JP5664878B2 - インバータの冷却構造 - Google Patents

Description

本発明は、インバータの冷却構造に関する。

インバータは、筐体内に、スイッチング素子としてのインバータモジュールを収めて構成される。
電気自動車では、直流電力、交流電力の変換を行うインバータを搭載して、バッテリに蓄えた直流電力を交流電力に変換し、交流モータを駆動している。こうしたモータ駆動用として用いられるインバータは、走行に必要なトルクを確保するため、大電流を流すので、インバータモジュールのスイッチ動作の際、かなりの発熱を伴う。

そのため、インバータでは、インバータモジュールの発熱対策のため、冷却構造が搭載されている。冷却構造には、安定した冷却性能の確保のため、特許文献１に開示されているような水冷式（液冷式）が採用される傾向にある。
水冷式の冷却構造の多くは、筐体の内部に、インバータモジュールと、同インバータと隣接する冷却室とを収容し、筐体に、外部から冷却室へ冷却水（冷却液）を導入する入側の流路、ヒートシンクでの冷却を終えた冷却室内の冷却水を外部へ導出させる出側の流路を設けた構造が用いられる。

特開２００９−１０５１７４号公報

ところで、インバータの冷却構造には、インバータモジュールを冷却水で適切に冷却したり、電気自動車の車種に応じて冷却水の導入・出が行えるようにしたりすることが求められる。
ところが、上記のように単に冷却水を入側流路、出側流路を通じて冷却室内に流通させる構造だと、冷却水ポンプから圧送される冷却水は、水流の勢いが強いため、冷却室に開口する入側流路の入口からそのまま出側流路の出口へ通過する水流が多く、冷却室の周囲に拡散するような水流が確保できない。

インバータモジュールの冷却は、冷却室内を拡散する水流により、インバータモジュールの各部で適切に熱交換が行えるが、上記のような単純に入側流路から出側流路へ冷却水が流れるようになると、インバータモジュールの各部での熱交換は適切に行えない。
冷却水を冷却室内の周囲を拡散させるためには、冷却室内に冷却水の流れを阻害する阻害物などを設けて、冷却室内の水流の勢いを弱くすることが考えられるが、これでは構造的に複雑なものとなってしまう。

しかも、外部から冷却水を導入する導入口、冷却室から冷却水を導出する導入口の向きは、水流の勢いを弱くする構造の影響を受けやすく、インバータは、車種毎、インバータの搭載具合に応じて、入側流路の導入口や出側流路の導出口の向きが異なる仕様を新たに製作することが求められる。
そこで、本発明の目的は、簡単な構造で冷却室の周囲に拡散する液流が確保できるとともに、当該冷却室内に周囲に拡散させる流れを形成する構造はそのままに、インバータの搭載具合に応じて冷却水の導出方向の向きの変更が行えるインバータの冷却構造を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、冷却室は、角形で平坦状をなした凹部を有して形成し、冷却液を冷却室へ流入させる入側流路の入口と、冷却液を冷却室から流出させる出側流路の出口とを、冷却室を構成する一つの面の互いに離れた地点に設けるとともに、入側流路と出側流路の延在方向と直交する方向である縦向きに開口させ、入側流路と出側流路とを、入口と出口間の間隔を保ったまま、それぞれ同一方向に添って平行に延ばすとともに、出側流路の導出口と出口との間のみに、導出口とは異なる方向へ分岐して外部に開口する口部を設けた。

同構成により、入口から冷却室へ流入する冷却液は、冷却室に導入される間で流れる方向が変化したり、冷却室の凹部の壁面との衝突により流れの向きが変えられながら出口へ向かうので、入口と出口間を流れる冷却液の液流は弱くなる。このため、冷却室の凹部内には、インバータモジュールを最適に熱交換させる液流、すなわち冷却室内の周囲に拡散するような液流が形成される。しかも、インバータの搭載具合に応じて、当初の導出口、分岐した口部を選択するだけで、インバータモジュールを適切に冷却させる液流、すなわち冷却室内に周囲に拡散させる流れを形成する構造はそのままに、冷却液の導出方向の向きの変更が行えるので、車種毎に対応しやすい。

請求項２に記載の発明は、口部が利用しやすいよう、口部は、冷却配管と接続可能なニップル部材あるいは口部の開口を塞ぐプラグ部材が組み付くものとした。

請求項１の発明によれば、簡単な構造により、入口と出口間を流れる冷却液の液流を弱くさせ、冷却室内に周囲に拡散するような液流が形成できる。
それ故、インバータモジュールを最適に熱交換させることができる。しかも、インバータの搭載具合に応じて、当初の導出口や分岐した口部を選択するだけで、冷却室内に周囲に拡散するような流れを形成する構造はそのままに、簡単に、求められる冷却液の導出方向の変更ができ、インバータの搭載される車種に対応しやすい。

請求項２の発明によれば、口部が利用しやすくなる。

本発明の一実施形態に係るインバータを搭載した電気自動車（車両）を示す斜視図。 同インバータの冷却構造を示す斜視図。 同冷却構造の各部を示す斜視図。 図３中のＡ−Ａ線に沿う断面図。

以下、本発明を図１ないし図４に示す一実施形態にもとづいて説明する。
図１は、例えば電気自動車（車両）を示していて、図１中１は車体で、車体１の後部に形成されたパワーユニットスペース（図示しない）の中央には、走行駆動となる走行用モータ３（交流モータ）が据え付けられている。この走行用モータ３の直上には、モータ駆動用の水冷式インバータ５（以下、単にインバータ５という）が据え付けられる。ちなみに、インバータ５を挟んだ車幅方向一側には、インバータ５と隣接して、車載充電器７やＤＣ−ＤＣコンバータ（図示しない）などが据え付けられ、車幅方向他側には、制動システムを構成する電動バキュームポンプ８が据え付けてあり、パワーユニットスペース内を各機器が占めている。

インバータ５は、車体１の搭載されたバッテリ９に蓄えた直流電力を交流電力に変換して、走行用モータ３へ駆動電力として供給する。このインバータ５が、冷却水配管１１を介して、車体前部のラジエータ１３や冷却水ポンプ１５などに接続される。これら機器で構成される冷却システムにより、インバータ５が、冷却水（本願の冷却液に相当）で冷却される。

この冷却水で冷却されるインバータ５の冷却構造が、図２〜図４に示されている。図２は同冷却構造の全体を示し、図３は同じく分解した図を示し、図４は異なる方向から見た各部を示している。
すなわち、インバータ５は、例えば上下二分割式の角形の筐体１７内の中段に、コンデンサモジュールや端子モジュール（いずれも図示しない）が収容され、筐体１７内の最下部（コンデンサモジュールの下側）に、スッチング素子となるＩＧＢＴモジュール１９（本願のインバータモジュールに相当）が収容されている。ＩＧＢＴモジュール１９は、スイッチング動作により、かなりの発熱を伴うモジュールである。

そのため、筐体１７の内部には、ＩＧＢＴモジュール１９と隣接した位置に冷却室２３が収容され（図３）、先の冷却システムの冷却水で、ＩＧＢＴモジュール１９を冷却させる構造にしている。この冷却構造には、ＩＧＢＴモジュール１９の下部に、角形プレート状のヒートシンク２１（放熱部）を設け、このヒートシンク２１の下側に冷却室２３を設ける構造が用いられている。

具体的には、図３，４に示されるように冷却室２３は、筐体１７の下部壁１７ａの一部に、角形で平坦状をなした凹部２５を形成し、この凹部２５の開口部にヒートシンク２１を載せて固定（例えばボルト止め）する構造で、室空間を形成してある。これで、ヒートシンク２１の下面が臨む冷却室２３を形成している。ちなみに、ヒートシンク２１の下面には、冷却室２３内へ突き出る多数の冷却フィン２１ａが設けてある。

この冷却室２３には、冷却室２３内で適切な冷却水の流れが確保されるよう、水流の勢いを弱めながら冷却水を流通させる流路構造が組み合わせられている。この流路構造には、図３，４に示されるように冷却室２３を構成する一つの面の互いに離れた位置、ここでは冷却室２３の底面の車幅方向両端側の平行な二点位置に形成された入口２７および出口２９と、筐体１７の下部をなす平坦な下部壁１７ａに平行に添わせて形成した導入路３３（本願の入側流路に相当）および導出路３５（本願の出側流路に相当）とを組み合わせて、水流の勢いを弱める構造が用いられる。

具体的には、入口２７、出口２９は、下部壁７ａに一対の円形の通孔を形成してなる。導入路３３および導出路３５は、下部壁７ａの下面に、縦向きに開口する入口２７および出口２９に続いて、車両前後方向、ここでは車両前方方向に沿って、トンネル状の一対の筒部３３ａ，３５ａを形成してなる。一対の筒部３３ａ，３５ａは、縦向きで開口する入・出口２７．２９から、入口２７と出口２９間の間隔を保ったまま、横向き、すなわち車両前方方向（同一方向）へ平行に、例えば下部壁１７ａの縁部まで延ばしてなる。そして、下部壁１７ａ端で開口する入側の筒部２７ａの端を、冷却水を導入する導入口３９とし、同じく下部壁１７ａ端で開口する出側の筒部２９ａの端を、冷却水を導出する導出口４１としている。つまり、導入路３３および導出路３５は、入口２７と出口２９間の間隔を保ったまま、同一方向に添って平行に延びるように、筐体１７に形成してある。

この流路構造により、冷却室２３内に、水流の勢いを弱めた冷却水が流れるようにしている。つまり、冷却水は、導入路３３により横向きに受け入れ、この横向きの水流が、入口２７を通過する際に縦向きになり、さらに入口２７からヒートシンク２１の下面と衝突する縦向きの流れや冷却室２３の壁面に衝突する横向きの流れに変化することにより、入口２７と出口２９間を流れる冷却水の水流を弱くさせる。出側でも同様であり、これらにより、冷却室２３内に周囲に拡散するような水流を形成する。

このインバータ５の導入口３９と入側の冷却配管１１とは、ニップル部材４３（冷却配管接続用の継手部材）を介して接続される。インバータ５の導出口４１と出側の冷却配管１１とは、ニップル部材４４（冷却配管接続用の継手部材）を介して接続され、ラジエータ１３を経た冷却水が冷却室２３内に循環されるようにしている（図２）。
またインバータ５には、こうした向きの制約のある導出口４１以外から、冷却水の導出を可能にした構造が組み付けられている。これは、図２〜図４に示されるように導出路３５の途中に口部４７を形成したものである。

具体的には口部４７は、出口２９と導出口４１との間の筒部３５ａ部分、ここでは中間の部位に、導出路３５から分岐する分岐部４５を形成し、この分岐部４５から、筒部４９を、当初の導出口４１とは異なる向き、ここでは導出口４１が有る地点とは直角にずれた向き、つまり車幅方向側方（ここでは電動バキュームポンプ８が搭載されている側）へ向け、下部壁１７ａに添わせて形成される。この筒部４９の端、ここでは下部壁１７ａの端に臨む開口を第２の導出口５１としている。つまり、第２の導出口５１からでも冷却水の導出が行える分岐路５３を形成している。これで、下部壁１７ａに、当初の導出口４１とは異なる向きで冷却水を導出させるための口部４７を設けている。ちなみに、第２の導出口５１は、不使用のときは同導出口５１を塞ぐプラグ部材５７（図４に図示）が組み付き、使用するときは冷却配管と接続可能なニップル部材５９（図４に図示）が組み付く。

このように構成されたインバータ５の冷却構造の作用について説明する。
図１に示されるようにインバータ５が、車載充電器７と電動バキュームポンプ８との間に挟まれるように据付けられた場合、第２の導出口５１には、プラグ部材５７を装着して、導出口５１を塞いでおく。
このときは、冷却ポンプ１５の圧送動作により、ラジエータ１３からインバータ５へ向かう冷却水は、図３，４に示されるように車体前後方向前側に向いている導入口３９から、横向きの導入路３３を経て入口２７に至り、冷却室２３の幅方向片側に寄せた縦向きの入口２７から、冷却室２３内に導入される。

ここで、冷却室２３へ向かう冷却水の水流は、冷却室２３へ導入される間で、流れる方向が変化したり、入口２７から導出する冷却水が、ヒートシンク２１の下面と衝突したり冷却室２３の壁面と衝突したりするため、勢いは弱まる。冷却室２３内の冷却水は、出口２９へ向かい、縦向きの出口２９および横向きの導出路３５を経て、導出口４１から冷却配管１１へ向かい、導入路３３を流れる冷却水と同じ方向の向きにて、冷却配管１１へ導出される。

この出側での冷却水の水流の勢いを弱める作用、入側での冷却水の勢いを弱める作用により、入口２７から出口２９へは、周囲に拡散しながら流れ、冷却室２３内の各部に冷却水が行き渡る。これで冷却室２３内の冷却水は、ヒートシンク２１の各部や冷却フィン群の各部との熱交換に適した流れとなり、インバータ５のＩＧＢＴモジュール１９を効率良く冷却する。

このインバータ５の冷却は、導入路３３、導出路３５共、同じ方向を冷却水が流れているときに成立するため、図１に示されるようなインバータ５の両側に車載充電器７や電動バキュームポンプ８が配置される搭載される状況下では発揮しやすい。
ここで、インバータ５を搭載する電気自動車の車種が変更し、例えば電動バキュームポンプ８が、インバータ５の横ではなく他の地点に搭載され、機器のレイアウトの関係で、図１中の一点鎖線に示されるように電動バキュームポンプ８が配置されていたインバータ５の側方のスペースから、冷却水の導出を求められたとする。

このときには、第２の導出口５１を選択する。すなわち、当初の車両前方側に向いている導出口４１にプラグ部材（図示しない）を装着して導出口４１を塞ぎ、側方に向いている第２の導出口５１にニップル部材５９を装着し、同ニップル部材５９を介して、出側の冷却配管１１を導出口５１に接続させる。つまり、当初の導出方向と異なる横方向の向きから、冷却室２３内の冷却水を導出させる。

これにより、ＩＧＢＴモジュール１９を適切に冷却するための、水流の勢いを弱める構造は、そのままに、ＩＧＢＴモジュール１９の冷却が行える。
このようにインバータ５は、冷却室２３の同一面に入口２７、出口２９を設け、入口２７と出口２９間の間隔を保ったまま、入口２７、出口２９から同一方向に添って導入路３３、導出路３５を平行に延ばすという簡単な構造で、ＩＧＢＴモジュール１９を最適に冷却（熱交換）することができる。

しかも、インバータ５の搭載具合に応じて、導出路３５の途中にある第２の導出口５１を選択するだけで、冷却室２３内の周囲に拡散するような流れを形成する構造はそのままに、簡単に、求められる冷却水の導出方向の変更ができる。このため、インバータ５を製作し直したりせずにすむ。特に口部４７は、閉塞用のプラグ部材５７や配管接続用のニップル部材５９が組み付くようにしてあるので、利用しやすい。

もちろん、第２の導出口５１に、冷却を終えた冷却水の熱を利用するため、別途、配管部材を接続しても構わない。
なお、本発明は、上述した一実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々可変して実施しても構わない。例えば一実施形態では、横向きに分岐した口部４７を用いたが、これに限らず、当初の導出口４１の向きと異なる向きであれば構わない。

５ インバータ
１７ 筐体
１９ ＩＧＢＴモジュール（インバータモジュール）
２１，２１ａ ヒートシンク，冷却フィン（放熱部）
２３ 冷却室
２７ 入口
２９ 出口
３３ 導入路（入側流路）
３５ 導出路（出側流路）
３９ 導入口
４１ 導出口
４７ 口部
５１ 第２の導出口

Claims (2)

1. 筐体の内部にインバータモジュールと、前記インバータモジュールに隣接して配置され
   る冷却室と、を収容し、
   一端に筐体外部から冷却液を導入する導入口を、他端に冷却液を前記冷却室に流入する
   入口を有する入側流路と、一端に筐体外部へ冷却液を導出する導出口を、他端に冷却液
   を前記冷却室から流出させる出口を有する出側流路と、を前記筐体に形成したインバータ
   の冷却構造において
   前記冷却室は、角形で平坦状をなした凹部を有して形成され、
   前記入口と前記出口とは、前記冷却室を構成する一つの面の互いに離れた地点に設けられるとともに、前記入側流路と前記出側流路の延在方向と直交する方向である縦向きに開口し、
   前記入側流路と前記出側流路とは、前記入口と前記出口間の間隔を保ったまま、それぞれ同一方向に添って平行に延びるとともに、前記出側流路の前記導出口と前記出口との間のみに、前記導出口とは異なる方向へ分岐して外部に開口する口部が設けられる
   ことを特徴とするインバータの冷却構造。
2. 前記口部は、冷却配管と接続可能なニップル部材あるいは当該口部の開口を塞ぐプラグ部材が組み付くものであることを特徴とする請求項１に記載のインバータの冷却構造。

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