JP2009260058A

JP2009260058A - 冷媒冷却型電力半導体装置

Info

Publication number: JP2009260058A
Application number: JP2008107751A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakajima; 泰中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】車両用駆動システムのための冷媒冷却型電力半導体装置において、寒冷地環境においても、始動可能であり、冷却性能を犠牲にすることなく、冷却器の小型・軽量化を図る。
【解決手段】放熱面１ａを有するパワーモジュール１と、パワーモジュール１の放熱面１ａに配置される冷却器２とを備え、冷却器２は、高融点冷媒流路２ｃと、高融点冷媒流路２ｃより放熱面１ａに近接して設けられた複数の低融点冷媒流路２ｂと、複数の低融点冷媒流路２ｂを相互に隔てる隔壁２ｄであって放熱面１ａより高融点冷媒流路２ｃに熱を伝える少なくとも一つの伝熱壁２ｅとを備えることにより、始動時は低融点冷媒流路による冷媒循環が可能となり、定常動作時はパワーモジュール１の発熱により高融点冷媒流路による冷媒循環が付加され、冷却性能を犠牲にすることなく、冷却器の小型・軽量化が可能となる。
【選択図】図１

Description

この発明は、電気自動車、ハイブリッド自動車、電車等の屋外で使用する車両用の冷媒冷却型電力半導体装置に係り、特に冷却器の小型・軽量化に関するものである。

電気自動車、ハイブリッド自動車、電車等の電気モータを駆動源とする車両においては、二酸化炭素の排出削減や省エネルギーの観点から小型・軽量化が強く求められている。このような車両には、電気モータを所定の回転数、所定のトルクで制御するために、直流バッテリー又は直流架線から引き込んだ直流電流を所定の周波数の交流電流に変換するための変換器としてパワーモジュールが用いられている。

従来より電気自動車では、パワートランジスタ等の発熱部品を含む電気部品の冷却方法として空気冷却が一般的であったが、外気温の高い夏場の始動時等で速やかに冷却する必要のあるパワーモジュール等の重要機能を有する電気部品の冷却には、空気冷却は適さなかった。電気自動車等の電気モータを駆動制御するためのパワーモジュールを冷却するためには、冷媒に水を用いる循環液冷式の冷却器が最適であり、したがって、上記のような用途のパワーモジュールには例えば特許文献１に開示さているような冷却器を備えたパワーモジュールを使用していた。

特開２００１−３０８２４５号公報（図１）

しかしながら、このような冷媒に水を用いる液冷式の冷却器には以下のような問題点があり、冷却器の小型・軽量化の妨げとなっていた。すなわち、電気自動車等の屋外で使用する車両は、冬場の気温が零下となるような寒冷地に置かれることも想定しておく必要がある。このような環境下では、冷却水は凍結し冷却水の循環が停止するため所定の冷却性能が得られず、電気自動車等が走行不能に陥る。このような現象に対応するために、化石燃料を使用する通常の自動車と同様に、冷媒として不凍液を混合した冷却水を用いることになるが、このような不凍液は純粋に比べ冷却性能が劣っている。

例えば、電気自動車において、縁石を乗り越えることができず車輪がロックした場合、モータが回転しないため、モータの特定のコイルに継続的に電流が流れ、その結果特定のパワーモジュールに継続的に電流が流れるモードが存在する。このような状況においては、特定のパワーモジュールに通常の２倍以上の発熱が生じることとなる。このような場合は不可抗力的に発生し、寒冷地における始動時に発生する場合を考慮すると、通常の数倍以上の冷却性能を有する冷却器を用意する必要があり、したがって、冷却器まで含めた電力半導体装置の小型化は困難であった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、車両用駆動システムのための冷媒冷却型電力半導体装置において、寒冷地環境においても、始動可能であり、冷却性能を犠牲にすることなく、冷却器の小型・軽量化を実現した冷媒冷却型電力半導体装置を提供しようとするものである。

前記の目的を達成するために、本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置は、主面に放熱面が露出するパワーモジュールと、前記パワーモジュールの放熱面に配置される冷却器とを備え、前記冷却器は、高融点冷媒流路と、前記高融点冷媒流路より前記放熱面に近接して設けられた複数の低融点冷媒流路と、前記複数の低融点冷媒流路を相互に隔てる隔壁であって前記放熱面より前記高融点冷媒流路に熱を伝える少なくとも一つの伝熱壁とを備えることを特徴とする。更に他の局面では、前記伝熱壁は前記放熱面に対して垂直に設けられていることを特徴とする。

上記のような構成としたため、上記冷媒冷却型電力半導体装置は、始動時は低融点冷媒流路による冷媒循環が可能となり、定常動作時はパワーモジュールの発熱により高融点冷媒流路による冷媒循環が付加されて、さらに冷却性能を向上させるため、寒冷地環境における零下の状態下でも、始動直後の冷媒冷却型電力半導体装置の冷却性能を高めることができ、かつ定常状態に達した後においても所定の性能を確保できるため、全て低融点冷媒で構成した場合と比較して、装置の小型化を図ることができるという効果を奏する。更に他の局面では、パワーモジュールの発熱を最短距離で高融点冷媒流路に伝達でき、冷却性能の高い高融点冷媒回路が稼動開始を早めることができ、冷却器の冷却性能の向上が図れるという効果を奏する。

＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。図１は本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置１００の実施の形態１を示す断面図である。なお本図では冷媒の流れる方向に対して垂直な断面が示されている。

図１において、電気モータを駆動制御するためのパワーモジュール１は、その放熱面１ａが冷却器２の取付け面２ａに接するように、ボルト等により冷却器２に固定されている。パワーモジュール１は一辺が４０ｍｍ前後の矩形で厚みが１０ｍｍ程度の直方体形状であり、少なくとも１つ以上の電力半導体素子が搭載された厚さ３ｍｍ程度の銅板を内蔵している。銅板と放熱面１ａとの間は絶縁樹脂により電気的に絶縁分離されている。

冷却器２は断面が２０ｍｍ×８４ｍｍ程度の扁平形状を呈するアルミニウムの押出し成形品で、紙面に垂直方向に延びる隔壁２ｄにより内部が紙面を含む方向に複数に区画されて、複数の低融点冷媒流路２ｂと複数の高融点冷媒流路２ｃとを構成している。複数の高融点冷媒流路２ｃは、冷却器２中において紙面に垂直な方向に延在して設けられている。低融点冷媒流路２ｂは、冷却器２中において紙面に垂直な方向に延在しており、高融点冷媒流路２ｃより取付け面２ａに近接して設けられている。図示されていないが、冷却器２には高融点冷媒用の入口及び出口と低融点冷媒用の入口及び出口が設けられており、それぞれ複数の高融点冷媒流路２ｃと複数の低融点冷媒流路２ｂとに接続されている。

複数の低融点冷媒流路２ｂを相互に隔てている複数の隔壁２ｄの内、冷却器２の取付け面２ａに垂直となる方向にパワーモジュール１の放熱面１ａを投影した領域に存在する隔壁２ｄは、パワーモジュール１の発熱を高融点冷媒流路２ｃに伝達する役割も担っているため、特に伝熱壁２ｅと呼ぶ。パワーモジュール１の発熱を最短距離で高融点冷媒流路２ｃに伝達するために、本実施の形態においては、伝熱壁２ｅは放熱面１ａに対して垂直となるように設けられている。

本実施の形態においては、伝熱壁２ｅを含む隔壁２ｄの厚みは３ｍｍであり、低融点冷媒流路２ｂ及び高融点冷媒流路２ｃの開口は５ｍｍ×５ｍｍの矩形となっている。低融点冷媒流路２ｂには比較的融点の低いエチレングリコール（融点：−１２．６℃）が低融点冷媒として流れ、高融点冷媒流路２ｃには比較的融点の高い水（融点：０℃）が高融点冷媒として流れている。高融点冷媒として水を使用する場合は、使用環境に応じて防錆剤等を放熱性を損なわない範囲で添加することが好ましい。高融点冷媒用の入口及び出口と低融点冷媒用の入口及び出口は内径１０ｍｍ程度の円筒形であり、パイプを固定するためのパイプ固定部を有している。低融点冷媒流路２ｂ及び高融点冷媒流路２ｃはこれらパイプ固定部を経由してパイプによりそれぞれラジエータ及び冷媒ポンプと接続され、ラジエータ及び冷媒ポンプと共に低融点冷媒回路及び高融点冷媒回路を構成している。これら低融点冷媒回路及び高融点冷媒回路は冷媒ポンプにより冷媒を強制循環させることにより所定の冷却性能を得ている。

次にこのような構成の冷媒冷却型電力半導体装置１００を、寒冷地における電気自動車に適用した場合の動作について説明する。気温が０℃以下となる寒冷地において、始動前の電気自動車は車体全体が０℃以下となっている。水の凝固点（＝融点）は０℃であるので、この状態で高融点冷媒流路２ｃ内の冷媒である水は凍結している。

このような状態で電気自動車を始動すると、モータへの電力の供給と共にパワーモジュール１は発熱し、その熱は放熱面１ａを経由して冷却器２に流れ込む。同時に低融点冷媒回路の冷媒ポンプも起動し低融点冷媒の循環が始まる。始動直後においては、冷却器２に流れ込んだ熱は、主に放熱面１ａに近接した低融点冷媒流路２ｂの低融点冷媒によりラジエータを経て外気に放散されるが、その一部は伝熱壁２ｅにより、低融点冷媒流路２ｂを越えて高融点冷媒流路２ｃ内の凍結した高融点冷媒に伝達され、高融点冷媒を昇温させる。高融点冷媒の温度がその融点を超えると高融点冷媒流路２ｃ内の高融点冷媒は融解し、融解した高融点冷媒はさらにパイプ、ラジエータ及び冷媒ポンプ内の高融点冷媒を融解させる。全ての高融点冷媒が融解すると高融点冷媒回路の冷媒ポンプも起動し高融点冷媒の循環も始まる。

始動時における低融点冷媒流路２ｂ内の低融点冷媒の温度と高融点冷媒流路２ｃ内の高融点冷媒の温度の時間推移を示したのが図２のグラフである。図２のグラフは縦軸は各冷媒の温度、横軸は始動時からの経過時間を示している。始動直後は低融点冷媒流路２ｂがより放熱面１ａに近接しているため、低融点冷媒が先に温度上昇を起こし、若干の時間遅れをもって高融点冷媒が低融点冷媒に追従するように温度上昇を起こす。この時点では高融点冷媒回路は稼動しておらず、低融点冷媒回路だけでの冷却となるので、熱輸送能力は充分ではなく、始動直後のある一定の期間は低融点冷媒流路２ｂ内の低融点冷媒の温度は上昇し続ける。

高融点冷媒の温度がその融点（＝０℃）に達すると、融解潜熱により温度上昇が抑制され高融点冷媒の温度が一定となる期間が存在するが、その後高融点冷媒流路２ｃ内の高融点冷媒が完全に融解すると、高融点冷媒の温度はまた上昇を始める。やがて高融点冷媒回路全体の高融点冷媒が融解すると、高融点冷媒の循環が始まり、高融点冷媒はラジエータにより冷却される。この時高融点冷媒の温度は、一旦下がった後冷却器２から受取る熱量とラジエータへ放散する熱量が釣り合った時点で定常値となり、同時に低融点冷媒の温度もまた定常値となる。

図２のグラフからも分かるように、気温が０℃以下となる寒冷地における電気自動車の始動直後においては、冷却性能の高い高融点冷媒回路は凍結のため動作しておらず、冷却性能の低い低融点冷媒回路のみが動作しているため、冷媒回路全体としての熱輸送能力は不充分ではあるが、車体全体の温度も低いため、パワーモジュール１から発生した熱量は低融点冷媒を含む周囲の温度上昇にも消費されることとなり、実質的な冷却器２の冷却性能の低下は生じない。低融点冷媒を含む周囲の温度が、高融点冷媒回路の凍結した高融点冷媒を融解させるに充分な温度まで上昇した後は、冷却性能の高い高融点冷媒回路が動作し始めるため、冷却器２の熱輸送能力は増強され、冷却器２は所定の冷却性能を発揮できるようになる。

このように本実施の形態に係る冷媒冷却型電力半導体装置１００は、低融点冷媒流路２ｂと高融点冷媒流路２ｃとの組合せた冷却器２を具備することにより、寒冷地環境における零下の状態下でも、始動直後の装置の冷却性能を高めることができ、かつ定常状態に達した後においても所定の性能を確保できるため、全て低融点冷媒で構成した場合の冷媒冷却型電力半導体装置と比較して、装置の小型化を図ることができるという効果を奏する。すなわち、低融点冷媒のみで構成した同一サイズの冷却器を具備する冷媒冷却型電力半導体装置では、冷媒の熱輸送能力が低く、冷媒回路の冷却性能が低くなるため、結果として冷却器を大型化して冷却性能を確保する必要があるためである。更には、伝熱壁２ｅは放熱面１ａに対して垂直となるように設けられているため、パワーモジュール１の発熱を最短距離で高融点冷媒流路２ｃに伝達でき、冷却性能の高い高融点冷媒回路が稼動開始を早めることができ、冷却器２の冷却性能の向上が図れるという効果を奏する。

本実施の形態に係る第１の変形例を図３に示す。図３に示すように、冷却器２は上板及び下板と、その間に波板を配置し、ろう付けなどで一体化し低融点冷媒流路２を構成したものを用いても良い。この例では、下板は押出し加工で形成した高融点冷媒流路２ｃを備えた板を用いる。上板、下板及び波板の材料としてはアルミニウムを用い、ろう付け金属には例えばシリコンを適量含有したアルミニウム材を用いるのが通常である。波板はプレス加工で形成でき、例えば厚みが１ｍｍ以下のものを用いることで冷却器２の断面積に占める低融点冷媒流路２の割合を増やすことができる。本変形例においては波板が隔壁２ｄ及び伝熱壁２ｅとなっている。このように構成することで、伝熱壁２ｅが放熱面１ａと高融点冷媒流路２ｃとを最短距離で結ぶことができないため、パワーモジュール１の発熱を速やかに高融点冷媒流路２ｃに伝達することはできないものの、冷却器２の軽量化が可能となり、押出し金型が単純化でき金型コストが低減できる。

図１においては、高融点冷媒流路２ｃの開口は低融点冷媒流路２ｂの開口と同様に５ｍｍ×５ｍｍの矩形となっているが、高融点冷媒流路２ｃの開口の寸法は更に小さくすることも可能である。そのようにした本実施の形態に係る第２の変形例を図４に示す。図４に示された冷却器２は図１に示された冷却器２と、高融点冷媒流路２ｃの開口の寸法を除いて同一である。本変形例における高融点冷媒流路２ｃの開口は３ｍｍ×５ｍｍの矩形となっている。高融点冷媒流路２ｃを流れる高融点冷媒は粘度の低い水であるので、高融点冷媒が高融点冷媒流路２ｃを流れる際の流体抵抗は低い。高融点冷媒流路２ｃの開口面積を、比較的粘度の高い低融点冷媒が流れる低融点冷媒流路２ｂの開口面積より小さくしたとしても、高融点冷媒の熱輸送能力の低下の影響は少ない。むしろ高融点冷媒流路２ｃの開口面積を小さくすることで、高融点冷媒流路２ｃの隔壁２ｄを多く設置でき、高融点冷媒と隔壁２ｄの接触面積を多くできるので、隔壁２ｄから高融点冷媒への熱の移動が容易となり、冷却器２の冷却性能を向上させることができる。

＜実施の形態２＞
図５は本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態２を示す断面図である。なお本図においても冷媒の流れる方向に対して垂直な断面が示されている。

図５に示された冷却器２は図１に示された冷却器２とほぼ同じ構成であるが、伝熱壁２ｅの１つが他の隔壁２ｄと比較して肉厚となっている。すなわち冷却器２の中央に位置する伝熱壁２ｅの厚みが１１ｍｍとなっている。このように少なくとも１つの伝熱壁２ｅを他の隔壁２ｄと比較して肉厚となるようにすることで、パワーモジュール１の発熱を図１に示された冷却器２より速やかに高融点冷媒流路２ｃに伝達することができるため、冷却性能の高い高融点冷媒回路が稼動開始を早めることができ、冷却器２の冷却性能の向上が更に図れるという効果を奏する。

＜実施の形態３＞
図６は本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態３を示す断面図である。なお本図においても冷媒の流れる方向に対して垂直な断面が示されている。

図６に示された冷却器２は図１に示された冷却器２とほぼ同じ構成であるが、冷却器２の取付け面２ａに垂直となる方向にパワーモジュール１の放熱面１ａを投影した領域に存在する低融点冷媒流路２の開口は３ｍｍ×５ｍｍの矩形となっていることで、伝熱壁２ｅの密度が隔壁２ｄの密度と比較して高くなっている。このような構成とすることで、パワーモジュール１の発熱を図１に示された冷却器２より速やかに高融点冷媒流路２ｃに伝達することができるため、冷却性能の高い高融点冷媒回路が稼動開始を早めることができ、冷却器２の冷却性能の向上が更に図れるという効果を奏する。

＜実施の形態４＞
図７は本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態４を示す断面図である。なお本図においても冷媒の流れる方向に対して垂直な断面が示されている。

図７に示された冷却器２は図５に示された冷却器２とほぼ同じ構成であるが、伝熱壁２ｅの一部が、冷却器２の母材より熱伝導率の高い金属、例えば銅からなる伝熱部材２ｆに置き換わっており、伝熱壁２ｅの全体としての熱伝導率が高くなるように構成されている。本実施の形態に係る冷却器２は、低融点冷媒流路２ｂと同じ寸法の銅の伝熱部材２ｆを作製し、充分冷却した後、図１の冷却器の中央の低融点冷媒流路２ｂに挿入し作製される。このような構造にすることで、パワーモジュール１の発熱を図５に示された冷却器２より速やかに高融点冷媒流路２ｃに伝達することができるため、冷却性能の高い高融点冷媒回路が稼動開始を早めることができ、冷却器２の冷却性能の向上が更に図れるという効果を奏する。更には、伝熱部材２ｆの周囲は冷却器２の母材に取り囲まれており、伝熱部材２ｆが低融点冷媒に直接触れることはないので、異種金属の共存により形成される局部電池による腐食の発生という問題を考慮する必要もない。

以上、図面に基づき本発明の具体的な実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限らず種々の改変が可能であり、そのような構成であっても同様の効果を奏することはいうまでも無いことである。例えば、上記各実施の形態においては、高融点冷媒流路は複数個設けられているが、複数の流路を合体させた単一の流路であっても良い。低融点冷媒にはエチレングリコールを用いたが、エチレングリコールと水との混合液や他の不凍液であっても良い。高融点冷媒流路については、冷媒の入口及び出口を設けず襞を多数備え内部に純水を封入したヒートパイプ構成とすることも可能である。このような構成とすることにより、ラジエータ及び冷媒ポンプが省略できシステム全体の小型化が図れるだけでなく、ラジエータ及び冷媒ポンプ内の凍結した高融点冷媒の融解を待たずに高融点冷媒回路が稼動開始させることができ、冷却器２の冷却性能の向上が更に図れるという効果を奏する。

本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態１を示す断面図である。始動時における低融点冷媒流路２ｂ内の低融点冷媒の温度と高融点冷媒流路２ｃ内の高融点冷媒の温度の時間推移を示したグラフである。本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態１に係る第１の変形例を示す断面図である。本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態１に係る第２の変形例を示す断面図である。本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態２を示す断面図である。本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態３を示す断面図である。本発明に係る冷媒冷却型電力半導体装置の実施の形態４を示す断面図である。

符号の説明

１パワーモジュール、１ａ放熱面、２冷却器、２ａ取付け面、２ｂ低融点冷媒流路、２ｃ高融点冷媒流路、２ｄ隔壁、２ｅ伝熱壁、２ｆ伝熱部材。

Claims

主面に放熱面が露出するパワーモジュールと、
前記パワーモジュールの放熱面に配置される冷却器と、
を備え、前記冷却器は、
高融点冷媒流路と、
前記高融点冷媒流路より前記放熱面に近接して設けられた複数の低融点冷媒流路と、
前記複数の低融点冷媒流路を相互に隔てる隔壁と、
前記隔壁であって前記放熱面より前記高融点冷媒流路に熱を伝える少なくとも一つの伝熱壁と、
を備えることを特徴とする冷媒冷却型電力半導体装置。
前記伝熱壁は、前記放熱面に対して垂直に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷媒冷却型電力半導体装置。
前記伝熱壁は、他の前記隔壁より肉厚であることを特徴とする請求項２記載の冷媒冷却型電力半導体装置。
前記伝熱壁は、他の前記隔壁より高密度に配されていることを特徴とする請求項２に記載の冷媒冷却型電力半導体装置。
前記伝熱壁は、前記冷却器の構成部材より熱伝導率が高くなるように構成されていることを特徴とする請求項２に記載の冷媒冷却型電力半導体装置。