JP7342811B2 - 冷却器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却器に関する。

発熱体を冷却する冷却器としては、例えば、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の冷却器は、内部に冷媒が流れる冷却部と、冷却部の内部に冷媒を供給する供給部と、冷却部の内部から冷媒を排出する排出部と、冷却部の内部に設けられたフィンと、を備える。冷却部の内部には、フィンが設けられる冷却領域と、供給領域が設けられている。供給領域は、供給部から冷媒が供給される領域である。供給部から供給領域に供給された冷媒は、供給領域から冷却領域に流れる。

特開２０１５－９０９０５号公報

ところで、発熱体の温度が上昇することに伴い、冷媒の温度が上昇することがある。冷媒の温度上昇による発熱体の過熱破壊を防ぐため、冷却器に冷媒の温度を検出する温度センサを設ける場合がある。冷媒の温度が変化した際には、この温度変化に追従して温度センサによって検出される温度は変化する。冷媒の流量の多い位置に温度センサを設けることで、冷媒の温度が変化してから、温度変化後の冷媒の温度を検出するまでの時間を短くできることが知られている。しかしながら、特許文献１に記載の冷却器では、供給領域に供給された冷媒は、冷却領域に分散する。このため、冷媒の流量の多い位置に温度センサを設ける場合、冷媒の流れる方向において、供給領域の上流に温度センサを配置する必要があり、温度センサの配置位置に制約が生じる。

本発明の目的は、温度センサの配置自由度を向上できる冷却器を提供することにある。

上記課題を解決する冷却器は、第１の底壁と、前記第１の底壁と向かい合って設けられる第２の底壁と、前記第１の底壁と前記第２の底壁との間で延設する側壁と、によって区画された内部に冷媒が流れる冷却部と、前記冷却部の内部に冷媒を供給する供給部と、前記冷却部の内部から冷媒を排出する排出部と、前記冷却部の内部に設けられたフィンと、前記冷却部の内部に設けられ、前記供給部から離れる方向に延設する区画壁と、前記冷却部の内部の領域であって前記フィンが設けられている冷却領域と、前記冷却部の内部の領域であって、前記区画壁と、前記区画壁の厚さ方向に前記区画壁と離間する前記側壁とによって区画され、前記冷却領域と前記供給部との間に設けられる供給領域と、前記冷媒の温度を検出する温度センサと、を備え、前記区画壁の前記供給部とは反対側の端部と、前記側壁と、によって前記供給領域と前記冷却領域とを繋ぐ接続流路が区画され、前記温度センサは、前記供給領域又は前記接続流路を通過する冷媒の温度を検出するように配置されている。

冷却部の内部に区画壁を設けることで、冷却部の内部には供給領域が区画されている。供給部から供給された冷媒は、供給領域を流れる。供給領域を流れる冷媒は、区画壁により、冷却領域への流入が抑制されている。冷却領域に冷媒が流入することを原因として、供給領域を流れる冷媒の流量が減ることが抑制されている。温度センサは、供給領域又は接続流路を通過する冷媒の温度を検出するように配置すればよいため、温度センサの配置自由度を向上できる。

上記冷却器について、前記区画壁の前記供給部側の端部は、前記側壁に接合されていてもよい。
上記冷却器について、前記供給領域における前記区画壁の前記供給部とは反対側の端部と前記側壁とによって区画される領域の断面積は、前記供給領域における前記区画壁の前記供給部側の端部と前記側壁とによって区画される領域の断面積より小さくてもよい。

上記冷却器について、前記供給領域の断面積は、前記区画壁の前記供給部側の端部から前記供給部とは反対側の端部に向かって単調減少してもよい。

本発明によれば、温度センサの配置自由度を向上できる。

冷却器の断面図。 冷却器を示す図１の２－２線断面図。 冷却器を示す図１の３－３線斜視断面図。

以下、冷却器の一実施形態について説明する。本実施形態の冷却器は、例えば、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されるインバータ装置に用いられる。インバータ装置は、バッテリから入力される直流電流を交流電流に変換して出力するものである。

図１、図２及び図３に示すように、インバータ装置１０は、インバータ回路１１と、インバータ回路１１を冷却する冷却器２０と、図示しないラジエータから冷却器２０に冷媒を供給する供給パイプ１２と、冷却器２０からラジエータに冷媒を排出する排出パイプ１３とを備える。本実施形態の冷媒は、液状の冷媒である。

インバータ回路１１は、スイッチング素子を１つ以上含む。スイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。インバータ回路１１は、スイッチング素子がスイッチング動作した場合に熱を生じる発熱体となる。

冷却器２０は、冷却部２１と、供給部３１と、排出部３３と、フィン４１と、区画壁５１と、温度センサ６１と、を備える。
冷却部２１は、金属製である。冷却部２１は、例えば、アルミニウム製である。冷却部２１は、四角箱状の部材である。冷却部２１は、６つの壁部２２～２７を備える。６つの壁部２２～２７は、第１の底壁２２と、第１の底壁２２の厚み方向に第１の底壁２２と向かい合う第２の底壁２３と、第１の底壁２２と第２の底壁２３との間で延びる４つの側壁２４～２７と、を含む。第２の底壁２３は、インバータ回路１１が搭載される壁部である。第２の底壁２３の外面にインバータ回路１１は搭載されている。

６つの壁部２２～２７は、四角板状である。４つの側壁２４～２７は、第１の底壁２２の周縁と第２の底壁２３の周縁の間で延びている。４つの側壁２４～２７は、第１の側壁２４と、第２の側壁２５と、第３の側壁２６と、第４の側壁２７と、を含む。第１の側壁２４と第２の側壁２５とは互いに向かい合っている。第３の側壁２６と第４の側壁２７とは互いに向かい合っている。なお、第１の底壁２２及び第２の底壁２３とは、必ずしも鉛直方向の下方に位置する壁部を示すものではなく、側壁２４～２７を支持する壁部を第１の底壁２２及び第２の底壁２３と称している。

供給部３１は、第１の側壁２４に設けられている。排出部３３は、第１の側壁２４に設けられている。本実施形態では、供給部３１及び排出部３３は同一の壁部に設けられているといえる。第３の側壁２６と第４の側壁２７とが向かい合う方向において、第３の側壁２６から供給部３１までの距離は、第３の側壁２６から排出部３３までの距離よりも短い。

供給部３１は、筒状の部材である。供給部３１は、供給部３１の軸線方向と第１の側壁２４の厚み方向とが一致する態様で第１の側壁２４に設けられている。供給部３１の軸線方向の第１端部は供給口３２を備える。供給口３２は、冷却部２１の内部に連通している。供給部３１の軸線方向の第２端部は、供給パイプ１２に接続されている。

排出部３３は、筒状の部材である。排出部３３は、排出部３３の軸線方向と第１の側壁２４の厚み方向とが一致する態様で第１の側壁２４に設けられている。排出部３３の軸線方向の第１端部は排出口３４を備える。排出口３４は、冷却部２１の内部に連通している。排出部３３の軸線方向の第２端部は、排出パイプ１３に接続されている。

供給部３１から冷却部２１の内部に供給された冷媒は、冷却部２１の内部を通った後に排出部３３から排出される。
フィン４１は、ピンフィンである。フィン４１は、第１の底壁２２と第２の底壁２３との間で垂直に延びる。フィン４１の第１端部は第１の底壁２２に固定されている。フィン４１の第２端部は第２の底壁２３に固定されている。フィン４１は、互いに離間して複数配置されている。フィン４１は、冷却部２１と一体であってもよいし、冷却部２１とは別体のものを冷却部２１に接合したものであってもよい。

本実施形態の区画壁５１は、矩形板状である。区画壁５１は、第１の側壁２４と第２の側壁２５との間に設けられており、第２の側壁２５の厚み方向に延びるように設けられている。区画壁５１の短手方向の第１端部５２は第１の底壁２２に接合されている。区画壁５１の短手方向の第２端部５３は第２の底壁２３に接合されている。区画壁５１の長手方向の第１端部５４は、第２の側壁２５に向かい合っている。区画壁５１の長手方向の第１端部５４は、第２の側壁２５から離間している。区画壁５１の長手方向の第２端部５５は、第１の側壁２４に接合されている。第１の側壁２４には供給部３１が設けられていることから、区画壁５１の長手方向の第２端部５５は、区画壁５１の供給部３１側の端部といえる。また、区画壁５１の長手方向の第１端部５４は、区画壁５１の供給部３１とは反対側の端部であるといえる。また、区画壁５１は、第１の側壁２４に設けられている供給部３１から第２の側壁２５に向かって離れる方向に延設しているといえる。

区画壁５１は、第３の側壁２６と間隔を空けて設けられている。区画壁５１は、供給部３１から離間するにつれて、第３の側壁２６との間隔が短くなるように設けられている。
冷却器２０は、冷却領域Ｓ１と、供給領域Ｓ２と、接続流路Ａ１と、排出領域Ｓ３と、を備える。冷却領域Ｓ１、供給領域Ｓ２、接続流路Ａ１及び排出領域Ｓ３は冷却部２１の内部の領域である。

冷却領域Ｓ１は、フィン４１が設けられた領域である。フィン４１は、インバータ回路１１と冷媒との熱交換を促進するために設けられている。従って、フィン４１は、第２の底壁２３を間に挟んでインバータ回路１１と向かい合う領域に設けられる。冷却領域Ｓ１とは、インバータ回路１１と熱交換が行われる冷媒が通過する領域ともいえる。

供給領域Ｓ２は、フィン４１が設けられていない領域である。排出領域Ｓ３は、フィン４１が設けられていない領域である。供給領域Ｓ２と排出領域Ｓ３との間に冷却領域Ｓ１は位置している。

供給領域Ｓ２は、区画壁５１と、区画壁５１の厚さ方向に区画壁５１と離間する第３の側壁２６とによって区画されている。供給口３２は、冷却部２１の内部のうち供給領域Ｓ２に開口している。即ち、供給領域Ｓ２は、冷却領域Ｓ１と供給部３１との間に設けられているといえる。

接続流路Ａ１は、供給領域Ｓ２と冷却領域Ｓ１とを繋ぐ流路である。接続流路Ａ１は、区画壁５１の長手方向の第１端部５４と第２の側壁２５との間に区画されている。
排出領域Ｓ３は、冷却部２１の内部を冷媒が流れる方向において、冷却領域Ｓ１よりも下流の領域である。排出口３４は、冷却部２１の内部のうち排出領域Ｓ３に開口している。

供給口３２から供給される冷媒は、供給領域Ｓ２に流入する。供給領域Ｓ２に流入した冷媒は、接続流路Ａ１に向けて流れる。
供給領域Ｓ２における区画壁５１の長手方向の第２端部５５と第３の側壁２６とによって区画される領域を第１端領域Ｅ１とする。供給領域Ｓ２における区画壁５１の長手方向の第１端部５４と第３の側壁２６とによって区画される領域を第２端領域Ｅ２とする。供給部３１から離間するにつれて第３の側壁２６との間隔が短くなるように区画壁５１を設けることで、第１端領域Ｅ１の断面積は、第２端領域Ｅ２の断面積より小さくなっている。また、供給領域Ｓ２の断面積は、区画壁５１の長手方向の第２端部５５から区画壁５１の長手方向の第１端部５４に向かって単調減少している。なお、断面積とは、冷媒の流れる方向に垂直な面の断面積を意味する。

供給領域Ｓ２を通過した冷媒は、接続流路Ａ１を介して供給領域Ｓ２から排出される。接続流路Ａ１から排出された冷媒は、冷却領域Ｓ１に拡散されていく。
温度センサ６１は、供給領域Ｓ２又は接続流路Ａ１を通過する冷媒の温度を検出するように配置されている。例えば、温度センサ６１は、供給領域Ｓ２又は接続流路Ａ１を区画する冷却部２１の壁部、あるいは、区画壁５１に設けられる。供給領域Ｓ２又は接続流路Ａ１を区画する冷却部２１の壁部とは、供給領域Ｓ２又は接続流路Ａ１を流れる冷媒が接する壁部ともいえる。温度センサ６１は、冷却部２１の壁部の内面に設けられていてもよいし、冷却部２１の壁部の外面に設けられていてもよい。供給領域Ｓ２を通過した冷媒は、接続流路Ａ１から冷却領域Ｓ１に拡散されるため、接続流路Ａ１から所定距離内の領域であれば、この領域の冷媒を検出した場合であっても、供給領域Ｓ２又は接続流路Ａ１を通過する冷媒の温度を検出しているとみなすことができる。所定距離は、例えば、実験やシミュレーションによって導出可能な距離であり、温度センサ６１に求められる温度追従性などにより変化する。

本実施形態において、温度センサ６１は、第２の側壁２５に取り付けられている。詳細にいえば、温度センサ６１は、第２の側壁２５のうち供給領域Ｓ２の第１端領域Ｅ１に面する部分の外面に取り付けられている。

温度センサ６１により検出された冷媒の温度が過剰に高い場合、インバータ回路１１の出力に制限が課されたり、インバータ回路１１が停止される。これにより、インバータ回路１１の温度が過剰に上昇することを抑制している。

本実施形態の作用について説明する。
区画壁５１を設けることで、冷却部２１の内部には供給領域Ｓ２が区画されている。供給部３１から冷却部２１の内部に供給された冷媒は、供給領域Ｓ２を流れる。供給領域Ｓ２を流れる冷媒は、区画壁５１により、冷却領域Ｓ１への流入が抑制されている。冷却領域Ｓ１に冷媒が流入することを原因として、供給領域Ｓ２を流れる冷媒の流量が減ることが抑制されている。

本実施形態の効果について説明する。
（１）区画壁５１を設けることで、供給領域Ｓ２を流れる冷媒の流量が減ることが抑制されている。冷媒の流量の多い位置に温度センサ６１を設けることで、単位時間あたりに温度センサ６１と熱交換を行う冷媒の量が減ることが抑制される。これにより、冷媒の温度が変化してから、温度変化後の冷媒の温度を検出するまでの時間を短くできる。区画壁５１を設けない場合、冷却領域Ｓ１に冷媒が分散するため、冷媒の流量の多い領域が少なく、温度センサ６１を配置できる領域が少ない。区画壁５１を設けることで、温度センサ６１は、供給領域Ｓ２又は接続流路Ａ１を通過する冷媒の温度を検出するように配置すればよいため、区画壁５１を設けない場合に比べて、温度センサ６１の配置自由度を向上できる。

（２）区画壁５１の長手方向の第２端部５５は、第１の側壁２４に接合されている。このため、供給口３２から供給された全ての冷媒が供給領域Ｓ２に流入する。区画壁５１の長手方向の第２端部５５が第１の側壁２４に接合されていない場合に比べて、供給領域Ｓ２を通過する冷媒の流量が減ることを抑制できる。

（３）供給領域Ｓ２の第１端領域Ｅ１の断面積は、供給領域Ｓ２の第２端領域Ｅ２の断面積より小さい。供給領域Ｓ２の第１端領域Ｅ１を流れる冷媒の流速を供給領域Ｓ２の第２端領域Ｅ２を流れる冷媒の流速より速くすることができる。供給領域Ｓ２を流れる冷媒の流速が速くなることにより、温度センサ６１に対する冷媒の熱伝達率が向上する。これにより冷媒の温度が変化してから、温度変化後の冷媒の温度を検出するまでの時間を更に短くできる。

（４）供給領域Ｓ２の断面積は、第２端領域Ｅ２から第１端領域Ｅ１に向かって単調減少する。これにより、供給領域Ｓ２内での冷媒の圧力損失が抑制され、供給領域Ｓ２を流れる冷媒の流速を更に速くすることができる。

実施形態は、以下のように変更して実施することができる。実施形態及び以下の変形例は、技術的に矛盾しない範囲で互いに組み合わせて実施することができる。
○供給領域Ｓ２の断面積は、供給領域Ｓ２を冷媒が流れる方向において、第２端領域Ｅ２から第１端領域Ｅ１に至るまで一定であってもよい。

○供給領域Ｓ２の第１端領域Ｅ１の断面積は、供給領域Ｓ２の第２端領域Ｅ２の断面積より大きくてもよい。
○供給領域Ｓ２の断面積は、第２端領域Ｅ２から第１端領域Ｅ１に向けて大きくなるようにしてもよい。

○供給領域Ｓ２の第１端領域Ｅ１の断面積が、供給領域Ｓ２の第２端領域Ｅ２の断面積より小さければ、第２端領域Ｅ２と第１端領域Ｅ１との間の断面積は、どのような大きさであってもよい。例えば、第２端領域Ｅ２から第１端領域Ｅ１に向けて途中位置までは一定の断面積であり、途中位置から第１端領域Ｅ１に向けて断面積が小さくなってもよい。また、第２端領域Ｅ２と第１端領域Ｅ１との間に、第２端領域Ｅ２よりも断面積が大きくなる箇所があってもよい。

○区画壁５１の長手方向の第２端部５５は、第１の側壁２４から離間していてもよい。この場合、区画壁５１の長手方向の第２端部５５と第１の側壁２４との間には、供給領域Ｓ２と冷却領域Ｓ１とを連通させる開口部が区画される。これにより、供給口３２から供給領域Ｓ２に流入する冷媒は減少し得るが、この場合であっても、区画壁５１を設けない場合に比べて、冷却領域Ｓ１に冷媒が分散しにくい。従って、区画壁５１を設けない場合に比べて、温度センサ６１の配置自由度を向上させることができる。なお、開口部としては、接続流路Ａ１よりも断面積が小さいことが好ましい。

○冷却部２１の区画壁５１の短手方向の第１端部５２は、第１の底壁２２から離間していてもよい。この場合、区画壁５１の短手方向の第１端部５２と第１の底壁２２との間には、供給領域Ｓ２と冷却領域Ｓ１とを連通させる開口部が区画される。これにより、供給口３２から供給領域Ｓ２に流入する冷媒は減少し得るが、この場合であっても、区画壁５１を設けない場合に比べて、冷却領域Ｓ１に冷媒が分散しにくい。従って、区画壁５１を設けない場合に比べて、温度センサ６１の配置自由度を向上させることができる。同様に、冷却部２１の区画壁５１の短手方向の第２端部５３は、第２の底壁２３から離間していてもよい。区画壁５１は、冷却部２１の壁部２２～２７のうち少なくともいずれかに接合されていればよい。

○接続流路Ａ１と冷却領域Ｓ１との間には、冷却領域Ｓ１とは異なる領域が介在していてもよい。接続流路Ａ１は、供給領域Ｓ２と冷却領域Ｓ１とを直接的に繋ぐ流路であってもよいし、供給領域Ｓ２と冷却領域Ｓ１とを冷却領域Ｓ１とは異なる領域を介して間接的に繋ぐ流路であってもよい。

○供給部３１と排出部３３とは、冷却部２１の別々の壁部に設けられていてもよい。
○フィン４１は、コルゲートフィンなど、どのような種類のものであってもよい。
○フィン４１は、冷却領域Ｓ１に加えて供給領域Ｓ２及び排出領域Ｓ３に設けられていてもよい。

○冷却器２０は、車両以外に搭載されるものであってもよい。
○第２の底壁２３に加えて、第１の底壁２２や側壁２４～２７にも発熱体が搭載されていてもよい。

○発熱体は、インバータ回路１１でなくともよい。発熱体は、冷却器２０に搭載可能であれば、任意の発熱体でよい。
○冷却器２０には、インバータ回路１１に加えて、インバータ回路１１以外の発熱体が搭載されていてもよい。

○冷媒は、気体状のものであってもよい。

Ａ１…接続流路、Ｅ１…第１端領域、Ｅ２…第２端領域、Ｓ１…冷却領域、Ｓ２…供給領域、１１…発熱体としてのインバータ回路、２０…冷却器、２１…冷却部、２４…第１の側壁、２５…第２の側壁、２６…第３の側壁、３１…供給部、３３…排出部、４１…フィン、５１…区画壁、５４…第１端部、５５…第２端部、６１…温度センサ。

Claims (4)

1. 第１の底壁と、前記第１の底壁と向かい合って設けられる第２の底壁と、前記第１の底壁と前記第２の底壁との間で延設する側壁と、によって区画された内部に冷媒が流れる冷却部と、
   前記冷却部の内部に冷媒を供給する供給部と、
   前記冷却部の内部から冷媒を排出する排出部と、
   前記冷却部の内部に設けられたフィンと、
   前記冷却部の内部に設けられ、前記供給部から離れる方向に延設する区画壁と、
   前記冷却部の内部の領域であって前記フィンが設けられている冷却領域と、
   前記冷却部の内部の領域であって、前記区画壁と、前記区画壁の厚さ方向に前記区画壁と離間する前記側壁とによって区画され、前記冷却領域と前記供給部との間に設けられる供給領域と、
   前記冷媒の温度を検出する温度センサと、を備え、
   前記区画壁の前記供給部とは反対側の端部と、前記側壁と、によって前記供給領域と前記冷却領域とを繋ぐ接続流路が区画され、
   前記温度センサは、前記供給領域又は前記接続流路を通過する冷媒の温度を検出するように配置されている冷却器。
2. 前記区画壁の前記供給部側の端部は、前記側壁に接合されている請求項１に記載の冷却器。
3. 前記供給領域における前記区画壁の前記供給部とは反対側の端部と前記側壁とによって区画される領域の断面積は、前記供給領域における前記区画壁の前記供給部側の端部と前記側壁とによって区画される領域の断面積より小さい請求項１又は請求項２に記載の冷却器。
4. 前記供給領域の断面積は、前記区画壁の前記供給部側の端部から前記供給部とは反対側の端部に向かって単調減少する請求項３に記載の冷却器。