JPH04322453A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は沸騰冷却装置に係り、特
に、液体冷媒を入れた蒸発容器を発熱体に密着させて冷
却する方式において、冷却性能の向上，小形軽量化に好
適な沸騰冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】車両等で使用される大容量の平形半導体
素子の冷却装置として、素子の交換が容易な特開昭５８
−３７４８２　号公報に示す構造の冷却装置が採用され
ている。 ここで図４は従来形の沸騰冷却装置の平面図で、図２は
図４のＩＩ−ＩＩ断面図である。蒸発容器１（１Ａ〜１
Ｃ）には絶縁継手３，ベローズ４が連接されており、こ
れらが複数個集合されて中継タンク６に接続され、一括
して凝縮器ヘッダ７と蒸発容器１が連通する構造となっ
ている。この蒸発容器１が半導体素子２Ａ，２Ｂを挾持
して冷却を行っている。

【０００３】また、蒸発容器１と凝縮器ヘッダ７間の管
路１１は、落差をとるために緩い上り勾配を付けて構成
していた。

【０００４】また、蒸発容器１と凝縮器ヘッダ７間には
液戻しパイプ９を連通させ、一端は放熱フィン９の沸騰
溝５を通して蒸発容器１の下面近くに、他端は凝縮器ヘ
ッダ７内に挿入している。この冷却装置の熱サイクルは
、半導体素子２Ａ，２Ｂの発熱により蒸発容器１内で発
生した蒸気を、管路１１を通して凝縮器１２に送り、こ
こで放熱，液化した冷媒１０を再び液戻りパイプ９，９
Ａを通して蒸発容器内に戻すサイクルをくり返して半導
体素子を冷却している。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図２において、半導体
素子の発熱量が小さい状態では、蒸発容器１内の蒸発量
が少なく、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。この状態では冷媒１０は液戻りパイプ
９，９Ａと管路１１を通って蒸発容器に戻ることになる
。

【０００６】半導体素子の発熱量を増加していくと蒸発
量も多くなるため管路１１も蒸気の占有率が高くなり、
液面高さＨも液戻しパイプ９以下となる。この状態では
冷媒１０はほとんど液戻しパイプ９，９Ａを通り蒸発容
器１に供給され、バランスした状態で熱交換サイクルが
行われることになる。

【０００７】従来技術において、さらに半導体素子２Ａ
，２Ｂの発熱量が増加すると蒸発容器内および液戻しパ
イプ９Ａ内で沸騰現象が起り、蒸気が発生するため、冷
媒の戻りが止まり、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
を起し易い。

【０００８】この問題を解決するには、蒸発容器１およ
び管路１１の大形化が避けられない。

【０００９】また、従来技術では管路１１に勾配がある
ために装置を製作するうえで、作業性が悪いという欠点
をもっていた。

【００１０】本発明の目的は、蒸発容器の熱暴走を防止
し、冷却性能が高く作業性がよく、小形軽量化された大
容量の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】上記目的は、蒸発容器上
部に蒸気溜を設け、管路の勾配をなくし、蒸発容器と絶
縁継手の連結部を、長円形のフランジで構成し、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
形に変化する構造にして管路の断面積を大きくし、中継
タンクを蒸気室と液体室に分割することによって達成さ
れる。

【００１２】

【作用】蒸発容器内で沸騰がはげしくなると、液戻しパ
イプ内でも沸騰現象が起り、蒸気が発生するため冷媒の
戻りが止まり、蒸発容器内が液枯れ現象を起し、ついに
は熱暴走に至る。

【００１３】これを防止し装置の大容量化を図る手段と
して、蒸発容器の上部に蒸気溜を設けて沸騰によって生
じた蒸気をこの蒸気溜に溜めて蒸発容器の下方に拡散し
ないようにして液戻しパイプ９Ａ内の沸騰を防止する。 同時に管路の断面積を大きくすることによって流体抵抗
を小さくし、蒸気溜内の蒸気をスムーズに凝縮器に逃す
必要がある。

【００１４】この場合、管路１１を構成する絶縁接手の
直径が大きくなって、各ユニット間の絶縁ギャップＧが
不足する。

【００１５】これを解決する手段として蒸発容器と絶縁
継手の連結部を縦長の長円形のフランジとして、管路の
断面積を大きくすると共に絶縁ギャップを確保する。

【００１６】また、中継タンクは蒸気室と液体室に分割
し、沸騰蒸気によって冷媒の戻りが阻害されない構造に
する。

【００１７】さらに、蒸発容器と凝縮器ヘッダ間の落差
を確保することによって管路の勾配をなくし、製造コス
トの低減を図る。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図により説明する
。図３は本発明の沸騰冷却装置の平面図で、図１は図３
のＩ−Ｉ矢視断面図である。

【００１９】蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）には絶縁継手３
，ベローズ４が連接されて一ユニットを成し、これら複
数ユニットが中継タンク６に接続されて一体となり、さ
らに連通管１３を介して凝縮器ヘッダ７に接続される。 これによって複数個の蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）から凝
縮器１２まで一体に連通する構造となっている。

【００２０】また、蒸発容器１（１Ａ〜１Ｃ）は、半導
体素子２Ａ，２Ｂを挾持して冷却を行っている。さらに
図１で蒸発容器１と凝縮器ヘッダ７間には液戻しパイプ
９を連通させ、一端は放熱フィン８の沸騰溝５を通して
蒸発容器１の下面近くに、他端は中継タンク６内の液体
室１５に挿入している。

【００２１】また、蒸発容器１の上部には、蒸気溜２６
を設け、沸騰により生じた蒸気をこの蒸気溜２６に溜め
て、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９Ａ内の沸騰を防止する。

【００２２】このような蒸発容器の一実施例を図５ない
し図７に示す。図５は蒸発容器の側面図を示す。また図
６は図５のＶＩ矢視図、図７は図５のＶＩＩ−ＶＩＩ矢
視断面図を示す。

【００２３】角管１８，放熱フィン８，上蓋１９，下蓋
２０，連結管２１，液戻しパイプ９Ａ，端子２２から成
り、これ等が銀ロー付等で一体構造となり蒸発容器を構
成している。

【００２４】この構成において、放熱フィン８の上部空
間が蒸気溜２６となっている。また連結管２１は、図６
に示すように縦方向に長円形となっている。これは図３
で示すように、隣接する蒸発容器との絶縁ギャップＧを
確保するためである。

【００２５】また、液戻しパイプ９Ａは、放熱フィン８
の沸騰溝５を通して蒸発容器の下方に銀ロー付等で固定
する。

【００２６】さらに冷却性能をあげて、大容量化を図る
ためには、管路の断面積を大きくして蒸気溜１Ａからの
蒸気の通過抵抗を小さくする必要があるが、断面積をそ
のまま大きくすると、蒸発容器１と絶縁継手３の連結部
Ｄで、隣設するユニット間の電気的絶縁ギャップＧが不
足する。そこで装置の全長Ｌ寸法を抑え、大形化をさけ
ながら管路の断面積を大きくする方法として、電気的に
絶縁の必要なＤ部のフランジの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の連
結部Ｅのフランジの形状を円形とする。この部分で円形
にするのはベローズの製作を容易にするためである。

【００２７】図８ないし図１０に本発明の絶縁継手の一
例を示す。図８は平面図で図９，図１０は図８の側面図
である。

【００２８】蒸発容器１に連結される側のフランジ２３
を長円形とし、反対側のベローズに連結される側のフラ
ンジ２４は円形にしている。また、両フランジ間の絶縁
体２５の内部構造も、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に長円形から円形に徐々に滑らか
に変化する構造とする。

【００２９】図１１，図１２に本発明の中継タンクの一
例を示す。本図は中継タンク部の断面図を示す。図１２
は図１１のＸＩＩ　矢視図を示す。

【００３０】中継タンク６は仕切板１６によって蒸気室
１４と液体室１５に分割する。この場合、仕切板１６に
は、図１２に示すように切欠き１７を設けている。これ
は蒸気の占有率が低いときは管路からも冷媒１０を戻す
ためである。また仕切板１６には、液戻しパイプ９Ｂが
固着されている。

【００３１】冷媒の沸騰によって生じた蒸気はベローズ
４を通り、中継タンク６の蒸気室１４に入る。さらに中
継タンク６の上部から連結管１３を通り、凝縮器ヘッダ
７から凝縮器１２に供給される。一方、凝縮器１２で液
化した冷媒は、凝縮器ヘッダ７からこれに直結する中継
タンク６の液体室１５に溜った後、管路１１及び液戻し
パイプ９Ｂ，９，９Ａを通って、蒸発容器１に戻る構造
である。

【００３２】また、本発明では、蒸発容器１と凝縮器ヘ
ッダ７間の落差を大きくすることによって、図２に示す
管路の勾配をなくし、部品の製造を容易にし、製造コス
トの低減を図っている。

【００３３】本実施例によれば、蒸発容器の上部に蒸気
溜を設け、管路の断面積を大きくして、ほぼ水平に設置
し、さらに中継タンクを蒸気室と液体室に分割すること
によって、蒸発容器の熱暴走を防止し、冷却性能が高く
，小形軽量化された大容量の沸騰冷却装置を提供するこ
とができる。

【００３４】

【発明の効果】（１）蒸発容器の上部に蒸気溜を設ける
ことにより、沸騰により生じた蒸気をこの蒸気溜に溜め
て、蒸気が蒸発容器の下方に拡散することを防止し冷却
性能を向上させる。

【００３５】（２）蒸発容器と絶縁継手の連結部を長円
形のフランジ，絶縁継手とベローズの連結部を円形のフ
ランジで構成し、その間の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て断面積
を大きくすることにより、装置の大形化をさけながら流
体抵抗を小さくし、蒸気の流れをスムーズにして冷却性
能を向上させる。

【００３６】（３）中継タンクを蒸気室と液体室に分割
することによって、蒸気によって冷媒の戻りが阻害され
ることを防止し、冷却性能を向上させる。

【００３７】以上の相乗効果により冷却性能を大幅に向
上することができるため、小形軽量化された大容量の沸
騰冷却装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の沸騰冷却装置の断面図。

【図２】従来形の沸騰冷却装置の断面図。

【図３】本発明の沸騰冷却装置の平面図。

【図４】従来形の沸騰冷却装置の平面図。

【図５】本発明の蒸発容器の側面図。

【図６】図５のＶＩ−ＶＩ矢視図。

【図７】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ矢視断面図。

【図８】本発明の絶縁継手の平面図。

【図９】図８の側面図。

【図１０】図８の反対側の側面図。

【図１１】本発明の中継タンク部の断面図。

【図１２】図１１のＸＩＩ　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、９，９Ａ
，９Ｂ…液戻しパイプ、１２…凝縮器、１３…連結管、
１４…蒸気室、１５…液体室、２６…蒸気溜。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体を挾持して冷却する液体冷媒を収納
   する複数の蒸発容器、前記蒸発容器に連結された絶縁継
   手，ベローズを含む管路、前記管路を集合し凝縮器ヘッ
   ダと前記蒸発容器を連通させる中継タンク、前記管路内
   を貫通して凝縮器ヘッダと前記蒸発容器を連通する液戻
   しパイプを備えた沸騰冷却装置において、前記蒸発容器
   の上部に、蒸気溜を構成したことを特徴とする沸騰冷却
   装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記蒸発容器と前記絶
   縁継手の連結部を長円形のフランジとし、前記絶縁継手
   と前記ベローズの連結部を円形のフランジとして、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沸騰冷却装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記中継タンクを蒸気
   室を液体室に分割した沸騰冷却装置。