JPH08313178A - 熱交換器用蒸発器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型の熱交換器の熱交換性能を向上させ
る。 【構成】 第１に、熱交換器用蒸発器の内部に、熱交
換用流体の液面より上方位置に、多孔板６を配置し、多
孔板６の多孔板下方に液戻し口３ａを配置し、多孔板６
の上方に蒸気口２ａを配置する。第２に、蒸発器底面部
に熱交換用流体を受ける液戻り領域７と該領域に連続し
た分配領域８とを確保し、他領域に、互いに間隙を有す
る多数の突条を並設し、前記間隙からなる多数の溝を分
配領域に連通させる。 【効果】 熱交換用流体の沸騰により発生する飛沫の
悪影響を多孔板で排除して熱交換性能を向上させ、また
突条間の溝や領域の確保によって流体の均一化を図り、
熱交換性能を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱交換用流体の蒸発お
よび凝縮を伴って熱の交換が行われる熱交換器の蒸発器
に関するものであり、特にサイリスタ、パワートランジ
スタ等の電気部品の冷却に好適な小型の熱交換器用蒸発
器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】サイリスタ、パワートランジスタ等の電
気部品は所定の回路に組み込まれて使用されるが、発熱
量が多く、そのままでは必要な性能が得られなかったり
劣化するため熱交換器等を用いた冷却が行われている。
ところで、これらの電気部品は、電機製品の小型化のた
め、各種部品を集積した基板上に設置されることが多
く、上記熱交換器も当然に小型で省スペースのものが必
要とされる。このため上記熱交換器の形状を工夫する手
段も講じられており、例えば、サイリスタ等の発熱体と
接触させる蒸発器を扁平な形状にし、高さ方向の寸法を
小さくすることによって熱交換器の小型化を図るととも
に他の部品等との干渉を避ける工夫がなされている。

【０００３】この熱交換器２０を図６に基づいて具体的
に説明すると、扁平形状を有する蒸発器２１の外部下面
にサイリスタ等の発熱体２２（被冷却部材）が密着して
取り付けられており、この蒸発器２１には、凝縮器２３
が蒸気管２４と液戻し管２５を介して連結されている。
蒸気管２４の一端は蒸発器２１の上面で開口して蒸気口
２４ａが設けられており、一方液戻し管２５は蒸発器２
１の上面を貫通して、その先端が蒸発器２１内に位置し
ており、該先端は開口して液戻し口２５ａが設けられて
いる。これら蒸発器２１、蒸気管２４、凝縮器２３、液
戻し管２５間を、液化または気化した熱交換用流体２６
が熱交換を伴いながら循環している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし前記した蒸発器
２１では、扁平な形状を有することによって以下の問題
が生じている。第１に、蒸発器２１内部の高さが低く、
熱交換用流体２６の液面と蒸気口２４ａとが接近してい
るため、熱交換用流体２６の沸騰に際し発生する飛沫
が、蒸気口２４ａや蒸気管２４の内面に付着して蒸気の
流出や移動を妨げて蒸気流量を減少させたり、さらには
飛沫が凝縮器２３にまで飛散し、凝縮器２３の内面を覆
って蒸気の液化を妨げるなどして熱交換性能を著しく低
下させるという問題がある。第２には、蒸発器２１の高
さが低いため内部に収容される熱交換流体液の深さが浅
く液の循環性が悪いため、液の熱が不均一になり、良好
な熱交換が行われないという問題がある。本発明は、上
記事情を背景としてなされたものであり、小型の熱交換
器においても良好な熱交換性能が得られる蒸発器を提供
することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
本発明のうち、第１の発明は、液化した熱交換用流体を
液溜めして蒸発させる熱交換器用蒸発器において、その
内部であって液溜めされた熱交換用流体の液面より上方
の位置に、前記液面を覆う多孔板が配置されており、該
多孔板を液戻し管が貫通して多孔板の下方に液戻し口が
配置され、かつ多孔板の上方に蒸気口が配置されている
ことを特徴とする。

【０００６】第２の発明の熱交換器蒸発器は、蒸発器底
面部に、液戻し口から戻る熱交換用流体を受ける液戻り
領域と、該液戻り領域に連続し前記流体を前記底面部の
他領域に分配する分配領域とが確保されており、前記他
領域の底面には、多数の突条が互いに間隙を有して並設
されており、前記間隙で構成される多数の溝が前記分配
領域に連通していることを特徴とする。

【０００７】なお、第１の発明における多孔板は、でき
るだけ液面の全面を覆うのが望ましい。また、液面は多
孔板を超えず、多孔板下面と接触するか所定の間隙を有
する必要があり、多孔板はこのような観点から液面と蒸
気口との間の適宜の位置に設置される。さらに多孔板の
板面に形成されている孔は、蒸気が円滑に上方に抜ける
とともに、飛沫ができるだけ通過しないものが望まし
く、これらの観点から孔の大きさや数や配置等が適宜選
定される。例えば、孔の大きさを２〜１５ｍｍにするの
が望ましく、また孔の開口率（多孔板全体に対する面積
比）で２０〜５０％とするのが望ましい。また、孔の形
状も特に限定されるものではなく、円形や四角形等の多
角形形状とすることができる。さらに多孔板は、上下に
間隔をおいて複数枚を配置してもよく、その場合、飛沫
の通過をより効果的に防止するため、上下の多孔板で孔
の位置をずらして配置するのが望ましい。

【０００８】また、第２の発明では、蒸発器の形状や液
戻し管の位置、形状等によって、液戻り領域および分配
領域の位置や形状、広さ等を適宜定めてこれら領域のた
めの空間を確保する。また、液戻しを、複数の液戻し管
や扁平な液戻し管等で広範囲に行う場合には、液戻り領
域と分配領域とを同一領域としたり、分配領域の一部を
液戻り領域に兼用させることも可能である。上記した液
戻り領域および分配領域の底部に位置する蒸発器底面は
液の移動が損なわれないように平滑面とするのが望まし
いが、液の流れに若干の方向性を与えるために、微小な
突条を設けることは可能である。

【０００９】さらに、他領域に設けられる突条の数や間
隙、配置も特に限定されないが、その間隙で構成される
溝によって液化した熱交換用流体が蒸発器の全方向に一
様に拡がるように設定するのが望ましく、例えば、上記
他領域の長手方向に沿ってその全長に亘るように突条を
設けることができる。なお、上記突条は、液面下にある
場合は、その上端が液面にできるだけ近いのが望まし
く、さらには液面を超える高さを有するのが一層望まし
い。

【００１０】また液戻り領域と分配領域を除く他領域の
一部には、突条を設けない交流領域を確保することも可
能であり、これにより液の交流が促進され、液の熱の均
一性が向上する。この交流領域は、前記した溝と連通さ
せるが、分配領域と連通している側とは異なる側の端部
で溝と連通させる他に、溝と溝との間に設けて、両側の
溝と連通させるようにしてもよい。このように溝と溝と
の間に設ける場合には、交流領域の一方側にある溝は、
交流領域を介し間接的に分配領域に連通することにな
る。なお、第１の発明と第２の発明とは組み合わせるこ
とも可能であり、この場合、第２の発明における突条に
多孔板を載置することによって多孔板を設置することが
可能になる。本発明の蒸発器は、前述したように発熱性
の電気部品等の冷却に用いる小型の熱交換器に好適であ
るが、本発明としては特に用途が限定されるものではな
く、また小型のものに限定されるものでもない。

【００１１】

【作用】すなわち、本発明のうち第１の発明によれば、
熱交換用流体の沸騰に伴って発生した飛沫は、多孔板で
上昇が阻止され、その後、液面に落下する。万一、飛沫
の一部が孔を通過しても、その勢いは孔の通過によって
失われており、蒸気口や蒸気管への飛散は阻止され、最
終的には孔から下方の液面に落下する。そして蒸発器で
沸騰して蒸気となった熱交換用流体は、飛沫によって移
動が阻害されることなく多孔板の孔を速やかに通過して
上昇し、多孔板の上方に位置する蒸気口から円滑に流出
する。この熱交換用流体は例えば蒸気管を通って凝縮器
に達し、ここで良好な熱交換がなされて液化する。液化
した熱交換用流体は例えば液戻し管を通り、多孔板を通
過して液戻し口から蒸発器に再度収容される。この際に
多孔板が液戻しを阻害することもない。上記したよう
に、熱交換用流体は、蒸発器を含む熱交換器内を、蒸発
や凝縮を伴いながら円滑に移動して良好な熱交換がなさ
れており、熱交換器全体において優れた熱交換性能が得
られている。

【００１２】次に、第２の発明によれば、液化した熱交
換用流体は液戻り領域に戻され、これに連続する分配領
域に流れ込む。これらの液戻り領域および分配領域は、
蒸発器の底部全体に比較すれば、一部を占めているにす
ぎず、この領域内で熱交換用流体が均等に分散して熱の
均一化が図られる。そして分配領域には多数の溝が連通
しており、均一化された流体は分配領域に留まることな
く上記の多数の溝にほぼ均等に分配され、溝を通って他
領域に一様に流れ込む。また、交流領域が確保されてい
れば、一旦溝に流れ込んだ熱交換用流体が交流領域で混
合され、溝の配置によってはさらに多数の溝に分散して
流れ込む。これらの液の移動によって、液戻しされた熱
交換用流体は蒸発器の底部で一様に分散混合され、蒸発
器の底部全体で液の均一化が図られる。したがって、蒸
発器の底部全面で一様に熱交換がなされ、熱交換効率が
向上する。

【００１３】また、上記突条は、熱交換用流体と蒸発器
との接触面積を飛躍的に増大させ、熱交換性能をさらに
向上させる。また、この突条は、熱交換用流体の微少な
沸騰核の生成を促進するとともに、沸騰による粗大な気
泡の生成を防止して熱交換性能を一層向上させる。な
お、第２の発明と第１の発明とを組み合わることも可能
であり、この組み合わせによれば、第１および第２の発
明による作用に加え、上記突条によって比較的上方で生
じやすい飛沫が、多孔板の作用によって蒸気口等に飛散
するのを有効に防止することができる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例を図１〜図３に基づ
き説明する。アルミニウム合金製の蒸発器１は、扁平で
密閉された箱形状からなり、その上面の一端部に蒸気管
２が連結され、上面中央部に液戻し管３が連結されてお
り、これら蒸気管２および液戻し管３の他端は凝縮器４
の両側部下方に連結されている。凝縮器４では、上記蒸
気管２と液戻し管３との間に凝縮部（図示しない）が設
けられており、蒸気管２から凝縮部および液戻し管３に
至るまで連通している。なお凝縮器４の外面には図示し
ない放熱フィンが設けられている。

【００１５】上記した蒸発器１の内部底面には、水平長
手方向を基準とする中央帯域および両端帯域を除いて、
長手方向に沿って互いに所定の間隙を有する多数の突条
５…５が並設されており、それぞれの間隙によって溝５
ａが構成されている。なお、該突条５…５は、蒸発器１
内に収容される液化熱交換流体６の液面を越えて突出す
る高さを有している。この実施例では上記突条５…５の
並設は、平板上に多数の突条５…５が一体に形成された
押出し型材を蒸発器１の底板として使用することによっ
て達成されている。なお、上記した蒸発器１の底面部に
おける中央帯域は面積の広い菱形状の中央部とその両側
に位置する幅の狭い帯状部とで構成されており、前記中
央部が液戻り領域７に割り当てられ、前記帯状部が分配
領域８に割り当てられている。また、上記両端帯域は交
流領域９に相当する。

【００１６】次に、上記突条５…５上には、蒸発器１内
の熱交換用流体６の全面を覆う多孔板１０が載置、固定
されており、該多孔板１０には多数の孔１０ａ…１０ａ
が等間隔で形成されており、該孔１０ａは、径が９ｍｍ
で、その開口率が多孔板１０の全面積に対し、合計で２
５％になるように設定されている。なお、上記多孔板１
０の中央部には上方から液戻し管３が貫通しており、該
液戻し管３の先端に形成された液戻し口３ａは、多孔板
１０の下方であって液戻り領域７の上部に位置してい
る。また、前記した蒸気管２の先端は蒸発器１の上面に
位置しており、その先端に蒸気口２ａが形成されてい
る。

【００１７】次に、上記蒸発器を用いた熱交換器の作用
について説明する。蒸発器１の内部には前記したように
液化した熱交換用流体６が収容されており、その液面
は、最大でも上記した突条５の上端よりも低い位置にあ
る。この蒸発器１の下面には被冷却部材となる発熱体１
１，１１が取り付けられており、該発熱体１１の熱は、
蒸発器１の底板をおよび突条５を通して熱交換用流体６
に伝達される。熱交換用流体６は、この熱によって沸
騰、蒸発し、その蒸気は多孔板１０の孔１０ａを通過し
て蒸気口２ａから流出する。この沸騰に際し発生する飛
沫は上記多孔板１０で有効に阻止されており、蒸気は円
滑に流出する。蒸気は蒸気管２を通って凝縮器４の凝縮
部に流れ込み、ここで熱交換されて液化する。液化した
熱交換用流体は、液戻し管３に回収され、この管内を流
下して遂には液戻し口３ａから液戻り領域７に戻され
る。

【００１８】液戻り領域７に戻された熱交換用流体は、
液戻り領域７から分配領域８へと拡がり、これら領域で
既に収容されている熱交換用流体と混合される。さらに
熱交換用流体６は、分配領域８から多数の溝５ａに流れ
込み、溝５ａに沿って蒸発器１の底部全体に一様に拡散
し、液が均一化される。また、溝５ａ内を拡散する熱交
換用流体６は、遂には交流領域９に達し、この領域で他
の溝５ａ内を拡散してきた熱交換用流体と混合され、さ
らに均一化が促進される。このように蒸発器１では液の
均一化が定常的に行われており、熱交換が効率よく行わ
れ、さらに発熱体１１からの伝熱によって熱交換用流体
の沸騰、蒸発が行われる。また、この沸騰に際し、突条
５は、粗大な気泡が発生して熱交換性能が低下するのを
防止する。

【００１９】なお、上記実施例では、本発明における第
１の発明と第２の発明とを組み合わせて説明したが、本
発明では、当然にいずれか一方を単独で採用してもよ
く、この場合にも熱交換性能が向上する効果が得られ
る。また、上記実施例では、蒸発器１の両側に交流領域
を設けたが、本発明としては交流領域を省略することも
可能であり、また、図４に示すように、溝の間に交流領
域１２を確保することも可能である。さらに、上記実施
例では多孔板は１枚であったが、図５に示す多孔板１
３、１４のように２枚以上の多孔板を使用してもよい。
なお、図５の実施例では、多孔板１３の孔１３ａと多孔
板１４の孔１４ａとを水平方向にずらすことによって飛
沫の通過をより効果的に防止している。

【００２０】次に、本発明の熱交換性能の向上効果を確
認するため、性能試験を行った。この試験では、上記実
施例の熱交換器（試験Ｎｏ．１、第１発明＋第２発明）
と、突条を省略し多孔板のみを設けた熱交換器（試験Ｎ
ｏ．２、第１発明）と、多孔板を省略した熱交換器（試
験Ｎｏ．３、第２発明）と、多孔板、突条ともに設けな
い従来の熱交換器（試験Ｎｏ．４、従来例）とを使用
し、前記発熱体に変えて蒸発器の下面に複数の熱伝導体
を介してダミー熱源を取り付け、蒸発器におけるダミー
熱源との接触部温度と、ダミー熱源からの熱の影響を受
けていない雰囲気温度との温度差（ΔＴ）を測定するこ
とによって熱交換性能を評価した。その結果を示すと以
下の通りである。 試験Ｎｏ． ΔＴ（℃） Ｎｏ.１ ５５ Ｎｏ.２ ６２ Ｎｏ.３ ７３．２ Ｎｏ.４ ７６．１ 上記から明らかなように、本発明の実施例の蒸発器を用
いた熱交換器は、いずれも従来例に比べてダミー熱源が
良好に冷却されて上記温度差が小さくなっており、優れ
た冷却性能を有していることが示された。したがって、
本発明の採用によって、熱交換性能が大幅に向上してい
ることが確認された。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち第１
の発明の熱交換器用蒸発器によれば、熱交換器用蒸発器
の内部であって液溜めされた熱交換用流体の液面より上
方の位置に、前記液面を覆う多孔板を配置し、これに液
戻し管を貫通させて多孔板の下方に液戻し口を配置し、
かつ多孔板の上方に蒸気口を配置したので、熱交換用流
体の沸騰に伴い発生する飛沫の悪影響を排除して熱交換
性能の低下を防止し、優れた熱交換性能を有する熱交換
器を得ることができる。

【００２２】また、第２の発明の熱交換器用蒸発器によ
れば、蒸発器底面部に、液戻し口から戻る熱交換用流体
を受ける液戻り領域と、該液戻り領域に連続し前記流体
を前記底面部の他領域に分配する分配領域とを確保し、
前記他領域の底面に、互いに間隙を有する多数の突条を
並設し、前記間隙で構成される多数の溝を前記分配領域
に連通させたので、蒸発器内で熱交換用流体が均一化さ
れ、熱交換が良好になされる。また、突条によって伝熱
面積が大幅に増え、さらに熱交換性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例が適用された熱交換器の一
部を断面した正面図である。

【図２】 同じく、一部を断面した側面図である。

【図３】 同じく、多孔板を省略した蒸発器の平面断面
図である。

【図４】 他の実施例の、多孔板を省略した蒸発器の平
面断面図である。

【図５】 さらに他の実施例の蒸発器を示す側面断面図
である。

【図６】 従来の熱交換器を示す、一部を断面した正面
図である。

【符号の説明】

１ 蒸発器 ２ 蒸気管 ２ａ 蒸気口 ３ 液戻し管 ３ａ 液戻し口 ４ 凝縮器 ５ 突条 ５ａ 溝 ６ 熱交換用流体 ７ 液戻り領域 ８ 分配領域 ９ 交流領域 １０ 多孔板 １０ａ 孔 １１ 発熱体 １２ 交流領域 １３ 多孔板 １３ａ 孔 １４ 多孔板 １４ａ 孔

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液化した熱交換用流体を液溜めして蒸発
   させる熱交換器用蒸発器において、その内部であって液
   溜めされた熱交換用流体の液面より上方の位置に、前記
   液面を覆う多孔板が配置されており、該多孔板を液戻し
   管が貫通して多孔板の下方に液戻し口が配置され、かつ
   多孔板の上方に蒸気口が配置されていることを特徴とす
   る熱交換器用蒸発器
2. 【請求項２】 蒸発器底面部に、液戻し口から戻る熱交
   換用流体を受ける液戻り領域と、該液戻り領域に連続し
   前記流体を前記底面部の他領域に分配する分配領域とが
   確保されており、前記他領域の底面には、多数の突条が
   互いに間隙を有して並設されており、前記間隙で構成さ
   れる多数の溝が前記分配領域に連通していることを特徴
   とする熱交換器用蒸発器