CN103703335B - 冷却装置、搭载有该冷却装置的电子设备及电动机动车 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种冷却装置，具备：具备将来自发热体的热量向工作流体传递的受热板的受热部；将工作流体的热量释放的散热部；将受热部与散热部连接的散热路径和返还路径。该冷却装置使工作流体向受热部、散热路径、散热部、返还路径及受热部循环而进行发热体的散热。并且在返还路径的受热部附近或受热部内设有控制工作流体的流动的止回阀。止回阀包括：具有阀孔的阀座；具有凹部的壳体；具备被阀座与壳体夹着且对阀孔进行开闭并在凹部内移动的阀可动部的阀板。

Description

冷却装置、搭载有该冷却装置的电子设备及电动机动车

技术领域

本发明涉及冷却装置、搭载有该冷却装置的电子设备及电动机动车。

背景技术

已知有搭载于电动机动车的电力转换电路的冷却装置。在电动机动车中作为驱动动力源的电动马达通过作为电力转换电路的倒相电路进行开关驱动。在倒相电路中，使用多个以功率晶体管为代表的半导体开关元件，且在各个半导体开关元件中流动几十安培的大电流。因此，半导体开关元件发热很大而需要冷却。

对此，如专利文献1那样在上下具备制冷剂散热器和制冷剂箱的沸腾冷却装置中，进行配设于下部的倒相电路的冷却。在这样的现有的冷却装置中，与半导体开关元件接触地配置制冷剂箱，制冷剂箱内的液化制冷剂夺取开关元件的热量而气化。然后，气化后的制冷剂向配置在上部的制冷剂散热器上升而被冷却，进行液化而再次向下部滴下，这样的循环反复进行。即，利用自然对流使制冷剂循环。

但是，在这样的自然对流式的冷却装置中，开关元件的热量经由制冷剂箱的壁面(传热面)向储存在制冷剂箱内的液化制冷剂传递。即，开关元件的热量仅仅通过平缓的对流热传递来传递。因此，传热面中的传热效率无法变高，从而无法对开关元件高效地进行冷却。

【在先技术文献】

【专利文献】

【专利文献1】：日本特开平8—126125号公报

发明内容

【发明的概要】

本发明的冷却装置具备：具备将来自发热体的热量向工作流体传递的受热板的受热部；将工作流体的热量释放的散热部；将受热部与散热部连接的散热路径和返还路径。该冷却装置使工作流体向受热部、散热路径、散热部、返还路径及受热部循环而进行发热体的散热。并且，在返还路径的受热部附近或受热部内设有控制工作流体的流动的止回阀。止回阀包括：具有阀孔的阀座；具有凹部的壳体；具备被阀座与壳体夹着且对阀孔进行开闭并在凹部内移动的阀可动部的阀板。

在如此结构的冷却装置中，阀板在因积存于阀板之上的工作流体的水头产生的压力和受热部内的内压的压力平衡的作用下打开，使阀可动部在壳体的凹部内移动，故止回阀不会过量地开口。因此，不会向受热部内供给过量的工作流体，而适量地供给工作流体。向受热板滴下的工作流体的一部分因初始沸腾而发生体积膨胀，剩余的未沸腾的工作流体作为较薄的膜在受热板的表面整体上扩展。薄膜状的工作流体接受变热的受热板的热量，一瞬间地被加热并气化。其结果是，传热面中的传热效率得以提高，从而使冷却效果提高。

另外，在因气化引起的体积膨胀的作用下，工作流体在受热板上流势良好地移动，故传热面上的传热效率进一步地提高，从而使冷却效果提高。

附图说明

图1是本发明的实施方式1的电动机动车的示意图。

图2是冷却装置的示意图。

图3是该冷却装置的止回阀的分解立体图。

图4是该冷却装置的止回阀的局部切断立体图。

图5A是该冷却装置的止回阀附近的剖视图。

图5B是图5A的5B—5B剖视图。

图6A是本发明的实施方式1的冷却装置的止回阀的阀可动部堵塞了阀孔的状态的剖视图。

图6B是图6A的6B—6B剖视图。

图7是本发明的实施方式2的冷却装置的示意图。

图8A是该冷却装置的止回阀的分解立体图。

图8B是该冷却装置的止回阀的组装立体图。

图8C是图8B的8C—8C剖视图。

图9A是本发明的实施方式2的冷却装置的止回阀搭载部的示意结构图。

图9B是该冷却装置的止回阀搭载部的放大结构图。

图10是具备有该冷却装置的电子设备的示意立体图。

具体实施方式

以下，边参考附图边对本发明的实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是本发明的实施方式1的电动机动车的示意图。如图1所示，对电动机动车1的车轴(未图示)进行驱动的电动机(未图示)与配置在电动机动车1的内部的电力转换装置即倒相电路2连接。倒相电路2具备向电动机供给电力的多个半导体开关元件10，半导体开关元件10在动作中发热。

并且，冷却装置3对半导体开关元件10进行冷却。冷却装置3具备受热部4、散热部5、散热路径6及返还路径7。在此，散热部5将工作流体12(例如水)在受热部4中吸收到的热量10a释放。散热路径6及返还路径7为将受热部4与散热部5连接的工作流体12的循环路径。在循环路径中，工作流体12成为气体(使用水时为水蒸汽)、液体及它们的混合状态。并且，工作流体12沿着受热部4、散热路径6、散热部5、返还路径7及受热部4单向循环。

图2是本发明的实施方式1的冷却装置的示意图。如图2所示，散热部5具备向外部空气释放热量的散热体8。散热体8由以空开规定的间隔的方式层叠散热片而成的框体(未图示)构成，该散热片通过将铝呈长条状地形成得较薄而成。并且，从鼓风机9向散热体8的表面吹送外部空气来进行散热。需要说明的是，来自散热体8的表面的散热也可以有效地利用于电动机动车1车内的供暖。

另外，如图2所示，受热部4具备：与作为发热体的半导体开关元件10接触而吸收热量10a并将其向工作流体12传递的受热板11；覆盖受热板11的表面并形成有使流入的工作流体12蒸发的受热空间13的受热板罩14。

进而，在受热板罩14上设有：供液化后的工作流体12向受热空间13流入的流入口15；使工作流体12成为气体而从受热空间13排出的排出口16。

即，在受热板罩14的上表面设有流入口15，在受热板罩14的侧面设有排出口16。在流入口15连接有返还路径7，另外在排出口16连接有散热路径6。

进而，在返还路径7的受热部4侧以向受热空间13内突出的状态连接有向受热部4内供给工作流体12的流入管19。以下，将受热空间13内的流入管19记载为导入管17。

需要说明的是，在本发明的实施方式1中，在导入管17入口部分配备有止回阀18。止回阀18设置在返还路径7的受热部4附近或者受热部4内，并对工作流体12的流动进行控制。

关于基于如此的结构的冷却装置3的作用进行说明。

在上述结构中，当图1所示的倒相电路2的半导体开关元件10开始动作时，向电动机供给电力，电动机动车1开始动作。此时，在半导体开关元件10中流动有大电流，至少总电力的几％成为损失而发热。

另一方面，图2所示的半导体开关元件10的发热向对受热空间13的受热板11上供给的液状的工作流体12传递。即，当半导体开关元件10的热量10a向工作流体12传递时，液状的工作流体12一瞬间地气化，从排出口16向散热路径6流动，并在散热部5中使热量10a向外部空气释放。

由散热部5释放了热量10a的工作流体12液化而向返还路径7流动，并积存在止回阀18上的流入管19内。液化了的工作流体12逐渐地在返还路径7内增加。另一方面，受热空间13内的工作流体12由于气化而减少，受热空间13内的压力也减少。因此，在由积存在止回阀18上的工作流体12的水头产生的压力的作用下，止回阀18被压下而打开，工作流体12再次向受热空间13内的受热板11上供给。如此工作流体12在冷却装置3内循环，从而进行半导体开关元件10的冷却。

在此，对于受热空间13内的冷却机理施加说明。

在图2所示的受热空间13内，来自返还路径7的工作流体12从止回阀18向受热板11上呈液滴地滴下。受热板11的表面形成为流路呈放射状地扩大的形状。并且，借助后述的止回阀18的作用而适量地供给工作流体12。供给的工作流体12作为较薄的膜而在受热板11上扩展。受热板11的背面侧与半导体开关元件10接触。因此，成为了较薄的膜的工作流体12被加热而一瞬间地气化。

另外，包括受热空间13在内的循环路径内的气压设定得比大气压低。因此，工作流体12即便使用水，也在比大气压中的水的沸腾低的温度下气化。

在本发明的实施方式1中，使循环路径内的气压为-97KPa，循环路径内为饱和蒸气的状态。因此，与外部气温相应的沸腾温度确定，容易地使工作流体12的水气化。此时，工作流体12夺取半导体开关元件10的热量10a而进行冷却。

另外，当工作流体12气化时受热空间13内的压力增加。但是，在止回阀18的作用下，工作流体12不会逆流向返还路径7侧返回，而可靠地从排出口16向散热路径6释放。如此，通过冷却装置3的动作，能够实现有规则的受热和散热的循环。并且，工作流体12在受热空间13内连续地气化而进行半导体开关元件10的冷却。

在此，对于本发明的实施方式1的最为特征性的部分进行说明。

图3是本发明的实施方式1的冷却装置的止回阀的分解立体图。如图3所示，止回阀18由控制工作流体12的流动的阀板21、保持阀板21的壳体22及阀座23构成。壳体22具备凹部22b。阀板21具备在凹部22b内移动的阀可动部21a。在壳体22、阀座23分别设有与流入管19的内径相同的直径的壳体孔22a、阀孔23a。阀板21的材质为铜、黄铜、或者SUS(SteelUseStainless)。另外，阀板21的厚度例如为100μm～200μm。

另外，阀板21在内侧设有U字状的切槽25，在切槽25内侧形成有阀可动部21a。即，阀可动部21a为由U字状的切槽25环绕而成的区域26。另外，阀可动部21a具备从阀板21的变位最大的自由端21b和从阀板21的变位为零的固定端21c。

图4是本发明的实施方式1的冷却装置的止回阀的局部切断立体图。如图4所示，以使阀可动部21a收容在壳体22的凹部22b的方式由壳体22、阀座23将阀板21夹在中间而对该阀板21进行固定。壳体22、阀座23通过未图示的螺钉等来固定。阀可动部21a被阀座23和壳体22夹着且对阀孔23a进行开闭。

另外，阀可动部21a仅仅在壳体22的凹部22b内移动。凹部22b的深度为1mm～2mm左右，且阀可动部21a与凹部22b的内壁的间隙也为1mm～2mm左右。借助这样的结构，即便图2所示的止回阀18打开，也不向受热部4内供给过量的工作流体12，从而适量地控制工作流体12的供给。

并且，向受热板11滴下的工作流体12如前所述那样作为较薄的膜以向受热板11表面的周围扩散的方式扩展。然后，接受受热板11的热量10a，工作流体12被加热而一瞬间地气化。因此，传热面中的传热效率变高，从而进行高效的冷却。进而，在基于气化的体积膨胀的作用下，工作流体12在受热板11部分流势良好地移动至排出口16，故传热面中的传热效率进一步地变高。

需要说明的是，在本发明的实施方式1中，止回阀18的阀板21大致水平地配置。但是，只要阀板21借助基于工作流体12的水头的压力而可动，阀板21的配置方向也可以相对于水平方向倾斜，还可以大致垂直。不过，如果考虑到根据工作流体12的量和由水头产生的压力的关系而确定的响应性，阀板21的配置方向优选大致水平。

图5A是本发明的实施方式1的冷却装置的止回阀附近的剖视图，图5B是图5A的5B—5B剖视图。如图5A所示，阀座23具备与阀板21密接的平面抵接面24。因此，阀座23与阀板21的气密性变高，来自受热部4内的工作流体12的逆流防止性得以提高。进而，阀可动部21a在开闭时，反复进行与平面抵接面24的宽阔的面积的冲撞。因此，与没有平面抵接面24而反复与流入管19的端面的狭窄的面积的直接冲撞的情况相比，阀板21的损伤较少而阀板21的耐久性提高。

另外，在形成阀孔23a的阀孔形成面23b与阀板21相接的阀孔阀板接触部23c设有倒角加工部30。假定在作为阀孔23a的开口缘的阀孔阀板接触部23c存在有突起的情况下，当突起相对于阀板21垂直地碰触时，阀可动部21a在开闭时容易损伤。因此，在设有对碰触时的冲击进行缓和的倒角加工部30时，即便阀板21与阀孔阀板接触部23c碰触也可缓和冲击，从而阀孔23a的开口缘不会发生损伤。因此，阀板21的耐久性进一步提高。

另外，阀板21由金属板27形成。并且如图5B所示，金属板27的轧制方向28为与从固定端21c朝向自由端21b的阀可动部方向29相同的方向。因此，即便阀可动部21a在开闭时向上下反复弯曲，也难以产生金属疲劳。

另外，图5B所示的由金属板27形成的阀板21的外周部分、及切槽25通过冲裁等而从图5A所示的阀座23一侧切断至壳体22一侧。因此，切断时产生的毛刺朝向壳体22一侧，从而在阀可动部21a的开闭时不会使阀座23受伤。

图6A是本发明的实施方式1的冷却装置的止回阀的阀可动部堵塞了阀孔的状态的剖视图，图6B是图6A的6B—6B剖视图。在图2所示的受热空间13内的压力的作用下，如图6A所示，在抬起阀可动部21a的力比因向阀可动部21a上返还的工作流体12的水头压和返还路径7内的压力而向下方压下的力大的情况下，阀可动部21a成为堵塞阀孔23a的状态。因此，图2所示的受热空间13内的工作流体12不会逆流向返还路径7侧返回，而可靠地从排出口16向散热路径6释放。

如图6B所示，在阀可动部21a与平面抵接面24的间隙中也存在有工作流体12。因此，图2所示的止回阀18关闭时的气密性得以提高。其结果是，受热部4中的冷却效果与现有的自然循环式相比极为提高。另外，在设有图5A所示的倒角加工部30时，工作流体12向阀板21上顺畅地扩展。其结果是，止回阀18关闭时的气密性得以进一步地提高。

(实施方式2)

在本发明的实施方式2中，对于与实施方式1相同的结构要素标以相同的符号，而省略其详细的说明。图7是本发明的实施方式2的冷却装置的示意图，图8A是该冷却装置的止回阀的分解立体图，图8B是该冷却装置的止回阀的组装立体图，图8C是图8B的8C—8C剖视图。

在图7所示的返还路径7内的紧挨着止回阀38之前的流入管19中，向受热空间13内滴下前的工作流体12作为液体积存。通常而言，止回阀38打开几秒以下的时间，从而向受热空间13内供给工作流体12。

在此，成为问题的是图8A所示的阀板31的耐久性。即，由于图7所示的受热空间13内的工作流体12的气化，受热空间13内的压力升高而止回阀38被压上，成为关闭的状态。并且，当受热空间13内的工作流体12因气化而减少时，受热空间13内的压力也减少。其结果是，在基于积存在止回阀38上的工作流体12的水头的压力的作用下，止回阀38被压下，将止回阀38打开。如此止回阀38反复开闭，由此存在在图8A所示的阀板31的阀可动部31a的根部31b产生损伤的情况。进而，即便阀板31考虑到耐久性而由前述的铜等形成，也存在由于因受热空间13内的空化(cavitation)引起的侵蚀(erosion)而产生龟裂、及针孔等的可能性。

如此在阀板31产生了损伤的情况下，图7所示的止回阀38失去阀功能，会产生向受热空间13内始终供给工作流体12的情况、或者来自受热空间13的工作流体12的逆流。其结果是，工作流体12的稳定的循环功能丧失，受热板11的传热效率显著地降低。因此，在本发明的实施方式2中，设有装载有多个止回阀38a～止回阀38n的止回阀搭载部40。止回阀搭载部40设置在返还路径7的受热部4侧。关于设置多个止回阀的理由在后叙述。

如图8A～图8C所示，由于装载止回阀38a～止回阀38n，止回阀38a的结构构成为与实施方式1上下相反，阀板31收容在壳体32的凹部32a内。如图7所示，使设于止回阀38a～止回阀38n的最下层、即最靠近受热部4的止回阀38n的壳体32上的、与流入管19的内径相同的直径的壳体孔32b的位置和受热部4的流入口15的位置对合。由此，与其他的止回阀38a……38m同样地，图8A所示的阀板31的阀可动部31a仅仅在壳体32的凹部32a内移动。

图9A是本发明的实施方式2的冷却装置的止回阀搭载部的示意结构图，图9B是该冷却装置的止回阀搭载部的放大结构图。利用图9A、图9B，关于在止回阀搭载部40的内部搭载有两个止回阀38a、38b时的动作和设有多个止回阀的理由一并进行说明。在此，在通常动作中，仅仅靠近受热部4一侧的止回阀38b发挥功能。

如图9A、图9B所示，从流入管19经由止回阀38a、38b而向受热部4供给工作流体12，使液状的工作流体12气化。其结果是，受热空间13内的压力升高，下侧的止回阀38b被压上而被关闭。但是，上侧的止回阀38a的阀板31的阀可动部31a成为在被工作流体12充满的壳体32的凹部32a内浮起的状态。

接着，受热空间13内的工作流体12的气化量减少，而受热空间13内的压力减少，此时，在基于积存在止回阀38b上的工作流体12的水头产生的压力的作用下，止回阀38b被压下。即，止回阀38b打开而向受热空间13内供给工作流体12。

如此，在止回阀搭载部40的内部装载有两个止回阀38a、38b时的通常动作中，与止回阀38b为一个时相比，止回阀38a没有作为止回阀的功能。即，止回阀38a为基本打开的状态。因此，止回阀38a没有因开闭动作的反复进行而受到图8A所示的阀板31的阀可动部31a的根部31b的损伤、及因受热空间13内的空化现象引起的侵蚀的影响。在止回阀38b因长期使用而使前述劣化的发展而无法发挥作为止回阀的功能时，止回阀38a才发挥作为止回阀的功能。

如此，在止回阀38b产生了损伤的情况下，止回阀38a进行与上述那样的止回阀38b同样的动作，从而能够使图7所示的止回阀38的更换等的维修时期延迟。即，定期性地进行的检修的期间变长。

需要说明的是，在本发明的实施方式1中，对于冷却装置3适用于电动机动车1的例子进行了说明。图10是具备本发明的实施方式2的冷却装置的电子设备的示意立体图。图10是电子设备为个人计算机的情况。在个人计算机箱体32内配备有冷却装置3、作为发热体的发热体插座33及电源单元34，发热体插座33通过冷却装置3来冷却。

【工业方面可利用性】

本发明的冷却装置在作为电动机动车的驱动装置的电力转换装置所使用的功率半导体、具有高发热量的CPU(CentralProcessingUnit)等的冷却中有用。

附图符号说明

1电动机动车

2倒相电路

3冷却装置

4受热部

5散热部

6散热路径

7返还路径

8散热体

9鼓风机

10半导体开关元件(发热体)

10a热量

11受热板

12工作流体

13受热空间

14受热板罩

15流入口

16排出口

17导入管

18、38、38a、38b、38m、38n止回阀

19流入管

21、31阀板

21a、31a阀可动部

21b自由端

21c固定端

22、32壳体

22a、32b壳体孔

22b、32a凹部

23阀座

23a阀孔

23b阀孔形成面

23c阀孔阀板接触部

24平面抵接面

25切槽

26区域

27金属板

28轧制方向

29阀可动部方向

30倒角加工部

31b根部

32个人计算机箱体

33发热体插座

34电源单元

40止回阀搭载部

Claims (10)

1.一种冷却装置，具备：

受热部，其具备将来自发热体的热量向工作流体传递的受热板；

散热部，其将所述工作流体的热量释放；

散热路径和返还路径，该散热路径和返还路径将所述受热部与所述散热部连接，

所述冷却装置使所述工作流体向所述受热部、所述散热路径、所述散热部、所述返还路径及所述受热部循环而进行所述发热体的散热，

所述冷却装置的特征在于，

在所述返还路径的所述受热部附近或所述受热部内设有对所述工作流体的流动进行控制的止回阀，

所述止回阀包括：

阀座，其具有阀孔；

壳体，其具有凹部；

阀板，其具备阀可动部，该阀可动部被所述阀座与所述壳体夹着且对所述阀孔进行开闭，并在所述凹部内移动，

由于所述受热部内的所述工作流体的气化，所述受热部内的压力升高，从而所述止回阀关闭，

由于所述受热部内的所述工作流体的气化量减少而造成的所述受热部内的压力的减少、以及在基于积存在所述止回阀之上的所述工作流体的水头而产生的压力的作用下，所述止回阀打开，将所述工作流体向所述受热部内供给，供给的所述工作流体作为较薄的膜而在所述受热板上扩展。

2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述阀板水平配置。

3.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

在所述返还路径的所述受热部侧设有搭载多个所述止回阀的止回阀搭载部。

4.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述阀座具备与所述阀板密接的平面抵接面。

5.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

所述阀可动部为由设于所述阀板上的U字状的切槽围成的区域，且具有从所述阀板的变位最大的自由端和从所述阀板的变位为零的固定端。

6.如权利要求5所述的冷却装置，其特征在于，

所述阀板为金属板且所述金属板的轧制方向为与从所述固定端朝向所述自由端的阀可动部方向相同的方向。

7.如权利要求6所述的冷却装置，其特征在于，

所述阀板为从所述阀座一侧切断至所述壳体一侧的所述金属板。

8.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，

在形成所述阀孔的阀孔形成面与所述阀板相接的阀孔阀板接触部设有倒角加工部。

9.一种电子设备，其特征在于，具备：

权利要求1所述的冷却装置；

通过所述冷却装置冷却的被冷却构件。

10.一种电动机动车，其特征在于，具备：

权利要求1所述的冷却装置；

通过所述冷却装置冷却的所述发热体。