JP6219777B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、電子機器に関する。特に、内部に電子部品を備えるとともに、電子部品を冷却する液冷式の冷却器を備える電子機器に関する。

大電力を扱う電子機器は、収容している電子部品の発熱量が大きい。そのため、電子機器のケース内部に電子部品を冷却するための液冷式の冷却器を備えることがある。電子機器の外部から冷却器に冷媒を供給したり、冷却器を通過した冷媒を電子機器の外部へ排出するため、電子機器のケースに冷媒管を通す必要がある。それゆえケースには貫通孔が設けられる。自動車に搭載される電子機器では、水分の浸入を防ぐため、ケースの貫通孔と冷媒管の間を封止する必要がある。また、一般に、ケース内部の冷却器から伸びる冷媒管と、ケース外部の冷媒管（ケース外部から冷媒を供給する冷媒管、あるいは、ケース内部の冷却器からケース外部へ冷媒を排出する冷媒管）の接続部位も封止する必要がある。なお、説明の便宜上、ケース内部の冷却器から伸びる冷媒管を内部冷媒管と称し、ケース外部の冷媒管を外部冷媒管と称する。

ケース側面（側壁）と冷媒管の間を封止するとともに、外部冷媒管と内部冷媒管を連結する管継手を備える電子機器の例が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術は、電子機器として、電気自動車におけるインバータを対象としている。その技術は次の通りである。管継手はフランジを備えており、フランジ面と貫通孔の周囲のケース側面との間が面シール構造で封止される。管継手を内部冷媒管が通るのであるが、管継手の内周面と内部冷媒管の外周面が軸シール構造で封止される。内部冷媒管と外部冷媒管の連結部も軸シール構造で封止される。

面シール構造とは、管継手にフランジを設け、管継手の軸線に直交するフランジ面と貫通孔周囲のケース側面との間にガスケットなどを配置して封止する技術である。軸シール構造とは、管継手の外周面と貫通孔の内周面（あるいは管継手の外（内）周面と冷媒管の内（外）周面）との間にガスケットなどを配置して封止する技術である。面シール構造は連結する２個の部品の径方向（軸線に直交する面内方向）のずれを許容することができる。軸シール構造は連結する２個の部品の軸線方向のずれを許容することができる。

特開２０１２−０６４７２４号公報

本明細書が開示する技術も、内部に冷却器を備える電子機器に関し、冷却器から伸びる冷媒管（内部冷媒管）と電子機器のケースに設けられた貫通孔の間の封止性能を従来よりも高めた電子機器を提供する。

本明細書が開示する電子機器は、次の構造を備える。電子機器のケースは貫通孔を有する。貫通孔には管継手が嵌合している。管継手は、ケース内部の冷却器から伸びている内部冷媒管とケース外部の外部冷媒管を連結する。その管継手は、金属パーツと樹脂パーツと２個のガスケットで構成される。金属パーツは、ケースの貫通孔に挿通される内筒部と、ケースの外側に位置する内筒部の端部の外周に設けられているフランジとを有する。樹脂パーツは、金属パーツのフランジのフランジ面以外を覆うフランジカバーと、金属パーツの内筒部と同軸線で連通するようにフランジカバーからケース外側に向かって伸びている外筒部を備えている。２個のガスケットのうちの一方は、軸シールガスケットであり、内筒部と内部冷媒管との間に嵌挿されている。他方のガスケットは面シールガスケットであり、フランジ面と貫通孔の周囲のケースの側面との間に嵌挿されている。なお、「フランジ面」は、金属パーツのフランジのケース側面と対向する面を意味する。

金属パーツのフランジは、一枚の金属板で作られているのが好ましい。内筒部も一枚の金属板の円筒で作られているのが好ましい。また、樹脂パーツは、典型的には、金属パーツを金型に入れて溶融樹脂を射出し、金属パーツと一体不可分となるように作られる。

上記の電子機器は、冷媒に接する内筒部とケースに接するフランジが連続した金属で作られている。従って、金属パーツを介してケースから冷媒へ熱を伝えることができる。即ち、管継手がケースの冷却に寄与する。特に電力変換用のパワートランジスタなど発熱量の大きいデバイスの熱がケースに伝達されるような構造の場合、ケースと管継手を通じてデバイスの熱を吸収することができる。

また、金属パーツのフランジのフランジ面以外が樹脂製のフランジカバーに覆われている。即ち、金属パーツはケース外側の空間に露出しない。車載のインバータなどの電子機器は、エンジンコンパートメントに搭載され、塩分を含んだ水に晒される虞がある。しかし管継手の金属パーツは樹脂に覆われているので塩害を被ることがない。また、内筒部が一枚の金属板の筒で作られている場合、フランジとの接続部位から内筒部の先端にかけて可撓性を有する。それゆえ、管継手とこれに連結される内部冷媒管との位置ずれが、内筒部の可撓性で吸収できる。

なお、本明細書では、ケースに設けられた溝であってケースにカバーが取り付けられたときに「孔」を構成する溝も、便宜上、貫通孔として扱う。また、管継手は、ケースの側面にて外部冷媒管と内部冷媒管を接続する部品であるが、外部冷媒管の先端に不可分に設けられているものであってもよい。

本明細書が開示する技術は、ケースに貫通孔を設けて管継手を嵌挿させ、内部の冷却器から伸びる冷媒管（内部冷媒管）をその管継手に接続する電子機器に関する。本明細書は、管継手を使ってケースの冷却を促進することのできる電子機器を提供する。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。

実施例の電子機器（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（カバーなし）。 図２のIII−III線における断面図である。 図３の破線IVで囲んだ範囲の拡大図である。 変形例の電子機器の図３と同じ範囲の断面図である。

図面を参照して実施例の電子機器を説明する。実施例の電子機器は、電気自動車に搭載されるインバータ２である。インバータ２は、バッテリの直流電力を交流電力に変換して走行用のモータに供給する。図１に、インバータ２の分解斜視図を示す。図２に、インバータ２の斜視図を示す。また、図３に、図２のIII−III線における断面図を示す。なお、図３で示すインバータ２のカバー５９は、理解を助けるために図１、２ではその図示を省略している。また、図３では、管継手１０の周辺の構造は簡略化して描いてある。管継手１０の周辺の構造の詳細は図４に示されている。

インバータ２は、バッテリの電圧を昇圧する電圧コンバータ回路と、その昇圧された直流電力を交流電力に変換するインバータ回路を備えている。インバータ２は、ハードウエアとしては、複数のパワーカード２２、複数の冷却プレート２１、積層ユニット２０、リアクトル５２、コンデンサ５１、回路基板（不図示）などを備えている。図１では、一つのパワーカードのみに符号「２２」を付しており、同じ形状の他のパワーカードには符号を省略している。同様に、図１では、一つの冷却プレートのみに符号「２１」を付しており、同じ形状の他の冷却プレートには符号を省略している。また、図２では、積層ユニット２０に含まれる全てのパワーカードと冷却プレートの符号を省略した。そのほかインバータ２は別の冷却器８（後述）も備えている。

インバータ２は、独立した２つのケース（アッパーケース６、ロアケース７）を有している。アッパーケース６は、積層ユニット２０とリアクトル５２など、上記したデバイス群を収容する。ロアケース７は冷却器８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５２やコンデンサ５１を冷却する冷却器８である。もう一つは、パワーカード２２と冷却プレート２１が交互に積層された積層ユニット２０であり、パワーカード２２を集中的に冷却する。冷却器８は、アッパーケース６の底面に固定される。

パワーカード２２は、電圧コンバータ回路とインバータ回路のスイッチング素子を樹脂でモールドしたパッケージである。積層ユニット２０は、パワーカード２２と冷却プレート２１を交互に積層したデバイスである。スイッチング素子としては、ＩＧＢＴなどのトランジスタが用いられる。

回路基板は、スイッチング素子に供給する駆動信号を生成する。なお、回路基板は積層ユニット２０の上方に配置されるが、その図示は省略している。また、パワーカード２２、コンデンサ５１、リアクトル５２は、金属製のバスバにより互いに電気的に接続されているが、その図示は省略している。

積層ユニット２０の冷却プレート２１は、内部を冷媒が通る平板型の冷却器である。パワーカード２２はその両側を冷却プレート２１で挟まれ、パワーカード内のスイッチング素子が効率よく冷却される。

また、積層ユニット２０には、その積層方向の一端に絶縁板５５と板バネ５４がさらに積層されている。積層ユニット２０はアッパーケース６の内側面と支柱５３に挟まれるように支持される。板バネ５４により、積層ユニット２０はその積層方向に荷重を加えられつつアッパーケース６に支持される。板バネ５４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の密着性が高まり、パワーカード２２から冷却プレート２１への熱伝達効率が向上する。

冷却プレート２１の内部は冷媒が通る空洞である。積層方向からみて冷却プレートの長手方向の両端（図中のＹ軸方向における両端でありパワーカード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で接続されている。そして、積層方向の端の冷却プレート２１の貫通孔から、２本の冷媒管２３、２４が伸びている。積層ユニット２０がアッパーケース６に収納されると、冷媒管２３、２４がアッパーケース６の側面（側壁）に設けられたケースの貫通孔４、５６まで達する。

外部から冷媒を供給する供給管６１がアッパーケース６の外側からケースの貫通孔５６に接続される。供給管６１と冷媒管２４は、ケース側面の貫通孔５６で連通する。

積層ユニット２０のもう一方の冷媒管２３は、その先端が別の貫通孔４に達する。貫通孔４には、管継手１０が嵌合されており、冷媒管２３はその管継手１０に連結される。管継手１０の外側（ケース外側）には外設連結管３の上側開口が結合する。外設連結管３は、積層ユニット２０の冷媒管２３と、ロアケース７の冷却器８を連結する。外設連結管３の下側開口は、ロアケース７に設けられてた冷媒供給口５に連結される。外設連結管３の下側開口の周囲にはフランジ３ａが設けられている。このフランジ３ａが冷媒供給口５の周囲の側面にボルトにて結合される。ボルトの図示は省略している。ロアケース７には別の開口（冷媒排出口５７）が設けられており、そこに排出管６２が接続される。

管継手１０の構造は後に詳しく説明する。なお、供給管６１とケースの貫通孔５６の間、ケースの貫通孔５６と冷媒管２４の間、排出管６２と冷媒排出口５７の間、外設連結管３と冷媒供給口５の間も、夫々特定の封止構造を有しているが、本実施例では、管継手１０による封止構造に着目するので、他の箇所の封止構造の図示と説明は省略する。

冷媒の流れを説明する。なお、冷媒は、液体であり、例えば、水、あるいは、ＬＬＣ（Long Life Coolant）である。積層ユニット２０と冷却器８は液冷式の冷却器である。

冷媒は、供給管６１を通じて外部からインバータ２へ供給される。冷媒は、ケースの貫通孔５６と一方の冷媒管２４を通って積層ユニット２０に流れ込む。冷媒管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に分配される。冷媒は冷却プレート２１の内部をその長手方向（図中Ｙ軸方向）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を通じて冷媒管２３へと流れる。冷媒は、さらに冷媒管２３とケースの貫通孔４を通じてアッパーケース６から排出される。

冷媒はその後、外設連結管３を通じてロアケース７（即ち冷却器８）へと移動する。ロアケース７の内部には、アッパーケース６に設置されたリアクトル５２やコンデンサ５１の直下に相当する位置に冷媒の流路９（図３参照）が設けられている。冷媒がその流路９を通る間にリアクトル５２やコンデンサ５１の熱を吸収する。冷媒は最後には冷媒排出口５７に接続された排出管６２を通じてインバータ２の外へ排出される。なお、インバータ２の外部には、熱を吸収した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いる。インバータ２内の電子部品（スイッチング素子やリアクトルなど）の熱を吸収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。

図４を参照して、管継手１０を使った連結構造を説明する。図４は、図３において破線領域IVの拡大断面図である。管継手１０は、金属パーツ１３と樹脂パーツ１２と２個のガスケット１５、１６で構成されている。金属パーツ１３は、アルミニウムや銅などの金属製である。樹脂パーツ１２は樹脂で作られている。２個のガスケット１５、１６は、柔軟性を有する素材で作られている。ガスケット１５、１６は、例えば、耐熱性の高いシリコンゴムで作られている。また、以下では、説明を簡略化するため、アッパーケース６を単に「ケース６」と称する場合がある。

金属パーツ１３は、ケースの貫通孔４に挿通される内筒部１３ａと内筒部１３ａの一端の外周に設けられているフランジ１３ｂで構成されている。内筒部１３ａは一枚の金属板を円筒に加工したものであり、フランジ１３ｂは一枚の金属円板である。内筒部１３ａとフランジ１３ｂは、プレス加工で一体不可分に作られる場合もある。

樹脂パーツ１２は、金属パーツ１３のフランジ１３ｂのフランジ面１３ｃ以外を覆うフランジカバー１２ｂと、金属パーツ１３の内筒部１３ａと同心（同軸線）で連通する外筒部１２ａで構成されている。フランジ面１３ｃとは、フランジ１３ｂにおいてケース６の側面６ａと対向する面である。フランジカバー１２ｂはフランジ面１３ｃ以外を覆うので、フランジ１３ｂの外周面１３ｄも覆われる。

フランジカバー１２ｂと外筒部１２ａは、射出成形で一体不可分に作られる。射出成形の際、金属パーツ１３を金型に入れた後に溶融樹脂を射出し、溶融樹脂が固化すると、金属パーツ１３に接合された樹脂パーツ１２が完成する。別言すれば、フランジ１３ｂのフランジ面１３ｃ以外の面が樹脂でモールドされる。

外筒部１２ａの外周に外設連結管３が圧入される。外設連結管３は圧入されるので、外設連結管３と外筒部１２ａ（即ち管継手１０）の間の封止が確保される。外設連結管３の内周面と外筒部１２ａの外周面の間にガスケットが配置されていてもよい。

金属製の内筒部１３ａに冷媒管２３が嵌合する。内筒部１３ａの内周面には内周を一巡するガスケット溝１４ａが設けられており、その溝に軸シールガスケット１６が配置されている。内筒部１３ａの内周面と冷媒管２３の外周面との間は軸シールガスケット１６により封止される。なお、冷媒管２３の先端２３ａは先細りにテーパ形状を有している。このテーパ形状により、管継手１０への挿入が容易になる。また、内筒部１３ａ（管継手１０）と冷媒管２３の間の封止は軸シール構造であるので、管継手１０と冷媒管２３の軸線方向の位置ずれはこの軸シール構造により吸収される。

フランジ１３ｂのフランジ面には内筒部１３ａを一巡するようにガスケット溝１４ｂが設けられており、その溝に面シールガスケット１５が配置されている。図示を省略しているが、管継手１０は、フランジカバー１２ｂがボルトでケース６に固定されている。ボルトでフランジカバー１２ｂを固定すると、フランジ面１３ｃとケース側面６ａの間で面シールガスケット１５が狭圧され、フランジ１３ｂと貫通孔４の周囲のケース側面６ａの間が封止される。なお、図４では、ガスケット１５、１６の周囲に隙間を描いてあるが、これは図を理解し易くするためである。ガスケット１５、１６は、両側の部材で挟持されるので、図に描かれているような隙間は生じないことに留意されたい。

上記説明した管継手１０と冷媒管２３の連結構造の利点を説明する。まず、管継手１０は、金属パーツ１３が冷媒とケースの双方に接する。それゆえ、ケースの熱の一部が金属パーツ１３を介して冷媒へ伝達される。金属パーツの熱伝導率（熱伝達率）は樹脂パーツの熱伝導率（熱伝達率）よりも高いので、管継手１０がケースの冷却に寄与する。また、冷媒管２３が嵌合する内筒部１３ａは一枚の金属板で作られた筒であり、フランジ１３ｂとの連結部位から先端（ケース内側に位置する先端）にかけて可撓性を有する。その可撓性により、管継手１０と冷媒管２３の間の位置ずれが吸収できる。さらにまた、金属パーツ１３は樹脂パーツ１２に覆われており、外部に露出しない。それゆえ、電子機器２が塩気を含む水に晒された場合にも金属パーツ１３が塩害を被ることがない。

次に、図５を参照して変形例のインバータ１０２を説明する。図５は、図４と同じ範囲の断面図である。図５では、主要な部品だけに符号を付してあり、幾つかの部品の符号は省略している。各部品の符号と説明は、図４とその説明に準じる。

インバータ１０２は、管継手１１０の金属パーツ１１３（内筒部１１３ａ）の形状が先のインバータ２とは異なる。管継手１１０は、内筒部１１３ａのフランジ１１３ｂと接続する端部にくびれ１０９が設けられている。くびれ１０９は、内筒部１１３ａを一巡するように設けられている。それ以外は図４のインバータ２と同じである。くびれ１０９を設けることで、フランジ１１３ｂとの接合部における内筒部１１３ａの可撓性が大きくなる。それゆえ、冷媒管２３を挿入時の管継手１１０と冷媒管２３との位置ずれの許容量が大きくなる。

実施例のインバータ（電子機器）は、管継手１０（１１０）の外筒部１２ａの外周面に外設連結管３が嵌合している。実施例の技術は、管継手１０（１１０）とケース６の間で径方向のずれが許容され、管継手１０（１１０）と冷媒管２３の間で軸線方向のずれが許容される。それゆえ、管継手１０（１１０）と外設連結管３は、ずれを許容することなく剛に接合されていてもよい。即ち、管継手１０（１１０）は、ケース外部の外設連結管３とケース内部の冷媒管２３を連結する部品であるが、管継手１０（１１０）は外設連結管３と一体不可分に構成されていてもよい。別言すれば、外設連結管３の先端に管継手１０（１１０）の構造が設けられている態様も、「外部冷媒管と内部冷媒管を連結する管継手」に含まれる。

実施例では、冷媒管２３と管継手１０（１１０）の接続構造を説明し、他の接続部位の構造は図示と説明を割愛した。例えば、冷媒管２４と貫通孔５６の間にも管継手を配置してもよい。また、本明細書が開示する技術は、電気自動車のインバータだけでなく、他の電子機器に適用することも可能である。

実施例で説明した技術に関する留意点を述べる。パワーカード２２がケースに収容される電子部品の一例である。積層ユニット２０がケース内部の冷却器の一例である。冷媒管２３が、ケース内部の冷却器から伸びている内部冷媒管の一例に相当する。また、「アッパーケース６」が「ケース」の一例に相当する。外設連結管３が外部冷媒管の一例に相当する。

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（電子機器）
３：外設連結管
３ａ：フランジ
４、５：貫通孔
６：アッパーケース
６ａ：ケース側面
７：ロアケース
８：冷却器
９：流路
１０、１１０：管継手
１２：樹脂パーツ
１２ａ：外筒部
１２ｂ：フランジカバー
１３、１１３：金属パーツ
１３ａ、１１３ａ：内筒部
１３ｂ、１１３ｂ：フランジ
１３ｃ：フランジ面
１３ｄ：フランジ外周面
１４ａ、１４ｂ：ガスケット溝
１５：面シールガスケット
１６：軸シールガスケット
１７：補助ガスケット
１８：段差
２０：積層ユニット（冷却器）
２１：冷却プレート
２２：パワーカード
２３、２４：冷媒管
２３ａ：冷媒管先端
２３ｂ：テーパ面
２５：接続管
５６、５７：貫通孔
６１：供給管
６２：排出管

Claims (1)

1. 内部に電子部品を備えるとともに当該電子部品を冷却する液冷式の冷却器を備える電子機器であり、
   貫通孔を有しているケースと、
   前記貫通孔に嵌合しているとともに、前記冷却器から伸びている内部冷媒管とケース外部の外部冷媒管を連結する管継手と、
   を備えており、
   前記管継手は、
   金属で作られており、前記貫通孔に挿通される内筒部と、前記ケースの外側に位置する当該内筒部の端部の外周に設けられているフランジとを備えている金属パーツと、
   樹脂で作られており、前記フランジのフランジ面以外を覆っているフランジカバーと、前記内筒部と同軸線で連通するように前記フランジカバーからケース外側に向かって伸びている外筒部とを備えている樹脂パーツと、
   前記内筒部と前記内部冷媒管との間に配置されている軸シールガスケットと、
   前記フランジのフランジ面と前記貫通孔の周囲の前記ケースの側面との間に配置されている面シールガスケットと、
   を備えることを特徴とする電子機器。

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