JP7320442B2 - インバータ冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ冷却装置に関し、特に、車両を駆動する駆動モータに与える電圧を制御するインバータを冷却する、インバータ冷却装置に関する。

近年、例えばハイブリッド自動車（ＨＶ）や電動自動車（ＥＶ）など、電動の駆動モータで少なくとも一部の動力を得る車両の開発が急速に進められている。この駆動モータへ与えられる電圧は、インバータによって制御される。

このようなインバータは発生する熱量が多いため、冷却の必要がある。従来は、インバータの冷却は比熱の大きな冷却水、即ちＬＬＣ（long life coolant）により行われてきた。このような比熱の大きなＬＬＣでもインバータを適切に冷却するため、あるインバータの冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このインバータの冷却装置では、インバータを構成する部品のうち発熱量の多い部品であるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等が配置された高温部を冷却するための冷媒通路には、生産性は低いが冷却能力が高いピンフィンが形成され、発熱量の少ない部品であるコンデンサ等が配置された低温部を冷却するための冷媒通路には、冷却能力はピンフィンより低いが生産性の高いストレートフィンが形成されている。

特開２００１－２４５４７８号公報

一方、車両を駆動する駆動モータから発生する熱量も大きい。この駆動モータは、例えばオイルなど、インバータと異なる冷媒を用いて冷却されている。このため、インバータのための冷却システムと、駆動モータのための冷却システムとの双方を構成する必要があり、簡易な構成でインバータを適切に冷却することが難しかった。

そこで本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡易な構成でインバータを冷却することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るインバータ冷却装置は、車両を駆動する駆動モータに与える電圧を制御するインバータと、駆動モータを冷却することで昇温したオイルを冷却するオイルクーラと、を備え、オイルクーラは、インバータも冷却する。

この態様によれば、駆動モータの冷却に利用されるオイルを冷却するオイルクーラをインバータの冷却にも利用することができる。このため、インバータ及び駆動モータを簡易な構成で冷却することができる。

オイルクーラは、オイルが流れるオイル路と、オイルを冷却する冷却水が流れる冷却水路と、冷却水路よりもオイル路とより高い伝熱性を有するエンドプレートと、を備えていてもよい。オイルクーラは、エンドプレートがインバータに接触していることで、インバータを冷却してもよい。

この態様によれば、比熱の低いオイルでインバータを冷却することができる。このため、比熱の高い冷却水でインバータを冷却する場合に比べ、例えば冷却フィンの削除が可能になるなど、簡易な構成でインバータを冷却することが可能となる。

エンドプレートは、オイル路の少なくとも一部を画定してもよい。この態様によれば、オイル路を流れるオイルにエンドプレートから直接熱を伝えることができる。このため、より効率的にインバータを冷却することができる。

オイル路は、駆動モータからのオイルが流れる第１オイル路と、駆動モータへ向かうオイルが流れる第２オイル路と、を有していてもよい。エンドプレートは、第１オイル路の少なくとも一部を画定してもよい。この態様によれば、駆動モータへ流れるオイルがインバータの熱によって昇温することを抑制することができる。

インバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含んでいてもよい。エンドプレートは、ＩＧＢＴに接触していてもよい。ＩＧＢＴは、インバータにおいて最も高温となり得る部品の一つである。このためこの態様によれば、ＩＧＢＴをより効率的に冷却することができる。

上記課題を解決するために、本発明に係る別のインバータ冷却装置は、車両を駆動する駆動モータに与える電圧を制御するインバータと、駆動モータをオイルで冷却するオイル冷却システムと、を備え、オイル冷却システムは、オイルでインバータも冷却する。

この態様によれば、比熱の低いオイルでインバータを冷却することができる。このため上述のように、例えば冷却フィンの削除が可能になるなど、簡易な構成でインバータを冷却することが可能となる。

本発明によれば、インバータを簡易な構成で冷却することができる。

本実施例に係る冷却システムの構成を示す図である。 本実施例に係るインバータおよびオイルクーラの斜視図である。 本実施例に係るインバータおよびオイルクーラの断面図である。 比較例に係る冷却システムの構成を示す図である。

（比較例）
図４は、比較例に係る冷却システム１００の構成を示す図である。冷却システム１００は、駆動モータ１０２、減速機１０４、インバータ１０６、オイルクーラ１０８、オイル循環システム１１０、および冷却水循環システム１１２を有する。

駆動モータ１０２は、車両を駆動する電動モータであり、いわゆるトラクションモータである。本比較例の冷却システム１００が搭載される車両は、いわゆるハイブリッド自動車であり、駆動モータ１０２の他に内燃機関（図示せず）も車両に搭載されている。減速機１０４は、内燃機関で生じた回転運動を減速して車輪に伝える。インバータ１０６は、駆動モータ１０２に与える電圧を制御する。

オイル循環システム１１０は、ポンプ１２０およびオイル路１２２を有する。ポンプ１２０は、オイル路１２２に流れるオイルを圧送して循環させる。オイル路１２２に流れるオイルは、駆動モータ１０２および減速機１０４の内部を流れることで、駆動モータ１０２および減速機１０４から発生する熱を吸収して駆動モータ１０２および減速機１０４を冷却する。本比較例では、ハイブリッド自動車に搭載される冷却システム１００を例示しているが、車両が電気自動車であってもよい。この場合、減速機１０４は不要になることから、オイル循環システム１１０を流れるオイルは駆動モータ１０２の内部を流れて駆動モータ１０２を冷却する。

駆動モータ１０２を冷却することで昇温したオイルは、オイルクーラ１０８の内部を流れることで冷却される。冷却水循環システム１１２は、ポンプ１３０、ラジエタ１３２、および冷却水路１３４を有する。ポンプ１３０は、冷却水路１３４に流れる冷却水を圧送して循環させる。冷却水路１３４に流れる冷却水は、オイルクーラ１０８の内部を流れることで、駆動モータ１０２を冷却することで昇温したオイルを冷却する。この過程で昇温した冷却水は、ラジエタ１３２の内部を流れることで冷却される。

ＩＧＢＴなど半導体に用いられるシリコン系材料は耐熱性が低く、ＩＧＢＴは冷却する必要がある。このためラジエタ１３２とオイルクーラ１０８との間の冷却水路１３４には、インバータ１０６が配置されている。冷却水路１３４を流れる冷却水は、インバータ１０６に形成された冷却水路（図示せず）を流れることで、インバータ１０６を冷却する。

この冷却水は、オイル循環システム１１０を流れるオイルよりも比熱が大きい。このため、オイルに比べ冷却水は熱源との熱交換がしにくい。したがって、インバータ１０６に形成された冷却水路の内部には、冷却用の複数のフィンが配置されている。この複数のフィンは、インバータ１０６のパワーモジュール（図示せず）のＩＧＢＴに伝熱可能に接続されている。ＩＧＢＴから発生する熱は、これら複数のフィンを介して冷却水に伝わることで、ＩＧＢＴを冷却する。

しかしながら、このように冷却水路内部に複数のフィンが形成されていると、冷却水路内部の冷却水の円滑な流れが困難となる。このため、出力の大きなポンプ１３０を用いて冷却水を圧送する必要がある。また、駆動モータ１０２や減速機１０４を冷却する冷媒であるオイルと異なる冷媒である冷却水でインバータ１０６を冷却するため、構成が複雑となり部品点数の削減が困難となっていた。

（実施例）
図１は、本実施例に係る冷却システム１０の構成を示す図である。冷却システム１０は、駆動モータ１２、減速機１４、インバータ１６、オイルクーラ１８、オイル循環システム２０、および冷却水循環システム２２を有する。

駆動モータ１２は、車両を駆動する電動モータであり、いわゆるトラクションモータである。本実施例の冷却システム１０が搭載される車両は、いわゆるハイブリッド自動車であり、駆動モータ１２の他に内燃機関（図示せず）も車両に搭載されている。減速機１４は、内燃機関で生じた回転運動を減速して車輪に伝える。インバータ１６は、駆動モータ１２に与える電圧を制御する。

オイル循環システム２０は、ポンプ３０およびオイル路３２を有する。ポンプ３０は、オイル路３２に流れるオイルを圧送して循環させる。オイル路３２に流れるオイルは、駆動モータ１２および減速機１４の内部を流れることで、駆動モータ１２および減速機１４から発生する熱を吸収して駆動モータ１２および減速機１４を冷却する。本実施例でも、ハイブリッド自動車に搭載される冷却システム１０を例示している。しかしながら、車両が電気自動車であってもよい。この場合、減速機１４は不要になることから、オイル循環システム２０を流れるオイルは駆動モータ１２の内部を流れて駆動モータ１２を冷却する。

駆動モータ１２を冷却することで昇温したオイルは、オイルクーラ１８の内部を流れることで冷却される。冷却水循環システム２２は、ポンプ４０、ラジエタ４２、および冷却水路４４を有する。ポンプ４０は、冷却水路４４に流れる冷却水を圧送して循環させる。冷却水路４４に流れる冷却水は、オイルクーラ１８の内部を流れることで、駆動モータ１２を冷却することで昇温したオイルを冷却する。この過程で昇温した冷却水は、ラジエタ４２の内部を流れることで冷却される。ラジエタ４２の内部を流れて冷却されポンプ４０によって圧送された冷却水は、オイルクーラ１８に供給される。

本実施例では、インバータ１６は冷却水路４４上に配置されておらず、オイルクーラ１８に取り付けられている。このためオイルクーラ１８は、駆動モータ１２の冷却のため昇温したオイルを冷却するだけでなく、インバータ１６も冷却する。

図２は、本実施例に係るインバータ１６およびオイルクーラ１８の斜視図である。インバータ１６は、直方体状に形成されている。オイルクーラ１８もまた、直方体状に形成されている。オイルクーラ１８は、エンドプレート５０を有する。このエンドプレート５０の表面にインバータ１６が取り付けられる。なお、本実施例では、インバータ１６の下方にオイルクーラ１８が取り付けられるが、オイルクーラ１８が取り付けられる位置がこれに限定されないことはもちろんである。例えばオイルクーラ１８は、インバータ１６の上方に配置されていてもよい。

図３は、本実施例に係るインバータ１６およびオイルクーラ１８の断面図である。オイルクーラ１８は、エンドプレート５０、第１オイル路５２、第２オイル路５４、第１冷却水路５６、および第２冷却水路５８を有する。インバータ１６は、ハウジング６０およびパワーモジュール６２を有する。

ハウジング６０は、内部が空洞の直方体状に形成されている。このハウジング６０の内部にパワーモジュール６２が配置されている。パワーモジュール６２は、ＩＧＢＴ６４を有する。本実施例では、ＩＧＢＴ６４は表面が下方に向いて露出するようにパワーモジュール６２に配置されている。ハウジング６０の下方には大きな開口部が形成されている。ハウジング６０は、側壁６０ａと、側壁６０ａの下方において内側に突出する凸部６０ｂとを有する。

オイルクーラ１８は、上から下に、エンドプレート５０、第１オイル路５２、第１冷却水路５６、第２オイル路５４、第２冷却水路５８の順に積層されて構成されている。第１オイル路５２には、オイル路３２から供給されたオイルが流れる。第１オイル路５２を通過したオイルは、第２オイル路５４に供給される。第１冷却水路５６には、冷却水路４４から供給された冷却水が流れる。第１冷却水路５６を通過した冷却水は、第２冷却水路５８に供給される。こうして、第１オイル路５２を流れるオイルは隣接する第１冷却水路５６に流れる冷却水によって熱を奪われて冷却される。また、第２オイル路５４を流れるオイルは隣接する第１冷却水路５６および第２冷却水路５８を流れる冷却水によって熱を奪われて冷却される。

第１オイル路５２、第１冷却水路５６、第２オイル路５４、第２冷却水路５８は、同じ幅を有している。エンドプレート５０は、これらよりも大きい幅を有しており、これらの側方から突出するように積層されている。エンドプレート５０は、ハウジング６０の凸部６０ｂの上に載置され、ボルトなどの締結具（図示せず）により固定される。こうしてオイルクーラ１８がインバータ１６に固定される。

このときエンドプレート５０は、パワーモジュール６２のＩＧＢＴ６４に接触している。ＩＧＢＴ６４はエンドプレート５０を介してオイルクーラ１８に熱を奪われることで冷却される。このように本実施例に係る冷却システム１０は、駆動モータ１２を冷却することで昇温したオイルを冷却するオイルクーラ１８が、インバータ１６も冷却する。これにより、インバータ１６と駆動モータ１２は、１つの冷媒であるオイルで冷却されるクローズド回路となり、駆動モータ１２の冷却に利用されるオイルを冷却するオイルクーラ１８を大電圧、高温環境下で使われるインバータ１６の冷却にも利用することができる。このため、インバータ１６の水冷システムを削除することができ、インバータ１６及び駆動モータ１２の冷却に必要となる部品点数を削減することができる。

本実施例では、エンドプレート５０がＩＧＢＴ６４に直接接してＩＧＢＴ６４を冷却している。ＩＧＢＴ６４は、インバータ１６において最も高温となり得る部品の一つである。このためこれにより、ＩＧＢＴ６４をより効率的に冷却することができる。

本実施例では、エンドプレート５０は第１オイル路５２に隣接している。したがって、エンドプレート５０は、第１冷却水路５６よりも第１オイル路５２に高い伝熱性を有する。上述のように、本実施例では、オイルクーラ１８は、エンドプレート５０がインバータ１６に接触していることで、インバータ１６を冷却する。これにより、比熱の低いオイルでインバータ１６を冷却することができる。このため、比熱の高い冷却水でインバータ１６を冷却する場合に比べ、例えば冷却フィンなどヒートシンクの削除が可能になり、簡易な構成でインバータ１６を冷却することが可能となる。また、ヒートシンクの削除により、ポンプ３０やポンプ４０の大型化を回避することができ、低コストを実現することができる。

また、本実施例では、エンドプレート５０は、オイル路３２の少なくとも一部を画定する。具体的には、エンドプレート５０は、オイル路３２の上面を画定している。これにより、オイル路３２を流れるオイルにエンドプレート５０から直接熱を伝えることができる。このため、より効率的にインバータ１６を冷却することができる。

上述のように、第１オイル路５２には駆動モータ１２からのオイルが流れ、第２オイル路５４には駆動モータ１２へ向かうオイルが流れる。本実施例ではエンドプレート５０は、第１オイル路５２の上面を画定する。これにより、駆動モータ１２へ流れるオイルがインバータ１６の熱によって昇温することを抑制することができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施形態における組合せや処理の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施形態も本発明の範囲に含まれうる。

ある変形例では、駆動モータ１２をオイルで冷却するオイル冷却システムと、を備えていてもよい。オイル冷却システムは、オイルでインバータ１６も冷却する。オイル冷却システムのうちインバータ１６を冷却する構成は、オイルクーラであってもよく、オイルを用いた他の構成、例えばインバータ１６を冷却するための専用のオイル路であってもよい。

これにより、比熱の低いオイルでインバータ１６を冷却することができる。このため上述のように、例えば冷却フィンの削除が可能になるなど、簡易な構成でインバータ１６を冷却することが可能となる。

１０ 冷却システム，１２ 駆動モータ，１４ 減速機，１６ インバータ，１８ オイルクーラ，２０ オイル循環システム，２２ 冷却水循環システム，３０ ポンプ，３２ オイル路，４０ ポンプ，４２ ラジエタ，４４ 冷却水路，５０ エンドプレート，５２ 第１オイル路，５４ 第２オイル路，５６ 第１冷却水路，５８ 第２冷却水路，６０ ハウジング，６０ａ 側壁，６０ｂ 凸部，６２ パワーモジュール，６４ ＩＧＢＴ

Claims (4)

1. 車両を駆動する駆動モータに与える電圧を制御するインバータと、
   前記駆動モータを冷却することで昇温したオイルを冷却するオイルクーラと、
   を備え、
   前記オイルクーラは、前記インバータも冷却し、
   前記オイルクーラは、
   前記オイルが流れるオイル路と、
   前記オイルを冷却する冷却水が流れる冷却水路と、
   前記冷却水路よりも前記オイル路に、より熱を伝えやすいように構成されたエンドプレートと、を備え、
   前記オイルクーラは、前記エンドプレートが前記インバータに接触していることで、前記インバータを冷却することを特徴とする、インバータ冷却装置。
2. 前記エンドプレートは、前記オイル路の少なくとも一部を画定することを特徴とする請求項１記載のインバータ冷却装置。
3. 前記オイル路は、
   前記駆動モータからのオイルが流れる第１オイル路と、
   前記駆動モータへ向かうオイルが流れる第２オイル路と、
   を有し、
   前記エンドプレートは、前記第１オイル路の少なくとも一部を画定することを特徴とする請求項２記載のインバータ冷却装置。
4. 前記インバータは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を含み、
   前記エンドプレートは、前記ＩＧＢＴに接触していることを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載のインバータ冷却装置。
   

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