JP2010272870A - 水冷式クーラー及びこれを備えるインバータ - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水流路の折曲部位における冷却水の流速を均一にすることで水冷式クーラーの冷却性能を高めると共に、重量の増加を未然に防止して製造コストを低減することのできる水冷式クーラー、及びこれを備えるインバータを提供する。
【解決手段】少なくとも一側面には冷却水が流れるように入口１２２及び出口１２５を有する冷却水流路１２１が形成され、冷却水流路１２１の入口１２２と出口１２５との間には少なくとも１つの折曲面が形成され、前記折曲面は直線面に連続して形成され、前記直線面には冷却水流路１２１を複数のチャネルに区画するように少なくとも１つの冷却フィン１２４が形成される水冷式クーラー１２０において、前記折曲面が形成される冷却水流路１２１に、前記折曲面に沿って冷却水流路１２１を複数の流路に区画するように案内フィン１２３を形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、水冷式クーラーに関し、特に、電気自動車などに使用される水冷式インバータの冷却性能を最大化するために、冷却水流路を簡単にすると共に冷却効果を高めた水冷式クーラー、及びこれを備えるインバータに関する。

一般に、自動車用エンジンとして広く使用されているガソリン機関をはじめとする内燃機関は、燃料をシリンダ内で燃焼させることで発生する熱エネルギーを動力として利用する。このような内燃機関は、燃焼後に排出される排気ガス中に、燃焼による窒素酸化物と不完全燃焼による一酸化炭素や炭化水素などの有害な成分が含まれており、大気を汚染する。このような環境汚染問題や化石燃料の枯渇により、世界各国では太陽熱や電気などの代替エネルギーを利用した自動車用エンジンに関する研究が盛んに行われている。

このような代替エネルギーを利用した自動車用エンジンのうち最も実用化可能性が高いのが、電気エネルギーを利用して車両を駆動する方式の電気自動車用エンジンである。電気自動車用エンジンは、ガソリン機関のガソリンの代わりに、蓄電池から供給される電気によりモータを回転させ、このときに発生するモータの回転力を減速器により減速し、差動装置を介して左右の駆動輪に伝達することにより車両の走行を可能にする構造を有する。

電気自動車は、エネルギー源である蓄電池から供給される電気により駆動系を構成する駆動モータを駆動して車輪に動力を伝達する原理となっている。前記駆動系は、前記駆動モータとこれを制御するインバータとから構成され、構造特性及び作動特性により駆動過程で高熱を発するため、高熱を除去するための冷却システムを運用する。つまり、前記駆動系を冷却するための冷却システムにおいては、ラジエータ→冷却ポンプ→インバータ→駆動モータ→ラジエータの順に冷却水が循環する。

前記駆動系を構成する駆動モータは、耐久性が強く、ある程度熱に耐えるように設計されている。しかしながら、多くの電子チップから構成されたインバータは、熱に非常に敏感であるため、冷却が十分でない場合、前記インバータの作動や制御に悪影響を及ぼすだけでなく、素子を接合している半田が溶融して回路の接続不良を招くという問題が生じる。そして、前記インバータの本体の内部に設置される回路ボードは、通常、パワーモジュール、制御ボード、電源ボード、及び駆動ボードから構成され、特に、複数の電力スイッチング素子からなるパワーモジュールでほとんどの発熱が起こる。

そこで、従来は、インバータの本体を構成してその上面にパワーモジュールが結合されるクーラーの底面に冷却水流路を形成し、前記冷却水流路に冷却水を流して前記パワーモジュールを冷却する水冷式クーラーが用いられてきた。前記水冷式クーラーの冷却水流路は、冷却水ができるだけ長時間、広く接触するように、ジグザグ状に形成されている。また、前記冷却水流路の形状は、前記インバータの本体内に設置されるパワーモジュールの位置によって異なり、前記パワーモジュールを構成する電力スイッチング素子の数や位置によっても異なる。さらに、前記冷却水流路には、冷却水との接触面積を広くするために、冷却フィンが形成される。前記冷却フィンは、前記パワーモジュールの発熱量によって、発熱量の多い部分ではフィンのピッチが狭く、発熱量の少ない部分ではフィンのピッチが広く形成されている。

図７は従来の水冷式クーラーの冷却水流路を示す平面図である。

同図に示すように、従来の水冷式クーラー１の冷却水流路は、単一直線流路を形成する第１流路部１１と、第１流路部１１に連結されて単一曲線流路を形成する第２流路部１２と、第２流路部１２に連結されて直線流路を形成し、複数の冷却フィン１５により複数の流路（チャネル）を形成する第３流路部１３とからなる。

第１流路部１１は１つ形成され、第２流路部１２と第３流路部１３とは交互に複数形成されている。また、第１流路部１１は水冷式クーラー１の入口２に連結され、最後の第３流路部１３は水冷式クーラー１の出口３に連結されている。

このような従来の水冷式クーラー１においては、入口２から流入した冷却水が第１流路部１１と第２流路部１２を経て第３流路部１３に進入する。第３流路部１３に進入した冷却水は、第３流路部１３が複数の冷却フィン１５により複数の流路に分けられることによって、分配されて第３流路部１３を通過する。この過程で前記冷却水は、冷却フィン１５と接触し、パワーモジュールのように発熱量の多い部品を迅速に冷却する。そして、前記冷却水は、次の第２流路部１２と第３流路部１３とを交互に通過して出口３から排出される一連の過程を繰り返す。

しかしながら、このような従来の水冷式クーラーは、第２流路部１２、すなわち曲線流路の曲面部位で遠心力により冷却水が外側に集中することによって、冷却水の分布が均一にならないだけでなく、第２流路部１２で外側の流速が相対的に速いため、渦流が発生して冷却水の流動を阻害するという問題があった。これに鑑みて第２流路部１２にも複数の冷却フィンを形成してもよいが、この場合は、水冷式クーラー１の製造コストが上昇するだけでなく、重量が増加して水冷式クーラー１を備えるインバータが適用される電気自動車の重量も増加し、車両の性能が低下するという問題が生じる。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、インバータの内部に設置される水冷式クーラーの冷却水流路を改善することにより、冷却水が均一に分布して渦流の発生が防止されるようにして冷却効率が向上し、安価で軽量な水冷式クーラーを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、少なくとも一側面には冷却水が流れるように入口及び出口を有する冷却水流路が形成され、前記冷却水流路の入口と出口との間には少なくとも１つの折曲面が形成され、前記折曲面は直線面に連続して形成され、前記直線面には前記冷却水流路を複数のチャネルに区画するように少なくとも１つの冷却フィンが形成される水冷式クーラーにおいて、前記折曲面が形成される冷却水流路には、前記折曲面に沿って前記冷却水流路を複数の流路に区画するように案内フィンが形成されることを特徴とする水冷式クーラーを提供する。

ここで、前記案内フィンは、前記冷却フィンから一体に延び、その上流端が前記折曲面が始まる前に位置し、各折曲面に対応するように１つ形成される。

また、本発明は、少なくとも一側面には冷却水が流れるように入口及び出口を有する冷却水流路を含み、前記冷却水流路は、前記入口に直線状に連結される第１流路部と、前記第１流路部に折り曲げられて連結される第２流路部と、前記第２流路部に直線状に連結され、その内部に少なくとも１つの冷却フィンが形成されて複数の流路に区画される第３流路部とを含み、前記第２流路部には、前記第２流路部を複数の流路に区画するように案内フィンが形成されることを特徴とする水冷式クーラーを提供する。

ここで、前記案内フィンは、前記第１流路部の幅方向の広さを二等分する位置に形成され、前記案内フィンの上流端は、前記冷却フィンの上流端と平面上で重なるように形成される。

また、前記案内フィンの上流端は、一部が前記第１流路部に属するように形成され、前記冷却フィンの端部は、一部が前記第２流路部に属するように形成される。

そして、前記案内フィンは、前記冷却フィンから一体に延びて形成され、前記第１流路部の断面積は、前記第２流路部又は前記第３流路部の断面積より大きくない。

さらに、本発明は、発熱性の電気及び電子部品を備えるインバータ本体と、前記インバータ本体の内部に設置され、前記電気及び電子部品に接触して前記電気及び電子部品から発生する熱を冷却するための水冷式クーラーとを含み、前記水冷式クーラーは上記特徴を有することを特徴とするインバータを提供する。

本発明においては、冷却水流路の折曲部位や曲面部位に冷却水流路を両分する案内フィンを形成することにより、冷却水が外側に集中したり渦流が発生したりすることなく、冷却水流路において冷却水を均一に分布させることができる。従って、水冷式クーラーの冷却水流路の折曲部位や曲面部位に複数の冷却フィンを形成することなく、冷却水を均一に分布させることができ、安価で軽く、冷却効率の高い水冷式クーラーを提供することができる。

本発明による水冷式クーラーを備えるインバータの内部を示す斜視図である。 図１に示すインバータの水冷式クーラーの斜視図である。 図２に示す水冷式クーラーの平面図である。 図３に示す水冷式クーラーの要部拡大平面図である。 本発明による水冷式クーラーにおける冷却水の流動状態を説明するための平面図である。 本発明による水冷式クーラーにおける冷却水の流動状態をモジュレーションして示す平面図である。 従来の水冷式クーラーの冷却水流路を示す平面図である。

以下、本発明による水冷式クーラー及びこれを備えるインバータの好ましい実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明による水冷式クーラーを備えるインバータの内部を示す斜視図であり、図２は図１に示すインバータの水冷式クーラーの斜視図であり、図３は図２に示す水冷式クーラーの平面図であり、図４は図３に示す水冷式クーラーの要部拡大平面図である。

図１に示すように、本発明による水冷式クーラーを備えるインバータは、一面が開口したインバータ本体１１０と、インバータ本体１１０の内部に設置される水冷式クーラー１２０と、水冷式クーラー１２０の内部に設置されるパワーモジュール１３１やその他ボード１３２と、インバータ本体１１０の開口面を覆蓋するカバー１４０とを含む。

水冷式クーラー１２０は、一面が開口した箱状に形成してもよく、プレート状に形成してもよい。また、水冷式クーラー１２０は、アルミニウムのように熱伝導性に優れた材質で形成してもよい。そして、水冷式クーラー１２０は、後述する案内フィン１２３や冷却フィン１２４を形成しなければならないため、通常の砂型鋳造法ではなく、溶融金属を加圧して鋳造する方法、又は精密鋳型により精度の高い鋳物を鋳造する精密鋳造法などを用いることが好ましい。特に、高速大量生産、サイズの精度、表面の平滑度、鋳物の軽量化、切削加工の低減などの多くの利点があるダイカスト法を用いることがより好ましい。

水冷式クーラー１２０は、その外側面、すなわちインバータ本体１１０と接触する面には、パワーモジュール１３１などから発生する熱を冷却するための冷却水流路１２１が形成される。

通常、冷却水流路１２１は、水冷式クーラー１２０と冷却水の接触面積を広くし、接触時間を長くするために、ジグザグ状に形成される。しかしながら、冷却水流路１２１は、インバータ本体１１０内に設置されるパワーモジュール１３１の位置によって異なり、パワーモジュール１３１を構成する電力スイッチング素子の数や位置によっても異なる。

図２及び図３に示すように、冷却水流路１２１は、入口１２２に直線状に連結される第１流路部１２１ａと、第１流路部１２１ａに折り曲げられて連結され、後述する案内フィン１２３により複数の流路に区画される第２流路部１２１ｂと、第２流路部１２１ｂに直線状に連結され、その内部に少なくとも１つの冷却フィン１２４が形成されて複数の流路に区画され、出口１２５に連結される第３流路部１２１ｃとからなる。

第１流路部１２１ａは、その断面積が、第２流路部１２１ｂ又は第３流路部１２１ｃの断面積より小さく、入口１２２から第２流路部１２１ｂ方向へ行くほど次第に大きくなる形状に形成される。

第２流路部１２１ｂは、第１流路部１２１ａからほぼ直角に折り曲げられて形成され、その角部は曲面に形成される。また、第２流路部１２１ｂの断面積は、第１流路部１２１ａの断面積よりは大きく、第３流路部１２１ｃの断面積より小さくても大きくてもよい。そして、第２流路部１２１ｂには、案内フィン１２３が第２流路部１２１ｂとほぼ同じ形状に形成される。

案内フィン１２３は、冷却フィン１２４のうちほぼ中間に位置する冷却フィンから延びて形成され、案内フィン１２３の上流端、すなわち入口１２２に最も近接する端部は、図４に示すように、第１流路部１２１ａの範囲内に、すなわち直線部１２３ａを有するように形成されることが、第１流路部１２１ａにおいて冷却水を均等に分配できるので好ましい。また、案内フィン１２３は、複数形成してもよいが、この場合、屈曲した案内フィン１２３間の間隔が狭く、水冷式クーラー１２０の製作不良を招く恐れがあるため、各第２流路部１２１ｂに１つずつ形成することが好ましい。さらに、案内フィン１２３は、第２流路部１２１ｂを二等分（ｗ１＝ｗ２）するように断面の中央に形成することが好ましい。

そして、案内フィン１２３は、図４に示すように、その端部、すなわち冷却水の流動方向を基準に最も上流端に該当する端部を、冷却フィン１２４と平面上で重なる位置Ｌまで延びるように形成することが、冷却水が第１流路部１２１ａから第３流路部１２１ｃに直接流れたり、第２流路部１２１ｂにおいて外側流路に集中したりすることなく、第２流路部１２１ｂに均等に分配されて流れるので好ましい。

第３流路部１２１ｃは、第１流路部１２１ａとほぼ平行に形成され、その入口部及び出口部は狭く、入口部と出口部の間は相対的に広く形成される。また、第３流路部１２１ｃには、第３流路部１２１ｃを区画できるように、冷却フィン１２４が形成される。

冷却フィン１２４は、異なる間隔で形成してもよいが、冷却水を均一に分布させるためには、等間隔に形成することが好ましい。また、冷却フィン１２４は、パワーモジュール１３１の発熱量によって、発熱量の多い部分ではフィンのピッチを狭く、発熱量の少ない部分ではフィンのピッチを広く形成することが好ましい。

以下、前述のような本発明による水冷式クーラーの作用効果を説明する。

まず、インバータにおいて、制御ボード（符号なし）が前記インバータの外部から信号を受信して電源ボード（符号なし）に制御命令信号を伝達する。そして、前記制御ボードから前記電源ボードに伝達された信号は、駆動ボード（符号なし）に伝達され、パワーモジュール１３１のスイッチング作用を実現することにより、前記インバータを駆動する。このとき、パワーモジュール１３１からは熱が発生し、この熱は水冷式クーラー１２０を流れる冷却水と熱交換されて冷却される。

ここで、水冷式クーラー１２０に備えられる冷却水流路１２１は、ジグザグ状に形成されることにより、折曲部位や曲面部位では、遠心力により冷却水が冷却水流路１２１の外側に集中したり、流速差により渦流が発生したりする恐れがあるが、本発明においては、図５に示すように、冷却水流路１２１の折曲部位や曲面部位に冷却水流路１２１を両分する案内フィン１２３を形成することにより、冷却水が外側に集中したり渦流が発生したりすることなく、冷却水流路１２１において冷却水を均一に分布させることができる。従って、水冷式クーラー１２０の冷却水流路１２１の折曲部位や曲面部位（第２流路部１２１ｂ）に複数の冷却フィン１２４を形成することなく、冷却水を均一に分布させることができ、安価で軽く、冷却効率の高い水冷式クーラーを提供することができる。

図６は本発明による水冷式クーラーにおける冷却水の流動状態をモジュレーションして示す概略図である。同図に示すように、本発明による水冷式クーラー１２０は、第２流路部１２１ｂに案内フィン１２３が形成されることにより、第１流路部１２１ａを通過する冷却水が案内フィン１２３により第２流路部１２１ｂにおいて均等に分配され、さらに第３流路部１２１ｃに均一に流れる。従って、第２流路部１２１ｂにおいてその内側と外側の流速差が大きくないため、冷却水が一方に偏ることを未然に防止するだけでなく、渦流が発生することも未然に防止することにより、冷却水を均一に分布させることができる。

本発明による水冷式クーラーは、ハイブリッド自動車、燃料電池自動車、ゴルフカート、フォークリフトなどの電気自動車や、太陽光発電システム又は風力発電システムに使用されるインバータなどに適用することができる。

１１０ インバータ本体
１２０ 水冷式クーラー
１２１ 冷却水流路
１２１ａ 第１流路部
１２１ｂ 第２流路部
１２１ｃ 第３流路部
１２２ 入口
１２３ 案内フィン
１２３ａ 直線部
１２４ 冷却フィン
１２５ 出口
１３１ パワーモジュール
１３２ その他ボード
１４０ カバー

Claims (12)

1. 少なくとも一側面には冷却水が流れるように入口及び出口を有する冷却水流路が形成され、前記冷却水流路の入口と出口との間には少なくとも１つの折曲面が形成され、前記折曲面は直線面に連続して形成され、前記直線面には前記冷却水流路を複数のチャネルに区画するように少なくとも１つの冷却フィンが形成される水冷式クーラーにおいて、
   前記折曲面が形成される冷却水流路には、前記折曲面に沿って前記冷却水流路を複数の流路に区画するように案内フィンが形成されることを特徴とする水冷式クーラー。
2. 前記案内フィンは、前記冷却フィンから一体に延びて形成されることを特徴とする請求項１に記載の水冷式クーラー。
3. 前記案内フィンは、その上流端が前記折曲面が始まる前に位置するように形成されることを特徴とする請求項１に記載の水冷式クーラー。
4. 前記案内フィンは、各折曲面に対応するように１つ形成されることを特徴とする請求項１に記載の水冷式クーラー。
5. 少なくとも一側面には冷却水が流れるように入口及び出口を有する冷却水流路を含み、
   前記冷却水流路は、
   前記入口に直線状に連結される第１流路部と、
   前記第１流路部に折り曲げられて連結される第２流路部と、
   前記第２流路部に直線状に連結され、その内部に少なくとも１つの冷却フィンが形成されて複数の流路に区画される第３流路部とを含み、
   前記第２流路部には、前記第２流路部を複数の流路に区画するように案内フィンが形成されることを特徴とする水冷式クーラー。
6. 前記案内フィンは、前記第１流路部の幅方向の広さを二等分する位置に形成されることを特徴とする請求項５に記載の水冷式クーラー。
7. 前記案内フィンの上流端は、前記冷却フィンの上流端と平面上で重なるように形成されることを特徴とする請求項５に記載の水冷式クーラー。
8. 前記案内フィンの上流端は、一部が前記第１流路部に属するように形成されることを特徴とする請求項７に記載の水冷式クーラー。
9. 前記冷却フィンの端部は、一部が前記第２流路部に属するように形成されることを特徴とする請求項７に記載の水冷式クーラー。
10. 前記案内フィンは、前記冷却フィンから一体に延びて形成されることを特徴とする請求項５に記載の水冷式クーラー。
11. 前記第１流路部の断面積は、前記第２流路部又は前記第３流路部の断面積より大きくないことを特徴とする請求項５に記載の水冷式クーラー。
12. 発熱性の電気及び電子部品を備えるインバータ本体と、
    前記インバータ本体の内部に設置され、前記電気及び電子部品に接触して前記電気及び電子部品から発生する熱を冷却するための水冷式クーラーとを含み、
    前記水冷式クーラーは、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の特徴を有することを特徴とするインバータ。