JP2017153269A - リアクトルユニットおよびリアクトルユニットを備える燃料電池車両 - Google Patents

リアクトルユニットおよびリアクトルユニットを備える燃料電池車両 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のリアクトルを有するリアクトルユニットの十分な冷却性能を確保するとともに、リアクトルユニットやそれを備える装置構造の高さ方向の省スペース化を図る。
【解決手段】複数のリアクトルが、冷却器の外面のうちの１つの面であるリアクトル冷却面の上に少なくとも１列配置されている。冷却器は、リアクトル冷却面とは反対側の内面に接する冷媒流路を有している。冷媒流路の入口部分から出口部分まで冷媒が直線状に流れる。冷媒流路内の冷媒が流れる方向と、複数のリアクトルの列の方向とが同じ方向である。リアクトル冷却面とは反対側の内面には、冷却フィンが設けられており、冷却フィンの長手方向と冷媒流路内の冷媒が流れる方向とは同じ方向である。
【選択図】図３

Description

本発明は、リアクトルユニットおよびリアクトルユニットを備える燃料電池車両に関する。
特許文献１には、燃料電池車両に搭載される燃料電池システムにおいて、燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータとして、リアクトル部（「リアクトルユニット」とも呼ぶ））を備えるコンバータが用いられていることが記載されている。リアクトルユニットは、複数のリアクトルを備えており、複数のリアクトルは、上下２段に配置され、各段において、燃料電池車両の前後方向に複数並べて配置されている。
特開２０１３−２４４７５９号公報
しかし、上記リアクトルユニットを備えた場合、その搭載位置によっては、リアクトルユニットやそれを備える装置構造の高さ方向の配置スペースが不足する可能性がある。また、リアクトルの発熱によってリアクトルの温度が過度に上昇すると、コンバータの出力性能を低下させるため、リアクトルの冷却性能を十分に確保することが望まれている。
このように、複数のリアクトルを有するリアクトルユニットとしては、十分な冷却性能を確保するとともに、リアクトルユニットやそれを備える装置構造の高さ方向の省スペース化を図ることが望まれている。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
（１）本発明の一形態によれば、リアクトルユニットが提供される、このリアクトルユニットは、複数のリアクトルと、内部に冷媒を流通させ、外部に前記複数のリアクトルユニットを配置して、前記複数のリアクトルを冷却する冷却器と、を備える。前記複数のリアクトルが、前記冷却器の外面のうちの１つの面であるリアクトル冷却面の上に少なくとも１列配置されている。前記冷却器は、前記リアクトル冷却面とは反対側の内面に接する冷媒流路を有している。前記冷媒流路の入口部分から出口部分まで前記冷媒が直線状に流れ、前記冷媒流路内の前記冷媒が流れる方向と、前記複数のリアクトルの列の方向とが同じ方向である。前記リアクトル冷却面とは反対側の内面には、冷却フィンが設けられており、前記冷却フィンの長手方向と前記冷媒流路内の前記冷媒が流れる方向とは同じ方向である。
この形態のリアクトルユニットによれば、冷却器の外面のうちの１つの面であるリアクトル冷却面の上に複数のリアクトルを配置するので、リアクトルユニットの高さを低減することができる。また、冷媒流路の入口部分から出口部分まで冷媒が直線状に流れ、冷媒流路内の冷媒が流れる方向と、複数のリアクトルの列の方向とが同じ方向であるので、冷媒流路の圧力損失の低減と熱伝達率の向上を両立させることができ、十分な冷却性能を確保できる。
（２）上記形態のリアクトルユニットにおいて、前記冷却器の冷媒流路には、前記列の方向において隣り合う前記リアクトルの隙間に対応する位置に、ａ）前記冷却フィンを有さず前記内面が平坦面である平坦流路部と、ｂ）前記冷却フィンを有さず前記内面が曲面である曲面流路部と、ｃ）前記冷却フィンよりも高さの低い冷却フィンを有する低フィン流路部と、ｄ）前記リアクトルに対応する位置よりも前記冷却フィンの数が少ない少フィン流路部と、のうちのいずれかが設けられているとしてもよい。
このようにすれば、隣り合うリアクトルの隙間に対応する位置の冷媒流路において、冷媒の流れにおける乱れが増大するので、冷媒流路の壁面の近傍に温度境界層が形成されることによって冷却器の熱伝達率が低下して、冷却性能が低下することを抑制することができる。
（３）本発明の他の形態によれば、燃料電池車両が提供される。この燃料電池車両は、燃料電池と、上記いずれかの形態のリアクトルユニットを有し、前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、を備える。前記燃料電池は、前記燃料電池車両のフロントコンパートメントに配置されており、前記ＤＣ−ＤＣコンバータに含まれる前記リアクトルユニットは、前記複数のリアクトルが下側で前記冷却器が上側となるように、前記燃料電池の上部に配置されている。
この形態の燃料電池車両によれば、従来に比べて高さを低減したリアクトルユニットを、燃料電池の上部に配置することにより、リアクトルユニットを有するＤＣ−ＤＣコンバータと燃料電池とを含む装置構造の高さ方向の省スペース化を図ることができる。この結果、高さ方向のスペースに制約がある燃料電池車両のフロントコンパートメントにおいて、燃料電池の上部にリアクトルユニットを配置することができる。
（４）上記形態の燃料電池車両において、前記冷却器の上側の外面には、前記燃料電池への燃料電池冷却用冷媒を供給するための冷媒ポンプの駆動回路ユニットと、前記燃料電池への燃料ガスの供給を行なうための燃料ポンプの駆動回路ユニットと、が配置されているとしてもよい。
このようにすれば、冷媒ポンプの駆動回路ユニット及び燃料ポンプの駆動回路ユニットをリアクトルユニットの冷却器の上部に配置して、これらの駆動回路ユニットの冷却を図ることができるとともに省スペース化を図ることができる。
本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、上述したリアクトルユニットや燃料電池車両、燃料電池システム法等の形態で実現することができる。
本発明の一実施形態としての燃料電池システムを搭載した燃料電池車両の構成を示す概略図である。 燃料電池車両に搭載された燃料電池システムの構成要素を模式的に示す説明図である。 リアクトルユニットの構成を示す説明図である。 冷媒流路を示す説明図である。 各種の冷媒流路の熱伝達率及び圧力損失を比較して示す説明図である。
図１は、本発明の一実施形態としての燃料電池システム１００を搭載した燃料電池車両１０の構成を示す概略図である。燃料電池車両１０は、燃料電池（「ＦＣ」とも呼ぶ）１１０と、燃料ガス供給部１２０と、酸化ガス供給部１３０と、冷却部１４０と、ＦＣ電源ユニット１５０と、パワーコントロールユニット１６０と、バッテリ１７０と、トラクションモータ（「ＴＲＭＧ」とも呼ぶ）１８０と、車輪１８５と、を備える。なお、燃料電池車両１０は、上記の構成要素の他、補機類や各種センサ、各種検出装置、リレー、電子装置等の燃料電池システムや燃料電池車両を構成する各種装置を備えるが、本例では図示及び説明を省略する。
ＦＣ電源ユニット１５０は、ＦＣコンバータ１５１と、ＦＣコンバータ制御部１５６と、インバータユニット１５９とを有する。インバータユニット１５９は、ＨＰインバータ１５７とＷＰインバータ１５８とを含む。ＦＣ電源ユニット１５０は、専用のケースに収容される。
パワーコントロールユニット１６０は、バッテリコンバータ１６２とＡＣＰインバータ１６４とＴＲインバータ１６６とを含む。パワーコントロールユニット１６０も、専用のケースに収容されている。
燃料電池システム１００は、燃料電池１１０と、燃料ガス供給部１２０と、酸化ガス供給部１３０と、冷却部１４０と、ＦＣ電源ユニット１５０と、ＡＣＰインバータ１６４と、を含んでいる。なお、本明細書において、「コンバータ」とは、ＤＣ−ＤＣコンバータを意味する。
燃料電池車両１０は、燃料電池１１０およびバッテリ１７０の少なくとも一方から供給される電力によってトラクションモータ１８０を駆動させて走行する。
燃料電池１１０は、本実施形態では、固体高分子形燃料電池である。燃料電池１１０は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を備えた複数の単セルを直列に積層したスタック構造を有している。燃料電池１１０のアノードには、燃料ガス供給部１２０から燃料ガスとして水素ガスが供給される。燃料電池１１０のカソードには、酸化ガス供給部１３０から酸化ガスとして空気が供給される。
燃料ガス供給部１２０は、水素タンクや各種バルブ、燃料ポンプ、インジェクタなどから構成される。燃料ガス供給部１２０は、燃料電池１１０に燃料ガスの供給を行う。なお、図１には、燃料ガス供給部１２０の各種構成要素のうち、燃料ポンプ（「ＨＰ」とも呼ぶ）１２２が図示されている。
酸化ガス供給部１３０は、エアコンプレッサや各種バルブなどから構成される。酸化ガス供給部１３０は、燃料電池１１０に酸化ガスの供給を行う。なお、図１には、酸化ガス供給部１３０の構成要素のうち、エアコンプレッサ（「ＡＣＰ」とも呼ぶ）１３２が図示されている。
冷却部１４０は、ラジエータや冷媒ポンプ、冷媒循環路１４４、温度センサなどから構成される。冷却部１４０は、燃料電池１１０に冷却水等の冷媒を供給する燃料電池冷却系と、後述するリアクトルユニットおよびＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）に冷却水等の冷媒を供給する回路冷却系（不図示）と、を備える。なお、燃料電地冷却系の冷媒循環路１４４には、冷媒ポンプ（「ＷＰ」とも呼ぶ）１４２が設けられており、燃料電池冷却用冷媒が循環される。
ＦＣコンバータ１５１は、複数の駆動相(本例ではＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の４相）と平滑コンデンサＣｓとを有する多相昇圧ＤＣ−ＤＣコンバータによって構成されている。各駆動相は、リアクトルＬｒとスイッチングデバイスＳｒと整流用のダイオードＤｒとを有する昇圧チョッパー回路で構成されている。ＦＣコンバータ１５１は、燃料電池１１０と接続されており、ＦＣコンバータ制御部１５６からの指令に応じて、内部のスイッチングデバイスＳｒのスイッチング周期のデューティを変更することで、燃料電池１１０の出力電圧を昇圧して、高電圧配線１６８に出力する。なお、各駆動相のリアクトルＬｒは、後述するリアクトルユニットを構成する。
ＦＣコンバータ制御部（「ＦＣＣＵ」とも呼ぶ）１５６は、燃料電池出力の通過パワーに応じて、変換効率が最大となるように駆動相数を切り替えるとともに、動作させる駆動相のスイッチングデバイスのスイッチング動作を制御して、ＦＣコンバータ１５１の動作を制御する。例えば、通過パワーを４段階の領域に区分し、最も低い１番目の通過パワーの領域ではＵ相のみを駆動し、２番目の通過パワーの領域ではＵ相及びＶ相を駆動し、３番目の領域ではＵ相、Ｖ相およびＷ相を駆動し、４番目の通過パワーの領域ではＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の全てを駆動する。
ＨＰインバータ１５７は、燃料電池１１０およびバッテリ１７０の少なくとも一方から得られた直流電力を３相の交流電力へと変換し、燃料ガス供給部１２０の燃料ポンプ（ＨＰ）１２２に供給する。ＨＰインバータ１５７は、燃料ポンプ１２２を駆動する「駆動回路ユニット」に相当する。
ＷＰインバータ１５８も、燃料電池１１０およびバッテリ１７０の少なくとも一方から得られた直流電力を３相の交流電力へと変換し、冷却部１４０の冷媒ポンプ（ＷＰ）１４２に供給する。ＷＰインバータ１５８は、冷媒ポンプ１４２を駆動する「駆動回路ユニット」に相当する。
バッテリコンバータ１６２は、双方向の変換が可能なＤＣ−ＤＣコンバータによって構成されている。バッテリコンバータ１６２は、高電圧配線１６８を介してＦＣコンバータ１５１にも接続されている。バッテリコンバータ１６２は、制御部（不図示）からの指令に応じて、高電圧配線１６８側の電圧又はバッテリ１７０側の電圧を所望の電圧値に調整する。
バッテリ１７０は、燃料電池１１０によって発電された電力エネルギーを蓄え、充電と放電を繰り返すことができる二次電池である。バッテリ１７０は、例えば、リチウムイオン電池によって構成することができる。バッテリ１７０は、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池など他の種類の電池であってもよい。
ＡＣＰインバータ１６４は、燃料電池１１０およびバッテリ１７０の少なくとも一方から得られた直流電力を３相の交流電力へと変換し、酸化ガス供給部１３０のエアコンプレッサ（ＡＣＰ）１３２に供給する。
ＴＲインバータ１６６は、燃料電池１１０およびバッテリ１７０の少なくとも一方から得られた直流電力を３相の交流電力へと変換し、トラクションモータ１８０に供給する。
トラクションモータ１８０は、三相コイルを備える同期モータによって構成される。トラクションモータ１８０は、ＴＲインバータ１６６から３相の交流電力の供給を受け、車輪１８５を駆動する。車輪１８５の回転によってトラクションモータ１８０において回生電力が発生する場合には、その回生電力は、ＴＲインバータ１６６によって直流電力に変換され、バッテリコンバータ１６２を介してバッテリ１７０に充電される。
図２は、燃料電池車両１０に搭載された燃料電池システム１００（図１）の構成要素を模式的に示す説明図である。この例では、燃料電池システム１００の一部の構成要素が、車室１１の前側にあるフロントコンパートメント１２内に収容されている。図２（Ａ）はフロントコンパートメント１２を燃料電池車両１０の左側から見た側面図であり、図２（Ｂ）はフロントコンパートメント１２を燃料電池車両１０の後側から見た正面図である。なお、図２には、燃料電池車両１０の前進方向である前方向Ｆｒｄと、右方向Ｒｓｄと、上方向Ｖｕｄが示されている。
図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、フロントコンパートメント１２の床部に、専用のケース(不図示）に燃料電池１１０やその周辺のパーツ等が組み込まれたＦＣアセンブリ１１２が設置されており、ＦＣアセンブリ１１２の上部に、ＦＣ電源ユニット１５０が配置されている。ＦＣ電源ユニット１５０は、ＦＣアセンブリ１１２に組み付けられて一体化される。また、図２（Ｂ）に示すように、ＦＣ電源ユニット１５０内の右側の下部には、リアクトルユニット（ＬＵ）１５２が配置されており、その上部にインバータユニット（ＰＩＮＶ）１５９がリアクトルユニット１５２の上部に接するように配置されている。また、ＦＣ電源ユニット１５０内の左側の下部には、パワー素子モジュール（ＩＰＭ）１５５が配置されており、その上部にＦＣコンバータ制御部（ＦＣＣＵ）１５６が配置されている。パワー素子モジュール１５５には、ＦＣコンバータ１５１（図１）の各駆動相のスイッチングデバイスＳｒ及びダイオードＤｒと平滑コンデンサＣｓと、これらのデバイスを冷却する冷却器が含まれている。パワー素子モジュール１５５に含まれる各デバイスや冷却器の配置については、本発明の説明において必要ではないため、その図示および説明は省略する。なお、この冷却器にも冷却部１４０（図１）の不図示の回路冷却系の冷媒循環路を介して冷媒が供給される。
図３は、リアクトルユニット１５２の構成を示す説明図である。図３（Ａ）はリアクトルユニット１５２の右側面図であり、図３（Ｂ）はリアクトルユニット１５２の底面図である。リアクトルユニット１５２は、複数のリアクトルＬｒと、複数のリアクトルＬｒを冷却する冷却器１９０と、を備えている。
冷却器１９０は、図３（Ｂ）の底面図において、前方向Ｆｒｄに沿って長手方向を有し、右方向Ｒｓｄに沿って短手方向を有する外表面であるリアクトル冷却面１９２ｏｓを有している。また、冷却器１９０は、図３（Ａ）に示すように、上方向Ｖｕｄに沿った高さが薄い偏平な略直方体の構造を有しており、下面が開口した箱状の冷却容器部１９１と、開口を覆う平板部１９２と、で構成されている。
冷却容器部１９１の側面には、右方向Ｒｓｄに冷媒が流入する冷媒入口１９３ｉｎが設けられており、冷却容器部１９１の前方向Ｆｒｄの先端側の側面には、前方向Ｆｒｄに沿って冷媒が流出する冷媒出口１９３ｏｕｔが設けられている。平板部１９２で覆われた冷却容器部１９１の内部空間は冷媒流路１９３を構成する。冷媒流路１９３は、冷媒入口１９３ｉｎから入口部分１９３ｉｐに流入した冷媒を冷媒出口１９３ｏｕｔに接続される出口部分１９３ｏｐへ向かって流れ方向ＷＤに沿って直線状に流す冷媒流路である。なお、流れ方向ＷＤは、前方向Ｆｒｄの向きと同じである。
平板部１９２の外面であるリアクトル冷却面１９２ｏｓ上には、流れ方向ＷＤに沿って複数のリアクトルＬｒが一列に配列されている。本例では４つのリアクトルＬｒが配列されている例を示している。リアクトルＬｒは、コア部Ｃｒと、コア部Ｃｒに巻き付けられたコイル部ＣＬとを備えている。各リアクトルＬｒは、コア部Ｃｒが放熱シートＨＳ２を介してコア部載置台１９４上に載置され、コイル部ＣＬが放熱シートＨＳ１を介してコイル部載置台第１９５上に搭載されている。放熱シートＨＳ１，ＨＳ２としては、シリコン系のシート等が用いられる。放熱シートＨＳ１，ＨＳ２に代えてシリコン系のポッティング(樹脂盛り）を用いてもよい。なお、リアクトルＬｒのコア部Ｃｒ及びコイル部ＣＬは、不図示の樹脂製のハウジングで覆われて保護されている。平板部１９２のリアクトル冷却面１９２ｏｓに配列されたリアクトルＬｒで発生した熱は、放熱シートＨＳ１，ＨＳ２及び平板部１９２を介して冷媒流路１９３を流れる冷媒へ放熱される。
なお、上記したように、ＦＣコンバータ１５１（図１）の複数の駆動相（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相，Ｘ相）は、通過パワーに応じて動作が制御され、通過パワーが大きくなるにつれて、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の順に動作する駆動相が増加される。従って、リアクトルユニット１５２の４つのリアクトルＬｒは、冷媒の流れ方向ＷＤ（前方向Ｆｒｄ）に沿って、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｘ相の順番で配列させることが好ましい。但し、これに限定されるものではなく、他の順番で配列させるようにしてもよい。
また、図３（Ａ）に示すように、冷却器１９０の平板部１９２のリアクトル冷却面１９２ｏｓとは反対の外面１９１ｏｓ上には、ＨＰインバータ１５７とＷＰインバータ１５８とを含むインバータユニット１５９が配置される。なお、インバータユニット１５９と外面１９１ｏｓとの間には、放熱グリスが塗布される。リアクトルＬｒと同様に放熱シートが介挿されるようにしてもよい。インバータユニット１５９で発生した熱は、外面１９１ｏｓを介して冷媒流路１９３を流れる冷媒へ放熱される。従って、インバータユニット１５９のＨＰインバータ１５７及びＷＰインバータ１５８も、冷却器１９０によって冷却することができる。
図４は、冷媒流路１９３を示す説明図である。図４（Ａ）は冷却器１９０の底面図であり、冷媒流路１９３を透視した状態で示している。また、図４（Ｂ）は冷却器１９０の右側面図であり、冷媒流路１９３を透視した状態で示している。また、図４（Ａ）には、冷媒流路１９３と複数のリアクトルＬｒとの位置関係を解りやすくするために、リアクトルＬｒの外形を破線で示している。
図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示すように、リアクトル冷却面１９２ｏｓの内面１９２ｉｓには、冷媒の流れ方向ＷＤに沿った長手方向を有する複数の冷却フィン１９６が設けられている。冷却フィン１９６は、図４（Ａ）に示すように、流れ方向ＷＤに沿って波状に曲がりくねった壁面を有するウェーブフィンである。複数の冷却フィン１９６は、基本的には流れ方向ＷＤに沿った壁面を有しているので、冷媒を流れ方向ＷＤに沿って整流することができる。また、各冷却フィン１９６は、ウェーブフィンにより構成されているので、ウェーブフィンにより発生する乱流の効果によって、直線状の冷却フィンに比べて冷却性能を向上させることができる。
以上説明したように、冷媒流路１９３は、冷媒入口１９３ｉｎから冷媒出口１９３ｏｕｔへ向かって直線状に流れる直線状流路により構成されている。冷媒流路１９３に直線状流路を採用した理由は以下の通りである。
図５は、各種の冷媒流路の熱伝達率及び圧力損失を比較して示す説明図である。ここでは、冷媒流路の種類として、直線状流路と並列流路と折返流路の３種類を示している。直線状流路は、一列に配置された複数（本例では４個）のリアクトルＬｒの列の方向と冷媒の流れ方向を一致させて、複数のリアクトルＬｒを順に冷却する方式である。並列流路は、一列に配置された複数のリアクトルＬｒに対応して並列に分流された冷媒によって、複数のリアクトルＬｒを並列に冷却する方式である。折返流路は、直線状流路と同じ流れ方向の往流路と、往流路を流れた冷媒とは反対向きの流れ方向の復流路と、を流れる冷媒によって複数のリアクトルＬｒを順に冷却する方式である。
ここで、冷媒流路の冷媒の流れはウェーブフィンにより構成された冷却フィン１９６により基本的には乱流となると仮定する。このとき、冷媒流路１９３に接する内面１９２ｉｓや冷却フィン１９６の壁面（以下、これらを単に「冷媒流路の壁面」とも呼ぶ）と冷媒流路１９３を流れる冷媒との間の熱伝達率ｈは、下式（１）で表される。
ｈ∝Ｒｅ（４／５）∝（ｖ×ＤＨ）（４／５） ・・・（１）
ここで、Ｒｅはレイノルズ数、ｖは冷媒の流速、ＤＨは水力直径である。
すなわち、熱伝達率ｈは、レイノルズ数Ｒｅの（４／５）乗に比例し、レイノルズ数Ｒｅは、流速ｖに比例し、また、水力直径ＤＨに比例するので、結果として、熱伝達率ｈは、流速ｖの（４／５）乗に比例し、また、水力直径ＤＨの（４／５）乗に比例する。
そして、冷媒の流速ｖは下式（２）で表され、水力直径ＤＨは下式（３）で表される。
ｖ＝Ｗ／Ｓ ・・・（２）
ＤＨ＝ｋ・Ｓ（１／２） ・・・（３）
ここで、Ｗは冷媒の流量、Ｓは流路断面積、ｋは換算係数である。
冷媒の流量Ｗを一定とすると、上記式（１）〜式（３）から、熱伝達率ｈは、下式（４）で表される。
ｈ∝（１／Ｓ）（２／５） ・・・（４）
すなわち、熱伝達率ｈは、流路断面積Ｓの逆数の（２／５）乗に比例するので、流路断面積Ｓが大きいほど熱伝達率ｈは小さくなり、流路断面積Ｓが小さいほど熱伝達率ｈは大きくなる。従って、冷却能力の観点からは流路断面積Ｓがより小さい方が好ましい。
同じ条件で一列に配置した複数（４個）のリアクトルＬｒを冷却する場合において、図５に示すように、直線状流路の流路断面積ＳをＳａとすると、並列流路の流路断面積Ｓは（４Ｓａ）、折返流路の流路断面積Ｓは（Ｓａ／２）となる。これにより、上記の式（４）から求められる熱伝達率ｈは、折返流路、直線状流路、並列流路の順で小さくなる。これにより、折返流路の冷却能力は優（◎）、直線状流路の冷却能力は良（○）、並列流路の冷却能力は不良（×）と評価される。
また、冷媒流路の圧力損失（「圧損」とも呼ぶ）ΔＰは、下式（５）で表される。
ΔＰ∝ｖ２×Ｌ ・・・（５）
すなわち、圧損ΔＰは、流速ｖの２乗に比例し、また流路長さＬに比例する。流速ｖは上記の式（２）で表されるので、圧損ΔＰは、下式（６）で表される。
ΔＰ∝（１／Ｓ）２×Ｌ ・・・（６）
すなわち、流路断面積Ｓが大きいほど圧損ΔＰは小さくなり、流路断面積Ｓが小さいほど圧損ΔＰは大きくなる。また、流路長さＬが大きいほど圧損ΔＰは大きくなる。
ここで、冷媒流路の圧損ΔＰが大きいことは冷媒を流すためにその分だけエネルギーの消費が大きくなることを示しており、エネルギーの利用効率が低くなることを示している。従って、冷却効率の観点からは冷媒流路の圧損はできるだけ小さいほうが好ましい。
図５に示したように、流路断面積Ｓは、直線状流路の流路断面積ＳをＳａとすると、並列流路は（４Ｓａ）、折返流路は（Ｓａ／２）である。また、流路長さＬは、直線状流路の流路長さＬをＬａとすると、並列流路は（Ｌａ／４）、折返流路は（２Ｌａ）である。従って、上記の式（６）から求められる圧損ΔＰは、並列流路、直線状流路、折返流路の順で大きくなる。これにより、並列流路の冷却効率は優（◎）、直線状流路の冷却効率は良（○）、折返流路の冷却効率は不良（Ｘ）と評価される。
折返流路は、熱伝達率ｈが最も大きく冷却能力は最も高いが、圧損ΔＰが大きいので冷却効率が悪い。また、並列流路は、圧損ΔＰが最も小さく冷却効率は最も高いが、熱伝達率ｈが小さく冷却能力は悪い。これに対して、直線状流路は、熱伝達率ｈと圧損ΔＰがいずれも良好で冷却能力と冷却効率のどちらも良好であり、冷却効率の向上と、冷却能力の向上の両立を図ることができるので、３種類の冷媒流路の中で最適な冷媒流路と言える。そこで、実施形態の冷媒流路１９３は、以上の理由から直線状流路を採用した。
また、冷媒流路１９３には、図４（Ａ）に示すように、隣り合うリアクトルＬｒの隙間に対応する位置に、リアクトル冷却面１９２ｏｓとは反対側の内面１９２ｉｓが冷却フィン１９６を有しない平坦面である平坦流路部１９７が、設けられている。ここで、平坦流路部１９７が無く、連続して長い冷却フィンが設けられている冷媒流路を考える。この場合、冷媒流路の壁面の近傍に、壁面に近いほど流速が遅くなって温度が高くなる温度境界層が形成される可能性がある。この温度境界層が形成された冷媒流路の領域では、熱伝達率が低下して冷却性能が低下する可能性がある。これに対して、平坦流路部１９７は、上流の冷却フィン１９６に沿って流れてくる冷媒の流れにおける乱れを増大させる効果を有する。この結果、温度境界層の形成を抑制することができ、温度境界層によって熱伝達率が低下し、冷却性能が低下することを抑制することができる。また、上流側のリアクトルＬｒの熱損失が、下流側のリアクトルＬｒの冷却に影響してしまうことを、抑制することができる。
また、冷却フィン１９６が設けられた平板部１９２を鋳造により成型する場合には、平坦流路部１９７を設けることによる更なる利点がある。すなわち、鋳造時には、冷却フィン１９６の先端側が型抜きの際に歪み易い、という問題があるため、冷却フィン１９６の先端の公差を大きくすることが求められる。しかしながら、公差が大きいと、冷却フィン１９６の先端と冷媒流路１９３の壁面とのすき間が大きくなって、冷媒の流速を向上させることが難しく、結果として冷却性能を高めることが難しくなる可能性がある。
これに対して、各リアクトルＬｒに対応する冷却フィン１９６の間に平坦流路部１９７がある場合、冷却フィン１９６の長手方向の長さを短くすることができ、また、冷却フィン１９６を有する平板部１９２を鋳造により成型する場合に、平坦流路部１９７に対応する型枠の部分に押し出しピン座を設けることができる。これにより、型抜きの際の冷却フィン１９６の先端の歪みの発生を抑制することができ、冷却フィン１９６の先端の公差を小さくすることができるので、冷却フィン１９６の先端と冷媒流路１９３の壁面とのすき間を小さくすることができ、冷媒の流速を向上させることが可能であり、熱伝達率を向上させることができる。
以上説明したように、実施形態のリアクトルユニット１５２は、冷却器１９０のリアクトル冷却面１９２ｏｓ上に複数のリアクトルＬｒが一列に配置されている。そして、冷却器１９０は、リアクトル冷却面１９２ｏｓの内面１９２ｉｓに接する冷媒流路１９３を有している。冷媒流路１９３は、冷媒が直線状に流れる直線状流路であり、その流れ方向ＷＤは、複数のリアクトルＬｒの配列の方向（列の方向）と同じ向きとなっており、内面１９２ｉｓには、流れ方向ＷＤに沿った長手方向を有する冷却フィン１９６が設けられている。これにより、リアクトルユニット１５２は、冷媒流路１９３の圧力損失ΔＰの低減と熱伝達率ｈの向上を両立させることにより冷却性能の確保を図るとともに、リアクトルユニット１５２の高さを低減することができる。
また、冷媒流路１９３中に平坦流路部１９７を設けることにより、温度境界層の発生によって熱伝達率が低下し、冷却性能が低下することを抑制することができる。また、一列に配列された複数のリアクトルＬｒのうち、冷媒の流れ方向ＷＤの上流側のリアクトルＬｒの熱の影響が下流側のリアクトルＬｒに及ぶこと（「熱干渉」とも呼ぶ）を抑制することができる。なお、この平坦流路部１９７は、省略してもよい。
また、実施形態の燃料電池車両１０では、図２に示したように、フロントコンパートメント１２内において、燃料電池１１０を含むＦＣアセンブリ１１２の上部に、リアクトルユニット１５２を配置することができる。
また、図３に示すように、複数のリアクトルＬｒが下側で冷却器１９０が上側となるようにしてリアクトルユニット１５２を配置することにより、冷却器１９０の上部の外面１９１ｏｓ上に燃料ポンプ１２２のＨＰインバータ１５７および冷媒ポンプ１４２のＷＰインバータ１５８を配置することができ、ＨＰインバータ１５７およびＷＰインバータ１５８の冷却を図ることができるとともに、省スペース化を図ることができる。この結果、高さ方向に制約のあるフロントコンパートメント１２内において、図２（Ａ）に示したようなコンパクトな搭載構造を実現できる。
上記実施形態では、燃料電池車両１０に搭載される燃料電池システム１００のＦＣコンバータ１５１に用いられるリアクトルユニット１５２を例に説明しているが、これに限定されるものではなく、複数のリアクトルを含む装置に用いられるリアクトルユニットとして適用することができる。特に、リアクトルユニットの配置スペースとして高さ方向に制約がある場合に用いるリアクトルユニットとして利用価値が高い。
また、上記実施形態では、リアクトルユニット１５２の冷却器１９０の上部に燃料ポンプ１２２の駆動回路であるＨＰインバータ１５７及び冷媒ポンプ１４２の駆動回路であるＷＰインバータ１５８を配置する場合を例に説明したが、これに限定するものではなく、燃料電池システム１００の他の構成要素のうち、冷却することが好ましい構成要素を配置するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、リアクトル冷却面１９２ｏｓに複数のリアクトルＬｒが一列に配列されたリアクトルユニットを例に説明しているが、複数のリアクトルＬｒを複数の列に配列してもよい。また、１列のリアクトルＬｒの個数も４に限定されるものではなく、４個以下であっても４個以上であってもよい。
また、上記実施形態では、各リアクトルＬｒに対応する冷却フィン１９６の間に平坦流路部１９７を設けることによって、上流の冷却フィン１９６に沿って流れてくる冷媒の流れにおける乱れを増大させている。しかしながら、このような冷媒の流れにおける乱れを増大させる構造として、平坦流路部１９７に限定されるものではなく、リアクトル冷却面１９２ｏｓと反対側の内面１９２ｉｓが曲面である曲面流路部や、上流の冷却フィン１９６よりも高さの低い冷却フィンを有する低フィン流路部、冷却フィン１９６の数が少ない少フィン流路部、を用いるようにしてもよい。
本発明は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態または変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。
１０…燃料電池車両
１１…車室
１２…フロントコンパートメント
１００…燃料電池システム
１１０…燃料電池（ＦＣ）
１１２…ＦＣアセンブリ
１２０…燃料ガス供給部
１２２…燃料ポンプ（ＨＰ）
１３０…酸化ガス供給部
１３２…エアコンプレッサ（ＡＣＰ）
１４０…冷却部
１４２…冷媒ポンプ
１４４…冷媒循環路
１５０…ＦＣ電源ユニット
１５１…ＦＣコンバータ
１５２…リアクトルユニット（ＬＵ）
１５５…パワー素子モジュール（ＩＰＭ）
１５６…ＦＣコンバータ制御部（ＦＣＣＵ）
１５７…ＨＰインバータ
１５８…ＷＰインバータ
１５９…インバータユニット（ＰＩＮＶ）
１６０…パワーコントロールユニット（ＰＣＵ）
１６２…バッテリコンバータ
１６４…ＡＣＰインバータ
１６６…ＴＲインバータ
１６８…高電圧配線
１７０…バッテリ
１８０…トラクションモータ（ＴＲＭＧ）
１８５…車輪
１９０…冷却器
１９１…冷却容器部
１９１ｏｓ…外面
１９２…平板部
１９２ｉｓ…内面
１９２ｏｓ…リアクトル冷却面
１９３…冷媒流路
１９３ｉｎ…冷媒入口
１９３ｉｐ…入口部分
１９３ｏｕｔ…冷媒出口
１９３ｏｐ…出口部分
１９４…コア部載置台
１９５…コイル部載置台
１９６…冷却フィン
１９７…平坦流路部
Ｌｒ…リアクトル
Ｃｒ…コア部
ＣＬ…コイル部
Ｓｒ…スイッチングデバイス
Ｄｒ…ダイオード
Ｃｓ…平滑コンデンサ
Ｕ，Ｖ，Ｗ，Ｘ…駆動相
ＨＳ１，ＨＳ２…放熱シート
ＷＤ…流れ方向
Ｆｒｄ…前方向
Ｖｕｄ…上方向
Ｒｓｄ…右方向
（１）本発明の一形態によれば、リアクトルユニットが提供される、このリアクトルユニットは、複数のリアクトルと、内部に冷媒を流通させ、外部に前記複数のリアクトルを配置して、前記複数のリアクトルを冷却する冷却器と、を備える。前記複数のリアクトルが、前記冷却器の外面のうちの１つの面であるリアクトル冷却面の上に少なくとも１列配置されている。前記冷却器は、前記リアクトル冷却面とは反対側の内面に接する冷媒流路を有している。前記冷媒流路の入口部分から出口部分まで前記冷媒が直線状に流れ、前記冷媒流路内の前記冷媒が流れる方向と、前記複数のリアクトルの列の方向とが同じ方向である。前記リアクトル冷却面とは反対側の内面には、冷却フィンが設けられており、前記冷却フィンの長手方向と前記冷媒流路内の前記冷媒が流れる方向とは同じ方向である。
この形態のリアクトルユニットによれば、冷却器の外面のうちの１つの面であるリアクトル冷却面の上に複数のリアクトルを配置するので、リアクトルユニットの高さを低減することができる。また、冷媒流路の入口部分から出口部分まで冷媒が直線状に流れ、冷媒流路内の冷媒が流れる方向と、複数のリアクトルの列の方向とが同じ方向であるので、冷媒流路の圧力損失の低減と熱伝達率の向上を両立させることができ、十分な冷却性能を確保できる。

Claims (4)

  1. リアクトルユニットであって、
    複数のリアクトルと、
    内部に冷媒を流通させ、外部に前記複数のリアクトルユニットを配置して、前記複数のリアクトルを冷却する冷却器と、
    を備え、
    前記複数のリアクトルが、前記冷却器の外面のうちの１つの面であるリアクトル冷却面の上に少なくとも１列配置されており、
    前記冷却器は、前記リアクトル冷却面とは反対側の内面に接する冷媒流路を有し、
    前記冷媒流路の入口部分から出口部分まで前記冷媒が直線状に流れ、前記冷媒流路内の前記冷媒が流れる方向と、前記複数のリアクトルの列の方向とが同じ方向であり、
    前記リアクトル冷却面とは反対側の内面には、冷却フィンが設けられており、
    前記冷却フィンの長手方向と前記冷媒流路内の前記冷媒が流れる方向とは同じ方向である、リアクトルユニット。
  2. 請求項１に記載のリアクトルユニットであって、
    前記冷却器の冷媒流路には、前記列の方向において隣り合う前記リアクトルの隙間に対応する位置に、ａ）前記冷却フィンを有さず前記内面が平坦面である平坦流路部と、ｂ）前記冷却フィンを有さず前記内面が曲面である曲面流路部と、ｃ）前記冷却フィンよりも高さの低い冷却フィンを有する低フィン流路部と、ｄ）前記リアクトルに対応する位置よりも前記冷却フィンの数が少ない少フィン流路部と、のうちのいずれかが設けられている、リアクトルユニット。
  3. 燃料電池車両であって、
    燃料電池と、
    請求項１又は請求項２に記載のリアクトルユニットを有し、前記燃料電池の出力電圧を変換するＤＣ−ＤＣコンバータと、
    を備え、
    前記燃料電池は、前記燃料電池車両のフロントコンパートメントに配置されており、
    前記ＤＣ−ＤＣコンバータに含まれる前記リアクトルユニットは、前記複数のリアクトルが下側で前記冷却器が上側となるように、前記燃料電池の上部に配置されている、燃料電池車両。
  4. 請求項３に記載の燃料電池車両であって、
    前記冷却器の上側の外面には、前記燃料電池への燃料電池冷却用冷媒を供給するための冷媒ポンプの駆動回路ユニットと、前記燃料電池への燃料ガスの供給を行なうための燃料ポンプの駆動回路ユニットと、が配置されている、燃料電池車両。
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