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WO2014038179A1 - 冷却装置、これを搭載した電気自動車、および電子機器 - Google Patents

冷却装置、これを搭載した電気自動車、および電子機器 Download PDF

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WO2014038179A1
WO2014038179A1 PCT/JP2013/005190 JP2013005190W WO2014038179A1 WO 2014038179 A1 WO2014038179 A1 WO 2014038179A1 JP 2013005190 W JP2013005190 W JP 2013005190W WO 2014038179 A1 WO2014038179 A1 WO 2014038179A1
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WO
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heat
cooling device
refrigerant
receiver
heat receiving
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PCT/JP2013/005190
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French (fr)
Inventor
郁 佐藤
若菜 野上
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Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
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Priority claimed from JP2012267936A external-priority patent/JP2014116385A/ja
Priority claimed from JP2013065899A external-priority patent/JP2014192302A/ja
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Priority to US14/415,137 priority patent/US20150181756A1/en
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    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/70—Energy storage systems for electromobility, e.g. batteries

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device, an electric vehicle equipped with the cooling device, and an electronic device.
  • a cooling device for an electric vehicle equipped with a power semiconductor has been mounted on a power conversion circuit.
  • an electric motor serving as a driving power source is switching-driven by an inverter circuit that is a power conversion circuit.
  • the inverter circuit a plurality of power semiconductors represented by power transistors are used. During the operation of the inverter circuit, a large current flows through each power semiconductor and generates a large amount of heat. Therefore, it is necessary to cool these power semiconductors simultaneously.
  • CPUs Central Processing Units
  • the CPU is a heating element, and simultaneous cooling of the CPU is an important problem.
  • the contact point temperature of the surface that contacts the heating element of each heat receiver Is determined from the heat receiving performance of each heat receiver and the inflowing water temperature.
  • the contact point temperature of the surface contacting the heating element of the last heat receiver is a value obtained by adding the rising temperature determined by the heat receiving performance of the heat receiver and the waste water temperature of the preceding heat receiver. Therefore, in the plurality of heat receivers, there is a first problem that the temperature of the water flowing into the heat receiver increases as it goes to the rear stage, and the cooling performance decreases as it goes to the rear stage.
  • the refrigerant takes the heat of the power semiconductor and is vaporized in the lower heat receiver. Then, the refrigerant is cooled and liquefied in the heat dissipating section arranged in the upper part, and the cycle of dropping again in the lower part is repeated. As a result, the inverter circuit is cooled.
  • such a cooling device is a boiling type cooling type that evaporates by boiling a refrigerant in a heat receiver. Since this type receives heat in a state where the refrigerant stays in the heat receiver, the heat transfer efficiency to the refrigerant is poor and the cooling performance is low.
  • the refrigerant circulation type cooling type shown in Patent Document 3 receives heat in a state where the refrigerant is convected in the heat receiver, the heat transfer efficiency to the refrigerant is high, and the cooling performance is remarkably improved.
  • the tip of the return path is rushed into the heat dissipation part as a rush part.
  • the refrigerant is rapidly spread in a thin film state in the heat receiver.
  • a part of the refrigerant rapidly evaporates in the entry portion of the return path. Due to the pressure, the refrigerant remaining in the rush portion rapidly spreads into the heat receiver in a thin film state.
  • the refrigerant circulation type cooling type has drastically improved cooling performance, but further improvement is required for mounting on various devices.
  • a cooling device of the present invention includes a heat receiving unit that absorbs heat from a heating element and transfers heat from the heating element to a refrigerant, a heat radiation unit that releases heat of the refrigerant, and a heat receiving unit.
  • the cooling device circulates the refrigerant to the heat receiving part, the heat radiating path, the heat radiating part, the return path, and the heat receiving part, and cools the refrigerant by the phase change between the liquid phase and the gas phase of the refrigerant.
  • the heat receiving part is configured by arranging a plurality of heat receivers each having a refrigerant inlet and an outlet and arranged in series.
  • a check valve is provided on the inlet side of the heat receiver located closest to the return path among the plurality of heat receivers.
  • the check valve is provided on the inlet side of the heat receiver located closest to the return path among the plurality of heat receivers, there is one in the plurality of heat receivers and the heat dissipation path. It becomes a communication space. That is, the saturated vapor pressure of the refrigerant and the temperature of the saturated vapor are constant in the plurality of heat receivers and the heat dissipation path. Therefore, the plurality of heat receivers can transmit heat from the heating element to the refrigerant under certain conditions. As a result, each of the heat receivers can ensure a constant cooling performance, and the cooling performance does not deteriorate as it goes to the subsequent stage.
  • the cooling device of the present invention connects a heat receiver having an inlet and an outlet, a heat radiating part connected to the outlet through a heat radiating path, and the heat radiating part and the inlet. And a check valve arranged in the return path.
  • the heat receiver also includes a heat receiving plate having a heat absorbing portion that contacts the heating element on the back surface side and absorbs heat, and a heat receiving plate cover that covers and covers the front surface side of the heat receiving plate.
  • a narrow opening forming portion that approaches the heat receiving plate side is provided between the outlet and the inlet of the heat receiving plate cover.
  • the heat absorption part is arrange
  • the cooling device of the present invention includes a heat receiver having an inlet and an outlet, a radiator having an inlet and an outlet, and a heat dissipation path connecting the outlet and the inlet. And a return path connecting the outflow part and the inflow port, and a check valve arranged in the return path.
  • the inflow portion is disposed above the outflow portion.
  • the outlet connection pipe connected to the outlet of the heat dissipation path has a larger cross-sectional area than the inlet connection pipe connected to the inlet of the return path.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle equipped with a cooling device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a plan view of a different form of the cooling device.
  • FIG. 2B is a front view of the cooling device of FIG. 2A.
  • FIG. 3A is a plan view of a heat receiver for low heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3B is a front view of the heat receiver of FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a side view of the heat receiver of FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a plan view of another heat receiver with a low heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 4B is a front view of the heat receiver of FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a side view of the heat receiver of FIG. 4A.
  • FIG. 5A is a plan view of still another heat receiver with a low heat generation density of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5B is a front view of the heat receiver of FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a side view of the heat receiver of FIG. 5A.
  • FIG. 6A is a plan view showing a heat receiver with a high heat generation density of the cooling device according to the first embodiment of the present invention. 6B is a cross-sectional view taken along line 6B-6B of FIG. 6A.
  • FIG. 7A is a plan view showing another heat receiver with high heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 7B is a cross-sectional view taken along line 7B-7B of FIG. 7A.
  • FIG. 8A is a plan view of a heat receiver related to the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 8B is a front view of a heat receiver related to the cooling device.
  • FIG. 8C is a graph showing the operating temperature state of the heat receiver surface related to the cooling device.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the electronic device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of the electric vehicle according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a front view showing a heat receiver of the cooling device.
  • FIG. 12 is a plan view showing a heat receiver of the cooling device.
  • FIG. 13 is a side view showing a heat receiver of the cooling device.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of an electronic device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of the electric vehicle according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 16A is a plan view showing a first configuration of the cooling device.
  • FIG. 16B is a front view of the cooling device of FIG. 16A.
  • FIG. 16C is a side view of the cooling device of FIG. 16A.
  • FIG. 17A is a plan view showing a first heat radiation path of the cooling device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17B is a plan view showing a second heat radiation path of the cooling device.
  • FIG. 17A is a plan view showing a first heat radiation path of the cooling device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 17B is a plan view showing a second heat radiation path
  • FIG. 18A is a plan view showing a third heat radiation path of the cooling device.
  • FIG. 18B is a plan view showing a fourth heat radiation path of the cooling device.
  • FIG. 19A is a plan view showing a fifth heat radiation path of the cooling device.
  • FIG. 19B is a plan view showing a sixth heat radiation path of the cooling device.
  • FIG. 20A is a front view showing a second configuration of the cooling device.
  • FIG. 20B is a diagram showing a main part of the heat dissipation path of FIG. 20A.
  • FIG. 21A is a plan view showing a third configuration of the cooling device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 21B is a front view of the cooling device of FIG. 21A.
  • FIG. 21C is a side view of the cooling device of FIG.
  • FIG. 22A is a plan view showing a fourth configuration of the cooling device according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 22B is a front view of the cooling device of FIG. 22A.
  • FIG. 22C is a side view of the cooling device of FIG. 22A.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of an electronic apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle equipped with a cooling device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the electric motor 3 that drives the axle 2 of the electric vehicle 1 is connected to a power conversion device 6 in which a plurality of heating elements 4 arranged in the vehicle of the electric vehicle 1 are arranged.
  • the power conversion device 6 supplies power to the electric motor 3.
  • the power conversion device 6 is provided with a cooling device 5 for cooling the heating element 4.
  • the cooling device 5 includes a heat receiving part 8, a heat radiating part 10, a heat radiating path 9, and a return path 11. Then, the refrigerant 30 circulates to the heat receiving unit 8, the heat dissipation path 9, the heat dissipation unit 10, the return path 11, and the heat receiving unit 8.
  • the cooling device 5 cools the heating element 4 by a phase change between the liquid phase and the gas phase of the refrigerant 30.
  • the heat receiving unit 8 absorbs the heat from the heating element 4 and transmits the heat from the heating element 4 to the refrigerant 30.
  • the heat radiating unit 10 releases the heat of the refrigerant 30.
  • the heat radiation path 9 and the return path 11 are configured by pipes that connect the heat receiving unit 8 and the heat radiation unit 10.
  • the heat receiving unit 8 is configured by arranging a plurality of heat receivers 7 including an inlet 12 and an outlet 13 of the refrigerant 30 in series.
  • a check valve 14 is provided on the inlet 12 side of the heat receiver 7 located closest to the return path 11 among the plurality of heat receivers 7.
  • the refrigerant circulation path of the cooling device 5 is a closed system including a heat receiving part 8, a heat radiation path 9, a heat radiation part 10, a return path 11, and a check valve 14.
  • the refrigerant is water
  • the internal atmosphere is often used at a negative pressure lower than atmospheric pressure, and the amount of water enclosed is about several hundred cc (depending on the total volume of the circulation path, A quantity sufficiently smaller than the volume).
  • the cooling device 5 of the first embodiment having such a configuration takes a large amount of latent heat when the refrigerant sealed in the heat receiver 7 is vaporized (phase change) by the heat from the heating element 4.
  • a high-speed refrigerant flow is always formed on the vaporization surface due to a rapid volume change at the time of vaporization, extremely high cooling performance that can cope with large-capacity cooling can be realized.
  • the check valve 14 is arranged in the most upstream heat receiver 7. Therefore, the circulation direction of the refrigerant 30 is determined, and the refrigerant 30 flows at high speed to the heat radiating unit 10 due to volume expansion when the refrigerant 30 receiving heat from the heating element 4 is vaporized inside the heat receiver 7. As a result, the cooling device 5 does not require a refrigerant driving force that uses electric power such as a pump. Thus, since the refrigerant
  • FIGS. 8A to 8C are plan views of the heat receiver related to the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 8B is a front view of the heat receiver related to the cooling device
  • FIG. 8C is a surface of the heat receiver related to the cooling device. It is a graph which shows the state of operating temperature.
  • the heat receiving unit 108 includes a plurality of heat receivers 107 connected in series in the water circulation system.
  • the heat dissipating part 110 is connected to both ends of the heat receiving part 108 through the heat dissipating path 109 and the return path 111.
  • a refrigerant driving pump 117 that performs refrigerant driving is mounted in the middle of the return path 111.
  • the sizes of the heat receiver 107 and the heating element 104 and the heat generation amount are all the same for the sake of simplicity.
  • the heat receiver 107 includes an inlet 112 and an outlet 113.
  • FIG. 8C is a graph showing a change in contact point temperature between the heating element 104 and the heat receiver 107.
  • the temperature at the contact point of each heating element 104 is the sum of the inflow temperature from the upstream side and the temperature rise due to the thermal resistance of the heat receiver 107. Therefore, it functions as a cooling device when the total heat quantity of the solid line does not exceed the element operation guarantee temperature.
  • the heat generation amount of each heating element 104 increases and the element operation guarantee temperature is exceeded in the heat receiving device 107 on the downstream side of the broken line, it cannot be used as a cooling device.
  • the heat receivers 107 when the heat receivers 107 are connected in series, the amount of heat generated that can be mounted on each heat receiver 107 is limited to a low level. In order to avoid this to some extent, the heat receiver 107 may be connected in parallel. However, the increase in the number of pipes complicates the entire cooling device, which is disadvantageous for downsizing.
  • the fundamental difference between the cooling device 5 and the water-cooled cooling device according to Embodiment 1 of the present invention is that the latter uses a change in water temperature due to sensible heat, whereas the former uses latent heat using phase change. Is a point. For example, when the refrigerant is water, the amount of heat transported per gram of the latent heat is more than five times the sensible heat, so the former can ensure higher cooling performance than the latter.
  • FIG. 2A is a plan view of a different form of the cooling device of Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2B is a front view of the cooling device of FIG. 2A.
  • the heat receiving unit 8 includes the heat receiving units 7 other than the heat receiving unit 7 located closest to the return path 11 among the plurality of heat receiving units 7. Is provided. In other words, all of the plurality of heat receivers 7 are provided with check valves 14 on the respective inlet 12 sides.
  • the heat receiver 7 When the refrigerant 30 is vaporized on the surface of the heat receiving plate 15, the heat receiver 7 is cooled by removing heat from the heat receiving plate 15 as latent heat.
  • the contact point temperature of the heat receiver 7 at this time with the heating element 4 is determined by the saturated vapor temperature that is uniquely determined by the saturated vapor pressure of the refrigerant 30. That is, even if the heat receiving unit 8 is composed of a plurality of heat receivers 7 and each of the heat receivers 7 is equipped with heating elements 4a, 4b, 4c, and 4d having different heat generation amounts, the pressure inside the heat receiving unit 8 is The saturated vapor pressure is obtained by vaporization of the refrigerant 30. Therefore, each heat receiver 7 becomes substantially the same pressure. In this respect, the heat receiver 7 is the same regardless of whether it is connected in series or in parallel. However, if the heat receiver 7 is connected in series, the cooling device 5 is reduced in size.
  • the saturated vapor pressure of each heat receiver 7 is determined by the total heat generation amount of the heating element 4 mounted on the heat receiver 7.
  • the contact point temperature between the heat receiver 7 and the heating element 4 is a value obtained by adding the amount of heat generated and the rising temperature due to the thermal resistance of the heat receiving plate 15 itself to this saturated steam temperature.
  • the contact temperature between the heat receiver and the heating element becomes higher as the downstream heat receiver becomes.
  • the contact point temperature between the heat receiver 7 and the heating element 4 is determined by the saturated vapor pressure. Therefore, the contact temperature between the downstream heat receiver 7 and the heating element 4 is not affected by the temperature of the refrigerant 30 from the upstream side.
  • FIG. 3A is a plan view of a heat receiver for low heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 3B is a front view of the heat receiver of FIG. 3A
  • FIG. 3C is a side view of the heat receiver of FIG. .
  • FIGS. 3A to 3C show a state in which a pipe is joined to the heat receiving plate 15 and the heat generating element 4c having a low heat generation density of less than 20 W / cm 2 dispersed in nine.
  • the heat receiver 7 may be a tubular heat receiver 7a.
  • the cover of the heat receiver 7 is not required, the number of parts is reduced, and the configuration is simplified.
  • FIG. 4A is a plan view of another heat receiver having a low heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 4B is a front view of the heat receiver of FIG. 4A
  • FIG. 4C is a side view of the heat receiver of FIG. is there.
  • 4A to 4C show a state in which a pipe is joined to the heat receiving plate 15 and a low heat generation density heating element 4d which is a strip-shaped heating element dispersed in four.
  • the heat receiver 7 of FIGS. 4A to 4C also does not require a cover for the heat receiver 7, and the number of parts is reduced and the configuration is simplified.
  • FIG. 5A is a plan view of still another heat receiver having a low heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 5B is a front view of the heat receiver in FIG. 5A
  • FIG. 5C is a side view of the heat receiver in FIG.
  • FIG. 5A to 5C show a configuration in which the heat generating plate 15 and the strip-shaped heating element 4d dispersed in four having the same low heat generation density as in FIGS. 4A to 4C are combined.
  • the piping is joined to the lower part of the heat receiving plate 15. In this configuration, the overall height of the cooling device 5 shown in FIG. 2A is reduced, and the cooling effect is substantially the same as that of the cooling device 5 using the heat receiver 7 of FIGS. 3A to 3C.
  • FIG. 6A is a plan view showing a heat receiver with high heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line 6B-6B in FIG. 6A.
  • the heat receiver 7 has an inlet 12 and an outlet 13 connected to both sides.
  • the heat receiver 7 has a heat receiving plate 15 and a heat receiving plate cover 16 on the back surface side. And between the outflow port 13 and the inflow port 12 of the heat receiving plate cover 16, the narrow opening formation part 23 which approaches the heat receiving plate 15 side is provided.
  • the heat receiving plate 15 has a heat absorbing portion 31 that is brought into contact with the heating element 4 and absorbs heat.
  • the heat receiving plate cover 16 covers the vaporization space of the refrigerant 30 on the surface side 15 a of the heat receiving plate 15. Further, the outlet 13 and the inlet 12 are provided on the side wall surface of the heat receiver 7.
  • the first space 18 on the inlet 12 side and the second space 19 on the outlet 13 side are provided in the heat receiver 7.
  • the first space 18 and the second space 19 are connected via a narrow opening forming portion 23.
  • the first space 18 is smaller than the second space 19.
  • the heat absorption part 31 of the heat receiving plate 15 is arranged to be connected to the outlet 13 side and the inlet 12 side of the narrow opening forming part 23.
  • the endothermic part 31 also has a larger area on the outlet 13 side of the narrow opening forming part 23 than on the inlet 12 side.
  • each of the plurality of heat receivers 7 includes a heat receiving plate 15 including the heat absorbing portion 31, and a heat receiving plate cover 16 on the surface side 15 a of the heat receiving plate 15.
  • a narrow opening forming portion 23 that reduces the passage cross section of the refrigerant 30 is provided.
  • the heat absorption part 31 is disposed on the outlet 13 side and the inlet 12 side with the narrow opening forming part 23 interposed therebetween.
  • the check valve 14 is connected in the vicinity of the inlet 12 as shown in FIGS. 6A and 6B. Further, the first space 18 in the heat receiver 7 is smaller than the second space 19.
  • the heat receiver 7 is filled with the refrigerant 30. Due to the heat from the heating element 4, boiling of the refrigerant 30 starts almost simultaneously in the first space 18 and the second space 19. Thereafter, since the first space 18 side is partitioned by the check valve 14, the gas phase refrigerant 30 and the non-boiling liquid phase refrigerant 30 in the first space 18 and the second space 19 are connected to the heat dissipation path 9.
  • the refrigerant 30 starts to flow at a high speed.
  • the force for driving the refrigerant 30 is a pressure difference between the heat receiver 7 and the heat radiating unit 10 cooled by the outside air and maintained at a low pressure.
  • the refrigerant 30 in the second space 19 flows out to the heat radiation path 9. Since the refrigerant 30 in the first space 18 is partitioned by the check valve 14, a part thereof boils. Due to the volume expansion at that time, the gas-phase refrigerant 30 becomes a high-speed refrigerant flow in a gas-liquid mixed phase with the non-boiling liquid-phase refrigerant 30. Then, the refrigerant flow spreads to the surface of the groove 22 on the heat receiving plate 15 on the second space 19 side, and a thin film refrigerant layer is formed. When the thin film refrigerant layer receives heat from the heating element 4, cooling by effective vaporization is performed.
  • FIG. 7A is a plan view showing another heat receiver having a high heat generation density of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line 7B-7B in FIG. 7A.
  • the outlet 13 and the inlet 12 are provided on the side wall surface of the heat receiver 7.
  • An introduction pipe 24 projects from the inlet 12 through the check valve 14 into the heat receiving plate cover 16.
  • a feature is that the opening of the introduction pipe 24 is directed to the central portion on the heat receiving plate 15 side. That is, the introduction pipe 24 of the return path 11 extends from the inlet 12 to the center of the heat receiving plate 15, and the opening 24 a of the introduction pipe 24 is formed on the heat receiving plate 15 side.
  • the introduction pipe 24 performs the same function as the first space 18 of the heat receiver 7 of FIG. 6A. Further, the heat receiving plate 15 has radial grooves 22 that spread from the opening 24 a of the introduction tube 24 to the periphery.
  • the cooling process by the phase change in the heat receiver 7 of FIGS. 7A and 7B is substantially the same as the cooling process by the phase change in the heat receiver 7 of FIG. 6A.
  • the heat receiver 7 is filled with the refrigerant 30. Due to the heat from the heating element 4, boiling of the refrigerant 30 dripped onto the heat receiving plate 15 from the tip of the introduction pipe 24 is started. Since the return path 11 side is partitioned by the check valve 14, the gas phase refrigerant 30 and the non-boiling liquid phase refrigerant 30 in the introduction pipe 24 flow out to the heat radiation path 9 at a high speed, and the refrigerant 30 Starts to flow.
  • the driving force of the refrigerant 30 is a pressure difference between the inside of the heat receiver 7 and the heat radiating unit 10 shown in FIG. 2A that is cooled by the outside air and maintained at a low pressure.
  • the refrigerant 30 on the heat receiving plate 15 flows out to the heat radiation path 9. Since the refrigerant 30 in the introduction pipe 24 is partitioned by the check valve 14, a part thereof boils. Due to the volume expansion at that time, the gas-phase refrigerant 30 becomes a high-speed refrigerant flow in a gas-liquid mixed phase with the non-boiling liquid-phase refrigerant 30. Then, the refrigerant flow spreads to the surface of the groove 22 on the heat receiving plate 15 to form a thin film refrigerant layer. When the thin film refrigerant layer receives heat from the heating element 4, cooling by effective vaporization is performed.
  • the check valve 14 is closed while the vaporization of the refrigerant 30 enclosed in the heat receiver 7 continues.
  • the internal pressure of the heat receiver 7 becomes low and the check valve 14 is opened. Then, the new refrigerant 30 flows into the introduction pipe 24 in the heat receiver 7.
  • the check valve 14 is arrange
  • FIG. 9 is a schematic diagram of the electronic apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the cooling device 5 cools the high-speed arithmetic processing device that is the heating element 4.
  • a check valve 14 is provided on the inlet 12 side of the heat receiver 7 that is located closest to the return path 11 among the plurality of heat receivers 7. Therefore, from the downstream side of the check valve 14 to the heat radiating portion 10, that is, the plurality of heat receivers 7 and the heat radiating path 9 are one communicating space.
  • the saturated vapor pressure of the refrigerant 30 and the saturated vapor temperature are constant.
  • each heat receiver 7 can transmit the heat from the heating element 4 to the refrigerant 30 under a certain condition, and each heat receiver 4 can ensure the cooling performance regardless of the front stage or the rear stage.
  • FIG. 10 is a schematic diagram of the electric vehicle according to the second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, the electric motor 203 that drives the axle 202 of the electric vehicle 201 is connected to an inverter circuit (not shown) that is a power converter disposed in the interior 204 of the electric vehicle 201.
  • an inverter circuit (not shown) that is a power converter disposed in the interior 204 of the electric vehicle 201.
  • the inverter circuit includes a plurality of semiconductor switching elements 205 that supply power to the electric motor 203 as an example of a power semiconductor.
  • the inverter circuit is provided with a cooling device 206 for cooling the semiconductor switching element 205.
  • FIG. 11 is a front view showing a heat receiver of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • the cooling device 206 includes a heat receiver 207, a heat radiating unit 210, a return path 212, and a check valve 213.
  • the heat receiver 207 is connected to the upper surface of the semiconductor switching element 205, and has an inlet 211 and an outlet 208.
  • the heat radiation part 210 is connected to the discharge port 208 via a heat radiation path 209.
  • the return path 212 connects the heat radiation part 210 and the inflow port 211.
  • the check valve 213 is disposed in the return path 212.
  • the circulation path formed by the heat receiver 207, the heat radiation path 209, the heat radiation section 210, and the return path 212 is sealed, and the internal atmosphere is a negative pressure from the atmospheric pressure.
  • cc of water is injected into the negative pressure path.
  • Water is an example of the refrigerant, and several hundred cc is an amount sufficiently smaller than the volume of the circulation path.
  • the water in the heat receiver 207 is first boiled by the heat of the semiconductor switching element 205 as in the cooling device of Patent Document 3. Due to the pressure increase at that time, water reaches the heat radiating section 210 via the heat radiating path 209 although it is in a gas-liquid mixed state. Next, when the outer surface of the heat radiating unit 210 is cooled by blowing air from a fan (not shown), the water becomes liquid again. Thereafter, the water returns to the upstream side of the check valve 213 in the return path 212 shown in FIG.
  • FIG. 12 is a plan view showing a heat receiver of the cooling device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 13 is a side view showing the heat receiver of the cooling device.
  • the heat receiver 207 includes a heat receiving plate 214 and a heat receiving plate cover 215.
  • a narrow opening forming portion 216 that approaches the heat receiving plate 214 side is provided between the discharge port 208 and the inflow port 211 of the heat receiving plate cover 215.
  • the heat receiving plate 214 has, on the back surface side 207a of the heat receiver 207, a heat absorbing portion 220 that contacts the semiconductor switching element 205, which is a heating element, and absorbs heat.
  • the heat absorbing part 220 is a part in contact with the semiconductor switching element 205.
  • the heat absorption part 220 is disposed on the discharge port 208 side and the inflow port 211 side across the narrow opening forming part 216.
  • the heat receiving plate cover 215 covers the surface side 214a of the heat receiving plate 214 with a gap 215a.
  • At least one of the discharge port 208 and the inflow port 211 is provided on the side wall surface of the heat receiver 207. As a result, the heat receiver 207 can be reduced in height.
  • volume of the first space 217 on the inlet 211 side is smaller than the volume of the second space 218 on the outlet 208 side.
  • the heat absorbing part 220 is arranged so as to be connected to the outlet 208 side of the narrow opening forming part 216 and the inlet 211 side.
  • the endothermic portion 220 also has a larger area on the outlet 208 side of the narrow opening forming portion 216 than on the inlet 211 side. Since the thin film-shaped water spreads rapidly from the first space 217 to the second space 218 by the narrow opening forming portion 216, extremely high heat transfer efficiency is obtained in the heat absorbing portion 220 of the heat receiving plate 214, and the cooling efficiency is also increased. .
  • the check valve 213 is provided outside the heat receiver 207 as shown in FIGS.
  • the return path 212 does not protrude into the heat receiver 207 and is simply connected to the inlet 211 in the heat receiver 207. Therefore, when manufacturing the heat receiver 207, it is not necessary to determine how far the tip of the return path 212 is inserted, and the manufacturing is simplified.
  • the volume of the first space 217 in the heat receiver 207 to which the return path 212 is connected is smaller than the volume of the second space 218.
  • the check valve 213 is increased. Is released.
  • the water upstream of the check valve 213 flows into the first space 217, a part of the water boils in the first space 217, and the pressure in the first space 217 rises rapidly.
  • the increase in pressure in the first space 217 is larger than when the first space 217 has the same size.
  • the water remaining in the first space 217 passes through the narrow opening forming portion 216 and enters the second space 218 vigorously in a thin film state.
  • the second space 218 has a large heat absorption part 220. Therefore, the thin film-like water that has entered the second space 218 is rapidly vaporized, and reaches the heat radiating section 210 of FIG. Next, when the outer surface of the heat radiating unit 210 is cooled by a fan (not shown), the water again enters a liquid phase state, and then returns to the upstream side of the check valve 213 in the return path 212.
  • a plurality of grooves 219 may be provided across the first space 217, the narrow opening forming portion 216, and the second space 218 on the surface of the heat receiving plate 214. That is, the groove 219 is formed on the surface of the heat receiving plate 214 from the inlet 211 side of the narrow opening forming portion 216 toward the outlet 208. Thin film-like water tends to spread from the first space 217 to the second space 218 on the surface of the heat receiving plate 214 in the second space 218, and the heat exchange efficiency is increased.
  • the semiconductor switching element 205 is sufficiently cooled by repeating such circulation.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of the electronic apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the cooling device 206 cools the semiconductor switching element 205, which is a heating element.
  • the narrow opening formation part 216 which approaches the heat receiving plate 214 side is provided between the discharge port 208 and the inflow port 211 of the heat receiving plate cover 215, water is a narrow opening formation part.
  • the flow rate increases, resulting in a thin film. Therefore, as shown in FIG. 14, the tip of the return path 212 does not need to be extended into the heat receiver 207, and there is no need to adjust the tip position of the return path 212.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of the electric vehicle according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 15, the electric motor 303 that drives the axle 302 of the electric vehicle 301 is connected to an inverter circuit 304 that is a power converter disposed in the electric vehicle 301.
  • the inverter circuit 304 includes a plurality of semiconductor switching elements 305 that supply electric power to the electric motor 303.
  • the semiconductor switching element 305 is an example of a power semiconductor.
  • the semiconductor switching element 305 generates a large amount of heat and is cooled by the cooling device 306.
  • FIG. 16A is a plan view showing a first configuration of the cooling device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 16B is a front view of the cooling device of FIG. 16A
  • FIG. 16C is a side view of the cooling device of FIG.
  • the cooling device 306 includes a heat receiver 307, a heat radiation path 309, a heat radiation section 311, a return path 314, and a check valve 315.
  • the box-shaped heat receiver 307 is in contact with the upper surface of the semiconductor switching element 305 so as to conduct heat.
  • the heat receiver 307 includes an inlet 313 through which water as a refrigerant flows and an outlet 308 through which water flows out.
  • the heat radiation part 311 has an inflow part 310 into which water flows in and an outflow part 312 from which water flows out.
  • the heat radiation part 311 and the heat receiver 307 are connected by a heat radiation path 309 and a return path 314.
  • the heat radiation path 309 connects the discharge port 308 and the inflow portion 310.
  • the return path 314 connects the outflow portion 312 and the inflow port 313.
  • the check valve 315 is disposed adjacent to the inlet 313 in the return path 314.
  • the inflow portion 310 is disposed above the outflow portion 312.
  • an annular path of the heat receiver 307, the heat radiation path 309, the heat radiation portion 311, the return path 314, the check valve 315, and the heat receiver 307 is formed.
  • water used as an example of the refrigerant
  • an amount of water smaller than the volume of the annular path is enclosed, and the inside of the annular path is decompressed from the atmospheric pressure and used.
  • the check valve 315 when the check valve 315 is opened, the water in the upstream side of the check valve 315, that is, the water in the return path 314 flows into the heat receiver 307. Next, in the heat receiver 307, water receives heat from the semiconductor switching element 305 and boils rapidly. In this way, the semiconductor switching element 305 is absorbed and cooled.
  • the check valve 315 is closed, and water in a mixed state of the gas phase and the liquid phase flows from the heat receiver 307 from the outlet 308 of the heat receiver 307 to the heat radiating unit 311 via the heat radiating path 309. Thereafter, the water vapor in the heat radiating portion 311 is condensed by blowing air to the surface of the heat radiating portion 311, becomes liquid again, and returns to the upstream side of the check valve 315.
  • the pressure on the upstream side of the check valve 315 is lower than that on the downstream side of the check valve 315, that is, the pressure in the heat receiver 307. Needs to be bigger. That is, a method is conceivable in which the upstream side of the check valve 315, that is, the height of the return path 314 is increased to increase the head pressure of water stored therein. However, it is difficult to reduce the height of the cooling device 306 by this method.
  • the outlet connection pipe 309a connected to the outlet 308 in the heat radiation path 309 has a larger cross-sectional area than the inlet connection pipe 314a connected to the inlet 313 in the return path 314, that is, the pipe diameter. Increase As a result, the pipe pressure loss of the heat radiation path 309 is kept as low as possible.
  • the discharge port connection pipe 309 a includes a rising portion 317 upward from the discharge port 308.
  • the check valve 315 can be opened even if the water head pressure stored in the return path 314 is low. For this reason, the cooling device 306 can be reduced in height.
  • FIG. 17A is a plan view showing a first heat dissipation path of the cooling device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 17B is a plan view showing a second heat dissipation path of the cooling device.
  • the rising portion 317 is provided with a divided structure 316 that divides the cross section of the rising portion 317 into a plurality of portions.
  • the cross section of the rising portion 317 is divided into two parts in FIG. 17A and four parts in FIG. 17B.
  • the water in the mixed state of the gas phase and the liquid phase can smoothly circulate to the heat dissipating part 311 side in FIG. 16B. Smooth circulation of water is important for reducing the height of the cooling device 306.
  • the mixed phase water of the vapor phase and the liquid phase that has received heat inherently moves quickly from the high pressure heat receiver 307 side shown in FIG. 16B to the low pressure heat radiation portion 311 side, and after heat radiation, returns to the heat receiver 307 again. Should come back.
  • the mixed-phase water that has received heat is once pushed up from a low place to a high place by the high pressure on the heat receiver 307 side.
  • the pipe diameter is large, the liquid level formed by the surface tension of the liquid phase is not maintained, and a phenomenon occurs in which the entire water flows backward. This phenomenon is a flatting phenomenon.
  • a divided structure 316 that divides the cross-sectional area in the heat dissipation path 309 into a plurality of portions is provided in the heat dissipation path 309, particularly the rising portion 317 after the outlet 308 of the heat receiver 307.
  • Such a divided structure 316 maintains the meniscus by adhering liquid phase water to the wall surface of the divided structure 316. Therefore, it is possible to easily raise the water at the rising portion 317 of the heat radiation path 309. All the water that has reached the heat radiating section 311 becomes a liquid phase after radiating heat and returns to the upstream side of the check valve 315 to be stably circulated.
  • the divided structure 316 has a pressure loss due to the increase in contact length with water, but the length itself is very short, so the influence on the water head pressure is small and does not cause a problem.
  • FIG. 18A is a plan view showing a third heat radiation path of the cooling device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 18B is a plan view showing a fourth heat radiation path of the cooling device.
  • the cross-sectional shape of the rising portion 317 may be elliptical.
  • the divided structure 316 shown in FIG. 18A that divides the cross section of the heat radiation path 309 of FIG. 16B into two may be provided, or the divided structure 316 shown in FIG. 18B that is divided into four may be provided. Whether it is divided into two or four is determined by the tube diameter and the tube length in which the divided structure 316 is provided.
  • FIG. 19A is a plan view showing a fifth heat radiation path of the cooling device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 19B is a plan view showing a sixth heat radiation path of the cooling device.
  • the cross-sectional shape of the rising portion 317 may be a quadrangle.
  • a divided structure 316 that divides the heat dissipation path 309 of FIG. 16B into two as shown in FIG. 19A may be provided, or a divided structure 316 that is divided into four as shown in FIG. 19B may be provided.
  • FIG. 20A is a front view showing a second configuration of the cooling device according to the third embodiment of the present invention
  • FIG. 20B is a diagram showing a main part of the heat radiation path of FIG. 20A.
  • the rising portion upper end 317 a of the rising portion 317 is located above the inflow portion 310.
  • the rising portion 317 is provided with one of the divided structural bodies 316 shown in FIGS. 17A to 19B that divides the cross section of the heat radiation path 309 into a plurality of sections.
  • the heat radiation path 309 from the rising edge 317a to the inflow portion 310 is an inclined path 318 inclined at an inclination angle ⁇ from the horizontal direction downward.
  • the liquid phase water adheres to the heat radiation path 309 having the divided structural body 316 and is lifted upward from the inflow portion 310 by the pressure from the heat receiver 307. Then, water is reliably conveyed to the heat radiating part 311 side by the ramp 318. As a result, the cooling device 306 is circulated stably and exhibits high cooling performance even when the height is lowered.
  • FIG. 21A is a plan view showing a third configuration of the cooling device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 21B is a front view of the cooling device of FIG. 21A
  • FIG. 21C is a side view of the cooling device of FIG. 21A.
  • the inflow portion 310 is located above the outflow portion 312.
  • the heat radiation path 309 is provided with a rising portion 317 upward from the discharge port 308.
  • the rising portion 317 is provided with one of the divided components 316 shown in FIGS. 17A to 19B.
  • the heat dissipation path 309 is bent in the horizontal direction from the rising end 317 a and connected to the inflow portion 310.
  • FIG. 22A is a plan view showing a fourth configuration of the cooling device according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 22B is a front view of the cooling device of FIG. 22A
  • FIG. 22C is a side view of the cooling device of FIG. 22A.
  • the inflow portion 310 of the heat radiating portion 311 is located above the outflow portion 312.
  • a rising portion 320 upward from the discharge port 308 is provided in the heat dissipation path 309.
  • the rising portion 320 is provided with one of the divided components 316 shown in FIGS. 17A to 19B.
  • the heat radiation path 309 is bent in the horizontal direction from the rising end 320a and connected to the inflow portion 310.
  • the rising portion 320 is raised above the inflow portion 310.
  • the heat radiation path 309 from the rising portion upper end 320a toward the inflow portion 310 is provided with an inclined path 321 having an inclination angle ⁇ from the horizontal direction downward.
  • the liquid-phase water adheres to the heat radiation path 309 having the divided structural body 316 and is lifted above the inflow portion 310 by the pressure from the heat receiver 307. Then, water is reliably conveyed by the inclined path 321 to the heat radiating part 311 side. As a result, the cooling device 306 is circulated stably and exhibits high cooling performance even when the height is lowered.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of the electronic apparatus according to the third embodiment of the present invention.
  • the cooling device 306 cools the semiconductor switching element 305 that is a heating element. Even in the electronic device 330 integrated with high density, the cooling device 306 with a reduced height can be easily installed.
  • the cooling device of the present invention is useful for a power conversion device for an electric vehicle and a high-speed arithmetic processing device for an electronic device.

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Abstract

冷却装置（５）は、冷媒（３０）を受熱部（８）、放熱経路（９）、放熱部（１０）、帰還経路（１１）、および受熱部（８）へと循環させ、冷媒（３０）の液相と気相との相変化によって冷却する。受熱部（８）は、流入口（１２）と流出口とを備えた複数の受熱器（７）が直列に配置されて構成されている。そして複数の受熱器（７）のうち最も帰還経路（１１）の側に位置する受熱器（７）の流入口（１２）の側に逆止弁（１４）が設けられている。

Description

冷却装置、これを搭載した電気自動車、および電子機器
　本発明は冷却装置、これを搭載した電気自動車、および電子機器に関する。
　従来、電力半導体を搭載した電気自動車の冷却装置は、電力変換回路に搭載されていた。電気自動車では、駆動動力源となる電動機が電力変換回路であるインバータ回路によりスイッチング駆動されている。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る。インバータ回路の動作時には、それぞれの電力半導体に大電流が流れ大きく発熱するため、これらの複数の電力半導体を同時に冷却することが必要となっている。
　また、近年の電子計算機においても処理情報量の著しい増加に対応するため、電子機器内にＣＰＵ（Central　Processing　Unit）が多数使用されている。ＣＰＵは発熱体であり、ＣＰＵの同時冷却が重要な問題となっている。
　例えば特許文献１に示す冷却装置では、２つの水循環を用いている。すなわち各電子機器からの熱をそれぞれの熱交換部へ移動させる第１ループと、複数点の熱交換部を直列接続した第２ループとを用いた冷却装置が提案されている。
　しかしながら、第２ループの様な１つの水循環系の中に複数の受熱器（熱交換部）を有する冷却装置では、各受熱器（各熱交換部）の発熱体と接触する面の接触点温度は、それぞれの受熱器の受熱性能と流入する水温とから決定される。最後の受熱器の発熱体と接触する面の接触点温度は、その受熱器の受熱性能により決まる上昇温度と、前段の受熱器の排水温度とが加算された値となる。そのため複数の受熱器において、後段にいくほど受熱器に流入する水の温度が上がり、後段にいくほど冷却性能が低下するという第１の課題があった。
　また特許文献２に示す冷却装置では、下部の受熱器において、冷媒が電力半導体の熱を奪い気化される。そして冷媒は、上部に配置した放熱部において冷やされて液化され、再び下部に滴下するサイクルが繰り返される。その結果、インバータ回路が冷却される。
　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させることにより気化させる沸騰型冷却タイプである。このタイプは、受熱器において冷媒が滞留した状態において受熱するので、冷媒への熱移動効率が悪く、冷却性能が低い。
　これに対して、特許文献３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にて受熱するので、冷媒への熱移動効率が高く、冷却性能が飛躍的に高くなる。特許文献３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部と、この放熱部と受熱器の流入口とを接続した帰還経路と、この帰還経路に配置した逆止弁とを備えている。
　また、帰還経路の先端は突入部として、放熱部内に突入されている。この突入部において、冷媒が受熱器内に薄い膜状態にて急速に広げられる。具体的には、帰還経路から戻った冷媒が、逆止弁の開放とともに受熱器内に流入すると、帰還経路の突入部内において一部の冷媒が急速に蒸発する。その圧力により突入部内に残存する冷媒が、受熱器内へ薄い膜状態にて急速に広がる。
　その結果、受熱器内壁面（受熱板表面）において、極めて効果的な受熱が行われ、冷却性能が飛躍的に高くなる。このように冷媒循環型冷却タイプは、冷却性能が飛躍的に高くなっているが、各種機器への搭載に対しては更なる改善が必要となる。
　その一つとして、帰還経路の先端が受熱器内に突入する場合、受熱器内における帰還経路の先端位置が目視出来ない。そのため、帰還経路の先端位置の調整に手間がかかるという第２の課題があった。
　また、電気自動車および電子機器は小型化が求められているため、冷媒循環型冷却タイプの冷却装置も低背化する必要がある。しかしながら、上記特許文献３に示す冷媒循環型冷却タイプの冷却装置では、逆止弁が開放されるためには、逆止弁上流側（帰還経路側）の圧力が、逆止弁下流側（受熱器側）の圧力よりも高いことが必要である。そのため、帰還経路は一定の高さが必要であり、冷媒循環型冷却タイプの冷却装置の低背化が困難であるという第３の課題があった。
特開２００５－２２２４４３号公報 特開平８－１２６１２５号公報 特開２００９－８８１２７号公報
　上述の第１の課題を解決するために、本発明の冷却装置は発熱体からの熱を吸収し発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、冷媒の熱を放出する放熱部と、受熱部と放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備えている。冷却装置は冷媒を、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、および受熱部へと循環させ、冷媒の液相と気相との相変化によって冷却する。受熱部は、冷媒の流入口と流出口とを備えた複数の受熱器が直列に配置されて構成されている。そして複数の受熱器のうち最も帰還経路の側に位置する受熱器の流入口の側に逆止弁が設けられている。
　このような冷却装置は、複数の受熱器のうち最も帰還経路の側に位置する受熱器の流入口の側に逆止弁が設けられているため、複数の受熱器と放熱経路内は１つの連通した空間となる。すなわち、複数の受熱器と放熱経路内とにおいて、冷媒の飽和蒸気圧と飽和蒸気の温度とは一定となる。そのため、複数の受熱器は、一定の条件下において発熱体からの熱を冷媒に伝えられる。その結果、各受熱器は一定の冷却性能が確保でき、後段にいくほど冷却性能が低下することがない。
　また第２の課題を解決するために、本発明の冷却装置は流入口および排出口を有する受熱器と、排出口に放熱経路を介して接続した放熱部と、放熱部と流入口とを接続した帰還経路と、帰還経路に配置した逆止弁とを備えている。また受熱器は、裏面側に発熱体に接触させて熱を吸収する吸熱部を有する受熱板と、受熱板の表面側に空隙を設けて覆った受熱板カバーとを有している。受熱板カバーの排出口と流入口との間に、受熱板の側に接近する狭開口形成部が設けられている。そして吸熱部は、狭開口形成部を挟んで排出口の側と流入口の側とに配置されている。
　このような冷却装置は、狭開口形成部が設けられているため、冷媒は狭開口形成部を通過する際に流速が増し、薄い膜状になる。そのため帰還経路の先端を受熱器内に延伸させる必要がなくなり、帰還経路の先端位置の調整の要もない。
　また第３の課題を解決するために、本発明の冷却装置は流入口および排出口を有する受熱器と、流入部および流出部を有する放熱器と、排出口と流入部とを接続した放熱経路と、流出部と流入口とを接続した帰還経路と、帰還経路に配置した逆止弁とを備えている。流入部は、流出部よりも上方に配置されている。そして放熱経路のうち排出口に接続された排出口接続管路は、帰還経路のうち流入口に接続された流入口接続管路よりも断面積が大きい。
　このような冷却装置は、排出口接続管路が流入口接続管路よりも断面積が大きいため、受熱器内の圧力がより早く小さくなる。その結果、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、逆止弁が開放する。すなわち、逆止弁に水頭圧をかける逆止弁上方の帰還経路の必要長さが短くなり、冷却装置の低背化が実現される。
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。 図２Ａは、同冷却装置の異なる形態の平面図である。 図２Ｂは、図２Ａの冷却装置の正面図である。 図３Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置の低発熱密度用の受熱器の平面図である。 図３Ｂは、図３Ａの受熱器の正面図である。 図３Ｃは、図３Ａの受熱器の側面図である。 図４Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置の低発熱密度の他の受熱器の平面図である。 図４Ｂは、図４Ａの受熱器の正面図である。 図４Ｃは、図４Ａの受熱器の側面図である。 図５Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置の低発熱密度のさらに他の受熱器の平面図である。 図５Ｂは、図５Ａの受熱器の正面図である。 図５Ｃは、図５Ａの受熱器の側面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置の高発熱密度の受熱器を示す平面図である。 図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ－６Ｂ線断面図である。 図７Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置の高発熱密度の他の受熱器を示す平面図である。 図７Ｂは、図７Ａの７Ｂ－７Ｂ線断面図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置に関係する受熱器の平面図である。 図８Ｂは、同冷却装置に関係する受熱器の正面図である。 図８Ｃは、同冷却装置に関係する受熱器表面の動作温度の状態を示すグラフである。 図９は、本発明の実施の形態１の電子機器の概略図である。 図１０は、本発明の実施の形態２の電気自動車の概略図である。 図１１は、同冷却装置の受熱器を示す正面図である。 図１２は、同冷却装置の受熱器を示す平面図である。 図１３は、同冷却装置の受熱器を示す側面図である。 図１４は、本発明の実施の形態２の電子機器の概略図である。 図１５は、本発明の実施の形態３の電気自動車の概略図である。 図１６Ａは、同冷却装置の第１の構成を示す平面図である。 図１６Ｂは、図１６Ａの冷却装置の正面図である。 図１６Ｃは、図１６Ａの冷却装置の側面図である。 図１７Ａは、本発明の実施の形態３の冷却装置の第１の放熱経路を示す平面図である。 図１７Ｂは、同冷却装置の第２の放熱経路を示す平面図である。 図１８Ａは、同冷却装置の第３の放熱経路を示す平面図である。 図１８Ｂは、同冷却装置の第４の放熱経路を示す平面図である。 図１９Ａは、同冷却装置の第５の放熱経路を示す平面図である。 図１９Ｂは、同冷却装置の第６の放熱経路を示す平面図である。 図２０Ａは、同冷却装置の第２の構成を示す正面図である。 図２０Ｂは、図２０Ａの放熱経路の要部を示す図である。 図２１Ａは、本発明の実施の形態３の冷却装置の第３の構成を示す平面図である。 図２１Ｂは、図２１Ａの冷却装置の正面図である。 図２１Ｃは、図２１Ａの冷却装置の側面図である。 図２２Ａは、本発明の実施の形態３の冷却装置の第４の構成を示す平面図である。 図２２Ｂは、図２２Ａの冷却装置の正面図である。 図２２Ｃは、図２２Ａの冷却装置の側面図である。 図２３は、本発明の実施の形態３の電子機器の概略図である。
　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。
　（実施の形態１）
　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。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４を複数配置した電力変換装置６に接続されている。電力変換装置６は、電力を電動機３に供給している。
　また電力変換装置６には、発熱体４を冷却する冷却装置５が設けられている。冷却装置５は、受熱部８と、放熱部１０と、放熱経路９と、帰還経路１１とを備えている。そして冷媒３０が受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、および受熱部８へ循環する。冷却装置５は、冷媒３０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８は、発熱体４からの熱を吸収し、発熱体４からの熱を冷媒３０に伝える。放熱部１０は、冷媒３０の熱を放出する。放熱経路９および帰還経路１１は、受熱部８と放熱部１０とを接続する管路により構成されている。
　受熱部８は、冷媒３０の流入口１２と流出口１３とを備えた複数の受熱器７が直列に配置され、構成されている。そして複数の受熱器７のうち、最も帰還経路１１の側に位置する受熱器７の流入口１２の側に、逆止弁１４が備えられている。
　冷却装置５の冷媒循環経路は、受熱部８、放熱経路９、放熱部１０、帰還経路１１、および逆止弁１４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。
　この様な構成の本実施の形態１の冷却装置５は、受熱器７内において封入された冷媒が発熱体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変化によって気化面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。
　本発明の実施の形態１の冷却装置５は、最上流側の受熱器７に逆止弁１４が配置されている。そのため冷媒３０の循環方向が決まり、受熱器７の内部において発熱体４からの熱を受けた冷媒３０が気化する際の体積膨張によって、冷媒３０が放熱部１０へ高速流動される。その結果、冷却装置５はポンプなどの電力を使用する冷媒駆動力が不要となる。このように冷媒３０が、無動力により循環路内を高速にて移動するため、熱を輸送する単位時間当たりの冷媒３０の量が増え、冷却装置５の冷却能力が高められる。
　また上述のように冷媒駆動力は、気化時の体積膨張が担うため、水冷ポンプなどの特別な外部動力が不必要であり、省電力の観点から極めて大きな利点である。本発明の実施の形態１の冷却装置５と、水冷ポンプを使用する冷却装置との比較のため、図８Ａ～図８Ｃを用いて説明する。図８Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置に関係する受熱器の平面図、図８Ｂは同冷却装置に関係する受熱器の正面図、図８Ｃは同冷却装置に関係する受熱器表面の動作温度の状態を示すグラフである。
　図８Ａに示すように受熱部１０８は、水循環系の中に直列接続された複数の受熱器１０７を有する。放熱部１１０が、放熱経路１０９と帰還経路１１１とを介して受熱部１０８の両端に接続されている。また、帰還経路１１１の途中には、冷媒駆動を行う冷媒駆動ポンプ１１７が搭載されている。図８Ｂに示す受熱部１０８は、説明の簡素化のため受熱器１０７と発熱体１０４との大きさ、および発熱量がすべて同じとしている。受熱器１０７は、流入口１１２および流出口１１３を備えている。
　図８Ｃは、発熱体１０４と受熱器１０７との接触点温度の変化を示したグラフである。図８Ｃに示すようにそれぞれの発熱体１０４の接触点の温度は、上流側からの流入温度と受熱器１０７の熱抵抗による温度上昇分とが加算される。そのため実線の総熱量が素子動作保証温度を超えない程度の場合には、冷却装置として機能する。しかし、それぞれの発熱体１０４の発熱量が大きくなり、破線の下流側の受熱器１０７において素子動作保証温度を超えてしまう場合、冷却装置として使用できなくなる。
　したがって水冷冷却装置の場合、受熱器１０７が直列接続されると、各受熱器１０７に搭載できる発熱量は低く制限されることになる。これをある程度回避するには、受熱器１０７が並列接続されてもよい。しかし、配管本数の増加により冷却装置全体が複雑となり、小型化に不利である。
　また、本発明の実施の形態１の冷却装置５と水冷冷却装置との根本的な違いは、後者が顕熱による水温変化を利用するのに対して前者は相変化を用いた潜熱を利用する点である。例えば冷媒が水の場合、１ｇあたりの熱輸送量は、潜熱は顕熱の５倍以上となるため、前者は後者に比べ、高い冷却性能が確保できる。
　図２Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の異なる形態の平面図、図２Ｂは図２Ａの冷却装置の正面図である。図２Ａに示すように受熱部８は、複数の受熱器７のうち最も帰還経路１１の側に位置する受熱器７以外の受熱器７も、それぞれの流入口１２の側に逆止弁１４が設けられている。すなわち複数の受熱器７全てに、それぞれの流入口１２の側に逆止弁１４が設けられている。
　基本的な動作および利点は、図８Ａの場合と同じである。ただ、図２Ｂに示す発熱体４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄの発熱量がそれぞれ異なり、その差が非常に大きい場合などでは、それぞれの受熱器７に逆止弁１４が搭載されることにより、それぞれの受熱器７内部での気化時の圧力上昇が他の受熱器７へ波及することが少なくなり、動作の安定性が確保しやすくなる。
　冷媒３０が受熱板１５の表面において気化する時、潜熱として受熱板１５から熱が奪われることによって受熱器７が冷却される。この時の受熱器７の発熱体４との接触点温度は、冷媒３０の飽和蒸気圧力により一義的に定まる飽和蒸気温度によって決まる。すなわち、受熱部８が複数の受熱器７から構成され、それぞれの受熱器７が異なる発熱量の発熱体４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを搭載していても、受熱部８の内部の圧力は、冷媒３０の気化による飽和蒸気圧となる。そのため、それぞれの受熱器７はほぼ同じ圧力となる。この点に関しては、受熱器７が直列接続あっても並列接続あっても同じである。ただ受熱器７が、直列接続されれば冷却装置５が小型化される。
　また、それぞれの受熱器７の飽和蒸気圧は、受熱器７に搭載される発熱体４の総発熱量により決まる。受熱器７と発熱体４との接触点温度は、この飽和蒸気温度に発熱量と受熱板１５自体の熱抵抗による上昇温度を加算した値を示す。従来の水冷方式において受熱器を直列接続した場合、上流側の流出水温が下流側の流入水温となるため、下流側の受熱器になるほど受熱器と発熱体との接触温度が高くなる。しかし、冷媒３０の相変化を用いた本発明の実施の形態１の冷却装置５では、受熱器７と発熱体４との接触点温度が飽和蒸気圧により決まる。そのため、下流側の受熱器７と発熱体４との接触温度は、上流側からの冷媒３０の温度に影響されない。
　図３Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の低発熱密度用の受熱器の平面図、図３Ｂは図３Ａの受熱器の正面図、図３Ｃは図３Ａの受熱器の側面図である。図３Ａ～図３Ｃは、９つに分散した２０Ｗ／ｃｍ２未満の低発熱密度の発熱体４ｃと、受熱板１５に配管が接合されている状態を示している。発熱体４ｃの熱密度が２０Ｗ／ｃｍ２未満の場合、受熱器７は管状受熱器７ａにしてもよい。図３Ａ～図３Ｃの受熱器７では、受熱器７のカバーが不要となり、部品点数が減り構成が簡素化される。
　図４Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の低発熱密度の他の受熱器の平面図、図４Ｂは図４Ａの受熱器の正面図、図４Ｃは図４Ａの受熱器の側面図である。図４Ａ～図４Ｃは、４つに分散した短冊状の発熱体である低発熱密度の発熱体４ｄと、受熱板１５に配管が接合されている状態を示している。図４Ａ～図４Ｃの受熱器７も、受熱器７のカバーが不要となり、部品点数が減り構成が簡素化される。
　さらに図５Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の低発熱密度のさらに他の受熱器の平面図、図５Ｂは図５Ａの受熱器の正面図、図５Ｃは図５Ａの受熱器の側面図である。図５Ａ～図５Ｃは、図４Ａ～図４Ｃと同じ低発熱密度の４つに分散した短冊状の発熱体４ｄと、受熱板１５とを組み合わせた構成である。配管が、受熱板１５の下部に接合されている。この構成では図２Ａに示す冷却装置５全体の高さが低くなり、冷却効果は図３Ａ～図３Ｃの受熱器７を用いた冷却装置５とほぼ同じである。
　図６Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の高発熱密度の受熱器を示す平面図、図６Ｂは図６Ａの６Ｂ－６Ｂ線断面図である。図６Ａ、図６Ｂに示すように受熱器７は、両側面に、流入口１２と流出口１３とが接続されている。
　図６Ａ、図６Ｂ示すように受熱器７は、裏面側に受熱板１５と、受熱板カバー１６とを有している。そして受熱板カバー１６の流出口１３と流入口１２との間には、受熱板１５側に接近する狭開口形成部２３が設けられている。ここで受熱板１５は、発熱体４に接触させて熱を吸収する吸熱部３１を有する。受熱板カバー１６は、受熱板１５の表面側１５ａの冷媒３０の気化空間を覆う。また、流出口１３と流入口１２とは、受熱器７の側方壁面に設けられている。
　そして、受熱板カバー１６に狭開口形成部２３が設けられることにより、受熱器７内に流入口１２側の第１空間１８と、流出口１３側の第２空間１９とが設けられる。第１空間１８と第２空間１９とは、狭開口形成部２３を介して連結されている。なお、第１空間１８は、第２空間１９よりも小さい。
　また、受熱板１５の吸熱部３１は、狭開口形成部２３の流出口１３側と、流入口１２側とにつながって配置されている。吸熱部３１も、狭開口形成部２３の流出口１３側が、流入口１２側よりも面積を大きくしている。
　すなわち発熱体４の熱密度が２０Ｗ／ｃｍ２以上の場合、複数の受熱器７のそれぞれは、吸熱部３１を備えた受熱板１５と、受熱板１５の表面側１５ａに受熱板カバー１６とを有している。そして流出口１３と流入口１２との間に、冷媒３０の通路断面を小さくする狭開口形成部２３が設けられている。吸熱部３１は狭開口形成部２３を挟んで流出口１３の側と、流入口１２の側とに配置されている。
　以上の構成において、図６Ａ、図６Ｂに示すように逆止弁１４は、流入口１２近傍に接続されている。また、受熱器７内の第１空間１８は、第２空間１９よりも小さい。
　図２Ａに示す冷却装置５の初期動作時、受熱器７内は冷媒３０により満たされている。発熱体４からの熱によって、第１空間１８と第２空間１９とにおいてほぼ同時に冷媒３０の沸騰が開始される。その後、第１空間１８側は逆止弁１４により仕切られているため、第１空間１８と第２空間１９との気相の冷媒３０と未沸騰の液相の冷媒３０とは、放熱経路９へ高速にて流出し、冷媒３０の流動が開始される。ここで冷媒３０を駆動する力は、受熱器７内と、外気により冷やされ低圧力が維持された放熱部１０との圧力差である。
　この時、受熱器７内ではまず、第２空間１９内の冷媒３０が放熱経路９へ流出する。第１空間１８内の冷媒３０は、逆止弁１４により仕切られているため、その一部が沸騰する。その時の体積膨張によって、気相の冷媒３０が未沸騰の液相の冷媒３０を伴った気液の混相状態の高速の冷媒流となる。そして冷媒流は、第２空間１９側の受熱板１５上の溝２２表面へ広がり、薄膜冷媒層が形成される。薄膜冷媒層が発熱体４からの熱を受けることにより、効果的な気化による冷却が行われる。
　ここで、受熱器７内の冷却装置５の通常動作のプロセスについて簡単に記す。冷却装置５の通常動作では、受熱器７内に封入された冷媒３０の気化が継続している間、逆止弁１４は閉鎖されている。受熱器７内において冷媒３０の気化が進み、冷媒３０のほとんどが流出口１３を経て放熱経路９へ流出すると受熱器７の内圧が低くなり、逆止弁１４が開放される。そして、新たな冷媒３０が受熱器７内の第１空間１８へ流入する。そして再度、第１空間１８内の一部の冷媒３０が沸騰し、未沸騰の液相の冷媒３０を伴う高速の混相流となって第２空間１９側の受熱板１５上へ薄膜冷媒層として広がり、発熱体４からの熱によって気化する。この一連のプロセスが繰り返され、極めて効率的な冷却装置５が実現される。
　図７Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の高発熱密度の他の受熱器を示す平面図、図７Ｂは図７Ａの７Ｂ－７Ｂ線断面図である。図７Ａ、図７Ｂに示すように流出口１３と流入口１２とは、受熱器７の側方壁面に設けられている。また、流入口１２から逆止弁１４を介して、導入管２４が受熱板カバー１６の内部に突出されている。導入管２４の開口が、受熱板１５側の中央部に向いていることが特徴である。すなわち帰還経路１１の導入管２４が、流入口１２から受熱板１５の中心まで延ばされ、導入管２４の開口部２４ａが受熱板１５の側に形成されている。導入管２４が、図６Ａの受熱器７の第１空間１８と同じ機能を果たす。さらに、受熱板１５は導入管２４の開口部２４ａから周辺へ広がる放射状の溝２２を有する。図７Ａ、図７Ｂの受熱器７における相変化による冷却プロセスは、図６Ａの受熱器７における相変化による冷却プロセスとほぼ同じである。
　すなわち、図２Ａに示す冷却装置５の初期動作時、受熱器７内は冷媒３０により満たされている。発熱体４からの熱によって、導入管２４の先端から受熱板１５に滴下した冷媒３０の沸騰が開始される。帰還経路１１側は逆止弁１４により仕切られているため、導入管２４内の気相の冷媒３０と未沸騰の液相の冷媒３０とは、放熱経路９へ高速にて流出し、冷媒３０の流動が開始される。ここで冷媒３０を駆動する力は、受熱器７内と、外気により冷やされ低圧力が維持された図２Ａに示す放熱部１０との圧力差である。
　この時、受熱器７内ではまず、受熱板１５上の冷媒３０が放熱経路９へ流出する。導入管２４内の冷媒３０は、逆止弁１４により仕切られているため、その一部が沸騰する。その時の体積膨張によって、気相の冷媒３０が未沸騰の液相の冷媒３０を伴った気液の混相状態の高速の冷媒流となる。そして冷媒流は、受熱板１５上の溝２２表面へ広がり、薄膜冷媒層が形成される。薄膜冷媒層が発熱体４からの熱を受けることにより、効果的な気化による冷却が行われる。
　ここで、受熱器７内の冷却装置５の通常動作のプロセスについて簡単に記す。冷却装置の通常動作では、受熱器７内に封入された冷媒３０の気化が継続している間、逆止弁１４は閉鎖されている。受熱器７内において冷媒３０の気化が進み、冷媒３０のほとんどが流出口１３を経て放熱経路９へ流出すると受熱器７の内圧が低くなり、逆止弁１４が開放される。そして、新たな冷媒３０が受熱器７内の導入管２４へ流入する。そして再度、導入管２４内の一部の冷媒３０が沸騰し、未沸騰の液相の冷媒３０を伴う高速の冷媒流となって受熱板１５上へ薄膜冷媒層として広がり、発熱体４からの熱によって気化する。この一連のプロセスが繰り返され、極めて効率的な冷却装置５が実現される。
　なお図６Ａ、図７Ａに示した高熱密度の発熱体４を搭載した受熱器７には、逆止弁１４が配置されている。図３Ａ、図４Ａ、図５Ａのような相対的に低発熱密度の発熱体４を搭載した受熱器７は、必ず受熱部の上流側に高熱密度の発熱体４を搭載した受熱器７を配置する。
　また図９は、本発明の実施の形態１の電子機器の概略図である。電子機器３２では、冷却装置５により発熱体４である高速演算処理装置の冷却が行われる。冷却装置５では複数の受熱器７のうち、最も帰還経路１１の側に位置する受熱器７の流入口１２の側に逆止弁１４が設けられている。そのため、逆止弁１４の下流側から放熱部１０まで、すなわち、複数の受熱器７と放熱経路９内は１つの連通した空間となる。そして、複数の受熱器７と放熱経路９内とにおいて、冷媒３０の飽和蒸気圧と飽和蒸気の温度とは一定になる。その結果、各受熱器７は一定の条件下において発熱体４からの熱を冷媒３０に伝えることでき、各受熱器４は前段、後段に拘らず、冷却性能を確保できる。
　（実施の形態２）
　図１０は、本発明の実施の形態２の電気自動車の概略図である。図１０に示すように電気自動車２０１の車軸２０２を駆動する電動機２０３は、電気自動車２０１の車内２０４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。
　インバータ回路は、電力半導体の一例として、電動機２０３に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子２０５を備えている。またインバータ回路には、半導体スイッチング素子２０５を冷却する冷却装置２０６が設けられている。
　図１１は、本発明の実施の形態２の冷却装置の受熱器を示す正面図である。図１０、図１１に示すように冷却装置２０６は、受熱器２０７と、放熱部２１０と、帰還経路２１２と、逆止弁２１３とを、備えている。ここで受熱器２０７は、半導体スイッチング素子２０５の上面に接続され、流入口２１１および排出口２０８を有している。放熱部２１０は、排出口２０８に放熱経路２０９を介して接続されている。帰還経路２１２は、放熱部２１０と流入口２１１とを接続している。逆止弁２１３は、帰還経路２１２に配置されている。
　また、受熱器２０７、放熱経路２０９、放熱部２１０、および帰還経路２１２により形成する循環経路は密閉されていて、その内部雰囲気は大気圧より負圧である。
　そしてこの負圧経路内には、例えば数百ｃｃ程度の水が注入されている。なお水は冷媒の一例であり、数百ｃｃは循環経路の容積よりも十分に少ない量である。
　つまり、図１０に示す冷却装置２０６は、特許文献３の冷却装置と同じく、先ず受熱器２０７内の水が、半導体スイッチング素子２０５の熱により沸騰する。その時の圧力上昇により、水は気液混合状態ではあるが放熱経路２０９を介して放熱部２１０に到達する。次に、放熱部２１０の外表面がファン（図示せず）の送風により冷却されると、水は再び液相状態となる。その後、水は図１１に示す帰還経路２１２の逆止弁２１３上流側へと戻る。
　水が図１０に示す逆止弁２１３上流側へ戻ると、受熱器２０７内の圧力は徐々に低下してくる。受熱器２０７内の圧力よりも、逆止弁２１３上流側の水の量により主に決まる圧力が高くなると、逆止弁２１３が開放する。
　その結果、逆止弁２１３上流側の水が受熱器２０７内へと流入し次の瞬間、受熱器２０７内では水が爆発的に気化する。この気化熱により、半導体スイッチング素子２０５は効果的に冷却される。
　図１２は本発明の実施の形態２の冷却装置の受熱器を示す平面図、図１３は同冷却装置の受熱器を示す側面図である。図１１～図１３に示すように受熱器２０７は、受熱板２１４と、受熱板カバー２１５とを有している。受熱板カバー２１５の排出口２０８と流入口２１１との間には、受熱板２１４の側に接近する狭開口形成部２１６が設けられている。ここで受熱板２１４は、受熱器２０７の裏面側２０７ａに、発熱体である半導体スイッチング素子２０５に接触させて熱を吸収する吸熱部２２０を有している。吸熱部２２０は、半導体スイッチング素子２０５に接する部分である。また吸熱部２２０は、狭開口形成部２１６を挟んで排出口２０８の側と、流入口２１１の側とに配置されている。受熱板カバー２１５は、受熱板２１４の表面側２１４ａを、空隙２１５ａを設けて覆っている。
　また、排出口２０８と流入口２１１とのうちの少なくとも一方は、受熱器２０７の側方壁面に設けられている。その結果、受熱器２０７の低背化が図られる。
　そして、受熱板カバー２１５に狭開口形成部２１６が設けられることにより、受熱器２０７内に流入口２１１の側の第１空間２１７と、排出口２０８の側の第２空間２１８とが設けられる。第１空間２１７と第２空間２１８とが、狭開口形成部２１６を挟んで連結されている。
　なお、流入口２１１側の第１空間２１７の容積は、排出口２０８側の第２空間２１８の容積よりも小さい。
　また吸熱部２２０は、狭開口形成部２１６の排出口２０８側と、流入口２１１側とにつながって配置されている。ここで吸熱部２２０も、狭開口形成部２１６の排出口２０８側が、流入口２１１側よりも面積が大きい。狭開口形成部２１６により、第１空間２１７から第２空間２１８に薄い膜状の水が急激に広がるので、受熱板２１４の吸熱部２２０では極めて高い熱伝達効率が得られ、冷却効率も高くなる。
　以上の構成において図１１～図１３に示すように逆止弁２１３は、受熱器２０７外に設けられている。受熱器２０７内の流入口２１１に、帰還経路２１２が受熱器２０７内に突出せず、単に接続されている。そのため受熱器２０７の製造時、帰還経路２１２の先端をどこまで挿入するかを決める必要なく、製造が簡単になる。
　また、帰還経路２１２が接続された受熱器２０７内の第１空間２１７の容積は、第２空間２１８の容積よりも小さい。
　したがって、上述のように受熱器２０７内の圧力が徐々に低下し、受熱器２０７内の圧力よりも、逆止弁２１３上流側の水の量により主に決まる圧力が高くなると、逆止弁２１３が開放される。そして逆止弁２１３上流側の水が、第１空間２１７内に流入すると、第１空間２１７において水の一部が沸騰し、第１空間２１７内の圧力が急上昇する。
　このとき、第１空間２１７は第２空間２１８より小さくしているので、同等の大きさとした場合に比べ、第１空間２１７内の圧力の増加はより大きくなる。第１空間２１７の残存する水は、狭開口形成部２１６を通り薄い膜状態にて、勢い良く第２空間２１８に進入する。
　さらに第２空間２１８は、大きな吸熱部２２０を有している。そのため、第２空間２１８に進入した薄い膜状の水は急激に気化し、その時の圧力上昇により、気液混合状態ではあるが放熱経路２０９を介して図１０の放熱部２１０に到達する。次に、放熱部２１０の外表面がファン（図示せず）により冷却されると、水は再び液相状態となり、その後、帰還経路２１２の逆止弁２１３上流側へと戻る。
　なお、受熱板２１４の表面の第１空間２１７、狭開口形成部２１６、および第２空間２１８にわたって、複数の溝２１９が設けられるとよい。すなわち溝２１９が、狭開口形成部２１６の流入口２１１の側から排出口２０８の側に向けて、受熱板２１４の表面に形成されている。第１空間２１７から、第２空間２１８へと薄い膜状の水が、第２空間２１８部分の受熱板２１４の表面に広がりやすく、熱交換効率が高くなる。
　このような循環が繰り返されることにより、半導体スイッチング素子２０５は十分に冷却される。
　また図１４は、本発明の実施の形態２の電子機器の概略図である。電子機器２２１では、冷却装置２０６により発熱体である半導体スイッチング素子２０５の冷却が行われる。図１１に示すように、受熱板カバー２１５の排出口２０８と流入口２１１との間に、受熱板２１４の側に接近する狭開口形成部２１６が設けられているため、水は狭開口形成部２１６を通過する際に流速が増し、薄い膜状になる。そのため図１４に示すように帰還経路２１２の先端は、受熱器２０７内に延伸される必要がなくなり、帰還経路２１２の先端位置の調整の要もない。
　（実施の形態３）
　図１５は、本発明の実施の形態３の電気自動車の概略図である。図１５に示すように電気自動車３０１の車軸３０２を駆動する電動機３０３は、電気自動車３０１に配置した電力変換装置であるインバータ回路３０４に接続されている。
　インバータ回路３０４は、電動機３０３に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子３０５を備えている。半導体スイッチング素子３０５は、電力半導体の一例である。半導体スイッチング素子３０５は、発熱量が大きく、冷却装置３０６により冷却される。
　図１６Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第１の構成を示す平面図、図１６Ｂは図１６Ａの冷却装置の正面図、図１６Ｃは図１６Ａの冷却装置の側面図である。
　図１６Ａ～図１６Ｃに示すように冷却装置３０６は、受熱器３０７と、放熱経路３０９と、放熱部３１１と、帰還経路３１４と、逆止弁３１５とを備えている。ここで箱状の受熱器３０７は、半導体スイッチング素子３０５の上面に、熱伝導可能に接触されている。受熱器３０７は、冷媒である水が流入する流入口３１３、および水が流出する排出口３０８を有している。放熱部３１１は、水が流入する流入部３１０、および水が流出する流出部３１２を有している。
　また放熱部３１１と受熱器３０７とは、放熱経路３０９と帰還経路３１４とにより接続されている。放熱経路３０９は、排出口３０８と流入部３１０とを接続する。帰還経路３１４は、流出部３１２と流入口３１３とを接続する。逆止弁３１５は、帰還経路３１４中の流入口３１３に隣接して配置されている。流入部３１０は、流出部３１２よりも上方に配置されている。
　具体的には、受熱器３０７、放熱経路３０９、放熱部３１１、帰還経路３１４、逆止弁３１５、および受熱器３０７の環状路が形成されている。冷媒の一例として水が用いられる場合、環状路の容積よりも少ない量の水が封入され、この環状路内が大気圧より減圧されて使用される。
　そして、逆止弁３１５が開放されることにより、逆止弁３１５上流側、つまり帰還経路３１４内の水が受熱器３０７内に流入する。次に、受熱器３０７において、水は半導体スイッチング素子３０５から受熱し、急激に沸騰する。このように半導体スイッチング素子３０５は吸熱され、冷却される。
　また、受熱器３０７内において水が沸騰するため、受熱器３０７内の圧力が急激に高まる。その結果、逆止弁３１５は閉鎖され、受熱器３０７内から気相と液相との混合状態の水が、受熱器３０７の排出口３０８から放熱経路３０９を介して放熱部３１１へ流れる。その後、放熱部３１１の表面への送風により、放熱部３１１内の水蒸気は凝縮し、再び液体状となって逆止弁３１５の上流側に戻る。
　このような冷却装置３０６では、一旦閉じられた逆止弁３１５が開放されるためには、逆止弁３１５の上流側の圧力が逆止弁３１５の下流側、つまり受熱器３０７内の圧力よりも大きくなる必要がある。すなわち逆止弁３１５の上流側、つまり帰還経路３１４の高さを高くし、そこに蓄えられる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、その方法では冷却装置３０６の低背化を図ることは困難である。
　そこで、放熱経路３０９のうち排出口３０８に接続された排出口接続管路３０９ａは、帰還経路３１４のうち流入口３１３に接続された流入口接続管路３１４ａよりも断面積が大きい、すなわち管径を大きくする。その結果、放熱経路３０９の管路圧力損失が可能な限り低く抑えられる。ここで排出口接続管路３０９ａは、排出口３０８から上方への立ち上がり部３１７を備えている。
　その結果、逆止弁３１５の開放時の圧力から受熱器３０７内の圧力上昇が小さくなるので、帰還経路３１４に蓄えられる水の水頭圧が低くても、逆止弁３１５が開放可能となる。そのため、冷却装置３０６の低背化が可能となる。
　図１７Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第１の放熱経路を示す平面図、図１７Ｂは同冷却装置の第２の放熱経路を示す平面図である。図１７Ａ、図１７Ｂに示すように、立ち上がり部３１７に、立ち上がり部３１７の断面を複数に分割する分割構成体３１６が設けられている。立ち上がり部３１７の断面は、図１７Ａでは２分割、図１７Ｂでは４分割されている。その結果、気相と液相との混合状態の水が図１６Ｂの放熱部３１１側へとスムーズに循環できる。水のスムーズな循環は、冷却装置３０６の低背化に重要である。
　すなわち、液相状態の水は重量があるため、図１６Ｂに示す受熱器３０７の排出口３０８以降の立ち上がり部３１７において、水は放熱部３１１側へと放熱経路３０９を上昇する。しかし、ある地点において落下し、再び受熱器３０７内へと戻る水の逆流現象（フラッティング現象）が発生することがある。
　ここで、フラッティング現象について簡単に説明する。通常、熱を受けた気相と液相との混相水は本来、図１６Ｂに示す圧力の高い受熱器３０７側から圧力の低い放熱部３１１側へ速やかに移動し放熱後、再び受熱器３０７へ戻って来るべきである。しかし、大きな断面積の管路が用いられると、熱を受け取った混相水が、受熱器３０７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。しかし、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液面が維持されず、水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。その結果、熱を受け取った水が放熱部３１１までたどり着かず、放熱経路３０９の途中において停滞する。フラッティング現象が続くと受熱器３０７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。
　そこで、放熱経路３０９、特に受熱器３０７の排出口３０８以降の立ち上がり部３１７に、放熱経路３０９内の断面積を複数に分割する分割構成体３１６を設ける。この様な分割構成体３１６は、液相状態の水を、分割構成体３１６を構成する壁面に付着させてメニスカスが維持される。そのため、容易に放熱経路３０９の立ち上がり部３１７の水の上昇が可能となる。放熱部３１１に到達した水は放熱後、全て液相となって逆止弁３１５の上流側に戻り、安定的な循環が行われる。
　また、分割構成体３１６は、水との接触長さが増えるため、管路圧力損失となるが、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。
　なお、立ち上がり部３１７の断面形状は、円形である。
　図１８Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第３の放熱経路を示す平面図、図１８Ｂは同冷却装置の第４の放熱経路を示す平面図である。図１８Ａ、図１８Ｂに示すように立ち上がり部３１７の断面形状が、楕円形であってもよい。図１６Ｂの放熱経路３０９の断面を２分割する図１８Ａに示す分割構成体３１６を設けても、４分割する図１８Ｂに示す分割構成体３１６を設けても良い。２分割か４分割かは、分割構成体３１６を設ける管径および管長により決められる。
　図１９Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第５の放熱経路を示す平面図、図１９Ｂは同冷却装置の第６の放熱経路を示す平面図である。図１９Ａ、図１９Ｂに示すように立ち上がり部３１７の断面形状が、四角形であってもよい。図１６Ｂの放熱経路３０９の断面を図１９Ａに示すように２分割する分割構成体３１６を設けても、図１９Ｂに示すように４分割する分割構成体３１６を設けても良い。
　図２０Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第２の構成を示す正面図、図２０Ｂは図２０Ａの放熱経路の要部を示す図である。図２０Ａ、図２０Ｂに示すように立ち上がり部３１７の立ち上がり部上端３１７ａは、流入部３１０よりも上方に位置する。立ち上がり部３１７に、放熱経路３０９の断面を複数に分割する図１７Ａ～図１９Ｂに示すいずれかの分割構成体３１６が設けられている。また立ち上がり部端３１７ａから流入部３１０までの放熱経路３０９は、水平方向から下方に向けて傾斜角θにて傾斜した傾斜路３１８となっている。
　すなわち、液相状態の水は、分割構成体３１６を有する放熱経路３０９に付着し、受熱器３０７からの圧力によって流入部３１０よりも上方にまで持ち上げられる。その後、傾斜路３１８によって放熱部３１１側へと確実に水が搬送される。その結果、冷却装置３０６は安定的な循環が行われ、低背化しても、高い冷却性能を発揮する。
　図２１Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第３の構成を示す平面図、図２１Ｂは図２１Ａの冷却装置の正面図、図２１Ｃは図２１Ａの冷却装置の側面図である。図２１Ａ～図２１Ｃに示すように流入部３１０は、流出部３１２の上方に位置する。そして、放熱経路３０９に排出口３０８から上方への立ち上がり部３１７が設けられている。立ち上がり部３１７には、図１７Ａ～図１９Ｂに示すいずれかの分割構成体３１６が設けられている。また放熱経路３０９は、立ち上がり部端３１７ａから水平方向に曲げられ、流入部３１０に接続される。
　図２２Ａは本発明の実施の形態３の冷却装置の第４の構成を示す平面図、図２２Ｂは図２２Ａの冷却装置の正面図、図２２Ｃは図２２Ａの冷却装置の側面図である。図２２Ａ～図２２Ｃに示すように放熱部３１１の流入部３１０が、流出部３１２の上方に位置する。そして、放熱経路３０９に排出口３０８から上方への立ち上がり部３２０が設けられている。立ち上がり部３２０には、図１７Ａ～図１９Ｂに示すいずれかの分割構成体３１６が設けられている。また放熱経路３０９は、立ち上がり部端３２０ａから水平方向に曲げられ、流入部３１０に接続されている。
　ここで立ち上がり部３２０は、流入部３１０よりも上方に立ち上げられている。そして立ち上がり部上端３２０ａから流入部３１０に向けての放熱経路３０９は、水平方向から下方に向けて傾斜角θの傾斜路３２１が設けられている。
　すなわち、液相状態の水は、分割構成体３１６を有する放熱経路３０９に付着し、受熱器３０７からの圧力により、流入部３１０よりも上方にまで持ち上げられる。その後、傾斜路３２１によって放熱部３１１側へと確実に水が搬送される。その結果、冷却装置３０６は安定的な循環が行われ、低背化しても、高い冷却性能を発揮する。
　図２３は、本発明の実施の形態３の電子機器の概略図である。電子機器３３０では、冷却装置３０６により発熱体である半導体スイッチング素子３０５の冷却が行われる。高密度に集積された電子機器３３０であっても、低背化された冷却装置３０６は容易に設置される。
　本発明の冷却装置は、電気自動車の電力変換装置、および電子機器の高速演算処理装置に有用である。
１，２０１，３０１　　電気自動車
２，２０２，３０２　　車軸
３，２０３，３０３　　電動機
４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄ，１０４　　発熱体
５，２０６，３０６　　冷却装置
６　　電力変換装置
７，１０７，２０７，３０７　　受熱器
７ａ　　管状受熱器
８，１０８　　受熱部
９，１０９，２０９，３０９　　放熱経路
１０，１１０，２１０，３１１　　放熱部
１１，１１１，２１２，３１４　　帰還経路
１２，１１２，２１１，３１３　　流入口
１３，１１３　　流出口
１４，２１３，３１５　　逆止弁
１５，２１４　　受熱板
１５ａ，２１４ａ　　表面側
１６，２１５　　受熱板カバー
１８，２１７　　第１空間
１９，２１８　　第２空間
２２，２１９　　溝
２３，２１６　　狭開口形成部
２４　　導入管
２４ａ　　開口部
３０　　冷媒
３１，２２０　　吸熱部
３２，２２１，３３０　　電子機器
１１７　　冷媒駆動ポンプ
２０４　　車内
２０５，３０５　　半導体スイッチング素子
２０７ａ　　裏面側
２０８，３０８　　排出口
２１５ａ　　空隙
３０４　　インバータ回路
３０９ａ　　排出口接続管路
３１０　　流入部
３１２　　流出部
３１４ａ　　流入口接続管路
３１６　　分割構成体
３１７，３２０　　立ち上がり部
３１７ａ，３２０ａ　　立ち上がり部上端
３１８，３２１　　傾斜路

Claims (20)

  1. 発熱体からの熱を吸収し前記発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、
    前記冷媒の熱を放出する放熱部と、
    前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、
    前記冷媒を前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、および前記受熱部へと循環させ、前記冷媒の液相と気相との相変化によって冷却する冷却装置であって、
    前記受熱部は、前記冷媒の流入口と流出口とを備えた複数の受熱器が直列に配置されて構成され、複数の前記受熱器のうち最も前記帰還経路の側に位置する前記受熱器の前記流入口の側に逆止弁が設けられていることを特徴とする冷却装置。
  2. さらに複数の前記受熱器のうち最も前記帰還経路の側に位置する前記受熱器以外の前記受熱器も、それぞれの流入口の側に前記逆止弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  3. 前記発熱体の熱密度が２０Ｗ／ｃｍ２未満の場合、複数の前記受熱器は管状受熱器であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  4. 前記発熱体の熱密度が２０Ｗ／ｃｍ２以上の場合、複数の前記受熱器のそれぞれは吸熱部を備えた受熱板と前記受熱板の表面側に前記冷媒の気化空間を覆う受熱板カバーとを有し、前記流出口と前記流入口との間に前記冷媒の通路断面を小さくする狭開口形成部が設けられ、前記吸熱部は前記狭開口形成部を挟んで前記流出口の側と、前記流入口の側とに配置されたことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  5. 前記帰還経路の導入管が、前記流入口から前記受熱板の中心まで延ばされ、前記導入管の開口部が前記受熱板の側に形成されたことを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
  6. 請求項１に記載の冷却装置により、前記発熱体の冷却を行なうことを特徴とする電気自動車。
  7. 請求項１に記載の冷却装置により、前記発熱体の冷却を行なうことを特徴とする電子機器。
  8. 流入口および排出口を有する受熱器と、
    前記排出口に放熱経路を介して接続した放熱部と、
    前記放熱部と前記流入口とを接続した帰還経路と、
    前記帰還経路に配置した逆止弁とを備え、
    前記受熱器は裏面側に発熱体に接触させて熱を吸収する吸熱部を有する受熱板と、
    前記受熱板の表面側に空隙を設けて覆った受熱板カバーとを有し、
    前記受熱板カバーの前記排出口と前記流入口との間に前記受熱板の側に接近する狭開口形成部が設けられ、前記吸熱部は前記狭開口形成部を挟んで前記排出口の側と前記流入口の側とに配置されたことを特徴とする冷却装置。
  9. 前記狭開口形成部の前記流入口の側の第１空間の容積は、前記狭開口形成部の前記排出口の側の第２空間の容積より小さいことを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
  10. 前記排出口と前記流入口とのうちの少なくとも一方は、前記受熱器の側方に配置されたことを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
  11. 溝が、前記狭開口形成部の前記流入口の側から前記排出口の側に向けて前記受熱板の表面に形成されたことを特徴とする請求項８に記載の冷却装置。
  12. 請求項８に記載の冷却装置により、半導体スイッチング素子の冷却を行なうことを特徴とする電気自動車。
  13. 請求項８に記載の冷却装置により、前記発熱体の冷却を行なうことを特徴とする電子機器。
  14. 流入口および排出口を有する受熱器と、
    流入部および流出部を有する放熱部と、
    前記排出口と前記流入部とを接続した放熱経路と、
    前記流出部と前記流入口とを接続した帰還経路と、
    前記帰還経路に配置した逆止弁とを備え、
    前記流入部が前記流出部よりも上方に配置されるとともに、前記放熱経路のうち前記排出口に接続された排出口接続管路は、前記帰還経路のうち前記流入口に接続された流入口接続管路よりも断面積が大きいことを特徴とする冷却装置。
  15. 前記排出口接続管路は、前記排出口から上方への立ち上がり部を備え、前記立ち上がり部に、前記立ち上がり部の断面を複数に分割する分割構成体が設けられたことを特徴とする請求項１４に記載の冷却装置。
  16. 前記立ち上がり部の立ち上がり部上端は、前記流入部よりも上方に位置することを特徴とする請求項１５に記載の冷却装置。
  17. 前記立ち上がり部上端から前記流入部までの前記放熱経路は、水平方向から下方に向けて傾斜した傾斜路であることを特徴とする請求項１６に記載の冷却装置。
  18. 前記立ち上がり部の断面形状は円形、または四角形であることを特徴とする請求項１５に記載の冷却装置。
  19. 請求項１４に記載の冷却装置により、半導体スイッチング素子の冷却を行なうことを特徴とする電気自動車。
  20. 請求項１４に記載の冷却装置により、発熱体の冷却を行なうことを特徴とする電子機器。
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