(57)【要約】【課題】  電力変換用の半導体装置と冷却器が容器内に収容されている電力変換装置において容器内に冷却液が漏れでるのを防止する。【解決手段】  冷却液の導入管と導出管は、容器の壁を貫通して容器の内外に亘って伸びている。容器内で導入管の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する導入管拘束部と、容器内で導出管の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する導出管拘束部を設ける。導入管拘束部の拘束面は、貫通壁に近づくほど、導入管の外周面から大きく離反している。導出管拘束部の拘束面も、貫通壁に近づくほど、導出管の外周面から大きく離反している。導入管または導出管と容器の間に外力が作用したときに、導入管にも導出管にも応力集中箇所が生じない。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器と、
容器内に収容されている電力変換用の半導体装置と、
容器内に収容されており、半導体装置に接触しているとともに、内部を冷却液が通過する冷却器と、
容器を構成する壁を貫通して容器内外に亘って伸びており、容器内で冷却器に導通しているとともに、容器外から冷却器に冷却液を送り込む導入管と、
容器を構成する壁を貫通して容器内外に亘って伸びており、容器内で冷却器に導通しているとともに、冷却器から容器外に冷却液を送り出す導出管と、
容器内において容器に固定されており、導入管の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する導入管拘束部と、
容器内において容器に固定されており、導出管の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する導出管拘束部と、
を備えており、
導入管拘束部の拘束面が、導入管が貫通している壁に近づくほど、導入管の外周面から離反しており、
導出管拘束部の拘束面が、導出管が貫通している壁に近づくほど、導出管の外周面から離反していることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
容器は車載されており、
半導体装置は走行用モータに通電する電力をオン・オフするスイッチング素子であり、
導入管拘束部は、容器と一体形成されている導入管拘束用固定部と、導入管拘束用固定部に固定される導入管クランプ部材で構成されており、
導出管拘束部は、容器と一体形成されている導出管拘束用固定部と、導出管拘束用固定部に固定される導出管クランプ部材で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、電力を変換する半導体装置と、半導体装置を冷却する冷却器を、容器内に収容している電力変換装置に関する技術を開示する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、電気自動車やハイブリッド自動車や燃料電池自動車は、バッテリ等から供給される直流を交流に変換して走行用モータに給電するための電力変換用半導体装置を利用する。電力変換用半導体装置は、動作すると発熱する。そこで、半導体装置を冷却する冷却器と組み合わせて利用する技術が開発されている。すなわち、半導体装置と冷却器を接触させておき、冷却器の内部を冷却液が通過することで、冷却液で半導体装置を冷却する技術が利用される。半導体装置と冷却器を同一容器内に収容して一つの組み合わせ部品とする技術も開発されている。
【０００３】
容器外から冷却器に冷却液を送り込む導入管と、冷却器から容器外に冷却液を送り出す導出管は、容器を構成する壁を貫通して容器の内外に亘って伸びている。容器外に伸びている導入管および／または導出管に過大な外力が作用すると、導入管および／または導出管が容器内で損傷する恐れがある。導入管および／または導出管が容器内で損傷すると、冷却器の外側であって容器の内側の空間に冷却液が漏れでる可能性が生じる。冷却器の外側であって容器の内側の空間には電力変換用半導体装置が配置されており、その電力変換用半導体装置には電圧が印加されている。導入管および／または導出管が容器内で損傷すると、電力変換用半導体装置に印加されている電圧が、冷却液を介して容器に伝達し、容器を介してさらに他の金属部品に伝達することがある。
【０００４】
そこで、特許文献１の技術が開発されている。特許文献１の技術では、導入管と導出管が貫通している壁（以下では貫通壁という）の外側に剛性部材と設ける。その剛性部材の貫通壁からの突出長を、導入管と導出管の貫通壁からの突出長よりも長くしておく。この場合、大きな外力が作用して、容器と容器に隣接している部材（特許文献１の実施例ではエンジン）の相対位置が変位して両者が接近する場合に、導入管および／または導出管に外力が作用するよりも先に、剛性部材に外力が作用する関係を得ることができる。特許文献１の技術によると、先に剛性部材に外力が作用する結果、その段階でエネルギーが吸収され、導入管および／または導出管に作用する外力が軽減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１５３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の技術は、非常に有効な技術ではあるが、完全ではない。非常に大きな外力が作用すれば、剛性部材ではエネルギーを吸収しきれず、導入管および／または導出管が容器内で損傷する可能性がある。
本明細書では、導入管および／または導出管が容器内で損傷することを防止する技術を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書で開示する電力変換装置は、容器と、電力変換用半導体装置と、冷却器と、導入管と、導出管と、導入管拘束部と、導出管拘束部を備えている。
電力変換用半導体装置は、容器内に収容されている。冷却器も、容器内に収容されており、半導体装置に接触しているとともに、内部を冷却液が通過する。導入管は、容器を構成する壁を貫通して容器内外に亘って伸びており、容器内で冷却器に導通しているとともに、容器外から冷却器に冷却液を送り込む。導出管は、容器を構成する壁を貫通して容器内外に亘って伸びており、容器内で冷却器に導通しているとともに、冷却器から容器外に冷却液を送り出す。導入管拘束部は、容器内において容器に固定されており、導入管の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する。導出管拘束部も、容器内において容器に固定されており、導出管の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する。
導入管拘束部の拘束面は、導入管が通過している壁に近づくほど、導入管の外周面から離反している。また、導出管拘束部の拘束面は、導出管が通過している壁に近づくほど、導出管の外周面から離反している。
【０００８】
上記の場合、導入管拘束部よりも冷却器側の導入管と、導出管拘束部よりも冷却器側の導出管と、冷却器は、導入管拘束部と導出管拘束部によって、容器に対する位置関係が拘束されている。導入管が容器外に伸びている部分に容器と導入管を相対変位させる外力が作用しても、あるいは導出管が容器外に伸びている部分に容器と導出管を相対変位させる外力が作用しても、導入管拘束部よりも冷却器側の導入管と、導出管拘束部よりも冷却器側の導出管と、冷却器が損傷することがない。
この場合、容器外に伸びている範囲の導入管に容器と導入管を相対変位させる外力が作用した場合に、導入管拘束部より貫通壁側の導入管と導入管拘束部の間で応力集中が発生して導入管拘束部よりも貫通壁側の導入管が損傷する可能性がある。同様に、容器外に伸びている範囲の導出管に容器と導出管を相対変位させる外力が作用した場合に、導出管拘束部より貫通壁側の導出管と導出管拘束部の間で応力集中が発生して導出管拘束部よりも貫通壁側で導出管が損傷する可能性がある。
本明細書に記載の電力変換装置の場合、導入管拘束部の拘束面は、貫通壁に近づくほど、導入管の外周面から離反している。このために、容器外に伸びている範囲の導入管に容器と導入管を相対変位させる外力が作用して導入管が変形する場合に、導入管と拘束面が局所的に接触して過大な応力集中を発生させることがない。同様に、導出管拘束部の拘束面は、貫通壁に近づくほど、導出管の外周面から離反している。このために、容器外に伸びている範囲の導出管に容器と導出管を相対変位させる外力が作用して導出管が変形する場合に、導出管と拘束面が局所的に接触して過大な応力集中を発生させることがない。
上記現象が得られることから、本明細書に記載の電力変換装置の場合、容器外に伸びている範囲の導入管および／または容器外に伸びている範囲の導出管に外力が作用しても、容器内で導入管および／または導出管が損傷することがなく、冷却器の外側で容器の内側の空間に冷却液が漏れでることがない。
【発明の効果】
【０００９】
本明細書に記載の電力変換装置の場合、容器外に伸びている範囲の導入管および／または容器外に伸びている範囲の導出管と容器の間に、大きな外力が作用しても、導入管および／または導出管が容器内で損傷することがなく、冷却器の外側で容器の内側の空間に冷却液が漏れでることがない。冷却液を介して容器外に高電圧がリークされることがなく、安全性が高い。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】容器と、電力変換用半導体装置と、冷却器と、導入管と、導出管を分解して斜視した図。
【図２】管拘束部を構成する拘束用固定部とクランプ部材を分解して斜視した図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
下記に説明する実施例の主要な特徴を列記する。下記の特徴は、各々が技術的有用性を備えており、他の特徴と組み合わせなくても技術的有用性を発揮する。
特徴１：電力変換用半導体装置と冷却器を収容する容器は車載されている。衝突事故の際に、容器外に伸びている範囲の導入管および／または容器外に伸びている範囲の導出管と容器の間に、大きな外力が作用する可能性があり、冷却器の外側で容器の内側の空間に冷却液が漏れでることを防止する必要性がある。
特徴２：半導体装置は、走行用モータに印加する電力をオン・オフするスイッチング素子であり、感電事故につながる高電圧が印加されている。容器外にその高電圧がリークすることを防止する必要性がある。
特徴３：導入管拘束部は、容器と一体形成されている導入管拘束用固定部と、導入管拘束用固定部に固定される導入管クランプ部材で構成されている。導入管クランプ部材を導入管拘束用固定部に固定すると、導入管の外周面が全方向から拘束される。
特徴４：導出管拘束部は、容器と一体形成されている導出管拘束用固定部と、導出管拘束用固定部に固定される導出管クランプ部材で構成されている。導出管クランプ部材を導出管拘束用固定部に固定すると、導出管の外周面が全方向から拘束される。
特徴５：貫通壁に形成されている導入管用の貫通孔は、導入管の直径よりも大径である。導入管が真っ直ぐに伸びていれば、貫通壁に近づくほど導入管の外周面から離反する関係におかれている拘束面に沿うように導入管を曲げたときに、導入管は貫通孔を囲む壁に接する。
特徴６：貫通壁に形成されている導出管用の貫通孔は、導出管の直径よりも大径である。導出管が真っ直ぐに伸びていれば、貫通壁に近づくほど導出管の外周面から離反する関係におかれている拘束面に沿うように導出管を曲げたときに、導出管は貫通孔を囲む壁に接する。
【実施例】
【００１２】
図１は、実施例の電力変換装置を構成する、容器２１と、電力変換用半導体装置３６と、冷却器３１と、導入管３２と、導出管３３を分解して斜視した状態を示している。
容器２１は、ほぼ直方体形状をしており、導入管３２と導出管３３が貫通する貫通壁２１ａを備えている。容器２１内に、電力変換用半導体装置３６と冷却器３１を収容した後に、図示しない蓋が固定され、容器２１が閉じられる。
【００１３】
冷却器３１は、内部を冷却液が通過する複数枚の冷却板３４を備えており、複数枚の冷却板３４が相互間に間隔をおいた状態で、Ｘ方向に配列されている。
導入管３２は、容器２１の外部にまで伸びており、容器外の端部側から観測すると、貫通壁２１ａを貫通して容器２１内に入り、冷却器３１に達している。導入管３２は、冷却器３１の内部にまで伸びている。すなわち、導入管３２は、複数枚の冷却板３４の右端部で冷却板３４を貫通している。ただし最後の貫通板は別であり、導入管３２は最後に冷却板３４に達して終了している。導入管３２の内部空間と、各々の冷却板３４の内部空間は連通している。
【００１４】
導出管３３も、容器２１の外部にまで伸びており、容器外の端部側から観測すると、貫通壁２１ａを貫通して容器内に入り、冷却器３１に達している。導出管３３も、冷却器３１の内部にまで伸びている。すなわち、導出管３３は、複数枚の冷却板３４の左端部で冷却板３４を貫通している。ただし最後の貫通板は別であり、導出管３３は最後に冷却板に達して終了している。導出管３３の内部空間と、各々の冷却板３４の内部空間は連通している。
【００１５】
導入管３２の容器外端部から冷却液をおくりこむと、送りこまれた冷却液は導入管３２から複数枚の冷却板３４に分配される。各冷却板３４に分配された冷却液は、冷却板３４の内側空間を矢印Ｙに示す方向に流れ、導出管３３に流れ込む。各冷却板３４を通過した冷却液は導出管３３に集められ、導出管３３の容器外端部に送り出される。導入管３２の容器外端部と導出管３３の容器外端部には、ホースが接続されている。冷却液は、そのホースを介して冷却液循環装置と冷却液冷却装置を一巡する。
【００１６】
冷却板３４とそれに隣接する冷却板３４の間隔に、半導体装置３６が挿入されている。図１の場合、一つの間隔に左右一対の半導体装置３６が挿入されている。各半導体装置３６は、走行用モータに通電する電流をオン・オフするスイッチング素子（実施例ではＩＧＢＴ）と、フライホイールダイオードを内蔵しており、樹脂で扁平板状にモールドされている。各半導体装置３６の扁平面は冷却板３４に密着している。いわゆる積層型の冷却装置となっている。半導体装置３６には、走行用モータを駆動する高い電圧が印加され、動作すると発熱する。また、その電圧が容器２１の外部にリークされると感電事故が発生する可能性がある高電圧であり、安全確保が必要とされている。
冷却板３４と冷却板３４の間隔に挿入された半導体装置３６が、両側の冷却板３４に密着しないと、半導体装置３６の冷却能力が低下する。そこで、本実施例では、導入管３２と導出管３３と複数枚の冷却板３４を、アルミ合金で一体に成形している。冷却板３４と冷却板３４の間隔に半導体装置３６を挿入した後に、冷却器３１を積層方向（Ｘ方向）に圧縮して半導体装置３６を両側の冷却板３４に密着させている。そのために、冷却器３１の剛性が低く、導入管３２と導出管３３が容器２１内で損傷する可能性がある。
【００１７】
貫通壁２１ａには、導入管３２用の貫通孔２２ａと、導出管３３用の貫通孔２２ｂが形成されている。導入管３２用の貫通孔２２ａは導入管３２よりも大径であり、導入管３２が真っ直ぐに伸びていれば（外力が作用する以前は真っ直ぐである）、導入管３２は貫通孔２２ａを取り巻く壁から離れている。その隙間を塞ぐために、グロメット３８ａが配置されている。グロメット３８ａは柔軟性を備えており、導入管３２と貫通孔２２ａを取り巻く壁の間の隙間を塞いでいる。
同様に、導出管３３用の貫通孔２２ｂは導出管３３よりも大径であり、導出管３３が真っ直ぐに伸びていれば（外力が作用する以前は真っ直ぐである）、導出管３３は貫通孔２２ｂを取り巻く壁から離れている。その隙間を塞ぐために、グロメット３８ｂが配置されている。グロメット３８ｂは柔軟性を備えており、導出管３３と貫通孔２２ｂを取り巻く壁の間の隙間を塞いでいる。
【００１８】
図１の仮想線IIａに示す位置に、導入管拘束部が配置されており、図１の仮想線IIｂに示す位置に、導出管拘束部が配置されている。導入管拘束部は、容器２１内（貫通壁２１ａと冷却器３１の間）において容器２１に固定されており、導入管３２の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する。導出管拘束部も容器２１内（貫通壁２１ａと冷却器３１の間）において容器２１に固定されており、導出管３３の長手方向の一部の外周面を周囲から拘束する。
本実施例では、導入管３２と導出管３３の外形が同じであり、導入管拘束部と導出管拘束部が同一形状を備えている。以下では、導入管拘束部と導出管拘束部を区別しないで説明する。
【００１９】
図２は、導入管拘束部と導出管拘束部の拡大図を示している。導入管拘束部と導出管拘束部はともに、拘束用固定部２とクランプ部材８を備えている。拘束用固定部２は容器２１と一体に形成されている。本実施例では、アルミ合金で鋳造されている。拘束用固定部２には、断面半円形の溝が形成されている。冷却器３１側の溝４ａは、導入管３２または導出管３３の外周面に密着して導入管３２または導出管３３の外周面を拘束する拘束面となっている。貫通壁２１ａ側の溝４ｂは、貫通壁２１ａに近づくほど大径化されている。導入管３２と導出管３３が真っ直ぐであれば、溝４ｂは、貫通壁２１ａに近づくほど導入管３２または導出管３３の外周面から大きく離反する形状となっている。
【００２０】
クランプ部材８は、板金加工で形成されている。クランプ部材８にも、断面半円形の溝が形成されている。冷却器３１側の溝１０ａは、導入管３２または導出管３３の外周面に密着して導入管３２または導出管３３の外周面を拘束する拘束面となっている。貫通壁２１ａ側の溝１０ｂは、貫通壁２１ａに近づくほど大径化されている。導入管３２と導出管３３が真っ直ぐであれば、溝１０ｂは、貫通壁２１ａに近づくほど導入管３２または導出管３３の外周面から大きく離反する形状となっている。
【００２１】
拘束用固定部２の溝４ａに導入管３２または導出管３３の外周面を密着させ、その上部からクランプ部材８を被せ、図示しないボルトを貫通穴１２ａを通してねじ穴６ａにねじ込み、同じく図示しないボルトを貫通穴１２ｂを通してねじ穴６ｂにねじ込めば、クランプ部材８が拘束用固定部２に固定される。このとき、導入管３２または導出管３３は、溝４ａと溝１０ａに密着して全方向から拘束される。その一方において、溝４ｂと溝１０ｂは、貫通壁２１ａに近づくほど導入管３２または導出管３３の外周面から大きく離反する形状となっている。
【００２２】
導入管３２または導出管３３の長手方向に沿った断面における溝４ｂと溝１０ｂの形状は、Ｒ形状ないし曲線状であり、容器の外側に向けて拡大されている。そのために、容器２１外に伸びている範囲の導入管３２に容器２１と導入管３２を相対変位させる外力が作用して導入管３２が曲がる際に、導入管３２と溝４ｂまたは溝１０ｂが局所的に接触することがなく（広い範囲で接触する）、応力集中が発生することがない。導入管３２が容器２１内で損傷することがない。
同様に、容器２１外に伸びている範囲の導出管３３に容器２１と導出管３３を相対変位させる外力が作用して導出管３３が曲がる際に、導出管３３と溝４ｂまたは溝１０ｂが局所的に接触することがなく（広い範囲で接触する）、応力集中が発生することがない。導出管３３が容器２１内で損傷することがない。
【００２３】
また、導入管拘束部よりも冷却器３１側の導入管３２と、導出管拘束部よりも冷却器３１側の導出管３３と、冷却器３１は、導入管３２と導出管３３が溝４ａと溝１０ａに密着することによって、容器２１に対する位置関係が拘束され、容器２１外に伸びている範囲の導入管３２に容器２１と導入管３２を相対変位させる外力が作用しても、あるいは容器２１外に伸びている範囲の導出管３３に容器２１と導出管３３を相対変位させる外力が作用しても、導入管拘束部よりも冷却器２１側の導入管３２と、導出管拘束部よりも冷却器３１側の導出管３３と、冷却器３１が損傷することがない。
【００２４】
本実施例では、貫通壁２１ａに形成されている導入管３２用の貫通孔２２ａは、導入管３２の直径よりも大径である。溝４ｂまたは溝１０ｂの内面に沿うように導入管３２を曲げたときに、導入管３２は貫通孔２２ａを囲む壁に接する関係におかれている。そのために、導入管３２が折れるとすれば、貫通孔２２ａの外側で折れる関係に設定されている。容器２１の外側に伸びている範囲の導入管３２に、導入管３２が溝４ｂまたは溝１０ｂの内面に沿うように曲げるのに先だって損傷する部分を設けておけば、導入管３２が容器２１内で損傷することを確実に防止できる。
同様に、貫通壁２１ａに形成されている導出管３３用の貫通孔２２ｂは、導出管３３の直径よりも大径である。溝４ｂまたは溝１０ｂの内面に沿うように導出管３３を曲げたときに、導出管３３は貫通孔２２ｂを囲む壁に接する関係におかれている。そのために、導出管３３が折れるとすれば、貫通孔２２ｂの外側で折れる関係に設定されている。容器２１の外側に伸びている範囲の導出管３３に、導出管３３が溝４ｂまたは溝１０ｂの内面に沿うように曲げるのに先だって損傷する部分を設けておけば、導出管３３が容器２１内で損傷することを確実に防止できる。
本実施例によると、冷却器３１の外側で容器２１の内側の空間に冷却液が漏れ出ることがなく、半導体装置３６と冷却液が接触することがなく、半導体装置３６の電圧が冷却液を介して容器２１の外部にリークすることもない。
【００２５】
以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、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。
例えば、上記実施例では、拘束用固定部２とクランプ部材８が、貫通壁２１ａから距離をおいて配置されているが、拘束用固定部２とクランプ部材８が貫通壁２１ａに接していてもよく、さらには、拘束用固定部２の端面２ａとクランプ部材８の端面８ａが、容器２１の外面の一部を構成してしてもよい。これもまた、拘束用固定部２とクランプ部材８で構成される拘束部が容器２１内に固定されている一実施例である。
また上記実施例では、溝４ｂ、１０ｂが全方向において均等に管３２，３３から離反している。管３２，３３に作用する外力の方向が既知である場合には、その方向において管３２，３３から離反すればよい。全周にわたって均一に離反する必要はない。
また、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するものであり、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】
【００２６】
２：拘束用固定部
４ａ，４ｂ：溝
８：クランプ部材
１０ａ，１０ｂ：溝
２１：容器
２１ａ：貫通壁
２２ａ，２２ｂ：貫通孔
３１：冷却器
３２：導入管
３３：導出管
３６：半導体装置
【図１】
2013138120.tif 000003
【図２】
2013138120.tif 000004