(57)【要約】【課題】漏液検知精度の高い冷却装置を提供する。【解決手段】発熱素子Ｔｒからの熱が伝達される第１冷却器３１１と、前記第１冷却器と協働して冷却通路３１３を形成する第２冷却器３１２と、前記冷却通路に流される冷却液ＣＬと、前記第１冷却器と前記第２冷却器との接合部３１５に設けられ前記冷却通路を封止するシール部材３１６と、前記接合部からの漏液を検知する漏液センサ３１９と、を備えた冷却装置であって、前記接合部の前記シール部材３１６と前記シール部材の外側に配置される前記漏液センサ３１９との間に空隙部３１８を有する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子からの熱が伝達される第１冷却器と、前記第１冷却器と協働して冷却通路を形成する第２冷却器と、前記冷却通路に流される冷却液と、前記第１冷却器と前記第２冷却器との接合部に設けられ前記冷却通路を封止するシール部材と、前記接合部からの漏液を検知する漏液センサと、を備えた冷却装置であって、
前記接合部の前記シール部材と前記シール部材の外側に配置される前記漏液センサとの間に空隙部を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却装置において、
前記空隙部は、前記シール部材側に形成された第１空隙部と、前記漏液センサ側に形成され前記第１空隙部の断面積より大きい断面積の第２空隙部とを含むことを特徴とする冷却装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷却装置において、
前記漏液センサは、誘電体部と、前記誘電体部に挟持された導電体部とを有することを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却装置において、
前記導電体部が前記誘電体部に挟持されている面積及び／又は前記導電体部が前記誘電体部に挟持されている挟持方向の位置は、検出すべき漏液量に応じて設定されることを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
請求項３又は４に記載の冷却装置において、
前記空隙部は前記接合部の鉛直方向下部に形成され、
前記導電体部は前記誘電体部による挟持方向の中心より鉛直方向下部に設けられていることを特徴とする冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置などに適用して好ましい冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体モジュールを有する電力変換装置において、半導体素子用冷却液の液逃がし用溝に漏水センサを設け、冷却液の漏水を検知することで運転者に対して警告信号を発したり電力変換装置の動作を停止させたりするものが知られている（特許文献１の請求項５，段落００２８及び図６）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３０８２４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来技術では漏水センサが液逃がし用溝に配置され、漏水センサの一部を検知範囲としているため、たとえば液逃がし用溝の側面を伝う漏水のような少量の漏水は検知できないことがあり、検知精度が低いという問題がある。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、漏液検知精度の高い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】
本発明は、第１冷却器と第２冷却器との接合部のシール部材の外側に吸液性を有する漏液センサを設けるとともに、接合部のシール部材と漏液センサとの間に空隙部を形成することによって、上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、シール部材から外部へ漏洩した冷却液は、空隙部に一時的に貯留されたのち吸液性を有する漏液センサに吸液されるので、少量の漏液であっても精度よく検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施の形態を適用した電気自動車の駆動電源装置を示すブロック図である。
【図２】図１のインバータの冷却装置を示す正面図である。
【図３】図１のインバータの冷却装置を示す側面図である。
【図４】図２のIV-IV線に沿う断面図である。
【図５】図４のV-V線に沿う断面図である。
【図６】本発明の他の実施の形態に係る接合部を示す拡大断面図である。
【図７】本発明のさらに他の実施の形態に係る接合部を示す拡大断面図である。
【図８】本発明の漏液検知装置の回路構成の一例を示す電気回路図である。
【図９】本発明の漏液検知装置の回路構成の他例を示す電気回路図である。
【図１０】本発明の漏液検知装置の回路構成のさらに他例を示す電気回路図である。
【図１１】本発明の漏液検知装置の回路構成のさらに他例を示す電気回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
《第１実施形態》
図１は、本発明の一実施の形態を適用した電気自動車の駆動電源装置を示すブロック図であり、後述するインバータ３の冷却液の漏液を検知する機能を有する冷却装置として発明の実施の形態を説明する。ただし、本発明の漏液検知機能を有する冷却装置はインバータ３以外にも適用可能である。
【００１０】
本例の電気自動車は三相交流電力の永久磁石モータ４を走行駆動源として走行する車両であって、モータ４は電気自動車の車軸に結合されている。本例の電気自動車は、上述した三相交流モータ４と、モータ４の電源である、二次電池などで構成されるバッテリ１と、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換するインバータ３と、直流電力を平滑化するためのコンデンサ５とを備え、バッテリ１は、リレー２を介してインバータ３に接続されている。
【００１１】
リレー２は、車両のキースイッチのＯＮ／ＯＦＦ操作に連動して、車両コントローラ１１により開閉駆動する。すなわち、キースイッチがＯＮのときリレー２が閉じ、ＯＦＦのときリレー２が開く。
【００１２】
インバータ３は、複数のスイッチング素子（絶縁ゲートバイポーラトランジスタＩＧＢＴ）Ｔｒ１〜Ｔｒ６と、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に並列に接続され、スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の電流方向とは逆方向に電流が流れる整流素子（ダイオード）Ｄ１〜Ｄ６を有し、バッテリ１の直流電力を交流電力に変換して、モータ４に供給する。本例では、２つのスイッチング素子を直列に接続した３対の回路がバッテリ１に並列に接続され、各対のスイッチング素子間とモータ４の３相入力部とがそれぞれ接続されている。
【００１３】
図１に示す例でいえば、スイッチング素子Ｔｒ１とＴｒ２、スイッチング素子Ｔｒ３とＴｒ４、スイッチング素子Ｔｒ５とＴｒ６がそれぞれ直列に接続され、スイッチング素子Ｔｒ１とＴｒ２の間とモータ４のＵ相、スイッチング素子Ｔｒ３とＴｒ４の間とモータ４のＶ相、スイッチング素子Ｔｒ５とＴｒ６の間とモータ４のＷ相がそれぞれ接続されている。
【００１４】
リレー２とインバータ３との間には、直流電力を平滑化するためのコンデンサ５がバッテリ１と並列に接続されている。
【００１５】
車両コントローラ１１は、中央演算装置ＣＰＵ、リードオンリメモリＲＯＭおよびランダムアクセスメモリＲＡＭを備え、電気自動車のアクセル信号、ブレーキ信号、シフトポジション信号等に基づいてトルク指令値Ｔ＊を算出し、モータコントローラ１０に出力するとともに、起動要求指令と停止要求指令をモータコントローラ１０に出力する。さらに、車両コントローラ１１は、バッテリ１とインバータ３の間のリレー２を開閉する制御信号を出力し、これと同時にリレー開閉情報をモータコントローラ１０へ出力する。
【００１６】
モータコントローラ１０は、インバータ３の動作を制御する。すなわち、モータコントローラ１０は、車両コントローラ１１からのトルク指令値Ｔ＊に基づいてパルス幅変調（ＰＷＭ）信号を生成し、これをゲート駆動回路９へ出力する。ゲート駆動回路９は、生成されたＰＷＭ信号に基づいてインバータ３を構成する各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を所定のタイミングでＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００１７】
またゲート駆動回路９は、スイッチング素子Ｔｒ１〜ＴＲ６の過熱異常や過電流異常状態を検出し、ＩＧＢＴ異常信号をモータコントローラ１０へ出力する機能を備える。さらにゲート駆動回路９は、コンデンサ５の電圧を検出する電圧センサ８からの信号を入力し、モータコントローラ１０が認識できる波形レベルに変換し、コンデンサ電圧信号としてモータコントローラ１０へ出力する。
【００１８】
以上のような制御を行う際に、モータコントローラ１０は、モータ４に設けられた例えばレゾルバやエンコーダなどの回転子位置センサ７からの出力であってモータ４の回転子位置θを示す位置センサ信号と、インバータ３からモータ４に供給される各相電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを検出する電流センサ６からのフィードバック信号と、コンデンサ５の両端子間に接続された電圧センサ８からのコンデンサ電圧信号を読み込む。
【００１９】
ところで、ＩＧＢＴなどのスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は動作することで発熱するため、冷却液により冷却することが行われている。図２は上述したインバータ３の冷却装置を示す正面図、図３は側面図、図４は図２のIV-IV線に沿う半断面図である。図示するインバータ３の冷却装置は、６つのスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６を冷却するための一対の冷却器３１，３２から構成され、一方の冷却器３１は各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の下側に配置され、他方の冷却器３２は各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６の上側に配置されている。
【００２０】
図３に示すように、冷却対象物であるスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、図１の三相インバータブリッジ回路を構成するように、これらスイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６のそれぞれの両主面にはんだ層３３が形成され、このはんだ層３３を介して一対の電極３４，３５が接続されている。また、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６は、端子電極３６，３７に電気的に接続され、この端子電極３６，３７を介して電力の入出力が可能とされている。なお、電極端子３６，３７は、電気伝導性および熱伝導性が良好な銅、アルミニウム、またはこれらの合金から構成されている。
【００２１】
図３に示すように、下側の冷却器３１は、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６に対応して設けられた３つの第１冷却器３１１に、単一の第２冷却器３１２を組み合わせて構成され、これら第１冷却器３１１と第２冷却器３１２とが組み合わさることにより、図４に示すように内部に冷却通路３１３が形成される。また図示は省略するが、各冷却通路３１３を連通させる通孔が図２のＸ方向に形成されている。そして、導入パイプ３８ａから冷却器３１内に形成された冷却通路３１３に冷却液ＣＬが連続的に導入され、導入された冷却液ＣＬが、Ｘ方向に沿ってこの冷却通路３１３を流れることにより、各スイッチング素子Ｔｒ１〜Ｔｒ６により発生した熱を放熱できるようになっている。
【００２２】
なお、冷却器３内に導入された冷却液ＣＬは、排出パイプ３８ｂから連続的に排出される。また、冷却器３を構成する各第１冷却器３１１および第２冷却器３１２は、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウムやアルミニウム合金などを原材料として、ダイカスト法などによりそれぞれ個別に成形される。
【００２３】
図４は図１のIV-IV線に沿う断面図であり、図４では冷却器３１を構成する３つの第１冷却器３１１のうちのひとつの第１冷却器３１１を通る断面を示している。以下、３つの第１冷却器３１１のうちのひとつの第１冷却器３１１を例示して説明を行なうが、他の２つの第１冷却器３１１も同様の構成とされている。
【００２４】
図４に示すように、下側の冷却器３１の第１冷却器３１１の一方の主面（同図では上面）には、スイッチング素子Ｔｒ２に接続された端子電極３４が配置され、スイッチング素子Ｔｒ２から伝達される熱を受熱する。また、第１冷却器３１１の他方の主面（同図では下面）には、スイッチング素子Ｔｒ２から受熱した熱を冷却液ＣＬに放熱するための複数の放熱フィン３１４が形成され、放熱フィン３１４の周囲全周が第２冷却器３１２との接合部３１５とされている。
【００２５】
これに対し第２冷却器３１２には、３つの第１冷却器３１１の放熱フィン３１４のそれぞれを受容する３つの凹部３２４が形成され、各凹部３２４の周囲全周が第１冷却器３１１との接合部３１５とされている。図４は３つの凹部３２４のうちのひとつの凹部３２４を示す。接合部３１５の構成については後述する。
【００２６】
接合部３１５の外側には、第１シール部材３１６を超えて漏液した冷却液ＣＬを集約するための排液溝３２２が全周に亘って形成され、さらに排液溝３２２に溜まった漏液を排液するための排液孔３２３が所定箇所に形成されている。この排液溝３２２のさらに外側に第２シール部材３１７が全周に亘って設けられている。
【００２７】
図２及び図３に戻り、インバータ３は、上述した下側の冷却器３１以外に上側の冷却器３２を備える。この冷却器３２も内部に放熱フィンと冷却通路とを有し（いずれも図示を省略）、上述した冷却器３１と同様に、冷却液が導入パイプ３９ａから冷却器３２の冷却通路へと導入され、排出パイプ３９ｂから排出される。そして、放熱フィンを介してスイッチング素子Ｔｒからの熱を冷却液に放熱することで、スイッチング素子Ｔｒを冷却する。
【００２８】
さて、図４の接合部３１５は、第１冷却器３１１と第２冷却器３１２とが接合される部分であり、この接合部３１５にＯリングなどからなる第１シール部材３１６が設けられている。図５は図４のV-V線に沿う断面図であり、第１シール部材３１６は、３つの接合部３１５の全周にそれぞれ設けられ、当該接合部３１５において３つの冷却通路３１３のそれぞれを液密に封止する。
【００２９】
図４及び図５に示すように、接合部３１５の第１シール部材３１６の外側には、当該接合部３１５の全周に亘って漏液センサ３１９が配置され、また接合部３１５の第１シール部材３１６と漏液センサ３１９との間には全周に亘って空隙部３１８が形成されている。
【００３０】
本例の漏液センサ３１９は静電容量変化式漏液センサであって、セルロース系樹脂又はエポキシ系樹脂などの吸液性を有する誘電体からなる誘電体部３２０と、銅などの導電体からなる導電体部３２１とを有し、図４及び図５に示すように導電体部３２１が誘電体部３２０に挟まれた構造とされている。また、誘電体部３２０は、接合部３１５における第１冷却器３１１及び第２冷却器３１２の壁面にほぼ接するように配置されている。
【００３１】
本例の漏液センサ３１９は、図５に示すように導電体部３２１の一部が誘電体部３２０から露出され、この部分を端子として、接地された第１冷却器３１１又は第２冷却器３１２との間でコンデンサが形成される。そして、誘電体部３２０に漏液が吸収されると当該誘電体部の誘電率が変化するため、コンデンサの電荷の変化を検知することで漏液が検知されることになる。
【００３２】
なお、漏液の吸収による誘電体部３２０の静電容量の変化を検知する漏液センサ以外にも、漏液の吸収による電気抵抗の変化を検知する漏液センサを用いることもできる。
【００３３】
接合部３１５の第１シール部材３１６と漏液センサ３１９との間に全周に亘って形成された空隙部３１８は、第１シール部材３１６から漏れた冷却液ＣＬを一時的に貯留し、漏液センサ３１９の誘電体部３２０に案内する機能を有する。図４に示す例の空隙部３１８は、断面が均一な空間とされている。
【００３４】
本例の漏液センサ３１９の誘電体部３２０は、漏液の通路となる空隙部３１８の出口の壁面にほぼ接するように配置されているので、少量の漏液であっても確実に検知することができる。
【００３５】
また本例の空隙部３１８は、図５に示すように第１シール部材３１６と漏液センサ３１９との間において全周に亘って形成されているので、仮に第１シール部材３１６の一部から当該空隙部３１８に冷却液ＣＬが漏れたとしても、空隙部３１８の全体に漏液が行き渡ることになる。そして、誘電体部３２０は所定の浸透圧を有するので空隙部３１８に一時的に貯留された漏液は所定の液圧、すなわち誘電体部３２０の浸透圧に達するまで誘電体部３２０に浸透せず、また誘電体部３２０の浸透圧に達したら、パスカルの原理により誘電体部３２０の全周に亘って均一に浸透することになる。これにより、漏液センサ３１９の長さ方向における漏液感度のばらつきを抑制することができる。換言すれば、第１シール部材３１６の１箇所から漏液が生じても漏液センサ３１９の全周全体の静電容量が均一に変化するため、漏液検知精度が向上する。
【００３６】
《第２実施形態》
図６は本発明の他の実施の形態を適用したインバータ３の冷却装置の接合部３１５を示す拡大断面図であり、図４の接合部３１５に相当する図である。上述した図４の空隙部３１８は断面が均一な形状で構成したが、本例の空隙部は、第１シール部材３１６側に形成された第１空隙部３１８ａと、漏液センサ３１９側に形成され第１空隙部３１８ａの断面積より大きい断面積の第２空隙部３１８ｂとから構成されている。
【００３７】
第１空隙部３１８ａと第２空隙部３１８ｂの断面積比は特に限定されないが、断面積比が大きいほど第１シール部材３１６側と漏液センサ３１９側との圧力差がより大きくなり、第１シール部材３１６を超えて漏れた冷却液ＣＬを漏液センサ３１９の誘電体部３２０に素早く浸透させることができ、漏液の検知速度が向上することになる。なお、図６に示す例では、第１空隙部３１８ａと第２空隙部３１８ｂとの間に段差を設けて断面積を相違させたが、第１空隙部３１８ａと第２空隙部３１８ｂとの間の面を徐々に拡開させることで断面積を相違させ、圧力差を生じさせるようにしてもよい。
【００３８】
なお、上述した第１実施形態においても同様であるが、コンデンサを構成する漏液センサ３１９の静電容量Ｃは、図６に示す誘電体部３２０と導電体部３２１との重畳面積Ｓに比例し距離ｄに反比例することから、これら重畳面積Ｓと距離ｄとを適宜の値に調整して設定することで漏液量に応じた検知感度を調整することができる。すなわち、導電体部３２１が誘電体部３２０に挟持されている挟持方向の位置を適宜設定することで漏液量に応じた検知感度とすることができる。
【００３９】
たとえば、漏液量が少ないと見込まれる冷却装置では、漏液センサ３１９の静電容量を大きくし（重畳面積を大きく、距離を小さくする）、漏液の検知感度を高めることができる。逆に漏液量が多いと見込まれる冷却装置では、漏液センサ３１９の静電容量を小さくし（重畳面積Ｓを小さく、距離を大きくする）、漏液の検知感度を鈍くすることができる。
【００４０】
《第３実施形態》
図７は本発明のさらに他の実施の形態を適用したインバータ３の冷却装置の接合部３１５を示す拡大断面図であり、図４の接合部３１５に相当する図である。本例の空隙部は、第１シール部材３１６側に形成された第１空隙部３１８ａと、漏液センサ３１９側に形成され第１空隙部３１８ａの断面積より大きい断面積の第２空隙部３１８ｂとから構成されている点で、上述した第２実施形態と共通するが、第２空隙部３１８ｂが接合部３１５の鉛直方向下部に形成されている点と、漏液センサ３１９の導電体部３２１が誘電体部３２０による挟持方向の中心より鉛直方向下部に設けられている点で相違する。
【００４１】
第２空隙部３１８ｂを接合部３１５の鉛直方向下部に形成することで、第１シール部材３１６を超えて漏れた冷却液ＣＬが漏液センサ３１９の誘電体部３２０の下部に先に浸透する。また、漏液センサ３１９の導電体部３２１を誘電体部３２０の中心より鉛直方向下部に設けることで、漏液センサ３１９の下側に形成されるコンデンサの距離ｄ２が小さくなって静電容量が大きくなる。したがって、少量の冷却水が漏液しても素早く吸液でき、また検知感度の高い漏液センサ３１９で検知することができるので検知速度及び検知精度が向上する。
【００４２】
なお、図７に示す例では空隙部を第１空隙部３１８ａと第２空隙部３１８ｂとで構成したが、図４に示すように断面積が均一な空隙部を接合部３１５の鉛直方向下部に設けてもよい。
【００４３】
《漏液検知のタイミングと検知回路例》
上述した漏液検知装置を用いてインバータ３の冷却液の漏液を検知するタイミングは種々考えられる。たとえば、インバータ３を製造する際に冷却通路に冷却液を充填したタイミングで漏液を検査することができる。図８は漏液検知装置の回路構成例を示す電気回路図であり、本例では充電リレースイッチＳＷをＯＦＦ→ＯＮにすることより、バッテリＢＡＴからの電圧Ｖａを、充電抵抗Ｒを介して漏液センサ３１９に充電される電圧の時定数（Ｃ特性）をＣＰＵにより検知する。なお、漏液センサ３１９のＣ特性は、インバータ３の製造公差（厚さ、導電体部の形状など）及び誘電体部の誘電率ばらつきによって変化するため、冷却通路に冷却液を充填する前の時定数をＣＰＵに記憶しておき、これと比較する。
【００４４】
また、インバータ３を製造したのち、強電スイッチを投入する前に漏液の初期診断を行うこともできる。インバータ３のような強電が投入されるシステムにおいては、強電投入前に漏液を検知することで安全性がより高められる。直流電流を用いた漏液検知では、たとえば図９に示すように、漏液のない状態で記憶した時定数Ｃと比較し、同等の時定数が観察される場合は漏液なしと判定する（同図の「正常」）。これに対し、漏液している場合は、漏液センサ３１９の誘電体部３２０の吸液により誘電率が増加するため時定数が大きくなり、これにより漏液であると判定することができる（同図の「異常（漏液）」）。
【００４５】
さらに、インバータ３が常時動作している場合にも漏液の有無を診断することは可能である。直集電流を用いた漏液検知の回路例を図１０に示す。本例では、充電抵抗Ｒに電流検知部を設け、電流値をＣＰＵにて常時監視することで、漏液診断が可能となる。漏液のない状態では、電流検知部による電流はほとんど検知されないが、漏液した状態では、漏液センサ３１９の誘電体部３２０の誘電率が増加するため、漏液センサ３１９に流れ込む電流が増加する。したがって、この電流の増加率または値を検知することで漏液の有無を判定することができる。
【００４６】
また、交流電流を用いた漏液検知の回路例を図１１に示す。本例では、交流電圧をＣＲの固有周波数ｆ０＝１／τで印加し、漏液していなければ電圧はフィルタリングされＣＰＵまで伝達しないが、漏液するとＣが増大し固有周波数が小さくなるため、電圧はフィルタリングされずＣＰＵに伝達する。この電圧を検知することで漏液の有無を判定することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…バッテリ
２…リレー
３…インバータ
Ｔｒ１〜Ｔｒ６…スイッチング素子（ＩＧＢＴ）
Ｄ１〜Ｄ６…整流素子（ダイオード）
３１，３２…冷却器
３１１…第１冷却器
３１２…第２冷却器
３１３…冷却通路
３１４…放熱フィン
３１５…接合部
３１６…第１シール部材
３１７…第２シール部材
３１８…空隙部
３１８ａ…第１空隙部
３１８ｂ…第２空隙部
３１９…漏液センサ
３２０…誘電体部
３２１…導電体部
３３…はんだ層
３４，３５…電極
３６，３７…端子電極
３８ａ，３９ａ…導入パイプ
３８ｂ，３９ｂ…排出パイプ
ＣＬ…冷却液
４…モータ
５…コンデンサ
６…電流センサ
７…回転子位置センサ
８…電圧センサ
９…ゲート駆動回路
１０…モータコントローラ
１１…車両コントローラ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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