JP2019009194A - 接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】筐体側面の一側面に設けられた冷媒出口と冷媒入口を接続するＵ字の冷媒管内を流れる冷媒の圧力損失を低減する。【解決手段】真円形状の冷媒出口４０ｂと冷媒入口４０ａとをＵ字の冷媒管４５で接続する冷媒出入口の接続構造４０では、冷媒管４５の夫々の端部開口の内側形状は真円形状であり、Ｕ字の湾曲部４５ｂにおいて、冷媒管軸線ＣＬに直交する冷媒管断面の内側形状が、真円形状から楕円形状に連続的に変化している。この接続構造４０では、湾曲部４５ｂの内側半分の楕円形状は、湾曲している冷媒管軸線ＣＬを含む平面と直交する第１方向を長軸とし、第１方向と直交する第２方向を短軸とする楕円の半円形状となっている。湾曲部４５ｂの外側半分の楕円形状は、第１方向を短軸とし、第２方向を長軸とする楕円の半円形状となっている。この接続構造４０では、冷媒管断面の面積が冷媒管の全長を通して一定である。【選択図】図２

Description

本明細書が開示する技術は、装置の筐体の一側面に設けられている真円形状の冷媒出口と冷媒入口とをＵ字に湾曲している冷媒管で接続する冷媒出入口の接続構造に関する。

自動車などに搭載されている装置の中には、筐体に収容された部品を冷やすために液体冷媒を使った冷却器を有しているものがある。筐体の内部に複数の冷却器を有する場合、２個の冷却器を連結する冷媒管を筐体内部ではなく筐体の外を通す場合がある（例えば、特許文献１）。特許文献１に開示されている装置では、装置筐体の一側面に冷媒出口と冷媒入口が設けられており、それらがＵ字形状に湾曲した冷媒管で接続されている。

特開２０１５−１０９３２２号公報

冷媒流の圧力損失を小さくするには、冷媒管の湾曲は緩やかであることが望ましい。しかし、筐体の外を通る冷媒管の湾曲を緩やかにすると、冷媒管が筐体から離れた箇所を通ることになる。筐体の外を通る冷媒管は、他の装置との干渉を避けるために、できるだけ筐体に近い場所を通すことが望ましい。しかし、筐体の近くを通すには、冷媒管のＵ字の湾曲部分の曲率半径を小さくしなければならない。冷媒管の湾曲部分の曲率半径を小さくすると内部で冷媒の剥離が生じ易くなる。冷媒の剥離は大きな圧力損失をもたらすので好ましくない。本明細書は、冷媒管を装置筐体から離れないように湾曲させることと、冷媒流の圧力損失を小さくすることの両立を図る技術を提供する。

本明細書は、装置の筐体の一側面に設けられている真円形状の冷媒出口と冷媒入口とをＵ字の冷媒管で接続する冷媒出入口の接続構造について開示する。この接続構造では、冷媒管の夫々の端部開口の内周形状が真円形状であり、Ｕ字の湾曲部において、冷媒管の軸線に直交する断面の内周形状が、真円形状から楕円形状に連続的に変化している。また、この接続構造では、湾曲部の内側半分の楕円形状は、湾曲している軸線を含む平面と直交する第１方向を長軸とし、第１方向と直交するとともに断面に平行な第２方向を短軸とする楕円の半円形状となっている。湾曲部の外側半分の楕円形状は、第１方向を短軸とし、第２方向を長軸とする楕円の半円形状となっている。この接続構造では、冷媒管の断面の面積が冷媒管の全長を通して一定である。Ｕ字の湾曲部分で冷媒管の断面形状を真円形状から上記した複合楕円形状に変化させることで、Ｕ字の湾曲の内側部分のカーブが滑らかになる。上記の冷媒管は、全長にわたって断面が真円形状の冷媒管と比較して、圧力損失が小さくなる。全長にわたって断面が真円形状の冷媒管を採用した場合は、冷媒管が装置筐体から離れるようにＵ字の湾曲を大きくしなければ圧力損失が小さくならない。そのような構造と比較して、本明細書が開示する接続構造では、Ｕ字の湾曲部分が筐体から遠くなるように緩やかな湾曲とすることなく、圧力損失を小さくすることができる。また、冷媒管の断面形状は変化するが断面の面積が全長にわたって一定であるので、断面の面積変化による流速変化がないことも、圧力損失を増大させないことに寄与する。

本実施形態の接続構造を有するインバータの分解斜視図である。 冷媒管の軸線を含む平面でカットしたインバータの一部断面図である。 冷媒管の湾曲部の断面形状を説明するための詳細図である。 冷媒管の内部の流速分布のシミュレーション結果である。図４（Ａ）は、比較例の冷媒管における流速分布を示す。図４（Ｂ）は、実施例の冷媒管における流速分布を示す。 比較例の冷媒管の形状と本実施例の冷媒管の形状を重ねた図である。

図１は、実施例の接続構造４０を有するインバータ２の分解斜視図である。インバータ２は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電流を昇圧して交流に変換する装置である。インバータ２は、電気回路としては、電圧コンバータ回路とインバータ回路とを含んでいる。インバータ２は、ハードウェアとしては、スイッチング素子、リアクトル、平滑コンデンサなどの電気部品のほか、スイッチング素子を冷却する冷却ユニット２０と、平滑コンデンサやリアクトルなどを冷却する冷却器１５を備えている。なお、図１では、リアクトルや平滑コンデンサ等の電気部品は図示を省略している。

図１に示すように、インバータ２の筐体１２は、上部筐体１２ａと下部筐体１２ｂに分かれている。上部筐体１２ａは、直方体の容器であり、この空間に冷却ユニット２０および図示していない平滑コンデンサ等が収納される。上部筐体１２ａの側面１４ａには、冷媒排出管７８が接続される貫通孔７６と、継手管３０が接続される貫通孔１６と、ボルト孔８２とが形成されている。貫通孔１６、７６のそれぞれは、側面１４ａに直交する軸を中心とする真円形状である。なお、本実施形態では、側面１４ａの法線方向をＸ軸と定義し、図１の左下をＸ軸正方向と定義する。Ｘ軸に直交する面をＹＺ平面とし、図１の鉛直上方向をＺ軸正方向と定義する。Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸をＹ軸と定義し、図１の右下方向をＹ軸正方向と定義する。後述する図２以降でのＸＹＺ軸は、図１のＸＹＺ軸と対応している。ボルト孔８２は、貫通孔１６から離れた位置に形成されている。ボルト孔８２にはボルトが挿入されるために、ボルト孔８２の内面には雌ネジ溝が形成されている。

上部筐体１２ａに収容される冷却ユニット２０は、半導体素子を内部に有する複数のパワーカード２２と、内部を冷媒が通過する複数の冷却プレート２１を備えている。複数のパワーカード２２と複数の冷却プレート２１は、一つずつ交互に積層されており、隣接する冷却プレート２１の間にパワーカード２２が挟まれている。隣接する冷却プレート２１は、連結管２５ａ、２５ｂで連結されている。Ｘ軸正方向の端の冷却プレート２１には、チューブ２３、２４が接続されている。チューブ２３はＸ方向からみて連結管２５ａと重なるように配置されており、チューブ２４は、Ｘ方向からみて連結管２５ｂと重なるように配置されている。チューブ２３を通じて液体の冷媒が冷却ユニット２０に供給される。チューブ２３から供給された冷媒は、連結管２５ａ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を通る間にパワーカード２２の熱を吸収する。熱を吸収した冷媒は、連結管２５ｂとチューブ２４を通じて冷却ユニット２０から排出される。

下部筐体１２ｂの外形状は、上部筐体１２ａと同じである。下部筐体１２ｂの内部には、冷却器１５（図２参照）が収納されている。下部筐体１２ｂには、リアクトル等の別の電気部品が収容され、冷却器１５がそれらの電気部品を冷却する。

下部筐体１２ｂには、上部筐体１２ａと同様に、Ｘ軸正方向側のＹＺ平面と平行な側面１４ｂに、冷媒管４５の下端が接続される貫通孔１７と、冷媒供給管７９が接続される貫通孔７７と、ボルト孔８３とが形成されている。上部筐体１２ａと下部筐体１２ｂとが結合すると、側面１４ａと側面１４ｂは一体で一つの側面１４となり、貫通孔１７は貫通孔１６のＺ軸負方向に位置する。同様に、貫通孔７７は、貫通孔７６のＺ軸負方向に位置する。ボルト孔８３は、貫通孔１７から離れた位置に形成されている。ボルト孔８３にはボルトが挿入されるため、ボルト孔８３の内面には雌ネジ溝が形成されている。

上部筐体１２ａの貫通孔１６には継手管３０を介してＵ字形状の冷媒管４５の上端が接続され、下部筐体１２ｂの貫通孔１７には冷媒管４５の下端が接続される。不図示の冷媒循環装置から供給される冷媒は、冷媒供給管７９を通じて下部筐体１２ｂの冷却器１５（図２参照）に流入する。冷却器１５を通過した冷媒は、下部筐体１２ｂの貫通孔１７から冷媒管４５を通り、継手管３０と上部筐体１２ａの貫通孔１６を通って冷却ユニット２０に供給される。冷却ユニット２０を通過した冷媒は、上部筐体１２ａの貫通孔７６を通じて筐体１２の外部へと排出される。排出された冷媒は、冷媒排出管７８を通じて冷媒循環装置（不図示）へと還流する。

インバータ２の筐体１２の一側面１４に４個の貫通孔１６、１７、７６、７７が設けられている。上記したように、貫通孔７７と１６は、冷媒の入り口であり、貫通孔１７と７６は、冷媒の出口である。貫通孔７７と１６は冷媒入口と称することができ、貫通孔１７と７６は冷媒出口と称することができる。冷媒出口である貫通孔１７と冷媒入口である貫通孔１６は、Ｕ字形状の冷媒管４５と継手管３０で接続されている。その構造を接続構造４０と称する。

継手管３０は、円筒状の形状を有し、円筒の一端にフランジを有する。継手管３０におけるフランジ以外の外周面は、貫通孔１６の内周面に嵌合するように形成されている。継手管３０は、貫通孔１６に嵌合したときに、フランジが上部筐体１２ａの側面１４ａに接するように形成される。

接続構造４０の主要部品である冷媒管４５は、その一端が貫通孔１７に接続され、他端が継手管３０を介して貫通孔１６に接続される。冷媒管４５は、貫通孔１７を通じて冷却器１５から排出される冷媒を、貫通孔１６を通じて上部筐体１２ａの内部の冷却ユニット２０へ導く。冷媒管４５の一端にはフランジ４２ａとリブ４１ａが設けられており、他端にはフランジ４２ｂとリブ４１ｂが設けられている。なお、本実施形態では、「Ｕ字」とは、内部を流れる冷媒の向きを１８０度反転させるために湾曲した部分を有する構造の形状を言う。

フランジ４２ａのＸ軸負方向側を向くフランジ面は、上部筐体１２ａの側面１４ａに接する。リブ４１ａは、フランジ４２ａからＺ軸正方向に延出している。リブ４１ａには、ボルト８１が貫通するための孔が形成されている。ボルト８１は、リブ４１ａの孔を通って、ボルト孔８２の雌ネジ溝に螺合する。これにより、上部筐体１２ａに対して冷媒管４５が固定される。

フランジ４２ｂのＸ軸負方向側を向くフランジ面は、下部筐体１２ｂの側面１４ｂに接する。リブ４１ｂは、フランジ４２ｂからＺ軸負方向に延出している。リブ４１ｂには、ボルト８１が貫通するための孔が形成されている。ボルト８１は、リブ４１ｂの孔を通って、ボルト孔８３の雌ネジ溝に螺合する。これにより、下部筐体１２ｂに対して冷媒管４５が固定される。

貫通孔１６と貫通孔１７は、図中のＺ軸方向で並んでいる。Ｕ字形状の冷媒管４５の軸線（冷媒管軸線）は、ＸＺ平面と平行な平面上の曲線となる。

図２は、冷媒管４５の軸線（冷媒管軸線ＣＬ）を含む平面でカットしたインバータ２の一部断面図である。図２に示すように、インバータ２では、冷媒が外部に漏れないように、樹脂製の複数のＯリングによって、各部材の連結部分が封止されている。具体的には、継手管３０のフランジと、筐体１２の側面１４との間にＯリング８６が配置されている。継手管３０の内周面と、冷媒管４５（上端部４５ａ）における継手管３０と嵌合する外周面との間にＯリング８７が配置されている。継手管３０の内周面と、冷却ユニット２０のチューブ２３との間にＯリング８５が配置されている。フランジ４２ｂと、側面１４との間にＯリング８８が配置されている。

図２に示すように、冷媒管４５は一方の端から他方の端まで一続きであるが、説明の便宜上、筐体１２の上側の貫通孔１６に接続されている上端部４５ａと、筐体１２の下側の貫通孔１７に接続されている下端部４５ｃと、上端部４５ａと下端部４５ｃの間でＵ字形状に湾曲している湾曲部４５ｂとに分割して説明する。図２の一点鎖線ＣＬは、先に述べた冷媒管軸線を表す。

冷媒管４５の上側の開口４０ａと、下側の開口４０ｂは、真円形状である。上端部４５ａと下端部４５ｃは、夫々、その全長にわたって、冷媒管軸線ＣＬに直交する断面が真円形状である。

湾曲部４５ｂは、その上側がＸ軸に平行な方向からＺ軸に平行な方向へほぼ直角に湾曲しており、下側でもＺ軸に平行な方向からＸ軸に平行な方向へほぼ直角に湾曲しており、全体がＵ字形状をなしている。湾曲部４５ｂの上端部４５ａとの境界、及び、下端部４５ｃとの境界では、冷媒管軸線ＣＬに直交する断面が真円形状である。一方、湾曲部の中央部分の断面は楕円である。湾曲部４５ｂの断面形状は、その湾曲している部分で真円から楕円へと連続的に変化している。

図３は、湾曲部４５ｂの断面形状を説明するための図である。図３は、湾曲部４５ｂの長手方向の中央を図中のＸＹ平面でカットした断面を示している。図３には、比較のため、上端部４５ａの開口４０ａの形状を破線で描いてある。なお、上端部４５ａの開口４０ａの形状（内周面の形状）は、真円形状である。下端部４５ｃの開口４０ｂの内周面の形状は、上端部４５ａの開口４０ｂと同一である。

図３に示すように、冷媒管４５の上端の開口４０ａと冷媒管４５の下端の開口４０ｂは、半径ｒとする真円形状である。一方、冷媒管４５の長手方向の中央部分での断面の内周形状は、楕円形状である。より詳しくは、冷媒管４５の中央部分での断面の内周形状は、Ｕ字の湾曲の内側（即ち筐体１２に近い側）と、Ｕ字の湾曲の外側（即ち筐体１２から遠い側）とで、楕円の形状が異なっている複合楕円形状である。

内側の半分の楕円は、湾曲している冷媒管軸線ＣＬを含む平面（即ち、ＸＺ平面）に直交する第１方向（Ｙ方向）を直径２ｒの長軸とし、その楕円を含む面内でＹ軸と直交する第２方向を短軸とする楕円の半円である。当然に、短軸における半径ａ１は長軸における半径ｒよりも小さい。外側の半分の楕円は、湾曲している冷媒管軸線ＣＬを含む平面（即ち、ＸＺ平面）に直交する第１方向（Ｙ方向）を直径２ｒの短軸とし、その楕円を含む面内でＹ軸と直交する第２方向を長軸とする楕円の半円である。当然に、長軸における半径ａ２は短軸における半径ｒよりも大きい。

湾曲部４５ｂの端部においてはａ１＝ａ２＝ｒであり、端部の内周の形状は真円形状である。湾曲部４５ｂの端部から中心に向かってａ１はｒから徐々に小さくなり、ａ２は逆にｒから徐々に大きくなる。別言すれば、Ｕ字の湾曲部４５ｂにおいて、冷媒管断面の内周形状が真円から楕円に連続的に変化している。そして、長さａ１、ａ２は、複合楕円の面積が、冷媒管４５の端部の開口４０ａ、４０ｂの真円の面積と等しくなるように設定されている。長さａ１、ａ２は、楕円の面積の公式から容易に導くことができる。

冷媒管断面の内周形状が真円から複合楕円に連続的に変化していることによって、湾曲部４５ｂでの圧力損失を、内周形状が真円の場合と比較して小さくすることができる。このことを、図４の流速分布のシミュレーション結果を参照しつつ説明する。図４（Ａ）は、冷媒管の全長にわたって断面が真円形状の冷媒管（比較例の冷媒管１４５）における流速分布のシミュレーション結果を示している。図４（Ｂ）は、本実施例の冷媒管４５における流速分布のシミュレーション結果を示している。冷媒は、図の冷媒管の下側の開口から入り、上側の開口から出る。流速の相違をドットハッチングの濃さで表してある。ハッチングが薄いほど、流速が早い。

比較例の冷媒管１４５（図４（Ａ））では、ポイントＡ１の上流側にドットハッチングが薄い領域Ａ２（即ち流速が大きい領域）があり、ポイントＡ１の直後でドットハッチングが濃い領域Ａ３（即ち流速が小さい領域）がある。この流速の急激な変化は、ポイントＡ１の直後で剥離が生じていることを意味している。一方、実施例の冷媒管４５の場合（図４（Ｂ））、図４（Ａ）のポイントＡ１に対応するポイントＢ１の直後の領域Ｂ３のドットハッチングが図４（Ａ）の場合よりも薄い。即ち、ポイントＢ１の直後の領域Ｂ３における流速は図４（Ａ）の場合よりも早い。このことは、剥離が解消されたことを示している。比較例の冷媒管１４５で生じていた剥離が実施例の冷媒管４５では解消されている。よって、実施例の冷媒管４５における圧力損失は、比較例の冷媒管１４５における圧力損失よりも小さい。なお、ポイントＢ１の直前の領域Ｂ２の範囲とドットハッチングの濃度は、図４（Ａ）の場合と同等である。即ち、ポイントＢ１直前の状態は、図４（Ａ）の場合と大きな差はない。

図５は、実施例の冷媒管４５と比較例の冷媒管１４５の内周の輪郭線を重ねた図である。実線が実施例の冷媒管４５の内周輪郭線を示しており、破線が比較例の冷媒管１４５の内周輪郭線を示している。実施例の冷媒管４５は、筐体１２から遠い側（図の左側）では、冷媒管４５のＸＺ面内での半径（即ち、上記した長さａ２）が比較例の冷媒管１４５の半径ｒよりも大きいので、その分、冷媒管４５が筐体１２から遠い側に膨らんでいる。しかし、冷媒管軸線ＣＬは、実施例の冷媒管４５と比較例の冷媒管１４５で一致する。実施例の冷媒管４５は、全長にわたって断面内周が真円の冷媒管１４５に対して、冷媒管軸線ＣＬの位置を変えずに圧力損失を小さくできている。特に、Ｕ字の湾曲の内側の半円形状を真円形状から、上記した第２方向を短軸とする楕円形状とすることによって、Ｕ字の内側での湾曲の始まり位置の曲率が小さくなる。図５のポイントＡは、比較例の冷媒管１４５における湾曲の始まりの位置を示しており、ポイントＢは、実施例の冷媒管４５における湾曲の始まりの位置を示している。ポイントＡにおける曲率よりもポイントＢにおける曲率が小さくなっている。Ｕ字の湾曲の始まりの位置の曲率が小さいことが、剥離の抑制に寄与している。実施例の冷媒管４５は、冷媒管を筐体１２から大きく離れた位置を通過させることなく、圧力損失を小さくできる。

以上説明したように、インバータ２の筐体１２の側面１４に設けられている２個の貫通孔１６、１７を接続する接続構造４０は、冷媒管軸線ＣＬに直交する断面の内周形状が、真円から複合楕円に連続的に変化する冷媒管４５を採用している。冷媒管４５はＵ字形状に湾曲している。冷媒管４５の夫々の端部の開口４０ａ、４０ｂの内周形状は、直径２ｒの真円形状である。Ｕ字の湾曲部４５ｂにおいて、冷媒管軸線ＣＬに直交する冷媒管断面の内周形状が、真円形状から楕円形状に連続的に変化している。湾曲部４５ｂの内側半分の楕円形状は、湾曲している冷媒管軸線ＣＬを含む平面（ＸＺ平面）と直交する第１方向を長さ２ｒ長軸とし、第１方向と直交する第２方向を短軸とする楕円の半円形状となっている。湾曲部４５ｂの外側半分の楕円形状は、第１方向を長さ２ｒの短軸とし、第２方向を長軸とする楕円の半円形状になっている。そして、冷媒管断面の面積が冷媒管４５の全長を通して一定である。

実施例の接続構造４０では、全長にわたって断面の内周形状が真円である冷媒管と比較して、冷媒管を筐体から大きく離すことなく、圧力損失を小さくすることができる。

上記実施例では、接続構造４０を含むインバータ２を一例として説明したが、接続構造４０が冷媒を接続する装置については、種々変形可能である。例えば、接続構造４０が用いられる装置は、インバータ２以外の装置であってもよい。

上記実施例では、接続構造４０は、フランジ４２ａやリブ４１ａを有したが、接続構造４０が有する構成については種々変形可能である。接続構造４０は、フランジ４２ａやリブ４１ａを有する必要はなく、断面が真円形状である上端の開口４０ａと、断面が真円形状である下端の開口４０ｂと、断面が複合楕円形状である湾曲部４５ｂとを有していればよい。

上記実施形態でいう「真円」および「楕円」については、多少の誤差を有する真円や楕円を含む。

実施例の筐体１２の貫通孔１７が冷媒出口の一例であり、貫通孔１６が冷媒入口の一例である。

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
１２…筐体
１２ａ…上部筐体
１２ｂ…下部筐体
１５…冷却器
１６、１７、７６、７７…貫通孔
２０…冷却ユニット
２１…冷却プレート
２２…パワーカード
２３、２４…チューブ
２５…連結管
３０…継手管
４０…接続構造
４０ａ…流入開口部
４０ｂ…流出開口部
４１ａ、４１ｂ…リブ
４２ａ、４２ｂ…フランジ部
４５…冷媒管
４５ａ…上端部
４５ｂ…湾曲部
４５ｃ…下端部
７８…冷媒排出管
７９…冷媒供給管
８１…ボルト
８２、８３…ボルト孔
８５、８６、８７、８８…Ｏリング

Claims (1)

1. 装置の筐体の一側面に設けられている真円形状の冷媒出口と冷媒入口をＵ字に湾曲している冷媒管で接続する冷媒出入口の接続構造であり、
   前記冷媒管の夫々の端部開口の内周形状は真円形状であり、
   Ｕ字の湾曲部において、前記冷媒管の軸線に直交する断面の内周形状が、真円形状から楕円形状に連続的に変化しており、
   前記湾曲部の内側半分の前記楕円形状は、湾曲している前記軸線を含む平面と直交する第１方向を長軸とし、前記第１方向と直交する第２方向を短軸とする楕円の半円形状となっており、前記湾曲部の外側半分の前記楕円形状は、前記第１方向を短軸とし、前記第２方向を長軸とする楕円の半円形状となっており、
   前記断面の面積が前記冷媒管の全長を通して一定である、接続構造。