DE102017103475A1 - Geräteeinheit - Google Patents

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DE102017103475A1
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cooling
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Shuji Kawamura
Ikuhiro NAKAMURA
Kozo MATSUURA
Koji Katano
Tsutomu Shirakawa
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Toyota Motor Corp
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Abstract

Eine Geräteeinheit (11) hat Drosselspulen (12), einen Inverter bzw. Wechselrichter (13), der so ausgestaltet ist, dass er weniger Wärme erzeugt, als von den Drosselspulen (12) erzeugt wird, und einen Kühler (21), der zwischen den Drosselspulen (12) und dem Wechselrichter (13) angeordnet ist. Der Kühler (21) hat einen Kühlmittelströmungspfad (26), durch den ein Kühlmittel fließt. Der Kühlmittelströmungspfad (26) hat Kühlrippen bzw. -lamellen (31) auf der Seite der Drosselspulen (12). Ein Fluidwiderstand des Kühlmittels im Kühlmittelströmungspfad (26) ist auf der Seite des Wechselrichters (13) kleiner eingestellt als auf der Seite der Drosselspulen (12).

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Geräteeinheit.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass eine Geräteeinheit, die durch Stapeln und Vereinheitlichen von mehreren Gehäusen, die elektrische Geräte aufnehmen, in einem Fahrzeug installiert ist (siehe beispielsweise JP 2005-323443 A ).
  • KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Wenn beispielsweise Heizelemente wie Drosselspulen und ein Inverter bzw. Wechselrichter modularisiert bzw. vereinheitlicht werden, ist denkbar, einen Kühler zwischen diesen Heizelementen anzuordnen, um die Abmessungen der Einheiten zu verringern, wodurch die Raumeinsparung gefördert wird.
  • Die Menge der durch diese Heizelemente erzeugten Wärme (auch als Wärmemenge bezeichnet) unterscheidet sich jedoch, so dass ein zwischen den Heizelementen angeordneter Kühler möglicherweise die eine Seite der Heizelemente ausreichend kühlen kann, jedoch die andere Seite der Heizelemente nicht ausreichend kühlen kann.
  • Die vorliegende Erfindung schafft eine Geräteeinheit, die eine Raumeinsparung fördern kann und vorzugsweise mehrere Heizelemente kühlen kann.
  • Eine Geräteeinheit gemäß einem Aspekt der Erfindung hat: ein erstes Heizelement; ein zweites Heizelement, das so ausgestaltet ist, dass es weniger Wärme erzeugt, als vom ersten Heizelement erzeugt wird; und einen Kühler, der zwischen dem ersten Heizelement und dem zweiten Heizelement angeordnet ist, wobei der Kühler umfasst: einen Kühlmittelströmungspfad, durch den ein Kühlmittel fließt; und Kühlrippen bzw. -lamellen, die derart auf der Seite des ersten Heizelements angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des Kühlmittels sind und ein Fluidwiderstand des Kühlmittels im Kühlmittelströmungspfad auf der Seite des zweiten Heizelements kleiner ist als auf der Seite des ersten Heizelements.
  • Gemäß der Geräteeinheit mit dieser Konfiguration hat die Geräteeinheit Kühlrippen bzw. -lamellen auf der Seite des ersten Heizelements im Kühlmittelströmungspfad, so dass es möglich ist, die Kühleffizienz des ersten Heizelements zu fördern. Auf der Seite des zweiten Heizelements sind keine Kühlrippen bzw. -lamellen vorgesehen; daher ist der Widerstand gegen die Kühlmittelströmung auf der Seite des zweiten Heizelements kleiner als auf der Seite des ersten Heizelements. Somit ist eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Seite des zweiten Heizelements schneller als eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Seite des ersten Heizelements, wodurch die Kühleffizienz des zweiten Heizelements gefördert wird. Hierdurch ist es bei der Konfiguration, bei der Heizelemente an beiden Seiten des Kühlers angeordnet sind, möglich, selbst wenn die Kühlrippen bzw. -lamellen nur auf einer Seite des Kühlmittelströmungspfads ausgebildet sind, die Kühleffizienz beider Heizelemente zu verbessern. Da das erste Heizelement und das zweite Heizelement mit einem einzigen Kühler gekühlt werden, ist es zudem möglich, die Anzahl der Bauteile zu verringern und es ist auch möglich, eine Zunahme der Höhenabmessung, die der Stapelrichtung der Geräteeinheit entspricht, zu minimieren.
  • Bei der Geräteeinheit nach dem vorstehend beschriebenen Aspekt können die Kühlrippen eine wellenartige Gestalt haben, die entlang der Strömungsrichtung des Kühlmittels gekrümmt ist.
  • Gemäß der Geräteeinheit mit dieser Konfiguration ist es möglich, da die Kühlrippen gekrümmt entlang der Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgebildet sind, den Widerstand, den das entlang der Kühlrippen fließende Kühlmittel durch die Kühlrippen erfährt, zu erhöhen. Hierdurch wird das Kühlmittel auf der Seite des ersten Heizelements dazu gebracht, zur Seite des zweiten Heizelements zu fließen. Dementsprechend wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Seite des zweiten Heizelements schneller, wodurch die Kühleffizienz des zweiten Heizelements gefördert wird.
  • Bei der Geräteeinheit nach dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann der Kühler Vorsprünge haben, die auf der Seite des zweiten Heizelements im Kühlmittelströmungspfad angeordnet sind, und in den Kühlmittelströmungspfad vorstehen.
  • Gemäß der Geräteeinheit mit dieser Konfiguration ist es möglich, das Kühlmittel, das durch den Kühlmittelströmungspfad fließt, durch die auf der Seite des zweiten Heizelements im Kühlmittelströmungspfad ausgebildeten Vorsprünge, die in den Kühlmittelströmungspfad ragen, in Richtung zur Seite ersten Heizelements zu lenken, die mit den Kühlrippen ausgebildet ist. Dementsprechend ist es möglich, die Kühleffizienz auf der Seite des ersten Heizelements, das eine größere Menge an Wärme erzeugt, zu verbessern.
  • Bei der Geräteeinheit nach dem vorstehend beschriebenen Aspekt kann das erste Heizelement aus Drosselspulen bestehen und das zweite Heizelement kann ein Inverter bzw. Wechselrichter sein.
  • Gemäß der Geräteeinheit mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Raumeinsparung zu fördern und zudem die Drosselspulen und den Inverter bzw. Wechselrichter, die unterschiedliche Menge an Wärme bzw. Wärmemenge erzeugen, mit einem gemeinsamen Kühler effizient zu kühlen.
  • Gemäß der Geräteeinheit nach dem vorstehend beschriebenen Aspekt ist es möglich, eine Geräteeinheit zu schaffen, die eine Raumeinsparung fördern kann und vorzugsweise mehrere Heizelemente kühlen kann.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
  • Die Merkmale und Vorteile sowie die technische und wirtschaftliche Bedeutung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in der gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen; hierbei zeigt:
  • 1 eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Fahrzeugs, bei dem eine Geräteeinheit gemäß einer Ausführungsform installiert ist;
  • 2 eine Seitenansicht der Geräteeinheit der Ausführungsform;
  • 3 eine Ansicht der Geräteeinheit der Ausführungsform von unten;
  • 4 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 2;
  • 5 eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in 4; und
  • 6 eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 2 bei einer Geräteeinheit gemäß einer Abwandlung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Nachfolgend wird eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Geräteeinheit Bezug nehmend auf die Zeichnungen beschrieben. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Konfiguration eines Fahrzeugs, bei dem eine Geräteeinheit gemäß einer Ausführungsform installiert ist. 2 zeigt eine Seitenansicht der Geräteeinheit der Ausführungsform. 3 zeigt eine Ansicht der Geräteeinheit der Ausführungsform von unten. 4 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A in 2. 5 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie B-B in 4.
  • Wie in 1 gezeigt ist, hat ein Fahrzeug 1 eine Geräteeinheit 11. Die Geräteeinheit 11 ist in einem Motorraum 2 des Fahrzeugs 1 aufgenommen. Das Fahrzeug 1, in dem die Geräteeinheit 11 installiert ist, ist ein Hybridfahrzeug, das vermittels einer Antriebskraft eines Motors und einer Brennkraftmaschine fährt, oder ein Brennstoffzellenfahrzeug, das vermittels des Antriebs eines Motors mit elektrischer Leistung, die durch eine Brennstoffzelle erzeugt wird, fährt, oder dergleichen. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Fall beschrieben, bei dem die Geräteeinheit 11 in einem Brennstoffzellenfahrzeug installiert ist.
  • Im Motorraum 2 des Fahrzeugs 1 ist eine Brennstoffzelle 3 installiert, und die Geräteeinheit 11 ist ein Verstärkungswandler, der auf die Brennstoffzelle 3 gestapelt ist.
  • Wie in den 2 und 3 gezeigt ist, umfasst die Geräteeinheit 11 als Verstärkungswandler mehrere Drosselspulen (erstes Heizelement) 12 zum Verstärken sowie einen Inverter bzw. Wechselrichter (zweites Heizelement) 13 für eine Wasserpumpe und einer Wasserstoffpumpe der Brennstoffzelle 3. Die vom Wechselrichter 13 erzeugte Menge an Wärme ist kleiner als die von den Drosselspulen 12 erzeugte Menge an Wärme.
  • Die Geräteeinheit 11 hat einen Kühler 21. Der Kühler 21 ist zwischen den Drosselspulen 12 und dem Wechselrichter 13 angeordnet. Der Kühler 21 dient als gemeinsamer Kühler, der sowohl die Drosselspulen 12 als auch den Wechselrichter 13 kühlt, die daran angebracht sind. Eine Fläche des Kühlers 21 ist als eine Drosselspulen-Anbringungsfläche 21A ausgestaltet, und die andere Fläche ist als eine Wechselrichter-Anbringungsfläche 21B ausgestaltet. Mehrere Drosselspulen 12 sind an der Drosselspulen-Anbringungsfläche 21A des Kühlers 21 angebracht, wobei jeweils ein Abstand zwischen zwei benachbarten Drosselspulen 12 vorgesehen ist. Der Wechselrichter 13 ist an der Wechselrichter-Anbringungsfläche 21B des Kühlers 21 angebracht.
  • Wie in 4 gezeigt ist, hat der Kühler 21 ein Drosselspulen-Kühlelement 22 und ein Wechselrichter-Kühlelement 23, und der Kühler 21 wird durch Kombinieren des Drosselspulen-Kühlelements 22 und des Wechselrichter-Kühlelements 23 gebildet. Das Wechselrichter-Kühlelement 23 hat eine Randwand 25, die vom Rand zum Drosselspulen-Kühlelement 22 vorsteht. Das Wechselrichter-Kühlelement 23 ist in Form einer flachen Platte ausgebildet. Das Drosselspulen-Kühlelement 22 und das Wechselrichter-Kühlelement 23 sind miteinander kombiniert, um einen Kühlmittelströmungspfad 26 im Kühler 21 auszubilden. Durch den Kühlmittelströmungspfad 26 fließt Kühlwasser in eine Richtung D, wie in den 2 und 5 dargestellt (eine Richtung, in die das Kühlmittel fließt. Die Richtung kann aber auch umgekehrt sein.).
  • Das Drosselspulen-Kühlelement 22 hat mehrere Kühlrippen bzw. -lamellen 31, die im Wesentlichen parallel zur Kühlmittelströmungsrichtung angeordnet sind. Die Kühlrippen bzw. -lamellen 31 sind in Breitenrichtung des Kühlers 21 (Breitenrichtung der Kühlmittelströmung) beabstandet angeordnet, die eine Richtung senkrecht zur Kühlmittelströmungsrichtung ist. Ein Freiraum C ist zwischen vorderen Enden der Kühlrippen 31 und dem Wechselrichter-Kühlelement 23 ausgebildet. Wie in 5 gezeigt ist, ist jede Kühlrippe 31 gekrümmt bzw. gebogen entlang der Kühlmittelströmungsrichtung ausgebildet, und die Kühlrippen 31 sind derart angeordnet, dass eine Wellenform der Kühlrippen 31 entlang der Kühlmittelströmung kontinuierlich ist.
  • Bei der vorstehend beschriebenen Geräteeinheit 11 erzeugen die Drosselspulen 12 und der Wechselrichter 13 durch den Betrieb der Brennstoffzelle 3 Wärme. Die Wärme der Drosselspulen 12 und des Wechselrichters 13 wird jeweils auf den Kühler 21 übertragen. Folglich werden die Drosselspulen 12 und der Wechselrichter 13 gekühlt.
  • Zu diesem Zeitpunkt fließt im Kühler 21 das Kühlmittel durch den Kühlmittelströmungspfad 26 in die Richtung D, wie in den 2 und 5 gezeigt ist, wodurch die von den Drosselspulen 12 und dem Wechselrichter 13 übertragene Wärme über das Kühlmittel abgeführt wird. Das durch den Kühlmittelströmungspfad 26 fließende Kühlmittel fließt durch den Raum zwischen den Kühlrippen 31, die auf der Seite der Drosselspulen 12 ausgebildet sind, sowie durch den Freiraum C. Zu diesem Zeitpunkt erfährt das Kühlmittel, das entlang der Kühlrippen 31 fließt, die eine gebogene bzw. gekrümmte Gestalt entlang der Kühlmittelströmungsrichtung haben, von den Kühlrippen 31 einen Widerstand. Demgegenüber fließt das Kühlmittel auf der Seite des Wechselrichters 13 durch den Freiraum C, der zwischen den Kühlrippen 31 und dem Wechselrichter-Kühlelement 23 ausgebildet ist, wobei es wenig Widerstand erfährt. Insbesondere sind im Kühler 21 die Kühlrippen 31 auf der Seite der Drosselspulen 12 im Kühlmittelströmungspfad 26 ausgebildet, um den Widerstand gegen die Kühlmittelströmung auf der Seite des Wechselrichters 13 kleiner einzustellen als auf der Seite der Drosselspulen 12. Wie vorstehend beschrieben ist, ist die vom Wechselrichter 13 erzeugte Menge an Wärme bzw. Wärmemenge geringer als die von den Drosselspulen 12 erzeugte Wärmemenge. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Kühlung der Drosselspulen 12, die mehr Wärme erzeugen, durch die Kühlrippen 31 zu fördern und auch die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Seite des Wechselrichters 13 über die auf der Seite der Drosselspulen 12 im Kühlmittelströmungspfad 26 zu erhöhen, wodurch die gesamte Kühleffizienz gefördert wird. Somit ist es, bei der Konfiguration, bei der die Heizelemente, die aus den Drosselspulen 12 und dem Wechselrichter 13 bestehen, die an beiden Seiten des Kühlers 21 angeordnet sind, unterschiedliche Menge an Wärme erzeugen, möglich, die Kühlwirkung bzw. -effizienz der Heizelemente von sowohl den Drosselspulen 12 als auch dem Wechselrichter 13 zu verbessern.
  • Die Drosselspulen 12 und der Wechselrichter 13 werden von einem einzelnen Kühler 21 gekühlt, und die Kühlrippen 31 sind nur auf einer Seite in Höhenrichtung des Kühlmittelströmungspfades 26 des Kühlers 21 ausgebildet. Dementsprechend ist es möglich, die Anzahl der Teile zu verringern und eine Zunahme der Höhenabmessung, die der Stapelrichtung der Geräteeinheit 11 entspricht, weitestgehend zu vermeiden.
  • Insbesondere werden, wenn die Kühlrippen auf beiden Seiten (der Seite der Drosselspulen 12 und der Seite des Wechselrichters 13) des Kühlmittelströmungspfades 26 ausgebildet werden, Nuten zwischen den Kühlrippen bzw. -lamellen ausgebildet; damit ist es unvermeidbar, dass der Querschnitt des Strömungspfades des Kühlmittels insgesamt größer wird, was Probleme wie eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit, eine Verschlechterung der Rippenkühlleistung und eine Zunahme der Abmessungen des Kühlers aufgrund der Höhe der Rippen verursacht. Demgegenüber ist bei der vorliegenden Ausführungsform die Seite des Wechselrichters 13, der eine geringere Menge an Wärme erzeugt, ohne Rippen ausgebildet, um den Querschnittsbereich des Strömungspfades des Kühlmittels zu verringern und die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels zu erhöhen, wodurch der Wärmeübergangskoeffizient (K-Wert) erhöht wird, die Kühlleistung auf der Seite der Drosselspulen 12 verbessert wird und die Reduzierung der Abmessungen des Kühlers durch die Beseitigung von Rippen gefördert wird.
  • Daher ist es mit der Geräteeinheit 11 der vorliegenden Ausführungsform möglich, vorzugsweise mehrere Heizelemente zu kühlen und eine Raumeinsparung zu fördern, so dass die Geräteeinheit 11 leicht im Motorraum 2 des Fahrzeugs 1 aufgenommen werden kann. Aufgrund der Reduzierung der Abmessungen und des Gewichts ist es möglich, den Schwerpunkt in einem Zustand zu senken, bei dem die Geräteeinheit 11 im Fahrzeug 1 installiert ist.
  • Zudem sind die Kühlrippen bzw. -lamellen 31 gekrümmt bzw. gebogen entlang der Strömungsrichtung des Kühlmittels ausgebildet, wodurch der Widerstand, den das entlang der Kühlrippen 31 fließende Kühlmittel durch die Kühlrippen 31 erfährt, erhöht werden kann. Dementsprechend wird die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmittels auf der Seite des Wechselrichters 13 schneller, wodurch die Kühlung des Wechselrichters 13 gefördert wird.
  • Eine Geräteeinheit gemäß einer Abwandlung mit einem Kühler 21, der einen anderen Aufbau hat, wird nachfolgend beschrieben.
  • 6 zeigt eine Schnittansicht entlang einer Linie A-A aus 2 bei der Geräteeinheit der Abwandlung. Wie in 6 gezeigt ist, hat bei dieser Abwandlung die Seite des Wechselrichters 13 im Kühlmittelströmungspfad 26 des Kühlers mehrere Vorsprünge 41. Diese Vorsprünge 41 sind derart am Wechselrichter-Kühlelement 23 ausgebildet, dass die Vorsprünge in Abständen in Breitenrichtung der Kühlmittelströmungsrichtung (der Breitenrichtung des Kühlers 21) zwischen den Kühlrippen 31 und auch zwischen den Kühlrippen 31 und der Randwand 25 angeordnet sind. Eine Länge in Breitenrichtung vertikal zur Kühlmittelströmung (der Breitenrichtung des Kühlers 21) eines jeden Vorsprungs 41 ist kürzer gewählt, als eine Länge in Breitenrichtung der Kühlmittelströmung (der Breitenrichtung des Kühlers 21) einer jeden Kühlrippe 31.
  • Gemäß dieser Abwandlung ist es möglich, das durch den Kühlmittelströmungspfad 26 fließende Kühlmittel durch die Vorsprünge 41, die auf der Seite des Wechselrichters 13, der das zweite Heizelement im Kühlmittelströmungspfad 26 darstellt, in den Kühlmittelströmungspfad 26 ragen in Richtung zu den Drosselspulen 12 zu leiten, die mit den Kühlrippen 31 ausgebildet sind. Hierdurch ist es möglich, die Kühleffizienz auf der Seite der Drosselspulen 12, die eine größere Menge an Wärme bzw. mehr Wärme erzeugen, zu erhöhen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2005-323443 A [0002]

Claims (4)

  1. Geräteeinheit (11), aufweisend: ein erstes Heizelement (12); ein zweites Heizelement (13), das so ausgestaltet ist, dass es weniger Wärme erzeugt, als vom ersten Heizelement (12) erzeugt wird; und einen Kühler (21), der zwischen dem ersten Heizelement (12) und dem zweiten Heizelement (13) angeordnet ist, wobei der Kühler (21) umfasst: einen Kühlmittelströmungspfad (26), durch den ein Kühlmittel fließt; und Kühlrippen (31), die derart auf der Seite des ersten Heizelements (12) angeordnet sind, dass sie im Wesentlichen parallel zu einer Strömungsrichtung des Kühlmittels sind und ein Fluidwiderstand des Kühlmittels im Kühlmittelströmungspfad (26) auf der Seite des zweiten Heizelements (13) kleiner ist als auf der Seite des ersten Heizelements (12).
  2. Geräteeinheit (11) nach Anspruch 1, wobei die Kühlrippen (31) eine wellenartige Gestalt haben, die entlang der Strömungsrichtung des Kühlmittels gekrümmt ist.
  3. Geräteeinheit (11) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühler (21) Vorsprünge (41) hat, die auf der Seite des zweiten Heizelements (13) im Kühlmittelströmungspfad (26) angeordnet sind, und in den Kühlmittelströmungspfad (26) vorstehen.
  4. Geräteeinheit (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Heizelement (12) aus Drosselspulen besteht und das zweite Heizelement (13) ein Wechselrichter ist.
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