発熱素子の冷却装置
【課題】 発熱素子を効率よく十分に冷却すると共に装置が傾いた状態でも発熱素子を十分に冷却する。
【解決手段】 気泡は通過させるが液体は通過させない半透膜３０でケース２２の収納部２３を上下に仕切り、スイッチング素子４２の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し高い絶縁性を示す冷却液体２８によりスイッチング素子４２および半透膜３０を液封する。冷却液体２８はスイッチング素子４２が生じる熱を奪って気化することによりスイッチング素子４２を冷却する。気化した冷却液体２８は半透膜３０を透過して上部に開放され、液体冷却装置５０に冷却されて液化する。収納部２３の下部の冷却液体２８は、減少しても連絡管２７を介して上部から補給される。半透膜３０の存在により装置が傾いてもスイッチング素子４２は冷却液体２８から露出しない。
【解決手段】 気泡は通過させるが液体は通過させない半透膜３０でケース２２の収納部２３を上下に仕切り、スイッチング素子４２の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し高い絶縁性を示す冷却液体２８によりスイッチング素子４２および半透膜３０を液封する。冷却液体２８はスイッチング素子４２が生じる熱を奪って気化することによりスイッチング素子４２を冷却する。気化した冷却液体２８は半透膜３０を透過して上部に開放され、液体冷却装置５０に冷却されて液化する。収納部２３の下部の冷却液体２８は、減少しても連絡管２７を介して上部から補給される。半透膜３０の存在により装置が傾いてもスイッチング素子４２は冷却液体２８から露出しない。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱素子の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の発熱素子の冷却装置としては、液冷ヒートシンクの開口部に発熱素子であるＩＧＢＴ素子（スイッチング素子）により構成されるインバータを取り付けてＩＧＢＴ素子を冷却するものが提案されている（例えば、特開平９−１２１５５７号公報など）。この装置では、ＩＧＢＴ素子により生じる熱を熱伝導により液冷ヒートシンクに伝え、この熱を液冷ヒートシンクの開口部に形成される冷却媒体の流路に水等の冷却媒体を流して除去することによりＩＧＢＴ素子を冷却している。
【０００３】他の発熱素子の冷却装置としては、半導体素子をフレオンで液封すると共に半導体素子間に隔壁を設けてなるものが提案されている（例えば、特開昭５７−１４１９４５号公報など）。この装置では、フレオンが沸騰する際の気化熱を半導体素子から奪うことにより半導体素子を冷却している。また、隔壁を設けることにより半導体素子間に気泡の膜が生じて冷却効果を低下させることを防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液冷ヒートシンクを用いてＩＧＢＴ素子を冷却する装置では、効果的で十分な冷却をすることができないといった問題があった。近年、インバータ等を含むすべての機器は小型化が要求されており、こうした小型化に伴いインバータのスイッチング素子も密集して配置される。したがって、このスイッチング素子を十分に冷却する必要があるが、熱伝導による冷却では十分に熱を除去することができない。
【０００５】半導体素子をフレオンで液封する装置では、装置が傾いたときに半導体素子の一部がフレオンによる液封から解除され、半導体素子が十分に冷却されない場合を生じるという問題があった。また、半導体素子を長時間使用すると、フレオンが沸騰温度となって気化が激しくなり、半導体素子の周囲に沸騰膜が生じて半導体素子が十分に冷却されないという問題もあった。
【０００６】本発明の発熱素子の冷却装置は、発熱素子を効率よく十分に冷却することを目的の一つとする。また、本発明の発熱素子の冷却装置は、装置が傾いた状態でも発熱素子を十分に冷却することを目的とする。さらに、本発明の発熱素子の冷却装置は、装置全体としての小型化を目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本発明の発熱素子の冷却装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】本発明の第１の発熱素子の冷却装置は、発熱素子を冷却する冷却装置であって、気泡は通過するが液体は非通過の材料により形成され、前記発熱素子と所定の隙間をもって該発熱素子の上部を密閉する密閉手段と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記隙間を充填すると共に前記密閉手段を浸漬させる冷却液体と、前記密閉手段の上部から前記隙間へ前記冷却液体を供給可能な液体供給手段とを備えることを要旨とする。
【０００９】この本発明の第１の発熱素子の冷却装置では、気泡は通過するが液体は非通過の材料により形成された密閉手段が、発熱素子と所定の隙間をもって発熱素子の上部を密閉し、発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体が、この隙間を充填すると共に密閉手段を浸漬させる。したがって、冷却液体により発熱素子を冷却することができると共に、装置が傾いても発熱素子が冷却液体から外部へ露出することがないから、こういった場合でも発熱素子を冷却することができる。また、液体供給手段が、密閉手段の上部から隙間へ冷却液体を供給するから、密閉手段により形成される隙間を常に冷却液体で満たすことができる。
【００１０】こうした本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記液体供給手段は、前記密閉手段の上部から前記隙間への前記冷却液体の流動は可能とするが、前記隙間から前記密閉手段への前記冷却液体の流動は規制する逆止弁を備えるものとすることもできる。こうすれば、簡易な構成で液体供給手段を構成することができる。
【００１１】また、本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記発熱素子の間に配置され、上端が前記密閉手段の上方で開放されている少なくとも一つの隔壁部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、装置が傾いたときに冷却液体が一方に偏るのを防止することができ、発熱素子をより効率よく冷却することができる。この態様の本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記隔壁部材は、前記隙間に相当する部位に貫通孔が形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、隔壁部材により区切られた隙間間の冷却液体の流動を可能にすることができる。
【００１２】さらに、本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記冷却液体を冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、気化した冷却液体のガスを液化して再び発熱素子の冷却に使用できるようにするから、発熱素子の動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００１３】また、本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記発熱素子はスイッチング素子であり、前記冷却液体は絶縁体であるものとすることもできる。こうすれば、液封による電気的な短絡を防止することができる。
【００１４】本発明の第２の発熱素子の冷却装置は、複数の発熱素子を冷却する冷却装置であって、前記複数の発熱素子のうち少なくとも１つの発熱素子を属する複数の区分に区分けし、所定の傾きのときに該区分けした区分に属する発熱素子のすべての部位より上側に突出する高さを有する隔壁部材と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記所定の傾きのときに前記隔壁部材により区分けされた区分に属する発熱素子のすべてを浸漬させる量の冷却液体とを備えることを要旨とする。
【００１５】この本発明の第２の発熱素子の冷却装置では、発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体が発熱素子から気化熱を奪って気化することにより発熱素子を冷却することができる。しかも、所定の傾きのときでも各区分に属する発熱素子のすべてを冷却液体に浸漬させることができるから、所定の傾きでも有効に発熱素子を冷却することができる。ここで、「所定の傾き」は、例えば、この発熱素子の冷却装置を車両に搭載する場合においては車両に許容される最大傾斜になる。
【００１６】こうした本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記複数の発熱素子はインバータを構成する６個のスイッチング素子であり、前記隔壁部材は前記インバータの各相に接続される一対のスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材であるものとすることもできる。こうすれば、各区分で発生する熱を略同一にすることができるから、均等に複数の発熱素子を冷却することができる。
【００１７】また、本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記複数の発熱素子は、複数のスイッチング素子が並列に接続され同期してスイッチングされることにより一つのスイッチング素子として機能するスイッチング素子群が６組で構成されるインバータの該スイッチング素子群を構成する各スイッチング素子であり、前記隔壁部材は、インバータの各相に接続される２組のスイッチング素子群の各組に属する少なくとも一つずつのスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材であるものとすることもできる。こうすれば、各区分で発生する熱を略同一にすることができるから、均等に複数の発熱素子を冷却することができる。
【００１８】さらに、本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記隔壁部材は、前記発熱素子の制御回路基板の少なくとも一部を用いて形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、隔壁と制御回路基板とを一体のものとすることができ、小型化を図ることができる。
【００１９】あるいは、本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記区分上部に配置され、気化した前記冷却液体が凝縮して液化し滴下する際の滴下位置をガイドするガイド部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、気化して凝縮した冷却液体を所望の位置に滴下させることができる。
【００２０】このガイド部材を備える態様の本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記ガイド部材は、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材であるものとすることもできる。こうすれば、各区分の冷却液体の量を変化させないようにすることができる。
【００２１】また、ガイド部材を備える態様の本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記ガイド部材は、前記所定の傾きのときでも、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材であるものとすることもできる。こうすれば、所定の傾きが生じても各区分の冷却液体の量を変化させないようにすることができる。
【００２２】本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記ガイド部材に近接して配置され、該ガイド部材を放熱により冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、ガイド部材の表面で気化した冷却液体を凝縮させることができる。
【００２３】本発明の第１または第２の発熱素子の冷却装置において、前記冷却液体はパーフロロカーボンであるものとすることもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の第１の発熱素子の冷却装置としての一実施例であるスイッチング素子４２を冷却する冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の冷却装置２０は、複数のスイッチング素子４２を収納部２３に収納する箱形のケース２２と、このケース２２の収納部２３を上下に仕切る半透膜３０と、スイッチング素子４２を液封すると共に半透膜３０を浸漬させる冷却液体２８と、スイッチング素子４２の間に設けられた隔壁３２と、冷却液体２８を冷却する液体冷却装置５０とから構成されている。
【００２５】ケース２２は、その外周壁内に冷却媒体（例えば、水など）の流路２６が形成されており、冷却媒体の流入口２４と流出口２５は液体冷却装置５０の循環管５２に接続されている。ケース２２の内部の収納部２３は密閉構造とされており、その下面には、設置板４０にワイヤボンデイング４４によりスイッチング素子４２が設置されている。スイッチング素子４２としては、実施例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister）を用いた。なお、スイッチング素子４２の取り付け基板や電気的な接続配線などは本発明の第１の発熱素子の冷却装置としては要部を構成しないから、その図示およびその説明は省略する。
【００２６】ケース２２の収納部２３の半透膜３０の下部と半透膜３０を浸漬する冷却液体２８は、スイッチング素子４２が良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体である。実施例では、ＩＧＢＴの許容動作雰囲気温度より低い沸点を有すると共に高い絶縁性を示すパーフロロカーボン（例えば、住友スリーエム製のフロリナートなど）を用いた。こうした冷却液体２８は、スイッチング素子４２が生じる熱を奪って気化することによりスイッチング素子４２を冷却する。
【００２７】ケース２２の収納部２３を上下に仕切る半透膜３０は、冷却液体２８の気泡は通過させるが冷却液体２８は通過させない半透膜により形成されている。したがって、スイッチング素子４２の熱により気化した冷却液体２８の気泡は、この半透膜３０を通過して収納部２３の上部に開放される。隔壁３２は、半透膜３０から突出しており、その下部には、両側の空間（例えば、空間３６と空間３７または空間３７と空間３８）を連通する貫通孔３４が形成されている。このように収納部２３の下部の冷却液体２８は、半透膜３０により密閉構造とされており、半透膜３０は隔壁３２により支持されているから、冷却装置２０が傾いたとしてもスイッチング素子４２が冷却液体２８から露出することはない。
【００２８】ケース２２の図中右側側面には、収納部２３の半透膜３０で仕切られた上部と下部とを連絡する連絡管２７が取り付けられており、連絡管２７には、冷却液体２８の収納部２３の上部から下部へ移動は許すが下部から上部への移動は規制する逆止弁２７ａが取り付けられている。したがって、冷却液体２８が気化して半透膜３０を透過し、収納部２３の下部における冷却液体２８の量が減少すると、逆止弁２７ａが開いて収納部２３の上部から冷却液体２８が供給されるようになっている。
【００２９】液体冷却装置５０は、ケース２２の流入口２４と流出口２５とに接続されケース２２の流路２６と共に循環路を形成する循環管５２と、この循環管５２に取り付けられ冷却媒体を循環管５２内で循環させる循環ポンプ５４と、同じく循環管５２に取り付けられ冷却媒体を外気で冷却するラジエータ５６とを備える。液体冷却装置５０は、循環ポンプ５４により外気で冷却された冷却媒体を循環管５２に循環させることにより、ケース２２の収納部２３に充填された冷却液体２８を冷却する。したがって、スイッチング素子４２の熱により気化した冷却液体２８は、液体冷却装置５０により冷却されて液化する。
【００３０】以上説明した実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、スイッチング素子４２の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体２８が気化する際の気化熱をスイッチング素子４２から直接または間接に奪うことにより、スイッチング素子４２を冷却することができる。しかも、液体冷却装置５０により冷却液体２８を冷却するから、気化した冷却液体２８を液化して再びスイッチング素子４２の冷却に使用することができる。この結果、冷却効率を向上させることができ、装置全体を小型化することができる。また、冷却液体２８は高い絶縁性を示すから、電気的な短絡を生じることもない。もとより、スイッチング素子４２の動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００３１】また、実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、冷却液体２８の気泡は通過させるが冷却液体２８は通過させない材料により形成された半透膜３０により収納部２３を上下に仕切ることにより、使用する冷却液体２８を少量にすることができると共に、冷却装置２０が傾いたときでもスイッチング素子４２が冷却液体２８から露出するのを防止して、スイッチング素子４２を効率よく冷却することができる。また、実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、逆止弁２７ａを有する連絡管２７を備えることにより、気化して半透膜３０を透過することにより収納部２３の下部の冷却液体２８が減少しても、冷却液体２８を補給することができる。
【００３２】実施例の発熱素子の冷却装置２０では、発熱素子としてＩＧＢＴであるスイッチング素子４２を冷却するものとして構成したが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を冷却するものとして構成してもよく、スイッチング素子以外の発熱素子を冷却するものとして構成してもよい。
【００３３】実施例の発熱素子の冷却装置２０では、ケース２２の外周壁に冷却媒体の流路２６を形成したが、収納部２３内に冷却媒体の流路を形成する管路を備えるものとしてもよい。
【００３４】次に、本発明の第２の発熱素子の冷却装置の一実施例としての複数のスイッチング素子Ｔの冷却装置１２０について説明する。便宜上、この冷却装置１２０を第２実施例と呼ぶ。図２は第２実施例の冷却装置１２０の構成の概略を示す構成図であり、図３は第２実施例の冷却装置１２０のスイッチング素子Ｔの配置の様子を示す配置図であり、図４は第２実施例の冷却装置１２０が冷却するスイッチング素子Ｔが構成する回路を例示する回路図である。第２実施例の冷却装置１２０は、図２R>２に示すように、ベース１２１と共に密閉された収納部１２３を形成するケース１２２と、スイッチング素子ＴとダイオードＤとが一つずつ取り付けられた１２個の絶縁基板Ａ１１〜Ａ１６，Ａ２１〜Ａ２６と、２個ずつの絶縁基板Ａを属するように収納部１２３を区分するセパレータ１２６と、各区分に属する絶縁基板Ａに取り付けられたスイッチング素子Ｔを浸漬する冷却液体１３８と、気化した冷却液体１３８を凝縮させると共にその液滴の滴下位置をガイドするガイド部材１４０と、ガイド部材１４０に近接して取り付けられた放熱フィン１５０とを備える。
【００３５】第２実施例の冷却装置１２０により冷却される１２個のスイッチング素子Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６は、図４に示すように、二つのスイッチング素子Ｔが並列に接続され同期してスイッチングされることにより一つのスイッチング素子として機能するよう配列されて一つのインバータ回路を構成している。一つのスイッチング素子として機能する二つのスイッチング素子（例えば、Ｔ１１とＴ２１）は、図示しないコントローラにより同期して同一のスイッチングとなるよう制御されている。したがって、容量の大きなスイッチング素子を用いれば、二つのスイッチング素子を一つのスイッチング素子に置き換えることもできるが、この場合、各スイッチング素子には大電流が流れ、それに伴って発熱も大きくなる。第２実施例のように二つのスイッチング素子を一つのスイッチング素子として機能させるものとすれば、各スイッチング素子に流れる電流は半分になるから、各スイッチング素子の発熱も小さくなりその冷却は容易になる。第２実施例の冷却装置１２０では、こうした目的から二つのスイッチング素子を組として一つのスイッチング素子として機能させ、各スイッチング素子を効率よく均等に冷却するものである。なお、図４中のダイオードＤ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６は、フライホイールダイオードである。
【００３６】インバータを構成する各スイッチング素子Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６はすべて同一のＩＧＢＴで構成されており、図３に例示するように、インバータ回路の同相に接続された二組のスイッチング素子群（例えば、Ｔ１１とＴ２１とからなる群とＴ１２とＴ２２とからなる群）から各々一つずつのスイッチング素子が同一の区分に属するようにセパレータ１２６により区分けされている。即ち、セパレータ１２６により、ｕ相に接続されたスイッチング素子Ｔ１１とスイッチング素子Ｔ１２とを区分Ｓ１に、同じくｕ相に接続されたスイッチング素子Ｔ２１とスイッチング素子Ｔ２２とを区分Ｓ４に、ｖ相に接続されたスイッチング素子Ｔ１３とスイッチング素子Ｔ１４とを区分Ｓ２に、同じくｖ相に接続されたスイッチング素子Ｔ２３とスイッチング素子Ｔ２４とを区分Ｓ５に、ｗ相に接続されたスイッチング素子Ｔ１５とスイッチング素子Ｔ１６とを区分Ｓ３に、同じくｗ相に接続されたスイッチング素子Ｔ２５とスイッチング素子Ｔ２６とを区分Ｓ６に区分けされている。インバータ回路の同相に接続された二組のスイッチング素子群は、スイッチング素子に大電流が流れるのを防止するために同時にオンとすることがないから、二つのスイッチング素子が同時にオンとなり得る組み合わせに比して、各区分内の発熱を低くすることができる。即ち各区分の発熱を均等なものとすることができるのである。
【００３７】セパレータ１２６には、図２に示すように、スイッチング素子Ｔの制御回路１２８が取り付けられている。このよう制御回路１２８をセパレータ１２６に配置することにより、装置を小型化することができる。セパレータ１２６の高さＨについては後述する。
【００３８】第２実施例でも冷却液体１３８として、第１実施例の冷却装置２０に用いた冷却液体２８と同様に、スイッチング素子Ｔが良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体としてパーフロロカーボンを用いており、この第２実施例の冷却装置１２０の最大傾斜角度αのときでも各区分に配置されたすべてのスイッチング素子Ｔが浸漬する量が各区分に充填されている。したがって、セパレータ１２６の高さＨは、この最大傾斜角度αのときでもセパレータ１２６を越えて冷却液体１３８が隣接する区分に流れ込まないだけの高さとして設定される。いま、冷却液体１３８による冷却で必要な最低の深さをｈとし、区分の傾斜に沿った長さをｗとすると、セパレータ１２６の高さＨは、次式（１）により表わされる。
【００３９】Ｈ＞ｈ＋ｗ・ｓｉｎα （１）
【００４０】ガイド部材１４０には、その表面に凝縮した冷却液体１３８を重力を用いて集めて滴下させる滴下部１４２が各区分の中央に相当する位置に形成されている。滴下部１４２に至る傾斜βは、第２実施例の冷却装置１２０の最大傾斜角度αより大きく設定されており、各区分で気化した冷却液体１３８に相当する量がその区分に滴下するようになっている。勿論、完全に気化した量と滴下した量とが一致するものではないのは言うまでもない。
【００４１】放熱フィン１５０は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウムなどにより形成されており、ガイド部材１４０に近接して取り付けられている。したがって、ガイド部材１４０は放熱フィン１５０により冷却されるから、ガイド部材１４０の表面で気化した冷却液体１３８が凝縮することになる。
【００４２】こうして構成された第２実施例の冷却装置１２０の冷却の様子について説明する。図５は、第２実施例の冷却装置１２０の冷却の様子を模式的に例示する模式図である。図示するように、第２実施例の冷却装置１２０では、発熱素子であるスイッチング素子Ｔは、冷却液体１３８の沸騰に伴って気化熱が奪われることにより冷却される。蒸気となった冷却液体１３８は、気相中を上昇し、放熱フィン１５０により冷却されるガイド部材１４０の表面で熱を奪われて凝縮する。凝縮して液化した冷却液体１３８は、その重力により滴下部１４２に集められ、区分の中央に滴下する。
【００４３】以上説明した第２実施例の冷却装置１２０によれば、スイッチング素子Ｔの許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体１３８が気化する際の気化熱をスイッチング素子Ｔから直接または間接に奪うことにより、スイッチング素子Ｔを冷却することができる。また、第２実施例の冷却装置１２０によれば、セパレータ１２６の高さＨを装置の最大傾斜角度αに応じて設定するから、冷却装置１２０が傾いても各区分の冷却液体１３８を同量に保持することができる。しかも、セパレータ１２６にスイッチング素子Ｔの制御回路１２８を取り付けたから、装置全体を小型化することができる。更に、第２実施例の冷却装置１２０では、ガイド部材１４０により各区分で気化した冷却液体１３８に相当する量がその区分に滴下するようにしたから、気化した冷却液体１３８を液化して再びスイッチング素子Ｔの冷却に使用することができる。しかも、ガイド部材１４０の傾斜βを装置の最大傾斜角度αより大きくしたから、冷却装置１２０が傾いても適正な量の冷却液体１３８を各区分に滴下することができる。したがって、各区分の冷却液体１３８は増減することがない。もとより、冷却液体１３８は高い絶縁性を示すから、電気的な短絡を生じることもない。また、スイッチング素子Ｔの動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００４４】第２実施例の冷却装置１２０では、インバータ回路を構成する１２個のスイッチング素子Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６を冷却するものとして構成したが、インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子を冷却するものとして構成してもよい。この場合、セパレータにより６つの区分に区分けしてもよいし、３つの区分に区分けしてもよい。この３つの区分に区分けする場合には、各相に接続された２つのスイッチング素子を１つの区分にするのが好ましい。また、３つ以上のスイッチング素子を並列に接続し同期してスイッチングすることにより１つのスイッチング素子として機能させるスイッチング素子群を６組備えて構成されるインバータ回路の各スイッチング素子を冷却するものとして構成してもよい。この場合も、インバータ回路の各相に接続される２組のスイッチング素子群の各組に属する少なくとも１つずつのスイッチング素子を１つの区分に区分けするのが好ましい。
【００４５】第２実施例の冷却装置１２０では、セパレータ１２６にスイッチング素子Ｔの制御回路１２８を取り付けたが、制御回路１２８を取り付けない構成としても差し支えない。また、第２実施例の冷却装置１２０では、ガイド部材１４０を湾曲面で滴下部１４２に液滴が集まるように構成したが、平面で滴下部１４２に至るように構成してもよい。
【００４６】第２実施例の冷却装置１２０では、セパレータ１２６の上部を開放端として各区分は密閉されないものとしたが、セパレータ１２６の上端をガイド部材１４０に固定して各区分を密閉するものとしてもよい。
【００４７】第２実施例の冷却装置１２０では、ガイド部材１４０に近接して放熱フィン１５０を取り付けたが、第１実施例の冷却装置２０の液体冷却装置５０のような循環路に冷却媒体を循環させて冷却するものとしてもよい。
【００４８】第１実施例の冷却装置２０や第２実施例の冷却装置１２０では、冷却液体２８，１３８としてパーフロロカーボンを用いたが、他の液体を用いるものとしてもよい。この場合、液体としては、スイッチング素子４２，Ｔが良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体であればよい。発熱体として電気的な短絡を考慮しなくてもよい場合には、更に絶縁性を示す必要もない。
【００４９】以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である発熱素子としてのスイッチング素子４２を冷却する冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 第２実施例の冷却装置１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図３】 第２実施例の冷却装置１２０のスイッチング素子Ｔの配置の様子を示す配置図である。
【図４】 第２実施例の冷却装置１２０が冷却するスイッチング素子Ｔが構成する回路を例示する回路図である。
【図５】 第２実施例の冷却装置１２０の冷却の様子を模式的に例示する模式図である。
【符号の説明】
２０ 発熱素子の冷却装置、２２ ケース、２３ 収納部、２４ 流入口、２５ 流出口、２６ 流路、２７ 連絡管、２７ａ 逆止弁、２８ 冷却液体、３０ 半透膜、３２ 隔壁、３４ 貫通孔、３６，３７，３８ 空間、４０ 設置板、４２ スイッチング素子、４４ ワイヤボンデイング、５０ 液体冷却装置、５２ 循環管、５４ 循環ポンプ、５６ ラジエータ、１２０ 冷却装置、１２１ ベース、１２２ ケース、１２３ 収納部、１２６ セパレータ、１２８制御回路、１３８ 冷却液体、１４０ ガイド部材、１４２ 滴下部、１５０放熱フィン、Ａ１１〜Ａ１６，Ａ２１〜Ａ２６ 絶縁基板、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６ スイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６、ダイオード、Ｓ１〜Ｓ６ 区分。
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱素子の冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の発熱素子の冷却装置としては、液冷ヒートシンクの開口部に発熱素子であるＩＧＢＴ素子（スイッチング素子）により構成されるインバータを取り付けてＩＧＢＴ素子を冷却するものが提案されている（例えば、特開平９−１２１５５７号公報など）。この装置では、ＩＧＢＴ素子により生じる熱を熱伝導により液冷ヒートシンクに伝え、この熱を液冷ヒートシンクの開口部に形成される冷却媒体の流路に水等の冷却媒体を流して除去することによりＩＧＢＴ素子を冷却している。
【０００３】他の発熱素子の冷却装置としては、半導体素子をフレオンで液封すると共に半導体素子間に隔壁を設けてなるものが提案されている（例えば、特開昭５７−１４１９４５号公報など）。この装置では、フレオンが沸騰する際の気化熱を半導体素子から奪うことにより半導体素子を冷却している。また、隔壁を設けることにより半導体素子間に気泡の膜が生じて冷却効果を低下させることを防止している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、液冷ヒートシンクを用いてＩＧＢＴ素子を冷却する装置では、効果的で十分な冷却をすることができないといった問題があった。近年、インバータ等を含むすべての機器は小型化が要求されており、こうした小型化に伴いインバータのスイッチング素子も密集して配置される。したがって、このスイッチング素子を十分に冷却する必要があるが、熱伝導による冷却では十分に熱を除去することができない。
【０００５】半導体素子をフレオンで液封する装置では、装置が傾いたときに半導体素子の一部がフレオンによる液封から解除され、半導体素子が十分に冷却されない場合を生じるという問題があった。また、半導体素子を長時間使用すると、フレオンが沸騰温度となって気化が激しくなり、半導体素子の周囲に沸騰膜が生じて半導体素子が十分に冷却されないという問題もあった。
【０００６】本発明の発熱素子の冷却装置は、発熱素子を効率よく十分に冷却することを目的の一つとする。また、本発明の発熱素子の冷却装置は、装置が傾いた状態でも発熱素子を十分に冷却することを目的とする。さらに、本発明の発熱素子の冷却装置は、装置全体としての小型化を目的の一つとする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】本発明の発熱素子の冷却装置は、上述の目的の少なくとも一部を達成するために以下の手段を採った。
【０００８】本発明の第１の発熱素子の冷却装置は、発熱素子を冷却する冷却装置であって、気泡は通過するが液体は非通過の材料により形成され、前記発熱素子と所定の隙間をもって該発熱素子の上部を密閉する密閉手段と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記隙間を充填すると共に前記密閉手段を浸漬させる冷却液体と、前記密閉手段の上部から前記隙間へ前記冷却液体を供給可能な液体供給手段とを備えることを要旨とする。
【０００９】この本発明の第１の発熱素子の冷却装置では、気泡は通過するが液体は非通過の材料により形成された密閉手段が、発熱素子と所定の隙間をもって発熱素子の上部を密閉し、発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体が、この隙間を充填すると共に密閉手段を浸漬させる。したがって、冷却液体により発熱素子を冷却することができると共に、装置が傾いても発熱素子が冷却液体から外部へ露出することがないから、こういった場合でも発熱素子を冷却することができる。また、液体供給手段が、密閉手段の上部から隙間へ冷却液体を供給するから、密閉手段により形成される隙間を常に冷却液体で満たすことができる。
【００１０】こうした本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記液体供給手段は、前記密閉手段の上部から前記隙間への前記冷却液体の流動は可能とするが、前記隙間から前記密閉手段への前記冷却液体の流動は規制する逆止弁を備えるものとすることもできる。こうすれば、簡易な構成で液体供給手段を構成することができる。
【００１１】また、本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記発熱素子の間に配置され、上端が前記密閉手段の上方で開放されている少なくとも一つの隔壁部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、装置が傾いたときに冷却液体が一方に偏るのを防止することができ、発熱素子をより効率よく冷却することができる。この態様の本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記隔壁部材は、前記隙間に相当する部位に貫通孔が形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、隔壁部材により区切られた隙間間の冷却液体の流動を可能にすることができる。
【００１２】さらに、本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記冷却液体を冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、気化した冷却液体のガスを液化して再び発熱素子の冷却に使用できるようにするから、発熱素子の動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００１３】また、本発明の第１の発熱素子の冷却装置において、前記発熱素子はスイッチング素子であり、前記冷却液体は絶縁体であるものとすることもできる。こうすれば、液封による電気的な短絡を防止することができる。
【００１４】本発明の第２の発熱素子の冷却装置は、複数の発熱素子を冷却する冷却装置であって、前記複数の発熱素子のうち少なくとも１つの発熱素子を属する複数の区分に区分けし、所定の傾きのときに該区分けした区分に属する発熱素子のすべての部位より上側に突出する高さを有する隔壁部材と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記所定の傾きのときに前記隔壁部材により区分けされた区分に属する発熱素子のすべてを浸漬させる量の冷却液体とを備えることを要旨とする。
【００１５】この本発明の第２の発熱素子の冷却装置では、発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体が発熱素子から気化熱を奪って気化することにより発熱素子を冷却することができる。しかも、所定の傾きのときでも各区分に属する発熱素子のすべてを冷却液体に浸漬させることができるから、所定の傾きでも有効に発熱素子を冷却することができる。ここで、「所定の傾き」は、例えば、この発熱素子の冷却装置を車両に搭載する場合においては車両に許容される最大傾斜になる。
【００１６】こうした本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記複数の発熱素子はインバータを構成する６個のスイッチング素子であり、前記隔壁部材は前記インバータの各相に接続される一対のスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材であるものとすることもできる。こうすれば、各区分で発生する熱を略同一にすることができるから、均等に複数の発熱素子を冷却することができる。
【００１７】また、本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記複数の発熱素子は、複数のスイッチング素子が並列に接続され同期してスイッチングされることにより一つのスイッチング素子として機能するスイッチング素子群が６組で構成されるインバータの該スイッチング素子群を構成する各スイッチング素子であり、前記隔壁部材は、インバータの各相に接続される２組のスイッチング素子群の各組に属する少なくとも一つずつのスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材であるものとすることもできる。こうすれば、各区分で発生する熱を略同一にすることができるから、均等に複数の発熱素子を冷却することができる。
【００１８】さらに、本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記隔壁部材は、前記発熱素子の制御回路基板の少なくとも一部を用いて形成されてなるものとすることもできる。こうすれば、隔壁と制御回路基板とを一体のものとすることができ、小型化を図ることができる。
【００１９】あるいは、本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記区分上部に配置され、気化した前記冷却液体が凝縮して液化し滴下する際の滴下位置をガイドするガイド部材を備えるものとすることもできる。こうすれば、気化して凝縮した冷却液体を所望の位置に滴下させることができる。
【００２０】このガイド部材を備える態様の本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記ガイド部材は、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材であるものとすることもできる。こうすれば、各区分の冷却液体の量を変化させないようにすることができる。
【００２１】また、ガイド部材を備える態様の本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記ガイド部材は、前記所定の傾きのときでも、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材であるものとすることもできる。こうすれば、所定の傾きが生じても各区分の冷却液体の量を変化させないようにすることができる。
【００２２】本発明の第２の発熱素子の冷却装置において、前記ガイド部材に近接して配置され、該ガイド部材を放熱により冷却する冷却手段を備えるものとすることもできる。こうすれば、ガイド部材の表面で気化した冷却液体を凝縮させることができる。
【００２３】本発明の第１または第２の発熱素子の冷却装置において、前記冷却液体はパーフロロカーボンであるものとすることもできる。
【００２４】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。図１は、本発明の第１の発熱素子の冷却装置としての一実施例であるスイッチング素子４２を冷却する冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。図示するように、実施例の冷却装置２０は、複数のスイッチング素子４２を収納部２３に収納する箱形のケース２２と、このケース２２の収納部２３を上下に仕切る半透膜３０と、スイッチング素子４２を液封すると共に半透膜３０を浸漬させる冷却液体２８と、スイッチング素子４２の間に設けられた隔壁３２と、冷却液体２８を冷却する液体冷却装置５０とから構成されている。
【００２５】ケース２２は、その外周壁内に冷却媒体（例えば、水など）の流路２６が形成されており、冷却媒体の流入口２４と流出口２５は液体冷却装置５０の循環管５２に接続されている。ケース２２の内部の収納部２３は密閉構造とされており、その下面には、設置板４０にワイヤボンデイング４４によりスイッチング素子４２が設置されている。スイッチング素子４２としては、実施例ではＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister）を用いた。なお、スイッチング素子４２の取り付け基板や電気的な接続配線などは本発明の第１の発熱素子の冷却装置としては要部を構成しないから、その図示およびその説明は省略する。
【００２６】ケース２２の収納部２３の半透膜３０の下部と半透膜３０を浸漬する冷却液体２８は、スイッチング素子４２が良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体である。実施例では、ＩＧＢＴの許容動作雰囲気温度より低い沸点を有すると共に高い絶縁性を示すパーフロロカーボン（例えば、住友スリーエム製のフロリナートなど）を用いた。こうした冷却液体２８は、スイッチング素子４２が生じる熱を奪って気化することによりスイッチング素子４２を冷却する。
【００２７】ケース２２の収納部２３を上下に仕切る半透膜３０は、冷却液体２８の気泡は通過させるが冷却液体２８は通過させない半透膜により形成されている。したがって、スイッチング素子４２の熱により気化した冷却液体２８の気泡は、この半透膜３０を通過して収納部２３の上部に開放される。隔壁３２は、半透膜３０から突出しており、その下部には、両側の空間（例えば、空間３６と空間３７または空間３７と空間３８）を連通する貫通孔３４が形成されている。このように収納部２３の下部の冷却液体２８は、半透膜３０により密閉構造とされており、半透膜３０は隔壁３２により支持されているから、冷却装置２０が傾いたとしてもスイッチング素子４２が冷却液体２８から露出することはない。
【００２８】ケース２２の図中右側側面には、収納部２３の半透膜３０で仕切られた上部と下部とを連絡する連絡管２７が取り付けられており、連絡管２７には、冷却液体２８の収納部２３の上部から下部へ移動は許すが下部から上部への移動は規制する逆止弁２７ａが取り付けられている。したがって、冷却液体２８が気化して半透膜３０を透過し、収納部２３の下部における冷却液体２８の量が減少すると、逆止弁２７ａが開いて収納部２３の上部から冷却液体２８が供給されるようになっている。
【００２９】液体冷却装置５０は、ケース２２の流入口２４と流出口２５とに接続されケース２２の流路２６と共に循環路を形成する循環管５２と、この循環管５２に取り付けられ冷却媒体を循環管５２内で循環させる循環ポンプ５４と、同じく循環管５２に取り付けられ冷却媒体を外気で冷却するラジエータ５６とを備える。液体冷却装置５０は、循環ポンプ５４により外気で冷却された冷却媒体を循環管５２に循環させることにより、ケース２２の収納部２３に充填された冷却液体２８を冷却する。したがって、スイッチング素子４２の熱により気化した冷却液体２８は、液体冷却装置５０により冷却されて液化する。
【００３０】以上説明した実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、スイッチング素子４２の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体２８が気化する際の気化熱をスイッチング素子４２から直接または間接に奪うことにより、スイッチング素子４２を冷却することができる。しかも、液体冷却装置５０により冷却液体２８を冷却するから、気化した冷却液体２８を液化して再びスイッチング素子４２の冷却に使用することができる。この結果、冷却効率を向上させることができ、装置全体を小型化することができる。また、冷却液体２８は高い絶縁性を示すから、電気的な短絡を生じることもない。もとより、スイッチング素子４２の動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００３１】また、実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、冷却液体２８の気泡は通過させるが冷却液体２８は通過させない材料により形成された半透膜３０により収納部２３を上下に仕切ることにより、使用する冷却液体２８を少量にすることができると共に、冷却装置２０が傾いたときでもスイッチング素子４２が冷却液体２８から露出するのを防止して、スイッチング素子４２を効率よく冷却することができる。また、実施例の発熱素子の冷却装置２０によれば、逆止弁２７ａを有する連絡管２７を備えることにより、気化して半透膜３０を透過することにより収納部２３の下部の冷却液体２８が減少しても、冷却液体２８を補給することができる。
【００３２】実施例の発熱素子の冷却装置２０では、発熱素子としてＩＧＢＴであるスイッチング素子４２を冷却するものとして構成したが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を冷却するものとして構成してもよく、スイッチング素子以外の発熱素子を冷却するものとして構成してもよい。
【００３３】実施例の発熱素子の冷却装置２０では、ケース２２の外周壁に冷却媒体の流路２６を形成したが、収納部２３内に冷却媒体の流路を形成する管路を備えるものとしてもよい。
【００３４】次に、本発明の第２の発熱素子の冷却装置の一実施例としての複数のスイッチング素子Ｔの冷却装置１２０について説明する。便宜上、この冷却装置１２０を第２実施例と呼ぶ。図２は第２実施例の冷却装置１２０の構成の概略を示す構成図であり、図３は第２実施例の冷却装置１２０のスイッチング素子Ｔの配置の様子を示す配置図であり、図４は第２実施例の冷却装置１２０が冷却するスイッチング素子Ｔが構成する回路を例示する回路図である。第２実施例の冷却装置１２０は、図２R>２に示すように、ベース１２１と共に密閉された収納部１２３を形成するケース１２２と、スイッチング素子ＴとダイオードＤとが一つずつ取り付けられた１２個の絶縁基板Ａ１１〜Ａ１６，Ａ２１〜Ａ２６と、２個ずつの絶縁基板Ａを属するように収納部１２３を区分するセパレータ１２６と、各区分に属する絶縁基板Ａに取り付けられたスイッチング素子Ｔを浸漬する冷却液体１３８と、気化した冷却液体１３８を凝縮させると共にその液滴の滴下位置をガイドするガイド部材１４０と、ガイド部材１４０に近接して取り付けられた放熱フィン１５０とを備える。
【００３５】第２実施例の冷却装置１２０により冷却される１２個のスイッチング素子Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６は、図４に示すように、二つのスイッチング素子Ｔが並列に接続され同期してスイッチングされることにより一つのスイッチング素子として機能するよう配列されて一つのインバータ回路を構成している。一つのスイッチング素子として機能する二つのスイッチング素子（例えば、Ｔ１１とＴ２１）は、図示しないコントローラにより同期して同一のスイッチングとなるよう制御されている。したがって、容量の大きなスイッチング素子を用いれば、二つのスイッチング素子を一つのスイッチング素子に置き換えることもできるが、この場合、各スイッチング素子には大電流が流れ、それに伴って発熱も大きくなる。第２実施例のように二つのスイッチング素子を一つのスイッチング素子として機能させるものとすれば、各スイッチング素子に流れる電流は半分になるから、各スイッチング素子の発熱も小さくなりその冷却は容易になる。第２実施例の冷却装置１２０では、こうした目的から二つのスイッチング素子を組として一つのスイッチング素子として機能させ、各スイッチング素子を効率よく均等に冷却するものである。なお、図４中のダイオードＤ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６は、フライホイールダイオードである。
【００３６】インバータを構成する各スイッチング素子Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６はすべて同一のＩＧＢＴで構成されており、図３に例示するように、インバータ回路の同相に接続された二組のスイッチング素子群（例えば、Ｔ１１とＴ２１とからなる群とＴ１２とＴ２２とからなる群）から各々一つずつのスイッチング素子が同一の区分に属するようにセパレータ１２６により区分けされている。即ち、セパレータ１２６により、ｕ相に接続されたスイッチング素子Ｔ１１とスイッチング素子Ｔ１２とを区分Ｓ１に、同じくｕ相に接続されたスイッチング素子Ｔ２１とスイッチング素子Ｔ２２とを区分Ｓ４に、ｖ相に接続されたスイッチング素子Ｔ１３とスイッチング素子Ｔ１４とを区分Ｓ２に、同じくｖ相に接続されたスイッチング素子Ｔ２３とスイッチング素子Ｔ２４とを区分Ｓ５に、ｗ相に接続されたスイッチング素子Ｔ１５とスイッチング素子Ｔ１６とを区分Ｓ３に、同じくｗ相に接続されたスイッチング素子Ｔ２５とスイッチング素子Ｔ２６とを区分Ｓ６に区分けされている。インバータ回路の同相に接続された二組のスイッチング素子群は、スイッチング素子に大電流が流れるのを防止するために同時にオンとすることがないから、二つのスイッチング素子が同時にオンとなり得る組み合わせに比して、各区分内の発熱を低くすることができる。即ち各区分の発熱を均等なものとすることができるのである。
【００３７】セパレータ１２６には、図２に示すように、スイッチング素子Ｔの制御回路１２８が取り付けられている。このよう制御回路１２８をセパレータ１２６に配置することにより、装置を小型化することができる。セパレータ１２６の高さＨについては後述する。
【００３８】第２実施例でも冷却液体１３８として、第１実施例の冷却装置２０に用いた冷却液体２８と同様に、スイッチング素子Ｔが良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体としてパーフロロカーボンを用いており、この第２実施例の冷却装置１２０の最大傾斜角度αのときでも各区分に配置されたすべてのスイッチング素子Ｔが浸漬する量が各区分に充填されている。したがって、セパレータ１２６の高さＨは、この最大傾斜角度αのときでもセパレータ１２６を越えて冷却液体１３８が隣接する区分に流れ込まないだけの高さとして設定される。いま、冷却液体１３８による冷却で必要な最低の深さをｈとし、区分の傾斜に沿った長さをｗとすると、セパレータ１２６の高さＨは、次式（１）により表わされる。
【００３９】Ｈ＞ｈ＋ｗ・ｓｉｎα （１）
【００４０】ガイド部材１４０には、その表面に凝縮した冷却液体１３８を重力を用いて集めて滴下させる滴下部１４２が各区分の中央に相当する位置に形成されている。滴下部１４２に至る傾斜βは、第２実施例の冷却装置１２０の最大傾斜角度αより大きく設定されており、各区分で気化した冷却液体１３８に相当する量がその区分に滴下するようになっている。勿論、完全に気化した量と滴下した量とが一致するものではないのは言うまでもない。
【００４１】放熱フィン１５０は、熱伝導性の高い材料、例えばアルミニウムなどにより形成されており、ガイド部材１４０に近接して取り付けられている。したがって、ガイド部材１４０は放熱フィン１５０により冷却されるから、ガイド部材１４０の表面で気化した冷却液体１３８が凝縮することになる。
【００４２】こうして構成された第２実施例の冷却装置１２０の冷却の様子について説明する。図５は、第２実施例の冷却装置１２０の冷却の様子を模式的に例示する模式図である。図示するように、第２実施例の冷却装置１２０では、発熱素子であるスイッチング素子Ｔは、冷却液体１３８の沸騰に伴って気化熱が奪われることにより冷却される。蒸気となった冷却液体１３８は、気相中を上昇し、放熱フィン１５０により冷却されるガイド部材１４０の表面で熱を奪われて凝縮する。凝縮して液化した冷却液体１３８は、その重力により滴下部１４２に集められ、区分の中央に滴下する。
【００４３】以上説明した第２実施例の冷却装置１２０によれば、スイッチング素子Ｔの許容動作雰囲気温度より低い沸点を有する冷却液体１３８が気化する際の気化熱をスイッチング素子Ｔから直接または間接に奪うことにより、スイッチング素子Ｔを冷却することができる。また、第２実施例の冷却装置１２０によれば、セパレータ１２６の高さＨを装置の最大傾斜角度αに応じて設定するから、冷却装置１２０が傾いても各区分の冷却液体１３８を同量に保持することができる。しかも、セパレータ１２６にスイッチング素子Ｔの制御回路１２８を取り付けたから、装置全体を小型化することができる。更に、第２実施例の冷却装置１２０では、ガイド部材１４０により各区分で気化した冷却液体１３８に相当する量がその区分に滴下するようにしたから、気化した冷却液体１３８を液化して再びスイッチング素子Ｔの冷却に使用することができる。しかも、ガイド部材１４０の傾斜βを装置の最大傾斜角度αより大きくしたから、冷却装置１２０が傾いても適正な量の冷却液体１３８を各区分に滴下することができる。したがって、各区分の冷却液体１３８は増減することがない。もとより、冷却液体１３８は高い絶縁性を示すから、電気的な短絡を生じることもない。また、スイッチング素子Ｔの動作雰囲気温度をその許容温度範囲内とすることができる。
【００４４】第２実施例の冷却装置１２０では、インバータ回路を構成する１２個のスイッチング素子Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６を冷却するものとして構成したが、インバータ回路を構成する６個のスイッチング素子を冷却するものとして構成してもよい。この場合、セパレータにより６つの区分に区分けしてもよいし、３つの区分に区分けしてもよい。この３つの区分に区分けする場合には、各相に接続された２つのスイッチング素子を１つの区分にするのが好ましい。また、３つ以上のスイッチング素子を並列に接続し同期してスイッチングすることにより１つのスイッチング素子として機能させるスイッチング素子群を６組備えて構成されるインバータ回路の各スイッチング素子を冷却するものとして構成してもよい。この場合も、インバータ回路の各相に接続される２組のスイッチング素子群の各組に属する少なくとも１つずつのスイッチング素子を１つの区分に区分けするのが好ましい。
【００４５】第２実施例の冷却装置１２０では、セパレータ１２６にスイッチング素子Ｔの制御回路１２８を取り付けたが、制御回路１２８を取り付けない構成としても差し支えない。また、第２実施例の冷却装置１２０では、ガイド部材１４０を湾曲面で滴下部１４２に液滴が集まるように構成したが、平面で滴下部１４２に至るように構成してもよい。
【００４６】第２実施例の冷却装置１２０では、セパレータ１２６の上部を開放端として各区分は密閉されないものとしたが、セパレータ１２６の上端をガイド部材１４０に固定して各区分を密閉するものとしてもよい。
【００４７】第２実施例の冷却装置１２０では、ガイド部材１４０に近接して放熱フィン１５０を取り付けたが、第１実施例の冷却装置２０の液体冷却装置５０のような循環路に冷却媒体を循環させて冷却するものとしてもよい。
【００４８】第１実施例の冷却装置２０や第２実施例の冷却装置１２０では、冷却液体２８，１３８としてパーフロロカーボンを用いたが、他の液体を用いるものとしてもよい。この場合、液体としては、スイッチング素子４２，Ｔが良好に動作することができる許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、高い絶縁性を示す液体であればよい。発熱体として電気的な短絡を考慮しなくてもよい場合には、更に絶縁性を示す必要もない。
【００４９】以上、本発明の実施の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例である発熱素子としてのスイッチング素子４２を冷却する冷却装置２０の構成の概略を示す構成図である。
【図２】 第２実施例の冷却装置１２０の構成の概略を示す構成図である。
【図３】 第２実施例の冷却装置１２０のスイッチング素子Ｔの配置の様子を示す配置図である。
【図４】 第２実施例の冷却装置１２０が冷却するスイッチング素子Ｔが構成する回路を例示する回路図である。
【図５】 第２実施例の冷却装置１２０の冷却の様子を模式的に例示する模式図である。
【符号の説明】
２０ 発熱素子の冷却装置、２２ ケース、２３ 収納部、２４ 流入口、２５ 流出口、２６ 流路、２７ 連絡管、２７ａ 逆止弁、２８ 冷却液体、３０ 半透膜、３２ 隔壁、３４ 貫通孔、３６，３７，３８ 空間、４０ 設置板、４２ スイッチング素子、４４ ワイヤボンデイング、５０ 液体冷却装置、５２ 循環管、５４ 循環ポンプ、５６ ラジエータ、１２０ 冷却装置、１２１ ベース、１２２ ケース、１２３ 収納部、１２６ セパレータ、１２８制御回路、１３８ 冷却液体、１４０ ガイド部材、１４２ 滴下部、１５０放熱フィン、Ａ１１〜Ａ１６，Ａ２１〜Ａ２６ 絶縁基板、Ｔ１１〜Ｔ１６，Ｔ２１〜Ｔ２６ スイッチング素子、Ｄ１１〜Ｄ１６，Ｄ２１〜Ｄ２６、ダイオード、Ｓ１〜Ｓ６ 区分。
【特許請求の範囲】
【請求項１】 発熱素子を冷却する冷却装置であって、気泡は通過するが液体は非通過の材料により形成され、前記発熱素子と所定の隙間をもって該発熱素子の上部を密閉する密閉手段と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記隙間を充填すると共に前記密閉手段を浸漬させる冷却液体と、前記密閉手段の上部から前記隙間へ前記冷却液体を供給可能な液体供給手段とを備える冷却装置。
【請求項２】 前記液体供給手段は、前記密閉手段の上部から前記隙間への前記冷却液体の流動は可能とするが、前記隙間から前記密閉手段への前記冷却液体の流動は規制する逆止弁を備える請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】 前記発熱素子の間に配置され、上端が前記密閉手段の上方で開放されている少なくとも一つの隔壁部材を備える請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】 前記隔壁部材は、前記隙間に相当する部位に貫通孔が形成されてなる請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】 前記冷却液体を冷却する冷却手段を備える請求項１ないし４いずれか記載の冷却装置。
【請求項６】 請求項１ないし５いずれか記載の冷却装置であって、前記発熱素子は、スイッチング素子であり、前記冷却液体は、絶縁体である冷却装置。
【請求項７】 複数の発熱素子を冷却する冷却装置であって、前記複数の発熱素子のうち少なくとも１つの発熱素子を属する複数の区分に区分けし、所定の傾きのときに該区分けした区分に属する発熱素子のすべての部位より上側に突出する高さを有する隔壁部材と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記所定の傾きのときに前記隔壁部材により区分けされた区分に属する発熱素子のすべてを浸漬させる量の冷却液体とを備える冷却装置。
【請求項８】 請求項７記載の冷却装置であって、前記複数の発熱素子は、インバータを構成する６個のスイッチング素子であり、前記隔壁部材は、前記インバータの各相に接続される一対のスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材である冷却装置。
【請求項９】 請求項７記載の冷却装置であって、前記複数の発熱素子は、複数のスイッチング素子が並列に接続され同期してスイッチングされることにより一つのスイッチング素子として機能するスイッチング素子群が６組で構成されるインバータの該スイッチング素子群を構成する各スイッチング素子であり、前記隔壁部材は、インバータの各相に接続される２組のスイッチング素子群の各組に属する少なくとも一つずつのスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材である冷却装置。
【請求項１０】 前記隔壁部材は、前記発熱素子の制御回路基板の少なくとも一部を用いて形成されてなる請求項７ないし９いずれか記載の冷却装置。
【請求項１１】 前記区分上部に配置され、気化した前記冷却液体が凝縮して液化し滴下する際の滴下位置をガイドするガイド部材を備える請求項７ないし１０いずれか記載の冷却装置。
【請求項１２】 前記ガイド部材は、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材である請求項１１記載の冷却装置。
【請求項１３】 前記ガイド部材は、前記所定の傾きのときでも、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材である請求項１１記載の冷却装置。
【請求項１４】 前記ガイド部材に近接して配置され、該ガイド部材を放熱により冷却する冷却手段を備える請求項１１ないし１３いずれか記載の冷却装置。
【請求項１５】 前記冷却液体はパーフロロカーボンである請求項１ないし１４いずれか記載の冷却装置。
【請求項１】 発熱素子を冷却する冷却装置であって、気泡は通過するが液体は非通過の材料により形成され、前記発熱素子と所定の隙間をもって該発熱素子の上部を密閉する密閉手段と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記隙間を充填すると共に前記密閉手段を浸漬させる冷却液体と、前記密閉手段の上部から前記隙間へ前記冷却液体を供給可能な液体供給手段とを備える冷却装置。
【請求項２】 前記液体供給手段は、前記密閉手段の上部から前記隙間への前記冷却液体の流動は可能とするが、前記隙間から前記密閉手段への前記冷却液体の流動は規制する逆止弁を備える請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】 前記発熱素子の間に配置され、上端が前記密閉手段の上方で開放されている少なくとも一つの隔壁部材を備える請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】 前記隔壁部材は、前記隙間に相当する部位に貫通孔が形成されてなる請求項３記載の冷却装置。
【請求項５】 前記冷却液体を冷却する冷却手段を備える請求項１ないし４いずれか記載の冷却装置。
【請求項６】 請求項１ないし５いずれか記載の冷却装置であって、前記発熱素子は、スイッチング素子であり、前記冷却液体は、絶縁体である冷却装置。
【請求項７】 複数の発熱素子を冷却する冷却装置であって、前記複数の発熱素子のうち少なくとも１つの発熱素子を属する複数の区分に区分けし、所定の傾きのときに該区分けした区分に属する発熱素子のすべての部位より上側に突出する高さを有する隔壁部材と、前記発熱素子の許容動作雰囲気温度より低い沸点を有し、前記所定の傾きのときに前記隔壁部材により区分けされた区分に属する発熱素子のすべてを浸漬させる量の冷却液体とを備える冷却装置。
【請求項８】 請求項７記載の冷却装置であって、前記複数の発熱素子は、インバータを構成する６個のスイッチング素子であり、前記隔壁部材は、前記インバータの各相に接続される一対のスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材である冷却装置。
【請求項９】 請求項７記載の冷却装置であって、前記複数の発熱素子は、複数のスイッチング素子が並列に接続され同期してスイッチングされることにより一つのスイッチング素子として機能するスイッチング素子群が６組で構成されるインバータの該スイッチング素子群を構成する各スイッチング素子であり、前記隔壁部材は、インバータの各相に接続される２組のスイッチング素子群の各組に属する少なくとも一つずつのスイッチング素子を一つの区分に区分けする部材である冷却装置。
【請求項１０】 前記隔壁部材は、前記発熱素子の制御回路基板の少なくとも一部を用いて形成されてなる請求項７ないし９いずれか記載の冷却装置。
【請求項１１】 前記区分上部に配置され、気化した前記冷却液体が凝縮して液化し滴下する際の滴下位置をガイドするガイド部材を備える請求項７ないし１０いずれか記載の冷却装置。
【請求項１２】 前記ガイド部材は、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材である請求項１１記載の冷却装置。
【請求項１３】 前記ガイド部材は、前記所定の傾きのときでも、前記隔壁部材により区分けされた各区分から気化した前記冷却液体に相当する凝縮した前記冷却液体を対応する区分に滴下するよう滴をガイドする部材である請求項１１記載の冷却装置。
【請求項１４】 前記ガイド部材に近接して配置され、該ガイド部材を放熱により冷却する冷却手段を備える請求項１１ないし１３いずれか記載の冷却装置。
【請求項１５】 前記冷却液体はパーフロロカーボンである請求項１ないし１４いずれか記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０００−３４９２１３（Ｐ２０００−３４９２１３Ａ）
【公開日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願平１１−１７３９００
【出願日】平成１１年６月２１日（１９９９．６．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１２年１２月１５日（２０００．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１１年６月２１日（１９９９．６．２１）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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