JP2003148883A - 純水沸騰冷却装置 - Google Patents

純水沸騰冷却装置

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JP2003148883A JP2001347442A JP2001347442A JP2003148883A JP 2003148883 A JP2003148883 A JP 2003148883A JP 2001347442 A JP2001347442 A JP 2001347442A JP 2001347442 A JP2001347442 A JP 2001347442A JP 2003148883 A JP2003148883 A JP 2003148883A
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Masahiro Tsuruta
正博 鶴田
Tamotsu Tanaka
保 田中
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Mitsubishi Electric Corp
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    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-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
    • 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
    • F28D15/0266Heat-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 with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷却媒体として純水を用いた沸騰冷却装置に
おいて氷点下環境においても良好に使用できる装置を提
供する。 【解決手段】 被冷却物からの熱を受熱し冷却媒体とし
ての純水を液相から気相に変換する液相気相変換部と、
この液相気相変換部と連通し液相から気相に変換された
純水を誘導する気相通路と、この気相通路と連通し気相
に変換された純水からの熱を受熱して該純水を気相から
液相に変換する気相液相変換部と、この気相液相変換部
と連通し気相から液相に変換された純水を液相気相変換
部へ導入する液相通路と、気相液相変換部に設けられ純
水の凍結を防止する加熱部とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は冷却媒体の相変化
を利用して被冷却物を冷却する沸騰冷却装置に関し、特
に冷却媒体として純水を使用する純水沸騰冷却装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、冷却媒体の気相変化を利用して冷
却する沸騰冷却装置の冷却媒体としてフロンが用いられ
てきた。しかしながらフロンは温暖化係数を持っている
ため、沸騰冷却装置から漏れ出した場合に環境の温暖化
を招くという観点から現在は廃止の動きが国際的に進め
られている。フロンに変わって注目を浴びたのは温暖化
係数が0である水で、例えば図4の従来装置では冷却媒
体として純水が使用されている。
【0003】図4において1は被冷却物としての平形半
導体素子、2は平形半導体素子1の発生熱を処理する冷
却ブロック、3は上記熱処理時に発生する気泡、4は平
形半導体素子1及び冷却ブロック2をスタック構成する
締め付けボルト、5は一体構成されたスタック、6は沸
騰冷却装置を構成する密封容器、7は冷却媒体である純
水であって、ここで純水とは高度に精製された水のこと
を言う。8は発生した気泡3の通路である気相パイプ、
9は気相から液相に相変化した純水の通路である液相パ
イプ、10は気泡3が集約した水蒸気、11は気相から
液相に相変化した純水、12は冷却管、13は冷却管1
2に設けられたフィン、14は冷却管12を通過した冷
却風、15は凝縮器である。ここで冷却ブロック2は、
純水を液相から気相に変換する液相気相変換部に相当す
る。
【0004】このように構成された従来の沸騰冷却装置
において、平形半導体素子1には通電することにより熱
が発生する。この熱は平形半導体素子1の陽極面及び陰
極面に配置されている冷却ブロック2に伝達されて、冷
却ブロック2内に充満した純水7を液相から気相である
気泡3に相変化させる。相変化した純水は、水蒸気10
となって気相パイプ8を通過し凝縮器15に導かれる。
これにより凝縮器15内には、水蒸気10が充満する。
ここで凝縮器15を連通する冷却管12においては、そ
の表面に設けられたフィン13により第二次冷却媒体で
ある空気等と熱交換が行われる。その結果、水蒸気10
は冷却管12を通過しながら冷却されて気相から液相に
相変化しする。液相に戻った純水11は、液相パイプ9
を通過して冷却ブロック2に戻り、再び沸騰冷却に供す
る。この連続動作により、平形半導体素子1が好ましく
冷却される。なお、沸騰冷却特性はフロンよりも水の方
が高い性能を有しており、この点からも冷却媒体として
水を用いることが注目されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の沸
騰冷却装置は、フロンに代えて水を冷却媒体として用い
ることを志向している。しかしながら上記の沸騰冷却装
置は、冷却媒体が水であるが故に特有の課題を有する。
即ち、水は氷点下環境では凍結する。ここで例えばイン
バータやチョッパ等の大電力半導体を有する機器の温度
条件は、通常−20〜80℃程度の温度条件が設定され
ている。またこれらの装置は車両等の移動体に適用され
ることもあるが、その動作環境において氷点下環境とな
ることは十分あり得る。また屋外式の沸騰冷却装置にお
いては冷却能力向上のため凝縮器を外気にさらして設置
されることがある。この沸騰冷却装置の動作環境におい
て氷点下環境となることは十分あり得る。
【0006】従って沸騰冷却装置が氷点下環境にある場
合、凝縮器あるいは冷却管において冷却媒体である水が
凍結し、凝縮器の冷却能力の低下あるいは戻り液不足を
招くなどの問題を生じる恐れがあった。
【0007】ところで氷点下環境で冷却媒体である水が
凍結することを防止するために、水に不凍液を混入する
ことも考えられる。しかしながらこの不凍液は、言わば
水に混入された不純物である。従って長期に亘って使用
することにより沸騰冷却装置の凝縮器や冷却管等におい
て不凍液が付着し、冷却能力の低下あるいは戻り液不足
を招く可能性が考えられる。
【0008】この発明は以上のような課題を解決するた
めのものであって、特に冷却媒体として純水を用いた沸
騰冷却装置において氷点下環境においても良好に使用で
きる装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】この発明にかかる純水沸
騰冷却装置は、被冷却物からの熱を受熱し冷却媒体とし
ての純水を液相から気相に変換する液相気相変換部と、
この液相気相変換部と連通し液相から気相に変換された
純水を誘導する気相通路と、この気相通路と連通し気相
に変換された純水からの熱を受熱して該純水を気相から
液相に変換する気相液相変換部と、この気相液相変換部
と連通し気相から液相に変換された純水を液相気相変換
部へ導入する液相通路と、気相液相変換部に設けられ純
水の凍結を防止する加熱部とを備えたものである。
【0010】また、この発明にかかる純水沸騰冷却装置
は、気相液相変換部は気相に変換された純水からの熱を
放散するフィンを備えると共に、加熱部はフィンに対し
て熱的に密着して設けられているものである。
【0011】また、この発明にかかる純水沸騰冷却装置
は、気相液相変換部は内部に加熱部を導入する案内孔を
備えていると共に案内孔は純水の流通通路とは連通して
いないものである。
【0012】また、この発明にかかる純水沸騰冷却装置
は、案内孔中に複数の加熱部を配置可能としたものであ
る。
【0013】
【発明の実施の形態】実施の形態1.図1は実施の形態
1の純水沸騰冷却装置を示す一部拡大断面図である。図
1において純水沸騰冷却装置の下半分の記載を省略して
いるが、この部分については基本的に図4と同様であ
る。なお実施の形態において従来装置と同一の符号を用
いている部分は、従来装置と同一あるいは相当する部分
を示す。図1において、16は平面形をした加熱部とし
てのヒータであって、フィン13の端面(先端部で形成
する面)の形状に合わせて平面形とすることでフィン1
3と良好に密接し、その結果、熱的に密着する。ここで
フィン13は端面が平面状となっている。17はヒータ
16をフィン13に密接配置するためのヒータ押え板で
あって、ヒータ押え板17によって押圧されることによ
りヒータ16がフィン13に対し更に熱的に密着する。
【0014】冷却媒体である純水は、図示しない平形半
導体素子の通電により発生した熱で気泡化し、気相通路
としての気相パイプ8を通過しながら水蒸気10として
凝縮器15に充満する。動作環境が常温時において、水
蒸気10は冷却管12を通過する際に気化熱を奪われ
る。この気化熱は冷却管12に設けられたフィン13を
介し第二次冷却媒体である空気などに放散される。気化
熱を奪われた水蒸気10は気相から液相に変化し純水1
1となる。相変化した純水11は液相通路である液相パ
イプ9を通り、平形半導体素子に近接配置された冷却ブ
ロックに戻り、再び相変化する冷却媒体として循環に寄
与する。なお、冷却管12は冷却媒体としての純水を気
相から液相に変換しており、気相液相変換部として機能
している。
【0015】次に動作環境が氷点下であるときについて
説明する。動作環境が氷点下であるときには凝縮器15
もマイナスの温度となる。このとき凝縮器15に充満し
た水蒸気は、凝縮器15に付着した水蒸気から凍結し始
め氷塊18を形成する。凍結が凝縮器15全体に拡大す
ると冷却媒体の量が低下し、冷却ブロック内での空焚き
等の問題が発生する可能性がある。また冷却管12内で
の水蒸気が凍結して形成される氷塊18は、冷却管12
に設けられたフィン13がマイナス温度の空気(風)に
さらされるため凍結が進行し、冷却管12の通路閉鎖に
発展する可能性がある。また、凍結の更なる進行によ
り、冷却管12の破裂という事故も考えられる。
【0016】そこで純水の凍結を招く恐れがある動作環
境においては、ヒータ16に通電がなされる。ここでヒ
ータ16は、フィン16の1つの端面の略全面に設けら
れており、フィン16を全体的に加熱する。これにより
熱の良導体であるフィン13から冷却管12に高率良く
ヒータ16の熱が与えられ純水の凍結が防止される。
【0017】なお実施の形態1において、ヒータ16は
特にフィン13に接触して設けられている。即ちフィン
は、元来、放熱のために設けられているもので、熱効率
が良く熱放散を効率的に行なえるものである。実施の形
態1では逆発想をし、フィンにヒータを接触することに
よりフィンが持つ良好な熱放散効率を利用して冷却管及
び凝縮器を暖めようとするものである。なお実施の形態
1において熱的に密着しているとは、純水の凍結防止の
効果を得られる程に熱を伝播できるようになっているこ
とを意味する。
【0018】従って実施の形態1によれば、ヒータから
の熱を冷却管及び冷却管を介して凝縮器に与えるように
したので、純水を用いた沸騰冷却装置であっても氷点下
の動作環境においても使用できる。
【0019】また、冷却媒体が純水であるので、万一、
装置外部に流出しても温暖化に寄与することがない。
【0020】また、冷却媒体が純水であるので、不純物
が装置内部に付着して悪影響を与えるということがな
い。
【0021】また実施の形態1によれば、熱の良導体で
あるフィンを介してヒータからの熱を与えるようにした
ので効率が良くこのためヒータを小型化することが出来
る。
【0022】また実施の形態1によれば、フィンの形状
にヒータの形状を合わせるようにしたので、フィンとヒ
ータとが十分接触し熱的に密着することが出来る。
【0023】また実施の形態1によれば、ヒータ押え板
によりヒータをフィンに押圧したので、フィンとヒータ
とが更に良く接触し、更に熱的な密着を向上させること
が出来る。
【0024】実施の形態2.図2は、実施の形態2の純
水沸騰冷却装置を示す一部拡大断面図である。図におい
て19は棒状のヒータ、20はヒータ19を挿入できる
パイプであって、内部に加熱部を導入する案内孔に相当
する。このパイプ20は凝縮器15の蓋21及び22に
密封溶接23、24により取り付けられている。即ち、
パイプ20内部は純水の流通通路とは連通しておらず外
気に接している。なお純水は装置内部に封止されてい
る。
【0025】実施の形態2において、パイプ20内部へ
のヒータ19の脱着は自由に出来る。また、冷却管12
の内部を貫通しているので冷却管12の冷却能力を損な
うことなく構成することが出来る。
【0026】また、パイプ20内部に複数個の棒状のヒ
ータ19を取り付けるようにすることも出来、動作環境
に応じてヒータ19の本数を変更することも出来る。
【0027】なお実施の形態2では案内孔をパイプ20
にて構成し凝縮器を貫通する構成としたが、必ずしも貫
通する必要はない。
【0028】実施の形態3.図3は、実施の形態3の純
水沸騰冷却装置を示す一部拡大断面図である。実施の形
態3は、実施の形態1と実施の形態2とを両立させたも
のである。実施の形態3によれば、特に冷却管の凍結防
止に望ましい実施の形態1と、特に凝縮器全体の凍結防
止に望ましい実施の形態2とを両立させたので、より効
率的に凍結防止する純水沸騰冷却装置を得られる。
【0029】
【発明の効果】以上のようにこの発明にかかる純水沸騰
冷却装置によれば、特に冷却媒体として純水を用いた沸
騰冷却装置において氷点下環境においても良好に使用で
きる装置を提供することができる。
【0030】また、この発明にかかる純水沸騰冷却装置
によれば、加熱部がフィンに対して熱的に密着して設け
られているため、純水沸騰冷却装置を効率よく加熱する
ことが出来る。
【0031】また、この発明にかかる純水沸騰冷却装置
によれば、気相液相変換部が内部に加熱部を導入する案
内孔を備えているので、凝縮器の冷却性能を損なうこと
なく加熱部を設けることが出来る。
【0032】また、この発明にかかる純水沸騰冷却装置
によれば、案内孔に複数の加熱部を配置可能としたこと
により、動作環境に応じて加熱部の数を選択することが
出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施の形態1の純水沸騰冷却装置を示す一部
拡大断面図である。
【図2】 実施の形態2の純水沸騰冷却装置を示す一部
拡大断面図である。
【図3】 実施の形態3の純水沸騰冷却装置を示す一部
拡大断面図である。
【図4】 従来の沸騰冷却装置を示す断面図である。
【符号の説明】
1 平形半導体素子、2 冷却ブロック、3 気泡、4
締め付けボルト、5 スタック、6 密封容器、7
純水、8 気相パイプ、9 液相パイプ、10 水蒸
気、11 純水、12 冷却管、13 フィン、14
冷却風、15 凝縮器、16 ヒータ、17 ヒータ押
え板、18 氷塊、19 ヒータ、20 パイプ、2
1、22 蓋、23、24 密封溶接

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被冷却物からの熱を受熱し冷却媒体とし
    ての純水を液相から気相に変換する液相気相変換部と、
    この液相気相変換部と連通し液相から気相に変換された
    純水を誘導する気相通路と、この気相通路と連通し気相
    に変換された純水からの熱を受熱して該純水を気相から
    液相に変換する気相液相変換部と、この気相液相変換部
    と連通し気相から液相に変換された純水を上記液相気相
    変換部へ導入する液相通路と、上記気相液相変換部に設
    けられ上記純水の凍結を防止する加熱部とを備えたこと
    を特徴とする純水沸騰冷却装置。
  2. 【請求項2】 気相液相変換部は気相に変換された純水
    からの熱を放散するフィンを備えると共に、加熱部は上
    記フィンに対して熱的に密着して設けられていることを
    特徴とする請求項1記載の純水沸騰冷却装置。
  3. 【請求項3】 気相液相変換部は内部に加熱部を導入す
    る案内孔を備えていると共に上記案内孔は純水の流通通
    路とは連通していないことを特徴とする請求項1記載の
    純水沸騰冷却装置。
  4. 【請求項4】 案内孔中に複数の加熱部を配置可能とし
    たことを特徴とする請求項3記載の純水沸騰冷却装置。
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