電気機器の冷却装置
【課題】優れた冷却効率を実現しつつ、小型化が図られる電気機器の冷却装置、を提供する。
【解決手段】電力制御ユニットの冷却装置２０は、電気絶縁性の冷媒が封入されるＰＣＵケース２４と、通路形成板３０と、発熱素子３６と、ＰＣＵケース２４に設けられるラジエータ部２６とを備える。通路形成板３０は、鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の整流用隔壁部３１を有する。通路形成板３０は、ＰＣＵケース２４の内部に冷媒を循環させるための循環通路４０を形成する。発熱素子３６は、複数の整流用隔壁部３１に搭載され、循環通路４０に配置される。ラジエータ部２６は、発熱素子３６よりも鉛直方向の上側に配置される。
【解決手段】電力制御ユニットの冷却装置２０は、電気絶縁性の冷媒が封入されるＰＣＵケース２４と、通路形成板３０と、発熱素子３６と、ＰＣＵケース２４に設けられるラジエータ部２６とを備える。通路形成板３０は、鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の整流用隔壁部３１を有する。通路形成板３０は、ＰＣＵケース２４の内部に冷媒を循環させるための循環通路４０を形成する。発熱素子３６は、複数の整流用隔壁部３１に搭載され、循環通路４０に配置される。ラジエータ部２６は、発熱素子３６よりも鉛直方向の上側に配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、電気機器の冷却装置に関し、より特定的には、電気絶縁性および熱伝導性に優れた冷媒を用いる電気機器の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気機器の冷却装置に関して、たとえば、国際公開第２０００／１６３９７号公報には、発熱量の大きい半導体パッケージを効率よく冷却しながら、冷却水の圧力損失を小さく抑えることを目的とした電子機器が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された電子機器においては、半導体モジュールを搭載した筐体に、ポンプを用いて、冷却された水が循環される。半導体モジュールを冷却する間、水は、蛇行状に形成された水路を流れる。
【０００３】
また、特開昭６１−１０４１号公報には、品質管理を容易にするとともに高い信頼性を実現し、かつコストを低減することを目的とした沸騰冷媒式冷却装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された沸騰冷媒式冷却装置においては、半導体スタックのような電気機器が、密閉容器内の沸騰冷媒中に浸される。
【０００４】
また、特開平１−７３９９６号公報には、組み立て時の作業性を向上させるとともに、より高い放熱効率を得ることを目的としたモジュールの放熱構造が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示されたモジュールの放熱構造においては、ケーシングの上側開口部がラジエータにより密封されるとともに、ケーシング内に不活性冷媒溶液が封入される。
【０００５】
また、特開２００５−１１６５７８号公報には、デバイスで発生する熱を効率よく放散し、デバイスの動作や寿命、信頼性を向上することを目的とした放熱構造体が開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示された放熱構造体においては、放熱器の内部に、ＬＬＣ（long life coolant）やフロリナート（商品名、スリーエム社製）などの冷媒が流される。放熱器には、冷媒と直接接触するように金属箔が設けられ、その金属箔の表面に、発熱を伴うデバイスが接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０００／１６３９７号公報
【特許文献２】特開昭６１−１０４１号公報
【特許文献３】特開平１−７３９９６号公報
【特許文献４】特開２００５−１１６５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献に開示されるように、冷却水などの冷媒を循環させながら半導体モジュールなどの発熱素子を冷却する装置が利用されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された電子機器においては、冷却水を循環させるためのポンプが設けられるため、冷却装置の小型化を十分に図ることができない。また、特許文献２に開示された沸騰冷媒式冷却装置においては、冷媒の気化熱を利用して電気機器を冷却するため、冷媒に積極的に気泡を発生させ、冷却効率を高める必要がある。しかしながら、気泡によって発熱素子間で放電が発生する懸念が生じるため、半導体素子等の発熱素子間の距離を十分に確保する必要がある。この場合、電気機器の小型化が困難となる。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、優れた冷却効率を実現しつつ、小型化が図られる電気機器の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】
【００１０】
この発明に従った電気機器の冷却装置は、電気絶縁性の冷媒が封入される密閉筐体と、通路形成部材と、発熱素子と、密閉筐体に設けられる放熱部とを備える。通路形成部材は、鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の隔壁部を有する。通路形成部材は、密閉筐体の内部に冷媒を循環させるための循環通路を形成する。発熱素子は、複数の隔壁部に搭載され、循環通路に配置される。放熱部は、発熱素子よりも鉛直方向の上側に配置される。
【００１１】
このように構成された電気機器の冷却装置によれば、鉛直方向に互いに距離を隔てた複数の隔壁部に発熱素子を搭載することにより、冷媒は、発熱素子からの受熱によって温度上昇しながら、密閉筐体内の下側から上側に向けて循環通路を流れる。温度上昇した冷媒は、発熱素子よりも鉛直方向の上側に配置された放熱部との間で熱交換を行なうことによって冷却され、密閉筐体内の下側に再び戻される。本発明では、このような冷媒の熱対流を利用することによって、発熱素子を効率的に冷却しつつ、冷却装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
また好ましくは、複数の隔壁部は、互いに隣り合って配置される第１隔壁部および第２隔壁部を含む。第１隔壁部および第２隔壁部は、第１隔壁部と第２隔壁部との間に形成される循環通路の面積が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなるように配置される。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、循環通路を流れる冷媒の圧力が、冷媒流れの上流側で高く、下流側で低くなる。これにより、冷媒の流速が高まり、発熱素子の冷却効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また好ましくは、複数の隔壁部は、循環通路が鉛直方向の下側から上側に蛇行しながら延びるように配置される。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、冷媒装置の小型化を図りつつ、冷媒が循環する循環通路上により多くの発熱素子を配置することができる。
【００１４】
また好ましくは、複数の隔壁部は、複数の隔壁部のうちで最も鉛直方向の上側に配置される第３隔壁部と、最も鉛直方向の下側に配置される第４隔壁部とを含む。通路形成部材は、第３隔壁部と第４隔壁部との間で延在し、放熱部により冷却された冷媒を冷媒流れの上流側に戻すための戻し通路用隔壁部をさらに有する。戻し通路用隔壁部は、第３隔壁部および第４隔壁部よりも小さい熱伝導性を有する。
【００１５】
このように構成された電気機器の冷却装置によれば、冷媒流れの上流側となる第４隔壁部と、冷媒流れの下流側となる第３隔壁部との間で、戻し通路用隔壁部を通じて熱が授受されることを抑制できる。これにより、放熱部によって冷却された冷媒をより円滑に、冷媒流れの下流側から上流側に戻すことができる。
【００１６】
また好ましくは、電気機器の冷却装置は、隔壁部と発熱素子との間に介挿され、発熱素子を隔壁部に固定するための素子固定部をさらに備える。素子固定部は、電気絶縁性を有する材料により形成される。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、発熱素子に対する電気的な絶縁を、素子固定部により確保する。これにより、隔壁部を形成する材料の自由度が高まるため、循環通路を形成する隔壁部と、循環通路を流れる冷媒との間の熱交換を促進させることができる。
【００１７】
また好ましくは、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。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、発熱素子から受熱した冷媒に気泡が発生するということがなくなる。これにより、気泡の発生に起因して発熱素子間で放電が発生するという懸念が解消する。結果、発熱素子間の距離をより小さく設定することが可能となり、冷却装置の小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に説明したように、この発明に従えば、優れた冷却効率を実現しつつ、小型化が図られる電気機器の冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ハイブリッド自動車を示す側面図である。
【図２】図１中のハイブリッド自動車に搭載される電力制御ユニットを説明するための電気回路図である。
【図３】図２中の電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。
【図４】図３中のＰＣＵケース内に形成される冷媒流れを示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２における電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、ハイブリッド自動車を示す側面図である。本実施の形態では、本発明を、ハイブリッド自動車１０に搭載された電力制御ユニット（ＰＣＵ：power control unit）を冷却するための装置に適用した場合について説明する。
【００２２】
図１を参照して、ハイブリッド自動車１０は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。
【００２３】
ハイブリッド自動車１０には、エンジンルーム１５が形成されている。エンジンルーム１５は、車両前方に配置されている。エンジンルーム１５は、ハイブリッド自動車１０の走行時に、格子状のフロントグリルなどを通じて走行風を取り込み可能なように設けられている。本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、エンジンルーム１５に配置されている。
【００２４】
図２は、図１中のハイブリッド自動車に搭載される電力制御ユニットを説明するための電気回路図である。
【００２５】
図２を参照して、電力制御ユニット６０は、高電圧蓄電装置５０および低電圧蓄電装置５６の直流電力を、高電圧交流電力で作動する回転電機としてのモータジェネレータ５２およびモータジェネレータ５４と、低電圧で作動するＬＶ（low-level voltage）機器５８とに対して、それぞれの作動に適した電圧、交流等の状態に変換する機能を有する。また、逆に、モータジェネレータ５２およびモータジェネレータ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、高電圧蓄電装置５０に充電する機能も有する。
【００２６】
電力制御ユニット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の２次電池（バッテリ）である。このような高電圧蓄電装置５０としては、たとえば、２００〜３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン電池やニッケル水素電池、キャパシタなどが用いられる。電力制御ユニット６０に接続される低電圧蓄電装置５６は、充放電可能な低電圧の２次電池である。このような低電圧蓄電装置５６としては、たとえば、公称電圧１２〜１４Ｖの鉛蓄電池などが用いられる。
【００２７】
電力制御ユニット６０に接続されるモータジェネレータ５２およびモータジェネレータ５４は、電力が供給された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。
【００２８】
図２中においてＭＧ１と示されたモータジェネレータ５２は、エンジンに接続されており、主にジェネレータとして機能する。モータジェネレータ５２は、エンジンの出力により交流電力を発電する。発電された交流電圧は、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、高電圧蓄電装置５０を充電する。
【００２９】
図２中にＭＧ２と示されたモータジェネレータ５４は、主に、エンジンの出力を補助し、駆動力を高めるためのモータとして機能する。高電圧蓄電装置５０の直流電力を後述するＭＧ２用のインバータ７０により変換して交流電力が得られ、モータジェネレータ５４は、その交流電力によって作動する。また、モータジェネレータ５４は、ハイブリッド自動車１０の制動時にはその回生エネルギを回収して、交流電力を発電するジェネレータとしての機能も有する。発電された交流電圧は、インバータ７０によって直流電力に変換され、高電圧蓄電装置５０を充電する。
【００３０】
電力制御ユニット６０に対して低電圧蓄電装置５６と並列に接続されるＬＶ機器５８は、低電圧蓄電装置５６の電圧により作動する機器であり、オーディオ機器、照明機器、小型モータ等の機器、ならびに、マイクロプロセッサ等の電子機器および電気回路などである。
【００３１】
電力制御ユニット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（high-level voltage）コンバータ６４、低電圧側のＬＶ（low-level voltage）コンバータ７２、モータジェネレータ５２に接続されるＭＧ１用のインバータ６８、モータジェネレータ５４に接続されるＭＧ２用のインバータ７０を含んで構成されている。
【００３２】
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、インバータ６８およびインバータ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。
【００３３】
ＨＶコンバータ６４は、高電圧蓄電装置５０と、インバータ６８およびインバータ７０との間に設けられ、高電圧蓄電装置５０の端子間電圧とインバータ６８，７０側の電圧との間の電圧変換を行なう機能を有するコンバータ回路である。このような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が用いられる。
【００３４】
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との間に設けられ、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なう機能を有するコンバータ回路である。このようなＬＶコンバータ７２としては、ＨＶコンバータ６４と同様に、リアクトルとスイッチング素子とを含むコンバータが用いられる。
【００３５】
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、モータジェネレータ５２，５４に供給する機能と、モータジェネレータ５２，５４からの交流三相駆動電力を高電圧直流電力に変換する機能とを有する回路である。このようなインバータ６８，７０としては、スイッチング素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）およびダイオードなどを含む回路により構成される。
【００３６】
以上に説明したように、電力制御ユニット６０は、コンバータ、インバータ、コンデンサなどを含み、これらは、スイッチング素子、ダイオード、リアクトル、容量素子などの各種素子により構成されている。
【００３７】
続いて、本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０の構造について説明する。
【００３８】
図３は、図２中の電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。図３を参照して、本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、ＰＣＵケース２４、発熱素子３６およびラジエータ部２６を有する。
【００３９】
ＰＣＵケース２４は、その内部に密閉された空間を形成するように設けられている。ＰＣＵケース２４は、たとえば、下部容器と上部容器とを組み合わせ、両者の間を封止することによって形成されている。ＰＣＵケース２４は、互いに対向する頂部２４ｔと底部２４ｂとを有する筐体形状を有する。ＰＣＵケース２４は、アルミニウム等の金属から形成されている。
【００４０】
ＰＣＵケース２４内には、電気絶縁性の冷媒が封入されている。本実施の形態では、ＰＣＵケース２４内に、フッ素系不活性液体などの、電気絶縁性および熱伝導性に優れた液体が封入されている。冷媒は、ＰＣＵケース２４内を満たすように設けられている。冷媒は、飽和蒸気圧以上に加圧されてＰＣＵケース２４内に封入されている。
【００４１】
ラジエータ部２６は、フィン形状を有し、本実施の形態では、ＰＣＵケース２４に一体に形成されている。ラジエータ部２６は、ＰＣＵケース２４の頂部２４ｔに形成されている。冷却装置２０は、図１中のエンジンルーム１５に取り込まれた走行風がラジエータ部２６に向かうように配置されている。
【００４２】
発熱素子３６は、電力制御ユニット６０を構成する上記の各種素子であり、電力制御ユニット６０の作動に伴って発熱する。本実施の形態では、複数の発熱素子３６がＰＣＵケース２４内に収容されている。発熱素子３６は、ＰＣＵケース２４内に封入された冷媒に浸されている。
【００４３】
本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、通路形成板３０をさらに有する。通路形成板３０は、複数枚の板材が組み合わさって構成されている。通路形成板３０は、ＰＣＵケース２４内に配置されている。通路形成板３０によって、ＰＣＵケース２４内には、冷媒を循環させるための循環通路４０が形成されている。
【００４４】
循環通路４０は、蛇行通路４１および戻し通路４６により構成されている。蛇行通路４１は、ＰＣＵケース２４内において鉛直方向の下側から上側に蛇行しながら延びるように形成されている。戻し通路４６は、蛇行通路４１の下側部分と上側部分とを繋ぐように、鉛直方向に沿って延びている。
【００４５】
本実施の形態では、循環通路４０が、周回経路が一通りしか存在しないように、つまり、循環通路４０を一周する場合に途中で分岐する箇所がないように形成されている。このような構成により、熱対流する冷媒を意図したように循環通路４０に流通させることができる。結果、循環通路４０に配置された複数の発熱素子３６を、ばらつきなく冷却することができる。
【００４６】
通路形成板３０は、整流用隔壁部３１ｐ、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒ（以下、特に区別しない場合は整流用隔壁部３１という）と、戻し通路用隔壁部３３とから構成されている。
【００４７】
整流用隔壁部３１は、平板形状を有する。整流用隔壁部３１は、熱伝導性に優れた材料により形成されている。整流用隔壁部３１は、たとえば、アルミニウムや銅などの金属から形成されている。整流用隔壁部３１は、導電性材料により形成されている。
【００４８】
戻し通路用隔壁部３３は、平板形状を有する。戻し通路用隔壁部３３は、整流用隔壁部３１ｐおよび整流用隔壁部３１ｒよりも小さい熱伝導性を有する材料から形成されていることが好ましい。戻し通路用隔壁部３３は、整流用隔壁部３１と同じ材料から形成されてもよい。
【００４９】
整流用隔壁部３１ｐ、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒは、鉛直方向において互いに間隔を設けて位置決めされている。整流用隔壁部３１ｐ、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒは、上下方向に層状に配置されている。複数の整流用隔壁部３１の中で、整流用隔壁部３１ｐは、最も鉛直方向の上側に配置され、整流用隔壁部３１ｒは、最も鉛直方向の下側に配置され、整流用隔壁部３１ｑは、鉛直方向において、整流用隔壁部３１ｐと整流用隔壁部３１ｒとの間に配置されている。整流用隔壁部３１ｐは、ＰＣＵケース２４の頂部２４ｔと向かい合って配置されている。整流用隔壁部３１ｒは、ＰＣＵケース２４の底部２４ｂと向かい合って配置されている。
【００５０】
整流用隔壁部３１は、鉛直方向の上側に面する上面３１ｍと、上面３１ｍの裏側に配置され、鉛直方向の下側に面する下面３１ｎとを有する。互いに隣り合う整流用隔壁部３１同士は、上面３１ｍと下面３１ｎとが向かい合わせとなるように配置されている。
【００５１】
戻し通路用隔壁部３３は、整流用隔壁部３１ｐと整流用隔壁部３１ｒとの間で延在している。戻し通路用隔壁部３３は、鉛直方向に延在している。整流用隔壁部３１ｐ、戻し通路用隔壁部３３および整流用隔壁部３１ｒは、戻し通路用隔壁部３３とＰＣＵケース２４とを繋ぐ隔壁部支持スペーサ３９と、整流用隔壁部３１ｐとＰＣＵケース２４とを繋ぐ隔壁部支持スペーサ３８とによって、ＰＣＵケース２４内に支持されている。一方、整流用隔壁部３１ｑは、ＰＣＵケース２４に直接繋がれて支持されている。
【００５２】
蛇行通路４１は、直線部４１Ａ、直線部４１Ｂ、直線部４１Ｃおよび直線部４１Ｄと、複数の曲がり部４１Ｅとから構成されている。
【００５３】
ＰＣＵケース２４の頂部２４ｔと整流用隔壁部３１ｐとの間に、直線部４１Ａが形成され、整流用隔壁部３１ｐと整流用隔壁部３１ｑとの間に、直線部４１Ｂが形成され、整流用隔壁部３１ｑと整流用隔壁部３１ｒとの間に、直線部４１Ｃが形成され、整流用隔壁部３１ｒとＰＣＵケース２４の底部２４ｂとの間に直線部４１Ｄが形成されている。すなわち、直線部４１Ａと直線部４１Ｂとの間は整流用隔壁部３１ｐによって区画され、直線部４１Ｂと直線部４１Ｃとの間は整流用隔壁部３１ｑによって区画され、直線部４１Ｃと直線部４１Ｄとの間は整流用隔壁部３１ｒによって区画されている。複数の曲がり部４１Ｅは、直線部４１Ａと直線部４１Ｂとの間、直線部４１Ｂと直線部４１Ｃとの間、および直線部４１Ｃと直線部４１Ｄとの間をそれぞれ繋ぐように、鉛直方向に延びて形成されている。
【００５４】
整流用隔壁部３１には、発熱素子３６が搭載されている。本実施の形態では、整流用隔壁部３１に、複数の発熱素子３６が搭載されている。より具体的には、整流用隔壁部３１ｐに複数の発熱素子３６が搭載され、整流用隔壁部３１ｑに複数の発熱素子３６が搭載され、整流用隔壁部３１ｒに複数の発熱素子３６が搭載されている。複数の発熱素子３６は、循環通路４０における冷媒の流れ方向に沿って互いに間隔を隔てて配置されている。
【００５５】
発熱素子３６は、整流用隔壁部３１が有する上面３１ｍおよび下面３１ｎのうちの上面３１ｍに搭載されている。ラジエータ部２６は、発熱素子３６よりも鉛直方向の上側に配置されている。ラジエータ部２６は、複数設けられた発熱素子３６の全てよりも、鉛直方向の上側に配置されている。
【００５６】
本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、素子固定部としての素子搭載台３５をさらに有する。素子搭載台３５は、発熱素子３６と整流用隔壁部３１との間に介挿されている。発熱素子３６は、素子搭載台３５によって整流用隔壁部３１に固定されている。すなわち、素子搭載台３５は、発熱素子３６を整流用隔壁部３１に固定するための接着剤として機能している。素子搭載台３５は、高熱伝導性および電気的絶縁性を有する材料、たとえば、高熱伝導率のフィラーを含有する樹脂シートから形成されている。
【００５７】
電力制御ユニット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ため、発熱素子３６を分けるには、コンバータ、インバータ、コンデンサごとに各整流用隔壁部３１に搭載してもよい。また、素子の種類ごとに各整流用隔壁部３１に搭載してもよい。
【００５８】
続いて、本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０によって奏される作用、効果について説明する。図４は、図３中のＰＣＵケース内に形成される冷媒流れを示す断面図である。
【００５９】
図３および図４を参照して、電力制御ユニット６０の作動に伴って発熱素子３６が発熱する。本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０においては、発熱素子３６から、ＰＣＵケース２４に封入された冷媒に熱が受け渡されることにより、発熱素子３６が冷却される。
【００６０】
この際、発熱素子３６は鉛直方向に層状に設けられた整流用隔壁部３１に搭載されるため、冷媒は、発熱素子３６からの受熱によって徐々に温度上昇しながら、蛇行通路４１の直線部４１Ａ、直線部４１Ｂおよび直線部４１Ｃを順に通り、直線部４１Ｄに達する。直線部４１Ｄに達した冷媒は、走行風を受けるラジエータ部２６と熱交換を行なうことによって冷却される。冷却された冷媒は、戻し通路４６を通って再び蛇行通路４１の直線部４１Ａに向かう。このようにＰＣＵケース２４内の冷媒には熱対流が発生し、図４中の矢印に示すような冷媒流れの循環サイクルが循環通路４０に形成される。冷媒は、蛇行通路４１を流通する間、複数の発熱素子３６を効率的に冷却する。
【００６１】
発熱素子３６が配置される蛇行通路４１は、整流用隔壁部３１によって形成されている。このため、発熱素子３６で発生した熱は、主に、素子搭載台３５を通じて整流用隔壁部３１に伝わり、整流用隔壁部３１と冷媒との熱交換によって放熱される。
【００６２】
一方、本実施の形態では、複数の発熱素子３６間の電気的な絶縁が素子搭載台３５によって確保されるため、整流用隔壁部３１を熱伝導性に優れた金属により形成することが可能となる。これにより、整流用隔壁部３１と冷媒との熱交換を促進させ、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００６３】
また、たとえば、整流用隔壁部３１ｑに注目すると、整流用隔壁部３１ｑの両側には蛇行通路４１の直線部４１Ｂおよび直線部４１Ｃが形成されている。この場合、冷媒が整流用隔壁部３１ｑと熱交換を行なうタイミングは、直線部４１Ｂを流れる間と、直線部４１Ｃを流れる間との２回となり、冷媒と整流用隔壁部３１ｑとの熱交換を促進させることができる。これにより、素子搭載台３５を整流用隔壁部３１から離れた位置に支持する場合と比較して、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００６４】
また、冷媒を戻し通路４６を通じて蛇行通路４１の直線部４１Ａから直線部４１Ｄに戻す際、直線部４１Ａにおける冷媒の温度が低いほど冷媒流れが円滑となる。これに対して、戻し通路用隔壁部３３が整流用隔壁部３１ｐおよび整流用隔壁部３１ｒよりも小さい熱伝導性を有する場合、整流用隔壁部３１ｒから整流用隔壁部３１ｐに熱が伝わることを抑制し、直線部４１Ａにおける冷媒の温度をより低く設定することができる。結果、循環通路４０における冷媒流れの速度を高めて、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、冷媒の循環に熱対流の効果を利用するため、冷却装置２０にポンプなどの冷媒を循環させるための機構を設ける必要がない。このため、冷却装置２０を小型化するとともに、製造コストを低減させることができる。
【００６６】
また、本実施の形態では、冷媒が飽和蒸気圧以上に加圧されてＰＣＵケース２４内に封入されている。このため、発熱素子３６から受熱した冷媒に気泡が発生することがなく、気泡の発生に起因した発熱素子３６間の放電の懸念がなくなる。これにより、冷媒の絶縁耐力の許容範囲内で発熱素子３６間を接近させることが可能となり、冷却装置２０を小型化することができる。
【００６７】
以上に説明した、この発明の実施の形態１における電気機器の冷却装置の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における電気機器としての電力制御ユニットの冷却装置２０は、電気絶縁性の冷媒が封入される密閉筐体としてのＰＣＵケース２４と、通路形成部材としての通路形成板３０と、発熱素子３６と、ＰＣＵケース２４に設けられる放熱部としてのラジエータ部２６とを備える。通路形成板３０は、鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の隔壁部としての整流用隔壁部３１を有する。通路形成板３０は、ＰＣＵケース２４の内部に冷媒を循環させるための循環通路４０を形成する。発熱素子３６は、複数の整流用隔壁部３１に搭載され、循環通路４０に配置される。ラジエータ部２６は、発熱素子３６よりも鉛直方向の上側に配置される。
【００６８】
このように構成された、この発明の実施の形態１における電力制御ユニットの冷却装置２０によれば、冷媒を循環させるための特別な機器を要せずに、冷却対象である発熱素子３６を効率的に冷却することができる。
【００６９】
なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載される電力制御ユニットに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。
【００７０】
また、本発明が適用される電気機器は、電力制御ユニットに限られず、発熱素子の冷却が必要となる各種電気機器に本発明が適用される。
【００７１】
（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２における電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置は、実施の形態１における電力制御ユニットの冷却装置２０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
【００７２】
図５を参照して、本実施の形態では、互いに隣り合う整流用隔壁部３１が、整流用隔壁部３１間に形成される直線部４１の面積（冷媒の流れ方向に直交する平面により直線部４１を切断した時の通路面積）が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなるように配置されている。
【００７３】
より具体的には、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒは、冷媒流れの上流側から下流側に向かうに従って互いの間の距離が大きくなるように配置されている。整流用隔壁部３１ｐおよび整流用隔壁部３１ｑは、冷媒流れの上流側から下流側に向かうに従って互いの間の距離が大きくなるように配置されている。たとえば、互いに隣り合う整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒに注目すると、整流用隔壁部３１ｑと整流用隔壁部３１ｒとの間に形成される直線部４１Ｃの面積が、冷媒流れの上流側（Ｓ１）よりも下流側（Ｓ２）で大きくなる。
【００７４】
このような構成によれば、循環通路４０の各直線部を流れる冷媒の圧力が、冷媒流れの上流側で高く、下流側で低くなる。これにより、冷媒は循環通路４０の上流側から下流側に向けて流れ易くなり、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００７５】
このように構成された、この発明の実施の形態２における電力制御ユニットの冷却装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明は、主に、発熱素子を有する各種の電気機器の冷却構造に適用される。
【符号の説明】
【００７８】
１０ ハイブリッド自動車、１５ エンジンルーム、２０ 冷却装置、２４ ＰＣＵケース、２４ｂ 底部、２４ｔ 頂部、２６ ラジエータ部、３０ 通路形成板、３１ｍ 上面、３１ｎ 下面、３１，３１ｐ，３１ｑ，３１ｒ 整流用隔壁部、３３ 戻し通路用隔壁部、３５ 素子搭載台、３６ 発熱素子、３８，３９ 隔壁部支持スペーサ、４０ 循環通路、４１ 蛇行通路、４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 直線部、４１Ｅ 曲がり部、４６ 戻し通路、５０ 高電圧蓄電装置、５２，５４ モータジェネレータ、５６ 低電圧蓄電装置、５８ ＬＶ機器、６０ 電力制御ユニット、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。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、一般的には、電気機器の冷却装置に関し、より特定的には、電気絶縁性および熱伝導性に優れた冷媒を用いる電気機器の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電気機器の冷却装置に関して、たとえば、国際公開第２０００／１６３９７号公報には、発熱量の大きい半導体パッケージを効率よく冷却しながら、冷却水の圧力損失を小さく抑えることを目的とした電子機器が開示されている（特許文献１）。特許文献１に開示された電子機器においては、半導体モジュールを搭載した筐体に、ポンプを用いて、冷却された水が循環される。半導体モジュールを冷却する間、水は、蛇行状に形成された水路を流れる。
【０００３】
また、特開昭６１−１０４１号公報には、品質管理を容易にするとともに高い信頼性を実現し、かつコストを低減することを目的とした沸騰冷媒式冷却装置が開示されている（特許文献２）。特許文献２に開示された沸騰冷媒式冷却装置においては、半導体スタックのような電気機器が、密閉容器内の沸騰冷媒中に浸される。
【０００４】
また、特開平１−７３９９６号公報には、組み立て時の作業性を向上させるとともに、より高い放熱効率を得ることを目的としたモジュールの放熱構造が開示されている（特許文献３）。特許文献３に開示されたモジュールの放熱構造においては、ケーシングの上側開口部がラジエータにより密封されるとともに、ケーシング内に不活性冷媒溶液が封入される。
【０００５】
また、特開２００５−１１６５７８号公報には、デバイスで発生する熱を効率よく放散し、デバイスの動作や寿命、信頼性を向上することを目的とした放熱構造体が開示されている（特許文献４）。特許文献４に開示された放熱構造体においては、放熱器の内部に、ＬＬＣ（long life coolant）やフロリナート（商品名、スリーエム社製）などの冷媒が流される。放熱器には、冷媒と直接接触するように金属箔が設けられ、その金属箔の表面に、発熱を伴うデバイスが接合されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０００／１６３９７号公報
【特許文献２】特開昭６１−１０４１号公報
【特許文献３】特開平１−７３９９６号公報
【特許文献４】特開２００５−１１６５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献に開示されるように、冷却水などの冷媒を循環させながら半導体モジュールなどの発熱素子を冷却する装置が利用されている。
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された電子機器においては、冷却水を循環させるためのポンプが設けられるため、冷却装置の小型化を十分に図ることができない。また、特許文献２に開示された沸騰冷媒式冷却装置においては、冷媒の気化熱を利用して電気機器を冷却するため、冷媒に積極的に気泡を発生させ、冷却効率を高める必要がある。しかしながら、気泡によって発熱素子間で放電が発生する懸念が生じるため、半導体素子等の発熱素子間の距離を十分に確保する必要がある。この場合、電気機器の小型化が困難となる。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、上記の課題を解決することであり、優れた冷却効率を実現しつつ、小型化が図られる電気機器の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】
【００１０】
この発明に従った電気機器の冷却装置は、電気絶縁性の冷媒が封入される密閉筐体と、通路形成部材と、発熱素子と、密閉筐体に設けられる放熱部とを備える。通路形成部材は、鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の隔壁部を有する。通路形成部材は、密閉筐体の内部に冷媒を循環させるための循環通路を形成する。発熱素子は、複数の隔壁部に搭載され、循環通路に配置される。放熱部は、発熱素子よりも鉛直方向の上側に配置される。
【００１１】
このように構成された電気機器の冷却装置によれば、鉛直方向に互いに距離を隔てた複数の隔壁部に発熱素子を搭載することにより、冷媒は、発熱素子からの受熱によって温度上昇しながら、密閉筐体内の下側から上側に向けて循環通路を流れる。温度上昇した冷媒は、発熱素子よりも鉛直方向の上側に配置された放熱部との間で熱交換を行なうことによって冷却され、密閉筐体内の下側に再び戻される。本発明では、このような冷媒の熱対流を利用することによって、発熱素子を効率的に冷却しつつ、冷却装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
また好ましくは、複数の隔壁部は、互いに隣り合って配置される第１隔壁部および第２隔壁部を含む。第１隔壁部および第２隔壁部は、第１隔壁部と第２隔壁部との間に形成される循環通路の面積が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなるように配置される。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、循環通路を流れる冷媒の圧力が、冷媒流れの上流側で高く、下流側で低くなる。これにより、冷媒の流速が高まり、発熱素子の冷却効率をさらに向上させることができる。
【００１３】
また好ましくは、複数の隔壁部は、循環通路が鉛直方向の下側から上側に蛇行しながら延びるように配置される。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、冷媒装置の小型化を図りつつ、冷媒が循環する循環通路上により多くの発熱素子を配置することができる。
【００１４】
また好ましくは、複数の隔壁部は、複数の隔壁部のうちで最も鉛直方向の上側に配置される第３隔壁部と、最も鉛直方向の下側に配置される第４隔壁部とを含む。通路形成部材は、第３隔壁部と第４隔壁部との間で延在し、放熱部により冷却された冷媒を冷媒流れの上流側に戻すための戻し通路用隔壁部をさらに有する。戻し通路用隔壁部は、第３隔壁部および第４隔壁部よりも小さい熱伝導性を有する。
【００１５】
このように構成された電気機器の冷却装置によれば、冷媒流れの上流側となる第４隔壁部と、冷媒流れの下流側となる第３隔壁部との間で、戻し通路用隔壁部を通じて熱が授受されることを抑制できる。これにより、放熱部によって冷却された冷媒をより円滑に、冷媒流れの下流側から上流側に戻すことができる。
【００１６】
また好ましくは、電気機器の冷却装置は、隔壁部と発熱素子との間に介挿され、発熱素子を隔壁部に固定するための素子固定部をさらに備える。素子固定部は、電気絶縁性を有する材料により形成される。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、発熱素子に対する電気的な絶縁を、素子固定部により確保する。これにより、隔壁部を形成する材料の自由度が高まるため、循環通路を形成する隔壁部と、循環通路を流れる冷媒との間の熱交換を促進させることができる。
【００１７】
また好ましくは、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。このように構成された電気機器の冷却装置によれば、発熱素子から受熱した冷媒に気泡が発生するということがなくなる。これにより、気泡の発生に起因して発熱素子間で放電が発生するという懸念が解消する。結果、発熱素子間の距離をより小さく設定することが可能となり、冷却装置の小型化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
以上に説明したように、この発明に従えば、優れた冷却効率を実現しつつ、小型化が図られる電気機器の冷却装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ハイブリッド自動車を示す側面図である。
【図２】図１中のハイブリッド自動車に搭載される電力制御ユニットを説明するための電気回路図である。
【図３】図２中の電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。
【図４】図３中のＰＣＵケース内に形成される冷媒流れを示す断面図である。
【図５】この発明の実施の形態２における電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
この発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、ハイブリッド自動車を示す側面図である。本実施の形態では、本発明を、ハイブリッド自動車１０に搭載された電力制御ユニット（ＰＣＵ：power control unit）を冷却するための装置に適用した場合について説明する。
【００２２】
図１を参照して、ハイブリッド自動車１０は、ガソリンエンジンやディーゼルエンジン等の内燃機関と、充放電可能な２次電池（バッテリ）から電力供給されるモータとを動力源とする。
【００２３】
ハイブリッド自動車１０には、エンジンルーム１５が形成されている。エンジンルーム１５は、車両前方に配置されている。エンジンルーム１５は、ハイブリッド自動車１０の走行時に、格子状のフロントグリルなどを通じて走行風を取り込み可能なように設けられている。本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、エンジンルーム１５に配置されている。
【００２４】
図２は、図１中のハイブリッド自動車に搭載される電力制御ユニットを説明するための電気回路図である。
【００２５】
図２を参照して、電力制御ユニット６０は、高電圧蓄電装置５０および低電圧蓄電装置５６の直流電力を、高電圧交流電力で作動する回転電機としてのモータジェネレータ５２およびモータジェネレータ５４と、低電圧で作動するＬＶ（low-level voltage）機器５８とに対して、それぞれの作動に適した電圧、交流等の状態に変換する機能を有する。また、逆に、モータジェネレータ５２およびモータジェネレータ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、高電圧蓄電装置５０に充電する機能も有する。
【００２６】
電力制御ユニット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の２次電池（バッテリ）である。このような高電圧蓄電装置５０としては、たとえば、２００〜３００Ｖの端子電圧を有するリチウムイオン電池やニッケル水素電池、キャパシタなどが用いられる。電力制御ユニット６０に接続される低電圧蓄電装置５６は、充放電可能な低電圧の２次電池である。このような低電圧蓄電装置５６としては、たとえば、公称電圧１２〜１４Ｖの鉛蓄電池などが用いられる。
【００２７】
電力制御ユニット６０に接続されるモータジェネレータ５２およびモータジェネレータ５４は、電力が供給された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。
【００２８】
図２中においてＭＧ１と示されたモータジェネレータ５２は、エンジンに接続されており、主にジェネレータとして機能する。モータジェネレータ５２は、エンジンの出力により交流電力を発電する。発電された交流電圧は、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、高電圧蓄電装置５０を充電する。
【００２９】
図２中にＭＧ２と示されたモータジェネレータ５４は、主に、エンジンの出力を補助し、駆動力を高めるためのモータとして機能する。高電圧蓄電装置５０の直流電力を後述するＭＧ２用のインバータ７０により変換して交流電力が得られ、モータジェネレータ５４は、その交流電力によって作動する。また、モータジェネレータ５４は、ハイブリッド自動車１０の制動時にはその回生エネルギを回収して、交流電力を発電するジェネレータとしての機能も有する。発電された交流電圧は、インバータ７０によって直流電力に変換され、高電圧蓄電装置５０を充電する。
【００３０】
電力制御ユニット６０に対して低電圧蓄電装置５６と並列に接続されるＬＶ機器５８は、低電圧蓄電装置５６の電圧により作動する機器であり、オーディオ機器、照明機器、小型モータ等の機器、ならびに、マイクロプロセッサ等の電子機器および電気回路などである。
【００３１】
電力制御ユニット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（high-level voltage）コンバータ６４、低電圧側のＬＶ（low-level voltage）コンバータ７２、モータジェネレータ５２に接続されるＭＧ１用のインバータ６８、モータジェネレータ５４に接続されるＭＧ２用のインバータ７０を含んで構成されている。
【００３２】
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、インバータ６８およびインバータ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。
【００３３】
ＨＶコンバータ６４は、高電圧蓄電装置５０と、インバータ６８およびインバータ７０との間に設けられ、高電圧蓄電装置５０の端子間電圧とインバータ６８，７０側の電圧との間の電圧変換を行なう機能を有するコンバータ回路である。このような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が用いられる。
【００３４】
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との間に設けられ、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なう機能を有するコンバータ回路である。このようなＬＶコンバータ７２としては、ＨＶコンバータ６４と同様に、リアクトルとスイッチング素子とを含むコンバータが用いられる。
【００３５】
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、モータジェネレータ５２，５４に供給する機能と、モータジェネレータ５２，５４からの交流三相駆動電力を高電圧直流電力に変換する機能とを有する回路である。このようなインバータ６８，７０としては、スイッチング素子（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）およびダイオードなどを含む回路により構成される。
【００３６】
以上に説明したように、電力制御ユニット６０は、コンバータ、インバータ、コンデンサなどを含み、これらは、スイッチング素子、ダイオード、リアクトル、容量素子などの各種素子により構成されている。
【００３７】
続いて、本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０の構造について説明する。
【００３８】
図３は、図２中の電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。図３を参照して、本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、ＰＣＵケース２４、発熱素子３６およびラジエータ部２６を有する。
【００３９】
ＰＣＵケース２４は、その内部に密閉された空間を形成するように設けられている。ＰＣＵケース２４は、たとえば、下部容器と上部容器とを組み合わせ、両者の間を封止することによって形成されている。ＰＣＵケース２４は、互いに対向する頂部２４ｔと底部２４ｂとを有する筐体形状を有する。ＰＣＵケース２４は、アルミニウム等の金属から形成されている。
【００４０】
ＰＣＵケース２４内には、電気絶縁性の冷媒が封入されている。本実施の形態では、ＰＣＵケース２４内に、フッ素系不活性液体などの、電気絶縁性および熱伝導性に優れた液体が封入されている。冷媒は、ＰＣＵケース２４内を満たすように設けられている。冷媒は、飽和蒸気圧以上に加圧されてＰＣＵケース２４内に封入されている。
【００４１】
ラジエータ部２６は、フィン形状を有し、本実施の形態では、ＰＣＵケース２４に一体に形成されている。ラジエータ部２６は、ＰＣＵケース２４の頂部２４ｔに形成されている。冷却装置２０は、図１中のエンジンルーム１５に取り込まれた走行風がラジエータ部２６に向かうように配置されている。
【００４２】
発熱素子３６は、電力制御ユニット６０を構成する上記の各種素子であり、電力制御ユニット６０の作動に伴って発熱する。本実施の形態では、複数の発熱素子３６がＰＣＵケース２４内に収容されている。発熱素子３６は、ＰＣＵケース２４内に封入された冷媒に浸されている。
【００４３】
本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、通路形成板３０をさらに有する。通路形成板３０は、複数枚の板材が組み合わさって構成されている。通路形成板３０は、ＰＣＵケース２４内に配置されている。通路形成板３０によって、ＰＣＵケース２４内には、冷媒を循環させるための循環通路４０が形成されている。
【００４４】
循環通路４０は、蛇行通路４１および戻し通路４６により構成されている。蛇行通路４１は、ＰＣＵケース２４内において鉛直方向の下側から上側に蛇行しながら延びるように形成されている。戻し通路４６は、蛇行通路４１の下側部分と上側部分とを繋ぐように、鉛直方向に沿って延びている。
【００４５】
本実施の形態では、循環通路４０が、周回経路が一通りしか存在しないように、つまり、循環通路４０を一周する場合に途中で分岐する箇所がないように形成されている。このような構成により、熱対流する冷媒を意図したように循環通路４０に流通させることができる。結果、循環通路４０に配置された複数の発熱素子３６を、ばらつきなく冷却することができる。
【００４６】
通路形成板３０は、整流用隔壁部３１ｐ、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒ（以下、特に区別しない場合は整流用隔壁部３１という）と、戻し通路用隔壁部３３とから構成されている。
【００４７】
整流用隔壁部３１は、平板形状を有する。整流用隔壁部３１は、熱伝導性に優れた材料により形成されている。整流用隔壁部３１は、たとえば、アルミニウムや銅などの金属から形成されている。整流用隔壁部３１は、導電性材料により形成されている。
【００４８】
戻し通路用隔壁部３３は、平板形状を有する。戻し通路用隔壁部３３は、整流用隔壁部３１ｐおよび整流用隔壁部３１ｒよりも小さい熱伝導性を有する材料から形成されていることが好ましい。戻し通路用隔壁部３３は、整流用隔壁部３１と同じ材料から形成されてもよい。
【００４９】
整流用隔壁部３１ｐ、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒは、鉛直方向において互いに間隔を設けて位置決めされている。整流用隔壁部３１ｐ、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒは、上下方向に層状に配置されている。複数の整流用隔壁部３１の中で、整流用隔壁部３１ｐは、最も鉛直方向の上側に配置され、整流用隔壁部３１ｒは、最も鉛直方向の下側に配置され、整流用隔壁部３１ｑは、鉛直方向において、整流用隔壁部３１ｐと整流用隔壁部３１ｒとの間に配置されている。整流用隔壁部３１ｐは、ＰＣＵケース２４の頂部２４ｔと向かい合って配置されている。整流用隔壁部３１ｒは、ＰＣＵケース２４の底部２４ｂと向かい合って配置されている。
【００５０】
整流用隔壁部３１は、鉛直方向の上側に面する上面３１ｍと、上面３１ｍの裏側に配置され、鉛直方向の下側に面する下面３１ｎとを有する。互いに隣り合う整流用隔壁部３１同士は、上面３１ｍと下面３１ｎとが向かい合わせとなるように配置されている。
【００５１】
戻し通路用隔壁部３３は、整流用隔壁部３１ｐと整流用隔壁部３１ｒとの間で延在している。戻し通路用隔壁部３３は、鉛直方向に延在している。整流用隔壁部３１ｐ、戻し通路用隔壁部３３および整流用隔壁部３１ｒは、戻し通路用隔壁部３３とＰＣＵケース２４とを繋ぐ隔壁部支持スペーサ３９と、整流用隔壁部３１ｐとＰＣＵケース２４とを繋ぐ隔壁部支持スペーサ３８とによって、ＰＣＵケース２４内に支持されている。一方、整流用隔壁部３１ｑは、ＰＣＵケース２４に直接繋がれて支持されている。
【００５２】
蛇行通路４１は、直線部４１Ａ、直線部４１Ｂ、直線部４１Ｃおよび直線部４１Ｄと、複数の曲がり部４１Ｅとから構成されている。
【００５３】
ＰＣＵケース２４の頂部２４ｔと整流用隔壁部３１ｐとの間に、直線部４１Ａが形成され、整流用隔壁部３１ｐと整流用隔壁部３１ｑとの間に、直線部４１Ｂが形成され、整流用隔壁部３１ｑと整流用隔壁部３１ｒとの間に、直線部４１Ｃが形成され、整流用隔壁部３１ｒとＰＣＵケース２４の底部２４ｂとの間に直線部４１Ｄが形成されている。すなわち、直線部４１Ａと直線部４１Ｂとの間は整流用隔壁部３１ｐによって区画され、直線部４１Ｂと直線部４１Ｃとの間は整流用隔壁部３１ｑによって区画され、直線部４１Ｃと直線部４１Ｄとの間は整流用隔壁部３１ｒによって区画されている。複数の曲がり部４１Ｅは、直線部４１Ａと直線部４１Ｂとの間、直線部４１Ｂと直線部４１Ｃとの間、および直線部４１Ｃと直線部４１Ｄとの間をそれぞれ繋ぐように、鉛直方向に延びて形成されている。
【００５４】
整流用隔壁部３１には、発熱素子３６が搭載されている。本実施の形態では、整流用隔壁部３１に、複数の発熱素子３６が搭載されている。より具体的には、整流用隔壁部３１ｐに複数の発熱素子３６が搭載され、整流用隔壁部３１ｑに複数の発熱素子３６が搭載され、整流用隔壁部３１ｒに複数の発熱素子３６が搭載されている。複数の発熱素子３６は、循環通路４０における冷媒の流れ方向に沿って互いに間隔を隔てて配置されている。
【００５５】
発熱素子３６は、整流用隔壁部３１が有する上面３１ｍおよび下面３１ｎのうちの上面３１ｍに搭載されている。ラジエータ部２６は、発熱素子３６よりも鉛直方向の上側に配置されている。ラジエータ部２６は、複数設けられた発熱素子３６の全てよりも、鉛直方向の上側に配置されている。
【００５６】
本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０は、素子固定部としての素子搭載台３５をさらに有する。素子搭載台３５は、発熱素子３６と整流用隔壁部３１との間に介挿されている。発熱素子３６は、素子搭載台３５によって整流用隔壁部３１に固定されている。すなわち、素子搭載台３５は、発熱素子３６を整流用隔壁部３１に固定するための接着剤として機能している。素子搭載台３５は、高熱伝導性および電気的絶縁性を有する材料、たとえば、高熱伝導率のフィラーを含有する樹脂シートから形成されている。
【００５７】
電力制御ユニット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ため、発熱素子３６を分けるには、コンバータ、インバータ、コンデンサごとに各整流用隔壁部３１に搭載してもよい。また、素子の種類ごとに各整流用隔壁部３１に搭載してもよい。
【００５８】
続いて、本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０によって奏される作用、効果について説明する。図４は、図３中のＰＣＵケース内に形成される冷媒流れを示す断面図である。
【００５９】
図３および図４を参照して、電力制御ユニット６０の作動に伴って発熱素子３６が発熱する。本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置２０においては、発熱素子３６から、ＰＣＵケース２４に封入された冷媒に熱が受け渡されることにより、発熱素子３６が冷却される。
【００６０】
この際、発熱素子３６は鉛直方向に層状に設けられた整流用隔壁部３１に搭載されるため、冷媒は、発熱素子３６からの受熱によって徐々に温度上昇しながら、蛇行通路４１の直線部４１Ａ、直線部４１Ｂおよび直線部４１Ｃを順に通り、直線部４１Ｄに達する。直線部４１Ｄに達した冷媒は、走行風を受けるラジエータ部２６と熱交換を行なうことによって冷却される。冷却された冷媒は、戻し通路４６を通って再び蛇行通路４１の直線部４１Ａに向かう。このようにＰＣＵケース２４内の冷媒には熱対流が発生し、図４中の矢印に示すような冷媒流れの循環サイクルが循環通路４０に形成される。冷媒は、蛇行通路４１を流通する間、複数の発熱素子３６を効率的に冷却する。
【００６１】
発熱素子３６が配置される蛇行通路４１は、整流用隔壁部３１によって形成されている。このため、発熱素子３６で発生した熱は、主に、素子搭載台３５を通じて整流用隔壁部３１に伝わり、整流用隔壁部３１と冷媒との熱交換によって放熱される。
【００６２】
一方、本実施の形態では、複数の発熱素子３６間の電気的な絶縁が素子搭載台３５によって確保されるため、整流用隔壁部３１を熱伝導性に優れた金属により形成することが可能となる。これにより、整流用隔壁部３１と冷媒との熱交換を促進させ、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００６３】
また、たとえば、整流用隔壁部３１ｑに注目すると、整流用隔壁部３１ｑの両側には蛇行通路４１の直線部４１Ｂおよび直線部４１Ｃが形成されている。この場合、冷媒が整流用隔壁部３１ｑと熱交換を行なうタイミングは、直線部４１Ｂを流れる間と、直線部４１Ｃを流れる間との２回となり、冷媒と整流用隔壁部３１ｑとの熱交換を促進させることができる。これにより、素子搭載台３５を整流用隔壁部３１から離れた位置に支持する場合と比較して、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００６４】
また、冷媒を戻し通路４６を通じて蛇行通路４１の直線部４１Ａから直線部４１Ｄに戻す際、直線部４１Ａにおける冷媒の温度が低いほど冷媒流れが円滑となる。これに対して、戻し通路用隔壁部３３が整流用隔壁部３１ｐおよび整流用隔壁部３１ｒよりも小さい熱伝導性を有する場合、整流用隔壁部３１ｒから整流用隔壁部３１ｐに熱が伝わることを抑制し、直線部４１Ａにおける冷媒の温度をより低く設定することができる。結果、循環通路４０における冷媒流れの速度を高めて、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００６５】
また、本実施の形態では、冷媒の循環に熱対流の効果を利用するため、冷却装置２０にポンプなどの冷媒を循環させるための機構を設ける必要がない。このため、冷却装置２０を小型化するとともに、製造コストを低減させることができる。
【００６６】
また、本実施の形態では、冷媒が飽和蒸気圧以上に加圧されてＰＣＵケース２４内に封入されている。このため、発熱素子３６から受熱した冷媒に気泡が発生することがなく、気泡の発生に起因した発熱素子３６間の放電の懸念がなくなる。これにより、冷媒の絶縁耐力の許容範囲内で発熱素子３６間を接近させることが可能となり、冷却装置２０を小型化することができる。
【００６７】
以上に説明した、この発明の実施の形態１における電気機器の冷却装置の構造についてまとめて説明すると、本実施の形態における電気機器としての電力制御ユニットの冷却装置２０は、電気絶縁性の冷媒が封入される密閉筐体としてのＰＣＵケース２４と、通路形成部材としての通路形成板３０と、発熱素子３６と、ＰＣＵケース２４に設けられる放熱部としてのラジエータ部２６とを備える。通路形成板３０は、鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の隔壁部としての整流用隔壁部３１を有する。通路形成板３０は、ＰＣＵケース２４の内部に冷媒を循環させるための循環通路４０を形成する。発熱素子３６は、複数の整流用隔壁部３１に搭載され、循環通路４０に配置される。ラジエータ部２６は、発熱素子３６よりも鉛直方向の上側に配置される。
【００６８】
このように構成された、この発明の実施の形態１における電力制御ユニットの冷却装置２０によれば、冷媒を循環させるための特別な機器を要せずに、冷却対象である発熱素子３６を効率的に冷却することができる。
【００６９】
なお、本発明を、燃料電池と２次電池とを動力源とする燃料電池ハイブリッド車（ＦＣＨＶ：Fuel Cell Hybrid Vehicle）または電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）に搭載される電力制御ユニットに適用することもできる。本実施の形態におけるハイブリッド自動車では、燃費最適動作点で内燃機関を駆動するのに対して、燃料電池ハイブリッド車では、発電効率最適動作点で燃料電池を駆動する。また、２次電池の使用に関しては、両方のハイブリッド自動車で基本的に変わらない。
【００７０】
また、本発明が適用される電気機器は、電力制御ユニットに限られず、発熱素子の冷却が必要となる各種電気機器に本発明が適用される。
【００７１】
（実施の形態２）
図５は、この発明の実施の形態２における電力制御ユニットの冷却装置を示す断面図である。本実施の形態における電力制御ユニットの冷却装置は、実施の形態１における電力制御ユニットの冷却装置２０と比較して、基本的には同様の構造を備える。以下、重複する構造についてはその説明を繰り返さない。
【００７２】
図５を参照して、本実施の形態では、互いに隣り合う整流用隔壁部３１が、整流用隔壁部３１間に形成される直線部４１の面積（冷媒の流れ方向に直交する平面により直線部４１を切断した時の通路面積）が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなるように配置されている。
【００７３】
より具体的には、整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒは、冷媒流れの上流側から下流側に向かうに従って互いの間の距離が大きくなるように配置されている。整流用隔壁部３１ｐおよび整流用隔壁部３１ｑは、冷媒流れの上流側から下流側に向かうに従って互いの間の距離が大きくなるように配置されている。たとえば、互いに隣り合う整流用隔壁部３１ｑおよび整流用隔壁部３１ｒに注目すると、整流用隔壁部３１ｑと整流用隔壁部３１ｒとの間に形成される直線部４１Ｃの面積が、冷媒流れの上流側（Ｓ１）よりも下流側（Ｓ２）で大きくなる。
【００７４】
このような構成によれば、循環通路４０の各直線部を流れる冷媒の圧力が、冷媒流れの上流側で高く、下流側で低くなる。これにより、冷媒は循環通路４０の上流側から下流側に向けて流れ易くなり、発熱素子３６の冷却効率を向上させることができる。
【００７５】
このように構成された、この発明の実施の形態２における電力制御ユニットの冷却装置によれば、実施の形態１に記載の効果を同様に得ることができる。
【００７６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
この発明は、主に、発熱素子を有する各種の電気機器の冷却構造に適用される。
【符号の説明】
【００７８】
１０ ハイブリッド自動車、１５ エンジンルーム、２０ 冷却装置、２４ ＰＣＵケース、２４ｂ 底部、２４ｔ 頂部、２６ ラジエータ部、３０ 通路形成板、３１ｍ 上面、３１ｎ 下面、３１，３１ｐ，３１ｑ，３１ｒ 整流用隔壁部、３３ 戻し通路用隔壁部、３５ 素子搭載台、３６ 発熱素子、３８，３９ 隔壁部支持スペーサ、４０ 循環通路、４１ 蛇行通路、４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ 直線部、４１Ｅ 曲がり部、４６ 戻し通路、５０ 高電圧蓄電装置、５２，５４ モータジェネレータ、５６ 低電圧蓄電装置、５８ ＬＶ機器、６０ 電力制御ユニット、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。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気絶縁性の冷媒が封入される密閉筐体と、
鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の隔壁部を有し、前記密閉筐体の内部に冷媒を循環させるための循環通路を形成する通路形成部材と、
複数の前記隔壁部に搭載され、前記循環通路に配置される発熱素子と、
前記発熱素子よりも鉛直方向の上側に配置され、前記密閉筐体に設けられる放熱部とを備える、電気機器の冷却装置。
【請求項２】
複数の前記隔壁部は、互いに隣り合って配置される第１隔壁部および第２隔壁部を含み、
前記第１隔壁部および前記第２隔壁部は、前記第１隔壁部と前記第２隔壁部との間に形成される前記循環通路の面積が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなるように配置される、請求項１に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項３】
複数の前記隔壁部は、前記循環通路が鉛直方向の下側から上側に蛇行しながら延びるように配置される、請求項１または２に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項４】
複数の前記隔壁部は、複数の前記隔壁部のうちで最も鉛直方向の上側に配置される第３隔壁部と、最も鉛直方向の下側に配置される第４隔壁部とを含み、
前記通路形成部材は、前記第３隔壁部と前記第４隔壁部との間で延在し、前記放熱部により冷却された冷媒を冷媒流れの上流側に戻すための戻し通路用隔壁部をさらに有し、
前記戻し通路用隔壁部は、前記第３隔壁部および前記第４隔壁部よりも小さい熱伝導性を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項５】
前記隔壁部と前記発熱素子との間に介挿され、前記発熱素子を前記隔壁部に固定するための素子固定部をさらに備え、
前記素子固定部は、電気絶縁性を有する材料により形成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項６】
冷媒は、飽和蒸気圧以上に加圧されて前記密閉筐体に封入される、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項１】
電気絶縁性の冷媒が封入される密閉筐体と、
鉛直方向に互いに間隔を隔てて配置される複数の隔壁部を有し、前記密閉筐体の内部に冷媒を循環させるための循環通路を形成する通路形成部材と、
複数の前記隔壁部に搭載され、前記循環通路に配置される発熱素子と、
前記発熱素子よりも鉛直方向の上側に配置され、前記密閉筐体に設けられる放熱部とを備える、電気機器の冷却装置。
【請求項２】
複数の前記隔壁部は、互いに隣り合って配置される第１隔壁部および第２隔壁部を含み、
前記第１隔壁部および前記第２隔壁部は、前記第１隔壁部と前記第２隔壁部との間に形成される前記循環通路の面積が、冷媒流れの上流側よりも下流側で大きくなるように配置される、請求項１に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項３】
複数の前記隔壁部は、前記循環通路が鉛直方向の下側から上側に蛇行しながら延びるように配置される、請求項１または２に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項４】
複数の前記隔壁部は、複数の前記隔壁部のうちで最も鉛直方向の上側に配置される第３隔壁部と、最も鉛直方向の下側に配置される第４隔壁部とを含み、
前記通路形成部材は、前記第３隔壁部と前記第４隔壁部との間で延在し、前記放熱部により冷却された冷媒を冷媒流れの上流側に戻すための戻し通路用隔壁部をさらに有し、
前記戻し通路用隔壁部は、前記第３隔壁部および前記第４隔壁部よりも小さい熱伝導性を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項５】
前記隔壁部と前記発熱素子との間に介挿され、前記発熱素子を前記隔壁部に固定するための素子固定部をさらに備え、
前記素子固定部は、電気絶縁性を有する材料により形成される、請求項１から４のいずれか１項に記載の電気機器の冷却装置。
【請求項６】
冷媒は、飽和蒸気圧以上に加圧されて前記密閉筐体に封入される、請求項１から５のいずれか１項に記載の電気機器の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−１５６３７３（Ｐ２０１２−１５６３７３Ａ）
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１５３６６（Ｐ２０１１−１５３６６）
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月１６日（２０１２．８．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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