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公開番号2021005966
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210114
出願番号2019119333
出願日20190627
発明の名称電力変換装置及び冷却システム
出願人株式会社デンソー
代理人特許業務法人あいち国際特許事務所
主分類H02M 7/48 20070101AFI20201211BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供する。
【解決手段】電力変換装置1は、冷媒流路5を有する冷却器2と、冷却器2に積層され、冷却開口52を閉鎖する部品保持板3と、部品保持板3の外表面に保持された電子部品4と、を有している。冷媒流路5は、電子部品4を冷却器2と部品保持板3との積層方向において冷却器2の内表面に投影してなる部品投影面21と、部品保持板3における電子部品4の背面31との間の空間である部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有している。冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
冷媒が導入される冷媒導入口(51、513)と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口(53、533)と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口(52)と、を備えた冷媒流路(5、502〜504)を有する冷却器(2、202〜204)と、
前記冷却器に積層され、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板(3)と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品(4)と、を有し、
前記冷媒流路は、
前記電子部品を前記冷却器と前記部品保持板との積層方向(Z)において前記冷却器の内表面に投影してなる部品投影面(21)と、前記部品保持板における前記電子部品の背面(31)との間の空間である部品背面領域(54)と、
前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域(55)と、を有し、
冷媒の流れ方向(X)に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている、電力変換装置(1、102〜104)。
続きを表示(約 780 文字)【請求項2】
冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面における前記部品周辺領域の流路断面積は前記部品背面領域の流路断面積よりも小さい、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記冷媒流路は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において矩形状を呈する主流路部(56)と、前記主流路部から前記冷却器と前記部品保持板との積層方向に直角な方向に延出し、前記主流路部よりも流路断面積の小さい副流路部(57〜59)と、を有し、前記部品背面領域は前記主流路部に配置されている、請求項1または2に記載の電力変換装置。
【請求項4】
冷媒の流れ方向に直交する断面における前記冷媒導入口(513)及び前記冷媒導出口(533)の流路断面積は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面における前記部品周辺領域の流路断面積と前記部品背面領域の流路断面積との合計よりも大きい、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置(103)。
【請求項5】
請求項1〜4のいずれか1項に記載の電力変換装置と、前記電力変換装置の前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置(7)と、を備えた冷却システム(10)。
【請求項6】
前記部品背面領域における冷媒の平均流速を3.0m/s以上とし、かつ、前記部品周辺領域における冷媒の平均流速を1.5m/s以下とすることができるように構成されている、請求項5に記載の冷却システム(10)。
【請求項7】
前記部品背面領域における冷媒の流れを乱流とし、かつ、前記部品周辺領域における冷媒の流れを層流とすることができるように構成されている、請求項5または6に記載の冷却システム(10)。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置及び冷却システムに関する。
続きを表示(約 6,200 文字)【0002】
例えば、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両には、直流電力と交流電力との間で電力変換を行う電力変換装置が搭載されている。電力変換装置は、電力変換を行うための電子部品と、電子部品を冷却するための冷却器と、を有している。この種の電力変換装置は、電子部品の冷却効率を向上させるため、沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却するように構成されていることがある。
【0003】
例えば特許文献1には、直方体形状を呈する第1導電体及び第2導電体と、第1導電体と第2導電体との間に狭持された第1半導体素子及び第2半導体素子と、第1導電体及び第2導電体が載置された放熱用金属板と、放熱用金属板に接合された冷却ブロックを備えた冷却器と、を有する電力変換装置が記載されている。冷却ブロックは、矩形状を呈する凹所と、凹所の周囲を囲む環状の係合溝と、凹所と係合溝との間に形成された接合面と、を有している。冷却ブロックの凹所及び係合溝は、放熱用金属板により覆われている。
【0004】
この電力変換装置における冷媒流路は、放熱用金属板と凹所の内表面とによって囲まれた空間から構成されている。また、係合溝内には、冷媒流路の周囲をシールし、冷媒の漏洩を防止するためのシール材が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
特開2015−53775号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1の電力変換装置のように沸騰熱伝達を利用して電子部品を冷却しようとする場合、放熱用金属板に接触させた液状の冷媒を気化させる必要がある。この際、放熱用金属板と接触した冷媒が激しく気化すると、放熱用金属板の表面が気化した冷媒によって覆われる、ドライアウトと呼ばれる現象が起こり、電子部品の冷却効率の低下を招く。
【0007】
従来の電力変換装置においては、放熱用金属板との接触によって気化した冷媒が液状の冷媒に押し流されるため、ドライアウトの発生は顕在化していなかった。しかし、近年、電力変換装置の大出力化に伴って、電子部品からの発熱量がますます増大する傾向にある。発明者らの詳細な検討の結果、かかる状況においては、例えば冷却ブロックの接合面と放熱用金属板との間等の比較的流速の遅い部分に滞留した冷媒が気化し、冷媒流路の幅方向の端部にドライアウトが発生しやすくなることが明らかとなった。
【0008】
ドライアウトの発生を抑制するためには、例えば、冷媒流路の幅を広くすることにより、冷媒流路の幅方向の端部の温度の上昇を抑制する方法が考えられる。しかし、冷媒流路の幅が広くなると、冷却効率を維持するために必要な冷媒の流量の増大を招き、ひいては圧力損失の増大を招くおそれがある。
【0009】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
本発明の一態様は、 冷媒が導入される冷媒導入口(51、513)と、前記冷媒導入口に連なり冷媒が導出される冷媒導出口(53、533)と、前記冷媒導入口と前記冷媒導出口との間に配置された冷却開口(52)と、を備えた冷媒流路(5、502〜504)を有する冷却器(2、202〜204)と、
前記冷却器に積層され、前記冷却開口を閉鎖する部品保持板(3)と、
前記部品保持板の外表面に保持された電子部品(4)と、を有し、
前記冷媒流路は、
前記電子部品を前記冷却器と前記部品保持板との積層方向(Z)において前記冷却器の内表面に投影してなる部品投影面(21)と、前記部品保持板における前記電子部品の背面(31)との間の空間である部品背面領域(54)と、
前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域(55)と、を有し、
冷媒の流れ方向(X)に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている、電力変換装置(1、102〜104)にある。
【0011】
本発明の他の態様は、前記の態様の電力変換装置と、前記電力変換装置の前記冷媒流路内を流れる冷媒と、前記冷媒流路に接続され、前記冷媒を循環させる冷媒循環装置(7)と、を備えた冷却システム(10)にある。
【発明の効果】
【0012】
前記電力変換装置は、冷媒流路を備えた冷却器と、冷媒流路の冷却開口を閉鎖する部品保持板と、部品保持板の外表面に保持された電子部品と、を有しており、部品保持板に冷媒を接触させて電子部品を冷却することができるように構成されている。また、前記冷媒流路は、前記部品背面領域と、前記部品背面領域以外の領域である部品周辺領域と、を有しており、電力変換装置は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、前記電子部品を通る断面において、前記部品背面領域における冷媒の平均流速が前記部品周辺領域における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。
【0013】
このように、部品背面領域における冷媒の平均流速を部品周辺領域よりも大きくすることにより、電子部品からの熱が最も伝わりやすい、部品保持板における前記電子部品の背面を効率よく冷却することができる。また、部品周辺領域に冷媒を流すことにより、冷媒の気泡を押し流し、ドライアウトの発生を抑制することができる。更に、部品周辺領域における冷媒の平均流速を部品背面領域よりも小さくすることにより、冷媒の流量の増大を抑制し、ひいては圧力損失の増大を抑制することができる。
【0014】
以上のごとく、上記態様によれば、圧力損失の増大を抑制するとともにドライアウトの発生を抑制することができる電力変換装置及びこの電力変換装置を備えた冷却システムを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0015】
図1は、実施形態1における電力変換装置の斜視図である。
図2は、実施形態1における電力変換装置の上面図である。
図3は、図2のIII−III線矢視断面図である。
図4は、実施形態1における冷却器の斜視図である。
図5は、実施形態2における、副流路部内に凸条部が設けられた電力変換装置の要部を示す断面図である。
図6は、実施形態2における冷却器の斜視図である。
図7は、実施形態3における、冷媒流路の一部に副流路部を設けた冷却器の上面図である。
図8は、図7のVIII−VIII線矢視断面図である。
図9は、図7のIX−IX線矢視断面図である。
図10は、実施形態4における、冷媒導入口から冷媒導出口に向かうにつれて副流路部の幅が広くなっている冷却器の上面図である。
図11は、実施形態5における冷却システムの概略構成を示す説明図である。
図12は、実験例における試験体S1の流速分布を示す説明図である。
図13は、実験例における試験体S2の流速分布を示す説明図である。
図14は、実験例における熱抵抗の算出結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
(実施形態1)
前記電力変換装置に係る実施形態について、図1〜図4を参照して説明する。本形態の電力変換装置1は、図1及び図2に示すように、冷却器2と、部品保持板3と、電子部品4と、を有している。図3及び図4に示すように、冷却器2は、冷媒が導入される冷媒導入口51と、冷媒導入口51に連なり冷媒が導出される冷媒導出口53と、冷媒導入口51と冷媒導出口53との間に配置された冷却開口52と、を備えた冷媒流路5を有している。図3に示すように、部品保持板3は、冷却器2に積層されている。また、冷却器2の冷却開口52は、部品保持板3によって閉鎖されている。電子部品4は、部品保持板3の外表面に保持されている。
【0017】
冷媒流路5は、電子部品4を冷却器2と部品保持板3との積層方向において冷却器2の内表面に投影してなる部品投影面21と、部品保持板3における電子部品4の背面31との間の空間である部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有している。また、冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されている。
【0018】
以下、本形態の電力変換装置1の構成をより詳細に説明する。本形態の冷却器2は、図1に示すように直方体状を呈する流路形成部22と、図3及び図4に示すように流路形成部22の内部を貫通する冷媒流路5と、を有している。図4に示すように、流路形成部22の長手方向における一方の端面221には冷媒導入口51が開口しており、他方の端面222には冷媒導出口53が開口している。
【0019】
また、冷媒導入口51を有する端面221と冷媒導出口53を有する端面222との間には、冷却開口52を備えた頂面223と、頂面223の反対側に位置する底面224と、頂面223と底面224とを接続する2か所の側面225とが存在している。流路形成部22は、例えば、アルミニウム等の金属から構成されていてもよい。
【0020】
以下において、冷媒の流れ方向に平行な方向を「縦方向X」、流路形成部22における2枚の側面225の並び方向を「横方向Y」、冷却器2と部品保持板3との積層方向を「積層方向Z」ということがある。また、積層方向Zにおける頂面223側を「上方Z1」、底面224側を「下方Z2」ということがある。これらの方向に関する表示は便宜上のものであり、電力変換装置1を車両等に取り付ける際の向きとは何ら関係がない。
【0021】
本形態の冷却開口52は、図4に示すように、流路形成部22における縦方向Xの全体に亘って延在している。なお、冷却器2の形状及び流路形成部22内における冷媒流路5の配置は本形態の態様に限定されるものではない。
【0022】
また、本形態の流路形成部22の頂面223には、横方向Yにおける冷却開口52の外方に配置された溝226を有している。溝226の内部には、後述するシール材6が収容される。
【0023】
図1及び図2に示すように、流路形成部22の頂面223上には部品保持板3が配置されている。部品保持板3は、例えば、銅やアルミニウムなどの高い熱伝導率を有する金属から構成されていてもよいし、アルミナや窒化アルミニウム、窒化ケイ素などの高い熱伝導率を有する電気絶縁性のセラミックスから構成されていてもよい。
【0024】
図3に示すように、本形態の部品保持板3は、セラミックスからなり流路形成部22の頂面223上に配置された絶縁基板33と、導体からなり絶縁基板33の上方Z1に積層された回路パターン部34と、を有している。絶縁基板33は、流路形成部22の冷却開口52及び溝226を覆うように配置されている。図には示さないが、絶縁基板33と流路形成部22の頂面223との間には、微小な隙間が形成されている。
【0025】
部品保持板3は、冷却開口52を閉鎖し、冷媒流路5内を流れる冷媒の漏出を防止することができるようにして冷却器2に取り付けられている。部品保持板3の取り付けの態様は、冷却開口52を閉鎖し、冷媒の漏出を防止することができれば、どのような態様であってもよい。例えば、部品保持板3は、Si等の金属微粒子を焼結してなる金属焼結体や、ろうなどの接合材を介して流路形成部22に接合されていてもよい。
【0026】
また、例えばOリングや液状ガスケットなどのシール材6を部品保持板3と流路形成部22との間に介在させた状態で部品保持板3を流路形成部22に取り付けることもできる。この場合には、部品保持板3と流路形成部22との間に狭持されたシール材6によって両者の間を液密に封止し、冷媒の漏出を防止することができる。
【0027】
本形態においては、図3に示すように、部品保持板3の絶縁基板33と流路形成部22の溝226との間にシール材6としてのOリングが配置されている。そして、シール材6は溝226の内表面と部品保持板3との間に狭持されている。これにより、流路形成部22と部品保持板3との間が液密に封止されている。
【0028】
部品保持板3の回路パターン部34上には、電子部品4が保持されている。電子部品4としては、例えば、電界効果トランジスタや絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ等の半導体スイッチング素子や、フリーホイールダイオード等の半導体整流素子等を採用することができる。これらの素子には、例えば、シリコン半導体や炭化ケイ素半導体などの半導体が含まれていてもよい。本形態の電子部品4は、具体的には、炭化ケイ素半導体を備えたスイッチング素子である。また、本形態においては、回路パターン部34上に1個の電子部品4が保持されているが、1か所の回路パターン部34上に複数の電子部品4が保持されていてもよい。
【0029】
電子部品4は、はんだ等の導電性を有する接合材を介して回路パターン部34に接合されていてもよい。図には示さないが、本形態の電子部品4は、接合材としてのはんだを介して回路パターン部34に接合されている。
【0030】
電力変換装置1における冷媒流路5は、冷却器2の流路形成部22と、部品保持板3とによった囲まれた空間から構成されている。冷媒流路5は、電子部品4を冷却器2と部品保持板3との積層方向Z(つまり、上下方向)において冷却器2の内表面に投影してなる部品投影面21と、部品保持板3における電子部品4の背面31との間の空間である部品背面領域54と、部品背面領域54以外の領域である部品周辺領域55と、を有している。冷媒流路5は、冷媒の流れ方向に直交し、かつ、電子部品4を通る断面において、部品背面領域54における冷媒の平均流速が部品周辺領域55における冷媒の平均流速よりも大きくなるように構成されていれば、種々の態様をとり得る。
(【0031】以降は省略されています)

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