JP2016164478A - 冷却装置 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、前記第1接続管の直径は、設置スペースや配管コスト、またはその他の理由で十分に大きくできない場合がある。このような場合、前記蒸発部で気化した冷媒によって前記蒸発部内の液相の冷媒(以下、液冷媒という。)の一部が前記第1接続管及び前記凝縮部へ持ち出される現象が生じる。この現象が一定以上続くと、前記蒸発部で液冷媒が枯渇し、冷却装置の冷却低能が低下する場合があった。
図1は、冷却装置1の構成例を模式的に示す。図1に示すように、冷却装置1は、サーモサイホン式(二相サーモサイホン式)の冷却装置である。
蒸発部2は、ケース11と、このケース11の内部に設けられた空間部(貯留部、収容部)12とを有する。ケース11は、金属のような熱伝導性が良好な材料で形成される。ケース11は、冷却対象となる発熱体Hに熱的に接続される。例えば、ケース11は、発熱体Hに対して水平方向に並べられる。例えば、ケース11の表面(例えばケース11の側面11a)は、発熱体Hに接する。例えば、ケース11の側面11aは、発熱体Hの主面(面積が最も大きな面)と略同じ大きさに形成される。
凝縮部3は、複数の冷却管15と、この冷却管15に取り付けられた複数のフィン16と、冷却管15及びフィン16に向けて風を送るファン17とを有する。
複数のフィン16は、それぞれ複数の冷却管15に取り付けられる。
ファン17は、複数の冷却管15及び複数のフィン16に向けて風を送る。これにより、ファン17は、複数の冷却管15及び複数のフィン16を冷却する。
第1接続管(蒸気管)4は、蒸発部2と凝縮部3との間に設けられ、蒸発部2と凝縮部3とを接続する。第1接続管4の一端部は、蒸発部2の上端部(ケース11の上端部)に接続される。すなわち、第1接続管4は、蒸発部2の空間部12の上端部に連通する。第1接続管4の他端部は、凝縮部3の上端部に接続される。第1接続管4は、ひとつに纏められた複数の冷却管15の入口に連通する。第1接続管4には、蒸発部2で気化した冷媒が流入する。第1接続管4は、蒸発部2で気化した冷媒を凝縮部3へ導く。
図1に示すように、第2接続管(液管)5は、凝縮部3と蒸発部2との間に設けられ、凝縮部3と蒸発部2とを接続する。第2接続管5の一端部は、凝縮部3の下端部に接続される。第2接続管5は、ひとつに纏められた複数の冷却管15の出口に連通する。第2接続管5の他端部は、蒸発部2の下端部に接続される。すなわち、第2接続管5は、蒸発部2の空間部12の下端部に連通する。第2接続管5には、凝縮部3で凝縮した冷媒が流入する。第2接続管5は、凝縮部3で凝縮した冷媒を蒸発部2へ導く。
膨張タンク6は、「タンク」の一例である。膨張タンク6は、気圧の変動によって伸縮可能な容器6aと、この容器6aの接続口を形成する導入管6bとを含む。
本実施形態では、膨張タンク6は、第2接続管5に接続される。例えば、膨張タンク6は、第2接続管5の下降配管部22に接続される。
また、膨張タンク6と第2接続管5との接続位置は、第2接続管5内の冷媒の液面高さH2よりも高い位置である。より具体的には、膨張タンク6と第2接続管5との接続位置は、冷却装置1の運転時における第2接続管5内の冷媒の最大液面高さH2maxよりも高い位置である。これにより、膨張タンク6は、第2接続管5内の冷媒が最大液面高さH2maxに達する状態でも、第2接続管5内の気圧に応じて膨張または収縮することができる。なお、本願でいう「運転」とは、冷却装置1内において冷媒が気化と凝縮を通じて循環することを意味する。なお、冷媒の最大液面高さH2maxについては後述する。
第3接続管(バイパス管)7は、第1接続管4と第2接続管5との間に設けられ、第1接続管4の途中と第2接続管5の途中とを接続する。第3接続管7の一端部は、第1接続管4の上昇配管部21の途中に接続される。第3接続管7の他端部は、第2接続管5の下降配管部22の途中に接続される。
本実施形態では、上昇配管部21の内周面21aには、第1接続管4の径方向に開口した開口部21bが設けられる。第3接続管7は、この開口部21bに接続される。
図3は、冷却装置1の停止時と運転時の様子を模式的に示す。図3中の(a)は、冷却装置1の停止時の状態を示す。図3中の(b)は、冷却装置1の低出力運転時(発熱体Hの発熱量が比較的小さい時)の状態を示す。図3中の(c)は、冷却装置1の高出力運転時(発熱体Hの発熱量が比較的大きい時)の状態を示す。なお、図3中に示す第1接続管4の領域Nは、液冷媒の一部が存在するものの、ほとんど気泡で満たされているため液冷媒と見なされない領域である。
すなわち、冷却装置1において第1接続管4が十分に太ければ、蒸発部2で気化した蒸気によって蒸発部2内の液冷媒が第1接続管4内に押し上げられることは少ない。
ただし、第1接続管4の直径は、設置スペースや配管コスト、またはその他の理由で十分に大きくできない場合がある。このような場合、蒸発部2で気化した蒸気によって蒸発部2内の液冷媒の一部が第1接続管4及び凝縮部3へ持ち出される現象が生じる。この現象が一定以上続くと、蒸発部2で液冷媒が枯渇し、冷却装置1の冷却低能が低下する場合がある。例えば、蒸発部2で液冷媒が枯渇すると、蒸発部2の温度が冷媒の沸点を越えて上昇し続けることになる。
しかしながら、蒸発部2に気液分離構造を設けると、蒸発部2の寸法の大型化、構造の複雑化、及び圧力損失の増加を生じる。
しかしながらこのような構成では、凝縮部3で凝縮して第2接続管5内に溜まる液冷媒の一部が、第2接続管5から第3接続管7内にも流入する。このため、凝縮部3で凝縮した液冷媒が第2接続管5内のみに溜まる場合に比べて、第2接続管5内の冷媒の液面高さH2が高くなりにくい。その結果、冷却装置1内で冷媒を循環させる駆動力が大きくなりにくい。
ここで、第3接続管7と第2接続管5との接続位置が凝縮部3と同程度または凝縮部3よりも高い位置にあると、第3接続管7から第2接続管5に流入する液冷媒が、第2接続管5から凝縮部3に流入する可能性がある。凝縮部3に液冷媒が流入すると、蒸気を凝縮させる凝縮部3の機能が低下する可能性がある。
しかしながらこの場合、蒸発部2と第3接続管7との距離が比較的大きく離れる。このため、第1接続管4内に押し上げられた液冷媒を蒸発部2に戻すのに時間が掛かる可能性がある。この場合、蒸発部2で液冷媒が枯渇しないように、冷却装置1の設置時に入れる冷媒の量を増やす必要がある。このため、冷却装置1の大型化を招く場合がある。
仮に、第3接続管7と第2接続管5と接続位置が、第2接続管5と膨張タンク6との接続位置と同程度またはそれよりも高い位置にあると、第3接続管7から第2接続管5に流入する液冷媒が、第2接続管5から膨張タンク6に流入する可能性がある。液冷媒が膨張タンク6に流入すると、第2接続管5内の気圧の変動を抑える膨張タンク6の機能が弱まる可能性がある。
なお、膨張タンク6として、液冷媒が流入することで圧力変動を吸収する膨張タンクが採用される場合は、膨張タンク6は、第3接続管7よりも下方に設けられてもよい。
このような縦置きタイプの蒸発部2では、蒸発部2の内部において液相と気相の界面の面積が小さくなるため、気化した冷媒によって蒸発部2内の液冷媒が第1接続管4に持ち出されやすい。すなわち本実施形態の第3接続管7は、このような縦置きタイプの蒸発部2を有する冷却装置1において特に有効であると言える。
このような構成によれば、冷媒蒸気が多いことから上昇配管部21の内周面21aに押しやられて内周面21aに張り付きながら第1接続管4内を上昇する液冷媒は、開口部21bに達することで第3接続管7内に押しやられる。これにより、液冷媒が第3接続管7に流入しやすくなる。
図4は、第1の変形例の冷却装置1を模式的に示す。本変形例は、膨張タンク6の位置が上記の実施形態とは異なる。なお本変形例のその他の構成は、上記の実施形態の構成と同様である。そのため、上記の実施形態と同様の部分の説明は省略する。
第3接続管7と第1接続管4との接続位置は、膨張タンク6と第1接続管4との接続位置よりも低い位置である。
図5は、第2の変形例の冷却装置1を模式的に示す。本変形例は、第3接続管7の形状が上記の実施形態とは異なる。なお本変形例のその他の構成は、上記の実施形態の構成と同様である。そのため、上記の実施形態と同様の部分の説明は省略する。
図6は、第3の変形例の冷却装置1を模式的に示す。本変形例は、第3接続管7と第2接続管5との接続位置が第2接続管5内の冷媒の液面高さH2よりも下方に位置する点で上記の第2の変形例とは異なる。なお本変形例のその他の構成は、上記の第2の変形例の構成と同様である。そのため、上記の実施形態及び第2の変形例と同様の部分の説明は省略する。
第3接続管7と第1接続管4との接続位置は、上記の実施形態と同様に、運転時における第2接続管5内の冷媒の最大液面高さH2maxよりも高い位置である。
一方で、第3接続管7と第2接続管5との接続位置は、冷却装置1の運転時における第2接続管5内の冷媒の最大液面高さH2maxよりも低い位置である。なお、第3接続管7と第2接続管5との接続位置は、冷却装置1の停止時における第2接続管5内の液面高さH2よりも低い位置でもよい。
図7は、第4の変形例の冷却装置1を模式的に示す。本変形例は、蒸発部2の構成が上記の実施形態とは異なる。なお本変形例のその他の構成は、上記の実施形態の構成と同様である。そのため、上記の実施形態と同様の部分の説明は省略する。
同様に、第2接続管5は、複数のケース11と同数に分かれた複数の分岐配管5aを有する。各分岐配管5aは、各ケース11の空間部12の下端部に連通する。分岐配管5aは、複数のケース11に対して、互いに同じ高さで接続される。
このような構成によれば、複数のケース11の空間部12に対して、第2接続管5内の冷媒の液面高さH2と第1接続管4内の冷媒の液面高さH1との違いに基づく同一の駆動力を作用させることができる。
ここで、発熱体H及びケース11を水平に寝かせ、発熱体Hの上にケース11を載せる場合(いわゆる横置きの場合)を考える。この場合、ケース11の空間部12において液冷媒の量が少なくなっても、発熱体Hの全領域を冷媒が覆うことができる。このため、ケース11を横置きにすると、冷媒枯渇による冷却性能の低下が生じにくくなる。
ここで、蒸発部2が複数のケース11を有する場合、複数の横置きのケース11を鉛直方向に並べると、設置面積は小さくなる。しかしながら、複数の横置きのケース11を鉛直方向に並べると、各ケース11に供給される液冷媒の駆動力に差が生じるため、各ケース11の冷却性能が不均一になる。
一方で、複数の横置きのケース11を水平方向に並べると、各ケース11の冷却性能は均一になるが、設置面積が大きくなる。
そこで、本変形例では、複数のケース11を縦置きにすることで、各ケース11の冷却性能の均一化と、設置面積の縮小とを同時に実現している。さらに本変形例では、第3接続管7を設けることで、冷媒枯渇による冷却性能の低下を抑制することができる。これにより、小型で且つ優れた性能を発揮可能な冷却装置1を提供することができる。
Claims (8)
- 発熱体が発する熱によって冷媒が気化する蒸発部と、
前記蒸発部よりも上方に設けられ、気化した前記冷媒が外部流体との熱交換によって凝縮する凝縮部と、
前記蒸発部で気化した前記冷媒を前記凝縮部へ導く第1接続管と、
前記凝縮部で凝縮した前記冷媒を前記蒸発部へ導く第2接続管と、
前記第1接続管の途中と前記第2接続管の途中とを接続し、前記第1接続管との接続位置は、運転時における前記第2接続管内の前記冷媒の最大液面高さよりも高い位置である第3接続管と
を備える冷却装置。 - 前記第3接続管と前記第2接続管との接続位置は、停止時における前記第2接続管内の前記冷媒の液面高さよりも高い位置である
請求項1に記載の冷却装置。 - 前記第3接続管と前記第2接続管との接続位置は、運転時における前記第2接続管内の前記冷媒の最大液面高さよりも高い位置である
請求項1または請求項2に記載の冷却装置。 - 前記第3接続管と前記第2接続管との接続位置は、前記凝縮部よりも低い位置である
請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記凝縮部よりも低い位置で前記第2接続管に接続され、前記第2接続管内の気圧に応じて膨張可能なタンクをさらに備え、
前記第3接続管と前記第2接続管との接続位置は、前記タンクと前記第2接続管との接続位置よりも低い位置である
請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記第3接続管の内径は、前記蒸発部の温度が前記冷媒の沸点を越えて上昇し続けない最小内径以上である
請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記第3接続管の内径は、気化した前記冷媒が前記第3接続管内で連続相を成さない最大内径以下である
請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の冷却装置。 - 前記発熱体は、複数設けられ、
前記蒸発部は、複数の前記発熱体に対して水平方向に交互に配置可能な複数のケースを有し、前記複数のケースの各々は、前記冷媒を収容可能な空間部を含み、
前記第1接続管は、前記複数のケースの前記空間部の上端部に連通し、
前記第2接続管は、前記複数のケースの前記空間部の下端部に連通し、
前記複数のケースの各々において、前記発熱体と前記ケースとが並ぶ方向における前記空間部の水平方向の幅は、前記空間部の鉛直方向の幅よりも小さい
請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の冷却装置。
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