JPS5811747B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は冷媒の相変化を利用して半導体素子なＥＤ発
熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。

第１図は従来の自然循還式の沸騰冷却装置を示している
。

沸騰槽１５内における沸騰により発生した気相フロン８
は第１の流路７（以下気相パイプと称す）を通って凝縮
装置９へ流入し、凝縮装置９内で凝縮され、沸騰槽１５
内で吸収した熱を放熱した後、第２の流路１０（以下液
相パイプと称す）を通って沸騰槽１５へ帰還される。

ここで凝縮性冷却媒体が正常に自然循還するためには、
次の様な条件が必要である。

いま気相パイグーにおける気相冷却媒体通過によるヘッ
ドロスｐｙ（ｇｗＦ）、液相パイプ１０における液相冷
却媒体通過によるヘッドロスなＰＩ（ＪＩＦ）とする、
ヘッドロスの単位ｍｍＦとは液相冷却媒体の水頭に換算
した単位である。

液相パイプ１０と沸騰槽１５内の液相冷却媒体までの距
離ＨＣＩＩ）とすると、正常に自然循還するにはＰｖ＋
Ｐｌ＜Ｈな満足する必要がある。

ここで冷却媒体にフロン１１３を用いて周囲温度２０℃
で起動する場合と、周囲温度−１０℃で起動する場合を
考える。

蒸発潜熱（Ｋｃａｌ／ｋｇ）は温度により殆んど変化し
ない（フロン１１３の場合、３７．０５Ｋｃａｌ／＃ｇ
ａｔ２０℃、３８．９３Ｋｃａｌ／ｋｇ ａｔ−１０
℃）ので発生する気相冷却媒体の容積は動作時温度にお
ける蒸気比容積（ｍ２ｋｇ）により決定される。

第２図はフロン１１３の蒸気比容積の温度特性を示して
おり、２０℃ではｏ、ａｓ（ｍ２／ｋｇ）、−１０℃で
は１．３１（Ｗｆ／ｉｇ）となる これは発生熱量が一
定の場合に発生する蒸気の体積比は２０℃と一１０℃で
１：１．３１１０．３５→１：３．７となる。

つま）−ｉｏ℃では２０℃に比べ、３．７倍の蒸気が発
生することになることを示している。

この結果周囲温度が低い場合に気相パイグーに多量のフ
ロンガスが流れ、気相パイプＴのへラドロスｐｖが太き
（なり、Ｐｖ＋Ｐ１＞Ｈになるともはや凝縮液は液相パ
イプ１０を通って沸騰槽１５へ戻らなくなる。

凝縮液が戻らなくなると沸騰槽１５の液相フロン２は減
少し、ついには半導体素子１３の温度が急上昇し半導体
素子１３の焼損に至る。

従来、この様な問題に対しては、凝縮装置９内に不凝縮
性ガス、例えば空気や窒素などを封入することによりフ
ロンの蒸気圧を高め、フロンの沸点を高（していた。

ところが第１図に示す従来の沸騰冷却装置においては、
凝縮装置９に沸点を高める目的で空気を封入しても、沸
騰槽１５内の液相フロン２の沸点は上昇するが、凝縮装
置９内における気相フロン８の凝縮温度はあまり上昇せ
ず、よって冷却特性はあまり改善されないという欠点が
あった。

すなわち、第１図において、凝縮装置９内に空気を封入
して沸騰槽１５及び凝縮装置９内の圧力を２気圧に高め
て沸騰冷却装置を駆動したとするこの場合、沸騰槽１５
は気相フロンで満たされ、沸騰槽１５内の気相フロン８
の蒸気圧は２気圧となり、液相フロン２はこの２気圧（
対応する沸騰温度で沸騰する。

一方、凝縮装置９においては、気相パイプ７から流出し
た気相フロン８により凝縮装置９内の空気が攪拌される
ので、凝縮装置９内では空気と気相フロン８とが混合し
た状態となる。

このため、たとえ凝縮装置９内の圧力は２０気圧であっ
てもこれは空気の圧力と気相フロンの圧力とが加算され
た値であって、気相フロン８の圧力は空気と気相フロン
８の分圧比で定まる２０気圧以下の値になっている。

このため凝縮装置９内では空気との分圧比によって定ま
る気相フロン８の圧力によって凝縮が行なわれる。

このため気相〕占ン８の凝縮温度は沸騰槽１５内におけ
る液相フロン２の沸騰温度より低（なる。

通常凝縮装置９は風冷であるので、凝縮装置９の温度が
低くなると風との温度差が小さくケリ冷却特性が悪（な
る。

すなわち凝縮装置９に空気を封入しても冷却特性があま
り改善されなかったこの問題に対して第３図に示すよう
に不凝縮性ガス２１が収容された加圧タンク２３を液相
パイプ１０に接続し、凝縮装置９内に不凝縮性ガス２１
を入れずフロンの沸点を上げることが考えられるが、構
造が複雑になるという欠点がある。

この発明は以上の点に鑑みてなされたもので気相パイプ
により沸騰槽から送られた気相冷媒と凝縮装置内に収納
された不凝縮性ガスとが混合しなしように構成すること
により、上記欠点のない沸騰冷却装置を提供することを
目的とするものである。

まず、第４図〜第８図を用いてこの発明の詳細な説明す
る。

第４図では密閉系のタンク２４の中にフロン−１１３（
２）（以下フロンと呼ぶ）のみが収容されている。

このタンク２４内の温度−圧力特性は第５図の破線下で
示す曲線となる。

今、外気温度−１０℃でヒーター２６に通電すると、−
１０℃でただちに沸騰を開始する。

液温の上昇と共にタンク２３内の圧力は破線下で示す曲
線で変化する。

この時のヒータ２５の発生熱量を一定とすると、第２図
で示す通り、−１０℃、すなわち蒸発開始時に発生する
蒸気体積が最も大きい。

次に第６図〜第８図に示すようにタンク２４内に不凝縮
性ガス（例えばＮ２とか空気）を封入した場合を考える
。

この場合の温度−圧力曲線は低温域において第５図の実
線Ｆ’、Ｆ“で示すようになる。

つまり低温ではフロン蒸気２６の圧力が低いため、第６
図で委すようにタンク２４は不凝縮性ガス２．１で占め
られ、タンク２４内の圧力は第５図実線Ｆ′で示すよう
に不凝縮性ガス２１０体積で決定される。

温度が上昇すると第７図て示すように不凝縮性ガス２１
とフロン蒸気２６が混合し、タンク２４内の圧力は不凝
縮性ガス２１の圧力とフロン蒸さ２６と圧力との和にな
る。

っまり第５図で実線Ｆ“に示す特性になる。

さらに温度が上昇しフロン蒸気２６の圧力が上昇すると
、フロイ蒸気２６は不凝縮性ガス２１より重いので、第
８図に示すように、フロン蒸気２６と不凝縮性ガス２１
は完全に分離し、フロン蒸気２６の圧力は不凝縮性ガス
２１の圧力、つまりタンク２４内の圧力と等しくなる。

この時圧力は実線Ｆ“から破線Ｆの方へ移行する。

今、外気−１０℃の条件でヒータ２５に通電した場合を
考える。

第４図のように不凝縮性ガス２１を封入していない場合
には一１０℃にて直ちに沸騰したが、今回はフロン２１
の液面に不凝縮性ガス２１の圧力がかかつているため、
液温は上昇するが沸騰は生じない。

よってヒータ２５は対流により冷却されることになる。

この状態ではフロン２１の温度が低いのでヒーター２５
の温度上昇は問題にならない。

さらに通電してフロン２の液温をあげてい（と、第５図
のＤ点つまり液温２０℃付近にて沸騰を開始する。

そして温度−圧力曲線が実線Ｆ〃から破線Ｆに移る付近
からタンク２４内の不凝縮性ガス２１とフロン蒸気２６
は第８図に示すように分離し、フロン２はタンク２４内
の圧力と同じ蒸気圧で沸騰する。

以上のようにタンク２４内にて不凝縮性ガス２１を封入
した場合、タンク２４内を攪拌する要素がなければフロ
ン蒸気２６と不凝縮性ガス２１が分離することが理解で
きる。

以下、第９図に示すこの発明の一実施例について説明す
る。

図において、１はフロンの液相２が収容された液溜槽、
３は沸騰容器で、ベローズ４及び絶縁管５により液溜槽
１に連結されている。

６は戻りパイプで液溜槽１内の液相フロン２を沸騰容器
３へ供給する。

７は気相パイプで、沸騰容器３で気化した気相のフロン
８を凝縮装置９へ送り込む。

１０は液相パイプで凝縮装置９内で凝縮された液相フロ
ン２を液溜槽１へ返却する。

１は凝縮装置８の上方に配置された空気１２が収納され
た容器で、内部が凝縮装置９に連通している。

１３は半導体、１４は冷却フィンである。

次に動作を説明する。

動作を始める前の状態では、温度が低いので凝縮装置９
内の気相フロン８の圧力は非常に低く容器１１内の空気
１２が膨張して容器１１から流出し、凝縮装置９内に充
満している。

よってこの空気１２の圧力が液相のフロン２の液面にか
かつている。

半導体１３に通電が行なわれフロン２に放熱が行なわれ
ると、はじめのうちは、フロン２の液面に空気１２の圧
力がかかつているのでフロン２はすぐ沸騰せずフロン２
の対流が行なわれる。

対流によりフロン２の温度が上昇し、液温でのフロンの
蒸気圧が空気圧より高（なるところから沸騰が開始され
る。

沸騰が激しくなり気相フロン８の圧力が上昇するとこれ
に応じて空気１２は圧縮され体積力＼さくなる。

そして、空気１２は気相フロン８より軽いので、気相フ
ロン８により押し上げられ容器１１に押し込まれ、動作
が安定した状態では凝縮装置９内には空気１２がほとん
どなくなり、凝縮装置９内は気相フロン８で充満された
状態となる。

そして気相フロン８の圧力は凝縮装置９の内圧と同程度
まで上昇している。

このため凝縮装置９内の液相フロン２の温度は高く、凝
縮装置９を風冷する場合などにおいて、冷却特性が良好
である。

また従来のように液相パイプ１０に加圧用タンクを接続
する必要がないので構造が簡単である。

第１０図はこの発明の他の実施例の沸騰冷却装置を示し
ている。

この実施例では沸騰槽５から送られた気相フロン８が流
入する開口１６を凝縮装置９の側面に設け、開口１６か
ら流入する気相フロン８により凝縮装置９内が攪拌され
ないようにして、開口１６より上部に空気が溜るように
している。

沸騰槽１５の中には、半導体１３、冷却フィン１７、締
付ボルト１８などにより構成され気密端子１９から通電
される半導体スタックが収納されている 第１１図〜第１３図はこの発明の他の実施例の沸騰冷却
装置の凝縮装置の部分を示している。

第１１図は仕切板２０を設けて開口１６から流出した気
相フロン８が凝縮装置９内の不凝縮性ガス２１と混合し
ないようにした実施例、第１２図は底部に気相パイプを
設け、開口１６が凝縮装置９の中間部に位置するように
した実施例、第１３図は凝縮装置９の開口１６から上方
の冷却フィン１４をな（し、この部分を不凝縮性ガス２
１が溜まるガス溜２２とした実施例である。

同以上の説明において液溜槽１から凝縮装置へ至る気相
パイグーの圧力損失を問題にしたが、第１４図のように
凝縮器９を直接に液溜部１に接続した場合にもこの発明
は有効である。

つまり沸騰蒸気体積が太きいと沸騰槽３と液溜槽１をつ
ないでいる流路（ベローズ４と絶縁管５）での圧損が大
きくなり液溜槽１より沸騰槽３へ液が戻らなくなり、沸
騰槽内３の液がかれ素子の焼損をおこす。

この現象を防ぐためにも今まで述べたような不凝縮性ガ
スを混入するのは有効である。

以上のようにこの発明の沸騰冷却装置は構造が簡単で、
かつ冷却特性が良好であるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の沸騰冷却装置の簡略断面図、第２図はフ
ロン１１３蒸気比容積特性を示す説明図、第３図は加圧
タンクを用いた従来の沸騰冷却装置の簡略断面図、第４
図〜第８図はこの発明の詳細な説明する説明図で、第４
図はタンク内にフロン１１３のみを収納した状態、第５
図はタンク内の温度と圧力の関係を示している。 第６図〜第８図はタンク内にフロン１１３と不凝縮性ガ
スとを収納した図で、第６図は温度が低い時、第７図は
温度が少し上昇した時、第８図は温度が相当上昇した時
の状態を示している。 第９図はこの発明の一実施例の沸騰冷却装置の断面図、
第１０図はこの発叩の他実施例の沸騰冷却装置の断面図
、第１１図〜第１３図は各々この発明の他の実施ａｈ沸
騰冷却装置の凝縮装置の簡略断面図、第１４図はこの発
明の他の実施例の沸騰冷却装置の断面図である。 図において、１は液溜槽、２は液相フロン、３は沸騰槽
、７は気相パイプ、８は気相パイプ、９は凝縮装置、１
０は液相パイプ、１１は容器、１２は空気、１３は半導
体、１４は冷却フィンである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 発熱体を冷却する液相の凝縮性冷媒が収容された沸
   騰槽、この沸騰槽からの気相冷媒を凝縮して液化させる
   凝縮部と上記気相冷媒より軽い不凝縮性ガスを収容する
   ガス溜部とを有する凝縮装置、上記沸騰槽内で気化した
   上記気相冷媒を上記凝縮装置に流入させ上記凝縮装置で
   液化された上記冷媒を上記沸騰槽に帰還させる流路な備
   え、上記凝縮装置への上記気相冷媒の流入を、上記凝縮
   装置内において上記気相冷媒と上記不凝縮性ガスとが混
   入しないように流入せしめ上記凝縮性装置内で、不凝縮
   性ガス層と凝縮性冷媒層との分離層を形成せしめるよう
   にしたことを特徴とする沸騰冷却装置。