(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１液冷媒が流れ蒸気泡が発生し得る液冷媒流路に取付けられる気液分離装置であって、
前記液冷媒流路の上方に配置される筒状の旋回室と、
前記液冷媒流路と連通し、前記第１液冷媒を前記旋回室へ導く連通口と、
第２液冷媒を前記旋回室に流入させる流入部と、
前記流入部から流入した前記第２液冷媒を前記旋回室から流出させる流出部とを有し、
前記流入部または前記流出部は、前記旋回室の中心軸に対し、オフセットした位置に配置され、
前記流入部から流入した前記第２液冷媒が前記旋回室内で旋回して前記蒸気泡が分離される、気液分離装置。
【請求項２】
前記流入部から流入する前記第２液冷媒の流入方向の軸と前記流出部から流出する前記第２液冷媒の流出方向の軸とは、所定の距離を隔てて平行する、
請求項１に記載の気液分離装置。
【請求項３】
前記旋回室は、天板を有し、
前記天板は、前記旋回室の内側に、傾斜面を有する、
請求項１または２に記載の気液分離装置。
【請求項４】
前記天板の最上部には、前記旋回室の外部と連通する弁が取付けられる、
請求項３に記載の気液分離装置。
【請求項５】
前記天板の最上部には、リザーバタンクに接続される配管が取付けられる、
請求項３または４に記載の気液分離装置。
【請求項６】
前記流入部は、前記流出部よりも上方に設けられる、
請求項１から５のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項７】
前記流入部と前記流出部の少なくとも一方は、上下方向に傾斜して設けられる、
請求項１から６のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項８】
前記旋回室には、旋回流を誘導する、旋回流誘導部材が設けられている、
請求項１から７のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項９】
前記連通口は、
前記流路から前記旋回室へ、前記蒸気泡を含む前記液冷媒を取り入れる第１の連通口と、
前記旋回室から前記流路へ、前記液冷媒を流入させる第２の連通口とを有する、
請求項１から８のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【請求項１０】
前記液冷媒流路は、環状であり、
前記環状の内周側にモータが配置され、
前記環状の外周側に発熱体が配置され、
前記旋回室は、前記モータ及び前記発熱体の上方に位置する、
請求項１から９のいずれか１項に記載の気液分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電力変換を行う電子機器などの発熱体及びモータを冷却する、液冷媒の流路を備えた沸騰冷却システムにおける、気液分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、電力変換を行う電子機器などの発熱体及びモータの熱を、液冷媒の沸騰を利用して冷却する沸騰冷却システムが知られている。沸騰冷却システムは、発熱体及びモータの熱を、冷却器内の液冷媒に伝達し、液冷媒を沸騰させることにより、潜熱を利用して冷却するものであり、冷却効率が高いが、液冷媒中に蒸気泡が発生する。【０００３】
蒸気泡を含む液冷媒は、冷却器から放熱器に流入して凝縮され、蒸気泡は液化されて冷却器に戻されるが、液冷媒に溶存気体が存在する場合、蒸気泡が液化しないことがある。蒸気泡は、流路内の圧力変化によって膨張と収縮を繰り返し、ポンプの羽根車などの表面に張り付いて変形し、破壊する。この現象はキャビテーションと呼ばれ、蒸気泡が破壊する際に、周囲に大きな衝撃を与え、羽根車などを損傷させることがある。このため、沸騰冷却システムには、気液分離装置を備えて、この蒸気泡を除去するものがある（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】実開昭６３−１７８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の沸騰冷却装置では、気液分離器に気液分離膜を設けているため、構成部品が増加し、メンテナンス性が低下するという課題があった。【０００６】
本発明は、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、簡易な構成で、キャビテーションの発生を抑制することのできる、沸騰冷却システムの気液分離装置を得るものである。【０００７】
なお、本発明において、「気液分離」とは、液化しない溶存気体と液冷媒を分離することに加え、発生した蒸気泡を消失させることを表すものとする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る沸騰冷却システムの気液分離装置は、第１液冷媒が流れ蒸気泡が発生し得る液冷媒流路に取付けられる気液分離装置であって、液冷媒流路の上方に配置される筒状の旋回室と、液冷媒流路と連通し、第１液冷媒を旋回室へ導く連通口と、第２液冷媒を旋回室に流入させる流入部と、流入部から流入した第２液冷媒を旋回室から流出させる流出部とを有し、流入部または流出部は、旋回室の中心軸に対し、オフセットした位置に配置され、流入部から流入した第２液冷媒が旋回室内で旋回して蒸気泡が分離されるものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、沸騰冷却システムの液冷媒中に発生する蒸気泡を、液冷媒に旋回流を生じさせることにより、液冷媒から分離して排出する、気液分離装置に関するものである。これにより、簡易な構成で、液冷媒を循環するポンプの翼などにキャビテーションによる損傷が発生することを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１による気液分離装置が取付けられた、沸騰冷却システムの斜視図である。
【図２】実施の形態１による気液分離装置が取付けられた、沸騰冷却システムの側面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面の概略図である。
【図４】実施の形態１による気液分離装置が取付けられた沸騰冷却システムを、車両の駆動部に取付けた例における、冷媒回路を示す図である。
【図５】図３の沸騰冷却システムにおいて、流路内に蒸気泡が発生した状態を示す模式図である。
【図６】図２のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面の概略図である。
【図７】実施の形態１による気液分離装置の第１変形例を取付けた、沸騰冷却システムの斜視図である。
【図８】図７の気液分離装置の第１変形例を取付けた、沸騰冷却システムの断面を示す概略図である。
【図９】実施の形態１による気液分離装置の第２変形例を示す概略図である。
【図１０】実施の形態１における、図４の冷媒回路の変形例を示す図である。
【図１１】実施の形態１による気液分離装置の第３変形例を示す概略図である。
【図１２】実施の形態１による気液分離装置の第４変形例を示す概略図である。
【図１３】実施の形態１による気液分離装置の第５変形例を示す概略図である。
【図１４】実施の形態１による気液分離装置の第６変形例を示す概略図である。
【図１５】実施の形態１による気液分離装置の第７変形例を示す概略図である。
【図１６】実施の形態２による気液分離装置を示す概略図である。
【図１７】実施の形態２による気液分離装置の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の沸騰冷却システムの気液分離装置の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による気液分離装置が取付けられた、沸騰冷却システムの斜視図である。図２は、実施の形態１による気液分離装置が取付けられた、沸騰冷却システムの側面図であり、図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
【００１３】
図１〜図３に示すように、沸騰冷却システム１は、発熱体１００と、モータ２００と、これら発熱体１００及びモータ２００に隣接して設けられた、環状の第１流路２０とを有する。また、沸騰冷却システム１は、第１流路２０の上部に、気液分離装置１０を有している。
【００１４】
発熱体１００は、例えば、モータ２００の回転数を制御するインバータなどの電子機器である。発熱体１００は、複数の素子と、複数の素子をオン／オフ制御するための制御回路を備え、防塵、防水、漏電保護を目的として、図示しないカバーにより覆われている。発熱体１００は、放熱性を良くするために、グリースやシートを介して、第１流路２０の外壁２２に、締結もしくはロウ付けや溶接といった接合によって固定されている。
【００１５】
モータ２００は、例えば電気自動車、ハイブリッド自動車、燃料電池車等に搭載される走行用もしくは発電用のモータである。モータ２００は、図３に示すように、ロータ２１０及びステータ２２０と、第１流路２０の内壁２１を兼ねるフレームにより形成されている。そして、発熱体１００により形成された三相交流が、ステータ２２０に供給されて、ロータ２１０が回転する。モータ２００の周囲には、液冷媒５０で満たされた環状の第１流路２０が、ステータ２２０を覆うように設けられている。発熱体１００は、この第１流路２０の外壁２２に取付けられている。
【００１６】
気液分離装置１０は、円筒状の旋回室１１を有しており、旋回室１１は、第１流路２０と同様に、液冷媒５０で満たされている。旋回室１１の底面には、上底から下底に貫通する孔を有する円錐台状の連通口１２が設けられており、旋回室１１は、この連通口１２を介して、第１流路２０と連通している。
【００１７】
図１及び図２に示すように、旋回室１１の側面には、流入部１３と流出部１４が設けられている。流入部１３と流出部１４は、上面視で、旋回室１１の中心に対し、点対称となる位置に配置されており、それぞれ、旋回室１１の内壁に沿うように、平行に配置されている。また、流入部１３は、流出部１４よりも上方に設けられている。旋回室１１の上部は、円錐状の上面板１９で覆われており、上面板１９の中央となる最上部には、逆止弁１６が取付けられている。
【００１８】
流入部１３には、第２流路３０の配管が接続されており、流入部１３を介して、第２流路３０から旋回室１１に、液冷媒５０が流入する。一方、流出部１４には、第３流路３１の配管が接続されており、流出部１４を介して、旋回室１１から第３流路３１に、液冷媒５０が流出する。旋回室１１は、流入部１３から流入する液冷媒５０により、旋回流を発生させている。
【００１９】
次に、図４〜図６を用いて、沸騰冷却システム１と、沸騰冷却システム１に取付けられた気液分離装置１０の作用について説明する。
【００２０】
図４は、気液分離装置１０を有する沸騰冷却システム１を、車両のモータ２００に取付けた場合の、液冷媒５０の循環経路を示す冷媒回路図である。図５は、図３に示した沸騰冷却システム１の断面と同じ断面を示す図である。また、図６は、図２のＶＩ−ＶＩ線に沿う断面の模式図である。
【００２１】
図４に示すように、沸騰冷却システム１に用いられる液冷媒５０は、ポンプ９０によって、車両のエンジン８０に送られる。エンジン８０に送られた液冷媒５０は、エンジン８０の熱を吸収して高温となり、ラジエータ８１に流入して放熱される。ラジエータ８１から流出した液冷媒５０は、リザーバタンク７０に貯められる。そして、リザーバタンク７０から、第２流路３０を経由して、気液分離装置１０の旋回室１１に流入する。旋回室１１に流入した液冷媒５０は、第３流路３１に流出し、ポンプ９０に戻る。
【００２２】
沸騰冷却システム１の発熱体１００及びモータ２００が稼働すると、第１流路２０内の液冷媒５０は、発熱体１００及びモータ２００の熱を吸収する。発熱体１００は、モータ２００よりも高温になるため、発熱体１００の周辺の液冷媒５０は、他の第１流路２０内の液冷媒５０よりも高温になる。すると、第１流路２０内に温度勾配が形成され、図５に矢印Ａで示すような対流が発生する。
【００２３】
また、発熱体１００が取付けられている部位に対応する、第１流路２０の内壁２１には、液冷媒５０の沸騰を誘起する加工が施してある。沸騰を誘起する加工とは、キャビティまたは沸騰核と呼ばれる小さな溝もしくは切り欠き、突起物を形成したり、サンドブラスト、金属溶射、酸化還元処理などにより表面に凹凸を形成することである。このような加工により、発熱体１００の周辺の液冷媒５０は沸騰し、蒸気泡６０が発生する。液冷媒５０より十分に密度が小さい蒸気泡６０は、図５に示すように、第１流路２０内を、矢印Ｂのように上昇する。
【００２４】
高温の液冷媒５０と蒸気泡６０は、第１流路２０を上昇し、連通口１２を介して、気液分離装置１０の旋回室１１を流れる液冷媒５０と接触し、熱交換される。すると、高温の液冷媒５０は冷却され、蒸気泡６０の一部は凝縮液化する。そして、温度の低下した液冷媒５０及び液化した蒸気泡６０の一部は、再び第１流路２０に戻る。以後、同様な物理現象が繰り返されることにより、発熱体１００及びモータ２００が冷却される。
【００２５】
一方、第１流路２０内を上昇した蒸気泡６０のうち、凝縮液化しなかったものは、図５に示すように、連通口１２を通過して、気液分離装置１０の旋回室１１の中へと移動する。そして、蒸気泡６０は、旋回室１１内で旋回する液冷媒５０に混入する。
【００２６】
図６に示すように、旋回室１１内の旋回流Ｃに混入した蒸気泡６０は、遠心分離され、破線の矢印で示すように、旋回流Ｃの中心に集められる。旋回流Ｃの中心に集められた蒸気泡６０は、図５に示すように、旋回室１１の円錐状の上面板１９に沿って上昇する。そして、旋回室１１内が、一定の圧力を超えた場合に、逆止弁１６を開放して、蒸気泡６０を旋回室１１の外部に放出する。
【００２７】
このように、実施の形態１による沸騰冷却システム１の気液分離装置１０によれば、沸騰冷却システム１の上部に気液分離装置１０を取付け、沸騰冷却システム１の液冷媒５０中に発生した蒸気泡６０を、気液分離装置１０の旋回室１１に取り込み、旋回流Ｃによって蒸気泡６０を液冷媒５０から分離して、外部に放出する。これにより、液冷媒５０中の溶存気体及び液冷媒５０が沸騰して発生する蒸気泡６０の量を減らすことができ、簡易な構成で、蒸気泡６０に起因するキャビテーションの発生を抑制することができる。
【００２８】
なお、実施の形態１では、発熱体１００を、第１流路２０の外壁２２に取付けていたが、発熱体１００の筐体自体が、第１流路２０の外壁２２の一部を形成するようにしてもよい。また、実施の形態１では、旋回室１１の底面に、上底から下底に貫通する孔を有する円錐台状の連通口１２を設けたが、これに限るものではない。例えば、連通口１２の形状は、円筒であってもよいし、上面から下面に貫通する孔を有する角錐台または角柱であってもよい。さらに、連通口は、壁面のない単なる貫通孔であってもよい。
【００２９】
そして、実施の形態１では、旋回室１１の底部に設けた連通口１２により、第１流路２０と旋回室１１とを連通させていたが、これに限るものではない。例えば、第１変形例として図７及び図８に示すように、第１流路２０から旋回室１１に蒸気泡６０を移動させる第１の連通口１２ａと、旋回室１１から第１流路２０へ液冷媒５０を移動させる第２の連通口１２ｂとを設けてもよい。
【００３０】
さらに、実施の形態１では、流入部１３と流出部１４は、上面視で、旋回室１１の中心に対し、点対称となる位置に配置され、それぞれ、旋回室１１の内壁に沿うように、平行に配置されているが、これに限るものではない。例えば、第２変形例として図９に示すように、流入部１３に対し、流出部１４を垂直に配置してもよい。これにより、第１流路２０から連通口１２を介して旋回室１１に移動した蒸気泡６０のうち、旋回室１１内で分離される前に、流出部１４から流出する蒸気泡６０の数を減らすことができる。
【００３１】
また、実施の形態１では、旋回室１１の上面板１９に、逆止弁１６を取付けていたが、これに限るものではない。例えば、逆止弁１６の代わりに、図１０の回路図に示す様に、上面板１９に、配管３２の一端側を取付け、配管３２の他端側をリザーバタンク７０に取付けてもよい。そして、旋回室１１の上部に集めた蒸気泡６０を、配管３２を介して、リザーバタンク７０に放出する。これにより、リザーバタンク７０内の圧力を上昇させて、リザーバタンク７０内の液冷媒５０を押し出すことができる。よって、ポンプ９０による液冷媒５０の吸引を補助することができる。
【００３２】
そして、実施の形態１では、流入部１３と流出部１４を水平に配置していたが、これに限るものではない。例えば、第３変形例として図１１に示すように、流入部１３と流出部１４を、旋回室１１の上面板１９に沿うように、上向きに傾斜させて取付けてもよい。このような流入部１３の配置により、旋回室１１の上部に強い旋回流を発生させて、蒸気泡６０を、効率よく旋回室１１の中心に集めることができる。また、このような流出部１４の配置により、旋回室１１内の蒸気泡６０が第２流路３０に流出することを抑制することができる。なお、流出部１４は、流入部１３と逆に、下向きに傾斜させてもよいし、流入部１３と流出部１４のいずれか一方のみを傾斜させてもよい。
【００３３】
また、実施の形態１では、旋回室１１を円筒状に形成したが、これに限るものではない。例えば、第４変形例として図１２に示すように、水平面内における断面が、楕円形状となるように形成してもよい。楕円形状の長軸と短軸は、逆にしてもよい。
【００３４】
さらに、実施の形態１では、流入部１３と流出部１４を、それぞれ、旋回室１１の内壁に沿って配置したが、流入部１３と流出部１４の配置は、これに限るものではない。例えば、第５変形例として図１３に示すように、流入部１３と流出部１４を、それぞれ旋回室１１ａの外側に張り出すように配置してもよいし、第６変形例として図１４に示すように、流入部１３と流出部１４を、それぞれ旋回室１１の外周より内側に寄せて配置してもよい。
【００３５】
そして、実施の形態１では、上面板１９を円錐状に形成したが、これに限るものではない。例えば、第７変形例として図１５に示すように、円錐を逆さにしたような形状としてもよい。この場合、逆止弁１６は、上面板１９ａの中央ではなく、上面板１９ａの最上部となる、端部周辺に取付ける。旋回室１１に流入した液冷媒５０は、旋回室１１の内壁と、上面板１９ａにより形成された環状の流路Ｄ内で旋回流Ｃを形成する。このように上面板１９ａを形成することにより、旋回室１１内で、旋回流Ｃを発生しやすくすることができる。さらに、上面板１９は、上に凸、または下に凸となる半球状であってもよい。すなわち、上面板１９の旋回室１１側に、蒸気泡６０を沿わせて上昇させる傾斜面が形成されていればよく、傾斜面は、上面板１９の一部に形成されていてもよい。
【００３６】
実施の形態２．
図１６は、本発明の実施の形態２による気液分離装置１０ａを上面からみた概略断面図である。実施の形態２の気液分離装置１０ａは、旋回室１１ａに複数の翼１７を有している点が、実施の形態１の気液分離装置１０の旋回室１１とは異なる。他の構成は、実施の形態１と同様である。
【００３７】
実施の形態２による気液分離装置１０ａの旋回室１１ａには、旋回室１１ａの底面から上方に延出する複数の翼１７が取付けられている。これら複数の翼１７は、旋回室１１ａの上面板１９から下方に延出するように取付けられてもよいし、旋回室１１ａの上面板１９から底面まで連続したものであってもよい。複数の翼１７は、旋回室１１ａ内で発生させる旋回流Ｃの流れを阻害しないような形状に形成され、旋回流Ｃの流れに沿うように配置される。
【００３８】
実施の形態２による気液分離装置１０ａによれば、複数の翼１７を旋回室１１ａに取付け、複数の翼１７に沿って旋回流Ｃを形成する。そして、液冷媒５０を、複数の翼１７の間から、旋回室１１ａの外側に向かって流出させる。これにより、液冷媒５０に混入している蒸気泡６０を、旋回室１１ａの中央側に集まりやすくして、液冷媒５０と蒸気泡６０の分離を促進することができる。なお、実施の形態２では、旋回室１１ａ内に、複数の翼１７を取付けたが、これに限るものではない。例えば、複数の翼１７に代えて、図１７の変形例に示すような、円筒状の金属板に複数の孔を設けた、パンチングメタル１８を取付けてもよい。また、図１７のパンチングメタル１８は、金属板でなくてもよい。例えば樹脂やセラミックの板で形成された円筒状の板に、複数の孔を設けてもよい。さらに、図１７のパンチングメタル１８は、円筒状に形成しなくてもよく、曲線状に曲げたものを１枚、もしくは複数枚並べてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１  沸騰冷却システム、１０  気液分離装置、１１  旋回室、１２  連通口、１２ａ  第１の連通口、１２ｂ  第２の連通口、１３  流入部、１４  流出部、１６  逆止弁（弁）、１７  翼（旋回流誘導部材）、１８  パンチングメタル（旋回流誘導部材）、１９  上面板（天板）、２０  第１流路（流路）、２１  内壁、２２  外壁、３０  第２流路（沸騰冷却システムの外部）、３１  第３流路（沸騰冷却システムの外部）、５０  液冷媒、６０  蒸気泡、７０  リザーバタンク、８０  エンジン、８１  ラジエータ、９０  ポンプ、１００  発熱体、２００  モータ、２１０  ロータ、２２０  ステータ。
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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