(57)【要約】      （修正有）【課題】装置を大型化させることなく、冷却性能を向上させることができる冷却器を提供する。【解決手段】冷却液２０を、空間部分１２を有して収容する冷却容器１０と、半導体素子３１を備え、前記冷却容器の前記冷却液が満たされた部分の外側に接触して設けられたパワーモジュール３０と、前記空間部分に設けられ、冷媒１００が流れる第１の熱交換器４０と、該第１の熱交換器に並列に接続され、前記冷媒との熱交換により前記冷却水を冷却する第２の熱交換器５０と、前記冷媒の前記第２の熱交換器に流れる流量を制御する流量制御弁６０と、前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段７０と、前記半導体素子を流れる電流から、前記半導体素子の温度を推定する素子温度推定手段と、前記冷却水の温度と、前記半導体素子の温度との差分に応じて、前記流量制御弁を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液を、空間部分を有して収容する冷却容器と、
半導体素子を備え、前記冷却容器の前記冷却液が満たされた部分の外側に接触して設けられたパワーモジュールと、
前記空間部分に設けられ、冷媒が流れる第１の熱交換器と、
該第１の熱交換器に並列に接続され、前記冷媒との熱交換により前記冷却水を冷却する第２の熱交換器と、
前記冷媒の前記第２の熱交換器に流れる流量を制御する流量制御弁と、
前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
前記半導体素子を流れる電流から、前記半導体素子の温度を推定する素子温度推定手段と、
前記冷却水温度検出手段で検出された前記冷却水の温度と、前記素子温度推定手段で推定された前記半導体素子の温度との差分に応じて、前記流量制御弁を制御する制御手段と、を有することを特徴とする冷却器。
【請求項２】
前記制御手段は、前記冷却水の温度と、前記半導体素子の温度との差分が所定値以上のときには、前記流量制御弁を開く制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
【請求項３】
前記第２の熱交換器は、前記冷却液内に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。
【請求項４】
前記第２の熱交換器は、前記冷却容器の外部に配置され、
前記冷却液を前記第２の熱交換器を通過するように循環させるポンプを更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。
【請求項５】
前記第２の熱交換器は、前記冷却容器の外部に配置され、
前記冷却液内に配置された第３の熱交換器と、
該第３の熱交換器を流れる作動液を、前記第２の熱交換器を通過するように循環させるポンプと、を更に有することを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却器。
【請求項６】
前記パワーモジュールは、前記冷却容器の側面に設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却器。
【請求項７】
前記パワーモジュールは、前記冷却器の底面に設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却器に関し、特に、半導体素子を備えたパワーモジュールを冷却する冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、発熱体を冷媒により冷却する冷却装置において、冷媒が通流するとともに発熱体に接続された主流路と、この主流路よりも発熱体から離間した位置に設けられた冷媒が通流する副流路とを備え、主流路と副流路との間には、冷媒を通流する流路が設けられたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。かかる冷却装置には、主流路に冷媒を送る主流路ポンプと、副流路に冷媒を送る副流路ポンプと、排出された冷媒を冷却する熱交換器が更に備えられ、全体としては冷却システムとして構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３９０８７０５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、上述の特許文献１に記載の構成では、副流路に冷媒を流すために副流路ポンプが必要であるため、ポンプ駆動電力が増加し、また、副流路から連通流路を介して主流路に噴出するため、連通流路を通過するときに圧力損失を伴うという問題があった。
圧力損失が大きい場合、下流に行くほど液体の供給量が減少し、液体供給の一様性の確保が困難になり、素子温度がばらつくという問題があった。また、液体の温度を下げることにより冷却性能を維持しているが、そのためにはサブクール度を大きくしなければいけないため、凝縮部の容量の増加が必要になるという問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、装置を大型化させることなく、冷却性能を向上させることができる冷却器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】
【０００６】
上記目的を達成するため、第１の発明に係る冷却器は、冷却液を、空間部分を有して収容する冷却容器と、
半導体素子を備え、前記冷却容器の前記冷却液が満たされた部分の外側に接触して設けられたパワーモジュールと、
前記空間部分に設けられ、冷媒が流れる第１の熱交換器と、
該第１の熱交換器に並列に接続され、前記冷媒との熱交換により前記冷却水を冷却する第２の熱交換器と、
前記冷媒の前記第２の熱交換器に流れる流量を制御する流量制御弁と、
前記冷却水の温度を検出する冷却水温度検出手段と、
前記半導体素子を流れる電流から、前記半導体素子の温度を推定する素子温度推定手段と、
前記冷却水温度検出手段で検出された前記冷却水の温度と、前記素子温度推定手段で推定された前記半導体素子の温度との差分に応じて、前記流量制御弁を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【０００７】
これにより、第２の熱交換器に流れる冷媒の流量を冷却容器内の冷却水の温度に応じて制御することができ、冷却水の温度に応じて冷媒を供給することができるため、第２の熱交換器による圧力損失を減少させることができる。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明に係る冷却器において、
前記制御手段は、前記冷却水の温度と、前記半導体素子の温度との差分が所定値以上のときには、前記流量制御弁を開く制御を行うことを特徴とする。
【０００９】
これにより、冷却水の温度が高いときに第２の熱交換器に冷媒を多く供給することができ、冷却水の温度を確実に低温度に保つことができるとともに、冷却水が低温度のときには、第２の熱交換器への冷媒供給を停止させることができる。
【００１０】
第３の発明は、第１又は第２の発明に係る冷却器において、
前記第２の熱交換器は、前記冷却液内に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
これにより、冷却液を第２の熱交換器により直接的に冷却することができ、サブクール化により確実な冷却効果を得ることができる。
【００１２】
第４の発明は、第１又は第２の発明に係る冷却器において、
前記第２の熱交換器は、前記冷却容器の外部に配置され、
前記冷却液を前記第２の熱交換器を通過するように循環させるポンプを更に有することを特徴とする。
【００１３】
これにより、第２の熱交換器を外付けにしても、冷却液を直接的に冷却することができるとともに、マイクロチャンネル熱交換器等種々の第２の熱交換器を用いることが可能となる。
【００１４】
第５の発明は、第１又は第２の発明に係る冷却器において、
前記第２の熱交換器は、前記冷却容器の外部に配置され、
前記冷却液内に配置された第３の熱交換器と、
該第３の熱交換器を流れる冷媒を、前記第２の熱交換器を通過するように循環させるポンプと、を更に有することを特徴とする。
【００１５】
これにより、外付けの第２の熱交換器と、冷却液内の第３の熱交換器を併用することができ、熱交換を効率的に行うことができる。
【００１６】
第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る冷却器において、
前記パワーモジュールは、前記冷却容器の側面に設けられたことを特徴とする。
【００１７】
これにより、縦置きの冷却器として縦長の形状に冷却容器を構成することができ、用途に応じた形状に構成することができる。
【００１８】
第７の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る冷却器において、
前記パワーモジュールは、前記冷却器の底面に設けられたことを特徴とする。
【００１９】
これにより、横置きの冷却器として、横長の形状に冷却容器を構成することができ、用途に応じた形状に構成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、冷却容器の容積を増大させることなく、冷却性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施例１に係る冷却器の一例を示した構成図である。図１（Ａ）は、実施例１に係る冷却器の一例の側断面構成図である。図１（Ｂ）は、実施例１に係る冷却器の一例の正面構成図である。
【図２】実施例１に係る冷却器の冷媒回路を示した図である。
【図３】第２の熱交換器への流量比と熱伝達率及び圧力損失との関係を示した図である。
【図４】パワーモジュールの電力損失と冷却液の温度との関係を示した図である。
【図５】素子温度と冷却液温度の差に対する熱伝導率を示した図である。
【図６】実施例１に係る冷却器の全体構成の一例を示したシステム構成図である。
【図７】実施例１に係る冷却器の処理フロー及び処理フローに用いられるマップの一例を示した図である。図７（Ａ）は、実施例１に係る処理フローの一例を示した図である。図７（Ｂ）は、インバータ電流とインバータ損失との関係の一例を示した図である。図７（Ｃ）は、インバータ損失と半導体素子の素子温度との関係の一例を示した図である。図７（Ｄ）は、素子温度と流量比との関係に基づく制御マップの一例を示した図である。
【図８】実施例２に係る冷却器の一例を示した構成図である。
【図９】実施例２に係る冷却器の一例を示した詳細構成図である。図９（Ａ）は、実施例２に係る冷却器の側面の断面構成図である。図９（Ｂ）は、実施例２に係る冷却器の正面断面構成図である。
【図１０】実施例３に係る冷却器の一例を示した構成図である。
【図１１】実施例３に係る冷却器の一例の詳細構成図である。図１１（Ａ）は、実施例３に係る冷却器の側面断面構成図である。図１１（Ｂ）は、実施例３に係る冷却器の正面断面構成図である。
【図１２】実施例４に係る冷却器の一例を示した構成図である。図１２（Ａ）は、実施例４に係る冷却器の側面断面構成図である。図１２（Ｂ）は、実施例４に係る冷却器の正面断面構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。
【実施例１】
【００２３】
図１は、本発明の実施例１に係る冷却器の一例を示した構成図である。図１（Ａ）は、実施例１に係る冷却器の一例の側断面構成図であり、図１（Ｂ）は、実施例１に係る冷却器の一例の正面構成図である。
【００２４】
図１（Ａ）、（Ｂ）において、実施例１に係る冷却器は、冷却容器１０と、冷却液２０と、パワーモジュール３０と、第１の熱交換器４０と、循環配管４１と、第２の熱交換器５０と、分岐流路５１と、流量制御弁６０と、温度センサ７０とを備える。また、冷却容器１０は、一部にベースプレート１１を備える。更に、パワーモジュール３０は、内部に半導体素子３１を備える。また、循環配管４１、第１の熱交換器４０、分岐流路５１及び第２の熱交換期５０を、冷媒１００が流れている。
【００２５】
図１（Ａ）において、冷却容器１０の内部には、冷却液２０が収容されている。冷却液２０は、冷却容器１０の内部空間総てを満たすのではなく、空間部１２を残すように、冷却容器１０の半分近くまでを満たしている。冷却液２０が満たされた部分の正面には、ベースプレート１１が設けられ、ベースプレート１１の外側にパワーモジュール３０が接触して配置されている。つまり、パワーモジュール３０は、ベースプレート１１を介して、冷却液２０と熱交換が行えるようになっている。ベースプレート１１は、冷却容器１０の側面の一部を構成するように設けられている。また、半導体素子３１は、ベースプレート１１の面上に設けられ、ベースプレート１１を介して冷却液２０から直接的に冷却される構成となっている。
【００２６】
図１（Ｂ）において、第１の熱交換器４０は、冷却容器１０内の冷却液２０が満たされていない空間部１２に設けられている。また、第２の熱交換器５０は、分岐流路５１を介して第１の熱交換器４０と並列に接続されており、第１の熱交換器４０から分岐した構成となっている。よって、第１の熱交換器４０を流れる冷媒１００は、第２の熱交換器５０にも流れるように構成されている。第２の熱交換器５０は、冷却液２０内を通過するように配置されており、冷媒１００を流すことにより、冷却液２０と熱交換を行い、冷却液２０を冷却することができる構成となっている。また、第１の熱交換器４０と第２の熱交換器５０とを接続する分岐流路５１には、流量制御弁６０が設けられている。
【００２７】
冷却容器１０は、冷却液２０を収容するとともに、パワーモジュール３０が外部に接触して設けられた冷却器の本体である。冷却容器１０は、冷却液２０を用いて、外部に接触して設けられたパワーモジュール３０内の半導体素子３１を冷却する。
【００２８】
冷却容器１０は、冷却液２０が満たされた部分と、空気等の気体が満たされた空間部１２を有する。図１（Ａ）において、ベースプレート１１は、冷却容器１０に直接締結され、ベースプレート１１の内面側の発熱面（以下、「伝熱面」という。）は、冷却液２０に直接接触する。ベースプレート１１は、熱伝導率の高い材料で構成されることが好ましい。なお、図１においては、冷却容器１０の一部にベースプレート１１を組み込んだ構成となっているが、冷却容器１０自体の熱伝導性が高く、ベースプレート１１の役割を果たすことができる場合には、冷却容器１０の外部側面に直接接触させてパワーモジュール３０を設けるようにしてもよい。
【００２９】
冷却液２０は、熱伝導性の高い種々の液体を用いることができるが、例えば、水とアルコール系の混合物等を用いるようにしてもよい。冷却液２０は、授熱により沸騰して蒸発するので、冷却容器１０内の冷却液２０が満たされた部分は、蒸発部又は沸騰部を構成する。
【００３０】
パワーモジュール３０は、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）等からなる半導体素子３１を収容しているが、半導体素子３１は、Ｓｉから構成される他、高耐熱素子であるＳｉＣを用いて構成されてもよい。Ｓｉで構成される場合には、半導体素子３１の温度は１５０℃程度まで上昇し、ＳｉＣの場合には、動作温度２００℃とも言われており、いずれにしても１００℃を優に超える温度となる。特に、ＳｉＣを用いたパワーモジュール３０の場合には、発熱密度は３００Ｗ／ｃｍ２、温度上昇１００℃の時の熱伝導率は５００００Ｗ／ｍ２Ｋとも言われている。よって、半導体素子３１を冷却することが重要であり、本実施例においては、冷却液２０を用いて半導体素子３１を冷却する構成となっている。
【００３１】
第１の熱交換器４０は、熱伝導性の高い材料で管状に構成され、冷却容器１０内の空間部１２内の上部に配置される。第１の熱交換器４０には、冷媒１００が供給され、周囲の空間部１２を冷却する。空間部１２に蒸気が存在する場合には、空間部１２を冷却することにより、蒸気が凝縮するので、空間部１２の第１の熱交換器付近は、凝縮部を構成する。なお、冷媒１００は、循環配管４１から第１の熱交換器４０に供給される。
【００３２】
第２の熱交換器５０も、熱導電性の高い材料で管状に構成され、第１の熱交換器４０から分岐流路５１を介して分岐し、第１の熱交換器４０に並列に接続される。第２の熱交換器５０は、第１の熱交換器４０と異なり、冷却液２０内を通過するように配置される。これにより、冷却液２０を冷却することができる。なお、分岐流路５１は、第２の熱交換器５０と同様に、管状に構成されてよい。
【００３３】
流量制御弁６０は、第１の熱交換器４０から分岐して第２の熱交換器５０に流れ込む冷媒１００の流量を制御するバルブである。流量制御弁６０は、第２の熱交換器５０を流れる冷媒１００の流量を制御することができれば、種々のバルブにより構成されてよい。流量制御弁６０は、流量を連続的又は段階的に制御でき、第１の熱交換器４０と第２の熱交換器５０との流量比を設定できる流量調整弁として構成される。なお、流量制御弁６０の機械的構成は、種々のものであってよいが、例えば、電磁弁として構成されてもよい。
【００３４】
温度センサ７０は、冷却水２０の温度を検出する温度検出手段である。冷却水２０の温度を検出することができれば、種々の温度センサが用いられてよい。
【００３５】
次に、本実施例に係る冷却器の冷却動作について説明する。図１の構成において、パワーモジュール３０の温度が上昇すると、冷却液２０がパワーモジュール３０から授熱することにより沸騰し、液体から気体（蒸気）に相変化する。この時の蒸発潜熱により、ベースプレート１１の伝熱面が冷却される。
【００３６】
冷却液２０が沸騰して発生した蒸気は、浮力により上部の凝縮部に到達し、第１の熱交換器４０を強制循環する冷媒１００により冷却されて凝縮し、水蒸気から液体に相変化する。そして、凝縮した液体は、重力の作用により冷却容器１０の下部の液溜まりに自然落下する。
【００３７】
このように、本実施例に係る冷却器は、沸騰冷却器として構成されている。沸騰冷却器では、不凝縮性気体が上部に滞留して凝縮性能が劣化することを防止するため、冷却液２０を充填する際に、空間部１２を真空引きして冷却容器１０の内部を高真空状態とする。よって、冷却液２０の沸騰開始温度は冷却容器１０の内部圧力に依存し、水の沸点は飽和蒸気圧に従う。
【００３８】
ここで、日本機械学会著、「伝熱工学（ＪＳＭＥテキストシリーズ）」、２００５年３月発行によれば、冷却液２０の液温を飽和温度よりも低い状態とする冷却液２０のサブクール化により、冷却性能の向上が期待できることが知られている。かかる現象を利用すべく、本実施例に係る冷却器においては、冷却液２０を冷却する第２の熱交換器５０を設けている。例えば、冷却液２０の温度が７０〜８０℃であるときに、６５℃の温度の冷媒１００を流して冷却を行えば、サブクール化により冷却性能の向上が期待できる。
【００３９】
図２は、実施例１に係る冷却器の冷媒回路を示した図である。図２に示すように、本実施例に係る冷却器は、凝縮部を構成する第１の熱交換器４０と、冷却液２０を冷却する第２の熱交換器５０とが分岐流路５１を介して並列に接続され、分岐流路５１は流量制御弁６０を備えている。図２において、循環配管４１を流れる冷媒１００をＱ、第１の熱交換器４０を流れる冷媒１００の流量をＱ１、第２の熱交換器５０を流れる冷媒１００の流量をＱ２とすると、流量制御弁６０の開閉制御により、第２の熱交換器５０を流れる冷媒１００の流量Ｑ２を制御できる。
【００４０】
図３は、第２の熱交換器５０への流量比と、熱伝達率及び圧力損失との関係を示した図である。図３において、横軸は循環配管４１の流量Ｑに対する第２の熱交換器５０の流量Ｑ２の流量比η（＝Ｑ２／Ｑ）を示し、縦軸は熱伝達率及び圧力損失を示している。図３に示すように、第２の熱交換器５０への流量Ｑ２が増加するに従って、熱伝達率及び圧力損失は増加する。熱伝達率は、冷却性能を示しているので、発生する圧力損失に応じて、流量比ηを最適に制御することにより、冷却性能と圧力損失のバランスを保つことができることが、図３より分かる。
【００４１】
図４は、パワーモジュール３０の電力損失と、冷却液２０の温度との関係を示した図である。図４において、パワーモジュール３０の電力損失が増加すると、パワーモジュール３０から発生する熱が増加し、冷却液２０の温度が上昇することが示されている。
【００４２】
図５は、素子温度と冷却液温度の差に対する熱伝導率を示した図である。図５において、横軸は半導体素子３１と冷却液２０の温度の差△Ｔ（＝素子温度−冷却液温度）を示し、縦軸は冷却性能を表す熱伝達率を示している。図５において、△Ｔが比較的大きい△Ｔ１において、流量比ηを変化させることにより、熱伝導率が変化することが示されている。流量比ηは、循環配管４１を流れる冷媒１００の全体流量Ｑに対する、第２の熱交換器５０を流れる冷媒１００の流量Ｑ２の比（＝Ｑ２／Ｑ）であるから、第２の熱交換器５０に冷媒１００を流すことにより、冷却液２０が冷却され、流量比ηにより変化するサブクール度により、熱伝導率も変化することが示されている。
【００４３】
図４の関係から、パワーモジュール３０の電力損失が増加している状態は、冷却液２０の温度から検出することができ、図５の関係から、第２の熱交換器５０に流れる流量Ｑ２を増加させることにより、熱伝達率を向上させられることが分かる。また、図３の関係から、熱伝達率を向上させると、圧力損失も増加してしまうので、第２の熱交換器５０に供給する冷媒１００の流量Ｑ２は、常に増加させれば良い訳ではなく、圧力損失の増加とのバランスを考慮して行う必要があることが分かる。本実施例に係る冷却器においては、これらの関係を利用して、パワーモジュール３０の電力損失の増加と、圧力損失の増加を考慮しつつ、熱伝達率を適切に増加させる制御を行う。これにより、圧力損失をあまり増加させることなく、パワーモジュール３０の電力損失の増加を抑制する制御が可能となる。
【００４４】
図６は、本発明の実施例１に係る冷却器の全体構成の一例を示したシステム構成図である。図６において、実施例１に係る冷却器は、冷却容器１０と、インバータ３２と、循環配管４１と、流量制御弁６０と、温度センサ７０と、電流センサ８０と、ＥＣＵ（Electronic  Control  Unit、電子制御ユニット）９０と、ポンプ１１０と、ラジエータ１２０と、バッテリ１３０と、モータ１４０とを備える。
【００４５】
冷却容器１０と、循環配管４１と、流量制御弁６０と、温度センサ７０と、電流センサ８０は、図１において説明した構成要素と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。また、インバータ３２は、図１のパワーモジュール３０と同様に半導体素子３１を備えており、全体としては直流を交流に変換するインバータ３２として構成されたパワーモジュール３０の一種である。実質的には、図１のパワーモジュール３０と同様である。
【００４６】
図６において、冷媒１００は、循環配管４１の内部を流れる。循環配管４１には、循環用のポンプ１１０とラジエータ１２０が備えられ、冷媒１００は、第１の熱交換器４０を経由して冷却容器１０を貫通して循環するようになっている。ポンプ１１０で冷媒１００が循環配管４１内を循環し、ラジエータ１２０で冷媒１００が冷却される。冷却容器１０の側面に接触して設けられたインバータ３２は、バッテリ１３０に接続されるとともに、モータ１４０に接続されている。バッテリ１３０から供給された直流電力を、インバータ３２で交流電力に変換し、三相交流モータとして構成されたモータ１４０を駆動する。また、バッテリ１３０とインバータ３２の間には、インバータ３２の半導体素子３１を流れる電流を測定するため、電流センサ８０が設けられている。ＥＣＵ９０は、冷却容器１０内の第２の熱交換機５０に設けられた流量制御弁６０と、冷却液２０内に設けられた温度センサ８０と、バッテリ１３０−インバータ３２間に設けられた電流センサ８０とに各々接続されている。
【００４７】
電流センサ８０は、インバータ３２の半導体素子３１を流れる電流を測定する手段であり、これにより、制御手段９０が半導体素子３１の温度を推定する。なお、電流センサ８０は、半導体素子３１を流れる電流を測定でき、半導体素子３１の温度を推定できる電流情報を提供できれば、種々の電流検出手段が用いられてよい。また、図６においては、電流センサ８０は、バッテリ１３０からインバータ３２に供給される直流の入力電流を測定しているが、交流電流を測定するように構成され、モータ１４０とインバータ３２との間に設けられてもよい。
【００４８】
ＥＣＵ９０は、温度センサ７０及び電流センサ８０の検出結果に基づいて、流量制御弁６０の制御を行う手段である。ＥＣＵ９０は、素子温度推定手段９１と、流量比設定手段９２と、操作制御手段９３とを備える。また、流量比設定手段９２と操作制御手段９３とで、制御手段９４を構成する。ＥＣＵ９０は、演算処理制御を行うことができれば、種々の手段により形成されてよく、例えば、例えば、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）等の電子回路として構成されてもよいし、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit、中央処理装置）を備え、プログラムにより動作するマイクロコンピュータとして構成されてもよい。
【００４９】
素子温度推定手段９１は、電流センサ８０で検出された半導体素子３１を流れる電流から、半導体素子３１の素子温度を推定する手段である。素子温度の推定は、例えば、インバータ電流とインバータ損失との関係マップ、インバータ損失と素子温度との関係マップを用いて行われてもよい。例えば、このような、マップを用いた推定演算を行うことにより、演算処理の負担を減少させることができる。また、逆に、演算処理負担が大きくても、正確な温度推定を行いたい場合には、半導体素子３１を流れる電流から素子温度を算出する式を用いて、正確な素子温度を算出するようにしてもよい。このように、素子温度の推定は、用途に応じて種々の手法が用いられてよい。なお、マップを用いた推定演算については、より具体的に後述する。
【００５０】
流量比設定手段９２は、素子温度推定手段９１で推定した素子温度と、温度センサ７０で検出された冷却液２０の温度との差分を計算し、図５で示した関係を用いて、流量制御弁６０のバルブの流量比ηを設定する手段である。なお、流量比設定手段９２で行う流量比の設定演算についても、例えば、半導体素子３１の素子温度と流量比ηとの関係マップを用いて設定するようにしてもよい。また、式を用いた演算処理により算出してもよく、用途に応じて種々の設定方法を用いてよい。なお、素子温度と流量比ηとの関係マップを用いた設定方法については、より具体的に後述するものとする。
【００５１】
操作制御手段９３は、流量比設定手段９２で設定されたバルブ流量比ηに従い、流量制御弁６０の開閉操作を行い、第２の熱交換器５０の全体流量に対する流量比ηを制御する手段である。
【００５２】
なお、流量比設定手段９２及び操作制御手段９３で制御手段９４を構成し、温度センサ７０で検出された冷却水２０の温度と、素子温度推定手段９１で推定された半導体素子３１の温度との差分に応じて、流量制御弁６０を制御する。また、図６においては、素子温度推定手段９１、流量比設定手段９２及び操作制御手段９３が一体的にＥＣＵ９０の内部に構成されているが、これらの機能を有する手段が、各々独立に構成されていてもよい。
【００５３】
なお、バッテリ１３０は、直流電力を供給する手段であり、例えば二次電池で構成されてよい。モータ１４０は、駆動対象となる車両の動力源である。
【００５４】
図７は、本発明の実施例１に係る冷却器の処理フロー及び処理フローに用いられるマップの一例を示した図である。図７（Ａ）は、実施例１に係る処理フローの一例を示した図である。なお、今まで説明した構成要素と同様の構成要素には同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００５５】
ステップ１００において、インバータ３２を流れる電流Ｉｂが測定される。インバータ電流Ｉｂは、図６において説明したように、電流センサ８０を用いて測定される。図６の例においては、入力電流が測定されているが、出力電流が測定されてもよい。
【００５６】
ステップ１１０において、インバータ損失及び素子温度Ｔｊが推定される。インバータ損失は、インバータ３２の電力損失を意味している。これらの推定演算は、素子温度推定手段９１により行われる。
【００５７】
図７（Ｂ）は、インバータ電流Ｉｂとインバータ損失との関係の一例を示した図である。図７（Ｂ）において、インバータ電流Ｉｂが増加するにつれて、インバータ損失が増加する特性のマップが示されている。このように、インバータ電流Ｉｂとインバータ損失の関係を示したマップを用いて、ステップ１００で検出したインバータ電流Ｉｂに基づいて、インバータ損失を推定することができる。ステップ１１０では、このようなインバータ損失の推定をまず行う。
【００５８】
図７（Ｃ）は、インバータ損失と半導体素子３１の素子温度Ｔｊとの関係の一例を示した図である。図７（Ｃ）において、インバータ損失が増加するにつれて、半導体素子３１の素子温度が増加する特性のマップが示されている。図７（Ｂ）で推定したインバータ損失と、図７（Ｃ）で示したマップを用いることにより、半導体素子３１の素子温度Ｔｊを推定することができる。ステップ１１０では、このような素子温度Ｔｊの推定も行う。
【００５９】
図７（Ａ）に戻り、ステップ１２０では、冷却液２０の温度Ｔｃの計測を行う。冷却液２０の温度の計測は、温度センサ７０を用いて行う。
【００６０】
ステップ１３０では、素子温度Ｔｊと冷却液２０の温度Ｔｃとの差分温度△Ｔ（＝Ｔｊ−Ｔｃ）が計算される。この差分△Ｔの演算は、流量比設定手段９２で行われてもよいし、素子温度推定手段で行われてもよい。
【００６１】
ステップ１４０では、素子温度Ｔｊと冷却液２０の温度Ｔｃとの差分温度△Ｔが、所定の閾値より高いか否かが、流量比設定手段９２により判定される。差分温度△Ｔが、所定閾値より高い場合にはステップ１５０に進み、所定閾値より低い場合にはステップ１７０に進む。なお、差分温度△Ｔが高い場合は、素子温度Ｔｊと冷却液２０の温度差が大きいことを意味しているので、素子温度Ｔｊが高くなり過ぎている状態と考えられる。
【００６２】
ステップ１５０では、流量制御弁６０のバルブ流量比が設定される。バルブ流量比の設定は、流量比設定手段９２により行われてよい。
【００６３】
図７（Ｄ）は、素子温度Ｔｊと流量比ηとの関係に基づく制御マップの一例を示した図である。図７において、素子温度Ｔｊが増加するにつれて、流量比ηが増加する関係が示されている。これは、素子温度Ｔｊに対応した適切な流量比ηを示した関係マップであるので、ステップ１１０の図７（Ｃ）で推定された素子温度Ｔｊを用いて、適切な流量比ηを設定することができる。
【００６４】
ステップ１５０においては、このような図７（Ｄ）で示した関係マップを用いて設定すべき流量比ηを算出し、流量比ηとなるように流量制御弁６０のバルブ開度を設定してよい。
【００６５】
ステップ１６０では、ステップ１５０で設定されたバルブ開度となるように、流量制御弁６０の開閉操作が行われるとともに、処理フローを一旦終了する。なお、開閉操作は、制御手段９０により行われる。処理フローを一旦終了した後は、図７（Ａ）の処理フローを最初から繰り返す。
【００６６】
一方、ステップ１４０で差分温度△Ｔが所定閾値以下であった場合には、ステップ１７０に進み、流量制御弁６０のバルブは閉とされる。流量比ηをゼロとする設定は、流量比設定手段９２で行われ、制御手段９３が、流量制御手段６０のバルブを閉とする操作を行う。差分温度△Ｔが所定閾値以下の場合には、素子温度Ｔｊがあまり上がっていないことを意味するので、冷却性能を無理に上げる必要は無い。これにより、圧力損失を増加させることなく、インバータ３２の動作を継続させることができる。ステップ１４０の終了後は、一旦処理フローを終了し、最初から処理フローを繰り返す。
【００６７】
このように、実施例１に係る冷却器によれば、素子温度Ｔｊと冷却液温度Ｔｃの差分温度△Ｔが所定値を超えており、素子温度Ｔｊが高いときには、第２の熱交換器５０に冷媒１００を供給して冷却性能を向上させ、差分温度△Ｔが所定値以下であり、素子温度Ｔｊが高くないときには第２の熱交換器５０に冷媒１００の供給を行わずに、圧力損失の増加を防ぐようにすることができる。これにより、半導体素子３１の冷却と圧力損失の増加のバランスを適切に保つことができ、十分な冷却能力を確保しつつ高効率で冷却を行うことができる。これにより、冷却容器１０の容積を増加させることなく、冷却能力を向上させることができる。
【実施例２】
【００６８】
図８は、本発明の実施例２に係る冷却器の一例を示した構成図である。図８においては、冷却容器１０及びその冷媒回路のみが示されている。その他の全体構成は、実施例１の図６と同様でよいので、図示を省略する。
【００６９】
図８において、実施例２に係る冷却器は、冷却容器１０と、冷却液２０と、第１の熱交換器４０と、循環配管４１と、流量制御弁６０と、温度センサ７０とを備える点では、実施例１に係る冷却器と共通する。また、第１の熱交換器４０に並列に第２の熱交換器５２が接続されている点も実施例１に係る冷却器と共通するが、第２の熱交換器５２が、冷却液２０の内部ではなく、冷却容器１０の外部に設けられている点で、実施例１に係る冷却器と異なっている。更に、冷却液２０は、流路１５１により冷却容器１０の外部に引き出され、外部に設けられた第２の熱交換器５２を通過して循環する構成となっている。流路１５１には、ポンプ１５０が設けられ、流路１５１を流れる冷却液２０が冷却容器１０内部と流路１５１とを循環し、第２の熱交換器５２を通過したときに冷媒１００により冷却される構成となっている。
【００７０】
このように、第２の熱交換器５２は、必ずしも冷却容器１０の内部の冷却液２０中に設けられる必要は無く、冷却液２０を冷却容器１０の外部に抽出し、外部に設けた第２の熱交換器５２で冷却を行うようにしてもよい。
【００７１】
なお、第２の熱交換器５２は、種々の熱交換器を用いることができるが、例えば、マイクロチャンネル熱交換器を用いるようにしてもよい。これにより、第２の熱交換器５２の小型化、高性能化を図ることができ、第２の熱交換器５２を外付けにしても冷却器全体を小型に構成することができる。
【００７２】
図９は、実施例２に係る冷却器の一例を示した詳細構成図である。図９（Ａ）は、実施例２に係る冷却器の側面の断面構成を示した図であり、図９（Ｂ）は、実施例２に係る冷却器の正面の断面構成を示した図である。
【００７３】
図９（Ａ）に示すように、パワーモジュール３０は、冷却容器１０の正面外側に接触して設けられている。図９（Ａ）においては、ベースプレート１１を設けずに、冷却容器１０に直接パワーモジュール３０を接触させて設置しているが、必要に応じて、ベースプレート１１を設け、ベースプレート１１上にパワーモジュール３０を設けるようにしてもよい。
【００７４】
なお、図９（Ａ）に示した熱交換器５２において、図８の熱交換器５２の４つの流路に付された符号１〜４に対応させて、流路の符号１〜４を付している。これにより、図８と図９の対応が明確となっている。
【００７５】
図９（Ｂ）に示すように、第１の熱交換器４０は、実施例１と同様に空間部１２の上部に設けられ、第２の熱交換器５２に冷媒１００を導く分岐流路５３は実施例１と同様に、冷却容器１０内に設けられている。また、流量調整弁６０も、実施例１と同様に、冷却容器１０の側面に設けられている。
【００７６】
一方、第２の熱交換器５２は、冷却容器１０の側面に設けられ、ポンプ１５０も第２の列交換器５１の上部で、冷却容器１０の側面に設けられている。冷却液２０は、ポンプ１５０により流路１５１を介して抽出され、下の第２の熱交換器５２を通過し、再度冷却容器１０の内部に戻るように構成されている。また、第２の熱交換器５２は、冷却容器１０の外側の側面に設けられているが、分岐流路５３は、冷却容器１０の内部を周回した構成となっている。
【００７７】
このように、実施例２に係る冷却器においては、第２の熱交換器５２を冷却容器１０と別体に構成しているが、第２の熱交換器５２を冷却容器１０の側面に取り付けることにより、全体として小型に構成しつつ、種々の熱交換器を第２の熱交換器５２として用いることができる構成となっている。
【実施例３】
【００７８】
図１０は、本発明の実施例３に係る冷却器の一例を示した構成図である。図１０において、実施例３に係る冷却器は、実施例２に係る冷却器と同様に、外付けの第２の熱交換器５４と、ポンプ１５０とを備える点で共通するが、冷却容器１０の内部にも第３の熱交換器１６０を備える点で、実施例２に係る冷却器と異なっている。その他の構成用紙については、実施例２に係る冷却器と同様であるので、同一の参照符号を付して、その説明を省略する。また、冷却容器１０以外の全体構成は、実施例１の図６と同様の構成を有するので、その説明を省略する。
【００７９】
実施例３に係る冷却器においては、冷却容器１０内に設けられた第３の熱交換器１６０が冷却液２０を冷却する。また、冷却液２０と熱交換を行い、熱を吸収した第３の熱交換器１６０内を循環する作動液１６１は、ポンプ１５０により循環され、第２の冷却器５２を通過する。第２の冷却器５２には、冷媒１００が供給されるので、第３の熱交換器１６０を循環する作動液１６１を冷却することができ、冷却された作動液により冷却容器１０内の冷却液２０を冷却することができる。
【００８０】
このように、冷却容器１０内の第３の熱交換器１６０と、冷却容器１０の外部の第２の熱交換器５２とを併用する構成としてもよい。
【００８１】
図１１は、実施例３に係る冷却器の一例の詳細構成を示した図である。図１１（Ａ）は、実施例３に係る冷却器の側面の断面構成を示した図であり、図１１（Ｂ）は、実施例３に係る冷却器の正面の断面構成を示した図である。
【００８２】
図１１（Ａ）に示すように、実施例３に係る冷却器の側面構成は、実施例２に係る冷却器の図９（Ａ）に示した構成とほぼ同様であるので、各構成要素に同一の参照番号を付してその説明を省略する。また、理解の容易のために、図１０の熱交換器５２の流路の符号１〜４に対応させて、図１１（Ａ）の熱交換器５２の各流路に符号１〜４を付している点も、実施例２と同様である。
【００８３】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、実施例３に係る冷却器は、冷却容器１０の冷却液２０内に第３の熱交換器１６０を備えている。第３の熱交換器１６０は、冷却液２０の中で用いるタイプの種々の熱交換器が用いられてよいが、例えば、図１１（Ｂ）に示すように、配管が冷却液２０内をコの字型に循環する形状を有する熱交換器が用いられてもよい。実施例３に係る冷却器は、第３の冷却器１６０を構成する配管から、冷却液２０ではなく作動液１６１を抽出する点が実施例２に係る冷却器と異なるが、その他の構成は、実施例２に係る冷却器と同様であるので、対応する構成要素に同一の参照符号を付してその説明を省略する。
【００８４】
実施例３に係る冷却器によれば、冷却容器１０の冷却液２０内で用いる第３の熱交換器１６０と、冷却容器１０の外部で用いる第２の熱交換器５２を併用することにより、高効率の冷却を行うことができる。
【実施例４】
【００８５】
図１２は、本発明の実施例４に係る冷却器の一例を示した構成図である。図１２（Ａ）は、実施例４に係る冷却器の側面の断面構成を示した図であり、図１２（Ｂ）は、実施例４に係る冷却器の正面の断面構成を示した図である。
【００８６】
図１２（Ａ）、（Ｂ）において、実施例４に係る冷却器は、パワーモジュール３０が冷却容器１０の側面ではなく、底面に接触して設けられている点で、実施例１乃至３に係る冷却器と異なっている。その他、基本的な構成については、実施例１に係る冷却器とほぼ同様であり、冷却容器１５と、冷却液２０と、循環流路４１と、第１の熱交換器４２と、第２の熱交換器５４と、分岐流路５５と、パワーモジュール３０と、半導体素子３１と、流量制御弁６０と、温度センサ７０とを備える。
【００８７】
実施例４に係る冷却器においては、パワーモジュール３０を冷却容器１０の側面ではなく底面に設置したことにより、冷却容器１５が横長の形状となっている点で、実施例１に係る冷却器と異なっている。それに伴い、第１の熱交換器４２、第２の熱交換器５４も、横幅が長くなり、両者の間隔、つまり分岐流路５５の長さは短くなった形状となっている。
【００８８】
パワーモジュール３０、半導体素子３１、ベースプレート１１は、冷却容器１０に装着された位置は異なるが、これらの構成自体は実施例１と同様の構成である。また、流量制御弁６０及び温度センサ７０も、実施例１に係る冷却器と同様の構成を有している。よって、これらの構成要素には、実施例１に係る冷却器と同一の参照符号を付し、その説明を省略する。
【００８９】
なお、図１２においては、実施例１に係る冷却器を横置きに構成した例について説明したが、実施例２及び実施例３に係る冷却器も、同様に横置きに構成することができる。
【００９０】
また、図１２において、冷却容器１０の上部を天井等に装着して用いる場合には、このままの構成でよいが、床に置いて設置する場合には、パワーモジュール３０の周囲に支持台を設け、パワーモジュール３０に荷重が加わらないような構成としてもよい。
【００９１】
実施例４に係る冷却器によれば、パワーモジュール３０を冷却容器１０の底面に設置して横置きの構成とすることにより、冷却器を収容するスペースの高さがあまり無いような場合であっても収容可能な冷却器として構成することができる。
【００９２】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、半導体素子を搭載したパワーモジュール用の冷却器に利用することができ、例えば、車載用のパワーモジュール用冷却器として利用することができる。
【符号の説明】
【００９４】
１０、１５    冷却容器
１１    ベースプレート
１２    空間部
２０    冷却液
３０    パワーモジュール
３１    半導体素子
３２    インバータ
４０、４２    第１の熱交換器
４１    循環配管
５０、５２、５４    第２の熱交換器
５１、５３、５５    分岐流路
６０    流量制御弁
７０    温度センサ
８０    電流センサ
９０    ＥＣＵ
９１    素子温度推定手段
９２    流量比設定手段
９３    操作制御手段
９４    制御手段
１００    冷媒
１１０、１５０    ポンプ
１２０    ラジエータ
１３０    バッテリ
１４０    モータ
１５１    流路
１６０    第３の冷却器
１６１    作動液
【図１】
2012099694.tif 000003
【図２】
2012099694.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012099694.tif 000006
【図５】
2012099694.tif 000007
【図６】
2012099694.tif 000008
【図７】
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【図８】
2012099694.tif 000010
【図９】
2012099694.tif 000011
【図１０】
2012099694.tif 000012
【図１１】
2012099694.tif 000013
【図１２】
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