JP2013211297A

JP2013211297A - 沸騰冷却装置

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Publication number: JP2013211297A
Application number: JP2012078763A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Yamauchi; 山内　　芳幸; Tomohiro Shimazu; 智寛島津
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2012-03-30
Filing date: 2012-03-30
Publication date: 2013-10-10
Also published as: US20130255920A1; CN103363827A

Abstract

【課題】冷却性能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】パワーカード１００と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることでパワーカード１００を冷却する蒸発部１と、熱媒体と送風空気との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を送風空気に放熱する凝縮部２と、蒸発部１で沸騰した熱媒体を凝縮部２に導く蒸気通路５とを備える沸騰冷却装置において、凝縮部２は、凝縮部２で凝縮した熱媒体を蒸発部１に導くように構成されており、凝縮部２および蒸気通路５は、送風空気流れ方向から見たときに、互いに重合配置されており、凝縮部２は、蒸気通路５に対して、送風空気流れ方向上流側に配置されており、送風空気流れ方向から見たときに互いに重合配置された凝縮部２および蒸気通路５において、蒸気通路５の流路断面積が、凝縮部２の流路断面積より大きい。
【選択図】図３

Description

本発明は、冷却対象物で発生する熱により熱媒体を沸騰させて冷却対象物から吸熱して冷却する沸騰冷却装置に関するものである。

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、内部に熱媒体を収容する熱媒体槽と、この熱媒体槽の外壁面に接触して取り付けられる冷却対象物と、熱媒体槽の上部に熱媒体槽と連通して設けられるとともに、熱媒体槽から上昇してくる沸騰蒸気を空気と熱交換させることで冷却液化する放熱器とを備えている。

特許３４８７３８２号公報

ところで、上記特許文献１に記載の沸騰冷却装置では、放熱器の内部において、熱媒体層で沸騰気化した熱媒体が通過する蒸気上昇通路と、空気と熱交換することで凝縮した熱媒体が通過する凝縮液下降通路との明確な区分けがされていない。このため、空気と熱交換することで凝縮して下方側に向かって流れる液状の熱媒体が、熱媒体層で沸騰気化した熱媒体が上昇することを妨げ、良好な熱媒体循環性が得られず、必要な冷却性能が確保できない可能性がある。

本発明は上記点に鑑みて、冷却性能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、冷却対象物（１００）と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることで冷却対象物（１００）を冷却する蒸発部（１）と、熱媒体と外部流体との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を外部流体に放熱する凝縮部（２）と、蒸発部（１）で沸騰した熱媒体を凝縮部（２）に導く蒸気通路（５）とを備える沸騰冷却装置において、凝縮部（２）は、凝縮部（２）で凝縮した熱媒体を蒸発部（１）に導くように構成されており、凝縮部（２）および蒸気通路（５）は、外部流体の流れ方向から見たときに、互いに重合配置されており、凝縮部（２）は、蒸気通路（５）に対して、外部流体の流れ方向上流側に配置されており、外部流体の流れ方向から見たときに互いに重合配置された凝縮部（２）および蒸気通路（５）において、蒸気通路（５）の流路断面積が、凝縮部（２）の流路断面積より大きいことを特徴とする。

これによれば、蒸気通路（５）の流路断面積を凝縮部（２）の流路断面積より大きくすることで、蒸気通路（５）における熱媒体の圧力損失を低減できるので、熱媒体循環性能を向上できる。したがって、沸騰冷却装置の冷却性能を向上させることができる。

また、請求項３に記載の発明では、冷却対象物（１００）と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることで冷却対象物（１００）を冷却する蒸発部（１）と、熱媒体と外部流体との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を外部流体に放熱する凝縮部（２）と、蒸発部（１）で沸騰した熱媒体を凝縮部（２）に導く蒸気通路（５）とを備える沸騰冷却装置において、凝縮部（２）は、凝縮部（２）で凝縮した熱媒体を蒸発部（１）に導くように構成されており、凝縮部（２）および蒸気通路（５）は、外部流体の流れ方向から見たときに、互いに重合配置されており、凝縮部（２）は、蒸気通路（５）に対して、外部流体の流れ方向上流側に配置されており、さらに、内部に、凝縮部（２）、蒸気通路（５）、および凝縮部（２）と蒸気通路（５）とを連通する連通路（６）が形成される流路形成部材（３１）を備え、流路形成部材（３１）は、複数積層されており、隣り合う流路形成部材（３１）において、連通路（６）同士が連通していることを特徴とする。

これによれば、隣り合う流路形成部材（３１）において、連通路（６）同士を連通させることで、各流路形成部材（３１）の蒸気通路（５）間に熱媒体流量のアンバランスが生じた場合であっても、連通路（６）を介して各流路形成部材（３１）の凝縮部（２）に均等に再配分することができる。これにより、全ての流路形成部材（３１）の凝縮部（２）において熱媒体を凝縮させることができるので、沸騰冷却装置全体を有効に利用することができる。したがって、沸騰冷却装置全体として冷却性能を向上させることができる。

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。

本発明の実施形態に係る沸騰冷却装置を示す正面図である。図１のＩＩ−ＩＩ断面図である。図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図２のＩＶ−ＩＶ断面図である。

本発明の一実施形態について図１〜図４に基づいて説明する。本実施形態の沸騰冷却装置は車両用であり、各図に示す上下の方向は車両搭載時の方向を示している。

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は、蒸発部１と、凝縮部２を有するコア部３とを備えている。蒸発部１は、冷却対象物であるパワーカード（電子部品）１００と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることでパワーカード１００を冷却する熱交換器である。凝縮部２は、蒸発部１で気化した熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を送風空気に放熱する熱交換器である。熱媒体としては、水またはアルコール等の蒸発および凝縮可能な流体を採用することができる。

蒸発部１は、液状の熱媒体が貯留される空間が内部に形成された容器状になっている。蒸発部１の内部には、当該内部空間を第１空間１ａと第２空間１ｂの２つに仕切る仕切部材１１が設けられている。仕切部材１１は、蒸発部１の上方側の面から下方側に向かって、鉛直方向と平行に延びている。

仕切部材１１の上端部は、蒸発部１の上方側の面に接続されている。一方、仕切部材１１の下端部は、蒸発部１の下方側の面に接続されていない。したがって、第１空間１ａと第２空間１ｂとは、その下方側で互いに連通している。本実施形態では、第１空間１ａが第２空間１ｂより大きくなるように、仕切部材１１が配置されている。そして、蒸発部１の第１空間１ａに、パワーカード１００が収容されている。また、蒸発部１の上方側の面には、後述するコア部３の流路プレート３１の下端部が挿入して接合される貫通孔１２が形成されている。

蒸発部１の上方側の面には、コア部３が配置されている。このため、蒸発部１およびコア部３の配置方向は重力方向と一致している。

コア部３は、蒸発部１の上方側の面上に略直立して組み付けられる複数の流路プレート３１と、各流路プレート３１の外表面に接合される波形状（コルゲート状）のアウターフィン３２とを有している。流路プレート３１は、内部を熱媒体が流通する熱媒体流路を形成する流路形成部材である。アウターフィン３２は、送風機４から送風される空気（冷却風）と流路プレート３１との伝熱面積を増大させるものである。なお、送風空気が本発明の外部流体に相当している。

図２に示すように、流路プレート３１の内部には、凝縮部２と、蒸発部１で沸騰気化した熱媒体を凝縮部２に導く蒸気通路５と、蒸気通路５と凝縮部２とを連通させる連通路６とが形成されている。凝縮部２および蒸気通路５は、それぞれ、長手方向が重力方向と一致するように形成されている。アウターフィン３２は、流路プレート３１における凝縮部２の外側にのみ設けられており、流路プレート３１における蒸気通路５の外側には配置されていない。

連通路６は、流路プレート３１における鉛直方向上端部に配置されている。また、連通路６は、凝縮部２および蒸気通路５の上端部同士を接続するように形成されている。

具体的には、流路プレート３１の内部には、当該内部空間を送風空気の流れ方向に２つに仕切る仕切部材３１１が設けられている。流路プレート３１の仕切部材３１１の下端部は、蒸発部１の仕切部材１１の上端部と接続されている。また、流路プレート３１の仕切部材３１１の上端部は、連通路６に接続されている。

仕切部材３１１によって仕切られた流路プレート３１の内部空間のうち、送風空気流れ下流側に配置される空間は、蒸発部１の第１空間１ａと連通しており、蒸気通路５を構成している。一方、仕切部材３１１によって仕切られた流路プレート３１の内部空間のうち、送風空気流れ上流側に配置される空間は、蒸発部１の第２空間１ｂと連通しており、凝縮部２を構成している。したがって、１つの流路プレート３１において、空気流れ方向から見たときに、蒸気通路５と凝縮部２とが互いに重合しているとともに、凝縮部２が蒸気通路５に対して空気流れ方向上流側に配置されている。

本実施形態では、蒸発部１の第１空間１ａと流路プレート３１の蒸気通路５との接続部８１の送風空気流れ方向寸法が、蒸発部１の第２空間１ｂと流路プレート３１の凝縮部２との接続部８２の送風空気流れ方向寸法よりも長くなっている。

図２および図３に示すように、凝縮部２の内部には、送付空気と熱媒体と熱交換を促進するインナーフィン２１が設けられている。より詳細には、本実施形態のインナーフィン２１は、凝縮部２を流通する熱媒体の流れ方向から見たときに波状となるように形成されている。凝縮部２内の熱媒体流路は、インナーフィン２１の波形頂部の接合により複数の熱媒体流路に区画されている。

図４に示すように、連通路６の流路プレート積層方向の寸法は、蒸気通路５の流路プレート積層方向の寸法よりも大きい。つまり、流路プレート３１における連通路６を形成する部分（以下、連通路形成部６１という）が、流路プレート３１における蒸気通路５を形成する部分（以下、蒸気通路形成部５１という）よりも、流路プレート積層方向の外側、すなわち隣り合う他の流路プレート３１側に向かって突出している。

図３および図４に示すように、流路プレート３１の連通路形成部６１における隣り合う他の流路プレート３１に対向する面には、流路プレート３１の表裏を貫通する貫通孔６２が設けられている。そして、流路プレート３１は、隣り合う流路プレート３１において貫通孔６２同士が重合するように積層配置されている。これにより、隣り合う流路プレート３１において、連通路６同士が連通している。

図３に示すように、蒸気通路５の流路断面積は、凝縮部２の流路断面積より大きい。また、蒸気通路５の流路プレート積層方向の寸法は、凝縮部２の流路プレート積層方向の寸法よりも大きい。このため、流路プレート積層方向に隣り合う流路プレート３１において、凝縮部２同士の間の距離が、蒸気通路５同士の間の距離よりも広くなっている。

また、流路プレート３１における蒸気通路５の外側面には、蒸気通路５の内部と外部との熱移動を抑制する断熱材５２が設けられている。このため、蒸気通路５と送風空気との間の熱抵抗が、凝縮部２と送風空気との間の熱抵抗よりも高くなっている。

図４に示すように、流路プレート３１の蒸気通路形成部５１の外側には、流路プレート積層方向の外側、すなわち隣り合う他の流路プレート３１側に向かって突出する半球状の補強リブ３１２が形成されている。隣り合う流路プレート３１において、補強リブ３１２同士が接触している。この補強リブ３１２は、蒸気通路５の耐圧性を向上させる補強部材としての役割を果たす。すなわち、隣り合う流路プレート３１の間に補強リブ３１２を設けることで、流路プレート３１の内圧が上昇した場合でも、流路プレート３１が膨張して破損することを抑制できる。

なお、本実施形態では、一対の板状部材７１、７２同士を最中合わせ状に接合することによって熱媒体流路（すなわち凝縮部２、蒸気通路５および連通路６）が形成される流路プレート３１を、アウターフィン３２を介在させながら、複数枚積層配置して構成した、いわゆるドロンカップ型の構造を採用している。

本実施形態の沸騰冷却装置では、上記の如く、蒸気通路５の流路断面積を凝縮部２の流路断面積より大きくしている。これにより、蒸気通路５における熱媒体の圧力損失を低減できるので、熱媒体循環性能を向上できる。したがって、沸騰冷却装置の冷却性能を向上させることができる。

ところで、複数の流路プレート３１を有する沸騰冷却装置では、例えば沸騰冷却装置自体が傾斜した場合等には、複数の流路プレート３１のうち一部の流路プレート３１の蒸気通路５にのみ熱媒体が流入し、残りの流路プレート３１の蒸気通路５には熱媒体が流入しない状態、すなわち各流路プレート３１の蒸気通路５間に熱媒体流量のアンバランスが生じる可能性がある。このとき、熱媒体が流入しない流路プレート３１の凝縮部２では熱媒体の凝縮が行われないので、全ての流路プレート３１を有効に利用できていない。したがって、沸騰冷却装置全体として冷却性能が低下してしまう。

これに対し、本実施形態の沸騰冷却装置では、隣り合う流路プレート３１において、連通路６同士を連通させている。これにより、各流路プレート３１の蒸気通路５間に熱媒体流量のアンバランスが生じた場合であっても、連通路６を介して各流路プレート３１の凝縮部２に均等に再配分することができる。これにより、全ての流路プレート３１の凝縮部２において熱媒体を凝縮させることができるので、沸騰冷却装置全体を有効に利用することができる。したがって、沸騰冷却装置全体として冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態の沸騰冷却装置では、蒸気通路５と送風空気との間の熱抵抗を、凝縮部２と送風空気との間の熱抵抗よりも高くしている。これにより、蒸発部１で蒸発した熱媒体が蒸気通路５において凝縮することを抑制できるので、熱媒体循環性能を向上できる。したがって、沸騰冷却装置の冷却性能を向上させることができる。

また、本実施形態の沸騰冷却装置では、連通路６を流路プレート３１の上端部に配置している。これにより、凝縮部２の鉛直方向の全域において、熱媒体を凝縮させることができるので、沸騰冷却装置の冷却性能を向上させることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。

（１）上記実施形態では、コア部３の構成として、一対の板状部材７１、７２同士を最中合わせ状に接合することによって熱媒体流路が形成される流路プレート３１を複数枚積層配置して構成した、いわゆるドロンカップ型の構造を採用した例を説明したが、コア部３の構成はこれに限定されない。

例えば、内部に凝縮部２および蒸気通路５が形成されたチューブと、熱媒体の集合分配を行うタンク（本発明の連通路に相当）とを有する、いわゆるタンクアンドチューブ型の構造を採用してもよい。

（２）上記実施形態では、冷却対象物としてのパワーカード１００を蒸発部１の内部に収容した例について説明したが、これに限らず、パワーカード１００を蒸発部１の外壁に熱的に接触させてもよい。

（３）上記実施形態では、蒸気通路５と送風空気との間の熱抵抗を、凝縮部２と送風空気との間の熱抵抗よりも高くするために、流路プレート３１における蒸気通路５の外側面に断熱材５２を設けた例について説明したが、これに限らず、流路プレート３１の蒸気通路形成部５１を、流路プレート３１における凝縮部２を形成する部分よりも断熱性が高い材料で構成してもよい。

１蒸発部
２凝縮部
５蒸気通路
６連通路
２１インナーフィン
３１流路プレート（流路形成部材）
３２アウターフィン
１００パワーカード（冷却対象物）
３１２補強リブ（補強部材）

Claims

冷却対象物（１００）と熱媒体との熱交換により前記熱媒体を沸騰気化させることで前記冷却対象物（１００）を冷却する蒸発部（１）と、前記熱媒体と外部流体との熱交換により前記熱媒体を凝縮させることで前記熱媒体の熱を前記外部流体に放熱する凝縮部（２）と、前記蒸発部（１）で沸騰した前記熱媒体を前記凝縮部（２）に導く蒸気通路（５）とを備える沸騰冷却装置であって、
前記凝縮部（２）は、前記凝縮部（２）で凝縮した前記熱媒体を前記蒸発部（１）に導くように構成されており、
前記凝縮部（２）および前記蒸気通路（５）は、前記外部流体の流れ方向から見たときに、互いに重合配置されており、
前記凝縮部（２）は、前記蒸気通路（５）に対して、前記外部流体の流れ方向上流側に配置されており、
前記外部流体の流れ方向から見たときに互いに重合配置された前記凝縮部（２）および前記蒸気通路（５）において、前記蒸気通路（５）の流路断面積が、前記凝縮部（２）の流路断面積より大きいことを特徴とする沸騰冷却装置。
内部に、前記凝縮部（２）、前記蒸気通路（５）、および前記凝縮部（２）と前記蒸気通路（５）とを連通する連通路（６）が形成される流路形成部材（３１）を備え、
前記流路形成部材（３１）は、複数積層されており、
前記蒸気通路（５）の前記流路形成部材（３１）積層方向の寸法は、前記凝縮部（２）の前記流路形成部材（３１）積層方向の寸法よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
冷却対象物（１００）と熱媒体との熱交換により前記熱媒体を沸騰気化させることで前記冷却対象物（１００）を冷却する蒸発部（１）と、前記熱媒体と外部流体との熱交換により前記熱媒体を凝縮させることで前記熱媒体の熱を前記外部流体に放熱する凝縮部（２）と、前記蒸発部（１）で沸騰した前記熱媒体を前記凝縮部（２）に導く蒸気通路（５）とを備える沸騰冷却装置であって、
前記凝縮部（２）は、前記凝縮部（２）で凝縮した前記熱媒体を前記蒸発部（１）に導くように構成されており、
前記凝縮部（２）および前記蒸気通路（５）は、前記外部流体の流れ方向から見たときに、互いに重合配置されており、
前記凝縮部（２）は、前記蒸気通路（５）に対して、前記外部流体の流れ方向上流側に配置されており、
さらに、内部に、前記凝縮部（２）、前記蒸気通路（５）、および前記凝縮部（２）と前記蒸気通路（５）とを連通する連通路（６）が形成される流路形成部材（３１）を備え、
前記流路形成部材（３１）は、複数積層されており、
隣り合う前記流路形成部材（３１）において、前記連通路（６）同士が連通していることを特徴とする沸騰冷却装置。
前記連通路（６）は、前記凝縮部（２）の鉛直方向上端部に配置されていることを特徴とする請求項２または３に記載の沸騰冷却装置。
前記凝縮部（２）の外側には、前記熱媒体と前記外部流体との熱交換を促進するアウターフィン（３２）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。
前記凝縮部（２）の内部には、前記熱媒体と前記外部流体との熱交換を促進するインナーフィン（２１）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。
前記蒸気通路（５）と前記外部流体との間の熱抵抗が、前記凝縮部（２）と前記外部流体との間の熱抵抗よりも高いことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。
内部に、前記凝縮部（２）、前記蒸気通路（５）、および前記凝縮部（２）と前記蒸気通路（５）とを連通する連通路（６）が形成される流路形成部材（３１）を備え、
前記流路形成部材（３１）は、複数積層されており、
隣り合う前記流路形成部材（３１）の間には、前記蒸気通路（５）の耐圧性を向上させる補強部材（３１２）が設けられていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。