JP5777658B2 - 電子部品の冷却器 - Google Patents

Description

この発明は、電子部品を冷却する冷却器に関し、特に、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車などの電動化車両に搭載される車載充電器の冷却に好適な冷却器に関するものである。

電気自動車、プラグインハイブリッド自動車などの電動化車両においては、車外の電源からの電力が車載充電器を介して主電池に充電され、インバータや走行用モータが主電池から供給される電力により駆動される。そして、車載充電器は、スイッチング素子などの発熱部品である電子部品を備えている。そこで、車載充電器に冷却器を搭載し、冷媒循環ポンプが冷却器に冷媒を送ることにより、車載充電器の電子部品を冷却していた。

電動化車両では、主電池の充電は、１００Ｖ〜２００Ｖの商用交流電源を用いて、夜間などに長時間かけて行われる。このとき、車載充電器は動作しているが、走行用モータとインバータは停車中であるため動作していない。そこで、長時間かけて行われる充電中に、冷媒循環ポンプを連続して運転することは、冷媒循環ポンプの短寿命化をもたらす。さらには、冷媒循環ポンプが消費する電力を補う必要があり、充電時間の長時間化をもたらす。そのため、冷媒循環ポンプを間欠的に運転することが望ましい。しかし、冷媒循環ポンプを間欠的に運転するためには、冷却器には、冷媒循環ポンプの運転時における冷却性能のみならず、冷媒循環ポンプの停止時における電子部品の温度上昇を抑制する性能が要求される。

従来の電子部品の冷却器は、上面に電子部品が取り付けられる取付面、下方が開口するように取付面に設けられた側面および電子部品の位置に対応させて取付面の裏面側に設けられた放熱フィンを有する部材と、側面に嵌合されて取り付けられる底面と、側面と底面とにより形成され、放熱フィンを含む液冷媒通路と、側面に設けられ、液冷媒通路に液冷媒を導入する入口部材および液冷媒通路から液冷媒を導出する出口部材と、を備え、放熱フィン側の底面に、入口部材から放熱フィンまでの流路および放熱フィンから出口部材までの流路に傾斜部を形成していた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−３３９２２９号公報

従来の電子部品の冷却器では、放熱フィン側の底面に、入口部材から放熱フィンまでの流路および放熱フィンから出口部材までの流路に傾斜部を形成しているので、液冷媒の入口と底面および底面と液冷媒の出口とが緩やかに接続され、流路抵抗が減じられる。その結果、入口部材および出口部材の近傍での渦流等の発生が回避され、良好な冷却性能が維持される。しかしながら、従来の電子部品の冷却器では、冷媒循環ポンプの運転時の冷却性能は確保できるが、冷媒循環ポンプの停止時については、何ら考慮されていなかった。

つまり、従来の電子部品の冷却器においては、冷媒循環ポンプの停止時、液冷媒が液冷媒通路内に滞留し、電子部品での発熱により、取付面の下部（液冷媒通路の上部）の液冷媒が加熱され、液冷媒温度が急上昇する。したがって、従来の電子部品の冷却器を車載充電器の冷却に適用した場合、冷媒循環ポンプを停止すると、液冷媒温度が急上昇するので、冷媒循環ポンプをすぐに再運転する必要が生じ、運転時間を短縮することができないという課題があった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、冷媒の供給停止時における冷媒の温度上昇を緩慢な温度上昇にさせる冷媒流路構成とし、冷媒の供給停止時間を長くできる電子部品の冷却器を得ることを目的とする。

本発明に係る電子部品の冷却器は、筒状の周壁部および上記周壁部の他端開口を塞口する底板を有する有底筒状体に作製され、一端の開口を側方に向けて配設され、上記周壁部の下側に位置する下壁部の外面を電子部品の取付面とする本体と、上記本体内に配設され、上部流路、上記上部流路の下方に位置する下部流路および上記上部流路と上記下部流路を上記底板側で連通する連通流路を形成する仕切り板と、を備え、冷媒を上記上部流路に間欠的に供給して上記電子部品を冷却する。そして、連通穴が、上記電子部品の上方位置で、上記上部流路と上記下部流路とを連通するように上記仕切り板に形成されている。

本発明によれば、冷媒の供給時には、冷媒が上部流路を流通し、流路方向の一側で折り返されて下部流路を流通する。そして、電子部品で発生した熱は、周壁部の下側に位置する下壁部を介して下部流路を流通する冷媒に伝達され、冷媒とともに排出されるので、電子部品を効果的に冷却でき、良好な冷却性能が確保される。

冷媒の供給停止時には、周壁部の下側に位置する下壁部の近傍に滞留する冷媒が、電子部品で発生した熱により暖められて上昇し、連通穴を通って上部流路内に流入する。上部流路内に流入した冷媒は冷やされて連通穴を通って下部流路内に流入し、周壁部の下側に位置する下壁部の近傍まで下降し、電子部品で発生した熱により暖められて上昇する。このように、連通穴を介して上部流路と下部流路との間に冷媒の対流が形成され、電子部品で発生した熱が上部流路と下部流路の両方の冷媒に拡散され、冷媒の温度上昇が緩慢な温度上昇となる。これにより、冷媒の供給を停止する時間を長くすることができる。したがって、冷媒を間欠的に供給するための冷媒循環ポンプの運転時間の短縮が可能となる。

この発明の実施の形態１に係る冷却器を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却器を示す正面図である。 この発明の実施の形態１に係る冷却器を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係る冷却器を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る冷却器の冷媒循環ポンプの運転停止中の状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係る冷却器の冷媒循環ポンプの運転中の状態を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係る冷却器に用いられる樹脂成型体を示す側面図である。 この発明の実施の形態４に係る冷却器に用いられる樹脂成型体を示す斜視図である。

以下、本発明の電子部品の冷却器の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る冷却器を示す斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る冷却器を示す正面図、図３はこの発明の実施の形態１に係る冷却器を示す断面図である。なお、図３中矢印は冷媒の流れを示している。

図１から図３において、冷却器１は、上壁部２ａ、下壁部２ｂおよび一対の側壁部２ｃからなる断面矩形の周壁部の他端開口を底板２ｄにより塞口して有底筒状体に作製され、一端の開口を側方に向けて配設され、下壁部２ｂの下面を電子部品１２の取付面とする本体２と、本体２の底板２ｄから離間して相対する側壁部２ｃ間に架設されて本体２内を上下に仕切る仕切り板３と、本体２の一端の開口を塞口するように本体２の一端に取り付けられた蓋部材５と、を備えている。これにより、本体２と蓋部材５により構成される空間が底板２ｄ側を除いて仕切り板３により上下に２分され、上部流路４ａと下部流路４ｂを底板２ｄ側の連通流路４ｃにより連結するＵ字状の冷媒流路４が形成される。冷却器１は、さらに、蓋部材５に一体に形成され、上部流路４ａに冷媒を供給させる冷媒入口ニップル６と、蓋部材５に一体に形成され、下部流路４ｂを流れた冷媒を排出させる冷媒出口ニップル７と、電子部品１２の取付位置の上部に位置するように仕切り板３に形成され、上部流路４ａと下部流路４ｂとを連通する連通穴８と、を備えている。仕切り板３は下壁部２ｂ側に変位して本体２内に設置され、上部流路４ａの流路断面積が下部流路４ｂの流路断面積より大きくなっている。

ここで、本体２は、例えば、アルミダイカストにより作製される。しかし、本体２の下壁部２ｂは、電子部品１２で発生した熱を下部流路４ｂを流れる冷媒に伝達する機能を有することから、アルミなどの良好な熱伝導性材料で作製することが望ましいが、他の部位の材料は特に限定されない。また、本体２は断面矩形に作製されているが、本体２の断面形状は矩形に限定されない。

また、図示していないが、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車などの電動化車両に搭載される車載充電器は、ＡＣ／ＤＣコンバータと絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを備え、商用交流電源を用いて主電池を充電する。

冷却器１は、本体２の一端の開口を塞口する蓋部材５を側方に向け、上部流路４ａおよび下部流路４ｂの流路方向を略水平として、かつ下壁部２ｂを鉛直下方に向けて電動化車両に搭載され、車載充電器のトランス、コイル、半導体素子などの発熱素子（電子部品１２）が下壁部２ｂの取付面に取り付けられ、車載充電器の冷却に供せられる。そして、冷却水などの冷媒を、冷媒循環ポンプ（図示せず）により、冷却器１と熱交換器（図示せず）との間を循環させて、車載充電器を冷却する。

つぎに、冷却器１による冷却動作について説明する。まず、冷媒循環ポンプが運転されると、冷媒が冷却器１と熱交換器との間を循環する。そして、冷媒は、熱交換器で熱交換されて温度が下げられて冷却器１に戻される。冷却器１では、冷媒が冷媒入口ニップル６から上部流路４ａに流入し、上部流路４ａ内を連通流路４ｃまで流れ、連通流路４ｃで流れ方向を折り返され、下部流路４ｂ内を流れて、冷媒出口ニップル７から排出される。そして、電子部品１２で発生した熱は、下壁部２ｂを介して下部流路４ｂ内を流通する冷媒に伝達され、冷媒とともに冷媒出口ニップル７から排出される。これにより、電子部品１２が冷却される。

冷媒循環ポンプの運転が停止すると、冷却器１と熱交換器との間の冷媒の循環が停止する。電子部品１２で発生した熱は、下壁部２ｂを介して下部流路４ｂ内に滞留する冷媒に伝達される。そして、下壁部２ｂの上部に滞留する冷媒が暖められて上昇し、電子部品１２の上方に位置する連通穴８を通って上部流路４ａ内に流入する。上部流路４ａ内に流入した冷媒は、上部流路４ａ内の冷媒と熱交換して冷やされ、連通穴８を通って下部流路４ｂ内を下壁部２ｂの近傍まで下降し、電子部品１２で発生した熱の吸熱に供せられる。このように、下部流路４ｂの下壁部２ｂ近傍で暖められて上昇し、連通穴８から上部流路４ａ内に流入し、上部流路４ａ内で冷やされて下降し、連通穴８から下部流路４ｂ内に流入し、下部流路４ｂの下壁部２ｂ近傍に戻る冷媒の対流が発生する。これにより、電子部品１２で発生した熱は、下部流路４ｂ内に滞留している冷媒のみに蓄熱されず、上部流路４ａと下部流路４ｂの両方の冷媒に拡散されるので、冷媒の温度上昇が緩慢な温度上昇となる。

このように、この実施の形態１によれば、冷媒循環ポンプが運転中は、熱交換器により冷やされた冷媒が冷却器１に供給されるので、良好な冷却性能が維持される。また、冷媒循環ポンプの運転停止中は、冷媒の温度上昇が緩慢な温度上昇となるので、冷媒循環ポンプの運転停止の時間を長くでき、間欠運転する冷媒循環ポンプの長寿命化が図られる。さらには、冷媒循環ポンプが消費する電力が少なくなり、充電時間の短縮が図られる。

また、上部流路４ａの流路断面積が下部流路４ｂの流路断面積より大きくなるように、仕切り板３が本体２内に配設されている。そこで、上部流路４ａ内の冷媒の流速が遅くなり、圧損を小さくできる。一方、下部流路４ｂ内の冷媒の流速が速くなるので、熱伝達率が高くなり、下壁部２ｂに取り付けられた電子部品１２を良好に冷却できる。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る冷却器を示す断面図である。

図４において、カバー９が、それぞれ、上部流路４ａの下流側に開口する開口部９ａを有し、連通穴８を覆うように仕切り板３の上面に取り付けられている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態２では、冷媒循環ポンプの運転時には、冷媒が冷媒入口ニップル６から上部流路４ａに流入し、上部流路４ａ内を連通流路４ｃまで流れ、連通流路４ｃで流れ方向を折り返され、下部流路４ｂ内を流れて、冷媒出口ニップル７から排出される。そして、電子部品１２で発生した熱は、下壁部２ｂを介して下部流路４ｂ内を流通する冷媒に伝達され、冷媒とともに冷媒出口ニップル７から排出される。これにより、電子部品１２が冷却される。

冷媒循環ポンプの運転停止時には、下壁部２ｂの上部に滞留する冷媒が電子部品１２で発生した熱により暖められて上昇し、電子部品１２の上方に位置する連通穴８を通り、カバー９の開口部９ａから上部流路４ａ内に流入する。そして、上部流路４ａ内に流入した冷媒は、上部流路４ａ内で冷やされて下降し、カバー９の開口部９ａを通って連通穴８から下部流路４ｂ内に流入し、下部流路４ｂの下壁部２ｂ近傍に戻る。これにより、電子部品１２で発生した熱は、上部流路４ａと下部流路４ｂの両方の冷媒に拡散され、冷媒の温度上昇が緩慢な温度上昇となる。

したがって、この実施の形態２による冷却器１Ａにおいても、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。

ここで、実施の形態１による冷却器１では、上部流路４ａの流路断面積が下部流路４ｂの流路断面積より大きくなっている。そこで、上部流路４ａ内を流れる冷媒の流速が遅く、上部流路４ａ内の静圧が高くなる。一方、下部流路４ｂ内を流れる冷媒の流速が速く、下部流路４ｂ内の静圧が低くなる。この上部流路４ａ内と下部流路４ｂ内での静圧の差により、冷媒が上部流路４ａから連通流路４ｃを通らずに連通穴８を通って下部流路４ｂ内に流入してしまう。これにより、下部流路４ｂを流れる冷媒の流量が減少し、冷却性能が低下するおそれがある。

この実施の形態２による冷却器１Ａでは、上部流路４ａの流路断面積が下部流路４ｂの流路断面積より大きくなっているが、上部流路４ａ内を流れる冷媒のうち、カバー９の周囲を流れる冷媒はカバー９を迂回して流れるので、冷媒の流速が速くなり、静圧が低くなる。そこで、上部流路４ａ内と下部流路４ｂ内での静圧の差に起因して、冷媒が上部流路４ａから連通穴８を通って下部流路４ｂ内に流入することが抑えられる。これにより、下部流路４ｂを流れる冷媒の流量が確保され、良好な冷却性能を維持することができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３に係る冷却器の冷媒循環ポンプの運転停止中の状態を示す断面図、図６はこの発明の実施の形態３に係る冷却器の冷媒循環ポンプの運転中の状態を示す断面図である。なお、図６中矢印は冷媒の流れを示している。

図５および図６において、カバー１０は、それぞれ、弾性部材である板ばねの薄板で作製され、端部を仕切り板３の上面の連通穴８の上流側に固着されて、連通穴８を開閉可能に配設されている。すなわち、カバー１０は、上部流路４ａ内の冷媒の流れにより、変形して連通穴８を閉塞し、上部流路４ａ内の冷媒の流れがなくなると、復元して連通穴８を開放する。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されている。

この実施の形態３による冷却器１Ｂでは、冷媒循環ポンプが運転中であると、図６に示されるように、上部流路４ａ内の冷媒の流れにより、カバー１０が変形して連通穴８を閉塞する。そこで、上部流路４ａ内と下部流路４ｂ内での静圧の差に起因して、冷媒が上部流路４ａから連通穴８を通って下部流路４ｂ内に流入することが阻止される。これにより、下部流路４ｂを流れる冷媒の流量が確保され、良好な冷却性能が維持される。

また、冷媒循環ポンプの運転停止中では、図５に示されるように、カバー１０が復元して連通穴８を開放し、開口面積を増大する。これにより、電子部品１２で発生した熱により暖められて上昇し、連通穴８から上部流路４ａに流入し、上部流路４ａ内で冷やされて連通穴８から下部流路４ｂに流入し、下部流路４ｂ内を下降する冷媒の対流が維持され、冷媒の緩慢な温度上昇が維持される。

なお、上記実施の形態３では、カバー１０が上部流路４ａ内の冷媒の流れにより変形して連通穴８を閉塞しているが、カバー１０は、連通穴８を閉塞する必要はなく、連通穴８の開口面積を縮小して、上部流路４ａ側から下部流路４ｂへの冷媒の流入を抑制できればよい。

また、上記実施の形態３では、カバー１０を板ばねの薄板で作製し、カバー１０の弾性変形により連通穴８を開閉しているが、カバーを薄板で作製し、カバーの端部を、仕切り板３の上面に平行、かつ上部流路４ａの流路方向と直交する軸周りに回動可能に仕切り板３の上面に取り付け、連通穴８を開閉可能に配設してもよい。この場合、冷媒循環ポンプの運転中では、上部流路４ａ内の冷媒の流れにより、カバーに力がかかり、カバーが回動して連通穴８を閉塞、あるいは連通穴８の開口面積を縮小し、上部流路４ａから連通穴８を通って下部流路４ｂ内に流れる冷媒の移動を阻止、或いは抑制できる。また、冷媒循環ポンプの運停止転中では、電子部品１２で発生した熱で暖められた冷媒の上昇気流により、カバーが回動して連通穴８を開放する。そこで、電子部品１２で発生した熱により暖められて上昇し、連通穴８から上部流路４ａに流入し、上部流路４ａ内で冷やされて連通穴８から下部流路４ｂに流入し、下部流路４ｂ内を下降する冷媒の対流が維持される。

なお、上記実施の形態１〜３では、本体および蓋部材が別部材で構成されているが、本体、仕切り板および蓋部材を例えば樹脂成型体により一体に構成し、冷媒入口ニップルを上部流路に接続するように樹脂成型体に取り付け、冷媒出口ニップルを下部流路に接続するように樹脂成型体に取り付けてもよい。また、冷媒入口ニップル、冷媒出口ニップルに替えて、流体継ぎ手、流体カプラを用いてもよい。

実施の形態４．
図７はこの発明の実施の形態４に係る冷却器に用いられる樹脂成型体を示す側面図、図８はこの発明の実施の形態４に係る冷却器に用いられる樹脂成型体を示す斜視図である。

図７および図８において、樹脂成型体１１は、例えばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）樹脂を用いて、仕切り板３、カバー９、蓋部材５、冷媒入口ニップル６および冷媒出口ニップル７を一体にモールド成形して構成されている。

この実施の形態４では、仕切り板３を本体２（図示せず）内に差し入れ、蓋部材５を本体２の開口を塞口するように固着して、樹脂成型体１１を本体２に取り付け、冷却器を構成する。したがって、冷却器を構成する部品点数が削減され、コストダウンを図ることができる。

なお、上記各実施の形態では、冷却器を車載充電器の冷却に適用するものとしているが、本冷却器は車載充電器の冷却に限定されず、例えば車両用回転電機と主電池との間に配置されて、交流を直流に変換する、或いは交流を直流に変換する電力変換器の冷却に適用してもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 冷却器、２ 本体、２ｂ 下板、２ｄ 底板、３ 仕切り板、４ａ 上部流路、４ｂ 下部流路、４ｃ 連通流路、５ 蓋部材、６ 冷媒入口ニップル、７ 冷媒出口ニップル、８ 連通穴、９ カバー、９ａ 開口部、１０ カバー、１１ 樹脂成型体、１２ 電子部品。

Claims (7)

1. 筒状の周壁部および上記周壁部の他端開口を塞口する底板を有する有底筒状体に作製され、一端の開口を側方に向けて配設され、上記周壁部の下側に位置する下壁部の外面を電子部品の取付面とする本体と、
   上記本体内に配設され、上部流路、上記上部流路の下方に位置する下部流路および上記上部流路と上記下部流路を上記底板側で連通する連通流路を形成する仕切り板と、を備え、冷媒を上記上部流路に間欠的に供給して上記電子部品を冷却する電子部品の冷却器において、
   連通穴が、上記電子部品の上方位置で、上記上部流路と上記下部流路とを連通するように上記仕切り板に形成されていることを特徴とする電子部品の冷却器。
2. 上記上部流路の流路断面積が、上記下部流路の流路断面積より大きくなっていることを特徴とする請求項１記載の電子部品の冷却器。
3. カバーが、下流側に開口を有し、上記連通穴を覆うように上記仕切り板の上面に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子部品の冷却器。
4. カバーが、一端を上記仕切り板の上面の上記連通穴の上流側に取り付けられ、上記冷媒の上記上部流路への供給時には、上記連通穴を閉塞、あるいは上記連通穴の開口面積を縮小し、上記冷媒の上記上部流路への供給停止時には、上記連通穴を開放するように構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電子部品の冷却器。
5. 上記カバーが、弾性部材により作製され、上記冷媒の上記上部流路への供給時には、上記上部流路を流通する上記冷媒の流れにより変形して上記連通穴を閉塞、あるいは上記連通穴の開口面積を縮小し、上記冷媒の上記上部流路への供給停止時には、復元して上記連通穴を開放することを特徴とする請求項４記載の電子部品の冷却器。
6. 上記本体の一端開口を塞口するように上記本体に取り付けられた蓋部材と、
   上記蓋部材に形成されて上記上部流路に冷媒を供給するための冷媒入口ニップルと、
   上記蓋部材に形成されて上記下部流路を流れた上記冷媒を排出するための冷媒出口リップルと、を備え、
   上記仕切り板、上記蓋部材、上記冷媒入口ニップルおよび上記冷媒出口ニップルが、樹脂成型により一体に構成されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電子部品の冷却器。
7. 上記電子部品が、電動化車両に搭載される車載充電器の電子部品であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電子部品の冷却器。

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