JP2009192177A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被冷却流体が順次供給される熱交換部を備えた沸騰冷却装置において、被冷却流体を効率良く冷却する。
【解決手段】沸騰冷却装置１０は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路１５と、被冷却流体を冷却する液冷媒が流れる冷媒流路１６とが隔壁１７で区画された熱交換部１２を備えている。熱交換部１２に供給された液冷媒は一部が沸騰した状態で熱交換部１２から排出され、冷媒液化部で液化された後、再び冷媒流路１６に供給されて循環使用される。冷媒流路１６は、熱交換部１２の冷媒出口と対応する部分が、熱交換部の冷媒入口と対応する部分より断面積が広く、途中の断面積も冷媒入口と対応する部分の断面積以上に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰冷却装置に係り、詳しくは流体を冷却する沸騰冷却装置に関する。

従来、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘを減少させる手段として、排気再循環（ＥＧＲ）装置が広く使用されている。ＥＧＲ装置では排気ガスの一部を吸気に混合させることにより、排気ガス中のＮＯｘを減少させる。ＮＯｘ生成量と燃焼温度は関係があり、燃焼温度が低温ほどＮＯｘ生成量が少なくなるので、ＥＧＲガス温度を低下させてから吸気に混合させる目的で、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラーが設けられている。一般にＥＧＲクーラーは、ＥＧＲガスをエンジン冷却水の一部を利用して冷却する方式である。

ＥＧＲクーラーとして、エンジン冷却系から独立させて、ＥＧＲガス冷却用の冷媒を強制循環させずにＥＧＲガスの冷却を行うものが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１のＥＧＲクーラーは、図１１（ａ）に示すように、排気系から吸気系に還流されるＥＧＲガスと冷媒を熱交換させる沸騰式のエバポレータ６１と、エンジン冷却系から独立して設けられてエバポレータ６１で発生した蒸気を外気との熱交換で凝縮させるコンデンサ６２とを備えている。また、コンデンサ６２をエバポレータ６１より高所に配設している。そして、コンデンサ６２の底部から延びる復路６３の先端をエバポレータ６１に接続する一方、エバポレータ６１の頂部から延びる往路６４の先端を復路６３との接続位置より離れた位置においてコンデンサ６２に接続している。このＥＧＲクーラーでは、冷媒の蒸発潜熱を利用してＥＧＲガスを冷却する。また、沸騰して蒸気となった冷媒と、液体状態の冷媒の比重差を利用して、エバポレータ６１とコンデンサ６２との間で、冷媒を自然循環させるようにしている。

また、過度に冷媒量を増量することなく、放熱器に近い発熱体取付け面でのバーンアウトを防止できる沸騰冷却装置が提案されている（特許文献２参照）。特許文献２の沸騰冷却装置は、図１１（ｂ）に示すように、横幅寸法（図１１（ｂ）の紙面と垂直方向の寸法）より厚み寸法（図１１（ｂ）の紙面の上下方向の寸法）が小さい扁平形状に設けられ、内部に液冷媒を貯留する冷媒槽７１と、冷媒槽７１で発熱体７２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流体（例えば空気）との熱交換によって凝縮液化させる放熱器７３とを備えている。冷媒槽７１は、厚み方向の上側壁面７１ａが冷媒槽７１の長さ方向で放熱器７３側が高くなる傾斜面として設けられ、略水平な下側壁面７１ｂとの距離が冷媒槽７１の先端側から放熱器７３側に向かって次第に大きくなるテーパ形状に設けられている。冷媒槽７１の内部には、２枚の仕切り板７４によって冷媒室と液戻り通路とが形成されている。２枚の仕切り板７４は、冷媒槽７１の下側壁面７１ｂに取り付けられる発熱体７２の両外側に設置され、仕切り板７４と冷媒槽７１の底面との間には所定の隙間７５が確保されている。
特開２００３−２７８６０７号公報 特開２０００−６５４５５号公報

沸騰冷却では、冷却すべき対象物、即ち被冷却物を冷却する際に、液冷媒が沸騰して蒸気化しながら冷却するため、液冷媒が沸騰せずに、単に液冷媒と被冷却物との温度差によって冷却を行う方式に比較して冷却装置の体格が同じでも冷却能力が向上する。しかし、沸騰冷却では、冷媒流路が冷媒蒸気により満たされ、熱交換面に液冷媒が供給されない状態になると、著しく熱交換機能（性能）が悪化するといった課題がある。

特許文献１には、エンジン冷却系から独立させて、しかも、ＥＧＲガス冷却用の冷媒を強制循環させずにＥＧＲガスの冷却を行う構成については記載されているが、前記の課題に関しては何ら配慮がなされていない。

一方、特許文献２の沸騰冷却装置は、冷媒槽７１に放熱器７３が連結されるとともに、発熱体７２（被冷却体）が冷媒槽７１の下側壁面７１ｂに取り付けられる構成である。特許文献２では、発熱体７２の熱で沸騰して発生した気泡が順次放熱器７３側へ流れて、放熱器７３に近い方の発熱体取付け面に気泡が充満することを防止するため、冷媒槽７１の放熱器７３に近くなる程、下側壁面７１ｂと上側壁面７１ａとの距離を大きくして冷媒量が多くなるように冷媒槽７１を形成している。そして、冷媒槽７１の厚さを放熱器７３からの距離に関係なく一定にしたのでは、冷媒槽７１内の冷媒量が過度に増量するため、放熱器７３から遠い方の厚さを小さくしている。

しかしながら、特許文献２は固体の被冷却媒体（発熱体７２）を冷却するための装置であり、流体の被冷却媒体を冷却するための装置ではない。
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、被冷却流体が順次供給される熱交換部を備えた沸騰冷却装置において、被冷却流体を効率良く冷却することができる沸騰冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路と、前記被冷却流体を冷却する液冷媒が流れる冷媒流路とが隔壁で区画された熱交換部を備え、前記熱交換部に供給された液冷媒は一部が沸騰した状態で熱交換部から排出され、冷媒液化部で液化された後、再び前記冷媒流路に供給されて循環使用される沸騰冷却装置である。そして、前記冷媒流路は、前記熱交換部において、前記熱交換部の冷媒出口側が、前記熱交換部の冷媒入口側より断面積が広くなる部分が存在するように形成されている。

この発明では、液冷媒が冷媒流路を流れる間に、被冷却流体の熱により一部が沸騰する状態になる。そして、液状の冷媒と気体状の冷媒とが混合した状態、即ち液冷媒中に気泡が存在する状態で冷媒流路を冷媒出口に向かって移動する。気泡は冷媒流路の下流に行くに従って大きくなったり、数が増えたりする。冷媒流路の断面積が一定の場合、気泡が冷媒流路と被冷却液体流路との隔壁に付着し易くなったり、冷媒出口から気泡が排出され難くなったりする。しかし、冷媒流路は、前記熱交換部において、前記熱交換部の冷媒出口側が、前記熱交換部の冷媒入口側より断面積が広くなる部分が存在するように形成されているため、発生した気泡が冷媒出口から排出され易くなり、気泡が隔壁に付着したままになったり、冷媒流路内が気泡で満たされたりする状態になるのが防止される。したがって、被冷却流体が順次供給される熱交換部を備えた沸騰冷却装置において、被冷却流体を効率良く冷却することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記冷媒流路は、前記熱交換部において、前記熱交換部の冷媒出口と対応する部分が、前記熱交換部の冷媒入口と対応する部分より断面積が広く、かつ途中の断面積も前記冷媒入口と対応する部分の断面積以上に形成されている。この発明では、冷媒流路の断面積は、冷媒入口と対応する部分の断面積が最も小さくなっているため、発生した気泡が冷媒出口からより排出され易くなり、気泡が隔壁に付着したままになったり、冷媒流路内が気泡で満たされたりする状態になるのが防止される。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記熱交換部における前記冷媒流路は真っ直ぐな部分において、前記冷媒出口側の断面積が前記冷媒入口側の断面積以上に形成されている。なお、「冷媒流路の真っ直ぐな部分」とは、冷媒流路が例えば折り返したり屈折したりしていない部分のことを指している。さらに、流路断面積が一定であることを示しているわけではなく、ラッパ形状のように流路断面積が下流側に向けて大きくなるものも含めるものとする。したがって、この発明では、冷媒流路は真っ直ぐな部分において、下流側の断面積が上流の断面積と同じか大きくなるため、発生した気泡が冷媒出口から排出され易くなる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記液冷媒は強制循環手段により強制循環されて使用される。液冷媒を熱交換部と冷媒液化部との間で循環使用する場合、熱交換部を冷媒液化部の配置位置より下方に配置し、熱交換部の冷媒入口を冷媒出口より下方に配置することにより、強制循環を行わなくても、液冷媒は熱交換部と冷媒液化部との間を自然循環する。しかし、自然循環では、循環速度を希望の速度にしたり、冷却能力を急に高めたり、低下させたりすることが難しい。この発明では、液冷媒は強制循環手段により強制循環されて使用されるため、循環速度を目的の値に設定したり、循環速度を変更したりすることが容易になる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記熱交換部において、前記冷媒出口側の熱交換面積が前記冷媒入口側の熱交換面積よりも広くなる部分が存在するように形成されている。この発明では、冷媒出口側即ち下流側の熱交換能力も向上させることができる。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記冷媒流路は複数設けられている。したがって、冷媒流路が一つの場合に比べて、熱交換部の体積当たりの冷却効率が良くなる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記冷媒流路は扁平な冷媒流路が複数、間隔を空けて厚さ方向において隣接する状態で設けられている。この発明では、冷媒流路を複数のパイプで構成する場合に比べて、構成が簡単になる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記各冷媒流路は、厚さが一定で幅が変化している。この発明では、熱交換部を高さが一定のケースに収容し易くなる。

請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の発明において、前記各冷媒流路は、厚さ及び幅が前記冷媒出口側に向かって大きくなるように変化している。この発明では、冷媒流路内で発生した気泡が、冷媒流路の冷媒出口へ向かって移動し易くなり、冷媒出口からより排出され易くなる。

請求項１０に記載の発明は、請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の発明において、前記各冷媒流路は、前記冷媒入口から前記冷媒出口に至る経路の途中に折り返し部を有する。したがって、この発明では、冷媒流路を直線状に形成する場合に比べて、装置全体をコンパクトに形成することができる。

請求項１１に記載の発明は、請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の発明において、前記冷媒流路の冷媒入口に連結されている入口配管は、冷媒出口に連結されている出口配管より径が小さく形成されている。冷媒流路の冷媒入口は、冷媒出口に比べて小さく形成される。冷媒入口及び冷媒出口の大きさが異なっても同じ径の配管を使用する場合もあるが、その場合は入口部分で乱流が生じ易くなる。この発明では、入口配管及び出口配管に同じ径の配管を使用する場合に比べて、入口部分で乱流が生じ難くなる。

請求項１２に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記冷媒流路は複数の管で構成され、前記被冷却流体流路が前記複数の管の周囲を囲繞するように設けられている。この発明では、冷媒流路の断面積が同じ場合、冷媒流路を１本の管で形成した場合に比べて、冷媒流路と被冷却流体流路との隔壁の表面積が大きくなり、熱交換効率が向上し易くなる。

本発明によれば、被冷却流体が順次供給される熱交換部を備えた沸騰冷却装置において、被冷却流体を効率良く冷却することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明を具体化した第１の実施形態を図１〜図３にしたがって説明する。
図１（ａ）に示すように、沸騰冷却装置１０は、ハウジング１１内に熱交換部１２が設けられている。図１（ｂ）に示すように、ハウジング１１は、略直方体状に形成されている。ハウジング１１には、熱交換部１２を挟んで第１端部側に被冷却流体導入部１３が設けられ、第２端部側に被冷却流体排出部１４が設けられている。被冷却流体導入部１３には図示しない被冷却流体供給源に接続される導入配管１３ａが設けられており、被冷却流体排出部１４には冷却された被冷却流体を排出する排出配管１４ａが設けられている。

熱交換部１２は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路１５と、被冷却流体を冷却する液冷媒が流れる冷媒流路１６とが隔壁１７で区画されている。
冷媒流路１６は複数（この実施形態では５つ）設けられている。この実施形態では、冷媒流路１６は扁平に形成され、かつ各冷媒流路１６が間隔を空けて厚さ方向において隣接する状態で設けられている。詳述すると、冷媒流路１６は、ハウジング１１内に熱交換部１２を区画するように設けられた前壁１８と後壁１９との間に、扁平な四角筒体２０を一定間隔を置いて平行に密閉状態で固着することにより形成されている。四角筒体２０の固着は、例えば溶接により行われている。

前壁１８には、被冷却流体導入部１３を前壁１８と後壁１９との間の空間に連通させる長孔１８ａが各四角筒体２０の固定位置を挟むようにそれぞれ平行に形成されている。後壁１９には、被冷却流体排出部１４を前壁１８と後壁１９との間の空間に連通させる長孔１９ａが各四角筒体２０の固定位置を挟むようにそれぞれ平行に形成されている。そして、被冷却流体導入部１３に導入された被冷却流体が長孔１８ａを介して熱交換部１２に流入し、長孔１９ａを介して被冷却流体排出部１４へ流出するようになっている。即ち、前壁１８と後壁１９との間の空間のうち四角筒体２０の外側部分が被冷却流体流路１５を構成する。また、各四角筒体２０が被冷却流体流路１５と冷媒流路１６とを区画する隔壁１７を構成する。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、四角筒体２０の一方の側壁には、前壁１８に近接して冷媒入口２１が形成され、他方の側壁には冷媒出口２２が形成されている。冷媒入口２１は冷媒出口２２より小さく形成されている。各冷媒入口２１には入口配管２３が連結され、冷媒出口２２には出口配管２４が連結されている。入口配管２３及び出口配管２４は、それぞれ径が冷媒入口２１あるいは冷媒出口２２の径に対応する大きさに形成されている。即ち、冷媒流路１６の冷媒入口２１に連結されている入口配管２３は、冷媒出口２２に連結されている出口配管２４より径が小さく形成されている。

図２（ａ）に示すように、入口配管２３は、冷媒液化部２５の出口に連結された冷媒配管２６ａに連結されるようになっている。また、各出口配管２４は、冷媒液化部２５の入口に連結された冷媒配管２６ｂに連結されるようになっている。図１（ｂ）及び図２（ａ）に示すように、入口配管２３及び出口配管２４は、それぞれ冷媒配管２６ａ及び冷媒配管２６ｂに連結される部分から分岐された状態に形成されている。冷媒液化部２５には、例えば公知の構成のコンデンサが使用される。また、冷媒配管２６ｂの途中には、液冷媒を沸騰冷却装置１０と冷媒液化部２５との間で強制循環させる強制循環手段２７が設けられている。強制循環手段２７は例えばポンプが使用される。

各四角筒体２０は厚さが一定に形成されている。また、各四角筒体２０の内側には、図２（ｂ）に示すように、冷媒流路１６の幅が冷媒出口２２側に向かって大きくなるように変化させる区画プレート２８が設けられている。冷媒流路１６は、冷媒入口２１から冷媒出口２２に至る経路の途中に折り返し部１６ａを有するように区画プレート２８で区画されている。即ち、冷媒流路１６は、熱交換部１２の冷媒出口２２と対応する部分（図２（ｂ）の区画プレート２８の基端と冷媒出口２２で挟まれた部分）が、熱交換部の冷媒入口２１と対応する部分（同じく区画プレート２８基端と冷媒入口２１で挟まれた部分）より断面積が広く、かつ途中の断面積も冷媒入口２１と対応する部分の断面積以上に形成されている。また、熱交換部１２における冷媒流路１６は、真っ直ぐな部分において、冷媒出口２２側の断面積が冷媒入口２１側の断面積以上に形成されている。「冷媒流路の真っ直ぐな部分」とは、冷媒流路が例えば折り返したり屈折したりしていない部分のことを指している。即ち、熱交換部１２において、冷媒出口２２側（上流側）の熱交換面積が冷媒入口２１側（下流側）の熱交換面積よりも広くなる部分が存在するように形成されている。

次に前記のように構成された沸騰冷却装置１０を、例えば、ディーゼルエンジン車のＥＧＲ装置におけるＥＧＲクーラーとして使用する場合の作用を説明する。
沸騰冷却装置１０は、ＥＧＲ通路の途中に、導入配管１３ａがＥＧＲ通路入口側に連結され、排出配管１４ａがＥＧＲ通路出口側に連結されて使用される。また、冷媒の循環経路を構成する冷媒配管２６ａに入口配管２３が連結され、冷媒配管２６ｂに出口配管２４が連結される。冷媒として例えば水が使用される。

車両が運転されると、エンジンの排気ガスの一部がＥＧＲ通路にＥＧＲガスとして供給され、ＥＧＲガスが沸騰冷却装置１０に供給される。ＥＧＲガスは、導入配管１３ａから被冷却流体導入部１３に導入された後、前壁１８の長孔１８ａから熱交換部１２の被冷却流体流路１５内に流入する。そして、被冷却流体流路１５内を後壁１９の長孔１９ａに向かって進み、長孔１９ａから被冷却流体排出部１４に流出するまでの間に、熱の一部が冷媒流路１６の隔壁１７を介して液冷媒に奪われて冷却される。冷却されたＥＧＲガスは、排出配管１４ａ及びＥＧＲ通路を介して吸気系に供給される。

一方、冷媒は、沸騰冷却装置１０と冷媒液化部２５との間を冷媒循環路を介して循環する。冷媒は強制循環手段２７により強制的に循環される。冷媒液化部２５から送り出された液状の冷媒、即ち液冷媒は、冷媒配管２６ａを介して沸騰冷却装置１０へ導かれ、分岐部及び入口配管２３を介して冷媒入口２１から熱交換部１２の冷媒流路１６に流入する。図３に示すように、液冷媒は、冷媒流路１６を流れる間に、被冷却流体の熱により一部が沸騰する状態になり、液状の冷媒と気体状の冷媒とが混合した状態、即ち液冷媒中に気泡２９が存在する状態で冷媒流路１６を冷媒出口２２に向かって移動する。そして、気泡２９が存在する状態の液冷媒が冷媒出口２２から排出され、出口配管２４及び冷媒配管２６ｂを介して冷媒液化部２５へ移動し、冷媒液化部２５で蒸気が凝縮されて液冷媒になり、沸騰冷却装置１０へ再循環される。

液冷媒は隔壁１７を介して被冷却流体から熱を奪う。液冷媒は隔壁１７と接触している部分が沸騰して蒸気となり、その蒸発潜熱として被冷却流体から熱を奪う。したがって、単純に被冷却液体と液冷媒との温度差で被冷却液体から液冷媒に熱が奪われる場合に比較して、効率良く被冷却液体が冷却される。冷媒の一部が蒸気になることにより、液冷媒中に気泡２９が存在する状態になる。気泡２９は冷媒流路１６の下流に行くに従って大きくなったり、数が増えたりする。冷媒流路１６の断面積が一定の場合、発生した気泡２９が冷媒流路１６と被冷却流体流路１５との隔壁１７に付着し易くなったり、冷媒出口２２から気泡２９が排出され難くなったりする。冷媒出口２２から気泡２９が排出され難くなると、冷媒流路１６内の圧力が上昇し、冷媒の沸点が上昇して冷媒が沸騰し難くなり、蒸発潜熱で隔壁１７を介して被冷却流体から熱を奪い難くなる。また、冷媒流路１６内の気泡２９の割合が多くなったり、気泡２９が隔壁１７に付着し易くなったりすると、熱交換面である隔壁１７の表面に液冷媒が供給され難くなり、液冷媒が蒸発し難くなって蒸発潜熱として奪われる熱量が少なくなり、熱交換部１２における熱交換機能が低下する。

しかし、この実施形態では、冷媒流路１６は冷媒出口２２と対応する部分が、熱交換部の冷媒入口２１と対応する部分より断面積が広く、かつ途中の断面積も冷媒入口２１と対応する部分の断面積以上に形成されている。そのため、発生した気泡２９が冷媒出口２２から排出され易くなり、気泡２９が隔壁１７に付着したままになったり、冷媒流路１６内が気泡２９で満たされる状態になったりするのが防止される。したがって、熱交換部１２における熱交換が良好に行われる。

冷媒流路１６を流れる冷媒中の気泡率が体積として８０％以上になると、熱交換効率が急速に低下するため、気泡率が８０％を超えないように、好ましくは７０％以下になるように、冷媒流路１６の長さ、形状あるいは冷媒の循環速度が設定されている。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）沸騰冷却装置１０は、被冷却流体が流れる被冷却流体流路１５と、被冷却流体を冷却する液冷媒が流れる冷媒流路１６とが隔壁１７で区画された熱交換部１２を備え、熱交換部１２に供給された液冷媒は一部が沸騰した状態で熱交換部１２から排出され、冷媒液化部２５で液化された後、再び冷媒流路１６に供給されて循環使用される。そして、冷媒流路１６は、熱交換部１２において、冷媒出口２２と対応する部分が、熱交換部１２の冷媒入口２１と対応する部分より断面積が広く、かつ途中の断面積も冷媒入口２１と対応する部分の断面積以上に形成されている。したがって、冷媒流路１６を流れる間に液冷媒の一部が沸騰して気泡２９が発生しても、発生した気泡２９が冷媒出口２２から排出され易くなり、気泡２９が隔壁１７に付着したままになったり、冷媒流路１６内が気泡２９で満たされる状態になったりするのが防止され、被冷却流体を効率良く冷却することができる。

（２）液冷媒を熱交換部１２と冷媒液化部２５との間で循環使用する場合、熱交換部１２を冷媒液化部２５の配置位置より下方に配置し、熱交換部１２の冷媒入口２１を冷媒出口２２より下方に配置することにより、液冷媒を熱交換部１２と冷媒液化部２５との間で自然循環させることは可能である。自然循環では、循環速度を希望の速度にしたり、冷却能力を急に高めたり、低下させたりすることが難しい。しかし、この実施形態では、沸騰冷却装置１０は、液冷媒が強制循環手段２７により強制循環されて使用されるため、循環速度を目的の値に設定したり、循環速度を変更したりすることが容易になる。

（３）沸騰冷却装置１０には冷媒流路１６が複数設けられている。したがって、冷媒流路１６が一つの場合に比べて、熱交換部１２の体積当たりの冷却効率が良くなる。
（４）冷媒流路１６は扁平な冷媒流路１６が複数、間隔を空けて厚さ方向において隣接する状態で設けられている。したがって、冷媒流路１６を複数のパイプで構成する場合に比べて、構成が簡単になる。

（５）各冷媒流路１６は、厚さが一定で幅が変化するように形成されているため、熱交換部１２を高さが一定のケース（ハウジング１１）に収容し易くなる。
（６）各冷媒流路１６は、冷媒入口２１から冷媒出口２２に至る経路の途中に折り返し部１６ａを有する。したがって、冷媒流路１６を直線状に形成する場合に比べて、沸騰冷却装置１０全体をコンパクトに形成することができる。

（７）冷媒流路１６の冷媒入口２１に連結されている入口配管２３は、冷媒出口２２に連結されている出口配管２４より径が小さく形成されている。冷媒流路１６の冷媒入口２１は、冷媒出口２２に比べて小さく形成される。冷媒入口２１及び冷媒出口２２の大きさが異なっても同じ径の配管を使用する場合もあるが、その場合は入口部分で乱流が生じ易くなる。しかし、入口配管２３の径を出口配管２４の径より小さく形成した場合は、入口配管２３及び出口配管２４に同じ径の配管を使用する場合に比べて、入口部分で乱流が生じ難くなる。

（８）複数の冷媒流路１６は、ハウジング１１内に設けられた前壁１８と後壁１９との間に、扁平な四角筒体２０を一定間隔を置いて平行に密閉状態で固着することにより形成されている。したがって、扁平な複数の冷媒流路１６を、間隔を空けて冷媒流路１６の厚さ方向において隣接する状態で設ける構成が容易にできる。

（９）沸騰冷却装置１０は、車両のＥＧＲクーラーに使用されているため、ＥＧＲガスを吸気系に低温で供給することができ、ＮＯｘの低減効果を向上させることができる。
（第２の実施形態）
次に第２の実施形態を図４〜図６にしたがって説明する。この実施形態では、冷媒流路１６の形状及び配置が前記第１の実施形態と大きく異なっている。また、ハウジング１１の形状も第１の実施形態と異なっている。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図４及び図５に示すように、ハウジング１１は、熱交換部１２に対応する部分が円錐台状に形成され、熱交換部１２を挟んで被冷却流体導入部１３及び被冷却流体排出部１４が設けられている。前壁１８は円錐台形状のハウジング１１の小径側端部に設けられ、後壁１９はハウジング１１の大径側端部に設けられている。前壁１８と後壁１９との間には、被冷却流体流路１５を構成する複数（この実施形態では７本）の管（パイプ）３０が、第１端部が被冷却流体導入部１３に連通し、第２端部が被冷却流体排出部１４に連通する状態で設けられている。各管３０は径が一定に形成されている。そして、導入配管１３ａから被冷却流体導入部１３に流入した被冷却流体は、管３０を通って被冷却流体排出部１４で合流し、排出配管１４ａを経て沸騰冷却装置１０外へ排出されるようになっている。

ハウジング１１の内側で前壁１８及び後壁１９に挟まれた空間のうち、管３０の外側部分が冷媒流路１６を構成する。即ち、冷媒流路１６は、被冷却流体流路１５を囲繞するように設けられている。この実施形態では管３０が、被冷却流体流路１５と冷媒流路１６とを区画する隔壁１７を構成する。管３０が一定径で、熱交換部１２が円錐台形状に形成されているため、冷媒流路１６は、その断面積が、前壁１８側から後壁１９に向かって次第に増大するように形成されている。ハウジング１１には、前壁１８に近接して冷媒入口２１が形成され、後壁１９に近接して冷媒出口２２が形成されている。即ち、冷媒流路１６は、その断面積が、冷媒入口２１側から冷媒出口２２側に向かって次第に増大するように形成されている。即ち、冷媒流路１６は冷媒出口２２と対応する部分が、熱交換部の冷媒入口２１と対応する部分より断面積が広く、かつ途中の断面積も冷媒入口２１と対応する部分の断面積より広く形成されている。

冷媒入口２１は冷媒出口２２より小さく形成されている。冷媒入口２１には入口配管２３が連結され、冷媒出口２２には出口配管２４が連結されている。入口配管２３及び出口配管２４は、それぞれ径が冷媒入口２１あるいは冷媒出口２２の径に対応する大きさに形成されている。

この実施形態の沸騰冷却装置１０も、前記第１の実施形態と同様に、ＥＧＲ通路の途中において、導入配管１３ａがＥＧＲ通路入口側に連結され、排出配管１４ａがＥＧＲ通路出口側に連結されて使用される。また、冷媒の循環経路を構成する冷媒配管２６ａに入口配管２３が連結され、冷媒配管２６ｂに出口配管２４が連結される。冷媒として例えば水が使用される。

図６に示すように、液冷媒は、入口配管２３を介して冷媒入口２１から冷媒流路１６に流入した後、被冷却流体流路１５の周囲を通って冷媒出口２２側に向かって流れる。液冷媒は、冷媒流路１６を流れる間に、管３０に接触している部分が、被冷却流体の熱により一部が沸騰する状態になり、液冷媒中に気泡２９が存在する状態で冷媒流路１６を冷媒出口２２に向かって移動する。そして、気泡２９が存在する状態の液冷媒が冷媒出口２２から排出され、出口配管２４及び冷媒配管２６ｂを介して冷媒液化部２５へ移動し、冷媒液化部２５で蒸気が凝縮されて液冷媒になり、沸騰冷却装置１０へ再循環される。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１），（２），（７），（９）の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（１０）被冷却流体流路１５は複数の管３０で構成され、冷媒流路１６が複数の管３０の周囲を囲繞するように設けられている。したがって、被冷却流体流路１５の断面積が同じ場合、被冷却流体流路１５を１本の管で形成した場合に比べて、冷媒流路１６と被冷却流体流路１５との隔壁１７の表面積が大きくなり、熱交換効率が向上し易くなる。

（１１）各被冷却流体流路１５を構成する管３０として、一定径のパイプが使用されているため各管３０として、径が第１端部から第２端部に向かって次第に大きくなるパイプを設ける場合に比べて構成が簡単になる。

（第３の実施形態）
次に第３の実施形態を図７及び図８にしたがって説明する。この実施形態では、複数の冷媒流路１６が扁平に形成されている点は第１の実施形態と同じである。しかし、冷媒流路１６の厚さが冷媒入口２１側端部から冷媒出口２２側端部に向かって次第に厚くなるように形成されることにより、熱交換部１２の冷媒出口２２と対応する部分が、熱交換部１２の冷媒入口２１と対応する部分より断面積が広く形成されている点が異なる。第１の実施形態と基本的に同一部分は同一符号を付して詳しい説明を省略する。

図７（ａ）に示すように、前壁１８及び後壁１９間には、幅が一定で、厚さが第１端部から第２端部に向かって次第に厚くなる四角筒体２０が設けられている。図７（ｂ）及び図８（ａ）に示すように、各四角筒体２０の一方の側壁には、前壁１８に近接して冷媒入口２１が形成され、他方の側壁には後壁１９に近接して冷媒出口２２が形成されている。冷媒入口２１は冷媒出口２２より小さく形成されている。各冷媒入口２１には入口配管２３が連結され、冷媒出口２２には出口配管２４が連結されている。また、図８（ａ）に示すように、各四角筒体２０には冷媒流路１６を途中で折り返すように区画する区画プレート２８は設けられていない。

この実施形態の沸騰冷却装置１０も、前記第１の実施形態と同様にして使用される。そして、図８（ａ），（ｂ）に示すように、冷媒入口２１から冷媒流路１６に流入した液冷媒は、冷媒流路１６を流れる間に、被冷却流体の熱により一部が沸騰する状態になり、液状の冷媒と気体状の冷媒とが混合した状態、即ち液冷媒中に気泡２９が存在する状態で冷媒流路１６を冷媒出口２２に向かって移動する。冷媒流路１６に折り返し部１６ａが存在しないため、発生した気泡は各冷媒流路１６内を冷媒流路１６の断面積が小さい側（図８（ａ），（ｂ）の左側）から断面積が大きい側に向かって流れ、冷媒出口２２から出口配管２４へ排出される。そして、気泡２９が存在する状態の液冷媒が、出口配管２４及び冷媒配管２６ｂを介して冷媒液化部２５へ移動し、冷媒液化部２５で蒸気が凝縮されて液冷媒になり、沸騰冷却装置１０へ再循環される。

この第２の実施形態によれば、第１の実施形態の（１）〜（４），（７），（９）の効果に加えて以下の効果を得ることができる。
（１２）冷媒流路１６は、幅が一定で厚さが、冷媒入口２１側から冷媒出口２２側に向かって次第に厚くなる形状で、途中に折り返し部１６ａが存在せずに真っ直ぐに形成されている。したがって、液冷媒中の気泡２９が円滑に冷媒出口２２に向かって移動し易くなる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 第２及び第３の実施形態のように、冷媒流路１６に折り返し部１６ａが存在せず、冷媒が冷媒流路１６内を熱交換部１２の第１端部側から第２端部側に向かって進む構成において、冷媒の流れる方向が被冷却流体の流れる方向と逆方向になる構成にしてもよい。例えば、第２の実施形態の沸騰冷却装置１０と同じ構造の沸騰冷却装置１０において、図９（ａ）に示すように、熱交換部１２の大径側に隣接する空間を被冷却流体導入部１３とし、熱交換部１２の小径側に隣接する空間を被冷却流体排出部１４とする。この構成でも、冷媒入口２１は熱交換部１２の小径側端部に設けられ、冷媒出口２２は熱交換部１２の大径側端部に設けられる。したがって、冷媒流路１６は、第２の実施形態と同様に、その断面積が、冷媒入口２１と対応する部分から冷媒出口２２と対応する部分に向かって次第に増大するように形成されている。この場合、第２の実施形態と同様の効果が得られる。また、第３の実施形態の沸騰冷却装置１０を同様に、被冷却流体の沸騰冷却装置１０に対する導入方向及び排出方向を逆に使用しても同様である。

○ 第２の実施形態のように、前壁１８及び後壁１９間に被冷却流体導入部１３及び被冷却流体排出部１４と連通するように管３０を設けて被冷却流体流路１５を構成するとともに、管３０の外側を冷媒流路１６とする構成において、ハウジング１１を円筒状に形成し、管３０を径が第１端部から第２端部に向かって小さくなる形状にする。そして、図９（ｂ）に示すように、冷媒入口２１を被冷却流体導入部１３寄りに設け、冷媒出口２２を被冷却流体排出部１４寄りに設ける。この構成でも、冷媒流路１６は、その断面積が、冷媒入口２１と対応する部分から冷媒出口２２と対応する部分に向かって次第に増大するように形成されているため、発生した気泡２９が冷媒出口２２から排出され易くなり、被冷却流体を効率良く冷却することができる。また、同じ冷却能力の熱交換部１２を構成するのに必要なスペースを小さくできる。

○ 第２の実施形態のように被冷却流体流路１５が複数の管３０で形成された構成の沸騰冷却装置１０と同様な構成で、図１０に示すように、冷媒と被冷却流体の流れる流路を反対にした構成としてもよい。即ち、熱交換部１２の第１端部側に冷媒導入部３１を設け、第２端部側に冷媒排出部３２を設ける。そして、前壁１８と後壁１９との間に管３３を、第１端部が冷媒導入部３１に連通し、第２端部が冷媒排出部３２に連通する状態で設けて、複数の冷媒流路１６を構成する。各管３３は、第１端部が小径で第２端部が大径となるテーパ状に形成されており、各管３３の第１端部が冷媒入口２１になり、第２端部が冷媒出口２２になる。前壁１８及び後壁１９で挟まれた空間のうち管３３の外側部分が被冷却流体流路１５を構成するため、被冷却流体流路１５は１つになる。前壁１８寄りに被冷却流体を被冷却流体流路１５内に導入する導入配管１３ａが設けられ、後壁１９寄りに排出配管１４ａが設けられる。

○ 図１０に示すような、冷媒導入部３１に導入された冷媒が複数の管３３を通って排出される構成の場合、冷媒は、ハウジング１１の中央付近に配置された管３３を流れ易く、ハウジング１１の壁面近くに配置された管３３の流れが遅くなり易い。冷媒が全ての管３３で均等に流れ易くなるように、図１０に二点鎖線で示すように、案内部材３４を設けてもよい。被冷却流体が被冷却流体導入部１３を経て複数の管３０を通る構成の場合も同様に、案内部材３４を設けてもよい。

○ 第１の実施形態のように、扁平な四角筒体２０の内部に区画プレート２８を設けて冷媒流路１６を折り返し状で、かつその幅が冷媒入口２１側より冷媒出口２２側が大きくなる構成にする場合、四角筒体２０の厚さを一定ではなく、冷媒入口２１側に比べて冷媒出口２２側が厚くなるように構成してもよい。この場合、厚さ及び幅の一方のみ変化するようにした構成に比べて、気泡２９が冷媒出口２２から排出され易くなる。

○ 四角筒体２０を前壁１８と後壁１９との間に固着する代わりに、前壁１８、後壁１９及びハウジング１１の側壁に周囲を密封状態で固定した一対の平板と側壁とで１つの冷媒流路１６を構成してもよい。そして、平板を複数対設けて複数の冷媒流路１６を構成してもよい。しかし、四角筒体２０を設ける方が組み付けが容易である。

○ 沸騰冷却装置１０が、第１及び第３の実施形態のように、四角筒体２０あるいは平板を用いて、複数の被冷却流体流路１５及び複数の冷媒流路１６を交互に積層状態となる構成の場合、被冷却流体導入部１３及び被冷却流体排出部１４を設けずに、各被冷却流体流路１５毎に配管を連結して、被冷却流体の導入及び排出を行うようにしてもよい。

○ 冷媒入口２１が冷媒出口２２より小さく形成されている場合であっても、入口配管２３及び出口配管２４として冷媒出口２２に合った同じ径の配管を使用してもよい。この場合、冷媒入口２１及び冷媒出口２２の径に合わせてそれぞれ異なる径の配管を準備する必要がない。

○ 冷媒流路１６は、熱交換部１２の冷媒出口２２と対応する部分が、熱交換部１２の冷媒入口２１と対応する部分より断面積が広く、かつ途中の断面積も冷媒入口２１と対応する部分の断面積以上に形成されていればよく、冷媒入口２１を冷媒出口２２より小さくする必要はなく、同じ大きさにしてもよい。

○ 第２の実施形態のように、複数の被冷却流体流路１５を囲繞するように冷媒流路１６が１つだけ設けられた構成の場合、冷媒入口２１を１つではなく複数設ける方が、各被冷却流体流路１５の周囲に均等に冷媒を供給し易い。

○ 扁平な四角筒体２０あるいは一対の平板で冷媒流路１６を構成する場合、冷媒流路１６は複数に限らず、１つとしてもよい。
○ 管３０，３３は円筒状に限らず、例えば、三角筒状、四角筒状等の多角筒状あるいは楕円筒状であってもよい。

○ 管３０，３３は全て同じ物を使用する構成に限らない。例えば、冷媒流路１６を構成する管３３の場合、断面積が第１端部側（冷媒入口２１側）から第２端部側（冷媒出口２２側）に向かって大きくなる管であれば、断面積の異なる物を混合して使用したり、形状の異なる物を混合して使用したりしてもよい。また、被冷却流体流路１５を構成する管３０の場合、形状の異なる物を混合したり、断面積の異なる物を混合したり、テーパ状の管と一定径の管を混合したりしてもよい。

○ 冷媒は水に限らない。冷媒は被冷却流体の熱で沸騰する必要があるため、熱交換部１２において被冷却流体の温度より低い沸点でなければならない。そして、冷却すべき被冷却流体の温度や目的の温度に冷却するために被冷却流体から除去すべき熱量によって、適切な冷媒が選択される。例えば、水に代えて、アルコールを使用したり、水とアルコールの混合液を使用したりしてもよい。

○ 沸騰冷却装置１０は、ＥＧＲクーラーとして使用する場合に限らず、冷却を必要とする気体の冷却、あるいは液体の冷却に使用してもよい。
○ 冷媒流路１６は下流に向うに連れて連続して断面積が順次大きくなる構成に限定されず、段階的に大きくなっても良い。

○ 冷媒流路１６は冷媒出口付近で断面積が小さくなっても良い。
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記被冷却流体流路は複数の管で構成され、前記冷媒流路が前記複数の管の周囲を囲繞するように設けられている。

（２）請求項１〜請求項１２及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明の沸騰冷却装置は車両のＥＧＲクーラーである。

（ａ）は第１の実施形態における沸騰冷却装置の模式断面図、（ｂ）は概略斜視図。 （ａ）は図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図。 冷媒の流れを示す模式図。 第２の実施形態における沸騰冷却装置の概略斜視図。 同じく模式断面図。 冷媒流路における気泡の状態を示す模式図。 （ａ）は第３の実施形態における沸騰冷却装置の模式断面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ線断面図。 （ａ），（ｂ）は冷媒流路における気泡の状態を示す模式図。 （ａ），（ｂ）はそれぞれ別の実施形態における冷媒流路と被冷却流体流路の関係を示す模式図。 別の実施形態における冷媒流路と被冷却流体流路の関係を示す模式図。 （ａ）は従来技術の正面図、（ｂ）は別の従来技術の側面図。

符号の説明

１０…沸騰冷却装置、１２…熱交換部、１５…被冷却流体流路、１６…冷媒流路、１６ａ…折り返し部、１７…隔壁、２１…冷媒入口、２２…冷媒出口、２３…入口配管、２４…出口配管、２５…冷媒液化部、２７…強制循環手段、３３…管。

Claims (12)

1. 被冷却流体が流れる被冷却流体流路と、前記被冷却流体を冷却する液冷媒が流れる冷媒流路とが隔壁で区画された熱交換部を備え、前記熱交換部に供給された液冷媒は一部が沸騰した状態で熱交換部から排出され、冷媒液化部で液化された後、再び前記冷媒流路に供給されて循環使用される沸騰冷却装置であって、
   前記冷媒流路は、前記熱交換部において、前記熱交換部の冷媒出口側が、前記熱交換部の冷媒入口側より断面積が広くなる部分が存在するように形成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記冷媒流路は、前記熱交換部において、前記熱交換部の冷媒出口と対応する部分が、前記熱交換部の冷媒入口と対応する部分より断面積が広く、かつ途中の断面積も前記冷媒入口と対応する部分の断面積以上に形成されている請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記熱交換部における前記冷媒流路は真っ直ぐな部分において、前記冷媒出口側の断面積が前記冷媒入口側の断面積以上に形成されている請求項１又は請求項２に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記液冷媒は強制循環手段により強制循環されて使用される請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記熱交換部において、前記冷媒出口側の熱交換面積が前記冷媒入口側の熱交換面積よりも広くなる部分が存在するように形成されている請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
6. 前記冷媒流路は複数設けられている請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
7. 前記冷媒流路は扁平な冷媒流路が複数、間隔を空けて厚さ方向において隣接する状態で設けられている請求項６に記載の沸騰冷却装置。
8. 前記各冷媒流路は、厚さが一定で幅が変化している請求項７に記載の沸騰冷却装置。
9. 前記各冷媒流路は、厚さ及び幅が前記冷媒出口側に向かって大きくなるように変化している請求項７に記載の沸騰冷却装置。
10. 前記各冷媒流路は、前記冷媒入口から前記冷媒出口に至る経路の途中に折り返し部を有する請求項１〜請求項９のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
11. 前記冷媒流路の冷媒入口に連結されている入口配管は、冷媒出口に連結されている出口配管より径が小さく形成されている請求項１〜請求項１０のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
12. 前記冷媒流路は複数の管で構成され、前記被冷却流体流路が前記複数の管の周囲を囲繞するように設けられている請求項６に記載の沸騰冷却装置。

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