(57)【要約】【課題】ヒートパイプの作動液涸れの発生を抑制する機能を確保しつつ、車両の低速走行時における冷却機能を向上させること。【解決手段】受熱部５には、発熱性半導体素子により形成される半導体回路４が取り付けられている。ヒートパイプ６は、車両走行風を全長にわたって受けるように、一端側が受熱部４に取り付けられており、この一端側が作動液蒸発部として作用すると共に、他端側が作動液凝縮部として作用する。プレート状放熱フィン７は、プレート面が車両走行方向と平行となるようにヒートパイプ６に所定間隔毎に取り付けられている。そして、プレート状放熱フィン７のプレート面には、環境温度がヒートパイプ６の作動液凝縮点以下となった場合でもヒートパイプ６の作動液涸れを防止可能にするためのスリット７ａが形成されている。【選択図】図１
2008016605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱性半導体素子により形成される半導体回路が取り付けられた受熱部と、
車両走行風を全長にわたって受けるように、一端側が前記受熱部に取り付けられ、この一端側が作動液蒸発部として作用すると共に、他端側が作動液凝縮部として作用するヒートパイプと、
プレート面が車両走行方向と平行となるように前記ヒートパイプに所定間隔毎に取り付けられ、環境温度がヒートパイプの作動液凝縮点以下となった場合でもヒートパイプの作動液涸れを防止可能にするためのスリットが前記プレート面に形成された複数枚のプレート状放熱フィンと、
を備えたことを特徴とする車両用電力変換装置。
【請求項２】
前記スリットの体積と前記プレート状放熱フィンの体積との比が予め設定された値となっている、
ことを特徴とする請求項１記載の車両用電力変換装置。
【請求項３】
前記ヒートパイプが所定高さ毎の取付位置に複数本配列され、これら複数本のヒートパイプが前記プレート状放熱フィンのプレート面を挿通している、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の車両用電力変換装置。
【請求項４】
前記スリットは、前記ヒートパイプの径と略等しい幅を有するものである、
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の車両用電力変換装置。
【請求項５】
前記スリットは前記プレート面に複数個形成されており、これら複数個のスリットの中にはスリット高さが前記ヒートパイプの取付位置とほぼ同じものが含まれている、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の車両用電力変換装置。
【請求項６】
前記複数枚のプレート状放熱フィンにおけるそれぞれの前記スリットの高さ方向位置は、隣り合う他のプレート状放熱フィンのスリットの高さ方向位置と所定距離だけずれている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の車両用電力変換装置。
【請求項７】
前記スリットの縁部には、車両走行風の乱れを促進するための突起部が形成されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の車両用電力変換装置。
【請求項８】
前記スリットの形状は、多角形、円形、又は楕円形のいずれかである、
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の車両用電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体回路用の冷却手段としてヒートパイプを用いている車両用電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
車両駆動用電動機はインバータなどの車両用電力変換装置により制御され、この車両用電力変換装置は発熱性半導体素子により形成される半導体回路を有している。したがって、車両走行中は半導体回路の温度が上昇するので、この半導体回路に対して冷却風を吹き付けるなどの冷却を行うことにより半導体素子の焼損を防止する必要がある。
【０００３】
冷却風を得るための構成としては、送風機などを半導体回路付近に取り付ける構成が考えられるが、送風機を取り付けるためのスペースを確保しなければならず、更に、定期又は不定期に送風機に対するメンテナンスを行う必要がある。
【０００４】
そのため、車両走行に伴って必然的に発生する車両走行風を冷却風として利用し、送風機を用いない構成が近時は次第に多く採用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
しかし、特許文献１のように、車両走行風のみを用いて半導体回路を冷却する構成の場合、車両の低速走行時には充分な冷却風を得ることができないため、車両走行風による冷却の他にヒートパイプによる冷却を併用する構成も多く採用されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−６９０１号公報
【特許文献２】特開平７−１９０６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、特許文献２に係る装置で用いられているヒートパイプは、周知のように、両端が密閉された金属管内に作動液（純水、フロン等）を封入し、更に、この作動液に毛細管現象を生じさせるための「ウィック」と呼ばれる材料を金属管内に配設した構造を有したものであり、一端側が作動液蒸発部、他端側が作動液凝縮部として機能する。そして、蒸発部で蒸発した作動液の蒸気は金属管中で拡散して凝縮部に到達し、潜熱を放出して凝縮する。凝縮部で凝縮した作動液は、ウィックの毛細管現象の働きにより、あるいは重力の働きにより（通常、ヒートパイプは凝縮部側の方が高くなるように傾斜した状態で取り付けられる）、蒸発部に還流され、以降は同様の作用を繰り返す。
【０００７】
したがって、このような構造のヒートパイプを冬期の寒冷地等で使用した場合、凝縮部で凝縮した作動液が凍結してしまい、蒸発部に還流されなくなる所謂「作動液涸れ」という現象がしばしば発生する。このような作動液涸れが発生すると、ヒートパイプの冷却機能が失われ、半導体回路の半導体素子の焼損に至ることになる。そこで、特許文献２に係る装置では、このような作動液涸れの発生を抑制する対策として、凝縮部の凝縮能力を低減させる構造を採用し、凍結温度まで低下する前に作動液を凝縮させるようにしている。
【０００８】
しかし、このように凝縮能力を低減させることは冷却能力を低減させることであり、特許文献２に係る装置は、車両走行風による冷却とヒートパイプによる冷却との双方を併用するものであることから、車両の低速走行時には、前述した車両走行風による冷却機能の低下と相まって、装置全体としての冷却機能が大幅に低下することになる。そのため、車両の低速走行時には半導体回路の温度を充分に低下させることが困難であった。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、ヒートパイプの作動液涸れの発生を抑制する機能を確保しつつ、車両の低速走行時における冷却機能を向上させることが可能な車両用電力変換装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、発熱性半導体素子により形成される半導体回路が取り付けられた受熱部と、車両走行風を全長にわたって受けるように、一端側が前記受熱部に取り付けられ、この一端側が作動液蒸発部として作用すると共に、他端側が作動液凝縮部として作用するヒートパイプと、プレート面が車両走行方向と平行となるように前記ヒートパイプに所定間隔毎に取り付けられ、環境温度がヒートパイプの作動液凝縮点以下となった場合でもヒートパイプの作動液涸れを防止可能にするためのスリットが前記プレート面に形成された複数枚のプレート状放熱フィンと、を備えた構成としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ヒートパイプの作動液涸れの発生を抑制する機能を確保しつつ、車両の低速走行時における冷却機能を向上させることが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図２は、本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の取付位置を示す説明図である。車両１の床下であって車輪２の側方位置に電力変換装置３が取り付けられている。
【００１３】
図１は、上記の電力変換装置３の構成を示す斜視図である。ＩＧＢＴ等の発熱性半導体素子により形成される半導体回路４がブロック状の受熱部５の平坦面に取り付けられている。そして、受熱部５の片方の側面には複数本のヒートパイプ６の一端側が、所定高さ毎の取付位置に複数本配列され取り付けられている。
【００１４】
ヒートパイプ６の他端側（先端側）は一端側よりも高くなっており、ヒートパイプ６は全体としてやや上向きとなるように取り付けられている。また、ヒートパイプ６は軸方向が車両走行方向と垂直になるように、つまり矢印で示した車両走行風を全長にわたって受けるように取り付けられている。そして、受熱部５に取り付けられたヒートパイプ６の一端側は作動液蒸発部として作用し、一方、先端側である他端側は作動液凝縮部として作用するようになっている。
【００１５】
上記の複数本のヒートパイプ６には複数枚のプレート状放熱フィン７が所定間隔毎に取り付けられている。各プレート状放熱フィン７のプレート面は車両１の車両走行方向と平行となっており、このプレート面を複数本のヒートパイプ６が挿通した状態になっている。
【００１６】
そして、各ヒートパイプ６の両側には長方形の細長いスリット７ａが形成されている。図３は、このスリット７ａが形成される位置を示した正面図である。この図に示すように、スリット７ａが形成される高さ方向の位置はヒートパイプ６とほぼ同じになっており、スリット７ａの幅Ｗもヒートパイプ６の径とほぼ同じになっている。
【００１７】
次に、上記のような構成を有する本実施形態の作用につき説明する。図３に示したように、スリット７ａの高さ方向の位置及び幅とヒートパイプ６の高さ方向の位置及び径とを同じにしているのは、高さ方向においてヒートパイプ６の存在する領域Ｒ１は温度が一様であって温度勾配がない領域であるのに対し、ヒートパイプ６の存在しない領域Ｒ２は温度差が生じている状態であって温度勾配の有る領域となっているからである。つまり、温度勾配の有る領域Ｒ２にフィンの欠損領域を生じさせると熱伝導性能の低下が著しくなるが、もともと温度勾配のない領域Ｒ１にスリット７ａを形成してフィンの欠損領域を生じさせたとしてもそれほど熱伝導性能が著しく低下することはないからである。
【００１８】
本実施形態では、上記のようなスリット７ａをプレート状放熱フィン７に形成することによって、電力変換装置３の環境温度がヒートパイプ６の作動液凝縮点以下となった場合であっても、ヒートパイプ６の作動液涸れの発生を抑制できるようにし、また、車両の低速走行領域における冷却性能の向上を可能にしている。
【００１９】
上記のようなスリット７ａの形成によって作動液涸れの発生を抑制できる理由は、スリット７ａの形成によってプレート状放熱フィン７の重量すなわち熱容量を低減させることができるからである。つまり、ヒートパイプ６の一端側（受熱部５側）では作動液が蒸発し、その蒸気が他端側（先端側）に移動して凝縮する。ここで蒸発潜熱の受け渡しがプレート状放熱フィン７との間で行われるが、プレート状放熱フィン７はスリット７ａの形成により熱容量が低減し熱的に飽和状態又はこれに近い状態に達しているので、凝縮後の作動液は環境温度が著しく低下したとしても凍結しにくい状態になっているのである。
【００２０】
図４は、電力変換装置が使用可能な許容最低環境温度の変化状態の一例を示す特性図である。この特性図では、上記のプレート状放熱フィン７の熱容量の低減の度合いを、プレート状放熱フィン７の体積に対するスリット７ａの合計体積すなわち［スリット体積／フィン体積］を用いて示している。この図から明らかなように、［スリット体積／フィン体積］の上限値を０．５程度とし、［スリット体積／フィン体積］の値を大きくするにしたがって許容最低環境温度を低くすることが可能になっている。
【００２１】
したがって、電力変換装置３の使用環境（車両１の走行地域）の最低温度を考慮して［スリット体積／フィン体積］の値を適正に設定すれば、ヒートパイプ６の作動液涸れが発生しにくい電力変換装置を得ることができる。但し、この許容最低環境温度は、［スリット体積／フィン体積］の値のみによって決定されるわけではなく、ヒートパイプ６の形状や重力方向に対する傾き、ウィックの構造、作動液の種類などの他の条件によっても左右される。図４の特性図は、これら他の条件が同一であることを前提としたものである。
【００２２】
また、上記のようなスリット７ａの形成によって車両の低速走行領域における冷却性能を向上させることができる理由は、車両走行風の乱れを促進してヒートパイプ６及びプレート状放熱フィン７に接触する空気の圧力損失を増大させ、電力変換装置の熱抵抗を低減できるからである。
【００２３】
つまり、図１において、もしスリット７ａが形成されていないとすると、車両全面から複数枚のプレート状放熱フィン７同士の間に入ってくる車両走行風は、複数のヒートパイプ６と接触した後に大半がそのままプレート状放熱フィン７に沿って後方へ通過していく。しかし、図１の構成ではこのときプレート状放熱フィン７に沿って通過する走行風の一部はスリット７ａを通って車両走行方向と垂直方向に進路を変えるので、プレート状放熱フィン７同士の間の空間には流場（ながれば）の乱れが生じ、圧力損失が増大する。
【００２４】
図５は、車両１の低速走行時における全面風速と圧力損失との関係を示す特性図であり、図６は車両１の低速走行時における全面風速と熱抵抗との関係を示す特性図である。
【００２５】
図５に示されているように、本実施形態のようなスリット付フィンを用いた場合の圧力損失は、スリットなしフィンを用いた場合に比べて大きく増大している。そして、この圧力損失の増大に伴って図６に示すように、スリット付フィンを用いた場合の熱抵抗は、スリットなしフィンを用いた場合に比べて著しく低下したものとなっている。
【００２６】
以上のことから、図１の構成によれば、プレート状放熱フィン７にスリット７ａを形成することにより、プレート状放熱フィン７の熱容量を低減できるのでヒートパイプ６の作動液涸れの発生を抑制することができ、また、圧力損失を増大させ熱抵抗を低減できるので、低速走行時における冷却性能を向上させることが可能になっている。
【００２７】
図７は、車両１の低速走行時における前面風速と半導体回路４の温度との関係すなわち冷却性能を示す特性図である。この図に示すように、スリット付フィンを用いた場合とスリットなしフィンを用いた場合の冷却性能がほぼ同じになるようにすると、スリットなしフィンを用いた場合はせいぜい−１８℃までしか低くすることができないのに対し、スリット付フィンを用いた場合は最低環境温度を−３３℃まで低くすることができるようになる。
【００２８】
ところで、上述したようなスリット７ａが形成されたプレート状放熱フィン７については、ある変形を加えることによって特別の効果を得ることができるので、これにつき説明する。
【００２９】
図８は、プレート状放熱フィン７の第１の変形例を示す斜視図である。この図ではヒートパイプ６の図示を省略し、代わりにヒートパイプ用孔７ｂを図示している。そして、第１の変形例ではスリット７ａの下側縁部に、プレート面に対して垂直に突出した突起部７ｃが形成されている。この突起部７ｃは、スリット７ａに対応する部分を切り起こすことにより形成されたものである。
【００３０】
このような突起部７ｃの形成により、車両走行風の乱れが促進され、図５に示した圧力損失を一層大きくすることができる。したがって、図６に示した熱抵抗をより低下させることができるようになる。
【００３１】
図９は、プレート状放熱フィン７の第２の変形例を示す説明図であり、（ａ）は奇数段目のプレート状放熱フィン７Ａを示した正面図、（ｂ）は偶数段目のプレート状放熱フィン７Ｂを示した正面図、（ｃ）はこれらプレート状放熱フィン７Ａ，７Ｂの取付状態を示した側面図である。
【００３２】
図９（ａ），（ｂ）に示されているように、プレート状放熱フィン７Ａのスリット７ａ１の高さ方向位置とプレート状放熱フィン７Ｂのスリット７ａ２の高さ方向位置とは所定距離（ズレ量δ）だけずれている。したがって、図９（ｃ）に示されているように、隣り合うスリット７ａ１，７ａ２の高さが異なるため、これらのスリットを通過する空気の流れは曲がりながら強い抵抗を受けることになる。そのため、この第２の変形例を用いた場合も、図５に示した圧力損失を一層大きくすることができ、また、図６に示した熱抵抗をより低下させることができる。
【００３３】
なお、上記実施形態では、スリット７ａの形状が長方形である場合のみを示したが、この形状は特に限定されるわけではなく、多角形、円形、又は楕円形などの種々の形状に形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置の構成を示す斜視図。
【図２】図１の車両用電力変換装置の取付位置を示す説明図。
【図３】図１のプレート状放熱フィンにおけるスリットの取付位置を示す正面図。
【図４】図１における電力変換装置が使用可能な許容最低環境温度の変化状態の一例を示す特性図。
【図５】本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置及び従来装置の低速走行時における全面風速と圧力損失との関係を示す特性図。
【図６】本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置及び従来装置の低速走行時における全面風速と熱抵抗との関係を示す特性図。
【図７】本発明の実施形態に係る車両用電力変換装置及び従来装置の低速走行時における冷却性能を示す特性図。
【図８】本発明の実施形態に係るプレート状放熱フィンの第１の変形例を示す斜視図。
【図９】本発明の実施形態に係るプレート状放熱フィンの第２の変形例を示す説明図であり、（ａ）は奇数段目のプレート状放熱フィンを示した正面図、（ｂ）は偶数段目のプレート状放熱フィンを示した正面図、（ｃ）はこれらプレート状放熱フィンの取付状態を示した側面図。
【符号の説明】
【００３５】
１：車両
２：車輪
３：電力変換装置
４：半導体回路
５：受熱部
６：ヒートパイプ
７：プレート状放熱フィン
７Ａ：奇数段目のプレート状放熱フィン
７Ｂ：偶数段目のプレート状放熱フィン
７ａ，７ａ１，７ａ２：スリット
７ｂ：ヒートパイプ用孔
７ｃ：突起部
Ｗ：スリットの幅
Ｒ１：温度勾配のない領域
Ｒ２：温度勾配のある領域
δ：ズレ量
【図１】
2008016605.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2008016605.tif 000008
【図７】
2008016605.tif 000009
【図８】
2008016605.tif 000010
【図９】
2008016605.tif 000011