JP3651081B2

JP3651081B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP3651081B2
Application number: JP25970295A
Authority: JP
Inventors: 茂門田; 隆古川; 清司川口; 鈴木　　昌彦; 兼二山田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1995-10-06
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2015-10-06
Also published as: JPH09102691A; US5823248A

Description

【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、１６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１５、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２９、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３３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）

Claims

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。