JP2017067355A - 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を供給する導入管１７を接続し、受熱部４と導入管１７の接続部に逆止弁１８を設け、前記放熱部から前記受熱部へ作動流体を帰還させる前記帰還経路の一部が、放熱部５の帰還経路７との接続部より上部に位置する構成としている。【選択図】図２

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、発熱体である電気自動車の電力変換回路に搭載されたパワー半導体や高性能サーバーのＣＰＵなどを冷却する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パワー半導体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、例えば特許文献１のようなループ型ヒートパイプを用いた冷却装置で、半導体スイッチング素子の冷却を行っていた。

以下、特許文献１に示すループ型ヒートパイプについて、図５を参照しながら説明する。

図５に示すようにループ型ヒートパイプは上昇管１０１と下降管１０２とを別個に含むループ回路１０３と、ループ回路１０３に真空下において封入された作動流体である熱媒体１１２と、ループ回路１０３の一部を構成し、かつループ回路１０３の上方に位置する冷却器１０５と、上昇管１０１の下部に位置する加熱部１１３と、ループ回路１０３内の下部に介装しループ回路１０３内の熱媒体１１２の循環方向を限定する逆止弁１１４とを備えている。

ここで、加熱部１１３に接触させた半導体スイッチング素子に熱が発生すると、発生した熱は加熱部１１３へ伝わり、加熱部１１３を循環する熱媒体１１２に熱が加えられ気化する。逆止弁１１４によりその循環方向が制限され、気化した熱媒体１１２は上昇管１０１を上昇し冷却器１０５に導かれて冷却され、ここで、加熱部１１３で加えられた熱を放出する。

冷却器１０５で熱を放出した熱媒体１１２は、下降管１０２を下降し、逆止弁１１４を介して再び加熱部１１３へと循環する。

特開昭６１−０３８３９６号公報

このような従来の冷却装置においては、冷却器１０５内に冷却用の熱交換パイプ１１１が挿入され、この熱交換パイプ１１１には冷却液として水が供給されるようになっている。熱源からの熱で気化した熱媒体１１２の蒸気は、蒸気管１０３を通って冷却器１０５に至り熱交換パイプ１１１と接触し、凝縮することで液化される。この時、冷却器１０５には、熱媒体１１２の蒸気と熱交換パイプ１１１の接触確率が低く、冷却水温の近くまで冷却できないという能力不足の課題があった。

また、半導体スイッチング素子を十分に冷却する目的においては、冷却器１０５で熱を放出し凝縮した熱媒体１１２の温度をさらに低くする必要があり、凝縮した熱媒体１１２の温度を低下させることが要求されていた。

そこで本発明は、凝縮した熱媒体（以下では、作動流体）の温度を低下させ、冷却能力を高めることを目的とするものである。

なお、本特許文献の冷却器は、冷却水を用いた水冷方式であるが、本発明の冷却器は空冷方式の放熱部として説明する。

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、前記放熱部から前記受熱部へ作動流体を帰還させる前記帰還経路の一部が折り返し部になっており、その前記帰還経路の折り返し部を前記放熱部の最下面よりも上部に位置するように構成する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、前記放熱部から前記受熱部へ作動流体を帰還させる前記帰還経路の一部が、前記放熱部の前記帰還経路との接続部より上部に位置するように構成することにより、放熱部内で液化した一定量の作動流体を滞留させ、液化した作動流体の顕熱分を前記放熱部から放熱することで作動流体の温度を外部の空気温度近くまで低下させることが出来る。

以上、本発明は、冷却装置内を循環する作動流体が、放熱部から受熱部へ移動する際の温度を低温化させることで冷却装置の性能を高めることを目的としている。すなわち、前記帰還経路の一部が、放熱部の帰還経路との接続部より上部に位置する構成とすることで放熱部内で液化した一定量の作動流体を滞留させ、前記放熱部から作動流体の凝縮による潜熱分の放熱だけでなく、放熱部内に滞留した作動流体を放熱することによる顕熱分も放熱させることで、液化した作動流体の温度を凝縮温度より低下させ、放熱部の熱抵抗を下げることで、冷却装置の性能を向上させることができるのである。

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 同冷却装置の放熱部の作動流体の液面と帰還経路の折り返し部の構成図 放熱部の作動流体の液面高さと放熱部全高の比率に対する放熱部熱抵抗の変化を折り返し部の有無の場合で規格化したグラフ 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から放熱経路６、放熱部５、帰還経路７を通って前記受熱部４に戻ってく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）は、受熱部４、放熱経路６まで、気体（水の場合水蒸気）や液体及びその混相状態で移動し、放熱部５で全て液体となり、帰還経路７から前記受熱部４へと逆止弁１８によって一方向に、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へ液化した作動流体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、側面に排出口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を供給する導入管１７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、前記導入管１７の接続部に逆止弁１８を設けている。次に、この逆止弁１８を通り導入管１７の先端近傍に供給された作動流体が受熱板１１と接触すると作動流体の一部が気化し、急激な体積膨張を伴う高速の混相流が導入管１７の先端から受熱板１１の周辺部へ噴出することになる。この時、受熱板１１の表面には、未沸騰の作動流体の液膜が形成され、受熱板からの熱を受けて一気に気化することで極めて高い受熱性能を達成することができる受熱部構成となっている。

一方、作動流体１２は、受熱部４で半導体スイッチング素子１０からの熱を気化による潜熱分と顕熱の温度上昇分として受け取り、混相流となって放熱経路６を通って放熱部へ運ばれ、放熱部５で送風機８の送風により空気と熱交換され放熱されることになる。通常、放熱部５内での作動流体は、まず凝縮による液化で潜熱分のみを放熱し、この状態では凝縮温度からの温度の低下は無い。放熱部５の構造が液化した作動流体を一定時間、放熱部内に留める構造が無い場合、例えば放熱部５の最下面に帰還経路７が接続され凝縮後の作動流体がそのまま、帰還経路７に入った場合には、比較的高温の作動流体が受熱部４の逆止弁１８上に溜まることになる。この様な作動流体が受熱部４内へ供給される場合には、総熱輸送の顕熱分が少なくなり、全体の冷却性能が低下してしまう問題があった。

そこで、凝縮後の作動流体を高温のまま帰還経路７へ流すのではなく、図２ように、帰還経路７の一部が、放熱部５の帰還経路７との接続部より上部に位置するように、放熱部５の下部の帰還経路７に折り返し部１９を設け、放熱部５内に停留作動流体９を保持する構造とすることで、放熱部５内の停留作動流体９が送風機８の送風により冷却され、液化した作動流体の顕熱分の放熱を行い凝縮温度より低温に冷却した作動流体を帰還経路７へ流すことができるようになっている。これにより、放熱部５の熱抵抗が下がり、結果として冷却装置全体の冷却性能を高めることが可能となる。

また、帰還経路７と放熱部５との接続部から上部に位置する帰還経路７の一部との高低差と放熱部５の全高との比率が５０％以下である構成としてもよい。

ここで、図３と図４を用いて図２の前記折り返し部１９による停留作動流体９の液溜り高さｈと放熱部の性能改善との関係についてもう少し説明を加える。

図３は、放熱部５の側面に帰還経路７の折り返し部１９を設けた状態の正面図であり、同時に、この折り返し部１９によって放熱部５の内部に液溜り高さｈを形成した状態を表している。この様な構成により、放熱部５内に所望の容積の停留作動流体９を保持することで、放熱部５内の停留作動流体９が送風機８の送風により冷却され、液化した作動流体の顕熱分の放熱が可能となり、前述の通り凝縮温度より低温に冷却した作動流体を帰還経路７へ送り出すことで、結果的に放熱部５の熱抵抗を下げ、冷却装置全体の性能を高めることができるのである。また、図４は、横軸の放熱部高さＨと放熱部内の液溜り高さｈの高さ比率 ｈ／Ｈ（％）を取り、縦軸に液溜り部有りの放熱部熱抵抗Ｒｈと液溜り部無しの放熱部熱抵抗ＲＨによる規格化熱抵抗比率Ｒｈ／ＲＨ（％）を表したグラフである。このグラフより、少なくとも高さ比率が５０％程度までは、放熱部性能改善の効果が期待できることが分かる。

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、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、前記放熱部から前記受熱部へ作動流体を帰還させる前記帰還経路の一部が、放熱部の帰還経路との接続部より上部に位置する構成とすることにより、放熱部内で液化した一定量の作動流体を滞留させ、前記放熱部から放熱することで液化した作動流体の温度を外部の空気温度近くまで低下させることで放熱部性能を高め、冷却装置全体の性能を向上させることができる。

このため、本発明は、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や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 送風機
９ 停留作動流体
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 折り返し部

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、
   前記放熱部から受熱部へ作動流体を帰還させる前記帰還経路の一部が、前記放熱部の前記帰還経路との接続部より上部に位置するように構成したことを特徴とする冷却装置。
2. 前記帰還経路と前記放熱部との接続部から上部に位置する前記帰還経路の一部との高低差と前記放熱部の全高との比率が５０％以下であ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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