JP5683704B2 - 冷却器及び電動機一体型電力変換装置 - Google Patents

冷却器及び電動機一体型電力変換装置 Download PDF

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Description

本発明は、冷却器及びそれを搭載した電動機一体型電力変換装置に関し、特に、冷却媒体である液体、例えば、水が冷却器の内部を貫通することにより冷却を行う冷却器及びそれを用いた電動機一体型電力変換装置に関するものである。
電力変換用半導体素子あるいは電力変換用半導体モジュールは、通電に伴って大きな熱損失が発生するため、冷却器として外部より冷媒を強制通流させる液冷式冷却器が用いられ、その冷却流路の各種パターンが開示されている。
例えば、特許文献１に示された半導体素子用冷却器は、冷却水の入り口より中心部に向かって、渦巻状に形成された往路部分と、この往路部分から折り返され往路部分に隣接して冷却水の出口に向かって形成された帰路部分とを有する下部冷却体を有し、この下部冷却体の上部を上部冷却体で蓋をして冷却器全体として均一な冷却ができる冷却器を実現している。
また、特許文献２に示された電気部品用冷却器は、渦巻き状の流路を複数路に分割することで冷却性能の向上を実現している。
また、特許文献３に示された電子機器の冷却器は、冷却板内に交互に反対方向に冷媒が流れる多数の流路を設けることにより均一な冷却ができるようにしている。
また、特許文献４に示された電動機一体型インバータ装置は、電動機とインバータの間に冷却水路を形成したリアフレームを設置し、配線を簡素化した電動機一体型インバータ装置を実現している。
特公平７−１１２０３４号公報 特開平８−９７３３７号公報 特開昭５９−１９３０５３号公報 特許第３９７５１６２号公報
近年、環境問題への取り組みの一環として、ハイブリッド車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）の市場が活発であり、モータ駆動用の電力変換用半導体素子あるいは電力変換用半導体モジュールの需要が高まっている。ＨＥＶやＥＶの場合、電力変換用半導体素子あるいは電力変換用半導体モジュールの冷却性能に加え、車内空間の制約があるため、モータとインバータを一体化した、小型で簡素な駆動システムが要望されている。
上記特許文献１及び特許文献２に示した従来例では、流路を渦巻き状に形成する、さらには、一対の冷媒入口及び冷媒出口を含め複数の流路をすべて同一面内に形成しているので、流路長が長くなり大きな圧損が発生することは避けられず、この場合、冷却性能を向上させるためには外部に高性能なポンプを必要とするという問題がある。
また、上記特許文献３に示した従来例では、冷却板内に冷媒を逆方向に流すため複数の入出口を形成する必要があり、冷媒配管の構成が複雑になるという問題がある。また、入出口を複数箇所有するため、外部のポンプも複数台用意する必要があるという問題がある。
このように、上記特許文献１〜３のいずれも外部ポンプまで含めた冷却器システムは、大型でコストが高いものになるという問題がある。
また、上記特許文献４に示した電動機一体型インバータ装置では、電動機とインバータの間に冷却性能を有するリアフレームを設置しているが、冷却性能及び冷媒用配管まで含めた冷却システムとして簡素化が十分である保障はないという問題がある。
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、優れた冷却性能と小型、簡素な構造とを同時に実現する冷却器を提供することである。また、本発明の別の目的は、この冷却器を搭載して優れた冷却性能を有し、小型、簡素な構造の電動機一体型電力変換装置を提供することである。
本発明に係る冷却器は、所定の厚さを有しその表面を冷却面とする平板状の冷却器基体、
上記冷却器基体の外側面に開口するように形成された一対の冷媒入口と冷媒出口、
上記冷却器基体の内部に形成された、上記冷媒入口に連通する冷媒分岐路、上記冷媒出口に連通する冷媒合流路、及び
上記冷媒分岐路に連通する複数の冷媒流路を備え、
上記複数の冷媒流路のいずれか一つの冷媒流路は、上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、
上記一つの冷媒流路を除く他の冷媒流路は、上記冷媒流路の形成面と上記厚さ方向に異なる面内に上記冷媒流路と立体交差して形成された冷媒連通流路を介して上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、
上記複数の冷媒流路において隣接する冷媒流路内を流れる冷媒の流れ方向が互いに逆方向となるように上記複数の冷媒流路が設けられたものである。
本発明に係る電動機一体型電力変換装置は、電動機シャフト及び上記電動機シャフトと垂直な平面を有し、上記電動機シャフトを回転可能に支持する電動機ブラケットを備えた電動機と、上記電動機を制御する電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュールと、所定の厚さを有しその表面を冷却面とする平板状の冷却器基体、上記冷却器基体の外側面に開口するように形成された一対の冷媒入口と冷媒出口、上記冷却器基体の内部に形成された、上記冷媒入口に連通する冷媒分岐路、上記冷媒出口に連通する冷媒合流路、及び上記冷媒分岐路に連通する複数の冷媒流路を備え、上記複数の冷媒流路のいずれか一つの冷媒流路は、上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、上記一つの冷媒流路を除く他の冷媒流路は、上記冷媒流路の形成面と上記厚さ方向に異なる面内に上記冷媒流路と立体交差して形成された冷媒連通流路を介して上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、上記複数の冷媒流路において隣接する冷媒流路内を流れる冷媒の流れ方向が互いに逆方向となるように上記複数の冷媒流路が設けられた冷却器とを備え、
上記冷却器基体に上記電動機シャフトを貫通させる中空穴を形成し、
上記冷却器基体の一方の面を上記電動機ブラケットに固定し、上記冷却器基体の他方の面に上記電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュールを固定したものである。
本発明に係る冷却器によれば、圧損を回避し、高い冷却性能を得、かつ冷媒配管等を含む冷却システムの簡素化が実現できる。
本発明に係る電動機一体型電力変換装置によれば、冷却器の高い冷却性を実現しつつ、冷却器と電動機ブラケット及び電動機とを高密度に一体化させることができ、小型、かつ、簡素な電動機一体型電力変換装置が得られる。
本発明に係る冷却器の実施の形態１を示す斜視図及び正面図である。 本発明に係る冷却器の実施の形態２を示す斜視図及び正面図である。 本発明に係る冷却器を電動機一体型電力変換装置に適用した実施の形態３を示す斜視図及び正面図である。 本発明に係る冷却器の実施の形態４を示す斜視図及び正面図である。
実施の形態１．
図１（ａ）、図１（ｂ）は、本発明に係る冷却器の実施の形態１を示す斜視図及び正面図である。本発明に係る冷却器１００は、所定の厚さを有し、その表面を冷却面とする平板状の冷却器基体からなる。図１は、冷却器基体の内部に形成した冷媒が流れる流路の構成を示した図である。図１に示したように、冷却器１００の外側面である一端面１０２ａに開口する、冷媒入口１１１と冷媒出口１１２が形成されている。平板１０２の冷却面１０１と反対側の同一面内に中心軸Ｃの周りに同軸状に冷媒が流れる第１の冷媒流路１３１と第２の冷媒流路１３２が形成されている。冷媒入口１１１と第１の冷媒流路１３１及び第２の冷媒流路１３２の一端との間に冷媒入口１１１から流入した冷媒を第１の冷媒流路１３１と第２の冷媒流路１３２とに分割して流すための冷媒分岐路１２１が形成されている。冷媒出口１１２側には、第１の冷媒流路１３１及び第２の冷媒流路１３２の他端から流出する冷媒が合流する冷媒合流路１２２が形成されている。第１の冷媒流路１３１の他端は、第１の冷媒流路１３１及び第２の冷媒流路１３２が形成されている面に対して平板の厚さ方向が異なる面に第１の冷媒流路１３１と立体的に交差して形成された冷媒連通流路１２３を介して冷媒合流路１２２に連通している。
すなわち、第２の冷媒流路１３２は、冷媒分岐路１２１と冷媒合流路１２２とを連通し、第１の冷媒流路１３１は、上記冷媒流路の形成面と上記厚さ方向に異なる面内に上記冷媒流路と立体交差して形成された冷媒連通流路１２３を介して冷媒分岐路１２１と冷媒合流路１２２とを連通している。
次に、第１の冷媒流路１３１及び第２の冷媒流路１３２の具体的な一例を説明する。ここでは、各流路を説明の便宜上から溝の表現をとっている。
第１の冷媒流路１３１は、冷媒分岐路１２１に連通する第１の溝１３１ａ、第１の溝１３１ａに連通し円弧状に形成された第２の溝１３１ｂ、第２の溝１３１ｂに連通する第３の溝１３１ｃにより形成されている。また、第３の溝１３１ｃに連通するとともに冷媒合流路１２２に連通する冷媒連通流路１２３が第１の冷媒流路１３１と立体的に交差して形成されている。
第２の冷媒流路１３２は、第１の冷媒流路１３１の第３の溝１３１ｃに沿ってその外側に形成され冷媒分岐路１２１に連通する第４の溝１３２ａ、第４の溝１３２ａに連通し第２の溝１３１ｂに沿ってその外側に形成された第５の溝１３２ｂ、第５の溝１３２ｂに連通し第１の溝１３１ａに沿ってその外側に形成され冷媒合流路１２２に連通する第６の溝１３２ｃからなる。
図１において、冷媒入口１１１より流入した低温の冷媒は、冷媒分岐路１２１で分岐され、内側の第１の冷媒流路１３１と外側の第２の冷媒流路１３２を相互に逆方向に流れ、冷却面１０１に設置された電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュールを冷却する。外側の第２の冷媒流路１３２を流れてきた冷媒と、第１の冷媒流路１３１を流れてきた冷媒とは冷媒合流路１２２で合流して冷媒出口１１２から流出する。冷媒は冷却の過程で低温から高温へと温度上昇するが、第１の冷媒流路１３１を流れる冷媒と第２の冷媒流路１３２を流れる冷媒とが相互に逆方向に流れることで、冷却面１０１全体で均一な冷却性能を有する冷却器１００が得られる。
本実施の形態１によれば、第１の冷媒流路１３１及び第２の冷媒流路１３２の形成面と平板の厚さ方向に異なる面に第１の冷媒流路１３１と交差する冷媒連通流路１２３を設け第１の冷媒流路１３１の他端から流出した冷媒が冷媒連通流路１２３を介して冷媒合流路１２２に流れるようにしたので、流路長を短くして圧損を小さくすることができる。また、第１の冷媒流路１３１を流れる冷媒と第２の冷媒流路１３２を流れる冷媒は相互に逆方向に流れるので、冷却面１０１全体で均一で高い冷却性能を有する冷却器１００が得られる。また、冷媒入口１１１と冷媒出口１１２は一対のみであり、外部に、例えば、接続部品であるニップル等の冷媒接続部品を一対のみとすることができ、また、流路長を短くできるので、圧損の発生を抑制することができる。
また、冷媒配管も一対で十分であり、外部設置のポンプも一台で機能するため、簡素な冷却システムを構築することができ、冷却システム全体として、簡素で低コストにすることができる。
実施の形態２．
図２（ａ）、図２（ｂ）は、本発明に係る冷却器の実施の形態２を示す斜視図及び正面図であり、冷媒が流れる流路の構成を示している。図２に示したように、冷却器２００の冷却器基体の外側面である一端面２０２ａに、一対の冷媒入口２１１と冷媒出口２１２が形成されている。平板２０２の冷却面２０１と反対側の同一面内に中心軸Ｃの周りに同軸状に冷媒が流れる第１の冷媒流路２３１と第２の冷媒流路２３２と第３の冷媒流路２３３と第４の冷媒流路２３４とが形成されている。冷媒入口２１１と第１の冷媒流路２３１〜第４の冷媒流路２３４の一端との間に冷媒入口２１１から流入した冷媒を第１の冷媒流路２３１、第２の冷媒流路２３２、第３の冷媒流路２３３及び第４の冷媒流路２３４とに分割して流すための冷媒分岐路２２１が形成されている。冷媒出口２１２側には、第１の冷媒流２３１、第２の冷媒流路２３２、第３の冷媒流路２３３及び第４の冷媒流路２３４の他端と連通する冷媒合流路２２２が形成されている。第２の冷媒流路２３２の他端は直接、冷媒合流路２２２に連通し、第２の冷媒流路２３２を除く他の冷媒流路２３１，２３３，２３４の他端は、第１の冷媒流路２３１〜第４の冷媒流路２３４が形成されている面に対して平板の厚さ方向が異なる面に第１の冷媒流路２３１、第３の冷媒流路２３３、第４の冷媒流路２３４と立体的に交差して形成された冷媒連通流路２２３を介して冷媒合流路２２２に連通している。
すなわち、第２の冷媒流路２３２は冷媒分岐路２２１と冷媒合流路２２２とを連通し、第２の冷媒流路２３２を除く他の冷媒流路２３１，２３３，２３４は第１の冷媒流路２３１、第３の冷媒流路２３３、第４の冷媒流路２３４と立体的に交差して形成された冷媒連通流路２２３を介して冷媒分岐路２２１と冷媒合流路２２２とを連通している。
上記実施の形態１と異なる点は、第１の冷媒流路２３１に沿ってその内側に第３の冷媒流路２３３と、第３の冷媒流路２３３に沿って第４の冷媒流路２３４が形成されている点である。
次に、第３の冷媒流路２３３及び第４の冷媒流路２３４の具体的な一例を説明する。ここでは、各流路を説明の便宜上から溝の表現をとっている。
第３の冷媒流路２３３は、冷媒分岐路２２１に連通し第３の溝２３１ｃに沿ってその内側に形成された第７の溝２３３ａと、第７の溝２３３ａに連通し第２の溝２３１ｂに沿ってその内側に形成された第８の溝２３３ｂと、第８の溝２３３ｂに連通し第１の溝２３１ａに沿ってその内側に形成された第９の溝２３３ｃとからなる。また、第９の溝２３３ｃに連通するとともに冷媒合流路２２２に連通する冷媒連通流路２２３が第１の溝２３１ａ、第７の溝２３３ａ及び第１０の溝２３４ａと立体的に交差して形成され、第９の溝２３３ｃは冷媒連通流路２２３を介して冷媒合流路２２２に連通する。
第４の冷媒流路２３４は、冷媒分岐路２２１に連通し第９の溝２３３ｃに沿ってその内側に形成された第１０の溝２３４ａと、第１０の溝２３４ａに連通し第８の溝２３３ｂに沿ってその内側に形成された第１１の溝２３４ｂと、第１１の溝２３４ｂに連通し第７の溝２３３ａに沿ってその内側に形成された第１２の溝２３４ｃとからなり、第１２の溝２３４ｃは冷媒連通流路２２３を介して冷媒合流路２２２に連通する。
図２において、冷媒入口２１１より流入した低温の冷媒は、冷媒分岐路２２１で第１〜第４の冷媒流路２３１〜２３４の一方の端部に分岐され、第１〜第４の冷媒流路２３１〜２３４で隣り合う流路を交互に逆方向に流れ、冷却面２０１に設置された電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュールを冷却する。第２の冷媒流路２３２を流れてその端部から流出する冷媒は直接、冷媒合流路２２２に入り、第１の冷媒流路２３１、第３の冷媒流路２３３及び第４の冷媒流路２３４を流れてきた冷媒は冷媒連通流路２２３を介して冷媒合流路２２２に入り第２の冷媒流路２３２から流れてきた冷媒と合流して冷媒出口２１２から流出する。冷媒は冷却の過程で低温から高温へと温度上昇するが、第１〜第４の冷媒流路２３１〜２３４を流れる冷媒は、隣り合う冷媒流路で相互に逆方向に流れることで冷却面２０１全体で均一な冷却性能を有する冷却器２００が得られる。
本実施の形態２によれば、第１の冷媒流路２３１、第３の冷媒流路２３３、第４の冷媒流路２３４と立体的に交差して形成された冷媒連通流路２２３を設けたので、流路長を短くして圧損を小さくすることができる。また、第１〜第４の冷媒流路２３１，２３２，２３３，２３４を流れる冷媒は、隣り合う冷媒流路で相互に逆方向に流れるので、冷却面２０１全体で均一な冷却性能を有する冷却器２００が得られる。また、冷媒入口２１１、冷媒出口２１２は一対のみであり、外部に、例えば、接続部品であるニップル等の冷媒接続部品を余分に設置する必要がなく、また、流路長を短くできるので、圧損の発生を抑制することができる。
また、冷媒配管も一対で十分であり、外部設置のポンプも一台で機能するため、簡素な冷却システムを構築することができ、冷却システム全体として冷媒、簡素で低コストな冷却器が得られる。
なお、上記実施の形態１及び２では、冷媒流路が２個と４個といった偶数個の場合を示したが、３個のような奇数個でもよく、４個以上でもよい。奇数個の場合には冷媒流路の溝幅を変えることによって冷却器の冷却性能を冷却面全体で均一にすることができる。
また、例えば、図２において、第２の溝２３１ｂ、第５の溝２３２ｂ、第８の溝２３３ｂ及び第１１の溝２３４ｂの形状が同軸状に形成された円弧の例を示したが、円弧に限られるものではなく、例えば、同軸状に形成された四角形等、種々の形状とすることができる。
また、上記実施の形態１及び２において、冷媒入口１１１と冷媒出口１１２、冷媒入口２１１と冷媒出口２１２の入口と出口を逆にして、冷媒合流路１２２，２２２を冷媒分岐路とし、冷媒分岐路１２１，２２１を冷媒合流路とすることもできる。
実施の形態３．
図３は、本発明に係る電動機一体型電力変換装置を示す図であり、特に図３（ａ）、図３（ｃ）は斜視図、図３（ｂ）は正面図である。なお、図３（ｃ）では、冷却面３０１が手前側となるように冷却器３００、電動機ブラケット３１００、電動機３２００を図示している。
図３に示したように、冷却器３００は、上記実施の形態１に示したものとほぼ同様のものを例として示している。
上記実施の形態１と異なるのは、冷却器３００の第１の冷媒流路３３１及び第２の冷媒流路３３２の円弧の中心軸に電動機シャフト３２０１が通る中空穴３５０が形成され、冷却面３０１に電動機３２００を制御するための電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュール３００１〜３０１２が固定されていることである。
図３（ｃ）に示したように、本発明の電動機一体型電力変換装置は、電動機シャフト３２０１と、電動機シャフト３２０１と垂直な平面を有し、電動機シャフト３２０１を回転可能に支持する電動機ブラケット３１００とを有する電動機３２００を備えている。電動機ブラケット３１００には、電動機シャフト３２０１がその内周側に配置される円筒状の突起部３１０１が設けられている。また、冷却器３００の冷却面３０１の一方の面に電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュール３００１〜３０１２が固定され、他方の面に蓋３６０が設けられる。蓋３６０には取付用ネジ台３６１が装備されている。中空穴３５０に、電動機ブラケット３１００に設けられた突起部３１０１が嵌め合わせられ、ネジ３７０で冷却器３００が電動機ブラケット３１００に固定される。突起部３１０１は円筒状であるので、円筒の内周側にある電動機シャフト３２０１に直接アクセスできる構造となる。
本実施の形態３によれば、冷却器３００の高い冷却性を実現しつつ、冷却器３００と電動機ブラケット３１００及び電動機３２００とを高密度に一体化させることができ、小型、かつ、簡素な電動機一体型電力変換装置が得られる。
なお、本実施の形態３では、上記実施の形態１に示したものとほぼ同様の冷却器３００を搭載する例を示したが、上記実施の形態２に示した冷却器２００を搭載することもできる。この場合、冷却器２００に設ける中空穴は、最内周に形成された第４の冷媒流路２３４の円弧の中心軸を通るように設ければよい。
実施の形態４．
図４（ａ）、図４（ｂ）は、本発明に係る冷却器の実施の形態４を示す斜視図及び正面図である。図４に示したように、冷却器４００は、上記実施の形態１に示したものとほぼ同様のものを例として示している。上記実施の形態１と異なる点は、第１の冷媒流路４３１に冷媒の流れ方向に延在するフィン４５１が立設され、第２の冷媒流路４３２に冷媒の流れ方向に延在するフィン４５２が立設されている点である。このフィン４５１，４５２は上記実施の形態２の各冷媒流路にも適用することができる。
本実施の形態４によれば、第１の冷媒流路４３１にフィン４５１が設けられ、第２の冷媒流路４３２にフィン４５２が設けられているので、高い冷却性能を発揮する冷却器が得られる。
本発明に係る冷却器及び電動機一体型電力変換装置は自動車、列車などの車両用電動機に有効に利用することができる。

Claims (4)

  1. 所定の厚さを有しその表面を冷却面とする平板状の冷却器基体、
    上記冷却器基体の外側面に開口するように形成された一対の冷媒入口と冷媒出口、
    上記冷却器基体の内部に形成された、上記冷媒入口に連通する冷媒分岐路、上記冷媒出口に連通する冷媒合流路、及び
    上記冷媒分岐路に連通する複数の冷媒流路を備え、
    上記複数の冷媒流路のいずれか一つの冷媒流路は、上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、
    上記一つの冷媒流路を除く他の冷媒流路は、上記冷媒流路の形成面と上記厚さ方向に異なる面内に上記冷媒流路と立体交差して形成された冷媒連通流路を介して上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、
    上記複数の冷媒流路において隣接する冷媒流路内を流れる冷媒の流れ方向が互いに逆方向となるように上記複数の冷媒流路が設けられた冷却器。
  2. 上記冷媒流路の内部に、冷媒の流れ方向に延在するフィンを立設した請求項１に記載の冷却器。
  3. 電動機シャフト及び上記電動機シャフトと垂直な平面を有し、上記電動機シャフトを回転可能に支持する電動機ブラケットを備えた電動機と、上記電動機を制御する電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュールと、所定の厚さを有しその表面を冷却面とする平板状の冷却器基体、上記冷却器基体の外側面に開口するように形成された一対の冷媒入口と冷媒出口、上記冷却器基体の内部に形成された、上記冷媒入口に連通する冷媒分岐路、上記冷媒出口に連通する冷媒合流路、及び上記冷媒分岐路に連通する複数の冷媒流路を備え、上記複数の冷媒流路のいずれか一つの冷媒流路は、上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、上記一つの冷媒流路を除く他の冷媒流路は、上記冷媒流路の形成面と上記厚さ方向に異なる面内に上記冷媒流路と立体交差して形成された冷媒連通流路を介して上記冷媒分岐路と上記冷媒合流路とを連通し、上記複数の冷媒流路において隣接する冷媒流路内を流れる冷媒の流れ方向が互いに逆方向となるように上記複数の冷媒流路が設けられた冷却器とを備え、
    上記冷却器基体に上記電動機シャフトを貫通させる中空穴を形成し、
    上記冷却器基体の一方の面を上記電動機ブラケットに固定し、上記冷却器基体の他方の面に上記電力変換用半導体素子または電力変換用半導体モジュールを固定した電動機一体型電力変換装置。
  4. 上記冷媒流路の内部に、冷媒の流れ方向に延在するフィンを立設した請求項３に記載の電動機一体型電力変換装置。
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