JP2015207611A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本明細書は、ケース内部に冷却器を有する電子機器に関し、ケースに貫通孔を設けて管継手を嵌挿させ、冷却器から伸びる冷媒管をその管継手に接続する技術に関する。本明細書が開示する電子機器は、管継手と冷媒管との相対的な位置ずれを許容しつつ両方の封止を確保することができる。【解決手段】インバータ２は、内部に電子部品を備えるとともに電子部品を冷却する液冷式の冷却器（積層ユニット２０）を備える。インバータ２は、貫通孔４を有しているケース６と、管継手１０を備える。管継手１０は、貫通孔に嵌合しているとともに積層ユニット２０から伸びている冷媒管２３とケース外部の外設連結管３を連結する。管継手１０は、一端の外周面が貫通孔の内周面に密着しているとともに他端がケース内側に向かって伸びており、他端の内周面が冷媒管２３の先端の外周面と密着しているゴム管１３を備えている。ゴム管１３の先端は径方向に変位可能である。【選択図】図４

Description

本発明は、電子機器に関する。特に、内部に電子部品を備えるとともに、その電子部品を冷却する液冷式の冷却器を備える電子機器に関する。

大電力を扱う電子機器は、収容している電子部品の発熱量が大きい。そのため、電子機器のケース内部に電子部品を冷却するための液冷式の冷却器を備えることがある。電子機器の外部から冷却器に冷媒を供給したり、冷却器を通過した冷媒を電子機器の外部へ排出するため、電子機器のケースに冷媒管を通す必要がある。それゆえケースには貫通孔が設けられる。自動車に搭載される電子機器では、水分の浸入を防ぐため、ケースの貫通孔の内周面と冷媒管の外周面との間を封止する必要がある。他方、ケース内部の冷却器から伸びる冷媒管の位置が貫通孔に対して相対的にずれる可能性がある。そのずれを許容して貫通孔と冷媒管との間の封止を維持する技術の例が特許文献１に開示されている。

特許文献１の技術は、電子機器として、電気自動車におけるインバータを対象としている。その技術は次の通りである。インバータのケースに貫通孔が設けられており、内部の冷却器から伸びる冷媒管が貫通孔を通じてケース外部まで伸びている。冷媒管の外周面と貫通孔の内周面を封止する筒状のシール部材が嵌挿されている。シール部材において冷媒管の外周面と密着する部位が、貫通孔よりもケース内側にオフセットしている。冷媒管が貫通孔の中心軸線に対して傾いても、シール部材と冷媒管が密着している部位が貫通孔からオフセットしているため、冷媒管の傾きに追随してシール部材が変形し、密封性が確保される。

特許文献１の技術は１本の冷媒管がケース貫通孔を通過する。ケースの側面にて内部の冷媒管と外部の冷媒管を接続する場合もある。管と管の接続には管継手が用いられる。管継手の例が特許文献２に開示されている。

特開２０１１−１７１４４９号公報 特開平１０−２８１３６７号公報

管継手をケースの側面（側壁）に配置し、管継手を介してケース外部の冷媒管とケース内部の冷媒管を連結したい場合がある。例えば車載装置では、ケースを車体に搭載した後に外部の冷媒管をケースに接続することになるからである。

管継手をケースの側面に配置することを想定した場合、管継手とケース貫通孔の間の封止と、管継手と冷媒管の封止の両方を考慮しなければならない。しかも、ケース内部の冷却器から伸びる冷媒管を管継手に接続する場合、特許文献１に例示されているように冷媒管の位置ずれを許容して封止を確保する構造が必要となる。

冷媒管がケースの貫通孔に対して軸線方向と径方向に三次元的にずれる可能性がある場合、一般的には、管継手と冷媒管との間の封止と、管継手と貫通孔との間の封止の一方を面シール構造とし他方を軸シール構造とする。面シール構造とは、管継手にフランジを設け、管継手の軸線に直交するフランジ面と貫通孔周囲の面との間にガスケットなどを配置して封止する技術である。軸シール構造とは、管継手の外周面と貫通孔の内周面（あるいは管継手の内周面と冷媒管の外周面）との間にガスケットなどを配置して封止する技術である。面シールは面内方向のずれを許容することができ、軸シールは軸線方向のずれを許容することができる。

本明細書は、ケース内部に冷却器を有する電子機器に関し、ケースに貫通孔を設けて管継手を嵌挿させ、冷却器から伸びる冷媒管をその管継手に接続する技術に関する。本明細書は、管継手と貫通孔との間、及び、管継手と冷媒管との間の２箇所の封止を面シールと軸シールで複合的に封止するよりも簡単な構造で、管継手と冷媒管との相対的な位置ずれを許容しつつ両方の封止を確保する技術を提供する。

本明細書が開示する技術は、内部に電子部品を備えるとともにその電子部品を冷却する液冷式の冷却器を備える電子機器が対象である。その電子機器は、上記冷却器の他に、貫通孔を有しているケースと、その貫通孔に嵌合している管継手を備える。管継手は、ケース内部で冷却器から伸びている冷媒管とケース外部の冷媒管を連結する。説明の便宜上、冷却器から伸びている冷媒管を内部冷媒管と称し、ケース外部の冷媒管を外部冷媒管と称する。

管継手は次の弾性管を備えている。その弾性管の一端の外周面がケースの貫通孔の内周面に密着している。弾性管の他端はケース内側に向かって伸びている。その他端の内周面が内部冷媒管の先端の外周面と密着している。その弾性管は、貫通孔と密着している箇所と内部冷媒管と密着している箇所の間で径方向に変位可能である。別言すれば、弾性管の他端が一端に対して相対的に径方向に変位可能である。

内部冷媒管と弾性管（管継手）の間の封止構造は軸シール構造であるから、内部冷媒管の軸線方向のずれが許容される。他方、内部冷媒管と結合している弾性管の先端（上記の他端）は弾性管の可撓性によって径方向に変位可能である。このことが、管継手に対する内部冷媒管の径方向のずれを許容する。弾性管を有する上記管継手は、面シール構造を伴うことなく、内部冷媒管の軸線方向のずれと径方向のずれを許容しつつ封止を確保することができる。なお、管継手の本体は、典型的には、金属あるいは樹脂で作られる。弾性管は、典型的には、ゴムで作られる。より具体的には、弾性管は、耐熱性の高いシリコンゴムで作られているとよい。弾性管は、シリコンゴムのほか、シリコン、エチレンとプロピレンの三元重合体であるＥＰＤＭなどで作られたものであってもよい。

なお、本明細書では、ケースに設けられた溝であってケースにカバーが取り付けられたときに「孔」を構成する溝も、便宜上、貫通孔として扱う。また、管継手は、ケースの側面にて外部冷媒管と内部冷媒管を接続する部品であるが、管継手は、外部冷媒管の先端に不可分に設けられているものであってもよい。

本明細書が開示する技術は、ケースに貫通孔を設けて管継手を嵌挿させ、内部の冷却器から伸びる冷媒管（内部冷媒管）をその管継手に接続する電子機器に関する。本明細書は、ケースの貫通孔と冷媒管を面シールと軸シールで複合的に封止するよりも簡単な構造で、管継手と冷媒管との相対的な位置ずれを許容しつつ、貫通孔と管継手の間の封止と管継手と冷媒管の間の封止を確保する技術を提供する。本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例の電子機器（インバータ）の分解斜視図である。 インバータの斜視図である（カバーなし）。 図２のIII−III線における断面図である。 図３の二点鎖線IVで囲んだ範囲の拡大図である。 図４と同じ断面において冷媒管が径方向にずれたときの断面図である。

図面を参照して実施例の電子機器を説明する。実施例の電子機器は、電気自動車に搭載されるインバータ２である。インバータ２は、バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給する。図１に、インバータ２の分解斜視図を示す。図２に、インバータ２の斜視図を示す。また、図３に、図２のIII−III線における断面図を示す。なお、図３で示すインバータ２のカバー５９は、理解を助けるために図１、２ではその図示を省略している。また、図３では、管継手１０の周辺の構造は簡略化して描いてある。管継手１０の周辺の構造の詳細は図４に示されている。

インバータ２は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と、その昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備えている。インバータ２は、ハードウエアとしては、複数のパワーカード２２、複数の冷却プレート２１、積層ユニット２０、リアクトル５２、コンデンサ５１、回路基板（不図示）などを備えている。そのほかインバータ２は別の冷却器８（後述）も備えている。

インバータ２は、独立した２つのケース（アッパーケース６、ロアケース７）を有している。アッパーケース６は、積層ユニット２０とリアクトル５２など、上記したデバイス群を収容する。ロアケース７は冷却器８そのものである。インバータ２は２種の冷却器を備えており、一つは、リアクトル５２やコンデンサ５１を冷却する冷却器８であり、もう一つは、パワーカード２２と冷却プレート２１が交互に積層された積層ユニット２０である。冷却器８は、アッパーケース６の底面に固定される。

パワーカード２２は、電圧コンバータ回路とインバータ回路のスイッチング素子を樹脂でモールドしたパッケージである。積層ユニット２０は、パワーカード２２と冷却プレート２１を交互に積層したデバイスである。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴなどのトランジスタが用いられる。

回路基板は、スイッチング素子に供給する駆動信号を生成する。なお、回路基板は積層ユニット２０の上方に配置されるが、その図示は省略している。また、パワーカード２２、コンデンサ５１、リアクトル５２は、金属製のバスバにより互いに電気的に接続されているが、その図示は省略している。

積層ユニット２０の冷却プレート２１は、内部を冷媒が通る平板型の冷却器である。パワーカード２２はその両側を冷却プレート２１で挟まれ、パワーカード２２内のスイッチング素子が効率よく冷却される。

また、積層ユニット２０には、その積層方向の一端に絶縁板５５と板バネ５４がさらに積層されている。積層ユニット２０は、アッパーケース６の内壁と支柱５３に挟まれるように支持される。板バネ５４により、積層ユニット２０はその積層方向に荷重を加えられつつアッパーケース６に支持される。板バネ５４の荷重により、交互に積層している冷却プレート２１とパワーカード２２の密着性が高まり、パワーカード２２から冷却プレート２１への熱伝達効率が向上する。

冷却プレート２１の内部は冷媒が通る空洞である。積層方向からみて冷却プレートの長手方向の両端（図中のＹ軸方向における両端でありパワーカード２２の両側）のそれぞれに貫通孔が設けられている。隣接する冷却プレート２１の貫通孔同士が接続管２５で接続されている。そして、積層方向の端の冷却プレート２１の貫通孔から、２本の冷媒管２３、２４が伸びている。積層ユニット２０がアッパーケース６に収納されると、冷媒管２３、２４がアッパーケース６の側面に設けられたケース貫通孔４、５６まで達する。

外部から冷媒を供給する供給管６１がアッパーケース６の外側からケース貫通孔５６に接続される。供給管６１と冷媒管２４は、ケース側面の貫通孔５６にて接続される。

積層ユニット２０のもう一方の冷媒管２３は、その先端が別の貫通孔４に達する。貫通孔４には、管継手１０がケース外側から嵌合されており、冷媒管２３はその管継手１０に連結される。管継手１０の外側（ケース外側）には外設連結管３の上側開口が結合する。外設連結管３は、積層ユニット２０の冷媒管２３と、ロアケース７の冷却器８を連結する。外設連結管３の下側開口は、ロアケース７（即ち冷却器８）の冷媒供給口５に連結される。外設連結管３の下側開口の周囲にはフランジ３ａが設けられている。このフランジ３ａが冷媒供給口５の周囲の側面にボルト（不図示）にて結合される。ロアケース７には別の冷却器８の冷媒排出口５７が設けられており、そこに排出管６２が接続される。

管継手１０の構造は後に詳しく説明する。なお、供給管６１とケース貫通孔５６の間、ケース貫通孔５６と冷媒管２４の間、排出管６２と冷媒排出口５７の間、外設連結管３と冷媒供給口５の間も、夫々特定の封止構造を有しているが、本実施例では、管継手１０による封止構造に着目するので、他の箇所の封止構造の図示と説明は省略する。

冷媒の流れを説明する。なお、冷媒は、液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。積層ユニット２０と冷却器８は液冷式の冷却器である。

冷媒は、供給管６１を通じて外部からインバータ２へ供給される。冷媒は、ケース貫通孔５６と一方の冷媒管２４を通って積層ユニット２０に流れ込む。冷媒管２４から流入した冷媒は、冷却プレート２１に接続している一方の接続管２５を通じて全ての冷却プレート２１に分配される。冷媒は冷却プレート２１の内部をその長手方向（図中Ｙ軸方向）に流れ、冷却プレート２１に接するパワーカード２２を冷却する。パワーカード２２の熱を吸収した冷媒は、冷却プレート２１に接続している他方の接続管２５を通じて冷媒管２３へと流れる。冷媒は、さらに冷媒管２３とケース貫通孔４を通じてアッパーケース６から排出される。

冷媒はその後、外設連結管３を通じてロアケース７（即ち冷却器８）へと移動する。ロアケース７の内部には、アッパーケース６に設置されたリアクトル５２やコンデンサ５１の直下に相当する位置に冷媒の流路９（図３参照）が設けられている。冷媒がその流路９を通る間にリアクトル５２やコンデンサ５１の熱を吸収する。冷媒は最後には冷媒排出口５７に接続された排出管６２を通じてインバータ２の外へ排出される。なお、インバータ２の外部には冷媒を冷却するラジエータや冷媒を循環させるポンプを含む冷却システムが備えられている。インバータ２内の電子部品（スイッチング素子やリアクトルなど）の熱を吸収した冷媒はラジエータで冷却されて再びインバータ２へと送られる。

図４と図５を参照して、管継手１０を使った連結構造を説明する。図４は、図３において破線領域IVの拡大断面図である。管継手１０は、継手本体１２とゴム管１３で構成される。継手本体１２は、金属あるいは樹脂で作られている。継手本体１２は、その役目に応じて、外側筒１２ａとこれに続く内側筒１２ｂ、及び、外側筒１２ａと内側筒１２ｂの境界に位置するフランジ１２ｃに分けられる。

内側筒１２ｂにはゴム管１３が取り付けられている。より具体的には、ゴム管１３の一方の端面に筒の周に沿って一巡する深いスリットが設けられており、そのスリットに内側筒１２ｂが嵌め込まれている。ゴム管１３の先端（継手本体１２とは反対側の端部）には、金属円環状の口金１４が埋設されている。管継手１０の軸線に沿って内側筒１２ｂの先端と口金１４の端部との間に距離Ｗが確保されている。ゴム管１３の本体に近い側の外周面には外周を一巡する２個のリップ（突条）１５ａが設けられている。リップ１５ａは、軸線方向で内側筒１２ｂと同じ位置に配置されている。別言すれば、リップ１５ａは、内側筒１２ｂの外周側に位置する。ゴム管１３の先端に近い内周面には内周を一巡する２個のリップ（突条）１５ｂが設けられている。リップ１５ｂは、軸線方向で口金１４と同じ位置に配置されている。別言すれば、リップ１５ｂは、口金１４の内周側に位置する。ゴム管１３は、一端が継手本体１２と貫通孔４の間に挟まれて固定されているが、他端は径方向に変位可能である。別言すれば、ゴム管１３は、貫通孔４と接続している箇所と冷媒管２３と接続している箇所の間で径方向に変位可能である。

外側筒１２ａは、外設連結管３の上側開口に圧入され、管継手１０は外設連結管３の上側開口にしっかりと固定される。圧入で連結されるので、外設連結管３と管継手１０（継手本体１２の外側筒１２ａ）の間の封止が確保される。なお、外設連結管３と外側筒１２ａとの間にガスケットを配置してもよい。

フランジ１２ｃのフランジ面がアッパーケース６の側面（貫通孔４の周囲の側面）に当接するところまで、管継手１０の内側筒１２ｂがアッパーケース６の貫通孔４に挿通される。なお、フランジ１２ｃには不図示の固定孔が設けられている。管継手１０は、その固定孔を通じてボルトにてケース６の側面に固定される。

継手本体１２の内側筒１２ｂの外径は貫通孔４の内径よりも小さい。しかし、内側筒１２ｂの外周面と貫通孔４の内周面との間にはゴム管１３と２個のリップ１５ａが位置し、それらが内側筒１２ｂの外周面と貫通孔４の内周面の間を封止する。なお、図４（図５）ではリップ１５ａの山の先端だけが貫通孔４の内周面に触れているように描かれているが、実際にはリップ１５ａの山は内側筒１２ｂの外周面と貫通孔４の内周面の間で潰れ、両者の間をしっかりと封止する。特に、内側筒１２ｂがリップ１５ａを内側から支える口金の役割を果たす。それゆえ、リップ１５ａは内側に陥没することなく、内側筒１２ｂの外周面と貫通孔４の内周面の間をしっかりと封止する。また、ゴム管１３はその外周面が直接に貫通孔４の内周面と面接触しないので、管継手１０を貫通孔４にスムーズに挿入することができる。

ゴム管１３の先端の内側に冷媒管２３が嵌合される。ゴム管１３の先端の内側には２個のリップ１５ｂが設けられている。リップ１５ｂが、ゴム管１３の内周面と冷媒管２３の外周面の間を封止する。なお、図４（図５）ではリップ１５ｂの山の先端だけが冷媒管２３の外周面に触れているように描かれているが、実際にはリップ１５ｂの山はゴム管１３の内周面と冷媒管２３の外周面の間で潰れ、両者の間をしっかりと封止する。特に、ゴム管１３の先端であって、リップ１５ｂの外側に埋設されている口金１４が冷媒管２３との間の封止に貢献する。冷媒管２３をゴム管１３に挿通する際、口金１４がゴム管１３の膨張を抑える。それゆえ、リップ１５ｂは外側に膨らむことなく、ゴム管１３の内周面と冷媒管２３の外周面との間をしっかりと封止する。なお、ゴム管１３は、その内周面が直接に冷媒管２３の外周面と面接触しないので、管継手１０（ゴム管１３）に冷媒管２３をスムーズに挿入することができる。

冷媒管２３は、その先端が前述した距離Ｗの範囲に位置するようにゴム管１３（管継手１０）に挿通される。別言すれば、冷媒管２３は、その先端が管継手１０の内側筒１２ｂと軸線方向で重ならないようにゴム管１３に挿通される。そうすると、ゴム管１３の可撓性により、冷媒管２３は径方向（図中のＹＺ平面内）でわずかに移動可能となる。図５に、冷媒管２３が管継手１０に対して径方向に距離Ｓだけずれたときの状態を示す。ずれ量Ｓは、管継手１０の中心線ＣＬ１と冷媒管２３の中心線ＣＬ２の径方向（ＹＺ平面内）での距離に相当する。冷媒管２３の先端は、軸線方向で管継手１０の内側筒１２ｂと重なっていないので、ゴム管１３の可撓性の範囲内で動くことができる。このとき、アッパーケース６の貫通孔４の内周面と管継手１０の外周面（内側筒１２ｂの外周面）との間はリップ１５ａにより封止が維持される。また、ゴム管１３の先端内周面と冷媒管２３の先端外周面との間はリップ１５ｂにより封止が確保される。このように、管継手１０は、冷媒管２３の径方向のずれを許容しつつも封止性（密封性）を保持することができる。なお、冷媒管２３の軸線方向のずれは、距離Ｗの範囲で許容される。また、可撓性を有するゴム管の距離Ｗの部位（即ち、ゴム管１３と貫通孔４の固定箇所と、ゴム管１３と冷媒管２３との固定箇所との間の部位）は、上記した径方向のずれだけでなく、貫通孔４の中心線ＣＬ１に対して冷媒管２３の中心線ＣＬ２が傾く冷媒管２３のずれも許容する。

管継手１０は、リップ１５ａを備えているので、管継手１０を貫通孔４に挿通する際に過大な挿入荷重が不要であるとの利点も有する。同様に管継手１０は、リップ１５ｂを備えているので、管継手１０に冷媒管２３を挿通する際にも過大な挿入荷重が不要であるとの利点も有する。

インバータ２の管継手１０に関連する構造的特徴をまとめると次の通りである。管継手１０は、アッパーケース６の貫通孔４に嵌合している。管継手１０は、積層ユニット２０から伸びている冷媒管２３とケース外部の外設連結管３をケースの側面（側壁）にて連結する。管継手１０は継手本体１２とゴム管１３を備える。継手本体１２が貫通孔４に挿通される。ゴム管１３の一端は、管継手本体１２のケース内側端に接続している。ゴム管１３は、一端の外周面にリップ１５ａが設けられており、そのリップ１５ａで貫通孔４の内周面に密着している。ゴム管１３は、ケース内側に向かって伸びている。ゴム管１３は、その先端の内周面にリップ１５ｂを備えており、そのリップ１５ｂが冷媒管２３の先端の外周面と密着している。ゴム管１３の先端は継手本体１２（貫通孔４）に対して径方向に変位することが可能である。

実施例のインバータ（電子機器）は、管継手１０の外側筒１２ａに外設連結管３が嵌合している。実施例の技術は、管継手１０と冷媒管２３の間で３次元的なずれを許容する。それゆえ、管継手１０と外設連結管３は、ずれを許容することなく剛に接合されていてもよい。即ち、管継手１０は、ケース外部の外設連結管３とケース内部の冷媒管２３を連結する部品であるが、管継手１０は外設連結管３と一体不可分であってもよい。別言すれば、外設連結管３の先端に管継手１０の構造が設けられている態様も、「外部冷媒管と内部冷媒管を連結する管継手」に含まれる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。積層ユニット２０がケース内部の冷却器の一例である。冷媒管２３が、ケース内部の冷却器から伸びている内部冷媒管の一例に相当する。ゴム管１３が弾性管の一例に相当する。また、「アッパーケース６」が「ケース」の一例に相当する。外設連結管３が外部冷媒管の一例に相当する。

実施例の管継手１０では、継手本体１２の内側筒１２ｂがゴム管１３の端部に埋設されており、ゴム管１３が径方向に縮むことを防止する口金の機能を果たす。継手本体の内側管１２ｂをゴム管１３に埋設する代わりに、ゴム管１３の貫通孔４の内側に相当する位置に別部材の口金を埋設することも好適である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：インバータ（電子機器）
３：外設連結管
３ａ：フランジ
４、５６：貫通孔
５：冷媒供給口
６：アッパーケース
７：ロアケース
８：冷却器
９：流路
１０：管継手
１２：継手本体
１２ａ：外側筒
１２ｂ：内側筒
１２ｃ：フランジ
１３：ゴム管
１４：口金
１５ａ、１５ｂ：リップ
２０：積層ユニット（冷却器）
２１：冷却プレート
２２：パワーカード
２３、２４：冷媒管
２５：接続管
５７：冷媒排出口
６１：供給管
６２：排出管

Claims (1)

1. 内部に電子部品を備えるとともに当該電子部品を冷却する液冷式の冷却器を備える電子機器であり、
   貫通孔を有しているケースと、
   前記貫通孔に嵌合しているとともに、前記冷却器から伸びている内部冷媒管とケース外部の外部冷媒管を連結する管継手と、
   を備えており、
   前記管継手は、
   弾性管であってその一端の外周面が前記貫通孔の内周面に密着しているとともに他端がケース内側に向かって伸びており、前記他端の内周面が前記内部冷媒管の先端の外周面と密着している弾性管を備えており、
   前記弾性管の前記他端が径方向に変位可能であることを特徴とする電子機器。

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