JP2002009477A - 電動機制御用パワーモジュール冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の電動機用パワーモジュールが取付けら
れたヒートシンクの部分的な温度の偏りをなくし、効率
良く各パワーモジュールを冷却する。 【解決手段】 電動機制御用パワーモジュール冷却装置
は、複数の電動機をそれぞれ制御する複数のパワーモジ
ュール１，２と、各パワーモジュールが付設された冷却
用のヒートシンク３とを備える。ヒートシンクは、各パ
ワーモジュールに対応する位置における単位面積あたり
の発熱量が大きいほど、流路総表面積を大きくされた流
路３０を有する。これにより、各パワーモジュールの発
熱量に応じた流路総表面積での冷媒との熱交換がなされ
ることで、ヒートシンク温度の部分的な偏りをなくし、
各パワーモジュールに対して最適な冷却性能を確保す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電動機を制御する
パワーモジュールの冷却装置に関し、特に、エンジンと
電動機を動力源に併用するハイブリッド駆動装置に適し
たパワーモジュールの冷却技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】複数の電動機（本明細書において、電動
機という用語は、モータと、モータとして用いられる発
電機（ジェネレータ）を含むものとする。）を動力源と
して用いる機器、特に、エンジンと電動機を併用するハ
イブリッド駆動装置は、モータとジェネレータを制御す
るための駆動回路（電動機を交流誘導型とする場合、ス
イッチ素子を主体とするパワーモジュール）を必要と
し、それ自身の発熱や電動機、エンジン等からの熱によ
る過熱を防いで回路動作を保証すべく、冷却装置の付設
を必須とする。

【０００３】こうしたハイブリッド駆動装置における電
動機制御用パワーモジュールの冷却技術として、従来、
特開平１１−６９５１０号公報に開示の技術がある。こ
の従来技術では、ジェネレータ用パワーモジュール（上
記公報の記載において駆動回路１９１）とモータ用パワ
ーモジュール（同じく駆動回路１９２）が各々、共通の
ヒートシンク（同じくヒートシンク２５６）に付設され
ている。そして、ヒートシンクの内部に両パワーモジュ
ールを水で冷却するための１つの流路が形成されてい
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ヒートシン
クの最高温度は、それに付設される発熱体の保証温度以
下に設定するのが一般的である。しかしながら、上記従
来のハイブリツド駆動装置の冷却技術では、定常時、す
なわちエンジン駆動下のジェネレータにより発電した分
だけモータの駆動に消費するという電力消費の形態を採
る状態では、ジェネレータ用パワーモジュールとモータ
用パワーモジュールの制御電流値は同じになり、発熱量
も同じになるにも関わらず、主として駆動力の発生に使
用されるモータと、発電に使用されるジェネレータとで
は、スイッチング動作の最大電流値が異なり、それに合
わせてパワーモジュールの大きさが異なることから、自
ずとヒートシンクとの接触面積も異なり、単位面積あた
りの発熱量に差が生じてしまう。この面積あたりの発熱
量について、上記従来の技術では、格別の配慮がなされ
ていないため、一部の箇所が必要以上に冷却されること
で、ヒートシンクの温度に偏りが生じてしまう。

【０００５】また、上記のように、ジェネレータ用パワ
ーモジュールは、電流値の変動が少ない定常的な使われ
方が多いのに対して、モータ用パワーモジュールは、車
両の発進、加速等のためにモータに高トルクを出力させ
るときには、比較的短時間ではあっても、定常時よるは
るかに大きな電流を制御するようになることから、電流
値が大きく変化する過渡的な使われ方が多いという、両
パワーモジュールの使われ方の違いも、上記ヒートシン
ク温度の偏りの要因となっていた。

【０００６】そこで、本発明は、複数の電動機用パワー
モジュールが取付けられたヒートシンクの部分的な温度
の偏りをなくすことで、効率良く各パワーモジュールを
冷却する電動機制御用パワーモジュール冷却装置を提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明は、複数の電動機をそれぞれ制御する複数の
パワーモジュールと、各パワーモジュールが付設された
冷却用のヒートシンクとを備える電動機制御用パワーモ
ジュール冷却装置において、前記ヒートシンクは、各パ
ワーモジュールに対応する位置における単位面積あたり
の発熱量が大きいほど、流路総表面積を大きくされた流
路を有することを特徴とする。

【０００８】上記の構成において、前記ヒートシンクの
流路を通して単一の冷媒を循環させる冷媒循環路を備
え、前記複数のパワーモジュールは、第１及び第２の２
つパワーモジュールからなり、第１のパワーモジュール
は、第２のパワーモジュールより単位面積あたりの発熱
量が大きいものとされる場合、第１のパワーモジュール
に対応する位置における流路総表面積は、第２のパワー
モジュールに対応する位置における流路総表面積より大
きくされた構成を採るのが有効である。

【０００９】また、上記の構成において、前記第１のパ
ワーモジュールに対応する位置における流路の断面積
と、第２のパワーモジュールに対応する位置における流
路の断面積は、それぞれの流路における冷媒の流速が等
しくなる関係に設定された構成とすると更に有効であ
る。

【００１０】次に、本発明は、第１及び第２の電動機を
それぞれ制御する第１及び第２のパワーモジュールと、
第１及び第２のパワーモジュールを付設させた冷却用の
ヒートシンクと、該ヒートシンクの流路を通して単一の
冷媒を循環させる冷媒循環路とを備え、第１のパワーモ
ジュールは、第２のパワーモジュールより単位面積あた
りの発熱量が大きいものとされた電動機制御用パワーモ
ジュール冷却装置において、前記ヒートシンクは、第１
のパワーモジュールに対応する位置における流路の下流
に第２のパワーモジュールに対応する位置における流路
を有することを特徴とする。

【００１１】より具体的には、前記第１のパワーモジュ
ールは、ジェネレータを制御するジェネレータ用パワー
モジュールであり、第２のパワーモジュールは、モータ
を制御するモータ用パワーモジュールである構成とされ
る。

【００１２】更に、本発明は、ジェネレータを制御する
ジェネレータ用パワーモジュールと、モータを制御する
モータ用パワーモジュールと、ジェネレータ用パワーモ
ジュール及びモータ用パワーモジュールを付設された冷
却用のヒートシンクと、該ヒートシンクの流路を通して
単一の冷媒を循環させる冷媒循環路とを備える電動機制
御用パワーモジュール冷却装置において、前記ヒートシ
ンクは、ジェネレータ用パワーモジュールに対応する位
置における流路の下流にモータ用パワーモジュールに対
応する位置における流路を有するとともに、モータ用パ
ワーモジュールに対応する位置における流路総表面積を
ジェネレータ用パワーモジュールに対応する位置におけ
る流路総表面積より大きくされたことを特徴とする。

【００１３】上記の構成において、前記ジェネレータ用
パワーモジュールに対応する位置における流路の断面積
と、モータ用パワーモジュールに対応する位置における
流路の断面積は、それぞれの流路における冷媒の流速が
等しくなる関係に設定された構成を採るのも有効であ
る。

【００１４】更に、上記の構成において、前記ジェネレ
ータ用パワーモジュールに対応する位置における流路の
深さは、モータ用パワーモジュールに対応する位置にお
ける流路の深さより深く設定された構成を採るのも有効
である。

【００１５】また、上記の構成において、前記ヒートシ
ンクの流路は、対応するパワーモジュールの長手方向に
沿って形成された構成とするのも有効である。

【００１６】

【発明の作用及び効果】本発明の請求項１に記載の構成
では、各パワーモジュールの発熱量に応じた流路総表面
積での冷媒との熱交換がなされることで、ヒートシンク
温度の部分的な偏りをなくすことができるため、各パワ
ーモジュールに対して最適な冷却性能を確保することが
できる。

【００１７】次に、請求項２に記載の構成では、ヒート
シンクが冷媒に接触する面積を、冷却がより要求される
第１のパワーモジュール側を大きくすることができるの
で、第１のパワーモジュールの動作保証温度を超えない
冷却が可能となる。また、一部の箇所、すなわち、第２
のパワーモジュール側を冷却し過ぎることがなく、ヒー
トシンクの温度を均一にすることができる。しかも、そ
のようにヒートシンク温度を均一にすることにより、冷
媒を循環させるポンプ駆動用モータの電力等のエネルギ
消費を削減することができるため、冷媒の循環系統全て
を含めた熱交換効率を向上させることができる。

【００１８】また、請求項３に記載の構成では、各部ご
との熱伝達を一様にして、ヒートシンクの温度をより均
一化することができる。

【００１９】次に、請求項４に記載の構成では、第１の
パワーモジュールを先に冷却した後の冷媒でも、第２の
パワーモジュールにとっては未だ十分な冷媒となり得る
ので、冷媒の流れをその順序に合わせることで、第１及
び第２のパワーモジュールを共に効率良く冷却すること
ができる。また、一部の箇所、すなわち、第２のパワー
モジュール側を冷却し過ぎることがなく、ヒートシンク
の温度を均一にすることができる。しかも、そのように
ヒートシンク温度を均一にすることにより、冷媒を循環
させるポンプ駆動用モータの電力等のエネルギ消費を削
減することができるため、冷媒の循環系統全てを含めた
熱交換効率を向上させることができる。

【００２０】また、請求項５に記載の構成では、モータ
とジェネレータとを備えるハイブリッド駆動装置のモー
タ用パワーモジュールとジェネレータ用パワーモジュー
ルとをそれらの発熱状態に合わせて適切に冷却すること
ができる。

【００２１】次に、請求項６に記載の構成では、ジェネ
レータ用パワーモジュールに対応する流路の下流にモー
タ用パワーモジュールに対応する流路があり、またパワ
ーモジュールとの熱交換により下流側ほど冷媒温度が上
昇することに合わせて、モータ用パワーモジュールに対
応する流路総表面積をジェネレータ用パワーモジュール
に対応する流路総表面積より大きくすることにより、両
流路について上下流関係での冷媒温度上昇分を考慮した
最適な流路総表面積を確保することができる。

【００２２】そして、請求項７に記載の構成では、ジェ
ネレータ用パワーモジュールに対応する流路の下流にモ
ータ用パワーモジュールに対応する流路がある位置関係
において、各部ごとの熱伝達を一様にして、ヒートシン
クの温度をより均一化することができる。

【００２３】また、請求項８に記載の構成では、モータ
用パワーモジュールとヒートシンクの接触部から流路ま
でのヒートシンクに厚みをもたせることにより、過渡的
に使用されることの多いモータ用パワーモジュール側に
ヒートマスを多く取ることができるので、冷媒への放熱
による冷却が過渡的に不足する場合でも、ヒートマスへ
の熱の蓄積で温度上昇を緩衝させることができるため、
急激かつ短時間の発熱の可能性がより高いモータ用パワ
ーモジュールを保護することができる。

【００２４】また、請求項９に記載の構成では、各ヒー
トシンクに対応する位置での流路全長に対して、流路の
折返し部分を少なくすることができるので、ヒートシン
ク内の流路抵抗を全体として小さくすることができる。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、図面に沿い、本発明の実施
形態を説明する。まず図１は、本発明を適用した電動機
制御用パワーモジュール冷却装置を概念的に示す。この
装置は、第１の電動機としてのジェネレータ（図示せ
ず）と、第２の電動機としてのモータ（図示せず）をそ
れぞれ制御する第１及び第２のパワーモジュール１，２
と、第１及び第２のパワーモジュールを付設させた冷却
用のヒートシンク３と、ヒートシンク３の流路を通して
単一の冷媒を循環させる冷媒循環路４とを備える。この
場合の第１のパワーモジュール１は、第２のパワーモジ
ュール２より単位面積あたりの発熱量が大きいものとさ
れている。

【００２６】こうした構成からなる冷却装置において、
本発明に従い、図２に底面形状、図３に断面形状を示す
ように、ヒートシンク３は、図２に破線で外形を示す各
パワーモジュール１，２に対応する位置における単位面
積あたりの発熱量が大きいほど、流路総表面積（流路を
図示のように矩形断面の溝とする場合、流路を構成する
溝の底面と両側面の面積の総和）を大きくされた流路３
０を有する。また、ヒートシンク３は、第１のパワーモ
ジュール１に対応する位置における流路３１の下流に第
２のパワーモジュール２に対応する位置における流路３
２を有する。

【００２７】図１に戻って更に詳述すると、この形態に
おける冷却装置は、ハイブリッド駆動装置における、図
示しないモータ、ジェネレータ、ディファレンシャル装
置、カウンタギヤ機構等を内蔵する駆動装置ケース５の
上部に付設して一体化させたヒートシンク３と、ヒート
シンク３を通して単一の冷媒としての冷却水を循環させ
るウォーターポンプ４１と、熱交換器としてのラジエー
タ４２と、それらをつなぐ流路４０ａ，４０ｂ，４０ｃ
とから構成されている。なお、ウォーターポンプ４１の
駆動モータ等の付属設備については、図示を省略されて
いる。

【００２８】冷媒循環路の起点としてのウォーターポン
プ４１の吐出側流路４０ａは、ヒートシンク３の入口側
のポート３０ａに接続され、ヒートシンク３の出口側の
ポート３０ｂは、ラジエータ４２の入口４２ａ側に接続
され、ラジエータ４２の出口４２ｂ側がウォーターポン
プ４１の吸込側流路４０ｃに接続されている。したがっ
て、この冷媒循環路において、冷媒としての冷却水は、
ウォーターポンプ４１から送り出された後、ヒートシン
ク３内で両パワーモジュール１，２からの熱を吸収して
加熱され、ラジエータ４２に送り込まれて空気への放熱
により冷却され、ウォーターポンプ４１に戻されて一巡
のサイクルを終わる循環を繰り返すことになる。

【００２９】図２に示すように、ヒートシンク３の流路
は、それぞれ対応する第１のパワーモジュール１と第２
のパワーモジュール２の長手方向に沿って形成され、底
部側が開いた溝とされている。詳しくは、ヒートシンク
３にその長手方向を横断する方向を長手方向として取付
けられた第１のパワーモジュール１に対応する流路３１
は、ヒートシンク３の長手方向を横断する方向に延び、
端部の近傍で折返す蛇行流路とされ、また、ヒートシン
ク３にその長手方向に沿う方向を長手方向として取付け
られた第２のパワーモジュール２に対応する流路３２
は、ヒートシンク３の長手方向に延び、端部の近傍で折
返す蛇行流路とされている。この構成により、ヒートシ
ンク３内の流路全長に対して、流路の折返し部３１ｂ，
３２ｂを少なくすることができるので、ヒートシンク内
の流路抵抗を小さくすることができる。なお、上記の両
流路は、基本的には、上下流関係に接続された１本の流
路を構成するものであるが、本形態では、冷媒とヒート
シンク３との接触面積を十分に確保すべく、流路中で伝
熱フィンとして作用する中間伝熱壁３１ａ，３２ａが流
路３１の深溝側で１条、流路３２の浅溝側で９条ずつ溝
に沿って設けられている。

【００３０】更に、図３に示すように、第１のパワーモ
ジュール１に対応する位置における流路３１の溝の深さ
は、第２のパワーモジュール２に対応する位置における
流路３２の溝の深さより深く設定されている。この構成
により、モータ用パワーモジュール２とヒートシンク３
の接触部から流路３２までのヒートシンクに厚みをもた
せることにより、過渡的に使用されることの多いモータ
用パワーモジュール２側にヒートマスを多く取ることが
できるので、冷却水への放熱による冷却が過渡的に不足
する場合でも、ヒートマスへの熱の蓄積で温度上昇を緩
衝させることができるため、急激かつ短時間の発熱の可
能性がより高いモータ用パワーモジュール２を保護する
ことができる。

【００３１】図２及び図３に示すように、ヒートシンク
３の第１のパワーモジュール１に対応する位置における
流路の断面積と、第２のパワーモジュール２に対応する
位置における流路の断面積は、それぞれの流路における
冷媒の流速が等しくなる関係に設定されている。したが
って、前記ヒートマスとの関係から、第１のパワーモジ
ュール１に接する流路は、横幅が狭く、深さが深い溝で
構成され、第２のパワーモジュール２に接する流路は、
横幅が広く、深さが浅い溝で構成されている。なお、両
流路３１，３２の接続部３１ｃは、両流路を円滑につな
ぎ、かつ絞り作用を生じないように、流路３１側から流
路３２側に向かって徐々に深さを減じつつ幅が広がる接
続溝とされている。

【００３２】本形態において、こうした冷媒の流速が等
しくなる構成を採る理由を図４の特性図を参照して説明
する。この図は、冷媒としての水と熱伝導率の大きなヒ
ートシンク素材としてのアルミニウムとの間の熱抵抗を
冷媒の流速の関数として示す。ここで、熱抵抗は、熱の
伝わり方を表すものであり、その値が大きくなるほど熱
が伝わりにくく、冷却性能が劣ることを示している。図
において、流速Ａ付近で特性が大きく変化しているの
は、この付近において、冷媒の流れが層流から乱流に変
わることによる。この特性からいえることは、流速を増
加させる方向に変化させるほど熱抵抗の低減割合が小さ
くなるということである。換言すれば、流速と熱伝達効
率との関係には、流速を上げるためにウォーターポンプ
４１の駆動に要するエネルギや、流速の増加に伴う流路
抵抗の増加によるエネルギロスと、流速の増加による冷
却効果の向上との兼ね合いを勘案した特定の最適値があ
るということになる。したがって、ヒートシンク３での
冷却効率を上げるには、流速を一定の最適値にするのが
有効であるということになる。ちなみに、こうした知見
から、本形態では、流速を各部について一定値の流速Ｂ
程度に設定し、この流速が保たれる流路断面積を採用し
ている。

【００３３】なお、ヒートシンクに対する入口３０ａと
出口３０ｂの位置や、そこから流路３１と流路３２に至
る導入と導出のための流路の形状は、両パワーモジュー
ル１，２の取付け位置に拘束されるものではない。ま
た、図示されていないが、ヒートシンク３の底面側は、
駆動装置ケース５上部の外壁やカバー等の適宜の部材に
当接させて、漏れ止め状態に取付けることで、被蓋され
ている。

【００３４】こうした構成からなる冷却装置では、ヒー
トシンク３に入口３０ａから送り込まれた冷却水は、中
間伝熱壁３１ａで２条の流れに分けられ、流路３１の溝
に沿ってジェネレータ用パワーモジュール１の長手方向
に前記所定の流速で流れながら溝壁と中間伝熱壁３１ａ
から伝えられる熱を吸収し、途中５箇所の１８０°の折
返し部３１ｂを経て，流路３１と流路３２との接続部３
０ｃに達する。この位置から冷却水は、方向を変えて、
中間伝熱壁３２ａで１０条の流れに分けられ、流路３２
の溝に沿ってモータ用パワーモジュール２の長手方向に
同様に所定の流速で流れながら溝壁と中間伝熱壁３２ａ
から伝えられる熱を吸収し、途中２箇所の１８０°の折
返し部３２ｂを経て出口３０ｂに達する。なお、入口３
０ａと出口３０ｂに続くヒートシンク３外の冷却水の流
れは先に記したとおりである。

【００３５】以上、本発明をハイブリッド駆動装置のパ
ワーモジュールに適用した一実施形態に基づき詳説した
が、本発明の適用対象はこれに限るものではなく、同様
の熱的条件のパワーモジュールを用いる種々の機器に適
用可能なものである。また、冷却に用いる冷媒について
も、水に限らず種々のものを用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る電動機制御用パワーモ
ジュール冷却装置の全体概念図である。

【図２】冷却装置のヒートシンクの底面図である。

【図３】冷却装置のヒートシンクを流路形成部分のみ断
面で示す側面図である。

【図４】冷媒の流速と熱抵抗の関係を示す特性図であ
る。

【符号の説明】

１ ジェネレータ用パワーモジュール（第１のパワーモ
ジュール） ２ モータ用パワーモジュール（第２のパワーモジュー
ル） ３ ヒートシンク ３１，３２ 流路 ４ 冷媒循環路

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の電動機をそれぞれ制御する複数の
   パワーモジュールと、各パワーモジュールが付設された
   冷却用のヒートシンクとを備える電動機制御用パワーモ
   ジュール冷却装置において、 前記ヒートシンクは、各パワーモジュールに対応する位
   置における単位面積あたりの発熱量が大きいほど、流路
   総表面積を大きくされた流路を有することを特徴とする
   電動機制御用パワーモジュール冷却装置。
2. 【請求項２】 前記ヒートシンクの流路を通して単一の
   冷媒を循環させる冷媒循環路を備え、前記複数のパワー
   モジュールは、第１及び第２の２つパワーモジュールか
   らなり、 第１のパワーモジュールは、第２のパワーモジュールよ
   り単位面積あたりの発熱量が大きいものとされ、第１の
   パワーモジュールに対応する位置における流路総表面積
   は、第２のパワーモジュールに対応する位置における流
   路総表面積より大きくされた、請求項１記載の電動機制
   御用パワーモジュール冷却装置。
3. 【請求項３】 前記第１のパワーモジュールに対応する
   位置における流路の断面積と、第２のパワーモジュール
   に対応する位置における流路の断面積は、それぞれの流
   路における冷媒の流速が等しくなる関係に設定された、
   請求項２記載の電動機制御用パワーモジュール冷却装
   置。
4. 【請求項４】 第１及び第２の電動機をそれぞれ制御す
   る第１及び第２のパワーモジュールと、第１及び第２の
   パワーモジュールを付設させた冷却用のヒートシンク
   と、該ヒートシンクの流路を通して単一の冷媒を循環さ
   せる冷媒循環路とを備え、第１のパワーモジュールは、
   第２のパワーモジュールより単位面積あたりの発熱量が
   大きいものとされた電動機制御用パワーモジュール冷却
   装置において、 前記ヒートシンクは、第１のパワーモジュールに対応す
   る位置における流路の下流に第２のパワーモジュールに
   対応する位置における流路を有することを特徴とする電
   動機制御用パワーモジュール冷却装置。
5. 【請求項５】 前記第１のパワーモジュールは、ジェネ
   レータを制御するジェネレータ用パワーモジュールであ
   り、第２のパワーモジュールは、モータを制御するモー
   タ用パワーモジュールである、請求項２、３又は４記載
   の電動機制御用パワーモジュール冷却装置。
6. 【請求項６】 ジェネレータを制御するジェネレータ用
   パワーモジュールと、モータを制御するモータ用パワー
   モジュールと、ジェネレータ用パワーモジュール及びモ
   ータ用パワーモジュールを付設された冷却用のヒートシ
   ンクと、該ヒートシンクの流路を通して単一の冷媒を循
   環させる冷媒循環路とを備える電動機制御用パワーモジ
   ュール冷却装置において、 前記ヒートシンクは、ジェネレータ用パワーモジュール
   に対応する位置における流路の下流にモータ用パワーモ
   ジュールに対応する位置における流路を有するととも
   に、モータ用パワーモジュールに対応する位置における
   流路総表面積をジェネレータ用パワーモジュールに対応
   する位置における流路総表面積より大きくされたことを
   特徴とする電動機制御用パワーモジュール冷却装置。
7. 【請求項７】 前記ジェネレータ用パワーモジュールに
   対応する位置における流路の断面積と、モータ用パワー
   モジュールに対応する位置における流路の断面積は、そ
   れぞれの流路における冷媒の流速が等しくなる関係に設
   定された、請求項６記載の電動機制御用パワーモジュー
   ル冷却装置。
8. 【請求項８】 前記ジェネレータ用パワーモジュールに
   対応する位置における流路の深さは、モータ用パワーモ
   ジュールに対応する位置における流路の深さより深く設
   定された、請求項５、６又は７記載の電動機制御用パワ
   ーモジュール冷却装置。
9. 【請求項９】 前記ヒートシンクの流路は、対応するパ
   ワーモジュールの長手方向に沿って形成された、請求項
   ２〜８のいずれか１項記載の電動機制御用パワーモジュ
   ール冷却装置。