JP7103298B2 - 電力変換器およびその車載構造 - Google Patents

Description

本明細書が開示する技術は、電力変換器とその車載構造に関する。

電気自動車は、電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器を備えている。電力変換器の内部には、発熱量の大きい部品が収容されているため、電力変換器の筐体の内部に冷媒の流路を設けることがある（例えば特許文献１）。

また、電力変換器は、傾斜した状態で車両に搭載される場合がある（例えば特許文献２）。電力変換器が傾斜した状態で保持されると、筐体内部の流路も水平方向に対して傾斜することになる。

特許第５４８１１４８号公報 特開２０１７－０８８１０４号公報

諸事情により、冷却したい２個の部品（電力変換回路に用いられるリアクトルと基板）のそれぞれと冷却器との距離が異なる場合がある。電力変換器の筐体の底に冷媒の流路が形成されており、筐体の内底面にリアクトルと基板を取り付ける場合、リアクトルと基板の底面の高さ（筐体の内底面からの距離）が異なる場合には高い方の部品の高さに合わせて筐体の内底面を底上げする必要がある。底上げした部位の内底面と冷媒流路の天井面との間の肉厚が厚くなると、筐体の製造において鋳巣が生じ易くなってしまう。本明細書は、リアクトルと基板の底面高さが相違するように組み付けなければならない電力変換器において、リアクトルと基板を効率よく冷却する冷媒流路を有しているとともに、冷媒流路を有する筐体に鋳巣が生じ難い構造を提供する。また、本明細書は、上記した特徴を有する電力変換器が傾斜した姿勢で保持される搭載構造において流路内の気泡が抜け易くなる構造（車載構造）も提供する。

本明細書が開示する電力変換器では、リアクトルと基板を収容している筐体の底に冷媒の流路が形成されている。筐体の内底面には、リアクトルが接している第１底面領域と、第１底面領域よりも高くなっており、基板が接している第２底面領域が設けられている。流路の天井面のうち第２底面領域に対向している第２天井領域の高さが第１底面領域に対向している第１天井領域の高さよりも高くなっている。

本明細書が開示する電力変換器では、底面の高さが相違しており、高い方の底面領域（第２底面領域）に応じて、第２底面領域に対向する流路の天井領域（第２天井領域）の高さを第１天井領域（第１底面領域に対向する天井領域）の高さよりも高くする。そのような構造を採用することにより、第２底面領域と第２天井領域の間の筐体の肉厚を薄くすることができるので、鋳巣が生じ難い。また、第２天井領域が第２底面領域に接している基板に近くなることは、冷媒が基板の近くを流れることになる。この構造により、底面の高さがリアクトルよりも高い基板が効率よく冷却される。

本明細書は、上記した構造の電力変換器が傾斜した状態で車載される場合に傾斜した流路から気泡が抜け易くなる構造も提供する。電力変換器は、リアクトルの側が基板の側よりも低くなるように水平に対して所定角度で傾斜して車両に取り付けられる。流路の基板の側からリアクトルの側へ冷媒が流れるように構成されている。天井面の第１天井領域と第２天井領域が傾斜面で連結されている。第１天井領域を含む平面に対する傾斜面の角度が、９０度から所定角度（電力変換器の傾斜角度）を減じた角度よりも小さくなっている。詳しくは後述するが、上記した角度関係を有していると、車載された状態で傾斜面が鉛直方向に対して第２天井領域側に傾斜することになり、気泡が抜け易くなる。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電力変換器の斜視図である。 斜め下からみたときの電力変換器の斜視図である（ロアカバーなし）。 図１のIII－III線に沿った断面図である。 電力変換器が搭載されたハイブリッド車のフロントコンパートメントの斜視図である。 トランスアクスルの上に固定された電力変換器の斜視図である。 電力変換器の断面図である（車載の角度で図示）。 流路を流れる冷媒に混在する気泡に作用する力を説明する模式図である。 図８（Ａ）は傾斜天井面が急峻の場合の気泡の流れを示す断面図である。図８（Ｂ）は、傾斜天井面が緩やかな場合の気泡の流れを示す断面図である。

図面を参照して実施例の電力変換器２を説明する。電力変換器２は、電気自動車に搭載され、直流電源の電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。なお、本明細書における電気自動車は、走行用のモータを備えていればよく、「電気自動車」には、走行用のモータとエンジンを備えるハイブリッド車、電源として燃料電池を備えている燃料電池車が含まれる。

図１に、電力変換器２の斜視図を示す。図２に、斜め下からみた電力変換器２の斜視図を示す。電力変換器２に入力される電力は数十キロワットであり、電力変換器２の筐体１０には発熱量の大きい複数の部品が収容されている。それゆえ、筐体１０の内部には冷媒が流れる流路１３が設けられている。流路１３は、筐体１０の下部に設けられている。図２は、流路１３の底を塞ぐロアカバーを外した状態を示してある。流路１３には、冷媒の流れ方向に沿って延びる複数のフィンが設けられているが、それらフィンの図示は省略してある。

筐体１０の前面１０ａには、冷媒供給口１１と冷媒排出口１２が設けられている。図２に示されているように、流路１３は、仕切り壁１４で仕切られ、筐体１０の内部後方でＵ字に折り返している。前面１０ａの冷媒供給口１１から供給される冷媒は、Ｕ字形状の流路１３を流れ、Ｕ字の湾曲路を折り返して再び前面１０ａの側へ戻り、冷媒排出口１２から排出される。冷媒は液体であり、典型的には水あるいは不凍液である。

詳しくは後述するが、流路１３の天井面は、高さが異なるいくつかの領域（第１天井領域１５、第２天井領域１６、傾斜天井面１７）に分けられる。

図３に、図１のIII－III線に沿った断面図を示す。図３の断面図は、図中の座標系のＸＺ面に平行な平面であって冷媒排出口１２を通る平面で筐体１０をカットした断面図である。図３では、流路１３の底を覆うロアカバー１９も示してある。

筐体１０には多種多様のデバイスが収容されるが、図３では、リアクトル３１と基板３２のみを示してある。リアクトル３１は、電圧変換回路で用いられる。リアクトル３１には高電圧高周波の電流が流れるため、発熱量が大きい。基板３２には、電力変換回路とインバータ回路のスイッチング素子を駆動する駆動回路が実装されている。駆動回路の主要部品である半導体チップも発熱量が大きい。図示は省略しているが、基板３２の下面に、発熱量の大きい半導体チップが実装されている。リアクトル３１と基板３２は、筐体１０の内底面に接するように配置される。基板３２は、実装されている半導体チップが内底面に接するように配置される。リアクトル３１と基板３２（半導体チップ）は、流路１３を流れる冷媒で冷却される。

筐体１０の内部空間は広いことが望ましいが、基板３２は、筐体１０の後面１０ｂに取り付けられたコネクタ３３の端子３４と接続される必要があり、コネクタ３３の高さと大きさ高低差を有することは望ましくない。そこで、基板３２をリアクトル３１の底面よりも高い位置に保持しつつ冷媒で冷却するため、筐体１０の内底面の一部（基板３２に対向する部分）は、底面を底上げされている。一方、内底面のうち、リアクトル３１に対向する部位は、可能な限り低くなっている。なお、コネクタ３３は、後面１０ｂでなく、筐体１０の側面に設けられても良い。

筐体１０の内底面には、高さが異なる領域が設けられている。筐体１０の内底面には、リアクトル３１が接している第１底面領域２５と、第１底面領域２５よりも高くなっており、基板３２が接している第２底面領域２６が設けられている。第１底面領域２５と第２底面領域２６は、高さが徐々に変化する傾斜底面２７でつながっている。

内底面の高さ変化に応じて流路１３の天井面も高さの異なる領域を備えている。流路１３の天井面のうち、第２底面領域２６に対向している第２天井領域１６の高さが、第１底面領域２５に対向している第１天井領域１５の高さよりも高くなっている。なお、第１天井領域１５と第２天井領域１６は、高さが徐々に変化する傾斜天井面１７でつながっている。第１天井領域１５、第２天井領域１６、傾斜天井面１７は、図２にも示されているので参照されたい。

電力変換器２は、内底面の高さの相違に応じて流路１３の天井高さも異なっている。それゆえ、図３に示すように、第１底面領域２５と第１天井領域１５の間の筐体壁厚Ｔ１と、第２底面領域２６と第２天井領域１６の間の筐体壁厚Ｔ２はほぼ等しい。

なお、底面領域の高さ、及び、天井領域の高さは、筐体１０の下方に設けられた基準面（筐体１０の底面と平行な基準面）からの距離で表される。

上記の構造の利点を述べる。筐体１０は、アルミニウムの鋳造で作られる。底面の高さが高い第２底面領域２６に対して第２天井領域１６の高さが第１天井領域１５の高さと同じであると、第２底面領域２６と第２天井領域１６の間の筐体壁厚Ｔ２が大きくなる。筐体壁厚Ｔ２が大きくなると、次の２点のデメリットが生じる。

第一に、鋳造において壁厚が大きいと鋳巣が生じ易くなる。第二に、流路１３と基板３２までの距離が長くなるので冷却効率が下がる。実施例の電力変換器２は、上記２点のデメリットを解消することができる。すなわち、実施例の電力変換器２は、筐体１０に鋳巣が生じ難い構造であるとともに、基板３２を効率よく冷却することができる構造を備えている。

（車載構造）先に述べたように、電力変換器２は電気自動車に搭載される。以下では、電力変換器２の車載構造について説明する。

実施例の車載構造では、電力変換器２はハイブリッド車のフロントコンパートメントに搭載される。図４に、ハイブリッド車９０のフロントコンパートメント９１の斜視図を示す。図４における座標系のＦ軸は車両前後方向を示しており、Ｖ軸は車両の上下方向を示しており、Ｈ軸は車幅方向を示している。＋Ｆ方向が車両前方に相当し、＋Ｖ方向が車両上方（鉛直上方）を示している。

ハイブリッド車９０は、走行用にエンジン９７と２個のモータ９３、９４を備えている。２個のモータ９３、９４は、トランスアクスル９２のハウジングに収容されている。

トランスアクスル９２は、エンジン９７と車幅方向で連結されている。トランスアクスル９２とエンジン９７は、フロントコンパートメント９１の下方で車両前後方向に平行に延びる一対のサイドメンバ９８に懸架されている。図４では、一方のサイドメンバはエンジン９７に隠れて見えない。

電力変換器２は、フロントブラケット９５とリアブラケット９６によってトランスアクスル９２の上に固定されている。電力変換器２をトランスアクスル９２の上に配置することで、電力変換器２からモータ９３、９４へ電力を供給するパワーケーブルを短くすることができる。パワーケーブルが短いほど、電力の伝送損失を小さくすることができる。

先に述べたように、電力変換器２の前面には冷媒供給口１１と冷媒排出口１２が設けられている。冷媒供給口１１と冷媒排出口１２のそれぞれには冷媒管８１が接続されている。冷媒管８１は、不図示の冷媒循環装置につながっている。

図５に、トランスアクスル９２の上に固定された電力変換器２の側面図を示す。先に述べたように、電力変換器２は、フロントブラケット９５とリアブラケット９６を介してトランスアクスル９２の上方に固定されている。なお、電力変換器２の筐体１０の側面からトランスアクスル９２へ、６本のパワーケーブル８２が延びている。６本のパワーケーブル８２は、トランスアクスル９２に収容されている２個のモータ９３、９４のそれぞれへ三相交流を伝送する。

トランスアクスル９２の上面は前下がりに傾斜しており、電力変換器２も前下がりの姿勢で保持される。図５の直線Ｌｈは水平方向に延びる直線であり、直線Ｌ１は筐体１０の外底面に平行な直線である。電力変換器２の筐体は、底面が水平に対して角度Ａ１だけ傾いて保持される。角度Ａ１は、典型的には概ね２０度である。

図６に、車載の角度Ａ１だけ傾斜した電力変換器２の断面図を示す。断面自体は図３と同じであるが、水平線Ｌｈと鉛直線Ｌｖを示してある。図６には、車両固定のＦＨＶ座標系も示してある。水平線ＬｈはＦ軸／Ｈ軸と平行であり、鉛直線ＬｖはＶ軸と平行になる。

電力変換器２は、リアクトル３１の側が基板３２の側よりも低くなるように水平に対して角度Ａ１で傾斜して車両に取り付けられる。また、図６の断面は、冷媒排出口１２を通る平面でカットした断面であり、冷媒は流路１３を基板３２の側からリアクトル３１の側へと流れる。

先に述べたように、流路１３の第１天井領域１５と第２天井領域１６は、高さが徐々に変化する傾斜天井面１７でつながっている。第１天井領域１５と第２天井領域１６は、ともに、筐体１０の外底面と平行な平面であり、水平線Ｌｈに対して角度Ａ１で傾斜している。図６の直線Ｌ２は、第１天井領域１５を延長した線であり、直線Ｌ３は直線Ｌ３に対して直交する線を示している。

図６では、第１天井領域１５を含む平面に対する傾斜天井面１７の角度を記号Ａ２で示してある。図６に示した角度Ａ３は、直角（９０度）から角度Ａ１を減じた角度を示している。すなわち、角度Ａ１＋角度Ａ３＝９０度である。図６から理解されるように、角度Ａ２が角度Ａ３よりも小さければ、傾斜天井面１７は、鉛直方向（鉛直線Ｌｖ）に対して第２天井領域１６の側へ傾斜することになる。上記の角度関係が成立すれば、基板３２の側からリアクトル３１の側へ流れる冷媒に混在した気泡が傾斜天井面１７を伝って冷媒排出口１２へ通り抜け易くなる。

（気泡の抜け易さ）傾斜した流路に入り込んだ気泡の流れ易さについて考察する。図７に、冷媒に混在する気泡に作用する力を説明する図を示す。図７にも、車両固定のＦＨＶ座標系を示してある。Ｆ軸が水平方向を示しており、Ｖ軸は鉛直方向を示している。

流路は、図の右側が高く、左側が低くなるように、水平に対して角度Ｔｈだけ傾いている。図７では、冷媒は図中の右側（高さの高い方）から左側（高さの低い方）へ流れる。気泡には、浮力の流れ方向成分Ｆｓと、流路内壁から受ける摩擦力Ｆｆと、冷媒に対する抗力Ｆｒが作用する。数式：Ｆｒ＞Ｆｓ＋Ｆｆが成立すれば、気泡は下流へと流れていく。

浮力の流れ方向成分Ｆｓ、流路内壁から受ける摩擦力Ｆｆ、冷媒に対する抗力Ｆｒは、次の（数式１）、（数式２）で表すことができる。

ただし、

である。

（数式１）、（数式２）の各記号の意味は以下の通りである。
Ｃ_Ｄ：抗力係数 ρ：冷媒の密度
Ｕｆｎ：経路ｎの平均流速 Ｖ：気泡の体積
ｇ：重力加速度 Ｔｈ：水平に対する流路の傾斜角
μ：流路内壁の摩擦係数 Ｑ_ｆｎ：経路ｎのフィン間の流量
Ａ_ｆｎ：ｎのフィン間の断面積 Ｌ：気泡の長さ

傾斜天井面１７の傾斜角Ａ２（図６参照）は、上記した（数式１）、（数式２）に具体的な数値を入れ、数式：Ｆｒ＞Ｆｓ＋Ｆｆが成立するように決定される。

定性的には、次のことが言える。傾斜天井面１７ａが水平方向に対して急峻であると、気泡は流路を流れ難くなり（図８（Ａ））、傾斜天井面１７ｂが水平方向に対して緩やかであると、気泡は流路を流れ易くなる（図８（Ｂ））。

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。

２：電力変換器、 １０：筐体、 １１：冷媒供給口、 １２：冷媒排出口、 １３：流路、 １４：仕切り壁、 １５：第１天井領域、 １６：第２天井領域、 １７、１７ａ、１７ｂ：傾斜天井面、 １９：ロアカバー、 ２５：第１底面領域、 ２６：第２底面領域、 ２７：傾斜底面、 ３１：リアクトル、 ３２：基板、 ３３：コネクタ、 ３４：端子

Claims (2)

1. リアクトルと基板を収容している筐体の底に冷媒の流路が形成されている電力変換器であり、
   前記筐体の内底面に、前記リアクトルが接している第１底面領域と、前記第１底面領域よりも高くなっており、前記基板が接している第２底面領域が設けられており、
   前記流路の天井面のうち前記第２底面領域に対向している第２天井領域の高さが前記第１底面領域に対向している第１天井領域の高さよりも高くなっている、電力変換器。
2. 請求項１に記載された電力変換器の車載構造であり、
   前記電力変換器は、前記リアクトルの側が前記基板の側よりも低くなるように水平に対して所定角度で傾斜して車両に取り付けられており、
   前記流路の前記基板の側から前記リアクトルの側へ前記冷媒が流れるように構成されており、
   前記天井面の前記第１天井領域と前記第２天井領域が傾斜面で連結されており、前記第１天井領域を含む平面に対する前記傾斜面の角度が、９０度から前記所定角度を減じた角度よりも小さくなっている、車載構造。

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