JP2019013111A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却器に対する導入側及び排出側の各冷媒通路の圧力損失を低減すること。【解決手段】電力変換装置１０は、冷却器５１と、この冷却器５１へ冷媒を導入する導入側冷媒通路６４と、前記冷却器５１から冷媒を排出する排出側冷媒通路６５とを備える。前記導入側及び排出側冷媒通路６４、６５を流れる冷媒の流れ方向は、前記冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに対して、異なっている。前記冷却器５１と前記導入側及び排出側冷媒通路６４、６５は、前記筐体２０に有する溝部２３と、この溝部２３の開放面を塞ぐ蓋部５３とからなる。この蓋部５３は、前記導入側及び排出側冷媒通路６４、６５の各位置において、前記溝部２３へ突出した突出部７１，７１を有する。この突出部７１，７１は、冷媒の流れ方向を転換する。前記溝部２３は、前記突出部７１，７１に対向する部位に、冷媒の流れ方向を転換する斜面部７２，７２を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の改良技術に関する。

電力変換装置は、例えばバッテリとモータとの間に配置されており、バッテリに貯えられている電力を制御してモータへ供給する。ハイブリッド車両や電動車両に搭載される電力変換装置、つまりＰＣＵ（パワーコントロールユニット）を構成する多くの子ユニット（例えばパワーモジュールやリアクトル）は発熱し、その影響によって性能を損なう懸念をもつため、冷却構造は必須となる。このような冷却技術は各種提案されてきた（例えば、特許文献１）

特許文献１で知られている冷却装置は、平面状の上板と下板とを有する、扁平状の筐体の上にパワーデバイスを実装している。筐体は冷却器に相当する。筐体の上板には、この冷媒の導入孔と排出孔が設けられている。冷媒導入パイプや冷媒排出パイプは、上板に沿って延び、且つ角断面に形成されてなり、先端を閉鎖している。導入パイプや排出パイプにおいて、各先端の近傍には、外周面にそれぞれ孔が設けられている。これらの孔は、導入孔と排出孔にそれぞれ接続されている。冷媒は、水平な冷媒導入パイプの外周面の孔から下方へ流れ、導入孔を通って筐体に入り、この筐体の中の冷媒流路を水平に流れる。

ここで、冷媒導入パイプ内の先端部分から、導入孔を通って筐体の冷媒流路へ至る、冷媒の経路のことを、導入側冷媒通路という。また、筐体の冷媒流路から排出孔とを通って冷媒導入パイプ内の先端部分へ至る、冷媒の経路のことを、排出側冷媒通路という。導入側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と、排出側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向とは、筐体を流れる冷媒の流れ方向に対して、大きく異なっている。このため、筐体に対する導入側及び排出側の各冷媒通路の圧力損失は、大きい。

特開２０１０−２５８０２２号公報

本発明は、冷却器に対する導入側及び排出側の各冷媒通路の圧力損失を低減することができる技術を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、電子部品を冷却する冷却器と、この冷却器へ冷媒を導入する導入側冷媒通路と前記冷却器から冷媒を排出する排出側冷媒通路と、前記冷却器と前記導入側冷媒通路と前記排出側冷媒通路とを収容する筐体と、を備え、
前記導入側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と、前記排出側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向とが、前記冷却器を流れる冷媒の流れ方向に対して異なっている、電力変換装置において、
前記導入側冷媒通路と前記冷却器と前記排出側冷媒通路とは、前記筐体に有した溝部と、この溝部の開放面を塞ぎつつ前記筐体に取り付けられた蓋部とからなり、
この蓋部は、前記導入側冷媒通路と前記排出側冷媒通路の各位置において、前記溝部の内部へ突出した突出部を有し、
この突出部は、冷媒の流れ方向を転換する転換部材であり、
前記溝部は、前記突出部に対向する部位に、前記突出部に沿って冷媒の流れ方向を転換する斜面部を有している、ことを特徴とする。

請求項２に係る発明では、前記突出部の形状は、前記突出部の先端側から見て扇状（fan-shaped）であることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、前記筐体と前記突出部とは、前記筐体に対する前記突出部の位置決め部を有していることを特徴とする。

請求項４に係る発明では、前記突出部は、前記溝部に対向する面に、前記溝部を流れる冷媒を案内するフィンを有していることを特徴とする。

請求項１に係る発明では、冷却器へ冷媒を導入する「導入側冷媒通路」と、冷却器から冷媒を排出する「排出側冷媒通路」は、溝部と、この溝部の開放面を塞ぐ蓋部とからなる。蓋部から溝部の内部へ突出した突出部と、この突出部に沿うように溝部に有した斜面部とにより、導入側冷媒通路及び排出側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向を転換することができる。

このため、冷却器に対する導入側及び排出側の冷媒の流れ方向を、冷却器を流れる冷媒の流れ方向に合わせて、滑らかな流れにすることができる。この結果、冷却器に対する導入側及び排出側の各冷媒通路の、圧力損失を極力低減することができる。電力変換装置へ冷媒を送る冷媒ラインのポンプの負荷を、軽減することができる。しかも、導入側及び排出側の冷媒の流れ方向が、冷却器を流れる冷媒の流れ方向に合わせて、滑らかな流れとなるので、各冷媒通路に冷媒が滞留しにくくなるとともに、各冷媒通路に空気溜まりが発生しにくい。冷却器の冷却効率を高めることができる。

請求項２に係る発明では、突出部の形状は、突出部の先端側から見て扇状（fan-shaped）である。このため、導入側冷媒通路から冷却器へ向かう冷媒の流れを、冷却器に合わせて徐々に広げることができる。また、冷却器から排出側冷媒通路へ向かう冷媒の流れを、冷却器に合わせて徐々に狭めることができる。導入側冷媒通路及び排出側冷媒通路での、冷媒の滞留を低減することができる。この結果、冷却器に対する導入側及び排出側の各冷媒通路の、圧力損失を一層低減することができる。

請求項３に係る発明では、筐体と突出部とは、筐体に対する突出部の位置決め部を有している。このため、筐体に突出部を組み付けるときに、位置決め部によって、筐体に突出部を案内して、筐体に対する突出部の位置決めをすることができる。

請求項４に係る発明では、突出部は、溝部に対向する面に、溝部を流れる冷媒を案内するフィンを有している。このため、導入側冷媒通路から冷却器へ向かう冷媒の流れや、冷却器から排出側冷媒通路へ向かう冷媒の流れを、フィンによって案内することにより、整流することができる。冷却器に対する導入側及び排出側の各冷媒通路の、圧力損失を一層低減することができる。

本発明による電力変換装置の模式的な断面図である。 図１に示される電力変換装置の分解図である。 図１に示される要部の詳細図であり、（ａ）は導入側冷媒通路周りの断面構成を示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）に示される突出部の平面図である。 図３に示される導入側冷媒通路周りの変形例図であり、（ａ）は導入側冷媒通路周りの断面構成を示す図、（ｂ）は（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）に示される突出部の平面図である。

本発明を実施するための形態を添付図に基づいて以下に説明する。

図１及び図２に示されるように、電力変換装置１０は、筐体２０を有している。この筐体２０は、パワーモジュール３３を冷却する第１冷却器３０と、電子部品５７を冷却する第２冷却器５１とを備える。以下、電力変換装置１０を詳しく説明する。

筐体２０は、一体形成されてなる区画板２１によって、第１室２２と第２室２３とに分離している。例えば、第１室２２は第２室２３の真上に位置する。

第１室２２は、区画板２１に対して反対側の開放端を、冷媒ジャケット３０によって塞がれている。冷媒ジャケット３０は、第１室２２にボルト３１によって取り外し可能に装着された、概ね平坦な部材であり、内部に第１冷却器３２を備える。冷媒ジャケット３０の外面には、パワーモジュール３３が実装されている。第１冷却器３２は、パワーモジュール３３を冷却するように、冷媒ジャケット３０内に形成されてなる冷媒通路である。この第１冷却器３２の出入り口は、Ｏリング等のシール部材３４，３４によってシールされている。

第１室２２には、第１子ユニット４１が収容されている。この第１子ユニット４１は、区画板２１にボルト４２によって取り外し可能に装着された基盤４３と、この基盤４３に実装された電子部品４４（例えば平滑コンデンサ・リアクトル・ＤＣ−ＤＣコンバータ・放電抵抗など）と、によって構成されている。冷媒ジャケット３０とパワーモジュール３３は、第１カバー４５によって覆われている。この第１カバー４５は、筐体２０にボルト４６によって取り外し可能に装着されている。

第２室２３は、区画板２１に対して反対側（下側）を開放した溝部によって、構成されている。以下、第２室２３のことを、適宜「溝部２３」と言い換えることにする。

筐体２０には、溝部２３の開放端の縁に沿った平坦な座面５４が形成されてなる。溝部２３は、区画板２１に対して反対側の開放端を、蓋部５３によって塞がれている。つまり、この蓋部５３は、この座面５４に重ねられ且つボルト５５によって取り外し可能に装着されている。蓋部５３と座面５４との間は、Ｏリング等のシール部材５６によってシールされている。

蓋部５３は、電子部品５７，５７（例えば平滑コンデンサ・リアクトル・ＤＣ−ＤＣコンバータ・放電抵抗など）を実装する実装面５３ａに対して反対側の面５３ｂ（溝部２３に対向する面５３ｂ）に、複数の冷却フィン５３ｃを形成されてなる。この複数の冷却フィン５３ｃは、溝部２３内へ延びている。蓋部５３を交換するだけで冷却フィン５３ｃの形状の変更が可能となり、電力変換装置１０の汎用性が高くなる。

蓋部５３と電子部品５７，５７は、第２カバー５８によって覆われている。この第２カバー５８は、筐体２０にボルト５９によって取り外し可能に装着されている。

筐体２０には、外部から第２冷却器５１へ冷媒を導入する冷媒入口６１と、第２冷却器５１から第１冷却器３０へ冷媒を流す接続冷媒路６２と、第１冷却器３０から外部へ冷媒を排出する冷媒出口６３とが設けられている。冷媒入口６１は、導入側冷媒通路６４を介して第２冷却器５１に連通している。第２冷却器５１は、排出側冷媒通路６５を介して接続冷媒路６２に連通している

導入側冷媒通路６４と第２冷却器５１と排出側冷媒通路６５とは、筐体２０に有した溝部２３と、この溝部２３の開放面を塞ぎつつ筐体２０に取り付けられた蓋部５３とからなる、一連の冷媒通路である。

このように、筐体２０は、第２冷却器５１と導入側冷媒通路６４と排出側冷媒通路６５とを収容している。

図１に示されるように、冷媒入口６１から供給された冷媒（例えば冷却水）は、導入側冷媒通路６４、第２冷却器５１、排出側冷媒通路６５、接続冷媒路６２、及び第１冷却器３２の経路を流れて、冷媒出口６３から排出される。第１冷却器３２を流れた冷媒は、冷媒ジャケット３０を通してパワーモジュール３３を直接に冷却する。第２冷却器５１を流れた冷媒は、複数の冷却フィン５３ｃ及び蓋部５３を通して電子部品５７を直接に冷却する。このように、第１冷却器３２はパワーモジュール３３を冷却する。第２冷却器５１は電子部品５７を冷却する。第１室２２が第１冷却器３２と第２冷却器５１とによって囲まれているので、第１室２２内の雰囲気温度を下げることができる。このため、第１室２２に配置される電子部品４４を、間接的に冷却することができる。

ところで、図１に示されるように、導入側冷媒通路６４を流れる冷媒の流れ方向と、排出側冷媒通路６５を流れる冷媒の流れ方向は、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに対して異なっている。

より具体的には、第２冷却器５１の内部を流れる冷媒の流れ方向Ａｆは、概ね水平方向である。冷媒入口６１は、第２冷却器５１から上位にオフセットしている。このため、溝部２３の深さ、つまり第２室２３の座面５４から区画板２１までの深さは、第２冷却器５１の位置よりも、導入側冷媒通路６４の位置の方が深い。このままでは、冷媒入口６１から導入側冷媒通路６４を通って第２冷却器５１へ流れる、冷媒の流れ方向が、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに対して概ね直角方向となり、圧力損失が大きい。

また、第２冷却器５１から第１冷却器３０へ冷媒を流す接続冷媒路６２は、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに対して概ね直角方向へ延びている。このままでは、第２冷却器５１から排出側冷媒通路６５を通って接続冷媒路６２へ流れる、冷媒の流れ方向が、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに対して概ね直角方向となり、圧力損失が大きい。

これに対して本発明では、図１に示されるように、蓋部５３は、導入側冷媒通路６４と排出側冷媒通路６５の各位置において、それぞれ溝部２３の内部へ突出した突出部７１，７１を有する。この突出部７１，７１は、冷媒の流れ方向を転換する転換部材である。溝部２３は、突出部７１，７１に対向する部位に、突出部７１，７１に沿って冷媒の流れ方向を転換する斜面部７２，７２を有している。

導入側冷媒通路６４における、突出部７１と斜面部７２とを、代表して更に詳しく説明する。図３（ａ）は導入側冷媒通路周りの断面構成を示している。図３（ｂ）は図３（ａ）のｂ−ｂ線に沿った断面を示している。図３（ｃ）は図３（ａ）に示される突出部の平面構成を示している。

図１〜図３に示されるように、突出部７１の先端７１ａは、冷媒入口６１の下縁近傍に位置した平坦面、又は尖り先である。突出部７１の輪郭は、冷媒入口６１から導入した冷媒を、第２冷却器５１へ向かって斜め下方へ案内するように、先端７１ａから下方へ傾斜した形状である。また、斜面部７２の輪郭は、突出部７１の輪郭に沿った傾斜面である。

なお、図１及び図２に示されるように、排出側冷媒通路６５における突出部７１の先端は、排出側冷媒通路６５の縁に沿った尖り先である。

以上の説明をまとめると、次の通りである。図１〜図３に示されるように、蓋部５３から溝部２３の内部へ突出した突出部７１，７１と、この突出部７１，７１に沿うように溝部２３に有した斜面部７２，７２とにより、導入側冷媒通路６４及び排出側冷媒通路６５を流れる冷媒の流れ方向を転換することができる。このため、第２冷却器５１（冷却器５１）に対する導入側及び排出側の冷媒の流れ方向を、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに合わせて、滑らかな流れにすることができる。この結果、第２冷却器５１に対する導入側及び排出側の各冷媒通路６４，６５の、圧力損失を極力低減することができる。電力変換装置１０へ冷媒を送るための、図示せぬ冷媒ラインのポンプの負荷を軽減することができる。

しかも、導入側及び排出側の冷媒の流れ方向が、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに合わせて、滑らかな流れとなるので、各冷媒通路に冷媒が滞留しにくい。各冷媒通路に空気溜まりが発生しにくい。第２冷却器５１の冷却効率を高めることができる。

図３（ａ）〜（ｃ）に示されるように、導入側冷媒通路６４における突出部７１の形状は、この突出部７１の先端７１ａ側から見て扇状（fan-shaped）である。このため、導入側冷媒通路６４から第２冷却器５１へ向かう冷媒の流れを、第２冷却器５１に合わせて徐々に広げることができる。

同様に、図１に示される排出側冷媒通路６５における突出部７１の形状も、この突出部７１の先端側から見て扇状（fan-shaped）である。このため、第２冷却器５１から排出側冷媒通路６５へ向かう冷媒の流れを、第２冷却器５１に合わせて徐々に狭めることができる。

導入側冷媒通路６４及び排出側冷媒通路６５での、冷媒の滞留を低減することができる。この結果、第２冷却器５１に対する導入側及び排出側の各冷媒通路６４，６５の、圧力損失を一層低減することができる。複数の冷却フィン５３ｃは、第２冷却器５１を流れる冷媒の流れ方向Ａｆに延びている。

＜変形例＞
変形例の電力変換装置１０Ａを図４（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。変形例の電力変換装置１０Ａは、上記図３（ａ）〜（ｃ）に示される実施例の電力変換装置１０を、図４（ａ）〜（ｃ）に示される構成に変更したことを特徴とし、その他の構成は、図１〜図３に示される実施例の電力変換装置１０と同じである。図４（ａ）は前記図３（ａ）に対応している。図４（ｂ）は前記図３（ｂ）に対応している。図４（ｃ）は前記図３（ｃ）に対応している。

筐体２０と、導入側冷媒通路６４における突出部７１とは、筐体２０に対する突出部７１の位置決め部８１，８２を有している。例えば、筐体２０は雄位置決め部８１を有し、突出部７１は雌位置決め部８２を有する。排出側冷媒通路６５（図１参照）における突出部７１についても、同様である。このため、筐体２０に突出部７１，７１を組み付けるときに、それぞれ位置決め部８１，８２によって、筐体２０に突出部７１，７１を案内して、筐体２０に対する突出部７１，７１の位置決めをすることができる。

さらに、導入側冷媒通路６４における突出部７１は、溝部２３に対向する面に、溝部２３を流れる冷媒を案内する複数のフィン８３を有している。排出側冷媒通路６５（図１参照）における突出部７１についても、同様である。このため、導入側冷媒通路６４から第２冷却器５１へ向かう冷媒の流れや、第２冷却器５１から排出側冷媒通路６５へ向かう冷媒の流れを、複数のフィン８３によって案内することによって、整流することができる。この結果、第２冷却器５１に対する導入側及び排出側の各冷媒通路６４，６５の、圧力損失を一層低減することができる。

なお、本発明では、電力変換装置１０，１０Ａは、電動車両や、いわゆるハイブリッド車両に搭載される他、舶用や一般産業用に供することもできる。
また、導入側冷媒通路６４及び排出側冷媒通路６５は、第２冷却器５１の一部を兼ねることが可能である。
また、図１に示される第１カバー４５と第２カバー５８の有無は任意である。

本発明は、車両に搭載される電力変換装置に好適である。

１０…電力変換装置、１０Ａ…電力変換装置、２０…筐体、２３…溝部（第２室）、５１…冷却器（第２冷却器）、５３…蓋部、５７…電子部品、６４…導入側冷媒通路、６５…排出側冷媒通路、７１…突出部、７１ａ…先端、７２…斜面部、８１…雄位置決め部、８２…雌位置決め部、８３…フィン、Ａｆ…第２冷却器を流れる冷媒の流れ方向。

Claims (4)

1. 電子部品を冷却する冷却器と、この冷却器へ冷媒を導入する導入側冷媒通路と前記冷却器から冷媒を排出する排出側冷媒通路と、前記冷却器と前記導入側冷媒通路と前記排出側冷媒通路とを収容する筐体と、を備え、
   前記導入側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向と、前記排出側冷媒通路を流れる冷媒の流れ方向とが、前記冷却器を流れる冷媒の流れ方向に対して異なっている、電力変換装置において、
   前記導入側冷媒通路と前記冷却器と前記排出側冷媒通路とは、前記筐体に有した溝部と、この溝部の開放面を塞ぎつつ前記筐体に取り付けられた蓋部とからなり、
   この蓋部は、前記導入側冷媒通路と前記排出側冷媒通路の各位置において、前記溝部の内部へ突出した突出部を有し、
   この突出部は、冷媒の流れ方向を転換する転換部材であり、
   前記溝部は、前記突出部に対向する部位に、前記突出部に沿って冷媒の流れ方向を転換する斜面部を有している、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記突出部の形状は、前記突出部の先端側から見て扇状であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記筐体と前記突出部とは、前記筐体に対する前記突出部の位置決め部を有していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記突出部は、前記溝部に対向する面に、前記溝部を流れる冷媒を案内するフィンを有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電力変換装置。

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