(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、受熱部より放熱部の位置が低くても作動し、適用範囲が広くなることを目的とする。【解決手段】半導体スイッチング素子３の上面に熱移動可能状態で接続された受熱部５と、この受熱部５の排出口６に放熱経路７を介して接続した放熱部８と、この放熱部８と受熱部５の流入口９を接続した帰還経路１０と、この帰還経路１０に、作動流体の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ１１、開閉弁１２、受熱部５より高い位置に貯留タンク１３、受熱部５近傍に作動流体の流れを制御する逆止弁１４を備え、貯留タンク１３に水位検知手段として渇水状態（水位Ｌ未満）を検知する低水位センサ１５ａ、満水状態（水位Ｈ以上）を検知する高水位センサ１５ｂを設け、水位検知手段で検知した水位により、揚水ポンプ１１と開閉弁１２を制御する制御手段１６を設けた構成。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、
前記帰還経路に、前記作動流体の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ、開閉弁、貯留タンクを備え、
前記貯留タンクは前記受熱部より高い位置に設けられ、前記貯留タンクと前記受熱部を接続する前記帰還経路の前記受熱部近傍に前記作動流体の流れを制御する逆止弁を備え、
前記貯留タンクに水位検知手段を設け、この水位検知手段で検知した水位により、前記揚水ポンプと前記開閉弁を制御する制御手段を設けたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
揚水ポンプと開閉弁は、帰還経路内の、放熱部下端より下方に配置した請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、
前記帰還経路に、前記作動流体の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ、前記受熱部より高い位置に貯留タンク、前記揚水ポンプをバイパスするバイパス経路に開閉弁と、前記受熱部近傍に前記作動流体の流れを制御する逆止弁を備え、
前記貯留タンクに水位検知手段を設け、この水位検知手段で検知した水位により、前記開閉弁を制御する制御手段を設けたことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
揚水ポンプは、帰還経路内の、放熱部下端より下方に配置した請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】
請求項１から４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化装置の冷却を行なう電気自動車。
【請求項６】
請求項１から４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。
【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おり、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、下部の受熱部において、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部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冷却装置が考案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００７】
しかしながら、このような冷却装置は、受熱部において冷媒を沸騰することにより気化させる沸騰型冷却タイプといわれるものであり、このタイプのものは、受熱部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、冷媒循環型冷却タイプは、受熱部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（例えば特許文献２参照）。
【０００９】
この装置では、受熱部と、この受熱部の排出口に放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【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】
【００１１】
しかし、特許文献２に示す冷却装置では、放熱部内で凝縮した水は自重により落下するため、受熱部より放熱部の位置が高くなければ作動せず、適用範囲が狭いという課題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、受熱部より放熱部の位置が低くても作動し、適用範囲が広くなる冷却装置を提供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】
【００１３】
そして、この目的を達成するために、本発明は、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記帰還経路に、前記作動流体の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ、開閉弁、貯留タンクを備え、前記貯留タンクは前記受熱部より高い位置に設けられ、前記貯留タンクと前記受熱部を接続する前記帰還経路の前記受熱部近傍に前記作動流体の流れを制御する逆止弁を備え、前記貯留タンクに水位検知手段を設け、この水位検知手段で検知した水位により、前記揚水ポンプと前記開閉弁を制御する制御手段を設けたことを特徴とする冷却装置であり、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】
【００１４】
以上のように本発明は、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記帰還経路に、前記作動流体の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ、開閉弁、貯留タンクを備え、前記貯留タンクは前記受熱部より高い位置に設けられ、前記貯留タンクと前記受熱部を接続する前記帰還経路の前記受熱部近傍に前記作動流体の流れを制御する逆止弁を備え、前記貯留タンクに水位検知手段を設け、この水位検知手段で検知した水位により、前記揚水ポンプと前記開閉弁を制御するようにしたので、受熱部より放熱部の位置が低く、作動流体の自重により落下できなくても、揚水ポンプにより放熱部で凝縮した作動流体を貯留タンクへ押し上げることができる。
【００１５】
すなわち、本発明の冷却装置は、貯留タンクに設けた水位検知手段により水位を検知して貯留タンクの水位を所定範囲に維持できることにより、作動流体を受熱部に適時適量供給することができる。
【００１６】
また、揚水ポンプと逆止弁の間に貯留タンクを設けているので、逆止弁が揚水ポンプの押し込み圧を直接受けず、逆止弁による受熱部への作動流体の供給も、揚水ポンプを使用しない場合と同様に行われる。
【００１７】
さらに、開閉弁により、揚水ポンプが停止した時の、帰還経路内の作動流体が逆流して放熱部に戻ってしまうのを防止することができる。
【００１８】
つまり、本発明の構成とすれば、受熱部より放熱部の位置が低くても、受熱部より放熱部の位置が高いときと同様に、作動流体を循環させることができ、冷却装置としての冷却性能も維持することができるので、受熱部と放熱部の高さ関係に限定されず、冷却対象の適用範囲が広くなるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図
【図２】同冷却装置を示す概略図
【図３】同制御手段のブロック図
【図４】同乾燥運転の制御を示すフローチャート
【図５】本発明の実施の形態２の冷却装置を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（実施の形態１）
図１に示すように、電気自動車１の車軸を駆動する電動機は、電気自動車１のボンネット２の近傍に配置した電力変換装置であるインバータ回路（図示せず）に接続されている。
【００２２】
インバータ回路には、電力半導体の一例として、電動機に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子３を備えている。
【００２３】
また、インバータ回路（図示せず）、特に、その半導体スイッチング素子３を冷却する冷却装置４が設けられている。
【００２４】
冷却装置４は、図２に示すように、作動流体を、受熱部５、放熱経路７、放熱部８、帰還経路１０、受熱部５へと循環させて熱の移動を行う。
【００２５】
また、受熱部５、放熱経路７、放熱部８、帰還経路１０で形成する循環経路は密閉状態となっており、しかもその内部雰囲気は大気圧より負圧状態としている。
【００２６】
そして、この負圧経路内には、例えば数百ｃｃ程度（循環経路の容積よりも十分に少ない量）の水（冷媒の一例）が注入されている。水以外の冷媒として、特に自動車では、不凍液として、エチレングリコールが用いられる。以下では、作動流体を水として記載する。
【００２７】
図２に示すように、冷却装置４は、半導体スイッチング素子３の上面に熱移動可能状態で接続された受熱部５と、この受熱部５の排出口６に放熱経路７を介して接続した放熱部８と、この放熱部８と受熱部５の流入口９を接続した帰還経路１０と、この帰還経路１０に、水の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ１１、開閉弁１２、受熱部５より高い位置に貯留タンク１３、受熱部５近傍に水の流れを制御する逆止弁１４を備え、貯留タンク１３に水位検知手段として渇水状態（水位Ｌ未満）を検知する低水位センサ１５ａ、満水状態（水位Ｈ以上）を検知する高水位センサ１５ｂを設けた構成となっている。
【００２８】
また、図３に示すように、低水位センサ１５ａまたは高水位センサ１５ｂからの信号を受けて揚水ポンプ１１と開閉弁１２を制御する制御手段１６を設けている。
【００２９】
上記構成において、本実施形態の冷却装置４は、先ず、受熱部５内の水が、半導体スイッチング素子３の熱で沸騰すると、その時の圧力上昇で、気液混合状態ではあるが放熱経路７を介して放熱部８に到達する。
【００３０】
次に、放熱部８の外表面にファン（図示せず）で送風することで冷却すると、再び液相状態となり、この液相状態となった水を揚水ポンプ１１で、開いた開閉弁１２を経由して貯留タンク１３まで水を移送し、帰還経路１０の逆止弁１４上流側へと戻る。
【００３１】
この状態となると、受熱部５内の圧力は徐々に低下しており、次の瞬間に、この受熱部５内の圧力よりも、この逆止弁１４上流側の水の量による圧力の方が高くなると、逆止弁１４を開放させることになる。
【００３２】
その結果、逆止弁１４上流側の水が受熱部５内へと流入し、次の瞬間、受熱部５内では水の爆発的な気化が行われ、この気化熱により上記半導体スイッチング素子３は効果的に冷却されることになる。
【００３３】
本実施形態の特徴は、貯留タンク１３内の低水位センサ１５ａまたは高水位センサ１５ｂで検知した水位により揚水ポンプ１１と開閉弁１２を制御して、逆止弁１４上流側の水の量、すなわち受熱部５内へ供給する水の量、を安定的に確保することであり、以下に説明する。
【００３４】
まずは、揚水ポンプ１１の必要性について説明する。
【００３５】
特許文献２の冷却装置では、放熱部８が受熱部５より上方にあるため、放熱部８内で凝縮した水は自重により落下する。受熱部５から放熱部８への水の移動は、上述したように圧力差で行われ、水は、受熱部５、放熱経路７、放熱部８、帰還経路１０、受熱部５へと無動力で循環する。
【００３６】
しかし、本実施形態のように、電気自動車１に特許文献２の冷却装置４を搭載しようとした場合、受熱部５と放熱部８の高さ方向の位置が逆転してしまい、帰還経路１０内の水の移動が無動力では移動できなくなる。
【００３７】
このため、揚水ポンプ１１を新たに設け、帰還経路１０内の水の移動を行っている。
【００３８】
次に、制御手段１６の制御内容を図４のフローチャートを用いて説明する。
【００３９】
冷却装置４を搭載した最初の運転（電源ＯＮ）時、揚水ポンプ１１は停止、開閉弁１２は閉、の状態で、水は冷却装置４内の下方にのみ溜まっており、貯留タンク１３内の低水位センサ１５ａはＯＦＦ、すなわち水位はＬ未満である。
【００４０】
制御手段１６は低水位センサ１５ａのＯＦＦ信号を受信すると、開閉弁１２に開信号、同時に揚水ポンプ１１に運転信号を送信する。
【００４１】
揚水ポンプ１１の運転により、放熱部８内に溜まっていた水は開いた開閉弁１２を通り、帰還経路１０内を貯留タンク１３へ移送され、貯留タンク１３内の水位は上昇し、Ｌ水位を越える。
【００４２】
水位が満水状態を示すＨ水位に達したことを高水位センサ１５ｂが検知すると、揚水ポンプ１１を停止すると同時に開閉弁１２を閉める。
【００４３】
開閉弁１２を閉めることにより、帰還経路１０内の放熱部８内の水位より高位置に溜まっていた水が放熱部８に逆流し、放熱部８内の水位が上がり、放熱能力が減少してしまうことを防止できる。
【００４４】
図２では、貯留タンク１３内に水が溜まり、揚水ポンプ１１が停止、開閉弁１２が閉まった状態で水（気体を含む）は放熱経路７内のみ移動しており、帰還経路１０内、貯留タンク１３内、受熱部５内の水（液体）の存在を点領域で図示している。
【００４５】
このように制御手段１６が低水位センサ１５ａまたは高水位センサ１５ｂからの信号を受けて揚水ポンプ１１と開閉弁１２を制御することにより、貯留タンク１３内の水位をＬ水位以上保ち、受熱部５内へ安定的に水を供給することができる。そのため、半導体スイッチング素子３は十分に冷却され、所期の特性を維持できるものとなる。
【００４６】
すなわち、本発明の構成とすれば、受熱部より放熱部の位置が低くても、受熱部より放熱部の位置が高いときと同様に、作動流体を循環させることができ、冷却装置としての冷却性能も維持することができるので、受熱部と放熱部の高さ関係に限定されず、冷却対象の適用範囲が広くなるのである。
【００４７】
（実施の形態２）
図５に揚水ポンプ１１を連続運転する場合の実施形態を示す。図５において、図１〜図４と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００４８】
図５に示すように、開閉弁１２は、揚水ポンプ１１の下流側鉛直方向の帰還経路１０から分岐し放熱部８の下部に戻るバイパス経路１７に設けられ、制御手段１６は開閉弁１２のみを制御している。図４のフローチャートにおいて、揚水ポンプ１１はなく、開閉弁１２の開閉動作は逆になる。
【００４９】
上記構成において、冷却装置４を搭載した最初の運転（電源ＯＮ）時、揚水ポンプ１１は運転、開閉弁１２は開、の状態で、水は冷却装置４内の下方にのみ溜まっており、貯留タンク１３内の低水位センサ１５ａはＯＦＦ、すなわち水位はＬ未満である。
【００５０】
制御手段１６は低水位センサ１５ａのＯＦＦ信号を受信すると、開閉弁１２に閉信号を送信する。これにより、揚水ポンプ１１から開いた開閉弁１２およびバイパス経路を経由して放熱部８へ戻っていた水は、開閉弁１２が閉じることにより、帰還経路１０内を貯留タンク１３へ移送され、貯留タンク１３内の水位は上昇し、Ｌ水位を越える。
【００５１】
水位が満水状態を示すＨ水位に達したことを高水位センサ１５ｂが検知すると、開閉弁１２を開く。
【００５２】
開閉弁１２を開くことにより、揚水ポンプ１１から押し出された水は、帰還経路１０内を高位の貯留タンク１３へ送られず、低位のバイパス経路へ流れ、放熱部８へ戻る。すなわち、揚水ポンプ１１、開閉弁１２、放熱部８、揚水ポンプ１１循環することになる。
【００５３】
このように、揚水ポンプ１１を連続運転することにより、低水位センサ１５ａのＯＦＦ信号を受信してから、貯留タンク１３へ水が到達するまでの時間は、実施の形態１の揚水ポンプ１１の停止状態からの運転に比べ、短縮できる。
【００５４】
本実施形態により、低水位センサ１５ａの精度が低い等、渇水状態の検知が遅くなる場合に、貯留タンク１３へ水をすばやく移送できるという効果のある冷却装置を提供できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように本発明の冷却装置は、作動流体を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、前記受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記帰還経路に、前記作動流体の流れの上流側から順に作動流体を循環させる揚水ポンプ、開閉弁、貯留タンクを備え、前記貯留タンクは前記受熱部より高い位置に設けられ、前記貯留タンクと前記受熱部を接続する前記帰還経路の前記受熱部近傍に前記作動流体の流れを制御する逆止弁を備え、前記貯留タンクに水位検知手段を設け、この水位検知手段で検知した水位により、前記揚水ポンプと前記開閉弁を制御する構成としている。
【００５６】
このため、受熱部より放熱部の位置が低く、作動流体の自重により落下できなくても、揚水ポンプにより放熱部で凝縮した作動流体を貯留タンクへ押し上げることができる。
【００５７】
つまり、本発明の冷却装置は、貯留タンクに設けた水位検知手段により水位を検知して貯留タンクの水位を所定範囲に維持できることにより、作動流体を受熱部に適時適量供給することができる。
【００５８】
したがって、受熱部より放熱部の位置が低くても、受熱部より放熱部の位置が高いときと同様に、作動流体を循環させることができ、冷却装置としての冷却性能も維持することができるので、受熱部と放熱部の高さ関係に限定されず、冷却対象の適用範囲が広くなり、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なものとなる。
【符号の説明】
【００５９】
１      電気自動車
２      ボンネット
３      半導体スイッチング素子
４      冷却装置
５      受熱部
６      排出口
７      放熱経路
８      放熱部
９      流入口
１０    帰還経路
１１    揚水ポンプ
１２    開閉弁
１３    貯留タンク
１４    逆止弁
１５ａ  低水位センサ
１５ｂ  高水位センサ
１６    制御手段
１７    バイパス経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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