(57)【要約】【課題】配置制約の緩和と小型化を図り、かつ沸騰熱伝達率の向上により冷却性の高い自然循環型の冷却装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、冷却装置は、冷媒が封入された受熱器１２と、受熱器で発生した蒸気を収容する蒸気収容室１８と、冷媒内に発生した気泡によって搬送された冷媒を冷却する放熱器１４と、放熱器から送られた冷媒と蒸気収容室から送られた蒸気との間で熱交換し、蒸気を凝縮させるとともに、冷媒が再度流入する熱交換用容器１６と、蒸気を熱交換用容器に導く蒸気流通管５と、冷媒が流通する第１冷媒流通管４ａと、放熱器と熱交換用容器との間を接続する第２冷媒流通管４ｂと、熱交換用容器からの冷媒が蒸気流通管に逆流するのを防止する第１逆止弁４０ａと、第２冷媒流通管を流通する冷媒の逆流を防止する第２逆止弁４０ｂと、受熱器と熱交換用容器とを連通する冷媒還流管６と、受熱器から冷媒還流管への冷媒の流出を防止する第３逆止弁４０ｃと、を備えている。【選択図】図６
2015055380.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が実装される受熱面を有し、その内部に冷媒が封入された受熱器と、
前記受熱器の鉛直方向上方に設けられ、前記受熱器で発生した蒸気を収容する蒸気収容室と、
前記受熱器の水平方向側方もしくは、装置内に封入された初期の冷媒の液面高さ以下の位置に設置され、前記受熱器内で前記冷媒内に発生した気泡によって搬送された冷媒を冷却する放熱器と、
前記受熱器および前記放熱器よりも鉛直方向下方に設置され、前記放熱器から送られた冷媒と、前記蒸気収容室から送られた蒸気との間で熱交換し、前記蒸気を凝縮させるとともに、前記熱交換した冷媒が再度流入する熱交換用容器と、
前記蒸気収容室から送出される蒸気を前記熱交換用容器に導く蒸気流通管と、
前記受熱器から発生した気泡によって搬送される冷媒が流通する第１冷媒流通管と、
前記第１冷媒流通管に連通し、前記放熱器と前記熱交換用容器との間を接続する第２冷媒流通管と、
前記蒸気流通管の内部を流れる蒸気もしくは、前記熱交換用容器からの冷媒が前記蒸気流通管に逆流もしくは進入するのを防止する第１逆止弁と、
前記第２冷媒流通管を流通する冷媒の逆流を防止する第２逆止弁と、
前記受熱器と前記熱交換用容器とを連通する冷媒還流管と、
前記受熱器から前記冷媒還流管への冷媒の流出を防止する第３逆止弁と、
を備える冷却装置。
【請求項２】
前記熱交換用容器は、前記蒸気流通管から送られた蒸気の第１流入口と、鉛直方向下方から前記第２冷媒流通管が接続あるいは挿通された第２流入口と、前記第２流入口の鉛直方向上方に位置し、前記冷媒環流環が接続された第１流出口と、を有する請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記受熱器は、前記発熱体が実装された少なくも１つの受熱面を有する容器本体と、前記容器本体内に設けられ、容器本体内に複数の流路を規定した仕切り板と、を有する請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記複数の仕切り板は、それぞれ鉛直方向に沿って延びているとともに、水平方向に所定の間隔を置いて並んで配置され、前記複数の仕切り板により、それぞれ鉛直方向に延びる複数の流路が形成されている請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記複数の仕切り板は、前記容器本体内に発生する気泡が前記容器本体の中央部に集約するように、鉛直方向に対し傾斜して設けられている請求項３に記載の冷却装置。
【請求項６】
発熱体が実装される受熱面を有し、その内部に冷媒が封入された受熱器と、
前記受熱器の鉛直方向上方に設けられ、前記受熱器で発生した蒸気を収容する蒸気収容室と、
前記受熱器の水平方向側方もしくは、装置内に封入された初期の冷媒の液面高さ以下の位置に設置され、前記受熱器内で前記冷媒内に発生した気泡によって搬送された冷媒を冷却する放熱器と、
前記冷媒および蒸気が通過する複数の小孔を有する仕切り板を内部に備え、前記受熱器よりも鉛直方向下方に設けられ、前記受熱器の鉛直方向株に接続された小孔付配管と、
前記蒸気収容室から送出される蒸気を前記小孔付配管に導く蒸気流通管と、
前記受熱器から発生した気泡によって搬送される冷媒が流通する第１冷媒流通管と、
前記第１冷媒流通管に連通し、前記放熱器と前記小孔付配管との間を接続する第２冷媒流通管と、
前記蒸気流通管の内部を流れる蒸気もしくは、前記小孔付配管からの冷媒が前記蒸気流通管に逆流もしくは進入するのを防止する第１逆止弁と、
前記第２冷媒流通管を流通する冷媒の逆流を防止する第２逆止弁と、
前記受熱器と前記熱交換用容器とを連通する冷媒還流管と、
前記受熱器から前記冷媒還流管への冷媒の流出を防止する第３逆止弁と、
を備える冷却装置。
【請求項７】
前記受熱器は、前記発熱体が実装された少なくも１つの受熱面を有する容器本体と、前記容器本体内に設けられ、容器本体内に複数の流路を規定した仕切り板と、を有する請求項６に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記複数の仕切り板は、それぞれ鉛直方向に沿って延びているとともに、水平方向に所定の間隔を置いて並んで配置され、前記複数の仕切り板により、それぞれ鉛直方向に延びる複数の流路が形成されている請求項７に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記複数の仕切り板は、前記容器本体内に発生する気泡が前記容器本体の中央部に集約するように、鉛直方向に対し傾斜して設けられている請求項７に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、外部駆動力となる冷媒循環ポンプを用いない自然循環液冷方式を適用した冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、産業用途全般の電力変換装置には、半導体素子等の発熱体が実装され、それらを除熱するための冷却装置が備わっている。近年では、装置の小型化、大容量化にともない、高熱負荷および高発熱密度に対応した冷却方式が求められている。一般に、これらに対応した冷却方式では、循環用ポンプを用いて、冷媒の強制対流を利用した強制循環液冷方式が知られている。しかし、強制循環液冷方式では、システムの冷却系統に付随する、循環ポンプ、液溜タンク、配管等により要素体積が増加することや、ポンプ停止時のシステム運用等に懸念がもたれている。
【０００３】
また、近年の太陽光発電、風力発電のように、出力変動のある変換装置の場合、同一の冷却流量では、急峻な温度変動があり、適用素子の信頼性に影響をきたす問題も挙がっている。また、ヒートパイプに代表されるように、沸騰の潜熱を利用した熱輸送形態をもつ冷却技術が各装置に適用されており、熱サイフォン型ループヒートパイプや、発生気泡の浮力を利用した気泡駆動型ヒートパイプ等自然循環液冷方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１４７３６７号公報
【特許文献２】特開２００５−１９５２２６号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５５６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような自然循環冷却方式を用いた冷却装置では、電力変換装置内部の配置構成上、装置占有スペース、艤装サイズおよび装置実装等の問題から、冷却装置の配置向きの制約を受ける場合があり、装置全体システムの設計自由度が低下する。
【０００６】
既存する冷却装置では、大別すると、気泡の上昇力を利用し冷媒を循環させるもの（気泡ポンプ型）と、発生した蒸気を凝縮させ、液化した冷媒を重力の作用によって還流させるもの（熱サイフォン型）がある。いずれのシステム構成においても、半導体素子を取り付ける受熱部の上部に凝縮部もしくは放熱器を設ける必要がある。しかし、電力変換装置の構造設計上、冷却装置のみならずその他電気用品の配置実装レイアウトの観点から、適用する装置の配置制約を受ける場合が少なからずあり、設計自由度を低くしている。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、配置制約の緩和と小型化を図り、かつ沸騰熱伝達率の向上により冷却性の高い自然循環型の冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、冷却装置は、発熱体が実装される受熱面を有し、内部に液状の冷媒を収容した受熱器と、前記受熱器の水平方向側方に設けられ、前記受熱器で発生した蒸気を凝縮する凝縮器と、前記受熱器の水平方向側方で、前記凝縮器の鉛直方向下方に配置され、前記受熱器から送られる加熱された冷媒を冷却する放熱器と、前記受熱器で発生した冷媒の蒸気を前記凝縮器の流入口へ送る蒸気流通管と、前記凝縮された冷媒を前記凝縮器の流出口から前記受熱器の冷媒流入口に送る凝縮液流通管と、前記受熱器内で加熱された冷媒を前記放熱器の流入口に送る冷媒流通管と、前記放熱器で冷却された冷媒を前記放熱器の流出口から前記受熱器の冷媒流入口に送る冷媒還流管と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る冷却装置を概略的に示す断面図。
【図２】図２は、前記冷却装置における放熱器の一例を示す図。
【図３】図３は、前記冷却装置における放熱器の他の一例を示す図。
【図４】図４は、前記冷却装置における放熱器の内部構造の一例を示す図。
【図５】図５は、前記冷却装置における放熱器の内部構造の他の一例を示す図。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る冷却装置を概略的に示す断面図。
【図７】図７は、第３の実施形態に係る冷却装置を概略的に示す断面図。
【図８】図８は、第３の実施形態に係る冷却装置の小孔付配管部分を拡大して示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る自然循環型冷却装置について詳細に説明する。  
（第１の実施形態）  
図１は、第１の実施形態に係る自然循環型冷却装置を概略的に示す断面図、図２ないし図５は、冷却装置の受熱器の種々の実施例をそれぞれ示す図である。
【００１１】
本実施形態に係る冷却装置は、例えば、電力変換装置を構成するシステムに適用される半導体素子のような発熱体を冷却する冷却装置として構成され、通常は筐体内にほぼ鉛直な平面に設置される。冷却装置の体格は、電力変換装置の出力容量に対する変換損失量に応じたサイズとなり、内部に封入される冷媒量もその体格に応じたものとなる。ここで、冷却装置に封入される冷媒２０１は、純水、炭化水素系、アンモニア水溶液、不凍液、蓄熱マイクロカプセル、ナノフルイド等、一般的に化学的に安定したものを使用し、その熱物性として、特に、蒸発潜熱、熱伝導率、粘性係数が小さいもの、また漏えいしても毒性が少なく、不燃性を有したものが望ましい。さらに、昨今の環境性能への配慮を鑑みた場合、オゾン破壊係数（ＯＤＰ）や地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い冷媒も望ましい。
【００１２】
図１に示すように、冷却装置１０は、発熱体としての半導体素子１１から発生する熱を授受して半導体素子を冷却する受熱器１２と、放熱器１４と、熱交換用容器１６と、蒸気収容室１８と、これらを互いに接続する複数本の配管と、を備えている。
【００１３】
図１および図２に示すように、受熱器１２は、例えば、偏平な矩形箱状の容器本体１３を備え、この容器本体１３は、ほぼ鉛直な平面に配置されている。容器本体１３は、鉛直方向に延びる２つの主面１３ａ、１３ｂを有し、これら主面の一方あるいは両方は、受熱面を構成している。本実施形態では、一方の主面１３ａが受熱面を構成し、この受熱面１３ａ上に、発熱体としての複数組の半導体素子１１が、例えば、２列に並んで実装されている。半導体素子１１は、電力変換装置の一部を構成している。
【００１４】
容器本体１３は、冷却装置１０の冷却能力に応じて、所定の大きさに形成され、所定量の液状の冷媒２０１が封入されている。受熱器１２の受熱面１３ａは、実装された半導体素子１１の発熱量およびサイズに応じて、所定サイズ、形状、材質が適用される。受熱面１３ａの形成材料は、適用冷媒２０１に応じて、アルミニウム製、黄銅製を使用する。また、また、受熱面１３ａの表面には、照射ビーム、サンドブラストおよび溶射皮膜等の外的処理を加えて、表面性状の改質を図った材料を適用してもよい。もしくは溶射皮膜形状等の外部から物理的処理を行った受熱面１３ａの改質により、伝熱促進を図った材料を適用してもよい。
【００１５】
図３に示すように、受熱器１２は、半導体素子１１を片面の受熱面１３ａのみに実装するのみならず、他方の主面１３ｂを受熱面として、両主面上に半導体素子１１を実装してもよい。つまり、容器本体１３の両方の受熱面１３ａ、１３ｂ上に半導体素子１１を実装配置した構成をとってもよい。
【００１６】
図２ないし図４に示すように、受熱器１２の容器本体１３は、鉛直方向下端に形成された冷媒の流入口１５ａ、および鉛直方向上端に形成された冷媒の流出口１５ｂを有し、これら流入口１５ａ、流出口１５ｂは、それぞれが冷媒還流管６と第１冷媒流通管４ａに接続されている。容器本体１３の内部には、それぞれほぼ鉛直方向に延びる複数枚の仕切り板２０が、水平方向に所定間隔で並んで設置されている。この所定間隔は、受熱面１３ａ、１３ｂに実装する半導体素子１１の発熱量もしくは、受熱器１２のサイズに起因する熱流束に応じて決まるものである。また、受熱面１３ａ、１３ｂの鉛直方向の長さに対しては、実装する半導体素子１１の個数と発熱量、ならびに適用する冷媒２０１の種類で決まる。これは、受熱面１３ａ、１３ｂで授受した熱によって冷媒２０１内に発生する気泡１０１のサイズに起因する。さらに、容器本体１３の鉛直方向上端部および下端部は、配管の流出口１５ｂ、流入口１５ａに向かって、徐々に先細となるように絞り込んだ形状としてもよい。また、図５に示すように、容器本体１３の内部に設置する、複数枚の仕切り板２０は、鉛直方向上端部および下端部の配管に向かうように、傾斜をもたせて設置させてもよい。
【００１７】
図１に示すように、冷却装置１０の放熱器１４は、受熱器１２の水平方向側方に位置される。放熱器１４は、第１冷媒流通管４ａと第１蒸気収容室１８を介して、受熱器１２の上部と連通している。また、放熱器１４は、第２冷媒流通管４ｂを通して熱交換用容器１６に連通し、この第２冷媒流通管４ｂの一部は、流入口８ａおよび流出口８ｂを通して、熱交換用容器１６内を貫通し、更に、第３冷媒流通管４ｃおよび第２逆止弁４０ｂを介して、熱交換用容器１６の鉛直方向下部（第２流入口９ｂ）に繋がり、熱交換用容器１６内部へと連通している。放熱器１４に冷却された冷媒２０１は、第２冷媒流通管４ｂ、熱交換用容器１６内部、第３冷媒流通管４ｃ、第２逆止弁４０ｂを流通して、熱交換用容器１６へ導かれる。
【００１８】
基本的に、放熱器１４は、受熱器１２と熱交換用容器１６との間、かつ、受熱器１２の水平方向下方に位置していればよく、通常は、圧力損失が低くなる構成で配置することが望ましい。放熱器１４は、内部を流れる冷媒２０１が搬送してきた熱を外気との熱交換によって、放熱する役割をもつため、図示はしないが、放熱器１４の近傍には、放熱させるファンもしくはブロアが設置される。
【００１９】
熱交換用容器１６は、受熱器１２および放熱器１４より鉛直方向下方に配置されている。熱交換用容器１６は、その鉛直方向上部（流出口９ｃ）が、第３逆止弁４０ｃおよび冷媒還流管６を介して、受熱器１２の流入口１５ａに連通している。また、熱交換用容器１６の水平方向側方部分（第１流入口９ａ）は、第１逆止弁４０ａおよび蒸気流通管５を介して、蒸気収容室１８に連通している。蒸気収容室１８内の蒸気は、蒸気流通管５および第１逆止弁４０ａを介して、熱交換用容器１６内へ流入する。
【００２０】
冷却装置１０の構成要素のひとつとなっている接続用の配管である、蒸気流通管５、第１冷媒流通管４ａ、第２冷媒流通管４ａ、第３冷媒流通管４ｃ、冷媒還流管６については、円管、矩形管、楕円管等の形状を適用する。その管内部に、突起体形状のもの、くし型フィン、ピンフィンなどを設置し、流動の阻害にならない程度に配置し、内部の伝熱面積増大を図った構造を適用してもよい。
【００２１】
放熱器１４へ冷媒２０１を送出する前に、冷媒を液単相状態にすることが望ましく、第１冷媒流通管４ａの流入部には、受熱器１２で発生した気泡１０１の残存気泡の崩壊を促すための、金網、邪魔板等を設置した構成としてもよい。
【００２２】
（作用）  
次に、上記のように構成された冷却装置１０の作用について説明する。  
図１に示すように、受熱器１２の受熱面１３ａ、１３ｂに実装された半導体素子１１が起動し、発熱が開始されると、熱が受熱面１３ａ、１３ｂを介して受熱器１２の内部へと熱伝導する。この熱は、受熱器内部の冷媒２０１へ熱伝達される。ここで、半導体素子１１の発熱量が増加するにつれて受熱器１２内部の冷媒２０１の温度が上昇し、沸点に達したところで沸騰を開始される。この沸騰によって発生する気泡１０１が周囲の冷媒２０１との密度差により浮力が発生し、上昇流が誘起される。この上昇流によって周囲冷媒もそれに追従して容器本体１３を上昇し、その流れ場は、気相と液相の混合状態にある、気液二相流の状態となる。
【００２３】
ここで、例えば、図４に示すように、発生した気泡１０１は、仕切り板２０により矩形状に区分けされた流路内を鉛直方向上方に整流された状態で上昇する。容器本体１３の鉛直上端部に行くに従い、流れが縮流していき、流れが合流し、受熱器１２の流出口１５ｂから上部へ送出される。
【００２４】
送出された気液二相流状態にある、冷媒２０１は、上部に設置された蒸気収容室１８を経由して、そのうちの液相部分が、第１冷媒流通管４ａを介して、放熱器１４へ送られる。冷媒２０１の液相部分は放熱器１４で放熱された後、熱交換用容器１６内部を一旦経由し、第１逆止弁４０ｂを介して、再び第２流入口９ｂから熱交換用容器１６の下部へ送出される。
【００２５】
一方、発生した蒸気１０２は、蒸気収容室１８内部の圧力が上昇してくると、蒸気流通管５および第１逆止弁４０ａを通して、第１流入口９ａから熱交換用容器１６へと送られる。この場合、熱交換用容器１６内部では、放熱器１４で冷却された冷媒２０１が内部に流通する管を介して、凝縮する。このとき、蒸気収容室１８の内部圧力に比べ、熱交換用容器１６の内部圧力が相対的に低下する。このため、蒸気収容室１８から熱交換用容器１６への蒸気流入が促進される。また、第３冷媒流通管４ｃを介して熱交換用容器１６へ流入してくる、冷媒２０１も、その圧力差から、流入が促進される。ここで、熱交換用容器１６内部に流入してきた冷媒２０１は、第２逆止弁４０ｂで、第３冷媒流通管４ｃへ逆流が防止され、さらに、第１逆止弁４０ａで、蒸気流通管５への流入が阻止される。このため、熱交換用容器１６内の冷媒２０１は、熱交換用容器１６の鉛直方向上方に設置された冷媒還流管６へのみの通流が限定され、流れがその冷媒還流管６を介して再び、流入口１５ａから受熱器１２内へ戻り、半導体素子１１の冷却に寄与する。このようにして、冷却装置１０内では、自然循環ループが形成される。この場合、受熱器１２は、内部で発生する沸騰現象による潜熱輸送と、熱交換用容器１６から搬送されてくる冷媒２０１の顕熱輸送がプラスされた状態、すなわち準強制流動沸騰状態となる。
【００２６】
（効果）  
以上のように、構成された第１の実施形態に係る冷却装置１０によれば、受熱器１２の受熱面１３ａ、１３ｂに実装された半導体素子１１からの熱が、受熱面１３ａ、１３ｂを熱伝導し、受熱器１２内部の冷媒２０１への熱伝達による熱輸送が行われる。この半導体素子１１の発熱量の増加により、受熱面１３ａ、１３ｂの壁面に接する冷媒２０１が所定沸点（飽和温度）に達したときに沸騰が開始され、その壁面に伝熱された熱を、蒸発潜熱つまり冷媒が蒸発する際に発生する熱として奪う。この熱輸送は、通常の顕熱輸送と比較して高くなるため、高レベルでの熱輸送が可能となる。沸騰によって発生した気泡の浮力の効果により、上昇流が発生し、冷却装置内のループシステムにおいて循環流が誘起される。そのため、循環用ポンプのような外部駆動源なしで冷却装置内部の冷媒２０１を循環させることが可能となる。
【００２７】
受熱器１２の鉛直方向上方に設置される蒸気収容室１８は、内部冷媒２０１の液面よりも高く位置づけられているため、冷媒２０１が波立ち発生する、ウォーターハンマー現象を防止することが可能となる。
【００２８】
蒸気流通管５を介して、送出された蒸気１０２は、熱交換用容器１６内部に流入した後、放熱器１４を通過して冷却された冷媒２０１によって冷却されて凝縮するため、熱交換用容器１６の圧力が低下する。これにより、周囲との圧力均衡を保とうとするため、第３冷媒流通管４ｃを経由した冷媒２０１の熱交換用容器１６への流入が促進され、受熱器１２の下部から還流してくる、冷媒２０１の循環流量が向上する。また、熱交換用容器１６内で冷媒の凝縮不足が生じた場合でも、残存した蒸気１０２が、冷媒２０１に溶け込み、鉛直方向への気液二相流状態となって、循環流量を向上されることができる。これらの効果により、受熱器１２内部では、沸騰によって発生する気泡１０１の離脱が促進されることで、受熱面１３ａ、１３ｂでの沸騰熱伝達率を向上させることができる。この沸騰形態となることで、液単相の熱伝達はもとより、通常のプール沸騰熱伝達と比較しても、高レベルの熱伝達が可能となり、同一の熱輸送量で比較した場合、大幅な熱流束向上により、受熱器１２の小型化につながる。
【００２９】
熱交換用容器１６を通過した冷媒２０１は、その内部で熱を授受されるため、冷媒としては、再加熱され、流入時よりも温度が高い状態になる。つまり、流出された冷媒２０１はサブクール度が低い状態になる。通常、放熱器１４で冷却された冷媒２０１は、サブクール度の高い状態にある。この冷媒２０１が受熱器１２へ還流する形態をとった場合、伝熱面領域では、過熱度が低くなり、沸騰状態が抑制された状態となる、すなわち、気泡の発泡点数が少なくなる。しかし、本実施形態では、受熱器１２の下部で熱交換用容器１６を介して冷媒を流通しているため、サブクール度が低い状態で冷媒が受熱器１２に流入することになる。このため、受熱器１２の下部領域では、沸騰による気泡の発泡が維持され、均一かつ安定化した沸騰状態になりうる。さらに、前述した、熱交換用容器１６から送出される冷媒２０１の流量増加から、さらなる伝熱促進効果を発揮できる。
【００３０】
以上のことから、熱交換用容器１６を受熱器１２の下部に配置できる構成とすることで、配置制約を緩和し、さらに循環流量を向上、高い冷却性能を発揮できる冷却装置が得られる。また、冷却装置の小型化、低コスト化を図ることも可能となる。
【００３１】
次に、他の実施形態に係る冷却装置について説明する。  
以下に説明する他の実施形態において、前述した第１の実施形態と同一構成要素あるいは、それに相当する構成部材については、同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００３２】
（第２の実施形態）  
図６は、第２の実施形態に係る自然循環型の冷却装置１０を示している。  
第２の実施形態によれば、放熱器１４から延びる第２冷媒流通管４ｂは、熱交換用容器１６の第２流入口９ｂから熱交換用容器１６内に直接連通している。また、第２逆止弁４０ｂは、第２流入口９ｂの近傍で、第２冷媒流通管４ｂ内に設けられている。第２の実施形態において、冷却装置１０の他の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
【００３３】
このように構成された冷却装置１０においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
【００３４】
（第３の実施形態）  
図７は、第３の実施形態に係る自然循環型の冷却装置１０を概略的に示す断面図、図８は、熱交換用容器に代えて設けられた小孔付配管３０の部分を拡大して示す断面図である。
【００３５】
図７に示すように、第３の実施形態によれば、冷却装置１０を構成する各構成要素のうち、放熱器１４は、受熱器１２の水平方向側方もしくは、受熱器１２上部に配置され、蒸気収容室１８内部の液面より鉛直方向下方であればよい。つまり、放熱器１４の設置位置は、ループシステムの冷媒液面高さ位置を超えない範囲において、自由に設置可能である。
【００３６】
本実施形態の冷却装置によれば、第１の実施形態に比較して、熱交換用容器１６の代わりに、小孔付配管３０が設けられている。すなわち、図７および図８に示すように、放熱器１４から鉛直方向下方に延びる第２冷媒流通管４ｂは、その流出側端部がＵ字状に折り曲げられ、第２逆止弁４０ｂを介して小孔付配管３０に接続されている。この小孔付配管３０は、鉛直方向に沿って延び、その上端は、第３逆止弁４０ｃおよび冷媒還流管６を介して受熱器１２の流入口に接続されている。更に、蒸気流通管５の流出端は、第１逆止弁４０ａを介して小孔付配管３０に接続されている。
【００３７】
小孔付配管３０は、その内部に配設された複数の仕切り板３２を有し、各仕切り板３２に多数の小孔が形成されている。これら仕切り板３２は、鉛直方向に所定の隙間を置いて、互いに平行に並んで配管３０内に取付けられている。蒸気流通管５の流出端は、仕切り板３２の上下および仕切り板間の空間に連通している。  
なお、冷却装置１０のその他の構成および各構成要素の構成は、前述した第１の実施形態と同一である。
【００３８】
（作用）  
上記構成の冷却装置１０によれば、受熱器１２の内部に発生した気泡１０１の上昇力により冷媒２０１が、上方の蒸気収容室１８へ移送され、蒸気１０２は、その蒸気収容室１８に接続された蒸気流通管５および、その途中の第１逆止弁４０ａを介して受熱器１２の下方の、小孔付配管３０内部へと送出される。一方、蒸気収容室１８へ流れ込んだ冷媒２０１は、その冷媒液面高さ以下に設置された放熱器２へ下降流の状態で送出される。この冷媒２０１は放熱器１４で冷却された後、受熱器１２の下部へ送出される。
【００３９】
このとき、冷媒２０１は、第１逆止弁４０ａで、蒸気流通管５への流入が阻止され、また、蒸気流通管５から小孔付配管３０へ送られた蒸気１０２が、小孔付配管３０内の仕切り板３２の透孔を通過して、気泡１０１の形態となる。その気泡１０１が微小気泡サイズの場合は、第２冷媒流通管４ｂから小孔付配管３０に送られた冷却された冷媒２０１の影響で、微小気泡が凝縮される。気泡１０１が凝縮することで局所的に流体内部に圧力差が生じる。つまり、気泡１０１が消滅することで、小孔付配管３０内の圧力が相対的に低下し、この部分に冷媒２０１が集中するように冷媒２０１が移動する。この場合、第１逆止弁４０ａおよび第２逆止弁４０ｂが設置されていることから、冷媒２０１の移動方向は、鉛直方向上方の受熱器１２に接続された冷媒還流管６の方向となる。つまり、圧力差により、受熱器１２下部で流れの上昇流量が増加することになる。また、凝縮しきれなかった蒸気１０２は、そのまま気泡１０１となり、周囲冷媒を巻き込み上昇流を誘起される。なお、これ以外の作用については、第１の実施形態と同様となる。
【００４０】
（効果）  
以上のように構成された第３の実施形態に係る冷却装置１０によれば、半導体素子１１の発熱量にあわせて冷却装置１０内に封入されている冷媒２０１の液量を調節し、ループシステム内の冷媒２０１の所望液面高さ以下に収まる範囲において、放熱器１４を自由に構成可能となる。
【００４１】
蒸気流通管５から送出された蒸気１０２が小孔付配管３０に送られ、更に、放熱器１４で冷却された冷媒２０１が第２冷媒流通管４ｂを通して小孔付配管３０へ送られる。そのため、小孔付配管３０内で蒸気１０２が急激に凝縮することで局所的な圧力差と、かつ蒸気１０２が小孔付配管３０の仕切り板３２に形成された小孔を通じて発生する気泡１０１の上昇流の相乗効果によって、上昇流量が増加する。このため、受熱器１２の潜熱輸送の効果に加えて、顕熱輸送による効果で、沸騰熱伝達率が向上する。これにより、高熱負荷に対応可能な冷却装置が得られる。その他、第３の実施形態においても、前述した第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。
【００４２】
なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。  
冷却装置の冷却対象となる発熱体は、電力変換装置の半導体素子に限らず、他の発熱体としてもよい。受熱器および受熱面を構成する材料は、前述した実施形態に限定されることなく、種々選択可能である。
【符号の説明】
【００４３】
４ａ…第１冷媒流通管、４ｂ…第１冷媒流通管、４ｃ…第１冷媒流通管、  
５…蒸気流通管、６…冷媒環流管、１０…冷却装置、１１…半導体素子、  
１２…受熱器、１３…容器本体、１３ａ、１３ｂ…受熱面、１４…放熱器、
１５ａ…流入口、１５ｂ…流出口、１８…蒸気収容室、２０…仕切り板、
３０…小孔付配管、３２…仕切り板
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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