JP6119617B2 - 積層型冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、積層型冷却システムに関する。特に、電動車両用の電気機器を冷却する積層型冷却システムに関する。本明細書において電動車両とは、モータのみを備えエンジンを備えない電気自動車のほか、燃料電池車、及び、モータとエンジンの双方を搭載するハイブリッド車を含む。

電動車両やハイブリッド車のモータを駆動するための電気機器（例えばインバータ等）を、冷媒で冷却する冷却システムが開発されている。このような冷却システムの例として、電気機器を構成している複数の被冷却物（例えば半導体素子を封止している半導体カード）と、内部に冷媒が流れる冷却プレートとを交互に積層した積層型の冷却システムがある。この冷却システムは、通常、複数の冷却プレートをその積層方向に貫通していると共各冷却プレートに冷媒を供給する冷媒供給路と、積層方向に貫いているとともに各冷却プレートから排出された冷媒を集める冷媒排出路とを有している。冷媒供給路と冷媒排出路は冷却プレートの積層方向にみたときに被冷却物の両側に配置されている。そして、冷却プレートは内部が空洞になっており、それ自身が冷媒流路となっている。ポンプで圧送された冷媒は、冷媒供給路を介して各冷却プレートに供給され、冷却プレート内部を流れる間に隣接する被冷却物から熱を吸収し、冷媒排出路を通って再びポンプに戻される。このような冷却システムの例が特許文献１、２に開示されている。

状況に応じて、各冷却プレートに流れる流量を変化させたい場合がある。そこで、特許文献１の冷却システムでは、各冷却プレートの冷媒流路入口に流量調整用の弁を設ける。その弁は、形状記憶合金で作られており、温度変化に応じて流路入口の流路面積を変化させる。また、特許文献２の冷却システムでは、各冷却プレートの流路内に電磁式の弁を設け、各冷却プレートへ流入する冷媒の量を調整する。

特開２００６−１４７９２４号公報 特開２０１３−２６４３４号公報

本明細書は、上記特許文献１、２とは異なる仕組みで各冷却プレートの流量を調整する技術を提供する。特に、簡単な構造で複数の冷却プレートを流れる冷媒流量の差を小さくする技術を提供する。

上記した積層型冷却システムでは、複数の冷却プレートをその積層方向に貫通している冷媒供給路を通じて各冷却プレートに冷媒が分配される。冷媒供給路から各冷却プレートへの分岐点の構造が複数の冷却プレートで同じである場合、分岐点において冷媒供給路の下流へ流れる冷媒の量と冷却プレートへ分流する冷媒の量の比率が各分岐点で同じとなる。そうすると、冷媒供給路の下流の冷却プレート程流量が少なくなる。それゆえ、複数の冷却プレートにおける冷媒流量の調整の一つの方針は、冷媒供給路の上流側の冷却プレートを流れる冷媒流量と下流側の冷却プレートを流れる冷媒流量の差を小さくすることである。

本明細書が開示する積層型冷却システムは次の構成を備える。その積層型冷却システムは、被冷却物と交互に積層されると共に、内部に冷媒が流れる複数の冷却プレートと、複数の冷却プレートの積層方向に冷却プレート群を貫通していると共に冷媒を各冷却プレートに供給する冷媒供給路と、各冷却プレートの流路内において弾性的に支持されていると共に、通過する冷媒の流量が大きい程、冷却プレートにおける流路面積を小さくする弁体とを備えている。より具体的には、各冷却プレートの流路の一部を塞ぐ弁体は、冷媒の流量が大きい程、冷媒の勢いに押されて変形し、流路を塞ぐ面積が大きくなる。即ち、流路面積を小さくする。冷媒の流量が少なくなると、弾性力によって弁体の位置（姿勢）が元に戻り、流路面積が大きくなる。

複数の冷却プレートをその積層方向に貫通している冷媒供給路を通じて各冷却プレートに冷媒を分配する構造では、冷媒供給路の下流程冷媒の流量が少なくなる。上記の冷却システムによれば、冷媒供給路の下流の冷却プレート程、流路面積が大きくなり、冷媒が流れ易くなる。そうすると、冷媒供給路の下流程、冷媒供給路を流れる冷媒量は少なくなるが、冷媒供給路の下流に流れる流量に対して冷却プレートへ分流する冷媒流量の比率が高まる。その結果、冷媒供給路の上流側の冷却プレートと下流側の冷却プレートの流量差が小さくなる。

弁体を含む冷却プレートの好適な一態様は次の通りである。冷却プレート内の流路を積層方向で二分する中間プレートが設けられている。そして、弁体は、中間プレートの冷媒流上流側の端部に弾性的に支持されている。弁体は、中間プレートの端部から冷媒流の上流に向かって冷媒流の方向に対して傾斜するように伸びている。そして、中間プレートの端部から弁体の先端までの長さが、中間プレートとこれに対向する流路内面までの長さよりも短い。

実施例の冷却システム９０の斜視図である。 実施例の冷却システム９０を構成する冷却プレート２の分解斜視図である。 実施例の冷却システム９０の断面図である。 実施例の冷却システム９０における調整弁５付近の拡大断面図である。 他の形態の冷却システム９０における調整弁１０５の拡大断面図である。

電動車両は、走行用モータに電力を供給するための電気機器（インバータや昇圧コンバータ）を備えている。これらの電気機器は出力する電力が大きいため発熱量が大きい。本実施例の冷却システム９０は、このような電気機器を冷媒で冷却するシステムである。

図１に示すように、実施例の冷却システム９０では、電気機器を構成している複数の半導体カード６０と、内部を冷媒が流れる冷却プレート２とが交互に積層されている。冷却システム９０は、いわゆる積層型冷却システムである。冷媒は、供給管３から冷却システム９０に供給され、各冷却プレート２の内部を通り、排出管４から排出される。冷却プレートは、特定の冷却プレートを指定しない場合は単に冷却プレート２と表す。また、個々の冷却プレート２を区別する場合は、２ａ〜２ｇの符号を付す（図１、図３参照）。なお、図１上側（供給管３、排出管４か設けられる側）のプレートが冷却プレート２ａであり、図１下側が冷却プレート２ｇである。なお、冷媒は液体であり、例えばＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）である。

図２を用いて、冷却プレート２の内部構造を説明する。図２中の矢印は冷媒が流れる方向を示している。冷却プレート２は、筐体に相当する上板２１、下板２３と、それらの間に挟まれる中板２２を有する。なお、「上板」「下板」の語は、図１〜図４に図示する際の図中の位置関係に由来する便宜上のものであり、冷却システム９０を実施する際の重力の方向に対する位置関係を意味していない。また、上板２１、下板２３は、冷却システム９０に配置される際の向きが異なるが、同一の形状の部材である。容器状の上板２１、下板２３及び中板２２は、アルミニウムの板をプレス加工して成形される。上板２１の内部には波板で構成されるフィン２４が配置され、中板２２がフィン２４を抑える。また、下板２３の内部にもフィン２４が配置され、これも中板２２が抑える。フィン２４は中板２２と上板２１、下板２３の双方に接触し、半導体カード６０から伝わる熱を冷却プレート２の全体に拡散し易くしている。また、フィン２４は、冷却プレート２の内部を流れる冷媒との接触面積を増加させ、冷媒への熱伝達効率を向上させる。

上板２１は、長手方向における両端にそれぞれ貫通孔を有している。上板２１における貫通孔の位置には接続管２５、２６が設けられている。接続管２５、２６は、それぞれ、上板２１の外側の表面（図２上側の表面）から上板２１の外側（図２上側）に向かって延びている。同様に、下板２３も長手方向における両端に貫通孔を有し、接続管２７、２８が下板２３の外側の表面（図２下側の表面）から下板２３の外側（図２下側）に向かって延びている。中板２２も長手方向における両端にそれぞれ貫通孔２９、３０を有している。上板２１の接続管２５、中板２２の貫通孔２９、下板２３の接続管２７は、図２の上から見たとき（図中のＹ軸方向に見たとき）に重なる位置に設けられている。同様に、上板２１の接続管２６、中板２２の貫通孔２９（図２、図４参照）、下板２３の接続管２８は、図２の上から見たときに重なる位置に設けられている。なお、図１に示した冷却システム９０は、図２の分解斜視図に示した冷却プレート２が複数（図１では７枚）積層されて構成される。なお、詳しくは、図１、図３において最も下側に位置する冷却プレート２（すなわち冷却プレート２ｇ）の下板２３ｇ（図３参照）は貫通孔及び接続管が必要ない。このため、図１、図３には、下板２３ｇには貫通孔及び接続管を設けない例を示している。ただし、下板２３ｇにも貫通孔及び接続管を設け（つまり他の冷却プレート２の下板２３と全く同じ部材を使用し）、かつ、その接続管をキャップ等で塞いでもよい。

図２〜図４に示すように、中板２２は調整弁５を有している。調整弁５は略長方形の平板状である。調整弁５は、接続部６を介して中板２２と接続されている。なお、以下の説明では、中板２２における、調整弁５及び接続部６を除く部分を、中板２２の本体部と呼ぶことが有る。調整弁５は、貫通孔２９の内側に突き出すように設けられている。調整弁５は、貫通孔２９の辺縁部における中板２２の中心側の位置に設けられている。中板２２の本体部、接続部６、調整弁５は、それぞれ一枚の板をプレス加工することにより成形されている。このため、中板２２を比較的簡単に製造することができる。接続部６は、半円弧状に成形されている。このため接続部６のバネ定数は低い。その結果、調整弁５は接続部６を支点にして回転することにより姿勢を変化させることができる。調整弁５の機能については後に詳しく説明する。

図３中の矢印は冷媒の流れを示す。図３では、例えば、冷却プレート２ａに対応する構成については、それぞれの符号の後に記号「ａ」を付して、上板２１ａ、接続管２５ａ、２６ａ、２７ａ、２８ａ、中板２２ａと標記する（冷却プレート２ｂ、２ｇについても同様）。なお、図３では、図１に示した冷却プレート２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆの図示は省略している。供給管３から供給された冷媒は、冷却プレート２ａの上板２１ａの接続管２５ａを通って冷却プレート２ａ内に流入する。接続管２５ａから流入した冷媒の一部は、接続管２５ａの位置から、冷却プレート２ａの内部を通って図３右方向へと流れる。ここで、中板２２は、冷却プレート２ａ内の流路を図３上下方向（冷却プレート２の積層方向）に二分している。このため、冷却プレート２ａ内を流れる冷媒は、中板２２の図３上側に位置する流路７ａと、中板２２の図３下側に位置する流路８ａとに分かれて流れる。

接続管２５ａから流入した冷媒のうち、冷却プレート２ａの内部の流路（すなわち流路７ａ、８ａ）を流れる冷媒以外の冷媒は、下板２３ａの接続管２７ａを通って冷却プレート２ａから流出する。冷却プレート２ａから流出した冷媒は、冷却プレート２ｂの上板２１ｂの接続管２５ｂを通って冷却プレート２ｂに流入する。冷却プレート２ｂにおける冷媒の流れも、冷却プレート２ａと同様である。すなわち、冷媒の一部は中板２２ｂの上下に位置する流路７ｂ、８ｂに流入し、残りの冷媒は下板２３ｂの接続管２７ｂから流出すると共に冷却プレート２ｂの図３下側に隣接する冷却プレート２ｃ（図３では冷却プレート２ｃを図示していないので図１を参照されたい）に流入する。ただし、図１、図３において最も下側に位置する冷却プレート２ｇでは、上板２１ｇの接続管２５ｇから流入した冷媒はすべて中板２２ｇの上下に位置する流路７ｇ、８ｇに流入する（図３）。

以下の説明では、供給管３から各冷却プレート２内を通過して冷却プレート２ｇにまで至る流路を冷媒供給路４０と呼ぶ。換言すると、冷媒供給路４０は、複数の冷却プレート２をその積層方向に貫通していると共に各冷却プレート２に冷媒を供給する。

同様に、本実施例の冷却システム９０は、複数の冷却プレート２を積層方向に貫いているとともに各冷却プレートから排出された冷媒を集める冷媒排出路５０を有している。例えば、冷却プレート２ｂの流路７ｂ、８ｂを流れた冷媒は冷却プレート２ｂの接続管２６ｂを通って冷却プレート２ｂから流出する。冷却プレート２ｂから流出した冷媒は、冷却プレート２ａの接続管２８ａから冷却プレート２ａに流入し、冷却プレート２ａの流路７ａ、８ａを通過した冷媒と合流する。つまり、各冷却プレート２ａ〜２ｇを通過した冷媒は、冷媒排出路５０を通って最終的に排出管４から排出される。

ここで、図４を用いて調整弁５の機能について説明する。上述のように調整弁５は、中板２２の貫通孔２９の内側に突き出すように設けられている。これは、調整弁５が、上述の冷媒供給路４０に突き出して配置されていることを意味する。冷媒流は、調整弁５の近傍では、流路８を図中の左から右へと流れる。それゆえ、別言すれば、調整弁５は、冷媒流の上流に向かって冷媒の流れ方向に対して傾斜するように伸びている。調整弁５は、中板２２の貫通孔２９の辺縁部における中板２２の中心側（図４右側）において中板２２（中板２２の本体部）に接続されていると共に、貫通孔２９の内側方向（図４左方向）に向けて突き出している。調整弁５は、中板２２における冷媒流路上流側（図３左側）の端部に位置している。

調整弁５は、冷却プレート２の流路面積を調整する。詳しくは、調整弁５は、冷媒供給路４０から冷却プレート２への分岐点の位置における冷却プレート２の流路面積を調整する。なお、調整弁５は、直接的には冷却プレート２における中板２２の図４下側に位置する流路８の流路面積を調整する。ここで、冷却プレート２における中板２２の図４上側に位置する流路７は、調整弁５によって影響を受けない。このため、流路８の流路面積を調整することは、冷却プレート２の流路面積を調整することを意味する。

調整弁５は、冷媒供給路４０を流れる冷媒から力を受けて変位する。冷媒供給路４０を流れる冷媒の流量が大きくなる程調整弁５が冷媒から受ける力も大きくなる。調整弁５は、冷媒から力を受けない場合には、図４中実線で図示する姿勢をとる。一方、調整弁５は、冷媒流の上流に向けて、冷媒の流れ方向に対して傾斜するように伸びているので、冷媒から力を受けると図４中二点鎖線で図示する姿勢をとる。調整弁５が図４中実線の位置にある場合には、冷却プレート２の流路８の入り口における幅（図４上下方向、すなわち、冷却プレート２の積層方向における幅）はＬｆである。これに対して、調整弁５が図４中二点鎖線の位置にある場合には、流路８の入り口における幅はＬｇである。ここで、幅Ｌｇは幅Ｌｆよりも狭い。換言すると、調整弁５は、図４中実線の位置では、冷却プレート２の流路８を開放している（流路８の流路面積を大きくしている）。一方、図４中二点鎖線の位置では、冷却プレート２の流路８を閉塞している（流路８の流路面積を小さくしている）。このため、以下の説明では、調整弁５の図４中に実線で示す位置を「開放側」の位置と称することが有る。また、図４中に二点鎖線で示す位置を「閉塞側」の位置と称することが有る。すなわち、調整弁５は、冷媒から受ける力が大きければ大きい程、開放側の位置から閉塞側の位置に向かって変位する。

なお、接続部６の基端部から調整弁５の先端部までの長さＬｈは、中板２２と、下板２３の底との間の距離Ｌｉよりも小さい。このため、冷媒の流量が非常に大きい場合などに調整弁板５が大きく変位しても、流路８の流路面積がゼロになることはない。

本実施例の冷却システム９０は、上述のように、複数の冷却プレート２が積層されており、複数の冷却プレート２を貫通していると共に各冷却プレート２に冷媒を供給する冷媒供給路４０を有している。このような冷却システムにおいて、仮に、冷媒供給路４０から各冷却プレート２への分岐点の構造が、複数の冷却プレート２で同じである場合には、次のようになる。すなわち、各冷却プレート２の分岐点の構造が同じであるので、その分岐点から冷媒供給路４０の下流へ流れる冷媒の量とその冷却プレート２へ分流する冷媒の量の比率は、各冷却プレート２で等しい値となる。例えば、冷却プレート２ａに流入した冷媒の内の一定の比率の冷媒が、冷却プレート２ａの下流側に隣接する冷却プレート２ｂに流入する。その後も同様に、冷却プレート２ｂに流入した冷媒の内の一定の比率の冷媒が、冷却プレート２ｂの下流側に隣接する冷却プレート２ｃに流入する。つまり、各冷却プレート２を流れる冷媒の量は、冷媒供給路４０の上流側から下流側に向かって徐々に少なくなる。

一方、冷媒供給路４０を流れる冷媒の流量に着目すると、冷媒供給路４０の上流では冷媒の流量が多く、冷媒供給路４０の下流になる程冷媒の流量が少なくなる。換言すると、冷媒供給路４０の上流では冷媒の流量が大きく、冷媒供給路４０の下流になる程冷媒の流量が少なくなる。本実施例の冷却システム９０は、このような冷媒供給路４０内における流量の差を利用して冷媒供給路４０から各冷却プレート２へ分流する流量の比率を調整する。

上述したように、冷媒供給路４０では、上流側（冷却プレート２ａ側）から、下流側（冷却プレート２ｇ側）に向かって順番に流量が小さくなる。冷媒供給路４０の上流側（冷却プレート２ａ側）の調整弁５は、「閉塞側」（図４中二点鎖線）に位置する。一方、冷媒供給路４０の下流側（冷却プレート２ｇ側）の調整弁５である程、「開放側」（図４中実線）の位置に近づく。換言すると、冷媒供給路４０の上流側程、冷却プレート２の流路面積が小さくなり、冷媒供給路４０の下流側程、冷却プレート２の流路面積が大きくなる。これにより、上流側の冷却プレート２の冷媒の流量と、下流側の冷却プレート２の冷媒の流量との差が小さくなる。換言すると、各冷却プレート２ａ〜２ｇを流れる冷媒の量が均一化される。

本実施の冷却システム９０では、各冷却プレート２ａ〜２ｇが同一の調整弁５を有している（すなわち、同一の中板２２を有している）。このため、冷却システム９０の構成部品の種類を削減することができる。

次に、図５を用いて冷却システム９０の他の形態を説明する。他の形態の冷却システム９０は、中板２２に替えて中板１２２を有する。上述の実施例の中板２２では、中板２２の本体部、調整弁５、接続部６は、一枚の板をプレス加工することにより形成されていた。これに対して他の形態の中板１２２では、中板１２２の本体部と、調整弁１０５とが別体で構成されている。また、中板１２２の本体部と、調整弁１０５とはばね部材１０６によって接続されている（なお、図５では、ばね部材１０６を模式的に図示している）。ばね部材１０６は、具体的には、バネ用鋼材で形成されている。ばね部材１０６の形状は適宜選択できるが、例えば、板状、線条、コイル状であってもよい。本形態では、中板１２２の本体部及び調整弁１０５と、ばね部材１０６と別体とすることにより、それぞれを適した材料で形成することができる（例えば、調整弁１０５をアルミニウムで形成し、ばね部材１０６をバネ用鋼材で形成する等）。これにより、各冷却プレート２の流量を好適に調整することができる。

上記の実施例及び他の形態において、中板２２、１２２は請求項における「中間プレート」の一例であり、調節弁５、１０５は請求項における「弁体」の一例である。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ；冷却プレート
５、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ、５ｆ、５ｇ；調整弁
３；供給管
４；排出管
５；調整弁
６；接続部
７、７ａ、７ｂ、７ｇ、８、８ａ、８ｂ、８ｇ；流路
２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｇ；上板
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｇ；中板
２３、２３ａ、２３ｂ、２３ｇ；下板
２４；フィン
４０；冷媒供給路
５０；冷媒排出路
６０；半導体カード
９０；冷却システム

Claims (1)

1. 被冷却物と交互に積層されると共に、内部を冷媒が流れる複数の冷却プレートと、
   積層方向に前記複数の冷却プレートを貫通していると共に各冷却プレートに冷媒を供給する冷媒供給路と、
   前記各冷却プレートの流路内において弾性的に支持されていると共に、通過する冷媒の流量が大きい程、前記冷却プレートの流路面積を小さくする弁体と、
   を備えることを特徴とする積層型冷却システム。

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