JP2011196632A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】凝縮部３０内での冷媒の気液分流を可能とし、熱交換効率を向上させることが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は、液体冷媒を収容する収容部２と、一端が連通室２ａに通じ他端が閉塞された内部空間を有し、内部空間における連通室側下端が閉塞側下端よりも下方に位置する凝縮部３０と、を備える沸騰冷却装置であって、凝縮部３０の内部空間には、凝縮部３０内部の一方側面から他方側面に延びる複数のフィン部３２が連通室２ａ側から閉塞側に向かって並設され、複数のフィン部３２のうち少なくとも最も連通室２ａ側のフィン部３２は、フィン部３２の上端部と凝縮部３０の内部上面との距離ａが、フィン部３２の下端部と凝縮部３０の内部下面との距離ｂよりも大きく、最も連通室２ａ側のフィン部３２の上方の通路断面積が最も連通室２ａ側のフィン部３２の下方の通路断面積よりも大きいことを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷媒を用いて発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。

沸騰冷却装置は、液体冷媒が沸騰する際の潜熱を利用して発熱体を冷却する装置である。沸騰冷却装置は液体冷媒を収容する収容部を備える。この収容部において発熱体の熱により沸騰した冷媒（蒸気冷媒）は、凝縮器内に流入し、そこで熱交換されて凝縮される。凝縮した液体冷媒は、再び収容部に環流する。このような沸騰冷却装置は、例えば、特開平１０−１７３１１５号公報（特許文献１）に記載されている。

昨今では、小型化及び凝縮性能向上の観点から、凝縮器を収容部の上部側方に設ける構成となっている。この構成であれば、凝縮器内で凝縮された液体冷媒は、凝縮器内の底面を流れて収容部に環流する。従来のように凝縮した液体冷媒が直接収容部に滴下する構成にした場合、凝縮器の凝縮性能を上げるために凝縮器の横幅を大きくすると、その分収容部の横幅も大きくしなければならず、装置が大型化してしまう。凝縮器を収容部の上部側方に配置する構成は、収容部の大きさを変えずに凝縮器の大きさを変えることができ、小型化と凝縮性能向上の点で有利な構成となる。

特開平１０−１７３１１５号公報

しかしながら、上記構成において、凝縮器の内部空間では、蒸気冷媒と液体冷媒とが混在する状態となり、蒸気冷媒の凝縮器内への流入と液体冷媒の収容部への流出とが必ずしも効率よく行われていなかった。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、凝縮部内における気液の分流を可能とし、熱交換効率を向上させることが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、発熱体の熱を受けて沸騰する液体冷媒を収容し、冷媒液面の上方に連通室を有する収容部と、一端が前記連通室に通じ他端が閉塞された内部空間を有し、前記内部空間における前記連通室側下端が閉塞側下端よりも下方に位置する凝縮部と、を備える沸騰冷却装置であって、前記凝縮部の内部空間には、前記凝縮部内部の一方側面から他方側面に延びる複数のフィン部が前記連通室側から閉塞側に向かって並設され、前記複数のフィン部のうち少なくとも最も前記連通室側のフィン部は、前記フィン部の上端部と前記凝縮部の内部上面との距離が、前記フィン部の下端部と前記凝縮部の内部下面との距離よりも大きく、前記最も前記連通室側のフィン部の上方の通路断面積が前記最も前記連通室側のフィン部の下方の通路断面積よりも大きいことを特徴とする。

本発明によれば、傾斜した凝縮部において、フィン部の上端部と凝縮部の内部上面との距離（以下「上部距離」とも称する）が、フィン部の下端部と凝縮部の内部下面との距離（以下「下部距離」とも称する）よりも大きく、凝縮部の内部空間におけるフィン部で仕切られた上面側の通路（以下「上部通路」とも称する）の開口面積が、下面側の通路（以下「下部通路」とも称する）の開口面積より大きくなっている。

これにより、上部通路の流入抵抗が下部通路よりも小さくなり、蒸気冷媒は、下部通路よりも上部通路に流入し易くなる。また、下部通路においては、上記作用により、内部下面（底面）上を流れて収容部に流出する液体冷媒の流れに対し、蒸気冷媒の流入による妨害が抑制される。これによれば、蒸気冷媒は主に上部通路を流通し、液体冷媒は主に下部通路を流通することとなる。つまり、本発明の沸騰冷却装置では、凝縮部内における気液の分流が可能となる。これにより、冷媒循環が良好となり、熱交換効率の向上が可能となる。

ここで、フィン部は、上下方向に延在するよう配置されることが好ましい。複数のフィン部により上下方向に複数の小通路が形成され、当該小通路により上部通路と下部通路が連通される。この小通路は、フィン部により区画されるため伝熱性能が高い通路となる。そして、上下方向に延在したフィン部を並設することで、当該小通路は、連通室側にも形成される。つまり、流入した蒸気冷媒を、短距離で伝熱性能の高い小通路に流入させることができ、熱交換効率を向上させることができる。

ここで、すべてのフィン部は、上部距離が下部距離よりも大きくなっていることが好ましい。これにより、上部通路の通路断面積が下部通路よりも大きくなり、蒸気冷媒に対する上部通路全体の抵抗を小さくすることができる。したがって、蒸気冷媒は、さらに上部通路に流入しやすくなる。

ここで、複数のフィン部は、波形頂部が凝縮部の内部側面に接合する波形フィンからなることが好ましい。内部に１つの波形フィンを設置するだけで複数のフィン部が形成されるため、製造が容易となる。また、冷媒との伝熱面積を確実に増大させることができる。

ここで、凝縮部は、一方が閉塞されたチューブ部材からなることが好ましい。製造が容易となる上、凝縮部のコンパクト化（小型化）が可能となる。さらに、本発明の沸騰冷却装置は、複数の凝縮部を備えてもよい。また、この複数の凝縮部は、アウターフィンにより連結されていることが好ましい。コンパクトで、且つ、効率よく凝縮性能を向上させることができる。

本発明の沸騰冷却装置によれば、凝縮部内における気液の分流を可能とし、熱交換効率を向上させることができる。

沸騰冷却装置１を示す斜視図である。 沸騰冷却装置１を示す縦断面図である。 凝縮部３０を示すＡ−Ａ線断面図である。 凝縮部３０を示すＢ−Ｂ線断面図である。 沸騰冷却装置１０を示す縦断面図である。 凝縮部３０を示すＣ−Ｃ線断面図である。 凝縮部３０の他の態様を示すＣ−Ｃ線断面図である。 凝縮部３０の他の態様を示すＣ−Ｃ線断面図である。 凝縮部３０を示すＡ−Ａ線断面図に相当する断面図である。 沸騰冷却装置１００を示す縦断面図である。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

＜第一実施形態＞
第一実施形態の沸騰冷却装置１について図１〜図４を参照して説明する。図１は、沸騰冷却装置１を示す斜視図である。図２は、沸騰冷却装置１を示す縦断面図である。図３は、凝縮部３０を示すＡ−Ａ線断面図である。図４は、凝縮部３０を示すＢ−Ｂ線断面図である。

図１に示すように、沸騰冷却装置１は、収容部２と、凝縮器３と、を備えている。収容部２は、内部に液体冷媒（例えば水、アルコール、フロン等）を収容する金属容器であって、容器部２１と、連通部２２と、を有している。容器部２１は、上部に開口を有する有底角筒状の容器であって、内部に液体冷媒を収容する。液体冷媒の液面は、沸騰冷却装置１停止時に、容器部２１内に位置している。容器部２１の外部側面には発熱体Ｚが取り付けられ、容器部２１の側面が発熱体Ｚの熱を伝熱し、内部の液体冷媒とで熱交換が行われる。発熱体Ｚは、例えば半導体素子等を含んだパワーモジュール等である。

連通部２２は、略中空円柱状であり、容器部２１の上方に位置し、内部空間が容器部２１の内部空間に通じている。収容部２における液面上方の内部空間（連通部２２内及び容器部２１内上部）には、凝縮部３の内部空間に通じる連通室２ａが形成されている。収容部２の形状は、上記に限られない。例えば、連通部２２は、図２左側の壁が上下に延在する平面状であるものや、断面形状が矩形であるものでもよい。

凝縮器３は、複数の凝縮部３０と、それら凝縮部３０を連結するアウターフィン３０１と、を備えている。凝縮部３０は、ケース部３１と、複数のフィン部３２と、からなっている。ケース部３１は、一端が開口し、他端が閉塞された扁平筒状の金属部材からなっている。図３に示すように、ケース部３１の内部側面同士の離間距離ｃは、上下方向においてほぼ一定となっている。ケース部３１の開口端部は、連通部２２に接合されており、ケース部３１の内部空間と連通室２ａとが通じている。ケース部３１は、内部空間における開口側下端（連通室２ａ側下端）が閉塞側下端よりも下方に位置している。つまり、ケース部３１の内部底面（本発明の「内部下面」に相当する）は、開口端から閉塞端に向かうほど上方となるように傾斜している。本実施形態では、凝縮部３０の内部底面と内部上面とは略平行となっている。なお、ケース部３１は、２部品からなり、後述するフィン部３２を一方側面に接合（溶接等）した後に、一方側面側と他方側面側とを接合して形成される。

フィン部３２は、熱伝導率が高い板状の金属部材（例えばアルミニウム）であって、ケース部３１内において、ケース部３１内部の一方側面から他方側面に延びるように設置されている。具体的には、フィン部３２の左右端部（図３における左右方向端部）がケース部３１の内部側面にそれぞれ接合されている。なお、フィン部３２は、フィン部３２の左右端部の一方の端部のみがケース部３１の内部側面に接合されて、他方の端部がケース部３１の内部側面に接しない（届かない）大きさになっていてもよい。フィン部３２は、一方の面が、ケース部３１の開口端から閉塞端に向かう方向（以下、「長手方向」とも称する）に交差するように配置されている。本実施形態では、フィン部３２は、一方の面が長手方向に対してほぼ直交するように配置されている。フィン部３２により、凝縮部３０における冷媒蒸気との伝熱面積は増大する。

複数のフィン部３２は、凝縮部３０の長手方向に間隔を空けて並設されている。図３及び図４に示すように、フィン部３２は、上下方向に延在し、対向するフィン部３２同士の間には上下に延びる小通路３０ｃが形成されている。複数のフィン部３２は、すべて、フィン部３２の上端部とケース部３１の内部上面との距離ａが、フィン部３２の下端部とケース部３１の内部底面との距離ｂよりも大きくなっている（ａ＞ｂ）。

ケース部３１の内部空間は、複数のフィン部３２により、上部通路３０ａ、下部通路３０ｂ、及び、複数の小通路３０ｃに区画されている。上部通路３０ａは、フィン部３２の上方に形成された通路であって、開口端から閉塞端にかけてケース部３１の内部上面に沿って延びる通路である。下部通路３０ｂは、フィン部３２の下方に形成された通路であって、開口端から閉塞端にかけてケース部３１の内部底面に沿って延びる通路である。小通路３０ｃは、上部通路３０ａと下部通路３０ｂとを連通する上下に延びる通路である。

ここで、沸騰冷却装置１の作用効果について説明する。発熱体Ｚの熱は、容器部２１の側面を介して液体冷媒に伝わり、液体冷媒を沸騰させる。沸騰した蒸気冷媒は、気泡となって上昇し、連通室２ａに流出する。その後、蒸気冷媒は、上昇し、連通部２２内の連通室２ａから凝縮部３０内に流入する。凝縮部３０内に流入した蒸気冷媒は、そこで冷却（熱交換）され、凝縮して液体冷媒となる。凝縮された液体冷媒は、凝縮部３０の内部底面上を流れ、連通室２ａに流出した後、容器部２１内に環流する。

本実施形態において、まず、最も連通室２ａ側のフィン部３２は、距離ｂより距離ａが大きくなるように配置されている。このため、凝縮部３０内において、上部通路３０ａの開口面積は、下部通路３０ｂの開口面積より大きくなっている。つまり、蒸気冷媒の上部通路３０ａへの流入抵抗が、下部通路３０ｂへの流入抵抗よりも小さくなっている。これにより、蒸気冷媒は、連通室２ａから凝縮部３０内に流入するにあたり、上部通路３０ａに流入し易くなる。

さらに、本実施形態では、すべてのフィン部３２がａ＞ｂの関係で配置されており、上部通路３０ａの通路断面積は、下部通路３０ｂの通路断面積より大きくなっている。これにより、凝縮部３０内全域において、下部通路３０ｂよりも上部通路３０ａのほうが流れ抵抗が小さくなる。連通室２ａに流入した蒸気冷媒は、主として上部通路３０ａに流入するようになる。

そして、上部通路３０ａに流入した蒸気冷媒は、凝縮部３０内を閉塞端に向けて進むと共に、小通路３０ｃにも流入する。蒸気冷媒は、フィン部３２やケース部３１の壁面に熱を伝熱し、凝縮されて液体冷媒となる。蒸気冷媒は、フィン部３２の伝熱面を含む小通路３０ｃにて主に凝縮される。凝縮された液体冷媒は、小通路３０ｃを介して下部通路３０ｂに流出し、下部通路３０ｂを通って連通室２ａに流出する。下部通路３０ｂには、連通室２ａから蒸気冷媒が流入しにくく、主に凝縮した液体冷媒が流れるようになる。

このように、本実施形態によれば、主として、上部通路３０ａに蒸気冷媒が流通し、下部通路３０ｂに液体冷媒が流通する。つまり、沸騰冷却装置１では、凝縮部３０内で冷媒の気液分流が可能となる。これにより、凝縮部３０内を効率よく冷媒流通させ、熱交換効率を向上させることができる。さらに、本実施形態では、伝熱面積を増大させるフィン部３２により内部空間を区画しているため、気液分流と伝熱面積増大の相乗効果により熱交換効率を向上させることができる。

また、複数の小通路３０ａが並列配置されているため、上部通路３０ａ内で蒸気冷媒の乱流が生じやすくなる。蒸気冷媒の乱流が生じると、フィン部３２やケース部３１の壁面との熱交換が促進され、凝縮部３０の熱交換効率が向上するため有利である。また、小通路３０ｃを上下方向に延びるように形成することで、小通路３０ａ、すなわち凝縮性能が高い通路を蒸気冷媒流入側（開口端側）に形成することができる。これにより、蒸気冷媒を短い流通距離で凝縮させることができ、凝縮効率を向上させることができる。また、フィン部３２の位置を変更するだけで、上部通路３０ａの開口面積を調整できるため、製造又は調製が容易である。

また、本実施形態のように下部通路３０ｂに複数の小通路３０ｃが通じる構成は、凝縮性能を向上させると共に、液体冷媒を収容する部位（容器部２１）を小さくすることができるので、車両等への搭載性も向上し、有利である。

このように、本実施形態の沸騰冷却装置１によれば、凝縮部３０内での気液分流を可能とし、熱交換効率を向上させることができる。

＜第二実施形態＞
第二実施形態の沸騰冷却装置１０は、第一実施形態の凝縮部を変更したものであり、他の構成については、同符号を付して説明を省略する。以下、第二実施形態について図５〜図９を参照して説明する。図５は、沸騰冷却装置１０を示す縦断面図である。図６は、凝縮部３０を示すＣ−Ｃ線断面図である。図７は、凝縮部３０の他の態様を示すＣ−Ｃ線断面図である。図８は、凝縮部３０の他の態様を示すＣ−Ｃ線断面図である。図９は、凝縮部３０を示すＡ−Ａ線断面図に相当する断面図である。

図５に示すように、凝縮部３０は、ケース部３１と、波形フィン３３と、からなっている。ケース部３１は、一端が閉塞された金属製のチューブ部材からなっている。ケース部３１内には、後述の波形フィン３３が挿入され固定される。

波形フィン３３は、熱伝達率の高い薄い金属板（例えばアルミニウム等）を、所定のピッチで交互に折り曲げて波状に成形したものである。図６に示すように、波形フィン３３における波形の頂部は、ケース部３１の内部側面に接合されている。つまり、波形フィン３３は、ケース部３１内部の一方側面から他方側面に延びる複数のフィン部３３１を備えている。フィン部３３１は、第一実施形態同様、上下方向に延在している。つまり、第一実施形態同様、小通路３０ｃは、上下方向に延びている。

波形フィン３３は、ケース部３１内において、すべてのフィン部３３１がａ＞ｂとなるように配置されている。これにより、第二実施形態においても、第一実施形態と同様の効果が発揮される。さらに、第二実施形態では、ケース部３１内に複数のフィン部３３１が形成された１つのフィン（波形フィン３３）を設置するだけでよく、凝縮部３０の製造が極めて容易となる。また、ケース部３１にチューブ部材を用いているため、凝縮部３０及び凝縮器３を、容易且つコンパクトに製造することができる。なお、波形フィン３３は、上記形状に限られない。例えば、図７に示すように、角状に折れ曲がったものでもよい。

また、複数のフィン部３２（３３１）は、ケース部３１と別体でなくともよく、図８に示すように、ディンプルフィンであってもよい。これは、ケース部３１の一方側壁に複数の凹部を並設することで形成される。

また、ケース部３１の内部側面距離（第一実施形態のｃに相当する内部空間の横幅）は、一定に限られず、図９に示すように、上下対称になっていてもよい。つまり、凝縮部３０の内部空間の横幅（内部側面同士の離間距離）は上下対称か、あるいは上下方向にほぼ一定となっていればよい。この場合、フィン部３２（３３１）の上端部と凝縮部３の内部上面との距離ａが、フィン部３２（３３１）の下端部と凝縮部３の内部底面との距離ｂよりも大きくなれば、必ず上部通路３０ａの通路断面積が下部通路３０ｂの通路断面積よりも大きくなる。ただし、ケース部３１の内部側面距離が上下方向で一定もしくは上下対称となっていなくても、距離ａを距離ｂよりも大きくすることで上部通路３０ａの通路断面積が下部通路３０ｂの通路断面積よりも大きくなっていればよい。

＜第三実施形態＞
第三実施形態の沸騰冷却装置１００は、第二実施形態の収容部を変更したものであり、他の構成は、同符号を付して説明を省略する。図１０は、沸騰冷却装置１００を示す縦断面図である。

図１０に示すように、収容部２は、容器部２１内に仕切壁部２３を有している。仕切壁部２３は、板状部材であって、発熱体Ｚが取り付けられた容器部２１の側壁に対向して配置されている。仕切壁部２３は、容器部２１の内部空間を沸騰通路Ｘと環流通路Ｙとに仕切っている。仕切壁部２３は、容器部２１内部側面に接合されているが、容器部２１の内部底面には接合されていない。このため、沸騰通路Ｘと環流通路Ｙとは下方でつながっている。仕切壁部２３の上端は、連通部２２内に位置している。

沸騰通路Ｘは、容器部２１の内部側面、内部底面、および、仕切壁部２３で囲まれた空間であって、発熱体Ｚ配置側（図１０における左側）の領域である。沸騰通路Ｘは、上下方向に延び、上端で連通室２ａに通じ、下端で環流通路Ｙに通じている。沸騰通路Ｘは、発熱体Ｚの取り付けられた側壁からの受熱により沸騰した蒸気冷媒を連通室２ａに流出させる通路である。

環流通路Ｙは、容器部２１の内部側面、内部底面、および、仕切壁部２３で囲まれた空間であって、発熱体Ｚが配置されていない側（図１０における右側）の領域である。環流通路Ｙは、上下方向に延び、上端で連通室２ａに通じ、下端で沸騰通路Ｘに通じている。環流通路Ｙは、上端から凝縮部３０で凝縮された液体冷媒が流入し、下端から沸騰通路Ｘに液体冷媒を供給する通路である。液体冷媒は、自重により環流通路Ｙから沸騰通路Ｘに向かって流れる（図１０矢印参照）。凝縮器３は、発熱体Ｚ（図１０の左側）とは反対側（図１０の右側）に取り付けられている。したがって、環流通路Ｙは、発熱体Ｚが配置されていない側、すなわち凝縮部３０が配置されている側に形成されている。

第三実施形態の沸騰冷却装置１００によれば、第二実施形態同様、凝縮部３０内で冷媒の気液分流が可能となる。さらに、容器部２１内においては、蒸気冷媒の通る沸騰通路Ｘと液体冷媒が環流する環流通路Ｙとが形成されている。還流通路Ｙは、沸騰通路Ｘよりも凝縮部３０の開口側に位置しているため、凝縮部３０（下部通路３０ｂ）から流出した液体冷媒は、環流通路Ｙに流入する。また、仕切壁部２３の上端が連通部２２内に位置しているため、蒸気冷媒は、さらに下部通路３０ｂでなく、上部通路３０ａに流入し易くなっている。つまり、第三実施形態の沸騰冷却装置１００によれば、図１０の矢印に示すように、沸騰冷却装置１００全体において、冷媒の大きな流れが形成可能となる。これにより、冷媒は、沸騰冷却装置１００内を効率よく且つスムーズに循環でき、収容部２での相乗的に熱交換効率を向上させることができる。なお、フィン部３３１は、第一実施形態のフィン部３２でもよい。

なお、フィン部３２（３３１）は、凝縮部３（ケース部３１）内部空間の断面形状（長手方向に直交する断面）が円形や楕円形の場合、凝縮部３内で水平方向において対向する２つの内壁面のうち、一方の内壁面から他方の内壁面に向けて延びるよう形成されればよい。つまり、一方側面には、凝縮部３内で水平方向に対向する一方の内壁面が含まれ、他方側面には、凝縮部３内で当該一方の内壁面に対向する他方の内壁面が含まれる。また、この場合、内部上面は、凝縮部３の断面形状における上端部をつないだ線状となり、内部下面は、当該断面積における下端部をつないだ線状となる。

１、１０、１００：沸騰冷却装置、
２：収容部、 ２１：容器部、 ２２：連通部、 ２ａ：連通室、 ２３：仕切壁部、
３：凝縮器、 ３０：凝縮部、 ３１：ケース部、 ３２、３３１：フィン部、
３３：波形フィン、
３０ａ：上部通路、 ３０ｂ：下部通路、 ３０ｃ：小通路、
Ｘ：沸騰通路、 Ｙ：環流通路、 Ｚ：発熱体

Claims (7)

1. 発熱体の熱を受けて沸騰する液体冷媒を収容し、冷媒液面の上方に連通室を有する収容部と、
   一端が前記連通室に通じ他端が閉塞された内部空間を有し、前記内部空間における前記連通室側下端が閉塞側下端よりも下方に位置する凝縮部と、
   を備える沸騰冷却装置であって、
   前記凝縮部の内部空間には、前記凝縮部内部の一方側面から他方側面に向かって延びる複数のフィン部が前記連通室側から閉塞側に向かって並設され、
   前記複数のフィン部のうち少なくとも最も前記連通室側のフィン部は、前記フィン部の上端部と前記凝縮部の内部上面との距離が、前記フィン部の下端部と前記凝縮部の内部下面との距離よりも大きく、前記最も前記連通室側のフィン部の上方の通路断面積が前記最も前記連通室側のフィン部の下方の通路断面積よりも大きいことを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記フィン部は、上下方向に延在するよう配置される請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記複数のフィン部のすべてのフィン部は、前記フィン部の上端部と前記凝縮部の内部上面との距離が、前記フィン部の下端部と前記凝縮部の内部下面との距離よりも大きい請求項１又は２に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記複数のフィン部は、波形頂部が前記凝縮部の内部側面に接合する波状のフィンからなる請求項１〜３の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記凝縮部は、一端が閉塞されたチューブ部材からなる請求項１〜４の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
6. 複数の前記凝縮部を備える請求項１〜５の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
7. 前記複数の凝縮部は、アウターフィンにより連結されている請求項６に記載の沸騰冷却装置

Images