JP6661524B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置に好適な熱交換器に関する。

電力変換装置は、例えばバッテリとモータの間に配置されバッテリで貯えた電力を制御してモータへ供給する。
ハイブリッド車両や電動車両に搭載される電力変換装置は、内部に直流−交流間の電力変換を行う電力変換器としてのパワーモジュールを備えている。このパワーモジュールは通電すると発熱するため、冷却する必要がある。冷却対策として、ウオータジャケット、ヒートシンク、冷却器などと呼ばれる熱交換器が、パワーモジュールを囲うパワーモジュールケースに付属される。

パワーモジュールケースは、平らな箱である。熱交換器は、箱の底に配置するように、プレート形熱交換器が採用される。プレート形熱交換器の構造が各種提案されてきた（例えば、特許文献１（図１、図３、図４）参照）。

特許文献１の図３に示されるように、熱交換器は、略矩形を呈し、この例では６個の固定部（１４）（括弧付き数字は、特許文献１に記載された符号を示す。以下同様）を、外周縁に備えている。固定部（１４）はボルト穴（１４１）を有する。ボルト穴（１４１）にボルトを通し、このボルトを上位部材（例えば、パワーモジュールケース）にねじ込むことで、熱交換器は電力変換装置に付設される。

特許文献１の図４に示されるように、固定部（１４）では、補強部材（１４０）が天板部（２）と底板部（３）との間に嵌められる。補強部（１４０）は上面が天板部（２）にろう付けされ、下面が底板部（３）にろう付けされる。固定部（１４）は、全体的に厚みが増し曲げ剛性や撓み剛性が格段に高まる。

結果、特許文献１の図３において、図面表裏方向の荷重に対して、固定部（１４）が曲がり難くなる。
ただし、固定部（１４）は、天板部（２）の周辺部分に配置されているため、天板部（２）の固定部（１４）から離れた部位での剛性は小さい。すなわち、熱交換器の内部剛性は高くない。
ヒートシンク（５）の保護の点から、内部剛性を高くすることが望まれる。

また、特許文献１の図１に示されるように、補強部材（１４０）は管状のカラーである。このような補強部材（１４０）を底板部（３）と天板部（２）との間に組み付けるには、位置合わせに時間を要し、結果的に組み立て工数が嵩む。

さらにまた、複数個（この例では６個）の補強部材（１４０）を、底板部（３）や天板部（２）とは、別に準備する必要がある。すなわち、部品点数が多くなり部品コストが増加する。
組み立て工数や部品点数の低減が求められる中、内部剛性を高くすると共に部品点数を削減しつつ全体の強度を向上させることが可能な熱交換器が求められる。

特開２０１４−１７６８９２号公報

本発明は、内部剛性を高くすると共に部品点数を削減しつつ全体の強度を向上させることが可能な熱交換器を提供することを課題とする。

請求項１に係る発明は、略矩形のアッパプレート及びロアプレートを備える熱交換器において、
前記アッパプレートと前記ロアプレートの間に、冷媒が移動するフィン及びこのフィンを囲うロアカバーを設け、
前記フィンを前記アッパプレートと前記ロアカバーとで挟み込んでおり、
前記アッパプレートは、外周縁から張り出すアッパ側フランジを備え、
前記ロアプレートは、前記アッパ側フランジに重なるロア側フランジを備え、
前記アッパ側フランジと前記ロア側フランジの一方のフランジの縁は、他方のフランジを囲うように折り曲げられたフランジ側補強リブとし、
前記ロアカバーは、前記アッパプレート及び前記ロアプレートよりも厚みを有することを特徴とする。

請求項１に係る発明では、アッパ側フランジとロア側フランジの一方をリブ形状にすることでカラーを用いることなく、フランジの強度を向上させることができる。結果、部品点数を削減しつつ強度を向上させることが可能な構造の熱交換器が提供される。
また、フィンを囲うロアカバーが厚肉とされているため、熱交換器の内部の剛性が高まる。
すなわち、本発明により、内部剛性を高くすると共に部品点数を削減しつつ全体の強度を向上させることが可能な熱交換器が提供される。

また、ろう付け工程や、部品の実装工程などの際に、熱による熱交換器の反りの発生が心配されるが、本発明によれば内部剛性が高いため、熱交換器が反ることを防止することができる。

本発明に係る熱交換器を内蔵する電力変換装置の分解斜視図である。 本発明に係る熱交換器の平面図及び要部断面図である。 本発明に係る熱交換器の斜視図である。 本発明に係る熱交換器の変形例を説明する図である。

本発明の実施の形態を添付図に基づいて以下に説明する。なお、図面は符号の向きに見るものとする。

本発明に係る電力変換装置１０は、バッテリとモータとの間に配置される。バッテリ及びモータは周知であるため、図示は省略する。モータが発電機として使用される場合は、発電された電力をバッテリに貯える。よって、本発明の電力変換装置１０は、バッテリとモータとの間又は発電機とバッテリの間に配置することができる。

図１に示すように電力変換装置１０は、例えば、ロアケース１１と、ミドルケース１２と、アッパカバー１３とで構成される筐体と、この筐体に内蔵されるコンデンサ１４と、モータへ向かうモータ側バスバー１５と、パワーモジュールを内蔵するパワーモジュールケース１７とを備える。パワーモジュールケース１７は、上面に回路基板１８を備え、下面に熱交換器２０を備える。

図２（ａ）に示すように、熱交換器２０は、平面視で横長の略矩形を呈している。
図２（ａ）のｂ−ｂ線断面図である図２（ｂ）に示すように、熱交換器２０は、アッパプレート２１と、このアッパプレート２１の下面に当てられるフィン２２と、このフィン２２を囲うロアカバー２３と、このロアカバー２３を下から支えるロアプレート２４とを備えている。

図２（ｃ）は図２（ｂ）の分解図であり、アッパプレート２１は、外周縁２１ａから張り出すアッパ側フランジ２６を備え、ロアプレート２４は、アッパ側フランジ２６に重なるロア側フランジ２７を備えている。加えて、アッパ側フランジ２６の縁は、ロア側フランジ２７を囲うように折り曲げられたフランジ側補強リブ２８とされている。図２（ａ）に示すように、外周縁２１ａは、アッパ側フランジ２６を含まない平面部である。

例えば、図２（ｃ）において、アッパ側フランジ２６とロア側フランジ２７との間にろう材Ｗ１を置き、アッパプレート２１とロアカバー２３との間にろう材Ｗ２を置き、アッパプレート２１とフィン２２との間にろう材Ｗ３を置きつつ、アッパプレート２１にフィン２２を当て、ロアカバー２３を取り付け、ロアプレート２４を取り付ける。この取り付けは、天地を逆、すなわちアッパプレート２１を下にして、フィン２２、ロアカバー２３及びロアプレート２４を上から取り付けることが推奨される。なお、ろう材Ｗ１〜Ｗ３は一例を示したものであって、適宜変更することは差し支えない。

取り付けの際に、フランジ側補強リブ２８があるため、アッパプレート２１にロアプレート２４を位置決めしつつ容易に組み付けることができ、作業性が向上する。
取り付け後に、ろう材Ｗ１〜Ｗ３を溶融し、凝固させることで、図２（ｂ）が得られる。

図２（ｂ）にて、アッパ側フランジ２６は、フランジ側補強リブ２８を備えているため、剛性が格段に向上する。このようなアッパ側フランジ２６にロア側フランジ２７が重ねられるため、アッパ側フランジ２６とロア側フランジ２７とフランジ側補強リブ２８とを組み合わせてなる固定部は、十分な強度を有する。

アッパ側フランジ２６とロア側フランジ２７の一方をリブ形状にすることでカラーを用いることなく、フランジ２６、２７の強度を向上させることができる。結果、部品点数を削減しつつ強度を向上させることが可能な熱交換器が提供される。加えて、アッパプレート２１にロアプレート２４を組み付けるときに、フランジ側補強リブ２８がロア側フランジ２７を囲うため、プレート２１、２４同士の位置決めが容易になり、組み立て工数を低減することができる。

図２（ａ）にて、平面視で、アッパプレート２１の４つの隅を時計回りに第１隅３１〜第４隅３４としたときに、第１隅３１近傍に冷媒（水、空気、その他の流体）の入口３５（又は出口）が配置され、第３隅３３近傍に冷媒の出口３６（又は入口）が配置されている。
そして、第２隅３２にアッパ側フランジ２６が設けられ、第２隅３２と第３隅３３の中間位置にアッパ側フランジ２６が設けられ、第４隅３４にアッパ側フランジ２６が設けられ、第４隅３４と第１隅３１の中間位置にアッパ側フランジ２６が設けられている。

すなわち、アッパプレート２１の外周縁２１ａにおいて、第２隅３２と第４隅３４を通る対角線３７上に２つのアッパ側フランジ２６、２６が設けられ、対角線３７に交叉する線３８上に２つのアッパ側フランジ２６、２６が設けられている。アッパ側フランジ２６は各々ボルト穴３９を有している。

ボルト穴３９にボルトを通し、このボルトでアッパプレート２１等が、上位部材（パワーモジュールケース１７など）に取り付けられるが、アッパ側フランジ２６が対角線３７上及びこの対角線に交叉する線３８上に設けられるため、アッパプレート２１等を固定するために必要な固定部（フランジ２６等）を必要最小限にすることができる。

図３（ａ）に熱交換器２０の斜視図を示し、図３（ｂ）に図３（ａ）のｂ部拡大図を示す。
図３（ｂ）に示すように、アッパプレート２１の外周縁２１ａに部分的にプレート側補強リブ４１、４１を設け、これらのプレート側補強リブ４１、４１をフランジ側補強リブ２８に連続させるようにした。フランジ側補強リブ２８がプレート側補強リブ４１に繋がっているため、アッパ側フランジ２６の曲げ強度をより高めることができる。
ただし、プレート側補強リブ４１、４１を設けるか否かは任意である。

ところで、フランジ側補強リブ２８及びプレート側補強リブ４１を折り曲げ形成するときに、折り曲げ力がアッパプレート２１の平面部分に伝わり、薄いアッパプレート２１を局部変形させることがある。局部変形が発生した場合には、平坦化工程が別途必要になる。

対策として、プレート側補強リブ４１とアッパプレート２１の外周縁２１ａとの間に、アッパ側フランジ２６側へ開口する切り込み部４２、４２を設けた。切り込み部４２、４２で折り曲げ力が遮断され、アッパプレート２１の平面部分に伝わらないため、アッパプレート２１の変形を防止することができる。
切り込み部４２、４２の形状は、Ｖ字、Ｕ字、Ｉ字の何れでもよい。

図３（ｃ）は図３（ｂ）の変形例を示し、図３（ｃ）に示すように、アッパプレート２１にフランジ側補強リブ２８だけを付属してもよい。この場合には、フランジ側補強リブ２８とアッパプレート２１の外周縁２１ａとの間に、アッパ側フランジ２６側へ開口する切り込み部４２、４２を設ければよい。

以上の実施例では、アッパ側フランジ２６にフランジ側補強リブ２８を設けたが、このフランジ側補強リブ２８はロア側フランジ２７に設けることができる。その具体例を図４に基づいて説明する。

図４に示すように、パワーモジュールケース１７の下面にアッパプレート２１が当てられ、フランジ側補強リブ２８は、アッパ側フランジ２６を囲うと共にパワーモジュールケース１７を囲うようにロア側フランジ２７からパワーモジュールケース１７側へ折り曲げられている。フランジ側補強リブ２８が補強作用に加えて位置決め作用を発揮する。すなわち、パワーモジュールケース１７に熱交換器２０を取り付ける際に、パワーモジュールケース１７と熱交換器２０の位置決めが容易になる。

また、図２（ｂ）にて、アッパプレート２１とロアプレート２４の間に、冷媒が図面表裏方向へ移動するフィン２２及びこのフィン２２を囲うロアカバー２３が設けられ、フィン２２はアッパプレート２１とロアカバー２３とで挟み込まれている。
好ましくは、ロアカバー２３は、アッパプレート２１及びロアプレート２４より厚みを有するようにする。

ロアカバー２３の剛性は高い。高い剛性のロアカバー２３でフィン２２が保護される。すなわち、熱交換器２０の内部の剛性が高まる。
また、アッパプレート２１及びロアプレート２４は、ロアカバー２３より薄いため、アッパ側フランジ２６（及び／又はロア側フランジ２７）は、折り曲げ易くなり、加工費を低減することができる。

すなわち、アッパ側フランジ２６とロア側フランジ２７の一方を折り曲げ易くするために薄肉とした場合でも、厚肉のロアカバー２３にてフィン２２を囲っているので、熱交換器２０の内部の剛性を保つことができる。
その結果、ろう付け工程や、部品の実装工程などの熱による熱交換器２０の反りを防止することができ、熱交換器２０の出来上がり寸法精度をよくすることができる。

尚、電力変換装置１０は、電動車両や、いわゆるハイブリッド車両に搭載される他、船舶用や一般産業用に供することもできる。

本発明は、車両に搭載される電力変換装置に好適である。

２０...熱交換器、２１...アッパプレート、２１ａ...外周縁、２２...フィン、２３...ロアカバー、２４...ロアプレート、２６...アッパ側フランジ、２７...ロア側フランジ、２８...フランジ側補強リブ、４１...プレート側補強リブ。

Claims (1)

1. 略矩形のアッパプレート及びロアプレートを備える熱交換器において、
   前記アッパプレートと前記ロアプレートの間に、冷媒が移動するフィン及びこのフィンを囲うロアカバーを設け、
   前記フィンを前記アッパプレートと前記ロアカバーとで挟み込んでおり、
   前記アッパプレートは、外周縁から張り出すアッパ側フランジを備え、
   前記ロアプレートは、前記アッパ側フランジに重なるロア側フランジを備え、
   前記アッパ側フランジと前記ロア側フランジの一方のフランジの縁は、他方のフランジを囲うように折り曲げられたフランジ側補強リブとし、
   前記ロアカバーは、前記アッパプレート及び前記ロアプレートよりも厚みを有することを特徴とする熱交換器。

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