JPH11173778A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 連結管５、６の配置に制約を受けることな
く、連結管５、６内での沸騰冷媒の液化および凝縮液の
気化を抑制して冷媒の循環性を向上させること。 【解決手段】 連結管５、６は、沸騰器で沸騰した沸騰
冷媒を凝縮器へ導入する蒸気導入管５と、凝縮器で液化
した凝縮液を沸騰器へ導入する液導入管６とから成り、
それぞれ外管５ａ、６ａと内管５ｂ、６ｂとを同心上に
組み合わせた二重管構造となっている。従って、外管５
ａ、６ａと内管５ｂ、６ｂとの間を流れる冷媒は外部雰
囲気の影響を受けやすいが、内管５ｂ、６ｂの内側を流
れる冷媒は外部雰囲気の影響を受け難くなる。これによ
り、蒸気導入管５が室外ファンの送風を受けて冷却され
ても、内管５ｂの内側を流れる沸騰冷媒が凝縮して液化
することが抑制される。また、液導入管６が室内ファン
の送風を受けて加熱されても、内管６ｂの内側を流れる
凝縮液が沸騰することが抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱サイフォン式の
沸騰冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、例えば特開昭５９−１
１９４９２号に記載された熱交換器がある。この熱交換
器は、沸騰器と凝縮器とを２本の連結管により環状に連
結して二相流自然循環ループを構成している。これによ
れば、沸騰器で沸騰した冷媒が一方の連結管を通って凝
縮器へ流入し、その凝縮器で放熱して液化された後、他
方の連結管を通って沸騰器へ戻ることができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の熱交
換器では、凝縮液を沸騰器へ戻すための他方の連結管の
近傍に発熱体が設置されていると、図７に示すように、
他方の連結管１００を流れる凝縮液が加熱されて、凝縮
液の一部が気化して気泡を生じる。また、沸騰冷媒を凝
縮器へ送るための一方の連結管１１０に凝縮器へ送風さ
れる冷却風が当たると、図８に示すように、一方の連結
管１１０を流れる沸騰冷媒が冷却されて、沸騰冷媒の一
部が液化する。この様に、凝縮液の一部が気化して気泡
が発生したり、沸騰冷媒の一部が凝縮して液化すると、
それぞれ連結管内で対向流が生じて冷媒の循環を阻害す
る要因となり、放熱性能の低下を招く。また、上記の冷
媒循環を阻害する要因を排除しようとすると、連結管の
配置に制約を受けるという問題が生じる。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、連結管
の配置に制約を受けることなく、連結管内での沸騰冷媒
の液化および凝縮液の気化を抑制して冷媒の循環性を向
上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）高温
側熱交換器と低温側熱交換器とを連結する連結管は、外
径の異なる複数の管を略同心上に組み合わせた多重管構
造に設けられている。この場合、例えば連結管を管径の
小さい内管と管径の大きい外管とから成る二重管として
説明すると、外管と内管との間を流れる冷媒は、連結管
の外部雰囲気の影響を受けやすいが、内管の内側を流れ
る冷媒は連結管の外部雰囲気の影響を受け難くなる。こ
れにより、内管の内側を流れる冷媒が高温流体または低
温流体との熱交換によって相変化を生じる可能性が低下
するため、冷媒の流れを阻害する要因（対向流の発生）
が減少して冷媒循環流を安定化させることができる。

【０００５】（請求項２の手段）連結管は、高温側熱交
換器および低温側熱交換器に連結される連結端部を除く
大部分が高温側熱交換器および低温側熱交換器の同一側
の側方に配され、且つ流体隔離板により高温流体および
低温流体から隔離されている。この場合、連結管を多重
管構造とした上に、更に流体隔離板により高温流体およ
び低温流体から隔離することで、連結管を流れる冷媒に
対して高温流体および低温流体の影響を略遮断できるた
め、より冷媒循環流の安定化を図ることができる。

【０００６】（請求項３の手段）連結管は、高温側熱交
換器で沸騰した沸騰冷媒を低温側熱交換器へ導入する第
１の導入管と、低温側熱交換器で凝縮液化した凝縮液を
高温側熱交換器へ導入する第２の導入管とを備え、その
第１の導入管および第２の導入管の少なくとも一方が多
重管構造に設けられていても良い。

【０００７】（請求項４の手段）連結管は、それぞれ外
径の異なる内管と外管とから成り、内管の通路断面積
が、外管と内管との間の通路断面積と同じか、もしくは
大きく設定されている。この場合、外部雰囲気の影響の
少ない内管に多くの冷媒を流すことができるため、外部
雰囲気の影響による冷媒の相変化を抑制できる効果が増
大する。

【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、密閉化されたハウジング
２（図２参照）の内部に配置される沸騰器３（本発明の
高温側熱交換器）と、ハウジング２の外部に配置される
凝縮器４（本発明の低温側熱交換器）と、沸騰器３と凝
縮器４とを連結する連結管（蒸気導入管５と液導入管
６）と、沸騰器３に送風する室内ファン７と、凝縮器４
に送風する室外ファン８等より構成され、沸騰器３、凝
縮器４、及び連結管５、６によって形成される密閉空間
に所定量の冷媒（例えばＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷
媒）が封入されている。ハウジング２は、例えば携帯電
話や自動車電話等の移動無線電話の無線基地局に使用さ
れるもので、内部に発熱体である通信機器（図示しな
い）を収容している。

【０００９】沸騰器３は、並列に配された複数本のチュ
ーブ９と、各チューブ９の両端に接続されて各チューブ
９を相互に連通する一組のタンク（上部タンク１０と下
部タンク１１）と、隣合う各チューブ９間に介在された
受熱用フィン１２等より構成され、一体ろう付けにより
接合されている。チューブ９は、伝熱性に優れた金属材
（例えばアルミニウムや銅）により断面形状が偏平な長
円形状に形成されている。各タンク１０、１１は、それ
ぞれチューブ９と同じ金属材により両端が閉じた略筒形
状に形成され、長手方向（図１の左右方向）に一定の間
隔をおいて各チューブ９の端部が挿入されている。上部
タンク１０には、長手方向の一端部（図１の右端部）に
蒸気導入管５（第１の導入管）を接続する接続口（図示
しない）が設けられ、下部タンク１１には、長手方向の
他端部に液導入管６（第２の導入管）を接続する接続口
（図示しない）が設けられている。受熱用フィン１２
は、例えば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、各折り曲げ部でチューブ９の表面に
接合されている。この沸騰器３は、図２に示すように、
ハウジング２の立壁面２ａに対して所定角度傾斜した姿
勢で取り付けられている。

【００１０】凝縮器４は、並列に配された複数本のチュ
ーブ１３と、各チューブ１３の両端に接続されて各チュ
ーブ１３を相互に連通する一組のタンク（上部タンク１
４と下部タンク１５）と、隣合う各チューブ１３間に介
在された放熱用フィン１６等より構成され、一体ろう付
けにより接合されている。チューブ１３は、伝熱性に優
れた金属材（例えばアルミニウムや銅）により断面形状
が偏平な長円形状に形成されている。各タンク１４、１
５は、それぞれチューブ１３と同じ金属材により両端が
閉じた略筒形状に形成され、長手方向に一定の間隔をお
いて各チューブ１３の端部が挿入されている。上部タン
ク１４には、長手方向の他端部（図１の左端部）に蒸気
導入管５を接続する接続口（図示しない）が設けられ、
下部タンク１５には、長手方向の一端部に液導入管６を
接続する接続口（図示しない）が設けられている。放熱
用フィン１６は、例えば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、各折り曲げ部でチュー
ブ１３の表面に接合されている。この凝縮器４は、図２
に示すように、垂直方向において沸騰器３より高い位置
に配置され、且つハウジング２の立壁面２ａに対して沸
騰器３と反対側へ所定角度傾斜した姿勢で取り付けられ
ている。

【００１１】連結管５、６は、例えばアルミニウム等の
金属製パイプから成り、ハウジング２の立壁面２ａに空
けられた貫通孔２ｂを通って配管されている。なお、貫
通孔２ｂは、連結管５、６の外周にろう付け接合された
ユニオン１７、１８等により気密に塞がれている。この
連結管５、６は、沸騰器３で沸騰した沸騰冷媒を凝縮器
４へ導入する蒸気導入管５と、凝縮器４で液化した凝縮
液を沸騰器３へ導入する液導入管６とから成り、それぞ
れ図３に示すように、外径の異なる外管５ａ、６ａと内
管５ｂ、６ｂとを同心上に組み合わせた二重管構造とな
っている。なお、内管５ｂ、６ｂの通路断面積は、外管
５ａ、６ａと内管５ｂ、６ｂとの間の通路断面積と同じ
か、もしくはそれよりも大きい方が良い。これにより、
外部雰囲気の影響の少ない内管５ｂ、６ｂから冷媒を大
量に流すことができる。

【００１２】ここで、内管５ｂ、６ｂの通路断面積：
Ａ、および外管５ａ、６ａと内管５ｂ、６ｂとの間の通
路断面積：Ｂは、それぞれ下記の数１、数２により表さ
れる。但し、内管５ｂ、６ｂの内径をｒ1 、内管５ｂ、
６ｂの肉厚をｄ、外管５ａ、６ａの内径をｒ2 とする。

【数１】Ａ＝πｒ1²

【数２】Ｂ＝πｒ2²−π（ｒ1 ＋ｄ）² 従って、ＡとＢの関係（Ｂ≦Ａ）は下記の数３により表
される。

【数３】πｒ2²−π（ｒ1 ＋ｄ）² ≦πｒ1² この数３よりｒ1 とｒ2 との関係を下記の数４により表
すことができる。

【数４】ｒ2 ≦√｛ｒ1²＋（ｒ1 ＋ｄ）² ｝ 即ち、外管５ａ、６ａと内管５ｂ、６ｂは、数４を満た
すように設定されることが好ましい。

【００１３】蒸気導入管５は、一端が沸騰器３の上部タ
ンク１０に設けられた接続口にジョイント部材１９を介
して着脱可能に連結され、他端が凝縮器４の上部タンク
１４に設けられた接続口にジョイント部材２０を介して
着脱可能に連結されている。液導入管６は、一端が凝縮
器４の下部タンク１５に設けられた接続口にジョイント
部材２１を介して着脱可能に連結され、他端が沸騰器３
の下部タンク１１に設けられた接続口にジョイント部材
２２を介して着脱可能に連結されている。

【００１４】室内ファン７は、例えば軸流式ファンで、
沸騰器３の上部に複数個取り付けられ、ハウジング２内
部の空気（発熱体の発生する熱によって高温となってい
る）を沸騰器３に送風する。室外ファン８は、例えば室
内ファン７より大型の軸流式ファンで、凝縮器４の上部
に取り付けられ、ハウジング２外部の空気（つまり外
気）を凝縮器４に送風する。なお、この室外ファン８
は、凝縮器４とともにケーシング２３に収容され、その
ケーシング２３を介してハウジング２の立壁面２ａに固
定されている。室内ファン７および室外ファン８は、例
えばサーミスタ等の温度センサ（図示しない）により検
出されるハウジング２の内部温度に基づいて、図示しな
いコントローラにより通電制御される。

【００１５】次に、本実施例の作用を説明する。発熱体
から発生する熱によってハウジング２の内部温度が上昇
し、コントローラを通じて室内ファン７及び室外ファン
８が通電されると、室内ファン７によってハウジング２
の内部空気が沸騰器３に送風され、室外ファン８によっ
て外気が凝縮器４に送風される。これにより、沸騰器３
では、各チューブ９内に満たされている液冷媒が高温空
気から受熱して沸騰する。沸騰した冷媒（沸騰冷媒）
は、沸騰器３の上部タンク１０より蒸気導入管５の内管
５ｂおよび外管５ａを通って凝縮器４の上部タンク１４
へ流入する。凝縮器４では、上部タンク１４から各チュ
ーブ１３へ分配された沸騰冷媒が各チューブ１３を流れ
る際に室外ファン８の送風を受けて冷却され、潜熱を放
出してチューブ１３の壁面に凝縮する。凝縮した冷媒
は、液滴となって凝縮器４の下部タンク１５へ滴下す
る。下部タンク１５に溜まった凝縮液は、液導入管６の
内管６ｂおよび外管６ａを通って沸騰器３の下部タンク
１１へ流入し、下部タンク１１から再び沸騰器３の各チ
ューブ９へ供給されて、上記サイクルを繰り返す。以上
のように、冷媒が沸騰と凝縮とを繰り返して沸騰器３と
凝縮器４とを循環することにより、発熱体から発生した
熱が順次外気へ放出されて、発熱体の温度上昇が抑制さ
れる。

【００１６】（第１実施例の効果）本実施例では、連結
管５、６を二重管構造としているため、連結管５、６の
外部雰囲気と内管５ｂ、６ｂの内側を流れる冷媒との間
で、外管５ａ、６ａと内管５ｂ、６ｂとの間に形成され
る環状の空間およびこの空間を流れる冷媒が断熱層の役
割を果たすことができる。従って、外管５ａ、６ａと内
管５ｂ、６ｂとの間を流れる冷媒は連結管５、６の外部
雰囲気の影響を受けやすいが、内管５ｂ、６ｂの内側を
流れる冷媒は連結管５、６の外部雰囲気の影響を受け難
くなる。これにより、ハウジング２の外側に配管されて
いる蒸気導入管５においては、図４に示すように、室外
ファン８の送風を受けて冷却されても、内管５ｂの内側
を流れる沸騰冷媒が凝縮して液化することを抑制でき
る。また、ハウジング２の内側に配管されている液導入
管６においては、図５に示すように、室内ファン７の送
風を受けて加熱されても、内管６ｂの内側を流れる凝縮
液が沸騰することを抑制できる。

【００１７】以上の結果、内管５ｂ、６ｂの内側を流れ
る冷媒が高温流体または低温流体との熱交換によって相
変化を生じる可能性が低下するため、冷媒の流れを阻害
する要因（対向流の発生）が減少して冷媒循環流を安定
化させることができる。また、蒸気導入管５および液導
入管６を二重管構造とすることにより、各導入管５、６
の配置が制約を受けることがなくなる。つまり、蒸気導
入管５であればハウジング２の外側で室外ファン８の送
風を受ける位置に配置することができ、液導入管６であ
ればハウジング２の内側で室内ファン７の送風を受ける
位置に配置することができる。これに伴って、沸騰器３
および凝縮器４のレイアウトが制約を受けることもなく
なる。

【００１８】（第２実施例）図６は沸騰冷却装置１の正
面図である。本実施例は、図６に示すように、沸騰器３
の上部タンク１０に設けられる接続口を上部タンク１０
の他端側に移動し、凝縮器４の下部タンク１５に設けら
れる接続口を下部タンク１５の他端側に移動することに
より、蒸気導入管５および液導入管６の大部分を沸騰器
３および凝縮器４の同一側の側方に配管し、且つ流体隔
離板２４によって高温流体（ハウジング２内部の空気）
および低温流体（外気）から隔離している。この場合、
蒸気導入管５および液導入管６を二重管構造とした上
に、更に蒸気導入管５および液導入管６の大部分を流体
隔離板２４により高温流体および低温流体から隔離する
ことで、蒸気導入管５および液導入管６を流れる冷媒に
対して高温流体および低温流体の影響を略遮断できるた
め、より冷媒循環流の安定化を図ることができる。ま
た、本実施例では、蒸気導入管５と液導入管６とを共に
沸騰器３および凝縮器４の同一側に配管しているため、
配管スペースを小さくでき、装置全体の小型化を図るこ
とが可能である。

【００１９】（変形例）上記実施例では、連結管５、６
を二重管構造としているが、二重管以外の多重管構造
（例えば三重管構造、四重管構造）としても良い。ま
た、多重管のうち、最外管の内部は冷媒が流れないよう
に気密の空間であっても良い。この場合でも第１実施例
および第２実施例と同様な効果が得られる。更に、蒸気
導入管５と液導入管６の何方か一方のみを多重管構造と
しても良い。上記実施例では、蒸気導入管５および液導
入管６を沸騰器３および凝縮器４に対してジョイント部
材１９〜２２を介して着脱可能に連結する例を記載した
が、一体ろう付け等により接合しても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】沸騰冷却装置の正面図である（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】連結管の径方向断面図である。

【図４】蒸気導入管の縦断面図である。

【図５】液導入管の縦断面図である。

【図６】沸騰冷却装置の正面図である（第２実施例）。

【図７】他方の連結管の縦断面図である（従来技術）。

【図８】一方の連結管の縦断面図である（従来技術）。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 ２ ハウジング（筐体） ３ 沸騰器（高温側熱交換器） ４ 凝縮器（低温側熱交換器） ５ 蒸気導入管（連結管、第１の導入管） ５ａ 蒸気導入管の外管 ５ｂ 蒸気導入管の内管 ６ 液導入管（連結管、第２の導入管） ６ａ 液導入管の外管 ６ｂ 液導入管の内管 ２４ 流体隔離板

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】筐体の内部に収容された発熱体を冷却する
   沸騰冷却装置であって、 前記筐体の内部に配され、内部を流れる冷媒と前記筐体
   内部の高温流体との熱交換を行う高温側熱交換器と、 前記筐体の外部に配され、内部を流れる冷媒と前記筐体
   外部の低温流体との熱交換を行う低温側熱交換器と、 前記高温側熱交換器と前記低温側熱交換器とを連結し
   て、前記高温側熱交換器で沸騰した沸騰冷媒を前記低温
   側熱交換器へ導入し、且つ前記低温側熱交換器で凝縮液
   化した凝縮液を前記高温側熱交換器へ導入する連結管と
   を備え、 前記連結管は、外径の異なる複数の管を略同心上に組み
   合わせた多重管構造に設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】前記連結管は、前記高温側熱交換器および
   前記低温側熱交換器に連結される連結端部を除く大部分
   が前記高温側熱交換器および前記低温側熱交換器の同一
   側の側方に配され、且つ流体隔離板により前記高温流体
   および前記低温流体から隔離されていることを特徴とす
   る請求項１に記載した沸騰冷却装置。
3. 【請求項３】前記連結管は、前記高温側熱交換器で沸騰
   した沸騰冷媒を前記低温側熱交換器へ導入する第１の導
   入管と、前記低温側熱交換器で凝縮液化した凝縮液を前
   記高温側熱交換器へ導入する第２の導入管とを備え、 前記第１の導入管および前記第２の導入管の少なくとも
   一方が前記多重管構造に設けられていることを特徴とす
   る請求項１または２に記載した沸騰冷却装置。
4. 【請求項４】前記連結管は、それぞれ外径の異なる内管
   と外管とから成り、 前記内管の通路断面積が、前記外管と前記内管との間の
   通路断面積と同じか、もしくは大きく設定されているこ
   とを特徴とする請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷
   却装置。