JP2010278130A - Cooling device for power device, and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パワーデバイスの冷却装置及び当該パワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a power device cooling apparatus and a fuel cell system including the power device cooling apparatus.
例えば自動車等の車両に搭載される燃料電池システムには、各種駆動制御等を行うためのインテリジェントパワーモジュール(以下、「IPM」とする。)や、各種制御回路等に設けられるリアクトル等のパワーデバイスが設けられている。当該パワーデバイスは、作動により発熱するため、冷却装置が必要になる。例えば図8に示すようにパワーデバイス100の冷却は、冷媒が流れる冷媒流路101を設け当該冷媒流路101の外側面にパワーデバイス100を密着させることにより行われている。
For example, in a fuel cell system mounted on a vehicle such as an automobile, an intelligent power module (hereinafter referred to as “IPM”) for performing various drive controls and a power device such as a reactor provided in various control circuits. Is provided. Since the power device generates heat upon operation, a cooling device is required. For example, as shown in FIG. 8, the cooling of the
しかしながら、上述の冷却方法では、冷媒がパワーデバイス100に沿って一方向に流れながら、パワーデバイス100を冷却するため、下流側に行くにつれて次第に冷媒温度が上昇する。このため、パワーデバイス100の下流側に位置する部分の冷却が効果的に行われないことがある。また、冷媒が冷媒流路101に沿って一方向に流れるため、冷媒流路101の壁面付近の温度境界層が厚くなり、熱の輸送量がその分少なくなる。かかる問題を解決するために、冷却流路を大きくし冷媒の流量を増やすことが考えられるが、その場合、冷却装置が大型化し、コストも上がる。
However, in the above-described cooling method, the refrigerant temperature gradually increases toward the downstream side in order to cool the
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、装置の大型化やコストの増大を防止しつつ、パワーデバイスの冷却性能を向上できるパワーデバイスの冷却装置及び当該パワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システムを提供することをその目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and includes a power device cooling device and a power device cooling device capable of improving the cooling performance of the power device while preventing an increase in size and cost of the device. Another object is to provide a fuel cell system.
上記目的を達成させるための本発明は、パワーデバイスを冷却する冷却装置であって、一の面にパワーデバイスが設けられ、内部に冷媒が通過する冷却部を有し、前記冷却部は、内部を前記パワーデバイス側の一の空間とその反対側の他の空間に分ける仕切り板と、前記他の空間に通じる冷媒流入口と、前記一の空間に通じる冷媒流出口を有し、前記仕切り板は、前記他の空間と前記一の空間を連通させる複数の冷媒通過孔を有することを特徴とする。 The present invention for achieving the above object is a cooling device for cooling a power device, wherein the power device is provided on one surface, and has a cooling part through which a refrigerant passes. A partition plate that divides the space into one space on the power device side and another space on the opposite side, a refrigerant inlet that leads to the other space, and a refrigerant outlet that leads to the one space, Has a plurality of refrigerant passage holes for communicating the other space with the one space.
以上の実施の形態によれば、冷媒が仕切り板の複数の冷媒通過孔を通じて冷却部内の他の空間からパワーデバイス側の一の空間に流れるので、冷媒がパワーデバイスのある一の面に向かって流れる。この結果、例えばパワーデバイスの全体に低温の冷媒を供給できるので、パワーデバイス全体の冷却を効果的に行うことができる。また、冷却部内のパワーデバイス側の一の面付近の温度境界層が薄くなるため、パワーデバイスの冷却が効率的に行われる。さらに、冷却部の内部に、冷媒の流れの向きを変える仕切り板を設けるので、冷却装置が大型化することなくコストも増大しない。よって、冷却装置の大型化やコストの上昇を防止しつつ、パワーデバイスの冷却性能を向上できる。 According to the above embodiment, since the refrigerant flows from the other space in the cooling unit to the one space on the power device side through the plurality of refrigerant passage holes of the partition plate, the refrigerant is directed to one surface where the power device is located. Flowing. As a result, for example, since the low-temperature refrigerant can be supplied to the entire power device, the entire power device can be effectively cooled. Moreover, since the temperature boundary layer near one surface in the cooling unit near the power device is thinned, the power device is efficiently cooled. Furthermore, since the partition plate that changes the flow direction of the refrigerant is provided inside the cooling unit, the cooling device is not increased in size and the cost is not increased. Therefore, it is possible to improve the cooling performance of the power device while preventing an increase in size and cost of the cooling device.
前記冷却部は、直方体状に形成され、前記一の面に垂直な一の側面に前記冷媒流入口が形成され、当該一の側面に対向する他の側面に前記冷媒流出口が形成されていてもよい。 The cooling part is formed in a rectangular parallelepiped shape, the refrigerant inlet is formed on one side surface perpendicular to the one surface, and the refrigerant outlet is formed on the other side surface facing the one side surface. Also good.
前記冷媒通過孔には、冷媒を前記パワーデバイス側の所定方向に向けて流すためのガイドが形成されていてもよい。 A guide for flowing the refrigerant in a predetermined direction on the power device side may be formed in the refrigerant passage hole.
前記ガイドは、前記仕切り板の一部を立ち上げることにより形成されていてもよい。 The guide may be formed by raising a part of the partition plate.
別の観点による本発明は、上記パワーデバイスの冷却装置を備えた燃料電池システムである。 Another aspect of the present invention is a fuel cell system including the cooling device for the power device.
本発明によれば、冷却装置の大型化やコストの上昇を防止しつつ、冷却装置のパワーデバイスの冷却性能を向上できる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the cooling performance of the power device of a cooling device can be improved, preventing the enlargement of a cooling device and a raise of cost.
以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態について説明する。図1は、本実施の形態に係るパワーデバイスの冷却装置1が搭載される燃料電池システム2の構成の概略を示す説明図である。本実施の形態では、燃料電池システム2を燃料電池車両(移動体)の車載発電システムに適用した例について説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram showing an outline of the configuration of a
燃料電池システム2は、図1に示すように、反応ガス(酸化ガス及び燃料ガス)の供給を受けて電力を発生する燃料電池10と、燃料電池10に酸化ガス(例えば空気)を供給する酸化ガス配管系11と、燃料電池10に燃料ガスとしての水素ガスを供給する水素ガス配管系12等を備えている。
As shown in FIG. 1, the
燃料電池10は、反応ガスの供給を受けて発電する単電池(単セル)を所要数積層して構成したスタック構造を有している。 燃料電池10には、例えばパワーデバイスとしてのIPM14や、発電された電力が供給される負荷部15等が接続されている。本実施の形態にかかる冷却装置1は、このIPM14を冷却するものである。
The
酸化ガス配管系11は、例えば加湿器20と、加湿器20により加湿された酸化ガスを燃料電池10に供給するガス供給流路21と、燃料電池10から排出された酸化オフガスを加湿器20に送るガス排出流路22と、加湿器20の酸化オフガスを外部に排出するガス排気流路23を備えている。ガス供給流路21には、大気中の酸化ガスを取り込んで加湿器20に圧送するコンプレッサ24等が設けられている。
The oxidizing
水素ガス配管系12は、例えば高圧(例えば70MPa)の水素ガスを貯留した燃料供給源としての水素タンク30と、水素タンク30の水素ガスを燃料電池10に供給するためのガス供給流路31と、燃料電池10から排出された水素オフガスをガス供給流路31に戻すための循環流路32を備えている。
The hydrogen
ガス供給流路31には、例えば水素タンク30の元弁として機能し、水素タンク30から燃料電池10側への水素ガスの供給を遮断又は許容する遮断弁33と、水素ガスの圧力を予め設定した二次圧に減圧するレギュレータ34と、燃料電池10側に供給する水素ガスの流量やガス圧を高精度に調整するインジェクタなどの調圧装置35が設けられている。
For example, the gas
循環流路32には、例えば水素オフガスから水や不純物を除去するイオン交換器36と、循環流路32内の水素オフガスを加圧してガス供給流路31側へ圧送する水素ポンプ37が設けられている。イオン交換器36には、イオン交換器36により分離された水や一部の水素オフガスを外部に排出する排出流路38が接続されている。当該排出流路38には、イオン交換器36からの水や一部の水素オフガスの排出を制御する排出制御弁39が設けられている。
The
負荷部15には、トラクションモータのほかに、燃料電池10を作動させるために必要なコンプレッサ24、水素ポンプ37、及び図示しない冷媒循環用のポンプ等の補機装置のモータ、並びに、車両の走行に関与する各種装置(車輪制御部、操舵装置、懸架装置等)で使用されるアクチュエータ、空調装置、照明及びオーディオ等が含まれる。
In addition to the traction motor, the
次に、以上のように構成された燃料電池システム2に搭載された冷却装置1の構成について説明する。
Next, the configuration of the
冷却装置1は、例えば図2に示すようにIPM14が取り付けられる冷却部50と、冷却部50に冷媒を供給する冷媒供給部51と、冷却部50と冷媒供給部51とを接続する管路52を有している。
For example, as shown in FIG. 2, the
冷却部50は、例えば図3に示すように方盤状の直方体形状を有し、面積の大きい方形の一の面としての上面50a上に複数のIPM14が密着されている。IPM14は、例えば上面50a面内に偏りなく、均等に配置されている。なお、IPM14と上面50aとの密着は、グリースを介在して行われていてもよい。
The
図2及び図3に示すように冷却部50の一の側面50bには、供給側の管路52が接続された冷媒流入口60が形成され、一の側面50bに対向する他の側面50cには、排出側の管路52が接続された冷媒流出口61が形成されている。冷媒流入口60は、一の側面50bの長手方向(図3のX方向)の一の端部寄りに配置され、冷媒流出口61は、他の側面50cの長手方向の一の端部と反対の他の端部寄りに配置されている。
As shown in FIGS. 2 and 3, a
冷却部50の内部には、図2に示すように上面50a及び下面50dに平行な仕切り板70が設けられている。仕切り板70は、例えば冷却部50の内部の上下方向の中間位置程度に配置され、冷却部50の内部を、上面50a側の一の空間としての上部空間71と下面50d側の他の空間としての下部空間72に分けている。仕切り板70には、多数の冷媒通過孔73が形成されている。冷媒通過孔73には、冷媒を上面50aに対して垂直になる方向から衝突させるためのガイド74が形成されている。冷媒通過孔73は、例えば図4に示すように円形に形成され、仕切り板70の面内に偏りなく配置されている。冷媒通過孔73は、少なくともIPM14に対応する位置に形成されている。
Inside the cooling
冷媒流入口60は、図2に示すように例えば下部空間72に開口し、冷媒流出口61は、上部空間71に開口している。
As shown in FIG. 2, the
冷却装置1によりIPM14の冷却が行われる際には、冷媒供給部51の冷媒が管路52を通じて冷却部50に供給される。冷媒は、管路52から冷媒流入口60を通じて冷却部50内の下部空間72に流入する。このとき、冷媒は、例えば下部空間72内で対流する。そして、下部空間72の冷媒は、仕切り板70の多数の冷媒通過孔73を通じて仕切り板70の全体から上部空間71に流入する。このとき、冷媒は、例えば上面50aに向けて垂直方向から供給される。その後冷媒は、上部空間71において上面50aに衝突し、上部空間71を流れて冷媒流出口61を通じて管路52に排出される。管路52に流出した冷媒は、例えば冷媒供給部51に戻される。
When the
以上の実施の形態によれば、冷媒が仕切り板70の複数の冷媒通過孔73を通じて冷却部50内の下部空間72からIPM14側の上部空間71に流れるので、冷媒がIPM14のある上面50aに向かって流れる。この結果、例えばIPM14の全体に低温の冷媒を供給できるので、IPM14全体の冷却を効果的に行うことができる。また、冷却部50内のIPM14側の上面50a付近の温度境界層が薄くなるため、IPM14の冷却が効率的に行われる。さらに、冷却部50内に冷媒の流れの向きを変える仕切り板70を設けるので、冷却装置1が大型化することなくコストも増大しない。よって、冷却装置1の大型化やコストの上昇を防止しつつ、IPM14の冷却性能を向上できる。
According to the above embodiment, since the refrigerant flows from the
冷却部50は、直方体状に形成され、上面50aに垂直な一の側面50bに冷媒流入口60が形成され、一の側面50bに対向する他の側面50cに冷媒流出口61が形成されているので、冷媒がIPM14のある上面50a全体に適正に供給される。これにより、IPM14全体の冷却を適正に行うことができる。
The cooling
冷媒通過孔73には、冷媒をIPM14側の所定方向に向けて流すためのガイド74が形成されているので、冷媒を効率的にIPM14側に供給できる。
Since the
以上の実施の形態では、ガイド74が上面50aに対し垂直方向に向けられていたが、斜め上方に向けられていてもよい。例えば図5に示すようにガイド74が垂直方向より冷媒流出口61側に傾けるようにしてもよい。こうすることにより、例えばIPM14側の上面50aに十分に冷媒を供給しつつ、冷媒の流れを円滑にすることができ、冷却効率を向上できる。
In the above embodiment, the
上記実施の形態におけるガイド74は、図6及び図7に示すように仕切り板70の一部に切り込みを入れて、当該一部を立ち上げることにより形成されていてもよい。こうすることにより、仕切り板70を安価に製造することができ、冷却装置1のコストをさらに抑えることができる。
As shown in FIGS. 6 and 7, the
なお、上記実施の形態において、冷媒通過孔73は、円形に限られず、半円、楔形など他の形状であってもよい。
In the above-described embodiment, the
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious for those skilled in the art that various modifications or modifications can be conceived within the scope of the idea described in the claims, and these naturally belong to the technical scope of the present invention. It is understood.
以上の実施の形態では、燃料電池システム2のIPM14を冷却する冷却装置1について説明したが、燃料電池システム2内のリアクトルなどの他のパワーデバイスを冷却する場合にも本発明は適用できる。パワーデバイスは、冷却部50の上面50aに直接取り付けられていてもよいし、他の部材を介して間接的に取り付けられていてもよい。また、冷却装置1が搭載される燃料電池システムは、燃料電池車両以外の各種移動体(ロボット、船舶、航空機等)に適用したものであってもよい。また、燃料電池システムは、建物(住宅、ビル等)用の発電設備として用いられる定置用発電システムに適用したものであってもよい。さらに、冷却装置は、燃料電池システム以外のパワーデバイスの冷却にも適用できる。
In the above embodiment, the
本発明は、パワーデバイスの冷却装置において、装置の大型化とコストの上昇を防止しつつ、パワーデバイスの冷却性能を向上する際に有用である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for improving the cooling performance of a power device while preventing an increase in size and cost of the power device cooling apparatus.
1 冷却装置
2 燃料電池システム
14 IPM
50 冷却部
60 冷媒流入口
61 冷媒流出口
70 仕切り板
71 上部空間
72 下部空間
73 冷媒通過孔
1
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一の面にパワーデバイスが設けられ、内部に冷媒が通過する冷却部を有し、
前記冷却部は、内部を前記パワーデバイス側の一の空間とその反対側の他の空間に分ける仕切り板と、前記他の空間に通じる冷媒流入口と、前記一の空間に通じる冷媒流出口を有し、
前記仕切り板は、前記他の空間と前記一の空間を連通させる複数の冷媒通過孔を有することを特徴とする、パワーデバイスの冷却装置。 A cooling device for cooling a power device,
A power device is provided on one surface, and has a cooling part through which a refrigerant passes,
The cooling unit includes a partition plate that divides the interior into one space on the power device side and another space on the opposite side, a refrigerant inlet that leads to the other space, and a refrigerant outlet that leads to the one space. Have
The cooling device for a power device, wherein the partition plate has a plurality of refrigerant passage holes that allow the other space to communicate with the one space.
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