冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車
【課題】冷媒の循環を効率よく行い、冷却性能を向上させた冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】作動流体１２を、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４へと循環させて熱の移動を行う冷却装置３であって、受熱部４は、作動流体１２を受ける受熱板１１とこの受熱板１１を覆って受熱空間１３を形成する受熱板カバー１４とで構成され、受熱板１１には、作動流体１２を受ける部分（作動流体滴下部２０）を始点として断面がＶ字型の溝２１を複数形成したので、作動流体１２が受熱板１１上に滴下したときに、溝２１の内部を膜状に広がると共に、溝２１の壁面から熱を効率よく受けるので、作動流体１２は受熱板１１上で蒸発しやすく、放熱経路６内をスムーズに移動して冷却効果を高める。
【解決手段】作動流体１２を、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４へと循環させて熱の移動を行う冷却装置３であって、受熱部４は、作動流体１２を受ける受熱板１１とこの受熱板１１を覆って受熱空間１３を形成する受熱板カバー１４とで構成され、受熱板１１には、作動流体１２を受ける部分（作動流体滴下部２０）を始点として断面がＶ字型の溝２１を複数形成したので、作動流体１２が受熱板１１上に滴下したときに、溝２１の内部を膜状に広がると共に、溝２１の壁面から熱を効率よく受けるので、作動流体１２は受熱板１１上で蒸発しやすく、放熱経路６内をスムーズに移動して冷却効果を高める。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の冷却装置は、電気自動車の電力変換回路に搭載されたものが知られている。電気自動車では、駆動動力源となる電動モータを電力変換回路であるインバータ回路でスイッチング駆動していた。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て、それぞれの素子に数十アンペア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大きく発熱し、冷却することが必要であった。
【０００３】
そこで、従来は、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を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１２６１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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（以下、作動流体）タンクを配置し、同タンク内の作動流体を気化させてスイッチング素子からの熱を奪わせる。そして、気化した作動流体は、上部に配置した放熱器へ上昇し、放熱器内壁で凝縮することで潜熱を放熱器へ送り放熱させる。次に、凝縮により液化した作動流体は、再び装置内壁を伝わって下部のタンクへ戻る。実際の冷却は、この一連の流体循環サイクルを繰り返すことで行われていた。
【０００６】
ただ、このような従来の流体循環では、受熱表面での高速な流体移動を伴わない自然対流であるため、熱伝達係数も低く、結果的に高い冷却効果を得ることは出来なかった。
【０００７】
また、上記自然対流型の作動流体の循環に対し、圧縮機を用いず、作動流体の膨張によって循環経路内を作動流体が循環するループ型のヒートパイプの技術が実現されている。
【０００８】
このループ型のヒートパイプにおいては、受熱表面において、作動流体を効率的に蒸発させて大きな圧力を発生させ、作動流体が循環経路内をスムーズに循環することが冷却効果を高める上で重要になる。
【０００９】
そこで、本発明は、受熱表面における熱伝達係数を高めることで、冷却装置の冷却性能を高めることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、この目的を達成するために、本発明は、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、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で構成し、前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の溝を複数形成したものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、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で構成し、前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の複数の溝を形成するとで、冷却性能を高めることが出来る。
【００１２】
すなわち、本発明においては、受熱板上に滴下された作動流体は、前記Ｖ字型またはＵ字型の溝の内壁面を膜状に広がり、溝の内壁面全体から熱を効率よく受けとることで、受熱板上で瞬時に気化する。その結果、受熱板から効率的に気化潜熱を奪うことができるため、高い冷却効果が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図
【図２】同放熱体の構成を示す図
【図３】同冷却装置を示す概略図
【図４】同冷却装置の受熱部斜視図
【図５】同冷却装置の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図６】同冷却装置の受熱部の溝の説明図（ａ）溝の断面図、（ｂ）溝の切削概略図
【図７】本発明の実施の形態２の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図８】同冷却装置の受熱部の溝の説明図（ａ）Ｖ字溝の断面図、（ｂ）Ｕ字溝の断面図
【図９】同冷却装置の受熱部の溝の鍛造方法による成形概略図（ａ）初期状態図、（ｂ）鍛造型が当たったときの図、（ｃ）ほぼ溝が形成されたときの図、（ｄ）出来上がった溝の図
【図１０】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１１】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１２】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１３】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１４】同冷却装置の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図、（ｄ）受熱部の平面図
【図１５】同冷却装置の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１６】本発明の実施の形態４の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図、（ｄ）受熱部の平面図
【図１７】本発明の実施の形態５の受熱部の詳細図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（実施の形態１）
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の内に配置し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。
【００１６】
インバータ回路２は、電動機に電力を供給するもので、複数の半導体スイッチング素子１０（図３に記載）を備えおり、この半導体スイッチング素子１０が動作中に発熱する。
【００１７】
このため、この半導体スイッチング素子１０を冷却するために、冷却装置３を備えている。冷却装置３は、受熱部４と、この受熱部４で吸収した熱を放熱する放熱部５を備え、受熱部４と放熱部５の間で熱媒体となる作動流体１２（図３に記載。例えば水）を循環させる放熱経路６、帰還経路７を設ける。そして、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４の順に作動流体１２が循環する循環経路を構成している。
【００１８】
つまり、この循環経路においては、作動流体１２が、蒸気や液体の状態で、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、前記受熱部４の順に一方向に、循環するようになっている。
【００１９】
放熱部５は、図２に示すように、外気に熱を放出する放熱体８を備えている。この放熱体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と、積層したフィンを貫通する放熱経路６とで構成されている。そして、この放熱体８の表面に送風機９から外気を送風することで、放熱をさせている。なお、この放熱体８の表面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用することも出来る。
【００２０】
また、受熱部４は、図３に示すように、半導体スイッチング素子１０に接触させて熱を吸収する受熱板１１と、この受熱板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が設けられている。
【００２１】
図３においては、受熱部４を模式的に示したが、具体的には図４、図５に示すような構造となっている。すなわち、受熱板カバー１４の上面に、流入口１５と排出口１６を設けており、流入口１５には帰還経路７を接続し、また排出口１６には放熱経路６を接続している。
【００２２】
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を供給する案内管１７を、受熱空間１３内に突出させた状態で接続し、また受熱部４の流入口１５と、案内管１７の接続部に逆止弁１８を設けている。
【００２３】
続いて、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。
【００２４】
上記構成において、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て、電気自動車１は、動きだすこととなる。このとき、半導体スイッチング素子１０には大電流が流れることにより、少なくとも全電力の数％が損失となって大きく発熱する。
【００２５】
一方で、半導体スイッチング素子１０から受熱板１１へ伝わった熱は、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を加熱し、瞬時に気化させる。受熱板１１から気化潜熱を奪った蒸気は、排出口１６から放熱経路６へと流れ、放熱体８で凝縮することで熱を外気に放出する。
【００２６】
放熱体８の作用によって熱を放出した作動流体１２は、凝縮により液化して帰還経路７へと流れ、流入口１５の逆止弁１８上に溜まることとなる。液化した作動流体１２は、徐々に帰還経路７内で増加し、その水頭による圧力によって逆止弁１８を押し下げると、再び受熱空間１３内の受熱板１１上に供給される。
【００２７】
このようにして作動流体１２が冷却装置３内を循環することで、半導体スイッチング素子１０の冷却を行なうことになる。
【００２８】
ここで、受熱空間１３内の冷却のメカニズムについて図３を用いて説明を加える。
【００２９】
受熱空間１３内では、帰還経路７から供給された作動流体１２は、受熱板１１上に液滴となって滴下される。この作動流体１２は、帰還経路７の端部開口（案内管１７の先端部分）と受熱板１１の隙間から外周部へ拡散される。このとき、受熱板１１の表面では、作動流体１２が放射状に形成した溝２１の内壁面に薄い膜として広がり、高熱の受熱板１１の熱を受けて一瞬にして気化することとなる。
【００３０】
なお、受熱空間１３を含む循環経路内の圧力は、使用する作動流体１２によって異なるが、例えば作動流体１２として水を使用した場合、大気圧よりも低く設定することで、大気圧中の水の沸騰に比べて低い温度で気化させることができる。
【００３１】
本実施の形態では、循環経路内に所望量の水を作動流体１２として封入し、系内をほぼ真空に減圧することで、外気温＋数１０度程度の温度でも容易に水を気化させることができる飽和状態とし、これにより半導体スイッチング素子１０からの熱を作動流体１２（この場合、水）の気化潜熱として奪い、効率的な冷却が可能となる。
【００３２】
また、作動流体１２が気化するときに受熱空間１３内の圧力は増加するが、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へ放出させることができる。
【００３３】
このように冷却装置３を動作させることで、規則的な受熱と放熱のサイクルができ、連続して作動流体１２を受熱空間１３内で気化させて半導体スイッチング素子１０からの熱を効率的に除熱し、大きな冷却効果を実現することができる。
【００３４】
ここで、本発明の最も特徴的な部分について説明する。
【００３５】
図５に示すように、受熱板１１の表面には、案内管１７に対向した部分（作動流体滴下部２０）を中央部として、放射状に溝２１が形成されているのである。
【００３６】
この溝２１は、作動流体滴下部２０を中央部として周方向に断面がＶ字型になっている。さらに詳しく説明すると、作動流体滴下部２０は、案内管１７とほぼ同径に円形状に形成されている。そして、溝２１は、その作動流体滴下部２０を中央部として放射状に形成されている。図６では、作動流体滴下部２０を受熱板１１の受熱板表面２２よりも凹ませて形成している。そして、この凹んだ作動流体滴下部２０と溝２１の始点側（作動流体滴下部２０側）とが連通するようになっているのである。
【００３７】
溝２１は、図６（ｂ）に示すように、始点側（作動流体滴下部２０側）の溝深さよりも中央部の溝深さを深くし、終点では、深さがなくなるように溝２１の底部に連続した傾斜を設けている。また、溝２１は、図５（ｃ）に示すように始点側（作動流体滴下部２０側）の幅ｗ１（作動流体滴下部２０側を中央部とした周方向の幅）よりも中央部ｗ２が広くなるように形成されている。そして、終点部では、その幅がゼロになるように形成している。
【００３８】
このような溝２１は、図６（ｂ）に示すように、切削工法にて成形される。すなわち、銅板等を成形し、おおまかに形をつくった受熱板１１の表面に、円形の切削刃２３を当てて削ることによって溝２１が形成されるのである。
【００３９】
このような溝２１によれば、作動流体滴下部２０に滴下された作動流体１２は、周方向に広がるのであるが、そのとき、作動流体滴下部２０と連通した溝２１の内部を、その内壁に薄い膜を形成しながら通っていく。そして、溝２１によって、伝熱面積が大きく確保されると共に、気化による体積膨張が高速の蒸気流を形成し、高い伝達係数を実現することが可能となるのである。言い換えれば、これにより、半導体スイッチング素子１０からの熱を大容量の気化潜熱という形で効率的に奪うことができ、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００４０】
また、周縁部に向かって深さが浅くなり、幅の細くなる溝２１の形状によって、溝２１内部を通過する作動流体１２が、溝２１内で滞ることなく外周部に広がり排出口１６へと効率よく流れていくことになる。
【００４１】
なお、案内管１７を上に、受熱板１１を下に配した状態であれば、作動流体滴下部２０は、椀状にくぼみを設けても良い。このくぼみにより、作動流体１２が受熱板１１上で一時的に適量だけ溜まることになるので、溝２１に連続的に作動流体１２を供給することができるのである。
【００４２】
（実施の形態２）
次に、図７、図８、図９を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００４３】
全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
第２の実施の形態において特徴的な部分は、図７の受熱板１１に形成した鍛造溝２４である。すなわち、鍛造溝２４は、第１の実施の形態と同様、受熱板１１の表面には、流入口１５に対向した部分（作動流体滴下部２０）を中央部として、放射状に鍛造溝２４が形成されている。この鍛造溝２４は、作動流体滴下部２０を中央部として周方向に断面が図８に示すようにＶ字型またはＵ字型になっている。そして、第２の実施の形態における特徴的な部分は、このＶ字型またはＵ字型に形成された鍛造溝２４の頂部が受熱板表面２２よりも突出した形状（突部２５）になっている点である。その詳細は、図８（ａ），（ｂ）において示されている様なＶ字または、Ｕ字の形状となる。なお、図８において、破線２６の部分は、受熱板表面２２と突部２５の麓部分との境界である。
【００４５】
このような構成により、鍛造溝２４は、作動流体１２の流れる方向（作動流体滴下部２０から外側へ向かう方向）の左右に大きな壁が形成され大きな受熱面積を確保できることになる。従って、鍛造溝２４内を流れる作動流体１２は、壁面から効率よく熱を受けて蒸発することになる。すなわち、受熱板１１が受けた熱を効率よく作動流体１２に伝えて気化するため、冷却装置３内の作動流体１２の循環量も大きく確保でき、冷却装置３の冷却効率を高くすることができる。
【００４６】
また、このような鍛造溝２４は、図９に示すように、鍛造工法にて成形される。すなわち、図９（ａ）に示すように、成形前の受熱板１１（例えば、材料として銅を用いた銅板１１ａ）に、鍛造溝２４を成形するための鍛造型２７でたたくように成形を行う。図９（ｂ）では、鍛造型２７が銅板１１ａに当たって少しへこんだ状態を示している。そして、図９（ｃ）は、鍛造型２７が銅板１１ａに鍛造溝２４を形作ったところである。
【００４７】
この図９（ｃ）で示すように、銅板１１ａのもとの表面（受熱板表面２２）に対し、鍛造溝２４は凹んだ状態、突部２５は突出した状態になる。鍛造溝２４で凹んだ体積と突部２５で突出した体積とはほぼ同じになる。すなわち、鍛造溝２４をへこませた分だけ突部２５が突出し、鍛造溝２４の壁面を形成するのである。
【００４８】
なお、本実施の形態２の受熱板１１の成形方法は、鍛造工法に限られるものではなく、切削工法あるいは他の成形方法によっても製作が可能である。
【００４９】
本実施の形態では、鍛造溝２４の深さは、周縁部に向かって浅くなる形態を示したが、突部２５を形成する鍛造溝２４の形態は、この場合に限られるものではない。
【００５０】
例えば、図１０に示すように、幅がほぼ一定で、深さもほぼ一定の溝２８であってもよい。ただし、図１０では、溝２８の終点部分で深さがゼロになるようにしている。
【００５１】
さらに、図１１に示すように、幅が外周側のほうが広い溝２９であってもよい。この場合、溝２９の深さは一定で、そのまま外周側に設けた作動流体回収部３０に流れ出す構成でも良い。
【００５２】
また、図１２で示すように、受熱板１１の形状は、正方形や円形に限られるものではなく、長方形であっても良い。
【００５３】
さらに、図１３で示すように、受熱板１１ｂの溝２１ｂは、作動流体滴下部２０を中央部とした放射状ではない。すなわち、作動流体滴下部２０ｂと作動流体回収部３０ｂは、受熱板１１ｂの両端部近傍に設けられているのである。そして、溝２１ｂは、作動流体滴下部２０ｂから作動流体回収部３０ｂまで、受熱板１１ｂの表面を有効に使って、断面がＶ字または、Ｕ字に形成されている。
【００５４】
なお、上記実施の形態では、案内管１７を上側に配置し、作動流体滴下部２０に向けて作動流体１２が落ちるイメージで説明したが、案内管１７の出口から出た作動流体１２が作動流体滴下部２０に向けて流れる、あるいは噴射されるようにして移動するものであればよく、その案内管１７、受熱板１１の上下関係を限定するものではない。
【００５５】
また、上記実施形態においては、冷却装置３を電気自動車１に適用したものを説明したが、他の電子機器に冷却装置３を適用することも出来る。
【００５６】
（実施の形態３）
次に、図１４を用いて本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００５７】
全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
図１４（ａ）は受熱板カバー１４の上面から見た図であり、図１４（ｂ）は受熱板１１の溝３１の形状を示す断面図であり、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は受熱板１１の溝３１、溝３２の形状を示す平面図である。
【００５９】
第３の実施の形態においての特徴的な部分は、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、受熱板１１は、作動流体滴下部２０の放熱体８が接触する部分を最も薄く形成し、その最も薄く形成した部分を中央部として放射状に溝３１が形成されている。溝３１は、図１４（ｂ）に示すように、始点部（作動流体滴下部２０）の溝深さを最も深くし、終点では、その深さと幅がなくなるように溝３１の底部に連続した傾斜を設け、終点部に向けて浅くなるように形成し、かつ作動流体回収部３０へ連通している。
【００６０】
また、図１４（ｂ）に示すように、溝３１の１４ｂ−１４ｂ断面は、中央部が最も深く端部が作動流体回収部３０にそれぞれ連通するような弧形状に形成している。このような溝３１は、図６（ｂ）に示すように、切削工法にて成形される。すなわち、銅板等を成形し、おおまかに形をつくった受熱板１１の表面に、円形の切削刃２３を当てて削ることによって溝３１が形成されるのである。
【００６１】
このような構成により、作動流体滴下部２０に滴下された作動流体１２は、周方向に広がるのであるが、そのとき、作動流体滴下部２０と連通した溝３１の内部を、その内壁に薄い膜を形成しながら通っていく。そして溝３１によって、伝熱面積が大きく確保されると共に、気化による体積膨張が高速の蒸気流を形成し、高い熱伝達係数を実現することが可能となるのである。言い換えれば、これにより、半導体スイッチング素子１０からの熱を大容量の気化潜熱という形で効率的に奪うことができ、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００６２】
さらに、発熱体と接触する受熱部中央部が最も薄くなることにより、受熱板１１に滴下された作動流体１２が受熱板１１の中央部にて瞬時に気化し、受熱板１１の中央部からくぼみ無く平坦に連通した溝３１内部を通って、作動流体回収部３０へと滞ることなく広がることができ、これにより受熱板１１全体から効率的に気化潜熱を奪うことができるため、気化による体積膨張がより高速の蒸気流を形成し、作動流体１２の循環量も大きく確保できる。よって、熱伝達係数の向上につながり、より高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００６３】
なお、本実施の形態３の受熱板１１の成形方法は、切削工法に限られるものではなく、鍛造工法あるいは他の成形方法によっても製作が可能である。
【００６４】
なお、図１４（ｄ）に示すように、幅が外周側のほうが広い溝３２であってもよい。この場合、溝３２の深さは一定で、そのまま外周側に設けた作動流体回収部３０に流れ出す構成でも良い。
【００６５】
また、図１５（ｂ）に示すように、溝３１の１５ｂ−１５ｂ断面は最も深く形成した作動流体滴下部から、作動流体回収部へと一定の傾斜を設けるように形成させても良い。
なお、図１６に示すように、受熱板１１の形状は、正方形や円形に限られるものではなく、たとえば長方形であっても良い。
【００６６】
（実施の形態４）
図１６を用いて本発明の第４の実施の形態について説明する。全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
図１６（ａ）は受熱板１１が長方形状のときの受熱板カバー１４を上面から見た図であり、図１６（ｂ）は作動流体滴下部２０と溝３３の形状を示す断面図であり、図１６（ｃ）は作動流体滴下部２０と溝３３の形状を示す平面図である。また、図１６（ｂ）は溝３３の他の形態の図である。
【００６８】
第４の実施の形態においての特徴的な部分は、図１６に示すように、長方形状の受熱板１１と、その中央部に長方形状の作動流体滴下部２０と、この作動流体滴下部２０の周囲に溝３３を同形状に複数形成したものであり、この作動流体滴下部２０の長手方向は、受熱板１１の長手方向と一致し、この溝３３の始点は、作動流体滴下部２０の周囲に均等に配され、かつ連通し、終点は、作動流体回収部３０の内周縁に均等に配され、かつ連通しているものである。
【００６９】
溝３３は、図６（ｂ）に示すように、始点側（作動流体滴下部２０側）の溝深さよりも中央部の溝深さを深くし、終点では、深さがなくなるように溝３３の底部に連続した傾斜を設けている。また、溝３３は、図１６（ｃ）に示すように、始点側（作動流体滴下部２０側）の幅ｗ１（作動流体滴下部２０側を中央部とした周方向の幅）よりも中央部ｗ２が広くなるように形成されている。そして、終点部では、その幅がゼロになるように形成している。
【００７０】
このような構成により、作動流体滴下部２０に滴下された作動流体１２は、先ず長方形状の作動流体滴下部２０を膜状に瞬時に広がり、そして溝３３の内部を、その内壁に薄い膜を形成しながら通っていく。そして、溝３３によって、伝熱面積が大きく確保されると共に、気化による体積膨張が高速の蒸気流を形成し、高い熱伝達係数を実現することができ、高い冷却性能を実現することが可能となるのである。
【００７１】
また、このとき、各溝が同形状であることにより、溝３３を通る蒸気流の圧力損失が等しくなり、各溝を通る蒸気流が受熱板１１の全体に均等に広がることができるので、より効果的に大容量の気化潜熱を奪うことができ、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００７２】
なお、図１６（ｄ）に示すように、作動流体滴下部２０に連通する内周側よりも、作動流体回収部３０と連通する外周側のほうが広くなるよう形成された溝３４であってもよい。この場合、溝３４の深さは一定で、そのまま外周側に設けた作動流体回収部３０に作動流体１２が流れ出す構成となる。
【００７３】
なお、本実施の形態では、受熱板１１、作動流体滴下部２０は長方形状としたが、それに限られるものではなく、図１６（ｄ）に示すようなそれぞれの形状がたとえば長丸形状でも良い。
【００７４】
（実施の形態５）
図１７を用いて本発明の第５の実施の形態について説明する。全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。図１７は受熱板カバー１４に設けた排出口１６と放熱経路６の形状を示す断面図である。
【００７５】
第５の実施の形態においての特徴的な部分は、図１７に示すように、受熱空間１３から作動流体１２を排出する排出口１６と放熱経路６の間に、排出口１６と接続する排出口継目３５と放熱経路と接続する放熱経路継目３６とを備える放熱経路接続部３７を設けたものである。
【００７６】
排出口１６と排出口１６と接続する排出口継目３５の流路断面積は等しく、排出口継目３５の流路断面積は、放熱経路６よりも大きく、放熱経路６と放熱経路６と接続する放熱経路継目３６の流路断面積は等しく形成され、この放熱経路接続部３７の断面形状は、排出口継目３５から放熱経路継目３６へ向けて徐々に放熱経路６の流路断面積に近づくように形成している。
【００７７】
このような構成により、受熱空間１３内で、受熱板１１から気化潜熱を奪った蒸気が、放熱経路６へと流れ出るとき、受熱空間１３から放熱経路６へ作動流体が移動する際の、経路の急縮小による圧力損失を放熱経路接続部３７により低減させることができるため、排出口１６にて作動流体１２が滞ることなく、放熱経路６へと移動することができるので、より効果的に作動流体１２の循環量も確保でき、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００７８】
なお、本実施の形態では、放熱経路接続部３７は、排出口継目３５から放熱経路継目３６へ向けて徐々に放熱経路６の流路断面積に近づくような形状としたが、それに限られるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明にかかる冷却装置は、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、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で構成し、前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の溝を複数形成することで、冷却効果を高めることが出来る。
【００８０】
すなわち、本発明においては、作動流体が受熱板上に滴下したときに、溝の内部を膜状に広がると共に、溝の壁面から熱を効率よく受けるので、作動流体は受熱板上で気化しやすく、気化した蒸気は、放熱経路内をスムーズに移動し、放熱部で効率的に凝縮放熱するため、高い冷却効果を達成することが可能となる。
【００８１】
このため、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などの冷却に有用である。
【符号の説明】
【００８２】
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
１１ 受熱板
１１ａ 銅板
１１ｂ 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 案内管
１８ 逆止弁
２０ 作動流体滴下部
２０ｂ 作動流体滴下部
２１ 溝
２１ｂ 溝
２２ 受熱板表面
２３ 切削刃
２４ 鍛造溝
２５ 突部
２６ 破線
２７ 鍛造型
２８ 溝
２９ 溝
３０ 作動流体回収部
３０ｂ 作動流体回収部
３１ 溝
３２ 溝
３３ 溝
３４ 溝
３５ 排出口継目
３６ 放熱経路継目
３７ 放熱経路接続部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却装置およびこれを搭載した電子機器、および電気自動車に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来この種の冷却装置は、電気自動車の電力変換回路に搭載されたものが知られている。電気自動車では、駆動動力源となる電動モータを電力変換回路であるインバータ回路でスイッチング駆動していた。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て、それぞれの素子に数十アンペア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大きく発熱し、冷却することが必要であった。
【０００３】
そこで、従来は、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を行っていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−１２６１２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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（以下、作動流体）タンクを配置し、同タンク内の作動流体を気化させてスイッチング素子からの熱を奪わせる。そして、気化した作動流体は、上部に配置した放熱器へ上昇し、放熱器内壁で凝縮することで潜熱を放熱器へ送り放熱させる。次に、凝縮により液化した作動流体は、再び装置内壁を伝わって下部のタンクへ戻る。実際の冷却は、この一連の流体循環サイクルを繰り返すことで行われていた。
【０００６】
ただ、このような従来の流体循環では、受熱表面での高速な流体移動を伴わない自然対流であるため、熱伝達係数も低く、結果的に高い冷却効果を得ることは出来なかった。
【０００７】
また、上記自然対流型の作動流体の循環に対し、圧縮機を用いず、作動流体の膨張によって循環経路内を作動流体が循環するループ型のヒートパイプの技術が実現されている。
【０００８】
このループ型のヒートパイプにおいては、受熱表面において、作動流体を効率的に蒸発させて大きな圧力を発生させ、作動流体が循環経路内をスムーズに循環することが冷却効果を高める上で重要になる。
【０００９】
そこで、本発明は、受熱表面における熱伝達係数を高めることで、冷却装置の冷却性能を高めることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、この目的を達成するために、本発明は、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、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で構成し、前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の溝を複数形成したものであり、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、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で構成し、前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の複数の溝を形成するとで、冷却性能を高めることが出来る。
【００１２】
すなわち、本発明においては、受熱板上に滴下された作動流体は、前記Ｖ字型またはＵ字型の溝の内壁面を膜状に広がり、溝の内壁面全体から熱を効率よく受けとることで、受熱板上で瞬時に気化する。その結果、受熱板から効率的に気化潜熱を奪うことができるため、高い冷却効果が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の電気自動車の概略図
【図２】同放熱体の構成を示す図
【図３】同冷却装置を示す概略図
【図４】同冷却装置の受熱部斜視図
【図５】同冷却装置の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図６】同冷却装置の受熱部の溝の説明図（ａ）溝の断面図、（ｂ）溝の切削概略図
【図７】本発明の実施の形態２の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図８】同冷却装置の受熱部の溝の説明図（ａ）Ｖ字溝の断面図、（ｂ）Ｕ字溝の断面図
【図９】同冷却装置の受熱部の溝の鍛造方法による成形概略図（ａ）初期状態図、（ｂ）鍛造型が当たったときの図、（ｃ）ほぼ溝が形成されたときの図、（ｄ）出来上がった溝の図
【図１０】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１１】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１２】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１３】同冷却装置の受熱部の溝の他の形態の図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１４】同冷却装置の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図、（ｄ）受熱部の平面図
【図１５】同冷却装置の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図
【図１６】本発明の実施の形態４の受熱部の詳細図（ａ）受熱板カバーの平面図、（ｂ）断面図、（ｃ）受熱部の平面図、（ｄ）受熱部の平面図
【図１７】本発明の実施の形態５の受熱部の詳細図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（実施の形態１）
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の内に配置し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。
【００１６】
インバータ回路２は、電動機に電力を供給するもので、複数の半導体スイッチング素子１０（図３に記載）を備えおり、この半導体スイッチング素子１０が動作中に発熱する。
【００１７】
このため、この半導体スイッチング素子１０を冷却するために、冷却装置３を備えている。冷却装置３は、受熱部４と、この受熱部４で吸収した熱を放熱する放熱部５を備え、受熱部４と放熱部５の間で熱媒体となる作動流体１２（図３に記載。例えば水）を循環させる放熱経路６、帰還経路７を設ける。そして、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４の順に作動流体１２が循環する循環経路を構成している。
【００１８】
つまり、この循環経路においては、作動流体１２が、蒸気や液体の状態で、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、前記受熱部４の順に一方向に、循環するようになっている。
【００１９】
放熱部５は、図２に示すように、外気に熱を放出する放熱体８を備えている。この放熱体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と、積層したフィンを貫通する放熱経路６とで構成されている。そして、この放熱体８の表面に送風機９から外気を送風することで、放熱をさせている。なお、この放熱体８の表面からの放熱は、電気自動車１車内の暖房に活用することも出来る。
【００２０】
また、受熱部４は、図３に示すように、半導体スイッチング素子１０に接触させて熱を吸収する受熱板１１と、この受熱板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が設けられている。
【００２１】
図３においては、受熱部４を模式的に示したが、具体的には図４、図５に示すような構造となっている。すなわち、受熱板カバー１４の上面に、流入口１５と排出口１６を設けており、流入口１５には帰還経路７を接続し、また排出口１６には放熱経路６を接続している。
【００２２】
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を供給する案内管１７を、受熱空間１３内に突出させた状態で接続し、また受熱部４の流入口１５と、案内管１７の接続部に逆止弁１８を設けている。
【００２３】
続いて、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。
【００２４】
上記構成において、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て、電気自動車１は、動きだすこととなる。このとき、半導体スイッチング素子１０には大電流が流れることにより、少なくとも全電力の数％が損失となって大きく発熱する。
【００２５】
一方で、半導体スイッチング素子１０から受熱板１１へ伝わった熱は、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を加熱し、瞬時に気化させる。受熱板１１から気化潜熱を奪った蒸気は、排出口１６から放熱経路６へと流れ、放熱体８で凝縮することで熱を外気に放出する。
【００２６】
放熱体８の作用によって熱を放出した作動流体１２は、凝縮により液化して帰還経路７へと流れ、流入口１５の逆止弁１８上に溜まることとなる。液化した作動流体１２は、徐々に帰還経路７内で増加し、その水頭による圧力によって逆止弁１８を押し下げると、再び受熱空間１３内の受熱板１１上に供給される。
【００２７】
このようにして作動流体１２が冷却装置３内を循環することで、半導体スイッチング素子１０の冷却を行なうことになる。
【００２８】
ここで、受熱空間１３内の冷却のメカニズムについて図３を用いて説明を加える。
【００２９】
受熱空間１３内では、帰還経路７から供給された作動流体１２は、受熱板１１上に液滴となって滴下される。この作動流体１２は、帰還経路７の端部開口（案内管１７の先端部分）と受熱板１１の隙間から外周部へ拡散される。このとき、受熱板１１の表面では、作動流体１２が放射状に形成した溝２１の内壁面に薄い膜として広がり、高熱の受熱板１１の熱を受けて一瞬にして気化することとなる。
【００３０】
なお、受熱空間１３を含む循環経路内の圧力は、使用する作動流体１２によって異なるが、例えば作動流体１２として水を使用した場合、大気圧よりも低く設定することで、大気圧中の水の沸騰に比べて低い温度で気化させることができる。
【００３１】
本実施の形態では、循環経路内に所望量の水を作動流体１２として封入し、系内をほぼ真空に減圧することで、外気温＋数１０度程度の温度でも容易に水を気化させることができる飽和状態とし、これにより半導体スイッチング素子１０からの熱を作動流体１２（この場合、水）の気化潜熱として奪い、効率的な冷却が可能となる。
【００３２】
また、作動流体１２が気化するときに受熱空間１３内の圧力は増加するが、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へ放出させることができる。
【００３３】
このように冷却装置３を動作させることで、規則的な受熱と放熱のサイクルができ、連続して作動流体１２を受熱空間１３内で気化させて半導体スイッチング素子１０からの熱を効率的に除熱し、大きな冷却効果を実現することができる。
【００３４】
ここで、本発明の最も特徴的な部分について説明する。
【００３５】
図５に示すように、受熱板１１の表面には、案内管１７に対向した部分（作動流体滴下部２０）を中央部として、放射状に溝２１が形成されているのである。
【００３６】
この溝２１は、作動流体滴下部２０を中央部として周方向に断面がＶ字型になっている。さらに詳しく説明すると、作動流体滴下部２０は、案内管１７とほぼ同径に円形状に形成されている。そして、溝２１は、その作動流体滴下部２０を中央部として放射状に形成されている。図６では、作動流体滴下部２０を受熱板１１の受熱板表面２２よりも凹ませて形成している。そして、この凹んだ作動流体滴下部２０と溝２１の始点側（作動流体滴下部２０側）とが連通するようになっているのである。
【００３７】
溝２１は、図６（ｂ）に示すように、始点側（作動流体滴下部２０側）の溝深さよりも中央部の溝深さを深くし、終点では、深さがなくなるように溝２１の底部に連続した傾斜を設けている。また、溝２１は、図５（ｃ）に示すように始点側（作動流体滴下部２０側）の幅ｗ１（作動流体滴下部２０側を中央部とした周方向の幅）よりも中央部ｗ２が広くなるように形成されている。そして、終点部では、その幅がゼロになるように形成している。
【００３８】
このような溝２１は、図６（ｂ）に示すように、切削工法にて成形される。すなわち、銅板等を成形し、おおまかに形をつくった受熱板１１の表面に、円形の切削刃２３を当てて削ることによって溝２１が形成されるのである。
【００３９】
このような溝２１によれば、作動流体滴下部２０に滴下された作動流体１２は、周方向に広がるのであるが、そのとき、作動流体滴下部２０と連通した溝２１の内部を、その内壁に薄い膜を形成しながら通っていく。そして、溝２１によって、伝熱面積が大きく確保されると共に、気化による体積膨張が高速の蒸気流を形成し、高い伝達係数を実現することが可能となるのである。言い換えれば、これにより、半導体スイッチング素子１０からの熱を大容量の気化潜熱という形で効率的に奪うことができ、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００４０】
また、周縁部に向かって深さが浅くなり、幅の細くなる溝２１の形状によって、溝２１内部を通過する作動流体１２が、溝２１内で滞ることなく外周部に広がり排出口１６へと効率よく流れていくことになる。
【００４１】
なお、案内管１７を上に、受熱板１１を下に配した状態であれば、作動流体滴下部２０は、椀状にくぼみを設けても良い。このくぼみにより、作動流体１２が受熱板１１上で一時的に適量だけ溜まることになるので、溝２１に連続的に作動流体１２を供給することができるのである。
【００４２】
（実施の形態２）
次に、図７、図８、図９を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００４３】
全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
第２の実施の形態において特徴的な部分は、図７の受熱板１１に形成した鍛造溝２４である。すなわち、鍛造溝２４は、第１の実施の形態と同様、受熱板１１の表面には、流入口１５に対向した部分（作動流体滴下部２０）を中央部として、放射状に鍛造溝２４が形成されている。この鍛造溝２４は、作動流体滴下部２０を中央部として周方向に断面が図８に示すようにＶ字型またはＵ字型になっている。そして、第２の実施の形態における特徴的な部分は、このＶ字型またはＵ字型に形成された鍛造溝２４の頂部が受熱板表面２２よりも突出した形状（突部２５）になっている点である。その詳細は、図８（ａ），（ｂ）において示されている様なＶ字または、Ｕ字の形状となる。なお、図８において、破線２６の部分は、受熱板表面２２と突部２５の麓部分との境界である。
【００４５】
このような構成により、鍛造溝２４は、作動流体１２の流れる方向（作動流体滴下部２０から外側へ向かう方向）の左右に大きな壁が形成され大きな受熱面積を確保できることになる。従って、鍛造溝２４内を流れる作動流体１２は、壁面から効率よく熱を受けて蒸発することになる。すなわち、受熱板１１が受けた熱を効率よく作動流体１２に伝えて気化するため、冷却装置３内の作動流体１２の循環量も大きく確保でき、冷却装置３の冷却効率を高くすることができる。
【００４６】
また、このような鍛造溝２４は、図９に示すように、鍛造工法にて成形される。すなわち、図９（ａ）に示すように、成形前の受熱板１１（例えば、材料として銅を用いた銅板１１ａ）に、鍛造溝２４を成形するための鍛造型２７でたたくように成形を行う。図９（ｂ）では、鍛造型２７が銅板１１ａに当たって少しへこんだ状態を示している。そして、図９（ｃ）は、鍛造型２７が銅板１１ａに鍛造溝２４を形作ったところである。
【００４７】
この図９（ｃ）で示すように、銅板１１ａのもとの表面（受熱板表面２２）に対し、鍛造溝２４は凹んだ状態、突部２５は突出した状態になる。鍛造溝２４で凹んだ体積と突部２５で突出した体積とはほぼ同じになる。すなわち、鍛造溝２４をへこませた分だけ突部２５が突出し、鍛造溝２４の壁面を形成するのである。
【００４８】
なお、本実施の形態２の受熱板１１の成形方法は、鍛造工法に限られるものではなく、切削工法あるいは他の成形方法によっても製作が可能である。
【００４９】
本実施の形態では、鍛造溝２４の深さは、周縁部に向かって浅くなる形態を示したが、突部２５を形成する鍛造溝２４の形態は、この場合に限られるものではない。
【００５０】
例えば、図１０に示すように、幅がほぼ一定で、深さもほぼ一定の溝２８であってもよい。ただし、図１０では、溝２８の終点部分で深さがゼロになるようにしている。
【００５１】
さらに、図１１に示すように、幅が外周側のほうが広い溝２９であってもよい。この場合、溝２９の深さは一定で、そのまま外周側に設けた作動流体回収部３０に流れ出す構成でも良い。
【００５２】
また、図１２で示すように、受熱板１１の形状は、正方形や円形に限られるものではなく、長方形であっても良い。
【００５３】
さらに、図１３で示すように、受熱板１１ｂの溝２１ｂは、作動流体滴下部２０を中央部とした放射状ではない。すなわち、作動流体滴下部２０ｂと作動流体回収部３０ｂは、受熱板１１ｂの両端部近傍に設けられているのである。そして、溝２１ｂは、作動流体滴下部２０ｂから作動流体回収部３０ｂまで、受熱板１１ｂの表面を有効に使って、断面がＶ字または、Ｕ字に形成されている。
【００５４】
なお、上記実施の形態では、案内管１７を上側に配置し、作動流体滴下部２０に向けて作動流体１２が落ちるイメージで説明したが、案内管１７の出口から出た作動流体１２が作動流体滴下部２０に向けて流れる、あるいは噴射されるようにして移動するものであればよく、その案内管１７、受熱板１１の上下関係を限定するものではない。
【００５５】
また、上記実施形態においては、冷却装置３を電気自動車１に適用したものを説明したが、他の電子機器に冷却装置３を適用することも出来る。
【００５６】
（実施の形態３）
次に、図１４を用いて本発明の第３の実施の形態について説明する。
【００５７】
全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。
【００５８】
図１４（ａ）は受熱板カバー１４の上面から見た図であり、図１４（ｂ）は受熱板１１の溝３１の形状を示す断面図であり、図１４（ｃ）および図１４（ｄ）は受熱板１１の溝３１、溝３２の形状を示す平面図である。
【００５９】
第３の実施の形態においての特徴的な部分は、図１４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、受熱板１１は、作動流体滴下部２０の放熱体８が接触する部分を最も薄く形成し、その最も薄く形成した部分を中央部として放射状に溝３１が形成されている。溝３１は、図１４（ｂ）に示すように、始点部（作動流体滴下部２０）の溝深さを最も深くし、終点では、その深さと幅がなくなるように溝３１の底部に連続した傾斜を設け、終点部に向けて浅くなるように形成し、かつ作動流体回収部３０へ連通している。
【００６０】
また、図１４（ｂ）に示すように、溝３１の１４ｂ−１４ｂ断面は、中央部が最も深く端部が作動流体回収部３０にそれぞれ連通するような弧形状に形成している。このような溝３１は、図６（ｂ）に示すように、切削工法にて成形される。すなわち、銅板等を成形し、おおまかに形をつくった受熱板１１の表面に、円形の切削刃２３を当てて削ることによって溝３１が形成されるのである。
【００６１】
このような構成により、作動流体滴下部２０に滴下された作動流体１２は、周方向に広がるのであるが、そのとき、作動流体滴下部２０と連通した溝３１の内部を、その内壁に薄い膜を形成しながら通っていく。そして溝３１によって、伝熱面積が大きく確保されると共に、気化による体積膨張が高速の蒸気流を形成し、高い熱伝達係数を実現することが可能となるのである。言い換えれば、これにより、半導体スイッチング素子１０からの熱を大容量の気化潜熱という形で効率的に奪うことができ、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００６２】
さらに、発熱体と接触する受熱部中央部が最も薄くなることにより、受熱板１１に滴下された作動流体１２が受熱板１１の中央部にて瞬時に気化し、受熱板１１の中央部からくぼみ無く平坦に連通した溝３１内部を通って、作動流体回収部３０へと滞ることなく広がることができ、これにより受熱板１１全体から効率的に気化潜熱を奪うことができるため、気化による体積膨張がより高速の蒸気流を形成し、作動流体１２の循環量も大きく確保できる。よって、熱伝達係数の向上につながり、より高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００６３】
なお、本実施の形態３の受熱板１１の成形方法は、切削工法に限られるものではなく、鍛造工法あるいは他の成形方法によっても製作が可能である。
【００６４】
なお、図１４（ｄ）に示すように、幅が外周側のほうが広い溝３２であってもよい。この場合、溝３２の深さは一定で、そのまま外周側に設けた作動流体回収部３０に流れ出す構成でも良い。
【００６５】
また、図１５（ｂ）に示すように、溝３１の１５ｂ−１５ｂ断面は最も深く形成した作動流体滴下部から、作動流体回収部へと一定の傾斜を設けるように形成させても良い。
なお、図１６に示すように、受熱板１１の形状は、正方形や円形に限られるものではなく、たとえば長方形であっても良い。
【００６６】
（実施の形態４）
図１６を用いて本発明の第４の実施の形態について説明する。全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
図１６（ａ）は受熱板１１が長方形状のときの受熱板カバー１４を上面から見た図であり、図１６（ｂ）は作動流体滴下部２０と溝３３の形状を示す断面図であり、図１６（ｃ）は作動流体滴下部２０と溝３３の形状を示す平面図である。また、図１６（ｂ）は溝３３の他の形態の図である。
【００６８】
第４の実施の形態においての特徴的な部分は、図１６に示すように、長方形状の受熱板１１と、その中央部に長方形状の作動流体滴下部２０と、この作動流体滴下部２０の周囲に溝３３を同形状に複数形成したものであり、この作動流体滴下部２０の長手方向は、受熱板１１の長手方向と一致し、この溝３３の始点は、作動流体滴下部２０の周囲に均等に配され、かつ連通し、終点は、作動流体回収部３０の内周縁に均等に配され、かつ連通しているものである。
【００６９】
溝３３は、図６（ｂ）に示すように、始点側（作動流体滴下部２０側）の溝深さよりも中央部の溝深さを深くし、終点では、深さがなくなるように溝３３の底部に連続した傾斜を設けている。また、溝３３は、図１６（ｃ）に示すように、始点側（作動流体滴下部２０側）の幅ｗ１（作動流体滴下部２０側を中央部とした周方向の幅）よりも中央部ｗ２が広くなるように形成されている。そして、終点部では、その幅がゼロになるように形成している。
【００７０】
このような構成により、作動流体滴下部２０に滴下された作動流体１２は、先ず長方形状の作動流体滴下部２０を膜状に瞬時に広がり、そして溝３３の内部を、その内壁に薄い膜を形成しながら通っていく。そして、溝３３によって、伝熱面積が大きく確保されると共に、気化による体積膨張が高速の蒸気流を形成し、高い熱伝達係数を実現することができ、高い冷却性能を実現することが可能となるのである。
【００７１】
また、このとき、各溝が同形状であることにより、溝３３を通る蒸気流の圧力損失が等しくなり、各溝を通る蒸気流が受熱板１１の全体に均等に広がることができるので、より効果的に大容量の気化潜熱を奪うことができ、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００７２】
なお、図１６（ｄ）に示すように、作動流体滴下部２０に連通する内周側よりも、作動流体回収部３０と連通する外周側のほうが広くなるよう形成された溝３４であってもよい。この場合、溝３４の深さは一定で、そのまま外周側に設けた作動流体回収部３０に作動流体１２が流れ出す構成となる。
【００７３】
なお、本実施の形態では、受熱板１１、作動流体滴下部２０は長方形状としたが、それに限られるものではなく、図１６（ｄ）に示すようなそれぞれの形状がたとえば長丸形状でも良い。
【００７４】
（実施の形態５）
図１７を用いて本発明の第５の実施の形態について説明する。全体の構成は、第１の実施の形態と同じであり、その詳細な説明を省略する。図１７は受熱板カバー１４に設けた排出口１６と放熱経路６の形状を示す断面図である。
【００７５】
第５の実施の形態においての特徴的な部分は、図１７に示すように、受熱空間１３から作動流体１２を排出する排出口１６と放熱経路６の間に、排出口１６と接続する排出口継目３５と放熱経路と接続する放熱経路継目３６とを備える放熱経路接続部３７を設けたものである。
【００７６】
排出口１６と排出口１６と接続する排出口継目３５の流路断面積は等しく、排出口継目３５の流路断面積は、放熱経路６よりも大きく、放熱経路６と放熱経路６と接続する放熱経路継目３６の流路断面積は等しく形成され、この放熱経路接続部３７の断面形状は、排出口継目３５から放熱経路継目３６へ向けて徐々に放熱経路６の流路断面積に近づくように形成している。
【００７７】
このような構成により、受熱空間１３内で、受熱板１１から気化潜熱を奪った蒸気が、放熱経路６へと流れ出るとき、受熱空間１３から放熱経路６へ作動流体が移動する際の、経路の急縮小による圧力損失を放熱経路接続部３７により低減させることができるため、排出口１６にて作動流体１２が滞ることなく、放熱経路６へと移動することができるので、より効果的に作動流体１２の循環量も確保でき、高い冷却性能を実現することが可能となる。
【００７８】
なお、本実施の形態では、放熱経路接続部３７は、排出口継目３５から放熱経路継目３６へ向けて徐々に放熱経路６の流路断面積に近づくような形状としたが、それに限られるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明にかかる冷却装置は、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、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で構成し、前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の溝を複数形成することで、冷却効果を高めることが出来る。
【００８０】
すなわち、本発明においては、作動流体が受熱板上に滴下したときに、溝の内部を膜状に広がると共に、溝の壁面から熱を効率よく受けるので、作動流体は受熱板上で気化しやすく、気化した蒸気は、放熱経路内をスムーズに移動し、放熱部で効率的に凝縮放熱するため、高い冷却効果を達成することが可能となる。
【００８１】
このため、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などの冷却に有用である。
【符号の説明】
【００８２】
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
１１ 受熱板
１１ａ 銅板
１１ｂ 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 案内管
１８ 逆止弁
２０ 作動流体滴下部
２０ｂ 作動流体滴下部
２１ 溝
２１ｂ 溝
２２ 受熱板表面
２３ 切削刃
２４ 鍛造溝
２５ 突部
２６ 破線
２７ 鍛造型
２８ 溝
２９ 溝
３０ 作動流体回収部
３０ｂ 作動流体回収部
３１ 溝
３２ 溝
３３ 溝
３４ 溝
３５ 排出口継目
３６ 放熱経路継目
３７ 放熱経路接続部
【特許請求の範囲】
【請求項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で構成し、
前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、
前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、
前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の溝を複数形成した冷却装置。
【請求項２】
前記溝は、始点部分が浅く、中央付近で最も深く、終点部分に向けて浅くなるように形成した請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記溝の始点部分が最も深く、終点部分に向けて浅くなるように形成した請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記溝の両サイドに盛り上げた壁を設けた請求項１〜３いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記受熱板の前記作動流体を受ける部分に、椀状にくぼみを設けた請求項１〜４いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記溝は、前記作動流体を受ける部分を中央部として放射状に設けた請求項１〜５いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項７】
前記受熱板は、鍛造工程により前記溝を成形した請求項１〜６いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項８】
前記溝は、前記作動流体を受ける部分を中央部として周囲に同形状で形成した請求項１〜７いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項９】
前記受熱板カバーは、前記放熱経路と接続する排出口を備え、前記排出口の断面積が、前記放熱経路の流路断面積よりも大きく形成したことを特徴とする請求項１〜８いずれかひとつに記載の冷却装置。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれか一つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１〜９いずれか一つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電気自動車。
【請求項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で構成し、
前記作動流体を、前記受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路、受熱部へと循環させて熱の移動を行う冷却装置であって、
前記受熱部は、前記作動流体を受ける受熱板とこの受熱板を覆って受熱空間を形成する受熱板カバーとで構成され、
前記受熱板には、前記作動流体を受ける部分を始点として断面がＶ字型またはＵ字型の溝を複数形成した冷却装置。
【請求項２】
前記溝は、始点部分が浅く、中央付近で最も深く、終点部分に向けて浅くなるように形成した請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記溝の始点部分が最も深く、終点部分に向けて浅くなるように形成した請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記溝の両サイドに盛り上げた壁を設けた請求項１〜３いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記受熱板の前記作動流体を受ける部分に、椀状にくぼみを設けた請求項１〜４いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記溝は、前記作動流体を受ける部分を中央部として放射状に設けた請求項１〜５いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項７】
前記受熱板は、鍛造工程により前記溝を成形した請求項１〜６いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項８】
前記溝は、前記作動流体を受ける部分を中央部として周囲に同形状で形成した請求項１〜７いずれか一つに記載の冷却装置。
【請求項９】
前記受熱板カバーは、前記放熱経路と接続する排出口を備え、前記排出口の断面積が、前記放熱経路の流路断面積よりも大きく形成したことを特徴とする請求項１〜８いずれかひとつに記載の冷却装置。
【請求項１０】
請求項１〜９いずれか一つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１１】
請求項１〜９いずれか一つに記載の冷却装置を備えたことを特徴とする電気自動車。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【公開番号】特開２０１３−３２９０４（Ｐ２０１３−３２９０４Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１３６６１０（Ｐ２０１２−１３６６１０）
【出願日】平成２４年６月１８日（２０１２．６．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月１８日（２０１２．６．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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