JP7124929B1

JP7124929B1 - インバータ装置

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Publication number: JP7124929B1
Application number: JP2021085170A
Authority: JP
Inventors: 裕加山本
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2022-08-24
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: WO2022244337A1; CN117321712A; JP2022178397A

Abstract

【課題】コンデンサ１の外側ケースを不要とし、インバータ装置の小型化を図る。【解決手段】電気自動車等のインバータ装置に用いられるコンデンサ１は、直方体形状をなすケース２と、ケース２の中に配置されたコンデンサ素子と、このコンデンサ素子を埋め込むようにケース２の中に充填されて固化したポッティング材４と、を備える。ケース２は取付フランジ１５を開口縁に有する箱状をなし、インバータ装置の筐体２１に形成された冷媒が流れる取付溝部２２に嵌め込まれた形で取り付けられる。ポンプで送られる冷媒は、ケース２と取付溝部２２の内側面との間の隙間からなる流路を通して流れる。【選択図】図３

Description

この発明は、電気自動車やハイブリッド型自動車等に用いられるインバータ装置におけるコンデンサ、特に冷却が必要なコンデンサに関し、さらにこのコンデンサを備えたインバータ装置に関する。

例えば電気自動車等に用いられるインバータ装置を構成する部品の中で、比較的大きさ容積を占める部品の一つとして、コンデンサがある。車両に搭載されるインバータ装置を小型化するためには、コンデンサを含めた部品を小型化する必要があるが、コンデンサの小型化のためには、比較的耐熱性が低い部品であるコンデンサを効率よく冷却しなければならない。特に、コンデンサが使用される環境下で、周囲の雰囲気温度がコンデンサの耐熱温度を越えてしまうような場合には、何らかの積極的な冷却が必要となる。

特許文献１は、本出願人が先に提案したコンデンサに関する公報であって、それぞれ直方体形状をなす内側ケースと外側ケースとの間に冷却水が流れる流路を形成するとともに、内側ケースの中にコンデンサ素子を配置し、かつ熱伝導性を有するポッティング材を充填した構成を開示している。外側ケースの両端部には、冷却水入口および冷却水出口となる配管がそれぞれ接続されている。

特開２０２０－０５８２１４号公報

上記従来のコンデンサにおいては、冷却水入口および冷却水出口を備えた独立した外側ケースを具備するため、インバータ装置の筐体から冷却水用の配管を引き回す必要があり、配管やコネクタ等の部品点数が多くなる。またスペース的にも、インバータ装置の筐体の外部に独立したコンデンサが配置されるので、インバータ装置全体の小型化の上でなお改善の余地があった。

この発明に係るインバータ装置は、
内部を冷媒が流れるようにインバータ装置の筐体の一部に形成され、かつ該筐体の表面に開口した凹部状の取付溝部と、
この取付溝部の開口縁に全周に亘って形成され、かつＯリングを収容するシール溝と、
この取付溝部に取り付けられたコンデンサと、
を備えたインバータ装置であって、
上記コンデンサは、
一つの面が開口面となった箱状をなし、かつ上記開口面の周囲に、外側へ延びた四辺に連続した取付フランジを備え、上記取付溝部の側面および底面との間に流路となる隙間を残して箱状部分が上記取付溝部内に嵌め込まれているとともに、上記取付フランジが上記取付溝部の開口縁上縁に重なって複数のネジによって上記筐体に固定されており、上記取付フランジと上記筐体との間が上記Ｏリングによってシールされたケースと、
上記開口面を通して上記ケースの中に配置されており、端子が上記開口面に位置するコンデンサ素子と、
上記コンデンサ素子が上記端子を残して埋まるように上記ケースの中に充填された熱伝導性ポッティング材と、
を備え、上記流路を通して冷媒が流れる。

すなわち、この発明のコンデンサは、冷媒流路を構成するための外側ケースを具備しておらず、インバータ装置の筐体における取付溝部にケースの箱状部分を嵌め込むことによって、ケースの外側面が取付溝部内を流れる冷媒に露出した状態となる。従って、外部配管が不要であり、全体的な構成が簡単かつ小型となる。

なお、一般に、インバータ装置の筐体は半導体スイッチング素子の冷却のために内部に冷媒通路を備えており、この冷媒通路の回路の一部にコンデンサ用の取付溝部が組み込まれることとなる。

この発明の好ましい一つの態様では、
上記ケースの外側の少なくとも一つの面には、冷媒の流れの方向に沿ったフィンが形成されている。

このようにフィンを備えることで、ケースと冷媒との間の熱交換面積が拡大する。

好ましい一つの態様においては、
上記筐体に、上記のコンデンサ素子用の取付溝部と直列に冷媒が流れるように第２の取付溝部が形成されており、
半導体素子ユニットがその周囲に冷媒が流れるように上記第２の取付溝部に嵌め込まれている。

この発明によれば、インバータ装置の筐体を利用してケースの外側を流れる冷媒の流路が形成されるので、外部配管やこれに付随するコネクタ等が不要となる。また、コンデンサのケースが筐体に組み込まれることで、インバータ装置全体の小型化が図れる。

一実施例のコンデンサを筐体の取付溝部とともに示す斜視図。コンデンサの（ａ）平面図、（ｂ）正面図、（ｃ）側面図。コンデンサの分解斜視図。冷媒の流れを示す図１のＡ－Ａ線に沿った断面図。冷媒の流れを示す図４のＢ－Ｂ線に沿った断面図。第１実施例のインバータ装置の斜視図。第１実施例のインバータ装置の分解斜視図。半導体素子ユニットの裏面を示す斜視図。第２取付溝部の長手方向に沿った断面図。半導体素子ユニットを取り付けた状態での図９と同様の断面図。第２実施例のインバータ装置の斜視図。第２実施例のインバータ装置の分解斜視図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、例えば電気自動車やハイブリッド型自動車におけるインバータ装置の構成部品として用いられるコンデンサ１の一実施例を示す斜視図である。図２はこの実施例のコンデンサ１の平面図、正面図および側面図を示している。また図３は、コンデンサ１の分解斜視図である。このコンデンサ１は、直方体形状をなすケース２と、ケース２の中に配置されたコンデンサ素子３と、このコンデンサ素子３を埋め込むようにケース２の中に充填されて固化したポッティング材４と、を備えている。図３は、ケース２とコンデンサ素子３とを分解して示している。このように車両に搭載されるコンデンサ１にあっては、コンデンサ素子３が発熱することに加えて、コンデンサ１が配置されるエンジンルーム内等の雰囲気温度が比較的に高温（一例では１００°以上）となり得ることから、冷媒を用いた強制的な冷却が必要である。冷媒として、例えば、水を主たる成分とする冷却水や鉱油等の液相の冷媒が用いられる。

ケース２は、金属好ましくは熱伝導に優れた金属から形成されており、例えば、アルミニウム合金母材の切削加工あるいはアルミニウムダイキャストによって一体に形成されている。ケース２は、直方体を構成する６面の中の主面（最も大きな面）の一つが開口した箱状をなす。すなわち、ケース２は、長手方向の両端の端面を構成する一対の端部壁１１と、長手方向に沿った側面を構成する一対の側壁１２と、主面の一つである底面を構成する一つの底壁１３と、この底壁１３に対向する開口面１４と、を備えている。

上記開口面１４の周囲には、該開口面１４と同一の平面に沿って外側へ延びた取付フランジ１５が一体に形成されている。取付フランジ１５は開口面１４の四辺に沿って連続しており、その外周縁は開口面１４と相似形となる長方形をなしている。また取付フランジ１５は、図示せぬ取付ネジが貫通する複数の貫通孔１６（図２（ａ）参照）を備えている。このように取付フランジ１５を有するケース２は、図３に示すように、直方体形状の凹部１７を有する矩形の深皿状をなす。以下では、取付フランジ１５を除いたケース２の部分を「箱状部分」と呼ぶ。箱状部分の内側に構成された凹部１７は、長手方向に直交する方向に沿った幅寸法に比較して深さが小さい扁平な直方体形状をなす。

なお、取付フランジ１５は、板材から枠状に形成した部材をケース２の箱状部分に溶接ないしろう付け等によって取り付けるようにしてもよい。

一対の側壁１２および底壁１３の表面には、ケース２の長手方向に沿って直線状に延びた冷却フィン１８が多数形成されている。例えば、側壁１２および底壁１３の全面に、等ピッチで多数の冷却フィン１８が並んで形成されている。

ケース２の凹部１７内に収容されるコンデンサ素子３は、図３に示すように、ケース２の横断面形状に対応して長円形に扁平化した巻回型のフィルムコンデンサからなる。例えば、ポリプロピレンやポリエチレンテレフタレート等の樹脂フィルムを誘電体とし、金属箔ないし樹脂フィルムにコーティングにより形成される金属層を電極として、偏平なロール状に巻回した一般的な構成のフィルムコンデンサが用いられる。図示例では、２個のフィルムコンデンサが一列に並んだ形に予め一体化されており、その両端に端子５ａ，５ｂを備えている。つまり、２つの端子５ａ，５ｂは、全体として細長い形に構成されたコンデンサ素子３の長手方向両端部に互いに離れて位置しており、かつ互いに平行に延びている。

上記コンデンサ素子３は、放熱性を高めるために、一般的な円筒形ケースを具備していない。つまり、フィルムを巻回して端子５ａ，５ｂ等を付加したフィルムコンデンサが、円筒形ケース内に収容されることなくケース２の中に格納されている。なお、フィルムコンデンサにおけるフィルムの巻回の中心軸線は、ケース２の長手方向に沿っている。

上記コンデンサ素子３は、一対の端子５ａ，５ｂが開口面１４から突出した姿勢でもってケース２の凹部１７の中に配置されている。そして、ケース２の凹部１７の中には、上記コンデンサ素子３が端子５ａ，５ｂを残して埋まるように熱伝導性ならびに絶縁性を有するポッティング材４が充填されている。このポッティング材４は、ケース２の内容積のほぼ全体に充填されており、凹部１７に充填されたポッティング材４の表面がケース２の取付フランジ１５とほぼ同一面をなしている。なお、後述の図４，図５に示すように、コンデンサ素子３は周囲がポッティング材４によって囲まれており、ケース２の内壁面には直接には接していない。

ポッティング材４としては、例えば回路基板用ポッティング材として一般に市販されているエポキシ系ポッティング材等を用いることができる。このポッティング材４は、未硬化時に適宜な流動性を有する液状をなし、充填ないし注入後に加熱炉等で加熱することにより硬化する。ポッティング材４として、主剤と硬化剤とを混合して用いる二液混合型のものであってもよい。

上記のように構成されたコンデンサ１は、図１に示すように、インバータ装置の筐体２１に形成された取付溝部２２に直接に取り付けられて用いられる。筐体２１は、インバータ装置の他の構成要素の少なくともいくつかを収容するものであって、金属あるいは硬質合成樹脂等から構成することができ、好ましい実施例では、放熱性に優れたアルミニウム合金のダイキャストからなる。筐体２１の内部には、冷却水や鉱油等の冷媒が通流する冷媒通路２３が形成されており、この冷媒通路２３の通路途中にいわゆる集水枡状に矩形の取付溝部２２が形成されている。すなわち、取付溝部２２は、主面の１つが開口面となった直方体形状をなす凹部であり、一対の端面２２ａと一対の側面２２ｂと底面２２ｃとを有する。図上方の開口面の周囲には、シール材となるＯリング（図示せず）を収容するシール溝２４が全周に亘って形成されているとともに、前述した取付フランジ１５の貫通孔１６に対応する位置にそれぞれネジ孔２５が設けられている。

取付溝部２２は、ケース２の箱状部分とほぼ相似形をなし、かつケース２の箱状部分よりも相対的に大きな寸法を有している。また、取付溝部２２の長手方向両端の各々の端面２２ａの中央には、それぞれ冷媒通路２３の先端が円形のポートとして開口している。互いに対向する一対のポートの一方が取付溝部２２に対する冷媒の入口となり、他方が取付溝部２２からの冷媒の出口となる。

コンデンサ１は、ケース２の箱状部分が取付溝部２２内に位置し、かつ取付フランジ１５が取付溝部２２の開口縁上面に重なった形で筐体２１に取り付けられる。すなわち、ケース２の箱状部分を取付溝部２２の開口面を通して取付溝部２２内に嵌め込むことによって所定位置に配置され、取付フランジ１５が複数のネジ（図示せず）によって筐体２１に固定される。取付フランジ１５と筐体２１との間は、シール溝２４に配置されるＯリング（図示せず）によってシールされる。

筐体２１の冷媒通路２３には、図外のポンプにより液相冷媒が強制的に通流する。図４，図５は、取付溝部２２内にコンデンサ１を取り付けた状態でのコンデンサ１の長手方向に沿った断面図であり、冷媒の流れを矢印で示してある。図示するように、ケース２の箱状部分の外形寸法が取付溝部２２内の内側寸法に比較して相対的に小さいことから、ケース２の外側面と取付溝部２２の内側面との間に冷媒の流路となる隙間が残存する。詳しくは、ケース２の端部壁１１と取付溝部２２の端面２２ａとの間、ケース２の側壁１２と取付溝部２２の側面２２ｂとの間、および、ケース２の底壁１３と取付溝部２２の底面２２ｃとの間、にそれぞれ隙間つまり流路２９が形成され、符号２３ａで示す一方のポートから符号２３ｂで示す他方のポートへと冷媒が流れる。つまり、冷媒は、端子５ａ，５ｂが位置する開口面１４側を除いた５面に沿って流れ、これら５面に囲まれたコンデンサ素子３をポッティング材４とともに効果的に冷却する。熱伝導性に優れたポッティング材４がコンデンサ素子３の表面およびケース２の内壁面にそれぞれ密着しており、ケース２を介して冷媒に確実に熱が伝達されるので、効果的な熱の回収がなされる。さらにケース２が冷却フィン１８を備えることでケース２と冷媒との間の熱交換面積が大きくなり、ケース２から冷媒への熱伝達が向上する。

ポッティング材４は、熱伝導に加えて、コンデンサ素子３とケース２との間の絶縁にも寄与する。換言すれば、コンデンサ素子３とケース２との間を絶縁しつつ熱伝導性が向上する。フィルムコンデンサからなるコンデンサ素子３は、上述したように円筒形ケースを具備することなくケース２の中に収容されており、ポッティング材４によって絶縁され、かつ保護されている。従って、冷媒との間で熱抵抗となる中間の部材が最小限であり、耐熱性が問題となるフィルムコンデンサからなるコンデンサ素子３の熱を冷媒に効果的に回収できる。

一方、筐体２１がコンデンサ素子３よりも高温となった場合においては、コンデンサ素子３のほぼ全体が冷媒の流路２９によって囲まれていることから、コンデンサ素子３に対する熱的影響が少なくなる。つまり、筐体２１とケース２との間が冷媒の流路２９によって実質的に断熱されることとなり、ケース２の温度ひいてはコンデンサ素子３の温度が低く維持される。

このように上記実施例のコンデンサ１は、インバータ装置の筐体２１に設けた冷媒が流れる取付溝部２２にケース２の箱状部分を嵌め込んで用いるようにしたので、強制冷却が必要なコンデンサ１を部品点数の少ない簡単な構成としつつコンデンサ素子３の確実な冷却が図れる。またケース２の一部となる取付フランジ１５がコンデンサ１の筐体２１に対する支持機能を果たすと同時に、取付溝部２２を覆うカバーないしシール部としても機能する。つまり、取付溝部２２を覆う別体のカバー等が不要であり、コンデンサ１を取付溝部２２に装着するだけで取付溝部２２を封止状態とすることができる。

図６および図７は、上記実施例のコンデンサ１を半導体スイッチング素子とともに備えたインバータ装置の第１実施例を示している。この実施例においては、インバータ装置の筐体２１は、直列に液相冷媒が流れる２つの取付溝部を備えている。すなわち、上述したコンデンサ１用の取付溝部２２（以下、これを便宜上、第１取付溝部２２と呼ぶ）と、半導体スイッチング素子用の第２取付溝部３１と、が互いに並行するように隣接して形成されている。そして、冷媒通路２３として、入口冷媒通路２３Ａと、出口冷媒通路２３Ｂと、中間冷媒通路２３Ｃと、を備えている。入口冷媒通路２３Ａは、第２取付溝部３１の長手方向の一端に接続されている。出口冷媒通路２３Ｂは、第１取付溝部２２の長手方向の一端に接続されている。そして、第２取付溝部３１の他端と第１取付溝部２２の他端との間に中間冷媒通路２３Ｃが設けられている。従って、図外のポンプにより送られる冷媒は、第２取付溝部３１を通過した後に中間冷媒通路２３Ｃを介して第１取付溝部２２へ案内され、該第１取付溝部２２を通過する。つまり第２取付溝部３１から第１取付溝部２２へと直列に冷媒が流れる。

図示例では、各冷媒通路２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃの通路長の一部が外部配管として描かれているが、いずれも筐体２１の内部を通る内部通路として構成することも可能である。

半導体スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴモジュールが用いられている。詳しくは、Ｕ，Ｖ，Ｗ各相の計６個のアームを１個のパッケージ内に構成したいわゆる「６ｉｎ１」型のＩＧＢＴモジュールによって、矩形状の半導体素子ユニット３３が構成されている。図８は、半導体素子ユニット３３の裏面の構成を示しており、この図８に示すように、「６ｉｎ１」型のＩＧＢＴモジュールからなる半導体素子ユニット３３は、矩形の板状をなす底板部３４を有し、この底板部３４には冷媒との熱交換を促進するために多数のピン型フィン３５が形成されている。また底板部３４の周囲に、図示しない取付ネジが貫通する複数の貫通孔３６が設けられている。

半導体素子ユニット３３が取り付けられる第２取付溝部３１は、基本的には第１取付溝部２２と同様に構成されており、インバータ装置の筐体２１の上面において第１取付溝部２２と平行に並ぶようにして矩形に開口している。半導体素子ユニット３３は、この第２取付溝部３１の開口を底板部３４が覆うように取り付けられ、貫通孔３６を通る図示しない取付ネジによって筐体２１に固定されている。図７に示すように、第２取付溝部３１の開口の周囲にはシール材となるＯリング（図示せず）を収容するシール溝３７が全周に亘って形成されており、ここに配置されるＯリングによって第２取付溝部３１と半導体素子ユニット３３との間がシールされている。

図９は、筐体２１の第２取付溝部３１の長手方向に沿った断面を示し、図１０は、半導体素子ユニット３３を取り付けた状態での同様の断面を示している。これらの断面図に示すように、コンデンサ１とは異なり、半導体素子ユニット３３は、ピン型フィン３５のみが第２取付溝部３１の中に嵌め込まれており、ＩＧＢＴモジュールの大部分は底板部３４から上方へ露出している。そのため、第２取付溝部３１は、長手方向両端部を除き、底面３１ａの位置が浅くなるように台状部３１ｂを備えている。換言すれば、冷媒通路２３Ａ，２３Ｃの先端が円形のポートとして開口する長手方向両端部が部分的に深くなった構成となっている。底面３１ａの高さは、ピン型フィン３５の先端位置にほぼ対応している。このように浅くなっていることで、半導体素子ユニット３３の底面に沿って流れるように冷媒が案内され、冷媒の流れがピン型フィン３５と衝突することで、良好な熱交換がなされる。

このように、上記実施例のコンデンサ１を用いることで、インバータ装置の筐体２１に半導体素子ユニット３３とともに並べて配置することが可能となり、コンデンサ１および半導体素子ユニット３３を含むインバータ装置全体を小型に構成することができる。

次に、図１１および図１２は、コンデンサ１と半導体素子ユニット３３とを備えたインバータ装置の第２実施例を示している。この第２実施例は、冷媒の流れに関して相対的に上流側に第１取付溝部２２ならびにコンデンサ１を配置し、相対的に下流側に第２取付溝部３１ならびに半導体素子ユニット３３を配置したものである。すなわち、図外のポンプにより送られる冷媒は、入口冷媒通路２３Ａから第２取付溝部３１へ案内され、コンデンサ１を冷却した後に、中間冷媒通路２３Ｃを通して第１取付溝部２２へ案内され、半導体素子ユニット３３を冷却する。

他の構成は、前述した第１実施例と特に変わりがないので、その説明は省略する。この第２実施例では、コンデンサ１が優先的に冷却されることとなる。第１実施例のような流路構成とするか第２実施例のような流路構成とするかは、コンデンサ１および半導体素子ユニット３３の各々の発熱量や耐熱性等を考慮して選択することができる。

１…コンデンサ
２…ケース
３…コンデンサ素子
４…ポッティング材
５ａ，５ｂ…端子
１５…取付フランジ
１８…冷却フィン
２１…筐体
２２…取付溝部（第１取付溝部）
２３…冷媒通路
２４…シール溝
３１…第２取付溝部
３３…半導体素子ユニット
３５…ピン型フィン

Claims

内部を冷媒が流れるようにインバータ装置の筐体の一部に形成され、かつ該筐体の表面に開口した凹部状の取付溝部と、
この取付溝部の開口縁に全周に亘って形成され、かつＯリングを収容するシール溝と、
この取付溝部に取り付けられたコンデンサと、
を備えたインバータ装置であって、
上記コンデンサは、
一つの面が開口面となった箱状をなし、かつ上記開口面の周囲に、外側へ延びた四辺に連続した取付フランジを備え、上記取付溝部の側面および底面との間に流路となる隙間を残して箱状部分が上記取付溝部内に嵌め込まれているとともに、上記取付フランジが上記取付溝部の開口縁上縁に重なって複数のネジによって上記筐体に固定されており、上記取付フランジと上記筐体との間が上記Ｏリングによってシールされたケースと、
上記開口面を通して上記ケースの中に配置されており、端子が上記開口面に位置するコンデンサ素子と、
上記コンデンサ素子が上記端子を残して埋まるように上記ケースの中に充填された熱伝導性ポッティング材と、
を備え、上記流路を通して冷媒が流れる、インバータ装置。
上記ケースの外側の少なくとも一つの面には、冷媒の流れの方向に沿ったフィンが形成されている、請求項１に記載のインバータ装置。
上記筐体に、上記のコンデンサ素子用の取付溝部と直列に冷媒が流れるように第２の取付溝部が形成されており、
半導体素子ユニットがその周囲に冷媒が流れるように上記第２の取付溝部に嵌め込まれている、
請求項１または２に記載のインバータ装置。