JP2014052117A - 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、冷却能力を高めることを目的とする。
【解決手段】受熱器８と、この受熱器８の排出口９に放熱経路１０を介して接続した放熱器１１と、この放熱器１１と受熱器８の流入口１２を接続した帰還経路１３と、この帰還経路１３に介在させた逆止弁１４とを備え、放熱経路１０に設けた第１の開口部１６に、冷媒タンク１７の第１の圧力口１８を接続するとともに、放熱経路１０の第１の開口部１６よりも放熱器１１側に設けた第２の開口部１９に、冷媒タンク１７の第２の圧力口２０を接続した。
【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対流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

上述のごとく、冷媒循環型冷却タイプでは冷却性能が飛躍的に高くなるが、そのために特許文献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。

つまり、受熱器で発熱部品からの熱を受けて冷媒を蒸発させ、次に、蒸発した冷媒を、放熱経路を介して放熱器に供給し、この放熱器で、前記蒸発した冷媒を冷却することで再び液化させ、次に、液化した冷媒を逆止弁上流部分に溜める。

そして、逆止弁上流部分の圧力が、逆止弁の上流部分（受熱器側）の圧力よりも大きくなると、この逆止弁を開放させ、これによって、上述した帰還経路から戻った冷媒を、受熱器内に流入させ、再び、この、受熱器で蒸発させることにより、上述した受熱器、放熱経路、放熱器、帰還経路、逆止弁、受熱器と還流させる。

つまり、冷媒循環型冷却タイプでは、受熱器において冷媒が流れている状態で蒸発することになるので、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、冷却性能を高めようとして、冷媒の量を多くしても、冷却性能を高めることができない状況が発生するということである。

すなわち、冷却性能を高めるためには、冷媒の量を多くし、大量の冷媒を蒸発させることが必要であるが、冷媒の量が多いと、初期駆動時には、沸騰に気相冷媒と未沸騰の液相冷媒が混相流となって放熱経路を流れることになり、そのとき発生する圧力損失が飽和温度を押し上げ、受熱器の冷媒温度を上昇させるため、その分だけ冷却性能を低下させる原因とになっていた。

そこで、本発明は、放熱経路の圧力損失を抑制し、冷却性能を高め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とを備え、前記放熱経路に設けた第１の開口部に、冷媒タンクの第１の圧力口を接続するとともに、前記放熱経路の第１の開口部よりも前記放熱器側に設けた第２の開口部に、冷媒タンクの第２の圧力口を接続し、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とを備え、前記放熱経路に設けた第１の開口部に、冷媒タンクの第１の圧力口を接続するとともに、前記放熱経路の第１の開口部よりも前記放熱器側に設けた第２の開口部に、冷媒タンクの第２の圧力口を接続したので、冷却性能を高めることができる。

すなわち、本発明は、前記放熱経路に設けた第１の開口部に、冷媒タンクの第１の圧力口を接続するとともに、前記放熱器側に設けた第２の開口部に、冷媒タンクの第２の圧力口を接続している。この構成を採用することにより、冷却装置の性能に十分な冷媒量を封入した状態でも、放熱経路を流れる冷媒を主に気相のみとし、未沸騰の液相冷媒は冷媒タンクへ収容することができる。また、発熱量が増減に応じて必要量の冷媒が冷媒タンク内から第２の圧力口、第２の開口部を通って本来の循環経路である放熱経路へ補充することも出来るようになる。

つまり、余分な未沸騰冷媒を冷媒タンクへ収容することによって、起動初期の低発熱量の状態でも、放熱経路内を流れる冷媒をほとんど気相冷媒のみとすることができ、放熱経路内の圧損が大幅に抑制されるため、飽和温度の上昇も低くなり、結論として、冷却性能を向上させることができるのである。

また、受熱器に接する発熱部品の発熱量が高くなり、その結果として受熱器で蒸発し、放熱経路へと流れる冷媒のスピードが速くなり、この放熱経路の上流側の第１の開口部側の圧力が、下流の第２の開口部の圧力よりも高くなる。すると、その圧力差によって、冷媒タンク内の冷媒が、第２の圧力口、第２の開口部をへて、放熱経路へと補充することが出来、その結果として、この循環路内を流れる冷媒量を増やし、冷却能力を高めることができるのである。

本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電気自動車の概略図 同冷却装置を示す正面図 同冷媒タンク部分（図２のＡ部分）を示す正面図 本発明の実施の形態２の冷却装置の冷媒タンク部分を示す正面図

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、特に、その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。

図２に示すように、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９に放熱経路１０を介して接続した放熱器１１と、この放熱器１１と前記受熱器８の流入口１２を接続した帰還経路１３と、この帰還経路１３に介在させた逆止弁１４とを、備えた構成となっている。

また、受熱器８、放熱経路１０、放熱器１１、帰還経路１３で形成する循環経路は密閉状態となっており、しかもその内部雰囲気は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（循環経路の容積よりも十分に少ない量）の水（冷媒の一例）が注入されている。

つまり、本実施形態の冷却装置７は、上記特許文献２で示されたものと同じように、先ず、受熱器８内の水が、半導体スイッチング素子６の熱で沸騰、蒸発すると、その時の圧力上昇で、気液混合状態ではあるが放熱経路１０を介して放熱器１１に到達し、次に、放熱器１１の外表面にファン１５で送風することで冷却すると、再び液相状態となり、その後、帰還経路１３の逆止弁１４上流側へと戻る。

この状態となると、受熱器８内の圧力は徐々に低下しており、次の瞬間に、この受熱器８内の圧力よりも、この逆止弁１４上流側の水の量により主に決まる圧力の方が高くなると、逆止弁１４を開放させることになる。

その結果、逆止弁１４上流側の冷媒（水）が受熱器８内へと流入し、次の瞬間、受熱器８内では水の爆発的な気化が行われ、ここ気化熱により上記半導体スイッチング素子６は効果的に冷却されることになる。

本実施形態の特徴は、図２、図３に示すように、前記放熱経路１０における受熱器８の排出口９近傍部分に設けた第１の開口部１６に、冷媒タンク１７の第１の圧力口１８を接続するとともに、前記放熱経路１０の第１の開口部１６よりも前記放熱器１１側に設けた第２の開口部１９に、冷媒タンク１７の第２の圧力口２０を接続したことである。

この構成とすることで、受熱器８の排出口９から放出される気液混相流の内、液相分だけが、冷媒タンク１７に捕獲され残りの気相のみが放熱経路１０を通って放熱器１１へ流れることになる。その結果、放熱経路１０を通る冷媒流による圧力損失を大幅に抑制することができる。また、発熱量の増加に伴い冷媒循環量も増やす場合でも、第１の開口部と第２の開口部の圧力差を利用して冷媒タンク１７内の冷媒を第２の圧力口２０、第２の開口部１９を放熱経路１０へ補充することが出来るようにしてことが、本実施形態の最も大きな特徴である。

具体的には、起動初期の発熱量が低い状態では、受熱器８から放熱経路１０へ出てくる冷媒は、多くの液相冷媒を含む混相流となる。そこで、受熱器８の排出口９近傍に冷媒タンク１７を設置し、混相流の液相分のみを捕獲する（気液分離を行う）ことで、放熱経路に気相分だけが流れる状態とすることで大幅な管路圧損の低減を実現している。これにより、飽和圧力の上昇を少なくし、結果として、飽和温度の上昇の抑制につながり、結論として、冷却性能を高くすることができるのである。

また、受熱器８に接する半導体スイッチング素子６（発熱部品の一例）の発熱量が高くなり、その結果として受熱器８で蒸発し、放熱経路１０へと流れる冷媒のスピードが速くなると、この放熱経路１０の上流側の第１の開口部１６側の圧力Ｐ２が、下流の第２の開口部１９の圧力Ｐ１よりも高くなる。すると、その圧力差△Ｐによって、冷媒タンク１７内の冷媒を第２の圧力口２０、第２の開口部１９を経て放熱経路１０へと補充することが出来、その結果として、この循環路内を流れる冷媒量を増やし、冷却能力を高めることができるのである。

さらに、本実施形態では、放熱経路１０の受熱器８の排出口９近傍部分に実質的な水平部分（図２のＡ部分）を形成し、この実質的水平部分Ａに第１の開口部１６と第２の開口部１９を設けるとともに、この放熱経路１０の実質的水平部分Ａの下方に、冷媒タンク１７を配設しているので、上述した圧力差△Ｐによって、冷媒タンク１７内の冷媒を第２の圧力口２０、第２の開口部１９を経て放熱経路１０へと補充することが容易となり、その結果として、この循環路内を流れる冷媒量を増やし、冷却能力を高めることができるのである。

また、第１の開口部１６の開口面積Ａ２は、前記第２の開口部１９の開口面積Ａ１よりも大きくしているので、大きな圧力差△Ｐによって、冷媒タンク１７内の冷媒を第２の圧力口２０、第２の開口部１９を経て放熱経路１０へと補充することが容易となり、その結果として、この循環路内を流れる冷媒量を増やし、冷却能力を高めることができるのである。

なお、図３のＶ１は、放熱経路１０を流れる気体、液体混合状態の冷媒の流速で、Ｖ２は、冷媒タンク１７を流れる気体、液体混合状態の冷媒の流速を示し、各値の関係は次のようになっている。

（１）Ｖ１＞＞Ｖ２
（２）Ａ１＜Ａ２
（３）Ｐ１＜Ｐ２
（４）△Ｐ＝Ｐ２−Ｐ１
なお、起動初期においては、冷媒タンク１７内には、循環路内の大部分の冷媒が収納された状態となっており、先ずは受熱器８内に残る冷媒の沸騰から始まり、一連の循環が開始されることになる。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２を示すもので、
放熱経路１０の第１の開口部１６と第２の開口部１９間に、圧力差増強体の一例として、狭通路２１を設けたもので、後の部分は図１〜図３と同様な構成となっている。

つまり、放熱経路１０の第１の開口部１６と第２の開口部１９間に、圧力差増強体の一例として、狭通路２１を設けることで、圧力差△Ｐをより高くし、それによって冷媒タンク１７内の冷媒を第２の圧力口２０、第２の開口部１９を経て放熱経路１０へと補充することが容易となり、その結果として、この循環路内を流れる冷媒量を増やし、冷却能力を高めることができるのである。

以上のように本発明、前記放熱経路に設けた第１の開口部に、冷媒タンクの第１の圧力口を接続するとともに、前記放熱経路の第１の開口部よりも前記放熱器側に設けた第２の開口部に、冷媒タンクの第２の圧力口を接続したことで、発熱量に応じて決まる２つの開口部の圧力差により、必要量の冷媒を冷媒タンク内から放熱経路へと補充することが出来るようになる。

つまり、発熱量に応じて冷媒循環量を制御する冷媒タンクを装備することで、放熱経路を流れる液相分を可能な限り少なくし気相分の流れる比率を高めることで管路圧損を低減することができ、受熱器の圧力上昇と受熱器内の飽和温度の上昇を少なくすることになるため、結論として、装置の冷却性能を高めることができるのである。

１ 電気自動車
２ 車軸
３ 電動機
４ 車内
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 排出口
１０ 放熱経路
１１ 放熱器
１２ 流入口
１３ 帰還経路
１４ 逆止弁
１５ ファン
１６ 第１の開口部
１７ 冷媒タンク
１８ 第１の圧力口
１９ 第２の開口部
２０ 第２の圧力口
２１ 狭通路

Claims (6)

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とを備え、前記放熱経路に設けた第１の開口部に、冷媒タンクの第１の圧力口を接続するとともに、前記放熱経路の第１の開口部よりも前記放熱器側に設けた第２の開口部に、冷媒タンクの第２の圧力口を接続した冷却装置。
2. 第１の開口部の開口面積は、前記第２の開口部の開口面積よりも大きくした請求項１に記載の冷却装置。
3. 放熱経路の受熱器の排出口近傍部分に実質的な水平部分を形成し、この実質的水平部分に第１の開口部と第２の開口部を設けるとともに、この放熱経路の実質的水平部分の下方に、冷媒タンクを配設した請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 放熱経路の第１の開口部と第２の開口部間に、圧力差増強体を設けた請求項１から３のいずれか一つに記載の冷却装置。
5. 請求項１から４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。
6. 請求項１から４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。

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