが軸線方向に連結される連結部７Ｊの構成、および連結作業の方法について説明する。図６は、第２実施形態における連結部７Ｊの分離状態を示す側面断面図である。図７は、図６のＺ−Ｚ矢視図であり、バスバーセット７の中心軸線ＣＬと直交する断面形状を示している。また、図８は、連結部７Ｊの連結状態を示す側面断面図である。

図７の左側にバスバーセット７が示され、右側に外部導体７Ｘが示されている。外部導体７Ｘは、第１バスバー７１と同径の第１導体７１Ｘ、および第２バスバー７２と同径の第２導体７２Ｘが中心軸線ＣＬ上に同軸内外配置されて構成されている。同軸外側に配置された第２バスバー７２および第２導体７２Ｘは、連結される先端部分を除いて外周面が絶縁被覆７８で覆われている。また、第２バスバー７２と第１バスバー７１との間、および第２導体７２Ｘと第１導体７１Ｘとの間には、それぞれ軸線方向の複数箇所に絶縁支持部材７９が介挿されている。図７に示されるように、絶縁支持部材７９は、周方向に３分割されて１２０°ピッチで配置されている。絶縁支持部材７９により、絶縁性能が確保されるとともに、筒状バス冷媒路８１１が確実に形成される。

外部導体７Ｘの第１導体７１Ｘの連結される先端部分は、テーパ形状に拡大された拡大テーパ圧接部７３１となっている。第２導体７２Ｘの先端付近の外周面に、環状のシール溝７６１が刻設されている。シール溝７６１は、溝底面が滑らかに仕上げられ、シール部材としてのＯリング７６５が嵌め込まれている。第２導体７２Ｘのシール溝７６１よりも少し後ろの外周面に、雄ねじ７７１が刻設されている。

一方、バスバーセット７の第１バスバー７１の連結される先端部分は、テーパ形状に縮小された縮小テーパ圧接部７３２となっている。また、第２バスバー７２の先端に、拡径された拡径部７４が設けられている。拡径部７４の内周面は、滑らかに仕上げられたシール面７６２となっている。さらに、拡径部７４の外周に、段付き環形状のナット部材７５が嵌め込まれている。ナット部材７５は、拡径部７４から脱落不能でかつ中心軸線ＣＬの周りに回動可能とされている。ナット部材７５は、第２バスバー７２の外周に常時接触して電気的な導通が確保されつつ、軸線方向に移動可能とされている。ナット部材７５の先端寄りの内周に雌ねじ７７２が刻設されている。ナット部材７５の外周面は、絶縁被覆７５１で覆われている。

連結作業において、まず、バスバーセット７および外部導体７Ｘを図６に示されるように対向配置し、徐々に両者７、７Ｘを接近させる。すると、第２導体７２Ｘの雄ねじ７７１と、第２バスバー７２のナット部材７５の雌ねじ７７２とが当接するので、ナット部材７５を中心軸線ＣＬの周りに回転駆動する。ナット部材７５の螺進に応じ、第１導体７１Ｘの拡大テーパ圧接部７３１と、第１バスバー７１の縮小テーパ圧接部７３２とが接近する。やがて、拡大テーパ圧接部７３１に縮小テーパ圧接部７３２が入り込んで圧接される。この時点で、ナット部材７５の回転駆動に要する操作力が過大となるので、回転駆動を打ち切り、連結作業を終了する。

連結作業の終了時点で、連結部７Ｊは、図８に示された連結状態となる。連結状態において、内側の拡大テーパ圧接部７３１および縮小テーパ圧接部７３２は、相互に圧接されたテーパ圧接部７３となり、電気的な導通が確保される。ただし、液密性は確保されないので、筒状バス冷媒路８１１と中央冷媒路８１３との間に若干量の冷媒の行き来が生じ得る。また、外側の第２導体７２Ｘと第２バスバー７２との相互間は、雄ねじ７７１とナット部材７５の雌ねじ７７２とが締結された締結部７７によって電気的な導通が確保される。さらに、第２導体７２Ｘと第２バスバー７２との相互間は、シール溝７６１に嵌め込まれたＯリング７６５がシール面７６２に圧接される液密部７６によって密閉性が確保される。これにより、冷媒の筒状バス冷媒路８１１から外部への漏出が防止される。

第２実施形態の電力変換装置１Ａの冷却構造８Ａでは、冷媒を圧送して循環する圧送ポンプ８５をさらに備え、冷媒循環時にはバス冷媒路８１および中央冷媒路８１３の一方が往路となり、他方が復路となる。

これによれば、往路と復路の間でも熱交換が行われるので、冷却性能が高い。また、往路と復路とを入れ替えることができ、冷媒を流す方向が限定されないので、設計上の自由度が大きい。さらに、冷媒は流体であれば、液相、気相、および液相と気相の混合のいずれでもよく、冷媒選択の自由度が大きい。

さらに、第１バスバー７１および第２バスバー７２を外部導体７Ｘと接続する連結部７Ｊにおいて、第１バスバー７１は縮小テーパ圧接部７３２を有し、縮小テーパ圧接部７３２が外部導体７Ｘの第１導体７１Ｘの拡大テーパ圧接部７３１に挿入されるとともに、第２バスバー７２は径方向外側に締結部（雌ねじ７７２）が設けられ、締結部が外部導体７Ｘの第２導体７２Ｘの雄ねじ７７１と締結され、第１バスバー７１および第２バスバー７２は同軸内外で電気的接続が成される。

これによれば、縮小テーパ圧接部７３２および拡大テーパ圧接部７３１が接続作業のガイドの役割も兼ねるので、作業性が良好である。また、縮小テーパ圧接部７３２および拡大テーパ圧接部７３１は、クサビ効果によって接触面圧を上げることができるので、接触抵抗が低減される。さらに、外側のシール構造が確保できていれば内側の冷媒の若干の漏れは許容されるので、簡易な構造を採用してコストダウンに寄与できる。

なお、リアクトル３の冷却構造として、冷媒をコア３６のギャップからコイル３５へ導く構造を採用することも可能である。また、電力変換装置１、１Ａの自然冷却への依存度は小さいので、設置方向は制約されず、中心軸線ＣＬは水平方向および垂直方向のいずれに配置されてもよい。さらになお、第２実施形態の連結部７Ｊにおいて、バスバーセット７および外部導体７Ｘの構造を入れ替えてもよい。つまり、バスバーセット７側に拡大テーパ圧接部７３１、シール溝７６１、および雄ねじ７７１を設けてもよい。本発明は、その他にも様々な応用や変形などが可能である。

１、１Ａ：電力変換装置 １ＣＶ：コンバータ部（昇圧部）
２：入力コンデンサ ２３：外周電極（収容部） ３：リアクトル
４：電力変換部 ４１Ｓ、４２Ｓ：スイッチング素子 ５：出力コンデンサ
６：インバータ部 ６１Ｓ、６２Ｓ：スイッチング素子
７：バスバーセット ７１：第１バスバー ７２：第２バスバー
７Ｊ：連結部 ７Ｘ：外部導体 ７３：テーパ圧接部
７３１：拡大テーパ圧接部 ７３２：縮小テーパ圧接部
７７：締結部 ７７１：雄ねじ ７７２：雌ねじ
８、８Ａ：電力変換装置の冷却構造 ８１：バス冷媒路
８１３：中央冷媒路 ８２、８２Ａ：本体冷媒路 ８５：圧送ポンプ
ＣＬ：中心軸線

Claims (6)

1. 電力変換を行う電力変換部に対して、第１バスバーおよび第２バスバーを介して電力供給が成され、前記電力変換部に対して冷媒を供給して冷却を行う電力変換装置の冷却構造であって、
   中空筒状の第１バスバーと、前記第１バスバーの同軸外側に配置される中空筒状の第２バスバーとにより同軸形状の外部導体と接続が成され、
   前記第１バスバーと前記第２バスバーとの間に形成されるバス冷媒路、および前記第１バスバーの中空内部に形成される中央冷媒路に前記冷媒が流れる電力変換装置の冷却構造。
2. 前記冷媒を圧送して循環する圧送ポンプをさらに備え、冷媒循環時には前記バス冷媒路および前記中央冷媒路の一方が往路となり、他方が復路となる請求項１に記載の電力変換装置の冷却構造。
3. 前記第１バスバーおよび前記第２バスバーを前記外部導体と接続する連結部において、
   前記第１バスバーは縮小テーパ圧接部を有し、前記縮小テーパ圧接部が前記外部導体の拡大テーパ圧接部に挿入されるとともに、
   前記第２バスバーは径方向外側に締結部が設けられ、前記締結部が前記外部導体と締結され、
   前記第１バスバーおよび前記第２バスバーは同軸内外で電気的接続が成される請求項１または請求項２に記載の電力変換装置の冷却構造。
4. 前記第２バスバーは径方向に拡張した収容部を有し、
   前記収容部内に電気的な昇圧を行う昇圧部と、交流負荷を駆動させるインバータ部とを設け、前記昇圧部および前記インバータ部のいずれかに有するスイッチングを行う複数のスイッチング素子を前記収容部の中心に近い位置に、軸線方向に離間し並設した状態で配置した請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置の冷却構造。
5. 前記複数のスイッチング素子を軸線方向に沿って離間した状態で配置し、
   前記冷媒を前記バス冷媒路から前記収容部内の前記複数のスイッチング素子に向けて流す場合、軸線方向に離間したスイッチング素子間をクランク状に流して冷却を行う請求項４に記載の電力変換装置の冷却構造。
6. 前記複数のスイッチング素子を軸線方向に沿って離間した状態で配置し、
   前記冷媒を前記バス冷媒路から前記収容部内の前記複数のスイッチング素子に向けて流す場合、軸線方向に離間したスイッチング素子間を径方向内向きおよび外向きに向きを変えながら流して前記収容部内の冷却を行う請求項４に記載の電力変換装置の冷却構造。

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