JP5903548B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、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。そのため半導体スイッチング素子は大きく発熱し、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、上下に冷媒放熱器と冷媒タンクを備えた沸騰冷却装置にて、下部に配したインバータ回路の冷却を行っていた。

特開平８−１２６１２５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接触して冷媒タンクを配置し、冷媒タンク内の液化冷媒を、スイッチング素子からの熱を奪わせて気化させる。

そして、気化した冷媒を、上部に配置した冷媒放熱器に上昇させ、冷却し、液化させて再び下部に滴下されるサイクルを繰り返している。いわば自然対流によって冷媒が循環するのである。

しかしながら、このような自然対流式のものでは、スイッチング素子の熱を、冷媒タンク内に溜められた液化冷媒に、冷媒タンクの壁面（伝熱面）を介し、単なる熱伝導で伝達させていただけであるので、伝熱面における伝熱効率を高めることができず、その結果として、スイッチング素子等の冷却効果を高めることが出来なかった。

そこで、本発明は、伝熱面における伝熱効率を高めることで、冷却効果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、発熱体からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とで構成し、前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記帰還経路の受熱部側には、前記受熱部内に前記作動流体を供給する流入管を接続し、前記受熱部と前記流入管の接続部に逆止弁を設け、気化量が減少した前記受熱部内の圧力と前記逆止弁上に溜まった前記作動流体の水頭による圧力との差によって前記逆止弁が押し下げられることにより液化した前記作動流体が前記受熱板上に供給され、記受熱板上に供給された前記作動流体は、前記流入管の端部開口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され薄い膜として前記受熱板上に広がり、前記流入管の内壁には、前記流入管を構成する材質よりも熱伝導率の低い断熱コーティン部を少なくとも前記逆止弁を押し開ける水頭圧を生じさせるだけの前記作動流体の体積分に備え、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、発熱体からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とで構成し、前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記帰還経路の受熱部側には、前記受熱部内に前記作動流体を供給する流入管を接続し、前記受熱部と前記流入管の接続部に逆止弁を設け、気化量が減少した前記受熱部内の圧力と前記逆止弁上に溜まった前記作動流体の水頭による圧力との差によって前記逆止弁が押し下げられることにより液化した前記作動流体が前記受熱板上に供給され、記受熱板上に供給された前記作動流体は、前記流入管の端部開口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され薄い膜として前記受熱板上に広がり、前記流入管の内壁には、前記流入管を構成する材質よりも熱伝導率の低い断熱コーティン部を少なくとも前記逆止弁を押し開ける水頭圧を生じさせるだけの前記作動流体の体積分に備えたものであるので、冷却効果を高めることが出来る。

すなわち、本発明においては、冷媒となる作動流体の循環経路を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部とすることで、作動流体の循環方向を一方向とすると共に、前記帰還経路の受熱部側に、前記受熱部内に前記作動流体を供給する流入管を接続し、前記受熱部と前記流入管の接続部に逆止弁を設け、気化量が減少した前記受熱部内の圧力と前記逆止弁上に溜まった前記作動流体の水頭による圧力との差によって前記逆止弁が押し下げられることにより液化した前記作動流体が前記受熱板上に供給され、記受熱板上に供給された前記作動流体は、前記流入管の端部開口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され薄い膜として前記受熱板上に広がることで、受熱部内で作動流体を急激に気化させ、その受熱板部分において作動流体を勢い良く移動させることができ、その結果として伝熱面における伝熱効率を高め、冷却効果を高めることができる。

また、本発明においては、前記受熱部入口側に設けた流入管の内壁面に、熱伝導率の低い材料でコーティングした断熱コーティングを備えたので、作動流体を、逆止弁を介して受熱部に導入されるまで液状態に保つことができる。

このため、作動流体は液体のまま受熱部内へと流入することになるので、上述のごとく、受熱部内で作動流体を急激に気化させ、その受熱板部分において作動流体を勢い良く移動させることができ、その結果として伝熱面における伝熱効率を高め、冷却効果を高めることができる。

本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図 同放熱体の構成を示す図 同冷却装置を示す概略図 同冷却装置の受熱部斜視図 同冷却装置の受熱部断面図

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（図示せず）を駆動する電動機（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、電動機に電力を供給するもので、複数の半導体スイッチング素子（図３の１０）を備えおり、この半導体スイッチング素子（図３の１０）が動作中に発熱する。

このため、この半導体スイッチング素子（図３の１０）を冷却するために、冷却装置３を備えている。冷却装置３は、受熱部４と、この受熱部４で吸収した熱を放熱する放熱部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３の１２で、例えば水）を循環させる放熱経路６、帰還経路７を設けることで、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、前記受熱部４となる循環経路を構成している。

つまり、この循環経路においては、作動流体（図３の１２）が、気体（水の場合水蒸気）や液体及びその混合状態で、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、前記受熱部４と一方向に、循環するようになっている。

前記放熱部５は、図２に示すように、外気に熱を放出する放熱体８を備えている。

この放熱体８は、アルミニウムを短冊状に薄く形成したフィンを所定の間隔をあけて積層したブロック体と、積層したフィンを貫通する放熱経路６とで構成されている。

そして、この放熱体８の表面に送風機９から外気を送風することで、放熱をさせている。なお、この放熱体８の表面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用することも出来る。

また、受熱部４は、図３に示すように、半導体スイッチング素子１０に接触させて熱を吸収する受熱板１１と、この受熱板１１の表面を覆い、流れ込んだ作動流体１２を蒸発させる受熱空間１３を形成する受熱板カバー１４とを備えている。

さらに、受熱板カバー１４には、受熱空間１３に液化した作動流体１２を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から作動流体１２を気体にして排出する排出口１６が設けられている。

図３においては、前記受熱部４を模式的に示したが、具体的には図４、図５に示すような構造となっている。

すなわち、受熱板カバー１４の上面に、流入口１５と排出口１６を設けており、流入口１５には帰還経路７を接続し、また排出口１６には放熱経路６を接続している。

さらに、前記帰還経路７の受熱部４側には、前記受熱部４内に前記作動流体１２を供給する流入管１９を、受熱空間１３内に突入させた状態で接続し、また前記受熱部４の流入口１５と、前記流入管１９の接続部に逆止弁１８を設けている。以下では受熱空間１３内の流入管１９を導入管１７と記載する。

また、この流入管１９の内壁には、この流入管１９を構成する材質（例えば銅）よりも熱伝導率の低いコーティング材料（耐熱性の樹脂）をコーティングした。コーティングした部分を断熱コーティング部とする。

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１０が動作を開始すると電動機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１０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く発熱する。

一方で、半導体スイッチング素子１０から発される熱は、受熱空間１３の受熱板１１上に供給された液状の作動流体１２に、半導体スイッチング素子１０から熱が移動されると、この液状の作動流体１２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６へと流れ、放熱部５で熱を外気に放出する。

放熱部５の作用によって熱を放出した作動流体１２は、液化して帰還経路７へと流れ、流入口１５の逆止弁１８上に溜まることとなる。

液化した作動流体１２は、徐々に帰還経路７内で増加する一方、受熱空間１３内での作動流体１２の気化量が減少し、受熱空間１３内の圧力も減少し、逆止弁１８上に溜まった作動流体１２の水頭による圧力によって逆止弁１８を押し下げると、再び受熱空間１３内の受熱板１１上に供給される。

このようにして作動流体１２が冷却装置３内を循環することで、半導体スイッチング素子１０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。

受熱空間１３内では、帰還経路７からの作動流体１２は、導入管１７から受熱板１１上に液滴となって滴下される。滴下した作動流体１２は、帰還経路７の端部開口と受熱板１１の隙間から外周部へ拡散される。

このとき受熱板１１の表面には、放射状に流路が拡大する形状にしているので、作動流体１２は、薄い膜として受熱板１１上に広がる。受熱板１１の裏面側は、半導体スイッチング素子１０に接触しているので、薄い膜となった作動流体１２は、一瞬にして加熱され気化することとなる。

受熱空間１３を含む循環経路内の気圧は、大気圧よりも低く設定しているので、作動流体１２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、循環経路内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１０の熱を奪い、冷却することができる。

また、作動流体１２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１８の作用により作動流体１２は逆流して帰還経路７側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路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１２を受熱空間１３内で気化させて半導体スイッチング素子１０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。

ここで、本発明の最も特徴的な部分について説明する。

前述したように、帰還経路７内の逆止弁１８の直前の上流側（以降、この部分を流入管１９と呼ぶ）においては、受熱空間１３内に滴下する前の作動流体１２が液体として留まっていることになる。

作動流体１２を受熱空間１３内に液体のまま滴下させるには、この流入管１９内において、作動流体１２が気化するほどの熱を加えないことが重要になってくる。そのためには、受熱部４から伝わってくる流入管１９の壁面の熱を作動流体１２に加えないよう、流入管１９の内壁および逆止弁１８の流入管側に露出する面に断熱材２０をコーティングする。

断熱材２０をコーティングしない場合は、受熱板１１で受けた半導体スイッチング素子１０の熱は、受熱空間１３内で作動流体１２を気化させるとともに、温度の上がった受熱空間１３から受熱板カバー１４を経て帰還経路７、すなわち流入管１９へと伝わることになる。

しかし、本実施形態においては、流入管１９部分においては、逆止弁１８も含めたその内壁部分に断熱材２０を設けているので、流入管１９部分に溜まった作動流体１２には熱が伝わりにくくなっている。

そのため、流入管１９内においては、作動流体１２は気化せず、流入管１９内では作動流体１２が液体のまま留まることになる。

従って、帰還経路７を通過した作動流体１２は、液体のまま受熱空間１３へと流入することになるので、受熱空間１３内で一気に気化して循環経路内を作動流体１２が移動する圧力になるのである。

また、流入管１９内部に溜まった作動流体１２に熱が伝わり作動流体１２が流入管１９内部において気化した場合は、循環経路内に逆流が起こり、気化した作動流体１２が流入管１９から帰還経路７を通り、放熱部５まで流れることとなり、冷却装置３の冷却性能を低下させる要因となるが、本実施の形態に示す構成においては、流入管１９から放熱部５までへの逆流を抑制することができる。

なお、この断熱材２０は、流入管１９を形成する壁面（例えば銅）よりも熱伝導率の低い耐熱性の樹脂を用いる。

また、断熱材２０は、コーティングによるものだけではなく、貼り付けたり、あるいは、圧入するものなど、内壁面を形成するものであればよい。

さらに、断熱材２０の表面を撥水性の材料、例えば、テフロン（登録商標）でコーティングするとよい。この撥水コーティング部２１によって、作動流体１２は壁面を抵抗無く移動するので、作動流体１２は、スムーズに流入口１５へと流れていくのである。そして、全体として循環経路内の圧力損失を小さくして作動流体１２の流量を確保できるので、効率的に半導体スイッチング素子１０の冷却が行えるのである。

なお、流入管１９となる部分、すなわち、断熱材２０をコーティングする部分の長さは、長いほど性能がよくなるが、少なくとも逆止弁１８を押し開ける水頭圧を生じさせるだけの作動流体１２の体積分を断熱材２０でコーティングするとよい。

次に、受熱空間１３内について説明する。

受熱板カバー１４の内壁面および逆止弁１８下方の導入管１７には、断熱材２０をコーティングしており、さらにその断熱材２０の表面を撥水性の材料、例えば、テフロン（登録商標）でコーティング（撥水コーティング部２１）してある。この撥水コーティング部２１は、放熱経路６の内壁面にも施すとよい。この構成により、受熱空間１３から流入管１９内部の冷媒への熱移動を低減することができる。

また、このような構成による受熱空間１３内の作用について説明する。受熱空間１３内では、前述したとおり、受熱板１１へ滴下した作動流体１２は、受熱板１１の表面を周囲に拡散するように薄い膜として受熱板１１上に広がる。そして、熱くなった受熱板１１の熱を受けて、薄い膜となった作動流体１２は、一瞬にして加熱され気化することとなる。

しかし、作動流体１２の全てが気化するわけではなく、一部液体のまま排出口１６へと移動する。このとき、作動流体１２は、撥水コーティング部２１を施した受熱板カバー１４の内壁面に接触しながら排出口１６へ移動する。

従って、受熱空間１３内の移動における抵抗を小さく抑えて、作動流体１２の移動に対する圧力損失を抑えることができる。すなわち、スムーズに作動流体１２を流すことができるので、効率よく冷却できるのである。

なお、放熱経路６内の撥水コーティング部２１については、経路全体をコーティングしてもよいが、受熱板カバー１４から離れた部分、すなわち、受熱板１１の熱の影響を受けにくい部分については、壁面の抵抗の少ない材料を用いれば同様の作用・効果が得られる。

なお、上記実施形態においては、断熱材２０の表面を撥水コーティング部２１する場合において説明したが、断熱材２０自体が撥水性を有するものであっても同様の作用と効果を有する。

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、電力変換装置であるインバータ回路２は電子機器でもあり、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、冷媒となる作動流体の循環経路を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部とすることで、作動流体の循環方向を一方向とすると共に、前記帰還経路の受熱部側に、前記受熱部内に前記作動流体を供給する流入管を接続し、前記受熱部と前記流入管の接続部に逆止弁を設けることで、受熱部内で作動流体を急激に気化させ、その受熱板部分において作動流体を勢い良く移動させることができ、その結果として伝熱面における伝熱効率を高め、冷却効果を高めることができる。

また、本発明においては、前記受熱部入口側に設けた流入管の内壁面を、熱伝導率の低い材料でコーティングしたので、作動流体を、逆止弁を介して受熱部に導入されるまで液状態に保つことができる。

このため、上述のごとく、受熱部内で作動流体を急激に気化させ、その受熱板部分において作動流体を勢い良く移動させることができ、その結果として伝熱面における伝熱効率を高め、冷却効果を高めることができる。

このため、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置に使用されるパワー半導体、高い発熱量を有するＣＰＵ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 放熱体
９ 送風機
１０ 半導体スイッチング素子
１１ 受熱板
１２ 作動流体
１３ 受熱空間
１４ 受熱板カバー
１５ 流入口
１６ 排出口
１７ 導入管
１８ 逆止弁
１９ 流入管
２０ 断熱材
２１ 撥水コーティング部

Claims (6)

1. 発熱体からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、
   前記作動流体の熱を放出する放熱部と、
   前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とで構成し、
   前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、
   前記帰還経路の受熱部側には、前記受熱部内に前記作動流体を供給する流入管を接続し、前記受熱部と前記流入管の接続部に逆止弁を設け、
   気化量が減少した前記受熱部内の圧力と前記逆止弁上に溜まった前記作動流体の水頭による圧力との差によって前記逆止弁が押し下げられることにより液化した前記作動流体が前記受熱板上に供給され、
   記受熱板上に供給された前記作動流体は、前記流入管の端部開口と前記受熱板の隙間から外周部へ拡散され薄い膜として前記受熱板上に広がり、
   前記流入管の内壁には、前記流入管を構成する材質よりも熱伝導率の低い断熱コーティン部を少なくとも前記逆止弁を押し開ける水頭圧を生じさせるだけの前記作動流体の体積分に備えたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記逆止弁の前記流入管側に露出する面に、前記逆止弁を構成する材質よりも熱伝導率の低い断熱コーティング部を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記断熱コーティング部が撥水性を有することを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
4. 前記断熱コーティング部の上に撥水性の撥水コーティング部を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
5. 請求項１〜４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。
6. 請求項１〜４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。
   

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