JP7238635B2 - Power converter and cooling system - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置及び冷却システムに関する。 The present invention relates to power converters and cooling systems.
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、電力変換を行うための電子部品と、電子部品を冷却するための冷却器と、を有している。この種の電力変換装置は、電子部品の冷却効率を向上させるため、沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却するように構成されていることがある。 For example, a vehicle such as a hybrid vehicle or an electric vehicle is equipped with a power conversion device that performs power conversion between DC power and AC power. A power conversion device includes electronic components for power conversion and a cooler for cooling the electronic components. In order to improve the efficiency of cooling the electronic components, this type of power conversion device may be configured to cool the electronic components using boiling heat transfer.
例えば特許文献1には、直方体形状を呈する第1導電体及び第2導電体と、第1導電体と第2導電体との間に狭持された第1半導体素子及び第2半導体素子と、第1導電体及び第2導電体が載置された放熱用金属板と、放熱用金属板に接合された冷却ブロックを備えた冷却器と、を有する電力変換装置が記載されている。冷却ブロックは、矩形状を呈する凹所と、凹所の周囲を囲む環状の係合溝と、凹所と係合溝との間に形成された接合面と、を有している。冷却ブロックの凹所及び係合溝は、放熱用金属板により覆われている。
For example, in
この電力変換装置における冷媒流路は、放熱用金属板と凹所の内表面とによって囲まれた空間から構成されている。また、係合溝内には、冷媒流路の周囲をシールし、冷媒の漏洩を防止するためのシール材が配置されている。 A coolant channel in this power conversion device is composed of a space surrounded by a metal plate for heat radiation and the inner surface of the recess. Further, a sealing material is arranged in the engagement groove to seal the periphery of the coolant flow path and prevent leakage of the coolant.
特許文献1の電力変換装置のように沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却しようとする場合、放熱用金属板に接触させた液状の冷媒を気化させる必要がある。この際、放熱用金属板と接触した冷媒が激しく気化すると、放熱用金属板の表面が気化した冷媒によって覆われる、ドライアウトと呼ばれる現象が起こり、電子部品の冷却効率の低下を招く。
When trying to cool an electronic component by utilizing boiling heat transfer as in the power conversion device of
従来の電力変換装置においては、放熱用金属板との接触によって気化した冷媒が液状の冷媒に押し流されるため、ドライアウトの発生は顕在化していなかった。しかし、近年、電力変換装置の大出力化に伴って、電子部品からの発熱量がますます増大する傾向にある。発明者らの詳細な検討の結果、かかる状況においては、例えば冷却ブロックの接合面と放熱用金属板との間等の比較的流速の遅い部分に滞留した冷媒が気化し、冷媒流路の幅方向の端部にドライアウトが発生しやすくなることが明らかとなった。 In the conventional power conversion device, the occurrence of dryout has not become obvious because the refrigerant vaporized by contact with the heat-dissipating metal plate is swept away by the liquid refrigerant. However, in recent years, the amount of heat generated from electronic components tends to increase more and more as the output of power converters increases. As a result of detailed studies by the inventors, in such a situation, for example, the refrigerant staying in a portion where the flow velocity is relatively slow, such as between the joint surface of the cooling block and the metal plate for heat dissipation, evaporates, and the width of the refrigerant flow path is reduced. It became clear that dryout tends to occur at the ends of the direction.
ドライアウトの発生を抑制するためには、例えば、冷媒流路の幅を広くすることにより、冷媒流路の幅方向の端部の温度の上昇を抑制する方法が考えられる。しかし、冷媒流路の幅が広くなると、冷却効率を維持するために必要な冷媒の流量の増大を招き、ひいては圧力損失の増大を招くおそれがある。 In order to suppress the occurrence of dryout, for example, a method of suppressing the temperature rise at the end portions in the width direction of the coolant channel by widening the width of the coolant channel is conceivable. However, when the width of the coolant flow path increases, the flow rate of the coolant required to maintain the cooling efficiency increases, which may lead to an increase in pressure loss.
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such problems, and aims to provide a power conversion device capable of suppressing an increase in pressure loss and suppressing the occurrence of dryout, and a cooling system equipped with this power conversion device. It is something to do.
本発明の一態様は、 冷媒が導入される冷媒導入口(51、513)と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口(53、533)と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口(52)と、を備えた冷媒流路(5、502~504)を有する冷却器(2、202~204)と、
前記冷却器に積層され、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板(3)と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品(4)と、を有し、
前記冷媒流路は、
前記電子部品を前記冷却器と前記部品保持板との積層方向(Z)において前記冷却器の内表面に投影してなる部品投影面(21)と、前記部品保持板における前記電子部品の背面(31)との間の空間である部品背面領域(54)と、
前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域(55)と、を有し、
冷媒の流れ方向(X)に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている、電力変換装置(1、102~104)にある。
One aspect of the present invention includes a refrigerant inlet (51, 513) into which a refrigerant is introduced, a refrigerant outlet (53, 533) connected to the refrigerant inlet and through which the refrigerant is discharged, the refrigerant inlet and the refrigerant. a cooler (2, 202-204) having a coolant flow path (5, 502-504) with a cooling opening (52) positioned between the outlet;
a component holding plate (3) stacked on the cooler and closing the cooling opening;
an electronic component (4) held on the outer surface of the component holding plate;
The coolant channel is
A component projection plane (21) formed by projecting the electronic component onto the inner surface of the cooler in the stacking direction (Z) of the cooler and the component holding plate, and a back surface of the electronic component on the component holding plate ( 31) and the component back area (54), which is the space between
and a part peripheral area (55) that is an area other than the part back area,
In a cross section perpendicular to the flow direction (X) of the coolant and passing through the electronic component, the average flow velocity of the coolant in the component rear region is configured to be higher than the average flow velocity of the coolant in the component peripheral region. , in the power converters (1, 102-104).
本発明の他の態様は、前記の態様の電力変換装置と、前記電力変換装置の前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置(7)と、を備えた冷却システム(10)にある。 Another aspect of the present invention is the power conversion device of the above aspect, a refrigerant flowing in the refrigerant flow path of the power conversion device, and a refrigerant circulation device (7) connected to the refrigerant flow path and configured to circulate the refrigerant. ) in a cooling system (10) comprising:
前記電力変換装置は、冷媒流路を備えた冷却器と、冷媒流路の冷却開口を閉鎖する部品保持板と、部品保持板の外表面に保持された電子部品と、を有しており、部品保持板に冷媒を接触させて電子部品を冷却することができるように構成されている。また、前記冷媒流路は、前記部品背面領域と、前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域と、を有しており、電力変換装置は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。 The power conversion device includes a cooler having a coolant channel, a component holding plate that closes the cooling opening of the coolant channel, and an electronic component held on the outer surface of the component holding plate, The component holding plate is configured to cool the electronic component by contacting the cooling medium with the component holding plate. Further, the coolant flow path has the component back area and a component peripheral area that is an area other than the component back area. In a cross section passing through the electronic component, the average flow velocity of the coolant in the component back area is configured to be higher than the average flow velocity of the coolant in the component peripheral area.
このように、部品背面領域における冷媒の平均流速を部品周辺領域よりも大きくすることにより、電子部品からの熱が最も伝わりやすい、部品保持板における前記電子部品の背面を効率よく冷却することができる。また、部品周辺領域に冷媒を流すことにより、冷媒の気泡を押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができる。更に、部品周辺領域における冷媒の平均流速を部品背面領域よりも小さくすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。 In this way, by making the average flow velocity of the coolant in the component back area higher than that in the component peripheral area, it is possible to efficiently cool the back surface of the electronic component on the component holding plate, to which heat from the electronic component is most easily transmitted. . In addition, by flowing the coolant around the component, air bubbles of the coolant can be washed away and the occurrence of dryout can be suppressed. Furthermore, by making the average flow velocity of the coolant in the component peripheral region smaller than that in the component rear region, it is possible to suppress an increase in the flow rate of the coolant and, in turn, to suppress an increase in pressure loss.
以上のごとく、上記態様によれば、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
As described above, according to the above aspect, it is possible to provide a power converter that can suppress an increase in pressure loss and suppress the occurrence of dryout, and a cooling system that includes this power converter.
It should be noted that the symbols in parentheses described in the claims and the means for solving the problems indicate the corresponding relationship with the specific means described in the embodiments described later, and limit the technical scope of the present invention. not a thing
(実施形態1)
前記電力変換装置に係る実施形態について、図1~図4を参照して説明する。本形態の電力変換装置1は、図1及び図2に示すように、冷却器2と、部品保持板3と、電子部品4と、を有している。図3及び図4に示すように、冷却器2は、冷媒が導入される冷媒導入口51と、冷媒導入口51に連なり冷媒が導出される冷媒導出口53と、冷媒導入口51と冷媒導出口53との間に配置された冷却開口52と、を備えた冷媒流路5を有している。図3に示すように、部品保持板3は、冷却器2に積層されている。また、冷却器2の冷却開口52は、部品保持板3によって閉鎖されている。電子部品4は、部品保持板3の外表面に保持されている。
(Embodiment 1)
An embodiment of the power converter will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. The
冷媒流路5は、電子部品4を冷却器2と部品保持板3との積層方向において冷却器2の内表面に投影してなる部品投影面21と、部品保持板3における電子部品4の背面31との間の空間である部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有している。また、冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。
The cooling
以下、本形態の電力変換装置1の構成をより詳細に説明する。本形態の冷却器2は、図1に示すように直方体状を呈する流路形成部22と、図3及び図4に示すように流路形成部22の内部を貫通する冷媒流路5と、を有している。図4に示すように、流路形成部22の長手方向における一方の端面221には冷媒導入口51が開口しており、他方の端面222には冷媒導出口53が開口している。
The configuration of the
また、冷媒導入口51を有する端面221と冷媒導出口53を有する端面222との間には、冷却開口52を備えた頂面223と、頂面223の反対側に位置する底面224と、頂面223と底面224とを接続する2か所の側面225とが存在している。流路形成部22は、例えば、アルミニウム等の金属から構成されていてもよい。
Between the
以下において、冷媒の流れ方向に平行な方向を「縦方向X」、流路形成部22における2枚の側面225の並び方向を「横方向Y」、冷却器2と部品保持板3との積層方向を「積層方向Z」ということがある。また、積層方向Zにおける頂面223側を「上方Z1」、底面224側を「下方Z2」ということがある。これらの方向に関する表示は便宜上のものであり、電力変換装置1を車両等に取り付ける際の向きとは何ら関係がない。
In the following description, the direction parallel to the flow direction of the coolant is the “vertical direction X”, the direction in which the two
本形態の冷却開口52は、図4に示すように、流路形成部22における縦方向Xの全体に亘って延在している。なお、冷却器2の形状及び流路形成部22内における冷媒流路5の配置は本形態の態様に限定されるものではない。
As shown in FIG. 4 , the cooling
また、本形態の流路形成部22の頂面223には、横方向Yにおける冷却開口52の外方に配置された溝226を有している。溝226の内部には、後述するシール材6が収容される。
Further, the
図1及び図2に示すように、流路形成部22の頂面223上には部品保持板3が配置されている。部品保持板3は、例えば、銅やアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する金属から構成されていてもよいし、アルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの高い熱伝導率を有する電気絶縁性のセラミックスから構成されていてもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2 , the
図3に示すように、本形態の部品保持板3は、セラミックスからなり流路形成部22の頂面223上に配置された絶縁基板33と、導体からなり絶縁基板33の上方Z1に積層された回路パターン部34と、を有している。絶縁基板33は、流路形成部22の冷却開口52及び溝226を覆うように配置されている。図には示さないが、絶縁基板33と流路形成部22の頂面223との間には、微小な隙間が形成されている。
As shown in FIG. 3, the
部品保持板3は、冷却開口52を閉鎖し、冷媒流路5内を流れる冷媒の漏出を防止することができるようにして冷却器2に取り付けられている。部品保持板3の取り付けの態様は、冷却開口52を閉鎖し、冷媒の漏出を防止することができれば、どのような態様であってもよい。例えば、部品保持板3は、Si等の金属微粒子を焼結してなる金属焼結体や、ろうなどの接合材を介して流路形成部22に接合されていてもよい。
The
また、例えばOリングや液状ガスケットなどのシール材6を部品保持板3と流路形成部22との間に介在させた状態で部品保持板3を流路形成部22に取り付けることもできる。この場合には、部品保持板3と流路形成部22との間に狭持されたシール材6によって両者の間を液密に封止し、冷媒の漏出を防止することができる。
Further, the
本形態においては、図3に示すように、部品保持板3の絶縁基板33と流路形成部22の溝226との間にシール材6としてのOリングが配置されている。そして、シール材6は溝226の内表面と部品保持板3との間に狭持されている。これにより、流路形成部22と部品保持板3との間が液密に封止されている。
In this embodiment, as shown in FIG. 3, an O-ring as a sealing
部品保持板3の回路パターン部34上には、電子部品4が保持されている。電子部品4としては、例えば、電界効果トランジスタや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子や、フリーホイールダイオード等の半導体整流素子等を採用することができる。これらの素子には、例えば、シリコン半導体や炭化ケイ素半導体などの半導体が含まれていてもよい。本形態の電子部品4は、具体的には、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子である。また、本形態においては、回路パターン部34上に1個の電子部品4が保持されているが、1か所の回路パターン部34上に複数の電子部品4が保持されていてもよい。
An
電子部品4は、はんだ等の導電性を有する接合材を介して回路パターン部34に接合されていてもよい。図には示さないが、本形態の電子部品4は、接合材としてのはんだを介して回路パターン部34に接合されている。
The
電力変換装置1における冷媒流路5は、冷却器2の流路形成部22と、部品保持板3とによった囲まれた空間から構成されている。冷媒流路5は、電子部品4を冷却器2と部品保持板3との積層方向Z(つまり、上下方向)において冷却器2の内表面に投影してなる部品投影面21と、部品保持板3における電子部品4の背面31との間の空間である部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有している。冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されていれば、種々の態様をとり得る。
A
例えば、冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面における部品周辺領域55の流路断面積が部品背面領域54の流路断面積よりも小さくなるように構成されていてもよい。この場合には、冷媒導入口51から供給された冷媒が、部品周辺領域55よりも流路断面積が大きく管路抵抗の小さい部品背面領域54に流れやすくなる。その結果、部品背面領域54における冷媒の平均流速を部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくし、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる。
For example, the
前記の態様の冷媒流路5には、具体的には、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、半円状、V字状、T字状等の、冷媒流路5の深さが一様ではない形状を有する冷媒流路5が含まれる。冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、冷媒流路5の深さが最も深い部分を含むように部品背面領域54を配置することにより、前述した作用効果を奏することができる。
Specifically, the
また、冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において矩形状を呈する主流路部56と、主流路部56から冷却器2と部品保持板3との積層方向に直角な方向に延出し、主流路部56よりも流路断面積の小さい副流路部57と、を有し、部品背面領域54は主流路部56に配置されていてもよい。この場合には、前記と同様に、冷媒導入口51から供給された冷媒が、より流路断面積が大きく、管路抵抗の小さい主流路部56に流れやすくなる。それ故、部品背面領域54を主流路部56に配置することにより、部品背面領域54における冷媒の平均流速を部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくすることができる。その結果、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる。
The
本形態における冷媒流路5は、縦方向Xの全長にわたって一定の断面形状を有している。より具体的には、冷媒流路5は、図3に示すように、冷媒の流れ方向に直交する断面において、主流路部56と、主流路部56の上端から幅方向の外方に延出した2か所の副流路部57とを備えたT字状の断面形状を有している。
The
また、本形態の部品周辺領域55は、冷却器2の頂面223と部品保持板3との間の隙間(図示略)に連なっている。これにより、冷却器2の頂面223と部品保持板3との間の隙間から発生した気泡を冷媒によって速やかに押し流し、ドライアウトの発生をより効果的に抑制することができる。
Further, the component
部品背面領域54における冷媒の平均流速は、以下の方法により算出することができる。まず、Zero Equation&k-Omega法によって流体解析を行い、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面における冷媒の流量分布を算出する。この解析結果に基づいて得られる部品背面領域54内を流れる冷媒の流量を、部品背面領域54の流路断面積で除した値を部品背面領域54における冷媒の平均流速とすればよい。なお、本形態における部品背面領域54の流路断面積は、具体的には、縦方向Xに直交する断面における部品背面領域54の断面積である。
The average flow velocity of the coolant in the component back
また、部品周辺領域55における冷媒の平均流速は、部品背面領域54における冷媒の平均流速と同様の方法により算出することができる。即ち、Zero Equation&k-Omega法によって流体解析を行い、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面における冷媒の流量分布を算出する。この解析結果に基づいて得られる部品周辺領域55内を流れる冷媒の流量を、部品周辺領域55の流路断面積で除した値を部品周辺領域55における冷媒の平均流速とすればよい。なお、本形態における部品周辺領域55の流路断面積は、具体的には、縦方向Xに直交する断面における部品周辺領域55の断面積である。
Also, the average flow velocity of the coolant in the component
部品背面領域54における冷媒の平均流速は、部品周辺領域55における冷媒の平均流速の1.0倍よりも大きい。電子部品の冷却効率をより高める観点からは、部品背面領域54における冷媒の平均流速は、部品周辺領域55における冷媒の平均流速の2.0倍以上であることが好ましく、3.0倍以上であることがより好ましい。
The average coolant flow velocity in the component back
また、圧力損失の増大を抑制する観点からは、部品背面領域54における冷媒の平均流速は、部品周辺領域55における冷媒の平均流速の5.0倍以下であることが好ましく、4.0倍以下であることがより好ましく、3.0倍以下であることがより好ましい。
In addition, from the viewpoint of suppressing an increase in pressure loss, the average flow velocity of the refrigerant in the component
次に、本形態の作用効果を説明する。電力変換装置1は、冷媒流路5を備えた冷却器2と、冷媒流路5の冷却開口52を閉鎖する部品保持板3と、部品保持板3の外表面に保持された電子部品4と、を有しており、部品保持板3に冷媒を接触させて電子部品4を冷却することができるように構成されている。また、冷媒流路5は、部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有している。そして、電力変換装置1は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。
Next, the effect of this form is demonstrated. The
このように、部品背面領域54における冷媒の平均流速を部品周辺領域55よりも大きくすることにより、電子部品4からの熱が最も伝わりやすい、部品保持板3における電子部品4の背面を効率よく冷却することができる。また、部品周辺領域55に冷媒を流すことにより、冷媒の気泡を押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができる。更に、部品周辺領域55における冷媒の平均流速を部品背面領域54よりも低くすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。
In this manner, by making the average flow velocity of the coolant in the component back
以上のごとく、本形態によれば、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置1を提供することができる。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide the
(実施形態2)
本形態の電力変換装置102における冷媒流路502は、図5に示すように、主流路部56と副流路部58と、を有しており、副流路部58内に突起部581が設けられている。なお、実施形態2以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
(Embodiment 2)
As shown in FIG. 5, the
本形態の電力変換装置102は、冷却器202と、部品保持板3と、電子部品4と、を有している。冷却器202は、冷媒導入口51(図示略)と、冷却開口52と、冷媒導出口53(図示略)とを備えた冷媒流路502を有している。本例の冷媒流路502は、部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有しており、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。
A
また、冷媒流路502は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において矩形状を呈する主流路部56と、主流路部56から冷却器202と部品保持板3との積層方向に直角な方向に延出し、主流路部56よりも流路断面積の小さい副流路部58と、を有している。本形態の部品背面領域54は主流路部56に配置されている。
The
副流路部58は、主流路部56の上端から幅方向の外方に延出している。また、副流路部58内には、流路形成部22の内表面から上方Z1に突出した複数の突起部581が設けられている。図6に示すように、突起部581は、縦方向X(つまり、冷媒の流れ方向)に延在した板状を呈しており、横方向Yに互いに間隔をおいて配置されている。また、図5に示すように、突起部581の上端と部品保持板3との間には冷媒が流通可能な大きさを有する隙間が存在している。
The secondary
本形態のように、副流路部58内に突起部581を設けることにより、副流路部58内の管路抵抗をより大きくすることができる。これにより、副流路部58内に流れる冷媒の平均流速をより小さくし、ひいては部品周辺領域55内を流れる冷媒の平均流速をより小さくすることができる。その結果、部品背面領域54における冷媒の平均流速をより大きくし、電子部品4の冷却効率をより向上させることができる。その他、本形態の電力変換装置102は、実施形態1と同様の作用効果を奏することができる。
By providing the projecting
なお、突起部581の配置や形状は、本形態の態様以外にも種々の態様をとり得る。例えば、突起部581は、円柱状や角柱状等の柱状を呈し、副流路部58内に点在していてもよい。また、突起部581は、横方向Yや、縦方向Xに対して斜め方向等の、縦方向X以外に延在する板状を呈していてもよい。
It should be noted that the arrangement and shape of the
(実施形態3)
本形態の電力変換装置103は、図には示さないが、冷却器203と、部品保持板3と、電子部品4と、を有している。冷却器203は、図7に示すように、冷媒導入口51と、冷却開口52と、冷媒導出口53とを備えた冷媒流路503を有している。
(Embodiment 3)
The
冷媒流路503における冷媒導入口513は、図8に示すように、冷媒の流れ方向に直交する断面において、矩形状を呈している。冷媒導出口533は、図には示さないが、冷媒導入口513と同様に、冷媒の流れ方向に直交する断面において、矩形状を呈している。
As shown in FIG. 8, the
また、冷媒流路503における、冷媒導入口513と冷媒導出口533との間の部分は、図9に示すように、主流路部56と副流路部57とを備えたT字状の断面形状を有している。また、図7に示すように、横方向Yにおける主流路部56の幅と副流路部57の幅との合計は、冷媒導入口513の幅及び冷媒導出口533の幅と同一である。その他は実施形態1と同様である。
9, the portion between the
図8と図9との比較から理解できるように、本形態の冷媒流路503は、冷媒の流れ方向に直交する断面における冷媒導入口513及び冷媒導出口533の流路断面積が、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面における部品周辺領域55の流路断面積と部品背面領域54の流路断面積との合計よりも大きくなるように構成されている。これにより、冷媒導入口513から冷媒を供給する際の圧力損失をより低減することができる。その結果、電子部品4の冷却効率をより高めることができる。その他、本形態の電力変換装置103は、実施形態1と同様の作用効果を奏することができる。
As can be understood from a comparison between FIG. 8 and FIG. 9, in the
(実施形態4)
本形態の電力変換装置104は、図10に示す冷却器204と、部品保持板3と、2個の電子部品4と、を有している。2個の電子部品4は、縦方向Xに互いに間隔をおいて配置されている。また、冷却器204は、冷媒導入口51と、冷却開口52と、冷媒導出口53とを備えた冷媒流路504を有している。
(Embodiment 4)
A
本形態の冷媒流路504は、冷媒導入口51から冷媒導出口53までの全長にわたって、主流路部56と副流路部59とを備えたT字状の断面形状を有している。副流路部59は、冷媒導入口51における幅が最も狭く、冷媒導出口53側へ近づくほど幅が狭くなるように構成されている。その他は実施形態1と同様である。
The
本形態のように、複数の電子部品4が冷媒の流れ方向に沿って並んで配置されている場合、上流側の電子部品4aは比較的温度の低い冷媒によって冷却される。一方、下流側の電子部品4bは、上流側の電子部品4bとの熱交換によって温度が上昇した冷媒と熱交換するため、上流側の電子部品4aに比べて冷却効率が低下しやすかった。
When a plurality of
これに対し、本形態の冷媒流路504は、冷媒導出口53に近づくほど冷媒の流れ方向における流路断面積が小さくなるように構成されている。これにより、冷媒導出口53に近づくほど冷媒の流速を大きくすることができる。その結果、下流側の電子部品4bの冷却効率をより向上させることができる。その他、本形態の電力変換装置104は、実施形態1と同様の作用効果を奏することができる。
On the other hand, the
(実施形態5)
本形態では、電力変換装置1と、電力変換装置1の冷媒流路5内を流れる冷媒と、電力変換装置1に冷媒を循環させる冷媒循環装置7と、を備えた冷却システム10を説明する。冷媒循環装置7は、例えば図11に示すように、冷媒を流動させるためのポンプ71と、ポンプ71と冷媒導入口51との間、及び、ポンプ71と冷媒導出口53との間を接続する配管72を有している。冷媒循環装置7は、更に、ラジエータなどの、冷媒と外気等との熱交換を行う熱交換器73を有していてもよい。
(Embodiment 5)
In this embodiment, a
冷却システム10内に循環させる冷媒としては、例えば、水やロング・ライフ・クーラント等を使用することができる。本形態の冷却システム10は、冷媒としてのロング・ライフ・クーラントを最大2MPaの圧力で冷媒流路5内に供給することができるように構成されている。なお、電子部品4が定格出力で作動している場合における冷媒の圧力は0.2MPa程度であり、流量は10L/分程度である。
As the coolant circulated in the
本形態の冷却システム10は、部品背面領域54における冷媒の平均流速を3.0m/s以上とし、かつ、部品周辺領域55における冷媒の平均流速を1.5m/s以下とすることができるように構成されている。また、本形態の冷却システム10は、部品背面領域54における冷媒の流れを乱流とし、かつ、部品周辺領域55における冷媒の流れを層流とすることができるように構成されている。
In the
それ故、本形態の冷却システム10は、部品保持板3における電子部品4の背面を効率よく冷却することができる。また、本形態の冷却システム10は、冷媒の気化によって生じた気泡を速やかに押し流すことができる。更に、部品周辺領域55における冷媒の平均流速を部品背面領域54よりも小さくすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。その結果、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる。
Therefore, the
本形態の冷却システムは、特に、電子部品4からの最大発熱量が250W以上となる用途において、ドライアウトの発生を効果的に抑制することができる。かかる用途としては、例えば、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子の冷却システム等がある。
The cooling system of this embodiment can effectively suppress the occurrence of dryout particularly in applications where the maximum amount of heat generated from the
(実験例)
実施形態1における冷媒流路5の作用効果を確認するため、以下のようにしてシミュレーション及び実験を行った。本例において使用した試験体S1及び試験体S2の構造を以下に説明する。なお、試験体S1及び試験体S2は、実施形態1における冷却器2を模擬している。
(Experimental example)
In order to confirm the effects of the
・試験体S1
試験体S1は、縦100mm、横100mm、高さ100mmの外寸法を有している。また、試験体S1は、縦方向の全長にわたって延在する冷媒流路5を有している。冷媒流路5は、縦方向に直交する断面において、主流路部56と副流路部57とを有するT字状の断面形状を有している。主流路部56の幅は12mmであり、深さは3mmである。また、副流路部57の幅は3mmであり、深さは1mmである。
・ Specimen S1
The specimen S1 has external dimensions of 100 mm long, 100 mm wide and 100 mm high. In addition, the specimen S1 has a
・試験体S2
試験体S2は、縦100mm、横100mm、高さ100mmの外寸法を有している。また、試験体S2は、縦方向の全長にわたって延在する冷媒流路5を有している。冷媒流路5は、縦方向に直交する断面において、幅18mm、深さ3mmの矩形状を呈している。
・ Specimen S2
The specimen S2 has external dimensions of 100 mm long, 100 mm wide and 100 mm high. Moreover, the test body S2 has a
なお、各試験体の底面224には透明窓が設けられており、気泡の発生の有無を目視により観察することができるように構成されている。また、電子部品4は、冷媒流路5における幅方向の端部からの距離が9mmとなり、かつ、冷媒導出口53からの距離が50mmとなる位置に配置した。
In addition, a transparent window is provided on the
・シミュレーション
試験体S1、S2の構造モデルを準備し、Zero Equation&k-Omega法を用いた熱流体解析により、冷媒流路5内を流れる冷媒の流速分布を算出した。なお、冷媒の温度は60℃とし、電子部品4の発熱量は450Wとした。図12に、冷媒導入口51から供給する冷媒の流量を15L/分とした場合における、試験体S1内を流れる冷媒の流速分布を示す。また、図13に、冷媒導入口51から供給する冷媒の流量を15L/分とした場合における、試験体S2内を流れる冷媒の流速分布を示す。なお、図12及び図13は、部品保持板3から下方に100μm離れた断面における流速分布を示した図である。
・Simulation Structural models of the specimens S1 and S2 were prepared, and the flow velocity distribution of the coolant flowing through the
図12に示したように、試験体S1において冷媒導入口51から流入した冷媒は、冷媒導出口53側へ向かうほど流速が大きくなる傾向を示した。また、主流路部56における冷媒の流速と、副流路部57における冷媒の流速とを、縦方向Xの位置が同一となる断面において比較すると、主流路部56における冷媒の流速が副流路部57における冷媒の流速よりも大きくなる傾向があることが理解できる。本例の試験体S1においては、部品背面領域54における冷媒の平均流速を3.0m/s以上とし、かつ、部品周辺領域55における冷媒の平均流速を1.5m/s以下とすることができた。
As shown in FIG. 12, the flow velocity of the refrigerant flowing from the
一方、図13に示したように、副流路部57を有しない試験体S2は、試験体S1に比べて冷媒流路5内の冷媒の流速の変化が小さく、冷媒が一様に流れていることが理解できる。また、試験体S2においては、冷媒流路5の幅方向の両端における冷媒の流速が、中央における冷媒の流速よりも大きくなる傾向があることが理解できる。本例の試験体S2においては、部品背面領域54における冷媒の平均流速が、部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも小さくなった。なお、試験体S2の部品背面領域54における冷媒の平均流速及び部品周辺領域55における冷媒の平均流速は、いずれも約2m/s程度であった。
On the other hand, as shown in FIG. 13, in the specimen S2 that does not have the
更に、前述した熱流体解析において、定常状態、つまり、電子部品4の温度が一定の温度に達した時点における、電子部品4から冷媒までの熱抵抗を算出した。図14に、冷媒の流量を種々変更した場合の、試験体S1及び試験体S2の熱抵抗の値を示す。なお、図14の縦軸は部品保持板3の熱抵抗、つまり、電子部品4と冷媒との温度差を発熱量で除した値であり、横軸は、冷媒導入口51から供給する冷媒の流量である。
Furthermore, in the thermal fluid analysis described above, the thermal resistance from the
図14に示したように、試験体S1は、試験体S2よりも冷媒の流量を低減しつつ、試験体S2と同程度の熱抵抗を実現することができる。 As shown in FIG. 14, the test body S1 can achieve the same thermal resistance as that of the test body S2 while reducing the refrigerant flow rate more than that of the test body S2.
・実験
次に、試験体S1及び試験体S2の冷媒流路5に冷媒を流し、電子部品4を冷却した場合のドライアウトの有無を評価した。具体的には、試験体S1、S2における冷媒流路5内に、冷媒としての水を供給した。なお、冷媒の温度は60℃とした。また、冷媒導入口51から供給する冷媒の流量は15L/分とした。
- Experiment Next, the presence or absence of dry-out was evaluated when the
そして、冷媒流路5内に冷媒を流しながら、電子部品4を発熱させ、気泡の発生の有無を目視観察した。なお、電子部品4の発熱量は、450Wとした。
Then, the
試験体S1においては、冷媒流路5内に生じた気泡を速やかに押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができた。一方、試験体S2においては、冷媒流路5の幅方向の両端において気泡が成長し、ドライアウトが発生した。
In the test sample S1, it was possible to quickly wash away the air bubbles generated in the
これらの結果から、部品背面領域54における冷媒の平均流速を、部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくすることにより、ドライアウトの発生を抑制できることが容易に理解できる。
From these results, it can be easily understood that the occurrence of dryout can be suppressed by making the average flow velocity of the coolant in the component
本発明は上記各形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be applied to various embodiments without departing from the scope of the invention.
1、102~104 電力変換装置
2、202~204 冷却器
21 部品投影面
3 部品保持板
31 背面
4 電子部品
5、502~504 冷媒流路
51 冷媒導入口
52 冷却開口
53 冷媒導出口
54 部品背面領域
55 部品周辺領域
Claims (7)
前記冷却器に積層され、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板(3)と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品(4)と、を有し、
前記冷媒流路は、
前記電子部品を前記冷却器と前記部品保持板との積層方向(Z)において前記冷却器の内表面に投影してなる部品投影面(21)と、前記部品保持板における前記電子部品の背面(31)との間の空間である部品背面領域(54)と、
前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域(55)と、を有し、
冷媒の流れ方向(X)に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている、電力変換装置(1、102~104)。 A refrigerant inlet (51, 513) into which a refrigerant is introduced, a refrigerant outlet (53, 533) connected to the refrigerant inlet and through which the refrigerant is discharged, and arranged between the refrigerant inlet and the refrigerant outlet. a cooler (2, 202-204) having a coolant flow path (5, 502-504) with a cooled cooling opening (52);
a component holding plate (3) stacked on the cooler and closing the cooling opening;
an electronic component (4) held on the outer surface of the component holding plate;
The coolant channel is
A component projection plane (21) formed by projecting the electronic component onto the inner surface of the cooler in the stacking direction (Z) of the cooler and the component holding plate, and a back surface of the electronic component on the component holding plate ( 31) and the component back area (54), which is the space between
and a part peripheral area (55) that is an area other than the part back area,
In a cross section perpendicular to the flow direction (X) of the coolant and passing through the electronic component, the average flow velocity of the coolant in the component rear region is configured to be higher than the average flow velocity of the coolant in the component peripheral region. , power converters (1, 102-104).
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