JP2005151747A - 電気機器の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数の電気機器を冷却する。
【解決手段】 インバータ３００が冷却通路３５６の下方に保持されている。コンデンサ２００が冷却通路３５６の上方に保持されている。インバータ３００の発熱量は、コンデンサ２００の発熱量よりも大きい。
【選択図】 図２

Description

本発明は電気機器の冷却構造に関し、特に、複数の電気機器を冷却する構造に関する。

近年、環境問題対策の一環として、モータからの駆動力に走行するハイブリッド自動車、燃料電池車および電気自動車など車両が注目されている。このような車両には、駆動用バッテリ（たとえば３００Ｖ程度の電圧のバッテリ）から供給される電力を、所望の状態に調整してモータに供給するＰＣＵ（Power Control Unit）が搭載されている。このＰＣＵは、インバータ、平滑コンデンサおよびコンバータなどの電気機器を含む。これらの電気機器は、通電により発熱するため、冷却水などを冷却通路に流通させて冷却する必要がある。

特開２００１−２４５４７８号公報（特許文献１）は、冷却能力が高く、かつ生産性の高いインバータの冷却装置を開示する。特許文献１に記載のインバータの冷却装置は、発熱量の多い部品が配置された高温部と、発熱量の少ない部品が配置された低温部とからなるインバータを冷却する。このインバータの冷却装置は、高温部と低温部とで異なる構造の冷媒通路を有する。

この公報に記載の発明によると、インバータの高温部と低温部とで冷媒通路の構造が異なるので、インバータの温度分布に応じて冷却能力を変えることができ、インバータの冷却装置の生産性と冷却性とを両立させることができる。
特開２００１−２４５４７８号公報

しかしながら、特許文献１に記載のインバータの冷却装置は、高温部と低温部とで異なる構造の冷媒通路を有するため、構造が大型化してしまうという問題点があった。

本発明は、上述の問題点を解決するためのなされたものであって、その目的は、複数の電気機器を効果的に冷却でき、かつ小型化できる電気機器の冷却構造を提供することである。

第１の発明に係る電気機器の冷却構造は、車両に搭載され、第１の電気機器と第２の電気機器とを冷却する構造である。この冷却構造において、電気機器は、それぞれ発熱素子を含み、第１の電気機器の発熱量は、第２の電気機器の発熱量よりも大きい。この冷却構造は、第１の電気機器および第２の電気機器を冷却する冷却媒体が流通する冷却通路と、冷却通路の下方に第１の電気機器が位置するように、第１の電気機器を保持するための第１の保持手段と、冷却通路の上方に第２の電気機器が位置するように、第２の電気機器を保持するための第２の保持手段とを含む。

第１の発明によると、冷却通路には、第１の電気機器および第２の電気機器を冷却する冷却媒体が流通させられる。第１の保持手段は、第１の電気機器が冷却通路の下方に位置するように、第１の電気機器を保持する。第２の保持手段は、第２の電気機器が冷却通路の上方に位置するように、第２の電気機器を保持する。これにより、第１の電気機器と第２の電気機器とで冷却通路を共有し、この冷却通路を流れる冷却媒体により第１の電気機器と第２の電気機器とを冷却することができる。そのため、第１の電気機器と第２の電気機器とに対して別個の冷却通路を形成する必要がない。このとき、第２の電気機器よりも発熱量が大きい第１の電気機器が、冷却通路の下方に保持されている。第１の電気機器よりも発熱量が小さい第２の電気機器が、冷却通路の上方に保持されている。これにより、冷却媒体が蒸発して気泡が発生しても、気泡は冷却通路の上部に移動するので、より冷却する必要がある第１の電気機器の付近における気泡の発生を抑制できる。第２の電気機器の付近に気泡が集まって冷却性能が低下したとしても、第２の電気機器は、第１の電気機器よりも発熱量が小さいため、気泡が第２の電気機器に与える影響は少ない。その結果、複数の電気機器を効果的に冷却でき、かつ小型化できる電気機器の冷却構造を提供することができる。

第２の発明に係る電気機器の冷却構造においては、第１の発明の構成に加え、第１の保持手段は、冷却媒体が流れるように第１の保持手段の上面に設けられ、上方に向かって開口した凹部を含む。第２の保持手段は、凹部を上方から覆うように、第１の保持手段に固定されるための手段を含む。

第２の発明によると、第１の保持手段の上面に設けられた凹部には、冷却媒体が流れる。第２の保持手段は、凹部を上方から覆う。これにより、冷却通路を第１の保持手段および第２の保持手段と一体的に形成することができる。その結果、冷却媒体と、第１の保持手段および第２の保持手段とが直接接触するため、熱を効率良く冷却媒体に伝えることができる。

第３の発明に係る電気機器の冷却構造においては、第２の発明の構成に加え、第１の保持手段は、凹部の底面から上方に向かって突出した複数の冷却フィンを含む。

第３の発明によると、複数の冷却フィンが、凹部の底部から上方に向かって突出している。これにより、第１の保持手段が、冷却媒体と接触する面積が、冷却フィンの分だけ増える。その結果、熱を冷却媒体に効率よく伝えることができる。

第４の発明に係る電気機器の冷却構造においては、第１ないし第３のいずれかの発明の構成に加え、第１の電気機器は、インバータである。第２の電気機器は、コンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方である。第１の保持手段は、冷却通路の下方にインバータが位置するように、インバータを保持するための手段を含む。第２の保持手段は、冷却通路の上方にコンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方が位置するように、コンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方を保持するための手段を含む。

第４の発明によると、第１の電気機器として、インバータが用いられる。このインバータは、たとえば車両に駆動用バッテリと三相交流モータが搭載されている場合は、駆動用バッテリから供給された電流を、直流電流から交流電流に変換し、三相交流モータに供給する。したがって、三相交流モータを駆動する場合、すなわち車両を走行させる場合、インバータは、常に作動する。第２の電気機器として、コンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方が用いられる。コンデンサは、電荷を一旦蓄積し、平滑化する。一般的に、コンデンサはインバータよりも発熱量が小さい。コンバータは、車両の走行状態や運転者からの加速要求に応じて、三相交流モータが所望の出力で駆動するように、駆動用バッテリから供給された電力を昇圧し、三相交流モータに供給する。そのため、三相交流モータが駆動していても、コンバータが作動していない場合もある。したがって、コンバータはインバータよりも発熱量が小さい。このようなインバータを冷却通路の下方に保持する。コンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方を冷却通路の上方に保持する。これにより、インバータと、コンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方とを効率よく冷却することができる。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

＜第１の実施の形態＞
図１を参照して、本発明の第１の実施の形態に係る電気機器の冷却構造を有するＰＣＵを搭載した車両は、駆動用バッテリ１００と、平滑コンデンサ２００と、インバータ３００と、駆動用モータ４００と、信号生成回路５００と、制御回路６００とを含む。

駆動用バッテリ１００は、複数のセルを直列に接続した電池モジュールを、さらに複数に接続した組電池である。駆動用バッテリ１００の電圧値は、たとえば３００Ｖ程度である。

平滑コンデンサ２００は、駆動用バッテリ１００に並列に接続されている。平滑コンデンサ２００は、電荷を一旦蓄積し、駆動用バッテリ１００から供給された電力を平滑化する。平滑コンデンサ２００により平滑化された電力は、インバータ３００に供給される。

インバータ３００は、６つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）３１０〜３６０と、ＩＧＢＴのエミッタ側からコレクタ側に電流を流すように、各ＩＧＢＴにそれぞれ並列に接続された６つのダイオード３１１〜３６１と、各ＩＧＢＴにそれぞれ接続され、信号生成回路５００が生成した信号に基づいて、ＩＧＢＴを駆動させる６つのＩＧＢＴ駆動回路３１２〜３６２とを含む。各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）と対応するように、ＩＧＢＴ３１０とＩＧＢＴ３２０とが、ＩＧＢＴ３３０とＩＧＢＴ３４０とが、ＩＧＢＴ３５０とＩＧＢＴ３６０とが、それぞれ直列に接続されている。インバータ３００は、各ＩＧＢＴをオン／オフすることにより、駆動用バッテリ１００から供給された電流を、交流電流から直流電流に変換し、駆動用モータ４００に供給する。なお、インバータ３００には、周知の技術を利用すればよいため、ここではさらなる詳細な説明は繰返さない。

駆動用モータ４００は、三相交流モータである。駆動用モータ４００の回転軸は、最終的には車両のドライブシャフト（図示せず）に接続される。車両は、駆動用モータ４００からの駆動力により走行する。

この駆動用モータ４００が駆動する際、すなわち車両が走行する際は、常にインバータ３００が作動する必要がある。インバータ３００が作動する際は、６つのＩＧＢＴがオン／オフを繰返しているため、その発熱量は大きい。一方、コンデンサ２００は電荷の蓄積／放出を繰返すが、その発熱量は、一般的に、インバータ３００の発熱量よりも小さい。

信号生成回路５００は、制御回路６００により制御され、ＩＧＢＴをオン／オフする信号を生成する。制御回路６００は、アクセルペダル（図示せず）の踏込み量や、スロットル（図示せず）の開度などに基づいて、各ＩＧＢＴオン／オフ比（デューティー比）を算出する。なお、信号生成回路５００および制御回路６００には、周知の技術を利用すればよいため、ここではその詳細な説明は繰返さない。

図２を参照して、実施の形態に係るＰＣＵの構造について説明する。図２は、本実施の形態に係るＰＣＵの断面図である。

コンデンサ２００は、コンデンサケース２０２に保持される。コンデンサ２００の正極および負極は、それぞれ正極バスバー２０４および負極バスバー２０６により、インバータ３００に接続される。コンデンサケース２０２は、フランジ２０８を含む。フランジ２０８は、コンデンサケース２０２の外周に沿って設けられている。フランジ２０８には、ボルトが挿通される複数のボルト挿通孔（図示せず）が設けられている。

インバータ３００は、絶縁シート３５０を介してインバータケース３５２の下面に保持される。インバータ３００の詳細な取付け構造について、例としてＩＧＢＴ３１０およびＩＧＢＴ３２０を用いて説明する。

ＩＧＢＴ３１０は、平板のコレクタ側電極３１３の下面に取付けられる。コレクタ側電極３１３は、絶縁シート３５０を介してインバータケース３５２の下面に取付けられている。また、コレクタ側電極３１３には、正極端子３１６が取付けられている。正極端子３１６は、正極バスバー２０４に接続されている。

ＩＧＢＴ３２０は、平板のコレクタ側電極３２３の下面に取付けられる。コレクタ側電極３２３は、絶縁シート３５０を介してインバータケース３５２の下面に取付けられている。コレクタ側電極３２３とＩＧＢＴ３１０とは、エミッタ側（ＩＧＢＴ３１０のエミッタ側）電極３１４により接続されている。コレクタ側電極３２３には、駆動用モータ４００への出力端子３２６が接続されている。ＩＧＢＴ３２０は、エミッタ側（ＩＧＢＴ３２０のエミッタ側）電極３２４および負極端子３２８を介して、負極バスバー２０６に接続されている。

ＩＧＢＴ３１０およびＩＧＢＴ３２０と同様にして、ＩＧＢＴ３３０、ＩＧＢＴ３４０、ＩＧＢＴ３５０およびＩＧＢＴ３６０が、インバータケース３５２の下面に取付けられている。したがって、ここではその詳細な説明は繰返さない。

インバータケース３５２は、上方に向かって開口した凹部３５３と、凹部３５３の下面から、上方に向かって突出するように設けられた複数の冷却フィン３５４を含む。凹部３５３の開口は、コンデンサケース２０２の下面により封止される。コンデンサケース２０２に設けられたフランジ２０８のボルト挿通孔にボルトを挿通し、インバータケース３５２に形成されたボルト孔にボルトを螺合することで、コンデンサケース２０２をインバータケース３５２に固定する。なお、コンデンサケース２０２をインバータケース３５２に固定する方法は、ボルトを用いた方法に限られない。

インバータケース３５２、冷却フィン３５４、コンデンサケース２０２により囲まれる空間に、冷却水が流通させられる。すなわち、インバータケース３５２、冷却フィン３５４、コンデンサケース２０２により囲まれて、冷却通路３５６が形成される。冷却水は、インバータケース３５２に設けられた流入口（図示せず）から冷却通路３５６内に流入し、インバータケース３５２に設けられた流出口（図示せず）から流出する。なお、冷却水以外の冷却媒体を流通させてもよい。

以上の構成に基づく、本実施の形態に係るＰＣＵの作用について説明する。

冷却通路３５６内を流通する冷却水は、コンデンサ２００およびインバータ３００で発生した熱を吸収する。このとき、インバータケース３５２には、複数の冷却フィン３５４が設けられているため、冷却フィン３５４の分だけ、インバータケース３５２と冷却水とが接触する面積が大きい。これにより、熱の伝達効率がよい。また、コンバータケース２００およびインバータケース３５２と、冷却水とが直接接触するため、熱の伝達効率がよい。したがって、コンデンサ２００を大きくして表面積を増やし、コンデンサ２００自体の放熱性能を上げる必要がない。その結果、コンデンサ２００を小型化することができる。また、コンデンサ２００とインバータ３００とに対して、共通の冷却通路３５６を設けたので、コンデンサ２００とインバータ３００とに対してそれぞれ専用の冷却通路を設ける必要がない。そのため、ＰＣＵの構造を簡略化し、小型化することができる。

熱を吸収した冷却水の温度が上昇し、沸点に達すると、冷却水は沸騰する。冷却水が沸騰すると、冷却水の蒸気による気泡が発生する。蒸気の比重は、冷却水の比重よりも軽いため、気泡が冷却通路３５６の上部にたまる。このとき、コンデンサ２００の発熱量より大きい発熱量のインバータ３００が、冷却通路３５６の下方に保持されていている。このため、インバータ３００付近からは、気泡が取除かれる。したがって、インバータ３００の付近は、常に冷却水で満たされることになる。よって、インバータ３００は気泡の発生による影響を抑制し、インバータ３００の冷却性能の低下を防止することができる。

一方、コンデンサ２００の付近に気泡が集まるため、コンデンサ２００の冷却性能が低下する。ここで、コンデンサ２００の発熱量は、インバータ３００の発熱量よりも小さいため、冷却性能の低下による影響は少ない。

以上のように、本実施の形態に係るＰＣＵにおいては、インバータを冷却通路の下方に保持している。コンデンサを冷却通路の上方に保持している。インバータの発熱量は、コンデンサの発熱量よりも大きい。これにより、インバータとコンデンサとに対して、共通の冷却通路を設けることで、インバータとコンデンサの両方を冷却できる。その結果、インバータとコンデンサとに対して、専用の冷却通路を別個設ける必要がなく、ＰＣＵの構造を簡素なものとし、ＰＣＵを小型化することができる。

また、発熱量の大きいインバータを冷却通路の下方に保持し、インバータよりも発熱量の小さいコンデンサを冷却通路の上方に保持している。これにより、冷却水が蒸発して気泡が発生しても、インバータの付近から気泡を取除くことができる。これにより、気泡の発生によるインバータの冷却性能への影響を抑制し、インバータの冷却性能の低下を防止することができる。一方、コンデンサの付近に気泡が集まるため、コンデンサの冷却性能が低下するが、コンデンサの発熱量は、インバータの発熱量よりも小さいため、冷却性能の低下による影響はすくない。その結果、気泡の発生による影響を抑制して、インバータおよびコンデンサを冷却することができる。

＜第２の実施の形態＞
図３を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る電気機器の冷却構造を有するＰＣＵについて説明する。本実施の形態に係るＰＣＵは、前述の第１の実施の形態におけるコンデンサの代わりに冷却通路３５６の上方に保持されたコンバータ７００を含む。その他の構造については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図３は、本実施の形態に係るＰＣＵの断面図である。コンバータ７００は、コンバータケース７０２に保持される。コンバータ７００の正極は、正極バスバー７０４により、インバータ３００の正極端子３１６に接続されている。コンバータ７００の負極は、負極バスバー７０６により、インバータ３００の負極端子３２８に接続されている。

凹部３５３の開口は、コンバータケース７０２の下面により封止される。インバータケース３５２、冷却フィン３５４、コンバータケース７０２により囲まれる空間に、冷却水が流通させられる。すなわち、インバータケース３５２、冷却フィン３５４、コンバータケース７０２により囲まれて、冷却通路３５６が形成される。

コンバータ７００は、駆動用バッテリ１００から供給された電力の電圧値を昇圧し、インバータ３００に供給する。コンバータ７００は、制御回路６００により制御される。制御回路６００は、アクセルペダル（図示せず）の踏込み量、スロットル開度、車速などの走行条件に基づいて、駆動用モータ２００が所望のトルクおよび回転数で駆動するように、コンバータ７００に電圧を昇圧させる。したがって、駆動用モータ４００が駆動していても、コンバータ７００が作動していない状態がありうる。そのため、コンバータ７００の発熱量は、インバータ３００の発熱量よりも小さい。

このように構成しても、前述の第１の実施の形態と同様にして、前述の第１の実施の形態のような効果を得ることができる。

＜第３の実施の形態＞
図４を参照して、本発明の第３の実施の形態に係る電気機器の冷却構造を有するＰＣＵについて説明する。本実施の形態に係るＰＣＵにおいては、前述の第１の実施の形態におけるコンデンサは冷却通路３５６の上方に保持されておらず、凹部３５３の開口が封止板８００により封止されている。その他の構造については、前述の第１の実施の形態と同じである。それらについての機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図４は、本実施の形態に係るＰＣＵの断面図である。封止板８００は、封止板８００の上面に設けられた複数の突起部８０２を含む。凹部３５３の開口は、封止板８００の下面により封止される。インバータケース３５２、冷却フィン３５４、封止板８００により囲まれる空間に、冷却水が流通させられる。すなわち、インバータケース３５２、冷却フィン３５４、封止板８００により囲まれて、冷却通路３５６が形成される。

以上の構成に基づく、本実施の形態に係るＰＣＵの作用について説明する。

冷却通路３５６内を流通する冷却水は、インバータ３００で発生した熱を吸収する。冷却水が吸収した熱は、封止板８００を介してＰＣＵ外に放熱される。このとき、封止板８００には複数の突起部８０２が設けられているため、突起部８０２の分だけ封止板８００が外気と接触する面積が増える。したがって、封止板８００の放熱性がよい。

熱を吸収した冷却水の温度が上昇し、沸点に達すると、冷却水は沸騰する。冷却水が沸騰すると、冷却水の蒸気による気泡が発生する。蒸気の比重は、冷却水の比重よりも軽いため、気泡が冷却通路３５６の上部にたまる。このとき、インバータ３００が、冷却通路３５６の下方に保持されていている。このため、インバータ３００付近からは、気泡が取除かれる。したがって、インバータ３００の付近は、常に冷却水で満たされることになる。よって、インバータ３００は気泡の発生による影響を抑制し、インバータ３００の冷却性能の低下を防止することができる。

以上のように、本実施の形態に係るＰＣＵにおいては、封止板の上面に突起部を設けたので、インバータで発生した熱を、速やかに外気に放熱することができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施の形態に係るＰＣＵを示す回路図である。 第１の実施の形態に係るＰＣＵを示す断面図である。 第２の実施の形態に係るＰＣＵを示す断面図である。 第３の実施の形態に係るＰＣＵを示す断面図である。

符号の説明

２００ コンデンサ、２０２ コンデンサケース、２０８ フランジ、３００ インバータ、３５２ インバータケース、３５３ 凹部、３５４ 冷却フィン、３５６ 冷却通路、７００ コンバータ、７０２ コンバータケース。

Claims (4)

1. 車両に搭載され、第１の電気機器と第２の電気機器とを冷却する電気機器の冷却構造であって、前記電気機器は、それぞれ発熱素子を含み、前記第１の電気機器の発熱量は、前記第２の電気機器の発熱量よりも大きく、
   前記第１の電気機器および前記第２の電気機器を冷却する冷却媒体が流通する冷却通路と、
   前記冷却通路の下方に前記第１の電気機器が位置するように、前記第１の電気機器を保持するための第１の保持手段と、
   前記冷却通路の上方に前記第２の電気機器が位置するように、前記第２の電気機器を保持するための第２の保持手段とを含む、電気機器の冷却構造。
2. 前記第１の保持手段は、冷却媒体が流れるように前記第１の保持手段の上面に設けられ、上方に向かって開口した凹部を含み、
   前記第２の保持手段は、前記凹部を上方から覆うように、前記第１の保持手段に固定されるための手段を含む、請求項１に記載の電気機器の冷却構造。
3. 前記第１の保持手段は、前記凹部の底面から上方に向かって突出した複数の冷却フィンを含む、請求項２に記載の電気機器の冷却構造。
4. 前記第１の電気機器は、インバータであって、前記第２の電気機器は、コンデンサおよびコンバータの少なくともいずれか一方であり、
   前記第１の保持手段は、冷却通路の下方に前記インバータが位置するように、前記インバータを保持するための手段を含み、
   前記第２の保持手段は、冷却通路の上方に前記コンデンサおよび前記コンバータの少なくともいずれか一方が位置するように、前記コンデンサおよび前記コンバータの少なくともいずれか一方を保持するための手段を含む、請求項１ないし３のいずれかに記載の電気機器の冷却構造。

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