CN1025071C - 沸腾冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及供冷却车辆用电器例如大功率半导体的沸腾冷却装置，包含蒸发器、冷凝器连接配管等通过使冷凝器底面比蒸发器液面一样高或更高，同时将液体回流管配置成倾斜，或者将配管作成弯曲管或在流路中设液体驱动装置或者在配管内表面上形成防水性涂层以及在配管内设置弹性体等，允许采用乙二醇水溶液作为制冷介质可获得不易使装置损坏，小形轻量，且不易损坏的能用于低温场合，不会对大气臭氧层产生破坏的沸腾冷却装置。

Description

本发明涉及沸腾冷却装置，更确切地说，涉及例如供冷却车辆用的电器如逆变换器或交流变换器等大功率半导体用的沸腾冷却装置。

首先对附图作简单说明。

图1是示意表示本发明第一实施例的侧视图，图2为同一制冷介质的冻结温度-浓度特性曲线图，图3为同一制冷介质的沸腾曲线的比较曲线图，图4是示意表示本发明第二实施例的侧视图，图5是同一制冷介质的饱和压力特性曲线图，图6-8是表示本发明的第三实施例，图6为侧剖视图，图7为主要部分侧剖面图，图8为沿图7的Ⅷ-Ⅷ线俯剖视图。图9-11是分别示意表示本发明第四实施例的各具体例的侧剖视图，图12分别示意表示本发明第五、六实施例的侧视剖面图，图13-16示意表示本发明的第七实施例，图13是沿图15的ⅩⅢ-ⅩⅢ线的俯视剖面图，图14是沿图13的ⅩⅣ-ⅩⅣ线的俯视剖面图，图15为主视图，图16是沿图15箭头ⅩⅥ方向看的局部侧视图，图17是本发明第八实施例的回路图，图18-20是分别示意表示传统沸腾冷却装置的侧视剖面图，图21是沿图20的ⅩⅪ-ⅩⅪ线的剖面图，图22是传统沸腾冷却装置主要部分回路图。

其中1为可控硅元件，3为蒸发器，5为冷凝器，6为蒸发管，7为液体回流管，23为制冷介质，24为冷凝液排出口，25为流体驱动装置，32为保温材料，33为防水性涂层，34为弹性体，35、42为第1、第2脱气槽，36为水，43为乙二醇，49为混合槽。

此外，在各图中，相同标号表示同一或相当的部分。

图18是表示例如登载在三菱电机技报第48卷第2号（1974年2月发行）P.231上的传统的沸腾冷却装置的剖面图。图中，散热2在压接状态和具有平面形状的可控硅元件1相结合。将可控硅元件1和散热片2和氟里昂液体一起放置在蒸发器3内。将冷凝器5设置在蒸发器3的上方，使在蒸发器3内发生的氟里昂蒸气4a通过蒸汽管6流入冷凝器5。使氟里昂蒸汽4a在冷凝器5内冷却凝缩成氟里昂液体再通过液体回流管7流入蒸发器3。

在以上的构造中，当可控硅元件1处于动作状态，可使伴随其电力损失的发热量达数百瓦，此发热量经压接在可控硅元件1的冷却面上的散热片2向氟里昂液体内释放。然而，此时来自叶片2的热流速度达到10⁵W/m²程度，使其周围的氟里昂液体4沸腾，从而使可控硅元件1因氟里昂沸腾而被冷却。

使在蒸发器3内因氟里昂液体4的沸腾而产生的氟里昂蒸汽4a通过蒸发管6流入冷凝器5内，并在这里因设置在外部的冷却风扇（图中未表示）等被冷却。使冷凝的氟里昂液体4从液体回流管7返回到蒸发器3内。

这样，通过使作为制冷介质的氟里昂液体4连续不断地反复进行沸腾和冷凝的相变化而使可控硅元件高效地受到冷却。

图19是表示例如登载在三菱电机技报的卷148第2号上的传统沸腾冷却装置的简要概貌图。在蒸发器3内具有例如作为铁道车辆电力用的可控硅半导体电气元件1，例如已将其浸泡在氟里昂113（S₂Cl₃F₃）等的液体制冷介质中，此制冷介质4因吸收来自电气元件1的发热而温度上升和引起体积膨胀的同时，使其一部分蒸发或沸腾成为气体，从而吸收热。使汽化的蒸汽通过作为蒸汽流路的蒸汽管6而到达冷凝器5。使在冷凝器5内经冷却而液化的制冷介质4从冷凝器5的底部经液体回流管7返回到蒸发器3。通过上述这样的制冷介质的循环使电气元件1连续不断被冷却。

图20和图21为例如揭示在日本专利特公照59-41307号公报上的传统沸腾冷却装置的剖面图。图中，使作为发热体的半导体1压接在蒸发器3上。使从半导体1产生的热量通过冷凝器5向大气中释放。制冷介质4因半导体1的发热发生相变化而沸腾，从液体变成蒸汽，且向冷凝器进行热传输，此外，蒸汽管6是使在蒸发器3产生的制冷介质4的蒸汽4a从蒸发器3向冷凝器5传送的配管。液体回流管7使因冷凝器5而冷凝的液态制冷介质4从冷凝器5向蒸发器内回流的配管。

通过以上的构造，使半导体1内产生的热量因热传导而向蒸发器3传热，再经位于蒸发器3内的冷却叶片3a向液态制冷介质4传递。在这里使液态制冷介质4发生相变化而变成蒸汽4a。此蒸汽4a经蒸汽流管6流入冷凝器5，再经设置在冷凝器5的管子5a上的放热片5b向大气释放。因此，使蒸汽4a在管子5a的管壁上冷凝而成为液体制冷介质4。

这样，使液化的液态制冷介质4因自身重力而滞留在冷凝器5的下部，且通过液体回流管7回流到蒸发器3内。

图22是表示传统的沸腾冷却装置，特别表示封入制冷介质的装置，图中，在脱气槽8中装入例如氟里昂113（b.p.47.6℃）那样的液态沸腾制冷介质4。在脱气槽8上设置由电动机9a，回转轴9b和回转叶片轮9c组成的搅拌装置9，是为了对氟里昂液体4进行搅拌。在脱气槽8的外周表面上设置冷却体10。

在从脱气槽8的上部引出的第1配管11上设置第1阀门12，在从脱气槽8的侧面上部引出的第2配管13上设置第2阀门14。

电气装置15是通过第3配管16和脱气槽8下部相连接，该槽是将氟里昂液体4封入的封入容器，在第3配管16的中间设置第3阀门17。使第4配管18从第3配管16的第3阀门17和电气装置15间引出，且还设置第4阀门19。

通过以上构造，首先使第1和第3阀门12、17关闭，在第2阀门14打开状态，用和第2配管13相连接的排气泵（图中未表示），使脱气槽8内排气。其次，使第2阀门14关闭，打开第1阀门12，经第1配管11向脱气槽8内导入规定量的氟里昂液体4。在完成导入此制冷介质后，使第1阀门12关闭，用冷却体10使氟里昂液体4冷却，用搅拌装置9搅拌氟里昂液体4。此后，打开第2阀门14，用排气泵从脱气槽8内除去溶介在氟里昂液体4中空气等非冷凝性气体。当该脱气完了后，过闭第2阀门14。

接着打开第4阀门19，从第4配管18排出电气装置15内的气体。当完成此排气，关闭第4阀门19，打开第3阀门17，向电气装置15内封入氟里昂液体4。

上述传统的沸腾冷却装置，如图18所示那样，氟里昂沸腾冷却适用于可控硅元件等高密度发热体的冷却，且一直得到广泛应用。

然而，在一九七四年，美国加州大学的两位学者发表了关于向大气中排放的大量氟里昂因几乎不发生分解就直接到达同温层将使臭氧层遭到破坏的论文。

从而以此为开端，目前已在国际范围展开全部废除氟里昂的活动，且大力推进替发氟里昂的沸腾冷却制冷介质的开发。

可是，若要开发此替代品，会立刻想到水。也就是若论沸腾冷却特性，还是比氟里昂具有更好的性能。

然而，对采用交流变换器等的机器来说，通常设定的工作温度条件为-20℃-80℃，因此，对使用水为制冷介质场合，则产生因水冻结使装置损坏等问题。

作为解上述问题的对策，可考虑把加入乙二醇那样的不冻液而形成的水的混合液作为制冷介质，但是，把此混合液用于传统的如图18构成通样的装置，因为，象已叙述的那样，在沸腾冷却中会伴随沸腾、冷凝的相变化，故在蒸发器3内，因水沸腾更活跃而使水的浓度 下降，相反，在冷凝器5内水的浓度增高。其结果，不仅使冷却性能恶化，且在冷凝器5或液体回流管7的部分会发生混合液冻结，使上述关于损坏装置的问题依然没有得到解决。

以上的问题对图19的装置同样存在。

本发明正是为解决上述问题而进行的，目的在于提供使用作为无害物质水，且不会发生基于冻结而使装置受损坏等问题的沸腾冷却装置。

此外，在如图20所示传统的沸腾冷却装置中，在环境温度成为制冷介质的冰点以下时，因充满液体回流管7内的液态制冷介质4的体积膨胀而发生的应力不能为液体回流管7吸收，因此而存在液体回流管7会破裂的问题，同时为防止产生这样的破裂，有必要提高配管强度，从而存在使装置大形化和重量增加的问题。

本发明目的还鉴于解决上述这样的问题，以提供一种即使在制冷介质的冻结，液体回流管也不会破裂小形、轻量、能用于低温场合的沸腾冷却装置。

此外，在如图22所示的沸腾冷却装置中，在进行制冷介质封装之际，在使用需要进行脱气的、由多种成份组成的沸腾冷却制冷介质的场合，由于各组成成分的沸点各不相同，故因脱气而使组成发生变化，因而存不能就这样开始使用的问题。

本发明目的还为了解决上述这样的问题，提供即使在使用需要脱气的，由多种成分组成的沸腾冷却制冷介质场合也能不使组成成分发生变化，能进行充分脱气封入制冷介质的沸腾冷却装置。

根据本发明的沸腾冷却装置，使用水和能使水的冻结温度下降的不冷冻液的混合液作为制冷介质，包含让上述制冷介质在其内沸腾吸收被冷却体发热的蒸发器，使在上述蒸发器内产生的制冷介质蒸汽冷凝的冷凝器，使上述冷凝器内的冷凝液返回到上述蒸发器内的液体回流管，其特征在于用上述液体回流管使上述冷凝器底部和 上述蒸发器底部或底部近旁连通，而且使上述冷凝器底面位于和上述蒸发器液面等高或更高的位置。

这里使用的制冷介质为水和不冻液的混合液体，然而，两者的成分比或者说水的浓度在系统内不固定。就是说，在蒸发器内使水的浓度下降，且随此而使混合液比重增加的同时，使沸腾传热下降。反之，在冷凝器内，使水的浓度提高，从而使其比重减小的同时而使结冰温度上升。

况且，按上述第一实施例构成的沸腾冷却装置，由于在冷凝器内冷凝的冷却介质经液体回流管直接返回到蒸发器底部或其近旁，能有效地进行蒸发器内冷却介质的搅拌，其结果使水浓度下降程度得到缓和。

此外，由于使冷凝器的底面面向液体回流管的端部，且向下形成坡度，使冷却介质不会在此部分停滞，能防止冻结。

有关本发明第二实施例沸腾冷却装置，是在上述第一实施例结构主要组成部分基础上在蒸发器底部的中间部位设置冷凝液排出口。

根据这样的构造，使冷凝液能根据蒸发器内的温度的制冷介质的流动很好地进行相互混合搅拌。

此外，根据本发明的沸腾冷却装置，为分别封入被冷却体和封入冷却被冷却体的冷却介质的系统，可在所述系统，内循环的冷却介质由混合两种以上的成分组成，其特征在于该系统还包括控制当所述制冷介质冻结时容器内压过度上升的机构。

有关本发明的该沸腾冷却装置，设置使在冷凝器冷凝的制冷介质向蒸发器回流的介质流道和为把冷凝器中的冷凝的制冷介质向蒸发器中输送或使蒸发器中制冷介质向冷凝器中输送的电磁泵一类的液体驱动装置的流体回路，形成所述控制装置。

用这样的组成结构，当作为冷却对象的装置停止工作后，通过具 有流体驱动装置的流体回路，可以把冷凝器中的介质向蒸发器输送，或把蒸发器中制冷介质向冷凝器输送。

此外，有关本发明的该沸腾冷却装置，是用保温材料把制冷介质容纳部包围起来。

用以上的结构，无论是在高沸点成分浓缩的蒸发器侧，或低沸点成分浓缩的冷凝器侧，由于用保温材料使液体冻结部位形成最终的气相侧，从而能防止产生冻结时内压。

有关本发明的该沸腾冷却装置，是在上述第四实施例结构基础上使蒸汽管和液体回流管由满足△h/△l常为正或负条件（＞0或＜0）的弯曲管构成。△h是表示垂直方向的距离差，△l是从蒸发器侧朝向冷凝器侧的距离差。

根据这样的结构，使不发生因冷凝液体滞留而将管子的一段封闭，而且由于弯曲管的缘故，使设计裕度增大。

有关本发明的该沸腾冷却装置，是在上述实施例结构的基础上，使蒸气管和液体回流管的内表面防水性材料涂复。

根据这样的结构，使冷凝水不会留在管内，因而不会发生管子的损坏。

有关本发明的该沸腾冷却装置，是在充满制冷介质的配管内设置在制冷介质发生固相变化时的温度下具有弹性的弹性体。

由于是利用这样的结构，在充满液态制冷介质的配管中设置弹性体，故即使在制冷介质冻结，体积膨胀的场合，此膨胀的体积因弹性体吸收而收缩，因此能将配管中体积维持一定，而在配管上不会受到过大的应力。

根据本发明的该沸腾冷却装置，具备由能使沸腾冷却介质各成分分别进行脱气的多个脱气槽，和与此脱气槽相连接的同时，还和被封装容器相连接的混合槽组成的制冷介质封入装置。

根据这样的结构，使有必要进行脱气的沸腾冷却介质的各成分 在各脱气槽进行脱气，并使脱气后的各成分在混合槽混合。

根据本发明的该沸腾冷却装置，其制冷介质系由乙二醇的水溶液组成。

据此能解决臭氧层遭到破坏的问题。

实施例

图1是表示本发明第一实施例的一个例子的剖面图。图中，可控硅元件1，蒸发器3，冷凝器5，蒸汽管6和液体回流管7分别相当于传统中的具有相同符号的部件，在此实施例中，每个可控硅元件上分别设置蒸发器3，即所谓散热片型构造。此外，冷凝管5是由设置在两端的集管20、21，以及为连通此两集管而配置的多根冷凝管22构成。使用水和不冻结液的乙二醇的混合液，也就是乙二醇的水溶液作为冷却介质。

此外，在此实施例中，将蒸发器3和冷凝器5的相对位置关系设置成使集管20的底面20a中和蒸发器3内的冷却介质23的液面23b一样高或比其更高。使液体回流管7的上端即冷凝器5侧端部和集管20的底面相连接，使液体回流管7的下端和蒸发器3的底部或其近旁相连接。此外，如图所示，配置成使冷凝器5的底面，朝着液体回流管7的上端部，形成两者相对倾斜。

根据以上构造，有关冷却的步骤和传统的装置基本相同。就是使在可控硅元件1内发生的由电力损失转变的高热流在蒸发器3内散发，据此使蒸发器3内的制冷介质23沸腾，由此产生的蒸汽23a经蒸汽管6流入集管20。此蒸汽23a在流过冷凝管22和集管21的过程中冷凝成为液体状从集管20的底面20a经液体回流管7返回蒸发器底部。

接着，对使用乙二醇水溶液作为制冷介质的上述实施例的沸腾冷却特性和冻结温度特性详细说明。

图2是表示随乙二醇的浓度Wt%变化时乙二醇水溶液的冻结 温度特性。如前所述，在通常的车辆设备中，将温度下限条件设定为-20℃，因此，从图2的特性看，有必要将乙二醇浓度选定为35Wt%左右。

在图3中，将乙二醇的浓度为35Wt%的水溶液的沸腾曲线和水及氟里昂113作了比较。从这里看出，乙二醇浓度为35Wt%的水溶液的沸腾冷却特性比水差，但比传统的氟里昂R113好。也就是乙二醇浓度35Wt%的水溶液的冷却性能比传统的好。

然而，上述的各种特性是制冷介质23的各成分，也就是乙二醇和水的混合比例在系统内经常保持一定为前提。但是，如已叙述那样，一般由于在反复进行沸腾和冷凝的相变化中使上述混合比例发生变化。从而使冻结温度特性和沸腾冷却特性变化。以下，以为了抑制此混合比例的变化，在本发明所采用的结构和效果为中心进行说明。

首先，在蒸发器3内发生的现象是由于水的沸腾进行比较活跃，使制冷介质23中水的浓度下降，换言之使乙二醇浓缩。其结果存在使沸腾冷却特性下降的同时，使制冷介质23的比重增大的倾向。反之，流入冷凝器5内的蒸汽23a由于水分的浓度较高，当然也使其冷凝液中的水的浓度提高，也就是使乙二醇稀释，其比重下降的同时使冻结温度提高。

在图1所示的实施例中，为改善上述倾向，使冷凝器5的底面位置比蒸发器3的液面高，使冷凝液能迅速返回蒸发器3内的同时，把蒸发器3的底部作为向蒸发器3内导入冷凝液的位置，利用上述比重差，有效地对制冷介质进行搅拌。因此，能促进向沸腾区域提供水分，使沸腾冷却特性的降低得到抑制。

此外，在冷凝器5内发生的冷凝液体，使乙二醇稀，从而使冻结温度变得比较高，然而由于在冷凝器5的底面和液体回流管间形成向下产生倾斜，使上述冷凝液不停滞而连续流动，从而使冻结现象得 到阻止。

此外，通过将液体回流管7形成两重管构造，在两管间配置空气等耐热材料而提高此部分的保温特性，能使防止冻结的措施更加完善。

此外，在以上叙述中尚未涉及蒸发器3等的材料问题，然而在使用乙二醇水溶液作为制冷介质的场合，适宜使用耐腐蚀性高的铜。例如在乙二醇的比重为35Wt%的水溶液中的各种材料的腐蚀量，对于软钢为0.041mm/年，锌为0.059mm/年，而铜仅为0.0017mm/年，比前者大幅度低。

此外，上述实施例是对用于可控硅元件冷却的场合进行的说明，然而本发明不限于此，也能适用于对各种被冷却体进行冷却的沸腾冷却装置并能取得同等效果。

图4是表示本发明的第二实施例，使用乙二醇水溶液作为制冷介质23。在蒸发器3的底面中间部位向上设置冷凝液排出口24，它同时是液体回流管7的下端。

此外，箭头a、b是表示制冷介质23因可控硅元件1的温度的流动方向，箭头c、d表示从排出口24排出的冷凝液的流动方向，构成沿着这些流动方向使制冷介质液体和冷凝液体进行搅拌混合。

该实施例的其它构成和图1所示的相同。

通过以上构成，冷凝液体沿箭头C方向直线流动，且要使其向因可控硅元件1的热量形成的制冷介质的流动方向即箭头方向a、b卷入那样沿箭头d方向流动。这样使冷凝液体迅速返回蒸发器3，而且进行混合搅拌使制冷介质23均匀化。

通过反复进行以上的动作，将作为制冷介质的乙二醇水溶液保持在稳定状态，使可控硅元件1不断得到有效冷却。

此种比重为35Wt%的乙二醇水溶液的其它特性如图5所示，它的饱和压力和水大致相同，在可控硅元件1的沸腾冷却的动作温度 范围（通常为-20℃-80℃），压力比大气压力低，在这一点上和氟里昂113不同，因此有必要不要让大气空气因漏泄流入蒸发器3，蒸汽管6，液体回流管7等结构内部。

若空气等非冷凝性气体流入冷凝器5内，将使冷却特性变坏。

图6-图8表示本发明第三实施例，图6中，在蒸发器3内设置例如作为铁道车辆电力装置用半导体的可控硅等电气元件1，使其浸没在作为制冷介质23的按一定比率混合的水和乙二醇的混合液中（水∶乙二醇为65∶35）。

然而，在本实施例中，在液体回流管7内设置液体驱动装置，例如隔片泵，此外，还设置冷凝液体流路26。

在其他方面，和图19中符号相同的为同一或相当的部分。

用以上的构成，在沸腾冷却装置运行停止后，使流体驱动装置25动作，强制地将冷凝器5内的制冷介质向蒸发器3内输送，据此使制冷介质23按下列循环路线反复进行即由冷凝器5→液体回流管→蒸发器3→冷凝液体流路26→冷凝器5，反复进行循环，经快速混合回复到原混合比。以上的流体驱动装置25的操作，可以用继电程序等使其动作适当时间后停止。此外，也可以使此制冷介质23的输送方向和上述方向相反，但因通常将蒸发器3中的电气元件1完全沉没在制冷介质中，为了对再运转开始等时的安全有利，希望按上述输送方向（冷凝器5→蒸发器3）进行。

作为上述液体驱动装置25，可以使用市售的隔片泵等流体泵，但最好采用使驱动部分等和流体不接触的构造。在图7和图8中表示了希望采取的作为上述流体驱动装置一例的电磁泵。现参照图对此电磁泵25进行说明。在设置在流路内的回转体27上设置多个（例如4个）流体导流用的形状相同的导流叶片28，其内部还埋设磁铁29。由于当驱动件30产生的磁力线回转时，磁铁29也要跟着其回转，故使回转体27回转。在图7中，将上流侧吸入口X设置在比下流 侧排出口Y的更上部。在介质流路和回转体27间设置相对介质流动方向垂直的隔壁31。因此，液体回流管7的介质流路仅通过回转体的回转部分仅使上流侧和下流侧连接。因此，当图8中的回转体27沿反时钟方向回转时，流体在图中从右向左，也即从上流侧向下流侧流动。

根据以上所述，当作为冷却对象的机器运转停止后，通过利用具有流体驱动装置的流体回流管将蒸发器中和冷凝器中的冷却用介质进行混合，使因制冷介质的组成成分的蒸汽压差而使运行中从设计值变化的制冷介质的组成比因此种混合而回复到运行前的组成比例中。因此，能防止制冷介质凝结点（冻结点）的显著上升，能防止让根据制冷介质初期设计的组成会比决定的凝结点显著上升而产生成冻结的现象。

图9表示本发明第四实施例，用保温材料32将液体回流管7和蒸发器3包复起来。并且分别独立设置蒸发器3和流体回流管7。

此外，和图6中符号相同的符号表示同一的部分。

接着对其作用进行说明。使用冻结温度（凝固点）为-20℃的制冷介质23（水∶乙二醇＝65∶35）。使制冷介质23在此状态下脱气。车辆运行中的电气元件1的发热量被传递到混合液23，使混合液的一部分沸腾。由于此时，水一方的蒸汽压力高，对于制冷介质23的组成，当和上述比率比较时，成为在蒸发器一侧的液体中乙二醇存在较多，而冷凝器5一侧的水分存在多，且将此状态维持住。当运行停止，使两侧的液体通过液体回流管7相连通，然而不会迅速混合。为此，由于冷凝器5一侧的液体和上述比率65∶35相比，其水分多，成为在比-20℃高的温度下开始冻结（参看图2）。

然而，由于液体回流管7的部分被用保温材料32保温，使液体回流管7内的高凝固点混合液成为在冷凝器5一侧最迟冻结（凝固）。另一方面，在蒸发器3一侧，由于其一部分和周围的大气相靠 紧，使冻结从此部分（底部）发展，而和气相交界的液相部最后冻结。

图10是表示该实施例的其它例子，仅在液体回流管7的周围配置保温材料32，然而，在此场合，由于蒸汽管可使用只要允许蒸汽通过（其内壁上附着水滴）的小管径管子，使液体回流管7的冻结在冷凝器5侧也成为最后。

图11进一步表示该实施例的另一例子，为了能较迅速使在内壁附着或冷凝的液滴消失，将蒸汽管6和液体回流管7作成倾斜的直管，在液体回流管7上施加保温材料32，在此场合也能将管径做得小。

此外，在上述实施例中，是对电气元件进行浸渍冷却的场合进行了说明，然而，不用说，也同样能适用于散热片冷却方式。此外，在水和酒精那样的系统中，由于在蒸发器一侧使水受到浓缩，在此场合，与冷凝液相比，蒸发器侧的液体的冻结点提高了，然而保温材料的有效性不变。

图12表示本发明第五实施例，蒸发管6和液体回流管7是由能经常满足条件△h/△l为正或负（＞0或＜0）的弯曲管构成。这里，△h为垂直方向的距离差，△l为从蒸发器3一侧朝向冷凝器5一侧的距离差。在蒸发器3上具有保温材料32。

用以上的构造，能防止冷凝液滞留，使管子的一部分堵塞得到防止。此外，由于采用曲管，使与装置有关的设计裕度增大了。

此外，作为本发明第六实施例的一个例子，是在图12的构造中，在蒸发管6和液体回流管7的内壁上涂复由防水性材料构成的涂层33。

用以上的构造，能防止冷凝水停留在管内。

图13-16表示本发明第七实施例，在液体回流管7内设置柔软弹性体34。在此例子中如图13所示使弹性体34沿液体回流管7的全长布置，使作为制冷介质23的乙二醇水溶液充满液体回流管7内 面和弹性体34间的空间内进行回流。此外，在此实施例中，使用软绳状的硅橡胶作为弹性体34。

此外，和图20中符号相同的符号表示同一的部分。

将这样构成的沸腾冷却装置，例如在装载在电车上半导体的场合使用，由于电车在夜间等不使用场合被放置在屋外，此时，半导体不发热，使冷却器等处于和大气相同温度，特别在冬季，外气的温度为零度以下。

在这种场合，例如当使用作为制冷介质时，容易使温度降到冰点以下，因此在0℃冻结。

在上述实施例中，在制冷介质23的循环系统内，制冷介质23充满在蒸发器3和液体回流管7内。由于当在此状态下开始发生冻结，在蒸发器3一侧，其上部呈开放状态，因冻结引起的膨胀发生在开放部，故不会发生因在蒸发器3内部的膨胀而指向容器的应力。

另一方面，对流体回流管7来说，由于管径小，热容量也小，因而较早引起冻结，此外，因液体回流管7较长，具有长至开放部的距离，且使配管在中途弯曲。因此，因冻结而产生膨胀无处释放，故通过让液体回流管7中的由软质硅橡胶构成的绳状弹性体34吸收上述膨胀而收缩，从而吸收在密闭的液体回流管7内发生的应力，使向管壁作用的应力得到减少。

此外，在上述实施例中，是将弹性体作成直线形绳状，然而，也可以是螺旋状或管状。

此外，作为弹性体，只要能在制冷介质发生固相变化的温度时，保持柔软弹性的材料就可以。

此外，在上述实施例中，是表示适用于水作为制冷剂，然而它也一直能适用于在环境或动作中，从液相变化到固相的制冷介质。

此外，在上述实施例中，是对发生气、液相变化的沸腾形冷却装置作了说明，然而并限于此，上述构成对于如果是使用因环境等原因 会发生固相变化的制冷介质的冷却装置，也是适用的。

图17表示本发明第八实施例的一个例子的封入制冷介质的装置，图中，和图21中符号相同的符号表示相当的部分，省略对其说明。

图中，第1脱气槽35用来容纳作为此实施例的沸腾制冷介质23的第1主成分水（H₂O），和对其进行脱气。在第一脱气槽35的外周围设置冷却体37。使第1导入管38从第1脱气槽35的上部引出，在此导入管38上设置第1导入阀39。使第1排气管40从第1脱气槽35的侧面上部引出，在此排气管40上设置第1排气阀41。

和第1脱气槽35并排设置的第2脱气槽42用来容纳作为制冷介质23的第2主成分的乙二醇（C₂H₄（OH₂））43和对其进行脱气。将加热体（44）设置在第2脱气槽（42）的外周部。在从第2脱气槽42的上部引出的第2导入管45上设置第2导入阀46。在从第2脱气槽42的侧面上部引出的第2排气管47上设置第2排气阀48。

将混合槽49配置在第1的第2脱气槽35、42的下方，并安装有搅拌装置9，在此混合槽49内容纳由水36和乙二醇43二个主要成分组成的制冷介质23。在连接第1脱气槽35和混合槽49的第一连接管道50上设置第一连接阀51。在连接第2脱气槽42和混合槽49的第2连接管道52上设置第2连接阀53。从混合槽49的侧面上部引出的第3排气管道54上设置第3排气阀55。

从连接混合槽49和电气装置15的封装用发配管56的中途分支而引出的第4排气管57上设置第4排气阀58。将混合槽侧封入阀59设置在封装用配管56上比排气阀58更靠近混合槽49侧。将电气装置侧封入阀60设置在封入用配管56上的比排气阀58更近电气装置15侧。

接下来对其动作进行说明。首先，在使第1和第2连接阀51、53关闭的状态，分别从第1导管38和第2导管45向第1脱气槽35，和 第2脱气槽42内分别导入一定量的水36和乙二醇43，接下来分别使第1和第2导入阀39和46关闭，使冷却体37和加热体44动作，且使冷却体达到5℃程度和使加热体达到100℃程度，此后分别打开第1和第2排气阀41和48，从第1和第2排气管40、47排出第1第2脱气槽35、42内的气体。就这样使水36和乙二醇43进行脱气。脱气后，关闭第1和第2排气阀41、48。

另一方面，在使混合槽侧封入阀59关闭，第4排气阀58和电气装置侧封入阀60打开状态下，从第4排气管57使电气装置15内气体排出，其次，在打开第3排气阀55和混合槽侧封入阀59，和关闭电气装置侧封入阀60状态下，从第3、第4排气管54、57排出混合槽49内气体。经过这些排气后，使第3排气阀55和混合槽侧封入阀59关闭。

此外，分别打开第1、第2连接阀51、53向混合槽49内分别导入水36和乙二醇43，然后关闭第1、第2连接阀51、53，用搅拌装置9对水36和乙二醇43进行搅拌。据此而混合具有规定组成比的乙二醇水溶液，即制冷介质23。例如得到具有冻结点为-20℃的乙二醇水溶液，如能使体积比为水∶乙二醇＝65∶35就可以。

接下来，在使制冷介质23冷却至接近室温后，关闭第4排气阀58，打开混合槽侧封入阀59和电气装置侧封入阀60，向电气装置15内导入制冷介质23，导入完成后，关闭电气装置侧封入阀60，切断封入用配管56。

在这样的沸腾制冷介质封入装置中，由于在第1脱气槽35对作为沸腾制冷介质23的主成分之一的水，和在第2脱气槽42对作为另一主成分乙二醇43分别进行脱气后，在混合槽49对这些主成分进行混合，故即使把具有不同沸点的两成分的液态混合物作为沸腾制冷介质23使用，也不会产生因脱气引起的组成变化，能充分除去非冷凝性气体。

此外，在上述实施例中，是把水36和乙二醇43作为主成分，形成沸腾制冷介质23进行叙述的，然而并不限于此，此外，也可以是由三个以上主成分组成的制冷介质，进而还可以向其内加添加剂。

此外，在上述实施例中，对使用两个脱气槽35、42的场合进行介绍，但也可以是具备和制冷介质23的成分数相适应的三个以上脱气槽的装置。

此外，也可以用一个脱气槽依次对沸腾制冷介质23的多个成分的每个成分进行脱气，将经过脱气的成分依次导入混合槽49内进行混合。在此场合，有必要使脱气槽同时具备冷却体37和加热体44。

此外，在上述实施例中，通过向各脱气槽35、42内按规定量每次导入各主要成分，使制冷介质23具有规定的组成。然而也不限于此，例如也可以构成分别将各脱气槽35、42作成透明容量，且设置刻度等，使其有可能具有分别每次按规定量放出各成分的功能，据此也能使制冷介质23具有规定的组成比。

此外，在上述实施例中，是把电气装置15作为被封入容器进行描述，但绝不限于此。

从以上说明可以明了，本发明的实施例，通过使蒸发器、冷凝器和液体回流管具有一定的位置关系，在使用水和不冻结液体的混合液为制冷介质的场合，能使基于相变化的浓度变化得到抑制，也能使制冷介质的滞流得到消除。因此，能获得高性能，和不用担心冻结以及无公害的沸腾冷却装置。

此外，本发明的实施例，通过将冷凝液的排出口配置在蒸发器底面当中部分，能使冷凝液迅速返回蒸发器，从而提供能使制冷介质经常处于稳定状态的沸腾冷却装置。

本发明的实施例，由于通过在作为冷却对象的装置运行停止后，能通过具有流体驱动装置的流路使蒸发器和冷凝器中制冷介质进行混合，故使因制冷介质组成成分的蒸汽压差在运转中从设计值变化 的制冷介质的组成比通过混合而回复的运转前的比值，因此，能防止凝固点（冻结点）过度上升，不会发生使凝固点相对由制冷介质初期设计组成比决定的凝固点大幅度上升冻结的现象，从而能防止冷凝器等的破损。

此外，在本发明的实施例，由于是用保温材料包复制冷介质容纳部，因而能防止制冷介质冻结时内压的发生。

在本发明的实施例中，由于将蒸汽管和液体回流管作成一定程度的弯曲管，故除了上述效果外，还能防止管子因冷凝液而封闭，且设计裕度变大。

此外，本发明的实施例，由于在蒸汽管和液体回流管的内面涂复防止性涂层，因此使冷凝水不会在管内滞留。

本发明的实施例，由于在制冷介质的液体回流管内设置弹性体，能使制冷介质冻结时对于管子的应力得到缓和。

此外，本发明的实施例，由于使混合槽和脱气槽连接，在脱气槽内分别按各成分对沸腾制冷介质的各成分进行脱气，然后将脱气的各成分在混合槽进行混合，因此，在即使使用由需要脱气的多个成分组成的沸腾制冷介质的场合，能在不产生组成变化的情况下，充分进行脱气。

此外，本发明的实施例，通过使用乙二醇水溶液作为制冷介质，从而使臭氧层被破坏的问题得到解决。

Claims (11)

1、沸腾冷却装置，使用水和能使水的冻结温度下降的不冷冻液的混合液作为制冷介质，包含让上述制冷介质在其内沸腾吸收被冷却体发热的蒸发器，使在上述蒸发器内产生的制冷介质蒸汽冷凝的冷凝器，使上述冷凝器内的冷凝液返回到上述蒸发器内的液体回流管，其特征在于用上述液体回流管使上述冷凝器底部和上述蒸发器底部或底部近旁连通，而且使上述冷凝器底面位于和上述蒸发器液面等高或更高的位置。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于将上述冷凝器的排出口设置在蒸发器底面中间位置。

3、沸腾冷却装置，所述装置为分别封入被冷却体和冷却被冷却体的冷却介质的系统，可在所述系统内循环由混合两种以上的成分组成的冷却介质，其特征在于该系统还包括当所述制冷介质冻结时控制容器内压力过度上升的机构。

4、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述系统包括容纳被冷却体、使所述制冷介质在其内蒸发、冷却被冷却体的蒸发器，通过蒸汽管和液体回流管和上述蒸发器连通的冷凝器。

5、根据权利要求4所述的装置其特征在于所述控制机构为使上述冷凝器中的制冷介质迅速向蒸发器中传送，或使上述蒸发器中的制冷介质迅速向冷凝器中传送的流体驱动机构。

6、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的控制机构为在容纳上述制冷介质的容纳部外面设置保温材料。

7、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述控制装置为把在蒸发器内发生的蒸汽向冷凝器输送的蒸汽管和液体回流管由能满足△h/△l经常为正或负的条件的弯曲管构成。

8、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述的控制装置为在蒸发管和液体回流管内面形成防水性材料的涂层。

9、根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述控制机构为在充满液态的所述制冷介质的上述配管内配置弹性体，该弹性体在上述制冷介质发生固相变化的温度下仍具有弹性。

10、根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述控制机构包含对由有必要进行脱气的多个液体成分组成的制冷介质分别按上述各成分进行脱气的脱气槽，和与上述脱气槽连接的同时，封入上述制冷介质的容器连接，使在上述脱气槽脱气后的各成分进行混合的混合槽。

11、根据权利要求1至10的任一项权利要求所述的装置，其特征在于所述的制冷介质为乙二醇水溶液。

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