JP4138562B2 - Inverter device for vehicle and electric vehicle equipped with the same - Google Patents

Inverter device for vehicle and electric vehicle equipped with the same Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、車両用インバータ装置及びそれを搭載した電動車両に関する。
【0002】
【従来の技術】
発熱体を冷却するための冷却媒体を流通させるための流路を内部に備えた従来の電気機器、例えば水冷インバータとしては、例えば特開平10−22428号公報の図8に記載されているように、モジュール基板の冷媒室に接する側の面に複数列のフィンが形成し、フィンの列は冷媒流入口から冷媒流出口に向かう方向を長手方向として並び、冷媒流れ方向には連続したフィンとして形成されたものが知られている。また、ここで、冷媒流入口の幅に対して、冷媒室の幅が広いため、冷媒室における冷媒の流量を均一にして、均一な冷却を可能にするため、冷媒流入口と冷媒室との間に、冷媒のたまり部を形成することが知られている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平10−22428号公報記載の構造について、本発明者らが検討したところ、流路の圧力損失が増大するという問題点があることが判明した。すなわち、特開平10−22428号公報記載のものでは、冷媒流入口の流路深さよりもフィン列の流路深さが小さい構造であるが、さらに、入口流路とフィン列の流路の間、及びフィン列の流路と出口流路の間に、それぞれ、たまり部を設けることにより、このたまり部では、入口流路とフィン列の流路との間で流路深さが急激に変化するため圧力損失が発生する。また、同様にして、フィン列の流路と出口流路との間でも流路深さが急激に変化するため圧力損失が発生する。これらの圧力損失は、流路に冷媒を送り出すポンプの負荷を増加させ、ポンプの体格を大きくするという問題点を生じることになる。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減する流路構造を有する車両用インバータ装置を提供する。また、本発明は、車両用インバータ装置を搭載した電動車両を提供する。
【0005】
(1)上記目的を達成するために、本発明は、冷却水が流れる流路を備えたアルミ製ケースと前記アルミ製ケースに固定された半導体モジュールとを有し、前記半導体モジュールは、他方の面に冷却用のフィンを有するベースと、前記ベースの一方の面の側に設けられU相とV相とW相のそれぞれの上下アームとして作用し直流電力を交流電力に変換する複数の半導体素子を有しており、前記流路は、給水管入口と冷却部と排出管出口とを有していて、前記冷却部には開口が設けられ、前記開口から前記冷却用のフィンが流路内に突出すると共に前記開口を前記半導体モジュールのベースで塞ぐように前記ベースが前記アルミ製ケースに固定されており、前記流路の冷却部は、冷却水の流れに垂直な流路の断面形状が四角形で、その幅方向がその深さ方向より大きい形状を成していて、前記流路の冷却部はその深さが一定で、前記給水管入口と前記冷却部との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に減少し幅方向が徐々に増大するように変化する形状を成し、前記冷却部と前記排出管出口との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に増大し幅方向が徐々に減少するように変化する形状を成しているものである。
かかる構成により、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減し得るものとなる。
【0006】
(2)上記目的を達成するために、本発明は、冷却水が流れる流路を備えたアルミ製ケースと前記アルミ製ケースに固定された半導体モジュールとを有し、前記半導体モジュールは、ベースと、前記ベースの一方の面の側に設けられU相とV相とW相のそれぞれの上下アームとして作用し直流電力を交流電力に変換する複数の半導体素子を有しており、前記流路は、給水管入口と冷却部と排出管出口とを有していて、前記冷却部には前記アルミ製ケースに固定された冷却のための複数のフィンが設けられており、前記流路の冷却部は、冷却水の流れに垂直な流路の断面形状が四角形で、その幅方向がその深さ方向より大きい形状を成し、前記流路の冷却部を形成する前記アルミ製ケースに、前記半導体モジュールの前記ベースの他方の面が前記アルミ製ケース側に位置すると共に、前記半導体モジュールの複数の半導体素子が前記冷却部に対応した位置となるように、前記半導体モジュールの前記ベースが前記アルミ製ケースに固定されている、車両用インバータ装置であって、前記流路の冷却部はその深さが一定であり、前記給水管入口と前記冷却部との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に減少し幅方向が徐々に増大するように変化する形状を成し、前記冷却部と前記排出管出口との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に増大し幅方向が徐々に減少するように変化する形状を為しているものである。
かかる構成により、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減し得るものとなる。
【0022】
【発明の実施の形態】
最初に、図1〜図5を用いて、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0023】
ここで、図1を用いて、本実施形態によるインバータ装置の全体構成について説明する。本実施形態による水冷インバータは、環境対応自動車などの車載用に用いられる。
【0024】
図1(A)は、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置の6アーム(U,V,W相のそれぞれ上・下アーム)モジュールの平面図である。図1(B)は、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図1(C)は、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図1(B)のA−A’断面図である。
【0025】
図1(A)に示すように、モジュール100は、半導体素子103,104と基板102と、銅ベース101とから構成される。半導体素子103,104は、それぞれ、通常、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)とFWD(Free Wheeling Diode)で構成される。インバータ装置は、自動車のバッテリー等の直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するものであり、半導体素子103がPWM(Pulse Width Modulation)制御などによりスイッチングすることで、モータに交流電力を供給し、モータを駆動する。
【0026】
銅ベース101の上には、図示の例では、6個の基板102が搭載され、6アームモジュールを構成している。個々の基板102の上には、それぞれ、3個の半導体素子103と、2個の半導体素子104が搭載される。基板102の大きさは、たとえば、27mm×55mm程度である。半導体素子103の大きさは、たとえば、9mm□程度であり、半導体素子104の大きさは、たとえば、6mm□程度である。基板102は、窒化アルミ板の表裏面に銅箔をロウで貼り付けた構造をしている。ここで、基板102には、1基板に2アーム(例えば、U相の上アームと下アーム)が搭載された構成でもよいものである。
【0027】
図1(C)に示すように、基板102の上に、半導体素子103,104がハンダ106を介して搭載される。基板102は、銅ベース101上にハンダ107を介して搭載される。銅ベース101の大きさは100mm×230mm程度である。銅ベース101上にはネジ留めのためのネジ穴105が形成されており、その大きさはM6程度である。モジュール100は、アルミダイカストで形成されるケース110の上に、グリース108を介してネジ111で留めて接着される。
【0028】
図1(C)に示すように、ケース110の内部に、ハッチングで示す流路120が形成される。流路120の形状は、図1(C)および図1(B)に示す形状となっている。図1(C)に示すように、ケース110の中央部で、半導体103,104が載置される箇所の下の部分(ここを「冷却部」と称する)には、ケース110と一体成形されたフィン109が形成されている。
【0029】
図1(B)に示すように、フィン109は、流路120の長手方向に平行に形成されている。図示する例では、13本の互いに平行なフィン109が設けられている。フィン109の幅Wf1は、たとえば、2.5mmである。
【0030】
図1(B)に示すように、流路120に対して、モジュール100は、太い点線で示す位置に搭載される。電動ウォーターポンプ(図示せず)から流路120に冷却水であるLLC(Long Life Coolant)が供給されることによって冷却される。電動ウォーターポンプの最大流量は毎分20リットル、最大圧力損失は14kPa程度である。
【0031】
流路120の左側の端部には、ラジエターに接続される給水パイプが接続される。流路120は、給水管112と、部分構造管113と、冷却部114と、部分構造管115と、排水管116とから構成されている。冷却部114の中央部には、フィン間流路118が形成される。排水管116の右側の端部には、ラジエターに接続される排水パイプが接続される。
【0032】
ここで、さらに、図2も用いて、流路120の形状について説明する。
【0033】
図2は、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。
【0034】
給水管入口200には、ラジエターに接続される給水パイプが接続される。給水管入口200の直径R1は、たとえば、17mmである。給水管112は、四角柱形状であり、高さH1は、たとえば、17mmであり、幅W1は、たとえば、17mmである。長さL1は、たとえば、10mmである。
【0035】
給水管112から冷却部114に至る部分構造管113の断面流路形状は、おおよそ冷却部112の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大して、給水管112と冷却部114とを接続する形状になっている。すなわち、部分構造管113では、流路断面202から流路断面203へ流路幅(長辺)方向に徐々に広がり、流路深さ(短辺)方向に徐々に狭まる構造となっている。流路断面202の幅は、幅W1に等しく、たとえば、17mmである。流路断面203の幅W2は、たとえば、60mmである。部分構造管113の長さL2は、たとえば、23mmである。流路幅方向への拡大の変化率及び流路深さ方向への縮小の変化率はほぼ一定である。部分構造管113の流路深さ方向に狭まる角度,すなわち、冷却部114の周壁と部分構造管113の周壁のなす角度θ1は、30°である。この角度θ1は、圧力損失低減のため45°以下が望ましいものである。部分構造管113の流路幅方向に広がる角度,すなわち、冷却部114の周壁と部分構造管113の周壁のなす角度θ2は、30°である。この角度θ2は、圧力損失低減のため45°以下が望ましいものである。
【0036】
冷却部114の中には、ケース110と一体成型されたフィン109が存在するフィン間流路118が形成される。フィン109のフィン幅Wf1は、たとえば、2.5mmであるのに対して、フィン間隔Wf2は、たとえば、2mmであい、フィン高さは、たとえば、5mmである。流量が毎分20リットルのとき、フィン間流路118での流速は2.5m/s程度となる。フィン間流路118の長さL4は、たとえば、150mmであり、その前後の冷却部114の長さL3,L5は、たとえば、10mmである。
【0037】
フィン109を通ったLLCは、部分構造管115において、流路断面204から流路断面205へ流路幅方向に30°で狭まり、流路深さ方向に徐々に広がる。さらに、排水管116から直径17φの排水管出口201に流れる。部分構造管115の流路深さ方向に広がる角度についても45°以下が望ましい。部分構造管115の長さL6は、たとえば、23mmである。流路断面204の幅および高さは、流路断面203に等しく、流路断面205の幅および高さは、流路断面202に等しくしている。排水管116の幅W4は、たとえば、17mmであり、高さH4は、たとえば、17mmである。
【0038】
また、流路の圧力損失を低減するため、部分構造管113がなす角度θ1は、部分構造管115がなす角度θ3よりも小さいことが望ましいものである。例えば、上述の例では、角度θ1が30°であり、角度θ3も30°であるが、角度θ1を20°にするものである。これによって、流路の全長は長くなるものの、さらに、圧力損失を低減することができる。なお、流路の全長を短くしたい場合には、例えば、角度θ1が30°であり、角度θ3が30°の場合に対して、角度θ3を40°にすることにより、圧力損失は若干増えるものの流路長を短くして、インバータ装置を小型化することができる。なお、ケース110は、鋳物であるため、それぞれの角にはコーナーR(R=1mm程度)が付き、実際には角抜きのための勾配も数°程度ついている。
【0039】
ここで、図3を用いて、従来例における流路構造について説明する。
【0040】
図3は、従来例における流路の形状を示す斜視図である。
【0041】
図3に示す流路構造の流路300は、給水管入口200から流路入口112を通って部分構造部301に入る。流路断面305から流路断面306へは、流路幅方向には広がっているが、流路深さ方向には変化しないものである。排水管側に関しても、流路断面307から流路断面308へは、流路幅方向には狭まっているが、流路深さ方向には変化しない。また、給水管側には部分構造部301と冷却部114の間にたまり部303が存在し、排水管側にも冷却部114と部分構造部302の間にたまり部304が存在する。LLCは部分構造部302から排水管116を経て、排水管出口201から排出される。
【0042】
次に、図4を用いて、本実施形態による流路構造を用いた場合の流路断面積の変化について、従来例と対比して説明する。
【0043】
図4(A)は、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造の流路断面積の変化を示す図である。同図(B)は、従来例の流路断面積の変化を示す図である。
【0044】
図4(A)において、横軸は、流路120の長手方向の位置Xを示している。縦軸は、流路断面積Sである。図中、x1は、図2の給水管入口200の位置であり、この位置で、流路断面形状が17φから17mm□に変化する場合、流路断面積は、S2(227mm)からS3(289mm)に急に変化する。位置x2は、図2の流路断面202の位置である。また、位置x3は、図2の流路断面203の位置である。位置x2〜位置x3は、部分構造管113を用いているため、流路断面積は、S3(289mm)からS4(300mm)に徐々に変化する。位置x4〜x5は、フィン間流路118が形成される位置である。位置x4では、断面積S4(300mm)からS1(150mm)に急に変化する。位置x6は、図2の流路断面204の位置であり、位置x7は、流路断面205の位置である。位置x6〜位置x7は、部分構造管115を用いているため、流路断面積は、S4(300mm)からS3(289mm)に徐々に変化する。位置x8は、図2の排水管出口201の位置であり、この位置で、流路断面形状が17mm□から17φに変化する場合、流路断面積は、S3(289mm)からS2(227mm)に急に変化する。
【0045】
図4(B)において、図中、位置x2は、図3の流路断面305の位置である。また、位置x9は、図3の流路断面306の位置である。位置x2〜位置x9では、流路断面積は、S3(289mm)からS5(1020mm)に変化する。位置x3は、冷却部114の入口であり、位置x3では、断面積S5(1020mm)からS4(300mm)に急に変化する。同様にして、位置x6は、図3の冷却部114の出口の位置であり、位置x10は、流路断面307の位置であり、位置x7は、流路断面308の位置である。位置x10〜位置x7は、流路断面積は、S5(1020mm)からS3(289mm)に急激に変化する。
【0046】
次に、図5を用いて、本実施形態による流路構造を用いた場合の冷却部以外の圧力損失について、従来例と比較して説明する。
図5は、本発明の第1の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造を用いた場合の冷却部以外の圧力損失値の説明図である。縦軸は、冷却部以外の圧力損失値(kPa)を示している。
【0047】
図中、(X)は、図3に示した従来例の流路構造による圧力損失値であり、部分構造部301,302とたまり口303,304の存在により、これらと冷却部114との間で流路形状及び断面積に急激な変化が生じる。図3の冷却部114以外の圧力損失値を測定すると2.4kPaであった。この圧力損失値は、熱伝達にまったく寄与しておらず、できるだけ小さくすることが望まれる。
【0048】
一方、図中、(Y)が本実施形態による流路構造の場合であり、部分構造管113,115を流路幅及び流路深さ方向に徐々に変化することで、部分構造管113,115と冷却部114との間で流路断面形状及び断面積の急激な変化を回避することができ、圧力損失が低減できる。本例の冷却部114以外の圧力損失値を測定すると0.5kPaとなり、図3の2.4kPaから約1/5に低減することができた。冷却部114の圧力損失値は図2と図3で変化はなく、モジュール100の放熱能力は同じである。
【0049】
また、図2に示したように、部分構造管113は、流路幅及び流路深さ方向に徐々に変化する構成としているので、給水パイプ(17φ)に対して、冷却部の幅W2(60mm)が広い場合でも、冷却部114における冷媒(冷却水)の流量を均一にして、均一な冷却を可能にすることができる。即ち、本実施形態により、流路の熱伝達特性を悪化させることなく、流路の圧力損失を低減することができた。したがって、ポンプを小型化することができる。また、圧力損失の低減により、インバータをより高効率に冷却することが可能になるので、インバータの小型化を実現することができる。
【0050】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路に、冷却部の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大する断面形状の部分構造部を設け、また、冷却部から排水管出口に至る流路に、冷却部の短辺から徐々に拡大し、長辺から徐々に縮小する断面形状の部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【0051】
次に、図6を用いて、本発明の第2の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。本実施形態による水冷インバータの全体構成は、図1に示したものと同様である。
【0052】
図6は、本発明の第2の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。なお、図2と同一符号は、同一部分を示している。
【0053】
流路500を構成する給水管501,排水管504は、それぞれ、給水管入口200,排水管出口201の直径と同じ直径を持つ円筒である。部分構造部502は、断面流路505から断面流路506へ流路幅方向に徐々に拡大し、流路深さ方向に徐々に縮小する構造を有している。また、部分構造部503は、断面流路507から断面流路508へ流路幅方向に徐々に縮小し、流路深さ方向に徐々に拡大する構造を有している。部分構造部502,503は入れ子構造とするか、あるいはモジュールに接する面のみ開口部を設けて半円筒と直方体の組合せとしても良いものである。
【0054】
本実施形態では、図2に示した構造に比べて、圧力損失値をさらに低減できる。これは、給水管501は円形断面を有し、ラジエターに接続された給水パイプと同じ直径とすることにより、この部分における圧力損失が生じないし、また、部分構造部502は、徐々に断面積が変化する構造であるため、圧力損失を少なくできる。冷却部114以外の圧力損失値を測定したところ、0.3kPaと、図2に示した構造の圧力損失0.5kPaよりさらに低減することができた。したがって、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。
【0055】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。また、給水管,排水管の形状を円筒形状とすることにより、さらに、圧力損失を低減することができる。
【0056】
次に、図7を用いて、本発明の第3の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0057】
図7(A)は、本発明の第3の実施形態によるインバータ装置の6アーム(U,V,W相のそれぞれ上・下アーム)モジュールの平面図である。図7(B)は、本発明の第3の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図7(C)は、本発明の第3の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図7(B)のB−B’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0058】
本実施形態のインバータ装置では、フィン付き直冷モジュール構造を持つ水冷インバータとしている。すなわち、銅ベース601には、フィン602が一体的に形成されている。ケース110の上部の中央には、開口部が形成されている。この開口部にフィン602を挿入するようにして、モジュール600をケース110にネジ111によって留めることで、流路603が形成される。フィン602のサイズは、図1に示したフィン109と同等である。このように、銅ベース601にフィン602を一体的に形成することにより、モジュール600の銅ベース601に冷却水を直接当てる直冷方式として、冷却効率を向上することができる。なお、モジュール600は、通常、ネジ留めとOリング(図示せず)によって、流路から高圧部への漏水を防止しているが、溶接やFSW(Friction
Stirring Welding)によって被水を防いでも良いものである。
【0059】
流路部分112,113,114,115,116は、図1,図2に示したものとほぼ同じであり、部分構造部113,115を設けるようにしている。なお、銅ベース601によって流路を形成する構成とした結果、ケース110の上板の中央部よりの端部110Aにおいて、上板の板厚t1(例えば、2mm)分だけ流路の幅が狭くなり、圧力損失が生じる恐れがあるため、端部110Aに対応する部分に、コーナーR117を設けて、圧力損失を低減するようにしている。
【0060】
図7に示した形状の流路構造において、冷却部114以外の圧力損失値を測定すると0.6kPaであった。図2に示した構造よりは、0.1kPaほど圧力損失が大きくなるものの、従来構造より低減できており、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。一方、直冷構造とすることにより、冷却効率を向上できている。
【0061】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。また、直冷方式とすることにより、冷却効率を向上することができる。
【0062】
次に、図8を用いて、本発明の第4の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0063】
図8(A)は、本発明の第4の実施形態によるインバータ装置の6アーム(U,V,W相のそれぞれ上・下アーム)モジュールの平面図である。図8(B)は、本発明の第4の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図8(C)は、本発明の4の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図8(B)のC−C’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0064】
本実施形態のインバータ装置では、フィンレスの直冷モジュール構造を持つ水冷インバータとしている。すなわち、銅ベース100は、フィンのない平板である。そして、その点以外の構成は、図6に示した構成と同じものである。冷却方式も直冷方式である。モジュール100がネジ留めや溶接などによってケース110に接合されることで、流路700が形成される。冷却部701の流路深さH6は、例えば、2mm程度であり、流量が毎分20リットルのとき、冷却部701での流速は2.5m/s程度となる。
【0065】
図8に示した形状の流路構造において、冷却部114以外の圧力損失値を測定すると1kPaであった。図7に示した構造よりは、圧力損失が大きくなるものの、従来構造より低減できており、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。一方、直冷構造とすることにより、冷却効率を向上できている。
【0066】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。また、直冷方式とすることにより、冷却効率を向上することができる。
【0067】
次に、図9を用いて、本発明の第5の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0068】
図9(A)は、本発明の第5の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図9(B)は、本発明の5の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図9(A)のD−D’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0069】
本実施形態によるインバータは、直列で平行な流路を持つ2インバータシステムである。本実施形態によるインバータ装置の平面構成は、図1(A)に示したものと同様であるが、2つのモジュールが、同一平面上に、流路流れ方向に直列に並んでいる。
【0070】
流路800内で、冷却水は、前段の冷却部114から流路801を経て、後段の冷却部802に流れる。フィン803のサイズはフィン109と同等であり、フィン109とフィン803は、途中でつながって一体であっても良いものである。給排水管112,116は、冷却部114に対して概略垂直でも良い。
【0071】
冷却水を毎分20リットル流したとき、冷却部114,802以外の圧力損失を測定すると、1.5kPaであった。これは、流路801の部分における圧力損失が大きいためである。それでも、図3に示した従来構造を2インバータに適用した場合、その圧力損失値は、3.4kPaあったので、それに対して、圧力損失を低減することができる。なお、ポンプの供給能力を超えるような場合は、圧力損失上限値に相当する流量に低減すれば良いものである。本構造においても、インバータの小型化を実現することができる。なお、水冷方式は、間接水冷方式を示しているが、図7,図8のような直冷方式でも良いものである。
【0072】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【0073】
次に、図10を用いて、本発明の第6の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0074】
図10(A)は、本発明の第6の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図である。図10(B)は、本発明の6の実施形態によるインバータ装置の流路部分の断面図であり、図10(A)のE−E’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0075】
本実施形態では、給排水管が冷却部に対して概略垂直であって、給水管から冷却部に至る断面流路形状は、おおよそ部分構造部と冷却部との接続断面の短辺方向に徐々に縮小し、長辺方向に徐々に拡大しており、冷却部から排水管に至る断面流路形状は、おおよそ冷却部と部分構造部との接続断面の短辺から徐々に拡大し、長辺から徐々に縮小している構造としている。
【0076】
図10に示す構成において、流路900の構成以外は、図1と同様である。給水管901と排水管904は、ともに、冷却部114に対して概略垂直の位置関係にある。給水管901と冷却部114の間には、流路断面905から流路断面906へ流路幅(長辺)方向に拡大し、流路深さ(短辺)方向に縮小する部分構造部902を設けている。同様に、冷却部114と排水管904の間は、流路断面907から流路断面908へ流路幅(長辺)方向に縮小し、流路深さ(短辺)方向に拡大する部分構造部903を設けている。
【0077】
図10に示した形状の流路構造において、冷却部114以外の圧力損失値を測定すると1.7kPaであった。図3に示した従来構造に比べ、圧力損失値を30%程度低減することができ、ポンプの小型化、あるいは、インバータの小型化を実現することができる。また、流路の給水側と排水側を垂直方向に設けることにより、水冷インバータの面積を従来構造より低減でき、インバータを小型化できる。さらに、インバータの同じ側に給排水管があることで、設計上の自由度が大きくなる。
【0078】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【0079】
次に、図11を用いて、本発明の第7の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0080】
図11(A)は、本発明の第7の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図である。図11(B)は、本発明の7の実施形態によるインバータ装置の流路部分の断面図であり、図11(A)のF−F’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0081】
本実施形態においては、給排水管が冷却部と概略垂直とした点は、図10の場合と同様である。流路1000の構成以外は、図1と同様である。給水管1001と排水管1004は、ともに、冷却部114に対して概略垂直の位置関係にある。給水管1001と冷却部114の間には、流路断面1005から流路断面1006へ流路幅方向に拡大し、流路深さ方向に縮小する部分構造部1002を設けている。同様に、冷却部114と排水管1004の間は、流路断面1007から流路断面1008へ流路幅方向に縮小し、流路深さ方向に拡大する部分構造部1003を設けている。
【0082】
本実施形態では、図10に示したものとは、部分構造部1002,1003の周壁の冷却部114に対する角度が異なっている。すなわち、給水管1001の周壁と部分構造部1002の周壁のなす角度θ5を45°としている。また、部分構造部1002の周壁と冷却部114の周壁のなす角度θ6を45°としている。これによって、給水管入口200に流入した冷却水は、給水管1001と部分構造部1002の間で流れの向きが概略45°曲がり、部分構造部1002と冷却部114の間で更に概略45°曲がって、冷却部114に流れる。同様に、排水管側に関しても、冷却部114と部分構造部1003の間で流れの向きが概略45°曲がり、部分構造部1003と排水管1004の間で更に概略45°曲がり、排水管出口201から流出する。
【0083】
以上のように、本実施形態では、給排水管1001,1004と冷却部114の間での流れの向きの変化を2段階に分け、ベクトル変化を45°とすることにより、急激なベクトル変化による圧力損失の発生を防いでいる。給水管1001のの周壁と部分構造部1002の周壁のなす角度θ5が45°以下が好ましく、また、部分構造部1002の周壁と冷却部114の周壁のなす角度θ6は90°未満が好ましいものである。
【0084】
本実施形態において、冷却部114以外の圧力損失値を測定すると、1.1kPaとなり、図10に示した例に比べ、更に圧力損失値を低減することができた。また、流路の給水側と排水側を垂直方向に設けることにより、水冷インバータの面積を従来構造より低減でき、インバータを小型化できる。さらに、インバータの同じ側に給排水管があることで、設計上の自由度が大きくなる。
【0085】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【0086】
次に、図12を用いて、本発明の第8の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0087】
図12(A)は、本発明の第8の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図12(B)は、本発明の8の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図12(A)のG−G’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0088】
本実施形態によるインバータは、直列でL字型の流路を持つ2インバータシステムである。本実施形態によるインバータ装置の平面構成は、図1(A)に示したものと同様であるが、2つのモジュールが、同一平面上に存在する。また、流路1100では、2つのモジュールが流れ方向に直列に並んでおり、2インバータの間で概略L字型を成している。
【0089】
流路1100内で、冷却水は、前段の冷却部114から流路1101を経て、後段の冷却部1102に流れる。フィン1103のサイズは、フィン109と同等であり、フィン109と1103は途中でつながって一体であっても良いものである。給排水管112,116と部分構造部113,115は、冷却部114に対して概略垂直でも良いものである。なお、水冷方式は、間接水冷方式を示しているが、図7,図8のような直冷方式でも良いものである。
【0090】
冷却水を毎分20リットル流したとき、冷却部114,1102以外の圧力損失値を測定すると、3.2kPaであった。そして、図3に示した従来構造を2インバータに適用した場合に対して、圧力損失を低減することができる。なお、ポンプの供給能力を超えるような場合は、圧力損失上限値に相当する流量に低減すれば良いものである。本構造においても、インバータの小型化を実現することができる。
【0091】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【0092】
次に、図13を用いて、本発明の第9の実施形態によるインバータ装置の構成について説明する。
【0093】
図13(A)は、本発明の第9の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図である。図13(B)は、本発明の9の実施形態によるインバータ装置の全体構成を示す断面図であり、図13(A)のH−H’断面図である。なお、図1と同一符号は、同一部分を示している。
【0094】
本実施形態によるインバータは、直列でU字型の流路を持つ2インバータシステムである。本実施形態によるインバータ装置の平面構成は、図1(A)に示したものと同様であるが、2つのモジュールが、同一平面上に存在する。また、流路1200は、流れ方向に直列に並んでおり、2インバータの間で概略U字型を成している。
【0095】
流路1200内で、冷却水は、前段の冷却部114から流路1201を経て、後段の冷却部1202に流れる。フィン1203のサイズは、フィン109と同等であり、フィン109とフィン1203は途中でつながって一体であっても良いものである。給排水管112,116と部分構造部113,115は、冷却部114に対して概略垂直でも良いものである。なお、水冷方式は、間接水冷方式を示しているが、図7,図8のような直冷方式でも良いものである。
【0096】
冷却水を毎分20リットル流したとき、冷却部114,1202以外の圧力損失値を測定すると、4.2kPaであった。そして、図3に示した従来構造を2インバータに適用した場合に対して、圧力損失を低減することができる。なお、ポンプの供給能力を超えるような場合は、圧力損失上限値に相当する流量に低減すれば良いものである。本構造においても、インバータの小型化を実現することができる。
【0097】
以上説明したように、本実施形態によれば、給水管入口から冷却部に至る流路、及び、冷却部から排水管出口に至る流路に、部分構造部を設けることにより、冷却部において均一な冷却が可能で、熱特性を改善するとともに、冷却部以外の流路における圧力損失を低減することができる。
【0098】
図14は、電気自動車やハイブリッド自動車など、前記いずれかのインバータ装置が適用される電動車両のコントローラ(インバータ装置)及び電動機の冷却システムを示す。冷却システムは、車輪を駆動する電動機2と、電動機2の出力を制御するコントローラ1(インバータ装置)と、冷却媒体冷却用ラジエータ3と、電動式ポンプ4とが冷却パイプ5で連結されて構成されている。冷却パイプ5には冷媒である不凍液が封入されている。ラジエータ3の側面には冷媒を強制冷却するためのラジエータファンモータ6が取付けられている。前記構成においてコントローラ1(インバータ装置)と電動機2から発生する熱量はほぼ同程度であるが、コントローラ1(インバータ装置)を構成しているトランジスタ,コンデンサなどの電子部品は、自身の発熱や周りからの熱のあおりで誤動作又は破壊する恐れがある。これらの部品の耐熱保証温度は150℃以下であり、電動車両内の温度環境は非常に厳しいものとなる。従って、システムの冷却順序としてはコントローラ1(インバータ装置)を優先し、次に耐熱性の高い電動機2を冷却するように配置し、熱的バランスを良くして効果的に冷却するようにシステムを構成している。
【0099】
本実施形態によれば、前記いずれかのインバータ装置、すなわち圧力損失を低減できるインバータ装置を備えているので、冷却媒体である不凍液或いは水を強制循環する電動式ポンプ4の能力を小さく(電動式ポンプ4を小型化)することができる。従って、本実施形態によれば、小型でかつ安価な冷却システムを提供することができる。
【0100】
図15は、前記冷却システムが搭載された電動車両の電機駆動系システムの構成を示す。本実施例では、電動機を唯一の駆動源とする電気自動車に前記いずれかのインバータ装置を搭載した場合を例にとり説明するが、内燃機関であるエンジンと電動機とを車両の駆動減とするハイブリッド自動車に前記いずれかのインバータ装置を適用してもよい。
【0101】
図において39は車体である。車体39の前部には、両端に車輪40a,40bを設けた車軸42が回転可能に取り付けられている。すなわち前輪が取り付けられている。車体39の後部には、両端に車輪41a,41bを設けた車軸43が回転可能に取り付けられている。すなわち後輪が取り付けられている。車軸42にはギア44を介して電動機2が機械的に接続されている。電動機2にはインバータ装置10が電気的に接続されており、車両電源であるバッテリ20から供給された直流電力が三相交流電力に変換され供給される。インバータ装置10には上位制御装置21が電気的に接続されており、アクセルの踏込みに対応する指令信号などが入力される。
【0102】
本実施例によれば、前記いずれかのインバータ装置、すなわち圧力損失を低減できるインバータ装置を備えているので、インバータ装置を冷却するための冷却システムを構成する電動式ポンプの能力を小さく(電動式ポンプを小型化)することができる。従って、本実施例によれば、安価で小型な冷却システムを提供することができるので、電動車両への冷却システムの搭載性を向上させることができると共に、電動車両のコスト低減に寄与することができる。
【0103】
【発明の効果】
本発明によれば、たまり部をもうけることなく、均一な冷却が可能で、熱特性を改善し、また、流路の圧力損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態によるインバータ装置のモジュールの平面図,インバータ装置の流路部分の平面透視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図2】本発明の第1の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。
【図3】従来例おける流路の形状を示す斜視図である。
【図4】本発明の第1の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造の流路断面積の変化を示す図,従来例の流路断面積の変化を示す図である。
【図5】本発明の第1の実施形態によるインバータ装置に用いる流路構造を用いた場合の冷却部以外の圧力損失値の説明図である。
【図6】本発明の第2の実施形態によるインバータ装置が備える流路の形状を示す斜視図である。
【図7】本発明の第3の実施形態によるインバータ装置のモジュールの平面図,インバータ装置の流路部分の平面透視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図8】本発明の第4の実施形態によるインバータ装置のモジュールの平面図,インバータ装置の流路部分の平面透視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図9】本発明の第5の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図10】本発明の第6の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図11】本発明の第7の実施形態によるインバータ装置の流路部分の斜視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図12】本発明の第8の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図13】本発明の第9の実施形態によるインバータ装置の流路部分の平面透視図,インバータ装置の全体構成を示す断面図である。
【図14】本発明の各実施形態のいずれかのインバータ装置が適用される電動車両のコントローラ(インバータ装置)及び電動機の冷却システムのシステムブロック図である。
【図15】図14に示した冷却システムが搭載された電動車両の電機駆動系システムのシステム構成図である。
【符号の説明】
100,600…モジュール
101,601…銅ベース
102…窒化アルミ基板
103,104…半導体素子
105…ネジ穴
106,107…ハンダ
108…グリース
109,602,803,1103,1203…フィン
110…ケース
111…ネジ
112,501,901,1001…給水管
113,115,301,302,502,503,902,903,1002,1003…部分構造部
114,701,802,1102,1202…冷却部
116,504,904,1004…排水管
117…コーナーR
118…フィン間流路
120,300,500,603,700,800,801,900,1100,1101,1200,1201…流路
200…給水管入口
201…排水管出口
202,203,204,205,305,306,307,308,505,506,507,508,905,906,907,908,1005,1006,1007,1008…流路断面
303,304…たまり口
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention Inverter device for vehicle and mounted with the same The present invention relates to an electric vehicle.
[0002]
[Prior art]
As a conventional electric device provided with a flow path for circulating a cooling medium for cooling the heating element, for example, a water-cooled inverter, for example, as described in FIG. 8 of JP-A-10-22428 A plurality of fins are formed on the surface of the module substrate on the side in contact with the refrigerant chamber, and the fin rows are arranged in the longitudinal direction from the refrigerant inlet to the refrigerant outlet and are formed as continuous fins in the refrigerant flow direction. Is known. Here, since the width of the refrigerant chamber is wider than the width of the refrigerant inlet, the refrigerant flow rate in the refrigerant chamber is made uniform so that uniform cooling can be achieved. It is known to form a pool of refrigerant in between.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the present inventors examined the structure described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-22428, it was found that there was a problem that the pressure loss of the flow path increased. That is, in the thing of Unexamined-Japanese-Patent No. 10-22428, although the flow path depth of a fin row | line is smaller than the flow path depth of a refrigerant | coolant inflow port, Furthermore, it is between a flow path of an inlet flow channel and a fin row | line | column. In addition, by providing a pool portion between the fin row channel and the outlet channel, in this pool portion, the channel depth changes abruptly between the inlet channel and the fin row channel. Pressure loss occurs. Similarly, a pressure loss occurs because the flow path depth changes abruptly between the flow path of the fin row and the outlet flow path. These pressure losses increase the load of the pump that sends the refrigerant to the flow path, and cause the problem of increasing the size of the pump.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has a flow path structure that enables uniform cooling without providing a pool, improves thermal characteristics, and reduces the pressure loss of the flow path. Inverter device for vehicle I will provide a. The present invention also provides: Equipped with a vehicle inverter device An electric vehicle is provided.
[0005]
(1) In order to achieve the above object, the present invention includes a flow path through which cooling water flows. Aluminum Case and the above Aluminum A semiconductor module fixed to the case, and the semiconductor module has a cooling fin on the other surface. copper Base and said copper A plurality of semiconductor elements provided on one side of the base and acting as upper and lower arms of the U phase, V phase, and W phase, respectively, for converting DC power into AC power; A pipe inlet, a cooling part, and a discharge pipe outlet, the cooling part being provided with an opening, Above The cooling fin protrudes into the flow path and the opening is formed in the semiconductor module. copper Said to close with the base copper The base is the above Aluminum The cooling section of the flow path is fixed to the case, and the cross-sectional shape of the flow path is perpendicular to the flow of cooling water Four It has a square shape and its width direction is larger than its depth direction, and the cooling part of the flow path has its depth. Is one The water channel shape between the inlet of the water supply pipe and the cooling part is a shape that changes so that the depth direction gradually decreases and the width direction gradually increases along the flow of the cooling water, The shape of the water channel between the cooling section and the outlet of the discharge pipe has a shape that changes so that the depth direction gradually increases and the width direction gradually decreases along the flow of the cooling water.
With this configuration, it is possible to perform uniform cooling without providing a pool portion, improve the thermal characteristics, and reduce the pressure loss of the flow path.
[0006]
(2) In order to achieve the above object, the present invention includes a flow path through which cooling water flows. Aluminum Case and the above Aluminum A semiconductor module fixed to a case, and the semiconductor module is copper Base and said copper A plurality of semiconductor elements provided on one side of the base and acting as upper and lower arms of the U phase, V phase, and W phase, respectively, for converting DC power into AC power; A pipe inlet, a cooling part, and a discharge pipe outlet; Aluminum A plurality of fins for cooling fixed to the case are provided, and the cooling section of the flow path is a cross-sectional shape of the flow path perpendicular to the flow of the cooling water Four The rectangular shape has a width direction larger than the depth direction, and forms the cooling part of the flow path. Aluminum In the case made, the semiconductor module copper The other side of the base is Aluminum The semiconductor module of the semiconductor module is located on the case side and the plurality of semiconductor elements of the semiconductor module are positioned corresponding to the cooling unit. copper The base is the above Aluminum An inverter device for a vehicle fixed to a case, wherein the cooling portion of the flow path has a depth thereof Is one The water channel shape between the inlet of the water supply pipe and the cooling part has a shape that changes so that the depth direction gradually decreases and the width direction gradually increases along the flow of the cooling water, The shape of the water channel between the cooling part and the outlet of the discharge pipe is a shape that changes so that the depth direction gradually increases and the width direction gradually decreases along the flow of the cooling water. .
With this configuration, it is possible to perform uniform cooling without providing a pool portion, improve the thermal characteristics, and reduce the pressure loss of the flow path.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Initially, the structure of the inverter apparatus by the 1st Embodiment of this invention is demonstrated using FIGS.
[0023]
Here, the overall configuration of the inverter device according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The water-cooled inverter according to the present embodiment is used for in-vehicle use such as an environment-friendly vehicle.
[0024]
FIG. 1A is a plan view of a 6-arm (U, V, W phase upper and lower arms) module of the inverter device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1B is a plan perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1C is a cross-sectional view illustrating the overall configuration of the inverter device according to the first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG.
[0025]
As illustrated in FIG. 1A, the module 100 includes semiconductor elements 103 and 104, a substrate 102, and a copper base 101. Each of the semiconductor elements 103 and 104 is usually composed of an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and an FWD (Free Wheeling Diode). The inverter device converts DC power supplied from a DC power source such as a battery of an automobile into AC power. When the semiconductor element 103 is switched by PWM (Pulse Width Modulation) control or the like, AC power is supplied to the motor. Supply and drive the motor.
[0026]
In the illustrated example, six substrates 102 are mounted on the copper base 101 to form a six-arm module. On each substrate 102, three semiconductor elements 103 and two semiconductor elements 104 are mounted. The size of the substrate 102 is, for example, about 27 mm × 55 mm. The size of the semiconductor element 103 is, for example, about 9 mm □, and the size of the semiconductor element 104 is, for example, about 6 mm □. The substrate 102 has a structure in which copper foil is attached to the front and back surfaces of an aluminum nitride plate with solder. Here, the substrate 102 may have a configuration in which two arms (for example, an upper arm and a lower arm of the U phase) are mounted on one substrate.
[0027]
As shown in FIG. 1C, semiconductor elements 103 and 104 are mounted on a substrate 102 via solder 106. The substrate 102 is mounted on the copper base 101 via solder 107. The size of the copper base 101 is about 100 mm × 230 mm. A screw hole 105 for screwing is formed on the copper base 101, and its size is about M6. The module 100 is bonded to a case 110 formed of aluminum die casting by fastening with screws 111 via grease 108.
[0028]
As shown in FIG. 1C, a channel 120 indicated by hatching is formed inside the case 110. The shape of the channel 120 is the shape shown in FIGS. 1C and 1B. As shown in FIG. 1 (C), in the central portion of the case 110, a portion below the place where the semiconductors 103 and 104 are placed (hereinafter referred to as “cooling portion”) is integrally formed with the case 110. Fins 109 are formed.
[0029]
As shown in FIG. 1B, the fins 109 are formed in parallel with the longitudinal direction of the flow path 120. In the illustrated example, 13 parallel fins 109 are provided. The width Wf1 of the fin 109 is, for example, 2.5 mm.
[0030]
As shown in FIG. 1B, the module 100 is mounted at a position indicated by a thick dotted line with respect to the flow path 120. It cools by supplying LLC (Long Life Coolant) which is cooling water to the flow path 120 from an electric water pump (not shown). The electric water pump has a maximum flow rate of 20 liters per minute and a maximum pressure loss of about 14 kPa.
[0031]
A water supply pipe connected to the radiator is connected to the left end of the flow path 120. The flow path 120 includes a water supply pipe 112, a partial structure pipe 113, a cooling unit 114, a partial structure pipe 115, and a drain pipe 116. An inter-fin flow path 118 is formed at the center of the cooling unit 114. A drain pipe connected to the radiator is connected to the right end of the drain pipe 116.
[0032]
Here, the shape of the flow path 120 will be described with reference to FIG.
[0033]
FIG. 2 is a perspective view showing the shape of the flow path provided in the inverter device according to the first embodiment of the present invention.
[0034]
A water supply pipe connected to the radiator is connected to the water supply pipe inlet 200. The diameter R1 of the feed pipe inlet 200 is, for example, 17 mm. The water supply pipe 112 has a quadrangular prism shape, the height H1 is, for example, 17 mm, and the width W1 is, for example, 17 mm. The length L1 is, for example, 10 mm.
[0035]
The cross-sectional flow channel shape of the partial structure pipe 113 extending from the water supply pipe 112 to the cooling part 114 is gradually reduced in the short side direction of the cooling part 112 and gradually enlarged in the long side direction. 114 is connected. That is, the partial structure tube 113 has a structure in which the flow passage section 202 gradually widens in the flow passage width (long side) direction and gradually narrows in the flow passage depth (short side) direction from the flow passage cross section 202. The width of the channel cross section 202 is equal to the width W1, for example, 17 mm. The width W2 of the channel cross section 203 is, for example, 60 mm. The length L2 of the partial structure tube 113 is 23 mm, for example. The rate of change in expansion in the channel width direction and the rate of change in reduction in the channel depth direction are substantially constant. The angle narrowed in the flow path depth direction of the partial structure tube 113, that is, the angle θ1 formed by the peripheral wall of the cooling unit 114 and the peripheral wall of the partial structure tube 113 is 30 °. This angle θ1 is desirably 45 ° or less in order to reduce pressure loss. The angle that extends in the flow path width direction of the partial structural tube 113, that is, the angle θ2 formed by the peripheral wall of the cooling unit 114 and the peripheral wall of the partial structural tube 113 is 30 °. This angle θ2 is desirably 45 ° or less in order to reduce pressure loss.
[0036]
In the cooling unit 114, an inter-fin flow path 118 in which the fins 109 integrally formed with the case 110 exist is formed. The fin width Wf1 of the fin 109 is, for example, 2.5 mm, whereas the fin interval Wf2 is, for example, 2 mm, and the fin height is, for example, 5 mm. When the flow rate is 20 liters per minute, the flow rate in the inter-fin channel 118 is about 2.5 m / s. The length L4 of the inter-fin channel 118 is, for example, 150 mm, and the lengths L3, L5 of the cooling units 114 before and after the channel are, for example, 10 mm.
[0037]
The LLC that has passed through the fin 109 narrows in the partial structure tube 115 from the flow path cross section 204 to the flow path cross section 205 at 30 ° in the flow path width direction and gradually spreads in the flow path depth direction. Furthermore, it flows from the drain pipe 116 to the drain pipe outlet 201 having a diameter of 17φ. The angle of the partial structure tube 115 spreading in the flow path depth direction is also preferably 45 ° or less. The length L6 of the partial structure tube 115 is, for example, 23 mm. The width and height of the channel cross section 204 are equal to the channel cross section 203, and the width and height of the channel cross section 205 are equal to the channel cross section 202. The width W4 of the drain pipe 116 is, for example, 17 mm, and the height H4 is, for example, 17 mm.
[0038]
In order to reduce the pressure loss of the flow path, it is desirable that the angle θ1 formed by the partial structure tube 113 is smaller than the angle θ3 formed by the partial structure tube 115. For example, in the above example, the angle θ1 is 30 ° and the angle θ3 is 30 °, but the angle θ1 is 20 °. Thereby, although the total length of the flow path becomes long, the pressure loss can be further reduced. In order to shorten the total length of the flow path, for example, when the angle θ1 is 30 ° and the angle θ3 is 30 °, the pressure loss is slightly increased by setting the angle θ3 to 40 °. It is possible to reduce the size of the inverter device by shortening the channel length. Since the case 110 is a casting, each corner has a corner R (R = 1 mm or so), and actually has a gradient for corner removal of about several degrees.
[0039]
Here, the flow path structure in the conventional example will be described with reference to FIG.
[0040]
FIG. 3 is a perspective view showing the shape of the flow path in the conventional example.
[0041]
The flow path 300 having the flow path structure shown in FIG. 3 enters the partial structure portion 301 from the water supply pipe inlet 200 through the flow path inlet 112. The channel cross section 305 extends from the channel cross section 306 in the channel width direction but does not change in the channel depth direction. Also on the drain pipe side, the channel cross section 307 to the channel cross section 308 narrow in the channel width direction but do not change in the channel depth direction. Further, a pool portion 303 exists between the partial structure portion 301 and the cooling portion 114 on the water supply pipe side, and a pool portion 304 exists between the cooling portion 114 and the partial structure portion 302 on the drain pipe side. The LLC is discharged from the drain pipe outlet 201 through the partial structure 302 through the drain pipe 116.
[0042]
Next, changes in the channel cross-sectional area when the channel structure according to the present embodiment is used will be described using FIG. 4 in comparison with the conventional example.
[0043]
FIG. 4A is a diagram showing a change in the channel cross-sectional area of the channel structure used in the inverter device according to the first embodiment of the present invention. FIG. 5B is a diagram showing a change in the cross-sectional area of the flow path of the conventional example.
[0044]
In FIG. 4A, the horizontal axis indicates the position X in the longitudinal direction of the flow path 120. The vertical axis represents the channel cross-sectional area S. In the figure, x1 is the position of the water supply pipe inlet 200 in FIG. 2, and when the channel cross-sectional shape changes from 17φ to 17 mm □ at this position, the channel cross-sectional area is S2 (227 mm). 2 ) To S3 (289 mm 2 ) Suddenly changes. The position x2 is the position of the channel cross section 202 in FIG. Further, the position x3 is the position of the channel cross section 203 in FIG. Since the partial structure tube 113 is used for the position x2 to the position x3, the flow path cross-sectional area is S3 (289 mm 2 ) To S4 (300mm 2 ) Gradually change. The positions x4 to x5 are positions where the inter-fin flow path 118 is formed. At the position x4, the cross-sectional area S4 (300 mm 2 ) To S1 (150mm 2 ) Suddenly changes. The position x6 is the position of the flow path cross section 204 in FIG. 2, and the position x7 is the position of the flow path cross section 205. Since the partial structure tube 115 is used for the positions x6 to x7, the flow path cross-sectional area is S4 (300 mm 2 ) To S3 (289 mm 2 ) Gradually change. The position x8 is the position of the drain pipe outlet 201 in FIG. 2, and when the channel cross-sectional shape changes from 17 mm □ to 17φ at this position, the channel cross-sectional area is S3 (289 mm 2 ) To S2 (227mm) 2 ) Suddenly changes.
[0045]
In FIG. 4B, the position x2 in the figure is the position of the channel cross section 305 in FIG. Further, the position x9 is the position of the channel cross section 306 in FIG. In the position x2 to the position x9, the flow path cross-sectional area is S3 (289 mm 2 ) To S5 (1020mm 2 ). The position x3 is the inlet of the cooling unit 114, and at the position x3, the cross-sectional area S5 (1020 mm 2 ) To S4 (300mm 2 ) Suddenly changes. Similarly, the position x6 is the position of the outlet of the cooling unit 114 in FIG. 3, the position x10 is the position of the flow path section 307, and the position x7 is the position of the flow path section 308. The position x10 to the position x7 have a cross-sectional area of S5 (1020 mm 2 ) To S3 (289 mm 2 ) Changes rapidly.
[0046]
Next, with reference to FIG. 5, the pressure loss other than the cooling unit when the flow path structure according to the present embodiment is used will be described in comparison with the conventional example.
FIG. 5 is an explanatory diagram of pressure loss values other than the cooling section when the flow path structure used in the inverter device according to the first embodiment of the present invention is used. The vertical axis represents the pressure loss value (kPa) other than the cooling part.
[0047]
In the figure, (X) is a pressure loss value due to the flow path structure of the conventional example shown in FIG. 3, and due to the presence of the partial structure portions 301 and 302 and the pool ports 303 and 304, between these and the cooling portion 114, As a result, abrupt changes occur in the channel shape and cross-sectional area. It was 2.4 kPa when pressure loss values other than the cooling part 114 of FIG. 3 were measured. This pressure loss value does not contribute to heat transfer at all, and it is desirable to make it as small as possible.
[0048]
On the other hand, in the figure, (Y) is the case of the flow channel structure according to the present embodiment, and the partial structural tubes 113, 115 are gradually changed in the flow channel width and flow channel depth directions. A sudden change in the cross-sectional shape and cross-sectional area of the flow path between 115 and the cooling unit 114 can be avoided, and pressure loss can be reduced. When the pressure loss value other than the cooling part 114 of this example was measured, it was 0.5 kPa, which was reduced to about 1/5 from 2.4 kPa in FIG. The pressure loss value of the cooling unit 114 does not change between FIG. 2 and FIG. 3, and the heat dissipation capability of the module 100 is the same.
[0049]
Further, as shown in FIG. 2, the partial structure tube 113 is configured to gradually change in the flow channel width and flow channel depth directions, so that the cooling portion width W2 ( 60 mm) is wide, the flow rate of the refrigerant (cooling water) in the cooling unit 114 can be made uniform to enable uniform cooling. That is, according to the present embodiment, the pressure loss of the flow path can be reduced without deteriorating the heat transfer characteristics of the flow path. Therefore, the pump can be reduced in size. Moreover, since the inverter can be cooled more efficiently by reducing the pressure loss, the inverter can be downsized.
[0050]
As described above, according to the present embodiment, the partial structure having a cross-sectional shape that gradually decreases in the short side direction of the cooling unit and gradually expands in the long side direction in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling unit. In the cooling section, a partial structure section having a cross-sectional shape that gradually expands from the short side of the cooling section and gradually decreases from the long side is provided in the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet. Uniform cooling is possible, thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced.
[0051]
Next, the configuration of the inverter device according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The overall configuration of the water-cooled inverter according to this embodiment is the same as that shown in FIG.
[0052]
FIG. 6 is a perspective view showing the shape of the flow path provided in the inverter device according to the second embodiment of the present invention. The same reference numerals as those in FIG. 2 indicate the same parts.
[0053]
The water supply pipe 501 and the drain pipe 504 constituting the flow channel 500 are cylinders having the same diameter as the diameter of the water supply pipe inlet 200 and the drain pipe outlet 201, respectively. The partial structure portion 502 has a structure in which the cross-sectional flow path 505 gradually expands in the flow path width direction from the cross-sectional flow path 505 and gradually decreases in the flow path depth direction. Further, the partial structure portion 503 has a structure in which the cross-sectional flow path 507 gradually decreases in the flow path width direction from the cross-sectional flow path 507 and gradually increases in the flow path depth direction. The partial structures 502 and 503 may be nested, or an opening may be provided only on the surface in contact with the module, and a combination of a semi-cylinder and a rectangular parallelepiped may be used.
[0054]
In the present embodiment, the pressure loss value can be further reduced as compared with the structure shown in FIG. This is because the water supply pipe 501 has a circular cross section and has the same diameter as the water supply pipe connected to the radiator, so that no pressure loss occurs in this portion, and the partial structure portion 502 gradually has a cross sectional area. Due to the changing structure, pressure loss can be reduced. When the pressure loss value other than the cooling part 114 was measured, it was 0.3 kPa, which was further reduced from the pressure loss of 0.5 kPa in the structure shown in FIG. Therefore, it is possible to reduce the size of the pump or the size of the inverter.
[0055]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced. Moreover, pressure loss can be further reduced by making the shape of a water supply pipe and a drain pipe into a cylindrical shape.
[0056]
Next, the configuration of the inverter device according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0057]
FIG. 7A is a plan view of a 6-arm (U, V, W phase upper and lower arms) module of the inverter device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 7B is a plan perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the third embodiment of the present invention. FIG. 7C is a cross-sectional view showing the overall configuration of the inverter device according to the third embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line BB ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0058]
In the inverter device of the present embodiment, a water-cooled inverter having a finned direct cooling module structure is used. That is, the fin 602 is integrally formed on the copper base 601. An opening is formed in the upper center of the case 110. By inserting the fin 602 into the opening and fastening the module 600 to the case 110 with the screw 111, the flow path 603 is formed. The size of the fin 602 is equivalent to that of the fin 109 shown in FIG. Thus, by forming the fins 602 integrally with the copper base 601, the cooling efficiency can be improved as a direct cooling method in which cooling water is directly applied to the copper base 601 of the module 600. The module 600 normally prevents water leakage from the flow path to the high-pressure part by screwing and an O-ring (not shown), but welding or FSW (Friction
Stirring Welding) may prevent flooding.
[0059]
The flow path portions 112, 113, 114, 115, and 116 are substantially the same as those shown in FIGS. 1 and 2, and the partial structure portions 113 and 115 are provided. As a result of forming the flow path with the copper base 601, the width of the flow path is narrowed by the thickness t1 (for example, 2 mm) of the upper plate at the end 110A from the center of the upper plate of the case 110. Therefore, a pressure loss may occur. Therefore, a corner R117 is provided in a portion corresponding to the end portion 110A to reduce the pressure loss.
[0060]
In the flow channel structure having the shape shown in FIG. 7, the pressure loss value other than that of the cooling unit 114 was measured to be 0.6 kPa. Although the pressure loss increases by about 0.1 kPa from the structure shown in FIG. 2, it can be reduced as compared with the conventional structure, and the pump can be downsized or the inverter can be downsized. On the other hand, the cooling efficiency can be improved by adopting the direct cooling structure.
[0061]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced. Further, the cooling efficiency can be improved by adopting the direct cooling method.
[0062]
Next, the structure of the inverter apparatus by the 4th Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.
[0063]
FIG. 8A is a plan view of a 6-arm (U, V, W phase upper and lower arms) module of the inverter device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8B is a plan perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the fourth embodiment of the present invention. FIG. 8C is a cross-sectional view showing the overall configuration of the inverter device according to the fourth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line CC ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0064]
In the inverter device of this embodiment, a water-cooled inverter having a finless direct cooling module structure is used. That is, the copper base 100 is a flat plate without fins. The configuration other than that is the same as the configuration shown in FIG. The cooling method is also a direct cooling method. The channel 700 is formed by joining the module 100 to the case 110 by screwing or welding. The flow path depth H6 of the cooling unit 701 is, for example, about 2 mm, and when the flow rate is 20 liters per minute, the flow rate in the cooling unit 701 is about 2.5 m / s.
[0065]
In the flow channel structure having the shape shown in FIG. 8, the pressure loss value except for the cooling part 114 was measured and found to be 1 kPa. Although the pressure loss is larger than that of the structure shown in FIG. 7, it can be reduced as compared with the conventional structure, and the pump can be downsized or the inverter can be downsized. On the other hand, the cooling efficiency can be improved by adopting the direct cooling structure.
[0066]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced. Further, the cooling efficiency can be improved by adopting the direct cooling method.
[0067]
Next, the structure of the inverter apparatus by the 5th Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.
[0068]
FIG. 9A is a plan perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the fifth embodiment of the present invention. FIG. 9B is a cross-sectional view showing the overall configuration of the inverter device according to the fifth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line DD ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0069]
The inverter according to the present embodiment is a two-inverter system having serial and parallel flow paths. The planar configuration of the inverter device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. 1A, but two modules are arranged in series in the flow path direction on the same plane.
[0070]
In the flow channel 800, the cooling water flows from the cooling unit 114 at the previous stage through the flow channel 801 to the cooling unit 802 at the subsequent stage. The size of the fin 803 is the same as that of the fin 109, and the fin 109 and the fin 803 may be connected and integrated. The water supply / drain pipes 112 and 116 may be substantially perpendicular to the cooling unit 114.
[0071]
When the cooling water was flowed at 20 liters per minute, the pressure loss except for the cooling parts 114 and 802 was measured and found to be 1.5 kPa. This is because the pressure loss in the flow path 801 is large. Still, when the conventional structure shown in FIG. 3 is applied to the two inverters, the pressure loss value is 3.4 kPa, so that the pressure loss can be reduced. In addition, when exceeding the supply capacity of a pump, what is necessary is just to reduce to the flow volume equivalent to a pressure loss upper limit. Also in this structure, the inverter can be downsized. In addition, although the water cooling system has shown the indirect water cooling system, a direct cooling system like FIG. 7, FIG. 8 may be used.
[0072]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced.
[0073]
Next, the structure of the inverter apparatus by the 6th Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.
[0074]
FIG. 10A is a perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the sixth embodiment of the present invention. FIG. 10B is a cross-sectional view of the flow path portion of the inverter device according to the sixth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line EE ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 indicate the same parts.
[0075]
In this embodiment, the water supply / drainage pipe is substantially perpendicular to the cooling part, and the cross-sectional flow path shape from the water supply pipe to the cooling part gradually increases in the short side direction of the connection cross section between the partial structure part and the cooling part. The cross-sectional channel shape from the cooling part to the drain pipe gradually expands from the short side of the connection cross section between the cooling part and the partial structure part, and gradually increases from the long side. The structure is gradually shrinking.
[0076]
The configuration shown in FIG. 10 is the same as that shown in FIG. Both the water supply pipe 901 and the drain pipe 904 are substantially perpendicular to the cooling unit 114. Between the water supply pipe 901 and the cooling unit 114, the partial structure unit 902 that expands from the channel cross section 905 to the channel cross section 906 in the channel width (long side) direction and contracts in the channel depth (short side) direction. Is provided. Similarly, a partial structure between the cooling unit 114 and the drain pipe 904 is reduced from the channel cross section 907 to the channel cross section 908 in the channel width (long side) direction and expanded in the channel depth (short side) direction. A portion 903 is provided.
[0077]
In the flow channel structure having the shape shown in FIG. 10, the pressure loss value except for the cooling portion 114 was measured and found to be 1.7 kPa. Compared to the conventional structure shown in FIG. 3, the pressure loss value can be reduced by about 30%, and the pump can be downsized or the inverter downsized. Further, by providing the water supply side and the drainage side of the flow path in the vertical direction, the area of the water-cooled inverter can be reduced as compared with the conventional structure, and the inverter can be downsized. Furthermore, since the water supply / drainage pipe is on the same side of the inverter, the degree of freedom in design is increased.
[0078]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced.
[0079]
Next, the structure of the inverter apparatus by the 7th Embodiment of this invention is demonstrated using FIG.
[0080]
FIG. 11A is a perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the seventh embodiment of the present invention. FIG. 11B is a cross-sectional view of the flow path portion of the inverter device according to the seventh embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line FF ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts.
[0081]
In the present embodiment, the point where the water supply / drainage pipe is substantially perpendicular to the cooling section is the same as in the case of FIG. Except for the configuration of the channel 1000, the configuration is the same as that of FIG. Both the water supply pipe 1001 and the drain pipe 1004 are substantially perpendicular to the cooling unit 114. Between the water supply pipe 1001 and the cooling unit 114, there is provided a partial structure unit 1002 that expands from the channel cross section 1005 to the channel cross section 1006 in the channel width direction and contracts in the channel depth direction. Similarly, between the cooling part 114 and the drain pipe 1004, a partial structure part 1003 is provided which is reduced in the flow path width direction from the flow path cross section 1007 to the flow path cross section 1008 and expanded in the flow path depth direction.
[0082]
In this embodiment, the angle with respect to the cooling part 114 of the surrounding wall of the partial structure parts 1002 and 1003 is different from that shown in FIG. That is, the angle θ5 formed by the peripheral wall of the water supply pipe 1001 and the peripheral wall of the partial structure portion 1002 is set to 45 °. Further, an angle θ6 formed by the peripheral wall of the partial structure portion 1002 and the peripheral wall of the cooling portion 114 is set to 45 °. As a result, the direction of the flow of the cooling water flowing into the water supply pipe inlet 200 is bent by approximately 45 ° between the water supply pipe 1001 and the partial structure portion 1002, and further approximately 45 ° is bent between the partial structure portion 1002 and the cooling portion 114. And flows to the cooling unit 114. Similarly, also on the drain pipe side, the direction of flow between the cooling part 114 and the partial structure part 1003 is bent by approximately 45 °, and further between the partial structure part 1003 and the drain pipe 1004 is further bent by approximately 45 °. Spill from.
[0083]
As described above, in the present embodiment, the change in the flow direction between the water supply / drain pipes 1001 and 1004 and the cooling unit 114 is divided into two stages, and the vector change is set to 45 °, whereby the pressure due to the abrupt vector change. The loss is prevented. The angle θ5 formed by the peripheral wall of the water supply pipe 1001 and the peripheral wall of the partial structure portion 1002 is preferably 45 ° or less, and the angle θ6 formed by the peripheral wall of the partial structure portion 1002 and the peripheral wall of the cooling portion 114 is preferably less than 90 °. is there.
[0084]
In this embodiment, when the pressure loss value other than the cooling unit 114 is measured, it becomes 1.1 kPa, and the pressure loss value can be further reduced as compared with the example shown in FIG. Further, by providing the water supply side and the drainage side of the flow path in the vertical direction, the area of the water-cooled inverter can be reduced as compared with the conventional structure, and the inverter can be downsized. Furthermore, since the water supply / drainage pipe is on the same side of the inverter, the degree of freedom in design is increased.
[0085]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced.
[0086]
Next, the configuration of the inverter apparatus according to the eighth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0087]
FIG. 12A is a plan perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the eighth embodiment of the present invention. FIG. 12B is a cross-sectional view showing the overall configuration of the inverter device according to the eighth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line GG ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts.
[0088]
The inverter according to the present embodiment is a two-inverter system having L-shaped flow paths in series. The planar configuration of the inverter device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. 1A, but two modules exist on the same plane. Further, in the flow path 1100, two modules are arranged in series in the flow direction, and are roughly L-shaped between the two inverters.
[0089]
In the channel 1100, the cooling water flows from the cooling unit 114 at the front stage to the cooling unit 1102 at the subsequent stage through the channel 1101. The size of the fin 1103 is the same as that of the fin 109, and the fins 109 and 1103 may be connected and integrated. The water supply / drain pipes 112 and 116 and the partial structure portions 113 and 115 may be substantially perpendicular to the cooling portion 114. In addition, although the water cooling system has shown the indirect water cooling system, a direct cooling system like FIG. 7, FIG. 8 may be used.
[0090]
When the cooling water was allowed to flow at 20 liters per minute, the pressure loss value except for the cooling parts 114 and 1102 was measured and found to be 3.2 kPa. And a pressure loss can be reduced with respect to the case where the conventional structure shown in FIG. 3 is applied to 2 inverters. In addition, when exceeding the supply capacity of a pump, what is necessary is just to reduce to the flow volume equivalent to a pressure loss upper limit. Also in this structure, the inverter can be downsized.
[0091]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced.
[0092]
Next, the configuration of the inverter device according to the ninth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0093]
FIG. 13A is a plan perspective view of the flow path portion of the inverter device according to the ninth embodiment of the present invention. FIG. 13B is a cross-sectional view showing the overall configuration of the inverter device according to the ninth embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the line HH ′ of FIG. The same reference numerals as those in FIG. 1 denote the same parts.
[0094]
The inverter according to the present embodiment is a two-inverter system having U-shaped flow paths in series. The planar configuration of the inverter device according to the present embodiment is the same as that shown in FIG. 1A, but two modules exist on the same plane. Further, the flow path 1200 is arranged in series in the flow direction, and is substantially U-shaped between the two inverters.
[0095]
In the flow channel 1200, the cooling water flows from the cooling unit 114 at the front stage through the flow channel 1201 to the cooling unit 1202 at the rear stage. The size of the fin 1203 is the same as that of the fin 109, and the fin 109 and the fin 1203 may be connected and integrated. The water supply / drain pipes 112 and 116 and the partial structure portions 113 and 115 may be substantially perpendicular to the cooling portion 114. In addition, although the water cooling system has shown the indirect water cooling system, a direct cooling system like FIG. 7, FIG. 8 may be used.
[0096]
When the cooling water was flowed at 20 liters per minute, the pressure loss value except for the cooling parts 114 and 1202 was measured and found to be 4.2 kPa. And a pressure loss can be reduced with respect to the case where the conventional structure shown in FIG. 3 is applied to 2 inverters. In addition, when exceeding the supply capacity of a pump, what is necessary is just to reduce to the flow volume equivalent to a pressure loss upper limit. Also in this structure, the inverter can be downsized.
[0097]
As described above, according to the present embodiment, by providing the partial structure portion in the flow path from the water supply pipe inlet to the cooling section and the flow path from the cooling section to the drain pipe outlet, the cooling section is uniform. Cooling is possible, and the thermal characteristics can be improved, and pressure loss in the flow path other than the cooling section can be reduced.
[0098]
FIG. 14 shows an electric vehicle controller (inverter device) and an electric motor cooling system to which any one of the above inverter devices is applied, such as an electric vehicle and a hybrid vehicle. The cooling system includes a motor 2 that drives wheels, a controller 1 (inverter device) that controls the output of the motor 2, a radiator 3 for cooling a cooling medium, and an electric pump 4 that are connected by a cooling pipe 5. ing. The cooling pipe 5 is filled with an antifreeze that is a refrigerant. A radiator fan motor 6 for forcibly cooling the refrigerant is attached to the side surface of the radiator 3. In the above configuration, the amount of heat generated from the controller 1 (inverter device) and the electric motor 2 is approximately the same, but the electronic components such as transistors and capacitors that constitute the controller 1 (inverter device) are generated by their own heat and surroundings. Failure to do so may cause malfunction or destruction. These parts have a heat-resistant guaranteed temperature of 150 ° C. or less, and the temperature environment in the electric vehicle becomes very severe. Therefore, priority is given to the controller 1 (inverter device) as the cooling order of the system, and then the system 2 is arranged so as to cool the motor 2 with high heat resistance and to effectively cool it by improving the thermal balance. It is composed.
[0099]
According to the present embodiment, since any one of the inverter devices, that is, the inverter device that can reduce the pressure loss, is provided, the ability of the electric pump 4 that forcibly circulates the antifreeze liquid or water that is the cooling medium is reduced (electric type The pump 4 can be reduced in size. Therefore, according to this embodiment, a small and inexpensive cooling system can be provided.
[0100]
FIG. 15 shows a configuration of an electric drive system of an electric vehicle on which the cooling system is mounted. In the present embodiment, the case where any one of the inverter devices is mounted on an electric vehicle that uses an electric motor as a sole drive source will be described as an example. However, a hybrid vehicle that uses an engine that is an internal combustion engine and an electric motor to reduce driving of the vehicle. Any of the above inverter devices may be applied.
[0101]
In the figure, reference numeral 39 denotes a vehicle body. An axle 42 provided with wheels 40a and 40b at both ends is rotatably attached to the front portion of the vehicle body 39. That is, the front wheel is attached. An axle 43 having wheels 41a and 41b at both ends is rotatably attached to the rear portion of the vehicle body 39. That is, the rear wheel is attached. The electric motor 2 is mechanically connected to the axle 42 via a gear 44. An inverter device 10 is electrically connected to the electric motor 2, and DC power supplied from a battery 20 that is a vehicle power source is converted into three-phase AC power and supplied. A host control device 21 is electrically connected to the inverter device 10, and a command signal corresponding to depression of the accelerator is input.
[0102]
According to the present embodiment, since any one of the inverter devices, that is, the inverter device capable of reducing the pressure loss is provided, the capacity of the electric pump constituting the cooling system for cooling the inverter device is reduced (electric type The pump can be downsized). Therefore, according to the present embodiment, an inexpensive and small cooling system can be provided, so that the mountability of the cooling system to the electric vehicle can be improved and the cost of the electric vehicle can be reduced. it can.
[0103]
【The invention's effect】
According to the present invention, it is possible to perform uniform cooling without providing a pool portion, improve the thermal characteristics, and reduce the pressure loss of the flow path.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a module of an inverter device according to a first embodiment of the present invention, a plan perspective view of a flow path portion of the inverter device, and a cross-sectional view showing an overall configuration of the inverter device.
FIG. 2 is a perspective view showing the shape of a flow path provided in the inverter device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing the shape of a flow path in a conventional example.
FIG. 4 is a diagram showing a change in the channel cross-sectional area of the channel structure used in the inverter device according to the first embodiment of the present invention, and a diagram showing a change in the channel cross-sectional area of the conventional example.
FIG. 5 is an explanatory diagram of pressure loss values other than those for the cooling section when the flow path structure used in the inverter device according to the first embodiment of the present invention is used.
FIG. 6 is a perspective view showing the shape of a flow path provided in the inverter device according to the second embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of a module of an inverter device according to a third embodiment of the present invention, a plan perspective view of a flow path portion of the inverter device, and a cross-sectional view showing the entire configuration of the inverter device.
FIG. 8 is a plan view of a module of an inverter device according to a fourth embodiment of the present invention, a plan perspective view of a flow path portion of the inverter device, and a cross-sectional view showing the entire configuration of the inverter device.
FIG. 9 is a plan perspective view of a flow path portion of an inverter device according to a fifth embodiment of the present invention, and a cross-sectional view showing the overall configuration of the inverter device.
FIG. 10 is a perspective view of a flow path portion of an inverter device according to a sixth embodiment of the present invention, and a sectional view showing the overall configuration of the inverter device.
FIG. 11 is a perspective view of a flow path portion of an inverter device according to a seventh embodiment of the present invention, and a sectional view showing the overall configuration of the inverter device.
FIG. 12 is a perspective plan view of a flow path portion of an inverter device according to an eighth embodiment of the present invention, and a sectional view showing the overall configuration of the inverter device.
FIG. 13 is a plan perspective view of a flow path portion of an inverter device according to a ninth embodiment of the present invention, and a sectional view showing the overall configuration of the inverter device.
FIG. 14 is a system block diagram of an electric vehicle controller (inverter device) and an electric motor cooling system to which the inverter device according to any of the embodiments of the present invention is applied.
15 is a system configuration diagram of an electric drive system of an electric vehicle on which the cooling system shown in FIG. 14 is mounted.
[Explanation of symbols]
100, 600 ... module
101,601 ... copper base
102 ... Aluminum nitride substrate
103, 104 ... Semiconductor element
105 ... Screw hole
106,107 ... solder
108: Grease
109,602,803,1103,1203 ... fins
110 ... Case
111 ... Screw
112, 501, 901, 1001 ... water supply pipe
113, 115, 301, 302, 502, 503, 902, 903, 1002, 1003... Partial structure
114,701,802,1102,1202 ... cooling part
116,504,904,1004 ... Drain pipe
117 ... Corner R
118 ... Fin channel
120,300,500,603,700,800,801,900,1100,1101,1200,1201 ... flow path
200 ... Water supply pipe entrance
201 ... Drain pipe outlet
202, 203, 204, 205, 305, 306, 307, 308, 505, 506, 507, 508, 905, 906, 907, 908, 1005, 1006, 1007, 1008.
303, 304 ... Tamaguchi

Claims (15)

冷却水が流れる流路を備えたアルミ製ケースと前記アルミ製ケースに固定された半導体モジュールとを有し、
前記半導体モジュールは、他方の面に冷却用のフィンを有するベースと、前記ベースの一方の面の側に設けられU相とV相とW相のそれぞれの上下アームとして作用し直流電力を交流電力に変換する複数の半導体素子を有しており、
前記流路は、給水管入口と冷却部と排出管出口とを有していて、前記冷却部には開口が設けられ、前記開口から前記冷却用のフィンが流路内に突出すると共に前記開口を前記半導体モジュールのベースで塞ぐように前記ベースが前記アルミ製ケースに固定されており、
前記流路の冷却部は、冷却水の流れに垂直な流路の断面形状が四角形で、その幅方向がその深さ方向より大きい形状を成していて、
前記流路の冷却部はその深さが一定で、前記給水管入口と前記冷却部との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に減少し幅方向が徐々に増大するように変化する形状を成し、
前記冷却部と前記排出管出口との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に増大し幅方向が徐々に減少するように変化する形状を成している、
ことを特徴とする車両用インバータ装置。
An aluminum case having a flow path for cooling water and a semiconductor module fixed to the aluminum case;
The semiconductor module includes a copper base with cooling fins on the other side, the direct-current power to act as respective upper and lower arms of the provided on the side of one surface of the copper-based U-phase and V-phase and W-phase It has a plurality of semiconductor elements that convert to AC power,
Said opening with said flow path, have a water supply pipe inlet and the cooling unit and the discharge pipe outlet, the cooling portion opening is formed, protruding from the opening in the fin flow passage for cooling The copper base is fixed to the aluminum case so as to close the copper base of the semiconductor module,
Cooling part of said flow path in cross section is four-sided vertical flow path to the flow of the cooling water, the width direction is not make larger shape than its depth direction,
Cooling part of said flow path at that depth a constant, the water supply pipe inlet and waterways shape gradually decreased widthwise depth direction along the flow of cooling water between the cooling part gradually A shape that changes to increase,
The shape of the water channel between the cooling part and the outlet of the discharge pipe has a shape that changes so that the depth direction gradually increases and the width direction gradually decreases along the flow of the cooling water.
A vehicle inverter device characterized by the above.
請求項1に記載の車両用インバータ装置であって、
前記フィンの高さは、前記冷却部の流路深さと同一であることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 1 ,
The height of the fin, a vehicle inverter device wherein the is a flow path depth of the cooling unit and the same.
請求項2に記載の車両用インバータ装置であって、
前記半導体モジュールは、U相とV相とW相の半導体素子をそれぞれ冷却水の流れの方向に沿って配置されるようにして前記ベースに保持されていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 2 ,
The semiconductor module includes a U-phase, a V-phase, and a W-phase semiconductor element that are held on the copper base so as to be arranged along the direction of the flow of cooling water. .
請求項1に記載の車両用インバータ装置であって、
前記フィンは、前記冷却水の流れ方向に沿って平行に複数形成され、隣り合うフィンどうしの間隔は一定であることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 1 ,
The fins along said flow direction of cooling water formed in plurality in parallel, vehicle inverter device interval between adjacent fins, characterized in that one Jode.
請求項2に記載の車両用インバータ装置であって、
前記アルミ製ケースに形成された冷却水が流れる流路は、前記給水管入口と排出管出口との間に、第1と第2の2つの冷却部を有し、前記第1の冷却部には直流電力を交流電力に変換する第1の半導体モジュールが固定され、前記第2の冷却部には直流電力を交流電力に変換する第2の半導体モジュールが固定され、
前記第1と第2の2つの冷却部にはそれぞれ第1と第2の開口が形成され、
前記第1の開口から前記第1の半導体モジュールのフィンが流路内に突出すると共に前記第1の開口は前記第1の半導体モジュールのベースによりふさがれ、前記第2の冷却部に形成された前記開口から前記第2の半導体モジュールのフィンが流路内に突出すると共に前記第2の開口は前記第2の半導体モジュールのベースによってふさがれており、
前記第1と第2の2つの冷却部は冷却水の流れ方向において曲線形状の流路で繋がっていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 2,
The flow path through which the cooling water formed in the aluminum case flows has first and second cooling parts between the water supply pipe inlet and the discharge pipe outlet, and the first cooling part has A first semiconductor module that converts DC power to AC power is fixed, and a second semiconductor module that converts DC power to AC power is fixed to the second cooling unit,
First and second openings are formed in the first and second cooling parts, respectively.
The fins of the first semiconductor module protrude into the flow path from the first opening, and the first opening is blocked by the copper base of the first semiconductor module and is formed in the second cooling unit. The fin of the second semiconductor module protrudes into the flow path from the opening, and the second opening is blocked by the copper base of the second semiconductor module,
The vehicle inverter apparatus, wherein the first and second cooling sections are connected by a curved channel in the flow direction of the cooling water.
請求項5に記載の車両用インバータ装置であって、
前記第1と第2の2つの冷却部は、冷却水の流れの方向に沿って平行に配置されていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 5,
Said first and second two cooling unit, a vehicle inverter apparatus characterized by being arranged on a flat row along the direction of flow of the cooling water.
請求項2に記載の車両用インバータ装置であって、
前記給水管入口と前記排出管出口とが前記半導体モジュールの取り付けられている面とは反対の側に設けられていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 2,
The vehicle inverter apparatus, wherein the water supply pipe inlet and the discharge pipe outlet are provided on a side opposite to a surface on which the semiconductor module is attached.
請求項2に記載の車両用インバータ装置を搭載した電動車両であって、
車両に搭載され、かつ前記直流電力を供給する電源と、
前記車両に搭載され、かつ前記冷却水を冷却する冷却装置と、を備え、
電動ポンプは、前記冷却装置から供給された前記前記冷却水を、電動機より先に、前記車両用インバータの前記給水管に供給する電動車両。
An electric vehicle equipped with the vehicle inverter device according to claim 2,
A power source mounted on a vehicle and supplying the DC power;
A cooling device mounted on the vehicle and cooling the cooling water ,
The electric pump is an electric vehicle that supplies the cooling water supplied from the cooling device to the water supply pipe of the vehicle inverter before the electric motor.
冷却水が流れる流路を備えたアルミ製ケースと前記アルミ製ケースに固定された半導体モジュールとを有し、
前記半導体モジュールは、ベースと、前記ベースの一方の面の側に設けられU相とV相とW相のそれぞれの上下アームとして作用し直流電力を交流電力に変換する複数の半導体素子を有しており、
前記流路は、給水管入口と冷却部と排出管出口とを有していて、前記冷却部には前記アルミ製ケースに固定された冷却のための複数のフィンが設けられており、
前記流路の冷却部は、冷却水の流れに垂直な流路の断面形状が四角形で、その幅方向がその深さ方向より大きい形状を成し、
前記流路の冷却部を形成する前記アルミ製ケースに、前記半導体モジュールの前記ベースの他方の面が前記アルミ製ケース側に位置すると共に、前記半導体モジュールの複数の半導体素子が前記冷却部に対応した位置となるように、前記半導体モジュールの前記ベースが前記アルミ製ケースに固定されている、
車両用インバータ装置であって、
前記流路の冷却部はその深さが一定であり、前記給水管入口と前記冷却部との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に減少し幅方向が徐々に増大するように変化する形状を成し、
前記冷却部と前記排出管出口との間の水路形状は冷却水の流れに沿って深さ方向が徐々に増大し幅方向が徐々に減少するように変化する形状を為している、
ことを特徴とする車両用インバータ装置。
An aluminum case having a flow path for cooling water and a semiconductor module fixed to the aluminum case;
The semiconductor module includes a copper base, a plurality of semiconductor elements for converting DC power to act as respective upper and lower arms of the provided on the side of one surface of the copper-based U-phase and V-phase and W-phase AC power Have
The flow path has a water supply pipe inlet, a cooling part, and a discharge pipe outlet, and the cooling part is provided with a plurality of fins for cooling fixed to the aluminum case,
Cooling part of said flow path in cross section is four-sided vertical flow path to the flow of the cooling water, the width direction thereof forms a larger shape than its depth direction,
In the aluminum case forming the cooling part of the flow path, the other surface of the copper base of the semiconductor module is located on the aluminum case side, and a plurality of semiconductor elements of the semiconductor module are in the cooling part. The copper base of the semiconductor module is fixed to the aluminum case so as to be in a corresponding position,
An inverter device for a vehicle,
Cooling part of said flow path is its depth of a constant, waterways shape gradually reduced width direction gradually depth direction along the flow of cooling water between the water supply pipe inlet and the cooling unit The shape changes to increase,
The shape of the water channel between the cooling part and the outlet of the discharge pipe has a shape that changes so that the depth direction gradually increases and the width direction gradually decreases along the flow of the cooling water.
A vehicle inverter device characterized by the above.
請求項の9に記載の車両用インバータ装置であって、
前記フィンの高さは、前記冷却部の流路深さと同一であることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 9,
The height of the fin, a vehicle inverter device wherein the is a flow path depth of the cooling unit and the same.
請求項の10に記載の車両用インバータ装置であって、
前記半導体モジュールは、U相とV相とW相の半導体素子をそれぞれ冷却水の流れの方向に沿って配置されるようにして前記ベースに保持されていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 10,
The semiconductor module includes a U-phase, a V-phase, and a W-phase semiconductor element that are held on the copper base so as to be arranged along the direction of the flow of cooling water. .
請求項10に記載の車両用インバータ装置であって、
前記アルミ製ケースに形成された冷却水が流れる流路は、前記給水管入口と排出管出口との間に、第1と第2の2つの冷却部を有し、
前記第1と第2の2つの冷却部にはそれぞれ半導体モジュールが固定されており、
前記第1と第2の2つの冷却部は冷却水の流れ方向に沿って直線形状を成し、前記第1と第2の2つの冷却部はそれぞれ冷却水の流れ方向に沿って延びる複数のフィンを有し、
前記第1と第2の2つの冷却部は冷却水の流れ方向において曲線形状の流路で繋がれており、前記第1冷却部の複数のフィンと前記第2の冷却部の複数のフィンとが前記曲線形状の流路において繋がっていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 10,
The flow path through which the cooling water formed in the aluminum case has first and second cooling portions between the water supply pipe inlet and the discharge pipe outlet,
A semiconductor module is fixed to each of the first and second cooling parts,
A plurality of the first and second two cooling portion forms a linear shape along the flow direction of the cooling water, which extends along the first and second two flow direction of the respective cooling section cooling water Having fins,
The first and second cooling sections are connected by a curved channel in the flow direction of the cooling water, and the plurality of fins of the first cooling section and the plurality of fins of the second cooling section Are connected in the curved flow path.
請求項11に記載の車両用インバータ装置であって、
前記第1と第2の2つの冷却部は、冷却水の流れの方向に沿って平行に配置されていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 11,
Said first and second two cooling unit, a vehicle inverter apparatus characterized by being arranged on a flat row along the direction of flow of the cooling water.
請求項10に記載の車両用インバータ装置であって、
前記給水管入口と前記排出管出口とが前記半導体モジュールの取り付けられている面とは反対の側に設けられていることを特徴とする車両用インバータ装置。
The vehicle inverter device according to claim 10,
The vehicle inverter apparatus, wherein the water supply pipe inlet and the discharge pipe outlet are provided on a side opposite to a surface on which the semiconductor module is attached.
請求項10に記載の車両用インバータ装置を搭載した電動車両であって、
車両に搭載され、かつ前記直流電力を供給する電源と、
前記車両に搭載され、かつ前記冷却水を冷却する冷却装置と、を備え、
前記電動ポンプは、前記冷却装置から供給された前記冷却水、電動機より先に、前記車両用インバータの前記給水管に供給する電動車両。
An electric vehicle equipped with the vehicle inverter device according to claim 10,
A power source mounted on a vehicle and supplying the DC power;
A cooling device mounted on the vehicle and cooling the cooling water ,
The electric pump, the said cooling water supplied from the cooling apparatus, prior to the electrodeposition motives, electric vehicle supplied to the water supply pipe of the inverter power the vehicle.
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