JP2014064345A - ハウジング部材および冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】モータと発熱体とを備える構成において、冷却効率の高いハウジング部材を提供する。
【解決手段】ハウジング部材１０は、中央部２０、隔壁３０および離間構造部５０を備える。中央部２０はハウジング部材１０を支持する。隔壁３０はインバータ２００とモータ３００とを軸方向に隔絶する。離間構造部５０は、中央部２０と隔壁３０とを軸方向に離間して固定する。離間構造部５０は、空隙５１と、軸方向に延びる連結部５２とを備える。
【選択図】図５

Description

本発明はハウジング部材および冷却構造に関し、とくに発熱体とモータとに関連して配置されるものに関する。

モータと発熱体とを備える機器、たとえば直流電力を交流電力に変換する電力変換装置（インバータ）において、モータと発熱体との間に冷媒を流通させて冷却する構造が公知である。このような構造の例は特許文献１に記載されている。特許文献１の図１３には、発熱体であるパワーモジュール１００ｂと、モータを構成するロータ７４３およびステータ５０３との間にハウジング部材（後部軸受体５０４）を配置し、このハウジング部材の上下に冷媒を流通させる構成が図示されている。

特表２００５−５３２０２５号公報

しかしながら、従来の構成では、冷媒流通孔が平面的なため冷却効率が低いという問題があった。平面的な構成では、開口面積を確保するために冷媒流通孔を径方向外側に広がる形状とする必要がある（図６および図７参照）。このような構成では、発熱体の表面積に対して放熱面積が小さくなり、冷却効率が低下する。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、冷却効率の高いハウジング部材を提供することを目的とする。

上述の問題を解決するため、この発明に係るハウジング部材は、発熱体およびモータに関連して配置される、ハウジング部材であって、ハウジング部材を支持する中央部と、発熱体とモータとを、モータの軸方向に隔絶する隔壁と、中央部と隔壁とを、軸方向に離間して固定する離間構造部とを備え、離間構造部は、空隙と、軸方向に延びる連結部とを備える。

このような構成によれば、離間構造部が、中央付近の立体的な冷媒流通孔として機能する。

隔壁は冷媒経路の少なくとも一部を構成してもよい。
隔壁は、径方向中央を含む範囲に孔部を有し、孔部の開口面積は、孔部の周縁における、隔壁からみて発熱体側の冷媒経路の断面積に実質的に等しいか、または、孔部の開口面積は、孔部の周縁における、隔壁からみてモータ側の冷媒経路の断面積に実質的に等しいか、または、孔部の開口面積は、空隙の開口面積に実質的に等しいものであってもよい。
中央部は、モータの軸受を支持する軸受支持部であってもよい。
中央部、隔壁、および連結部は一体に形成されてもよい。

また、この発明に係る冷却構造は、上述のハウジング部材と、ハウジング部材と発熱体との間に配置され、冷媒経路の少なくとも一部を構成する、冷媒経路部材とを備える。

冷媒経路部材が構成する冷媒経路の軸方向寸法は、中央部と隔壁との軸方向における距離に実質的に等しいものであってもよい。

本発明の電力変換装置によれば、冷媒流通孔が立体的形状を有するので、冷媒流通孔の径方向のサイズを抑え、より中央に近い部分まで冷媒を流通させることができる。したがって放熱面積がより大きくなり、冷却効率が向上する。

本発明の実施の形態１に係るハウジング部材の平面図である。 図１のハウジング部材を正面斜め上から見た斜視図である。 図１のハウジング部材を正面斜め下から見た斜視図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面による断面図である。 図１のハウジング部材を含む冷却構造の構成の例を示す図である。 従来のハウジング部材の平面図である。 図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面による断面図である。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１〜図４に、本発明の実施の形態１に係るハウジング部材１０の構成の例を示す。
ハウジング部材１０は、概して回転対称の形状を有する。対称の軸を上下にとると、図１は上から見た図（平面図）、図２は正面斜め上から見た斜視図、図３は正面斜め下から見た斜視図となる。図４は図１のＩＶ−ＩＶ線に沿った断面による断面図である。なお、本明細書において、「上」および「下」という方向の表現は、軸方向の互いに反対となる向きを便宜的に表すものであり、必ずしも重力の向きとは一致しない。

ハウジング部材１０は、大まかに径方向中央から外側に向けて、中央部２０、隔壁３０および周壁４０を備え、これらが一体に形成されている。
中央部２０は、軸に垂直な円板状の平面をなす円板部２１と、円板部２１の周縁から下向きに延びる円筒面部２２とを備える。このような構成により、円筒面部２２の内側に円筒状の部材（たとえば軸受）が配置されると、円板部２１が軸方向の移動を制限するとともに、円筒面部２２が径方向の移動を制限し、ハウジング部材１０が固定されることになる。このように、中央部２０はハウジング部材１０を支持する機能を有する。

隔壁３０は、軸に垂直な平面状の構造である。隔壁３０は、隔壁上面３１および隔壁下面３２を有し、径方向中央を含む範囲に略円形の孔部３３（図４参照）が設けられる（本実施形態では、孔部３３は厳密に径方向中央に設けられる）。孔部３３の直径はＤ１である。また、中央部２０と隔壁３０との間には離間構造部５０が形成される（図４参照）。中央部２０と隔壁３０との軸方向における距離はＤ２である（図４参照）。

離間構造部５０は、流体が自在に通過可能な開口である空隙５１と、軸方向に延びる連結部５２とを備える。連結部５２は、隔壁３０の径方向内縁すなわち孔部３３の周縁から、軸方向下向きに延びて中央部２０の上面に接続される。この連結部５２が、中央部２０と隔壁３０とを軸方向に離間して固定する。すなわち、連結部５２は、隔壁３０を中央部２０から持ち上げる柱のような構造であるということができる。

ここで、離間構造部５０の周囲に冷媒が流通する場合において、空隙５１は冷媒流通孔として機能する。とくに、離間構造部５０はハウジング部材１０の中央に形成され、軸方向に延びる立体的形状を有するので、空隙５１の開口面積に比較して空隙５１の径方向のサイズを小さく抑えることができる。

なお、本実施形態では連結部５２は直線状ではなく、一部は湾曲しつつ径方向斜めに延びる形状であるが、全体的に見ると軸方向に延びる形状であるということができる。また、離間構造部５０において、空隙５１および連結部５２は、周方向に交互に、等間隔に配置される。

周壁４０は、隔壁３０の周縁から下向きに延びる略円筒面状の構造である。隔壁３０と周壁４０とが接する部分には複数の切欠孔４１が設けられる。切欠孔４１は流体が自在に通過可能な開口である。なお、切欠孔４１の開口面積は、その合計が後述の冷媒経路における最小断面積と同等かそれ以上となるよう設計される。

図５に、実施の形態１に係るハウジング部材１０を含む冷却構造１００の構成の例を示す。
冷却構造１００は、発熱体であるインバータ２００を冷却するための構造である。ハウジング部材１０は、インバータ２００とモータ３００との間に、モータ３００と同軸に配置される。すなわち、隔壁３０が、インバータ２００とモータ３００とを軸方向に隔絶するように配置される。インバータ２００はスイッチング素子を含む。モータ３００はたとえば誘導機モータである。

冷却構造１００は、ハウジング部材１０と、ヒートシンク１１０と、ファン１２０と、カバー部材１４０とを備える。

ヒートシンク１１０は、インバータ２００と接触して配置される伝熱板１１１と、伝熱板１１１が受け取った熱を放熱するフィン１１２とを備える。ヒートシンク１１０は冷媒経路部材として機能するものであり、ハウジング部材１０とインバータ２００との間に配置される。なお、図５のフィン１１２は概念的に示したものであり、必ずしもフィン１１２の正確な形状を表すものではない。伝熱板１１１と隔壁上面３１との軸方向における距離はＤ３である。この距離Ｄ３は、たとえばフィン１１２の軸方向寸法（たとえば長さ）と等しい。また、この距離Ｄ３は、ヒートシンク１１０が構成する冷媒経路の軸方向寸法に等しい。

ファン１２０は、後述のロータ３１０に固定され、ロータ３１０とともに回転する。
カバー部材１４０は略有底円筒面状の部材であり、底面を上にしてインバータ２００およびヒートシンク１１０の全体を覆うように配置される。カバー部材１４０の下端はハウジング部材１０の上端と整合するよう配置され、カバー部材１４０の円筒面下部には、流体が自在に通過可能な開口１４１が設けられる。開口１４１の開口面積は、その合計が後述の冷媒経路における最小断面積と同等かそれ以上となるよう設計される。

モータ３００は、ロータ３１０およびステータ３２０を備える。ロータ３１０の軸部３１１は、軸受１３０を介して中央部２０によって支持される。すなわち、中央部２０は、ロータ３１０の軸受１３０を支持する軸受支持部として機能する。また、ステータ３２０にはコイル３３０が巻回される。なお、上述のように、ロータ３１０にはファン１２０が固定されている。ロータ３１０が所定の向きに回転すると、これに伴ってファン１２０も回転し、周囲の流体を内側から外側に送り出すようになっている。

冷却構造１００の内部空間には、冷媒としての流体が流通する。冷媒はたとえば空気であり、ファン１２０等の作用により流動する。図５に示すように、冷媒は、ハウジング部材１０に対して軸方向の片側（たとえば隔壁３０からみてインバータ２００側、すなわち上側）において、開口１４１から冷却構造１００に流入し、その側において径方向内側に向かって移動し（経路Ｆ１）、径方向中央部において孔部３３を通って他方の側（たとえば隔壁３０からみてモータ３００側、すなわち下側）に移動し（経路Ｆ２）、その側において径方向外側に向かって移動し（経路Ｆ３）、他方の側において切欠孔４１から流出する。

なお、図５では冷媒は常に紙面左から右へと流れるように示されるが、切欠孔４１および開口１４１は周方向の異なる位置に複数設けられているため、図５に示される位置の開口１４１から流入した冷媒は、必ずしも図５に示される位置の切欠孔４１に到達するとは限らない。

以下、離間構造部５０の構成および作用効果について、従来の構成と比較しながら説明する。
図６および図７に、従来のハウジング部材５１０の構成を示す。図６は上から見た図（平面図）であり、図７は図６のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿った断面による断面図である。
従来のハウジング部材５１０では、中央部５２０の上面、隔壁５３０、空隙５５１および連結部５５２がすべて同一平面上に形成される。すなわち、本願の離間構造部５０に相当する構成を持たない（あるいは、離間構造部５０に相当する構成が平面的である）。したがって、空隙５５１の開口面積を確保するためには空隙５５１を径方向に広げる必要がある。すなわち距離Ｄ５が大きくなる。

これと比較して、本願の実施の形態１に係るハウジング部材１０では、離間構造部５０および空隙５１が立体的形状を有するので、孔部３３の直径Ｄ１を小さく抑えることができ、冷媒をより径方向中央に近い位置まで流通させることができる。したがって、ヒートシンク１１０における放熱面積がより大きくなり、冷却効率が向上する。

このような構成は、軸受のサイズが大きい場合により有効である。中央部の径方向寸法は、軸受に応じて設計する必要がある。従来のハウジング部材５１０では空隙５５１をその外側に設ける必要があるので、軸受のサイズが大きくなるにつれて中央部分に冷媒が流れない領域が増大し、放熱面積が減少して冷却効率が低下する。
これと比較して、本願の実施の形態１に係るハウジング部材１０では、空隙５１を必ずしも中央部２０より径方向外側に設ける必要がなく、軸受のサイズに関わらず放熱面積を維持し、冷却効率の低下を回避できる。

また、従来の連結部５５２の形状は平面的であり、冷媒の軸方向への流れを阻害する箇所ができてしまい、結果として連結部５５２の位置に対応する周方向領域（図６ではたとえば領域Ａ）において冷媒がほとんど流れなくなる。
これと比較して、本願の実施の形態１に係るハウジング部材１０では、連結部５２は軸方向に延びる立体的形状を有するので、冷媒の軸方向への流れを阻害する作用が小さい。よって隔壁上面３１の全面にわたって冷媒を流通させることができ、冷却効率が向上する。

ここで、実施の形態１に係る冷却構造１００の冷却効率について考える。冷却構造１００の冷却効率は冷媒の流速に依存し、冷媒の流速は冷媒経路の最小断面積に依存する。また、冷却構造１００の冷却効率は、ヒートシンク１１０が実質的に流動する冷媒と接触する表面積にも依存する。したがって、冷媒経路の最小断面積を大きく確保しつつ、冷媒がヒートシンク１１０の広い範囲と接触しながら流動するよう、冷却構造１００の各部の寸法を設計すれば、冷却効率をさらに向上させることができる。

冷媒経路の最小断面積について、冷却構造１００の全体のサイズをコンパクトに保ちつつ最小断面積を大きく維持するには、経路Ｆ１〜Ｆ３の最小断面積をすべて等しくすればよい。なお、上述のように、開口１４１および４１の開口面積も、その合計が冷媒経路における最小断面積と同等かそれ以上となるよう設計することが好ましい。

経路Ｆ１は外側から内側に向かって狭くなるので、その断面積は隔壁３０の内縁（すなわち孔部３３の周縁）において最小となる。経路Ｆ２の断面積は孔部３３の開口面積である。経路Ｆ３は内側から外側に向かって広くなるので、その断面積は経路Ｆ１と同様に隔壁３０の内縁（すなわち孔部３３の周縁）において最小となる。したがって、次の各条件を満たすように冷却構造１００を設計すれば、良い冷却効率を実現することができる。
‐孔部３３の開口面積は、孔部３３の周縁における経路Ｆ１の断面積に等しい。
‐孔部３３の開口面積は、孔部３３の周縁における経路Ｆ２の断面積に等しい。あるいは、孔部３３の開口面積は、空隙５１の開口面積に等しい。
‐距離Ｄ２と距離Ｄ３とが等しい。

なお、各経路の断面積は、当業者であれば適宜計算することができるが、たとえば次のようにして計算可能である。
経路Ｆ１の最小断面積は、直径Ｄ１および高さＤ３を有する円筒面の面積として計算することができる。この場合はフィン１１２が占める面積を無視しているが、フィン１１２が占める面積が無視できない場合であっても、当該円筒面の面積は最小断面積の近似値として扱うことができる。

経路Ｆ２の最小断面積は、直径Ｄ１を有する円の面積として計算することができる。
経路Ｆ３の最小断面積は、直径Ｄ１および高さＤ２を有する円筒面の面積として計算することができる。この場合は離間構造部５０において連結部５２が占める面積を無視しているが、連結部５２が占める面積が無視できない場合であっても、当該円筒面の面積は最小断面積の近似値として扱うことができる。

なお、上記の「等しい」という表現は、必ずしも厳密に等しい場合のみならず、実質的に等しいと考えられる場合を含む。「実質的に等しい」とは、その差が冷却構造１００の作用効果（たとえば冷媒の流速等）に及ぼす誤差が、所定の許容範囲内（たとえば公称誤差内）に収まる程度に近い値であることをいう。

また、上記の３条件は必ずしもすべて同時に満たされる必要はなく、いずれか１つが満たされていれば、その条件に応じた程度に良い冷却効率を実現することができる。

１０ ハウジング部材、２０ 中央部（軸受支持部）、３０ 隔壁、３１ 隔壁上面、３２ 隔壁下面、３３ 孔部、４０ 周壁、４１ 切欠孔、５０ 離間構造部、５１ 空隙、５２ 連結部、１００ 冷却構造、１１０ ヒートシンク（冷媒経路部材）、２００ インバータ（発熱体）、３００ モータ、Ｆ１ 経路（隔壁からみて発熱体側の冷媒経路）、Ｆ２ 経路（冷媒経路）、Ｆ３ 経路（隔壁からみてモータ側の冷媒経路）。

Claims (7)

1. 発熱体およびモータに関連して配置される、ハウジング部材であって、
   前記ハウジング部材を支持する中央部と、
   前記発熱体と前記モータとを、前記モータの軸方向に隔絶する隔壁と、
   前記中央部と前記隔壁とを、前記軸方向に離間して固定する離間構造部と
   を備え、
   前記離間構造部は、空隙と、前記軸方向に延びる連結部とを備える、ハウジング部材。
2. 前記隔壁は冷媒経路の少なくとも一部を構成する、請求項１に記載のハウジング部材。
3. 前記隔壁は、径方向中央を含む範囲に孔部を有し、
   前記孔部の開口面積は、前記孔部の周縁における、前記隔壁からみて前記発熱体側の冷媒経路の断面積に実質的に等しいか、または、
   前記孔部の開口面積は、前記孔部の周縁における、前記隔壁からみて前記モータ側の冷媒経路の断面積に実質的に等しいか、または、
   前記孔部の開口面積は、前記空隙の開口面積に実質的に等しい、請求項２に記載のハウジング部材。
4. 前記中央部は、前記モータの軸受を支持する軸受支持部である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のハウジング部材。
5. 前記中央部、前記隔壁、および前記連結部は一体に形成される、請求項１〜４のいずれか一項に記載のハウジング部材。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のハウジング部材と、
   前記ハウジング部材と前記発熱体との間に配置され、冷媒経路の少なくとも一部を構成する、冷媒経路部材と
   を備える、冷却構造。
7. 前記冷媒経路部材が構成する前記冷媒経路の軸方向寸法は、前記中央部と前記隔壁との軸方向における距離に実質的に等しい、請求項６に記載の冷却構造。

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