JP2013228158A - 冷却装置およびこれを搭載した電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱板の上側の冷却性能を充分に得ることにより、冷却装置の冷却効率を上げる。
【解決手段】受熱部８は、発熱体である半導体スイッチング素子６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、流れ込んだ冷媒１０を蒸発させる受熱空間１３を形成する受熱カバー１４と、受熱空間１３に凝縮した冷媒１０を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から冷媒１０を排出する排出口１６を備え、循環経路１１は放熱経路１１ａと帰還経路１１ｂとからなり、放熱経路１１ａは排出口１６と放熱部９の放熱体１７とを接続し、帰還経路１１ｂは放熱部９の放熱体１７と流入口１５を接続し、流入口１５の受熱空間１３側に設けた導入管２３の先端の内径は、流入口１５の放熱経路１１ａ側に設けた流入管２４の内径より大きい。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力半導体を搭載した電子機器の冷却装置およびこれを搭載した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、以下のような構成となっていた。

すなわち、受熱部と、この受熱部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冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記帰還経路と前記受熱部を流入管で接続するとともに、この流入管には逆止弁を介在させ、前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた拡散部を備え、前記流入管から前記冷媒流入部に向けて延設し、凝縮した冷媒を流入させる導入管を備える構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−８８１２７号公報

上記従来例における課題は、発熱体の面積が大きくなった場合、冷却装置の冷却効率が低下することであった。

すなわち、上記従来例の冷却装置において、導入管から冷媒流入部に流れ込んだ冷媒は、一部が冷媒流入部に接触して受熱板より熱を受けて沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒とともに、拡散部上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。初期沸騰の後、未沸騰の液相の冷媒は、この拡散部の表面に薄い膜状で広がることになる。そして、発熱体からの継続的な加熱により、一瞬にして加熱され気化することによって、受熱板から継続的に気化熱を奪い冷却する。

しかし、発熱体が大面積の場合、発熱体の大きさに合わせて受熱板を大きくしただけでは、拡散部の外周まで冷媒の混相流が広がらず、冷却装置の冷却効率が低下するという課題があった。

そこで本発明は、発熱体が大面積の場合でも、拡散部の外周まで冷媒の混相流が広がり、冷却装置の冷却効率を上げ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、冷媒の流入口と排出口を備え発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記冷媒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で構成し、前記冷媒を、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冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記帰還経路と前記受熱部を流入管で接続するとともに、この流入管には逆止弁を介在させ、
前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた拡散部を有し、前記流入管または前記受熱カバーから前記受熱板に向けて延設し、凝縮した冷媒を前記受熱空間内に流入させる導入管を備え、前記導入管の前記受熱板側先端の内径は前記流入管の内径より大きいことを特徴とする。これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、冷媒の流入口と排出口を備え発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記冷媒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で構成し、前記冷媒を、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冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記帰還経路と前記受熱部を流入管で接続するとともに、この流入管には逆止弁を介在させ、前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた拡散部を有し、前記流入管または前記受熱カバーから前記受熱板に向けて延設し、凝縮した冷媒を前記受熱空間内に流入させる導入管を備え、前記導入管の前記受熱板側先端の内径は前記流入管の内径より大きいことを特徴とするものであり、冷却装置の冷却効率を上げることができるものである。

すなわち、本発明によれば、逆止弁が開き受熱空間内に供給された冷媒は、発熱体により暖められた受熱板と接触することで一部が沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒とともに、拡散部上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。

このとき、受熱空間内に供給された冷媒は、導入管の受熱板側先端の内径が流入管の内径より大きいため、上記の混相流として受熱板側だけではなく、水平方向にも放射状に広がろうとし、導入管の内壁まで広がった後、拡散部上を高速に拡散し、拡散部全体に冷媒の混相流が供給され、拡散部全体から気化熱を奪い、発熱体を冷却することができる。結果として、冷却装置の冷却効率を上げることができるのである。

本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図 同冷却装置の基本動作を説明する図 同冷却装置の放熱体の構成を示す図 （ａ）同冷却装置の受熱部を示す図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａ断面図 （ａ）同冷却装置の受熱部を示す図、（ｂ）（ａ）のＢ−Ｂ断面図 （ａ）同冷却装置の受熱部を示す図、（ｂ）（ａ）のＣ−Ｃ断面図 （ａ）従来の冷却装置の受熱部を示す図、（ｂ）（ａ）のＤ−Ｄ断面図

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）
図１は、電気自動車１に本発明の冷却装置を装着した場合の略図であり、図２と図３は、それぞれ本発明の冷却装置とその放熱部の構成図である。

図１に示す様に、電気自動車１の車軸２を駆動する電動機３に電力を供給するインバータ回路５は、電気自動車１の車室前方４内に配置し接続されている。インバータ回路５は、電動機３に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子６を備えており、この半導体スイッチング素子６を冷却する冷却装置７を併設している。

同図に示す冷却装置７は、受熱部８とこの受熱部８で吸収した熱を放熱する放熱部９を備え、受熱部８と放熱部９の間で熱媒体となる冷媒（図２の１０）を循環させる循環経路１１を備えており、放熱部９には、外気に熱を放出する放熱体１７を備えている。また、車室前方４内の運転席側に近づけた中程にインバータ回路５を配置し、循環経路１１を延設して、放熱体１７は外気を通過させやすいフロントグリル４ａ側に取り付けた構成となっている。

また、図２は、本発明による実施の形態１の冷却装置７についての説明図である。同図より、受熱部８は、発熱体である半導体スイッチング素子６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、流れ込んだ冷媒１０を蒸発させる受熱空間１３を形成する受熱カバー１４と、受熱空間１３に凝縮した冷媒１０を流し込む流入口１５と、この流入口１５に導入管２３および流入管２４、受熱空間１３から冷媒１０を排出する排出口１６を備えたものである。

また、受熱板１２は、後述の図４でも説明するが中央に冷媒流入部２１と、その周囲に放射状の溝２２ａを設けた拡散部２２で構成されている。

また、循環経路１１は放熱経路１１ａと帰還経路１１ｂとからなり、放熱経路１１ａは排出口１６と放熱部９の放熱体１７とを接続し、帰還経路１１ｂは放熱部９の放熱体１７と受熱部８を接続した構成となっている。

そして、この放熱体１７の界面に送風装置１７ａ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１７の界面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用することも出来る。

さらに、図３に示すように、放熱体１７は、アルミニウム板を短冊状に薄く形成した複数のフィン１９を所定の間隔をあけて積層したブロック体であって、放熱体１７の入口と出口を接続する複数の管路１８がフィン１９を貫通したものとなっている。ここで、放熱体１７の入り口において、放熱経路１１ａに接続した複数の管路１８が、流路を複数に分流するとともに放熱体１７の出口で複数の管路１８に帰還経路１１ｂが接続し、複数の流路を合流させる構成となっている。これにより複数の管路１８が放熱経路１１ａと帰還経路１１ｂを接続し、冷媒１０の熱をフィン１９の全体に伝えることで、放熱部９の放熱効率を高める構成となっている。

以上が本発明の主要構成の説明である。

ここで、図２を用いて、冷却装置の基本動作と逆止弁動作条件について説明する。

まず、冷却装置７の基本動作について説明する。半導体スイッチング素子６が発する熱は、受熱板１２から受熱空間１３内の液化した冷媒１０へ伝わり、即座に沸騰気化することになる。

次に、沸騰後の冷媒１０（気相と一部の未沸騰冷媒）は、受熱空間１３と冷えた放熱体１７との内部圧力差により冷媒駆動力が発生し、排出口１６から放熱経路１１ａを経て放熱体１７へ流入する。この時、冷媒の循環方向は、逆止弁２０によって放熱経路１１ａ方向へ固定される。

すなわち、冷媒１０が沸騰するときに受熱空間１３内の圧力は増加するが、逆止弁２０の作用により冷媒１０が逆流して流入管２４側へ戻ることを防ぎ、かつ沸騰による体積膨張した冷媒１０による受熱空間１３内と冷やされた放熱体１７内の圧力差により、外部動力を使用することなく、冷媒１０を気相（蒸気）分と未沸騰の液相分の両方を混相流として排出口１６から放熱経路１１ａを経て、確実に放熱体１７へ輸送することができるのである。

そして、冷媒１０の気相分が、外気により冷却された放熱体１７の内壁面に接触し凝縮することで凝縮熱を放熱体１７へ伝え、さらに、放熱体１７の内壁面からフィン１９の外壁表面へと伝わり、最終的には外気と熱交換することで放熱されることになる。

さらに、凝縮により液化した冷媒１０は、帰還経路１１ｂを流れて流入管２４内で流入口１５の逆止弁２０上に停留し、所定の逆止弁２０の動作条件下で弁が開動した瞬間に、冷媒１０は再び受熱空間１３内へと流入する。通常この一連のサイクルを繰り返すことにより安定的な冷却が可能となる。

続いて所定の逆止弁２０の動作条件について説明する。通常加熱での沸騰動作が継続している場合の逆止弁２０は、逆止弁２０の上流側圧力Ｐｕ（帰還経路１１ｂ内圧力＋流入管２４内の停留冷媒水頭圧）と受熱空間１３によって与えられる逆止弁２０の下流側圧力Ｐｂがほぼバランスしており閉鎖状態となる。

通常、このまま加熱が継続され受熱空間１３内での冷媒の気化がさらに進むと、温度と飽和蒸気圧が一定であっても、逆止弁２０の上流側への冷媒供給は継続されるため停留冷媒の水頭圧は、除々に増加して行くことになる。そのため、ある瞬間に逆止弁２０の上流側圧力Ｐｕ＞逆止弁２０の下流側圧力Ｐｂとなる状態が発生し、逆止弁２０が開動する。

そして、圧力差の増加水頭圧分だけの冷媒量が導入管２３を通って受熱空間１３へ流入し、逆止弁２０の両側の圧力がバランスする状態になったタイミングで、再度閉鎖することになる。この一連の逆止弁２０の動作により冷媒の供給サイクルを実現している。実際の逆止弁２０の開閉のタイミングは、ある程度の時間間隔で発生するが、装置の仕様（発熱量や装置内冷媒封入量、さらに弁の剛性）などでも変化するため、必ずしも同一とはならない。

次に、図４を用いて受熱空間１３内での受熱の基本的なメカニズムと所定の逆止弁２０の動作について追加説明を行う。

まず、受熱空間１３内での受熱メカニズムとしては、以下の沸騰現象が発生している。図４に示すように、逆止弁２０が開いて受熱空間１３内へ流入した冷媒は、導入管２３によって受熱板１２の冷媒流入部２１に導かれ、一部が受熱板１２より熱を受けて沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって導入管２３の開口と拡散部２２の隙間から外周部へ高速な混相流（気相と液相）として拡散部２２上を放射状に拡散する。図４（ｂ）のハッチングで示す領域は、図４（ａ）の矢印で示す混相流の拡散域を表している。

この拡散部２２は、放射状の流路である溝２２ａが中心部から外周部へ拡大する構造をしており広い沸騰表面積を有している。初期沸騰の後、未沸騰の液相の冷媒１０は、この拡散部２２の表面に薄い膜状で広がることになる。そして、半導体スイッチング素子６からの継続的な加熱により、この放射状の流路において一瞬にして加熱され気化するため、極めて高い伝達係数を維持した高効率な受熱性能を達成することが可能である。

本実施の形態では、例えば、冷媒１０に水を使用した場合などでは、受熱空間１３内の圧力を大気圧よりも低く設定すること（外気温２０℃の場合、水の飽和蒸気圧は−９７ＫＰａ程度）で、大気圧中の水の沸騰に比べて低い温度で沸騰させることができるため、高い冷却性能を可能としている。

これにより、半導体スイッチング素子６の熱を効率的に奪い、冷却することができる。つまり、水の蒸発潜熱によって、半導体スイッチング素子６の熱を奪うものであって、かつ前記したように受熱板１２上で薄い膜状に広がった冷媒１０を一瞬にして加熱し気化させることで、単に溜め込んだ水を加温し沸騰させるものに比べて、非常に高い熱伝達係数が得られ、奪う熱量も極めて大きくすることが可能である。

以上の様な受熱空間１３内での連続的な沸騰を可能とすることで、規則的な受放熱のサイクルが、維持でき、高性能な冷却装置を実現することができることになる。

このように半導体スイッチング素子６の冷却を安定して行なうことができるので、特に気相と液相の冷媒循環方向に関しては、逆止弁によって一方向に固定可能であるためフラッティング現象（冷媒が逆流することで熱輸送方向が定まらず冷却効率が著しく低下する状態）のような課題も防止でき、冷却装置の動作安定性を向上させることができる。

また、本発明による冷却装置での冷媒駆動力は、前記した通り、沸騰による受熱空間１３の圧力と外気により低温低圧状態である放熱体１７との間の圧力差によって発生するものであり、他の特別な冷媒駆動装置を全く必要としない構成となっている点は、省エネルギーの観点からも極めて有効な冷却装置を実現することを可能とするものである。

また、このように冷媒１０は、前記した通り冷却装置７内の圧力バランスにより駆動されるため、受熱部８と放熱部９とを離して配置することも可能である。

言い換えれば塵埃や水滴に弱いインバータ回路５と外気を当てて効率よく冷却を行ないたい放熱部９とを電気自動車１のフロントグリル４ａと車室前方４といったように離して設置することも可能となるため信頼性の面でも有利であり、電気自動車１のより安定した走行性能を確保することに大きく貢献できることになる。

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、以下に本実施の形態において最も重要な特徴である、発熱体の面積が大きくなった場合の、導入管２３について、図５〜図７を用いて説明を加える。各図（ｂ）のハッチングで示す領域は、各図（ａ）で示す矢印の混相流の拡散域を表している。

図７（ａ）は、課題で説明した、図４の発熱体の面積が大きくなり、発熱体の大きさに合わせて受熱板を大きくしただけの従来の場合で、図７（ｂ）は混相流の拡散域が拡散部２２全体まで広がらない状態を示している。

これに対し、本実施形態の図５（ａ）は、導入管２３ａの内径を流入管２４の内径の約３倍とした構成となっている。この導入管２３ａにより、逆止弁２０から受熱空間１３内へ供給された冷媒は、図７（ａ）に示す導入管２３ａの内径と流入管２４の内径が同じ場合に比べ、図５（ｂ）、図７（ｂ）に示すように、図５の方が拡散域が広範囲となり、拡散部２２全面に冷媒の混相流が供給され、拡散部２２全体での沸騰気化により冷却効率を高めることが可能となる。

すなわち、導入管２３ａの内径を流入管２４の内径より大きくした構成により、冷媒の拡散速度が最高になる位置Ｘ（＝開口面積が最小になる位置）が、冷媒流入部２１からより遠くなり、拡散部２２全面に冷媒の混相流が供給される。

また、逆止弁２０の流入管２４内の位置は、受熱部８側先端に近い方がよい。図５（ａ）に示すように、受熱部８側先端に逆止弁２０を設けた場合、逆止弁２０から受熱空間１３内へ供給され気化した冷媒は、受熱板１２に沿って水平方向に広がりやすく、拡散速度ベクトルはほとんどが水平成分となり、導入管２３ａから拡散部２２の溝２２ａ内への移動後も拡散速度ベクトルの水平成分が残っており、水平方向に広がりやすい。

また、導入管２３ａの長さは、導入管２３ａ下端面と受熱板１２上面との距離から決められ、図５（ａ）に示すように、１ｍｍ程度の隙間となる長さが好ましい。隙間を開けることにより、拡散部２２の溝２２ａだけでなく、拡散部２２全体に冷媒の混相流が広がり、拡散部２２全体を伝熱面とできる。ただし、隙間が大きくなると、この隙間を含めた開口を通過する混相流の冷媒の拡散速度が遅くなり、図５（ｂ）のハッチングで示した拡散域全体に冷媒が広がらない恐れがあり、隙間の大きさは、この開口部の拡散速度が拡散域全体に冷媒が広がる速度となるように決められる。

また、導入管２３ａの径は、溝２２ａの長さの約１／２としたが、冷媒１０の拡散速度に大きく影響するため、発熱体の面積に応じて決定される必要があり、拡散部２２上へ均一に冷媒１０を広げることが可能な拡散速度が得られる導入管２３ａの径を選択することが望ましい。

また、導入管２３ａは受熱カバー１４と一体で形成することにより、製造も容易になり、前述した隙間の精度も向上できる。

このように、図５の構成によって、発熱体の面積が大きくなっても、発熱体の面積が標準の場合とほとんど変わらない、極めて高い伝達係数を維持した高効率な受熱性能を達成することが可能となる。

（実施の形態２）
図５と同じ構成は同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

図６の導入管２３ｂは、図５の導入管２３ａとは形状が異なり、その内径が受熱カバー１４側から受熱板１２側へ漸次拡大している。

この構成により、逆止弁２０から受熱空間１３内へ供給され一部気化した冷媒は、導入管２３ｂの内壁の緩やかな傾斜に沿ってほぼ斜め下方向に広がりやすく、拡散速度ベクトルも垂直成分より水平成分の方が大きいため、図５と同様、導入管２３ｂの最下面から拡散部２２の溝２２ａ内への移動後も拡散速度ベクトルの水平成分が残っており、水平方向に広がりやすい。

導入管２３ｂの径と長さ、および受熱カバー１４との一体形成についても、図５と同様で、図５と比べたメリットは、混相流の導入管２３ｂとの衝突が緩和、すなわち図５のような直交的な衝突がなく、圧損が少ない状態で、導入管２３ｂ最下面の最小開口部を通過するため、図５に比べ開口部を通過する拡散速度が速くなる点であり、より確実に冷媒を拡散域全体に広げることができる。

以上のように、導入管２３ａ、２３ｂの受熱板１２側先端の内径を流入管２４の内径より大きくしたことにより、受熱空間内に供給された冷媒１０は、受熱板１２側だけではなく、水平方向にも放射状に広がろうとし、導入管の内壁まで広がった後、拡散部２２上を高速に拡散する。

従って、拡散部２２全体に冷媒１０の混相流が供給され、拡散部２２全体から気化熱を奪い、冷却することができる。すなわち、冷媒の拡散速度が最高になる位置Ｘ（＝開口面積が最小になる位置）を冷媒流入部からより遠い位置とすることにより、拡散部２２全体に十分な冷媒１０の混相流を供給できるようになり、面積が大きな発熱体に対しても冷却効率を向上させることが可能な冷却装置を提供することができるのである。

本発明によれば、発熱体の大きさに因らず、規則的な受熱と放熱のサイクルを維持し、冷却性能の安定した冷却装置が得られるので、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 車軸
３ 電動機
４ 車室前方
４ａ フロントグリル
５ インバータ回路
６ 半導体スイッチング素子
７ 冷却装置
８ 受熱部
９ 放熱部
１０ 冷媒
１１ 循環経路
１１ａ 放熱経路
１１ｂ 帰還経路
１２ 受熱板
１３ 受熱空間
１５ 流入口
１６ 排出口
１７ 放熱体
１７ａ 送風装置
１８ 管路
１９ フィン
２０ 逆止弁
２１ 冷媒流入部
２２ 拡散部
２２ａ 溝
２３、２３ａ、２３ｂ 導入管
２４ 流入管

Claims (4)

1. 発熱体からの熱を受ける受熱部と、
   冷媒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で構成し、
   前記冷媒を、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冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、
   前記帰還経路と前記受熱部を流入管で接続するとともに、この流入管には逆止弁を介在させ、
   前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた拡散部を有し、
   前記流入管または前記受熱カバーから前記受熱板に向けて延設し、凝縮した冷媒を前記受熱空間内に流入させる導入管を備え、
   前記導入管の前記受熱板側先端の内径は前記流入管の内径より大きいことを特徴とする冷却装置。
2. 前記導入管の内径は、前記受熱カバー側から前記受熱板側に向かって漸次拡大する形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 流入管の受熱板側先端に逆止弁を配したことを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
4. 請求項１〜３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。

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