(57)【要約】【課題】電気機器冷却装置において、冷媒を循環させる特別な機器を要せずに電気機器の冷却を可能とすることである。【解決手段】電気機器冷却装置１０は、重力方向の上部側に放熱部１４を有する密閉筐体１２と、冷却対象の素子１９が搭載され、密閉筐体１２の中に上下方向に配置される複数段の素子搭載台１８と、密閉筐体１２内に封入される電気絶縁性の冷媒２０と、複数段の素子搭載台１８の間に、上下方向に蛇行して設けられ、冷媒が冷却対象の素子の発熱による対流によって上方に流れ、放熱部で冷却されて下方に戻る循環流路を形成する流路隔壁部１６とを備える。冷媒２０は、飽和蒸気圧以上に加圧されて密閉筐体１２の内部に封入される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
重力方向の上部側に放熱部を有する密閉筐体と、
冷却対象の素子が搭載され、密閉筐体の中に上下方向に配置される複数段の素子搭載台と、
密閉筐体内に封入される電気絶縁性の冷媒と、
複数段の素子搭載台の間に、上下方向に蛇行して設けられ、冷媒が冷却対象の素子の発熱による対流によって上方に流れ、放熱部で冷却されて下方に戻る循環流路を形成する流路隔壁部と、
を備えることを特徴とする電気機器冷却装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電気機器冷却装置において、
流路隔壁部は、
蛇行の曲がり部の間の各流路について、冷媒の循環の上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなるように、上流側の流路断面積と下流側の流路断面積とに差を設けることを特徴とする電気機器冷却装置。
【請求項３】
請求項１に記載の電気機器冷却装置において、
冷媒は、飽和蒸気圧以上に加圧されて密閉筐体に封入されることを特徴とする電気機器冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機器冷却装置に係り、特に、筐体の中に収容される電気機器を搭載する基板を冷却する電気機器冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、回転電機を搭載する車両には、回転電機に接続される電源回路等、様々な電気機器が設けられる。これらの電気機器はその作動に伴って発熱するので、その冷却が行われる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電子機器の冷却として、ポンプで冷却された水を循環させる冷却体として、複数の平行な冷媒流路を屈曲した流路で連結した構造の冷却体を用い、上流側の冷媒流路から順に下流側流路に向かって流路容積を小さくし、上流側流路に比べ下流側流路の冷媒の速度を大きくすることで、均一の流路面積で屈曲させるよりも、全体として熱抵抗も圧力損失も下がることが述べられている。
【０００４】
また、特許文献２には、モジュールの放熱構造として、ケーシングの片側開口をフィン付のラジエータで密閉し、反対側開口内周に突起と設けてモジュールの底面ヘッダを圧着固定し、密閉ケーシングの内部に不活性冷媒を封入する構造が開示されている。
【０００５】
また、特許文献３には、メモリモジュールの冷却構造として、ポリイミドフィルムでメモリモジュールの周囲を密封し、中に不活性液体あるいはゲル上物質を充填する構成が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、放熱構造体として、電気自動車のインバータにおける発熱を伴うデバイスが、厚さ０．３ｍｍ程度のアルミニウムまたは銅の金属箔の一表面に鉛−錫系判断材によって接合され、その金属箔の他表面が冷媒に直接接触して冷却されることが述べられている。
【０００７】
また、特許文献５には、沸騰冷媒式冷却装置として、半導体スタック等の電気機器がフロン１１３等の沸騰性冷媒中に浸され電気機器の損失熱で冷媒が沸騰気化する密閉容器の冷媒沸騰部と、沸騰気化した冷媒の気相部分が流入し外気によって冷やされて凝縮する冷媒凝縮部とが設けられ、冷媒の気液の相変化を伴う循環を利用して電気機器の冷却を行うことが述べられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第００／１６３９７号
【特許文献２】実開平１−７３９９６号公報
【特許文献３】特開平５−１０２３５９号公報
【特許文献４】特開２００５−１１６５７８号公報
【特許文献５】特公平３−２９１８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１に述べられているように、電子機器の冷却には、冷却水を循環させるポンプが用いられることが多い。この場合には冷却のためのポンプを設ける必要がある。特許文献５は沸騰冷媒の気液の相変化を伴う循環を用いているのでポンプを必要としないが、沸騰により発生する気泡により、電気機器が高電圧下で作動すると、放電を生じる恐れがある。特許文献２，３のように単に冷媒を封入しただけでは、冷却効果が不十分なことがある。
【００１０】
本発明の目的は、冷媒を循環させる特別な機器を要せずに電気機器の冷却に適した電気機器冷却装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る電気機器冷却装置は、重力方向の上部側に放熱部を有する密閉筐体と、冷却対象の素子が搭載され、密閉筐体の中に上下方向に配置される複数段の素子搭載台と、密閉筐体内に封入される電気絶縁性の冷媒と、複数段の素子搭載台の間に、上下方向に蛇行して設けられ、冷媒が冷却対象の素子の発熱による対流によって上方に流れ、放熱部で冷却されて下方に戻る循環流路を形成する流路隔壁部と、を備えることを特徴とする。  
【００１２】
また、本発明に係る電気機器冷却装置において、流路隔壁部は、蛇行の曲がり部の間の各流路について、冷媒の循環の上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなるように、上流側の流路断面積と下流側の流路断面積とに差を設けることが好ましい。
【００１３】
また、本発明に係る電気機器冷却装置において、冷媒は、飽和蒸気圧以上に加圧されて密閉筐体に封入されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
上記構成により、電気機器冷却装置は、重力方向の上部側に放熱部を有し冷媒が封入される密閉筐体の中に、上下方向に複数段の素子搭載台が配置され、複数段の素子搭載台の間に、上下方向に蛇行して設けられ、冷媒が冷却対象の素子の発熱による対流によって上方に流れ、放熱部で冷却されて下方に戻る循環流路を形成する流路隔壁部を備える。このように、蛇行して設けられる流路隔壁部で冷媒が対流により循環して冷却対象の素子を冷却するので、冷媒を循環させる特別な機器を要しない。
【００１５】
また、電気機器冷却装置において、流路隔壁部は、蛇行の曲がり部の間の各流路について、冷媒の循環の上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなるように、上流側の流路断面積と下流側の流路断面積とに差を設けるので、冷媒が下流側に向かって流れやすくなり、循環が促進され、放熱性が向上する。
【００１６】
また、電気機器冷却装置において、冷媒は飽和蒸気圧以上に加圧されて封入れるので、冷却対象の素子の発熱によって冷媒が加熱されても気泡が発生しない。したがって素子で構成される電気機器が高電圧下で作動しても、気泡の空隙を介する放電の恐れがない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る実施の形態の電気機器冷却装置が車両に搭載される様子を示す図である。
【図２】本発明に係る実施の形態の電気機器冷却装置の構成を説明する図である。
【図３】他の構成例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。以下では、電気気機器冷却装置として、ハイブリッド車両に搭載されるものを説明するが、これは例示であって、ハイブリッド車両以外の車両に搭載されるものでもよい。例えば、燃料電池を備える電気自動車に搭載されるものであってもよい。また、車両用途以外の電気機器を冷却するために用いられてもよい。
【００１９】
また、電気機器冷却装置の筐体内に収容される電気機器として、コンバータ、インバータ、平滑コンデンサを説明するが、これ以外の電気機器、電気回路、電子素子等であってもよい。電気機器を構成する素子を搭載する素子搭載台は、３段に配置されるものとして説明するが、冷媒が対流循環する流路が形成できる構造であればよく、したがって上下方向に複数段で配置されればよく、配置の段数は問わない。
【００２０】
以下では、全ての図面において同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、本文中の説明においては、必要に応じそれ以前に述べた符号を用いるものとする。
【００２１】
図１は、ハイブリッド車両６に搭載される電気機器冷却装置１０の様子を説明する図である。ハイブリッド車両６は、駆動源として内燃機関と回転電機とが搭載される車両で、電気機器冷却装置１０は、ハイブリッド車両６に設けられる電気回路等の電気機器を構成する素子を搭載した素子搭載台を収容し、電気機器、または電気機器を構成する素子を冷却対象として、これらを冷却する機能を有する装置である。
【００２２】
電気機器冷却装置１０は、密閉筐体１２と、密閉筐体１２の上部に設けられる放熱部１４と、密閉筐体１２の内部に封入される冷媒２０と、蛇行形状に冷媒流路を形成する流路隔壁部１６と、冷却対象の素子１９が搭載される素子搭載台１８とを含んで構成される。電気機器冷却装置１０は、ハイブリッド車両６において、内燃機関と回転電機とが配置されるエンジンルーム８に配置される。勿論、エンジンルーム８以外の場所に配置するものとしてもよい。
【００２３】
図２は、電気機器冷却装置１０の詳細な構造図と、これに収容される電気機器および電気機器を構成する素子の内容を説明するための電源回路６０の構成図である。先に、電源回路６０の内容を説明する。電源回路６０は、高電圧蓄電装置５０と低電圧蓄電装置５６の直流電力を、高電圧交流電力で作動する２つの回転電機５２，５４と、低電圧で作動するＬＶ機器５８に対し、それぞれの作動に適した電圧、交流等の状態に変換して供給する機能を有する回路である。また、逆に、例えば２つの回転電機５２，５４からの回生電力を高電圧蓄電装置５０に適した電圧、直流に変換して充電する機能も有する。
【００２４】
電源回路６０に接続される高電圧蓄電装置５０は、充放電可能な高電圧２次電池である。かかる高電圧蓄電装置５０としては、例えば、約２００Ｖから約３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン組電池あるいはニッケル水素組電池、またはキャパシタ等を用いることができる。低電圧蓄電装置５６は、充放電可能な低電圧２次電池である。かかる低電圧蓄電装置５６としては、公称電圧１２Ｖから１４Ｖの鉛蓄電池等を用いることができる。
【００２５】
電源回路６０に接続される２つの回転電機５２，５４は、車両に搭載されるモータ・ジェネレータ（Ｍ／Ｇ）であって、電力が供給されるときはモータとして機能し、制動時には発電機として機能する三相同期型回転電機である。
【００２６】
図１では、２つの回転電機５２，５４を区別して、ＭＧ１として示される回転電機５２と、ＭＧ２として示される回転電機５４が図示されている。ここで、ＭＧ１として示される回転電機５２は、エンジンに接続され、主として発電機として用いられて交流電力を発電し、後述するＭＧ１用のインバータ６８によって直流電力に変換されて高電圧蓄電装置５０を充電する機能を有する。ＭＧ２として示される回転電機５４は、主として車両の力行時の走行駆動に用いられ、高電圧蓄電装置５０の直流電力をＭＧ２用のインバータ７０によって変換された交流電力によって作動する機能を有する。また、回転電機５４は、車両の制動時にはその回生エネルギを回収して、ＭＧ２用のインバータ７０によって直流電力に変換し高電圧蓄電装置５０を充電する機能も有する。このときには、回転電機５４は発電機として機能することになる。
【００２７】
電源回路６０に低電圧蓄電装置５６と並列に接続されるＬＶ機器５８は、低電圧蓄電装置５６の電圧で作動する機器で、オーディオ機器、照明機器、小型モータ等の機器と、マイクロプロセッサ等の電子機器および電気回路等である。
【００２８】
電源回路６０は、平滑コンデンサ６２，６６，７４と、高電圧側の電圧変換器であるＨＶコンバータ６４、低電圧側の電圧変換器であるＬＶコンバータ７２、回転電機５２に接続されるＭＧ１用のインバータ６８、回転電機５４に接続されるＭＧ２用のインバータ７０を含んで構成される。
【００２９】
高電圧蓄電装置５０と、ＨＶコンバータ６４との間に設けられる平滑コンデンサ６２は、高電圧蓄電装置５０側における電圧、電流の変動を抑制するために用いられる容量素子である。ＨＶコンバータ６４と２つのインバータ６８，７０との間に設けられる平滑コンデンサ６６はインバータ６８，７０側における電圧、電流の変動を抑制するために用いられる容量素子である。ＬＶコンバータ７２と低電圧蓄電装置５６との間に設けられる平滑コンデンサ７４は、低電圧蓄電装置５６側における電圧、電流の変動を抑制するために用いられる容量素子である。
【００３０】
ＨＶコンバータ６４は、高電圧蓄電装置５０と２つのインバータ６８，７０の間に設けられ、高電圧蓄電装置５０の端子間電圧と２つのインバータ６８，７０側の電圧との間の電圧変換を行う機能を有するコンバータ回路である。かかるＨＶコンバータ６４としては、リアクトルとスイッチング素子とを含むコンバータを用いることができる。
【００３１】
ＬＶコンバータ７２は、高電圧蓄電装置５０と低電圧蓄電装置５６の間に設けられ、高電圧蓄電装置５０の端子間電圧と低電圧蓄電装置５６の電圧との間の電圧変換を行う機能を有するコンバータ回路である。かかるＬＶコンバータ７２も、リアクトルとスイッチング素子とを含むコンバータを用いることができる。
【００３２】
２つのインバータ６８，７０は、高電圧直流電力を交流三相駆動電力に変換し、回転電機５２，５４に供給する機能と、逆に回転電機５２，５４からの交流三相回生電力を高電圧直流充電電力に変換する機能とを有する回路である。図２では、２つの回転電機５２，５４をＭＧ１、ＭＧ２と示すように区別することに対応し、ＭＧ１として示される回転電機５２に接続される方を、ＭＧ１用のインバータ６８、ＭＧ２として示される回転電機５４に接続される方を、ＭＧ２用のインバータ７０としてある。かかる２つのインバータ６８，７０は、スイッチング素子とダイオード等を含む回路で構成することができる。
【００３３】
このように、電気機器冷却装置１０の内部に収容される電源回路６０の構成要素は、コンバータ、インバータの電気機器と、コンデンサに大別できるが、コンバータ、インバータである電気機器は、スイッチング素子、ダイオード、リアクトルの素子で構成されるので、結局、電源回路６０の構成要素は、複数の素子で構成されることになる。これらの素子は作動によって発熱するので、電気機器冷却装置１０の冷却対象は、電気機器ということもでき、電気機器を構成する複数の素子ということもできる。以下では、特に断らない限り、冷却対象を素子として説明を進める。
【００３４】
次に電気機器冷却装置１０の内容について説明する。電気機器冷却装置１０の密閉筐体１２は、内部空間が外部から遮断されている密閉空間となる容器である。具体的には、組み合わせることで内部を気密空間とできる下部容器体と上部容器体を用いて密閉筐体１２を構成することができる。
【００３５】
放熱部１４は、密閉筐体１２の重力方向の上部側に設けられ、ラジエータとして外気と熱交換を行う放熱機能を有する部分である。具体的には、放熱フィンが設けられる部分である。
【００３６】
流路隔壁部１６は、密閉筐体１２の内部に上下方向に蛇行形状の冷媒流路が形成されるように配置される複数の空間仕切り部材である。  図２の例では、流路隔壁部１６は、コの字形状の部材と、コの字形状の開口の中に挿入される板材とで構成される。すなわち、流路隔壁部１６は、冷媒２０が冷却対象の素子１９の発熱による対流によって上方に流れ、放熱部１４で冷却されて下方に戻る循環流路を形成する複数の部材である。上下方向とは重力方向に平行な方向で、上方とは、重力方向に沿って地表側を下方としたときに、地表側と反対側のことである。
【００３７】
なお、複数の隔壁支持スペーサ２４は、密閉筐体１２の内壁と流路隔壁部１６とによって蛇行形状の流路が形成されるように、流路隔壁部１６を密閉筐体１２に対して支持する機能を有する複数の支持部材である。
【００３８】
素子搭載台１８は、冷却対象の素子１９が搭載される基板である。上記のように、電源回路６０は、複数の素子で構成されるので、これらの素子が複数の素子搭載台１８に分かれて搭載される。図２の例では、３枚の素子搭載台１８に分かれて搭載される。電源回路６０を構成するコンバータ、インバータ、コンデンサは、作動電圧が相互に異なり、また発熱性も異なるので、素子を分けるには、電源回路６０のブロックごとに分けることがよい。また、素子の種類ごとに分けてもよい。例えば、複数のコンデンサは、1つの素子搭載台１８にまとめ、スイッチング素子は、別の素子搭載台１８にまとめるものとしてもよい。
【００３９】
素子搭載台１８は、密閉筐体１２と流路隔壁部１６とで形成される蛇行形状の流路の中に配置される。換言すれば、流路隔壁部１６は、複数段の素子搭載台の間に、上下方向に蛇行して設けられる循環流路を形成させる部材である。図２の例では、蛇行形状の循環流路の３つの流路部のそれぞれに１つの素子搭載台１８が配置される。別の見方をすれば、密閉筐体１２の内部において、底面部から天井部に向かって、密閉筐体１２の底面部、素子搭載台１８、流路隔壁部１６、素子搭載台１８、流路隔壁部１６、素子搭載台１８、流路隔壁部１６、密閉筐体１２の天井部というように、素子搭載台１８と流路隔壁部１６とが交互に配置される。
【００４０】
冷媒２０は、密閉筐体内に封入される冷却用流体で、電気絶縁性と熱伝導性に優れた流体が用いられる。かかる冷媒２０としては、フッ素系不活性液体を用いることができる。冷媒２０は、飽和蒸気圧以上に加圧されて密閉筐体１２に封入される。このようにすることで、冷却対象の素子１９の発熱によって冷媒２０が加熱されても、気泡を発生しないものとできる。これによって、インバータ、コンバータ等の電気機器が高電圧で作動しても、気泡の空隙による放電によって素子１９が損傷等の影響を受けることを防止できる。
【００４１】
かかる構成の電気機器冷却装置１０は、以下のような作用を有する。すなわち、密閉筐体１２の内部に配置された素子搭載台１８に搭載された冷却対象の素子１９が作動すると、これらの素子が発熱する。その発熱によって冷媒２０が暖められ、対流によって蛇行形状の流路に沿って蛇行しながら上方に流れる。そして、密閉筐体１２の内部の最上部まで流れてくると、放熱部１４において外気と熱交換が行われ、冷却されて下方に戻る。下方に戻った冷たい冷媒２０は、発熱している素子１９を冷却しながら自らは暖められて、上記のように対流の上昇と放熱部１４における冷却とによる循環が繰り返される。
【００４２】
このように、冷媒２０を循環させる特別な機器を要せずに、冷却対象の素子１９を冷却することができる。また、冷媒２０は飽和蒸気圧以上に加圧されて密閉筐体１２の内部に封入されるので、素子１９の発熱で冷媒２０が加熱されても気泡を発生することがない。
【００４３】
図３は、さらに効率よく冷媒２０の循環を行うことができる電気機器冷却装置８０の構成を示す図である。図２の電気機器冷却装置１０では、密閉筐体１２の内部の底面部と天井部は、互いに平行で、水平方向である。そして、流路隔壁部１６は、密閉筐体１２の底面部および天井部に平行に配置されている部材と、これに垂直に配置されている部材で構成されている。つまり、流路隔壁部１６によって形成される蛇行形状の流路は、冷媒２０が水平方向に平行またはこれに垂直方向である。そして、その水平方向に流れる流路部についての冷媒２０の流れる上流側の流路断面積と、下流側の流路断面積とが同じである。
【００４４】
これに対し、図３の電気機器冷却装置８０の流路隔壁部８６は、水平方向から傾けてあり、その水平方向に流れる流路部についての冷媒２０の流れる上流側の流路断面積８８と、下流側の流路断面積８９とに差が設けてある。なお、これに対応して隔壁支持スペーサ８４の寸法も図２の場合と異なっている。
【００４５】
上流側の流路断面積８８と、下流側の流路断面積８９との差は、冷媒２０の循環の上流側の圧力が下流側の圧力よりも高くなるように設定される。すなわち、上流側の流路断面積８８は、下流側の流路断面積８９よりも小さく設定される。これによって、冷媒２０は、循環の上流側から下流側に、より流れやすくなり、冷却性能が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明に係る電気機器冷却装置は、発熱する素子を含む電気機器の冷却に利用できる。
【符号の説明】
【００４７】
６  ハイブリッド車両、８  エンジンルーム、１０，８０  電気機器冷却装置、１２  密閉筐体、１４  放熱部、１６，８６  流路隔壁部、１８  素子搭載台、１９  素子、２０  冷媒、２４，８４  隔壁支持スペーサ、５０  高電圧蓄電装置、５２，５４  回転電機、５６  低電圧蓄電装置、５８  ＬＶ機器、６０  電源回路、６２，６６，７４  平滑コンデンサ、６４  ＨＶコンバータ、６８，７０  インバータ、７２  ＬＶコンバータ、８８  （上流側）流路断面積、８９  （下流側の）流路断面積。
【図１】
2011238722.tif 000003
【図２】
2011238722.tif 000004
【図３】
2011238722.tif 000005