JP7302015B2 - 電気回路装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電気回路装置に関する。
パワー用のスイッチング素子を有するパワー半導体モジュールを有し、電力変換を行う電気回路装置は、変換効率が高いため、民生用、車載用、鉄道用、変電設備などに幅広く利用されている。
このような、パワー半導体モジュールを有する電気回路装置では、パワー半導体モジュールから発生される熱を冷却するための冷却流路を有するが、冷却水が冷却流路から漏れ出し、電気回路装置内部の電気部品を腐食させるおそれがある。このため、冷却水の漏れを防ぐ構造とする必要がある。
このような電気回路装置の一例として、冷却水が付着すると腐食する部分を、二重のシール構造により防止する構造としたものがある。この構造では、電気部品および電気部品を冷却する冷却流路が収容された下側ケースと、回路基板が収容された上側ケースとが、両ケースに設けた貫通孔内に挿通された接続部材により接続されている。両ケースは、下側ケースの周縁部に設けた第1のシール部材により、水密に密封するように組み付けられる。また、下側ケースの貫通孔の周縁部に第2のシール部材が設けられており、下側ケース上蓋上面の周縁部には、両ケースの間に浸入した冷却水を排出する排出溝が設けられている(例えば、特許文献1参照)。
日本国特開2007-59602号公報
特許文献1に記載された電気回路装置では、上・下側ケースは、ケースの周縁部に設けた第1のシール部材により、水密に組み付けられているが、電気部品および冷却流路が収容された下側ケース内には、広い空間が設けられている。このため、冷却流路が損傷すると、冷却水が冷却流路から漏れ出すのを防止することができず、電気部品や接続部材などを保護することができない。
本発明の一態様による電気回路装置は、第1の電気部品と、前記第1の電気部品を収容し、前記第1の電気部品を冷却する冷却流路とその排出口を有する第1ケースと、第2の電気部品を収容し、前記冷却流路の排出口に連通する連通流路を有する第2ケースと、前記冷却流路の排出口の周縁部に設けられ、前記第1ケースと前記第1の電気部品とを密封する第1シール部と、前記冷却流路の排出口に対して前記第1シール部より外側に設けられ、前記第1ケースと前記第1の電気部品とを密封する第2シール部と、前記第1ケースの、前記第1シール部と前記第2シール部との間に設けられ、前記第1の電気部品側から前記第2ケース側に前記第1ケースを貫通する貫通孔と、前記第1ケースおよび前記第2ケースの一方に、前記冷却流路の排出口の周囲を囲んで設けられた壁と、を備え、前記貫通孔は前記壁の外部に設けられている。
本発明によれば、冷却流路の排出口から漏出する冷却液が第1ケース内部に漏出するのを抑制することができる。
図1は、本発明による電気回路装置の一実施形態の外観斜視図である。 図2(A)は、図1に図示された電気回路装置の分解斜視図であり、図2(B)は、図2(A)に図示されたシール部の拡大図である。 図3は、図2(A)に図示された電気回路装置のインバータケースを下方側からみた斜視図である。 図4は、図3に図示された電気回路装置のIV-IV線断面図である。 図5は、図3に図示された電気回路装置のV-V線断面図である。 図6は、図2(A)に図示された電気回路装置の領域VIを上方からみた平面図であり、第1シール部、第2シール部およびパワー半導体モジュールの冷却液取出口を点線で示している。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の記載および図面は、本発明を説明するための例示であって、説明の明確化のため、適宜、省略および簡略化がなされている。本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。特に限定しない限り、各構成要素は単数でも複数でも構わない。
図面において示す各構成要素の位置、大きさ、形状、範囲などは、発明の理解を容易にするため、実際の位置、大きさ、形状、範囲などを表していない場合がある。このため、本発明は、必ずしも、図面に開示された位置、大きさ、形状、範囲などに限定されない。
図1は、本発明による電気回路装置の一実施形態の外観斜視図であり、図2(A)は、図1に図示された電気回路装置の分解斜視図であり、図2(B)は、図2(A)に図示されたシール部の拡大図である。
なお、以下の説明において、X方向、Y方向、Z方向は、図示の通りとする。
図1に図示されるように、電気回路装置100は、インバータケース110とモータ用ケース120を有する。
インバータケース110は、パワー半導体モジュール130およびインバータ回路などの電力変換回路部(図示せず)を収容する収容部を有し、下方側(-Z方向側)が開口されたボックス構造を有する。
モータ用ケース120は、内部にモータ(図示せず)を収容するケースである。但し、図1、図2(A)では、モータ用ケース120の一部のみが図示されている。
インバータケース110およびモータ用ケース120は、アルミニウムや鉄などの金属を鋳造して形成されている。
インバータケース110の-X方向上部側の一側部には、冷却水などの冷却液が流入する流入管11が取り付けられている。インバータケース110の上部側(Z方向側)には、冷却液が流れる流入側流路部111(図2(A)参照)が形成されている。流入側流路部111の一端部側には、流入側流出口111aが設けられている。冷却液は、流入管11からインバータケース110の流入側流路部111に流入し、流入側流出口111aから、パワー半導体モジュール130および他の電気部品が収容されたインバータケース110の収容部内に流入する。流入側流路部111の上部側(Z方向側)は、水路蓋12により覆われている。水路蓋12は、不図示のボルトなどの締結部材によりインバータケース110に固定される。
パワー半導体モジュール130は、パワー半導体素子(図示せず)を冷却するための流路が形成された流路形成体131を有する。流路形成体131は、冷却液取入口131aおよび冷却液取出口131bを有する。インバータケース110の流入側流出口111aから流出される冷却液は、流路形成体131の冷却液取入口131aから流路形成体131内に流入し、内部のパワー半導体素子を冷却して冷却液取出口131bより排出される。
インバータケース110の上部側(Z方向側)には、流入側流路部111に隣接して、冷却流路排出口112が形成されている。冷却流路排出口112は、モータ用ケース120によって覆われている。
モータ用ケース120には、インバータケース110の冷却流路排出口112に連通する連通流路121が形成されている。インバータケース110の冷却流路排出口112から流出する冷却液は、モータ用ケース120の連通流路121からモータ用ケース120内に流入し、内部に収容されたモータ(図示せず)を冷却する。
冷却液は、図2(A)に図示された矢印R1~R8の順に流動する。
図2(A)、図2(B)に図示されるように、パワー半導体モジュール130の冷却液取入口131aおよび冷却液取出口131bそれぞれの周縁部には、第1シール部301および第2シール部302が設けられている。
また、インバータケース110の冷却流路排出口112の周縁部には、壁320が形成されている。壁320は、モールド成形によりインバータケース110に一体成形されている。図2(A)には図示しないが、流入側流出口111aの周縁部、および壁320の外部には、インバータケース110の上部を、上下方向(Z方向)に貫通する貫通孔311(図4、図5参照)が形成されている。本実施形態では、第1シール部301、第2シール部302により、パワー半導体モジュール130とインバータケース110を水密に密封し、壁320により、インバータケース110とモータ用ケース120とを水密に保持している。以下、これらの水密構造について説明する。
図3は、図2(A)に図示された電気回路装置のインバータケースを下方側からみた斜視図である。
図3におけるインバータケース110の底部(Z方向側、図2(A)における上部)には、流入側流出口111aおよび冷却流路排出口112が設けられている。インバータケース110の流入側流出口111aおよび冷却流路排出口112は、それぞれ、パワー半導体モジュール130の冷却液取入口131aおよび冷却液取出口131bと対向する位置に設けられている。なお、図3には、パワー半導体モジュール130が二点鎖線で図示されている。
図4は、図3に図示された電気回路装置のIV-IV線断面図であり、図5は、図3に図示された電気回路装置のV-V線断面図である。
図3、図4に図示されるように、インバータケース110の流入側流出口111aの周縁部には、環状の第1シール部301および第2シール部302が設けられている。第1シール部301は、流入側流出口111aの周囲を囲んで設けられ、第2シール部302は、第1シール部301の外側に、第1シール部301を囲んで設けられている。
第1、第2シール部301、302は、例えば、ガスケットにより形成され、それぞれ、一対の半円弧部と、半円弧部の対向する端部同士を結ぶ一対の直線部により環状に形成されている。
流入側流出口111aのY方向側には、第1シール部301と第2シール部302の間に、インバータケース110の底部を、上下方向(Z方向)に貫通する貫通孔311が設けられている。貫通孔311は、第1シール部301と第2シール部302の間の閉空間内に設けられており、外部への開放部を有していない。第1、第2シール部301、302は、インバータケース110に設けられた溝133(図4参照)に圧入されて固定されている。
図3、図5に図示されるように、インバータケース110の冷却流路排出口112の周縁部には、第1シール部301と第2シール部302が設けられている。第1シール部301は、冷却流路排出口112の周囲を囲んで設けられ、第2シール部302は、第1シール部301の外側に、第1シール部301を囲んで設けられている。第1、第2シール部301、302は、例えば、ガスケットにより形成され、それぞれ、一対の半円弧部と、半円弧部の対向する端部同士を結ぶ一対の直線部により環状に形成されている。
冷却流路排出口112の-Y方向側には、第1シール部301と第2シール部302の間に、インバータケース110の底部を、上下方向(Z方向)に貫通する貫通孔311が設けられている。貫通孔311は、第1シール部301と第2シール部302の間の閉空間内に設けられており、外部への開放部を有していない。第1、第2シール部301、302は、インバータケース110に設けられた溝133(図5参照)に圧入されて固定されている。
図5に図示されるように、インバータケース110のモータ用ケース120に対向する面には、Z方向に突出する壁320が形成されている。壁320とモータ用ケース120との間には、シート状のシール層41が介装されている。シール層41は、貫通孔311と対向する部分、および冷却流路排出口112と冷却液取出口131bが連通する部分には設けられていない。シール層41は、例えば、シール材の印刷、塗布により形成されるか、またはシート状のシールテープなどを接着するなどして形成される。
図6は、図2(A)に図示された電気回路装置の領域VIを上方からみた平面図であり、第1シール部301、第2シール部302およびパワー半導体モジュール130の冷却液取出口131bを点線で示している。
インバータケース110に形成された壁320は、冷却流路排出口112の周囲を囲む内側環状部321と、内側環状部321の外周側に設けられた外側円弧部322と、内側環状部321と外側円弧部322を連通する接続部323を有する。
内側環状部321および外側円弧部322は、冷却流路排出口112と同心円に形成されている。外側円弧部322は、内側環状部321の外周に沿って、ほぼ半円程度の長さの円弧状に形成されている。インバータケース110に設けられた貫通孔311は、接続部323近傍の内側環状部321と外側円弧部322との間に設けられている。
インバータケース110の貫通孔311は、第1シール部301と第2シール部302の間に配置されている。第1シール部301は、パワー半導体モジュール130の冷却液取出口131bの周囲を取り囲んで設けられている。パワー半導体モジュール130の冷却液取出口131bのX方向およびY方向の中心は、ほぼ冷却流路排出口112の中心Oと同軸上に位置している。
外側円弧部322は、接続部323と反対側の先端部322aが、内側環状部321から離間しており、この外側円弧部322の先端部322aと内側環状部321との離間部が、貫通孔311が外部に連通する開放口335となっている。
換言すれば、貫通孔311は、内側環状部321、外側円弧部322および接続部323により周囲を囲まれた漏出液規制路領域330内に配置されており、外側円弧部322の先端部322aと内側環状部321との離間部である開放口335で外部に開放されている。
パワー半導体モジュール130の冷却液取出口131bおよびインバータケース110の冷却流路排出口112内を流動する際、第1シール部301から漏出した冷却液は、貫通孔311内を流れ、インバータケース110の漏出液規制路領域330内に流れ出る。第1シール部301の外周側には第2シール部302が設けられているため、漏出液規制路領域330内に流れ出た冷却液は、第2シール部302を超えてインバータケース110の内方に広がることはない。貫通孔311の近傍には壁320の接続部323が設けられているため、貫通孔311内から流れ出た冷却液は内側環状部321と外側円弧部322との間を開放口335に向けて移動する。このため、冷却液がパワー半導体モジュール130とインバータケース110間の隙間からインバータケース110の内部に浸入するのが抑制される。これにより、インバータケース110の内部に収容された電子部品に冷却液が付着するのを防止することができる。
また、貫通孔311から漏出液規制路領域330を介して冷却液がインバータケース110の外面110aに流れ出るのを目視などにより確認することにより、冷却液が冷却液流路から第1シール部301を超えて漏出したことを検出することができる。この検出により、冷却液が第2シール部302を超える前に冷却液流路の漏出個所の修理など、適切な対応を図ることが可能となる。
図6に図示されるように、貫通孔311の中心と冷却流路排出口112の中心Oを通る直線Lに対する外側円弧部322の先端部322aと冷却流路排出口112の中心Oを通る直線Lの、冷却流路排出口112の中心Oにおける中心角θは、90度~180度とされている。漏出液規制路領域330の開放口335からは、水や異物などが貫通孔311に入り込むおそれがある。本実施形態では、漏出液規制路領域330は円弧形状を有しているため、中心角θが90度以上あると、水や異物は、一旦、貫通孔311と逆方向に移動することになり、貫通孔311に入り込み難くなる。これにより、貫通孔311の目詰まりや、貫通孔311を介してインバータケース内への水や異物の浸入を抑制することができる。
なお、電気回路装置100が急激に冷えると、インバータケース110内の空気が熱収縮し、貫通孔311から水や異物を吸入しようとする作用が生じる。例えば、電気回路装置100が水に濡れ、20℃程度の常温に急冷したとする。これにより、インバータケース110内の空気が熱収縮し、貫通孔311から水や異物が吸入されるという課題が生じる。この課題に対して、本実施形態では、漏出液規制路領域330の容積、換言すれば、インバータケース110の外面110aとモータ用ケース120とに挟まれた空間内における、壁320の内側環状部321と外側円弧部322により閉塞された空間の容積は、温度変化によりインバータケース110内の空気が熱収縮する容積より大きく形成されている。
このような構造であるため、電気回路装置100が急激に冷え、インバータケース110内の空気が熱収縮しても、漏出液規制路領域330内のすべての空気が、貫通孔311から吸い込まれることはない。従って、漏出液規制路領域330外部の水や異物は、貫通孔311から吸い込まれることはなく、これによって、貫通孔311の目詰まりや、貫通孔311を介してインバータケース内への水や異物の侵入を抑制することができる。
上記実施形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)電気回路装置100は、パワー半導体モジュール(第1の電気部品)130と、パワー半導体モジュール130を収容し、パワー半導体モジュール130を冷却する冷却流路排出口(冷却流路出口)112を有するインバータケース(第1ケース)110と、モータ(第2の電気部品)を収容し、冷却流路排出口112に連通する連通流路121を有するモータ用ケース(第2ケース)120と、冷却流路排出口112の周縁部に設けられ、インバータケース110とパワー半導体モジュール130とを密封する第1シール部301と、冷却流路排出口112に対して第1シール部301より外側に設けられ、インバータケース110とパワー半導体モジュール130とを密封する第2シール部302と、インバータケース110の、第1シール部301と第2シール部302との間に設けられ、パワー半導体モジュール130側からモータ用ケース120側にインバータケース110を貫通する貫通孔311と、インバータケース110およびモータ用ケース120の一方に、冷却流路排出口112の周囲を囲んで設けられた壁320と、を備え、貫通孔311は壁320の外部に設けられている。このため、第1シール部301から漏出し、貫通孔311からインバータケース110の外面110a側に流れ出た冷却液は、第1シール部301の外周側に設けられた第2シール部302により、インバータケース110の内への浸入が規制される。これにより、インバータケース110の内部に収容された電気部品が冷却液により腐食されるのを防止することができる。
(2)壁320は、インバータケース(第1ケース)110に設けられ、壁320とモータ用ケース120(第2ケース)との間にシート状のシール層41が介装されている。このため、簡素な構造でインバータケース110とモータ用ケース120との水密性を高めることができる。
(3)壁320は、冷却流路排出口112の周囲を囲む内側環状部321と、内側環状部321の外側に設けられた外側円弧部322とを、有し、外側円弧部322の一端は内側環状部321に接続され、外側円弧部322の先端部(他端)322aは内側環状部321から離間されており、貫通孔311は、内側環状部321と外側円弧部322との間で、かつ、内側環状部321に接続された外側円弧部322の一端近傍に設けられ、貫通孔311の中心と冷却流路の中心を通る直線Lに対する外側円弧部322の先端部322aと冷却流路の排出口112の中心を通る直線の、冷却流路の中心における中心角θは、90度以上である。このため、外側円弧部322の先端部322aと内側環状部321とが離間された開放口335から、水や異物などが貫通孔311に入り込み難くなり、貫通孔311の目詰まりや、貫通孔311を介してインバータケース内に水や異物が侵入するのを抑制することができる。
(4)インバータケース(第1ケース)110とモータ用ケース(第2ケース)120とに挟まれた空間における、貫通孔311を囲んで設けられた壁320の内側環状部321と外側円弧部322との間の容積、換言すれば、漏出液規制路領域330の容積は、温度変化によりインバータケース110内の空気が熱収縮する体積より大きい。このため、電気回路装置100が急激に冷え、インバータケース110内の空気が熱収縮しても、漏出液規制路領域330内のすべての空気が、貫通孔311から吸い込まれることはない。従って、漏出液規制路領域330外部の水や異物が貫通孔311から吸い込まれることはなく、これによって、貫通孔311の目詰まりや、貫通孔311を介してインバータケース内に水や異物などが浸入するのを抑制することができる。
なお、上記実施形態では、第1シール部301および第2シール部302は、インバータケース110に設けた溝133に圧入する構造として例示した。しかし、パワー半導体モジュール130に溝を設けて、第1シール部301および第2シール部302を、パワー半導体モジュール130の溝に圧入するようにしてもよい。また、第1シール部301、および第2シール部302の固定は、圧入ではなく、接着など他の手段を用いてもよい。
上記実施形態では、インバータケース110とモータ用ケース120とを水密に密封するための壁320は、インバータケース110に一体成形する構造として例示した。しかし、壁320は、モータ用ケース120に一体成形してもよい。
上記実施形態では、インバータケース110とパワー半導体モジュール130とを、第1、第2シール部301、302を用いた水密構造とし、インバータケース110とモータ用ケース120とを、壁320を用いた水密構造として例示した。しかし、これとは逆に、インバータケース110とパワー半導体モジュール130とを、壁320を用いた水密構造とし、インバータケース110とモータ用ケース120とを、第1、第2シール部301、302を用いた水密構造としてもよい。
上記実施形態では、インバータケース110内に収容される電気部品として、パワー半導体モジュール130を例示した。しかし、本発明は、インバータケース110内に収容される電気部品としてパワー半導体モジュール130に限られるものではなく、例えば、回路基板ユニットや他の電気部品に対しても適用可能である。
上記実施形態では、冷却液をインバータケース110からモータが収容されるモータ用ケース120に供給する構造として例示した。しかし、本発明は、インバータケース110を介して冷却液が供給される電気部品として、モータに限られるものではなく、ギアボックやコンバータなどの他の電気部品に対しても適用が可能である。
上述したように、本発明は、パワー半導体モジュール130に替えて回路基板ユニットや他の電気部品に適用可能であり、モータに替えてギアボックやコンバータなどに適用可能である。従って、本発明は、インバータケース110以外の、他の電気部品を収容するケースを適用することが可能である。
上記では、種々の変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願2019-223178(2019年12月10日出願)
41 シール層
100 電気回路装置
110 インバータケース(第1ケース)
110a 外面
111 流入側流路部
112 冷却流路排出口(冷却流路の排出口)
120 モータ用ケース(第2ケース)
121 連通流路
130 パワー半導体モジュール(第1の電気部品)
301 第1シール部
302 第2シール部
311 貫通孔
320 壁
321 内側環状部
322 外側円弧部
322a 先端部(他端)
330 漏出液規制路領域
335 開放口
直線
直線
O 冷却流路排出口の中心

Claims (6)

  1. 第1の電気部品と、
    前記第1の電気部品を収容し、前記第1の電気部品を冷却する冷却流路とその排出口を有する第1ケースと、
    第2の電気部品を収容し、前記冷却流路の排出口に連通する連通流路を有する第2ケースと、
    前記冷却流路の排出口の周縁部に設けられ、前記第1ケースと前記第1の電気部品とを密封する第1シール部と、
    前記冷却流路の排出口に対して前記第1シール部より外側に設けられ、前記第1ケースと前記第1の電気部品とを密封する第2シール部と、
    前記第1ケースの、前記第1シール部と前記第2シール部との間に設けられ、前記第1の電気部品側から前記第2ケース側に前記第1ケースを貫通する貫通孔と、
    前記第1ケースおよび前記第2ケースの一方に、前記冷却流路の排出口の周囲を囲んで設けられた壁と、を備え、
    前記貫通孔は前記壁の外部に設けられている、電気回路装置。
  2. 請求項1に記載の電気回路装置において、
    前記壁は、前記第1ケースに設けられ、
    前記壁と前記第2ケースとの間にシート状のシール層が介装されている、電気回路装置。
  3. 請求項1に記載の電気回路装置において、
    前記壁は、
    前記冷却流路の周囲を囲む内側環状部と、
    前記内側環状部の外側に設けられた外側円弧部と、を有し、
    前記外側円弧部の一端は前記内側環状部に接続され、前記外側円弧部の他端は前記内側環状部から離間されており、
    前記貫通孔は、前記内側環状部と前記外側円弧部との間で、かつ、前記内側環状部に接続された前記外側円弧部の前記一端近傍に設けられ、
    前記貫通孔の中心と前記冷却流路の排出口の中心を通る直線に対する前記外側円弧部の前記他端と前記冷却流路の中心を通る直線の、前記冷却流路の中心における中心角θは、90度以上である、電気回路装置。
  4. 請求項3に記載の電気回路装置において、
    前記第1ケースと前記第2ケースとに挟まれた空間における、前記貫通孔を囲んで設けられた前記壁の前記内側環状部と前記外側円弧部との間の容積は、温度変化により前記第1ケース内の空気が熱収縮する体積より大きい、電気回路装置。
  5. 請求項1から4までのいずれか一項に記載の電気回路装置において、
    前記第1の電気部品は、半導体モジュールである、電気回路装置。
  6. 請求項1から4までのいずれか一項に記載の電気回路装置において、
    前記第1ケースは、電力変換回路部を内部に収容するインバータケースである、電気回路装置。
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