JPH0428983A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、沸騰冷却装置に関し、もう少し詳しくいう
と、例えば、車両用電気品のインバータやチョッパなど
の大電力半導体を冷却するために供用される沸騰冷却装
置に関するものである。

〔従来の技術〕

第１８図は、例えば三菱電機技報第４８巻第２号（昭和
４９年２月発行）Ｐ、２３１に記載された従来の沸騰冷
却装置を示す断面図である０図において、平形のサイリ
スタ素子（１）と圧接状態でフィン（２）が結合されて
いる。蒸発器（３）はフロン液（４）とともにサイリス
タ素子（１）およびフィン（２）を収容している。凝縮
器（５）は蒸発器（３）の上方に配置されており、蒸発
器（３）内で発生したフロン蒸気（４ａ）は蒸気管（６
）を通って凝縮器（５）へ導かれる。液戻り管（７）は
、フロン蒸気（４ａ）が凝縮器（５）内で冷却凝縮され
たフロン液（４）を蒸発器（３）へ導く。

以上の構成により、サイリスタ素子（１）が動作状態に
なるとその電力損失に伴う発熱量は数百ワットに達する
が、この発熱量はサイリスタ素子（１）の冷却面に圧接
されたフィン（２）を経てフロン液（４）に放熱される
。ところで、この場合のフィン（２）からの熱流速は１
０’Ｗ／ｍ２程度となり、周囲のフロン液（４）は沸騰
し、サイリスタ素子（１）はいわゆるフロン沸騰冷却に
より冷却される。

蒸発器（３）内のフロン液（４）の沸騰によって発生し
たフロン蒸気（４ａ）は、蒸気管（６）を通って凝縮器
（５）に導入され、ここで外部に配置された冷却ファン
〈図示せず）等で冷却凝縮され、フロン液（４）となっ
て液戻り管（７）から蒸発器（３）に戻る。

このように、冷却媒体としてのフロン液（４）の沸騰お
よび凝縮の相変化を連続的に繰返すことによってサイリ
スタ素子（１）は効率よく冷却される。

第１９図は、例えば三菱電機技報第１４８巻、第２号に
記載された従来の沸騰冷却装置の概略断面図を示す。蒸
発器（３）内には、例えば鉄道車両用の電力用半導体で
あるサイリスタ等の電気素子（１）が収納されており、
これが例えばフロン１１３（５２Ｃ１，Ｆ、）等の液体
の冷却媒体（４）の中に浸されている。この冷却媒体（
４）は、電気素子（１）の発熱を吸収して昇温し、体積
膨張を起こすとともに、その一部は蒸発または沸騰して
気化し、それに伴って気化熱を吸収する。気化した蒸気
は蒸気流路である蒸気管（６）を通過して凝縮器（５）
に到達する。凝縮器（５）で冷却されて液化された冷却
媒体（４）は凝縮器（５）の底部から液戻り管（７〉を
通って蒸発器（３）に戻る１以上のような冷却媒体の循
環によって電気素子（１）は連続的に冷却される。

第２０図、第２１図は、例えば、特公昭５９−４１３０
７号公報に示されている従来の沸騰冷却装置の断面図で
ある６図において、蒸発器（３）に発熱体である半導体
（１）が圧接されている。半導体（１）より発生した熱
は凝縮器（５）により大気に放散される。冷媒（４）は
、半導体（１）の熱によって相変化し沸騰して液状から
蒸気になって、凝縮器（５）に熱輸送する。また、蒸気
管（６）は、蒸発器（３）において発生した冷媒（４）
の蒸気（４ａ）を蒸発器（３）から凝縮器（５）に輸送
する配管である。液戻り管（７）は、凝縮器（５）によ
って凝縮した液状の冷媒（４）を凝縮器（５）から蒸発
器（３）に還流させる配管である。

以上の構成により、半導体（１）で発生した熱は、蒸発
器（３）に熱伝導により伝熱され、蒸発器（３）内にあ
る冷却フィン（３ａ）より液状冷媒（４）に伝えられる
。ここで、液状冷媒（４）は相変化により蒸気（４ａ）
になる、この蒸気（４ａ）は蒸気管（６）　を通り、凝
縮器（５）に導かれ、凝縮器（５）の管（５ａ）に設け
られている放熱フィン（５ｂ）より大気に熱放散される
。これによって、蒸気（４ａ）は管（５ａ）の壁面で凝
縮して液状冷媒（４）となる。

このようにして液化した液状冷媒（４）はその重力によ
り、凝縮器（５）の下部に溜まり、液戻り管（７）を通
って蒸発器（３）に還流する。

第２２図は従来の沸騰冷却装置の、特に冷媒封入装置を
示し、図において、脱気槽（８）は、例えばフロン１１
３　（ｂ、ｐ、４７．６℃）のような液状の沸騰冷却媒
体（４）を収容している。撹拌装置（９）は脱気槽（８
）に設けられ、フロン液（４）を撹拌するもので、モー
タ（９ａ）、回転軸（９ｂ）および回転Ｘ　（９ｅ）と
からなっている、脱気槽（８）の外周面には冷却体（１
０）が設けられている。

脱気槽（８）の上部から引き出された第１の配管（１１
）には第１の弁（１２）が設けられており、脱気槽（８
）の側面上部から引き出された第２の配管（１３）には
第２の弁（１４）が設けられている。

電気機器（１５）は、第３の配管（１６）を介して脱気
槽（８）の下部に接続され、フロン液（４）が封入され
る被封入容器である。第３の配管（１６）の途中には第
３の弁（１７）が設けられている。第４の配管（１８）
は第３の配管（１６）の第３の弁（１７）と電気機器（
１５）との間から引き出され、第４の弁（１９）が設け
られている。

以上の構成により、まず、第１および第３の弁（１２）
、　（１７）を閉じ、第２の弁（１４）を開いた状態で
、第２の配管（１３）に接続された排気ポンプ（図示せ
ず）により、脱気槽（８）内を排気する０次に、第２の
弁（１４）を閉じ、第１の弁（１２）を開いて、第１の
配管（１１）から脱気槽（８）内に所定量のフロン液（
４）を導入する。この媒体導入が完了したら、第１の弁
（１２）は閉じ、冷却体（１０）によりフロン液（４）
を冷却し、撹拌装置（９）によりフロン液（４）を撹拌
する。この後、第２の弁（１４）を開き、排気ポンプに
より、フロン液（４）中に溶解していた空気などの非凝
縮性気体を脱気槽（８）内がち除去する。この脱気が完
了したら、第２の弁（１４）は閉じる。

次に、第４の弁（１９）を開き、第４の配管（１８）が
ら電気機器（１５）内を排気する。この排気が完了した
ら、第４の弁（１９）を閉じ、第３の弁（１７）を開い
て、電気機器（１５）内にフロン液（４）を封入する。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上のような従来の沸騰冷却装置は、第１８図に示した
ように、フロン沸騰冷却はサイリスタ素子などの高密度
発熱体の冷却に適しており、広く実用されてきた。

しかるに、１９７４年、米国カルフォルニア大学のＦ、
Ｓローランド博士とモリーナ博士が、大気中に多量に放
出されるフロンのほとんどが分解されないまま成層圏に
まで到達してオゾン層を破壊するという論文を発表した
。

そして、これに端を発し、現在ではフロン全廃の動きが
国際的に進められ、フロンに替わる沸騰冷却の冷却媒体
の開発が強力に進められている。

ところで、この代替品として直ぐに想定されるのが水で
ある。すなわち、沸騰冷却特性は、むしろ水の方がフロ
ンより高い性能を有している。

しかるに、チョッパ装置などの適用機器では、通常−２
０℃〜８０℃程度の温度条件が設定されており、冷却媒
体に水を使用した場合は、その凍結による機器破損等が
問題となる。

この解決策として、エチレングリコールのような不凍液
を加えて水との混合液を冷却媒体とすることが考えられ
る。しかし、従来の第１８図の精造のものにこの混合液
を使用した場合、既述したとおり、沸騰冷却では沸騰、
凝縮の相変化を伴うため、蒸発器（３）内では水がより
活発に沸騰して水の濃度が低下し、反対に、凝縮器（５
）内では水の濃度が高くなる。この結果、冷却性能が低
下するとともに、凝縮器（５）や液戻り管（））の部分
で混合液が凍結し、依然として上記した機器破損の問題
点が解決されないままであった。

以上のことは、第１９図のものについても同様である。

この発明は、以上のような問題点を解消するためになさ
れたもので、無害物質である水を使用し、しかも凍結に
基づく機器破損等の問題を生じない沸騰冷却装置を得る
ことを目的とする。

また、第２０図に示した従来の沸騰冷却装置では、使用
環境温度が冷媒の凍結点以下となった場合、液戻り管（
７）内に充満している液状媒体（４）の体積膨張により
発生する応力を液戻り管（７）は吸収することができず
、従って、液戻り管（７）が破裂するという問題点があ
り、また、このような破裂を防ぐためには、配管強度を
高める必要があって、その結果、装置の大形化、重量増
ともなるという問題点があった。

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、冷媒の凍結によっても液戻り管は破裂するこ
とはなく、しかも、小形、軽量で、低温でも使用できる
沸騰冷却装置を得ることを目的とする。

さらに、第２１図に示した沸騰冷却装置では、冷却媒体
封入に際して、脱気を必要とする複数の成分からなる沸
騰冷却媒体を使用する場合、各成分の沸点が異なるため
、脱気によって組成変化を生じてしまい、そのまま使用
することが困難であるという問題点があった。

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、脱気を必要とする複数の成分からなる複数沸
騰冷却媒体を使用する場合にも、組成変化を生じること
なく、十分な脱気をすることができる沸騰冷却媒体封入
装置を得ることを目的とする。

〔課題を解決するための手段および作用〕この発明の第
一の発明に係る沸騰冷却装置は、その液戻り管を凝縮器
の底部と蒸発器の底部ないしその近傍とを連通ずるよう
に配置し、かつ、凝縮器の底面を、蒸発器の液面ないし
それより高い位置に配置するとともに、液戻り管の端部
に向かって下り勾配となるよう傾斜されている。

ここで、冷却媒体は水と不凍液との混合液であるが、両
者の成分比、換言すれば水の濃度は系内で一定とはなら
ない、すなわち、蒸発器内では水の濃度が低下し、これ
に伴って混合液の比重が増大するとともに沸騰による熱
伝達が低下する０反対に、凝縮器内では水の濃度が高く
なりその比重は減少するとともに凍結温度が上昇する６
しかるに、上記構成でなる第一の発明に係る沸騰冷却装
置では、凝縮器内で凝縮された冷却媒体は、液戻り管を
経て蒸発器の底部ないしその近傍に直接戻されるので、
蒸発器内での冷却媒体の撹拌が効率よく行われ、結果と
して水の濃度低下の程度が緩和される。

また、凝縮器の底面は液戻り管の端部に向かって下り勾
配となっているので、冷却媒体はこの部分では滞留せず
、凍結が防止される。

また、第二の発明に係る沸騰冷却装置は、第一の発明の
要件に加え、蒸発器底部の中央部に凝縮液の吐出口が配
置されている。

かような構成により、凝縮液が蒸発器内の温度による冷
媒の流れに沿って好適に混合撹拌される。

この発明の第三の発明に係る沸騰冷却装置は、凝縮器で
凝縮された媒体を蒸発器に返送する媒体流路と、凝縮器
中の凝縮媒体を蒸発器中に移送しまたは蒸発器中の媒体
を凝縮器中に移送するための磁気ポンプのような液体駆
動装置を有する流路とを具備する。

かような構成により、冷却対象物の機器が停止後、流体
駆動装置を有する流路を介して、凝縮器中の媒体が蒸発
器に、または蒸発器中の媒体が凝縮器に、移送される。

また、この発明の第四の発明に係る沸騰冷却装置は、冷
媒収納部を保温材で囲んだものである。

以上の構成により、高沸点成分が濃縮される蒸発器側、
低沸点成分が濃縮される凝縮器側いずれにおいても、保
温材によって液の凍結部位は気相側が最終となるので、
凍結時の内圧発生は防止される。

さらに、第五の発明に係る沸騰冷却装！は、第四の発明
に加え、蒸気管および液戻り管が、Δｈ／Δｌが常に正
もしくは負である条件（〉０またはく０）を満足する曲
管からなっている。ただし。

△ｈは垂直方向の距離差、Δｌは蒸発器側から凝縮器側
に向かった距離差である。

かかる構成により、凝縮液が滞留して管の一部を閉鎖す
ることがなく、かつ、曲管であることから設計時の裕度
が増大する。

また、第六の発明に係る沸騰冷却装置は、第五の発明の
要件に加え、蒸気管および液戻り管の内面が椀水性部材
でコーティングされている。

かかる構成により、凝結水が管内に存在せず、管の破損
が生じない。

第七の発明に係る沸騰冷却装置は、冷却媒体が充満する
配管内に、冷媒の固相変化時の温度において弾性を有す
る弾性体が設けられている。

かかる構成により、液状冷媒が充満する配管中に弾性体
を設けているので、たとえ、冷媒が凍結して体積が膨張
した場合であっても、その膨張した体積を弾性体が吸収
して収縮し、従って、配管中の体積を一定に保持し、配
管には過大な応力が加わらない。

さらに第への発明に係る沸騰冷却装置は、沸騰冷却媒体
を各成分ごとにそれぞれ脱気する複数個の脱気槽と、こ
の脱気槽に接続されているとともに、被封入容器に接続
される混合槽とからなる冷媒封入手段を備えている。

かような構成により、沸騰冷却媒体の脱気を必要とする
複数の成分を、各脱気槽で各成分ごとに脱気し、脱気さ
れた各成分を混合槽で混合する。

また、第九の発明に係る沸騰冷却装置は、冷却媒体がエ
チレングリコール水溶液からなっている。

これにより、オゾン層破壊の問題が解消される。

〔実施例〕

第１図はこの発明の第一の発明の一実施例を示す断面図
である１図において、サイリスク素子（１〉、蒸発器（
３）、凝縮器（５）、蒸気管（６）および液戻り管＜７
）はそれぞれ従来の同一符号のものに相当するものであ
るが、この実施例では、蒸発器（３）は各サイリスタ素
子（１）毎に個別に設けられており、いわゆる個別フィ
ンタイプとよばれている構造を採用している。また、凝
縮器（５）は両端に配！されたヘッダ（２０）、　（２
１）およびこの両ヘッダ（２０）、　（２１）を連通ず
るように配置された多数の凝縮管（２２）から構成され
ている。そして、冷却媒体（２３）には水と不凍液であ
るエチレングリコールとの混合液、すなわち、エチレン
グリコール水溶液が使用されている。

さらに、凝縮器（５）の底面、この実施例ではヘッダ（
２０）の底面（２０ａ）が、蒸発器（３）内の冷却媒体
（２３）の液面（２３ｂ）ないしそれより高位置となる
よう蒸発器（３）と凝縮器（５）との相対位置関係が設
定されている。また、液戻り管（７）の上端、すなわち
凝縮器（５）側端部はヘッダ（２０）の底面に接続され
、液戻り管（７）の下端は蒸発器（３）の底部ないしそ
の近傍に接続されている。また、図に示すように、凝縮
器（５）はその底面が液戻り管（７）の上端部に向かっ
て下り勾配となるよう傾斜して配置されている。

以上の構成により、冷却に係る動作は基本的には従来装
置と同様である。すなわち、サイリスタ素子（１）で発
生した電力損失による高い熱流束が蒸発器（３）に侵入
し、これによって蒸発器（３）内の冷却媒体（２３）は
沸騰し、発生した蒸気（２３ａ）は蒸気管（６）を経て
ヘッダ（２０）に導入される。この蒸気（２３ａ）は凝
縮管（２２）およびヘッダ（２１）を通流するうちに冷
却凝縮され、液体状となってヘッダ（２０）の底面（２
０ａ）から液戻り管（７）を経て蒸発器（３）の底部に
戻る。

次に、冷却媒体（２３）としてエチレングリコール水溶
液を使用した上記実施例の場合における沸騰冷却装置お
よび凍結温度特性について詳細に説明する。

第２図はエチレングリコールの濃度ｗｔ％を変化させた
場合のエチレングリコール水溶液の凍結温度特性を示す
ものである。前述したように、通常の車両機器では、−
２０℃程度の温度下限条件が設定される。従って、第２
図の特性から、エチレングリコール濃度を３５　ｗ　ｔ
％程度に選定する必要がある。

第３図はこのエチレングリコール３５ｗｔ％水溶液の沸
騰曲線を、水およびフロンＲ１１３と比較して示したも
のである。これかられかるように、エチレングリコール
３５ｗｔ％水溶液の沸騰冷却特性は水より劣るものの、
従来のフロンＲ１１３よりは優れている。すなわち、エ
チレングリコール３５　ｗ　ｔ％水溶液は従来より高い
冷却性能が得られることがわかる。

ところで、以上の各特性は冷却媒体（２３）の各成分、
すなわちエチレングリコールと水との混合割合が系内で
常に一定に保たれていることを前提としたものである。

しかし、既述したとおり、一般に、沸騰と凝縮との相変
化を繰り返す中で、上記混合割合は変化する。これに伴
い凍結温度特性および沸騰冷却特性が変化することにな
る。以下、この混合割合の変化を抑制するために、この
発明が採用した構成および効果を中心に説明する。

先ず、蒸発器（３）内での現象は水の沸騰がより活発に
行われるため冷却媒体（２３）中の水の濃度が低下し、
換言すればエチレングリコールが濃縮される。この結果
、沸騰冷却特性が低下するとともに冷却媒体（２３）の
比重は増大する傾向となる０反対に、凝縮器（５）内に
導入される蒸気（２３ａ）は水の濃度が高いため、当然
その凝縮液における水の濃度も高くなり、換言すればエ
チレングリコールの希釈となり、比重が低下するととも
に凍結温度が上昇する。

第１図の実施例では、上記した傾向を改善するため、凝
縮器（５）の底面の位置を蒸発器（３）内の液面より高
くして凝縮液が速やかに蒸発器（３）に返送されるよう
にするとともに、蒸発器（３）内への導入位置をその底
部として、前述した比重差を利用して冷却媒体の撹拌を
効率的に行うようにしている。従って、沸騰域への水成
分の供給が促進され、沸騰冷却特性の低下が抑制される
。

また、凝縮器（５）内で発生する凝縮液は、そのエチレ
ングリコールが希釈され凍結温度が比較的高くなってい
るが、凝縮器（５）の底面が液戻り管（７）の端部に向
かって下り勾配となるよう傾斜しているので、上記凝縮
液は停滞することなく連続して流れ、凍結現象が防止さ
れる。

なお、液戻り管（７）を２重管の構造とし、両管の間に
空気等の耐熱材を配してこの部分の保温特性を向上させ
ることにより、凍結防止策が一層完全となる。

また、以上では蒸発器（３）等の材質については触れて
いないが、冷却媒体（２３）としてエチレングリコール
水溶液を使用する場合、耐食性が高い銅を使用するのが
好ましい１例えば、エチレングリコール３５　ｗ　ｔ％
水溶液中での種々の材料の侵食量は、軟鋼で０．０４１
ｍ　ｍ　７年、亜鉛で０．０５９ｍ　ｍ　７年であるの
に対し、銅では０．００１７　ｍ　ｍ　７年と大幅に低
いからである。

なお、上記実施例は、サイリスタ素子の冷却に適用した
場合について説明したが、この発明はこれに限らず、各
種の被冷却体を冷却する沸騰冷却特性に広く適用するこ
とができ、同等の効果を奏する。

第４図は第二の発明の一実施例を示し、冷却媒体（２３
）はエチレングリコール水溶液を使用する。

液戻し管（７）の下端であって蒸発器（３）の底面中央
部に凝縮液の吐出口（２４）が上向きに設けられている
。

また、矢印（ａ）、（ｂ）はサイリスタ素子（１）の温
度による冷却媒体（２３）の流れ方向、矢印（ｃ）、（
ｄ）は吐出口（２４）から吐出した凝縮液の流れ方向を
示し、これらの流れに沿って冷媒液と凝縮液を混合撹拌
するようにしたものである。

その他の構成は第１図に示したと同様である。

以上の構成により、凝縮液は矢印（ｃ）方向に直線的に
流れ、矢印（ａ）　、　（ｂ）のサイリスタ素子（１）
の熱による冷媒の流れ方向に巻き込まれるように矢印（
ｄ）の方向に流れる。かようにして、すみやかに凝縮液
は蒸発器（３）に戻され、かつ、混合撹拌されて、冷却
媒体（２３）の均一化が行われる。

以上の動作が繰り返されることによって、エチレングリ
コール水溶液でなる冷却媒体（２３）は安定した状態に
保たれ、サイリスタ素子（１）は有効に冷却され続ける
ことになる。

ところでこのエチレングリコール３５ｗｔ％水溶液の他
の特性は、第５図に示したように、飽和圧力が水とほぼ
同じであり、サイリスタ素子（１）の沸騰冷却の動作温
度範囲（通常、−２０℃から８０℃位）においては、大
気圧より低い圧力となる。この点において、フロンＲ１
１３とは異なり、凝縮器（５）、蒸発器（３）、蒸気管
（６）、液戻り管（７）などは、大気中の空気などがリ
ークによって内部に侵入しないように製作することが必
要となる。

通常、空気などの非凝縮性ガスが凝縮器（５）内へ侵入
すれば、冷却特性が悪くなることが知られている。

第６図〜第８図は第三の発明の一実施例を示し、第６図
において、蒸発器（３）内には、例えば鉄道車両用の電
力用半導体であるサイリスタ等の電気素子（１）が収納
されており、これが、水とエチレングリコールの一定比
率の混合液（水；エチレングリコール＝６５：３５）で
ある冷却媒体（２３）の中に浸されている。

ところで本実施例では液戻り管（７）に流体駆動装置（
２５）、例えばダイヤフラムポンプを設け、別に凝縮液
流路（２６）が設けられている。

その他、第１９図におけると同一符号は同一ないし相当
部分である。

以上の構成により、沸騰冷却装置の運転停止後、流体駆
動装置（２５）を動作させ、凝縮器（５）内の冷却媒体
を蒸発器（３）へ強制的に移送する。これにより冷却媒
体（２３）は、凝縮器（５）→液戻り管（７）→蒸発器
（３）→凝縮液流路（２６）→凝縮器（５）の循環をく
り返し、急速に混合されて元の混合比に戻される０以上
の流体駆動装置（２５）の操作は、リレーシーケンス等
によって適当な時間動作させた後停止される。また、こ
の冷却媒体（２３）の移送方向は上述と逆の方向も可能
ではあるが、蒸発器（３）中の電気素子（１）が常に完
全に冷却媒体中に没している方が、再運転開始等の際に
安全であるため、上述の移送方向〔凝縮器（５）→蒸発
器（３）〕の方が望ましい。

上記の液体駆動装置（２５）としては市販のダイヤフラ
ムポンプ等の流体ポンプが使用可能であるが、駆動部等
が流体と接しない構造のものが望ましい。

そのような流体駆動装置の一例として第７図、第８図に
望ましい磁気ポンプでなるものを示した。

この磁気ポンプ（２５）を図について説明する。流路内
に設けられた回転体（２７）には流体ガイド用の互いに
同形の複数の案内羽根（２８）が４枚設けられ、内部に
は磁石（２９）が埋め込まれている。駆動体（３０）の
発生する磁束が回転すると磁石（２９）はそれに追従し
て回ろうとするため、回転体（２７）が回転する。第７
図において上流側吸込口（Ｘ）は下流側吐出口（Ｙ）よ
りも上部に配されている。媒体流路と回転体（２７）と
の間に媒体の流れ方向に対して垂直な隔壁（３１）が設
けられている。したがって液戻り管（７）の媒体流路は
回転体の回転部分を介してのみ上流側と下流側が接続さ
れている。このため第８図で回転体（２７）が反時計方
向に回ると流体は図中布から左へ、すなわち上流側から
下流側へと流れる。

以上のようにして冷却対象物の機器が運転停止後、蒸発
器中および凝縮器中の冷却用媒体を、流体駆動装置を有
する液戻り管を介して混合することにより、冷却媒体の
構成成分の蒸気圧の差によって運転中に設計値から変化
した冷却媒体の組成比が、混合によって運転前の組成比
に回復する。

このため、冷却媒体の凝固点（凍結点）の極端な上昇を
防ぐことができ、冷却媒体の初期の設計組成比により定
まる凝固点から大きく凝固定が上昇して凍結を生じるこ
とが防止される。

第９図は第四の発明の一実施例を示し、液戻り管（７）
および蒸発器（３）が保温材（３２）で覆われている。

蒸発管（６）と液戻り管（７）はそれぞれ独立して設け
られている。

その他、第６図におけると同一符号は同一部分である。

次に作用について説明する。凍結温度（凝固点−２０℃
の冷却媒体（２３）　（水：エチレングリコール＝６５
　：　３５）を用いる。冷却媒体（２３）はこの状態で
脱気されている。車輌運転中における電気素子（１）の
発熱は混合液（２３）に伝えられ、混合液の一部が沸騰
する。このとき水のほうが蒸気圧が高いため、冷却媒体
（２３）の組成は、蒸発器（３）側では前記比率に比べ
てエチレングリコールが多い液体が存在し、凝縮器（５
）側では水分の多い液体が存在することになり、この状
態が維持される。

運転が停止されると両者の液は、液戻り管（７）を介し
て連通しているが、急速には混合しない、このため凝縮
器（５）側の液は上記６５　：　３５の比率よりも水分
が多いため、−２０℃よりも高い温度で凍結がはじまっ
てしまう（第２図参照）。

ところが液戻り管（７）部は保温材（３２）で保温され
ているため、液戻り管（７）内の高凝固点混合液は凝縮
器（５）側の凍結（凝固）が最も遅れることになる。一
方、蒸発器（３）側はその一部が周囲大気と接している
ため、この部分（底部）から凍結が進展し、気相との界
面の液相部は最後に凍結する。

第１０図は他の実施例を示し、液戻り管（７）のみに保
温材（３２）を配したものであるが、この場合、蒸気管
（６）では蒸気の通過可能な管径（内壁に水滴が付着す
るとして）まで小さい管を使用することができるように
なり、液戻り管（７）の凍結も凝縮器（５）側が最後に
なる。

第１１図はさらに他の実施例を示し、内壁付着もしくは
凝縮液滴の消失をより速やかにするため、蒸気管（６）
および液戻り管（７）を斜めの直管として液戻り管（７
）に保温材（３２）を施したものであり、この場合にも
管径を小さくすることができる。

なお、上記実施例では電気素子を浸漬冷却する場合につ
いて説明したが、個別フィン方式においても同様に適用
できることはもちろんである。また、水・アルコールの
ような系では蒸発器側に水が濃縮され、この場合には凝
縮液よりも蒸発器側の液のほうが凝固点が高くなるが保
温材の有効性は変わらない。

第１２図は第五の発明の一実施例を示し、蒸発管（６）
および液戻し管（７）が、△ｉ＋　／Δｌが常に正もし
くは負である条件（〉０またはく０）を満足する曲管か
らなっている。ここで、△ｈは垂直方向の距離差、Δｌ
は蒸発器（３）　Ｉｌｌがら凝縮器（５）側に向かった
距離差である。蒸発器（３）には保温材（３２）が施さ
れている。

以上の構成により、凝縮液が滞留して管の一部を閉鎖す
ることが防止される。また、曲管であることから、設置
に関連する設計時の裕度が増大する。

また、第六の発明の一実施例として、第１２図において
、蒸発管（６）および液戻り管（ア）の内壁に、椀水性
部材でなるコーティング（３３）が施されている。

以上の構成により、凝結水が管内に止まることを防止す
ることができる。

第１３図〜第１６図は第七の発明の一実施例を示し、液
戻り管（ア）内に柔軟な弾性体（３４）が配置されてい
る。この例では、第１３図に示すとおり、液戻り管（７
）の全長にわたって弾性体（３４）が通っており、液戻
り管（７）内面と弾性体（３４）との間をエチレングリ
コール水溶液でなる冷却媒体（２３）が充満して還流し
ている。なお、弾性体（３４）としては、この実施例に
あっては、ひも状の軟質のシリコンゴムが使用されてい
る。

その他、第２０図におけると同一符号は同一部分である
。

このように構成されている沸騰冷却装置が、例えば、電
気車に搭載された半導体に使用されている場合には、電
気車は、夜間など使用しない場合、屋外に放置され、丈
な、半導体の発熱がないために、冷却器などが大気の温
度になり、特に、冬季は外気の温度がマイナスとなる。

このような場合、冷媒として例えば、水が使用されてい
る場合は、容易に氷点下まで下がり、従って、０℃で凍
結する。

上記実施例においては、冷却媒体（２３）の循環系内に
おいて、冷却媒体（２３）は蒸発器（３）および液戻り
管（７）内に充満している。この状態で凍結が始まると
、蒸発器（３）側は上部が開放状態となっており、凍結
による膨張は開放部で起こるため、蒸発器（３）内部で
の膨張による容器への応力は発生しない。

一方、液戻り管（７）にあっては、パイプ径が小さく熱
容量も小さいため、凍結が早く起こるし、また、液戻り
管（７）が長く開放部まで距離があり、さらに、配管途
中において曲がっている。従って、凍結による膨張の逃
げ場がなくなるが、液戻り管（７）中の軟質のシリコン
ゴムでなるひも状の弾性体（３４）が上記膨張を吸収し
て収縮することにより、密閉されている液戻り管（７）
内に発生する応力を吸収し、管壁へ作用する応力を減少
させる。

なお、上記実施例では、弾性体を直線状のひも状として
構成したが、スパイラル状のひもでもよく、また、チュ
ーブ状のものでもよい。

さらに、弾性体としては、冷媒の固相に相変化する温度
において柔軟な弾性を保持しているものならば何でもよ
い。

また、上記実施例では、冷媒として水を使用した場合に
ついて示したが、環境または作動中に液相より固相に変
化する冷媒の場合には常に適用することができる。

また、上記実施例では、気液相変化を生じる沸胱形の冷
却装置について説明したが、これに限らず、上記のとお
り、環境等により固相に相変化することのある冷媒によ
る冷却装置ならば何にでも適用することができる。

第１７図は第への発明の一実施例における冷却媒体封入
装置を示し、第２１図と同一または相当部分には同一符
号を付し、その説明を省略する。

図において、第１の脱気槽（３５）はこの実施例の沸騰
冷却媒体（２３）の第１の主成分である水（＋１２０）
（３６）を収容し脱気する。第１の脱気槽（３５）の外
周部には冷却体（３７）が設けられている。第１の脱気
槽（３５）の上部から第１の導入管（３８）が引出され
、この導入管（３８）に第１の導入弁（３９）が設けら
れている。第１の脱気槽（３５）の側面上部からは第１
の排気管（４０）が引出され、この排気管（４０）に第
１の排気弁（４１）が設けられている。

第１の脱気槽（３５）に並設された第２の脱気槽（４２
）は、冷却媒体（２３）の第２の主成分であるエチレン
グリコール（Ｃ２Ｈ４（ＯＨ）２＞　（４３）を収容し
脱気する。加熱体（４４）が第２の脱気槽（４２）の外
周部に設けられている。第２の脱気槽（４２）の上部か
ら引き出された第２の導入管（４５）には第２の導入弁
（４６）が設けられている。第２の脱気槽（４２）の側
面上部から引き出された第２の排気管（４７）には第２
の排気弁（４８）が設けられてる。

混合槽（４９）は第１および第２の脱気槽（３５）（４
２）の下方に設けられ撹拌装置（９）が取付けられてお
り、この混合槽（４９）内には水（３６）およびエチレ
ングリコール（４３）の２つの主成分からなる冷却媒体
（２３）が収容される。第１の脱気槽（３５）と混合槽
（４９）とを接続する第１の接続管（５０）には第１の
接続弁（５１）が設けられている。第２の脱気槽（４２
）と混合槽（４９）とを接続する第２の接続管（５２）
には第２の接続弁（５３）が設けられている。混合槽（
４９）の側面上部から引き出された第３の排気管（５４
）には第３の排気弁（５５）が設けられている。

混合槽（４９）と電気機器（１５）とを接続する封入用
配管（５６）の途中から分岐して引き出された第４の排
気管（５７）には第４の排気弁（５８）が設けられてい
る。封入用配管（５６）の第４の排気管（５７）の分岐
点より混合槽（４９）寄りに混合槽側封入弁（５９）が
設けられ、封入用配管（５６）の第４の排気管（５７）
の分岐点より電気機器（１５）側に電気機器側封入弁（
６０）が設けられている。

次に、動作について説明する。まず、第１および第２の
接続弁（５１）、　（５３）を閉じた状態で、第１の導
入管（３８）から第１の脱気槽（３５）内に水（３６）
を、第２の導入管（４５）から第２の脱気槽（４２）内
にエチレングリコール（４３）を、それぞれ所定量導入
する。

次に、第１および第２の導入弁＜３９）、　（４６）を
それぞれ閉じ、冷却体（３７）と加熱体（４４）とを動
作させ、冷却体（３７）を５℃程度、加熱体（４４）を
１００℃程度にする。この後、第１および第２の排気弁
（４１）（４８）を開いて、第１、第２の排気管（４０
）、　（４７）がら、第１、第２の脱気槽（３５）、　
（４２）内をそれぞれ排気する。このようにして、水（
３６）およびエチレングリコール（４３）が脱気される
。脱気後は、第１および第２の排気弁（４１）、　（４
８）は閉じておく。

一方、混合槽側封入弁（５９）を閉じ、第４の排気弁（
５８）と電気機器側封入弁（６０）とを開いた状態で、
第４の排気管（５））から電気機器（１５）内を排気す
る。

次に、第３の排気弁（５５）および混合槽側封入弁（５
９）を開き、電気機器側封入弁（６０）を閉じた状態で
、第３、第４の排気管（５４）、　（５７）から混合槽
（４９）内を排気する。これらの排気後は、第３の排気
弁（５５）および混合槽側封入弁（５））は閉じておく
。

この後、第１、第２の接続弁（５１）、　（５３）をそ
れぞれ開き、水（３６）とエチレングリコール（４３）
を、それぞれ混合槽（４９）内に導入する。そして、第
１、第２の接続弁＜５１）、　（５３）を閉じ、撹拌装
Ｗ（９）により水（３６）とエチレングリコール（４３
）とを撹拌する。これにより、所定の組成比のエチレン
グリコール水溶液、すなわち冷却媒体（２３）が混合さ
れる。

例えば、−２０℃の凝固点を有するエチレングリコール
水溶液を得るには、体積比を、水：エチレングリコール
−６５：　３５としておけばよい。

次に、冷却媒体（２３）を室温近くまで冷却した後、第
４の排気弁＜５８）を閉じ、混合槽側封入弁（５９）お
よび電気機器側封入弁（６０）を開いて、冷却媒体（２
３）を電気機器（１５）内に導入し、導入が完了したら
、電気機器側封入弁（６０）を閉じ、封入用配管（５６
）を封じ切る。

このような沸騰冷却媒体封入装置では、沸騰冷却媒体（
２３）の一方の主成分である水（３６）を第１の脱気槽
（３５）で、他方の主成分であるエチレングリコール（
４３）を第２の脱気槽（４２）で、それぞれ脱気した後
、混合槽（４９）でこれらの主成分を混合するので、沸
点の異なる２成分の液状混合物を沸騰冷却媒体（２３）
として使用しても、脱気による組成変化が生じることは
なく、非凝縮性気体を十分に除去することができる。

なお、上記実施例では沸騰冷却媒体（２３）として水（
３６）とエチレングリコール（４３）とを主成分とする
ものを示したが、これに限定されるものではなく、また
３つ以上の主成分からなるものであってもよい。さらに
、例えば添加剤等を加えて用いてもよい。

また、上記実施例では２つの脱気槽（３５）、　（４２
，）を用いた場合を示したが、例えば沸騰冷却媒体（２
３）の成分の数に応じて３つ以上の脱気槽を備えたもの
であってもよい。

さらに、１つの脱気槽で、沸騰冷却媒体（２３）の複数
の成分を成分ごとに順次脱気し、脱気された成分を順次
混合槽（４９）に導入して混合してもよい。

この場合、脱気槽には、冷却体（３７）および加熱体（
４４）の双方を備える必要がある。

さらにまた、上記実施例では各脱気槽（３５）　。

（４２）内に各主成分を所定量ずつ導入することにより
冷却媒体（２３）を所定の組成比にしたが、これに限定
されるものではない０例えば、各脱気槽（３５）（４２
）をそれぞれ透明容器とし、がっ、目盛りを設けるなど
、それぞれ各成分を所定量ずつ払い出し可能な機能を備
えるようにしてもよく、これによっても冷却媒体（２３
）を所定の組成比にすることができる。

また、上記実施例では被封入容器として電気機器（１５
）を示したが、これに限定されるものではない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、この発明の第一の発明
は、蒸発器、凝縮器および液戻り管の配置関係を一定に
したことにより、冷却媒体として水と不凍液との混合液
を使用した場合、その相変化に基づく成分濃度の変化が
抑制され、冷却媒体の流れの停滞も解消される。従って
、高性能でしかも凍結の心配がない無公害の沸騰冷却装
置が実現される。

また、第二の発明は、凝縮液の吐出口を蒸発器底面中央
部に配置したことにより、すみやかに蒸発器へ凝縮液を
もどすことができ、常時、安定した状態の冷却媒体を提
供できる。

第三の発明は、冷却対象物の機器が運転停止後、蒸発器
中および凝縮器中の冷却媒体を流体駆動装置を有する流
路を介して混合するようにしたので、冷却媒体の構成成
分の蒸気圧の差によって運転中に設計値から変化した冷
却媒体の冷却用物質の組成比が混合によって運転前の比
に回復する。このため、凝固点く凍結点）の極端な上昇
を防ぐことができ、冷却用媒体の初期の設計組成比によ
り定まる凝固点から大きく凝固点が上昇して凍結を生ず
ることがなく、凝縮器等の破損を防止することができる
。

さらに、第四の発明は、冷媒収納部を保温材で覆ったの
で、冷却媒体凍結時の内圧発生を防止することができる
。

第五の発明は、蒸気管および液戻り管を一定の曲管とし
たので、上記の効果に加え、凝縮液で管が閉鎖されるこ
とを防止し、かつ、設計裕度が増大する。

また、第六の発明は、蒸気管および液戻り管の内面に撥
水性コーティングを施したことから、凝結水が管内に滞
留しない。

第七の発明は、冷却媒体の液戻し管内に弾性体を配置し
たので、冷媒凍結時の管に対する応力を緩和することが
できる。

さらに、第への発明は、脱気槽に混合槽を接続し、沸騰
冷却媒体の各成分を、脱気槽で各成分ごとにそれぞれ脱
気し、脱気された各成分を混合槽で混合するようにした
ので、脱気を必要とする複数の成分からなる沸騰冷却媒
体を使用する場合にも、組成変化を生じることなく、十
分な脱気をすることができる。

また、第九の発明は、冷却媒体としてエチレングリコー
ル水溶液を用いたことにより、オゾン層破壊の問題を解
消することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の第一の発明の一実施例を示す側断面
図、第２図は同じく冷却媒体の凍結温度濃度特性線図、
第３図は同じく冷却媒体の沸騰曲線の比較線図、第４図
は第二の発明の一実施例の要部側断面図、第５図は同じ
く冷却媒体の飽和圧力特性線図、第６図〜第８図は第三
の発明の一実施例を示し、第６図は側断面図、第７図は
要部側断面図、第８図は第７図の■−■線に沿う平面で
の断面図である。第９図〜第１１図はそれぞれ第四の発
明の各実施例の側断面図、第１２図は第五、第六の発明
の各−実施例の側断面図、第１３図〜第１６図は第七の
発明の一実施例を示し、第１３図は第１５図のｘｍ−ｘ
ｍ線に沿う平面での断面図、第１４図は第１３図のＸｌ
’Ｖ−ＸＩＶ線に沿う平面での断面図、第１５図は正面
図、第１６図は第１５図の矢視ＸＶＩによる一部側面図
である。 第１７図は第への発明の一実施例の回路図である。 第１８図〜第２０図はそれぞれ従来の沸騰冷却装置の側
断面図、第２１図は第２０図のＸｘＴ−ｘＸＩ線に沿う
平面での断面図、第２２図は従来の沸騰冷却装置の要部
回路図である。 （１）・・サイリスタ素子、（３）・・蒸発器、（５）
・凝縮器、（６）・・蒸発管、（７）・・液戻り管、（
２３）・・冷却媒体、（２４）・　凝縮液の吐出口、（
２５）・・流体駆動装置、（３２）・・保温材、（３３
）撥水性コーティング、（３４）・・弾性体、（３５）
。 （４２）・・第１．第２の脱気槽、（３６）・・水、（
４３）・・エチレングリコール、（４９）・・混合槽。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. （１）水とこの水の凍結温度を低下させる不凍液との混
   合液を冷却媒体とし、被冷却体からの発熱を前記冷却媒
   体の沸騰により放散させる蒸発器と、この蒸発器内で発
   生した蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、この凝縮器
   内で発生した凝縮液を前記蒸発器に戻す液戻り管とを備
   え、 前記液戻り管を前記凝縮器の底部と前記蒸発器の底部な
   いしその近傍とを連通するように配置し、かつ、前記凝
   縮器の底面を前記蒸発器の液面ないしそれより高い位置
   に配置するとともに前記液戻り管の端部に向かって下り
   勾配となるよう傾斜させてなる沸騰冷却装置。
2. （２）蒸発器の底面中央部に配置された凝縮液の吐出口
   を備えた請求項（１）記載の沸騰冷却装置。
3. （３）冷却対象物を収容する蒸発器と、 前記蒸発器に注入される少なくとも２つの冷却用物質を
   混合した冷却媒体と、 前記冷却媒体が前記冷却対象物を冷却するときに蒸発し
   て生じた蒸気を凝縮するため、前記蒸発器と蒸気管によ
   り結合された凝縮器と、 前記凝縮器で凝縮された前記冷却媒体を前記蒸発器に返
   送する液戻り管と、 前記凝縮器中の前記冷却媒体を前記蒸発器中に移送し、
   または前記蒸発器中の前記冷却媒体を前記凝縮器中に移
   送するための流体駆動装置と、を備えてなる沸騰冷却装
   置。
4. （４）沸点の異なる水を含む少なくとも２つの主成分の
   混合液を冷却媒体とし、被冷却体からの発熱を前記冷却
   媒体の沸騰により放散させる蒸発器と、この蒸発器内で
   発生した蒸気を冷却して凝縮させる凝縮器と、この凝縮
   器内で発生した凝縮液を前記蒸発器に戻す液戻り管と、
   前記冷却媒体収納部の外面に配設された保温材とを備え
   てなる沸騰冷却装置。
5. （５）蒸発器内で発生した蒸気を凝縮器へ送る蒸発管お
   よび液戻り管が、Δｈ／Δｌが常に正もしくは負である
   条件（ただし、Δｈは垂直方向の距離差、Δｌは前記蒸
   発器側から前記凝縮器側に向かった距離差）を満足する
   曲管でなる請求項（４）記載の沸騰冷却装置。
6. （６）蒸発管および液戻り管の内面に撥水性部材でなる
   コーティングが施されている請求項（５）記載の沸騰冷
   却装置。
7. （７）蒸発器と凝縮器とこれら装置を連通する配管とを
   備えており、それらの内部に固相変化をする冷却媒体が
   封入されている沸騰冷却装置において、液状の前記冷却
   媒体が充満する前記配管内に、前記冷却媒体の固相変化
   時の温度において弾性を有する弾性体が配置されている
   ことを特徴とする沸騰冷却装置。
8. （８）脱気を必要とする複数の液体成分からなる冷却媒
   体を、各前記成分ごとにそれぞれ脱気する脱気槽と、 前記脱気槽に接続されているとともに、前記冷却媒体が
   封入される被封入容器に接続され、前記脱気槽で脱気さ
   れた各成分を混合する混合槽と、からなる冷却媒体封入
   手段を備えてなる沸騰冷却装置。
9. （９）冷却媒体がエチレングリコール水溶液でなる請求
   項（１）〜（８）のいずれかに記載の沸騰冷却装置。