(57)【要約】【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、冷却装置内のキャビテーション現象による損傷を防ぐことを目的とするものである。 【解決手段】受熱部６と、受熱部６の流出口１０と放熱経路８を介して接続した放熱部７と、この放熱部７と受熱部６の流入口１５とを接続する帰還経路９とを備え、受熱部６は、流入口１５の下流側に、凝縮して停留した冷媒１８の水頭圧と帰還経路９内と受熱空間１２内との圧力バランスによって開動する逆止弁１４と、逆止弁１４の下流側に、凝縮した冷媒を流入させる導入管１７と、受熱部６の外壁および放熱経路８の管壁の少なくとも一部を加熱する冷媒加熱部を備えた構成とした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱部と、
この受熱部の流出口と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とを接続する帰還経路とを備え、
前記受熱部は、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受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、
前記受熱部は、前記流入口の下流側に、凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、
前記逆止弁の下流側に、凝縮した冷媒を流入させる導入管と、
受熱部の外壁および放熱経路の管壁の少なくとも一部を加熱する冷媒加熱部を備えた冷却装置。
【請求項２】
前記冷媒加熱部は、前記放熱経路の管壁に熱線ヒーターを配した管壁加熱部である構成の請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷媒加熱部は、前記受熱部の外壁に熱線ヒーターを配した受熱部外壁加熱部である構成の請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記熱線ヒーターは、断熱材で覆われた構成の請求項２または請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置を搭載した電子機器。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置を搭載した電気自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作動流体を循環させて冷却を行う冷却装置およびこれを搭載した電子機器および電気自動車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、以下のような構成となっていた。
【０００３】
すなわち、発熱体から発生した熱を受熱する受熱部と、この受熱部の流出口と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とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、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受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁とを備える構成となっていた。
【０００４】
例えば、これに類似する先行文献として下記特許文献１参照。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】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】
【０００６】
上記従来例における課題は、受熱部の発熱体からの熱で気化した高温の気相冷媒が、受熱部から放熱部に至る途中で、気相冷媒自身よりも相対的に温度の低い受熱部周辺の外壁や放熱経路の管壁などに気相冷媒が接触することにより再冷却され液相となる。この時、いわゆるキャビテーション現象が発生する場合があり、受熱部周辺壁や放熱管路内壁の損傷に繋がる課題があった。
【０００７】
すなわち、上記従来例の冷却装置において、受熱部に流れ込んだ液相冷媒は、一部が受熱板より熱を受けて沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒とともに、受熱板上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。その後、混相流は放熱経路へと受熱部から流れ出て放熱部へと移動する。この際、高温の気相冷媒は、比較的冷えている熱源と接触していない受熱部内壁や放熱経路内壁に接触して凝縮し気相とほぼ同温度の液相に変化する。そして、この液相が別の気相と再接触することで液相内部に新たな気泡を形成することがある。この様に形成された液相内気泡は、外部との熱の授受によって、つぎの瞬間、存在した気泡空間が急激な負圧を伴って消失する、いわゆるキャビテーション現象を発生する場合がある。気泡が消失した壁面近傍では、液相内で高い衝撃波を伴う流体移動が発生し、受熱部内壁や放熱管路内壁の表面が削られることがある。
【０００８】
本発明は、受熱部外壁や放熱経路の管路壁の温度を上げることにより、受熱部と放熱経路内で発生するキャビテーション現象を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、この目的を達成するために、本発明は、受熱部と、この受熱部の流出口と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とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、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受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記受熱部は、前記流入口の下流側に、凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記逆止弁の下流側に、凝縮した冷媒を流入させる導入管と、受熱部の外壁および放熱経路の管壁の少なくとも一部を加熱する冷媒加熱部を備えたことを特徴とする。これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように本発明は、本発明は、受熱部と、この受熱部の流出口と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とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、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受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記受熱部は、前記流入口の下流側に、凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記逆止弁の下流側に、凝縮した冷媒を流入させる導入管と、受熱部の外壁および放熱経路の管壁の少なくとも一部を加熱する冷媒加熱部を備えたことを特徴とするものであり、これにより、受熱部内壁面や放熱経路内で発生するキャビテーション現象を抑制することができるのである。
【００１１】
すなわち、本発明によれば、前記受熱部から流れ出た前記冷媒の再冷却を防ぐために受熱部外壁や前記放熱経路の壁面を加熱することにより、前記気相冷媒は、受熱部内壁や前記放熱経路内壁で冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、受熱部内や前記放熱経路内でのキャビテーション現象を抑制できるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】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
【図２】同冷却装置の構成を示す図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１の冷却装置の放熱経路の管路断面の構成図、（ｂ）同冷却装置の放熱経路の正面図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の冷却装置の放熱経路の管路断面の構成図、（ｂ）同冷却装置の冷却加熱部のＡ−Ａ断面を示す図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２の冷却装置の受熱部外壁加熱部の上面図、（ｂ）同冷却装置の受熱部外壁加熱部の側面図、（ｃ）同冷却装置の受熱部外壁加熱部の下面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の冷却装置は、本発明は、受熱部と、この受熱部の流出口と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とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、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受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、前記受熱部は、前記流入口の下流側に、凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記帰還経路内と前記受熱空間内との圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記逆止弁の下流側に、凝縮した冷媒を流入させる導入管と、受熱部の外壁および放熱経路の管壁の少なくとも一部を加熱する冷媒加熱部を備えた構成とすることにより、受熱部内壁や放熱経路内壁で発生するキャビテーション現象を抑制することができるのである。
【００１４】
すなわち、本発明によれば、前記受熱部で発生した高温の混相流が前記放熱部に至るまでの途中の壁面で再冷却されるのを防ぐために前記受熱部外壁や前記放熱経路の管壁を冷媒加熱部で加熱する構成としている。これにより、前記混相冷媒の気相冷媒が、前記受熱部内壁面や前記放熱経路の内壁面で冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、受熱部内壁や放熱経路内壁でのキャビテーション現象を抑制できるという効果を奏する。
【００１５】
また、前記冷媒加熱部は、前記放熱経路の管壁に熱線ヒーターを配した管壁加熱部である構成にしてもよい。前記放熱経路へ前記受熱部から流れ出た前記冷媒は、管壁加熱部で、熱線ヒーターにより、より高温に放熱経路の管壁を加熱することができるので、前記気相冷媒は、前記放熱経路で冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、前記放熱経路内でのキャビテーション現象を抑制できるという効果を奏する。
【００１６】
また、前記冷媒加熱部は、前記受熱部の外壁に熱線ヒーターを配した受熱部外壁加熱部である構成にしてもよい。冷媒を受熱部外壁加熱部で、熱線ヒーターにより、より高温に受熱部外壁を加熱することができるので、前記気相冷媒は、受熱部の内壁に接触して冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、受熱部内でのキャビテーション現象を抑制できるという効果を奏する。
【００１７】
また、前記熱線ヒーターは、断熱材で覆われた構成にしてもよい。これにより、冷媒加熱部での加熱に加えて、冷媒加熱部から外部への放熱量が減少することとなる。これにより、前記放熱経路や前記受熱部を通過する冷媒をより高温に保つことができるので、前記気相冷媒は、前記放熱経路や前記受熱部で冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、前記放熱経路内や前記受熱部でのキャビテーション現象を抑制できるという効果を奏する。
【００１８】
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、放熱管路内部の損傷に繋がるキャビテーション現象が発生しない信頼性の高い冷却装置となり、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。
【００１９】
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、放熱管路内部の損傷に繋がるキャビテーション現象が発生しない信頼性の高い冷却装置となり、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。
【００２０】
（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。
【００２１】
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。
【００２２】
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である半導体スイッチング素子４を配置した電力変換装置１９に接続されている。電力変換装置１９は、電力を電動機３に供給している。
【００２３】
また電力変換装置１９には、発熱体４を冷却する冷却装置５が設けられている。
【００２４】
図２は、同冷却装置の構成を示す図である。
【００２５】
図２に示すように、冷却装置５は、受熱部６と、放熱部７と、放熱経路８と、帰還経路９とを備えている。そして冷媒１８が、受熱部６、放熱経路８、放熱部７、帰還経路９、および受熱部６へ循環する。冷却装置５は、冷媒１８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６は、発熱体４からの熱を吸収し、発熱体４からの熱を冷媒１８に伝える。放熱部７は、冷媒１８の熱を放出する。放熱経路８および帰還経路９は、受熱部６と放熱部７とを接続する管路により構成されている。
【００２６】
受熱部６は、発熱体４に接触させて熱を吸収する受熱板１１と、受熱板１１の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒１８を蒸発させる受熱空間１２を形成する受熱カバー１３とを備えている。さらに、受熱部６の流入口１５の下流側に、逆止弁１４を備えている。逆止弁１４の下流側には、凝縮した冷媒を流入させる導入管１７を備えている。
【００２７】
逆止弁１４は、凝縮して停留した冷媒１８の水頭圧と帰還経路９内と受熱空間１２内との圧力バランスによって開動する。すなわち、受熱空間１２内で冷媒１８の膨張がおさまると受熱空間１２内の圧力が下がり、逆止弁１４の上流側に停留した冷媒１８の水頭圧が、受熱空間１２内の圧力より大きくなり、逆止弁１４が開き、冷媒１８が逆止弁１４の下流に設けた導入管１７を流れて、受熱板１１に流入する。
【００２８】
冷却装置５の冷媒循環経路は、受熱部６、流出口１０、放熱経路８、放熱部７、帰還経路９、受熱部６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。
【００２９】
この様な構成の本実施の形態１の冷却装置５は、受熱部６内において封入された冷媒１８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１１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。
【００３０】
しかしながら、熱源接触部以外の受熱部内面や放熱経路８内において液相と気相の冷媒１８が接触する場合や、または、冷えた放熱経路８内壁に気相の冷媒が接触することにより、いわゆるキャビテーション現象が発生し、放熱経路８内部の損傷に繋がる可能性があるという課題がある。その理由を以下に説明する。
【００３１】
冷却装置５において、受熱部６に流れ込んだ液相の冷媒１８は、一部が受熱板１１より熱を受けて沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒１８を伴って、受熱板１１上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。その後、混相流は放熱経路８へと受熱部６の気化面から受熱部６の周辺部へ拡散した後、流出口１０から流れ出て、放熱部７へと移動する。この際、受熱部６の周辺部の壁面や放熱経路８の内壁面は、気相の冷媒１８よりも相対的に冷えている部分が多く、冷媒１８がこの冷えた壁面に接触して、冷却され液相に変化することがある。そして、この液相が別の気相と再接触することで液相内部に新たな気泡を形成する場合がある。この様に形成された液相内気泡は、外部との熱の授受によって、つぎの瞬間、気泡が存在した空間が急激な負圧を伴って消失する、いわゆるキャビテーション現象が発生する場合がある。気泡が消失した壁面近傍では、液相内で高い衝撃波を伴う流体移動が発生し、受熱部内壁面や放熱管路内壁表面が削られることがある。
【００３２】
そこで、この課題を解決するために、本発明の実施の形態１の冷却装置５は、図２に示す様に冷媒加熱部として、放熱経路８に放熱経路８の管壁を温める管壁加熱部１６を設けた。この構成により、冷却装置５において発生するキャビテーション現象を抑制し、放熱経路８内壁表面が損傷することを防ぐことができるものである。
【００３３】
すなわち、管壁加熱部１６において放熱経路８を加熱することにより、受熱部６の流出口１０から流出した混相の冷媒１８の温度を降下しないようにすることができる。これにより、気相が冷却されて液相に変化することが少なくなる。また、これにより、放熱経路８の内壁に気相の冷媒が接触しても、気相が冷却されて液相に変化することが少なくなる。それらの結果により、冷却装置５の放熱経路８内において発生するキャビテーション現象を抑制することができ、放熱経路８の内壁表面の損傷を防ぐことができる。
【００３４】
また、図３は放熱経路８の構成を示した図である。図３に示すように、放熱経路８は、熱線ヒーター６７を巻いた構成にしてもよい。放熱経路８の管壁を加熱する管壁加熱部１６は、熱線ヒーター６７により、放熱経路８の壁面をより高温に加熱し、また放熱経路８を通過する冷媒１８を、気相の冷媒１８温度と同様により高温に保つことができるので、気相の冷媒１８は、放熱経路８で冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、前記放熱経路内でのキャビテーション現象を抑制できるので放熱経路８の内壁表面の損傷を防ぐことができる。
【００３５】
また、図４は放熱経路８の構成を示した断面図である。図４に示すように、放熱経路８に巻いた熱線ヒーター６７は、断熱材６８で覆われた構成にしてもよい。これにより、管壁加熱部１６での加熱に加えて、放熱経路８から外部への放熱量が減少することとなる。これにより、放熱経路８の内壁や、放熱経路８を通過する冷媒１８を気相の冷媒１８温度と同様より高温に保つことができるので、気相の冷媒１８は、放熱経路８で冷やされず、凝縮し難くなる。その結果、放熱経路８内でのキャビテーション現象を抑制でき、放熱経路８の内壁表面の損傷を防ぐことができる。
【００３６】
なお、放熱経路８の管壁に設けた温度検知手段により検知した管壁の温度があらかじめ設定した基準温度より低温であると判断した場合に、熱線ヒーター６７を作動させる構成としてもよい。これにより、放熱経路８の管壁の温度が高温である場合は、熱線ヒーター６７を作動することがなく電力の消費を低減することができる。
【００３７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２について、図２および図５を参照しながら説明する。実施の形態２は、実施の形態１の冷媒加熱部を設ける位置を前記放熱経路８から受熱部６の外壁に変更したものである。なお、実施の形態１と同一構成部分については便宜上同一符号を付し、その具体的な説明も実施の形態１のものを援用する。キャビテーションの発生が予測される箇所、すなわち混相流の気相分が冷却される場所は、図２でも説明した放熱経路８の管路内壁だけでなく、受熱部６の発熱体４が接触した壁面を除いた全ての受熱部６の内壁面となる。
【００３８】
したがって、図２では、受熱部６の発熱体４の接触部以外の前面を覆うように冷媒過熱部として受熱部外壁加熱部５０が配された構成となっている。この構成により、受熱部６の内壁面でのキャビテーション現象を抑制でき、受熱部６の内壁表面の損傷を防ぐことができる。
【００３９】
また、図５は、前記受熱部外壁加熱部５０の配置構成を示したものであり、図５（ａ）は受熱部上面に熱線ヒーター６７を配した受熱部外壁加熱部５０の構成を示したもの、図５（ｂ）は受熱部側面に熱線ヒーター６７を配した受熱部外壁加熱部５０の構成を示したもの、図５（ｃ）は受熱部下面に熱線ヒーター６７を配した受熱部外壁加熱部５０の構成を示したものである。
【００４０】
この様な構成とすることで、実施の形態１で示した気相冷媒の再冷却の発生を防止し、結果的に受熱部６の内壁面でのキャビテーション現象も抑制できるため、放熱経路８の内壁表面の損傷を防ぐことが可能となるのである。
【００４１】
なお、受熱部６の外壁に設けた温度検知手段により検知した管壁の温度があらかじめ設定した基準温度より低温であると判断した場合に、熱線ヒーター６７を作動させる構成としてもよい。これにより、受熱部６の外壁の温度が高温である場合は、熱線ヒーター６７を作動することがなく電力の消費を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４２】
以上のように本発明にかかる冷却装置は、受熱部から放熱部までの冷媒循環路の管壁に冷媒加熱部を設けたことを特徴とするものであり、冷却装置において発生するキャビテーション現象の抑制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。
【符号の説明】
【００４３】
１    電気自動車
２    車軸
３    電動機
４    発熱体（半導体スイッチング素子）
５    冷却装置
６    受熱部
７    放熱部
８    放熱経路
９    帰還経路
１０    流出口
１１    受熱板
１２    受熱空間
１３    受熱カバー
１４    逆止弁
１５    流入口
１６    管壁加熱部
１７    導入管
１８    冷媒
１９    電力変換装置
２０    配管経路
５０    受熱部外壁加熱部
５０ａ  上部受熱部壁加熱部
５０ｂ  側部受熱部壁加熱部
５０ｃ  下部受熱部壁加熱部
６７    熱線ヒーター
６８    断熱材
【図１】
2016138738.tif 000003
【図２】
2016138738.tif 000004
【図３】
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【図４】
2016138738.tif 000006
【図５】
2016138738.tif 000007