JP2021132169A - 沸騰冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】優れた冷却性能を得ることができる沸騰冷却器を提供する。【解決手段】沸騰冷却器１は、冷媒ＲＥを収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部１０と、受熱部１０からの熱を放熱する放熱部２０と、受熱部１０と放熱部２０とを連結し、受熱部１０から放熱部２０に熱を輸送する伝熱部３０と、を備える。伝熱部３０は、受熱部１０と放熱部２０との間で冷媒ＲＥが流通する管路Ｓ３を形成する内壁面を有する。当該内壁面は、受熱部１０に向けて管路Ｓ３の断面積を漸次大きくするように管路Ｓ３の中心軸Ａｘに対して傾斜する傾斜面を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰冷却器に関する。

冷媒の沸騰に伴う潜熱による熱輸送を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却器が知られている。

例えば、特許文献１に記載の冷却器は、受熱部と、放熱部と、これらを連結する２つの連結部と、を有する。受熱部は、冷媒を貯蔵するチャンバーを有し、冷却対象物からの熱を受け、当該熱により冷媒を気化させる。放熱部は、冷媒から放熱することで冷媒を凝縮液化させる。２つの連結部のうちの一方は、受熱部で気化した冷媒を放熱部に輸送する蒸気管である。他方は、放熱部で凝縮液化した冷媒を受熱部に輸送する液管である。

国際公開第２０１５／１４６１１０号

特許文献１に記載の冷却器では、蒸気管による流路が一定の断面積のままチャンバーの内壁面に開口する。このため、チャンバーの内壁面と蒸気管の内壁面とが直交するので、冷媒が気化することにより発生する気泡が当該流路に流入し難い。この結果、受熱部で気化した冷媒の放熱部への流動が阻害されてしまう。したがって、沸騰冷却器の冷却能力が低下してしまうという課題がある。

以上の課題を解決するために、本発明の一態様に係る沸騰冷却器は、冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを連結し、前記受熱部から前記放熱部に熱を輸送する伝熱部と、を備え、前記伝熱部は、前記受熱部と前記放熱部との間で前記冷媒が流通する管路を形成する少なくとも１つの内壁面を有し、前記少なくとも１つの内壁面は、前記受熱部に向けて前記管路の断面積を漸次大きくするように前記管路の中心軸に対して傾斜する傾斜面を有する。

第１実施形態に係る沸騰冷却器の概略構成を示す斜視図である。 図１に示す沸騰冷却器の平面図である。 伝熱部の一部を示す断面図である。 伝熱部が有する複数の内壁面の配置を示す平面図である。 伝熱部が有する管体における冷媒の液柱および気柱を示す図である。 受熱部の収容室から伝熱部の管路への気泡の流れを説明するための図である。 沸騰冷却器を水平面に対して傾斜させた場合の気泡の流れを説明するための図である。 伝熱部が有する傾斜面の傾斜角度を変更した例を示す図である。 第２実施形態における伝熱部の一部を示す断面図である。 第３実施形態における伝熱部の一部を示す断面図である。 第４実施形態に係る沸騰冷却器の概略構成を示す斜視図である。 図１１に示す沸騰冷却器の平面図である。 図１１に示す伝熱部の一部を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法または縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

１．第１実施形態
１−１．沸騰冷却器１の概略
図１は、第１実施形態に係る沸騰冷却器１の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す沸騰冷却器１の平面図である。なお、図１は、図２中のＡ−Ａ線断面である。また、以下では、説明の便宜上、互いに直交する「Ｘ軸」、「Ｙ軸」および「Ｚ軸」を適宜に用いて説明する。また、Ｘ軸に沿う一方向を「Ｘ１方向」といい、Ｘ１方向とは反対の方向を「Ｘ２方向」という。同様に、Ｙ軸に沿う一方向を「Ｙ１方向」といい、Ｙ１方向とは反対の方向を「Ｙ２方向」という。Ｚ軸に沿う一方向を「Ｚ１方向」といい、Ｚ１方向とは反対の方向を「Ｚ２方向」という。また、Ｚ１方向またはＺ２方向でみることを「平面視」という。また、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸ-Ｙ平面は水平面に相当する。Ｚ軸は鉛直方向に沿う軸線であり、Ｚ１方向は鉛直方向の上方に相当し、Ｚ２方向は鉛直方向の下方に相当する。

図１および図２に示す沸騰冷却器１は、例えば、鉄道車両、自動車または家庭用電気機械等に搭載されるインバーターまたは整流器等のパワーエレクトロニクス製品における冷却に用いられる。パワーエレクトロニクス製品は、例えば、ダイオードまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有する。当該パワー半導体素子は、沸騰冷却器１における冷却の対象物である発熱体の一例である。

沸騰冷却器１は、冷媒ＲＥの沸騰に伴う潜熱による熱輸送を利用して、図示しない発熱体を冷却する冷却器である。特に、沸騰冷却器１は、冷媒ＲＥの気相と液相との間の相変化に伴う圧力差に起因する振動流により冷媒ＲＥを伝熱部３０が有する管路Ｓ３で移動させる自励振動型の冷却器である。すなわち、沸騰冷却器１は、冷媒ＲＥの相変化による潜熱輸送だけでなく、冷媒ＲＥの液体の移動に伴う温度変化による顕熱輸送でも冷却を行う。

図１に示すように、沸騰冷却器１は、受熱部１０と放熱部２０と伝熱部３０とを有する。以下、沸騰冷却器１が有する各部を説明する。

１−２．受熱部
図１に示す受熱部１０は、図示しない発熱体からの熱を受ける構造体である。受熱部１０は、冷媒ＲＥを収容する空間である収容室Ｓ１を有する。受熱部１０は、熱伝導性に優れる材料で構成される。受熱部１０の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。

図１に示す例では、受熱部１０は、Ｚ１方向に開口する凹部を有する部材で構成される。当該凹部内の空間が、収容室Ｓ１である。受熱部１０は、底板１１と側壁１３とを有する。底板１１は、Ｚ軸に直交する方向に広がる平板である。側壁１３は、底板１１の外周に沿って配置され、底板１１から突出する枠体である。なお、前述の底板１１および側壁１３のそれぞれは別部材で構成されてもよいし、底板１１および側壁１３は一体で構成されてもよい。また、底板１１および側壁１３の構成材料は、互いに同じであっても異なってもよい。

底板１１は、図示しない発熱体に熱的に接続される伝熱面Ｆ１を有する。伝熱面Ｆ１は、底板１１におけるＺ２方向の面である。伝熱面Ｆ１の法線は、Ｚ軸に平行である。なお、図１に示す例では、伝熱面Ｆ１は、Ｚ軸に直交する平面であるが、例えば湾曲した部分を有してもよい。

ここで、「熱的に接続」とは、次の条件ａ、ｂまたはｃのいずれかを満たすことをいう。条件ａ：２つの部材が物理的に直接に接する。条件ｂ：２つの部材が５０μｍ以下の間隙を介して配置される。条件ｃ：２つの部材が１０Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の熱伝導率の他の部材を介して物理的に接続される。なお、各条件における２つの部材間には、伝熱グリース、接着剤等が存在してもよい。この場合、接着剤は、熱伝導性を高める観点から、熱伝導性のフィラー等を含むことが好ましい。

冷媒ＲＥとしては、特に限定されないが、例えば、水等の水系冷媒、メタノール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒、エチレングリコール等のグリコール系冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、およびブタン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。なお、冷媒ＲＥには、必要に応じて、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤または炭化水素系界面活性剤等の界面活性剤等が添加されてもよい。また、冷媒ＲＥは、前述の冷媒の２種以上を組み合わせてもよい。

１−３．放熱部
図１に示す放熱部２０は、受熱部１０からの熱を放熱する構造体である。放熱部２０は、冷媒ＲＥを気化した状態から凝縮液化させる空間である凝縮室Ｓ２を有する。放熱部２０は、凝縮室Ｓ２で冷媒ＲＥを外部の流体との熱交換により受熱部１０からの熱を外部へ放熱することにより冷媒を気体の状態から凝縮液化する。当該外部の流体は、特に限定されず、液体でも気体でもよいが、典型的には、例えば空気である。

放熱部２０は、放熱容器２１と、複数の放熱フィン２２とを有する。放熱容器２１は、凝縮室Ｓ２を形成する箱状の構造体である。本実施形態では、凝縮室Ｓ２は、四角柱状をなす。したがって、図２に示すように、凝縮室Ｓ２の平面視形状は、四角形である。なお、凝縮室Ｓ２の形状は、角柱に限定されず、例えば円柱であってもよい。

放熱容器２１は、熱伝導性に優れる材料で構成される。放熱容器２１の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。また、図１に示す例では、放熱容器２１は、底板２１１と天板２１２と側壁２１３とを有する。底板２１１および天板２１２は、互いに平行に配置される。底板２１１および天板２１２のそれぞれは、Ｚ軸に直交する方向に広がる平板である。側壁２１３は、底板２１１と天板２１２との間に位置し、底板２１１および天板２１２の外周同士を全周にわたって連結する。底板２１１と天板２１２と側壁２１３とで囲まれた空間が、凝縮室Ｓ２である。また、底板２１１には、伝熱部３０が有する後述の管体３２が挿入される複数の孔を有する。

各放熱フィン２２は、放熱容器２１に熱的に接続される。各放熱フィン２２は、熱伝導性に優れる材料で構成される。放熱フィン２２の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。また、各放熱フィン２２は、平板状の部材である。複数の放熱フィン２２は、互いに厚さ方向に間隔を隔てて配置される。本実施形態の各放熱フィン２２は、平面視で受熱部１０のほぼ全範囲にわたり重なるように配置される。また、各放熱フィン２２は、放熱容器２１を挿入するための孔を有する。放熱フィン２２は、放熱容器２１に接着剤、ネジ止めまたは溶接等により固定される。

なお、放熱フィン２２の形状は、図１に示す例に限定されず、任意である。また、放熱フィン２２は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。ただし、放熱部２０が複数の放熱フィン２２を有することで、伝熱部３０が有する管路Ｓ３における冷媒ＲＥの気体を効率的に凝縮液化させることができる。

１−４．伝熱部
図１に示す伝熱部３０は、受熱部１０から放熱部２０へ熱を伝達する構造体である。伝熱部３０は、複数の管路Ｓ３を有する。各管路Ｓ３は、収容室Ｓ１と凝縮室Ｓ２とを連通させる空間である。各管路Ｓ３には、冷媒ＲＥが流通する。

図１に示す例では、伝熱部３０は、接続板３１と、複数の管体３２とを有する。接続板３１は、複数の管体３２と受熱部１０とを接続する板状の部材である。接続板３１は、受熱部１０の凹部の開口を塞ぐように側壁１３上に配置される。なお、接続板３１は、受熱部１０の凹部の開口を塞ぐ蓋部材であり、前述の受熱部１０の一部を兼ねるともいえる。接続板３１は、熱伝導性に優れる材料で構成される。接続板３１の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。

各管体３２は、接続板３１と放熱容器２１とのそれぞれに接続される。各管体３２は、Ｚ軸に沿って直線的に延びる。また、図２に示すように、複数の管体３２は、平面視で千鳥状に配置される。なお、管体３２の配置は、千鳥配置に限定されず、例えば行列配置等の他の規則的な配置でもよい。また、各管体３２は、熱伝導性に優れる材料で構成される。管体３２の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。また、各管体３２は、接続板３１に対してロウ付け等により固定される。

なお、複数の管体３２のうちの２以上の管体３２の形状または構成材料等は、互いに同じでも異なってもよい。また、接続板３１と複数の管体３２とは、互いに同じ材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。

図３は、伝熱部３０の一部を示す断面図である。図３に示すように、接続板３１は、複数の貫通孔Ｓ３１を有する。各貫通孔Ｓ３１は、Ｚ２方向に向かって広がるテーパ状の空間である。また、各管体３２は、対応する貫通孔Ｓ３１に連通する内部空間Ｓ３２を有する。貫通孔Ｓ３１と内部空間Ｓ３２とで管路Ｓ３が構成される。複数の管路Ｓ３の長さは、互いに同一であるが、互いに異なっていてもよい。また、各管路Ｓ３は、一端３０１と他端３０２とを有する。一端３０１は収容室Ｓ１に位置し、他端３０２は凝縮室Ｓ２に位置する。貫通孔Ｓ３１がＺ２方向に広がるテーパ状であるため、一端３０１の面積は他端３０２の面積よりも大きい。

また、伝熱部３０は、複数の内壁面３２３を有する。各内壁面３２３は、傾斜面３２３１と円筒面３２３２とを有する。傾斜面３２３１と円筒面３２３２とは連続的に繋がっている。傾斜面３２３１は、貫通孔Ｓ３１を形成する面である。したがって、傾斜面３２３１は、接続板３１が有する面である。また、傾斜面３２３１は、管路Ｓ３のＺ軸に沿った中心軸Ａｘに対して傾斜角度θで傾斜している面である。中心軸Ａｘに対する傾斜面３２３１の傾斜角度θは、中心軸Ａｘに沿う方向における傾斜面３２３１の全域にわたり一定である。このため、公知の加工法により複数の傾斜面３２３１を容易に実現することができる。また、円筒面３２３２は、内部空間Ｓ３２を形成する面である。円筒面３２３２は、中心軸Ａｘに平行な円筒状の面である。

図４は、伝熱部３０が有する複数の内壁面３２３の配置を示す平面図である。図４に示すように、隣接する２つの内壁面３２３が有する傾斜面３２３１のうちの一方は、他方に接続される。すなわち、隣接する２つの傾斜面３２３１は、互いに接続される。また、別の見方をすると、隣接する２つの管路Ｓ３が有する一端３０１同士は、接続される。

なお、管体３２の数および配置のそれぞれは、図４に示す例に限定されず、任意である。また、隣接する２つの傾斜面３２３１は、互いに接続されていなくてもよく、離間していてもよい。

以上のように、複数の管路Ｓ３が収容室Ｓ１と複数の凝縮室Ｓ２とを連通させる。図示しない発熱体からの熱により冷媒ＲＥの一部が収容室Ｓ１で気化され、気化した冷媒ＲＥは、少なくとも１つの管路Ｓ３を介して凝縮室Ｓ２に移動する。そして、気化した冷媒ＲＥは凝縮室Ｓ２で凝縮液化され、液化した冷媒ＲＥは、少なくとも１つの管路Ｓ３を介して収容室Ｓ１に移動する。

図５は、伝熱部３０が有する管体３２における冷媒ＲＥの液柱ＲＥＬおよび気柱ＲＥＧを示す図である。各管路Ｓ３の内部空間Ｓ３２では、気化した冷媒ＲＥと、液化した冷媒ＲＥとが存在する。具体的には、図５に示すように、内部空間Ｓ３２では、冷媒ＲＥの液体で構成される液柱ＲＥＬと、冷媒ＲＥの気体で構成される気柱ＲＥＧとが形成される。このように、内部空間Ｓ３２に液柱ＲＥＬおよび気柱ＲＥＧが形成されることにより、収容室Ｓ１における冷媒ＲＥの気化に伴う収容室Ｓ１の圧力上昇と凝縮室Ｓ２における冷媒ＲＥの凝縮液化に伴う圧力下降とに起因して、内部空間Ｓ３２の両端間に圧力差が生じる。この圧力差を駆動力として、冷媒ＲＥの自励振動を生じさせることができる。

このように伝熱部３０は、冷媒ＲＥの自励振動を用いて受熱部１０から放熱部２０に熱を輸送する。沸騰冷却器１の小型化を図っても、冷媒ＲＥの循環または移動を円滑に行うことができる。このため、サーモサイフォンを用いる場合に比べて、小型化しても、優れた冷却能力が得られる。また、自励振動を用いることで、沸騰冷却器１の設置角度によらず、優れた冷却能力を発揮することができる。さらには、自励振動を用いることで、冷媒ＲＥの循環のためのポンプを用いずに済む。

液柱ＲＥＬおよび気柱ＲＥＧを効率的に形成させるよう、内部空間Ｓ３２の幅すなわち内径は、冷媒ＲＥのラプラス長さ以下であることが好ましい。このラプラス長さは、以下の式（１）により求められる。
Ｄ＝［σ／（ｇ・（ρＬ−ρｖ））］＾０．５ （１）
なお、この式（１）中、Ｄは、ラプラス長さである。σは、冷媒ＲＥの表面張力である。ｇは、重力加速度である。ρＬは、冷媒ＲＥが液体である場合の密度である。ρｖは、冷媒ＲＥが気体である場合の密度である。

以上の沸騰冷却器１は、前述のように、受熱部１０と、放熱部２０と、伝熱部３０とを有する。また、伝熱部３０は、冷媒ＲＥが流通する管路Ｓ３を形成する複数の内壁面３２３を有する。そして、各内壁面３２３は、受熱部１０に向けて管路Ｓ３の断面積を漸次大きくするように中心軸Ａｘに対して傾斜する傾斜面３２３１を有する。内壁面３２３が傾斜面３２３１を有することで、内壁面３２３の全域が中心軸Ａｘに平行である場合に比べ、収容室Ｓ１で気化した冷媒ＲＥを効率良く管路Ｓ３に導くことができる。

図６は、受熱部１０の収容室Ｓ１から伝熱部３０の管路Ｓ３への気泡Ｂの流れを説明するための図である。収容室Ｓ１では、図示しない発熱体からの熱により冷媒ＲＥの一部が気化されることにより、気泡Ｂが発生する。内壁面３２３は傾斜面３２３１を有するため、気泡Ｂは、矢印Ａ１に示すように、圧力差により図中の上方に進んだ後、傾斜面３２３１に沿って内部空間Ｓ３２に向かって進む。このため、傾斜面３２３１が存在することで、気泡Ｂが管体３２の直下で発生しなくても、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くことができる。また、傾斜面３２３１が存在することで、管路Ｓ３の断面積は収容室Ｓ１に向かって大きくなっている。このため、管路Ｓ３の断面積が一定である場合に比べ、一端３０１から気泡Ｂが流入する際の抵抗が低減される。このようなことから、気泡Ｂが内部空間Ｓ３２に移動せずに、収容室Ｓ１に滞ってしまうことが抑制される。よって、収容室Ｓ１で気化した冷媒ＲＥの放熱部２０への流動が阻害されることが抑制される。この結果、沸騰冷却器１の冷却能力の低下を抑制することができる。なお、上記「断面積」とは、図６中において、Ｚ軸に直交する軸を含む平面で切断したときの切断面をいう。

前述のように、本実施形態では、冷媒ＲＥの自励振動を用いて熱を輸送している。自励振動を用いる場合、サーモサイフォンを用いる場合に比べて、一般的に、管体３２の内径が小さい。このため、自励振動を用いる場合、仮に内壁面３２３の全域が中心軸Ａｘに平行であると、サーモサイフォンを用いる場合に比べて、管体３２に気泡Ｂが流入し難い傾向がある。したがって、自励振動を用いる場合、内壁面３２３が傾斜面３２３１を有することで、内壁面３２３の全域が中心軸Ａｘに平行である場合に比べ、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くという効果が顕著に得られる。

本実施形態では、隣り合う２つの内壁面３２３のうち、一方の内壁面３２３が有する傾斜面３２３１は、他方の内壁面３２３が有する傾斜面３２３１に接続される。したがって、隣り合う２つの傾斜面３２３１の間に水平面に平行な面が存在することが低減される。このため、収容室Ｓ１で発生した気泡Ｂが当該面で滞ることが防止される。よって、収容室Ｓ１で発生した気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へとより円滑に導くことができる。

図７は、沸騰冷却器１を水平面に対して傾斜させた場合の気泡Ｂの流れを説明するための図である。図７に示すように、沸騰冷却器１を水平面に対して傾斜させて使用する場合、気泡Ｂは、矢印Ａ２に示すように、圧力差により図中の上方に進んだ後、傾斜面３２３１に沿って内部空間Ｓ３２に向かって進む。このため、沸騰冷却器１を水平面に対して傾斜させて使用する場合であっても、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くことができる。

また、前述した傾斜面３２３１の中心軸Ａｘに対する傾斜角度θは、特に限定されないが、５°以上７０°以下の範囲内であることが好ましい。当該範囲の下限値よりも大きいことで、内壁面３２３の全域が中心軸Ａｘに平行である場合に比べ、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くことができる。また、当該範囲の上限値以下であることで、前述のように沸騰冷却器１を水平面に対して傾けて使用する場合であっても、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くことができる。具体的には、例えば、沸騰冷却器１を電気自動車等の自動車に搭載する場合、傾斜角度θが当該範囲内であると、当該自動車が坂道を走行している最中であっても、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くことができる。

図８は、伝熱部３０が有する傾斜面３２３１の傾斜角度θを変更した例を示す図である。
例えば、沸騰冷却器１を自動車に搭載する場合、傾斜角度θが前述の範囲を超えると、図８に示すように、傾斜面３２３１の一部は水平面に平行な状態になる場合がある。このため、気泡Ｂは、矢印Ａ３に示すように、圧力差により図中の上方に進んだ後、傾斜面３２３１で滞ってしまうおそれがある。このため、例えば、沸騰冷却器１を自動車に搭載する場合、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと常時円滑に導くことができるよう、傾斜角度θは前述の範囲内であることが好ましい。

なお、傾斜面３２３１の傾斜角度θは、０°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さければ、内壁面３２３の全域が中心軸Ａｘに平行である場合に比べ、気泡Ｂを管体３２の内部空間Ｓ３２へと円滑に導くことができる。

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図９は、第２実施形態における伝熱部３０Ａの一部を示す断面図である。図９に示すように、伝熱部３０Ａは、内壁面３２３Ａを有する。内壁面３２３Ａは、第１実施形態の傾斜面３２３１の代わりに傾斜面３２３３を有すること以外、第１実施形態の内壁面３２３と同じである。

中心軸Ａｘに対する傾斜面３２３３の傾斜角度θは、受熱部１０からの傾斜面３２３３における位置に応じて異なる。特に、受熱部１０に向かうほど、傾斜角度θは大きくなる。したがって、図９に示すように、本実施形態における貫通孔Ｓ３１の断面積は、第１実施形態における貫通孔Ｓ３１の断面積よりも、受熱部１０に向かうほど大きくなる。なお、当該「断面積」とは、図９中において、Ｚ軸に直交する軸を含む平面で切断したときの切断面をいう。かかる傾斜面３２３３が存在することで、本実施形態の一端３０１の面積を第１実施形態の一端３０１の面積よりも大きくし易い。このため、収容室Ｓ１で気化した冷媒ＲＥを効率良く管路Ｓ３に導くことができる。

以上の第２実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

３．第３実施形態
以下、本発明の第３実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１０は、第３実施形態における伝熱部３０Ｂの一部を示す断面図である。図１０に示すように、伝熱部３０Ｂは、接続板３１Ｂと複数の管体３２Ｂとを有する。接続板３１Ｂは、複数の貫通孔Ｓ３１を有さず、各管体３２Ｂを挿入するための孔を有すること以外、第１実施形態の接続板３１と同じである。当該孔は、管体３２Ｂごとに設けられる。

管体３２Ｂは、管路Ｓ３Ｂを形成する内壁面３２３Ｂを有する。管路Ｓ３Ｂは、管体３２Ｂの内部の空間である。管路Ｓ３Ｂは、第１空間Ｓ３３と、第２空間Ｓ３４とを有する。第１空間Ｓ３３と第２空間Ｓ３４とは互いに接続される。第１空間Ｓ３３は、Ｚ２方向に広がるテーパ状の空間である。第２空間Ｓ３４は、第１空間Ｓ３３に対してＺ１方向に位置し、Ｚ軸に沿った円筒状の空間である。第２空間Ｓ３４の幅は一定である。

内壁面３２３Ｂは、傾斜面３２３４と、円筒面３２３５とを有する。傾斜面３２３４と円筒面３２３５とは、連続的に繋がっている。傾斜面３２３４は、管体３２Ｂに形成されている。また、円筒面３２３５は、第１実施形態の円筒面３２３２と同じであり、中心軸Ａｘに平行な円筒状の面である。

本実施形態では、隣接する２つの傾斜面３２３４は、互いに離間している。隣接する２つの傾斜面３２３４の間の距離Ｄ１は、第２空間Ｓ３４の幅よりも小さい。隣接する２つの傾斜面３２３４が互いに離間していても、距離Ｄ１が第２空間Ｓ３４の幅よりも小さいことで、収容室Ｓ１で発生した気泡Ｂが隣接する２つの傾斜面３２３４の間で滞ることが抑制される。

以上の第３実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

４．第４実施形態
以下、本発明の第４実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１１は、第４実施形態に係る沸騰冷却器１Ｃの概略構成を示す斜視図である。図１２は、図１１に示す沸騰冷却器１Ｃの平面図である。なお、図１１には、図１２中のＢ−Ｂ線断面が図示される。図１１および図１２に示す沸騰冷却器１Ｄは、気化した冷媒ＲＥと液化した冷媒ＲＥとの密度差を利用したループ型サーモサイフォンの冷却器である。

図１１に示すように、沸騰冷却器１Ｃは、第１実施形態の放熱部２０の代わりに、放熱部２０Ｃを有し、かつ、第１実施形態の伝熱部３０の代わりに複数の伝熱部３０Ｃを有する。なお、以下の説明では、放熱部２０Ｃの説明は第１実施形態の放熱部２０との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。同様に、伝熱部３０Ｃの説明は第１実施形態の伝熱部３０との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

図１１に示すように、放熱部２０Ｃは、複数の放熱容器２１Ｃを有する。また、伝熱部３０Ｃは、接続板３１Ｃと複数の第１管体３３と複数の第２管体３４とを有する。

各放熱容器２１Ｃは、「凝縮部」である凝縮室Ｓ２Ｃを形成する構造体である。したがって、放熱部２０Ｃは、複数の凝縮室Ｓ２Ｃを有する。図１２に示すように、放熱容器２１Ｃの平面視形状は、円形である。複数の放熱容器２１Ｃは、平面視で千鳥状に配置される。なお、放熱容器２１Ｃの配置は、千鳥配置に限定されず、例えば行列配置等の他の規則的な配置でもよい。また、図１１の例では、各放熱容器２１Ｃは、筒部と当該筒部の両端を塞ぐ１対の板部とを有する。当該１対の板部のうちの一方には、第１管体３３および第２管体３４のそれぞれを挿通するための２つの孔が設けられる。

凝縮室Ｓ２Ｃは、各放熱容器２１Ｃの内部に形成される空間である。凝縮室Ｓ２Ｃでは、冷媒ＲＥが気化した状態から凝縮液化する。各凝縮室Ｓ２Ｃは、円柱状をなす。したがって、各凝縮室Ｓ２の平面視形状は円形であり、複数の凝縮室Ｓ２の平面視形状は互いに同じ形状である。なお、複数の凝縮室Ｓ２の平面視形状は互いに異なっていてもよい。また、凝縮室Ｓ２の形状は、円柱に限定されず、例えば角柱であってもよい。また、図１１の例では複数の凝縮室Ｓ２の容積は互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。

図１３は、図１１に示す伝熱部３０Ｃの一部を示す断面図である。図１３に示す接続板３１Ｃは、複数の第１管体３３に１対１で対応して形成される複数の貫通孔Ｓ３５を有する。各貫通孔Ｓ３５は、Ｚ２方向に向かって広がるテーパ状の空間である。また、接続板３１Ｃは、各第２管体３４を挿通するための孔を有する。

以下、第１管体３３および第２管体３４のそれぞれの説明は第１実施形態の管体３２との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。複数の第１管体３３は、複数の放熱容器２１Ｃに１対１で配置される。各第１管体３３の一部は、放熱容器２１Ｃを貫通している。よって、各第１管体３３の一部は、凝縮室Ｓ２Ｃに存在する。

各第１管体３３は、貫通孔Ｓ３５に連通する内部空間Ｓ３６を有する。貫通孔Ｓ３５と内部空間Ｓ３６とで、第１管路Ｓ３Ｃが構成される。第１管路Ｓ３Ｃは、収容室Ｓ１と凝縮室Ｓ２Ｃとを連通する。各第１管路Ｓ３Ｃは、受熱部１０で気化された冷媒ＲＥ、すなわち気相冷媒を放熱部２０Ｃに輸送する。また、各第１管路Ｓ３Ｃは、第１実施形態の管路Ｓ３と同様に、一端３０１と他端３０２とを有する。また、本実施形態の沸騰冷却器１はループ型サーモサイフォンであるため、内部空間Ｓ３６の幅は、第１実施形態の内部空間Ｓ３２の幅よりも大きい。

複数の第２管体３４は、複数の放熱容器２１Ｃに１対１で配置される。各第２管体３４は、第２管路Ｓ４を有する。各第２管路Ｓ４は、収容室Ｓ１と凝縮室Ｓ２Ｃとを連通する。各第２管路Ｓ４を介して、気化した冷媒ＲＥが放熱部２０Ｃで凝縮されることにより液化された冷媒ＲＥ、すなわち液相冷媒が受熱部１０に移動する。

各第２管路Ｓ４は、一端３０３と他端３０４とを有する。一端３０３は収容室Ｓ１に位置し、他端３０４は凝縮室Ｓ２に位置する。一端３０３の面積は、他端３０４の面積よりも小さい。また、各第２管路Ｓ４の断面積は、一端３０３からＺ１方向に向かって、途中まで一定で、他端３０４の近傍で漸次広くなる。当該「断面積」とは、図１３中において、Ｚ軸に直交する軸を含む平面で切断したときの切断面をいう。また、第２管路Ｓ４の幅は、第１実施形態の内部空間Ｓ３２の幅よりも大きい。

また、伝熱部３０Ｃは、複数の第１内壁面３３３と、複数の第２内壁面３４１とを有する。各第１内壁面３３３は、傾斜面３３３１と円筒面３３３２とを有する。傾斜面３３３１と円筒面３３３２とは連続的に繋がっている。傾斜面３３３１は、貫通孔Ｓ３５を形成する面である。したがって、傾斜面３３３１は、接続板３１Ｃが有する面である。また、傾斜面３３３１は、第１管路Ｓ３ＣのＺ軸に沿った中心軸Ａｘ１に対して傾斜角度θ１で傾斜している面である。傾斜面３３３１の傾斜角度θ１は、中心軸Ａｘ１に沿う方向における傾斜面３２３１の全域にわたり一定である。このため、公知の加工法により複数の傾斜面３２３１を容易に実現することができる。また、円筒面３３３２は、内部空間Ｓ３６を形成する面である。円筒面３３３２は、中心軸Ａｘ１に平行な円筒状の面である。

各第２内壁面３４１は、円筒面３４１１と、放熱部側傾斜面３４１３とを有する。円筒面３４１１と放熱部側傾斜面３４１３とは、連続的に繋がっている。円筒面３４１１は、第２管路Ｓ４のＺ軸に沿った中心軸Ａｘ２に平行な円筒状の面である。放熱部側傾斜面３４１３は、円筒面３４１１に対して受熱部１０側に位置する。放熱部側傾斜面３４１３は、中心軸Ａｘ２に対して傾斜角度θ２で傾斜している面である。

前述のように、伝熱部３０Ｃは、気化した冷媒ＲＥが流通する第１管路Ｓ３Ｃを形成する第１内壁面３３３と、液化した冷媒ＲＥが流通する第２管路Ｓ４を形成する第２内壁面３４１とを有する。したがって、図示しない発熱体からの熱により冷媒ＲＥの一部が収容室Ｓ１で気化され、気化した冷媒ＲＥである気相冷媒は、第１管路Ｓ３Ｃを介して凝縮室Ｓ２に移動する。また、気化した冷媒ＲＥは凝縮室Ｓ２で凝縮され、液化した冷媒ＲＥである液相冷媒は、第２管路Ｓ４を介して収容室Ｓ１に移動する。本実施形態では、気体と液体との密度差を利用した冷媒ＲＥの還流に重力の作用を用いることで、受熱部１０から放熱部２０に熱を輸送することができる。かかるループ型サーモサイフォンを用いることで、沸騰冷却器１Ｃの冷却能力の安定化を図ることができる。

本実施形態の各第１内壁面３３３は、受熱部１０に向けて第１管路Ｓ３Ｃの断面積を漸次大きくするように中心軸Ａｘ１に対して傾斜する傾斜面３３３１を有する。このため、第１実施形態のように、冷媒ＲＥの一部が気化されることにより発生した気泡Ｂが内部空間Ｓ３６に移動せずに、収容室Ｓ１に滞ってしまうことが抑制される。この結果、沸騰冷却器１Ｃの冷却能力の低下を抑制することができる。

さらに、第２内壁面３４１は、放熱部側傾斜面３４１３を有する。放熱部側傾斜面３４１３は、放熱部２０Ｃに向けて第２管路Ｓ４の断面積を漸次大きくするように中心軸Ａｘ２に対して傾斜する。第２内壁面３４１が放熱部側傾斜面３４１３を有することで、放熱部側傾斜面３４１３を有さない場合に比べ、放熱部２０Ｃで液化した冷媒ＲＥを第２管路Ｓ４に導き易くなる。

また、前述のように、第１管路Ｓ３Ｃの断面積は、第２管路Ｓ４の断面積よりも大きい。このため、第２管路Ｓ４よりも第１管路Ｓ３Ｃに気化した冷媒ＲＥが流入し易くなる。さらに、第１管路Ｓ３ＣのＺ軸に沿った長さは、第２管路Ｓ４のＺ軸に沿った長さよりも長い。そして、第１管路Ｓ３Ｃの一部は、放熱部２０Ｃに存在する。このため、液化した冷媒ＲＥが他端３０２から第１管路Ｓ３Ｃに流入し難くなり、かつ、気化した冷媒ＲＥが他端３０４から第２管路Ｓ４に流入し難くなる。したがって、沸騰冷却器１Ｃにおいて冷媒ＲＥを円滑に循環させることができる。

傾斜角度θ１およびθ２のそれぞれは、０°よりも大きく、９０°よりも小さければよい。具体的には例えば、傾斜角度θ１およびθ２のそれぞれは、５°以上７０°以下である。かかる範囲であると、公知の加工法により、傾斜面３３３１および放熱部側傾斜面３４１３のそれぞれを容易に実現することができる。

以上の第４実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

なお、第４実施形態では、１つの凝縮室Ｓ２Ｃに、１つの第１管路Ｓ３Ｃ、および１つの第２管路Ｓ４が連通する。しかし、１つの凝縮室Ｓ２Ｃに、２つ以上の第１管路Ｓ３Ｃが連通してもよい。同様に、１つの凝縮室Ｓ２Ｃに、２つ以上の第２管路Ｓ４が連通してもよい。

以上、好適な各実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態に限定されない。また、本発明の各部の構成は、前述の実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成に置換でき、また、任意の構成を付加できる。

１…沸騰冷却器、１０…受熱部、１１…底板、１３…側壁、２０…放熱部、２１…放熱容器、２２…放熱フィン、３０…伝熱部、３１…接続板、３２…管体、２１１…底板、２１２…天板、２１３…側壁、３０１…一端、３０２…他端、３２３…内壁面、３２３１…傾斜面、３２３２…円筒面、Ａｘ…中心軸、Ｆ１…伝熱面、ＲＥ…冷媒、Ｓ１…収容室、Ｓ２…凝縮室、Ｓ３…管路、Ｓ３１…貫通孔、Ｓ３２…内部空間、θ…傾斜角度。

Claims (11)

1. 冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、
   前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、
   前記受熱部と前記放熱部とを連結し、前記受熱部から前記放熱部に熱を輸送する伝熱部と、を備え、
   前記伝熱部は、前記受熱部と前記放熱部との間で前記冷媒が流通する管路を形成する少なくとも１つの内壁面を有し、
   前記少なくとも１つの内壁面は、前記受熱部に向けて前記管路の断面積を漸次大きくするように前記管路の中心軸に対して傾斜する傾斜面を有することを特徴とする沸騰冷却器。
2. 前記伝熱部は、前記冷媒の自励振動を用いて前記受熱部から前記放熱部に熱を輸送する請求項１に記載の沸騰冷却器。
3. 前記少なくとも１つの内壁面は、隣り合う２つの内壁面を含み、
   前記２つの内壁面のうち、一方の内壁面が有する前記傾斜面は、他方の内壁面が有する前記傾斜面に接続される請求項１または２に記載の沸騰冷却器。
4. 前記中心軸に対する前記傾斜面の傾斜角度は、前記中心軸に沿う方向における前記傾斜面の全域にわたり一定である請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
5. 前記中心軸に対する前記傾斜面の傾斜角度は、前記受熱部からの前記傾斜面における位置に応じて異なる請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
6. 前記中心軸に対する前記傾斜面の傾斜角度は、０°よりも大きく、かつ、７０°以下である請求項１から５のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
7. 前記伝熱部は、
   前記管路である第１管路を形成する第１内壁面と、
   前記冷媒が流通する第２管路を有する第２内壁面と、を有し、
   前記第１管路は、前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送し、
   前記第２管路は、前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する請求項１に記載の沸騰冷却器。
8. 前記第２内壁面は、前記放熱部に向けて前記第２管路の断面積を漸次大きくするように前記第２管路の中心軸に対して傾斜する放熱部側傾斜面を有する請求項７に記載の沸騰冷却器。
9. 前記第１管路の長さは、前記第２管路の長さよりも長く、
   前記第１管路の一部は、前記放熱部に存在する請求項７または８に記載の沸騰冷却器。
10. 前記第１管路の断面積は、前記第２管路の断面積よりも大きい請求項７から９のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
11. 前記放熱部は、複数の凝縮部を有し、
    前記複数の凝縮部のそれぞれには、前記第１管路および前記第２管路のそれぞれが、一つ以上連通する請求項７から１０のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。

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