JPWO2012108036A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
内部に冷媒が流通する冷却流路(21)を有する冷却器(20)と、スイッチング素子(32)が取り付けられたベースプレート(31)と、電力素子(34)の取り付けられた制御回路基板(33)と、冷却器(20)の冷却器下壁(22)の上にベースプレート(31)を固定すると共に、ベースプレート(31)と離間して制御回路基板(33)を支持する固定ピン(40)と、を含む電力変換装置(100)であって、固定ピン(40)の上端部分(41)は、ベースプレート(31)と冷却器下壁(22)とを貫通して冷却流路(21)の中に達し、その冷却器下壁(22)の第1の貫通部分(42)が冷却器下壁(22)に圧入され、固定ピン(40)の支柱部分(46)は冷却器下壁(22)と反対方向に延びてその下部フランジ(47)に制御回路基板(33)が固定される。これにより、簡便な構成で電力変換装置を小型化することができる。
Description
本発明は、電力変換装置の構成に関する。
ハイブリッドと車両や電気自動車等の電動車両では、200V程度の低電圧のバッテリからの直流電力をDC/DCコンバータで600V程度まで昇圧し、その昇圧した高電圧の直流電力をインバータによって三相交流電力に変換してモータを駆動して走行するものが多い。DC/DCコンバータは、低電圧のバッテリからの直流電力をリアクトルに蓄電し、その蓄電した電力をIGBT等のスイッチング素子によってスイッチングすることによって電圧を昇圧する形式のものが多く用いられている。スイッチング素子は発熱が大きいので、スイッチング素子を冷却するために、例えば、スイッチング素子を固定したベース板を放熱フィンが設けられた放熱板に取り付けてスイッチング素子で発生した熱を放熱させる方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
DC/DCコンバータは、発熱の大きなスイッチング素子と共に、コイルやトランス、コンデンサ等の電力素子やスイッチング素子の動作を制御する制御用の素子が必要となる。スイッチング素子は大きな発熱を伴うので内部を冷却水が流れる冷却器の上に取り付け、制御用の素子や、電力素子の搭載された制御回路基板は、DC/DCコンバータを小型化するために冷却器の上に複数本の支柱を設け、この支柱によってベース板と平行に離間させて配置されることが多い(例えば、特許文献2参照)。この配置の場合、ベース基板と制御回路基板とが冷却器の上に二重に配置されるので設置スペースを小さくすることができる。また、この構造の場合、複数の支柱を介して制御回路基板で発生した熱を冷却器に逃がすことができるため、スイッチング素子、制御回路基板に取り付けられた各電力素子を冷却することができる。また、先に述べた特許文献1ではベース板に設けたボスの上に制御回路基板を固定し、スイッチング素子と制御回路基板とが二重に配置されるように構成し、省スペースとなるように構成されている。
特許文献2に記載された従来技術では、冷却板に取り付けた支柱によって制御回路基板を支持するように構成されているが、スイッチング素子が取り付けられたベース板の周辺の冷却器の上に支柱を設ける構造となっていることから、DC/DCコンバータの大きさが大きくなってしまうという問題があった。また、特許文献1に記載された従来技術のパワーモジュールでは、ベース板に設けたボスの上に制御回路基板を固定するように構成しているので、ベース板の上のスイッチング素子を配置するスペースが限られてしまい、大きなスイッチング素子、或いは多数のスイッチング素子をベース板上に配置しようとすると、ベース板、或いはDC/DCコンバータ全体が大型化してしまうという問題があった。
一方、スイッチング素子の大型化、大容量化によって制御回路基板に搭載される電力素子や制御用素子を流れる電流も大きくなり、その発熱量が大きくなってくる。特許文献1或いは、特許文献2に記載された従来技術では、制御回路基板の発熱を逃がすためには、ボス、或いは支柱の本数を増やして制御回路基板から冷却器に流れる熱の流路を大きくする必要がある。このためには、ベース板の周囲のみならず、例えば、ベース板の中央にボスや支柱を配置する構成が必要となる。このため、ベース板の上のボス、或いは支柱を配置する領域が大きくなり、スイッチング素子を配置するためのスペースが減少し、結果としてベース板が大型化し、DC/DCコンバータが大型化してしまうという問題があった。
本発明の目的は、簡便な構成で電力変換装置を小型化することを目的とする。
本発明の電力変換装置は、内部に冷媒が流通する冷却流路を有する冷却器と、スイッチング素子が取り付けられたベースプレートと、電力素子の取り付けられた制御回路基板と、前記冷却器の冷却流路壁の上に前記ベースプレートを固定すると共に、前記ベースプレートと離間して前記制御回路基板を支持する固定ピンと、を含む電力変換装置であって、前記固定ピンの一端は、前記ベースプレートと前記冷却流路壁とを貫通して冷却流路の中に達し、その冷却流路壁の貫通部分で冷却流路壁と締結され、他端は、前記冷却流路壁と反対方向に延びてその先端に前記制御回路基板が固定されること、を特徴とする。
本発明の電力変換装置において、前記電力変換装置は、トランスアクスルの上に搭載されたものであること、としても好適であるし、前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁に圧入されていること、としても好適であるし、前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、としても好適であるし、電力変換装置は、DC/DCコンバータであること、としても好適である。
本発明の電力変換装置において、前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、としても好適である。また、前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、としても好適である。
本発明は、簡便な構成で電力変換装置を小型化することができるという効果を奏する。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図1に示すように、本実施形態の電力変換装置100は、ロワーケース10、センターケース60、アッパーケース70の3つのケースを積み重ね、それぞれの間をボルト15,61で固定して一体としたものである。ロワーケース10の下部フランジ12はボルト13によってトランスアクスル80の上部に固定されている。
ロワーケース10の上部には冷却器20が含まれている。冷却器20は、冷却器下壁22と冷却器上壁23とロワーケース10の側壁11とによって囲まれた冷却流路21と、冷却流路21に冷媒を流入させる冷媒入口24aと冷却流路21から冷媒を流出させる冷媒出口24bとが設けられている。冷却器下壁22は冷却流路壁である。スイッチング素子32が表面に取り付けられたベースプレート31は、固定ピン40によって冷却器下壁22の下面に固定されている。固定ピン40の上側の先端は冷却流路21の中まで延びている。コイル、コンデンサ等の電力素子34が搭載された制御回路基板33は固定ピン40の下側に固定されている。スイッチング素子32の一部と制御回路基板33とはDC/DCコンバータ30を構成する。制御回路基板33とトランスアクスル80との間には、トランスアクスル80からの熱を遮断すると共に、異物がロワーケース10の中に入らないようにするためのアンダーカバー16がボルト17によって取り付けられている。また、図2(a)に示すように、制御回路基板33は、制御回路基板33を貫通するボルト35によって固定ピン40の下側に固定されている。
図2(a)に示すように、固定ピン40は、冷却流路21の中に突出する上端部分41、冷却器下壁22を貫通している第1の貫通部分42、ベースプレート31を貫通する第2の貫通部分43、第1、第2の貫通部分42,43よりもその直径が大きい上部フランジ44、上部フランジ44よりも直径が小さく、上部フランジ44から下方向に伸びる支柱部分46、支柱部分46の下端に設けられ、支柱部分46よりもその直径が大きい下部フランジ47を備えている。
図2(b)に示すように、一点鎖線Aと一点鎖線Bとの間の部分の固定ピン40の第1の貫通部分42は、冷却器下壁22に設けられた穴22aを貫通している。第1の貫通部分42の外径は穴22aの内径よりも大きい締まり嵌めとなっており、固定ピン40の第1の貫通部分42は穴22aに圧入されている。また、一点鎖線Bと一点鎖線Cとの間の部分の固定ピン40の第2の貫通部分43は、ベースプレート31に設けられた穴31aを貫通している。第2の貫通部分43の外径は第1の貫通部分42よりも大きく、第1の貫通部分42と第2の貫通部分43の間には段ができている。また、第1の貫通部分42と同様、第2の貫通部分43の外径は穴31aの内径よりも大きい締まり嵌めとなっており、固定ピン40の第2の貫通部分43は第1の貫通部分42と同様、穴31aに圧入されている。固定ピン40の上部フランジ44は第2の貫通部分43及び穴31aの内径よりも大きく、その上面がベースプレート31の下面に密着するよう構成されている。また、ベースプレート31の穴31aの周囲の冷却器下壁22の側面には円環状の溝36が設けられ、その中にOリング36aが取り付けられている。同様に固定ピン40の上部フランジ44のベースプレート側面にも円環状の溝48が設けられ、その中にOリング48aが取り付けられている。固定ピン40がベースプレート31と冷却器下壁22とに圧入されて第1の貫通部分42が冷却器下壁22に固定されると、ベースプレート31は冷却器下壁22と固定ピン40の上部フランジ44との間に挟みこまれて冷却器下壁22の下面に固定される。この際、各Oリング36a,48aが溝36,48の壁面と冷却器下壁22、ベースプレート31との間で押しつぶされて、穴22a,31aを通って冷媒が漏れないようになる。
以上のように構成された電力変換装置100が動作すると、スイッチング素子32で発生した熱は、スイッチング素子32からベースプレート31、冷却器下壁22に伝達され、冷却器20の冷却流路21を流れる冷媒によって電力変換装置100の外部に持ち去られる。また、制御回路基板33に搭載された電力素子34で発生した熱は、電力素子から制御回路基板33、固定ピン40の下部フランジ47の下面から支柱部分46を通って上端部分41に達する。上端部分41は冷却流路21の中に突出しているので、上端部分41に達した熱は冷媒によって電力変換装置100の外部に持ち出される。このため、本実施形態では、従来技術に比べて効果的に制御回路基板33、電力素子34を冷却することができる。そして、このように効果的に制御回路基板33、電力素子34を冷却することができるので、図2に示すように、DC/DCコンバータ30の制御回路基板33をトランスアクスル80の側に配置して電力変換装置100を小型化することができる。
また、本実施形態の電力変換装置100では、固定ピン40はベースプレート31を冷却器下壁22に固定する機能と、制御回路基板33をベースプレート31から離間して支持する機能とを兼ね備えているため、ベースプレート31を冷却器下壁22に固定するためのボルトと制御回路基板33を支持するための支柱とを別々に配置する必要がなくなる。このため、図3に示すように斜線を引いたスイッチング素子搭載可能領域37を広く取ることができ、電力変換装置100を小型化することができる。このスイッチング素子搭載可能領域37は、ベースプレート31の外周から固定ピン40の上部フランジ44の周囲の一点鎖線で示されたスイッチング素子搭載不可能領域を除外した領域である。更に、電力変換装置100をトランスアクスル80に直接固定した場合には、制御回路基板33の共振を防止するために、支柱の本数を増加させることが必要となるが、本実施形態の固定ピン40は、ベースプレート31を冷却器下壁22に固定する機能と制御回路基板33をベースプレート31から離間して支持する機能とを兼ね備えている上、上端部分41が冷却流路21の中に突出しているため、固定ピン40の本数を増やしてもスイッチング素子搭載可能領域37の減少が少なくてすむと共に、固定ピン40の本数の増加により更に制御回路基板33、電力素子34の冷却を効果的に行うことができる。
メンテナンスの際に、本実施形態の電力変換装置100は、ロワーケース10をトランスアクスル80に固定しているボルト13を取り外し、電力変換装置100全体をトランスアクスル80から取り外した後、下面のボルト17を取りはずしてアンダーカバー16を取り外し、制御回路基板33を固定しているボルト35を取り外せば、DC/DCコンバータ30の制御回路基板33の交換作業を容易に行うことができる。つまり、インバータの制御回路基板等が収容されているセンターケース60、アッパーケース70を上側から順次分解して取り外さなくとも、電力変換装置100全体を一端トランスアクスル80から取り外してひっくり返すことによって容易にDC/DCコンバータ30の制御回路基板33を交換することができる。また、インバータの制御回路基板等が収容されているセンターケース60、アッパーケース70を分解する必要がないので、メンテナンスの際にこれらのケースの中に異物が混入することを抑制することができる。
以上説明した実施形態では、固定ピン40の第1、第2の貫通部分42,43がそれぞれ冷却器下壁22の穴22a、ベースプレート31の穴31aに圧入されていることとして説明したが、第1の貫通部分42が穴22aに圧入され、第2の貫通部分43と穴31aとの間に隙間があってもよい。
以下、図4を参照しながら、本発明の他の実施形態について説明する。図1から図3を参照して説明した実施形態と同様の部分には同様の符号を付して説明は省略する。図4に示す実施形態は、図2(b)を参照して説明した実施形態の第1の貫通部分42をネジ部51とし、冷却器下壁22の穴22aをネジ穴22bとし、ベースプレート31の穴31aと第2の貫通部分43との間には僅かな隙間ができるように穴31aの直径が第2の貫通部分43の直径よりも若干大きくなるように構成したものである。また、図4に示すように、本実施形態の固定ピン40の上端部分41の直径は、ネジ部51の谷径よりも小さくなるように構成されている。
本実施形態では、固定ピン40のネジ部51を冷却器下壁22のネジ穴22bにねじ込んでベースプレート31を冷却器下壁22と固定ピン40の上部フランジ44との間に挟みこんで固定し、各Oリング36a,48aを潰すことによって冷媒がネジ穴22bを通って漏れることを防止するように構成されている。
本実施形態は、先に図1から図3を参照して説明した実施形態と同様の効果を奏する。更に、本実施形態は、制御回路基板33を容易に交換できることに加えて、固定ピン40のねじ込みを外すことによってベースプレート31を取り外すことができるので、スイッチング素子32が故障した場合でもインバータ等の収納されているセンターケース60、アッパーケース70を分解せずに容易にスイッチング素子32の交換を行うことができる。
10 ロワーケース、11 側壁、12 下部フランジ、13,15,17,35,61 ボルト、16 アンダーカバー、20 冷却器、21 冷却流路、22 冷却器下壁、22a,31a 穴、22b ネジ穴、23 冷却器上壁、24a 冷媒入口、24b 冷媒出口、30 DC/DCコンバータ、31 ベースプレート、32 スイッチング素子、33 制御回路基板、34 電力素子、36,48 溝、36a,48a Oリング、37 スイッチング素子搭載可能領域、40 固定ピン、41 上端部分、42 第1の貫通部分、43 第2の貫通部分、44 上部フランジ、46 支柱部分、47 下部フランジ、51 ネジ部、60 センターケース、70 アッパーケース、80 トランスアクスル、100 電力変換装置。
Claims (18)
- 内部に冷媒が流通する冷却流路を有する冷却器と、
スイッチング素子が取り付けられたベースプレートと、
電力素子の取り付けられた制御回路基板と、
前記冷却器の冷却流路壁の上に前記ベースプレートを固定すると共に、前記ベースプレートと離間して前記制御回路基板を支持する固定ピンと、を含む電力変換装置であって、
前記固定ピンの一端は、前記ベースプレートと前記冷却流路壁とを貫通して冷却流路の中に達し、その冷却流路壁の貫通部分で冷却流路壁と締結され、他端は、前記冷却流路壁と反対方向に延びてその先端に前記制御回路基板が固定されること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置は、トランスアクスルの上に搭載されたものであること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁に圧入されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置であって、
前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁に圧入されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
電力変換装置は、DC/DCコンバータであること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置であって、
電力変換装置は、DC/DCコンバータであること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置であって、
電力変換装置は、DC/DCコンバータであること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項4に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項7に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換装置の前記ベースプレートと前記制御回路基板とは、前記トランスアクスルと前記冷却器との間に配置されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置であって、
前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項6に記載の電力変換装置であって、
前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項8に記載の電力変換装置であって、
前記固定ピンの冷却流路壁の貫通部分は冷却流路壁にねじ込み固定されていること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置であって、
前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項3に記載の電力変換装置であって、
前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
を特徴とする電力変換装置。 - 請求項12に記載の電力変換装置であって、
前記制御回路基板は、前記制御回路基板を貫通するボルトによって前記固定ピンの前記先端に固定されること、
を特徴とする電力変換装置。
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