JP2009275945A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒を凝縮させる凝縮部における熱交換効率を向上させることができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】放熱コア部４は、冷媒が流通する冷媒通路を形成するチューブ４１を備え、チューブ４１の内部に、冷媒との伝熱面積を増大させるインナーフィン４１０を有するとともに冷媒槽３で沸騰した冷媒を凝縮させる凝縮部４１３を形成し、凝縮部４１３内を、インナーフィン４１０によって、複数の凝縮通路４１３ａに分割し、チューブ４１の内部のうち凝縮部４１３を除く部位に、凝縮部４１３の冷却風流れ下流側に配置されるとともに冷媒槽３で沸騰した冷媒が流れ込む蒸気通路４１１と、蒸気通路４１１からの冷媒を複数の凝縮通路４１３ａに分配する分配通路４１２とを形成し、蒸気通路４１１および分配通路４１２を、それぞれ、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発熱体で発生する熱により冷媒を沸騰させて発熱体から吸熱する沸騰冷却装置に関する。

沸騰冷却装置として、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に示された沸騰冷却装置は、側面に発熱素子が取り付けられた冷媒槽と、この冷媒槽の上部に設けられた放熱部を備えている。また、放熱部を構成するチューブ内部には、冷媒との伝熱面積を増大させるインナーフィンが挿入され、冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気を凝縮させる凝縮部が形成されている。凝縮部内の冷媒通路は、インナーフィンの波形頂部の接合により複数の小通路に分割されている。また、チューブ内部における凝縮部を除く部位には、冷媒槽で沸騰した冷媒が流入する蒸気通路と、蒸気通路からの冷媒蒸気を凝縮部内の複数の小通路に分配する分配通路とが形成されている。
特開２０００−２６０９１９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の沸騰冷却装置では、分配通路を通過する冷媒蒸気は、複数の小通路のうち分配通路内の冷媒流れ方向の下流側に配置される小通路に分配され易く、複数の小通路のうち分配通路内の冷媒流れ方向の上流側に配置される小通路には分配され難くなっている。すなわち、冷媒蒸気が全ての小通路に均等に分配されないため、凝縮部における熱交換効率（凝縮効率）が低下するという問題がある。

さらに、上記特許文献１に記載の沸騰冷却装置では、蒸気通路の通路断面積が冷媒流れ方向全域で一定になっているため、冷媒槽から噴出する液相の冷媒が直接凝縮部に流入し、これにより凝縮部における熱交換効率がさらに低下する虞がある。

本発明は、上記点に鑑み、冷媒を凝縮させる凝縮部における熱交換効率を向上させることができる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、放熱コア部（４）は、冷媒が流通する冷媒通路を形成するチューブ（４１）を有しており、チューブ（４１）の内部には、冷媒との伝熱面積を増大させる凝縮面積増大部材（４１０）が設けられ、冷媒槽（３）で沸騰した冷媒を凝縮させる凝縮部（４１３）が形成されており、凝縮部（４１３）内は、凝縮面積増大部材（４１０）によって、複数の凝縮通路（４１３ａ）に分割されており、チューブ（４１）の内部のうち凝縮部（４１３）を除く部位には、凝縮部（４１３）の外部流体流れ下流側に配置されるとともに冷媒槽（３）で沸騰した冷媒が流れ込む蒸気通路（４１１）と、蒸気通路（４１１）からの冷媒を複数の凝縮通路（４１３ａ）に分配する分配通路（４１２）とが形成されており、蒸気通路（４１１）および分配通路（４１２）は、それぞれ、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成されていることを特徴としている。

このように、分配通路（４１２）を、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成することで、分配通路（４１２）において、冷媒槽（３）で沸騰した冷媒（以下、冷媒蒸気という）を、複数の凝縮通路（４１３ａ）のうち分配通路（４１２）内の冷媒流れ方向の上流側に配置される凝縮通路（４１３ａ）に分配され易くすることができる。したがって、複数の凝縮通路（４１３ａ）に冷媒蒸気を均一に分配することができるので、凝縮部（４１３）における熱交換効率を向上させることが可能となる。

また、蒸気通路（４１１）を、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成することで、冷媒槽（３）から液相の冷媒が蒸気通路（４１１）内に流入した場合でも、蒸気通路（４１１）の冷媒流れ下流側端部の通路断面積が小さくなっているので、液相冷媒が凝縮部（４１３）に流入することを抑制できる。したがって、凝縮部（４１３）における熱交換効率をより向上させることが可能となる。

さらに、蒸気通路（４１１）を凝縮部（４１３）より外部流体流れ下流側に配置することで、蒸気通路（４１１）においては、凝縮部（４１３）を通過した後の昇温した外部流体と冷媒蒸気との間で熱交換が行われることになるため、冷媒蒸気が蒸気通路（４１１）内で凝縮することを抑制できる。これにより、蒸気通路（４１１）内を冷媒蒸気が通過し易くなるので、凝縮部（４１３）における熱交換効率をより向上させることが可能となる。

また、請求項２に記載の発明では、凝縮面積増大部材（４１０）は、凝縮通路（４１３ａ）内の冷媒の流れ方向が、冷媒槽（３）および放熱コア部（４）の配置方向（Ｘ１）に対して傾斜し、かつ外部流体の流れ方向（Ｘ２）に対して傾斜するように配置されていることを特徴としている。

これによれば、チューブ（４１）を、外部流体の流れ方向が水平方向と一致する水平送風式沸騰冷却装置、および外部流体の流れ方向が重力方向と一致する垂直送風式沸騰冷却装置の両方に適用することができる。すなわち、チューブ（４１）を、水平送風式沸騰冷却装置および垂直送風式沸騰冷却装置で共用することが可能となる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、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。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１および図２に基づいて説明する。図１は本第１実施形態に係る沸騰冷却装置１を示す斜視図で、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。なお、図２中の破線矢印は冷媒の流れを示している。

図１および図２に示すように、本実施形態の沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによって発熱体２（図２参照）を冷却するもので、内部に液相の冷媒（液冷媒）を貯留する冷媒槽３と、この冷媒槽３の表面に組み付けられる放熱コア部４とを備え、一体ろう付けにより製造される。発熱体２は、例えば電気自動車のインバータ回路を構成するＩＧＢＴモジュールであり、ボルト（図示せず）等により冷媒槽３の表面に密着して固定される。冷媒槽３は、複数のプレート３０が積層された状態で接合されて、液冷媒が貯留される空間が内部に形成された扁平箱状の容器となっている。

本実施形態では、冷媒槽３の上方側の面（以下、上面３ａという）に放熱コア部４が配置されており、冷媒槽３における上面３ａとは反対側の面である下面３ｂ（図２参照）に、発熱体２が配置されている。また、冷媒槽３は、その上面３ａが水平面と平行になるように配置されている。このため、冷媒槽３および放熱コア部４の配置方向（以下、配置方向Ｘ１という）は重力方向と一致している。

放熱コア部４は、冷媒槽３の一面３ａ上に略直立して組み付けられる複数本のチューブ４１と、各チューブ４１の外表面に接合される波状の放熱フィン４２とを有している。チューブ４１は、内部を冷媒が流通する冷媒通路を形成するものである。放熱フィン４２は、放熱コア部４に送風される冷却風との伝熱面積を増大させるものである。なお、本実施形態では、冷却風の流れ方向（以下、冷却風流れ方向Ｘ２という）は、水平方向と一致している。また、冷却風が、本発明の外部流体に相当している。

図２に示すように、チューブ４１の内部には、インナーフィン４１０が配置され、冷媒槽３で沸騰した冷媒を凝縮させる凝縮部４１３が形成されている。インナーフィン４１０は、熱伝導性に優れる薄い金属板（例えば、アルミニウム板）を所定のピッチで交互に折り曲げて波状に成形したもので、このインナーフィン４１０の波形の頂部をチューブ４１の内壁面に接合することによりチューブ４１の補強を図るとともに、冷媒との伝熱面積の増大による性能向上を図るようにしてある。なお、インナーフィン４１０が、本発明の凝縮面積増大部材に相当している。

凝縮部４１３内の冷媒通路は、インナーフィン４１０の波形頂部の接合により複数の凝縮通路４１３ａに分割されている。そして、インナーフィン４１０は、波形頂部の延設方向、すなわち凝縮通路４１３ａ内の冷媒の流れ方向が、配置方向Ｘ１および冷却風流れ方向Ｘ２に対してともに傾斜するように配置されている。具体的には、本実施形態のインナーフィン４１０は、凝縮通路４１３ａ内の冷媒の流れ方向が下方側に向かうほど冷却風流れ上流側となるように、配置方向Ｘ１に対して傾斜するように配置されている。

また、インナーフィン４１０は、チューブ４１内の冷却風流れ上流側に偏って配置されている。これにより、チューブ４１内部のうち凝縮部４１３を除く部位には、インナーフィン４１０、すなわち凝縮部４１３の冷却風流れ下流側に確保される蒸気通路４１１と、インナーフィン４１０の上方側、すなわち冷媒槽３とは反対側に確保される分配通路４１２とが形成される。蒸気通路４１１は、冷媒槽３で沸騰した冷媒が流れ込むようになっている。また、分配通路４１２は、蒸気通路４１１と連通しており、蒸気通路４１１からの冷媒を複数の凝縮通路４１３ａに分配するようになっている。そして、蒸気通路４１１、分配通路４１２および凝縮通路４１３ａで上記の冷媒通路を構成している。

蒸気通路４１１は、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成されている。本実施形態では、蒸気通路４１１は、下方側から上方側に向かって徐々に通路断面積が小さくなっている。また、分配通路４１２は、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成されている。本実施形態では、分配通路４１２は、冷却風流れ下流側から上流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなっている。

チューブ４１は、放熱フィン４２との接合面である両側面（外表面）が、冷却風流れ方向Ｘ２に沿って配置されるが、このとき、凝縮通路４１２が蒸気通路４１１より冷却風流れ上流側に位置するように、チューブ４１の向きを特定している。また、チューブ４１の、蒸気通路４１１と分配通路４１２とが接続する部位、すなわち蒸気通路４１１の冷媒槽３から遠い側の端部に対応する角部は、Ｒ形状になっている。

冷媒槽３における発熱体２が固定される部位の上方側には、チューブ４１の蒸気通路４１１と連通し、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒（冷媒蒸気）をチューブ４１内に流入させる冷媒蒸気入口３１が形成されている。また、冷媒槽３における冷媒蒸気入口３１の冷却風流れ上流側には、チューブ４１の凝縮通路４１３ａと連通し、チューブ４１内で凝縮した冷媒（液冷媒）を冷媒槽３に流入させる液冷媒出口３２が形成されている。

図１に戻り、放熱フィン４２は、チューブ４１の外表面のうち、分配通路４１２および凝縮部４１３に対応する部位にのみ設けられており、蒸気通路４１１に対応する部位には設けられていない。また、放熱コア部４におけるチューブ４１の積層方向（以下、チューブ積層方向Ｘ３という）の両端部には、放熱フィン４２に接合され、上方側から放熱フィン４２を押さえる第１フィン押さえ板部４３がそれぞれ配設されている。また、放熱コア部４における配置方向Ｘ１の冷媒槽３から遠い側、すなわち重力方向上方側の端部には、放熱フィン４２およびチューブ４１に接合され、配置方向Ｘ１における冷媒槽３から遠い側から放熱フィン４２を押さえる第２フィン押さえ板部４４が配設されている。

以上説明したように、分配通路４１２を、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成することで、分配通路４１２において、冷媒槽３で沸騰した冷媒蒸気を、複数の凝縮通路４１３ａのうち分配通路４１２内の冷媒流れ方向の上流側に配置される凝縮通路４１３ａに分配され易くすることができる。すなわち本実施形態では、通常、冷媒蒸気が分配され難い冷媒流れ方向の上流側の凝縮通路４１３ａに、冷媒蒸気をより多く分配することができる。したがって、複数の凝縮通路４１３ａに冷媒蒸気を均一に分配することができるので、凝縮部４１３における熱交換効率を向上させることが可能となる。

また、蒸気通路４１１を、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成することで、冷媒槽３から噴出する液冷媒が蒸気通路４１１内に流入した場合でも、蒸気通路４１１の冷媒流れ下流側端部の通路断面積が小さくなっているため、液冷媒が凝縮部４１３に流入することを抑制できる。したがって、凝縮部４１３における熱交換効率をより向上させることが可能となる。

さらに、蒸気通路４１１を凝縮部４１３より冷却風流れ下流側に配置することで、蒸気通路４１１においては、凝縮部４１３を通過した後の昇温した冷却風と冷媒蒸気との間で熱交換が行われることになるため、冷媒蒸気が蒸気通路４１１内で凝縮することを抑制できる。これにより、蒸気通路４１１内を冷媒蒸気が通過し易くなるので、凝縮部４１３における熱交換効率をより向上させることが可能となる。

また、インナーフィン４１０を、凝縮通路４１３ａ内の冷媒の流れ方向が、配置方向Ｘ１および冷却風流れ方向Ｘ２に対してともに傾斜するように配置することで、チューブ４１を、本実施形態のような冷却風流れ方向Ｘ２が水平方向と一致する水平送風式沸騰冷却装置、および後述する第２実施形態のような冷却風流れ方向Ｘ２が重力方向と一致する垂直送風式沸騰冷却装置の両方に適用することができる。すなわち、チューブ４１を、水平送風式沸騰冷却装置および垂直送風式沸騰冷却装置で共用することが可能となる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について図３および図４に基づいて説明する。図３は本第２実施形態に係る沸騰冷却装置１を示す斜視図で、図４は図３のＢ−Ｂ部分断面図である。なお、図４中の破線矢印は冷媒の流れを示している。

図３および図４に示すように、本実施形態では、冷媒槽３の長手方向が重力方向に一致している。そして、冷媒槽３の１つの外壁面３ａには、冷媒槽３と放熱コア部４の配置方向Ｘ１が水平方向と一致するように、放熱コア部４が１つ配置されている。また、本実施形態の冷却風流れ方向Ｘ２は、重力方向に一致している。

冷媒槽３の外壁面３ａにおける放熱コア部４の下方側には、６つの発熱体２が配置されている。６つの発熱体２は、上下方向に２つずつ並べて配置されている。すなわち、外壁面３ａの下端部に２つの発熱体２が配置され、外壁面３ａの上端部、すなわち放熱コア部４の直ぐ下側に２つの発熱体２が配置され、外壁面３ａにおける上端部と下端部との間に２つの発熱体２が配置されている。

以下、外壁面３ａの下端部に配置される２つの発熱体２を下段発熱体２１といい、外壁面３ａの上端部、すなわち放熱コア部４の直ぐ下側に配置される２つの発熱体２を上段発熱体２２といい、下段発熱体２１と上段発熱体２２との間に配置される２つの発熱体２を中段発熱体２３という。なお、２つの下段発熱体２１、２つの上段発熱体２２、および２つの中段発熱体２３は、それぞれ水平方向に並べて配置されている。

図４に示すように、チューブ４１の内部には、インナーフィン４１０が配置された凝縮部４１３が形成されている。また、インナーフィン４１０は、凝縮通路４１３ａ内の冷媒の流れ方向が、配置方向Ｘ１および冷却風流れ方向Ｘ２（すなわち重力方向）に対してともに傾斜するように配置されている。具体的には、本実施形態のインナーフィン４１０は、凝縮通路４１３ａ内の冷媒の流れ方向が、下方側、すなわち冷却風流れ上流側に向かうほど冷媒槽３に近くなるように配置方向Ｘ１に対して傾斜するように配置されている。

また、インナーフィン４１０は、チューブ４１内の冷却風流れ上流側に偏って配置されている。これにより、チューブ４１内部のうち凝縮部４１３を除く部位には、インナーフィン４１０、すなわち凝縮部４１３の冷却風流れ下流側に確保される蒸気通路４１１と、インナーフィン４１０の冷媒槽３とは反対側に確保される分配通路４１２とが形成される。

蒸気通路４１１は、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成されている。本実施形態では、蒸気通路４１１は、冷媒槽３に近い側から遠い側に向かって徐々に通路断面積が小さくなっている。また、分配通路４１２は、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成されている。本実施形態では、分配通路４１２は、冷却風流れ下流側から上流側、すなわち上方側から下方側に向かって徐々に通路断面積が小さくなっている。

冷媒槽３の上端部には、チューブ４１の蒸気通路４１１と連通し、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒（冷媒蒸気）をチューブ４１内に流入させる冷媒蒸気入口３１が形成されている。また、冷媒槽３における冷媒蒸気入口３１の冷却風流れ上流側には、チューブ４１の凝縮通路４１３ａと連通し、チューブ４１内で凝縮した冷媒（液冷媒）を冷媒槽３に流入させる液冷媒出口３２が形成されている。

図３に戻り、放熱コア部４におけるチューブ積層方向Ｘ３の両端部には、放熱フィン４２に接合され、水平方向から放熱フィン４２を押さえる第１フィン押さえ板部４３がそれぞれ配設されている。また、放熱コア部４における配置方向Ｘ１の冷媒槽３から遠い側の端部には、放熱フィン４２およびチューブ４１に接合され、配置方向Ｘ１における冷媒槽３から遠い側から放熱フィン４２を押さえる第２フィン押さえ板部４４が配設されている。

以上説明したように、分配通路４１２を、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成することで、分配通路４１２において、冷媒槽３で沸騰した冷媒蒸気を、複数の凝縮通路４１３ａのうち分配通路４１２内の冷媒流れ方向の上流側に配置される凝縮通路４１３ａに分配され易くすることができる。したがって、複数の凝縮通路４１３ａに冷媒蒸気を均一に分配することができるので、凝縮部４１３における熱交換効率を向上させることが可能となる。

また、蒸気通路４１１を、冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成することで、冷媒槽３から噴出する液冷媒が蒸気通路４１１内に流入した場合でも、蒸気通路４１１の冷媒流れ下流側端部の通路断面積が小さくなっているため、液冷媒が凝縮部４１３に流入することを抑制できる。したがって、凝縮部４１３における熱交換効率をより向上させることが可能となる。

さらに、蒸気通路４１１を凝縮部４１３より冷却風流れ下流側に配置することで、蒸気通路４１１においては、凝縮部４１３を通過した後の昇温した冷却風と冷媒蒸気との間で熱交換が行われることになるため、冷媒蒸気が蒸気通路４１１内で凝縮することを抑制できる。これにより、蒸気通路４１１内を冷媒蒸気が通過し易くなるので、凝縮部４１３における熱交換効率をより向上させることが可能となる。

また、インナーフィン４１０を、凝縮通路４１３ａ内の冷媒の流れ方向が、配置方向Ｘ１および冷却風流れ方向Ｘ２に対してともに傾斜するように配置することで、チューブ４１を、上記第１実施形態のような水平送風式沸騰冷却装置、および本実施形態のような垂直送風式沸騰冷却装置で共用することが可能となる。

（他の実施形態）
なお、上記第２実施形態では、冷媒槽３の１つの外壁面３ａに放熱コア部４を１つ配置した例について説明したが、これに限らず、冷媒槽３の２つの外壁面３ａに放熱コア部４を１つずつ配置してもよい。

第１実施形態に係る沸騰冷却装置１を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第２実施形態に係る沸騰冷却装置１を示す斜視図である。 図３のＢ−Ｂ部分断面図である。

符号の説明

３ 冷媒槽
４ 放熱コア部
４１ チューブ
４１０ インナーフィン（凝縮面積増大部材）
４１１ 蒸気通路
４１２ 分配通路
４１３ 凝縮部
４１３ａ 凝縮通路

Claims (2)

1. 発熱体（２）の熱を受けて沸騰する冷媒を貯留する冷媒槽（３）と、
   前記冷媒槽（３）で沸騰した前記冷媒が流れ込み、前記冷媒と外部流体との間で熱交換を行って前記冷媒を凝縮させる放熱コア部（４）とを備える沸騰冷却装置であって、
   前記放熱コア部（４）は、前記冷媒が流通する冷媒通路を形成するチューブ（４１）を有しており、
   前記チューブ（４１）の内部には、前記冷媒との伝熱面積を増大させる凝縮面積増大部材（４１０）が設けられ、前記冷媒槽（３）で沸騰した前記冷媒を凝縮させる凝縮部（４１３）が形成されており、
   前記凝縮部（４１３）内は、前記凝縮面積増大部材（４１０）によって、複数の凝縮通路（４１３ａ）に分割されており、
   前記チューブ（４１）の内部のうち前記凝縮部（４１３）を除く部位には、前記凝縮部（４１３）の前記外部流体流れ下流側に配置されるとともに前記冷媒槽（３）で沸騰した前記冷媒が流れ込む蒸気通路（４１１）と、前記蒸気通路（４１１）からの前記冷媒を前記複数の凝縮通路（４１３ａ）に分配する分配通路（４１２）とが形成されており、
   前記蒸気通路（４１１）および前記分配通路（４１２）は、それぞれ、前記冷媒流れ上流側から下流側に向かって徐々に通路断面積が小さくなるように形成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記凝縮面積増大部材（４１０）は、前記凝縮通路（４１３ａ）内の前記冷媒の流れ方向が、前記冷媒槽（３）および前記放熱コア部（４）の配置方向（Ｘ１）に対して傾斜し、かつ前記外部流体の流れ方向（Ｘ２）に対して傾斜するように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。

Images