JP7255508B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この明細書における開示は、電力変換装置に関する。

特許文献１は、パワー半導体モジュールを収納する樹脂ケースと、制御回路基板を収納する金属ケースとを有する電力変換装置を開示している。樹脂ケースには、パワー半導体モジュールを冷却するための冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。先行技術文献の記載内容は、この明細書における技術的要素の説明として、参照により援用される。

特許第６４２９８８９号公報

先行技術文献の構成では、金属材料と金属材料よりも軽量な樹脂材料との２つの材料を用いて筐体を構成している。これにより、電力変換装置の軽量化を実現している。しかしながら、複数の収納空間のうち、１つの収納空間をなすケースの内側全体を冷却水路とする構成では、冷却水路内に設けられた冷却対象の部品ごとに外装ケースを用いるなどして、冷却対象部品を覆って冷却水から隔離する構造を設ける必要があった。このため、冷却対象部品を冷却水から隔離する構造を含む筐体全体の体格が大きく、重量が重くなりやすかった。上述の観点において、または言及されていない他の観点において、電力変換装置にはさらなる改良が求められている。

開示される１つの目的は、軽量な電力変換装置を提供することにある。

ここに開示された電力変換装置は、電力変換にともない発熱する発熱部品（１１）と、発熱部品を収納している収納ケース（５０、２５０）とを備え、収納ケースは、開口部（５６）を有する樹脂製のケース部材（５１、２５１）と、開口部を覆うように設けられ、発熱部品を冷却するための冷却水路（６４）を有する金属製の冷却器（６１）とを備え、ケース部材は、カバー部材によって外側から覆われる上部開口を有する上段ケース部材と冷却器によって外側から覆われる開口部を有する下段ケース部材とを有し、出力側取り付け部は、上段ケース部材と下段ケース部材とのうち、入力側取り付け部が形成されていない方の部材に形成されており、冷却器は、収納ケースの底面の少なくとも一部を構成しており、収納ケースの底面である底面部（５０ｂ、２５０ｂ）は、ケース部材の底面である樹脂製のケース底面（５１ｂ、２５１ｂ）と、冷却器の底面である金属製の冷却器底面（６１ｂ）とを備え、冷却器底面は、ケース底面の面積よりも大きな面積を有している。

開示された電力変換装置によると、ケース部材の開口部を覆うように設けられ、発熱部品を冷却するための冷却水路を有する金属製の冷却器を備えている。このため、冷却対象である発熱部品を覆って冷却水から隔離する構造を設ける必要がない。したがって、収納ケースの体格を小さくでき、重量を軽くできる。よって、軽量な電力変換装置を提供できる。

この明細書における開示された複数の態様は、それぞれの目的を達成するために、互いに異なる技術的手段を採用する。請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態の部分との対応関係を例示的に示すものであって、技術的範囲を限定することを意図するものではない。この明細書に開示される目的、特徴、および効果は、後続の詳細な説明、および添付の図面を参照することによってより明確になる。

電力変換装置を示す斜視図である。 ケース部材を示す斜視図である。 冷却器を示す斜視図である。 収納ケースを示す斜視図である。 上段ケース部材を外した状態での収納ケースを示す上面図である。 図５のＶＩ－ＶＩ線における断面を示す断面図である。 第２実施形態における収納ケースの断面を示す断面図である。

図面を参照しながら、複数の実施形態を説明する。複数の実施形態において、機能的におよび／または構造的に対応する部分および／または関連付けられる部分には同一の参照符号、または百以上の位が異なる参照符号が付される場合がある。対応する部分および／または関連付けられる部分については、他の実施形態の説明を参照することができる。

第１実施形態
電力変換装置１は、電源電圧を所望の電圧と周波数に変換する装置である。電力変換装置１で電力を所望の値に変換することで、電気負荷を適切に駆動することが可能となる。電力変換装置１は、例えば直流電圧を交流電圧に変換するインバータとして利用可能である。電力変換装置１は、例えば交流電圧を直流電圧に変換するコンバータとして使用可能である。電力変換装置１は、例えば飛行機に搭載され、飛行機に使用するモータを駆動するための電力を提供する装置として使用可能である。ただし、電力変換装置１を自動車や電車などの車両に搭載してもよい。

電力変換装置１は、半導体ユニットやコンデンサユニットなどの様々なユニットを備えている。半導体ユニットは、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどのスイッチング素子を含んでいる。半導体ユニットは、電流の流れるタイミングを制御することで例えば直流電流から交流電流に電力を変換することができるユニットである。

コンデンサユニットは、複数のコンデンサ素子を含んでいる。コンデンサ素子は、例えば電圧を平滑化するための平滑コンデンサ素子である。コンデンサ素子は、例えばノイズをグランドに導くためのノイズ除去用コンデンサ素子である。

電力変換装置１は、様々なユニットに流す電流を制御する制御基板を備えている。電力変換装置１は、電流経路を提供するバスバを備えている。電力変換装置１は、バスバなどに流れている電流の大きさを計測する電流センサを備えている。制御基板、電流センサ、バスバは、部品全体または部品の一部が金属製である。

図１において、電力変換装置１は、収納ケース５０とカバー部材７１とを備えている。収納ケース５０は、上部が開放された箱型形状である。カバー部材７１は、収納ケース５０に様々なユニットを収納した後に、収納ケース５０の上部開口を塞ぐための部材である。カバー部材７１は、金属に比べて軽い材料である樹脂材料で形成されている。収納ケース５０にカバー部材７１が取り付けられた状態においては、収納ケース５０の内部への液体の侵入が制限された密閉状態となる。収納ケース５０にカバー部材７１が取り付けられることで、電力変換装置１の筐体が構成されている。

収納ケース５０は、ケース部材５１と冷却器６１とを備えている。ケース部材５１は、上段ケース部材５２と下段ケース部材５５との２つの部材を備えている。上段ケース部材５２は、金属に比べて軽い材料である樹脂材料で形成されている。上段ケース部材５２には、カバー部材７１が取り付けられている。上段ケース部材５２の側面からは、出力コネクタ４２が突出して設けられている。出力コネクタ４２には、電力変換後の電力が供給される電気負荷が接続されることとなる。電気負荷は、例えばモータ装置である。

下段ケース部材５５は、上段ケース部材５２と同様に金属に比べて軽い材料である樹脂材料で形成されている。下段ケース部材５５には、冷却器６１が取り付けられている。冷却器６１とカバー部材７１とは、互いに上下方向に対向している。下段ケース部材５５の側面からは、入力コネクタ４５が突出して設けられている。入力コネクタ４５には、電力変換装置１に電力を供給する外部電源が接続されることとなる。

図２において、上段ケース部材５２には、出力コネクタ４２を取り付けるための出力側取り付け部５２ｃが形成されている。出力側取り付け部５２ｃは、上段ケース部材５２の内側と外側とを連通している連通孔が形成されている。下段ケース部材５５には、入力コネクタ４５を取り付けるための入力側取り付け部５５ｃが形成されている。入力側取り付け部５５ｃは、下段ケース部材５５の内側と外側とを連通している連通孔が形成されている。出力側取り付け部５２ｃと入力側取り付け部５５ｃとは、ケース部材５１の側面をなす４面のうち、互いに異なる面に設けられている。

下段ケース部材５５の底面は、ケース部材５１の底面であるケース底面５１ｂを構成している。ケース底面５１ｂには、冷却器６１を取り付けるための開口である底面開口部５６が形成されている。底面開口部５６は、略台形をなしている。底面開口部５６は、入力側取り付け部５５ｃが設けられている側面に近い方の辺の長さが最も短い。底面開口部５６は、開口部の一例を提供する。

図３において、冷却器６１は、冷却器本体６２と冷却器カバー６３とを備えている。冷却器カバー６３は、冷却器６１の底面である冷却器底面６１ｂを構成している。冷却器６１の内部には、冷却水の流路が形成されている。冷却器６１は、冷却器本体６２と冷却器カバー６３とを含む全体が熱伝導性の高い金属材料で構成されている。冷却器６１を構成する金属材料は、例えばアルミである。

冷却器６１には、冷却器６１内部の冷却水の流路に冷却水を導入するための入口配管６５が設けられている。冷却器６１には、冷却器６１内部の冷却水の流路から冷却水を導出するための出口配管６６が設けられている。出口配管６６は、上方に向かって折れ曲がった屈曲部を備えている。

入口配管６５と出口配管６６とは、冷却器６１の同一の面に設けられている。冷却水の流路は、入口配管６５とは反対側まで延びており、Ｕターンするようにして出口配管６６に接続されている。このため、冷却器６１の全面に冷却水を行き渡らせることができる。

図４において、上段ケース部材５２と下段ケース部材５５とは、締結部材で締結固定され、ケース部材５１が構成されている。冷却器６１とケース部材５１とは、締結部材で固定され、収納ケース５０が構成されている。締結部材は、例えばネジ部材である。ただし、固定方法は、締結固定に限られない。例えば、接着剤を用いて接着固定してもよい。ケース部材５１と冷却器６１との間には、液状ガスケットやＯリングなどのシール部材が介在している。これにより、ケース部材５１と冷却器６１との間に隙間が生じることを防止している。

冷却器６１は、ケース部材５１の内側に収納されるのではなく、外方に突出して取り付けられている。冷却器６１は、ケース部材５１の底面開口部５６を外側から覆うようにして取り付けられている。このため、冷却器６１が取り付けられた後の状態では、底面開口部５６を外側から視認できない状態となる。

入口配管６５と出口配管６６とは、収納ケース５０をなす４面のうち、出力側取り付け部５２ｃや入力側取り付け部５５ｃが設けられている面とは異なる面に位置している。入口配管６５と出口配管６６とは、収納ケース５０をなす４面のうち、入力側取り付け部５５ｃが設けられている面とは反対の面に位置している。

収納ケース５０の底面である底面部５０ｂは、ケース底面５１ｂと冷却器底面６１ｂとの２つの底面によって構成されている。言い換えると、底面部５０ｂは、冷却性能の高い金属製の部分と、冷却性能の低い樹脂製の部分との材料の異なる２種類の部分を有している。また、冷却器６１は、収納ケース５０の外側に露出している。

図５において、収納ケース５０の内側には、リアクトルユニット１１が設けられている。リアクトルユニット１１は、リアクトル素子を含んでいる。リアクトル素子は、例えば電圧を昇圧させるための素子である。リアクトル素子は、例えばチョークコイルである。リアクトルユニット１１は、電力変換を行う際に、電流が流れることで発熱する発熱部品である。リアクトルユニット１１は、冷却器６１の直上に載置されている。このため、リアクトルユニット１１は、冷却器６１との接触部分から冷却されることとなる。リアクトルユニット１１は発熱部品の一例を提供する。

冷却器底面６１ｂの面積は、ケース底面５１ｂの面積よりも大きな面積である。言い換えると、底面部５０ｂにおいて冷却器底面６１ｂが占める面積の割合は、５０％以上である。矩形状の底面部５０ｂにおいて、中央部分の位置には、ケース底面５１ｂではなく、冷却器底面６１ｂが位置している。

図６において、冷却器６１の内部には、冷却水の流路として機能する複数の冷却水路６４が形成されている。冷却水路６４は、互いに交差することなく並んで設けられている。リアクトルユニット１１は、複数の冷却水路６４と上下方向に対向する位置に設けられている。このため、リアクトルユニット１１は、複数の冷却水路６４を流れるそれぞれの冷却水によって冷却されることとなる。リアクトルユニット１１は、冷却器本体６２のうち、内側表面が冷却水路６４をなす部分の外側表面と接触している。言い換えると、冷却器６１は、リアクトルユニット１１の周囲に配されている。冷却水は、リアクトルユニット１１に直接触れることがない状態で冷却水路６４を流れる。

冷却器６１は、熱伝導性の高い金属製であるため、リアクトルユニット１１の熱が冷却水路６４側に伝導する。入口配管６５から流入した冷却水は、冷却水路６４に流れ込み、リアクトルユニット１１を冷却する。その後、温度の上昇した冷却水は、出口配管６６から冷却器６１の外部に流出する。このように、温度の上昇する前の冷却水を冷却水路６４に導入し、温度の上昇した後の冷却水を冷却水路６４から導出し続けることで、リアクトルユニット１１の冷却を継続する。

冷却器底面６１ｂは、ケース底面５１ｂよりも下方に突出している。言い換えると、下段ケース部材５５には、冷却器６１の側面と上下方向に直交する方向である水平方向に対向する部分がない。このため、冷却器６１をなす各側面の表面を自由に空気が流れることのできる状態である。

上述した実施形態によると、電力変換装置１は、底面開口部５６を覆うように設けられ、リアクトルユニット１１を冷却するための冷却水路６４を有する金属製の冷却器６１を備えている。このため、リアクトルユニット１１などの発熱体の周囲に冷却器６１を配することで、発熱体を覆うように冷却水から隔離する構造を設けることなく、発熱体の冷却を行うことができる。よって、発熱体を収納する収納ケース５０の体格を小さく、重量を軽くすることができる。また、収納ケース５０を樹脂製のケース部材５１と、冷却機能を有する金属製の冷却器６１とを有して構成することができる。したがって、発熱部品を冷却する冷却機能と、発熱部品を収納する収納機能の一部との２つの機能を金属製の冷却器６１に発揮させることができる。これにより、収納ケース５０を金属のみで構成した場合に比べて、収納ケース５０を軽量化しやすい。あるいは、収納ケース５０を樹脂のみで構成し、冷却機能を発揮する金属製の装置を内部に収納した場合に比べて、収納ケース５０を軽量化しやすい。以上により、軽量な電力変換装置１を提供することができる。

収納ケース５０の外側において、冷却器６１は、ケース部材５１よりも外方に突出している。このため、冷却器６１の周囲がケース部材５１に囲まれてしまうことを抑制できる。したがって、冷却器６１の周囲に空気を流しやすい。よって、冷却器６１による冷却効果を収納ケース５０の外側に対しても波及させることができる。あるいは、リアクトルユニット１１の冷却によって冷却器６１の温度が上昇した場合に、周囲の空気によって冷却器６１を冷却しやすい。

冷却器６１は、収納ケース５０の底面の少なくとも一部を構成している。このため、樹脂材料に比べて重い金属材料で構成されている冷却器６１の位置を低い位置にすることができる。したがって、電力変換装置１の重心を低い位置にしやすい。特に、電力変換装置１が飛行機や車両などの移動体に搭載されている場合には、電力変換装置１に振動などの外力が加えられやすい。このため、電力変換装置１の重心を低くして、電力変換装置１の適切な設置状態を安定して維持できる構成は、電力変換装置１を移動体に搭載する場合に非常に重要である。

底面部５０ｂは、樹脂製のケース底面５１ｂと金属製の冷却器底面６１ｂとを備えている。このため、冷却機能が必要な部分のみを金属で構成し、冷却機能が必要ない部分は樹脂で構成することができる。したがって、底面部５０ｂ全体を金属で構成した場合に比べて、必要な冷却機能を備えつつ、収納ケース５０を軽量化しやすい。

冷却器底面６１ｂは、ケース底面５１ｂの面積よりも大きな面積を有している。このため、底面部５０ｂにおいて、冷却機能を有する部分を大きく確保できる。したがって、発熱部品を冷却する冷却性能を高めやすい。

冷却器底面６１ｂは、底面部５０ｂにおける中央部分を含む位置に設けられている。このため、電力変換装置１の重心が底面部５０ｂの中央位置から水平方向に極端に離れてしまうことを抑制できる。したがって、電力変換装置１の重心を中央位置に近い位置とすることで、電力変換装置１の適切な設置状態を安定して維持できる。この構成は、電力変換装置１を振動などの外力が加えられやすい移動体に搭載する場合に特に重要である。

電力変換装置１において、発熱部品の冷却機能を冷却器６１が担っている。このため、冷却対象となる発熱部品の大きさや位置に合わせて冷却器６１の大きさや位置を調整することで、発熱部品の冷却を適切に行うことができる。したがって、冷却器６１を発熱部品に合わせたサイズに小型化しやすい。

第２実施形態
この実施形態は、先行する実施形態を基礎的形態とする変形例である。この実施形態では、収納ケース５０の外側において、冷却器底面６１ｂがケース底面２５１ｂと面一な状態である。

図７において、ケース部材２５１の一部をなす下段ケース部材２５５は、一部分がケース部材２５１の外側に突出している。言い換えると、下段ケース部材２５５は、冷却器６１を配置するための取り付け凹部を備えている。

収納ケース２５０の底面である底面部２５０ｂは、ケース部材２５１の底面であるケース底面２５１ｂと冷却器底面６１ｂとの２つの底面によって構成されている。言い換えると、底面部２５０ｂは、冷却性能の高い金属製の部分と、冷却性能の低い樹脂製の部分との材料の異なる２種類の部分を有している。

底面部２５０ｂにおいて、ケース底面２５１ｂと冷却器底面６１ｂとは略面一な底面を構成している。冷却器底面６１ｂの外表面には、下段ケース部材２５５における取り付け凹部とケース底面２５１ｂとの段差よりも小さな段差である凹凸形状が設けられている。言い換えると、冷却器底面６１ｂは、凹凸面で構成されている。一方、ケース底面２５１ｂは、平坦面で構成されている。ケース底面２５１ｂの平坦面は、冷却器底面６１ｂの凹凸面における凹部と凸部との間の高さに位置している。

上述した実施形態によると、収納ケース２５０の外側において、冷却器６１は、ケース部材２５１と面一に設けられている。このため、収納ケース２５０の底面部２５０ｂにおいて、冷却器底面６１ｂとケース底面２５１ｂとによって大きな段差が形成されてしまうことを抑制できる。したがって、冷却器底面６１ｂとケース底面２５１ｂとの段差によって、電力変換装置１の外側に生じてしまうデッドスペースを小さくすることができる。

他の実施形態
冷却器６１がリアクトルユニット１１を冷却する場合を例に説明を行ったが、冷却器６１の冷却対象は、リアクトルユニット１１に限られない。例えば、半導体ユニットやコンデンサユニットを冷却対象としてもよい。この場合、半導体ユニットやコンデンサユニットが発熱部品の一例を提供することとなる。また、冷却器６１の冷却対象は１つに限られない。言い換えると、冷却器６１は、複数の発熱部品を同時に冷却してもよい。

この明細書および図面等における開示は、例示された実施形態に制限されない。開示は、例示された実施形態と、それらに基づく当業者による変形態様を包含する。例えば、開示は、実施形態において示された部品および／または要素の組み合わせに限定されない。開示は、多様な組み合わせによって実施可能である。開示は、実施形態に追加可能な追加的な部分をもつことができる。開示は、実施形態の部品および／または要素が省略されたものを包含する。開示は、１つの実施形態と他の実施形態との間における部品および／または要素の置き換え、または組み合わせを包含する。開示される技術的範囲は、実施形態の記載に限定されない。開示されるいくつかの技術的範囲は、請求の範囲の記載によって示され、さらに請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内での全ての変更を含むものと解されるべきである。

明細書および図面等における開示は、請求の範囲の記載によって限定されない。明細書および図面等における開示は、請求の範囲に記載された技術的思想を包含し、さらに請求の範囲に記載された技術的思想より多様で広範な技術的思想に及んでいる。よって、請求の範囲の記載に拘束されることなく、明細書および図面等の開示から、多様な技術的思想を抽出することができる。

１ 電力変換装置、 １１ リアクトルユニット（発熱部品）、 ５０ 収納ケース、 ５０ｂ 底面部、 ５１ ケース部材、 ５１ｂ ケース底面、 ５２ 上段ケース部材、 ５５ 下段ケース部材、 ５６ 底面開口部（開口部）、 ６１ 冷却器、 ６１ｂ 冷却器底面、 ６２ 冷却器本体、 ６３ 冷却器カバー、 ６４ 冷却水路、 ６５ 入口配管、 ６５ 出口配管、 ２５０ 収納ケース、 ２５０ｂ 底面部、 ２５１ ケース部材、 ２５１ｂ ケース底面

Claims (4)

1. 電力変換にともない発熱する発熱部品（１１）と、
   前記発熱部品を収納している収納ケース（５０、２５０）とを備え、
   前記収納ケースは、
   開口部（５６）を有する樹脂製のケース部材（５１、２５１）と、
   前記開口部を覆うように設けられ、前記発熱部品を冷却するための冷却水路（６４）を有する金属製の冷却器（６１）とを備え、
   前記ケース部材は、カバー部材によって外側から覆われる上部開口を有する上段ケース部材と前記冷却器によって外側から覆われる開口部を有する下段ケース部材とを有し、出力側取り付け部は、前記上段ケース部材と前記下段ケース部材とのうち、入力側取り付け部が形成されていない方の部材に形成されており、
   前記冷却器は、前記収納ケースの底面の少なくとも一部を構成しており、
   前記収納ケースの底面である底面部（５０ｂ、２５０ｂ）は、
   前記ケース部材の底面である樹脂製のケース底面（５１ｂ、２５１ｂ）と、
   前記冷却器の底面である金属製の冷却器底面（６１ｂ）とを備え、
   前記冷却器底面は、前記ケース底面の面積よりも大きな面積を有している電力変換装置。
2. 前記収納ケースの外側において、前記冷却器は、前記ケース部材よりも外方に突出している請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記収納ケースの外側において、前記冷却器は、前記ケース部材と面一に設けられている請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記冷却器底面は、前記底面部における中央部分を含む位置に設けられている請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置。

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