JP2023163720A - 電子機器ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】第１の電子部品を効率良く冷却できる電子機器ユニットを提供すること。【解決手段】電子機器ユニット１００の電力変換部１０は、基板２０と、基板２０に実装されるスイッチング素子３０と、トランス４０と、を備える。電子機器ユニット１００は、電力変換部１０を冷却するための冷却部１１を有する。トランス４０は、基板２０と冷却部１１との間に設けられる。また、電子機器ユニット１００は、トランス４０に対し、冷却部１１に向かう方向に付勢力を与える付勢部材５０と、付勢部材５０よりも剛性が低く、かつ、熱伝導性が高い金属製の材料で形成され、スイッチング素子３０から発生する熱を吸収するとともに冷却部１１によって冷却される金属部材６０と、を備える。電子機器ユニット１００において、冷却部１１、トランス４０、金属部材６０、基板２０の順に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器ユニットに関する。

特許文献１に開示の電子機器は、スイッチング素子及びコイルが実装された基板と、基板の取り付けられた金属製のケースと、コイルとケースとの間に介在する伝熱部材と、を備える。伝熱部材は、コイルとケースの底壁との間に挿入されている。電子機器では、ケースの底壁、伝熱部材、コイル、及び基板の順に配置されるとともに、互いに密着している。コイルとスイッチング素子は、基板に形成された導電パターンによって接続されている。また、コイルは、巻線と、巻線を内包するコア材と、を備える。

スイッチング素子から発生した熱は、導電パターンに伝わる。導電パターンに伝わった熱は、コイルに伝わる。コイルに伝わった熱は、巻線を介してコイルのコア材に伝わる。そして、コア材に伝わった熱は、伝熱部材に伝わるとともに、伝熱部材からケースに伝わる。その結果、スイッチング素子が冷却される。

特開２００８－２１１０４３号公報

しかし、コア材の放熱性能が低いため、スイッチング素子で発生した熱をコア材を介してケースに伝えるだけでは、スイッチング素子を十分に冷却できない。

上記問題点を解決するための電子機器ユニットは、基板と、前記基板に実装される第１の電子部品と、第２の電子部品と、を備える電力変換部と、当該電力変換部を冷却するための冷却部とを有し、前記基板と前記冷却部との間に前記第２の電子部品が設けられる電子機器ユニットであって、前記第２の電子部品に対し、前記冷却部に向かう方向に付勢力を与える付勢部材と、前記付勢部材よりも剛性が低く、かつ、熱伝導性が高い金属製の材料で形成され、前記第１の電子部品から発生する熱を吸収するとともに前記冷却部によって冷却される金属部材と、を備え、前記冷却部、前記第２の電子部品、前記金属部材、前記基板の順に配置されることを要旨とする。

これによれば、金属部材は、第１の電子部品から発生する熱を吸収するとともに冷却部によって冷却される。したがって、第１の電子部品を効率良く冷却できる。
電子機器ユニットについて、前記付勢部材と前記金属部材とは、同一の締結部材によって前記冷却部に締結されていてもよい。

これによれば、付勢部材及び金属部材の双方を一括して冷却部に締結できる。付勢部材と金属部材を別々に冷却部に締結する場合と比べると、付勢部材及び金属部材の締結作業が容易になる。

電子機器ユニットについて、前記基板と前記金属部材との間には放熱部材が設けられていてもよい。
これによれば、第１の電子部品から発生した熱は、基板及び放熱部材を介して金属部材に伝わる。基板と金属部材の離間距離が、予め設定された値から異なっても、放熱部材によって差異を吸収できる。

本発明によれば、第１の電子部品を効率良く冷却できる。

実施形態の電子機器ユニットを示す断面図である。 実施形態の電子機器ユニットを示す平面図である。

以下、電子機器ユニットを具体化した一実施形態を図１～図２にしたがって説明する。
＜電子機器ユニット＞
図１及び図２に示すように、電子機器ユニット１００は、電力変換部１０と、電力変換部１０を冷却するための冷却部１１と、付勢部材５０と、金属部材６０と、を有する。

＜冷却部＞
冷却部１１は、例えば、アルミニウムで形成されている。冷却部１１は、冷却面１２ｂを有する本体部１２と、冷却面１２ｂから突出する複数の第１ボス１３及び複数の第２ボス１４と、を備える。本体部１２には、冷媒流路１２ａが設けられている。冷媒流路１２ａには冷媒が流れる。冷媒は、空気のような気体状のものであってもよいし、冷却水のような液体状のものであってもよい。冷媒によって本体部１２が冷却されるため、第１ボス１３及び第２ボス１４も冷却される。

第１ボス１３及び第２ボス１４の各々は筒状である。第１ボス１３は先端面１３ａを備えるとともに、第２ボス１４は先端面１４ａを備える。第１ボス１３には、先端面１３ａから冷却面１２ｂに向かって延設する図示しない雌ねじが形成されている。第２ボス１４には、先端面１４ａから冷却面１２ｂに向かって延設する図示しない雌ねじが形成されている。冷却面１２ｂから第１ボス１３の先端面１３ａまでの長さは、冷却面１２ｂから第２ボス１４の先端面１４ａまでの長さより長い。複数の第１ボス１３の先端面１３ａには、後述の基板２０が載置されているとともに、各第１ボス１３の雌ねじには、基板２０を貫通した基板用締結部材１５がねじ込まれている。これにより、基板２０は、冷却部１１に締結されている。

複数の第２ボス１４は、後述する第２の電子部品としてのトランス４０を挟む位置に配置されている。複数の第２ボス１４の先端面１４ａには、後述する付勢部材５０及び金属部材６０が載置されているとともに、各第２ボス１４の雌ねじには、付勢部材５０及び金属部材６０を貫通した締結部材７０がねじ込まれている。これにより、付勢部材５０及び金属部材６０は、締結部材７０によって一括して冷却部１１に締結されている。したがって、付勢部材５０及び金属部材６０は、冷却部１１によって冷却される。

＜電力変換部＞
電力変換部１０は、例えばＤＣ－ＤＣコンバータである。電力変換部１０は、基板２０と、第１の電子部品としての複数のスイッチング素子３０と、第２の電子部品としてのトランス４０と、を備える。なお、電力変換部１０は、スイッチング素子３０及びトランス４０の他に、図示しない平滑コンデンサ、整流回路等を備える。

＜基板及びスイッチング素子＞
基板２０は、第１実装面２１と、第２実装面２２と、を備える。第１実装面２１と第２実装面２２とは、基板２０の板厚方向に互いに反対となる面である。第１実装面２１には、スイッチング素子３０が実装されている。すなわち、スイッチング素子３０は、第１実装面２１に設けられた図示しない配線パターンに接続されている。基板２０の第２実装面２２は、トランス４０の後述する巻線４１が接続される図示しない配線パターンを備える。

基板２０は、前述の複数の第１ボス１３の先端面１３ａに載置されている。すなわち、基板２０の第２実装面２２のうち、第１ボス１３の先端面１３ａに載置された部位は、冷却部１１に接触している。基板２０の第２実装面２２のうち、第１ボス１３の先端面１３ａに載置された部位以外は、冷却部１１から離間している。

＜トランス＞
トランス４０は、基板２０と冷却部１１との間に設けられている。すなわち、トランス４０は、第２実装面２２と、冷却部１１の冷却面１２ｂとの間に設けられている。トランス４０は、巻線４１と、巻線４１が巻かれる磁性材製のコア４２と、を備える磁性部品である。コア４２は、ＥＩコアである。コア４２は、第１コア４４と、第２コア４５と、を備える。第１コア４４は、Ｉコアである。第１コア４４は平板状である。第１コア４４は、第１面４４ａと、第２面４４ｂと、を備える。第１面４４ａと第２面４４ｂとは、第１コア４４の板厚方向に互いに反対となる面である。第１面４４ａは、冷却面１２ｂに接触している。したがって、トランス４０は、冷却部１１に載置されており、冷却部１１によって冷却される。なお、第１コア４４の第１面４４ａと、冷却面１２ｂとの間には放熱グリスが介在していてもよい。

第２コア４５は、Ｅコアである。第２コア４５は、平板状の基部４６と、基部４６から突出する第１突出部４７、第２突出部４８、及び第３突出部４９を備える。第１突出部４７、第２突出部４８、及び第３突出部４９は、基部４６から、基部４６の板厚方向に突出している。第１突出部４７、第２突出部４８、及び第３突出部４９は、互いに間隔を空けて並んで設けられている。第２突出部４８は、第１突出部４７及び第３突出部４９に比べて、基部４６からの突出方向への長さが短い。

第１突出部４７及び第３突出部４９の先端面は、第１コア４４の第２面４４ｂに接触している。第２突出部４８の先端面は、第１コア４４の第２面４４ｂから離間している。巻線４１は、第２突出部４８に巻かれている。第２コア４５は、巻線４１を巻くための寸法を有する。

＜付勢部材＞
付勢部材５０は、平板状の部材である。付勢部材５０は、トランス４０に対し、冷却部１１に向かう方向に付勢力を与える部材である。本実施形態の付勢部材５０は、平面形状がコの字形状となるように形成されているが、付勢部材５０の形状は適宜変更可能である。

付勢部材５０は、後述する金属部材６０よりも剛性が高く、かつ熱伝導性の低い金属製の材料で形成されている。例えば、付勢部材５０は、ステンレスで形成されている。本実施形態の付勢部材５０は、帯板状のステンレス板を成形して形成されている。

付勢部材５０は、取付部５１と、一対のバネ部５４と、を備える。付勢部材５０は、板バネとして機能する。本実施形態の取付部５１は、平面形状がコの字形状となるように形成されている。詳述すると、取付部５１は、中央付近の貫通孔５１ａを有する連結部５２と、連結部５２の両端部から第２コア４５に向かって延設する一対の延出部５３とから構成されている。取付部５１は、貫通孔５１ａに挿通された締結部材７０が第２ボス１４の雌ねじにねじ込まれることで冷却部１１に締結される。

一対のバネ部５４は、一対の延出部５３各々から延出している。バネ部５４は、延出部５３における連結部５２側の端部とは反対側の端部から基板２０に向けて膨らむように湾曲する第１湾曲部５４ａと、第１湾曲部５４ａにおける延出部５３とは反対側の端部から第２コア４５に向けて膨らむように湾曲する第２湾曲部５４ｂとから構成されている。すなわち、第１湾曲部５４ａは、延出部５３から基板２０に向かう凸形状であり、第２湾曲部５４ｂは、第１湾曲部５４ａから第２コア４５に向かう凸形状であるといえる。

バネ部５４の第２湾曲部５４ｂの頂部５４ｃは、第２コア４５の端面４５ａを押圧している。詳述すると、一対の付勢部材５０のうちの片方の付勢部材５０は、第２コア４５の端面４５ａにおける第１突出部４７と第２突出部４８の間の部分を押圧している。片方の付勢部材５０は、第２コア４５に対し、第１コア４４に向かう方向に付勢力を与えている。一対の付勢部材５０のうちの残りの付勢部材５０は、第２コア４５の端面４５ａにおける第３突出部４９と第２突出部４８の間の部分を押圧している。残りの付勢部材５０は、第２コア４５に対し、第１コア４４に向かう方向に付勢力を与えている。一対の付勢部材５０の付勢力によって、第１突出部４７及び第３突出部４９は、第１コア４４の第２面４４ｂに接触している。すなわち、一対の付勢部材５０は、トランス４０に対し、冷却部１１に向かう方向に付勢力を与えているといえる。

＜金属部材＞
金属部材６０は、平板状の部材である。金属部材６０は、スイッチング素子３０から発生した熱を吸収するとともに、冷却部１１によって冷却される部材である。金属部材６０は、付勢部材５０よりも剛性が低く、かつ熱伝導性の高い金属製の材料で形成されている。例えば、金属部材６０は、銅で形成されている。本実施形態の金属部材６０は帯板状の銅板を成形して形成されている。

金属部材６０は、金属部材６０の端部である一対の取付部６１と、一対の突部６２と、一対の突部６２を繋ぐ四角板状の連結部６３と、を備える。取付部６１は、四角板状である。本実施形態の取付部５１は、矩形平板状である。取付部６１は、貫通孔６１ａを備える。取付部６１は、付勢部材５０の貫通孔５１ａと、貫通孔６１ａとが連通するように付勢部材５０の取付部５１と第２ボス１４との間に挟持されている。そして、取付部６１は、付勢部材５０の貫通孔５１ａ及び貫通孔６１ａに挿通された締結部材７０が第２ボス１４の雌ねじにねじ込まれることで付勢部材５０と共に冷却部１１に締結される。したがって、付勢部材５０と金属部材６０とは、同一の締結部材７０によって冷却部１１に締結されているとともに、冷却部１１によって冷却されている。また、金属部材６０は、冷却部１１によって冷却されやすいように、付勢部材５０を介さずに第２ボス１４の先端面１４ａに接触するように配置されている。なお、金属部材６０は、一対の第２ボス１４に掛け渡されていると言える。また、金属部材６０は、付勢部材５０の一対の延出部５３及びバネ部５４の間に配置されている。

一対の突部６２の各々は、取付部６１から基板２０に向けて延出する第１延出部６２ａと、第１延出部６２ａにおける取付部６１側とは反対側の端部から他方に向かって延設する第２延出部６２ｂと、第２延出部６２ｂにおける第１延出部６２ａ側とは反対側の端部からトランス４０に向かって延出する第３延出部６２ｃ、を備える。すなわち、一対の突部６２の各々は、取付部６１から基板２０に向かう凸形状であるといえる。

第２延出部６２ｂ及び第３延出部６２ｃは、基板２０とトランス４０との間に設けられている。詳述すると、第２延出部６２ｂ及び第３延出部６２ｃは、基板２０の第２実装面２２と第２コア４５の端面４５ａとの間に位置している。更に詳述すると、一方の第２延出部６２ｂは、上視したときに、基板２０を介して一方のスイッチング素子３０と重なり合う位置に設けられている。また、他方の第２延出部６２ｂは、上視したときに、基板２０を介して他方のスイッチング素子３０と重なり合う位置に設けられている。また、第２延出部６２ｂは、第２コア４５の端面４５ａから離間している。すなわち、第２延出部６２ｂと、第２コア４５の端面４５ａとの間には空隙Ｋが存在している。第１延出部６２ａの長さは、第３延出部６２ｃの長さよりも長い。第２延出部６２ｂと基板２０との間には、後述する放熱部材８０が介在している。したがって、スイッチング素子３０から発生した熱は、放熱部材８０及び基板２０を介して金属部材６０（第２延出部６２ｂ）に吸収される。

連結部６３は、一対の第３延出部６２ｃにおける第２延出部６２ｂ側とは反対側の端部間を接続する。連結部６３は、四角板状である。連結部６３は、第２コア４５の端面４５ａに接触している。第２延出部６２ｂは、放熱部材８０を介して基板２０からの力を受けるため、変形し易くなる。そこで、連結部６３を第２コア４５の端面４５ａに接触させるとともに、第１延出部６２ａ、第２延出部６２ｂ、第３延出部６２ｃの長さ及び金属部材６０の板厚が調節されている。

＜放熱部材＞
放熱部材８０は、熱伝導性を有する。放熱部材８０は、基板２０からの力によって変形するものである。放熱部材８０は、基板２０と、第２延出部６２ｂとの間に設けられている。放熱部材８０は、第２延出部６２ｂ及び基板２０と接触している。放熱部材８０は、基板２０の導電部分とトランス４０とを絶縁している。

＜電子機器ユニットの全体＞
電子機器ユニット１００では、冷却部１１、トランス４０、金属部材６０、放熱部材８０、基板２０の順に配置されているとともに、第２ボス１４は冷却部１１の一部であるため冷却される。このため、スイッチング素子３０から発生した熱は、基板２０及び放熱部材８０を介して金属部材６０に吸収され、その後、冷却部１１に吸収される。すなわち、スイッチング素子３０から発生した熱は、トランス４０を介することなく冷却部１１に吸収される。

［実施形態の作用］
電力変換部１０の駆動に伴い、スイッチング素子３０が駆動する。スイッチング素子３０の駆動に伴いスイッチング素子３０から熱が発生する。スイッチング素子３０から発生した熱は、基板２０から放熱部材８０を介して金属部材６０の第２延出部６２ｂに伝わる。第２延出部６２ｂに伝わった熱は、第１延出部６２ａ及び取付部６１を介して第２ボス１４に伝わる。第２ボス１４に伝わった熱は、本体部１２に伝わるとともに、冷媒流路１２ａを流れる冷媒に放出される。その結果、金属部材６０は、スイッチング素子３０から発生した熱を吸収するとともに、冷却部１１によって冷却される。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）金属部材６０は、スイッチング素子３０から発生した熱を吸収するとともに冷却部１１によって冷却される。したがって、スイッチング素子３０を効率良く冷却できる。

（２）基板２０と冷却部１１との間にトランス４０を設ける構成の場合、トランス４０は体格が大きい電子部品のため、基板２０と冷却部１１との間隔が広くなってしまう。このため、基板２０に実装されたスイッチング素子３０から発生した熱を冷却部１１に吸収させるために使用する金属部材が大型となる。そこで、電子機器ユニット１００では、金属部材６０をトランス４０と基板２０との間に設ける構成とした。この構成により、金属部材６０における基板２０とトランス４０との間の部分の体格を小さくできる。

（３）付勢部材５０と金属部材６０は、同一の締結部材７０によって冷却部１１の第２ボス１４に締結される。このため、付勢部材５０及び金属部材６０の双方を一括して冷却部１１の第２ボス１４に締結できる。付勢部材５０と金属部材６０を別々に冷却部１１に締結する場合と比べると、付勢部材５０及び金属部材６０の締結作業が容易になる。

（４）付勢部材５０は、トランス４０を冷却部１１側に押さえ保持するために設けられるものであるため、剛性が必要となる。一般的に剛性が高い材料は、熱伝導性が悪いため、付勢部材５０が介在すると冷却性能が落ちる。そこで、電子機器ユニット１００では、第２ボス１４上に金属部材６０、付勢部材５０の順に配置している。この構成によれば、付勢部材５０を介することなく、金属部材６０を冷却部１１によって冷却することができるため、スイッチング素子３０を効率良く冷却できる。

（５）基板２０と第２延出部６２ｂとの間には放熱部材８０が設けられる。このため、スイッチング素子３０から発生した熱は、基板２０及び放熱部材８０を介して第２延出部６２ｂに伝わる。基板２０の厚さや、第１ボス１３の高さや、金属部材６０の厚さ等の公差を原因として、基板２０と第２延出部６２ｂとの離間距離が、予め設定された値と異なる場合がある。このような離間距離の差異が生じても、放熱部材８０によって差異を吸収することができる。

（６）金属部材６０は、第２延出部６２ｂと連結部６３を有する。このため、第２延出部６２ｂとトランス４０との間に空隙Ｋを生じさせることができる。この構成によれば、基板２０から金属部材６０に掛かる力を吸収することができる。

（７）金属部材６０は、銅板によって形成されている。銅板は、ステンレスと比べて剛性が低い。この構成によれば、基板２０から金属部材６０に掛かる力を吸収することができる。

なお、本実施形態は、以下のように変更して実施することができる。本実施形態及び以下の変更例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○金属部材６０は、第１の電子部品から発生する熱を吸収するとともに冷却部１１によって冷却されるものであればどのような形状でもよい。

○付勢部材５０と金属部材６０は、別々に冷却部１１に締結されていてもよい。この場合、冷却部１１は、付勢部材５０を締結するためのボスと、金属部材６０を締結するためのボスとを別々に備える。

○第１の電子部品は、基板２０に実装されるとともに発熱する部品であれば、スイッチング素子３０以外でもよい。
○第２の電子部品は、第１の電子部品よりも体格の大きい部品であればよく、コンデンサやコイルであってもよい。

○コア４２の形状は、ＥＩコア以外でもよく、ＥＥコア、ＥＥＲコア、トロイダルコア、ＵＩコア、ドラムコア等であってもよい。
○電力変換部１０はインバータであってもよい。要は、電力変換部１０は、基板２０と、発熱する第１の電子部品と、第２の電子部品を備えていれば、その種類は適宜変更してもよい。

○冷却部１１は、冷媒流路１２ａを備えていなくてもよい。その場合、冷却部１１は、放熱フィンを備えているのが好ましい。
○放熱部材８０は、設けられていなくてもよい。

○基板２０は、第１実装面２１と第２実装面２２を備えているが、どちらか一方のみでもよい。
○トランス４０の巻線４１は、第２実装面２２の配線パターンに接続されているが、これに限られず、第１実装面２１の配線パターンと接続されていてもよいし、基板２０とは異なる基板の配線パターンに接続されていてもよい。すなわち、第２の電子部品は、第１の電子部品が接続される配線パターンが設けられた第１実装面の配線パターンと接続されていてもよいし、第１の電子部品が接続される配線パターンが設けられた第１実装面とは異なる第２実装面の配線パターンと接続されてもよいし、第１の電子部品が実装された基板とは異なる基板に設けられた配線パターンと接続されていてもよい。

○スイッチング素子３０は、基板２０の第２実装面２２に実装されていてもよい。
次に、上記実施形態及び別例から把握できる技術的思想について以下に追記する。
（イ）前記金属部材は、前記第２の電子部品に対し、前記冷却部に向かう方向に付勢力を与えることを特徴とする電子機器ユニット。

１０…電力変換部、１１…冷却部、２０…基板、３０…第１の電子部品としてのスイッチング素子、４０…第２の電子部品としてのトランス、５０…付勢部材、６０…金属部材、７０…締結部材、８０…放熱部材、１００…電子機器ユニット。

Claims (3)

1. 基板と、前記基板に実装される第１の電子部品と、第２の電子部品と、を備える電力変換部と、
   当該電力変換部を冷却するための冷却部とを有し、
   前記基板と前記冷却部との間に前記第２の電子部品が設けられる電子機器ユニットであって、
   前記第２の電子部品に対し、前記冷却部に向かう方向に付勢力を与える付勢部材と、
   前記付勢部材よりも剛性が低く、かつ、熱伝導性が高い金属製の材料で形成され、前記第１の電子部品から発生する熱を吸収するとともに前記冷却部によって冷却される金属部材と、を備え、
   前記冷却部、前記第２の電子部品、前記金属部材、前記基板の順に配置されることを特徴とする電子機器ユニット。
2. 前記付勢部材と前記金属部材とは、同一の締結部材によって前記冷却部に締結される請求項１に記載の電子機器ユニット。
3. 前記基板と前記金属部材との間には放熱部材が設けられる請求項１又は請求項２に記載の電子機器ユニット。

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