JP2014116385A - 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、本発明は、１つの冷媒循環系の中に複数受熱器の直列接続を実現しつつ、冷媒循環のための駆動電力を必要とせず高い発熱量に対応可能な小型の冷却装置を実現することを目的とする。
【解決手段】発熱体４からの熱を吸収し冷媒に伝える受熱部８と、前記冷媒の熱を放出する放熱部１０と、受熱部８と放熱部１０とを接続する管路で構成された放熱経路９と帰還経路１１を備え、冷媒を、受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、受熱部８へと循環させ液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置５で、受熱部８には、冷媒の流入口１２と流出口１３を備えた複数の受熱器７が直列に存在し、最上流側の受熱器７の流入口１２に逆止弁１４を設けた構成。
【選択図】図２

Description

本発明は、たとえば、電力半導体を搭載した電気自動車や電子計算機などの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、動作時には、それぞれの電力半導体に大電流が流れ大きく発熱するため、これらの複数の半導体を同時に冷却することが必要となっている。また、同様に近年の電子計算機においても処理情報量の著しい増加に対応するため、電子機器内に多数使用されている発熱体であるＣＰＵの数や発熱量も増加に一途をたどっており、それらを同時冷却することが重要な問題となっている。

そこで、例えば特許文献１に示す冷却装置では、２つの水循環を用い各電子機器からの熱をそれぞれ熱交換する場所へ移動させる第１ループと、その複数点の熱交換部を直列接続した第２ループを用いた冷却装置などが提案されている。

特開２００５−２２２４４３号公報

しかしながら、前記第２ループの様な１つの水循環系の中に複数の受熱器（熱交換部）を有する冷却装置では、各受熱器（各熱交換部）の温度が、それぞれの受熱性能と流入する水温で定まるという特性をもっている。すなわち、最後の受熱部での温度は、その受熱性能で決まる上昇温度と前段の受熱器の排水温度が加算された値となるため、この温度が、最終段に接続された電子機器の動作保証の水温以下ににしなければならないという課題があった。

言い換えれば、１つの水循環系で複数点の受熱器を直列接続で同時冷却するには、後段側の受熱器が動作保証温度を超えないことが絶対条件となる。したがって、このような構成で将来の半導体素子の発熱量の増加に対応するためには、通常、各受熱器の性能を高める対策が必要となり、マイクロチャネル構造の様な特殊な冷却構造を採用するか、ポンプ出力を増やし単位時間あたりの水量を大幅に増加させる方法などが採られる。

しかし、この様な方法では、ポンプの駆動電力が増加するだけでなく、管内圧力も増加することは避けられず、配管系の水漏れなどの危険性も上昇するため、あまり得策とは言えない。また、複数の受熱器を並列接続する方法も考えられるが、この方法では各受熱器へ流入する冷媒温度を下げられるため性能的な面では改善されると考えられるが、各受熱器にすべて流入、流出の配管が必要となり、配管数が増加し複雑となるだけでなく、限られた空間では使えない場合も多かった。

そこで、本発明は、１つの冷媒循環系の中に複数受熱器の直列接続を実現しつつ、外部からの冷媒駆動力を必要とせず高い発熱量に対応可能な小型の冷却装置を実現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、本発明の冷却装置は、発熱体からの熱を吸収し冷媒に伝える受熱部と、前記冷媒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管路で構成された放熱経路と帰還経路を備え、前記冷媒を、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液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置であって、前記受熱部には、冷媒の流入口と流出口を備えた複数の受熱器が直列に存在し、少なくとも前記受熱器のうち最も帰還経路側に位置する受熱器の冷媒の流入口側に逆止弁が設けられていることで、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、受熱部の直列接続した複数の受熱器のうち、少なくとも最も上流側の受熱器の帰還経路との接続部に逆止弁を配することで、外部からの冷媒駆動力を必要とせず高い発熱量に対応可能な小型の冷却装置を提供する事が可能である。

すなわち、本発明は、発熱体からの熱を吸収した前記冷媒を、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液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置であって、前記受熱部には、冷媒の流入口と流出口を備えた複数の受熱器が直列に存在し、少なくとも前記受熱器のうち最も帰還経路側に位置する受熱器の冷媒の流入口側に逆止弁が設けられている。

各受熱器での冷却は、冷媒が受熱板表面で気化する時に潜熱として受熱板から奪うことで行われ、この時の受熱器内温度は、冷媒の飽和蒸気圧力で一義的に定まる飽和蒸気温度によって決まることになる。つまり、本発明では、受熱部が複数の受熱器から構成され、仮にそれぞれが異なる発熱量の発熱体を有していたとしても、受熱部内での圧力は、冷媒の気化による飽和蒸気圧となり、各受熱器は、ほぼ同じ圧力を示すことを意味ずる。この点は、受熱器の接続構成が直列、並列にかかわらず基本的に同じ考え方ができる。ただ、直列接続で構成できる点は、装置の小型化に寄与するため有利である。

また、この時の飽和蒸気圧は、各受熱器に搭載される発熱体の総発熱量で決まり、実際の各受熱器表面温度は、この飽和蒸気温度に各発熱量と受熱板自体の熱抵抗による上昇温度を加算した値を示すことになる。従来の水冷方式で受熱器を直列接続した場合には、上流側の流出水温が下流側の流入水温となるため、下流側の受熱器になるほど受熱器表面温度が高くなることが避けられない構成となっていた。しかし、冷媒の相変化を用いた本発明では、前記した通り複数の受熱器内温度が飽和蒸気圧で決まるため、上流側からの冷媒の温度に影響されることはないのである。

さらに、本発明は、少なくとも最上流側の受熱器に逆止弁を搭載することで、冷媒の循環方向が決まり、受熱器内で発熱体からの熱を受けた冷媒が気化する際の体積膨張によって冷媒自体を放熱部へ高速流動させるため、ポンプなどの電力を使用する冷媒駆動力が不要となる。その結果として、無動力で循環路内を高速で冷媒を移動させることができるため、熱を輸送する単位時間当たりの冷媒量を増やすことができ、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 （ａ）本発明の実施の形態２の冷却装置を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の受熱部の正面図 （ａ）本発明の実施の形態３の冷却装置を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の受熱部の正面図 （ａ）本発明の実施の形態３の冷却装置の低発熱密度用の受熱器の平面図、（ｂ）同受熱器の正面図、（ｃ）同受熱器の側面図 （ａ）本発明の実施の形態３の冷却装置の低発熱密度の他の受熱器の平面図、（ｂ）同受熱器の正面図、（ｃ）同受熱器の側面図 （ａ）本発明の実施の形態３の冷却装置の低発熱密度の他の受熱器の平面図、（ｂ）同受熱器の正面図、（ｃ）同受熱器の側面図 （ａ）高発熱密度の受熱器を示す平面図、（ｂ）同受熱器の正面図 （ａ）高発熱密度の他の受熱器を示す平面図、（ｂ）同受熱器の正面図 （ａ）従来の冷却装置の受熱器の平面図、（ｂ）同受熱器の正面図、（ｃ）同受熱器表面の動作温度の状態を示すグラフ

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は、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を示したものである。同図に示すように、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の車内に配置した発熱体である発熱体４を複数配置した電力変換装置６に接続されている。電力変換装置６は、電力を電動機３に供給している。

また、電力変換装置６には、その発熱体４を冷却する冷却装置５が設けられている。

図１に示すように、冷却装置５は、発熱体４からの熱を吸収し冷媒に伝える受熱部８と、前記冷媒の熱を放出する放熱部１０と、受熱部８と放熱部１０とを接続する管路で構成された放熱経路９と帰還経路１１を備え、冷媒を、受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、受熱部８へと循環させ液相と気相の相変化によって冷却する構成となっている。

受熱部８には、冷媒の流入口１２と流出口１３を備えた複数の受熱器７が直列に存在し、最上流側の受熱器７の流入口１２に逆止弁１４を設けた構成となっている。

そして、冷却装置５の冷媒循環経路は、受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、逆止弁１４で構成された密封系である。

その内部雰囲気は、冷媒が例えば水の場合には、負圧で使用することが多く、封入量は数百ｃｃ程度（循環経路の総容積にもよるが、総容積よりも十分に少ない量）が注入されている。

この様な構成の本実施の形態１の冷却装置５は、受熱器７内で封入された冷媒が発熱体４から熱により気化（相変化）する時、大量の潜熱を奪うことができ、且つ気化時の急激な体積によって気化面には常に高速の冷媒流を形成するため、大容量の冷却に対応可能な、きわめて高い冷却性能を実現することができる。

また、冷媒駆動力は、気化時の体積膨張が担うため、水冷ポンプなどの特別な外部動力を必要としない点は、省電力面でも極めて大きな利点と言える。この点について図８の従来の水冷を用いた場合を例に、もう少し詳しく説明することにする。

図９（ａ）は、一連の水循環系の中に直列接続した複数の受熱器１０７を有する受熱部１０８があり、その両端に放熱経路１０９と帰還経路１１１を介して放熱部１１０が接続されている。また、帰還経路１１１の途中には、冷媒駆動を行う冷媒駆動ポンプ１１７が搭載された構成の平面図である。図９（ｂ）は、受熱部１０８の正面図であり、ここでの説明を簡素化するために受熱器のサイズや発熱体の大きさや発熱量もすべて同じものが並んだ状態を表している。

図９（ｃ）は、図９（ｂ）で示した、発熱体１０４と受熱器１０７との接触点温度の変化を示したグラフである。同グラフからもわかる通り、各発熱体１０４の接触点の温度は、課題のところでも述べたが、上流側からの流入温度と受熱器７の熱抵抗による温度上昇分を加算する形となるため実線の様な総熱量が素子動作保証温度を超えない程度の場合には、冷却装置として機能するが、各素子の発熱量が大きくなり、破線の様に下流側の受熱器１０７で素子動作保証温度を超えてしまう場合には使用できなくなる。

したがって、水冷冷却装置の場合、直列接続では、各受熱器１０７に搭載できる発熱量は低く制限されることになり、これをある程度回避するには、受熱器１０７を並列接続する方法も考えられることは前記したが配管本数の増加で装置全体が複雑となり小型化に不利である。

また、本発明と水冷冷却装置の根本的な違いは、水冷が顕熱による水温変化を利用するのに対して本発明の相変化を用いた冷却では、潜熱を用いる点であると言える。例えば冷媒が水の場合、１ｇあたりの熱輸送量は、潜熱は顕熱の５倍以上となるため、水冷に比べても高い冷却性能が確保できることを意味している。

次に、図２は、本発明の実施の形態２の冷却装置を示す説明図である。この場合、受熱器７が直列接続されている点は、図１の場合と同じであるが、違いは、各受熱器７の流入口１２に、それぞれ逆止弁１４が搭載されていることである。

基本的な動作や利点は、図１の場合とほぼ同じである。ただ、各発熱体（４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ）の発熱量がそれぞれ異なり、その差が非常に大きい場合などでは、図２（ａ），（ｂ）に示す様に、各受熱器７に逆止弁を搭載することで、各受熱器７内部での気化時の圧力上昇が他の受熱器７へ波及することが少なくなり、動作の安定性が確保しやすくなる。

また、図３は、本発明の実施の形態３の冷却装置を示す説明図である。発熱体を冷却する受熱部分が直列接続されている点は、図１や図２の場合と同じであるが、違いは、高発熱密度用の受熱郡２０（発熱体４ａ，４ｂを有する各受熱器７）は帰還経路１１側に、低発熱密度用の受熱郡２１（発熱体４ｃ，４ｄの受熱板１５）は放熱経路９側にそれぞれ配置した構成である。発熱体４ｃ，４ｄに搭載している受熱板は、熱密度が低いため、受熱器カバーを搭載する必要がなく受熱板１５に配管が直接接合された構成を採用することができ、部品点数が減り構成を簡素化できる利点がある。ここでの高発熱密度用の受熱器の熱密度とは、２０Ｗ／ｃｍ２以上であり、低発熱密度用の熱密度とは、２０Ｗ／ｃｍ２未満を意味している。

さらに、図３（ａ）、（ｂ）の様に、発熱密度の高い受熱器７を帰還経路側に配することで、全ての受熱器では気化が起こらず、相対的に熱密度の高い発熱体４ａ，４ｂに搭載された受熱器７のみに気化が起こり冷媒が駆動した場合でも、単独では気化が発生していない発熱体４ｃ，４ｄに搭載している受熱板１５上の配管へ、比較的高速の気相／液相の混相流が流動させることができるため、熱密度の低い受熱板１５上の配管内でも冷却を促進させることができるのである。

図４（ａ）は、図３（ａ）の低発熱密度の発熱体４ｃ（９つに分散した発熱体）と受熱板１５に配管が接合されている状態を示した構成図であり、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は発熱体４ｃと受熱板１５と配管を接合した状態での、それぞれ平面図、正面図、側面図である。

前記した通り受熱器のカバーが不要で部品点数が減り構成を簡素化できる利点がある。図５も図３（ａ）の低発熱密度の発熱体４ｄ（４つに分散した短冊状の発熱体）と受熱板１５に配管が接合されている状態を示した構成図であり、効果は図４の場合とほぼ同じである。

さらに図６は、図５と同じ低発熱密度の発熱体４ｄ（４つに分散した短冊状の発熱体）と受熱板１５を組み合わせた他の構成であり、配管が受熱板１５の下部に接合されている。この構成を採用すると全体の高さを低くする事ができ、冷却効果は図４の場合とほぼ同じである。

次に本実施形態の１〜３に記載の逆止弁１４を搭載した受熱器７について図７、図８を用いて説明する。受熱器７は、図７または図８に示す構成を採用しており、基本的に受熱器７の両側面には、流入口１２と流出口１３が接続されたものとなっている。

まず、図７に示す受熱器７は、図に示すように、その裏面側に、発熱体４（発熱体の一例）に接触させて熱を吸収する吸熱部（発熱体４領域部分）を有する受熱板１５と、この受熱板１５の表面側の気化空間を覆う受熱カバー１６を有し、受熱カバー１６の流出口１３と流入口１２との間部分には、受熱板１５側に接近する狭開口形成部２３を設けている。

また、流出口１３と流入口１２は、受熱器７の側方壁面に設けている。

そして、受熱カバー１６に狭開口形成部２３を設けることにより、受熱器７内に流入口１２側の空間１８と、流出口１３側の空間１９を設け、この空間１８と空間１９の両空間を、狭開口形成部２３を介して連結した状態としている。

なお、流入口１２側の空間１８は、流出口１３側の空間１９よりも小さくしている。

また、受熱板１５の吸熱部（発熱体４領域部分）は、狭開口形成部２３の流出口１３側と、流入口１２側につながった状態で配置しているが、この吸熱部（発熱体４領域部分）も、狭開口形成部２３の流出口１３側の方が、流入口１２側よりも、その面積を大きくしている。

以上の構成において、本実施形態１〜３では、図７に示すように、逆止弁１４は受熱器７の流入口１２近傍に接続した状態としている。また、受熱器７内の流入口１２側の空間１８は、流出口１３側の空間１９よりも小さな状態としている。

初期動作時では、受熱器７内は冷媒で満たされており、発熱体４からの熱によって空間１８と空間１９の両空間でほぼ同時に沸騰が開始される。その後は、空間１８側は逆止弁１４で仕切られているため、両空間の気相冷媒と未沸騰の液相冷媒は、受熱器７内の圧力と外気で冷やされ低圧力を維持した放熱部との圧力差で放熱経路へ高速で流出し、冷媒流動が開始されることになる。この時、受熱器７内では、まず、空間１９内の冷媒が放熱経路内へ流出し、次に空間１８内の冷媒が、逆止弁で仕切られているため、その一部が沸騰し、その時の体積膨張によって気相冷媒が未沸騰の液相冷媒を伴った気液の混相状態で高速の冷媒流となって空間１９側の受熱板１５上の溝２２表面へ広がり、薄膜冷媒層を形成する。この状態で発熱体４からの熱を受けることで、効果的な気化による冷却を行う。

ここで受熱器７内での通常動作のプロセスについて簡単に記す。通常動作では、受熱器７内に封入された冷媒の気化が継続している間は、逆止弁１４は閉鎖状態であり、次に受熱器７内の冷媒気化が進み冷媒のほとんどが流出口１３を経て放熱経路９へ流出した状態になると受熱器７の内圧が低くなり、逆止弁が開放される。そして、新たな冷媒が受熱器７内の空間１８へ流入する。そして、再度、空間１８内の一部の冷媒が沸騰し未沸騰の液相冷媒を伴う高速の混相流となって空間１９側の受熱板１５上へ薄膜冷媒層として広がり、発熱体からの熱によって気化する。この一連のプロセスを繰り返すことで、極めて効率的な冷却装置を実現することができるのである。

また、図８は、図７の場合と同じ働きをする高発熱密度の他の受熱器７の構成図である。この場合も流出口１３と流入口１２は、受熱器７の側方壁面に設けている。また、流入口１２から逆止弁１４を介して、導入管２４が受熱カバー１６の内部に突出しており、その開口が受熱板１５側の中央部に向いた構成としていることが特徴である。この導入管２４が、図７の受熱器７の空間１８と同じ機能を果たす構成となっている。さらに、この構成での受熱板１５は、同図の通り、導入管２４の開口部から周辺へ広がる放射状の溝２２を有する構造を採用している。この構成での相変化による冷却プロセスも前記した図７の場合とほぼ同じである。

なお、図７、図８に示した高熱密度用の受熱器７の冷却プロセスは、逆止弁を搭載することで実現しているが、図４、図５、図６のような相対的に低発熱密度のものは、単独で用いるのではなく、必ず図３の様に受熱部の上流側に高熱密度用の受熱器７を配置した構成で用いることが必要である。

つまり、以上のように本発明は、受熱部の直列接続した複数の受熱器のうち、少なくとも最も上流側の受熱器の帰還経路との接続部に逆止弁を配することで、外部からの冷媒駆動力を必要とせず高い発熱量に対応可能な小型の冷却装置を提供する事ができる。

したがって、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置の冷却装置や、電子機器の高速演算処理装置部分などの冷却装置として有用なものとなる。

１ 電気自動車
２ 車軸
３ 電動機
４ 発熱体
４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ 発熱体
５ 冷却装置
６ 電力変換装置
７ 受熱器
８ 受熱部
９ 放熱経路
１０ 放熱部
１１ 帰還経路
１２ 流入口
１３ 流出口
１４ 逆止弁
１５ 受熱板
１６ 受熱カバー
１７ 冷媒駆動ポンプ
１８ 空間
１９ 空間
２０ 高発熱密度用の受熱郡
２１ 低発熱密度用の受熱郡
２２ 溝
２３ 狭開口形成部
２４ 導入管
２５ 受熱板
１０４ 発熱体
１０５ 冷却装置
１０７ 受熱器
１０８ 受熱部
１０９ 放熱経路
１１０ 放熱部
１１１ 帰還経路
１１２ 流入口
１１３ 流出口
１１７ 冷媒駆動ポンプ

Claims (9)

1. 発熱体からの熱を吸収し冷媒に伝える受熱部と、前記冷媒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管路で構成された放熱経路と帰還経路を備え、前記冷媒を、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液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置であって、前記受熱部には、冷媒の流入口と流出口を備えた複数の受熱器が直列に存在し、少なくとも前記受熱器のうち最も帰還経路側に位置する受熱器の冷媒の流入口側に逆止弁が設けられていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記複数の受熱器は、それぞれの冷媒の流入口側に逆止弁が配されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記複数の受熱器の中で、最も熱密度の高い発熱体を冷却する受熱器を帰還経路側に配したされたことを特徴とする請求項１に記載または請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記複数の受熱器で冷却する発熱体の熱密度が、２０Ｗ／ｃｍ２以上のものは、帰還経路側に、２０Ｗ／ｃｍ２未満のものは、放熱経路側に配されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記複数の受熱器で冷却する発熱体の熱密度が２０Ｗ／ｃｍ２未満のものは、管状受熱器とすることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 熱密度２０Ｗ／ｃｍ２以上の発熱体を冷却する前記複数の受熱器は、受熱板の表面側に、気化空間を覆う受熱板カバーとを有し、前記受熱板カバーの冷媒流出口と流入口との間部分には、前記受熱板側に接近する狭開口形成部を設け、前記受熱板の吸熱部は、前記狭開口形成部の前記流出口側と、流入口側に配置したことを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の冷却装置。
7. 熱密度２０Ｗ／ｃｍ２以上の発熱体を冷却する前記複数の受熱器は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面側を、気化空間を覆った受熱板カバーとを有し、前記受熱板カバーに設けた冷媒流入口から受熱板中心近傍へ流入管を突出させ、その開口部を受熱板側に形成したことを特徴とする請求項１から４いずれかに記載の冷却装置。
8. 請求項１から７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換装置の冷却を行なう電気自動車。
9. 請求項１から７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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