公开(公告)号：
JPWO2023042880A1
当前申请(专利权)人地址：
兵庫県尼崎市扶桑町1番10号
摘要：
この沸騰式冷却器(100)は、冷媒(1)を収容する収容空間(11)と、冷媒ガス出口(12)と、冷媒液入口(13)とを含む沸騰部(10)と、冷媒通路(21)と外部通路(22)とを有する凝縮部(20)と、を備える。沸騰部は、発熱体(HS)が取り付けられる第1壁部(14)と、収容空間を介して第1壁部と対向し、外部通路と隣接する第2壁部(15)と、収容空間を通って第1壁部と第2壁部とを接続する熱伝導部(19)とを有する。
技术功效语段：
【0022】本発明によれば、上記のように、外部流体の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
权利要求：
【請求項1】
冷媒を収容する収容空間と、前記収容空間に繋がる冷媒ガス出口と、前記収容空間に繋がる冷媒液入口とを含み、発熱体との熱交換により、前記冷媒を沸騰させる沸騰部と、
前記冷媒ガス出口および前記冷媒液入口に連通する冷媒通路と、前記冷媒通路と前記沸騰部との間に設けられ外部流体を流通させる外部通路とを有し、前記冷媒ガス出口から受け入れた冷媒ガスを前記外部流体との熱交換により凝縮させ、凝縮した冷媒液が前記冷媒液入口へ送られる凝縮部と、を備え、
前記沸騰部は、前記発熱体が取り付けられる第１壁部と、前記収容空間を介して前記第１壁部と対向し、前記外部通路と隣接する第２壁部と、前記収容空間を通って前記第１壁部と前記第２壁部とを接続する熱伝導部とを有し、
前記冷媒ガス出口が前記収容空間の上部に配置され、前記冷媒液入口が前記収容空間の下部に配置され、
前記収容空間には、前記発熱体からの入熱がない室温下の非稼働状態において、前記冷媒ガス出口と前記冷媒液入口との間の高さ位置に前記冷媒液の上端が位置するように前記冷媒が収容されており、
前記第１壁部の外面には、前記非稼働状態における前記冷媒液の前記上端よりも下方に位置し第１発熱体が取り付けられる第１取付部と、前記非稼働状態における前記冷媒液の前記上端よりも上方に位置し第２発熱体が取り付けられる第２取付部と、が設けられており、
前記熱伝導部は、前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向において、前記冷媒液の前記上端よりも下方の第１熱伝導部分と、前記冷媒液の前記上端よりも上方の第２熱伝導部分とを有し、
前記第１熱伝導部分は、前記第１壁部を介して前記第１取付部と対向しており、
前記第２熱伝導部分は、前記第１壁部を介して前記第２取付部と対向している、沸騰式冷却器。
【請求項2】
前記第２取付部において、前記冷媒ガスによって前記冷媒液の前記上端よりも上方へ持上げられた前記冷媒液によって、前記第２発熱体との熱交換が行われる、請求項１に記載の沸騰式冷却器。
【請求項3】
前記熱伝導部は、前記収容空間内で前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向に延びるとともに、前記収容空間に複数設けられている、請求項１に記載の沸騰式冷却器。
【請求項4】
前記熱伝導部は、前記収容空間内に設けられた仕切壁により構成されている、請求項３に記載の沸騰式冷却器。
【請求項5】
前記
技术领域：
】
【0001】
この発明は、沸騰式冷却器に関し、特に、冷媒を沸騰させる沸騰部と気化した冷媒を凝縮させる凝縮部との間で冷媒を循環させる沸騰式冷却器に関する。
【
背景技术：
】
【0002】
従来、沸騰部と凝縮部との間で冷媒を循環させる沸騰式冷却器が知られている。このような沸騰式冷却器は、例えば、特開平8-204075号公報および特開2005-101190号公報に開示されている。
【0003】
上記特開平8-204075号公報では、素子(発熱体)が装着される中空面板からなる蒸発部(沸騰部)と、蒸発部の上端開口と連通する冷媒通路を有する凝縮部とを備える素子冷却器が開示されている。凝縮部は、冷媒通路内の冷媒ガスを冷却するための空気通路を有する。素子冷却器では、蒸発部に取り付けられた素子が冷媒の蒸発による気化潜熱により冷却され、気化した冷媒ガスが上部の凝縮部で空気により冷却され、凝縮潜熱を放出し液化されて蒸発部に戻るサイクルを繰り返す。
【0004】
上記特開2005-101190号公報では、上下方向に延びる第1冷媒通路が形成されたプレートチューブと、第1冷媒通路と平行に上下方向に延びるチューブと、プレートチューブの上端とチューブの上端とを連通させる第1ヘッダタンクと、プレートチューブの下端とチューブの下端とを連通させる第2ヘッダタンクと、を備えた沸騰式冷却装置が開示されている。第1冷媒通路に存在する液相冷媒が、プレートチューブに取り付けられた中央演算装置に加熱されて沸騰し、気相冷媒となって第1ヘッダタンク内に充満してチューブ内を上方側から下方側に流れる。気相冷媒は、チューブにて冷却風に冷却されて凝縮し、自重により第2ヘッダタンクへ流れる。冷媒は、第1冷媒通路、第1ヘッダタンク、チューブ、第2ヘッダタンク、第1冷媒通路の順に循環する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】
特開平8-204075号公報
【特許文献2】
特開2005-101190号公報
【
发明内容：
】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ここで、沸騰式冷却器では、沸騰部の内表面(特に発熱体の設置箇所の内表面)の冷媒液が乾くと気化潜熱による冷却が行えずに発熱体の冷却性能が急激に低下してしまうため、沸騰部の内表面が乾くのを抑制することが重要となる。
【0007】
上記特開平8-204075号公報では、冷媒ガスの凝縮部への上方移動と、凝縮した冷媒液の蒸発部への下方移動とが、同じ経路(蒸発部の上端開口)で行われるため、冷媒の気化量が増大すると、上昇する冷媒ガスによって冷媒液の下方移動が阻害されることにより、蒸発部が乾き冷却性能が低下しやすくなる。
【0008】
一方、上記特開2005-101190号公報では、冷媒ガスの移動経路と冷媒液の移動経路とが異なるため、冷媒ガスによって冷媒液の移動が阻害される現象は生じにくい。しかし、特に外部流体が低温の場合、凝縮部内の冷媒圧力が下がって入熱量に対する冷媒の気化量が増大しやすい。上記特開2005-101190号公報においても、冷媒の気化量が増大しやすくなる外部流体の低温時に、発熱体からの入熱量が多くなると、冷媒の気化量に比べて凝縮して戻る冷媒液量が不足することにより沸騰部の内表面が乾いて、冷却性能が急激に低下してしまうという課題がある。
【0009】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の1つの目的は、外部流体の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することが可能な沸騰式冷却器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記目的を達成するために、第1の発明による沸騰式冷却器は、冷媒を収容する収容空間と、収容空間に繋がる冷媒ガス出口と、収容空間に繋がる冷媒液入口とを含み、発熱体との熱交換により、冷媒を沸騰させる沸騰部と、冷媒ガス出口および冷媒液入口に連通する冷媒通路と、冷媒通路と沸騰部との間に設けられ外部流体を流通させる外部通路とを有し、冷媒ガス出口から受け入れた冷媒ガスを外部流体との熱交換により凝縮させ、凝縮した冷媒液が冷媒液入口へ送られる凝縮部と、を備え、沸騰部は、発熱体が取り付けられる第1壁部と、収容空間を介して第1壁部と対向し、外部通路と隣接する第2壁部と、収容空間を通って第1壁部と第2壁部とを接続する熱伝導部とを有し、冷媒ガス出口が収容空間の上部に配置され、冷媒液入口が収容空間の下部に配置され、収容空間には、発熱体からの入熱がない室温下の非稼働状態において、冷
具体实施方式：
】
【0024】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0025】
[第1実施形態]
図1~図6を参照して、第1実施形態による沸騰式冷却器100(以下、冷却器100という)の構成について説明する。冷却器100は、冷媒の気化と凝縮との相変化(潜熱)を利用して、発熱体HSからの熱を吸収して、外部に放熱する沸騰冷却方式による冷却器である。冷却器100は、冷媒の吸熱により発熱体HSを冷却する。吸熱により気化した冷媒ガスが、外部流体により冷却されることにより、凝縮して液相に戻る。本実施形態の冷却器100は、発熱体HSからの熱を後述する外部通路22まで熱伝導で移動させることにより、外部通路22を流通する外部流体2との熱交換によって発熱体HSからの熱を外部に放熱する機能をさらに備えている。
【0026】
発熱体HSは、特に限定されない。発熱体HSは、たとえば電子回路を備えた機器である。具体的には、インバータ装置などの電力変換回路を構成するパワーモジュールである。パワーモジュールは、1つまたは複数の電力変換用スイッチング素子を備えた回路部品である。電力変換用スイッチング素子は、たとえばIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)素子である。
【0027】
(冷却器の全体構成)
図1に示すように、冷却器100は、沸騰部10と、凝縮部20とを備えている。沸騰部10および凝縮部20の各々の内部には、冷媒1(図3参照)を収容するための空間(図3参照)が形成されている。冷却器100は、沸騰部10と、凝縮部20とによって、密閉された内部空間を有している。この密閉空間内に、冷媒1が収容されている。沸騰部10および凝縮部20は、たとえばアルミニウム(アルミニウム合金を含む)、銅(銅合金を含む)などの熱伝導性の高い金属材料により形成されている。
【0028】
冷媒1は、気相と液相とに相変化するものであれば、特に限定されない。冷媒1には、たとえば、フルオロカーボン、ハイドロカーボン、水などが用いられる。冷却器100の内部空間は、単一の冷媒1で満たされており、気相の冷媒1によって飽和蒸気状態となっている。冷媒1の状態を区別する場合、便宜的に、気相の冷媒1を冷媒ガス1a(図3参照)といい、液相の冷媒1を冷媒液1b(図3参照)という。なお、外部流体2は、空気である。
【0029】
以下では、水平面内において、互いに直交する2つの方向を、それぞれX方向およびY方向とする。水平面(X-Y平面)と直交する上下方向を、Z方向とする。なお、Z方向は重力方向と平行で、下方向に重力が作用するものとする。
【0030】
沸騰部10、および凝縮部20は、上下方向(Z方向)に沿って延びる。沸騰部10の厚み方向(Y方向)における一方側(Y1方向側)が発熱体HSの取付面となっており、沸騰部10の厚み方向における他方側(Y2方向側)に凝縮部20が設けられている。
【0031】
(沸騰部)
図2および図3に示すように、沸騰部10は、冷媒1(図3参照)を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含む。冷媒ガス出口12が収容空間11の上部に配置され、冷媒液入口13が収容空間11の下部に配置されている。沸騰部10は、発熱体HSとの熱交換により冷媒1を沸騰させるように構成されている。
【0032】
図2に示すように、沸騰部10はZ方向に延びる長方形の平板状構造を有している。沸騰部10は、Y方向の一方側(Y1方向側)の第1壁部14(図3参照)と、Y方向の他方側(Y2方向側)の第2壁部15と、X方向の両端の一対の側壁部16と、Z方向の上端の上壁部17とZ方向の下端の下壁部18と、を有する板状の中空構造体である。収容空間11は、これらの第1壁部14、第2壁部15、一対の側壁部16、上壁部17および下壁部18によって囲まれた空間である。
【0033】
図3に示すように、第1壁部14は、Z方向に延びる平板形状を有する。第1壁部14は、Y1方向側表面である外表面14aと、Y2方向側表面である内表面14bとを有する。
【0034】
第2壁部15は、収容空間11を介して第1壁部14とY方向に対向している。第2壁部15は、Y2方向側表面である外表面15aと、Y1方向側表面である内表面15bとを有する。第2壁部15の外表面15aに、凝縮部20が設けられている。第2壁部15は、凝縮部20の外部通路22と隣接している。図3の例では、第2壁部15の外表面15aが外部通路22内に露出し(外部通路22を区画し)ている。また、第2壁部15の内表面15bが収容空間11内に露出し(収容空間11を区画し)ている。
【0035】
第2壁部15の上端部近傍には、冷媒ガス出口12が形成されている。冷媒ガス出口12は、第2壁部15を貫通する貫通孔(図2参照)である。冷媒ガス出口12は、凝縮部20の冷媒通路21の上端と連通している。
【0036】
第2壁部15の下端部近傍には、冷媒液入口13が形成されている。冷媒液入口13は、第2壁部15を貫通する貫通孔(図2参照)である。冷媒液入口13は、凝縮部20の冷媒通路21の下端と連通している。
【0037】
重力の作用により、収容空間11の下側に液相の冷媒液1bが貯留され、収容空間11の上側に気相の冷媒ガス1aが収容されている。冷媒1は、上壁部17に設けられた管部35から収容空間11内に導入され、管部35は冷媒1が収容空間11に注入された後で封止されている。収容空間11には、発熱体HSからの入熱がない室温下の非稼働状態において、冷媒ガス出口12と冷媒液入口13との間の高さ位置に冷媒液1bの液面1cが位置するように、冷媒1が収容されている。図3の例では、液面1cは、冷媒ガス出口12と冷媒液入口13との間の略中間位置に設定されている。
【0038】
第1壁部14の外表面14aが、発熱体HSの取付面であり、Z方向に沿って6つの取付部が設けられている。具体的には、第1壁部14の外面(外表面14a)には、非稼働状態における液面1cよりも下方に位置し発熱体HSが取り付けられる第1取付部31と、非稼働状態における液面1cよりも上方に位置し発熱体HSが取り付けられる第2取付部32と、が設けられている、第1実施形態では、3つの第1取付部31と3つの第2取付部32とが、第1壁部14に設けられている。
【0039】
ここで、図2および図4に示すように、沸騰部10は、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19を有する。図5に示すように、熱伝導部19は、Y1方向の一端部19aが第1壁部14の内表面14bと接触し、Y2方向の他端部19bが第2壁部15の内表面15bと接触している。熱伝導部19は、アルミニウム(アルミニウム合金を含む)、銅(銅合金を含む)などの熱伝導性の高い金属材料により形成されている。本実施形態では、熱伝導部19は、沸騰部10の一部として沸騰部10を構成する第1壁部14と同じ材料により構成されている。このため、熱伝導部19は、発熱体HSから第1壁部14に加えられた熱を、熱伝導により第2壁部15まで移動させる。
【0040】
図6に示すように、熱伝導部19は、収容空間11内で冷媒液入口13から冷媒ガス出口12に向かう方向(Z方向)に延びるとともに、収容空間11に複数設けられている。第1実施形態では、熱伝導部19は、収容空間11内に設けられた仕切壁により構成されている。具体的には、収容空間11において、3つの熱伝導部19が、X方向に間隔を隔てて配置されていて、収容空間11が4つの領域11a~11dに仕切られている。3つの熱伝導部19はX方向に等間隔で配置されており、4つの領域11a~11dは略同一形状の空間である。
【0041】
熱伝導部19は、収容空間11内の冷媒ガス出口12から冷媒液入口13までに亘って設けられている。具体的には、Z方向において、熱伝導部19の上端部19cが冷媒ガス出口12の形成位置まで延び、熱伝導部19の下端部19dが冷媒液入口13の形成位置まで延びている。図6の例では、熱伝導部19の上端部19cが冷媒ガス出口12の形成位置よりも上方の上壁部17と接し、熱伝導部19の下端部19dが冷媒液入口13の形成位置よりも下方の下壁部18の近傍まで延びている。つまり、熱伝導部19は、Z方向において収容空間11の略全長に亘って形成されている。
【0042】
したがって、熱伝導部19は、冷媒1の液面1cよりも下側の領域と、液面1cよりも上側の領域との両方に跨がって設けられている。熱伝導部19は、Z方向において、6つの取付部(3つの第1取付部31および3つの第2取付部32)の各形成位置に跨がるように設けられている。熱伝導部19により、液面1cよりも下側の部分では、第2壁部15を介した外部流体2との熱交換によって冷媒液1bを冷却し、液面1cよりも上側の部分では、第2壁部15を介した外部流体2との熱交換によって冷媒ガス1aを冷却することができる。
【0043】
なお、沸騰部10の一対の側壁部16には、発熱体HSを取り付けるための取付穴33が形成されている。取付穴33は、1つの発熱体HSに対して四隅に相当する各位置に設けられている。取付穴33は、たとえばねじ孔であり、ボルトなどの締結部材が取り付けられる。
【0044】
第1実施形態では、沸騰部10のうち、第1壁部14、一対の側壁部16および3つの仕切壁(熱伝導部19)が、押出成形または切削加工により単一部材として一