(57)【要約】【課題】冷却ファンを用いることなく、パワー回路部と制御回路部の発熱を効率よく放熱させて、信頼性の高い車載用電力変換装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子２を搭載したパワー回路部１０１と、スイッチング素子２を制御する制御回路部１０２と、パワー回路部１０１及び制御回路部１０２を収納する筐体とを備えた車載用電力変換装置において、パワー回路部１０１を冷却するための第１の熱交換部７を有するベース板６とパワー回路部１０１との間に第１の熱伝導層５を介在させ、制御回路部１０２を冷却するための第２の熱交換部１２を有するカバー１１と制御回路部１０２との間に第２の熱伝導層１３を介在させ、第１の熱交換部７と第２の熱交換部１２とをそれぞれ筐体の外周面部の対面側に設けて構成した。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を搭載したパワー回路部と、上記スイッチング素子を制御する制御回路部と、上記パワー回路部及び上記制御回路部を収納する筐体とを備えた車載用電力変換装置において、上記パワー回路部を冷却するための第１の熱交換部を有するベース板と上記パワー回路部との間に第１の熱伝導層を介在させ、上記制御回路部を冷却するための第２の熱交換部を有するカバーと上記制御回路部との間に第２の熱伝導層を介在させ、上記第１の熱交換部と上記第２の熱交換部とをそれぞれ筐体の外周面部の対面側に設けたことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の車載用電力変換装置において、上記パワー回路部の発熱を上記制御回路部の発熱よりも大きくなるように設定し、かつ、上記パワー回路部から上記第１の熱交換部を経て外気に至る熱抵抗を、上記制御回路部から上記第２の熱交換部を経て外気に至る熱抵抗より小さくなるようにしたことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項３】
請求項２記載の車載用電力変換装置において、上記第１の熱交換部の放熱面積を上記第２の熱交換部放熱面積より大きくしたことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置において、上記筐体は、上記第１の熱交換部を有する上記ベース板と、上記第２の熱交換部を有する上記カバーと、上記ベース板と上記カバーとの間にあって上記パワー回路部及び上記制御回路部を収容するとともに上記ベース板と上記カバーとの外周部を固着し支持する樹脂製の周囲壁面部材とを有し、上記周囲壁面部材に上記電力変換装置の内外を電気的に連結する導通部材を設けたことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項５】
請求項４記載の車載用電力変換装置において、上記制御回路部は上記筐体の上記周囲壁面部材又は上記周囲壁面部材に設けた支持部材によって支持したことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置において、上記パワー回路部と上記制御回路部との間に熱遮蔽部材を設け、上記熱遮蔽部材と上記パワー回路部、並びに上記熱遮蔽部材と上記制御回路部との間に空気層を形成したことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項７】
請求項６記載の車載用電力変換装置において、上記熱遮蔽部材の少なくとも表面は輻射率の小さい金属により構成したことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項８】
請求項６又は請求項７記載の車載用電力変換装置において、上記熱遮蔽部材と上記制御回路部との間の上記空気層の厚さは８ｍｍ以下であることを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置において、上記第２の熱伝導層は、上記制御回路部を構成する部品のうちの発熱の大きい発熱部品と上記カバーとの間に選択的に設けられていることを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項１０】
請求項９記載の車載用電力変換装置において、上記発熱部品を上記制御回路部の制御基板の上記カバーとは反対側の面である第１の主面に搭載し、上記制御基板の上記カバー側の面である第２の主面と上記カバーとの間に上記第２の熱伝導層を設け、上記制御基板の少なくとも上記発熱部品の外周部で取り囲まれる範囲内に複数の貫通穴を形成し、上記第１の主面の上記発熱部品を搭載する領域から上記貫通穴の内周面を経て上記第２の主面の上記第２の熱伝導層と接する面に熱伝導性の高い金属薄膜層を設けたことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１０記載の車載用電力変換装置において、上記貫通穴に、はんだを充填したことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の車載用電力変換装置において、上記第２の主面の上記金属薄膜層が設けられた面の上記貫通穴の外周部分に樹脂層を形成したことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１０〜請求項１２のいずれか１項に記載の車載用電力変換装置において、上記カバーを板金部材で構成し第２の熱交換部を兼用したことを特徴とする車載用電力変換装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の車載用電力変換装置において、上記カバーの少なくとも上記第２の熱伝導層に当接する部分に上記制御回路部側に向けて窪みを形成し、上記第２の熱伝導層の厚さを薄くしたことを特徴とする車載用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、自動車等に搭載して使用される車載用電力変換装置に関し、特にパワー回路部と制御回路部を有する電力変換装置の放熱構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電力変換装置は、一般的に、直流を任意の周波数の交流に変換するためのスイッチング素子で構成された変換器及び平滑コンデンサ等を有するパワー回路部と、スイッチング素子を制御するための信号を出力する機能や装置の電気的な保護機能を有する制御回路部とを備えており、これらがケースに収納されている。３相の電動機の入力電力を調整するための電力変換装置では、各相に対して、２組のスイッチング素子が組み込まれている。
【０００３】
パワー回路部は、電動機への入力電力を調整するために用いられるので、一般的に電気的容量が大きく、スイッチング素子等での発熱も大きい。そのため、ケースの一面に設けたベース上に変換器を取り付け、ベースの装置外側に面する側に冷却フィンを設けてスイッチング素子の発熱を放散し過大な温度上昇を防止している。
一方、制御回路部には、スイッチング素子を駆動させるための駆動回路や電源回路、あるいは、マイコンや大容量メモリーを含むコントロール回路部が基板の両面を使って集積されており、パワー回路部と同様に発熱する。
【０００４】
このような、パワー回路部と制御回路部の発熱に対する熱対策を施した従来の技術としては、例えば、冷却フィンを有する冷却フィンベースに電力変換器や平滑コンデンサ等を取り付け、その上部に電子部品を装着した大電流基板を設け、更に上方に制御回路基板を設け、これら全体を覆うカバーを備えた電力変換器において、カバーには制御回路用に独立した冷却風吸い込みのための通風孔を設けて、装置外部に設けた冷却ファンにより、冷却フィンと制御回路とを同時にそれぞれ所定の風量で冷却するように構成された技術が開示されている（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−６９７７４号公報（第２頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような従来の技術では、ケースに冷却ファンを取り付けるためのコストや、ファンの寿命に対する配慮が必要であり、特に、例えば自動車用の電力変換装置の場合のような、格段に過酷な環境下で使用する必要がある電力変換装置に適用するには、信頼性の確保に対して限界があった。
また、ケースに通風孔を設けることは、上記の車載用途をはじめ、防水が必要な環境で使用する装置に対しては適用することができないという問題点があった。
【０００７】
更に、従来の技術では、外気をケース内部に流通させて制御回路部を冷却しているが、通常、電力変換装置のパワー回路部の発熱は制御回路部の発熱より大きいために、パワー回路部の発熱が冷却フィン側に伝わる以外に制御回路部側にも伝わり、その熱により制御回路部の温度上昇が助長される場合があった。そのために制御回路部を冷却する冷却手段が制御回路部の発熱以上の放熱性能を満たす必要があり、コストアップにつながるという問題点があった。
【０００８】
この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたもので、冷却ファンを用いることなく、パワー回路部と制御回路部の発熱を効率よく放熱させて、信頼性の高い車載用電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係わる車載用電力変換装置は、スイッチング素子を搭載したパワー回路部と、スイッチング素子を制御する制御回路部と、パワー回路部及び制御回路部を収納する筐体とを備えた電力変換装置において、パワー回路部を冷却するための第１の熱交換部を有するベース板とパワー回路部との間に第１の熱伝導層を介在させ、制御回路部を冷却するための第２の熱交換部を有するカバーと制御回路部との間に第２の熱伝導層を介在させ、第１の熱交換部と第２の熱交換部とをそれぞれ筐体の外周面部の対面側に設けたものである。
【発明の効果】
【００１０】
この発明の車載用電力変換装置によれば、上記のように構成したので、パワー回路部と制御回路部の放熱経路をそれぞれ確保することができ、また、パワー回路部と制御回路部のそれぞれの熱交換部が電力変換装置を挟み離間配置されるので、冷却空気の流れが分離されて、それぞれの熱交換部で熱交換する空気が互いに干渉しあうことがない。従って、通風孔や冷却ファン等を設けることなく効率の良い冷却構造を提供できるため、厳しい環境で使用される車載用途の電力変換装置に対して特に有効である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による車載用電力変換装置を図に基づいて説明する。図１は実施の形態１による車載用電力変換装置の外観を示す斜視図であり、図２はその断面図、また図３は分解斜視図である。
まず、電力変換装置１の外観は、図１に示すように、第１の熱交換部７を有し後述のパワー回路部が取り付けられるベース板６と、パワー回路部及び後述の制御回路部を収納する周囲壁面部材１０と、第２の熱交換部１２を有するカバー１１とからなり、周囲壁面材１０には電力変換装置１の内外を電気的に連結する導通部材である外部端子３１と信号コネクタ３２とが取り付けられている。
【００１２】
次に、図２及び図３により内部の構成について説明する。まず、図２に示すように、電力変換装置１は、交流を直流に変換するためのスイッチング素子２及び平滑コンデンサ３等の部品が基板４上に搭載されており、これらでパワー回路部１０１を構成している。パワー回路部１０１の発熱を伝熱するためのグリース層からなる第１の熱伝導層５がパワー回路部１０１とベース板６間に挟まれている。また、ベース板６の外面側には放熱フィンからなる第１の熱交換部７が形成されている。これにより、パワー回路部１０１は、基板４、第１の熱伝導層５、ベース板６、第１の熱交換部７を経て外気と熱交換し冷却されるようになっている。
【００１３】
一方、パワー回路部１０１から見て、第１の熱交換部７とは反対側の装置内部には、制御回路部１０２が取り付けられている。制御回路部１０２は、スイッチング素子２を駆動させるためのドライバ回路、パワー回路部１０１を保護する保護回路及びこれらに電源を供給する電源回路などを構成する電子部品８が制御基板９の両面に実装されている。また、負荷である電動機を制御するためのコントロール部が複合されることもある。これらの各部品は、ベース板６に取り付けられた周囲壁面部材１０と、周囲壁面部材１０のベース板６とは反対側の開口部に設けたカバー１１とによって覆われて保護されている。カバー１１の外部側の面には第２の熱交換部１２が設けられている。また、制御回路部１０２からカバー１１に至る空間に第２の熱伝導層１３を介在させている。第２の熱伝導層１３は、例えば、シリコーン樹脂を主成分とするシート、あるいはゲル状の材料などで構成する。これにより、制御回路部１０２は、制御基板９，電子部品８，第２の熱伝導層１３，カバー１１，第２の熱交換部１２を経て外気と熱交換し冷却されるようになっている。
【００１４】
図３により内部の組み立て構造を更に詳しく説明する。周囲壁面部材１０は、主として樹脂から構成され、パワー回路部１０１に電流を供給するためのリード１４がインサートされている。そして、その外部側にはリード１４に対応する外部端子３１が設けられ、また、側面部には信号のやりとりをする信号コネクタ３２が設けられており、これらの導通部材によって電力変換装置１の内外が電気的に連結されている。制御回路部１０２は、周囲壁面部材１０から装置内側に向かって設けられた複数の突出部１５に、支持部材１６を介して取り付け、ネジ１７で締結し固定する。このような構成により、パワー回路部１０１と制御回路部１０２を結ぶ固体伝熱経路は、突出部１５と支持部材１６のみとなる。突出部１５は、周囲壁面部材１０と同一の材料、すなわち樹脂で形成している。一方、支持部材１６は、制御回路部１０２を強固に支えるために、アルミ、鉄などの金属で形成している。ただし、強度的に問題がなければ金属以外でもよく、熱伝導率の小さい材料が望ましい。
【００１５】
以上のように構成された電力変換装置１の作用について説明する。パワー回路部１０１や制御回路部１０２に使用される電子部品は、通電時にインピーダンスによって発熱し、部品自身の温度が上昇する。特に、パワー回路部１０１のスイッチング素子２は大きな電力が加わるために発熱量が大きく、また、制御回路部１０２の電圧調整器等の部品も比較的発熱量が大きい。さらに、制御回路部１０２には熱に弱い部品が多く、十分な冷却構造を備えていない場合は、自己発熱あるいは周辺部品からの受熱によって熱損傷に至るおそれがある。
【００１６】
このため、本実施の形態では、パワー回路部１０１で発生する熱流は、第１の熱伝導層５を介しベース板６から第１の熱交換部７を経て外気と熱交換させている。一方、制御回路部１０２からカバー１１に至る空間に第２の熱伝導層１３を介在させ、制御回路部１０２からの熱流は、第２の熱伝導層１３を介し固体伝熱的にカバー１１に伝えて、カバー１１の反対面側に設けている第２の熱交換部１２でカバー外部と熱交換するように構成している。このため、制御回路部１０２の温度上昇を効率よく低減することができる。
【００１７】
ベース板６の第１の熱交換部７とカバー１１の第２の熱交換部１２は、装置の筐体の外周面部の対面側に各々設けている。このため、第１の熱交換部７と第２の熱交換部１２に流入する自然対流の空気は相互に干渉することがないので、干渉によりお互いの流入空気温度を上昇させることがなく、パワー回路部１０１ならびに制御回路部１０２の温度上昇をそれぞれの熱交換部７，１２で放熱させることができる。
【００１８】
更に、電力変換装置１を車両に搭載する場合に、図１に示すような方向、すなわち、ベース板６、カバー１１双方の面を略鉛直方向に配置し、かつ、放熱フィンで構成する第１の熱交換部７と第２の熱交換部１２のフィンを鉛直方向になるように配置すれば、自然対流する外気の上昇気流と熱交換して装置内部に発生する熱をより効果的に放熱することができる。
【００１９】
次に、内部部品から第１の熱交換部７及び第２の熱交換部１２に至る伝熱経路の熱抵抗の関係について説明する。パワー回路部１０１から第１の熱伝導層５，ベース板６，第１の熱交換部７を経て外気に至る熱抵抗Ｒth1は、これらの構成部材の熱伝導率及び厚さ，面積等の形状から決定される。同様に、制御回路部１０２から第２の熱伝導層１３，カバー１１，第２の熱交換部１２を経て外気に至る熱抵抗Ｒth2もこれらの構成部材の熱伝導率と形状とにより決まる。パワー回路部１０１の発熱Ｗ1は、制御回路部１０２の発熱Ｗ2よりも大きく設定されている。そこで、上記熱抵抗以外に断熱された場合における、パワー回路部１０１と制御回路部１０２の外気に対する温度上昇を、それぞれΔＴ1，ΔＴ2とすると、
ΔＴ1＝Ｗ1×Ｒth1
ΔＴ2＝Ｗ2×Ｒth2
で与えられる。ここで、ΔＴ1＞ΔＴ2の場合には、パワー回路部１０１から制御回路部１０２への熱流が生じ、制御回路部１０２の温度を上昇させることになる。そこで、ΔＴ1≦ΔＴ2として、制御回路部１０２がパワー回路部１０１からの熱の影響を受けないようにするためには、パワー回路部１０１と外気間の熱抵抗Ｒth1と、制御回路部１０２と外気間の熱抵抗Ｒth2との関係を、
Ｒth1≦Ｒth2×Ｗ2／Ｗ1  （ただし、Ｗ1＞Ｗ2）
とすればよい。こうすることで、制御回路部１０２は発熱が大きいパワー回路部１０１から受熱することがなく、温度上昇を抑制することができる。
【００２０】
上記のようにパワー回路部１０１と外気間の熱抵抗Ｒth1を制御回路部１０２と外気間の熱抵抗Ｒth2よりも小さくするためには、第１の熱交換器７の表面積を、第２の熱交換部１２の表面積よりも大きくすることが有効である。そこで、本実施の形態では、図２に示すように、第１の熱交換部７を構成する放熱フィンの高さｈと、フィン枚数を増やし、ベース板６側の放熱面積を増やすことで、Ｒth1を小さくするように構成している。
【００２１】
次に、パワー回路部１０１から制御回路部１０２へ伝熱する熱抵抗について説明する。パワー回路部１０１と制御回路部１０２との熱抵抗は、突出部１５と支持部材１６の熱抵抗の和である。そこで、本実施の形態では、突出部１５を周囲壁面部材１０と一体に形成し、熱抵抗の大きい樹脂製としている。これにより、パワー回路部１０１から制御回路部１０２への熱の流入を抑制して、制御回路部１０２の温度上昇を抑制することができる。周囲壁面部材１０及び突出部１５の樹脂材料は、熱伝導率が小さく、かつ周囲壁面部材としての構造強度を有し、また、リード間の絶縁確保のために絶縁性に優れた、例えばＰＰＳ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ナイロンなどが有効である。
【００２２】
なお、上記では、支持部材１６をネジで締結する例について説明したが、機械的保持力が十分に確保できれば、これに限定するものではない。また、突出部１５に取り付けた支持部材１６に制御回路部１０２を搭載する例について説明したが、支持部材１６を用いずに直接突出部１５に制御回路部１０２を搭載してもよく、また、周囲壁面部材１０に段差を設けてその段上に搭載する等、直接周囲壁面部材１０に搭載する構成としてもよい。
【００２３】
さらに、リード１４は周囲壁面部材１０にインサートする以外に周囲壁面部材１０とは別部材として取り付けても良い。本実施の形態の主旨は、熱抵抗の大きな樹脂からなる周囲壁面部材を介して制御回路部を搭載することにある。従って、周囲壁面部材の構成や制御回路部を搭載する構造は、ここに説明する限りではない。
【００２４】
以上のように、本実施の形態による発明によれば、パワー回路部を冷却するための第１の熱交換部を有するベース板とパワー回路部との間に第１の熱伝導層を介在させ、制御回路部を冷却するための第２の熱交換部を有するカバーと制御回路部との間に第２の熱伝導層を介在させ、第１の熱交換部と第２の熱交換部とをそれぞれ筐体の外周面部の対面側に設けたので、パワー回路部と制御回路部の放熱経路をそれぞれ確保することができ、また、パワー回路部と制御回路部のそれぞれの熱交換部が電力変換装置を挟み離間配置されるので、冷却空気の流れが分離されて、それぞれの熱交換部で熱交換する空気が互いに熱干渉することがない。従って、通風孔や冷却ファン等を設けることなく、周囲壁面部材とベース板とカバーで完全に内部電子部品を覆って防水構造を容易に実現でき、厳しい環境で使用される車載用途の電力変換装置に対しては非常に有効である。
【００２５】
また、パワー回路部の発熱を制御回路部の発熱よりも大きくなるように設定し、かつ、パワー回路部から第１の熱交換部を経て外気に至る熱抵抗を、制御回路部から第２の熱交換部を経て外気に至る熱抵抗より小さくなるようにしたので、パワー回路部と制御回路部の温度勾配を小さくして、両者の熱干渉を防止することができる。
【００２６】
また、第１の熱交換部の放熱面積を第２の熱交換部放熱面積より大きくしたので、パワー回路部から第１の熱交換部を経て装置外部に至る熱抵抗を制御回路部から第２の熱交換部を経て装置外部に至る熱抵抗に比べて容易に小さく調整することができる。
【００２７】
また、筐体は、第１の熱交換部を有するベース板と、第２の熱交換部を有するカバーと、ベース板とカバーとの間にあってパワー回路部及び制御回路部を収容するとともにベース板とカバーとの外周部を固着し支持する樹脂製の周囲壁面部材とを有し、周囲壁面部材に電力変換装置の内外を電気的に連結する導通部材を設けたので、第１，第２の熱交換部は熱伝導性の良くない樹脂製の筐体を介して取り付けられることになり、従って、両熱交換部の相互の熱干渉を大幅に減少することができる。
【００２８】
更にまた、制御回路部は筐体の周囲壁面部材又は周囲壁面部材に設けた支持部材によって支持するようにしたので、パワー回路部から制御回路部に至る固体伝熱経路の熱抵抗を大きくして、パワー回路部から制御回路部への熱流を低減することができる。
【００２９】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２による車載用電力変換装置の分解斜視図であり、図５はその断面図である。図において、実施の形態１で説明した図１〜図３と同等部分は同一符号で示し、符号の説明は省略する。実施の形態１と異なるのは、パワー回路部１０１と制御回路部１０２との間に熱遮蔽部材１８を設けた部分なので、この熱遮蔽部材１８を中心に説明する。
【００３０】
図に示すように、熱遮蔽部材１８の取り付けは、まず、周囲壁面部材１０に一体に形成された突出部１５に支持部材１９を取り付けておき、次にこの支持部材１９に熱遮蔽部材１８の取付足部１８ａを合わせ、支持部材２０を用いて固定する。
次に、制御回路部１０２の取り付けは、支持部材２０に制御回路部１０２の取付穴を合わせネジ１７によって固定する。支持部材１９、２０は、実施の形態１の図３における支持部材１６と同様にアルミ、鉄等の金属材材料を使用することにより、制御回路部１０２を強固に支持する。
以上のような構成により、図５の断面図に示すように、熱遮蔽部材１８とパワー回路部１０１及び制御回路部１０２間の双方に空気層２１ａ、２１ｂが形成される。
【００３１】
次に、作用について説明する。熱遮蔽部材１８を設けることにより、熱遮蔽部材１８がない場合に比べて、空気層２１ａ及び２１ｂと熱遮蔽部材１８との間の熱抵抗が増加するため、パワー回路部１０１から制御回路部１０２に至る熱流が低減される。
空気層２１ａ、２１ｂと熱遮蔽部材１８との間の熱抵抗は、自然対流による熱伝達と輻射による熱伝達の和であるので、パワー回路部１０１と制御回路部１０２との熱遮蔽性を高めるためには、輻射熱伝達率も抑える必要がある。これに対しては、熱遮蔽部材１８を輻射率（放射率）が小さい金属材料で構成することで対応する。金属材料の中では、例えばアルミニウムは、輻射率が小さくかつ軽量なので、装置重量をあまり増加させることなく熱遮蔽性を高めることができ、熱遮蔽部材１８の材料として適している。また、金属材料以外では、樹脂部材の表面に金属薄膜を被着させた部材を用いても良い。
【００３２】
熱遮蔽部材１８の材料を金属材料で構成した場合は、パワー回路部１０１のスイッチング素子２から発生するノイズを遮断して制御回路部１０２に伝わらないようにする作用も併せ持つことができる。
【００３３】
更に、図５における空気層２１ｂの厚さ寸法ｔを小さくすれば、対流空間の高さが小さくなり、十分に上昇気流を生じることができずに淀みが発生し、空気と接触する熱遮蔽部材１８と制御回路部１０２との熱交換能力を低下させ、熱を伝わりにくくすることができる。
発明者らの実験によれば、熱遮蔽部材１８と制御回路部１０２との間の空気層２１ｂの厚さｔを小さくするにしたがって制御回路部の温度上昇が低減し、８ｍｍ以下であれば、対流の抑止に対して効果を発揮することが検証された。
【００３４】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、パワー回路部と制御回路部との間に熱遮蔽部材を設け、熱遮蔽部材とパワー回路部、並びに熱遮蔽部材と制御回路部との間に空気層を形成したので、空気と固体との熱伝達部によって熱抵抗が大きくなり、実施の形態１の効果に加え、遮熱効果を上げることができる。
【００３５】
また、熱遮蔽部材の少なくとも表面は輻射率の小さい金属により構成したので、パワー回路部から制御回路部への輻射伝熱を低減することができる。
【００３６】
更にまた、熱遮蔽部材と制御回路部との間の空気層の厚さを８ｍｍ以下としたので、空気層の対流による熱伝達を抑制して伝熱を低減することができる。
【００３７】
実施の形態３．
図６は、実施の形態３による車載用電力変換装置を示す要部の部分断面図である。装置全体は実施の形態１で説明した図１と同等であり、また、図６に示す以外の断面の全体図は、実施の形態１の図２又は実施の形態２の図５と同等であるので同等部分は同一符号を付して説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００３８】
図のように、制御回路部１０２を構成する制御基板９の両面には、電子部品８が搭載されている。電子部品８は、通電により発熱するが、その内の特に発熱の大きい電子部品を、図では発熱部品２２として区別している。発熱部品２２は、例えば、電源回路部の電圧調整器２２ａ、スイッチング素子を駆動させるドライバ２２ｂなどである。本実施の形態の特徴とするところは、この発熱部品２２とカバー１１の間の空間に第２の熱伝導層１３を介在させている点である。すなわち、第２の熱伝導層１３は、電子部品８の内の発熱部品２２の上面に選択的に固着させて設けている。第２の熱伝導層１３の材料としては、例えば、シリコーン樹脂を主成分とするシート、あるいはゲル状の材料等を使用する。
【００３９】
発熱部品２２は、制御基板９上に分散配置するほうが、お互いの熱干渉がなく、温度上昇低減に対して有効である。したがって、分散配置した各々の発熱部品２２に対して、分離された複数の第２の熱伝導層１３を形成することも有効である。
【００４０】
以上のように、本実施の形態の発明によれば、第２の熱伝導層は、制御回路部を構成する部品のうちの発熱の大きい発熱部品とカバーとの間に選択的に設けるようにしたので、発熱部品の発熱を積極的に外気と熱交換させて温度上昇を抑制しながら、熱伝導層材料の使用量を少なくして、材料コストを低減することができる。
【００４１】
なお、本実施の形態では、電子部品の上面に固着するように熱伝導層を設ける例を説明したが、この例とは反対の面に実装された発熱部品の搭載部分の制御基板面に熱伝導層を固着させる構成でも同様の効果を得ることができる。
【００４２】
実施の形態４．
図７は、実施の形態４による車載用電力変換装置の制御回路部の部分断面図である。装置全体は実施の形態１で説明した図１と同等であり、また、図７に示す以外の断面の全体図は、実施の形態１の図２又は実施の形態２の図５と同等であるので同等部分は同一符号を付して説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００４３】
本実施の形態の発熱部品２２は、制御基板９のカバー１１とは反対側の面である第１の主面９ａに搭載されており、第２の熱伝導層１３は、制御基板９のカバー１１側の面である第２の主面９ｂに固着されてカバー１１との間を埋めるように設けられている。制御基板９は、通常、ガラス繊維を複合したエポキシ樹脂あるいはフェノール樹脂といった熱伝導率の小さい材料で構成されている。このため、発熱部品２２を搭載する第１の主面９ａには銅パターン２３ａを形成し、発熱部品２２が有する銅系の材料等からなる金属板２４を銅パターン２３ａに、はんだ付により固定している。発熱部品２２はこの金属板２４を介して搭載する。また、第２の熱伝導層１３が固着される第２の主面９ｂにも銅パターン２３ｂを形成している。更に、発熱部品２２の直下で部品が搭載される領域には、制御基板９にスルーホール（貫通穴）２５を形成し、スルーホール２５の壁面にも銅パターン２３ａ，２３ｂと同時に銅のメッキ層２５ａを形成する。すなわち、発熱部品２２を搭載する領域からスルーホール（貫通穴）２５の内周面を経て第２の主面９ｂの第２の熱伝導層１３と接する面にかけて、熱伝導性の良い銅からなる金属薄膜層が形成されている。なお、金属薄膜層の材料は銅に限定するものではなく、熱伝導性の高い材料であればよい。
【００４４】
以上のように構成された制御回路部の放熱作用について説明する。発熱部品２２から第２の熱伝導層１３へは、熱伝導率が非常に大きい金属板２４，銅パターン２３ａ，メッキ層２５ａ，銅パターン２３ｂによって伝熱経路が形成されているので、スルーホール２５や銅パターンを持たない制御基板の場合に比べて熱抵抗が著しく小さくなる。
【００４５】
更に制御基板部の熱抵抗を低減させる方法としては、図７と同様の構成で、スルーホール２５内に、実装時にはんだ２６を充填するのが効果的であることを検証した。図８はスルーホール及びスルーホール内のはんだの有無による制御基板の温度上昇結果を示す図である。検証品は、スルーホール２５の外径をφ０．５ｍｍ、銅パターン２３ａ，２３ｂとメッキ層２５ａの厚さを１８μｍ、スルーホール２５のピッチを１．８ｍｍとし、これらを発熱部品２２直下の制御基板９（ガラスエポキシ製）に形成したものを使用し、スルーホール２５内にはんだ２６が有る場合と無い場合、及びスルーホール２５の無い場合の制御基板表裏面間の温度差の比較を行った。
【００４６】
結果は図８に示すように、スルーホールを設けない場合（仕様３）と比較して、図７のようにスルーホール，メッキ層，銅パターンによる金属薄膜層を設けた制御基板（仕様１）を用いた場合は温度上昇が１０℃低減、更にスルーホール内にはんだを充填した場合（仕様２）は１５℃低減できた。
このように、スルーホールのない場合に比べて、スルーホール有りではんだを充填した場合は、表裏面間の温度差を約４０％に引き下げることができ、十分な効果を有することを確認した。
【００４７】
スルーホール内にはんだを充填する方法として、発熱部品の表面実装と同時にスルーホール内にはんだを充填する場合は、溶融はんだがスルーホールを経て基板裏面に広がったり、垂れ落ちたりして、発熱部品下のはんだ層に必要な厚さが得られないおそれがある。これに対しては、次のような工夫を行った。
【００４８】
図９は、はんだのたれ防止対策をした制御基板の拡大断面図である。図に示すように、制御基板９の第２の主面９ｂ側のスルーホール２５の外周に沿って、樹脂層２７を形成している。樹脂層２７は、はんだがそれ以上に銅パターン２３ｂ面に拡がるのを防止するものである。この樹脂層２７は、制御基板９の表面に形成するソルダーレジストあるいはシルク印刷等の方法を用いれば、基板製造時に同時に形成することができて、実用上有効である。
【００４９】
上記のように、制御基板の発熱部品直下に伝熱経路となる銅メッキ付のスルーホールを設けることによって、熱抵抗が著しく低減できるので、実際に図８の仕様１又は仕様２のような構成を採用すれば、カバー側の熱交換部にフィンを設けなくても、所定の温度上昇に抑えられることが確認できた。図１０はカバーに放熱フィンを設けない場合の例を示す制御回路部とカバー部の部分断面図である。ただし、スルーホールや銅パターンは図示を省略している。図に示すように、カバー２８には、第２の熱伝導層１３との固着部位に、装置内側に向かった窪み２８ａを形成し、第２の熱伝導層１３の厚さを小さくすることにより熱抵抗を低減させるように構成した。この窪み２８ａは板金加工で容易に形成することができ、熱交換部の製造が極めて安価に実現できる。
【００５０】
実際に、前述のようなスルーホールパターンを用いて図１０のようなカバー２８を厚さ１ｍｍのアルミ板で構成し、電力変換装置に組み込んで、装置を動作させた場合の発熱部品の温度上昇を確認したところ、スルーホール部にはんだを充填した仕様２の場合では、外気温度と部品の温度差が２０℃程度に抑えられ、板金加工によるカバーでも所望の放熱特性を確保できることがわかった。
【００５１】
以上のように、実施の形態４の発明によれば、発熱部品を制御回路部の制御基板のカバーとは反対側の面である第１の主面に搭載し、制御基板のカバー側の面である第２の主面とカバーとの間に第２の熱伝導層を設け、制御基板の少なくとも発熱部品の外周部で取り囲まれる範囲内に複数の貫通穴（スルーホール）を形成し、第１の主面の発熱部品を搭載する領域から貫通穴の内周面を経て第２の主面の第２の熱伝導層と接する面に熱伝導性の高い金属薄膜層を設けたので、発熱部品のヒートスプレッダと熱伝導層を金属固体伝熱とすることができ、発熱部品の冷却性能を大きく向上させることができる。また、電子部品の搭載した箇所の直下の制御基板に貫通穴を設けることで、熱抵抗を効率よく低減することができる。
【００５２】
また、貫通穴に、はんだを充填したので、更に効率よく貫通部の熱抵抗を低減することができる。
【００５３】
また、第２の主面の金属薄膜層が設けられた面の貫通穴の外周部分に樹脂層を形成したので、第１の主面の電子部品のはんだ付時に第２の主面にはんだが流れ落ちるのを防止でき、所定のはんだ層厚を確保することができる。
【００５４】
また、カバーを板金部材で構成し第２の熱交換部を兼用したので、カバーの軽量化とコスト低減を図ることができる。
【００５５】
更にまた、カバーの少なくとも第２の熱伝導層に当接する部分に、制御回路部側に向けて窪みを形成し、第２の熱伝導層の厚さを薄くしたので、搭載できる電子部品の許容高さを維持しながら、熱伝導層の厚さを薄くすることで熱抵抗を低減できる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
車載用の電力変換器以外にも、特に防水性や信頼性を必要とする電力変換装置に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】この発明の実施の形態１による車載用電力変換装置の外観図である。
【図２】この発明の実施の形態１による車載用電力変換装置の断面図である。
【図３】この発明の実施の形態１による車載用電力変換装置の分解斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態２による車載用電力変換装置の分解斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態２による車載用電力変換装置の断面図である。
【図６】この発明の実施の形態３による車載用電力変換装置の要部の部分断面図である。
【図７】この発明の実施の形態４による車載用電力変換装置の制御回路部の部分断面図である。
【図８】この発明の実施の形態４による車載用電力変換装置の制御基板の温度上昇結果を示す図である。
【図９】この発明の実施の形態４による車載用電力変換装置の制御回路部の別の例を示す部分断面図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による車載用電力変換装置の制御回路部の他の例を示す部分断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  電力変換装置                      １０１  パワー回路部
１０２  制御回路部                              ２  スイッチング素子
４  基板                                  ５  第１の熱伝導層
６  ベース板                              ７  第１の熱交換部
８  電子部品                              ９  制御基板
９ａ  第１の主面                          ９ｂ  第２の主面
１０  周囲壁面部材                        １１  カバー
１２  第２の熱交換部                      １３  第２の熱伝導層
１４  リード                              １５  突出部
１６，１９，２０  支持部材                １８  熱遮蔽部材
２１ａ，２１ｂ  空気層                    ２２  発熱部品
２３ａ，２３ｂ  銅パターン                ２５  スルーホール（貫通穴）
２５ａ  メッキ層                          ２６  はんだ
２７  樹脂層                              ２８  カバー
２８ａ  窪み                              ３１  外部端子
３２  信号コネクタ。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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