JP2018031557A - 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、放熱部での作動流体冷却を効率的に行い、放熱部内での圧力が降下することで、冷却サイクル全体の圧力も降下することができ、冷却性能の高い冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】発熱体５からの熱を作動流体９に伝える受熱板１２を備えた受熱部７と、作動流体９の熱を放出する放熱部８と、受熱部７と放熱部８とを接続する放熱経路１０と帰還経路１１とを備え、作動流体９を、受熱部７、放熱経路１０、放熱部８、帰還経路１１、受熱部７へと循環させて熱の移動を行う冷却装置６であって、帰還経路１１と受熱部７との接続部から受熱部７内に突出する流入管１７を備え、帰還経路１１または流入管１７に逆止弁１８を設け、放熱部８は放熱経路１０に接続する一次放熱部２１と、一次放熱部２１の下流に設けた二次放熱部２２を備える構成としている。【選択図】図２

Description

本発明は、例えば、電気自動車の電力半導体や、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）等の発熱を伴う発熱部品を冷却するための電子機器用冷却装置および、この電子機器用冷却装置を搭載した電子機器に関するものである。

従来、電子機器用冷却装置は、例えば、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。また、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る。 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ることによって大きく発熱してしまうので、これらの複数の電力半導体を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、ＣＰＵの処理能力を極めて高くしており、その結果として、ＣＰＵの発熱量が増加するためＣＰＵを冷却することが必要となっている。

そこで、従来は、このように発熱を伴う発熱体（上記電力半導体、ＣＰＵ等）に熱伝導可能状態で設置される受熱部、第１の管路、放熱部、第２の管路、前記受熱部を順に接続して作動流体の循環経路を形成するとともに、この循環経路に介在させたポンプによって作動流体を循環させることで、発熱体（例えば上記電力半導体、ＣＰＵ等）を冷却する電子機器用冷却装置が提案されている（これに類似する先行文献としては下記特許文献１が存在する）。

特許第４２８７７６０号公報

しかしながら、このような電子機器用冷却装置では、受熱により気化した作動流体が放熱部において放熱し液化するものの、凝縮した液体の作動流体の温度が十分に下がらないことにより、受熱部での冷却性能が低下するという課題を有していた。

そこで、本発明は、放熱部において液体の作動流体の温度を下げることで、冷却のサイクル全体の圧力を低下させ、結果的に冷却性能の高い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を備え、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、前記帰還経路と前記受熱部との接続部から前記受熱部内に突出する流入管を備え、前記帰還経路または前記流入管に逆止弁を設け、前記放熱部は前記放熱経路に接続する一次放熱部と、前記一次放熱部の下流に設けた二次放熱部を備える構成とし、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を備え、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、前記帰還経路と前記受熱部との接続部から前記受熱部内に突出する流入管を備え、前記帰還経路または前記流入管に逆止弁を設け、前記放熱部は前記放熱経路に接続する一次放熱部と、前記一次放熱部の下流に設けた二次放熱部を備える構成とし、これにより、放熱部において液体の作動流体の温度を下げることで、冷却のサイクル全体の圧力を低下させ、結果的に冷却性能の高い冷却装置を提供するものである。 すなわち、放熱部は一次放熱部を有し、その一次放熱部の下流に二次放熱部をもつ構成にすることにより、一次放熱部から流出した比較的温度の高い液体の作動流体は、二次放熱部で冷却され、温度が降下する。結果として、一次放熱部では作動流体の蒸気から液への相変化（凝縮）、二次放熱部では作動流体の液単相の冷却がそれぞれ主に行われ、二次放熱部において液単相の作動流体の温度が下がることにより放熱部内での圧力が降下することで、冷却サイクル全体の圧力も降下させることができ、受熱部における作動流体の沸点も降下し作動流体が気化しやすくなるため、効率的な発熱体の冷却を行うことができる。

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 同冷却装置を示す概略図 同冷却装置の二次放熱部の構成を示す図 同冷却装置の二次放熱部の構成を示す図

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を備え、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、前記帰還経路と前記受熱部との接続部から前記受熱部内に突出する流入管を備え、前記帰還経路または前記流入管に逆止弁を設け、前記放熱部は前記放熱経路に接続する一次放熱部と、前記一次放熱部の下流に設けた二次放熱部を備える構成とし、これにより、冷却性能を低下させずに発熱体を冷却することができる冷却装置を提供するものである。

すなわち、放熱部は一次放熱部を有し、その一次放熱部の下流に二次放熱部をもつ構成にすることにより、一次放熱部から流出した比較的温度の高い液作動流体は、二次放熱部で冷却され、温度が降下する。結果として、一次放熱部では作動流体の相変化（凝縮）、二次放熱部では作動流体の液単相の冷却が主に行われ、放熱部内での圧力が降下することで、冷却サイクル全体の圧力も降下することができ、受熱部における作動流体の沸点も降下し作動流体が気化しやすくなるため、効率的な発熱体の冷却が行われることで冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

また、前記一次放熱部は、一次流入口と一次流出口を備え、前記二次放熱部は二次流入口と二次流出口を備え、前記一次流入口は前記一次流出口よりも高い位置に配置し、前記二次流出口は前記一次流出口よりも低い位置に配置する構成としてもよい。これにより、一次放熱部では、蒸気の作動流体が液化したときに効率よく下方へ流れ落ち、液化した作動流体は二次放熱部で滞ることなく流れることができるので、効率的な作動流体の冷却が行われることで冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

また、二次放熱部は円管とし、周囲に放熱フィンを備えた構成にしてもよい。この構成により、一次放熱部用以外の送風機など動力を使うことなく放熱フィンから作動流体の熱を放熱することができる。そのため、簡易的に二次放熱部を作成することができ、安価に冷却装置の構成が行える。

また、二次放熱部は、二次流入口側に入口ヘッダーと二次流出口側に出口ヘッダーを備え、入口ヘッダーと出口ヘッダーに連通する複数の円管型のフィンチューブを並列に備えた構成としてもよい。この構成により、複数の円管型フィンチューブを備えているので、放熱部分のフィン面積が多くなり、より効率のよい二次放熱部で液の作動流体を冷却することができるので、より性能の高い冷却装置を提供できる。 また、二次放熱部は、前記二次流入口と前記二次流出口を連通するように、円管型フィンチューブを直列に蛇行して接続する構成にしてもよい。この構成により、液体の作動流体は、二次放熱部内の蛇行管内を直列に移動していくので、液体の作動流体をより長時間二次冷却部で保持することができるため、より性能の高い冷却装置を提供できる。

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、放熱部において作動流体の冷却を効率的に行う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。これにより、放熱部において作動流体の冷却を効率的に行う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２を駆動する電動機３は、電気自動車１の内に配置した電力変換装置４に接続されている。

電力変換装置４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５を備えており、この半導体スイッチング素子５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５を冷却するために、冷却装置６を備えている。冷却装置６は、受熱部７と、この受熱部７で吸収した熱を放熱する放熱部８を備え、受熱部７と放熱部８の間で熱媒体となる作動流体９で例えば水を循環させる放熱経路１０と、帰還経路１１を設けることで、受熱部７、放熱経路１０、放熱部８、帰還経路１１、前記受熱部７と循環す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９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７、放熱経路１０、放熱部８、帰還経路１１、前記受熱部７と一方向に、循環するようになっている。

また、図２に示すように、受熱部７は、半導体スイッチング素子５などの発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板１２と、この受熱板１２の表面を覆い、流れ込んだ作動流体９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９を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から作動流体９を蒸気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１１を接続し、また排出口１６には放熱経路１０を接続している。

さらに、帰還経路１１の受熱部７側には、受熱部７内に作動流体９を供給する流入管１７を、受熱空間１３内に突出させた状態で接続する。流入管１７は、帰還経路１１を受熱部７内に突入させた帰還経路１１を延長したものであってもよいし、帰還経路１１とは別部材の流入管１７を帰還経路１１に接続したものであってもよい。また、受熱部７の流入口１５と、前記流入管１７の接続部に逆止弁１８を設けている。逆止弁１８は、受熱部７の近傍であれば帰還経路１１または流入管１７に設けてもよい。

また、図２に示すように、放熱部８は、作動流体９の流れの上流側に設けた一次放熱部２１と一次放熱部の下流側に設けた二次放熱部２２で構成され、一次放熱部２１は、外気に熱を放出する放熱フィン（図示せず）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、この放熱フィンの表面に送風ファン２０から外気を送風することで、放熱させている。なお、この放熱フィン表面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用することも出来る。放熱部８は、前述のように、作動流体９の流れの上流側に一次放熱部２１と、その下流に二次放熱部２２を備えた構成であり、二種類の放熱部を配管などで連通させて作成する。ここで、作動流体９の流れ方向ではなく、送風ファン２０から作り出される冷却空気２７の流れ方向からすると、二次放熱部２２が冷却空気２７の流れの上流、一次放熱部２１が下流となる。

このような構成による冷却装置６の作用について説明する。

上記構成において、半導体スイッチング素子５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、動き出すこととなる。このとき、半導体スイッチング素子５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５から発される熱は、受熱空間１３の受熱板１２上に供給された作動流体９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１０、一次放熱部２１へと流れ、一次放熱部２１で放熱フィンから熱を外気に放出することにより、作動流体は液化する。一次放熱部２１内で液化した作動流体９は、二次放熱部２２へ移動し、二次放熱部２２内でさらに冷却され温度が降下する。温度が降下した作動流体９は、帰還経路１１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９は、徐々に帰還経路１１内で増加する一方、受熱空間１３内の圧力は、作動流体９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９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１２上へ作動流体９が供給される。このようにして作動流体９が冷却装置６内を循環することで、半導体スイッチング素子５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１１からの作動流体９は、流入管１７から受熱板１２上に液滴となって滴下される。滴下した作動流体９は、流入管１７の端部開口と受熱板１２の隙間から、受熱板１２の外周部へ拡散される。このとき受熱板１２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９は、薄い液膜として受熱板１２上に広がる。受熱板１２の裏面側は、半導体スイッチング素子５ などの発熱体に接触しているので、薄い液膜となった作動流体９は、一瞬にして気化することになる。

例えば、作動流体９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。内部の気圧を−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５の熱を奪い、冷却することができる。また、作動流体９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９は逆流して帰還経路１１側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路１０へ放出させることができる。このように冷却装置６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９を受熱空間１３内で気化させて半導体スイッチング素子５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。

前述の構成とすることにより、作動流体９は、一次放熱部２１では主に凝縮を行い、二次放熱部２２においては、液化した作動流体９の冷却を行い温度が降下することとなる。これにより、放熱部８内での圧力が降下し、結果として冷却サイクル全体の圧力が降下することとなり、それに伴い受熱部での圧力も降下する。そのため、受熱部における作動流体の沸点も降下することとなり、発熱体の熱を受け、作動流体は早く効率よく気化することができるので、発熱体も効率よく冷却できる性能のよい冷却装置６となる。

また、一次放熱部２１は、一次流入口２３と一次流出口２４を備え、二次放熱部２２は二次流入口２５と二次流出口２６を備え、一次流入口２３は一次流出口２４よりも高い位置に配置し、二次流出口２６は前記一次流出口２４よりも低い位置に配置する構成とすることで、一次放熱部２１内で、蒸気の作動流体９が液化したとき、一次放熱部２１内で液滴状態となった作動流体９として留まらず、重力によりうまく下方へ流れ落ちることができる。さらに、液化した作動流体は二次放熱部２２へ移動し、二次放熱部２２内で冷却され温度が低下しつつ流れるので、効率的な作動流体の冷却が行われることで冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。また、作動流体が例えばフロン系、フッ素系等の潜熱が水に比べて比較的低いものを選択した場合、作動流体９の循環量は大きく、一次放熱部２１内で液化した後、二次放熱部２２を通過する流束が早く、冷却量が少ないことがある。そのため、二次放熱部２２を円管とし、周囲に放熱フィンを備えた構成とする。この構成により、まず、簡易的に二次放熱部２２を作成することができ、安価に冷却装置６の構成が行える。さらに、効率的に二次放熱部２２内で作動流体９の冷却を行うことができ、冷却性能の高い冷却装置を提供できる。

また、二次放熱部２２は、図３に示したように、二次流入口２５側に入口ヘッダー２９と二次流出口２６側に出口ヘッダー３０を備え、入口ヘッダー２９と出口ヘッダー３０に連通する複数の円管型フィンチューブ３１を並列に備えた構成としてもよい。図４に示すように、この構成により、複数の円管型フィンチューブ３１を備えているので、放熱部分のフィン面積が多くなり、冷却効率が上昇する。よって、作動流体９の流速が早い場合や、さらに液の作動流体９を冷却したい場合にも対応でき、より効率よく、二次放熱部２２で液の作動流体９を冷却することができるので、より性能の高い冷却装置を提供できる。ここで、一次放熱部２１と二次放熱部２２は接続管２８で接続されており、接続管２８は単管または数本の管でもよい。

また、二次放熱部２２は、図５に示すように、二次流入口２５と二次流出口２６を連通するように、円管型フィンチューブ３１を直列に蛇行して接続する構成にしてもよい。この構成により、液体の作動流体９は、二次放熱部２２内の蛇行管内を直列に移動していくのでより長時間、二次放熱部２２で保持することができる。よって、より作動流体９の冷却時間を長く取ることができ、作動流体９が長時間冷却され温度が低下し、結果として性能の高い冷却装置を提供できる。

なお、上記の二次放熱部２２を上流、一次放熱部２１を下流とし、冷却空気２７の通り道に配置するのがよい。二次放熱部２２で作動流体９を冷却したときの冷却空気は、もとの冷却空気よりも上昇する。一次放熱部２１では蒸気の作動流体９を液化させるが、蒸気の温度以下であれば放熱が可能であるため、外部空気よりも若干上昇した冷却空気２７でもほとんど、作動は可能である。

なお、上記実施形態においては、冷却装置６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４は電子機器でもあり、電子機器に冷却装置６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、前記放熱部に一次放熱部と二次放熱部を設ける構成にしたものであり、一次放熱部では作動流体の相変化（凝縮）、二次放熱部では作動流体の液単相の冷却がそれぞれ主に行われ、放熱部内での圧力が降下することで、冷却サイクル全体の圧力も降下することができ、効率的な作動流体の冷却が行われる。

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 車軸
３ 電動機
４ 電力変換装置
５ 発熱体（半導体スイッチング素子）
６ 冷却装置
７ 受熱部
８ 放熱部
９ 作動流体
１０ 放熱経路
１１ 帰還経路
１２ 受熱板
１３ 受熱空間
１４ 受熱板カバー
１５ 流入口
１６ 排出口
１７ 流入管
１８ 逆止弁
２０ 送風ファン
２１ 一次放熱部
２２ 二次放熱部
２３ 一次流入口
２４ 一次流出口
２５ 二次流入口
２６ 二次流出口
２７ 冷却空気
２８ 接続管
２９ 入口ヘッダー
３０ 出口ヘッダー
３１ 円管型フィンチューブ

Claims (7)

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を備え、
   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、
   前記帰還経路と前記受熱部との接続部から前記受熱部内に突出する流入管を備え、
   前記帰還経路または前記流入管に逆止弁を設け、
   前記放熱部は前記放熱経路に接続する一次放熱部と、前記一次放熱部の下流に設けた二次放熱部を備える構成としたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記一次放熱部は、一次流入口と一次流出口を備え、前記二次放熱部は二次流入口と二次流出口を備え、前記一次流入口は前記一次流出口よりも高い位置に配置し、前記二次流出口は前記一次流出口よりも低い位置に配置したことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記二次放熱部は、円管とし周囲に放熱フィンを備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記二次放熱部は、前記二次流入口側に入口ヘッダーと前記二次流出口に出口ヘッダーを備え、前記入口ヘッダーと前記出口ヘッダーに連通する複数の円管型のフィンチューブを並列に備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
5. 前記二次放熱部は、前記二次流入口と前記二次流出口を連通する円管型フィンチューブを直列に蛇行して接続することを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電子機器。
7. 請求項１〜５のいずれか１つ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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