JP5867074B2 - 電源ユニット、及び、電源装置の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、車載用のスイッチング電源等の電源装置の冷却に関する。

電源装置を冷却する冷却装置として、例えば、冷媒流路を有し冷媒流路に冷媒を流すことで電源装置を冷却する装置が知られている。この種の冷却装置として、例えば、特許文献１及び２に開示の冷却装置がある。特許文献１及び２のいずれも、冷媒流路内にフィンを有しており、それにより、流速及び／又は流路の均一化が図られる。

特許第３７３０９６８号 特許第３３５０２４８号

冷媒流路は、平面視において、少なくとも１つのカーブを有することで、冷却領域（例えば、平面視での電源装置の冷却対象の領域）の全域をカバーしている構成の冷却装置が知られている。

電源装置の冷却では、冷却領域を均一に冷却することが望まれる。

しかし、カーブでは、冷媒流路の外周部分に流れが集中し、冷媒流路の内周部分に冷媒が滞り易い。このため、冷却領域において、冷媒流路の内周部分に対向した部分について、冷却能力が落ちてしまう。

このような問題を避けるための方法として、特許文献１及び２のようなフィンを冷媒流路内部に設ける方法が考えられる。

しかし、この方法では、冷却装置の重量及びコストが増加してしまう。特に、重量の増加は、冷却装置が車載用の電源ユニットに適用される際には影響が大きいと考えられる。電源ユニットの重量が車両本体の重量に影響し、これが燃費の悪化につながる虞もある。

従って、本発明の目的は、重量及びコストの増加を抑え、かつ電源装置の冷却能力を向上することにある。

本発明の第１の観点に従う電源ユニットは、電源装置と、電源装置の下に冷媒流路を有し冷媒がその冷媒流路を流れることにより電源装置を冷却する冷却装置とを有する。冷媒流路は、カーブを有しており、カーブの外周部分の流路空間の断面積がカーブの内周部分の流路空間の断面積よりも小さい。

第２の観点に従う電源ユニットでは、カーブの外周部分の流路天井は、カーブの内周部分の流路天井よりも低くて良い。

第３の観点に従う電源ユニットは、電源装置を搭載する底板を更に有して良い。底板は、その周囲から下方に隆起している側壁部を有して良い。底板と側壁部で囲われた空間には、その下方が開口された開口部が形成されて良い。冷媒流路は、底板に立設された流路壁と開口部を閉蓋するカバープレートと形成されて良い。底板の電源装置側において、カーブの外周部分の流路天井に対向した部分に凹部があって良い。

第４の観点に従う電源ユニットでは、凹部には、電源装置側において、発熱部品の少なくとも一部が配置されていて良い。

第５の観点に従う電源ユニットでは、冷却装置は、カバープレートと冷媒流路を形成する流路壁の頂上面との隙間を埋めるために流路壁の頂上面に塗られる液体ガスケットの余剰分をカーブの外周部分の流路天井へと逃がすガイドを流路壁の頂上面に有して良い。

第６の観点に従う冷却装置は、電源装置の冷却装置であって、カーブを有する冷媒流路を有し、カーブの外周部分の流路空間の断面積がカーブの内周部分の流路空間の断面積よりも小さい。

冷媒流路のカーブの断面積の調整だけで（例えば、カーブの外周部分の流路天井を下げるだけで）、冷媒流路のカーブの内周部分の流量及び／又は流速を、カーブの流路空間の断面積が均一である冷却装置よりも向上することができる。そして、そのような冷却能力の向上を、重量及びコストの増加を抑えて実現することができる。

本発明の一実施例に係る電源ユニットの表側からの概観斜視図である。 表側カバープレート１０５が外された電源ユニット１０１の表側からの斜視図である。 図２に示した筐体１０３から幾つかの構成要素が外れた、電源ユニット１０１の表側からの斜視図である。 電源ユニット１０１の裏側からの斜視図である。 図４のＡ−Ａ断面図である。 図４のＢ−Ｂ断面図である。 カーブの水路断面積が一定の場合の問題のイメージを模式的に示す図である。 本発明の一実施例に係る水路のカーブにおける外周部分と内周部分との流量及び／又は流速のイメージを模式的に示す図である。

以下、本発明の一実施例を説明する。なお、本実施例では、冷媒は、水であり、電源ユニットは、車載用のスイッチング電源ユニットである。

図１は、本発明の一実施例に係る電源ユニットの表側からの概観斜視図である。

電源ユニット１０１は、ハイブリッド車等に適用される、ＤＣ−ＤＣコンバータを有する電源ユニットである。電源ユニット１０１は、車載バッテリから送られてくる入力電圧を降圧すると共に電圧を安定化して、パワーウィンドウ、ヘッドライト、オーディオ機器等の車載機器やモータ等に対して電力を供給することができる。

電源ユニット１０１は、筐体１０３と、筐体１０３の表側開口を閉蓋する表側カバープレート１０５とを有する。筐体１０３の一側面に、入口部１１３が設けられる。入口部１１３が、筐体１０３の側面に設けられた流入口（図示せず）に取り付けられた流入パイプ３０３を有している。入口部１１３を有する側面と対向する側面に、出口部１１１（図３参照）が設けられる。

図２は、表側カバープレート１０５が外された電源ユニット１０１の表側からの斜視図である。

筐体１０３は、その表側に、筐体１０３の表側のほぼ全域が空いた表側開口２０１を有している。表側開口２０１から電源装置２０３の複数の構成要素が配置されることで、電源装置２０３が筐体１０３内で構成される。言い換えれば、電源装置２０３は、筐体１０３に収容される。

電源装置２０３は、例えば、入力電圧のノイズ除去をおこなう入力平滑回路、直流を交流に変換するスイッチング回路、電圧変換をおこなうメイントランス、交流を直流に変換する整流回路、出力電圧のノイズ除去をおこなう出力平滑回路等が搭載された基板、及び、スイッチング回路の制御をおこなう制御基板を有する。

表側開口２０１の外縁には、表側カバープレート１０５が例えばネジ１２１で固定されることにより、表側開口２０１が表側カバープレート１０５によって閉蓋される。

図３は、図２に示した筐体１０３から幾つかの構成要素が外れた、筐体１０３の表側からの斜視図である。この斜視図では、冷却水の出口部１１１が手前にされている。出口部１１１は、筐体１０３の側面の流出口４０１（図４参照）に取り付けられた流出パイプ３０１を有している。

筐体１０３は、底部を構成する底板１７１と、その底板１７１の周囲から略垂直方向に立設された側壁部を有している。底板１７１の表側には、電源装置２０３を構成する複数の構成要素が搭載されるようになっている。

底板１７１の表面には、凹部１５１Ａ及び１５１Ｂを有する。凹部１５１Ａ及び１５１Ｂは、後述するように、底板１７１の裏面に形成された水路のカーブの外周部分天井（底板１７１の裏面部分）が下がることによって形成されている。凹部１５１Ａ及び１５１Ｂには、電子部品、例えば、トランス用のコア１６１Ａ及び１６３Ａなど、発熱部品の少なくとも一部分が載置される。

図４は、電源ユニット１０１の裏側からの斜視図である。この斜視図では、冷却水の出口部１１１が手前にされている。なお、図４では、出口部１１１から流出パイプ３０１が外され流出口４０１が見えている。また、本実施例の説明において、図４のみ、裏面が上になっていて表面が下になっている。従って、図４の説明において「上」は、他の図においての「下」を意味する。

筐体１０３は、その裏側に、筐体１０３の裏側のほぼ全域が空いた裏側開口４０３を有している。言い換えれば、底板１７１が、底板１７１の周囲から上方（裏側方向）に略垂直方向に立設された側壁部４１１を有しており、結果として、裏側開口４０３が設けられている。

底板１７１の裏面には、水路１３３が形成される。具体的には、例えば、底板１７１の裏側に水路壁１３１が立設しており、裏側開口４０３の外縁に裏側カバープレート１０７が例えばネジ１２３で固定されることにより、裏側開口４０３が裏側カバープレート１０７によって閉蓋され、この結果、冷却水が流れる水路空間１３８を有する水路１３３が形成される。より具体的には、例えば、裏側カバープレート１０７の表面（水路１３３側の面）は平面であり、水路壁１３１の頂上面（図示斜線領域）１３２に液体ガスケット（図示せず）が塗布され、裏側開口４０３が裏側カバープレート１０７によって閉蓋されると、裏側カバープレート１０７と水路壁１３１の頂上面１３２との隙間が液体ガスケットで封止された水路１３３が形成される。

水路壁１３１は、底板１７１の裏面から上方向（例えば裏面の法線方向）に延びている。筐体１０３は、ダイキャスト（例えばアルミダイキャスト）で成形される。このため、筐体１０３、底板１７１及び水路壁１３１は一体となっており、水路１３３（水路空間１３８）の天井が、底板１７１の裏面となっている。水路壁１３１のうちの少なくとも一部分は、筐体１０３と別部材であっても良い。

水路１３３は、平面視において、底板１７１の裏面における冷却領域（例えば、平面視での電源装置２０３のうちの冷却対象の領域）の全域をカバーしている。具体的には、例えば、水路１３３は、入口部１１３から出口部１１１にかけて冷却領域上を蛇行している。

水路１３３は、少なくとも１つのカーブ（具体的には、例えば、曲線状の折り返り部）、例えば、カーブ１９１Ａ及び１９１Ｂを有している。カーブ１９１Ａ及び１９１Ｂのいずれについても、少なくとも一部の位置において、外周部分の水路断面積が内周部分の水路断面積よりも小さい。具体的には、カーブ１９１Ａ及び１９１Ｂのいずれについても、少なくとも一部の位置において、外周部分の底（電源ユニット１０１の表側から見ると天井）が、内周部分の底（電源ユニット１０１の表側から見ると天井）よりも高くなっている（電源ユニット１０１の表側から見ると下がっている）。なお、本実施例において、水路断面の「外周部分」の領域は、水路断面を鉛直方向に沿って２等分したうちの外周側の半分で良く、水路断面の「内周部分」の領域は、水路断面を鉛直方向に沿って２等分したうちの内周側の半分で良い。より広義には、水路断面の「外周部分」の領域は、水路断面を鉛直方向に沿ってＮ等分（Ｎは２以上の整数）したうちの外周側のｍ個分（Ｎ＞ｍ、ｍは自然数）の領域で良く、水路断面の「内周部分」の領域は、水路断面を鉛直方向に沿ってＮ等分したうちの内周側のｍ個分の領域で良い。水路断面において、外周側のｍ個分の領域の位置と、内周側のｍ個分の領域の位置は、水路断面の中心軸（鉛直方向に沿った軸）を中心に線対称であって良い。なお、水路断面をＮ等分できない場合には、実質的な等分で良い。外周側のｍ個分の領域は、水路断面の外周側半分において比較的外周側に存在し、内周側のｍ個分の領域は、水路断面の内周側半分において比較的内周側に存在して良い。

例えば、カーブ１９１Ａの底に、カーブ１９１Ａの外周の全域（実質的に全域）からカーブ１９１Ａの内周にかけて下がった傾斜１３７Ａがある。このため、裏側カバープレート１０７で裏側開口４０３が閉蓋された状態では、図５に示すように（図４のＡ−Ａ断面図）、カーブ１９１Ａの外周部分の水路空間１３８の断面積がカーブ１９１Ａの内周部分の水路空間１３８の断面積よりも小さくなっている。そして、図５に示すように、底板１７１の表面において、傾斜１３７Ａの真上に、前述した凹部１５１Ａが形成されている。凹部１５１Ａは、カーブ１９１Ａの外周部分の天井を下げる（底を高くする）ことにより形成されている。

また、例えば、カーブ１９１Ｂについては、カーブ１９１Ｂの外周部分の底の一部領域に、カーブ１９１Ｂの底の他の領域よりも高くなったステージ１３７Ｂがある。このため、裏側カバープレート１０７で裏側開口４０３が閉蓋された状態では、図６に示すように（図４のＢ−Ｂ断面図）、カーブ１９１Ｂの一部（例えば、カーブ１９１Ｂの入口付近）において、外周部分の水路空間１３８の断面積が内周部分の水路空間１３８の断面積よりも小さくなっている。そして、底板１７１の表面において、ステージ１３７Ｂの真上に、前述した凹部１５１Ｂが形成されている。凹部１５１Ｂは、カーブ１９１Ｂの外周部分の一部の天井を下げる（底を高くする）ことにより形成されている。

カーブ（１９１Ａ及び１９１Ｂ）のどの位置においても水路断面積が一定であると（例えば、カーブのいずれの底も平らであると）、図７に示すように、既に説明した問題、すなわち、水路の外周部分に流れが集中し、水路の内周部分に冷却水が滞り易い。

しかし、本実施例のように、カーブ（１９１Ａ及び１９１Ｂ）の外周部分の水路断面積が内周部分の水路断面積よりも小さくされていることで、図８に示すように、カーブに進入した冷却水のうち内周部分を流れる冷却水の比率が多くなる。具体的には、カーブの内周部分の流量及び／又は流速とカーブの外周部分の流量及び／又は流速との差が縮まる。このため、図７に示した水路構成よりも、冷却能力を向上することができる。具体的には、カーブの外周部分に対向した冷却領域部分の放熱量とカーブの内周部分に対向した冷却領域部分の放熱量との差を縮めることができる。

また、本実施例では、カーブの外周部分の水路断面積を内周部分の水路断面積よりも小さくすることを、底板１７１の一部の裏面を下げるだけで実現することができる。このため、電源ユニット１０１（特に冷却装置としての部分）の重量及びコストの増加を抑えて冷却能力の向上を実現することができる。

なお、水路１３３の道筋は、電源装置の構成要素の配置位置が決まった後に設計されて良い。そして、例えば、比較的大型の素子の配置位置の真下がカーブの外周部分となるように設計することが望ましい。なぜなら、底板１７１の表面において、カーブの外周部分の真上に凹部を形成することができ、以って、より大きなスペースを形成することができるからである。比較的大型の素子として、例えば、トランスと、チョークコイルが考えられる。このような素子のコアを、凹部に搭載することで、電源装置側のスペース、特に高さ制限のある電源ユニット省スペースにすることができ、以って、電源ユニット１０１の小型化に貢献することができる。

また、前述したように、水路壁１３１の頂上面１３２（図４参照）に液体ガスケットが塗布されるが、本実施例では、水路壁１３１の頂上面１３２に、液体ガスケットの余剰分をカーブの外周部分の底において高くなっている部分（斜面、ステージ）１３７Ａ、１３７Ｂに逃がすガイドの一例としての切欠き１３５Ａ及び１３５Ｂを有する。切欠き１３５Ａ及び１３５Ｂは、そのサイズを小さく済ますことができるよう、カーブの外周部分の底において高くなっている部分（斜面、ステージ）１３７Ａ、１３７Ｂの近傍に設けられる。なお、切欠きは、液体ガスケットが水路１３３の直線部分とカーブのどちらにも逃げることができるように形成されているが、直線部分への出口は遮蔽されていても良いし、直線部分からカーブへと下がる（つまりカーブへと液体ガスケットが流れ易いように）傾斜になっていても良い。

以上、本発明の一実施例を説明したが、これは、本発明の説明のための例示であって、本発明の範囲をこの実施例にのみ限定する趣旨ではない。すなわち、本発明は、他の種々の形態でも実施する事が可能である。例えば、電源ユニットは、ハイブリッド車等の車載用のスイッチング電源ユニットに限らず、スーパーコンピュータ等の大型コンピュータ等に適用する電源ユニットであってもよい。また、冷媒は、冷却水に限らず、不凍液や空気等であってもよい。また、カーブの少なくとも一部での外周部分の水路断面積が内周部分の水路断面積よりも小さくする構成は、上記実施例に限られない。例えば、斜面ではなく階段状になっていても良いし、カーブ１９１Ａが斜面１３７Ａに代えてカーブ１９１Ｂと同じようなステージ１３７Ｂを有していても良いし、カーブ１９１Ｂがステージ１３７Ｂに代えてカーブ１９１Ａと同じような斜面１３７Ａを有していても良い。

１３１…水路壁 １３２…頂上面 １３３…水路 １３５Ａ、１３５Ｂ…切欠き １７１…底板 １９１Ａ、１９１Ｂ…カーブ

Claims (5)

1. 電源装置と、
   前記電源装置の下に冷媒流路を有し冷媒が前記冷媒流路を流れることにより前記電源装置を冷却する冷却装置と、
   前記電源装置を搭載する底板と
   を有し、
   前記底板は、その周囲から下方に隆起している側壁部を有しており、
   前記底板と前記側壁部で囲われた空間には、その下方が開口された開口部が形成されており、
   前記冷媒流路は、カーブを有しており、前記底板に立設された流路壁と前記開口部を閉蓋するカバープレートとで形成され、
   前記カーブの外周部分の流路空間の断面積が前記カーブの内周部分の流路空間の断面積よりも小さく、
   前記底板の前記電源装置側において、前記カーブの外周部分の流路天井に対向した部分に凹部を有する、
   ことを特徴とする電源ユニット。
2. 前記カーブの外周部分の流路天井は、前記カーブの内周部分の流路天井よりも低い、
   ことを特徴とする請求項１記載の電源ユニット。
3. 前記凹部には、前記電源装置側において、発熱部品の少なくとも一部が配置されている、
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の電源ユニット。
4. 前記冷却装置は、前記カバープレートと前記冷媒流路を形成する流路壁の頂上面との隙間を埋めるために前記流路壁の頂上面に塗られる液体ガスケットの余剰分を前記カーブの外周部分の流路天井へと逃がすガイドを前記流路壁の頂上面に有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の電源ユニット。
5. 電源装置の冷却装置であって、
   前記電源装置を搭載する底板と、
   カーブを有する冷媒流路と
   を有し、
   前記カーブの外周部分の流路空間の断面積が前記カーブの内周部分の流路空間の断面積よりも小さく、
   前記底板は、その周囲から下方に隆起している側壁部を有しており、
   前記底板と前記側壁部で囲われた空間には、その下方が開口された開口部が形成されており、
   前記冷媒流路は、前記底板に立設された流路壁と前記開口部を閉蓋するカバープレートとで形成され、
   前記底板の前記電源装置側において、前記カーブの外周部分の流路天井に対向した部分に凹部を有する、
   ことを特徴とする冷却装置。

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