JPWO2018179031A1 - 車両用電力変換装置 - Google Patents

Abstract

車両用電力変換装置（２）は、電子部品（６）が内部に格納され、開口（７）が形成される筐体（３）、および冷却装置（１）を備える。冷却装置（１）は、板状部材であるベース（１０）、およびベース（１０）に取り付けられる複数の放熱部（２０）を備える。ベース（１０）の内部には、冷媒が封入される溝が形成される。ベース（１０）は、第１の主面（１１）が筐体（３）の内側に面する向きで、開口（７）を塞ぎ、第１の主面（１１）に電子部品（６）が取り付けられる。ベース（１０）の第２の主面（１２）に、互いに間隔をあけて、複数の放熱部（２０）が接合される。

Description

この発明は、冷却装置を備えた車両用電力変換装置に関する。

電力変換装置が有する半導体素子はスイッチング動作時に熱を発生させる。半導体素子が発生させる熱を放熱するために、電力変換装置には冷却装置が設けられる。特許文献１に開示されるヒートパイプを備えるヒートシンクは、ベース板に対してヒートパイプをほぼ全長に亘り埋設させて構成される。ヒートパイプは、ベース板に形成された埋め込み溝に挿入されてから、半田で埋め込まれる。特許文献２に開示される電力変換装置は、鉄道車両の床下に設けられる。該電力変換装置において、受熱部材の一方の面にはパワー半導体モジュールが設置され、他方の面には、ヒートパイプが埋め込まれる。ヒートパイプは、半田付けによって受熱部材と熱的に接続されている。

特許第４４９１２０９号公報 特許第５５６０１８２号公報

特許文献１に開示されるヒートシンクにおいては、ベース板とヒートパイプとの間に設けられる半田によって、熱抵抗が増大する。特許文献２に開示される電力変換装置においては、受熱部材とヒートパイプとの間に設けられる半田によって、熱抵抗が増大する。熱抵抗が増大すると、冷却装置の冷却効率は低下してしまう。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、車両用電力変換装置の冷却性能を向上させることが目的である。

上記目的を達成するために、本発明の車両用電力変換装置は、電子部品が内部に格納され、開口が形成され、車両に取り付けられる筐体、筐体に取り付けられるベース、および複数の放熱部を備える。ベースは、対向する第１の主面および第２の主面を有する板状部材である。ベースの内部には、第１の主面および第２の主面に沿って伸びて、冷媒が封入される溝が形成される。ベースは、第１の主面が筐体の内側に面する向きで、開口を塞ぐ。第１の主面に電子部品が取り付けられる。複数の放熱部は、互いに間隔を空けて、第２の主面に接合される。

本発明によれば、冷媒が封入される溝が内部に形成されるベースの面に、互いに間隔をあけて、複数の放熱部を接合することで、車両用電力変換装置の冷却性能を向上させることが可能である。

本発明の実施の形態１に係る冷却装置の側面図 実施の形態１に係る冷却装置の断面図 実施の形態１に係る冷却装置の断面図 実施の形態１に係る電力変換装置の断面図 実施の形態１に係る電力変換装置の断面図 実施の形態１に係る電力変換装置の車両への搭載例を示す図 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の断面図 実施の形態２に係る冷却装置の断面図 実施の形態２に係る冷却装置の断面図 本発明の実施の形態３に係る冷却装置の断面図 本発明の実施の形態４に係る冷却装置の断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置の側面図である。冷却装置１は、板状部材であるベース１０およびベース１０に取り付けられる複数の放熱部２０を備える。放熱部２０の数は任意である。図１の例では、放熱部２０は、フィンである。ベース１０は、電子部品が取り付けられる第１の主面１１、および第１の主面１１と対向する第２の主面１２を有する。放熱部２０は、第２の主面１２に取り付けられる。冷却装置１は、第１の主面１１に取り付けられる電子部品を冷却する。

図２は、実施の形態１に係る冷却装置の断面図である。ベース１０の内部には、第１の主面１１および第２の主面１２に沿って伸びる溝１３が形成される。溝１３には、冷媒１４が封入される。冷媒１４は、気体の状態である冷媒１４と、液体の状態である冷媒１４とが混在する、気液二相の状態である。冷媒は、例えば、純水、エタノール、アセトン等である。

図３は、実施の形態１に係る冷却装置の断面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線での断面図である。実施の形態１では、第１の主面１１と第２の主面１２とに沿って、それぞれが水平方向に伸びる複数の溝１３が、鉛直方向に並べて形成される。実施の形態１の例では、放熱部２０は、鉛直方向に伸びるフィンであるが、放熱部２０を取り付ける向きは任意である。放熱部２０は、水平方向に伸びるフィンでもよい。放熱部２０として、溝１３と同じ方向に伸びるフィンを設けることで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。またフィンが伸びる方向を車両の進行方向に一致させることで、走向風を放熱部２０に接触させることができるため、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。図３において、破線で示す箇所は、第１の主面１１において、後述する電子部品が取り付けられる箇所と対向する箇所である。すなわち、図３において、破線で示す箇所が、電子部品での発熱によって、温度が上昇する箇所である。溝１３のそれぞれに封入される冷媒１４の温度は、冷媒１４の対流により、水平方向に均一化される。そのため、第１の主面１１に取り付けられる、後述する電子部品の温度は、水平方向に均一化される。

図４は、実施の形態１に係る電力変換装置の断面図である。図５は、実施の形態１に係る電力変換装置の断面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線での断面図である。図６は、実施の形態１に係る車両用電力変換装置の車両への搭載例を示す図である。車両用電力変換装置２は、筐体３および冷却装置１を備える。筐体３の内部には、電子部品６が格納される。筐体３には、開口７が形成される。車両１００の床下に、車両用電力変換装置２の筐体３が取り付けられる。冷却装置１は筐体３に取り付けられる。冷却装置１のベース１０が開口７を塞ぐ。ベース１０の第１の主面１１は、筐体３の内側に面する。電子部品６が第１の主面１１に取り付けられる。ベース１０には溝１３が形成されるため、第１の主面１１と第２の主面１２が対向する方向のベース１０の厚みは、筐体３の厚みより厚い。図４の例では、冷却装置１は、カバー４で覆われる。カバー４には、通気口５が形成される。通気口５から流入した空気が、放熱部２０に接触しながら流れる。放熱部２０から空気に熱が伝達されることで、電子部品６が冷却される。

冷却装置１による電子部品６の冷却について説明する。電子部品６で生じた熱は、ベース１０の第１の主面１１を介して、冷媒１４に伝達される。電子部品６から伝達された熱によって、液状の冷媒１４の温度が上昇し、冷媒１４は気体に変化する。気体に変化した冷媒１４は、溝１３の内部において、より温度が低い箇所に流れる。冷媒１４が溝１３の内部を、温度が低い箇所に向かって流れる間に、冷媒１４から第２の主面１２を介して、放熱部２０に熱が伝達される。放熱部２０に熱を伝達した冷媒１４の温度は下がり、冷媒１４は液体に変化する。冷媒１４から熱を伝達された放熱部２０は、放熱部２０に接触しながら流れる空気に熱を伝達する。空気に熱を伝達することで、放熱部２０が冷却される。上述のように、電子部品６で生じた熱が、冷媒１４および放熱部２０を介して空気に伝達され、電子部品６が冷却される。

溝１３の内面には、毛細管現象を発生させることで、冷媒１４の流動を促進する構造、例えばウィッグ、グルーブ、メッシュ等が設けられる。ベース１０および放熱部２０の材質は、例えばアルミニウムである。放熱部２０は、例えばろう付け、摩擦攪拌接合等によって、第２の主面１２に接合される。板状部材の一方の面に溝１３を彫り、溝１３に冷媒１４を流し入れた後、該板状部材に別の板状部材を接合して溝１３を塞ぐことで、ベース１０を形成することができる。また第１の主面１１および第２の主面１２を有する板状部材の側面から溝１３を彫り、溝１３に冷媒１４を流し入れた後、側面を塞ぐことで、ベース１０を形成してもよい。

実施の形態１では、電子部品６からベース１０の第１の主面１１を介して冷媒１４に熱が伝達され、冷媒１４から第２の主面１２を介して放熱部２０に熱が伝達される。ヒートパイプをベースプレートに半田付けするヒートパイプ冷却器と比べて、電子部品６と冷媒１４との間の熱抵抗、および冷媒１４と放熱部２０との間の熱抵抗は低いため、該ヒートパイプ冷却器より、実施の形態１に係る冷却装置１の冷却性能は高い。

電子部品６は、電力変換装置であり、例えばインバータである。電子部品６は、例えば、ケイ素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成される、スイッチング素子、ダイオード等の電子素子を有する。ワイドバンドギャップ半導体とは、例えば、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、ダイヤモンド等である。ワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子を用いると、スイッチング速度が速くなるため、電子部品６で生じる熱が増大する。実施の形態１に係る冷却装置１を設けることで、ワイドバンドギャップ半導体によって形成された電子素子を有する電子部品６を十分に冷却することが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態１に係る車両用電力変換装置２によれば、冷媒１４が封入される溝１３が内部に形成されるベース１０の第２の主面１２に、互いに間隔をあけて、複数の放熱部２０を接合することで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。また水平方向に伸びる溝１３をベース１０の内部に形成することで、電子部品６の温度を、水平方向に均一化することが可能である。放熱部２０として、溝１３と同じ方向に伸びるフィンを設けることで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。水平方向に伸びる溝１３がベース１０の内部に形成されているため、実施の形態１に係る車両用電力変換装置２は、水平方向に温度のばらつきが生じ得る冷却方法、例えば水平方向に流れる走向風を利用した冷却方法に適している。

（実施の形態２）
図７は、本発明の実施の形態２に係る冷却装置の断面図である。図８は、実施の形態２に係る冷却装置の断面図である。図８は、図７のＣ−Ｃ線における断面図である。実施の形態２に係る冷却装置１のベース１０においては、実施の形態１と異なり、それぞれが鉛直方向に伸びる複数の溝１５が、水平方向に並べて形成される。放熱部２０は、実施の形態１と同様に、第２の主面１２に接合される。

実施の形態１と同様に、冷却装置１によって、電子部品６が冷却される。図７の例では、気体に変化した冷媒１４は、溝１５の内部において、より温度が低い箇所に流れる。冷媒１４が鉛直方向に移動するため、第１の主面１１に取り付けられる電子部品６の温度は、鉛直方向に均一化される。

図９は、実施の形態２に係る冷却装置の断面図である。図９に示す冷却装置１においては、複数の溝１５の内、少なくとも一部の溝１５の鉛直方向の下端を連結するバイパス１６が形成される。バイパス１６を設けることで、バイパス１６において冷媒１４が対流し、冷媒１４の温度は、対流により、水平方向において均一化される。そのため、バイパス１６と対向する第１の主面１１の一部に取り付けられる電子部品６の温度は、水平方向に均一化される。

以上説明したとおり、本実施の形態２に係る車両用電力変換装置２によれば、冷媒１４が封入される溝１５が内部に形成されるベース１０の第２の主面１２に、互いに間隔をあけて、複数の放熱部２０を接合することで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。また鉛直方向に伸びる溝１５をベース１０の内部に形成することで、電子部品６の温度を、鉛直方向に均一化することが可能である。放熱部２０として、溝１５と同じ方向に伸びるフィンを設けることで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。鉛直方向に伸びる溝１５がベース１０の内部に形成されているため、実施の形態２に係る車両用電力変換装置２は、鉛直方向に温度のばらつきが生じ得る冷却方法、例えば自然対流を利用した冷却方法に適している。

（実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３に係る冷却装置の断面図である。実施の形態３に係る冷却装置１のベース１０においては、実施の形態１と異なり、第１の主面１１と第２の主面１２とが対向する方向を中心軸とする環状の形状を有する溝１７が形成される。放熱部２０は、実施の形態１と同様に、第２の主面１２に接合される。

実施の形態１と同様に、冷却装置１によって、電子部品６が冷却される。図１０において破線で示すように、溝１７の一部と対向する第１の主面１１の箇所に電子部品６を取り付けることで、図１０において実線の矢印で示すように、冷媒１４が対流する。冷媒１４の対流により、第１の主面１１に取り付けられる電子部品６の温度は、均一化される。

以上説明したとおり、本実施の形態３に係る車両用電力変換装置２によれば、冷媒１４が封入される溝１７が内部に形成されるベース１０の第２の主面１２に、互いに間隔をあけて、複数の放熱部２０を接合することで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。また環状の溝１７をベース１０に形成することで、電子部品６の温度を、均一化することが可能である。

（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係る冷却装置の断面図である。実施の形態４に係る冷却装置１のベース１０においては、実施の形態１と異なり、少なくとも１つの分岐を有する溝１８が形成される。

図１１において破線で示すように、溝１８の一部と対向する第１の主面１１の箇所に電子部品６を取り付けることで、少なくとも１つの分岐を有する溝１８を冷媒１４が対流する。冷媒１４の対流により、電子部品６の温度を、均一化することが可能である。また分岐を有する溝１８を形成することで、放熱部２０全体に熱を伝達することが可能となり、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。

以上説明したとおり、本実施の形態４に係る車両用電力変換装置２によれば、冷媒１４が封入される溝１８が内部に形成されるベース１０の第２の主面１２に、互いに間隔をあけて、複数の放熱部２０を接合することで、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。また少なくとも１つの分岐を有する溝１８をベース１０に形成することで、電子部品６の温度を、均一化すること、および放熱部２０全体に熱を伝達することにより、車両用電力変換装置２の冷却性能を向上させることが可能である。

本発明は、上述の実施の形態に限られず、上述の実施の形態の内、任意の実施の形態を組み合わせてもよい。放熱部２０の形状はフィンに限られず、例えば剣山状、蛇腹状等の形状でもよい。冷却装置１が車両用電力変換装置２に取り付けられる向きは、上述の例に限られない。例えば、第１の主面１１と第２の主面１２とは鉛直方向に対向し、冷却装置１は、車両用電力変換装置２の鉛直方向の上面に形成された開口７を塞いで、車両用電力変換装置２に取り付けられてもよい。上述の例では、ベース１０は、筐体３の外側から開口７を塞ぐが、ベース１０は、筐体３の内部に設けられ、筐体３の内側から開口７を塞ぎ、開口７から放熱部２０が筐体３の外側に突出してもよい。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

１ 冷却装置、２ 車両用電力変換装置、３ 筐体、４ カバー、５ 通気口、６ 電子部品、７ 開口、１０ ベース、１１ 第１の主面、１２ 第２の主面、１３，１５，１７，１８ 溝 １４ 冷媒、１６ バイパス、２０ 放熱部、１００ 車両。

Claims (12)

1. 電子部品が内部に格納され、開口が形成され、車両に取り付けられる筐体と、
   対向する第１の主面および第２の主面を有する板状部材であって、前記第１の主面および前記第２の主面に沿って伸びて、冷媒が封入される溝が内部に形成され、前記第１の主面が前記筐体の内側に面する向きで前記開口を塞ぎ、前記第１の主面に前記電子部品が取り付けられ、前記筐体に取り付けられるベースと、
   互いに間隔を空けて、前記第２の主面に接合される複数の放熱部と、
   を備える車両用電力変換装置。
2. 前記ベースおよび前記放熱部の材質はアルミニウムである請求項１に記載の車両用電力変換装置。
3. 前記放熱部は、前記第２の主面にろう付けされる請求項２に記載の車両用電力変換装置。
4. 前記第１の主面と前記第２の主面とは水平方向に対向し、
   それぞれが水平方向に伸びる複数の前記溝が、鉛直方向に並べて形成される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
5. 前記放熱部は、水平方向に伸びるフィンである請求項４に記載の車両用電力変換装置。
6. 前記フィンが伸びる方向は、前記車両の進行方向である請求項５に記載の車両用電力変換装置。
7. 前記第１の主面と前記第２の主面とは水平方向に対向し、
   それぞれが鉛直方向に伸びる複数の前記溝が、水平方向に並べて形成される、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
8. 前記放熱部は、鉛直方向に伸びるフィンである請求項７に記載の車両用電力変換装置。
9. 前記複数の溝の内、少なくとも一部の前記溝の鉛直方向の下端を連結するバイパスが前記ベースの内部に形成される請求項７または８に記載の車両用電力変換装置。
10. 前記溝は、前記第１の主面と前記第２の主面とが対向する方向を中心軸とする環状の形状を有する請求項１から９のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
11. 前記溝は、少なくとも１つの分岐を有する請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。
12. 前記電子部品は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドを用いたワイドバンドギャップ半導体によって形成される電子素子を有する請求項１から１１のいずれか１項に記載の車両用電力変換装置。

Images