JP2585479B2

JP2585479B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP2585479B2
Application number: JP3091944A
Authority: JP
Inventors: 清斉藤; 秀治斉藤
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Mito Engineering Co Ltd
Priority date: 1991-04-23
Filing date: 1991-04-23
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPH04322453A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は液体冷媒を沸騰させるこ
とにより発熱体の冷却を行う沸騰冷却装置に係り、特
に、液体冷媒を封入した蒸発容器を発熱体に密着させて
冷却する沸騰冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、例えば車両等に使用される大容
量の発熱体である平型半導体素子の冷却装置は、図２及
び図４に示すように、構成されている。

【０００３】即ち、複数の蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）の
間には、図示しない締結装置によって夫々半導体素子２
Ａ，２Ｂが挾持されている。この蒸発容器１（１Ａ〜１
Ｃ）の夫々は、絶縁継手３とベローズ４とを直列に連結
した管路１１の一端を連結し、管路１１の他端を夫々中
継タンク６に連結している。そしてこの中継タンク６は
凝縮器１２の凝縮器ヘッダ７に連結している。

【０００４】上記構成において、前記管路１１は、前記
中継タンク６側を上とするように緩い勾配をつけてい
る。

【０００５】また、前記蒸発容器１と凝縮器ヘッダ７と
の間には、前記管路１１と前記中継タンク６とを貫通す
る液戻しパイプ９で連通されている。この液戻しパイプ
９の一端側９Ａは、前記蒸発容器１内に設置された放熱
フィン８の沸騰溝５内に挿入されて前記蒸発容器１の底
面側に開口しており、他端側は前記凝縮器ヘッダ７の底
部に開口している。

【０００６】上記構成において前記液戻しパイプ９が沈
むように液体冷媒１０を前記蒸発容器１内に減圧封入す
る。

【０００７】この状態において、半導体素子２Ａ，２Ｂ
が発する熱は、密着させた前記蒸発容器１を加熱し、内
部の液体冷媒１０を蒸発させる。この液体冷媒１０の蒸
発により前記半導体素子２Ａ，２Ｂの熱は冷却され、蒸
発した冷媒は矢印に示すように、管路１１から中継タン
ク６を経て凝縮器１２に至り、ここで液化されて凝縮器
ヘッダ７の底部に溜り、ここから液戻しパイプ９及び管
路１１を通って前記蒸発容器１の底部に戻る。このよう
なサイクルを繰返して発熱する半導体素子２Ａ，２Ｂが
冷却される（特開昭58−37482号公報)。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記構成において、半
導体素子２Ａ，２Ｂの発熱量が小さい状態では、蒸発容
器１内の液体冷媒１０の蒸発量が少なく、液体冷媒１０
の液面高さＨも液戻しパイプ９より高い位置にある。こ
の状態では、蒸発した冷媒は凝縮されて液戻しパイプ９
及び管路１１を通って蒸発容器１内に戻る。

【０００９】一方、半導体素子２Ａ，２Ｂの発熱量が増
加してゆくと、蒸発容器１内の液体冷媒１０の蒸発量が
多くなり、管路１１内も蒸気の占有率が高くなり、前記
液体冷媒１０の液面高さＨも液戻しパイプ９より低い位
置となる。この状態では、蒸発して再度凝縮された冷媒
の殆どが液戻しパイプ９のみを通って蒸発容器１内に戻
り、バランスした状態で熱交換サイクルが行われる。

【００１０】しかし、半導体素子２Ａ，２Ｂの発熱量が
さらに増加してゆくと、蒸発容器１内及び液戻しパイプ
９内で沸騰現象が起り、液戻しパイプ９内も蒸気で満た
されるために、凝縮されて液化した冷媒の蒸発容器１内
への帰路が塞がれてしまい、蒸発容器１内が液枯れ現象
をきたし、熱暴走を起すという問題があった。特に、最
近はノンフロン化の要望から蒸発潜熱の低い冷媒が多
く、熱暴走を起しやすい傾向にある。

【００１１】上記問題を解消するには、蒸発容器１や管
路１１断面を大きくすればよいが、これらの大型化は装
置全体の大型化につながる問題がある。

【００１２】また、上記構成は、液化した液体冷媒１０
の管路１１内の戻りを容易にするために、緩い勾配をつ
けるために、製作性が悪いという問題がある。

【００１３】本発明の目的は、大型化することなく、熱
暴走を防いで冷却性能を維持し、かつ製作性を改善した
沸騰冷却装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、発熱体を挾
持し液体冷媒を収納する複数の蒸発容器と、これら蒸発
容器に夫々一端を連結された絶縁継手及びベローズを含
む複数の管路と、これら複数の管路の他端を連結した中
継タンクと、この中継タンクに連結された凝縮器ヘッダ
と、前記管路内を貫通して一端を前記蒸発容器内に開口
する液戻しパイプとを備えた沸騰冷却装置において、前
記蒸発容器の上部に蒸気溜を形成し、この蒸気溜の下方
の前記蒸発容器側方に管路を連結し、かつ前記中継タン
クの底部を前記蒸発容器の底部よりも高位置に、前記凝
縮器ヘッダの底部よりも低位置に位置させると共に、前
記絶縁継手の前記蒸発容器側の連結部を縦長の長円形フ
ランジとし、前記ベローズ側の連結部を円形フランジと
すると共に、前記絶縁継手の内部断面を蒸気の流れに沿
って長円形から徐々に円形に変化させたことによって達
成される。

【００１５】また、上記目的は、中継タンクを蒸気室と
液体室とに分割し、この液体室を凝縮器ヘッダの下部に
連結し、蒸気室を液体室よりも上方で凝縮器ヘッダに連
結することによって達成される。

【００１６】

【作用】上記構成のうち蒸発容器上部に蒸気溜を設ける
ことにより、そこに沸騰による蒸気を溜めて蒸発容器の
下方に蒸気が拡散しないようにできるので、液戻しパイ
プ内に蒸気が侵入して液枯れを起すことがなくなる。同
時に、蒸発容器から絶縁継手までの管路の断面積を縦方
向に大きくすることによって、蒸気溜内の蒸気を蒸発容
器の下方に拡散する前にスムーズに凝縮器側へ逃がすこ
とができるので、熱暴走を防いで冷却性能を維持するこ
とができる。

【００１７】尚、管路の断面積を大きくすることによっ
て、絶縁継手の直径が大きくなり、隣接管路の絶縁ギャ
ップが不足するが、これは蒸発容器と絶縁継手の連結部
を縦長の長円形とすることにより、回避することができ
る。

【００１８】また、中継タンク内を蒸気室と液体室に分
割して夫々凝縮器ヘッダに連結したので、沸騰蒸気によ
って凝縮された液体冷媒の戻りが阻害されないので、冷
却性能の低下はない。

【００１９】さらに、凝縮器ヘッダの底部を中継タンク
の底部よりも上方に位置させることにより、蒸発容器と
凝縮器ヘッダとに段差が生じ、しかも管路の断面が大き
いことから、管路に勾配を付ける必要はなく、製作が簡
単となる。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１及び図３に沿
って説明する。

【００２１】蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）には、直列に接
続した絶縁継手３とベローズ４とからなる管路１１が連
結されて一ユニットを構成している。このユニットを複
数、中継タンク６に接続し、さらにこの中継タンク６を
凝縮器１２の凝縮器ヘッダ７に連結している。これによ
って、複数の蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）から凝縮器１２
までが一体に連通する構造となっている。また、図１に
示すように、中継タンク６の底部は、蒸発容器１の底部
よりも高位置にあり、凝縮器ヘッダ７の底部よりも低位
置にある。

【００２２】ところで、蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）の間
には半導体素子２Ａ，２Ｂが図示しない締結手段によっ
て挾持されており、両者間を密着させている。

【００２３】さらに、蒸発容器１と凝縮器ヘッダ７間に
は液戻しパイプ９が連通しており、液戻しパイプ９の一
端側９Ａは蒸発容器１内に設けた放熱フィン８の沸騰溝
５内を通して蒸発容器１の底面側に開口しており、他端
側９Ｂは前記中継タンク６の底部に開口している。

【００２４】また、蒸発容器１は上部に蒸気溜め２６を
設けており、沸騰により生じた蒸気を溜めて蒸気が蒸発
容器１の下方に拡散しないようにして、液戻しパイプ９
の一端側９Ａ内での液体冷媒１０の沸騰を防止してい
る。

【００２５】次に、蒸発容器１の具体的構成を図５〜図
７について説明する。蒸発容器１は、上下方向に開口を
配置した角管１８と、その両開口部を塞ぐ上蓋１９及び
下蓋２０とで構成され、内部に縦方向の沸騰溝５を形成
した放熱フィン８を収納している。さらに、角管１８の
上端より僅かに下側となる側方に連結管２１を備え、そ
の反対側に端子２２を取付けている。また、前記連結管
２１を通して液戻しパイプ９の一端側９Ａが放熱フィン
８の沸騰溝５内に挿入され下蓋２０に接近して開口して
いる。これら各部品は銀ロー付け等で一体的に固定され
ている。

【００２６】上記構成において放熱フィン８の上部で、
連結管２１に連なる空間が蒸気溜２６となっている。前
記連結管２１の断面は縦長の長円形となっており、隣接
蒸発容器との絶縁ギャップＧを確保している。尚、前記
連結管２１の断面を縦方向に長円形としたのは絶縁ギャ
ップＧの確保は勿論のこと、冷却性能を上げて大容量化
を図るために、蒸発容器の並設方向寸法Ｌを抑えて連結
管２１と絶縁継手３及びベローズ４からなる管路１１の
断面積を大きくするためである。そのため、電気的に絶
縁の必要な連結管２１のフランジ部Ｄの断面形状を縦長
の長円形とし、電気的絶縁の必要のない絶縁継手３とベ
ローズ４のフランジ部Ｅの断面形状を円形としたのであ
る。

【００２７】次に、絶縁継手３の具体的構成を図８〜図
１０について説明する。絶縁継手３は、中心に位置する
筒状絶縁体２５と、その両端に連結されるフランジ２
３，２４とで構成されている。そして、蒸発容器１の連
結管２１のフランジ部Ｄと連結されるフランジ２３の断
面形状を縦長の長円形とし、ベローズ４のフランジ部Ｅ
と連結されるフランジ２４の断面形状を円形とし、この
断面長円形から断面円形への変化は流体抵抗を小さくし
て蒸気の流れをスムーズにするため、筒状絶縁体２５の
内径を徐々に滑らかに変化させている。

【００２８】図１１及び図１２は、中継タンク６の具体
的構造を示すもので、この中継タンク６の側部下方には
横方向に延在する前記ベローズ４の他端が接続されてお
り、中継タンク６の上部には連結管１３が設けられて前
記凝縮器ヘッダ７の上方に接続されている。また、前記
中継タンク６のベローズ４が接続される側部とは反対側
の側部は前記凝縮器ヘッダ７の下方に接続されている。
そして、前記中継タンク６の内部は、仕切板１６によっ
て、蒸気室１４と液体室１５とに仕切られ、蒸気室１４
内には前記ベローズ４との接続部と連結管１３とが位置
し、液体室１５内には前記凝縮器ヘッダ７下方への接続
部が位置するようにしている。そして、前記液戻しパイ
プ９の一端側９Ｂを液体室１５内に開口させている。

【００２９】尚、前記仕切板１６の下部には切欠き１７
が設けられ、蒸気の占有率が低いときに、凝縮されて凝
縮器ヘッダ７から液体室１５に戻った液体冷媒１０を蒸
気室１４，管路１１を介して蒸発容器１に戻すようにし
ている。

【００３０】上記構成において、蒸発容器１で液体冷媒
１０の沸騰によって生じた蒸気は、絶縁継手３，ベロー
ズ４，蒸気室１４を介して凝縮器ヘッダ７に入り、凝縮
器１２に至る。そこで、凝縮されて戻った液体冷媒１０
は、凝縮器ヘッダ７の下部から中継タンク６の液体室１
５に入り、一部は液戻しパイプ９を通って、また一部は
仕切板１６の切欠き１７から蒸気室１４に入り、ベロー
ズ４，絶縁継手３を通って蒸発容器１に戻る。

【００３１】本実施例によれば、蒸発容器１の上部に蒸
気溜２６を設けることにより、沸騰により生じた液体冷
媒１０の蒸気をこの蒸気溜２６に溜めて、蒸気が蒸発容
器１の下方に拡散することを防止できるので、液枯れな
どを起すことがなくなり、冷却性能の低下を防止するこ
とができる。

【００３２】また、蒸発容器１と絶縁継手３の連結部の
断面形状を縦長の長円形のフランジに形成し、絶縁継手
３とベローズ４の連結部の断面形状を円形のフランジに
形成し、その間の絶縁継手３の内部断面形状を蒸気の流
れに沿って長円形から徐々に円形に変化させたので、装
置の大型化を避けながら蒸気の流体抵抗を小さくするこ
とができ、その結果、冷却性能の低下を防止することが
できる。

【００３３】さらに、中継タンク６内を蒸気室１４と液
体室１５とに仕切っているので、凝縮器１２に移動する
蒸気と蒸発容器１０へ戻ろうとする凝縮した液体冷媒１
０とが混じりあう機会を少なくできるので、液体冷媒１
０の戻りが蒸気によって阻害されることはなく、冷却性
能の低下を防止できる。

【００３４】このほか、蒸発容器１と中継タンク６との
底部及び中継タンク６と凝縮器ヘッダ７との底部に高低
差を設けて蒸発容器１と凝縮器ヘッダ７との落差を大き
くしたので、凝縮器ヘッダ７内の凝縮した液体冷媒１０
を蒸発容器１へ前記落差を利用して戻すことができ、し
たがって、図２に示すように、管路１１に勾配を設ける
必要はなく、製作性を向上することができる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
大型化することなく、熱暴走を防いで冷却性能を維持
し、かつ製作性を改善した沸騰冷却装置を得ることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による沸騰冷却装置の一実施例を示す要
部縦断側面図。

【図２】従来の沸騰冷却装置を示す要部縦断側面図。

【図３】本発明による沸騰冷却装置の一実施例を示す平
面図。

【図４】従来の沸騰冷却装置を示す平面図。

【図５】本発明による沸騰冷却装置の蒸発容器を示す縦
断側面図。

【図６】図５のＡ矢視図。

【図７】図５のＢ−Ｂ断面図。

【図８】本発明による沸騰冷却装置の絶縁継手を示す平
面図。

【図９】図８の一部破断側面図。

【図１０】図８の底面図。

【図１１】本発明による沸騰冷却装置の中継タンク周辺
を示す縦断側面図。

【図１２】図１１のII矢視図。

【符号の説明】

１…蒸発容器、３…絶縁継手、４…ベローズ、６…中継
タンク、７…凝縮器ヘッダ、８…放熱フィン、９…液戻
しパイプ、１２…凝縮器、１３…連結管、１４…蒸気
室、１５…液体室、１６…仕切板、２６…蒸気溜。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】発熱体を挾持し液体冷媒を収納する複数の
蒸発容器と、これら蒸発容器に夫々一端を連結された絶
縁継手及びベローズを含む複数の管路と、これら複数の
管路の他端を連結した中継タンクと、この中継タンクに
連結された凝縮器ヘッダと、前記管路内を貫通して一端
を前記蒸発容器内に開口する液戻しパイプとを備えた沸
騰冷却装置において、前記蒸発容器の上部に蒸気溜を形
成し、この蒸気溜の下方の前記蒸発容器側方に管路を連
結し、かつ前記中継タンクの底部を前記蒸発容器の底部
よりも高位置に、前記凝縮器ヘッダの底部よりも低位置
に位置させると共に、前記絶縁継手の前記蒸発容器側の
連結部を縦長の長円形フランジとし、前記ベローズ側の
連結部を円形フランジとすると共に、前記絶縁継手の内
部断面を蒸気の流れに沿って長円形から徐々に円形に変
化させたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】前記中継タンクを蒸気室と液体室とに分割
し、この液体室を前記凝縮器ヘッダの下部に連結し、前
記蒸気室を前記液体室よりも上方で前記凝縮器ヘッダに
連結したことを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装
置。