JP6544221B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器を備えた電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両は、直流電力を交流電力に変換するインバータ、及び直流電力を電圧の異なる直流電力に変換するコンバータ等の電力変換器を搭載している。例えば、下記の特許文献１には、ケースとしての筐体にインバータ及びコンバータの双方が収容された電力変換装置が開示されている。

インバータ、コンバータ等の電力変換器は、大電流が流れるように構成されており発熱量が大きい。そこで、上記特許文献１の電力変換装置は、ケースのうち２つの電力変換器を仕切る仕切部に冷媒流路を設けている。この冷媒流路に冷媒を流すことによって、電力変換装置の内部の雰囲気温度を冷媒の冷却効果によって低く抑えることができる。更に、この電力変換装置は、２つの電力変換器のうちの一方が仕切部のうち冷媒流路に近い位置に固定されるように構成されている。これにより、仕切部に固定された電力変換器は、冷媒によって冷却された仕切部との間で熱交換される。その結果、この電力変換器を仕切部によって冷却することができる。

特開２０１２−２１７３１６号公報

ところで、上記特許文献１の電力変換装置は、電力変換器をケースから取り外して修理したり別の電力変換器に交換したりすることを想定して、該電力変換器がボルト締結による固定構造によって仕切部に固定されるように構成されている。この固定構造によれば、仕切部に対する電力変換器の着脱を繰り返し行うことが可能になる。この固定構造においては、ボルトの雄ねじ軸がねじ螺合するナットを使用する代わりに、仕切部に雌ねじ穴を設け、この雌ねじ穴にボルトの雄ねじ軸が螺合するような固定構造を採用するのが好ましい。この場合、専用のナットが必要ないため部品点数を少なくでき固定構造を簡素化することができる。

しかしながら、この固定構造において、雌ねじ穴を非貫通穴にすると、仕切部において該雌ねじ穴が形成されているボス部が、仕切部に固定される一方の電力変換器とは反対側に位置する他方の電力変換器に向けて突出する。このとき、ボス部が他方の電力変換器を仕切部に近づけるのに邪魔になるため、このボス部（雌ねじ穴）から外れた位置に他方の電力変換器が配置される。ここで、一方の電力変換器の冷却効果を高めるために仕切部のうち冷媒流路に近い位置に雌ねじ穴を設けた場合、他方の電力変換器は仕切部の冷媒流路から遠ざかることになる。従って、この固定構造を採用した場合、一方の電力変換器を冷媒によって効率よく冷却できるものの、他方の電力変換器を冷却する効果が低下するという問題が生じ得る。そこで、この固定構造の設計に際しては、これら２つの電力変換器を双方の冷却効果を低下させることなく効率よく冷却できる構成が要請される。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、冷媒流路を構成する仕切部によって仕切られる２つの電力変換器の双方の冷却性能を向上させ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、
いずれも電力変換を行う第１電力変換器（１０）及び第２電力変換器（２０）と、
上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器を収容するケース（３０）と、
上記ケースに収容された上記第１電力変換器と上記第２電力変換器とを仕切るとともに、冷媒が流れる冷媒流路（３６）を構成する仕切部（３２）と、
上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器の少なくとも一方の電力変換器の被固定部（２１）を上記仕切部に固定する締結ボルト（５１）と、を備え、
上記締結ボルトの雄ねじ軸（５２）は、上記被固定部に設けられたボルト挿通穴（２２）に挿通されるとともに、上記仕切部に設けられた雌ねじ穴（３７）に螺合しており、
上記雌ねじ穴は、上記仕切部を貫通しており、
上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器のうち上記締結ボルトの上記雄ねじ軸の軸先端側に位置する電力変換器は、上記雄ねじ軸を通る仮想軸線（Ｌ）上に配置され、
上記締結ボルトは、上記雄ねじ軸が上記雌ねじ穴を軸先端側に突き抜けることなく上記雌ねじ穴と螺合するように構成され、且つ、上記雌ねじ穴は、上記雄ねじ軸の軸先端側から薄肉のシート部材（５４）によって塞がれている、電力変換装置（１）にある。

上記電力変換装置において、第１電力変換器及び第２電力変換器の少なくとも一方の電力変換器の被固定部が締結ボルトによって仕切部に固定される。締結ボルトは、仕切部に該仕切部を貫通するように設けられた雌ねじ穴に螺合するように構成されている。本構成によれば、雌ねじ穴が非貫通穴である場合に比べて、仕切部のうち雌ねじ穴を有する部位を薄くできる。これにより、仕切部において他方の電力変換器に向けて突出するボス部の高さを低く抑えることができる。その結果、ボス部を避けることなく他方の電力変換器を仕切部に近づけて配置することができ、該電力変換器の冷却効果が低下するのを抑制できる。

以上のごとく、上記態様によれば、一方の電力変換器をボルト締結によって仕切部に固定した場合に他方の電力変換器の冷却効果が低下するのを抑制でき、２つの電力変換器の双方の冷却性能を向上させることができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本実施形態の電力変換装置の概要を示す図。 図１のII−II線矢視断面図。 図１のIII−III線矢視断面図。 図３のＡ領域の拡大図。 本実施形態の電力変換装置のインバータ回路図。

以下、電力変換装置に係る実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

尚、本明細書の図面では、特に断わらない限り、電力変換器を収容するケースの長手方向（縦方向）である第１方向を矢印Ｘで示し、該ケースの横方向である第２方向を矢印Ｙで示し、第１方向及び第２方向の双方に直交する第３方向を矢印Ｚで示すものとする。

図１〜図３が参照されるように、本実施形態の電力変換装置１は、第１電力変換器１０、第２電力変換器２０及びケース３０を備えている。

第１電力変換器１０は、直流電力を交流電力に変換するインバータである。以下、「インバータ１０」といもいう。第２電力変換器２０は、直流電力を電圧の異なる直流電力に変換するコンバータである。以下、「コンバータ２０」ともいう。これらインバータ１０及びコンバータ２０はいずれも電力変換を行う機器である。電力変換装置１は、インバータ１０とコンバータ２０との組み合わせにより、電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両への搭載に適した電力変換装置である。

ケース３０は、インバータ１０及びコンバータ２０と、その他の複数の電子部品とを収容する箱形状の部材である。ケース３０は、４つの側壁部３１と、これら４つの側壁部３１に囲まれた内部空間を仕切る仕切部３２と、を備えている。このケース３０は、軽量且つ高度な寸法精度が要求される自動車部品であり、典型的にはアルミニウム材料を用いたアルミダイカスト製法によって作製される。

仕切部３２は、ケース３０の一部として構成されている。仕切部３２は、４つの側壁部３１の全てと直交する平面（第１方向Ｘと第２方向Ｙの双方によって規定される平面）に沿って延在する平板状の部位である。これによりケース３０は、図２及び図３に示される断面形状が略Ｈ形を呈する。この仕切部３２によれば、ケース３０の内部空間が、インバータ１０を少なくとも収容する第１空間３３と、コンバータ２０を少なくとも収容する第２空間３４とに区画される。これら第１空間３３及び第２空間３４はそれぞれがカバー３５によって塞がれている。

仕切部３２は、第２空間３４に臨む下面を凹ませた凹部３２ａがコンバータ２０の取り付け面を構成するベース部２１で塞がれることによって、冷媒が流通する冷媒流路３６を構成している。即ち、コンバータ２０自体が冷媒流路３６の一部を区画している。ベース部２１は、ケース３０と同様のアルミニウム材料からなる。ベース部２１は、液状ガスケット、ゴム等のシール材（図示省略）を介して仕切部３２に当接しており、これにより冷媒流路３６の気密性が確保されている。

コンバータ２０が仕切部３２の凹部３２ａを塞ぐことによって冷媒流路３６が形成されるため、冷媒流路３６を流れる冷媒によってケース３０を冷却することができると共に、コンバータ２０についても冷却することができる。また、仕切部３２に冷媒流路３６を設けることによって、いずれも発熱するインバータ１０とコンバータ２０とが互いに熱干渉するのを防止できる。更に、仕切部３２に冷媒流路３６を設けることによって、インバータ１０とコンバータ２０との間の電磁ノイズの干渉を防止できる。

尚、冷媒流路３６に流通させる冷媒として、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。

インバータ１０は、半導体素子を内蔵する複数の半導体モジュール１１と、その半導体モジュール１１を冷却する冷媒を流通させる複数の冷却管（冷却部）１４とが第１方向Ｘに交互に積層された積層体を備えている。半導体モジュール１１は、冷却管１４によって両側から挟持されている。半導体モジュール１１は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子やＦＷＤ等のダイオードを内蔵している。

複数の冷却管１４のそれぞれの流入部は、外部から冷媒を供給する冷媒供給ヘッダ１５に連結され、且つ複数の冷却管１４のそれぞれの流出部は、外部に冷媒を排出する冷媒排出ヘッダ１６に連結されている。従って、冷媒供給ヘッダ１５から冷却管１４の流入部に流入した冷媒は、冷却管１４内の冷媒流路を流通するときにこの冷却管１４の第１方向Ｘの両側に位置する半導体モジュール１１を冷却したのちに、冷却管１４の流出部から冷媒排出ヘッダ１６に排出される。この冷却管１４に流通させる冷媒として、前記の冷媒流路３６に流通させる冷媒と同様のものを用いることができる。

半導体モジュール１１は、制御端子１２及び電極端子１３を備えている。制御端子１２は、制御回路基板１７に接続されており、電極端子１３は、金属製のバスバー（図示省略）に接続されている。半導体モジュール１１のスイッチング素子を制御する制御電流が制御端子１２を通じて該半導体モジュール１１に入力される。半導体モジュール１１の被制御電力が電極端子１３を通じて該半導体モジュール１１に入出力される。

インバータ１０は、更に、後述のインバータ回路１０ａを構成する要素であるリアクトル１８及びコンデンサ１９等を備えている。リアクトル１８は、半導体モジュール１１への入力電圧を昇圧するための昇圧回路の一部を構成する。コンデンサ１９は、入力電圧又は昇圧した電圧を平滑化する平滑コンデンサとして構成されている。リアクトル１８は、図１及び図２に示されるように、複数の半導体モジュール１１の第１方向Ｘの一方側に隣接して配置された状態で第１空間３３に収容されている。コンデンサ１９は、図１及び図３に示されるように、複数の半導体モジュール１１及びリアクトル１８に対して並んで配置された状態で第１空間３３に収容されている。

図３に示されるように、ケース３０の第２空間３４に収容されたコンバータ２０は、固定部５０において締結ボルト５１によって仕切部３２に固定されている。この固定部５０の詳細については図４が参照される。

図４に示されるように、締結ボルト５１は、仕切部３２に設けられた雌ねじ穴３７に螺合可能な雄ねじ軸５２と、該雄ねじ軸５２の一端に設けられた該雄ねじ軸５２よりも径方向の外形が大きい頭部５３とを備えている。この締結ボルト５１は、金属材料からなる。締結ボルト５１は、典型的には頭部５３の形状が略正六角形となる六角ボルトとして構成される。その他の形態として、締結ボルト５１がレンチ等の工具で操作されるキャップボルトとして構成されてもよい。ボルト挿通穴２２は、雌ねじ穴３７のような雌ねじが設けられておらず、且つ締結ボルト５１の雄ねじ軸５２の軸径を上回る貫通穴である。

固定部５０において、締結ボルト５１の雄ねじ軸５２は、コンバータ２０の被固定部であるベース部２１に設けられたボルト挿通穴２２に挿通されるとともに、仕切部に設けられた雌ねじ穴３７に螺合している。雌ねじ穴３７は、仕切部３２を貫通しており、ケース３０の第１空間３３と第２空間３４とを連通する。この雌ねじ穴３７は、コンバータ２０の冷却効果を高めるために仕切部３２のうち冷媒流路３６に近い位置に設けられている。

上記の締結ボルト５１のねじ込み操作が行われると、コンバータ２０のベース部２１は、締結ボルト５１の頭部５３と仕切部３２との間に挟み込まれることによって仕切部３２に固定される。一方で、雌ねじ穴３７に対する雄ねじ軸５２の螺合が解除されるように締結ボルト５１のねじ戻し操作が行われると、コンバータ２０のベース部２１は仕切部３２に対する固定が解除される。これにより、仕切部３２に対するコンバータ２０の着脱を繰り返し行うことができ、コンバータ２０をケース３０から取り外して修理したり別のコンバータに交換したりすることが可能になる。

上記の雌ねじ穴３７は、仕切部３２を貫通する貫通穴である。従って、この雌ねじ穴３７が非貫通穴である場合に比べて、仕切部３２のうち雌ねじ穴３７を有する部位を薄くできる。これにより、仕切部３２においてインバータ１０のコンデンサ１９に向けて突出するボス部３２ｂの第３方向Ｚの高さを低く抑えることができる。その結果、ボス部３２ｂを避けることなくコンデンサ１９を仕切部３２に近づけて配置することができる。

ここで、前述のように仕切部３２のうち冷媒流路３６に近い位置に雌ねじ穴３７が設けられている。このため、雌ねじ穴３７を利用して仕切部３２に固定されたコンバータ２０は、仕切部３２の冷媒流路３６に近接して配置されている。一方で、インバータ１０のコンデンサ１９と同様に雌ねじ穴３７に近い位置において仕切部３２の冷媒流路３６に近接して配置される。このため、コンバータ２０のみならずコンデンサ１９についても所望の冷却効果が得られる。

以上のごとく、本実施形態の電力変換装置１によれば、一方の電力変換器であるコンバータ２０を締結ボルト５１によって仕切部３２に固定した場合に、他方の電力変換器であるインバータ１０のコンデンサ１９の冷却効果が低下するのを抑制できる。従って、コンデンサ１９及びコンバータ２０を双方の冷却性能を向上させることができる。
また、仕切部３２においてボス部３２ｂの第３方向Ｚの寸法を小さく抑えることによって、第３方向Ｚについて電力変換装置１の外形寸法を小型化できる。
更に、締結ボルト５１の雄ねじ軸５２が専用のナット等を用いることなく仕切部３２に直に螺合するため、部品点数を少なくでき構造を簡素化できる。

本実施形態では、インバータ１０（インバータ１０及びコンバータ２０のうち締結ボルト５１の雄ねじ軸５２の軸先端側に位置する電力変換器）を構成するコンデンサ１９は、締結ボルト５１の雄ねじ軸５２を通る仮想軸線Ｌ上に配置されている。仮想軸線Ｌは第３方向Ｚに延在している。即ち、仮想軸線Ｌがコンデンサ１９と重なっている。これにより、コンデンサ１９を仕切部３２の冷媒流路３６により近接して配置することができ、コンデンサ１９の冷却効果を高めることができる。

本実施形態では、締結ボルト５１の雄ねじ軸５２は、雌ねじ穴３７を軸先端側に突き抜けることなく雌ねじ穴３７と螺合するように構成されている。即ち、雄ねじ軸５２の軸先端が雌ねじ穴３７内に配置されているか、或いは雄ねじ軸５２の軸先端が雌ねじ穴３７の開口端と面一になる。本構成において、雌ねじ穴３７は、雄ねじ軸５２の軸先端側から薄肉のシート部材５４によって塞がれている。このシート部材５４によれば、電力変換装置１の組み付け時に雌ねじ穴３７を通じてケース３０の第１空間３３に異物が入り込むのを防ぐことができる。シート部材５４の厚みを薄く抑えることで、第３方向Ｚについて電力変換装置１の外形寸法を小型化できる。

更に、シート部材５４は、インバータ１０を構成するコンデンサ１９と仕切部３２との双方に接触するように構成されている。このシート部材５４は、熱伝導性材料からなる。この熱伝導性シートは、空気よりも熱伝導性が高く、典型的にはその熱伝導率が０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上の範囲に属するような特性を有する。これにより、コンデンサ１９において発生した熱がシート部材５４を介して仕切部３２に伝わり易くなり、コンデンサ１９の冷却効果を更に高めることができる。

尚、シート部材５４の熱伝導性材料として典型的には、シリコーン系材料、アクリル系材料、ウレタン系材料、セラミック系材料、グラファイト系材料等が挙げられる。このような材料は、柔軟性も有するため、コンデンサ１９及び仕切部３２に密着し易く、熱交換において有利である。

図５に示されるように、上記のインバータ１０は、直流電源Ｂ１から供給される直流電力を交流電力に変換する電力変換回路であるインバータ回路１０ａを構成している。このインバータ回路１０ａにおいて、複数の半導体モジュール１１は、制御回路基板１７によってそのスイッチング動作（オンオフ動作）が制御される。

本実施形態では、リアクトル１８及び２つの半導体モジュール１１ａによって、電力変換回路であるインバータ回路１０ａの昇圧部１０ｂが構成されている。リアクトル１８は、インダクタを利用した受動素子である。この昇圧部１０ｂは、半導体モジュール１１ａのスイッチング動作（オンオフ動作）によって直流電源Ｂ１の電圧を昇圧する機能を有する。

一方で、コンデンサ１９及び６つの半導体モジュール１１ｂによって、電力変換回路であるインバータ回路１０ａの変換部１０ｃが構成されている。この変換部１０ｃは、昇圧部１０ｂで昇圧された後の直流電力を半導体モジュール１１ｂのスイッチング動作（オンオフ動作）によって交流電力に変換する機能を有する。変換部１０ｃで得られた交流電力によって、車両走行用の三相交流モータＭが駆動される。

コンバータ２０は、直流電源Ｂ１に接続されており、直流電源Ｂ１の電圧を降圧して、直流電源Ｂ１よりも低圧の補助バッテリＢ２を充電するのに用いられる。補助バッテリＢ２は、車両に搭載される各種機器の電源として使用される。

本発明は、上記の典型的な実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の目的を逸脱しない限りにおいて種々の応用や変形が考えられる。例えば、上記の実施形態を応用した次の各形態を実施することもできる。

上記の実施形態では、コンバータ２０の被固定部（ベース部２１）が締結ボルト５１によって仕切部３２に固定される場合について記載したが、コンバータ２０の被固定部に代えて或いは加えて、インバータ１０を構成する要素の被固定部が締結ボルト５１と同様の部材によって仕切部３２に固定される構成を採用することもできる。インバータ１０を構成する要素として、例えばリアクトル１８やコンデンサ１９が挙げられる。コンデンサ１９の場合、樹脂製ケースのうち金属製のカラーが一体化された被固定部において、カラーに前記のボルト挿通穴２２のような貫通穴を設け、締結ボルトの雄ねじ軸がこの貫通穴に挿通された状態で仕切部３２の雌ねじ穴に螺合するような構成を採用することができる。

上記の実施形態では、仕切部３２がケース３０の一部として構成される場合について記載したが、仕切部３２はケース３０とは別個の部材として構成されてもよい。

上記の実施形態では、コンデンサ１９が締結ボルト５１の雄ねじ軸５２を通る仮想軸線Ｌ上に配置される場合について記載したが、必要に応じてインバータ１０を構成する複数の要素のうちの少なくとも一方（例えば、リアクトル１８及びコンデンサ１９のうちの少なくとも一方）を仮想軸線Ｌ上に配置してもよい。

上記の実施形態では、締結ボルト５１の雄ねじ軸５２が雌ねじ穴３７を軸先端側に突き抜けることなく雌ねじ穴３７と螺合する場合について記載したが、コンデンサ１９の配置を邪魔しない程度であれば、締結ボルト５１の雄ねじ軸５２が雌ねじ穴３７を突き抜けてもよい。

上記の実施形態では、雌ねじ穴３７を塞ぐシート部材５４が熱伝導性の高い材料からなる場合について記載したが、異物の入り込みを防ぐことのみを目的とした場合には、このシート部材５４を熱伝導性の低い材料によって構成することもできる。

上記の実施形態では、シート部材５４がコンデンサ１９及び仕切部３２の双方に接触する場合について記載したが、必要に応じてシート部材５４が仕切部３２に加えてインバータ１０を構成する複数の要素のうちの少なくとも一方（例えば、リアクトル１８及びコンデンサ１９のうちの少なくとも一方）に接触するように構成してもよい。また、シート部材５４がコンデンサ１９に接触することなく仕切部３２のみに接触する構成を採用することもできる。本構成の場合、熱伝導性の低いシート部材を用いる場合に比べて、ケース３０の第１空間３３で生じた熱が冷媒流路３６を流れる冷媒によって冷却された仕切部３２に伝わり易くなる。その結果、第１空間３３の雰囲気温度を低下させることができる。

１ 電力変換装置
１０ 第１電力変換器（インバータ）
１９ コンデンサ
２０ 第２電力変換器（コンバータ）
２１ ベース部（被固定部）
２２ ボルト挿通穴
３０ ケース
３２ 仕切部
３６ 冷媒流路
３７ 雌ねじ穴
５１ 締結ボルト
５２ 雄ねじ軸
５４ シート部材
Ｌ 仮想軸線

Claims (3)

1. いずれも電力変換を行う第１電力変換器（１０）及び第２電力変換器（２０）と、
   上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器を収容するケース（３０）と、
   上記ケースに収容された上記第１電力変換器と上記第２電力変換器とを仕切るとともに、冷媒が流れる冷媒流路（３６）を構成する仕切部（３２）と、
   上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器の少なくとも一方の電力変換器の被固定部（２１）を上記仕切部に固定する締結ボルト（５１）と、を備え、
   上記締結ボルトの雄ねじ軸（５２）は、上記被固定部に設けられたボルト挿通穴（２２）に挿通されるとともに、上記仕切部に設けられた雌ねじ穴（３７）に螺合しており、
   上記雌ねじ穴は、上記仕切部を貫通しており、
   上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器のうち上記締結ボルトの上記雄ねじ軸の軸先端側に位置する電力変換器は、上記雄ねじ軸を通る仮想軸線（Ｌ）上に配置され、
   上記締結ボルトは、上記雄ねじ軸が上記雌ねじ穴を軸先端側に突き抜けることなく上記雌ねじ穴と螺合するように構成され、且つ、上記雌ねじ穴は、上記雄ねじ軸の軸先端側から薄肉のシート部材（５４）によって塞がれている、電力変換装置（１）。
2. 上記シート部材は、熱伝導性材料からなる、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記シート部材は、上記第１電力変換器及び上記第２電力変換器のうち上記締結ボルトの上記雄ねじ軸の軸先端側に位置する電力変換器と上記仕切部との双方に接触するように構成されている、請求項２に記載の電力変換装置。

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