(57)【要約】  冷却装置（１０）は、複数の第１放熱フィン（２４及び複数の第２放熱フィン（２６）を有したヒートシンク（１６）と、ヒートシンク（１６）の冷却通路（２２）の入口側から出口側に向かって冷却空気（ＣＡ）を流通させる送風器としてのコンプレッサ（３２）とを具備している。更に、冷却装置（１０）は、ヒートシンク（１６）を通過する冷却空気の流れ方向において、ヒートシンク（１６）の上流側に設けられ、ヒートシンク（１６）の冷却通路（２２）にミスト（Ｍ）を供給するミスト供給器（５２）を具備している。
2017064886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子機器を冷却するための冷却装置であって、
前記電子機器に熱的に接触しているヒートシンクと、
前記ヒートシンクを通過する冷却空気の流れ方向において、前記ヒートシンクの上流側に設けられ、前記ヒートシンクにミストを供給するミスト供給器と、を具備した電子機器用の冷却装置。
【請求項２】
前記ヒートシンクの入口側から出口側に向かって冷却空気を流通させる送風器を具備した請求項１に記載の電子機器用の冷却装置。
【請求項３】
前記送風器は、前記ヒートシンクの下流側に設けられかつ冷却空気を吸引して圧縮するコンプレッサである請求項２に記載の電子機器用の冷却装置。
【請求項４】
前記コンプレッサのコンプレッサモータのドライバが前記ヒートシンクに熱的に接触している請求項３に記載の電子機器用の冷却装置。
【請求項５】
前記ミスト供給器は、
冷却空気に含まれるミストを発生するミスト発生源と、
冷却空気の入口及び前記ヒートシンクに向かう冷却空気の出口を共有する第１及び第２の流路を備え、
前記第１の流路は前記ミスト発生源を経由し、
前記第２の流路は前記ミスト発生源を経由せず、
前記第２の流路において、前記第１の流路との分岐点及び合流点との間には冷却空気の調節板が設けられている請求項１に記載の電子機器用の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、パワーエレクトロニクス等の電子機器を冷却するための電子機器用の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機、船舶、車両等の移動体には多数の電子機器が搭載されている。これらの電子機器は、高耐圧及び大電流を必要とするパワーエレクトロニクスを含んでいる。また、電子機器はその動作によって熱を発生するため、通常、冷却装置によって冷却されている。そして、従来の電子機器用の冷却装置（以下、説明の便宜上、単に「冷却装置」と称する）の構成は、次の通りである（特許文献１参照）。【０００３】
従来の冷却装置は、電子機器に熱伝達可能に接続されたヒートシンク（放熱器）を具備している。ヒートシンクは、アルミニウム合金等の熱伝導性に優れた材料により構成されており、放熱可能な（放熱するための）複数の放熱フィンを有している。また、冷却装置は、ヒートシンクの入口側から出口側に向かって冷却空気を流通させるためのファン等の送風器を具備している。【０００４】
前述の従来の冷却装置の構成によると、電子機器の動作中に、送風器によってヒートシンクの入口側から出口側に向かって冷却空気が流通する。すると、電子機器の駆動によって発生した熱がヒートシンクに伝達され、複数の放熱フィンから冷却空気に放熱される。これにより、電子機器を冷却して、電子機器の温度上昇を抑えることができる。【０００５】
なお、特許文献２には、本開示に関連する先行技術として、電子機器の高発熱体である半導体素子を冷却するための冷却板と、航空機の外に設置されたコンデンサーと、冷媒ポンプを繋いでなる冷媒循環式の冷却装置が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１６４９３９号公報
【特許文献２】特開２００５−１４６２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、電子機器の高性能化に伴い、電子機器の発熱量が増える傾向にあり、ヒートシンクの放熱性、換言すれば、冷却装置の冷却性能を十分に高める必要がある。そのため、通常、放熱フィンを複雑な形状に設定し又は放熱フィンの個数を増やす等の措置を採ることによって、ヒートシンクと冷却空気との間の熱伝達率を高くしている。一方、ヒートシンクに対して前述の措置を採ると、ヒートシンクにおける圧力損失が増えて、結果的に、送風器の大型化及び送風に必要なエネルギーの増大を招くことになる。【０００８】
つまり、送風器の大型化及び送風に必要なエネルギーの増大を抑えつつ、冷却装置の冷却性能を十分に高めることは容易でないという問題がある。【０００９】
そこで、本開示は、前述の問題を解決することができる、電子機器用の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】
【００１０】
本開示の態様は、電子機器を冷却するための冷却装置であって、前記電子機器に熱的に接触しているヒートシンクと、前記ヒートシンクを通過する冷却空気の流れ方向において、前記ヒートシンクの上流側に設けられ、前記ヒートシンクにミストを供給するミスト供給器と、を具備したことである。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、送風器の大型化及び送風に必要なエネルギーの増大を抑えつつ、冷却性能を十分に高めることが可能な電子機器用の冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本開示の実施形態に係る電子機器用の冷却装置の模式的な正面図である。
【図２】図２は、本開示の実施形態に係る電子機器用の冷却装置の模式的な平面図である。
【図３】図３は、本開示の実施形態に係るミスト供給器を含む周辺の模式的な正断面図である。
【図４】図４は、図３におけるIV-IV線に沿った断面図である。
【図５】図５は、本開示の実施形態に係るヒートシンクを含む周辺の模式的な正断面図である。
【図６】図６は、図５におけるVI-VI線に沿った断面図である。
【図７】図７（ａ）は、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差と、ヒートシンクの内面の平均温度との関係を示す図、図７（ｂ）は、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差と、冷却空気の所定の質量流量比との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本開示の実施形態について図面を参照して説明する。なお、「設けられ」とは、直接的に設けられたことの他に、別部材を介して間接的に設けられたことを含む意である。「備える」とは、直接的に備えることの他に、別部材を介して間接的に備えることを含む意である。「下流」とは、冷却空気の流れ方向の下流のことをいい、「上流」とは、冷却空気の流れ方向の上流のことをいう。図中において、「Ｆ」は、冷却空気の流れ方向、「Ｐ」は、冷却空気の流れ方向に直交する方向、「Ｕ」は、上方向（鉛直方向上側）、「Ｄ」は、下方向（鉛直方向下側）をそれぞれ指している。
【００１４】
図１及び図２に示すように、本開示の実施形態に係る電子機器用の冷却装置（以下、説明の便宜上、単に「冷却装置」と称する）１０は、モータドライバ１２、４２を冷却するための装置である。冷却装置１０は、例えば、航空機の機関室１４の床面１４ａに設置されている。また、冷却対象であるモータドライバ１２は、航空機に搭載されるパワーエレクトロニクスの一例である。モータドライバ１２は、航空機の車輪（図示省略）を回転させるタキシングモータ（図示省略）を駆動するものである。
【００１５】
冷却装置１０は、ヒートシンク１６を具備している。ヒートシンク１６は、例えば、複数の支柱１８によって機関室１４の床面１４ａに設置されている。
【００１６】
図５及び図６に示すように、ヒートシンク１６は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金等の熱伝導性に優れた材料により構成されている。また、ヒートシンク１６は、角パイプ状に形成されたベース（ヒートシンクベース）２０を有している。ベース２０は、その内部（内側）に形成される冷却通路２２を備えている。冷却通路２２には、客室からの空気が冷却空気ＣＡとして流通する。ベース２０は、モータドライバ１２に熱伝達可能に接続されている。換言すれば、ヒートシンク１６は、ベース２０において、モータドライバ１２に熱的に接触している。例えば、モータドライバ１２は、ヒートシンク１６におけるベース２０の下側外面２０ａに取り付けられている。
【００１７】
ベース２０は、その下側内面２０ｂに設けられた複数の第１放熱フィン２４を備えている。複数の第１放熱フィン２４は、冷却空気ＣＡの流れ方向Ｆに直交する方向Ｐに間隔を置いて配置されている。各第１放熱フィン２４は、プレート状に形成されており、冷却空気ＣＡの流れ方向Ｆへ延びている。また、ヒートシンクベース２０は、その上側内面２０ｃに設けられる複数の第２放熱フィン２６を備えている。複数の第２放熱フィン２６は、方向Ｐに複数の第１放熱フィン２４と交互に間隔を置いて配置されている。各第２放熱フィン２６は、プレート状に形成されており、冷却空気ＣＡの流れ方向Ｆへ延びている。
【００１８】
なお、各第１放熱フィン２４及び各第２放熱フィン２６は、上方向Ｕ或いは下方向Ｄに延伸するピン状に形成されてもよい。この場合には、複数の第１放熱フィン２４及び複数の第２放熱フィン２６は、方向Ｆ及び方向Ｐに間隔を置いてそれぞれ配置される。また、ヒートシンク１６の構成から複数の第２放熱フィン２６を省略してもよい。更に、ヒートシンク１６が複数の支柱１８に代えて台座等の他の支持手段によって機関室１４の床面に設置されてもよい。
【００１９】
ヒートシンク１６は、その下流側に設けられ、冷却空気ＣＡを回収する回収ダクト２８を備えている。回収ダクト２８の内部は、ヒートシンク１６の冷却通路２２に連通している。また、回収ダクト２８は、その下流側に、冷却空気ＣＡを送出すための空気送出口３０を備えている。
【００２０】
図１及び図２に示すように、冷却装置１０は、ヒートシンク１６の下流側に設けられ、冷却空気ＣＡを吸引して圧縮するコンプレッサ（電動コンプレッサ）３２を具備している。コンプレッサ３２は、複数の支柱３４によって機関室１４の床面１４ａに設置されている。コンプレッサ３２は、ヒートシンク１６の冷却通路２２の入口側から出口側に向かって冷却空気ＣＡを流通させるための送風器の一例である。なお、コンプレッサ３２
【００２１】
コンプレッサ３２は、コンプレッサハウジング３６と、コンプレッサハウジング３６内に回転可能に設けられたインペラ３８と、コンプレッサハウジング３６内に設けられかつインペラ３８を回転させるコンプレッサモータ４０とを有している。コンプレッサモータ４０は、モータドライバ４２によって駆動される。モータドライバ４２は、ヒートシンク１６に熱伝達可能に接続されている。換言すれば、ヒートシンク１６は、ベース２０において、モータドライバ４２に熱的に接触している。例えば、モータドライバ４２は、ヒートシンク１６におけるベース２０の上側外面２０ｄに取り付けられている。
【００２２】
コンプレッサハウジング３６は、インペラ３８の上流側に設けられ、冷却空気ＣＡを取入れる空気取入口４４を備えている。空気取入口４４は、カップリング４６を介して空気送出口３０に連通している。コンプレッサハウジング３６は、その内部におけるインペラ３８の下流側に設けられ、圧縮された冷却空気ＣＡを回収する渦巻き状のスクロール流路４８を備えている。更に、コンプレッサハウジング３６は、その周縁側に設けられ、圧縮された冷却空気ＣＡを排出する空気排出口５０を備えている。空気排出口５０は、排出配管（図示省略）を介して航空機の機外に連通している。
【００２３】
なお、電動コンプレッサ３２が複数の支柱３４に代えて台座等の他の支持手段によって機関室１４の床面１４ａに設置されてもよい。
【００２４】
冷却装置１０は、ヒートシンク１６を通過する冷却空気ＣＡの流れ方向Ｆにおいて、ヒートシンク１６の上流側に設けられるミスト供給器５２を具備している。ミスト供給器５２は、超音波等を利用して、ヒートシンク１６の冷却通路２２にミストＭを供給する。ミスト供給器５２は、複数の支柱５４によって機関室１４の床面１４ａに設置されている。なお、ミストＭの主成分（原料）は例えば水である。
【００２５】
図３及び図４に示すように、ミスト供給器５２は、ミストＭの原料（例えば水Ｗ）を貯留貯留槽（例えば水槽）５６を有している。貯留槽５６は、複数の支柱５４によって機関室１４の床面１４ａに設置されている。貯留槽５６は、機関室１４の適宜位置に設置したタンク５８に接続されており、貯留槽５６内の水Ｗは、所定の水位以上に保たれている。また、貯留槽５６は、その下部（底部）に、圧電振動子（振動子の一例）６０を備えている。圧電振動子６０は、機関室１４の適宜位置に設置した駆動回路６２に電気的に接続されている。圧電振動子６０は、駆動回路６２から高周波の電圧の供給によって振動し、貯留槽５６内の水Ｗの水面に向かって超音波を伝播（発生）し、水Ｗを霧化するように構成されている。
【００２６】
貯留槽５６は、その上部における上流側（ヒートシンク１６から遠い側）に設けられる第１連結部材６４を備えている。第１連結部材６４は例えば角パイプ状に形成され、その内部（内側）に導入通路６６を備えている。導入通路６６は、冷却空気ＣＡを貯留槽５６内の空間に導入する。また、貯留槽５６は、その上部における下流側（ヒートシンク１６に近い側）に設けられる第２連結部材６８を備えている。第２連結部材６８は例えば角パイプ状に形成され、その内部に、導出通路７０を備えている。導出通路７０は、ミストＭを含む冷却空気ＣＡを貯留槽５６内の空間から導出する。
【００２７】
ミスト供給器５２は、第１連結部材６４の上部と第２連結部材６８の上部との間に設けられる導入ダクト７２を備えている。導入ダクト７２は、ヒートシンク１６の冷却通路２２に水ミストＭを含む冷却空気ＣＡを導入する。導入ダクト７２の内部の入口側は、第１連結部材６４の導入通路６６に連通している。導入ダクト７２の内部の出口側は、第２連結部材６８の導出通路７０に連通している。また、導入ダクト７２は、その内部における中間側（即ち、導入通路６６に接続する部分と導出通路７０に接続する部分との間）に設けられる調節板（邪魔板）７４を備えている。調節板７４は、冷却空気ＣＡが通過する複数の通孔７６を有しており、例えばパンチングメタルから構成されている。
【００２８】
導入ダクト７２内の調節板７４は、第１連結部材６４の導入通路６６に導入される冷却空気ＣＡの流量を調節する。即ち、調節板７４は、導入ダクト７２の入口側から流入した冷却空気ＣＡの一部を導入通路６６に導き、その残りを貯留槽５６を経由させずに導入ダクト７２の出口側に直接導く。つまり、ミスト供給器５２は、ミストＭの発生源（以下、ミスト発生源）５３（図３参照）と、冷却空気ＣＡの入口及びヒートシンク１６（冷却通路２２）に向かう冷却空気ＣＡの出口を共有する２つの流路とを備える。ミスト発生源５３は、貯留槽５６と、圧電振動子６０とを含んでいる。２つの流路の一方の流路（第１の流路：導入流路６６、貯留槽５６及び導出通路７０）はミスト発生源５３を経由し、２つの流路の他方の流路（第２の流路：導入ダクト７２）はミスト発生源５３を経由しない。更に、第２の流路において、第１の流路との分岐点及び合流点との間には、上述の調節板７４が設けられ、調節板７４は各流路を流れる冷却空気ＣＡの流量を調節している。
【００２９】
なお、導入通路６６に導入される冷却空気ＣＡの流量を調節するため、導入ダクト７２は、その内部の入口側に絞り部（図示省略）を備えてもよい。また、ミスト供給器５２（貯留槽５６）が複数の支柱５４に代えて台座等の他の支持手段によって機関室１４の床面１４ａに設置されてもよい。
【００３０】
導入ダクト７２は、その上流側に、冷却空気ＣＡを清浄化するフィルタ７８を備えている。混合ダクト８０は、導入ダクト７２とヒートシンク１６との間に設けられ、冷却空気ＣＡとミストＭとの混合を促進する。混合ダクト８０の内部の入口側は、導入ダクト７２の内部の出口側に連通している。混合ダクト８０の内部の出口側は、ヒートシンク１６の冷却通路２２（ヒートシンク１６の内部）の入口側に連通している。
【００３１】
なお、導入ダクト７２とフィルタ７８との間に連絡配管等の他の中間部材が介在してもよい。
【００３２】
続いて、本開示の実施形態の作用及び効果について説明する。
【００３３】
モータドライバ１２の動作中に、コンプレッサモータ４０の駆動によりインペラ３８が回転すると、コンプレッサ３２によって冷却空気ＣＡが吸引され圧縮される。すると、コンプレッサ３２の吸引によって、冷却空気ＣＡがフィルタ７８及び導入ダクト７２等を経由して、ヒートシンク１６の冷却通路２２の入口側から出口側に向かって流通する。タキシングモータのモータドライバ１２の動作によって発生した熱は、ヒートシンク１６に伝達され、複数の第１放熱フィン２４及びヒートシンクベース２０等を介して冷却空気ＣＡに放熱される。併せて、コンプレッサモータ４０のモータドライバ４２の動作によって発生した熱は、ヒートシンク１６に伝達され、複数の第２放熱フィン２６及びヒートシンクベース２０等を介して冷却空気ＣＡに放熱される。冷却空気ＣＡはモータドライバ１２、４２からの熱を受け取った後、コンプレッサ３２によって吸引、圧縮され、空気排出口５０を介して航空機の機外に排出される。
【００３４】
冷却空気ＣＡがフィルタ７８及び導入ダクト７２等を経由して、ヒートシンク１６の冷却通路２２の入口側から出口側に向かって流通している状態で、駆動回路６２は、圧電振動子６０に高周波の電圧を供給する。この電圧の供給により、圧電振動子６０が振動し、超音波が貯留槽５６内の水Ｗの水面に向かって伝播する。超音波が水Ｗ内を伝播すると、貯留槽５６内の水Ｗの水面からミストＭが生成される。生成されたミストＭは、貯留槽５６内の空間において、第１連結部材６４の導入通路６６から導入された冷却空気ＣＡと混合する。そして、ミストＭを含む冷却空気ＣＡが第２連結部材６８の導出通路７０を経由して導入ダクト７２の出口側へ導出され、混合ダクト８０を経由してヒートシンク１６の冷却通路２２の入口側に供給される。これにより、例えば乾燥空気による冷却に比べ、ミストＭの蒸発潜熱（気化熱）による冷却作用によって、ヒートシンク１６の冷却通路２２における冷却空気ＣＡの温度上昇の抑制を促進させることができる。そのため、ヒートシンク１６と冷却空気ＣＡとの間の熱伝達率を高くしなくても、ヒートシンク１６と冷却空気ＣＡの温度差を大きくすることができる。換言すれば、第１放熱フィン２４等を複雑な形状に設定し又は第１放熱フィン２４等の個数を増やす等の措置を採ることなく、ヒートシンク１６と冷却空気ＣＡの温度差を大きくすることができる。
【００３５】
また、導入ダクト７２内の調節板７４は、導入通路６６に導入される冷却空気ＣＡの流量を調節する。冷却空気ＣＡが貯留槽５６に過剰に供給されると、貯留槽５６内の擾乱が促され、これによりミストＭの粒径が増大しやすくなる。ミストＭの粒径の増大は、冷却通路２２（例えば第１放熱フィン２４と第２放熱フィン２６間の空間）内の冷却空気ＣＡの流れの抵抗を増加させる。この抵抗の増加は、例えば、冷却空気ＣＡの流量（流速）に対する冷却能力の変化に影響を及ぼし、冷却空気ＣＡの流量制御を困難にさせる場合がある。調節板７４は、貯留槽５６への冷却空気ＣＡの過剰な供給を抑制し、ミストＭの粒径の過剰な増大、換言すれば、ミストＭの粒径分布において粒径の大きい成分の増加を抑制している。  
【００３６】
以上により、タキシングモータのモータドライバ１２を十分に冷却して、タキシングモータのモータドライバ１２の温度上昇を抑えることができる。併せて、コンプレッサモータ４０のモータドライバ４２を十分に冷却して、コンプレッサモータ４０のモータドライバ４２の温度上昇を抑えることができる。
【００３７】
従って、本開示の実施形態によれば、前述のように、第１放熱フィン２４等を複雑な形状に設定し又は第１放熱フィン２４等の個数を増やす等の措置を採ることなく、ヒートシンク１６と冷却空気ＣＡの温度差を大きくすることができる。よって、本開示の実施形態によれば、ヒートシンク１６の冷却通路２２における圧力損失を低減して、コンプレッサ３２の大型化及び送風に必要なエネルギーの増大を抑えつつ、ヒートシンク１６の放熱性、換言すれば、冷却装置１０の冷却性能を十分に高めることができる。
【００３８】
特に、本開示の実施形態によれば、冷却空気ＣＡの流量を減らしても、冷却装置１０の冷却性能を十分に高めることができ、航空機内において冷却空気ＣＡの有効利用を図ることができる。
【００３９】
なお、本開示は、前述の実施形態に限られるものではなく、例えば、次のように種々の態様で実施可能である。冷却装置１０をモータドライバ１２以外のパワーエレクトロニクス、又はパワーエレクトロニクス以外の電子機器の冷却のために用いてもよい。ヒートシンク１６の冷却通路２２の入口側から出口側に向かって冷却空気ＣＡを流通させるために、コンプレッサ３２の代わりにファン等の他の送風器（図示省略）を用いてもよい。
【００４０】
そして、本開示に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。
【００４１】
冷却装置を模擬した試験装置を製作し、冷却空気に含まれる水のミストの量を変化させつつ、試験装置について冷却性能試験を行った。なお、試験装置におけるヒートシンクは、複数の第１放熱フィン及び複数の第２放熱フィンを省略しており、試験装置におけるヒートシンクは、その下面に、電子機器の代わりにヒータ（発熱体）を備えることにした。
【００４２】
図５（ａ）は、冷却性能試験の結果として、ヒートシンクの入口（入口端）と出口（出口端）の絶対湿度差と、ヒートシンクの内面の平均温度との関係を示している。図５（ａ）に示すように、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差が大きくなるに従って、ヒートシンクの内面の平均温度が低下して、冷却性能が向上することが判った。なお、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差とは、ヒートシンクの入口の絶対湿度からヒートシンクの出口の絶対湿度を引いた差分の絶対湿度のことをいう。冷却空気に水のミストを含まない場合には、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差が０になる。
【００４３】
図５（ｂ）は、冷却性能試験の結果として、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差と、冷却空気の所定の質量流量比との関係を示している。ここで、所定の質量流量比とは、冷却空気に水ミストを含まない場合を基準として、ヒートシンクの内面の平均温度を所定の温度に維持するために必要な冷却空気の流量の比のことをいう。図５（ｂ）に示すように、ヒートシンクの入口と出口の絶対湿度差が大きくなるに従って、所定の質量流量比が低下して、冷却空気の流量を減らしても十分に冷却性能を発揮することが判った。
【図１】
2017064886.tif 000003
【図２】
2017064886.tif 000004
【図３】
2017064886.tif 000005
【図４】
2017064886.tif 000006
【図５】
2017064886.tif 000007
【図６】
2017064886.tif 000008
【図７】
2017064886.tif 000009
【国際調査報告】
2017064886.tif 000010
2017064886.tif 000011
2017064886.tif 000012
2017064886.tif 000013