JP7719966B2 - ユニット - Google Patents

Description

本発明はユニットに関する。

特許文献１には発熱体と接する収容体内に金属繊維シートを収容し、発熱体から金属繊維シートに伝導した熱を収容体内に導入した冷媒で奪い取る冷却部材が開示されている。金属繊維シートは熱伝導性の高い銅繊維やアルミニウム繊維で構成されることで、冷媒によって効率的に冷却される。

特開２０１９－９４３３号公報

本発明者らは鋭意検討の結果、冷却液が繊維を通過すると乱流が発生し、その乱流効果により冷却が促進されることを見出した。さらに、繊維の表面に冷却液を通過させることにより、繊維表面の乱れに起因して乱流が発生し、その乱流効果によっても冷却が促進されることを見出した。

このことは、繊維体の材料を問わず冷却性を高めることができることを意味し、特許文献１に記載の技術的思想、つまり金属繊維シートの熱伝導性を利用して冷却を行うこととは全く異なる技術的思想で繊維体が冷却に利用可能になることを意味する。このため、乱流効果を利用して冷却を行うという技術的思想に基づく繊維体の利用形態を反映した新しい構造のユニットの提供が望まれる。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたもので、乱流効果を利用して冷却を行うという技術的思想に基づく繊維体の利用形態が反映された構造を提供することを目的とする。

本発明のある態様のユニットは冷却液と、電気回路ユニットと、導熱繊維体とを有する。前記導熱繊維体は前記電気回路ユニットに接触する接触部と、折り曲げられた折曲部とを有する。前記折曲部は前記冷却液の液流経路内に配置される。

この態様によれば、折曲部を液流経路内に配置することで乱流が発生する結果、折曲部自身の冷却が促進される。また、折曲部は接触部を介して電気回路ユニットに熱的に接続されている。このため、電気回路ユニットから折曲部を介して冷却液に熱を逃がすことで、乱流効果を利用した電気回路ユニットの冷却を行うことができ、これにより電気回路ユニットの冷却効率を向上させることができる。また、このような導熱繊維体の構造は長さや柔軟性が適宜調節可能な構造なので、冷却流路をどのような場所に形成してもよい構造であることを意味し、ユニット全体としてのレイアウト自由度の向上にも資する。

図１は、本実施形態にかかるユニットの概略構成図である。 図２は、インバータの要部を示す断面図である。 図３は、折曲部を部分通路とともに拡大して示す断面図である。 図４は、折曲部の折り曲げ方向の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

図１は本実施形態にかかるユニット１００の概略構成図である。図２はインバータ１０の要部を示す断面図である。図３は折曲部１３ｂを部分通路５３ａとともに拡大して示す断面図である。図４は図３に示すＡ－Ａ断面で液流方向Ｆに対する折曲部１３ｂの折り曲げ方向を説明する図である。図１では回転電機２０及び減速機３０につき、回転電機２０のロータ及びステータや減速機３０の減速ギア機構等については図示省略し、回転電機２０のオイル溜まり部２１ｂ及び減速機３０のオイル溜まり部３１ｂを断面で模式的に示す。

ユニット１００は例えば回転電機２０を駆動源とする電動車両に搭載される。ユニット１００はインバータ１０と回転電機２０と減速機３０と冷却装置５０とを有する。インバータ１０は電気回路ユニットであり、ケース１１と電気回路１２とを有する。ケース１１は収容体であり、電気回路１２を収容する。ケース１１は例えばアルミ合金製とされる。ケース１１は例えば樹脂で構成された部分を有してもよい。ケース１１は箱状部１１１と板状部１１２とを有する。箱状部１１１は一面が開口した箱状の形状を有し、板状部１１２は箱状部１１１の開口を塞ぐ。ケース１１は板状部１１２が重力方向の下面を形成するように設けられる。

電気回路１２はケース１１内に設けられる。電気回路１２は基板１２１と回路部１２２とを有する。図２では回路部１２２を二点破線で囲んで示す。基板１２１はプリント基板であり、ケース１１の底壁に配置される。回路部１２２は基板１２１に実装される。回路部１２２は基板１２１の回路パターンに接続することで基板１２１と電気的に接続する。

回路部１２２は半導体素子１２２ａとワイヤ１２２ｂとリードフレーム１２２ｃと接合部材１２２ｄと放熱部材１２２ｅとモールド樹脂１２２ｆとを有する。半導体素子１２２ａは例えばパワー素子であり、ＩＧＢＴやパワーＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子とされる。半導体素子１２２ａは複数設けることができ、例えば図２の奥手前方向（図２の紙面に直交する方向）に沿って配列される。半導体素子１２２ａはワイヤ１２２ｂを介してリードフレーム１２２ｃと電気的に接続する。

接合部材１２２ｄは半導体素子１２２ａと放熱部材１２２ｅとを接合し、放熱部材１２２ｅは半導体素子１２２ａの放熱に用いられる。接合部材１２２ｄと放熱部材１２２ｅとはともに導熱部材であり、半導体素子１２２ａの熱は接合部材１２２ｄを介して放熱部材１２２ｅに伝わる。接合部材１２２ｄと放熱部材１２２ｅとは例えばモールド樹脂１２２ｆより高い熱伝導率を有する部材とされる。

半導体素子１２２ａはモールド樹脂１２２ｆ内に設けられ、モールド樹脂１２２ｆにより封止される。半導体素子１２２ａからの放熱は例えばモールド樹脂１２２ｆを介して行われる。その一方で、リードフレーム１２２ｃはモールド樹脂１２２ｆから突出し、放熱部材１２２ｅはモールド樹脂１２２ｆから露出する。このため、半導体素子１２２ａからの放熱はリードフレーム１２２ｃや放熱部材１２２ｅを介して促進することもできる。リードフレーム１２２ｃ及び放熱部材１２２ｅはともに半導体素子１２２ａからモールド樹脂１２２ｆ外への放熱を促進する放熱促進部を構成する。

回転電機２０はインバータ１０により制御され動力を発生する。回転電機２０が発生する動力は減速機３０を介して車両の駆動輪に伝達される。回転電機２０はケース２１を有する。ケース２１は導入口２１ａとオイル溜まり部２１ｂとを有し、回転電機２０のロータやステータを収容する。ケース２１には外側からインバータ１０が設けられる。インバータ１０はケース２１に横方向から設けられる。

導入口２１ａはケース２１の上壁を貫通し、ケース２１の内外を連通する。ケース２１内には導入口２１ａを介して冷却液であるオイルＯＬが導入される。導入されたオイルＯＬは重力の作用により落下し、ロータの潤滑やステータの冷却を行った後にオイル溜まり部２１ｂに貯留される。オイル溜まり部２１ｂにはステータの一部を配置でき、これによりオイル溜まり部２１ｂに貯留されたオイルＯＬをステータの冷却に用いることもできる。

減速機３０は回転電機２０からの入力回転を減速して出力する。減速機３０はケース３１を有する。ケース３１は排出口３１ａとオイル溜まり部３１ｂとを有し、減速ギア機構を収容する。ケース３１は例えばボルト締結によりケース２１と一体とされ、ケース２１とともに回転電機２０及び減速機３０のハウジング４０を構成する。

ハウジング４０は連通口４１を有し、連通口４１はケース２１内のオイル溜まり部２１ｂとケース３１内のオイル溜まり部３１ｂとを連通する。このため、オイルＯＬは連通口４１を介してオイル溜まり部２１ｂからオイル溜まり部３１ｂに導入可能になっている。連通口４１が設けられる壁は例えばケース２１の一部により構成される。

オイル溜まり部３１ｂはオイル溜まり部２１ｂから導入されたオイルＯＬを貯留する。オイル溜まり部３１ｂに貯留されたオイルＯＬはギア等の回転部材により掻き上げられ、減速ギア機構の潤滑に用いられる。ケース３１内からはオイル溜まり部３１ｂから排出口３１ａを介してオイルＯＬが排出される。減速機３０は動力伝達機構に相当する。

冷却装置５０はオイルポンプ５１とオイルクーラ５２と接続通路５３とを有する。オイルポンプ５１は吸入口５１ａと吐出口５１ｂとを有し、オイルＯＬを圧送する。吐出口５１ｂにはオイルクーラ５２が接続され、オイルクーラ５２はオイルポンプ５１により圧送されたオイルＯＬを冷却する。

接続通路５３はオイルポンプ５１の吐出口５１ｂからオイルクーラ５２を介してインバータ１０と回転電機２０とに分岐して接続する。分岐した接続通路５３の一方は回転電機２０の導入口２１ａに接続する。分岐した接続通路５３の他方は部分通路５３ａの一端部に接続する。

部分通路５３ａはケース１１内に設けられた部分の接続通路５３であり、ケース１１を貫通する両端部を有する。部分通路５３ａの一端部は図１、図２における手前側でケース１１を貫通し、他端部は図１、図２における奥側でケース１１を貫通する。接続通路５３はさらに、部分通路５３ａの他端部と減速機３０の排出口３１ａとを合流させた上でオイルポンプ５１の吸入口５１ａに接続する。

これにより、ユニット１００には第１循環経路Ｃ１と第２循環経路Ｃ２とが形成される。第１循環経路Ｃ１はオイルＯＬがオイルポンプ５１からオイルクーラ５２及びインバータ１０をこの順に通過してオイルポンプ５１に戻る循環経路である。第２循環経路Ｃ２はオイルＯＬがオイルポンプ５１からオイルクーラ５２、回転電機２０及び減速機３０をこの順に通過してオイルポンプ５１に戻る循環経路である。第１循環経路Ｃ１は液流経路に相当し、部分通路５３ａ内には第１循環経路Ｃ１に組み込まれたオイルポンプ５１を冷却液供給源としてオイルＯＬが流通する。

図２に示すように、インバータ１０は繊維体１３をさらに有する。繊維体１３は導熱繊維体であり、合金を含む金属やカーボン等の導熱性を有する材料で生成された繊維体とされる。繊維体１３は例えばモールド樹脂１２２ｆより熱伝導率が高い材料で生成された導熱繊維体とされる。繊維体１３はケース１１内に設けられ、板状或いは帯状の延伸形状を有する。繊維体１３は接触部１３ａと折曲部１３ｂとを有する。

接触部１３ａは繊維体１３の一端に設けられ、放熱部材１２２ｅに接触する。接触部１３ａは放熱部材１２２ｅと基板１２１との間に配置され、板状或いは帯状の形状における面で放熱部材１２２ｅの面と面接触する。接触部１３ａと放熱部材１２２ｅとは例えばビーム溶接や超音波溶着などにより接合できる。接触部１３ａは放熱部材１２２ｅに接触することで、半導体素子１２２ａと熱的に接続される。

折曲部１３ｂは繊維体１３の他端に設けられる。折曲部１３ｂは折り曲げられた部分の繊維体１３により構成され、接触部１３ａとは別に設けられる。折曲部１３ｂは部分通路５３ａ内に配置されることで、第１循環経路Ｃ１内つまり第１循環経路Ｃ１のオイルＯＬの流れ（液流）内に配置される。

オイルＯＬが折曲部１３ｂの表面を流れると乱流が発生する。結果、折曲部１３ｂ自身の冷却が促進される。また、折曲部１３ｂは接触部１３ａを介して半導体素子１２２ａに熱的に接続されている。このため、半導体素子１２２ａから折曲部１３ｂを介してオイルＯＬに熱を逃がすことで、乱流効果を利用した半導体素子１２２ａの冷却が行われる。結果、半導体素子１２２ａの冷却が促進されるので、半導体素子１２２ａの冷却効率が向上する。また、繊維体１３は長さや柔軟性が適宜調節可能な構造になっている。このため、部分通路５３ａをどのような場所に形成してもよいといったレイアウトに対する自由度も高く、ユニット１００全体としてのレイアウト自由度の向上にも資する。

折曲部１３ｂは複数個所折れ曲がっている。このため、折り曲げられていない場合と比べて部分通路５３ａ内における折曲部１３ｂの表面積が増え、折曲部１３ｂの表面を流れるオイルＯＬによってより多くの乱流が引き起こされる。結果、半導体素子１２２ａの冷却がさらに促進される。本実施形態では折曲部１３ｂは繊維体１３の延伸方向に沿って繊維体１３を丸めるようにして折り曲げることで渦状に折り曲げられる。このため、渦状の形状の最も外側の部分だけでなく当該部分より内側の部分でも折曲部１３ｂの表面積が増加される。

部分通路５３ａ内における折曲部１３ｂの配置は、折曲部１３ｂの折り曲げ方向が折曲部１３ｂを通過するオイルＯＬの液流方向Ｆと交差する配置とされる。このため、折り曲げ方向を液流方向Ｆと平行にした場合と比べて液流抵抗の減少も図られる。本実施形態では折曲部１３ｂの折り曲げ方向は液流方向Ｆと概ね直交する。結果、液流抵抗が極力低減される。液流方向Ｆは部分通路５３ａの延伸方向とされる。

部分通路５３ａは複数の半導体素子１２２ａの配列方向（例えば図２の奥手前方向）に沿って設けることができる。このため、ユニット１００では複数の半導体素子１２２ａそれぞれに対して繊維体１３を設けることで、複数の半導体素子１２２ａそれぞれの冷却効率向上を図ることができる。

オイルＯＬは絶縁性を有する。このため、折曲部１３ｂを部分通路５３ａ内に配置しても、オイルＯＬそのものによっては電気回路１２の絶縁状態は特段悪化しない。さらに、部分通路５３ａは例えば樹脂により構成できるので、これにより電気回路１２の絶縁性も確保される。電気回路１２の絶縁性は例えば部分通路５３ａの一部を樹脂で構成することで確保されてもよい。部分通路５３ａ以外の部分の接続通路５３は金属など適宜の材料で構成できる。

回転電機２０及び減速機３０内ではベアリングやギアから金属片や金属粉などの金属系のコンタミネーションが発生し、金属系のコンタミネーションはオイルＯＬの絶縁性を低下させる要因となる。これに対し、ユニット１００は例えば減速機３０の下流部分の接続通路５３にコンタミネーションを補足するフィルタを備えることができる。これにより、インバータ１０と回転電機２０及び減速機３０とでオイルＯＬを共用しても、オイルＯＬに混入した金属系のコンタミネーションに起因して電気回路１２の絶縁状態が悪化することも抑制される。

次に本実施形態の主な作用効果について説明する。

（１）ユニット１００はオイルＯＬとインバータ１０と繊維体１３とを有する。繊維体１３はインバータ１０の半導体素子１２２ａに接触する接触部１３ａと、折り曲げられた折曲部１３ｂとを有する。折曲部１３ｂはオイルＯＬの第１循環経路Ｃ１内に配置される。

上記において、半導体素子１２２ａに接触する接触部１３ａは、放熱部材１２２ｅに直接接触することで、他の導熱部材（ここでは接合部材１２２ｄ及び放熱部材１２２ｅ）を介して半導体素子１２２ａに間接的に接触する。つまり、接触部１３ａが接触するということは、他の導熱部材を介して間接的に接触することを含む。他の導熱部材はモールド樹脂１２２ｆより高い熱伝導率を有する部材とすることができる。

このような構成によれば、折曲部１３ｂを第１循環経路Ｃ１内に配置することで乱流が発生する結果、折曲部１３ｂ自身の冷却が促進される。また、繊維体１３は導熱繊維体であり、折曲部１３ｂは接触部１３ａを介して半導体素子１２２ａに熱的に接続されている。このため、半導体素子１２２ａから折曲部１３ｂを介してオイルＯＬに熱を逃がすことで、乱流効果を利用した半導体素子１２２ａの冷却を行うことができ、これにより半導体素子１２２ａ冷却効率を向上させることができる。

また、このような繊維体１３の構造は長さや柔軟性が適宜調節可能な構造なので、部分通路５３ａで例示される冷却流路をどのような場所に形成してもよい構造であることを意味する。このためこのような構成によれば、ユニット１００全体としてのレイアウト自由度の向上にも資する。ユニット１００は半導体素子１２２ａの冷却を通じてインバータ１０の冷却効率を向上させることができる。

（２）ユニット１００では接触部１３ａが繊維体１３の一端で半導体素子１２２ａに接触し、折曲部１３ｂが繊維体１３の他端で折り曲げられる。このような構成によれば、繊維体１３を必要以上に長くせずに済み、且つ折曲部１３ｂの形成も容易である。

（３）ユニット１００では折曲部１３ｂが複数個所折れ曲がっている。このような構成によれば、折れ曲がっていない場合と比べて部分通路５３ａ内における折曲部１３ｂの表面積を増やすことができるので、より多くの乱流を発生させることができ、これにより冷却効率を高めることができる。

（４）ユニット１００では折曲部１３ｂの折り曲げ方向は折曲部１３ｂを通過する液流の方向と交差する。このような構成によれば、折り曲げ方向を液流方向Ｆと平行にした場合と比べて液流抵抗の減少を図ることもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は本発明の適用例の一部を示したに過ぎず、本発明の技術的範囲を上記実施形態の具体的構成に限定する趣旨ではない。

例えば、接触部１３ａはケース１１に接触するように構成されてもよい。この場合でも、ケース１１から繊維体１３を介してオイルＯＬに熱を逃がすことで、乱流効果を利用したインバータ１０の冷却を行うことができる。またこの場合も、例えば部分通路５３ａをケース１１内に設けなくてもよいなどレイアウトに対する自由度が高く、ユニット１００全体としてのレイアウト自由度の向上に資する。

冷却液は必ずしもオイルＯＬでなくてもよく、例えばオイルＯＬ以外の絶縁性を有する液体が冷却液として用いられてもよい。

ユニット１００は回転電機２０及び／又は減速機３０、つまり回転電機２０と減速機３０の少なくともいずれかを有する構成とされてもよい。この場合、ユニット１００は例えばモータユニット（少なくともモータを有するユニット）や、動力伝達装置（少なくとも動力伝達機構を有する装置）とも称することができる。モータは電動機機能及び／又は発電機機能（電動機機能及び発電機機能のうち少なくともいずれか）を有する回転電機である。動力伝達機構は例えば歯車機構及び／又は差動歯車機構である。モータ及び動力伝達機構を有する装置（ユニット）はモータユニット及び動力伝達装置の双方の概念に含まれる。これに対し、インバータ１０により例示される電気回路ユニットは上記のようなユニット１００の一構成要素とすることができ、電気回路と当該電気回路を収容する収容体とを有する構成とされる。

１０ インバータ（電気回路ユニット）
１１ ケース
１２ 電気回路
１２１ 基板
１２２ 回路部
１２２ａ 半導体素子（電気回路ユニットの一部）
１３ 繊維体（導熱繊維体）
１３ａ 接触部
１３ｂ 折曲部
２０ 回転電機
３０ 減速機
５０ 冷却装置
５３ 接続通路
５３ａ 部分通路
１００ ユニット
Ｃ１ 第１循環経路（液流経路）
ＯＬ オイル（冷却液）

Claims (4)

1. 冷却液と、電気回路ユニットと、導熱繊維体とを有し、
   前記導熱繊維体は前記電気回路ユニットに接触する接触部と、折り曲げられた折曲部とを有し、
   前記折曲部は前記冷却液の液流経路内に配置される、
   ユニット。
2. 請求項１に記載のユニットであって、
   前記接触部は前記導熱繊維体の一端で前記電気回路ユニットに接触し、
   前記折曲部は前記導熱繊維体の他端で折り曲げられる、
   ユニット。
3. 請求項１に記載のユニットであって、
   前記折曲部は複数個所折れ曲がっている、
   ユニット。
4. 請求項１又は３に記載のユニットであって、
   前記折曲部の折り曲げ方向は、前記折曲部を通過する液流の方向と交差する、
   ユニット。