JP7172579B2

JP7172579B2 - 電気機器

Info

Publication number: JP7172579B2
Application number: JP2018242232A
Authority: JP
Inventors: 賢史山中; 博人日下
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: US20200207200A1; JP2020107632A; CN111386009B; CN111386009A

Description

本明細書が開示する技術は、電気機器に関する。特に、ケースに冷却器が組み込まれている電気機器に関する。

電気自動車には、１００ボルト以上の電圧が印加される様々な強電機器が搭載される。強電機器の例は、メインバッテリ、走行用のモータ、メインバッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換する電力変換器などである。特許文献１に開示されている電気自動車は、メインバッテリの電力を複数の強電機器に分配するパワーディストリビューションモジュール（Power Distribution Module:以下、ＰＤＭと称する）を備えている。

強電機器は発熱量が大きい。特許文献１のＰＤＭは、外部の空気をケース内に取り込んで部品を冷却する。また、特許文献２には、発熱する部品を収容するケースに冷却器を備えている電気機器が開示されている。特許文献２の電気機器は、充電器とコンバータが取り付けられる放熱器と、放熱器へ冷却風を送るファンを備えている。

国際公開第２０１４／０３０４４５号特開平１１－２６６５０８号公報

特許文献１、２の電気機器は、ケース内部の部品を空気で冷却する。部品の発熱量が大きい場合、空冷ではなく、液体の冷媒で冷却する方式が採用される。ケースに冷媒流路（すなわち冷却器）を設けると、ケースの形状が複雑化してしまい、コストが嵩む。本明細書は、冷媒流路（冷却器）を備えたケースを有する電気機器を低コストで実現する技術を提供する。

本明細書が開示する電気機器は、ケースと、第１発熱部品と、第２発熱部品を備えている。ケースには、中仕切り板が備えられている。第１発熱部品は、中仕切り板の一方の面に取り付けられている。第２発熱部品は、中仕切り板の他方の面に取り付けられている。中仕切り板は貫通孔を備えている。第１発熱部品が貫通孔の一方の開口を塞いでおり、第２発熱部品が貫通孔の他方の貫通孔を塞いでいる。第１発熱部品と第２発熱部品と貫通孔によって、液体の冷媒が流れる冷媒流路が形成されている。

本明細書が開示する電気機器は、ケースに収容する発熱部品の一面を、液体の冷媒が流れる冷媒流路の内壁として用いる。このことにより、ケースの構造が単純になり、製造コストが抑えられる。

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。

実施例の電気機器（パワーユニット）の分解斜視図である（カバーなし）。斜め下方からみたケースの斜視図である。ケースの底面図である。パワーユニットの平面図である（カバーなし）。図４のＶ－Ｖ線でカットしたパワーユニットの断面図である（カバーなし）。パワーユニットの断面図である（部品を分解した図）。

図面を参照して実施例の電気機器を説明する。実施例の電気機器は、電気自動車に搭載されるパワーユニット２である。パワーユニット２は、メインバッテリ、サブバッテリ、電力変換器、充電インレットなどと接続され、それらの間で電力を中継する。電力変換器は、メインバッテリの電力を走行用のモータの駆動電力に変換するデバイスである。

図１に、パワーユニット２の分解斜視図を示す。なお、図１では、パワーユニット２のケース１０の開口を覆う上カバーと下カバーの図示は省略してある。説明の便宜上、図中の座標系の＋Ｚ方向を「上」と定義し、－Ｚ方向を「下」と定義する。

パワーユニット２は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、ＡＣ充電器３０、ＤＣリレー４０を備えている。それらの部品はケース１０に収容されている。パワーユニット２はそれらの部品以外にも様々な部品を備えているが、それらの部品の図示は省略する。ケース１０には複数のコネクタが備えられているが、コネクタの図示も省略した。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、メインバッテリの電圧を降圧してサブバッテリに供給するデバイスである。ＡＣ充電器３０は、外部の交流給電器から入力される交流電力を直流電力に変換してメインバッテリへ供給するデバイスである。ＤＣリレー４０は、外部の直流給電器を接続可能なＤＣインレットとメインバッテリの間に接続されるスイッチである。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、ＡＣ充電器３０、ＤＣリレー４０は、いずれも大電流が流れるため発熱量が大きい。パワーユニット２は、ケース１０に組み込まれている冷却器（冷媒流路）によって、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、ＡＣ充電器３０、ＤＣリレー４０を冷却することができる。

ケース１０は、ケース内部空間を二分割する中仕切り板１１を備えている。ケース１０の上側の空間（中仕切り板１１のおもて面１１ａの側の空間）にＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＤＣリレー４０が収容される。ケース１０の下側の空間（中仕切り板１１の裏面の側の空間）にＡＣ充電器３０が収容される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は複数のボルト３で中仕切り板１１のおもて面１１ａに固定される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、電気部品が収容されているＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１を固定しているベース板２２で構成されている。ベース板２２がボルト３で中仕切り板１１に固定されている。詳しくは後述するが、ベース板２２の中仕切り板１１に面する側にはフィンが設けられている。ベース板２２と、ベース板２２に設けられているフィンは、熱伝導率の高いアルミニウムで作られている。

ＤＣリレー４０も中仕切り板１１のおもて面１１ａに固定される。ＤＣリレー４０を固定するボルトは図示を省略した。

ＡＣ充電器３０は複数のボルト４で中仕切り板１１の裏面に固定される。ＡＣ充電器３０は、電気部品が収容されているＡＣ充電器本体３１と、ＡＣ充電器本体３１を固定しているベース板３２で構成されている。ベース板３２がボルト４で中仕切り板１１に固定されている。ベース板３２の中仕切り板１１に面する側にはフィン３３が設けられている。フィン３３については後述する。

ケース１０の中仕切り板１１について説明する。図２にケース１０を斜め下方からみた斜視図を示す。図３に、ケース１０の底面図を示す。ケース１０の中仕切り板１１には、２個の貫通孔１２、１３が設けられている。図２に示すように、中仕切り板１１の裏面１１ｂには、窪み１４が設けられている。図３では、理解を助けるために、中仕切り板１１の裏面１１ｂをグレーで示してあり、窪み１４の底面を斜線ハッチングで示してある。グレーの部分に囲まれた白い範囲が貫通孔１２、１３に相当する。

窪み１４の側面の一部は貫通孔１２まで切り欠かれており、窪み１４は貫通孔１２と連通している。窪み１４が貫通孔１２と連通している部位を以下では連通部１４ａと称する。また、窪み１４の側面の別の一部は貫通孔１３まで切り欠かれており、窪み１４は貫通孔１３とも連通している。窪み１４が貫通孔１３と連通している部位を以下では連通部１４ｂと称する。

先に述べたように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０（ベース板２２）が中仕切り板１１のおもて面１１ａに固定される。ベース板２２は、貫通孔１２、１３の一方の開口１２ａ、１３ａを塞ぐようにおもて面１１ａに固定される。別言すれば、ベース板２２は、貫通孔１２、１３を覆うようにおもて面１１ａに固定される。図示は省略しているが、ベース板２２と中仕切り板１１の間には、貫通孔１２、１３を囲むようにガスケットが配置される。ガスケットによって、貫通孔１２、１３の開口１２ａ、１３ａとベース板２２の間が封止される。

また、先に述べたように、ＡＣ充電器３０（ベース板３２）が中仕切り板１１の裏面１１ｂに固定される。図３の符号１８が、ベース板３２を固定するボルト４を締結するためのボルト孔を示している。ベース板３２は、貫通孔１２、１３の他方の開口１２ｂ、１３ｂと窪み１４を塞ぐように裏面１１ｂに固定される。別言すれば、ベース板３２は、貫通孔１２、１３と窪み１４を覆うように裏面１１ｂに固定される。図示は省略しているが、ベース板３２と中仕切り板１１の間には、貫通孔１２、１３と窪み１４を囲むように別のガスケットが配置される。別のガスケットによって、貫通孔１２、１３の開口１２ｂ、１３ｂとベース板３２の間が封止される。また、別のガスケットによって、窪み１４とベース板３２の間が封止される。

貫通孔１２、１３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のベース板２２とＡＣ充電器３０のベース板３２に挟まれて封止される。また、窪み１４はベース板３２によって封止される。窪み１４は貫通孔１２、１３と連通しており、貫通孔１２、１３と窪み１４は、封止された一つの空間を形成する。封止された空間は、液体の冷媒が流れる冷媒流路１９となる。ベース板２２、３２は、冷媒流路を構成する内壁に相当する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のベース板２２とＡＣ充電器３０のベース板３２は、貫通孔１２、１３を挟んで対向しており、ベース板２２、３２が中仕切り板１１に固定されることで、貫通孔１２、１３が封止され、冷媒流路１９が形成される。別言すれば、ベース板２２、３２と、貫通孔１２、１３の内面で囲まれた空間が、冷媒が流れる冷媒流路１９となる。ベース板３２と窪み１４で囲まれた空間も、貫通孔１２、１３と連通しており、冷媒流路１９の一部を構成する。

ケース１０には、ケース外側と貫通孔１２を連通する供給管１６と、ケース外側と貫通孔１３を連通する排出管１７が設けられている。供給管１６と排出管１７には不図示の冷媒循環装置が接続される。図３の太矢印線が冷媒の流れを模式的に示している。供給管１６から供給される冷媒は、貫通孔１２へ流れ込む。冷媒は貫通孔１２から連通部１４ａを通じて窪み１４へと流れる。冷媒は窪み１４から連通部１４ｂを通じて貫通孔１３へと流れる。冷媒は貫通孔１３から排出管１７を通り、冷媒循環装置に戻る。冷媒には液体が用いられる。冷媒は、例えば、水、あるいは不凍液でよい。

図１に示したように、ＡＣ充電器３０のベース板３２には、中仕切り板１１に対向する面に複数のフィン３３が設けられている。より詳しくは、ベース板３２には、貫通孔１２、１３と窪み１４に対向する領域に複数のフィン３３が設けられている。ベース板３２とフィン３３は、熱伝導率が高いアルミニウムで作られている。ＡＣ充電器３０がケース１０に取り付けられると、フィン３３は、貫通孔１２、１３、及び、窪み１４の中に位置することになる。すなわち、フィン３３は、冷媒流路１９に配置される。ＡＣ充電器本体３１の熱は、冷媒流路１９の内壁に相当するベース板３２と、冷媒流路１９に晒されるフィン３３を通じて冷媒に吸収される。

中仕切り板１１にも複数のフィン１５が設けられている（図２）。フィン１５は、中仕切り板１１の窪み１４の底面に設けられる。図４に、パワーユニット２の平面図を示す。図４でもケース１０を閉じるカバーの図示は省略してある。図４は、上からみたパワーユニット２の平面図である。図４では、中仕切り板１１の貫通孔１２、１３、窪み１４、フィン１５、ＡＣ充電器３０のフィン３３を破線で示してある。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のベース板２２にもフィンが設けられているが、図４ではベース板２２のフィンの図示は省略した。

ＤＣリレー４０は、中仕切り板１１の窪み１４とは反対側の面に取り付けられている。すなわち、中仕切り板１１に設けられているフィン１５は、図４の平面視において、ＤＣリレー４０と重なるように配置されている。図４は、中仕切り板１１の法線方向から見た図に相当する。すなわち、ＤＣリレー４０は、中仕切り板１１の窪み１４とは反対側の面に取り付けられており、中仕切り板１１の法線方向からみてフィン１５と重なる位置に配置されている。

図５に、図４のＶ－Ｖ線に沿った断面図を示す。ケース１０は、上側と下側の両方が開口しており、それぞれがカバーで閉じられるが、図５でも上カバーと下カバーの図示は省略してある。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のベース板２２にも、貫通孔１２、１３に対向する位置に複数のフィン２３が設けられている。ＡＣ充電器３０のベース板３２のフィン３３も、貫通孔１２、１３に対向するように配置されている。なお、ベース板３２は、多数のフィン３３を備えており、複数のフィンの一部は窪み１４に対向するように配置されている。

図５に示されているように、ベース板２２のフィン２３は、貫通孔１２、１３の内部において、ベース板３２のフィン３３と対向するように配置されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１の熱は、ベース板２２とフィン２３を通じて、冷媒流路１９を流れる冷媒に吸収される。また、先に述べたように、ＡＣ充電器本体３１の熱は、ベース板３２とフィン３３を通じて、冷媒流路１９を流れる冷媒に吸収される。

図４、図５に示されているように、中仕切り板１１の窪み１４とは反対側にＤＣリレー４０が取り付けられており、窪み１４には、ＤＣリレー４０と重なるようにフィン１５が設けられている。ＤＣリレー４０の熱は、中仕切り板１１の窪み１４の底板に相当する部分とフィン１５を通じて冷媒に吸収される。

図６に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０、ＡＣ充電器３０、ＤＣリレー４０をケース１０から外した分解断面図を示す。先に述べたように、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０のベース板２２は、貫通孔１２、１３の一方の開口１２ａ、１３ａを塞ぐように、中仕切り板１１のおもて面１１ａに取り付けられる。また、ＡＣ充電器３０のベース板３２は、貫通孔１２、１３の他方の開口１２ｂ、１３ｂと窪み１４を塞ぐように、中仕切り板１１の裏面１１ｂに取り付けられる。ベース板２２、３２が貫通孔１２、１３と窪み１４を塞ぐことで、冷媒流路１９が形成される。

図６によく示されているように、ケース１０の中仕切り板１１は、単純な貫通孔１２、１３と、単純な窪み１４を備えているのみであり、形状が比較的に単純である。実施例で説明した技術は、ケース１０に冷媒流路１９が含まれているパワーユニット２を比較的に低コストで実現することができる。

実施例のパワーユニット２のいくつかの特徴を以下に記す。

（１）パワーユニット２は、中仕切り板１１を備えているケース１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０と、ＡＣ充電器３０を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＡＣ充電器３０はともに発熱量が大きい。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、中仕切り板１１の一方の面（おもて面１１ａ）に取り付けられている。ＡＣ充電器３０は、中仕切り板１１の他方の面（裏面１１ｂ）に取り付けられている。中仕切り板１１は、貫通孔１２、１３を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＡＣ充電器３０は、貫通孔１２、１３を挟んで対向している。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は貫通孔１２、１３の一方の開口１２ａ、１３ａを塞ぐように中仕切り板１１のおもて面１１ａに取り付けられている。ＡＣ充電器３０は貫通孔１２、１３の他方の開口１２ｂ、１３ｂを塞ぐように中仕切り板１１の裏面１１ｂに取り付けられている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＡＣ充電器３０と貫通孔１２、１３によって、液体の冷媒が流れる冷媒流路１９が形成される。ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＡＣ充電器３０が冷媒流路１９の内壁の一部を兼ねることで、中仕切り板１１の形状が単純化される。それゆえ、ケース１０の製造コストが抑えられる。

（２）ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＡＣ充電器３０のいずれも、貫通孔１２、１３に対向する面にフィン２３、３３が設けられている。フィン２３、３３は冷媒流路１９に晒されることになる。フィン２３、３３を設けることによって、ＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１、ＡＣ充電器本体３１に対する冷却効率が高まる。なお、フィンは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０とＡＣ充電器３０の両方に設けられていてもよいし、いずれか一方に設けられていてもよい。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１が固定されているとともに中仕切り板１１に固定されているベース板２２を備えている。ＡＣ充電器３０は、ＡＣ充電器本体３１と、ＡＣ充電器本体３１が固定されているとともに中仕切り板１１に固定されているベース板３２を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ本体２１（ＡＣ充電器本体３１）を交換する場合は、ベース板２２ごと（ベース板３２ごと）交換すればよいので、交換作業が容易である。

中仕切り板１１には、貫通孔１２、１３と連通する窪み１４が設けられている。ＡＣ充電器３０（ベース板３２）が窪み１４を塞いでいる。冷媒流路を全て貫通孔で構成する必要はなく、中仕切り板１１に窪みを設けて冷媒流路にしてもよい。中仕切り板１１の窪み１４の反対側の面に、別の発熱部品であるＤＣリレー４０が取り付けられていてもよい。

実施例で説明した技術に関するその他の留意事項を以下に述べる。中仕切り板１１の窪み１４の一部の領域にフィン１５が設けられており、残りの領域には、ＡＣ充電器３０のフィン３３が配置される。フィン１５は、中仕切り板１１の窪み１４とは反対側の面に取り付けられているＤＣリレー４０の冷却に貢献する。フィン３３はＡＣ充電器３０の冷却に貢献する。フィン１５とフィン３３の割合は、ＤＣリレー４０に対する望ましい冷却性能と、ＡＣ充電器３０に対する望ましい冷却性能の割合に基づいて決定されればよい。

ケース１０にはケース外側と貫通孔１２を連通する供給管１６と、ケース外側と貫通孔１３を連通する排出管１７が設けられている。貫通孔１２と貫通孔１３は、ともに、窪み１４と連通している。供給管１６と排出管１７には、液体の冷媒を循環させる冷媒循環装置（不図示）が接続される。冷媒循環装置から供給される冷媒は供給管１６を通り冷媒流露１９に流入する。冷媒流路１９を通過した冷媒は、排出管１７を通り冷媒循環装置に戻される。

ＡＣ充電器３０が第１発熱部品の一例であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０が第２発熱部品の一例である。ＤＣリレー４０が第３発熱部品の一例である。本明細書が開示する技術は、ＡＣ充電器、ＤＣ／ＤＣコンバータ、ＤＣリレーのほかの発熱部品に対しても適用することができる。また、本明細書が開示する技術はパワーユニット以外の電気機器に適用することができる。

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：パワーユニット
３、４：ボルト
１０：ケース
１１：中仕切り板
１２、１３：貫通孔
１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ：開口
１４：窪み
１４ａ、１４ｂ：連通部
１５、２３、３３：フィン
１６：供給管
１７：排出管
１９：冷媒流路
２０：ＤＣ／ＤＣコンバータ
２１：ＤＣ／ＤＣコンバータ本体
２２、３２：ベース板
３０：ＡＣ充電器
３１：ＡＣ充電器本体
４０：ＤＣリレー

Claims

中仕切り板を備えているケースと、
前記中仕切り板の一方の面に取り付けられている第１発熱部品と、
前記中仕切り板の他方の面に取り付けられている第２発熱部品と、
を備えており、
前記中仕切り板は、第１貫通孔と、第２貫通孔と、前記第１貫通孔と前記第２貫通孔との間を連通する窪みと、を備えており、
前記第１発熱部品は、前記第１貫通孔の一方の開口と前記第２貫通孔の一方の開口と前記窪みとを塞いでおり、前記第２発熱部品は、前記第１貫通孔の他方の開口と前記第２貫通孔の他方の開口とを塞いでおり、前記第１発熱部品と前記第２発熱部品と前記第１貫通孔と前記第２貫通孔と前記窪みとによって、前記第１貫通孔から前記窪みを通じて前記第２貫通孔へと液体の冷媒が流れる冷媒流路が形成されている、
電気機器。
前記第１発熱部品と前記第２発熱部品の少なくとも一方の前記第１貫通孔に対向する面にフィンが設けられている、請求項１に記載の電気機器。
前記第１発熱部品と前記第２発熱部品の少なくとも一方は、
発熱部品本体と、
前記発熱部品本体が固定されているとともに前記中仕切り板に固定されているベース板と、を備え、
前記ベース板の前記第１貫通孔に対向する面に、前記フィンが設けられている、請求項２に記載の電気機器。
前記中仕切り板の前記窪みの反対側の面に第３発熱部品が取り付けられている、請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機器。