JP5546934B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置に関し、特に、第１電気部品および第２電気部品の冷却を行なう冷却装置に関する。

特開２００９−１８９１４９号公報（特許文献１）には、電気車両におけるスイッチング素子およびリアクトルを冷却する構造が示されている。

特開２００７−３３５８３３号公報（特許文献２）には、リアクトルの側方に配置される冷却モジュールによりリアクトルを冷却するものが示されている。

特開２００４−２３５６５６号公報（特許文献３）には、電子装置用冷却装置において、冷却パイプの扁平部の断面積を小さくすることにより、冷媒の流速を加速させ、冷却効率を向上させることが示されている。

特開２００１−３１１５９３号公報（特許文献４）には、熱交換器において、チューブに突起を設けて乱流状態として放熱能力を向上させることが示されている。

特開２００８−１０３６２３号公報（特許文献５）には、半導体装置用の冷却装置において、冷媒通路に突起を設けて乱流を生じさせ、冷却効率を向上させることが示されている。

特開２００９−１８９１４９号公報 特開２００７−３３５８３３号公報 特開２００４−２３５６５６号公報 特開２００１−３１１５９３号公報 特開２００８−１０３６２３号公報

特許文献１に記載の冷却装置は、リアクトルを一側面のみから冷却するものであるため、冷却効率が十分でない。特許文献２〜５に記載の冷却装置によっても、この問題を十分に解決できない。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、スペース効率および冷却効率の高い冷却装置を提供することにある。

本発明に係る冷却装置は、第１電気部品および第２電気部品を冷却する冷却装置であって、第１電気部品を冷却する冷媒が流れる冷媒流路を含む第１冷却部と、第２電気部品を挟持するように設けられ、冷媒流路に連通する第１パイプおよび第２パイプとを備え、第１パイプおよび第２パイプは、第２電気部品と接触し、第２電気部品と接触する部分の全体にわたって断面積が縮小された第２冷却部を各々含み、第２電気部品は、第１冷却部とも接触する。

上記発明によれば、第１パイプおよび第２パイプによって挟持される位置に第２電気部品を設けることにより、２本のパイプ間のスペースを有効に活用することができる。また、第１パイプおよび第２パイプと第２電気部品とを接触させることで、第２電気部品を冷却する第２冷却部を複数箇所に設けることができ、さらには、第２電気部品を第１冷却部とも接触させることで、第２電気部品を三方から冷却することができるので、第２電気部品の冷却効率を高めることができる。また、第２冷却部において第１および第２パイプの断面積を縮小することで、第２冷却部による冷却効率をさらに向上させることができる。以上の結果として、スペース効率および冷却効率の高い冷却装置が得られる。

なお、上記発明において「接触」とは、コアやコイルなどの電気素子がケースに収納され、当該ケースが第１冷却部および第２冷却部に接触する場合と、上記電気素子が直接第１冷却部および第２冷却部に接触する場合とがある。

１つの例として、上記冷却装置において、第２冷却部における第２電気部品に対して接触する部分は、平坦面形状に形成されている。

１つの例として、上記冷却装置において、第２冷却部に位置する前記第１パイプまたは前記第２パイプの内面に突起が形成されている。

１つの例として、上記冷却装置において、第２冷却部における第２電気部品に対して接触する部分は、平坦面形状に形成され、平坦面形状に形成された部分に位置する第１パイプまたは第２パイプの内面に突起が形成されている。

１つの例として、上記冷却装置において、突起は、潰し加工または鍛造加工により設けられる。

１つの例として、上記冷却装置において、第１電気部品は、電動車両用の制御装置に含まれるスイッチング素子であり、第２電気部品は、制御装置に含まれるリアクトルまたはコンデンサである。

本発明によれば、スペース効率および冷却効率の高い冷却装置を得ることができる。

本発明の１つの実施の形態に係る冷却装置を含む電動車両用の制御装置の主要部の構成を示す回路図である。 本発明の実施の形態１に係る冷却装置の構造を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る冷却装置の構造を示す図である。 本発明の実施の形態３に係る冷却装置の構造を示す図である。 比較例に係る冷却装置の構造を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。

なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。

図１は、後述する実施の形態１〜３に係る冷却装置を含む電動車両用の制御装置（ＰＣＵ３００）の主要部の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る冷却装置において、「第１電気部品」は、後述するコンバータ３１０およびインバータ３２０に含まれるスイッチング素子（パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４）であり、「第２電気部品」は、リアクトルＬまたはコンデンサＣ１，Ｃ２である。

図１を参照して、ＰＣＵ３００は、バッテリ１００、モータジェネレータ２１０，２２０に接続される。ＰＣＵ３００は、コンバータ３１０と、インバータ３２０（３２１，３２２）と、制御装置３３０と、コンデンサＣ１，Ｃ２とを含む。コンバータ３１０は、バッテリ１００とインバータ３２０との間に接続され、インバータ３２１，３２２は、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０と接続される。

コンバータ３１０は、パワートランジスタＱ１，Ｑ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、リアクトルＬとを含む。パワートランジスタＱ１，Ｑ２は直列に接続され、制御装置３３０からの制御信号をベースに受ける。ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれパワートランジスタＱ１，Ｑ２のエミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパワートランジスタＱ１，Ｑ２のコレクタ−エミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトルＬは、バッテリ１００の正極と接続される電源ラインに一端が接続され、パワートランジスタＱ１，Ｑ２の接続点に他端が接続される。

このコンバータ３１０は、リアクトルＬを用いてバッテリ１００から受ける直流電圧を昇圧し、その昇圧した昇圧電圧を電源ラインに供給する。また、コンバータ３１０は、インバータ３２０から受ける直流電圧を降圧してバッテリ１００を充電する。

インバータ３２１，３２２は、それぞれ、Ｕ相アーム３２１Ｕ，３２２Ｕ、Ｖ相アーム３２１Ｖ，３２２ＶおよびＷ相アーム３２１Ｗ，３２２Ｗを含む。Ｕ相アーム３２１Ｕ、Ｖ相アーム３２１ＶおよびＷ相アーム３２１Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。同様に、Ｕ相アーム３２２Ｕ、Ｖ相アーム３２２ＶおよびＷ相アーム３２２Ｗは、ノードＮ１とノードＮ２との間に並列に接続される。

Ｕ相アーム３２１Ｕは、直列接続された２つのパワートランジスタＱ３，Ｑ４を含む。同様に、Ｕ相アーム３２２Ｕ、Ｖ相アーム３２１Ｖ，３２２ＶおよびＷ相アーム３２１Ｗ，３２２Ｗは、それぞれ、直列接続された２つのパワートランジスタＱ５〜Ｑ１４を含む。また、各パワートランジスタＱ３〜Ｑ１４のコレクタ−エミッタ間には、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ３〜Ｄ１４がそれぞれ接続されている。

インバータ３２１，３２２の各相アームの中間点は、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０の各相コイルの各相端に接続されている。そして、モータジェネレータ２１０，２２０においては、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の３つのコイルの一端が中点に共通接続されて構成される。

コンデンサＣ１は、バッテリ１００に並列に接続される。また、コンデンサＣ２は、インバータ３２１，３２２に並列に接続される。コンデンサＣ１，Ｃ２は、電源ラインの電圧レベルを平滑化する。

インバータ３２１，３２２は、制御装置３３０からの駆動信号に基づいて、コンデンサＣ２からの直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ２１０，２２０を駆動する。

電流センサ３４０Ｕ，３４０Ｖ，３４０Ｗ，３５０Ｕ，３５０Ｖ，３５０Ｗは、それぞれ、モータジェネレータ２１０，２２０に流れる電流を検出し、その検出した電流を制御装置３３０へ出力する。

制御装置３３０は、モータトルク指令値、モータジェネレータ２１０，２２０の各相電流値、およびインバータ３２１，３２２の入力電圧に基づいてモータジェネレータ２１０，２２０の各相コイル電圧を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ３〜Ｑ１４をオン／オフするＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成してインバータ３２１，３２２へ出力する。

また、制御装置３３０は、上述したモータトルク指令値およびモータ回転数に基づいてインバータ３２０の入力電圧を最適にするためのパワートランジスタＱ１，Ｑ２のデューティ比を演算し、その演算結果に基づいてパワートランジスタＱ１，Ｑ２をオン／オフするＰＷＭ信号を生成してコンバータ３１０へ出力する。

さらに、制御装置３３０は、モータジェネレータ２１０，２２０によって発電された交流電力を直流電力に変換してバッテリ１００を充電するため、コンバータ３１０およびインバータ３２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４のスイッチング動作を制御する。

コンバータ３１０およびインバータ３２０におけるパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４がスイッチング動作を行なう際、当該パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４は発熱する。このため、パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４を冷却するための冷却装置が必要である。さらには、リアクトルＬおよびコンデンサＣ１，Ｃ２も発熱するため、これらを冷却する冷却装置も必要である。後述する実施の形態１〜４に係る冷却装置は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４とリアクトルＬとを同時に冷却するものである。なお、リアクトルＬに代えてコンデンサＣ１，Ｃ２を冷却することも、当然に予定されている。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１に係る冷却装置の構造を示す図である。図２を参照して、本実施の形態に係る冷却装置は、積層冷却部１０と、冷却パイプ２０とを含む。

積層冷却部１０は、パワー素子１０Ａと、冷却器１０Ｂとを含む。パワー素子１０Ａは、たとえば、上述したパワートランジスタＱ１〜Ｑ１４を含む。冷却器１０Ｂは、パワー素子１０Ａの両側に設けられる。パワー素子１０Ａと冷却器１０Ｂとが交互に積層されている。冷却器１０Ｂは内部空間を有し、当該内部空間にはパワー素子１０Ａを冷却するための冷媒が供給される。すなわち、冷却器１０Ｂは「冷媒流路」を構成するものである。

冷却パイプ２０は、第１パイプ２１と、第２パイプ２２とを含む。第１パイプ２１および第２パイプ２２は、冷却器１０Ｂの内部空間に連通している。第１パイプ２１から冷却器１０Ｂ内に冷媒が供給される。冷却器１０Ｂ内を流れた冷媒は、第２パイプ２２に流入する。このようにして、冷却器１０Ｂ内に連続的に冷媒が供給される。

第１パイプ２１と第２パイプ２２とは、電気部品２０Ａを挟持する。電気部品２０Ａは、たとえば、上述したリアクトルＬである。図２の例において、電気部品２０Ａは、コア２０Ａ１と、コイル２０Ａ２を含む。

図２に示すように、コア２０Ａ１は、積層冷却部１０の側面（接触面１０α）に当接している。コイル２０Ａ２は、第１パイプ２１および第２パイプ２２に各々形成されたパイプ冷却部２１Ａ，２２Ａに当接している。すなわち、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａは、各々接触面２１α，２２αを有し、２つのコイル２０Ａ２は、接触面２１α，２２αに当接している。このように、電気部品２０Ａは、三方から冷却されている。したがって、本実施の形態に係る冷却装置では、図５に示す比較例と比べて、電気部品２０Ａの冷却効率は高い。

第１パイプ２１および第２パイプ２２は、その断面が略円形となるように形成されている。ただし、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａは、その断面が扁平形状となるように形成されている。また、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａに形成された接触面２１α，２２αは、平坦面形状に形成されている。

本実施の形態に係る冷却装置によれば、第１パイプ２１および第２パイプ２２によって挟持される位置に電気部品２０Ａを設けることにより、２本のパイプ間のスペースを有効に活用することができる。また、第１パイプ２１および第２パイプ２２と電気部品２０Ａとを接触させることで、電気部品２０Ａを冷却する２箇所のパイプ冷却部２１Ａ，２２Ａを設けることができる。さらに、第２電気部品２０Ａを積層冷却部１０とも接触させることで、電気部品２０Ａを三方から冷却することができる。この結果、電気部品２０Ａの冷却効率を高めることができる。このように、本実施の形態によれば、スペース効率および冷却効率の高い冷却装置が得られる。

上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る冷却装置は、「第１電気部品」としてのパワー素子１０Ａ（パワートランジスタＱ１〜Ｑ１４）および「第２電気部品」としての電気部品２０Ａ（リアクトルＬ）を冷却する冷却装置であって、パワー素子１０Ａを冷却する冷媒が流れる「冷媒流路」としての冷却器１０Ｂを含む「第１冷却部」としての積層冷却部１０と、電気部品２０Ａを挟持するように設けられ、冷却器１０Ｂに連通する第１パイプ２１および第２パイプ２２とを備え、第１パイプ２１および第２パイプ２２は、断面積が縮小され、かつ、電気部品２０Ａと接触する「第２冷却部」としてのパイプ冷却部２１Ａ，２２Ａを各々含み、電気部品２０Ａは、積層冷却部１０とも接触する。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る冷却装置の構造を示す図である。図３を参照して、本実施の形態に係る冷却装置は、実施の形態１に係る冷却装置の変形例であって、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａに位置する第１パイプ２１および第２パイプ２２の内面に各々凹部２１Ｂ，２２Ｂを設けることにより、パイプ内方に突出する突起を形成したことを特徴とする。

上記のような突起を設けることにより、第１パイプ２１および第２パイプ２２内の流れに乱れを生じさせ（すなわち、乱流を生じさせ）、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａによる冷却効率をさらに高めることができる。なお、上記突起は、典型的には、潰し加工または鍛造加工により設けられる。また、凹部２１Ｂ，２２Ｂのいずれか一方のみが設けられる場合もある。

上記以外の事項については、実施の形態１と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

本実施の形態においても、第１パイプ２１および第２パイプ２２の間のスペースを有効に活用することができる。また、上述のとおり、凹部２１Ｂ，２２Ｂを設けることにより、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａによる冷却効率をさらに高めることができる。このように、本実施の形態によれば、スペース効率および冷却効率の高い冷却装置が得られる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る冷却装置の構造を示す図である。図４を参照して、本実施の形態に係る冷却装置は、実施の形態１に係る冷却装置の変形例であって、実施の形態２と同様に、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａに位置する第１パイプ２１および第２パイプ２２の内面に各々凹部２１Ｃ，２２Ｃを設けることにより、パイプ内方に突出する突起を形成することを特徴とし、さらに、当該突起を、電気部品２０Ａに接触する接触面２１α，２２α上に設けたことを特徴とする。

上記以外の事項については、実施の形態１または２と同様であるので、詳細な説明は繰り返さない。

本実施の形態においても、実施の形態２と同様に、第１パイプ２１および第２パイプ２２内に乱流を生じさせることにより、パイプ冷却部２１Ａ，２２Ａによる冷却効率を高めることができる。さらに、接触面２１α，２２α上に突起を形成することで、接触面２１α，２２αに近い位置で乱流を形成することができるので、冷却効率がさらに向上する。なお、凹部２１Ｃ，２２Ｃを形成することにより、接触面２１α，２２αと電気部品２０Ａとの接触面積が減少するが、この減少分は若干量であり、上述した乱流による効果の方が大きい。このように、本実施の形態によれば、スペース効率および冷却効率の高い冷却装置が得られる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 積層冷却部、１０Ａ パワー素子、１０Ｂ 冷却器、１０α，２１α，２２α 接触面、２０ 冷却パイプ、２０Ａ 電気部品、２０Ａ１ コア、２０Ａ２ コイル、２１ 第１パイプ、２２ 第２パイプ、２１Ａ，２２Ａ パイプ冷却部、２１Ｂ，２２Ｂ，２１Ｃ，２２Ｃ 凹部、１００ バッテリ、２１０，２２０ モータジェネレータ、３００ ＰＣＵ、３１０ コンバータ、３２０，３２１，３２２ インバータ、３２１Ｕ，３２２Ｕ Ｕ相アーム、３２１Ｖ，３２２Ｖ Ｖ相アーム、３２１Ｗ，３２２Ｗ Ｗ相アーム、３３０ 制御装置、３４０Ｕ，３４０Ｖ，３４０Ｗ，３５０Ｕ，３５０Ｖ，３５０Ｗ 電流センサ、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ１４ ダイオード、Ｌ リアクトル、Ｑ１〜Ｑ１４ パワートランジスタ。

Claims (6)

1. 第１電気部品および第２電気部品を冷却する冷却装置であって、
   前記第１電気部品を冷却する冷媒が流れる冷媒流路を含む第１冷却部と、
   前記第２電気部品を挟持するように設けられ、前記冷媒流路に連通する第１パイプおよび第２パイプとを備え、
   前記第１パイプおよび前記第２パイプは、前記第２電気部品と接触し、前記第２電気部品と接触する部分の全体にわたって断面積が縮小された第２冷却部を各々含み、
   前記第２電気部品は、前記第１冷却部とも接触する、冷却装置。
2. 前記第２冷却部における前記第２電気部品に対して接触する部分は、平坦面形状に形成されている、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記第２冷却部に位置する前記第１パイプまたは前記第２パイプの内面に突起が形成されている、請求項１または請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記第２冷却部における前記第２電気部品に対して接触する部分は、平坦面形状に形成され、
   前記平坦面形状に形成された部分に位置する前記第１パイプまたは前記第２パイプの内面に突起が形成されている、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記突起は、潰し加工または鍛造加工により設けられる、請求項３または請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記第１電気部品は、電動車両用の制御装置に含まれるスイッチング素子であり、
   前記第２電気部品は、前記制御装置に含まれるリアクトルまたはコンデンサである、請求項１から請求項５のいずれかに記載の冷却装置。

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