JP2017009253A - 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

Abstract

【課題】冷媒の循環を効率よく行い、冷却性能を向上させた冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】作動流体１２に熱を伝える受熱板１１を備えた受熱部４と、作動流体１２の熱を放出する放熱部５と、受熱部４と放熱部５とを接続する放熱経路６と帰還経路７とで構成し、作動流体１２を受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４へと循環させて熱の移動を行う冷却装置３であって、帰還経路７の受熱部４側には、受熱部４内に作動流体１２を供給する流入管１９を接続し、受熱部４と流入管１９の接続部に逆止弁１８を設け、放熱部５は放熱フィン２０を貫通したヘアピン管２１を積層し、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。
【選択図】図３

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、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、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、前記放熱部は複数の放熱フィンを有するヘアピン管を備え、前記ヘアピン管は前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成し、前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりは、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたので、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は逆止弁を設け、前記放熱部は複数の放熱フィンを有するヘアピン管を備え、前記ヘアピン管は前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成し、前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりは、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことを特徴とするものであり、これにより、放熱フィンを冷却するときに効率が下がることがなくなるものである。

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、前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりを、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことにより、冷却空気が通行する部分における上方の前記放熱フィンの下端と下方の前記放熱フィンの上端に存在する空隙部が少なくなることで、冷却空気が空隙部に偏ることなく流れ、前記放熱フィンとフィンの間を全体に偏ることなく効率よく通過することができる。よって、放熱フィンを冷却するときに効率が下がることがなくなるので、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

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、前記放熱部は複数の放熱フィンを有するヘアピン管を備え、前記ヘアピン管は前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成し、前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりは、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことにより、放熱フィンを冷却するときの効率が下がることがなくなるものである。

すなわち、本発明においては、前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりを、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことにより、冷却空気が通行する部分における上方の前記放熱フィンの下端と下方の前記放熱フィンの上端に存在する空隙部が少なくなることで、冷却空気が空隙部に偏ることなく流れ、前記放熱フィンとフィンの間を全体に、偏ることなく効率よく通過することができる。よって、放熱フィンを冷却する効率が下がることがなくなるので、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。

また、細長い方形状の板体に前記ヘアピン管を貫通させる貫通孔を複数設け、前記貫通孔と隣の前記貫通孔との間に、前記板体の短手方向の中央部に短手方向に細長い第一切欠部を設け、前記第一切欠部の一方の端部から僅かなつなぎ部を残して斜め上方向または斜め下方向に前記板体の長辺まで達する細長い第二切欠部を設け、前記第一切欠部の他方の端部から僅かなつなぎ部を残して前記一方の端部とは逆方向となる斜め上方向または斜め下方向に前記板体の長辺まで達する細長い第三切欠部を設け、前記第二切欠部と前記第三切欠部の傾斜角度は等しい構成とし、前記ヘアピン管は直管と湾曲管とで構成され、複数の前記板体の間隔をあけて前記貫通孔が連なるように並べ、連なった前記貫通孔に前記直管を各々貫通させ、前記直管と隣の前記直管の端部を前記湾曲管の両端と接続し、前記板体の前記つなぎ部を切り離し、前記２本の直管をＶ字方向に拡げることにより前記放熱フィンを形成してもよい。

この構成により、第一の切欠部と第二の切欠部と、第一の切欠部と第三の切欠部との間に残された僅かなつなぎ部を切り離すという工程を加えるとこで、簡単に製造ができ、放熱フィンを冷却するときの効率が下がることがない冷却装置を提供することができる。

また、本発明の冷却装置を搭載した電子機器という構成にしてもよい。これにより、放熱フィンを冷却するときの効率が下がることがない冷却装置で発熱体の冷却を行なう電子機器とすることができる。

また、本発明の冷却装置を搭載した電気自動車という構成にしてもよい。れにより、放熱フィンを冷却するときの効率が下がることがない冷却装置で発熱体の冷却を行なう電気自動車とすることができる。

（実施の形態１）
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。

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）を備えており、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の上面または側面に、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、帰還経路７の受熱部４側には、受熱部４内に作動流体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を備えており、例えばアルミニウムを短冊状に薄く形成した放熱フィン２０は所定の間隔をあけて積層されている。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に設けた各切欠部の僅かなつなぎ部を切断し、図３（ｂ）に示すように、２本の直管をＶ字方向に拡げる（ヘアピン管２１の両端を上下に広げる）ことにより作成する。すなわち、放熱部５は、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、作動流体の流路が下り勾配になるように設置している。また、放熱フィン２０の下端と、下方に配置された放熱フィン２０の上端との水平方向から見た重なりを、ヘアピン管２１の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことにより、冷却空気が通行する部分における上方の放熱フィン２０の下端と下方の放熱フィン２０の上端に存在する空隙部が少なくなることで、冷却空気は、空隙部に偏ることなく流れ、放熱フィン２０とフィンの間を全体に、偏ることなく効率よく通過することができる。よって、放熱フィン２０を冷却する効率が下がることがなくなるので、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となる。

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２０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くる。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相と液相の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は完全に液化し、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１２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、冬場において低い外気温である時には、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、この構成とすることは特に有効である。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。

次に、図３（ｂ）に示す放熱部は、以下のように簡単に製造することができる。

図３（ａ）に示すように、放熱フィン２０には、例えばアルミニウムの細長い方形状の板体に前記ヘアピン管２１を貫通させる貫通孔２３を複数設け、貫通孔２３と隣の貫通孔２３との間に、板体の短手方向の中央部に短手方向に細長い第一切欠部２４を設けている。第一切欠部２４の一方の端部から僅かなつなぎ部２７を残して斜め上方向または斜め下方向に板体の長辺まで達する細長い第二切欠部２５を設け、第一切欠部２４の他方の端部から僅かなつなぎ部２７を残して前記一方の端部とは逆方向となる斜め上方向または斜め下方向に板体の長辺まで達する細長い第三切欠部２６を設け、第二切欠部２５と第三切欠部２６の傾斜角度は等しい構成としている。そして、ヘアピン管２１は直管と湾曲管とで構成され、複数の板体の間隔をあけて貫通孔２３が連なるように並べ、連なった貫通孔２３に直管を各々貫通させ、直管と隣の直管の端部を湾曲管の両端と接続し、複数の板体のつなぎ部２７を例えば円盤カッターで切り離し、２本の直管をＶ字方向に拡げることにより放熱フィン２０を形成し製造する。

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１２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。さらに、流路の下がり勾配を持つ放熱部５の製造は、放熱フィン２０の切欠部２２の間の僅かなつなぎ部２７を切断し、２本の直管をＶ字方向に拡げることで、簡単にでき、放熱フィンを冷却する効率が下がることがなくなるので、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。

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り、前記放熱部は、放熱フィンを有するヘアピン管で構成し、前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりは、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことにより、前記放熱フィンの冷却の効率が下がることがなくなる。

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
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 放熱フィン
２１ ヘアピン管
２２ 切欠部
２３ 貫通孔
２４ 第一切欠部
２５ 第二切欠部
２６ 第三切欠部
２７ つなぎ部

Claims (4)

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は逆止弁を設け、
   前記放熱部は複数の放熱フィンを有するヘアピン管を備え、
   前記ヘアピン管は前記作動流体の流路が下り勾配になるように構成し、
   前記放熱フィンの下端と、下方に配置された放熱フィンの上端との水平方向から見た重なりは、前記ヘアピン管の湾曲部から次の下流の湾曲部まで次第に小さくなる構成としたことを特徴とする冷却装置。
2. 細長い方形状の板体に前記ヘアピン管を貫通させる貫通孔を複数設け、
   前記貫通孔と隣の前記貫通孔との間に、前記板体の短手方向の中央部に短手方向に細長い第一切欠部を設け、前記第一切欠部の一方の端部から僅かなつなぎ部を残して斜め上方向または斜め下方向に前記板体の長辺まで達する細長い第二切欠部を設け、前記第一切欠部の他方の端部から僅かなつなぎ部を残して前記一方の端部とは逆方向となる斜め上方向または斜め下方向に前記板体の長辺まで達する細長い第三切欠部を設け、前記第二切欠部と前記第三切欠部の傾斜角度は等しい構成とし、
   前記ヘアピン管は直管と湾曲管とで構成され、
   複数の前記板体の間隔をあけて前記貫通孔が連なるように並べ、連なった前記貫通孔に前記直管を各々貫通させ、前記直管と隣の前記直管の端部を前記湾曲管の両端と接続し、前記板体の前記つなぎ部を切り離し、前記２本の直管をＶ字方向に拡げることにより前記放熱フィンを形成することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電子機器。
4. 請求項１または２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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