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

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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