JP2010278130A - パワーデバイスの冷却装置及び燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却装置の大型化とコストの増大を防止しつつ、冷却装置によりパワーデバイスの冷却性能を向上する。
【解決手段】冷却装置１は、上面５０ａにＩＰＭ１４が設けられ、内部に冷媒が通過する冷却部５０を有している。冷却部５０は、内部をＩＰＭ１４側の上部空間７１とその反対側の下部空間７２に分ける仕切り板７０と、下部空間７２に通じる冷媒流入口６０と、上部空間７１に通じる冷媒流出口６１を有している。仕切り板７０は、下部空間７２と上部空間７１を連通させる複数の冷媒通過孔７３を有している。
【選択図】図２

Description

本発明は、パワーデバイスの冷却装置及び当該パワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システムに関する。

例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、各種駆動制御等を行うためのインテリジェントパワーモジュール（以下、「ＩＰＭ」とする。）や、各種制御回路等に設けられるリアクトル等のパワーデバイスが設けられている。当該パワーデバイスは、作動により発熱するため、冷却装置が必要になる。例えば図８に示すようにパワーデバイス１００の冷却は、冷媒が流れる冷媒流路１０１を設け当該冷媒流路１０１の外側面にパワーデバイス１００を密着させることにより行われている。

特開２００５−３４６９４８号公報

しかしながら、上述の冷却方法では、冷媒がパワーデバイス１００に沿って一方向に流れながら、パワーデバイス１００を冷却するため、下流側に行くにつれて次第に冷媒温度が上昇する。このため、パワーデバイス１００の下流側に位置する部分の冷却が効果的に行われないことがある。また、冷媒が冷媒流路１０１に沿って一方向に流れるため、冷媒流路１０１の壁面付近の温度境界層が厚くなり、熱の輸送量がその分少なくなる。かかる問題を解決するために、冷却流路を大きくし冷媒の流量を増やすことが考えられるが、その場合、冷却装置が大型化し、コストも上がる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、装置の大型化やコストの増大を防止しつつ、パワーデバイスの冷却性能を向上できるパワーデバイスの冷却装置及び当該パワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システムを提供することをその目的とする。

上記目的を達成させるための本発明は、パワーデバイスを冷却する冷却装置であって、一の面にパワーデバイスが設けられ、内部に冷媒が通過する冷却部を有し、前記冷却部は、内部を前記パワーデバイス側の一の空間とその反対側の他の空間に分ける仕切り板と、前記他の空間に通じる冷媒流入口と、前記一の空間に通じる冷媒流出口を有し、前記仕切り板は、前記他の空間と前記一の空間を連通させる複数の冷媒通過孔を有することを特徴とする。

以上の実施の形態によれば、冷媒が仕切り板の複数の冷媒通過孔を通じて冷却部内の他の空間からパワーデバイス側の一の空間に流れるので、冷媒がパワーデバイスのある一の面に向かって流れる。この結果、例えばパワーデバイスの全体に低温の冷媒を供給できるので、パワーデバイス全体の冷却を効果的に行うことができる。また、冷却部内のパワーデバイス側の一の面付近の温度境界層が薄くなるため、パワーデバイスの冷却が効率的に行われる。さらに、冷却部の内部に、冷媒の流れの向きを変える仕切り板を設けるので、冷却装置が大型化することなくコストも増大しない。よって、冷却装置の大型化やコストの上昇を防止しつつ、パワーデバイスの冷却性能を向上できる。

前記冷却部は、直方体状に形成され、前記一の面に垂直な一の側面に前記冷媒流入口が形成され、当該一の側面に対向する他の側面に前記冷媒流出口が形成されていてもよい。

前記冷媒通過孔には、冷媒を前記パワーデバイス側の所定方向に向けて流すためのガイドが形成されていてもよい。

前記ガイドは、前記仕切り板の一部を立ち上げることにより形成されていてもよい。

別の観点による本発明は、上記パワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システムである。

本発明によれば、冷却装置の大型化やコストの上昇を防止しつつ、冷却装置のパワーデバイスの冷却性能を向上できる。

燃料電池システムの構成の概略を示す模式図である。 冷却装置の構成の概略を示す説明図である。 冷却部の構成を示す説明図である。 仕切り板の平面図である。 冷媒通過孔のガイドを斜めにした場合の冷却部を示す説明図である。 仕切り板の一部を立ち上げてガイドを形成した場合の仕切り板の断面図である。 仕切り板の一部を立ち上げてガイドを形成した場合の仕切り板の斜視図である。 改良前の冷却流路を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態に係るパワーデバイスの冷却装置１が搭載される燃料電池システム２の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム２を燃料電池車両（移動体）の車載発電システムに適用した例について説明する。

燃料電池システム２は、図１に示すように、反応ガス（酸化ガス及び燃料ガス）の供給を受けて電力を発生する燃料電池１０と、燃料電池１０に酸化ガス（例えば空気）を供給する酸化ガス配管系１１と、燃料電池１０に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系１２等を備えている。

燃料電池１０は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池（単セル）を所要数積層して構成したスタック構造を有している。 燃料電池１０には、例えばパワーデバイスとしてのＩＰＭ１４や、発電された電力が供給される負荷部１５等が接続されている。本実施の形態にかかる冷却装置１は、このＩＰＭ１４を冷却するものである。

酸化ガス配管系１１は、例えば加湿器２０と、加湿器２０により加湿された酸化ガスを燃料電池１０に供給するガス供給流路２１と、燃料電池１０から排出された酸化オフガスを加湿器２０に送るガス排出流路２２と、加湿器２０の酸化オフガスを外部に排出するガス排気流路２３を備えている。ガス供給流路２１には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器２０に圧送するコンプレッサ２４等が設けられている。

水素ガス配管系１２は、例えば高圧（例えば７０ＭＰａ）の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク３０と、水素タンク３０の水素ガスを燃料電池１０に供給するためのガス供給流路３１と、燃料電池１０から排出された水素オフガスをガス供給流路３１に戻すための循環流路３２を備えている。

ガス供給流路３１には、例えば水素タンク３０の元弁として機能し、水素タンク３０から燃料電池１０側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁３３と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ３４と、燃料電池１０側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置３５が設けられている。

循環流路３２には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器３６と、循環流路３２内の水素オフガスを加圧してガス供給流路３１側へ圧送する水素ポンプ３７が設けられている。イオン交換器３６には、イオン交換器３６により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路３８が接続されている。当該排出流路３８には、イオン交換器３６からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁３９が設けられている。

負荷部１５には、トラクションモータのほかに、燃料電池１０を作動させるために必要なコンプレッサ２４、水素ポンプ３７、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置（車輪制御部、操舵装置、懸架装置等）で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等が含まれる。

次に、以上のように構成された燃料電池システム２に搭載された冷却装置１の構成について説明する。

冷却装置１は、例えば図２に示すようにＩＰＭ１４が取り付けられる冷却部５０と、冷却部５０に冷媒を供給する冷媒供給部５１と、冷却部５０と冷媒供給部５１とを接続する管路５２を有している。

冷却部５０は、例えば図３に示すように方盤状の直方体形状を有し、面積の大きい方形の一の面としての上面５０ａ上に複数のＩＰＭ１４が密着されている。ＩＰＭ１４は、例えば上面５０ａ面内に偏りなく、均等に配置されている。なお、ＩＰＭ１４と上面５０ａとの密着は、グリースを介在して行われていてもよい。

図２及び図３に示すように冷却部５０の一の側面５０ｂには、供給側の管路５２が接続された冷媒流入口６０が形成され、一の側面５０ｂに対向する他の側面５０ｃには、排出側の管路５２が接続された冷媒流出口６１が形成されている。冷媒流入口６０は、一の側面５０ｂの長手方向（図３のＸ方向）の一の端部寄りに配置され、冷媒流出口６１は、他の側面５０ｃの長手方向の一の端部と反対の他の端部寄りに配置されている。

冷却部５０の内部には、図２に示すように上面５０ａ及び下面５０ｄに平行な仕切り板７０が設けられている。仕切り板７０は、例えば冷却部５０の内部の上下方向の中間位置程度に配置され、冷却部５０の内部を、上面５０ａ側の一の空間としての上部空間７１と下面５０ｄ側の他の空間としての下部空間７２に分けている。仕切り板７０には、多数の冷媒通過孔７３が形成されている。冷媒通過孔７３には、冷媒を上面５０ａに対して垂直になる方向から衝突させるためのガイド７４が形成されている。冷媒通過孔７３は、例えば図４に示すように円形に形成され、仕切り板７０の面内に偏りなく配置されている。冷媒通過孔７３は、少なくともＩＰＭ１４に対応する位置に形成されている。

冷媒流入口６０は、図２に示すように例えば下部空間７２に開口し、冷媒流出口６１は、上部空間７１に開口している。

冷却装置１によりＩＰＭ１４の冷却が行われる際には、冷媒供給部５１の冷媒が管路５２を通じて冷却部５０に供給される。冷媒は、管路５２から冷媒流入口６０を通じて冷却部５０内の下部空間７２に流入する。このとき、冷媒は、例えば下部空間７２内で対流する。そして、下部空間７２の冷媒は、仕切り板７０の多数の冷媒通過孔７３を通じて仕切り板７０の全体から上部空間７１に流入する。このとき、冷媒は、例えば上面５０ａに向けて垂直方向から供給される。その後冷媒は、上部空間７１において上面５０ａに衝突し、上部空間７１を流れて冷媒流出口６１を通じて管路５２に排出される。管路５２に流出した冷媒は、例えば冷媒供給部５１に戻される。

以上の実施の形態によれば、冷媒が仕切り板７０の複数の冷媒通過孔７３を通じて冷却部５０内の下部空間７２からＩＰＭ１４側の上部空間７１に流れるので、冷媒がＩＰＭ１４のある上面５０ａに向かって流れる。この結果、例えばＩＰＭ１４の全体に低温の冷媒を供給できるので、ＩＰＭ１４全体の冷却を効果的に行うことができる。また、冷却部５０内のＩＰＭ１４側の上面５０ａ付近の温度境界層が薄くなるため、ＩＰＭ１４の冷却が効率的に行われる。さらに、冷却部５０内に冷媒の流れの向きを変える仕切り板７０を設けるので、冷却装置１が大型化することなくコストも増大しない。よって、冷却装置１の大型化やコストの上昇を防止しつつ、ＩＰＭ１４の冷却性能を向上できる。

冷却部５０は、直方体状に形成され、上面５０ａに垂直な一の側面５０ｂに冷媒流入口６０が形成され、一の側面５０ｂに対向する他の側面５０ｃに冷媒流出口６１が形成されているので、冷媒がＩＰＭ１４のある上面５０ａ全体に適正に供給される。これにより、ＩＰＭ１４全体の冷却を適正に行うことができる。

冷媒通過孔７３には、冷媒をＩＰＭ１４側の所定方向に向けて流すためのガイド７４が形成されているので、冷媒を効率的にＩＰＭ１４側に供給できる。

以上の実施の形態では、ガイド７４が上面５０ａに対し垂直方向に向けられていたが、斜め上方に向けられていてもよい。例えば図５に示すようにガイド７４が垂直方向より冷媒流出口６１側に傾けるようにしてもよい。こうすることにより、例えばＩＰＭ１４側の上面５０ａに十分に冷媒を供給しつつ、冷媒の流れを円滑にすることができ、冷却効率を向上できる。

上記実施の形態におけるガイド７４は、図６及び図７に示すように仕切り板７０の一部に切り込みを入れて、当該一部を立ち上げることにより形成されていてもよい。こうすることにより、仕切り板７０を安価に製造することができ、冷却装置１のコストをさらに抑えることができる。

なお、上記実施の形態において、冷媒通過孔７３は、円形に限られず、半円、楔形など他の形状であってもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

以上の実施の形態では、燃料電池システム２のＩＰＭ１４を冷却する冷却装置１について説明したが、燃料電池システム２内のリアクトルなどの他のパワーデバイスを冷却する場合にも本発明は適用できる。パワーデバイスは、冷却部５０の上面５０ａに直接取り付けられていてもよいし、他の部材を介して間接的に取り付けられていてもよい。また、冷却装置１が搭載される燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体（ロボット、船舶、航空機等）に適用したものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物（住宅、ビル等）用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。さらに、冷却装置は、燃料電池システム以外のパワーデバイスの冷却にも適用できる。

本発明は、パワーデバイスの冷却装置において、装置の大型化とコストの上昇を防止しつつ、パワーデバイスの冷却性能を向上する際に有用である。

１ 冷却装置
２ 燃料電池システム
１４ ＩＰＭ
５０ 冷却部
６０ 冷媒流入口
６１ 冷媒流出口
７０ 仕切り板
７１ 上部空間
７２ 下部空間
７３ 冷媒通過孔

Claims (5)

1. パワーデバイスを冷却する冷却装置であって、
   一の面にパワーデバイスが設けられ、内部に冷媒が通過する冷却部を有し、
   前記冷却部は、内部を前記パワーデバイス側の一の空間とその反対側の他の空間に分ける仕切り板と、前記他の空間に通じる冷媒流入口と、前記一の空間に通じる冷媒流出口を有し、
   前記仕切り板は、前記他の空間と前記一の空間を連通させる複数の冷媒通過孔を有することを特徴とする、パワーデバイスの冷却装置。
2. 前記冷却部は、直方体状に形成され、前記一の面に垂直な一の側面に前記冷媒流入口が形成され、当該一の側面に対向する他の側面に前記冷媒流出口が形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のパワーデバイスの冷却装置。
3. 前記冷媒通過孔には、冷媒を前記パワーデバイス側の所定方向に向けて流すためのガイドが形成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワーデバイスの冷却機構。
4. 前記ガイドは、前記仕切り板の一部を立ち上げることにより形成されていることを特徴とする、請求項３に記載のパワーデバイスの冷却装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のパワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システム。

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