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

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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
    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
    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
    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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