JP2001330382A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

沸騰冷却装置

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    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 大型化を伴うことなく、沸騰冷却装置5の放
熱性能を向上する。 【解決手段】 沸騰冷却装置5の受熱器16と放熱器1
7は、受熱器16の上部タンク16aと放熱器17の下
部タンク17bとが略同じ高さ位置となるように配さ
れ、且つ装置内部に封入される冷媒が受熱器16の上部
タンク16a及び放熱器17の下部タンク17b内まで
満たされている。この構成によれば、受熱器16で冷媒
が沸騰を開始すると、放熱器17内の冷媒液面が上昇し
て、例えば放熱管17cの下半分〜1/3程度までが液
冷媒で満たされる。この場合、放熱器17は、放熱コア
の下半分〜1/3程度が過冷却器として機能し、内部の
液冷媒を外気との熱交換によって更に冷却することがで
きる。この結果、過冷却された液冷媒が受熱器16へ還
流することで、受熱器16内の冷媒温度が低下するた
め、受熱器16で高温空気から受熱する受熱量が増大
し、放熱性能を向上できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内部に封入された
冷媒の沸騰熱伝達によって高温流体と低温流体との間で
熱交換を行う沸騰冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来より、携帯電話の無線基地局等の様
に、密閉化された筐体の内部を冷却する必要がある時、
筐体の内部に直接外気を取り入れて冷却することができ
ないため、例えば沸騰冷却装置により筐体内部の空気と
外部の空気とを熱交換させて冷却する方法がある。沸騰
冷却装置は、図6に示す様に、筐体100の内部に配さ
れる第1の熱交換器110と筐体100の外部に配され
る第2の熱交換器120とを有し、第1の熱交換器11
0と第2の熱交換器120とをパイプ130によって環
状に連結し、内部に封入された冷媒が第1の熱交換器1
10と第2の熱交換器120とを循環できるように構成
されている。この沸騰冷却装置は、内部に封入されてい
る冷媒が第1の熱交換器110で筐体100内部の高温
空気から受熱して沸騰気化し、蒸気冷媒となって第2の
熱交換器120に流れ込み、第2の熱交換器120で外
気に放熱して凝縮液化する。これにより、筐体100内
部の高温空気から筐体100外部の低温空気へ熱移動が
行われて、筐体100内部の温度上昇が抑制される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記の沸騰冷却装置
は、第1の熱交換器110で冷媒の沸騰が開始される
と、装置内に圧力差が生じて、高圧側の液面が低下し、
低圧側の液面が上昇する。この場合、低圧側である第2
の熱交換器120では、液面が熱交換器120の内部ま
で上昇すると、放熱面積が減少して性能が低下する。こ
のため、従来では、高圧側と低圧側との圧力差(ヘッド
差)による液面上昇を見込んで、第1の熱交換器110
の上部タンク111より第2の熱交換器120の下部タ
ンク121をヘッド差H分だけ高い位置に設けている。
この沸騰冷却装置では、放熱性能の向上を図るために、
上記のヘッド差Hを確保しながら第2の熱交換器120
を大型化すると、必然的に沸騰冷却装置の全高が大きく
なってしまう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、大型化を伴う
ことなく放熱性能の向上を実現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)本発
明の沸騰冷却装置は、高温流体に晒される第1の熱交換
器と、低温流体に晒される第2の熱交換器とを有し、第
1の熱交換器の上部タンクと第2の熱交換器の下部タン
クとが略同じ高さ位置に設けられ、且つ内部に封入され
る液冷媒が上部タンク及び下部タンクの内部まで略満た
されている。この沸騰冷却装置は、第1の熱交換器で高
温流体から受熱して沸騰気化した蒸気冷媒が蒸気管を通
って第2の熱交換器へ流入し、第2の熱交換器で低温流
体に放熱して凝縮した後、液冷媒となって第2の熱交換
器から液戻し管を通って第1の熱交換器へ還流する。こ
の時、第1の熱交換器と第2の熱交換器との圧力差に応
じて、第2の熱交換器内の冷媒液面が上昇し、下部タン
クより上部の放熱コア内まで達する。この放熱コア内ま
で上昇した液冷媒は、低温流体との熱交換によって更に
冷却されて第1の熱交換器に還流する。これにより、第
1の熱交換器内の冷媒温度が低下するため、第1の熱交
換器で高温流体から受熱する受熱量が増大し、その結
果、放熱性能を向上できる。
【0005】
【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はパネルクーラに用いられる沸騰冷
却装置の斜視図、図3はパネルクーラの構造を示す模式
図である。本実施例のパネルクーラ1は、例えば移動無
線電話(携帯電話や自動車電話等)の無線基地局に使用
される。無線基地局は、塵埃や水分等の付着を嫌う電子
機器2(送信器や受信器等)を収容しているため、パネ
ルクーラ1が取り付けられた状態で、電子機器2を収容
する筐体3の内部が略密閉化されている。
【0006】パネルクーラ1は、図3に示すように、筐
体3の一側面を気密に閉塞して取り付けられ、下述のケ
ーシング4、沸騰冷却装置5、内気ファン6、外気ファ
ン7、及びコントローラ8等より構成される。ケーシン
グ4は、仕切板9によって気密に隔てられた高温側伝熱
空間10と低温側伝熱空間11とを形成し、且つ高温側
伝熱空間10と筐体3の内部空間とを連通する内気入口
12と内気出口13および低温側伝熱空間11と筐体3
の外部空間とを連通する外気入口14と外気出口15が
形成されている。
【0007】沸騰冷却装置5は、図1に示すように、高
温側伝熱空間10に配される受熱器16、低温側伝熱空
間11に配される放熱器17、受熱器16と放熱器17
とを気密に連結する2本の連結管18、19等より構成
され、装置内部に所定量の冷媒が封入されている。受熱
器16は、一組のタンク(上部タンク16aと下部タン
ク16b)、両タンク間に並設される複数本の受熱管1
6c、及び受熱管16cの表面に接合される受熱フィン
16dより構成され、受熱管16cと受熱フィン16d
とで本発明の沸騰コアを形成している。放熱器17は、
一組のタンク(上部タンク17aと下部タンク17
b)、両タンク間に並設される複数本の放熱管17c、
及び放熱管17cの表面に接合される放熱フィン17d
より構成され、放熱管17cと放熱フィン17dとで本
発明の放熱コアを形成している。
【0008】受熱器16と放熱器17は、図2に示すよ
うに、受熱器16の上部タンク16aと放熱器17の下
部タンク17bとが略同じ高さ位置となるように配さ
れ、且つ装置内部に封入される冷媒が受熱器16の上部
タンク16a及び放熱器17の下部タンク17b内まで
満たされている。但し、最初から放熱器17の下部タン
ク17b内まで冷媒が満たされていると、受熱器16で
冷媒が沸騰を開始した後、受熱器16と放熱器17との
圧力差によって放熱器17内の冷媒液面が上昇した時
に、放熱管17cの内部まで液冷媒が上昇し、放熱管1
7cの下部が液冷媒で満たされてしまう。この場合、放
熱器17の大きさ(放熱面積)を受熱器16との比較で
選択すると、液面の上昇によって放熱器17の放熱面積
が減少する分だけ、能力不足となる。そこで、本実施例
の放熱器17は、圧力差によって上昇する冷媒液面より
上方に必要な放熱面積を確保できるように、受熱器16
との比較で選択される放熱器17より上下方向の長さ
(高さ)を長くしている。
【0009】2本の連結管18、19は、受熱器16で
高温流体から受熱して沸騰気化した蒸気冷媒を放熱器1
7へ導く蒸気管18と、放熱器17で外気に放熱して凝
縮液化した液冷媒を受熱器16へ戻す液戻し管19とで
構成され、それぞれ仕切板9を気密に貫通して配されて
いる。蒸気管18は、上流端が受熱器16の上部タンク
16aに接続され、下流端が放熱器17の上部タンク1
7aに接続されている。液戻し管19は、上流端が放熱
器17の下部タンク17bに接続され、下流端が受熱器
16の下部タンク16bに接続されている。
【0010】内気ファン6は、ケーシング4内の高温側
伝熱空間10に筐体3の内部空気(高温流体)を流通さ
せて、沸騰冷却装置5の受熱器16に送風する。外気フ
ァン7は、ケーシング4内の低温側伝熱空間11に筐体
3の外部空気(低温流体)を流通させて、沸騰冷却装置
5の放熱器17に送風する。コントローラ8は、例えば
サーミスタ等の温度センサ20により検出した筐体3の
内部温度に基づいて、内気ファン6のモータ6a及び外
気ファン7のモータ7aを通電制御する。なお、温度セ
ンサ20は、図3に示すように、内気入口12に設けら
れ、内気入口12よりケーシング4内の高温側伝熱空間
10へ流入する空気の温度を検出している。
【0011】次に、パネルクーラ1の作動を説明する。
内気ファン6が作動すると、図3に矢印Aで示すよう
に、ケーシング4内の高温側伝熱空間10を流通する空
気流が発生し、筐体3の内部空気が高温側伝熱空間10
を介して循環する。外気ファン7が作動すると、図3に
矢印Bで示すように、ケーシング4内の低温側伝熱空間
11を流通する空気流が発生し、筐体3の外部空気が低
温側伝熱空間11を介して循環する。
【0012】高温側伝熱空間10に配された受熱器16
では、受熱管16c内の液冷媒が高温側伝熱空間10を
流通する高温空気から受熱して沸騰気化し、受熱管16
cから上部タンク16aへ流れ込み、更に上部タンク1
6aから蒸気管18を通って放熱器17の上部タンク1
7aへ流れ込む。低温側伝熱空間11に配された放熱器
17では、上部タンク17aに流れ込んだ蒸気冷媒が各
放熱管17cを下部タンク17bへ向かって流れる際
に、低温側伝熱空間11を流通する外気に放熱して凝縮
する。凝縮した冷媒は、液滴となった後、自重により放
熱管17cの内壁面を伝って下部タンク17bへ滴下す
る。下部タンク17bに集まった凝縮液は、液戻し管1
9を通って受熱器16の下部タンク16bへ流れ込む。
以上の様に、沸騰冷却装置5で上記サイクル(冷媒の沸
騰と凝縮)を繰り返すことにより、電子機器2から発生
した熱が順次外気に放出され、筐体3内部の温度上昇が
抑制される。
【0013】(本実施例の効果)本実施例の沸騰冷却装
置5は、受熱器16で冷媒が沸騰を開始すると、図2に
示すように、放熱器17内の冷媒液面が上昇して、例え
ば放熱管17cの下半分〜1/3程度までが液冷媒で満
たされる。この場合、放熱器17は、放熱コアの下半分
〜1/3程度が過冷却器として機能し、内部の液冷媒を
外気との熱交換によって更に冷却することができる。こ
の結果、過冷却された液冷媒が受熱器16へ還流するこ
とで、受熱器16内の冷媒温度が低下するため、受熱器
16で高温空気から受熱する受熱量が増大し、放熱性能
を向上できる。
【0014】上述した放熱器17は、従来技術で説明し
たヘッド差H(図6参照)に相当する部分を過冷却器と
して使用しているので、沸騰冷却装置5の全高が高くな
ることはない。従って、装置全体を大型化することな
く、放熱性能の向上を図ることができる。なお、上記実
施例では、受熱器16の上部タンク16aと放熱器17
の下部タンク17bを略同じ高さ位置に設定している
が、図4に示すように、放熱器17の下部タンク17b
を受熱器16の上部タンク16aより低い位置に配置し
ても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【0015】(第2実施例)図5は沸騰冷却装置の構成
図である。第1実施例の沸騰冷却装置5は、内気ファン
6、外気ファン7等と共にパネルクーラ1として一体的
に構成しているが、本実施例の沸騰冷却装置5は、図5
に示すように、受熱器16と内気ファン6を有し、筐体
3の内部に設置される室内器5Aと、放熱器17と外気
ファン7を有し、筐体3の外部に設置される室外器5B
とに分離して構成され、蒸気管18と液戻し管19が筐
体3の壁を気密に貫通して受熱器16と放熱器17とを
連結している。
【0016】受熱器16と放熱器17は、第1実施例と
同様に、受熱器16の上部タンク16aと放熱器17の
下部タンク17bとが略同じ高さ位置、あるいは図5に
示すように受熱器16の上部タンク16aより放熱器1
7の下部タンク17bの方が低い位置に配置される。こ
れにより、放熱器17は、放熱コアの下半分〜1/3程
度が過冷却器として機能し、過冷却された液冷媒が放熱
器17から受熱器16に還流して受熱器16内の冷媒温
度が低下するため、受熱器16での受熱量が増大して放
熱性能を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】沸騰冷却装置の斜視図である(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】無線基地局に取り付けられたパネルクーラの概
略図である(第1実施例)。
【図4】沸騰冷却装置の側面図である(変形例)。
【図5】沸騰冷却装置の構成図である(第2実施例)。
【図6】沸騰冷却装置の正面図である(従来技術の説
明)。
【符号の説明】
5 沸騰冷却装置 16 受熱器(第1の熱交換器) 16a 受熱器の上部タンク 17 放熱器(第2の熱交換器) 17b 放熱器の下部タンク 18 蒸気管 19 液戻し管

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内部に封入された冷媒の沸騰熱伝達によっ
    て高温流体と低温流体との間で熱交換を行う沸騰冷却装
    置であって、 前記高温流体に晒されて、高温流体と冷媒との熱交換を
    行う沸騰コアを形成し、この沸騰コアの上部に上部タン
    クを有する第1の熱交換器と、 前記低温流体に晒されて、低温流体と冷媒との熱交換を
    行う放熱コアを形成し、この放熱コアの下部に下部タン
    クを有する第2の熱交換器と、 前記第1の熱交換器で前記高温流体から受熱して沸騰気
    化した蒸気冷媒を前記第2の熱交換器へ導く蒸気管と、 前記第2の熱交換器で前記低温流体に放熱して凝縮液化
    した液冷媒を前記第1の熱交換器へ戻す液戻し管とを有
    し、 前記第1の熱交換器と第2の熱交換器は、 前記蒸気管の上流端が接続される前記第1の熱交換器の
    前記上部タンクと前記液戻し管の上流端が接続される前
    記第2の熱交換器の前記下部タンクとが略同じ高さ位置
    に設けられ、且つ内部に封入される液冷媒が前記上部タ
    ンク及び前記下部タンクの内部まで略満たされているこ
    とを特徴とする沸騰冷却装置。
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