JP2001116474A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒槽３の放熱面積を増大するためのリブ１
３を有する構成で、耐バーンアウト性の向上を図るこ
と。 【解決手段】 冷媒槽３の冷媒室８には、放熱面積の増
大を図るために複数のリブ１３と中間壁部１３Ａとが設
けられている。リブ１３は、冷媒室８の厚み方向に対向
する一方の内壁面８ａと他方の内壁面８ｂとを連結する
第１のリブ１３ａと、一方の内壁面８ａから冷媒室８の
略中央部まで突出する第２のリブ１３ｂとで構成され
る。中間壁部１３Ａは、冷媒室８の厚み方向の略中央部
にリブ１３と一体に設けられ、冷媒室８の左右方向に拡
がって形成されている。但し、隣合う中間壁部１３Ａ同
士の間には隙間Ｓを有している。これにより、放熱量が
増大した時でも、隙間Ｓを介して温度の低い領域Ｂから
温度の高い領域Ａへ安定的に液冷媒が供給され、且つ温
度の高い領域Ａで発生した気泡の一部が温度の低い領域
Ｂへ移動できる。

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
の繰り返しにより熱輸送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、例えば特開平９−１６
７８１８号公報に開示された沸騰冷却装置が公知であ
る。この沸騰冷却装置は、図１１に示すように、押出材
を使用して構成された冷媒槽１００を有し、その冷媒槽
１００の表面に発熱体１１０が取り付けられる。また、
冷媒槽１００の内部には、冷媒槽１００の剛性を高め、
且つ沸騰面積の増大を図るために複数本のリブ１２０が
設けられ、冷媒槽１００の内部を複数の通路状空間部１
３０に区画している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、冷媒槽１００
の一方の表面だけに発熱体１１０を取り付けた場合、リ
ブ１２０の温度は、冷媒槽１００の厚み方向で一方の表
面から他方の表面へ向かって低下する。このため、冷媒
が沸騰を始めるのに必要な温度より低い領域では、リブ
１２０による沸騰面積増大の効果が得られず、逆にリブ
１２０の存在が冷媒流れの妨げとなる場合がある。そこ
で、図１２に示すように、冷媒槽１００の厚み方向で略
中央部に冷媒槽１００の左右方向へ拡がる中間壁部１４
０を設け、この中間壁部１４０によって冷媒槽１００の
内部を温度が高く沸騰の活発な領域Ａと温度が低く沸騰
の活発でない領域Ｂとに区画し、更に沸騰の活発な領域
Ａをリブ１５０によって複数の中空部１６０に区画する
ことで、沸騰の活発な領域Ａのみ効果的に沸騰面積の増
大を図ることができる。

【０００４】ところが、図１２に示す構造では、沸騰の
活発な領域Ａを複数の中空部１６０に区画することで、
各中空部１６０の断面積が小さくなってしまう。この場
合、放熱量が増大して発泡量が増大すると、中空部１６
０を形成する沸騰面が気泡で覆われるため、沸騰面の温
度が急上昇して、所謂バーンアウトを生じる可能性があ
る。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、冷媒槽の放熱面積を増大するためのリブを有
する構成で、耐バーンアウト性の向上を図ることにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）冷媒
槽は、厚み方向の略中央部で冷媒槽の左右方向に拡がる
中間壁部と、厚み方向に対向する両内壁面のうち温度の
高い一方の内壁面と中間壁部とを連結するリブとを有
し、このリブが冷媒槽の左右方向に間隔を開けて複数設
けられ、且つ中間壁部がリブ毎に独立して設けられ、隣
合う中間壁部同士の間に隙間が確保されている。

【０００６】この構成では、冷媒槽の厚み方向で中間壁
部より、冷媒槽内壁面のうち温度の高い一方の内壁面側
の領域にリブを設けているので、より温度の高い領域の
み効果的に放熱面積を増大できる。また、隣合う中間壁
部同士の間に隙間が確保されているので、放熱量が増大
した時でも、前記隙間を介して温度の低い領域（中間壁
部より他方の内壁面側の領域）から温度の高い領域へ安
定的に液冷媒が供給され、且つ温度の高い領域で生じた
気泡の一部が温度の低い領域に移動できるので、気泡分
布がより均一になり、バーンアウトの発生を防止でき
る。

【０００７】（請求項２の手段）複数のリブの一部は、
一方の内壁面と他方の内壁面とを連結している。これに
より、冷媒槽の耐圧性を高めることができる。

【０００８】（請求項３の手段）冷媒槽は、押出成形に
よってリブ及び中間壁部を一体に形成した押出材を使用
して構成されている。この場合、押出材を使用すること
で、リブ及び中間壁部を容易に形成することができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の沸騰冷却装置の実
施例を図面に基づいて説明する。本実施例の沸騰冷却装
置１は、冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによって発熱体２
を冷却するもので、図２及び図３に示すように、内部に
液冷媒を貯留する冷媒槽３と、この冷媒槽３の上部に組
付けられる放熱器４とを備え、一体ろう付けにより製造
される。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、図２に示すよ
うに、ボルト５等により冷媒槽３の一方の表面に密着し
て固定される。

【００１０】冷媒槽３は、押出材６とエンドプレート７
を組み合わせて構成される。押出材６は、アルミニウム
等の熱伝導性に優れる金属材料の押出成形品であり、図
４に示すように、横幅に対して厚み幅が薄い薄型形状に
設けられ、その内部に冷媒室８、液戻り通路９、及び断
熱通路１０を有している。押出材６の上端部は、図４
（ｂ）に示すように、液戻り通路９と断熱通路１０を含
む左右の両端部と冷媒室８を含む中央部とで高低差を有
し、両端部より中央部の方が上方へ突出して設けられ、
且つ中央部は、図４（ｃ）に示すように、その上端面が
傾斜している。なお、以下の説明では、押出材６の上端
面に開口する冷媒室８の上端開口部を蒸気流出口１１と
呼び、押出材６の上端面に開口する液戻り通路９の上端
開口部を液流入口１２と呼ぶ。

【００１１】冷媒室８は、発熱体２の取付け範囲に対応
して設けられ、図４（ｂ）に示すように、押出材６の中
央部に２ヵ所並設されている。また、冷媒室８には、図
１に示すように、複数本のリブ１３と中間壁部１３Ａと
が設けられている。リブ１３は、図１（ｂ）に示すよう
に、冷媒室８の厚み方向（図１の上下方向）に対向する
一方の内壁面８ａと他方の内壁面８ｂとを連結する第１
のリブ１３ａと、一方の内壁面８ａから冷媒室８の略中
央部まで突出する第２のリブ１３ｂとで構成され、それ
ぞれ冷媒室８の長手方向に延設されている。中間壁部１
３Ａは、図１（ｂ）に示すように、冷媒室８の厚み方向
の略中央部に第１のリブ１３ａ及び第２のリブ１３ｂと
一体に設けられ、冷媒室８の左右方向に拡がって形成さ
れている。但し、隣合う中間壁部１３Ａ同士の間には隙
間Ｓを有している。

【００１２】液戻り通路９は、放熱器４で冷却され液化
した凝縮液が流入する通路で、押出材６の両端部に設け
られている。断熱通路１０は、冷媒室８と液戻り通路９
との間を断熱するための通路で、液戻り通路９と冷媒室
８との間に設けられている。

【００１３】エンドプレート７は、例えば押出材６と同
じアルミニウム製で、図５に示すように、左右方向に細
長く、且つ外周縁部７ａより内側部分７ｂが若干突起し
て設けられている。このエンドプレート７は、図６に示
すように、突起している内側部分７ｂを押出材６の下端
開口部内に嵌め込んで、外周縁部７ａを押出材６の外周
下端面に当接させることにより、押出材６の下端開口部
を塞いでいる。このエンドプレート７で塞がれた押出材
６の下端部には、液戻り通路９へ流入した凝縮液を冷媒
室８へ供給するための連通路１４が形成され（図６参
照）、液戻り通路９と冷媒室８及び断熱通路１０とを相
互に連通している。

【００１４】放熱器４は、図３に示すように、放熱フィ
ン１５を介して並設される複数本のチューブ１６と、各
チューブ１６の上部に設けられる上部タンク１７と、各
チューブ１６の下部に設けられる下部タンク１８とで構
成され、下部タンク１８の内部に冷媒流制御板１９（図
２参照）が設置されている。放熱フィン１５は、熱伝導
性に優れる薄い金属板（例えばアルミニウムの薄い板
材）を交互に折り曲げて波状に成形したもので、チュー
ブ１６の表面に接合されている。チューブ１６は、例え
ばアルミニウム製の偏平な管を所定の長さに切断して、
上部タンク１７と下部タンク１８との間に複数本並設さ
れている。

【００１５】チューブ１６の内部には、図７に示すよう
に、インナフィン２０が挿入される。このインナフィン
２０は、熱伝導性に優れる薄い金属板（例えばアルミニ
ウム板）を所定のピッチＰ（図７（ａ）参照）で交互に
折り曲げて波状に成形したもので、チューブ１６内の凝
縮面積を増大させるとともに、チューブ１６内に冷媒循
環路（後述する）を形成する目的で用いられる。このイ
ンナフィン２０は、折り曲げ部（山と谷）の延設方向を
チューブ１６の通路方向（図７（ｂ）の上下方向）に向
けてチューブ１６内に挿入され、且つチューブ１６内の
横幅方向（図７の左右方向）で右側に片寄って配置さ
れ、各折り曲げ部がチューブ１６の内壁面に当接して、
ろう付けされている。

【００１６】これにより、チューブ１６内には、図７に
おいてインナフィン２０の左側に確保される第１の通路
（以後、蒸気通路２１と呼ぶ）と、インナフィン２０の
ピッチ間に形成される複数の第２の通路（以後、凝縮液
通路２２と呼ぶ）とを有し、その蒸気通路２１と凝縮液
通路２２とで上記の冷媒循環路を構成している。なお、
チューブ１６は、放熱フィン１５との接合面である両側
面が、放熱器４に送風される冷却風の流れ方向に沿って
配置されるが、この時、凝縮液通路２２より蒸気通路２
１の方が冷却風の流れ方向下流側に位置するようにチュ
ーブ１６の向きを特定している（図１参照）。

【００１７】上部タンク１７は、浅皿状のコアプレート
１７Ａと深皿状のタンクプレート１７Ｂとを組み合わせ
て構成され、コアプレート１７Ａに開けられている複数
の長孔（図示しない）にそれぞれチューブ１６の上端部
が挿入されて各チューブ１６を連通している。下部タン
ク１８は、浅皿状のコアプレート１８Ａと深皿状のタン
クプレート１８Ｂ（図８参照）とを組み合わせて構成さ
れ、コアプレート１８Ａに開けられている複数の長孔
（図示しない）にそれぞれチューブ１６の下端部が挿入
されて各チューブ１６を連通している。また、下部タン
ク１８は、タンクプレート１８Ｂに開けられている開口
部２３に冷媒槽３（押出材６）の上端部が挿入されて
（図２参照）、冷媒槽３と各チューブ１６とを連通して
いる。

【００１８】なお、タンクプレート１８Ｂは、図８
（ｃ）に示すように、その長手方向から見た側面形状に
おいて、最も低い底面（コアプレート１８Ａが被せられ
る上端開口部と対向する面）に対し傾斜角が大きい傾斜
面１８ａを有し、この傾斜面１８ａに前記開口部２３が
開口している。従って、冷媒槽３は、図２に示すよう
に、下部タンク１８に対し大きく傾斜して組付けられて
いる。但し、冷媒槽３は、下部タンク１８内で蒸気流出
口１１が斜め上方を向くように、発熱体２の取付け面を
下向きにして開口部２３に挿入される（つまり、発熱体
２は、冷媒槽３の下側表面に取り付けられる）。これに
より、下部タンク１８内では、蒸気流出口１１の最下部
の方が液流入口１２の最下部より上方に位置し、全体的
にも蒸気流出口１１の方が液流入口１２より高い位置に
開口している（図３参照）。

【００１９】冷媒流制御板１９は、蒸気流出口１１より
流出した冷媒蒸気をチューブ１６内の蒸気通路２１へ優
先的に流れ込むように導くとともに、チューブ１６内で
液化した凝縮液が蒸気流出口１１へ落下することを防止
するために設置される。この冷媒流制御板１９は、図２
に示すように、下部タンク１８内に挿入される押出材６
の上端部表面に螺子２４等で取り付けられ、チューブ１
６内に形成される凝縮液通路２２の下方に配置される。
但し、冷媒流制御板１９は、押出材６に取り付けた時
に、図２に示す前後方向において、先端側が取付け部側
より若干高くなるように、緩やかに傾斜した状態で取り
付けられることが望ましい。この冷媒流制御板１９の形
状を図９に示す。

【００２０】次に、本実施例の作動を説明する。冷媒室
８に貯留される液冷媒は、発熱体２の熱を受けて沸騰
し、冷媒蒸気となって蒸気流出口１１から下部タンク１
８内へ流出する。蒸気流出口１１から流出した冷媒蒸気
は、図１０に示すように、冷媒流制御板１９に沿って矢
印方向へ流れ、チューブ１６内の主に蒸気通路２１へ流
入する。蒸気通路２１を上昇して上部タンク１７内に流
入した冷媒蒸気の一部は、主に上部タンク１７の内壁面
に凝縮して液化し、残りの冷媒蒸気も凝縮液通路２２内
でインナフィン２０の表面及びチューブ１６の内壁面に
凝縮して液化する。

【００２１】凝縮液通路２２内で液化した凝縮液の多く
は下部タンク１８内へ落下するが、一部の凝縮液は表面
張力によってインナフィン２０の下部に保持され、液溜
まり部２５を形成する（図１０参照）。この液溜まり部
２５は、放熱量が増大した時に、蒸気流出口１１から冷
媒蒸気とともに吹き上げられて上昇してくる液冷媒がイ
ンナフィン２０の下部表面に当たり、表面張力によって
インナフィン２０の下部に捕らえられることでも形成さ
れる。このインナフィン２０の液溜まり部２５に溜まっ
た凝縮液も、蒸気通路２１を上昇する冷媒蒸気の圧力に
押されて液溜まり部２５から下部タンク１８内へ順次落
下する。下部タンク１８の底部に溜まった凝縮液は、液
面が液流入口１２の最下部の高さを超えた時点で液流入
口１２へ流れ込み、液戻り通路９より連通路１４を通っ
て冷媒室８へ還流することができる。

【００２２】（本実施例の効果）本実施例の沸騰冷却装
置１は、冷媒室８の厚み方向の略中央部に中間壁部１３
Ａを設けることで、図１（ｂ）に示すように、冷媒室８
を温度が高く沸騰が活発に行われる領域Ａと温度が低く
沸騰が活発に行われない領域Ｂとに区画し、その沸騰の
活発な領域Ａに第２のリブ１３ｂを設けている。これに
より、発熱体の熱が第２のリブ１３ｂ及び第１のリブ１
３ａを介して中間壁部１３Ａに効率良く伝わり、中間壁
部１３Ａの両面を沸騰面として利用することができるた
め、放熱性能を向上できる。

【００２３】また、隣合う中間壁部１３Ａ同士の間に隙
間Ｓが確保されているので、放熱量が増大した時でも、
前記隙間Ｓを介して温度の低い領域Ｂから温度の高い領
域Ａへ安定的に液冷媒が供給され、且つ温度の高い領域
Ａで生じた気泡の一部が温度の低い領域Ｂに移動できる
ため、気泡分布がより均一になって、沸騰面のバーンア
ウトを防止できる。

【００２４】本実施例では、第２のリブ１３ｂだけでな
く、冷媒室８の一方の内壁面８ａと他方の内壁面８ｂと
を連結する第１のリブ１３ａを有しているので、沸騰面
積の増大と、冷媒槽３の耐圧性向上を実現できる。特
に、冷媒室８の一方の内壁面８ａ側に第２のリブ１３ｂ
を設けているので、発熱体２が取り付けられる冷媒槽表
面の剛性を高めることができ、冷媒槽表面と発熱体２の
放熱面との間の接触熱抵抗を低減できて放熱性能を向上
できる効果を生じる。また、冷媒槽３は、押出材６を使
用することにより、冷媒室８にリブ１３（第１のリブ１
３ａ及び第２のリブ１３ｂ）及び中間壁部１３Ａを容易
に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】冷媒槽の断面図（ａ）と拡大図（ｂ）である。

【図２】沸騰冷却装置の側面図である。

【図３】沸騰冷却装置の正面図である。

【図４】押出材の上面図（ａ）、正面図（ｂ）、側面図
（ｃ）である。

【図５】エンドプレートの側面図（ａ）、平面図
（ｂ）、断面図（ｃ）である。

【図６】エンドプレートの装着状態を示す断面図であ
る。

【図７】インナフィンを挿入したチューブの上面図
（ａ）、正面図（ｂ）である。

【図８】下部タンクの正面図（ａ）、側面図（ｂ）、下
面図（ｃ）である。

【図９】冷媒流制御板の正面図（ａ）、側面図（ｂ）で
ある。

【図１０】冷媒蒸気の流れを示す放熱器の断面図であ
る。

【図１１】冷媒槽の断面図である（従来技術の説明）。

【図１２】冷媒槽の断面図である（従来技術の説明）。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 ２ 発熱体 ３ 冷媒槽 ４ 放熱器 ６ 押出材 ８ 冷媒室 ８ａ 一方の内壁面 ８ｂ 他方の内壁面 １３ リブ １３ａ 第１のリブ（リブ） １３ｂ 第２のリブ（リブ） １３Ａ 中間壁部 Ｓ 隙間

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】厚み幅が薄い偏平形状に設けられ、その厚
   み方向の表面に発熱体が取り付けられ、内部に液冷媒を
   貯留する冷媒槽と、 この冷媒槽で前記発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気
   が流れ込み、その冷媒蒸気の熱を外部流体に放出する放
   熱器とを備えた沸騰冷却装置であって、 前記冷媒槽は、厚み方向の略中央部で前記冷媒槽の左右
   方向に拡がる中間壁部と、厚み方向に対向する両内壁面
   のうち温度の高い一方の内壁面と前記中間壁部とを連結
   するリブとを有し、このリブが前記冷媒槽の左右方向に
   間隔を開けて複数設けられ、且つ前記中間壁部が前記リ
   ブ毎に独立して設けられ、隣合う前記中間壁部同士の間
   に隙間が確保されていることを特徴とする沸騰冷却装
   置。
2. 【請求項２】前記複数のリブの一部は、前記一方の内壁
   面と他方の内壁面とを連結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。
3. 【請求項３】前記冷媒槽は、押出成形によって前記リブ
   及び中間壁部を一体に形成した押出材を使用して構成さ
   れていることを特徴とする請求項１及び２に記載した沸
   騰冷却装置。