(57)【要約】【課題】液体冷媒の沸騰を利用して発電することができ、且つ、熱伝達を促進させることができる沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】本発明の沸騰冷却装置は、発熱体Ｚの熱を受ける液体冷媒を収容する収容部２１と、液体冷媒内に配置されるとともに、発熱体Ｚの熱を受けた液体冷媒が沸騰することで発生する気泡の通る領域に少なくとも一部が配置されるタービン翼部４１と、タービン翼部４１の回転を伝達する伝達部４２と、伝達部４２に接続され、タービン翼部４１の回転により発電する発電機５と、を備えることを特徴とする。【選択図】図２
2009293885.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体の熱を受ける液体冷媒を収容する収容部と、
前記液体冷媒内に配置されるとともに、前記発熱体の熱を受けた前記液体冷媒が沸騰することで発生する気泡の通る領域に少なくとも一部が配置されるタービン翼部と、
前記タービン翼部の回転を伝達する伝達部と、
前記伝達部に接続され、前記タービン翼部の回転により発電する発電機と、
を備えることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記発熱体の熱を受けて沸騰する前記液体冷媒の沸騰領域が上下方向に延在するとともに、前記沸騰領域の上端の高さと前記沸騰領域の下端の高さの範囲内に前記タービン翼部の少なくとも一部が配置されている請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記タービン翼部は、前記沸騰領域の上端の高さと前記沸騰領域の下端の高さの範囲内に収まっている請求項２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
さらに、前記伝達部に接続され、前記伝達部に回転力を付与可能な電動機を備える請求項１〜３の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記発熱体が前記収容部の外部に取り付けられ、さらに、前記発熱体を冷却する冷却ファンを備え、
前記発電機は、前記冷却ファンに発電した電力を供給する請求項１〜４の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記タービン翼部の回転軸線は、前記伝熱面部に平行で且つ水平面内にある請求項１〜５の何れか一項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、冷媒を用いた沸騰冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
沸騰冷却装置は、冷媒の液体から気体への相変化を利用して発熱体を冷却する装置である。例えば、特開２００３−４２６７２号公報（特許文献１）に開示された沸騰冷却装置では、内部に冷媒を貯留し一方表面に発熱体が取り付けられる冷媒容器と、冷媒容器の他方表面に組付けられた放熱部とを備えている。
【０００３】
また、特開昭６１−２９２００号公報（特許文献２）に開示された放熱システムでは、冷媒の蒸気を利用してプロペラを回転させ、その回転により起こる風で凝縮性能を向上させている。
【特許文献１】特開２００３−４２６７２号公報
【特許文献２】特開昭６１−２９２００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、昨今では、発熱体の熱による冷媒の沸騰を、より効率的に利用できる新たな沸騰冷却装置が求められている。
【０００５】
また、従来の沸騰冷却装置では、発熱体の熱を液体冷媒に伝える伝熱面部周りの液体冷媒が流動し難く、熱伝達をより促進させることが困難であるという問題があった。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、液体冷媒の沸騰を利用して発電することができ、且つ、熱伝達を促進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】
【０００７】
本発明の沸騰冷却装置は、発熱体の熱を受ける液体冷媒を収容する収容部と、液体冷媒内に配置されるとともに、発熱体の熱を受けた液体冷媒が沸騰することで発生する気泡の通る領域に少なくとも一部が配置されるタービン翼部と、タービン翼部の回転を伝達する伝達部と、伝達部に接続され、タービン翼部の回転により発電する発電機と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
これによれば、タービン翼部は、発熱体の熱によって生じる気泡の流動によって回転する。この回転が伝達部により発電機に伝えられ、発電する。つまり、本発明では、液体冷媒の沸騰を利用して発電することができる。
【０００９】
さらに、タービン翼部が回転すれば、液体冷媒内に新たな流れを生み、液体冷媒が攪拌される。つまり、液体冷媒の流れに乱れが生じる。これにより、液体冷媒が流動し、収容部の伝熱面（発熱体の熱を液体冷媒に伝える部位）に対しフレッシュな液体冷媒を当てることができる。この結果、熱伝達は、促進される。
【００１０】
このように、本発明の沸騰冷却装置によれば、液体冷媒の沸騰を利用して発電することができる上、熱伝達を促進させることができる。なお、伝達部は、軸部材やプーリであってもよい。
【００１１】
ここで、本発明において、発熱体の熱を受けて沸騰する液体冷媒の沸騰領域が上下方向に延在するとともに、沸騰領域の上端の高さと沸騰領域の下端の高さの範囲内にタービン翼部の少なくとも一部が配置されていることが好ましい。これにより、沸騰領域内の液体冷媒がより攪拌され、さらに熱伝達を促進させることができる。さらに、タービン翼部は、沸騰領域の上端の高さと沸騰領域の下端の高さの範囲内に収まっていてもよい。これにより、さらに熱伝達を促進させることができる。
【００１２】
また、本発明の沸騰冷却装置は、さらに、伝達部に接続され、伝達部に回転力を付与可能な電動機を備えることが好ましい。これにより、気泡によらず電動機によって積極的に伝達部を回転させることができる。従って、例えば発熱体が高負荷となったときなどに、電動機でタービン翼部を回転させ、液体冷媒を積極的に攪拌させることで熱伝達をさらに促進させることができる。
【００１３】
ここで、本発明の沸騰冷却装置は、発熱体が収容部の外部に取り付けられている場合、さらに、発熱体を冷却する冷却ファンを備え、発電機は、冷却ファンに発電した電力を供給するように構成してもよい。これによれば、発電した電力を利用して、さらに冷却性能を向上させることができる。
【００１４】
また、本発明において、タービン翼部の回転軸線は、伝熱面部に平行で且つ水平面内にあってもよい。これによれば、より効率的に伝熱面部にフレッシュな液体冷媒を当てることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の沸騰冷却装置によれば、液体冷媒の沸騰を利用して発電することができ、且つ、熱伝達を促進させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。まず、第一実施形態の沸騰冷却装置１について図１および図２を参照して説明する。図１は、沸騰冷却装置１の模式斜視図である。図２は、図１における模式Ａ−Ａ線断面図である。
【００１７】
沸騰冷却装置１は、冷媒容器部２と、凝縮部３と、タービン４と、電動発電機５と、冷却ファン６とを備えている。冷媒容器部２は、略直方体の容器であって、内部に液体冷媒（水やフロン等）を収容している。冷媒容器部２は、収容部２１と、環流部２２と、仕切板２３とを備えている。以下、冷媒容器部２が直立状態であるとして説明する。仕切板２３は、上下方向に延伸し、収容部２１と環流部２２とを仕切っている。収容部２１と環流部２２とは、冷媒容器部２上方および下方でつながっている。
【００１８】
収容部２１は、内部に液体冷媒を収容し、外側面２ａには発熱体Ｚが取り付けられている。発熱体Ｚは、例えば半導体素子等である。発熱体Ｚの熱は、外側面２ａから内側面２ｂに伝わり、内側面２ｂから液体冷媒に伝わる。つまり、発熱体Ｚが取り付けられた外側面２ａに対応する内側面２ｂが伝熱面２４である。伝熱面２４は、発熱体Ｚの取付面よりも、外側面２ａから内側面２ｂに向けて側壁の厚さ分拡がった面積を有している（熱伝達はおよそ４５度で拡がる）。伝熱面２４周辺の（例えば伝熱面２４に接する）液体冷媒は、発熱体Ｚの熱を受けて沸騰する。液体冷媒のうち、当該沸騰する領域を沸騰領域と称する。収容部２１内の液体冷媒は、発熱体Ｚの熱を受けて沸騰し、液体冷媒内を気泡となって上昇する。環流部２２については後述する。
【００１９】
凝縮部３は、冷媒容器部２の上方に冷媒容器部２内部（収容部２１、環流部２２）に連通して配置されている。凝縮部３は、複数の凝縮パイプ３１（冷媒管）を有し、凝縮パイプ３１内には液体冷媒が流れている。凝縮部３は、収容部２１から上昇してくる蒸気を冷却し、凝縮させる。凝縮された液体冷媒は、水滴となって主に環流部２３に滴下する。環流部２２は、凝縮部３から滴下する液体冷媒を受け、圧力差により下方から収容部２１に液体冷媒を供給する。
【００２０】
タービン４は、タービン翼部４１と、タービン軸部４２（本発明における「伝達部」に相当する）とを有している。タービン翼部４１は、風車形状となっている。タービン翼部４１は、収容部２１内であって、伝熱面２４に対向する領域Ｘに配置されている。領域Ｘは、収容部２１内において、伝熱面２４の上端を含む水平面と下端を含む水平面とで囲まれた範囲である。換言すると、領域Ｘは、収容部２１の高さ方向の幅であって、沸騰領域の上端の高さから沸騰領域の下端の高さまでの範囲を意味する。
【００２１】
第一実施形態において、タービン翼部４１は、回転軸が伝熱面２４にほぼ垂直となるように配置されている。タービン翼部４１は、領域Ｘ内の上方部分で且つ領域Ｘ内に収まるように配置されている。タービン翼部４１は、伝熱面２４周辺で発生する気泡の流動によって回転する。なお、図面では模式的に表す。
【００２２】
タービン軸部４２は、一方がタービン翼部４１の回転軸上でタービン翼部４１に固定され、他方が電動発電機５に接続されている。タービン軸部４２は、収容部２１から仕切板２３を貫通し環流部２２に伸び、さらに冷媒容器部２外部の電動発電機５内まで延在している。タービン軸部４２は、タービン翼部４１の回転に従って同軸的に回転し、反対にタービン軸部４２の回転でタービン翼部４１が回転する。タービン軸部４２は、タービン翼部４１の回転を電動発電機５に伝達する。
【００２３】
電動発電機５（ＭＧ）は、冷媒容器部２の外部に配置され、タービン軸部４２の回転により発電する。電動発電機５は、図示しない蓄電部（バッテリ等）を有し、発電した電力を蓄える。また、電動発電機５は、タービン軸部４２に回転力を付与することもできる。つまり、電動発電機５は、電力によりタービン４を能動的に回転させることができる。
【００２４】
冷却ファン６は、冷媒容器部２の外部に配置され、作動することで発熱体Ｚに風を直接当て、発熱体Ｚを冷却する。冷却ファン６は、電動発電機５とケーブル等により接続され、電動発電機５から電力を供給される。
【００２５】
ここで、沸騰冷却装置１の作用について説明する。発熱体Ｚの熱は、伝熱面２４から収容部２１内の液体冷媒に伝達される。収容部２１内の液体冷媒は、沸騰領域において、この熱により沸騰し、気泡が発生する。気泡は、上昇し、蒸気となって凝縮部３に到達する。沸騰冷却装置１では、この気泡の上昇を利用し、タービン４を回転させる。
【００２６】
上記のとおり、タービン翼部４１は、伝熱面２４に対向する領域Ｘ内上部に配置されている。そして、伝熱面２４で発生した気泡は上昇する。つまり、タービン翼部４１は、気泡が上昇する通り道上に配置されている。タービン翼部４１は、上昇する気泡の流動を受けて回転する。
【００２７】
このようにタービン翼部４１が回転することで、その回転が電動発電機５に伝わり、発電される。発電した電力は、蓄電部に蓄えられる。蓄電部の電力は、例えば発熱体Ｚが高負荷状態となったときに冷却ファン６に供給される。つまり、沸騰冷却装置１は、発電した電力を利用して、冷却ファン６を作動させて直接発熱体Ｚを冷却する。
【００２８】
また、さらに、電動発電機５がタービン軸部４２を回転させることで、タービン翼部４１を回転させ、領域Ｘ内の液体冷媒を積極的に攪拌させることも可能である。液体冷媒を攪拌させて熱伝達を促進させることができる。第一実施形態では、発熱体Ｚが高負荷状態となったときに、蓄電部の電力を用いた上記冷却動作を行うよう制御されている。
【００２９】
一方、沸騰冷却装置１では、気泡を受けたタービン翼部４１が自然に回転することで、伝熱面２４付近の液体冷媒が自動的に攪拌される。つまり、タービン翼部４１の少なくとも一部が領域Ｘ内に配置されていることで、その回転により発電すると同時に、伝熱面２４に接する液体冷媒の入れ替えが促進され、熱伝達が促進される。
【００３０】
以上、第一実施形態の沸騰冷却装置１によれば、液体冷媒の沸騰を利用して発電することができ、且つ、熱伝達を促進させることができる。なお、電動発電機５の代わりに電動機と発電機とを設けてもよい。また、発熱体Ｚは、収容部２１内に配置されていてもよい。例えば、発熱体Ｚが内側面２ｂに取り付けられた場合、発熱体Ｚの取付面の反対側の面が伝熱面２４となる。つまり、この場合、発熱体Ｚが伝熱面部を備える。このような構成であっても、沸騰冷却装置１は、上記同様の効果を発揮することができる。
【００３１】
また、タービン翼部４１の配置は、液体冷媒内の気泡の通り道であればよいが、領域Ｘの少なくとも一部に、タービン翼部４１の少なくとも一部が位置しているのが好ましい。そこで、以下に、タービン４の配置変更例である他の実施形態について説明する。説明において、タービン４の配置を変更したものであるため、第一実施形態と同構成については、同符号を付して説明を省略する。
【００３２】
＜第二実施形態＞
第二実施形態の沸騰冷却装置１０について図３を参照して説明する。図３は、伝熱面２４付近を示す図２におけるＰ視図である。
【００３３】
沸騰冷却装置１０のタービン翼部４１は、図３に示すように、回転中心の位置が伝熱面２４の中央部から左右方向にずれている。ここでは、回転中心が伝熱面２４の右縁付近に位置している。これにより、タービン翼部４１左側のみが気泡を受け、より回転し易くなる。
【００３４】
＜第三実施形態＞
第三実施形態の沸騰冷却装置１１について図４を参照して説明する。図４は、沸騰冷却装置１１の部分断面図である。
【００３５】
沸騰冷却装置１１のタービン翼部４１は、領域Ｘ上部に一部が位置するよう配置されている。そして、タービン翼部４１は、回転軸が伝熱面２４に対して斜め上方向（図４の左上方）となっている。そして、タービン軸部４２は、リンク機構となっており、外部の電動発電機５に接続されている。これによっても、タービン翼部４１が気泡を受け易くなる。
【００３６】
＜第四実施形態＞
第四実施形態の沸騰冷却装置１２について図５を参照して説明する。図５は、沸騰冷却装置１２の部分断面図である。
【００３７】
沸騰冷却装置１２のタービン翼部４１は、領域Ｘ上部に一部が位置するよう配置され、回転軸が上下方向となっている。そして、タービン翼部４１の直径は収容部２１の流路幅よりも僅かに小さくなっている。タービン軸部４２は、リンク機構となっている。これにより、より効率よく気泡を受けることができる。
【００３８】
＜第五実施形態＞
第五実施形態の沸騰冷却装置１３について図６を参照して説明する。図６は、沸騰冷却装置１３の部分断面図である。
【００３９】
沸騰冷却装置１３のタービン翼部４１は、領域Ｘ内において回転軸が伝熱面２４に平行で且つ水平方向となっている。ここでは、タービン翼部４１は、水車形状となっている。タービン軸部４２は、回転軸上に配置されている。電動発電機５は、図６における手前側（または奥側）の外部に配置されている。これにより、タービン翼部４１が効率よく気泡の流動によって回転すると共に、回転により直接的にフレッシュな液体冷媒を伝熱面部に当てることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】沸騰冷却装置１の模式斜視図である。
【図２】図１における模式Ａ−Ａ線断面図である。
【図３】伝熱面２４付近を示す図２におけるＰ視図である。
【図４】沸騰冷却装置１１の部分断面図である。
【図５】沸騰冷却装置１２の部分断面図である。
【図６】沸騰冷却装置１３の部分断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１、１０、１１、１２、１３：沸騰冷却装置、
２：冷媒容器部、  ２１：収容部、  ２２：環流部、  ２３：仕切板、  
２４：伝熱面、  ３：凝縮部、  ３１：凝縮パイプ、
４：タービン、  ４１：タービン翼部、  ４２：タービン軸部（伝達部）、
５：発動発電機、６：冷却ファン
【図１】
2009293885.tif 000003
【図２】
2009293885.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009293885.tif 000006
【図５】
2009293885.tif 000007
【図６】
2009293885.tif 000008