JPH09102691A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

沸騰冷却装置

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JPH09102691A
JPH09102691A JP7259702A JP25970295A JPH09102691A JP H09102691 A JPH09102691 A JP H09102691A JP 7259702 A JP7259702 A JP 7259702A JP 25970295 A JP25970295 A JP 25970295A JP H09102691 A JPH09102691 A JP H09102691A
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heat
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清司 川口
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鈴木　　昌彦
Kenji Yamada
兼二 山田
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    • F25B2500/01—Geometry problems, e.g. for reducing size

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発熱密度の異なる多数の発熱体１１、１２を
冷却可能な冷却装置の小型化および低コスト化を図るこ
と。 【解決手段】 沸騰冷却装置は、筐体２内に形成される
密閉空間３に配された冷媒槽４と、筐体２内の非密閉空
間７に配された放熱器５とを備え、内部に冷媒が封入さ
れている。冷媒槽４には、金属製のベース板１８がブレ
ージングシートを介して冷媒槽４を構成する押出材１３
の一方の壁面に接合されて、そのベース板１８に発熱密
度の高い第１発熱体１１がボルトで締めつけ固定されて
いる。また、押出材１３の他方の壁面には、密閉空間３
内の空気から吸熱して冷媒槽４内の冷媒へ伝達する吸熱
フィン２２が接合されて、送風経路を兼ねるカバーによ
り覆われている。この冷媒槽４が配された密閉空間３に
は、発熱密度の低い第２発熱体１２が冷媒槽４に直接取
り付けられることなく複数配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、密閉空間に収容さ
れた発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、それぞれ発熱密度の異なる多
数の素子が組込まれた電子機器等を冷却する場合、発熱
密度の高い素子は専用の空冷フィン、ヒートパイプ、ヒ
ートサイフォン等で冷却し（特開昭６３−６９２９９号
公報参照）、その他の発熱密度の低い素子は装置内の換
気による自然対流または強制対流による冷却を行ってい
る。しかし、装置の使用環境が高温高湿や腐食雰囲気中
等の場合、装置の信頼性を確保するために装置に流入す
る外気を制限する必要が生じる。この場合、装置内の温
度が上昇することから、発熱密度の低い素子を装置内の
自然対流または強制対流によって冷却することが困難で
あるため、例えば密閉された大型の装置ケース（または
室）内に装置を収容して、空調装置により装置ケース内
の温度を下げることにより対応している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の装置
ケースを準備して空調装置を導入する方法では、装置に
必要なスペースが大幅に大きくなり、そのコストおよび
設置費が非常に高くなっってしまう。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、発熱密度の
異なる多数の発熱体を冷却可能な冷却装置の小型化およ
び低コスト化にある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明によれ
ば、冷媒槽に吸熱フィンを取り付けたことにより、密閉
空間内の空気から吸熱フィンを通じて冷媒槽内の冷媒へ
熱伝達されるため、密閉空間内の温度上昇を抑えること
ができる。これにより、発熱密度の高い発熱体は冷媒槽
に直接取り付けて冷却し、発熱密度の低い発熱体は、密
閉空間内の温度低下に応じて冷却することができる。こ
の結果、発熱密度の異なる多数の発熱体を冷却する場合
でも空調装置を導入する必要がないため、装置全体の小
型化および低コスト化が可能となる。
【０００５】請求項２の発明によれば、冷媒槽を押出材
で構成したことにより冷媒槽（押出材）を容易に折り曲
げることができるため、冷媒槽に対する放熱器の取付角
度を容易に変更できる。
【０００６】請求項３の発明によれば、冷媒槽を構成す
る押出材の一部を蛇行状に折り曲げることにより、その
蛇行する壁面間に吸熱フィンを介在させて密閉空間内の
空気から吸熱することができる。これにより、容易に吸
熱器を構成できるとともに、密閉空間内の温度と冷媒温
度との差が小さい場合にも吸熱フィン面積が増えて冷却
性能を向上できる。また、アスペクト比が「１」に近い
吸熱器を構成できるため、安価な軸流ファンを用いるこ
とができる。
【０００７】請求項４の発明によれば、レイアウト上の
問題等から冷媒槽に直接取り付けられない発熱体（例え
ば冷媒槽に取り付けられた発熱体より発熱密度の低い発
熱体）でも、熱伝導性に優れた部材を介して押出材に取
り付けることによって冷却することができる。
【０００８】請求項５の発明によれば、放熱器の他方の
タンクから冷媒槽へ凝縮液を導く液戻し通路の一部を蛇
行状に折り曲げて、その蛇行する通路間に吸熱フィンを
介在させたことにより、密閉空間内の空気から吸熱フィ
ンを通じて冷媒槽内の冷媒へ熱伝達されるため、密閉空
間内の温度上昇を抑えることができる。これにより、発
熱密度の高い発熱体は冷媒槽に直接取り付けて冷却し、
発熱密度の低い発熱体は、密閉空間内の温度低下に応じ
て冷却することができる。この結果、発熱密度の異なる
多数の発熱体を冷却する場合でも空調装置を導入する必
要がないため、装置全体の小型化および低コスト化が可
能となる。
【０００９】請求項６の発明によれば、レイアウト上の
問題等から冷媒槽に直接取り付けられない発熱体（例え
ば冷媒槽に取り付けられた発熱体より発熱密度の低い発
熱体）でも、熱伝導性に優れた部材を介して液戻し通路
に取り付けることによって冷却することができる。
【００１０】請求項７の発明によれば、液戻し通路を押
出材によって冷媒槽と一体に設けることにより、部品点
数を低減できるとともに、接続箇所を少なくできるため
信頼性を向上できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の沸騰冷却装置を図
面に基づいて説明する。 （第１実施例）図１は沸騰冷却装置の使用例を示す全体
構成図である。本実施例の沸騰冷却装置１は、筐体２内
に形成される密閉空間３に収容された発熱体（後述す
る）を冷却するもので、内部にフロロカーボン系の冷媒
を封入した冷媒槽４と放熱器５とを備える（図２参
照）。筐体２は、内部がセパレータ６によって密閉空間
３と非密閉空間７とに仕切られており、非密閉空間７を
形成する筐体２の壁面には非密閉空間７に空気を通すた
めの吸気口８と排気口９とが形成されて、吸気口８には
吸気用フィルタ１０が取り付けられている。発熱体は、
発熱密度の高い第１発熱体１１（例えばＩＧＢＴモジュ
ール）と発熱密度の低い第２発熱体１２とから成る。
【００１２】冷媒槽４は、アルミニウム製の押出材１３
とエンドキャップ１４とから成り、放熱器５に対して２
個並列に組付けられている（図４参照）。押出材１３
は、図６および図７に示すように、縦長形状で且つ横幅
に対して厚み幅の薄い偏平形状に設けられて、複数の通
路（下述する）が内部を長手方向に貫通している。この
押出材１３は、放熱器５との接続口となる上端面で横幅
方向の両端部が切削加工により一段低く形成されて（図
６参照）、その低く形成された両端部の通路が凝縮液を
通すための凝縮液通路１５として使用され、残りの通路
が蒸気冷媒を通すための蒸気通路１６として使用され
る。
【００１３】エンドキャップ１４は、押出材１３と同じ
アルミニウム製で円筒形状を成し、押出材１３の下端外
周に被せられて押出材１３に形成された各通路１５、１
６を連通している。また、各冷媒槽４のエンドキャップ
１４は、図４に示すように、ジョイント１７により接続
されて連通している。従って、各冷媒槽４（各通路１
５、１６）は、互いのエンドキャップ１４およびジョイ
ント１７を通じて連通し、相互に冷媒が流通できるよう
に構成されている。
【００１４】この冷媒槽４には、図５に示すように、金
属製（例えばアルミニウム製）のベース板１８がブレー
ジングシート１９（両面にろう材がクラッドされた薄
板）を介して押出材１３の一方の壁面に接合されて、そ
のベース板１８に第１発熱体１１がボルト２０により締
め付け固定されている。但し、ブレージングシート１９
は、押出材１３の横幅方向で蒸気通路１６に相当する部
位のみに配置されて、ベース板１８が押出材１３の両端
部に設けられた凝縮液通路１５の外壁面と直接接触する
ことはない。これにより、第１発熱体１１の熱がベース
板１８を通じて凝縮液通路１５を流れる凝縮液に直接伝
わることはなく、凝縮液通路１５内の凝縮液が沸騰気化
するのを防止できる。なお、第２発熱体１２は、冷媒槽
４に直接取り付けられることなく、密閉空間３内に複数
配置されている（図１参照）。
【００１５】この冷媒槽４は、図１に示すように、筐体
２内の密閉空間３に配されて、放熱器５と接続される上
端部がセパレータ６に開けられた挿通孔（図示しない）
より非密閉空間７側へ取り出されている。但し、冷媒槽
４の上端部は、密閉空間３内で一旦第１発熱体１１側へ
折り曲げられた後、再度上方へ折り返されて挿通孔に通
されている。これにより、冷媒槽４が直立した形状の場
合と比べて、放熱器５との接続部を第１発熱体１１側へ
ずらすことができるため、その分、筐体２の横幅寸法
（図１の左右方向の長さ）を小さくできる。なお、冷媒
槽４とセパレータ６に開けられた挿通孔との間は、ゴム
製のブッシュ２１により気密にシールされている。
【００１６】押出材１３の他方の壁面（第１発熱体１１
が取り付けられる壁面と反対側の壁面）には、図５に示
すように、密閉空間３内の空気から吸熱して冷媒槽４内
の冷媒へ伝達する吸熱フィン２２が接合されている。こ
の吸熱フィン２２は、例えばアルミニウム製の薄板を交
互に折り返して波形状に成形したコルゲート型フィン
で、全体がカバー２３により覆われている。このカバー
２３は、吸熱フィン２２を保護するとともに、送風経路
を確保してクロスフローファン２４によって生じる風の
流れを効果的に吸熱フィン２２へ導くために設けられて
いる。クロスフローファン２４は、ケーシング２５の吸
込口２５ａがカバー２３の下端側に接続されて、吹出口
２５ｂが密閉空間３内に開口している。このクロスフロ
ーファン２４が作動すると、カバー２３によって形成さ
れた送風経路に空気の流れが発生することにより、密閉
空間３内の空気がカバー２３内の送風経路を通って循環
する。
【００１７】放熱器５は、冷媒槽４で沸騰気化した冷媒
を軸流ファン２６の送風を受けて凝縮液化させるもの
で、複数の放熱管２７、各放熱管２７の間に介在される
放熱フィン２８、各放熱管２７の両端部に接合される一
方のタンク２９と他方のタンク３０から成る（図３参
照）。この放熱器５は、筐体２内の非密閉空間７に排気
口９と対向して略水平状態に配されて、両方のタンク２
９、３０に取り付けられたステー３１を介して筐体２の
壁面に固定されている。但し、各放熱管２７で液化した
凝縮液が一方のタンク２９へ集まる様に、放熱器５全体
が若干傾斜した状態（一方のタンク２９より他方のタン
ク３０の方が若干高い位置にある）で固定されている。
この放熱器５に送風する軸流ファン２６は、排気口９が
形成された筐体２の外壁に固定されて、回転することに
より非密閉空間７内に吸気口８から排気口９へ向かう空
気の流れを発生する。
【００１８】冷媒槽４と放熱器５とは、図８（図２を簡
略化したモデル図）に示すように、一方のタンク２９に
冷媒槽４（押出材１３）の上端部が差し込まれて（但
し、押出材１３の両端部に設けられた凝縮液通路１５の
上端開口面（流入口１５ａ）が一方のタンク２９内に開
口する位置まで差し込まれていることは言うまでもな
い）、一体ろう付けにより各接合部が気密に接合される
ことで密閉容器を構成している。この密閉容器を構成す
る冷媒槽４と放熱器５には、他方のタンク３０に設けら
れた冷媒封入口３２より内部を脱気してから冷媒が注入
され、その後、冷媒封入口３２の端部をかしめて溶接等
により封じ切ることにより冷媒が封入される。
【００１９】ここで、沸騰冷却装置１の作動を説明す
る。第１発熱体１１が取り付けられた蒸気通路１６内の
冷媒は、第１発熱体１１から発生した熱を受けて沸騰気
化し、各蒸気通路１６を上昇して冷媒槽４の上端流出口
１６ａから一方のタンク２９内へ流入する。さらに一方
のタンク２９から各放熱管２７へ分配された蒸気冷媒
は、軸流ファン２６の送風を受けて低温となっている放
熱管２７の内壁面に凝縮して凝縮潜熱を放出し、液滴と
なって再び一方のタンク２９へ戻る。一方のタンク２９
に溜まった凝縮液は、一段低く形成された冷媒槽４の上
端流入口１５ａから凝縮液通路１５に流入し、凝縮液通
路１５を流下した後、エンドキャップ１４内を通って各
蒸気通路１６に供給される。この時、各冷媒槽４のエン
ドキャップ１４がジョイント１７を通じて相互に連通し
ているため、凝縮液が何方か一方の冷媒槽４に片寄るこ
とはなく、各冷媒槽４の冷媒量を略均等に保つことがで
きる。各放熱管２７で蒸気冷媒が凝縮する際に放出した
凝縮潜熱は、放熱管２７の管壁から放熱フィン２８へ伝
わり、各放熱管２７の間を通過する送風空気に放出され
て、筐体２の排気口９から外部へ排出される。
【００２０】一方、密閉空間３内に配置された第２発熱
体１２は、クロスフローファン２４の送風による強制空
冷、または自然対流により冷却される。この時、冷媒槽
４に取り付けられた吸熱フィン２２を通じて密閉空間３
内の空気から冷媒槽４内の冷媒へ熱伝達されて、第２発
熱体１２の発熱による密閉空間３内の温度上昇が抑えら
れるため、沸騰冷却装置１で直接冷却しなくても、クロ
スフローファン２４の送風による強制空冷または自然対
流でも十分に第２発熱体１２を冷却することができる。
【００２１】（第１実施例の効果）本実施例によれば、
発熱密度の高い第１発熱体１１は冷媒槽４に直接取り付
けて、冷媒の沸騰／凝縮熱伝達によって冷却し、発熱密
度の低い第２発熱体１２は、冷媒槽４に取り付けられた
吸熱フィン２２を通じて密閉空間３の空気温度を下げる
ことにより冷却することができる。これにより、従来の
ように空調装置を導入することなく発熱密度の異なる多
数の発熱体を冷却することができるため、筐体２を含め
た装置全体の小型化および低コスト化が可能となる。
【００２２】（第２実施例）図９は沸騰冷却装置１の使
用例を示す全体構成図である。本実施例は、第１実施例
で示した第２発熱体１２の様に自然対流や強制対流では
十分な冷却ができない発熱密度が中程度の第３発熱体３
３を冷却する場合の一例を示すものである。第３発熱体
３３は、密閉空間３内でセパレータ６に取り付けられて
おり、その第３発熱体３３が取り付けられたセパレータ
６の非密閉空間７側には空冷フィン３４が設けられてい
る。これにより、第３発熱体３３から発生した熱がセパ
レータ６を介して空冷フィン３４に伝わり、空冷フィン
３４から非密閉空間７内の空気へ放出されることにより
第３発熱体３３の冷却が行われる。この場合、冷媒槽４
に対する放熱器５の傾斜角度を適宜変更して、軸流ファ
ン２６により発生する空気流が空冷フィン３４を通過す
る様に構成することで放熱性能を向上できる。なお、冷
媒槽４に対する放熱器５の傾斜角度は、押出材１３の曲
げ角度を適宜変更することで自由に設定できる。
【００２３】（第３実施例）図１０は沸騰冷却装置１の
使用例を示す全体構成図である。本実施例は、放熱器５
の他方のタンク３０と冷媒槽４のエンドキャップ１４と
を凝縮液用チューブ３５（本発明の液戻し通路）で連結
した場合の一例を示すものである。放熱器５は、放熱管
２７で凝縮液化した凝縮液が他方のタンク３０へ流れる
様に、放熱器５全体が第１実施例とは逆向きに（一方の
タンク２９より他方のタンク３０の方が若干低い位置に
ある）傾斜した状態（傾斜角θ））で固定されている。
凝縮液用チューブ３５は、他方のタンク３０に溜まった
凝縮液を冷媒槽４のエンドキャップ１４内へ直接導くも
ので、図１０に示すように、他方のタンク３０とエンド
キャップ１４とを連結している。本実施例では、放熱器
５で凝縮した凝縮液が全て凝縮液用チューブ３５を通っ
て直接冷媒槽４のエンドキャップ１４内へ供給されるた
め、冷媒槽４内の通路は全て蒸気通路１６として使用す
ることができる。
【００２４】（第４実施例）図１１は沸騰冷却装置１の
使用例を示す全体構成図である。本実施例は、第３実施
例で説明した凝縮液用チューブ３５の冷媒槽４側端部を
冷媒槽４の上部へ連結した場合の一例を示すものであ
る。一端が他方のタンク３０に接続された凝縮液用チュ
ーブ３５を用いて他方のタンク３０に溜まった凝縮液を
直接冷媒槽４へ戻す場合には、凝縮液用チューブ３５の
他端を第１実施例に示した押出材１３の凝縮液通路１５
に接続しても良い。但し、この場合、凝縮液用チューブ
３５の放熱器５側と冷媒槽４側との温度差による熱応力
の影響を小さくするために、図１２に示すように、凝縮
液用チューブ３５に応力逃がし部３５ａを設けている。
【００２５】（第５実施例）図１３は沸騰冷却装置１の
使用例を示す全体構成図である。本実施例は、第３実施
例で説明した凝縮液用チューブ３５を冷媒槽４の一部と
して押出材１３で一体に形成した場合の一例を示すもの
である。従って、本実施例の場合も、第３実施例と同様
に冷媒槽４内の通路は全て蒸気通路１６として使用する
ことができる。また、この場合、冷媒槽４の一部（凝縮
液用チューブ３５に相当する部位）を蛇行状に折り曲げ
て、対向する壁面間に吸熱フィン２２を介在させること
により、アスペクト比が「１」に近い吸熱器を容易に構
成できるため、第１実施例に示したクロスフローファン
２４ではなく、安価な軸流ファン（図示しない）を使用
して吸熱フィン２２に送風することもできる。
【００２６】さらに、自然対流や強制対流では冷却が不
十分で、且つレイアウト上の問題から第１発熱体１１の
様に直接冷媒槽４に取り付けることのできない発熱密度
が中程度の第３発熱体３３を冷却する必要がある場合に
は、冷媒槽４に取り付けたヒートシンク３６に第３発熱
体３３を固定して冷却することもできる。なお、ヒート
シンク３６は、熱伝導性に優れるとともに、形状の変更
が容易な金属材（例えばアルミニウム）が望ましい。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の使用例を示す全体構成図である
（第１実施例）。
【図２】沸騰冷却装置の全体側面図である。
【図３】図２のＡ視図である。
【図４】図２のＢ視図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】押出材の一部断面を含む正面図である。
【図７】押出材の底面図である。
【図８】冷媒の流れを説明する沸騰冷却装置のモデル図
である。
【図９】沸騰冷却装置の使用例を示す全体構成図である
（第２実施例）。
【図１０】沸騰冷却装置の使用例を示す全体構成図であ
る（第３実施例）。
【図１１】沸騰冷却装置の使用例を示す全体構成図であ
る（第４実施例）。
【図１２】凝縮液用チューブに設けた応力逃がし部の形
状を示す平面図である（第４実施例）。
【図１３】沸騰冷却装置の使用例を示す全体構成図であ
る（第５実施例）。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置 ２ 筐体 ３ 密閉空間 ４ 冷媒槽 ５ 放熱器 １１ 第１発熱体（発熱体） １２ 第２発熱体 １３ 押出材 １４ エンドキャップ １５ 凝縮液通路（凝縮液流路） １６ 蒸気通路（蒸気流路） ２２ 吸熱フィン ２７ 放熱管 ２９ 一方のタンク ３０ 他方のタンク ３３ 第３発熱体（別の発熱体） ３５ 凝縮液用チューブ（液戻し通路） ３６ ヒートシンク（熱伝導性に優れた部材）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 昌彦 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内 (72)発明者 山田 兼二 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本電 装株式会社内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】略密閉された空間を形成して、その密閉空
    間に発熱体を収容する筐体と、 前記密閉空間に配置されるとともに、前記発熱体が取り
    付けられて、その発熱体の熱を受けて内部に封入された
    冷媒が沸騰気化する冷媒槽と、 前記密閉空間の外部に配置されて、前記冷媒槽で気化し
    た気相冷媒を凝縮液化する放熱器とを備え、 前記冷媒槽には、前記密閉空間内の空気から熱を受ける
    吸熱フィンが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２】前記冷媒槽は、前記発熱体の熱を受けて気
    化した蒸気冷媒が流出する蒸気流路と前記放熱器で液化
    された凝縮液が流入する凝縮液流路とが押し出し加工に
    よって一体に成形された押出材と、この押出材の前記放
    熱器側と反対側の端部に組付けられて前記蒸気流路と前
    記凝縮液流路とを連通するエンドキャップとから成るこ
    とを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
  3. 【請求項３】前記冷媒槽は、前記押出材の一部が蛇行状
    に折り曲げられて、その蛇行する壁面間に前記吸熱フィ
    ンが介在されていることを特徴とする請求項２記載の沸
    騰冷却装置。
  4. 【請求項４】前記押出材には、前記冷媒槽に取り付けら
    れた前記発熱体とは別の発熱体が熱伝導性に優れた部材
    を介して取り付けられていることを特徴とする請求項２
    記載の沸騰冷却装置。
  5. 【請求項５】略密閉された空間を形成して、その密閉空
    間に発熱体を収容する筐体と、 前記密閉空間に配置されるとともに、前記発熱体が取り
    付けられて、その発熱体の熱を受けて内部に封入された
    冷媒が沸騰気化する冷媒槽と、 前記密閉空間の外部に配置されて前記冷媒槽で気化した
    気相冷媒を凝縮液化するものであり、冷媒通路を成す放
    熱管、この放熱管の一端側に設けられるとともに前記冷
    媒槽に接続されて前記冷媒槽で気化した気相冷媒が流入
    する一方のタンク、および前記放熱管の他端側に設けら
    れた他方のタンクを有し、前記放熱管内で液化した凝縮
    液が前記他方のタンク側へ流れるように前記他方のタン
    クが前記一方のタンクより低い位置に配された放熱器
    と、 前記他方のタンクと前記冷媒槽の底部とを連絡して、前
    記他方のタンクから前記冷媒槽へ凝縮液を導く液戻し通
    路とを備え、 この液戻し通路の一部が蛇行状に折り曲げられて、その
    蛇行する通路間に前記密閉空間内の空気から熱を受ける
    吸熱フィンが介在されていることを特徴とする沸騰冷却
    装置。
  6. 【請求項６】前記液戻し通路には、前記冷媒槽に取り付
    けられた前記発熱体とは別の発熱体が熱伝導性に優れた
    部材を介して取り付けられていることを特徴とする請求
    項５記載の沸騰冷却装置。
  7. 【請求項７】前記液戻し通路は、押出材によって前記冷
    媒槽と一体に設けられていることを特徴とする請求項５
    または６記載の沸騰冷却装置。
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