JP2008300673A - 発熱素子の冷却構造 - Google Patents

Abstract

【課題】熱容量の大きな発熱素子の冷却構造を提供する。
【解決手段】発熱素子の冷却構造１０００は、インバータ８２０と、インバータ８２０を支持する冷却器ケース１１００と、を備える。冷却器ケース１１００は、第一面１１１０と第二面１１２０とを有する。第二面１１２０側にインバータ８２０より幅広の放熱コア１２００が設けられる。
【選択図】図３

Description

この発明は発熱素子の冷却構造に関し、より特定的には、熱容量を大きくすることが可能な発熱素子の冷却構造に関するものである。

従来、発熱素子の冷却構造は、たとえば特開２００３−８２６４号公報（特許文献１）および特開２００４−２００３３３号公報（特許文献２）に開示されている。
特開２００３−８２６４号公報 特開２００４−２００３３３号公報

従来の発熱素子の冷却構造では、熱容量が小さいため、昇温が早くなるという問題があった。

そこで、この発明は上述のような問題点を解決するためになされたもので、昇温速度を抑制することができる発熱素子の冷却構造を提供することを目的とする。

この発明に従った発熱素子の冷却構造は、発熱素子と、発熱素子を支持する支持部材とを備える。支持部材は、発熱素子側の第一面と、第一面と反対側の第二面とを有する。第二面側に発熱素子より幅広の柱状部が設けられている。この場合、柱状部に熱が拡散することで、発熱素子の急激な昇温を抑制することができる。

好ましくは、発熱素子の冷却構造は、柱状部に取付けられたフィンをさらに備える。
より好ましくは、柱状部は冷却水に浸される。

より好ましくは、柱状部は金属により構成される。
より好ましくは、 発熱素子の冷却構造は、第一面と発熱素子との間に設けられた絶縁部材をさらに備える。

以下、この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の実施の形態では同一または相当する部分については同一の参照符号を付し、その説明については繰り返さない。また、各実施の形態を組合せることも可能である。

（実施の形態１）
図１は、本発明の１つの実施の形態に係る発熱素子を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。図１に示される例では、駆動ユニット１は、ハイブリッド車両に搭載される駆動ユニットであり、モータジェネレータ１００と、レゾルバ２００と、減速機構３００と、ディファレンシャル機構４００と、ドライブシャフト受け部５００と、ハウジング６００と、端子台７００とを含んで構成される。

モータジェネレータ１００は、電動機または発電機として機能を有する回転電機であり、軸受１２０を介してハウジング６００に回転可能に取付けられた回転シャフト１１０と、回転シャフト１１０に取付けられたロータ１３０と、ステータ１４０とを有する。

ロータ１３０は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成されたロータコアと、該ロータコアに埋設された永久磁石とを有する。永久磁石は、たとえば、ロータコアの外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。

ステータ１４０は、リング状のステータコア１４１と、ステータコア１４１に巻回されるステータコイル１４２と、ステータコイル１４２に接続されるバスバー１４３とを有する。バスバー１４３は、ハウジング６００に設けられた端子台７００および給電ケーブル８００Ａを介してＰＣＵ（Power Control Unit）８００とに接続される。また、ＰＣＵ８００は、給電ケーブル９００Ａを介してバッテリ９００に接続される。これにより、バッテリ９００とステータコイル１４２とが電気的に接続される。

ステータコア１４１は、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア１４１の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステータコア１４１の内周側に開口するように設けられる。

３つの巻線相であるＵ相、Ｖ相およびＷ相を含むステータコイル１４２は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。ステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。バスバー１４３は、それぞれステータコイル１４２のＵ相、Ｖ相およびＷ相に対応するＵ相、Ｖ相およびＷ相を含む。

給電ケーブル８００Ａは、Ｕ相ケーブルと、Ｖ相ケーブルと、Ｗ相ケーブルとからなる３相ケーブルである。バスバー１４３のＵ相、Ｖ相およびＷ相がそれぞれ給電ケーブル８００ＡにおけるＵ相ケーブル、Ｖ相ケーブルおよびＷ相ケーブルに接続される。

モータジェネレータ１００から出力された動力は、減速機構３００からディファレンシャル機構４００を介してドライブシャフト受け部５００に伝達される。ドライブシャフト受け部５００に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（図示せず）を介して車輪（図示せず）に回転力として伝達されて車両を走行させる。

一方、ハイブリッド車両の回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部５００、ディファレンシャル機構４００および減速機構３００を介してモータジェネレータ１００が駆動される。このとき、モータジェネレータ１００が発電機として作用する。モータジェネレータ１００により発電された電力は、ＰＣＵ８００におけるインバータを介してバッテリ９００に蓄えられる。

レゾルバ２００は、レゾルバロータ２１０と、レゾルバステータ２２０とを有する。レゾルバロータ２１０は、モータジェネレータ１００の回転シャフト１１０に接続されている。また、レゾルバステータ２２０は、レゾルバステータコア２２１と、該コアに巻回されたレゾルバステータコイル２２２とを有する。上記レゾルバ２００によりモータジェネレータ１００のロータ１３０の回転角度が検出される。検出された回転角度は、コネクタ１０を介してＰＣＵ８００へ伝達される。ＰＣＵ８００は、検出されたロータ１３０の回転角度と、外部ＥＣＵ（Electrical Control Unit）からのトルク指令値とを用いてモータジェネレータ１００を駆動するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号をモータジェネレータ１００へ出力する。

図２は、ＰＣＵ８００の主要部の構成を示す回路図である。図２を参照して、ＰＣＵ８００は、コンバータ８１０と、インバータ８２０と、制御装置８３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２と、電源ラインＰＬ１、ＰＬ３と、出力ライン８４０Ｕ，８４０Ｖ，８４０Ｗとを含む。コンバータ８１０は、バッテリ９００とインバータ８２０との間に接続され、インバータ８２０は、出力ライン８４０Ｕ，８４０Ｖ，８４０Ｗを介してモータジェネレータ１００と接続される。

コンバータ８１０に接続されるバッテリ９００は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の２次電池である。

バッテリ９００は、発生した直流電圧をコンバータ８１０に供給し、また、コンバータ８１０から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ８１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとからなる。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に直列に接続され、制御装置８３０からの信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側に電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ９００の正極と接続される電源ラインＰＬ１に一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ８１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ９００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインＰＬ２に供給する。またコンバータ８１０は、インバータ８２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ９００を充電する。

インバータ８２０は、Ｕ相アーム８５０Ｕ、Ｖ相アーム８５０ＶおよびＷ相アーム８５０Ｗからなる。各相アームは、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に並列に接続される。Ｕ相アーム８５０Ｕは、直列に接続されたパワートランジスタＱ３，Ｑ４からなり、Ｖ相アーム８５０Ｖは、直列に接続されたパワートランジスタＱ５，Ｑ６からなり、Ｗ相アーム８５０Ｗは、直列に接続されたパワートランジスタＱ７，Ｑ８からなる。ダイオードＤ３〜Ｄ８は、それぞれパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ３〜Ｑ８のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン８４０Ｕ，８４０Ｖ，８４０Ｗを介してモータジェネレータ１００の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。

このインバータ８２０は、制御装置８３０からの制御信号に基づいて、電源ラインＰＬ２から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。また、インバータ８２０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ラインＰＬ２に供給する。

コンデンサＣ１は、電源ラインＰＬ１，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ１の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサＣ２は、電源ラインＰＬ２，ＰＬ３間に接続され、電源ラインＰＬ２の電圧レベルを平滑化する。

レゾルバ２００は、モータジェネレータ１００の回転子の回転角度を検出して制御装置８３０へ出力する。ここで、制御装置８３０への出力は、配線１３，１４およびコネクタ１０を介して行なわれる。

制御装置８３０は、モータジェネレータ１００の回転子の回転角度を、モータトルク指令値、モータジェネレータ１００の各相電流値、およびインバータ８２０の入力電圧に基づいてモータジェネレータ１００の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ８をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ８２０へ出力する。

また、制御装置８３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ８２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ８１０へ出力する。

さらに、制御装置８３０は、モータジェネレータ１００によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ９００を充電するため、コンバータ８１０およびインバータ８２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ８のスイッチング動作を制御する。

このＣＰＵ８００においては、コンバータ８１０は、制御装置８３０からの制御信号に基づいて、バッテリ８００から受ける直流電圧を昇圧して電源ラインＰＬ２に供給する。そして、インバータ８２０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ１００へ出力する。

また、インバータ８２０は、モータジェネレータ１００の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ラインＰＬ２へ出力する。そして、コンバータ８１０は、コンデンサＣ２によって平滑化された直流電圧を電源ラインＰＬ２から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテリ９００を充電する。

このような回路において、コンバータ８１０、インバータ８２０、コンデンサＣ１，Ｃ２などは発熱素子であるため、この発熱素子を冷却する必要がある。

図３は、発熱素子の冷却構造の断面図である。図３を参照して、発熱素子の冷却構造１０００は、発熱素子としてのインバータ８２０と、インバータ８２０を支持する支持部材としての冷却器ケース１１００とを有する。冷却器ケース１１００は、インバータ８２０側の第一面１１１０と、第一面１１１０と反対側の第二面１１２０とを有する。第二面１１２０側に、インバータ８２０よりも幅広の放熱コア１２００が設けられている。放熱コア１２００にフィン１３００が取付けられる。柱状部としての放熱コア１２００は冷却水１５１０に浸されている。放熱コア１２００は金属により構成される。第一面１１１０とインバータ８２０との間に絶縁部材１６００が設けられている。

冷却器ケース１１００に放熱コア１２００が取付けられている。ＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の冷却方式として、直接冷却方式がある。この方法では、チップの飽和温度を下げる効果は期待できるが、熱容量が小さいため昇温が早くなる。本発明では、昇温を遅くするために熱容量を大きくする構造を採用している。これにより冷却能力が高く（飽和温度が低く）かつ、温度の急変も小さい。そのため、チップサイズを小さくすることができる。

インバータ８２０と絶縁部材１６００がチップ１４００を構成する。チップ１４００は冷却器ケース１１００の第一面１１１０に搭載されている。搭載方法として、はんだ付けまたはろう付けなどを採用することができる。また、ボルトで第一面１１１０にチップ１４００を固着してもよい。

自己発熱素子であるインバータ８２０の幅Ｗ１は柱状部分である放熱コア１２００の幅Ｗ２よりも小さい。絶縁部材１６００端部と放熱コア１２００の端部を結ぶ線と第一面１１１０とのなす角度はおよそ４５°である。第二面１１２０側に水路１５００が設けられており、水路１５００内に冷却水１５１０が充填されている。冷却水１５１０は純粋な水だけでなく、ロングライフクーラントなどの溶質を含むものであってもよい。

放熱コア１２００はチップからの伝熱を考慮したサイズとする。フィン１３００は薄板であり、チップ１４００直下以外にはフィン１３００を取付けないことにより遺物によるつまりをも防止することができる。

チップ１４００直下を柱状にして熱容量を大きくし、その柱に放熱フィンを取付けている。水冷式の電子部品冷却装置に関し、放熱部の熱容量を大きくする構造を採用している。特に、熱容量を大きくしたい部分を柱状にし、多数のフィンを設けている。

なお、フィン１３００は必ずしも配置する必要はない。また、放熱コア１２００は冷却水１５１０に全部浸されているが、一部の放熱コア１２００は冷却水１５１０に浸されていなくてもよい。また、冷媒として冷却水１５１０ではなく気体を用いてもよい。

また、自己発熱素子として、インバータだけでなく、コンバータ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳ、ダイオードなどを用いてもよい。

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。

本発明の１つの実施の形態に係る発熱素子を含む駆動ユニットの構造の一例を概略的に示す図である。 ＰＣＵ８００の主要部の構成を示す回路図である。 発熱素子の冷却構造の断面図である。

符号の説明

８２０ インバータ、１０００ 発熱素子の冷却構造、１１００ 冷却器ケース、１１１０ 第一面、１１２０ 第二面、１２００ 放熱コア、１３００ フィン、１４００ チップ、１５００ 水路、１５１０ 冷却水。

Claims (5)

1. 発熱素子と、
   前記発熱素子を支持する支持部材とを備え、
   前記支持部材は、前記発熱素子側の第一面と、前記第一面と反対側の第二面とを有し、
   前記第二面側に前記発熱素子より幅広の柱状部が設けられる、発熱素子の冷却構造。
2. 前記柱状部に取付けられたフィンをさらに備えた、請求項１に記載の発熱素子の冷却構造。
3. 前記柱状部は冷却水に浸される、請求項１または２に記載の発熱素子の冷却構造。
4. 前記柱状部は金属により構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載の発熱素子の冷却構造。
5. 前記第一面と前記発熱素子との間に設けられた絶縁部材をさらに備えた、請求項１から４のいずれか１項に記載の発熱素子の冷却構造。

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