JP2017150767A - 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】本発明は、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に使用される冷却装置において、冷却装置内のキャビテーション現象による損傷を防ぐことを目的とするものである。
【解決手段】受熱部６と、受熱部６の流出口１０と放熱経路８を介して接続した放熱部７と、この放熱部７と受熱部６の流入口１５とを接続する帰還経路９とを備え、受熱部６は、流入口１５の下流側に、凝縮して停留した冷媒１８の水頭圧と帰還経路９内と受熱空間１２内との圧力バランスによって開動する逆止弁１４と、逆止弁１４の下流側に、凝縮した冷媒を流入させる導入管１７と、導入管１７を中心とする放射状の溝２１には、受熱部の側壁１６に向かって上向きの傾斜２２をもつ構成とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、作動流体を循環させて冷却を行う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、以下のような構成となっていた。

すなわち、発熱体から発生した熱を受熱する受熱部と、この受熱部の流出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁とを備える構成となっていた。

例えば、これに類似する先行文献として下記特許文献１参照。

特開２００９−８８１２７号公報

上記従来例における課題は、受熱部の側壁近傍でキャビテーション現象が発生することにより、受熱部の側壁近傍の損傷に繋がるという課題があった。

受熱板の面積は、通常、発熱体より大きいため、受熱板の周縁部は発熱体と接触していない。そのため、受熱板の周縁部は、発熱体と接触している部分と比較して温度が低い状態となる。受熱部に流れ込んだ液相の冷媒は、受熱板より熱を受けて沸騰気化するが、温度の低い受熱板の周縁部、すなわち、受熱部の側壁近傍では液相冷媒が気化せずに溜まることがある。この受熱部の側壁近傍に溜まった冷媒に、受熱板上に高速で拡散される沸騰気化した冷媒が、接触することにより、溜まった液相冷媒が気相冷媒から受熱して気化し、液相冷媒の中に気相冷媒の気泡が発生する。この気泡（気相冷媒）の周囲には温度の低い液相冷媒が存在するため、気泡（気相冷媒）は瞬時に液相冷媒に熱を奪われ再び液相冷媒に戻り気泡が消失する。気泡は、瞬時に急激な負圧を伴って消失するため、高い衝撃波を伴う流体移動が受熱部の側壁近傍で発生し、受熱部の側壁表面が削られることがある。

本発明は、受熱板に設けた溝を受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜させることにより、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁の損傷を防止することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、受熱部と、この受熱部の流出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーと、前記流入口の下流側に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記逆止弁の下流側に凝縮した冷媒を流入させる導入管とを備え、前記受熱板は，前記導入管を中心とする放射状の溝を備え、前記溝は前記受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜することを特徴とする。これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、受熱部と、この受熱部の流出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーと、前記流入口の下流側に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記逆止弁の下流側に凝縮した冷媒を流入させる導入管とを備え、前記受熱板は、前記導入管を中心とする放射状の溝を備え、前記溝は前記受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜することを特徴とするものであり、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁の損傷を防止することができるものである。

すなわち、本発明によれば、受熱板に設けた溝を受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜させたため、受熱部の側壁に向かって溝が上向きに傾斜する。そのため、受熱部の側壁近傍に液相冷媒が溜まりにくい。温度の低い受熱部の側壁近傍に液相冷媒が溜まらないので、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁の損傷を防止す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 同冷却装置の構成を示す図 （ａ）従来の受熱部内部の詳細を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１の受熱部内部の詳細を示す図 本発明の実施の形態１の受熱部のＸ−Ｘ’断面を示す図

本発明の冷却装置は、受熱部と、この受熱部の流出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーと、前記流入口の下流側に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記逆止弁の下流側に凝縮した冷媒を流入させる導入管を備え、前記受熱板は、前記導入管を中心とする放射状の溝を備え、前記溝は前記受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜することを特徴とするものであり、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁近傍の損傷を防止することができるものである。

すなわち、本発明によれば、受熱板に設けた溝を受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜させたため、受熱部の側壁に向かって溝が上向きに傾斜する。そのため、受熱部の側壁近傍に液相冷媒が溜まりにくい。温度の低い受熱部の側壁近傍に液相冷媒が溜まらないので、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁近傍の損傷を防止することができるという効果を奏する。

また、前記溝は、前記発熱体の周縁の近傍から前記受熱部の側壁に向かい上向きに傾斜する構成にしてもよい。これにより、発熱体と接触しない温度の低い部分は溝が上向きに傾斜するので、受熱部の側壁近傍に液相冷媒が溜まりにくく、発熱体の熱が受熱部内の傾斜に沿って伝わり広がるため、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁近傍の損傷を防止することができるという効果を奏する。

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、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁近傍の損傷を防止することができる信頼性の高い冷却装置により発熱体の冷却を行なう電子機器とすることができるという効果を奏する。

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。これにより、受熱部の側壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁近傍の損傷を防止することができる信頼性の高い冷却装置により電力変換装置の冷却を行なう電気自動車とすることができる効果を奏する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

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である。

図１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４である半導体スイッチング素子を配置した電力変換装置１９に接続されている。電力変換装置１９は、電力を電動機３に供給している。

また電力変換装置１９には、発熱体４を冷却する冷却装置５が設けられている。

図２は、同冷却装置の構成を示す図である。

図２に示すように、冷却装置５は、受熱部６と、放熱部７と、放熱経路８と、帰還経路９とを備えている。そして冷媒１８が、受熱部６、放熱経路８、放熱部７、帰還経路９、および受熱部６へ循環する。冷却装置５は、冷媒１８の液相と気相との相変化によって発熱体４を冷却する。

ここで受熱部６は、発熱体４から発生する熱を吸収し、吸収した熱を冷媒１８に伝える。放熱部７は、冷媒１８の熱を放出する。放熱経路８および帰還経路９は、受熱部６と放熱部７とを接続する管路により構成されている。

受熱部６は、発熱体４である半導体スイッチング素子に接触させて熱を吸収する受熱板１１と、受熱板１１の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒１８を蒸発させる受熱空間１２を形成する受熱カバー１３とを備えている。

さらに、受熱部６の流入口１５の下流側に、逆止弁１４を備えている。逆止弁１４の下流側には、凝縮した冷媒を流入させる導入管１７を備えている。導入管１７の下端の開口部は、受熱板１１と近接する構成とする。

逆止弁１４は、凝縮して停留した冷媒１８の水頭圧と帰還経路９内と受熱空間１２内との圧力バランスによって開動する。すなわち、受熱空間１２内に存在する冷媒１８が少なくなると冷媒１８の膨張がおさまる。その結果、受熱空間１２内の圧力が下がり、逆止弁１４の上流側に停留した冷媒１８の水頭圧が、受熱空間１２内の圧力より大きくなり、逆止弁１４が開き、冷媒１８が逆止弁１４の下流に設けた導入管１７を流れて、受熱板１１上に流入する。

図４に示すように、受熱板１１は、導入管を中心とした放射状の溝２１を備えており、受熱板１１に流入した冷媒１８は、溝２１上を流れ拡散される。冷却装置５の冷媒循環経路は、受熱部６、流出口１０、放熱経路８、放熱部７、帰還経路９、受熱部６により構成された密閉系経路である。その内部雰囲気は、冷媒が例えば水の場合には大気圧より圧力の低い負圧にて使用することが多く、水の封入量は数百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）である。

このような構成による冷却装置５の作用について説明する。

上記構成において、発熱体４である半導体スイッチング素子が動作を開始すると電動機３に電力が供給されて、電気自動車１は、動きだすこととなる。

このとき、半導体スイッチング素子には大電流が流れることにより、大きな熱が発生する。

ここで、半導体スイッチング素子で発生した熱は、半導体スイッチング素子に接触させた受熱板１１へ伝わる。受熱板１１へ伝わった熱は、受熱空間１２の受熱板１１上に供給された液相の冷媒１８を瞬時に気化させ、気体状態へと変化させる。蒸発潜熱を与えられた気相の冷媒１８は、流出口１０から放熱経路８へと循環し、放熱部７で冷却され凝縮し液相の冷媒１８になることで熱を外気に放出する。

続いて、凝縮潜熱を放出した液相の冷媒１８は帰還経路９へと循環し逆止弁１４の上に溜まることとなる。液相の冷媒１８は、徐々に帰還経路９で増加し、水頭圧力が高くなる。（水頭高さが高くなる。）一方、受熱空間１２では液相の冷媒１８が供給されないため、徐々に気相の冷媒１８が減少し、受熱空間１２の圧力が低下する。

逆止弁１４の上流側の圧力（帰還経路９の液相の冷媒１８の持つ水頭圧力と液相の冷媒１８の液面での圧力との和）が逆止弁１４の下流側の圧力（受熱空間１２の圧力）より高くなった時に、逆止弁１４が開き、液相の冷媒１８は逆止弁１４を通過し、再び受熱空間１２の受熱板１１上に液相の冷媒１８が導入管１７から供給される。液相の冷媒１８は、受熱板１１上に液滴となって導入管１７から滴下される。滴下した液相の冷媒１８は、導入管１７の下端の開口と受熱板１１の隙間から外周部へ拡散される。このとき、受熱板１１の表面では、冷媒１８が薄い膜として広がり、高温の受熱板１１の熱を加えられ一瞬にして気化することとなる。

このようにして冷媒１８が冷却装置５を循環することで、半導体スイッチング素子の冷却を行なうことになる。

すなわち、本実施の形態の冷却装置５は、受熱部６内において封入された冷媒１８が発熱体４から発生した熱を受熱して気化（相変化）する時、大量の潜熱を奪う。また冷媒１８が気化する際の急激な体積膨張によって気化面である受熱板１１には常に高速の冷媒流が形成されるため、大容量の冷却に対応可能な、きわめて高い冷却性能が実現できる。

このような構造の従来の冷却装置において、受熱部の側壁１６近傍で発生するキャビテーション現象が発生し、受熱部の側壁１６近傍の損傷に繋がる可能性があるという課題がある。その理由を説明する。

図３（ａ）は、従来の受熱部内部の詳細を示す図である。図３（ａ）に示すように、発熱体４から発生した熱は受熱板１１上で、ドット柄で示す熱の拡散範囲２３ａのように拡散する。一方、受熱板１１の面積は、発熱体４より大きいため、受熱板１１の周縁部は発熱体４と接触していない。従って、受熱板１１の周縁部、すなわち、受熱部の側壁１６近傍は温度が低い状態となる。そのため、受熱部の側壁１６近傍においては、液相の冷媒１８が気化せずに溜まることがある。そして、受熱部の側壁１６近傍に溜まった液相冷媒１８ａに、受熱板１１上に高速で拡散される沸騰気化した冷媒１８が、接触することにより、溜まった液相冷媒１８ａが気相冷媒１８ｂから受熱し、液相冷媒１８ａの中に気相冷媒１８ｂの気泡が発生する。この気泡の周囲には温度の低い液相冷媒１８ａが存在するため、気泡（気相冷媒１８ｂ）は瞬時に液相冷媒１８ａに熱を奪われ再び液相冷媒１８ａに戻り気泡が消失する。気泡は、瞬時に急激な負圧を伴って消失するため、高い衝撃波を伴う流体移動が受熱部の側壁１６近傍で発生し、受熱部の側壁１６近傍の表面が削られる、いわゆるキャビテーション現象が起こることがあるという課題がある。

そこで、この課題を解決するために、本発明の実施の形態１の冷却装置５は、図３（ｂ）に示すように、導入管１７を中心とした放射状の溝２１を受熱部６の受熱カバー１３の側面である受熱部の側壁１６に向かって上向きに傾斜する構成とした。これにより、受熱空間１２内壁近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することができるものである。

すなわち、本発明によれば、受熱板１１に設けた溝２１を受熱部の側壁１６に向かって上向きに傾斜させたため、受熱部の側壁１６に向かって溝２１が上向きの傾斜２２を有する。そのため、温度の低い受熱部の側壁１６近傍に液相冷媒１８ａが溜まりにくい。温度の低い受熱部の側壁１６近傍に液相冷媒１８ａが溜まらないので、受熱部の側壁１６近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁１６近傍の損傷を防止することができるのである。

また、溝２１は、発熱体４の周縁の近傍から受熱部の側壁１６に向かい上向きに傾斜する構成にしてもよい。これにより、受熱板１１において、発熱体４と接触しない温度の低い部分は溝２１が上向きに傾斜するので、受熱部の側壁１６近傍に液相冷媒１８ａが溜まりにくい。

すなわち、図３（ｂ）の熱の拡散範囲２３ｂに示したように、発熱体４から発生した熱が、発熱体４の周縁の近傍から受熱部の側壁１６に向かい上向きに傾斜する傾斜２２に沿って受熱部の側壁１６の近傍まで受熱板１１上に広がるため、受熱板１１の広範囲において、液相冷媒１８ａは傾斜２２の上で沸騰気化することができるという作用がある。その結果、温度の低い受熱部の側壁１６近傍に液相冷媒１８ａが溜まらないので、受熱部の側壁１６近傍で発生するキャビテーション現象を抑制することにより受熱部の側壁１６近傍の損傷を防止することができるのである。

以上のように本発明にかかる冷却装置は、受熱板は，導入管を中心とする放射状の溝を備え、溝は受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜することを特徴とするものであり、冷却装置において発生するキャビテーション現象の抑制を可能とするものであるので、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である。

１ 電気自動車
２ 車軸
３ 電動機
４ 発熱体（半導体スイッチング素子）
５ 冷却装置
６ 受熱部
７ 放熱部
８ 放熱経路
９ 帰還経路
１０ 流出口
１１ 受熱板
１２ 受熱空間
１３ 受熱カバー
１４ 逆止弁
１５ 流入口
１６ 受熱部の側壁
１７ 導入管
１８ 冷媒
１８ａ 液相冷媒
１８ｂ 気相冷媒
１９ 電力変換装置
２１ 溝
２２ 傾斜
２３ａ 熱の拡散範囲
２３ｂ 熱の拡散範囲

Claims (4)

1. 受熱部と、
   この受熱部の流出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、
   この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路と、
   前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、
   この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーと、
   前記流入口の下流側に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、
   前記逆止弁の下流側に凝縮した冷媒を流入させる導入管とを備え、
   前記受熱板は、前記導入管を中心とする放射状の溝を備え、
   前記溝は、前記受熱部の側壁に向かって上向きに傾斜することを特徴とする冷却装置。
2. 前記溝は、前記発熱体の周縁の近傍から前記受熱部の側壁に向かい上向きに傾斜する構成の請求項１に記載の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置を搭載した電子機器。
4. 請求項１または２に記載の冷却装置を搭載した電気自動車。

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