特許 7567621 冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-07

(45)【発行日】2024-10-16

(54)【発明の名称】冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/473 20060101AFI20241008BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20241008BHJP

   G06F 1/20 20060101ALI20241008BHJP

   B60R 16/02 20060101ALN20241008BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 Z

H05K7/20 M

G06F1/20 A

G06F1/20 D

B60R16/02 610D

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021054249

(22)【出願日】2021-03-26

(65)【公開番号】P2022151263

(43)【公開日】2022-10-07

【審査請求日】2023-12-19

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】片山 正章

(72)【発明者】

【氏名】岸本 直之

(72)【発明者】

【氏名】床桜 大輔

(72)【発明者】

【氏名】富永 聡

【審査官】齊藤 健一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１２４５８５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－８２３６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２２７１５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－４４０１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－６３９６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０７６７９５９（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６０Ｒ １６／０２

Ｇ０６Ｆ １／２０

Ｈ０１Ｌ ２３／４７３

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷却対象における第１の冷却対象部を冷却する冷媒が流れる第１の冷却路と、
前記第１の冷却対象部との間で伝熱可能な前記冷却対象における第２の冷却対象部を冷却する冷媒が流れる第２の冷却路と、
前記第１の冷却路及び前記第２の冷却路をそれぞれ流れる冷媒の流量を調整する流量調整機構と、
前記流量調整機構を制御する制御装置と、
を備え、
前記第１の冷却路の冷却性能及び圧損が、前記第２の冷却路の冷却性能及び圧損よりも高くなるように構成された冷却装置であって、
前記制御装置は、前記第２の冷却対象部の温度が高いほど前記第１の冷却路を流れる冷媒の流量が前記第２の冷却路を流れる冷媒の流量よりも多くなるように、前記第２の冷却対象部の温度が低いほど前記第１の冷却路を流れる冷媒の流量が前記第２の冷却路を流れる冷媒の流量よりも少なくなるように、前記流量調整機構を制御することを特徴とする冷却装置。

【請求項2】

前記第１の冷却路及び前記第２の冷却路には、共通の流路から分岐した２つの流路からそれぞれ冷媒が供給され、
前記流量調整機構は、前記２つの流路のうちの前記第１の冷却路に接続された流路に設けられた流量調整バルブであり、
前記制御装置は、前記第２の冷却対象部の温度が高いほど前記流量調整バルブの開度を大きくし、前記第２の冷却対象部の温度が低いほど前記流量調整バルブの開度を小さくするように、前記流量調整バルブの開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。

【請求項3】

前記冷却対象は、回転電機を制御するパワーコントロールユニットに設けられたパワーカードモジュールであり、
前記パワーカードモジュールは、半導体素子を含むモジュール本体部と、前記モジュール本体部から伝達された熱を放熱するフィン部とを有しており、
前記第１の冷却対象部は前記フィン部であり、前記第２の冷却対象部は前記モジュール本体部であることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、車両に搭載された電気機器を冷却する冷媒が循環される冷却通路と、冷却通路に設けられ、冷却通路内で冷媒を循環するための循環手段と、冷却通路に設けられ、冷媒を貯留するための貯留手段と、冷媒を走行風にて冷却する放熱器と、を備えた冷却装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００８－２１３５８３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、冷却対象を冷却する冷媒が流れる冷却路が２系統ある場合には、各冷却路で冷却効率と圧損とが異なることがある。そして、冷却対象の温度状態によらず、各冷却路を流れる冷媒の流量を一律にして冷却を行うと、冷却性能と圧損とを両立できないおそれがある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、冷却性能と圧損とを両立することができる冷却装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る冷却装置は、冷却対象における第１の冷却対象部を冷却する冷媒が流れる第１の冷却路と、前記第１の冷却対象部との間で伝熱可能な前記冷却対象における第２の冷却対象部を冷却する冷媒が流れる第２の冷却路と、前記第１の冷却路及び前記第２の冷却路をそれぞれ流れる冷媒の流量を調整する流量調整機構と、前記流量調整機構を制御する制御装置と、を備え、前記第１の冷却路の冷却性能及び圧損が、前記第２の冷却路の冷却性能及び圧損よりも高くなるように構成された冷却装置であって、前記制御装置は、前記第２の冷却対象部の温度が高いほど前記第１の冷却路を流れる冷媒の流量が前記第２の冷却路を流れる冷媒の流量よりも多くなるように、前記第２の冷却対象部の温度が低いほど前記第１の冷却路を流れる冷媒の流量が前記第２の冷却路を流れる冷媒の流量よりも少なくなるように、前記流量調整機構を制御することを特徴とするものである。

【0007】

これにより、第２の冷却対象部の温度に基づいて、制御装置が流量調整機構を制御し、第１の冷却路を流れる冷媒の流量と、第２の冷却路を流れる冷媒の流量との流量バランスを調整して、冷却性能と圧損とを両立することができる。

【0008】

また、上記において、前記第１の冷却路及び前記第２の冷却路には、共通の流路から分岐した２つの流路からそれぞれ冷媒が供給され、前記流量調整機構は、前記２つの流路のうちの前記第１の冷却路に接続された流路に設けられた流量調整バルブであり、前記制御装置は、前記第２の冷却対象部の温度が高いほど前記流量調整バルブの開度を大きくし、前記第２の冷却対象部の温度が低いほど前記流量調整バルブの開度を小さくするように、前記流量調整バルブの開度を制御するようにしてもよい。

【0009】

これにより、第２の冷却対象部の温度に基づいて、制御装置が流量調整バルブの開度を制御し、第１の冷却路を流れる冷媒の流量と、第２の冷却路を流れる冷媒の流量との分配比（流量バランス）を調整して、最適な冷却性能と圧損との両立を図ることができる。

【0010】

また、上記において、前記冷却対象は、回転電機を制御するパワーコントロールユニットに設けられたパワーカードモジュールであり、前記パワーカードモジュールは、半導体素子を含むモジュール本体部と、前記モジュール本体部から伝達された熱を放熱するフィン部とを有しており、前記第１の冷却対象部は前記フィン部であり、前記第２の冷却対象部は前記モジュール本体部であってもよい。

【0011】

これにより、モジュール本体部（半導体素子）の温度に基づいて、冷却性能と圧損との両立を図りつつ、パワーカードモジュールの冷却を行うことができる。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る冷却装置は、第２の冷却対象部の温度に基づいて、制御装置が流量調整機構を制御し、第１の冷却路を流れる冷媒の流量と、第２の冷却路を流れる冷媒の流量との流量バランスを調整して、冷却性能と圧損とを両立することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、実施形態に係る冷却装置の構成を示す模式図である。

【図2】図２は、実施形態に係る冷却装置が備える冷却回路のＰＣＵ付近の概略構成を示した図である。

【図3】図３は、冷却装置が備える冷却回路における圧損と冷却性能との関係を示した図である。

【図4】図４は、素子温度と流量調整バルブの開度との関係を示した図である。

【図5】図５は、素子温度と、フィン部冷却路及び本体部冷却路を流れる冷媒の流量バランスとの関係を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下に、本発明に係る冷却装置の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。実施形態に係る冷却装置は、例えば、駆動輪を駆動させる動力源として内燃機関とモータとを備えるハイブリッド車両や、前記動力源としてモータを備える電気自動車などの電動車両に適用することができる。

【0015】

図１は、実施形態に係る冷却装置１の構成を示す模式図である。図２は、実施形態に係る冷却装置１が備える冷却回路のＰＣＵ４付近の概略構成を示した図である。

【0016】

図１に示すように、実施形態に係る冷却装置１は、冷却対象であるＰＣＵ（Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４を冷却する液状の絶縁性を有する冷媒が循環する冷却回路を備えている。なお、冷媒としては、例えば、ＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）を用いることができる。

【0017】

冷却装置１は、電動ポンプ２、リザーブタンク３、ＰＣＵ４、ラジエータ５、ＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）６、及び、流量調整バルブ７を備えている。冷却装置１においては、電動ポンプ２、リザーブタンク３、ＰＣＵ４、ラジエータ５、及び、流量調整バルブ７が、それぞれが配管によって連結されて冷却回路を構成している。そして、ＥＣＵ６によって電動ポンプ２を制御して、電動ポンプ２を作動させることにより、冷却回路内で冷媒が循環する。なお、図１中の実線で示した矢印は、冷却回路で冷媒が流れる流路を示しており、電動ポンプ２からリザーブタンク３への流路Ｒ１、リザーブタンク３からＰＣＵ４への流路Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４、ＰＣＵ４内のフィン部冷却路４１と本体部冷却路４２、ＰＣＵ４からラジエータ５への流路Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７、及び、ラジエータ５から電動ポンプ２への流路Ｒ８が形成されている。

【0018】

ＰＣＵ４には、ＰＣＵケース４０内にパワーカード４００などが配置されて構成されており、例えば、車両に搭載されたバッテリーの電力によって駆動されてモータの動作を制御する。

【0019】

パワーカード４００は、実施形態に係る冷却装置１の冷却対象であるパワーカードモジュール４０１が平面状に複数配置されて構成されている。パワーカードモジュール４０１は、モジュール本体部４０３とフィン部４０４とを有している。モジュール本体部４０３は、伝熱部材４０５ａ、半導体素子４０２、スペーサ４０６、伝熱部材４０５ａが積層されており、それぞれ隣接する部材同士が、はんだ４０７ａ，４０７ｂ，４０７ｃによって接合されている。なお、伝熱部材４０５ａ，４０５ｂ及びスペーサ４０６の材質としては、例えば、銅を用いることができる。フィン部４０４は、複数の突起を有する放熱部材によって構成されており、モジュール本体部４０３の伝熱部材４０５ａと接合部材４０８を介して接合されている。フィン部４０４は、はんだ４０７ａと伝熱部材４０５ａと接合部材４０８とを介して半導体素子４０２から伝達された熱を放熱する機能を有している。

【0020】

本実施形態において、フィン部４０４はパワーカードモジュール４０１における第１の冷却対象部であり、モジュール本体部４０３はパワーカードモジュール４０１における第２の冷却対象部である。そして、ＰＣＵケース４０の内部には、パワーカードモジュール４０１の高さ方向で、フィン部４０４が配置された第１の冷却路であるフィン部冷却路４１と、モジュール本体部４０３が配置された第２の冷却路である本体部冷却路４２とが形成されている。フィン部冷却路４１では、冷媒がフィン部４０４に直接かかるように流れて、フィン部４０４の冷却、ひいては半導体素子４０２の冷却が行われる。また、本体部冷却路４２では、冷媒がモジュール本体部４０３に直接かかるように流れて、モジュール本体部４０３の冷却、ひいては半導体素子４０２の冷却が行われる。

【0021】

冷却装置１が備える冷却回路においては、リザーブタンク３からＰＣＵ４に向かって冷媒が流れる流路Ｒ２が、ＰＣＵ４よりも上流側で２つの流路Ｒ３，Ｒ４に分岐している。そして、流路Ｒ３はフィン部冷却路４１の上流側と連結されており、流路Ｒ４は本体部冷却路４２の上流側と連結されている。また、フィン部冷却路４１の下流側は流路Ｒ５と連結されており、本体部冷却路４２の下流側は流路Ｒ６と連結されている。そして、２つの流路Ｒ５，Ｒ６は、ラジエータ５と連結された流路Ｒ７に合流しており、フィン部冷却路４１でフィン部４０４を冷却した冷媒と、本体部冷却路４２でモジュール本体部４０３を冷却した冷媒とが混合されて流路Ｒ７を流れてラジエータ５に送られる。そして、ラジエータ５にて冷媒と外気との間で、冷媒から外気に熱が移動する熱交換を行うことによって冷却された冷媒は、流路Ｒ８を流れて電動ポンプ２に送られる。

【0022】

ＥＣＵ６には、様々なセンサのデータが入力される。例えば、ＰＣＵ４には、半導体素子４０２が耐熱温度に達していないかを直接監視できる部位、または、間接的に推測できる部位に、温度センサ４１０が設置されており、温度センサ４１０から半導体素子４０２の温度のデータがＥＣＵ６に入力される。

【0023】

冷却装置１が備える冷却回路において、流路Ｒ２から分岐した２つの流路Ｒ３，Ｒ４のうちの流路Ｒ４に、本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量を調整する流量調整バルブ７が設けられている。本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量は、流量調整機構である流量調整バルブ７の開度を連続的または段階的に変化させて調整され、流量調整バルブ７の開度が大きくなるほど本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量が大きくなる。また、このように、流量調整バルブ７によって本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量を調整することによって、共通の流路Ｒ２から流路Ｒ３，Ｒ４に分岐して、フィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量と、本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量との分配比（流量バランス）が調整可能である。なお、流量調整バルブ７の開度変更操作は、例えば、ＥＣＵ６によって制御されたアクチュエータなどの駆動機構を用いて行う。

【0024】

また、流量調整バルブ７を設ける位置としては、流路Ｒ２から分岐した２つの流路Ｒ３，Ｒ４のうちの流路Ｒ４に限定されるものではなく、例えば、流路Ｒ７に合流する２つの流路Ｒ５，Ｒ６のうちの流路Ｒ６に流量調整バルブ７を設けてもよい。

【0025】

図３は、冷却装置１が備える冷却回路における圧損と冷却性能との関係を示した図である。なお、図３中、一点鎖線は本体部冷却路４２の冷却性能を示したグラフであり、二点鎖線はフィン部冷却路４１の冷却性能を示したグラフであり、実線は本体部冷却路４２の冷却性能とフィン部冷却路４１の冷却性能とを合わせた合計の冷却性能である。

【0026】

実施形態に係る冷却装置１においては、半導体素子４０２や伝熱部材４０５ａ，４０５ｂやスペーサ４０６などが積層されたモジュール本体部４０３よりも、複数の突起を有する放熱部材によって構成されたフィン部４０４のほうが、冷媒と接触し得る面積が広く、冷媒が流れる際の抵抗が大きくなる形状をしている。すなわち、実施形態に係る冷却装置１は、フィン部冷却路４１の冷却性能及び圧損が、本体部冷却路４２の冷却性能及び圧損よりも高くなるように構成されている。そのため、本体部冷却路４２よりもフィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量が多くなるほど、フィン部冷却路４１の冷却性能が高くなり前記合計の冷却性能は高くなるが、フィン部冷却路４１の圧損が高くなるため、フィン部冷却路４１の圧損と本体部冷却路４２の圧損とを合わせた合計の圧損、言い換えれば、冷却回路全体の圧損も高くなる。

【0027】

例えば、図３に示すように、冷却装置１が備える冷却回路において、パワーカードモジュール４０１を冷却するための所望冷却性能を、フィン部冷却路４１の冷却性能だけで満たすように、フィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量と、本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量とを流量調整バルブ７によって調整すると、前記所望冷却性能よりも高い冷却性能、言い換え得れば、過剰な冷却性能を得ることが可能である。なお、この際の前記合計の圧損を圧損ＰＬ１とする。

【0028】

一方、図３に示すように、冷却装置１が備える冷却回路において、前記所望冷却性能を、フィン部冷却路４１の冷却性能と本体部冷却路４２の冷却性能とを合わせた合計の冷却性能で満たすように、フィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量と、本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量とを流量調整バルブ７によって調整した場合には、前記合計の圧損が圧損ＰＬ１よりも小さい圧損ＰＬ２となり、前記合計の圧損を低減、言い換えれば、冷却回路全体の圧損低減を図ることができる。

【0029】

そのため、実施形態に係る冷却装置１においては、モジュール本体部４０３の温度、より具体的には半導体素子４０２の温度（素子温度）に基づいて、ＥＣＵ６が流量調整バルブ７の開度を制御し、フィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量と、本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量との流量バランス（分配比）を調整して、最適な冷却性能と圧損との両立を図っている。

【0030】

図４は、素子温度と流量調整バルブ７の開度との関係を示した図である。図５は、素子温度と、フィン部冷却路４１及び本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量バランスとの関係を示した図である。

【0031】

実施形態に係る冷却装置１においては、パワーカードモジュール４０１の熱的厳しさ、例えば、半導体素子４０２の温度をモニターし、フィン部冷却路４１に流す冷媒の流量と、本体部冷却路４２に流す冷媒の流量との流量バランス（分配比）を決定し、流量調整バルブ７を作動させる。すなわち、図４に示すように、素子温度が高いほど流量調整バルブ７の開度を小さくして、図５に示すように、素子温度Ｔ１において、フィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量ＦＬｆ１が、本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量ＦＬｂ１よりも多くなるように流量バランス（分配比）を調整する。また、図４に示すように、素子温度が低いほど流量調整バルブ７の開度を大きくして、図５に示すように、素子温度Ｔ１よりも低い素子温度Ｔ２において、フィン部冷却路４１を流れる冷媒の流量ＦＬｆ２が本体部冷却路４２を流れる冷媒の流量ＦＬｂ２よりも少なくなるように流量バランス（分配比）を調整する。これにより、半導体素子４０２の温度（素子温度）に基づいて、フィン部冷却路４１と本体部冷却路４２とへ任意の流量バランス（分配比）で冷媒を流すことができ、最適な冷却性能と圧損とを両立することができる。

【0032】

なお、実施形態に係る冷却装置１においては、半導体素子４０２の温度（素子温度）を温度センサ４１０によって測定された実測温度を用いることに限定されない。例えば、実施形態に係る冷却装置１が車両に搭載されている場合には、予め実験などによって計測したマップを使用して、車両の運転状態（ＰＣＵ４で制御する回転電機の回転数やトルクなど）から半導体素子４０２の温度（素子温度）を推定した推定温度を用いてもよい。

【符号の説明】

【0033】

１ 冷却装置
２ 電動ポンプ
３ リザーブタンク
４ ＰＣＵ
５ ラジエータ
６ ＥＣＵ
７ 流量調整バルブ
４０ ＰＣＵケース
４１ フィン部冷却路
４２ 本体部冷却路
４００ パワーカード
４０１ パワーカードモジュール
４０２ 半導体素子
４０３ モジュール本体部
４０４ フィン部
４０５ａ，４０５ｂ 伝熱部材
４０６ スペーサ
４０７ａ，４０７ｂ，４０７ｃ はんだ
４０８ 接合部材

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】