WO2013011682A1 - 冷却装置とこれを搭載した電子機器、および電気自動車 - Google Patents

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

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valve
heat
cooling device
heat receiving
working fluid
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PCT/JP2012/004558
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郁 佐藤
杉山　誠
俊司 三宅
博幸 宮本
若菜 野上
彩加 鈴木
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パナソニック株式会社
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    • H05K7/20845—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for automotive electronic casings
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Definitions

  • the present invention relates to a cooling device, an electronic device equipped with the cooling device, and an electric vehicle.
  • a cooling device mounted on a power conversion circuit of an electric vehicle is known.
  • an electric motor serving as a driving power source is driven to be switched by an inverter circuit which is a power conversion circuit.
  • the inverter circuit a plurality of semiconductor switching elements represented by power transistors are used, and a large current of several tens of amperes flows through each semiconductor switching element. Therefore, the semiconductor switching element generates a large amount of heat and needs to be cooled.
  • the inverter circuit arranged at the lower part is cooled.
  • the refrigerant tank is disposed in contact with the semiconductor switching element, and the liquefied refrigerant in the refrigerant tank takes the heat of the switching element and is vaporized.
  • positioned at the upper part, is cooled, is liquefied, and is dripped at the lower part again was repeated. That is, the refrigerant was circulated by natural convection.
  • the heat of the switching element is transmitted to the liquefied refrigerant stored in the refrigerant tank via the wall surface (heat transfer surface) of the refrigerant tank. That is, the heat of the switching element is only transferred by gentle convection heat transfer. Therefore, the heat transfer efficiency on the heat transfer surface cannot be increased, and the switching element has not been efficiently cooled.
  • the cooling device includes a heat receiving portion including a heat receiving plate that transfers heat from the heating element to the working fluid, a heat radiating portion that releases the heat of the working fluid, a heat radiating path that connects the heat receiving portion and the heat radiating portion, and feedback. And a route.
  • the cooling device circulates the working fluid to the heat receiving part, the heat radiating path, the heat radiating part, the return path, and the heat receiving part to radiate heat from the heating element.
  • a check valve for controlling the flow of the working fluid is provided in the vicinity of the heat receiving portion of the return path or in the heat receiving portion.
  • the check valve includes a valve seat having a valve hole, a case having a recess, and a valve plate having a valve movable portion that is sandwiched between the valve seat and the case and opens and closes the valve hole and moves in the recess. Yes.
  • the valve plate opens due to the pressure balance between the pressure of the working fluid accumulated on the valve plate and the internal pressure in the heat receiving portion, and the valve movable portion moves in the recess of the case.
  • the check valve does not open excessively. Therefore, the working fluid is not excessively supplied into the heat receiving portion, and an appropriate amount of the working fluid is supplied.
  • Part of the working fluid dripped onto the heat receiving plate undergoes volume expansion due to initial boiling, and the remaining non-boiling working fluid spreads as a thin film over the entire surface of the heat receiving plate.
  • the working fluid in the form of a thin film receives heat from the heated heat receiving plate and is heated and vaporized instantly. As a result, the heat transfer efficiency on the heat transfer surface is improved and the cooling effect is enhanced.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic view of the cooling device.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a check valve of the cooling device.
  • FIG. 4 is a partially cut perspective view of a check valve of the cooling device.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of the vicinity of the check valve of the cooling device.
  • 5B is a cross-sectional view taken along the line 5B-5B of FIG. 5A.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of a state in which the valve movable portion of the check valve of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention blocks the valve hole.
  • FIG. 6B is a cross-sectional view taken along the line 6B-6B of FIG. 6A.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8A is an exploded perspective view of a check valve of the cooling device.
  • FIG. 8B is an assembled perspective view of a check valve of the cooling device.
  • 8C is a cross-sectional view taken along the line 8C-8C in FIG. 8B.
  • FIG. 9A is a schematic configuration diagram of a check valve mounting portion of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is an enlarged configuration diagram of a check valve mounting portion of the cooling device.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of an electronic apparatus provided with the cooling device.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electric vehicle according to a first embodiment of the present invention.
  • an electric motor (not shown) that drives an axle (not shown) of an electric vehicle 1 is connected to an inverter circuit 2 that is a power conversion device arranged inside the electric vehicle 1.
  • the inverter circuit 2 includes a plurality of semiconductor switching elements 10 that supply power to the electric motor, and the semiconductor switching elements 10 generate heat during operation.
  • the cooling device 3 cools the semiconductor switching element 10.
  • the cooling device 3 includes a heat receiving part 4, a heat radiating part 5, a heat radiating path 6, and a return path 7.
  • the heat radiating unit 5 releases the heat 10 a absorbed by the working fluid 12 (for example, water) in the heat receiving unit 4.
  • the heat radiation path 6 and the return path 7 are circulation paths for the working fluid 12 that connects the heat receiving section 4 and the heat radiation section 5.
  • the working fluid 12 is a gas (water vapor in the case of water), a liquid, and a mixed state thereof.
  • the working fluid 12 circulates in one direction with the heat receiving part 4, the heat radiating path 6, the heat radiating part 5, the return path 7, and the heat receiving part 4.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • the heat radiating part 5 includes a heat radiating body 8 that releases heat to the outside air.
  • the heat radiating body 8 is constituted by a block body (not shown) in which fins formed by thinly forming aluminum in a strip shape are stacked with a predetermined interval. Then, outside air is blown from the blower 9 to the surface of the radiator 8 to radiate heat. Note that heat radiation from the surface of the radiator 8 may be utilized for heating in the electric vehicle 1.
  • the heat receiving unit 4 is brought into contact with the semiconductor switching element 10 that is a heating element, absorbs the heat 10 a and transmits it to the working fluid 12, and the working fluid that flows over the surface of the heat receiving plate 11. And a heat receiving plate cover 14 that forms a heat receiving space 13 for evaporating 12.
  • the heat receiving plate cover 14 is provided with an inlet 15 for flowing the liquefied working fluid 12 into the heat receiving space 13 and an outlet 16 for discharging the working fluid 12 from the heat receiving space 13 as a gas.
  • the inlet 15 is provided on the upper surface of the heat receiving plate cover 14, and the outlet 16 is provided on the side surface of the heat receiving plate cover 14.
  • the return path 7 is connected to the inlet 15, and the heat dissipation path 6 is connected to the outlet 16.
  • an inflow pipe 19 for supplying the working fluid 12 into the heat receiving part 4 is connected to the heat receiving part 4 side of the return path 7 in a state of protruding into the heat receiving space 13.
  • the inflow pipe 19 in the heat receiving space 13 is referred to as an introduction pipe 17.
  • a check valve 18 is provided at the inlet of the introduction pipe 17.
  • the check valve 18 is provided in the vicinity of the heat receiving part 4 of the return path 7 or in the heat receiving part 4, and controls the flow of the working fluid 12.
  • the heat generated by the semiconductor switching element 10 shown in FIG. 2 is transmitted to the liquid working fluid 12 supplied onto the heat receiving plate 11 in the heat receiving space 13. That is, when the heat 10 a of the semiconductor switching element 10 is transmitted to the working fluid 12, the liquid working fluid 12 is instantly vaporized and flows from the discharge port 16 to the heat radiation path 6, and the heat 10 a is released to the outside air at the heat radiation portion 5. discharge.
  • the working fluid 12 that has released the heat 10 a from the heat radiating section 5 is liquefied and flows to the return path 7 and accumulates in the inflow pipe 19 on the check valve 18.
  • the liquefied working fluid 12 gradually increases in the return path 7.
  • the working fluid 12 in the heat receiving space 13 decreases due to vaporization, and the pressure in the heat receiving space 13 also decreases. Therefore, the check valve 18 is pushed down and opened by the pressure of the working fluid 12 accumulated on the check valve 18, and the working fluid 12 is supplied again onto the heat receiving plate 11 in the heat receiving space 13. In this way, the working fluid 12 circulates in the cooling device 3 and the semiconductor switching element 10 is cooled.
  • the working fluid 12 from the return path 7 is dropped as a droplet on the heat receiving plate 11 from the check valve 18.
  • the surface of the heat receiving plate 11 has a shape in which the flow path expands radially.
  • An appropriate amount of the working fluid 12 is supplied by the action of a check valve 18 described later.
  • the supplied working fluid 12 spreads on the heat receiving plate 11 as a thin film.
  • the rear surface side of the heat receiving plate 11 is in contact with the semiconductor switching element 10. Therefore, the working fluid 12 that has become a thin film is heated and vaporizes in an instant.
  • the atmospheric pressure in the circulation path including the heat receiving space 13 is set lower than the atmospheric pressure. Therefore, even if water is used, the working fluid 12 is vaporized at a temperature lower than that of boiling water at atmospheric pressure.
  • the atmospheric pressure in the circulation path is -97 KPa, and the circulation path is in a saturated steam state. Therefore, the boiling temperature corresponding to the outside air temperature is determined, and the water of the working fluid 12 is easily vaporized. At this time, the working fluid 12 takes the heat 10a of the semiconductor switching element 10 and cools it.
  • the working fluid 12 when the working fluid 12 is vaporized, the pressure in the heat receiving space 13 increases. However, due to the action of the check valve 18, the working fluid 12 does not flow backward and returns to the return path 7 side, but is reliably discharged from the discharge port 16 to the heat radiation path 6. By operating the cooling device 3 in this manner, a regular cycle of heat reception and heat dissipation can be performed. Then, the working fluid 12 is continuously vaporized in the heat receiving space 13 and the semiconductor switching element 10 is cooled.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the check valve of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • the check valve 18 includes a valve plate 21 that controls the flow of the working fluid 12, a case 22 that holds the valve plate 21, and a valve seat 23.
  • the case 22 includes a recess 22b.
  • the valve plate 21 includes a valve movable portion 21a that moves in the recess 22b.
  • the case 22 and the valve seat 23 are provided with a case hole 22a and a valve hole 23a having the same diameter as the inner diameter of the inflow pipe 19, respectively.
  • the material of the valve plate 21 is copper, brass, or SUS (Steel Use Stainless).
  • the thickness of the valve plate 21 is, for example, 100 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • valve plate 21 is provided with a U-shaped kerf 25 inside, and a valve movable portion 21a is formed inside the kerf 25. That is, the valve movable portion 21 a is a region 26 surrounded by the U-shaped kerf 25.
  • the valve movable portion 21a includes a free end 21b having the largest displacement from the valve plate 21 and a fixed end 21c having zero displacement from the valve plate 21.
  • FIG. 4 is a partially cut perspective view of the check valve of the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • the valve plate 21 is sandwiched and fixed by the case 22 and the valve seat 23 so that the valve movable portion 21 a is accommodated in the concave portion 22 b of the case 22.
  • the case 22 and the valve seat 23 are fixed by screws or the like (not shown).
  • the valve movable portion 21a is sandwiched between the valve seat 23 and the case 22 and opens and closes the valve hole 23a.
  • valve movable portion 21a moves only within the recess 22b of the case 22.
  • the depth of the recess 22b is about 1 mm to 2 mm, and the gap between the valve movable portion 21a and the inner wall of the recess 22b is also about 1 mm to 2 mm.
  • the working fluid 12 dropped onto the heat receiving plate 11 spreads as a thin film so as to diffuse around the surface of the heat receiving plate 11 as described above.
  • the working fluid 12 Upon receiving the heat 10a of the heat receiving plate 11, the working fluid 12 is heated and vaporizes instantly. Therefore, the heat transfer efficiency on the heat transfer surface is increased, and efficient cooling is performed. Furthermore, since the working fluid 12 is vigorously moved to the discharge port 16 in the heat receiving plate 11 due to the volume expansion due to vaporization, the heat transfer efficiency on the heat transfer surface is further increased.
  • the valve plate 21 of the check valve 18 is disposed substantially horizontally.
  • the arrangement direction of the valve plate 21 may be inclined with respect to the horizontal direction or may be substantially vertical.
  • the arrangement direction of the valve plate 21 is preferably substantially horizontal.
  • FIG. 5A is a cross-sectional view of the vicinity of the check valve of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 5B is a cross-sectional view of 5B-5B in FIG. 5A.
  • the valve seat 23 includes a flat contact surface 24 that is in close contact with the valve plate 21. Therefore, the airtightness between the valve seat 23 and the valve plate 21 is enhanced, and the backflow prevention property of the working fluid 12 from the heat receiving portion 4 is improved.
  • the valve movable portion 21a repeatedly collides with a wide area of the flat contact surface 24 when opening and closing. Therefore, compared with the case where there is no flat contact surface 24 and the direct collision with the narrow area of the end surface of the inflow pipe 19 is repeated, the valve plate 21 is less damaged and the durability of the valve plate 21 is improved.
  • a chamfering processing portion 30 is provided in the valve hole valve plate contact portion 23c where the valve hole forming surface 23b forming the valve hole 23a contacts the valve plate 21. If there is a protrusion on the valve hole valve plate contact portion 23c, which is the opening edge of the valve hole 23a, the valve movable portion 21a is likely to be damaged during opening and closing if it hits the valve plate 21 perpendicularly. Therefore, if the chamfered portion 30 is provided to reduce the impact when hit, the impact is reduced even if the valve plate 21 and the valve hole valve plate contact portion 23c hit, and the opening edge of the valve hole 23a is damaged. There is no. Therefore, the durability of the valve plate 21 is further improved.
  • valve plate 21 is formed of a metal plate 27. And as shown to FIG. 5B, the rolling direction 28 of the metal plate 27 is the same direction as the valve movable part direction 29 which goes to the free end 21b from the fixed end 21c. Therefore, even if the valve movable part 21a is repeatedly bent up and down at the time of opening and closing, metal fatigue hardly occurs.
  • valve plate 21 formed from the metal plate 27 shown in FIG. 5B and the cut groove 25 are cut by punching or the like from the valve seat 23 side to the case 22 side shown in FIG. 5A. Therefore, the burr generated at the time of cutting is directed toward the case 22, and the valve seat 23 is not damaged when the valve movable portion 21a is opened and closed.
  • FIG. 6A is a cross-sectional view of a state in which the valve movable portion of the check valve of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention closes the valve hole
  • FIG. 6B is a cross-sectional view of 6B-6B in FIG. 6A. Due to the pressure in the heat receiving space 13 shown in FIG. 2, the force that lifts the valve movable portion 21a as shown in FIG. 6A is caused by the hydraulic head pressure of the working fluid 12 that has returned to the valve movable portion 21a and the pressure in the return path 7. When the force is greater than the downward pressing force, the valve movable portion 21a is in a state of closing the valve hole 23a. For this reason, the working fluid 12 in the heat receiving space 13 shown in FIG. 2 does not flow backward and returns to the return path 7 side, but is reliably discharged from the discharge port 16 to the heat radiation path 6.
  • the working fluid 12 is also present in the gap between the valve movable portion 21 a and the flat contact surface 24. Therefore, the airtightness when the check valve 18 shown in FIG. 2 is closed is increased. As a result, the cooling effect in the heat receiving portion 4 is extremely high compared to the conventional natural circulation type.
  • the chamfering portion 30 shown in FIG. 5A is provided, the working fluid 12 spreads smoothly on the valve plate 21. As a result, the airtightness when the check valve 18 is closed is further enhanced.
  • FIG. 7 is a schematic view of a cooling device according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 8A is an exploded perspective view of a check valve of the cooling device
  • FIG. 8B is an assembled perspective view of the check valve of the cooling device
  • FIG. 8C is a sectional view taken along the line 8C-8C in FIG. 8B.
  • the working fluid 12 before dropping into the heat receiving space 13 is accumulated as a liquid.
  • the check valve 38 opens for a few seconds or less, and the working fluid 12 is supplied into the heat receiving space 13.
  • the problem here is the durability of the valve plate 31 shown in FIG. 8A. That is, by the vaporization of the working fluid 12 in the heat receiving space 13 shown in FIG. 7, the pressure in the heat receiving space 13 is increased, and the check valve 38 is pushed up and closed. And if the working fluid 12 in the heat receiving space 13 decreases by vaporization, the pressure in the heat receiving space 13 also decreases. As a result, the check valve 38 is pushed down by the pressure of the working fluid 12 accumulated on the check valve 38 and the check valve 38 is opened. As described above, the check valve 38 is repeatedly opened and closed, so that the root 31b of the valve movable portion 31a of the valve plate 31 shown in FIG. 8A may be damaged. Furthermore, even if the valve plate 31 is made of the above-described copper or the like in consideration of durability, cracks, pinholes, and the like may occur due to erosion due to cavitation in the heat receiving space 13. .
  • Embodiment 2 of the present invention a check valve mounting portion 40 on which a plurality of check valves 38a to 38n are stacked is provided.
  • the check valve mounting portion 40 is provided on the heat receiving portion 4 side of the return path 7. The reason for providing a plurality of check valves will be described later.
  • the configuration of the check valve 38a is upside down from that of the first embodiment because the check valve 38a to the check valve 38n are stacked, and the valve plate 31 is a concave portion of the case 32. 32a.
  • the bottom hole of the check valve 38a to the check valve 38n that is, the case hole 32b having the same diameter as the inner diameter of the inflow pipe 19 provided in the case 32 of the check valve 38n closest to the heat receiving portion 4 is formed.
  • the position is matched with the position of the inlet 15 of the heat receiving unit 4.
  • the valve movable portion 31 a of the valve plate 31 shown in FIG. 8A moves only within the recess 32 a of the case 32.
  • FIG. 9A is a schematic configuration diagram of the check valve mounting portion of the cooling device according to the second embodiment of the present invention
  • FIG. 9B is an enlarged configuration diagram of the check valve mounting portion of the cooling device.
  • the working fluid 12 is supplied from the inflow pipe 19 to the heat receiving portion 4 via the check valves 38a and 38b, and the liquid working fluid 12 is vaporized.
  • the pressure in the heat receiving space 13 increases and the lower check valve 38b is pushed up and closed.
  • the valve movable portion 31 a of the valve plate 31 of the upper check valve 38 a is in a state of floating in the recess 32 a of the case 32 filled with the working fluid 12.
  • the check valve 38b is caused by the pressure of the working fluid 12 accumulated on the check valve 38b. Is pushed down. That is, the check valve 38 b is opened and the working fluid 12 is supplied into the heat receiving space 13.
  • the check valve 38a As described above, the normal operation when two check valves 38a and 38b are stacked inside the check valve mounting portion 40 is different from the case where there is only one check valve 38b. There is no function. That is, the check valve 38a is almost open. Therefore, the check valve 38a is not affected by erosion due to damage to the root 31b of the valve movable portion 31a of the valve plate 31 and cavitation in the heat receiving space 13 shown in FIG.
  • the check valve 38a functions as a check valve only when the check valve 38b deteriorates due to long-term use and cannot function as the check valve.
  • the check valve 38a When the check valve 38b is damaged in this way, the check valve 38a performs the same operation as the check valve 38b as described above, and delays maintenance time such as replacement of the check valve 38 shown in FIG. be able to. That is, the period of periodic inspections becomes longer.
  • FIG. 10 is a schematic perspective view of an electronic device including the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a case where the electronic device is a personal computer.
  • the personal computer housing 32 includes a cooling device 3, a heating element socket 33 that is a heating element, and a power supply unit 34, and the heating element socket 33 is cooled by the cooling device 3.
  • the cooling device of the present invention is useful for cooling a power semiconductor used in a power conversion device as a driving device of an electric vehicle, a CPU (Central Processing Unit) having a high calorific value, and the like.
  • a CPU Central Processing Unit

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Abstract

冷却装置は、発熱体からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、作動流体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。その冷却装置は、作動流体を受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、および受熱部へ循環させて発熱体の放熱を行う。そして帰還経路の受熱部近傍または受熱部内に、作動流体の流れを制御する逆止弁が設けられている。逆止弁は、弁孔を有する弁座と、凹部を有するケースと、弁座とケースとに挟まれるとともに弁孔を開閉し、凹部内を移動する弁可動部を備えた弁板とを含んでいる。

Description

冷却装置とこれを搭載した電子機器、および電気自動車
　本発明は、冷却装置とこれを搭載した電子機器、および電気自動車に関する。
　電気自動車の電力変換回路に搭載された冷却装置が知られている。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半導体スイッチング素子が複数個使われ、それぞれの半導体スイッチング素子に数十アンペアの大電流が流れている。そのため半導体スイッチング素子は大きく発熱し、冷却の必要がある。
　そこで、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おいて、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に接触して冷媒タンクが配置され、冷媒タンク内の液化冷媒がスイッチング素子の熱を奪い気化される。そして気化した冷媒は、上部に配置した冷媒放熱器に上昇して冷却され、液化して再び下部に滴下されるサイクルが繰り返されていた。すなわち、自然対流によって冷媒が循環していた。
　しかしながら、このような自然対流式の冷却装置ではスイッチング素子の熱は、冷媒タンクの壁面（伝熱面）を介し、冷媒タンク内に溜められた液化冷媒に伝えられる。すなわちスイッチング素子の熱は、緩やかな対流熱伝達により伝えられるだけである。そのため伝熱面における伝熱効率は高くできず、スイッチング素子は効率的な冷却が行われなかった。
特開平８－１２６１２５号公報
　本発明の冷却装置は、発熱体からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、作動流体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。その冷却装置は、作動流体を受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、および受熱部へ循環させて発熱体の放熱を行う。そして帰還経路の受熱部近傍または受熱部内に、作動流体の流れを制御する逆止弁が設けられている。逆止弁は、弁孔を有する弁座と、凹部を有するケースと、弁座とケースとに挟まれるとともに弁孔を開閉し凹部内を移動する弁可動部を備えた弁板とを含んでいる。
　このような構成の冷却装置は、弁板が弁板の上に溜まった作動流体の水頭による圧力と受熱部内の内圧との圧力バランスによって開き、弁可動部がケースの凹部内において移動するので、逆止弁は過剰に開口しない。そのため受熱部内へ作動流体が過剰供給されず、作動流体は適量供給される。受熱板へ滴下した作動流体の一部は初期沸騰により体積膨脹が起こり、残りの未沸騰の作動流体が受熱板の表面全体に薄い膜として拡がる。薄膜状の作動流体は熱くなった受熱板の熱を受けて、一瞬にして加熱、気化される。その結果、伝熱面における伝熱効率が向上し、冷却効果が高くなる。
　また気化による体積膨張により、作動流体は受熱板においてを勢い良く移動するので、さらに伝熱面における伝熱効率が向上し、冷却効果が高くなる。
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２は、同冷却装置の概略図である。 図３は、同冷却装置の逆止弁の分解斜視図である。 図４は、同冷却装置の逆止弁の一部切断斜視図である。 図５Ａは、同冷却装置の逆止弁付近の断面図である。 図５Ｂは、図５Ａの５Ｂ－５Ｂ断面図である。 図６Ａは、本発明の実施の形態１の冷却装置の逆止弁の弁可動部が弁孔を塞いだ状態の断面図である。 図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ－６Ｂ断面図である。 図７は、本発明の実施の形態２の冷却装置の概略図である。 図８Ａは、同冷却装置の逆止弁の分解斜視図である。 図８Ｂは、同冷却装置の逆止弁の組立て斜視図である。 図８Ｃは、図８Ｂの８Ｃ－８Ｃ断面図である。 図９Ａは、本発明の実施の形態２の冷却装置の逆止弁搭載部の概略構成図である。 図９Ｂは、同冷却装置の逆止弁搭載部の拡大構成図である。 図１０は、同冷却装置を備えた電子機器の概略斜視図である。
　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、電気自動車１の車軸（図示せず）を駆動する電動機（図示せず）は、電気自動車１の内部に配置された電力変換装置であるインバータ回路２に接続されている。インバータ回路２は、電動機に電力を供給する複数の半導体スイッチング素子１０を備え、半導体スイッチング素子１０が動作中に発熱する。
　そして冷却装置３が、半導体スイッチング素子１０を冷却する。冷却装置３は、受熱部４と、放熱部５と、放熱経路６と、帰還経路７とを備えている。ここで放熱部５は、作動流体１２（例えば水）が受熱部４において吸収した熱１０ａを放出する。放熱経路６および帰還経路７は、受熱部４と放熱部５とを接続する作動流体１２の循環経路である。循環経路においては、作動流体１２が、気体（水の場合水蒸気）、液体、及びその混合状態となっている。そして作動流体１２は受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、および受熱部４と一方向に循環する。
　図２は、本発明の実施の形態１の冷却装置の概略図である。図２に示すように放熱部５は、外気に熱を放出する放熱体８を備えている。放熱体８は、アルミニウムを短冊状に薄く形成したフィンを所定の間隔をあけて積層したブロック体（図示せず）から構成されている。そして、放熱体８の表面に送風機９から外気が送風され、放熱される。なお、放熱体８の表面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用してもよい。
　また図２に示すように受熱部４は、発熱体である半導体スイッチング素子１０に接触させて熱１０ａを吸収し作動流体１２に伝える受熱板１１と、受熱板１１の表面を覆い流れ込んだ作動流体１２を蒸発させる受熱空間１３を形成する受熱板カバー１４とを備えている。
　さらに受熱板カバー１４には、受熱空間１３に液化した作動流体１２を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から作動流体１２を気体にして排出する排出口１６とが設けられている。
　すなわち、受熱板カバー１４の上面に流入口１５、受熱板カバー１４の側面に排出口１６が設けられている。流入口１５には帰還経路７が接続され、また排出口１６には放熱経路６が接続されている。
　さらに帰還経路７の受熱部４側には、受熱部４内に作動流体１２を供給する流入管１９が、受熱空間１３内に突出した状態にて接続されている。以下では受熱空間１３内の流入管１９は、導入管１７と記載する。
　なお、本発明の実施の形態１では、導入管１７入口部分に逆止弁１８が備えられている。逆止弁１８は、帰還経路７の受熱部４近傍または受熱部４内に設けられ、作動流体１２の流れを制御する。
　このような構成による冷却装置３の作用について説明する。
　上記構成において、図１に示すインバータ回路２の半導体スイッチング素子１０が動作を開始すると電動機に電力が供給され、電気自動車１は動き出す。このとき、半導体スイッチング素子１０には大電流が流れ、少なくとも全電力の数％が損失となって発熱する。
　一方、図２に示す半導体スイッチング素子１０の発熱は、受熱空間１３の受熱板１１上に供給された液状の作動流体１２に伝えられる。すなわち、半導体スイッチング素子１０の熱１０ａが作動流体１２に伝えられると、液状の作動流体１２は一瞬にして気化し、排出口１６から放熱経路６へと流れ、放熱部５において熱１０ａを外気に放出する。
　放熱部５から熱１０ａを放出した作動流体１２は、液化して帰還経路７へと流れ、逆止弁１８上の流入管１９内に溜まる。液化した作動流体１２は、徐々に帰還経路７内において増加する。一方、受熱空間１３内の作動流体１２は気化により減少し、受熱空間１３内の圧力も減少する。そのため逆止弁１８上に溜まった作動流体１２の水頭による圧力によって逆止弁１８が押し下げられて開き、作動流体１２が再び受熱空間１３内の受熱板１１上に供給される。このようにして作動流体１２が冷却装置３内を循環し、半導体スイッチング素子１０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を加える。
　図２に示す受熱空間１３内では、帰還経路７からの作動流体１２は、逆止弁１８から受熱板１１上に液滴となって滴下される。受熱板１１の表面は、放射状に流路が拡大する形状になっている。そして後述する逆止弁１８の作用により作動流体１２は、適量供給される。供給された作動流体１２は、薄い膜として受熱板１１上に拡がる。受熱板１１の裏面側は、半導体スイッチング素子１０に接触している。そのため薄い膜となった作動流体１２は加熱され、一瞬にして気化する。
　また受熱空間１３を含む循環経路内の気圧は、大気圧よりも低く設定している。そのため作動流体１２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では、循環経路内の気圧は－９７ＫＰａにし、循環経路内が飽和蒸気の状態にされている。そのため外気温に応じた沸騰温度が決定され、容易に作動流体１２の水が気化する。このとき、作動流体１２が半導体スイッチング素子１０の熱１０ａを奪い、冷却する。
　また、作動流体１２が気化するときに受熱空間１３内の圧力が増加する。しかし逆止弁１８の作用により、作動流体１２は逆流して帰還経路７側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路６へ放出される。このように冷却装置３が動作することにより、規則的な受熱と放熱とのサイクルができる。そして連続して作動流体１２が、受熱空間１３内において気化し、半導体スイッチング素子１０の冷却が行なわれる。
　ここで、本発明の実施の形態１の最も特徴的な部分について説明する。
　図３は、本発明の実施の形態１の冷却装置の逆止弁の分解斜視図である。図３に示すように逆止弁１８は、作動流体１２の流れを制御する弁板２１、弁板２１を保持するケース２２、および弁座２３により構成されている。ケース２２は、凹部２２ｂを備えている。弁板２１は、凹部２２ｂ内を移動する弁可動部２１ａを備えている。ケース２２、弁座２３にはそれぞれ、流入管１９の内径と同じ径のケース孔２２ａ、弁孔２３ａが設けられている。弁板２１の材質は銅、黄銅、またはＳＵＳ（Steel　Use　Stainless）である。また弁板２１の厚みは、例えば１００μｍ～２００μｍである。
　また、弁板２１は内方にＵ字状の切溝２５が設けられ、切溝２５内方に弁可動部２１ａが形成されている。すなわち弁可動部２１ａは、Ｕ字状の切溝２５に囲まれた領域２６である。また弁可動部２１ａは、弁板２１からの変位が最も大きい自由端２１ｂと、弁板２１からの変位がゼロの固定端２１ｃとを備えている。
　図４は、本発明の実施の形態１の冷却装置の逆止弁の一部切断斜視図である。図４に示すように弁板２１は、弁可動部２１ａがケース２２の凹部２２ｂに収まるようにケース２２、弁座２３により挟み込まれ固定されている。ケース２２、弁座２３は、図示しないネジ等により固定されている。弁可動部２１ａは、弁座２３とケース２２とに挟まれるとともに弁孔２３ａを開閉する。
　また弁可動部２１ａは、ケース２２の凹部２２ｂ内のみ移動する。凹部２２ｂの深さは１ｍｍ～２ｍｍ程度、かつ弁可動部２１ａと凹部２２ｂの内壁との隙間も１ｍｍ～２ｍｍ程度である。このような構成により、図２に示す逆止弁１８が開いても、受熱部４内へ作動流体１２は過剰供給されず、作動流体１２の供給は適量に制御される。
　そして受熱板１１へ滴下した作動流体１２は、前述したように受熱板１１表面の周囲に拡散するように薄い膜として拡がる。そして受熱板１１の熱１０ａを受けて、作動流体１２は加熱され、一瞬にして気化する。そのため、伝熱面における伝熱効率が高くなり、効率的な冷却が行われる。さらに気化による体積膨張により作動流体１２は、受熱板１１部分において勢い良く排出口１６まで移動されるため、さらに伝熱面における伝熱効率が高くなる。
　なお本発明の実施の形態１では、逆止弁１８の弁板２１は略水平に配置されている。しかし作動流体１２の水頭による圧力によって弁板２１が可動であれば、弁板２１の配置方向は水平方向に対し傾斜していても、略垂直でもよい。ただし、作動流体１２の量と水頭による圧力との関係による応答性を考慮すれば、弁板２１の配置方向は略水平が好ましい。
　図５Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の逆止弁付近の断面図、図５Ｂは図５Ａの５Ｂ－５Ｂ断面図である。図５Ａに示すように弁座２３は、弁板２１に密接する平面当接面２４を備えている。そのため弁座２３と、弁板２１との気密性が高まり、受熱部４内からの作動流体１２の逆流防止性が向上する。さらに弁可動部２１ａは開閉時、平面当接面２４の広い面積との衝突を繰り返す。そのため平面当接面２４がなく、流入管１９の端面の狭い面積との直接的な衝突を繰り返す場合に比べ、弁板２１の損傷が少なく弁板２１の耐久性が向上する。
　また、弁孔２３ａを形成する弁孔形成面２３ｂが弁板２１に接する弁孔弁板接触部２３ｃには、面取加工部３０が設けられている。仮に弁孔２３ａの開口縁である弁孔弁板接触部２３ｃに突起が存在した場合は、弁板２１に対して垂直に当たると、弁可動部２１ａが開閉時に損傷しやすくなる。そこで当たった時の衝撃を緩和する面取加工部３０が設けられると、弁板２１と弁孔弁板接触部２３ｃとが当たっても衝撃が緩和され、弁孔２３ａの開口縁が損傷することがない。そのため、弁板２１の耐久性がさらに向上する。
　また弁板２１は、金属板２７により形成されている。そして図５Ｂに示すように、金属板２７の圧延方向２８が固定端２１ｃから自由端２１ｂへ向かう弁可動部方向２９と同じ方向である。そのため、弁可動部２１ａが開閉時に上下に繰り返し曲がっても、金属疲労が生じにくい。
　また図５Ｂに示す金属板２７から形成される弁板２１の外周部分、および切溝２５は、図５Ａに示す弁座２３の側からケース２２の側にかけて打ち抜きなどにより切断している。そのため、切断時に生じるバリはケース２２の側へ向けられ、弁可動部２１ａの開閉時、弁座２３が傷つくことはない。
　図６Ａは本発明の実施の形態１の冷却装置の逆止弁の弁可動部が弁孔を塞いだ状態の断面図、図６Ｂは図６Ａの６Ｂ－６Ｂ断面図である。図２に示す受熱空間１３内の圧力により、図６Ａに示すように弁可動部２１ａを持ち上げる力が、弁可動部２１ａ上に帰還した作動流体１２の水頭圧と帰還経路７内の圧力とにより下方に押し下げる力よりも大きい場合、弁可動部２１ａは弁孔２３ａを塞いだ状態となる。このため、図２に示す受熱空間１３内の作動流体１２が逆流して帰還経路７側へ戻ることはなく、確実に排出口１６から放熱経路６へ放出される。
　図６Ｂに示すように弁可動部２１ａと平面当接面２４との隙間にも、作動流体１２が存在する。そのため、図２に示す逆止弁１８が閉じられた時の気密性が高まる。その結果、受熱部４における冷却効果が、従来の自然循環式に比べ極めて高くなる。また図５Ａに示す面取加工部３０が設けられると、作動流体１２が弁板２１上にスムーズに拡がる。その結果、逆止弁１８が閉じられた時の気密性がさらに高められる。
　（実施の形態２）
　本発明の実施の形態２では、実施の形態１と同じ構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。図７は本発明の実施の形態２の冷却装置の概略図、図８Ａは同冷却装置の逆止弁の分解斜視図、図８Ｂは同冷却装置の逆止弁の組立て斜視図、図８Ｃは図８Ｂの８Ｃ－８Ｃ断面図である。
　図７に示す帰還経路７内の逆止弁３８の直前の流入管１９においては、受熱空間１３内に滴下する前の作動流体１２が液体として溜まっている。通常、逆止弁３８は数秒以下の時間開き、受熱空間１３内に作動流体１２が供給される。
　ここで問題になるのは、図８Ａに示す弁板３１の耐久性である。すなわち、図７に示す受熱空間１３内の作動流体１２の気化により、受熱空間１３内の圧力が高まり逆止弁３８は押し上げられ、閉じた状態となる。そして受熱空間１３内の作動流体１２が気化により減少すると、受熱空間１３内の圧力も減少する。その結果、逆止弁３８上に溜まった作動流体１２の水頭による圧力によって逆止弁３８は押し下げられ、逆止弁３８は開く。このように逆止弁３８は開閉を繰り返すことにより、図８Ａに示す弁板３１の弁可動部３１ａの根元３１ｂに損傷を生じる場合がある。さらに弁板３１は、耐久性を考慮して前述の銅などにより形成しても、受熱空間１３内のキャビテーション（cavitation）によるエロージョン（erosion）により、亀裂、およびピンホールなどが生じる可能性がある。
　このように弁板３１に損傷が発生した場合、図７に示す逆止弁３８は弁機能がなくなり、受熱空間１３内に作動流体１２が常に供給される、または受熱空間１３からの作動流体１２の逆流が発生する。その結果、作動流体１２の安定した循環機能が失われ、受熱板１１の伝熱効率が著しく低下する。そのため、本発明の実施の形態２では、複数の逆止弁３８ａ～逆止弁３８ｎを積載した逆止弁搭載部４０が設けられている。逆止弁搭載部４０は、帰還経路７の受熱部４側に設けられている。逆止弁を複数設けた理由については後述する。
　図８Ａ～図８Ｃに示すように逆止弁３８ａの構成は、逆止弁３８ａ～逆止弁３８ｎを積載するため、実施の形態１とは上下逆であり、弁板３１がケース３２の凹部３２ａに収まるように構成されている。図７に示すように逆止弁３８ａ～逆止弁３８ｎの最下段、すなわち受熱部４に最も近い逆止弁３８ｎのケース３２に設けられた流入管１９の内径と同じ径のケース孔３２ｂの位置と、受熱部４の流入口１５の位置とを合わせる。このことにより、他の逆止弁３８ａ・・３８ｍと同様、図８Ａに示す弁板３１の弁可動部３１ａは、ケース３２の凹部３２ａ内においてのみ移動する。
　図９Ａは本発明の実施の形態２の冷却装置の逆止弁搭載部の概略構成図、図９Ｂは同冷却装置の逆止弁搭載部の拡大構成図である。図９Ａ、図９Ｂを用いて、逆止弁搭載部４０の内部に逆止弁３８ａ、３８ｂが２個搭載された場合の動作について逆止弁を複数設けた理由と合わせて説明する。ここで、通常動作では、受熱部４に近い側の逆止弁３８ｂのみが機能する。
　図９Ａ、図９Ｂに示すように逆止弁３８ａ、３８ｂを経由して流入管１９から作動流体１２が受熱部４に供給され、液状の作動流体１２が気化する。その結果、受熱空間１３内の圧力が高まり下側の逆止弁３８ｂは押し上げられ、閉じられる。しかし、上側の逆止弁３８ａの弁板３１の弁可動部３１ａは、作動流体１２により満たされたケース３２の凹部３２ａ内に浮いた状態となる。
　次に受熱空間１３内における作動流体１２の気化量が減少し、受熱空間１３内の圧力が減少してくると、逆止弁３８ｂ上に溜まった作動流体１２の水頭による圧力によって逆止弁３８ｂは押し下げられる。すなわち逆止弁３８ｂは開き、受熱空間１３内に作動流体１２が供給される。
　このように、逆止弁搭載部４０の内部に逆止弁３８ａ、３８ｂが２個積載された場合の通常動作は、逆止弁３８ｂが１個の時に比べ、逆止弁３８ａは逆止弁としての機能はない。すなわち逆止弁３８ａは、ほとんど開いた状態である。そのため逆止弁３８ａは、開閉動作の繰り返しにより図８Ａに示す弁板３１の弁可動部３１ａの根元３１ｂの損傷、および受熱空間１３内のキャビテーションによるエロージョンの影響がない。逆止弁３８ｂが長期使用による前述の劣化が進んで、逆止弁としての機能を果たせなくなった時に初めて逆止弁３８ａは逆止弁としての機能を果たす。
　このように逆止弁３８ｂが損傷を生じた場合、逆止弁３８ａが上述したような逆止弁３８ｂと同様の動作を行い、図７に示す逆止弁３８の交換等のメンテナンス時期を遅らせることができる。すなわち、定期的に行う点検の期間が長くなる。
　なお、本発明の実施の形態１においては、冷却装置３が電気自動車１に適用された例を説明した。図１０は、本発明の実施の形態２の冷却装置を備えた電子機器の概略斜視図である。図１０は、電子機器がパーソナルコンピュータの場合である。パーソナルコンピュータ筐体３２内に、冷却装置３と、発熱体である発熱体ソケット３３と、電源ユニット３４とが備えられ、発熱体ソケット３３が冷却装置３によって冷却される。
　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に使用されるパワー半導体、高い発熱量を有するＣＰＵ（Central　Processing　Unit）などの冷却に有用である。
　１　　電気自動車
　２　　インバータ回路
　３　　冷却装置
　４　　受熱部
　５　　放熱部
　６　　放熱経路
　７　　帰還経路
　８　　放熱体
　９　　送風機
　１０　　半導体スイッチング素子（発熱体）
　１０ａ　　熱
　１１　　受熱板
　１２　　作動流体
　１３　　受熱空間
　１４　　受熱板カバー
　１５　　流入口
　１６　　排出口
　１７　　導入管
　１８，３８，３８ａ，３８ｂ，３８ｍ，３８ｎ　　逆止弁
　１９　　流入管
　２１，３１　　弁板
　２１ａ，３１ａ　　弁可動部
　２１ｂ　　自由端
　２１ｃ　　固定端
　２２，３２　　ケース
　２２ａ，３２ｂ　　ケース孔
　２２ｂ，３２ａ　　凹部
　２３　　弁座
　２３ａ　　弁孔
　２３ｂ　　弁孔形成面
　２３ｃ　　弁孔弁板接触部
　２４　　平面当接面
　２５　　切溝
　２６　　領域
　２７　　金属板
　２８　　圧延方向
　２９　　弁可動部方向
　３０　　面取加工部
　３１ｂ　　根元
　３２　　パーソナルコンピュータ筐体
　３３　　発熱体ソケット
　３４　　電源ユニット
　４０　　逆止弁搭載部

Claims (11)

  1. 発熱体からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、
    前記作動流体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、
    前記作動流体を前記受熱部、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循環させて前記発熱体の放熱を行う冷却装置であって、
    前記帰還経路の前記受熱部近傍または前記受熱部内に前記作動流体の流れを制御する逆止弁を設け、前記逆止弁は、
    弁孔を有する弁座と、
    凹部を有するケースと、
    前記弁座と前記ケースとに挟まれるとともに前記弁孔を開閉し、前記凹部内を移動する弁可動部を備えた弁板と、
    を含むことを特徴とする冷却装置。
  2. 前記逆止弁は、前記逆止弁の上に溜まった前記作動流体の水頭による圧力によって開くことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  3. 前記弁板は水平に配置されることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  4. 前記帰還経路の前記受熱部側に前記逆止弁を複数搭載する逆止弁搭載部を設けたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  5. 前記弁座は、前記弁板に密接する平面当接面を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
  6. 前記弁可動部は、前記弁板に設けたＵ字状の切溝に囲まれた領域であり、前記弁板からの変位が最も大きい自由端と前記弁板からの変位がゼロの固定端とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
  7. 前記弁板は金属板であるとともに前記金属板の圧延方向が前記固定端から前記自由端へ向かう弁可動部方向と同じ方向であることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
  8. 前記弁板は前記弁座の側から前記ケースの側にかけて切断した前記金属板であることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
  9. 前記弁孔を形成する弁孔形成面が前記弁板に接する弁孔弁板接触部に、面取加工部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。
  10. 請求項１に記載の冷却装置と、前記冷却装置によって冷却される被冷却部材とを備えたことを特徴とする電子機器。
  11. 請求項１に記載の冷却装置と、前記冷却装置によって冷却される前記発熱体とを備えたことを特徴とする電気自動車。
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