JP4052221B2

JP4052221B2 - 冷却システム

Info

Publication number: JP4052221B2
Application number: JP2003350822A
Authority: JP
Inventors: 美光井上; 祐介森下
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2003-10-09
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2023-10-09
Also published as: JP2005116877A; US20050077031A1

Description

本発明は発熱体を冷却する冷却システムに関するもので、走行用動力を発生させる電動モータに駆動電流を供給するＩＧＢＴ（パワートランジスタ）等の電気回路の冷却システムに適用して有効である。

ＩＧＢＴ（パワートランジスタ）等の発熱体を冷却するに当たって、従来は、発熱体の最大発熱量より大きな放熱能力を有する放熱器にて冷却システムを構成していた。

具体的には、発熱体の最大発熱能力が最大９ｋＷであるときには、放熱器の最大放熱能力を９ｋＷより大きくしていた。

ところで、近年、走行用の電動モータの高出力化に伴ってＩＧＢＴ等のインバータ回路での発熱量も増大してきており、これに呼応するように放熱器も大型化せざるを得なくなってきている。

しかし、ＩＧＢＴでの発熱量の増大に対して単純に放熱器を大型化すると、車両用空調装置の放熱器をなすコンデンサやエンジン（内燃機関）の放熱器をなすラジエータの搭載スペースを浸食する、または車両先端側の意匠的デザインが大きく制約される等の搭載レイアウト上の問題が多く発生する。

本発明は、上記点に鑑み、第１には、従来と異なる新規な冷却システムを提供し、第２には、発熱体から吸熱した熱を放熱するための放熱器を小型にすることを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、走行用動力を発生させる電動モータ（２）を有する車両に適用され、電動モータ（２）に駆動電流を供給する電気回路（３）を冷却する冷却システムであって、電気回路（３）で発生する熱を吸熱し、その吸熱した熱を冷却用の流体に与える吸熱器（４）と、流体の有する熱を放熱させて流体を冷却する放熱器（５）と、放熱器（５）と吸熱器（４）とを接続して流体の循環経路を構成する配管手段（６）と、放熱器（５）と吸熱器（４）との間で流体を強制的に循環させるポンプ（７）と、電気回路（３）の温度上昇に応じて循環する流体の量を増大させて電気回路（３）の温度が所定温度以下となるようにするとともに、循環する流体の量が最大となった場合においても、電気回路（３）の温度が所定温度以下とならない場合には、電気回路（３）の出力を低下させる制御装置（８）とを備え、放熱器（５）は、コンデンサ（１ｂ）およびラジエータ（１ａ）より車両搭載時の高さが低い小型であって、コンデンサ（１ｂ）およびラジエータ（１ａ）より車両前方側に配置されており、電気回路（３）の発熱量が前記電動モータ（２）の運転状態に応じて最大発熱量となる状態は数秒程度であり、放熱器（５）の最大放熱量は、電気回路（３）の最大発熱量以下であることを特徴とする。

そして、放熱器（５）の放熱能力が電気回路（３）の最大発熱量以下であっても、吸熱器（４）に戻ってくる流体の温度の上昇速度は、流体、吸熱器（４）および放熱器（５）等が有する熱容量により、電気回路（３）の温度上昇速度に比べて十分に小さいので、吸熱器（４）に戻ってくる流体の温度を低く維持することができ、放熱器（５）の体格を小型にすることができる。

因みに、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示す一例である。

本実施形態は、本発明に係る冷却システムをハイブリッド自動車に搭載された走行用の電動モータに駆動電流を供給して電動モータの出力を制御するＩＧＢＴ等からなるインバータ方式のモータ駆動回路を冷却する冷却システムに適用したものである。

なお、図１は本実施形態に係る冷却システムの搭載状態の概要を示す模式図であり、図２はＩＧＢＴ用冷却システムの概要を示す模式図であり、図３は吸熱器の概要を示す模式図である。

因みに、本実施形態に係るハイブリッド自動車は、図１に示すように、熱機関をなすエンジン（内燃機関）１および電動モータ２を共に走行用駆動源として利用するとともに、走行状態に応じてエンジン１および電動モータ２の運転状態を以下に述べるように制御する。

（１）車両が停止しているとき、つまり車速が約０ｋｍ／ｈのときはエンジン１を停止させる。

（２）走行中は、減速時を除き、エンジン１で発生した駆動力を駆動輪に伝達する。なお、減速時は、エンジン１を停止させるとともに、電動モータ２にて車両の運動エネルギーを電気エネルギーに回生しながら回生制動を行う。

（３）発進時、加速時、登坂時及び高速走行時等の走行負荷が大きいときには、エンジン１で発生した駆動力に加えて、電動モータ２に発生した駆動力を駆動輪に伝達する。

なお、本実施形態では、車速及びアクセルペダル踏み込み量から走行負荷を検出する。

（４）バッテリ（図示せず。）の充電残量が充電開始目標値以下になったときには、エンジン１の動力を電動モータ２に伝達して電動モータ２を発電機として作動させてバッテリの充電を行う。

（５）車両が停止しているときにバッテリの充電残量が充電開始目標値以下になったときには、エンジン１を始動させてエンジン１の動力を電動モータ２に伝達して発電する。

因みに、充電開始目標値とは、充電を開始する残充電量のしきい値であり、満充電状態を１００とした百分率にて示される。

なお、ラジエータ１ａはエンジン冷却水と空気とを熱交換してエンジン冷却水を冷却するもので、コンデンサ１ｂは、車両用空調装置の高圧冷媒と空気とを熱交換して冷媒を冷却するものである。

そして、ＩＧＢＴ用冷却システムは、図２に示すように、発熱体をなすＩＧＢＴ３で発生する熱を吸熱し、その吸熱した熱を冷却水に与える吸熱器４、冷却水と空気とを熱交換して冷却水の有する熱を大気中に放熱させて冷却水を冷却する放熱器５、放熱器５と吸熱器４とを接続して冷却水の循環経路を構成する配管６、および放熱器５と吸熱器４との間で冷却水を強制的に循環させる電動式のポンプ７等から構成されている。

なお、放熱器５、コンデンサ１ｂおよびラジエータ１ａは、冷却風流れ上流側、つまり車両の前方側から放熱器５、コンデンサ１ｂ、ラジエータ１ａの順に配置されている。

なお、吸熱器４として、ＩＧＢＴ３の両面側から熱を回収するマイクロチャンネル方式のものを採用している。

具体的には、吸熱器４は、図３に示すように、矩形板状のＩＧＢＴ３の両面側に配置されて冷却水通路を構成するチューブ４ａ、およびこのチューブ４ａ内の冷却水通路を多数本の冷却通路に区画してチューブ４ａと冷却水との熱交換を促進するフィン４ｂ等から構成されている。

また、ＩＧＢＴ３は、熱伝導パッド４ｃ、熱拡散板４ｄおよび電気絶縁板４ｅを介してチューブ４ａの外表面に固定されており、ＩＧＢＴ３の熱は、熱伝導パッド４ｃ→熱拡散板４ｄ→電気絶縁板４ｅ→チューブ４ａの順に冷却水に伝導される。

なお、熱伝導パッド４ｃとは、シリコーングリース等の高い熱伝導率を有するペースト状のもので、ＩＧＢＴ３と熱拡散板４ｄとの間に大きな熱抵抗となる気泡が発生することを抑制するものである。

また、熱拡散板４ｄは、ＩＧＢＴ３にて局所的に発生した熱を広範囲に拡散させて冷却水への吸熱効率を向上させるもので、沸騰式の熱拡散板や対向振動流型の熱拡散板等を使用している。

なお、沸騰式の熱拡散板とは、冷媒の相変化、つまり沸騰に伴う蒸発を利用して発熱体から吸熱し、蒸発して密度が低下した気相冷媒と熱輸送デバイス本体６ａ等の放熱対象に放熱して凝縮した液相冷媒との密度差を利用して冷媒を自然対流させながら熱を拡散させるものである。

また、対向振動流型の熱拡散板とは、隣り合う流路において流体を対向振動させることにより隣り合う流路間で熱交換させて熱を拡散させる、振動流による拡散促進効果を利用したものである。

因みに、本実施形態では、冷却水として、水にエチレングリコール等の不凍液を約５０％混合した流体を採用している。

また、電子制御装置８は、ポンプ７の回転数、つまり冷却システム内を循環させる冷却水量、および放熱器５に冷却風を送風する送風機９の回転数、つまり冷却風量を制御するもので、この電子制御装置８は、ＩＧＢＴ３の温度に基づいて循環冷却水量および冷却風量を制御する。

なお、ＩＧＢＴ３の温度を直接検出することは難しいので、本実施形態では、電気抵抗値が温度に応じて変化することを利用して温度を計測する抵抗法、またはチューブ４ａのＩＧＢＴ３側壁面をサーミスタ等の温度センサにて検出する方法等にて間接的にＩＧＢＴ３の温度を検出している。

次に、循環冷却水量制御および冷却風量制御の一例を述べる。

本実施形態では、電動モータ２の始動、つまりＩＧＢＴ３への通電が開始されると同時にＩＧＢＴ３の温度を監視し、ＩＧＢＴ３の温度上昇に応じて循環冷却水量および冷却風量を増大させてＩＧＢＴ３の温度が所定温度以下となるようにする。

そして、循環冷却水量および冷却風量が最大となった場合においても、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度以下とならない場合には、ＩＧＢＴ３の出力、つまりインバータ回路（モータ駆動回路）の出力を低下させる。

なお、図４は上記した作動説明を示すフローチャートの一例であり、以下、図４に示すフローチャートを説明する。

電動モータ２の始動、つまりＩＧＢＴ３への通電が開始されると、先ず、ポンプ７および送風機９を停止した状態でＩＧＢＴ３の温度を検出する（Ｓ１、Ｓ２）。

そして、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度以下か否かを判定し（Ｓ３）、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度より高いときには、ＩＧＢＴ３の温度上昇に応じて循環冷却水量および冷却風量を増大させて、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度以下となるようにする（Ｓ４）。

具体的には、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度より高いときには、循環冷却水量および冷却風量のうち少なくとも一方を所定量増大させ、循環冷却水量および冷却風量のうち少なくとも一方を所定量増大させた状態で、ＩＧＢＴ３の温度を再び検出してＩＧＢＴ３の温度が所定温度以下となった場合には現状の循環冷却水量および冷却風量を維持し、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度を超えたままであるときには、循環冷却水量および冷却風量のうち少なくとも一方を所定量増大させる。

そして、循環冷却水量および冷却風量が最大となったときには、ＩＧＢＴ３の温度を再び検出してＩＧＢＴ３の温度が所定温度以下か否かを判定し（Ｓ５）、ＩＧＢＴ３の温度が所定温度を超えたままであるときには、循環冷却水量および冷却風量が最大としたまま、ＩＧＢＴ３の出力、つまりインバータ回路（モータ駆動回路）の出力を低下させる。

次に、本実施形態の作用効果を述べる。

図５は、ＩＧＢＴ３の発熱量の時間的推移と、ＩＧＢＴ３の温度、チューブ４ａの壁面温度および吸熱器４の冷却水入口側における冷却水の温度との関係示す試験結果を示すグラフである。

なお、ＩＧＢＴ３の最大発熱量は約９ｋｗであり、通常運転時の発熱量は約３ｋｗである。また、吸熱器４は、６５℃の冷却水が毎分１２リットル供給されたときに約９ｋｗのの吸熱能力が発生し、放熱器５は、４０℃の冷却風が４ｍ／ｓで供給されたときに約４ｋｗの放熱能力が発生する。また、配管６の長さは約２ｍであり、冷却システムに封入された冷却水量は約０．４リットルである。

そして、図５から明らかなように、ＩＧＢＴ３での発熱量が通常発熱量（３ｋｗ）から最大発熱量（９ｋｗ）に変化してＩＧＢＴ３の温度が上昇しても、冷却水の有する熱容量が大きいため、吸熱器４に戻ってくる冷却水の温度は、ＩＧＢＴ３の温度上昇に対して時間差無く上昇することはない。

このため、放熱器５の放熱能力がＩＧＢＴ３の最大発熱量以下であっても、吸熱器４に戻ってくる冷却水の温度の上昇速度は、ＩＧＢＴ３の温度上昇速度に比べて十分に小さいので、吸熱器４に戻ってくる冷却水の温度を低く維持することができる。

このとき、ＩＧＢＴ３の発熱量が最大となる状態が連続的に長時間続く場合には、吸熱器４に戻ってくる冷却水の温度を低く維持することはできないものの、ＩＧＢＴ３の発熱量が最大となる状態が連続的に長時間続く場合は殆どなく、通常は、ＩＧＢＴ３の発熱量が最大となる状態は数秒（例えば、２秒）程度である。

したがって、放熱器５の最大放熱量がＩＧＢＴ３の最大発熱量以下であっても、ＩＧＢＴ３を十分に冷却することができる。

そこで、本実施形態では、放熱器５の体格を従来の約半分程度まで小型にすることにより、放熱器５の最大放熱量をＩＧＢＴ３の最大発熱量以下として、ＩＧＢＴ３での発熱量の増大に対して単純に放熱器５を大型化することなく、コンデンサ１ｂやラジエータ１ａの搭載スペースを浸食する、または車両先端側の意匠的デザインが大きく制約される等の搭載レイアウト上の問題を解決している。

また、ＩＧＢＴ３での放熱量が増大しても放熱器５での放熱量が増大してしまうことおよび放熱器５の大型化を防止できるので、放熱器５の冷却風流れ下流側に配置されたコンデンサ１ｂおよびラジエータ１ａに温度の低い冷却風を供給することができ、コンデンサ１ｂおよびラジエータ１ａの冷却能力を高めることができる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態では、発熱体としてＩＧＢＴ３等の電気回路を例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、ハイブリッド自動車の冷却システムに本発明を適用したが、本発明の適用はこれに限定されるものではない。

また、上述の実施形態では、ポンプ７にて冷却水を強制的に循環させたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば沸騰式冷却装置のごとく、自然対流を利用して冷却水を循環させるように構成してもよい。

また、本発明は、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に合致するものであればよく、上述の実施形態に限定されるものではない。

本発明の実施形態に係る冷却システムの搭載状態の概要を示す模式図である。ＩＧＢＴ用冷却システムの概要を示す模式図である。吸熱器の概要を示す模式図である。本発明の実施形態に係る冷却システムの作動説明を示すフローチャートである。ＩＧＢＴ３の発熱量の時間的推移と、ＩＧＢＴ３の温度、チューブ４ａの壁面温度および吸熱器４の冷却水入口側における冷却水の温度との関係示す試験結果を示すグラフである。

符号の説明

３…ＩＧＢＴ、４…吸熱器、５…放熱器、６…配管、７…ポンプ。

Claims

走行用動力を発生させる電動モータ（２）を有する車両に適用され、
前記電動モータ（２）に駆動電流を供給する電気回路（３）を冷却する冷却システムであって、
前記電気回路（３）で発生する熱を吸熱し、その吸熱した熱を冷却用の流体に与える吸熱器（４）と、
前記流体の有する熱を放熱させて前記流体を冷却する放熱器（５）と、
前記放熱器（５）と前記吸熱器（４）とを接続して前記流体の循環経路を構成する配管手段（６）と、
前記放熱器（５）と前記吸熱器（４）との間で前記流体を強制的に循環させるポンプ（７）と、
前記電気回路（３）の温度上昇に応じて循環する前記流体の量を増大させて前記電気回路（３）の温度が所定温度以下となるようにするとともに、循環する前記流体の量が最大となった場合においても、前記電気回路（３）の温度が所定温度以下とならない場合には、前記電気回路（３）の出力を低下させる制御装置（８）とを備え、
前記放熱器（５）は、コンデンサ（１ｂ）およびラジエータ（１ａ）より車両搭載時の高さが低い小型であって、前記コンデンサ（１ｂ）および前記ラジエータ（１ａ）より車両前方側に配置されており、
前記電気回路（３）の発熱量が前記電動モータ（２）の運転状態に応じて最大発熱量となる状態は数秒程度であり、
前記放熱器（５）の最大放熱量は、前記電気回路（３）の最大発熱量以下であることを特徴とする冷却システム。