JP6534686B2

JP6534686B2 - 冷却器

Info

Publication number: JP6534686B2
Application number: JP2016566527A
Authority: JP
Inventors: 啓竹村; 靖人末木; 俊一佐田; 季朗久野
Original assignee: Mitsubishi Aluminum Co Ltd
Current assignee: MA Aluminum Corp
Priority date: 2014-12-25
Filing date: 2015-12-25
Publication date: 2019-06-26
Anticipated expiration: 2035-12-25
Also published as: US20180051936A1; US10544993B2; WO2016104727A1; EP3239639A4; EP3239639A1; JPWO2016104727A1; KR20170097057A; CN107003077A

Description

本発明は、建設機械（ハイブリッド）、風力・太陽光発電の電力変換装置、電源装置・無停電電源装置等の電力変換装置、エレベータ・圧延機・工作機械などのモータ制御などのいわゆるインバータ、鉄道車両・電気車両等のパワートランジスタやサイリスタ等の半導体素子を利用した制御機器等の冷却に用いる冷却器に関する。
本願は、２０１４年１２月２５日に出願された特願２０１４−２６２３５６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

パワートランジスタやサイリスタ等の半導体素子を利用した制御機器等の冷却に使用する冷却器として、冷媒が沸騰する際の潜熱を利用して発熱体を冷却する冷却器（沸騰冷却器）が知られている。

例えば、特許文献１に記載の冷却器（ヒートパイプ冷却器）は、半導体素子等の発熱体の熱を受けるベースブロックに、断面積の大きな複数本の円管状のタンクを埋設するとともに、タンクの露出部分の側面に複数の細いパイプを立設させ、そのパイプに複数のフィンを取り付けた構成とされ、発熱体の熱を外気によって冷却することができる。

特許文献２に記載の冷却器（沸騰冷却装置）は、液体冷媒を収容する収容部と、内部空間が収容部内と連通する連通室と、連通室の側方に突出した凝縮部とを備え、連通室には、沸騰した冷媒（液体冷媒）を凝縮部の開口上部に誘導する誘導板を備える構成とされ、凝縮部内への冷媒の進入を抑制して、凝縮部の凝縮性能（冷却性能）を維持する。

特開２００４‐１２５３８１号公報特開２０１２‐２３４９２８号公報

特許文献１に記載されるような構造の冷却器においては、タンク（沸騰管）の内径をある程度大きくしないと、効率的に冷媒の沸騰を起こすことができない。また、ベースブロックにタンクを半分以上埋め込まないと、冷却性能を十分に発揮することができない。さらに、ベースブロックには、発熱体を取り付けるためのねじ穴を多数設ける必要があることから、ねじ穴とタンクとの干渉を避けるために、タンクの設置数や発熱体の取付位置に制約が生じる。

沸騰冷却性能を発揮するためには、冷媒の入ったタンクに適正な空間が確保され、この空間部分にパイプが接続されていることが必要とされる。この空間は、通常、タンクの体積の１／３以上あることが理想である。一方、タンクの管底面に液状の冷媒がない場合と、沸騰冷却性能を発揮することができない。

ところが、電気車両等に用いる車両用冷却器においては、車両が勾配のある場所を走行すると、タンクの円管軸方向において、部分的にタンクの空間が液状の冷媒で埋まって液状のまま冷媒がパイプに到達したり、タンクの底部に液状の冷媒がない状況ができたりすることが問題であった。

また、特許文献２に記載されるような構造の冷却器においては、凝縮部（冷却管）が冷媒の液面より上側に配置されるとともに、その液面が発熱体より上側になければならないため、収容部（沸騰管）と凝縮部とを設置するための広いスペースを確保する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷却器全体をコンパクトに構成しながらも、冷却性能の向上を図ることができる冷却器を提供することを目的とする。

本発明の冷却器は、上下方向に発熱体が装着される装着面を有するベースブロックと：該ベースブロックの前記装着面とは反対面に埋設され冷媒が収容されたタンク；及び該タンクの側面に立設状態で接続された相互に平行な複数のパイプ；からなるパイプユニットと：複数の前記パイプを貫通させた状態でこれらパイプに取り付けられた複数の放熱フィンと：を備え、前記タンクは、前記ベースブロックの厚み方向に沿う厚みを上下方向に沿う高さよりも薄くした偏平形状に設けられ、前記タンクの厚みの半分以上が前記ベースブロックに埋め込まれ、前記パイプは、前記タンクの側面の上側位置に接続されており、前記タンクにおける前記パイプの接続口が、前記タンク内の前記冷媒の液面より上方に間隔をおいて設けられている。

パイプユニットを構成するタンクを偏平形状に設け、円管形状とした場合に比べて薄型にすることで、タンクのベースブロックへの接触面積を円管形状のタンクの場合と同様に確保しながらも、ベースブロックへの厚み方向の埋設量を小さくすることができる。これにより、ベースブロックの厚みを従来と同じ厚みで形成した場合であっても、十分な冷却性能を確保しながらも、発熱体取付用のねじを設置するための厚みを確保することができる。したがって、発熱体をタンクの取付位置と重なる位置に配置した場合であっても、ねじとタンクとが干渉することがないので、発熱体の取付位置とタンクの取付位置とを自由に設定することができ、冷却器全体をコンパクトに構成することができる。

また、偏平形状に形成したタンクの上側位置に、各パイプを接続したので、車両が勾配のある場所を走行し、冷却器が傾いた際にも、タンク内に空間を確保できるとともに、タンク内に冷媒を保持することができる。したがって、タンクの底部が乾くことがなく、常時、沸騰冷却性能を円滑に発揮させることができ、冷却性能を向上させることができる。

本発明の冷却器において、前記ベースブロックには、前記発熱体が上下に複数設置されるとともに、複数の前記パイプユニットが相互に並列に埋設されており、前記各パイプユニットの前記タンクの設置間隔が、前記発熱体の設置予定間隔よりも狭く設定されており、前記放熱フィンが、前記各パイプユニットの前記パイプに跨って一体に設けられているとよい。

本発明の冷却器においては、ベースブロックに設置されるタンクの上下方向の高さを、発熱体のサイズに応じて設計することができ、発熱体の上下方向の高さよりもタンクの上下方向の高さを低く設定することで、タンクを発熱体に対して複数並べて設置することができる。また、ベースブロックの反対面、すなわち冷却面側において、放熱フィンを各パイプに跨って一体に設けることで、複数のパイプユニットにより冷却性能の向上を図りながら、各パイプユニットを近接配置してコンパクト化を図ることができる。
また、本発明の冷却器において、タンクの上下方向の高さは発熱体の上下方向の高さよりも低く設定されているとよい。

本発明によれば、冷却器の全体をコンパクトに構成しながらも、冷却性能の向上を図ることができる。

本発明の実施形態である冷却器を示す斜視図である。図１に示す冷却器を別の角度から見た斜視図である。図１に示す冷却器の断面図である。

以下、本発明の冷却器の実施形態について、図面を参照して説明する。
図１から図３は、本発明の実施形態の冷却器１００を示している。この冷却器１００は、発熱体１０が装着される装着面２１ａが上下方向に沿って形成されたベースブロック２０と、このベースブロック２０の装着面２１ａとは反対側の反対面２１ｂに埋設された複数のタンク３１及び各タンク３１の側面に立設した状態で接続された複数のパイプ３２からなるパイプユニット３０と、複数のパイプ３２を貫通させた状態でこれらパイプ３２に取り付けられた複数の放熱フィン４０とを備え、車両に用いられる。

この冷却器１００は、図示は省略するが、車両の側面の下部に、ベースブロック２０の装着面２１ａが上下方向に沿うようにして設置される。

ベースブロック２０は、熱伝導性に優れる熱容量の大きなアルミニウムや銅等の金属により形成されている。そして、ベースブロック２０の片側（図３では左側）の装着面２１ａに、半導体素子等の発熱体１０が装着され、その発熱体１０が装着された装着面２１ａとは反対側（図３では右側）の反対面２１ｂに、タンク３１が埋設されている。

タンク３１は、図３に示すように、横断面（この図３では、上下方向断面）が長円形状のパイプにより形成され、ベースブロック２０の厚みｔ１の厚み方向と同方向の厚みｔ２を、上下方向の高さｈ２より薄くした偏平形状に設けられる。また、タンク３１の上下方向の高さｈ２は、発熱体１０の上下方向の高さｈ１よりも低く設定されている。なお、この横断面を長円形状とするタンク３１は、例えば、円筒形状のパイプを径方向に潰すことにより容易に製作することができる。そして、このように偏平形状に設けたタンク３１の平坦な側面に複数の細いパイプ３２を接続することにより、パイプユニット３０を構成している。これらタンク３１及びパイプ３２は、アルミニウム又は銅により形成されている。

パイプ３２は、図１及び図２に示すように、各タンク３１の側面の上側位置に、一定間隔をおいて相互に平行に、タンク３１の延伸方向に沿う列をなして立設されている。また、各パイプ３２は、タンク３１との接続端からその反対側の閉塞端に向けて、水平方向に対して上方に角度αで傾斜して配置されている。そして、タンク３１とパイプ３２とは、内部空間を一体としてろう付けにより接合されており、内部に純水やパーフルオロカーボン等の冷媒６０が収容されている。

角度αは、車両が勾配のある場所を走行し、冷却器１００が傾く可能性のある角度を基準に設定されている。このようにパイプ３２を傾斜させて取り付けることにより、冷却器１００が傾いた際に、パイプ３２への液状の冷媒６０の流れ込みを防止することができる。

このように、複数のパイプ３２が取り付けられたタンク３１（パイプユニット３０）を、図１から図３に示すように、ベースブロック２０の反対面２１ｂに複数個を上下方向に並列に配置することにより、パイプ３２をマトリクス状に配置している。なお、本実施例では、図２に示すように、パイプ３２を上面視で格子状に配置しているが、ジグザグに配列する構成としたり、他の配列とすることも可能である。

ベースブロック２０に、並列して埋設された各パイプユニット３０（タンク３１）は、その上下方向に沿う設置間隔（ピッチｐ２）が、発熱体１０の設置予定間隔（ピッチｐ１）よりも狭く設定されている。図１から図３に示す本実施形態の冷却器１００では、上下二段の発熱体１０に対して、三段のパイプユニット３０が設置されている。

各パイプユニット３０のタンク３１は、タンク３１の厚みｔ２の半分以上がベースブロック２０に埋め込まれ、はんだ付け等によりベースブロック２０とタンク３１とが一体に接合されている。これにより、ベースブロック２０とタンク３１との間の熱移動が円滑に行われる。

パイプ３２には、熱伝導率に優れたアルミニウムや銅からなる薄い板状の放熱フィン４０が、パイプ３２を貫通させた状態で、串刺しにされたように複数枚重ねて取り付けられている。放熱フィン４０には、薄板の所定位置に、例えばバーリング加工等により形成された複数の貫通孔（図示略）が設けられている。これらの貫通孔にパイプ３２を圧入することにより、各パイプ３２に放熱フィン４０が跨って取り付けられ、放熱フィン４０と各パイプ３２とが一体に設けられる。なお、放熱フィン４０の貫通孔に挿入したパイプ３２を拡管することにより、放熱フィン４０を取り付けることもできる。

このように構成された冷却器１００においては、発熱体１０から発生した熱が、ベースブロック２０に伝わり、さらにベースブロック２０からパイプユニット３０のタンク３１に伝わって、タンク３１内の冷媒６０を沸騰させて蒸発させる。そして、蒸発した冷媒６０の蒸気は、タンク３１内を上昇してパイプ３２内に移動し、パイプ３２を介して放熱フィン４０に熱が伝わることにより冷却される。

本実施形態の冷却器１００においては、パイプユニット３０を構成するタンク３１を、円管形状とした場合に比べて薄型の扁平形状に形成している。これにより、タンク３１のベースブロック２０への接触面積を円管形状のタンクの場合と同様に確保しながらも、ベースブロック２０への厚み方向の埋設量を小さくすることができる。このため、ベースブロック２０を従来と同じ厚みｔ１で形成した場合であっても、十分な冷却性能を確保しながらも、発熱体１０の取付用のねじ（図示略）を設置するための厚みを確保することができる。したがって、発熱体１０をタンク３１の取付位置と重なる位置に配置した場合であっても、ねじとタンク３１とが干渉することがないので、発熱体１０の取付位置とタンク３２の取付位置とを自由に設定することができ、冷却器全体をコンパクトに構成することができる。

また、偏平形状に形成したタンク３１の上側位置に各パイプ３２を接続したので、タンク３１内の冷媒６０の液面の高さと、パイプ３２との接続口との間隔を大きく確保することができる。これにより、車両が勾配のある場所を走行して冷却器１００が傾いた際に、タンク３１の空間を確保でき、液状の冷媒６０がタンク３１からパイプ３２に流れ込むことを防止することができる。また、タンク３１を偏平形状とし、上下方向の高さｈ２を大きくしているので、冷却器１００が傾いた際に、タンク３１内に液状の冷媒６０を保持することができる。したがって、タンク３１の底部が乾くことがなく、常時、沸騰冷却性能を円滑に発揮させることができ、冷却性能を向上させることができる。

さらに、本実施形態の冷却器１００においては、タンク３１の上下方向の高さｈ２を、発熱体１０の上下方向の高さｈ１よりも低く形成し、タンク３１の設置間隔ｐ２を発熱体１０の設置予定間隔ｐ１よりも狭く設定していることから、１個の発熱体１０に対してタンク３１を上下方向に複数並べて設置することができる。また、ベースブロック２０の反対面２１ｂ、すなわち冷却面側において、放熱フィン４０を各パイプ３２に跨って一体に設けている。これにより、複数のパイプユニット３０により冷却性能の向上を図りながら、各パイプユニット３０を近接配置してコンパクト化を図ることができる。

なお、タンク３１の設置間隔ｐ２を、発熱体１０の設置予定間隔ｐ１よりも大きく設定した場合には、車両が傾く等してタンク３１内の冷媒６０の液量が少なくなった（偏った）ときに、空焚きとなるおそれがある。

なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、放熱フィン４０は、上記実施形態のように、全部のパイプ３２を貫通させた状態で取り付ける構成とする他、これら複数のパイプ３２をいくつかのブロックに分けて、複数個のパイプ３２毎に分けた小型の放熱フィンを取り付ける構成とすることもできる。

冷却器の全体をコンパクトに構成しながらも、冷却性能の向上を図ることができる。

１０発熱体
２０ベースブロック
２１ａ装着面
２１ｂ反対面
３０パイプユニット
３１タンク
３２パイプ
４０放熱フィン
６０冷媒
１００冷却器

Claims

上下方向に沿い発熱体が装着される装着面を有するベースブロックと、
該ベースブロックの前記装着面とは反対面に埋設され冷媒が収容されたタンク、及び該タンクの側面に立設状態で接続された相互に平行な複数のパイプからなるパイプユニットと、
複数の前記パイプを貫通させた状態でこれらパイプに取り付けられた複数の放熱フィンと
を備え、
前記タンクは、前記ベースブロックの厚み方向に沿う厚みを上下方向に沿う高さよりも薄くした偏平形状に設けられ、前記タンクの厚みの半分以上が前記ベースブロックに埋め込まれ、
前記パイプは、前記タンクの側面の上側位置に接続されており、前記タンクにおける前記パイプの接続口が、前記タンク内の前記冷媒の液面より上方に間隔をおいて設けられている
冷却器。
前記ベースブロックには、前記発熱体が上下に複数設置されるとともに、複数の前記パイプユニットが相互に並列に埋設されており、
前記各パイプユニットの前記タンクの設置間隔が、前記発熱体の設置予定間隔よりも狭く設定されており、
前記放熱フィンが、前記各パイプユニットの前記パイプに跨って一体に設けられている請求項１に記載の冷却器。
タンクの上下方向の高さは発熱体の上下方向の高さよりも低く設定されていることを特徴とする請求項２記載の冷却器。