(57)【要約】      （修正有）【課題】インバータ回路を備えるパワー電子回路を冷却するための構成及び方法を提供する。【解決手段】自動車を駆動するため使用される電動モータ１６のためのパワー電子回路が、誘電液体冷却剤６４をインバータ回路上に直接吹き付けることによって閉システム内で冷却される。液体冷却剤６４は、パワー電子回路を備えるインバータ回路内のパワートランジスタ５２から熱を吸収するとき、相転移して蒸発する。生成された蒸気は、自動車内のエンジン又は燃料電池スタックを冷却するため使用されるラジエータから第２の冷却剤７７を運搬するパイプを有する熱交換器構成内で液体へと再び凝縮される。液体のままである過剰に吹き付けされた冷却剤６４も熱交換器の構成により冷却することができる。誘電冷却剤の蒸発の潜熱を利用し、パワー出力が増大したとき冷却剤の再循環速度を増大させることによって、パワー電子回路内の温度上昇が制御される。【選択図】図３
2008251844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自動車の少なくとも１つの駆動車輪を駆動するための電動モータに電流を提供するインバータ回路を冷却するための冷却構成装置であって、
前記インバータ回路の構成部品を収容する空間を備えたハウジング区画室と、
前記インバータ回路の構成部品を収容する空間と連通する、新鮮な冷却剤の流体入口開口部及び使用済み冷却剤流体出口開口部と、
誘電液体冷却剤と、
液相の状態にある前記誘電液体冷却剤を前記空間内に前記インバータ回路の構成部品上に吹き付けるための冷却流体分配器と、
誘電冷却剤を液化するための凝縮器であって、該誘電冷却剤は、前記インバータ回路の構成部品から十分な熱を吸収して相転移するとき、前記液相から蒸気相へと転化される、前記凝縮器と、
前記誘電冷却剤を、主として液相の状態にある間に、前記リザーバ及び前記凝縮器から前記空間へと循環させ、前記インバータ回路の構成部品を周期的に冷却させるためのポンプと、
を備える、冷却構成装置。  
【請求項２】
前記構成部品の冷却要求を監視するための制御手段を更に備え、該制御手段は前記ポンプに接続され、前記構成部品の冷却要求に従って前記ポンプを動作させる、請求項１に記載の冷却構成装置。
【請求項３】
前記誘電冷却剤流体は、グリコールメチルエーテル及びヘキサメチルジシロキサンの混合物である、請求項１に記載の冷却構成装置。
【請求項４】
前記リザーバ、凝縮器、フィルター及び前記ポンプが、モジュールを提供するように互いに近接して配置されている、請求項１に記載の冷却構成装置。
【請求項５】
前記制御手段は、パワー電子回路のパワー出力部に接続されており、該パワー電子回路の増大したパワー出力に応答して前記ポンプの冷却剤出力を増大させ、追加のパワー出力によって発生した追加の熱を吸収するように、より高速で誘電冷却剤流体を分配し再循環させる、請求項２に記載の冷却構成装置。
【請求項６】
前記パワー電子回路上に吹き付けられた後、前記液相のままである前記誘電流体の過剰流体を収集するためのリザーバを更に備え、該リザーバは前記パワー電子回路に亘って引き続き再循環する液体を冷却する、請求項１に記載の冷却構成装置。
【請求項７】
自動車の少なくとも１つの駆動車輪を駆動するための電動モータに電流を提供するパワー電子回路を冷却する方法であって、
前記パワー電子回路に誘電液体冷却剤を吹き付ける工程であって、該誘電液体冷却剤は、該誘電液体冷却剤が一定温度のままである間、該誘電液体が相転移して蒸気となる前に、前記パワー電子回路から熱を除去し続けるのに十分な潜熱を有する、前記工程と、
前記パワー電子回路を持続的に冷却し、該パワー電子回路の温度を選択されたレベルに維持するため、前記蒸気を液体へと凝縮させ、該液体を引き続いて蒸発させるため前記パワー電子回路へと再循環させる工程と、
を備える方法。
【請求項８】
前記パワー電子回路のパワー出力を監視し、該パワー出力が上昇したとき冷却剤液体の再循環速度を増大させる、各工程を更に備える、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記誘電冷却剤は、グリコールメチルエーテル及びヘキサメチルジシロキサンの混合物である、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記一定温度は、１００℃以下である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記一定温度は、約９０℃から約１２０℃の範囲にある、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記一定温度は、１００℃以下である、請求１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、「積分電動モータインバータのための冷却構成」という標題を有する、２００５年２月９日に出願された、米国特許出願番号１１／０５４，４８３号の部分継続出願である。
【０００２】
本発明は、パワー電子回路の相転移冷却のための構成及び方法に関する。より詳しくは、本発明は、インバータ回路を備えるパワー電子回路を冷却するための構成及び方法に関し、インバータ回路は、例えば、バッテリー駆動車両、ガス・電気ハイブリッド車両、及び、燃料電池駆動電気自動車等の電気自動車を駆動するため使用される電動モータに電流を提供する。
【背景技術】
【０００３】
車両の車輪を駆動するため電動モータを利用する車両は、当該電気モータがガス・電気ハイブリッド車両又は燃料電池駆動車両のいずれにあったとしても、典型的には、インバータ回路に連結された三相ＡＣモータを使用する。電源からの直流を交流に変換する。現在のところ、インバータ回路は、一般に、積分バスバーでＤＢＣ（直接結合された銅）の基板上に取り付けられたパワートランジスタを備えている。
【０００４】
自動車が始動し、走行速度を変化させ、加速し、ブレーキをかけるとき、車両を駆動させる電動モータのパワー要求量は、幅広い範囲に亘って揺動する。パワー要求量の揺動は、電動モータに接続されたパワー電子回路の温度変化を引き起こす。パワー電子回路は、様々な膨張係数の様々に異なる材料から構成されたインバータ回路を備えている。従って、熱揺動は、その一体に形成された構成要素が温度変化に応答するとき異なる率で膨張して互いに僅かにシフトしようとするので、インバータ回路を劣化させる。受容可能なレベル内に構成部品の伸縮を維持するため温度を制御する必要がある。現在のところ、これは、ＤＢＣと連係したヒートシンクを通して流体を循環させることによって、又は、熱を吸収して逃散させるため空気を流すことによって、達成される。これらのアプローチは、現在、満足に行くものであるように見えるが、信頼性を維持し並びにパワー消費量を制御するため電動モータを利用する車両の寿命に亘ってインバータ回路の温度をより正確に制御する必要性が依然として残されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記アプローチは、現在のところ満足に行くものであるように見えるが、信頼性を維持し並びにパワー消費量を制御するため電動モータを利用する車両の寿命に亘ってインバータ回路の温度をより正確に制御する必要性が依然として残されている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記事実に鑑みて、自動車の少なくとも１つの駆動車輪を駆動するための電動モータに電流を提供するインバータ回路を冷却するための冷却構成装置が提供される。該冷却構成装置は、前記インバータ回路の構成部品を収容する空間を備えた区画室のハウジングを備える。該区画室は、前記空間と連通する、入口開口部及び出口開口部を有する。冷却流体は、ポンプによって液相状態で前記空間内に分配され、インバータ回路の構成部品上に分配される非腐食性の誘電冷却流体である。該ポンプは、構成部品からの誘電冷却剤を収集するリザーバから誘電冷却剤を再循環するため提供されている。誘電流体は、冷却剤が蒸発する前に冷却剤の沸点で実質的な量の熱を吸収するため選択された相転移温度を有する。リザーバは、液相状態にある再循環流体をパワー電子回路の構成部品に再適用する前に、再循環流体を凝縮するため液体流体式の熱交換器内の第２の冷却剤を使用する。
【０００７】
冷却構成装置の更なる態様では、誘電冷却流体は、９０℃から１２０℃の範囲の沸点を有する。
冷却構成装置の更なる態様では、誘電冷却流体は、１００℃より低い沸点を有する。
【０００８】
冷却構成装置の更なる態様では、誘電冷却流体は、約９８℃の沸点を有する。
冷却構成装置の更なる態様では、誘電冷却流体は、グリコールメチルエーテル及びヘキサメチルジシロキサンの混合物である。
【０００９】
更なる態様では、パワー電子回路を冷却する方法が提供され、本方法では、冷却流体を再循環することによって車両を駆動するため使用されるパワー電子回路から熱が吸収される。該冷却剤流体は、電子回路から熱を吸収したとき相転移し、凝縮され、液体としてパワー電子回路に再度吹き付けられる。
【００１０】
本発明の様々な他の特徴及び付随する利点は、より完全に認められように、添付図面と関連付けて考察されるときより良く理解されるようになる。添付図面では、同様の参照番号は、幾つかの図面を通して、同じ構成要素又は類似の構成要素を指し示している。
【実施例】
【００１１】
ここで図１を参照すると、トランスミッション１７、車両の車輪１８を介して駆動するため、内燃エンジン１４と三相電動モータ１６とを利用する車両１２にパワー供給するためのガス・電気駆動機構１０の一例が示されている。パワー分割装置２２は、内燃エンジン１４又は電動モータ１６がトランスミッション１７を駆動するか否か、又は、内燃エンジンのトランスミッションが発電機２４を駆動するか否かを決定する。代替実施例（図示せず）では、発電機２４は、電動モータ１６に隣接して取り付けられ、電動モータと同じ構成を用いて冷却される。発電機２４は、バッテリ２６を充電し、及び／又は、電動モータ１６のための交流を提供するインバータ回路２８に直流を提供する。インバータ回路２８が熱を発生するので、インバータ回路は、冷却構成装置３２を必要としている。本発明の一態様によれば、冷却構成装置３２は、内燃エンジン１４を冷却するラジエータ３４に熱的に連結された密封冷却ループ３３に接続されている。冷却構成装置３２は、モジュール３５を形成するようにインバータ回路２８と一体化された少なくとも一部分を有する。
【００１２】
ここで図２を参照すると、燃料電池駆動システム１０’は、トランスミッション１７’を通して車輪１８を駆動する三相電動モータ１６をパワー供給するため燃料電池４０を利用する。燃料電池４０は、直接的に又はバッテリパック２６’を通して、直流を三相電動モータ１６のための交流電流に変換するインバータ回路２８’に接続されている。図１のガス・電気ハイブリッド車と同様に、インバータ回路２８’は、燃料電池４０を冷却するため使用されるラジエータ３４’に冷却ループ３３’によって熱的に連結された冷却構成装置３２’を有する。図１の第１の実施例と同様に、図２の第２の実施例では、冷却構成装置３２’は、インバータ回路２８’と少なくとも部分的に一体形成されている。
【００１３】
ここで図３を参照すると、図１及び図２に示されたインバータ冷却構成装置３２又は３２’は、ガス・電気ハイブリッド駆動機構１０又は燃料電池駆動機構１０’のいずれかで使用可能である。ガス・電気ハイブリッド駆動機構１０及び燃料電池駆動機構１０’は、そのような駆動機構のための様々な構成の単なる一例である。例えば、ガス・電気ハイブリッド駆動機構１０は、燃料電池駆動機構１０’で構成することができるように、並列構成、直列構成又は他の任意の有効な構成として構成することができる。ガス・電気ハイブリッド駆動機構１０は、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、タービンエンジン又は他の任意のエンジン構成を使用することができる。
【００１４】
冷却剤分配器６０を使用することによって、液体冷却剤６４は、パワー電子回路内の熱源、即ち、直流を交流に変換するパワートランジスタ５２へと直接、注がれる。冷却工程は、インバータ回路２８のパワー密度（単位体積当たりのパワー）を増大させることを可能にする。液体冷却剤６４によって冷却するために、パワートランジスタ５２により発生された熱は、低い熱伝導度を有する多層材料を通して移動する必要がない。吹き付け冷却によって提供される直接的な熱経路は、パワートランジスタ５２の温度を低下させる。パワートランジスタ５２が低い温度となると、増大したパワーがインバータ回路２８を通して三相電動モータ１６に利用可能となる。代替例として、冷却が改善された状態では、スペースをより少なくしつつ電動モータ１６に実質的に同じ利用可能パワーを生成する、より小さいインバータ回路２９を利用することもできる。
【００１５】
スプレーノズル６２により提供された吹き付け冷却も、温度に敏感な、キャパシター、変換器及び積分回路等のインバータ回路２８と連係する他の構成部品においても使用可能である。その上、吹き付け冷却は、インバータ回路２８の要素の間のワイヤ結合部を冷却し、ワイヤ結合部が過熱することを防止する。従って、構成部品の温度の減少と共に、信頼性が改善される。
【００１６】
吹き付け冷却が増大した冷却能力を提供するので、吹き付け冷却は、過渡的なパワーの揺らぎに対するインバータ回路２８の抵抗を改善する。短時間の間に車両１２（図１及び図２）によって要求された突然のパワー増大に起因して、過渡的なパワーの揺らぎがインバータ回路２８への入力信号中に存在している。当該揺らぎは、モータ１６の出力に対する増大した抵抗によって引き起こされ、これによってパワートランジスタ５２における温度増大を引き起こし得る。冷却媒体６４をパワートランジスタ５２に直接的に注ぐことによって、持続時間及び温度増大の両方において温度変化が減少される。
【００１７】
冷却剤６４がインバータ回路２８の構成部品と電気的に相互作用をせず該構成部品を劣化させないようにするため、冷却剤は、好ましくは約９０℃乃至１２０℃の範囲に沸点を有する誘電冷却剤である。提案される冷却剤は、メチルシロキサンと、ポリポロピレングリコールメチルエーテル等の有機組成物との混合物であり、該冷却剤は不安定性及び抵抗が最小のものを有する。そのような液体の一例が、ドウコーニング社から市販されているＯＳ−１２０であり、これはヘキサメチルジシロキサンとプロピレングリコールメチルエーテルとの混合物であり、ヘキサメチルジシロキサンが６０重量％より大きいパーセンテージを占め、プロピレングリコールメチルエーテルは、１０重量％から３０重量％のパーセンテージを占める。ＯＳ−１２０は約９８℃の沸点を有し、相互接続された電気構成部品を冷却するため使用されるとき劣化しない誘電材料である。誘電液体冷却剤６４は、冷却剤の熱容量がその沸点に到達するまでその蒸気形態６４’へと相転移すること無く約９８℃で熱を吸収し続ける。当該沸点に到達したとき、液体冷却剤は、パワートランジスタ５２により発生された熱並びにパワー電子回路パッケージの他の構成要素から発する熱を持ち去るように蒸発する。最小の不安定性を持ち、インバータの電気構成部品との反応度が最小である他の誘電冷却剤を、ＯＳ−１２０に対する代替手段として使用することもできる。
【００１８】
主として図３をなおも参照すると、冷却剤６４は、液体として吹き付けられ、区画室５０の貯留部７０に収集され、吹き付け戻り通路７２を通って、フィルター７５を通してポンプ７６に接続されたリザーバ７４へと戻される。ポンプ７６は、インバータ回路２８の持続的冷却のためのスプレーノズル６２に、リサイクルされた液体冷却剤６４を供給するライン７６ａによって液体分配器６０に接続されている。液体冷却剤６４がリザーバ７４を通して循環されている間、第２の液体冷却剤７７を備えるインバータ冷却ループ３３又は３３’（図１及び図２参照）によって冷却される。第２の液体冷却剤７７の一例は、水エチレングリコール溶液である。第２の冷却剤７７は、リザーバ７４内の管７８を通って流れ、図１の内燃エンジン１４を冷却するラジエータ３４によって供給され、又は、図２の燃料電池スタック４０を冷却するラジエータ３４’によって供給される。
【００１９】
図３の冷却構成装置は、冷却剤６４の蒸発作用の潜熱の利点を享受する。液体冷却剤６４が冷却剤の蒸発（即ち、沸騰）温度よりも高温の温度で作動するパワー電子構成部品に吹き付けられたとき、冷却剤は、液体の冷却剤６４から蒸発した冷却剤６４’へと相転移する。蒸発した冷却剤６４’は、蒸発した冷却剤がチャンバー５０’内に分散するとき、インバータ回路２８（又は２８’）から消費熱を持ち去る。冷却剤ループ３３又は３３’は、リザーバ７４’から別個に設けられた凝縮器２００、並びに、区画室５０’から凝縮器２００へと蒸発冷却剤６４’を送るための別個の通路２０６を備えている。車両ラジエータ３４又は３４’からの第２の冷却剤の流れ７７は、冷却剤の相を蒸気６４’から冷却剤液体６４に戻すように変化させるため冷却剤パイプ７８’を通って循環される。凝縮器２００からの液体６４は、リザーバ７４’内の液体と混合し、ポンプ７６によりライン７６ａに亘って流体分配器６０へと送り出される前にフィルター７５によって濾過される。流体分配器６０では、冷却剤６４は、液体の形態でパワーインバータ回路２８へと吹き付けられる。
【００２０】
ポンプ７６は、パワートランジスタ５２から三相電動モータ１６への出力ライン８１からライン８０に亘って伝達される出力電気信号によって作動するコントローラ７９により制御される可変出力ポンプであるのが好ましい。コントローラ７９は、パワートランジスタ５２の出力が増大するときポンプ７５のポンプ輸送率を増大させる。可変吹き付け冷却を提供することによって、全ての作動条件の下での温度制御が達成される。そのような構成は、インバータ回路２８が実質的に等温条件の下で作動するように温度変化を最小にすることによって構成部品の信頼性を向上させる。スプレーノズル６２を通して吹き付けられた誘電液体冷却剤６４の量を首尾一貫して制御することによって、十分な液体霧が最大パワー散逸条件で提供される。液体霧６４は、インバータ回路２８上に吹き付けられた後、蒸気６４’に転化される相転移を示す。相転移が生じたとき、パワートランジスタ５２は、増大したパワー出力及び増大したパワー散逸に関わらず、略一定の温度のままである。実際の構成部品のパワー散逸に対して液体冷却剤６４の流れを変化させることによって、冷却剤が全ての作動条件に適合するように液体冷却剤６４を含む流体の相転移領域が利用される。
【００２１】
代替例として、トランジスタ５２の温度を熱電対構成部で監視することができる。この場合、トランジスタの温度が上昇したとき、より多くの液体冷却剤を吹き付けるためポンプ７６の速度が増大され、これによってトランジスタの温度を減少させる。
【００２２】
ここで、図３に関連させて図４を更に詳しく参照すると、図３の吹き付け冷却構成装置が、図４で例示されるモジュール３５又は３５’として構成されている。蒸気６４’はポンプ７６の負圧により通路２０６を介して引き寄せられ、凝縮器２００へと至る。図４の構成では、凝縮器２００はリザーバ７４の上方に配置されており、それによって冷却剤蒸気６４’から凝縮された液体冷却剤６４が流れ落ちて、通路７２を介してリザーバに入った過剰に吹き付けられた冷却剤液体６４と混合するようにしている。冷却され、凝縮された冷却剤の全てがフィルター７５を通って吸引され、ポンプ７６へと至り、ポンプにより再循環され、ノズル６２を介してインバータ回路２８へと液体霧又は液滴６４として吹き付けられる。液体霧又は液滴６４は、インバータ回路２８上で液体層を形成し、前述されたように、液体層は熱を吸収し、液体の少なくとも一部分が蒸気６４’へと蒸発される。次に、蒸気６４’は、ポンプ７６によって通路２０６を通って凝縮器２００へと吸引され、リザーバ７４内の冷却液体冷却剤６４と混合され、冷却サイクルを継続する。
【００２３】
ここで図５を参照すると、蒸発した冷却剤６４’のみが再循環され、図３のライン７２が取り外されている本発明の第２の実施例が示されている。この構成によれば、パワー電子回路２８の温度は、液体冷却剤６４の蒸発熱によって実質的に制御され、前記したＯＳ−１２０の場合には、１００℃より低く制御されている。
【００２４】
前記した説明から、当業者は、本発明の本質的な特徴を容易に確かめることができ、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無く、本発明を、様々な使用法及び条件に適合するように様々に変更及び変形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、ガス・電気ハイブリッド駆動手段を有する自動車の概略図である。
【図２】図２は、電動モータを駆動するため燃料電池パワーを使用する自動車の概略図である。
【図３】図３は、図１及び図２の車両で利用されるパワー電子回路の冷却剤流体を冷却し、凝縮するための熱交換器ループの概略図である。
【図４】図４は、図３に示された本発明の第２の実施例に従って構成されたスプレー冷却式インバータ回路の前面図である。
【図５】図５は、図１及び図２の車両で利用されるパワー電子回路を冷却するため使用される蒸発冷却剤を冷却し凝縮するための熱交換器ループの別の実施例の概略図である。
【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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【外国語明細書】
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