JP4293269B2 - 冷媒を用いる冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷媒を用いる冷却器に係り、特に冷媒を用いて発熱体を冷却する冷却器に関する。

回転電機を搭載する車両には、回転電機、蓄電装置等の電気機器に対する電力制御ユニット（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ：ＰＣＵ）が設けられる。ＰＣＵは、高電圧大電力で作動し電力変換を行うインバータ回路を含むので、その冷却のために冷媒を循環させて熱を運び出す冷却器が用いられる。このＰＣＵは、車両に搭載されるので、衝撃に対する考慮が必要である。

例えば、特許文献１には、電気自動車において、ＰＣＵの冷却流路ブロックはフィン等があり剛性が高く、そのために車両衝突時の衝撃吸収効果を低減させてしまう可能性があることを指摘している。そこで、冷却流路ブロックを２つに分割し、その間を剛性の低い接合部材で接続する構成が開示されている。これによって、車両衝突時の衝撃を、本来のクラッシャブルゾーンで有効的に受け止めることができると述べられている。

また、特許文献２には、車両用補機部品の取付構造として、剛性の高いサスタワーの前方に平面図で傾斜してインバータを配置し、インバータを係止ロッドで支持することが開示されている。ここで衝撃が加わると、サスタワーにガイドされて、インバータは後退が食い止められ、車室との仕切り部であるトーボードに沿う方向に車幅方向に回転し、これによってトーボードに衝撃が加わることを回避できる、と述べられている。

特開２００６−８２５７０号公報 特開２００１−９７０５２号公報

従来技術においては、冷却器へ冷媒を導入する導入部すなわち冷媒供給部に、または冷却器から冷媒を導出する導出部すなわち冷媒排出部に、衝撃等の外力が作用したときに、冷却器より冷媒が漏れる恐れがある。

本発明の目的は、衝撃等による外力が冷媒の導入部または排出部に作用した場合にも、冷媒の漏れを抑制できる冷媒を用いる冷却器を提供することである。

本発明に係る冷媒を用いる冷却器は、扁平な密閉容器であって、冷媒を循環するシェルと、シェルから突き出すように形成され、冷媒をシェルに導入する流入側パイプと、シェルから突き出すように形成され、冷媒をシェルから排出する流出側パイプと、シェルの上面に固定された天板と、シェルの底面に固定された底板と、底板と天板とがそれぞれシェルから張り出して、該張り出した部分に固定部材が挿入される貫通孔が形成され、シェルを被冷却体に固定するための複数の固定部と、底板が流入側パイプと流出側パイプとに沿ってそれぞれ張り出して、各パイプにそれぞれ固定された複数の張り出し部と、を備え、各張り出し部には、少なくとも各１つの固定部が隣接して設けられ、隣接した固定部と張り出し部とをそれぞれ形成する底板の間には、各パイプの突き出し方向に沿って切り込まれた切欠部がそれぞれ設けられることを特徴とする。

また、シェルの上面に固定された天板を備え、固定部は、天板と底板とがそれぞれシェルから張り出して、該張り出した部分に締結部材が挿入される貫通孔が形成されたことが好ましい。

上記構成の少なくとも１つにより、冷媒を用いる冷却器は、シェルの冷媒導入部または冷媒排出部の少なくとも一方の近傍に形成され、外力作用時に、他の部位よりも優先的に変形する優先的変形部位を有する。これによって、外力作用時に、冷却器からの冷媒の漏れを抑制できる。

また、上記構成の少なくとも１つにより、冷却器のシェルの外形より突き出す導入部または排出部の少なくとも一方の近傍における固定部に、シェルの剛性を部分的に低くする低剛性部分が設けられる。例えば、冷却器に外力が加わり、シェルから突き出す導入部または排出部からシェルを変形させるような力が作用しても、固定部の低剛性部分で変形する。これによって、冷却器からの冷媒の漏れを抑制できる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、エンジンと回転電機とを搭載するハイブリッド車両におけるＰＣＵの冷却器を説明するが、衝撃を受けて破損する恐れのある冷却器であれば、ＰＣＵ用の冷却器以外のものであってもよく、ハイブリッド車両搭載用以外のものであってもよい。また、冷却器の受ける衝撃として、車両の側突の場合を説明するが、冷却器の配置によっては、それ以外の方向からの衝撃を受ける場合であっても構わない。

図１は、車両１０に搭載されるＰＣＵ１２における冷却器２０の配置の様子を説明する平面図である。図２は、図１に対応する正面図である。車両１０は、図示されていないがエンジンと回転電機とを搭載し、これらを駆動源として走行することができるハイブリッド車両である。そして、回転電機に接続されるＰＣＵ１２が設けられ、例えば、エンジンと回転電機とが収容される車両前部のエンジンルームに配置される。ＰＣＵ１２の配置場所は、例えば、通常のガソリンエンジンのみを搭載する車両において、低電圧バッテリが配置されているバッテリトレイを用いることができる。なお、この場合、低電圧バッテリは、別の場所、例えば、車両後部に配置替えされる。

ＰＣＵ１２は、例えば高電圧蓄電池等の電源と回転電機との間に接続されて配置される回路要素をまとめてユニット化したものである。ＰＣＵ１２は、高電圧蓄電池との間で昇圧等の電圧変換を行う高電圧電圧変換器、高電圧電圧変換器と回転電機との間で直流電力と交流電力の変換を行うインバータ回路、低電圧蓄電との間で降圧等の電圧変換を行う低電圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ、回転電機制御回路等の回路要素が含まれる。そして、電圧変換器、インバータ回路を構成するスイッチング素子であるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、高電圧用ダイオード等が作動する際に発熱するので、これらを冷却するための冷却器２０がＰＣＵ１２の内部に設けられる。

ＰＣＵ１２は、上記の各回路要素と、冷却器２０とを含み、１つのユニットケースにまとめられるが、ＤＣ／ＤＣコンバータ部分をまとめたコンバータサブユニットと、高電圧電圧変換器、インバータ回路、回転電機制御回路の部分をまとめたインバータサブユニットとに分けて、これらのサブユニットをまとめて、１つのユニットとすることが行われる。この場合に、サブユニットを収納する部材を共通使用し、全体を小型化することができる。例えば、コンバータサブユニットをコンバータケースに収納し、これをコンバータカバーで覆い、一方、コンバータケースの反対側にインバータサブユニットを収納し、これをインバータカバーで覆う構成とすることで、コンバータケースを共通使用することができる。

この構成の場合では、インバータサブユニットとして、コンバータケースに冷却器２０を固定し、冷却器２０にＩＧＢＴ、高電圧ダイオード等の発熱要素を直接接触させて配置し、その他の回路要素は別回路基板等に配置し、これらをインバータカバーで覆うものとできる。

このように、冷却器２０は、ＰＣＵ１２の内部に配置され、その放熱面にＩＧＢＴ、高電圧ダイオード等の発熱要素が配置される。実際には、高電圧電圧変換器、インバータ回路の要素がいくつかのモジュールとされ、これらの複数のモジュールが発熱モジュールとして、冷却器２０の放熱面に適当な固定部材によって直接接触するように接続固定されて配置される。

なお、図１において衝撃力Ｆが示されている。この衝撃力Ｆは、車両１０が例えば街灯等のポールに前方側突する場合に車体に加えられる衝撃力であり、図１から分かるように、冷却器２０に対し、側面に加わる衝撃力となる。衝撃力Ｆと冷却器２０との関係は、後に再び説明する。

図２は、冷却器２０の外観図を示すために、車両１０の正面図においてＰＣＵ１２に配置されるものを抜き出したものである。正面図から矢印で示すようにして抜き出した図は、冷却器２０を上面側から見た斜視図である。ここで、上面側から見た、とは、車両１０において天井側から見たことを意味し、図１の平面図と同じ意味である。そして、この上面側から見た斜視図から、白矢印と回転記号で示すようにして変換して示す図は、この上面側から見た斜視図を、１８０度回転させ、上面側と下面側を逆転させ、下面側から見た斜視図である。つまり、車両１０において、地表側から見たことを意味する。この図は、図１の平面図に対応させて言えば、底面図に相当するものである。

図２に示されるように、冷却器２０は、底板２２と、天板２８と、これらの間に配置されるシェル３０を含んで構成される。冷却器２０には、冷媒を流すための流入側パイプ３２、流出側パイプ３４が設けられ、ＰＣＵ１２の適当な部位に固定するための固定穴３６，３８と、固定穴３８が設けられる部分と流出側パイプ３４との間に、底板２２において部分的に剛性を低くするための切欠部４２が設けられる。また、固定穴３６が設けられる部分と流入側パイプ３２との間に、底板２２において部分的に剛性を低くするための切欠部４０が設けられるものとしてもよい。

図３、図４に冷却器２０の詳細構造を示す。図３は断面図であり、図４は底面図である。底面図は、図２における下面から見た斜視図に対応して、下面から見た図である。なお、図３は、図４におけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。以下では、図１、図２の符号を用いて説明する。

シェル３０は、内部に冷媒１８が流れる冷媒循環のための密閉容器である。シェル３０は、平面形状が矩形の扁平な容器で、その一方側には、冷媒１８を内部に導入するための導入部として流入側パイプ３２が設けられ、他方側には、冷媒１８を外部に排出するための排出部として流出側パイプ３４が設けられる。したがって、シェル３０は、流入側パイプ３２の流入側開口と、流出側パイプ３４の流出側開口とを除いて外部から密閉された容器で、その中に冷媒１８が流されるものである。

かかるシェル３０としては、熱伝導の良好な材料を皿状に成形したものを２つ向かい合わせ、別途、絞り加工等で成形した流入側パイプ３２と流出側パイプ３４と共に、それぞれ流体漏れのないように接合したものを用いることができる。材料としては、例えばアルミニウム等の金属材料を用いることができ、接合としては、ロウ付け技術等の金属間接続技術を用いることができる。

底板２２と天板２８は、シェル３０の平面形状よりも１回り大きな平面形状を有し、シェル３０の底面及び上面にそれぞれ機械的及び熱伝導的に接続されて固定される平板である。また、底板２２と天板２８は、シェル３０を外部に固定するための固定板としての機能と、発熱モジュールが配置されるモジュール配置板としての機能も有する。なお、図２から図４においては、冷却器２０に接触して配置される発熱モジュールの図示が省略されている。

この固定板としての機能のため、底板２２及び天板２８は、シェル３０の平面形状と相似形で１回り大きいだけでなく、さらにシェル３０の外形よりも張り出した張出部を有する。張出部とは、平面図においてシェル３０の外形のない部分に底板２２または天板２８がある状態である。

張出部には２つの種類があり、１つは、流入側パイプ３２、流出側パイプ３４を固定するためにこれらのパイプの突き出す方向に沿って張り出す部分である。図４には、底板２２について、流入側パイプ３２がシェル３０から突き出す方向に沿って張り出す張出部２３と、流出側パイプ３４がシェル３０から突き出す方向に沿って張り出す張出部２５とが示されている。

張出部のもう１つの種類は、シェル３０を底板２２、天板２８を介して外部に固定するための固定部として張り出す部分である。図４には、底板２２について、その略矩形の平面図の各４隅にそれぞれ固定穴のための固定部が設けられる様子が示されているが、これらの固定部は、底板２２において、いずれもシェル３０の外形よりもさらに張り出した部分である。

図４では、特に、流入側パイプ３２の近傍に固定穴３６のための固定部２４、流出側パイプ３４の近傍に固定穴３８のための固定部２６が設けられる様子が示されている。この固定部２４，２６に対応して、天板２８においても、シェル３０の外形よりもさらに張り出した固定部２７，２９が設けられ、そこに、底板２２の固定穴３６，３８に対応する固定穴が設けられる。

固定部は、底板２２、天板２８において、シェル３０の外形よりも張り出しているので、この固定部に設けられた固定穴を用いて、底板２２、天板２８を相互に接続することができる。図３において示されるボルト１６は、上記の例で、冷却器２０が配置されるＰＣＵ１２のコンバータケース１４に、底板２２、天板２８を相互に固定するための締結具である。これにより、冷却器２０は、コンバータケース１４にしっかりと固定される。なお、コンバータケース１４は、固定のための基礎部として、十分な剛性を有するように設計される。

図４において、流出側パイプ３４の部分の張出部２５と、その近傍の固定部２６とは、通常であれば、一体的な張出部として形成することが可能であるが、その間に、切欠部４２が設けられる。切欠部４２は、流出側パイプ３４の突き出す形状に沿って設けられる。この切欠部４２は、流出側パイプ３４が、その軸方向に外部から衝撃力を受けたときに、張出部２５を固定部２６から見て、変形しやすくするために、底板２２において部分的に剛性を低くした部分である。

このように、底板２２において部分的に剛性を低くし、流出側パイプ３４が、その軸方向に外部から衝撃力を受けたときに、張出部２５が部分的に変形しやすくする構造としては、切欠部４２の他に、張出部２５の部分の板厚を他の部分より薄くするものとしてもよい。

かかる構成の作用を図５、図６を用いて説明する。なお、以下では図１から図４と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、以下では、図１から図４の符号を用いて説明する。図５は、図３、図４で説明した冷却器２０における右半分の構造を示し、流出側パイプ３４に衝撃力Ｆが加えられたときの様子を示す図である。図６は、従来技術の構造として、底板２２等に、部分的に合成を低くする部分としての切欠部４０を設けない構造を有する冷却器２１を示し、図５と同様に、流出側パイプ３４に衝撃力Ｆが加えられたときの様子を示す図である。なお、衝撃力Ｆは、図１で説明した車両１０の前方側突によって車体に加えられる衝撃力であるが、冷却器２０に対しては、流出側パイプ３４に対し軸方向に加わる衝撃力となるので、ここで、図１と同じ衝撃力Ｆとして示すことにする。

図５において、冷却器２０に衝撃力Ｆが加えられると、流出側パイプ３４が押し込まれ、その際にシェル３０の端部を持ち上げるようにして、変形する。図５では、流出側パイプ３４及びシェル３０が持ち上がって変形する方向を矢印で示してある。このとき、固定部２６は、ボルト１６によってしっかりコンバータケース１４に固定されていて、持ち上がることがない。一方、固定部２６と張出部２５との間には、底板２２において部分的に剛性を低くしている切欠部４２が設けられるので、シェル３０の端部が持ち上がると、流出側パイプ３４に例えばロウ付け技術等で固定されている張出部２５もまた、持ち上がることができる。したがって、流出側パイプ３４に衝撃力Ｆが加えられ、これに伴ってシェル３０を持ち上げるような変形力が加わるときでも、切欠部４２の作用によって、固定部２６による固定力に関らず、シェル３０は比較的に自由に変形をすることができ、過大な力がシェル３０の材料に加わることがなく、シェル３０の破損を抑制することができる。

比較のために示される図６には、従来技術の構造、すなわち、底板２２等に、部分的に合成を低くする部分としての切欠部４０を設けない構造を有する冷却器２１が示されている。この冷却器２１においては、切欠部４０が設けられないので、図４で説明した張出部２５と固定部２６とが連続して一体的となっている。固定部２６においては、ボルト１６において、コンバータケース１４と底板２２、天板２８とがしっかり固定されている。したがって、流出側パイプ３４に例えばロウ付け技術等で固定されている張出部２５もまた、コンバータケース１４等にしっかり固定されている。

この状態で、冷却器２１に衝撃力Ｆが加えられると、流出側パイプ３４が押し込まれ、その際にシェル３０の端部を持ち上げるようにして、変形する。図６においても、流出側パイプ３４の変形方向を矢印で示してある。このとき、シェル３０にも持ち上げられるような変形力が加えられるが、シェル３０の下側は、ロウ付け技術等によってしっかり張出部２５に固定されており、この張出部２５は、上記のようにボルト１６によってしっかりコンバータケース１４に固定されている。したがって、シェル３０の下側、つまり底板２２の側は、コンバータケース１４に固定されてほとんど変形できない。一方で、シェル３０の上側、つまり天板２８側は、流出側パイプ３４の変形に伴い、持ち上がるように変形力が加えられる。その結果、シェル３０の端部に大きな応力が加えられることになり、図６のＢ部に示されるように、シェル３０に破損が生じる場合がある。シェル３０に破損が生じて外部との間に穴が開くと、ここから冷媒１８が外部に流出し、ＰＣＵ１２に内部に侵入し、ＩＧＢＴ等の高電圧作動素子に接触する恐れがある。

一方、図５で説明したように、底板２２において、部分的に剛性の低い部分を設け、流出側パイプ３４が固定される張出部２５が変形しやすい構造をとることで、冷却器２０に衝撃力Ｆが加わっても、シェル３０の破損を抑制することができる。

なお、冷却器２０が外部から衝撃力を受けたときに、シェル３０が損傷しないようにする構造として、必要があれば、底板２２、天板２８の適当な他の部分において、部分的に剛性を低くすることができる。図４では、流入側パイプ３２の近傍にも、切欠部４０を設ける例が示されている。天板２８に同様な切欠部を設けるものとすることができる。勿論、切欠部に代えて、部分的に板厚の薄い部分を設けることでもよい。

本発明に係る実施の形態の冷却器が、ハイブリッド車両に搭載されるＰＣＵにおいて配置される様子を説明する平面図である。 図１に対応する正面図である。 本発明に係る実施の形態において、冷却器の断面図である。 図３に対応する底面図である。 本発明に係る実施の形態の冷却器に衝撃力Ｆが加えられたときの様子を示す図である。 従来技術の構造の冷却器に衝撃力Ｆが加えられたときの様子を示す図である。

符号の説明

１０ 車両、１２ ＰＣＵ、１４ コンバータケース、１６ ボルト、１８ 冷媒、２０，２１ 冷却器、２２ 底板、２３，２５ 張出部、２４，２６，２７，２９ 固定部、２８ 天板、３０ シェル、３２ 流入側パイプ、３４ 流出側パイプ、３６，３８ 固定穴、４０，４２ 切欠部。

Claims (2)

1. 扁平な密閉容器であって、冷媒を流すシェルと、
   シェルから突き出すように形成され、冷媒をシェルに導入する流入側パイプと、
   シェルから突き出すように形成され、冷媒をシェルから排出する流出側パイプと、
   シェルの底面に固定された底板と、
   底板がシェルから張り出して、該張り出した部分に締結部材が挿入される貫通孔が形成され、シェルを被冷却体に固定するための複数の固定部と、
   底板が流入側パイプと流出側パイプとに沿ってそれぞれ張り出して、各パイプにそれぞれ固定された複数の張り出し部と、
   を備え、
   各張り出し部には、少なくとも各１つの固定部が隣接して設けられ、
   隣接した固定部と張り出し部とをそれぞれ形成する底板には、各パイプの突き出し方向に沿って切り込まれた切欠部がそれぞれ設けられることを特徴とする冷媒を用いる冷却器。
2. 請求項１に記載の冷媒を用いる冷却器において、
   シェルの上面に固定された天板を備え、
   固定部は、天板と底板とがそれぞれシェルから張り出して、該張り出した部分に締結部材が挿入される貫通孔が形成されたことを特徴とする冷媒を用いる冷却器。

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