JP2013128051A

JP2013128051A - インバータ回路の冷却装置

Info

Publication number: JP2013128051A
Application number: JP2011277079A
Authority: JP
Inventors: Naoki Oi; 直樹大井; Katsuhiro Isoda; 勝弘磯田
Original assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Current assignee: Mahle Filter Systems Japan Corp
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-27

Abstract

【課題】インバータ回路における複数個のパワー半導体１をより均一に冷却する。
【解決手段】箱状のハウジング２の頂面にアルミニウム等からなる熱伝達プレート３が設けられ、その上に６個のパワー半導体１が配置される。ハウジング２内部は、連通孔１０を備えた中間プレート６によって第１冷媒室７と第２冷媒室８とに仕切られており、第１冷媒室７の一端部に冷媒入口１１が、第２冷媒室８の他端部に冷媒出口１２が設けられている。連通孔１０は、各冷却領域毎に６個ずつ設けられており、冷媒入口１１に近い上流側ではその大きさが小さく、冷媒入口１１から遠い下流側ではその大きさが大きい。これにより、６個のパワー半導体１がより均一に冷却される。
【選択図】図２

Description

この発明は、インバータ回路を構成する複数個のパワー半導体を冷媒の循環によって冷却する冷却装置に関する。

近年、車載の二次電池の電力によってモータジェネレータを駆動し車両の走行を行う、ハイブリッド自動車や電気自動車などの車両が広く実用されるに至っているが、このようなモータジェネレータの駆動に用いられるインバータ回路では、パワー半導体からの発熱量が大きく、何らかの手段による冷却が必要である。

特許文献１は、インバータ回路を構成する６個のパワー半導体を冷却水の循環によって冷却する水冷式の冷却措置の一例を開示している。この特許文献１の装置は、箱状の冷却装置の中間部に仕切り壁を設けるとともに、この仕切り壁に６個の噴出口を配置し、各々の噴出口から上面の伝熱板に向かって噴出する冷却水によって、伝熱板上の各パワー半導体を冷却する構成となっている。そして、伝熱板の裏面において、パワー半導体が配置される領域の周囲に凹溝を形成することで、伝熱板に衝突した冷却水が円滑に下流側へ流れるようにしている。

特開２００７−１４１８７２号公報

上記の特許文献１の冷却装置においては、６個のパワー半導体が２×３の形で配列され、装置全体としてはパワー半導体が３個並んだ列の方向に沿って冷却水が流れていくが、６個の噴出口の口径はいずれも等しく設定されているため、装置の冷却水入口に近い上流側に位置するパワー半導体に比べて、装置の冷却水入口から遠い下流側に位置するパワー半導体に対する冷却性が相対的に低くなる。つまり、６個の噴出口から冷却水が噴流となって各パワー半導体裏面へと向かうが、下流側ほど、噴流の流速が低くなる。しかも、上流側のパワー半導体で熱交換して温度上昇した冷却水が、下流に位置するパワー半導体の付近を流れて冷却水出口へと向かうので、下流側のパワー半導体は上流側のパワー半導体の熱の影響を受ける。

従って、６個のパワー半導体の温度を均一に維持することができず、下流側のパワー半導体が相対的に高温となる問題がある。

この発明は、インバータ回路を構成する複数個のパワー半導体を冷媒の循環によって冷却する冷却装置であって、頂面に金属製の熱伝達プレートを備え、この熱伝達プレートの複数の冷却領域の外表面にそれぞれ上記パワー半導体が取り付けられる箱状のハウジングと、このハウジングの底壁と上記熱伝達プレートとの間にこれらと平行に配置され、該ハウジング内部を、上記底壁側の第１冷媒室と上記熱伝達プレート側の第２冷媒室とに仕切るとともに、上記冷却領域にそれぞれ対応して複数の連通孔が開口形成されてなる中間プレートと、上記ハウジングの一方の端部に配置され、かつ上記第１冷媒室に接続された冷媒入口と、上記ハウジングの他方の端部に配置され、かつ上記第２冷媒室に接続された冷媒出口と、を備えている。そして、上記連通孔は、各冷却領域について複数個の連通孔を含み、さらに、各冷却領域毎の連通孔の開口面積の総和が、上記冷媒入口から上記冷媒出口へと向かう流れの上流側に位置する冷却領域では、流れの下流側に位置する冷却領域に比べて、小さい。

上記の冷却装置においては、冷媒入口から流入した冷媒は第１冷媒室を通って各冷却領域の連通孔へと向かい、この複数の連通孔を通して第２冷媒室側へ流れ込み、熱伝達プレートにおける各々の冷却領域に衝突する。これにより、各冷却領域ひいては外表面上の各パワー半導体が冷却される。

ここで、上流側に位置する冷却領域に対応する連通孔は、その開口面積の総和が比較的小さく、下流側に位置する冷却領域に対応する連通孔は、その開口面積の総和が比較的大きい。従って、第１冷媒室内での上流側と下流側との圧力差や第２冷媒室内での冷媒温度の温度勾配などの影響が相殺され、複数のパワー半導体が均等に冷却される。

本発明の好ましい一つの態様では、上記熱伝達プレートの上記第２冷媒室に露出した内側面において、各冷却領域に、複数のピン状の突起が設けられている。このように複数のピン状の突起を設けることによって冷媒との熱交換が促進され、より効果的にパワー半導体が冷却される。

また、他の一つの態様では、上記第２冷媒室内に、該第２冷媒室内の空間を各冷却領域に区画する仕切り壁を有し、かつこの仕切り壁の外側に、上記ハウジングの上記一方の端部から上記他方の端部へと向かう冷媒の流れを許容する通路部が設けられている。

このような構成では、上流側の冷却領域を流れて温度上昇した冷媒は、これよりも下流の冷却領域付近を流れることがなく、通路部を通って冷媒出口へと流れる。そのため、下流側に位置するパワー半導体の冷却性がより確実に改善される。

この発明に係るインバータ回路の冷却装置によれば、複数のパワー半導体をより均等に冷却することができ、一部のパワー半導体の過度の温度上昇を回避することができる。

この発明に係る冷却装置の一実施例を示す斜視図。図１の冷却装置の縦断面図。図２のＡ−Ａ線に沿って切り離して示した斜視図。図２のＢ−Ｂ線に沿った断面図。第２の実施例を示す斜視図。同じく第２の実施例の平面図。図６のＣ−Ｃ線に沿った断面図。連通孔の変形例を示す図７と同様の断面図。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１および図２は、この発明に係るインバータ回路の冷却装置の一実施例を示している。この実施例は、例えば、ハイブリッド車両や電気自動車の車両駆動用モータジェネレータを駆動制御するためのインバータ回路に用いられるものであって、このインバータ回路は、三相交流としてモータジェネレータを制御するために、計６個のパワー半導体１を備えている。これらのパワー半導体１は、それぞれ正方向に近い略矩形の偏平なパッケージを有している。

６個のパワー半導体１を冷却する本発明の冷却装置は、細長くかつ偏平な箱状をなす合成樹脂製のハウジング２を備え、このハウジング２の頂面が、アルミニウム等の熱伝達率に優れた金属からなる熱伝達プレート３によって構成されている。６個のパワー半導体１は、２×３の形に配列され、かつ熱伝達プレート３外表面３ａに接着等の適宜な手段で取り付けられている。合成樹脂製ハウジング２は、大きな開口部４を有することによって周縁部のみが枠状に残った頂部壁２ａと、底壁２ｂと、長手方向に沿った一対の側壁２ｃ，２ｃと、入口側端部壁２ｄと、出口側端部壁２ｅと、からなる６面によって箱状に構成されている。上記熱伝達プレート３は、その裏面３ｂが冷媒に直接に露出するように、上記開口部４を覆っており、開口部４周囲の合成樹脂製の頂部壁２ａに、接着剤や加熱溶着等の適宜な接合手段でもって接合されている。

上記ハウジング２の上記底壁２ｂと上記熱伝達プレート３との間には、これらと平行に中間プレート６が設けられており、この中間プレート６によって、ハウジング２内部の空間が、底壁２ｂ側の第１冷媒室７と、熱伝達プレート３側の第２冷媒室８と、に仕切られている。上記中間プレート６は、合成樹脂製ハウジング２の一部として、やはり合成樹脂にて成形されている。なお、この中間プレート６を含む合成樹脂製ハウジング２は、図２からも明らかなように、射出成形やブロー成形等によって全体を一部材として成形することは困難であるので、いくつかに分割して成形され、かつ接着ないし溶着等によって一体化されている。

上記中間プレート６には、パワー半導体１が各々配置される熱伝達プレート３の６箇所の冷却領域に対応して、６箇所の領域にそれぞれ複数個の連通孔１０が開口形成されている。なお、図示例では、熱伝達プレート３において矩形のパワー半導体１がそれぞれ占有している矩形の領域が、それぞれ冷却領域に相当する。上記の連通孔１０は、本実施例では、１つの冷却領域に対して６個ずつ設けられており、かつ６個の連通孔１０が２×３の形で整列されているが、このような連通孔１０の個数や配置は、任意であり、他の個数や他の配置であってもよい。また、図示例では、上記連通孔１０は、中間プレート６の面に対し垂直な単純な円形の孔として形成されており、この連通孔１０によって、第１冷媒室７と第２冷媒室８とが互いに連通している。

また、上記ハウジング２の入口側端部壁２ｄには、上記第１冷媒室７に連通した冷媒入口１１が設けられている。この冷媒入口１１は、ハウジング２の長手方向に沿って冷媒を導入するように、その向きが設定されており、さらに、ハウジング２の幅方向の一方の側（図１では右側）に片寄って配置されている。また、上記ハウジング２の出口側端部壁２ｅには、上記第２冷媒室８に連通した冷媒出口１２が設けられている。この冷媒出口１２は、やはりハウジング２の長手方向に沿って冷媒を導出するように、その向きが設定されており、さらに、ハウジング２の幅方向の他方の側（図１では左側）に片寄って配置されている。上記冷媒入口１１および上記冷媒出口１２は、図示しない冷媒ポンプおよび放熱器を備えた冷媒循環系に接続される。なお、ハイブリッド車両のように内燃機関を備えている場合には、内燃機関の水冷式冷却系の一部として上記ハウジング２を組み込むことが可能である。

従って、冷媒の基本的な流れとしては、放熱器を通して比較的低温となった冷媒が上記冷媒入口１１を介して第１冷媒室７内に導入され、ここから多数の連通孔１０を通して第２冷媒室８へと流れ、各パワー半導体１を冷却した後に、最終的に第２冷媒室８から冷媒出口１２を介して導出される。上記連通孔１０を通して第２冷媒室８へ流入した冷媒の流れは、連通孔１０に沿った噴流となるため、熱伝達プレート３の各冷却領域に衝突し、各々のパワー半導体１を冷却する。

図示例では、上記のように冷媒流が衝突する熱伝達プレート３の裏面３ｂに、各冷却領域に対応して、矩形の熱交換促進プレート１４がそれぞれロー付けにて取り付けられている。この熱交換促進プレート１４は、やはりアルミニウム等の熱伝達率に優れた金属からなり、第２冷媒室８内に突出する多数のピン状の突起１５を備えている（図４参照）。上記の突起１５は、例えばアルミニウム等の母材を金型内に入れかつ高圧で押し込むことにより、基板部分と一体に成形することができる。このように多数のピン状の突起１５を備えることで、熱交換面積が拡大するとともに、冷媒の流れに微小な乱れが生成され、各冷却領域での熱交換効率が向上する。

図３は、ハウジング２の内部、特に中間プレート６の構成を示すために、図２のＡ−Ａ線に沿ってハウジング２を上下に分離して示した説明図であり、図示するように、６個の冷却領域にそれぞれ対応する各６個の連通孔１０の大きさは、一定ではなく、冷却領域毎に異なっている。説明のために、６個のパワー半導体１のそれぞれに図３のように符号１Ａ〜１Ｆを付し、これに対応して、各領域の連通孔１０を符号１０Ａ〜１０Ｆで区別するものとすると、２×３の配列であるため、パワー半導体１Ａ，１Ｂが最も冷媒入口１１寄りにあり、パワー半導体１Ｅ，１Ｆが最も冷媒出口１２寄りにあり、パワー半導体１Ｃ，１Ｄが中間にある。従って、連通孔１０の大きさ（直径）としては、冷媒入口１１に近い２つの領域の連通孔１０Ａ，１０Ｂが最も小さく、冷媒出口１２に近い２つの領域の連通孔１０Ｅ，１０Ｆが最も大きく、中間位置にある２つの領域の連通孔１０Ｃ，１０Ｄが中間の大きさとなっている。

従って、冷却性が悪化しやすい下流側のパワー半導体１Ｅ，１Ｆに対して冷媒がより積極的に導かれることになり、第１冷媒室７内での上流側と下流側との圧力差や第２冷媒室８内での冷媒温度の温度勾配などの影響が相殺されて、６個のパワー半導体１がより均等に冷却される。なお、図示例では、左右の配置については差がなく、例えばパワー半導体１Ａに対応する連通孔１０Ａとパワー半導体１Ｂに対応する連通孔１０Ｂとは等しい大きさのものとなっているが、冷媒入口１１がパワー半導体１Ａ寄りに片寄っていることを考慮して、パワー半導体１Ａ側の連通孔１０Ａをパワー半導体１Ｂ側の連通孔１０Ｂよりも小さく設定するようにしてもよい。連通孔１０Ｃ，１０Ｄや連通孔１０Ｅ，１０Ｆについても同様である。また上記実施例では、個々の連通孔１０の大きさを異ならせることで各領域についての連通孔１０の開口面積の総和を調節しているが、同じ大きさの連通孔１０の個数を異ならせることで開口面積の総和を変化させることも可能である。勿論、大きさの変化と個数の変化とを適宜に組み合わせることも可能である。

次に、図５〜図７に基づいて、本発明の冷却装置の第２の実施例を説明する。なお、以下では、前述した実施例と異なる部分のみを説明する。

この実施例では、ハウジング２の第２冷媒室８内に仕切り壁２１が設けられており、該第２冷媒室８内の空間を６個の冷却領域の各々に区画してある。上記仕切り壁２１は、ハウジング２の長手方向に沿った中央の縦方向仕切り壁２１ａと、これと直交する方向に延びた一対の横方向仕切り壁２１ｂ，２１ｃと、からなり、図７に示すように、中間プレート６から熱伝達プレート３へと達している。

上記縦方向仕切り壁２１ａの前後両端は、ハウジング２の入口側端部壁２ｄおよび出口側端部壁２ｅから離れており、図６の左右方向での冷媒の通流が可能となっている。また、ハウジング２の第２冷媒室８部分での両側の側壁２ｆは、第１冷媒室７部分での側壁２ｃよりも外側へそれぞれ張り出しており、この部分の内部に、ハウジング２の長手方向に沿った通路部２２がそれぞれ構成されている。つまり、横方向仕切り壁２１ｂ，２１ｃの左右両端は上記の側壁２ｆから離れており、この間が通路部２２となって、ハウジング２の長手方向に沿った冷媒の通流が可能となっている。

従って、この実施例では、第１冷媒室７から各冷却領域に対応した複数の連通孔１０を通して第２冷媒室８へと流入した冷媒は、個々に独立した形で各パワー半導体１を冷却する。そして、各冷却領域から側方へ流れ、両側の通路部２２を通して冷媒出口１２へと向かう。そのため、上流側のパワー半導体１との熱交換によって温度上昇した冷媒が下流側のパワー半導体１の冷却性に悪影響を与えることが少なくなり、６個のパワー半導体１を均一に冷却することができる。

なお、連通孔１０の構成は、前述した実施例と基本的に変わりがなく、冷媒入口１１に近い側にあるかどうかに応じて、連通孔１０の大きさないし個数が調節されている。

図８は、さらに連通孔１０を外側へ向けて傾斜させた変形例を示している。すなわち、第１冷媒室７から第２冷媒室８へと連通孔１０を通して流入する冷媒の流れが、外側の通路部２２へ向かう速度成分を有するように、各連通孔１０が傾斜している。このような構成によれば、各冷却領域においてパワー半導体１と熱交換した冷媒が円滑に通路部２２へと流れ、仕切り壁２１によって区画された各領域内で淀むことがない。

なお、図示例では、連通孔１０の傾斜により外側へ向かう流れがパワー半導体１裏面側の熱交換促進プレート１４にちょうど衝突するように、図７の例に比べて、各連通孔１０が中央寄りつまり縦方向仕切り壁２１ａ寄りに配置されている。

以上、この発明の一実施例を説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。例えば、パワー半導体１の個数は６個に限られず、その配置も上述した配置に限定されない。また、上記ハウジング２は必ずしも合成樹脂製のものに限られず、その一部ないし全部を金属製材料にて形成するようにしてもよい。さらに、本発明は、車両に搭載されるモータジェネレータ用以外のインバータ回路についても広く適用することができる。

１…パワー半導体
２…ハウジング
３…熱伝達プレート
６…中間プレート
７…第１冷媒室
８…第２冷媒室
１０…連通孔
１１…冷媒入口
１２…冷媒出口
２１…仕切り壁
２２…通路部

Claims

インバータ回路を構成する複数個のパワー半導体を冷媒の循環によって冷却する冷却装置であって、
頂面に金属製の熱伝達プレートを備え、この熱伝達プレートの複数の冷却領域の外表面にそれぞれ上記パワー半導体が取り付けられる箱状のハウジングと、
このハウジングの底壁と上記熱伝達プレートとの間にこれらと平行に配置され、該ハウジング内部を、上記底壁側の第１冷媒室と上記熱伝達プレート側の第２冷媒室とに仕切るとともに、上記冷却領域にそれぞれ対応して複数の連通孔が開口形成されてなる中間プレートと、
上記ハウジングの一方の端部に配置され、かつ上記第１冷媒室に接続された冷媒入口と、
上記ハウジングの他方の端部に配置され、かつ上記第２冷媒室に接続された冷媒出口と、
を備えており、
上記連通孔は、各冷却領域について複数個の連通孔を含み、さらに、各冷却領域毎の連通孔の開口面積の総和が、上記冷媒入口から上記冷媒出口へと向かう流れの上流側に位置する冷却領域では、流れの下流側に位置する冷却領域に比べて、小さいことを特徴とするインバータ回路の冷却装置。
上記熱伝達プレートの上記第２冷媒室に露出した内側面において、各冷却領域に、複数のピン状の突起が設けられていることを特徴とする請求項１に記載のインバータ回路の冷却装置。
上記第２冷媒室内に、該第２冷媒室内の空間を各冷却領域に区画する仕切り壁を有し、かつこの仕切り壁の外側に、上記ハウジングの上記一方の端部から上記他方の端部へと向かう冷媒の流れを許容する通路部が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のインバータ回路の冷却装置。