JPH1074873A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構造が簡単で低コストで冷媒が循環できる構
造の沸騰冷却装置１を提供すること。 【解決手段】 放熱器４は、複数の冷媒凝縮管９と放熱
用フィン１０から成り、冷媒槽３の両側に配置されてい
る。冷媒凝縮管９は、Ｕ字状に曲げられて、その両開口
端９ａ、９ｂが冷媒槽３の連通室８を形成する槽本体５
の壁面に開けられた丸孔に挿通されて連通室８に開口
し、冷媒槽３とともに一体ろう付けされている。但し、
この冷媒凝縮管９は、一方の開口端９ａと他方の開口端
９ｂとの位置関係が冷媒槽３の上下方向であり、且つ上
方に位置する一方の開口端９ａの方が下方に位置する他
方の開口端９ｂより開口断面積（管径）が大きくなって
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、冷媒の沸騰と凝縮
の繰り返しによる熱伝達によって発熱体を冷却する沸騰
冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、特開平３−２８３４５
４号公報に開示された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷
却装置は、放熱器のタンク内を冷媒槽で沸騰気化した蒸
気冷媒が流入する第１区分室と、放熱器で冷却されて液
化した凝縮液が流入する第２区分室とに区画するととも
に、この第２区分室から冷媒槽の底部まで凝縮液を導く
リターンパイプを設けている。これにより、冷媒槽から
放熱器へ向かう蒸気冷媒に影響されることなく、放熱器
で液化した凝縮液をリターンパイプで冷媒槽へ供給でき
るため、装置内を冷媒が円滑に循環して放熱性能を向上
できる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の構造
では、放熱器にタンクを設けて、そのタンク内を第１区
分室と第２区分室とに区画し、且つ第２区分室から冷媒
槽の底部までリターンパイプを設けているため、構造が
複雑で製品価格が高くなってしまう。また、冷媒槽と放
熱器とを連結する連結管の内部にリターンパイプを通す
必要があるため、気密性が重視される沸騰冷却装置にお
いては極めて製造が困難である。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、構造が簡単で低
コストで冷媒が循環できる構造の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の手段によれ
ば、一方の開口端が冷媒槽の連通室に開口し、他方の開
口端が一方の開口端より下方で連通室に開口する冷媒凝
縮管を有し、その冷媒凝縮管は、一方の開口端の開口断
面積より他方の開口端の開口断面積の方が小さいことを
特徴とする。これにより、冷媒槽で発熱体の熱を受けて
沸騰気化した蒸気冷媒は、他方の開口端より開口断面積
の大きい（即ち流入抵抗が小さい）一方の開口端から冷
媒凝縮管へ流入し、管内を流れる際に凝縮液化して他方
の開口端から連通室へ流出し、そのまま下方へ落下して
液冷媒に供給される。本発明によれば、冷媒凝縮管の一
方の開口端より他方の開口端の開口断面積を小さくする
だけの簡単な構成によって冷媒の循環流を形成できるた
め、高性能な沸騰冷却装置を安価に提供できる。

【０００５】請求項２の手段によれば、冷媒槽の連通室
に設けた仕切板によって連通室を冷媒凝縮管の一方の開
口端が開口する上部領域と冷媒凝縮管の他方の開口端が
開口する下部領域とに仕切るとともに、冷媒凝縮管から
上部領域へ流出した凝縮液を仕切板より下方へ供給でき
る冷媒供給口を有している。これにより、冷媒槽で発熱
体の熱を受けて沸騰気化した蒸気冷媒は、連通室の下部
領域に開口する他方の開口端から冷媒凝縮管へ流入し、
管内を流れる際に凝縮液化して一方の開口端から上部領
域へ流出した後、冷媒供給口を通って仕切板より下方へ
落下して液冷媒に供給される。本発明によれば、冷媒槽
の連通室に仕切板と冷媒供給口を設けるだけの簡単な構
成によって冷媒の循環流を形成できるため、高性能な沸
騰冷却装置を安価に提供できる。

【０００６】請求項３の手段によれば、冷媒凝縮管は、
液化した凝縮液が冷媒槽の連通室へ向かって流れる液通
路部を有し、この液通路部が連通室へ向かって下方へ傾
斜している。これにより、凝縮液が冷媒凝縮管（液通路
部）から連通室へ流出できる範囲内で沸騰冷却装置を傾
けて設置することもできる。

【０００７】

【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は沸騰冷却装置の側面図、図２は沸
騰冷却装置の正面図である。本実施例の沸騰冷却装置１
は、冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによる熱伝達によって
発熱体２を冷却するもので、冷媒槽３、放熱器４、及び
冷却ファン（図示しない）から構成される。発熱体２
は、例えば電気自動車や一般電力制御機器のインバータ
回路を構成するＩＧＢＴモジュールであり、発熱体２の
放熱面が冷媒槽３の外壁面に密着した状態でボルト（図
示しない）の締め付けにより冷媒槽３に固定されてい
る。

【０００８】冷媒槽３は、両端が開口する中空形状の槽
本体５と、この槽本体５の両端開口面を閉塞する一対の
エンドキャップ６から成り、内部に冷媒（例えばフロロ
カーボン）が封入されている。槽本体５は、例えばアル
ミニウム製の押出材が使用されて、横幅に対して厚み幅
の薄い偏平形状に設けられている。エンドキャップ６
は、槽本体５と同様にアルミニウム製で、ろう付け等に
より槽本体５の開口端面に気密に接合されている。な
お、上側のエンドキャップ６には、冷媒槽３内へ冷媒を
注入した後、封止される封入パイプ７が取り付けられて
いる。冷媒槽３に封入される冷媒量は、図１に示す様に
冷媒槽３の２／３程度であり、冷媒（液冷媒）の上部に
は、発熱体２の熱を受けて沸騰気化した蒸気冷媒で満た
される空間（以後、連通室８と言う）が確保されてい
る。

【０００９】放熱器４は、複数の冷媒凝縮管９と放熱用
フィン１０から成り、冷媒槽３の両側に配置されている
（図１参照）。冷媒凝縮管９は、外面にろう材をクラッ
ドしたアルミニウム製のクラッド管で、両開口端９ａ、
９ｂが同一方向を向く様にＵ字状に曲げられ、放熱用フ
ィン１０が取り付けられた後、両開口端９ａ、９ｂが連
通室８を形成する槽本体５の壁面に空けられた丸孔（図
示しない）に挿通されて連通室８に開口し、冷媒槽３と
ともに一体ろう付けされる。但し、この冷媒凝縮管９
は、一方の開口端９ａと他方の開口端９ｂの位置関係が
冷媒槽３の上下方向であり、且つ上方に位置する一方の
開口端９ａの方が下方に位置する他方の開口端９ｂより
開口断面積（管径）が大きくなっている（図２参照）。
なお、管径の変化は、Ｕ字状の折り曲がり部９Ａに設定
されている。つまり、この冷媒凝縮管９は、管径が変化
するＵ字状の折り曲がり部９Ａと、一方の開口端９ａか
らＵ字状の折り曲がり部９Ａに至る管径の太い直線部分
から成る蒸気通路部９Ｂと、他方の開口端９ｂからＵ字
状の折り曲がり部９Ａに至る管径の細い直線部分から成
る液通路部９Ｃとから構成される。

【００１０】放熱用フィン１０は、アルミニウム製で平
面形状が矩形状（図２参照）の薄板から成り、冷媒凝縮
管９の蒸気通路部９Ｂと液通路部９Ｃとを通す大小２個
の丸孔（図示しない）が冷媒凝縮管９の本数分だけ空け
られている。冷媒凝縮管９に取り付けられた複数の放熱
用フィン１０は、図１に示す様に、相互に一定の間隔を
保って配置されている。冷却ファンは、放熱器４に送風
するもので、放熱器４に対して送風方向が略垂直方向
（上方から下方へ）となる様に放熱器４の上方に配置さ
れている。

【００１１】次に、本実施例の作動を説明する。発熱体
２から発生した熱が伝わって沸騰した冷媒は、気泡とな
って冷媒槽３内を上昇し、冷媒槽３の連通室８から冷媒
凝縮管９へ流入する。この時、冷媒凝縮管９は、一方の
開口端９ａの方が他方の開口端９ｂより開口断面積が大
きく流入抵抗が小さいことから、連通室８の蒸気冷媒
は、主に一方の開口端９ａから冷媒凝縮管９へ流入す
る。冷媒凝縮管９へ流入した蒸気冷媒は、管内を流れる
際に凝縮潜熱を放出して凝縮液化し、液滴となった凝縮
液が他方の開口端９ｂから連通室８へ流出し、そのまま
下方へ落下して液冷媒に供給される（冷媒の流れを図１
に矢印で示す）。一方、冷媒凝縮管９で蒸気冷媒が凝縮
する際に放出した凝縮潜熱は、冷媒凝縮管９の管壁から
放熱用フィン１０へ伝わり、冷却ファンによって送風さ
れる空気中へ放出される。

【００１２】（第１実施例の効果）本実施例によれば、
蒸気冷媒は一方の開口端９ａより冷媒凝縮管９へ流入
し、凝縮液は他方の開口端９ｂより連通室８へ流出でき
る。つまり、冷媒凝縮管９を流れる冷媒の流通方向が一
方向となる。また、冷媒槽３は、厚み幅に対して横幅
（図２の左右方向の幅）が十分大きいため、冷媒凝縮管
９で凝縮された凝縮液が冷媒槽３の底部まで十分供給さ
れる。これにより、冷媒槽３と放熱器４（冷媒凝縮管
９）とを冷媒が良好に循環できるため、放熱性能に優れ
た沸騰冷却装置１を提供できる。また、リターンパイプ
等を必要とする従来装置と比較して、本実施例では、冷
媒凝縮管９の一方の開口端９ａより他方の開口端９ｂの
開口断面積を小さくするだけの簡単な構成によって冷媒
の循環流を形成できるため、高性能な沸騰冷却装置１を
安価に提供できる。

【００１３】（第２実施例）図３は沸騰冷却装置１の側
面図である。本実施例は、冷媒凝縮管９を冷媒槽３（連
通室８）に対して上下２段に取り付けた一例を示すもの
である。この場合も、上段の冷媒凝縮管９及び下段の冷
媒凝縮管９ともに、開口断面積の大きい一方の開口端９
ａから蒸気冷媒が流入し、開口断面積の小さい他方の開
口端９ｂから凝縮液が流出して、それぞれ冷媒の循環流
を形成できる。

【００１４】（第３実施例）図４は沸騰冷却装置１の側
面図、図５は放熱用フィン１０の形状を示す平面図であ
る。本実施例は、針状（短冊状）に形成された放熱用フ
ィン１０を用いた一例を示すものである。

【００１５】（第４実施例）図６は沸騰冷却装置１の側
面図である本実施例は、放熱器４に対する冷却ファンの
送風方向を略水平方向とした場合の一例を示すものであ
る。この場合、冷媒凝縮管９の一方の開口端９ａと他方
の開口端９ｂとの上下方向の間隔を大きく取って、複数
の放熱用フィン１０を冷媒凝縮管９に対して上下方向に
一定の間隔を保って配置している。なお、冷媒凝縮管９
の上下方向に延びる部分（放熱用フィン１０が取り付け
られる部分）は、一方の開口端９ａと同じ管径に設定さ
れている。

【００１６】（第５実施例）図７は沸騰冷却装置１の側
面図である。本実施例は、発熱体２が冷媒槽３の内部に
配置された一例を示すものである。この場合、発熱体２
の熱が冷媒槽３の壁面を介さず直接冷媒に伝わるため、
熱伝達が良く冷却性能に優れた沸騰冷却装置１を提供で
きる。

【００１７】（第６実施例）図８は沸騰冷却装置１の側
面図である。本実施例は、冷媒槽３に対して冷媒凝縮管
９を傾斜して取り付けた一例を示すものである。冷媒凝
縮管９は、図８に示す様に、蒸気通路部９Ｂと液通路部
９Ｃがそれぞれ一方の開口端９ａ及び他方の開口端９ｂ
より斜め上方へ向かって延びている。これにより、凝縮
液が液通路部９Ｃを連通室８へ向かって流れやすくなる
ため、凝縮液が冷媒凝縮管９内に溜まることもなく、冷
媒の循環がより良好に行われる。また、この場合、沸騰
冷却装置１を前方あるいは後方へ傾けて設置しても、液
通路部９Ｃが略水平方向となるまでは凝縮液が冷媒槽３
に戻ることができるため、冷媒槽３の片側に配置された
冷媒凝縮管９が使用できなくなる様な事態を防ぐことが
できる。なお、蒸気通路部９Ｂは傾斜していなくても同
様の効果を得ることはできる。

【００１８】（第７実施例）図９は沸騰冷却装置１の側
面図、図１０は沸騰冷却装置１の正面図である。本実施
例は、連通室８に仕切板１１を設けて、この仕切板１１
により冷媒の流れを制御することで循環流を形成する一
例を示すものである。仕切板１１は、図１０に示す様
に、一方の開口端９ａが接続された部位と他方の開口端
９ｂが接続された部位との間に設けられて、連通室８を
一方の開口端９ａが開口する上部領域８ａと他方の開口
端９ｂが開口する下部領域８ｂとに仕切っている。但
し、仕切板１１は、図１０に示す様に傾斜して取り付け
られており、その下方側端部には、上部領域８ａと下部
領域８ｂとを連通して上部領域８ａの凝縮液を下方へ供
給できる冷媒供給口１２が設けられている。

【００１９】本実施例によれば、発熱体２の熱を受けて
沸騰気化した蒸気冷媒が仕切板１１より下側の下部領域
８ｂから必然的に他方の開口端９ｂを通って冷媒凝縮管
９へ流入し、管内を流れる際に凝縮液化し、凝縮液とし
て一方の開口端９ａより上部領域８ａへ流出する。流出
した凝縮液は、傾斜して取り付けられた仕切板１１に沿
って流れ、冷媒供給口１２を通って下方へ落下し、冷媒
槽３内の液冷媒に供給される。本実施例の場合、仕切板
１１によって冷媒の流れを制御して循環流を形成できる
ため、冷媒凝縮管９は一方の開口端９ａから他方の開口
端９ｂまで同一の管径で良い（図９参照）。

【００２０】（第８実施例）図１１は沸騰冷却装置１の
正面図である。本実施例は、第６実施例に示した構成に
加えて、冷媒槽３に凝縮液通路３ａを設けた一例を示す
ものである。冷媒槽３は、冷媒供給口１２の下方に凝縮
液を流入させる凝縮液通路３ａが設けられて、発熱体２
の取付け部位に対応する沸騰領域３ｂと通路壁３ｃによ
って仕切られている。なお、通路壁３ｃは、槽本体５を
押出成形する際に同時に設けることができる。但し、通
路壁３ｃの下端面とエンドキャップ６との間には、凝縮
液通路３ａと沸騰領域３ｂとを連通する隙間３ｄが設け
られている。上記の構成により、冷媒供給口１２を通っ
て落下した凝縮液は、そのまま凝縮液通路３ａへ流入し
て凝縮液通路３ａを流下し、通路壁３ｃとエンドキャッ
プ６との隙間３ｄを通って沸騰領域３ｂへ供給される。
この様に、冷媒槽３内でも蒸気冷媒と凝縮液とが衝突す
ることなく良好な循環流が得られるため、より放熱性能
を向上できる。

【００２１】（第９実施例）図１２は沸騰冷却装置１の
側面図、図１３は図１２のＡ部拡大図である。本実施例
は、冷媒凝縮管９を断面形状が偏平な偏平管を使用する
とともに、放熱用フィン１０としてコルゲートフィンを
用いた一例を示すものである。冷媒凝縮管９（偏平管）
は、一方の開口端９ａと他方の開口端９ｂとの間が蛇行
状に屈曲して設けられ、一方の開口端９ａより下方に位
置する他方の開口端９ｂを開口断面積が小さくなる様に
変形させて冷媒槽３（連通室８）に接続されている（図
１３参照）。放熱用フィン１０は、蛇行状に屈曲する偏
平管同士の間に介在されて、ろう付けにより管壁面に接
合されている。

【図面の簡単な説明】

【図１】沸騰冷却装置の側面図（一部断面を含む）であ
る（第１実施例）。

【図２】沸騰冷却装置の正面図である（第１実施例）。

【図３】沸騰冷却装置の側面図である（第２実施例）。

【図４】沸騰冷却装置の側面図である（第３実施例）。

【図５】放熱用フィンの形状を示す平面図である（第３
実施例）。

【図６】沸騰冷却装置の側面図（一部断面を含む）であ
る（第４実施例）。

【図７】沸騰冷却装置の側面図（一部断面を含む）であ
る（第５実施例）。

【図８】沸騰冷却装置の側面図（一部断面を含む）であ
る（第６実施例）。

【図９】沸騰冷却装置の側面図（一部断面を含む）であ
る（第７実施例）。

【図１０】沸騰冷却装置の正面図（一部断面を含む）で
ある（第７実施例）。

【図１１】沸騰冷却装置の正面図（一部断面を含む）で
ある（第８実施例）。

【図１２】沸騰冷却装置の側面図（一部断面を含む）で
ある（第９実施例）。

【図１３】図１２のＡ部拡大断面図である（第９実施
例）。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 ２ 発熱体 ３ 冷媒槽 ４ 放熱器 ８ 連通室 ８ａ 上部領域 ８ｂ 下部領域 ９ 冷媒凝縮管 ９Ｃ 液通路部 １１ 仕切板 １２ 冷媒供給口

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによる熱伝達
   によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、 液冷媒を収容するとともに、その液冷媒の上方に連通室
   を有する冷媒槽と、 一方の開口端が前記冷媒槽に接続されて前記連通室に開
   口し、他方の開口端が前記一方の開口端より下方で前記
   冷媒槽に接続されて前記連通室に開口する冷媒凝縮管を
   有し、この冷媒凝縮管に流入した蒸気冷媒の熱を放出す
   る放熱器とを備え、 前記冷媒凝縮管は、前記一方の開口端の開口断面積より
   前記他方の開口端の開口断面積の方が小さいことを特徴
   とする沸騰冷却装置。
2. 【請求項２】冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによる熱伝達
   によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、 液冷媒を収容するとともに、その液冷媒の上方に連通室
   を有する冷媒槽と、 一方の開口端が前記冷媒槽に接続されて前記連通室に開
   口し、他方の開口端が前記一方の開口端より下方で前記
   冷媒槽に接続されて前記連通室に開口する冷媒凝縮管を
   有し、この冷媒凝縮管に流入した蒸気冷媒の熱を放出す
   る放熱器とを備え、 前記冷媒槽は、前記連通室を前記一方の開口端が開口す
   る上部領域と前記他方の開口端が開口する下部領域とに
   仕切る仕切板を設けるとともに、前記冷媒凝縮管から前
   記上部領域へ流出した凝縮液を前記仕切板より下方へ供
   給できる冷媒供給口を有していることを特徴とする沸騰
   冷却装置。
3. 【請求項３】前記冷媒凝縮管は、液化した凝縮液が前記
   連通室へ向かって流れる液通路部を有し、この液通路部
   が前記連通室へ向かって下方へ傾斜していることを特徴
   とする請求項１または２記載の沸騰冷却装置。