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CN104487794A - 冷却装置、装载有该冷却装置的电动汽车和电子设备 - Google Patents

冷却装置、装载有该冷却装置的电动汽车和电子设备 Download PDF

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CN104487794A CN201380039562.0A CN201380039562A CN104487794A CN 104487794 A CN104487794 A CN 104487794A CN 201380039562 A CN201380039562 A CN 201380039562A CN 104487794 A CN104487794 A CN 104487794A
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Abstract

冷却装置(5)使制冷剂(30)按照受热部(8)、散热路径(9)、散热部(10)、返回路径(11)和受热部(8)的方式循环，利用制冷剂(30)的液相与气相之间的相变来进行冷却。受热部(8)由多个具有流入口(12)和流出口的受热器(7)直列配置而构成。在而且，多个受热器(7)中最靠返回路径(11)一侧的受热器(7)的流入口(12)一侧设置有止回阀(14)。

Description

冷却装置、装载有该冷却装置的电动汽车和电子设备
技术领域
本发明涉及冷却装置、装载有该冷却装置的电动汽车和电子设备。
背景技术
现有技术中，装载有功率半导体的电动汽车的冷却装置被装载在电力转换电路上。在电动汽车中，作为驱动动力源的电动机由作为电力转换电路的逆变电路进行开关驱动。逆变电路中使用多个以功率晶体管为代表的功率半导体。在逆变电路工作时，由于各功率半导体中流通大电流而发热，所以需要将该多个功率半导体同时冷却。
另外，近年来在电子计算机中为了应对处理信息量的显著增大，电子设备内也多使用CPU(Central Processing Unit：中央处理器)。CPU是发热体，所以CPU的同时冷却也成为一个重要的问题。
例如，专利文献1所示的冷却装置中使用了2个水循环。即，该文献提出一种冷却装置，使用了使来自各电子设备的热量移动到各自的热交换部的第1循环，和将多个热交换部直列连接的第2循环。
然而，在像第2循环那样的一个水循环系统中具有多个受热器(热交换部)的冷却装置中，各受热器(各热交换部)的与发热体接触的面的接触点温度，由各个受热器的受热性能和流入的水温所决定。最后的受热器的与发热体接触的面的接触点温度，为由该受热器的受热性能决定的上升温度与其前一级的受热器的排水温度相加而得的值。因此，在多个受热器中，越靠后级流入受热器的水的温度越高，存在越靠后级冷却性能越低这一第1技术问题。
另外，专利文献2所示的冷却装置中，在下部的受热器中，制冷剂因吸收功率半导体的热量而被气化。然后，制冷剂在配置于上部的散热部中冷却而液化，再次滴落到下部，反复进行这样的循环。其结果能够将逆变电路冷却。
然而，这样的冷却装置采用的是通过在受热器中使制冷剂沸腾而气化的沸腾式冷却类型。这种类型由于制冷剂在停滞于受热器中的状态下受热，所以热量到制冷剂的热传递效率较差，冷却性能较低。
对此，专利文献3所示的制冷剂循环式冷却类型由于使制冷剂在受热器中对流的状态下受热，所以热量到制冷剂的热传递效率较高，冷却性能得到飞跃性提高。专利文献3所示的冷却装置包括受热器、经散热路径连接于该受热器的排出口的散热部、连接该散热部与受热器的流入口的返回路径和配置于该返回路径的止回阀。
另外，返回路径的前端作为凸入部伸入到散热部内。在该凸入部中，制冷剂能够以薄膜状态急速扩散到受热器内。具体而言，从返回路径返回的制冷剂在随着止回阀的打开而流入受热器内时，一部分制冷剂在返回路径的凸入部内急速蒸发。在该压力的作用下，残留在凸入部内的制冷剂以薄膜状态急速扩散到受热器内。
其结果是，在受热器内壁面(受热板正面)上非常高效地进行受热，冷却性能得到突破性提高。这种制冷剂循环式冷却类型虽然冷却性能得到突破性提高，但其装载到各种设备上这一方面还有待进一步改善。
其之一在于，在返回路径的前端伸入到受热器内的情况下，肉眼不能识别受热器内的返回路径的前端位置。因此，存在返回路径的前端位置的调整比较麻烦这一第2技术问题。
另外，电动汽车和电子设备都存在着小型化的需求，所以制冷剂循环式冷却类型的冷却装置也存在薄型化的需求。然而，上述专利文献3所示的制冷剂循环式冷却类型的冷却装置中，为了打开止回阀，需要使止回阀上游侧(返回路径侧)的压力高于止回阀下游侧(受热器侧)的压力。因此返回路径需要有一定的高度，存在着制冷剂循环式冷却类型的冷却装置的薄型化不容易实现这一第3技术问题。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2005-222443号公报
专利文献2：日本特开平8-126125号公报
专利文献3：日本特开2009-88127号公报
发明内容
为了解决上述第1技术问题，本发明的冷却装置包括：吸收来自发热体的热量并将来自发热体的热量传递给制冷剂的受热部；将制冷剂的热量散出的散热部；和连接受热部与散热部的散热路径和返回路径。冷却装置使制冷剂按照受热部、散热路径、散热部、返回路径进而受热部的方式循环，利用制冷剂的液相与气相间的相变来进行冷却。受热部由具有制冷剂的流入口和流出口的多个受热器直列配置而构成。其中，在多个受热器中最靠返回路径一侧的位置上的受热器的流入口一侧设置有止回阀。
这样的冷却装置中，由于在多个受热器中最靠返回路径一侧的受热器的流入口一侧设置有止回阀，所以多个受热器与散热路径内成为一个连通的空间。即，在多个受热器与散热路径内，制冷剂的饱和蒸气压与饱和蒸气的温度是固定的。因此，多个受热器在固定的条件下使来自发热体的热量传递给制冷剂。其结果，各受热器能够确保固定的冷却性能，不存在越靠后级冷却性能越低的情况。
另外，为了解决第2技术问题，本发明的冷却装置包括：具有流入口和排出口的受热器；经散热路径与排出口连接的散热部；连接散热部与流入口的返回路径；和配置于返回路径的止回阀。另外，受热器包括：在背面侧具有与发热体接触而吸收热量的吸热部的受热板，和隔着空隙覆盖在受热板的正面侧的受热板罩。在受热板罩的排出口与流入口之间的位置，形成有靠近受热板一侧的狭窄开口形成部。并且，吸热部隔着狭窄开口形成部配置在排出口一侧和流入口一侧。
这样的冷却装置中，由于设置有狭窄开口形成部，所以制冷剂在通过狭窄开口形成部时流速增大，成为薄膜状。因此不再需要使返回路径的前端延伸到受热器内，也无需调整返回路径的前端位置。
另外，为了解决第3技术问题，本发明的冷却装置包括具有流入口和排出口的受热器、具有流入部和流出部的散热器、连接排出口与流入部的散热路径、连接流出部与流入口的返回路径和配置于返回路径的止回阀。流入部被配置于比流出部靠上方。并且，散热路径中连接于排出口的排出口连接管路的截面积大于返回路径中连接于流入口的流入口连接管路。
这样的冷却装置中，由于排出口连接管路的截面积大于流入口连接管路的截面积，所以受热器内的压力能够快速减小。其结果是，即使贮留在返回路径中的液体状的制冷剂的液压较低，止回阀也会打开。即，对止回阀施加液压的止回阀上方的返回路径的必要长度变短，能够实现冷却装置的薄型化。
附图说明
图1是装载有本发明实施方式1的冷却装置的电动汽车的概略图。
图2A是该冷却装置的不同形态的俯视图。
图2B是图2A的冷却装置的主视图。
图3A是本发明实施方式1的冷却装置的低发热密度用受热器的俯视图。
图3B是图3A的受热器的主视图。
图3C是图3A的受热器的侧视图。
图4A是本发明实施方式1的冷却装置的另一低发热密度的受热器的俯视图。
图4B是图4A的受热器的主视图。
图4C是图4A的受热器的侧视图。
图5A是本发明实施方式1的冷却装置的又一低发热密度的受热器的俯视图。
图5B是图5A的受热器的主视图。
图5C是图5A的受热器的侧视图。
图6A是表示本发明实施方式1的冷却装置的高发热密度的受热器的俯视图。
图6B是图6A的6B-6B线的截面图。
图7A是表示本发明实施方式1的冷却装置的另一高发热密度的受热器的俯视图。
图7B是图7A的7B-7B线的截面图。
图8A是本发明实施方式1的冷却装置的受热器的俯视图。
图8B是该冷却装置的受热器的主视图。
图8C是表示该冷却装置的受热器正面的工作温度的状态的坐标图。
图9是本发明实施方式1的电子设备的概略图。
图10是本发明实施方式2的电动汽车的概略图。
图11是表示该冷却装置的受热器的主视图。
图12是表示该冷却装置的受热器的俯视图。
图13是表示该冷却装置的受热器的侧视图。
图14是本发明实施方式2的电子设备的概略图。
图15是本发明实施方式3的电动汽车的概略图。
图16A是表示该冷却装置的第1结构的俯视图。
图16B是图16A的冷却装置的主视图。
图16C是图16A的冷却装置的侧视图。
图17A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第1散热路径的俯视图。
图17B是表示该冷却装置的第2散热路径的俯视图。
图18A是表示该冷却装置的第3散热路径的俯视图。
图18B是表示该冷却装置的第4散热路径的俯视图。
图19A是表示该冷却装置的第5散热路径的俯视图。
图19B是表示该冷却装置的第6散热路径的俯视图。
图20A是表示该冷却装置的第2结构的主视图。
图20B是表示图20A的散热路径的主要部分的图。
图21A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第3结构的俯视图。
图21B是图21A的冷却装置的主视图。
图21C是图21A的冷却装置的侧视图。
图22A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第4结构的俯视图。
图22B是图22A的冷却装置的主视图。
图22C是图22A的冷却装置的侧视图。
图23是本发明实施方式3的电子设备的概略图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1是装载有本发明实施方式1的冷却装置的电动汽车的概略图形。如图1所示，对电动汽车1的车轴2进行驱动的电动机3，与配置在电动汽车1的车内的配置有多个发热体4的电力转换装置6连接。电力转换装置6对电动机3供给电力。
并且电力转换装置6中设置有用于冷却发热体4的冷却装置5。冷却装置5包括受热部8、散热部10、散热路径9和返回路径11。制冷剂30按照受热部8、散热路径9、散热部10、返回路径11进而受热部8的方式循环。冷却装置5利用制冷剂30的液相与气相间的相变来冷却发热体4。此处，受热部8吸收来自发热体4的热量，将来自发热体4的热量传递给制冷剂30。散热部10使制冷剂30的热量散出。散热路径9和返回路径11由连接受热部8与散热部10的管路构成。
受热部8由多个具有制冷剂30的流入口12和流出口13的受热器7直列(串联)配置而构成。其中，在多个受热器7中最靠返回路径11一侧的位置上的受热器7的流入口12一侧设置有止回阀14。
冷却装置5的制冷剂循环路径是由受热部8、散热路径9、散热部10、返回路径11和止回阀14构成的封闭系统。其内部气氛在制冷剂例如为水的情况下使用于比大气压低的负压，水的封入量为数百cc左右(与循环路径的总容积也有关，是与总容积相比充分少的量)。
具有这种结构的本实施方式1的冷却装置5中，在封入受热器7内的制冷剂因来自发热体4的热量而气化(相变)时，吸收大量的潜热。并且，由于气化时急剧的体积变化，在气化面始终形成高速的制冷剂流，所以能够实现可应对大容量的冷却的、极高的冷却性能。
本发明实施方式1的冷却装置5在最上游侧的受热器7配置有止回阀14。因此，制冷剂30的循环方向是确定的，在受热器7的内部接受了来自发热体4的热量的制冷剂30发生气化，由于此时的体积膨胀，制冷剂30向着散热部10高速流动。其结果，冷却装置5不再需要泵等使用电力的制冷剂驱动力。像这样，由于制冷剂30无需动力就能够在循环路径内高速移动，所以用于传输热量的每单位时间的制冷剂30的量增大，冷却装置5的冷却能力得到提高。
另外，如上所述制冷剂驱动力的角色由气化时的体积膨胀来承担，所以不需要像水冷泵那样的特别的外部动力，从省电的观点来看也是极大的优点。为了比较本发明实施方式1的冷却装置5与使用水冷泵的冷却装置，使用图8A～图8C进行说明。图8A是本发明实施方式1的冷却装置的受热器的俯视图，图8B是该冷却装置的受热器的主视图，图8C是表示该冷却装置的受热器正面的工作温度的状态的坐标图。
如图8A所示，受热部108具有直列连接在水循环系统中的多个受热器107。散热部110经散热路径109和返回路径111连接在受热部108的两端。另外，在返回路径111的途中装载有用于驱动制冷剂的制冷剂驱动泵117。为了简化说明，图8B所示的受热部108中，令各受热器107和发热体104的大小以及发热量全部相同。受热器107具备流入口112和流出口113。
图8C是表示发热体104与受热器107的接触点温度的变化的坐标图。如图8C所示，各发热体104的接触点温度由来自上游侧的流入温度与因受热器107的热阻而带来的温度上升量相加而得。因此，在实线所示的总热量不超过元件工作保证温度的程度的情况下，作为冷却装置发挥功能。然而，当各发热体104的发热量增大，在虚线所示的下游侧受热器107中超过元件工作保证温度的情况下，无法作为冷却装置发挥功能。
因而，在水冷冷却装置的情况下，若受热器107被直列连接，则各受热器107能够承载的发热量会被限制得较低。为了一定程度上避免这种情况，可以使受热器107并列(并联)连接。然而这样配管数量会增大，导致冷却装置整体变得复杂，不利于小型化。
另外，本发明实施方式1的冷却装置5与水冷冷却装置的根本上的不同点在于，后者利用的是由显热带来的水温变化，而前者利用的是使用了相变的潜热。例如，在制冷剂为水的情况下，就每1g制冷剂的热传输量而言，潜热是显热的5倍以上，所以前者与后者相比能够确保高冷却性能。
图2A是本发明实施方式1的冷却装置的不同方式的俯视图，图2B是图2A的冷却装置的主视图。如图2A所示，受热部8的多个受热器7中，最靠返回路径11一侧的位置上的受热器7之外的受热器7也在各自的流入口12一侧设置有止回阀14。即，多个受热器7全都在各自的流入口12一侧设置有止回阀14。
其基本的动作与优点与图8A的情况相同。不过，在图2B所示的发热体4a、4b、4c、4d的发热量各自不同，并且它们的差非常大等情况下，通过在各受热器7分别装载止回阀14，各受热器7内部发生气化时的压力上升较少波及其它受热器，容易确保动作的稳定性。
在制冷剂30于受热板15的正面发生气化时，作为潜热从受热板15夺走热量，所以受热器7被冷却。此时受热器7与发热体4的接触点温度由根据制冷剂30的饱和蒸气压唯一确定的饱和蒸气温度所决定。即，即使受热部8由多个受热器7构成，并且各受热器7装载了发热量不同的发热体4a、4b、4c、4d，受热部8内部的压力也是制冷剂30气化的饱和蒸气压。因此，各受热器7为大致相同的压力。关于这一点，无论受热器7是直列连接还是并列连接都是相同的。不过，受热器7直列连接时冷却装置5能够小型化。
另外，各受热器7的饱和蒸气压由装载于受热器7的发热体4的总发热量决定。受热器7与发热体4的接触点温度表现为该饱和蒸气温度加上发热量和由受热板15自身的热阻带来的上升温度而得的值。在现有的水冷方式中将受热器直列连接的情况下，上游侧的流出水温成为下游侧的流入水温，所以越是下游侧的受热器，受热器与发热体的接触温度越高。不过，使用了制冷剂30的相变的本发明实施方式1的冷却装置5中，受热器7与发热体4的接触点温度由饱和蒸气压决定。因此，下游侧的受热器7与发热体4的接触温度不受来自上游侧的制冷剂30的温度影响。
图3A是本发明实施方式1的冷却装置的低发热密度用受热器的俯视图，图3B是图3A的受热器的主视图，图3C是图3A的受热器的侧视图。图3A～图3C表示的是在分散为9个的发热密度低于20W/cm2的低发热密度发热体4c和受热板15上接合了配管的状态。在发热体4c的热密度低于20W/cm2的情况下，受热器7可以为管状受热器7a。图3A～图3C的受热器7中不需要受热器7的外罩，所以部件数量减少，结构得到简化。
图4A是本发明实施方式1的冷却装置的另一低发热密度的受热器的俯视图，图4B是图4A的受热器的主视图，图4C是图4A的受热器的侧视图。图4A～图4C表示的是在分散为4个的作为长条状发热体的低发热密度发热体4d和受热板15上接合了配管的状态。图4A～图4C的受热器7中也不需要受热器7的外罩，部件数量减少，结构得到简化。
图5A是本发明实施方式1的冷却装置的又一低发热密度的受热器的俯视图，图5B是图5A的受热器的主视图，图5C是图5A的受热器的侧视图。图5A～图5C是由与图4A～图4C相同的低发热密度的分散为4个的长条状发热体4d与受热板15组合而成的结构。配管接合于受热板15的下部。通过使用该结构，图2A所示的冷却装置5整体的高度降低，冷却效果与使用图3A～图3C的受热器7的冷却装置5大致相同。
图6A是表示本发明实施方式1的冷却装置的高发热密度的受热器的俯视图，图6B是图6A的6B-6B线的截面图。如图6A、图6B所示，受热器7在两侧面连接有流入口12和流出口13。
如图6A、图6B所示，受热器7具有位于背面侧的受热板15，并具有受热板罩16。并且，在受热板罩16的流出口13与流入口12之间，形成有接近受热板15一侧的狭窄开口形成部23。此处，受热板15具有与发热体4接触而吸收热量的吸热部31。受热板罩16覆盖受热板15的正面侧15a的制冷剂30的气化空间。另外，流出口13和流入口12被设置在受热器7的侧壁面上。
而且，通过在受热板罩16设置狭窄开口形成部23，在受热器7内设置了流入口12侧的第1空间18和流出口13侧的第2空间19。第1空间18和第2空间19经狭窄开口形成部23连结。第1空间18比第2空间19小。
此外，受热板15的吸热部31被相连地配置在狭窄开口形成部23的流出口13侧和流入口12侧。吸热部31中狭窄开口形成部23的流出口13侧的面积也大于流入口12侧。
即，在发热体4的热密度为20W/cm2以上的情况下，多个受热器7各自包括具有吸热部31的受热板15和位于受热板15的正面侧15a的受热板罩16。并且，在流出口13与流入口12之间，形成有缩小制冷剂30的通路截面的狭窄开口形成部23。吸热部31隔着狭窄开口形成部23配置在流出口13一侧和流入口12一侧。
在上述结构中，如图6A、图6B所示，止回阀14连接在流入口12附近。另外，受热器7内的第1空间18比第2空间19小。
在图2A所示的冷却装置5初始动作时，受热器7内充满制冷剂30。在来自发热体4的热量的作用下，在第1空间18和第2空间19中，制冷剂30大致同时开始沸腾。之后，由于第1空间18侧被止回阀14分隔，所以第1空间18和第2空间19中的气相的制冷剂30和未沸腾的液相的制冷剂30高速流出到散热路径9，制冷剂30开始流动。此处，驱动制冷剂30的力是受热器7内与被外部空气冷却、维持低压的散热部10之间的压差。
此时，在受热器7内首先第2空间19内的制冷剂30流出到散热路径9。第1空间18内的制冷剂30由于被止回阀14分隔，所以其一部分发生沸腾。在此时的体积膨胀的作用下，气相的制冷剂30成为与未沸腾的液相的制冷剂30混合的气液混相状态的高速制冷剂流。制冷剂流伸展到第2空间19侧的受热板15上的槽22的表面，形成薄膜制冷剂层。薄膜制冷剂层接受来自发热体4的热量，高效气化而进行冷却。
此处简单描述受热器7内的冷却装置5的通常动作的流程。在冷却装置5的通常动作中，在封入到受热器7内的制冷剂30持续气化的期间，止回阀14是关闭的。当制冷剂30在受热器7内继续气化，制冷剂30大部分经流出口13流出到散热路径9后，受热器7的内压降低，止回阀14被打开。这样，新的制冷剂30流入到受热器7内的第1空间18。然后，再一次地，第1空间18内的一部分制冷剂30沸腾，成为与未沸腾的液相的制冷剂30混合的高速混相流，作为薄膜制冷剂层伸展到第2空间19侧的受热板15上，在来自发热体4的热量的作用下气化。该一连串的流程反复进行，实现极为高效的冷却装置5。
图7A是表示本发明实施方式1的冷却装置的另一高发热密度的受热器的俯视图，图7B是图7A的7B-7B线的截面图。如图7A、图7B所示，流出口13和流入口12被设置在受热器7的侧壁面上。另外，导入管24从流入口12经止回阀14突出到受热板罩16的内部。其特征之处为，导入管24的开口朝向受热板15侧的中央部。即，返回路径11的导入管24从流入口12延伸至受热板15的中心，在受热板15一侧形成有导入管24的开口部24a。导入管24起到与图6A的受热器7的第1空间18相同的功能。另外，受热板15具有从导入管24的开口部24a向周边伸展的放射状的槽22。图7A、图7B的受热器7中的基于相变的冷却流程与图6A的受热器7中的基于相变的冷却流程基本相同。
即，在图2A所示的冷却装置5初始动作时，受热器7内充满制冷剂30。在来自发热体4的热量的作用下，从导入管24的前端滴落到受热板15上的制冷剂30开始沸腾。由于返回路径11侧被止回阀14分隔，所以导入管24内的气相的制冷剂30和未沸腾的液相的制冷剂30高速流出到散热路径9，制冷剂30开始流动。此处，驱动制冷剂30的力是受热器7内与被外部空气冷却、维持低压的图2A所示的散热部10之间的压差。
此时，在受热器7内首先受热板15上的制冷剂30流出到散热路径9。导入管24内的制冷剂30由于被止回阀14分隔，所以其一部分发生沸腾。在此时的体积膨胀的作用下，气相的制冷剂30成为与未沸腾的液相的制冷剂30混合的气液混相状态的高速制冷剂流。制冷剂流伸展到受热板15上的槽22的表面，形成薄膜制冷剂层。薄膜制冷剂层接受来自发热体4的热量，高效气化而进行冷却。
此处简单描述受热器7内的冷却装置5的通常动作的流程。在冷却装置的通常动作中，在封入到受热器7内的制冷剂30持续气化的期间，止回阀14是关闭的。当制冷剂30在受热器7内继续气化，制冷剂30大部分经流出口13流出到散热路径9后，受热器7的内压降低，止回阀14被打开。这样，新的制冷剂30流入到受热器7内的导入管24。然后，再一次地，导入管24内的一部分制冷剂30沸腾，成为与未沸腾的液相的制冷剂30混合的高速制冷剂流，作为薄膜制冷剂层伸展到的受热板15上，在来自发热体4的热量的作用下气化。该一连串的流程反复进行，实现极为高效的冷却装置5。
另外，在图6A、图7A所示的装载了高热密度发热体4的受热器7，配置有止回阀14。图3A、图4A和图5A这样的装载了相对低发热密度发热体4的受热器7，必然在受热部的上游侧配置装载了高热密度发热体4的受热器7。
图9是本发明实施方式1的电子设备的概略图。电子设备32中利用冷却装置5对作为发热体4的高速运算处理装置进行冷却。在冷却装置5中，多个受热器7中最靠返回路径11一侧的位置上的受热器7的流入口12一侧设置有止回阀14。因此，从止回阀14的下游侧到散热部10，即多个受热器7和散热路径9内成为一个连通的空间。因此，在多个受热器7和散热路径9内，制冷剂30的饱和蒸气压和饱和蒸气的温度是固定的。其结果是，各受热器7能够在固定的条件下使来自发热体4的热量传递给制冷剂30，各受热器4无论是前级还是后级都能够确保冷却性能。
(实施方式2)
图10是本发明实施方式2的电动汽车的概略图。如图10所示，对电动汽车201的车轴202进行驱动的电动机203，与配置在电动汽车201的车内204的电力转换装置也就是逆变电路(未图示)连接。
逆变电路中，作为功率半导体的一例包括对电动机203供给电力的多个半导体开关元件205。在逆变电路上设置有用于冷却半导体开关元件205的冷却装置206。
图11是表示本发明实施方式2的冷却装置的受热器的主视图。如图10、图11所示，冷却装置206包括受热器207、散热部210、返回路径212和止回阀213。此处，受热器207连接在半导体开关元件205的上表面，具有流入口211和排出口208。散热部210经散热路径209与排出口208连接。返回路径212连接散热部210和流入口211。止回阀213配置于返回路径212。
另外，由受热器207、散热路径209、散热部210和返回路径212形成的循环路径是封闭的，其内部气氛相对于大气压为负压。
另外，该负压路径内注入有例如数百cc左右的水。其中，水是制冷剂的一例，数百cc是与循环路径的容积相比充分少的量。
即，与专利文献3的冷却装置相同地，图10所示的冷却装置206中，首先，受热器207内的水在半导体开关元件205的热量的作用下沸腾。由于此时的压力上升，水虽然为气液混合状态，但也会经散热路径209到达散热部210。接着，散热部210的外表面被风扇(未图示)的送风而冷却，水再次成为液相状态。之后，水返回到图11所示的返回路径212的止回阀213上游侧。
当水返回到图10所示的止回阀213上游侧后，受热器207内的压力逐渐降低。在主要由止回阀213上游侧的水量决定的压力变得高于受热器207内的压力时，止回阀213被打开。
其结果是，止回阀213上游侧的水流入到受热器207内后的下一个瞬间，水在受热器207内急剧气化。由于该气化热，半导体开关元件205被高效冷却。
图12是表示本发明实施方式2的冷却装置的受热器的俯视图，图13是表示该冷却装置的受热器的侧视图。如图11～图13所示，受热器207包括受热板214和受热板罩215。在受热板罩215的排出口208与流入口211之间，形成有接近受热板214一侧的狭窄开口形成部216。此处，受热板214在受热器207的背面侧207a具有与作为发热体的半导体开关元件205接触而吸收热量的吸热部220。吸热部220是与半导体开关元件205接触的部分。并且，吸热部220隔着狭窄开口形成部216配置在排出口208一侧和流入口211一侧。受热板罩215隔着空隙215a覆盖受热板214的正面侧214a。
另外，排出口208和流入口211中的至少一个设置在受热器207的侧壁面上。其结果是，能够实现受热器207的薄型化。
而且，通过在受热板罩215设置狭窄开口形成部216，在受热器207内设置了流入口211一侧的第1空间217和排出口208一侧的第2空间218。第1空间217和第2空间218隔着狭窄开口形成部216连结。
另外，流入口211侧的第1空间217的容积比排出口208侧的第2空间218的容积小。
并且，吸热部220被相连地配置在狭窄开口形成部216的排出口208侧和流入口211侧。此处，吸热部220中狭窄开口形成部216的排出口208侧的面积也大于流入口211侧的面积。由于狭窄开口形成部216的作用，薄膜状的水从第1空间217急剧地扩散到第2空间218，所以在受热板214的吸热部220能够得到极高的热传递效率，冷却效率也得到提高。
在上述结构中，如图11～图13所示，止回阀213设置在受热器207外部。在受热器207内的流入口211，返回路径212并不突出到受热器207内，而仅仅是连接。因此，在制造受热器207时，无需决定要将返回路径212的前端插入到何处，制造变得简单。
另外，与返回路径212连接的受热器207内的第1空间217的容积比第2空间218的容积小。
因而，当如上所述受热器207内的压力逐渐降低，主要由止回阀213上游侧的水量决定的压力变得高于受热器207内的压力时，止回阀213被打开。这样，当止回阀213上游侧的水流入到第1空间217内时，在第1空间217中一部分水发生沸腾，第1空间217内的压力急剧上升。
此时，由于第1空间217比第2空间218小，所以与使它们大小相同的情况相比，第1空间217内的压力的增加量变大。残留在第1空间217中的水通过狭窄开口形成部216，以薄膜状态迅猛地进入第2空间218。
另外，第2空间218具有较大的吸热部220。因此，进入第2空间218的薄膜状的水急剧气化，由于此时的压力上升，水虽然为气液混合状态，但也会经散热路径209到达图10的散热部210。接着，散热部210的外表面被风扇(未图示)冷却时，水再次成为液相状态，然后返回返回路径212的止回阀213上游侧。
另外，遍及受热板214的正面的第1空间217、狭窄开口形成部216和第2空间218，可以设置有多个槽219。即，槽219从狭窄开口形成部216的流入口211一侧起向着排出口208一侧去，形成在受热板214的正面。从第1空间217去往第2空间218的薄膜状的水容易扩展到第2空间218部分的受热板214的表面，热交换效率变高。
这样的循环反复进行，从而半导体开关元件205被充分冷却。
图14是本发明实施方式2的电子设备的概略图。电子设备221中利用冷却装置206对作为发热体的半导体开关元件205进行冷却。如图11所示，由于在受热板罩215的排出口208与流入口211之间设置有接近受热板214一侧的狭窄开口形成部216，所以水在通过狭窄开口形成部216时流速增大，成为薄膜状。因此返回路径212的前端不再需要像图14所示那样延伸到受热器207内，也无需调整返回路径212的前端位置。
(实施方式3)
图15是本发明实施方式3的电动汽车的概略图。如图15所示，对电动汽车301的车轴302进行驱动的电动机303，与配置在电动汽车301中的电力转换装置也就是逆变电路304连接。
逆变电路304包括对电动机303供给电力的多个半导体开关元件305。半导体开关元件305是功率半导体的一例。半导体开关元件305的发热量较大，由冷却装置306冷却。
图16A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第1结构的俯视图，图16B是图16A的冷却装置的主视图，图16C是图16A的冷却装置的侧视图。
如图16A～图16C所示，冷却装置306包括受热器307、散热路径309、散热部311、返回路径314和止回阀315。此处，箱状的受热器307可热传导地接触半导体开关元件305的上表面。受热器307具有使作为制冷剂的水流入的流入口313和使水流出的排出口308。散热部311具有使水流入的流入部310和使水流出的流出部312。
另外，散热部311和受热器307通过散热路径309和返回路径314连接。散热路径309连接排出口308和流入部310。返回路径314连接流出部312和流入口313。止回阀315与返回路径314中的流入口313邻接地配置。流入部310被配置于比流出部312靠上方。
具体而言，形成受热器307、散热路径309、散热部311、返回路径314、止回阀315到受热器307的环状通路。在作为制冷剂的一例使用水的情况下，封入比环状通路的容积少的量的水，将该环状通路内自大气压减压后使用。
这样，通过打开止回阀315，止回阀315上游侧即返回路径314内的水流入到受热器307内。接着，在受热器307中，水从半导体开关元件305受热而急剧沸腾。像这样，半导体开关元件305就被吸热、冷却。
并且，由于水在受热器307内沸腾，所以受热器307内的压力急剧升高。其结果是，止回阀315关闭，气相和液相的混合状态的水从受热器307内自受热器307的排出口308经散热路径309流入到散热部311。之后，通过对散热部311的表面送风，散热部311内的水蒸气冷凝而再次成为液体状，返回止回阀315的上游侧。
在这样的冷却装置306中，为了打开暂时被关闭了的止回阀315，需要使止回阀315的上游侧压力比止回阀315的下游侧即受热器307内的压力大。即，可以考虑提高止回阀315的上游侧即返回路径314的高度，使其中蓄积的水的液压升高的方法。然而，通过这样的方法难以实现冷却装置306的薄型化。
因此，使散热路径309中连接于排出口308的排出口连接管路309a的截面积大于返回路径314中连接于流入口313的流入口连接管路314a，即增大管径。其结果，散热路径309的管路压力损失被抑制得尽可能低。此处，排出口连接管路309a包括从排出口308向上方立起的立起部317。
其结果是，相对于止回阀315打开时的压力，受热器307内的压力上升变小，所以即使蓄积在返回路径314中的水的液压降低，止回阀315也能够打开。因此，能够实现冷却装置306的薄型化。
图17A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第1散热路径的俯视图，图17B是表示该冷却装置的第2散热路径的俯视图。如图17A、图17B所示，立起部317中设置有将立起部317的截面分割为多部分的分割结构体316。立起部317的截面在图17A中分割为2部分，在图17B中分割为4部分。其结果是，气相与液相的混合状态的水能够顺畅地向图16B的散热部311侧循环。水的顺畅的循环对于冷却装置306的薄型化是重要的。
即，液相状态的水由于重量大，所以在图16B所示的受热器307的排出口308之后的立起部317中，水在散热路径309中上升而去往散热部311侧。不过，可能会发生在某个地点落下而再次返回受热器307内的水的逆流现象(flooding现象)。
此处简单说明溢流现象(flooding现象)。通常，接受了热量的气相与液相的混相水原本应当从图16B所示的压力高的受热器307侧迅速移动到压力低的散热部311侧并在散热后再次返回受热器307。不过，当使用了截面积大的管路时，接受了热量的混相水会被受热器307侧的高压暂时从低处推至高处。然而，在管路直径大的情况下，由液相的表面张力形成的液面无法维持，发生水整体逆流的现象。这种现象被称为溢流现象。其结果是，接受的热量的水无法到达散热部311，停滞在散热路径309的途中。若溢流现象持续，则热量蓄积在受热器307侧，成为原本的冷却性能显著降低的原因。
因此，在散热路径309尤其是受热器307的排出口308之后的立起部317中，设置将散热路径309内的截面积分割为多个部分的分割结构体316。这样的分割结构体316通过使液相状态的水附着在构成分割结构体316的壁面上而维持弯液面(meniscus)。因此，散热路径309的立起部317的水能够容易地上升。到达了散热部311的水在散热后，全部成为液相而返回止回阀315的上游侧，进行稳定的循环。
另外，分割结构体316中，由于与水的接触长度增大所以成为管路压力损失，但因此长度本身非常短，所以对液压的影响至少不会成为问题。
另外，立起部317的截面形状为圆形。
图18A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第3散热路径的俯视图，图18B是表示该冷却装置的第4散热路径的俯视图。如图18A、图18B所示，立起部317的截面形状可以为椭圆形。可以设置将图16B的散热路径309的截面分割为2部分的图18A所示的分割结构体316，也可以设置将截面分割为4部分的图18B所示的分割结构体316。是分割为2部分还是分割为4部分，由设置分割结构体316的管径和管长决定。
图19A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第5散热路径的俯视图，图19B是表示该冷却装置的第6散热路径的俯视图。如图19A、图19B所示，立起部317的截面形状可以为四边形。可以设置将图16B的散热路径309的截面如图19A所示分割为2部分的分割结构体316，也可以设置将截面如图19B所示分割为4部分的分割结构体316。
图20A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第2结构的主视图，图20B是表示图20A的散热路径的主要部分的图。如图20A、图20B所示，立起部317的立起部上端317a相比流入部310位于上方。立起部317中设置有将散热路径309的截面分割为多个部分的图17A～图19B所示之任一分割结构体316。另外，从立起部端317a到流入部310的散热路径309成为从水平方向向下方以倾斜角θ倾斜的倾斜通路318。
即，液相状态的水附着于具有分割结构体316的散热路径309，在来自受热器307的压力下被推起至相比流入部310靠上方。之后，水被可靠地沿着倾斜通路318输送到散热部311侧。其结果是，冷却装置306进行稳定的循环，即使薄型化也能够发挥高冷却性能。
图21A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第3结构的俯视图，图21B是图21A的冷却装置的主视图，图21C是图21A的冷却装置的侧视图。如图21A～图21C所示，流入部310相比流出部312位于上方。并且，在散热路径309设置有从排出口308去往上方的立起部317。在立起部317中设置有图17A～图19B所示之任一分割结构体316。另外，散热路径309从立起部端317a向水平方向弯折，与流入部310连接。
图22A是表示本发明实施方式3的冷却装置的第4结构的俯视图，图22B是图22A的冷却装置的主视图，图22C是图22A的冷却装置的侧视图。如图22A～图22C所示，散热部311的流入部310相比流出部312位于上方。并且，在散热路径309设置有从排出口308去往上方的立起部320。在立起部320中设置有图17A～图19B所示之任一分割结构体316。另外，散热路径309从立起部端320a向水平方向弯折，与流入部310连接。
此处，立起部320相比流入部310进一步向上方立起。并且，从立起部上端320a去往流入部310的散热路径309成为从水平方向向下方以倾斜角θ倾斜的倾斜通路321。
即，液相状态的水附着于具有分割结构体316的散热路径309，在来自受热器307的压力下被推起至相比流入部310靠上方。之后，水被可靠地沿着倾斜通路321输送到散热部311侧。其结果是，冷却装置306进行稳定的循环，即使薄型化也能够发挥高冷却性能。
图23是本发明实施方式3的电子设备的概略图。电子设备330中利用冷却装置306对作为发热体的半导体开关元件305进行冷却。即使是高密度集成的电子设备330，薄型化了的冷却装置306也能够容易地设置。
产业上的利用可能性
本发明的冷却装置可应用于电动汽车的电力转换装置和电子设备的高速运算处理装置。
附图符号说明
1、201、301 电动汽车
2、202、302 车轴
3、203、303 电动机
4、4a、4b、4c、4d、104 发热体
5、206、306 冷却装置
6 电力转换装置
7、107、207、307 受热器
7a 管状受热器
8、108 受热部
9、109、209、309 散热路径
10、110、210、311 散热部
11、111、212、314 返回路径
12、112、211、313 流入口
13、113 流出口
14、213、315 止回阀
15、214 受热板
15a、214a 正面侧
16、215 受热板罩
18、217 第1空间
19、218 第2空间
22、219 槽
23、216 狭窄开口形成部
24 导入管
24a 开口部
30 制冷剂
31、220 吸热部
32、221、330 电子设备
117 制冷剂驱动泵
204 车内
205、305 半导体开关元件
207a 背面侧
208、308 排出口
215a 空隙
304 逆变电路
309a 排出口连接管路
310 流入部
312 流出部
314a 流入口连接管路
316 分割结构体
317、320 立起部
317a、320a 立起部上端
318、321 倾斜通路

Claims (20)

1.一种冷却装置，其特征在于，包括：
吸收来自发热体的热量并将来自所述发热体的热量传递给制冷剂的受热部；
将所述制冷剂的热量散出的散热部；和
连接所述受热部与所述散热部的散热路径和返回路径，
使所述制冷剂按照所述受热部、所述散热路径、所述散热部、所述返回路径和所述受热部的方式循环，利用所述制冷剂的液相与气相之间的相变来进行冷却，其中
所述受热部由具有所述制冷剂的流入口和流出口的多个受热器直列配置而构成，在多个所述受热器中最靠所述返回路径一侧的位置上的所述受热器的所述流入口一侧设置有止回阀。
2.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：
多个所述受热器中最靠所述返回路径一侧的位置上的所述受热器之外的所述受热器，也在各自的流入口一侧设置有所述止回阀。
3.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：
在所述发热体的热密度低于20W/cm2的情况下，多个所述受热器为管状受热器。
4.如权利要求1所述的冷却装置，其特征在于：
在所述发热体的热密度为20W/cm2以上的情况下，多个所述受热器各自具有包括吸热部的受热板和在所述受热板的正面侧覆盖所述制冷剂的气化空间的受热板罩，在所述流出口与所述流入口之间设置有缩小所述制冷剂的通路截面的狭窄开口形成部，所述吸热部隔着所述狭窄开口形成部配置在所述流出口一侧和所述流入口一侧。
5.如权利要求4所述的冷却装置，其特征在于：
所述返回路径的导入管从所述流入口延伸至所述受热板的中心，所述导入管的开口部形成在所述受热板一侧。
6.一种电动汽车，其特征在于：
利用权利要求1所述的冷却装置进行所述发热体的冷却。
7.一种电子设备，其特征在于：
利用权利要求1所述的冷却装置进行所述发热体的冷却。
8.一种冷却装置，其特征在于，包括：
具有流入口和排出口的受热器；
经散热路径与所述排出口连接的散热部；
连接所述散热部与所述流入口的返回路径；和
配置于所述返回路径的止回阀，其中
所述受热器包括：在背面侧具有与发热体接触而吸收热量的吸热部的受热板，和隔着空隙覆盖在所述受热板的正面侧的受热板罩，
在所述受热板罩的所述排出口与所述流入口之间的位置，形成有靠近所述受热板一侧的狭窄开口形成部，所述吸热部隔着所述狭窄开口形成部配置在所述排出口一侧和所述流入口一侧。
9.如权利要求8所述的冷却装置，其特征在于：
所述狭窄开口形成部的所述流入口一侧的第1空间的容积比所述狭窄开口形成部的所述排出口一侧的第2空间的容积小。
10.如权利要求8所述的冷却装置，其特征在于：
所述排出口和所述流入口中的至少一个被配置在所述受热器的侧面。
11.如权利要求8所述的冷却装置，其特征在于：
从所述狭窄开口形成部的所述流入口一侧向着所述排出口一侧，在所述受热板的正面形成有槽。
12.一种电动汽车，其特征在于：
利用权利要求8所述的冷却装置进行半导体开关元件的冷却。
13.一种电子设备，其特征在于：
利用权利要求8所述的冷却装置进行所述发热体的冷却。
14.一种冷却装置，其特征在于，包括：
具有流入口和排出口的受热器；
具有流入部和流出部的散热部；
连接所述排出口与所述流入部的散热路径；
连接所述流出部与所述流入口的返回路径；和
配置于所述返回路径的止回阀，其中
所述流入部被配置于比所述流出部靠上方的位置，并且，所述散热路径中与所述排出口连接的排出口连接管路的截面积大于所述返回路径中与所述流入口连接的流入口连接管路的截面积。
15.如权利要求14所述的冷却装置，其特征在于：
所述排出口连接管路包括从所述排出口去往上方的立起部，在所述立起部设置有将所述立起部的截面分割为多个部分的分割结构体。
16.如权利要求15所述的冷却装置，其特征在于：
所述立起部的立起部上端相比所述流入部位于上方。
17.如权利要求16所述的冷却装置，其特征在于：
从所述立起部上端至所述流入部的所述散热路径是从水平方向向下方倾斜的倾斜通路。
18.如权利要求15所述的冷却装置，其特征在于：
所述立起部的截面形状为圆形或四边形。
19.一种电动汽车，其特征在于：
利用权利要求14所述的冷却装置进行半导体开关元件的冷却。
20.一种电子设备，其特征在于：
利用权利要求14所述的冷却装置进行发热体的冷却。
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