JP6109265B2

JP6109265B2 - 冷媒流路付き電気機器

Info

Publication number: JP6109265B2
Application number: JP2015171837A
Authority: JP
Inventors: 省吾三木; 浩之東野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2015-09-01
Filing date: 2015-09-01
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: JP2017050375A

Description

この発明は、隔壁を介した一方の空間に設けられた電気部品が、他方の空間内の冷媒流路を流れる冷媒により冷却される冷媒流路付き電気機器に関するものである。

従来、冷媒を導入するための冷媒流入通路と、この冷媒を排出するための冷媒流出通路とを互いに平行に並べ、これらの間で冷媒流入通路及び冷媒流出通路を流通する冷媒の流通方向に対して直交する方向に複数のフィンを配置した冷却器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
そして、この冷却器では、隣接してフィン間の冷却用通路を流れる冷媒の流速が導入口から排出口に向けて流量が上昇するという偏流特性、即ち流量分布の偏りを抑制するために、フィンからなるヒートシンクの側面に対向して傾斜面を有するガイド部を冷媒導入流路に形成して、冷媒流入通路の流路幅を調整している。

特許第５５６５４５９号公報

しかしながら、この冷却器の場合、上記ガイド部にはフィンがないので、冷却性能が低いため、このガイド部を発熱性の電気部品を搭載する領域として利用できないため、冷却器を大きくせざるを得ないという問題点があった。

この発明は、このような問題点を解決することを課題とするものであって、簡単な構成で電気部品が搭載された隔壁での冷媒の流量分布の偏りを抑制でき、ホットスポットの発生を抑制することができるとともに、小型化が可能な冷媒流路付き電気機器を提供することを目的とする。

この発明に係る冷媒流路付き電気機器は、
隔壁を介して第１の空間及び第２の空間を有する筐体と、
前記第１の空間内で前記隔壁に搭載された電気部品と、
前記第２の空間内で前記筐体の外部からの冷媒が流入する冷媒流入通路、及びこの冷媒流入通路と対向し前記筐体の外部に冷媒を流出する冷媒流出通路の少なくも一方に端面が前記隔壁に固定して設けられ、前記冷媒の流れを拡散する複数の拡散部材と、を備え、
複数の前記拡散部材は、それぞれ、前記冷媒流入通路および前記冷媒流出通路の前記拡散部材が設けられる通路の軸線方向に列をなして、前記冷媒流入通路と前記冷媒流出通路との対向する方向に複数列に設けられ、前記冷媒流入通路と前記冷媒流出通路との間には、互いに平行に対向して配置された複数の冷却フィンが前記隔壁に設けられ、前記冷媒流入通路からの前記冷媒は、前記冷却フィン間の冷却用通路を通じて前記冷媒流出通路に流通する。

この発明に係る冷媒流路付き電気機器によれば、冷媒流入通路及び冷媒流出通路の少なくも一方に冷媒の流れを拡散する拡散部材を設けることで、電気部品が搭載された隔壁での冷媒の流量分布の偏りを抑制でき、ホットスポットの発生を抑制することができる。
また、拡散部材は、端面が隔壁に固定され、冷却フィンとして機能するので、冷却機能が向上する結果、小型化することができる。

この発明の実施の形態１の電力変換機器を示す斜視図である。図１のＩＩ-ＩＩ線に沿った矢視断面図である。図１のＩＩＩ-ＩＩＩ線に沿った矢視断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第１の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第２の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第３の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第４の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第５の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第６の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第７の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態１に係る電力変換機器の第８の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態２に係る電力変換機器を示す平断面図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換機器を示す平断面図である。この発明の実施の形態３に係る電力変換機器の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換機器を示す平断面図である。この発明の実施の形態４に係る電力変換機器の変形例を示す平断面図である。この発明の実施の形態５に係る電力変換機器を示す平断面図である。この発明の実施の形態５に係る電力変換機器の変形例を示す平断面図である。

以下、この発明の各実施の形態の電力変換機器について図に基づいて説明するが、各図において、同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１の電力変換機器を示す斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩＩ線に沿う矢視断面図、図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う矢視断面図である。
冷媒流路付き電気機器であるこの電力変換機器は、電気自動車等に搭載される。
この電力変換機器は、内部を上下の第１の空間３と第２の空間４とに区画する隔壁２を有する筐体１と、この筐体１の第１の空間３内に収納され、一部が隔壁２に搭載された発熱性の電気部品６と、筐体１の第２の空間４内の冷媒流入通路７に配設された複数の流入側拡散部材８と、第２の空間４内の冷媒流出通路９に配設された複数の流出側拡散部材１０と、冷媒流入通路７と冷媒流出通路９との間に配設された複数の冷却フィン１１と、を備えている。

筐体１の外部からの冷媒が流入する冷媒流入通路７と、この冷媒を筐体１の外部に流出する冷媒流出通路９とは互いに平行に形成されている。各冷却フィン１１は、冷媒流入通路７及び冷媒流出通路９の軸線方向に対して直交する方向に延びて配置されている。また、等間隙で隣接した冷却フィン１１間には冷却用通路５が形成されている。
各冷却フィン１１は、同形の平板形状であって、これらの両端面が第２のカバー１３及び隔壁２に固定されて一体化されている。

筐体１は、断面矩形状で四方を囲った側壁１４と、側壁１４の上面開口部を覆った第１のカバー１２と、第１のカバー１２と対向して側壁１４の底面開口部を覆った第２のカバー１３と、から構成されている。
各電気部品６は、例えば、ダイオードチップ、パワーモジュール、リアクトル、トランス、フィルター回路、バスバー、コネクタ、ハーネス等から構成されている。
側壁１４には流入突起部１５が設けられている。この流入突起部１５には、流入管１６の先端部が冷媒流入通路７に指向して取り付けられている。また、側壁１４には流出突起部１７が設けられている。この流出突起部１７には、流出管１８の先端部が冷媒流出通路９に指向して取り付けられている。
図示されていないが、流入管１６と流出管１８とは、冷媒を強制循環させるポンプ、筐体１からの冷媒を放熱する熱交換器が冷媒配管を介して接続されている。
なお、流入管１６、流出管１８は、流入突起部１５、流出突起部１７にそれぞれ圧入、焼き嵌め、ネジ構造等で固定される。

各流入側拡散部材８及び各流出側拡散部材１０は、同形の平板形状であって、これらは、第２のカバー１３及び隔壁２と一体化している。
冷媒流入通路７の軸線方向に沿って配置された各流入側拡散部材８は、隣接した流入側拡散部材８間の間隙である部材間隙Ｌ１の距離が互いに等しい直線状の列をなしている。そして、列は全部で３列であり、隣接した列間の間隙である各列間隙Ｌ２の距離も、互いに等しい。
３列に並んだ各流入側拡散部材８を冷媒流入通路７の軸線に対して垂直方向に視たとき、各列の流入側拡散部材８は、互いに重なって配置されている。
冷媒流出通路９の軸線方向に沿って配置された各流出側拡散部材１０は、隣接した流出側拡散部材１０の間隙である部材間隙Ｌ３の距離が互いに等しい直線状の列をなしている。
そして、列は全部で３列であり、隣接した列間の間隙である各列間隙Ｌ４の距離も、互いに等しい。
３列に並んだ各流出側拡散部材１０を冷媒流出通路９の軸線に対して垂直方向に視たとき、各列の流出側拡散部材１０は、互いに重なって配置されている。
なお、筐体１、各流入側拡散部材８、各流出側拡散部材１０、冷却フィン１１、流入突起部１５及び流出突起部１７は、一体成型するためにダイカスト製造や鋳造法により成型されることが望ましいが、それぞれの各部材を別体で成型したのち、各部材を、ネジ、ボルト、溶接、ろう付け等で一体化するようにしてもよい。

上記構成の電力変換装置では、冷媒である冷却水が流入管１６から冷媒流入通路７内に流入する。この冷却水は、冷媒流入通路７内を流入側拡散部材８により拡散されて流通する。
そして、冷却水は、各冷媒流入通路７を流通しながら、途中、隣接した冷却フィン１１間に形成された冷却用通路５に分岐され、冷媒流出通路９に流入する。
冷却水は、引き続き冷媒流出通路９内を流出側拡散部材１０により拡散されて流通する。
その後、流出管１８を出た冷却水は、熱交換器で放熱して再び流入管１６に戻る。

上記実施の形態１の電力変換装置によれば、冷媒流入通路７及び冷媒流出通路９に、それぞれ流入側拡散部材８及び流出側拡散部材１０を設けたので、隔壁２での冷却水の流量分布の偏りが抑制され、隔壁２でのホットスポットの発生を抑制することができる。
また、流入側拡散部材８及び流出側拡散部材１０のそれぞれの端面が隔壁２に固定したので、流入側拡散部材８及び流出側拡散部材１０も冷却フィンとして機能し、筐体１の隔壁２の全域を発熱性の電気部品６が搭載できる領域として利用することができ、電気部品６の搭載面積を拡大できる結果、電力変換機器を小型化することができる。

また、複数の流入側拡散部材８及び流出側拡散部材１０は、隣接した流入側拡散部材８、流出側拡散部材１０間の部材間隙Ｌ１，Ｌ３の距離が互いに等しく、かつ冷却用通路５の軸線に対して交差する方向に列をなして配置されており、また列は、複数列であり、各列のそれぞれの部材間隙Ｌ１，Ｌ３の前記距離は、互いに等しい。
従って、例えばダイカスト製造により、筐体１、各流入側拡散部材８、各流出側拡散部材１０、冷却フィン１１、流入突起部１５及び流出突起部１７を一体成型する際に、金型内に、溶融したアルミニウム金属が行き渡り易くなり、品質の高い成型品が製造される。

なお、図１の電力変換装置では、流入管１６及び流出管１８は、筐体１の側壁１４の一面の両側に流入突起部１５、流出突起部１７を介して取り付けられているが、流入管１６及び流出管１８を、図４、図５、図６、図７、図８及び図９に示すように、側壁１４の異なる面であっても、冷媒流入通路７及び冷媒流出通路９に対応した部位であれば、側壁１４の一面の中央部、または片側部に取り付けることもでき、電力変換装置の組み付けの自由度を向上させることができる。

また、図３〜図９のものでは、各流入側拡散部材８及び各流出側拡散部材１０は、各冷却フィン１１に対して直交して配置しているが、図１０に示すように、各流入側拡散部材８を、冷却水が筐体１の内側に導かれるように傾斜し、各流出側拡散部材１０を、冷却水が筐体１の外側に導かれるように傾斜してそれぞれ配置してもよい。
また、図１１に示すように、各流入側拡散部材８を、冷媒流入通路７の上流側では冷却水が筐体１の外側に導かれるように傾斜し、冷媒流入通路７の下流側では冷却水が筐体１の内側に導かれるように傾斜し、また各流出側拡散部材１０を、冷媒流出通路９の上流側では冷却水が筐体１の外側に導かれるように傾斜し、冷媒流出通路９の下流側では冷却水が筐体１の内側に導かれるように傾斜してそれぞれ配置してもよい。
なお、図１１のものでは、列をなした、各流入側拡散部材８、各流出側拡散部材１０を、２方向に向いて配置したが、３方向に向いて配置してもよい。
隔壁２に搭載される電気部品６の位置により、冷却水は必ずしも全体に均一に分布させる必要がないが、これらは、隔壁２に搭載される発熱性の電気部品６の位置により隔壁２での冷却水の流量分布を変える一つの選択となる。

実施の形態２．
図１２は、この発明の実施の形態２の電力変換機器を示す平断面図である。
この実施の形態では、３列に並んだ各流入側拡散部材８を冷媒流入通路７の軸線に対して垂直方向に視たとき、各列の流入側拡散部材８は、軸線方向にシフトしてジグザグ状に配置されている。
また、３列に並んだ各流出側拡散部材１０を冷媒流出通路９の軸線に対して垂直方向に視たとき、各列の流出側拡散部材１０は、軸線方向にシフトしてジグザグ状に配置されている。
他の構成は、図３に示した実施の形態１の電力変換機器と同じである。

この実施の形態２の電力変換機器では、各列の流入側拡散部材８は、ジグザグ状に配置されているので、冷却水は、冷媒流入通路７を蛇行して流通する。
また、各列の流出側拡散部材１０は、ジグザグ状に配置されているので、冷却水は、冷媒流出通路９を蛇行して流通する。
従って、各列の流入側拡散部材８が直線状に配置された実施の形態１のものと比較して冷却水は、筐体１の隔壁２の全域に行き渡り易くなり、冷却性能を向上させることができる。

実施の形態３．
図１３は、この発明の実施の形態３の電力変換機器を示す平断面図である。
この実施の形態の電力変換機器では、３列に並んだ各流入側拡散部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃを冷媒流入通路７の軸線に対して垂直方向に視たとき、各列の流入側拡散部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃは、軸線方向にシフトしてジグザグ状に配置されている。
また、各流入側拡散部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの長さは、冷却フィン１１から離れるに従って長くなっている。即ち、各流入側拡散部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃの長さをｌ８Ａ，ｌ８Ｂ，ｌ８Ｃとしたときに、ｌ８Ａ>ｌ８Ｂ>ｌ８Ｃである。
また、同列間の隣接した各流入側拡散部材８Ａ，８Ｂ，８Ｃ間の部材間隙Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７の距離は、Ｌ５>Ｌ６>Ｌ７である。
３列に並んだ各流出側拡散部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃを冷媒流出通路９の軸線に対して垂直方向に視たとき、各列の流出側拡散部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃは、軸線方向にシフトしてジグザグ状に配置されている。
また、各流出側拡散部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの長さは、冷却フィン１１から離れるに従って長くなっている。即ち、各流出側拡散部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの長さをｌ１０Ａ，ｌ１０Ｂ，ｌ１０Ｃとしたときに、ｌ１０Ａ>ｌ１０Ｂ>ｌ１０Ｃである。
また、同列間の隣接した各流出側拡散部材１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ間の部材間隙Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０の距離は、Ｌ８>Ｌ９>Ｌ１０である。
他の構成は、図３に示した実施の形態１の電力変換機器と同じである。

この実施の形態の電力変換機器では、冷媒流入通路７内では、冷却フィン１１から離れた領域程空間スペースが大きくなり、その領域に冷却水が分散して流通する。また、冷却フィン１１に近い領域程、部材間隙Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０の寸法が小さくなるので、冷却水は、冷却フィン１１間の冷却用通路５に向けて流通する。
このため、実施の形態１のものと比較して冷却水は、筐体１の隔壁２の全域にわたってより流通し易くなり、冷却性能が向上する。

図１４は、この発明の実施の形態３の電力変換機器の変形例を示す平断面図である。
この変形例では、流入管１６及び流出管１８は、互いに対向し、冷媒流入通路７、冷媒流出通路９の軸線に対して垂直方向に筐体１の側壁１４に取付けられている。
流入管１６の流入口２０は、隣接した流入側拡散部材８Ａ間の部材間隙Ｌ５と対向している。また、流出管１８の流出口２１は、隣接した流出側拡散部材１０Ａ間の間隙Ｌ８と対向している。
他の構成は、図１３のものと同じである。

この変形例によれば、流入管１６の流入口２０は、隣接した流入側拡散部材８Ａ間の部材間隙Ｌ５と対向しているので、冷却水の流入側拡散部材８Ａに対する衝突を最小限に抑えることができ、その結果圧力損失を低減することができる。
また、流出管１８の流出口２１は、隣接した流出側拡散部材１０Ａ間の部材間隙Ｌ８と対向しているので、第２の空間４内の冷却水は、円滑に筐体１から外部に排出される。

実施の形態４．
図１５は、この発明の実施の形態４の電力変換機器を示す平断面図である。
この実施の形態の電力変換機器では、図１５の紙面側に第２のカバー１３に流入突起部１５及び流出突起部１７を設けている。流入突起部１５には、流入管１６が取付けられている。流出突起部１７には、流出管１８が取付けられている。
他の構成は、図２に示した実施の形態１の電力変換機器と同じである。

この実施の形態の電力変換機器によれば、流入管１６及び流出管１８を筐体１の下側に延出することができ、電力変換装置の組み付けの自由度を向上させることができる
なお、流入管１６及び流出管１８を例えば図１５の紙面の奥側を設け、下側に延出するようにしてもよい。
また、図１６に示すように、筐体１の側壁１４に流入突起部１５、流入管１６を設け、また第２のカバー１３に流出突起部１７、流出管１８を設けるようにしてもよい。
また、このものの場合にも、流入管１６及び流出管１８を図１６の紙面の奥側に設け、下側に延出するようにしてもよい。

実施の形態５．
図１７は、この発明の実施の形態５の電力変換機器を示す平断面図である。
この実施の形態の電力変換機器では、流出管１８は、筐体１の側壁１４に沿って流出突起部１７に取付けられている。
他の構成は、図３に示した実施の形態１の電力変換機器と同じである。

この実施の形態の電力変換機器によれば、流出管１８を筐体１の側壁１４に沿って延出することができ、電力変換装置の組み付けの自由度を向上させることができる
なお、図１８に示すように、Ｌ字形状の流出管１８を流出突起部１７に取付けることで図１７のものと同様に、流出管１８を筐体１の側壁１４に沿って延出するようにしてもよい。

なお、上記各実施の形態の電力変換機器では、冷媒流入通路７に流入側拡散部材８を設け、冷媒流出通路９に流出側拡散部材１０を設けたが、拡散部材を冷媒流入通路側７または冷媒流出通路９の何れか一方に設けるようにしてもよい。

また、冷却フィン１１は、薄板平板状ではなく、ピンフィン、オフセットフィン等の種々の形状であってもよい。
また、第１のカバー１２、第２のカバー１３は、平板形状であったが、周縁部が起立した形状であってもよい。

また、筐体１では、側壁１４の上側と下側とが隔壁２で区画され、この隔壁２に電気部品６が搭載されていたが、板に電気部品を搭載し、この板を、周縁部が起立した形状の、上カバーと下カバーで覆い、板と下カバーとの空間を冷媒流路とするようにしてもよい。
また、上記各実施の形態の電力変換機器では、隣接した各列間の列間隙Ｌ２，Ｌ４は、等間隙であったが、不等間隙であってもよい。
また、同列では部材間隙Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０は等間隙であったが、不等間隙であってもよい。
この場合、例えば、流入管または流出管から近いほど、部材間隙を短く、流入管または流出管から遠いほど部材間隙を長くするようにしてもよい。

また、冷媒流入通路での流入側拡散部材の一列に対する数、及びその列数、並びに冷媒流出通路での流出側拡散部材の一列に対する数、及びその列数は、上記各実施の形態のものに限定されるものではなく、また冷媒流入通路内での流入側拡散部材の数と、冷媒流出通路内での流出側拡散部材の数とが同じでなくてもよい。
また、上記各実施の形態では、冷媒流路付き電気機器として電力変換機器について説明したが、これは一例であり、他のものでも適用できる。

１筐体、２隔壁、３第１の空間、４第２の空間、５冷却用通路、６電気部品、７冷媒流入通路、８，８Ａ，８Ｂ，８Ｃ流入側拡散部材、９冷媒流出通路、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ流出側拡散部材、１１冷却フィン、１２第１のカバー、１３第２のカバー、１４側壁、１５流入突起部、１６流入管、１７流出突起部、１８流出管、２０流入口、２１流出口、Ｌ１，Ｌ３，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８，Ｌ９，Ｌ１０部材間隙、Ｌ２，Ｌ４列間隙。

Claims

隔壁を介して第１の空間及び第２の空間を有する筐体と、
前記第１の空間内で前記隔壁に搭載された電気部品と、
前記第２の空間内で前記筐体の外部からの冷媒が流入する冷媒流入通路、及びこの冷媒流入通路と対向し前記筐体の外部に冷媒を流出する冷媒流出通路の少なくも一方に端面が前記隔壁に固定して設けられ、前記冷媒の流れを拡散する複数の拡散部材と、を備え、
複数の前記拡散部材は、それぞれ、前記冷媒流入通路および前記冷媒流出通路の前記拡散部材が設けられる通路の軸線方向に列をなして、前記冷媒流入通路と前記冷媒流出通路との対向する方向に複数列に設けられ、
前記冷媒流入通路と前記冷媒流出通路との間には、互いに平行に対向して配置された複数の冷却フィンが前記隔壁に設けられ、前記冷媒流入通路からの前記冷媒は、前記冷却フィン間の冷却用通路を通じて前記冷媒流出通路に流通する冷媒流路付き電気機器。
複数の前記拡散部材は、それぞれ、平板状に形成され、前記拡散部材の各列において、隣接した前記拡散部材間の間隙である部材間隙の距離が互いに等しく配置されている請求項１に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記拡散部材の複数列の前記部材間隙の距離は、互いに等しい請求項２に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記拡散部材の複数列の前記部材間隙の距離のうち、少なくとも一列の前記部材間隙の距離は、他の列の前記部材間隙の距離と異なる請求項２に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記部材間隙の距離は、前記冷却フィンに近い列の前記部材間隙の距離ほど短い請求項４に記載の冷媒流路付き電気機器。
各列を構成する前記拡散部材が同一方向に向いて形成されている請求項２〜５の何れか１項に記載の冷媒流路付き電気機器。
各列を構成する前記拡散部材が少なくとも２方向に向いて形成されている請求項２〜５の何れか１項に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記冷媒流入通路と連通した流入管の流入口は、この流入管に最接近した列の前記部材間隙と対向している請求項２〜７の何れか１項に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記筐体には、前記冷媒流入通路と連通した流入管を取付けるための流入突起部、及び前記冷媒流出通路と連通した流出管を取付けるための流出突起部がそれぞれ設けられている請求項１〜８の何れか１項に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記流入突起部及び前記流出突起部は、前記筐体と一体成型で形成されている請求項９に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記流入突起部は、前記筐体の側壁であって前記冷媒流入通路に対応した部位に設けられ、また前記流出突起部は、前記筐体の側壁であって前記冷媒流出通路に対応した部位に設けられている請求項９または１０に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記流入突起部及び前記流出突起部の少なくとも一方は、前記筐体の側壁の開口部を覆ったカバーに設けられ、
前記流入突起部は、前記カバーに設けられたときには前記冷媒流入通路に対応した部位に設けられ、また前記流出突起部は、前記カバーに設けられたときには前記冷媒流出通路に対応した部位に設けられる請求項９または１０に記載の冷媒流路付き電気機器。
前記流入管及び前記流出管の少なくとも一方は、Ｌ字状の配管である請求項９〜１２の何れか１項に記載の冷媒流路付き電気機器。
冷媒流路付き電気機器は、電力変換機器である請求項１〜１３の何れか１項に記載の冷媒流路付き電気機器。