JP2018056370A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水を使用することなく、良好な放熱特性を実現可能な電源装置を提供すること。
【解決手段】第１の電源回路１ａを収納する第１の筐体２ａと、前記第１の電源回路１と排他動作する第２の電源回路１ｂを収納する第２の筐体２ｂと、前記第１の筐体２ａ及び前記第２の筐体２ｂに一端が接続されたヒートパイプ３と、前記ヒートパイプ３の他端と接続されたヒートシンク４と、を備える電源装置。
【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置に関する。

近年、電気自動車に用いられるインバータ装置や充電装置等の電源装置に関して、半導体の高出力化・小型化に伴い、基板実装部品の損失増大及び当該部品の高密度化が併発しているため、その放熱性が課題となっている。

特許文献１には、冷却水を利用して、インバータ装置やモータを冷却するための放熱構造が開示されている。

特開２０１３−１９３６３２号公報

ところで、電気自動車（例えば、マイクロＥＶ、電動コミュータ）においては、エンジンを使用しない関係から冷却水を利用した冷却設備を搭載しない車輌もある。かかる車輌において、特許文献１のように冷却水を利用した放熱構造を適用する場合、冷却水の設備を別途設ける必要が生じ、コストの増加につながるのみならず、車体の形状に影響を与えたり、室内空間を圧迫することになる。

他方、冷却水を搭載する車輌であっても、冷却水を循環させるための循環回路を車輌の内部で引き回したりすることは、上記と同様に、車体の形状に影響を与えることになるため、できる限り冷却水を使用しない構成にしたいという要請もある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、冷却水を使用することなく、省スペース化と良好な放熱特性を実現可能な電源装置を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する主たる本発明は、第１の電源回路を収納する第１の筐体と、前記第１の電源回路と排他動作する第２の電源回路を収納する第２の筐体と、前記第１の筐体及び前記第２の筐体に一端が接続されたヒートパイプと、前記ヒートパイプの他端と接続されたヒートシンクと、を備える電源装置である。

本発明に係る電源装置によれば、冷却水を使用することなく、省スペース化と良好な放熱特性を実現することができる。

第１の実施形態に係る電源装置を上方から見た斜視図 第１の実施形態に係る電源装置の横断面図 第１の実施形態に係る電源装置の動作を説明する図 第１の実施形態に係る電源装置の動作を説明する図 第２の実施形態に係る電源装置を上方から見た斜視図 第２の実施形態に係る電源装置の横断面図

（第１の実施形態）
以下、図１、図２を参照して、第１の実施形態に係る電源装置Ａの一例について説明する。

図１は、本実施形態に係る電源装置Ａを上方から見た斜視図である。図２は、本実施形態に係る電源装置Ａの横断面図である。

本実施形態に係る電源装置Ａは、例えば、車載電源装置に適用される。

本実施形態に係る電源装置Ａは、インバータ装置１ａ、充電装置１ｂ、筐体２ａ及び２ｂ、ヒートパイプ３、ヒートシンク４を含んで構成される。

インバータ装置１ａ（「第１の電源回路」に相当）は、バッテリ１ｃからモータに電力供給するための電源回路であり、電力を制御するパワー素子などにおいて大きな発熱量を有する。又、充電装置１ｂ（「第２の電源回路」に相当）は、外部の商用電源等からバッテリ１ｃに充電するための装置であり、電力を制御するパワー素子やリアクトルなどにおいて大きな発熱量を有する。

インバータ装置１ａは、主に、車輌走行中に動作する電源回路であり、充電装置１ｂは、主に、車輌停止時の充電中に動作する電源回路である。つまり、両者は、排他動作をする関係（両方が同時に動作する状態がないことを表す。以下同じ）にある。

但し、排他動作する電源回路の組み合わせであれば、本実施形態に係る電源装置Ａは、インバータ装置１ａと充電装置１ｂ以外の組み合わせについても、好適に用いることができる。また、「一方が動作中に、他方が停止する」といった完全な排他動作でなくとも、「一方の発熱量が大きい時に、他方の発熱量が小さい」といった排他動作についても、好適に用いることができる。

筐体２ａはインバータ装置１ａを収納し、筐体２ｂは充電装置１ｂを収納している。筐体２ａ及び２ｂは、それぞれ、インバータ装置１ａ、充電装置１ｂ又はその他の電子機器等を周囲の水分等から保護するため、密閉状態でこれらを収納している。

尚、筐体２ａ及び２ｂは、いずれも六面の壁体で直方体形状を呈し、内部に同形状の収納空間を形成する。ここでは、筐体２ａと筐体２ｂは、別体として形成されている。

筐体２ａ及び２ｂにおいて、少なくともインバータ装置１ａ及び充電装置１ｂが配設される壁体は、熱伝導率の高い素材（例えば、アルミ材）で構成されている。そして、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂが発する熱は、それぞれ、当該筐体２ａ及び２ｂの壁体から、ヒートパイプ３に伝達し、筐体２ａ及び２ｂの外部に放熱される。

本実施形態に係る筐体２ａと筐体２ｂは、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂが発する熱を放熱するヒートパイプ３を共用するため、一体的に形成されている。より詳細には、筐体２ａと筐体２ｂとは、上下に隣接して配設され、当該隣接する位置の壁体を接続して一の筐体２を形成している。尚、筐体２ａと筐体２ｂとは、例えば、筐体２ａの壁体と筐体２ｂの壁体をボルト等で接続して一体的に形成されるが、これに限らず、一体的に成形されてもよい。

そして、筐体２ａ及び筐体２ｂそれぞれの壁体と接触するように、当該筐体２ａの壁体及び筐体２ｂの壁体の間には、ヒートパイプ３が接続されている。又、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂは、それぞれ、ヒートパイプ３に対して効果的に放熱するため、筐体２ａ及び２ｂそれぞれの壁体と接触するように配設されている。尚、筐体２ａと筐体２ｂは、収納空間を別個にすることによって、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂそれぞれが発する電磁ノイズによる影響を抑制するとともに、筐体２ａ又は筐体２ｂの一方を容易に着脱し得るものとしている。

ヒートパイプ３は、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂが発する熱をヒートシンク４に伝熱する熱輸送部材である。ヒートパイプ３は、例えば、パイプ内部に作動液を真空封入するとともに、内壁にウィック（毛細管構造）を備えたウィック式のヒートパイプが用いられる。ヒートパイプ３は、かかる作動液の蒸発と凝縮を利用して、高温側から低温側に大きな熱量を移動させることができる。換言すると、ヒートパイプ３を用いることによって、熱を自由に他の領域に伝達させることが可能となる。

ヒートパイプ３は、一端が、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂの発熱部に接続し、他端がヒートシンク１に接続している。本実施形態に係るヒートパイプ３は、柱形状を呈し、複数の発熱部それぞれに近接するように複数本設けられている。ヒートパイプ３は、望ましくは、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂにおいて発熱部となるスイッチング素子群やリアクトルそれぞれの直下に設けられる。

尚、ヒートパイプ３は、柱形状のものに代えて、板状のものであってもよい。又、ヒートパイプ３は、上記したウィック式に代えて、サーモサイホン式、自励振動式等の他の方式のヒートパイプであってもよい。また、ヒートパイプ３は、冷却水を循環させずに、熱伝導率が高いものであれば良く、単純な銅材であっても良い。

ヒートシンク４は、ヒートパイプ３から輸送される熱を外部空間に放熱する。ヒートシンク４は、ベースプレート４ａと放熱フィン４ｂとを含んで構成される。

ベースプレート４ａは、アルミ部材等の熱伝導率の高い材料で形成された板部材であり、ヒートパイプ３が接続される。放熱フィン４ｂは、ヒートパイプ３からベースプレート４ａに伝達された熱を外部に放出する。放熱フィン４ｂは、例えば、熱伝導率の高い材料で形成された複数の突起部であり、基端部がベースプレート１ａに接続され、当該基端部から上方に突出する。放熱フィン４ｂは、例えば、送風方向に沿って板面を形成する板形状やピン形状の突起部が用いられる。尚、ベースプレート４ａと放熱フィン４ｂは、一体的に成形されてもよい。

ここで、放熱フィン４ｂは、押出成形により成形されたフィンが好ましい。押出成形のフィンは、ダイカスト成形のフィンよりも突起部間の距離（フィンピッチ）を短くすることが可能である。これにより、ダイカスト成形により筐体と一体化されたフィンと比較して、小型化・高放熱が可能となる。また、筐体それぞれに押出成形されたフィンを接着する場合よりも小型化が可能となる。

又、ヒートシンク４には、ファン４ｃが取り付けられている。ファン４ｃは、放熱フィン１ｂが設けられた位置に向かって送風し、放熱フィン１ｂからの放熱力を向上させる。尚、放熱フィン４ｂは、ファン４ｃの送風方向に沿って開口が形成された筒状のケースに収容されている（図２中ではケースを省略して表している）。

ヒートシンク４は、上記のとおり、周囲の空気との熱交換によって、ヒートパイプ３から伝達されるインバータ装置１ａ及び充電装置１ｂが発する熱を放熱する。従って、ヒートシンク４は、車輌走行中に通流する空気が当たる位置に配設するのが望ましい。ヒートシンク４は、例えば、車輌前方側であればフロントグリル、車輌後方側であればトランクルーム下に配設される。尚、かかる構成の場合、ヒートシンク４のファン４ｃを省略することも可能である。

［電源装置の放熱動作］
本発明者らは、良好な放熱特性と省スペース化を実現するために鋭意検討し、車載電源装置のインバータ装置１ａと充電装置１ｂは、排他動作する点に着目して上記した放熱構造に想到した。

図３Ａ、図３Ｂは、電源装置Ａの放熱動作について説明する図である。

図３Ａは、車輌走行中における放熱動作について説明する図である。車輌走行中、インバータ装置１ａはモータに電力を供給する動作をする一方、充電装置１ｂは動作しない状態となる。そのため、インバータ装置１ａのみが発熱している状態となっている。

このとき、インバータ装置１ａが発生した熱は、筐体２ａの下面、ヒートパイプ３、ヒートシンク４の順に伝達し、ヒートシンク４を介して、外部に放熱される。尚、図３Ａ中の矢印は、このときの熱流を表している。

図３Ｂは、車輌停車時の充電中における放熱動作について説明する図である。車輌停車時の充電中、充電装置１ｂは動作する一方、インバータ装置１ａは動作しない状態となる。そのため、充電装置１ｂのみが発熱している状態となっている。

このとき、充電装置１ｂが発生した熱は、下方側の筐体２ｂの上面、ヒートパイプ３、ヒートシンク４の順に伝達し、ヒートシンク４を介して、外部に放熱される。尚、図３Ｂ中の矢印は、このときの熱流を表している。

このように、本実施形態に係る電源装置Ａは、排他動作するインバータ装置１ａと充電装置１ｂで放熱経路（ヒートパイプ３及びヒートシンク４）を共用化している。そのため、通常状態においては、インバータ装置１ａ又は充電装置１ｂの一方のみが動作及び発熱し、放熱対象となる。従って、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂそれぞれ個別に放熱部材を設けることなく、比較的小型のヒートパイプ３及びヒートシンク４によっても良好な放熱特性を得ることができる。

特に、車輌は、ヒートシンク４を配設するスペースや位置の制約が大きいが、ヒートパイプ３を用いることで電源回路（インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂ）からの放熱経路を自由に形成することができる。これによって、より効果的に放熱し得る位置（例えば、外気が流通する位置）にヒートシンク４を配設することが可能であり、省スペース化にも資することになる。

又、本実施形態に係る電源装置Ａは、空気冷却を採用しているため、冷却水の循環回路や循環ポンプ等の冷却設備が不要となり、省スペース化やコスト低減を図ることもできる。

（第２の実施形態）
以下、図４、図５を参照して、第２の実施形態に係る電源装置Ａの構成の一例について説明する。

図４は、本実施形態に係る電源装置Ａを上方から見た斜視図である。図５は、本実施形態に係る電源装置Ａの横断面図である。

本実施形態に係る電源装置Ａは、筐体２ａと筐体２ｂとが分離され、ヒートパイプ３ａとヒートパイプ３ｂがそれぞれの筐体２ａ及び２ｂに接続された構成となっている点で、第１の実施形態と相違する。

より詳細には、筐体２ａと筐体２ｂは分離され、いずれもヒートシンク４から離間して配設されている。そして、ヒートパイプ３ａとヒートパイプ３ｂがそれぞれの筐体２ａ及び２ｂに接続され、ヒートパイプ３ａは、一端が筐体２ａに接続され、他端がヒートシンク４に接続されている。又、ヒートパイプ３ｂは、一端が筐体２ｂに接続され、他端がヒートシンク４に接続されている。

つまり、本実施形態に係る電源装置Ａにおいては、インバータ装置１ａと充電装置１ｂとは、ヒートパイプ３ａ及び３ｂを別個にしつつ、ヒートシンク４を共用化している。

このように、筐体２ａと筐体２ｂとを分離した構成とすることによって、筐体２ａが収納するインバータ装置１ａと、筐体２ｂが収納する充電装置１ｂとを別個の位置に配設することができる。かかる構成は、例えば、インバータ装置１ａをモータと一体的に構成したり、充電装置１ｂを充電プラグの差し込み口と一体的に構成する等、インバータ装置１ａや充電装置１ｂを所望の位置に配設する場合に有効である。

又、本実施形態に係る電源装置Ａにおいても、排他動作する関係にあるインバータ装置１ａと充電装置１ｂでヒートシンク４を共用化しているため、比較的小型のヒートシンク４によっても良好な放熱特性を得ることができる。

尚、上記各実施形態では、電源装置Ａの一例として、２つの発熱部品（インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂ）からヒートパイプ３とヒートシンク４を利用して放熱する態様について説明した。しかし、この電源装置Ａは、発熱部品が３つ以上の場合にも適用し得るのは勿論である。例えば、インバータ装置１ａ及び充電装置１ｂに加えて、他の発熱部品（例えば、モータ）が発する熱も、ヒートパイプ３を介してヒートシンク４に伝達される構成としてもよい。但し、その場合も、より望ましくは、各発熱部品同士が排他動作するものとする。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、請求の範囲を限定するものではない。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。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

第１の電源回路１ａを収納する第１の筐体２ａと、前記第１の電源回路１ａと排他動作する第２の電源回路１ｂを収納する第２の筐体２ｂと、前記第１の筐体２ａ及び前記第２の筐体２ｂに一端が接続されたヒートパイプ３と、前記ヒートパイプ３の他端と接続されたヒートシンク４と、を備える電源装置Ａを開示する。

この電源装置Ａによれば、排他動作する少なくとも２つの電源回路１ａ及び１ｂをセットにして、放熱部材（ヒートパイプ３、ヒートシンク４）を共用化する構成とする。従って、２つの電源回路１ａ及び１ｂそれぞれに個別に放熱部材３、４を設けることなく、良好な放熱特性を得ることができる。

この電源装置Ａにおいて、前記第１の筐体２ａと前記第２の筐体２ｂとは、少なくとも一部の壁体が隣接するように配設され、前記ヒートパイプ３は、一端が前記第１の筐体２ａと前記第２の筐体２ｂそれぞれの前記壁体の間に接続し、他端が前記ヒートシンク４に接続するものであってもよい。

この電源装置Ａによれば、２つの電源回路でヒートパイプ３を共用することが可能であり、ヒートパイプ３の本数を減らし、より省スペース化することができる。

この電源装置Ａにおいて、前記第１の筐体２ａは、前記第１の電源回路１ａが前記第２の筐体２ｂと隣接する前記壁体に接触するように、前記第１の電源回路１ａを収納し、前記第２の筐体２ｂは、前記第２の電源回路１ｂが前記第１の筐体２ａと隣接する前記壁体に接触するように、前記第２の電源回路１ｂを収納するものであってもよい。

この電源装置Ａによれば、前記第１の電源回路１ａ及び前記第２の電源回路１ｂからより効果的に放熱することができる。

この電源装置Ａにおいて、前記第１の筐体２ａと前記第２の筐体２ｂとは離間して配設され、前記ヒートパイプ３は、一端が前記第１の筐体２ａに接続し、他端が前記ヒートシンク４に接続する第１のヒートパイプ３ａと、一端が前記第２の筐体２ｂに接続し、他端が前記ヒートシンク４に接続する第２のヒートパイプ３ｂとを有するものであってもよい。

この電源装置Ａによれば、ヒートシンク４を共用化しながら、筐体２ａが収納するインバータ装置１ａと、筐体２ｂが収納する充電装置１ｂとを別個の位置に配設することができる。

この電源装置Ａは、車載電源装置に適用され、前記ヒートシンク４は、車輌の外気が流通する位置に配設されるものであってもよい。この電源装置Ａは、かかる利用態様により好適である。

本開示に係る電源装置は、インバータ装置や充電装置のような排他動作する電源回路を有する電源装置に好適に用いることができる。

１ａ インバータ装置
１ｂ 充電装置
２ａ、２ｂ 筐体
３、３ａ、３ｂ ヒートパイプ
４ ヒートシンク

Claims (5)

1. 第１の電源回路を収納する第１の筐体と、
   前記第１の電源回路と排他動作する第２の電源回路を収納する第２の筐体と、
   前記第１の筐体及び前記第２の筐体に一端が接続されたヒートパイプと、
   前記ヒートパイプの他端と接続されたヒートシンクと、
   を備える電源装置。
2. 前記第１の筐体と前記第２の筐体とは少なくとも一部の壁体が隣接するように配設され、
   前記ヒートパイプは、一端が前記第１の筐体と前記第２の筐体それぞれの隣接する前記壁体の間に接続し、他端が前記ヒートシンクに接続する
   請求項１に記載の電源装置。
3. 前記第１の筐体は、前記第１の電源回路が前記第２の筐体と隣接する前記壁体に接触するように、前記第１の電源回路を収納し、
   前記第２の筐体は、前記第２の電源回路が前記第１の筐体と隣接する前記壁体に接触するように、前記第２の電源回路を収納する
   請求項２に記載の電源装置。
4. 前記第１の筐体と前記第２の筐体とは離間して配設され、
   前記ヒートパイプは、一端が前記第１の筐体に接続し、他端が前記ヒートシンクに接続する第１のヒートパイプと、一端が前記第２の筐体に接続し、他端が前記ヒートシンクに接続する第２のヒートパイプとを有する
   請求項１に記載の電源装置。
5. 車載電源装置に適用され、
   前記ヒートシンクは、車輌の外気が流通する位置に配設される
   請求項１に記載の電源装置。

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