JP6205575B2 - 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

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、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おり、それぞれの素子に数十アンペアの大電流が流れる。

このため、電気自動車の駆動にともない、このインバータ回路は高温化し、冷却することが必要であった。

そこで、従来は、上記インバータ回路を、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冷却するようにしていた。

特開平８−１２６１２５号公報

すなわち、従来の冷却装置においては、その冷媒タンクを、上記インバータ回路の半導体スイッチング素子に接触させて配置し、この冷媒タンク内の液化冷媒を、スイッチング素子からの熱で気化させる。

そして、気化した冷媒を、上部に配置した冷媒放熱器に上昇させ、そこでの冷却で凝縮液化させ、再び下部に滴下させるサイクルを繰り返させる構成としている。

つまり、自然対流によって冷媒を循環させ、インバータ回路を、冷却するようにしていた。

しかしながら、このような自然対流式のものでは、スイッチング素子の熱を、冷媒タンク内に溜められた液化冷媒に、冷媒タンクの壁面（伝熱面）を介し、単なる対流熱伝達で伝熱させていただけであるので、伝熱面における熱伝達率を高めることができず、その結果として、インバータ回路の冷却効果を高めることが出来なかった。

そこで、本発明は、冷却効果を高め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、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、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、前記帰還経路の前記受熱部近傍、または前記受熱部内に、前記作動流体の流れを制御する逆止弁を設け、前記逆止弁は、弁孔を有する弁座と、この弁座の前記弁孔を開閉する弁板とを有し、前記弁座の弁板側で、弁孔の外周には、平面当接面を設け、前記弁板には、前記弁座の弁孔と平面当接面を覆う開閉部を設け、弁板の一端側を固定部とし、他端側を可動部とし、これらの可動部と固定部の間を開閉部とし、弁板を金属板で構成し、その固定部から可動部側方向、または可動部から固定部側方向を金属の圧延方向とし、これにより所期の目的を達成するものである。

本発明は、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、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、前記帰還経路の前記受熱部近傍、または前記受熱部内に、前記作動流体の流れを制御する逆止弁を設け、前記逆止弁は、弁孔を有する弁座と、この弁座の前記弁孔を開閉する弁板とを有し、前記弁座の弁板側で、弁孔の外周には、平面当接面を設け、前記弁板には、前記弁座の弁孔と平面当接面を覆う開閉部を設けたものであるので、冷却効果を高めることが出来る。

すなわち、本発明は、前記帰還経路の前記受熱部近傍、または前記受熱部内に、前記作動流体の流れを制御する逆止弁を設けることで、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと強制循環させることができ、その結果として、受熱部における冷却効果を、従来の自然循環式のものに比べ、極めて高くすることが出来るのである。

また、このように作動流体を自発駆動循環させるためには、受熱部において、逆止弁が適切に機能する必要があるが、本発明の逆止弁は、弁孔を有する弁座と、この弁座の前記弁孔を開閉する弁板とを有し、前記弁座の弁板側で、弁孔の外周には、平面当接面を設け、前記弁板には、前記弁座の弁孔と平面当接面を覆う開閉部を設けたものであるので、逆止弁閉成時、つまり弁板の開閉部で弁座の弁孔を覆っている時には、弁座の弁孔外周に設けた平面当接面も、この開閉部で覆われることとなる。

そして、この弁座の弁孔外周に設けた平面当接面と、それを覆う開閉部の間にも、作動流体が存在する状態となり、つまり弁孔は弁板の開閉部で覆われるだけでなく、その外周において、弁座の弁孔外周に設けた平面当接面と、それを覆う開閉部の間に存在する作動流体によっても覆われ、この結果として、逆止弁閉成時における閉止機能が適切に発揮され、これによって、受熱部における冷却効果を、従来の自然循環式のものに比べ、極めて高くすることが出来るのである。

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 同逆止弁を示す分解斜視図 同逆止弁を示す一部切断斜視図 （ａ）同逆止弁を示す断面図（ｂ）図５（ａ）のＢ部分拡大断面図（Ｃ）図５（ａ）のＣ−Ｃ線断面図 （ａ）同逆止弁を示す断面図（ｂ）図６（ａ）のＢ―Ｂ線断面図 濡れ縁寸法と規格化温度比の関係を表すグラフ

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、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、前記受熱部４とな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）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４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、前記受熱部４と一方向に、循環するようになっている。

前記放熱部５は、図２に示すように、外気に熱を放出する放熱体８を備えている。

この放熱体８は、アルミニウムを短冊状に薄く形成したフィンを所定の間隔をあけて積層したブロック体（図示せず）と、積層したフィンを貫通する放熱経路６とで構成されている。

そして、この放熱体８の表面に送風機９から外気を送風することで、放熱をさせている。なお、この放熱体８の表面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用することも出来る。

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に液化した作動流体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、受熱板カバー１４の側面に排出口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を供給する流入管１９を、受熱空間１３内に突入させた状態で接続している。

以下では受熱空間１３内の流入管１９を導入管１７と記載する。なお、本実施形態では、流入管１９の導入管１７入口部分に逆止弁１８を有している。

このような構成による冷却装置３の作用について説明する。

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１０が動作を開始すると電動機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１０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く発熱する。

一方で、受熱空間１３の受熱板１１上に供給された液状の作動流体１２へ、半導体スイッチング素子１０から熱が移動すると、この液状の作動流体１２は一瞬にして気化、膨張し、蒸気が排出口１６から放熱経路６へと流れ、最終的に放熱部５で凝縮により液化することで熱を外気に放出する。

放熱部５の作用によって液化後、熱を放出した作動流体１２は、帰還経路７へと流れ、流入管１９内の逆止弁１８上に溜まることとなる。

液化した作動流体１２は、徐々に帰還経路７内で増加する一方、受熱空間１３内での作動流体１２の気化量が減少し、受熱空間１３内の圧力も減少し、逆止弁１８上に溜まった作動流体１２の水頭による圧力によって逆止弁１８を開放（押し下げる）すると、再び受熱空間１３内の受熱板１１上に、液状の作動流体１２が供給される。

このようにして作動流体１２が冷却装置３内を循環することで、半導体スイッチング素子１０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７からの作動流体１２は、逆止弁１８から受熱板１１上に液滴となって滴下される。

この時には、先ず導入管１７内でその一部が気化し、膨張するので、導入管１７外周の受熱板１１表面へと、放射状に、薄い膜として広がる。

受熱板１１の裏面側は、半導体スイッチング素子１０に接触しているので、薄い膜となった作動流体１２は、一瞬にして加熱され気化されることとなる。

受熱空間１３を含む循環経路内の気圧は、大気圧よりも低く設定しているので、作動流体１２は、水を使用しても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。

本実施の形態では、気圧を−９７ＫＰａにして、循環経路内を飽和蒸気圧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１０の熱を奪い、冷却することができる。

また、作動流体１２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１２は逆流して帰還経路７側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路６へ放出させることができる。

このように冷却装置３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１２を受熱空間１３内で気化させて半導体スイッチング素子１０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。

ここで、本実施形態の最も特徴的な部分について、図３〜図６を用いて説明する。

本実施形態の逆止弁１８は、弁孔２０を有する弁座２１と、この弁座２１の前記弁孔２０を開閉する弁板２２と、この弁板２２の下面を受けるケース２３により構成されている。

また、弁座２１には、弁孔２０に連通する貫通孔２４が設けられ、この貫通孔２４の上方に、流入管１９が連結されている。

また、弁板２２はその内方にＵ字状の切溝２５が設けられ、これによって切溝２５内方に開閉部２６が形成されている。つまり、弁板２２の一端側を固定部とし、他端側の開閉部２６を可動部としているのである。なお、本実施形態では、上述のごとく、開閉部２６の外周には切溝２５が設けられており、この切溝２５の外周部分も弁座２１とケース２３によって挟まれた固定部を形成し、これによって開閉部２６が上下に安定可動する可動部を形成した状態となっている。

さらに、ケース２３は上面が弁板２２の固定部との接触面を除いてほぼ全面開口状態となったもので、内部には、弁板２２が図５のごとく下方に可動できる空間２７を有し、さらに下面には貫通孔２８が設けられている。

そして、この貫通孔２８に導入管１７が連結されている。

そして、この構成において、上述のごとく、受熱空間１３内の圧力で、逆止弁１８の開閉部２６を持ち上げる力のほうが、開閉部２６上に帰還した作動流体１２の水頭圧で、これを下方に押し下げる力よりも大きい状態では、図６のごとく逆止弁１８の開閉部２６は弁座２１の弁孔２０を覆った状態となっている。

このため、受熱空間１３内の作動流体１２が逆流して帰還経路７側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路６へ放出させることができる。

また、本実施形態においては、図５、図６からも理解されるように、弁座２１の弁板２２側で、弁孔２０の外周には、平面当接面２９を設けている。

つまり、弁座２１の弁板２２側を、弁板２２の開閉部２６よりも大きな平面とし、この平面に弁孔２０、その外周に平面当接面２９を設けているのである。

また、前記弁板２２は前記弁座２１の弁孔２０と、平面当接面２９を覆うように平板状としたが、弁板２２を例えばステンレスなどの薄い金属板で形成することで、開閉部２６が弾性変形して可動し、弁孔２０を開閉するものとなる。

このため、逆止弁１８閉成時、つまり弁板２２の開閉部２６で弁座２１の弁孔２０を覆っている時には、弁座２１の弁孔２０外周に設けた平面当接面２９も、この開閉部２６で覆われることとなる。

そして、この状態では、図６（ｂ）のごとく、弁座２１の弁孔２０外周に設けた平面当接面２９と、それを覆う開閉部２６との隙間にも、作動流体１２が存在する状態となる。つまり弁孔２０は弁板２２の開閉部２６で覆われるだけでなく、その外周において、弁座２１の弁孔２０外周に設けた平面当接面２９と、それを覆う開閉部２６との隙間に図６（ｂ）の斜線で示すような薄膜状の作動流体１２が形成されることになる。その結果として、逆止弁１８閉成時における気密性が高まり閉止機能が適切に発揮され、これによって、受熱部４における冷却効果を、従来の自然循環式のものに比べ、極めて高くすることが出来るのである。さらに弁板２２の開閉部２６が開閉時に平面当接面２９の広い面積との衝突を繰り返すので、平面当接面２９がなく流入管１９の端面の細い環状の狭い面積との衝突を繰り返す場合に比べ、弁板２２の損傷が少なく、弁板２２の耐久性を向上させることができる。

また、図６、図７を用いて、前述の平面当接面２９と開閉部２６との間に形成される薄膜状の作動流体１２の形成寸法（以下、濡れ縁寸法）と機密性の関係について説明する。図６より、ＸＹ方向それぞれの濡れ縁寸法をＷｘ，Ｗｙと表示し、弁孔２０の開口縁から開閉部２６の各方向端部までの最短寸法として表す。図７のグラフは、この濡れ縁寸法と規格化温度比（受熱板温度Ｔｓと安定受熱板温度Ｔｓｔの比）の関係を表したものである。受熱板温度Ｔｓは、濡れ縁寸法を増加させて行くと、ある寸法以上で、一定となる。この一定となる温度を規格化受熱板温度Ｔｓｔとする。図７より、濡れ縁寸法Ｗが、０．２ｍｍよりも小さくなると規格化受熱板温度比（Ｔｓ／Ｔｓｔ）が増加する傾向にあることがわかる。これは、濡れ縁寸法が、０．２ｍｍより小さくなると、薄膜状の作動流体１２による機密性が低下するので、逆止弁１８に気化した冷媒の逆流が発生し、本来の冷媒循環が損なわれ、受熱板温度Ｔｓが上昇することが原因である。したがって、この気化冷媒の逆流を防止し、冷却性能を安定させるためには、濡れ縁寸法を少なくとも０．２ｍｍ以上確保することが必要となる。ただし、この濡れ縁寸法の最大値は、大きくても弁孔２０の径と同寸法程度が妥当な選択である。これ以上大きくても、弁構成そのものの大型化につながり、設計上あまり得策とは言えない。

なお、本実施形態の弁板２２は上述のごとく金属板で形成されているが、その固定部から可動部側方向、または可動部から固定部側方向を図５（ｃ）のごとく、金属の圧延方向（矢印で表現）としているので、この弁板２２の開閉部２６が開閉時に上下に繰り返し、曲がっても、金属疲労を起こしにくく、長期の安定性を確保できるものとなっている。

また、本実施形態においては、弁孔２０の開口縁には、図５（ｂ）のごとく、面取加工部３０を設けている。これにより、弁板２２の開閉部２６が開閉時に弁孔２０の開口縁に凸部があると弁板２２との接触で、損傷してしまうのを抑制することができる。すなわち、弁板２２の耐久性をさらに向上させることができる。

さらに、このように弁孔２０の開口縁に、図５（ｂ）のごとく、面取加工部３０を設けることで、図６（ｂ）の場合と同様に、作動流体１２を弁孔２０外周に設けた平面当接面２９と、それを覆う開閉部２６の間に斜線で示すような薄膜状の作動流体１２が広がりやすくなり、この結果として、逆止弁１８閉成時における閉止機能を高めることも出来る。

さらに、本実施形態によれば、弁板２２は金属板の切断により構成されるが、その外周部分も、切溝２５も切断方向を、弁座２１側から、この弁座２１とは反対側、つまりケース２３側としているので、切断時に形成されるバリはケース２３側へ向けられた状態となっており、その結果、弁板２２開閉時に、弁座２１を傷つけることはない。

以上のように本発明は、帰還経路の受熱部近傍、または受熱部内に、作動流体の流れを制御する逆止弁を設けることで、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと強制循環させることができ、その結果として、受熱部における冷却効果を、従来の自然循環式のものに比べ、極めて高くすることが出来るのである。

また、このように作動流体を自発駆動循環させるためには、受熱部において、逆止弁が適切に機能する必要があるが、本発明の逆止弁は、弁孔を有する弁座と、この弁座の前記弁孔を開閉する弁板とを有し、前記弁座の弁板側で、弁孔の外周には、平面当接面を設け、前記弁板には、前記弁座の弁孔と平面当接面を覆う開閉部を設けたものであるので、逆止弁閉成時、つまり弁板の開閉部で弁座の弁孔を覆っている時には、弁座の弁孔外周に設けた平面当接面も、この開閉部で覆われることとなる。

そして、この弁座の弁孔外周に設けた平面当接面と、それを覆う開閉部の間にも、作動流体が存在する状態となり、つまり弁孔は弁板の開閉部で覆われるだけでなく、その外周において、弁座の弁孔外周に設けた平面当接面と、それを覆う開閉部の間に存在する作動流体によっても覆われ気密性が高まるため、この結果として、逆止弁閉成時における閉止機能が適切に発揮され、これによって、受熱部における冷却効果を、従来の自然循環式のものに比べ、極めて高くすることが出来るのである。

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 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 放熱体
９ 送風機
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 流入管
２０ 弁孔
２１ 弁座
２２ 弁板
２３ ケース
２４ 貫通孔
２５ 切溝
２６ 開閉部
２７ 空間
２８ 貫通孔
２９ 平面当接面
３０ 面取加工部

Claims (7)

1. 作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、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、
   前記帰還経路の前記受熱部近傍、または前記受熱部内に、前記作動流体の流れを制御する逆止弁を設け、前記逆止弁は、弁孔を有する弁座と、この弁座の前記弁孔を開閉する弁板とを有し、前記弁座の弁板側で、弁孔の外周には、平面当接面を設け、前記弁板には、前記弁座の弁孔と平面当接面を覆う開閉部を設け、弁板の一端側を固定部とし、他端側を可動部とし、これらの可動部と固定部の間を開閉部とし、弁板を金属板で構成し、その固定部から可動部側方向、または可動部から固定部側方向を金属の圧延方向とした冷却装置。
2. 作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、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、
   前記帰還経路の前記受熱部近傍、または前記受熱部内に、前記作動流体の流れを制御する逆止弁を設け、前記逆止弁は、弁孔を有する弁座と、この弁座の前記弁孔を開閉する弁板とを有し、前記弁座の弁板側で、弁孔の外周には、平面当接面を設け、前記弁板には、前記弁座の弁孔と平面当接面を覆う開閉部を設け、弁板は金属板の切断により構成され、その切断方向は、弁座側から、この弁座とは反対側とした冷却装置。
3. 弁板の一端側を固定部とし、他端側を可動部とし、これらの可動部と固定部の間を開閉部とした請求項２に記載の冷却装置。
4. 弁孔の開口縁には、面取加工部を設けた請求項１〜３いずれか一つに記載の冷却装置。
5. 弁孔の開口縁から開閉部の各方向端部までの最短寸法は、０．２ｍｍ以上であって、弁孔の径より小さい請求項１〜４いずれか一つに記載の冷却装置。
6. 請求項１〜５いずれか一つに記載の冷却装置と、この冷却装置で冷却される発熱部品とを備えた電子機器。
7. 請求項１〜６いずれか一つに記載の冷却装置と、この冷却装置で冷却される発熱部品とを
   備えた電気自動車。
   

Images