特許 6984375 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6984375

(24)【登録日】2021年11月29日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20211206BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/48 Z

【請求項の数】9

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2017-235357(P2017-235357)

(22)【出願日】2017年12月7日

(65)【公開番号】特開2019-103359(P2019-103359A)

(43)【公開日】2019年6月24日

【審査請求日】2020年11月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004260

【氏名又は名称】株式会社デンソー

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】特許業務法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】竹内 和哉

(72)【発明者】

【氏名】百瀬 立二郎

【審査官】 石坂 知樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−０３０５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−０８７００２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の電子部品（４１、４２）を、冷媒を流通させる積層部流路（２１）とともに積層してなる積層体（２）と、
上記積層体を収容する筐体（３）と、を有し、
上記筐体は、上記積層体に対して積層方向（Ｘ）における一端側から対向する対向壁部（３２）に、冷媒を流通させる壁部流路（３１）を有し、
上記壁部流路は、上記積層部流路に接続されており、
上記積層体の上記積層方向における一端側の面は、上記壁部流路の内面の一部を構成しており、
上記積層体及び上記筐体は、上記壁部流路の外周において、互いに当接した外周当接部（１１）を有し、上記積層体及び上記筐体は、少なくとも上記外周当接部を樹脂にて構成してある、電力変換装置（１）。

【請求項2】

上記積層体と上記対向壁部とは、互いに接合されている、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

上記積層体は、上記電子部品と該電子部品と一体化されると共に上記積層部流路の一部を構成する部品一体流路（４１１、４２１）とを有する部品モジュール（４１０、４２０）を、複数個積層してなる、請求項１又は２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

上記積層体は、複数の上記部品モジュールを互いに接合してなる、請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

上記積層体及び上記筐体は、上記外周当接部において、互いに溶着されている、請求項４に記載の電力変換装置。

【請求項6】

上記筐体は、上記壁部流路が形成された上記対向壁部以外の部位に、上記壁部流路と接続された付属冷媒流路（３０１）を有し、該付属冷媒流路に、上記電子部品とは異なる発熱部品（５）が熱的に接触するよう配置されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項7】

上記発熱部品は、コンデンサ（５）である、請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

上記積層体は、上記電子部品として半導体部品（４１）を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項9】

上記積層体は、上記電子部品としてリアクトル（４２）をさらに有する、請求項８に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

インバータ等の電力変換装置として、筐体内に、半導体モジュール、リアクトル、コンデンサ等、種々の電子部品が収容されている。そして、特許文献１に開示された電力変換装置においては、半導体モジュールを冷却する冷媒流路の他に、コンデンサ及びリアクトルを冷却する冷媒流路が形成されている。そして、コンデンサ及びリアクトルを冷却する冷媒流路が、筐体に形成されている。一方、半導体モジュールを冷却する冷媒流路は、複数の半導体モジュールと複数の冷却プレートとを積層してなる積層冷却ユニット内に形成されている。

【0003】

積層冷却ユニットの冷媒流路と、筐体に形成された冷媒流路とは、互いに連結されている。これらの冷媒流路を順次、冷媒が流通することにより、電子部品が冷却されるよう構成されている。そして、積層冷却ユニットの冷媒流路と、筐体に形成された冷媒流路とは、筐体の外側に配置された連結管を介して、互いに連結されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−１０２０１７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、筐体の外側に連結管を設けると、連結管の周囲にデッドスペースが生じる。そのため、電力変換装置の小型化を阻害するおそれがある。すなわち、車両等における、電力変換装置の配置スペースの省スペース化が困難となるおそれがある。

【0006】

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、小型化が容易な電力変換装置を提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、複数の電子部品（４１、４２）を、冷媒を流通させる積層部流路（２１）とともに積層してなる積層体（２）と、
上記積層体を収容する筐体（３）と、を有し、
上記筐体は、上記積層体に対して積層方向（Ｘ）における一端側から対向する対向壁部（３２）に、冷媒を流通させる壁部流路（３１）を有し、
上記壁部流路は、上記積層部流路に接続されており、
上記積層体の上記積層方向における一端側の面は、上記壁部流路の内面の一部を構成しており、
上記積層体及び上記筐体は、上記壁部流路の外周において、互いに当接した外周当接部（１１）を有し、上記積層体及び上記筐体は、少なくとも上記外周当接部を樹脂にて構成してある、電力変換装置（１）にある。

【発明の効果】

【0008】

上記電力変換装置において、上記筐体は、上記対向壁部に上記壁部流路を有する。そして、壁部流路は、上記積層部流路に接続されている。これにより、積層部流路と壁部流路とを筐体内において簡素な構成にて接続することができる。その結果、積層部流路と壁部流路とを連結するために、筐体の外部に連結管を設ける必要がなく、電力変換装置の小型化を容易にすることができる。

【0009】

以上のごとく、上記態様によれば、小型化が容易な電力変換装置を提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態１における、電力変換装置の斜視説明図。

【図2】実施形態１における、電力変換装置の断面説明図。

【図3】実施形態１における、半導体モジュールの断面説明図。

【図4】実施形態１における、リアクトルモジュールの断面説明図。

【図5】図２のＶ−Ｖ線矢視断面図。

【図6】図２のVI−VI線矢視断面図。

【図7】図２のVII−VII線矢視断面図。

【図8】図２のVIII−VIII線矢視断面図。

【図9】図２のIX−IX線矢視断面図。

【発明を実施するための形態】

【0011】

（実施形態１）
電力変換装置に係る実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。
本実施形態の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、積層体２と、積層体２を収容する筐体３と、を有する。
積層体２は、複数の電子部品を、冷媒を流通させる積層部流路２１とともに積層してなる。本実施形態において、積層体２は、半導体部品４１及びリアクトル４２を電子部品として有する。

【0012】

筐体３は、積層体２に対して積層方向Ｘにおける一端側から対向する対向壁部３２に、冷媒を流通させる壁部流路３１を有する。壁部流路３１は、積層部流路２１に接続されている。

【0013】

積層体２の積層方向Ｘにおける一端側の面は、壁部流路３１の内面の一部を構成している。なお、本明細書において、積層体２の積層方向を、適宜、Ｘ方向ともいう。また、便宜的に、Ｘ方向において、積層体２に対して対向壁部３２が存在する側を、後側、その反対側を、前側という。ただし、これらの表現は便宜的なものであり、特に電力変換装置１の配置の向きを限定するものではない。
積層体２と対向壁部３２とは、互いに接合されている。

【0014】

積層体２は、部品モジュール４１０、４２０を、複数個積層してなる。部品モジュール４１０、４２０は、電子部品と、該電子部品と一体化されると共に積層部流路２１の一部を構成する部品一体流路４１１、４２１と、を有する。本実施形態において、積層体２は、部品モジュールとして、半導体部品４１を備えた半導体モジュール４１０と、リアクトル４２を備えたリアクトルモジュール４２０とを有する。

【0015】

半導体モジュール４１０は、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタの略）、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタの略）等の半導体部品４１と、部品一体流路４１１とを有する。図３に示すごとく、半導体モジュール４１０は、半導体部品４１を樹脂によってモールドしている。この半導体部品４１をモールドした樹脂部と一体的に形成された樹脂の枠体４１４によって、部品一体流路４１１を形成している。部品一体流路４１１は、半導体部品４１に隣接する位置に形成されている。

【0016】

部品一体流路４１１は、半導体部品４１を、Ｘ方向の両側から挟む正面流路部４１２と、Ｘ方向と直交するＹ方向の両側から挟む側面流路部４１３とを有する。なお、本明細書において、Ｙ方向とは、Ｘ方向に直交する方向であって、半導体部品４１と側面流路部４１３とが並ぶ方向をいうものとする。また、Ｘ方向とＹ方向との双方に直交する方向を、Ｚ方向というものとする。

【0017】

図４に示すごとく、リアクトルモジュール４２０は、リアクトル４２と、部品一体流路４２１とを有する。リアクトルモジュール４２０は、リアクトル４２を樹脂によってモールドしている。このリアクトル４２をモールドした樹脂部と一体的に形成された枠体４２４によって、部品一体流路４２１を形成している。部品一体流路４２１は、リアクトル４２に隣接する位置に形成されている。部品一体流路４２１は、リアクトル４２を、Ｘ方向の両側から挟む正面流路部４２２と、Ｙ方向の両側から挟む側面流路部４２３とを有する。

【0018】

図１、図２に示すごとく、積層体２は、複数の部品モジュール４１０、４２０を互いに接合してなる。具体的には、複数の半導体モジュール４１０と、複数のリアクトルモジュール４２０とを、Ｘ方向に積層して、これらを互いに接合して、積層体２が構成されている。積層体２は、複数の半導体モジュール４１０を積層配置した半導体積層部２０１と、複数のリアクトルモジュール４２０を積層配置したリアクトル積層部２０２とを有する。リアクトル積層部２０２は、半導体積層部２０１に対して、Ｘ方向の後側の位置に配されている。

【0019】

また、積層体２は、部品モジュール４１０、４２０と連結されて積層される、中間ブロック４３及び後端ブロック４４を有する。中間ブロック４３は、半導体積層部２０１とリアクトル積層部２０２との間に介在する。後端ブロック４４は、積層体２の後端に配され、リアクトル積層部２０２と対向壁部３２との間に介在する。

【0020】

中間ブロック４３及び後端ブロック４４は、それぞれ積層部流路２１の一部を構成する連結流路４３１、４４１を有する。中間ブロック４３の連結流路４３１は、半導体モジュール４１０の部品一体流路４１１と、リアクトルモジュール４２０の部品一体流路４２１とを連結する。後端ブロック４４の連結流路４４１は、リアクトルモジュール４２０の部品一体流路４２１と、壁部流路３１とを連結する。
中間ブロック４３及び後端ブロック４４と、複数の半導体モジュール４１０の部品一体流路４１１と、複数のリアクトルモジュール４２０とによって、積層部流路２１が形成されている。

【0021】

図１に示すごとく、筐体３は、略直方体形状を有する。そして、図２に示すごとく、Ｘ方向の後方から積層体２に対向する壁部として、対向壁部３２を有する。また、Ｘ方向の前方から積層体２に対向する壁部として、前方壁部３３を有する。また、図５〜図９に示すごとく、筐体３は、Ｚ方向の一端側に、底壁部３４を有する。

【0022】

なお、筐体３は、必ずしも一体成形品である必要はなく、例えば、複数の部材を接合してなるものであってもよい。例えば、対向壁部３２を、底壁部３４等、他の部分を含む本体部分と別体の部材にて形成してもよい。この場合、例えば、対向壁部３２を構成する部材を、本体部分に接合して、筐体３を構成することもできる。

【0023】

積層体２は、Ｘ方向の前端において、筐体３の前方壁部３３に当接している。また、積層体２は、Ｘ方向の後端において、筐体３の対向壁部３２に当接している。積層体２の前端の半導体モジュール４１０と前方壁部３３とは、互いに接合されている。また、積層体２の後端の後端ブロック４４と対向壁部３２とは、互いに接合されている。また、後端ブロック４４とリアクトルモジュール４２０とは、互いに接合されている。中間ブロック４３とその後側に隣接するリアクトルモジュール４２０とは、互いに接合されている。中間ブロック４３とその前側に隣接する半導体モジュール４１０とは、互いに接合されている。

【0024】

また、半導体積層部２０１において、互いに隣接する半導体モジュール４１０同士は、互いに接合されている。また、リアクトル積層部２０２において、互いに隣接するリアクトルモジュール４２０同士は、互いに接合されている。

【0025】

積層体２及び筐体３は、壁部流路３１の外周において、互いに当接した外周当接部１１を有する。そして、積層体２及び筐体３は、少なくとも外周当接部１１を樹脂にて構成してある。積層体２及び筐体３は、外周当接部１１において、互いに溶着されている。

【0026】

本実施形態においては、筐体３は、その略全体が熱可塑性樹脂からなる。そして、積層体２と筐体３とは、外周当接部１１において互いに溶着されている。また、積層体２を構成する各部品モジュール４１０、４２０、中間ブロック４３及び後端ブロック４４も、少なくともＸ方向の両端部を、熱可塑性樹脂によって構成してある。そして、Ｘ方向に隣接する他の部品との接合部は、溶着によって接合されている。

【0027】

図６、図７、図９に示すごとく、筐体３は、壁部流路３１が形成された対向壁部３２以外の部位に、壁部流路３１と接続された付属冷媒流路３０１を有する。付属冷媒流路３０１に、半導体部品４１及びリアクトル４２とは異なる発熱部品が熱的に接触するよう配置されている。本実施形態においては、発熱部品として、コンデンサ５を配置してある。コンデンサ５は、図示を省略する複数のコンデンサ素子を内蔵してなる。

【0028】

コンデンサ５は、図２に示すごとく、積層体２に対して、Ｙ方向に並ぶ位置に配置されている。そして、図６、図７、図９に示すごとく、付属冷媒流路３０１は、Ｚ方向において、コンデンサ５に対向するように、配置されている。図２、図９に示すごとく、コンデンサ５は、Ｘ方向に長尺な形状に配置されている。そして、Ｘ方向において、筐体３の略全体にわたり、コンデンサ５が配置されている。

【0029】

付属冷媒流路３０１は、筐体３の底壁部３４に形成されている。付属冷媒流路３０１の後端部は、壁部流路３１と連結されている。壁部流路３１は、図２、図５に示すごとく、積層体２に対向する位置に形成された本体流路部３１０と、本体流路部３１０と付属冷媒流路３０１とを連通させる連通流路部３１１とを有する。

【0030】

また、図８、図９に示すごとく、付属冷媒流路３０１の前端部は、前方壁部３３に形成された前方流路３３１と接続されている。前方流路３３１は、付属冷媒流路３０１の前端部から、Ｚ方向における底壁部３４側と反対側へ延びるように形成されている。前方流路３３１は、Ｚ方向において、コンデンサ５と対向する位置に形成されている。

【0031】

そして、前方流路３３１に、冷媒排出路１３１が接続されている。冷媒排出路１３１は、筐体３の前方壁部３３から前方へ突出した排出管１３２の内側に形成されている。
また、図２に示すごとく、積層部流路２１は、前端部において、冷媒導入路１２１と接続されている。冷媒導入路１２１は、筐体３の前方壁部３３から前方へ突出した導入管１２２の内側に形成されている。

【0032】

冷媒導入路１２１から導入された冷媒は、積層体２における積層部流路２１を通り、壁部流路３１へ向かう。なお、図２において、矢印ｗは、冷媒の流れを示す。冷媒は、積層部流路２１において、半導体部品４１及びリアクトル４２を冷却する。冷媒は、半導体積層部２０１の積層部流路２１を通過した後、リアクトル積層部２０２の積層部流路２１に導入される。

【0033】

半導体積層部２０１の積層部流路２１においては、Ｙ方向における２箇所に形成された側面流路部４１３を、それぞれＸ方向に沿って、前側から後側へ向かって冷媒が流れる。そして、複数の正面流路部４１２には、それぞれＹ方向の一方側から他方側へ向かって、冷媒が流れる。具体的には、各正面流路部４１２には、Ｙ方向における、コンデンサ５と反対側の側面流路部４１３からコンデンサ５側の側面流路部４１３に向って、冷媒が流れる。

【0034】

半導体積層部２０１を通過した冷媒は、中間ブロック４３の連結流路４３１を通って、リアクトル積層部２０２の積層部流路２１に導入される。このとき、Ｙ方向の一端側から、リアクトル積層部２０２の積層部流路２１へ冷媒が導入されるよう構成されている。具体的には、Ｙ方向におけるコンデンサ５側の端部から、リアクトル積層部２０２の積層部流路２１へ冷媒が導入される。

【0035】

リアクトル積層部２０２の積層部流路２１においても、Ｙ方向における２箇所の側面流路部４２３を、それぞれＸ方向に沿って、前側から後側へ向かって冷媒が流れる。そして、複数の正面流路部４２２には、Ｙ方向における、コンデンサ５側の側面流路部４２３からコンデンサ５と反対側の側面流路部４２３に向って、冷媒が流れる。

【0036】

リアクトル積層部２０２を通過した冷媒は、後端ブロック４４の連結流路４４１を介して、Ｙ方向におけるコンデンサ５と反対側の端部から、壁部流路３１へ移動する。壁部流路３１に到達した冷媒は、連通流路部３１１を介して、付属冷媒流路３０１へ導入される。

【0037】

付属冷媒流路３０１においては、Ｘ方向における後側から前側へ向かって、冷媒が流れる。この間において、冷媒は、コンデンサ５を冷却する。そして、付属冷媒流路３０１を通過した冷媒は、前方流路３３１を介して、冷媒排出路１３１へ排出される。

【0038】

このようにして、冷媒は、冷媒導入路１２１から冷媒排出路１３１まで、電力変換装置１内の冷媒流路を循環する。この間において、冷媒は、半導体部品４１、リアクトル４２、コンデンサ５と、この順にて熱交換する。これにより、最も発熱量が大きくなりやすい半導体部品４１を、最も温度の低い状態の冷媒によって冷却するよう構成されている。

【0039】

なお、冷媒としては、例えば、水やアンモニア等の自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液を混入した水、フロリナート（登録商標）等のフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒等を用いることができる。

【0040】

また、本実施形態の電力変換装置１は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車等に搭載される車両用の電力変換装置とすることができる。

【0041】

次に、本実施形態の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、筐体３は、対向壁部３２に壁部流路３１を有する。そして、壁部流路３１は、積層部流路２１に接続されている。これにより、積層部流路２１と壁部流路３１とを筐体３内において簡素な構成にて接続することができる。その結果、積層部流路２１と壁部流路３１とを連結するために、筐体３の外部に連結管を設ける必要がなく、電力変換装置１の小型化を容易にすることができる。

【0042】

また、上述のように筐体３の外側に連結管を設ける必要がないため、車両等に電力変換装置１を配置する際、連結管が周辺部材に干渉するという懸念もない。それゆえ、電力変換装置１の設置作業等を容易に行うことができる。また、連結管を設ける場合に必要となる、連結管の接続部位におけるシール性を懸念する必要もなくなる。さらに言えば、連結管を省略できる分、部品点数を低減することもできる。

【0043】

積層体２のＸ方向における一端側の面は、壁部流路３１の内面の一部を構成している。これにより、部品点数を低減することができると共に、電力変換装置１の小型化を一層容易にすることができる。

【0044】

積層体２と対向壁部３２とは、互いに接合されている。これにより、壁部流路３１のシール性を容易に確保することができる。

【0045】

積層体２は、電子部品と部品一体流路４１１、４２１とを有する部品モジュール４１０、４２０を、複数個積層してなる。これにより、積層部流路２１を有する積層体２を、容易に形成することができる。

【0046】

積層体２は、複数の部品モジュール４１０、４２０を互いに接合してなる。これにより、複数の部品一体流路４１１、４２１を、容易かつ確実に接続することができる。すなわち、複数の部品一体流路４１１、４２１の間に、隙間等を生じさせることなく、シール性に優れた積層部流路２１を容易かつ確実に形成することができる。

【0047】

積層体２及び筐体３は、少なくとも外周当接部１１を樹脂にて構成してある。これにより、壁部流路３１のシール性を向上させやすい。
積層体２及び筐体３は、外周当接部１１において、互いに溶着されている。それゆえ、外周当接部１１に隙間が生じることを容易かつ確実に防ぐことができる。

【0048】

筐体３は、付属冷媒流路３０１を有し、付属冷媒流路３０１に、発熱部品（本実施形態においては、コンデンサ５）が熱的に接触するよう配置されている。これにより、積層体２の電子部品（本実施形態においては、半導体部品４１及びリアクトル４２）を冷却する冷媒によって、コンデンサ５をも冷却することができる。それゆえ、電力変換装置１の小型化を図りつつ、コンデンサ５の冷却を行うことができる。

【0049】

付属冷媒流路３０１によって冷却する発熱部品をコンデンサ５とすることにより、コンデンサ５の温度上昇を抑制する必要のある電力変換装置１を、小型化しやすくすることができる。

【0050】

積層体２は、半導体部品４１を有するため、積層部流路２１を流れる冷媒によって、効果的に半導体部品４１の温度上昇を抑制することができる。
積層体２は、リアクトル４２をさらに有するため、積層部流路２１を流れる冷媒によって、効果的にリアクトル４２の温度上昇を抑制することができる。

【0051】

以上のごとく、本実施形態によれば、小型化が容易な電力変換装置を提供することができる。

【0052】

なお、上記実施形態においては、付属冷媒流路３０１を備えた電力変換装置１を示したが、付属冷媒流路３０１のない電力変換装置１とすることもできる。すなわち、積層部流路に接続された壁部流路を備えた構成とし、壁部流路に、積層体の構成部品とは異なる電子部品（例えば、コンデンサ、ＤＣ−ＤＣコンバータ等）を、熱的に接触させて配置することもできる。

【0053】

また、積層体と対向壁部との間を接合する場合、その接合方法は、必ずしも溶着に限定されるものではなく、例えば、摩擦拡散接合等、他の手段によるものとすることもできる。また、部品モジュール同士の接合や、積層体と前方壁部との間の接合等においても、溶着以外の接合方法を用いることもできる。

【0054】

本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

【符号の説明】

【0055】

１ 電力変換装置
２ 積層体
２１ 積層部流路
３ 筐体
３１ 壁部流路
３２ 対向壁部
４１ 半導体部品（電子部品）
４２ リアクトル（電子部品）
Ｘ 積層方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】