JP2015144218A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体部材が熱劣化することを抑制した冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却流体タンクと、
駆動部材を冷却する駆動部材冷却部と、
半導体部材を冷却する半導体部材冷却部と、
冷却流体が、前記冷却流体タンクと、前記駆動部材冷却部と、前記半導体部材冷却部と、の間を循環するように形成された冷却流体循環路と、
前記冷却流体循環路上に設けられ、前記冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプと、
前記半導体部材に設けられた第１の温度検出手段と、
前記駆動部材冷却部の冷却媒体の温度を検出する第２の温度検出手段と、
前記第１の温度検出手段で検出した温度と、前記第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記ポンプを駆動するポンプ駆動モータへ運転条件を指示する指令器と、を備えた冷却装置
【選択図】図２

Description

本発明は冷却装置に関するものである。

インバータ等の半導体部材や、トランスアクスル等を含む駆動部材を冷却するための冷却装置において、半導体部材を冷却する半導体部材冷却部、駆動部材を冷却する駆動部材冷却部、ラジエータ、冷却流体タンク、の間で冷却流体を循環させる構成とする場合がある。このような構成の冷却装置では、高負荷運転後に冷却装置を停止することで発熱量の大きな駆動部材を冷却する駆動部材冷却部付近の冷却流体の温度が、他の位置の冷却流体の温度よりも高温になり、冷却流体に温度差が生じることがある。この場合、該冷却装置を再度起動すると半導体部材冷却部に駆動部材冷却部からの高温の冷却流体が流れることとなる。このため、インバータ等の半導体部材に温度差の大きい冷却流体が流れ、半導体部材が大きな温度変化にさらされるため熱劣化する場合があった。

特許文献１には、冷却流体を循環させてインバータを冷却する冷却装置の冷却流体循環不良を検出する冷却異常検知装置が開示されている。具体的には、インバータ温度検出手段でインバータの素子温度を検出し、流体温度検出手段で冷却流体の温度を検出する。そして、循環不良判断手段で、インバータ温度検出手段で検出したインバータ温度と、流体温度検出手段で検出した流体温度との温度差に基づいて、冷却流体の循環不良が発生しているか否かを判断する、冷却異常検知装置が開示されている。

特開２０１０−１５３５６７号公報

しかしながら、特許文献１に開示された冷却異常検知装置は、冷却流体の漏れなどによる冷却流体の循環不良を検知するものであり、冷却流体に生じた温度差によるインバータ等の半導体部材の熱劣化を抑制することはできなかった。

そこで、本発明は、半導体部材が熱劣化することを抑制した冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、冷却流体タンクと、
駆動部材を冷却する駆動部材冷却部と、
半導体部材を冷却する半導体部材冷却部と、
冷却流体が、前記冷却流体タンクと、前記駆動部材冷却部と、前記半導体部材冷却部と、の間を循環するように形成された冷却流体循環路と、
前記冷却流体循環路上に設けられ、前記冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプと、
前記半導体部材に設けられた第１の温度検出手段と、
前記駆動部材冷却部の冷却流体の温度を検出する第２の温度検出手段と、
前記第１の温度検出手段で検出した温度と、前記第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記ポンプを駆動するポンプ駆動モータへ運転条件を指示する指令器と、を備えた冷却装置を提供する。

本発明によれば、半導体部材が熱劣化することを抑制した冷却装置を提供することができる。

従来の冷却装置の冷却系統の構成説明図。 本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の冷却系統の構成説明図。 本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の冷却系統の構成説明図。 本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の冷却系統の構成説明図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

［第１の実施形態］
本実施形態では、本発明の冷却装置の一構成例について説明する。

ここでまず、比較のため従来の冷却装置の構成例について図１を用いて説明する。

図１は従来の冷却装置１０の冷却系統を示しており、冷却装置１０は、冷却流体を貯留する冷却流体タンク１１と、駆動部材を冷却する駆動部材冷却部１２と、半導体部材を冷却する半導体部材冷却部１３と、を備えている。そして、冷却流体タンク１１と、駆動部材冷却部１２と、半導体部材冷却部１３との間を循環するように冷却流体循環路が設けられている。冷却流体循環路上には、冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプ１４が設けられている。なお、冷却流体循環路上には各冷却部を通過して受熱した冷却流体を冷却するため、放熱器であるラジエータ１５を配置することができ、例えば図１に示したように、駆動部材冷却部１２と、半導体部材冷却部１３との間に配置することができる。

上述のような冷却系統を有する冷却装置においては従来、冷却流体は常に一定方向に循環するように構成されていた。具体的には例えば図１に矢印で示したように、冷却流体が、冷却流体タンク１１から、ポンプ１４により、駆動部材冷却部１２、ラジエータ１５、半導体部材冷却部１３、をその順に循環され、再び冷却流体タンク１１に戻る構成がとられていた。

しかしながら、例えば、該冷却装置を搭載した車両において高負荷運転を行うと、駆動部材が高温になる。そして、駆動部材が高温なまま該冷却装置を停止した場合、冷却流体の循環が停止されるため、駆動部材冷却部１２における冷却流体の温度が高くなる。また、駆動部材冷却部１２における冷却流体の温度と、駆動部材冷却部１２以外の部分における冷却流体の温度との間に温度差が生じる。冷却流体に温度分布を有した状態で冷却装置を再度起動すると、半導体部材冷却部１３に駆動部材冷却部１２で加熱された冷却流体が供給されるため、半導体部材は大きな温度変化にさらされる。このため、半導体部材やその構成部材に熱応力が加わり半導体部材に熱劣化を生じる場合があった。なお、図１に示したように駆動部材冷却部１２と半導体部材冷却部１３との間にラジエータ１５を配置しても起動時は冷却能力が十分ではなく、上記熱劣化を抑制できていなかった。

そこで本実施形態の冷却装置は、半導体部材が熱劣化することを抑制した冷却装置を提供する。具体的な構成について、図２を用いて説明する。

図２は、本実施形態の冷却装置２０の冷却系統を模式的に示したものである。図２に示した本実施形態の冷却装置２０は、冷却流体を貯留する冷却流体タンク２１と、駆動部材を冷却する駆動部材冷却部２２と、半導体部材を冷却する半導体部材冷却部２３とを有している。そして、冷却流体が、冷却流体タンク２１と、駆動部材冷却部２２と、半導体部材冷却部２３との間を循環するように形成された、図中Ａ〜Ｅで示された冷却流体循環路を有している。この際、図２に示したように、冷却流体循環路上には、冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプ２４を設けることができる。また、各冷却部を通過する際、受熱した冷却流体を冷却するためのラジエータ２５を配置することができる。冷却流体循環路上の各部材の配置は特に限定されるものではないが、例えば、図２に示したように、冷却流体タンク２１に接続された冷却流体循環路の一方の側から順に、ポンプ２４、駆動部材冷却部２２、ラジエータ２５、半導体部材冷却部２３の順に配置できる。

さらに、半導体部材に設けられた図示しない第１の温度検出手段と、駆動部材冷却部の冷却流体の温度を検出する図示しない第２の温度検出手段と、を配置することができる。そして、第１の温度検出手段で検出した温度と、第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて、ポンプ２４を駆動するポンプ駆動モータへ運転条件を指示する指令器２６を有することができる。

上述した冷却装置を構成する各部材について説明する。

冷却流体タンク２１は、冷却流体を貯留するタンクであり、その具体的な構成については特に限定されるものではない。用いる冷却流体についても特に限定されるものではなく、任意の冷却流体を用いることができ、例えば水や、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）等の不凍液等を好ましく用いることができる。

駆動部材冷却部２２は、駆動部材を冷却するため、冷却流体と駆動部材との間で熱交換可能に構成されていればよく、具体的な構成については特に限定されるものではない。なお、駆動部材冷却部２２は独立の部材として設けずに、駆動部材と一体として形成することもできる。

駆動部材冷却部２２の冷却の対象である駆動部材としては特に限定されない。本実施形態の冷却装置は自動車等の各種車両に好ましく用いることができるため、例えば上述のように、本冷却装置を車両に搭載した場合、駆動部材としては、駆動し、高負荷運転を行った場合に生じる熱量が半導体部材等よりも大きい部材が挙げられる。具体的には例えば、トランスアクスル（以下、「Ｔ／Ａ」とも記載する）等が挙げられる。また、ここでいう駆動部材には、駆動部材を冷却して駆動部材冷却部に熱を伝熱する冷却部材も含まれる。駆動部材に含まれる冷却部材として例えば、オイルクーラ（以下、「Ｏ／Ｃ」とも記載する）等が挙げられる。

半導体部材冷却部２３は、半導体部材を冷却するため、冷却流体と半導体部材との間で熱交換可能に構成されていればよく、具体的な構成については特に限定されるものではない。なお、半導体部材冷却部２３は独立の部材として設けずに、半導体部材と一体として形成することもできる。半導体部材冷却部２３の冷却の対象である半導体部材についても特に限定されるものではなく、例えば、冷却を要する各種半導体や、冷却を要する各種半導体を含む部材を挙げることができる。具体的には例えば、インバータ等を挙げることができ、特にＩＧＢＴ（絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ）モジュールを挙げることができる。

ポンプ２４についても特に限定されるものではなく、冷却流体を冷却流体タンクから冷却流体循環路に供給できるように構成されていればよい。特に、本実施形態においては、後述する指令器２６からの指示に基づいて、ポンプ２４を駆動するポンプ駆動モータの運転条件を変化させ、冷却流体を任意の方向、速度で冷却流体循環路上に供給できるように構成されることが好ましい。

ラジエータ２５については、冷却流体循環路上に循環される冷却流体を冷却できるように構成されていればよく、具体的な構成については特に限定されるものではない。

半導体部材に設けられた図示しない第１の温度検出手段は、半導体部材の温度を検出できればよく、構成は特に限定されないが、例えば、半導体部材上にオンチップの温度センサとして設けることができる。

また、駆動部材冷却部の冷却媒体の温度を検出する第２の温度検出手段についても、駆動部材冷却部の冷却流体の温度を検出できればよく、具体的な構成については特に限定されるものではない。例えば熱電対等の各種温度センサを用いることができる。

指令器２６は、第１の温度検出手段で検出した温度と、第２の温度検出手段で検出した温度に基づいてポンプ駆動モータへ運転条件を指示する。この際、ポンプ駆動モータへ指示する運転条件としては、例えば、回転方向および／または回転速度が挙げられる。

上述のように、本実施形態の冷却装置を搭載した車両において高負荷運転を行った後、該冷却装置を停止した場合、冷却流体の循環が停止され、駆動部材が高温になっているため、駆動部材冷却部２２における冷却流体の温度が高くなる。この後再度起動する際に例えば、図２の矢印Ｘの方向に冷却流体を供給すると、従来技術のように半導体部材冷却部２３の方に加熱された冷却流体が供給されるため、半導体部材は大きな温度変化にさらされ、半導体部材の熱劣化を生じる恐れがある。

そこで、本実施形態の冷却装置においては、冷却流体に半導体部材に熱劣化を生じる恐れがある程度の温度差が生じたと判断した場合には、指令器２６は矢印Ｙの方向に冷却流体を供給するよう指令を出すことができる。すなわち、冷却装置の通常の運転時とは逆方向に冷却流体を供給することができる。

この場合、駆動部材冷却部２２周辺に生じた高温の冷却流体は半導体部材冷却部２３に供給される前に冷却流体タンク２１に供給され、冷却流体タンク２１内の低温の冷却流体と混合されることにより温度が他の冷却流体と略均一化される。このため、半導体部材が大きな温度変化にさらされて熱劣化することを抑制できる。そして、所定のタイミングで、通常の冷却流体の供給方向である矢印Ｘの方向に冷却流体の供給方向を変更するようポンプ駆動モータに対して指示を出すこともできる。矢印Ｘの方向、すなわち通常の方向に冷却流体の供給方向を切り替えるタイミングは特に限定されるものではなく、例えば冷却流体が逆方向に１循環したと判断できる時間を経過後に切り替えることができる。また、例えば第１の温度検出手段の検出温度や、第２の温度検出手段の温度検出温度等に基づいて切り替えることもできる。

また、矢印Ｙの方向に冷却流体を供給する場合に、冷却流体タンク２１内で冷却流体が十分に混合されるようにポンプ駆動モータの回転速度についても選択し、指令器２６からポンプ駆動モータに対して指示を出すこともできる。具体的には例えば通常の運転時よりも回転速度を遅くし、冷却流体タンク２１内で冷却流体が十分に混合されるようにポンプ駆動モータに対して指示を出すこともできる。

なお、冷却流体に、半導体部材に熱劣化を生じる恐れがある程度の温度差が生じたと判断する方法は特に限定されないが、例えば第１、第２の温度検出手段の検出温度から判断することができる。具体的には例えば、第１の温度検出手段の検出温度が設定閾値を超えた場合に、第１の温度検出手段の検出温度と、第２の温度検出手段の検出温度と、の差を算出する。そして、該温度差が予め規定した基準値を超えた場合に冷却流体に半導体部材に熱劣化を生じる恐れがある程度の温度差が生じたと判断することができる。すなわち、例えば本実施形態の冷却装置を搭載した車両が高負荷運転を行ったと判断することができる。この際の第１の温度検出手段の検出温度の設定閾値や、第１、第２の温度検出手段の検出温度の温度差の基準値は特に限定されるものではない。例えば、半導体部材の耐熱性能や冷却装置の規格等から予め規定することができる。

指令器２６がポンプ駆動モータに対して、第１、第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて指示を出すタイミングは特に限定されるものではない。ただし、上述のように冷却装置を起動する際に冷却流体に温度差を生じている場合が多いため、冷却装置の起動時に、第１、第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて指示を出すことが好ましい。また、冷却装置を運転している際にも例えば予め規定した時間毎や、一定の操作が行われた際に第１、第２の温度検出手段で検出した温度から、ポンプ駆動モータに対して指示を出すように構成することもできる。

以上、本実施形態の冷却装置の構成について説明してきたが、本実施形態の冷却装置においては、半導体部材冷却部に温度差の大きな冷却流体が供給されることを防止し、半導体部材が熱劣化することを抑制することが可能になる。
［第２の実施形態］
本実施形態では本発明の冷却装置の他の構成例について図３を用いて説明する。なお、図３において、図２と同じ部材については同じ番号を付している。

図３は本実施形態の冷却装置３０の冷却系統を模式的に示したものである。図３に示した本実施形態の冷却装置３０は、冷却流体タンク２１と、駆動部材を冷却する駆動部材冷却部２２と、半導体部材を冷却する半導体部材冷却部２３と、を有している。そして、冷却流体が、冷却流体タンク２１と、駆動部材冷却部２２と、半導体部材冷却部２３と、の間を循環するように形成された図中Ａ〜Ｆで示された冷却流体循環路を有することができる。

さらに、冷却流体循環路上に、冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプ２４と、冷却流体循環路上であって、駆動部材冷却部２２と、半導体部材冷却部２３と、の間に配置された中間タンク３１と、を設けることができる。

中間タンク３１のサイズについては特に限定されるものではない。例えば、駆動部材冷却部２２における冷却流体が高温になった場合でも、該高温の冷却流体が半導体部材冷却部２３に至る前に、低温の冷却流体と混合して冷却流体の温度を略均一化できるよう、冷却流体循環路の長さや半導体部材の耐熱性能等に応じて選択できる。

また、第１の実施形態の冷却装置２０の場合と同様に、冷却流体循環路上にラジエータ２５を配置することもできる。

ポンプ２４は、冷却装置を運転時に図中冷却流体循環路に示した矢印の方向、すなわち、駆動部材冷却部２２、半導体部材冷却部２３の順に冷却流体を供給、循環するように構成していればよい。ただし、第１の実施形態の場合と同様に、冷却流体の供給方向を変更できるように構成することもできる。

本実施形態の冷却装置においては、駆動部材冷却部２２における冷却流体が高温になり、半導体部材冷却部２３の冷却流体との温度差が大きくなった場合であっても、図中矢印の方向に冷却流体を供給した際に、高温の冷却流体は中間タンク３１に供給される。このため、中間タンク３１内で他の低温の冷却流体と混合され、冷却流体の温度を略均一にすることができ、半導体部材冷却部に温度差の大きな冷却流体が供給されることを防止し、半導体部材が熱劣化することを抑制することが可能になる。
［第３の実施形態］
本実施形態では本発明の冷却装置の他の構成例について図４を用いて説明する。なお、図４において、図２と同じ部材については同じ番号を付している。

図４は本実施形態の冷却装置４０の冷却系統を模式的に示したものである。図４に示した本実施形態の冷却装置４０は、冷却流体タンク２１と、駆動部材を冷却する駆動部材冷却部２２と、半導体部材を冷却する半導体部材冷却部２３と、を有している。そして、冷却流体が、冷却流体タンク２１と、駆動部材冷却部２２と、半導体部材冷却部２３と、の間を循環するように形成された図中Ａ〜Ｅで示された冷却流体循環路を有することができる。

さらに、冷却流体循環路上に、冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプ２４を設けることができる。また、第１の実施形態の冷却装置２０の場合と同様に、冷却流体循環路上にラジエータ２５を配置することもできる。

そして、本実施形態の冷却装置４０の冷却流体循環路には、半導体部材冷却部２３を冷却流体が迂回できるバイパス経路４１を設けることができる。バイパス経路４１は、半導体部材冷却部２３を迂回するように構成されていればよく、その構成は特に限定されるものではない。例えば、バイパス経路４１は、駆動部材冷却部２２と半導体部材冷却部２３との間の冷却流体循環路で分岐し、半導体部材冷却部２３と冷却流体タンク２１との間の冷却流体循環路Ｅで合流するように構成することが好ましい。

なお、ラジエータ２５を駆動部材冷却部２２と半導体部材冷却部２３との間の冷却流体循環路上に設ける場合には、図４に示したようにラジエータ２５と半導体部材冷却部２３との間の冷却流体循環路Ｄでバイパス経路４１が分岐するように構成することが好ましい。また、バイパス経路４１を冷却流体循環路に合流させず、バイパス経路４１を通った冷却流体を冷却流体タンク２１に直接戻すように構成することもできる。

冷却流体循環路とバイパス経路４１との分岐部（接続部）には、切り替えバルブ４２を設けることができ、任意のタイミングで半導体部材冷却部２３に冷却流体を供給するときと、バイパス経路４１に冷却流体を供給するときと、を切り替えられることが好ましい。また、冷却流体循環路とバイパス経路４１との合流部については特にバルブを設ける必要はないが、例えば切り替えバルブ４３を設けることもできる。そして、切り替えバルブ４３を切り替えバルブ４２に連動してバイパス経路４１と冷却流体循環路Ｅとの接続、切断を切り替えるように構成することもできる。

ポンプ２４は、冷却装置を運転時に図中冷却流体循環路に示した矢印の方向、すなわち、駆動部材冷却部２２、半導体部材冷却部２３の順に冷却流体を供給、循環するように構成していればよい。ただし、第１の実施形態の場合と同様に、冷却流体の供給方向を変更できるように構成することもできる。

バイパス経路４１に冷却流体を供給するタイミングは特に限定されるものではなく、任意のタイミングで行うことができる。ただし、駆動部材冷却部２２における冷却流体が高温になり、半導体部材冷却部２３における冷却流体との温度差が大きくなるのは主に、高負荷運転を行った後、冷却装置を停止した場合である。このため、例えば冷却装置４０を起動する際には一定時間バイパス経路４１に冷却流体を供給し、半導体部材冷却部２３に冷却流体を供給しないように構成することもできる。

また、第１の実施形態の場合と同様に、半導体部材に第１の温度検出手段を、駆動部材冷却部の冷却流体の温度を検出する第２の温度検出手段をそれぞれ設けることができる。そして、第１の温度検出手段で検出した温度と、第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて、切り替えバルブ４２へ冷却流体の供給方向を指示する図示しない指令器を備えることができる。

この場合、例えば第１の温度検出手段の検出温度が設定閾値を超えた場合に、第１の温度検出手段の検出温度と、第２の温度検出手段の検出温度との温度差を算出する。そして、該温度差が予め規定した所定値を超えた場合に、冷却流体をバイパス経路４１に供給し、半導体部材冷却部２３へ供給しないことができる。そして、所定時間経過後に半導体部材冷却部２３へ冷却流体を供給するように切り替えバルブ４２を切り替えることができる。また、例えば第１の温度検出手段の検出手段や、第２の温度検出手段の検出温度に基づいて、半導体部材冷却部２３へ冷却流体を供給するように切り替えバルブ４２を切り替えることもできる。

本実施形態の冷却装置においては、駆動部材冷却部２２における冷却流体が高温になり、半導体部材冷却部２３の冷却流体との温度差が大きくなった場合には、バイパス経路４１に冷却流体を流し、半導体部材冷却部２３に冷却流体を供給しないことができる。このため、半導体部材冷却部に温度差の大きな冷却流体が供給されることを防止し、半導体部材が熱劣化することを抑制することが可能になる。

２１ 冷却流体タンク
２２ 駆動部材冷却部
２３ 半導体部材冷却部
２４ ポンプ
２０、３０、４０ 冷却装置

Claims (1)

1. 冷却流体タンクと、
   駆動部材を冷却する駆動部材冷却部と、
   半導体部材を冷却する半導体部材冷却部と、
   冷却流体が、前記冷却流体タンクと、前記駆動部材冷却部と、前記半導体部材冷却部と、の間を循環するように形成された冷却流体循環路と、
   前記冷却流体循環路上に設けられ、前記冷却流体循環路に冷却流体を循環させるポンプと、
   前記半導体部材に設けられた第１の温度検出手段と、
   前記駆動部材冷却部の冷却流体の温度を検出する第２の温度検出手段と、
   前記第１の温度検出手段で検出した温度と、前記第２の温度検出手段で検出した温度に基づいて、前記ポンプを駆動するポンプ駆動モータへ運転条件を指示する指令器と、を備えた冷却装置。
   

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