(57)【要約】【課題】本発明は、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に関するもので、低背化をはかることを目的とする。【解決手段】受熱器７と、この受熱器７の排出口８に放熱経路９を介して、その流入部１０が接続された放熱器１１と、この放熱器１１の流出部１２と前記受熱器７の流入口１３を接続した帰還経路１４と、この帰還経路１４に介在、具体的には帰還経路１４の前記受熱器７の流入口１３側に介在させた逆止弁１５とを備えている。また、放熱経路９の、少なくとも受熱器７の排出口８接続部分側は、前記帰還経路１４の、受熱器７の流入口１３側よりも断面積を大きくし、さらに、断面積を大きくした放熱経路９内に、この放熱経路９内の断面積を複数に分割する分割構成体１６を設けた。【選択図】図３
2014192302.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して、その流入部が接続された放熱器と、この放熱器の流出部と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁とを備え、前記放熱器の流入部を、その流出部よりも高い位置に設定するとともに、前記放熱経路の、少なくとも受熱器の排出口接続部分側は、前記帰還経路の、受熱器の流入口側よりも断面積を大きくし、この断面積を大きくした放熱経路内には、この放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けた冷却装置。
【請求項２】
放熱経路の、受熱器の排出口接続部分は、この受熱器の排出口接続部分から上方に立ち上げ、この立ち上がり部分に、放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けた請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
放熱経路の、受熱器の排出口接続部分は、この受熱器の排出口接続部分から、放熱器の流入部よりも上方に立ち上げ、この立ち上がり部分に、放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けた請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
放熱経路の、受熱器の排出口接続部分は、この受熱器の排出口接続部分から、放熱器の流入部よりも上方に立ち上げ、この立ち上がり部分に、放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けるとともに、この立ち上がり部分から放熱器の流入部に向けての放熱経路には、下方への傾斜路を設けた請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
放熱経路の、受熱器の排出口接続部分は、円筒状、または角筒状とした請求項１から４のいずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載し、この冷却装置により、車軸を駆動する電動機を駆動する電力変化装置の冷却を行なう電気自動車。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載し、この冷却装置により、発熱体の冷却を行なう電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、電力半導体を搭載した電気自動車や電子機器の冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の冷却装置は、電気自動車の電力変換回路に搭載されたものが知られている。
【０００３】
電気自動車では、駆動動力源となる電動機を電力変換回路であるインバータ回路でスイッチング駆動していた。
【０００４】
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が複数個使われていて、それぞれの電力半導体に数十アンペアの大電流が流れていた。
【０００５】
そのため電力半導体は大きく発熱し、冷却することが必要であった。
【０００６】
そこで、例えば下記特許文献１に示す冷却装置では、下部の受熱器において、冷媒で電力半導体の熱を奪わせて気化させ、上部に配置した放熱器で冷やして液化させ、再び下部に滴下させるサイクルを繰り返させることで、インバータ回路を冷却するようにしている。
【０００７】
しかしながら、このような冷却装置は、受熱器において冷媒を沸騰、気化させる沸騰型冷却といわれるタイプものであり、このタイプのものは、受熱器において冷媒が滞留した状態で受熱するので、冷媒への熱移動効率が悪く、結論として、冷却性能が低いことが知られている。
【０００８】
これに対して、下記特許文献２に示す冷媒循環型冷却タイプは、受熱器において冷媒を高速対流させた状態で受熱させるので、冷媒への熱移動効率が高く、結論として冷却性能が飛躍的に高くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平８−１２６１２５号公報
【特許文献２】特開２００９−８８１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のごとく、冷媒循環型冷却タイプでは、受熱器において冷媒を高速に対流させた状態で受熱させるので、冷却性能が飛躍的に高くなるが、そのために特許文献２に示す冷却装置では、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して接続した放熱器と、この放熱器と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁を備えた構成としている。
【００１１】
このように特許文献２に示す冷媒循環型冷却タイプは、受熱器において冷媒を対流させた状態で受熱させるので、冷媒への熱移動効率が高く、結論として、冷却性能が飛躍的に高くなるが、各種製品への適用には、未だ解決すべき点が残っている。
【００１２】
その一つが、冷却装置の低背化である（以下、低背化の記載は、冷却装置の低背化を意味する）。
【００１３】
つまり、電気自動車や電子機器は小型化が求められるので、それに伴って冷却装置も低背化する必要があるのである。
【００１４】
しかしながら、上記特許文献２に示すものでは、逆止弁を開放するためには、逆止弁上流側（帰還経路側）の圧力を、逆止弁下流側（受熱器側）の圧力よりも高い状態が形成されるようにすることが必要で、そのためには、帰還経路を高くし、そこに溜まる冷媒の水頭圧を高めるようにしており、その結果として、低背化をすることが困難な状況となっていた。
【００１５】
そこで、本発明は、低背化が可能な構成とすることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
そして、この目的を達成するために、本発明は、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して、その流入部が接続された放熱器と、この放熱器の流出部と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁とを備え、前記放熱器の流入部を、その流出部よりも高い位置に設定するとともに、前記放熱経路の、少なくとも受熱器の排出口接続部分側は、前記帰還経路の、受熱器の流入口側よりも内径断面積（以下、断面積）を大きくし、この断面積を大きくした放熱経路内には、この放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設け、これにより初期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように本発明は、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して、その流入部が接続された放熱器と、この放熱器の流出部と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁とを備え、前記放熱器の流入部を、その流出部よりも高い位置に設定するとともに、前記放熱経路の、少なくとも受熱器の排出口接続部分側は、前記帰還経路の、受熱器の流入口側よりも断面積を大きくし、この断面積を大きくした放熱経路内には、この放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けたことで、低背化が可能な構成となる。
【００１８】
すなわち、本発明においては、逆止弁が開放することで、この逆止弁上流側、つまり帰還経路内の液体状の冷媒が受熱器内に流入し、次に、この受熱器で、例えば発熱体の熱を受熱することで、急激に沸騰状態となり、このことにより前記発熱体の熱を吸熱し、冷却することになる。
【００１９】
また、受熱器内で冷媒が沸騰状態となることで、この受熱器内の圧力が急激に高まり、その結果逆止弁は閉鎖され、これによって、受熱器内から、気相と液相の混合状態の冷媒が、受熱器の排出口から放熱経路を介して放熱器へと流れ、その後、この放熱器で放熱させることで、冷媒は、再び液体状となって、逆止弁の上流側に戻ることになる。
【００２０】
このような構成において、次に逆止弁を開放させるためには、逆止弁の上流側の圧力が逆止弁の下流側、つまり受熱器内の圧力よりも大きくなる状態を作る必要がある。
【００２１】
そこで、逆止弁の上流側、つまり帰還経路の高さを高くし、そこに蓄えられる液相冷媒の水頭圧を高めるようにする必要があるが、しかし、そのようにすると、低背化を図ることが困難と成る。
【００２２】
そこで、本発明では、上述のごとく、放熱経路の、少なくとも受熱器の排出口接続部分側は、前記帰還経路の、受熱器の流入口側よりも断面積を大きくすることで、受熱器内の圧力を出来るだけ早く小さくし、帰還経路に蓄えられる液体状の冷媒の水頭圧が低くても、逆止弁が開放し、次の循環に移行できるようにしたものであり、この結果として、低背化が可能な構成となるのである。
【００２３】
また、本発明においては、上述したように、断面積を大きくした放熱経路内に、この放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けることで、前記気相と液相の混合状態の冷媒が放熱器側へとスムーズに循環することが出来るようになり、このことも、低背化が可能な構成には重要なこととなる。
【００２４】
すなわち、受熱器内の圧力上昇によって、気相と液相の混合状態の冷媒が放熱器側へと循環することになるのであるが、液相状態の冷媒は重量があるため、一度は放熱器側へと放熱経路を上昇するが、ある地点で落下し、再び受熱器内へと戻ってしまうことがある。
【００２５】
そこで、本発明では、上述のごとく、帰還経路の、受熱器の流入口側よりも断面積を大きくするとともに、この断面積を大きくした放熱経路内には、この放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けることで、液相状態の冷媒も、この分割構成体を構成する壁面に付着し、この状態で受熱器からの圧力で、スムーズに放熱器側へと放熱経路を上昇するようになり、次に、放熱器を経て、液体状となった全ての冷媒が、再び逆止弁の上流側に戻り、安定的な循環が行われるようになる。その結果として、低背化した場合でも、高い冷却性を発揮できるものとなるのである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図
【図２】（ａ）同冷却装置の構成を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の構成を示す正面図、（ｃ）同冷却装置の構成を示す側面図
【図３】（ａ）同冷却装置の放熱経路を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の放熱経路の他の例を示す平面図
【図４】（ａ）同冷却装置の放熱経路のさらに他の例を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の放熱経路のさらに他の例を示す平面図
【図５】（ａ）同冷却装置の放熱経路のさらに他の例を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の放熱経路のさらに他の例を示す平面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態２の冷却装置の構成を示す正面図、（ｂ）同放熱経路の要部を示す図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態３の冷却装置の構成を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の構成を示す正面図、（ｃ）同冷却装置の構成を示す側面図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態４の冷却装置の構成を示す平面図、（ｂ）同冷却装置の構成を示す正面図、（ｃ）同冷却装置の構成を示す側面図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００２８】
（実施の形態１）
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に配置した電力変換装置であるインバータ回路４に接続されている。
【００２９】
インバータ回路４は、電力半導体の一例として、電動機３に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子５を備えている。
【００３０】
電気自動車１駆動用のインバータ回路４の半導体スイッチング素子５は特に発熱するので、その冷却を冷却装置６で行うようにしている。
【００３１】
冷却装置６は、図２に示すように、半導体スイッチング素子５の上面に、熱伝導可能状態で接触させた容器状の受熱器７と、この受熱器７の排出口８に放熱経路９を介して、その流入部１０が接続された放熱器１１と、この放熱器１１の流出部１２と前記受熱器７の流入口１３を接続した帰還経路１４と、この帰還経路１４に介在、具体的には帰還経路１４の前記受熱器７の流入口１３側に介在させた逆止弁１５とを備えている。
【００３２】
具体的には、受熱器７、放熱経路９、放熱器１１、帰還経路１４、逆止弁１５、受熱器７の環状路が形成され、冷媒の一例として水を用いる場合、環状路の容積よりも少ない量を封入し、この環状路内を減圧した状態で使用する。
【００３３】
そして、本実施形態においては、逆止弁１５が開放することで、この逆止弁１５上流側、つまり帰還経路１４内の水（液体状の冷媒）が受熱器７内に流入し、次に、この受熱器７で、半導体スイッチング素子５の熱を受熱することで、急激に沸騰状態となり、このことにより前記半導体スイッチング素子５の熱を吸熱し、冷却することになる。
【００３４】
また、受熱器７内で水（液体状の冷媒）が沸騰状態となるため、受熱器７内の圧力が急激に高まり、その結果逆止弁１５は閉鎖され、これによって、受熱器７内から、気相と液相の混合状態の水（冷媒）が、受熱器７の排出口８から放熱経路９を介して放熱器１１へと流れる。その後、例えば、この放熱器１１の表面への送風で外部へ放熱させることで、放熱器１１内の気相冷媒（水蒸気）は、凝縮し、再び液体状となって、逆止弁１５の上流側に戻ることになる。
【００３５】
このような構成において、一旦閉じられた逆止弁１５を開放させるためには、逆止弁１５の上流側の圧力が逆止弁１５の下流側、つまり受熱器７内の圧力よりも大きくなる状態を作る必要がある。すなわち、逆止弁１５の上流側、つまり帰還経路１４の高さを高くし、そこに蓄えられる冷媒（水）の水頭圧を高めるようにする方法が考えられる。しかし、その方法では、低背化を図ることは、明らかに困難と成る。
【００３６】
そこで、本実施形態では、上述のごとく、放熱経路９の、少なくとも受熱器７の排出口８接続部分側は、帰還経路１４の、受熱器７の流入口１３側よりも断面積を大きく（管径を大きく）することで、放熱経路９の管路圧損を可能な限り低く抑え、受熱器７内の、逆止弁１５の開放時の圧力からの圧力上昇を小さくできるので、帰還経路１４に蓄えられる水（液体状の冷媒）の水頭圧が低くても、逆止弁１５が開放可能な状態とすることで、次の冷媒循環に移行できるようにしたものである。そして、その結果として、システムの低背化が可能な構成を実現できるのである。
【００３７】
また、本実施形態においては、上述したように、断面積を大きくした放熱経路９内に、図３（ａ）に示すごとく、この放熱経路９内の断面積を２分割する分割構成体１６を設けることで、前記気相と液相の混合状態の冷媒が放熱器１１側へとスムーズに循環することが出来るようになり、このことも、低背化が可能な構成には重要なこととなる。
【００３８】
すなわち、受熱器７内の圧力上昇によって、気相と液相の混相状態の水（冷媒）が放熱器１１側へと循環することになるのであるが、液相状態の水（冷媒）は重量があるため、受熱器７の排出口８以降の立ち上がり部分において、一度は放熱器１１側へと放熱経路９を上昇するが、ある地点で落下し、再び受熱器７内へと戻る冷媒の逆流現象（フラッティング現象）が発生することがある。
【００３９】
ここで、前記、フラッティング現象について簡単に説明することにする。通常、熱を受けた気相と液相の混相冷媒は、本来、圧力の高い受熱器７側から圧力の低い放熱器１１側へ速やかに移動し放熱後、再び受熱器７へ戻って来るべきである。しかし、大きな断面積の管路を用いたシステムでは、熱を受け取った混相冷媒が、受熱器７側の高圧によって一旦は、低い所から高い所へ押し上げられるが、管路径が大きい場合、液相の表面張力によって形成されるメニスカス（液面）を維持することができず、破壊し、冷媒全体が逆流してしまう現象が発生する。この現象が、フラッティング現象である。この現象で問題なのは、熱を受け取った冷媒が、放熱器１１までたどり着かず、途中で停滞することであり、この状態が続くと受熱器７側へ熱が蓄積され、本来の冷却性能が著しく低下する原因となる。
【００４０】
そこで、本実施形態では、上述のごとく、放熱経路９（特に受熱器７の排出口８以降の立ち上がり部分）内に、この放熱経路９内の断面積を複数に分割する分割構成体１６を設けることで、前記の逆流現象を防止する構成とした。この様な分割構成体１６は、液相状態の水（冷媒）を、この分割構成体１６を構成する壁面に付着させて前記したメニスカスを維持することができるため、容易に、放熱経路９の立ち上り部分の上昇が可能となり、放熱器１１に到達した冷媒は、放熱後、全て液相となって、逆止弁１５の上流側に戻り、安定的な循環が行われることになる。
【００４１】
この結果として、低背化しても、高い冷却性を発揮できるものとなるのである。また、ここで使用する分割構成体１６は、冷媒との接触長さが増えるため、管路圧損の原因となることは明らかであるが、配置する長さそのものが非常に短いため、水頭圧への影響は少なく問題とはならない。
【００４２】
なお、本実施形態では、放熱経路９内の断面積を２分割する分割構成体１６を設けたが、図３（ｂ）に示すように放熱経路９内の断面積を４分割する分割構成体１６としても良い。
【００４３】
また、図４に示すように、放熱経路９の断面形状を楕円形（円筒状）にして、その内に、図４（ａ）に示すごとく、放熱経路９内の断面積を２分割する分割構成体１６を設けたり、図４（ｂ）に示すように放熱経路９内の断面積を４分割する分割構成体１６を設けたりしても良い。２分割か４分割かは、分割構成体１６を設ける管径や管長により決められる。
【００４４】
さらに、図５に示すように、放熱経路９の断面形状を四角形（角筒状）にして、その内に、図５（ａ）に示すごとく、放熱経路９内の断面積を２分割する分割構成体１６を設けたり、図５（ｂ）に示すように放熱経路９内の断面積を４分割する分割構成体１６を設けたりしても良い。
【００４５】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態２を示し、この実施の形態では、放熱経路９の、受熱器７の排出口８接続部分は、この受熱器７の排出口８接続部分から、放熱器１１の流入部１０よりも上方に立ち上げ、この立ち上がり部分に、図３のように、放熱経路９内の断面積を複数に分割する分割構成体１６を設けるとともに、この立ち上がり部分から放熱器１１の流入部１０に向けての放熱経路９には、下方への傾斜路（傾斜角θ）を設けた。
【００４６】
すなわち、液相状態の水（冷媒）を、この分割構成体１６を構成する壁面に付着させ、この状態で受熱器７からの圧力で、放熱経路９内を放熱器１１の流入部１０よりも上方にまで持ち上げれば、後はこの傾斜によって放熱器１１側へと確実に水（冷媒）を搬送することが出来るようにしたものであり、この結果として、安定的な循環が行われるようになり、低背化してとしても、高い冷却性を発揮できるものとなるのである。
【００４７】
（実施の形態３）
図７は本発明の実施の形態３を示し、この実施の形態では、放熱器１１の流入部１０を、流出部１２の斜めの上方とし、それにあわせて、放熱経路９を排出口８から上方に立ち上げ、この立ち上がり部に分割構成体１６を設け、その後、水平方向に曲げ、流入部１０に接続したものである。
【００４８】
（実施の形態４）
図８は本発明の実施の形態４を示し、この実施の形態では、放熱器１１の流入部１０を、流出部１２の斜めの上方とし、それにあわせて、放熱経路９を排出口８から上方に立ち上げ、この立ち上がり部に分割構成体１６を設け、その後、水平方向に曲げ、流入部１０に接続したものである。
【００４９】
ただし、この実施の形態４では、放熱経路９を排出口８から上方の立ち上げは、放熱器１１の流入部１０よりも上方に立ち上げ、その後、放熱器１１の流入部１０に向けての放熱経路９には、下方への傾斜路（傾斜角θ）を設けた。
【００５０】
すなわち、液相状態の水（冷媒）を、この分割構成体１６を構成する壁面に付着させ、この状態で受熱器７からの圧力で、放熱経路９内を放熱器１１の流入部１０よりも上方にまで持ち上げれば、後はこの傾斜によって放熱器１１側へと確実に水（冷媒）を搬送することが出来るようにしたものであり、この結果として、安定的な循環が行われるようになり、低背化したとしても、高い冷却性を発揮できるものとなるのである。
【００５１】
なお、上記実施形態では、電気自動車１駆動用のインバータ回路４の半導体スイッチング素子５に冷却装置６を用いた例を説明したが、電子機器の高速演算処理装置等の冷却に適用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
以上のように本発明は、受熱器と、この受熱器の排出口に放熱経路を介して、その流入部が接続された放熱器と、この放熱器の流出部と前記受熱器の流入口を接続した帰還経路と、この帰還経路に介在させた逆止弁とを備え、前記放熱器の流入部を、その流出部よりも高い位置に設定するとともに、前記放熱経路の、少なくとも受熱器の排出口接続部分側は、前記帰還経路の、受熱器の流入口側よりも断面積を大きくし、この断面積を大きくした放熱経路内には、この放熱経路内の断面積を複数に分割する分割構成体を設けたことで、低背化が可能な構成を実現している。
【００５３】
すなわち、本発明においては、逆止弁が開放することで、この逆止弁上流側、つまり帰還経路内の液相冷媒が受熱器内に流入し、次に、この受熱器で、例えば発熱体の熱を受熱することで、急激に沸騰状態となり、このことにより前記発熱体の熱を吸熱し、冷却することになる。
【００５４】
また、受熱器内で冷媒が沸騰状態となることで、この受熱器内の圧力が急激に高まり、その結果逆止弁は閉鎖され、これによって、受熱器内から、気相と液相の混相状態の冷媒が、受熱器の排出口から放熱経路を介して放熱器へと流れ、その後、この放熱器で放熱させることで、すべての冷媒が、再び液相となって、逆止弁の上流側に戻ることになる。
【００５５】
このような構成において、次に逆止弁を開放させるためには、逆止弁の上流側の圧力が逆止弁の下流側、つまり受熱器内の圧力よりも大きくなる状態を作る必要がある。
【００５６】
そこで、逆止弁の上流側、つまり帰還経路の高さを高くし、そこに蓄えられる液相冷媒の水頭圧を高めるようにする必要があるが、そのようにすると、低背化を図ることが困難と成る。
【００５７】
そこで、本発明では、上述のごとく、受熱器の排出口接続部分側の放熱経路側の断面積を、前記帰還経路の、受熱器の流入口側断面積よりも大きくすることで、放熱経路の管路圧損を出来るだけ早く小さくする構成を採用している。これにより、帰還経路に蓄えられる液相冷媒の水頭圧が低くても、逆止弁が開放され、次の冷媒循環に移ることができる。この結果として、低背化が可能な構成での持続的な冷却サイクルを実現できることになる。
【００５８】
ただ、放熱経路の管路圧損を抑制するために、管径を単純に大きくするだけでは、前記したフラッティング現象（逆流現象）により、冷却性能の低下は避けられないことになる。
【００５９】
そこで、本発明においては、断面積を大きくした放熱経路内に、断面積を複数に分割する分割構成体を設けることで、放熱経路の圧損をほとんど増加させること無く、フラッティング現象を防止し、前記気相と液相の混相冷媒を放熱器側へとスムーズに循環することが出来るようになる。
【００６０】
以上のような本発明の構成により、低背化したとしても、高い冷却性を発揮できるものとなるのである。
【００６１】
したがって、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置や、高速演算処理装置などの電子機器にも有用である。
【符号の説明】
【００６２】
１  電気自動車
２  車軸
３  電動機
４  インバータ回路
５  半導体スイッチング素子
６  冷却装置
７  受熱器
８  排出口
９  放熱経路
１０  流入部
１１  放熱器
１２  流出部
１３  流入口
１４  帰還経路
１５  逆止弁
１６  分割構成体
【図１】
2014192302.tif 000003
【図２】
2014192302.tif 000004
【図３】
2014192302.tif 000005
【図４】
2014192302.tif 000006
【図５】
2014192302.tif 000007
【図６】
2014192302.tif 000008
【図７】
2014192302.tif 000009
【図８】
2014192302.tif 000010