JP7061770B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の冷却装置に関する。

車両等に搭載されるパワーモジュールには、発熱量の多い電子部品が複数用いられるため、これらの電子部品を冷却する冷却装置が設けられている。例えば、特許文献１には、複数の電子部品を冷却する冷却装置が開示されている。特許文献１の冷却装置は、複数の電子部品のそれぞれに向けて冷媒液を噴出する複数のチューブと、それぞれの電子部品を囲むように設けられる仕切り部材と、冷却後の冷媒液が流通する排出流路と、を備える。チューブから噴出された冷媒液は、仕切り部材によって区切られる空間内にて電子部品の平面上を放射状に流れて電子部品を冷却する。電子部品を冷却した後の冷媒液は、仕切り部材により流れ方向が変更されて排出流路へ排出される。

特開平５－３２７４号公報

特許文献１の冷却装置においては、それぞれの電子部品を冷却した後の冷媒液が、排出流路において混ざり合う。チューブから噴出される冷却前の冷媒液と、冷却後の冷媒液とは、仕切り部材により分離されるのみであるため、冷却後の冷媒液が、仕切り部材を越えて冷却前の冷媒液に流入する可能性がある。この結果、電子部品の冷却効率が低下する可能性がある。

本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであり、複数の電子部品を冷却する場合に、電子部品を効率よく冷却することができる冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、冷却装置に係る第１の解決手段として、電子部品の熱を冷媒により受熱する受熱器と、前記受熱器からの前記冷媒の熱を排熱する排熱器と、前記冷媒を前記受熱器から前記排熱器に流通させると共に前記冷媒を前記排熱器から前記受熱器に流通させる循環流路と、を備え、前記受熱器は、複数の前記電子部品が取り付けられる取付面と、前記循環流路に連通する第１流路と、前記第１流路に連通すると共に複数の前記電子部品に対応して前記取付面の背面に設けられる複数の表面積拡張部材とを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、冷却装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記受熱器は、前記電子部品の熱により前記冷媒を液体から気化させる蒸発器であり、前記排熱器は、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液に再生する凝縮器であり、前記蒸発器は、鉛直姿勢で設けられる、という手段を採用する。

また、本発明では、冷却装置に係る第３の解決手段として、上記第２の解決手段において、前記取付面には、複数の前記電子部品が水平方向に並ぶように取り付けられており、前記第１流路は、水平方向に延在する、という手段を採用する。

また、本発明では、冷却装置に係る第４の解決手段として、上記第３の解決手段において、前記取付面には、水平方向に並ぶ複数の前記電子部品が上下方向に多段に取り付けられており、前記第１流路は、前記電子部品の段毎に設けられている、という手段を採用する。

また、本発明では、冷却装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記電子部品の段毎に設けられた前記第１流路のうち、上側に位置する前記第１流路は、下側で発生した前記冷媒蒸気を上方に通過させる蒸気通過部を備える、という手段を採用する。

本発明によれば、複数の電子部品を冷却する場合に、電子部品を効率よく冷却することができる。

本発明の一実施形態に係る冷却装置の斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の蒸発器の縦断面図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の蒸発器の拡大横断面図である。

以下、図１～図３を参照し、本発明の一実施形態に係る冷却装置１について説明する。冷却装置１は、電子部品Ｅの冷却に用いられる。電子部品Ｅは、例えば、ハイブリット車や電気自動車等、モータ（電動機）を動力源として走行する車両に搭載されるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）のパワー半導体素子である。

図１に示されるように、冷却装置１は、蒸発器１０（受熱器）と、凝縮器２０（排熱器）と、循環流路３０と、ポンプ４０と、を備える。蒸発器１０は、電子部品Ｅの熱を冷媒により受熱する。蒸発器１０は、電子部品Ｅの熱により冷媒を液体から気化させる。凝縮器２０は、蒸発器１０からの冷媒の熱を排熱する。凝縮器２０は、蒸発器１０で発生した冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液に再生する。循環流路３０は、冷媒蒸気を蒸発器１０から凝縮器２０に流通させる第１配管３１と、冷媒液を凝縮器２０から蒸発器１０に流通させる第２配管３２とを有する。ポンプ４０は、冷媒液に流動力を作用させる。

図１及び図２に示されるように、蒸発器１０は、ハウジング１１と、第１流路１２と、第２流路１３と、複数の液溜り１４と、複数の表面積拡張部材１５と、を有する。蒸発器１０は、鉛直姿勢で設けられる。

ハウジング１１は、略直方体形状を有する。ハウジング１１は、鉛直姿勢で設けられ、複数の電子部品Ｅが取り付けられる取付面１１ａを有する。取付面１１ａは、ハウジング１１の外面である。すなわち、複数の電子部品Ｅは、取付面１１ａ上に鉛直姿勢で配置される。複数の電子部品Ｅは、水平方向に複数（本実施形態においては８つ）、かつ上下方向に多段（本実施形態においては２段）に並ぶ。
ハウジング１１の上部には、第１配管３１の一端が接続される。

第１流路１２は、ハウジング１１の内部に設けられる。図２に示されるように、第１流路１２は、上側に位置する上段流路１２ａと、下側に位置する下段流路１２ｂと、を有する。上段流路１２ａは、上段に位置する電子部品Ｅの下方に水平方向に延びる。下段流路１２ｂは、下段に位置する電子部品Ｅの下方に水平方向に延びる。
図１に示されるように、上段流路１２ａには、液溜り１４のうち、下段に位置する液溜り１４で発生した冷媒蒸気を上方に通過させるための複数の溝（蒸気通過部）１２ｃが設けられる。複数の溝１２ｃは、液溜り１４のうち、上段に位置する液溜り１４の間の隙間１６のそれぞれと連通するように設けられる。

第２流路１３は、上段流路１２ａと下段流路１２ｂとを接続する。第２流路１３には、第２配管３２の一端が接続される。したがって、第１流路１２は、第２流路１３を介して、第２配管３２に連通する。

複数の液溜り１４は、ハウジング１１の内部に設けられる。複数の液溜り１４は、第１流路１２に連通し、冷媒液を貯留する。図２及び図３に示されるように、複数の液溜り１４は、複数の電子部品Ｅに対応して取付面１１ａの背面１１ｂに設けられる。背面１１ｂは、ハウジング１１の内面である。液溜り１４は、取付面１１ａを挟んで電子部品Ｅと対向する位置に設けられる。すなわち、複数の液溜り１４は、水平方向に複数（本実施形態においては８つ）、かつ上下方向に多段（本実施形態においては２段）に並ぶ。

液溜り１４は、一対の側面１４ａ、１４ｂと、底面１４ｃと、を有する。
一対の側面１４ａ、１４ｂは、背面１１ｂに取り付けられる。一対の側面１４ａ、１４ｂは、上下方向に沿い、かつ背面１１ｂと直交する方向に延びる。
底面１４ｃは、一対の側面１４ａ、１４ｂを接続する。底面１４ｃは、背面１１ｂと平行に延びる。底面１４ｃは、ハウジング１１と当接している。
液溜り１４は、第１流路１２と連通する。第１流路１２と液溜り１４とは、互いに連通するように一体的に形成されていてもよいし、第１流路１２と液溜り１４とを別体に形成して互いに接続してもよい。

液溜り１４及び背面１１ｂにより、上方に向けて開口する略直方体形状の容器が形成される。この容器内に、冷媒液が貯留される。
平面視において、底面１４ｃは、電子部品Ｅとほぼ同一形状を有する。また、平面視において、一対の側面１４ａ、１４ｂは、電子部品Ｅを取り囲むように設けられる。冷媒液は、液溜り１４に貯留される冷媒液の液面が電子部品Ｅの上端よりも上方まで到達するように供給される。これにより、平面視において、液溜り１４に貯留される冷媒液が、電子部品Ｅの全体を覆う。

液溜り１４の内部には、表面積拡張部材１５が設けられる。すなわち、複数の表面積拡張部材１５は、複数の電子部品Ｅに対応して取付面１１ａの背面１１ｂに設けられる。表面積拡張部材１５は、内部に微細な通路を有するマイクロチャネルや、多数の孔が形成される焼結材等である。表面積拡張部材１５の内部にマイクロチャネルが形成される場合、微細な通路の断面形状は、円形、矩形、又は三角形であってもよい。また、微細な通路は、断面積が通路方向に一定な形状に形成されていてもよいし、断面積が変化するテーパー形状に形成されていてもよい。また、微細な通路の内壁に、粗さ、濡れ性等を調整することにより、伝熱を促進させる機能を付与してもよい。表面積拡張部材１５として、上記例示した形状から任意なものを選択して用いることができる。表面積拡張部材１５は、背面１１ｂ、一対の側面１４ａ、１４ｂ、及び底面１４ｃのそれぞれと接触した状態で設けられることが好ましい。これにより、表面積拡張部材１５の内部に冷媒液を集中させ易くすることができる。

図１に示されるように、凝縮器２０は、蒸気管２１と、放熱部２２と、凝縮管２３と、を有する。
蒸気管２１は、凝縮器２０の上部に設けられ、水平方向に延びる。蒸気管２１は、第１配管３１の他端と接続される。
放熱部２２は、上下方向に延びる複数の細管２２ａと、細管２２ａの背面側に設けられるファン２２ｂとを有する。細管２２ａは、蒸気管２１と接続される。凝縮管２３は、凝縮器２０の下部に設けられ、水平方向に延びる。
凝縮管２３は、細管２２ａと接続される。また、凝縮管２３は、第２配管３２の他端と接続される。

第１配管３１は、蒸発器１０の下流と凝縮器２０の上流とを接続する。
第２配管３２は、凝縮器２０の下流と蒸発器１０の上流とを接続する。

第２配管３２の途中部位には、ポンプ４０が設けられる。ポンプ４０は、凝縮器２０から排出された冷媒液を蒸発器１０へ向けて流動させる。

次に、冷却装置１の動作について詳しく説明する。
図２に矢印Ａ１で示されるように、第１流路１２の上段流路１２ａ及び下段流路１２ｂに、ポンプ４０の駆動により、凝縮器２０から、第２配管３２及び第２流路１３を介して冷媒液が供給される。冷媒液は、上段流路１２ａ及び下段流路１２ｂを流れて、液溜り１４へ供給される。

液溜り１４に貯留される冷媒液により、対応する電子部品Ｅが冷却される。具体的には、電子部品Ｅの熱は、ハウジング１１へ伝達される。冷媒液は、ハウジング１１の熱を、表面積拡張部材１５を介して受熱し、冷媒蒸気に変化する。すなわち、冷媒液は、ハウジング１１（電子部品Ｅ）の熱を、表面積拡張部材１５を介して受熱し、液体の状態から気体の状態に変化する時に、ハウジング１１（電子部品Ｅ）を冷却する。このように、電子部品Ｅは、ハウジング１１を介して冷媒液と間接的に熱交換を行うことにより、冷却される。ここで、液溜り１４の内部には、表面積拡張部材１５が設けられている。したがって、冷媒液が表面積拡張部材１５の内部を移動することにより、伝熱面積が増大するため、ハウジング１１と冷媒液との熱交換効率が向上し、電子部品Ｅの冷却が促進される。また、表面積拡張部材１５として内部にマイクロチャネルが形成される部材を用いる場合、表面積拡張部材１５の通路入口と通路出口との間では圧力差が存在する。圧力の低い通路出口側では、冷媒蒸気が発生し易くなるため、電子部品Ｅの冷却がより促進される。
また、表面積拡張部材１５を、背面１１ｂ、一対の側面１４ａ、１４ｂ、及び底面１４ｃのそれぞれと接触した状態で設けることで、表面積拡張部材１５の内部に冷媒液を集中させ易くすることができるため、電子部品Ｅの冷却がより一層促進される。

なお、冷媒液は、ハウジング１１の熱を、表面積拡張部材１５を介して受熱し、冷媒蒸気に変化するが、冷媒液の一部は、液体のまま液溜り１４（表面積拡張部材１５）から排出される。上段に位置する液溜り１４から排出される冷媒液により、下段に位置する液溜り１４を浸漬させる構成としてもよい。また、図３においてはハウジング１１と底面１４ｃとが当接しているが、ハウジング１１と底面１４ｃとを離間させて配置し、ハウジング１１と底面１４ｃとの間の空間に液溜り１４から排出される冷媒液を付着させる構成としてもよい。この場合、液溜り１４の内部のみではなく、液溜り１４の外側でも冷媒蒸気を発生させることができる。

図２に矢印Ａ２で示されるように、冷媒蒸気は、ハウジング１１内を上方へ流れ、第１配管３１へ排出される。この際、液溜り１４のうち、下段に位置する液溜り１４で発生した冷媒蒸気は、溝１２ｃ及び上段に位置する液溜り１４の間の隙間１６を通過して、上方に流れる。

冷媒蒸気は、第１配管３１を介して凝縮器２０へ供給される。第１配管３１からの冷媒蒸気は、蒸気管２１を介して細管２２ａに供給され、細管２２ａを流通する。冷媒蒸気は、細管２２ａを流通する際に、冷却されて凝縮（液化）する。すなわち、冷媒蒸気は、細管２２ａを流通する際に放熱することにより、気体の状態から液体の状態に戻される。この際、ファン２２ｂからの送風により冷媒蒸気の冷却が補助される。凝縮された冷媒液は、細管２２ａ内を下方に流れ、凝縮管２３を介して第２配管３２へ排出される。冷媒液は、第２配管３２を介して蒸発器１０へ戻される。

以上説明したように、本実施形態によれば、複数の表面積拡張部材１５が複数の電子部品Ｅのそれぞれと対応して設けられ、表面積拡張部材１５を移動する冷媒液により対応する電子部品Ｅを冷却する。例えば複数の電子部品Ｅが鉛直姿勢で配置される場合であっても、複数の電子部品Ｅのそれぞれを独立的に冷却することができる。この結果、電子部品Ｅを効率よく冷却することができる。また、表面積拡張部材１５により、伝熱面積が増大するため、蒸発器１０（ハウジング１１の取付面１１ａ）を介した電子部品Ｅと冷媒との熱交換効率が向上する。
また、表面積拡張部材１５は、電子部品Ｅ毎に設けられる程度の大きさである。したがって、例えば内部にマイクロチャネルが形成される表面積拡張部材１５を用いる場合であっても、マイクロチャネルの複数の通路を冷媒が移動する際の圧力損失が抑制され、容易に冷媒の流量を増加させることが可能である。また、冷媒の流量の増加により、伝熱量の向上が見込まれる。

また、本実施形態によれば、取付面１１ａには、複数の電子部品Ｅが水平方向に並ぶと共に、上下方向に多段に取り付けられており、第１流路１２は、電子部品Ｅの段毎に設けられ、水平方向に延在する。したがって、水平方向及び上下方向に並ぶ複数の電子部品Ｅと対応して設けられる複数の表面積拡張部材１５の全てに、第１流路１２からの冷媒液を確実に供給することができる。

また、本実施形態によれば、電子部品Ｅの段毎に設けられた第１流路１２のうち、上側に位置する上段流路１２ａは、下側で発生した冷媒蒸気を上方に通過させる溝（蒸気通過部）１２ｃを備える。したがって、下側で発生した冷媒蒸気の上方への移動が、上段流路１２ａにより妨げられることを防止できる。

なお、本発明は、図面を参照して説明した上記実施形態に限定されるものではなく、その技術的範囲において様々な変形例が考えられる。
例えば、上述の実施形態において、冷媒液として、電子部品Ｅの熱により液体の状態から気体の状態に変化する冷媒を採用した。しかしながら、本発明はこれに限られず、冷媒液として、液体の状態のまま電子部品Ｅの冷却に使用される冷媒を用いてもよい。この場合、蒸発器１０（受熱器）の姿勢は鉛直姿勢に限られず、水平姿勢や、その他の姿勢であってもよい。
複数の電子部品Ｅは、取付面１１ａに水平方向のみ、あるいは上下方向のみに並ぶように取り付けられていてもよい。
蒸気通過部は、下側で発生した冷媒蒸気を上方に通過させることが可能であればよく、溝に限られない。例えば、上段流路１２ａとハウジング１１の内面との間に隙間を設けることにより、蒸気通過部を形成してもよい。

その他、本発明の趣旨に逸脱しない範囲で、前記実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、前記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…冷却装置、１０…蒸発器（受熱器）、１１ａ…取付面、１２…第１流路、１２ｃ…溝（蒸気通過部）、１４…液溜り、１５…表面積拡張部材、２０…凝縮器（排熱器）、３０…循環流路

Claims (8)

1. 電子部品の熱を冷媒により受熱する受熱器と、
   前記受熱器からの前記冷媒の熱を排熱する排熱器と、
   前記冷媒を前記受熱器から前記排熱器に流通させると共に前記冷媒を前記排熱器から前記受熱器に流通させる循環流路と、
   を備え、
   前記受熱器は、
   複数の前記電子部品が取り付けられる取付面と、
   前記循環流路に連通する第１流路と、
   前記第１流路に接続されると共に前記冷媒を貯留する液溜りと、
   前記第１流路に連通すると共に複数の前記電子部品に対応して前記取付面の背面に設けられる複数の表面積拡張部材とを備え、
   前記表面積拡張部材は、内部に微細流路を有すると共に、前記液溜りの内部に前記液溜りの内壁面に接触して設けられている
   ことを特徴とする冷却装置。
2. 前記受熱器は、前記電子部品の熱により前記冷媒を液体から気化させる蒸発器であり、 前記排熱器は、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液に再生する凝縮器であり、
   前記蒸発器は、鉛直姿勢で設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記取付面には、複数の前記電子部品が水平方向に並ぶように取り付けられており、 前記第１流路は、水平方向に延在することを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記取付面には、水平方向に並ぶ複数の前記電子部品が上下方向に多段に取り付けられており、
   前記第１流路は、前記電子部品の段毎に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記電子部品の段毎に設けられた前記第１流路のうち、上側に位置する前記第１流路は、下側で発生した前記冷媒蒸気を上方に通過させる蒸気通過部を備えることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記受熱器は、
   複数の前記電子部品が間隔を空けて取り付けられる前記取付面を有するハウジングを備え、
   前記液溜りは、一対の側面と、底面を有し、前記取付面の背面と共に、前記冷媒を貯留可能であり、前記第１流路と連通している冷媒の入口に対向して配置されている冷媒の排出部を前記ハウジング内部に連通していると共に、前記底面と前記ハウジングと当接している
   ことを特徴とする請求項１～５いずれか一項に記載の冷却装置。
7. 電子部品の熱を冷媒により受熱する受熱器と、
   前記受熱器からの前記冷媒の熱を排熱する排熱器と、
   前記冷媒を前記受熱器から前記排熱器に流通させると共に前記冷媒を前記排熱器から前記受熱器に流通させる循環流路と、
   を備え、
   前記受熱器は、
   複数の前記電子部品が取り付けられる取付面と、
   前記循環流路に連通する第１流路と、
   前記第１流路に連通すると共に複数の前記電子部品に対応して前記取付面の背面に設けられる複数の表面積拡張部材とを備え、
   前記受熱器は、前記電子部品の熱により前記冷媒を液体から気化させる蒸発器であり、
   前記排熱器は、前記蒸発器で発生した冷媒蒸気を凝縮させて冷媒液に再生する凝縮器であり、
   前記蒸発器は、鉛直姿勢で設けられており、
   前記取付面には、複数の前記電子部品が水平方向に並ぶように取り付けられており、
   前記第１流路は、水平方向に延在し、
   前記取付面には、水平方向に並ぶ複数の前記電子部品が上下方向に多段に取り付けられており、
   前記第１流路は、前記電子部品の段毎に設けられている
   ことを特徴とする冷却装置。
8. 前記電子部品の段毎に設けられた前記第１流路のうち、上側に位置する前記第１流路は、下側で発生した前記冷媒蒸気を上方に通過させる蒸気通過部を備えることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。

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