(57)【要約】      （修正有）【課題】半導体モジュール内への冷却液の浸入を防ぎつつ、半導体モジュール用筐体の設計の自由度を向上させ、且つ前記筐体のコンパクト化を実現することが可能な液冷構造体を提供する。【解決手段】液冷構造体の受熱ジャケット３０は、筐体２０の内部で継ぎ目無く連続して延びて筐体２０を貫通する。冷却ジョイント３２の受熱ジャケット３０側の端部６０の外径は、受熱ジャケット３０の端部６０の外径より小さい。端部６０が、端部５０の径方向内側に嵌合して冷却ジョイント３２と受熱ジャケット３０との間で環状の分割面８０が形成される。分割面８０の内縁８２は、筐体２０の内側に位置して受熱ジャケット３０における冷却液の流路３８に面し、分割面８０の外縁８４は、筐体２０の外側空間に面する。分割面８０には、環状のシール部７４が形成される。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動車両に搭載された電力変換装置を冷却液により冷却する液冷構造体であって、
複数の半導体モジュールを備えた前記電力変換装置を収納する筐体と、
前記複数の半導体モジュールを前記筐体の内部で冷却する受熱ジャケットと、
前記筐体外に配置された冷却管と前記受熱ジャケットを接続する冷却ジョイントと、
前記受熱ジャケットの端部に形成された締結孔に対し、前記冷却ジョイントの前記受熱ジャケット側の端部に設けられる軸方向の貫通孔を介して、前記筐体の外側から内側に向けて螺合して前記冷却ジョイントを前記受熱ジャケットに固定する締結ボルトと
を備え、
前記受熱ジャケットは、前記筐体の内部で継ぎ目無く連続して延びて前記筐体を貫通し、
前記冷却ジョイントの前記受熱ジャケット側の端部の外径は、前記受熱ジャケットの端部の外径より小さく、
前記冷却ジョイントの前記受熱ジャケット側の端部が、前記受熱ジャケットの端部の径方向内側に嵌合して前記冷却ジョイントと前記受熱ジャケットとの間で環状の分割面が形成され、
前記分割面の内縁は、前記筐体の内側に位置して前記受熱ジャケットにおける前記冷却液の流路に面し、
前記分割面の外縁は、前記筐体の外側空間に面し、
前記分割面には、環状のシール部が形成される
ことを特徴とする液冷構造体。
【請求項２】
請求項１記載の液冷構造体において、
前記環状のシール部は、前記締結ボルトよりも、前記環状の分割面の径方向内側に配置される
ことを特徴とする液冷構造体。
【請求項３】
請求項１又は２記載の液冷構造体において、
前記環状のシール部は、前記分割面のうち法線が前記受熱ジャケットの軸線方向に傾斜する部分に配置される
ことを特徴とする液冷構造体。
【請求項４】
請求項１又は２記載の液冷構造体において、
前記環状のシール部は、前記分割面のうち法線が前記受熱ジャケットの軸線と平行になる部分に配置される
ことを特徴とする液冷構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電動車両に搭載された電力変換装置を冷却液により冷却する液冷構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ハイブリッド車両や燃料電池車両を含む電動車両が広く知られている。電動車両では、蓄電装置等の電力源からの電力を電力変換装置を介して走行モータに供給すると共に、走行モータからの回生電力を前記電力変換装置を介して蓄電装置に充電することが知られている（例えば、特許文献１、２）。特許文献１には、インバータを構成する複数のトランジスタを備えるパワー・ドライブ・ユニット（ＰＤＵ）が記載されている（例えば、同文献の図２参照）。また、特許文献２には、複数のトランジスタを備えるＤＣ／ＤＣコンバータが記載されている（例えば、同文献の図１参照）。
【０００３】
特許文献１、２のように、電動車両の電力変換装置では、パワートランジスタ等の半導体素子が用いられるが、発熱した半導体素子を冷却するための冷却構造体も開発されている（特許文献３）。
【０００４】
特許文献３では、ＰＣＵカバー（２１０）及びＰＣＵ箱体（２２０）により構成される筐体（密閉空間）の内部に半導体モジュールとしての発熱素子（１２３０）を配置すると共に、当該筐体の外側の放熱フィン（１２４０）に対して冷却水を流すことで発熱素子を冷却する（例えば、同文献の要約書参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−１５９３４６号公報
【特許文献２】特開２００９−１５３３４２号公報
【特許文献３】特開２００６−３３９２２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、特許文献３では、発熱素子用の筐体の外部に冷却水の流路を形成する。このような構成によれば、発熱素子用の筐体内への冷却水の浸入を防止することが可能となるが、その一方、発熱素子及び冷却水の流路の配置に制約が生じる。また、発熱素子用の筐体とは別に冷却水の流路を設け、放熱フィンを介して発熱素子を冷却するため、その分、筐体と流路を合わせたスペースが大きくなる。
【０００７】
この発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、半導体モジュール内への冷却液の浸入を防ぎつつ、半導体モジュール用筐体の設計の自由度を向上させ、且つ前記筐体のコンパクト化を実現することが可能な液冷構造体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係る液冷構造体は、電動車両に搭載された電力変換装置を冷却液により冷却するものであって、複数の半導体モジュールを備えた前記電力変換装置を収納する筐体と、前記複数の半導体モジュールを前記筐体の内部で冷却する受熱ジャケットと、前記筐体外に配置された冷却管と前記受熱ジャケットを接続する冷却ジョイントと、前記受熱ジャケットの端部に形成された締結孔に対し、前記冷却ジョイントの前記受熱ジャケット側の端部に設けられる軸方向の貫通孔を介して、前記筐体の外側から内側に向けて螺合して前記冷却ジョイントを前記受熱ジャケットに固定する締結ボルトとを備え、前記受熱ジャケットは、前記筐体の内部で継ぎ目無く連続して延びて前記筐体を貫通し、前記冷却ジョイントの前記受熱ジャケット側の端部の外径は、前記受熱ジャケットの端部の外径より小さく、前記冷却ジョイントの前記受熱ジャケット側の端部が、前記受熱ジャケットの端部の径方向内側に嵌合して前記冷却ジョイントと前記受熱ジャケットとの間で環状の分割面が形成され、前記分割面の内縁は、前記筐体の内側に位置して前記受熱ジャケットにおける前記冷却液の流路に面し、前記分割面の外縁は、前記筐体の外側空間に面し、前記分割面には、環状のシール部が形成されることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、冷却ジョイントと受熱ジャケットとの間で形成される分割面は、その内縁が筐体の内側で冷却液の流路に面する一方、その外縁が筐体の外側空間に面する。このため、仮に当該流路内を流れる冷却液が漏れる場合でも、筐体の外側空間に対して漏れるのみで、筐体の内部に漏れることがない。また、冷却ジョイントの受熱ジャケット側の端部は、受熱ジャケットの端部の周方向内側に嵌合すると共に、分割面の内縁が筐体の内側に位置しているため、冷却ジョイントが筐体の外部に位置する部分を小さくすることが可能となる。従って、筐体内での冷却液の漏れ防止と冷却構造体のコンパクト化を両立することができる。
【００１０】
前記環状のシール部は、前記締結ボルトよりも、前記環状の分割面の径方向内側に配置されてもよい。これにより、環状のシール部は、受熱ジャケットにおける冷却液の流路に対して締結ボルトよりも近い位置に配置されることとなる。従って、分割面におけるシール性を高めると共に、締結ボルトに対するシール処理を省略することが可能となる。
【００１１】
前記環状のシール部は、前記分割面のうち法線が前記受熱ジャケットの軸線方向に傾斜する部分に配置されてもよい。或いは、前記環状のシール部は、前記分割面のうち法線が前記受熱ジャケットの軸線と平行になる部分に配置されてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
この発明によれば、冷却ジョイントと受熱ジャケットとの間で形成される分割面は、その内縁が筐体の内側で冷却液の流路に面する一方、その外縁が筐体の外側空間に面する。このため、仮に当該流路内を流れる冷却液が漏れる場合でも、筐体の外側空間に対して漏れるのみで、筐体の内部に漏れることがない。また、冷却ジョイントの受熱ジャケット側の端部は、受熱ジャケットの端部の周方向内側に嵌合すると共に、分割面の内縁が筐体の内側に位置しているため、冷却ジョイントが筐体の外部に位置する部分を小さくすることが可能となる。従って、筐体内での冷却液の漏れ防止と冷却構造体のコンパクト化を両立することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】走行用のモータと、この発明の一実施形態に係る液冷構造体としてのパワー・ドライブ・ユニット（ＰＤＵ）とのの概略全体構成図である。
【図２】前記ＰＤＵの概略的な構成を示す透視斜視図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線において、前記ＰＤＵの一部を省略して示す断面図である。
【図４】図３の部分拡大断面図である。
【図５】ウォータジャケットの変形例を示す斜視図である。
【図６】冷却系の第１変形例を示す部分拡大断面図である。
【図７】冷却系の第２変形例を示す部分拡大断面図である。
【図８】前記ＰＤＵの変形例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
Ｉ．一実施形態
［１．全体構成］
図１は、走行用のモータ１２と、この発明の一実施形態に係る液冷構造体としてのパワー・ドライブ・ユニット１４（以下「ＰＤＵ１４」という。）との概略全体構成図を示している。モータ１２及びＰＤＵ１４は、電動車両１０に搭載されている。
【００１５】
本実施形態の電動車両１０は、ハイブリッド車両、燃料電池車両等の電動車両であり、基本的な構成としては、例えば、特許文献１、２に記載のものを用いることができる。電動車両１０が燃料電池車両である場合、モータ１２とＰＤＵ１４以外に、例えば、ＰＤＵ１４に対して並列に接続された燃料電池及びバッテリと、バッテリと直列に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータとを有する（特許文献２の図１参照）。
【００１６】
［２．モータ１２］
モータ１２は、ＰＤＵ１４から供給される電力に応じて駆動力を発生し、当該駆動力により図示しない車輪を回転させる。
【００１７】
［３．ＰＤＵ１４］
（１）ＰＤＵ１４の全体構成
ＰＤＵ１４は、力行時において、図示しない電力源（例えば、バッテリや燃料電池）からの直流を交流に変換してモータ１２に供給するインバータとしての機能を有すると共に、回生時において、モータ１２からの交流を直流に変換してバッテリや補機（いずれも図示せず）に供給するＡＣ／ＤＣコンバータとして機能を有する。
【００１８】
図２は、ＰＤＵ１４の概略的な構成を示す透視斜視図である。図３は、図２のＩＩＩ―ＩＩＩ線において、ＰＤＵ１４の一部を省略して示す断面図である。
【００１９】
図２に示すように、ＰＤＵ１４は、電力制御系１６と、冷却系１８と、防水ケース２０とを有する。
【００２０】
（２）電力制御系１６
電力制御系１６は、複数のパワーモジュール２２（半導体モジュール）と、複数の駆動基板２４と、制御基板２６と、平滑コンデンサ２８とを備える。パワーモジュール２２は、図示しないスイッチング素子を備え、駆動基板２４からの駆動信号に応じて動作する。また、駆動基板２４は、制御基板２６からの指令に応じてパワーモジュール２２を制御する。制御基板２６は、図示しない統合制御装置（統合ＥＣＵ）からの指令に応じて駆動基板２４を制御する。電力制御系１６の構成、動作等については、例えば、特許文献１に記載のものを用いることができる（特許文献１の図２参照）。
【００２１】
（３）冷却系１８
冷却系１８は、発熱体としてのパワーモジュール２２を冷却するものであり、金属製のウォータジャケット３０（以下「ジャケット３０」という。）と、金属製の冷却ジョイント３２と、ゴム製のグロメット３４とを備える。
【００２２】
ＰＤＵ１４の冷却系１８は、図示しないウォータポンプに接続される。具体的には、冷却ジョイント３２の一方を、該ウォータポンプの冷却水導入側のホース（図示せず）に接続し、冷却ジョイント３２の他方を、該ウォータポンプの冷却水排出側のホース３６（冷却管）（図４）に接続する。そして、ウォータポンプの冷却水導入側から冷却ジョイント３２に対して冷却水（冷却液）を供給すると、当該冷却水は、ジャケット３０、冷却ジョイント３２の他方及びホース３６を介してウォータポンプに戻る。
【００２３】
図２及び図３に示すように、ジャケット３０は、継ぎ目の無い中空の略直方体状であり、その内部には冷却水の流路３８が形成される。また、ジャケット３０の両端には、冷却ジョイント３２が連結される。また、図３中、ジャケット３０の上側及び下側のそれぞれには、３つのパワーモジュール２２が直線的に配置されている。さらに上側の３つのパワーモジュール２２の上側及び下側の３つのパワーモジュール２２の下側には、駆動基板２４が配置されている。なお、図３では、駆動基板２４は省略されている。
【００２４】
図４には、図３中右側におけるジャケット３０と冷却ジョイント３２の連結部の部分拡大図である。図３及び図４に示すように、ジャケット３０のうち各冷却ジョイント３２に連結する環状端部５０は、ジャケット３０の他の部位（パワーモジュール２２と接する部位）に比べて肉厚に形成される。環状端部５０のうち防水ケース２０の外側（図４中、右側）には、冷却ジョイント３２を嵌合するための環状凹部５２が形成されている。また、環状凹部５２のうち防水ケース２０の内側（図４中、左側）に向かって環状端部５０の軸線方向（冷却水の流れる方向）と平行に締結孔５４が形成されている。
【００２５】
また、図２〜図４に示すように、冷却ジョイント３２にはジャケット３０側における大径の環状端部６０とその反対側における小径のホース取付部６２とを有する。環状端部６０には、ボルト７０を通すための貫通孔６４が、環状端部６０の軸線方向と平行に形成される。さらに、環状端部６０の外周には、Ｏリング７４を挿入するための環状溝６６が形成されている。一方、ホース取付部６２には、図示しないウォータポンプと接続するためのホース３６をその外側に配置可能である。
【００２６】
ボルト７０は、ジャケット３０に対して冷却ジョイント３２を固定するものであり、冷却ジョイント３２の環状端部６０の貫通孔６４を介してジャケット３０の環状端部５０に形成された締結孔５４に螺合する。これにより、ジャケット３０と冷却ジョイント３２の間には、分割面８０が形成される。分割面８０の内縁８２は、冷却水の流路３８に面しており、分割面８０の外縁８４は、防水ケース２０の外側に面している。なお、ボルト７０は、液状パッキン７２（液状ガスケット）を有している。これにより、貫通孔６４を介して冷却水が漏れることを防止することができる。
【００２７】
図２〜図４に示すように、グロメット３４は、環状であり、ジャケット３０の環状端部５０の外周に配置され、環状端部５０と防水ケース２０とを連結する。
【００２８】
［４．本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態によれば、ジャケット３０と冷却ジョイント３２の間で形成される分割面８０は、その内縁８２が防水ケース２０の内側で冷却水の流路３８に面する一方、その外縁８４が防水ケース２０の外側空間に面する。このため、仮に当該流路３８内を流れる冷却水が漏れる場合でも、防水ケース２０の外側空間に対して漏れるのみで、防水ケース２０の内部に漏れることがない。また、冷却ジョイント３２の環状端部６０は、ジャケット３０の環状端部５０の周方向内側に嵌合すると共に、分割面８０の内縁８２が防水ケース２０の内側に位置しているため、冷却ジョイント３２が防水ケース２０の外部に位置する部分を小さくすることが可能となる。さらに、本実施形態では、特許文献３のように、放熱フィンを介することなく、ジャケット３０によりパワーモジュール２２を直接冷却する。従って、防水ケース２０内での冷却水の漏れ防止と冷却系１８のコンパクト化を両立することができる。
【００２９】
ＩＩ．変形例
なお、この発明は、上記実施形態に限らず、この明細書の記載内容に基づき、種々の構成を採り得ることはもちろんである。例えば、以下の構成を採用することができる。
【００３０】
［１．搭載対象］
上記実施形態では、冷却構造体としてのＰＤＵ１４を電動車両１０に搭載したが、これに限らず、別の対象に搭載してもよい。例えば、ＰＤＵ１４を船舶や航空機等の移動体に用いることもできる。或いは、ＰＤＵ１４を家庭用電力システムに適用してもよい。
【００３１】
［２．ウォータジャケット３０及び冷却ジョイント３２］
上記実施形態では、ジャケット３０の形状を、略直方体状としたが、これに限らない。例えば、図５のウォータジャケット３１のように、略円筒状とすることもできる。これにより、略直方体状のジャケット３０と比較して、製造が容易になる。
【００３２】
上記実施形態では、ジャケット３０と冷却ジョイント３２の接続部を図４のようなものとしたが、これに限らない。例えば、図６のような構成とすることもできる。すなわち、図６の冷却系１８ａにおいて、ウォータジャケット３０ａの環状端部５０ａと、冷却ジョイント３２ａの環状端部６０ａとが形成する分割面８０ａは、その内縁８２ａから環状端部５０ａの円周方向に延在し、さらに、外縁８４ａに向かって斜めに傾斜している。換言すると、環状端部５０ａに形成された環状凹部５２ａの直径は、防水ケース２０の外側に向かうに連れて大きくなる一方、環状端部６０ａの外径は、防水ケース２０の内側に向かうに連れて小さくなっている。このため、環状端部６０ａを環状端部５０ａに嵌合させることが容易である。
【００３３】
また、図６の冷却系１８ａでは、ジャケット３０ａ側にＯリング７４ａを収容する環状溝６６ａが形成される。そして、Ｏリング７４ａは、ボルト７０と比較して、分割面８０ａの内縁８２ａ側に配置されている。加えて、Ｏリング７４ａの周囲には、液状パッキン８６（液状ガスケット）が塗布される。従って、分割面８０ａにおけるシール性を高めると共に、ボルト７０に対するシール処理を省略することが可能となる。
【００３４】
或いは、図７のような構成とすることも可能である。すなわち、図７の冷却系１８ｂにおいて、ウォータジャケット３０ｂの環状端部５０ｂと、冷却ジョイント３２ｂの環状端部６０ｂとが形成する分割面８０ｂは、階段状に形成される。具体的には、分割面８０ｂは、その内縁８２ｂから環状端部６０ｂの円周方向に延在した後、軸線方向に延在し、さらに、円周方向に延在した後、外縁８４ｂに到達する。換言すると、環状端部５０ｂに形成された環状凹部５２ｂの直径は、防水ケース２０の外側に向かうに連れて３段階に大きくなる一方、環状端部６０ｂの外径は、防水ケース２０の内側に向かうに連れて２段階に小さくなっている。このため、冷却水が防水ケース２０の外部に漏れ難くなる。
【００３５】
また、図７の冷却系１８ｂでは、冷却ジョイント３２ｂのうち径が小さい部位の外周にＯリング７４ｂを収容する環状溝６６ｂが形成される。そして、Ｏリング７４ｂは、ボルト７０と比較して、分割面８０ｂの内縁８２側に配置されている。従って、ボルト７０に対するシール処理を省略することが可能となる。
【００３６】
［３．冷却対象］
上記実施形態では、インバータ及びＡＣ／ＤＣコンバータとしての機能を有するＰＤＵ１４のパワーモジュール２２を冷却対象としたが、その他の半導体モジュールを冷却対象としてもよい。例えば、特許文献２のＤＣ／ＤＣコンバータ（３６）におけるスイッチング素子（８１ｕ、８１ｖ、８１ｗ、８２ｕ、８２ｖ、８２ｗ）を含む半導体モジュールを冷却対象とすることもできる。
【００３７】
上記実施形態では、６つのパワーモジュール２２をジャケット３０の上側に３つのパワーモジュール２２を配置し、ジャケット３０の下側に３つのパワーモジュール２２を配置した構成としたが、これに限らない。例えば、図８に示すように、ジャケット３０を２つ設け、それぞれのジャケット３０に６つのパワーモジュール２２（図８では省略している。）を設けることで、１２個のパワーモジュール２２を設けることも可能である。この際、冷却ジョイント３２の間はホース３６ａで連結する。これにより、ＰＤＵ１４の出力を大きくすることが可能となる。或いは、低出力且つ安価なパワーモジュール２２を数多く設けることで、コストダウンを図ることも可能である。
【００３８】
［４．冷却水］
上記実施形態では、冷却液として冷却水を用いたが、その他の冷却液を用いることもできる。
【符号の説明】
【００３９】
１０…電動車両                        １４…ＰＤＵ（液冷構造体）
２０…防水ケース（筐体）
２２…パワーモジュール（電力変換装置）
３０、３０ａ、３０ｂ、３１…ウォータジャケット（受熱ジャケット）
３２、３２ａ、３２ｂ…冷却ジョイント  ３６、３６ａ…ホース（冷却管）
３８…冷却水の流路
５０、５０ａ、５０ｂ…ウォータジャケットの環状端部
５４…締結孔
６０、６０ａ、６０ｂ…冷却ジョイントの環状端部
６４…貫通孔                          ７０…ボルト（締結ボルト）
７２、８６…液状パッキン（シール部）
７４、７４ａ、７４ｂ…Ｏリング（シール部）
８０、８０ａ、８０ｂ…分割面          ８２、８２ａ、８２ｂ…分割面の内縁
８４、８４ａ、８４ｂ…分割面の外縁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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