JP2014048002A - 冷却装置およびこれを搭載した電気自動車および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冷却装置およびこれを搭載した電気自動車および電子機器に関するもので、高い熱交換効率を維持した上で、構成の簡素化を図ることを目的とする。
【解決手段】受熱器８は、その裏面側に、半導体スイッチング素子６（発熱体の一例）に接触させて熱を吸収する吸熱部１７（半導体スイッチング素子６領域部分）を有する受熱板１２と、この受熱板１２の表面側を、空間を介して覆った受熱板カバー１４とを有し、受熱板１２の流入口１５の冷媒滴下部２０に、吸熱部１７に向かって低く傾斜した傾斜部１８を設けた。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、電力半導体を搭載した電気自動車や電子機器の冷却装置に関するものである。

従来この種の冷却装置は、電気自動車の電力変換回路に搭載されたものが知られている。

電気自動車では、駆動動力源となる電動機を電力変換回路であるインバータ回路でスイッチング駆動していた。

インバータ回路には、パワートランジスタを代表とする電力半導体が複数個使われており、それぞれの電力半導体に数十アンペアの大電流が流れていた。

そのため電力半導体は大きく発熱し、冷却することが必要であった。

そこで、例えば特許文献１に示す冷却装置では、下部の受熱器において、冷媒で電力半導体の熱を奪わせて気化させ、上部に配置した放熱器で冷やして液化させ、再び下部に滴下させるサイクルを繰り返させることで、インバータ回路を冷却するようにしている。

しかしながら、このような冷却装置は、受熱器において冷媒を沸騰することにより気化させる沸騰型冷却タイプといわれるものであり、このタイプのものは、受熱器において冷媒が滞留した状態で受熱するので、冷媒への熱移動効率が悪く、結論として、冷却性能が低いことが知られている。

これに対して、特許文献２に示す冷媒循環型冷却タイプは、受熱器において冷媒を流動させた状態で受熱させるので、冷媒への熱移動効率が高く、結論として、冷却性能が飛躍的に高くなる。

特開平８−１２６１２５号公報 特開２００９−８８１２７号公報

特許文献２に示す冷却装置では、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して接続した放熱器と、この放熱器と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁を備えた構成としている。

また、帰還経路の先端は、受熱器内に突入させ、この突入部で冷媒を受熱器内に薄い膜状態で急速に広げる構成としている。

具体的には、帰還経路から戻った冷媒が、逆止弁の開放とともに受熱器内に流入すると、帰還経路の先端（突入部）内で一部の冷媒が急速に蒸発し、その圧力で帰還経路先端内に残存する冷媒が、受熱器内へと薄い膜状態で急速に広がることとなる。

その結果、受熱器内壁面（受熱板表面）においては、極めて効果的な受熱が行われることとなり、これによって冷却性能が飛躍的に高くなるのである。

しかしながら、このように冷却性能が飛躍的に高くなるものでも、各種機器への搭載に対しては、更なる改善が必要となる。

その一つとしては、帰還経路の先端を受熱器内に突入させる場合、受熱器内における帰還経路の先端位置を目視することが出来ないので、この位置関係を調整するのに手間がかかり、構成の簡素化が求められている。

そこで、本発明は、構成の簡素化を図ることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明は、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して接続した放熱器と、この放熱器と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁を備え、前記受熱器は、その裏面側に、発熱体に接触させて熱を吸収する吸熱部を有する受熱板と、この受熱板の表面側を、空間を介して覆った受熱板カバーとを有し、前記受熱板の前記流入口の冷媒滴下部に、前記吸熱部に向かって低く傾斜した傾斜部を設けたので、これにより初期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して接続した放熱器と、この放熱器と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁を備え、前記受熱器は、その裏面側に、発熱体に接触させて熱を吸収する吸熱部を有する受熱板と、この受熱板の表面側を、空間を介して覆った受熱板カバーとを有し、前記受熱板の前記流入口の冷媒滴下部に、前記吸熱部に向かって低く傾斜した傾斜部を設けたので、構成の簡素化が図れ、生産性の高いものとなる。

すなわち、本発明の受熱器は、その裏面側に、発熱体に接触させて熱を吸収する吸熱部を有する受熱板と、この受熱板の表面側を、空間を介して覆った受熱板カバーとを有し、前記受熱板の前記流入口の冷媒滴下部に、前記吸熱部に向かって低く傾斜した傾斜部を設けた構成としている。

つまり、本発明の構成とすれば、帰還経路から逆止弁を介して受熱器に流入した冷媒は、受熱板の吸熱部に向かって低く傾斜した傾斜部に沿ってスムーズに吸熱部に運ばれ、受熱板の排出口側へ薄い膜状となって、急速に広がることとなる。

このため、帰還経路の先端を、受熱器内に突入させること無く、受熱器内において冷媒を受熱板表面に薄い膜状態で急速に広げることが出来、その分、構成が簡素化され、生産性の高いものとなるのである。

本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図 同冷却装置の構成を示す図 同受熱器の構成を示す図 同受熱空間内の受熱板の形状を示す平面図 同放熱器の構成を説明する斜視図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、電気自動車１の車軸２を駆動する電動機３は、電気自動車１の車内４に配置した電力変換装置であるインバータ回路５に接続されている。

インバータ回路５には、電力半導体の一例として、電動機３に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子６を備えている。

また、インバータ回路５には、特に発熱体となる半導体スイッチング素子６を冷却する冷却装置７が設けられている。

前記冷却装置７は、半導体スイッチング素子６の上面に熱移動可能状態で接続された受熱器８と、この受熱器８の排出口１６に放熱経路１１ａを介して接続した放熱器９と、この放熱器９と前記受熱器８の流入口１５を接続した帰還経路１１ｂと、この帰還経路１１ｂに介在させた逆止弁（図２、図３の１９）とを、備えた構成となっている。

また、放熱器９には、外気に熱を放出する放熱体９ａを備えている。

つまり、車内４の運転席側に近づけた中程にインバータ回路５を配置し、循環経路１１を延設して放熱器９は外気を通過させやすいフロントグリル４ａ側に取り付けるものである。

図２に示すように、冷却装置７は、循環経路１１は受熱器８、放熱経路１１ａ、放熱器９、帰還経路１１ｂで構成され、排出口１６と流入口１５は薄形チャンバー９ｂの放熱器入口２３と放熱器出口２４にそれぞれ接続されている。

つまり、排出口１６と放熱経路１１ａを接続し、流入口１５と薄形チャンバー９ｂを帰還経路１１ｂで接続している。

また、受熱器８、放熱経路１１ａ、放熱器９、帰還経路１１ｂで形成する循環経路１１は密閉状態となっており、しかもその内部雰囲気は大気圧より負圧状態としている。

そして、この負圧経路内には、例えば数百ｃｃ程度（循環経路１１の容積よりも十分に少ない量）の水（冷媒１０の一例）が注入されている。（以下では水を冷媒と記載する）。

また、受熱空間１３の流入口１５には、冷媒１０の水頭による圧力によって開動させる逆止弁１９を備えている。

液化して停留した冷媒１０の圧力で逆止弁１９を容易に開動させるためには水頭圧を利用することが最も良い。そこで、帰還経路１１ｂは薄形チャンバー９ｂから受熱器８の流入口１５まで下がり勾配で形成し、その末端に逆止弁１９を配置している。

この逆止弁１９は、例えば、金属の薄板（厚さ１００μｍ程度の板）を成形したものである。

図３に示すように、受熱器８は、半導体スイッチング素子６に、その裏面側を接触させて熱を吸収する受熱板１２と、この受熱板１２の表面側を覆い、流れ込んだ冷媒１０の蒸発をさせる受熱空間１３を形成する受熱板カバー１４と、受熱空間１３に液化した冷媒１０を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から冷媒１０を気体にして排出する排出口１６を備えたものである。

また、受熱器８を構成する受熱板１２の流入口１５下方には冷媒滴下部２０を設けている。

また、受熱板１２の流入口１５の冷媒滴下部２０に、受熱板１２の略中央部に設けた吸熱部１７に向かって低く傾斜した傾斜部１８を設けている。

この傾斜部１８の角度は、冷媒１０がスムーズに吸熱部１７に移動する３〜１０°程度の範囲が望ましい。

また、冷媒滴下部２０は３方を受熱板１２と受熱板カバー１４にて封止され、滴下した冷媒１０は傾斜した方向にのみ、流入する構成としている。

また、本実施形態では、受熱板１２を覆う受熱板カバー１４には、天面から垂直方向に冷媒１０を流入させ、冷媒滴下部２０に導く流入口１５を設けている。また、受熱板カバー１４には、側方から冷媒１０を排出する排出口１６を設けている。

以上の構成において、本実施形態では、帰還経路１１ｂはこの受熱器８の流入口１５に、単に接続しただけで突出していない状態としている。

図４に示すように、受熱板１２表面上に内溝２１を設け、この内溝２１は吸熱部１７から排出口１６側に向けて、略中央部に設けた吸熱部１７から受熱板１２全体に広がる形で直線的に設けられている。

図５に示すように、放熱器９は薄形チャンバー９ｂと放熱体９ａで構成されている。また、薄形チャンバー９ｂの内部は伝熱フィン２２が設けられている。また、薄形チャンバー９ｂには放熱経路１１ａと接続される放熱器入口２３と、帰還経路１１ｂと接続される放熱器出口２４が設けられている。また放熱器入口２３は放熱器出口２４より高い位置に、設けられている。また、薄形チャンバー底面２６は放熱器出口２４に向かって下り勾配（３〜１０°）としている。また、伝熱フィン２２は通過する冷媒１０の温度が放熱体９ａに移動しやすくするため、極力、冷媒１０への接触面積が大きくなるよう構成されるのが、望ましい。今回の構成では放熱器入口２３と放熱器出口２４の接続面を薄形チャンバー９ｂの側面として、その接続面に直角に、伝熱フィン２２を所定の間隔を開けて設けている。また、薄形チャンバー９ｂは、放熱器入口２３に近接し、薄形チャンバー９ｂの側面と密接した端部を持ち、流入した冷媒１０をガイドする、伝熱ガイドフィン２２ａを設けている。伝熱ガイドフィン２２ａは薄形チャンバー底面２６の最も高い位置まで、冷媒１０を流入させる。もちろん、他の同様の効果が得られる配置でも良い。

また、放熱体９ａは薄形チャンバー９ｂの下外表面に熱移動可能状態で接続されている。また、放熱体９ａはアルミニウムまたは銅を短冊状に薄く形成した放熱フィン２５を、所定の間隔を開けて設けている。

上記構成において、インバータ回路５の半導体スイッチング素子６が動作を開始すると電動機３に電力が供給されて、電気自動車１は、動きだすこととなる。

このとき、半導体スイッチング素子６には大電流が流れることにより、少なくとも全電力の数％が損失となって大きな発熱をする。

図２に示すように、半導体スイッチング素子６から発する熱は、受熱板１２を介して液体の滴下した冷媒１０に熱が移される。移された熱によって冷媒１０は一瞬にして気化することになり排出口１６から放熱経路１１ａを流れて放熱器９で熱を外気に放出する。放熱器９の作用によって熱を放出した冷媒１０は液化して帰還経路１１ｂを流れて流入口１５の逆止弁１９上に溜まることとなる。そして、液化した冷媒１０は、徐々に帰還経路１１ｂ内で増加して、その水頭による圧力と受熱空間１３の圧力のバランスによって、逆止弁１９を押し下げて開動させて、再び受熱空間１３内へと流入する。

このようにして冷媒１０が繰り返し冷却装置７内を循環して半導体スイッチング素子６の冷却を行なうことになる。

ここで、受熱空間１３内の冷却のメカニズムについて説明を加える。

図３に示すように、受熱空間１３内では、帰還経路１１ｂから逆止弁１９を介して流入口１５より、冷媒１０が冷媒滴下部２０に液滴となって滴下される。

受熱空間１３に滴下した冷媒１０は、受熱板１２の吸熱部１７に向かって低く傾斜した傾斜部１８に沿ってスムーズに吸熱部１７に運ばれる。

次に、図４に示すように、受熱板１２表面に設けられた内溝２１に沿って冷媒１０が拡散される。このとき内溝２１は放射状に流路が拡大する形状にしているので、冷媒１０を薄い膜として受熱板１２上に広げることができる。受熱板１２は半導体スイッチング素子６に接触しているので、薄い膜となった冷媒１０は、一瞬にして加熱され気化することとなる。

受熱空間１３内の気圧は、大気圧よりも低く設定しているので、冷媒１０は、水を使用しても大気圧中の水の沸騰に比べて低い温度で気化させることができる。

本実施の形態のように、気圧を−９７ＫＰａにして、循環経路１１内（図２に示す）を飽和状態にしておくことで、外気温に応じた沸騰温度が決定され容易に水を気化させることができ、このときに半導体スイッチング素子６の熱を奪い、冷却することができる。つまり、水の蒸発潜熱によって、半導体スイッチング素子６の熱を奪うもので、かつ水を一瞬にして加温し気化させるものであるので単に溜め込んだ水を加温して沸騰させるものに比べて、奪う熱量を大きくすることができる。

また、冷媒１０が気化するときに受熱空間１３内の圧力が増加するが、逆止弁１９の作用により冷媒１０は逆流して帰還経路１１ｂ側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路１１ａへ放出させることができる。

また、放熱器９内の放熱のメカニズムについて説明を加える。

図５に示すように、薄形チャンバー９ｂには放熱経路１１ａより、気化した冷媒１０が放熱器入口２３より流入する。流入した冷媒１０は薄形チャンバー９ｂ内に設けられた伝熱フィン２２に接触し、外気温度差により凝縮（液化）する。その時、薄形チャンバー９ｂ内の熱は、下外表面に熱移動可能状態で接続された放熱体９ａの放熱フィン２５を通じて、外気に放出される。液化した冷媒１０は傾斜した薄形チャンバー９ｂ底面に沿って放熱器出口２４に向かい、帰還経路１１ｂより受熱器８へ移動する。

このように冷却装置７を動作させることで、規則的な受熱と放熱のサイクルができ、連続して冷媒１０を受熱空間１３内で気化させて半導体スイッチング素子６の冷却を行なうことができ、大きな冷却効果を得ることができる。

また、受熱空間１３内で増加した圧力によって気化した冷媒１０を放熱経路１１ａに流すこととなるので、液体に比べて移動速度を速くすることができ、受熱器８と放熱器９は離して配置することもできる。つまり、塵埃や水滴に弱いインバータ回路５と外気を当てて効率よく冷却を行ないたい放熱器９とを電気自動車１のフロントグリル４ａと車内４といったように離して設置することができ電気自動車１の走行性能を確保することができる。

さて、以上のように本実施形態の基本部分について説明をしたが、前記メカニズムによる効果をより大きくする特徴について、説明を加える。

既に実施の形態で構成を説明しているが、本実施形態では、受熱器８と、この受熱器８の排出口１６に放熱経路１１ａを介して接続した放熱器９と、この放熱器９と受熱器８の流入口１５を接続した帰還経路１１ｂと、この帰還経路１１ｂに介在させた逆止弁１９を備える。受熱器８は、その裏面側に、半導体スイッチング素子６に接触させて熱を吸収する吸熱部１７を有する受熱板１２と、この受熱板１２の表面側を、空間を介して覆った受熱板カバー１４とを有し、受熱板１２の流入口１５の冷媒滴下部２０に、吸熱部１７に向かって低く傾斜した傾斜部１８を設けた構成としている。

このため、本実施の形態では、図３に示すように、この受熱器８の流入口１５に、帰還経路１１ｂを単に接続しただけで突出していない状態とできるので、受熱器８の生産時に、帰還経路１１ｂの先端をどの部分まで挿入するかという作業は必要なく、つまり、構成の簡素化が図れ、生産性の高いものとなる。

また、この様な構成においても、受熱空間１３内の吸熱部１７（半導体スイッチング素子６領域部分）に薄い層状の水を十分に広げることが出来るので、極めて高い熱伝達効率が得られ、その結果として冷却効率も高いものとなる。

また、受熱器８の排出口１６を、この受熱器８の側方に配置している。このため、本実施の形態では、図２に示すように、受熱器８の高さ方向を低くすることができ、車内４の限られたスペースへの設置が可能となる。

また、図４に示すように、受熱板１２表面上に内溝２１を設け、この内溝２１は吸熱部１７から排出口１６側に向けて、吸熱部１７から受熱空間１３全体に広がる形で直線的に設けられている。受熱空間１３内の全体に薄い層状の冷媒１０を、より一層広げることが出来るので、極めて高い熱伝達効率が得られ、その結果として冷却効率も高いものとなる。

また、放熱器９は薄形チャンバー９ｂと放熱体９ａで構成され、薄形チャンバー９ｂの内部には伝熱フィン２２が設けられている。また、放熱器入口２３の接続口は放熱器出口２４の接続口より高い位置に設けられる構成としている。また、薄形チャンバー底面２６は放熱器出口２４に向かって下り勾配（３〜１０°）としている。このため、本実施の形態では、放熱器入口２３より流入した冷媒１０は、伝熱ガイドフィン２２ａと薄形チャンバー９ｂの外郭で囲まれた流路内を、薄形チャンバー底面２６の最上部にまで運ばれ、その後、薄形チャンバー９ｂ内に設けられた多くの伝熱フィン２２に接触しつつ、外気温度差により凝縮（液化）し、傾斜した薄形チャンバー底面２６に沿って放熱器出口２４までスムーズに向かうことができる。その時、薄形チャンバー９ｂ内の熱は、下外表面に熱移動可能状態で接続された放熱体９ａの放熱フィン２５を通じて、外気に放出される。このような構成とすることで、薄形チャンバー９ｂの高さ方向の寸法を低くしても、放熱性能を維持することができる。よって冷却装置７全体の高さ方向の寸法を低くすることができ、車内４の限られたスペースへの設置が可能となる。

また、放熱器９が薄形チャンバー９ｂの下外表面に放熱体９ａを設けたことにより、液化した冷媒１０が、薄形チャンバー９ｂの底面に流れているため、より放熱効率が向上し、その結果として冷却効率も高いものとなる。また、本冷却方式（冷媒循環型冷却タイプ）は、冷却装置７の中で、最も高い位置に放熱器９を配置しなければならない特性から、放熱体９ａの位置を薄形チャンバー９ｂの下方としたことで、冷却装置７全体の高さ方向の寸法をより低くすることができ、車内４の限られたスペースへの設置が可能となる。

尚、本実施形態では、受熱板１２を覆う受熱板カバー１４には、天面から垂直方向に冷媒１０を流入させ、冷媒滴下部２０に導く流入口１５を設けているが、流入口１５は受熱板カバー１４の側方に設けても良く、同様の作用効果が得られる。

したがって、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置や、高速演算処理装置などの電子機器にも有用である。

１ 電気自動車
２ 車軸
３ 電動機
４ 車内
４ａ フロントグリル
５ インバータ回路
６ 半導体スイッチング素子
７ 冷却装置
８ 受熱器
９ 放熱器
９ａ 放熱体
９ｂ 薄形チャンバー
１０ 冷媒
１１ 循環経路
１１ａ 放熱経路
１１ｂ 帰還経路
１２ 受熱板
１３ 受熱空間
１４ 受熱板カバー
１５ 流入口
１６ 排出口
１７ 吸熱部
１８ 傾斜部
１９ 逆止弁
２０ 冷媒滴下部
２１ 内溝
２２ 伝熱フィン
２２ａ 伝熱ガイドフィン
２３ 放熱器入口
２４ 放熱器出口
２５ 放熱フィン
２６ 薄形チャンバー底面

Claims (7)

1. 受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して接続した放熱器と、この放熱器と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁を備え、前記受熱器は、その裏面側に、発熱体に接触させて熱を吸収する吸熱部を有する受熱板と、この受熱板の表面側を、空間を介して覆った受熱板カバーとを有し、前記受熱板の前記流入口の冷媒滴下部に、前記吸熱部に向かって低く傾斜した傾斜部を設けた冷却装置。
2. 受熱器の排出口と流入口との少なくとも一方は、この受熱器の側方に配置した請求項１に記載の冷却装置。
3. 受熱板の表面には、前記吸熱部から排出口側に向けて溝を形成した請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 放熱器が薄形チャンバーと放熱体で構成され、前記薄形チャンバーの内部に伝熱フィンを設け、前記薄形チャンバーと放熱経路の接続口は帰還経路の接続口より高い位置に設けた請求項１から３のいずれか一つに記載の冷却装置。
5. 放熱器が薄形チャンバーの下外表面に放熱体を設けた請求項１から４のいずれか一つに記載の冷却装置。
6. 請求項１から５のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載し、車軸を駆動する電動機を駆動する電力変化装置の冷却を行なう電気自動車。
7. 請求項１から５のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載し、発熱体の冷却を行なう電子機器。

Images