JP4578552B2 - 冷却装置および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱輸送機器に関するものであり、発熱体の熱を冷却する冷却装置およびこの冷却装置を用いた電力変換装置に関するものである。

エネルギ供給設備、情報通信設備、交通設備などのライフラインに係る重要設備において、近年、多くの電子機器が使用されている。これらの電子機器は、安定して確実に動作させる必要があり、電子機器からの発熱を効率良く放熱する必要がある。放熱する手段としては多種多様の形態があるが、高効率で省エネ・環境保全に即した高信頼性を有する放熱手段の一つとして、冷却装置がある（例えば、特許文献１参照。）。この冷却装置では、熱交換用循環溶液の相変化によって生じる循環溶液輸送パイプ内の密度差（密度差によって生じる浮力）を利用して、機器内を熱交換用循環溶液が循環するように構成している。即ち、加熱熱交換器から二相流体送入口までの気液二相流体送入パイプ内の気液二相流体の見かけの密度と、該区間と同じ高さの区間における循環溶液輸送パイプ内の熱交換用循環溶液の密度との密度差を利用して熱交換用循環溶液を循環させている。また、この循環を繰り返すことによって、加熱熱交換器から伝達された高温度の熱を顕熱放出熱交換器と放熱器とへ輸送し、顕熱放出熱交換器と放熱器とから熱を必要とする別の機器または低熱源に熱を輸送するようにしている。

特開２００５−１９５２２６号公報（第４頁−第６頁、図１）

上記のような従来の冷却装置は、加熱熱交換器に熱交換用循環溶液を送入および送出する気液二相流体送入パイプを配管で構成しているので、強度が低いという問題があった。また、上記のような冷却装置では、微細な亀裂から空気などの不凝縮ガスが内部に侵入すると、熱交換循環溶液収容容器内のパイプ周りにおける熱交換用循環溶液の凝縮特性が悪化し、所望の放熱特性（熱輸送特性）を得ることができないという問題があった。

この発明は、上記のような問題点を解消するためになされたものであり、強度が高く放熱特性が良い冷却装置を提供することを目的とする。

この発明の冷却装置は、循環液が流れる蒸発器通流路が内部に形成されると共に発熱体が外部に配置され前記発熱体が発する熱によって循環液を加熱するブロック状の蒸発器、循環液が流れる放熱器通流路を有し循環液の熱を放出する放熱器、並びに前記放熱器から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口を有する入口ヘッダと、前記蒸発器へ循環液が送出される中間温液体送出口を有する出口ヘッダと、前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダを連結する熱交換器通流路、前記蒸発器で加熱された循環液並びに当該循環液の蒸気が収容されている収容部とを有する熱交換器を備え、前記熱交換器は、下方に配置された前記蒸発器と面で接合されており、前記収容部は、前記蒸発器との接合部に開口部を有し、前記出口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記中間温液体送出口を有し、前記蒸発器は、前記開口部に対向して前記熱交換器との接合面から窪んだ前記循環液を保持する循環液保持部を有し、前記循環液保持部の下面に前記収容部へ循環液および当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口と前記収容部から循環液が送入される蒸発器高温液体送入口とを有し、前記熱交換器との接合部に前記中間温液体送出口に対向して前記出口ヘッダから前記循環液が送入される中間温液体送入口を有し、前記放熱器へ前記循環液が送出される蒸発器高温液体送出口を有し、且つ、内部に前記蒸発器高温液体送入口と前記蒸発器高温液体送出口とを連通する高温液体流路が形成されているものである。

また、この発明の冷却装置は、循環液が流れる蒸発器通流路が内部に形成されると共に発熱体が外部に配置され前記発熱体が発する熱によって循環液を加熱するブロック状の蒸発器、循環液が流れる放熱器通流路を有し循環液の熱を放出する放熱器、並びに前記放熱器から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口を有する入口ヘッダと、前記蒸発器へ循環液が送出される中間温液体送出口を有する出口ヘッダと、前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダを連結する熱交換器通流路、前記蒸発器で加熱された循環液並びに当該循環液の蒸気が収容されている収容部とを有する熱交換器を備え、前記熱交換器は、下方に配置された前記蒸発器と面で接合されており、前記収容部は、前記放熱器へ循環液が送出される熱交換器高温液体送出口を有すると共に、前記蒸発器との接合部に前記蒸発器から循環液および当該循環液の蒸気が送入される二相流体送入口を有し、前記出口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記中間温液体送出口を有し、前記蒸発器は、前記熱交換器との接合部に前記二相流体送入口に対向して前記収容部へ循環液および当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口を有すると共に、前記熱交換器との接合部に前記中間温液体送出口に対向して前記出口ヘッダから循環液が送入される中間温液体送入口を有し、前記収容部の下方であって前記熱交換器高温液体送出口が設けられた端部とは反対側の端部と前記放熱器通流路とを連通するバイパス流路を備えているものである。
さらに、この発明の冷却装置は、循環液が流れる蒸発器通流路が内部に形成されると共に発熱体が外部に配置され前記発熱体が発する熱によって循環液を加熱するブロック状の蒸発器、循環液が流れる放熱器通流路を有し循環液の熱を放出する放熱器、並びに前記放熱器から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口を有する入口ヘッダと、前記蒸発器へ循環液が送出される中間温液体送出口を有する出口ヘッダと、前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダを連結する熱交換器通流路、前記蒸発器で加熱された循環液並びに当該循環液の蒸気が収容されている収容部とを有する熱交換器を備え、前記熱交換器は、下方に配置された前記蒸発器と面で接合されており、前記収容部は、前記蒸発器との接合部に循環液が送出される熱交換器高温液体送出口を有すると共に、前記蒸発器との接合部に前記蒸発器から循環液および当該循環液の蒸気が送入される二相流体送入口を有し、前記出口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記中間温液体送出口を有し、前記蒸発器は、前記熱交換器との接合部に前記二相流体送入口に対向して前記収容部へ循環液および当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口を有し、前記熱交換器との接合部に前記中間温液体送出口に対向して前記出口ヘッダから循環液が送入される中間温液体送入口を有し、前記熱交換器との接合部に前記熱交換器高温液体送出口に対向して前記収容部から循環液が送入される蒸発器高温液体送入口を有し、前記放熱器へ循環液が送出される蒸発器高温液体送出口を有し、且つ、内部に前記蒸発器高温液体送入口と前記蒸発器高温液体送出口とを連通する高温液体流路が形成され、前記収容部の下方であって前記熱交換器高温液体送出口が設けられた端部とは反対側の端部と前記高温液体流路又は前記放熱器通流路とを連通するバイパス流路を備えているものである。

この発明によれば、強度が高く放熱特性が良い冷却装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１による冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１による熱交換器通流路を示す断面構成図である。 本発明の実施の形態２による冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態３による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態４による冷却装置の加熱量に対する蒸発器伝熱面温度を示す図である。 本発明の実施の形態５による冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態６による冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態６による他の冷却装置の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態６によるさらなる他の冷却装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 熱交換器、２ 入口ヘッダ、３ 収容部、４ 出口ヘッダ、５ 熱交換器低温液体送入口、６ 二相流体送入口、７ 熱交換器高温液体送出口、８ 中間液体送出口、９ 熱交換器通流路、１１ａ 蒸気、１１ｂ 高温の循環液、１１ｃ 凝縮液、１２ 開口部、１３ 封止用ポート、１４ 蒸発器、１５ 蒸発器通流路、１５ａ 加熱流路、１５ｂ 非加熱流路、１５ｃ 分流用ヘッダ、１６ 発熱体、１６ａ 強発熱体、１６ｂ 弱発熱体、１８ 放熱器、１９ 放熱器通流路、１９ａ 分流用ヘッダ、１９ｂ 合流用ヘッダ、１９ｃ 並列通流路、２０ フィン、２１ 熱交換器放熱部、２２ 補助放熱器、２３ 窪み、２４ フィン、２５ 熱交換器冷却流路、２６ ファン、２７ 循環液保持部、２８ バイパス流路、２９ 高温部、３０ 低温部、３１ 仕切り板、３２ 筐体、３３ 放熱器冷却流路、３４ 開口、３５ 取り付け部、３６邪魔板、３７ 断熱部、３８ 流動阻害体、４１ 中間液体送入口、４２ 二相流体送出口、４３ 蒸発器高温液体送入口、４４ 蒸発器高温液体送出口、４５ 蒸発器低温液体送入口、４６ 蒸発器低温液体送出口、４７ 高温液体流路、４８ 低温液体流路。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による冷却装置の構成を示す断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。
図１において、冷却装置は、発熱体１６からの熱を用いて循環液を循環液と当該循環液の蒸気とに相変化させるブロック状の蒸発器１４、循環液の蒸気を凝縮させる熱交換器１、および循環液の熱を放出する放熱器１８を備えており、熱交換器１の下面と蒸発器１４の上面とは、ろう付け、溶接などを用いて面で接合されている。熱交換器１は、入口ヘッダ２と収容部３と出口ヘッダ４とを連接した円筒状の容器であり、入口ヘッダ２と出口ヘッダ４とは複数の管状の熱交換器通流路９を用いて連結されている。入口ヘッダ２は、側面に放熱器１８から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口５を有し、出口ヘッダ４は、下面の蒸発器１４との接合部に蒸発器１４へ循環液が送出される中間液体送出口８を有している。収容部３は、下面に放熱器１８へ循環液が送出される熱交換器高温液体送出口７を有し、下面の蒸発器１４との接合部に蒸発器１４から循環液および当該循環液の蒸気が送入される二相流体送入口６を有している。ここで、熱交換器１と蒸発器１４との接合部とは、熱交換器１と蒸発器１４との接合面であって、熱交換器１と蒸発器１４とが接合されている部分を指す。なお、本実施の形態１においては、熱交換器１、蒸発器１４および放熱器１８とも銅で構成されており、熱伝導のよい金属が好ましい。

入口ヘッダ２の熱交換器低温液体送入口５には、放熱器１８の放熱器通流路１９が接続されており、入口ヘッダ２は、熱交換器低温液体送入口５から送入される低温の循環液を収容すると共に、熱交換器通流路９に上記低温の循環液を送出する機能を有している。なお、熱交換器低温液体送入口５から送入される低温の循環液を複数の熱交換器通流路９へ送出する際に、各熱交換器通流路９内を流れる低温の循環液の流量を均一化するために、入口ヘッダ２内に各熱交換器通流路９へ低温の循環液を導く整流構造体（例えば、案内羽や整流格子など）を設けても良い。また、入口ヘッダ２内に収容された低温の循環液をより低温化するために、周囲空間と熱交換可能な入口ヘッダ２の内壁面にフィンなどの突起を設けても良い。

収容部３は、複数の管状の熱交換器通流路９と、蒸発器１４から二相流体送入口６を介して送入される高温の循環液１１ｂと、該循環液の一部が気化した蒸気１１ａとを収容する機能を有する。また、収容部３は、熱交換器高温液体送出口７に、放熱器１８の放熱器通流路１９が接続されており、熱交換器高温液体送出口７を介して高温の循環液１１ｂを放熱器１８へ送出する機能を有している。

熱交換器通流路９は、入口ヘッダ２から送入される低温の循環液と収容部３内に収容されている高温の循環液１１ｂおよびその蒸気１１ａとの間の温度差によって熱交換器通流路９の壁を介して熱交換し、熱交換によって昇温した循環液（中間液体）を出口ヘッダ４へ送出する機能を有する。また、熱交換器通流路９は、上記熱交換に伴い、収容部３内に収容されている蒸気１１ａを凝縮させ、冷却装置の内圧が過度に上昇することを防止する機能を有する。循環液としてエチレングリコール水溶液のような多成分流体を用いた場合には、収容部３内に収容する高温の循環液１１ｂと熱交換器通流路９の外壁にて蒸気１１ａが凝縮して生成された循環液とが収容部３内で撹拌・混合される。なお、収容部３内に収容される蒸気１１ａの凝縮を促進させるために、収容部３の内壁面にフィンなどの突起を設けても良い。

出口ヘッダ４は、熱交換器通流路９から送入される循環液を収容すると共に、中間液体送出口８を介して熱交換器通流路９で昇温された循環液を蒸発器１４へ送出する機能を有する。また、入口ヘッダ２と同様に、出口ヘッダ４の内部に整流構造体またはフィンなどの突起を設けても良い。

熱交換器１は、入口ヘッダ２と収容部３と出口ヘッダ４とを有する容器であり、熱交換器低温液体送入口５から送入される低温の循環液を、熱交換器通流路９を流れる間に収容部３内の高温の循環液１１ｂおよび蒸気１１ａとの熱交換によって昇温して、中間液体送出口８から蒸発器１４へ送出する機能を有する。また、熱交換器１は、二相流体送入口６から送入される蒸気１１ａを凝縮し高温の循環液１１ｂにして、二相流体送入口６から送入された高温の循環液１１ｂと共に、熱交換器高温液体送出口７から送出する機能を有する。なお、熱交換器低温液体送入口５の取り付け位置は、入口ヘッダ２の壁面であれば良く、特に制限されない。また、熱交換器高温液体送出口７の取り付け位置は、収容部３の壁面でかつ収容部３内に収容される高温の循環液１１ｂと接する位置であれば良い。

直方体のブロック状の蒸発器１４は、熱交換器１と上面で接合されており、熱交換器１の接合部に熱交換器１の中間液体送出口８に対向して熱交換器１の出口ヘッダ４から循環液が送入される中間液体送入口４１を有すると共に、熱交換器１の接合部に熱交換器１の二相流体送入口６に対向して熱交換器１の収容部３へ高温の循環液１１ｂおよび当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口４２を有している。また、蒸発器１４の内部には、中間液体送入口４１と二相流体送出口４２とを連通させる蒸発器通流路１５が形成されると共に、蒸発器１４の外部には、発熱体１６が蒸発器１４に熱が伝わるように配置されている。

蒸発器通流路１５は、発熱体１６と隣接する複数の並列した加熱流路１５ａ、発熱体１６と隣接しない非加熱流路１５ｂ、および非加熱流路１５ｂから複数の加熱流路１５ａへ循環液を分流する分流用ヘッダ１５ｃを有している。熱交換器１の出口ヘッダ４から中間液体送入口４１を介して送入された循環液は、非加熱流路１５ｂを通って分流用ヘッダ１５ｃで分流され、複数の加熱流路１５ａを流れて二相流体送出口４２を介して熱交換器１の収容部３へ送出される。なお、図１には示していないが、蒸発器通流路１５は、複数の加熱流路１５ａから気液二相流体送出口４２へ循環液を合流する合流用ヘッダを有しても良い。

蒸発器１４は、発熱体１６から蒸発器１４へ印加された熱によって、加熱流路１５ａを流れる循環液を昇温して、循環液の少なくとも一部を蒸気へ相変化させ、高温の循環液１１ｂと蒸気とからなる気液二相流体を生成する機能を有する。なお、循環液として多成分流体を用いた場合には、循環液を濃縮させる機能も有する。さらに、気液二相流体の見かけ密度と循環液の密度との差から生じる浮力によって、気液二相流体を上昇させる機能も有する。したがって、加熱流路１５ａは、気液二相流体が上方に向かって流れるよう構成されている。

加熱流路１５ａを複数の並列流路としているので、多数の発熱体１６または大面積の発熱体１６を蒸発器１４に設置することができるとともに、発熱体１６との伝熱面積を大きくすることができ、冷却装置の放熱特性を向上することができる。また、図１においては、非加熱流路１５ｂを単一の流路として示しているが、加熱流路１５ａ、非加熱流路１５ｂともに、複数の並列流路であっても良い。加熱流路１５ａおよび非加熱流路１５ｂを複数の並列流路とすることによって、蒸発器１４を薄板構成として製作することが可能となり、蒸発器１４を小型化および軽量化することができる。
蒸発器１４は、型成形しても良く、削り加工しても良い。削り加工の際は、分流用ヘッダ１５ｃのいずれか一方の面から分流用ヘッダ１５ｃを形成して、その加工の際に生じる開口を塞いで製作しても良い。また、平板と流路部の窪みを付けたもう一つの部材を半田付またはろう付して製作しても良い。

また、蒸発器通流路１５の流路断面形状は、円形、半円形、楕円形、矩形、またはこれらの組合せでも良く、内壁面にフィンなどの突起を設けても良い。なお、蒸発器通流路１５を矩形断面とした場合には、流路断面の角部に循環液が停滞し易く、蒸気によって循環液を押し上げることが難しいので、冷却装置を循環する循環液の流量が低下し、熱輸送特性が悪化する。そのため、蒸発器通流路１５の断面形状は、円形または楕円形である方が好ましい。

発熱体１６は、熱を蒸発器１４に印加できるものであれば良く、寸法、形状、構成等は特に制限されず、電子機器、加熱用ヒータ、熱輸送機器・冷凍サイクルの放熱部などである。

放熱器１８は、収容部３の熱交換器高温液体送出口７と入口ヘッダ２の熱交換器低温液体送入口５とを連結する管状の放熱器通流路１９および放熱器通流路１９の少なくとも一部の外壁に熱が伝わるように配置された複数のフィン２０を有する。放熱器１８は、収容部３から送入され放熱器通流路１９を流れる高温の循環液が保有する熱を放熱器通流路１９の壁およびフィン２０を介して周囲（空気、水などの流体、土壌、熱を必要とする機器などの固体）へ放出し、冷却した低温の循環液を熱交換器低温液体送入口５から入口ヘッダ２へ送入する機能を有している。

なお、放熱器１８は、直接、任意の空間（空気中、水中、土壌中など）に剥き出しに設置し、熱伝導、自然・強制対流熱伝達、輻射等を利用して放熱しても良い。また、放熱器１８は、自然風を利用しても良く、冷却装置が車両などの移動体に搭載されている場合には走行風を利用して放熱しても良い。さらに、放熱器１８の周囲にファンまたはポンプを用いて冷却流体を流して放熱しても良く、冷却装置の周囲に設けられた他の機器からの排風または排水などを利用して放熱しても良い。放熱器１８は、循環液の熱を外部に放出するものであればよく、その形状、寸法、構成等については特に制限されない。
また、放熱器通流路１９は、図１では蛇行した単一の配管として示しているが、複数の通流路を並列に有し、複数の並列の通流路に分流する分流用ヘッダまたは複数の並列の通流路を合流させる合流用ヘッダを有しても良い。さらに、各通流路を流れる循環液の流量を均一化（分流特性向上）するために、分流用ヘッダまたは合流用ヘッダ内に循環液を導く整流構造体を設けても良い。放熱器通流路１９は、円管、楕円管、矩形管、偏平管、コルゲート管（フレキシブルパイプ）、またはこれらの組合せ等でも良い。また、放熱器通流路１９の内壁面にフィンなどの突起または乱流促進体を設けても良い。

次に、本実施の形態１による冷却装置の動作を説明する。循環液は、熱交換器１の入口ヘッダ２、熱交換器通流路９、出口ヘッダ４、蒸発器１４の蒸発器通流路１５、熱交換器１の収容部３、および放熱器１８の放熱器通流路１９を連結した循環流路を順に流動し、冷却装置内を循環する。収容部３に収容されている高温の循環液１１ｂは、放熱器１８の放熱器通流路１９を通過する際に、放熱器１８の周囲に顕熱を放出し低温の循環液となる。この低温の循環液は、熱交換器低温液体送入口５から入口ヘッダ２へ送入され、入口ヘッダ２の内部で分流し、複数の熱交換器通流路９へ送入される。熱交換器通流路９を通過する際に、低温の循環液は、収容部３内に収容された高温の循環液１１ｂおよび蒸気１１ａと熱交換して昇温され、予熱される。昇温された循環液は、出口ヘッダ４内で合流し、中間液体送出口８および中間液体送入口４１を介して蒸発器通流路１５へ送出され、蒸発器通流路１５と隣接している発熱体１６によってさらに高温に昇温されて沸騰し、蒸気に相変化しながら二相流体送出口４２および二相流体送入口６を介して収容部３に戻る。収容部３に戻った高温の循環液１１ｂと蒸気１１ａとは、熱交換器通流路９内の循環液と熱交換し、蒸気１１ａの一部は凝縮して凝縮液になり流下する。また、収容部３に戻った高温の循環液１１ｂと凝縮液とは、混合し、再度、循環流路を流動し冷却装置内を循環しながら、放熱、予熱、沸騰温度への昇温、凝縮を繰り返す。

この発明の冷却装置においては、循環液の相変化によって生じる循環流路内の密度差（密度差によって生じる浮力）を利用して、冷却装置内を循環液が循環するように構成している。即ち、発熱体１６の下端から二相流体送入口６までの蒸発器通流路１５内の気液二相流体の見かけ密度と、該区間と同じ高さの区間における循環流路内の循環液の密度との差（密度差）を利用して循環液を循環させている。また、この循環を繰り返すことによって、発熱体１６から伝達された熱を放熱器１８へ輸送し、放熱器１８から周囲へ熱を放出するようにしている。

したがって、この発明の冷却装置においては、熱交換器１、放熱器１８、および蒸発器１４の位置関係は、蒸発器１４が熱交換器１より下方にあればよく、蒸発器１４と熱交換器１との位置関係以外は、図１に示す冷却装置とは異なる位置関係にあっても良い。例えば、放熱器１８が蒸発器１４および熱交換器１より上方にあっても良い。
なお、熱交換器１、放熱器１８、および蒸発器１４は、銅などの熱伝導の良い金属で構成すれば良い。

循環液は、熱特性が良く（例えば、熱伝導率が高い、比熱が大きい）、流動特性が良く（例えば、粘性係数が小さい）、気体の密度に対する液体の密度の比が大きな流体が好ましく、蒸留水、アルコール、液体金属などの単一成分からなる液体、または不凍液、アルコール水溶液等の水溶液、あるいは磁性流体などの混合液体であって、気液の相変化を生ずる流体が使用される。蒸気１１ａは、循環液またはその一部が気化したものであるが、空気などの不凝縮ガスが若干混入しても良い。

以上のように、本実施の形態１による冷却装置においては、循環液の相変化によって生じる循環流路内の密度差を利用して、冷却装置内を循環液が循環しながら、発熱体１６から伝達された熱を放熱器１８へ輸送し、放熱器１８から周囲へ熱を放出するように構成している。そのため、循環液を循環させるための外部動力を用いることなく、あらゆる方向（水平方向、下方から上方、上方から下方など）へ大量の熱を輸送することができる。また、可動部を有するポンプ等を必要としないので、耐久性・信頼性に富み、小型で軽量な冷却装置を提供することができる。

また、本実施の形態１による冷却装置においては、ブロック状の蒸発器１４と面で接合された熱交換器１の二相流体送入口６および中間液体送出口８は、蒸発器１４との接合部に配置され、蒸発器１４の二相流体送出口４２は、熱交換器１との接合部に二相流体送入口６に対向して配置されるとともに、蒸発器１４の中間液体送入口４１は、熱交換器１との接合部に中間液体送出口８に対向して配置される。そのため、熱交換器１と蒸発器１４との間には外部に突出したパイプ部などが無く、熱交換器１と蒸発器１４との接合部の面積が大きいので、密閉性が高く、強度および耐震性を向上することができ、信頼性を向上することができる。

また、従来の冷却装置では、蒸発器通流路１５の少なくとも一部は、パイプを曲げて、または複数の部材を連結して製作されていたので、蒸発器通流路１５の両端部を熱交換器１の二相流体送入口６および中間液体送出口８へ正確に位置決めをして取り付ける（各部長さおよび曲げ角度を正確に規定する）ことが非常に難しかった。しかしながら、本実施の形態１による冷却装置では、ブロック状の蒸発器１４を熱交換器１と面で接合し、熱交換器１の二相流体送入口６および中間液体送出口８と蒸発器１４の二相流体送出口４２および中間液体送入口４１とは、互いに対向して配置されているので、それぞれの取り付け位置を正確に規定し形成することができ、製作が非常に容易になる。さらに、熱的な接触面積を大きくし放熱特性が向上するために、蒸発器通流路１５を複数の並列流路として構成した場合も、接合部が増えることがなく、容易に製作することができる。また、蒸発器通流路１５の加熱流路１５ａと非加熱流路１５ｂとを隣接して配設することができるので、冷却装置を小型化することができる。

なお、熱交換器１は、図１に示すような円筒状の容器である必要はなく、立方体や直方体でもよい。また、図１（ｂ）に示す断面における熱交換器１の形状の中心軸と蒸発器１４の形状の中心軸とをずらして、オフセット配設しても良い。オフセット配設することによって、熱交換器１の下側であって蒸発器１４の側面側に大きな空間を作ることができ、該空間に発熱体１６を無駄なく収容することができ、冷却装置を小型化することができる。また、収容部３が円筒状の容器である場合にオフセット配設すると、二相流体送入口６から送入された気液二相流体が円筒状の収容部３の内壁面に沿って移動し、高温の循環液１１ｂに蒸気より大きな遠心力が働くので、高温の循環液１１ｂは収容部３の内壁面に沿って移動し、蒸気は収容部３の中央へ移動する。そのため、高温の循環液１１ｂと蒸気１１ａとの分離が促進されるので、熱交換器通流路９の外壁が蒸気１１ａとより接し易くなり、熱交換器通流路９における熱交換特性が向上する。さらに、熱交換器通流路９に二相流体送入口６から送入される高速の気液二相流体が衝突し難くなるので、熱交換器通流路９の耐腐食性が向上するとともに、強度および耐震性が向上する。したがって、より直径の小さい熱交換器通流路９を用いることができ、熱交換器通流路９の面積を拡大して熱交換特性を向上させることもできるとともに、熱交換器通流路９の壁を薄肉化し軽量化することもできる。

熱交換器通流路９は、図１に示すような複数の配管でも良く、複数の流路が集合した構成でも良く、また、熱交換器通流路９の一部と収容部３の壁とが一体化して構成されても良い。また、図１では、熱交換器通流路９は、直線状の流路として示しているが、Ｕ字状、蛇行状、らせん状などの流路であっても良い。さらに、熱交換器通流路９の外壁または内壁にフィンなどの突起または乱流促進体を装着したりして、熱交換特性を向上させた方が好ましい。熱交換器通流路９は、円管、楕円管、矩形管、偏平管、円管の一部が窪んだ構成またはコルゲート管などでも良い。

図２から図６は、本発明の実施の形態１による冷却装置の他の構成を示す断面図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図２（ｃ）は、図２（ａ）に示すＢ−Ｂ断面における断面図である。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。さらに、図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図６（ｃ）は、図６（ａ）に示すＢ−Ｂ断面における断面図である。また、図７は、本発明の実施の形態１による熱交換器通流路の断面図である。

まず、図２に示す本発明の実施の形態１による冷却装置について説明する。図１に示す冷却装置においては、収容部３は、放熱器１８の放熱器通流路１９が接続される熱交換器高温液体送出口７を下面に有している。図２に示す冷却装置においては、収容部３は、蒸発器１４との接合部に熱交換器高温液体送出口７を有している。また、蒸発器１４は、放熱器１８の放熱器通流路１９が接続される蒸発器高温液体送出口４４を側面に有し、熱交換器１との接合部に熱交換器高温液体送出口７に対向して収容部３から循環液が送入される蒸発器高温液体送入口４３を有するとともに、内部に蒸発器高温液体送入口４３と蒸発器高温液体送出口４４とを連通する高温液体流路４７を有している。収容部３に収容されている高温の循環液１１ｂは、熱交換器高温液体送出口７および蒸発器高温液体送入口４３を介して高温液体流路４７に送入され、蒸発器高温液体送出口４４を通って、放熱器１８へ送出される。

そのため、図２に示す冷却装置においては、図１に示す冷却装置より、放熱器通流路１９途中の曲がり部に生じる接続箇所を減少することができるとともに、熱交換器１と蒸発器１４との接合部の面積をさらに大きくすることができ、強度および耐震性がさらに向上し、信頼性が向上する。また、図１に示す冷却装置では、熱交換器低温液体送入口５の配置された面と熱交換器高温液体送出口７の配置された面とが直交しており、放熱器通流路１９の両端部を正確に位置決めし、取り付けることが難しかった。しかしながら、図２に示す冷却装置では、熱交換器低温液体送入口５の配置された面と蒸発器高温液体送出口４４の配置された面とが平行であるので、放熱器通流路１９の両端部を容易に取り付けることができる。なお、高温液体流路４７を小径の複数の流路とし、接続部を増やすことなく、蒸発器１４をより小型化および軽量化することもできる。

また、冷却装置は、初期に内在する残留ガス、封入される循環液内に含まれる残留ガス、または装置内の接液部から初期に発生するガスが、収容部３の上部に蓄積される構造である。そのため、図２では、収容部３の上部に周囲空間と連通するように管状の封止用ポート１３を設けている。この封止用ポート１３から冷却装置を真空排気し、循環液を適量封入した後、仮動作後に脱ガスして封止することによって、内部の不凝縮ガス量を減少して放熱特性を向上し、安定して動作させることができる。また、真空排気、液封入、残留ガス排出の各工程を一つのポートによって実施することができるので、部品点数を増やすことなく、上記工程を実施できる。なお、この封止用ポート１３に多数の開口を有する連結管を取り付け、気密性チェック用ポート、真空排気用ポート、循環液封入ポート、脱ガス用ポートなどとして使用することによって、作業性が大幅に向上する。この封止用ポート１３を図１に示す冷却装置に設けても当然に同様の効果が得られる。また、収容部３の上部に不凝縮ガスが蓄積し易い構造であるので、収容部３の上部には熱交換器通流路９を設けず、不凝縮ガス溜め用の空間としても良い。

さらに、図２に示す冷却装置では、蒸発器１４の発熱体１６が配置された面と反対側の面に発熱体１６の熱を放出する補助放熱器２２が配置されている。本冷却装置は、蒸発器通流路１５内で循環液の沸騰が生じなければ動作しないので、発熱体１６の発熱量が循環液を沸騰させる熱量に達しない場合（低発熱時）には、本冷却装置は動作せず、発熱体１６の発熱量が循環液を沸騰させる熱量である場合（高発熱時）より発熱体１６の温度は、逆に高温になる。そこで、低発熱時においては、放出する必要がある熱量は比較的小さいので、蒸発器１４の発熱体１６が配置された面と反対側の面に補助放熱器２２を設けることによって、発熱体１６の熱を適切に放出することができる。
なお、図２では図１と異なり、熱交換器低温液体送入口５の位置を熱交換器１の中心軸より上部に設けている。そのため、より大きな放熱器１８を設けることができ、さらに放熱特性を向上することができる。その他の構成および機能は、図１に示す冷却装置と同様である。

次に、図３に示す本発明の実施の形態１による冷却装置について説明する。図２に示す冷却装置は、熱交換器１の外形状が円柱であるが、図３に示す冷却装置は、熱交換器１の外形状が直方体（断面形状が矩形）である。また、図３に示す冷却装置は、封止用ポート１３および補助放熱器２２を有していない。熱交換器１の外形状が直方体であるので、円柱状の熱交換器１より単位体積あたりの熱交換器通流路９の熱交換面積（例えば本数）を大きくすることができ、熱交換器通流路９を介した熱交換特性を向上し、冷却装置の放熱特性を向上することができる。
また、図３（ｂ）に示すように、蒸発器１４の中心線と熱交換器１の中心線とをずらしてオフセット配設しているので、熱交換器１の下側であって蒸発器１４の側面側に大きな空間を作ることができ、該空間に発熱体１６を無駄なく収容することができ、冷却装置を小型化することができる。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置と同様である。

図４に示す本発明の実施の形態１による冷却装置について説明する。図２に示す冷却装置では、収容部３内に入口ヘッダ２と出口ヘッダ４とを連結する直管状の熱交換器通流路９を配置している。図４に示す冷却装置では、収容部３の一方の側面の上方に入口ヘッダ２を、下方に出口ヘッダ４を配置し、入口ヘッダ２と出口ヘッダ４とを連結するＵ字状の熱交換器通流路９を収容部３内に配置している。そのため、冷却装置を小型化することができるとともに、熱交換器１の外部容器を型成形し、該外部容器内へ内挿物（入口ヘッダ２と収容部３と出口ヘッダ４との間の仕切り板および熱交換器通流路９など）を装入することによって、製作が更に容易になり、気密性も向上する。

また、放熱器１８は、放熱器通流路１９を複数の扁平管からなる並列通流路１９ｃとし、複数の並列通流路１９ｃの間に放熱するための複数のフィン２０を有している。さらに、放熱器１８は、複数の並列通流路１９ｃの上流に循環液を分流するための分流用ヘッダ１９ａと複数の並列通流路１９ｃの下流に循環液を合流するための合流用ヘッダ１９ｂとを有する。蒸発器１４から送出された循環液は、分流用ヘッダ１９ａ、並列通流路１９ｃ、合流用ヘッダ１９ｂを順に流れ、熱交換器１の入口ヘッダ２へ送出される。図４に示す放熱器１８は、図２に示す放熱器１８に比べて圧力損失が低下し、放熱特性が向上する。そのため、小型化することができる。また、図２に示す放熱器１８のフィン２０が設けられていない部分は、放熱にあまり寄与せず、さらにこの部分にのみ空気が通流してしまい（バイパス流が生じる）、放熱特性が悪くなるので、バイパス流を防止する工夫が必要になる。図４に示す放熱器１８では、バイパス流が生じるスペースがなく、放熱特性が向上する。
さらに、蒸発器１４は、両側面に発熱体１６を設けているので、より多くの発熱体１６を搭載することができる。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置と同様である。

図５に示す本発明の実施の形態１による冷却装置について説明する。図５においては、入口ヘッダ２は、蒸発器１４との接合部に熱交換器低温液体送入口５を有し、蒸発器１４は、下面に放熱器１８の放熱器通流路１９が連結される蒸発器低温液体送入口４５および蒸発器高温液体送出口４４を有している。また、蒸発器１４は、熱交換器１との接合部に熱交換器低温液体送入口５に対向して蒸発器低温液体送出口４６を有するとともに、蒸発器低温液体送入口４５と蒸発器低温液体送出口４６とを連通する低温液体流路４８を有している。放熱器１８から送出された循環液は、蒸発器低温液体送入口４５、低温液体通流路４８、蒸発器低温液体送出口４６、熱交換器低温液体送入口５を順に流れて入口ヘッダ２へ送入される。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置と同様である。

図５に示す冷却装置おいては、入口ヘッダ２は、蒸発器１４との接合部に熱交換器低温液体送入口５を有するとともに、熱交換器１との接合部に熱交換器低温液体送入口５に対向して蒸発器低温液体送出口４６を有するので、熱交換器１と蒸発器１４との接合部の面積をさらに大きくすることができ、強度および耐震性がさらに向上し、信頼性が向上する。また、蒸発器低温液体送入口４５と蒸発器高温液体送出口４４とが同じ面に配置されているので、放熱器通流路１９の両端部を容易に取り付けることができる。
また、図５に示す冷却装置では、熱交換器通流路９を二相流体送入口６の近傍に設けず、収容部３の上方に配設している。そのため、二相流体送入口６から送入される高温の循環液１１ｂが減速された後、収容部３の内壁または熱交換器通流路９の外壁に衝突するので、熱交換器１の耐腐食性、強度および耐震性を向上することができる。また、この二相流体送入口６での圧力損失が小さくなり、循環流路を流れる循環液の流量が増大するので、冷却装置の放熱特性を向上することができる。

図６に示す本発明の実施の形態１による冷却装置について説明する。図６において、内部に１本の蛇行した放熱器通流路１９が設けられ、外部にフィン２０が設けられた板状の放熱器１８を備えており、放熱器通流路１９を流れる循環液の流れ方向に平行な面と蒸発器通流路１５を流れる循環液の流れ方向に平行な面とが直交するよう構成されている。そのため、冷却装置の高さを図５に示す冷却装置より小さくすることができる。
また、図６に示すように、入口ヘッダ２を介して収容部３の内部と周囲とを連通させるよう封止用ポート１３を配置しても良い。また、図６に示す冷却装置では、収容部３の上部を除いて下方に熱交換器通流路９を配置している。そのため、収容部３の上部が不凝縮ガス溜めの機能を果たし、不凝縮ガスによる影響が小さくなるとともに、許容できる不凝縮ガス量が大きくなる。その他の構成および機能は、図５に示す冷却装置と同様である。

図７に示す本発明の実施の形態１による冷却装置の熱交換器通流路９について説明する。図７（ａ）に示す熱交換器通流路９は直管であり、隣接して複数の熱交換器通流路９を設けると、熱交換器通流路９の外側に形成される凝縮液１１ｃが連結し、熱交換器通流路９の周りに蒸気１１ａの移動を妨げる凝縮液１１ｃのブリッジが形成される。そのため、蒸気１１ａと熱交換器通流路９とが接する熱交換面積が小さくなり、熱交換特性が悪化する。図７（ｂ）に示す熱交換器通流路９は外壁に窪み２３を設けているので、熱交換器通流路９間の隙間が不均一になり、この隙間の大きな部分を凝縮液１１ｃが流下し易くなる。そのため、熱交換器通流路９周りに凝縮液１１ｃのブリッジが形成されにくくなり、熱交換面積が小さくならず熱交換特性が悪化しない。したがって、熱交換器通流路９を隣接して設けた場合に窪み２３を設けると有効である。

実施の形態２．
図８は、本発明の実施の形態２による冷却装置の構成を示す断面図であり、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。
本実施の形態２による冷却装置は、放熱器１８とは別に熱交換器１に熱交換器放熱部２１を設け、冷却装置の放熱特性を向上させるものであり、発熱体１６で生じる発熱量が小さい場合にも、安定して放熱できる構成にしたものである。
図８においては、熱交換器放熱部２１は、収容部３の外側の周囲に設けられたフィン２４と、フィン２４の間に設けられた熱交換器冷却流路２５と、熱交換器冷却流路２５に冷却流体を移送するファン２６とを有している。そのため、発熱体１６から印加される熱の一部を放熱することができ、冷却装置の放熱特性がさらに向上する。冷却流体には、空気または液体が用いられ、冷却流体として液体が用いられる場合には、ファン２６に替わってポンプを設置すればよい。図８では、ファン２６（またはポンプ）を冷却流路の上流に設置しているが、下流に設置してもよい。冷却装置を車両などの移動体に設置する場合には、ファン２６またはポンプを設置せずに走行風を利用しても良い。その他の構成および機能は、図５に示す冷却装置と同様である。

本冷却装置においては、発熱体１６の発熱量が循環液を沸騰させる熱量に達しない場合（低発熱時）には、循環流路内を循環液が循環しない。また、複数の加熱流路１５ａ間で高温の循環液１１ｂが循環する（隣接する加熱流路１５ａ内だけで循環液の移動が生じる）場合にも、循環流路内を循環液が循環しない。しかしながら、上記いずれの場合でも、蒸発器通流路１５内の高温の循環液１１ｂおよび蒸気は必ず収容部３に流入するので、本実施の形態２に示す冷却装置のように収容部３に熱交換器放熱部２１を設けることによって、発熱体１６から印加された熱を周囲へ放熱することができる。また、収容部３に熱交換器放熱部２１を設けることによって、収容部３内の飽和圧力の上昇を抑制することできるので、この飽和圧力に相当する飽和温度と蒸発器１４内の加熱流路１５ａ壁面の温度との差が大きくなり、加熱流路１５ａ内に収容される高温の循環液１１ｂが沸騰し易くなり、循環流路を循環液が循環し易くなる。
図８に示す冷却装置では、熱交換器放熱部２１のフィン２４を収容部３の周囲に設けているが、入口ヘッダ２および出口ヘッダ４にも設けて良い。また、熱交換器放熱部２１は、熱交換器１の壁から印加された熱を冷却流体へ放熱することができれば良く、特に形状、寸法、構造等制約されない。

図９は、本発明の実施の形態２による冷却装置を他の構成示す断面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。
図９に示す冷却装置は、収容部３の中心部に熱交換器冷却流路２５を設け、収容部３の外周部に複数の熱交換器通流路９を設けたものである。図９に示す冷却装置においても、図８に示す冷却装置と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図１０は、本発明の実施の形態３による冷却装置の構成を示す断面図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図１０（ｃ）は、図１０（ａ）に示すＢ−Ｂ断面における断面図である。

本実施の形態３による冷却装置は、車両などの移動体に搭載した場合における体積力（重力や遠心力などの引力）の変化に対する耐性を向上させたものである。具体的には、例えば移動体の加速、減速に伴い、収容部３内の高温の循環液１１ｂと蒸気１１ａとで形成される気液界面が水平ではなく、熱交換器高温液体送出口７の取り付け部側の気液界面が高くなったり、低くなったりして、収容部３内の高温の循環液１１ｂが熱交換器高温液体送出口７と接しない状態が生じた場合にも、収容部３から放熱器１８へ高温の循環液１１ｂを送出できるようにするものである。

図１０においては、蒸発器１４は、上部の熱交換器１との接合部に、接合面から窪んだ高温の循環液１１ｂを保持するための循環液保持部２７を設け、この循環液保持部２７の底面に蒸発器高温液体送入口４３および二相流体送出口４２を設けている。また、熱交換器１は、蒸発器１４との接合部に循環液保持部２７に対向して、二相流体送入口６および熱交換器高温液体送出口７を一体化した開口部１２を有している。そのため、収容部３内の高温の循環液１１ｂの収容容量を増やすことなく、蒸発器高温液体送入口４３から収容部３内の気液界面までの高さをより大きくすることができる。したがって、移動体の減速、加速、曲がりに伴い気液界面の変化が生じ、収容部３内の高温の循環液１１ｂが熱交換器高温液体送出口７（開口部１２）と接しない状態が生じた場合でも、蒸発器高温液体送入口４３から高温液体流路４７および蒸発器高温液体送出口４４を介して放熱器１８へ高温の循環液１１ｂを送出することができ、安定して動作させることができる。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置を同様である。

図１１〜図１３は、本発明の実施の形態３による冷却装置の他の構成を示す断面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図１３（ｃ）は、図１３（ａ）に示すＢ−Ｂ断面における断面図である。

図１１から図１３に示す冷却装置は、図１０に示す冷却装置より大きな気液界面の変化があった場合でも安定して動作させる構成であり、収容部３の下方であって熱交換器高温液体送出口７が設けられた端部とは反対側の端部と放熱器１８の放熱器通流路１９または蒸発器１４の高温液体流路４７とを連通するバイパス流路２８を備えたものである。

図１１においては、収容部３の下方であって熱交換器高温液体送出口７が設けられた端部とは反対側の端部と放熱器通流路１９とを熱交換器高温液体送出口７を介して連通するように収容部３の下部および放熱器通流路１９内にＬ字状のパイプからなるバイパス流路２８を配設している。収容部３内のバイパス流路２８の端部が熱交換器高温液体送出口７が設けられた端部とは反対側の端部に配設されているので、収容部３内の高温の循環液１１ｂが熱交換器高温液体送出口７と接しない状態が生じた場合でも、高温の循環液１１ｂを放熱器通流路１９に送出することが可能になっている。また、バイパス流路２８は、冷却装置の外部に突出していないので、外力が働き接続部が破断することが無く、強度、耐震性および気密性が向上し、信頼性が向上する。その他の構成および機能は、図１に示す冷却装置を同様である。

図１２においては、収容部３の下方であって熱交換器高温液体送出口７が設けられた端部とは反対側の端部と高温流体流路４７とを中間液体送出口８および中間液体送入口４１を介して連通するように非加熱流路１５ｂ内にバイパス流路２８を配設している。その他の構成および機能は、図５に示す冷却装置を同様である。図１２に示す冷却装置においても、図１１に示す冷却装置と同様の効果が得られる。

図１３においては、蒸発器通流路１５および高温液体流路４７以外の蒸発器１４内に、収容部３の下方であって熱交換器高温液体送出口７が設けられた端部とは反対側の端部と高温流体流路とを連通するようにＬ字状のバイパス流路２８を配設している。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置を同様である。図１３に示す冷却装置においても、図１１に示す冷却装置と同様の効果が得られる。
なお、図１２および図１３に示す冷却装置では、収容部３の下方であって熱交換器高温液体送出口７が設けられた端部とは反対側の端部と放熱器１８の放熱器通流路１９とを連通するようにバイパス流路２８を配設しても良い。

実施の形態４．
図１４は、本発明の実施の形態４による冷却装置の構成を示す図である。図１４（ａ）は、本発明の実施の形態４による冷却装置の構成を示す上面図であり、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示すＣ−Ｃ断面における断面図であり、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。

本実施の形態４による冷却装置は、主に熱交換器１、蒸発器１４および発熱体１６を備えた高温部２９と主に放熱器１８を備えた低温部３０との設置環境を分けるための仕切り板３１を高温部２９と低温部３０との間に設けるものである。高温部２９は、発熱体１６が特に電子機器である場合には、防水、防塵構造である方が望ましく、一方、低温部３０は放熱器１８に冷却流体が通流し易い方が望ましい。仕切り板３１は、防水、防塵、冷却流体流路のうち少なくともいずれかの目的を果たす機能を担うものであり、防水、防塵構造が必要とされる際は、高温部２９を収容する筐体３２の一部として、低温の冷却流体の通流が必要とされる際は、低温部３０を収容する放熱器冷却流路３３の側壁の一部として用いられる。

図１４においては、高温部２９を収容する筐体３２が設けられると共に、低温部３０を収容し放熱器１８に冷却流体を導く放熱器冷却流路３３が設けられている。高温部２９と低温部３０との間に設けた仕切り板３１は、筐体３２の側壁をなすとともに、放熱器冷却流路３３の側壁をなしている。放熱器通流路１９は、仕切り板３１を貫通して放熱器１８と熱交換器１の低温液体送入口５および蒸発器１４の蒸発器高温液体送出口４４とを連結している。その他の構成および機能は、図４に示す冷却装置と同様である。
なお、高温部２９の筐体３２または低温部３０の放熱器冷却流路３３の側壁と仕切り板３１との接合面には、Ｏリングやガスケットを設けたり接着剤などで固着させたりしても良い。

放熱器冷却流路３３を形成しない場合には、冷却流体は何ら圧力損失の無い空間へ逃げてしまう。しかしながら、図１４に示す冷却装置では、放熱器１８のフィン２０の間に冷却流体が流れるように放熱器冷却流路３３を形成しているので、安定して放熱することができる。また、高温部２９を収容する筐体３２を設けているので、高温部２９の防水、防塵構造を形成できる。さらに、仕切り板３１は、筐体３２の側壁を構成すると共に、放熱器冷却流路３３の側壁を構成しているので、製造コストを削減することができる。また、放熱器１８を放熱器冷却流路３３に取り付けているので、冷却装置の強度および耐震性が向上し、信頼性が向上する。
さらに、鉛直方向または水平方向に対して傾斜した方向に冷却流体が通流できるように放熱器冷却流路３３を構成すると、煙突効果によって冷却流体が自然に上昇し、ファン等を設けなくても放熱することができる。

図１５から図１７は、本発明の実施の形態４による冷却装置の他の構成を示す上面図および断面図である。図１５（ａ）は、本発明の実施の形態４による冷却装置の構成を示す上面図であり、図１５（ｂ）は、図１５（ａ）に示すＣ−Ｃ断面における断面図であり、図１５（ｃ）は、図１５（ｂ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。また、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。

図１５においては、放熱器冷却流路３３の側壁の一部に設けられた開口３４を覆うように仕切り板３１を設けている。図１５に示す冷却装置においても、図１４に示す冷却装置と同様の効果が得られる。
なお、放熱器冷却流路３３側壁に複数の開口３４を設け、高温部２９を複数装着しても良い。
また、図１５では、放熱器１８の端部に設けられた取り付け部３５を介して放熱器１８を放熱器冷却流路３３に取り付けている。そのため、図１４に示す冷却装置と同様に、放熱器１８が支持され、冷却装置の強度および耐震性が向上し、信頼性が向上する。図１５に示す冷却装置では、取り付け部３５を設けることによって生じた放熱器１８と放熱器冷却流路３３との間の隙間を覆う邪魔板３６を設けている。邪魔板３６は、放熱器１８の冷却流体の上流側または下流側のどちらか一方に設ければよい。この邪魔板３６は、取り付け部３５を設けたことによる隙間を塞ぐことに限定されず、例えば寸法公差によって生じる放熱器１８と放熱器冷却流路３３との間の隙間などを塞ぐために用いられても良い。その他の構成および機能は、図１４に示す冷却装置と同様である。

図１６においては、入口ヘッダ２と仕切り板３１とが接合して配置され、仕切り板３１が入口ヘッダ２の側壁の一部をなしている。その他の構成および機能は図１４に示す冷却装置と同様である。図１４に示す冷却装置と同様の効果が得られると共に、仕切り板３１を介して熱交換器１から放熱器１８に熱伝導によって熱が伝わるので、さらに冷却装置の放熱特性が向上する。また、部品点数が減るので、製作性が向上する。

図１７においては、蒸発器１４と仕切り板３１とが接合して配置されている。その他の構成および機能は図１６に示す冷却装置と同様である。図１６に示す冷却装置と同様の効果が得られると共に、仕切り板３１を介して蒸発器１４から放熱器１８に熱伝導によって熱が伝わるので、さらに冷却装置の放熱特性が向上する。また、仕切り板３１が熱交換器１と蒸発器１４の補強材の機能を果たすと共に、放熱器１８と熱交換器１または蒸発器１４との間に配管がないので、冷却装置の強度および耐震性が向上し、信頼性が向上する。

なお、図１６および図１７に示すように、仕切り板３１および熱交換器１を介して放熱器１８と蒸発器１４とを熱が伝わるように接合することによって、発熱体１６の発熱量の過渡変化に対する影響が和らぎ、循環液の沸騰開始時における発熱体１６の温度のオーバーシュート（循環液が沸騰していない状態では加熱流路１５ａ内の熱伝達が悪く発熱体１６の温度がより高くなるが、沸騰開始に伴い加熱流路１５ａ内の熱伝達が良くなり発熱体１６の温度が低下する。このときの温度差）を小さくすることができる。また、冷却装置内の循環液が凍結した状態において発熱体１６が発熱し始めた場合には、熱伝導によって発熱体１６から放熱器１８に熱が伝わり易いので、放熱器通流路１９内の凍結した循環液が融解し、より早く循環液が移動できるようになり、循環液が凍結した際の動作特性が向上する。

図１８は、本発明の実施の形態４による冷却装置の発熱体の発熱量に対する蒸発器伝熱面温度を示す図である。図１８において、△印は図１６に示す冷却装置を用いて実験した結果であり、○印は図１７に示す冷却装置を用いて実験した結果である。

図１８に示す縦軸の蒸発器伝熱面温度は、加熱流路１５ａと蒸発器１４の表面との間における金属部の温度であり、この温度が高ければ発熱体１６の温度も高くなる。それゆえ、蒸発器伝熱面温度はより低い温度である方が良い。図１８からわかるように、３００Ｗ〜８００Ｗの発熱量において図１６に示す冷却装置の蒸発器伝熱面温度と図１７に示す冷却装置の蒸発器伝熱面温度とは大きく異なり、図１７に示す冷却装置の方が蒸発器伝熱面温度は低く、より水冷装置としての放熱特性は良い。また、どの発熱量においても、蒸発器伝熱面温度は図１７に示す冷却装置の方が３〜５Ｋ程度低く、この点からも図１７に示す冷却装置の方がより放熱特性が良い。この要因としては、蒸発器１４と放熱器１８とを連結しているので、熱伝導によって蒸発器１４から放熱器１８へ熱がより多く移動できる構成にしたことによる冷却効果が向上したこと、およびこの構造変更により入口ヘッダ２および収容部３内の循環液が冷却されるため、収容部３内の蒸気１１ａの温度が低くなり、加熱流路１５ａ壁と上記蒸気１１ａの温度（飽和温度）の差が大きくなり沸騰し易くなったことがある。

実施の形態５．
図１９は、本発明の実施の形態５による冷却装置の構成を示す断面図である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。
本実施の形態５による冷却装置は、蒸発器通流路１５と高温液体流路４７との間、高温液体流路４７と低温液体流路４８との間および加熱流路１５ａと非加熱流路１５ｂとの間に断熱するための断熱部３７を設けている。そのため、加熱流路１５ａから非加熱流路１５ｂへ、加熱流路１５ａから高温液体流路４７へ、および高温液体流路４７から低温液体流路４８へ熱が伝わることを抑制でき、高温液体流路４７、低温液体流路４８および非加熱流路１５ｂ内での循環液の沸騰を抑制することができ、循環流路内で循環方向と逆方向への循環液を移動させようとする力（浮力）を抑制することができる。その他の構成および機能は、図５に示す冷却装置同様である。断熱部３７は、蒸発器通流路１５と高温液体流路４７との間、高温液体流路４７と低温液体流路４８との間および加熱流路１５ａと非加熱流路１５ｂとの間のいずれかに有しているだけでも良い。

図１９では、断熱部３７は、蒸発部１４を貫通するように形成された直線上の溝であるが、この構造に特に限定されるものでは無い。断熱部３７は、貫通しない溝、端部が切断された穴、または樹脂などの断熱材を埋め込んだものでも良く、各通流路間の熱伝導を阻害する形状、寸法、構造、材質であれば良い。

実施の形態６．
図２０は、本発明の実施の形態６による冷却装置の構成を示す断面図である。図２０（ｂ）は、図２０（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。

本実施の形態６による冷却装置は、蒸発器１４に複数の発熱体１６が設けられ、各発熱体１６から発生する発熱量が異なる場合に、他の発熱体１６よりも発熱量の小さな弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａへの循環液の移動を抑制するものである。

図２０では、発熱量の大きな強発熱体１６ａと発熱量の小さな弱発熱体１６ｂとが蒸発器１４に取り付けられ、弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａ内に循環液の流れを阻害する流動阻害体３８を設けたものである。弱発熱体１６ｂが加熱流路１５ａ内の循環液を沸騰させることができないほど発熱量が小さい場合に、流動阻害体３８を設けないと、循環液が収容部３から二相流体送入口６を介して弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａへ流入した後、分流用ヘッダ１５ｃを介して強発熱体１６ａに隣接する加熱流路１５ａへ送入され、昇温され沸騰し、気液二相流体として再び収容部３へ戻るショートパスが発生する。したがって、循環液が循環流路を循環しなくなるので、放熱器１８から周囲へ放熱することができず、放熱特性が著しく低下する。そこで、弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａに流動阻害体３８を設けることによって、循環液のショートパスが生じず、適正な動作が確保され、効率良く放熱することができる。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置同様である。

なお、流動阻害体３８としては、循環液の流れを阻害するものであれば良く、全く通流できない栓であっても良く、栓に加熱流路１５ａより通流断面積が小さな孔を設けたものでも良く、金網、焼結金属、発泡金属、不織布などでも良い。

また、図２１および図２２は、本発明の実施の形態６による冷却装置の他の構成を示す断面図である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図であり、図２２（ｂ）は、図２２（ａ）に示すＡ−Ａ断面における断面図である。
図２１では、発熱量の大きな強発熱体１６ａと発熱量の小さな弱発熱体１６ｂとが蒸発器１４に取り付けられ、弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａの出口（二相流体送出口４２）に流動阻害体３８が設けている。そのため、図２０に示す冷却装置と同様の効果が得られる。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置同様である。図２１では、流動阻害体３８を弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａの出口に設けたが、弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａの入口に設けても良い。
なお、図２０では各加熱流路１５ａにそれぞれ流動阻害体３８を設けたが、図２１に示すように一体型の流動阻害体３８を設けても良い。

図２２では、発熱量の大きな強発熱体１６ａと発熱量の小さな弱発熱体１６ｂとが蒸発器１４に取り付けられ、強発熱体１６ａの近傍には加熱流路１５ａを設け、弱発熱体１６ｂの近傍には加熱流路１５ａを設けていない。すなわち、強発熱体１６ａに隣接して加熱流路１５ａを設けている。そのため、図２０に示す冷却装置と同様の効果が得られる。さらに、流動阻害体３８を設ける必要が無い上に、形成する加熱流路１５ａの数を減少することができるので、製作性が向上する。その他の構成および機能は、図２に示す冷却装置同様である。

本冷却装置は、沸騰現象を利用したもので、沸騰が生じなければ正常な熱輸送は行なえない。沸騰とは、加熱流路１５ａの内壁と加熱流路１５ａ内の循環液との温度差がある程度大きくなければ生じない。上記温度差は、循環液の物性値により大きく変わる一方、加熱流路１５ａの内壁と加熱流路１５ａ内の循環液が接する面（伝熱面）を通過する熱流束（単位面積あたりの伝熱量）にも大きく依存する。したがって、発熱体１６の発熱量に応じて伝熱面積を変化させればよく、発熱体１６の発熱量が小さい場合、上記伝熱面積を小さくすることによって、伝熱面温度を沸騰が開始する温度以上にすることができる。すなわち、弱発熱体１６ｂに隣接する加熱流路１５ａの伝熱面積を小さくする（例えば、加熱流路１５ａの本数を少なくするまたは直径を小さくする）ことによって、安定して沸騰が生じ、本冷却装置は安定動作することができる。図２２は、その極端な例として、弱発熱体１６ｂの近傍に加熱流路１５ａを設けない形態として示しているが、弱発熱体１６ｂの近傍における加熱流路１５ａの本数を減らすだけでも、上記と同様の効果を得ることができる。また、発熱体１６ごとに加熱流路１５ａの本数を変えるだけでは無く、１個の発熱体１６が蒸発器１４に取り付けられた場合でも、発熱体１６中の発熱量の多い部分に加熱流路１５ａをより密に設け、発熱量の小さい部分に加熱流路１５ａをより粗に設けても同様の効果を得ることができる。

実施の形態７．
本実施の形態７による電力変換装置は、発熱体１６として少なくともインバータまたはコンバータのいずれかを有し、実施の形態１〜６のいずれかに示す冷却装置を備えた電力変換装置である。電力変換装置は、直流を交流に、または交流を直流に変換するものであり、各種機器に用いられており、空冷や水冷によって各インバータまたはコンバータが冷却されている。本実施の形態７による電力変換装置は、発熱体１６として少なくともインバータまたはコンバータのいずれかを有する冷却装置を備えているので、非常に高い放熱特性を有すると共に、冷却装置に電力を供給する必要がなく、省エネ（全体効率が高い）である。また、ポンプ等が不要であるため、配線および制御等を実施する必要が無く組立性が良く、通流路途中時に取り外し用のコネクタ等がないので、液漏れ等の心配が無く、信頼性の高い電力変換装置を提供できる。

Claims (10)

1. 循環液が流れる蒸発器通流路が内部に形成されると共に発熱体が外部に配置され前記発熱体が発する熱によって循環液を加熱するブロック状の蒸発器、
   循環液が流れる放熱器通流路を有し循環液の熱を放出する放熱器、並びに
   前記放熱器から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口を有する入口ヘッダと、前記蒸発器へ循環液が送出される中間温液体送出口を有する出口ヘッダと、前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダを連結する熱交換器通流路、前記蒸発器で加熱された循環液並びに当該循環液の蒸気が収容されている収容部とを有する熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、下方に配置された前記蒸発器と面で接合されており、
   前記収容部は、前記蒸発器との接合部に開口部を有し、
   前記出口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記中間温液体送出口を有し、
   前記蒸発器は、前記開口部に対向して前記熱交換器との接合面から窪んだ前記循環液を保持する循環液保持部を有し、前記循環液保持部の下面に前記収容部へ循環液および当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口と前記収容部から循環液が送入される蒸発器高温液体送入口とを有し、前記熱交換器との接合部に前記中間温液体送出口に対向して前記出口ヘッダから前記循環液が送入される中間温液体送入口を有し、前記放熱器へ前記循環液が送出される蒸発器高温液体送出口を有し、且つ、内部に前記蒸発器高温液体送入口と前記蒸発器高温液体送出口とを連通する高温液体流路が形成されている冷却装置。
2. 循環液が流れる蒸発器通流路が内部に形成されると共に発熱体が外部に配置され前記発熱体が発する熱によって循環液を加熱するブロック状の蒸発器、
   循環液が流れる放熱器通流路を有し循環液の熱を放出する放熱器、並びに
   前記放熱器から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口を有する入口ヘッダと、前記蒸発器へ循環液が送出される中間温液体送出口を有する出口ヘッダと、前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダを連結する熱交換器通流路、前記蒸発器で加熱された循環液並びに当該循環液の蒸気が収容されている収容部とを有する熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、下方に配置された前記蒸発器と面で接合されており、
   前記収容部は、前記放熱器へ循環液が送出される熱交換器高温液体送出口を有すると共に、前記蒸発器との接合部に前記蒸発器から循環液および当該循環液の蒸気が送入される二相流体送入口を有し、
   前記出口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記中間温液体送出口を有し、
   前記蒸発器は、前記熱交換器との接合部に前記二相流体送入口に対向して前記収容部へ循環液および当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口を有すると共に、前記熱交換器との接合部に前記中間温液体送出口に対向して前記出口ヘッダから循環液が送入される中間温液体送入口を有し、
   前記収容部の下方であって前記熱交換器高温液体送出口が設けられた端部とは反対側の端部と前記放熱器通流路とを連通するバイパス流路を備えている冷却装置。
3. 循環液が流れる蒸発器通流路が内部に形成されると共に発熱体が外部に配置され前記発熱体が発する熱によって循環液を加熱するブロック状の蒸発器、
   循環液が流れる放熱器通流路を有し循環液の熱を放出する放熱器、並びに
   前記放熱器から循環液が送入される熱交換器低温液体送入口を有する入口ヘッダと、前記蒸発器へ循環液が送出される中間温液体送出口を有する出口ヘッダと、前記入口ヘッダ及び前記出口ヘッダを連結する熱交換器通流路、前記蒸発器で加熱された循環液並びに当該循環液の蒸気が収容されている収容部とを有する熱交換器を備え、
   前記熱交換器は、下方に配置された前記蒸発器と面で接合されており、
   前記収容部は、前記蒸発器との接合部に循環液が送出される熱交換器高温液体送出口を有すると共に、前記蒸発器との接合部に前記蒸発器から循環液および当該循環液の蒸気が送入される二相流体送入口を有し、
   前記出口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記中間温液体送出口を有し、
   前記蒸発器は、前記熱交換器との接合部に前記二相流体送入口に対向して前記収容部へ循環液および当該循環液の蒸気が送出される二相流体送出口を有し、前記熱交換器との接合部に前記中間温液体送出口に対向して前記出口ヘッダから循環液が送入される中間温液体送入口を有し、前記熱交換器との接合部に前記熱交換器高温液体送出口に対向して前記収容部から循環液が送入される蒸発器高温液体送入口を有し、前記放熱器へ循環液が送出される蒸発器高温液体送出口を有し、且つ、内部に前記蒸発器高温液体送入口と前記蒸発器高温液体送出口とを連通する高温液体流路が形成され、
   前記収容部の下方であって前記熱交換器高温液体送出口が設けられた端部とは反対側の端部と前記高温液体流路又は前記放熱器通流路とを連通するバイパス流路を備えている冷却装置。
4. 前記熱交換器は、冷却流路に冷却流体を流す熱交換器放熱部を有し、前記冷却流路は、前記熱交換器の内部に形成されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記蒸発器は、前記蒸発器通流路と前記高温液体流路との間に断熱するための断熱部を有する請求項１又は請求項３記載の冷却装置。
6. 前記入口ヘッダは、前記蒸発器との接合部に前記熱交換器低温液体送入口を有し、
   前記蒸発器は、前記放熱器から循環液が送入される蒸発器低温液体送入口を有し、前記熱交換器との接合部に前記熱交換器低温液体送入口に対向して前記熱交換器へ循環液が送出される低温液体送出口を有し、内部に前記蒸発器低温液体送入口と前記低温液体送出口とを連通する低温液体流路が形成され、且つ、前記高温液体通流路と前記低温液体流路との間に断熱するための断熱部を有する請求項３記載の冷却装置。
7. 前記蒸発器は、複数の発熱体が配置され、他の発熱体に比べて発熱量の小さい発熱体に隣接する前記蒸発器通流路の加熱流路に循環液の流れを阻害する流動阻害体を有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 前記蒸発器は、前記発熱体が配置された面と反対側の面に熱を放出する補助放熱器が配置されている請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
9. 前記熱交換通流路は、外壁に窪みを有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置。
10. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の冷却装置を備え、発熱体がインバータ又はコンバータである電力変換装置。

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