JP6680160B2

JP6680160B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP6680160B2
Application number: JP2016181920A
Authority: JP
Inventors: 田中　徹; 徹田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2016-09-16
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2036-09-16
Also published as: JP2018046245A

Description

本明細書で開示する技術は、沸騰冷却装置に関する。

冷媒が流入する入口と、冷媒が流出する出口と、入口から出口に向かって冷媒が流れる沸騰器と、を備える沸騰冷却装置が知られている。沸騰器は、その外面が発熱体と熱的に接続される底壁部と、底壁部の内面から突出する複数の放熱フィンと、複数の放熱フィンの先端に間隔をあけて対向する上壁部と、を有する。沸騰器内における冷媒の流速は、例えば放熱フィンによる抵抗によって、底壁部の内面から複数の放熱フィンの先端までの領域（即ち、放熱フィンが存在する領域）よりも、複数の放熱フィンの先端から上壁部の内面までの領域（即ち、放熱フィンが存在しない領域）で速くなる。このような流速差により、放熱フィンにおいて冷媒が沸騰し易くなり、発熱体から多くの熱を回収することができる。このような沸騰冷却装置の一例が、特許文献１に開示されている。

特開２０１３−１６５８９号公報

沸騰冷却装置では、冷媒が沸騰することによって、放熱フィンの表面に気泡が発生する。このとき、発生した気泡が放熱フィンに付着し続けると、新たな冷媒と放熱フィンとの接触が阻害され、冷却性能が低下するおそれがある。本明細書では、放熱フィンから気泡が離脱することを促進し得る技術を提供する。

本明細書が開示する沸騰冷却装置は、冷媒が流入する入口と、冷媒が流出する出口と、入口から出口に向かって冷媒が流れる沸騰器と、を備える。沸騰器は、その外面が発熱体と熱的に接続される底壁部と、底壁部の内面から突出する複数の放熱フィンと、複数の放熱フィンの先端に間隔をあけて対向する上壁部と、を有する。沸騰器内における冷媒の流速は、底壁部の内面から複数の放熱フィンの先端までの領域よりも、複数の放熱フィンの先端から上壁部の内面までの領域で速い。複数の放熱フィンのそれぞれは、ピン状に形成されており、先端は、冷媒が流れる方向に沿って上壁部へ近づくように傾斜している。

ここで、「底壁部」、「上壁部」の各語は、沸騰器の設置向きを限定するものではない。従って、例えば、底壁部が上方に位置し、上壁部が下方に位置するような向きで沸騰器が設置されてもよい。また、「その外面が発熱体と熱的に接続される底壁部」の語は、底壁部の外面が発熱体と直接接触する場合に限られず、底壁部の外面と発熱体とが熱的に接続（即ち、熱を伝達できる状態で接続）される限り、底壁部の外面と発熱体との間に他の物体が介在してもよい。

上記の沸騰冷却装置では、冷媒の流速差により、放熱フィンが存在する領域よりも、放熱フィンが存在しない領域において圧力が低くなる。この圧力差により、複数の放熱フィンから離れる方向へ冷媒の流れが形成され、放熱フィンに付着した気泡の離脱が促進される。さらに、上記の沸騰冷却装置では、複数の放熱フィンのそれぞれは、ピン状に形成されており、その先端は、冷媒が流れる方向に沿って上壁部へ近づくように傾斜している。そのため、この形状の放熱フィンに沿って冷媒が流れることによって、複数の放熱フィンから離れる方向への冷媒の流れがより形成され易くなる。これにより、冷媒が沸騰する際に発生する気泡が放熱フィンから離脱し易くなる。従って、上記の沸騰冷却装置によると、放熱フィンからの気泡の離脱を促進し得る。

実施例の沸騰冷却装置の構成を説明する図。気泡が放熱フィンから離脱する様子を模式的に説明する図。

（実施例）
図１に本実施例の沸騰冷却装置２を示す。この沸騰冷却装置２は、発熱体６０の熱によって沸騰器１６内を流れる冷媒を沸騰させて発熱体６０を冷却する冷却装置である。本実施例では、冷媒として、車両用のエンジンの冷却に用いられるＬＬＣ（Long Life Coolant）が用いられる。他の例では、これ以外の冷媒が用いられてもよい。冷却対象の発熱体６０は、例えば、スイッチング素子である。

沸騰冷却装置２は、入口１２と、出口１４と、沸騰器１６と、を備える。入口１２は冷媒の入口である。冷媒は入口１２を通して沸騰器１６内に流入する。図１に示すように、入口１２には仕切り板１３が設けられており、冷媒の流入経路を二つに分断している。出口１４は冷媒の出口である。沸騰器１６内の冷媒は出口１４を介して外部に流出する。図１中の矢印Ｆ１〜Ｆ６は冷媒の流れを示す。沸騰器１６内において、冷媒は、主に図１中の座標系のＸ軸の正方向に向かって流れる。以下では、Ｘ軸の正方向側のことを「下流側」と呼び、Ｘ軸の負方向側のことを「上流側」と呼ぶ場合がある。本実施例では、入口１２の径は、出口１４の径よりも大きい。他の例では、入口１２の径と出口１４の径が略等しくてもよい。

沸騰器１６は、筐体２０と、放熱板４０と、複数の放熱フィン５０と、を備える。筐体２０は、沸騰器１６の本体を構成する箱状のケースである。筐体２０は、上壁部２２、底壁部２４、上流側壁部２６、下流側壁部２８、及び、側壁部３０、３２を有する。

上壁部２２は、沸騰器１６の各壁部のうち、図１中の座標系のＸＹ平面に平行であり、Ｚ軸の正方向側に位置する壁部である。以下では、図１中のＺ軸の正方向側のことを「上側」と呼び、Ｚ軸の負方向側のことを「下側」と呼ぶ場合がある。上記の出口１４は、上壁部２２のうちの下流側寄りに形成されている。底壁部２４は、ＸＹ平面に平行であり、下側に位置する壁部である。底壁部２４には、開口部３４が形成されている。上流側壁部２６は、ＹＺ平面に平行であり、上流側に位置する壁部である。上記の入口１２は上流側壁部２６に形成されている。下流側壁部２８は、ＹＺ平面に平行であり、下流側に位置する壁部である。側壁部３０、３２は、それぞれ、ＸＺ平面に平行な壁部である。

放熱板４０は、板状の部材であり、底壁部２４の内面に配置される。放熱板４０は、底壁部２４の開口部３４を閉塞するように配置される。これにより、沸騰器１６内を流れる冷媒が開口部３４から外部に漏出することが防止される。沸騰冷却装置２を使用する際には、放熱板４０の外面（即ち図中のＺ軸の負方向側の面）に発熱体６０を接触させる。また、沸騰冷却装置２を使用しない間は、放熱板４０を底壁部２４の内面から取り外すことができる。本実施例における放熱板４０と底壁部２４との組合せが請求項の「底壁部」の一例である。

複数の放熱フィン５０は、それぞれ、放熱板４０の内面（即ちＺ軸の正方向側の面）から上側に向けて突出する部材である。以下では、複数の放熱フィン５０のそれぞれを区別せずに呼ぶ場合に単に「放熱フィン５０」と呼ぶ場合がある。放熱フィン５０はピン状に形成されている。放熱フィン５０の先端は、上壁部２２と間隔をあけて対向している。放熱フィン５０の先端は、冷媒が流れる方向（即ち、図１の矢印Ｆ３、Ｆ４の方向）に対して角度を成す傾斜面となっており、冷媒が流れる方向に沿って、上壁部２２に近づくように傾斜している。各放熱フィン５０は、互いに一定の間隔を保って配置されている。沸騰器１６内に流入した冷媒の一部は、各放熱フィン５０の間を流れる（図１の矢印Ｆ４参照）。各放熱フィン５０には放熱板４０を介して発熱体６０の熱が伝わるため、各放熱フィン５０は高温になる。そのため、放熱フィン５０の間を流れる冷媒が放熱フィン５０に触れると、冷媒は放熱フィン５０の熱を回収（即ち吸熱）して沸騰する。

本実施例では、図２に示すように、沸騰器１６内では、放熱フィン５０による抵抗等の要因によって、底壁部２４の内面から放熱フィン５０の先端までの領域（即ち、放熱フィン５０が存在する領域）における冷媒の流速Ｖ１よりも、放熱フィン５０の先端から上壁部２２の内面までの領域（即ち、放熱フィン５０が存在しない領域）における冷媒の流速Ｖ２の方が速い。このような流速差により、放熱フィン５０において冷媒が沸騰し易くなり、発熱体６０から多くの熱を回収することができる。

放熱フィン５０において冷媒が沸騰する際に、放熱フィン５０の表面には気泡（即ち、気相の冷媒）が発生する。このとき、発生した気泡が放熱フィン５０に付着し続けると、新たな冷媒と放熱フィンとの接触が阻害され、冷却性能が低下するおそれがある。

この点に関して、本実施例の沸騰冷却装置２では、上記の冷媒の流速差により、放熱フィン５０が存在する領域よりも、放熱フィン５０が存在しない領域において圧力が低くなる。この圧力差により、図２の矢印Ｆ１０に示すように、各放熱フィン５０から離れる方向へ冷媒の流れが形成される。これにより、放熱フィン５０に付着した気泡の離脱が促進される（図２の符号Ｂ参照）。上記した冷媒の流速差は、入口１２の形状、仕切り板１３の位置や向き、冷媒が流れる流路の断面積などを変更することによって、より高めることができる。

さらに、本実施例の沸騰冷却装置２では、放熱フィン５０がピン状に形成されており、その先端は、冷媒が流れる方向に沿って上壁部２２へ近づくように傾斜している。このため、この形状の放熱フィン５０に沿って冷媒が流れることによって、複数の放熱フィン５０から離れる方向への冷媒の流れがより形成され易くなる。より詳しく言うと、放熱フィン５０の先端の傾斜に沿って冷媒が流れることによって、複数の放熱フィン５０から離れる方向への冷媒の流れが出来易くなる。これにより、冷媒が沸騰する際に発生する気泡が放熱フィン５０から離脱し易くなる。本実施例の沸騰冷却装置２によると、放熱フィン５０からの気泡の離脱を促進することができる。その結果、冷却性能の低下を抑制することができる。

以上、本明細書に開示の技術の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

（変形例１）上記の実施例では、沸騰器１６は、底壁部２４が下側に位置し、上壁部２２が上側に位置するような向きで設置される。但し、沸騰器１６を設置する向きはこれに限られず、任意の向きに配置することができる。例えば、沸騰器１６は、底壁部２４が上側に位置し、上壁部２２が下側に位置するような向きで設置されてもよい。

（変形例２）上記の実施例では、放熱板４０の外面が発熱体６０と直接接触している。これに限られず、放熱板４０の外面と発熱体６０とが熱的に接続（即ち、熱を伝達できる状態で接続）される限り、放熱板４０の外面と発熱体６０との間に他の物体が介在してもよい。

（変形例３）上記の実施例では、放熱板４０は底壁部２４と別個に形成されている。これに限られず、放熱板４０が底壁部２４と一体に形成されていてもよい。

また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：沸騰冷却装置
１２：入口
１３：仕切り板
１４：出口
１６：沸騰器
２０：筐体
２２：上壁部
２４：底壁部
２６：上流側壁部
２８：下流側壁部
３０：側壁部
３２：側壁部
３４：開口部
４０：放熱板
５０：放熱フィン
６０：発熱体

Claims

冷媒が流入する入口と、
前記冷媒が流出する出口と、
前記入口から前記出口に向かって前記冷媒が流れる沸騰器と、を備え、
前記沸騰器は、その外面が発熱体と熱的に接続される底壁部と、前記底壁部の内面から突出する複数の放熱フィンと、前記複数の放熱フィンの先端に間隔をあけて対向する上壁部と、を有し、
前記沸騰器内における冷媒の流速は、前記底壁部の内面から前記複数の放熱フィンの先端までの領域よりも、前記複数の放熱フィンの先端から前記上壁部の内面までの領域で速く、
前記複数の放熱フィンのそれぞれは、ピン状に形成されており、前記先端は、前記冷媒が流れる方向に沿って前記上壁部へ近づくように傾斜している、
沸騰冷却装置。