JP2001148453A

JP2001148453A - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP2001148453A
Application number: JP33058399A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Osakabe; 長賀部　　博之
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 1999-11-19
Publication date: 2001-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】熱流束の増大に対応して冷媒室の放熱面積増
大を図ること。【解決手段】冷媒槽３の沸騰通路８には、放熱面積を
増大させる手段としてプレート部材１３が配されてい
る。このプレート部材１３は、熱伝導性に優れる金属部
材（例えばアルミニウム）から成り、幅方向に細長くス
リット状に開口する切欠き部１３ａが複数形成されてい
る。但し、切欠き部１３ａは、プレート部材１３の幅方
向で略中央部から一端側に片寄って形成され、プレート
部材１３の一端面に開口部を有している。このプレート
部材１３は、切欠き部１３ａの開口部を有する一端面側
の辺部が、沸騰通路８を形成する押出材６の内壁面に形
成された溝状の凹部６ａに挿入され、押出材６の厚み方
向に略直立して配されている。これにより、押出材６に
微細なリブ構造を設けなくても、各沸騰通路８の放熱面
積を増大でき、放熱性能の向上を図ることができる。

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】従来より、冷媒槽の内部（冷媒室）にリ
ブを設けることで冷媒室の放熱面積（有効沸騰面積）を
増大させる技術が公知である。しかし、冷媒槽の一方の
表面だけに発熱体を取り付けた場合、リブの温度は、冷
媒槽の厚み方向で一方の表面から他方の表面へ向かって
次第に低下する。このため、冷媒室において冷媒が沸騰
するために必要な温度より低い領域（非沸騰領域）で
は、リブによる放熱面積増大の効果が得られず、逆にリ
ブの存在が冷媒循環時の圧損増大となり、冷媒の循環性
が低下する恐れがあった。

【０００３】そこで、本出願人は、発熱体が取り付けら
れる側の内壁面だけにリブを設置し、リブの先端に隙間
を設けた沸騰冷却装置を提案した（特願平１１−２００
９６６号参照）。この沸騰冷却装置では、リブによる放
熱面積の増大効果を得ることができ、且つリブの左右両
側に形成される空間部がリブ先端の隙間を介して連通す
るため、冷媒蒸気が左右方向に拡散されて、冷媒室での
気泡量分布を均一化できる効果がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先願の沸騰冷
却装置では、熱負荷が増大して熱流束が大きくなると、
冷媒室に設置したリブだけでは充分な放熱面積を確保す
ることができない。特に、冷媒室を押出材で形成すれ
ば、冷媒室の形成と同時にリブを設けることができるた
め、コスト面で有利ではあるが、押出材では、より微細
なリブ構造を設けることが困難であり、大きな熱流束に
対応できない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、熱流束の増大
に対応して冷媒室の放熱面積増大を図ることができる沸
騰冷却装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）冷媒
槽は、押出材を使用して冷媒室を形成し、且つ冷媒室を
介して対向する押出材の両内壁面のうち、少なくとも温
度上昇が大きくなる一方の内壁面に接触して冷媒室に配
される複数のプレート部材を具備し、このプレート部材
には、複数の切欠き部が設けられ、この切欠き部が、押
出材の一方の内壁面に接触するプレート部材の一端面に
開口している。この構成によれば、押出材とは別にプレ
ート部材を使用することにより、そのプレート部材に切
欠き部を複数形成することで、押出成形では困難な放熱
面積の増大を図ることができる。また、温度上昇が大き
い押出材の一方の内壁面に近接して放熱面積を増大でき
るので、プレート部材に切欠き部を設けて放熱面積を増
大させる効果をより大きくできる。

【０００６】（請求項２の手段）請求項１に記載した沸
騰冷却装置において、押出材の一方の内壁面に溝部が設
けられ、この溝部にプレート部材の辺部を挿入すること
で、押出材に対するプレート部材の位置決めを容易に行
うことができる。

【０００７】（請求項３の手段）請求項１及び２に記載
した沸騰冷却装置において、プレート部材は、少なくと
も片面にろう材を有するクラッド材を使用している。こ
の場合、溝部の底面に対して接合面（ろう付け面）とな
るプレート部材端面の平面度が低い場合（端面に凹凸が
ある場合）に、溶融したろう材がプレート部材端面と溝
部底面との間に生じる隙間に流れ込んで、前記隙間をろ
う材が埋めることができる。

【０００８】

【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。図４は沸騰冷却装置１
の側面図、図５は沸騰冷却装置１の正面図である。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４及び図５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。

【０００９】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４に示
すように、冷媒槽３の一方の表面に密着してボルト５等
により固定される。冷媒槽３は、押出材６とエンドプレ
ート７で構成される。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、図６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、
その内部に下述の沸騰通路８、液戻り通路９、及び断熱
通路１０を構成する複数の通路状空間部が形成されてい
る。

【００１０】沸騰通路８は、発熱体２の熱を受けて沸騰
した冷媒蒸気（気泡）が流出する通路で本発明の冷媒室
を構成し、発熱体２の取付け範囲に対応して複数本形成
されている。また、各沸騰通路８には、それぞれ下述の
プレート部材１３が挿入されている。液戻り通路９は、
放熱器４で冷却されて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、沸騰通路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と沸騰通路８との間に設けられて
いる。

【００１１】押出材６の上端部は、図６（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
と複数の沸騰通路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６（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
口する各沸騰通路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。

【００１２】前記のプレート部材１３は、アルミニウム
等の熱伝導性に優れる金属板の少なくとも片面にろう材
層を設けたクラッド材であり、図３に示すように、一定
の厚みｔで細長い板状に設けられ、長手方向に複数の切
欠き部１３ａが略等間隔に設けられている。この切欠き
部１３ａは、例えばプレス加工あるいは切削加工等によ
って形成され、図３に示すように、プレート部材１３の
略中央部から一端側に設けられて、プレート部材１３の
幅方向（図３の上下方向）に長い矩形状に切り取られ、
プレート部材１３の一端面に開口している。

【００１３】このプレート部材１３は、図１及び２に示
すように、幅方向の一端側辺部が、沸騰通路８を形成す
る押出材６の内壁面６Ａ（但し、発熱体２が取り付けら
れる側の内壁面６Ａ）に形成された溝部６ａに挿入され
て、押出材６の厚み方向（図２の上下方向）に略直立し
て配されている。但し、押出材６の厚み方向におけるプ
レート部材１３の高さは、沸騰通路８の略中程まで達し
ている。

【００１４】エンドプレート７は、押出材６と同じアル
ミニウム製で、図７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８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。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沸騰通路８へ還
流させるための連通路１４が形成され（図８参照）、こ
の連通路１４を介して液戻り通路９と沸騰通路８及び断
熱通路１０とが相互に連通している。

【００１５】放熱器４は、図５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
４参照）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製の薄い板
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。

【００１６】チューブ１６の内部には、図９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、アルミニウム等の熱伝導性に優れる薄い金属板
を所定のピッチＰ（図９（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９（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９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。

【００１７】これにより、チューブ１６内には、図９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４参照）。

【００１８】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１０参照）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４参照）、冷媒槽３と各チューブ１６とを連通して
いる。

【００１９】なお、タンクプレート１８Ｂは、図１０
（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４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５参照）。

【００２０】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４
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４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１１に示す。

【００２１】次に、本実施例の作動を説明する。沸騰通
路８に貯留されている液冷媒は、発熱体２の熱が押出材
６の内壁面６Ａ及びプレート部材１３の表面から伝わっ
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１８内へ流出する。蒸気流出口１１から流出した冷
媒蒸気は、図１２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２
１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は、上部タンク１７の内部で拡散
され、より均一化されて凝縮液通路２２内に流入し、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。

【００２２】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１２参照）。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、及び断熱通路１０よ
り連通路１４を通って各沸騰通路８へ還流する。

【００２３】（本実施例の効果）本実施例では、押出材
６の内壁面６Ａに接触して熱伝導性に優れるプレート部
材１３を配置し、そのプレート部材１３に複数の切欠き
部１３ａを形成することにより、押出材６に微細なリブ
構造を設けなくても、各沸騰通路８の放熱面積を増大で
きる。その結果、熱負荷が増大して熱流束が大きくなっ
た時でも過熱度を低減でき、沸騰面のドライアウトを防
止して放熱性能を向上できる。特に、プレート部材１３
は、図１に示したように、切欠き部１３ａの開口部を押
出材６の内壁面６Ａ側へ向けて配置しているので、発熱
体２の熱を受けて温度上昇する押出材６の内壁面６Ａに
近接して放熱面積を増大させることができる。

【００２４】また、プレート部材１３をプレス加工によ
って製作すると、端面の平面度が低いため、ろう付け面
となるプレート部材１３の端面と押出材６の溝部６ａの
底面との間に隙間を生じることがある。この場合、プレ
ート部材１３としてクラッド材を使用すると、そのクラ
ッド材のろう材がろう付け工程で溶融し、プレート部材
１３の端面と溝部６ａの底面との間に生じる隙間に流れ
込み、その隙間をろう材が埋めることにより、押出材６
とプレート部材１３との密着性が確保されて、接触熱抵
抗を低減できる。

【００２５】（第２実施例）図１３（ａ）はプレート部
材１３の平面図、（ｂ）は長手方向から見たプレート部
材１３の端面図である。本実施例は、プレート部材１３
に位置決め用の突出部１３ｂを一体に設けた一例であ
る。プレート部材１３は、図１３（ａ）に示すように、
幅方向の他端面から切欠き部１３ａと反対側へ矩形状に
突出する突出部１３ｂを有し、この突出部１３ｂが長手
方向に複数箇所設けられている。このプレート部材１３
は、図１４に示すように、切欠き部１３ａの開口部を有
する一端側辺部が押出材６の一方の内壁面６Ａに形成さ
れた溝部６ａに挿入され、且つ前記突出部１３ｂの先端
部が押出材６の他方の内壁面６Ａに形成された溝部６ｂ
に挿入されることにより、プレート部材１３の幅方向の
両端部で位置決めでき、沸騰通路８内でのプレート部材
１３のがたつきを防止できる。なお、プレート部材１３
の突出部１３ｂは、図１３に示した矩形状である必要は
なく、例えば図１５に示すように、山型形状でも良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】図２に示す冷媒槽の断面図（Ａ−Ａ断面）であ
る。

【図２】沸騰通路部の拡大断面図（ａ）と冷媒槽の横断
面図（ｂ）である。

【図３】プレート部材の平面図（ａ）と長手方向端面図
（ｂ）である。

【図４】沸騰冷却装置の側面図である。

【図５】沸騰冷却装置の正面図である。

【図６】押出材の上面図（ａ）、正面図（ｂ）、側面図
（ｃ）である。

【図７】エンドプレートの側面図（ａ）、平面図
（ｂ）、断面図（ｃ）である。

【図８】エンドプレートの装着状態を示す断面図であ
る。

【図９】インナフィンを挿入したチューブの上面図
（ａ）と正面図（ｂ）である。

【図１０】下部タンクの正面図（ａ）、側面図（ｂ）、
下面図（ｃ）である。

【図１１】冷媒流制御板の正面図（ａ）と側面図（ｂ）
である。

【図１２】冷媒蒸気の流れを示す放熱器の断面図であ
る。

【図１３】プレート部材の平面図（ａ）と長手方向端面
図（ｂ）である（第２実施例）。

【図１４】プレート部材の装着状態を示す断面図（ａ）
と拡大図（ｂ）である。

【図１５】プレート部材の平面図である（第２実施
例）。

【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６Ａ押出材の内壁面６ａ押出材の溝部８沸騰通路（冷媒室）１３プレート部材１３ａ切欠き部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に液冷媒を貯留する冷媒室を形成し、
この冷媒室の外側面に発熱体が取り付けられる冷媒槽
と、前記冷媒室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において、前記冷媒槽は、押出材を使用して前記冷媒室を形成し、
且つ前記冷媒室を介して対向する前記押出材の両内壁面
のうち、少なくとも温度上昇が大きくなる一方の内壁面
に接触して前記冷媒室に配される複数のプレート部材を
具備し、このプレート部材は、熱伝導性に優れる金属製で、複数
の切欠き部が設けられ、この切欠き部が、前記押出材の
一方の内壁面に接触する前記プレート部材の一端面に開
口していることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】請求項１に記載した沸騰冷却装置におい
て、前記押出材の内壁面に溝部が設けられ、この溝部に前記
プレート部材の辺部を挿入して前記プレート部材を位置
決めしていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項３】請求項１及び２に記載した沸騰冷却装置に
おいて、前記プレート部材は、少なくとも片面にろう材を有する
クラッド材を使用していることを特徴とする沸騰冷却装
置。