JP7052610B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、冷媒を供給または排出するパイプが接続されている冷却器と回路基板をケース内に格納している電力変換装置に関する。

自動車などに搭載されている電力変換装置の中には、電力変換装置のケースに収容されたパワーカード等を冷却するための液体冷媒を使った冷却器を、そのケース内に収容しているものがある。特許文献１に開示されている装置では、電力変換装置のケース内に収容されている冷却器の一側面に冷媒出口と冷媒入口が設けられており、それぞれに冷却管が接続されている。

特開２０１１－１８２６３０号公報

パワーカードを制御する回路が実装された回路基板がケースの下部に配置されることがある。一方、電力変換装置のメンテナンス時などに冷却器から冷却管を取り外すと、冷却器の中に残存していた液体冷媒がケース内に漏れてしまう場合がある。漏れた液体冷媒が下方に位置する回路基板などに滴下してしまうと、回路の故障を誘発してしまうおそれがある。

本明細書が開示する電力変換装置は、ケースを備える。電力変換装置は、ケースに格納されており側面に冷媒出入口を備えている積層冷却器を備える。ケース内にて積層冷却器の下方には回路基板が位置している。電力変換装置は、冷媒出入口に接続されており冷媒を供給または排出するパイプを備える。パイプと冷媒出入口とはガスケットを介して接続されている。ケースは、その側壁内面から積層冷却器と回路基板の間に延びている中仕切板を備える。中仕切板の上面の一部には、中仕切板の垂直上方から見たときに閉じた側壁によって周囲から隔てられている所定領域が設けられている。ケースおよび積層冷却器を上方から見たときに、冷媒出入口が所定領域内に位置しているとともに、所定領域と回路基板の一部が重なっている。

電力変換装置のメンテナンス時などに積層冷却器からパイプを取り外すと、冷却器の中に残存していた液状の冷媒がケース内に漏れてしまう場合がある。このような場合においても、漏れた冷媒を、側壁によって周囲から隔てられている所定領域内に保持するとともに、冷媒が所定領域外へ移動することを防止することができる。これにより、漏れた冷媒が回路基板上に滴下してしまうことがないため、回路基板の故障を防止することが可能となる。

ハイブリッド車のフロントコンパートメント内のデバイスレイアウトを示す斜視図である。 トランスアクスルの上に固定された電力制御ユニットの側面図である。 電力制御ユニットの分解斜視図である。 下部ケースの上面図である。 図４のＶ－Ｖ線での断面図の部分拡大図である。 図４のＶＩ－ＶＩ線での断面図である。

（電力制御ユニットの車載構造）
図１は、ハイブリッド車１００のフロントコンパートメント９０の中のデバイスレイアウトを示す斜視図である。なお、図中の座標系は、Ｆ軸の正方向が車両前方を示しており、Ｖ軸の正方向が車両上方を示している。Ｈ軸の正方向は車両の左側方を示している。なお、図１では、フロントコンパートメント９０に搭載されているデバイスを模式化して描いてある。

フロントコンパートメント９０には、エンジン９５、トランスアクスル３１、電力制御ユニット２、ラジエータ９６、補機バッテリ５等が収容されている。フロントコンパートメント９０には他にも様々なデバイスが収容されているが、それらの図示と説明は省略する。

トランスアクスル３１の上面に、電力制御ユニット２が固定されている。電力制御ユニット２は、不図示のメインバッテリの直流電力を昇圧するとともに、昇圧した直流電力をモータ駆動に適した交流電力に変換するデバイスである。

図２に、トランスアクスル３１の上面３１ａに固定された電力制御ユニット２の側面図を示す。トランスアクスル３１の上面３１ａは前下がりに傾斜しており、その上に固定される電力制御ユニット２も前下がりの姿勢で固定される。図２のＸＹＺ座標系は、電力制御ユニット２のための座標系であり、Ｘ軸は電力制御ユニット２のケースの底面に平行に延びており、Ｚ軸はケースの後面に平行に延びており、Ｙ軸は車幅方向に沿って延びている。 電力制御ユニット２は、フロントブラケット９３とリアブラケット９４によって、トランスアクスル３１の上面３１ａの上方に固定されている。

電力制御ユニット２のケース１２は、上下方向で、アッパーカバー１２ｃ、上部ケース１２ｂ、下部ケース１２ａ、ロアカバー１３に分割されている。上部ケース１２ｂと下部ケース１２ａは複数のボルト１８によって上下方向で相互に固定される。なお図２では、後述する冷媒管４５、冷媒排出管７８、冷媒供給管７９などの図示は省略している。

（電力制御ユニット２の構造）
図３は、電力制御ユニット２の分解斜視図である。図３に示すように、電力制御ユニット２のケース１２は、インバータケースである下部ケース１２ａと、コンバータケースである上部ケース１２ｂに分かれている。下部ケース１２ａおよび上部ケース１２ｂは、アルミニウム製である。

下部ケース１２ａは、直方体の容器である。下部ケース１２ａは中仕切板１２ａ１と側壁１２ａ２を備えており、上面と下面が空いている。中仕切板１２ａ１は、側壁１２ａ２の内面から水平方向に延びている。下部ケース１２ａ内には、冷却ユニット２０、回路基板６０、および図示していないインバータ回路等が収納される。冷却ユニット２０は、下部ケース１２ａの上方の開口から収容され、回路基板６０は下方の開口から収容される。即ち、冷却ユニット２０は中仕切板１２ａ１の上側に位置し、回路基板６０は中仕切板１２ａ１の下側に位置する。なお、図３では、リアクトルや平滑コンデンサ等の電気部品は図示を省略している。また、図３では、下部ケース１２ａの下側の開口を塞ぐロアカバー１３（図２参照）は図示を省略している。

下部ケース１２ａの側面１４ａには、冷媒排出管７８が接続される貫通孔７６と、継手管３０が接続される貫通孔１６と、ボルト孔８２とが形成されている。なお、本実施形態では、側面１４ａの法線方向をＸ軸と定義し、図３の左下をＸ軸正方向と定義する。Ｘ軸に直交する面をＹＺ平面とし、図３の鉛直上方向をＺ軸正方向と定義する。Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸をＹ軸と定義し、図３の右下方向をＹ軸正方向と定義する。後述する図４～図６でのＸＹＺ軸は、図３のＸＹＺ軸と対応している。

下部ケース１２ａに収容される冷却ユニット２０は、半導体素子を内部に有する複数のパワーカード２２と、内部を冷媒が通過する複数の冷却プレート２１を備えている。複数のパワーカード２２と複数の冷却プレート２１は、一つずつ交互に積層されており、隣接する冷却プレート２１の間にパワーカード２２が挟まれている。隣接する冷却プレート２１は、連結管２５ａ、２５ｂで連結されている。Ｘ軸正方向の端の冷却プレート２１には、チューブ２３、２４が接続されている。チューブ２３はＸ方向からみて連結管２５ａと重なるように配置されており、チューブ２４は、Ｘ方向からみて連結管２５ｂと重なるように配置されている。チューブ２３を通じて液体の冷媒が冷却ユニット２０に供給される。チューブ２３から供給された冷媒は、連結管２５ａを通じて全ての冷却プレート２１に分配される。冷媒は冷却プレート２１を通る間にパワーカード２２の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管２５ｂとチューブ２４を通じて冷却ユニット２０から排出される。

回路基板６０は、中仕切板１２ａ１を挟んで冷却ユニット２０の下方に位置している。回路基板６０には、パワーカード２２の半導体素子を制御する制御回路が実装されている。回路基板６０の上面には、半導体チップなど多数の電子部品が実装されているがそれらの図示は省略している。中仕切板１２ａ１には開口部１２ａＯが設けられており、パワーカード２２と回路基板６０は、その開口部１２ａＯを通じて、不図示の信号ピンで電気的に接続されている。

上部ケース１２ｂの外形状は、下部ケース１２ａと同様の直方体である。上部ケース１２ｂの内部には、冷却器や別の電気部品（不図示）、及び、それらを冷却する冷却器が収納されているが、図３ではそれらの図示は省略し、上部ケース１２ｂを単純な直方体で表している。図３では、上部ケース１２ｂの上部開口（不図示）を覆うアッパーカバー１２ｃ（図２参照）の図示も省略している。

上部ケース１２ｂには、下部ケース１２ａと同様に、Ｘ軸正方向側のＹＺ平面と平行な側面１４ｂに、冷媒管４５の上端が接続される貫通孔１７と、冷媒供給管７９が接続される貫通孔７７と、ボルト孔８３とが形成されている。下部ケース１２ａと上部ケース１２ｂとが結合すると、側面１４ａと側面１４ｂは一体で一つの側面１４となり、貫通孔１７は貫通孔１６のＺ軸正方向に位置する。同様に、貫通孔７７は、貫通孔７６のＺ軸正方向に位置する。

下部ケース１２ａの貫通孔１６には継手管３０を介してＵ字形状の冷媒管４５の下端が接続され、上部ケース１２ｂの貫通孔１７には冷媒管４５の上端が接続される。不図示の冷媒循環装置から供給される冷媒は、冷媒供給管７９を通じて上部ケース１２ｂの冷却器（不図示）に流入する。冷却器を通過した冷媒は、上部ケース１２ｂの貫通孔１７から冷媒管４５を通り、継手管３０と下部ケース１２ａの貫通孔１６を通って冷却ユニット２０に供給される。冷却ユニット２０を通過した冷媒は、下部ケース１２ａの貫通孔７６を通じてケース１２の外部へと排出される。排出された冷媒は、冷媒排出管７８を通じて冷媒循環装置（不図示）へと還流する。

継手管３０は、円筒状の形状を有し、円筒の一端にフランジを有する。継手管３０におけるフランジ以外の外周面は、貫通孔１６の内周面に嵌合するように形成されている。継手管３０は、貫通孔１６に嵌合したときに、フランジが下部ケース１２ａの側面１４ａに接するように形成される。冷媒管４５は、その一端が上部ケース１２ｂの貫通孔１７に接続され、他端が継手管３０を介して下部ケース１２ａの貫通孔１６に接続される。冷媒管４５は、貫通孔１７を通じて冷却器から排出される冷媒を、貫通孔１６を通じて下部ケース１２ａの内部の冷却ユニット２０へ導く。冷媒管４５の一端にはフランジ４２ａとリブ４１ａが設けられており、他端にはフランジ４２ｂとリブ４１ｂが設けられている。

フランジ４２ａのＸ軸負方向側を向くフランジ面は、下部ケース１２ａの側面１４ａに接する。リブ４１ａは、フランジ４２ａからＺ軸負方向に延出している。リブ４１ａには、ボルト８１が貫通するための孔が形成されている。ボルト８１は、リブ４１ａの孔を通って、ボルト孔８２の雌ネジ溝に螺合する。これにより、下部ケース１２ａに対して冷媒管４５が固定される。上部ケース１２ｂに対しても、同様にして、冷媒管４５が固定される。

（下部ケース１２ａの具体的構造）
図４に下部ケース１２ａの上面図を示す。図４では、下部ケース１２ａ内に冷却ユニット２０と回路基板６０が格納されている状態を示している。図４では、冷却ユニット２０を点線で示し、回路基板６０を一点鎖線で示している。図４に示すように、下部ケース１２ａは、所定領域Ｒ１およびＲ２を備えている。所定領域Ｒ１およびＲ２は、下部ケース１２ａの中仕切板１２ａ１の上面の一部に形成されている。図４では、理解を助けるため、所定領域Ｒ１およびＲ２をハッチングで示している。先に述べたように下部ケース１２ａの中仕切板１２ａ１には、開口部１２ａＯが形成されている。中仕切板１２ａ１を挟んで冷却ユニット２０の下方に回路基板６０が位置している。

中仕切板１２ａ１に形成されているリブ側壁ＳＷ１１およびＳＷ１２と、下部ケース１２ａの側壁１２ａ２とによって、閉じた側壁が形成されている。所定領域Ｒ１は、この閉じた側壁によって周囲から完全に隔てられている。換言すると、所定領域Ｒ１は、桶のように液体を貯めておくことが可能な形状を備えている。リブ側壁ＳＷ１１およびＳＷ１２は、下部ケース１２ａの中仕切板１２ａ１や側壁１２ａ２と一体形成されたリブである。リブ側壁ＳＷ１１およびＳＷ１２として機能するリブを追加するだけでよいため、所定領域Ｒ１を形成するためのコストアップは小さい。また、中仕切板１２ａ１に形成されているリブ側壁ＳＷ２１およびＳＷ２２と、下部ケース１２ａの側壁１２ａ２によって閉じた側壁が形成されている。所定領域Ｒ２は、この閉じた側壁によって周囲から完全に隔てられている。所定領域Ｒ２の機能は、所定領域Ｒ１の機能と同様であるため説明を省略する。

図４では、下部ケース１２ａおよび冷却ユニット２０を上方（Ｚ軸正方向）から見たときに、冷媒出入口であるチューブ２３の先端近傍の領域が、所定領域Ｒ１内に含まれている。具体的には、チューブ２３において後述するガスケット８５がはめ込まれる領域が、所定領域Ｒ１内に位置している。同様に、冷媒出入口であるチューブ２４の先端近傍の領域が、所定領域Ｒ２内に含まれている。また、所定領域Ｒ１は、回路基板６０の一部と重なっている。

図５に、図４のＶ－Ｖ線での断面図の部分拡大図を示す。図５は、冷媒管４５および継手管３０がチューブ２３に接続されている状態での断面図である。図５に示すように、電力制御ユニット２では、冷媒が外部に漏れないように、樹脂製の複数のガスケットによって、各部材の連結部分が封止されている。具体的には、継手管３０のフランジと、下部ケース１２ａの側面１４ａとの間にガスケット８６が配置されている。継手管３０の内周面と、冷媒管４５における継手管３０と嵌合する外周面との間にガスケット８７が配置されている。継手管３０の内周面と、冷却ユニット２０のチューブ２３との間にガスケット８５が配置されている。これにより、冷媒管４５と、冷媒出入口であるチューブ２３の先端部とは、ガスケットを介して隙間なく接続されている。

図５に示すように、継手管３０とチューブ２３との下方（Ｚ軸負方向）には、所定領域Ｒ１が備えられている。所定領域Ｒ１は、リブ側壁ＳＷ１２と、下部ケース１２ａの側壁によって周囲から完全に隔てられた領域である。冷却ユニット２０を上方（Ｚ軸正方向）から見たときに、チューブ２３のガスケット８５が、所定領域Ｒ１内に含まれている。

図６に、図４のＶＩ－ＶＩ線での断面図を示す。図６では、チューブ２３およびチューブ２４の位置を点線で示している。図６に示すように、下部ケース１２ａは、所定領域Ｒ１およびＲ２を備えている。所定領域Ｒ１は、リブ側壁ＳＷ１１と下部ケース１２ａの側壁１２ａ２とによって周囲から完全に隔てられた領域である。所定領域Ｒ２は、リブ側壁ＳＷ２１と下部ケース１２ａの側壁１２ａ２によって周囲から完全に隔てられた領域である。冷却ユニット２０を上方（Ｚ軸正方向）から見たときに、チューブ２３の径方向の全体が所定領域Ｒ１内に含まれており、チューブ２４の径方向の全体が所定領域Ｒ２内に含まれている。冷却ユニット２０を上方（Ｚ軸正方向）から見たときに、所定領域Ｒ１、Ｒ２と、回路基板６０の一部が重なっている。回路基板６０は、ボルト６１で中仕切板１２ａ１に固定されている。

（冷媒管の分解手順）
電力制御ユニット２のメンテナンス時などに、冷媒管４５を分解する手順を説明する。まず、エアパージすることで冷却ユニット２０内部や冷媒管４５から冷媒を排出する。次に、冷媒管４５をケース１２から取り外す。このとき、ガスケット８５がチューブ２３側に残る。これは、冷媒管４５の引き抜き方向（すなわちＸ軸の正方向）に対する保持力が、継手管３０とガスケット８５との間のシールの保持力よりも、ガスケット８５とチューブ２３との間のシールの保持力の方が大きくなるように設計しているためである。これにより、下部ケース１２ａ内へ冷媒が漏れてしまう事態を防止できる。次に、上部ケース１２ｂを取り外す。これにより、上方（Ｚ軸の正方向）から冷却ユニット２０にアクセス可能になる。チューブ２３からガスケット８５を取り除く。これにより冷媒管４５の分解が完了する。

（効果）
冷媒管４５の分解時において、チューブ２３からガスケット８５を取り除く際に、冷却ユニット２０内に残存した冷媒が下部ケース１２ａ内に漏れてしまう場合がある。このような場合においても、漏れた冷媒を、所定領域Ｒ１およびＲ２（図４～図６参照）で受け止めることができる。また所定領域Ｒ１およびＲ２は桶のような形状を有するため、受け止めた冷媒を保持するとともに冷媒が他の場所へ移動することを防止することができる。これにより、漏れた冷媒が、下部ケース１２ａの中仕切板１２ａ１の開口部１２ａＯなどから回路基板６０の上へ滴下してしまうことがないため、回路基板６０の故障を防止することが可能となる。

本明細書の電力制御ユニット２では、下部ケース１２ａと上部ケース１２ｂとが分離可能な構造を備えている。これにより、上部ケース１２ｂを取り外すことで、下部ケース１２ａ内に配置されている冷却ユニット２０に、上方（Ｚ軸の正方向）からアクセス可能になる。よって、所定領域Ｒ１およびＲ２に保持されている冷媒を容易に除去することが可能である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

（変形例）
本明細書における冷媒管４５と冷却ユニット２０との接続構造は一例である。例えば、継手管３０を介さずに冷媒管４５と冷却ユニット２０のチューブ２３とが接続されていてもよい。

所定領域Ｒ１およびＲ２の上面視における形状や面積は様々であってよい。また本明細書では、リブ側壁と下部ケース１２ａの側壁とによって閉じた側壁を形成している例を挙げたが、この形態に限られない。例えば、リブ側壁のみによって閉じた側壁が形成されていてもよい。

上記実施例では、冷媒管４５と冷却ユニット２０との接続構造を含む電力制御ユニット２を一例として説明したが、この接続構造が冷媒を接続する装置については、種々変形可能であり、電力制御ユニット２以外の装置であってもよい。

上記実施例では、冷媒管４５と冷却ユニット２０との接続構造は、フランジ４２ａやリブ４１ａを有したが、この接続構造が有する構成については種々変形可能である。

下部ケース１２ａは、ケースの一例である。冷却ユニット２０は、積層冷却器の一例である。冷媒管４５は、パイプの一例である。

２…電力制御ユニット １２…ケース １２ａ…下部ケース １２ｂ…上部ケース ２０…冷却ユニット ２３、２４…チューブ ３０…継手管 ４５…冷媒管 ６０…回路基板 ８５、８６、８７、８８…ガスケット Ｒ１、Ｒ２…所定領域 ＳＷ１１、ＳＷ１２、ＳＷ２１、ＳＷ２２…リブ側壁

Claims (1)

1. ケースと、前記ケースに格納されており側面に冷媒出入口を備えている積層冷却器と、前記冷媒出入口に接続されており冷媒を供給または排出するパイプと、前記ケースに格納されており前記積層冷却器の下方に位置している回路基板と、を備えた電力変換装置であって、
   前記パイプと前記冷媒出入口とはガスケットを介して接続されており、
   前記ケースは、側壁内面から前記積層冷却器と前記回路基板の間に延びている中仕切板を備えているとともに、前記中仕切板の上面の一部に、前記中仕切板の垂直上方から見たときに閉じた側壁によって周囲から隔てられている所定領域が設けられており、
   前記ケースおよび前記積層冷却器を上方から見たときに、前記冷媒出入口が前記所定領域内に位置しているとともに、前記所定領域が前記回路基板の一部と重なっている、電力変換装置。

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