JP2000065454A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断熱通路１２から還流通路２２を通って冷媒
室１０へ気泡（冷媒蒸気）が逆流することを阻止して、
放熱性能の低下を防止すること。 【解決手段】 冷媒槽３は、内部に冷媒室１０、液戻り
通路１１、断熱通路１２、及び還流通路２２を有する。
冷媒室１０は、液冷媒の沸騰領域を形成するもので複数
の通路状に区画されている。液戻り通路１１は、凝縮液
が流れ込むための通路で冷媒槽３の片側に設けられてい
る。断熱通路１２は、冷媒室１０と液戻り通路１１との
間に形成されている。還流通路２２は、液戻り通路１１
へ流入した凝縮液を冷媒室１０へ供給する通路である。
また、断熱通路１２の下端開口面には、断熱通路１２内
で気化した冷媒蒸気（気泡）が還流通路２２へ流れ出る
ことを防止する蒸気逆流阻止板４０が配設され、その蒸
気逆流阻止板４０には、液冷媒が通過できる小孔が形成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、冷媒の沸騰と凝縮
の繰り返しによる熱輸送によって発熱体を冷却する沸騰
冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、特開平９−２０５１６
７号公報に記載された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷
却装置は、図１３に示すように、冷媒槽１００内に断熱
通路１１０が設けられている。この断熱通路１１０は、
冷媒の沸騰領域を形成する冷媒室１２０と、放熱器（図
示しない）で液化した凝縮液が流れ込む液戻り通路１３
０との間に設けられ、発熱体の熱が液戻り通路１３０内
の液冷媒に伝わるのを抑制するものである。この断熱通
路１１０を設けることにより、液戻り通路１３０内での
冷媒の沸騰を防止でき、放熱器から液戻り通路１３０に
流入した凝縮液を安定的に冷媒室１２０へ供給すること
ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、発熱量が増
大すると、断熱通路１１０内で発生した気泡の一部が還
流通路１４０を通って冷媒室１２０へ流れ込む（逆流す
る）ことがある。これにより、冷媒室１２０の沸騰面が
より多くの気泡で満たされると、放熱性能が低下すると
いう問題があった。本発明は、上記事情に基づいて成さ
れたもので、その目的は、断熱通路から還流通路を通っ
て冷媒室へ気泡（冷媒蒸気）が逆流することを阻止し
て、放熱性能の低下を防止できる沸騰冷却装置を提供す
ることにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）冷媒
槽は、貯留された液冷媒が発熱体の熱を受けて沸騰する
沸騰領域を形成する冷媒室と、放熱器で液化した凝縮液
が流れ込む液戻り通路と、冷媒室と液戻り通路との間に
設けられた断熱通路と、冷媒室と液戻り通路と断熱通路
とを互いの下端部で連通する還流通路とを有し、且つ断
熱通路と還流通路との連通部に断熱通路から還流通路へ
冷媒蒸気が逆流することを防止する蒸気逆流阻止板が設
けられている。この構成によれば、断熱通路内で発生し
た気泡（冷媒蒸気）が還流通路を通って冷媒室へ流れ込
むことを防止できる。これにより、冷媒室の沸騰面が多
くの気泡で満たされることを抑制でき、放熱性能の低下
を防止できる。

【０００５】（請求項２の手段）蒸気逆流阻止板は、液
冷媒が通過できる小孔を有している。この蒸気逆流阻止
板により、冷媒蒸気が還流通路を通って冷媒室へ流れ込
むことを防止でき、且つ断熱通路から還流通路へ液冷媒
が流入できるため、断熱通路内に常に低温の凝縮液が供
給されるので、安定した断熱効果を確保できる。なお、
還流通路から断熱通路へ液冷媒が流入しても同様の効果
が得られる。

【０００６】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。 （第１実施例）図１は沸騰冷却装置１の正面図、図２は
沸騰冷却装置１の側面図である。沸騰冷却装置１は、冷
媒の沸騰及び凝縮作用を利用して発熱体２を冷却するも
ので、図１及び図２に示すように、内部に液冷媒を溜め
る冷媒槽３と、この冷媒槽３の上部に設けられる放熱器
４とを備える。発熱体２は、例えば電気自動車のインバ
ータ回路を構成するＩＧＢＴモジュールであり、複数本
のボルト６を締め付けて冷媒槽３の両表面に密着して固
定される。

【０００７】冷媒槽３は、アルミニウム等の熱伝導性に
優れる金属材料より押し出し成形された押出成形品７
と、この押出成形品７の下端部に被せられるエンドカッ
プ９とから成り、内部に冷媒室１０、液戻り通路１１、
断熱通路１２、及び還流通路２２を有する。押出成形品
７は、図３（押出成形品７を下側から見た平面図）に示
すように、横幅に対して厚みが薄い偏平形状に設けら
れ、内部に冷媒室１０、液戻り通路１１、及び断熱通路
１２を形成する複数の貫通孔を有している。エンドカッ
プ９は、例えば押出成形品７と同じアルミニウム製で、
ろう付け等により押出成形品７の下端部に接合され、押
出成形品７の下端側を閉塞している。但し、エンドカッ
プ９の内側は、図４に示すように、押出成形品７の下端
面との間に空間が確保されている。

【０００８】冷媒室１０は、内部に貯留する液冷媒が発
熱体２の熱を受けて沸騰する沸騰領域を形成するもの
で、複数の通路状に区画されている。液戻り通路１１
は、放熱器４で凝縮した凝縮液が流れ込むための通路
で、冷媒槽３の片側に設けられている。断熱通路１２
は、発熱体２の熱が液戻り通路１１内の冷媒に伝わるこ
とを抑制するもので、冷媒室１０と液戻り通路１１との
間に形成されている。還流通路２２は、放熱器４から液
戻り通路１１へ流入した凝縮液を冷媒室１０及び断熱通
路１２へ供給するための通路で、エンドカップ９の内側
空間によって形成され、冷媒槽３の下端部で液戻り通路
１１と断熱通路１２と冷媒室１０とを連通している。

【０００９】また、断熱通路１２の下端開口面（断熱通
路１２と還流通路２２との連通部）には、図５に示すよ
うに、断熱通路１２内で気化した冷媒蒸気（気泡）が断
熱通路１２から還流通路２２へ流れ出ることを防止する
蒸気逆流阻止板４０が配設されている。但し、蒸気逆流
阻止板４０は、冷媒蒸気の逆流を阻止するだけでなく、
図３に示すように、液冷媒が通過できる小孔４０ａを有
している。つまり、蒸気逆流阻止板４０は、冷媒蒸気の
逆流を阻止し、且つ液冷媒が通過できる構成であれば良
く、例えば、多孔状、メッシュ状、金網状等に設けても
良い。

【００１０】放熱器４は、所謂ドロンカップタイプの熱
交換器で、連結管１９、放熱管２３、及び放熱フィン２
９（図２参照）より構成される。連結管１９は、冷媒槽
３との連結部であり、冷媒槽３の上端部に組み付けられ
ている。この連結管１９は、プレス成形された２枚の成
形プレートを互いの外周縁部で接合して形成され、長手
方向（図１の左右方向）の両端部に円形の連通口２５が
開口している。連結管１９の内部には、仕切り板４１が
配され、この仕切り板４１によって冷媒槽３の冷媒室１
０と連通する第１の連通室（図１では仕切り板４１より
右側）と、冷媒槽３の液戻り通路１１及び断熱通路１２
と連通する第２の連通室（図１では仕切り板４１より左
側）とに仕切られている。また、第１の連通室には、例
えばアルミニウム製のインナフィン４２が挿入されてい
る。

【００１１】放熱管２３は、プレス成形された２枚の成
形プレートを互いの外周縁部で接合して偏平な中空管に
形成され、長手方向（図１の左右方向）の両端部に円形
の連通口２５が開口している。また、連結管１９の内部
には、例えばアルミニウム製のインナフィン４３（図２
参照）が挿入されている。各放熱管２３は、図２及び図
６に示すように、連結管１９の両側にそれぞれ複数個ず
つ積み重ねられ、互いの連通口２５を通じて相互に連通
している。なお、この放熱管２３は、図１に示すよう
に、若干傾斜した状態で連結管１９に組み付けられてい
る。放熱フィン２９は、熱伝導性に優れる薄い金属板
（例えばアルミニウム板）を交互に折り曲げて波状に成
形され、連結管１９と放熱管２３との間、及び積層され
た各放熱管２３の間に介在され、連結管１９及び放熱管
２３の表面にろう付け等により接合されている。

【００１２】次に、本実施例の作動を説明する。発熱体
２から発生した熱が冷媒室１０に貯留されている液冷媒
に伝達されて液冷媒が沸騰する。沸騰した冷媒は、図６
に矢印Ｒで示すように、蒸気となって冷媒室１０内を上
昇し、冷媒室１０から連結管１９の第１の連通室を通っ
て各放熱管２３へ流入する。放熱管２３へ流入した冷媒
蒸気は、放熱管２３を流れる際に外気との熱交換によっ
て冷却され、潜熱を放出して放熱管２３の内壁面に凝縮
する。この冷媒蒸気が凝縮する際に放出された潜熱は、
放熱管２３の壁面から放熱フィン２９へ伝達され、その
放熱フィン２９を通じて外気に放出される。放熱管２３
内で凝縮して液滴となった凝縮液は、放熱管２３内を傾
斜方向（図１の右側から左側へ）に流れ、連結管１９の
第２の連通室を通って冷媒室１０の液戻り通路１１及び
断熱通路１２へ滴下した後、液戻り通路１１から還流通
路２２を通って冷媒室１０へ供給される。なお、放熱器
４側から断熱通路１２へ充分な凝縮液が供給されない時
は、還流通路２２より断熱通路１２へ凝縮液が供給され
る。

【００１３】（第１実施例の効果）本実施例の沸騰冷却
装置１は、発熱体２から発生した熱が液戻り通路１１内
の冷媒へ伝達されるまでの伝熱経路において、冷媒室１
０と液戻り通路１１との間に設けた断熱通路１２が熱抵
抗として機能する。つまり、発熱体２の熱が液戻り通路
１１内の液冷媒へ伝達されることを抑制する。また、上
記の伝熱経路を移動する熱は、その多くが断熱通路１２
内の冷媒に吸収され、蒸気となって放熱器４内へ戻さ
れ、凝縮液化される。以上の結果、断熱通路１２を有し
ていない従来装置と比較すると、発熱体２の熱が液戻り
通路１１内の液冷媒へ伝わる熱量が大幅に低減されるた
め、液戻り通路１１内での冷媒の沸騰を防止でき、冷媒
槽３と放熱器４との間で良好に冷媒を循環させることが
できる。

【００１４】更に、本実施例では、断熱通路１２の下端
開口面に蒸気逆流阻止板４０を設けているため、断熱通
路１２内で沸騰した冷媒蒸気（気泡）が断熱通路１２か
ら還流通路２２へ流れ出ることを阻止して放熱器４側へ
戻すことができる。その結果、断熱通路１２内で発生し
た気泡が冷媒室１０へ流れ込むことを防止でき、発熱体
２の発熱量が増大しても放熱性能が低下することはな
く、所望の放熱性能を確保できる。特に、気泡の逆流に
よる影響（発熱体２の取付け面温度の上昇）は、断熱通
路１２の近くに固定される発熱体２ほど大きく（つま
り、断熱通路１２内の気泡が冷媒室１０へ流れ込むと、
図７に示すように、断熱通路１２に近い発熱体２の取付
け面温度が上昇しやすくなる）、断熱通路１２に近い方
の取付け面温度が急上昇する（バーンアウト）ことを防
止できる。

【００１５】（第２実施例）図８は冷媒槽３の縦断面図
である。本実施例の沸騰冷却装置１は、図９に示すよう
に、冷媒槽３の上部側面に放熱器４を接続して構成され
ている。冷媒槽３は、縦長で薄幅に設けられた押出成形
品７と、この押出成形品７の上下両端の開口面を塞ぐ一
対のエンドカップ８、９とから成る。押出成形品７は、
縦長で薄幅に設けられ、図１０（図８のＡ−Ａ断面図）
に示すように、支柱部１４、１５、１６、１７によって
区画された複数の貫通孔が設けられ、これらの貫通孔が
冷媒室１０、液戻り通路１１、断熱通路１２を形成して
いる。

【００１６】押出成形品７の一方の壁面（本実施例では
発熱体２が取り付けられる側の壁面）には、図８に示す
ように、放熱器４が接続される領域（破線Ｂで示す領
域）に冷媒蒸気が流出する流出口２０と凝縮液が流入す
る流入口２１とが開けられている。なお、流出口２０
は、図８に示すように、押出成形品７の各支柱部１４、
１５、１６の上部を放熱器４が接続される領域より短く
することで、冷媒室１０及び断熱通路１２に通じてい
る。また、流入口２１は、液戻り通路１１に開口し、押
出成形品７の支柱部１７によって冷媒室１０及び断熱通
路１２との間が遮断されている。エンドカップ８、９
は、押出成形品７の両端開口部に被せられて、一体ろう
付けにより接合されている。但し、上端側のエンドカッ
プ８は、押出成形品７の上端開口面を閉塞した状態で接
合されているが、下端側のエンドカップ９は、押出成形
品７の下端面との間に還流通路２２が形成されている。
また、断熱通路１２の下端開口面（断熱通路１２と還流
通路２２との連通部）には、第１実施例と同様に、小孔
４０ａを有する蒸気逆流阻止板４０が配設されている
（図８参照）。

【００１７】放熱器４は、図９に示すように、中空状の
放熱管２３を放熱フィン２９（図１１参照）と共に複数
積層して構成され、接続プレート１９（第１実施例の連
結管１９に相当するため同一符号とする）を介して冷媒
槽３に取り付けられている。放熱管２３は、図１１（図
９のＣ−Ｃ断面図）に示すように、２枚の成形プレート
２４の外周縁部を接合して中空体に形成されている。２
枚の成形プレート２４は、熱伝導性の良好な金属材（例
えばアルミニウム材）をプレス成形して同一形状に設け
られ、両端部に連通口２５が開けられている。放熱管２
３の内部には、アルミニウム製のインナフィン２７が挿
入されている。積層された各放熱管２３は、互いの連通
口２５を通じて相互に連通している。放熱フィン２９
は、図１１に示すように、積層された各放熱管２３の間
に介在され、放熱管２３の表面にろう付け等により接合
されている。

【００１８】接続プレート１９は、押出成形品７に形成
された流入口２１と流出口２０とを覆って押出成形品７
の壁面に気密に接合され、その押出成形品７の壁面との
間に、流出口２０と連通する一方の連通室３０と、流入
口２１と連通する他方の連通室３１とを形成している。
また、接続プレート１９の両端部には、成形プレート２
４と同様の連通口２５が開けられており、この連通口２
５を通じて各連通室３０、３１と各放熱管２３とが連通
している。

【００１９】次に、本実施例の作用を説明する。冷媒室
１０で発熱体２の熱を受けて沸騰気化した冷媒蒸気は、
冷媒室１０を上昇して流出口２０から主に一方の連通室
３０内へ流入した後、その一方の連通室３０から各放熱
管２３へ分配されて各放熱管２３内を流れる。放熱管２
３を流れる冷媒蒸気は、外気との熱交換によって冷却さ
れ、潜熱を放出して放熱管２３の内壁面に凝縮する。こ
の冷媒蒸気が凝縮する際に放出された潜熱は、放熱管２
３の壁面から放熱フィン２９へ伝達され、その放熱フィ
ン２９を通じて外気に放出される。

【００２０】放熱管２３内で凝縮して液滴となった凝縮
液は、放熱管２３内を流れた後、他方の連通室３１内へ
流入する。他方の連通室３１内に溜まった凝縮液は、流
入口２１から液戻り通路１１に流入し、エンドカップ９
内の還流通路２２を通って冷媒室１０及び断熱通路１２
に供給される。本実施例においても、断熱通路１２の下
端開口面に蒸気逆流阻止板４０を設けているため、断熱
通路１２内で沸騰した冷媒蒸気（気泡）が断熱通路１２
から還流通路２２へ流れ出ることを阻止できる。その結
果、断熱通路１２内で発生した気泡が冷媒室１０へ流れ
込むことを防止でき、発熱体２の発熱量が増大しても放
熱性能が低下することはなく、所望の放熱性能を確保で
きる。

【００２１】（第３実施例）図１２は冷媒槽３の縦断面
図である。本実施例は、第２実施例に示した冷媒槽３と
構成が若干異なるもので、具体的には、断熱通路１２と
冷媒室１０との間を仕切る支柱部１５を押出成形品７の
上端面まで延ばし、断熱通路１２と液戻り通路１１との
間を仕切る支柱部１７を短くしている。この構成でも、
断熱通路１２の下端開口面に蒸気逆流阻止板４０を設け
ているため、断熱通路１２内で沸騰した冷媒蒸気（気
泡）が断熱通路１２から還流通路２２へ流れ出ることを
阻止でき、発熱体２の発熱量が増大しても放熱性能が低
下することはなく、所望の放熱性能を確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】沸騰冷却装置の正面図である（第１実施例）。

【図２】沸騰冷却装置の側面図である（第１実施例）。

【図３】押出成形品の下面図である。

【図４】エンドカップの断面図である。

【図５】冷媒槽の要部断面図である。

【図６】沸騰冷却装置の斜視図である。

【図７】放熱量と取付け面温度との関係を示すグラフで
ある。

【図８】冷媒槽の縦断面図である（第２実施例）。

【図９】沸騰冷却装置の側面図である（第２実施例）。

【図１０】図８のＡ−Ａ断面図である（第２実施例）。

【図１１】図９のＣ−Ｃ断面図である（第２実施例）。

【図１２】冷媒槽の縦断面図である（第３実施例）。

【図１３】冷媒槽の縦断面図である（従来技術）。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 ２ 発熱体 ３ 冷媒槽 ４ 放熱器 １０ 冷媒室 １１ 液戻り通路 １２ 断熱通路 ２２ 還流通路 ４０ 蒸気逆流阻止板 ４０ａ 小孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に液冷媒を貯留する冷媒槽と、 この冷媒槽で発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外
   部流体との熱交換によって凝縮液化させる放熱器とを備
   え、 冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによる熱輸送によって前記
   発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、 前記冷媒槽は、貯留された液冷媒が前記発熱体の熱を受
   けて沸騰する沸騰領域を形成する冷媒室と、前記放熱器
   で液化した凝縮液が流れ込む液戻り通路と、前記冷媒室
   と前記液戻り通路との間に設けられた断熱通路と、前記
   冷媒室と前記液戻り通路と前記断熱通路とを互いの下端
   部で連通する還流通路とを有し、且つ前記断熱通路と前
   記還流通路との連通部に前記断熱通路から前記還流通路
   へ冷媒蒸気が逆流することを防止する蒸気逆流阻止板が
   設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 【請求項２】前記蒸気逆流阻止板は、液冷媒が通過でき
   る小孔を有していることを特徴とする請求項１に記載し
   た沸騰冷却装置。