JP7224505B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】防塵性を確保しつつ、小型化でき、かつ発熱部品の放熱性を向上させる電力変換装置を得る。【解決手段】発熱するバスバー３ａの熱を、ヒートスプレッダ２ａを介して冷却器２に放熱するように構成され、ヒートスプレッダ２ａとバスバー３ａの間は放熱コンパウンド４で充填し、一方、防塵が必要な部品５の外周にラビリンス構造を形成して、防塵を担わせるようにした。冷却器２の有する第一リブ２ｂを、部品５を囲むように設け、かつ部品５を覆う樹脂モールド３が有する第二リブ３ｂも部品５を囲むようにして、第一リブ２ｂと第二リブ３ｂによりラビリンス構造６を形成する。さらに、第一リブ２ｂに、一部、途切れて無い箇所である第一リブ途切れ箇所２ｃを設けて、この第一リブ途切れ箇所２ｃにヒートスプレッダ２ａを配置して、冷却と防塵を達成している。【選択図】図５

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。

電動化車両、具体的には、ハイブリッド車両（ＨＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）、プラグインハイブリッド車（ＰＨＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ、ＰＨＥＶ：Ｐｌｕｇ－ｉｎ Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ、登録商標）、電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ、登録商標）および燃料電池車（ＦＣＶ：Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ）には、電動化のためのコンポーネントである、駆動用モータを駆動するインバータ、およびバッテリ電源電圧を昇圧するコンバータなどの電力変換装置が搭載されている。
これらの電力変換装置は、近年、低コスト化が求められる傾向がある。また、ＨＶ車、ＰＨＶ，ＰＨＥＶ車等の車両においては、エンジンだけではなく、電動化のためのコンポーネントが搭載されているため、特に小型のコンポーネントが求められる傾向である。

また、同じサイズでも、電力密度を向上させたコンポーネントが求められる傾向がある。
電力密度を向上させるためには、発熱部品を可能な限り、大きな面積で冷却器に接触させ、効率よく発熱部品を冷やすことで、電力密度を向上することができる。しかし、放熱面積を広くすると、コンポーネントの小型化が難しくなるという側面がある。
また、電動化車両に搭載されるモータおよび各電力変換装置は、各製造サプライヤーで製造され、客先車両構造で組み立ての際に一体化されることも多い。
そのような電力変換装置においては、製造から一体化までの間、例えば、輸送時等において、防塵性が求められる。
また、車両組立後においても、高圧洗浄、水没等の完全シールまでは必要ないが、オイルミスト、コンタミ等の防塵性が求められる。
一般的に防塵性を持たせる構造として、ラビリンス構造を設けて、防塵性を確保する方法が知られている。（例えば、特許文献１）

特許第３２１６９６４号公報（第２～３頁、第４図）

しかしながら、特許文献１に示されるようなラビリンス構造を設けると、防塵という１つの機能のためのスペースが必要で、コンポーネントの小型化が難しいという課題があった。
また、防塵性を持たせる構造として、ラビリンス構造を設ける以外にも、防水・防塵用パッキン、あるいは液状シール剤を用い、防塵性を確保することも一般的に行われている。
しかし、この場合、部材追加により、低コスト化が難しく、ラビリンス構造と同様に、スペースも必要で、小型化が難しいという課題があった。

本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、防塵性を確保しつつ、小型化でき、かつ発熱部品の放熱性を向上させる電力変換装置を提供することを目的とする。

本願に開示される電力変換装置は、発熱する第一の部品、防塵を要する第二の部品、第一の部品を冷却する冷却器、第一の部品と冷却器との間に設けられ、第一の部品が発生する熱を冷却器に放熱する放熱部材を備え、冷却器は、第二の部品の外周にラビリンス構造を形成する第一のリブ部を有し、第一のリブ部には切欠き部が設けられ、この切欠き部に放熱部材が配置されているものである。

本願に開示される電力変換装置によれば、防塵性を確保しつつ、小型化でき、かつ発熱部品の放熱性を向上させることができる。

実施の形態１による電力変換装置を示す斜視図である。 実施の形態１による電力変換装置を示す上面図である。 実施の形態１による電力変換装置を示す横方向断面図である。 実施の形態１による電力変換装置を示す縦方向断面図である。 実施の形態１による電力変換装置を示す分解斜視図である。 実施の形態２による電力変換装置を示す分解斜視図である。 実施の形態３による電力変換装置を示す分解斜視図である。 実施の形態４による電力変換装置を示す分解斜視図である。 実施の形態４による電力変換装置を示す上面図である。 実施の形態４による電力変換装置を示す正面図である。 実施の形態４による電力変換装置を示す断面図である。

実施の形態１．
以下、実施の形態１について図に基づいて説明する。
図１は、実施の形態１による電力変換装置を示す斜視図である。
図１において、電力変換装置１は、発熱するバスバー３ａ（第一の部品）と、これを冷却する冷却器２とを有する。
バスバー３ａは、インサート成型等により樹脂モールド３（構造部材）にモールドされている。放熱コンパウンド４（充填材）は、後述するヒートスプレッダとバスバー３ａとの間に充填されている。バスバー３ａを放熱コンパウンド４を介して冷却器２に接触させ、バスバー３ａの熱を冷却器２内の冷却水に伝えることで、バスバー３ａの発熱を抑える。

図２は、実施の形態１による電力変換装置を示す上面図である。
図２において、符号１～３、３ａは図１におけるものと同一のものである。なお、図２のＡＡ断面が図３に、図２のＢＢ断面が図４に示されている。

図３は、実施の形態１による電力変換装置を示す横方向断面図である。
図３は、図２のＡＡ断面を示している。
図３において、符号２、３は図１におけるものと同一のものである。図３で、部品５（第二の部品）は、防塵が必要な部品であり、冷却器２に直接または間接的に取り付けられている。第一リブ２ｂ（第一のリブ部）は、防塵が必要な部品５の周りを囲むように配置されている。ラビリンス構造６は、防塵のために、第一リブ２ｂと後述する第二リブとによって形成されている。第一リブ２ｂの底面と冷却器２は繋がっており、第一リブ２ｂは冷却器２の一部分となっている。
第二リブ３ｂ（第二のリブ部）は、樹脂モールド３と一体になっており、第一リブ２ｂと同様に、防塵が必要な部品５の周りを囲むように配置されて、ラビリンス構造６を形成している。

図４は、実施の形態１による電力変換装置を示す縦方向断面図である。
図４は、図２のＢＢ断面を示している。
図４において、符号２、３、３ａ、４は図１におけるものと、符号２ｂ、３ｂ、５、６は図３におけるものとそれぞれ同一のものである。

図５は、実施の形態１による電力変換装置を示す分解斜視図である。
図５において、符号２、２ｂ、３、３ａ、４、５は図４におけるものと同一のものである。図５で、ヒートスプレッダ２ａ（放熱部材）は、バスバー３ａの熱を冷却器２に伝えるためのものである。
防塵が必要な部品５の周りを囲むように配置された第一リブ２ｂには、一部、途切れて無い箇所である第一リブ途切れ箇所２ｃ（切欠き部）が設けられている。
ヒートスプレッダ２ａは、バスバー３ａを冷却するために、第一リブ途切れ箇所２ｃに配置されている。ヒートスプレッダ２ａの底面と冷却器２は繋がっており、ヒートスプレッダ２ａは、冷却器２の一部分となっている。
ヒートスプレッダ２ａの鉛直上方向には、バスバー３ａが配置され、ヒートスプレッダ２ａとバスバー３ａとの間に放熱コンパウンド４が充填されている。また、第一リブ２ｂとヒートスプレッダ２ａ間にも放熱コンパウンド４が充填されている。

次に、動作について説明する。
実施の形態１は、電力変換装置１における、防塵が必要な部品５に対する防塵のためのラビリンス構造６と、発熱部品であるバスバー３ａの冷却についてのものである。
実施の形態１の電力変換装置１の構造では、バスバー３ａを冷却する冷却器２に、バスバー３ａの熱を冷却器２に伝えるヒートスプレッダ２ａ、放熱コンパウンド４、防塵が必要な部品５が配置され、さらに、ラビリンス構造６を構成する第一リブ２ｂが設けられている。
この第一リブ２ｂには、一部が途切れて無い第一リブ途切れ箇所２ｃが設けられ、この第一リブ途切れ箇所２ｃに、バスバー３ａの発生する熱を、冷却のために放熱するヒートスプレッダ２ａを配置している。

そして、ヒートスプレッダ２ａの鉛直上方向に、発熱するバスバー３ａを配置し、ヒートスプレッダ２ａとバスバー３ａ間を放熱コンパウンド４で充填している。また、第一リブ２ｂとヒートスプレッダ２ａ間も放熱コンパウンド４で充填している。
電力変換装置１の発熱部品であるバスバー３ａは、ヒートスプレッダ２ａおよび放熱コンパウンド４の放熱部を介して冷却器２に接触させ、バスバー３ａの熱を冷却器２内の冷却水に伝えることで、バスバー３ａの発熱を抑えるようにしている。
また、放熱コンパウンド４が、ヒートスプレッダ２ａとバスバー３ａの間に隙間なく充填されて、バスバー３ａの熱の放熱を行う。
実施の形態１では、バスバー３ａは、ヒートスプレッダ２ａおよび放熱コンパウンド４からなる放熱部を介して、冷却器２との接触面を大きくしている。

一方、部品５の防塵については、部品５の外周にラビリンス構造６を形成して、防塵を確保するようになっている。
このため、第一リブ２ｂは、冷却器２に直接または間接的に取り付けられた、防塵が必要な部品５を囲むように配置されている。
バスバー３ａがインサート成型等でモールドされている樹脂モールド３は、第二リブ３ｂと一体に形成され、第二リブ３ｂは第一リブ２ｂと同様に、防塵が必要な部品５の周りを囲むように配置されて、第一リブ２ｂとともにラビリンス構造６を形成している。
また、ラビリンス構造６の一部を切り欠き、切り欠いた箇所に、バスバー３ａを配置するようにし、ヒートスプレッダ２ａとバスバー３ａの間に充填された放熱コンパウンド４で、防塵性を得るようにしている。
この構成によって、部品５の防塵を確保している。

電動車の電力変換装置においては、一般的に冷却水路が設けられた冷却器２に部品を取り付ける。この場合、冷却器との接触面は発熱部品を冷却することができる面であり、発熱部品と冷却器の接触面積を増やすことで、発熱部品の発熱を押えることができる。
実施の形態１では、発熱部品と冷却器の接触面積を最大化し、防塵性に必要なエリアを最小化することで、コンポーネントの小型化、低コスト化につなげている。
このため、放熱コンパウンド４で防塵性を持たせ、防塵性確保に必要なエリアを削減し、その分、バスバー３ａの冷却面積を拡大して、例えば、同じサイズの電力変換装置でも、より高い電流を流すことができ、結果として、コンポーネントの小型化を達成している。

電動車に搭載される電力変換装置、特にインバータは、小型、低コスト化だけではなく、高出力化も求められる傾向にあり、バスバー３ａに流す電流も大きくなる傾向がある。
バスバー３ａの放熱のため、ヒートスプレッダ２ａを含む放熱部の面積を拡大する必要があり、放熱部周りにスペースが必要となる。このため、ラビリンス構造６を放熱部周りのみ無くすようにした。

実施の形態１によれば、発熱部品であるバスバー３ａと冷却器との接触面積を増すことにより、発熱部品を効率よく、冷却することができる。
また、ラビリンス構造６をヒートスプレッダ２ａの周りのみ無くすようにしたことにより、電力変換装置の小型化が図れる。
また、ラビリンス構造６によって防塵性を持たせることで、防塵用のパッキン等の追加部材の必要が無く、組立までの防塵性を確保でき、低コスト化にもつながる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２による電力変換装置を示す分解斜視図である。
図６において、符号２、２ａ、２ｂ、３、３ａ、４、５は図５におけるものと同一のものである。図６では、第一リブ２ｂとヒートスプレッダ２ａとの接続箇所２ｄが示されている。

実施の形態２は、実施の形態１の電力変換装置１において、第一リブ２ｂがヒートスプレッダ２ａまで伸びており、第一リブ２ｂとヒートスプレッダ２ａ間の隙間が無い構造にしている。
実施の形態１では、ヒートスプレッダ２ａと第一リブ２ｂに隙間があるため、隙間にも放熱コンパウンド４を充填する必要があったが、実施の形態２の構造とすることで、放熱コンパウンド４を塗る量を減らすことができる。

実施の形態２によれば、放熱コンパウンド４を塗る量を減らすことができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３による電力変換装置を示す分解斜視図である。
図７において、符号２、２ａ、２ｂ、３、３ａ、４、５は図６におけるものと同一のものである。図７では、第一リブ２ｂとヒートスプレッダ２ａとの鉛直上方向の高さが同一になっている。

実施の形態３は、実施の形態２の電力変換装置１において、第一リブ２ｂとヒートスプレッダ２ａの鉛直上方向の高さを同一にしたものである。
この構成とすることで、放熱コンパウンド４の塗布を平面方向のみとすることができ、放熱コンパウンド４塗布の作業性を向上することができる。

実施の形態３によれば、放熱コンパウンド４の塗布が平面方向のみでよく、放熱コンパウンド４塗布の作業性を向上することができる。

実施の形態４．
図８は、実施の形態４による電力変換装置を示す分解斜視図である。
図８において、符号２、２ａ、２ｂ、３、３ａ、４、５は図６におけるものと同一のものである。図８では、ヒートスプレッダ２ａの形状を変えている。そして、ヒートスプレッダ２ａの一部分に重なるまで、第二リブ３ｂを伸ばすための矢印７を示している。矢印７は、第二リブ３ｂのヒートスプレッダ２ａとの重なり方向を示すものである。

図９は、実施の形態４による電力変換装置を示す上面図である。
図９において、電力変換装置１の上面図で、符号２、３、３ａは図８におけるものと同一のものである。

図１０は、実施の形態４による電力変換装置を示す正面図である。
図１０において、符号２、３、３ａ、４は図８におけるものと同一のものである。図１０のＣＣ断面を図１１に示している。

図１１は、実施の形態４による電力変換装置を示す断面図である。
図１１において、符号２、２ａ、２ｂ、４、５、７は図８におけるもの同一のものである。図１１では、第二リブ３ｂは、矢印７の方向に伸び、ヒートスプレッダ２ａと重なる部分を形成している。そして、このヒートスプレッダ２ａと重なる部分で、ラビリンス構造６を形成している。

実施の形態４は、実施の形態２の電力変換装置１において、冷却器２のヒートスプレッダ２ａの一部分に重なるまで、矢印７の示す重なり方向に、第二リブ３ｂが伸び、ヒートスプレッダ２ａとの重なり部がラビリンス構造６となっている。
この構成とすることで、第一リブ２ｂと第二リブ３ｂのリブの高さを揃えることなく、実施の形態３と同様に、放熱コンパウンド４をヒートスプレッダ２ａ上の平面方向のみに塗布すればよく、また、防塵が必要な部品５の防塵性を確保することができる。

例えば、冷却器２がアルミダイカストの場合、肉厚が薄いリブにおいては、高さを高くしすぎると、ダイカスト時、アルミがリブの高さまで充填されにくく、結果として、不良率が上昇するため、不良率が上昇しない範囲でリブの高さを決める必要がある。
リブの高さまで、ヒートスプレッダ２ａの高さを低くする場合、ヒートスプレッダ２ａの鉛直上方向に配置している銅のバスバー３ａをヒートスプレッダ２ａに近づける必要があるため、銅のバスバー３ａの距離が延び、その分、コストが増加する。
実施の形態４では、リブの高さを揃えなくても良い構成になっているので、冷却器２がアルミダイカストの場合であっても、銅のバスバー３ａの距離が延びることによるコストの増加がない。

実施の形態４によれば、第一リブ２ｂとバスバー３ａの高さを揃えることなく、実施の形態３と同様の効果を得ることができる。

本開示は、様々な例示的な実施の形態および実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１ 電力変換装置、２ 冷却器、２ａ ヒートスプレッダ、２ｂ 第一リブ、
２ｃ 第一リブ途切れ箇所、２ｄ 接続箇所、３ 樹脂モールド、３ａ バスバー、
３ｂ 第二リブ、４ 放熱コンパウンド、５ 部品、６ ラビリンス構造、７ 矢印

Claims (7)

1. 発熱する第一の部品、
   防塵を要する第二の部品、
   上記第一の部品を冷却する冷却器、
   上記第一の部品と上記冷却器との間に設けられ、上記第一の部品が発生する熱を上記冷却器に放熱する放熱部材を備え、
   上記冷却器は、上記第二の部品の外周にラビリンス構造を形成する第一のリブ部を有し、上記第一のリブ部には切欠き部が設けられ、この切欠き部に上記放熱部材が配置されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 上記第二の部品を覆う構造部材を備え、
   上記構造部材は、上記第一のリブ部とともに上記ラビリンス構造を形成する第二のリブ部を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記第二のリブ部は、上記放熱部材の一部とともに上記ラビリンス構造を形成することを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記第一の部品と上記放熱部材との間が、放熱性の充填材で充填されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
5. 上記第一のリブ部の切欠き部において、上記第一のリブ部と上記放熱部材との間が、上記充填材で充填されていることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 上記第一のリブ部の切欠き部において、上記第一のリブ部と上記放熱部材とは、隙間なく接続されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 上記放熱部材は、上記冷却器との接触面に対して鉛直の方向が、上記第一のリブ部の同方向の長さに形成されていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。

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