JP6035513B2 - 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、従来一般的な水冷式の冷却装置は、図４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冷却水１０８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。冷却水１０８は、不凍液である水とエチレングリコールの混合液が用いられる。

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受熱性能が悪く、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を図４に示すように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。

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、受熱部の受熱性能を向上させ、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気液放熱部と、この気液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、前記帰還経路には逆止弁を備え、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受熱空間内の圧力との圧力バランスによって前記逆止弁が開動することにより前記作動流体が前記受熱空間に供給され、供給された前記作動流体は薄い膜として前記受熱板上に広がり加熱されて気化し、前記気液放熱部は、前記作動流体を流通させる伝熱管と、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冷却システムの冷却水を流通させる冷却水路とを備えた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と放熱経路を介して接続した気液放熱部と、この気液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、前記帰還経路には逆止弁を備え、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受熱空間内の圧力との圧力バランスによって前記逆止弁が開動することにより前記作動流体が前記受熱空間に供給され、供給された前記作動流体は薄い膜として前記受熱板上に広がり加熱されて気化し、前記気液放熱部は、前記作動流体を流通させる伝熱管と、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冷却システムの冷却水を流通させる冷却水路とを備えたことにより、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、放熱経路を流れ気液放熱部で液化して、帰還経路を流れて液体の水頭による圧力で逆止弁を開いて、流入口から再び受熱空間へ流入することとなる。

このとき逆止弁の作用により、作動流体の流れが一方向に規制され、液化した作動流体の水頭圧により、規則的な受熱と放熱のサイクルができ、受熱性能を向上させた冷却装置を提供できるという効果を奏する。

さらに、高い受熱性能を有することにより、高密度の半導体スイッチング素子の冷却が可能となり、分散配置されていた複数の半導体スイッチング素子をより小さい面積に集約することができるため、結果として受熱部の小型化が実現できる。

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 （ａ）同冷却装置の気液放熱部の平面図、（ｂ）同冷却装置の気液放熱部のＡ−Ａ断面を示す構成図 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式の冷却装置の受熱部１０３以外の構成を水冷式冷却システム２０として流用し、この水冷式冷却システム２０の受熱部の受熱性能を向上するために、別の作動流体系統を有する受熱性能の高い冷却装置４を受熱部として追加している。この点が、本発明の最も特徴的な構成であるが、この点については、後述する。

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８（図２）を備えおり、この半導体スイッチング素子８（図２）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８（図２）を冷却するために、冷却機構を備えている。

この冷却機構は、背景技術で説明した従来の水冷式の冷却装置の受熱部１０３以外の構成を有する水冷式冷却システム２０と、この水冷式冷却システム２０の受熱部として別の作動流体系統を有する受熱性能の高い冷却装置４と、水冷式冷却システム２０と冷却装置４とを接続する気液放熱部５で構成されている。

水冷式冷却システム２０は、背景技術で説明した従来の水冷式の冷却装置の受熱部１０３以外の構成、すなわち、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１０９、循環経路１０４とその途中に設けられたポンプ１０７で構成されている。

水冷式冷却システム２０の受熱部としての冷却装置４について説明する。

以下では、冷却装置４は、気液放熱部５を含んだ構成として説明する。

図２に示すように、水冷式冷却システム２０の受熱部としての冷却装置４は、発熱体である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気液放熱部５を備え、受熱部３と気液放熱部５の間で熱媒体となる作動流体１１を循環させる放熱経路９と帰還経路１０を備えている。

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６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７を備えている。

また、受熱空間１３の流入口６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１５を備えている。

放熱経路９は、排出口７と気液放熱部５、帰還経路１０は、流入口６と気液放熱部５に、それぞれ接続されている。

水冷式冷却システム２０は、冷却装置４から放熱された熱を気液放熱部５内で、水冷式冷却システム２０の循環経路１０４を循環する冷却水１０８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、冷却装置４の受熱空間１３と放熱経路９および帰還経路１０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−９２ＫＰａ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、冷却装置４において、液化した作動流体１１が、逆止弁１５の上流側に溜まり、液化した作動流体１１の水頭圧により、逆止弁１５が開き、作動流体１１が、受熱空間１３に供給される。

受熱空間１３の底面の受熱板１２は、発熱体である半導体スイッチング素子８から発する熱により、熱せられているので、受熱板１２上に滴下した作動流体１１の一部が沸騰し、気化による急激な体積膨張によって、高速気流となり、受熱板１２に拡散する。この作動流体１１の高速気流が、まだ沸騰していない残りの作動流体１１を巻き込み、受熱板１２全体に作動流体１１の薄膜層を形成し、受熱板１２上に広がった作動流体１１の薄膜層が、半導体スイッチング素子８から発する熱を受けて瞬時に気化する。このプロセスを繰り返すことにより、効率よく作動流体１１を気化させて、発熱体である半導体スイッチング素子８から発する熱を奪うことができる。その結果として、冷却性能を向上させることができる。

気化した作動流体１１は、受熱部３の排出口７から放熱経路９を流れて気液放熱部５内で水冷式冷却システム２０を循環する冷却水１０８に熱を放出する。冷却水１０８に熱を放出した作動流体１１は、液化して帰還経路１０を流れて受熱部３の流入口６の逆止弁１５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１０内で増加して、その作動流体１１の水頭による圧力によって逆止弁１５を開かせて、再び受熱空間１３内へと供給される。

このようにして作動流体１１が繰り返し冷却装置４内を循環して発熱体である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１５は、帰還経路１０内の逆止弁１５上流に凝縮して停留した作動流体１１の水頭圧と、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、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−９２ＫＰａにして、循環経路内を飽和蒸気圧状態にしておくことで、外部からの加熱による昇温により容易に作動流体１１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、作動流体１１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、かつ作動流体１１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１１を加温して単純に沸騰させるものに比べて、奪う熱量を非常に大きくすることができる。つまり、受熱板１２表面の熱伝達率が高まり、受熱性能を向上させることができるのである。

すなわち、本実施形態の冷却装置４は、この高い受熱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から発生する大量の熱を充分に受熱することができ、分散配置されていた複数の半導体スイッチング素子をより少ない個数に集約することもできるため、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。

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１５の作用により作動流体１１が逆流して帰還経路１０側へ戻ることはなく、確実に排出口７から放熱経路９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４内の作動流体１１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から発生する熱を効果的に受熱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したが、以下に最も特徴的な構成について説明する。

前述したとおり、背景技術で説明した、従来の一般的な水冷式の冷却装置の受熱部１０３以外の構成は水冷式冷却システム２０として流用し、この水冷式冷却システム２０の受熱部の受熱性能を向上するために、別の作動流体系統を有する受熱性能の高い冷却装置４を受熱部として追加している点が、本発明の最も特徴的な構成である。

図２に示すように、冷却装置４において、発熱体である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は一瞬にして気化し、排出口７から放熱経路９を流れて気液放熱部５内で水冷式冷却システム２０を循環する水に熱を放出する。

すなわち、受熱部３において作動流体１１に受熱した熱を、気液放熱部５において水冷式冷却システム２０を流通する冷却水１０８に放熱して、熱交換するのである。

つまり、気液放熱部５は、水冷式冷却システム２０においては、受熱部として働き、本発明の冷却装置４においては、放熱部として働く。

気液放熱部５の構成と作用、効果について図３を用いて説明する。

気液放熱部５は、作動流体１１を流通させる伝熱管２３（図３（ｂ））と、ポンプ１０７（図２）により循環される冷却水１０８によって冷却する水冷式冷却システム２０の冷却水１０８を流通させる冷却水路２４（図３（ｂ））とを備えている。

伝熱管２３は、ステンレス、銅、アルミ等の金属で形成されている。用いる作動流体１１の種類により、伝熱管２３に用いる金属を適宜選択する。

これにより、受熱空間１３内に供給された液化した作動流体１１は発熱体である半導体スイッチング素子８から気化熱を奪い気化して、排出口７から排出され、放熱経路９を流れ気液放熱部５で液化して、帰還経路１０を流れて液体の水頭による圧力で逆止弁１５を開いて、流入口６から再び受熱空間１３へ流入することとなる。

このとき逆止弁１５の作用により、作動流体１１の流れが一方向規制され、液化した作動流体１１の水頭圧により、規則的な受熱と放熱のサイクルができ、受熱性能を向上させた冷却装置４を提供できるという効果を奏する。

さらに、高い受熱性能を有することにより、高密度の半導体スイッチング素子８の冷却が可能となり、分散配置されていた複数の半導体スイッチング素子８をより小さい面積に集約することができるため、結果として受熱部３の小型化が実現できるという効果を奏する。

さらに、気液放熱部５は、隙間を設けて積層した複数のフィン２５と、このフィン２５に対して垂直方向に貫通して接合された複数の伝熱管２３と、この複数の伝熱管２３の一方の端部が接合された上流側ヘッダー部２１と、他方の端部が接合された下流側ヘッダー部２２と、を備え、上流側ヘッダー部２１は放熱経路９に接続され、下流側ヘッダー部２２は帰還経路１０に接続され、作動流体１１は、放熱経路９、上流側ヘッダー部２１、伝熱管２３、下流側ヘッダー部２２、帰還経路１０の順に流通する。気液放熱部５の外周は、気液放熱部カバー２６により覆われている。

また、気液放熱部５の冷却水路２４の両端部に、入口１１０と、出口１１１を設ける。気液放熱部５の冷却水路２４において、冷却水１０８が、放熱経路９側から帰還経路１０側に流通するように、入口１１０を水冷式冷却システム２０の循環経路１０４の上流側に、出口１１１を下流側に、各々接続する。循環経路１０４内を流通する冷却水１０８は、気液放熱部５の冷却水路２４の入口１１０から、冷却水路２４内に流入する。冷却水路２４内に流入した冷却水１０８に、伝熱管２３内を流通する作動流体１１の熱が、伝熱管２３、フィン２５を介して、冷却水１０８へ放熱される。作動流体１１から受熱した冷却水１０８は、冷却水路２４の出口１１１から、循環経路１０４に流出する。

本実施形態では、気液放熱部５の冷却水路２４において、冷却水１０８が、放熱経路９側から帰還経路１０側に流通するように、入口１１０を水冷式冷却システム２０の循環経路１０４の上流側に、出口１１１を下流側に、各々接続する構成としたが、冷却水１０８の流れる方向は、逆方向の、すなわち、帰還経路１０側から放熱経路９側に流通する構成としてもよい。

上流側ヘッダー部２１は、下流側ヘッダー部２２より鉛直上方に配置する。

フィン２５は、銅、アルミ等の金属で形成された薄板に伝熱管２３を挿入するための挿入孔がプレス加工により千鳥状に形成されたものを所定の寸法に切断したものを所定の間隔をあけて積層したブロック体である。

フィン２５とスペーサー（図示せず）を交互に積層することにより、積層したフィン２５に所定の間隔を設ける。積層したフィン２５の挿入孔に、所定の長さにカットしたパイプ状の伝熱管２３を挿入する。この伝熱管２３の端から伝熱管内径を押し広げる工具であるビレット（図示せず）を挿入して、拡管加工することにより、伝熱管２３をフィン２５に密着させる。

これにより、発熱体である半導体スイッチング素子８から発する熱により気化した高温の作動流体１１は、放熱経路９から気液放熱部５に流入し、一旦、上流側ヘッダー部２１に貯留され、その後、上流側ヘッダー部２１に接合された伝熱管２３を流通する。このとき、作動流体１１の熱は伝熱管２３に接合されたフィン２５から、冷却水路を流通する冷却水に放熱され、作動流体１１の温度は下がり、液化する。

上流側ヘッダー部２１は、下流側ヘッダー部２２より鉛直上方に配置されているので、上流側ヘッダー部２１の下方に配置された下流側ヘッダー部２２に液化した作動流体１１が滴下して集まる。液化した作動流体１１は、上方に配置された上流側ヘッダー部２１に逆流することはない。

さらに、作動流体１１は、伝熱管２３の上流側ヘッダー部２１が接合された側とは反対側に接合された下流側ヘッダー部２２に、一旦、貯留された後、下流側ヘッダー部２２と連通する帰還経路１０に流出する。そのため、上流側ヘッダー部２１に一旦貯留された作動流体１１は、上流側ヘッダー部２１に接合された複数の伝熱管２３に、比較的均一に流入させることができる。すなわち、下流側ヘッダー部２２に一旦貯留された作動流体１１が、帰還経路１０に流出されるので、複数の伝熱管２３の上流側と出口側の圧力を比較的均一にすることができる。その結果、各々の伝熱管２３に作動流体１１を比較的均一に流通させることができる。

これより、各々の伝熱管２３に接合されたより広い面積のフィン２５から作動流体１１の熱を冷却水１０８に移動することがきる。その結果、より受熱性能を向上させた冷却装置４を提供できるという効果を奏する。

以上のように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と放熱経路を介して接続した気液放熱部と、この気液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、前記気液放熱部は、前記作動流体を流通させる伝熱管と、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冷却システムの冷却水を流通させる冷却水路とを備えたことにより、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、受熱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装置として有用である。

１ 電気自動車
２ インバータ回路
３ 受熱部
４ 冷却装置
５ 気液放熱部
６ 流入口
７ 排出口
８ 半導体スイッチング素子
９ 放熱経路
１０ 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 逆止弁
２０ 水冷式冷却システム
２１ 上流側ヘッダー部
２２ 下流側ヘッダー部
２３ 伝熱管
２４ 冷却水路
２５ フィン
２６ 気液放熱部カバー
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
１０８ 冷却水
１０９ 放熱部
１１０ 入口
１１１ 出口

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気液放熱部と、この気液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、前記帰還経路には逆止弁を備え、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受熱空間内の圧力との圧力バランスによって前記逆止弁が開動することにより前記作動流体が前記受熱空間に供給され、供給された前記作動流体は薄い膜として前記受熱板上に広がり加熱されて気化し、前記気液放熱部は、前記作動流体を流通させる伝熱管と、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冷却システムの冷却水を流通させる冷却水路とを備えたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記気液放熱部は、隙間を設けて積層した複数のフィンと、このフィンに対して垂直方向に貫通して接合された複数の伝熱管と、この複数の伝熱管の一方の端部が接合された上流側ヘッダー部と、他方の端部が接合された下流側ヘッダー部と、を備え、
   前記上流側ヘッダー部は前記放熱経路に接続され、前記下流側ヘッダー部は前記帰還経路に接続され、前記作動流体は、前記放熱経路、前記上流側ヘッダー部、前記伝熱管、前記下流側ヘッダー部、前記帰還経路の順に流通することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記上流側ヘッダー部は、前記下流側ヘッダー部より鉛直上方に配置されていることを特徴とする請求項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。

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