(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直交または交直の電力変換を行うためにスイッチングする電力変換用スイッチング素子と、前記電力変換用スイッチング素子に供給する直流電源を平滑化するための平滑用コンデンサと、これら電力変換用スイッチング素子及び平滑用コンデンサを冷却する冷却器と、を備えた電力変換装置であって、
前記平滑用コンデンサの内部電極に接続された正負の金属電極の少なくとも一方が、前記内部電極と接続されたコンデンサ本体の一面から、前記内部電極が引き出されていないコンデンサ本体の他の一面へ折り曲げて重ねられ、
前記冷却器が、前記折り曲げた金属電極と前記コンデンサ本体とが重なった部分で前記金属電極の表面に密着して設けられている電力変換装置。
【請求項２】
前記平滑用コンデンサの正負の金属電極が、絶縁体を介して互いに積層されて前記コンデンサ本体の一面に折り曲げて重ねられている請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記平滑用コンデンサが複数に分割され、当該それぞれの平滑用コンデンサの正負の金属電極の少なくとも一方が前記コンデンサ本体の一面に対して折り曲げて重ねられるとともに、これら正負の電極が電気的に並列接続され、
前記折り曲げて重ねられた金属電極の表面に、前記冷却器が密着して設けられている請求項１または２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記冷却器は、絶縁体を介して前記折り曲げて重ねられた金属電極の表面に密着して設けられている請求項１〜３の何れかに記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記冷却器は、伝熱グリスを介して前記折り曲げて重ねられた金属電極の表面に密着して設けられている請求項１〜３の何れかに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電力を交流電力に、または交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に関し、特に放熱性に優れた小型かつ廉価な電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流電力を交流電力に変換する電力変換装置は、交流モータや発電器の駆動回路に広く用いられている。この種の電力変換装置は、一般にバッテリ等の直流電源や三相商用電源の整流回路から直流電力を得て、半導体スイッチング素子（例えばＩＧＢＴ等）をスイッチングすることで出力交流電力を生成するが、その際、直流電源側にスパイク電圧が生じたり、あるいは直流電源線にスイッチング電流が流れないようにするために、直流平滑用コンデンサが挿入されている。
【０００３】
このような直流平滑用コンデンサは、スイッチングによる直流電圧変動を抑えるためにある程度の静電容量が必要とされ、また比較的高周波の充放電電流が流れることによる発熱を極力減らして寿命を確保するために、比較的大きな耐リプル能力が必要とされる。この種のコンデンサは、一般的に大型になり、またコストも高い。
【０００４】
このため、例えば特開２０００−１５２６５６号公報には、偏平型コンデンサを用いて、ケースにコンデンサを押し付けて放熱させる方法が提案されている。このような偏平型コンデンサを電力変換装置に用いることにより、電力変換装置のケース内の無駄なスペースを減らして、その必要容積を低減すると共に、コンデンサ内部で発生する熱をケース等に押し付けて逃がすことにより、内部温度上昇に伴うコンデンサケースの膨張を抑制できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例では、コンデンサのケース本体を電力変換装置のケース内壁に押し付けて放熱させる構造であるため、コンデンサ電極付近での発熱が大きい場合には有効に放熱が行えず、コンデンサを延命させるためには、比較的大きなコンデンサを装着せざるを得ないといった問題があった。
【０００６】
特に平滑用コンデンサとして、電解コンデンサではなくフィルムコンデンサを用いる場合には、その構造上、コンデンサ本体と電極とをスポット半田やスポット溶接法にて一部分のみを接合することがあるが、このようにすると、コンデンサ内部からの発熱量もさることながら、この接合部からの発熱量も大きくなる。
【０００７】
したがって、このようなコンデンサを従来例のように偏平型にし、当該コンデンサの本体側面部を電力変換装置の内壁に押し付けて放熱させようとしても、コンデンサ本体は熱伝導率の低い樹脂等で封止されていることが多いので、コンデンサケースを介して有効に放熱させることができない。また、コンデンサ内部からの発熱が大きい場合も、従来例のようにコンデンサ本体ケースを介して放熱させる構造では、コンデンサ本体の中心部からの有効な放熱が行えないといった問題があった。
【０００８】
本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、放熱性に優れた小型かつ廉価な電力変換装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（１）上記目的を達成するために、請求項１記載の発明によれば、直交または交直の電力変換を行うためにスイッチングする電力変換用スイッチング素子と、前記電力変換用スイッチング素子に供給する直流電源を平滑化するための平滑用コンデンサと、これら電力変換用スイッチング素子及び平滑用コンデンサを冷却する冷却器と、を備えた電力変換装置であって、前記平滑用コンデンサの内部電極に接続された正負の金属電極の少なくとも一方が、前記内部電極と接続されたコンデンサ本体の一面から、前記内部電極が引き出されていないコンデンサ本体の他の一面へ折り曲げて重ね、前記冷却器が、前記折り曲げた金属電極と前記コンデンサ本体とが重なった部分で前記金属電極の表面に密着して設けられている電力変換装置が提供される。
【００１０】
本発明では、平滑用コンデンサの正負の電極の少なくとも一方をコンデンサ本体の主面に対して折り曲げて重ね、最表面の電極と冷却器とを密着させているので、平滑用コンデンサの電極で生じた熱は直接的に冷却器に伝熱し、また平滑用コンデンサの内部で発生する熱は電極を介して間接的に冷却器に伝熱する。
【００１１】
このとき、平滑用コンデンサの内部で発生した熱は間接的に冷却器に伝熱するが、その介在物が熱伝導率が高い金属電極であることから効率的に放熱させることができる。したがって、平滑用コンデンサとしてフィルムコンデンサを採用してもコンデンサ内部および電極からの発熱を効果的に冷却器で放熱させることが可能となる。
【００１２】
本発明において、電極をコンデンサ本体の主面に対して折り曲げて重ねるとは、電極の主面とコンデンサ本体の主面との対向面積がより大きくなるように電極を折り曲げる意味である。
【００１３】
また本発明において、コンデンサ本体の主面に対して折り曲げて重ねる金属電極は少なくとも何れか一方であり、これは正極のみを折り曲げて重ねる場合、負極のみを折り曲げて重ねる場合、及び正負の両極を折り曲げて重ねる場合を含む趣旨である。
【００１４】
特に、正負極の一方のみを折り曲げて重ねた場合は、正負両極を折り曲げて重ねた場合に比べ、冷却器主面に密着していない電極の形状が単純化されているので、電極加工が簡単になり、コスト低減が可能となる。
【００１５】
逆に、請求項２記載のように正負の両電極を折り曲げて重ねた場合は、これら両極に電流が流れることにより発生する磁界を打ち消して低減させることができ、電極部におけるインダクタンスが低減する。
【００１６】
また本発明において、コンデンサ本体の主面に対して折り曲げて重ねた電極の表面と冷却器とを密着させるとは、直接的に接触させるほか、絶縁体を介して間接的に接触されることも含む趣旨である（請求項４参照）。
【００１７】
（２）上記発明においては特に限定されないが、請求項３の発明では、前記平滑用コンデンサが複数に分割され、当該それぞれの平滑用コンデンサの正負の金属電極の少なくとも一方が前記コンデンサ本体の一面に対して折り曲げて重ねられるとともに、これら正負の電極が電気的に並列接続され、前記折り曲げて重ねられた金属電極の表面に、前記冷却器が密着して設けられている。
【００１８】
本発明の電力変換装置では、平滑用コンデンサを複数に分割し、それぞれのコンデンサの正負の電極を積層するように折り曲げて重ね、最表面の電極を冷却器に密着させているので、それぞれのコンデンサからの発熱量が減少し、温度上昇が抑えられる。
【００１９】
（３）上記発明においては特に限定されないが、請求項５の発明では、前記冷却器は、伝熱グリスを介して前記折り曲げて重ねた金属電極の表面に密着して設けられている。
【００２０】
本発明の電力変換装置では、コンデンサ電極と冷却器との間を伝熱グリスを介して直接密着させているので、放熱効果が高くなり、コンデンサの発熱による温度上昇が抑えられる。
【００２１】
【発明の効果】
請求項１〜５記載の発明によれば、平滑用コンデンサとしてフィルムコンデンサを採用してもコンデンサ内部および電極からの発熱を効果的に冷却器で放熱させることができるので、放熱性に優れた小型かつ廉価な電力変換装置を提供することが可能となる。
【００２２】
これに加えて、コンデンサ本体の主面に対して正負極の一方のみを折り曲げて重ねた場合は、正負両極を折り曲げて重ねた場合に比べ、冷却器主面に密着していない電極の形状が単純化され、電極加工が簡単になり、コスト低減が可能となる。
【００２３】
逆に、請求項２記載のように正負の両電極を折り曲げて重ねた場合は、これら両極に電流が流れることにより発生する磁界を打ち消して低減させることができ、電極部におけるインダクタンスが低減する。
【００２４】
また、請求項５記載の発明によれば、コンデンサ電極と冷却器との間を伝熱グリスを介して直接密着させているので、放熱効果が高くなり、コンデンサの発熱による温度上昇が抑えられる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
第１実施形態
図１（Ａ）は本発明に係るコンデンサの実施形態を示す斜視図、図１（Ｂ）は同じく三面図（以下、左上を平面図、右上を側面図、左下を正面図ともいう。）、図２は図１に示すコンデンサに冷却器を装着した、本発明の電力変換装置の一実施形態を示す三面図である。
【００２６】
図１に示すように、コンデンサ１のコンデンサ本体１１は、両側１２、１３を有し、ここがコンデンサ１の正負電極１４，１５の取り出し部となっている。コンデンサ１がフィルムコンデンサの場合は、一般的にコンデンサ内部の電極となる正負の金属箔と、絶縁体であるフィルムとを交互に積層して製造されるが、図１の側面１２，１３は、それぞれ正、負の金属箔端面が露出しており、その部分に金属を吹き付け、そののち、側面１２，１３で示される取り出し電極を半田付けあるいはスポット溶接等で接合する。図１の１７は、スポット溶接にて数箇所取り出し電極を接合した様子を示してある。
【００２７】
本例の取り出し電極１４，１５は、コンデンサ本体１１の側面１２，１３のそれぞれから立ち上がり、当該コンデンサ本体１１の主面、図１（Ａ）に示す状態では上面に対して互いに折り重なるように折り曲げられ、互いの電極間には絶縁体１６が設けられて電気的に絶縁されている。この絶縁体１６としては、例えばポリプロピレンやマイカシート、あるいは樹脂等を用いることができる。
【００２８】
このように実装されたコンデンサ１は、折り曲げて重ねられて積層された電極１４，１５の最表面１５ａに、絶縁体２５を介して冷却器２１の主冷却面が密着されて設けられている。この冷却器２１を電極１５に密着させるためには、たとえば図２に示されるように、取付バンド２２を用いてボルト２３で冷却器２１にコンデンサ本体１１と一緒に締め付ける方法等が考えられる。
【００２９】
なお、電極１４，１５には、図示を省略したスイッチング素子部との接続のための接続部２６，２７が設けられている。一般的にスイッチング素子部はかなりの発熱を伴うためこれも冷却する必要があるが、本例では冷却器２１の反対側の主冷却面に密着させて配置することになり、このスイッチング素子部の直流入力端子と接続部２６，２７とは、図示しない互いに積層された正負の電極を介して接続される。
【００３０】
このように構成することで、コンデンサ本体１１と電極１４、１５との接合部、本例ではスポット溶接部１７付近から発生した熱は、電極１４，１５および絶縁体２５を介して冷却器２１へと移動するので効果的な放熱が行える。またこれに加えて、電極１４，１５は概略積層構造になっているため、電流が一部互いに逆方向に流れて発生する磁界を一部打ち消すため、イングクタンスが小さい配線も同時に実現できる。
【００３１】
第２実施形態
図３は本発明に係るコンデンサの他の実施形態を示す三面図、図４は図３に示すコンデンサに冷却器を装着した、本発明の電力変換装置の他の実施形態を示す三面図である。
【００３２】
本例では、先の第１実施形態とは異なり、コンデンサ本体１１に接続されている正負いずれか一方の電極３１のみが、コンデンサ本体１１の主面に対して折り曲げて重ねられ、他方の電極３２はそのまま真っ直ぐ上方に伸びている。なお、それぞれの電極３１，３２は、上述した第１実施形態と同様に接合部１７の部分でコンデンサ本体１１とスポット溶接や半田接合により接続されている。
【００３３】
そして、図４に示すように、このような電極構造を有するコンデンサ１に対し、その折り曲げて重ねた方の電極３１の表面に、絶縁体２５を介して冷却器２１の主冷却面を密着させ、取付バンド２２とボルト２３で固定する。また、先の第１実施形態と同様に、図示しないスイッチング素子の直流入力端子とコンデンサ１とは、電極３１，３２と、図示しない互いに積層された正負の電極を介して接合されている。
【００３４】
このような構成、すなわち一方の電極３１の表面と冷却器２１の主冷却面とを絶縁体２５を介して密着させることにより、コンデンサ本体１１と電極３１との接合部、本例ではスポット溶接部１７付近から発生した熱は、電極３１および絶縁体２５を介して冷却器２１へと移動するので、効率的な放熱が可能となる。またこの場合、電極３２の方は、平面的な加工で済むため、先の第１実施形態よりも電極加工コストが抑えられるといった利点を有する。
【００３５】
ちなみに、他方の電極３２の放熱性の点からは、上述した第１実施形態の方が有利ではあるが、放熱すべき量と電極加工コストとの兼ね合いで第１実施形態および第２実施形態のどちらかを選択すればよい。
【００３６】
第３実施形態
図５は、本発明に係るコンデンサのさらに他の実施形態を示す平面図及び正面図である。上述した第１および第２の実施形態では、単一のコンデンサの電極を冷却器に密着させていたが、本例では、コンデンサ１を複数に分割してそれぞれのコンデンサ１ａ，１ｂ，１ｃに接続されている正負の電極４１ａ，４２ａ，４１ｂ，４２ｂ，４１ｃ，４２ｃを、接続用電極５１、５２により並列に接続する。同図に示す例は３個のコンデンサ１ａ，１ｂ，１ｃを並列に接続したものである。なお、図示は省略するが、図２に示す例と同様にして、各コンデンサ１ａ，１ｂ，１ｃの折り曲げて重ねた電極の最表面には、絶縁体２５を介して冷却器２１の主冷却面が密着されている。
【００３７】
分割前の単体のコンデンサと比較すると、電極の厚みや絶縁体の厚み等の増加により静電容量値は若干減少するが、各々のコンデンサ内部の直列等価抵抗が減少し、電極とコンデンサ本体の接続部１７における発熱も減少するので、全体としての発熱量は減少する。
【００３８】
図６に本例の等価回路を示すが、６１は分割前の等価回路で、Ｒは内部等価抵抗、Ｒｃは接続部における抵抗をそれぞれ示す。この回路に実効電流Ｉが流れたとすれば、Ｉ２×（Ｒ＋２Ｒｃ）の熱が発生する。
【００３９】
これに対して、分割後の等価回路を同図の６２に示すが、一個あたりの内部等価抵抗はＲ／ｎ、接続部における抵抗はＲｃとなり、一個当たりに流れる実効電流はＩ／ｎであるので、全体の発熱は、Ｉ２×（Ｒ／ｎ＋２Ｒｃ）／ｎとなる。但しｎは分割数である。ここで内部等価抵抗Ｒ＜＜接続部抵抗Ｒｃとすれば、単体コンデンサの場合の発熱量はＩ２×（２Ｒｃ）、分割後はＩ２×（２Ｒｃ）／ｎとなるので、発熱量は１／ｎになる。
【００４０】
本例では、折り曲げて重ねた電極を絶縁体を介して冷却器に密着させているため、接続部１７からの発熱による温度上昇が抑えられることになる。特に、分割する前に比較して、ｎ個に分割すると発熱量が減少する（Ｒ＜＜Ｒｃの場合は１／ｎ）のに加え、接続部１７の抵抗Ｒｃによる発熱が、本例の構成をとることにより、効果的に冷却器２１で放熱されるため、各々のコンデンサ１ａ，１ｂ，１ｃの温度上昇は低く抑えられることになる。
【００４１】
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。
【００４２】
たとえば、上述した第１乃至第３実施形態では、コンデンサ１の電極と冷却器２１とが電気的に同電位になることを防ぐ意味で、電極と冷却器とを絶縁体２５を介して密着させる構成としたが、冷却器とコンデンサとを電気的に絶縁する必要がない場合には、この絶縁体２５は不要であり、一般的に広く用いられている伝熱グリスなどの材料を用いて密着させても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明に係るコンデンサの実施形態を示す斜視図、（Ｂ）は同じく三面図である。
【図２】図１に示すコンデンサに冷却器を装着した、本発明の電力変換装置の一実施形態を示す三面図である。
【図３】本発明に係るコンデンサの他の実施形態を示す三面図である。
【図４】図３に示すコンデンサに冷却器を装着した、本発明の電力変換装置の他の実施形態を示す三面図である。
【図５】本発明に係るコンデンサのさらに他の実施形態を示す平面図及び正面図である。
【図６】図５に示すコンデンサの等価回路示す回路図である。
【符号の説明】
１…コンデンサ
１１…コンデンサ本体
１２，１３…コンデンサ本体の側面
１４，１５，３１，３２…電極
１５ａ…最表面
１６…絶縁体
１７…スポット溶接部
２１…冷却器
２５…絶縁体
５１，５２…接続用電極
【図１】
0004770083.tif 000002
【図２】
0004770083.tif 000003
【図３】
0004770083.tif 000004
【図４】
0004770083.tif 000005
【図５】
0004770083.tif 000006
【図６】
0004770083.tif 000007