(57)【要約】【課題】放熱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】発熱体２の熱を受けて沸騰する液冷媒を貯留する冷媒槽３と、冷媒槽３で沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、冷媒蒸気と冷却風との間で熱交換を行って冷媒蒸気を凝縮させる放熱コア部４とを備えた沸騰冷却装置において、放熱コア部４に、冷媒槽３で沸騰した冷媒蒸気が流れ込む蒸気通路４１１と、冷媒蒸気を凝縮させる凝縮通路４１２とを有するチューブ４１を設け、チューブ４１の外表面における凝縮通路４１２に対応する部位に、冷媒蒸気と冷却風の間の熱交換を促進する放熱フィン４２を配設し、チューブ４１の外表面における蒸気通路４１１に対応する部位には、放熱フィン４２を配設しない。【選択図】図４
2008292054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体（２）の熱を受けて沸騰する液冷媒を貯留する冷媒槽（３）と、
前記冷媒槽（３）で沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、前記冷媒蒸気と外部流体との間で熱交換を行って前記冷媒蒸気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、前記冷媒槽（３）で沸騰した前記冷媒蒸気が流れ込む第１の通路（４１１）と、前記冷媒蒸気を凝縮させる第２の通路（４１２）とを有するチューブ（４１）を備えており、
前記チューブ（４１）の外表面における前記第２の通路（４１２）に対応する部位には、前記冷媒蒸気と前記外部流体の間の熱交換を促進する放熱フィン（４２）が配設されており、
前記チューブ（４１）の外表面における前記第１の通路（４１１）に対応する部位には、前記放熱フィン（４２）が配設されていないことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記第１の通路（４１１）および前記第２の通路（４１２）は、前記チューブ（４１）内で前記外部流体の流れ方向に並設され、かつ、前記第１の通路（４１１）が前記第２の通路（４１２）より前記外部流体の流れ方向（Ｘ２）下流側に設けら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。
【請求項３】
前記チューブ（４１）の外表面における前記第１の通路（４１１）に対応する部位には、前記外部流体流れの剥離を生じさせる形状の外部流体剥離手段（５）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
前記放熱コア部（４）は、前記冷媒槽（３）および前記放熱コア部（４）の配置方向（Ｘ１）における前記冷媒槽（３）から遠い側の端部に配置され、前記放熱フィン（４２）に接合されるフィン押さえ部材（４４）を有しており、
前記フィン押さえ部材（４４）には、前記外部流体流れの剥離を生じさせる形状の外部流体剥離手段（６１）が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記チューブ（４１）の内部には、前記チューブ（４１）内を複数の通路状に区画して、前記チューブ（４１）内の凝縮面積を増大する凝縮面積増大部材（４１０）が設けられており、
前記凝縮面積増大部材（４１０）によって、前記第１の通路（４１１）と前記第２の通路（４１２）とが区画形成されており、
前記第２の通路（４１２）は、前記凝縮面積増大部材（４１０）によって区画される複数の通路状部分（４１２ｂ）を有し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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによって発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部に冷媒を貯留する冷媒槽と、冷媒槽に組み付けられる放熱コア部とで構成され、冷媒槽の側面に発熱体が取り付けられた沸騰冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１および２参照）。このような沸騰冷却装置の放熱コア部は、冷媒槽で発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が流れ込む蒸気通路と、冷媒蒸気を凝縮させる凝縮通路とを有している。また、放熱コア部は、蒸気通路および凝縮通路を形成する複数本のチューブと、隣接するチューブ間に設けられる放熱フィンより構成されている。
【特許文献１】特開２０００−２６０９１９号公報
【特許文献２】特開２００３−４２６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記特許文献１および２に記載の沸騰冷却装置では、チューブの外表面における蒸気通路に対応する部位に、放熱フィンが配設されている。このため、蒸気通路内で冷媒蒸気が外部流体に冷却されて凝縮液となり、この凝縮液が蒸気通路を上昇する冷媒蒸気と干渉することにより、放熱コア部内での冷媒循環が阻害され、放熱性能が低下するという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記点に鑑み、放熱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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明では、発熱体（２）の熱を受けて沸騰する液冷媒を貯留する冷媒槽（３）と、冷媒槽（３）で沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、冷媒蒸気と外部流体との間で熱交換を行って冷媒蒸気を凝縮させる放熱コア部（４）とを備えた沸騰冷却装置であって、放熱コア部（４）は、冷媒槽（３）で沸騰した冷媒蒸気が流れ込む第１の通路（４１１）と、冷媒蒸気を凝縮させる第２の通路（４１２）とを有するチューブ（４１）を備えており、チューブ（４１）の外表面における第２の通路（４１２）に対応する部位には、冷媒蒸気と外部流体の間の熱交換を促進する放熱フィン（４２）が配設されており、チューブ（４１）の外表面における第１の通路（４１１）に対応する部位には、放熱フィン（４２）が配設されていないことを特徴としている。
【０００６】
このように、チューブ（４１）の外表面のうち冷媒蒸気を凝縮させる第２の通路（４１２）に対応する部位にのみ、放熱フィン（４２）を設けることにより、沸騰した冷媒蒸気が流れ込む第１の通路（４１１）内で冷媒蒸気が外部流体に冷却されて凝縮することを抑制することができる。このため、放熱コア部（４）内で冷媒循環が阻害されることを抑制し、放熱性能を向上させることが可能となる。
【０００７】
また、上記特徴の沸騰冷却装置において、第１の通路（４１１）および第２の通路（４１２）は、チューブ（４１）内で外部流体の流れ方向に並設され、かつ、第１の通路（４１１）が第２の通路（４１２）より外部流体の流れ方向（Ｘ２）下流側に設けられていてもよい。
【０００８】
放熱コア部（４）に供給される外部流体は、放熱コア部（４）を通過する際に冷媒蒸気の潜熱を吸収することで温度が上昇する。このため、チューブ（４１）における外部流体の流れ方向（Ｘ２）では、外部流体温度が外部流体流れ下流側より上流側の方が低くなり、その結果、外部流体流れ下流側より上流側の方が放熱量が大きくなる。したがって、第１の通路（４１１）を第２の通路（４１２）より外部流体の流れ方向（Ｘ２）下流側に設ける、すなわち冷媒蒸気を凝縮させる第２の通路（４１２）を第１の通路（４１１）より外部流体流れ上流側に配置することで、放熱性能をより向上させることが可能となる。
【０００９】
また、上記特徴の沸騰冷却装置において、チューブ（４１）の外表面における第１の通路（４１１）に対応する部位には、外部流体流れの剥離を生じさせる形状の外部流体剥離手段（５）が設けられていてもよい。
【００１０】
これによれば、外部流体剥離手段（５）の外部流体流れ下流側領域において、外部流体流れをチューブ（４１）の外表面から剥離させることができるので、第１の通路（４１１）内で冷媒蒸気が外部流体に冷却されることをより抑制できる。このため、冷媒循環が阻害されることをより抑制し、放熱性能をより向上させることが可能となる。
【００１１】
また、上記特徴の沸騰冷却装置において、放熱コア部（４）は、冷媒槽（３）および放熱コア部（４）の配置方向（Ｘ１）における冷媒槽（３）から遠い側の端部に配置され、放熱フィン（４２）に接合されるフィン押さえ部材（４４）を有しており、フィン押さえ部材（４４）には、外部流体流れの剥離を生じさせる形状の外部流体剥離手段（６１）が設けられていてもよい。
【００１２】
これによれば、外部流体剥離手段（６１）の外部流体流れ下流側領域において、外部流体流れをチューブ（４１）の外表面から剥離させることができるので、第１の通路（４１１）内で冷媒蒸気が外部流体に冷却されることをより抑制できる。このため、冷媒循環が阻害されることをより抑制し、放熱性能をより向上させることが可能となる。
【００１３】
また、上記特徴の沸騰冷却装置において、チューブ（４１）の内部には、チューブ（４１）内を複数の通路状に区画して、チューブ（４１）内の凝縮面積を増大する凝縮面積増大部材（４１０）が設けられており、凝縮面積増大部材（４１０）によって、第１の通路（４１１）と第２の通路（４１２）とが区画形成されており、第２の通路（４１２）は、凝縮面積増大部材（４１０）によって区画される複数の通路状部分（４１２ｂ）を有していてもよい。
【００１４】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態について図１〜図４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。
【００１６】
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を冷却するもので、内部に液状の冷媒（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。
【００１７】
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、本実施形態の冷媒槽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の設置方向（以下、設置方向Ｘ１という）は重力方向と一致している。
【００１８】
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。
【００１９】
図３は、本第１実施形態におけるチューブ４１を示す断面図である。図３に示すように、チューブ４１の内部には、インナーフィン４１０が挿入されている。このインナーフィン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、チューブ４１内の凝縮面積を増大させるとともに、チューブ４１内に後述する冷媒循環路を形成する目的で用いられる。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。
【００２０】
インナーフィン４１０は、折り曲げ部（山部と谷部）の延設方向を重力方向（設置方向Ｘ１）に向けてチューブ４１内に挿入され、かつ、チューブ４１内の左下側に偏って配置され、各折り曲げ部がチューブ４１の内壁面に当接して、ろう付けされている。これにより、チューブ４１内には、インナーフィン４１０の右側に確保される蒸気通路４１１と、インナーフィン４１０の上側に確保される第１凝縮通路４１２ａと、インナーフィン４１０のピッチ間に形成される複数の第２凝縮通路４１２ｂが形成される。そして、蒸気通路４１１、第１凝縮通路４１２ａおよび第２凝縮通路４１２ｂで上記の冷媒循環路を構成している。本実施形態では、チューブ４１内の第１凝縮通路４１２ａの通路断面積は、放熱コア部４に送風される冷却風の流れ方向（以下、冷却風流れ方向Ｘ２という）全域で一定になっている。
【００２１】
なお、第１凝縮通路４１２ａおよび第２凝縮通路４１２ｂをまとめて凝縮通路４１２ともいう。また、蒸気通路４１１が本発明の第１の通路に相当しており、凝縮通路４１２が本発明の第２の通路に相当している。
【００２２】
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と第１凝縮経路４１２ａ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。
【００２３】
図２に戻り、冷媒槽３における発熱体２が固定された部位の上方側には、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４１２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。
【００２４】
図４は、本第１実施形態における放熱コア部４を示す上面透過図である。図４に示すように、放熱フィン４２は、チューブ４１の外表面のうち、凝縮通路４１２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。すなわち、チューブ４１の外表面のうち、チューブ４１の内部にインナーフィン４１０が配置されている部位には、放熱フィン４２が配設されており、チューブ４１の内部にインナーフィン４１０が配置されていない部位には、放熱フィン４２が配設されていない。
【００２５】
図１に戻り、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を押さえるサイドプレート４３がそれぞれ配設されている。また、放熱コア部４における設置方向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に接合され、設置方向Ｘ１の冷媒槽３から遠い側から放熱フィン４２を押さえるアッパプレート４４が配設されている。なお、アッパプレート４４が、本発明のフィン押さえ部材に相当している。
【００２６】
次に、本実施形態の沸騰冷却装置１の作動を説明する。
【００２７】
図２に示すように、冷媒槽３に貯留される液冷媒は、発熱体２の熱を受けて沸騰し、冷媒蒸気となって冷媒蒸気入口３１を通ってチューブ４１の蒸気通路４１１内へ流入する。蒸気通路４１１を上昇して第１凝縮通路４１２ａ内に流入した冷媒蒸気の一部は、チューブ４１の内壁面に凝縮して液化し、残りの冷媒蒸気も第２凝縮通路４１２ｂ内でインナーフィン４１０の表面およびチューブ４１の内壁面に凝縮して液化する。第１、第２凝縮通路４１２ａ、４１２ｂ内で液化した冷媒は、液冷媒出口３２を通って冷媒槽３へ還流する。
【００２８】
以上説明したように、チューブ４１の外表面のうち冷媒蒸気を凝縮させる凝縮通路４１２に対応する部位にのみ放熱フィン４２を設けることにより、蒸気通路４１１内で冷媒蒸気が冷却風に冷却されて凝縮することを抑制することができる。このため、冷媒循環が阻害されることを抑制し、放熱性能を向上させることが可能となる。
【００２９】
また、チューブ４１の外表面のうち蒸気通路４１１に対応する部位には放熱フィン４２を配置しないため、チューブ４１における蒸気通路４１１の冷媒槽３から遠い側の端部に対応する角部を、Ｒ形状にすることができる。これにより、蒸気通路４１１の圧力損失を低減することができるため、冷媒循環を促進し、放熱性能をより向上させることが可能となる。
【００３０】
ところで、放熱コア部４に送風される冷却風は、放熱コア部４を通過する際に冷媒蒸気の潜熱を吸収することで温度が上昇する。このため、チューブ４１における冷却風流れ方向Ｘ２では、冷却風温度が冷却風流体流れ下流側より上流側の方が低くなり、その結果、冷却風流れ下流側より上流側の方が放熱量が大きくなる。したがって、凝縮通路４１２を蒸気通路４１１より冷却風流れ上流側に配置することで、放熱性能をさらに向上させることが可能となる。
【００３１】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図５に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図５は、本第２実施形態における放熱コア部４を示す上面透過図である。
【００３２】
図５に示すように、複数本のチューブ４１の外表面における蒸気通路４１１に対応する部位には、チューブ積層方向Ｘ３に突出する断面半円状の突起部５が、の設置方向Ｘ１（重力方向）全域に亘って配設されている。この突起部５は、チューブ４１の外表面における蒸気通路４１１に対応する部位のうち、最も冷却風流れ上流側に配置されている。なお、突起部５が、本発明の外部流体剥離手段に相当している。
【００３３】
これにより、突起部５の冷却風流れ下流側領域において、冷却風流れをチューブ４１の外表面から剥離させることができるので、蒸気通路４１１内の冷媒蒸気が冷却風によって冷却されることをより抑制できる。このため、放熱コア部４内で冷媒循環が阻害されることをより抑制し、放熱性能をより向上させることが可能となる。
【００３４】
また、突起部５を、チューブ４１の外表面における蒸気通路４１１に対応する部位のうち、最も冷却風流れ上流側に配置することで、放熱フィン４２の位置決めをすることが可能となる。
【００３５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図６〜図８に基づいて説明する。上記第１実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００３６】
図６は本第３実施形態に係る沸騰冷却装置１を示す斜視図で、図７は本第３実施形態における放熱コア部４を冷却風流れ下流側から見た状態を示す拡大正面図で、図８は本第３実施形態における放熱コア部４を示す上面図である。
【００３７】
図６〜図８に示すように、アッパプレート４４の冷却風流れ下流側の端部には、冷却風流れをチューブ４１の外表面から剥離させる剥離部材６１が設けられている。具体的には、剥離部材６１は、重力方向下方側（冷媒槽３側）に向かって延びる板状に形成されており、その冷却風流れ下流側の端部がチューブ４１の外表面および放熱フィン４２に接触するようになっている。また、剥離部材６１は、冷却風流れ上流側に向かうにつれてチューブ４１の外表面から遠ざかるように形成されている。隣接する剥離部材６１間には所定の隙間が設定されており、放熱コア部４を通過する冷却風の流れを妨げないようになっている。なお、剥離部材６１が、本発明の外部流体剥離手段に相当している。
【００３８】
また、隣接するチューブ４１間に配置された剥離部材６の下端部は、接続部材６２により接続されている。接続部材６２は、設置方向Ｘ１に直交する平面状に形成されており、そのチューブ積層方向Ｘ１両端部は、チューブ４１の外表面に接触するようになっている。また、接続部材６２の冷却風流れ上流側の端部は、放熱フィン４２と接触するようになっている。本実施形態では、剥離部材６１および接続部材６２は、アッパプレート４４と一体に成形されている。
【００３９】
これにより、剥離部材６１の冷却風流れ下流側領域において、冷却風流れをチューブ４１の外表面から剥離させることができるので、蒸気通路４１１内の冷媒蒸気が冷却風によって冷却されることをより抑制できる。このため、放熱コア部４内で冷媒循環が阻害されることをより抑制し、放熱性能をより向上させることが可能となる。
【００４０】
また、隣接するチューブ４１間に配置された剥離部材６を接続部材６２により接続することで、剥離部材６の強度を向上させることが可能となる。また、接続部材６２を、そのチューブ積層方向Ｘ１両端部がチューブ４１の外表面に接触するように形成することで、チューブピッチ（隣接するチューブ４１のチューブ積層方向Ｘ３の間隔）を規制することが可能となる。
【００４１】
（他の実施形態）
なお、上記各実施形態では、凝縮通路４１２を蒸気通路４１１より冷却風流れ上流側に配置した例について説明したが、これに限らず、蒸気通路４１１より冷却風流れ下流側に配置してもよい。
【００４２】
また、上記各実施形態では、チューブ４１内の第１凝縮通路４１２の通路断面積を冷却風流れ方向Ｘ２全域で一定にした例について説明したが、これに限らず、図９（ａ）に示すように、冷却風流れ上流側に向かうにつれて、通路断面積が小さくなる、すなわちインナーフィン４１０の設置方向Ｘ１の長さが長くなるようにしてもよい。
【００４３】
第１凝縮通路４１２内においては、冷却風流れ上流側に向かうにつれて冷媒蒸気の量が少なくなるため、第１凝縮通路４１２の通路断面積を小さくしても特に問題はない。一方、第１凝縮通路４１２の通路断面積を小さくした分、インナーフィン４１０の長さを長くすることで、凝縮性能を向上させることができる。
【００４４】
さらに、図９（ｂ）に示すように、蒸気通路４１１を設置方向Ｘ１に対して傾斜させることで、インナーフィン４１０の面積を増大させることができるため、凝縮性能をより向上させることができる。
【００４５】
また、上記各実施形態は、上記した範囲以外にも、可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】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２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】第１実施形態におけるチューブ４１を示す断面図である。
【図４】第１実施形態における放熱コア部４を示す上面透過図である。
【図５】第２実施形態における放熱コア部４を示す上面透過図である。
【図６】第３実施形態に係る沸騰冷却装置１を示す斜視図である。
【図７】第３実施形態における放熱コア部４を冷却風流れ下流側から見た状態を示す拡大正面図である。
【図８】第３実施形態における放熱コア部４を示す上面図である。
【図９】他の実施形態としてのチューブ４１を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４７】
２…発熱体、３…冷媒槽、４…放熱コア部、５…突起部（外部流体剥離手段）、４１…チューブ、４２…放熱フィン、６１…剥離部材（外部流体剥離手段）、４１０…インナーフィン（凝縮面積増大部材）、４１１…蒸気通路（第１の通路）、４１２…凝縮通路（第２の通路）、４１２ｂ…第２凝縮通路（通路状部分）。
【図１】
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【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】
2008292054.tif 000008
【図７】
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【図８】
2008292054.tif 000010
【図９】
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