JP6028232B2 - 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、高性能な冷却装置が必要であった。そこで、従来は、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（例えば特許文献１参照）。

このような従来の冷却装置では、半導体スイッチング素子に接触して冷媒タンク内の液体冷媒を気化させることによる潜熱でスイッチング素子からの熱を除去する方式を採用している。具体的には、気化した冷媒は、上部に配置した放熱器へ上昇後、放熱器内の壁面で凝縮し再び液化する。次に、液化冷媒は、管壁面を伝って下部へ移動し再び同素子からの熱を奪って気化するというサイクルを連続的に繰り返すことで冷却が継続されている。

一般に、高発熱量の発熱体である半導体スイッチング素子等を冷却する際に除去された熱は、最終的には、図５に示すような広い面積を有する放熱部から空気へ放熱する方法が採られている。

特開平４−１３９３６８号公報

しかしながら、このような放熱部では、凝縮した液化冷媒が水平配管内で滞留することにより、冷媒が循環せず上記のサイクルが回らなくなり、冷却性能が著しく低下するという課題を有していた。

そこで、本発明は、放熱部内での液化冷媒の滞留を抑制することで、冷却のサイクルを安定的に繰り返し、冷却性能を低下させず、発熱体を冷却できる冷却装置を提供す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、放熱経路、放熱部、帰還経路、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は逆止弁を設け、前記放熱部内での前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成し、前記ヘアピン管内での流路の下り勾配は、上から下に向かうにつれて大きくなるように傾斜角を順に大きくしたこと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、放熱経路、放熱部、帰還経路、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は逆止弁を設け、前記放熱部内での前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成し、前記ヘアピン管内での流路の下り勾配は、上から下に向かうにつれて大きくなるように傾斜角を順に大きくしたものであるので、放熱部内での液化した作動流体の滞留を抑制することが出来る。

すなわち、本発明においては、冷媒となる作動流体の循環による、受熱部から放熱部への熱搬送を目的としており、放熱部内での作動流体の流路が下り勾配になるように配管を構成したことにより、液化した作動流体を放熱部の配管内で滞留させず、液化した作動流体の重力による下方への流れを促進でき、その結果として発熱体の冷却を連続して安定的に繰り返し、冷却性能を低下させず、発熱体を冷却できる冷却装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図 同冷却装置を示す概略図 （ａ）同冷却装置の放熱部の加工前の構成図、（ｂ）同冷却装置の放熱部の加工後の構成図 （ａ）同冷却装置の他の放熱部の加工前の構成図、（ｂ）同冷却装置の他の放熱部の加工途中の構成図、（ｃ）同冷却装置の他の放熱部の加工後の構成図 従来の冷却装置の放熱部の構成図

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２の１０）を備えおり、この半導体スイッチング素子（図２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２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器として放熱部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２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。

また、受熱部４は、図２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。

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、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、放熱体８は、図３（ａ）に示すように、外気に熱を放出する放熱フィン２０を有するヘアピン管２１であり、アルミニウムを短冊状に薄く形成した放熱フィン２０を所定の間隔をあけて積層しており、ヘアピン管２１が積層した放熱フィン２０を貫通している。

そして、この放熱フィン２０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、この放熱フィン２０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、放熱部５は、図３（ａ）の放熱フィン２０のキリ欠き部を水平切断することで、図３（ｂ）に示すようなヘアピン管２１の両端を上下に広げて設置している。すなわち上端を放熱経路６に、下端を帰還経路７に接続することにより、ヘアピン管２１内の作動流体の流路が下り勾配になるように設置している。

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、動き出すこととなる。

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なり、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上に供給された作動流体１２が、一瞬にして気化するときの潜熱によって除去され、次に、この蒸気が、排出口１６から放熱経路６へと流れ、放熱部５内での凝縮により放熱フィンから熱を外気に放出する。放熱部５内で液化した作動流体１２は、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内の圧力は、作動流体１２の気化に伴って逆に減少して来る。この受熱空間１３内の圧力が、逆止弁１８上に溜まった作動流体１２の水頭圧よりも小さくなった時に、逆止弁１８が押され、再び受熱空間１３内の受熱板１１上へ作動流体１２が供給される。

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おり、作動流体１２は、薄い液膜として受熱板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、薄い液膜となった作動流体１２は、一瞬にして気化することになる。

例えば、作動流体１２を水として、受熱空間１３を含む循環経路内の気圧を大気圧よりも低く設定した場合、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。

通常、放熱部５内では作動流体が気液混合状態でヘアピン管２１に流入し、ヘアピン管２１の最下端、すなわち帰還経路７との接続部の直前で完全に液化し、帰還経路７へと流れ、流入口１５の逆止弁１８上に溜まる。

前述したように、放熱部５は、図３（ｂ）に示すように、上端を放熱経路６に、下端を帰還経路７に接続することにより、ヘアピン管２１内の作動流体の流路が下り勾配になるように設置している。

下り勾配にする理由は、ヘアピン管２１が水平の場合、液化した作動流体がヘアピン管２１内に滞留してしまい（特に、水の場合、管内壁に付着しやすいため）、帰還経路７に流れなくなる恐れがあるためで、冬場の低外気温時には、液化が促進されヘアピン管２１の上端側で滞留が発生しやすく特に有効である。

さらにその下り勾配は、上から下に向かい、その勾配、すなわち傾斜角がθ１＜θ２＜θ３＜θ４となるように構成している。

液化した作動流体がヘアピン管２１内に滞留しにくくするには、傾斜角は一定で大きくすればよいが、図３（ａ）（ｂ）から明らかなように、冷却装置３の大きさを考慮した場合、勾配をつけないほうが小型で好ましいため、作動流体が気液混合状態で気体の量が多い上端側のヘアピン管２１内では、液化した水も圧力により流れやすく傾斜角を小さくでき、冷却装置３の大型化の低減には有効である。

一方、気体の量が少ない下端側のヘアピン管２１内での作動流体の流れは重力の影響が大きく、傾斜角も大きくする必要があるため、重力の影響が上から下に向かうにつれて大きくなるように、傾斜角も順に大きくしている。

また、図３（ｂ）に示すヘアピン管２１の製造は、図３（ａ）の右側面図に記載のように、放熱フィンのヘアピン管２１を挿入する孔の間の両端に切欠きを設けることにより、図３（ａ）の放熱フィン２０を有するヘアピン管２１の両端を上下に広げるだけで容易に製造することができる。

以上のように、放熱部５のヘアピン管２１内の作動流体の流路が下り勾配になるように設置したことにより、ヘアピン管２１内での作動流体の滞留を抑制でき、作動流体１２が冷却装置３内を連続的に循環することが可能となり、半導体スイッチング素子１０の冷却を安定して連続的に行なうことができる。

さらに、放熱部５内に滞留する作動流体の量を低減できるので、初期に冷却装置３内に封入する作動流体の量を低減できるとともに、貯留タンク等を設ける場合には、この貯留タンク容量も小さくでき、冷却装置３の小型化、軽量化という効果を創出できる。

次に、放熱部５の他の構成について説明する。

図４（ａ）に示すように、放熱部５は、外気に熱を放出する放熱フィン３０を有する直管であり、図示の矢印方向に力を加えることにより、図４（ｂ）に示す螺旋状に曲げられた環状管３１とし、螺旋状の環状管３１の両端を上下に広げて図４（ｃ）に示す構成、すなわち上端を放熱経路６に、下端を帰還経路７に接続することにより、環状管３１内の作動流体の流路が下り勾配になるように設置している。

さらにその下り勾配は、上から下に向かい、その勾配、すなわち傾斜角がθ１＜θ２＜θ３となるように構成している。この構成の理由、効果は前述のヘアピン管２１と同じである。

本構成は、前述のヘアピン管２１と比べ、高さ方向が短くできるという効果を奏する。

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、電気とガソリン併用のハイブリッド型の自動車にも適用でき、さらに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、前記放熱部内での前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成したものであるので、放熱部内での液化した作動流体の滞留を抑制することが出来る。

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、３０ 放熱フィン
２１ ヘアピン管
３１ 環状管

Claims (5)

1. ヘアピン管を挿入する孔の間の両端に切欠きを設けた放熱フィンの前記孔にヘアピン管を挿入し、前記放熱フィンを有するヘアピン管の両端を上下に広げ、前記ヘアピン管内での流路が下り勾配になるように構成し、前記ヘアピン管内での流路の下り勾配は、上から下に向かうにつれて大きくなるように傾斜角を順に大きくしたことを特徴とする放熱器。
2. 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は逆止弁を設け、
   前記作動流体の気化に伴って減少した前記受熱部内の圧力が前記逆止弁上に溜まった前記作動流体の水頭圧よりも小さくなることによって前記逆止弁が押されることにより前記受熱板上へ前記作動流体が滴下され、滴下した前記作動流体は前記帰還経路の端部開口と前記受熱板の隙間から外周部へ薄い液膜として拡散され、
   前記放熱器として請求項１記載の放熱器を用いたことを特徴とする冷却装置。
3. 前記ヘアピン管内での流路の下り勾配は、放熱経路側より帰還経路側の方が大きいことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
4. 請求項２または３記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電子機器。
5. 請求項２または３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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