JP2021061293A - 熱サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器に対する液体熱媒の供給を安定化させる。【解決手段】液体熱媒を貯留する第１タンクと、液体熱媒を気化させて気体熱媒を生成する蒸発器と、気体熱媒を凝縮させて液体熱媒を生成する凝縮器と、蒸発器で気化しなかった液体熱媒を第１タンクに戻す戻り流路と、液体熱媒を貯留した後に第１タンクに供給する第２タンクと、凝縮器と第２タンクとを接続する第１還流流路と、第２タンクと第１タンクとを接続する第２還流流路とを備え、第２還流流路は第２タンクの上部に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、熱サイクル装置に関する。

下記特許文献１には、液相の作動流体に蒸気泡が発生した場合であっても蒸気泡を容易に除去できるようにし、安定した冷却性能が得られる冷却装置及び電子装置が開示されている。この冷却装置及び電子装置は、多孔質体によって発熱体と隔てられた蒸気流路及び液流路を有し、液相の作動流体が蒸発する蒸発器と、気相の作動流体が凝縮する凝縮器と、液相の作動流体を貯留する液溜めタンクと、蒸発器の蒸気流路の出口と凝縮器の入口とを接続する蒸気管と、凝縮器の出口と液溜めタンクの第１の入口とを接続する液管と、液溜めタンクの出口と蒸発器の液流路の入口とを接続する液供給管と、蒸発器の液流路の出口と液溜めタンクの第２の入口とを接続する液戻り管と、液供給管に介装された液輸送手段とを備える。

特開２０１２−１３２６６１号公報

ところで、上記冷却装置及び電子装置では、発熱体が低発熱状態にあるときは、主に液戻り管から液相の作動流体が液溜めタンクに還流し、発熱体が高発熱状態にあるときは、主に凝縮器から液相の作動流体が液溜めタンクに還流する。しかしながら、蒸発器における液相の作動流体の蒸発量と凝縮器における気相の作動流体の凝縮量とのアンバランス等によって、液溜めタンクにおける液相の作動流体の貯留量が安定しないという問題がある。このような貯留量の不安定は、冷却性能の不安定を招来するものであり、解決すべき重要な技術課題である。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、蒸発器に対する液体熱媒の供給を安定化させることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、熱サイクル装置に係る第１の解決手段として、液体熱媒を貯留する第１タンクと、前記液体熱媒を気化させて気体熱媒を生成する蒸発器と、前記気体熱媒を凝縮させて前記液体熱媒を生成する凝縮器と、前記蒸発器で気化しなかった前記液体熱媒を前記第１タンクに戻す戻り流路と、前記前記液体熱媒を貯留した後に前記第１タンクに供給する第２タンクと、前記凝縮器と前記第２タンクとを接続する第１還流流路と、前記第２タンクと前記第１タンクとを接続する第２還流流路とを備え、前記第２還流流路は、前記第２タンクの上部に接続される、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記第１凝縮液流路は前記第２タンクの下部に接続され、、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記戻り流路及び前記第２凝縮液流路は前記第１タンクの上部に接続される、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記蒸発器は、前記液体熱媒の気化熱によって被冷却物を冷却する、という手段を採用する。

本発明では、熱サイクル装置に係る第５の解決手段として、上記第４の解決手段において、前記被冷却物は、ＰＣＵにおけるスイッチング素子である、という手段を採用する。

本発明によれば、蒸発器に対する液体熱媒の供給を安定化させることが可能である。

本発明の一実施形態に係る冷却装置の構成を示す系統図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の動作を示す第１の模式図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の動作を示す第１の模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る冷却装置は、図１に示すように、電子部品Ｘを冷却する装置であり、第１タンク１、ポンプ２、蒸発器３、凝縮器４、第２タンク５、供給流路Ｌ１、気体流路Ｌ２、戻り流路Ｌ３、第１還流流路Ｌ４及び第２還流流路Ｌ５を備えている。この冷却装置は、本発明に係る熱サイクル装置に相当する。

上記電子部品Ｘは、ハイブリッド自動車や電気自動車等の車両に搭載されるＰＣＵ（パワーコントロールユニット）の発熱部品であり、例えば走行用モータを駆動するインバータ回路のスイッチング素子である。このような電子部品Ｘは、例えばＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子（能動素子）であり、蒸発器３に対して熱結合した状態で設けられている。電子部品Ｘは、本発明の被冷却物に相当する。

第１タンク１は、液体冷媒Ｒを貯留する所定容量の容器である。この第１タンク１は、下部に１つの排出口１ａが設けられ、上部に２つの受入口１ｂ，１ｃが設けられている。排出口１ａは、第１タンク１内の液体冷媒Ｒを排出するための開口であり、２つの受入口１ｂ，１ｃは、液体冷媒Ｒを受け入れるために開口である。

このような第１タンク１では、１つの排出口１ａにおける液体冷媒Ｒの排出量と２つの受入口１ｂ，１ｃにおける液体冷媒Ｒの受入量とのバランスによって液体冷媒Ｒの貯留量が決定される。なお、本実施形態における液体冷媒Ｒは、本発明における液体熱媒に相当する。

ポンプ２は、供給流路Ｌ１の途中に設けられており、吸入口２ａが供給流路Ｌ１を介して上記排出口１ａに接続され、吐出口２ｂが供給流路Ｌ１を介して蒸発器３の流入口３ａに接続されている。このポンプ２は、第１タンク１から排出された液体冷媒Ｒを蒸発器３に供給する動力装置であり、回転数によって液体冷媒Ｒの第１タンク１への供給量を調節する。すなわち、上記第１タンク１における液体冷媒Ｒの排出量は、ポンプ２によって設定される。

供給流路Ｌ１は、第１タンク１の排出口１ａと蒸発器３の流入口３ａとを接続する配管である。また、この供給流路Ｌ１には、上述したように途中部位にポンプ２が設けられており、当該ポンプ２の作動によって液体冷媒Ｒが第１タンク１から蒸発器３に向けて流通する。

蒸発器３は、上記電子部品Ｘに対して熱結合した状態で設けられており、ポンプ２によって流入口３ａに流入する液体冷媒Ｒを電子部品Ｘが発する熱によって加熱することによって液体冷媒Ｒの一部あるいは全部を気化させる。すなわち、この蒸発器３は、液体冷媒Ｒを気化させて蒸気（気体冷媒Ｊ）を発生させる蒸気発生器として機能すると共に、液体冷媒Ｒの気化熱を利用して電子部品Ｘを冷却する冷却器としても機能する。

このような蒸発器３は、気体冷媒Ｊを気体流出口３ｂから気体流路Ｌ２に排出する。この蒸発器３は、電子部品Ｘの熱によって気化しなかった液体冷媒Ｒを液体流出口３ｃから戻り流路Ｌ３に排出する。なお、本実施形態における気体冷媒Ｊは、本発明における気体熱媒に相当する。

気体流路Ｌ２は、蒸発器３の気体流出口３ｂと凝縮器４の流入口４ａとを接続する配管である。この気体流路Ｌ２は、蒸発器３で発生した気体冷媒Ｊが蒸発器３から凝縮器４に向けて流通する。

戻り流路Ｌ３は、蒸発器３の液体流出口３ｃと第１タンク１の受入口１ｂとを接続する配管である。この戻り流路Ｌ３は、蒸発器３で気化しなかった液体冷媒Ｒが蒸発器３から第１タンク１に向けて流通する。

凝縮器４は、流入口４ａに流入する気体冷媒Ｊを凝縮させて液体冷媒Ｒを生成する。すなわち、この凝縮器４は、気体冷媒Ｊを別途用意された外部冷媒と熱交換させることによって気体冷媒Ｊの全量を凝縮させて液体冷媒Ｒに復液させる。このような凝縮器４は、液体冷媒Ｒを流出口４ｂから第１還流流路Ｌ４に排出する。

第１還流流路Ｌ４は、凝縮器４の流出口４ｂと第２タンク５の流入口５ａとを接続する配管である。この第１還流流路Ｌ４は、凝縮器４で発生した液体冷媒Ｒが第２タンク５に向けて流通する。

第２タンク５は、液体冷媒Ｒを貯留した後に第１タンク１に供給する所定容量の容器である。この第２タンク５は、下部に１つの流入口５ａが設けられ、上部に１つの排出口５ｂが設けられている。流入口５ａは、第２タンク５の下部に設けられており、第１還流流路Ｌ４を介して凝縮器４の流出口４ｂに接続されている。

排出口５ｂは、第２タンク５の上部に設けられており、第２還流流路Ｌ５を介して第１タンク１の受入口１ｃに接続されている。すなわち、第２タンク５では、液体冷媒Ｒの貯留量が排出口５ｂの高さを超える程に増大した場合つまり液体冷媒Ｒがオーバーフローした場合に、第１タンク１に向けて液体冷媒Ｒを排出する。

この第２タンク５については、凝縮器４から流入口５ａに流入する液体冷媒Ｒの流入量と排出口５ｂから第１タンク１に向けて排出される液体冷媒Ｒの排出量とのバランスによって液体冷媒の貯留量が決定される。

第２還流流路Ｌ５は、第２タンク５の排出口５ｂと第１タンク１の受入口１ｃとを接続する配管である。この第２還流流路Ｌ５は、第２タンク５で溢れた液体冷媒Ｒが第１タンク１に向けて流通する。

次に、本実施形態に係る冷却装置の動作について、図２及び図３をも参照して詳しく説明する。

図２は電子部品Ｘの低発熱時の状態を示し、図３は電子部品Ｘの高発熱時の状態を示している。この冷却装置ではポンプ２が作動することによって液体冷媒Ｒが第１タンク１から蒸発器３に供給されるが、電子部品Ｘの発熱量が比較的低い低発熱時において、液体冷媒Ｒが気化する割合は比較的低い。

例えば、電子部品Ｘの発熱量が値Ｑ１〜Ｑ２の範囲であり、これに対する液体冷媒Ｒの気化割合が値２０％〜８０％であったとすると、電子部品Ｘの低発熱時における気化割合は値２０％近傍であり、蒸発器３に供給された液体冷媒Ｒの約８０％が気化することなく液体状態を維持することになる。

すなわち、電子部品Ｘの低発熱時には、蒸発器３に供給された液体冷媒Ｒの約８０％が戻り流路Ｌ３を介して第１タンク１に還流する。したがって、電子部品Ｘの低発熱時において、第１タンク１における液体冷媒Ｒの貯留量は十分な量が確保される。

なお、この低発熱時において、蒸発器３で発生した気体冷媒Ｊは、気体流路Ｌ２を介して凝縮器４に供給され、凝縮することによって液体冷媒Ｒとなる。この凝縮による液体冷媒Ｒは、第１還流流路Ｌ４を介して第２タンク５に供給され、当該第２タンク５に貯留される。

このような低発熱時に対して、電子部品Ｘの発熱量が比較的高い高発熱時において、液体冷媒Ｒが気化する割合は比較的高い。すなわち、電子部品Ｘの高発熱時には、蒸発器３に供給された液体冷媒Ｒの約８０％が気化するので、戻り流路Ｌ３を介して第１タンク１に還流する液体冷媒Ｒの還流量は比較的少ない。

しかしながら、この高発熱時には、液体冷媒Ｒの約８０％が気化して生成された気体冷媒Ｊが凝縮器４で凝縮されて大量の液体冷媒Ｒが生成される。この凝縮による液体冷媒Ｒは、第１還流流路Ｌ４を介して第２タンク５に供給され、当該第２タンク５に貯留される。

そして、第２タンク５では、大量の液体冷媒Ｒが凝縮器４から供給されることによって、液体冷媒Ｒがオーバーフローして排出口５ｂから第２還流流路Ｌ５を介して第１タンク１に供給される。すなわち、電子部品Ｘの高発熱時において、第１タンク１は、第２タンク５から主に供給される液体冷媒Ｒによって液体冷媒Ｒの貯留量が十分に確保される。

また、第２タンク５には、低発熱時に液体冷媒Ｒが所定量貯留されているため、第２タンク５のオーバーフローは、液体冷媒Ｒが貯留されていない場合に比較して早い。ここで、第２タンク５の下部に流入口５ａが設けられ、当該流入口５ａに第１還流流路Ｌ３が接続されているので、低発熱時において液体冷媒Ｒは第１還流流路Ｌ３から第２還流流路Ｌ５に直接的に移動することなく、第２タンク５内へ確実に貯留される。

このような本実施形態によれば、蒸発器３に対する液体熱媒Ｒの供給を安定化させることが可能である。したがって、本実施形態によれば、電子部品Ｘの高発熱時においても電子部品Ｘを安定的に冷却することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、本発明に係る熱サイクル装置を冷却装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。本発明は、液体熱媒を相転移かつ循環させることによって蒸発器と凝縮器との間で熱の移動を行う熱サイクル装置であれば、他の形態のものにも適用可能である。

（２）上記実施形態では、電子部品Ｘの冷却に本発明を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、冷却対象は電子部品Ｘに限定されず、本発明は様々な冷却対象の冷却に適用可能である。

（３）上記実施形態では、流入口５ａを第２タンク５の下部に設けたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２タンク５の上部、例えば天井部位に流入口５ａを設け、第２タンク５の上部から液体冷媒Ｒを流入させてもよい。

１ 第１タンク
２ ポンプ
３ 蒸発器
４ 凝縮器
５ 第２タンク
Ｌ１ 供給流路
Ｌ２ 気体流路
Ｌ３ 戻り流路
Ｌ４ 第１還流流路
Ｌ５ 第２還流流路
Ｊ 気体冷媒（気体熱媒）
Ｒ 液体冷媒（液体熱媒）
Ｘ 電子部品（被冷却物）

Claims (5)

1. 液体熱媒を貯留する第１タンクと、
   前記液体熱媒を気化させて気体熱媒を生成する蒸発器と、
   前記気体熱媒を凝縮させて前記液体熱媒を生成する凝縮器と、
   前記蒸発器で気化しなかった前記液体熱媒を前記第１タンクに戻す戻り流路と、
   前記前記液体熱媒を貯留した後に前記第１タンクに供給する第２タンクと、
   前記凝縮器と前記第２タンクとを接続する第１還流流路と、
   前記第２タンクと前記第１タンクとを接続する第２還流流路とを備え、
   前記第２還流流路は、前記第２タンクの上部に接続されることを特徴とする熱サイクル装置。
2. 前記第１還流流路は前記第２タンクの下部に接続されることを特徴とする請求項１に記載の熱サイクル装置。
3. 前記戻り流路及び前記第２還流流路は前記第１タンクの上部に接続されることを特徴とする請求項１または２に記載の熱サイクル装置。
4. 前記蒸発器は、前記液体熱媒の気化熱によって被冷却物を冷却することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱サイクル装置。
5. 前記被冷却物は、ＰＣＵにおけるスイッチング素子であることを特徴とする請求項４に記載の熱サイクル装置。
   

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