JP7516294B2 - 電力変換ユニットおよび電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換ユニットおよび電力変換装置に関する。

近年の地球温暖化問題への意識の高まりや、ＣＯ_２排出量の削減のために、ハイブリッド自動車や電気自動車の普及が進んでいる。乗り物等の動力源は、電動化によって、化石燃料を必要とするエンジンからモータに代わる。動力源としてのモータは、化石燃料を使用しない場合、ＣＯ_２排出量が少なくなるため、地球温暖化の抑制に貢献すると期待されている。

モータを動力源とする場合、モータの回転を制御するための電力変換装置が必要となる。電力変換装置は、ハイブリッド自動車や電気自動車の他、その他の製品でも、モータの稼働効率の向上に必要不可欠である。一般に、電力変換装置は、電力を利用するモータや、電力を貯める蓄電池等の主機に対して、補機として備えられている。

現在、動力源としてのモータ、蓄電池等の普及に伴って、主機を含めた動力システム全体について、小型化や軽量化が求められている。そのため、電力変換装置についても、小型化や軽量化が望まれている。また、モータ、蓄電池等が普及すると、モータ、蓄電池等の使用環境も拡大することが想定される。そのため、電力変換装置には、様々な使用環境に対応した性能が望まれている。

例えば、標高が１００ｍ高くなる毎に、気温は約０．６℃ずつ下がる。低温では、結露が生じ易くなるため、回路の短絡、回路素子の劣化や破損、材料の劣化や変質等が起こり易くなる。また、標高が高い使用環境では、温度だけでなく、気圧も低くなるため、低地とは異なる性能が要求される。低気圧下では、パッシェンの法則にしたがって放電が起こり易くなることが知られている。

電力変換装置は、低温劣化、熱劣化、熱応力や、短絡、絶縁破壊等が生じ易い環境においても、所望の動作を長期間にわたって持続できるように、信頼性が高い設計とすることが望まれる。常温・常圧から逸脱した温度・気圧や、温度変化・気圧変化に対して耐性が高い設計であれば、同一仕様の装置を種々の環境で使用できるため、装置の量産性やコスト効率の改善が期待される。

特許文献１～３には、電力変換装置の小型化に関連する技術が記載されている。

特開２０２０－１７８４０６号公報（段落０００６、図２等） 特開２０２０－０７７７６３号公報（段落００１０、図２等） 特開２０１４－０５０１１３号公報（段落００１０、図６等）

電力変換装置について、軽量化や小型化が望まれている。また、常温・常圧から逸脱した温度・気圧や、温度変化・気圧変化に対して耐性が高い構造が求められている。このような性能は、装置の量産性やコスト効率の観点から、同一仕様の装置が本質的に備えることが望まれる。

特許文献１～３に記載された技術では、装置に内蔵された発熱部品を冷却するために、放熱に関係する構造を改良している。しかし、特許文献１～３に記載された装置は、内部から外部への放熱性は改善されるものの、装置が置かれる外部環境からの影響に対して、信頼性が十分に確保される構造になっているとはいえない。また、装置の軽量化に関して、大きな改善の余地がある。

そこで、本発明は、常温・常圧から逸脱した温度・気圧においても動作の信頼性が高く、材料の選択次第では軽量化も可能な電力変換ユニット、および、それを備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る電力変換ユニットは、冷却媒体が流される冷却部と、前記冷却部の一方に配置された入力側電力変換部と、前記入力側電力変換部に対して前記冷却部を挟んで対向して配置された出力側電力変換部と、前記冷却部、前記入力側電力変換部および前記出力側電力変換部を覆う筐体と、を備え、前記入力側電力変換部および前記出力側電力変換部は、スイッチング素子と、回路基板と、を有し、前記筐体が多孔質であり、前記筐体の比較トラッキング指数（ＣＴＩ）が１７５Ｖ以上である。

また、本発明に係る電力変換装置は、前記の複数の電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットを収容して支持するフレームと、を備え、前記フレーム内に支持された複数の前記電力変換ユニットが、互いに直列または並列に電気的に接続されている。

本発明によれば、常温・常圧から逸脱した温度・気圧においても動作の信頼性が高く、材料の選択次第では軽量化も可能な電力変換ユニット、および、それを備えた電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る電力変換ユニットを前面側から視た斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換ユニットを後面側から視た斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換ユニットの横断面図である。 電力変換ユニットに内蔵される回路の一例を示す図である。 筐体を前面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。 筐体を後面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。 分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す上面図である。 分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す断面図である。 本発明の変形例に係る電力変換ユニットの横断面図である。 筐体を前面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。 筐体を後面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。 分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す上面図である。 分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す断面図である。 筐体を後面側から視た筐体のリブ構造の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置を前面側から視た斜視図である。

以下、本発明の一実施形態に係る電力変換ユニット、および、それを備えた電力変換装置について、図を参照しながら説明する。なお、以下の各図において、共通する構成については同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換ユニットを前面側から視た斜視図である。図２は、本発明の実施形態に係る電力変換ユニットを後面側から視た斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る電力変換ユニットの横断面図である。図３は、図１の二点鎖線における断面図に相当する。
図１～図３に示すように、本実施形態に係る電力変換ユニット１は、外郭を形成する筐体２と、入力された電力を変換する入力側電力変換部３と、電力を変換して出力する出力側電力変換部４と、発熱部品の冷却を行う冷却部５と、を備えている。電力変換ユニット１は、電力変換の一例として、ＡＣ／ＤＣ変換を行う装置とされている。

筐体２は、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５を収容している。筐体２は、これらの内蔵物の全部、ないし、端子等を除いた一部を覆う。本実施形態に係る電力変換ユニット１は、後記するように、筐体２を、電気抵抗率が高い樹脂で形成し、樹脂マトリクス中の気孔が主として閉気孔（独立気泡）で構成された多孔質とするものである。

図１に示すように、筐体２の前面側には、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂが設けられている。貫通孔２１ａ，２１ｂからは、冷却管５１，５２が、筐体２の内部から外部に引き出されている。図１において、冷却管用の貫通孔としては、二つの冷却管５１，５２に対応して、左側の貫通孔２１ａと右側の貫通孔２１ｂの二つが設けられている。

冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂは、筐体２の前面の鉛直方向における中央付近に、水平に並列している。冷却管５１，５２の先端側は、筐体２の外部に露出している。冷却管５１，５２は、冷却媒体が流される管路を形成しており、配管、チューブ等を介して、冷却ユニットと接続可能とされている。冷却管５１，５２のうち、一方は入口側、他方は出口側とされる。

冷却ユニットは、冷却媒体を電力変換ユニット１に流す装置であり、電力変換ユニット１の作動中や待機中等に、電力変換ユニット１に接続される。冷却ユニットは、電力変換ユニット１の作動中や待機中等に、低温の冷却媒体を電力変換ユニット１に供給し、受熱した高温の冷却媒体を電力変換ユニット１から回収する。

図２に示すように、筐体２の後面側には、端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂが設けられている。貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂからは、入力端子３１，３２および出力端子４１，４２が、筐体２の内部から外部に引き出されている。図２において、端子用の貫通孔としては、二つの入力端子３１，３２に対応して、左側の貫通孔２２ａと右側の貫通孔２２ｂの二つが設けられている。また、二つの出力端子４１，４２に対応して、左側の貫通孔２３ａと右側の貫通孔２３ｂの二つが設けられている。

入力端子３１，３２が引き出される貫通孔２２ａ，２２ｂは、筐体２の後面の鉛直方向における上側、且つ、水平方向における片側に、略水平に並列している。出力端子４１，４２が引き出される貫通孔２３ａ，２３ｂは、筐体２の後面の鉛直方向における下側、且つ、水平方向における反対側に、略水平に並列している。端子３１，３２，４１，４２の先端側は、筐体２の外部に露出している。端子３１，３２，４１，４２は、配線を介して、電源、モータ、蓄電池等の主機等と接続可能とされている。

端子３１，３２，４１，４２の材料としては、電気抵抗率が低い材料、例えば、銅、銀、アルミニウム等の金属や、これらの合金を用いることができる。また、ユニットを耐食性が要求される使用環境で用いる場合、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス鋼等を用いることもできる。端子の表面には、腐食の防止のために、メッキ処理を施してもよい。メッキ処理としては、金メッキ、銀メッキ、錫メッキ等を用いることができる。

ＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換ユニット１において、入力端子３１，３２に交流電力を入力すると、筐体２に内蔵された入力側電力変換部３および出力側電力変換部４で波形が変換されて、出力端子４１，４２から直流電力が出力される。このような電力変換ユニット１は、例えば、モータ、蓄電池等の補機として用いることができる。

筐体２は、電気抵抗率が高い樹脂によって形成され、樹脂マトリクス中の気孔が主として閉気孔（独立気泡）で構成された多孔質とされる。多孔質の筐体２は、例えば、樹脂を発泡させた硬質フォーム状の発泡体や、樹脂マトリクス中に気孔を分散させた成形体として形成することができる。筐体２は、内部への温度や気圧の影響を小さくするために、主として閉気孔を有するが、一部に開気孔を有してもよい。

多孔質の筐体２を形成する方法としては、原料樹脂中にガス生成反応や熱分解反応でガスを発生させる方法、原料樹脂中にガスを注入して気孔を分散させる方法、原料樹脂を攪拌・剪断して気孔を分散させる方法、原料樹脂中にポロジェンを分散させて硬化後の略閉気孔から離脱させる方法、原料樹脂中に中空構造のフィラを分散させる方法、原料樹脂中に高嵩密度のフィラを分散させて攪拌・剪断して気孔を分散させる方法等、適宜の方法を用いることができる。

筐体２の材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、エチレン酢酸ビニル共重合体（ＥＶＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍＰＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）等を用いることができる。多孔質材を樹脂とすることで軽量化することができる。

例えば、コストを下げる場合はＰＳ、軽量性や強度が必要な場合はＰＰ、成型精度が必要な場合はＰＥ，耐衝撃性が必要な場合はＰＣ、耐熱性が必要な場合はＰＡ、ＰＩ、ＰＡＩ等を用いることができる。筐体２の材料としては、一種の樹脂を用いてもよいし、複数の樹脂によるポリマアロイを用いてもよいし、反応基等を導入した変性樹脂を用いてもよい。

これらの樹脂は、基本的に、発泡させる方法や、気泡・気孔を分散させる方法を適切に選択することによって、いずれも多孔質とすることができる。多孔質の筐体２を形成する好ましい方法は、発泡剤を添加した熱可塑性樹脂を溶融させた状態で発泡させる方法や、熱硬化性樹脂等のモノマ中に発泡剤を分散して硬化反応の過程で発泡させる方法や、これらの発泡剤に代えて中空構造のフィラを用いる方法である。これらの方法によると、発泡倍率、気孔率、密度等を、比較的安定して制御することができる。

中空構造のフィラとしては、例えば、ガラスバルーン、シリカバルーン等や、アルミナ、ジルコニア、カーボン、フライアッシュ、シラス、パーライト等で形成された中空構造の無機フィラや、架橋アクリル樹脂、架橋スチレン－アクリル樹脂等で形成された中空構造の有機フィラ等を用いることができる。高嵩密度のフィラとしては、例えば、フレーク状、多孔質状、繊維状等のフィラが挙げられる。

従来、一般的な電力変換装置の筐体は、樹脂、金属、セラミックス等を用いて非多孔質であるバルクとして形成されている。バルクの筐体は、材料の熱伝導率が高い場合、内部から外部に向けた放熱性に優れている。また、材料の電気抵抗率に応じて適切な電気絶縁性を得ることができる。また、機械的強度や密閉性を容易に確保することができる。

しかし、材料の熱伝導率が高いと、筐体の内部の温度・気圧が、装置が置かれる外部環境の温度・気圧に影響されるという問題がある。電力変換装置が、常温・常圧から逸脱した温度・気圧や、温度変化・気圧変化に晒された場合、筐体の内蔵物の動作・性能の劣化や、内蔵物の材料の性質の劣化を生じる。また、バルク状の筐体は、材料によっては高重量となるため、軽量化の点で不利になる。

これに対し、本実施形態に係る電力変換ユニット１では、筐体２を、樹脂マトリクス中の気孔が主として閉気孔（独立気泡）で構成された多孔質とするため、非多孔質であるバルクの場合や、開気孔で構成される多孔質の場合と比較して、ユニットが置かれる外部環境の常温・常圧から逸脱した温度・気圧や、温度変化・気圧変化に対して高い耐性が得られる。筐体内の内部環境は、外部環境の温度・気圧に影響され難くなるため、装置が置かれる外部環境に対して内部環境が平常に保たれ易くなる。

そのため、電力変換ユニット１によると、外部環境を原因とする低温劣化、熱劣化、熱応力や、低気圧下の放電による短絡、絶縁破壊等を生じ難くすることができる。筐体の内蔵物の動作・性能や、内蔵物の材料の性質を、長期間にわたって維持することが可能になり、長期間にわたる動作の信頼性が高いユニットが得られる。また、バルクの樹脂等を用いる場合と比較して、筐体の密度が小さくなるため、ユニットを軽量化することができる。

図３に示すように、入力側電力変換部３および出力側電力変換部４は、それぞれ、回路基板１０や、回路基板１０上に実装されたスイッチング素子１１、共振コンデンサ１５（図４参照）、平滑コンデンサ１６（図４参照）等の回路素子や、放熱部材１２等で構成される。回路素子同士は、配線を介して互いに電気的に接続されて、入力端子３１，３２と出力端子４１，４２との間に所定の回路を形成する。

入力側電力変換部３の回路基板１０には、入力端子３１，３２の基端側が電気的に接続される。出力側電力変換部４の回路基板１０には、出力端子４１，４２の基端側が電気的に接続される。すなわち、入力端子３１，３２および出力端子４１，４２は、それぞれ、回路基板１０上の回路素子と電気的に接続される。

回路素子は、筐体２の内部に露出する端子、ボンディングワイヤ等の表面に絶縁処理を施される。絶縁処理は、電気絶縁性、防湿性、防塵性等を示す被膜を形成可能なコーティング材を用いて行う。コーティング材を用いると、端子間、配線間等における放電が抑制されるため、ユニットの動作安定性を向上し、故障を低減することができる。

コーティング材としては、非接着性のゲルではなく、自己接着性のエラストマを用いることが好ましい。非接着性のゲルは、低温環境や低気圧環境で、割れ、破裂、気泡等を生じるため、部分放電を起こし、絶縁破壊する虞がある。また、内包された気泡が低気圧環境で膨張するため、容易に剥離する。これに対し、液状ゴムの硬化物等の自己接着性のエラストマは、低温環境や低気圧環境であっても、剥離し難く、部分放電を起こし難い被膜を形成するため、安定した電気絶縁性、防湿性、防塵性等を確保することができる。

コーティング材としては、室温における未硬化状態で流動性を有する材料が好ましく、オルガノポリシロキサンを主成分とするシリコーンが好ましい。コーティング材としては、付加反応型、縮合反応型等のいずれを用いることもできるが、硬化反応に伴う気泡の生成を避ける観点等から、付加反応型を用いることが好ましい。

コーティング材の具体例としては、ＳＹＬＧＡＲＤ１８４、ＳＨ８５０、ＳＥ１８１６ＣＶ、ＳＥ１８１７ＣＶＭ（東レ・ダウコーニング社製）や、ＫＥ－１２０４、ＫＥ－１２８２、ＫＥ－１０９Ｅ、ＫＥ－１８４６、ＫＥ－１８８６（信越シリコーン社製）等が挙げられる。

図３に示すように、入力側電力変換部３と出力側電力変換部４は、筐体２の内部に、冷却部５を挟んで対向して配置される。入力側電力変換部３は、冷却部５を挟んで冷却部５の一方の側に配置される。出力側電力変換部４は、冷却部５を挟んで冷却部５の他方の側に配置される。このような配置によると、電力変換部同士の電気絶縁性や、各電力変換部から冷却部５への放熱性が確保され易くなる。

筐体２の内蔵物である入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５は、例えば、回路基板１０が水平方向に向いて互いに鉛直方向に積層されるように配置することができる。このような配置によると、内蔵物の荷重による筐体２への圧力が小さくなるため、多孔質である筐体２の部分的な圧縮、破損等を低減することができる。

スイッチング素子１１等の回路素子は、ユニットの作動中、それ自体の抵抗によってジュール熱を生じる発熱部品となる。回路上の発熱は、回路素子や材料に熱劣化、熱応力等を生じ、誤作動や経年劣化に繋がる。そのため、発熱部品は、冷却部５による冷却対象となり、ユニットの作動中や待機中等に、冷却部５によって除熱される。

放熱部材１２は、熱伝導率が高い材料で形成される。放熱部材１２は、入力側電力変換部３および出力側電力変換部４のそれぞれにおいて、スイッチング素子１１等の回路素子と冷却路形成部材５３との間を熱的に接続する。放熱部材１２は、板状の放熱板等として設けることができる。放熱部材１２は、一面がスイッチング素子１１等の回路素子の表面と面接触し、他面が冷却路形成部材５３と面接触するように配置できる。

放熱部材１２によると、スイッチング素子１１等の回路素子と放熱部材１２との間や、放熱部材１２と冷却路形成部材５３との間が、互いに熱的に接続されるため、回路基板１０上の発熱部品から放熱部材１２を経由して冷却路形成部材５３まで、放熱性に優れた伝熱経路を形成することができる。放熱部材１２と発熱部品との間や、放熱部材１２と冷却路形成部材５３との間には、熱伝導率が高い放熱グリス等が追加されてもよい。

放熱部材１２の材料としては、銅、アルミニウム、金、銀等の金属や、これらの合金や、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ケイ素等の無機物や、高熱伝導性の樹脂材料を用いることができる。高熱伝導性の樹脂材料としては、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の熱伝導率が高いフィラを添加したエポキシ樹脂等が挙げられる。

放熱部材１２は、電気抵抗率が高い絶縁材料で形成することが好ましい。電気抵抗率が低い放熱部材１２を用いる場合、電気抵抗率が高い冷却路形成部材５３を用いることが好ましい。

また、放熱部材１２は、回路基板１０に平行な幅をスイッチング素子１１等の発熱部品よりも大きく設け、発熱部品の表面全体を覆うように中央寄りに配置することが好ましい。このような配置によると、発熱部品から放熱部材１２への伝熱経路を回路基板１０に平行な方向に拡大させて、発熱部品からの放熱性を向上させることができる。

図３に示すように、冷却部５は、冷却路形成部材５３と、冷却媒体が流される冷却路５４によって構成される。冷却路５４は、冷却路形成部材５３の内部に形成される。冷却媒体としては、例えば、必要に応じて腐食抑制剤、脱酸素剤等を添加した水や、エチレングリコール、プロピレングリコール等が配合された不凍液等、適宜の媒体を用いることができる。

冷却路形成部材５３は、熱伝導率が高い材料で形成される。冷却路形成部材５３は、筐体２の内部の空間に嵌まるように、空間の幅と同程度の直方体状等の外形に設けることができる。冷却路形成部材５３の側面には、冷却管５１，５２が、外側に突出するように設けられる。冷却管５１，５２は、冷却路形成部材５３の外部と内部の冷却路５４とを連通する貫通孔を形成する。

冷却路形成部材５３や冷却管５１，５２の材料としては、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金等の軽合金や、銅、銅合金等や、バルク状の樹脂等を用いることができる。冷却路形成部材５３の材料としては、冷却能力の向上や、ユニットの軽量化の観点からは、熱伝導率が高く、且つ、密度が小さい材料が好ましく、軽合金が特に好ましい。

冷却路５４は、冷却路形成部材５３の内部に、任意の経路や流路形状に設けることができる。冷却路５４は、入出口としての冷却管５１，５２に連通し、入出口を除いて液密性が確保される。冷却路５４は、冷却路形成部材５３の内部に、単一の流路を有してもよいし、複数の流路を有してもよい。複数の流路は、例えば、電力変換部毎に隣接させて対称的に設けることができる。

冷却管５１，５２には、配管、チューブ等を介して冷却ユニットを接続することができる。冷却媒体は、一方の冷却管を通じて冷却路形成部材５３の内部に導入できる。冷却路５４を通流して熱を奪った冷却媒体は、他方の冷却管を通じて冷却ユニットに排出できる。冷却媒体は、電力変換ユニット１の作動中や待機中等に、冷却路５３と冷却ユニットとの間で循環させることができる。

このような冷却部５の構造によると、ユニットの作動中にスイッチング素子１１等の発熱部品に生じた熱が、放熱部材１２に伝熱し、放熱部材１２から冷却路形成部材５４に伝熱する。冷却路形成部材５４の熱は、冷却路５３に流される冷却媒体によって抜熱される。冷却路形成部材５４から受熱した冷却媒体は、一方の冷却管５１，５２を通じて筐体２の外部に排出される。

そのため、このような冷却部５によると、スイッチング素子１１等の発熱部品を強制的に冷却することができる。筐体の内外を貫通する放熱部材を設ける自然放熱の方式と比較して、高い冷却能力を得ることができる。また、筐体２の内部の熱を外部に排熱するため、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂや端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを除いて、筐体２を断熱的な構造に設けることができる。

筐体２の内部には、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４、冷却部５等の内蔵物を収容する空間が設けられる。入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５は、筐体２の内部に収容して固定することができる。これらの内蔵物は、筐体２に対して着脱自在に固定されてもよいし、取り外し不能に固定されてもよい。

筐体２への固定法としては、筐体２の内側に嵌め込む方法、接着剤等を用いて筐体２に接着させる方法、ボルト等の接合部品を用いて筐体２に機械的に接合する方法等、適宜の方法を用いることができる。

筐体２の内側に嵌め込む方法を用いる場合や、筐体２に接着させる方法を用いる場合、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４、冷却部５等の内蔵物を、筐体２の内部の空間のサイズと同等か、または、締め代を付加したサイズに設ける。嵌め込む方法によると、接着剤や接合部品を用いなくとも、固定および取り外しを簡便に行うことができる。また、内蔵物を筐体２に密接させると、多孔質である筐体２が振動や衝撃に対する緩衝材として機能するため、内蔵物の故障を防ぐことができる。

図３において、筐体２の内部の空間には、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４、冷却部５等の内蔵物を除いた領域に、空気が入っている。筐体２は、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂや端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを除いて、内部の気密性が高い構造に設けられることが好ましい。これらの貫通孔と冷却管や端子との間の隙間は、コーキング材、パッキン等で密閉されることが好ましい。

筐体２が気密性が高い構造であると、ユニットが置かれる外部環境、例えば、常温や常圧から逸脱した温度や気圧、温度変化や気圧変化に対して耐性が高くなる。外部環境に対して内部環境が平常に保たれ易くなるため、筐体の内蔵物の動作・性能の劣化や、内蔵物の材料の性質の劣化を抑制することができる。また、筐体２の内部に塵埃や湿分等が侵入し難くなるため、トラッキングによる絶縁破壊を抑制することができる。

図４は、電力変換ユニットに内蔵される回路の一例を示す図である。
図４に示すように、電力変換ユニット１に内蔵される回路は、入力側電力変換部３と出力側電力変換部４によって形成される。入力側電力変換部３と出力側電力変換部４とは、高周波トランス１９を介して電磁気的に結合している。

ＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換ユニット１において、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および高周波トランス１９は、ＡＣ－ＤＣコンバータと共振形のＤＣ－ＤＣコンバータを形成している。高周波トランス１９は、筐体２の内部の空間のうち、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５の側方（図３の手前側または奥側）等に収容することができる。

入力側電力変換部３は、第１ブリッジ回路部１３ａや、第２ブリッジ回路部１３ｂや、共振コンデンサ１５や、平滑コンデンサ１６や、高周波トランス１９の一次コイルを備えている。出力側電力変換部４は、第３ブリッジ回路部１３ｃや、平滑コンデンサ１６や、高周波トランス１９の二次コイルを備えている。

ブリッジ回路部１３ａ，１３ｂ，１３ｃは、それぞれ、スイッチング素子１１と、逆並列に接続された還流ダイオードによって、フルブリッジ型回路として形成されている。スイッチング素子１１としては、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧａＮ、Ｓｉ、ＳｉＣ等の半導体素子を用いることができる。

第１ブリッジ回路部１３ａは、入力側電力変換部３の入力側の正負端子間に電気的に接続されている。第１ブリッジ回路部１３ａには、平滑コンデンサ１６が並列に接続されている。入力側電力変換部３の平滑コンデンサ１６には、第２ブリッジ回路部１３ｂが並列に接続されている。第２ブリッジ回路部１３ｂの中点には、共振回路が並列に接続されている。

共振回路は、高周波トランス１９の一次コイルと、共振コンデンサ１５を備えている。高周波トランス１９の一次コイルは、入力側電力変換部３の正負端子間に電気的に接続されている。高周波トランス１９の二次コイルは、出力側電力変換部４の正負端子間に電気的に接続されている。

高周波トランス１９の二次コイルには、第３ブリッジ回路部１３ｃの中点が並列に接続されている。第３ブリッジ回路部１３ｃには、平滑コンデンサ１６が並列に接続されている。出力側電力変換部４の平滑コンデンサ１６は、出力側電力変換部４の出力側の正負端子間に電気的に接続されている。

第１ブリッジ回路部１３ａには、入力端子３１，３２を介して、電源から交流電流が入力される。入力された交流電流は、全波整流されて直流電流に変換される。第２ブリッジ回路部１３ｂでは、直流電流が方形波等の交流電流に変換される。高周波トランス１９は、交流電流を高周波に変換する。共振コンデンサ１５は、共振によりスイッチング時の電流・電圧を下げて、スイッチング損失を低減する。第３ブリッジ回路部１３ｃでは、交流電流が直流電流に変換される。

図４に示す回路によると、共振形のＤＣ－ＤＣコンバータによってスイッチング損失が低減されるため、周波数が高い場合であっても、電力の損失を抑制しつつＡＣ／ＤＣ変換することができる。また、電力の損失を抑制して高周波数に変換できるため、高周波トランス１９に大型のコアを用いる必要がなく、トランスの小型化が可能になる。そのため、電力変換ユニット１に内蔵すると、ユニットの小型化および軽量化を図ることができる。

ここで、電力変換ユニット１や筐体２の具体的な性能等について説明する。

電力変換ユニット１において、入力側電力変換部３や、出力側電力変換部４や、筐体２の外部に引き出された入力端子３１，３２や出力端子４１，４２は、互いに電気的に絶縁する必要がある。また、端子間、配線間等の短絡だけでなく、材料中で起こる部分放電も防止する必要がある。

部分放電は、材料中の空隙等で起こる回路動作に不要な放電であり、材料の電気絶縁性の低下や、回路素子等の故障の要因となる。材料が多孔質である場合、材料中に空隙が存在するため、材料中で部分放電が起こって材料の性質を劣化させる。電気抵抗率が高い樹脂であっても、絶縁破壊が起こる虞があるため、絶縁性能や絶縁設計が必要になる。

日本産業規格 ＪＩＳ Ｃ６１８００－５－１：２０１６や、国際電気標準会議規格 ＩＥＣ ６１８００－５－１：２００７には、固体絶縁物の沿面距離について規定されている。沿面距離は、固体絶縁物の表面に沿った距離として定義されている。沿面距離は、固体絶縁物の長期使用による劣化を考慮して、動作電圧、汚損度および絶縁材料グループに応じて段階的に規定されている。

汚損度は、空気中における塵埃等の汚染物の存在や汚染物の導電性に応じて、１～４の段階に分類されている。絶縁材料グループは、比較トラッキング指数（Comparative tracking Index：ＣＴＩ）に応じて、グループＩ（ＣＴＩ≧６００Ｖ）、グループＩＩ（６００Ｖ＞ＣＴＩ≧４００Ｖ）、グループＩＩＩａ（４００Ｖ＞ＣＴＩ≧１７５Ｖ）、グループＩＩＩｂ（１７５Ｖ＞ＣＴＩ≧１００Ｖ）に分類されている。

汚損度１は、汚損がないか、または、乾燥した非導電性の汚損だけが発生する状態であり、絶縁への影響はない状態である。汚損度２は、非導電性の汚損だけが発生する状態であり、装置の停止時に結露によって一時的に導電性を持つことが予想される状態である。汚損度３は、導電性の汚損、または、予想される結露によって導電性となる乾燥した非導電性の汚損が発生する状態である。汚損度４は、導電性の塵埃、雨、雪等によって持続的な導電性を生じる汚損が発生する状態である。

比較トラッキング指数（ＣＴＩ）は、ＪＩＳ Ｃ ２１３４やＩＥＣ６０１１２に準拠して測定される。ＣＴＩの測定は、一対の白金電極を先端側が所定の間隔で近接するように傾斜させた試験装置で行う。試験装置の電極間に所定の電解液を所定の時間間隔で滴下し、電極間への電圧の掃引に対して、トラッキングによる絶縁破壊を生じない最高電圧を求める。最高電圧の範囲に応じて汚損度毎の絶縁材料グループが定められる。

電力変換ユニット１の動作電圧は、特に限定されるものではないが、高出力が要求される用途にも用いる観点等から、８００Ｖ以上であることが好ましく、１２５０Ｖ以上であることがより好ましい。また、動作電圧は、２５００Ｖ以下や、１２５０Ｖ以下とすることができる。８００Ｖ以上の動作電圧の範囲では、汚損度が３である場合、絶縁材料グループＩＩＩｂが非推奨とされている。そのため、電力変換ユニット１の筐体２は、絶縁材料グループが、Ｉ、ＩＩまたはＩＩＩａであることが好ましい。

すなわち、電力変換ユニット１の筐体２は、ＩＥＣ６０１１２に準拠して測定される比較トラッキング指数（ＣＴＩ）が、１７５Ｖ以上であることが好ましい。このような性能であると、動作電圧が８００Ｖ以上の高電圧であっても、多孔質である筐体２の表面等で部分放電を抑制することができる。筐体２の表面に開気孔があっても、筐体２の劣化や絶縁破壊が起こり難くなり、種々の環境で使用できる信頼性が高いユニットが得られる。

電力変換ユニット１において、固体絶縁物の沿面距離は、使用環境に応じて設計できるが、２０ｍｍ以上とすることが好ましい。すなわち、入力端子３２と出力端子４１との間の沿面距離や、入力端子３１と入力端子３２との間の沿面距離や、出力端子４１と出力端子４２との間の沿面距離は、２０ｍｍ以上が好ましい。このような設計であると、汚損度が３である環境を含め、種々の環境で端子周辺の絶縁性能を確保することができる。

電力変換ユニット１の使用温度は、特に限定されるものではないが、－４０℃以上５０℃以下であることが好ましい。このような範囲であると、多孔質である筐体２によって内部の温度を適切に保つことができる。常温から逸脱した温度や、温度変化を緩和して、筐体の内蔵物の動作・性能や、内蔵物の材料の性質を正常に保てるため、ユニットの劣化、故障等を抑制することができる。

電力変換ユニット１の使用環境は、特に限定されるものではないが、海抜高度０ｍ未満や０ｍ以上５０００ｍ未満の低中高度や、５０００ｍ以上１５０００ｍ以下の高高度や、これらの高度に対応する気圧下等が挙げられる。海抜高度０ｍに対して、５０００ｍでは約３０℃の気温低下、１００００ｍでは約６０℃の気温低下を生じる。このような使用環境であっても、多孔質である筐体２によって内部の気圧を適切に保つことができる。常圧から逸脱した気圧や、気圧変化を緩和して、筐体の内蔵物の動作・性能や、内蔵物の材料の性質を正常に保てるため、ユニットの劣化、故障等を抑制することができる。

筐体２の電気抵抗率は、１０^１２Ω・ｍ以上であることが好ましい。筐体２の熱伝導率や厚さは、特に限定されるものではない。筐体２の熱伝導率は、使用環境の温度、温度変化等に応じて、適宜の設計とすることができる。筐体２の厚さは、使用環境の温度、温度変化、気圧、気圧変化、内蔵物の重量、内蔵物の荷重面積等に応じて、適宜の設計とすることができる。筐体２の厚さは、各面毎に異なっていてもよいし、面内の部分毎に異なっていてもよい。

筐体２の熱伝導率は、０．１０Ｗ／ｍＫ未満であることが好ましく、０．０５Ｗ／ｍＫ未満であることがより好ましい。ユニットが極端な低温環境や高温環境に置かれたり、極端な温度変化に晒されたりすると、回路素子が誤作動や劣化を生じる。多孔質である筐体２の熱伝導率が０．１０Ｗ／ｍＫ未満であると、バルクの樹脂で形成された一般的な筐体と比較して、内部の温度を適切に保つことができる。

例えば、バルクの樹脂の熱伝導率は、断熱材として汎用されているポリスチレンの場合、常温付近で０．１０Ｗ／ｍＫ程度である。筐体２の材料として、変性ポリフェニレンエーテル（ｍＰＰＥ）の発泡体を用いる場合、発泡倍率を１０倍、密度を０．１ｇ／ｃｍ^３、厚さを５ｍｍとすると、筐体２の熱伝導率が０．０３４Ｗ／ｍＫ程度まで下がることが、試作品を用いた試験で確認されている。

すなわち、発泡倍率を１０倍以上に発泡させたｍＰＰＥは、断熱材として汎用されているバルクのポリスチレンと比較して、熱伝導率が１／３程度に抑制される。熱量の移動速度は、同じ厚さで比較すると１／３程度になり、同じ重量で比較すると１／５程度になる。よって、或る程度の閉気孔が保たれる範囲で、発泡倍率、密度等を調整し、熱伝導率を低くすると、筐体の内部の温度変化の速度を遅くして、故障の確率を低下させることができる。

筐体２の厚さは、５ｍｍ以上であることが好ましい。筐体２の内蔵物の重量が２ｋｇであり、内蔵物による荷重によって筐体２の底部上面にかかる圧力が０．２ＭＰａである場合、密度０．１ｇ／ｃｍ^３のｍＰＰＥの発泡体を用いると、５ｍｍの厚さで内蔵物を支えれることが、試作品を用いた試験で確認されている。ｍＰＰＥは、成形性、機械的強度、難燃性、耐薬品性等に優れた材料である。

筐体２の密度は、０．９ｇ／ｃｍ^３未満であることが好ましい。ポリエチレンは、合成樹脂の中でも密度が低く、バルクの密度が０．９ｇ／ｃｍ^３程度である。筐体２の材料としてバルクのポリエチレンを用いる場合、ユニット全体に対する筐体２の重量割合は、５９％程度となる。密度が０．９ｇ／ｃｍ^３未満であれば、筐体２の重量割合が従来よりも低くなるため、ユニットが軽量化される。例えば、密度が０．１ｇ／ｃｍ^３の発泡体では、筐体２の重量割合が、約６％まで低減する。

なお、多孔質である筐体２は、発泡倍率を高くしたり、密度を低くしたりすると、軽量化が進む一方で、曲げ強度等の機械的強度が低くなる。そのため、筐体２は、内蔵物の重量、内蔵物の荷重面積等に応じて、或る程度の厚さに設ける必要がある。但し、厚さが増加すると、ユニット全体としての体積が大きくなり、ユニットの小型化が妨げられる。よって、筐体２の厚さや密度は、内蔵物の重量、内蔵物の荷重面積等に応じて、必要とされる性能の範囲で設定することが好ましい。

図５は、筐体を前面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。図６は、筐体を後面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。図５と図６は、同一の筐体を示す。
図５および図６に示すように、多孔質とされる電力変換ユニットの筐体は、一つの面で二つの部材に分割可能な二つ割れの分割構造に設けることができる。

図５および図６において、二つ割れの分割構造の筐体２Ａは、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを通る一つの面で分割可能とされている。図中の符号１１０は、筐体２Ａを構成する部材同士が分割される分割面を表し、且つ、部材同士が接合時に突き合わされる突合面を表す。

図５に示すように、筐体２Ａの前面側には、前面の鉛直方向における中央付近に、冷却管５１，５２を引き出すための貫通孔２１ａ，２１ｂを設けることができる。また、図６に示すように、筐体２Ａの後面側には、後面の鉛直方向における上側、且つ、水平方向における片側に、入力端子３１，３２を引き出すための貫通孔２２ａ，２２ｂを設けることができる。また、後面の鉛直方向における下側、且つ、水平方向における反対側に、出力端子４１，４２を引き出すための貫通孔２３ａ，２３ｂを設けることができる。このような貫通孔の配置は、電気絶縁のための沿面距離や空間距離の確保や、各内蔵物を異なる高さに収容して個別に固定および取り外し自在とするのに適している。

二つ割れの分割構造の筐体２Ａは、鉛直方向の下側に位置する下部材２０ａと、鉛直方向の上側に位置する上部材２０ｂとによって形成されている。下部材２０ａと上部材２０ｂは、略直方体状の筐体２Ａを、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを通る一つの分割面１１０で分割可能なように、貫通孔の高さ毎に高さ方向の寸法が変えられている。下部材２０ａと上部材２０ｂには、それぞれ、突き合わされて貫通孔となる半柱状に切り欠かれた部分孔が形成されている。

分割構造の筐体２Ａの内部には、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４、冷却部５等の内蔵物を収容する空間が設けられる。入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５は、筐体２Ａを構成する各本体部材に予め固定してもよいし、予め固定しなくてもよい。

このような分割構造の筐体２Ａによると、内部の空間を容易に開閉できるため、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５の筐体２Ａへの収容や、筐体２Ａからの取り出しを簡単に行うことができる。そのため、ユニットの組み立てや、内蔵物の電気絶縁性等の試験や、内蔵物の点検や、部品の交換等を、ユニットを解体することなく、簡便に行うことができる。

特に、全ての貫通孔を通る一つの分割面で分割可能な構造に設けると、内蔵物を収容するとき、冷却管５１，５２や端子３１，３２，４１，４２を、各貫通孔に挿入することなく、内蔵物を下部材２０ａの上に置いて上部材２０ｂで閉じるだけで、外部に引き出された状態とすることができる。また、収容されている内蔵物を簡単に外部に取り出すことができる。そのため、内蔵物の収容時や取り出し時に、冷却管５１，５２や端子３１，３２，４１，４２や筐体２の破損を低減することができる。

図７Ａは、分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す上面図である。図７Ｂは、分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す断面図である。図７Ｂは、図７ＡのＩ－Ｉ線における断面図に相当する。図７Ａおよび図７Ｂには、分割構造の筐体２Ａの下部材２０ａと上部材２０ｂとの突合面１１０付近であって、四ヵ所の角部のうちの一ヵ所を拡大して例示している。
図７Ａおよび図７Ｂに示すように、分割構造の筐体は、筐体を構成する部材同士を嵌め込みで接合する構造に設けることができる。

図７Ａに示すように、分割構造の筐体２Ａにおいて、相手部材が突き合わされる突合面１１０には、係止穴２４を設けることができる。係止穴２４は、分割構造の筐体２Ａを構成する部材のうち、一方の部材の突合面１１０に、突合面１１０に対して垂直方向に開口するように設けることができる。

図７Ｂに示すように、係止穴２４が設けられた部材に突き合わされる相手部材の突合面１１０には、係止穴２４に挿入可能な突起部２５を設けることができる。突起部２５は、分割構造の筐体２Ａを構成する部材のうち、一方の部材の突合面１１０に、突合面１１０に対して垂直方向に突出するように設けることができる。

係止穴２４および突起部２５は、互いに対向する位置に、互いに嵌まり合う形状に設けられる。係止穴２４および突起部２５は、分割構造の筐体２Ａを構成する部材に対し、モールド形成した部品として接着や溶着等で接合してもよいが、分割構造の筐体２Ａを構成する部材と共に一体的に成形することが好ましい。

係止穴２４および突起部２５は、分割構造の筐体２Ａを構成する部材に対して、任意の個数を設けることができる。係止穴２４および突起部２５の上下の関係は、特に限定されるものではない。係止穴２４および突起部２５は、相手部材が突き合わされる突合面１１０の角部、突合面１１０の辺上の中間部等に設けることができる。特に、部材同士の接合の強度を高くする観点から、四ヵ所の角部と、長手方向の辺上の一ヵ所以上とに設けることが好ましい。

このように、分割構造の筐体２Ａにおいて、筐体２Ａを構成する一方の部材に突起部２５を設け、且つ、他方の部材に突起部２５を挿入して留める係止穴２４を設けると、部材同士を突き合わせ、係止穴２４と突起部２５とを嵌め合わせて、部材同士を接合させることができる。筐体２Ａを閉じた状態において、意図しない開放や、部材のずれ、脱落等を防止できるため、筐体２Ａの内蔵物を、使用環境の逸脱した温度や気圧、温度変化や気圧変化、トラッキングの要因となる塵埃や湿分等から適切に保護することができる。

なお、図７Ａおよび図７Ｂにおいて、略球状の窪みとされた突起部２５が略球状の窪みとされた係止穴２４に嵌入して、部材の動きが水平方向および鉛直方向に留められるようになっている。但し、係止穴２４や突起部２５の形状は、部材の動きが水平方向に留められる限り、特に限定されるものではない。係止穴２４および突起部２５は、嵌まり合った状態から容易に抜けないように、開口側が狭い構造や、返し、爪等が設けられることが好ましい。

図８は、本発明の変形例に係る電力変換ユニットの横断面図である。
図８に示すように、筐体が多孔質とされる電力変換ユニットは、筐体２の内部の空間に充填材７が充填された変形例に係る電力ユニット１Ａの形態とすることもできる。

変形例に係る電力変換ユニット１Ａは、前記の電力変換ユニット１と同様に、外郭を形成する筐体２と、入力された電力を変換する入力側電力変換部３と、電力を変換して出力する出力側電力変換部４と、発熱部品の冷却を行う冷却部５と、を備えている。

電力変換ユニット１Ａにおいて、筐体２の内部の空間には、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４、冷却部５等の内蔵物が収容されている。充填材７は、筐体２の内部において、内蔵物以外の空間に充填することができる。電力変換ユニット１Ａの他の構成は、前記の電力変換ユニット１と同様である。

充填材７は、電気抵抗率が高く、熱伝導率が低い材料で形成される。充填材７としては、モールド成形された樹脂や、回路素子の絶縁処理と同様のコーティング材を用いることができる。モールド成形された樹脂としては、筐体２と同様の樹脂をバルクで用いることができる。コーティング材としては、接着性のゲルを用いてもよいし、自己接着性のゴム等を用いてもよい。

充填材７は、回路基板１０と筐体２との間や、回路基板１０と放熱部材１２との間や、回路基板１０と冷却路形成部材５４との間に介在するように、筐体２の内部の空間に充填される。モールド成形された樹脂を用いる場合は、内蔵物と共に収容することができる。コーティング材を用いる場合は、内蔵物を収容した後に空間に充填して硬化させることができる。回路素子の表面、回路基板１０の表面および筐体７の内面のうちの一以上は、コーティング材で被覆することができる。

このような充填材７を充填する形態によると、空気が充填されている場合と比較して、筐体２の内蔵物への振動や衝撃を抑制することができる。空気が充填されている場合、ユニットの設置場所によっては、内蔵物に対して外部から直接的な振動や衝撃が加わる場合があり、内蔵物が劣化、破損等を生じる。これに対し、充填材７を充填すると、内蔵物の固定の強度を向上し、内蔵物への力を分散させることができる。そのため、内蔵物の劣化、破損等を抑制して、ユニットの信頼性を向上させることができる。

図９は、筐体を前面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。図１０は、筐体を後面側から視た筐体の分割構造の一例を示す斜視図である。図９と図１０は、同一の筐体を示す。
図９および図１０に示すように、多孔質とされる電力変換ユニットの筐体は、複数の面で分割可能な多層割れの分割構造に設けることもできる。

図９および図１０において、多層割れの分割構造の筐体２Ｂは、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂを通る複数の面で分割可能とされている。図中の符号１１０は、筐体２Ｂを構成する部材同士が分割される分割面を表し、且つ、部材同士が接合時に突き合わされる突合面を表す。

図９に示すように、筐体２Ｂの前面側には、前面の鉛直方向における中央付近に、冷却管５１，５２を引き出すための貫通孔２１ａ，２１ｂを設けることができる。また、図１０に示すように、筐体２Ｂの後面側には、後面の鉛直方向における上側、且つ、水平方向における片側に、入力端子３１，３２を引き出すための貫通孔２２ａ，２２ｂを設けることができる。また、後面の鉛直方向における下側、且つ、水平方向における反対側に、出力端子４１，４２を引き出すための貫通孔２３ａ，２３ｂを設けることができる。このような貫通孔の配置は、電気絶縁のための沿面距離や空間距離の確保や、各内蔵物を異なる高さに収容して個別に固定および取り外し自在とするのに適している。

多層割れの分割構造の筐体２Ｂは、本体部が四つ割れの分割構造とされており、更に、このような本体部から上面の蓋部が分割可能とされている。筐体２Ｂは、箱状の本体部を構成する本体部材２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆと、箱状の本体部の開口を覆う蓋部を構成する蓋部材２０ｇによって形成されている。蓋部材２０ｇは、開放時に内蔵物の視認を簡単に行えるように、独立して開閉可能に設けられている。

分割構造の筐体２Ｂの本体部は、鉛直方向の最下段に位置する第１本体部材２０ｃと、第２段に位置する第２本体部材２０ｄと、第３段に位置する第３本体部材２０ｅと、最上段に位置する第４本体部材２０ｆとによって構成されている。

本体部材２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆは、冷却管用の貫通孔２１ａ，２１ｂおよび端子用の貫通孔２２ａ，２２ｂ，２３ａ，２３ｂのそれぞれを通る複数の分割面１１０で分割可能なように、直方体状の外形に設けられ、互いに平行な分割面１１０を形成して積層されている。本体部材２０ｃ，２０ｄ，２０ｅ，２０ｆには、それぞれ、突き合わされて貫通孔となる半柱状に切り欠かれた部分孔が形成されている。

分割構造の筐体２Ｂの内部には、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４、冷却部５等の内蔵物を収容する空間が設けられる。入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５は、筐体２Ｂを構成する各本体部材に予め固定してもよいし、予め固定しなくてもよい。

このような分割構造の筐体２Ｂによると、入力側電力変換部３、出力側電力変換部４および冷却部５を、内部の空間に順に収容して、ユニットを組み立てることができる。また、内蔵物を個別に外部に露出させたり、個別に収容したり、個別に取り出したりすることが可能になる。特定の分割面１１０で開けると、内蔵物の電気的な接続箇所、熱的な接続箇所等の特定箇所の確認も可能になる。そのため、ユニットの組み立てや、内蔵物の電気絶縁性等の試験や、内蔵物の点検や、部品の交換等を簡便に行うことができる。

なお、図９および図１０において、分割構造の筐体２Ｂは、本体部が四つ割れの分割構造とされているが、冷却管用や端子用の貫通孔の個数、貫通孔の位置等に応じて、適宜の分割数とすることができる。また、筐体２Ｂは、蓋部が分割可能とされているが、底部が分割可能とされてもよいし、蓋部および底部が分割されず本体部のみが分割される構造とされてもよい。

図１１Ａは、分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す上面図である。図１１Ｂは、分割構造に設けられた筐体の要部を拡大した筐体の接合構造の一例を示す断面図である。図１１Ｂは、図１１ＡのＩＩ－ＩＩ線における断面図に相当する。図１１Ａおよび図１１Ｂには、分割構造の筐体２Ｂの第１本体部材２０ｃと第２本体部材２０ｄとの突合面１１０付近であって、四ヵ所の角部のうちの一ヵ所を拡大して例示している。
図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、分割構造の筐体は、筐体を構成する部材同士を接合部品による締結で接合する構造に設けることもできる。

図１１Ａに示すように、分割構造の筐体２Ｂにおいて、相手部材が突き合わされる突合面１１０には、貫通孔２６を設けることができる。貫通孔２６は、筐体２Ｂを構成する部材の突合面１１０に外側に延出するフランジを設け、フランジ上に突合面１１０に対して垂直方向に貫通するように設けることができる。

貫通孔２６は、分割構造の筐体２Ｂを構成する部材に対し、モールド形成した部品として接着や溶着等で接合してもよいが、分割構造の筐体２Ｂを構成する部材と共に一体的に成形することが好ましい。

図１１Ｂに示すように、筐体２Ｂを構成する部材同士を接合するとき、貫通孔２６には、ボルト等の接合部品２７ａを挿通する。挿通された接合部品２７ａに対し、ナット等の接合部品２７ｂを締結すると、部材同士を固定することができる。接合部品２７ａ，２７ｂとしてボルトとナットを用いると、部材同士の接合および分割を自在に行うことができる。接合部品２７ａ，２７ｂとしては、樹脂等の絶縁性の材料で形成された部品が好ましい。

貫通孔２６は、分割構造の筐体２Ｂを構成する部材に対して、任意の個数を設けることができる。貫通孔２６は、相手部材が突き合わされる突合面１１０の角部、突合面１１０の辺上の中間部等に設けることができる。特に、部材同士の接合の強度を高くする観点から、四ヵ所の角部と、長手方向の辺上の一ヵ所以上とに設けることが好ましい。

図１１Ａおよび図１１Ｂにおいて、貫通孔２６および接合部品２７ａ，２７ｂは、第１本体部材２０ｃと第２本体部材２０ｄとを接合しているが、分割構造の筐体２Ｂを構成する任意の一以上の部材を接合するように設けることができる。貫通孔２６は、複数の部材を貫通するように同心上に設けることができる。接合部品２７ａ，２７ｂは、複数の部材を貫通する長さ等に設けると、全体としての強度や剛性を向上させることができる。

また、図１１Ａにおいて、貫通孔２６は、外フランジ上に設けられているが、貫通孔２６を全部の部材を貫通するように設ける場合や、筐体２Ｂの蓋部ないし底部が分割可能に設けられる場合には、突合面１１０に内側に延出する内フランジを設け、内フランジ上に設けてもよい。また、フランジを設けることなく、筐体２Ｂの側壁を貫通するように突合面１１０上に設けてもよい。

図１１Ａおよび図１１Ｂにおいては、第１本体部材２０ｃと第２本体部材２０ｄとが互いに接合されているが、分割構造の筐体を構成する部材のうちの一以上を接合部品による締結で接合する構造に設けることができる。接合部品としては、ボルトとナットの他に、スクリュ、リベット、ピン、スナップピン、クリップ等を用いてもよい。接合方法によっては、貫通孔２６を設けることなく、クリップ等を留めるフランジ、凹部等を設けてもよい。

図１２は、筐体を後面側から視た筐体のリブ構造の一例を示す斜視図である。
図１２に示すように、多孔質とされる電力変換ユニットの筐体は、電気絶縁のための沿面距離の延長や、機械的強度の強化等の目的で、表面にリブ２８を設けることもできる。図１２では、端子間の沿面距離の延長の目的で、端子３１，３２，４１，４２が引き出される筐体２の後面側に複数のリブ２８を設けている。

リブ２８は、筐体２の本体部と共に一体的に成形される。図１２において、リブ２８は、断面視で略矩形状を呈する突条として設けられており、筐体２の外側に突出している。リブ２８は、入力端子３１，３２や出力端子４１，４２が通される貫通孔同士の間に、貫通孔同士を隔てるように複数列に設けられている。リブ２８は、筐体２の後面の下端から上端まで延びている。

図１２において、リブ２８は、筐体２の外側面に設けられているが、端子間の沿面距離を延長させる目的の場合、筐体２の内側面にも設けられることが好ましい。すなわち、入力端子３１，３２や出力端子４１，４２が通される貫通孔同士の間に、貫通孔同士を隔て、筐体２の内側にも突出するように、内外に対称的に設けられることが好ましい。

このようなリブ２８を設けると、端子間の沿面距離を、リブ２８の幅と高さを合計した距離だけ、リブ２８の表面に沿って延長させて、筐体２の耐トラッキング性を高めることができる。外部に引き出された入力端子３１，３２や出力端子４１，４２の間において、多孔質である筐体２の表面で部分放電が起こり難くなるため、表面の開気孔等を介した端子間の短絡を防止することができる。

なお、リブ２８は、リブ２８の目的に応じて、適宜の断面形状や、幅、長さ、高さに設けることができる。リブ２８の位置は、端子用の貫通孔同士の間に限定されるものではなく、リブ２８の目的に応じて、筐体２の後面、前面、下面、上面および側面のうちの一以上に設けることができる。また、筐体２の外側面、内側面、および、外側面と内側面の両方のいずれに設けることもできる。

リブ２８は、機械的強度の強化等の目的で設ける場合、一列、並列状の複数列、格子状に交差する複数列等のいずれの構造として設けてもよい。また、ブロック状等に設けて、脚構造、ダンパ構造等としてもよい。このようなリブ２８を設けると、筐体２の特定の部位について、機械的強度や剛性を高くすることができるため、外部からの振動や衝撃を緩和したり、内蔵物による荷重を支持したりすることができる。

次に、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図を参照しながら説明する。

図１３は、本発明の実施形態に係る電力変換装置を前面側から視た斜視図である。
図１３に示すように、本実施形態に係る電力変換装置１００は、複数の電力変換ユニット１と、電力変換ユニット１を収容して支持するフレーム１０１，１０２，１０３，１０４，１０５と、を備えている。電力変換装置１００は、フレーム１０１，１０２，１０３，１０４，１０５内に支持された複数の電力変換ユニット１が、互いに直列または並列に電気的に接続された構成とされている。

フレーム１０１，１０２，１０３，１０４，１０５は、左右一対の側板１０１と、天板１０２と、底板１０３と、複数の縦仕切部材１０４と、複数の横仕切部材１０５とが、組み合わされて構成されている。これらの部材は、スクリュ、ボルトとナット等の接合部品で互いに接合される。これらの部材は、金属、樹脂等の適宜の材料で形成することができる。

左右一対の側板１０１、天板１０２および底板１０３は、前面および後面が開口した直方体状の箱体を形成している。縦仕切部材１０４は、箱体の内側に縦向きに支持されており、箱体の内側を水平方向に配列した複数の空間に区画している。横仕切部材１０５は、箱体の内側に横向きに支持されており、箱体の内側を鉛直方向に配列した複数の棚部に区画している。

電力変換ユニット１は、格子状に区画された各棚部に載置ないし固定される。図１３において、電力変換ユニット１は、７段の３列に積層されているが、フレームによる段数や列数、ユニットの収容数は、特に限定されるものではない。側板１０１、天板１０２、底板１０３、縦仕切部材１０４および横仕切部材１０５は、それぞれ、一つの部材で構成されてもよいし、複数の部材で構成されてもよい。

電力変換ユニット１同士は、端子３１，３２，４１，４２に接続される配線を介して、互いに直列または並列に接続し、ユニット全体を、電源、モータ、蓄電池等の主機等と電気的に接続することができる。例えば、負極側の端子は、接地することができる。また、電力変換ユニット１は、冷却管５１，５２に接続される配管、チューブ、マニホールド等を介して、冷却ユニットと接続することができる。

このような電力変換装置１００によると、複数のユニットを備えるため、大電力の変換や電力変換機能の冗長化が実現された装置が提供される。また、複数のユニットをフレーム構造によって小さい専有面積内に収容できるため、省スペース化を図れる。また、各ユニットから引き出された冷却管５１，５２を配列させることができるため、各ユニットを強制的に冷却する効率や容易性を向上させることができる。

なお、図１３において、左右一対の側板１０１、天板１０２および底板１０３は、前面および後面が開口した直方体状の箱体を形成しているが、各ユニット同士の配線や、冷却ユニットへの接続が可能である限り、前面ないし後面が開口していない箱体や、前面ないし後面が開閉自在な扉やシート等を備える箱体としてもよい。このような箱体によると、塵埃や湿分等の侵入をより抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、技術的範囲を逸脱しない限り、様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、或る実施形態の構成の一部を他の構成に置き換えたり、或る実施形態の構成に他の構成を加えたりすることが可能である。また、或る実施形態の構成の一部について、他の構成の追加、構成の削除、構成の置換をすることも可能である。

例えば、図３、図７、図８、図１１、図１２の構成は、図５、６の分割構造、図９、１０の分割構造のそれぞれに対し、相互に組み合わせて適用することができる。図５、６、９、１０以外の分割構造に対しても同様である。前記の筐体２，２Ａは、樹脂で多孔質とされているが、電気絶縁性等の性能が損なわれない限り、筐体の外側等に金属製や樹脂製等で形成された骨格状の補強材等が設けられてもよい。

図３の空気が充填された構造と、図８の充填材が充填された構造は、一つのユニットにおいて部分的に組み合わされてもよい。例えば、入力側変換部３の周辺の空間のうち、入力側変換部３に隣接する空間に充填材を充填し、残りの空間に空気を充填すると、筐体２への伝熱を抑制しつつ、高強度化を図れる場合がある。

また、前記の電力変換ユニット１は、冷却管用の貫通孔および端子用の貫通孔を前面や後面に備えているが、冷却管用の貫通孔や端子用の貫通孔、冷却管や端子の配置、個数、形状等は、特に限定されるものではない。冷却管は、筐体の内外を貫通する限り、ヒートパイプのように１本であってもよく、冷却管用の貫通孔が１箇所であってもよい。また、筐体の後面、前面、下面、上面および側面のうちの一以上に分けて設けたり、まとめて設けたりしてもよい。冷却管用の貫通孔や端子用の貫通孔以外に、他の機能の貫通孔が設けられてもよい。

また、前記の電力変換ユニット１は、ＡＣ／ＤＣ変換を行う構成とされているが、筐体が多孔質とされる電力変換ユニットは、ＤＣ／ＡＣ変換、電圧、電流、周波数等の他の変換を行う装置とされてもよい。また、ＡＣ／ＤＣ変換を行う回路は、図４に示す回路に限定されるものではない。

また、冷却路形成部材５３と冷却管５１，５２とは、一体的に設けられてもよいし、別体として設けられて互いに接合されてもよい。冷却路形成部材５３は、機能上の一つの単位で構成されてもよいし、機能上の複数の単位で構成されてもよい。これらの接合部には、Ｏリング等のパッキンを取り付けて、冷却媒体の漏洩を防止することができる。

１ 電力変換ユニット
２ 筐体
３ 入力側電力変換部
４ 出力側電力変換部
５ 冷却部
７ 充填材
１０ 回路基板
１１ スイッチング素子
１２ 放熱部材
１３ 整流回路
１５ 共振コンデンサ
１６ 平滑コンデンサ
２０ａ 下部材
２０ｂ 上部材
２０ｃ 第１本体部材
２０ｄ 第２本体部材
２０ｅ 第３本体部材
２０ｆ 第４本体部材
２０ｇ 蓋部材
２１ａ 貫通孔
２１ｂ 貫通孔
２２ａ 貫通孔
２２ｂ 貫通孔
２３ａ 貫通孔
２３ｂ 貫通孔
２４ 係止穴
２５ 突起部
２６ 貫通孔
２７ａ 接合部品
２７ｂ 接合部品
２８ リブ
３１ 入力端子
３２ 入力端子
４１ 出力端子
４２ 出力端子
５１ 冷却管
５２ 冷却管
５３ 冷却路形成部材
５４ 冷却路
１０１ 側板（フレーム）
１０２ 天板（フレーム）
１０３ 底板（フレーム）
１０４ 縦仕切部材（フレーム）
１０５ 横仕切部材（フレーム）

Claims (9)

1. 冷却媒体が流される冷却部と、前記冷却部の一方に配置された入力側電力変換部と、前記入力側電力変換部に対して前記冷却部を挟んで対向して配置された出力側電力変換部と、前記冷却部、前記入力側電力変換部および前記出力側電力変換部を覆う筐体と、を備え、前記入力側電力変換部および前記出力側電力変換部は、スイッチング素子と、回路基板と、を有し、前記筐体が多孔質であり、前記筐体の比較トラッキング指数（ＣＴＩ）が１７５Ｖ以上である電力変換ユニット。
2. 請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体は、樹脂を発泡させた発泡体、または、樹脂マトリクス中に気孔を分散させた成形体である電力変換ユニット。
3. 請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体の熱伝導率が０．１０Ｗ／ｍＫ未満である電力変換ユニット。
4. 請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体の密度が０．９ｇ／ｃｍ^３未満である電力変換ユニット。
5. 請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体は、前記回路基板から外部に端子を引き出すための端子用の貫通孔と、前記冷却部から外部に冷却管を引き出すための冷却管用の貫通孔と、を有し、前記端子用の貫通孔および前記冷却管用の貫通孔のうちの一以上を通る面で分割可能な構造である電力変換ユニット。
6. 請求項５に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体は、互いに分割可能な一方の部材に突起部を有し、且つ、他方の部材に前記突起部を挿入して留める係止穴を有し、前記突起部が前記係止穴に挿入されて前記部材同士が接合される電力変換ユニット。
7. 請求項５に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体は、互いに分割可能な一方の部材および他方の部材に接合部品を挿入可能な貫通孔を有し、前記貫通孔に挿入された前記接合部品による締結で前記部材同士が接合される電力変換ユニット。
8. 請求項１に記載の電力変換ユニットにおいて、
   前記筐体は、前記回路基板から外部に端子を引き出すための複数の端子用の貫通孔を有し、前記筐体の外側および内側における前記端子用の貫通孔同士の間に、前記端子同士を電気的に絶縁するためのリブを有する電力変換ユニット。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の複数の電力変換ユニットと、前記電力変換ユニットを収容して支持するフレームと、を備え、前記フレーム内に支持された複数の前記電力変換ユニットが、互いに直列または並列に電気的に接続されている電力変換装置。
   

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