JP4085559B2 - 冷却流体冷却型回路装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却流体冷却型回路装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、電気自動車において走行モータ駆動用インバータ装置などに用いられる半導体モジュールは大電力スイッチングを必要とするために発熱が大きく、特に発進や急加速時などにおいて発熱が過渡的に大きくなる特性を有する。この半導体モジュールの冷却には、電気自動車がもつエンジン冷却用のラジエータシステムや車室空調装置を共用すればよいために装置増設負担が軽くかつ空冷に対して格段に冷却効果が大きい液冷方式が従来より採用されており、空調冷媒を用いる方式も考慮されている。以下、この種の冷却方式を採用する回路装置を冷却流体冷却型回路装置と呼ぶものとする。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この冷却流体冷却型回路装置では、発熱する回路部品に冷却流体貫流チューブを直接又は良熱伝導部材を介して密着させる構造を採用することが考えられる。この場合、互いに密着する冷却流体貫流チューブ及び回路部品の接触伝熱面は平坦に形成されるのが好適であるが、平坦な接触伝熱面(冷却用平坦表面)をもつ冷却流体貫流チューブとして、金属押し出し成形品又は金属引き抜き成形品からなる扁平成形チューブを用いることが考えられる。この種の扁平成形チューブは空調装置の間接熱交換器(コンデンサやエバポレータ)用に大量生産されており、極めて安価であるためである。
【0004】
次に、この扁平成形チューブを回路装置を構成する各回路部品に密着させる場合を考える。扁平成形チューブは各回路部品を順番に巡るように配置するのが、構造上、最も簡単となる。しかし、この場合、、各回路部品の発熱量及び大きさはそれぞれ異なるため、小型で接触伝熱面が小さく発熱が大きい回路部品の冷却に合わせて扁平成形チューブの冷却能力を設計すると、大型で接触伝熱面が広い回路部品や発熱が小さい回路部品ではその接触伝熱面の単位面積当たりの発熱量(すなわち発熱密度)が小さいために、冷却能力が過剰となる。扁平成形チューブは圧損をもつため、その引き回し長さに比例してポンプの大型化及びポンプ動力の増加を必要とする。
【0005】
結局、扁平成形チューブを複数の回路部品を順次巡るように引き回す冷却流体冷却型回路装置では、回路部品数の増大に応じて冷却流体の駆動動力が増大し、冷却流体駆動装置の大型化及び消費エネルギーの増大が問題となっていた。
【0006】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、扁平成形チューブを用いる冷却流体冷却型回路装置において、冷却流体駆動動力を低減することをその目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の冷却流体冷却型回路装置は、互いに平行な一対の冷却用平坦表面をもつ金属押し出し成形品又は金属引き抜き成形品からなる冷却流体貫流チューブ、及び、前記冷却流体貫流チューブの前記冷却用平坦表面に直接又は伝熱部材を通じて密着配置される大発熱回路部品及び小発熱回路部品を備える冷却流体冷却型回路装置において、前記冷却流体貫流チューブは、前記大発熱回路部品に密着する第1管部と、前記第1管部と直列に接続されて前記小発熱回路部品に密着する第2管部とを有し、前記第1管部は、前記第2管部よりも大きい部材断面積及び冷却流体接触表面積と前記第2管部よりも小さい冷却流体流路断面積を有する。
【0008】
すなわち、本発明は、互いに平行な一対の冷却用平坦表面をもつ金属押し出し成形品又は金属引き抜き成形品からなる冷却流体貫流チューブ、すなわち扁平成形チューブを複数の回路部品を巡って引き回すに際して、大発熱回路部品に接する扁平成形チューブの部位と、小発熱回路部品に接する扁平成形チューブの部位とで扁平成形チューブの断面形状を変更することにより、回路部品の冷却性を確保しつつその総合圧損を低減したものである。
【0009】
更に説明すれば、扁平成形チューブは、大発熱回路部品に接して大きい部材断面積及び冷却流体接触表面積をもつので、小さい伝熱抵抗と大きなヒートシンク性能をもつことができる。これは、この種の冷却流体間接冷却型伝熱系では、扁平成形チューブと冷却流体との境界部(境界層とも呼ばれる)の伝熱抵抗が支配的となるためであり、これは、流動する冷却流体の境界層では実質的な移動速度が小さく、かつ、流れの乱れも小さいことに起因している。これに対応するために大発熱回路部品に接する第1管部では、扁平成形チューブの部材断面積を大きくしてそのヒートシンクマス性能を向上し、更に冷却流体接触表面積を大きくして放熱能力を向上している。ただし、扁平成形チューブにおける上記部材断面積及び冷却流体接触表面積の増大は冷却流体の圧損増大を招く。
【0010】
これに対し、扁平成形チューブは、小発熱回路部品に接して小さい部材断面積及び冷却流体接触表面積をもつので、大きな伝熱抵抗と小さいヒートシンク性能をもつ。しかし、小発熱回路部品の発熱は小さいので小発熱回路部品の温度上昇をその許容温度範囲に十分維持することができる。更に、扁平成形チューブは、小発熱回路部品に接して大きな冷却流体流路断面積をもつので、この部位における圧損を低減することができる。結局、本構成によれば、両発熱部品の良好な冷却を確保しつつ、全体圧損を低減して冷却流体駆動装置の小型化及び駆動エネルギーの低減を図ることができる。
【0011】
更に、冷却流体貫流チューブすなわち冷却系は合計1回路の冷却流体経路で構成できるので、接続などを簡素化することができる。
【0012】
好適には、第1管部が第2管部よりも上流側に配置されることを特徴としている。本発明によれば、大発熱回路部品をより冷たい冷却流体で冷却することができるので、冷却装置構成を複雑かすることなく大発熱回路部品の冷却性を向上できる。
【0013】
本発明では更に、前記第1管部の端部と前記第2管部の端部とを連結する第3管部を有し、前記第3管部は単一の流路を有して前記第1管部及び第2管部にそれぞれ嵌着されて接合されている。本構成によれば、単管(単一の流路を有する管)であり、第1管部及び第2管部の端部に嵌着されて接合されるので、その圧損は最も小さくすることができ、また引き回しのために変形することが容易であり、複雑な形状の配管構造を簡単に製造することができる。
【0014】
本発明では更に、前記第3管部はU字状に湾曲されており、前記第1、第2管部は第3の回路部品の両面に密着していることを特徴としている。本構成によれば、変形容易で圧損が小さい第3管部をU字状に湾曲させることにより第1管部及び第2管部を第3の回路部品又は前記第1の回路部品の両面に密着させるので、簡素でコンパクトな冷却配管構造で3つ又はそれ以上の回路部品を冷却することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
本発明の冷却流体冷却型回路装置の好適な実施態様を図面を参照して以下説明する。
【0016】
【実施例1】
この冷却流体冷却型回路装置の側面図を図1に、そのB−B線矢視断面図を図2に示す。
【0017】
1は最も発熱が大きい第1の発熱体であり、電気自動車の走行モータ駆動制御用の三相インバータ回路をなす半導体モジュールにより構成されている。2a、2bは第2の発熱体であり、上記三相インバータ回路の一対の直流入力端間に接続される平滑コンデンサにより構成されている。3は第3の発熱体であり、200V以上の主電池と12Vの補機電池との間に介設されて補機電池を充電するための降圧型DCーDCコンバータにより構成されている。
【0018】
4はアルミ材の押し出しまたは引き抜きで製造された扁平成形チューブ(第1管部)であり、その内部には隔壁部により区画されて冷却流体が平行に流れるスリット状の通流部(流路)4aが多数並列に形成されている。
【0019】
5はアルミ材の押し出しまたは引き抜きで製造された扁平成形チューブ(第2管部)であり、その内部には隔壁部により区画されて冷却流体が平行に流れるスリット状の通流部(流路)5aが多数並列に形成されている。図2に示すように、扁平成形チューブ4、5内の各隔壁の形状は同一であるが、扁平成形チューブ4には扁平成形チューブ5の2倍の数の隔壁が形成されており、その分だけ、扁平成形チューブ4の流路4aの合計断面積は扁平成形チューブ5のそれより減少している。
【0020】
6は、アルミ材の押し出しまたは引き抜きで製造された扁平成形チューブ(第3管部)であるが、内部に隔壁をもたず単一の流路を有している。扁平成形チューブ6は、U字状に湾曲成形されており、互いに平行配置された冷却流体貫流チューブ4,6の同一側の端部に圧着され、ろう付けにて接合されている。
【0021】
7、8は、冷却流体貫流チューブ4,5の他端部に接合されたヘッダであり、ろう付けにより接合されている。ヘッダ7,8の一端には配管接続用の雄ねじ管部が設けられている。半導体モジュール1、平滑コンデンサ2a、2b、DCーDCコンバータ3は、図示のようにそれぞれの平坦な放熱面が扁平成形チューブ4〜6の平坦な伝熱面に取り付けられている。平滑コンデンサは2個で無く、一体の1個で構成しても3個で構成しても構わない。半導体モジュール1も、3相インバータの6アームを1個のモジュールとした6in1タイプでも、1相2アームを1個のモジュールとした2in1タイプ3個でも、1アームを1個のモジュールとした1in1タイプ6個でもよい。平滑コンデンサ2a、2bは長円形型のコンデンサであり、両側面は平面なため、容易に両面から冷却することができる。
【0022】
半導体モジュール1の発熱量はDCーDCコンバータ3のそれに比べて数倍から数10倍大きい。平滑コンデンサ2a、2bの発熱量はDC/DCコンバータ3のそれより更に小さい。
【0023】
本構成によれば、大発熱回路部品である半導体モジュール1を冷却する扁平成形チューブ1は小さい伝熱抵抗と大きなヒートシンクマス特性をもつことができ、小発熱回路部品であるDC/DCコンバータ3は、流路断面積が大きく低圧損(流体抵抗小)となるため、全体として必要な冷却性能を確保しつつ圧損を低減することができ、ポンプの小型化とポンプ駆動電力の低減を実現することができる。
【0024】
また、この実施例では、内部に隔壁をもたず変形容易な扁平成形チューブ6を扁平成形チューブ4,5の連結のために用いるので、この回路部品冷却に関与しない第3管部の圧損を更に低減するとともにこの第3管部をU字状に湾曲させて、各回路部品1〜3と扁平成形チューブ4,5を積層配置することができ、冷却配管の引き回しを複雑化することなく装置をコンパクトに構成することができる。
【0025】
更に、U字状に湾曲された第3管部の両端部間の幅を上記積層アセンブリの積層厚さよりわずかに小さくすれば、第3管部が上記積層アセンブリを挟圧するので、熱的結合が良好となり、効率良く冷却することができる。更に、平滑コンデンサ2a、2bは半導体モジュール1のヒートシンクマスとしても機能することができる。
【0026】
更に、この実施例では、冷却流体は第1管部4から第3管部6を経由して第2管部5に流れ、大発熱回路部品である半導体モジュールは上流側でまだ加熱されていない冷却流体により冷却されるので、強力冷却が必要な半導体モジュール1の冷却性を向上することができる。
【0027】
【実施例2】
本発明の装置の他の実施態様を図3を参照して説明する。
【0028】
図3に示す装置は、図1に示す装置において、半導体モジュール1と平滑コンデンサ2a、2bとの配置位置を逆としたものである。ただし、半導体モジュール1としては両面冷却型の半導体モジュールが採用される。
【0029】
このようにすれば、半導体モジュール1は両側から冷却されることができるので、一層冷却性を向上することができる。更に、半導体モジュール1は多くの隔壁を内蔵して伝熱抵抗が小さい扁平成形チューブ(第1管部)4を通じて平滑コンデンサ2a、2bに過渡的に放熱することができるので、平滑コンデンサ2a、2bが半導体モジュール1のヒートシンクマス機能を発揮することができる。
【0030】
(変形態様)
上記実施例では、扁平成形チューブである第3管部6はアルミ押し出し成形品又はアルミ引き抜き成形品としたが、湾曲して両扁平成形チューブ4,5を連結するものであれば、他の構造、形状、材料を用いて作製してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の冷却流体冷却型回路装置の側面図である。
【図2】図1に示す冷却流体冷却型回路装置の断面図である。
【図3】実施例2の冷却流体冷却型回路装置の側面図である。
【符号の説明】
1:半導体モジュール(大発熱回路部品)
3:DC−DCコンバータ(小発熱回路部品)
4:扁平成形チューブ(第1管部)
5:扁平成形チューブ(第2管部)
6:扁平成形チューブ(第3管部)
Claims (2)
- 互いに平行な一対の冷却用平坦表面をもつ金属押し出し成形品又は金属引き抜き成形品からなる冷却流体貫流チューブ、及び、前記冷却流体貫流チューブの前記冷却用平坦表面に直接又は伝熱部材を通じて密着配置される大発熱回路部品及び小発熱回路部品を備える冷却流体冷却型回路装置において、
前記冷却流体貫流チューブは、前記大発熱回路部品に密着する第1管部と、前記第1管部と直列に接続されて前記小発熱回路部品に密着する第2管部と、前記第1管部の端部と前記第2管部の端部とを連結する第3管部とを有し、
前記第1管部は、前記第2管部よりも大きい部材断面積及び冷却流体接触表面積と前記第2管部よりも小さい冷却流体流路断面積を有し、
前記第3管部は、単一の流路を有しかつU字状に湾曲されて前記第1管部及び第2管部にそれぞれ嵌着されて接合され、
前記第1、第2管部は第3の回路部品又は前記第1の回路部品の両面に直接又は、伝熱部材を通じて密着配置されていることを特徴とする冷却流体冷却型回路装置。 - 請求項1記載の冷却流体冷却型回路装置において、
前記第1管部は前記第2管部よりも上流側に配置されることを特徴とする冷却流体冷却型回路装置。
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