JP2009027899A - 車両用電子部品冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省エネルギーを図り、車両内で機器を効率的に配置できると共に、組み付け作業性を向上することのできる小型軽量の車両用電子部品冷却装置を提供する。
【解決手段】車両用電子部品冷却装置１００は、ウォータポンプ１０と、ウォータジャケット２０と、高圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ３０、低圧回路である電動機制御部４０と、とを含む。ウォータポンプ１０は、電動機１６と羽根車１１と冷却水の吸入口２１とを有し、電動機１６はステータ１４とロータ１３とロータ１３及び羽根車１１とを接続するシャフト１２とを有する。ウォータポンプ１０に接続されたウォータジャケット２０は、整流用のフィン２３と吐出口２２とを有し、スパイラル状通路の裏面に発熱部品が配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、車両の電子部品を冷却する車両用電子部品冷却装置に関する。

近年、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車及び電気自動車等が実用化され、車両を駆動するさまざまな電子部品が搭載されるようになった。このような車両は、車両を駆動する車両駆動用電動機と、走行性能を向上させるための高電圧の主バッテリと、主バッテリの直流電力を三相交流に変換して車両駆動用電動機を作動させるインバータと、主バッテリを充電するための発電機と、車両の補機を駆動する補機バッテリと、主バッテリの電圧を降圧して補機バッテリを充電するＤＣ／ＤＣコンバータ等と、を備えている。

このような電気自動車等では、搭載スペースが限られていることから小型化が要求され、さらに車両駆動用電動機、インバータ、及びＤＣ／ＤＣコンバータ等は発熱量も多いため冷却装置が必要となる。このような冷却装置として特許文献１には、主バッテリの電力を用いて車両駆動用電動機を駆動するインバータと、車両駆動用電動機に接してインバータを冷却する冷却装置と、を一体に組み込むと共に、冷却装置の冷媒を循環させる冷媒循環経路を車両駆動用電動機ケースの外周面に沿って形成する技術が開示されている。

また、一般的にインバータなどの電子機器は、幅広い仕様を満足させるために共通に使用できる制御基板と、さまざまな仕様を有する電源基板と、に分かれている。しかし、電源回路のトランスは鉄やフェライトなどの比較的重量の大きな素材が用いられているため、対振動性や冷却性を考慮しつつ制御基板と電源基板を固定するには注意が必要であった。そこで、特許文献２には、制御基板と電源基板を固定し、パワーモジュールとトランス近傍とに冷却通路を備えたインバータの技術が開示されている。

特開平７−２８８９４９号公報 特開２００６−１９１７６５号公報

しかし、上述したインバータとインバータを冷却する冷却装置とを一体に組み込むだけでは、機器のさらなる小型化及び軽量化と、省エネルギー化と、機器の効率的な配置と、を実現することは難しい。

そこで、本発明は、省エネルギー化を図り、車両内で機器を効率的に配置できると共に、組み付け作業性を向上することのできる小型軽量の車両用電子部品冷却装置を提供することを目的とする。

以上のような目的を達成するために、本発明に係る車両用電子部品冷却装置は、車両の電子部品を冷却する車両用電子部品冷却装置において、冷媒を吐出する電動ポンプと、主バッテリの電圧を降圧し、電動ポンプと車両に搭載された補機とに電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱部品と熱交換をするための冷媒通路が設けられた熱交換器と、を備え、これらを一体化したことを特徴とする。

また、本発明に係る車両用電子部品冷却装置において、熱交換器は、冷媒通路がスパイラル状に形成されたことを特徴とする。

さらに、本発明に係る車両用電子部品冷却装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱部品は、熱交換器であるスパイラル状冷媒通路の外周部に配置されたことを特徴とする。

さらにまた、本発明に係る車両用電子部品冷却装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱部品は、トランスまたは整流部品であることを特徴とする。

また、本発明に係る車両用電子部品冷却装置において、冷媒には水を使用し、熱交換器は電動ポンプと同一面側に配置されたことを特徴とする。

本発明を用いることにより、一体化した機器のさらなる小型化及び軽量化が可能となる。また、小型化により機器を車両内に効率的に配置することができるという効果がある。

以下、本発明を実施をするための最良の実施の形態（以下実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１は、車両用電子部品冷却装置１００の構成を示す構成図であり、図１は図２に示されている車両用電子部品冷却装置１００の上部に設けられた熱交換器であるウォータジャケット２０及び装置のＡ−Ａ’断面を示している。

本発明において特徴的な事項の一つは、冷媒として冷却水を使用し、冷却水を吐出するウォータポンプ１０の吐き出し側に１２ボルト系の低圧回路を配置して吐き出された冷却水をスパイラル状（渦巻き状ともいう）に導き、スパイラル状通路の外周部にＤＣ／ＤＣコンバータを駆動する数百ボルト系の高電圧回路を配置したことである。

図１の車両用電子部品冷却装置１００は、大きく分けて、ウォータポンプ１０と、ウォータジャケット２０と、高圧回路であるＤＣ／ＤＣコンバータ３０、低圧回路である電動機制御部４０と、とを含む。

ウォータポンプ１０は、電動機１６と羽根車１１と冷却水の吸入口２１とを有し、電動機１６はステータ１４とロータ１３とロータ１３及び羽根車１１とを接続するシャフト１２とを有する。ウォータポンプ１０に接続されたウォータジャケット２０は、整流用のフィン２３と吐出口２２とを有し、スパイラル状通路の裏面に発熱部品が配置されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３０は、制御回路が設けられた制御基板３５と電源用の電源基板３１とを有し、電源基板３１には高電圧コネクタ３３とコンデンサ３２と１次駆動トランジスタ３４と２次整流トランジスタ３９とが設けられている。

さらに、電源基板３１はバスバー３８によりトランス３７に接続されている。なお、トランス３７と１次駆動トランジスタ３４と２次整流トランジスタ３９によって発熱した熱は、スパイラル状通路の裏面から冷却水へ放出される。なお、後述する温度センサ５５がＤＣ／ＤＣコンバータ３０に設けられている。

電動機制御部４０は、低電圧コネクタ４１，４３，４４と、電動機制御回路と、を有し、低電圧コネクタ４３，４４によってＤＣ／ＤＣコンバータから電力の供給を受けると共に、他の機器へ低電圧を供給する低電圧コネクタ４１を有する。

次に、冷却水の流れについて図２を用いて示す。ウォータポンプ１０は時計回りに回転するため、吸入口２１は乱流を低減させる目的で、冷却水がウォータポンプの中心部に時計回りで流入するように設けられている。羽根車１１によって増速された冷却水はスパイラル状通路２４を通過してウォータポンプ１０外周部に流れる。ここでは、整流と冷却効率を高めるためのフィン２３により流れが整えられ、吐出口２２から冷却水が吐き出される。

なお、図１のウォータジャケット２０に示すようにスパイラル状通路２４の幅が増加するに従い、スパイラル状通路の高さを適切に設定することで配管断面積の急激な変化を防止し、スパイラル状通路による圧力損失を低減させている。

図３には、車両用電子部品冷却装置１００を含む冷却システム２００全体の構成が示されている。図３の冷却システム２００は、車両用電子部品冷却装置１００と、冷却ファン５２を有するラジエータ５１と、トランスアクスル（Ｔ／Ａ）系及びインバータ５３と、が配管で接続され、これらを制御する制御部５６を有している。冷却システム２００における冷却水の温度は、配管に設けられた温度センサ５４によって測定され、同様にしてＤＣ／ＤＣコンバータ３０の温度は、車両用電子部品冷却装置１００に設けられた温度センサ５５によって測定され、これらの情報は、制御部５６に入力される。以下に、制御部５６による温度制御処理について示す。

図４は、ウォータポンプ回転数制御の処理の流れを示すフローチャート図であり、図５は、ファン回転数制御の処理の流れを示す。また、図６は水温に対するウォータポンプ回転数と、水温に対するファン回転数と、の制御特性を示している。同様にして図７には、ＤＣ／ＤＣコンバータ温度に対するウォータポンプ回転数制御と、ＤＣ／ＤＣコンバータ温度に対するファン回転数制御と、の制御特性を示している。

まず、図４のウォータポンプ回転数制御の処理の流れについて図６と図７とを用いて示す。なお、図４〜図７の用語は略称で示した。

本実施形態で特徴的なことは、測定された温度にヒステリシスを設けた制御を適応すると共に、ウォータポンプ回転数を上昇させる前に、ファン回転数を上昇させることにより冷却効率を高めたことである。

図４のウォータポンプ回転数制御が開始されると、ステップＳ１０において温度測定が実行され、水温度とＤＣ／ＤＣコンバータ温度とが測定されてステップＳ１２へ移る。もし、温度が上昇し、ステップＳ１２において、水温度が図６に示すｔ１より高い、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ温度が図７のｔ５より高い場合には、ウォータポンプ回転数を高回転に設定後（Ｓ１３）、ステップＳ１０へ戻る。

また、温度が低下した場合、ステップＳ１０において温度測定が実行され、ステップＳ１２において、所定温度より低い場合には、ステップＳ１４へ移る。ステップＳ１４において、水温度が図６のｔ２より低く、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ温度が図７のｔ６より低い場合には、ウオータポンプ回転数を低回転に設定後（Ｓ１５）、ステップＳ１０へ戻ることになる。

次に、図４のファン回転数制御の処理の流れについて図６と図７とを用いて示す。本実施形態では、図６と図７に示す制御特性に示したように、ウォータポンプ回転数制御に関する温度より、ファン回転数制御に関する温度は低く設定されている。これにより、ファンによる冷却が優先して実行されることで省エネルギー化を実現している。

図５のファン回転数制御が開始されると、ステップＳ２０において温度測定が実行され、水温とＤＣ／ＤＣコンバータ温度とが測定されてステップＳ２２へ移る。もし、水温が上昇し、ステップＳ２２において、水温度が図６に示すｔ３より高い、又は、ＤＣ／ＤＣコンバータ温度が図７のｔ７より高い場合には、ファン回転数を高回転に設定後（Ｓ２３）、ステップＳ２０へ戻る。

また、温度が低下した場合、ステップＳ２０において温度測定が実行され、ステップＳ２２において、所定温度より低い場合には、ステップＳ２４へ移る。ステップＳ２４において、水温度が図６のｔ４より低く、かつ、ＤＣ／ＤＣコンバータ温度が図７のｔ８より低い場合には、ファン回転数を低回転に設定後（Ｓ２５）、ステップＳ２０へ戻ることになる。

以上、上述したように、本実施形態のウォータポンプ一体型ＤＣ／ＤＣコンバータとすることにより、省エネルギーを図り、エンジンルーム内で機器を効率的に配置できると共に、組み付け作業性を向上することのできる小型軽量の車両用電子部品冷却装置を提供することが可能となる。なお、本実施形態では、自動車を例にして説明したが、これに限定するものではなく、自動車に限らず、二輪車、鉄道車両などに用いることもできる。

本発明の実施形態に係る車両用電子部品冷却装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施形態に係る車両用電子部品冷却装置の上部に設けられた熱交換器の平面図である。 本発明の実施形態に係る冷却システム全体の構成を示した構成図である。 本発明の実施形態に係るウォータポンプ回転数制御の処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係るファン回転数制御の処理の流れを示すフローチャート図である。 本発明の実施形態に係る水温による制御特性を説明する説明図である。 本発明の実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ温度による制御特性を説明する説明図である。

符号の説明

１０ ウォータポンプ、１１ 羽根車、１２ シャフト、１３ ロータ、１４ ステータ、１６ 電動機、２０ ウォータジャケット、２１ 吸入口、２２ 吐出口、２３ フィン、２４ スパイラル状通路、３０ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３１ 電源基板、３２ コンデンサ、３３ 高電圧コネクタ、３４ １次駆動トランジスタ、３５ 制御基板、３７ トランス、３８ バスバー、３９ ２次整流トランジスタ、４０ 電動機制御部、４１，４３，４４ 低電圧コネクタ、５１ ラジエータ、５２ 冷却ファン、５３ インバータ、５４，５５ 温度センサ、５６ 制御部、１００ 車両用電子部品冷却装置、２００ 冷却システム。

Claims (5)

1. 車両の電子部品を冷却する車両用電子部品冷却装置において、
   冷媒を吐出する電動ポンプと、
   主バッテリの電圧を降圧し、電動ポンプと車両に搭載された補機とに電力を供給するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱部品と熱交換をするための冷媒通路が設けられた熱交換器と、
   を備え、これらを一体化したことを特徴とする車両用電子部品冷却装置。
2. 請求項１に記載の車両用電子部品冷却装置において、
   熱交換器は、冷媒通路がスパイラル状に形成されたことを特徴とする車両用電子部品冷却装置。
3. 請求項１又は２に記載の車両用電子部品冷却装置において、
   ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱部品は、熱交換器であるスパイラル状冷媒通路の外周部に配置されたことを特徴とする車両用電子部品冷却装置。
4. 請求項３に記載の車両用電子部品冷却装置において、
   ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱部品は、トランスまたは整流部品であることを特徴とする車両用電子部品冷却装置。
5. 請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用電子部品冷却装置において、
   冷媒には水を使用し、熱交換器は電動ポンプと同一面側に配置されたことを特徴とする車両用電子部品冷却装置。

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