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JP2006339229A - 電子部品の冷却に適した筐体 - Google Patents

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健史郎 芝
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Abstract

【課題】良好な冷却性能を維持するとともに、冷却水通路を容易に形成する、電子部品の冷却に適した筐体を提供する。
【解決手段】PCU200の筐体の主要部であるPCU箱体220は、上方も下方にも開放された側面を有する、断面がH型の形状を有する。その上方の開放部分は、PCUカバー210により塞がれ、その下方の開放部分は、底面カバー230により塞がれる。底面カバー230の上面には、冷却水入口継手224から冷却水通路の底を形成する底面カバー230まで緩やかに接続した緩斜面およびPCU箱体220の開放側底部の傾斜角度に一致させた角度の嵌合傾斜面を有する入口側突起部と、冷却水通路の底を形成する底面カバー230から冷却水出口継手226まで緩やかに接続した緩斜面およびPCU箱体220の開放側底部の傾斜角度に一致させた角度の嵌合傾斜面を有する出口側突起部が形成される。
【選択図】図4

Description

本発明は、電子部品を冷却する技術に関し、特に、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品を水冷し、かつ収納する筐体に関する。
近年、サイリスタやパワートランジスタ等の電子部品の性能の向上は著しく、それに対応して電子部品(発熱素子)からの発熱量が大きくなっている。一方、たとえば誘導電動機と直流バッテリとを搭載する電気自動車(この電気自動車には、ハイブリッド車両、燃料電池車両を含む。)ではインバータにより電力変換を行なって、直流バッテリから誘導電動機に電力を供給している。電動機の定格出力の上昇に伴い、このようなインバータ等の電子部品の発熱量も上昇し、十分な冷却対策が必要になっている。
車両においては、特に、電子部品の小型かつ薄型が要求されており、そのような要求のもとでも動作の安定を保つために、発生する大きな熱量を外部へ速やかに放出するための冷却装置の位置付けが非常に重要になってきている。
このような電子部品の冷却には、ヒートシンク、空冷ファン、ヒートパイプ、水冷ユニット等が単独または組み合わられて使用されている。特に発熱が大きい場合には、水冷ユニットが用いられている。このような電子部品の冷却装置に関して、以下の公報に開示された技術がある。
特開2002−141164号公報(特許文献1)は、半導体スイッチング素子を効率的に冷却してその性能を充分に発揮させることにより、大電力用のインバータ回路が容易に得られる大電力用トランジスタインバータ装置を開示する。
この大電力用トランジスタインバータ装置は、ヒートシンクに取り付けられた複数の半導体スイッチング素子でその主回路が形成されるインバータ回路を備え、インバータ回路から出力される高周波電流によってワークを誘導加熱する大電力高周波誘導加熱用トランジスタインバータ装置において、ヒートシンクは、半導体スイッチング素子の接合面の裏側に冷却水の流路が形成されると共に、流路の少なくとも対向する壁面に互いに突出状態でフィンをそれぞれ設けたことを特徴として、フィンは、流路内の冷却水の流通方向に沿って傾斜していることを特徴とする。
この大電力高周波誘導加熱用トランジスタインバータ装置によれば、半導体スイッチング素子が接合されるヒートシンクの裏面に冷却水の流路を形成すると共に、この流路の対向する壁面からフィンを互いに突出させて設けているため、流路内を流通する冷却水の各フィンに対する接触面積を大きくできて、冷却水によりヒートシンクを効率的に冷却することができる。その結果、半導体スイッチング素子の能力を最大限に発揮できて、大電力用のトランジスタインバータ装置を容易に得ることが可能になる。フィンが冷却水の流路内において冷却水の流路方向に沿って傾斜しているため、例えば傾斜状態によって冷却水の流通速度を調整できる等、その流通状態を最適な状態に設定することができて、半導体スイッチング素子の冷却効率をより向上させることができる等の効果を奏する。
特開2002−141164号公報
しかしながら、特許文献1に開示された大電力用トランジスタインバータ装置においては、フィンが流路内の冷却水の流通方向に沿って傾斜しているが、冷却水の入口および出口に対して冷却水の通路を形成するカバーとが垂直であるため、流体抵抗を増大させる部位を形成していた。さらに、この部分における流れに渦流が発生して、冷却性能を悪化させていた。
また、PCU(Power Control Unit)ケースのヒートシンク外周部には冷却水の水路を形成するようにカバーが設けられる。このカバーの組立作業を容易にして冷却水通路を容易に形成するために、位置決め用の突起を設けることが多い。しかしながら、このような位置決め用のためだけに、突起を設けることはコストアップになる。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、良好な冷却性能を維持するとともに、冷却水通路を形成することが容易な、電子部品の冷却に適した筐体を提供することである。
第1の発明に係る筐体は、液冷媒を用いた電子部品の冷却に適した筐体であって、上面に電子部品が取り付けられる取付面、下方が開口するように取付面に設けられた側面および電子部品の位置に対応させて取付面の裏面側に設けられた放熱フィンを有する部材と、側面に嵌合されて取り付けられる底面と、側面と底面とにより形成され、放熱フィンを含む液冷媒通路と、側面に設けられ、液冷媒通路に液冷媒を導入する入口部材および液冷媒通路から液冷媒を導出する出口部材とを含む。放熱フィン側の底面には、入口部材から放熱フィンまでの流路および放熱フィンから出口部材までの流路の少なくとも一方に傾斜部を有する。
第1の発明によると、発熱素子を含む電子部品からの熱が取付面の裏面に設けられた方熱フィンに伝熱して、放熱フィンが液冷媒(冷却水)により冷却されて、IPM(Intelligent Power Module)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの電子部品が冷却される。このときに、冷却水は、入口部材から導入されて出口部材から導出される。放熱フィン側の底面には、入口部材から放熱フィンまでの流路および/または放熱フィンから出口部材までの流路に傾斜部が設けられている。この傾斜部は、冷却水の入口部材から冷却水の通路の底面まで緩やかに接続し、冷却水の通路の底を形成する底面から冷却水の出口部材までを緩やかに接続している。このように形成された傾斜部により、冷却水の入口および出口と底面とを緩やかに接続して、流体抵抗を減じるようにできる。このような形状を有するために、この部分において(すなわち、入口部材近傍および冷却水の出口部材近傍において)渦流などが発生することを回避できる。このため、所望の冷却水を流通せしめることができるので、冷却効率を低下させることがない。その結果、良好な冷却性能を維持することができる、電子部品の冷却に適した筐体を提供することができる。
第2の発明に係る筐体においては、第1の発明の構成に加えて、傾斜部は、底面の上面に設けられた突起部により実現される。この突起部における、液冷媒通路の内側の側面は、入口部材および出口部材の少なくとも一方から底面までを緩やかに接続した傾斜面を形成する。また、この突起部における、液冷媒通路の外側の側面は、筐体の側面と嵌合する嵌合部を形成する。
第2の発明によると、傾斜部を形成する突起部は、傾斜面とともに嵌合部をも形成する。この嵌合面の傾斜角度を、部材の側面の広がり角度に一致させておくと、部材に底面を取り付ける際に、嵌合面に沿って部材に底面が挿入されるので、これらの部材(部材および底面)の位置決めが容易になるので、組み付けが容易になる。その結果、良好な冷却性能を維持するとともに、冷却水通路を形成することが容易な、電子部品の冷却に適した筐体を提供することができる。
第3の発明に係る筐体においては、第2の発明の構成に加えて、嵌合部に嵌合する筐体の側面は、下方に広がる形状を有する。この嵌合部は、形状に対応して傾斜した嵌合面を有する。
第3の発明によると、嵌合部に嵌合する筐体の側面は下方に広がっており、この下方への広がりの形状(角度)に対応させて、底面に設けられた突起部により形成される嵌合部が傾斜している。このため、部材に底面を取り付ける際に、嵌合面に沿って部材に底面が挿入されるので、これらの部材(部材および底面)の組み付けが容易になる。
第4の発明に係る筐体は、第1〜3のいずれかの発明の構成に加えて、電子部品を覆うカバーをさらに含む。
第4の発明によると、電子部品をカバーで覆うので高圧部品が(たとえばエンジンルーム内で)露出することを避けることができる。
第5の発明に係る筐体においては、第4の発明の構成に加えて、部材は、取付面の上方が開口するように設けられた上側の側面をさらに含む。このカバーは、上側の側面に取り付けられる。
第5の発明によると、部材は、下方に開口された側面(この下方に広がる側面と底面とにより冷却水通路が形成される)と、上方に開口された側面とを有する、断面がH型の形状を有する。取付面上であって、上方に開口された側面により囲まれた部分の電子部品が取り付けられ、この上方に開口された側面にカバーを取り付けることができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。なお、以下の説明では、本発明の実施の形態に係る筐体には、発熱素子であるIPMを収納するPCUの筐体であって、このPCUは、ハイブリッド車両に搭載されるものとして説明する。なお、本発明に係る筐体は、このようなPCUを収納する筐体に限定されるものではなく、さらに車両もハイブリッド車に限定されるものではない。さらに、液冷媒は、冷却水(たとえば、LLC(Long Life Coolant))であるとして説明するが、液冷媒は冷却水に限定されるものではない。
図1を参照して、本発明の実施の形態に係る筐体が収納箱として用いられるPCU200の冷却システムの全体構成について説明する。図1に示すように、この冷却システムは、液冷媒である冷却水を、HVウォータポンプ310により、PCU200とHVラジエータ330との間を循環させて、PCU200を冷却するシステムである。
この冷却システムは、上述した、HVウォータポンプ310、HVラジエータ330に加えて、PCU200で吸熱した高温の冷却水をHVラジエータ330へ送る配管であるHVラジエータ行き配管320、HVラジエータ330にて熱交換されて水温が下げられた冷却水をHVラジエータ330から戻す配管であるHVラジエータ戻り配管340およびリザーバタンク300を含む。
リザーバタンク300は、冷却水の予備タンクとして機能するものであって、この冷却システムの配管内の冷却水の温度や冷却水が循環されることによる冷却配管の容積の変化に対応するために設けられる。さらに、具体的には、リザーバタンク310がない場合において冷却配管の容積に対して冷却水の容量が不足すると、冷却配管にエアが噛み込む。このような場合には、この冷却システムの配管にエアが入り込むことになり、このエアがHVウォータポンプ310に入り込み、HVウォータポンプ310がエアロックしてしまい、冷却水を循環させることができなくなる。このような事態を回避すべく、リザーバタンク310が設けられる。
図1に示す冷却システムにおいては、冷却水は、HVラジエータ330、PCU200、リザーバタンク300、HVウォータポンプ310、フロントのモータジェネレータ400の順で、循環される。なお、図1に示すように、このPCU200はフロントもモータジェネレータ400を駆動するためのIPMを収納しており、そのため、フロントのモータジェネレータ400近傍に設けられている。その結果、この車両がフロントにエンジン100を搭載しているので、PCU200はエンジン100の近傍に設けられる。
なお、PCU200の位置は、このような位置に限定されるものではない。さらに、冷却システムは、エンジン100の冷却システムとは別系統の冷却システムであるとして説明するが、本発明に係る筐体は、このような場合に限定されるものではない。すなわち、エンジン100の冷却システムと共用の冷却配管を用いるものであっても、配管は別に設けてラジエータを共用するもの(すなわち、エンジン100のラジエータとHVラジエータとを共用)であっても、その他の共用の形態(ラジエータのクリーングファンのみ共用する等々)であっても構わない。
図2に示すPCU200の斜視図および図3に示す図2のA側の側面図を用いて、PCU200について説明する。上述したように、本発明に係る筐体は、このPCU200を収納した筐体である。
図2および図3に示すように、PCU200の筐体は、その外観上3つの部分から構成される。第1の部分である、PCU200の筐体の主要部を構成するPCU箱体220、第2の部分である、PCU箱体220の上部にカバー取付けボルト212で取り付けられたPCUカバー210、第3の部分である、PCU箱体220の底部に底面カバー取付けボルト232で取り付けられた底面カバー230の3つである。
PCUカバー210には、インターロック機能が設けられる。たとえば、PCUカバー取付けボルト212を外すと、インターロックスイッチがOFFになりSMR(System Main Relay)を遮断する。
また、PCU箱体220の側面には、PCU取付けステー222が設けられ、エンジンルーム内の所定の位置に固定される。なお、PCU取付けステー222は、複数設けられている。
さらに、PCU箱体220の他の側面には、対向するように、冷却水入口継手224および冷却水出口継手226が設けられる。図3の紙面の左側から冷却水が導入されて、図3の紙面の右側から冷却水が導出される。
図4に図3の断面図を示す。この図4を参照して、PCU200の内部について説明する。図4に示すように、PCU200の内部には、キャパシタ1200、IPM取付面1220に取り付けられた発熱素子1230を含むIPM1210、IPM取付面1220の発熱素子1230の裏側の対応する位置に設けられた放熱フィン1240等が設けられている。
図4に示すように、PCU箱体220は、上方も下方にも開放された側面を有する、断面がH型の形状を有する。その上方の開放部分は、PCUカバー210により塞がれ、その下方の開放部分は、底面カバー230により塞がれる。
PCU箱体220のIPM取付面1220と放熱フィン1240とは一体的に形成されている。また、このPCU箱体220は、たとえば、アルミニウムの鋳造品(ダイキャスト)である。
このPCU箱体220の側面に突設するように、冷却水の入口になる冷却水入口継手(ユニオン)224と、冷却水の出口になる冷却水出口継手(ユニオン)226とが設けられている。
さらに、特徴的であるのは、図5に示すように、底面カバー230には、入口側突起部234および出口側突起部236が設けられている点である。この入口側突起部234および出口側突起部236について詳しく説明する。
入口側突起部234の紙面右側(冷却水通路の内側)には、緩斜面234Aが形成され、出口側突起部236の紙面左側(冷却水通路の内側)には、緩斜面236Aが形成されている。この緩斜面234Aは、冷却水入口継手224から冷却水通路の底を形成する底面カバー230まで緩やかに接続する形状を有する。また、この緩斜面236Aは、冷却水通路の底を形成する底面カバー230から冷却水出口継手226までを緩やかに接続する形状を有する。
このように冷却水の入口および出口と底面とを緩やかに接続して、流体抵抗を減じるように形成されている。このような形状を有するために、この部分において(すなわち、冷却水入口近傍および冷却水出口近傍において)渦流などが発生することを回避している。このため、所望の冷却水を流通せしめることができるので、冷却効率を低下させることがない。
さらに、入口側突起部234の紙面左側(冷却水通路の外側)には、嵌合傾斜面234Bが形成され、出口側突起部236の紙面右側(冷却水通路の外側)には、嵌合傾斜面236Bが形成されている。この嵌合傾斜面234Bおよび嵌合傾斜面236Bの傾斜角度は、PCU箱体220の開放側底部の傾斜角度に一致させている。このため、PCU箱体220に底面カバー230を取り付ける際に、嵌合傾斜面234Bおよび嵌合傾斜面236Bに沿ってPCU箱体220に底面カバー230が挿入されるので、これらの部材(PCU箱体220、底面カバー230)の組み付けが容易になる。
このようにすることにより、位置決め用のためだけに機能する突起を設ける必要がなくなるので、コストアップになることを回避できる。
なお、この嵌合傾斜面は、PCU箱体220と底面カバー230との周縁の全体にわたって設けるようにしても構わない。
以上のようにして、本実施の形態に係るPCUに使用された筐体によると、底面カバーに突起部を設け、その突起部の内側(冷却水通路側)の形状を、冷却水の流体抵抗を減じるように傾斜させた。そのため、冷却水入口近傍および冷却水出口近傍において、渦流などが発生することを回避して、所望の冷却水を流通せしめることができるので、冷却効率を低下させることがない。さらに、突起部の外側の形状を、PCU箱体の下方に開口した側面の広がり角度に対応させて嵌合するように傾斜させた。このため、PCU箱体に底面カバーを取り付ける際に、嵌合傾斜面に沿ってPCU箱体に底面カバーが挿入されるので、これらの部材の組み付けが容易になる。さらに、これらの部材の組み付けが容易するために、PCU箱体を複雑な形状にする必要もない。このため、PCUケースのヒートシンク外周部には冷却水の水路を形成する際において、カバーの組立作業を容易にして冷却水通路を容易に形成するために、位置決め用のためだけの突起を設けるのではないので、コストアップになることを避けることができる。その結果、良好な冷却性能を維持するとともに、冷却水通路を形成することが容易な、電子部品の冷却に適した筐体を提供することができる。
なお、底面カバー230には、入口側突起部234および出口側突起部236が設けられていると説明したが、いずれか一方が設けられているだけでも構わない。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の実施の形態に係る筐体を含むPCUの冷却システムの全体構成図である。 PCUの斜視図である。 図2のA側の側面図である。 図3の断面図である。 図4の底面カバーの側面図である。
符号の説明
100 エンジン、200 PCU、210 PCUカバー、212 カバー取付けボルト、220 PCU箱体、222 PCU取付けステー、224 冷却水入口継手、226 冷却水出口継手、230 底面カバー、232 底面カバー取付けボルト、234 入口側突起部、236 出口側突起部、300 リザーバタンク、310 HVウォータポンプ、320 HVラジエータ行き配管、330 HVラジエータ、340 HVラジエータ戻り配管、400 モータジェネレータ、1200 キャパシタ、1210 IPM、1220 IPM取付面、1230 発熱素子、1240 放熱フィン。

Claims (5)

  1. 液冷媒を用いた電子部品の冷却に適した筐体であって、
    上面に電子部品が取り付けられる取付面、下方が開口するように前記取付面に設けられた側面および前記電子部品の位置に対応させて前記取付面の裏面側に設けられた放熱フィンを有する部材と、
    前記側面に嵌合されて取り付けられる底面と、
    前記側面と前記底面とにより形成され、前記放熱フィンを含む液冷媒通路と、
    前記側面に設けられ、前記液冷媒通路に液冷媒を導入する入口部材および前記液冷媒通路から液冷媒を導出する出口部材とを含み、
    前記放熱フィン側の底面には、前記入口部材から前記放熱フィンまでの流路および前記放熱フィンから前記出口部材までの流路の少なくとも一方に傾斜部を有する、筐体。
  2. 前記傾斜部は、前記底面の上面に設けられた突起部により実現され、
    前記突起部における、前記液冷媒通路の内側の側面は、前記入口部材および前記出口部材の少なくとも一方から前記底面までを緩やかに接続した傾斜面を形成し、
    前記突起部における、前記液冷媒通路の外側の側面は、前記筐体の側面と嵌合する嵌合部を形成する、請求項1に記載の筐体。
  3. 前記嵌合部に嵌合する前記筐体の側面は、下方に広がる形状を有し、
    前記嵌合部は、前記形状に対応して傾斜した嵌合面を有する、請求項2に記載の筐体。
  4. 前記筐体は、前記電子部品を覆うカバーをさらに含む、請求項1〜3のいずれかに記載の筐体。
  5. 前記部材は、前記取付面の上方が開口するように設けられた上側の側面をさらに含み、
    前記カバーは、前記上側の側面に取り付けられる、請求項4に記載の筐体。
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