(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
前記発熱体が取り付けられて、内部に前記発熱体の発する熱で気化する冷媒が収容された冷媒槽と、
この冷媒槽で気化した蒸気冷媒の熱を放出する放熱器と、
前記冷媒槽と前記放熱器とを気密に連結する連結部材とを備え、
前記連結部材は、複数の薄板材を貼り合わせて構成されると共に、前記連結部材の下端側が前記冷媒槽との接続口となり、この接続口を前記冷媒槽の上端外周部に嵌合して気密に接合されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記連結部材は、前記放熱器との間に送風空気が流れる送風空間を有していることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記送風空間に放熱用フィンが挿入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。
【請求項４】
前記放熱器は、前記連結部材の側方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３記載の何れかの沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記放熱器は、前記連結部材の上方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３記載の何れかの沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記放熱器は、複数の板状構成部材を貼り合わせて中空体に形成された放熱管を複数積層して構成されていることを特徴とする請求項１〜５記載の何れかの沸騰冷却装置。
【請求項７】
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通路、前記放熱器で液化した液冷媒が流入する凝縮液通路、及び前記蒸気通路と前記凝縮液通路とを連通する連通路を有し、
前記連結部材は、前記蒸気通路と前記放熱器とを連通する一方の連通部、前記放熱器と前記凝縮液通路とを連通する他方の連通部、及び前記一方の連通部と前記他方の連通部との間を仕切る仕切板を有し、この仕切板と前記一方の連通部との間にインナフィンが介在されていることを特徴とする請求項１〜６記載の何れかの沸騰冷却装置。
【請求項８】
前記インナフィンは、前記仕切板と前記一方の連通部との間を冷媒が通過できる向きに配されていることを特徴とする請求項７記載の沸騰冷却装置。
【請求項９】
前記インナフィンは、前記仕切板と前記一方の連通部との間で相互に間隔を空けて複数配されていることを特徴とする請求項８記載の沸騰冷却装置。
【請求項１０】
前記インナフィンは、側壁面に前記蒸気通路から流出した蒸気冷媒が通過できる孔が設けられていることを特徴とする請求項７〜９記載の何れかの沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特開平８−２９０４１号公報または特開平８−２９０４２号公報に開示された沸騰冷却装置がある。これらの沸騰冷却装置は、冷媒槽と放熱器とを連結する連結部材を備えたもので、冷媒槽の上部に連結部材が接続されて、その連結部材の上部に放熱器が接続されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記公報に示された連結部材は、一体構造であるため、連結部材を形成するための型構造が複雑になることから、型費用が非常に高くなる。また、冷媒槽と放熱器とを上下方向に連結する場合は、連結部材の下部と上部に開口部を形成することで対応できる（即ち、同一方向に型抜きできる）が、放熱器を連結部材の側方に接続する場合は、連結部材の下部と側部とに開口部を形成する必要が生じるため、一体構造では極めて製造が困難である。
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、連結部材の製造コストを低減できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、冷媒槽と放熱器とを連結する連結部材が複数の薄板材を貼り合わせて構成されている。このため、連結部材の形状が複雑でも各薄板材を形成するための型構造を単純化できることから、連結部材の製造が容易であるとともに、各薄板材を形成するための型構造の共通化を図ることによって、連結部材全体の型費用を大幅に低減できる。また、連結部材が一体構造ではなく、複数の薄板材を貼り合わせて構成されているため、連結部材に対する放熱器の接続方向を変更する場合でも容易に対応できる。
この連結部材は、複数の薄板材を貼り合わせて構成されると共に、連結部材の下端側が冷媒槽との接続口となり、この接続口を冷媒槽の上端外周部に嵌合して気密に接合されている。
【０００５】
請求項２の発明によれば、連結部材と放熱器との間に送風空気が流れる送風空間を有することから、冷媒槽から放熱器へ向かって連結部材の内部を通過する蒸気冷媒の熱を送風空間を流れる送風空気へ放出することができる。即ち、連結部材を放熱器の一部としても利用できるため、その分、放熱器の小型化が可能である。
請求項３の発明によれば、連結部材の送風空間に放熱用フィンが挿入されているため、放熱性を向上できる。
【０００６】
請求項４の発明によれば、放熱器が連結部材の側方に設けられている。この様な構造の場合、連結部材の冷媒槽との接続口と放熱器との接続口の方向が異なるため、連結部材を一体構造で形成する場合には、その製造が極めて困難であるが、本発明の様に連結部材を複数の薄板材を貼り合わせて構成することにより、容易に連結部材を製造できる。
【０００７】
請求項５の発明によれば、放熱器が連結部材の上方に設けられている。この様な構造の場合、連結部材の冷媒槽との接続口と放熱器との接続口の方向を同一に設けることができるため、各薄板材を同一形状とすることが可能である。これにより、各薄板材を形成するための型構造を共通化できるため、連結部材全体の型費用を大幅に低減できる。
【０００８】
請求項６の発明によれば、放熱器が複数の放熱管を積層して構成されていることから、発熱体の発熱量に応じて放熱器の容量（放熱性能）を容易に変更できる。また、放熱器を積層構造としたことにより、連結部材の片側だけでなく、両側に放熱器を接続することも可能であり、冷媒槽と放熱器との位置関係を使用条件に応じて適宜変更できる。
【０００９】
請求項７の発明によれば、連結部材の仕切板と一方の連通部との間にインナフィンが介在されている。このため、複数の薄板材を貼り合わせて構成された連結部材であっても、インナフィンによって薄板材を補強できるため、連結部材の強度を向上できる。
【００１０】
請求項８の発明によれば、インナフィンは、仕切板と一方の連通部との間を冷媒が通過できる向きに配されている。従って、冷媒槽の蒸気通路より流出した蒸気冷媒の流れがインナフィンによって遮られることはなく、冷媒の循環を良好に行わせることができる。
【００１１】
請求項９の発明によれば、インナフィンは、仕切板と一方の連通部との間で相互に間隔を空けて複数配されている。これにより、冷媒槽の蒸気通路より流出した蒸気冷媒が各インナフィン相互間の隙間を通ってスムーズに一方の連通部へ流れることができる。
【００１２】
請求項１０の発明によれば、インナフィンは、側壁面に蒸気通路から流出した蒸気冷媒が通過できる孔が設けられている。このため、インナフィンを分割することなく一体としても、冷媒槽の蒸気通路より流出した蒸気冷媒がインナフィン側壁面の孔を通ってスムーズに一方の連通部へ流れることができる。この場合、インナフィンを一体とすることで、複数のインナフィンを使用する場合と比較して組付け工数を低減できる。
【００１３】
【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は沸騰冷却装置の正面図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰／凝縮熱伝達によって発熱体２（図２参照）を冷却するもので、冷媒槽３、連結部材４、放熱器５、及び冷却ファン（図示しない）から構成される。
発熱体２は、例えば電気自動車や一般電力制御機器等のインバータ回路を構成するＩＧＢＴモジュールである。この発熱体２は、内部で発生した熱を放出する放熱板（図示しない）を有し、この放熱板が冷媒槽３の外壁面に密着した状態でボルト（図示しない）の締め付けによって冷媒槽３に固定されている（図２参照）。
【００１４】
冷媒槽３は、例えばアルミニウム製のブロック材から押し出し加工によって成形された押出材６と、この押出材６の一方の開放端（図１の下端）に被せられるエンドキャップ７とから成る。
押出材６には、上下方向に伸びる複数本の支柱６ａによって仕切られた蒸気通路８、凝縮液通路９、及び非作動通路１０が設けられている。
蒸気通路８は、発熱体２の熱を受けて沸騰気化した蒸気冷媒が流出する通路で、発熱体２の取付け部位に対応して複数形成されている。凝縮液通路９は、放熱器５で凝縮液化された液冷媒が流入する通路で、発熱体２の取付け部位から外れた位置に形成されている。非作動通路１０は、押し出し加工の際に、凝縮液通路９と反対側に設けられるもので、凝縮液通路９としては使用されない。なお、蒸気通路８、凝縮液通路９、及び非作動通路１０は、各支柱６ａの上端部が削除されることで、押出材６の上端面より低い位置に開口している。また、各支柱６ａには、ボルトを締め付けるための螺子孔６ｂが複数個形成されている。
【００１５】
エンドキャップ７は、押出材６と同じアルミニウム製で押出材６の下端外周部に被せられて一体ろう付けにより接合されている。但し、エンドキャップ７と押出材６の下端面との間には、押出材６に形成された蒸気通路８、凝縮液通路９、及び非作動通路１０をそれぞれ連通する連通路１１が形成されている。これにより、放熱器５から凝縮液通路９へ流入した液冷媒を、連通路１１を通って各蒸気通路８へ供給することができる。
【００１６】
連結部材４は、プレス成形された２枚の長円形状を成す成形プレート１２（本発明の薄板材／図４参照）の下端側を除く外周縁部が接合されて形成され、長手方向の両端部に冷媒槽３の蒸気通路８に通じる一方の連通部１３と、凝縮液通路９に通じる他方の連通部１４とが設けられている。連結部材４の下端側は、冷媒槽３との接続口１５となり、冷媒槽３の上端外周部に嵌合して気密に接合される（図２参照）。また、連結部材４の内部は、図１に示すように、他方の連通部１４寄りの位置で各成形プレート１２の内壁面に気密に接合された仕切板１６により区画されている。
【００１７】
成形プレート１２は、図４（ａ）に示すように、長手方向の両端部に凹部１７（成形プレート１２の内側から外側へ窪んでいる）が設けられて、各凹部１７にそれぞれ連通口１８、１９（プレス時に打ち抜かれた丸孔）が開けられている。各凹部１７は、成形プレート１２の上下方向に長い楕円形状に設けられており、２枚の成形プレート１２を接合して連結部材４を形成した時に一方の連通部１３と他方の連通部１４を形成する。但し、各成形プレート１２は、一方の連通部１３に設けられる連通口１８が略楕円形状を成す凹部１７の上部寄りに開けられており、他方の連通部１４に設けられる連通口１９が略楕円形状を成す凹部１７の下部寄りに開けられている。つまり、成形プレート１２の上下方向において、連通口１８の方が連通口１９より高い位置に開けられている。
また、各成形プレート１２には、連通口１８の下部及び連通口１９の上部にそれぞれ円弧状を成すリブ２０が設けられている。このリブ２０は、凹部１７の強度を確保するための補強用として設けられている。
【００１８】
連結部材４の内部には、仕切板１６と一方の連通部１３との間に複数のインナフィン２１が挿入されている。各インナフィン２１は、図１に示すように、成形プレート１２に設けられた複数の位置決め用リブ２２によって支持されている。但し、各インナフィン２１は、冷媒槽３の蒸気通路８から流出した蒸気冷媒が一方の連通部１３へ流れることができる様に、連結部材４の長手方向を向いて配されるとともに、各インナフィン２１相互間に隙間が確保されている。
【００１９】
放熱器５は、所謂ドロンカップタイプの熱交換器で、偏平な放熱管２３を複数積層して構成されている。
放熱管２３は、プレス成形された２枚の長円形状を成すプレート２４（本発明の板状構成部材／図３参照）を互いの外周縁部で接合して中空体に設けられるとともに、長手方向の両端部に連通口（プレス時に打ち抜かれた丸孔／図示しない）を有する流入室と流出室（共に図示しない）とが設けられて、その流入室と流出室との間が偏平な冷媒通路（図示しない）として構成されている。その冷媒通路にはアルミニウム製の薄板を波形状に成形したフィン２５（図２参照）が挿入されている。
【００２０】
各放熱管２３は、図２及び図３に示すように、連結部材４の両側にそれぞれ複数個ずつ積層されて、互いの連通口を通じて相互に連通している。この様に、連結部材４の両側に放熱管２３を配することで、片側に配するよりも放熱性能を向上できる。これは、両側に配した方が蒸気冷媒を均等に拡散でき、放熱用フィン（下述する）の温度をより高く昇温できるからである。
連結部材４に接続される放熱管２３と連結部材４とは、連結部材４に形成された連通口１８、１９と放熱管２３に形成された連通口とを通じて相互に連通している。従って、放熱器５は、連結部材４に対して各放熱管２３の流入室の方が流出室より高い位置となる様に、全体が傾斜した状態で取り付けられている（図１参照）。また、積層方向に隣接する各放熱管２３同士の間に形成される偏平な空間、及び連結部材４と放熱器５（放熱管２３）との間に形成される偏平な空間（本発明の送風空間）には、それぞれアルミニウム製の放熱用フィン２６が介在されている（図３参照）。
冷却ファンは、放熱器５に送風するもので、放熱器５に対して送風方向が垂直方向となるように、放熱器５の上方に取り付けられている。
【００２１】
次に、本実施例の作用を説明する。
発熱体２から発生した熱が伝わって沸騰した冷媒は、気泡となって各蒸気通路８を上昇し、各蒸気通路８から連結部材４の一方の連通部１３へ流入した後、さらに一方の連通部１３から各放熱管２３の流入室へ流入して各放熱管２３の冷媒通路へ分配される。各冷媒通路を流れる蒸気冷媒は、冷却ファンの送風を受けて低温となっている冷媒通路の内壁面及び冷媒通路に挿入されたフィン２５の表面に凝縮液化する。液化して液滴となった冷媒は、冷媒通路の底面を流れながら各放熱管２３の流出室へ流入し、さらに流出室から連結部材４の他方の連通部１４を通って冷媒槽３の凝縮液通路９に流入する。凝縮液通路９を流下した液冷媒は、エンドキャップ７内の連通路１１を通って再び各蒸気通路８に供給される。一方、放熱器５内で蒸気冷媒が凝縮する際に放出した凝縮潜熱は、冷媒通路を形成する放熱管２３の壁面から放熱用フィン２６へ伝わり、冷却ファンによって送風される空気中へ放出される。
【００２２】
（本実施例の効果）
本実施例では、連結部材４が２枚の成形プレート１２を接合して構成されているため、連結部材４の形状が複雑でも各成形プレート１２を形成するための型構造を単純化できることから、連結部材４の製造が容易であるとともに、各成形プレート１２を形成するための型構造を共通化することによって、連結部材４全体の型費用を大幅に低減できる。
また、連結部材４と放熱器５との間に送風空気が流れる送風空間を有することから、冷媒槽３から放熱器５へ向かって連結部材４の内部を通過する蒸気冷媒の熱を送風空間を流れる送風空気へ放出することができる。即ち、連結部材４を放熱器５の一部としても利用できるため、その分、放熱器５の小型化が可能である。
【００２３】
更には、２枚の成形プレート１２を接合して連結部材４を構成したことにより、連結部材４の側方（両側）に放熱器５を配置することもできる。即ち、連結部材４の冷媒槽３との接続口１５と放熱器５との接続口（連通口１８、１９）の方向が異なる場合でも容易に対応できる。
連結部材４の内部にインナフィン２１を挿入したことにより、そのインナフィン２１によって各成形プレート１２を補強できるため、連結部材４の強度を向上できる。また、そのインナフィン２１は、連結部材４の長手方向を向いて配されるとともに、複数個のインナフィン２１を相互に間隔を空けて配置したことにより、冷媒槽３の蒸気通路８から流出した蒸気冷媒がインナフィン２１によって遮られることはなく、スムーズに一方の連通部１３へ流れることができる。
【００２４】
（第２実施例）
図５は沸騰冷却装置１の側面図である。
本実施例は、放熱器５を構成する各放熱管２３を連結部材４の片側のみに積層した場合の一例を示すものである。この場合、連結部材４は、放熱管２３が接続される一方の成形プレート１２Ａだけに連通口（図示しない）が開けられて、他方の成形プレート１２Ｂは閉じている。
【００２５】
（第３実施例）
図６は沸騰冷却装置１の正面図である。
本実施例は、連結部材４の内部に挿入するインナフィン２１を一体とした場合の一例を示すものである。但し、インナフィン２１の側壁面には、図７及び図８に示すように、蒸気通路８から流出した蒸気冷媒が通過できるスリット２１ａ（本発明の孔）が設けられている。
これにより、インナフィン２１を分割することなく一体としても、冷媒槽３の蒸気通路８より流出した蒸気冷媒がインナフィン２１側壁面に設けたスリット２１ａを通ってスムーズに一方の連通部１３へ流れることができる。この場合、インナフィン２１を一体とすることで、複数のインナフィン２１を使用する場合と比較して組付け工数を低減できる効果も生じる。
【００２６】
（第４実施例）
図９は沸騰冷却装置１の正面図、図１０は沸騰冷却装置１の側面図である。
本実施例は、連結部材４の上方に放熱器５を配置した場合の一例を示すものである。この様に、放熱器５を連結部材４の上方に配置した構造でも、連結部材４を２枚の成形プレート１２から成る分割構造とすることにより、連結部材４と放熱器５との間に送風空間２７を形成して、その送風空間２７に放熱用フィン２６を挿入することにより、冷媒槽３から放熱器５へ向かって連結部材４の内部を通過する蒸気冷媒の熱を送風空間２７を流れる送風空気へ放出することができる。即ち、連結部材４を放熱器５の一部としても利用できるため、その分、放熱器５の小型化が可能である。
【００２７】
また、連結部材４が２枚の成形プレート１２を貼り合わせて構成されているため、連結部材４の形状が複雑でも各成形プレート１２を形成するための型構造を単純化できることから、連結部材４の製造が容易であるとともに、各成形プレート１２を形成するための型構造の共通化を図ることによって、連結部材４全体の型費用を大幅に低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の正面図である（第１実施例）。
【図２】沸騰冷却装置の側面図である（第１実施例）。
【図３】連結部材と放熱管との接続状態を示す拡大図である（第１実施例）。
【図４】一方の成形プレートの平面図（ａ）と側面図（ｂ）である（第１実施例）。
【図５】沸騰冷却装置の側面図である（第２実施例）。
【図６】沸騰冷却装置の正面図である（第３実施例）。
【図７】インナフィンの側面図である（第３実施例）。
【図８】インナフィンの一壁面を示す平面図である（第３実施例）。
【図９】沸騰冷却装置の正面図である（第４実施例）。
【図１０】沸騰冷却装置の側面図である（第４実施例）。
【符号の説明】
１    沸騰冷却装置
２    発熱体
３    冷媒槽
４    連結部材
５    放熱器
８    蒸気通路
９    凝縮液通路
１１    連通路
１２    成形プレート（薄板材）
１３    一方の連通部
１４    他方の連通部
１６    仕切板
２１    インナフィン
２１ａ  スリット（孔）
２３    放熱管
２４    プレート（板状構成部材）
２６    放熱用フィン
２７    送風空間
【図１】
0003608286.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003608286.tif 000008
【図８】
0003608286.tif 000009
【図９】
0003608286.tif 000010
【図１０】
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