JP2016039202A

JP2016039202A - インバータ装置

Info

Publication number: JP2016039202A
Application number: JP2014160210A
Authority: JP
Inventors: 哲郎坂本; Tetsuo Sakamoto
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-03-22

Abstract

【課題】パワーモジュールを冷却するための冷却装置が備えられたインバータ装置において、パワーモジュールの寿命を向上させることにある。【解決手段】密閉ケース（４）のベースプレート（５）の内壁面（５Ｇ）には、冷却水の流れ方向（Ｘ）に対して長辺（Ｍ）が平行となるように配置された板状の冷却フィン（１２）が設けられる。冷却フィン（１２）は、パワーモジュール（２Ａ〜２Ｃ）と対向する位置で冷却水の流れ方向（Ｘ）に対して直交する方向（Ｙ）に配列される冷却フィン群（１３Ａ〜１３Ｃ）を構成する。冷却フィン（１２）の数は、冷却水導入口（７）から冷却水排出口（９）に向けて漸次（段階的）増加される。冷却水の流れ方向（Ｘ）に対して直交する方向（Ｙ）で隣り合う冷却フィン（１２・１２）同士の隙間量（Ｗ１〜Ｗ３）は、冷却水排出口（９）側が冷却水導入口（７）側よりも小さくなるように設定される。【選択図】図４

Description

この発明は、インバータ装置に係り、特にパワーモジュールを冷却するための冷却装置が備えられたインバータ装置に関する。

ハイブリッド車や電気自動車等の電動車両には、走行用モータの駆動制御に用いられるインバータ装置が搭載される。インバータ装置は、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の電力用半導体素子を実装し、直列に配設されたパワーモジュールを複数個備える。
また、インバータ装置には、パワーモジュールを用いて三相交流電力ヘの変換等を行う場合に、パワーモジュールの発熱量が大きいため、通常、冷却装置が備えられる。
冷却装置としては、一般に、水冷式のヒートシンクが利用される。水冷式のヒートシンクは、冷却水導入口と冷却水排出口とが備えられ且つ外壁面に複数個のパワーモジュールが設置された箱形状の密閉ケースを設け、また、密閉ケースの内壁面に冷却フィンを設けて構成される。
このようなインバータ装置の冷却装置としては、例えば、以下の先行技術文献がある。

特開２０１３−１９７４８３号公報

特許文献１に係る冷却装置は、水冷式のヒートシンクであって、密閉ケースの内壁面のうち、冷却フィンが設けられた内壁面とこの内壁面に対向する他の内壁面との少なくとも一方に、冷却水の流れ方向に対して直交する方向に凸部を設けた構造である。

ところが、上記の特許文献１では、冷却水の流れ方向の上流側に位置するパワーモジュールと冷却水の流れ方向の下流側に位置するパワーモジュールとに対向する位置において、冷却フィンの数が同等に設けられていることから、密閉ケース内の冷却水の流速が一定となり、このため、冷却水の流れ方向の上流側に位置するパワーモジュールと冷却水の流れ方向の下流側に位置するパワーモジュールとの温度差が生じ、冷却水の流れ方向の下流側に位置するパワーモジュールの冷却性が低下し、冷却水の流れ方向の下流側に位置するパワーモジュールの寿命が低下するという不都合があった。

そこで、この発明は、パワーモジュールを冷却するための冷却装置が備えられたインバータ装置において、パワーモジュールの寿命を向上させるインバータ装置を提供することを目的とする。

この発明は、冷却水導入口と冷却水排出口とが備えられた箱形状の密閉ケースを設け、電力用半導体素子を含むパワーモジュールを冷却水の流れ方向に沿って前記密閉ケースの外壁面に複数個配置し、前記密閉ケースの内壁面には冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように配置された板状の冷却フィンを設け、前記冷却フィンは前記パワーモジュールと対向する位置で冷却水の流れ方向に対して直交する方向に配列される冷却フィン群を構成するインバータ装置において、前記冷却フィン群を構成する前記冷却フィンの数を前記冷却水導入口から前記冷却水排出口に向けて漸次増加させ、冷却水の流れ方向に対して直交する方向で隣り合う前記冷却フィン同士の隙間量を、前記冷却水排出口側が前記冷却水導入口側よりも小さくなるように設定したことを特徴とする。

この発明は、パワーモジュールを冷却するための冷却装置が備えられたインバータ装置において、パワーモジュールの寿命を向上することができる。

図１はインバータ装置の平面図である。（実施例１）図２はインバータ装置の側面図である。（実施例１）図３は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面のインバータ装置の斜視図である。（実施例１）図４は図２のＩＶ−ＩＶ線による断面のインバータ装置の底面図である。（実施例１）図５は図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線に相当するインバータ装置の断面図である。（実施例２）図６は図２のＩＶ−ＩＶ線に相当する断面のインバータ装置の底面図である。（実施例２）

この発明は、パワーモジュールを冷却するための冷却装置が備えられたインバータ装置において、パワーモジュールの寿命を向上する目的を、密閉ケース内の冷却水の流速を冷却水導入口から冷却水排出口に向かうに連れて高めるとともに、密閉ケース内の冷却水が冷却フィン又は冷却ピンと接触する表面積を増加させるような構造にして実現するものである。

図１〜図４は、この発明の実施例１を示すものである。
図１〜図３に示すように、ハイブリッド車や電気自動車等の電動車両に搭載されるインバータ装置１は、複数個のパワーモジュールとして、例えば、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃを備えるとともに、発熱体となる第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃを冷却するための冷却装置として、水冷式のヒートシンク３を備える。

ヒートシンク３は、箱形状の密閉ケース４を備える。
密閉ケース４は、上側で断面逆Ｕ字形状のベースプレート（上側ケース部）５に下側の冷却ジャケット（下側ケース部）６を固定して長方体の箱形状に構成される。
密閉ケース４には、長手方向の一端で冷却水導入口７を形成する冷却水導入側接続管８と、長手方向の他端で冷却水排出口９を形成する冷却水排出側接続管１０とが備えられる。
密閉ケース４は、内部で冷却水が流れる冷却水流路１１を形成し、冷却水導入口７からの冷却水を冷却水排出口９側へ導くものである。
第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃは、それぞれ、電力用半導体素子を含むものであって、密閉ケース４のベースプレート５の外壁面５Ｆに、冷却水導入口７側から冷却水排出口９側へ向かって順次に、つまり、冷却水の流れ方向Ｘに沿って順次に配置される。

密閉ケース４のベースプレート５の内壁面５Ｇには、図３、図４に示すように、冷却水の流れ方向Ｘに対して長辺Ｍが平行となるように配置された板状の冷却フィン１２が一体に設けられる。冷却フィン１２は、冷却水の流れ方向Ｘの長辺Ｍ、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙの短辺Ｎで、且つ高さが冷却ジャケット６の内面に近接するように形成される。
冷却フィン１２は、密閉ケース４の内部の冷却水流路１１に所定箇所に複数個配置されるものであって、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃと対向する位置で、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙに配列される冷却フィン群として、第１〜第３冷却フィン群１３Ａ〜１３Ｃを構成する。

図４に示すように、第１〜第３冷却フィン群１３Ａ〜１３Ｃを構成する冷却フィン１２の数は、冷却水導入口７から冷却水排出口９に向けて漸次増加（段階的に増加）される。
具体的には、第１パワーモジュール２Ａと対向する位置の第１冷却フィン群１３Ａでは、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで、例えば、７個の冷却フィン１２が備えられる。第２パワーモジュール２Ｂと対向する位置の第２冷却フィン群１３Ｂでは、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで、例えば、８個の冷却フィン１２が備えられる。第３パワーモジュール２Ｃと対向する位置の第３冷却フィン群１３Ｃでは、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで、例えば、９個の冷却フィン１２が備えられる。

また、図４に示すように、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで隣り合う冷却フィン１２・１２同士の隙間量は、冷却水排出口９側が冷却水導入口７側よりも小さくなるように設定される。
具体的には、第１パワーモジュール２Ａと対向する位置の第１冷却フィン群１３Ａでは、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで隣り合う冷却フィン１２・１２同士の隙間量は、第１隙間量Ｗ１に設定される。第２パワーモジュール２Ｂと対向する位置の第２冷却フィン群１３Ｂでは、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで隣り合う冷却フィン１２・１２同士の隙間量は、上記の第１隙間量Ｗ１よりも小さな第２隙間量Ｗ２に設定される。第３パワーモジュール２Ｃと対向する位置の第３冷却フィン群１３Ｃでは、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで隣り合う冷却フィン１２・１２同士の隙間量は、上記の第２隙間Ｗ２よりも小さな第３隙間量Ｗ３に設定される。従って、第１〜第３隙間量Ｗ１〜Ｗ３にあっては、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３の関係にある。
また、第１冷却フィン群１３Ａと第２冷却フィン群１３Ｂとは、冷却水の流れ方向Ｘにおいて、間隔Ｓ１で離れている。第２冷却フィン群１３Ｂと第３冷却フィン群１３Ｃとは、冷却水の流れ方向Ｘにおいて、間隔Ｓ２で離れている。

この結果、この実施例１では、第１〜第３冷却フィン群１３Ａ〜１３Ｃを構成する冷却フィン１２の数は、冷却水導入口７から冷却水排出口９に向けて漸次増加（段階的に増加）される。また、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで隣り合う冷却フィン１２・１２同士の隙間量は、冷却水排出口９側が冷却水導入口７側よりも小さくなるように設定される。
このような構造により、密閉ケース４内の冷却水の流速を冷却水導入口７から冷却水排出口９に向かうに連れて高めることができ、かつ、冷却水が冷却フィン１２に接触する表面積を、冷却水導入口７から冷却水排出口９にかけて増加させることができ、冷却水の流れ方向Ｘの下流側に配置されるパワーモジュールを冷却水の流れ方向Ｘの上流側に配置されるパワーモジュールと同様に冷却し、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃ間の温度差を縮小することができ、これにより、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃを全体的に均一に冷却し、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃの寿命を高めることができる。

図５、図６は、この発明の実施例２を示すものである。
この実施例２では、上述の実施例１と同一機能を果たす箇所には、同一符号を付して説明する。
この実施例２の特徴とするところは、以下の点にある。即ち、図５、図６に示すように、密閉ケース４のベースプレート５の内壁面５Ｇには、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃと対向する位置で、円柱状の冷却ピン１４が一体に設けられる。円柱状の冷却ピン１４は、直径Ｄで、且つ冷却ジャケット６の内面に達する高さＨに形成される。

冷却ピン１４は、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙで複数個直列に配置されてピン列１５を構成する。このピン列１５は、冷却水の流れ方向Ｘに沿って複数配置される。
具体的には、図６に示すように、冷却ピン１４は、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙにおいて、直列に所定の間隔Ｒで複数個（例えば、７〜８個）配置され、冷却水の流れ方向Ｘに対して直交する方向Ｙにおいてピン列１５を構成する。
そして、ピン列１５は、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃと対向する位置で、冷却水の流れ方向Ｘに沿って複数（例えば、２７列）配置される。

また、冷却水の流れ方向Ｘで隣り合う冷却ピン１４・１４同士の隙間量は、冷却水排出口９側が冷却水導入口７側に対して小さくなるように設定される。
具体的には、第１パワーモジュール２Ａと対向する位置では、冷却水の流れ方向Ｘの冷却水導入口７側で隣り合う一方のピン列１５の冷却ピン１４・他方のピン列１５の冷却ピン１４同士の隙間量は、第１隙間量Ｌ１に設定される。第２パワーモジュール２Ｂと対向する位置では、冷却水の流れ方向Ｘの中間部位で隣り合う一方のピン列１５の冷却ピン１４・他方のピン列１５の冷却ピン１４同士の隙間量は、上記の第１隙間量Ｌ１よりも小さな第２隙間量Ｌ２に設定される。第３パワーモジュール２Ｃと対向する位置では、冷却水の流れ方向Ｘの冷却水排出口９側で隣り合う一方のピン列１５の冷却ピン１４・他方のピン列１５の冷却ピン１４同士の隙間量は、上記の第２隙間量Ｌ２よりも小さな第３隙間量Ｌ３に設定される。従って、第１〜第３隙間量Ｌ１〜Ｌ３にあっては、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３の関係にある。

この実施例２の構造によれば、冷却水排出口９側のパワーモジュールと対向する位置に配置される冷却ピン１４の数を、冷却水導入口７側のパワーモジュールと対向する位置に配置される冷却ピン１４の数よりも多くすることができる。また、冷却水排出口９側での冷却ピン１４を、よりも密に配置することができる。このため、密閉ケース４内の冷却水の流速を、冷却水導入口７から冷却水排出口９にかけて高めることができるとともに、冷却水が冷却ピン１４に接触する表面積を、冷却水導入口７から冷却水排出口９にかけて増加させることができる。
この結果、冷却水の流れ方向Ｘの下流側に配置されるパワーモジュールを冷却水の流れ方向Ｘの上流側に配置されるパワーモジュールと同様に冷却し、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃ間の温度差を縮小することができ、これにより、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃを全体的に均一に冷却し、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃの寿命を高めることができる。
また、冷却ピン１４を円柱状に形成したことで、冷却水が接触する接触領域を増やすことができ、つまり、放熱面積を増やし、第１〜第３パワーモジュール２Ａ〜２Ｃの冷却効果を高めることができる。

この発明に係るインバータ装置を、各種電動車両に適用可能である。

１インバータ装置
２Ａ〜２Ｃ第１〜第３パワーモジュール
３ヒートシンク（冷却装置）
４密閉ケース
５ベースプレート
５Ｆベースプレートの外壁面
５Ｇベースプレートの内壁面
６冷却ジャケット
７冷却水導入口
８冷却水導入側接続管
９冷却水排出口
１０冷却水排出側接続管
１１冷却水流路
１２冷却フィン
１３Ａ〜１３Ｃ第１〜第３冷却フィン群

Claims

冷却水導入口と冷却水排出口とが備えられた箱形状の密閉ケースを設け、電力用半導体素子を含むパワーモジュールを冷却水の流れ方向に沿って前記密閉ケースの外壁面に複数個配置し、前記密閉ケースの内壁面には冷却水の流れ方向に対して長辺が平行となるように配置された板状の冷却フィンを設け、前記冷却フィンは前記パワーモジュールと対向する位置で冷却水の流れ方向に対して直交する方向に配列される冷却フィン群を構成するインバータ装置において、前記冷却フィン群を構成する前記冷却フィンの数を前記冷却水導入口から前記冷却水排出口に向けて漸次増加させ、冷却水の流れ方向に対して直交する方向で隣り合う前記冷却フィン同士の隙間量を、前記冷却水排出口側が前記冷却水導入口側よりも小さくなるように設定したことを特徴とするインバータ装置。
冷却水導入口と冷却水排出口とが備えられた箱形状の密閉ケースを設け、電力用半導体素子を含むパワーモジュールを冷却水の流れ方向に沿って前記密閉ケースの外壁面に複数個配置し、前記密閉ケースの内壁面には円柱状の冷却ピンを設け、前記冷却ピンは冷却水の流れ方向に対して直交する方向で複数個直列に配置されてピン列を構成し、前記ピン列を冷却水の流れ方向に沿って複数配置するインバータ装置において、冷却水の流れ方向で隣り合う前記冷却ピン同士の隙間量を、前記冷却水排出口側が前記冷却水導入口側に対して小さくなるように設定したことを特徴とするインバータ装置。