JP4253987B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

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って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、例えば特開平８−２０４０７５号公報に開示された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷却装置は、冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体を冷却するもので、空冷や水冷等の冷却方法と比較して大きな熱伝達率を得ることができるため、熱流束の大きな半導体素子等の冷却装置として使用されることが多い。
この沸騰冷却装置は、液冷媒を貯留する冷媒槽と、この冷媒槽で発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を冷却する放熱器と、この放熱器に冷却風を供給する冷却ファン等によって構成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、発熱量が大きい発熱体（特に半導体素子等の熱流束の大きな発熱体）を冷却する場合等には、常時冷却ファンを駆動する必要がある。この場合、冷却ファンとしてモータ寿命の長いものが要求されるため、コストが高くなる。
そこで、発熱体の発熱量が小さい時や、車両等の移動体に搭載して、放熱器への冷却風として走行風を利用できる場合等には、冷却ファンを停止した状態で使用することも可能である。
【０００４】
この場合、冷却ファンを停止する時の判定手段として、温度センサ等によって冷媒槽の表面温度を検知することが考えられるが、温度センサの取付け位置によっては、その応答性が悪くなり、発熱体が温度上昇しているにも係わらず、冷却ファンを停止してしまう可能性が生じる。また、冷媒槽の表面には、発熱体が取り付けられるため、発熱体の近傍に温度センサを取付けようとすると、発熱体の回路基板等と干渉するため、発熱体の温度上昇を応答性良く検知することが困難であった。
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、発熱体の温度変動を応答性良く検知して、効率的なファン制御を実行できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
冷媒槽の温度を検出する温度検出手段を備え、この温度検出手段の検出値に基づいて冷却ファンの送風量が制御される沸騰冷却装置であって、
温度検出手段は、冷媒槽の他方の壁部のリブが設けられている部位に取り付けられている。
本発明の沸騰冷却装置は、冷媒槽の一方の壁部の表面に発熱体が取り付けられているため、発熱体の熱が一方の壁部からリブを介して他方の壁部に伝導される。従って、他方の壁部のリブが設けられている部位に温度検出手段を取り付けることにより、発熱体の温度上昇を応答性良く検知することができる。また、他方の壁部上であれば、温度検出手段が発熱体の回路基板等と干渉することもないため、容易に取付け位置を選択することができる。
【０００６】
（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、
冷媒槽は、温度検出手段が取り付けられる部位に設けられている第１のリブと、その他の部位に設けられている第２のリブとを有し、第１のリブは、第２のリブよりリブ幅が大きく（広く）設けられている。この沸騰冷却装置は、発熱体が取り付けられている一方の壁部からリブを介して他方の壁部に熱伝導されるため、リブ幅が大きい程、伝熱量を増加できる。一方、リブ幅を大きくすると、各リブによって区画される通路幅が狭くなるため、必然的に通路内の液冷媒量が低減して、発熱量が増大した時にバーンアウトを発生する可能性が高くなる。このため、温度検出手段が取り付けられる部位に設けられている第１のリブだけリブ幅を大きくすることで、耐バーンアウト性を維持でき、且つ発熱体の温度上昇をより応答性良く検知することができる。
【０００７】
（請求項３の手段）
請求項２に記載した沸騰冷却装置において、
温度検出手段は、冷媒槽の他方の壁部の表面より内部に入り込んで取り付けられている。この場合、温度検出手段を他方の壁部の表面上に取り付けた時と比較して、より応答性良く発熱体の温度上昇を検知することが可能である。
【０００８】
【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は沸騰冷却装置１の正面図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体２を冷却するもので、内部に液冷媒を貯留する冷媒槽３と、この冷媒槽３で発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気の熱を外部に放出する放熱器４と、この放熱器４に送風する冷却ファン５（図２参照）とを備える。
【０００９】
発熱体２は、例えば電気自動車のインバータ回路を構成するＩＧＢＴモジュールであり、発熱部であるコンピュータチップ（図示しない）を内蔵している。この発熱体２は、図２に示すように、図示しないボルト等によって冷媒槽３の一方の表面に密着して固定される。
冷媒槽３は、押出材６とエンドカップ７とで構成され、その内部に冷媒室８、液戻り通路９、及び連通路１０が形成されている。
押出材６は、熱伝導率の高いアルミニウムの押出成形品で、内部に３本の支柱１１（１１ａ、１１ｂ）と複数本のリブ１２（１２ａ、１２ｂ）を有している。エンドカップ７は、押出材６と同じアルミニウム製で、押出材６の下端部に被せられ、押出材６の下端部を気密に閉じている。
【００１０】
冷媒室８は、押出材６の中央部に位置する第１の支柱１１ａと左右両側に位置する第２の支柱１１ｂとの間に形成され、その内部が複数本のリブ１２によって複数の通路状に区画されている。なお、複数本のリブ１２は、図１に示すように、リブ幅が大きい（広い）１本のリブ（第１のリブ１２ａと呼ぶ）とリブ幅が小さい（狭い）その他のリブ（第２のリブ１２ｂと呼ぶ）とで構成されている。
液戻り通路９は、放熱器４で冷却されて液化した凝縮液が流入する通路で、第２の支柱１１ｂによって冷媒室８と区画されている。
連通路１０は、液戻り通路９へ流入した凝縮液が冷媒室８へ還流するための通路で、エンドカップ７の内部に形成され、液戻り通路９と冷媒室８とを連通している。
【００１１】
放熱器４は、図２及び図３に示すように、所謂ドロンカップタイプの熱交換器であり、連結管１３、放熱管１４、及び放熱フィン１５（図３参照）より構成される。
連結管１３は、冷媒槽３との連結部として設けられ、冷媒槽３の上端部に組付けられている。この連結管１３は、図３に示すように、プレス成形された２枚の成形プレート１３ａ、１３ｂを接合して形成され、一方の成形プレート１３ａの長手方向（図３の左右方向）の両端部に円形の連通口１６が開口している。連結管１３の内部は、仕切り板１７が配され、この仕切り板１７によって冷媒槽３の冷媒室８と連通する第１の連通室（図３では仕切り板１７より右側の空間）と、冷媒槽３の液戻り通路９と連通する第２の連通室（図３では仕切り板１７より左側の空間）とに仕切られている。また、連結管１３の内部には、例えばアルミニウム製のインナフィン１８が横向きに挿入されている（図１参照）。
【００１２】
放熱管１４は、図３に示すように、プレス成形された２枚の成形プレート１４ａを互いの外周縁部で接合して偏平な中空管形状に設けられ、両成形プレート１４ａの長手方向（図３の左右方向）の両端部に円形の連通口１９が開口している。但し、最も外側（図３の最も下側）に配される成形プレート１４ａには連通口１９が開口していない。
この放熱管１４は、図２及び図３に示すように、連結管１３の片側に複数個連続して重ね合わされ、互いの連通口１６及び連通口１９を通じて相互に連通している。なお、放熱管１４は、図１に示すように、左右両側の高さが異なるように、若干傾斜した状態で連結管１３に組付けられ、放熱管１４の内部で液化した凝縮液が流れ易くなるように設けられている。
【００１３】
放熱フィン１５は、アルミニウムの薄板を交互に折り曲げて波状に成形したもので、図２及び図３に示すように、隣合う放熱管１４同士の間に介在されて放熱管１４の表面に接合されている。
冷却ファン５は、図２に示すように、ファンシュラウド２０と一体に放熱器４の上部に設置され、放熱器４のコア部（放熱管１４と放熱フィン１５とで構成される放熱部）に対し下方から上方へ垂直送風を行う。
この冷却ファン５は、冷媒槽３の表面温度を検出する温度センサ２１の検出値に基づいて、図示しない制御装置により制御される。
【００１４】
温度センサ２１は、発熱体２の温度上昇を応答性良く検出する必要があるため、冷媒槽３の表面温度が高い部位に取り付けることが望ましい。但し、冷媒槽３の一方の表面には発熱体２が固定されるため、冷媒槽３の一方の表面に温度センサ２１を取り付けようとすると、発熱体２の回路基板等と干渉して、良好に温度検出ができない。
そこで、温度センサ２１を冷媒槽３の他方の表面上に取り付けることにする。この場合、冷媒槽３は、厚み方向に対向する一方の壁部３ａと他方の壁部３ｂ（図２参照）とがリブ１２によって連結されているため、リブ１２を介して一方の壁部３ａから他方の壁部３ｂへ熱伝導が行われる。この場合、リブ幅が大きい程、リブ１２を介して熱伝導される伝熱量が大きくなる。従って、温度センサ２１は、冷媒槽３の他方の表面上において、リブ幅の大きい第１のリブ１２ａが設けられている部位に取り付けることが望ましい。
【００１５】
次に、沸騰冷却装置１の作動を説明する。
冷媒室８に貯留されている液冷媒は、発熱体２の熱を受けて沸騰し、冷媒蒸気となって冷媒室８から連結管１３の第１の連通室へ進入し、更に第１の連通室から各放熱管１４へ流入する。放熱管１４へ流入した冷媒蒸気は、放熱管１４を流れる際に冷却され、放熱管１４の内面及び放熱管１４の内部に挿入されたインナフィン２２（図３参照）の表面に凝縮して液化する。液滴となった冷媒液は、若干傾斜して設けられた放熱管１４の内部を流れて、連結管１３の第２の連通室へ進入し、更に第２の連通室から冷媒室８の液戻り通路９へ流れ込み、液戻り通路９から連通路１０を通って冷媒室８へ還流する。
【００１６】
（第１実施例の効果）
冷却ファン５は、温度センサ２１の検出値に基づいて制御装置により制御される。そこで、発熱体２の発熱量が大きく、温度センサ２１の検出値が所定値以上になる時は、冷却ファン５を駆動して放熱器４に冷却風を供給し、発熱体２の発熱量が小さく、温度センサ２１の検出値が所定値より低い時は、冷却ファン５を停止するか、冷却ファン５の送風量（モータ回転数）を低く抑えることができる。この場合、発熱体２の発熱量に係わらず冷却ファン５を常時駆動する場合と比較すると、冷却ファン５のモータ負荷を低減できるので、モータ寿命を延ばすことができる。
特に、沸騰冷却装置１を車両等の移動体に搭載して、走行時に生じる走行風を放熱器４へ供給できる場合は、冷却ファン５を停止する時間を増大できるので、更にモータ寿命を延ばすことが可能である。
【００１７】
また、温度センサ２１は、冷媒槽３の他方の表面上で、リブ幅の大きい第１のリブ１２ａが設けられている部位に取り付けられている。第１のリブ１２ａは、第２のリブ１２ｂよりリブ幅が大きいため、熱伝導による伝熱量が大きくなる。従って、第１のリブ１２ａが設けられている部位に温度センサ２１を取り付けることで、発熱体２の温度変動を応答性良く検出することができる。但し、複数本のリブ１２を全て第１のリブ１２ａと同じリブ幅にすると、各リブ１２によって区画される通路幅が狭くなるため、発熱量が増大した時にバーンアウトを生じる可能性が高くなる。そこで、第１のリブ１２ａのみリブ幅を大きくし、残りのリブ１２（第２のリブ１２ｂ）はリブ幅を小さくして冷媒室８の各通路幅を広く確保することにより、耐バーンアウト性を維持することができる。
【００１８】
（変形例）
上記の実施例では、温度センサ２１を冷媒槽３の表面上に取り付けているが、図４に示すように、第１のリブ１２ａが設けられている部位で、冷媒槽３の他方の表面上より内部に入り込んだ位置に取り付けても良い。この場合、温度センサ２１を冷媒槽３の表面上に取り付けた時と比較して、より応答性良く発熱体２の温度上昇を検知することができる。
上記の沸騰冷却装置１は、放熱器４の上部に冷却ファン５を配置しているため、放熱器４に対して垂直送風する構成であるが、放熱器４の前後方向に冷却ファン５を配置して、放熱器４に対して前後方向に送風する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の正面図である。
【図２】沸騰冷却装置の側面図である。
【図３】放熱器の断面図である。
【図４】冷媒槽の断面図である（変形例）。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置
２ 発熱体
３ 冷媒槽
３ａ 一方の壁部
３ｂ 他方の壁部
４ 放熱器
５ 冷却ファン
８ 冷媒室
１２ リブ
１２ａ 第１のリブ
１２ｂ 第２のリブ
２１ 温度センサ（温度検出手段）

Claims (3)

1. 内部に液冷媒を貯留する冷媒室を形成し、この冷媒室の厚み方向に対向する一方の壁部と他方の壁部とがリブによって連結され、前記一方の壁部の表面に発熱体が取り付けられる冷媒槽と、
   この冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、その冷媒蒸気の熱を外気に放出する放熱器と、
   この放熱器に冷却風を供給する冷却ファンと、
   前記冷媒槽の温度を検出する温度検出手段とを備え、
   この温度検出手段の検出値に基づいて前記冷却ファンの送風量が制御される沸騰冷却装置であって、
   前記温度検出手段は、前記他方の壁部の前記リブが設けられている部位に取り付けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
   前記冷媒槽は、前記温度検出手段が取り付けられる部位に設けられている第１の前記リブと、その他の部位に設けられている第２の前記リブとを有し、前記第１のリブは、前記第２のリブよりリブ幅が大きく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２に記載した沸騰冷却装置において、
   前記温度検出手段は、前記他方の壁部の表面より内部に入り込んで取り付けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。

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