JP4178719B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内部に封入された冷媒の沸騰熱伝達によって高温流体と低温流体との間で熱交換を行う沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、携帯電話の無線基地局等の様に、密閉化された筐体の内部を冷却する必要がある時、筐体の内部に直接外気を取り入れて冷却することができないため、例えば沸騰冷却装置により筐体内部の空気と外部の空気とを熱交換させて冷却する方法がある。
沸騰冷却装置は、図６に示す様に、筐体１００の内部に配される第１の熱交換器１１０と筐体１００の外部に配される第２の熱交換器１２０とを有し、第１の熱交換器１１０と第２の熱交換器１２０とをパイプ１３０によって環状に連結し、内部に封入された冷媒が第１の熱交換器１１０と第２の熱交換器１２０とを循環できるように構成されている。この沸騰冷却装置は、内部に封入されている冷媒が第１の熱交換器１１０で筐体１００内部の高温空気から受熱して沸騰気化し、蒸気冷媒となって第２の熱交換器１２０に流れ込み、第２の熱交換器１２０で外気に放熱して凝縮液化する。これにより、筐体１００内部の高温空気から筐体１００外部の低温空気へ熱移動が行われて、筐体１００内部の温度上昇が抑制される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の沸騰冷却装置は、第１の熱交換器１１０で冷媒の沸騰が開始されると、装置内に圧力差が生じて、高圧側の液面が低下し、低圧側の液面が上昇する。この場合、低圧側である第２の熱交換器１２０では、液面が熱交換器１２０の内部まで上昇すると、放熱面積が減少して性能が低下する。このため、従来では、高圧側と低圧側との圧力差（ヘッド差）による液面上昇を見込んで、第１の熱交換器１１０の上部タンク１１１より第２の熱交換器１２０の下部タンク１２１をヘッド差Ｈ分だけ高い位置に設けている。
この沸騰冷却装置では、放熱性能の向上を図るために、上記のヘッド差Ｈを確保しながら第２の熱交換器１２０を大型化すると、必然的に沸騰冷却装置の全高が大きくなってしまうという問題があった。
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、大型化を伴うことなく放熱性能の向上を実現できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
本発明の沸騰冷却装置は、高温流体に晒される第１の熱交換器と、低温流体に晒される第２の熱交換器とを有し、第１の熱交換器の上部タンクには、蒸気管の上流端が接続され、第２の熱交換器の下部タンクには、液戻し管の上流端が接続され、放熱コアは沸騰コアよりも上下方向に大きく、第１の熱交換器と第２の熱交換器とが、上下方向にオーバーラップするように設けられ、且つ内部に封入される液冷媒が上部タンク及び下部タンクの内部まで略満たされている。
この沸騰冷却装置は、第１の熱交換器で高温流体から受熱して沸騰気化した蒸気冷媒が蒸気管を通って第２の熱交換器へ流入し、第２の熱交換器で低温流体に放熱して凝縮した後、液冷媒となって第２の熱交換器から液戻し管を通って第１の熱交換器へ還流する。この時、第１の熱交換器と第２の熱交換器との圧力差に応じて、第２の熱交換器内の冷媒液面が上昇し、下部タンクより上部の放熱コア内まで達する。この放熱コア内まで上昇した液冷媒は、低温流体との熱交換によって更に冷却されて第１の熱交換器に還流する。これにより、第１の熱交換器内の冷媒温度が低下するため、第１の熱交換器で高温流体から受熱する受熱量が増大し、その結果、放熱性能を向上できる。
（請求項２の手段）
第１の熱交換器が配される高温側伝熱空間と第２の熱交換器が配される低温側伝熱空間とを仕切る仕切り板が、上下方向に屈曲して設けられている。
（請求項３の手段）
第１の熱交換器で冷媒が沸騰を開始すると、第２の熱交換器内の冷媒液面が上昇し、放熱コアの下半分〜１／３程度までが液冷媒で満たされる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１はパネルクーラに用いられる沸騰冷却装置の斜視図、図３はパネルクーラの構造を示す模式図である。
本実施例のパネルクーラ１は、例えば移動無線電話（携帯電話や自動車電話等）の無線基地局に使用される。
無線基地局は、塵埃や水分等の付着を嫌う電子機器２（送信器や受信器等）を収容しているため、パネルクーラ１が取り付けられた状態で、電子機器２を収容する筐体３の内部が略密閉化されている。
【０００６】
パネルクーラ１は、図３に示すように、筐体３の一側面を気密に閉塞して取り付けられ、下述のケーシング４、沸騰冷却装置５、内気ファン６、外気ファン７、及びコントローラ８等より構成される。
ケーシング４は、仕切板９によって気密に隔てられた高温側伝熱空間１０と低温側伝熱空間１１とを形成し、且つ高温側伝熱空間１０と筐体３の内部空間とを連通する内気入口１２と内気出口１３および低温側伝熱空間１１と筐体３の外部空間とを連通する外気入口１４と外気出口１５が形成されている。
【０００７】
沸騰冷却装置５は、図１に示すように、高温側伝熱空間１０に配される受熱器１６、低温側伝熱空間１１に配される放熱器１７、受熱器１６と放熱器１７とを気密に連結する２本の連結管１８、１９等より構成され、装置内部に所定量の冷媒が封入されている。
受熱器１６は、一組のタンク（上部タンク１６ａと下部タンク１６ｂ）、両タンク間に並設される複数本の受熱管１６ｃ、及び受熱管１６ｃの表面に接合される受熱フィン１６ｄより構成され、受熱管１６ｃと受熱フィン１６ｄとで本発明の沸騰コアを形成している。
放熱器１７は、一組のタンク（上部タンク１７ａと下部タンク１７ｂ）、両タンク間に並設される複数本の放熱管１７ｃ、及び放熱管１７ｃの表面に接合される放熱フィン１７ｄより構成され、放熱管１７ｃと放熱フィン１７ｄとで本発明の放熱コアを形成している。
【０００８】
受熱器１６と放熱器１７は、図２に示すように、受熱器１６の上部タンク１６ａと放熱器１７の下部タンク１７ｂとが略同じ高さ位置となるように配され、且つ装置内部に封入される冷媒が受熱器１６の上部タンク１６ａ及び放熱器１７の下部タンク１７ｂ内まで満たされている。
但し、最初から放熱器１７の下部タンク１７ｂ内まで冷媒が満たされていると、受熱器１６で冷媒が沸騰を開始した後、受熱器１６と放熱器１７との圧力差によって放熱器１７内の冷媒液面が上昇した時に、放熱管１７ｃの内部まで液冷媒が上昇し、放熱管１７ｃの下部が液冷媒で満たされてしまう。この場合、放熱器１７の大きさ（放熱面積）を受熱器１６との比較で選択すると、液面の上昇によって放熱器１７の放熱面積が減少する分だけ、能力不足となる。そこで、本実施例の放熱器１７は、圧力差によって上昇する冷媒液面より上方に必要な放熱面積を確保できるように、受熱器１６との比較で選択される放熱器１７より上下方向の長さ（高さ）を長くしている。
【０００９】
２本の連結管１８、１９は、受熱器１６で高温流体から受熱して沸騰気化した蒸気冷媒を放熱器１７へ導く蒸気管１８と、放熱器１７で外気に放熱して凝縮液化した液冷媒を受熱器１６へ戻す液戻し管１９とで構成され、それぞれ仕切板９を気密に貫通して配されている。
蒸気管１８は、上流端が受熱器１６の上部タンク１６ａに接続され、下流端が放熱器１７の上部タンク１７ａに接続されている。
液戻し管１９は、上流端が放熱器１７の下部タンク１７ｂに接続され、下流端が受熱器１６の下部タンク１６ｂに接続されている。
【００１０】
内気ファン６は、ケーシング４内の高温側伝熱空間１０に筐体３の内部空気（高温流体）を流通させて、沸騰冷却装置５の受熱器１６に送風する。
外気ファン７は、ケーシング４内の低温側伝熱空間１１に筐体３の外部空気（低温流体）を流通させて、沸騰冷却装置５の放熱器１７に送風する。
コントローラ８は、例えばサーミスタ等の温度センサ２０により検出した筐体３の内部温度に基づいて、内気ファン６のモータ６ａ及び外気ファン７のモータ７ａを通電制御する。なお、温度センサ２０は、図３に示すように、内気入口１２に設けられ、内気入口１２よりケーシング４内の高温側伝熱空間１０へ流入する空気の温度を検出している。
【００１１】
次に、パネルクーラ１の作動を説明する。
内気ファン６が作動すると、図３に矢印Ａで示すように、ケーシング４内の高温側伝熱空間１０を流通する空気流が発生し、筐体３の内部空気が高温側伝熱空間１０を介して循環する。
外気ファン７が作動すると、図３に矢印Ｂで示すように、ケーシング４内の低温側伝熱空間１１を流通する空気流が発生し、筐体３の外部空気が低温側伝熱空間１１を介して循環する。
【００１２】
高温側伝熱空間１０に配された受熱器１６では、受熱管１６ｃ内の液冷媒が高温側伝熱空間１０を流通する高温空気から受熱して沸騰気化し、受熱管１６ｃから上部タンク１６ａへ流れ込み、更に上部タンク１６ａから蒸気管１８を通って放熱器１７の上部タンク１７ａへ流れ込む。
低温側伝熱空間１１に配された放熱器１７では、上部タンク１７ａに流れ込んだ蒸気冷媒が各放熱管１７ｃを下部タンク１７ｂへ向かって流れる際に、低温側伝熱空間１１を流通する外気に放熱して凝縮する。凝縮した冷媒は、液滴となった後、自重により放熱管１７ｃの内壁面を伝って下部タンク１７ｂへ滴下する。下部タンク１７ｂに集まった凝縮液は、液戻し管１９を通って受熱器１６の下部タンク１６ｂへ流れ込む。
以上の様に、沸騰冷却装置５で上記サイクル（冷媒の沸騰と凝縮）を繰り返すことにより、電子機器２から発生した熱が順次外気に放出され、筐体３内部の温度上昇が抑制される。
【００１３】
（本実施例の効果）
本実施例の沸騰冷却装置５は、受熱器１６で冷媒が沸騰を開始すると、図２に示すように、放熱器１７内の冷媒液面が上昇して、例えば放熱管１７ｃの下半分〜１／３程度までが液冷媒で満たされる。この場合、放熱器１７は、放熱コアの下半分〜１／３程度が過冷却器として機能し、内部の液冷媒を外気との熱交換によって更に冷却することができる。この結果、過冷却された液冷媒が受熱器１６へ還流することで、受熱器１６内の冷媒温度が低下するため、受熱器１６で高温空気から受熱する受熱量が増大し、放熱性能を向上できる。
【００１４】
上述した放熱器１７は、従来技術で説明したヘッド差Ｈ（図６参照）に相当する部分を過冷却器として使用しているので、沸騰冷却装置５の全高が高くなることはない。従って、装置全体を大型化することなく、放熱性能の向上を図ることができる。
なお、上記実施例では、受熱器１６の上部タンク１６ａと放熱器１７の下部タンク１７ｂを略同じ高さ位置に設定しているが、図４に示すように、放熱器１７の下部タンク１７ｂを受熱器１６の上部タンク１６ａより低い位置に配置しても、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００１５】
（第２実施例）
図５は沸騰冷却装置の構成図である。
第１実施例の沸騰冷却装置５は、内気ファン６、外気ファン７等と共にパネルクーラ１として一体的に構成しているが、本実施例の沸騰冷却装置５は、図５に示すように、受熱器１６と内気ファン６を有し、筐体３の内部に設置される室内器５Ａと、放熱器１７と外気ファン７を有し、筐体３の外部に設置される室外器５Ｂとに分離して構成され、蒸気管１８と液戻し管１９が筐体３の壁を気密に貫通して受熱器１６と放熱器１７とを連結している。
【００１６】
受熱器１６と放熱器１７は、第１実施例と同様に、受熱器１６の上部タンク１６ａと放熱器１７の下部タンク１７ｂとが略同じ高さ位置、あるいは図５に示すように受熱器１６の上部タンク１６ａより放熱器１７の下部タンク１７ｂの方が低い位置に配置される。これにより、放熱器１７は、放熱コアの下半分〜１／３程度が過冷却器として機能し、過冷却された液冷媒が放熱器１７から受熱器１６に還流して受熱器１６内の冷媒温度が低下するため、受熱器１６での受熱量が増大して放熱性能を向上できる。
【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】沸騰冷却装置の側面図である（第１実施例）。
【図３】無線基地局に取り付けられたパネルクーラの概略図である（第１実施例）。
【図４】沸騰冷却装置の側面図である（変形例）。
【図５】沸騰冷却装置の構成図である（第２実施例）。
【図６】沸騰冷却装置の正面図である（従来技術の説明）。
【符号の説明】
５ 沸騰冷却装置
１６ 受熱器（第１の熱交換器）
１６ａ 受熱器の上部タンク
１７ 放熱器（第２の熱交換器）
１７ｂ 放熱器の下部タンク
１８ 蒸気管
１９ 液戻し管

Claims (3)

1. 内部に封入された冷媒の沸騰熱伝達によって高温流体と低温流体との間で熱交換を行う沸騰冷却装置であって、
   前記高温流体に晒されて、高温流体と冷媒との熱交換を行う沸騰コアを形成し、この沸騰コアの上部に上部タンクを有する第１の熱交換器と、
   前記低温流体に晒されて、低温流体と冷媒との熱交換を行う放熱コアを形成し、この放熱コアの下部に下部タンクを有する第２の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器で前記高温流体から受熱して沸騰気化した蒸気冷媒を前記第２の熱交換器へ導く蒸気管と、
   前記第２の熱交換器で前記低温流体に放熱して凝縮液化した液冷媒を前記第１の熱交換器へ戻す液戻し管とを有し、
   前記第１の熱交換器の前記上部タンクには、前記蒸気管の上流端が接続され、前記第２の熱交換器の前記下部タンクには、前記液戻し管の上流端が接続され、
   前記放熱コアは前記沸騰コアよりも上下方向に大きく、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器とが、上下方向にオーバーラップするように設けられ、且つ内部に封入される液冷媒が前記上部タンク及び前記下部タンクの内部まで略満たされていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 請求項１に記載の沸騰冷却装置において、
   前記第１の熱交換器が配される高温側伝熱空間と前記第２の熱交換器が配される低温側伝熱空間とを仕切る仕切り板が、上下方向に屈曲して設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の沸騰冷却装置において、
   前記第１の熱交換器で冷媒が沸騰を開始すると、前記第２の熱交換器内の冷媒液面が上昇し、前記放熱コアの下半分〜１／３程度までが液冷媒で満たされることを特徴とする沸騰冷却装置。

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