(57)【要約】      （修正有）【課題】車両に上下方向の振動が加わった場合であっても、スペーサが車両上方向にずれることを抑制する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置２は、電動自動車に搭載されるものであって、半導体素子を収容しているパワーカード１４と、冷却器１２を交互に積層している積層ユニット１０と、積層ユニット１０を収容しており、内部にバネ支持部６が形成されている筐体４と、積層ユニット１０の積層方向の端面とバネ支持部６との間に嵌挿されており、積層ユニット１０に積層方向の荷重Ｆを加える板バネ１８ｂと、バネ支持部６と板バネ１８ｂの間に嵌挿されているスペーサ２０と、を備えている。バネ支持部６には、スペーサ２０の方向に延びており、スペーサ２０が筐体４の底面から離間する方向へ移動する際に当接する当接部が形成されている。当接部がスペーサ２０に当接することで、スペーサ２０が車両上方向にずれることを抑制する。【選択図】図１
2020141549.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動自動車に搭載される電力変換装置であって、
半導体素子を収容しているパワーカードと冷却器を交互に積層している積層ユニットと、
前記積層ユニットを収容しており、内部にバネ支持部が形成されている筐体と、
前記積層ユニットの積層方向の端面と前記バネ支持部との間に嵌挿されており、前記積層ユニットに前記積層方向の荷重を加えるバネと、
前記バネ支持部と前記バネの間に嵌挿されているスペーサと、
を備えており、
前記バネ支持部に、前記スペーサの方向に延びており、前記スペーサが前記筐体の底面から離間する方向へ移動する際に当接する当接部が形成されている電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書が開示する技術は、電力変換装置に関する。特に、電動自動車に搭載されるものであって、半導体素子を収容しているパワーカードと冷却器を交互に積層している積層ユニットを備える電力変換装置に関する。
【０００２】
本明細書でいう「電動自動車」には、走行用モータとエンジンの双方を備えるハイブリッド車が含まれる。さらに走行用モータのための電源として燃料電池とバッテリを備える自動車も含まれる。
【背景技術】
【０００３】
電動自動車の走行用モータに電力を供給するインバータや、そのインバータに電力を供給するために電圧を変換する電圧コンバータでは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの発熱量の大きい半導体素子を集積して冷却する構造が採用されることがある。そのような集積構造の一つに、発熱量の大きい半導体素子を収容している平板型のパワーカードと平板型の冷却器を交互に積層した積層ユニットが知られている。
【０００４】
積層ユニットは、パワーカードから冷却器へ熱が良く伝わるように、積層方向に圧力が加えられた状態で筐体内に収容される。特許文献１には、積層ユニットの積層方向の端面と筐体の壁面に設けられたバネ支持部（特許文献１では、部材当接部と称している）との間にバネが嵌挿され、そのバネが積層ユニットに圧力を加えることで、パワーカード（特許文献１では、半導体モジュールと称している）を冷却器に密着させる技術が開示されている。
【０００５】
特許文献１に開示する電力変換装置のように、多数のパワーカードと冷却器が積層されている場合、積層ユニットは、積層方向の長さのばらつきが大きくなる。積層方向の長さのばらつきは、積層ユニットを押付ける力を不均一にさせ、パワーカードから冷却器への熱伝導効率を悪化させる要因の一つとなる。このため、特許文献１では、バネとバネ支持部の間にスペーサ（特許文献１では、固定用部材と称している）を嵌挿している。スペーサのサイズを積層ユニットの長さによって変えることにで、バネが積層ユニットを押付ける力のばらつきを抑制している。具体的には、積層ユニットの長さが短くなる方向にばらついた場合には、大きなスペーサを嵌装することでバネの変形量を確保する。一方、積層ユニットの長さが長くなる方向にばらついた場合には、小さなスペーサを嵌装することで、バネが過度に変形することを防止する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−０９４２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に開示する技術では、スペーサは、積層ユニットに積層方向に圧力を加えるバネと筐体のバネ支持部の間に車両上方向から嵌挿された後、バネとバネ支持部の間に挟持されている。バネが加える圧力は、スペーサとバネ支持部の当接面に摩擦力を生じさせる。特許文献１では、その摩擦力によって、スペーサが車両上下方向へ移動することを規制している。別言すれば、特許文献１には、スペーサが車両上下方向へ移動することを規制する物理的な形状が設けられていない。また、特許文献１では、スペーサの車両下方向には筐体の底面が存在するため、スペーサは車両下方向へ移動しない。しかしながら、例えば電動自動車が悪路を走行し、車両に上下方向の振動が加わった場合に、スペーサが車両上方向（すなわち、筐体の底面から離間する方向）へ移動するおそれがある。
【０００８】
特許文献１に開示する技術では、車両に上下方向の振動が繰り返して加わることで、徐々にスペーサが正規の位置から車両上方向へ移動して、バネが積層ユニットに加える圧力が低下するおそれがある。バネが積層ユニットに加える圧力が低下すると、積層ユニットの冷却性能が低下するおそれがある。本明細書では、車両に上下方向の振動が加わった場合であっても、スペーサが車両上方向にずれることを抑制する電力変換装置を開示する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本明細書が開示する電力変換装置は、電動自動車に搭載されるものであって、半導体素子を収容しているパワーカードと冷却器を交互に積層している積層ユニットを備えている。また、この電力変換装置は、積層ユニットを収容しており、内部にバネ支持部が形成されている筐体と、積層ユニットの積層方向の端面とバネ支持部との間に嵌挿されており、積層ユニットに積層方向の荷重を加えるバネと、バネ支持部とバネの間に嵌挿されているスペーサを備えている。本明細書が開示する電力変換装置は、バネ支持部に、スペーサの方向に延びており（スペーサ側に延びており）、スペーサが筐体の底面から離間する方向へ移動する際に当接する当接部が形成されている。
【００１０】
上述した電力変換装置は、バネ支持部に、スペーサの方向に延びており、スペーサが筐体の底面から離間する方向へ移動する際に当接する当接部が形成されている。このため、電力変換装置が搭載された車両に上下方向の振動等が加わり、車両上方向にスペーサが移動する際に、スペーサはバネ支持部の当接部と当接する。このため、スペーサは、車両上方向へ移動しない。このように、上述した電力変換装置によれば、車両に上下方向の振動が加わった場合であっても、スペーサが車両上方向にずれることを抑制することができる。
【００１１】
本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例の電力変換装置の平面図である。
【図２】スペーサ周辺を示す拡大図である。
【図３】図２のIII−IIIの線における実施例の電力変換装置の部分断面図である。
【図４】スペーサの配置工程を示す実施例の電力変換装置の部分断面図である。
【図５】スペーサの形状を示す斜視図である。
【図６】変形例を示す図３と同様の部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１を参照して実施例の電力変換装置２を説明する。実施例の電力変換装置２は、電動自動車に搭載される、バッテリの直流電力をモータ駆動用の交流電力に変換するインバータである。電力変換装置２は、ＩＧＢＴやダイオード（還流ダイオード）など、大電流を扱う多数の半導体素子を備える。それらの素子は、デジタル信号用の回路と異なり数十〜数百アンペアの電流を流すため、デジタル信号用の回路より発熱量が格段に大きい。そこで、電力変換装置２は、発熱量の大きいＩＧＢＴなどの半導体素子を集積した積層ユニット１０を有する。なお、以下では、理解を助けるため、Ｚ軸正側を上側と表現し、Ｚ軸負側を下側と表現する場合がある。
【００１４】
図１は、実施例の電力変換装置２の平面図である。図１に示すように、電力変換装置２は、筐体４と、積層ユニット１０と、バネモジュール１８と、スペーサ２０を備えている。なお、本明細書及び図面では、積層ユニット１０を加圧するバネモジュール１８と、筐体４に形成されているバネ支持部６と、その間に嵌挿されるスペーサ２０に着目して説明する。このため、他の部品、例えば、大容量コンデンサやリアクトル、スイッチング素子の端子等は、説明と図示を省略する。
【００１５】
筐体４は、積層ユニット１０とバネモジュール１８、スペーサ２０を収容する筐体である。筐体４は、積層ユニット１０のＸ軸方向正側に底面から立設する２個のバネ支持部６を有している。バネ支持部６は略正方形の断面が図面手前側（すなわち、上側）へ延びている柱状である。バネ支持部６は、上面にＸ軸方向に延びている上部溝６ａを有している。筐体４の２個のバネ支持部６の構造は同一である。
【００１６】
積層ユニット１０は、複数のパワーカード１４と複数の冷却器１２を含んでおり、パワーカード１４と冷却器１２を交互に積層したユニットである。パワーカード１４は、２個の半導体素子１４ａ、１４ｂ（図３参照）を樹脂でモールドしたパッケージである。パワーカード１４に含まれる半導体素子を冷却するため、パワーカード１４は、両側から冷却器１２により挟まれている。なお、図１では、最もＸ軸正側に配置されている冷却器と最もＸ軸負側に配置されている冷却器にのみ符号１２を付し、他の冷却器１２に対する符号は省略した。また、同様に最もＸ軸正側に配置されているパワーカードと最もＸ軸負側に配置されているパワーカードにのみ符号１４を付し、残りのパワーカード１４に対する符号は省略した。
【００１７】
冷却器１２は、その内部を冷媒が流れる。積層方向（図中のＸ軸方向）から見て、冷却器１２はパワーカード１４を挟んで両側に貫通孔を有しており、その貫通孔に連結管１６が接続されている。連結管１６は、隣接する冷却器１２の貫通孔同士を接続する。最もＸ軸負側に配置されている冷却器１２には、冷媒供給管８ａと冷媒排出管８ｂが接続されている。冷媒供給管８ａと冷媒排出管８ｂは、筐体４の外へと伸びており、不図示の冷媒循環装置と連結される。冷媒供給管８ａを介して電力変換装置２の外部から冷媒が積層ユニット１０へ供給される。冷媒は各連結管１６を通じて全ての冷却器１２に分配される。冷媒は冷却器１２の筐体内を流れる間に隣接するパワーカード１４から熱を吸収する。冷却器１２から出た冷媒は他方の連結管１６と冷媒排出管８ｂを通じて外部へと排出される。
【００１８】
パワーカード１４と冷却器１２は、互いに幅広面を当接させることで熱伝導を行っている。この熱伝導を促進するため、積層ユニット１０には、バネモジュール１８により積層方向に荷重Ｆが加えられている。バネモジュール１８は、圧力分散板１８ａや板バネ１８ｂを含んでいる。圧力分散板１８ａの幅広面は、最もＸ軸正側に配置されている冷却器１２の幅広面と当接し、積層方向に荷重Ｆを加える。バネモジュール１８は、２個の板バネ１８ｂを有している。板バネ１８ｂが変形することでバネモジュール１８は積層方向への荷重Ｆを発生させる。板バネ１８ｂの変形量が大きければ、荷重Ｆも大きくなる。一方、板バネ１８ｂの変形量が小さければ、荷重Ｆも小さくなる。
【００１９】
板バネ１８ｂの変形量は、バネモジュール１８を収容する筐体４内の空間によって定まる。具体的には、最もＸ軸正側に配置されている冷却器１２の幅広面と２個のバネ支持部６の間のＸ軸方向（すなわち、積層方向）の距離（以下、バネ収容距離と表現する）によって定まる。例えば、バネ収容距離が、バネモジュール１８に対して長ければ、板バネ１８ｂの変形量は小さくなる。一方、バネ収容距離が、バネモジュール１８に対して短ければ、板バネ１８ｂの変形量は大きくなる。このバネ収容距離は、積層ユニット１０の長さによって変化する。
【００２０】
積層ユニット１０は、複数の冷却器１２とパワーカード１４が積層されているため、長さがばらつきやすい。先に述べたように、積層ユニット１０の長さがばらつくと、バネ収容距離が変化するため、板バネ１８ｂの変形量がばらつく。その結果、積層ユニット１０に加わる荷重Ｆもばらつく。積層ユニット１０の長さのばらつきを吸収するため、板バネ１８ｂとバネ支持部６の間にはスペーサ２０が嵌挿されている。実施例の電力変換装置２では、積層ユニット１０の長さのばらつきの大きさによって、嵌装するスペーサ２０のサイズを変えることで、積層ユニット１０の長さのばらつきを吸収する。より詳細には、積層ユニット１０の長さが短くなる方向にばらついた場合には、大きいサイズのスペーサ２０を嵌装することで、バネ収容距離を小さくしてバネモジュール１８の板バネ１８ｂの変形量を確保する。一方、積層ユニット１０の長さが長くなる方向にばらついた場合には、小さいサイズのスペーサ２０を嵌装することで、バネ収容距離を広げてバネモジュール１８の板バネ１８ｂが過度に変形するのを防止する。このように、実施例の電力変換装置２では、スペーサ２０を利用して、積層ユニット１０の長さのばらつきによって生じる荷重Ｆのばらつきを抑制している。
【００２１】
図２を用いてスペーサ２０とバネ支持部６の構造について説明する。図２は、図１におけるＹ軸方向負側のスペーサ２０周辺の拡大図である。先に述べたように、スペーサ２０は、バネモジュール１８の板バネ１８ｂと当接している。
【００２２】
スペーサ２０は、凸部２２と、上部対向面２４と、下部対向面２６を有している。上部対向面２４と下部対向面２６は、バネ支持部６の荷重受け面６ｂと対向している。下部対向面２６と荷重受け面６ｂは当接している。このため、バネモジュール１８からスペーサ２０が受けた荷重は、スペーサ２０を介してバネ支持部６へ伝わる。一方、図２に示すように、上部対向面２４とバネ支持部６の荷重受け面６ｂの間には隙間が確保されている。スペーサ２０は、上部対向面２４の中央部に凸部２２を有している。スペーサ２０の凸部２２と上部対向面２４の境界にはフィレットが形成されている。スペーサ２０は、第１対向面と荷重受け面６ｂの間に隙間を確保することで、フィレットと上部溝６ａの縁の角が干渉するのを回避している。凸部２２のＹ軸方向の幅は、スペーサ２０本体のＹ軸方向の幅の略半分である。凸部２２のＸ軸方向の長さは、スペーサ２０本体のＸ軸方向の長さの略３分の１である。
【００２３】
また、バネ支持部６は、上側の面に上部溝６ａを有している。上部溝６ａは、バネ支持部６の荷重受け面６ｂからその反対側の面まで貫通している。スペーサ２０の凸部２２は、そのＹ軸方向の両面をバネ支持部６の上部溝６ａの内側の面と当接させている。すなわち、スペーサ２０の筐体４に対するＹ軸方向の位置は、凸部２２と上部溝６ａの嵌合により規制されている。また、先に述べたように、スペーサ２０は、バネ支持部６とバネモジュール１８の間に嵌装されている。スペーサ２０は、バネモジュール１８の板バネ１８ｂから荷重を受けて、バネ支持部６の荷重受け面６ｂに押し付けられている。すなわち、スペーサ２０の筐体４に対するＸ軸方向の位置は、荷重受け面６ｂと下部対向面２６の当接面により規制されている。
【００２４】
図３を用いて、スペーサ２０の上下方向（すなわち、Ｚ軸方向）の位置を規制する構造について説明する。図３は図２におけるIII−III線に沿った電力変換装置２の部分断面図である。なお、図３では、スペーサ２０と積層ユニット１０の位置関係を理解しやすくするため、スペーサ２０とバネ支持部６の断面図に積層ユニット１０の一部を追加している。図３に示すように、スペーサ２０は、筐体４の底面から立設しているバネ支持部６とバネモジュール１８の板バネ１８ｂの間に嵌挿されている。先に述べたように、スペーサ２０の上部には凸部２２が設けられている。スペーサ２０は、下部にバネ支持部６の荷重受け面６ｂと当接する下部対向面２６を有している。下部対向面２６の凸部２２との底面側の境界には中部溝２８が設けられている。
【００２５】
図３に示すように、凸部２２の下側の面は、バネ支持部６の上部溝６ａの底面と当接している。そのため、スペーサ２０は、図３に示す位置より下側に嵌装されない。すなわち、スペーサ２０の下側への移動は、凸部２２の下側の面と上部溝６ａの底面の当接面により規制されている。ここで、図２に示すように、凸部２２が当接する上部溝６ａは、上側が開放されている。別言すれば、スペーサ２０の上方向への移動は凸部２２では規制されない。そのため、実施例の電力変換装置２が搭載される電動自動車が、例えば悪路等を走行し、上下方向に振動した場合に、スペーサ２０が上方向へ移動するおそれがある。スペーサ２０が上側へ移動を繰り返して正規の位置からずれると、バネモジュール１８が積層ユニット１０に加える荷重Ｆ（図１参照）が低下する。荷重Ｆが低下すると、積層ユニット１０の冷却性能が低下するおそれがある。
【００２６】
上述したスペーサ２０が上側へ移動することを防止するために、実施例の電力変換装置２が備えるスペーサ２０は、下部に突条３０を備えている。また、バネ支持部６は、荷重受け面６ｂに規制溝６ｃを備えている。図３に示すように、突条３０は、規制溝６ｃに挿入されている。また、規制溝６ｃは、上側に、スペーサ２０の方向に延びている当接面７ａを備えている。突条３０の上側の面は、当接面７ａと当接している。すなわち、当接面７ａは、スペーサ２０が筐体４の底面から離間する方向へ移動する際に、突条３０の上側の面と当接している。このため、スペーサ２０は、図３に示す位置より上方向へ移動できない。このように、実施例の電力変換装置２によれば、車両に上下方向の振動が加わった場合であっても、スペーサ２０が車両上方向にずれることを抑制することができる。
【００２７】
上述したように、実施例の電力変換装置２は、スペーサ２０の突条３０の上面が当接面７ａと当接することでスペーサ２０の上方向への移動を規制する。このように物理的形状でスペーサ２０の上方向への移動を規制することで、スペーサ２０の上方向に配置する部品との隙間を小さくすることができる。すなわち、実施例の電力変換装置２は、筐体４の小型化を図ることができる。
【００２８】
図４を用いてスペーサ２０を筐体４内に配置する工程について説明する。先に述べたように、スペーサ２０は、下部対向面２６から立設している突条３０を備えている。そのため、バネ支持部６とバネモジュール１８の間にスペーサ２０を上側から嵌装する際に、突条３０がバネ支持部６の上側の面に引っかかる。このため、実施例の電力変換装置２では、スペーサ２０を嵌装するときに、図４に示すように、バネモジュール１８の板バネ１８ｂを荷重Ｓで押し込んでＸ軸負側へ移動させる。板バネ１８ｂが荷重ＳでＸ軸負側へ移動することにより、板バネ１８ｂとバネ支持部６の間に空間Ｃが発生する。この空間Ｃを用いて、スペーサ２０を上側から挿入することで、突条３０を備えているスペーサ２０を、バネモジュール１８の板バネ１８ｂとバネ支持部６の間に嵌装することができる。
【００２９】
図５を用いてスペーサ２０の形状を説明する。図５はスペーサ２０の形状を示す上方斜視図である。スペーサ２０は、矩形断面が高さ方向に延びている柱状であり、上部に凸部２２と上部対向面２４を有している。下側の端部は斜面であり、斜面の上側に下部対向面２６を有している。上部対向面２４と下部対向面２６は中部溝２８で隔てられている。下部対向面２６の下部には、Ｙ軸方向に延びている突条３０が設けられている。スペーサ２０は、鉄等の金属で構成されており、例えば鋳造で製造される。なお、スペーサ２０は金属の削り出しで製造してもよい。
【００３０】
図６を用いて変形例について説明する。図６に示すスペーサ２０ｄとバネ支持部６ｄは、当接部以外は図３と同様である。図６に示すように、スペーサ２０ｄは、規制溝３４を備えている。また、バネ支持部６ｄは、突条３２を備えている。バネ支持部６ｄの突条３２が、スペーサ２０ｄの規制溝３４に挿入されている。また、突条３２の下側には、スペーサ２０ｄの方向に延びている当接面７ｂが設けられている。当接面７ｂと規制溝３４の下側の面には隙間が設けられている。すなわち、当接面７ｂと規制溝３４の下側の面は当接していない。
【００３１】
変形例のスペーサ２０ｄが上方向へ移動すると、当接面７ｂと規制溝３４の下側の面には隙間がなくなり当接する。当接面７ｂと規制溝３４の下側の面が当接すると、スペーサ２０ｄはそれより上方向へ移動しない。このように、当接面７ｂとスペーサ２０ｄの規制溝３４の間に隙間を設けた場合であっても、本明細書が開示する技術によれば、車両に上下方向の振動が加わった場合に、スペーサ２０ｄが車両上方向にずれることを抑制することができる。なお、この隙間の大きさは、スペーサ２０ｄや筐体４に許容される寸法のばらつきや、積層ユニット１０に加える荷重を確保するために必要となるスペーサ２０ｄとバネ支持部６ｄの当接面積、また周辺部品との隙間の大きさ等によって異なる。
【００３２】
本実施例の留意点を以下に述べる。図５に示したように、実施例の電力変換装置２の備えるスペーサ２０の突条３０は、Ｙ軸方向に延びているが、これに限定されず、突条は部分的に設けられていてもよい。また、突条とそれに対向する溝は、複数個設けられていてもよい。
【００３３】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
【符号の説明】
【００３４】
２：電力変換装置
４：筐体
６：バネ支持部
６ａ：上部溝
６ｂ：荷重受け面
６ｃ、３４：規制溝
７ａ、７ｂ：当接面
８ａ：冷媒供給管
８ｂ：冷媒排出管
１０：積層ユニット
１２：冷却器
１４：パワーカード
１４ａ、１４ｂ：半導体素子
１６：連結管
１８：バネモジュール
１８ａ：圧力分散板
１８ｂ：板バネ
２０：スペーサ
２２：凸部
２４：上部対向面
２６：下部対向面
２８：中部溝
３０、３２：突条
Ｆ、Ｓ：荷重
Ｃ：空間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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