JP5989515B2 - 冷却器一体型インバータ - Google Patents

Description

本発明は、液体が出入りする２つの開口を剛体の連結管で連結する連結構造を冷却器に利用した冷却器一体型インバータに関する。

液体が出入りする２つの開口を剛体の連結管で連結することがよく行われる。例えば、電気自動車において、インバータクーラやモータクーラなどの冷却器の開口とラジエータの開口がパイプで連結される。例えば、特許文献１には、２つの開口を連結するＵ字型の連結パイプにおいて、流路抵抗を低減する技術が開示されている。また、特許文献２には、冷却装置に取り付け可能な止め部を備えるとともに流路が曲がっているエルボ部を備えるコネクタ部と、そのエルボ部と連続するパイプ部とを備え、ダイキャストにより上記パイプ部とコネクタ部とを一体成形した冷却装置用の流路口が開示されている。この技術は、流路口の加工性に優れているとされている。

特開２０１２−０５４４４４号公報 特開２００３−２３２４８４号公報

液体が出入りする２つの開口を剛体の連結管で連結する場合、２つの開口の位置が当初の設計位置からずれており、その２つの開口を連結する連結管を無理に取り付けると、連結管に過大な応力が加わり、劣化を早める虞がある。本明細書は、２つの開口を剛体の連結管で連結する場合において、開口の位置ずれを許容して連結管に過大な応力が加わらないようにする技術を提供する。

液体が出入りする開口に管を接続する場合、液漏れを防ぐために、開口と管の連結部位に弾力のあるシール材を用いる。シール方法には２通りあり、一つは、開口の周囲にシール材を配置する方法であり、面シールと呼ばれる。典型的には、開口の周囲の面に平面状あるいはリング状のシール部材を配置し、連結管の端部に設けられたフランジがそのシール部材を挟んで開口と連結される。他の一つは、開口に続く孔の内周と管の外周との間に筒状あるいはリング状のシール材を配置する方法であり、軸シールと呼ばれる。この場合、開口内に接続管の端部が挿通される。本明細書では、開口と管（あるいは管と管）の連結部に面シール部材が配置されることを「面シールを伴って連結する」と称し、開口と管（あるいは管と管）の連結部に軸シール部材が配置されることを「軸シールを伴って連結する」と称する。

開口と管を、面シールを伴って連結する場合、開口を含む平面内（開口面内）で管が多少動いてもシール部材による封止は維持される。すなわち、面シールの場合、封止を保持したまま、連結管の端部が開口面内で動くことを許容するマージンを確保することができる。他方、開口と管を、軸シールを伴って連結する場合、軸シールの軸線方向（開口の中心線の方向）に管が多少動いてもシール部材による封止は維持される。すなわち、軸シールの場合、封止を保持したまま、連結管の端部が開口面に直交する方向（軸シールの軸線方向）に動くことを許容するマージンを確保することができる。従って、面シールと軸シールを組み合わせれば、開口面内方向と開口面と直交する方向の双方に連結管が動くことが許容される。別言すれば、軸シールと面シールを組み合わせることによって、連結管と開口の連結部に、連結管が開口に対して三次元的に動くことができるマージンを確保することができる。なお、ここで、「管が動く」とは、開口の位置誤差程度の距離を動くことを意味する。本明細書が開示する技術は、上記の原理に基づく。

本明細書が開示する技術は、液体が出入りする２つの開口を剛体の連結管で連結する連結構造に具現化することができる。その連結構造は、一端が第１の開口と面シールを伴って連結する第１の連結管と、一端が第２の開口と面シールを伴って連結する第２の連結管
を備える。そして、第１の連結管の他端と第２の連結管の他端が軸シールを伴って連結しているとともに、軸シールの軸線方向が第１の開口を含む平面に直交している。別言すれば、第１の連結管の一端は第１の開口と面シールを伴って連結しており他端は第２の連結管の他端と軸シールを伴って連結しており、軸シールの軸線方向が第１の開口の開口面に直交している。従って、第２の連結管の他端は、開口の位置誤差程度であれば、第１の開口に対して３次元的な動きが許容される。このことは、別言すれば、第１の開口の位置が３次元的にいずれの方向にずれていても、第２の連結管の他端との相対的なずれは、面シールが実現する開口面内のマージンと軸シールが実現する軸線方向のマージンによって許容される。すなわち、第１及び第２の連結管に加わる応力は、面シールと軸シールの組み合わせによって緩和される。なお、第１の連結管と第２の連結管の軸シールの軸線方向は、面シールの直交方向と厳密に一致している必要はなく、第２の連結管の開口面外方向への移動が許容される程度に概ね直交していればよい。

第１の連結管の典型は、筒部とその端部にフランジを有するブッシュ（軸受け筒）である。ブッシュの筒部（第１の連結管の一端）は第１の開口に挿通され、ブッシュのフランジが開口の周りに面シールを伴って接する。一方、フランジ側（第１の連結管の他端）から、ブッシュの筒部の内側に第２の連結管の端部が軸シールを伴って挿通される。このブッシュ（第１の連結管）は、第１の開口と第２の連結管の他端を接続する継手のような部材である。別言すれば、第１の連結管は、一端にフランジを有する直管（ストレートパイプ）である。

上記した連結構造の好適な適用先は、２つの筐体が組み合わさった冷却器一体型のインバータであり、第１の筐体に冷媒が通過する第１の開口が設けられているとともに、第２の筐体に冷媒が通過する第２の開口が設けられているインバータである。本明細書は、２つの筐体が組み合わさった冷却器一体型のインバータにおいて２つの筐体のそれぞれに設けられた開口が、上記した連結構造で連結されている新規なインバータを提供する。

そのようなインバータの典型的な態様は次の通りである。インバータは、発熱体を挟持する複数の冷却プレートと、隣接する冷却プレートを接続する接続管を備えた積層冷却ユニットを第１の筐体に収容している。第２の筐体には、第１の筐体に収容されるデバイス（積層冷却ユニットを含む）を冷却するための冷媒通路が備えられている。そして、第１の開口を通る第１の連結管は、積層冷却ユニットの端部に位置する冷却プレートから伸びる剛体のチューブと連結している。第１の連結管とチューブは、第１の開口を介して連結している。チューブと冷却プレートは同じ素材で作られており、冷却プレートの肉厚がチューブの肉厚よりも薄い。冷却プレートとチューブの肉厚が上記の関係にあるとき、第１の開口に対する積層冷却ユニットの位置が当初の設計位置からずれている場合、チューブよりも先に肉厚の薄い冷却プレートが変形し、チューブに加わる応力が緩和される。

本明細書が開示する技術の詳細とさらなる改良は以下の「発明を実施するための形態」にて説明する。

実施例のインバータの分解斜視図である。 インバータの斜視図である（カバーを外した状態） 図２のIII−III線矢視における断面図である。 図３の破線IVが示す部分の拡大断面図である。

図面を参照して実施例の連結構造とインバータを説明する。図１は、インバータ２の分解斜視図であり、図２はインバータ２の斜視図である。なお、理解を助けるため、インバータのカバーは図示を省略している。また、図３に、図２のIII−III線矢視における断面図（第２連結管４を縦に横断する断面図）を示す。インバータ２は、電気自動車に搭載され、バッテリの直流電力を昇圧した後に走行用モータを駆動するのに適した交流電力に変換するデバイスである。インバータ２は、回路的には電圧コンバータ回路とインバータ回路の組み合わせであり、ハードウエア的には、主として、スイッチング素子（ＩＧＢＴなどのトランジスタ、及び、そのトランジスタと逆並列に接続されるダイオード）を集積して冷却する積層冷却ユニット２０、モータ駆動用の大電流を平滑化する平滑コンデンサ４１、電圧コンバータ回路に用いられるリアクトル４２、リアクトル４２や平滑コンデンサ４１を冷却する冷却器１５、および、スイッチング素子を制御する制御回路を実装した回路基板で構成される。なお、回路基板は積層冷却ユニット２０やリアクトル４２の上方に配置されるが、その図示は省略している。また、図２は、インバータの筐体内部のレイアウトを理解し易くするため、カバーを外した状態を示している。

インバータ２は独立した２つの筐体（第１筐体１２、第２筐体１４）を有しており、第１筐体１２はリアクトル４２や積層冷却ユニット２０などのユニットを収めるためのものであり、第２筐体１４は冷却器１５そのものである。インバータ２は２種の冷却器を備えており、一つは、リアクトル４２やコンデンサ４１を冷却する冷却器１５であり、もう一つは、スイッチング素子を収容した複数のパワーカード２２と一体化した積層冷却ユニット２０である。冷却器１５は、第１筐体１２の底面に固定されるため、インバータ２は全体として冷却器が一体化している。

積層冷却ユニット２０は、スイッチング素子をモールドした複数のパワーカード２２と、内部を冷媒が通る平板型の複数の冷却プレート２１を交互に積層したものである。冷却プレート２１は、内部が空洞であるとともに、長手方向の両側（すなわち、パワーカード２２の両側）のそれぞれに貫通孔が設けられている。隣接する冷却プレート２１の貫通孔同士が接続管２５で接続される。また積層構造の端の冷却プレート２１には、２本の剛体製のチューブ２３と２４が接続されている。積層冷却ユニット２０は、第１の筐体１２に収納され、チューブ２３と２４が第１筐体１２の側壁に設けられた開口１６、４６と連結される。一方の開口４６を通じて積層冷却ユニット２０へ冷媒が供給され、他方の開口１６を通じて積層冷却ユニット２０から冷媒が排出される。一方の開口４６には、冷媒を供給する供給管５１が外側から連結されるとともに、筐体内部では一方のチューブ２４が連結される。他方の開口１６には筐体内部で他方のチューブ２３が連結され、筐体外部では第１連結管３と第２連結管４が連結される。第２連結管４はＵ字形状のパイプであり、その他端（図１、２において下方の端）は、第２筐体１４の開口１７に連結している。また、第２筐体１４にはもう一方の開口４７が設けられており、冷媒排出管５２が連結される。

冷媒供給管５１を通じてインバータ２の外部から供給される冷媒は、開口４６と一方のチューブ２４を通って積層冷却ユニット２０に供給される。チューブ２４から流入した冷媒は、冷却プレート２１に接続している一方の接続管２５を通じて全ての冷却プレート２１に行きわたる。冷媒は冷却プレート２１の内部をその長手方向に流れ、冷却プレート２１に接するパワーカード２２を冷却する。パワーカード２２の熱を吸収した冷媒は、冷却プレート２１に接続している他方の接続管２５を通じ、さらにチューブ２３と開口１６を通じて第１筐体１２から排出される。冷媒はその後、第１連結管３と第２連結管４を通じて第２筐体１４（即ち冷却器１５）へと導かれる。第２筐体１４の内部には、第１筐体１２に設置されたリアクトル４２やコンデンサ４１の直下に相当する位置に冷媒の流路１９（図３参照）が設けられており、冷媒がその流路１９を通る間にリアクトル４２やコンデンサ４１を冷却する。冷媒は最後には開口４７に接続された冷媒排出管５２を通じて排出される。なお、インバータ２の外部には冷媒を冷却するラジエータや冷媒を循環させるポンプを含む冷却システムが備えられており、インバータ２を冷却した冷媒はラジエータで冷却されて再びインバータ２へと送られる。

積層冷却ユニット２０は、その積層体の一方の端部に絶縁板４５と板バネ４４がさらに積層され、筐体１２の内壁と支柱４３で挟持支持される。板バネ４４により、積層冷却ユニット２０はその積層方向に荷重を加えられつつ筐体１２に支持される。板バネ４４の荷重により、交互に積層している冷却プレート２１とパワーカード２２が密着し、両者の間で熱がよく伝達される。他方、板バネ４４を一因として、積層冷却ユニット２０は取り付け精度が高くなく、その取り付け位置に多少の誤差が生じる可能性がある。その誤差は、チューブ２３（あるいはチューブ２４）と開口１６（あるいは開口４６）の相対位置のずれとなって現れる。チューブ２３と開口１６の位置がずれると、開口１６にチューブ２３を連結した際にチューブ２３に過大な応力が加わる虞がある。本実施例のインバータ２では、そのような位置ずれに起因してチューブ２３に生じる応力を緩和する。その構造については後述する。

インバータ２は、２つの独立した筐体（第１筐体１２と第２筐体１４）を有しているとともに、夫々の筐体には冷媒を通す開口（開口１６、４６、１７、４７）が設けられている。第１筐体１２の開口１６と第２筐体１４の開口１７は、２本の連結管（第１連結管３と第２連結管４）で連結される。なお、第１連結管３と開口１６の連結部、第１連結管３とチューブ２３の連結部、第１連結管３と第２連結管４の連結部、及び、第２連結管４と開口１７の連結部には、それぞれシール部材が配置されるが、図１−３では、シール部材の図示は省略している。シール部材については図４を参照して説明する。

図４を参照して、開口１６と開口１７を連結する２つの連結管（第１連結管３と第２連結管４）と、それらの連結構造を説明する。図４は、図３の断面図において破線IVが示す範囲を拡大した図である。別言すれば、図４は、開口１６と開口１７の中心線を含む平面における断面図である。なお、図４では、パワーカード２２は仮想線で示してある。

第１筐体１２の開口１６に第１連結管３の一端（図４中の右端）が嵌合する。第１連結管３は、開口１６に挿通される筒部３ａと、筒部３ａの一方の端部（図４中の左端）に設けられているフランジ３ｂで構成される。フランジ３ｂは、第１筐体１２の側面１２ａであって開口１６の周囲に当接する。フランジ３ｂの側面１２ａと対向する面には筒部３ａを一巡するように溝が設けられており、その溝にＯリング６が嵌め込まれている。第１連結管３を開口１６に挿通すると、Ｏリング６がフランジ３ｂと側面１２ａとの間に位置し、それらの間を封止する。即ち、第１連結管３の一端（図４において第１連結管３の右端）は、開口１６と面シールを伴って連結する。なお、図示は省略しているが、フランジ３ｂは側面１２ａにボルトで固定される。

第１連結管３の筒部３ａの内側には、積層冷却ユニット２０のチューブ２３が嵌合する。筒部３ａの内側には、筒部３ａを周方向に一巡する溝が設けられており、その溝にＯリング５が嵌め込まれている。筒部３ａにチューブ２３を挿通すると、Ｏリング５が筒部３ａの内周面とチューブ２３の外周面との間に位置し、それらの間を封止する。即ち、第１連結管３の一端（図４において第１連結管３の右端）は、積層冷却ユニット２０のチューブ２３と軸シールを伴って連結する。

第１連結管３の筒部３ａの内側には、また、第２連結管４の一端が嵌合する。筒部３ａの内側には、筒部３ａの内面を周方向に一巡する別の溝が設けられており、その溝にＯリング７が嵌め込まれている。筒部３ａに第２連結管４の一端を挿通すると、Ｏリング７が筒部３ａの内周面と第２連結管４の外周面との間に位置し、それらの間を封止する。即ち、第１連結管３の他端（図４において第１連結管３の左端）は、第２連結管４の一端（図４において第２連結管の上右端）と軸シールを伴って連結する。

第２連結管４の他端（図４において第２連結管４の下右端）は第２筐体１４（冷却器１５）の開口１７と連結する。第２連結管４の他端にはフランジ４ａが設けられており、そのフランジ４ａが第２筐体１４（冷却器１５）側面１４ａにおいて開口１７の周囲と対向する。フランジ４ａの側面１４ａと対向する面には開口１７の周囲を一巡するように溝が設けられており、その溝にＯリング８が嵌め込まれている。第２連結管４を開口１７に連結すると、フランジ４ａと開口１７の周囲の面（側面１４ａ）との間にＯリング８が位置し、それらの間を封止する。即ち、第２連結管４の他端は開口１７と面シールを伴って連結する。なお、なお、図示は省略しているが、フランジ４ａは側面１４ａにボルト固定される。

第１連結管３と第２連結管４は剛体で作られている。典型的には、アルミニウムなどの金属、あるいは樹脂で作られている。また、Ｏリング５、６、７、８は、例えばゴムやシリコンで作られている。また、筒部３ａとその一端にフランジ３ｂを有する第１連結管３はいわゆる直管（ストレートパイプ）のブッシュ（軸受け筒）に相当する。

図４に示されているように、第１連結管３の外径の半径は開口１６の半径よりも距離Ｓａだけ小さい。別言すれば、第１連結管３の筒部３ａと開口１６の内周との間には隙間Ｓａが確保されている。第１連結管３は隙間Ｓａの分だけ、開口１６を含む面内方向（図におけるＹＺ平面内方向）に移動することができる。一方、第１連結管３と開口１６の間はＯリング６が面シールを構成しているので、第１連結管３が開口面内方向に移動しても、Ｏリング６による面シールは維持される。なお、第１連結管３は第１筐体１２にボルトで固定されるが、第１連結管３のフランジ３ｂに設けられたボルト孔は、ボルトの外径よりも大きく、フランジ３ｂの位置ずれを許容する。隙間Ｓａは、第１連結管３が開口１６の面内方向で動くことを許容するマージンに相当する。なお、図４では、理解を助けるために隙間Ｓａを相対的に大きくデフォルメして描いてあり、隙間Ｓａは、実際には、後述する寸法誤差と同程度の大きさであればよいことに留意されたい。

また、第１連結管４の筒部３ａと嵌合する第２連結管４の一端（図４にて上右の端）は、図４に示す距離Ｓｂだけ動いても、Ｏリング７が筒部３ａの内周面と第２連結管４の一端の外周面との間に位置する。即ち、第２連結管４は、Ｏリング７による軸シールを維持したまま、軸シールの軸線方向（図４における軸線ＣＬの方向であり、図中のＸ方向）に距離Ｓａまでは移動することができる。隙間Ｓｂは、第２連結管４が開口１６を含む面に交差する方向で動くことを許容するマージンに相当する。

結果として、第２連結管４の一端は、第１連結管３を介して、開口１６に対して封止を維持したまま、開口１６の開口面内方向に距離Ｓａ、軸シールの軸線方向に距離Ｓｂまでは動くことができる。開口１６と開口１７の相対位置が寸法誤差などにより当初の位置からずれても、それら２つの開口は第１連結管３と第２連結管４で無理なく連結することができる。別言すれば、寸法誤差などにより当初の設計位置からずれた開口１６と開口１７を第１連結管３と第２連結管４で連結しても、連結管３、４には過大な応力が発生しない。そのような効果は、第１連結管３の一端が面シールを伴って開口１６と連結し、他端が軸シールを伴って第２連結管４と連結するという連結構造により得られる。

また、Ｕ字状の第２連結管４は、一端（図４における上右端）が軸シール伴って第１連結管３と連結し、他端（図４における下右端）が面シールを伴って開口１７と連結する。Ｕ字状の連結管４は、一端では軸シールを維持しながら軸シールの軸線方向（図中の軸線ＣＬの方向）に移動することが許容され、他端では面シールを維持しながら開口面内方向（図中のＹＺ面内の方向）に移動することが許容される。即ち、Ｕ字型の第２連結管４単体でも、第１筐体１２の開口１６と第２筐体１４の開口１７の三次元的な相対位置のずれを許容することができる。なお、第２連結管４のフランジ４ａは第２筐体１４にボルトで固定されるが、フランジ４ａに設けられたボルト孔は、ボルトの外径よりも大きく、フランジ４ａの位置ずれ（すなわち第２連結管４の位置ずれ）を許容する。

また、図４に示すように、積層冷却ユニット２０において、冷却プレート２１の肉厚Ｗａ（チューブの管の板厚Ｗａ）は、チューブ２３の肉厚Ｗｂ（チューブ２３を形成する板材の厚みＷｂ）よりも薄い。なお、チューブ２３と冷却プレート２１は、同じ材料（典型的にはアルミニウム）で作られている。従って、チューブ２３の剛性は冷却プレート２１の剛性よりも低い。寸法誤差などにより、開口１６に対する積層冷却ユニット２０の取り付け位置（チューブ２３が取り付けられている端部冷却プレートと２１ａの位置）が当初の設計位置からずれた状態でチューブ２３を開口１６に差し込む場合であっても、剛性が低い冷却プレート２１がチューブ２３よりも先に撓むのでチューブ２３の撓みは小さく抑えられる。即ち、チューブ２３に発生する応力を抑制することができる。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。実施例のインバータ２では、連結管３、４と開口の封止にはＯリングが用いられている。面シールにはＯリングの代わりに面状のシール部材を用いてもよい。軸シールにはＯリングの代わりに筒状のシール部材を用いてもよい。

実施例では、軸シールを伴って連結する第１連結管３と第２連結管４の軸線方向（図中の軸線ＣＬ）は、開口１６を含む平面（図中のＹＺ平面）に対して直交している。軸線と開口面内方向は厳密に直交している必要はない。第２連結管４が開口１６を含む平面に対してその面外方向への移動が許容される程度に交差していればよい。

なお、図４に示したように、積層冷却ユニット２０において、冷却プレート２１の肉厚Ｗａは、チューブ２３の肉厚Ｗｂよりも薄い。冷却プレート２１の肉厚がチューブ２３の肉厚よりも薄い箇所は、チューブ２３の根元でチューブ２３の周囲だけでよい。チューブ２３が撓むよりも先にチューブ２３の根元で冷却プレート２１の外板が撓めばチューブ２３に発生する応力を低減できるからである。

第１筐体１２に設けられた開口１６が「第１の開口」の一例に相当する。第２筐体１４に設けられた開口１７が「第２の開口」の一例に相当する。開口１６と第１連結管３の一端（図中の右端）が面シールを伴って連結していること、開口１７と第２連結管４の一端（図中の下右端）が面シールを伴って連結していること、第１連結管の他端（図中の左端）と第２連結管４の他端（図中の上右端）が軸シールを伴って連結しており、軸シールの軸線（図中の軸線ＣＬ）が開口１６の面と直交していることが、本明細書が開示する連結構造の一実施形態である。

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
３：第１連結管
３ａ：筒部
３ｂ：フランジ
４：第２連結管
４ａ：フランジ
５、６、７、８：Ｏリング
１２：第１筐体
１４：第２筐体
１５：冷却器
１６、１７、４６、４７：開口
１９：流路
２０：積層冷却ユニット
２１：冷却プレート
２２：パワーカード
２３、２４：チューブ
２５：接続管
４１：平滑コンデンサ
４２：リアクトル
５１：冷媒供給管
５２：冷媒排出管

Claims (2)

1. ２つの筐体が組み合わさった冷却器一体型のインバータであって、
   冷媒が通る第１の開口が設けられている第１の筺体と、
   冷媒が通る第２の開口が設けられている第２の筺体と、
   発熱体を挟持する複数の冷却プレートと、隣接する冷却プレートを接続する接続管を備えた積層冷却ユニットと、
   を備えており、
   前記第１の開口と前記第２の開口は、剛体の連結管で連結する連結構造であって、
   一端が前記第１の開口と面シールを伴って連結する第１の連結管と、一端が前記第２の開口と面シールを伴って連結する第２の連結管と、を備える連結構造で連結されており、
   前記第１の連結管の他端と前記第２の連結管の他端が軸シールを伴って連結しているとともに、その軸シールの軸線方向が前記第１の開口を含む平面に直交しており、
   前記第１の開口を通る前記第１の連結管は、前記積層冷却ユニットの端部に位置する前記冷却プレートから伸びる剛体のチューブと連結しており、
   前記チューブと前記冷却プレートは同じ素材で作られており、前記冷却プレートの肉厚が前記チューブの肉厚よりも薄い、
   ことを特徴とするインバータ。
2. 前記第１の連結管は、前記第１の開口に挿通される筒部であって内側に軸シールを伴って前記第２の連結管の端部が挿通される筒部と、前記筒部の外周に設けられており前記第１の開口の周りに面シールを伴って接するフランジで構成されるブッシュであることを特徴とする請求項１に記載のインバータ。

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