WO2012144123A1 - 冷却装置およびこれを搭載した電気自動車 - Google Patents

冷却装置およびこれを搭載した電気自動車 Download PDF

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WO2012144123A1
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heat
heat receiving
path
cooling device
refrigerant
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PCT/JP2012/001549
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French (fr)
Inventor
郁 佐藤
杉山　誠
若菜 野上
俊司 三宅
彩加 鈴木
Original Assignee
パナソニック株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device and an electric vehicle equipped with the cooling device.
  • the conventional cooling device for an electric vehicle was mounted on a power conversion circuit.
  • an electric motor serving as a driving power source is switched by an inverter circuit that is a power conversion circuit.
  • a plurality of semiconductor switching elements represented by power transistors are used in the inverter circuit. A large current of several tens of amperes or more flowed through each semiconductor switching element. Therefore, the semiconductor switching element generates a large amount of heat and needs to be cooled.
  • an inverter circuit disposed in a lower part is cooled by a boiling cooling device having a refrigerant radiator and a refrigerant tank at the top and bottom.
  • the present invention includes a heat receiving part to which heat released from the heating element is transferred, and a heat radiating part connected to the heat receiving part via a heat radiation path and a feedback path, and the refrigerant is radiated from the heat receiving part to the heat radiation path,
  • a cooling device that returns to the heat receiving part from the inlet of the return path through the return path, the heat receiving part contacting the heating element to absorb the heat, and the heat receiving part that covers the heat receiving plate and evaporates the flowing refrigerant
  • a heat receiving cover that forms a space, and the return path includes a first check valve that is opened at the head pressure of the refrigerant condensed and retained at the inlet.
  • the liquefied refrigerant in the heat receiving space takes the heat of vaporization from the heating element and vaporizes. And a refrigerant
  • coolant flows through a thermal radiation path and is condensed in a thermal radiation part. Furthermore, the refrigerant opens the first check valve by the water head pressure of the refrigerant condensed through the return path, and flows into the heat receiving space again from the inlet. At this time, the refrigerant flows in one direction by the action of the first check valve. Due to the water head pressure of the condensed refrigerant, a regular cycle of heat reception and heat release occurs, and a cooling device with improved cooling performance is provided.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram showing a configuration of the cooling device.
  • 2B is a cross-sectional view taken along line 2B-2B in FIG. 2A.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the heat radiator of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the basic operation of the cooling device.
  • FIG. 5 is a diagram showing a different configuration of the cooling device.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of the liquid sealing unit in the bypass path and the boundary state of the cooling device.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an operation when the bypass path and the liquid seal portion of the cooling device are in communication.
  • FIG. 9 is a diagram showing different bypass paths of the cooling device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the electric motor 3 is connected to an inverter circuit 5.
  • the electric motor 3 drives the axle 2 of the electric vehicle 1.
  • the inverter circuit 5 is a power conversion device that is arranged in the passenger compartment front 4 of the electric vehicle 1.
  • the inverter circuit 5 includes a plurality of semiconductor switching elements 6 that supply power to the electric motor 3.
  • the inverter circuit 5 includes a cooling device 7 that cools the semiconductor switching element 6.
  • FIG. 2A is a diagram showing the configuration of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line 2B-2B of FIG. 2A.
  • the cooling device 7 includes a heat receiving portion 8, a heat radiating portion 9, and a circulation path 11.
  • heat 6 a emitted from a heating element such as the semiconductor switching element 6 is delivered.
  • the heat radiating part 9 radiates the heat 6 a absorbed in the heat receiving part 8.
  • the heat dissipating part 9 is connected to the heat receiving part 8 via the circulation path 11.
  • the refrigerant 10 serving as a heat medium circulates between the heat receiving unit 8 and the heat radiating unit 9.
  • the circulation path 11 and the heat receiving part 8 are connected by an inflow port 15 and an exhaust port 16.
  • the heat radiating part 9 includes a heat radiating body 17 that releases heat 6a to the outside air.
  • the heat dissipating unit 9 includes a blower 17 a that blows outside air to the heat dissipating body 17. That is, as shown in FIG. 1, the inverter circuit 5 is arranged in the middle of the vehicle front side 4 close to the driver's seat side. And the circulation path 11 is extended, and the heat radiator 17 is attached to the front grille 4a side which is easy to let outside air pass.
  • the heat receiving unit 8 includes a heat receiving plate 12, a heat receiving cover 14, and a discharge port 16.
  • the heat receiving plate 12 contacts the semiconductor switching element 6 that is a heating element and absorbs the heat 6a.
  • the heat receiving cover 14 covers the heat receiving plate 12 and forms a heat receiving space 13 in which the flowing refrigerant 10 evaporates.
  • the condensed refrigerant 10 is poured into the heat receiving space 13 from the inlet 15.
  • the gasified refrigerant 10 is discharged from the discharge port 16 of the heat receiving space 13.
  • the circulation path 11 includes a heat radiation path 11a and a return path 11b.
  • the heat radiation path 11a and the return path 11b are respectively connected to the heat radiator 17 of the heat radiation portion 9. That is, the heat radiation path 11 a connects the discharge port 16 and the heat radiator 17, and the return path 11 b connects the heat radiator 17 and the inlet 15.
  • the refrigerant 10 returns from the heat receiving part 8 to the heat receiving part 8 from the inlet 15 of the return path 11 b through the heat dissipation path 11 a, the heat dissipation part 9, and the return path 11 b.
  • FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the radiator of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • a plurality of pipe lines 18 penetrates through a block body in which fins 19 are stacked at a predetermined interval.
  • the heat radiator 17 is connected to the heat radiation path 11a at the entrance.
  • the heat radiation path 11 a is divided into a plurality of pipe lines 18.
  • the radiator 17 is connected to the return path 11b at the outlet.
  • a plurality of pipelines 18 merge to form a return path 11b.
  • the fins 19 are formed in a thin strip shape of aluminum.
  • the inlet 15 is provided with a first check valve 20 that is opened by the water head pressure of the refrigerant 10.
  • the water head pressure of the refrigerant 10 condensed and retained causes the first check valve 20 to be easily opened.
  • the inflow pipe 24 is formed vertically on the upstream side of the first check valve 20.
  • a first check valve 20 is disposed immediately below the inflow pipe 24.
  • the first check valve 20 is provided in the return path 11b.
  • the side connected to the heat receiving part 8 of the return path 11 b is an inflow pipe 24 extending vertically from the inflow port 15.
  • the heat receiving unit 8 further includes a refrigerant dropping unit 21 and an introduction pipe 23.
  • the refrigerant dripping portion 21 is located at the center of the heat receiving plate 12.
  • the heat receiving plate 12 includes slits 22 that are radially expanded from the refrigerant dropping portion 21 toward the outer periphery 12 a of the heat receiving plate 12.
  • the slit 22 forms a flow path 22 a of the refrigerant 10.
  • the introduction pipe 23 is a pipe from the inlet 15 to the refrigerant dropping unit 21, and drops the condensed refrigerant 10 at the center of the heat receiving plate 12.
  • the inflow pipe 24 and the introduction pipe 23 are conduits having the same inner diameter.
  • the inflow pipe 24 is longer than the introduction pipe 23. That is, the internal volume of the inflow pipe 24 is larger than the internal volume of the introduction pipe 23. Therefore, the refrigerant 10 that remains in the inflow pipe 24 is larger than the amount of the refrigerant 10 that flows into the introduction pipe 23 at a time when the first check valve 20 is opened.
  • the return path 11b includes an inflow pipe 24 and a bypass path 26.
  • the bypass path 26 connects the heat receiving space 13 or the heat radiation path 11 a and the upstream portion 25 of the inflow pipe 24.
  • the condensed refrigerant 10 stops on the first check valve 20.
  • the bypass path 26 according to the first embodiment of the present invention connects the heat receiving space 13 and the return path 11b.
  • the bypass path 26 includes a second check valve 27.
  • the second check valve 27 opens to the inflow pipe 24 side by the pressure of the refrigerant 10 vaporized in the heat receiving space 13.
  • the second check valve 27 has a larger operating pressure than the first check valve 20.
  • the second check valve 27 applies the pressure in the heat receiving space 13 to the condensed refrigerant 10 in the inflow pipe 24.
  • the heat receiving space 13 and the circulation path 11 are sealed, the internal pressure is lower than the atmospheric pressure, and the inside is saturated.
  • the refrigerant 10 is water
  • the initial internal pressure is about ⁇ 97 KPa at room temperature.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the basic operation of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • the heat 6a generated from the semiconductor switching element 6 is transferred from the heat receiving plate 12 to the condensed refrigerant 10 in the heat receiving space 13, and the refrigerant 10 is vaporized instantly.
  • the refrigerant 10 flows through the heat radiation path 11a from the discharge port 16, and the heat 6a is released to the outside air in the heat radiator 17.
  • the refrigerant 10 that has released the heat 6 a in the heat radiating body 17 is condensed and flows through the return path 11 b, and accumulates on the first check valve 20 of the inlet 15 in the inflow pipe 24.
  • the condensed refrigerant 10 gradually increases in the inflow pipe 24.
  • the first check valve 20 is pushed down and opened by the water head pressure of the refrigerant 10. Then, the refrigerant 10 flows into the heat receiving space 13 again.
  • the refrigerant 10 repeatedly circulates in the cooling device 7 and the semiconductor switching element 6 is cooled.
  • the refrigerant 10 is dropped as droplets from the introduction pipe 23 by the refrigerant dropping unit 21.
  • the dropped refrigerant 10 is diffused to the outer periphery 12 a of the heat receiving plate 12 through the gap between the opening of the introduction pipe 23 and the heat receiving plate 12.
  • the slits 22 that are radially expanded in the heat receiving plate 12 form the flow path 22a of the refrigerant 10
  • the refrigerant 10 spreads on the heat receiving plate 12 as a thin film. Since the heat receiving plate 12 is in contact with the semiconductor switching element 6, the thin film of the refrigerant 10 is heated and vaporized in an instant.
  • the refrigerant 10 is vaporized at a temperature lower than the boiling of water in the atmospheric pressure even if water is used.
  • the atmospheric pressure is set to ⁇ 97 KPa and the inside of the circulation path 11 is saturated, the boiling temperature corresponding to the outside air temperature is determined, and water is easily vaporized.
  • the heat 6a of the semiconductor switching element 6 is taken and cooled. That is, the heat 6a of the semiconductor switching element 6 is taken away by the latent heat of vaporization of water. Also, since water is heated and vaporized in an instant, the amount of heat it takes is greater than when water is heated and boiled.
  • the refrigerant 10 when the refrigerant 10 is vaporized, the pressure in the heat receiving space 13 increases. However, the refrigerant 10 does not flow back to the inflow pipe 24 side by the action of the first check valve 20, but is reliably discharged from the discharge port 16 to the heat radiation path 11a.
  • the inflow pipe 24 is formed longer than the introduction pipe 23. Therefore, the supply of the refrigerant 10 to the introduction pipe 23 by the operation of the first check valve 20 is continuously performed without interruption, and a stable cooling performance is exhibited.
  • the refrigerant 10 vaporized by the increased pressure in the heat receiving space 13 is caused to flow through the heat radiation path 11a. Therefore, the moving speed of the refrigerant 10 is faster than that of the liquid, and the heat receiving unit 8 and the heat radiating unit 9 may be arranged apart from each other.
  • the inverter circuit 5 shown in FIG. 1 is vulnerable to dust and water droplets. Further, it is desired that the heat dissipating unit 9 be efficiently cooled by outside air. Therefore, the inverter circuit 5 and the heat radiating portion 9 can be installed separately from the front grille 4a and the passenger compartment front 4 of the electric vehicle 1, respectively. Therefore, the electric vehicle 1 can ensure good running performance.
  • the cooling device 7 includes a bypass path 26 that connects the heat receiving space 13 and the upstream portion 25 of the inflow pipe 24.
  • the bypass path 26 includes a second check valve 27 that opens to the inflow pipe 24 side.
  • the refrigerant 10 takes the heat 6a of the semiconductor switching element 6 and is vaporized, releases the heat 6a in the heat radiating portion 9, is condensed, and stops in the inflow pipe 24 through the circulation path 11. Then, the first check valve 20 is pushed down by the water head pressure of the condensed refrigerant 10, and the refrigerant 10 flows into the heat receiving space 13 again.
  • the first check valve 20 may not be pushed down only by the water head pressure of the refrigerant 10 retained in the inflow pipe 24.
  • the inflow of the refrigerant 10 into the heat receiving space 13 stops, heat removal cannot be performed, and the cooling capacity decreases.
  • a bypass path 26 is provided as shown in FIG. 2A. Therefore, when the pressure in the heat receiving space 13 becomes high, the second check valve 27 is opened, and the pressure in the heat receiving space 13 is applied to the upstream portion 25 of the inflow pipe 24. As a result, the pressure in the heat receiving space 13 is applied to the first check valve 20. That is, even if the pressure in the heat receiving space 13 increases, the cooling device 7 can be realized in which the cooling capacity does not decrease. As described above, as described in the first embodiment of the present invention, the cooling device 7 having an extremely high cooling capacity is provided.
  • the first check valve 20 can be opened more easily by the action of the bypass path 26. Therefore, the amount of the refrigerant 10 retained in the inflow pipe 24 can be reduced. That is, since the height of the inflow pipe 24 is low and the amount of the refrigerant 10 can be reduced, a small cooling device 7 can be realized.
  • FIG. 5 is a diagram showing another configuration of the cooling device according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 5, the bypass path 26 may be configured to connect the heat dissipation path 11 a and the upstream portion 25 of the inflow pipe 24.
  • the second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that the flow path cross-sectional area 26a of the bypass path is formed to be sufficiently smaller than the flow path cross-sectional area 11c of the heat dissipation path, and the second reverse The stop valve 27 is not provided.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 shows a case where the cooling device 37 is in a normal operation state.
  • the bypass path 26 connects the heat receiving space 13 or the heat radiation path 11a and the upstream portion 25 of the inflow pipe 24 of the return path 11b. Since the flow path cross-sectional area 26a of the bypass path is formed sufficiently small with respect to the flow path cross-sectional area 11c of the heat dissipation path, the pipe resistance of the bypass path 26 is larger than the pipe resistance of the heat dissipation path 11a. ing.
  • a liquid sealing part 29 that seals the bypass path 26 with the condensed refrigerant 10 is formed in a portion near the heat receiving space 13 of the bypass path 26. Since the bypass path 26 has a larger pressure loss than the heat dissipation path 11a, the liquid sealing portion 29 in the bypass path 26 is held without moving. Therefore, the bypass path 26 and the inflow pipe 24 do not communicate with each other. That is, in the normal operation state, the presence of the bypass path 26 is irrelevant to the basic operation of the cooling device 37.
  • bypass path 26 shown in FIG.
  • the relationship between the bypass path 26 and the operation of the first check valve 20 will be described in a little more detail.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of the liquid sealing unit in the bypass path and the boundary state of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows a state where the heat generation amount slightly exceeds the level of normal operation.
  • the downstream pressure P B of the first check valve 20 given by the pressure in the heat receiving space 13 is equal to the upstream pressure P u of the first check valve 20 (pressure in the return path 11b + retention in the inflow pipe 24). Or higher (P B ⁇ P u ).
  • the pressure in the heat receiving space 13 becomes larger than the pressure obtained by adding the pipe line resistance of the bypass path 26 and the surface tension of the liquid seal portion 29.
  • the liquid sealing portion 29 gradually moves in the bypass path 26 toward the return path 11b.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating an operation of the cooling device according to the second embodiment of the present invention when the bypass path and the liquid seal portion communicate with each other.
  • the calorific value further increases, as shown in FIG. 8, the liquid sealing portion 29 is pushed toward the return path 11b, and the bypass path 26 communicates with the return path 11b.
  • a part of the pressure in the heat receiving space 13 is released to the return path 11 b side, and the pressure balance before and after the first check valve 20 returns to a state in which the first check valve 20 is operable. For this reason, it is prevented that the first check valve 20 is closed and the air blower (dry out) state is reached.
  • the liquid sealing portion 29 is broken by the increase in the pressure in the heat receiving space 13, and opens the bypass path 26 toward the inflow pipe 24. That is, by the bypass path 26, the stable operation state of the cooling device 37 can be maintained even when the heat generation amount exceeds the normal operation level.
  • the provision of the bypass path 26 provides the cooling device 37 that maintains stable performance even when the heat generation amount exceeds the level of normal operation.
  • the first check valve 20 can be opened more easily by the action of the bypass path 26, so that the amount of the refrigerant 10 retained in the inflow pipe 24 can be reduced. That is, the inflow pipe 24 can be reduced in height and the amount of the refrigerant 10 can be reduced, and the cooling device 37 can be downsized.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating different bypass paths of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • the bypass path 26 connects the middle of the heat dissipation path 11 a and the upstream portion 25 of the inflow pipe 24.
  • the internal pressure P S of similarly heat dissipation path 11a and FIG. 7 is greater than the upstream pressure P u in the first check valve 20.
  • the pressure in the heat receiving space 13 becomes larger than the surface tension of the liquid sealing part 29, and the bypass path 26 is in a state of communicating with the return path 11b.
  • the heat transport principle in the second embodiment of the present invention is the difference between the pressure in the heat receiving space 13 due to boiling and the internal pressure of the radiator 17 cooled by the outside air. It is the pressure difference generated between.
  • the maximum heat transport capacity depends on the opening / closing conditions of the first check valve 20. Therefore, even if the refrigerant 10 exists on the inlet side of the first check valve 20, the refrigerant will eventually become dry (dryout) unless the first check valve 20 is opened.
  • Embodiment 2 of the present invention provides a cooling device 37 in which the refrigerant 10 is circulated to the limit heat amount at which all of the refrigerant 10 enclosed in the circulation system is boiled.
  • the flow path cross-sectional area 26a of the bypass path is made sufficiently smaller than the flow path cross-sectional area 11c of the heat dissipation path to form the liquid seal portion 29.
  • the liquid seal portion 29 is also formed by providing a U-shaped portion in the bypass path 26.
  • the cooling device of the present invention is useful for cooling a power conversion device as a drive device for an electric vehicle, a high-speed arithmetic processing device, and the like.

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Abstract

冷却装置は発熱体から放出された熱が受け渡される受熱部と、受熱部に放熱経路および帰還経路を介して接続された放熱部とを備え、冷媒が受熱部から放熱経路、放熱部、および帰還経路を通って帰還経路の流入口から受熱部へ戻り、受熱部は発熱体に接触して熱を吸収する受熱板と、受熱板を覆うとともに流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、帰還経路は流入口に凝縮し停留した冷媒の水頭圧によって開く第１の逆止弁を備えている。

Description

冷却装置およびこれを搭載した電気自動車
　本発明は、冷却装置およびこれを搭載した電気自動車に関する。
　従来の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モータが、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た。ここでインバータ回路には、パワートランジスタを代表とする半導体スイッチング素子が複数個使われていた。そして、それぞれの半導体スイッチング素子には、数十アンペア以上の大電流が流れていた。そのため半導体スイッチング素子は発熱量が大きく、冷却が必要であった。
　例えば特許文献１のように、上下に冷媒放熱器と冷媒タンクとを備えた沸騰冷却装置にて、下部に配したインバータ回路の冷却が行なわれていた。
　このような従来の冷却装置においては、半導体スイッチング素子の熱を奪って気化した冷媒が、上部に配置した冷媒放熱器により冷やされ凝縮する。そして冷媒は、再び下部に滴下されるというサイクルが繰り返される。しかしながら冷媒は上下に往復移動するため、冷媒の循環効率が悪く放熱性も悪かった。
特開平８－１２６１２５号公報
　本発明は発熱体から放出された熱が受け渡される受熱部と、受熱部に放熱経路および帰還経路を介して接続された放熱部とを備え、冷媒が受熱部から放熱経路、放熱部、および帰還経路を通って帰還経路の流入口から受熱部へ戻る冷却装置であって、受熱部は発熱体に接触して熱を吸収する受熱板と、受熱板を覆うとともに流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、帰還経路は流入口に凝縮し停留した冷媒の水頭圧によって開く第１の逆止弁を備えている。
　受熱空間の液化した冷媒は、発熱体から気化熱を奪い気化する。そして冷媒は、放熱経路を流れ放熱部において凝縮される。さらに冷媒は、帰還経路を流れて凝縮した冷媒の水頭圧により第１の逆止弁を開き、流入口から再び受熱空間へ流入する。このとき第１の逆止弁の作用により、冷媒の流れが一方向となる。凝縮した冷媒の水頭圧により、規則的な受熱と放熱とのサイクルが生じ、冷却性能の向上した冷却装置が提供される。
図１は、本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図である。 図２Ａは、同冷却装置の構成を示す図である。 図２Ｂは、図２Ａの２Ｂ－２Ｂ線断面図である。 図３は、本発明の実施の形態１の冷却装置の放熱体の構成を示す図である。 図４は、同冷却装置の基本動作を説明する図である。 図５は、同冷却装置の異なる構成を示す図である。 図６は、本発明の実施の形態２の冷却装置の構成を示す図である。 図７は、同冷却装置のバイパス経路および境界状態での液封部の動作を示す図である。 図８は、同冷却装置のバイパス経路および液封部の連通時の動作を示す図である。 図９は、同冷却装置の異なるバイパス経路を示す図である。
　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の電気自動車の概略図である。図１に示すように電動機３は、インバータ回路５に接続されている。ここで電動機３は、電気自動車１の車軸２を駆動する。インバータ回路５は、電気自動車１の車室前方４内に配置した電力変換装置である。インバータ回路５は、電動機３に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子６を備えている。またインバータ回路５は、半導体スイッチング素子６を冷却する冷却装置７を備えている。
　図２Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の構成を示す図、図２Ｂは図２Ａの２Ｂ－２Ｂ線断面図である。図２Ａに示すように冷却装置７は、受熱部８と、放熱部９と、循環経路１１とを備えている。受熱部８では、半導体スイッチング素子６などの発熱体から放出された熱６ａが受け渡される。放熱部９は、受熱部８において吸収した熱６ａを放熱する。また放熱部９は、循環経路１１を介して受熱部８に接続されている。循環経路１１では、受熱部８と放熱部９との間において熱媒体となる冷媒１０が循環する。循環経路１１と受熱部８とは、流入口１５と排出口１６とにより接続されている。
　放熱部９は、外気に熱６ａを放出する放熱体１７を備えている。そして放熱部９は、放熱体１７に外気が送風される送風装置１７ａを備えている。すなわち図１に示すように、車室前方４内の運転席側に近づけた中程にインバータ回路５が配置されている。そして、循環経路１１が延設され、放熱体１７は外気を通過させやすいフロントグリル４ａ側に取り付けられている。
　また図２Ａに示すように受熱部８は、受熱板１２と、受熱カバー１４と、排出口１６とを備えている。ここで受熱板１２は、発熱体である半導体スイッチング素子６に接触して熱６ａを吸収する。受熱カバー１４は、受熱板１２を覆うとともに、流れ込んだ冷媒１０が蒸発する受熱空間１３を形成する。凝縮した冷媒１０は、受熱空間１３に流入口１５から流し込まれる。気体にされた冷媒１０は、受熱空間１３の排出口１６から排出される。
　また、循環経路１１は放熱経路１１ａと帰還経路１１ｂとを備えている。放熱経路１１ａと帰還経路１１ｂとは、放熱部９の放熱体１７にそれぞれ接続されている。すなわち、放熱経路１１ａは排出口１６と放熱体１７とを接続し、帰還経路１１ｂは放熱体１７と流入口１５とを接続している。冷却装置７では、冷媒１０が受熱部８から放熱経路１１ａ、放熱部９、および帰還経路１１ｂを通って帰還経路１１ｂの流入口１５から受熱部８へ戻る。
　図３は、本発明の実施の形態１の冷却装置の放熱体の構成を示す図である。図３に示すように放熱体１７は、フィン１９を所定の間隔をあけて積層したブロック体に、複数の管路１８が貫通している。放熱体１７は、入り口において放熱経路１１ａに接続されている。そして放熱経路１１ａが、複数の管路１８に分流されている。また放熱体１７は、出口において帰還経路１１ｂに接続されている。そして複数の管路１８が合流し、帰還経路１１ｂになっている。ここでフィン１９は、アルミニウムを薄く短冊状にして形成されている。
　また、図２Ａに示すように流入口１５には、冷媒１０の水頭圧によって開く第１の逆止弁２０が備えられている。凝縮して停留した冷媒１０の水頭圧は、第１の逆止弁２０を容易に開かせる。ここで、流入管２４は、第１の逆止弁２０の上流側に鉛直に形成されている。そして、流入管２４の直下に第１の逆止弁２０が配置されている。このように帰還経路１１ｂに、第１の逆止弁２０が備えられている。また帰還経路１１ｂの受熱部８に接続される側は、流入口１５から鉛直に延びた流入管２４となっている。
　受熱部８はさらに、冷媒滴下部２１と、導入管２３とを備えている。ここで冷媒滴下部２１は、受熱板１２の中心に位置する。図２Ｂに示すように受熱板１２は、冷媒滴下部２１から受熱板１２の外周１２ａに向けて放射状に拡大されたスリット２２を備えている。スリット２２は、冷媒１０の流路２２ａを形成する。導入管２３は、流入口１５から冷媒滴下部２１までの配管であり、凝縮した冷媒１０を受熱板１２の中心に滴下させる。
　また、流入管２４と導入管２３とは、同一の内径の管路である。そして流入管２４は、導入管２３に比べて長い。すなわち、流入管２４の内容積は導入管２３の内容積よりも大きい。そのため、流入管２４内に停留する冷媒１０は、第１の逆止弁２０が開いたときに一度に導入管２３に流れ込む冷媒１０の量よりも多い。
　また、帰還経路１１ｂは流入管２４と、バイパス経路２６とを備えている。バイパス経路２６は、受熱空間１３または放熱経路１１ａと、流入管２４の上流部２５とを接続する。流入管２４では、凝縮した冷媒１０が第１の逆止弁２０上に停留する。本発明の実施の形態１のバイパス経路２６は、受熱空間１３と帰還経路１１ｂとを接続している。
　また、バイパス経路２６は第２の逆止弁２７を備えている。第２の逆止弁２７は、受熱空間１３内において気化した冷媒１０の圧力により流入管２４側へ開く。そして第２の逆止弁２７は、第１の逆止弁２０に比べて、動作圧力が大きく形成されている。第２の逆止弁２７は、受熱空間１３の圧力を流入管２４内の凝縮した冷媒１０に加える。
　また、受熱空間１３と循環経路１１とは密閉され、内部の圧力が大気圧より低く、内部が飽和状態になっている。例えば、冷媒１０が水の場合、内部の初期の圧力は常温において－９７ＫＰａ程度である。
　図１に示す冷却装置７の構成において、インバータ回路５の半導体スイッチング素子６が動作を開始すると電動機３に電力が供給され、電気自動車１は動きだす。このとき、半導体スイッチング素子６には大電流が流れ、少なくとも全電力の数％が損失となって大きな熱６ａが発生する。
　図４は、本発明の実施の形態１の冷却装置の基本動作を説明する図である。図４に示すように、半導体スイッチング素子６から発生した熱６ａは、受熱板１２から受熱空間１３の凝縮した冷媒１０に移され、冷媒１０は一瞬にして気化する。そして冷媒１０は、排出口１６から放熱経路１１ａを流れ、放熱体１７において熱６ａが外気に放出される。放熱体１７において熱６ａを放出した冷媒１０は、凝縮して帰還経路１１ｂを流れ、流入管２４内において流入口１５の第１の逆止弁２０上に溜まる。そして凝縮した冷媒１０は、徐々に流入管２４内において増加する。冷媒１０の水頭圧により、第１の逆止弁２０が押し下げられて開く。そして冷媒１０は、再び受熱空間１３内へ流入する。
　このようにして冷媒１０が繰り返し冷却装置７内を循環し、半導体スイッチング素子６の冷却が行なわれる。
　ここで、受熱空間１３内の冷却メカニズムについて説明する。受熱空間１３内では導入管２３から冷媒１０が冷媒滴下部２１により液滴となって滴下される。滴下された冷媒１０は、導入管２３の開口と受熱板１２との隙間から受熱板１２の外周１２ａへ拡散される。このとき受熱板１２に放射状に拡大して設けたスリット２２が冷媒１０の流路２２ａを形成するので、冷媒１０は薄い膜として受熱板１２上に拡がる。受熱板１２は半導体スイッチング素子６に接触しているので、薄い膜となった冷媒１０は一瞬にして加熱され気化する。
　受熱空間１３内の圧力は大気圧よりも低く設定しているので、冷媒１０は水を使用しても大気圧中の水の沸騰に比べて低い温度において気化する。本発明の実施の形態１のように、気圧を－９７ＫＰａにして循環経路１１内を飽和状態にしておくと、外気温に応じた沸騰温度が決定され、容易に水が気化する。このとき、半導体スイッチング素子６の熱６ａが奪われ、冷却される。つまり、水の蒸発潜熱によって半導体スイッチング素子６の熱６ａが奪われる。また水が一瞬にして加熱、気化されるため、水が加温、沸騰される場合に比べ、奪う熱量が大きくなる。
　また、冷媒１０が気化するときに受熱空間１３内の圧力が増加する。しかし、第１の逆止弁２０の作用により冷媒１０は逆流して流入管２４側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路１１ａへ放出される。
　このように冷却装置７が動作されることにより、規則的な受熱と放熱とのサイクルが作られる。そのため、連続して冷媒１０が受熱空間１３内において気化され、半導体スイッチング素子６の冷却が行なわれる。
　また、流入管２４は導入管２３に比べて長く形成されている。そのため、第１の逆止弁２０の動作による導入管２３への冷媒１０の供給は、途絶えることなく連続的に行なわれ、安定した冷却性能が発揮される。
　また、受熱空間１３内において増加した圧力によって気化した冷媒１０が放熱経路１１ａに流される。そのため冷媒１０は、液体に比べて移動速度が速くなり、受熱部８と放熱部９とは離して配置されてもよい。図１に示すインバータ回路５は、塵埃および水滴に弱い。また放熱部９は、外気により効率よい冷却が望まれる。そこでインバータ回路５と放熱部９とがそれぞれ、電気自動車１のフロントグリル４ａと車室前方４とに離して設置できる。そのため電気自動車１は、良好な走行性能が確保できる。
　以上のように本発明の実施の形態１の冷却装置７の基本部分について説明をしたが、以下に冷却装置７の最も重要な特徴について、図２Ａを用いて説明する。図２Ａに示すように冷却装置７は、受熱空間１３と流入管２４の上流部２５とをつなぐバイパス経路２６を備えている。バイパス経路２６は、流入管２４側へ開く第２の逆止弁２７を備えている。以下、その動作を説明する。
　上述したように冷媒１０は、半導体スイッチング素子６の熱６ａを奪い気化され、放熱部９において熱６ａを放出して凝縮され、循環経路１１を通り流入管２４に停留する。そして凝縮した冷媒１０の水頭圧よって第１の逆止弁２０が押し下げられ、冷媒１０は再び受熱空間１３へ流入する。
　ところで、半導体スイッチング素子６の発熱量が大きくなると受熱空間１３内の圧力が高くなる。そのため、流入管２４に停留した冷媒１０の水頭圧だけでは、第１の逆止弁２０が押し下げられない場合がある。このような現象が発生すると、冷媒１０の受熱空間１３への流入が停止し、除熱ができなくなり冷却能力が減少してしまう。
　そこで、図２Ａに示したようにバイパス経路２６が設けられている。そのため受熱空間１３内の圧力が高くなったとき、第２の逆止弁２７が開放され、受熱空間１３内の圧力が流入管２４の上流部２５に加えられる。その結果、第１の逆止弁２０に受熱空間１３内の圧力が加えられる。すなわち受熱空間１３内の圧力が高くなっても、冷却能力が低下しない冷却装置７が実現できる。以上、本発明の実施の形態１において説明したように、極めて冷却能力の高い冷却装置７が提供される。
　また、バイパス経路２６の作用により、第１の逆止弁２０はさらに容易に開かれる。そのため、流入管２４に停留させる冷媒１０の量は、少なくできる。つまり、流入管２４の高さが低く、冷媒１０の量も少なくできるため、小型の冷却装置７が実現できる。
　なお本発明の実施の形態１ではバイパス経路２６は、受熱空間１３と流入管２４の上流部２５とをつなぐ構成を説明した。図５は、本発明の実施の形態１の冷却装置の別の構成を示す図である。図５に示すようにバイパス経路２６は、放熱経路１１ａと流入管２４の上流部２５とをつなぐ構成であってもよい。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２では、実施の形態１と同じ構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。本発明の実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、バイパス経路の流路断面積２６ａが放熱経路の流路断面積１１ｃに対して十分小さく形成され、バイパス経路２６に第２の逆止弁２７が設けられていない点である。
　図６は、本発明の実施の形態２の冷却装置の構成を示す図である。図６は、冷却装置３７が通常の動作状態の場合である。図６に示すようにバイパス経路２６は、受熱空間１３または放熱経路１１ａと、帰還経路１１ｂの流入管２４の上流部２５とを接続している。バイパス経路の流路断面積２６ａは、放熱経路の流路断面積１１ｃに対して十分小さく形成されているため、バイパス経路２６の管路抵抗は、放熱経路１１ａの管路抵抗に比べて大きくなっている。そのため通常の動作状態では、バイパス経路２６の受熱空間１３に近い部分に、凝縮した冷媒１０によってバイパス経路２６を封鎖２８する液封部２９が形成されている。そしてバイパス経路２６は、放熱経路１１ａに比べて圧力損失が大きいため、バイパス経路２６内の液封部２９は動かず保持された状態である。そのため、バイパス経路２６と流入管２４とが連通することはない。すなわち通常の動作状態ではバイパス経路２６の存在は、冷却装置３７の基本動作に無関係である。
　しかしながら、半導体スイッチング素子６の発熱量が増大し通常の動作範囲を超える状態では、受熱空間１３によって与えられる第１の逆止弁２０の下流側圧力ＰBが上昇し、通常動作における弁開閉条件が成立しなくなる。そして、第１の逆止弁２０の下流側圧力ＰBが、第１の逆止弁２０の上流側圧力Ｐuを大きく上回る状態が持続するようになる。この状態は、第１の逆止弁２０の閉鎖を意味し、冷媒１０の供給も停止する。そのため、いずれ空焚き（ドライアウト）となり、最終的には冷却能力が喪失される。
　これを防ぐためは、図６に示したバイパス経路２６を設けることが極めて重要になる。以下にバイパス経路２６と第１の逆止弁２０の動作との関係について、もう少し詳しく説明する。
　図７は、本発明の実施の形態２の冷却装置のバイパス経路および境界状態での液封部の動作を示す図である。図７は、発熱量が通常動作のレベルをわずかに超えた状態である。受熱空間１３内の圧力により与えられる第１の逆止弁２０の下流側圧力ＰBは、第１の逆止弁２０の上流側圧力Ｐu（帰還経路１１ｂ内圧力＋流入管２４内の停留した冷媒１０の水頭圧）に対し、同等以上（ＰB≧Ｐu）となって来る。この様な状態では受熱空間１３内の圧力が、バイパス経路２６の管路抵抗と、液封部２９の表面張力とを加えた圧力より大きくなる。そして液封部２９はバイパス経路２６内を帰還経路１１ｂ側へ徐々に移動する。
　図８は、本発明の実施の形態２の冷却装置のバイパス経路および液封部の連通時の動作を示す図である。さらに発熱量が増加すると図８に示すように、液封部２９が帰還経路１１ｂ側へ押しこまれ、バイパス経路２６は帰還経路１１ｂと連通する。この瞬間、受熱空間１３の圧力の一部が帰還経路１１ｂ側に開放され、第１の逆止弁２０前後の圧力バランスは、第１の逆止弁２０の動作可能な状態へと戻る。そのため、第１の逆止弁２０閉鎖による空焚き（ドライアウト）状態となることが防止される。このように液封部２９は、受熱空間１３内の圧力の増加によって封鎖２８が破られ、バイパス経路２６を流入管２４側へ向けて開く。すなわちバイパス経路２６によって、発熱量が通常動作のレベルを超えた状態でも冷却装置３７の安定動作状態が維持できる。
　以上、本発明の実施の形態２において説明したように、バイパス経路２６を設けることにより、発熱量が通常動作のレベルを超えた状態でも安定した性能を維持した冷却装置３７が提供される。
　また、バイパス経路２６の作用により、第１の逆止弁２０はさらに容易に開かせることができるので、流入管２４に停留させる冷媒１０の量は少なくできる。つまり、流入管２４は高さが低くでき、冷媒１０の量も少なくてすみ、冷却装置３７の小型化が図られる。
　図９は、本発明の実施の形態２の冷却装置の異なるバイパス経路を示す図である。図９に示すようにバイパス経路２６は、放熱経路１１ａの途中と流入管２４の上流部２５とを接続している。発熱量が通常動作のレベルを超えるとバイパス経路２６は、図７と同様に放熱経路１１ａの内圧ＰSが第１の逆止弁２０の上流側圧力Ｐuより大きくなる。そして受熱空間１３内の圧力が、液封部２９の表面張力より大きくなり、バイパス経路２６が帰還経路１１ｂ側へ連通した状態となる。そして、放熱経路１１ａの内圧ＰSが帰還経路１１ｂ側へと開放されるため、第１の逆止弁２０の上流側圧力Ｐuと、第１の逆止弁２０の下流側圧力ＰBとの圧力バランスは、第１の逆止弁２０の動作可能な状態にもどる。したがって、半導体スイッチング素子６の発熱量が通常状態を超えるような状態へと増加した場合でも、第１の逆止弁２０が閉鎖状態となる空焚き（ドライアウト）状態が容易に回避され、安定した冷却性能が維持される。
　さらに、本発明の実施の形態２における熱輸送原理は、図４に示した基本形の冷却装置７の場合と同様、沸騰による受熱空間１３の圧力と外気により冷やされた放熱体１７の内圧との間に発生する圧力差である。しかし、図４に示したような基本形の冷却装置７の場合、その最大熱輸送能力は第１の逆止弁２０の開閉条件に依存することになる。そのため第１の逆止弁２０の入口側に冷媒１０が存在していても、第１の逆止弁２０が開く条件下でなければ、やがては空焚き（ドライアウト）になってしまう。これに対して、本発明の実施の形態２では、循環系に封入された冷媒１０のすべてが沸騰される限界熱量まで、冷媒１０が循環される冷却装置３７が提供される。
　なお、本発明の実施の形態２ではバイパス経路の流路断面積２６ａは、放熱経路の流路断面積１１ｃに対して十分小さくして液封部２９が形成された。しかし、バイパス経路２６内にＵ字部が備えられることによっても液封部２９が形成される。
　本発明の冷却装置は、電気自動車の駆動装置としての電力変換装置、および高速演算処理装置等の冷却に有用である。
１　　電気自動車
２　　車軸
３　　電動機
４　　車室前方
４ａ　　フロントグリル
５　　インバータ回路
６　　半導体スイッチング素子
６ａ　　熱
７，３７　　冷却装置
８　　受熱部
９　　放熱部
１０　　冷媒
１１　　循環経路
１１ａ　　放熱経路
１１ｂ　　帰還経路
１１ｃ　　放熱経路の流路断面積
１２　　受熱板
１２ａ　　外周
１３　　受熱空間
１４　　受熱カバー
１５　　流入口
１６　　排出口
１７　　放熱体
１８　　複数の管路
１９　　フィン
２０　　第１の逆止弁
２１　　冷媒滴下部
２２　　スリット
２２ａ　　流路
２３　　導入管
２４　　流入管
２５　　上流部
２６　　バイパス経路
２６ａ　　バイパス経路の流路断面積
２７　　第２の逆止弁
２８　　封鎖
２９　　液封部

Claims (10)

  1. 発熱体から放出された熱が受け渡される受熱部と、
    前記受熱部に放熱経路および帰還経路を介して接続された放熱部とを備え、
    冷媒が前記受熱部から前記放熱経路、前記放熱部、および前記帰還経路を通って前記帰還経路の流入口から前記受熱部へ戻る冷却装置であって、
    前記受熱部は前記発熱体に接触して前記熱を吸収する受熱板と、
    前記受熱板を覆うとともに流れ込んだ前記冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーとを備え、
    前記帰還経路は前記流入口に凝縮し停留した前記冷媒の水頭圧によって開く第１の逆止弁を備えたことを特徴とする冷却装置。
  2. 前記帰還経路の前記受熱部に接続される側は、前記流入口から鉛直に延びた流入管であり、前記受熱空間または前記放熱経路と前記流入管の上流部とを接続するバイパス経路を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  3. 前記バイパス経路には前記流入管側へ開く第２の逆止弁を備えたことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
  4. 前記第２の逆止弁は、前記第１の逆止弁に比べ動作圧力が大きく形成され、前記受熱空間の圧力を前記流入管の凝縮した前記冷媒に加えることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
  5. 前記受熱部は前記受熱板の中心に冷媒滴下部と、前記冷媒滴下部から前記受熱板の外周に向けて放射状に流路を拡大するスリットと、凝縮した前記冷媒を滴下させるために前記流入口から前記冷媒滴下部までの導入管とを備えたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  6. 前記流入管は前記導入管に比べて内容積が大きいことを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
  7. 前記受熱空間と前記放熱経路との圧力は大気圧より低いことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  8. 前記バイパス経路の流路断面積は、前記放熱経路の流路断面積に比べて小さいことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
  9. 前記バイパス経路には凝縮した前記冷媒によって前記バイパス経路を封鎖する液封部が形成され、前記液封部は前記受熱空間内の圧力の増加によって前記封鎖が破られ前記バイパス経路を前記流入管側へ向けて開くことを特徴とする請求項８記載の冷却装置。
  10. 請求項１に記載の冷却装置を搭載し、前記冷却装置は車軸を駆動する電動機に接続された電力変換装置の冷却を行なうことを特徴とする電気自動車。
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