JP5891349B2

JP5891349B2 - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器および電気自動車

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Publication number: JP5891349B2
Application number: JP2011224658A
Authority: JP
Inventors: 俊司三宅; 郁佐藤; 杉山　誠; 誠杉山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: JP2013083413A

Description

本発明は、電力半導体を搭載した電子機器、および電気自動車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、電子機器および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モータ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半導体スイッチング素子が複数個使われていて、それぞれの素子に数十アンペアの大電流が流れていた。そのため、大きな熱が発生し、冷却することが必要であった。

そこで、従来は、例えば特許文献１のように、加熱部１０１と冷却器１０２と上昇管１０３と下降管１０４とで構成するループ型ヒートパイプにより半導体スイッチング素子などの発熱体の冷却を行っていた。

以下、特許文献１に示すループ型ヒートパイプについて、図８を参照しながら説明する。

図８に示すようにループ型ヒートパイプは上昇管１０３と下降管１０４とを別個に含むループ回路１０５、ループ回路１０５に真空化において封入された作動流体である熱媒体１０６、ループ回路１０５の一部を構成し、かつループ回路１０５の上方に位置する冷却器１０２、上昇管１０３の下部に位置する加熱部１０１、ループ回路１０５内の下部に介装しループ回路１０５内の熱媒体１０６の循環方向を限定する逆止弁１０７とを備えている。

ここで、加熱部１０１に接触させた半導体スイッチング素子に熱が発生すると、発生した熱は加熱部１０１へ伝わり、加熱部１０１を循環する熱媒体１０６に熱が加えられ気化する。逆止弁１０７によりその循環方向が制限され、気化した熱媒体１０６は上昇管１０３を上昇し冷却器１０２に導かれて冷却され、ここで、加熱部１０１で加えられた熱を放出する。冷却器１０２で熱を放出した熱媒体１０６は下降管１０４を下降し、逆止弁１０７を介して再び加熱部１０１へと循環する。

特開昭６１−０３８３９６号公報

このような従来の冷却装置においては、半導体スイッチング素子に発生する熱が大きくなると、冷却には多くの量の作動流体である熱媒体１０６を加熱部１０１へ供給する必要がある。

そのような場合において、多くの量の作動流体を封入しても、上昇管１０３の循環抵抗値が増加してしまうため、多くの量の作動流体を循環させることができなかった。そのため、冷却に必要な量の熱媒体１０６を加熱部１０１に供給することができず、冷却能力が低下するという課題を有していた。

そこで本発明は、上記の従来の課題を解決するものであり、半導体スイッチング素子に発生する熱が大きくなり、多くの量の作動流体を加熱部へ供給する必要がある場合でも、冷却に必要な量の作動流体を供給することができ、冷却能力の低下を抑制した冷却装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明の冷却装置は、作動流体を循環し液相と気相との相変化により冷却する冷却装置であって、発熱体からの熱を受熱板に接触させて作動流体に伝える受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部の排出口と前記放熱部とを連通する放熱経路と、前記放熱部と前記受熱部の流入口を連通する帰還経路とで構成し、前記帰還経路には逆流防止弁を備えるとともに、複数個の前記排出口設け、前記排出口の数に対応した複数個の前記放熱経路を設け、前記逆流防止弁の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなった時に前記作動流体は前記逆流防止弁を通過し、前記作動流体は、前記受熱板上に液滴となって滴下され、滴下した前記作動流体は、前記帰還経路の前記流入口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され、前記受熱板の表面では、前記作動流体が薄い膜として広がり気化することを特徴とする冷却装置あり、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明の冷却装置によれば、作動流体を循環し液相と気相との相変化により冷却する冷却装置であって、発熱体からの熱を受熱板に接触させて作動流体に伝える受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部の排出口と前記放熱部とを連通する放熱経路と、前記放熱部と前記受熱部の流入口を連通する帰還経路とで構成し、前記帰還経路には逆流防止弁を備えるとともに、複数個の前記排出口設け、前記排出口の数に対応した複数個の前記放熱経路を設け、前記逆流防止弁の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなった時に前記作動流体は前記逆流防止弁を通過し、前記作動流体は、前記受熱板上に液滴となって滴下され、滴下した前記作動流体は、前記帰還経路の前記流入口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され、前記受熱板の表面では、前記作動流体が薄い膜として広がり気化するという構成を有する。

これにより、作動流体が高温の受熱板の熱を加えられ一瞬にして気化することとなり、発熱体からの熱は作動流体に気化潜熱として除去され、効率的な冷却が可能となる。また、単一個の排出口と単一個の放熱経路とを設けた時と比較して、放熱経路での作動流体の循環抵抗を低減させることができるため、作動流体の循環量を増加させることができる。

その結果、発熱体に発生した熱が大きくなり、多くの量の作動流体を加熱部へ供給する必要がある場合でも、冷却に必要な量の作動流体を供給することができ、冷却能力の低下を抑制することができるという効果を得ることができる。

本発明の実施の形態の電気自動車の概略図２個の排出口と２個の放熱経路とを設けた冷却装置を示す概略図単一個の排出口と単一個の放熱経路とを設けた冷却装置を示す概略図（ａ）２個の排出口と２個の放熱経路とを設けた受熱部を示す概略斜視図、（ｂ）２個の排出口と２個の放熱経路とを設けた受熱部を示す概略上面図２個の放熱経路が合流した後に放熱部に連通する構成とした冷却装置を示す概略図（ａ）３個の排出口と３個の放熱経路とを設けた受熱部を示す概略斜視図、（ｂ）３個の排出口と３個の放熱経路とを設けた受熱部を示す概略上面図（ａ）２個の排出口を流入口の中心を通過する中心線に対して同一角度かつ対象の位置に配置した受熱部を示す概略斜視図、（ｂ）２個の排出口を流入口の中心を通過する中心線に対して同一角度かつ対象の位置に配置した受熱部を示す概略上面図従来の冷却装置を示す概略図

本発明の請求項１記載の冷却装置は、作動流体を循環し液相と気相との相変化により冷却する冷却装置であって、発熱体からの熱を受熱板に接触させて作動流体に伝える受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部の排出口と前記放熱部とを連通する放熱経路と、前記放熱部と前記受熱部の流入口を連通する帰還経路とで構成し、前記帰還経路には逆流防止弁を備えるとともに、複数個の前記排出口設け、前記排出口の数に対応した複数個の前記放熱経路を設け、前記逆流防止弁の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなった時に前記作動流体は前記逆流防止弁を通過し、前記作動流体は、前記受熱板上に液滴となって滴下され、滴下した前記作動流体は、前記帰還経路の前記流入口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され、前記受熱板の表面では、前記作動流体が薄い膜として広がり気化するという構成を有する。

これにより、単一の排出口と単一の放熱経路とを設けた時と比較して、放熱経路での作動流体の循環抵抗値を低減させることができるため、作動流体の循環量を増加させることができる。

また、請求項２記載の冷却装置は、複数個の前記放熱経路の前記作動流体循環方向に対する垂直断面積はすべて同じ面積としたという構成にしてもよい。

これにより、複数個の放熱経路での作動流体の循環抵抗値を同じ値にすることができるため、複数個の放熱経路における作動流体の量を同じ量にすることができる。すなわち、受熱部から複数個の排出口へと排出される作動流体の量も同じ量にすることができることとなる。そのため、受熱部での作動流体の循環状態の偏りを抑制することができ、作動流体を効率よく循環させることができるため、作動流体の循環量を増加させることができる。

また、請求項３記載の冷却装置は、複数個の前記放熱経路の全長はすべて同じ長さとしたという構成にしてもよい。

また、請求項４記載の冷却装置は、前記流入口は前記受熱部の中央に備え、複数個の前記排出口と前記流入口との距離はすべて同じ距離とするとともに、複数個の前記排出口は前記流入口を中心とした円周上に等間隔に配置したという構成にしてもよい。

これにより、受熱部内部において流入口から複数個の排出口までの作動流体の循環抵抗値を同じ値にすることができる。そのため、受熱部での作動流体の循環状態の偏りを抑制することができ、作動流体を効率よく循環させることができるため、作動流体の循環量を増加させることができる。

また、請求項５記載の冷却装置は、請求項１から４いずれか一つに記載の冷却装置を備えた構成とした電子機器にしてもよい。

これにより、電子機器は、発熱体に発生した熱が大きくなった場合でも、受熱部に作動流体を供給することができ、冷却能力の低下を抑制する効果を有した冷却装置を備えた構成となる。

その結果、電子機器に発生した熱が大きくなり、冷却に必要な作動流体の量が多くなった場合でも、受熱部に作動流体を供給することができるため、冷却能力の低下を抑制することができるという効果を得ることができる。

また、請求項６記載の冷却装置は、請求項１から４いずれか一つに記載の冷却装置を備えた構成とした電気自動車にしてもよい。

これにより、電気自動車は、発熱体に発生した熱が大きくなった場合でも、受熱部に作動流体を供給することができ、冷却能力の低下を抑制する効果を有した冷却装置を備えた構成となる。

その結果、電気自動車に発生した熱が大きくなり、冷却に必要な作動流体の量が多くなった場合でも、受熱部に作動流体を供給することができるため、冷却能力の低下を抑制することができるという効果を得ることができる。

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（図示せず）を駆動する電動モータ（図示せず）は、電気自動車１の内に配置した電力変換装置であるインバータ回路２に接続されている。

インバータ回路２は、電動モータに電力を供給するもので、複数個の半導体スイッチング素子（図２の９）を備えおり、この半導体スイッチング素子（図２の９）が動作中に熱を発生する。

このため、この半導体スイッチング素子（図２の９）を冷却するために、熱媒体となる作動流体（図２の１１で、例えば水）を循環させることで冷却を行う冷却装置３を備えている。

冷却装置３は、作動流体（図２の１１で、例えば水）に熱を加える受熱部４と、加えた熱を放出する放熱部５を備え、受熱部４と放熱部５の間で熱媒体となる作動流体（図２の１１で、例えば水）を循環させる複数個の放熱経路６と、帰還経路７とを設けることで、受熱部４、複数個の放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４となる循環経路を構成している。

さらに、帰還経路７に逆流防止弁（図２の１６）を備えることで、この帰還経路７においては、作動流体（図２の１１、例えば水）が、気体状態（水の場合水蒸気）や液体状態及びその混合状態で、受熱部４、複数個の放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４と一方向に、循環するようになっている。

ここで、放熱部５は送風機８から外気が送風されることで、冷却され熱を放出している。

なお、この放熱部５の表面から放出された熱は、電気自動車１の車内の暖房に活用することも出来る。

図２に示すように受熱部４は、半導体スイッチング素子９に接触させて熱を吸収する受熱板１０と、この受熱板１０の表面を覆い、流れ込んだ作動流体１１を蒸発させる受熱空間１２を形成する受熱板カバー１３とを備えている。

さらに、受熱板カバー１３には、受熱空間１２に帰還経路７から作動流体１１を流入させる流入口１４と、受熱空間１２から作動流体１１を複数個の放熱経路６へ排出する放熱経路６の数に対応した複数個の排出口１５が設けられている。

ここで、帰還経路７には、流入口１４近傍上部に逆流防止弁１６を備えている。

このような構成による冷却装置３の作用について説明する。

上記構成において、インバータ回路２の半導体スイッチング素子９が動作を開始すると電動モータ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９には大電流が流れることにより、大きな熱が発生する。

ここで、半導体スイッチング素子９で発生した熱は受熱板１０へ伝わる。受熱板１０へ伝わった熱は、受熱空間１２の受熱板１０上に供給された液体状態の作動流体１１を瞬時に気化させ、気体状態へと変化させる。蒸発潜熱を与えられた気体状態の作動流体１１は、複数個の排出口１５から複数個の放熱経路６へと循環し、放熱部５で冷却され凝縮し液体状態になることで熱を外気に放出する。

続いて、凝縮潜熱を放出した液体状態の作動流体１１は帰還経路７へと循環し、逆流防止弁１６の上に溜まることとなる。液体状態の作動流体１１は、徐々に帰還経路７で増加し、水頭圧力が高くなる。（水頭高さが高くなる。）一方、受熱空間１２では作動流体１１が供給されないため、徐々に気体状態の作動流体１１が減少し、受熱空間１２の圧力が低下する。

逆流防止弁１６の上流側の圧力（逆流防止弁１６の上流側近傍の圧力と帰還経路７の液体状態の作動流体１１の持つ水頭圧力との和）が逆流防止弁１６の下流側の圧力（逆流防止弁１６の下流側近傍の圧力）より高くなった時に、作動流体１１は逆流防止弁１６を通過し、再び受熱空間１２の受熱板１０上に作動流体１１が供給される。

このようにして作動流体１１が冷却装置３を循環することで、半導体スイッチング素子９の冷却を行なうことになる。

ここで、受熱空間１２の冷却のメカニズムについて図２を用いて説明を加える。

受熱空間１２においては、帰還経路７からの作動流体１１は、受熱板１０上に液滴となって滴下される。滴下した作動流体１１は、帰還経路７の流入口１４と受熱板１０の隙間から外周部へ拡散される。このとき、受熱板１０の表面では、作動流体１１が薄い膜として広がり、高温の受熱板１０の熱を加えられ一瞬にして気化することとなる。

なお、受熱空間１２を含む冷却装置３内部の気圧は、使用する作動流体１１によって異なるが、例えば作動流体１１として水を使用した場合、大気圧よりも低く設定することで、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。本実施の形態では、ほぼ真空に減圧した冷却装置３内に所望の水を封入し、外気温度に応じた飽和水蒸気状態にしておくことで、外気温度＋数１０度程度の気化温度で容易に水を気化させることができる。

これにより、半導体スイッチング素子９からの熱は作動流体１１に気化潜熱として除去され、効率的な冷却が可能となる。

また、作動流体１１が気化するときに受熱空間１２の圧力は増加するが、逆流防止弁１６の作用により作動流体１１は逆流して帰還経路７側へ戻ることはなく、確実に複数個の排出口１５から複数個の放熱経路６へ放出させることができる。

このように冷却装置３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、連続して作動流体１１を受熱空間１２で気化させて半導体スイッチング素子９からの熱を効率的に除去し、大きな冷却効果を実現することができる。

次に、本実施形態における最も特徴的な部分について説明する。

図２に２個の排出口１５と２個の放熱経路６とを設けた冷却装置３を、図３に単一個の排出口１５と単一個の放熱経路６とを設けた冷却装置３を示す。

まず、図３を用いて、単一個の排出口１５と単一個の放熱経路６とを設けた冷却装置３で半導体スイッチング素子９を冷却する場合について説明する。

前述したように、液体状態の作動流体１１が逆流防止弁１６を通過し、受熱部４へ供給され、半導体スイッチング素子９から発生した熱を除去することにより冷却を行う。

この時、半導体スイッチング素子９に発生した熱の量が大きくなると、冷却には多くの量の作動流体１１を受熱空間１２へ供給する必要がある。ここで、冷却に必要な多くの量の作動流体１１を封入しても、発生した熱の量の増加に伴って循環流速も増加するため、循環抵抗値も増加し、冷却に必要な量の作動流体１１を受熱部４へ供給することができないこととなる。

その結果、冷却能力が低下し、半導体スイッチング素子９から発生した熱を除去しきれなくなり、最悪の場合、半導体スイッチング素子９が破壊されることになる。

続いて、図２を用いて、２個の排出口１５と２個の放熱経路６とを設けた冷却装置３で半導体スイッチング素子９を冷却する場合について説明する。

図２に示すように、２個の排出口１５と２個の放熱経路６とを設けているため、単一個の排出口１５と単一個の放熱経路６とを設けた場合と比較して、同量の作動流体１１が循環する時の循環抵抗値を低減することができると共に、発生した熱の量の増加に伴う循環抵抗値の増加を抑制することができる。

結果として、多くの量の作動流体１１を封入した場合においても、作動流体１１を受熱部４へ供給しやすくなるため、半導体スイッチング素子９に発生した熱が大きくなり、冷却に必要な作動流体１１の量が多くなった場合でも、受熱部４に作動流体１１を供給することができるため、冷却能力の低下を抑制することができる。

また、図２中の矢印で示す作動流体１１の循環方向に対する２個の放熱経路６の垂直断面積はすべて同じ面積とした構成としている。

このような構成にすることで、２個の放熱経路６において作動流体１１の循環抵抗値を同じ値にすることができるため、２個の放熱経路６を循環する作動流体１１の量を同じ量にすることができる。すなわち、受熱部４から２個の排出口１５へと排出される作動流体１１の量も同じ量にすることができることとなる。そのため、受熱部４での作動流体１１の循環状態の偏りを抑制することができ、作動流体１１を効率よく循環させることができるため、作動流体１１の循環量を増加させることができる。

また、図２で示すように、２個の放熱経路６の全長はすべて同じ長さとした構成としている。

このような構成にすることで、上述した作動流体１１の循環方向に対する２個の放熱経路６の垂直断面積はすべて同じ面積とした構成と同じように、２個の放熱経路６において作動流体１１の循環抵抗値を同じ値にすることができる。詳細な説明は省略する。

ここで、図４には２個の排出口１５と２個の放熱経路６とを設けた受熱部４を示す。

図４に示すように、本発明の冷却装置３においては、流入口１４は受熱部４の中央に備え、２個の排出口１５と流入口１４との距離はすべて同じ距離とするとともに、２個の排出口１５は流入口１４を中心とした円周上に１８０度間隔に配置した構成としている。

このような構成にすることで、受熱部４内部において流入口１４から２個の排出口１５までの作動流体１１の循環抵抗値を同じ値にすることができるため、受熱部４から２個の排出口１５へと排出される作動流体１１の量を同じ量にすることができる。そのため、受熱部４での作動流体１１の循環状態の偏りを抑制することができ、作動流体１１を効率よく循環させることができるため、作動流体１１の循環量を増加させることができる。

ここで、図５に２個の放熱経路６が合流した後に放熱部５に連通する構成とした冷却装置３を示す。図６には３個の排出口１５と３個の放熱経路６とを設けた受熱部４を示す。

なお、図２では、２個の放熱経路６はそれぞれ放熱部５に連通する構成としているが、図５のように２個の放熱経路６が合流した後に放熱部５に連通する構成としても良く、作用効果に差異を生じない。

なお、上記実施形態においては、排出口１５と放熱経路６とは２個の場合の説明をしているが、３個、４個、５個、・・・Ｎ個と複数個にした場合は、排出口１５と放熱経路６との増加に伴い、循環抵抗値の値をさらに減少させることができることとなり、作動流体１１の循環量をさらに増加させることができる。

なお、排出口１５を３個配置した場合においては、図６のように、流入口１４を中心とした円周上に１２０度間隔に配置した構成としている。同様に４個、５個、・・・Ｎ個と複数個配置した場合においては、流入口１４を中心とした円周上に９０度、７２度、・・・３６０／Ｎ度間隔に配置した構成となる。

なお、２個の排出口１５と２個の放熱経路６とを設けた受熱部４においては、図７のように、２個の排出口１５は、流入口１４の中心を通過する中心線に対して同一角度かつ対象の位置に配置した構成としても作用効果に差異を生じない。

なお、上記実施形態においては、冷却装置３を電気自動車１に適用したものを説明したが、電子機器に冷却装置３を適用することも出来る。

本発明にかかる冷却装置は半導体スイッチング素子に発生する熱が大きくなり、多くの量の作動流体を加熱部へ供給する必要がある場合でも、冷却に必要な量の作動流体を供給することができるため、電子機器および電気自動車のインバータ回路内の半導体スイッチング素子などの冷却に有用である。

１電気自動車
２インバータ回路
３冷却装置
４受熱部
５放熱部
６放熱経路
７帰還経路
８送風機
９半導体スイッチング素子
１０受熱板
１１作動流体
１２受熱空間
１３受熱板カバー
１４流入口
１５排出口
１６逆流防止弁

Claims

作動流体を循環し液相と気相との相変化により冷却する冷却装置であって、発熱体からの熱を受熱板に接触させて作動流体に伝える受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部の排出口と前記放熱部とを連通する放熱経路と、前記放熱部と前記受熱部の流入口を連通する帰還経路とで構成し、前記帰還経路には逆流防止弁を備えるとともに、複数個の前記排出口設け、前記排出口の数に対応した複数個の前記放熱経路を設け、前記逆流防止弁の上流側の圧力が下流側の圧力より高くなった時に前記作動流体は前記逆流防止弁を通過し、前記作動流体は、前記受熱板上に液滴となって滴下され、滴下した前記作動流体は、前記帰還経路の前記流入口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され、前記受熱板の表面では、前記作動流体が薄い膜として広がり気化することを特徴とする冷却装置。
複数個の前記放熱経路の前記作動流体循環方向に対する垂直断面積はすべて同じ面積としたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
複数個の前記放熱経路の全長はすべて同じ長さとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
前記流入口は前記受熱部の中央に備え、複数個の前記排出口と前記流入口との距離はすべて同じ距離とするとともに、複数個の前記排出口は前記流入口を中心とした円周上に等間隔に配置したことを特徴とする請求項１から３いずれかに記載の冷却装置。
請求項１から４いずれか一つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電子機器。
請求項１から４いずれか一つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電気自動車。