(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
第1の底面と、前記第1の底面の周縁から上方に延びる第1の側壁と、該第1の底面よりも上方側において前記第1の側壁に設けられた第2の底面と、該第2の底面の周縁から上方に延びる第2の側壁と、を備え、冷媒を流通させる冷媒流路を前記第2の底面よりも下方に備える筺体と、
前記筺体の内部に収容され、第1の主面上に設けられた電子部品を備えると共に、該第1の主面とは逆側の第2の主面の一部が、前記筺体の前記第2の底面に対向して該第2の底面上に配置されたメイン基板と、
前記筺体の内部に収容され、前記メイン基板に対して電気的に接続するコイル部品と、
を備え、
前記筺体の内部は、前記第1の底面及び前記第1の側壁によって囲われた第1の空間と、該第1の空間の上方に設けられて、前記第2の底面及び前記第2の側壁によって囲われた第2の空間と、に前記メイン基板により区画され、
前記コイル部品は前記第1の空間に配置されると共に、
前記メイン基板の前記第1の主面上に設けられた前記電子部品は前記第2の空間に配置され、
前記メイン基板の第1の主面上に設けられた前記電子部品の下面が前記筺体の半導体当接部に対して熱的に接続するように前記電子部品を配置し、前記電子部品からの熱を前記冷媒流路へ放熱する電源装置。
第1の底面と、前記第1の底面の周縁から上方に延びる第1の側壁と、該第1の底面よりも上方側において前記第1の側壁に設けられた第2の底面と、該第2の底面の周縁から上方に延びる第2の側壁と、を備え、冷媒を流通させる冷媒流路を前記第2の底面よりも下方に備える筺体と、
前記筺体の内部に収容され、第1の主面上に設けられた電子部品を備えると共に、該第1の主面とは逆側の第2の主面の一部が、前記筺体の前記第2の底面に対向して該第2の底面上に配置されたメイン基板と、
前記筺体の内部に収容され、前記メイン基板に対して電気的に接続するコイル部品と、
を備え、
前記筺体の内部は、前記第1の底面及び前記第1の側壁によって囲われた第1の空間と、該第1の空間の上方に設けられて、前記第2の底面及び前記第2の側壁によって囲われた第2の空間と、に遮熱板により区画され、
前記コイル部品は前記第1の空間に配置されると共に、
前記メイン基板及び前記メイン基板の前記第1の主面上に設けられた前記電子部品は前記第2の空間に配置され、
前記メイン基板の第1の主面上に設けられた前記電子部品の下面が前記筺体の半導体当接部に対して熱的に接続するように前記電子部品を配置し、前記電子部品からの熱を前記冷媒流路へ放熱する電源装置。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
発熱の大きな半導体や整流素子の冷却は、冷却水路が形成されたベースプレート上に搭載され、上記半導体や整流素子から発生した損失は、ベースプレートを介して直接冷却水へ放熱する構造が示されている。一方、半導体と比較して損失の小さなトランスやインダクタ等のコイル部品においては、その発熱源として、コイル導体において発生する導通損(ジュール熱)とコアから発生するコアロスとが挙げられる。このようなコイル部品からの放熱経路としては、コイル部品からベースプレートへの熱伝導による放熱経路と、コイル又はコアの表面から空気への放熱経路とが挙げられる。ここで、コアの材料となるフェライトの熱伝導率はアルミ合金等の金属と比較して1/20以下と低く、コアの内部は熱が伝わりにくい。このため、コイル部品を構成する上部側コアで発生したコアロスは、下部側コアを伝熱してベースプレートに対して放熱されるよりも、コア表面から周辺空気へ放熱される割合のほうが高くなる。この結果、損失の大きな半導体に対してコイル部品の損失が1/10以下であるにも関わらず、電源装置内の空気の温度上昇を招き、他の電子部品に対しても影響を与えることとなる。
【0006】
本発明は上記を鑑みてなされたものであり、装置内部の雰囲気温度の上昇を効果的に抑制することが可能な電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記目的を達成するため、本発明に係る電源装置は、第1の底面と、前記第1の底面の周縁から上方に延びる第1の側壁と、該第1の底面よりも上方側において前記第1の側壁に設けられた第2の底面と、該第2の底面の周縁から上方に延びる第2の側壁と、を備え、冷媒を流通させる冷媒流路を前記第2の底面よりも下方に備える筺体と、前記筺体の内部に収容され、第1の主面上に設けられた電子部品を備えると共に、該第1の主面とは逆側の第2の主面の一部が、前記筺体の前記第2の底面に対向して該第2の底面上に配置されたメイン基板と、前記筺体の内部に収容され、前記メイン基板に対して電気的に接続するコイル部品と、を備え、前記筺体の内部は、前記第1の底面及び前記第1の側壁によって囲われた第1の空間と、該第1の空間の上方に設けられて、前記第2の底面及び前記第2の側壁によって囲われた第2の空間と、に区画され、前記コイル部品は前記第1の空間に配置されると共に、前記メイン基板の前記第1の主面上に設けられた前記電子部品は前記第2の空間に配置されることを特徴とする。
【0008】
ここで、本発明に係る電源装置では、筺体内が第1の空間と第2の空間とに区画され、第1の空間にコイル部品が配置される一方で第2の空間に発熱部品及び弱耐熱性の電子部品が配置される。このように、第1の空間にコイル部品を収容した構成としていることで、コイル部品の周囲空気は第1の側壁と接することができ、第1の側壁を介した冷媒流路の冷媒への放熱が期待できる。したがって、発熱により温度が上昇したコイル部品の周囲空気は効率良く冷媒側へ放熱することが可能となり、熱に弱い部品(電解コンデンサなど)が搭載されたメイン基板周囲の空気温度、すなわち第2の空間における空気温度の上昇を防ぐことが可能となる。
【0009】
ここで、上記作用を効果的に奏する構成として、具体的には、第1の空間と前記第2の空間とは、前記メイン基板により区画される態様が挙げられる。
【0010】
また、上記作用を効果的に奏する他の構成として、具体的には、第1の空間と前記第2の空間とは、遮熱板により区画され、前記メイン基板は、前記第2の空間側に配置される態様とすることができる。このように、遮熱板を用いて区画を確実に行うことで、コイル部品の周囲空気がメイン基板側の第2の空間に漏れることを防ぐことが可能となる。また、遮熱板により第1の空間と第2の空間との区画をより確実に行って、第1の空間からの放熱経路を制限することで、第1の空間内の気温と冷媒温度との差が大きくなるため、第1の空間内の空気からの第1の側壁を通した冷媒への放熱性能がさらに向上することができる。
【0011】
また、前記電子部品は、発熱部品及び弱耐熱性の電子部品である態様とすることができる。
【0012】
前記遮熱板は、前記第2の底面と同じ高さか又は前記第2の底面よりも下方側に設けられる態様とすることができる。このような構成を有することで、第1の空間と第2の空間との区画を行うための遮熱板の面積をより小さくすることができる。
【0013】
また、前記遮熱板は、その周縁側に前記コイル部品と前記メイン基板とを接続する接続部材を挿通するための開口を備える態様とすることができる。この構成の場合、開口を遮熱板の中央側に設ける場合と比較して、高温になる第1の空間内の気体が第2の空間に対して流れにくくなるため、メイン基板の第1の主面上の発熱部品の加熱を抑制することができる。
【0014】
また、遮熱板は、その下面側に前記コイル部品を固定するための押圧部材を備える態様とすることもできる。押圧部材を取り付けて、コイル巻線を筺体に対して押圧固定する構造とした場合、コイル部品を筺体に対して確実に固定できると共にコイル部品と筺体との間の接触熱抵抗を低下することが可能となり、コイル部品の筺体を介した冷媒への放熱性の向上が可能となる。また、コイル部品の放熱性が向上すると、コイル部品の周囲温度の上昇も防止可能となる。
【0015】
また、前記冷媒流路は、前記第1の底面よりも上方において前記第1の側壁に沿って設けられる態様とすることもできる。冷媒流路が第2の底面に設けられ、特に第1の底面よりも上方において第1の側壁に沿って設けられていることで、第1の側壁と冷媒流路とをより近接配置することが可能となり、第1の空間内の空気からの第1の側壁を介した放熱をより好適に行うことができる。
【0016】
また、前記メイン基板の第1の主面上に設けられた前記電子部品の下面を、前記筐体の第2の底面上に配置し、前記冷媒流路へ放熱する態様とすることもできる。このような構成とすることで、特に発熱性の高い電子部品からの熱を冷媒流路に対して好適に放熱することができる。
【発明の効果】
【0017】
本発明によれば、装置内部の雰囲気温度の上昇を効果的に抑制することが可能な電源装置が提供される。
【発明を実施するための形態】
【0019】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【0020】
図1は、本発明の実施形態に係る電源装置の概略構成を説明する斜視図である。また、
図2は、
図1の電源装置の下面側からの概略斜視図である。本実施形態で説明する電源装置としては、例えば、入力端子に接続された高圧バッテリから入力された直流電圧を電圧変換(降圧)し、所望の直流出力電圧を生成するスイッチング電源装置等が挙げられる。
【0021】
電源装置1は、入力平滑コンデンサ、スイッチング素子、トランス、整流回路、出力平滑コンデンサ、インダクタ、制御部等の電子部品が主回路基板となるメイン基板10に搭載されて筺体60内に収容されたものである。このうち、トランス及びインダクタは、巻線と巻線が巻回されるコアとを備える所謂コイル部品である。
図1では、メイン基板10の表面10A(第1の主面)上に、例えばスイッチング素子として機能する半導体13と、入力平滑コンデンサ又は出力平滑コンデンサとして機能するコンデンサ15と、が取り付けられた例を示す。半導体13及びコイル部品はいずれも駆動時に高温となる発熱部品に相当する。
【0022】
まず、
図2〜4を用いて電源装置1の筺体60について説明する。筺体60は、電源装置1の構成部材を収容する金属製ケースの一部を構成する。
図3は、電源装置の筺体の概略構成を説明する斜視図であり、
図4は、筺体を構成するベースプレート及び水路カバーの概略構成を説明する下面側からの概略斜視図である。電源装置1では、筺体60の内部に上記の電子部品を収容した後に上方からカバー90(
図7参照)で覆われる。筺体60はアルミニウム等の金属からなり、電子部品等が収容される領域の底面を構成するベースプレート70と、ベースプレート70の裏面側(
図1及び
図2の下側:電子部品等が収容される側とは逆側)に取り付けられる水路カバー80と、を含んで構成される。
【0023】
ベースプレート70は、
図3及び
図4に示すように、第1の底面71と、第1の底面71の周縁から上方に延びる第1の側壁72と、第1の底面71よりも上方側において第1の側壁72に連続して設けられた第2の底面75と、第2の底面75の周縁から上方に延びる第2の側壁76と、を備える。これにより、ベースプレート70の底面は、その高さが互いに異なる第1の底面71と第2の底面75を備える。また、本実施形態に係る電源装置1では、上方から見たときに、第1の底面71の外周に沿って第2の底面75が形成された形状をなしている。また、ベースプレート70は、第2の底面75よりも上方に上述の半導体13と当接するための半導体当接部78を備える。
【0024】
ベースプレート70の裏面側に取り付けられる水路カバー80は、ベースプレート70の裏面側を覆うような形状であり、ベースプレート70の裏面側との間に冷媒流路を形成するように外周部のみはベースプレート70の裏面とは離間した状態でベースプレート70に対して取り付けられる。
【0025】
水路カバー80は、
図4等に示すように、第1の底面81と、第1の底面81の周縁から上方に延びる第1の側壁82と、第1の底面81よりも上方側において第1の側壁82に連続して設けられた第2の底面85と、第2の底面85の周縁から上方に延びる第2の側壁86と、を備える。そして、第2の側壁86と、ベースプレート70の第2の側壁76とが連続するように、ベースプレート70に対して取り付けて、ネジ88によって固定される。また、水路カバー80の第1の底面81には、ベースプレート70と水路カバー80との間に冷媒を流すための導入口83及び排出口84が設けられ、導入口83を通じて冷媒が外部から導入され、筺体60内の冷媒流路W(
図7も参照)を流れた後に排出口84から外部に排出される。
【0026】
次に、筺体60の内部、すなわち、ベースプレート70内へ収容される電子部品及びその収容方法について、
図5〜
図7等を参照しながら説明する。
図5は、筺体内の電子部品の組み立てを説明する分解斜視図であり、
図6は、筺体に対してコイル部品及び放熱板を取り付けた状態を説明する概略斜視図であり、
図7は、
図1のVII−VII矢視図である。
【0027】
ベースプレート70内には、表面上に発熱部品たる半導体13、及びコンデンサ15が設けられたメイン基板10と、コイル部品20とが収容される。
図5に示すように、メイン基板10はその面積が第1の底面71の底面積より大きく、収容時には第2の底面75上に設置される。また、コイル部品20は、第1の底面71及び第1の側壁72により囲われる空間に収容可能な形状をなす。また、コイル部品20とメイン基板10とは、例えばバスバーや接続端子等の接続部材25により電気的に接続される。接続部材25は、コイル部品20の中央側ではなく、周縁側で上方に延びるように形成され、コイル部品20をベースプレート70内の第1の底面71上に載置した際には、接続部材25が第1の側壁72に沿って上方に延びるように配置される。
【0028】
コイル部品20とメイン基板10との間には金属製の遮熱板40が取り付けられる。遮熱板40はベースプレート70の第1の底面71にほぼ対応した形状であり、第1の底面71及び第1の側壁72により囲われた空間(第1の空間)と、その上部の空間、すなわち第2の底面75及び第2の側壁76により囲われた空間(第2の空間)と、を区画する機能を有する。すなわち、ベースプレート70内には、コイル部品20、遮熱板40、及びメイン基板10が下方からこの順となるように収容される。
【0029】
遮熱板40は、その周縁側にコイル部品20とメイン基板10とを接続する接続部材25を挿通するための開口45を備える。遮熱板40は、第1の空間と第2の空間とを区画するための部材であるから、遮熱板40の材料や厚みはこれらの機能を果たすことが可能な範囲で適宜変更することができる。また、遮熱板40はその裏面側において、コイル部品20を固定するための押圧部材47を備えていてもよい(
図7参照)。押圧部材47を備えている場合、遮熱板40より下方に設けられるコイル部品20の押圧固定が可能となり、コイル部品20をより安定して保持することができる。
【0030】
図6では、コイル部品20をベースプレート70の第1の底面71上に載置し、その上に遮熱板40を取り付けた状態を示している。
図6に示すように、コイル部品20は、第1の底面71及び第1の側壁72により囲われた空間に収容され、その上面が遮熱板40により覆われる。遮熱板40は、その端部でベースプレート70の第2の底面75に対してネジにより固定される。この結果、第2の底面75と遮熱板40の上面とによって略平坦な面が形成される。また、遮熱板40をベースプレート70に対して取り付けることで、遮熱板40の周縁側に設けられた開口45に対して接続部材25が挿通される。
【0031】
メイン基板10は、ベースプレート70の第2の底面75及び遮熱板40の上面によって形成された面の上側に載置される。このとき、半導体13やコンデンサ15等が設けられた第1の主面10Aとは逆側の第2の主面10Bの一部は、ベースプレート70における第2の底面75に対向するように配置される。また、メイン基板10に取り付けられた半導体13は、ベースプレート70の半導体当接部78に対して放熱シート又はサーマルコンパウンド等の伝熱部材を介して熱的に接続されるように配置される。
【0032】
このように筺体60内にコイル部品20、遮熱板40及びメイン基板10を配置した場合の各電子部品の配置及び冷却の状況について
図7を参照しながら説明する。
【0033】
図7に示すように、筺体60の内部(ベースプレート70の内部)は、第1の底面71及び第1の側壁72によって囲われた第1の空間R1と、第1の空間R1の上方に設けられて、第2の底面75及び第2の側壁76によって囲われた第2の空間R2と、に遮熱板40によって区画される。そして、第1の空間R1にはコイル部品20が収容されると共に、第2の空間R2にはメイン基板10及びメイン基板上の電子部品(半導体13等の発熱部品や、コンデンサ15や制御IC等の弱耐熱性の部品)が配置される。弱耐熱性の部品とは、例えば105℃以下に保持していないと、破損や誤動作の可能性があるものや、当該部品の寿命が短くなるものを指す。
【0034】
また、ベースプレート70と水路カバー80とによって形成された冷媒を流通させる冷媒流路Wがベースプレート70の第2の底面75よりも下方に設けられる。具体的には冷媒流路Wは、第2の底面75の下方、第1の側壁72の外側、及び第1の底面71の下側に設けられる。この冷媒流路Wを冷媒が流れることにより、発熱部品やメイン基板10及びコイル部品20からの熱は、ベースプレート70を介して冷媒に伝わり、外部に放熱される。
【0035】
ここで、本実施形態に係る電源装置1では、第1の空間R1と第2の空間R2とが区画され、第1の空間R1にコイル部品20が配置される一方で第2の空間R2に発熱部品が配置される態様を備えることで、コイル部品20から発生する熱(導損、コアロス)はコイル部品20の底面から直接ベースプレート70を伝わり冷媒流路Wの冷媒に対して放熱される経路と、特にコイル部品20の上部から第1の空間R1の内部空気に対して放熱される経路と、がある。このうち、内部空気へ放熱された熱は、内部空気温度の上昇を引き起こす可能性がある。これに対して、電源装置1は、コイル部品20を第1の空間R1に収容した構成としていることで、コイル部品20の周囲空気は第1の側壁72と接することができる。これにより、第1の側壁72を経た冷媒流路Wの冷媒への放熱が期待できる。したがって、発熱により温度が上昇したコイル部品の周囲空気から効率良く冷媒側へ放熱することが可能となり、弱耐熱性の部品(電解コンデンサ15など)が搭載されたメイン基板10周囲の空気温度、すなわち第2の空間R2における空気温度の上昇を防ぐことが可能となる。
【0036】
また、本実施形態に係る電源装置1では、コイル部品20から発生する熱によるメイン基板10の周囲温度上昇をさらに防止させる方法として、コイル部品20が収容された第1の空間R1と、発熱部品が収容された第2の空間R2との間に遮熱板40を挿入した構成としている。これにより、コイル部品20の周囲空気がメイン基板10側の第2の空間R2側へ対流する空気量を極めて少なくすることが可能となる。また、遮熱板40により第1の空間R1と第2の空間R2との区画をより確実に行うことで、コイル部品20において発生した熱は第1の空間R1内にほぼ閉じ込められるため、第1の空間R1内の気温と冷媒温度との差が大きくなり、第1の空間R1内の空気からの第1の側壁72を通した冷媒への放熱性能がさらに向上することができる。
【0037】
遮熱板40を用いて第1の空間R1と第2の空間R2とを区画する場合、遮熱板40は、第2の底面75と同じ高さか又は第2の底面75よりも下方側に設ける構成とすることが好ましい。このような構成を有することで、第1の空間R1と第2の空間R2との区画を行うための遮熱板の面積をより小さくすることができる。
【0038】
なお、第1の空間R1と第2の空間R2とは、遮熱板40ではなくメイン基板10により区画される構成とすることでもよい。この場合でもメイン基板10によって第1の空間R1と第2の空間R2との区画が行われることにより、コイル部品20から発生する熱(導損、コアロス)のうちコイル部品20の上部から第1の空間R1の内部空気に対して放熱される経路から、さらに第2の空間R2の内部空気に対して伝熱することを抑制することができる。
【0039】
ここで、遮熱板40は、その周縁側にコイル部品20とメイン基板10とを接続する接続部材25を挿通するための開口45を備える構成とすることで、開口45を遮熱板40の中央側に設ける場合と比較して、高温になる第1の空間R1内の気体が第2の空間R2に対して対流しにくくなるため、メイン基板10の第1の主面10A上の発熱部品の加熱を抑制することができる。
【0040】
また、遮熱板40においてコイル部品20が載置された面の側(下面側)にコイル部品20を押圧するための押圧部材47を取り付けて、コイル部品20をベースプレート70に対して押圧固定する構造とした場合、コイル部品20をベースプレート70に対して確実に固定することができると共に、コイル部品20(特に、下側のコア)とベースプレート70間の接触熱抵抗を低下することが可能となり、コイル部品20のベースプレート70の第1の底面71を介した冷媒への放熱性の向上が可能となる。そして、コイル部品20の放熱性が向上すると、コイル部品20の周囲温度の上昇も防止可能となる。
【0041】
また、上記実施形態では、冷媒流路Wが第2の底面75より下方に設けられ、特に第1の底面71よりも上方において第1の側壁72に沿って設けられている。これにより、第1の側壁と冷媒流路Wとをより近接配置することが可能となり、第1の空間R1内の空気からの第1の側壁72を介した放熱をより好適に行うことができる。
【0042】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明に係る電源装置は上記に限定されず、種々の変更を行うことができる。
【0043】
例えば、本実施形態に係る電源装置1では、上方から見たときに、第1の底面71の外周に沿って第2の底面75が形成された形状をなしている構成を説明したが、第1の底面71と第2の底面75との位置関係は上記に限定されない。少なくとも高さが異なる2つの底面(第1の底面及び第2の底面)を備え、筺体の内部の空間が第1の底面、第1の側壁、第2の底面及び第2の側壁に基づいて2つに区画され、そのうちの深い側(下側)の底面が含まれる空間(第1の空間)にコイル部品が配置されると共に他方側の空間(第2の空間)に基板上の発熱部品が配置されていれば、その形状は特に限定されない。
【0044】
また、第1の側壁72は、例えば第1の底面71に対して垂直ではなく傾斜している場合や、第1の側壁が段差を備えている場合も含まれる。要は、第1の底面71と第1の側壁72によって、実質的に第1の空間R1が設けられていれば良い。
【0045】
さらに、本実施形態に係る電源装置1では、第2の側壁76はベースプレート70に設けられているが、この第2の側壁76をカバー90に設けて第2の空間R2を形成しても良い。
【0046】
また、接続部材25を挿通するための開口45は、その一辺が遮蔽板40の端辺まで切り欠かれたコの字形状の溝として形成しても良い。
【0047】
また、上記実施形態では、コイル部品20のみを第1の空間R1に配置した構成としているが、第1の空間R1にはコイル部品20以外にも高温に強い電子部品を配置する構成とすることもできる。このような電子部品としては、例えば抵抗器等が挙げられる。