WO2021186885A1

WO2021186885A1 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: WO2021186885A1
Application number: PCT/JP2021/001942
Authority: WO
Inventors: 幹人関山; 宏直田中; 康光大見; 義則　毅
Original assignee: 株式会社デンソー
Priority date: 2020-03-19
Filing date: 2021-01-21
Publication date: 2021-09-23
Also published as: JP2021148374A; JP7436817B2

Abstract

沸騰冷却装置は、冷凍サイクル装置とともに用いられる。沸騰冷却装置は、沸騰部と、凝縮部と、冷媒配管とを備える。冷媒配管は、沸騰部と凝縮部とを繋ぐ。凝縮部は管形状である。凝縮部は、内部を冷凍サイクル装置の蒸発器と圧縮機とを繋ぐ冷凍装置冷媒配管が貫通している。沸騰冷却装置の凝縮部と冷凍サイクル装置の冷凍装置冷媒配管とが、二重管構造を提供している。沸騰装置冷媒は、冷凍装置冷媒配管の外表面に直接に触れることにより、冷凍装置冷媒配管を介して直接的に熱交換することができる。沸騰冷却装置の凝縮部において冷媒の確実な凝縮が可能となる。

Description

沸騰冷却装置

関連出願の相互参照

　この出願は、２０２０年３月１９日に日本に出願された特許出願第２０２０－４９７９６号を基礎としており、基礎の出願の内容を、全体的に、参照により援用している。

　本明細書の開示は、冷媒を沸騰蒸発させて被冷却物の冷却を行う沸騰冷却装置に関する。

　特許文献１には、車載バッテリー等の被冷却物の冷却に沸騰冷却装置を用いる例が説明されている。

特開２０１９－７４３０１号公報

　特許文献１では、沸騰冷却装置の凝縮部を、自動車空調装置の冷媒配管と接触させる構成が示されている。即ち、騰冷却装置の凝縮部を、自動車空調装置の室内に配置される蒸発器からエンジンルームに配置される圧縮機に低温低圧のガス冷媒を導く冷媒配管に接触させる構造が開示されている。

　しかしながら、特許文献１のものでは、沸騰冷却装置の凝縮部の外表面と自動車空調装置の冷媒配管の外表面とが単に接しているのみの構造である。そのため、沸騰冷却装置の凝縮部と自動車空調装置の冷媒配管との熱交換は不充分であった。即ち、沸騰冷却装置の凝縮部内の冷媒の熱は、凝縮部を構成する配管、凝縮部と冷凍サイクル装置の冷媒配管との接触部、及び冷媒配管を介して、冷媒配管内の冷媒に伝達されることになる。

　特に、凝縮部と冷媒配管との接触部では構造的に単位長さ当たりの伝熱面積が少なくなる。このため、沸騰冷却装置の凝縮部の冷媒と冷凍サイクル装置の冷媒配管の冷媒との熱交換を効率的に行うことができない。そのため、特許文献１のものではバッテリー等の被冷却物の冷却が不充分となる恐れがあった。

　被冷却物としてバッテリーを用いる場合には、バッテリーの充電、放電を高負荷で繰り返すとバッテリーが高温になる場合がある。そして、バッテリーの温度が所定温度以上となると、バッテリーを劣化させる恐れがある。特に、夏季等の外気や車室内温度の高い状態で、バッテリーの冷却が不十分となるのが問題である。

　本開示は、沸騰冷却装置の凝縮部の放熱に、冷凍サイクル装置の冷媒配管を用いることを前提として、その際の熱の伝達を効率的に行うことを課題とする。

　本開示は、冷凍サイクル装置とともに用いる沸騰冷却装置である。なお、冷凍サイクル装置は、圧縮機と、凝縮器と、膨張弁と、蒸発器と、冷凍装置冷媒を循環させる冷凍装置冷媒配管とを備えている。

　本開示の沸騰冷却装置は、被冷却物と熱的に接触して、被冷却物の熱を受けて沸騰装置冷媒を気化させる沸騰部と、沸騰装置冷媒を液化させる凝縮部と、沸騰部と凝縮部とを繋ぐ沸騰装置冷媒配管とを備えている。

　本開示の沸騰冷却装置は、凝縮部が管形状をしており、内部を冷凍サイクル装置の蒸発器と圧縮機とを繋ぐ冷凍装置冷媒配管が貫通している。即ち、沸騰冷却装置の凝縮部と冷凍サイクル装置の冷凍装置冷媒配管とが、二重管となる構造となっている。

　本開示のひとつの実施形態によれば、沸騰冷却装置の凝縮部の内部に存在する沸騰装置冷媒が、冷凍サイクル装置の冷凍装置冷媒配管の外表面に直接触れることとなる。そのため、冷凍装置冷媒と沸騰装置冷媒とは、冷凍装置冷媒配管を介して直接熱交換することができる。

　ここで、冷凍サイクル装置の蒸発器と圧縮機とを繋ぐ冷凍装置冷媒配管は、内部を低温低圧の冷凍装置冷媒が流れる。そのため、沸騰冷却装置の凝縮部では、沸騰装置冷媒が冷凍装置冷媒によって冷やされ、確実に凝縮可能となる。凝縮した液状の沸騰装置冷媒は、沸騰部に還流して気化するため、沸騰部での被冷却物の冷却も確実に行うことができる。

　本開示のひとつの実施形態では、冷凍サイクル装置の蒸発器と圧縮機とを繋ぐ冷凍装置冷媒配管の外表面の内、沸騰冷却装置の凝縮部に配置される部位には、放熱フィンが形成されている。この放熱フィンにより、冷凍装置冷媒配管の表面積を増すことができ、沸騰冷却装置の凝縮部での沸騰装置冷媒の凝縮をより確実に行うことができる。

　本開示のひとつの実施形態は、放熱フィンを、冷凍装置冷媒配管の外表面に軸方向と並行に形成している。放熱フィンによる放熱面積増加を、簡単な熱伝達構造で達成することができる。

　本開示のひとつの実施形態は、放熱フィンを、冷凍装置冷媒配管の外表面に螺旋状に形成している。放熱フィンによる放熱面積増加に加えて、冷凍装置冷媒配管の外表面で凝縮した沸騰装置冷媒を下方に導くことができる。

　本開示のひとつの実施形態は、放熱フィンを、冷凍装置冷媒配管の外表面のうち、下方部分を除いて形成している。凝縮した沸騰装置冷媒は下方に流れるので、この沸騰装置冷媒が沸騰部に向けて還流するのを、放熱フィンが阻害することが無くなる。

　本開示のひとつの実施形態は、冷凍装置冷媒配管の内、沸騰冷却装置の凝縮部に配置される部位に、放熱溝を形成している。放熱溝を形成することで、冷凍装置冷媒配管の表面積を増加させ、熱交換効率を向上させている。更に、放熱溝を形成することで、冷凍装置冷媒配管を流れる冷凍装置冷媒の流れを乱すことができる。この冷凍装置冷媒流れの乱れによっても、伝熱効率は向上する。

　本開示のひとつの実施形態は、放熱溝を螺旋状に形成している。螺旋溝とすることで、冷凍装置冷媒配管の内部を流れる冷凍装置冷媒の流れを、より一層乱すことができ、伝熱効率向上に寄与する。

　本開示のひとつの実施形態は、放熱溝を一方向の螺旋状に形成している。螺旋溝による冷凍装置冷媒流れの乱れを、簡単な構造で達成することができる。

　本開示のひとつの実施形態は、放熱溝を双方向の螺旋状に形成している。螺旋溝による表面積の増加を、より効率的に進めることができる。

　本開示のひとつの実施形態は、凝縮部を沸騰部より上方に配置している。凝縮部で凝縮した沸騰装置冷媒を、重力を利用して沸騰部に還流させることができる。ウィックによる毛細管力を用いなくても、凝縮した沸騰装置冷媒の還流ができ、より簡素な構造とすることができる。

　本開示のひとつの実施形態は、凝縮部と、この凝縮部に配置される冷凍装置冷媒配管とを、沸騰部に向けて下方に傾斜させている。これにより、凝縮部で凝縮した沸騰装置冷媒が、一層沸騰部に還流しやすくなる。

　本開示のひとつの実施形態は、沸騰部を、凝縮部に向けて上方に傾斜させている。これにより、沸騰部で気化した沸騰装置冷媒が凝縮部側に流れやすくなる。

冷凍サイクル装置及び沸騰冷却装置の全体構成図である。図１における凝縮部の正面図である。凝縮部の他の例を示す正面図である。凝縮部の他の例を示す断面図である。凝縮部の他の例を示す一部断面正面図である。凝縮部の更に他の例を示す一部断面正面図である。図２のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図である。冷凍装置冷媒配管に放熱フィンを形成した例の断面図である。図８図示冷凍装置冷媒配管を示す正面図である。放熱フィンを螺旋状に配置した冷凍装置冷媒配管を示す正面図である。冷凍装置冷媒配管に一方向螺旋溝を形成した例を示す断面図である。図１１のＸＩＩ－ＸＩＩ断面図である。冷凍装置冷媒配管に双方向螺旋溝を形成した例を示す断面図である。図１３のＸＩＶ－ＸＩＶ断面図である。図１における沸騰部の正面図である。図１５のＸＶＩ－ＸＶＩの断面図である。沸騰部の他の例を示す断面図である。沸騰部の更に他の例を示す断面図である。沸騰部の更に他の例を示す断面図である。沸騰部の更に他の例を示す断面図である。図１におけるサーモバルブの断面図である。図２１のサーモバルブに凝縮した沸騰装置冷媒が溜まった状態を示す断面図である。図２１のサーモバルブの開弁状態を示す断面図である。図２１のサーモバルブの連結部の展開図である。サーモバルブの他の例を示す断面図である。図２５のサーモバルブのバネ受け部の断面図である。サーモバルブのさらに他の例の一部を示す断面図である。凝縮部の他の例を示す断面図である。冷凍サイクル装置及び沸騰冷却装置の他の例を示す全体構成図である。

　以下、実施形態について図に基づいて説明する。以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。

　図１は、冷凍サイクル装置及び沸騰冷却装置の全体構成図である。図中１００は自動車を表し、エンジンルーム１０２と車室１０３とは、隔壁１０１によって隔てられている。なお、エンジンルーム１０２内には、ハイブリッド車ではエンジンと走行モーターが配置される。また、電気自動車では、エンジンルーム１０２内には走行用モーターのみが配置される。本開示では、走行用モーターの配置される空間をエンジンルーム１０２と称する。

　２００は、冷凍サイクル装置を示す。冷凍サイクル装置２００の圧縮機２０１はエンジンルーム１０２内に配置される。圧縮機２０１は通常モーター駆動であるが、ハイブリッド車の場合エンジン駆動とすることも可能である。圧縮機２０１は、モーター等の駆動力を受けて、冷凍装置冷媒を吸入して、圧縮吐出する。冷凍装置冷媒としては、Ｒ１３４ａ若しくはＲ１２３４ｙｆが用いられる。

　エンジンルーム１０２前方で自動車１００の走行風を受ける位置に、凝縮器２０２が配置される。凝縮器２０２は、圧縮機２０１からの高温高圧冷媒と外気とを熱交換して、冷凍装置冷媒を高圧のまま凝縮させる。

　車室１０３内には、膨張弁２０３と蒸発器２０４とが配置される。共に、図示しない自動車空調装置のダクト内に配置されている。膨張弁２０３は、凝縮器２０２で液化した冷凍装置冷媒を断熱膨張させて、低温低圧の霧状にする。蒸発器２０４は自動車空調装置のダクトを流れる空気と熱交換して、冷凍装置冷媒を気化させる。その際、ダクトを流れる空気から気化熱を奪って、空気を冷却する。

　冷却された空気は、ダクトの吹き出し口から車室１０３内の乗員に向けて吹き出される。そして、膨張弁２０３は、蒸発器２０４を通過した冷凍装置冷媒が所定の過熱度を持つように、冷凍装置冷媒の流量を調整している。

　冷凍サイクル装置２００は冷凍装置冷媒配管２０５によって連結されている。従って、圧縮機２０１より吐出した冷凍装置冷媒は、凝縮器２０２、膨張弁２０３、蒸発器２０４を経て、再度圧縮機２０１に吸入される。冷凍装置冷媒配管２０５は、アルミニウム若しくはアルミニウム合金製である。但し、圧縮機２０１の吸入口及び吐出口の部位は、圧縮機２０１の振動を吸収するためゴムホースを用いている。

　３００は沸騰冷却装置を示す。沸騰冷却装置３００は、沸騰部３１０、凝縮部３２０、沸騰部３１０と凝縮部３２０とを結ぶ沸騰装置冷媒配管３３０、及び沸騰装置冷媒配管３３０に配置されるサーモバルブ３４０を備える。沸騰装置冷媒も、冷凍装置冷媒と同じく、Ｒ１３４ａやＲ１２３４ｙｆを用いている。

　沸騰部３１０は、ハイブリッド車の走行用のリチウムイオンバッテリー１１０などの被冷却物から熱を受けて沸騰装置冷媒を気化させる。サーモバルブ３４０は、温度に応じて沸騰装置冷媒配管３３０を開閉する。詳細構造は後述する。

　凝縮部３２０は、冷凍サイクル装置２００の冷凍装置冷媒配管２０５のうち、蒸発器２０４と圧縮機２０１との間のアルミニウム合金製の配管の外周に配置される。凝縮部３２０に配置される冷凍装置冷媒配管２０５は、内径が１７ミリメートル程度、外径が１９ミリメートル程度である。

　図２に示すように、円管状の本体部３２１を備えている。本体部３２１はアルミニウム合金製で、その内径は冷凍装置冷媒配管２０５の外径との間に１～５ミリメートル程度の間隙ができる大きさとなっている（図７図示）。この本体部３２１と冷凍装置冷媒配管との径の差は、封入される冷媒量により異なる。後述する凝縮部３２０の組付けが問題なくできる程度の間隙があればよい。

　また、本体部３２１の長さは２０～４０センチメートル程度である。この本体部３２１の長さは、凝縮部３２０に求められる熱交換能力に応じて定められる。本体部３２１の一端３２１ａは、第１エンドキャップ３２２によって閉じられている。第１エンドキャップ３２２は冷凍装置冷媒配管２０５の周囲にろう付けされており、凝縮部３２０から沸騰装置冷媒が漏洩することはない。

　本体部３２１の他端３２１ｂも第２エンドキャップ３２３によって閉じられている。第１エンドキャップ３２２と同様、冷凍装置冷媒配管２０５の周囲にろう付けされている。かつ、第２エンドキャップ３２３には沸騰装置冷媒配管３３０もろう付けされている。従って、沸騰部３１０で気化した沸騰装置冷媒は沸騰装置冷媒配管３３０を介して凝縮部３２０に流入する。

　なお、図１及び図２に示すように、凝縮部３２０及びこの凝縮部３２０に位置する冷凍装置冷媒配管２０５は、第１エンドキャップ３２２から第２エンドキャップ３２３に向けて、下方に傾斜している。傾斜角度は通常は５度から３０度程度で、凝縮した沸騰装置冷媒が重力によって沸騰部３１０側に還流しやすくしている。ただ、冷凍装置冷媒配管２０５の配置状態により傾斜角度は異なる。極端な例では、冷凍装置冷媒配管２０５が上下方向に配管されている場合、凝縮部３２０は垂直配置となる。

　第１エンドキャップ３２２や第２エンドキャップ３２３に代えて、図３に示すように、本体部３２１の両端を縮管することで、本体部３２１と冷凍装置冷媒配管２０５との間の気密を図ることも可能である。

　この図３の例でも、沸騰装置冷媒配管３３０は、本体部３２１の他端３２１ｂにろう付けしている。図２の例では、沸騰装置冷媒配管３３０を本体部３２１の右側の第２エンドキャップ３２３にろう付けした。これに代えて、図３の例では沸騰装置冷媒配管３３０は本体部３２１の左側の他端３２１ｂにろう付けしている。いずれの例でも、沸騰装置冷媒配管３３０は傾斜した凝縮部３２０の下方となる端部に接続され、その下方側の端部が他端３２１ｂとなる。

　なお、図４に示すように、本体部３２１の一端３２１ａ（及び他端３２１ｂ）を縮管して接合したうえで、冷凍装置冷媒配管２０５との間にＯリング３２５を介在させてもよい。Ｏリング３２５を配置することでシール性能の向上が図れる。

　また、図５に示すように、本体部３２１の縮管に代えて、第１エンドキャップ３２２及び第２エンドキャップ３２３を、ボルト３２６とナット３２７とで、締め付け固定しても良い。第１エンドキャップ３２２及び第２エンドキャップ３２３と冷凍装置冷媒配管２０５との間は、Ｏリング３２５により密閉される。

　更に、図６に示すように、ボルト３２６とナット３２７とで締め付け固定してもよい。この例では、本体部３２１の両端にフランジ３２８が形成されている。ボルト３２６とナット３２７は、フランジ３２８と第１エンドキャップ３２２と、及び、フランジ３２８と第２エンドキャップ３２３とを締め付け固定する。端部の密閉はＯリング３２５によって行われる。

　図２８に示すように、本体部３２１の一端３２１ａの近傍に鍔部３２０１を形成し、また他端３２１ｂの近傍にも鍔部３２０２を形成し、押え板で固定してもよい。一端側の鍔部３２０１は第１エンドキャップ３２２に押え板３２０３を介してボルト３２０４によって固定される。他端の鍔部３２０２も第２エンドキャップ３２３に押え板３２０５を介してボルト３２０６で固定される。この図２８の例も、一端３２１ａと他端３２１ｂの密閉はＯリング３２５によって行う。

　図２８の例では、沸騰装置冷媒配管３３０と第２エンドキャップ３２３とをろう付けではなく、ボルト固定としている。沸騰装置冷媒配管３３０の端部近傍に鍔部３３０１を形成し、この鍔部３３０１を押え板３２０７によって第２エンドキャップ３２３側に押圧し、ボルト３２０８によって固定している。

　また、図２８の例では、第１エンドキャップ３２２及び第２エンドキャップ３２３と冷凍装置冷媒配管２０５との間も、カシメによる機械固定としている。従って、図２８の例ではろう付けを不要としており、組み立てのしやすい構造となっている。

　なお、図５、図６、及び図２８では、第１エンドキャップ３２２と第２エンドキャップ３２３とを強調して記載している。実際には、第１エンドキャップ３２２、第２エンドキャップ３２３は共に、本体部３２１に対して小型軽量化されている。

　本開示では、図７に示すように、凝縮部３２０内の沸騰装置冷媒が直接冷凍装置冷媒配管２０５の外表面に触れることとなる。ここで、冷凍装置冷媒配管２０５の内部には蒸発器２０４を通過した低温低圧の冷凍装置冷媒が流れるので、冷凍装置冷媒配管２０５の温度は、通常は摂氏５度から１０度程度である。そのため、沸騰部３１０に比べて凝縮部３２０の温度を低く保つことが可能となる。

　特に、凝縮部３２０内の沸騰装置冷媒は、上記の通り、冷凍装置冷媒配管２０５に直接触れるので、接触により冷凍装置冷媒配管２０５の表面に凝縮しやすくなる。換言すれば、凝縮部３２０内の沸騰装置冷媒と冷凍装置冷媒配管２０５内の冷凍装置冷媒とは、冷凍装置冷媒配管２０５を挟んで直接熱交換することとなる。その結果、沸騰装置冷媒と冷凍装置冷媒との間の熱伝達は極めて効率的に行うことができる。

　凝縮した液状の沸騰装置冷媒は、その後滴下して本体部３２１の底部３２１ｃを伝わり、次いで、第２エンドキャップ３２３から沸騰装置冷媒配管３３０に流れる。

　なお、冷凍装置冷媒配管２０５のうち、凝縮部３２０に対応する部位には、図８に示すように、外表面に放熱フィン２１０を形成しても良い。放熱フィンはアルミニウム合金製の薄板材であり、レーザ溶接若しくはろう付けで冷凍装置冷媒配管２０５に取り付けられる。図８では省略しているが、放熱フィン２１０を、折り曲げ成型した薄肉板材を圧入やはんだ付けすることも可能である。

　本体部３２１の底部３２１ｃと対向する部位には放熱フィン２１０は形成しない。これは、底部３２１ｃを通過する液化した沸騰装置冷媒の流れが、放熱フィン２１０によって阻害されることが無いようにするためである。もっとも、放熱フィン２１０を本体部３２１の全周に配置することも可能である。全周配置とした方が、放熱フィン２１０の組付けが容易となる場合もある。

　放熱フィン２１０は、図９に示すように、冷凍装置冷媒配管２０５の軸方向と一致する方向に配置してもよい。この場合には、放熱フィン２１０の接合が容易となる。

　一方、図１０に示すように、放熱フィン２１０を冷凍装置冷媒配管２０５の外表面に螺旋状に配置してもよい。この場合には、放熱フィン２１０に凝縮した沸騰装置冷媒を、本体部３２１の底部３２１ｃに向けて流しやすくなる。

　また、放熱フィン２１０に代えて、図１１に示すように、冷凍装置冷媒配管２０５に放熱溝２２０を形成しても良い。放熱溝２２０を形成することで、冷凍装置冷媒配管２０５の内周及び外周の表面積を増やすことができる。

　図１２は、図１１の例の断面図であるが、この断面図に示すように、放熱溝２２０を形成することで、冷凍装置冷媒配管２０５内部を流れる冷凍装置冷媒の流れに乱れを生じさせることができる。冷凍装置冷媒の流れを乱すことで、冷凍装置冷媒と沸騰装置冷媒との間の伝熱効率は向上する。図１２の例では、放熱溝２２０を螺旋状に３条形成している。但し、放熱溝２２０の数は、求められる伝熱性能に応じて、適宜増減可能である。

　図１３の例では、放熱溝２２０を双方向に交わる螺旋状に形成している。ＸＩＶ－ＸＩＶ線に沿う断面図である図１４に示すように、一方向に放熱溝２２０を螺旋状に３条形成し、他方向に同じく螺旋状に３条形成し、双方向では６条放熱溝２２０を形成している。

　放熱溝２２０を双方向に形成することで、冷凍装置冷媒配管２０５の表面積を更に増加させることができる。加えて、双方向に冷凍装置冷媒配管２０５を形成することで、冷凍装置冷媒配管２０５内を流れる冷凍装置冷媒の流れをより乱すことができる。その結果、冷凍装置冷媒と沸騰装置冷媒との熱交換を一層効率的に行うことが可能となる。

　図１５に示すように、沸騰部３１０は被冷却物である車載のリチウムイオンバッテリー１１０と熱的に結合している。より具体的には、図１６に示すように、沸騰部３１０は一対のリチウムイオンバッテリー１１０の間に配置される。沸騰部３１０は、一対のアルミニウム合金製放熱ブロック３１１の間に配置され、放熱ブロック３１１にろう付け固定される。

　リチウムイオンバッテリー１１０と放熱ブロック３１１との間には、ジェル状の熱伝導シート３１２が介在している。熱伝導シート３１２により、リチウムイオンバッテリー１１０からの熱が確実に放熱ブロック３１１に伝達され得るようになっている。

　なお、図１６では放熱ブロック３１１と熱伝導シート３１２とを強調している。実際には、リチウムイオンバッテリー１１０に比べて、放熱ブロック３１１や熱伝導シート３１２の厚さは薄くなっている。具体的には、リチウムイオンバッテリー１１０の幅がそれぞれ１５センチメートル程度である。放熱ブロック３１１は５ミリメートル程度、熱伝導シート３１２は１ミリメートル程度の厚さである。そして、沸騰部３１０の円管は外径が２センチメートル程度である。

　図１５に示すように、沸騰部３１０はリチウムイオンバッテリー１１０に対して傾斜して配置されている。この傾斜角度も、凝縮部３２０と同様、通常は５度から３０度程度である。この傾斜角度は、主にリチウムイオンバッテリー１１０の大きさと形状によって定まる。沸騰部３１０ができる限り広い面積でリチウムイオンバッテリー１１０と接することができるように、傾斜角度を定める。傾斜角度を付けるのは、凝縮部３２０で液化した沸騰装置冷媒を沸騰部３１０の最下方まで導くとともに、沸騰部３１０で気化した沸騰装置冷媒を上方に流すためである。

　なお、沸騰部３１０とリチウムイオンバッテリー１１０との間の熱的結合は、他の材料を用いても良い。図１７の例では、伝熱性能を高めた放熱ゴム３１３が用いられている。

　また、図１６の例ではアルミニウム合金製の放熱ブロック３１１を用いていたが、図１８に示すように、放熱ブロック３１１を廃止しても良い。図１８の例では、沸騰部３１０は熱伝導シート３１２を介して直接リチウムイオンバッテリー１１０に接触している。

　また、沸騰部３１０の伝熱面積を増加させるため、図１９に示すように、沸騰部３１０を扁平管としてもよい。扁平管の扁平面３１０ａが熱伝導シート３１２を介してリチウムイオンバッテリー１１０と接触している。

　更に、図２０に示すように、扁平面３１０ａを広くして、伝熱面積を大きくしても良い。図２０の例では、沸騰部３１０の幅とリチウムイオンバッテリー１１０の幅とが一致している。ただ、図２０の例でも、沸騰部３１０は、下方に向けて傾斜する配置となっている。

　また、図２０の例では、沸騰部３１０内にインナーフィン３１５を配置して、沸騰部３１０での放熱面積を増加させている。このインナーフィン３１５は、気化した沸騰装置冷媒の凝縮部３２０への流れや、液化した沸騰装置冷媒の沸騰部３１０への流れを阻害しない構造となっている。

　リチウムイオンバッテリー１１０はその温度が高くなりすぎても、低くなりすぎても作動効率が落ち、寿命も短くなる。そのため、通常の運転では、摂氏１５度から３５度程度に保つように温度管理するのが望ましい。

　ただ、リチウムイオンバッテリー１１０は高負荷状態で、充電と放電とを繰り返す場合には、自己発熱により、３５度以上となる場合がある。特に夏季でリチウムイオンバッテリー１１０の周囲温度が高い状態では、３５度以上の高温となる恐れが高くなる。

　本開示では、リチウムイオンバッテリー１１０の熱は、熱伝導シート３１２や放熱ブロック３１１を介して、沸騰部３１０に伝熱する。そして、沸騰部３１０で沸騰装置冷媒を気化させることで、沸騰装置冷媒より気化熱を奪い、リチウムイオンバッテリー１１０の冷却がなされる。

　なお、沸騰装置冷媒は、沸騰冷却装置３００内の沸騰部３１０であっても、凝縮部３２０であっても、その圧力自体はさほど変わらない。沸騰装置冷媒配管３３０で連通しているためである。沸騰装置冷媒は専ら重力を利用して、凝縮部３２０で液化した沸騰装置冷媒を下方の沸騰部３１０に還流させ、沸騰部３１０で気化した沸騰装置冷媒を上方の凝縮部３２０に流す。

　上述したとおり、自動車空調装置の作動時であれば凝縮部３２０の温度は摂氏５度から１０度程度である。特に本開示の凝縮部３２０は、冷凍装置冷媒との熱交換が効率的に行え、沸騰装置冷媒の凝縮を確実に行うことができる。しかも、夏季でリチウムイオンバッテリー１１０の温度が３５度以上となる際には、沸騰部３１０と凝縮部３２０との間には充分な温度差が生じている。そのため、リチウムイオンバッテリー１１０の冷却が必要とされる状況では、その冷却を確実に行うことができる。

　このように、上述の開示では、夏季等でリチウムイオンバッテリー１１０の冷却が必要となる状況では、効率的にリチウムイオンバッテリー１１０を冷却することができる。ただ、冬季等の周囲温度が低い場合には、リチウムイオンバッテリー１１０の温度は１５度以上に保つ必要がある。本開示は、凝縮部３２０の熱交換効率が良い結果、リチウムイオンバッテリー１１０の温度が低い場合には、過剰冷却となる恐れもある。

　そこで、過剰冷却の恐れがある場合には、沸騰装置冷媒配管３３０に配置したサーモバルブ３４０を作動させる。サーモバルブ３４０の構成を、図２１に示す。図に示すように、沸騰装置冷媒配管３３０には内方に向けて円周状の凸部３３１が形成されている。そして、この凸部３３１にサーモバルブ３４０の円環状の固定爪３４１が係合している。

　サーモバルブ３４０は、固定爪３４１の両側に円盤状の上側バネ受け３４４及び下側バネ受け３４２が形成されている。上側バネ受け３４４、固定爪３４１及び下側バネ受け３４２は連結部３４３によって連結されている。なお、連結部３４３には、図２４に示すように、窓３４３ａが大きく形成されており、沸騰装置冷媒は連結部３４３を通過可能となっている。

　円環状をした固定爪３４１の内周には弁座３４５がテーパ状に形成されている。そして、弁体３４６のＯリング保持溝３４７に保持されたＯリング３４８が、弁座３４５に当接可能となっている。弁体３４６と上側バネ受け３４４との間には圧縮バネ３４９が配置され、圧縮バネ３４９は弁体３４６を弁座３４５側に付勢している。

　Ｏリング３４８は弁座３４５と弁体３４６との間のシールを行う上で望ましいが、廃止も可能である。弁体３４６が金属製の場合メタルシールを用いることが可能であり、弁体３４６が樹脂製の場合樹脂の弾力性を利用することも可能である。

　弁体３４６と下側バネ受け３４２との間には、形状記憶合金製バネ３５０が配置されている。この形状記憶合金製バネ３５０は、温度が低い時、例えば、１５度以下では縮んで押圧力を発生させない。ただ、周囲温度が高くなり、例えば、２０度以上となると形状記憶合金製バネ３５０が延びて、圧縮バネ３４９の圧縮力に逆らって弁体３４６を弁座３４５から引き離す。

　中空パイプ３５１は、弁体３４６と一体に移動する。中空パイプ３５１は、上側バネ受け３４４の中心穴３４４ａ及び下側バネ受け３４２の中心穴３４２ａによってガイドされて、上下動する。

　なお、固定爪３４１、上側バネ受け３４４、下側バネ受け３４２、連結部３４３及び弁体３４６は、沸騰装置冷媒との相性を考慮した樹脂材料を用いている。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリイミドや、ポリアセタール等がある。

　図２１の例では、サーモバルブ３４０を沸騰装置冷媒配管３３０の凸部３３１に固定した。これに代えて、図２５に示すように、沸騰装置冷媒配管３３０を二分して、サーモバルブ３４０を沸騰装置冷媒配管３３０の端部から挿入してもよい。サーモバルブ３４０と沸騰装置冷媒配管３３０の端部とは、互いにろう付け接合されている。

　サーモバルブ３４０は、アルミニウム合金製のバルブ本体部３４００を備え、弁座３４５はこのバルブ本体部３４００に形成される。また、バルブ本体部３４００の内周には雌ネジ３４０１が形成されており、上側バネ受け３４４及び下側バネ受け３４２外周の雄ネジ３４０２（図２６図示）と螺合する。従って、図２５の例では、バルブ本体部３４００が連結部を構成する。

　なお、バルブ本体部３４００は他の金属製としてもよく、樹脂製としてもよい。また、沸騰装置冷媒配管３３０との接続は、図示しないが、ネジ止め、カシメ固定等で接合してもよい。その場合には、サーモバルブ３４０と沸騰装置冷媒配管３３０の端部との間はＯリングによりシールする。

　バルブ本体部３４００と上側バネ受け３４４及び下側バネ受け３４２との結合も雌ネジ３４０１と雄ネジ３４０２との螺合には限らない。係止肩部に当接させるようにしてもよく、Ｃリングで固定してもよい。

　また、図２１の例では形状記憶合金製バネ３５０を採用したが、代わりにサーモワックスを使用してもよい。図２７に示すように、サーモワックスは円筒形状容器３４１０内に配置される。円筒形状容器３４１０は蛇腹部を有しており、軸方向（図２７の上下方向）には変形可能となっている。サーモワックスは所定温度、例えば２０度で体積が急増して、弁体３４６を弁座３４５から離間するよう持ち上げる。

　次に、このサーモバルブ３４０の作動を説明する。冬季等で周囲温度が低い場合、形状記憶合金製バネ３５０は縮み、付勢力は発生しない。そのため、弁体３４６は圧縮バネ３４９によって弁座３４５側に押圧され、Ｏリング３４８が弁座３４５に当接する。

　この状態でも、沸騰部３１０で気化した沸騰装置冷媒は中空パイプ３５１の内部を通って凝縮部３２０側に向かう。一方、凝縮部３２０で液状の沸騰装置冷媒は、重力によって下方に滴下してくるが、その移動は弁座３４５に当接したＯリング３４８によって阻まれる。その結果、図２２に示すように、液状の沸騰装置冷媒が沸騰装置冷媒配管３３０内に貯められる。

　換言すれば、沸騰装置冷媒配管３３０や中空パイプ３５１は、弁座３４５がＯリング３４８によって閉じられた際に、液状の沸騰装置冷媒を貯めるのに必要な長さを有している。リチウムイオンバッテリー１１０の大きさによっても異なるが、一般に、沸騰冷却装置３００内には１００グラム程度の沸騰装置冷媒が封入されている。

　そのため、沸騰装置冷媒配管３３０の内径にもよるが、液化した沸騰装置冷媒が弁座３４５の上方に数十センチメートル程度溜まることもある。その場合、中空パイプ３５１の長さは、弁座３４５の上方に更に伸びる必要がある。何故なら、中空パイプ３５１の上方向端面３５１ａが液面より低くなると、液化した沸騰装置冷媒が中空パイプ３５１を通って沸騰部３１０に漏れるからである。

　ただ、本開示では、中空パイプ３５１は、上側バネ受け３４４の中心穴３４４ａ及び下側バネ受け３４２の中心穴３４２ａによってガイドされている。そのため、中空パイプ３５１の長さが長くなっても、沸騰装置冷媒配管３３０内で確実に保持される。加えて、中空パイプ３５１は保持された状態で、上下方向の円滑な移動が可能である。

　このように、本開示では雰囲気温度が低い場合は、沸騰装置冷媒の全てを液の状態で沸騰装置冷媒配管３３０内に貯めておくことができる。その結果、沸騰部３１０はドライアウトした状態となって、内部に液化した沸騰装置冷媒は存在しなくなる。そして、液状の沸騰装置冷媒が存在しない結果、沸騰部３１０ではリチウムイオンバッテリー１１０を冷却することができなくなる。

　即ち、雰囲気温度が低い状態では、リチウムイオンバッテリー１１０の冷却がなされず、リチウムイオンバッテリー１１０は自己発熱により１５度以上の温度に維持される。

　本開示では、中空パイプ３５１を用いて沸騰部３１０内で気化した沸騰装置冷媒を確実に凝縮部３２０側に流せるようにしている点に特徴がある。単純にサーモバルブ３４０によって沸騰装置冷媒配管３３０を開閉するのみでは、本開示の作用は達成できない。即ち、単純に低温雰囲気時に沸騰装置冷媒配管３３０を閉じたのでは、サーモバルブ３４０と沸騰部３１０との間に残った沸騰装置冷媒が、サーモバルブ３４０と沸騰部３１０との間を循環してしまう。この沸騰装置冷媒の循環によって、沸騰装置冷媒が沸騰部３１０で気化し、リチウムイオンバッテリー１１０を冷却してしまうこととなる。

　それに対し、本開示では、中空パイプ３５１を用いて沸騰部３１０から気化した沸騰装置冷媒を凝縮部３２０側に逃がすことができる。その結果、沸騰部３１０をドライアウトさせることができて、リチウムイオンバッテリー１１０の冷却を確実に止めることができる。

　雰囲気温度が高くなり、リチウムイオンバッテリー１１０の冷却が必要となった状態では、図２３に示すように、形状記憶合金製バネ３５０やサーモワックスが伸びる。その結果、圧縮バネ３４９の圧縮力に反して弁体３４６を押し上げ、Ｏリング３４８は弁座３４５から離れる。そのため、沸騰装置冷媒配管３３０内の液状の沸騰装置冷媒は、重力によって下方に流れることができる。

　リチウムイオンバッテリー１１０を長寿命化し、かつ、効率よく作動させるためには、温度を１５度から３０度に保つことが求められる。本例では形状記憶合金製バネ３５０やサーモワックスの雰囲気温度が２０度以上の場合に液状の沸騰装置冷媒を供給して、沸騰部３１０での冷却を開始している。ただ、リチウムイオンバッテリー１１０の温度とサーモバルブ３４０の雰囲気温度との関係は、サーモバルブ３４０の配置位置によっても異なる。よって、形状記憶合金製バネ３５０やサーモワックスが変形する温度は適宜選択する必要がある。

　弁体３４６が開いた際、沸騰部３１０からの気化した沸騰装置冷媒は、中空パイプ３５１を通って上方に向かう流れと、弁座３４５と弁体３４６との間から上方に向かう流れとの双方となる。

　従って、雰囲気温度が高くなった状態では、沸騰装置冷媒の循環流れが形成される。循環流れは、凝縮部３２０で液化した沸騰装置冷媒が重力によって下方の沸騰部３１０に向かう流れを含む。循環流れは、沸騰部３１０で気化した沸騰装置冷媒が上方の凝縮部３２０に向かう流れを含む。これにより、リチウムイオンバッテリー１１０の冷却が確実になされ、リチウムイオンバッテリー１１０を３５度以下の適温に保つことができる。

　なお、上述したのは本開示の望ましい例であるが、本開示は以下に説明するように、多数の変形例がある。

　本開示の沸騰冷却装置３００は、リチウムイオンバッテリー１１０と共に、若しくはリチウムイオンバッテリー１１０に代えて、他の被冷却物の冷却を行うことが可能である。他の被冷却物としては、バッテリーの充電、放電を制御するＥＣＵ等がある。

　本開示は沸騰冷却装置３００の凝縮部３２０の冷却に低温の冷凍装置冷媒を用いることが前提であるが、冷凍サイクル装置２００が停止している状態もあり得る。その場合には、ファン３４２０（図１）を用いて、空気を凝縮部３２０に当てることで、冷却を行う。冷凍サイクル装置２００が停止している場合の凝縮部３２０の凝縮性能を向上させるため、凝縮部３２０や凝縮部３２０近傍の沸騰装置冷媒配管３３０の外周にフィンを形成しても良い。ファン３４２０からの風による凝縮部３２０での冷却を効率的に行うことができる。

　本開示の沸騰冷却装置３００は、サーモバルブ３４０と共に用いるのが望ましいが、サーモバルブ３４０は廃止してもよい。特に、被冷却物の発熱量が多く、過剰冷却が問題とならない使用例では、サーモバルブ３４０は不要となる。

　本開示の沸騰冷却装置３００は、重力によって液化した沸騰装置冷媒を下方に流す、いわゆるサーモサイフォンとしているが、ヒートパイプを採用することも可能である。ヒートパイプの場合には、沸騰装置冷媒配管３３０の内面にウィックを配置して、毛細管現象によって沸騰装置冷媒を循環させることとなる。この場合、必ずしも凝縮部３２０を沸騰部３１０の上方に配置する必要はない。但し、ヒートパイプを採用した場合であっても、凝縮部３２０を沸騰部３１０の上方に配置することは望ましい。

　本開示の沸騰冷却装置３００は、沸騰部３１０と凝縮部３２０との間を沸騰装置冷媒が循環するループ形式としてもよい。図２９に示すように、沸騰装置冷媒配管３３０を、気化した沸騰装置冷媒の配管３３５と液化した沸騰装置冷媒の配管３３６との２本とする。そして、気化した沸騰装置冷媒の配管３３５は沸騰部３１０の上方部と凝縮部３２０の上方部とを結び、液化した沸騰装置冷媒の配管３３６は凝縮部３２０の下方部と沸騰部３１０とを結ぶ。サーモバルブ３４０を配置する場合は、液化した沸騰装置冷媒の配管３３６に配置する。

　ループ式とする場合には、沸騰部３１０は上方向に５度から３０度程度傾斜するようにする。この場合も、傾斜角度はリチウムイオンバッテリー１１０の大きさや形状によって変更される。傾斜角度を上方向とすることで、気化した沸騰装置冷媒が沸騰装置冷媒配管３３０を介して凝縮部３２０の上側部分（一端３２１ａ）に還流しやすくなる。

　本開示の沸騰冷却装置３００は、冷凍サイクル装置２００と共に用いられるが、冷凍サイクル装置２００は必ずしも自動車空調装置である必要はない。発熱部材の冷却を行う装置であってもよい。また、冷凍サイクル装置２００は、必ずしも蒸気圧縮式冷凍サイクル装置である必要はなく、超臨界を用いた冷凍サイクル装置であってもよい。

Claims

　冷凍装置冷媒を吸入、圧縮、吐出する圧縮機と、この圧縮機から吐出された高温高圧の前記冷凍装置冷媒を凝縮する凝縮器と、この凝縮器で凝縮した高圧の前記冷凍装置冷媒を断熱膨張させる膨張弁と、この膨張弁を通過した低温低圧の前記冷凍装置冷媒を蒸発させる蒸発器と、前記圧縮機、前記凝縮器、前記膨張弁、及び前記蒸発器を繋いで前記冷凍装置冷媒を循環させる冷凍装置冷媒配管とを備える冷凍サイクル装置とともに用いる沸騰冷却装置であって、
　前記沸騰冷却装置は、
　被冷却物と熱的に接触して、被冷却物の熱を受けて沸騰装置冷媒を気化させる沸騰部と、
　前記沸騰装置冷媒を液化させる凝縮部と、
　前記沸騰部とこの凝縮部とを繋ぐ沸騰装置冷媒配管とを備え、
　前記凝縮部は、管形状をしており、内部を前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管が貫通することを特徴とする沸騰冷却装置。
　前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管の外表面の内、前記沸騰冷却装置の前記凝縮部に配置される部位には、放熱フィンが形成されていることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
　前記放熱フィンは、前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管の外表面に、軸方向と並行に形成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。
　前記放熱フィンは、前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管の外表面に、螺旋状に形成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。
　前記放熱フィンは、前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管の外表面のうち、下方部分を除いて形成されていることを特徴とする請求項２ないし４いずれか記載の沸騰冷却装置。
　前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管の内、前記沸騰冷却装置の前記凝縮部に配置される部位は、放熱溝が形成されていることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
　前記放熱溝は、螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項６記載の沸騰冷却装置。
　前記放熱溝は、一方向の螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項７記載の沸騰冷却装置。
　前記放熱溝は、双方向の螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項７記載の沸騰冷却装置。
　前記凝縮部は、前記沸騰部より上方に配置されていることを特徴とする請求項１ないし９いずれか記載の沸騰冷却装置。
　前記凝縮部、及び前記冷凍サイクル装置の前記蒸発器と前記圧縮機とを繋ぐ前記冷凍装置冷媒配管の内、前記沸騰冷却装置の前記凝縮部に配置される部位は、前記沸騰部に向けて下方に傾斜していることを特徴とする請求項１０記載の沸騰冷却装置。
　前記沸騰部は、前記凝縮部に向けて上方に傾斜していることを特徴とする請求項１０記載の沸騰冷却装置。