JPWO2014020807A1 - 冷却構造体及び電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
ケース体(12)の一面に放熱部材(13)が形成された半導体パワーモジュール(11)と、放熱部材に接合される冷却体(3)と、半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板(22),(23)と、実装基板を半導体パワーモジュールとの間に所定間隔を保って支持し、実装基板の発熱を前記冷却体に筐体を介することなく放熱するように前記冷却体に接触させる伝熱支持用金属板(32)とを備え、放熱部材は、冷却体に接合する側に接液部(17)が突出して形成され、冷却体は、放熱部材に接合する側に開口し、通流される冷却液に接液部を浸漬する浸漬部(5)が形成されており、放熱部材に、浸漬部を外側から液密封止する液密封止部(18),(19)を設けた。
Description
本発明は、発熱体の熱を冷却する冷却構造体と、電力変換用の半導体スイッチング素子を内蔵したモジュール上に、所定間隔を保って上記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板を支持するようにした電力変換装置に関する。
この種の電力変換装置としては、特許文献1に記載された電力変換装置が知られている。
この電力変換装置は、筐体内に、冷却液が通過する水冷ジャケットを配置し、この水冷ジャケット上に電力変換用の半導体スイッチング素子としてのIGBTを内蔵したパワーモジュールを配置している。そして、この電力変換装置は、水冷ジャケットに、パワーモジュールに接合する側に開口して冷却液が通流する浸漬部を設け、パワーモジュールに、水冷ジャケット側に突出して浸漬部に浸漬する接液部を設けた直接冷却方式を採用している。
この電力変換装置は、筐体内に、冷却液が通過する水冷ジャケットを配置し、この水冷ジャケット上に電力変換用の半導体スイッチング素子としてのIGBTを内蔵したパワーモジュールを配置している。そして、この電力変換装置は、水冷ジャケットに、パワーモジュールに接合する側に開口して冷却液が通流する浸漬部を設け、パワーモジュールに、水冷ジャケット側に突出して浸漬部に浸漬する接液部を設けた直接冷却方式を採用している。
直接冷却方式を採用する場合には、パワーモジュール及び水冷ジャケットの接合面の一方に周溝を形成し、その周溝にOリングを装着し、接合面同士でOリングを押しつぶすことで液密封止構造を設けている。
ところで、水冷ジャケットの接合面に周溝を形成するのは、大型重量物である水冷ジャケットを加工機械に組付ける加工時の取り扱いが困難であり、加工コストが増大するおそれがある。
ところで、水冷ジャケットの接合面に周溝を形成するのは、大型重量物である水冷ジャケットを加工機械に組付ける加工時の取り扱いが困難であり、加工コストが増大するおそれがある。
また、周溝の一般的な形状は四角形状であるが、接合面同士でOリングを押しつぶす前に、Oリングが周溝から抜け出るおそれがあり、組立効率の面で問題がある。
本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、加工コストの低減化を図るとともに、周溝からOリングが抜け出にくい構造とすることで組立効率を向上させることができる冷却構造体及び電力変換装置を提供することを目的としている。
本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、加工コストの低減化を図るとともに、周溝からOリングが抜け出にくい構造とすることで組立効率を向上させることができる冷却構造体及び電力変換装置を提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る冷却構造体は、発熱体と、前記発熱体に接合される冷却体と、を備え、前記冷却体は、前記発熱体に接合する側に開口して形成され、冷却液を通流する浸漬部を備え、前記発熱体は、前記冷却体に接合する側に前記浸漬部に挿入配置する接液部が突出して形成されるとともに、前記浸漬部を液密封止する液密封止部を備えている。
この一態様に係る冷却構造体によると、大型重量物である冷却体と比較して、発熱体は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、発熱体に液密封止部を設ける際の加工コストが低減する。
この一態様に係る冷却構造体によると、大型重量物である冷却体と比較して、発熱体は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、発熱体に液密封止部を設ける際の加工コストが低減する。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、一面に放熱部材が形成された半導体パワーモジュールと、前記放熱部材に接合される冷却体と、を備え、前記冷却体は、前記放熱部材に接合する側に開口して形成され、冷却液を通流する浸漬部を備え、前記放熱部材は、前記冷却体に接合する側に前記浸漬部に挿入配置する接液部が突出して形成されるとともに、前記浸漬部を液密封止する液密封止部を備えている。
この一態様に係る電力変換装置によると、大型重量物である冷却体と比較して、放熱部材は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材に液密封止部を設ける際の加工コストが低減する。
この一態様に係る電力変換装置によると、大型重量物である冷却体と比較して、放熱部材は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材に液密封止部を設ける際の加工コストが低減する。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、一面に放熱部材が形成された半導体パワーモジュールと、前記放熱部材に接合される冷却体と、前記半導体パワーモジュールを駆動する回路部品を実装した実装基板の熱を、前記冷却体に伝熱させる伝熱板と、を備え、前記冷却体は、前記放熱部材に接合する側に開口して形成され、冷却液を通流する浸漬部を備え、前記放熱部材は、前記冷却体に接合する側に前記浸漬部に挿入配置する突出した接液部と、前記浸漬部の開口を囲むように形成されてOリングを装着した周溝と、を備え、前記放熱部材及び前記冷却体は、前記周溝より外周側の互いの平坦な接合面で前記伝熱板を挟持して接合され、前記Oリングの断面直径は、前記Oリングと前記冷却体との接触面および前記Oリングと周溝との接触面との間の距離より大きな値である。
この一態様に係る電力変換装置によると、大型重量物である冷却体と比較して、放熱部材は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材にOリングを装着する周溝を形成する際の加工コストが低減する。
この一態様に係る電力変換装置によると、大型重量物である冷却体と比較して、放熱部材は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材にOリングを装着する周溝を形成する際の加工コストが低減する。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、電力変換用の半導体スイッチング素子をケース体に内蔵し、当該ケース体の一面に放熱部材が形成された半導体パワーモジュールと、前記放熱部材に接合される冷却体と、前記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板と、当該実装基板を前記半導体パワーモジュールとの間に所定間隔を保って支持し、当該実装基板の発熱を前記冷却体に筐体を介することなく放熱するように前記冷却体に接触させる伝熱支持用金属板と、を備え、前記放熱部材は、前記冷却体に接合する側に接液部が突出して形成され、前記冷却体は、前記放熱部材に接合する側に開口し、通流される冷却液に前記接液部を浸漬する浸漬部が形成されており、前記放熱部材に、前記浸漬部を外側から液密封止する液密封止部を設けた。
この一態様に係る電力変換装置によると、大型重量物である冷却体と比較して、放熱部材は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材に液密封止部を設ける際の加工コストが低減する。
この一態様に係る電力変換装置によると、大型重量物である冷却体と比較して、放熱部材は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材に液密封止部を設ける際の加工コストが低減する。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記液密封止部が、前記浸漬部の外側を囲むように前記放熱部材の前記冷却体に接合する側に形成された周溝と、この周溝に、抜け止めされながら装着されるOリングと、を備えている。
この一態様に係る電力変換装置によると、簡便な構成で液密封止部を形成することができる。
この一態様に係る電力変換装置によると、簡便な構成で液密封止部を形成することができる。
また、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記周溝が、溝底の幅方向の一方から開口部まで傾斜して延在する第1の傾斜内壁と、前記溝底の幅方向の他方から前記開口部まで傾斜して延在する第2の傾斜内壁とを備えたあり溝形状に形成されている。
この一態様に係る電力変換装置によると、Oリングを装着した周溝開口部を下方に向けても、あり溝形状の周溝からOリングは抜け落ちないので、電力変換装置の組立効率を大幅に向上させることができる。
この一態様に係る電力変換装置によると、Oリングを装着した周溝開口部を下方に向けても、あり溝形状の周溝からOリングは抜け落ちないので、電力変換装置の組立効率を大幅に向上させることができる。
さらに、本発明の一態様に係る電力変換装置は、前記周溝が、溝底から開口部まで傾斜して延在する傾斜内壁と、前記溝底から前記開口部まで垂直に延在する垂直内壁とを備えた片あり溝形状である。
この一態様に係る電力変換装置によると、Oリングを装着した周溝開口部を下方に向けても、片あり溝形状の周溝からOリングは抜け落ちないので、電力変換装置の組立効率を大幅に向上させることができる。
この一態様に係る電力変換装置によると、Oリングを装着した周溝開口部を下方に向けても、片あり溝形状の周溝からOリングは抜け落ちないので、電力変換装置の組立効率を大幅に向上させることができる。
本発明に係る冷却構造体及び電力変換装置によると、加工コストの低減化を図るとともに、周溝からOリングが抜け出にくい構造とすることで組立効率を向上させることができる。
以下、本発明を実施するための形態(以下、実施形態という。)を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は本発明の全体構成を示す断面図であり、図2は、図1の要部を拡大して示した図である。
図1の符号1は電力変換装置であって、この電力変換装置1は筐体2内に収納されている。筐体2は、合成樹脂材を成形したものであり、水冷ジャケットの構成を有する冷却体3を挟んで上下に分割された下部筐体2A及び上部筐体2Bで構成されている。
図1は本発明の全体構成を示す断面図であり、図2は、図1の要部を拡大して示した図である。
図1の符号1は電力変換装置であって、この電力変換装置1は筐体2内に収納されている。筐体2は、合成樹脂材を成形したものであり、水冷ジャケットの構成を有する冷却体3を挟んで上下に分割された下部筐体2A及び上部筐体2Bで構成されている。
下部筐体2Aは有底角筒体で構成されている。この下部筐体2Aは開放上部が冷却体3で覆われ、内部に平滑用のフィルムコンデンサ4が収納されている。
上部筐体2Bは、上端及び下端を開放した角筒体2aと、この角筒体2aの上端を閉塞する蓋体2bとを備えている。そして、角筒体2aの下端が冷却体3で閉塞されている。
この角筒体2aの下端と冷却体3との間には、図示しないが、液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどのシール材が介在されている。
上部筐体2Bは、上端及び下端を開放した角筒体2aと、この角筒体2aの上端を閉塞する蓋体2bとを備えている。そして、角筒体2aの下端が冷却体3で閉塞されている。
この角筒体2aの下端と冷却体3との間には、図示しないが、液状シール剤の塗布やゴム製パッキンの挟み込みなどのシール材が介在されている。
冷却体3は、例えば熱伝導率の高いアルミニウム、アルミニウム合金を射出成形して形成されており、下面は平坦面とされ、冷却水の給水口3a及び排水口3bが筐体2の外方に開口されている。これら給水口3a及び排水口3bは例えばフレキシブルホースを介して図示しない冷却水供給源に接続されている。
冷却体3の上面中央には、給水口3a及び排水口3bに連通する四角形状に開口する浸漬部5が形成され、そして、浸漬部5の上部開口部の周縁に、冷却体3の他の平坦な上面(図2の符号3c)より上方に突出し、後述するOリング7が当接するOリング当接部8が形成されている。
冷却体3の上面中央には、給水口3a及び排水口3bに連通する四角形状に開口する浸漬部5が形成され、そして、浸漬部5の上部開口部の周縁に、冷却体3の他の平坦な上面(図2の符号3c)より上方に突出し、後述するOリング7が当接するOリング当接部8が形成されている。
また、図1に戻って、冷却体3には、下部筐体2Aに保持されたフィルムコンデンサ4の絶縁被覆された正負の電極4aを上下に挿通する挿通孔3eが形成されている。
電力変換装置1は、電力変換用の例えばインバータ回路を構成する半導体スイッチング素子として例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を内蔵したパワーモジュール11を備えている。このパワーモジュール11は、扁平な直方体状の絶縁性のケース体12内にIGBTを内蔵しており、ケース体12の下面に金属製の放熱部材13が形成されている。
電力変換装置1は、電力変換用の例えばインバータ回路を構成する半導体スイッチング素子として例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)を内蔵したパワーモジュール11を備えている。このパワーモジュール11は、扁平な直方体状の絶縁性のケース体12内にIGBTを内蔵しており、ケース体12の下面に金属製の放熱部材13が形成されている。
放熱部材13の下面中央部には、冷却体3の浸漬部5に入り込む接液部17が形成されている。この接液部17は、放熱部材13の下面から互いに均等の間隔をあけながら所定長さで突出している多数の冷却フィン17aで構成されており、給水口3aから浸漬部5に流れ込んできた冷却水に、多数の冷却フィン17aが浸されるようになっている。
また、放熱部材13の下面13aの接液部17の周囲には、四角枠状の周溝18が形成され、この周溝18にOリング19が装着されている。
また、放熱部材13の下面13aの接液部17の周囲には、四角枠状の周溝18が形成され、この周溝18にOリング19が装着されている。
周溝18の断面形状は、図3に示すように、溝底18aの幅方向の一方から開口部18bまで傾斜して延在する第1の傾斜内壁18cと、溝底18aの幅方向の他方から開口部18bまで傾斜して延在する第2の傾斜内壁18dとを備えた、あり溝形状の周溝である。Oリング19の断面直径は、この周溝18の溝底18aから開口部18bまでの垂直な高さ寸法より大きな値である。また、このOリング19は、その断面直径が開口部18bの幅より大きな値に設定されており、あり溝形状の周溝18の内部に弾性変形されながら装着されている。
図2に戻って、ケース体12及び放熱部材13には平面からみて四隅に固定ねじ14を挿通する挿通孔15が形成されている。また、ケース体12の上面には、挿通孔15の内側における4箇所に所定高さの基板固定部16が突出形成されている。
基板固定部16の上端には、パワーモジュール11に内蔵されたIGBTを駆動する駆動回路等が実装された駆動回路基板21が固定されている。また、駆動回路基板21の上方に所定間隔を保ってパワーモジュール11に内蔵されたIGBTを制御する相対的に発熱量の大きい、又は発熱密度の大きい発熱回路部品を含む制御回路等を実装した実装基板としての制御回路基板22が固定されている。さらに、制御回路基板22の上方に所定間隔を保ってパワーモジュール11に内蔵されたIGBTに電源を供給する発熱回路部品を含む電源回路等を実装した実装基板としての電源回路基板23が固定されている。
基板固定部16の上端には、パワーモジュール11に内蔵されたIGBTを駆動する駆動回路等が実装された駆動回路基板21が固定されている。また、駆動回路基板21の上方に所定間隔を保ってパワーモジュール11に内蔵されたIGBTを制御する相対的に発熱量の大きい、又は発熱密度の大きい発熱回路部品を含む制御回路等を実装した実装基板としての制御回路基板22が固定されている。さらに、制御回路基板22の上方に所定間隔を保ってパワーモジュール11に内蔵されたIGBTに電源を供給する発熱回路部品を含む電源回路等を実装した実装基板としての電源回路基板23が固定されている。
そして、駆動回路基板21は、基板固定部16に対向する位置に形成した挿通孔21a内に継ぎねじ24の雄ねじ部24aを挿通し、この雄ねじ部24aを基板固定部16の上面に形成した雌ねじ部16aに螺合することにより固定されている。
また、制御回路基板22は継ぎねじ24の上端に形成した雌ねじ部24bに対向する位置に形成した挿通孔22a内に継ぎねじ25の雄ねじ部25aを挿通し、この雄ねじ部25aを継ぎねじ24の雌ねじ部24bに螺合することにより固定されている。
また、制御回路基板22は継ぎねじ24の上端に形成した雌ねじ部24bに対向する位置に形成した挿通孔22a内に継ぎねじ25の雄ねじ部25aを挿通し、この雄ねじ部25aを継ぎねじ24の雌ねじ部24bに螺合することにより固定されている。
さらに、電源回路基板23は継ぎねじ25の上端に形成した雌ねじ部25bに対向する位置に形成した挿通孔23a内に固定ねじ26を挿通し、この固定ねじ26を継ぎねじ25の雌ねじ部25bに螺合することにより固定されている。
また、制御回路基板22及び電源回路基板23は、伝熱支持用金属板32,33によって筐体2を介することなく冷却体3への放熱経路を独自に形成するように支持されている。これら伝熱支持用金属板32及び33は、熱伝導率が高い金属板例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製の金属板で形成されている。
また、制御回路基板22及び電源回路基板23は、伝熱支持用金属板32,33によって筐体2を介することなく冷却体3への放熱経路を独自に形成するように支持されている。これら伝熱支持用金属板32及び33は、熱伝導率が高い金属板例えばアルミニウム又はアルミニウム合金製の金属板で形成されている。
伝熱支持用金属板32は、平板形状の伝熱支持板部32aと、この伝熱支持板部32aの右側端部から下方に折り曲げられて放熱部材13に向けて延在する伝熱支持側板部32bと、伝熱支持側板部32bの下端部から左側に折り曲げられて放熱部材13の下面に沿って延在する冷却体接触板部32cとを一体に備えた部品である。
伝熱支持板部32aには、伝熱部材35を介して制御回路基板22が固定ねじ36によって固定される。伝熱部材35は、伸縮性を有する弾性体で電源回路基板23と同じ外形寸法に構成されている。この伝熱部材35としては、シリコンゴムの内部に金属フィラーを介在させることにより絶縁性能を発揮しながら伝熱性を高めたものが適用されている。
伝熱支持板部32aには、伝熱部材35を介して制御回路基板22が固定ねじ36によって固定される。伝熱部材35は、伸縮性を有する弾性体で電源回路基板23と同じ外形寸法に構成されている。この伝熱部材35としては、シリコンゴムの内部に金属フィラーを介在させることにより絶縁性能を発揮しながら伝熱性を高めたものが適用されている。
また、伝熱支持用金属板33は、平板形状の伝熱支持板部33aと、この伝熱支持板部33aの左側端部から下方に折り曲げられて放熱部材13に向けて延在する伝熱支持側板部33bと、伝熱支持側板部33bの下端部から右側に折り曲げられて放熱部材13の下面に沿って延在する冷却体接触板部33cとを一体に備えた部品である。
伝熱支持板部33aには、前述した伝熱部材35と同様の伝熱部材37を介して電源回路基板23が固定ねじ38によって固定される。
伝熱支持板部33aには、前述した伝熱部材35と同様の伝熱部材37を介して電源回路基板23が固定ねじ38によって固定される。
これら伝熱支持用金属板32,33を一体部品とすることで、熱抵抗を小さくしてより効率の良い放熱を行うことができる。また、伝熱支持用金属板32の伝熱支持板部32aと伝熱支持側板部32bとの連結部及び伝熱支持側板部32bと冷却体接触板部32cとの連結部とを湾曲部とし、伝熱支持用金属板33の伝熱支持板部33aと伝熱支持側板部33bとの連結部及び伝熱支持側板部33bと冷却体接触板部33cとの連結部とを湾曲部とすることで、電力変換装置1に伝達される上下振動や横揺れ等に対する耐振動性を向上することができる。
図4に示すように、電源回路基板23には、発熱回路部品39が下面側に実装されており、電源回路基板23、伝熱部材37及び伝熱支持板部33aが、固定ねじ38により積層状態で固定されており、伝熱支持板部33aの下面には、絶縁距離を短くするために絶縁シート43が貼着されている。なお、これらの積層状態の部品を電源回路ユニットU3と称する。
この際、電源回路基板23の下面側に実装された発熱回路部品39が伝熱部材37の弾性によって伝熱部材37内に埋め込まれる。このため、発熱回路部品39と伝熱部材37との接触が過不足なく行われるとともに、伝熱部材37と電源回路基板23及び伝熱支持板部33aとの接触が良好に行われ、伝熱部材37と電源回路基板23及び伝熱支持板部33aとの間の熱抵抗を減少させることができる。
また、図示しないが、制御回路基板22の下面側にも発熱回路部品が実装されており、制御回路基板22、伝熱部材35及び伝熱支持板部32aが、固定ねじ36により積層状態で固定されており、伝熱支持板部32aの下面には、絶縁距離を短くするために絶縁シート42が貼着されている。なお、これらの積層状態の部品を制御回路ユニットU2と称する。
そして、制御回路基板22の下面側に実装された発熱回路部品が伝熱部材35の弾性によって伝熱部材35内に埋め込まれ、制御回路基板22と伝熱部材35との接触が過不足なく行われるとともに、伝熱部材35と制御回路基板22及び伝熱支持板部32aとの接触が良好に行われ、伝熱部材35と制御回路基板22及び伝熱支持板部32aとの間の熱抵抗を減少させることができる。
また、伝熱支持用金属板の伝熱支持側板部33bには、図5に示すように、パワーモジュール11の図1に示す3相交流出力端子11bに対応する位置に後述するブスバー55を挿通する例えば方形の3つの挿通孔33iが形成されている。このように、3つの挿通孔33iを形成することにより、隣接する挿通孔33i間に比較的幅広の伝熱路Lhを形成することができ、全体の伝熱路の断面積を増加させて効率よく伝熱することができる。また、振動に対する剛性も確保することができる。
同様に、伝熱支持用金属板32の伝熱支持側板部32bにも、パワーモジュール11の正極及び負極端子11aに対向する位置にそれぞれ同様の挿通孔32iが形成されている。この挿通孔32iを形成することにより、上述した挿通孔33iと同様の作用効果を得ることができる。
また、伝熱支持用金属板32の冷却体接触板部32c及び伝熱支持用金属板33の冷却体接触板部33cには、図2に示すように、パワーモジュール11の固定ねじ14を挿通する挿通孔15に対向する位置に固定部材挿通孔32c1,33c1が形成されている。
また、伝熱支持用金属板32の冷却体接触板部32c及び伝熱支持用金属板33の冷却体接触板部33cには、図2に示すように、パワーモジュール11の固定ねじ14を挿通する挿通孔15に対向する位置に固定部材挿通孔32c1,33c1が形成されている。
そして放熱部材13の挿通孔15及び冷却体接触板部32c,33cの固定部材挿通孔32c1,33c1に固定ねじ14を挿通し、固定ねじ14を冷却体3に形成した雌ねじ部に螺合させる。
これにより、伝熱支持用金属板32,33の冷却体接触板部32c,33cを、パワーモジュール11の放熱部材13の下面13aと冷却体3の上面3cとに当接し、放熱部材13及び冷却体3で挟持して固定する。
これにより、伝熱支持用金属板32,33の冷却体接触板部32c,33cを、パワーモジュール11の放熱部材13の下面13aと冷却体3の上面3cとに当接し、放熱部材13及び冷却体3で挟持して固定する。
この際、放熱部材13の下面13aの周溝18に装着した0リング19が、冷却体3の浸漬部5の上部開口部の周縁に設けたOリング当接部8に弾性変形しながら押しつぶされ、冷却体3の浸漬部5に溜まった冷却水が外部に漏れるのを防止する液密封止が施される。
また、図1に示すように、パワーモジュール11の正負の直流入力端子に11aに、ブスバー55が接続され、ブスバー55の他端に冷却体3を貫通するフィルムコンデンサ4の正負の電極4aが固定ねじ51で連結されている。また、パワーモジュール11の負極端子11aに、外部のコンバータ(図示せず)に接続する接続コード52の先端に固定された圧着端子53が固定されている。
また、図1に示すように、パワーモジュール11の正負の直流入力端子に11aに、ブスバー55が接続され、ブスバー55の他端に冷却体3を貫通するフィルムコンデンサ4の正負の電極4aが固定ねじ51で連結されている。また、パワーモジュール11の負極端子11aに、外部のコンバータ(図示せず)に接続する接続コード52の先端に固定された圧着端子53が固定されている。
さらに、パワーモジュール11の3相交流出力端子11bに、ブスバー55の一端を固定ねじ56で接続し、このブスバー55の途中に電流センサ57が配置されている。そして、ブスバー55の他端に圧着端子59が固定ねじ60で接続されている。圧着端子59は、外部の3相電動モータ(図示せず)に接続したモータ接続ケーブル58に固定されている。
この状態で、外部のコンバータ(図示せず)から直流電力を供給するとともに、電源回路基板23に実装された電源回路、制御回路基板22に実装された制御回路を動作状態とし、制御回路から例えばパルス幅変調信号でなるゲート信号を駆動回路基板21に実装された駆動回路を介してパワーモジュール11に供給する。これによって、パワーモジュール11に内蔵されたIGBTが制御されて、直流電力を交流電力に変換する。変換した交流電力は3相交流出力端子11bからブスバー55を介してモータ接続ケーブル58に供給し、3相電動モータ(図示せず)を駆動制御する。
このとき、パワーモジュール11に内蔵されたIGBTで発熱するが、パワーモジュール11の放熱部材13の下面中央部に設けた接液部17が冷却体3に設けた浸漬部5に入り込んで冷却液に浸漬されているので、パワーモジュール11は効率良く冷却される。
一方、制御回路基板22及び電源回路基板23に実装されている制御回路及び電源回路には発熱回路部品39が含まれており、これら発熱回路部品39で発熱を生じる。このとき、発熱回路部品39は制御回路基板22及び電源回路基板23の下面側に実装されている。
一方、制御回路基板22及び電源回路基板23に実装されている制御回路及び電源回路には発熱回路部品39が含まれており、これら発熱回路部品39で発熱を生じる。このとき、発熱回路部品39は制御回路基板22及び電源回路基板23の下面側に実装されている。
そして、これら制御回路基板22及び電源回路基板23の下面側には、熱伝導率が高く弾性を有する伝熱部材35及び37を介して伝熱支持用金属板32,33の伝熱支持板部32a,33aが設けられている。伝熱支持用金属板32,33は、伝熱支持板部32a,33aと、伝熱支持側板部32b,33bと、冷却体接触板部32c,33cとを一体化した部品であって、熱抵抗が小さい部材なので、図6に示すように、伝熱支持用金属板32,33に伝達された熱は、冷却体3の上面3cに直接接触した冷却体接触板部32c,33cから冷却体3に放熱され、効率の良い放熱を行うことができる。
なお、本発明の発熱体が放熱部材13に対応している。
本実施形態の電力変換装置1によると、放熱部材13の下面13aの周溝18に装着した0リング19が、冷却体3の浸漬部5の上部開口部の周縁に設けたOリング当接部8に弾性変形しながら押しつぶされるので、冷却体3の浸漬部5に溜まっている冷却水の確実な液密封止を確保することができ、信頼性の高い電力変換装置1を提供することができる。
また、大型重量物である冷却体3と比較して、放熱部材13は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材13に周溝18を形成する際の加工コストの低減化を図ることができる。
本実施形態の電力変換装置1によると、放熱部材13の下面13aの周溝18に装着した0リング19が、冷却体3の浸漬部5の上部開口部の周縁に設けたOリング当接部8に弾性変形しながら押しつぶされるので、冷却体3の浸漬部5に溜まっている冷却水の確実な液密封止を確保することができ、信頼性の高い電力変換装置1を提供することができる。
また、大型重量物である冷却体3と比較して、放熱部材13は加工機械に組付けても加工時の取り扱いが容易なので、放熱部材13に周溝18を形成する際の加工コストの低減化を図ることができる。
また、図7は、パワーモジュール11と冷却体3の組立途中を示すものであるが、パワーモジュール11の放熱部材13を下部に位置し、下方位置の冷却体3に対して組付ける動作を行っても、あり溝形状の周溝18内部に弾性変形させながら装着されたOリング19は、周溝18から抜け落ちないので、押し潰し動作を容易に行うことができ、電力変換装置1の組立効率を大幅に向上させることができる。また、図示しないが、パワーモジュール11と冷却体3を互いに水平方向から組付ける動作を行っても、あり溝形状の周溝18に装着されたOリング19は、周溝18から抜け落ちない。
なお、Oリング19を装着する周溝の形状を、図3に示したように、あり溝形状の周溝18としたが、図8に示すように、溝底20aの幅方向の一方から開口部20bまで傾斜して延在する傾斜内壁20cと、溝底20aの幅方向の他方から開口部20bまで垂直に延在する垂直内壁20dとを備えた、片あり溝形状の周溝20にすると、放熱部材13がどのような向きで配置されても、傾斜内壁20c側の周溝30の内部で、Oリング19を保持することができる。
なお、図1及び図2で示した制御回路ユニットU2及び電源回路ユニットU3において、伝熱部材35及び37を制御回路基板22及び電源回路基板23と同じ外形とした場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではなく、伝熱部材35及び37を発熱回路部品39が存在する箇所にのみ設けるようにしてもよい。
また、図1及び図2においては、制御回路基板22及び電源回路基板23で発熱回路部品39を裏面側の伝熱部材35及び37側に実装する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、制御回路基板22及び電源回路基板23の伝熱部材35及び37とは反対側の外周領域に、発熱回路部品39を実装するようにしてよい。
また、図1及び図2においては、制御回路基板22及び電源回路基板23で発熱回路部品39を裏面側の伝熱部材35及び37側に実装する場合について説明した。しかしながら、本発明は上記構成に限定されるものではない。すなわち、制御回路基板22及び電源回路基板23の伝熱部材35及び37とは反対側の外周領域に、発熱回路部品39を実装するようにしてよい。
さらに、図1及び図2においては、平滑用のコンデンサとしてフィルムコンデンサ4を適用した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、円柱状の電解コンデンサを適用するようにしてもよい。
また、本発明に係る電力変換装置1を、電気自動車に適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軌条を走行する鉄道車両にも本発明を適用することができ、任意の電気駆動車両に適用することができる。さらに電力変換装置1としては電気駆動車両に限らず、他の産業機器における電動モータ等のアクチュエータを駆動する場合に本発明の電力変換装置1を適用することができる。
また、本発明に係る電力変換装置1を、電気自動車に適用する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、軌条を走行する鉄道車両にも本発明を適用することができ、任意の電気駆動車両に適用することができる。さらに電力変換装置1としては電気駆動車両に限らず、他の産業機器における電動モータ等のアクチュエータを駆動する場合に本発明の電力変換装置1を適用することができる。
以上のように、本発明に係る冷却構造体及び電力変換装置は、加工コストの低減化を図るとともに、周溝からOリングが抜け出にくい構造とすることで組立効率を向上させるのに有用である。
1…電力変換装置、2…筐体、2A…下部筐体、2B…上部筐体、2a…角筒体、2b…蓋体、3…冷却体、3a…給水口、3b…排水口、3c…冷却体の上面、3e…挿通孔、4…フィルムコンデンサ、4a…正負の電極、5…浸漬部、6…周溝、8…Oリング当接部、11…パワーモジュール、11a…負極端子、11b…3相交流出力端子、12…ケース体、13…放熱部材、13a…下面、14…固定ねじ、15…挿通孔、16…基板固定部、16a…雌ねじ部、17…接液部、17a…冷却ファン、18…あり溝形状の周溝、18a…溝底、18b…開口部、18c…第1の傾斜内壁、18d…第2の傾斜内壁、19…Oリング、20…片あり溝形状の周溝、20a…溝底、20b…開口部、20c…傾斜内壁、20d…垂直内壁、21…駆動回路基板、21a…挿通孔、22…制御回路基板、22a…挿通孔、23…電源回路基板、23a…挿通孔、24a…雄ねじ部、24b…雌ねじ部、25a…雄ねじ部、25b…雌ねじ部、32,33…伝熱支持用金属板、32a…伝熱支持板部、32b…伝熱支持側板部、32c…冷却体接触板部、32c,33c…冷却体接触板部、32c1,33c1…固定部材挿通孔、32i…挿通孔、33a…伝熱支持板部、33b…伝熱支持側板部、33c…冷却体接触板部、33i…挿通孔、35…伝熱部材、37…伝熱部材、39…発熱回路部品、42…絶縁シート、43…絶縁シート、51…固定ねじ、52…接続コード、53,59…圧着端子、55…ブスバー、57…電流センサ、58…モータ接続ケーブル、60…固定ねじ
Claims (7)
- 発熱体と、
前記発熱体に接合される冷却体と、を備え、
前記冷却体は、前記発熱体に接合する側に開口して形成され、冷却液を通流する浸漬部を備え、
前記発熱体は、前記冷却体に接合する側に前記浸漬部に挿入配置する接液部が突出して形成されるとともに、前記浸漬部を液密封止する液密封止部を備えたことを特徴とする冷却構造体。 - 一面に放熱部材が形成された半導体パワーモジュールと、
前記放熱部材に接合される冷却体と、を備え、
前記冷却体は、前記放熱部材に接合する側に開口して形成され、冷却液を通流する浸漬部を備え、
前記放熱部材は、前記冷却体に接合する側に前記浸漬部に挿入配置する接液部が突出して形成されるとともに、前記浸漬部を液密封止する液密封止部を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 一面に放熱部材が形成された半導体パワーモジュールと、
前記放熱部材に接合される冷却体と、
前記半導体パワーモジュールを駆動する回路部品を実装した実装基板の熱を、前記冷却体に伝熱させる伝熱板と、を備え、
前記冷却体は、前記放熱部材に接合する側に開口して形成され、冷却液を通流する浸漬部を備え、
前記放熱部材は、前記冷却体に接合する側に前記浸漬部に挿入配置する突出した接液部と、前記浸漬部の開口を囲むように形成されてOリングを装着した周溝と、を備え、
前記放熱部材及び前記冷却体は、前記周溝より外周側の互いの平坦な接合面で前記伝熱板を挟持して接合され、
前記Oリングの断面直径は、前記Oリングと前記冷却体との接触面および前記Oリングと周溝との接触面との間の距離より大きな値であることを特徴とする電力変換装置。 - 電力変換用の半導体スイッチング素子をケース体に内蔵し、当該ケース体の一面に放熱部材が形成された半導体パワーモジュールと、
前記放熱部材に接合される冷却体と、
前記半導体スイッチング素子を駆動する発熱回路部品を含む回路部品を実装した実装基板と、
当該実装基板を前記半導体パワーモジュールとの間に所定間隔を保って支持し、当該実装基板の発熱を前記冷却体に筐体を介することなく放熱するように前記冷却体に接触させる伝熱支持用金属板と、を備え、
前記放熱部材は、前記冷却体に接合する側に接液部が突出して形成され、
前記冷却体は、前記放熱部材に接合する側に開口し、通流される冷却液に前記接液部を浸漬する浸漬部が形成されており、
前記放熱部材に、前記浸漬部を外側から液密封止する液密封止部を設けたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記液密封止部は、前記浸漬部の外側を囲むように前記放熱部材の前記冷却体に接合する側に形成された周溝と、
この周溝に、抜け止めされながら装着されるOリングと、を備えていることを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。 - 前記周溝は、溝底の幅方向の一方から開口部まで傾斜して延在する第1の傾斜内壁と、前記溝底の幅方向の他方から前記開口部まで傾斜して延在する第2の傾斜内壁とを備えたあり溝形状に形成されていることを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
- 前記周溝は、溝底から開口部まで傾斜して延在する傾斜内壁と、前記溝底から前記開口部まで垂直に延在する垂直内壁とを備えた片あり溝形状であることを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
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