WO2007049807A1

WO2007049807A1 - 電気機器の冷却構造

Info

Publication number: WO2007049807A1
Application number: PCT/JP2006/321931
Authority: WO
Inventors: Ken Asakura
Original assignee: Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2007-05-03
Also published as: DE112006002839T5; JP2007123607A; US20090095450A1; DE112006002839B4; CN101297401B; CN101297401A; JP4470857B2; US8789578B2

Abstract

　電気機器の冷却構造は、インバータ用の冷却媒体が流れる複数の冷却媒体通路（７２４）と、複数の冷却媒体通路（７２４）に供給される冷却媒体が流入する入口部（７２２）と、入口部（７２２）と複数の冷却媒体通路（７２４）との間に設けられ、各々の冷却媒体通路（７２４）への冷却媒体の分散を促進する壁（７２６）とを備える。

Description

明細書電気機器の冷却構造技術分野

本発明は、電気機器の冷却構造に関し、特に、複数の冷却媒体通路を有する電気機器の冷却構造に関する。背景技術

特開平 1 1— 3 4 0 3 9 3号公報において、電気機器であるインバ一タの冷却構造が開示されている。ここでは、受熱部材における半導体素子が搭載される面の反対側の面上にフィンが形成され、このフィン上に蓋を嵌め合わせることにより、外部から液体を流すための流路が形成されている。

特開平 1 1一 3 4 0 3 9 3号公報に記載の冷却構造においては、フィンにより複数の冷却媒体通路が規定されているが、 1つの流入口から流入して複数の冷却媒体通路に流入する冷却媒体の流量が、各々の冷却媒体通路ごとにばらつく場合がある。これに対し、流入口と複数の冷却媒体通路が分岐する位置との間の距離を離した場合、上記ばらつきを抑制することはできる力一方で、冷却構造が大型化する。発明の開示

本発明の目的は、小型化を図りながら複数の冷却媒体通路における冷却媒体の流量のばらつきを抑制することが可能な電気機器の冷却構造を提供することにある。

本発明に係る電気機器の冷却構造は、電気機器と、電気機器用の冷却媒体が流れる複数の冷却媒体通路と、複数の冷却媒体通路に供給される冷却媒体が流入する入口部と、入口部と複数の冷却媒体通路との間に設けられ、各々の冷却媒体通路への冷却媒体の分散を促進する冷却媒体分散機構とを備える。

上記構成によれば、冷却媒体分散機構を設けることにより、冷却媒体が流入する入口部と複数の冷却媒体 a路が分岐する位置とを過度に離間させることなく複数の冷却媒体通路への冷却媒体の分散を促進することができる。この結果、電気機器の冷却構造の小型化を図りながら、複数の冷却媒体通路における冷却媒体の '流量のばらつきを抑制する.ことができる。

上記電気機器の冷却構造において、好ましくは、冷却媒体分散機構は、冷却媒体の流れを抑制することにより各々の冷却媒体通路への冷却媒体'の分散を促進する。

上記電気機器の冷却構造において、 1つの例として、複数の冷却媒体通路は、互いに同じ方向に延在し、入口部と複数の冷却媒体通路とは、複数の冷却'媒体通. 路が延在する方向に並ぶ。

上記電気機器の冷却構造において、好ましくは、冷却媒体分散機構は、入口部と複数の冷却媒体通路とが並ぶ方向に交差する方向に延在する壁を含む。そし、壁は、入口部から離れるにつれて高さが低くなるように設けられた部分を含む。上記構成によれば、入口部と冷却体通路との間に設けられた壁が、入口部から離れるにつれて壁の高さが低くなる部分を有することで、入口部近傍において冷却媒体通路への冷却媒体の流入を抑制しながら、入口部から離れた位置において冷却媒体通路への冷却媒体の流入を促進することができる。

上記電気機器の冷却構造において.、 1つの例として、電気機器はインバータを含む。この場合は、インバ一タの冷却を効率よく行なうことができる。

上述したように、本発明によれば、電気機器の冷却構造の小型化を図りながら、複数の冷却媒体通路における冷却媒体の流量のばらつきを抑制することができる。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の 1つの実施の形態に係る電気機器の冷却構造を含む駆動ュニットの構造の一例を概略的に示す図である。

図 2は、図 1に示される P C Uの主要部の構成を示す回路図である。

図 3は、本発明の 1つの実施の形態に係る電気機器の冷却構造の全体構成を示した図である。

図 4は、図 3に示されるケーシングの平面図である。図 5は、図 4における V— V断面図である。

図 6は、図 5に示される構造を矢印 V Iの方向から見た図である。

図 7は、図 4〜図 6に示される壁の変形例を示した図である。

図 8は、比較例に係る電気機器の冷却構造におけるケーシングの平面図である。発明を実施するための最良の形態 ' '

以下に、本発明に基づく電気機器の冷却構造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。 ' 図 1は、本発明の 1つの実施の形態に係る電気機器の冷却構造を含む駆動ュニットの構造の一例を概略的に示す図である。図 1に示される例では、駆動ュニット 1は、ハイプリッド車両に搭載される駆動ュニットであり、モータジエネレータ 1 0 0と、ハウジング 2 0 0と、减速機構 3 0 0と、ディファレンシャル機構 4 0 0と、ドライブシャフト受け部 5' 0 0と、端子台 6 0 0とを含んで構成される。，

モータジェネレータ 1 0 0は、電動機または発電機としての機能を有する回転電機であり、軸受 1 2 0を介してハウジング 2 0 0に回転可能に取付けられた回転シャフト 1 1 0と、回転シャフト 1 1 0に取付けられたロータ 1 3 0と、ステータ 1 4 0とを有する。

ロータ 1 3 0は、たとえば、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成されたロータコアと、該ロータコアに埋設された永久磁石とを有する。永久磁石は、たとえば、ロータコアの外周近傍にほぼ等間隔を隔てて配置される。なお、ロータコアを圧粉磁心により構成してもよい。

ステ一タ 1 4 0は、リング状のステータコア 1 4 1 と、ステ一タコア 1 4 1に卷回されるステ一タコイル 1 4 2と、ステータコイル 1 4 2に接続されるバスバ — 1 4 3とを有する。バスバー 1 4 3は、ハウジング 2 0 0に設けられた端子台 6 0 0および給電ケ一ブル 7 0 0 Aを介して P C U (Power Control Unit) 7 0 0と接続される。また、 P C U 7 0 0は、給電ケーブル 8 0 0 Aを介してバッテリ 8 0 0に接続される。これにより、ノくッテリ 8 0 0とステータコィノレ 1 4 2とが電気的に接続される。

ステ一タコア 1 4 1はたとえば、鉄または鉄合金などの板状の磁性体を積層することにより構成される。ステータコア 1 4 1の内周面上には複数のティース部（図示せず）および該ティース部間に形成される凹部としてのスロット部（図示せず）が形成されている。スロット部は、ステ一タコア 1 4 1の內周側に開口するように設けられる。なお、ステ一タコア 1 4 1を圧粉磁心により'構成してもよい。

3つの巻線相である U相、 V相および W相を含むステ一タコイル 1 4 2は、スロット部に嵌り合うようにティース部に巻き付けられる。ステータコイル' 1 4 2 の U相、 V相および W相は、互いに円周上でずれるように巻き付けられる。バスバ一 1 4 3は、それぞれステータコイル 1 4 2の U相、 V相および W相に対応する U相、 V相および W相を含む。

給電ケーブル 7 0 0 Aは、 U相ケーブルと、 V相ケーブルと、 W相ケ一ブルとからなる三相ケーブルである。バスー 1 4 3の U相、 V相および V相がそれぞれ給電ケーブル 7 0 Q Aにおける U相ケーブル、 V相ケーブルおよび W相ケ一ブルに接続される。 '

モータジェネレータ 1 0 0から出力された動力は、減速機構 3 0 0からディフ了レンシャル機構 4 0 0を介してドライブシャフト受け部 5 0 0に伝達される。ドライブシャフト受け部 5 0 0に伝達された駆動力は、ドライブシャフト（図示せず）を介して車輪（図示せず）に回転力として伝達されて、車両を走行させる。

—方、ハイブリッド車両の'回生制動時には、車輪は車体の慣性力により回転させられる。車輪からの回転力によりドライブシャフト受け部 5 0 0、ディファレンシャル機構 4 0 0および減速機構 3 0 0を介してモータジェネレータ 1 0 0力 S 駆動される。このとき、モータジェネレータ 1 0 0が発電機として作動する。モ —タジェネレータ 1 0 0により発電された電力は、 P C U 7 0 0におけるインバータを介してバッテリ 8 0 0に蓄えられる。

駆動ユニット 1には、レゾノレバロータと、レゾノレパステ一タとを有するレゾノレバ（図示せず）が設けられている。レゾルバロータは、モータジェネレータ 1 0 0の回転シャフト 1 1 0に接続されている。また、レゾルバステ一タは、レゾルバステータコアと、該コア卷回されたレゾルバステータコイルとを有する。上記レゾルバにより、モータジェネレータ 1 00のロータ 1 30の回転角度が検出される。検出された回転角度は、 P CU 700へ伝達される。 PCU 700は、検出されたロータ 1 3 0の回転角度と、外部 E CU (Electrical Control Unit) からのトルク指令値とを用いてモータジェネレータ 100を駆動するための駆動信号を生成し、その生成した駆動信号をモータジェネレータ 1' 00へ出力する。

図 2は、 P CU 700の主要部の構成を示す回路図である。図 2を参照して、 PCU 700は、コンバータ 7 10と、インバ一タ 720と、制御装置 7 '30と、コンデンサ C l， C 2と、電源ライン P L 1〜P L 3と、出力ライン 740U,

740 V, 740Wとを含む。コンバータ 7 10は、ノくッテリ 800とインバータ 720との間に接続され、インバータ 720は、出力ライン 740 U， 740 V, 740Wを介してモータジェネレータ 1 00と接続される。

コンバータ 7 1 0に接続されるバッテリ 800は、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の: 次電池である。バッテリ 800は、発生した直流電圧をコンバ一タ 7 1 0に供給し、また、コンバータ 7 1 0から受ける直流電圧によって充電される。

コンバータ 7 10は、パヮ一トランジスタ Q 1， Q 2と、ダイォ一ド D 1 , D 2と、リアクトル Lとからなる。パワートランジスタ Q 1 , Q 2は、電源ライン P L 2, P L 3間に直列に接続され、制御装置 730からの制御信号をベースに受ける。ダイオード D l, D 2は、それぞれパワートランジスタ Q 1 , Q2のェミッタ側からコレクタ側へ電流を流すようにパヮ一トランジスタ Q 1， Q 2のコレクタ一ェミッタ間にそれぞれ接続される。リアクトル Lは、ノくッテリ 800の正極と接続される電源ライン P L 1に一端が接続され、パワートランジスタ Q 1 , Q 2の接続点に他端が接続される。

このコンバータ 7 10は、リアクトル Lを用いてバッテリ 800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 P L 2に供給する。また、コンバータ 7 1 0は、ィンバ一タ 720から受ける直流電圧を降圧してバッテリ

800を充電する。インバータ 7 2 0は、 U相アーム 7 5 0 U、 V相アーム 7 5 0 Vおよび W相ァーム 7 5 0 Wからなる。各相アームは、電源ライン P L 2， P L 3間に並列に接続される。 . U相アーム 7 5 O Uは、直列に接続されたパワートランジスタ Q 3 , Q 4からなり、 V相アーム 7 5 0 Vは、直列に接続されたパヮ一トランジスタ Q 5 , Q 6からなり、 W相アーム 7 5 0 Wは、直列に接続されたパワートランジスタ Q 7， Q 8からなる。ダイオード D 3〜D 8は、それぞれパワートランジスタ Q 3〜Q 8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 Q 3〜Q 8のコレクタ一ェミッタ間にそれぞれ接続される。そして、各相アームにおける各パワートランジスタの接続点は、出力ライン 7 4 O U， 7 4 0 V , 7 4 0 Wを介してモータジェネレータ 1 0 0の各相コイルの反中性点側にそれぞれ接続されている。 '

このインバータ 7 2 0は、制御装置 7 3 0からの制御信号に基づいて、電源ライン P L 2から受ける直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ 1 0 0 へ出力する。また、インバータ 7 2 0は、モータジェネレータ 1 0 0によって発電された交流電圧を直流電圧に整流して電源ライン P L 2に供給する。

コンデンサ C 1は、電源ライン P L 1， P L 3間に接続され、電源ライン P L 1の電圧レベルを平滑化する。また、コンデンサ C 2は、電源ライン P L 2 , P L 3間に接続され、電源ライン P L. 2の電圧レベルを平滑化する。

制御装置 7 3 0は、.モータジェネレータ 1 0 0の回転子の回転角度、モータトルク指令値、モータジェネレータ 1 0 0の各相電流値、およびインバータ 7 2 0 の^^力電圧に基づいてモータジェネレータ 1 0 0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 Q 3〜Q 8をオン/オフする P WM (Pulse Width Modulation) 信号を生成してインバータ 7 2 0へ出力する。

また、制御装置 7 3 0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一タ 7 2 0の入力電圧を最適にするためのパヮ一トランジスタ Q 1， Q 2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 Q 1 , Q 2をオンオフする P WM信号を生成してコンバータ 7 1 0へ出力する。さらに、制御装置 7 3 0は、モータジェネレータ 1 0 0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 8 0 0を充電するため、コンバータ 7 1 0 およびィンバ一タ 7 2 0におけるパワートランジスタ Q 1〜Q 8のスィツチング動作を制御する。

この P C U 7 0 0においては、コンバータ 7 1 0は、制御装置 7 3 0力らの制 '御信号に基づいて、バッテリ 8 0 0から受ける直流電圧を昇圧して電源ライン P L 2に供給する。そして、インバータ 7 2 0は、コンデンサ C 2によって平滑化された直流電圧を電源ライン P L 2から受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータジェネレータ 1 0 0へ出力する。

また、インバータ 7 2 0は、モータジェネレータ 1 0 0の回生動作によって発電された交流電圧を直流電圧に変換して電源ライン P L 2へ出力する。そして、コンバータ 7 1 0は、コンデンサ C 2によって平滑化された直流電圧を電源ライン P L 2から受け、その受けた直流電圧を降圧してバッテ 'リ 8 0 0を充電する。図 3は、本実施の形態に係るインバ一タ 7 2 0の冷却構造の構成を示した図である。また、図 4は、図 3に示されるケ一シングの平面図である。そして、図 5 は、図 4における V— V断面図であ'り、図 6は、図 5に示される構造を矢印 V I の方向から見た図である。

なお、図 4〜図 6においては、ケ一ジング 7 2 1の蓋の図示は省略されている。図 3〜図 6を参照して、ケ一シング 7 2 1は、たとえばアルミニウムなどからなるダイカストケースである。ケーシング 7 2 1内には、たとえばし L C (Long Life Coolant) などの冷却媒体が流れる。冷却媒体は、入口部 7 2 2から矢印 I Nの方向に沿ってケーシング 7 2 1内に流入し、出口部 7 2 3から矢印 O U Tの方向に沿ってケ一シング 7 2 1外に流出する。ケ一シング 7 2 1から流出した冷却媒体は、ラジェータ 7 6 0に送られて冷却される。そして、冷却媒体は、入口部 7 2 2から再びケーシング 7 2 1に流入する。以上のようにして、ケーシング 7 2 1上に搭載されたインバ一タ 7 2 0 (図 3においては、パワートランジスタ Q 3およびダイオード D 3のみ表示）の冷却が促進される。なお、冷却媒体の循環は、ウォータポンプ 7 7 0により行なわれる。また、冷却媒体として、冷却水、不凍液などが使用されてもよい。

ケ一シング 7 2 1內には、複数の冷却媒体通路 7 2 4が形成されている。複数の冷却媒体通路 7 2 4は、電気素子の搭載面に対して垂直に突出するように等間隔に設けられたフィン 7 2 5により区画されている。これにより'、同じ方向に延在する複数の冷却媒体通路 7 2 4が形成される。

入口部 7· 2 2と、複数の冷却媒体通路 7 2 4が分岐する部分との間には、壁 7 2 6が設けられている。壁 7 2 6は、複数の冷却媒体通路 7 2 4が延在する方向に対して交差する方向に設けられている。図 4〜図 6の例では、冷却媒体通路 7 2 4の延在方向と、壁 7 2 6の延在方向とは、垂直に交差してい'る。'なお、フィン 7 2 5および壁 7 2 6は、ケーシング 7 2 1と一体に形成される。

ケーシング 7 2 1の幅方向中央部は、冷却媒体が流入する入口部 7 2 2に近いため、ケーシシグ 7 2 1の幅方向中央部近傍に位置する冷却媒体通路 7 2 4には、冷却媒体が流入しやすい。一方で、ケ一シング 7 2 1の幅方向中央部から離れた位置では、冷却媒体が流入する入口部 7 2 2から離れているため、ケ一シング 7 2 1の幅方向中央部と比較して、冷却媒体通路 7 2 4に冷却媒体が流入しにくい。したがって、複数の冷却媒体通路 7 2 4間で、冷却媒体の流量にばらつきが生じ、インバ一タ 7 2 0の冷却性能が低下十ることが懸念される。

これに対し、本実施の形態に係る冷却構造では、図 6に示すように、壁 7 2 6 の高さが、ケ一シング 7 2 1の幅方向中央部から離れるに όれて低く形成されている。このようにすることで、入口部 7 2 2近傍に位置する冷却媒体通路 7 2 4 への冷却媒体の流入を抑制しながら、入口部 7 2 2から離れた冷却媒体通路 7 2 4への冷却媒体の流入を促進することができる。この結果、複数の冷却媒体通路 7 2 4における冷却媒体の流量のばらつきを抑制することができる。

また、上記のような壁 7 2 6が設けられることにより、壁 7 2 6とフィン 7 2 5との間で乱流の形成が促進され、冷却性能が向上することが期待できる。

なお、本願発明者らは、上記の構造において壁 7 2 6が設けられない場合、ケ —シング 7 2 1の幅方向中央部に位置する冷却媒体通路 7 2 4における流量が最も大きく、ケーシング 7 2 1の幅方向中央部から離れるにつれて流量が減少し、ケーシング 7 2 1の幅方向端部において再度流量が増大することを確認している。したがって、図 7に示すように、ケーシング 7 2 1の幅方向中央部からその周辺に向けて高さが低くなつた後、ケーシング 7 2 1の幅方向端部において高さが再び高くなるように壁 7 2 6が設けられてもよレ、。図 8は、比較例に係る電^機器の冷却構造を示した平面図である。図 8を参照して、本比較例においては、入口部 7 2 2からフィン 7 2 5までの距離（L 0 ) ' が図 4〜図 7の例（L ) と比較して比較的大きく確保されている。この結果、入 '口部 7 2 2から複数の冷却媒体通路 7 2 4の分岐箇所までの距離が大きくなり、冷却媒体の分散が促進される。しかしながら、入口部 7 2 2からフィン 7 2 5までの距離.（L O ) を大きくすることで、ケーシング 7 2 1が大型化し、インバータ 7 2 0の冷却構造の小型化が阻害される。

これに対し、本実施の形態に係る冷却構造では、壁 7 2 6を設けることにより、入口部 7 2 2からフィン 7 2 5までの距離を過度に大きくすることなく冷却媒体を分散させることができる。

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電気機器の冷却構造は、「電気機器」としてのインバータ 7 2 0と、ィンバ一タ 7 2 0用の冷却媒体が流れる複数の冷却媒体通路 7 2 4と、複数の冷却媒体通路 7 2 4に供給される冷却媒^:が流入する入口部 7 2 2と、入口部 7 2 2 と複数の冷却媒体通路 7 2 4との間に設けられ、各々の冷却媒体通路 7 2 4への冷却媒体の分散を促進する「冷却媒体分散機構」としての壁 7 2 6とを備える。壁 7 2 6は、冷却媒体の流れを抑制することにより各々の冷却媒体通路 7 2 4への冷却媒体の分散を促進する。

ここで、複数の冷却媒体通路 7 2 4は、互いに同じ方向に延在している。そして、入口部 7 2 2と複数の冷却媒体通路 7 2 4とは、複数の冷却媒体通路 7 2 4 が延在する方向に並ぶ。また、壁 7· 2 6は、入口部 7 2 2から冷却媒体通路 7 2 4に向かう方向に交差する方向に延在している。そして、壁 7 2 6は、 Λ口部 7 2 2から離れるにつれて高さが低くなるように設けられる。

なお、本実施の形態では、壁 7 2 6の高さを変化させることにより冷却媒体の分散を促進しているが、たとえば、壁 7 2 6の高さを一定にした上で、入口部 7 2 2から離れた位置で選択的に壁 7 2 6に孔を設けたり、入口部 7 2 2近傍および入口部 7 2 2から離れた位置でともに壁 7 2 6に孔を設けるが、その孔の大きさを入口部 7 2 2から離れた位置において大きくしたりすることで冷却媒体の分散を促進してもよレ、。本実施の形態に係る冷却橇造によれば、上記のような壁 7 2 6が設けられることにより、冷却媒体が流入する入口部 7 2 2と複数の冷却媒体通路 7 2 4が分岐 , する位置とを過度に離間させることなく複数の冷却媒体通路 7 2 4への冷却媒体の分散を促進することができる。この結果、インバータ 7 2 0の冷却構造の小型化を図りながら、複数の冷却媒体通路 7 2 4における冷却媒体の流量のばらつきを抑制する'ことができる。 '

なお、本実施の形態においては、入口部 7 2 2がケ一シング 7 2 1の幅方向中央部に位置する例について説明したが、入口部 7 2 2は、ケ一シング 7 2 1の幅方向中央部からずれた位置に設けられる場合もある。 ' 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。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすベての変更が含まれることが意図される。産業上の利用可能性，

本発明は、上記のように、たとえば、インバータなどの電気機器の冷却構造に適用可能である。

Claims

請求の範囲

1. 電気機器（720) と、

前記電気機器（720) 用の冷却媒体が流れる複数の冷却媒体通路（724) と、

複数の前記冷却媒体通路（7 24) に供給される前記冷却媒が流入する入口部（722) と、

前記入口部（722) と複数の前記冷却媒体通路（724) との間に設けられ、各々の前記冷却媒体通路（724) への冷却媒体の分散を促進する冷却媒体分散機構（726) とを備えた、電気機器の冷却構造。

2. 前記冷却媒体分散機構（ 726) は、冷却媒体の流れ'を抑制することにより各々の前記冷却媒体通路（724) への冷却媒体の分散を促進する、請求の範囲第 1項に記載の電気機器の冷却構造。

3. 複数の前記冷却媒体通路（724) は、互いに同じ方向に延在し、

前記入口部（722) と複数の前記冷却媒体通路（724) とは、複数の前記冷却媒体通路（724) が延在する方向に並ぶ、請求の範囲第 1項に記載の電気機器の冷却構造。

4. 前記冷却媒体分散機構（7 26) は、前記入口部（7 22) と複数の前記冷却媒体通路（724). とが並ぶ方向に交差する方向に延在する壁を含む、請求の範囲第 1項に記載の電気機器の冷却構造。

5. 前記壁（726) は、前記入口'部（ 722) から離れるにつれて高さが低くなるように設けられた部分を含む、請求の範囲第 4項に記載の電気機器の冷却構造。

6. 前記電気機器（720) はインバ一タを含む、請求の範囲第 1項に記載の電気機器の冷却構造。