JP2013083399A - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は冷却装置の低背化を図ることを目的とする。
【解決手段】受熱部４、気相管５、放熱部６、液相管７を順に連結して冷媒の循環経路を形成するとともに、前記放熱部６から受熱部４の間に、逆止弁８を介在させた冷却装置であって、前記放熱部６から逆止弁８の間に加圧室として凝縮ボックス６ａを介在させ、この凝縮ボックス６ａは、その内部に液化した冷媒が貯留される構造にするとともに、この凝縮ボックス６ａ内の水平方向断面積は、前記液相管７の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくした。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒を循環させて冷却を行う冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および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、受熱部、気相管、放熱部、液相管を順に連結して冷媒の循環経路を形成するとともに、前記放熱部から受熱部の間に、逆止弁を介在させた構成となっていた（これに類似する先行文献としては例えば下記特許文献１が存在する）。

特開平４−１３９３６８号公報

すなわち従来例の冷却装置では、その受熱部を、電子機器などの発熱体に熱伝導可能状態で取り付け、前記発熱体の熱で冷媒を蒸発させることで、この発熱体の放熱を行うようになっているのである。

また、受熱部で蒸発された冷媒は、先ず、気相管から放熱部に進んでここで放熱して液化し、次に液状となって放熱部から液相管に進み、その後、逆止弁上流に集まった液状冷媒の量が所定値（以下、これを水頭圧と表現する）まで達すると、主に、この液状冷媒の自重で逆止弁を開放し、受熱部へと循環するようになっている。

このような冷却装置の課題は、製品が極めて高くなってしまうということである。

すなわち、上記受熱部、気相管、放熱部、液相管の循環経路を順に冷媒を循環させるためには、前記放熱部から受熱部の間に、逆止弁を介在させる必要があるが、この逆止弁は上述のごとく水頭圧によって開放しなければならないので、十分な水頭圧を得るためには、逆止弁の上流に位置する液相管の垂直方向高さを高くしなければならず、また液相管の上流の放熱部も、ここで液化した冷媒を液相管に流すためには、さらにその上方に配置しなければならず、その結果として製品の高さが極めて高くなってしまい、これが原因で活用しにくい物となっていた。

例えば、この冷却装置の高さが１メートルにもなると、電気自動車などへの設置は実質的に困難なものとなってしまう。

そこで、本発明は、製品の低背化を図ることを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明は、受熱部、気相管、放熱部、液相管を順に連結して冷媒の循環経路を形成するとともに、前記放熱部から受熱部の間に、逆止弁を介在させた冷却装置であって、前記放熱部から逆止弁の間に加圧室を介在させ、この加圧室は、その内部に前記放熱部で液化した冷媒が貯留される構造にするとともに、この加圧室内の水平方向断面積は、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくし、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、気相管、放熱部、液相管を順に連結して冷媒の循環経路を形成するとともに、前記放熱部から受熱部の間に、逆止弁を介在させた冷却装置であって、前記放熱部から逆止弁の間に加圧室を介在させ、この加圧室は、その内部に前記放熱部で液化した冷媒が貯留される構造にするとともに、この加圧室内の水平方向断面積は、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくしたものであるので、製品の低背化を図ることができる。

すなわち、本発明においては、前記放熱部から逆止弁の間に加圧室を介在させ、この加圧室は、その内部に前記放熱部で液化した冷媒が貯留される構造にするとともに、この加圧室内の水平方向断面積は、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくしたものであるので、逆止弁上流の液状冷媒は、加圧室において大きな圧力を受けることになる。

つまり、従来は上述のごとく、水頭圧にて逆止弁を開放するために液相管の高さを高くする必要があったが、本発明では、加圧室内の水平方向断面積を、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくすることで、水頭高さが低い液状冷媒でも大きな圧力で逆止弁を開放することができるようにしたものである。

このため、本発明では、製品の低背化を図ることができ、その結果として各種電子機器や、電気自動車などへの活用が図れるようになる。

本発明の実施の形態１の冷却装置を電子機器の一例である電気自動車に適用した図 （ａ）同冷却装置の斜視図、（ｂ）Ａ方向から見た図、（ｃ）Ｂ方向から見た図、（ｄ）水面の広さを示す図 同冷却装置の特性を示す図 （ａ）本発明の実施の形態２の冷却装置を示す図（図２のＡ方向から見た状態に対応）、（ｂ）同図２のＢ方向から見た状態に対応する図、（ｃ）水面の広さを示す図 （ａ）本発明の実施の形態３の冷却装置を示す図（図２のＢ方向から見た状態に対応する図）、（ｂ）水面の広さを示す図

以下、本発明の冷却装置を、電子機器の一例である電気自動車に適用したものについて、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１に示すように、電気自動車１の車軸１ａを駆動する電動機１ｂは、電気自動車１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、複数の半導体制御素子を備えており、この半導体制御素子が動作中に大電流が流れることで発熱する。つまり、この実施形態では、半導体制御素子が発熱体となっている。

このため、この半導体制御素子を冷却するために、冷却装置３を備えている。

冷却装置３は図２（ａ）に示すように、受熱部４、気相管５、放熱部６、液相管７を順に連結して冷媒の循環経路を形成するとともに、前記放熱部６から受熱部４の間に、逆止弁８を介在させた構造となっている。

また、この循環経路内の気圧は大気圧よりも低く（例えば気圧を−９７ＫＰａ）しており、この状態にてこの循環経路内には、冷媒の一例として水が入れられている。

以下、各部の詳細な構成について、説明する。

先ず、受熱部４は容器状になっており、その底面表面が上述したインバータ回路２の半導体制御素子に対して熱伝導が可能な状態で取り付けられている。

また、この受熱部４の天面外周部には、上述した気相管５の一端が連結されている。

本実施形態では、放熱部６を加圧室と兼用したもので、その加圧室部分は、図２からも理解されるように、水平方向の幅を、垂直方向の高さよりも広くした扁平状態の凝縮ボックス６ａにより構成しており、このように凝縮ボックス６ａは図２（ｃ）からも理解されるように傾斜配置（図２のθ）されている。

そして、凝縮ボックス６ａの傾斜上方側には前記気相管５の他端が接続されている。

また、この凝縮ボックス６ａの傾斜下方側には前記液相管７の一端が接続されている。

さらに、前記液相管７の他端は逆止弁８を介して受熱部４の天面中央部に接続されている。

また、放熱部６の加圧室部分でもある凝縮ボックス６ａの下外表面には複数の放熱フィン９が設けられており、この放熱フィン９と受熱部４は図２のごとく水平方向に配置されている。

そして、この状態において、前記放熱フィン９の受熱部４とは反対側にファン１０が配置されている。

以上の構成において、受熱部４、気相管５、放熱部６、液相管７で構成された冷媒の循環経路内には、通常運転時において、図２（ｃ）に示すごとく、凝縮ボックス６ａ内の破線で示す位置から下方の液相管７までの容量の水が収納されている。つまり、凝縮ボックス６ａ内において、液相管７の断面積（水の進行方向に直行する方向の断面積）よりも広い液面が構成される程度の水が収納されているのである。

電気自動車１のインバータ回路２が起動されると、その半導体制御素子には大電流が流れるので、急速に発熱が始まる。

すると、その熱を受けて受熱部４内の水が急激に沸騰、気化し、勢い良く気相管５を介して凝縮ボックス６ａ内に流れ込む（逆止弁８の存在により液相管７方向には向かわず）。

この凝縮ボックス６ａには上述のごとく放熱フィン９が設けられており、放熱フィン９にファン１０から送風すると凝縮ボックス６ａは冷却され、その結果として気相状態の水は、凝縮し、液化する。

液化した水は凝縮ボックス６ａ内に溜り、図２（ｃ）の破線の液面を形成する。

この図２（ｃ）から理解されるように、液面下には液相管７の一端が開口し、また液面上には気相管５の他端が開口した状態となっている。

この状態で重要なことは、本実施形態において、加圧室を構成する凝縮ボックス６ａ内の水平方向断面積は、前記液相管７の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくしていることである。

つまり、このような構成にすると、凝縮ボックス６ａ内に存在する液面の面積は、図２（ｄ）のごとくＳ２となり、前記液相管７の冷媒循環方向に直行する方向の断面積Ｓ１よりもはるかに大きくなり、このことが本実施形態の冷却装置の製品高さを低くすることにつながる。

図３の実線は従来例の特性を示したもので、本実施形態の凝縮ボックス６ａが存在しないので、逆止弁８を開放する水頭圧を稼ぐためには、逆止弁８上方の液相管７を上方に高くしなければならない。

図３の例では、インバータ回路２の半導体制御素子の冷却が６００Ｗ必要であるときには、水頭圧高さは６０センチも必要となり、さらにその上方に放熱部が設けられるので、製品高さとしては極めて高くなり、製品適用化が困難なものとなる。

これに対して、本実施形態では、凝縮ボックス６ａ内の横幅を例えば４センチ、縦幅を１５センチとすれば、上述した凝縮ボックス６ａ内の液面の面積Ｓ２を、液相管（内径０・６センチ）７の冷媒循環方向に直行する方向の断面積Ｓ１の１００倍にすることも簡単に行え、このようにすると必要な水頭圧高さは、図３のモデル１のごとく、約５〜６センチでも良いものとなる。

すなわち、面積Ｓ２を有する凝縮ボックス６ａ内の液面は、この広い面積Ｓ２全体で気相管５側からの圧力を受けることとなり、その結果として逆止弁８を開放する水頭高さが低くても逆止弁８を開放し、再び水を受熱部４内へと循環させ、冷却を継続することが出来るようになるのである。

すなわち、本実施形態においては、逆止弁８を開放する水頭高を低くすることが出来ることで、製品高さを極めて低くすることが出来るのである。

また、凝縮ボックス６ａの下外表面に放熱フィン９を設けるとともに、この放熱フィン９と受熱部４を水平方向に配置したことでも、製品高さを極めて低くすることが出来るのである。

さらに、前記放熱フィン９の受熱部４とは反対側にファン１０を配置すれば、ファン１０からの送風でインバータ回路２を冷却することも出来るようになる。

そして、このように放熱部６、インバータ回路２を冷却した後の温風は、冬季の室内暖房などにも活用される。

なお、本実施形態においては、放熱部６と加圧室（凝縮ボックス６ａ）を兼用したが、放熱部６の下流に加圧室を設けても良い。

（実施の形態２）
図４は本発明の実施の形態２を示し、この例では凝縮ボックス６ａの外表面で、天面上方と、底面下方に放熱フィン９を設けた。

また、凝縮ボックス６ａ内の液面の面積Ｓ２を、液相管（内径０・６センチ）７の冷媒循環方向に直行する方向の断面積Ｓ１の２０倍にしたので、必要な水頭圧高さが、図３のモデル２のごとく、１０センチ程度は必要となっている。

（実施の形態３）
図６は本発明の実施の形態３を示し、この例では凝縮ボックス６ａの外表面で、天面上方に放熱フィン９を設け、さらにその上方にファン１０を配置している。

なお、以上の三つの実施形態では、電気自動車を例に説明を行ったが、本発明の冷却装置は低背化が可能なので、各種電子機器への適用が図れる。

本発明にかかる冷却装置は、前記放熱部から逆止弁の間に加圧室を介在させ、この加圧室は、その内部に前記放熱部で液化した冷媒が貯留される構造にするとともに、この加圧室内の水平方向断面積は、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくしたものであるので、逆止弁上流の液状冷媒は、加圧室において大きな圧力を受けることになる。

つまり、従来は上述のごとく、水頭圧にて逆止弁を開放するために液相管の高さを高くする必要があったが、本発明では、加圧室内の水平方向断面積を、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくすることで、水頭高さが低い液状冷媒でも大きな圧力で逆止弁を開放することができるようにしたものである。

このため、本発明では、製品の低背化を図ることができ、その結果として各種電子機器や、電気自動車などへの活用が図れるようになる。

１ 電気自動車
１ａ 車軸
１ｂ 電動機
２ インバータ回路
３ 冷却装置
４ 受熱部
５ 気相管
６ 放熱部
６ａ 凝縮ボックス
７ 液相管
８ 逆止弁
９ 放熱フィン
１０ ファン

Claims (9)

1. 受熱部、気相管、放熱部、液相管を順に連結して冷媒の循環経路を形成するとともに、前記放熱部から受熱部の間に、逆止弁を介在させた冷却装置であって、前記放熱部から逆止弁の間に加圧室を介在させ、この加圧室は、その内部に前記放熱部で液化した冷媒が貯留される構造にするとともに、この加圧室内の水平方向断面積は、前記液相管の冷媒循環方向に直行する方向の断面積よりも大きくした冷却装置。
2. 加圧室を凝縮ボックスにより構成し、この凝縮ボックスへの液相管の取付け位置は、この凝縮ボックスへの気相管の取付け位置よりも下方に設けた請求項１記載の冷却装置。
3. 加圧室を凝縮ボックスにより構成し、この凝縮ボックスは傾斜配置した請求項２記載の冷却装置。
4. 凝縮ボックスは水平方向の幅を、垂直方向の高さよりも広くした請求項２または３に記載の冷却装置。
5. 凝縮ボックスの外表面には放熱フィンを設けた請求項２から４のいずれか一つに記載の冷却装置。
6. 凝縮ボックスの下外表面に放熱フィンを設け、この放熱フィンと受熱部は水平方向に配置され、前記放熱フィンの受熱部とは反対側にファンを配置した請求項５に記載の冷却装置。
7. 放熱部と逆止弁の間に加圧室を介在させた請求項１に記載の冷却装置。
8. 請求項１〜７いずれか一つに記載の冷却装置の受熱部を、発熱体に熱伝導可能状態で取り付けた電子機器。
9. 請求項１〜７いずれか一つに記載の冷却装置の受熱部を、半導体制御素子に熱伝導可能状態で取り付けた電気自動車。

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