JP6136730B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電気自動車、ハイブリッド自動車等の車両には、インバータ等の構造体を備える電力変換装置が搭載されている。そして、電力変換装置には、発熱量の多い電力変換部を冷却するための冷媒が流通する冷媒流路が備えられている。例えば、特許文献１に開示の電力変換装置は、半導体モジュールを含むインバータと当該インバータを冷却する冷却器と、当該半導体モジュール以外の電子部品からなるコンバータと当該コンバータを冷却する冷媒流路とを備える。そして、当該冷却器と当該冷媒流路は、両者を連通する連通部により接続されて冷媒が流通するように構成されている。

特開２０１２−２１００２２号公報

しかしながら、上記連通部は、上記インバータや上記コンバータを収納するケースの外側に位置しており、外部に露出している。そして、連通部と上記冷却器及び冷媒流路との接続箇所は冷媒の漏えい防止のためにシールされており、連通部とケースとの間も当該ケースの水密性確保のためにシールされている。当該電力変換装置を取り扱う際には、連通部が露出しているために、作業者が連通部に触れたりするなど、当該連通部と外部との間に何らかの干渉が生じる恐れがある。この場合には、連通部と上記冷却器及び冷媒流路との間のシール部や、連通部とケースとの間のシール部に負荷がかかり、両シール部のシール性を低下させる可能性がある。また、シール部は連通部と上記冷却器及び冷媒流路との間及び連通部とケースとの間にそれぞれ設けられることから、シール部が比較的多くなる。そのため、装置全体としてシール性を確保するうえで構造的に不利である。

そこで、上記連通部をケースの内部に収納するように構成して、上記連通部と外部との干渉を防止するとともに、上記シール部が比較的少なくて済むようにすることが考えられる。しかしながら、連通部をケースの内部に収納して、ケース内に冷媒流路、冷却器及び連通部からなる冷却系統を設けることとすれば、冷却系統において、万が一、何らかの異常が生じ、冷却系統における冷媒の流通が阻害されるなどして、冷却系統の内圧が過剰に上昇した場合に、ケース内の冷却系統において、シール部等が破損するなどして、ケースの内側に冷媒が漏れ出すおそれがある。この場合には、漏れ出した冷媒がケース内の半導体モジュール等の高圧回路部に接触して、短絡が発生するおそれがある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、万が一、ケース内の冷却系統において、内圧が過剰に上昇した場合であっても、ケースの内側に冷媒が漏えいすることが防止される電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明の一態様は、半導体モジュールと、
該半導体モジュールを冷却する冷却器と、
上記半導体モジュール及び上記冷却器を内部に収納するとともに、外側に開口する凹部が形成されているケースと、
上記凹部の開口側を覆うように上記ケースに取り付けられて、上記凹部との間に冷媒流路を形成している蓋部と、
上記ケース内に設けられているとともに、上記冷却器及び上記冷媒流路に接続されて両者を連通させている連通部と、
を備え、
上記冷却器、上記冷媒流路及び上記連通部は、冷媒が流通するように連通して冷却系統を構成しており、
上記ケースと上記蓋部との間をシールするシール部が形成されているとともに、該シール部には、上記冷却系統においてシール強度が最も低い低強度部が形成されていることを特徴とする電力変換装置にある。

上記電力変換装置においては、ケース内に収納された半導体モジュールを冷却する冷却器が備えられているとともに、ケースの外側に開口する凹部を塞いでいる蓋部とケースとの間に冷媒流路が形成されている。ケース内には、冷却器及び冷媒流路にそれぞれ接続されている連通部が備えられており、冷却器、冷媒流路及び連通部は冷媒が流通するように連通して冷却系統を構成している。そして、蓋部とケースとの間をシールするシール部には、冷却系統においてシール強度が最も低い低強度部が形成されている。これにより、万が一、何らかの異常が生じ、冷却系統における冷媒の流通が阻害されるなどして、冷却系統の内圧が過剰に上昇した場合には、低強度部が最初に破損して、当該低強度部から冷媒が漏えいすることとなる。そして、当該低強度部は、ケースの外側に開口した凹部を塞ぐ蓋部とケースとの間のシール部に形成されているため、冷媒は当該低強度部からケースの外側に漏えいし、ケースの内側へ冷媒が漏えいすることが防止される。

以上のごとく、本発明によれば、万が一、ケース内の冷却系統において、内圧が過剰に上昇した場合であっても、ケースの内側に冷媒が漏えいすることが防止される電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の縦断面図。 実施例１における、電力変換装置の底面図。 実施例２における、電力変換装置の底面図。 図３の一部拡大図。 変形例における、電力変換装置の底面一部拡大図。 さらなる変形例における、電力変換装置の底面一部拡大図。 実施例３における、電力変換装置の底面一部拡大図。 実施例３における、電力変換装置の側面一部拡大図。

本発明の電力変換装置は、電気自動車やハイブリッド自動車に使用することができる。

（実施例１）
本例の電力変換装置につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、半導体モジュール１１と、半導体モジュール１１を冷却する冷却器１２と、半導体モジュール１１及び冷却器１２を内部に収納するとともに、外側に開口する凹部３３が形成されているケース３０とを備える。
凹部３３には、その開口側を覆うようにケース３０に蓋部４０が取り付けられている。凹部３３と蓋部４０との間には、冷媒流路２０が形成されている。
さらに、ケース３０内には、冷却器１２及び冷媒流路２０に接続されて両者を連通させている連通部５０が設けられている。
冷却器１２、冷媒流路２０及び連通部５０は、冷媒が流通するように連通して冷却系統６０を構成している。
そして、ケース３０と蓋部４０との間をシールするシール部４１が形成されているとともに、シール部４１には、冷却系統６０においてシール強度が最も低い低強度部４４が形成されている。

ケース３０は、図１、図２に示すように、第１ケース３１及び第２ケース３２を備える。第１ケース３１は、矩形の平板状である底部３１ａと、その外縁に沿って立設された４つの側壁３１ｂと、底部３１ａの反対側に設けられたケース蓋部３１ｃとを備えている。第１ケース３１は、これらによって箱状を成して、その内側に第１収納部３０１を形成している。

図１に示すように、第１収納部３０１には、半導体モジュール１１及び冷却器１２が収納されている。半導体モジュール１１は、インバータの一部を構成している。冷却器１２は、冷却管１２１、連結管１２２、第１冷媒導入管１２３及び第１冷媒排出管１２４により構成されている。半導体モジュール１１及び冷却管１２１はそれぞれ複数備えられており、Ｘ方向（積層方向Ｘ）に沿って交互に積層されて積層体１３を形成している。各冷却管１２１は連結管１２２によって接続されて連通しており、連結管１２２を介して冷媒が流通するように構成されている。第１冷媒導入管１２３及び第１冷媒排出管１２４は、積層体１３の一端側の端部に位置する冷却管１２１において、積層体１３の積層方向Ｘに平行に延在するように接続されている。第１冷媒導入管１２３は、第１ケース３１の外側と連通して冷却管１２１に冷媒を導入するように構成されており、第１冷媒排出管１２４は、冷却管１２１及び連通部１２２を流通する冷媒を後述の第２ケース３２側に排出するように構成されている。

第２ケース３２は、図１に示すように、第１ケース３１の底部３１ａ側において、積層方向Ｘに垂直なＺ方向に重ねられて設けられている。第２ケース３２は、矩形の平板状である底部３２ａと、その外縁に沿って立設された４つの側壁３２ｂとを備えている。第２ケース３２における第１ケース３１の底部３１ａ側は開口しており、第２ケース３２が底部３１ａ側に取り付けられることにより、側壁３２ｂと底部３１ａ、３２ａとの間に第２収納部３０２が形成されている。第２収納部３０２には、図１に示すように、電子部品（リアクトル２１１、コンデンサ２１２）が収納されている。リアクトル２１１、コンデンサ２１２は、底部３２ａに固定されている。図示しないが、リアクトル２１１及びコンデンサ２１２は、半導体モジュール１１と電気的に接続されている。

図１に示すように、第２ケース３２の底部３２ａには、ケース３０の外側（すなわち、底部３１ａと反対側）に開口する凹部３３が形成されている。そして、当該凹部３３を覆うように、蓋部４０がケース３０（第２ケース３２）に取り付けられている。これにより、凹部３３と蓋部４０との間に冷媒流路２０が形成されている。
冷媒流路２０には、第２冷媒導入管２１及び第２冷媒排出管２２が接続されている。第２冷媒導入管２１は、連通部５０を介して冷却器１２の第１冷媒排出管１２４に接続されて、流路接続部２１ａを形成している。これにより、冷却器１２から排出された冷媒を冷媒流路２０に導入するように構成されている。一方、第２冷媒排出管２２は、冷媒流路２０を流通する冷媒をケース３０の外側に排出するように構成されている。

連通部５０は、樹脂製の成形部材であって、図１及び図２に示すように、管状を成している。そして、連通部５０は、ケース３０内において、第１ケース３１の底部３１ａに形成されている孔部３４を介して、第１ケース３１と第２ケース３２に跨って配置されており、図示しない締結部材によって第１ケース３１に固定されている。
そして、冷却器１２、冷媒流路２０及び連通部５０は、冷媒が流通するように連通しており、これらによって冷却系統６０が構成されている。

図２に示すように、蓋部４０は、矩形の平板状であって、第２ケース３２の底部３２ａ側から見たときに、４つの側壁３２ｂによって形成された矩形の外形よりも若干小さい形状を有している。そして、蓋部４０は、９個の固定部材４２、４２ａ、４２ｂが取り付けられる固定部４３、４３ａ、４３ｂを介してケース３０に固定されている。固定部材４２、４２ａ、４２ｂは、ボルトであって、蓋部４０の縁部に沿って配列するように蓋部４０に形成されている孔部（図示せず）に挿通されて、ケース３０に締結されている。これにより、ケース３０と蓋部４０との当接部に、両者の間をシールするシール部４１が蓋部４０の縁部に沿って延在するように形成されている。図２に示すように、シール部４１は、隣り合って配列している固定部４３、４３ａ、４３ｂを繋いだ仮想線４１ａに沿って形成されている。なお、シール部４１において、ケース３０と蓋部４０との間には、液状ガスケットやＯリングなどの図示しないシール部材が介在している。

そして、図２に示すように、９個の固定部４３、４３ａ、４３ｂのうち、蓋部４０の一端側において隣り合って配列している固定部４３ａと固定部４３ｂとの間隔ｄ１は、その他の隣り合って配列している固定部４３の間隔ｄ２よりも大きくなっている。本例では、間隔ｄ１の大きさは、間隔ｄ２の大きさの約２倍である。これにより、シール部４１において、間隔ｄ１を有する固定部４３ａと固定部４３ｂとの間の領域４４は、間隔ｄ２を有するその他の固定部４３の間の領域よりもシール強度が低く、冷却系統６０（図１）において、シール強度が最も低い低強度部４４を構成している。

本明細書において、「シール強度」とは、冷却系統６０を流通する冷媒が冷却系統６０から外部に漏えいするのを防止するために、冷却系統６０における水密性を保つ機械的強度をいう。そして、シール部４１においては、ケース３０と蓋部４０とを密接させる強さ、あるいは、両者の間に介在しているシール部材を挟持する強さを「シール強度」というものとする。本例では、シール部４１におけるシール強度は、固定部材４２、４２ａ、４２ｂが締結された固定部４３、４３ａ、４３ｂが締結されている部分が最も高く、当該部分から離れるにしたがって弱くなっている。そのため、上述の通り、シール部４１において最も大きい上記間隔ｄ１が形成されている領域４４が低強度部４４となっている。

図２に示すように、冷媒流路２０の内部には、長手方向（Ｘ方向）に平行に、底部３２ａから蓋部４０に向かって立壁２３が立設されている。これにより、冷媒流路２０はＵ字型に形成されている。冷媒流路２０は、その一端側（低強度部４４が形成されている側）の端部に第２冷媒導入管２１（流路接続部２１ａ）が配設されており、そこから他端側に向かって延在するとともに、折り返して一端側に配設されている第２冷媒排出管２２に戻るように形成されている。これにより、低強度部４４は、第２冷媒導入管２１（流路接続部２１ａ）に近接する位置に形成されている。

図１に示すように、冷媒は、第１冷媒導入管１２３を介して一端側の端部の冷却管１２１に供給されて、連結管１２２を介して他の冷却管１２１を流通して、第１冷媒排出管１２４から排出される。冷媒が各冷却管１２１を流通することにより、各半導体モジュール１１との間で熱交換がなされて、各半導体モジュール１１はそれぞれ冷却されることとなる。その後、第１冷媒排出管１２４から排出された冷媒は、連通部５０を介して、第２冷媒導入管２１へ導かれて、冷媒流路２０に導入され、図２において矢印で示すように、冷媒流路２０を流通する。そして、電子部品（リアクトル２１１、コンデンサ２１２）との間で熱交換がなされて、これらが冷却される。その後、冷媒流路２０を流通する冷媒は、第２冷媒排出管２２から外部へ排出される。

次に、本例の電力変換装置１における作用効果について、以下に詳述する。
電力変換装置１によれば、ケース３０内に収納された半導体モジュール１１を冷却する冷却器１２が備えられているとともに、ケース３０の外側に開口する凹部３３を塞いでいる蓋部４０とケース３０との間に冷媒流路２０が形成されている。ケース３０内には、冷却器１２と冷媒流路２０を接続して連通する連通部５０が備えられ、冷却器１２、冷媒流路２０及び連通部５０は冷媒が流通するように連通して冷却系統６０を構成している。そして、蓋部４０とケース３０との間をシールするシール部４１には、冷却系統６０においてシール強度が最も低い低強度部４４が形成されている。これにより、万が一、何らかの異常が生じ、冷却系統６０において冷媒の流通が阻害されるなどして、冷却系統６０における内圧が過剰に上昇した場合には、低強度部４４が最初に破損して、そこから冷媒が漏えいすることとなる。そして、低強度部４４は、ケース３０の外側に開口した凹部３３を塞ぐ蓋部４０とケース３０との間のシール部４１に形成されているため、冷媒は低強度部４４からケース３０の外側に漏えいし、ケース３０の内側へ冷媒が漏えいすることが防止される。

さらに、シール部４１には、蓋部４０とケース３０とを固定する固定部材４２、４２ａ、４２ｂが取り付けられる固定部４３、４３ａ、４３ｂが複数備えられており、固定部４３、４３ａ、４３ｂは、シール部４１の延在方向に沿って配列しているとともに、低強度部４４は、シール部４１において、互いの間隔が最も大きい一対の隣接する固定部４３ａ、４３ｂの間に形成されている。これにより、低強度部４４を簡易な構成で容易に形成することができる。

また、本例では、低強度部４４は、冷媒流路２０において、連通部５０が接続されている第２冷媒導入管２１に近接する位置に形成されている。これにより、万が一、連通部５０から内圧が高い状態で冷媒が第２冷媒導入管２１を介して冷媒流路２０に流入してきた場合には、低強度部４４が最初に確実に破損して、冷媒がケース３０の外側に漏えいすることにより、ケース３０内側への冷媒の漏えいがより確実に防止される。

なお、本例では、冷媒は、冷却器１２を流通した後、冷媒流路２０を流通させることとしたが、これに限定されない。例えば、連通部５０の一端側の端部を冷媒流路２０の第２冷媒排出管２２に接続するとともに、連通部５０の他端側の端部を第１冷媒導入管１２３に接続して、冷媒を、冷媒流路２０を流通した後、冷却器１２を流通させることとしてもよい。

また、本例では、ケース３０は、第１ケース３１と第２ケース３２との２つに分割して形成されていることとしたが、両者が一体的に形成されたケース３０を使用することとしてもよい。

以上のごとく、本例によれば、万が一、ケース３０内の冷却系統６０において冷媒の流通が阻害されるなどして、内圧が過剰に上昇した場合であっても、ケース３０の内側に冷媒が漏えいすることが防止される電力変換装置１が提供される。

（実施例２）
本例の電力変換装置１は、実施例１における低強度部４４（図１）に替えて、図３、図４に示す低強度部４４０を備える。その他の構成要素は実施例１の場合と同様であり、本例においても実施例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

図３に示すように、シール部４１において、第２ケース３２の側壁３２ｂの外縁の一部を凹部３３の内側に向かって切り欠いて切り欠き部４４１が形成されている。これにより、図４に示すように、切り欠き部４４１において、シール部４１の外縁４１ｂが、隣接する一対の固定部４３ａ、４３ｃを繋ぐ仮想線４１ａに近接している。その結果、シール部４１における切り欠き部４４１が形成されている領域において、シール部４１の幅ｗが小さくなっているため、ケース３０と蓋部４０との当接面積が小さくなっている。これにより、シール部４１に、冷却系統６０においてシール強度の最も低い低強度部４４０が形成されることとなる。かかる低強度部４４０によっても、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。

さらに、図４に示すように、低強度部４４０は、シール部４１において、シール部４１と流路接続部２１ａとの距離ｓが最も短い位置に形成されている。これにより、万が一、連通部５０から内圧が高い状態で冷媒が第２冷媒導入管２１（流路接続部２１ａ）を介して冷媒流路２０に流入してきた場合には、低強度部４４０が確実に破損して、冷媒がケース３０の外側に漏えいすることにより、ケース３０の内側への冷媒が漏えいすることがより確実に防止される。

本例では、切り欠き部４４１を設けることにより、シール部４１の外縁４１ｂが仮想線４１ａに近接するようにしたが、図５に示すように、切り欠き部４４１をさらに大きくすることにより、切り欠き部４４１の外縁４１ｂが仮想線４１ａと交差するようにすることができる。これにより、通常の使用状態においては冷媒が漏えいしない範囲で、低強度部４４０のシール強度をさらに低下させることができる。この場合には、万が一、連通部５０から内圧が高い状態で冷媒が第２冷媒導入管２１を介して冷媒流路２０に流入してきた場合には、低強度部４４０が一層確実に破損して、冷媒がケース３０の外側に漏えいすることにより、ケース３０内側への冷媒の漏えいがより一層確実に防止される。

また、本例では、切り欠き部４４１は、ケース３０（第２ケース３２）に形成されていることとしたが、これに替えて、図６に示すように、蓋部４０の外縁の一部を切り欠いて切り欠き部４４２を形成してもよい。この場合も、シール部４１における切り欠き部４４２が形成されている領域において、シール部４１の幅ｗが小さくなっているため、ケース３０と蓋部４０との当接面積が小さくなっている。これにより、シール部４１に、冷却系統６０においてシール強度の最も低い低強度部４４０が形成されることとなる。この場合においても、本例と同等の作用効果を奏する。なお、ケース３０（第２ケース３２）と蓋部４０の両方において、切り欠き部４４１、４４２とが、平面視（蓋部４０側から見た状態）で重なるように形成することとしてもよい。この場合も本例と同等の作用効果を奏する。

また、図６に示すように、蓋部４０側から見たときに、ケース３０（第２ケース３２）において切り欠き部４４２に重なる位置に固定部材４０１が設けられている。固定部材４０１は、図示しない部材をケース３０に固定するためのものである。当該切り欠き部４４２に固定部材４０１を設けることにより、切り欠き部４４２が形成された領域を有効活用でき、装置全体の小型化に寄与する。

また、本例では、固定部材４２、４２ａ、４２ｂ、４２ｃを介して蓋部４０をケース３０に固定したが、これに替えて、接着剤を介して蓋部４０をケース３０に固定してもよい。この場合には、当該接着剤は、シール部４１の全域に設けることができる。この場合も本例と同等の作用効果を奏する。

（実施例３）
本例の電力変換装置１は、実施例１における低強度部４４（図１）に替えて、図７、図８に示す低強度部４４５を備える。その他の構成要素は実施例１の場合と同様であり、本例においても実施例１の場合と同一の符号を用いてその説明を省略する。

図７、図８に示すように、蓋部４０は、平面視（蓋部４０側から見たとき）において、シール部４１と重なる位置に、蓋部４０の厚さが薄くなるように形成された薄肉部４４６を有する。本例では、図８に示すように、薄肉部４４６の厚さｔは、蓋部４０において薄肉部４４６が形成されていない部分の２分の１である。そして、薄肉部４４６が形成されていることにより、薄肉部４４６における蓋部４０の剛性が低下することとなるため、シール部４１において薄肉部４４６と重なる領域４４５は、そのシール強度が低くなっている。これにより、シール部４１に、冷媒系統６０においてシール強度の最も低い低強度部４４５が形成されることとなる。かかる低強度部４４５によっても、実施例１の場合と同等の作用効果を奏する。

１ 電力変換装置
１１ 半導体モジュール
１２ 冷却器
１２１ 冷却管
２０ 冷媒流路
３０ ケース
４０ 蓋部
４４、４４０、４４５ 低強度部
５０ 連通部
６０ 冷却系統

Claims (6)

1. 半導体モジュール（１１）と、
   該半導体モジュール（１１）を冷却する冷却器（１２）と、
   上記半導体モジュール（１１）及び上記冷却器（１２）を内部に収納するとともに、外側に開口する凹部（３３）が形成されているケース（３０）と、
   上記凹部（３３）の開口側を覆うように上記ケース（３０）に取り付けられて、上記凹部（３３）との間に冷媒流路（２０）を形成している蓋部（４０）と、
   上記ケース（３０）内に設けられているとともに、上記冷却器（１２）及び上記冷媒流路（２０）に接続されて両者を連通させている連通部（５０）と、
   を備え、
   上記冷却器（１２）、上記冷媒流路（２０）及び上記連通部（５０）は、冷媒が流通するように連通して冷却系統（６０）を構成しており、
   上記ケース（３０）と上記蓋部（４０）との間をシールするシール部（４１）が形成されているとともに、該シール部（４１）には、上記冷却系統（６０）においてシール強度が最も低い低強度部（４４、４４０、４４５）が形成されていることを特徴とする電力変換装置（１）。
2. 上記シール部（４１）には、上記蓋部（４０）と上記ケース（３０）とを固定する固定部材（４２）が取り付けられる固定部（４３、４３ａ、４３ｂ）が複数備えられており、該固定部（４３、４３ａ、４３ｂ）は、上記シール部（４１）の延在方向に沿って配列しているとともに、上記低強度部（４４）は、上記シール部（４１）において、互いの間隔（ｄ１）が最も大きい一対の隣接する固定部（４３ａ、４３ｂ）の間に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置（１）。
3. 上記低強度部（４４０）は、上記シール部（４１）において、上記シール部（４１）の外縁（４１ｂ）が、隣接する一対の上記固定部（４３ａ、４３ｃ）を繋ぐ仮想線（４１ａ）に対して近接するように、上記ケース（３０）の外縁及び上記蓋部（４０）の外縁の少なくとも一方を上記凹部（３３）の内側に向かって切り欠いて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。
4. 上記低強度部（４４０）は、上記シール部（４１）において、該シール部（４１）の外縁（４１ｂ）が、隣接する一対の上記固定部（４３ａ、４３ｃ）を繋ぐ仮想線（４１ａ）と交差するように、上記ケース（３０）の外縁及び上記蓋部（４０）の外縁の少なくとも一方を上記凹部（３３）の内側に向かって切り欠いて構成されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置（１）。
5. 上記低強度部（４４０、４４５）は、上記シール部（４１）において、上記冷媒流路（２０）と上記連通部（５０）とが接続されている流路接続部（２１ａ）との距離（ｓ）が最も短い位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。
6. 上記低強度部（４４５）は、上記シール部（４１）において、上記蓋部（４０）の厚さ（ｔ）が最も薄い位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置（１）。

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