JP2014154683A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】配置制約の緩和と小型化を図り、かつ良好な放熱性能を発揮できる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、発熱体１４が実装される受熱面１２ａを有し、内部に液状の冷媒を収容した受熱器１と、装置内に封入される冷媒の液面高さ以下に設置され、受熱器内部より発生した気泡により搬送された冷媒を冷却する放熱器２と、受熱器および放熱器より鉛直方向上方に設けられ、放熱器から送られた冷媒と、受熱器で発生した冷媒の蒸気との間で熱交換し、前記蒸気を凝縮する凝縮器３と、受熱器で発生した冷媒の蒸気を凝縮器へ送る蒸気流通管５と、凝縮器で加熱された冷媒を受熱器の流入部へ送る冷媒還流管７と、蒸気流通管から凝縮器内を通って延び、凝縮器内で蒸気から凝縮された冷媒を冷媒還流管へ送る凝縮液流通管６と、を備える。
【選択図】図１

Description

この発明の実施形態は、自然循環液冷方式を適用した冷却装置に関する。

一般に、鉄道車両用の電力変換装置には、半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置が設けられている。このような冷却装置において高熱負荷に対応する冷却方式としては、循環用ポンプを用いて、液体の強制対流により冷却する強制循環液冷方式を採用したものが主流となっている。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、ポンプ、液溜タンク、配管等により要素体積が増加し、それにともなうシステムのイニシャルコスト増加が課題として挙げられる。

一方、近年は沸騰により発生する気泡の上昇力を利用し冷媒を循環させる、自然循環液冷方式の冷却システムが提案されている。この冷却システムは、気泡によって搬送された冷媒を放熱器で冷却させ、その冷媒を凝縮器にて蒸気と熱交換させて凝縮させる形態をとっている。このとき、気泡が発生する受熱器の直上にその凝縮部スペースを設けた構成としている。

特開２００９−１４７３６７号公報 特開２００５−１９５２２６号公報 特開２００４−２４５５６６号公報

上記のような冷却装置によれば、気泡の上昇力を利用し冷媒を循環させる基本原理に基づきシステムを構成し、気泡が発生する受熱部の直上に蒸気空間を有する凝縮部スペースを設けた構成としている。しかし、このような構成の場合、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、冷却装置の配置制約を受ける場合が少なからずあり、装置全体システムの設計自由度を低くしている。

そこで、本発明の課題は、配置制約の緩和を図れるとともに、良好な冷却性能を発揮できる自然循環型の冷却装置を提供することにある。

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で、装置内に封入される冷媒の液面高さ以下に設置され、前記受熱器内部より発生した気泡により搬送された冷媒を冷却する放熱器と、前記受熱器および放熱器より鉛直方向上方に設けられ、前記放熱器から送られた冷媒と、前記受熱器で発生した冷媒の蒸気との間で熱交換し、前記蒸気を凝縮する凝縮器と、前記受熱器で発生した冷媒の蒸気を前記凝縮器へ送る蒸気流通管と、前記凝縮器で加熱された冷媒を前記受熱器の流入部へ送る冷媒還流管と、前記蒸気流通管から前記凝縮器内を通って延び、前記凝縮器内で蒸気から凝縮された冷媒を前記冷媒還流管へ送る凝縮液流通管と、を備えている。

図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置を概略的に示す断面図。 図２Ａは、上記冷却装置の受熱器を示す斜視図。 図２Ｂは、変形例に係る冷却装置の受熱器を示す斜視図。 図３は、上記第１の実施形態に係る冷却装置の凝縮器部分を拡大して示す断面図。 図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置を概略的に示す断面図。 図５は、第３の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置を概略的に示す断面図。 図６は、第４の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置を概略的に示す断面図。 図７は、第５の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置を概略的に示す断面図。

以下、図面を参照しながら、実施形態に係る電力変換装置用の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の冷却装置を示す断面図である。図２Ａは、冷却装置の受熱器を示す斜視図である。図２Ｂは、変形例に係る受熱器を示す斜視図である。図３は、冷却装置の凝縮器を示す断面図である。本実施形態に係る冷却装置１０は、例えば、電力変換装置を構成する半導体素子（発熱体）を冷却する冷却装置として構成され、例えば、電力変換装置の筐体内に設けられ、ほぼ鉛直な平面内に設置される。冷却装置１０の体格は、電力変換装置の出力容量、つまりシステムの変換器損失量に応じた所定量の冷媒が封入される。

図１に示すように、冷却装置１０は、半導体素子１４から熱を受けてこの半導体素子１４を冷却する受熱器１と、放熱器２と、凝縮器３と、これらを互いに接続する複数の配管と、を備えている。

図２Ａに示すように、受熱器１は、例えば、偏平な矩形箱状の容器本体１２を備え、ほぼ鉛直な平面内に位置している。容器本体１２の一方あるいは両方の主面は、鉛直方向に延びる受熱面１２ａを構成している。この受熱面１２ａ上に、発熱体としての複数、例えば、２組の半導体素子１４が実装されている。半導体素子１４は、電力変換装置の一部を構成している。受熱器１の受熱面１２ａは、実装された半導体素子１４の発熱量に応じて、所定サイズ、形状、材質が適用される。

容器本体１２内の空間は、冷媒が流れる流通空間を形成している。そして、容器本体１２の流通空間内には、複数の仕切り板１７が設置されている。複数の仕切り板１７は、それぞれ鉛直方向に延びているとともに、水平方向に所定間隔で設置されている。各仕切り板１７は、容器本体１２の主面に対して垂直に設置されている。

容器本体１２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流出口１５ｂを有し、これらの流入口および流出口に鉛直方向に延びる配管２０ａ、２０ｂが接続されている。そして、配管２０ａ、２０ｂを通して容器本体１２内を冷媒２０１が流通する。容器本体１２内へ流入した冷媒は、複数の仕切り板１７間を流れ、容器本体１２の内面、仕切り板の表面に接触し、これらから熱を奪って受熱面１２ａ上の半導体素子１４を冷却する。

なお、図２Ｂに示すように、容器本体１２の鉛直方向上端部および下端部は、配管２０ａ、２０ｂ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。この場合、冷媒の流通抵抗を低減し、より円滑の冷媒の流通、冷却効果の向上を図ることが可能となる。

図１に示すように、放熱器２は、受熱器１の水平側方の上方に配置される。放熱器２は、第１冷媒流通管４ａおよび配管２０ｂを介して受熱器１の流出口１５ｂに連通している。放熱器２は、ほぼ水平に配置され、冷却装置１０に封入される冷媒２０１の液面高さ以下の高さに設置されている。また、放熱器２を通って延びる第１冷媒流通管４ａは、ほぼ水平に延びている。放熱器２は、内部を流れる冷媒２０１の熱を外気に放熱し、冷媒を冷却する。図示はしないが、放熱器２の近傍には、冷媒流通管４ａの内部を通過する冷媒を冷却するためのファンもしくはブロアが設置され、熱を外気と熱交換させて冷却させる構成することも可能である。

図１および図３に示すように、凝縮器３は、受熱器１および放熱器２の鉛直方向上方に配置されている。凝縮器３は、鉛直方向に延びる容器本体１６を有し、容器本体の下部に流入口８ａが形成され、容器本体の上部に流出口８ｂが形成されている。流入口８ａは冷媒流通管４ａを通して放熱器２の排出口に接続されている。流出口８ｂは、第２冷媒流通管４ｂ、冷媒還流管７、および配管２０ａを介して受熱器１の流入口１５ａに連通している。第２冷媒流通管４ｂは、鉛直方向に沿って下方に延び、また、冷媒還流管７はほぼ水平に延びている。これにより、放熱器２により冷却された冷媒２０１は、凝縮器３の容器本体１６内を通り、流出口８ｂから冷媒流通管４ｂへ送られる。

更に、凝縮液流通管６が凝縮器３の容器本体１６内を貫通して鉛直方向に延びている。この凝縮液流通管６の上端は蒸気流通管５に接続され、下端は、冷媒還流管７の中途部に接続されている。蒸気流通管５は、受熱器１と放熱器２との間で配管２０ｂに連結されている。すなわち、蒸気流通管５は、受熱器１の上端側から鉛直方向上方に延びた後、放熱器２の上方をほぼ水平に延び、更に、凝縮液流通管６まで鉛直方向下方に向かって延びている。

受熱器１で発生した冷媒の蒸気は、蒸気流通管５を通って凝縮液流通管６へ送られ、凝縮器３内を通過する際、凝縮器３内の冷媒２０１と熱交換されて凝縮し、凝縮液３０１となる。この凝縮液３０１は、凝縮液流通管６内を流下し、冷媒還流管７を通って受熱器１へ送られる。

冷却装置１０内に封入される冷媒２０１は、純水、炭化水素系、アンモニア水溶液、不凍液（エチレングリコール水溶液、プロピレングリコール水溶液など）、蓄熱マイクロカプセル等、が使用される。冷媒２０１は、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と、昨今の地球環境への影響を鑑みた場合、オゾン層破壊係数や地球温暖化係数が低いものが望ましい。

受熱器１の受熱面１２ａに用いる材料は、その適用冷媒に応じて、アルミニウム製、銅製が使用される。また、受熱面１２ａには、照射ビーム、サンドブラストおよび溶射皮膜形状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。

受熱器１は、伝熱面積を増加させ、気泡１０１の発泡点数を増大させ、伝熱促進を狙った構成にしてもよい。装置の構成要素となっている蒸気流通管５、第１および第２冷媒流通管４ａ、４ｂ、凝縮液流通管６、冷媒還流管７、の各々は、円管、矩形管等、により形成し、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、内部の伝熱面積増大を図った構造を適用してもよい。

一般に、放熱器２へ冷媒を送出する前に気液二相流の状態から液単相の状態にすることが望ましく、冷媒流通管４ａの入口部には、受熱器１で発生した気泡１０１を崩壊させ易くするための、金網、邪魔板等を設置した構成としてもよい。また、放熱器２の内部に伝熱面積増大と、気泡除去を促す、フィン形状もしくは突起体のようなものを設置してもよい。凝縮器３は、内部の凝縮熱伝達促進の向上のため、撥水性の高い塗料等を内部に塗布し、発生した凝縮液を凝縮液流通管６へ流下させ易くした構造および形状としてもよい。

次に、上記のように構成された冷却装置１０の冷却作用について説明する。
図１に示すように、受熱器１の受熱面１２ａに実装された半導体素子１４が起動し、発熱することによって、その熱が受熱面１２ａを熱伝導し、受熱器１の容器本体１６内部に封入された冷媒２０１へと熱伝達される。半導体素子１４の発熱量が増加することで、内部の冷媒２０１が飽和温度付近まで昇温され沸騰が開始される。沸騰により発生する気泡１０１が周囲冷媒との密度差により駆動力が発生、すなわち浮力となって容器本体１２内部に上昇流が発生する。気泡１０１が上昇することにより周囲の冷媒２０１もそれに追従して容器本体１２内を上昇する。容器本体１２の上部では、冷媒２０１は気相と液相の混合状態、つまり気液二相流の流動状態となる。

受熱器１の流出口１５ｂから配管２０ｂへ送出された気液二相状態の冷媒２０１は、一方の液相部分が第１冷媒流通管４ａを介して放熱器２へ送られ、放熱器２において冷却された後、凝縮器３へと送出される。一方、気相部分、すなわち、発生した蒸気１０２は、配管２０ｂの上部に繋がる蒸気流通管５を通して凝縮液流通管６へ送られ、凝縮器３の内部を通過する。

図１および図２に示すように、凝縮器３の内部では、流入した蒸気１０２を、放熱器２で冷却された冷媒２０１によって熱交換し、液化させる。これにより生じた凝縮液３０１が凝縮液流通管６および冷媒還流管７を介して受熱器１の流入口１５ａへと送出される。凝縮器３の内部では、図２に示すように、凝縮液流通管６内の蒸気１０２に対して、凝縮器３の容器本体１６内の冷却された冷媒２０１を管外から接触させることにより、蒸気を凝縮させる形態となっている。この場合、容器本体１６内の上部では、凝縮液流通管６内を流れる蒸気（管内）と容器本体内の冷媒（管外）２０１と熱交換がなされ、容器本体１６内の下部では、凝縮液流通管６内を流れる凝縮液３０１（管内）と冷却された冷媒（管外）２０１とで熱交換がなされる。冷却された冷媒２０１がある所定のサブクール度を有した冷媒２０１となる場合、凝縮液流通管６の管壁を介して蒸気１０２と接する領域では、サブクール沸騰の状態となり、微小な気泡１０３が発生し、流出口８ｂへ送出される。
このように、冷却装置１０内では、循環ループ構成により、外部駆動がなく自然循環流が誘起される。以上のようにして、半導体素子３６は、受熱器１および冷媒２０１によって熱を奪われ、冷却される。

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１の受熱面１２ａに実装された発熱体からの熱が、受熱面材料の内部を熱伝導し、受熱器内部の冷媒２０１へと熱伝達による熱輸送が行われる。発熱体の発熱量増加により、受熱面壁面に接する冷媒２０１が所定飽和温度に達したときに沸騰を開始し、この際に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い、通常の顕熱輸送と比較して著しく高くなるため、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、装置内のループシステムにおいて循環流が誘起されるため、外部駆動源無しで装置内部の冷媒２０１を循環させることが可能となる。

発生した蒸気１０２は蒸気流通管５を介して凝縮器３へと送出され、この際、凝縮器３の内部で、蒸気１０２と放熱器２で冷却された冷媒２０１との間で熱交換が行われる。発生した蒸気１０２を液単相流である冷媒２０１で凝縮させるため、蒸気流通管５の外壁面において、高い凝縮熱伝達率を得ることができる。また、発生した蒸気１０２による装置内の圧力上昇およびこれによる冷媒の飽和温度値の上昇を抑制可能となり、温度変動が小さく、かつ、所望の温度レベルにより、冷媒の循環流を維持することができる。

図２に示すように、放熱器２を通過して冷却された冷媒２０１は、凝縮器３に流入する場合、管外の冷媒２０１は管内蒸気１０２と熱交換し、冷媒２０１が沸騰する。この際、冷媒２０１は所定のサブクール度を有した、サブクール沸騰状態のため微小気泡１０３が発生し、通常の単相流による顕熱輸送のみならず、潜熱輸送を加えた流動状態、すなわちサブクール強制流動沸騰を呈する。この沸騰形態では液単相流の熱伝達と比較して高レベルの熱伝達となるため、液単相で奪うことのできる熱量と比較した場合、凝縮器内部の伝熱面積を大幅に小さくすることができ、凝縮器３の小型化へつながる。

凝縮器３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た状態にある、つまり、サブクール度が低い状態で再び受熱器１の下部流入口１５ａへ流入していくことになる。通常、サブクール度が高い状態で流入した場合、受熱器１の流入口１５ａ部分の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。この場合、受熱器１の下部と上部で気泡の発泡点数に差異が生じ、伝熱面の熱伝達率にばらつきが生じ易くなる。しかし、本実施形態に係る冷却装置１０では、放熱器２を通過して冷却された冷媒２０１が、凝縮器３の内部で蒸気１０２を凝縮させる効果と再加熱される効果とを有している、そのため、再び受熱器１へ戻ってくる冷媒２０１は、サブクール度が低い状態で流入することになる。このため、受熱器１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となる。このことから、受熱器１の下部領域と上部領域で温度ばらつきが小さくなり、受熱面１２ａの広範囲において良好な沸騰熱伝達が発揮できる。また、受熱面１２ａの下部領域の気泡の発泡点数の増加より、ループ内の循環流量が増加するメリットを有している。
以上のことから、配置制約の緩和を図れ、良好な冷却性能を発揮できる電力変換装置用の冷却装置が得られる。またさらに、冷却装置の小型化、低コスト化を図ることも可能となる。

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、上述した第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、その詳細説明は省略し、異なる部分を中心に説明する。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置１０を示している。
この図に示すように、第２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２は、受熱器１の水平側方で受熱器より下方へ配置され、放熱器２の流出口は、下方側で、凝縮器３の流入口８ａに接続される。このため、凝縮器３は、第１の実施形態に比較して、鉛直方向の長さが長くなり、凝縮器３内を冷媒２０１と、凝縮液流通管６内を流れる蒸気１０２および凝縮液３０１との接触面積が増加する構造を有している。本実施形態において、図示はしないが、放熱器２の設置位置は、発熱体の発熱量にあわせて、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。また、高熱負荷条件の場合、気泡の上昇力が増加することから、凝縮器３の設置位置を冷媒液面高さより更に上方に配置してもよい。なお、冷却装置１０の他の構成および各構成要素の構成については、前述した第１の実施形態と同一である。

上記に示した冷却装置１０によれば、受熱器１から発生した気泡１０１の上昇力により冷媒２０１が、上方へ移送されてループシステム内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。放熱器２で冷却された冷媒２０１は、流入口８ａから凝縮器３に流入し、凝縮器３の内部で蒸気１０２と熱交換された後、上部の流出口８ｂから第２冷媒流通管４ｂに流出される。ここでは、前述した第１の実施形態の凝縮器３と比べ、冷媒２０１と、凝縮液流通管６内の蒸気１０２および凝縮液３０１と、の接触面積を増加させて、冷媒２０１と蒸気１０２を熱交換させる形態をとっている。そのため、凝縮器３の内部における熱交換量が増加し、蒸気流入口と凝縮液流出口における温度差が大きくなり、これに応じて圧力差も増加する。これにより、凝縮器３への蒸気１０２の流入が促進される。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。

以上のように構成された第２の実施形態に係る冷却装置１０によれば、発熱体の発熱量にあわせて冷却装置内に封入している冷媒２０１の量を調節し、ループシステム内の冷媒液面高さ以下に収まる範囲において放熱器２を自由に設置することができる。そのため、例えば、冷却装置とその他電気用品等を一つの筐体内に共有化させて組み込む際に、配置の自由度が向上する。また、放熱器２の配置位置の如何によって、凝縮器３内における冷媒と、蒸気１０２および凝縮液３０１との接触面積が増大する。そのため、凝縮器３に流入する蒸気１０２と流出する凝縮液３０１との温度差が大きくなる、つまり、凝縮液流通管６の入口部と出口部において圧力差が生じ易くなり、受熱器１で発生する蒸気１０２の流入量を促進することができる。これにより、蒸気１０２と冷媒２０１との間で熱交換量が増加し、発熱体の高熱負荷に対応可能となる。その他、第２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。

（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置１０を概略的に示す断面図である。第３の実施形態によれば、冷却装置１０は、複数個の発熱体（半導体素子１４）を冷却する場合における構成となっている。すなわち、発熱体が実装される受熱器１は、複数の多並列化された流路を有する内部構造となる。流路は、発熱体と接する部分において多並列化され、受熱器１の内部の各々の流路では、沸騰により発生した気泡１０１とそれに追従するように搬送される気液二相流の状態となった冷媒２０１とが生じ、受熱器１の上部においてその流れが合流する構造を有している。ここで、合流点においては、発生した気泡１０１が管内に充満して冷媒２０１の上昇流を阻害する恐れがあるため、受熱器１の上部には、気泡除去を促進するための邪魔板等を設置した構造としてもよい。

一方、受熱器１に還流する冷媒２０１は、受熱器１の下部、流入口１５ａにおいて流量が分配され、各々の流路に冷媒２０１が供給される構造を有している。受熱器１に流入する流量分配を均一にするために、並列化構成と内部の流路形状を変更した構造としてもよい。なお、冷却装置１０の他の構成および各構成要素の構成については、前述した第２の実施形態と同一である。

上記のように構成された冷却装置１０によれば、複数個の発熱体が設置された各々の流路内部で発生した気泡と気液二相流の高温状態となった冷媒２０１が、受熱器１の上部流出口１５ｂにて一つの配管に合流され、発生した蒸気１０２は蒸気流通管５を通って凝縮器３へ送られ、また、高温状態となっている冷媒２０１は放熱器２へ送出される。受熱器１の流入口１５ａへ還流される冷媒２０１は、受熱器１の内部の各々の流路内に所定流量が分配流入し、発熱体より熱を授受し、冷媒が沸騰することで気泡１０１の上昇力によって循環流が誘起される。その他の要素における作用については、第２の実施形態と同様となる。

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によれば、受熱器１を複数個の多並列化された流路構造とすることで、内部の冷媒２０１を沸騰させる伝熱面積を増加させ、発生する気泡１０１の発泡点数を増加させることができる。これにより、沸騰熱伝達率と循環流量を向上させることができる。また、受熱器１の流出口に邪魔板等を設置することにより、気液二相流の高温状態にあるから気泡除去を促進させることで、冷媒２０１の流動抵抗と局所的な圧力損失を低減でき、冷媒２０１の循環効率が改善される。更に、受熱器１の流入口部の流路構成を最適化することで、還流してくる冷媒流量を均一に各々の流路に分配流入させで、複数個の発熱体の温度平準化へ寄与することができる。その他、第３の実施形態においても、前述した第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第４の実施形態）
図６は、第４の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置を概略的に示す断面図である。
この図に示すように、第４の実施形態によれば、冷却装置１０は、互いに離れた場所に位置する発熱体（例えば、半導体素子１４）を冷却する場合における構成となっている。すなわち、冷却装置１０は、２つの受熱器１を備え、各受熱器１の受熱面１２ａ上に半導体素子１４が実装されている。２つの受熱器１は、例えば、同一高さ位置に配置され、互い並列に並んで配置されている。受熱器１の水平側方の上方に、冷媒２０１を冷却するための２つの放熱器２と、発生した蒸気１０２を凝縮させるために、放熱器２よりさらに上方に設置された共通の凝縮器３とが配置されている。各受熱器１は、蒸気流通管５を介して凝縮器３と接続され、一方で、第１冷媒流通管４ａと放熱器２を介して、凝縮器３の冷媒流入口８ａに接続されている。つまり、２つの各受熱器１に対して、各々の放熱器２が設置され、凝縮器３は集約化させたものとして構成されている。発生した蒸気１０２が凝縮して凝縮液３０１が流下する凝縮液流通管６と凝縮器３の内部で熱交換された冷媒２０１が流出する第２冷媒流通管４ｂは、冷媒還流管７を介して各受熱器１の下部流入口１５ａに接続され、全体としてループシステムを構成している。

本実施形態において、図示はしないが、各受熱器１に対して１台の放熱器２で集約化させた構成としてもよい。また、凝縮液流通管６と冷媒還流管７を複数個に分散化させ、両受熱器１へと還流させる構成としてもよい。

上記のように構成された冷却装置１０によれば、半導体素子１４から熱を奪い受熱器１の内部から流出する気液二相流の高温状態となった冷媒２０１は、受熱器１の流出口１５ｂを出た後に蒸気１０２と冷媒２０１に分流され、蒸気１０２が２つの蒸気流通管５から１台に集約化させた凝縮器３へと送出され、冷媒２０１は各々の受熱器１と対になる放熱器２もしくは１台に集約化された放熱器２を通過して冷却された後、凝縮器３へ流入する。蒸気１０２と冷媒２０１が熱交換され、蒸気１０２は液化され凝縮液流通管６および冷媒還流管７を介して各々の受熱器１へ再び戻り、一方、蒸気１０２から熱を授受した冷媒２０１も第２冷媒流通管４ｂおよび冷媒還流管７を介して各々の受熱器１へ戻る。

以上のように構成された第４の実施形態に係る冷却装置１０によれば、２つの各々の受熱器１に対して、１つの凝縮器３で集約化させて蒸気１０２とループ内を循環する冷媒２０１との熱交換をさせるため、効率良く冷媒２０１を循環させ、かつ良好な熱交換性能を発揮することができる。また、冷却装置１０の熱交換性能が向上するため、相対的に凝縮器３の体積の縮小化、すなわち冷却装置の上部に設置する占有スペースの低減を図ることできる。更に、受熱器を複数個を多並列配置することで、システムとしての運用効率を向上させることができ、全体としてランニングコスト低減が可能となる。その他、第４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を得ることができる。

（第５の実施形態）
図７は、第５の実施形態に係る電力変換装置用の冷却装置を概略的に示す断面図である。第５の実施形態によれば、冷却装置１０は、互いに離れた場所に位置される複数個の発熱体を冷却する構成となっている。すなわち、冷却装置１０は、２か所に受熱器１を備え、各受熱器１の受熱面１２ａ上に半導体素子１４が実装されている。また、各受熱器１は複数の多並列化された流路を有する構造となる。流路は、発熱体と接する部分において多並列化構造となり、受熱器１内部の各々の流路では、沸騰により発生した気泡１０１とそれに追従されるように上方へと搬送される気液二相流の状態となった冷媒２０１となり、２つの多並列化された受熱器１の上部流出口部分においてその流れが合流するような構造を有している。両合流点においては、各々の受熱器１で発生した気泡１０１が管内に充満し冷媒２０１の上昇流を阻害する恐れがあるため、両受熱器１の流出口１５ｂには、気泡除去を促進するための邪魔板等を設置した構造としてもよい。なお、冷却装置１０の他の構成および各構成要素の構成については、前述した第４の実施形態と同一であるものとし、また、第３の実施形態の受熱器１の構造と類似したものである。

上記のように構成された冷却装置１０によれば、各々の受熱器１において、複数個の発熱体が設置された各々の流路内部で、発生した蒸気１０２と気液二相流の高温状態となった冷媒２０１が、各々の受熱器１の流出口１５ｂにて１つの管に合流され、発生した蒸気１０２は各々の蒸気流通管５を介して凝縮器３へ、高温状態となっている冷媒２０１は、各々の受熱器１と対を成している放熱器２へとそれぞれ送出される。その他の要素における作用について、システム全体としては第４の実施形態と、各受熱器１における作用については第３の実施形態と同様となる。

以上のように構成された第５の実施形態に係る冷却装置によれば、互いに離れた各々の受熱器１において、複数個の発熱体が設置された構造とすることで、発熱体の実装スペースが限定される場合において、複数個の発熱体の設置位置を自由に変更することができる。例えば、発熱体とその他用品等を同じ筐体内に実装する場合において、設計の自由度が向上するため、配置レイアウトの最適化を図ることができる。また、各受熱器１の距離が離れた場所に設置した場合でも、共通の凝縮器３を設けることでシステムの運用効率を向上させることができ、全体としてランニングコスト低減が可能となる。その他、第５の実施形態においても、前述した第４の実施形態と第３の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

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。第１ないし第５の実施形態において、凝縮器の容器本体は、鉛直方向に沿って配置する構成としたが、これに限らず、鉛直方向に対し傾斜して設けられてもよい。また、受熱器は水平方向に沿って、あるいは、水平方向に対し傾斜して設けてもよく、この場合、小ポンプを用いて装置を始動させるように構成してもよい。

１…受熱器、２…放熱器、３…凝縮器、４a…第１冷媒流通管、
４ｂ…第２冷媒流通管、５…蒸気流通管、６…凝縮液流通管、７…冷媒還流管、
８ａ…流入口、８ｂ…流出口、１２…容器本体、１２ａ…受熱面、
１５ａ…流入口、１５ｂ…流出口、１０１…気泡、１０２…蒸気、
１０３…微小気泡、２０１…冷媒、３０１…凝縮液

Claims (9)

1. 冷却対象となる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で、装置内に封入される冷媒の液面高さ以下に設置され、前記受熱器内部より発生した気泡により搬送された冷媒を冷却する放熱器と、
   前記受熱器および放熱器より鉛直方向上方に設けられ、前記放熱器から送られた冷媒と、前記受熱器で発生した冷媒の蒸気との間で熱交換し、前記蒸気を凝縮する凝縮器と、
   前記受熱器で発生した冷媒の蒸気を前記凝縮器へ送る蒸気流通管と、
   前記凝縮器で加熱された冷媒を前記受熱器の流入部へ送る冷媒還流管と、
   前記蒸気流通管から前記凝縮器内を通って延び、前記凝縮器内で蒸気から凝縮された冷媒を前記冷媒還流管へ送る凝縮液流通管と、
   を備える冷却装置。
2. 前記凝縮器は、冷媒の流入口と流出口とを有し、前記放熱器から送られた冷媒が流通する容器本体を備え、前記凝縮液流通管は、前記凝縮器の容器本体内を貫通して延び、前記凝縮液流通管内を前記蒸気が流れ、前記放熱器から送られた冷媒が前記容器本体内で前記凝縮液流通管の周囲を流通する請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記凝縮液流通管は、前記凝縮器から前記冷媒還流管の中途部に接続されている請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記放熱器は、水平方向に前記冷媒が流入出するように配置され、前記受熱器より水平側方より下方に配置されるともに、前記冷媒の液面を越えない下部に設置されている請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記受熱器は、それぞれ冷媒が流れる並列配置された複数の流路を備えている請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 発熱体が実装される受熱面を有し、内部に冷媒を収容し、かつ前記受熱器と離れた位置に配置された他の受熱器と、前記他の受熱器から送られる加熱された冷媒を冷却する他の放熱器と、を備え、前記２つの受熱器は、同一高さ位置に並んで配置され、前記凝縮器は、前記２つの受熱器の上方かつ前記冷媒の液面を越える上部に配置され、前記２つの放熱器は前記受熱器の水平方向側方の下上方、かつ、前記冷媒の液面を越えない高さ位置に配置されている請求項１に記載の冷却装置。
7. 前記２つの受熱器は、それぞれ冷媒が流れる並列配置された複数の流路を備えている請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記凝縮器の容器本体は、鉛直方向に沿って配置され、前記容器本体の下部に前記流入口が設けられ、容器本体の上部に前記流出口が設けられ、前記凝縮液流通管は、鉛直方向に沿って前記容器本体内を貫通して延びている請求項２に記載の冷却装置。
9. 前記凝縮器の容器本体は、水平方向に沿って配置され、前記容器本体の下部に前記流入口および流出口が設けられ、前記凝縮液流通管は、水平方向に沿って前記容器本体内を貫通して延びた後、前記容器本体から鉛直方向下方に延出している請求項２に記載の冷却装置。

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