JP6010753B2 - 冷却装置およびこれを搭載した電気自動車 - Google Patents

Description

本発明は、電力半導体を搭載した電気自動車の冷却装置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以上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、冷却することが必要であった。

例えば特許文献１のように、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。

このような従来の冷却装置においては、受熱部で半導体スイッチング素子の熱を奪って気化した冷媒が上部に配置した冷媒放熱器で冷やされ液化して再び下部に滴下されるサイクルを繰り返している。

また、従来一般的な水冷／空冷の冷却装置は、図３に示すように、半導体スイッチング素子１０１が素子基板１０２を介して受熱部１０３に接している。受熱部１０３と放熱体１０５を循環接続している循環経路１０４の途中に冷媒としての水を循環させるポンプ１０７が設けられ、放熱体１０５近傍には送風機１０６を設け、その送風で放熱を促進させている。

特開平８−１２６１２５号公報

このような従来の冷却装置においては、受熱部１０３の熱伝達率が低いため冷却性能が悪く、半導体スイッチング素子１０１の高密度化に対応できず、複数の半導体スイッチング素子１０１を分散配置する必要が生じ、結果として受熱部１０３が大きくなり、非常に重い冷却装置を採用しなければならいないという課題があった。

また、半導体スイッチング素子が露出状態の場合は、受熱部への通電の恐れがあるため、半導体スイッチング素子と受熱部の間に熱伝導率の低い絶縁板（上記の素子基板１０２）等を設ける必要が生じ、冷却性能が悪くなるという課題があった。

そこで本発明は、上記の従来の課題を解決するものであり、冷却性能を向上させ、受熱部を小型化できる冷却装置を提供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、この受熱部の排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作動流体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作動流体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、前記受熱空間内へ供給された前記作動流体は膜として前記受熱板上に広がり、前記放熱経路の一部および前記帰還経路の一部は、電気抵抗の高い絶縁管で構成され、前記放熱経路および前記帰還経路は、前記絶縁管の前後で電気的に絶縁されていることを特徴とする冷却装置としたものであり、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、受熱部と、この受熱部の排出口の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前記作動流体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作動流体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、前記受熱空間内へ供給された前記作動流体は膜として前記受熱板上に広がり、前記放熱経路の一部および前記帰還経路の一部は、電気抵抗の高い絶縁管で構成され、前記放熱経路および前記帰還経路は、前記絶縁管の前後で電気的に絶縁されていることにより、冷却性能の悪化を防止することができる。

すなわち、放熱経路および帰還経路は、絶縁管の前後で電気的に絶縁されていることにより、発熱体である半導体スイッチング素子が露出状態の場合でも、受熱部と放熱経路と帰還経路の一部に通電の恐れはあるが、絶縁管より放熱部側への通電の恐れはなく、半導体スイッチング素子である発熱体と受熱部の間に絶縁板等を設けなくてもよい分、発熱体と受熱部との間の熱抵抗の増加がなくなり、冷却性能の悪化を防止することができる。

さらに、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記作動流体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、前記受熱空間内へ供給された前記作動流体は膜として前記受熱板上に広がることにより、作動流体を一瞬にして加熱し気化させるものであるので、単に溜め込んだ作動流体を加熱して沸騰させるものに比べて、奪う熱量を大きくすることができる。

本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図 同冷却装置の構成を示す概略図 従来の冷却装置の構成を示す概略図

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）
本実施形態では、背景技術で説明した、従来の一般的な水冷／空冷の冷却装置の受熱部以外の構成は第二冷却装置として流用し、受熱部として別の作動流体系統を有する第一冷却装置を追加している。

ここで、水冷系の第二の冷却装置を流用し、冷却装置を二つに分けた理由について述べる。車へ採用されている従来からの水冷システム（第二の冷却装置）は、大容量の放熱システムとしては、歴史が長く非常に実績のある技術であり、第一と第二の冷却装置の間でうまく熱交換できれば、本発明の第一冷却装置の放熱部を新たに構築する必要が無くなり、低コスト化が可能となるからである。

以下、図１、図２を用いて構成とその作用効果を説明する。

図１に示すように、電力半導体を搭載した電気自動車１の冷却装置は、電力変換装置であるインバータ回路２を冷却するための受熱部３を有する第一冷却装置４と、従来の車両前面に配置された放熱体１０５と送風機１０６からなる放熱部５、循環経路１０４とその途中に設けられたポンプ１０７で構成される第二冷却装置６、および第一冷却装置４と第二冷却装置６を接続する熱交換器７で構成されている。

ここで、以下では、第一冷却装置４は熱交換器７を含んだ構成として説明する。

図示はしていないが、インバータ回路２は、複数の半導体スイッチング素子８を備えている。

図２に示すように、第一冷却装置４は、半導体スイッチング素子８から熱を吸収する受熱部３とこの受熱部３で吸収した熱を放熱する熱交換器７を備え、受熱部３と熱交換器７の間で熱媒体となる作動流体１１を循環させる放熱経路１０ａと帰還経路１０ｂを備えている。また、前記した熱交換器７としては、例えば、プレート型熱交換器といわれる高性能な熱交換器などがある。これは、複数の金属板を所望の隙間を空けて積層された構成となっており、冷却対象の高温流体と低温流体が交互に前記隙間に導かれることで、非常に小型で大容量の熱交換を可能としたものである。

また、受熱部３は、発熱体である半導体スイッチング素子８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１１の蒸発をさせる受熱空間１３を形成する受熱カバー１４と、受熱空間１３に液化した作動流体１１を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から作動流体１１を気体にして排出する排出口１６を備えている。

また、受熱空間１３の流入口１５には、作動流体１１の水頭による圧力によって開動させる逆止弁１８を備えている。

放熱経路１０ａは、排出口１６と熱交換器７、帰還経路１０ｂは、流入口１５と熱交換器７に、それぞれ接続されており、放熱経路１０ａと帰還経路１０ｂそれぞれの途中に絶縁管１７を配している。

第二冷却装置６は、第一冷却装置４から放熱された熱を熱交換器７内で、第二冷却装置６の循環経路１０４を循環する水で受熱し、この受熱した熱は車両前面に配置された放熱体１０５から送風機１０６で発生させた風により放熱される。

また、受熱空間１３と放熱経路１０ａおよび帰還経路１０ｂは密閉にして構成し、内部の圧力を大気圧より低くして、内部を飽和状態にしている。例えば、作動流体１１にエタノールを用いた場合では、内部の初期の圧力は、常温で−９７ＫＰａ程度となる。

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８が動作を開始すると電動機（図示せず）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８には大電流が流れることにより、少なくとも全電力の数％が損失となって大きな発熱をする。

このとき、図２に示すように、第一冷却装置４において、半導体スイッチング素子８から発する熱は、受熱板１２から受熱空間１３の液化した作動流体１１に熱が移される。移された熱によって作動流体１１は一瞬にして気化することになり排出口１６から放熱経路１０ａを流れて熱交換器７内で第二冷却装置６を循環する作動流体に熱を放出する。

熱交換器７の作用によって熱を放出した作動流体１１は液化して帰還経路１０ｂを流れて流入口１５の逆止弁１８の上流側に溜まることとなる。そして、液化した作動流体１１は、徐々に帰還経路１０ｂ内で増加して、その作動流体水頭による圧力によって逆止弁１８を開かせて、再び受熱空間１３内へと流入する。

このようにして作動流体１１が繰り返し第一冷却装置４内を循環して半導体スイッチング素子８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。

逆止弁１８は、流入口１５に凝縮して停留した作動流体１１の水頭圧と、帰還経路１０ｂ内と受熱空間１３内との圧力バランスによって開動するので、開いている時間は短く、受熱空間１３内へは、少量の作動流体１１しか供給されない。

そのため、受熱空間１３内へ供給された作動流体１１は、薄い膜として受熱板１２上に広がり、受熱板１２は半導体スイッチング素子８に接触しているので、薄い膜となった作動流体１１は、一瞬にして加熱され気化することとなる。

受熱空間１３内の気圧は、大気圧よりも低く設定しているので、作動流体１１は、エタノールを使用しても大気圧中のエタノール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、放熱経路１０ａと帰還経路１０ｂ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エタノール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８の熱を奪い、冷却することができる。

つまり、エタノールの蒸発潜熱によって、半導体スイッチング素子８の熱を奪うもので、かつエタノールを一瞬にして加熱し気化させるものであるので単に溜め込んだエタノールを加温して沸騰させるものに比べて、奪う熱量を大きくすることができる。

すなわち、本実施形態の冷却装置は、この高い冷却性能を有することにより、高熱密度の半導体スイッチング素子の冷却ができ、分散配置されていた複数の半導体スイッチング素子がより少ない個数に集約されるため、結果として受熱部の大幅な小型化が実現できるのである。

この小型化の効果は、図３の受熱部１０３と図２の第一冷却装置４の大きさを比較することにより、明らかである。

また、作動流体１１が気化するときに受熱空間１３内の圧力は増加するが、逆止弁１８の作用により作動流体１１が逆流して帰還経路１０ｂ側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路１０ａへ放出させることができる。

すなわち、このように冷却装置内の作動流体循環による規則的な受熱と放熱のサイクルを継続させることで、集約された高熱密度の半導体スイッチング素子８を効果的に冷却することが可能となる。

さて、以上のように本発明の基本部分について説明をしたが、以下に最も重要な特徴について、図２を用いて説明を加える。

既に実施の形態で構成を説明しているが、放熱経路１０ａと帰還経路１０ｂそれぞれの途中に絶縁管１７を配している。絶縁管１７としては、例えば、テフロン（登録商標）などでできた樹脂管や、アルミナなどでできたセラミックス管などが使える。

さらに各経路内を循環させる作動流体１１として、電気抵抗が１０8Ωｃｍより大きい、例えば前記したエタノールなどが使用できる。他にはフロン系の冷媒も使用できる。

上記のように、放熱経路１０ａと帰還経路１０ｂそれぞれの途中に絶縁管１７を配し、各経路内を循環する作動流体１１として、エタノールを使用しているので、半導体スイッチング素子８が露出状態の場合でも、受熱部３と放熱経路１０ａと帰還経路１０ｂのそれぞれ一部に通電の恐れはあるが、絶縁管１７より第二冷却装置６側の広い範囲への通電の恐れはなくなる。

さらに、絶縁管１７の位置は、受熱部３に近いほど、通電（漏電）の範囲は狭くなり好ましい。言い換えれば、半導体スイッチング素子８と受熱部３の間に絶縁板等を設けなくてもよい分、半導体スイッチング素子８と受熱部３との間の熱抵抗の増加がなくなり、大幅な冷却性能の悪化を防止できる。

以上のように、本実施の形態で説明したように、冷却性能を向上させつつ受熱部を小型化できる冷却装置を提供することができるのである。

なお、本実施の形態では、背景技術で説明した、従来の一般的な水冷／空冷の冷却装置の受熱部以外の構成を第二冷却装置として流用したが、熱交換器７と同等の放熱性能が得られる、空冷の放熱部を用いることができれば、第一冷却装置４だけで冷却装置を構成することも可能であり、その作用効果に差はない。

本発明にかかる冷却装置は、受熱部と、この受熱部の排出口の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作動流体を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記作動流体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、前記放熱経路の一部および前記帰還経路の一部は、電気抵抗の高い絶縁管で構成され、前記放熱経路および前記帰還経路は、前記絶縁管の前後で電気的に絶縁されていることで、受熱空間の液化した作動流体は半導体スイッチング素子から気化熱を奪い気化して、放熱経路を介して放熱部で液化後、帰還経路を流れて、流入口から再び受熱空間へ流入することとなるが、逆止弁の作用により、作動流体の流れが一方向規制され、規則的な受熱と放熱のサイクルができ、冷却性能を向上させることができるものであるので、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置や高速演算処理装置等の冷却に有用である。

１ 電気自動車
２ インバータ回路
３ 受熱部
４ 第一冷却装置
５ 放熱部
６ 第二冷却装置
７ 熱交換器
８ 半導体スイッチング素子
１０ａ 放熱経路
１０ｂ 帰還経路
１１ 作動流体
１２ 受熱板
１３ 受熱空間
１４ 受熱カバー
１５ 流入口
１６ 排出口
１７ 絶縁管
１８ 逆止弁
１０１ 半導体スイッチング素子
１０２ 素子基板
１０３ 受熱部
１０４ 循環経路
１０５ 放熱体
１０６ 送風機
１０７ ポンプ

Claims (4)

1. 受熱部と、
   この受熱部の排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作動流体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作動流体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、
   前記受熱空間内へ供給された前記作動流体は膜として前記受熱板上に広がり、
   前記放熱経路の一部および前記帰還経路の一部は、電気抵抗の高い絶縁管で構成され、
   前記放熱経路および前記帰還経路は、前記絶縁管の前後で電気的に絶縁されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記作動流体は、電気抵抗が１０ ⁸ Ωｃｍより大きい物質であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記放熱部は、ポンプにより循環される冷却水によって冷却する水冷式の第二の冷却装置の受熱部と熱的に接続されてい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。
4. 請求項１〜３のいずれか一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。

Images