JP2013193632A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】インバータ装置により電動モータの駆動を制御するシステムにおいて、モータとともにインバータ装置を効率的に冷却できる技術を提供する。
【解決手段】自動車の駆動原であるモータ３０と、モータ３０に供給される電力を制御するパワー素子を含むインバータ装置２０と、を冷却する冷却システム１０に関する。冷却システム１０は、モータ３０を冷却する冷媒が循環される冷媒回路４０と、冷媒回路４０上に設けられ、冷媒を冷却するラジエータ４５の冷却フィン４６と、冷却フィン４６に向けて送風する送風ファン４７と、モータ３０を冷却する冷媒の温度に対して耐熱性を有するパワー素子２１を冷却するヒートパイプ２３と、ヒートパイプ２３に設けられ、ヒートパイプ２３を冷却する冷却フィンと、を備える。この冷却フィンは、送風ファン４７による送風を受ける位置に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置により電動モータの駆動を制御するシステムにおいて、モータとインバータ装置を効率的に冷却するシステムに関する。

省エネルギーおよび環境問題を背景に、ハイブリッド自動車（Ｈｙｂｒｉｄ Ｖｅｈｉｃｌｅ）および電気自動車（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が実用化され、また。更なる改良がおこなわれている。
ハイブリッド自動車は、内燃機関としてのエンジンに加え、直流電源、インバータおよびインバータによって駆動されるモータとを動力源とする。そして、エンジンを駆動することにより動力源を得るとともに、直流電源からの直流電圧をインバータによって交流電圧に変換し、その変換された交流電圧により回転されるモータの動力源をも利用する。

従来、インバータ装置によりモータを制御するシステムにおける冷却機構としては、特許文献１に開示されているものが知られている。
特許文献１のシステムは、図５に示すように、交流モータ１が、モータ側冷却水路２が設けられた水冷構造のフレーム３を有する。交流モータ１を制御するインバータ装置４にはヒートパイプ５の一方端側が接続されており、また、ヒートパイプ５の他方端はモータ側冷却水路２の内部に挿入されている。

特許文献１は、交流モータ１に水冷構造を、また、インバータ装置４の冷却にはヒートパイプ５を採用し、ヒートパイプ５の冷却を交流モータ１のモータ側冷却水路２内に挿入して冷却する。このため、モータ側冷却水路２にて放熱ができ、全体の冷却水回路の構成を簡易にできる、という効果を奏するとされている。

特開２００１−３４６３６０号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるシステムは、モータ側冷却水路２内の冷却水の温度が、インバータ装置４により加熱されたヒートパイプ５の作動液（冷媒）よりも、十分に低くなければインバータ装置４を効果的に冷却することができない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、インバータ装置によりモータの駆動を制御するハイブリッド自動車、電気自動車において、モータとともにインバータ装置を効率的に冷却できる冷却システムを提供することを目的とする。

インバータ装置を冷却するには、インバータ装置の主要素であるパワー素子（スイッチング素子）の熱損失を主に考慮して冷媒としての冷却水の温度を決める必要がある。パワー素子として主流をなしているシリコン（Ｓｉ）系のパワー素子は動作温度上限が１５０℃程度であり、銅やアルミなどをヒートシンクとする一般的な構成のインバータ装置の場合、冷却水の温度をたとえば４０〜５０℃程度に抑える必要がある。
しかしながら、内燃機関であるエンジンの発熱量は大きく、エンジン用の冷却系統における冷却水の温度は１１０℃程度まで上昇するため、Ｓｉ系パワー素子を用いる限り、インバータの冷却にエンジン用の冷却水を用いることはできない。モータを駆動原とする電気自動車であっても、モータ用の冷却系統に適した温度として、インバータの冷却水温より数十度高い温度に設定する。モータ用冷却水の温度をインバータの冷却温度に下げても良いが、冷却装置が大型化するため、冷却水を共通化するメリットは少ない。

そこでなされた本発明は、自動車の駆動原であるモータと、モータに供給される電力を制御するパワー素子を含むインバータ装置と、を冷却する冷却システムであって、モータを冷却する冷媒が循環される冷媒回路と、冷媒回路上に設けられ、冷媒の熱を放熱する第１フィンと、第１フィンに向けて送風する送風ファンと、モータを冷却する冷媒の温度に対して耐熱性を有するパワー素子を冷却するヒートパイプと、ヒートパイプに設けられ、ヒートパイプの作動液の熱を放熱する第２フィンと、を備えており、第２フィンは、送風ファンによる送風を受ける位置に配置されることを特徴とする。

本発明の冷却システムは、インバータ装置の冷却にヒートパイプを用いるとともに、このヒートヒートパイプを冷却するのに、モータの冷却のために用意された送風ファンを活用する。したがって、モータとともにインバータ装置を効果的に冷却することができるとともに、送風ファンを重複して設ける必要がない。

本発明の冷却システムにおいて、送風ファンによる送風の向きを基準にして、第２フィンにおけるヒートパイプを、第１フィンにおける冷媒回路よりも上流側に配置することができるし、逆に、下流側に配置することもできる。
本発明は、例えばＳｉＣ系のパワー素子のように、高い耐熱性能を持つ素子をインバータ装置に用いることで、従来のインバータの冷却水温度より高い温度でも冷却することができるので、モータの冷却用水温でも冷却が可能となる。
したがって、第２フィンにおけるヒートパイプを、第１フィンにおける冷媒回路よりも上流側に配置すると、インバータ装置が優先的に冷却されるので、パワー素子をモータより優先して冷却したい場合に適している。
一方で、第２フィンにおけるヒートパイプを、第１フィンにおける冷媒回路よりも下流側に配置すると、自動車の車輪を駆動するモータの冷却が優先されるので、インバータのヒートパイプから出る放熱がモータの冷却性能に与える影響を小さくしたい場合に適している。
なお、第２フィンにおけるヒートパイプの位置は、上記に限るものでない。例えば、送風ファンによる送風の影響を抑えるために、冷媒回路に対してヒートパイプの位置をずらして横に配置することも可能である。そうすることで、冷媒回路とヒートパイプの間で相互に熱の影響を受けにくくなる。

本発明の冷却システムにおいて、冷媒回路の第１フィンとヒートパイプの第２フィンを互いに共用することができる。
冷媒回路を流れる冷媒の温度がヒートパイプの温度よりも低いので、第１フィンと第２フィンを共用にすることで、冷媒回路を流れる冷媒がヒートパイプを介してインバータ装置の冷却に供されるので、インバータ装置を効率的に冷却することができる。また、第１フィンと第２フィンを共用にすることで、冷却システムにおける部品点数の削減、さらには冷却システムの小型化に寄与することができる。

本発明の冷却システムは、モータの他に自動車の駆動原としてのエンジンを冷媒回路上に配置することができる。つまり、本発明の冷却システムは、電気自動車に加えてハイブリッド自動車にも適用することができる。
この場合、冷媒は、モータ、エンジン及び第１フィンを、この順で通過するように冷媒回路を流れるようにすることが好ましい。
エンジンにより加熱された冷媒の温度は相当程度に高い。したがって、仮にエンジンの下流側にモータを置くとモータの冷却が不十分となり、安定した動作を確保し難くなるおそれがある。これに対して、モータ及びエンジンをこの順で冷媒が流れるように冷媒回路を設けるとそのような不具合が生じない。

本発明によれば、インバータ装置の冷却にヒートパイプを用いるとともに、このヒートヒートパイプを冷却するのに、モータの冷却のために用意された送風ファンを活用する。したがって、モータとともにインバータ装置を効果的に冷却することができる。

第１実施形態における冷却システムの構成を示す図である。 第２実施形態における冷却システムの構成を示す図である。 第３実施形態おける冷却システムの構成を示す図である。 第４実施形態おける冷却システムの構成を示す図である。 特許文献１に記載されている冷却システムの構成を示す図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第１実施形態］
図１に示される冷却システム１０は、例えば電気自動車に組み込まれるものであり、インバータ装置２０と、モータ３０と、冷媒回路４０と、を備えている。冷却システム１０は、インバータ装置２０で生じる熱、および、モータ３０で生じる熱を冷却することで、インバータ装置２０およびモータ３０の安定した運転を確保する。

インバータ装置２０は、バッテリ６０から直流電圧を受け、その受けた直流電圧を交流電圧に変換してモータ３０へ出力する。モータ３０がジェネレータとして機能するものである場合には、インバータ装置２０は、モータ（ジェネレータ）３０によって発電された交流電圧を直流電圧に変換してバッテリ６０に充電することもできる。バッテリ６０には、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの二次電池を用いることができる。

インバータ装置２０は、インバータと、コンデンサと、電源ラインとを含む公知の構成を備えている。インバータは、トランジスタおよびダイオードから構成されるが、本実施形態はこれらのパワー素子２１として高耐熱性のものを用いる。高耐熱性のパワー素子としては、ＳｉＣ（炭化ケイ素）系パワー素子が好ましく用いられる。ＳｉＣ系パワー素子は、従来のＳｉ系パワー素子に比べて禁制帯幅および熱伝導度が大きく、さらに高耐熱性、低損失、高耐電圧などの特性をも兼ね備えており、自動車に必要な多くの特性を備えている。本実施形態は、これら諸特性の中で、高耐熱性を利用する。つまり、ＳｉＣパワー素子は、４００℃程度まで動作可能であることから、インバータ装置２０の冷却にモータ３０の冷却水を利用することができる。

インバータ装置２０には、動作することで発熱したパワー素子２１と接するように設けられる放熱板２２を備えている。放熱板２２は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金のように熱伝導性の優れた板状の金属材料から構成される。

インバータ装置２０には、ヒートパイプ２３が設けられている。
ヒートパイプ２３は、密閉容器（パイプ）内に少量の作動液（冷媒）を真空封入し、内壁にウィックと称される毛細管構造を備えている。ヒートパイプ２３は、蒸発と凝縮の潜熱を利用した熱輸送素子であり、小さな温度差で大きな熱を輸送できる利点がある。ヒートパイプ２３の一方端側がインバータ装置２０の放熱板２２と接合されることで、ヒートパイプ２３への熱伝達がスムーズに行われる。ヒートパイプ２３の他方端側において接続されるフィン４６は、冷媒回路４０に設けられるラジエータ４５と共用している。
ヒートパイプ２３における冷却（熱交換）は以下のようにして行われる。つまり、ヒートパイプ２３の一部が加熱されると、加熱部で作動液が蒸発（蒸発潜熱の吸収）し、低温部に蒸気が移動し、移動してきた蒸気が低温部で凝縮（蒸発潜熱の放出）し、凝縮した液が毛細管現象で加熱部に環流する、という一連の相変化が連続的に生じ、熱が迅速に移動する。

モータ３０は、例えば３相交流同期電動発電機からなり、複数個の永久磁石を内蔵する回転子と、磁界を生成する３相コイルが回巻されたステータと、を主構成要素とする。モータ３０は、永久磁石による磁界と３相コイルによって生成される磁界との相互作用によってロータが回転する。このモータ３０は、永久磁石による磁界とロータの回転との相互作用により３相コイルの両端に起電力を生じさせる発電機としての機能を併せ持つこともできる。

冷媒回路４０には、モータ３０、ラジエータ４５および循環ポンプ４８が繋がれており、冷媒回路４０は、モータ３０で生じた熱を冷却することに加え、ヒートパイプ２３を介してインバータ装置２０で生じた熱を冷却する。

冷媒回路４０は、モータ３０の出口側とラジエータ４５の入口側との間の流路４１と、ラジエータ４５の出口側と循環ポンプ４８の入口側との間の流路４２と、循環ポンプ４８の出口側とモータ３０の入口側との間の流路４３と、を備えている。つまり、モータ３０、ラジエータ４５および循環ポンプ４８は、流路４１〜４３によって冷媒回路４０上に直列に接続されている。

ラジエータ４５は、冷媒回路４０を循環する冷却水を冷却するとともに、ヒートパイプ２３を介して、インバータ装置２０、特にパワー素子２１を冷却する。ラジエータ４５は、フィン４６と送風ファン４７を備えている。フィン４６には冷媒回路４０が貫通しており、当該領域を流れる冷却媒体の冷却効率を向上させる。さらに、送風ファン４７からフィン４６に向けて送風することで、冷却媒体の冷却効率をさらに向上させる。
循環ポンプ４８は、不凍液などの冷却水を循環させるためのポンプであって、図示される実線の矢印で示される流れの向きａに冷却水を循環させる。なお、冷却媒体の流れは逆でもよい。

ラジエータ４５のフィン４６には、ヒートパイプ２３の先端側が貫通して設けられており、冷媒回路４０とヒートパイプ２３はフィン４６を共用している。送風ファン４７からの送風をフィン４６が受けることで、冷媒回路４０を流れる冷却水、およびヒートパイプ２３の作動液が、ともに冷却される。なお、本実施形態では、破線の矢印で示される送風の向きｂを基準にして、ヒートパイプ２３が上流側に、また、冷媒回路４０が下流側に配置されている。

モータ３０は発熱量が比較的大きいために、モータ３０を冷却する冷却水の温度は８０℃程度まで達する。一方で、前述したように、従来のＳｉ系パワー素子は、１５０℃程度を動作温度の上限としていることに基づいて、冷却水の温度を６５℃程度に抑える必要がある。したがって、インバータ装置の冷却にモータ３０の冷却水を用いることができなかった。
ところが、本実施形態では、動作温度の上限が４００℃程度のＳｉＣ系のパワー素子２１をインバータ装置２０に用いているので、インバータ装置２０を冷却する冷却水の温度を、モータ３０の冷却水の温度（８０℃）よりも高くすることができる。したがって、本実施形態の冷却システム１０によると、モータ３０の冷却水をインバータ装置２０の冷却に利用することができる。

冷却システム１０における冷却は以下のようにして行われる。
循環ポンプ４８の動作によりモータ３０を通って流路４１を流れる加熱（例えば、８０℃）された冷却水はラジエータ４５を通過して流路４２に至る。ラジエータ４５を通過する過程で冷却水は、フィン４６、送風ファン４７の作用を受けることで冷却（例えば、２５℃）されたのち、循環ポンプ４８の動作により、流路４２、４３を通ってモータ３０に至る。さらに、モータ３０を通過することでモータ３０を冷却した後に、加熱された冷却水として流路４１に至る。以降は、同様の経緯にしたがって、冷却水は冷媒回路４０を循環する。

また、ヒートパイプ２３は、フィン４６、送風ファン４７の作用を受けることで、内部の蒸気状態の作動液が冷却されて凝縮（蒸発潜熱の放出）し、凝縮し冷却された液が毛細管現象により加熱部であるインバータ装置２０（パワー素子２１）に環流し、今度はインバータ装置２０（パワー素子２１）を冷却する。
ここで、フィン４６はモータ３０の冷却を担うラジエータ４５を構成しており、モータ３０からラジエータ４５に流れ込む冷却水は例えば８０℃程度であり、ＳｉＣ系のパワー素子２１の動作上限温度（例えば、４００℃）よりも相当に低い。したがって、ラジエータ４５に流れ込むモータ３０からの加熱された冷却水は、ヒートパイプ２３の冷却に供される。

以上説明した冷却システム１０によると、モータ３０の冷却を担う冷媒回路４０に加えて、インバータ装置２０の冷却を担うヒートパイプ２３の冷却に、ラジエータ４５に付設される送風ファン４７を用いる。したがって、モータ３０とともにインバータ装置２０の冷却を、送風ファンを別に設けることなく、効率的に行なうことができる。
また、冷却システム１０において、冷媒回路４０を流れる冷却水の温度がヒートパイプ２３の作動液の温度よりも低いので、フィン４６を共用にすることで、冷媒回路４０を流れる冷媒がヒートパイプ２３を介してインバータ装置２０の冷却に供される。したがって、冷却システム１０は、インバータ装置２０を効率的に冷却することができる。また、フィン４６を共用にすることで、冷却システム１０における部品点数を削減し、さらには冷却システム１０の小型化に寄与することができる。
さらに、冷却システム１０は、インバータ装置２０の冷却はヒートパイプ２３で行なうので、ポンプを備える循環回路が不要となり、インバータ装置２０の冷却系を簡易にできるとともに、漏水の心配がない。

以上、図１に示した冷却システム１０に基づいて本発明を説明したが、本発明は以下に説明する変更を加えることを許容する。

［第２実施形態］
図1の冷却システム１０は、送風ファン４７を基準にして、送風の向きｂの上流側にヒートパイプ２３を、また、下流側に冷媒回路４０を設けているが、図２に示すように、ヒートパイプ２３と冷媒回路４０を逆にして、送風の向きｂの上流側に冷媒回路４０を、また、下流側にヒートパイプ２３を設ける冷却システム１１０にすることもできる。なお、図２において、図１と同じ要素には図１と同じ符号を付している。

図１の冷却システム１０は、温度の高いヒートパイプ２３が優先的に冷却されるので、インバータ装置２０のパワー素子２１をモータ３０より優先して冷却したい場合に適している。一方で、図２の冷却システム１１０は、車輪を駆動するモータ３０の冷却が優先されるので、インバータ装置２０のヒートパイプ２３から出る放熱がモータ３０の冷却性能に与える影響が小さくなり、当該自動車の安定した運転に寄与できる。

［第３実施形態］
次に、図１の冷却システム１０は、ラジエータ４５のフィン４６を、ヒートパイプ２３も共用しているが、本発明はこれに限定されず、図３に示すように、フィン４６とは独立したフィン２５をヒートパイプ２３に設ける冷却システム２１０にすることもできる。ただし、この場合もフィン２５が設けられたヒートパイプ２３の部分は、図３に示すように、送風ファン４７からの送風を受ける領域に置かれるようにする。この場合、ヒートパイプ２３は、フィン２５が取り付けられた冷却モジュールとして扱うことができる。

図３の冷却システム２１０によると、ヒートパイプ２３とのフィン４６の共用を意図することなくモータ３０と冷媒回路４０の部分を作製していたとしても、送風ファン４７からの送風を受けることで、ヒートパイプ２３を介したインバータ装置２０の冷却を効率的に行なうことができる。
図３の冷却システム２１０においても、送風の向きｂの上流側に冷媒回路４０を、また、下流側にヒートパイプ２３を設けることができる。

［第４実施形態］
次に、図１の冷却システム１０は、車輪の駆動原としてモータ３０のみを備える電気自動車を想定しているが、図４に示す冷却システム３１０のように、内燃機関としてのエンジン５０を備えるハイブリッド自動車について本発明を適用できる。
図４の冷却システム３１０は、冷却水の流れる向きを図１の冷却システム１０とは逆にしている。これは、エンジン５０の発熱量はインバータ装置２０、モータ３０よりも大きいために、仮にエンジン５０の下流側にインバータ装置２０、モータ３０を置いたのでは、これらの安定した動作を確保し難くなるからである。そのために、冷却システム３１０は、エンジン５０の上流側にインバータ装置２０、モータ３０を置いている。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の要件を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択し、あるいは他の構成に適宜変更することが可能である。
例えば、ＳｉＣ系のパワー素子２１を用いる例を示したが、例えば、窒化ガリウム（ＧａＮ）からなるＧａＮ系のパワー素子などの高耐熱性のパワー素子を適用することができる。

１ 交流モータ
２ モータ側冷却水路
３ フレーム
４ インバータ装置
５ ヒートパイプ
１０，１１０，２１０，３１０ 冷却システム
２０ インバータ装置
２１ パワー素子
２２ 放熱板
２３ ヒートパイプ
２５ フィン
３０ モータ
４０ 冷媒回路
４１，４２，４３ 流路
４５ ラジエータ
４６ フィン
４７ 送風ファン
４８ 循環ポンプ
５０ エンジン
６０ バッテリ

Claims (5)

1. 自動車の駆動原であるモータと、前記モータに供給される電力を制御するパワー素子を含むインバータ装置と、を冷却する冷却システムであって、
   前記冷却システムは、
   前記モータを冷却する冷媒が循環される冷媒回路と、
   前記冷媒回路上に設けられ、前記冷媒の熱を放熱する第１フィンと、
   前記第１フィンに向けて送風する送風ファンと、
   前記モータを冷却する前記冷媒の温度に対して耐熱性を有するパワー素子を冷却するヒートパイプと、
   前記ヒートパイプに設けられ、前記ヒートパイプの作動液の熱を放熱する第２フィンと、を備え、
   前記第２フィンは、前記送風ファンによる前記送風を受ける位置に配置される、
   ことを特徴とする冷却システム。
2. 前記送風ファンによる前記送風の向きを基準にして、
   前記第２フィンにおける前記ヒートパイプは、前記第１フィンにおける前記冷媒回路よりも上流側に配置される、
   請求項１に記載の冷却システム。
3. 前記送風ファンによる前記送風の向きを基準にして、
   前記第２フィンにおける前記ヒートパイプは、前記第１フィンにおける前記冷媒回路よりも下流側に配置される、
   請求項１に記載の冷却システム。
4. 前記第１フィンと前記第２フィンが互いに共用されている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却システム。
5. 前記モータの他に前記自動車の駆動原としてのエンジンが、前記冷媒回路上に配置され、
   前記冷媒は、前記モータ、前記エンジン及び前記第１フィンを、この順で通過するように前記冷媒回路を流れる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却システム。

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