JP3918502B2

JP3918502B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP3918502B2
Application number: JP2001327444A
Authority: JP
Inventors: 貴英大原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-10-25
Filing date: 2001-10-25
Publication date: 2007-05-23
Anticipated expiration: 2021-10-25
Also published as: US20040154785A1; JP2003130561A; US6874567B2; US20030079864A1; US6705390B2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、本出願人が既に出願している沸騰冷却装置（特願2000-402293 参照）を図７に示す。
この沸騰冷却装置100 は、冷媒容器110 と放熱器120 とで構成され、冷媒容器110 の下側表面に発熱体130 が取り付けられる。
冷媒容器110 は、上壁面の一部が上方へ高く形成された凸部140 を有し、その凸部140 の上端面に蒸気流出口が形成されている。
【０００３】
放熱器120 は、凸部140 の上端面に直立して組み付けられるヘッダタンク150 と、このヘッダタンク150 と冷媒容器110 とを連通するチューブ160 とを有し、ヘッダタンク150 の下端開口部が凸部140 の蒸気流出口に嵌合して冷媒容器110 の内部空間と連通している。
この構成によれば、発熱体130 の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が、図中矢印で示す様に、冷媒容器110 の凸部140 へ流れ込み、その凸部140 に開口する蒸気流出口よりヘッダタンク150 内に流入することができる。つまり、冷媒容器110 内で沸騰気化した冷媒蒸気を優先的にヘッダタンク150 へ導くことができるので、冷媒容器110 と放熱器120 との間で冷媒の循環をスムーズにできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の沸騰冷却装置100 は、冷媒容器110 の上壁面に凸部140 を設けて、その凸部140 の上端面にヘッダタンク150 を直立して組み付けているので、高さ方向に装置が大型化する。また、凸部140 が放熱器120 側へ張り出すため、十分な放熱面積を確保するためには、放熱器120 のコア体格が大きくなる。これらの結果、実装上の制約が大きくなるという問題が生じる。
【０００５】
更に、チューブ160 の両端部は、ヘッダタンク150 と冷媒容器110 に対する組み付け方向が異なる上に、長さが異なる複数種類のチューブ160 を必要とするため、組み付け性が悪く、且つコストが高くなる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、体格の大型化を招くことなく冷媒の循環をスムーズに行うことができ、且つ組み付け性に優れる沸騰冷却装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
本発明は、冷媒容器に貯留されている冷媒が発熱体から受熱して沸騰気化し、その冷媒蒸気が有する潜熱を放熱部より放出して発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
発熱体の取付け範囲を冷媒容器の上面に投影した部分を沸騰領域と呼ぶ時に、複数本のチューブは、沸騰領域内に配置される第１のチューブ群と、沸騰領域外に配置される第２のチューブ群とで構成され、第１のチューブ群の方が、第２のチューブ群より、隣合うチューブ同士の間隔が小さく設けられている。
【００１２】
この構成によれば、発熱体の熱を受けて沸騰気化した冷媒蒸気が、沸騰領域内に配置されているチューブに優先的に流れ込むことができ、且つ第１のチューブ群の方が第２のチューブ群より隣合うチューブ同士の間隔が小さく設けられているので、より多くの冷媒蒸気が第１のチューブ群を構成する各チューブ内に流入することができる。
【００１３】
本発明では、沸騰領域内に配置される第１のチューブ群の方が、沸騰領域外に配置される第２のチューブ群より、隣合うチューブ同士の間隔を小さくするだけで冷媒の循環を良好にできるので、放熱部の体格が大きくなることはなく、且つ装置全体が大型化することもない。
また、沸騰領域内に配置されるチューブと沸騰領域外に配置されるチューブの長さを同一にでき、且つチューブの両端部を上下方向に組み付けることができるので、従来技術で説明した先願の沸騰冷却装置と比較して、組み付け性が良く、量産によって低コスト化を図ることが可能である。
【００１４】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
冷媒容器は、板厚方向に貫通する開口部を有する複数枚の中間プレートと、表面に発熱体が取り付けられる受熱プレートと、表面にチューブが組付けられる放熱プレートとを有し、受熱プレートと放熱プレートとの間に複数枚の中間プレートを重ね合わせて構成され、放熱プレートに隣接する中間プレートは、放熱プレートに投影される沸騰領域に対応して開口部が大きく形成されている。
【００１５】
この構成では、発熱体の熱を受けて沸騰気化した冷媒蒸気が、放熱プレートに隣接する中間プレートの開口部を通って、沸騰領域に配置されるチューブへ流入する。従って、中間プレートの開口部を沸騰領域に対応して大きく形成することで、冷媒蒸気が抜け易くなり、よりスムーズに冷媒が循環できるため、性能向上を期待できる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、内部空間に冷媒を貯留する冷媒容器２と、この冷媒容器２の内部空間と連通する複数本のチューブ３（３Ａ、３Ｂ）と、その複数本のチューブ３同士を連通する１本のヘッダタンク４とで構成され、例えば真空雰囲気にて一体ろう付けにより製造される。
【００１７】
冷媒容器２は、図１に示す様に、上下方向に偏平な箱型に設けられ、容器上面にチューブ３の下端部が差し込まれる挿入孔５が複数設けられている。また、冷媒容器２の底面中央部には、半導体素子等の発熱部品を内蔵する発熱体６が螺子等により固定される。なお、以下の説明において、冷媒容器２に対する発熱体６の取付け範囲を冷媒容器２の上面に投影した部分を沸騰領域と呼ぶ。
【００１８】
チューブ３は、自身の下端部が冷媒容器２の挿入孔５に差し込まれて、冷媒容器２の内部空間と連通して冷媒容器２の上面に略直立して組み付けられる。但し、上述した沸騰領域内に配置されるチューブ３Ａ（本実施例では１本）は、沸騰領域外に配置されるチューブ３Ｂより、冷媒容器２に接続される下端開口部の通路断面積が大きく設けられている。具体的には、図１に示す様に、チューブ３Ａの下端側が下端開口部に向かって急激に通路断面積が拡大するラッパ形状に設けられている。
【００１９】
なお、冷媒容器２の沸騰領域内に開口する挿入孔（図示しない）は、チューブ３の下端開口部の大きさに対応して、他の挿入孔５より大きく形成されている。ヘッダタンク４は、冷媒容器２と同様に偏平な箱型に設けられ、各チューブ３の上端開口部が差し込まれて、各チューブ３と連通している。
本発明の放熱部は、上述したチューブ３とヘッダタンク４とで構成される。但し、図１には示していないが、隣接するチューブ３同士の間に放熱フィンを設けても良い。
【００２０】
次に、沸騰冷却装置１の作用を説明する。
冷媒容器２に貯留されている冷媒は、発熱体６の熱を受けて沸騰気化し、冷媒蒸気となって冷媒容器２からチューブ３内へ流れ込む。この時、沸騰領域内に配置されているチューブ３Ａの下端開口部が沸騰領域外に配置されているチューブ３Ｂより通路断面積が大きく設けられ、且つ冷媒容器２の沸騰領域内に開口する挿入孔の方が他の挿入孔５より開口面積が大きく形成されているので、冷媒容器２内で沸騰気化した冷媒蒸気の殆どが沸騰領域内に配置されているチューブ３Ａへ集中して流れ込むことができる。
【００２１】
チューブ３Ａへ流れ込んだ冷媒蒸気は、チューブ３Ａからヘッダタンク４に流入し、ヘッダタンク４内で拡散して沸騰領域外に配置されている各チューブ３Ｂへ流入し、各チューブ３Ｂ内を流れる際に外気（冷却風）によって冷却され、凝縮液となって冷媒容器２に還流する。発熱体６から冷媒に伝達された熱は、冷媒蒸気が冷却されて凝縮する際に潜熱として外気に放出される。
【００２２】
（第１実施例の効果）
本実施例の沸騰冷却装置１は、沸騰領域内に配置されるチューブ３Ａの下端開口部の通路断面積を他のチューブ３Ｂより大きくすることにより、発熱体６の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が集中してチューブ３Ａ内へ流れ込むことができる。その結果、チューブ３Ａからヘッダタンク４に流入し、そのヘッダタンク４内で拡散した冷媒蒸気が必然的に沸騰領域外に配置されるチューブ３Ｂ内を通ることになり、そのチューブ３Ｂ内で冷却され、凝縮液となって冷媒容器２に還流することができる。これにより、冷媒蒸気と凝縮液とが干渉することなく、冷媒の循環がスムーズに行われる。
【００２３】
この沸騰冷却装置１は、冷媒容器２を偏平な箱型のまま使用できる（従来技術で説明した凸部が不要である）ので、放熱部の体格を大きくしなくても十分な放熱面積を確保できる。また、全てのチューブ３（３Ａ、３Ｂ）を同じ長さにできるので、高さ方向に装置全体が大型化することもなく、実装上の制約を小さくできる。
また、沸騰領域内に配置されるチューブ３Ａと沸騰領域外に配置されるチューブ３Ｂの長さを同一にできるだけでなく、各チューブ３の両端部を上下方向に組み付けることができるので、従来技術で説明した先願の沸騰冷却装置と比較して、組み付け性が良く、量産によって低コスト化を図ることが可能である。
【００２４】
（第２実施例）
図２は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、図２に示す様に、沸騰領域内に配置されるチューブ３Ａの通路断面積を、自身の全長にわたって他のチューブ３Ｂより大きくした場合の一例である。
この構成によれば、チューブ３Ａ内を冷媒蒸気が流れる時の抵抗を小さくできるので、チューブ３Ａ内を冷媒蒸気が流れ易くなる。その結果、よりスムーズに冷媒が循環できる様になるため、性能向上を期待できる。
【００２５】
（第３実施例）
図３は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、図３に示す様に、冷媒容器２とヘッダタンク４をそれぞれ積層構造とした場合の一例である。
冷媒容器２は、例えば図４に示す４枚のプレート７（７Ａ〜７Ｄ）を重ね合わせて構成される。その４枚のプレート７は、アルミニウム板やステンレス板等からプレス型により打ち抜かれたプレス材であり、表面に発熱体６が固定される受熱プレート７Ａ、表面にチューブ３が組付けられる放熱プレート７Ｂ、及び両プレート７間に挟まれる２枚（３枚以上でも良い）の中間プレート７Ｃ、７Ｄから成る。
【００２６】
放熱プレート７Ｂには、図４（ａ）に示す様に、チューブ３の端部を挿入するための挿入孔５が複数箇所設けられている。但し、冷媒容器２の沸騰領域内に開口する挿入孔５ａは、チューブ３の下端開口部の大きさに対応して、他の挿入孔５ｂより大きく矩形に形成されている。
放熱プレート７Ｂに隣接する中間プレート７Ｃには、図４（ｂ）に示す様に、プレート７Ｃの横方向に延びるスリット状の開口部８が一定のピッチで複数本並設されている。但し、中間プレート７Ｃの略中央部には、放熱プレート７Ｂの沸騰領域内に開口する挿入孔５に対応して開口部８ａが大きく矩形に形成されている。
【００２７】
受熱プレート７Ａに隣接する中間プレート７Ｄには、図４（ｃ）に示す様に、プレート７Ｄの縦方向に延びるスリット状の開口部９が一定のピッチで複数本並設されている。但し、中間プレート７Ｄの略中央部には、発熱体６の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が拡散しない様に、発熱体６の取付け範囲に相当する部分だけ開口部９ａの上下方向の長さが限定して設けられている。
受熱プレート７Ａは、図４（ｄ）に示す様に、中間プレート７Ｄの開口部９（９ａを含む）を閉じる平面を有する平板材である。
【００２８】
ヘッダタンク４は、冷媒容器２と同様に、複数枚のプレート１０を重ね合わせて構成される積層構造体である。
チューブ３は、第１実施例と同じく、沸騰領域内に配置されるチューブ３Ａのみ、冷媒容器２に接続される下端開口部の通路断面積が大きくラッパ形状に拡大して設けられている。あるいは、第２実施例に示したチューブ３Ａ（チューブ３Ａの全長にわたって通路断面積が他のチューブ３Ｂより大きい）を採用することも可能である。
【００２９】
（第３実施例の効果）
受熱プレート７Ａに隣接する中間プレート７Ｄは、発熱体６の取付け範囲に相当する部分だけ開口部９ａの上下方向の長さが限定されているので、発熱体６から受熱して沸騰した冷媒蒸気が左右に拡散することなく、そのまま開口部９ａを上方へ通り抜けることができる。また、放熱プレート７Ｂに隣接する中間プレート７Ｃには、放熱プレート７Ｂの沸騰領域内に開口する挿入孔５ａに対応して、開口部８ａが大きく矩形に形成されているので、その開口部８ａを冷媒蒸気が抜け易くなっている。
【００３０】
これにより、冷媒容器２内で冷媒蒸気が拡散することなく、放熱プレート７Ｂの沸騰領域内に配置されたチューブ３Ａへ集中して流れ込むことができるので、第１実施例の場合と同様に、ヘッダタンク４内で拡散した冷媒蒸気が必然的に沸騰領域外に配置されるチューブ３Ｂ内を通ることになり、そのチューブ３Ｂ内で冷却され、凝縮液となって冷媒容器２に還流することができる。従って、冷媒蒸気の流れと凝縮液の流れとが干渉することなく、スムーズに冷媒が循環できる様になる。
【００３１】
また、本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒容器２とヘッダタンク４が、共に複数枚のプレート７及びプレート１０を重ね合わせて構成されるので、プレート７及びプレート１０の枚数を増減するだけで冷媒容器２及びヘッダタンク４の内容積を変更できる。その結果、熱負荷の増減等に応じて冷媒容器２及びヘッダタンク４の大きさ（内容積）を容易に変更することが可能である。
【００３２】
更に、冷媒容器２とヘッダタンク４の両者に共通のプレートを使用することも可能である。この場合、プレートを製造するプレス型を共有できるので、高価なプレス型の費用（型費）を削減でき、沸騰冷却装置１の製造コストを低減できる効果がある。また、冷媒容器２とヘッダタンク４とで共通のプレートを用いることにより、プレートの種類を減らすことができるので、部品管理を容易にできる効果もある。
【００３３】
（第４実施例）
図５は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、沸騰領域（破線で示す領域）内に複数本のチューブ（第１のチューブ群：図示しない）を配置した場合の一例である。
沸騰領域内に配置される複数本のチューブは、その隣合うチューブ同士の間隔が、沸騰領域外に配置される複数本のチューブ３Ｂ（第２のチューブ群）の隣合うチューブ同士の間隔より小さく設定されている。なお、第１のチューブ群に使用されるチューブと第２のチューブ群に使用されるチューブ３Ｂは、同一形状及び同一長さである。
【００３４】
本実施例の構成によれば、第１のチューブ群におけるチューブ同士の間隔を小さくすることにより、沸騰領域内に開口する第１のチューブ群全体の通路断面積をより大きく確保できるので、多くの冷媒蒸気が沸騰領域内に配置される各チューブ３Ａを通ってヘッダタンク４へ流入することができる。これにより、ヘッダタンク４内で拡散した冷媒蒸気が沸騰領域外に配置される各チューブ３Ｂ内を通って冷却され、凝縮液となって冷媒容器２に還流することができる。
【００３５】
（第５実施例）
図６は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、第５実施例に記載した冷媒容器２とヘッダタンク４をそれぞれ積層構造とした場合の一例である。
その冷媒容器２とヘッダタンク４は、第３実施例と同様に、複数枚のプレート７及びプレート１０を重ね合わせて構成されている。
この実施例でも、放熱プレート７Ｂに隣接する中間プレートの略中央部には、放熱プレート７Ｂの沸騰領域内に開口する複数の挿入孔５ａに対応して開口部が大きく矩形に形成され、冷媒蒸気が抜け易くなる様に構成されている（図４参照）。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の斜視図である（第１実施例）。
【図２】沸騰冷却装置の斜視図である（第２実施例）。
【図３】沸騰冷却装置の斜視図である（第３実施例）。
【図４】冷媒容器を構成する各プレートの平面図である（第３実施例）。
【図５】沸騰冷却装置の斜視図である（第４実施例）。
【図６】沸騰冷却装置の斜視図である（第５実施例）。
【図７】沸騰冷却装置の断面図である（先願技術）。
【符号の説明】
１沸騰冷却装置
２冷媒容器
３チューブ
３Ａ沸騰領域内に配置されるチューブ
３Ｂ沸騰領域外に配置されるチューブ
４ヘッダタンク
６発熱体
７プレート
７Ａ受熱プレート
７Ｂ放熱プレート
７Ｃ放熱プレートに隣接する中間プレート
７Ｄ受熱プレートに隣接する中間プレート
８開口部
９開口部

Claims

底面に発熱体が取り付けられ、内部に前記発熱体の熱を受けて沸騰する冷媒を貯留する冷媒容器と、
この冷媒容器の内部と連通して前記冷媒容器の上面に略直立して組み付けられる複数本のチューブ、及びその複数本のチューブ同士を連通するヘッダタンクを有する放熱部とを備え、
前記冷媒容器に貯留されている冷媒が前記発熱体から受熱して沸騰気化し、その冷媒蒸気が有する潜熱を前記放熱部より放出して前記発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
前記発熱体の取付け範囲を前記冷媒容器の上面に投影した部分を沸騰領域と呼ぶ時に、前記複数本のチューブは、前記沸騰領域内に配置される第１のチューブ群と、前記沸騰領域外に配置される第２のチューブ群とで構成され、前記第１のチューブ群の方が、前記第２のチューブ群より、隣合うチューブ同士の間隔が小さく設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
前記冷媒容器は、板厚方向に貫通する開口部を有する複数枚の中間プレートと、表面に前記発熱体が取り付けられる受熱プレートと、表面に前記チューブが組付けられる放熱プレートとを有し、前記受熱プレートと前記放熱プレートとの間に前記複数枚の中間プレートを重ね合わせて構成され、
前記放熱プレートに隣接する前記中間プレートは、前記放熱プレートに投影される前記沸騰領域に対応して前記開口部が大きく形成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。