JP2009049082A - リアクトル冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】リアクトルを冷媒によって直接的に冷却することを可能とすることである。
【解決手段】リアクトル冷却システム２０は、冷媒を用いる冷却装置６０と、リアクトル側循環路６４と、リアクトル３０とを含んで構成される。リアクトル３０のリアクトルケース３２の内部は、リアクトル側循環路６４に接続される。リアクトルケース３２の内部には、リアクトル３０を構成するコア３４とコイル３６が収納されており、その収納空間の余地部分に冷媒６６が循環して通過する。冷媒６６は燃料電池の反応生成水等の絶縁流体であるので高絶縁抵抗値を有する。また、コイル３６の巻線を中空導線で構成し、中空部に冷媒を流すものとすることもできる。
【選択図】図３

Description

本発明はリアクトル冷却システムに係り、特に、電源回路において用いられる電圧変換用リアクトルを冷却するリアクトル冷却システムに関する。

例えば、車両用の電源回路には、蓄電装置の低電圧と、インバータ回路用の高電圧との間の電圧変換のために電圧変換器が用いられる。電圧変換器は、リアクトルとスイッチング素子等で構成されるが、リアクトルは作動に伴い振動と発熱をするので、振動の他への伝達の抑制と、その冷却が必要である。従来技術では、リアクトルをケース内に収容し、ケース内に樹脂ポッティングを行い、ケースを冷却していることが多い。

例えば、リアクトルの冷却の例として、特許文献１には、コイル用冷却構造として、リアクトル用ケーシングの中にモータ冷却水を循環させ、リアクトル用ケーシングに収容されるコイルを冷却することが開示されている。ここでは、コイルは伝熱絶縁シートで覆われている。また、特許文献２には、リアクトルの放熱構造として、リアクトルとケース内側を埋める放熱用樹脂を用いず、放熱シート等の放熱材でリアクトルのコイルとケースとの間を充填し、コイル間にケースに接続される隔壁を設けることが開示されている。

なお、リアクトルの冷却に限られず、電源回路等の冷却には様々な工夫が行われている。例えば、特許文献３には、燃料電池搭載車両の電子部品冷却装置として、燃料電池の冷却水は、発電反応で生成される絶縁流体である純水を用い、その冷却水タンクに電力変換装置の発熱電子部品と収容することが開示されている。また、特許文献４には、電気部品の冷却装置として、ＤＣ／ＤＣコンバータのハウジング内に、燃料電池から排出される純水を循環させて、スイッチング素子等の発熱体を直接冷却することが開示されている。

特開２００６−１５６６７８号公報 特開２００６−４１３５３号公報 特開２００４−３２８９１４号公報 特開２００４−１６４９５２号公報

上記のように、リアクトルをケース内に収容し、ケース内に樹脂ポッティングを行い、ケースを冷却する方法の他に、特許文献１ではコイルを伝熱絶縁シートで覆いその上でモータ冷却水を用いる方法が述べられ、特許文献２では放熱シートでケース内を充填することが述べられている。これらは、いずれも伝熱絶縁シートや放熱シートを用いるものであり、放熱が間接的になっている。このように、放熱が間接的な構造となっているので、大電流を流す場合に、その放熱性が問題となることがある。なお、従来技術において、放熱が間接的になっている原因の１つは、リアクトルが高電圧を用いるものであるので、冷媒とリアクトルとが直接接触すると、その間の絶縁性の確保が問題となることがあるためである。

本発明の目的は、リアクトルを冷媒によって直接的に冷却することを可能とするリアクトル冷却システムを提供することである。

本発明に係るリアクトル冷却システムは、冷媒を用いて燃料電池を冷却する電池冷却装置と、電源回路において用いられる電圧変換用リアクトルと、を有し、電圧変換用リアクトルは、電池冷却装置に用いられる冷媒で冷却されることを特徴とする。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、電圧変換用リアクトルを収納するリアクトルケースと、電池冷却装置に用いられる冷媒をリアクトルケース内に通過させ、電圧変換用リアクトルにポッティング樹脂を介さずに接触させる冷却手段と、を有することが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、電圧変換用リアクトルのコアに巻回され、軸方向に貫通中空部を有するコイル巻線と、電池冷却装置に用いられる冷媒をコイル巻線の貫通中空部を通過させて冷却する冷却手段と、を有することが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、リアクトルケースは防振支持材で支持されることが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、リアクトルケースは、電圧変換用リアクトルからの端子線を外部に引き出す防水シール付引出穴を有することが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、コイル巻線は、電圧変換用リアクトルの使用周波数によって定まる表皮深さに基づいて設定される肉厚を有することが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、電圧変換用リアクトルは、コアに巻回され、矩形断面形状を有する平角線コイル巻線を有することが好ましい。

また、本発明に係るリアクトル冷却システムにおいて、電圧変換用リアクトルは、コアに巻回され、円形断面形状を有する丸線コイル巻線を有することが好ましい。

上記構成により、リアクトル冷却システムは、燃料電池を冷却する電池冷却装置に用いられる冷媒で電圧変換用リアクトルが冷却される。ここで、燃料電池を冷却する冷媒としては、絶縁流体を用いることとすれば、リアクトルを冷媒によって直接的に冷却することが可能となる。絶縁流体としては、絶縁性を有する材質の流体を用いることのほか、燃料電池の反応生成水の絶縁抵抗が高いので、これを用いるものとできる。

また、リアクトル冷却システムにおいて、電池冷却装置に用いられる冷媒をリアクトルケース内に通過させ、電圧変換用リアクトルにポッティング樹脂を介さずに接触させる。これによって、電圧変換用リアクトルの表面を冷媒で直接冷却することができる。

また、リアクトル冷却システムにおいて、電池冷却装置に用いられる冷媒をコイル巻線の貫通中空部を通過させて冷却する。これによって、電圧変換用リアクトルを構成するコイルを冷媒で直接冷却することができる。

また、リアクトル冷却システムにおいて、コイル巻線は、電圧変換用リアクトルの使用周波数によって定まる表皮深さに基づいて設定される肉厚を有する。これにより、例えば渦電流による損失の増加を抑制しつつ、冷却性を向上させることができる。

以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき詳細に説明する。以下では、リアクトル冷却システムが適用される電源回路として、燃料電池、燃料電池側電圧変換器、インバータ回路、バッテリ側電圧変換器、バッテリを含んで構成されるものを説明するが、燃料電池と、燃料電池側電圧変換器またはバッテリ側電圧変換器の少なくともいずれか一方を含めばよく、それ以外の要素は適宜省略してもよく、またこれ以外の要素を加えてもよい。なお、以下では、リアクトル冷却システムとして、燃料電池側電圧変換器に含まれるリアクトルの冷却を説明するが、同様の構成をバッテリ側電圧変換器に含まれるリアクトルの冷却に用いることができる。勿論、燃料電池側電圧変換器に含まれるリアクトルと、バッテリ側電圧変換器に含まれるリアクトルとを、同じリアクトル冷却システムで冷却するものとしてもよい。

図１は、リアクトル冷却システム２０を含む電源回路１０の構成図である。この電源回路１０は、車両に用いられる回転電機８に接続される電源回路で、燃料電池１２を含む高電圧電源回路である。電源回路１０は、燃料電池１２と、燃料電池側電圧変換器１４と、平滑コンデンサ１６と、インバータ回路１８と、バッテリ側電圧変換器２２と、バッテリ２４とを含んで構成される。また、燃料電池１２は、燃料電池側循環路６２を介して冷却装置６０に接続され、冷却装置６０は、リアクトル側循環路６４を介して、燃料電池側電圧変換器１４に含まれるリアクトル３０に接続されている。リアクトル冷却システム２０は、この冷却装置６０と、リアクトル側循環路６４と、リアクトル３０とを含んで構成される。

電源回路１０の構成要素ではないが、回転電機８は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、燃料電池１２から電力が供給されるときはモータとして機能し、制動時には発電機として機能し、蓄電装置であるバッテリ２４を充電する三相同期型回転電機である。

燃料電池１２は、燃料電池セルを複数組み合わせて、２００Ｖから４００Ｖ程度の高電圧の発電電力を取り出せるように構成された一種の組電池で、燃料電池スタックと呼ばれる。ここで、各燃料電池セルは、アノード側に燃料ガスとして水素を供給し、カソード側に酸化ガスとして空気を供給し、固体高分子膜である電解質膜を通しての化学反応によって必要な電力を取り出す機能を有する。

燃料電池１２における化学反応の結果、反応生成物として水が生成され、使用済みガスと共に排出される。排出される水は、化学反応によって生成されたものであるので、不純物をほとんど含まない純水で、その絶縁抵抗値は高く、導電率は低い。この反応生成水の高絶縁性を利用して、燃料電池１２の冷却用に用いることができる。例えば、反応生成水を回収し、冷却装置６０に送ることで、冷却水、すなわち冷却用冷媒として利用することができる。そして、この冷却水を、リアクトル３０の冷却に用いることができるが、その詳細については後述する。

燃料電池側電圧変換器１４は、リアクトル３０と、スイッチング素子２６と整流器２８とを含む回路装置で、ここでは、燃料電池１２の電圧を昇圧してインバータ回路１８に供給する機能を有する。燃料電池側電圧変換器１４は、その昇圧機能に注目して、単に、昇圧コンバータと呼ぶこともできる。

リアクトル３０は、コアにコイルが巻回された装置である。図２には、リアクトル３０の構造図が示されている。リアクトル３０は、リアクトルケース３２の中に、コア３４と、コア３４に巻回されたコイル３６とが収納されたものである。コア３４は、磁性体で構成され、コイル３６は絶縁被覆を有する導線がコア３４に複数回巻きつけられたものである。

リアクトル３０は、そのコイルに交流信号を流すことで、電磁エネルギを蓄積することができる。そこで、燃料電池側電圧変換器１４のスイッチング素子２６と整流器２８の作用によって、燃料電池１２の直流エネルギを、交流の電磁エネルギとし、リアクトル３０にこの電磁エネルギを蓄積することができる。蓄積された電磁エネルギは、スイッチング素子２６と整流器２８の作用により、スイッチングの半周期ごとに平滑コンデンサ１６に送り込まれるので、次第に平滑コンデンサ１６の電位が上昇し、これによって、昇圧を行うことができる。このように、リアクトル３０は、スイッチング素子の高周波信号によって作動するので、その作動に伴い発熱し、また振動する。リアクトル３０に流れる電流の周波数は、一例を上げると、約４ｋＨｚから約５０ｋＨｚの範囲とすることができる。

インバータ回路１８は、高圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機８に供給する機能を有する回路である。なお、車両が制動時のときは、回転電機８からの交流三相回生電力を高圧直流電力に変換する機能を有する。

バッテリ側電圧変換器２２は、燃料電池側電圧変換器１４と同様に、リアクトル、スイッチング素子、整流器を含む構成を有する回路で、バッテリ２４の直流電圧を昇圧してインバータ回路１８に供給する機能を有する。また、双方向電圧変換機能を有するものとするときは、インバータ回路１８によって交流電力から変換された直流電力を降圧して、バッテリ２４に充電電力として供給する機能を有する。

バッテリ２４は、蓄電装置であって、例えば、約２００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。

冷却装置６０は、熱交換器と循環ポンプ等を含む装置で、燃料電池側循環路６２を介して、熱交換器と燃料電池１２との間に冷媒、例えば冷却水を循環させ、リアクトル側循環路６４を介して、熱交換器とリアクトル３０との間に冷媒を循環させる機能を有する。熱交換器としては、車両用ラジエータを用いることができる。冷媒としては、絶縁性を有する材質の流体である絶縁流体が用いられる。また、上記のように、燃料電池１２の反応生成水は不純物をほとんど含まない純水で、その絶縁抵抗は高いので、これを絶縁流体として、冷却装置６０の冷媒として用いることができる。

次に、リアクトル冷却システム２０の詳細について説明する。図３は、リアクトル冷却システム２０について、リアクトル３０周辺の構成を示す図である。ここでは、リアクトル冷却システム２０を構成する冷却装置６０とリアクトル側循環路６４は、符号でのみ示されている。リアクトル冷却システム２０において、リアクトル３０のリアクトルケース３２の内部は、リアクトル側循環路６４に接続される。リアクトルケース３２の内部には、図２で説明したように、コア３４とコイル３６が収納されており、その収納空間の余地部分に冷媒６６が循環して通過する。

従来技術では、コア３４、コイル３６は、リアクトルケース３２の内部空間に樹脂モールドあるいは樹脂ポッティングにより、樹脂に覆われているが、図３の例では、樹脂が用いられない。すなわち、リアクトル３０を構成するコア３４、コイル３６は、樹脂を介することなく、冷媒６６に直接接触し、熱交換が行われ、リアクトル３０の作動による発熱を冷媒６６によって運び出すことができる。この冷媒６６は、上記のように燃料電池１２を冷却する絶縁冷媒であり、高絶縁抵抗値を有しているので、高電圧で作動するリアクトル３０を構成するコア３４、コイル３６に直接接触しても、絶縁性に問題が生じることが少ない。

このようにして、リアクトル３０を冷媒によって直接的に冷却することが可能となり、ポッティング樹脂でリアクトル３０を覆う構造に比べ、放熱性が格段に向上する。また、樹脂ポッティング等を用いないので、コスト削減が可能となる。

リアクトル側循環路６４は、内部に冷媒を流すことができる適当なパイプを用いることができる。そして、リアクトルケース３２との接続は、適当な防水シール等を用いて行うことができる。

リアクトルケース３２に設けられる防水シール付引出穴７２は、リアクトル３０を構成するコイル３６からの端子線７４を外部に引き出すための穴である。防水シールは、弾性に富む樹脂等を用いることができる。これにより、リアクトルケース３２から冷媒６６が漏れることを防止できる。

リアクトルケース３２の底部には、取付基台６との間に防振支持部材７０が設けられる。防振支持部材７０は、適当な防振バネ、防振ゴム、あるいはこれらの組合せを用いることができる。これにより、リアクトル３０の作動に伴う振動が取付基台６等の外部へ伝達されることを抑制することができる。

上記では、リアクトル３０を構成するコア３４、コイル３６のそれぞれの外表面に冷媒６６を直接接触させて熱交換が行われる。図４は、コイル３６を構成する導線の内部に冷媒を流して冷却を行う構成を示す図である。以下では、図１から図３と同様の要素には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。また、図１から図３の符号を用いて説明する。

図４に示すリアクトル冷却システム２１も、図３と同様に、リアクトル３１周辺の構成を示す図である。ここでは、リアクトル冷却システム２１を構成する冷却装置６０とリアクトル側循環路６４は、符号でのみ示されている。リアクトル冷却システム２１において、リアクトル３１のリアクトルケース３２の内部は、従来技術と同様に、コア３４、コイル３６が樹脂モールドあるいは樹脂ポッティングによって樹脂に覆われている。樹脂ポッティング等は、リアクトル３１の放熱性、固定性等のために用いられるので、以下に述べるように、放熱性に問題がない場合には、樹脂ポッティング等を省略してもよい。

そして、リアクトル３１を構成するコイル３６の巻線９０は、リアクトルケース３２の外に引き出され、リアクトル側循環路６４に接続される。すなわち、巻線９０は、軸方向に貫通中空部を有する導線であって、その貫通中空部とリアクトル側循環路６４とが適当な接続手段によって冷媒６６が漏れないように接続される。

図５（ａ）は、図４におけるＡ部において、巻線９０の断面図を示すものである。この例で巻線９０は、断面外形が矩形の平角線で、その中央部に貫通中空部９４を有している。貫通中空部９４の周りは導体部９２で、その外周は適当な絶縁被覆がなされている。貫通中空部９４の内面は、絶縁被覆を行ってもよく、行わなくてもよい。導体部９２の肉厚、すなわち、断面において導体部分の厚さｔは、リアクトル３１のコイル３６に流れる電流の周波数で定まる表皮深さに基づいて定められる。表皮深さは、渦電流による損失を表すものであるので、厚さｔは、表皮深さより大きな厚さに設定される。

図５（ｂ）は、断面外形が円形の丸線、あるいはリッツ線と呼ばれる巻線９１の例を示す図である。この巻線９１は、その中央部に円形の貫通中空部９５を有している。貫通中空部９５の周りは導体部９３で、その外周は適当な絶縁被覆がなされており、貫通中空部９５の内面は、絶縁被覆を行ってもよく、行わなくてもよい。この点は、図５（ａ）の巻線９０と同様である。また、導体部９３の肉厚、すなわち、断面において導体部分の厚さｔが、リアクトル３１のコイル３６に流れる電流の周波数で定まる表皮深さに基づいて定められることも、図５（ａ）の巻線９０の場合と同様である。

このように、巻線９０の軸方向に沿って設けられる貫通中空部９４に、冷媒６６を直接通すことで、リアクトル３１の作動によるコイル３６の発熱を冷媒６６によって運び出すことができる。冷媒６６は、上記のように、燃料電池１２の反応生成水等の絶縁流体であるので、高絶縁抵抗値を有し、絶縁性に問題が生じることが少ない。

再び図４に戻り、リアクトルケース３２は、その底部において、冷却路８２に接触するように配置される。冷却路８２は、その中を冷媒が流れるもので、これにより、リアクトルケース３２を冷却し、樹脂によって覆われるリアクトル３１のコア３４、コイル３６の熱を奪って外部に運び出す機能を有する。冷却路８２は、冷却装置６０を通るものでもよく、あるいは、別の冷媒循環路であってもよい。例えば、車両の回転電機８の冷却等に用いられる冷媒循環路を用いることができる。

このようにして、巻線９０の貫通中空部９４、または巻線９１の貫通中空部９５に、冷媒６６を直接流してコイル３６の発熱を外部に運び出す。これによってリアクトル３１を冷媒によって直接的に冷却することが可能となり、放熱性が格段に向上する。これらによって、放熱性に十分余裕がある場合には、上記のように、樹脂ポッティング等を省略することができる。

本発明に係る実施の形態のリアクトル冷却システムを含む電源回路の構成図である。 本発明に係る実施の形態のリアクトルの構造図である。 本発明に係る実施の形態のリアクトル冷却システムについて、リアクトル周辺の構成を示す図である。 本発明に係る実施の形態のリアクトル冷却システムについて、リアクトル周辺の別の構成を示す図である。 別の構成において、コイル巻線の２つの種類についての断面図である。

符号の説明

６ 取付基台、８ 回転電機、１０ 電源回路、１２ 燃料電池、１４ 燃料電池側電圧変換器、１６ 平滑コンデンサ、１８ インバータ回路、２０，２１ リアクトル冷却システム、２２ バッテリ側電圧変換器、２４ バッテリ、２６ スイッチング素子、２８ 整流器、３０，３１ リアクトル、３２ リアクトルケース、３４ コア、３６ コイル、６０ 冷却装置、６２ 燃料電池側循環路、６４ リアクトル側循環路、６６ 冷媒、７０ 防振支持部材、７２ 防水シール付引出穴、７４ 端子線、８２ 冷却路、９０，９１ 巻線、９２，９３ 導体部、９４，９５ 貫通中空部。

Claims (8)

1. 冷媒を用いて燃料電池を冷却する電池冷却装置と、
   電源回路において用いられる電圧変換用リアクトルと、
   を有し、
   電圧変換用リアクトルは、電池冷却装置に用いられる冷媒で冷却されることを特徴とするリアクトル冷却システム。
2. 請求項１に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   電圧変換用リアクトルを収納するリアクトルケースと、
   電池冷却装置に用いられる冷媒をリアクトルケース内に通過させ、電圧変換用リアクトルにポッティング樹脂を介さずに接触させる冷却手段と、
   を有することを特徴とするリアクトル冷却システム。
3. 請求項１に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   電圧変換用リアクトルのコアに巻回され、軸方向に貫通中空部を有するコイル巻線と、
   電池冷却装置に用いられる冷媒をコイル巻線の貫通中空部を通過させて冷却する冷却手段と、
   を有することを特徴とするリアクトル冷却システム。
4. 請求項２に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   リアクトルケースは、防振支持部材で支持されることを特徴とするリアクトル冷却システム。
5. 請求項２に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   リアクトルケースは、
   電圧変換用リアクトルからの端子線を外部に引き出す防水シール付引出穴を有することを特徴とするリアクトル冷却システム。
6. 請求項３に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   コイル巻線は、電圧変換用リアクトルの使用周波数によって定まる表皮深さに基づいて設定される肉厚を有することを特徴とするリアクトル冷却システム。
7. 請求項１から請求項６に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   電圧変換用リアクトルは、
   コアに巻回され、矩形断面形状を有する平角線コイル巻線を有することを特徴とするリアクトル冷却システム。
8. 請求項１から請求項６に記載のリアクトル冷却システムにおいて、
   電圧変換用リアクトルは、
   コアに巻回され、円形断面形状を有する丸線コイル巻線を有することを特徴とするリアクトル冷却システム。

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