(57)【要約】【課題】高温側及び低温側の冷却媒体の温度差により発電する場合に比較して、より大きな電力を得ることができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷却装置１００は、発熱部材１５と、発熱部材１５の熱を電力に変換する熱電変換部材１６と、熱電変換部材１６の電力を用いて駆動され、発熱部材１５を冷却する冷却水を流動させる駆動部としてのウォーターポンプ３と、を備え、熱電変換部材１６が、発熱部材１５に隣接して発熱部材１５の熱が熱伝導される位置に配置されている。【選択図】図２
2020088226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部材と、前記発熱部材の熱を電力に変換する熱電変換部材と、前記熱電変換部材の電力を用いて駆動され、前記発熱部材を冷却する冷却媒体を流動させる駆動部と、を備える冷却装置であって、
前記熱電変換部材が、前記発熱部材に隣接して前記発熱部材の熱が熱伝導される位置に配置されている、
冷却装置。
【請求項２】
前記冷却媒体が流動する第１冷却路及び第２冷却路を有し、
前記第１冷却路は、前記発熱部材が前記熱電変換部材と対向する第１放熱面とは反対側の第２放熱面側に配置され、
前記第２冷却路は、前記熱電変換部材が前記発熱部材と対向する高温面とは反対側の低温面側に配置されている、
請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記発熱部材の前記第２放熱面側に、前記発熱部材の熱を前記冷却媒体に放熱する第１放熱フィンが設けられ、
前記熱電変換部材の前記低温面側に、前記熱電変換部材の熱を前記冷却媒体に放熱する第２放熱フィンが設けられている、
請求項２に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱部材が発する熱を冷却するための冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の冷却装置は、発熱する半導体モジュールと、高温度の冷媒が流れる高温度配管と低温度の冷媒が流れる低温度配管との間の温度差を電力に変換する熱電変換素子と、冷媒を循環路に循環させるポンプと、を備えている。この冷却装置は、熱電変換素子で発生した電力をポンプの駆動に用いることでエネルギーの効率化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１９４０１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように構成された冷却装置において、冷却媒体としての冷媒を十分に流動させて発熱部材である半導体モジュールの冷却効果を高めるためには、ポンプの駆動に大きな電力が必要となる。しかし、高温度配管と低温度配管との温度差により発電する方式では、得られる電力が限られてしまう。
【０００６】
そこで、本発明は、高温側及び低温側の冷却媒体の温度差により発電する場合に比較して、より大きな電力を得ることができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上記の目的を達成するため、発熱部材と、前記発熱部材の熱を電力に変換する熱電変換部材と、前記熱電変換部材の電力を用いて駆動され、前記発熱部材を冷却する冷却媒体を流動させる駆動部と、を備える冷却装置であって、前記熱電変換部材が、前記発熱部材に隣接して前記発熱部材の熱が熱伝導される位置に配置されている、冷却装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高温側及び低温側の冷却媒体の温度差により発電する場合に比較して、より大きな電力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施の形態に係る冷却装置の全体構成を示す説明図である。
【図２】（ａ）は、本実施の形態に係るインバータ装置の構成を示す上面図であり、（ｂ）は、本実施の形態に係るインバータ装置の流路の構成を示す側面図である。
【図３】半導体モジュールの構成を模式的に示す説明図である。
【図４】変形例に係る冷却装置の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［実施の形態］
本実施の形態について、図１乃至図３を参照して説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、本発明を実施する上での好適な具体例として示すものであり、技術的に好ましい種々の技術的事項を具体的に例示している部分もあるが、本発明の技術的範囲は、この具体的態様に限定されるものではない。
【００１１】
図１は、本実施の形態に係る冷却装置１００の全体構成を示す説明図である。
【００１２】
冷却装置１００は、電力を直流から交流に変換するインバータ装置１と、インバータ装置１の電力によって作動する電動モータ２と、電動モータ２によって駆動されるウォーターポンプ３と、ウォーターポンプ３によって流動される冷却媒体としての冷却水が循環する循環路４と、熱交換器としてのラジエータ５と、ラジエータ５を冷却する冷却ファン６と、を備えている。インバータ装置１と電動モータ２とは、電線１００ａで電気的に接続されており、電線１００ａを介してインバータ装置１から電動モータ２へ電力が供給される。
【００１３】
循環路４は、インバータ装置１で発生した熱を取り込んで高温となった冷却水が流れる高温路４１と、ラジエータ５で冷却されて低温となった冷却水が流れる低温路４２と、を有している。低温路４２には、ウォーターポンプ３が設置されている。
【００１４】
インバータ装置１には、半導体モジュール１０と、半導体モジュール１０を保持する筐体１４と、を有している。本実施の形態では、半導体モジュール１０が３つ配置されているが、半導体モジュール１０の数はこれに限定されない。
【００１５】
本実施の形態に係る冷却装置１００は、後述する半導体モジュール１０に含まれる熱電変換部材１６で発生した電力を用いてウォーターポンプ３を駆動する。
【００１６】
インバータ装置１が作動して熱を発生すると、熱電変換部材１６が電力を発生してウォーターポンプ３が駆動される。ウォーターポンプ３が駆動すると冷却水が循環路４を循環するので、インバータ装置１の熱を取り込んで高温となった冷却水が高温路４１を通過して、ラジエータ５で放熱して低温になった冷却水が再度インバータ装置１に流入する。
【００１７】
図２（ａ）は、本実施の形態に係るインバータ装置１の構成を模式的に示す上面図であり、図２（ｂ）は、本実施の形態に係るインバータ装置１の構成を模式的に示す側面図である。
【００１８】
インバータ装置１は、筐体１４と、筐体１４内に配置された３つ半導体モジュール１０と、３つの半導体モジュール１０を保持するハウジング１３と、を有している。ハウジング１３には、半導体モジュール１０で発生した熱を放熱するための円形ピン型の第１及び第２放熱フィン１１，１２が設けられている。
【００１９】
第１放熱フィン１１はハウジング１２における熱電変換部材１６よりも発熱部材１５に近い位置に配置され、第２放熱フィン１２はハウジング１２における発熱部材１５よりも熱電変換部材１６に近い位置に配置されている。本実施の形態では、冷却効率を向上させるために、第１及び第２放熱フィン１１，１２として円形ピン型を用いているが、フィンの形状はこれに限定されず楕円ピン型でもよい。また、第１及び第２放熱フィン１１，１２としては、冷却水の圧力損失を低減するために平板フィンを用いてもよい。
【００２０】
半導体モジュール１０は、熱を発生する半導体素子１５０（後述する図３に示す）を含む発熱部材１５と、発熱部材１５に隣接して配置され、発熱部材１５の熱を電力に変換する熱電変換部材１６と、を有している。熱電変換部材１６としては、例えばゼーベック素子やペルチェ素子等が用いられる。  
【００２１】
筐体１４の内部には、発熱部材１５を冷却するための冷却水が流動する冷却路１８が設けられている。冷却路１８は、例えばダイキャストで形成される。
【００２２】
冷却路１８は、入口流路１８ａと、出口流路１８ｂと、第１放熱フィン１１を通過する第１冷却路としての高温流路１８ｃと、第２放熱フィン１２を通過する第２冷却路としての低温流路１８ｄと、入口流路１８ａと低温流路１８ｄとを接続する第１接続路１８ｅと、低温流路１８ｄと出口流路１８ｂとを接続する第２接続路１８ｆと、を有している。
【００２３】
高温流路１８ｃは、発熱部材１５が熱電変換部材１６と対向する第１放熱面１５ａとは反対側の第２放熱面１５ｂ側に配置されている。低温流路１８ｄは、熱電変換部材１６が発熱部材１５と対向する高温面１６ｂとは反対側の低温面１６ａ側に配置されている。
【００２４】
循環路４の低温路４２（図１に示す）からインバータ装置１に流入した冷却水は、冷却路１８の入口流路１８ａに流入し、第１接続路１８ｅに流れる冷却水と、高温流路１８ｃに流れる冷却水とに分岐する。第１接続路１８ｅに流入した冷却水は、低温流路１８ｄを通過し、第２接続路１８ｆを介して高温流路１８ｃを流れる冷却水と合流して、出口流路１８ｂへ流出する。
【００２５】
図３は、半導体モジュール１０の構成例を模式的に示す説明図である。
【００２６】
発熱部材１５は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子からなる半導体素子１５０と、半導体素子１５０の表裏方向の表側（第１放熱面１５ａ側）と裏側（第２放熱面１５ｂ側）にそれぞれ設けられた熱を拡散するための第１及び第２ヒートスプレッダ１５１，１５２と、半導体素子１５０と第２ヒートスプレッダ１５２との間に挟まれた導電性スペーサ１５３と、を有している。半導体素子１５０、第１及び第２ヒートスプレッダ１５１，１５２、及び導電性スペーサ１５３は、それぞれ、半田等の接合材１５４を介して取り付けられている。
【００２７】
発熱部材１５の第１放熱面１５ａと熱電変換部材１６の高温面１６ｂとの間、発熱部材１５の第２放熱面１５ｂと第１放熱フィン１１との間、及び、熱電変換部材１６の低温面１６ａと第２放熱フィン１２との間には、放熱グリース１７が設けられている。これにより、熱膨張に伴う空気の進入を防いでいる。
【００２８】
第１放熱フィン１１は発熱部材１５の第２放熱面１５ｂ側に設けられ、発熱部材１５の熱が高温流路１８ｃを流れる冷却水に放熱される。これにより、発熱部材１５の冷却効率が向上する。
【００２９】
第２放熱フィン１２は熱電変換部材１６の低温面１６ａ側に設けられ、熱電変換部材１６の熱が低温流路１８ｄを流れる冷却水に放熱される。これにより、熱電変換部材１６の低温面１６ａの温度をより低温にすることができるので、熱電変換部材１６の低温面１６ａ及び高温面１６ｂにおける温度差を生じやすくできる。
【００３０】
熱電変換部材１６は、発熱部材１５に隣接して発熱部材１５の熱が熱伝導される位置に配置されているので、熱電変換部材１６の高温面１６ｂが放熱グリース１７を介して発熱部材１５の第１放熱面１５ａからの熱伝導により発熱される。
【００３１】
そうすると、熱電変換部材１６の高温面１６ｂは、発熱部材１５の第１放熱面１５ａを介して熱を取り込んで高温となり、熱電変換部材１６の低温面１６ａは、冷却路１８における低温流路１８ｄを流れる冷却水によって放熱され低温となる。これにより、熱電変換部材１６の低温面１６ａと高温面１６ｂとの間に温度差が生じて電力を発生させることができる。
【００３２】
このように、本実施の形態では、熱電変換部材１６の高温側に発熱部材１５を配置することにより、積極的に発熱部材１５の熱を取り込んで温度差を生じやすくしている。したがって、熱電変換部材１６で発生する電力量を増加させることでき、ウォーターポンプ３の駆動電源を不要とすることが可能である。
【００３３】
本実施の形態によれば、以下の作用及び効果を得ることができる。
【００３４】
（１）冷却装置１００は、熱電変換部材１６が発熱部材１５に隣接して発熱部材１５の熱が熱伝導される位置に配置されているので、熱電変換部材１６の低温面１６ａと高温面１６ｂとの間の温度差によって得られる電力を増加させることができる。例えば、特許文献１に記載された冷却装置のように熱電変換部材を高温度配管及び低温度配管をそれぞれ流れる冷却媒体の温度差により発電する場合に比較して、より大きな電力を得ることができる。
【００３５】
（２）熱電変換部材１６の低温側に冷却路１８の低温流路が配置されるので、熱電変換部材１６の低温面１６ａと低温面１６ｂとの間の温度差を生じやすくすることができる。
【００３６】
（３）熱電変換部材１６の低温面１６ａと低温流路１８ｄとの間に第２放熱フィン１２が設けられているので、熱電変換部材１６の低温面１６ａの冷却効率を向上させることができるので、熱電変換部材１６で発生する電力を増加させることができる。
【００３７】
本実施の形態では、発熱部材１５における熱の発生により熱電変換部材１６に温度差を生じさせることができるので、ウォータ―ポンプ３を起動させる電源が不要となる。これにより、エネルギーの効率化を図ることができる。
【００３８】
また本実施の形態に係る冷却装置１００では、発熱部材１５の発熱によってウォーターポンプ３が起動し、発熱部材１５が十分に冷却されことにより熱電変換部材１６における温度差が消滅して自動的にウォーターポンプ３の駆動が停止される。すなわち、冷却装置１００は、その起動と停止が自動で行われる自己冷却システムとして構成されている。
【００３９】
（変形例）
次に、変形例に係る冷却装置について図４を参照して説明する。図４は、変形例に係る冷却装置１００のインバータ装置１Ａの構成を示す平面図である。
【００４０】
変形例に係る冷却装置１００は、そのインバータ装置１Ａにおける冷却路１９の形状が本実施の形態に係るインバータ装置１の冷却路１８と異なる他は、本実施の形態に係る冷却水１００の構成と同様である。
【００４１】
冷却路１９は、入口流路１９ａと、出口流路１９ｂと、第２放熱フィン１２を通過する第２冷却路としての低温流路１９ｃと、第１放熱フィン１１を通過する第１冷却路としての高温流路１９ｄと、低温流路１９ｃと高温流路１９ｄとを接続する接続流路１９ｅと、を有している。また、冷却路１９には、入口流路１９ａから流入した冷却水がそのまま出口流路１９ｂに流れることを防止するための隔壁１９０が設けられている。
【００４２】
循環路４の低温路４２からインバータ装置１Ａに流入した冷却水は、冷却路１９の入口流路１９ａに流入し、低温流路１９ｃを流動してから接続流路１９ｅを介して高温流路１９ｄを流れて出口流路１９ｂへ流出する。
【００４３】
このように、変形例に係る冷却装置１００では、冷却水が冷却路１９の低温流路１９ｃを流れた後に高温流路１９ｄを流れるように構成されている。つまり、冷却路１９に分岐点がないため、冷却路１９における圧力損失を低減できて、ウォーターポンプ３の駆動電力の省電力化を図ることができる。
【００４４】
（付記）
以上、本発明を第１及び第２の実施の形態に基づいて説明したが、これらの実施の形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない点に留意すべきである。また、本発明は、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変形して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００４５】
１，１Ａ…インバータ装置                ２…電動モータ
３…ウォーターポンプ                    ４…循環路
１０…半導体モジュール                  １１…第１放熱フィン
１２…第２放熱フィン                    １４…筐体
１５…発熱部材                          １５ａ…第１放熱面
１５ｂ…第２放熱面                      １６…熱電変換部材
１６ａ…低温面                          １６ｂ…高温面
１７…放熱グリース                      １８，１９…冷却路
１８ｃ、１９ｃ…高温流路                １８ｄ，１９ｄ…低温流路
１００…冷却装置                        １５０…半導体素子
【図１】
2020088226.tif 000003
【図２】
2020088226.tif 000004
【図３】
2020088226.tif 000005
【図４】
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