JP2015046466A - 冷却装置およびこれを搭載した電気自動車および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、電力半導体を搭載した電気自動車や電子計算機などの電子機器に使用される冷却装置において、冷却装置の冷却性能を向上を目的とするものである。【解決手段】発熱体４からの熱を吸収する受熱部８と、冷媒３０の熱を放出する放熱部１０と、受熱部８と放熱部１０とを接続する放熱経路９と帰還経路１１とを備え、冷媒３０を受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、および受熱部８へと循環させ、冷媒３０の液相と気相との相変化によって冷却する冷却装置５において、受熱部８は、帰還経路１１の側に位置する最上流受熱器７ａと、その下流に接続経路３１を介して直列に配置される少なくとも１つの下流受熱器７ｂとを有し、下流受熱器７ｂの導入管２４に切欠部３３を設けた構成とした。【選択図】図３

Description

本発明は、たとえば、電力半導体を搭載した電気自動車や電子計算機などの電子機器の冷却装置に関するものである。

従来、電力半導体を搭載した電気自動車の冷却装置は、電力変換回路に搭載されていた。電気自動車では、駆動動力源となる電動機が電力変換回路であるインバータ回路によりスイッチング駆動されている。インバータ回路には、パワートランジスタを代表とする電力半導体素子が複数個使われている。インバータ回路の動作時には、それぞれの電力半導体に大電流が流れ大きく発熱するため、これらの複数の電力半導体を同時に冷却することが必要となっている。

また、近年の電子計算機においても処理情報量の著しい増加に対応するため、電子機器内にＣＰＵが多数使用されている。ＣＰＵは発熱体であり、ＣＰＵの同時冷却が重要な問題となっている。

例えば特許文献１に示す冷却装置では、２つの水循環を用いている。すなわち各電子機器からの熱をそれぞれの熱交換部へ移動させる第１ループと、複数点の熱交換部を直列接続した第２ループとを用いた冷却装置が提案されている。

特開２００５−２２２４４３号公報

上記従来例における課題は、冷却装置の冷却効率が低下することであった。

すなわち、上記従来例の冷却装置において、第２ループの様な１つの水循環系の中に複数の受熱器を有する冷却装置では、各受熱器の温度は、それぞれの受熱器の受熱性能と発熱体から発生する熱量と流入する水温とから決定される。受熱器の温度は、その受熱器の受熱性能と発熱体から発生する熱量により決まる上昇温度と、前段の受熱器の排水温度とが加算された値となる。そのため複数点の受熱器において後段にいくほど受熱器に流入する水温度が上がり、後段にいくほど実質的な冷却性能が下がるため、結果として冷却装置全体の冷却性能が低下するという課題があった。

そこで本発明は、冷却装置の冷却性能を向上させることを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、発熱体からの熱を吸収し前記発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、前記冷媒の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記冷媒を前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、および前記受熱部へと循環させ、前記冷媒の液相と気相との相変化によって冷却する冷却装置であって、前記受熱部は、前記帰還経路の側に位置する最上流受熱器と、その下流に接続経路を介して直列に配置される少なくとも１つの下流受熱器とを有し、前記最上流受熱器と前記下流受熱器とは、前記発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる気化空間を形成する受熱板カバーと、この受熱板カバーの側方壁面に設けた前記冷媒の流入口と、この流入口に対向する側方壁面に設けた流出口と、前記流入口から前記受熱板の中心近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する開口部を有する導入管と、前記導入管の開口部に対向し近接する位置に設けた前記受熱板の冷媒流入部と、前記受熱板の前記冷媒流入部の外周に設けた放射状の溝と、前記最上流受熱器の前記流入口の側に逆止弁を設け、前記下流受熱器の前記導入管に切欠部を設けたことを特徴とする冷却装置とするものであり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、発熱体からの熱を吸収し前記発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、前記冷媒の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記冷媒を前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、および前記受熱部へと循環させ、前記冷媒の液相と気相との相変化によって冷却する冷却装置であって、前記受熱部は、前記帰還経路の側に位置する最上流受熱器と、その下流に接続経路を介して直列に配置される少なくとも１つの下流受熱器とを有し、前記最上流受熱器と前記下流受熱器とは、前記発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる気化空間を形成する受熱板カバーと、この受熱板カバーの側方壁面に設けた前記冷媒の流入口と、この流入口に対向する側方壁面に設けた流出口と、前記流入口から前記受熱板の中心近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する開口部を有する導入管と、前記導入管の開口部に対向し近接する位置に設けた前記受熱板の冷媒流入部と、前記受熱板の前記冷媒流入部の外周に設けた放射状の溝と、前記最上流受熱器の前記流入口の側に逆止弁を設け、前記下流受熱器の前記導入管に切欠部を設けたことを特徴とするものであり、冷却装置の冷却性能を上げることができるものである。

すなわち、本発明によれば、帰還経路の側に位置する最上流受熱器の流入口の側に逆止弁が設けられているため、逆止弁下流側から放熱器まで、すなわち、最上流受熱器と下流受熱器と接続経路および放熱経路内は１つの連通した空間となるため、この最上流受熱器と下流受熱器と接続経路および放熱経路内において、飽和蒸気圧と飽和蒸気の温度は一定となる。そのため、最上流受熱器と下流受熱器の複数の受熱器のうち、前段、後段に拘らず、各受熱器は、一定の条件下で発熱体からの熱を冷媒に伝えることができるので、受熱器の前段、後段に拘らず、冷却性能を確保することができる。

さらに、下流受熱器の前記導入管に切欠部を設けたことにより、冷媒流入部に対向し近接して形成された導入管の開口部が、受熱器内に存在する液相の冷媒に水没しても、導入管に流入した気相と液相の混相流の冷媒が、冷媒の液面上に出た切欠部から気化空間内に流出し、流出口と接続経路を介してさらに下流の下流受熱器に流れ込み、冷媒の循環を確保することができる。結果として、冷却装置の冷却性能を向上することができるのである。

この切欠部がなければ、導入管の開口部が水没しているため導入管の開口部から混相流の冷媒が流出する際に液体冷媒による圧力損失が大きく、混相流の冷媒が導入管の開口部から流出することを阻害してしまう。結果として、このように冷却装置全体の冷媒の循環が阻害されると、単位時間当たりの冷媒循環量も減少し、冷却性能そのものを低下させることになる。

本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図 （ａ）同冷却装置を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の受熱部を示す正面図 （ａ）同冷却装置の下流受熱器の平面図、（ｂ）同冷却装置の下流受熱器のＢ−Ｂ断面を示す図、（ｃ）同冷却装置の下流受熱器の切欠部を示す図 （ａ）同冷却装置の下流受熱器の切欠部の拡大図、（ｂ）同冷却装置の下流受熱器の導入管のＣ−Ｃ断面を示す図 （ａ）比較例の冷却装置の下流受熱器の平面を示す図、（ｂ）同冷却装置の下流受熱器のＢ−Ｂ断面を示す図 （ａ）冷却装置の受熱器の比較例を示す平面図、（ｂ）同受熱器の比較例を示す正面図、（ｃ）同受熱器表面の動作温度の比較例を示す状態を示すグラフ

本発明の冷却装置は、発熱体からの熱を吸収し前記発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、前記冷媒の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記冷媒を前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、および前記受熱部へと循環させ、前記冷媒の液相と気相との相変化によって冷却する冷却装置であって、前記受熱部は、前記帰還経路の側に位置する最上流受熱器と、その下流に接続経路を介して直列に配置される少なくとも１つの下流受熱器とを有し、前記最上流受熱器と前記下流受熱器とは、前記発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる気化空間を形成する受熱板カバーと、この受熱板カバーの側方壁面に設けた前記冷媒の流入口と、この流入口に対向する側方壁面に設けた流出口と、前記流入口から前記受熱板の中心近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する開口部を有する導入管と、前記導入管の開口部に対向し近接する位置に設けた前記受熱板の冷媒流入部と、前記受熱板の前記冷媒流入部の外周に設けた放射状の溝と、前記最上流受熱器の前記流入口の側に逆止弁を設け、前記下流受熱器の前記導入管に切欠部を設けた構成とすることにより、冷却装置の冷却性能の低下を抑制することができるものである。

すなわち、本発明によれば、帰還経路の側に位置する最上流受熱器の流入口の側に逆止弁が設けられているため、逆止弁下流側から放熱器まで、すなわち、最上流受熱器と下流受熱器と接続経路および放熱経路内は１つの連通した空間となるため、この最上流受熱器と下流受熱器と接続経路および放熱経路内において、飽和蒸気圧と飽和蒸気の温度は一定となる。そのため、最上流受熱器と下流受熱器の複数の受熱器のうち、前段、後段に拘らず、各受熱器は、一定の条件下で発熱体からの熱を冷媒に伝えることができるので、受熱器の前段、後段に拘らず、冷却性能を確保することができる。結果として、冷却装置の冷却性能を低下を抑制することができるのである。

さらに、下流受熱器の前記導入管に切欠部を設けたことにより、冷媒流入部に対向し近接して形成された導入管の開口部が、受熱器内に存在する液相の冷媒に水没しても、導入管に流入した気相と液相の混相流の冷媒が、冷媒の液面上に出た切欠部から気化空間内に流出し、流出口と接続経路を介してさらに下流の下流受熱器に流れ込み、冷媒の循環を確保することができる。この切欠部がなければ、導入管の開口部が水没しているため導入管の開口部から混相流の冷媒が流出する際に液体冷媒による圧力損失が大きく、混相流の冷媒が導入管の開口部から流出することを阻害し、結果として、冷却装置全体の冷媒の循環を阻害してしまうのである。

また、前記切欠部は、前記導入管の開口部から上方向に縦長の形状であるという構成にしてもよい。これにより、縦長の切欠部の上部が冷媒の液面上に出やすく、導入管に流入した気相と液相の混相流の冷媒が、冷媒の液面上に出た切欠部から気化空間内に流出し、流出口、接続経路を介してさらに下流の受熱器に流れ込み、冷媒の循環を確保することができるという効果を奏する。

また、前記切欠部は、前記導入管の周縁に複数個設けた構成にしてもよい。これにより、冷媒の液面上に出た複数の切欠部から、導入管に流入した気相と液相の混相流の冷媒を気化空間内に流出することができるので、冷媒の循環をさらに円滑にすることができるという効果を奏する。

また、本発明の冷却装置を搭載した電気自動車という構成にしてもよい。これにより、冷却性能の高い冷却装置により電力変換装置の冷却を行なう電気自動車とすることができる効果を奏する。

また、本発明の冷却装置を搭載した電子機器という構成にしてもよい。これにより、冷却性能の高い冷却装置により発熱体の冷却を行なう電子機器とすることができるという効果を奏する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電気自動車の概略図である。

図１に示すように、電気自動車１の車軸２を駆動する電動機３は、電気自動車１の車内に配置した発熱体４を複数配置した電力変換装置６に接続されている。電力変換装置６は、電力を電動機３に供給している。

また電力変換装置６には、発熱体４を冷却する冷却装置５が設けられている。

図２（ａ）は、同冷却装置を示す平面図、図２（ｂ）は、同冷却装置の受熱部を示す正面図である。

図２に示すように、冷却装置５は、受熱部８と、放熱部１０と、放熱経路９と、帰還経路１１とを備えている。そして冷媒３０が、受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、および受熱部８へ循環する。冷却装置５は、冷媒３０の液相と気相との相変化によって発熱体４を冷却する。ここで受熱部８は、発熱体４からの熱を吸収し、発熱体４からの熱を冷媒３０に伝える。放熱部１０は、冷媒３０の熱を放出する。放熱経路９および帰還経路１１は、受熱部８と放熱部１０とを接続する管路により構成されている。

受熱部８は、冷媒３０の流入口１２と流出口１３とを備えた複数の受熱器７が直列に配置され、構成されている。そして複数の受熱器７のうち、最も帰還経路１１の側に位置する最上流受熱器７ａの流入口１２の側に、逆止弁１４が備えられている。

冷却装置５の冷媒循環経路は、受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、および逆止弁１４により構成された密閉系である。その内部雰囲気は、冷媒が例えば水の場合には大気圧より圧力の低い負圧にて使用することが多く、水の封入量は数百ｃｃ程度（循環経路の総容積にもよるが、総容積よりも十分に少ない量）である。

この様な構成の本実施の形態１の冷却装置５は、受熱器７内において封入された冷媒３０が発熱体４からの熱により気化（相変化）する時、大量の潜熱を奪う。また気化時の急激な体積膨張によって気化面である受熱板１５には常に高速の冷媒流が形成されるため、大容量の冷却に対応可能な、きわめて高い冷却性能が実現できる。

本発明の実施の形態１の冷却装置５は、最上流側の最上流受熱器７ａに逆止弁１４が配置されている。そのため冷媒３０の循環方向が決まり、受熱器７の内部において発熱体４からの熱を受けた冷媒３０が気化する際の体積膨張によって、冷媒３０が放熱部１０へ高速流動される。その結果、冷却装置５はポンプなどの電力を使用する冷媒駆動力が不要となる。このように冷媒３０が、無動力により循環路内を高速にて移動するため、熱を輸送する単位時間当たりの冷媒３０の量が増え、冷却装置５の冷却能力が高められる。

また上述のように冷媒駆動力は、気化時の体積膨張が担うため、水冷ポンプなどの特別な外部動力が不必要であり、省電力の観点から極めて大きな利点である。本発明の実施の形態１の冷却装置と、水冷ポンプを使用する冷却装置との比較のため、図６を用いて説明する。

図６（ａ）は、冷却装置の受熱器の比較例を示す平面図、図６（ｂ）は、同受熱器の比較例を示す正面図、図６（ｃ）は、同受熱器表面の動作温度の比較例を示す状態を示すグラフである。

図６（ａ）に示すように受熱部１０８は、水循環系の中に直列接続された複数の受熱器１０７を有する。放熱部１１０が、放熱経路１０９と帰還経路１１１とを介して受熱部１０８の両端に接続されている。また、帰還経路１１１の途中には、冷媒駆動を行う冷媒駆動ポンプ１１７が搭載されている。図６（ｂ）に示す受熱部１０８は、説明の簡素化のため受熱器１０７と発熱体１０４との大きさ、および発熱量がすべて同じとしている。受熱器１０７は、流入口１１２および流出口１１３を備えている。

図６（ｃ）は、発熱体１０４と受熱器１０７との接触点温度の変化を示したグラフである。図６（ｃ）に示すようにそれぞれの発熱体１０４と受熱器１０７との接触点の温度は、上流側からの冷媒の流入温度と受熱器１０７の発熱体１０４からの受熱による温度上昇分とが加算される。そのため実線の総熱量が素子動作保証温度を超えない程度の場合には、冷却装置として有効に機能する。しかし、それぞれの発熱体１０４の発熱量が大きくなり、破線の下流側の受熱器１０７において素子動作保証温度を超えてしまう場合、冷却装置として有効に使用できなくなる。

したがって水冷冷却装置の場合、受熱器１０７が直列接続されると、各受熱器１０７に搭載できる発熱量は低く制限されることになる。これをある程度回避するには、受熱器１０７が並列接続されてもよい。しかし、配管本数の増加により冷却装置全体が複雑かつ大型なり、小型化に不利である。

また、本発明の実施の形態１の冷却装置と水冷冷却装置との根本的な違いは、後者が顕熱による水温変化を利用するのに対して前者は冷媒の相変化を用いた潜熱を利用する点である。例えば冷媒が水の場合、単位質量あたりの熱輸送量は、潜熱は顕熱の数１０倍以上となるため、前者は後者に比べ、高い冷却性能が確保できる。

冷媒３０が受熱板１５の表面において気化する時、潜熱として受熱板１５から熱が奪われることによって受熱器７が冷却される。この時の受熱器７の表面温度は、冷媒３０の飽和蒸気圧力により一義的に定まる飽和蒸気温度によって決まる。

すなわち、受熱部８が複数の受熱器７から構成され、それぞれの受熱器７が異なる発熱量の発熱体４を搭載していても、複数の受熱器７のうち最も帰還経路１１の側に位置する最上流受熱器７ａの流入口１２の側に逆止弁１４が設けられているため、逆止弁１４の下流側から放熱部１０まで、すなわち、複数の受熱器７と接続経路３１内は１つの連通した空間となるため、この複数の受熱器７と接続経路３１内において、飽和蒸気圧と飽和蒸気の温度はほぼ一定となる。そのため、複数の受熱器７のうち、前段、後段に拘らず、各受熱器７は、一定の条件下で発熱体４からの熱を冷媒３０に伝えることができるので、各受熱器７は、前段、後段に拘らず、ほぼ同一の冷却性能を確保することができる。

この点に関しては、受熱器７が直列接続あっても並列接続あっても同じである。ただ受熱器７が、直列接続されれば冷却装置が小型化される。

また、それぞれの受熱器７の飽和蒸気圧は、受熱器７に搭載される発熱体４の総発熱量により決まる。受熱器７の温度は、すなわち、発熱体４と受熱板１５の接触点の温度は、受熱器７のこの飽和蒸気温度に発熱体４の発熱量と受熱板１５自体の熱抵抗による上昇温度を加算した値を示す。従来の水冷方式において受熱器を直列接続した場合、上流側の流出水温が下流側の流入水温となるため、下流側の受熱器になるほど受熱器の表面温度が高くなる。しかし、冷媒３０の相変化を用いた本発明の実施の形態１の冷却装置５では、受熱器７の温度が飽和蒸気圧により決まる。そのため、下流側の受熱器７の温度は、上流側からの冷媒３０の温度に影響されない。

図３（ａ）は同冷却装置の下流受熱器の平面図、図３（ｂ）は同冷却装置の下流受熱器のＢ−Ｂ断面を示す図、図３（ｃ）は同冷却装置の下流受熱器の切欠部を示す図である。

図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）に示すように、下流受熱器７ｂについて説明する。

なお、最上流受熱器７ａは、下流受熱器７ｂとほぼ同じ構成であるが、最上流受熱器７ａは、流入口１２側に逆止弁１４が設けられている。また、最上流受熱器７ａは、後述する導入管２４の切欠部３３が設けられていない。

下流受熱器７ｂの下には、発熱体４が設けられている。発熱体４からの熱を受熱板１５が吸収し発熱体４からの熱を冷媒３０に伝える。受熱板カバー１６は、受熱板１５の表面を覆い、流れ込んだ冷媒３０を蒸発させる気化空間１８を形成する。この受熱板カバー１６の側方壁面に冷媒３０の流入口１２が設けられている。この流入口１２に対向する側方壁面に流出口１３が設けられている。導入管２４が、流入口１２から受熱板１５の中心近傍まで延設されている。導入管２４には、受熱板１５に対向して開口する開口部２４ａを設ける。

受熱板１５において、導入管２４の開口部２４ａが対向している部位、すなわち、導入管２４に流入した冷媒３０が、導入管２４の開口部２４ａから受熱板１５に流入する部位が、受熱板１５の冷媒流入部３２である。

冷却装置５の初期動作時は、受熱器７内には、液相の冷媒３０が存在し、受熱器７内の上部には空間が存在する。複数の発熱体４から発生する熱を受熱器７が受熱する。複数の発熱体４は、発熱量や発熱するタイミングが均一とは限らないため、最上流受熱器７ａまたは下流受熱器７ｂのいずれかで、最初に冷媒３０の沸騰が始まり、その受熱器７の内部で冷媒３０が気化する。気化した冷媒３０は、受熱器７の流出口１３に流出する。

最初に沸騰した受熱器７が最上流受熱器７ａである場合、最上流受熱器７ａの流入口１２に逆止弁１４が設けられているため、気化した冷媒３０は流入口１２側へは流出しない。

最初に沸騰した受熱器７が下流受熱器７ｂである場合、流入口１２には逆止弁１４が設けられていないため、気化した冷媒３０は流入口１２側にも一旦は流出する。この気化した冷媒３０は、接続経路３１、上流の下流受熱器７ｂを介して、最上流受熱器７ａに瞬時に到達し、最上流受熱器７ａの流入口１２に設けた逆止弁１４により、流れがせき止められ、最初に沸騰した受熱器７から逆止弁１４までの空間は気化した冷媒３０により圧力が高まる。この高い圧力と、外気で冷やされ低圧力を維持した放熱部１０との圧力差により、受熱器７と接続経路３１内の気相と液相の冷媒３０は、放熱部１０に接続された放熱経路９へ高速で流出し、冷媒３０の流動が開始される。

導入管２４の開口部２４ａと、受熱板の冷媒流入部３２は近接した位置に設ける。それは、導入管２４の開口部２４ａから受熱板１５の冷媒流入部３２に流入した混相流の冷媒３０のうち液相の冷媒３０が、受熱器７内で発熱体４からの熱を受けた受熱板１５の冷媒流入部３２で熱せられて、すなわち、受熱板１５から熱を奪って、気化する際、導入管２４と、この導入管２４の開口部２４ａに近接した受熱板１５の冷媒流入部３２で形成される狭い空間内で気化するため、冷媒３０の体積膨張によってその狭い空間内で圧力が高まり、受熱板１５上に存在するまだ気化していない未沸騰の液相の冷媒３０を巻き込みながら、液相と気相の冷媒３０が、受熱板１５の冷媒流入部３２の周囲から外方に設けた放射状の溝２２に沿って放射状に受熱板１５上に薄膜冷媒層となって高速で拡がり、受熱板１５から熱を奪い液相の冷媒３０が気化する。そして、さらに、気化した冷媒３０は、未沸騰の液相の冷媒３０を巻き込みながら、気相と液相の混相流となって、受熱器７の流出口１３から高速で流出する。流出した混相流の冷媒３０は、この受熱器７と直列に配置されたさらに下流の下流受熱器７ｂの流入口１２に接続された接続経路３１を介して、このさらに下流の下流受熱器７ｂに流入する。

さらに、この下流受熱器７ｂにおいても、導入管２４から受熱板１５の冷媒流入部３２に流入した液相と気相の混相流の冷媒３０のうち液相の冷媒３０が、受熱器７内で発熱体４からの熱を受けた受熱板１５の冷媒流入部３２で熱せられて、同様のプロセスを最下流の下流受熱器７ｂまで繰り返した後、最下流の下流受熱器７ｂの流出口１３に接続された放熱経路９を介して液相と気相の混相流の冷媒３０は放熱部１０に流入する。

最上流受熱器７ａおよび下流受熱器７ｂ内に封入された冷媒３０の気化が継続している間、逆止弁１４は閉鎖されている。最上流受熱器７ａおよび下流受熱器７ｂ内において冷媒３０の気化が進み、冷媒３０のほとんどが流出口１３を経て放熱経路９へ流出すると最上流受熱器７ａおよび下流受熱器７ｂの内圧が低くなり、最上流受熱器７ａに設けた逆止弁１４が開放される。そして、逆止弁１４の上流の帰還経路１１に存在する液相の冷媒３０が最上流受熱器７ａ内の導入管２４へ流入する。そして再度、導入管２４と、導入管２４の開口部２４ａに近接した受熱板１５の冷媒流入部３２で形成される狭い空間内で冷媒３０が沸騰し、未沸騰の液相の冷媒３０を伴う高速の混相流となって受熱板１５上へ薄膜冷媒層として広がり、発熱体４からの熱によって気化する。この一連のプロセスが繰り返され、ポンプなどの電力を使用することなく、冷媒３０を循環させ、発熱体４から発生する熱を、受熱部８で受熱し、放熱部１０で放熱することにより発熱体４を冷却することができる。

ここで本願の特徴である導入管に設けた切欠部３３について図３を用いて説明する。

下流受熱器７ｂは、導入管２４に切欠部３３が設けられている。

前述した通り、冷却装置５の初期動作時は、受熱器７内には、液相の冷媒３０が存在し、受熱器７内の上部には空間が存在する。導入管２４の開口部２４ａと、受熱板１５の冷媒流入部３２は近接しているので、受熱器７内に存在する液相の冷媒３０に導入管２４の開口部２４ａが水没している。最初に沸騰した受熱器７から流出した液相と気相の混相流の冷媒３０が、次に配置された下流受熱器７ｂの流入口１２に接続された接続経路３１を介して、次に配置された下流受熱器７ｂに流入する際に、接続経路３１に接続された導入管２４の開口部２４ａが水没している。従って、図５に示すように、導入管２４に切欠部３３が設けられていない場合は、導入管２４に流れてきた液相と気相の混相流の冷媒３０が導入管２４から流出する抵抗となり、圧力損失が大きく、冷媒３０の循環を阻害しうる。

そこで、図３に示すように、導入管２４に切欠部３３を設けることにより、上流の受熱器７から流れてきた液相と気相の混相流の冷媒３０を、受熱器７内に存在する液相の冷媒３０の水面より上部の切欠部３３から、受熱器７内の空間に流出させることができる。

図３（ｃ）に示すように、切欠部３３は、導入管２４の開口部２４ａから上方向に縦長の形状とする。これにより、縦長の切欠部３３の上部が冷媒３０の液面上に出やすく、導入管２４に流入した気相と液相の混相流の冷媒３０が、液面上に出た切欠部３３から受熱器７内の空間に流出させることができるので圧力損失による圧力上昇を防止し、さらにその冷媒３０が、流出口１３、接続経路３１を介してさらに下流の下流受熱器７ｂに流れ込み、冷媒３０の循環を確保することができる。切欠部３３の上端は、流入口１２の下端部より上に位置するように設ける。液相の冷媒３０を冷却装置５に注入する際に、各受熱器７に冷媒３０が存在する状態にするためには、少なくとも流入口１２の下端部より上まで液相の冷媒３０を注入する必要があるためである。

図４に示すように、本実施の形態では、切欠部３３は、導入管２４の周縁に、４箇所、等間隔で設けている。切欠部３３を複数個所に設けることにより、冷媒３０の液面上に出た複数の切欠部３３から、導入管２４に流入した気相と液相の混相流の冷媒３０を気化空間１８内に流出することができるので、冷媒３０の循環をさらに円滑にすることができるためである。

以上のように本発明にかかる冷却装置は、下流受熱器の導入管に切欠部を設けたことを特徴とするものであり、冷却装置の冷却性能を向上を可能とするものであるので、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置の冷却装置や、電子機器の高速演算処理装置部分などの冷却装置として有用である。

１ 電気自動車
２ 車軸
３ 電動機
４ 発熱体
５ 冷却装置
６ 電力変換装置
７ 受熱器
７ａ 最上流受熱器
７ｂ 下流受熱器
８ 受熱部
９ 放熱経路
１０ 放熱部
１１ 帰還経路
１２ 流入口
１３ 流出口
１４ 逆止弁
１５ 受熱板
１６ 受熱板カバー
１８ 気化空間
２２ 溝
２４ 導入管
２４ａ 開口部
３０ 冷媒
３１ 接続経路
３２ 冷媒流入部
３３ 切欠部
１０４ 発熱体
１０７ 受熱器
１０８ 受熱部
１０９ 放熱経路
１１０ 放熱部
１１１ 帰還経路
１１２ 流入口
１１３ 流出口
１１７ 冷媒駆動ポンプ

Claims (5)

1. 発熱体からの熱を吸収し前記発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、
   前記冷媒の熱を放出する放熱部と、
   前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、
   前記冷媒を前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、および前記受熱部へと循環させ、前記冷媒の液相と気相との相変化によって冷却する冷却装置であって、
   前記受熱部は、
   前記帰還経路の側に位置する最上流受熱器と、その下流に接続経路を介して直列に配置される少なくとも１つの下流受熱器とを有し、
   前記最上流受熱器と前記下流受熱器とは、
   前記発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、
   この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる気化空間を形成する受熱板カバーと、
   この受熱板カバーの側方壁面に設けた前記冷媒の流入口と、
   この流入口に対向する側方壁面に設けた流出口と、
   前記流入口から前記受熱板の中心近傍まで延びるとともに前記受熱板に対向して開口する開口部を有する導入管と、
   前記導入管の開口部に対向し近接する位置に設けた前記受熱板の冷媒流入部と、
   前記受熱板の前記冷媒流入部の外周に設けた放射状の溝と、
   前記最上流受熱器の前記流入口の側に逆止弁を設け、
   前記下流受熱器の前記導入管に切欠部を設けたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記切欠部は、前記導入管の開口部から上方向に縦長の形状であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記切欠部は、前記導入管の周縁に複数個設けたこと特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載し、車軸を駆動する電動機を駆動する電力変換装置の冷却を行なう電気自動車。
5. 請求項１から３のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載し、発熱体の冷却を行なう電子機器。

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