JP2009260113A - 車載電子機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン起動時におけるヒートサイクルによる発熱性電子部品に熱疲労破損を抑制する。
【解決手段】車載電子機器の冷却装置２１はエンジン冷却流路２と電子部品冷却流路３を備えていて、共通の冷却液を用いて自動車に搭載された電子部品３１を冷却する。冷却液を電子部品３１のヒートシンク１４の液冷式冷却部１２に導く前記電子部品冷却流路３に、該流路３を開閉するバルブ１６を設けた。前記バルブ１６は、電子部品３１のヒートシンク１４の温度が設定値以下の場合は前記電子部品冷却流路３を閉じ、設定値を超えた場合に電子部品冷却流路３を開く。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車等に搭載されて使用される車載電子機器、特に、半導体スイッチング素子等の発熱を伴う車載電子機器の冷却装置に関するものである。

インバータやＤＣ／ＤＣコンバータ等の車載電子機器には、半導体スイッチング素子等の発熱を伴う電子部品が使用されている。前記電子部品は、耐熱温度を超えると寿命が短くなったり、破損したりするため、冷却して発熱を除去する必要がある。

冷却装置としては、空冷式冷却装置と、液冷式冷却装置と、併用式冷却装置が知られている。

図５に示すように、空冷式冷却装置１０１は、半導体等の電子部品１０２を空冷フィン１０３に取り付けて、該空冷フィン１０３を自然対流もしくは強制対流に曝して放熱させて電子部品１０２を冷却する。（例えば、特許文献１参照）
図６に示すように、液冷式冷却装置１１１は、内部に液冷フィンを設けた冷却部１１２に電子部品１０２を取り付けて、前記冷却部１１２に冷却液１１３を流すことにより電子部品１０２を冷却する。前記冷却液１１３は、自動車のエンジン冷却液とは分離されていて、配管１１４内をポンプ１１５によって循環し、ラジエータ１１６で冷却されて前記冷却部１１２に供給される。（例えば、特許文献２参照）
また、併用式冷却装置は、空冷式冷却装置と液冷式冷却装置の両方を備えたもので、温度センサにより検出した電子部品の温度が設定温度よりも高い場合には、液冷式冷却装置単独で、或いは液冷式冷却装置と空冷式冷却装置の両方を使用して冷却し、電子部品の温度が設定温度よりも低い場合において冷却する必要がある時には、空冷式冷却部のみを使用して冷却することにより消費電力の削減等を図ったものである。（例えば、特許文献３参照）
特開平７−６７２１３号公報 特開平１１−３４６４８０号公報 特開平８−１４７９１号公報

ところで、前記空冷式冷却装置１０１は、電子部品１０２から発生した熱は空冷フィン１０３から周囲の空気（雰囲気）中に放熱するものであるため、電子部品１０２の温度が周囲の温度よりも高いことが放熱のための条件となる。このため、エンジンルーム等の最高周囲温度が高い環境下（例えば１２５℃）においては、電子部品１０２の温度は、その電子部品の耐熱温度を超える可能性があり、このような環境下においてはもはや空冷式冷却装置１０１を使用することはできない。

一方、前記液冷式冷却装置１１１は、冷却液１１３を使用して電子部品１０２を冷却するものであって、前記エンジンルーム等の最高周囲温度が高い環境下（例えば１２５℃）であっても、電子部品１０２から発生する熱は、前記冷却液１１３に放熱されるため、冷却液の温度が低ければ発熱性電子部品１０２の温度を該電子部品１０２の耐熱温度以下に抑えることができる。

しかし、前記液冷式冷却装置１１１は、図６に示すように、自動車のエンジン冷却流路とは別に冷却液１１３、配管１１４、ポンプ１１５、ラジエータ１１６等を用意しなければならいという欠点がある。

前記欠点を解消するために、エンジン冷却流路の冷却液を発熱性電子部品の冷却に使用すること、即ち冷却液の共用化を図ることが考えられる。

図７はエンジン冷却流路の冷却液の共用化を図った車載電子機器の冷却装置を示す。この冷却装置１は、エンジン冷却流路（系統）２と電子部品の冷却流路(系統）３を備えている。

エンジン冷却流路２は、エンジン４に冷却液を供給するポンプ５と、エンジン４の熱を吸収して高温になった冷却液を冷却するラジエータ７と、サーモスタット弁８と、前記エンジン４、ポンプ５、ラジエータ７、サーモスタット弁８を接続している配管９と、を備えている。

配管９は、エンジン４とラジエータ７を接続する第１配管部９ａと、ラジエータ７とサーモスタット弁８を接続する第２配管部９ｂと、サーモスタット弁８とポンプ５を接続する第３配管部９ｃと、ポンプ５とエンジン４を接続する第４配管部９ｄと、第１配管部９ａとサーモスタット弁８を接続する第５配管部（バイパス）９ｅと、を備えている。ラジエータ７は、高温になったエンジン４から熱を奪ってきた冷却液を冷却する。

電子部品冷却流路３は、電子部品１１を冷却する液冷式冷却部１２および空冷式冷却部１３を備えたヒートシンク１４と、液冷式冷却部１２をエンジン冷却流路２に接続する配管１５と、を備えている。

配管１５は、液冷式冷却部１２とポンプ５を接続する第７配管部１５ａと、液冷式冷却部１２と前記第１配管部９ａを接続する第８配管部１５ｂと、を備えている。

前記エンジンの冷却液と車載電子機器の冷却装置の冷却液の共用化を図った車載電子機器の冷却装置は、これを搭載した自動車が非常に寒い場所に在って、電子部品１１やその周囲の温度が、例えば−４０℃の極低温環境下であっても、エンジンを起動させると、冷却液はエンジンの熱で約８０℃に温められて液冷式冷却部１２に供給されて、電子部品１１は、−４０℃の極低温から＋８０℃の高温に温められてしまう。

つまり、電子部品１１には、エンジンの起動ごとに−４０℃から＋８０℃の約１２０℃のヒートサイクルが発生し、この約１２０℃という大きな温度変化を伴うヒートサイクルによって電子部品１１に熱疲労破損が発生し易くなるという欠点があり、該欠点を解消することがこの種の車載電子機器の冷却装置の大きな課題であった。

本発明の目的は、エンジン起動時におけるヒートサイクルによる電子部品に熱疲労破損を抑制することが可能な車載電子機器の冷却装置を提供することにある。

請求項１の発明は、エンジン冷却流路と電子部品冷却流路とを備え、共通の冷却液を用いて自動車に搭載された電子部品を冷却する車載電子機器の冷却装置において、前記冷却液を前記電子部品のヒートシンクの液冷式冷却部に導く電子部品冷却流路に、該流路を開閉するバルブを設けた。

請求項２の発明は、請求項１に記載の車載電子機器の冷却装置において、前記バルブを、前記電子部品のヒートシンク温度が設定値以下の場合は前記電子部品冷却流路を閉じ、設定値を超えた場合に前記電子部品冷却流路を開く構成にした。

請求項３の発明は、請求項１に記載の車載電子機器の冷却装置において、前記バルブを、前記電子部品の温度、前記電子部品のヒートシンク温度、前記電子部品のカバー内部の空気温度、前記電子部品のカバー外部の空気温度のうち、少なくとも１つ以上の温度が設定値以下の場合に前記電子部品冷却流路を閉じ、少なくとも１つ以上の温度が設定値を超えた場合に前記電子部品冷却流路を開く構成にした。

請求項４の発明は、請求項１に記載の車載電子機器の冷却装置において、前記バルブを、前記電子部品のヒートシンク温度と前記冷却液の液温とを比較し、ヒートシンク温度が前記冷却液の液温よりも高い場合に前記電子部品冷却流路を開く構成にした。

請求項５の発明は、請求項４に記載の車載電子機器の冷却装置において、前記バルブを、前記ヒートシンク温度が設定温度以下の場合には前記電子部品冷却流路を開かない構成にした。

請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の車載電子機器の冷却装置において、前記バルブを、電動制御バルブで構成した。

（１）請求項１の車載電子機器の冷却装置は、バルブで電子部品冷却流路を閉じることにより冷却液が電子部品冷却流路を流れるのを阻止することが可能になる。これにより、電子部品に大きな温度変化が掛ることがなく、電子部品の熱疲労を低減できる。
（２）請求項２の車載電子機器の冷却装置は、電子部品のヒートシンク温度が設定値以下で電子部品を冷却液で冷却する必要のない場合には、バルブで電子部品冷却流路を閉じて冷却液が電子部品冷却流路を流通するのを阻止する。また、ヒートシンク温度が設定値を超えて冷却液で電子部品を冷却する必要が生じた場合にはバルブで電子部品冷却流路を開いて、冷却液を流通させて電子部品を効果的に冷却する。これにより、電子部品に大きな温度変化が掛ることがなく、電子部品の熱疲労を低減できる。
（３）請求項３の車載電子機器の冷却装置は、前記電子部品の温度、前記電子部品のヒートシンク温度、前記電子部品のカバー内部の空気温度、前記電子部品のカバー外部の温度のうち、少なくとも１つ以上の温度が設定値以下の場合には冷却液で電子部品を冷却する必要のないものとして、バルブで電子部品冷却流路を閉じて冷却液が電子部品冷却流路内を流通するのを阻止する。また、前記電子部品の温度、前記電子部品のヒートシンク温度、電子部品のカバー内部の空気温度、電子部品のカバー外部の空気温度のうち、少なくとも１つ以上の温度が設定値を超えた場合には冷却液で電子部品を冷却する必要が生じたものとして、バルブで電子部品冷却流路を開いて、冷却液を流通させて電子部品を冷却する。これにより、電子部品に大きな温度変化が掛かることがなく、電子部品の熱疲労を低減できる。
（４）請求項４の車載電子機器の冷却装置は、電子部品のヒートシンク温度と冷却液の液温とを比較して、ヒートシンク温度が冷却液の液温よりも高い場合に電子部品冷却流路を開くので、両者の温度差によりヒートシンクの熱は自ずと温度の低い冷却液側に伝導、吸収されて、電子部品を効果的に冷却する。
（５）請求項５の車載電子機器の冷却装置は、前記ヒートシンク温度が設定温度以下の場合に前記電子部品冷却流路を開かずに冷却液の流通を阻止し、電子部品の不必要な温度上昇を防止する。また、冷却液を無駄に流通させることによるエネルギーのロスを防止する。
（６）請求項６の車載電子機器の冷却装置は、バルブに電動制御バルブを使用したので、バルブの開閉制御を容易に行うことができる。

図１は本発明の車載電子機器の冷却装置２１の概略構成を示すブロック図である。本発明の車載電子機器の冷却装置２１と従来例として説明した図７に示す車載電子機器の冷却装置１との主たる相違点は、電子部品冷却流路３に、該流路３を開閉するバルブ１６を設け、電子部品１１のヒートシンク１４の温度が設定値以下の場合は電子部品冷却流路３を閉じ、設定値を超えた場合に電子部品冷却流路３を開く構成にしたことにあり、その他の構成は従来例の車載電子機器の冷却装置１と略同じであるが、説明を省略せずに本発明の車載電子機器の冷却装置２１の概略構成を説明する。

車載電子機器の冷却装置２１は、エンジン冷却流路（系統）２と、電子部品冷却流路（系統）３を備えている。

エンジン冷却流路２は、エンジン４に冷却液（図示省略）を供給、循環させるポンプ５と、エンジン４の熱を吸収して高温になった冷却液を冷却するラジエータ７と、サーモスタット弁８と、前記エンジン４、ポンプ５、ラジエータ７、サーモスタット弁８を接続している配管９と、を備えている。

配管９は、エンジン４とラジエータ７を接続する第１配管部９ａと、ラジエータ７とサーモスタット弁８を接続する第２配管部９ｂと、サーモスタット弁８とポンプ５を接続する第３配管部９ｃと、ポンプ５とエンジン４を接続する第４配管部９ｄと、第１配管部９ａとサーモスタット弁８を接続する第５配管部（バイパス通路）９ｅと、を備えている。

電子部品冷却流路３は、インバータ等の電子部品１１と、電子部品１１を冷却する液冷式冷却部１２および空冷式冷却部１３を備えたヒートシンク１４と、液冷式冷却部１２をエンジン冷却流路２に接続する配管１５と、を備えている。

配管１５は、液冷式冷却部１２とポンプ５を接続する第７配管部１５ａと、液冷式冷却部１２と前記第１配管部９ａを接続する第８配管部１５ｂと、を備えていて、該第８配管部１５ｂには、前記バルブ１６が設けられている。

前記バルブ１６は、ヒートシンク１４の温度が設定値以下の場合は電子部品冷却流路３を閉じ、設定値を超えた場合に電子部品冷却流路３を開く。前記バルブ１６には電気指令によって開閉作動する電動制御弁が用いられている。

図２は発熱性を伴う電子部品１１の断面図である。電子部品１１は、ＩＧＢＴ、ＦＥＴやダイオード等の半導体素子３１を熱伝導性の良い絶縁基板３２に搭載することやコンデンサ３４等を液冷式冷却部１２の上方空間に配置し、これらをカバー３５で覆うことにより形成されている。なお、熱伝導性の良い絶縁基板３２は、例えば金属板と絶縁材料との組み合わせでもよい。

液冷式冷却部１２は、扁平な箱型の流路内に多数のフィン（図示省略）を設けること、もしくは、扁平な箱型に冷却液が通流する複数の貫通穴を設けることにより形成されていて、一側面１２ｂには、第１接続口１２ｃが設けられ、他側面１２ｄには、第２接続口１２ｅが設けられている。そして、前記第１接続口１２ｃは、前記第７配管部１５ａに接続され、前記第２接続口１２ｅは、前記第８配管部１５ｂに接続されている。

また、空冷式冷却部１３は、液冷式冷却部１２の下方１２ｆに多数のフィン（図示省略）を設けることにより形成されていて、冷却風を前記フィンに当てることにより前記液冷式冷却部１２を介して前記電子部品１１の半導体素子３１等を冷却する。

ヒートシンク１４の液冷式冷却部１２の上面１２ａには温度センサ３６が取り付けられていて、該温度センサ３６によりヒートシンク１４の温度が検出されて、該検出温度は車載電子機器の冷却装置２１の制御装置（図示省略）に入力される。

そして、ヒートシンク１４の温度が設定値以下の場合は前記制御装置によりバルブ１６を閉じて電子部品冷却流路１５を閉塞し、設定値を超えた場合にバルブ１６を開いて電子部品冷却流路１５を開放する。

次に、車載電子機器の冷却装置２１の作用について説明する。自動車のエンジン４を起動し、ヒートシンク１４の温度が設定値以下、例えば８０℃以下の場合には、バルブ１６は閉じられて、冷却液の液冷式冷却部１２への供給は阻止される。一方、冷却液は８０℃になるまでエンジン４で温められ、第５配管部（バイパス）９ｅを介して循環する。冷却液の温度が８０℃を更に所定の温度超えると、冷却液はラジエータ７に供給されて冷却される。

一方、半導体素子３１の発熱によりヒートシンク１４の温度が設定値である８０℃を超えた場合には、前記バルブ１６は、電子部品冷却流路１５を開く。

従って、ポンプ５から送り出された冷却液の一部は、第７配管部１５ａを介して液冷式冷却部１２に供給されて半導体素子３１を冷却する。第７配管部１５ａは、エンジン４の手前で分岐されているので、エンジン４を冷却する前の比較低温（８０℃前後）の冷却液を液冷式冷却部１２に導いて半導体素子３１等を効果的に冷却する。

実施例の車載電子機器の冷却装置２１は、上述のような構成であって、ヒートシンク温度が設定値以下の場合はバルブ１６で電子部品冷却流路１５を閉じ冷却液を液冷式冷却部１２に流さずに、専ら空冷式冷却部１３を使用して冷却を行うので、例えば−４０℃の極低温環境下におけるエンジン起動後に発生する車載電子機器の大きな温度変化（−４０℃〜＋８０℃）を回避することができる。これにより車載電子機器の熱疲労を抑制し、車載電子機器の破損を防止する。また、ヒートシンク１４の温度が設定値以上になった場合には、バルブ１６を開き、冷却液を液冷式冷却部１２に流して、冷却を行うので車載電子機器の周囲の温度が車載電子機器の耐熱温度以上になり、空冷式冷却部１３では冷却することができなくなった場合でも、冷却液への放熱により車載電子機器の温度上昇を抑制することが可能になる。

なお、前記実施例では、ヒートシンク１４の温度を検出し、ヒートシンク温度が設定値以下の場合は電子部品冷却流路１５を閉じ、設定値を超えた場合に電子部品冷却流路１５を開く構成にしたが、図３に示すように、半導体素子３１そのものの温度を温度センサ３６で検出し、或いは電子部品１１のカバー３５内の温度を温度センサ３６で検出して、半導体素子３１そのもの温度或いはカバー３の内部の空気温度が設定値以下の場合に電子部品冷却流路１５を閉じ、設定値を超えた場合に電子部品冷却流路１５を開く構成にしてもよい。図４に示すように、電子部品１１のカバー３５の外部に温度センサ３６を取り付け、カバー３５の外部の空気温度が設定値以下の場合に電子部品冷却流路１５を閉じ、設定値を超えた場合に電子部品冷却流路１５を開く構成にしてもよい。また、ヒートシンク温度と冷却液の液温とを比較し、ヒートシンク温度が冷却液の液温以下の場合に電子部品冷却流路１５を閉じ、冷却液の液温を超えた場合に電子部品冷却流路１５を開く構成にしてもよい。この場合に、ヒートシンク温度が冷却液の液温よりも設定温度以上高い場合（或いは低い場合）に、電子部品冷却流路１５を開き、ヒートシンク温度が設定温度以下の場合には電子部品冷却流路１５を開かないように制御する構成にしてもよい。

また、前記実施例では、バルブ１６を液冷式冷却部１２よりも下流の電子部品冷却流路１５の第８配管部１５ｂに設けた場合を示したが、バルブ１６は液冷式冷却部１２よりも上流の電子部品冷却流路１５の第７配管部１５ａに設けてもよい。

本発明の車載電子機器の冷却装置の概略構成を示すブロック図。 車載電子機器の一例を示す断面図。 車載電子機器の他の例を示す断面図。 車載電子機器の他の例を示す断面図。 空冷式冷却部の一例を示す説明図。 液冷式冷却部の一例を示す説明図。 冷却液の共用化を図った車載電子機器の冷却装置の説明図。

符号の説明

１，２１…車載電子機器の冷却装置
２…エンジン冷却流路
３…電子部品冷却流路
４…エンジン
５…ポンプ
７…ラジエータ
８…サーモスタット弁
９…配管
９ａ〜９ｆ…第１〜第６配管部
１１…電子部品
１２…液冷式冷却部
１３…空冷式冷却部
１４…ヒートシンク
１５…配管
１５ａ，１５ｂ…第７，第８配管部
１６…バルブ
３１…ＩＧＢＴやダイオード等の半導体素子
３２…絶縁基板
３４…コンデンサ
３５…カバー
３６…温度センサ

Claims (6)

1. エンジン冷却流路と電子部品冷却流路とを備え、共通の冷却液を用いて自動車に搭載された電子部品を冷却する車載電子機器の冷却装置において、
   前記冷却液を前記電子部品のヒートシンクの液冷式冷却部に導く電子部品冷却流路に、該流路を開閉するバルブを設けたことを特徴とする車載電子機器の冷却装置。
2. 前記バルブは、前記電子部品のヒートシンク温度が設定値以下の場合は前記電子部品冷却流路を閉じ、設定値を超えた場合に前記電子部品冷却流路を開くことを特徴とする請求項１に記載の車載電子機器の冷却装置。
3. 前記バルブは、前記電子部品の温度、前記電子部品のヒートシンク温度、前記電子部品のカバー内部の空気温度、前記電子部品のカバー外部の空気温度のうち、少なくとも１つ以上の温度が設定値以下の場合に前記電子部品冷却流路を閉じ、少なくとも１つ以上の温度が設定値を超えた場合に前記電子部品冷却流路を開くことを特徴とする請求項１に記載の車載電子機器の冷却装置。
4. 前記バルブは、前記電子部品のヒートシンク温度と前記冷却液の液温とを比較し、前記ヒートシンク温度が前記冷却液の液温よりも高い場合に前記電子部品冷却流路を開くことを特徴とする請求項１に記載の車載電子機器の冷却装置。
5. 前記バルブは、前記ヒートシンク温度が設定温度以下の場合に前記電子部品冷却流路を開かない構成にしたことを特徴とする請求項４に記載の車載電子機器の冷却装置。
6. 前記バルブは、電動制御バルブであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の車載電子機器の冷却装置。

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