JP2009135142A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な冷媒循環を維持できる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明の沸騰冷却装置１は、発熱体Ｚが取り付けられ内部に冷媒を有する受熱部２１と、受熱部２１に連通し、発熱体Ｚの熱によって沸騰した冷媒を凝縮させる凝縮部２２と、受熱部２１および凝縮部２２に連通し、凝縮部２２で凝縮された冷媒が流入するとともに受熱部２１へ冷媒を供給する冷媒環流部２３と、を備える沸騰冷却装置であって、凝縮部２２の内底面２２ｂは、重力により冷媒を冷媒環流部２３へ誘導する誘導部を備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、冷媒を用いた沸騰冷却装置に関するものである。

沸騰冷却装置は、冷媒の自然対流を利用して発熱体を冷却する装置である。例えば、特開２００３−４２６７２号公報（特許文献１）に開示された沸騰冷却装置では、内部に冷媒を貯留し一方表面に発熱体が取り付けられる冷媒容器と、冷媒容器の他方表面に組付けられた放熱部とを備えている。さらに、この沸騰冷却装置は、冷媒容器内を発熱体側流路と放熱部側流路とに仕切る障壁部を備えている。沸騰冷却装置は、冷媒容器の両表面が直立した状態で使用されることを前提として、良好な冷媒循環を実現している。
特開２００３−４２６７２号公報

しかしながら、上記の沸騰冷却装置は、放熱部で凝縮された冷媒（凝縮液）が重力により放熱部の底面に溜まり、冷媒循環が滞ってしまう虞がある。

また、実際には、あらゆる機器や装置に搭載されるため、沸騰冷却装置が常に直立した状態であるとは限らない。特に、車両に搭載された場合、例えば車両が坂道上にあるときなど、沸騰冷却装置は、長時間、直立状態から傾いた状態となりやすい。この場合、上記沸騰冷却装置では、良好な冷媒循環が維持できない虞がある。

例えば、上記沸騰冷却装置が他方表面側に傾いた状態で維持された場合、放熱部で凝縮された冷媒は、重力により放熱部の先端側に流れ、放熱部側流路に環流されにくくなる。その結果、良好な冷媒循環が維持できなくなってしまう。凝縮液が放熱部側流路を介して発熱体側流路に供給されなければ、発熱体の冷却が不十分となり、バーンアウトの原因ともなりうる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、良好な冷媒循環を維持できる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の沸騰冷却装置は、発熱体が取り付けられ、内部に冷媒を収容する受熱部と、受熱部に連なり、発熱体の熱によって沸騰した冷媒を凝縮させる熱交換器を内部に収容する凝縮部と、受熱部および凝縮部に連なり、凝縮部で凝縮された冷媒を受熱部に戻す冷媒環流部と、を備える沸騰冷却装置であって、凝縮部の内底面は、下方に傾斜した、熱交換器で凝縮された冷媒を冷媒環流部へ誘導する誘導部を備えることを特徴とする。

熱交換器で凝縮された冷媒（凝縮液）は、重力により凝縮部の内底面に滴下する。凝縮部の内底面に設けられた誘導部は、下方に傾斜しており、重力を利用して冷媒を冷媒環流部に誘導する。凝縮部の底面に滴下した凝縮液や、予め凝縮部に溜められた冷媒（液だまり）は、下方に傾斜した誘導部によって冷媒環流部に誘導される。つまり、凝縮部の底面上にある冷媒は、冷媒環流部に流入し易くなっている。これにより、凝縮液および液だまりが凝縮部内に滞りにくくなり、良好な冷媒循環を実現できる。

ここで、誘導部は、冷媒環流部へ向かうにつれて下方へ向かうように傾斜した傾斜面であることが好ましい。これによれば、誘導部上にある冷媒（凝縮液や液だまり）は、重力により冷媒環流部に向かう方向に力を受ける。つまり、当該冷媒は、誘導部により、凝縮部から冷媒環流部へ向かって流れるよう誘導される。

また、誘導部の形成が容易であり、製造コスト増加を抑制できる。さらに、沸騰冷却装置が傾いた場合でも、誘導部が傾斜している分、沸騰冷却装置の傾きをキャンセルでき、不要な液だまりの発生を防止できる。従って、沸騰冷却装置が傾いた際でも、良好な冷媒循環を維持することが可能となる。なお、誘導部は、冷媒環流部に向かって傾斜した溝であってもよい。

ここで、凝縮部は、内底面全面が誘導部であることが好ましい。これにより、熱交換器で凝縮されて底面に滴下した冷媒は、すべて誘導部により冷媒環流部に誘導される。従って、凝縮部の底面上に冷媒循環に寄与しない液だまりが生じ得ず、より良好な冷媒循環を実現できる。例えば、凝縮部の内底面が冷媒環流部へ向かうにつれて下方へ向かうように傾斜した傾斜面であることが好ましい。これによれば、さらに、沸騰冷却装置が傾いた場合でも、内底面全面が傾斜面であるため、傾きがキャンセルされ、不要な液だまりの発生を精度よく防止し、より良好な冷媒循環を維持できる。

ここで、熱交換器は、凝縮部の内底面の上方および冷媒環流部の上方に配置されることが好ましい。熱交換器は、例えば、複数のパイプを有する凝縮パイプ等であり、パイプ内には冷媒が流れている。

熱交換器が凝縮部の内底面の上方にのみある場合、熱交換器で凝縮された冷媒（凝縮液）は、重力により凝縮部の内底面上に滴下する。これは、冷媒循環において、凝縮液が一旦凝縮部の底面を経て冷媒環流部に流入することになる。つまり、直接的な冷媒循環とはならず、時間的なロスを生じる虞がある。

一方、熱交換器をすべて冷媒環流部の上方に配置した場合、凝縮液は、直接、冷媒環流部に流れ込みやすい。しかし、構造上、受熱部と冷媒環流部とが並んで配置されることが多いため、沸騰冷却装置が傾いた際に、凝縮液が受熱部に流入しやすくなってしまう。つまり、良好な冷媒循環を阻害する虞がある。

そこで、熱交換器の一部を冷媒環流部の上方に配置することで、当該一部で凝縮された凝縮液は、冷媒環流部に直接滴下させることができる。そして、熱交換器すべてが冷媒環流部上方に配置されているわけではないので、熱交換器が受熱部に対してある程度の距離を保つことができる。従って、装置が傾いた際でも、凝縮液が受熱部に逆流しにくくすることが可能である。つまり、時間的ロスを低減でき、且つ、傾いた際の逆流を防ぐことができる。

ここで、受熱部は、自身と冷媒環流部とを仕切るとともに、沸騰した冷媒を熱交換器へ向けて偏向させる偏向板を有することが好ましい。これにより、沸騰した冷媒蒸気が熱交換器に当たりやすくなり、冷媒蒸気を効率よく凝縮することができる。つまり、より良好な冷媒循環が可能となる。

本発明の沸騰冷却装置によれば、良好な冷媒循環を維持することができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、車両に搭載される沸騰冷却装置１を例に挙げる。以下、沸騰冷却装置１について図１および図２を参照して説明する。図１は、沸騰冷却装置１の模式斜視図である。図２は、図１の模式Ａ−Ａ断面図である。

図１に示すように、沸騰冷却装置１は、冷媒容器２と、凝縮パイプ部３とを備えている。冷媒容器２は、金属製であり、図２に示すように、断面が略Ｌ字型であり、内部に冷媒（例えばフロン類など）が貯留されている。冷媒容器２は、受熱部２１と、凝縮部２２と、冷媒環流部２３とからなっている。一般に、冷媒循環は、以下のとおりである。すなわち、受熱部２１において発熱体Ｚから受熱して沸騰した冷媒蒸気が、凝縮部２２で凝縮され、その凝縮液が冷媒環流部２３に流入し、冷媒環流部２３が受熱部２１に冷媒を戻す。

本実施形態において、受熱部２１は、図２に示すように、およそ外表面２１ａと偏向板２１ｂとを含む側面（４面）で囲まれた部位である。受熱部２１ａの外表面２１ａには、発熱体Ｚが取り付けられる。発熱体Ｚは、例えば半導体素子等である。

ここで、図２に示す状態を直立状態とする。つまり、外表面２１ａは、直立状態において、水平面に対して垂直となる。なお、発熱体Ｚの取付位置は、冷媒容器２の底面よりも上方となっている。以下、図２に示す直立状態に基づいて説明する。

冷媒容器２の内部に設けられた偏向板２１ｂは、受熱部２１の側面を形成し、冷媒容器２の内部空間を受熱部２１と冷媒環流部２３とに仕切っている。偏向板２１ｂについては後述する。受熱部２１は、発熱体Ｚの熱を受け、その熱によって受熱部２１内部の冷媒が沸騰する。沸騰した冷媒蒸気は、上昇し、凝縮部２２に入る。凝縮部２２については後述する。

冷媒環流部２３は、冷媒容器２の内部で偏向板２１ｂによって仕切られた一方側であり、外表面２１ａとは反対側に位置している。冷媒環流部２３は、受熱部２１に連なり且つ並列的に配置されている。冷媒環流部２３の内部は、下方が受熱部２１の内部に連通している。これによれば、沸騰により受熱部２１の液面が低下すると、冷媒環流部２３内部の冷媒が圧力差により受熱部２１に供給される。

凝縮部２２は、冷媒環流部２３の上方にあり、且つ、冷媒環流部２３の上方から外表面２１ａとは反対側（図２の左方）に向けて突出している。凝縮部２２の内部は、図２において、右方で受熱部２１の内部に連通し、下方で冷媒環流部２３の内部に連通している。本実施形態において、凝縮部２２の内底面２２ｂは、上記突出した部位２２ａ（以下、突出部位２２ａと称する）の下面内側である。

この突出部位２２ａは、冷媒環流部２３から受熱部２１への冷媒循環を促すための液だまりとして機能する。つまり、予め貯留する冷媒を、突出部位２２ａの下部まで満たすこと（液面を上げること）により、冷媒環流部２３から受熱部２１への冷媒供給が重力により促進される。本実施形態の凝縮部２２は、凝縮機能と液だまり機能とを有している。

そして、突出部位２２ａの下面、すなわち、凝縮部２２の内底面２２ｂは、冷媒環流部２３に向かうほど（右に向かうほど）、下方に向かうテーパ状（傾斜面）となっている。これによれば、凝縮部２２の内底面２２ｂ上にある冷媒は、重力により自然と冷媒環流部２３（右下）に誘導される。すなわち、凝縮部２２の内底面２２ｂ全面が本発明における誘導部として機能し、冷媒循環が良好となる。本実施形態において、内底面２２ｂの水平面に対する傾斜角は、およそ４５度となっている。

凝縮パイプ部３は、凝縮部２２を貫通し、凝縮部２２の内部に位置する部位が複数の偏平管の集合体３１（本発明における「熱交換器」に相当する）で構成されている。凝縮パイプ部３の内部には、冷媒が流通しており、図示しないヘッダーを介して各偏平管内部に冷媒（冷却水等）が流れている。つまり、集合体３１は、凝縮部２２に収容され、受熱部２１で沸騰した冷媒蒸気を凝縮する。

集合体３１は、冷媒容器２内において、凝縮部２２の内底面２２ｂの上方および冷媒環流部２３の上方に位置している。集合体３１で凝縮された冷媒は、重力により下方へ向かうため、凝縮部２２の内底面２２ｂ上または直接冷媒環流部２３に流入する。

これによれば、凝縮部２２で凝縮された冷媒は、誘導部として機能する内底面２２ｂ上、または、冷媒環流部２３に流れ落ちる。内底面２２ｂ上方で凝縮した冷媒は、内底面２２ｂに向かって流れ落ち、内底面２２ｂ上に落ちた後冷媒環流部２３に誘導されるか、あるいは、内底面２２ｂ上に予め貯留された液だまりと合流する。

前者の場合（内底面２２ｂ上に落ちた場合）は、冷媒（凝縮液）が傾斜に沿って冷媒環流部２３に流入するため、冷媒が滞ることなく、良好な冷媒循環が実現できる。後者の場合（液だまりと合流した場合）であっても、液だまり自体が誘導部である内底面２２ｂ上にあるため、冷媒環流部２３に液だまりの冷媒が流入しやすく、良好な冷媒循環は維持される。本実施形態によれば、凝縮部２２の内底面２２ｂがテーパ状であるため、冷媒循環は良好となる。

また、図２において沸騰冷却装置１が左に傾いた場合でも、内底面２２ｂが右下へ傾斜している分、凝縮部２２の先端（左端）に冷媒の独立した液だまりを発生することが防止される。つまり、冷媒循環に寄与しない液だまりの発生を防止し、沸騰冷却装置１が左に傾いた場合でも、良好な冷媒循環を維持することができる。また、沸騰冷却装置１が右に傾いた場合、内底面２２ｂの傾斜は急となる。この場合、集合体３１で凝縮された冷媒が、受熱部２１へ流入する可能性がある。

しかし、本実施形態では、集合体３１のすべてを冷媒環流部２３上方に配置しておらず、集合体３１の一部が冷媒環流部２３上方に位置するように設置されているため、受熱部２１と集合体３１との離間距離を十分にとることができる。つまり、凝縮液が受熱部２１に受熱部２１の上方から流入することを防ぐことが可能である。

また、後述するが、偏向板２１ｂの先端は、左方に傾いている。従って、沸騰冷却装置１が右に傾いた場合、上昇する冷媒蒸気はより集合体３１に当たりやすくなり、凝縮は促進される。すなわち、沸騰冷却装置１が右に傾いた場合であっても、良好な冷媒循環を維持できる。

さらに、集合体３１の一部を冷媒環流部２３の上方に配置することにより、突出部位２２ａの体積（突出の大きさ）を小さくできる。つまり、沸騰冷却装置１の小型化も可能となる。

沸騰冷却装置１は、車両に搭載され、その搭載方向は、図２において左が車両前方（車両後方）、右が車両後方（車両前方）となる。車両が継続して傾くのは、例えば、坂道上にある場合である。つまり、車両が前方または後方に傾き、その車両に搭載された沸騰冷却装置１は図２の左方または右方に傾く。すなわち、本実施形態の沸騰冷却装置１では、左方または右方に傾いた際でも良好な冷媒循環が維持できるため、車両搭載に好適である。

ここで、偏向板２１ｂについて説明する。偏向板２１ｂは、板状であり、外表面２１ａに平行に延在する仕切り部２１１と、仕切り部２１１の上端から集合体３１に向かって延びる偏向部２１２とからなっている。本実施形態において、偏向部２１２の延伸方向は、仕切り部２１１の上端と集合体３１との距離が最短となる方向となっている。これにより、冷媒蒸気は集合体３１に向かいやすくなり、効率よく冷媒蒸気を集合体３１に当てることができる。なお、偏向部２１２の延伸方向は、集合体３１の配置側に向かっていれば効果を得ることができる。

また、冷媒容器２に予め貯留される冷媒の液面は、図２に示すように、凝縮部２２の内底面２２ｂの上部あたりであり、凝縮部２２が液だまりとして機能している。そして、偏向板２１ｂは、直立状態において、上端が当該液面より上方となるように設定されている。これにより、受熱部２１で沸騰した冷媒蒸気の進行と、凝縮部２２で凝縮された凝縮液の戻りとが互いに妨げとなるのを防ぐことができる。つまり、冷媒蒸気が凝縮液の戻りを邪魔することが防がれるとともに、凝縮液が冷媒蒸気通路（受熱部２１）に進入するのが防がれる。

以上、沸騰冷却装置１によれば、良好な冷媒循環を維持することができる。なお、凝縮部２２の内底面２２ｂは、誘導部として、例えば冷媒環流部２３に向かって傾いたレール溝を備えるようにしてもよい。また、誘導部は、滑り台やラッパ内面のように立体的に傾斜したものでもよい。

また、発熱体Ｚを受熱部２１内に配置する構成としてもよい（浸漬方式）。例えば、外表面２１ａに対応する内側の面に発熱体Ｚを取り付けて、発熱体Ｚを冷媒に浸すようにしてもよい。この場合でも、上記同様の効果を得ることができる。なお、発熱体Ｚが半導体素子のような電子部品である場合は、絶縁性の冷媒を用いることが好ましい。

沸騰冷却装置１の模式斜視図である。 図１の模式Ａ−Ａ断面図である。

符号の説明

１：沸騰冷却装置、２：冷媒容器、２１：受熱部、２１ａ：外表面、２１ｂ：偏向板、
２２：凝縮部、２２ａ：突出部位、２２ｂ：底面、２３：冷媒環流部、
３：凝縮パイプ部、３１：集合体、Ｚ：発熱体

Claims (5)

1. 発熱体が取り付けられ、内部に冷媒を収容する受熱部と、
   前記受熱部に連なり、前記発熱体の熱によって沸騰した前記冷媒を凝縮させる熱交換器を内部に収容する凝縮部と、
   前記受熱部および前記凝縮部に連なり、前記凝縮部で凝縮された前記冷媒を前記受熱部に戻す冷媒環流部と、
   を備える沸騰冷却装置であって、
   前記凝縮部の内底面は、下方に傾斜した、前記熱交換器で凝縮された前記冷媒を前記冷媒環流部へ誘導する誘導部を備えることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記誘導部は、前記冷媒環流部へ向かうにつれて下方へ向かうように傾斜した傾斜面である請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記凝縮部は、内底面全面が前記誘導部である請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記熱交換器は、前記凝縮部の内底面の上方および前記冷媒環流部の上方に配置される請求項１〜３の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記受熱部は、自身と前記冷媒環流部とを仕切るとともに、沸騰した前記冷媒を前記熱交換器へ向けて偏向させる偏向板を有する請求項１〜４の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。

Images