JP2014079129A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱電気部品の放熱性を向上させるとともに、部品点数を削減し、組立性を向上させた電気部品の冷却装置および該装置を用いた電力変換装置を得ることを目的とする。
【解決手段】電気部品の冷却装置１は、リアクトル２あるいはトランス３を収容する凹部４ｃを有する上部部材４ａと底部部材４ｂとで構成される収容体４と、上部部材４ａと底部部材４ｂとが嵌め合わされ一体化されて、密閉されることにより形成された冷媒流路５とを持ち、上部部材４ａの上部壁面表面に熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂと、底部部材４ｂに設けられた開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂおよびコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、で構成されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、発熱する電気部品を冷却する電気部品の冷却装置及び電気部品の冷却装置を用いた交流／直流変換あるいは直流／直流変換を行う電力変換装置に関するものである。

車載用電力変換装置には、部品としてトランス、リアクトルが使用されている。これらの部品においては、電気自動車のように、特に、電力容量の増大が要求される場合には、鉄芯が使用されるコアでは、磁束密度の時間的変化により磁性体内に発生する渦電流の発熱量が増大し、また、コイルでは、巻線抵抗による発熱量も増大する。これらの発熱量の増大により近接して配置された他の電子機器類が加熱され、正常な動作を損なわせる恐れがある。このため、トランス、リアクトル等の発熱部品の発熱に対する対策が求められている。

この発熱に対する対策の例として、例えば、特許文献１に示される冷却装置付きリアクトルでは、リアクトル１０を、通電により磁束を発生するコイル１１及び磁路を形成するコア１２と、コイル１１の外周面１１Ａに沿って対向しコイル１１からの熱を奪うコイル対向面２４Ａを具備するコイル冷却部２４、及び、コア１２の短手部１２ｂの側面１２Ｂに沿って対向しコア１２からの熱を奪うコア対向面２５Ａを具備するコア冷却部２３を備えた側部ハウジング１６と、で構成されている。これにより、側部ハウジング１６をヒートシンク５に固定して、コイル１１及びコア１２を支持すると共に、コイル１１及びコア１２から奪った熱をヒートシンク５に伝達している。この結果、放熱効果を向上させることができると共に小型化を可能とし、周囲の電子機器類等への輻射を抑制して電気的な安定性を向上させている。

また、特許文献２に示される電力変換装置では、筺体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されており、開口４００と４０２を塞ぐように２個のパワーモジュール３００が冷却水流路１９の上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン３０５が設けられており、フィン３０５は冷却水流路１９の開口４００と４０２から冷却水の流れの中に突出している。さらに、筺体１２が冷却されることにより、筺体１２の下部ケース１６が冷却され、下部ケース１６及び筺体１２を介してコンデンサモジュール５０の熱が冷却水に熱的伝導され冷却される。この構造により、冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率よく冷却することができ、電力変換装置全体の小型化を図ることができる。

特開２００２−５０５２７号公報 特開２０１２−１００５３２号公報

プラグインハイブリット車や電気自動車に搭載される装置に対しては、小型、低コスト化の要求が非常に強く、これらの電力変換装置の小型、低コスト化を実現する手段のひとつとしてスイッチング周波数の高速化がある。電力変換装置に用いられるトランスやリアクトルは、スイッチング周波数の高速化により小型化が可能となったが、発熱密度増大という新たな課題を生むこととなった。また、トランスやリアクトルの発熱は、自己の発熱によって、磁性部品としての性能劣化を招くばかりでなく、周辺の電気部品を高温に晒してしまうことになる。

しかしながら、特許文献１に示す従来の冷却装置付きリアクトルを備えた電力変換装置では、部品点数が多い上に、発熱電気部品で発生した熱は、金属ケース、絶縁伝熱シートを介して冷却部品に伝熱されるために、熱伝導経路が長くなり熱抵抗が大きくなる。また、放熱面が発熱電気部品が収容された金属ケースに形成されたフィンと、金属ケースの底面のみからであり、放熱面積も小さく、放熱性能が悪いという課題があった。また、フィンから放熱される熱により、装置内部の温度が上昇するという課題もあった。

また、特許文献２に示す従来の電力変換装置では、パワーモジュールの放熱のために設けられたフィンを冷却水の流れの中に突出させて冷却を行っており、トランス、リアクトルといった嵩の高い発熱電気部品にはフィンを設けることが困難であり、この冷却方法を適用することができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、発熱電気部品の放熱性を向上させるとともに、部品点数を削減し、組立性を向上させた電気部品の冷却装置及び電力変換装置を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電気部品の冷却装置は、電気部品を収容する凹部を少なくとも１つ備えるとともに、前記凹部の側面部の傍らを通る冷媒流路を有する収容体を具備し、前記冷媒流路の冷媒の流れに直交する断面形状が、前記凹部断面の深さ方向の長さがこれと直交する方向の長さより大きいことを特徴とするものである。

また、本発明に係る電力変換装置は、上記電気部品の冷却装置を用い、交流／直流変換あるいは直流／直流変換を行うことを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置によれば、収容体に設けられた凹部に電気部品を収容し、収容体の凹部の側面に対向する面に冷媒を流す冷媒流路を設けることにより、嵩の高い電気部品であっても、冷却面積を増大させることができるので、効率よく冷却させることができるとともに電気部品の冷却装置の小型化を図ることができるという効果がある。

実施の形態１に係る電気部品の冷却装置の主要部を示す概略平面透視図である。 図１の電気部品の冷却装置の主要部におけるＡ−Ａ’部の断面図である。 図１の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。 実施の形態２に係る電気部品の冷却装置の主要部における断面図である。 図４の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。 実施の形態３に係る電気部品の冷却装置の主要部を示す概略平面透視図である。 図６の電気部品の冷却装置の主要部におけるＢ−Ｂ’部の断面図である。 図６の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電気部品の冷却装置について、図１から図８を参照して説明する。なお、この発明の電気部品の冷却装置は、例えば、プラグインハイブリッド車、電気自動車等に搭載され、ＡＣ入力電源を直流に変換して高電圧バッテリに充電する充電器や、高電圧バッテリの電圧を、１２Ｖ系電圧に変換して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に適用することができるものである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電気部品の冷却装置の主要部を示す回路基板を除く概略平面透視図であり、図２は、図１の電気部品の冷却装置の主要部におけるＡ−Ａ’部の断面図である。また、図３は、図１の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。

まず、図１から図３を用いて、実施の形態１に係る電気部品の冷却装置の主要部の構成について説明する。電気部品の冷却装置１は、発熱する電気部品としてリアクトル２あるいはトランス３を収容する凹部４ｃを有する上部部材４ａと筺体を兼ねる底部部材４ｂとで構成される金属材による収容体４と、収容体４の上部部材４ａと底部部材４ｂとが嵌め合わされて一体化されて、密閉することにより形成された冷媒流路５と、底部部材４ｂに設けられた開口部４ｓと、上部部材４ａの表面に放熱用の熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂと、底部部材４ｂの開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂ及びコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、これらを覆うカバー１０と、で構成されている。

なお、リアクトル２あるいはトランス３と凹部４ｃとの間隙には、絶縁性熱伝導樹脂１１が充填されており、回路基板９は、上部部材４ａあるいは底部部材４ｂに設けられたボス１２で固定ねじ１３により固定され、リアクトル２の端子２ｔ、トランス３の端子３ｔ、半導体素子群７ａ，７ｂの端子７ｔ及びコンデンサ８の端子８ｔを介して、回路基板９の配線と、それぞれ電気的に接続されている。また、リアクトル２は、樹脂ホルダ２ｈに収められ、その脚部２ｐは、収容体４の底部部材４ｂに形成された溝部４ｇに嵌め込まれ、位置決め固定されている。また、半導体素子群７ａ，７ｂは、冷媒が流れる冷媒流路５上の上部部材４ａの上面に配置されている。さらに、底部部材４ｂの側面部には、冷媒を冷媒流路５に流すため、流入配管端子１４ａと流出配管端子１４ｂが取り付けられている。

続いて、図１から図３を用いて、電気部品の冷却装置の動作について説明する。冷媒が流入配管端子１４ａから冷媒流路５に供給されると、まず、冷媒流路５上に配置されている第一の半導体素子群７ａから発生する熱は、熱伝導樹脂シート６を介して冷媒により冷却される。続いて、冷媒流路５の傍らの一方の凹部４ｃに収容されているトランス３から発生する熱は、凹部４ｃとトランス３との間隙に充填された絶縁性熱伝導樹脂１１を介して冷媒により冷却される。さらに、他方の凹部４ｃに収容されているリアクトル２から発生する熱も、凹部４ｃとリアクトル２との間隙に充填された絶縁性熱伝導樹脂１１を介して冷媒により冷却される。冷媒流路５は折り返されており、リアクトル２の半周側面が冷却された後、再びトランス３の反対側面が冷却される。また、第二の半導体素子群７ｂから発生する熱は、熱伝導樹脂シート６を介して冷媒により冷却される。この後、冷媒は流出配管端子１４ｂから排出される。

冷媒としては、例えば、エチレングリコール液が、絶縁性熱伝導樹脂１１としては、例えば、シリコーン樹脂を、また、収容体４としては、例えば、アルミニウム等の金属材料を用いることができる。

ここで、冷媒流路５において、冷媒の流れに直交する断面形状は垂直方向（凹部４ｃの断面の深さ方向）に縦長とし、断面の長手方向とリアクトル２あるいはトランス３の側面とが接するように配置することで、冷媒流路５で周囲を囲まれたリアクトル２及びトランス３で発生する熱の放熱面積を確保しつつ、冷媒が流れる冷媒流路５の断面積を減少させて流速を速めることができる。これにより、冷媒の熱伝達率が増大し、発熱する電気部品からの放熱性を向上させることができる。

また、凹部４ｃに発熱する電気部品（リアクトル、トランス）２，３を収容する収容体４が、容器（筺体）を兼ねており、部品点数が削減されるとともに、冷媒と発熱する電気部品との熱伝導路が短縮化され、熱抵抗を低減させることができる。また、冷媒が流れる冷媒流路５の断面を垂直方向に縦長にすることにより、電気部品の冷却装置の必要平面（投影面積）の小型化を図ることができ、冷媒流路５に接する上部部材４ａの上部壁面の表面に配置される高速スイッチング動作をする半導体素子群７ａ，７ｂの配置自由度も向上させることができる。

図２に示すように、発熱電気部品であるリアクトル２や、トランス３の高さに合わせて、凹部４ｃの深さ及び冷媒流路５の断面形状における長手方向の寸法ｃを発熱量に応じて設定することで、冷媒の流速、圧力損失等を考慮した放熱設計の最適化を図ることができる。

また、冷媒流路５を挟んで、冷媒の流路方向に対して一方に、コンデンサ８を、他方にリアクトル２あるいはトランス３を配設することで、それぞれの電気部品から発生した熱は、上部部材４ａ及び底部部材４ｂの側壁を通して冷媒流路５を流れる冷媒により冷却される。それと共に、リアクトル２とトランス３の熱を遮蔽することができ、コンデンサ８側へ熱が伝達されることを抑制することができるので、コンデンサ８の寿命を延ばすことができる。

また、図２のように、コンデンサ８とリアクトル２、トランス３との間で、冷媒流路５の上部部材４ａの上部壁面と接するかたちで、熱伝導樹脂シート６を介して半導体素子群７ａ，７ｂを配設し、冷媒流路５の上部以外の上部部材４ａの壁面の個所に固定ねじ１３で固定することで、半導体素子群７ａ，７ｂと接する冷媒流路５の上部部材４ａの壁の厚さｔを薄くすることができる。これにより、冷媒流路５に半導体素子群７ａ，７ｂを近づけることが可能となり、半導体素子群７ａ，７ｂの放熱性を向上させることができる。

また、リアクトル２の端子２ｔ、トランス３の端子３ｔ及び半導体素子群７ａ，７ｂの端子７ｔは、それぞれ、その先端部が上部部材４ａの上面に対して垂直方向に延出されており、回路基板９に裏面側から挿入されて、半田付けやレーザ溶接等で配線に電気的に接合されている。

また、回路基板９は、上部部材４ａの上面部に取り付けられたボス１２、及び底部部材４ｂに取り付けられたボス１２に固定ねじ１３で固定されている。回路基板９の上側には、カバー１０が設置されている。このカバー１０は、その周縁部を固定ねじ１３により、上部部材４ａ及び底部部材４ｂに固定されている。

ここで、上部部材４ａの２つの凹部４ｃにリアクトル２及びトランス３が挿入される深さと、半導体素子群７ａ，７ｂの高さ位置を最適に配置することにより、それぞれの端子２ｔ，３ｔ，７ｔの先端部の高さを同じとした。これは、先端部の高さを揃えることで、これらの回路基板９への組付性や組付の信頼性が向上する。さらに、熱損失及び高周波駆動させる際に発生する電気的なノイズの回路基板９への影響を抑制することもできる。これら端子２ｔ，３ｔ，７ｔにより、回路基板９に直接組付けることで、バスバーなどの部品点数を削減することができるとともに、大電流が流れる配線の距離を最短化することができる。

また、回路基板９は、上部部材４ａの上面から離れた位置に配設されている。これにより、高温高湿下で電気部品（電子部品）が駆動された際に、冷媒流路５上の上部部材４ａの上面に付着した結露等により、配線や電気部品が短絡することを防ぐことができる。

また、冷媒流路５が折り返された流路を有しているため、往復流路とも接するように凹部４ｃを配置することにより、電気部品２，３の冷媒に接する面積を増大させることができ、効率よく冷却することができる。

このように、実施の形態１に係る電気部品の冷却装置によれば、収容体に設けられた凹部に電気部品を収容し、収容体の凹部の傍らに冷媒を流す冷媒流路を設けることにより、嵩の高い電気部品であっても、冷却面積を増大させることができるので、効率よく冷却させることができるとともに電気部品の冷却装置の小型化を図ることができるという顕著な効果が期待できる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る電気部品の冷却装置の主要部における断面図であり、図５は、図４の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。実施の形態１の電気部品の冷却装置との違いは、実施の形態１では、冷媒流路が上部部材と底部部材とを嵌め合わせて一体化することによって構成されているのに対して、実施の形態２では、冷媒流路となる溝が加工された上部部材と底板とで密閉されて一体化することによって構成されている点である。

次に、図４及び図５を用いて、実施の形態２に係る電気部品の冷却装置の主要部の構成について説明する。電気部品の冷却装置１は、冷媒流路５となる部分に底面側から溝が形成され、また、上面側には発熱する電気部品としてリアクトル２あるいはトランス３を収容する収容する凹部４ｃ及び開口部４ｓが形成された上部部材４ｅと底板４ｄとで構成される金属体による収容体４と、収容体４の上部部材４ｅと底板４ｄとが組み合わされ一体化されて、密閉されることにより形成された冷媒流路５と、上部部材４ｅの表面に放熱用の熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂ、上部部材４ｅの開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂ及びコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、これらを覆うカバー１０と、で構成されている。なお、他の構成要素は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１と構成上の違いは、実施の形態１では、収容体４が上部部材４ａと底部部材４ｂとが嵌め合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されているのに対して、実施の形態２では、収容体４が上部部材４ｅと底板４ｄとが組み合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されている点であり、電気部品の冷却装置の動作については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１に比べて優れている点は、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８は、上部部材４ｅとカバー１０とで閉ざされた領域内に配置されているため、上部部材４ｅと底板４ｄとの接合部から冷媒が洩れても電気部品の冷却装置１の内部に浸入することがなく、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８に冷媒が付着して短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができることである。これにより、電気部品の冷却装置の信頼性の向上を図ることができる。

また、上部部材４ｅのみに、凹部４ｃ、開口部４ｓ及び冷媒流路５の加工を行い、底板４ｄには特別な加工を行っていないため加工コストの低減を図ることができる。

このように、実施の形態２に係る電気部品の冷却装置によれば、電気部品を収容する収容体の凹部の傍らに冷媒を流す冷媒流路を設けるとともに、冷媒が流れる上部部材と底板の接合部を、電気部品や半導体素子が収納されている領域の外側に設けることにより、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、冷媒が漏れても、装置の内部に浸入することがなく、電気部品や電子部品に冷媒が付着することによって生じる短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができるという顕著な効果が期待できる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る電気部品の冷却装置の主要部を示す回路基板を除く概略平面透視図であり、図７は、図６の電気部品の冷却装置の主要部におけるＢ−Ｂ’部の断面図である。また、図８は、図６の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。実施の形態１の電気部品の冷却装置との違いは、実施の形態１では、冷媒流路が上部部材と底部部材とを嵌め合わせて一体化することによって構成されているのに対して、実施の形態３では、冷媒流路が側面から貫通加工された収容体を側板で密閉することによって構成されている点である。

次に、図６から図８を用いて、実施の形態３に係る電気部品の冷却装置の主要部の構成について説明する。電気部品の冷却装置１は、冷媒が流れる部分が側面側から貫通形成され、また、上面側には発熱する電気部品としてリアクトル２あるいはトランス３を収容する凹部４ｃ及び開口部４ｓが形成された収容体４と、収容体４と側板４ｗとが組み合わされ一体化されて、密閉されることにより形成された冷媒流路５と、収容体４の表面に放熱用の熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂ、収容体４の開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂ及びコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、これらを覆うカバー１０と、で構成されている。なお、他の構成要素は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１と構成上の違いは、実施の形態１では、収容体４が上部部材４ａと底部部材４ｂとを嵌め合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されているのに対して、実施の形態３では、収容体４に貫通加工が施され、側板４と組み合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されている点であり、電気部品の冷却装置の動作については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１に比べて優れている点は、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８は、収容体４とカバー１０とで閉ざされた領域内に配置されているため、実施の形態２と同様、収容体４と側板４ｗとの接合部から冷媒が洩れても電気部品の冷却装置１の内部に浸入する可能性が低く、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８に冷媒が付着して短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができることである。これにより、電気部品の冷却装置の信頼性の向上を図ることができる。

このように、実施の形態３に係る電気部品の冷却装置によれば、電気部品を収容する収容体の凹部の傍らに冷媒を流す冷媒流路を設けるとともに、冷媒が流れる収容体と側板との接合部を、電気部品や半導体素子が収納されている領域の外側に設けることにより、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、冷媒が漏れても、装置の内部に浸入することがなく、電気部品や電子部品に冷媒が付着することによって生じる短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができるという顕著な効果が期待できる。

なお、電気部品を収容する凹部の数は、２つとは限らず、使用する電気部品の数に応じて設ければよい。また、冷媒流路は、その流れがＭ字形の場合を例に説明したが、Ｕ字形やＩ字形の場合であってもよく、凹部の傍らを冷媒が流れるように配置されていればよい。また、上部部材と底部部材、上部部材と底板あるいは収容体と側板との接合部は、冷媒の漏洩を防ぐため、シール材を用いてもよい。また、冷媒としては、エチレングリコールの他、水等の他の冷媒を用いる場合であってもよい。また、収容体の材質として、アルミニウムを例に挙げたが、熱伝導性に優れた銅等の材質のものを用いることもできる。半導体素子は、複数の半導体素子からなる半導体素子群としたが単一の半導体素子の場合であっても適用することができる。また、実施の形態では、冷却する電気部品としては、リアクトル、トランスを例に挙げて説明したが、これに限らず発熱する電気部品であれば、適用することが可能である。

また、本実施の形態の電気部品の冷却装置を用いて、発熱電気部品であるリアクトルやトランスが使用されている交流／直流変換あるいは直流／直流変換を行う電力変換装置に適用することは効果的である。例えば、上述したように、プラグインハイブリッド車、電気自動車等に搭載され、ＡＣ入力電源を直流に変換して高電圧バッテリに充電する充電器や、高電圧バッテリの電圧を、１２Ｖ系電圧に変換して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に適用することができるものである。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 電気部品の冷却装置、２ リアクトル、２ｔ リアクトル端子、３ トランス、３ｔ トランス端子、４ 収容体（４ａ 上部部材、４ｂ 底部部材、４ｃ 凹部、４ｄ 底板、４ｗ 側板）、５ 冷媒流路、６ 熱伝導樹脂シート、７ａ、７ｂ 半導体素子群、７ｔ 半導体素子端子、８ コンデンサ、８ｔ コンデンサ端子、９ 回路基板、１０ カバー、１１ 絶縁性熱伝導樹脂、１４ａ 流入配管端子、１４ｂ 流出配管端子

この発明は、発熱する電気部品を冷却する電気部品の冷却装置を備えた電力変換装置に関するものである。

車載用電力変換装置には、部品としてトランス、リアクトルが使用されている。これらの部品においては、電気自動車のように、特に、電力容量の増大が要求される場合には、鉄芯が使用されるコアでは、磁束密度の時間的変化により磁性体内に発生する渦電流の発熱量が増大し、また、コイルでは、巻線抵抗による発熱量も増大する。これらの発熱量の増大により近接して配置された他の電子機器類が加熱され、正常な動作を損なわせる恐れがある。このため、トランス、リアクトル等の発熱部品の発熱に対する対策が求められている。

この発熱に対する対策の例として、例えば、特許文献１に示される冷却装置付きリアクトルでは、リアクトル１０を、通電により磁束を発生するコイル１１及び磁路を形成するコア１２と、コイル１１の外周面１１Ａに沿って対向しコイル１１からの熱を奪うコイル対向面２４Ａを具備するコイル冷却部２４、及び、コア１２の短手部１２ｂの側面１２Ｂに沿って対向しコア１２からの熱を奪うコア対向面２５Ａを具備するコア冷却部２３を備えた側部ハウジング１６と、で構成されている。これにより、側部ハウジング１６をヒートシンク５に固定して、コイル１１及びコア１２を支持すると共に、コイル１１及びコア１２から奪った熱をヒートシンク５に伝達している。この結果、放熱効果を向上させることができると共に小型化を可能とし、周囲の電子機器類等への輻射を抑制して電気的な安定性を向上させている。

また、特許文献２に示される電力変換装置では、筺体１２の中ほどに冷却水流路１９が設けられ、冷却水流路１９の上部には流れの方向に並んで２組の開口４００と４０２が形成されており、開口４００と４０２を塞ぐように２個のパワーモジュール３００が冷却水流路１９の上面に固定されている。各パワーモジュール３００には放熱のためのフィン３０５が設けられており、フィン３０５は冷却水流路１９の開口４００と４０２から冷却水の流れの中に突出している。さらに、筺体１２が冷却されることにより、筺体１２の下部ケース１６が冷却され、下部ケース１６及び筺体１２を介してコンデンサモジュール５０の熱が冷却水に熱的伝導され冷却される。この構造により、冷却水流路１９の上面と下面とを利用して効率よく冷却することができ、電力変換装置全体の小型化を図ることができる。

特開２００２−５０５２７号公報 特開２０１２−１００５３２号公報

プラグインハイブリット車や電気自動車に搭載される装置に対しては、小型、低コスト化の要求が非常に強く、これらの電力変換装置の小型、低コスト化を実現する手段のひとつとしてスイッチング周波数の高速化がある。電力変換装置に用いられるトランスやリアクトルは、スイッチング周波数の高速化により小型化が可能となったが、発熱密度増大という新たな課題を生むこととなった。また、トランスやリアクトルの発熱は、自己の発熱によって、磁性部品としての性能劣化を招くばかりでなく、周辺の電気部品を高温に晒してしまうことになる。

しかしながら、特許文献１に示す従来の冷却装置付きリアクトルを備えた電力変換装置では、部品点数が多い上に、発熱電気部品で発生した熱は、金属ケース、絶縁伝熱シートを介して冷却部品に伝熱されるために、熱伝導経路が長くなり熱抵抗が大きくなる。また、放熱面が発熱電気部品が収容された金属ケースに形成されたフィンと、金属ケースの底面のみからであり、放熱面積も小さく、放熱性能が悪いという課題があった。また、フィンから放熱される熱により、装置内部の温度が上昇するという課題もあった。

また、特許文献２に示す従来の電力変換装置では、パワーモジュールの放熱のために設けられたフィンを冷却水の流れの中に突出させて冷却を行っており、トランス、リアクトルといった嵩の高い発熱電気部品にはフィンを設けることが困難であり、この冷却方法を適用することができないという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、発熱電気部品の放熱性を向上させるとともに、部品点数を削減し、組立性を向上させた電力変換装置を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、高速スイッチング動作をする半導体素子と電気部品であるトランス及びリアクトルとにより構成される電力変換装置であって、電気部品を収容する凹部を少なくとも１つ備えるとともに、前記凹部の側面部の傍らを通る冷媒流路を有する収容体を具備し、前記冷媒流路の冷媒の流れに直交する断面形状が、前記凹部断面の深さ方向の長さがこれと直交する方向の長さより大きい前記電気部品の冷却装置を備えたことを特徴とするものである。

また、本発明に係る電力変換装置は、交流／直流変換あるいは直流／直流変換を行うことを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置によれば、収容体に設けられた凹部に電気部品であるトランス及びリアクトルを収容し、収容体の凹部の側面に対向する面に冷媒を流す冷媒流路を設けることにより、嵩の高い電気部品であっても、冷却面積を増大させることができるので、効率よく冷却させることができるとともに電気部品の冷却装置の小型化を図ることができるという効果がある。

実施の形態１に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部を示す概略平面透視図である。 図１の電気部品の冷却装置の主要部におけるＡ−Ａ’部の断面図である。 図１の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。 実施の形態２に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部における断面図である。 図４の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部を示す概略平面透視図である。 図６の電気部品の冷却装置の主要部におけるＢ−Ｂ’部の断面図である。 図６の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。

以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置について、図１から図８を参照して説明する。なお、この発明の電気部品の冷却装置は、例えば、プラグインハイブリッド車、電気自動車等に搭載され、ＡＣ入力電源を直流に変換して高電圧バッテリに充電する充電器や、高電圧バッテリの電圧を、１２Ｖ系電圧に変換して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に適用することができるものである。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部を示す回路基板を除く概略平面透視図であり、図２は、図１の電気部品の冷却装置の主要部におけるＡ−Ａ’部の断面図である。また、図３は、図１の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。

まず、図１から図３を用いて、実施の形態１に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部の構成について説明する。電気部品の冷却装置１は、発熱する電気部品としてリアクトル２あるいはトランス３を収容する凹部４ｃを有する上部部材４ａと筺体を兼ねる底部部材４ｂとで構成される金属材による収容体４と、収容体４の上部部材４ａと底部部材４ｂとが嵌め合わされて一体化されて、密閉することにより形成された冷媒流路５と、底部部材４ｂに設けられた開口部４ｓと、上部部材４ａの表面に放熱用の熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂと、底部部材４ｂの開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂ及びコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、これらを覆うカバー１０と、で構成されている。

なお、リアクトル２あるいはトランス３と凹部４ｃとの間隙には、絶縁性熱伝導樹脂１１が充填されており、回路基板９は、上部部材４ａあるいは底部部材４ｂに設けられたボス１２で固定ねじ１３により固定され、リアクトル２の端子２ｔ、トランス３の端子３ｔ、半導体素子群７ａ，７ｂの端子７ｔ及びコンデンサ８の端子８ｔを介して、回路基板９の配線と、それぞれ電気的に接続されている。また、リアクトル２は、樹脂ホルダ２ｈに収められ、その脚部２ｐは、収容体４の底部部材４ｂに形成された溝部４ｇに嵌め込まれ、位置決め固定されている。また、半導体素子群７ａ，７ｂは、冷媒が流れる冷媒流路５上の上部部材４ａの上面に配置されている。さらに、底部部材４ｂの側面部には、冷媒を冷媒流路５に流すため、流入配管端子１４ａと流出配管端子１４ｂが取り付けられている。

続いて、図１から図３を用いて、電気部品の冷却装置の動作について説明する。冷媒が流入配管端子１４ａから冷媒流路５に供給されると、まず、冷媒流路５上に配置されている第一の半導体素子群７ａから発生する熱は、熱伝導樹脂シート６を介して冷媒により冷却される。続いて、冷媒流路５の傍らの一方の凹部４ｃに収容されているトランス３から
発生する熱は、凹部４ｃとトランス３との間隙に充填された絶縁性熱伝導樹脂１１を介して冷媒により冷却される。さらに、他方の凹部４ｃに収容されているリアクトル２から発生する熱も、凹部４ｃとリアクトル２との間隙に充填された絶縁性熱伝導樹脂１１を介して冷媒により冷却される。冷媒流路５は折り返されており、リアクトル２の半周側面が冷却された後、再びトランス３の反対側面が冷却される。また、第二の半導体素子群７ｂから発生する熱は、熱伝導樹脂シート６を介して冷媒により冷却される。この後、冷媒は流出配管端子１４ｂから排出される。

冷媒としては、例えば、エチレングリコール液が、絶縁性熱伝導樹脂１１としては、例えば、シリコーン樹脂を、また、収容体４としては、例えば、アルミニウム等の金属材料を用いることができる。

ここで、冷媒流路５において、冷媒の流れに直交する断面形状は垂直方向（凹部４ｃの断面の深さ方向）に縦長とし、断面の長手方向とリアクトル２あるいはトランス３の側面とが接するように配置することで、冷媒流路５で周囲を囲まれたリアクトル２及びトランス３で発生する熱の放熱面積を確保しつつ、冷媒が流れる冷媒流路５の断面積を減少させて流速を速めることができる。これにより、冷媒の熱伝達率が増大し、発熱する電気部品からの放熱性を向上させることができる。

また、凹部４ｃに発熱する電気部品（リアクトル、トランス）２，３を収容する収容体４が、容器（筺体）を兼ねており、部品点数が削減されるとともに、冷媒と発熱する電気部品との熱伝導路が短縮化され、熱抵抗を低減させることができる。また、冷媒が流れる冷媒流路５の断面を垂直方向に縦長にすることにより、電気部品の冷却装置の必要平面（投影面積）の小型化を図ることができ、冷媒流路５に接する上部部材４ａの上部壁面の表面に配置される高速スイッチング動作をする半導体素子群７ａ，７ｂの配置自由度も向上させることができる。

図２に示すように、発熱電気部品であるリアクトル２や、トランス３の高さに合わせて、凹部４ｃの深さ及び冷媒流路５の断面形状における長手方向の寸法ｃを発熱量に応じて設定することで、冷媒の流速、圧力損失等を考慮した放熱設計の最適化を図ることができる。

また、冷媒流路５を挟んで、冷媒の流路方向に対して一方に、コンデンサ８を、他方にリアクトル２あるいはトランス３を配設することで、それぞれの電気部品から発生した熱は、上部部材４ａ及び底部部材４ｂの側壁を通して冷媒流路５を流れる冷媒により冷却される。それと共に、リアクトル２とトランス３の熱を遮蔽することができ、コンデンサ８側へ熱が伝達されることを抑制することができるので、コンデンサ８の寿命を延ばすことができる。

また、図２のように、コンデンサ８とリアクトル２、トランス３との間で、冷媒流路５の上部部材４ａの上部壁面と接するかたちで、熱伝導樹脂シート６を介して半導体素子群７ａ，７ｂを配設し、冷媒流路５の上部以外の上部部材４ａの壁面の個所に固定ねじ１３で固定することで、半導体素子群７ａ，７ｂと接する冷媒流路５の上部部材４ａの壁の厚さｔを薄くすることができる。これにより、冷媒流路５に半導体素子群７ａ，７ｂを近づけることが可能となり、半導体素子群７ａ，７ｂの放熱性を向上させることができる。

また、リアクトル２の端子２ｔ、トランス３の端子３ｔ及び半導体素子群７ａ，７ｂの端子７ｔは、それぞれ、その先端部が上部部材４ａの上面に対して垂直方向に延出されており、回路基板９に裏面側から挿入されて、半田付けやレーザ溶接等で配線に電気的に接合されている。

また、回路基板９は、上部部材４ａの上面部に取り付けられたボス１２、及び底部部材４ｂに取り付けられたボス１２に固定ねじ１３で固定されている。回路基板９の上側には、カバー１０が設置されている。このカバー１０は、その周縁部を固定ねじ１３により、上部部材４ａ及び底部部材４ｂに固定されている。

ここで、上部部材４ａの２つの凹部４ｃにリアクトル２及びトランス３が挿入される深さと、半導体素子群７ａ，７ｂの高さ位置を最適に配置することにより、それぞれの端子２ｔ，３ｔ，７ｔの先端部の高さを同じとした。これは、先端部の高さを揃えることで、これらの回路基板９への組付性や組付の信頼性が向上する。さらに、熱損失及び高周波駆動させる際に発生する電気的なノイズの回路基板９への影響を抑制することもできる。これら端子２ｔ，３ｔ，７ｔにより、回路基板９に直接組付けることで、バスバーなどの部品点数を削減することができるとともに、大電流が流れる配線の距離を最短化することができる。

また、回路基板９は、上部部材４ａの上面から離れた位置に配設されている。これにより、高温高湿下で電気部品（電子部品）が駆動された際に、冷媒流路５上の上部部材４ａの上面に付着した結露等により、配線や電気部品が短絡することを防ぐことができる。

また、冷媒流路５が折り返された流路を有しているため、往復流路とも接するように凹部４ｃを配置することにより、電気部品２，３の冷媒に接する面積を増大させることができ、効率よく冷却することができる。

このように、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、収容体に設けられた凹部に電気部品であるトランス及びリアクトルを収容し、収容体の凹部の傍らに冷媒を流す冷媒流路を設けることにより、嵩の高い電気部品であっても、冷却面積を増大させることができるので、効率よく冷却させることができるとともに電気部品の冷却装置の小型化を図ることができるという顕著な効果が期待できる。

実施の形態２．
図４は、実施の形態２に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部における断面図であり、図５は、図４の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。実施の形態１の電気部品の冷却装置との違いは、実施の形態１では、冷媒流路が上部部材と底部部材とを嵌め合わせて一体化することによって構成されているのに対して、実施の形態２では、冷媒流路となる溝が加工された上部部材と底板とで密閉されて一体化することによって構成されている点である。

次に、図４及び図５を用いて、実施の形態２に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部の構成について説明する。電気部品の冷却装置１は、冷媒流路５となる部分に底面側から溝が形成され、また、上面側には発熱する電気部品としてリアクトル２あるいはトランス３を収容する収容する凹部４ｃ及び開口部４ｓが形成された上部部材４ｅと底板４ｄとで構成される金属体による収容体４と、収容体４の上部部材４ｅと底板４ｄとが組み合わされ一体化されて、密閉されることにより形成された冷媒流路５と、上部部材４ｅの表面に放熱用の熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂ、上部部材４ｅの開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂ及びコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、これらを覆うカバー１０と、で構成されている。なお、他の構成要素は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１と構成上の違いは、実施の形態１では、収容体４が上部部材４ａと底部部材４ｂとが嵌め合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されているのに対して、実施の形態２では、収容体４が上部部材４ｅと底板４ｄとが組み合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されている点であり、電気部品の冷却装置の動作については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１に比べて優れている点は、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８は、上部部材４ｅとカバー１０とで閉ざされた領域内に配置されているため、上部部材４ｅと底板４ｄとの接合部から冷媒が洩れても電気部品の冷却装置１の内部に浸入することがなく、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８に冷媒が付着して短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができることである。これにより、電気部品の冷却装置の信頼性の向上を図ることができる。

また、上部部材４ｅのみに、凹部４ｃ、開口部４ｓ及び冷媒流路５の加工を行い、底板４ｄには特別な加工を行っていないため加工コストの低減を図ることができる。

このように、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、電気部品であるトランス及びリアクトルを収容する収容体の凹部の傍らに冷媒を流す冷媒流路を設けるとともに、冷媒が流れる上部部材と底板の接合部を、電気部品や半導体素子が収納されている領域の外側に設けることにより、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、冷媒が漏れても、装置の内部に浸入することがなく、電気部品や電子部品に冷媒が付着することによって生じる短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができるという顕著な効果が期待できる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部を示す回路基板を除く概略平面透視図であり、図７は、図６の電気部品の冷却装置の主要部におけるＢ−Ｂ’部の断面図である。また、図８は、図６の電気部品の冷却装置の主要部における分解斜視図である。実施の形態１の電気部品の冷却装置との違いは、実施の形態１では、冷媒流路が上部部材と底部部材とを嵌め合わせて一体化することによって構成されているのに対して、実施の形態３では、冷媒流路が側面から貫通加工された収容体を側板で密閉することによって構成されている点である。

次に、図６から図８を用いて、実施の形態３に係る電力変換装置の電気部品の冷却装置の主要部の構成について説明する。電気部品の冷却装置１は、冷媒が流れる部分が側面側から貫通形成され、また、上面側には発熱する電気部品としてリアクトル２あるいはトランス３を収容する凹部４ｃ及び開口部４ｓが形成された収容体４と、収容体４と側板４ｗとが組み合わされ一体化されて、密閉されることにより形成された冷媒流路５と、収容体４の表面に放熱用の熱伝導樹脂シート６を介して設置された半導体素子群７ａ，７ｂ、収容体４の開口部４ｓに配置されたコンデンサ８と、リアクトル２、トランス３、半導体素子群７ａ，７ｂ及びコンデンサ８と電気的に接続される回路基板９と、これらを覆うカバー１０と、で構成されている。なお、他の構成要素は、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１と構成上の違いは、実施の形態１では、収容体４が上部部材４ａと底部部材４ｂとを嵌め合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されているのに対して、実施の形態３では、収容体４に貫通加工が施され、側板４と組み合わされることにより一体化されて、冷媒流路５が構成されている点であり、電気部品の冷却装置の動作については、実施の形態１と同様であるので説明を省略する。

実施の形態１に比べて優れている点は、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８は、収容体４とカバー１０とで閉ざされた領域内に配置されているため、実施の形態２と同様、収容体４と側板４ｗとの接合部から冷媒が洩れても電気部品の冷却装置１の内部に浸入する可能性が低く、半導体素子群７ａ，７ｂ、リアクトル２、トランス３及びコンデンサ８に冷媒が付着して短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができることである。これにより、電気部品の冷却装置の信頼性の向上を図ることができる。

このように、実施の形態３に係る電力変換装置によれば、電気部品であるトランス及びリアクトルを収容する収容体の凹部の傍らに冷媒を流す冷媒流路を設けるとともに、冷媒が流れる収容体と側板との接合部を、電気部品や半導体素子が収納されている領域の外側に設けることにより、実施の形態１と同様の効果を有するとともに、冷媒が漏れても、装置の内部に浸入することがなく、電気部品や電子部品に冷媒が付着することによって生じる短絡、導線不良等の不具合の発生を回避することができるという顕著な効果が期待できる。

なお、電気部品であるトランス及びリアクトルを収容する凹部の数は、２つとは限らず、使用するトランス及びリアクトルの数に応じて設ければよい。また、冷媒流路は、その流れがＭ字形の場合を例に説明したが、Ｕ字形やＩ字形の場合であってもよく、凹部の傍らを冷媒が流れるように配置されていればよい。また、上部部材と底部部材、上部部材と底板あるいは収容体と側板との接合部は、冷媒の漏洩を防ぐため、シール材を用いてもよい。また、冷媒としては、エチレングリコールの他、水等の他の冷媒を用いる場合であってもよい。また、収容体の材質として、アルミニウムを例に挙げたが、熱伝導性に優れた銅等の材質のものを用いることもできる。半導体素子は、複数の半導体素子からなる半導体素子群としたが単一の半導体素子の場合であっても適用することができる。また、実施の形態では、冷却する電気部品としては、リアクトル、トランスを例に挙げて説明したが、これに限らず発熱する電気部品であれば、適用することが可能である。

また、本実施の形態の電気部品の冷却装置を用いて、発熱電気部品であるリアクトルやトランスが使用されている交流／直流変換あるいは直流／直流変換を行う電力変換装置に適用することは効果的である。例えば、上述したように、プラグインハイブリッド車、電気自動車等に搭載され、ＡＣ入力電源を直流に変換して高電圧バッテリに充電する充電器や、高電圧バッテリの電圧を、１２Ｖ系電圧に変換して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換装置に適用することができるものである。

また、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

また、図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

１ 電気部品の冷却装置、２ リアクトル、２ｔ リアクトル端子、３ トランス、３ｔ トランス端子、４ 収容体（４ａ 上部部材、４ｂ 底部部材、４ｃ 凹部、４ｄ 底板、４ｗ 側板）、５ 冷媒流路、６ 熱伝導樹脂シート、７ａ、７ｂ 半導体素子群、７ｔ 半導体素子端子、８ コンデンサ、８ｔ コンデンサ端子、９ 回路基板、１０ カバー、１１ 絶縁性熱伝導樹脂、１４ａ 流入配管端子、１４ｂ 流出配管端子

Claims (10)

1. 電気部品を収容する凹部を少なくとも１つ備えるとともに、前記凹部の側面部の傍らを通る冷媒流路を有する収容体を具備し、
   前記冷媒流路の冷媒の流れに直交する断面形状が、前記凹部断面の深さ方向の長さがこれと直交する方向の長さより大きいことを特徴とする電気部品の冷却装置。
2. 前記電気部品と前記凹部との間隙に絶縁性熱伝導樹脂が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の電気部品の冷却装置。
3. 前記冷媒流路を挟んで、前記凹部とは反対側に前記電気部品以外の電気部品が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電気部品の冷却装置。
4. 半導体素子が備えられており、前記冷媒流路に接する前記収容体の表面部に前記半導体素子が配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電気部品の冷却装置。
5. 前記収容体に対して離間した位置に回路基板が設けられ、前記電気部品および前記半導体素子の端子と前記回路基板の配線とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電気部品の冷却装置。
6. 前記電気部品および前記半導体素子の端子の先端部の高さを揃えたことを特徴とする請求項５に記載の電気部品の冷却装置。
7. 前記凹部が複数ある場合に、前記複数の凹部が一直線上に配置され、かつ前記冷媒流路に対して、平行に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電気部品の冷却装置。
8. 前記冷媒流路が折り返された流路を有し、該往復流路とも接するように前記凹部が配置されていることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電気部品の冷却装置。
9. 前記電気部品が、リアクトルまたはトランスであることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電気部品の冷却装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電気部品の冷却装置を用い、交流／直流変換あるいは直流／直流変換を行うことを特徴とする電力変換装置。
    

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