JP7365273B2

JP7365273B2 - インバータ

Info

Publication number: JP7365273B2
Application number: JP2020042855A
Authority: JP
Inventors: 隼太三松; 泰史田中
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2020-03-12
Publication date: 2023-10-19
Anticipated expiration: 2040-03-12
Also published as: JP2021145477A

Description

本発明は、インバータに関する。

車両に搭載される電力変換装置の筐体の中に冷却水流路を配置し、冷却水流路の一方の側にパワーモジュールを配置し、冷却水流路の他方の側にコンデンサモジュールを配置し、パワーモジュールに放熱フィンを形成することが記載されています（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１０－０６３５５号公報

しかしながら、従来の技術では、インバータにおけるコンデンサとパワーモジュールの両方を効率的に冷却することができない場合があった。

そこで、本発明は、このような課題に鑑み、コンデンサとパワーモジュールの両方を効率的に冷却することができるインバータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のインバータは、内部を冷媒が流通し、第１冷却ピンと第２冷却ピンとが形成された冷却機構と、前記冷却機構の一方の面側に設けられ、前記第１冷却ピンによって冷却されるコンデンサと、前記冷却機構の他方の面側に設けられ、前記第２冷却ピンによって冷却されるパワーモジュールと、を備え、前記第１冷却ピンの合計の表面積と、前記第２冷却ピンの合計の表面積とが異なる。

また、前記第１冷却ピンの個数が、前記第２冷却ピンの個数よりも多くてもよい。

また、前記コンデンサは、前記冷却機構の下面側に設けられ、前記パワーモジュールは、前記冷却機構の上面側に設けられてもよい。

また、前記コンデンサの耐熱温度は、前記パワーモジュールの耐熱温度よりも低くてもよい。

また、前記冷却機構の下面には、前記コンデンサを収容する収容部が設けられ、前記第１冷却ピンには、前記収容部と連通する中空部が形成され、前記収容部および前記中空部に充填される樹脂によって前記コンデンサが前記冷却機構に対して固定されてもよい。

本発明によれば、インバータにおいてコンデンサとパワーモジュールの両方を効率的に冷却することができる。

本実施形態における車両に搭載されるインバータを示す図である。本実施形態における第１冷却ピンおよび第２冷却ピンのレイアウトの一例を示す図である。変形例における第１冷却ピンおよび第２冷却ピンのレイアウトの一例を示す図である。変形例における第１冷却ピンおよび第２冷却ピンのレイアウトの一例を示す図である。変形例における第１冷却ピンおよび第２冷却ピンのレイアウトの一例を示す図である。変形例における第１冷却ピンおよび第２冷却ピンのレイアウトの一例を示す図である。変形例におけるインバータを示す図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、車両に搭載されるインバータ１００を示す図である。図１に示すように、インバータ１００のケース２およびカバー４内には、冷却機構１０と、コンデンサ３０と、パワーモジュール５０とが配置される。

冷却機構１０は、ニップル６によってケース２に固定される。また、冷却機構１０は、導入部１２と導出部１４とを備える。また、冷却機構１０の内部には、水路１６が形成されている。導入部１２から導入した冷媒（例えば、水）は水路１６内を流通して、導出部１４から水路１６外へと排出される。

また、冷却機構１０は、水路１６へと突き出すように形成された中空状の第１冷却ピン１８ａと、中実状の第２冷却ピン１８ｂとを備えている。

また、冷却機構１０の下部には、コンデンサ３０を収容するための収容部２０が設けられている。図１に示すように、収容部２０の上部に第１冷却ピン１８ａが設けられている。

コンデンサ３０は、コンデンサ素子３２を備えている。コンデンサ素子３２は、例えば、ポリプロピレンフィルム等からなる誘電体フィルムの片面または両面に金属蒸着電極を形成した金属化フィルムを一対とし、金属蒸着電極が誘導体フィルムを介して対向する状態で巻回して形成される。

また、第１冷却ピン１８ａには、収容部２０と連通する中空部３４が形成されている。そして、収容部２０内および第１冷却ピン１８ａの中空部３４内に、絶縁性の樹脂２２が充填されている。

また、コンデンサ素子３２は、収容部２０内および第１冷却ピン１８ａ内に充填された樹脂２２によって覆われるように、収容部２０内に収容されている。これにより、コンデンサ素子３２を冷却機構１０に対して固定することができる。特に、中空部３４を設けない場合に比べて、樹脂２２と冷却機構１０との接触面積が増えるため、樹脂２２と冷却機構１０との密着性を向上させることができる。

また、水路１６内を流れる冷媒によって冷やされた第１冷却ピン１８ａによって、第１冷却ピン１８ａ内および収容部２０内に充填されている樹脂２２を介してコンデンサ素子３２が冷却されることとなる。

また、コンデンサ３０には、不図示のバッテリから高圧コネクタ３６および導電部３８を介して電気が入力される。そして、コンデンサ３０は、導電部４０を介してパワーモジュール５０に電気的に接続されている。

パワーモジュール５０は、冷却機構１０の上面側に設けられる。パワーモジュール５０は、ゲートドライブ基板５２と、制御基板５４とを備える。ゲートドライブ基板５２は、冷却機構１０の上に接続された熱伝導性の基板ステー５６上に配置される。そして、水路１６内を流れる冷媒によって冷やされた第２冷却ピン１８ｂによって、基板ステー５６を介して、ゲートドライブ基板５２が冷却されることとなる。

ゲートドライブ基板５２は、導電部５８を介して制御基板５４に接続されている。制御基板５４は、導電部６０および低圧コネクタ６２を介して不図示の電源回路から動作電源が供給される。そして、制御基板５４から導電部５８を介してパワーモジュール５０へ制御信号が出力される。

ゲートドライブ基板５２は、制御基板５４から入力された制御信号に基づいて、不図示のバッテリから入力された直流を、３相交流へと変換し、導電部６４を介して、不図示のモータへと出力する。

ところで、コンデンサ素子３２は、ゲートドライブ基板５２に比べて耐熱温度が低い場合がある。そのため、第１冷却ピン１８ａによるコンデンサ素子３２の冷却性能と、第２冷却ピン１８ｂによるゲートドライブ基板５２の冷却性能を同等とした場合、ゲートドライブ基板５２を過剰に冷却してしまうおそれがある。そこで後述するように、本実施形態では、第１冷却ピン１８ａの合計の表面積と、第２冷却ピン１８ｂの合計の表面積とが異なるように第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを配置している。

また、水路１６の上部には、冷媒から発生した気泡が溜まる場合があり、この気泡によって、冷媒による冷却効率が低下する場合がある。そこで、本実施形態では、コンデンサ３０を優先して冷却することができるように、耐熱温度が高いパワーモジュール５０を冷却機構１０の上部に配置し、コンデンサ３０を冷却機構１０の下面側に配置している。

また、図１に示すように、第１冷却ピン１８ａと、第２冷却ピン１８ｂとが高さ方向で入り込むように配置することで、冷却機構１０の高さ方向の大きさを小さくすることが可能としている。

また、本実施形態では、第１冷却ピン１８ａの合計の表面積を、第２冷却ピン１８ｂの合計の表面積に比べて広くすることで、コンデンサ素子３２およびゲートドライブ基板５２の両方を効率的に冷却している。

図２は、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂのレイアウトの一例を示す図である。図２は、図１におけるＡ－Ａ断面図を示している。本実施形態では、第１冷却ピン１８ａと第２冷却ピン１８ｂの一本ずつの表面積が略等しく形成されている。図２に示すように、第１冷却ピン１８ａは合計で３２本設けられており、第２冷却ピン１８ｂは合計で１７本設けられている。すなわち、第１冷却ピン１８ａの個数が、第２冷却ピン１８ｂの個数よりも多くなるように配置している。

図２に示すレイアウトでは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを全体として正方形を成すように配置している。そして、冷媒の流れの最も上流側に位置する列ａから、冷媒の流れの最も下流側に位置する列ｇまで、各列ごとに第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂが合計で７本配置される。

列ａでは、図２中上方から、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂの順に配置される。

列ｂでは、図２中上方から、第１冷却ピン１８ａ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａの順に配置される。

列ｃでは、図２中上方から、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第１冷却ピン１８ａの順に配置される。

そして、列ｄおよび列ｇは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂが列ａと同じ順で配置される。また、列ｅは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂが列ｂと同じ順で配置される。また、列ｆは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂが列ｃと同じ順で配置される。

上記のように、各列においては、２つの第１冷却ピン１８ａと１つの第２冷却ピン１８ｂとを交互に配置している。そして、上流側に位置する列および下流側に位置する列における第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂの配置パターンが一致しないように、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを冷媒の流れ方向に直行する方向でずらして配置している。

このように第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを分散して配置することで、コンデンサ素子３２およびゲートドライブ基板５２の両方を効率的に冷却することが可能となる。

図３～図６は、変形例における第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂのレイアウトの一例を示す図である。図３に示すレイアウトでは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを全体として正方形を成すように配置している。また、第１冷却ピン１８ａが合計で３２本、第２冷却ピン１８ｂが合計で１７本配置される。

そして、図３に示すように、第１冷却ピン１８ａを最外周に位置するように配置し、最外周に配置した第１冷却ピン１８ａの内側に、第２冷却ピン１８ｂおよび第１冷却ピン１８ａを交互に同心状に配置している。

このように第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを配置することで、コンデンサ素子３２およびゲートドライブ基板５２の両方を効率的に冷却することが可能となる。

また、図４に示すレイアウトでは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを全体として正方形を成すように配置している。また、第１冷却ピン１８ａが合計で３５本、第２冷却ピン１８ｂが合計で１４本配置される。

そして、図４に示すように、列ａ、ｂ、ｄ、ｅ、ｇには、第１冷却ピン１８ａが配置される。そして、列ｃ、ｆでは、第２冷却ピン１８ｂが配置される。

このように第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを配置することで、第１冷却ピン１８ａや第２冷却ピン１８ｂによって選択的に冷却を強化した領域を形成することが可能となる。すなわち、列ａ、ｂ、ｄ、ｅ、ｇに対応する位置に、コンデンサ素子３２が位置するように配置し、列ｃ、ｆに対応する位置にゲートドライブ基板５２を配置することで、コンデンサ素子３２およびゲートドライブ基板５２をそれぞれ効率的に冷却することが可能となる。

また、図５に示すレイアウトでは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを全体として正方形を成すように配置している。そして、第１冷却ピン１８ａが合計で２５本、第２冷却ピン１８ｂが合計で２４本配置される。

列ａ、ｃ、ｅ、ｇでは、図５中上方から、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａの順に配置される。

列ｂ、ｄ、ｆでは、図５中上方から、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂの順に配置される。

上記のように、各列においては、１つの第１冷却ピン１８ａと１つの第２冷却ピン１８ｂとを交互に配置している。そして、上流側に位置する列および下流側に位置する列における第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂの配置パターンが一致しないように、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂをずらして配置している。

このように第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを配置することで、第１冷却ピン１８ａ同士や第２冷却ピン１８ｂ同士が隣り合うことがないため、水路１６内の冷媒が円滑に流れることとなり、冷却効果を向上することが可能となる。

また、図６に示すレイアウトでは、第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを全体として円形を成すように配置している。また、第１冷却ピン１８ａが合計で２４本、第２冷却ピン１８ｂが合計で１７本配置される。

そして、図６に示すように、第１冷却ピン１８ａを最外周に位置するように配置し、最外周に配置した第１冷却ピン１８ａの内側に、第２冷却ピン１８ｂおよび第１冷却ピン１８ａを交互に同心円状に配置している。

このように第１冷却ピン１８ａおよび第２冷却ピン１８ｂを交互に同心円状に配置することで、コンデンサ素子３２およびゲートドライブ基板５２の両方を効率的に冷却することが可能となる。

図７は、変形例におけるインバータ１００ａを示す図である。上記実施形態では、第１冷却ピン１８ａと、第２冷却ピン１８ｂとが高さ方向で入り込むように配置する場合を示した。一方、変形例では、図７に示すように、コンデンサ３０ａのコンデンサ素子３２を冷却する第１冷却ピン１８０ａと、パワーモジュール５０ａのゲートドライブ基板５２を冷却する第２冷却ピン１８０ｂとが、高さ方向で入り込まずに、対向するように配置される。このようにすることで、上記実施形態に比べて、第１冷却ピン１８０ａを単位面積当たりに多く配置することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上記実施形態および変形例では、冷却ピンが円柱状である場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、第１冷却ピン１８ａ、第２冷却ピン１８ｂ、第１冷却ピン１８０ａ、第２冷却ピン１８０ｂは、多角柱状でもよいし、錐体状であってもよい。また、第１冷却ピン１８ａと第２冷却ピン１８ｂ、または、第１冷却ピン１８０ａと第２冷却ピン１８０ｂとは、同じ形状でなくてもよい。すなわち、表面積が異なっていてもよく、例えば、第１冷却ピン１８ａと第２冷却ピン１８ｂ、または、第１冷却ピン１８０ａと第２冷却ピン１８０ｂとで、長さや、太さが異なっていてもよい。

また、第１冷却ピン１８ａ、１８０ａと、第２冷却ピン１８ｂ、１８０ｂとは、同じ素材であってもよいし、異なる素材であってもよい。

また、上記実施形態および変形例では、コンデンサ素子３２がゲートドライブ基板５２よりも耐熱温度が低い場合に、コンデンサ素子３２を冷却する第１冷却ピン１８ａまたは第１冷却ピン１８０ａの合計の表面積を、ゲートドライブ基板５２を冷却する第２冷却ピン１８ｂまたは第２冷却ピン１８０ｂの合計の表面積よりも大きくする場合を示したが、本発明はこれに限定されるものではない。

すなわち、コンデンサ素子３２がゲートドライブ基板５２よりも耐熱温度が高い場合には、コンデンサ素子３２を冷却する第１冷却ピン１８ａまたは第１冷却ピン１８０ａの合計の表面積を、ゲートドライブ基板５２を冷却する第２冷却ピン１８ｂまたは第２冷却ピン１８０ｂの合計の表面積よりも小さくすればよい。

また、パワーモジュール５０を優先して冷却することができるように、コンデンサ３０、３０ａを冷却機構１０の上部に配置し、パワーモジュール５０、５０ａを冷却機構１０の下面側に配置することができる。すなわち、コンデンサ３０、３０ａと、パワーモジュール５０、５０ａとは、少なくとも、冷却機構を介して対向するように設けられれば良い。

本発明は、インバータに利用できる。

１０冷却機構
１８ａ、１８０ａ第１冷却ピン
１８ｂ、１８０ｂ第２冷却ピン
２０収容部
２２樹脂
３０、３０ａコンデンサ
３４中空部
５０、５０ａパワーモジュール
１００、１００ａインバータ

Claims

内部を冷媒が流通し、第１冷却ピンと第２冷却ピンとが形成された冷却機構と、
前記冷却機構の一方の面側に設けられ、前記第１冷却ピンによって冷却されるコンデンサと、
前記冷却機構の他方の面側に設けられ、前記第２冷却ピンによって冷却されるパワーモジュールと、
を備え、
前記第１冷却ピンの合計の表面積と、前記第２冷却ピンの合計の表面積とが異なることを特徴とするインバータ。
前記第１冷却ピンの個数が、前記第２冷却ピンの個数よりも多いことを特徴する請求項１に記載のインバータ。
前記コンデンサは、前記冷却機構の下面側に設けられ、
前記パワーモジュールは、前記冷却機構の上面側に設けられる請求項１または２に記載のインバータ。
前記コンデンサの耐熱温度は、前記パワーモジュールの耐熱温度よりも低い請求項３に記載のインバータ。
前記冷却機構の下面には、前記コンデンサを収容する収容部が設けられ、
前記第１冷却ピンには、前記収容部と連通する中空部が形成され、
前記収容部および前記中空部に充填される樹脂によって前記コンデンサが前記冷却機構に対して固定される請求項１から４のいずれか一項に記載のインバータ。