JPH09264677A - 沸騰冷却器、その沸騰冷却器を備えた熱交換装置、およびその熱交換装置を備えた沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 更なる沸騰冷却器３の小型化を図ることので
きる沸騰冷却装置１４を提供する。 【解決手段】 外部から密閉化されたハウジング１３内
の高温空気の熱を受熱する受熱フィン６ａの方はフィン
ピッチを小さくしても目つまりを起こすことがないこと
に着目し、沸騰部７を成す沸騰冷却管４に設けられる受
熱フィン６ａのフィンピッチを、凝縮部８を成す沸騰冷
却管４に設けられる放熱フィン６ｂのフィンピッチより
も小さくすることにより、受熱フィン６ａと放熱フィン
６ｂとのフィンピッチをハウジング１３の内外で同じ大
きさにした場合と比較して沸騰冷却器３の放熱性能を向
上できる。これにより、沸騰部７の熱交換有効面積を凝
縮部８よりも小さくすることができるので、更に沸騰冷
却器３の小型化を図ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内部が外部から密
閉化された筐体内の高温流体を筐体外の低温流体と熱交
換させて冷却させる熱サイフォン式の沸騰冷却器、この
沸騰冷却器を備えた熱交換装置、および熱交換装置を備
えた沸騰冷却装置に関するものである。

【０００２】

【先行の技術】従来より、埃、塵や水分等の異物の付着
による作動不良を防止するために、半導体を用いた電子
部品等の発熱体を密閉化されたハウジング内に収容して
使用する場合がある。この場合、発熱体を冷却する方法
として、ハウジング内部に直接外気を取り入れて換気す
ることができないため、ハウジング内の内部空気とハウ
ジング外の外部空気との間で熱交換を行う方法が一般に
行われている。

【０００３】本願発明者等は、この方式で小型化が可能
な熱サイフォン式の熱交換装置を備えた沸騰冷却装置を
特願平７−８８９８８号（平成７年７月１４日出願）と
して出願している。なお、この熱交換装置を構成する沸
騰冷却器は、発熱体により加熱されたハウジング内の内
部空気（内気）とハウジング外の外部空気（外気）とを
隔離する流体隔離板と、この流体隔離板よりも内気側に
配され、内気から受熱して内部に封入された冷媒が沸騰
する沸騰部を成すハウジング内熱交換器と、流体隔離板
よりも外気側に配され、沸騰部で沸騰した冷媒蒸気の熱
を外気に放出して冷媒蒸気を凝縮させる凝縮部を成すハ
ウジング外熱交換器とが設けられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記の沸騰
冷却器を備えた熱交換装置においては、外気と冷媒との
熱交換を行うハウジング外熱交換器の放熱フィンに、外
気に含まれる埃や塵等の異物が付着し易い。特に、ハウ
ジング外熱交換器の放熱フィンにフィンピッチの小さい
ものを使用すると、放熱フィンが目詰まりを起こし、ハ
ウジング外熱交換器の熱交換性能（放熱性能）を低下さ
せてしまうので、ハウジング外熱交換器の放熱フィンの
フィンピッチをあまり小さくできない。それによって、
ハウジング内熱交換器の冷却性能が悪化し、ひいては沸
騰冷却装置の大型化を招くという問題が生じている。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記事情に基づいて成された
もので、更なる沸騰冷却器の小型化を図ることを目的と
する。また、更なる熱交換装置の小型化を図ることを目
的とする。さらに、更なる沸騰冷却装置の小型化を図る
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、外部から密閉化された筐体内の内部流体の熱を
受熱する受熱フィンの方はフィンピッチを小さくしても
目詰まりを起こすことがないことに着目し、沸騰部を成
す沸騰冷却管に設けられる受熱フィンのフィンピッチ
を、凝縮部を成す沸騰冷却管に設けられる放熱フィンの
フィンピッチよりも小さくすることにより、受熱フィン
と放熱フィンとのフィンピッチを筐体の内外で同じ大き
さにした場合と比較して沸騰冷却器の熱交換性能を向上
できる。これにより、更に沸騰冷却器の小型化を図るこ
とが可能となるという効果が得られる。

【０００７】請求項２に記載の発明によれば、１段目の
沸騰冷却器の冷媒と２段目以降の沸騰冷却器との冷媒に
効果的に温度差を設けることができ、温度差のある冷媒
により内部流体を順次降温し、外部流体を順次昇温する
ことができる。それによって、単段の沸騰冷却器と比較
して、内部流体の降温の飽和現象による冷却性悪化を低
減できる。このため、沸騰冷却器の熱交換容積を増やす
ことなく、冷却性能が改善されるので、沸騰冷却器を備
えた熱交換装置の小型化を図ることが可能となるという
効果が得られる。

【０００８】請求項３に記載の発明によれば、筐体内流
体循環手段によって筐体内通路内に強制的に内部流体を
循環させることにより、沸騰部を成す沸騰冷却管での内
部流体と冷媒との熱交換性能を向上できると共に、筐体
外流体循環手段によって筐体外通路内に強制的に外部流
体を循環させることにより、凝縮部を成す沸騰冷却管で
の外部流体と冷媒との熱交換性能を向上できる。これに
より、更に沸騰冷却装置の小型化を図ることが可能とな
るという効果が得られる。

【０００９】請求項４に記載の発明によれば、外部から
密閉化された筐体内の内部流体の熱を受熱する受熱フィ
ンの方はフィンピッチを小さくしても目詰まりを起こす
ことがないことに着目し、沸騰部を成す筐体内熱交換器
に設けられる受熱フィンのフィンピッチを、凝縮部を成
す筐体外熱交換器に設けられる放熱フィンのフィンピッ
チよりも小さくすることにより、受熱フィンと放熱フィ
ンとのフィンピッチを筐体の内外で同じ大きさにした場
合と比較して沸騰冷却器の熱交換性能を向上できる。こ
れにより、更に沸騰冷却器の小型化を図ることが可能と
なるという効果が得られる。

【００１０】請求項５に記載の発明によれば、沸騰冷却
器の幅方向の両側に突出して第１連結管および第２連結
管を配管する場合と比較して、不要になった配管突出部
とデッドスペースの分だけ幅方向寸法を短縮でき、ひい
ては更に沸騰冷却器の小型化を図ることが可能となると
いう効果が得られる。

【００１１】請求項６に記載の発明によれば、１段目の
沸騰冷却器の冷媒と２段目以降の沸騰冷却器との冷媒に
効果的に温度差を設けることができ、温度差のある冷媒
により内部流体を順次降温し、外部流体を順次昇温する
ことができる。それによって、単段の沸騰冷却器と比較
して、内部流体の降温の飽和現象による冷却性悪化を低
減できる。このため、沸騰冷却器の熱交換容積を増やす
ことなく、冷却性能が改善されるので、沸騰冷却器を備
えた熱交換装置の小型化を図ることが可能となるという
効果が得られる。

【００１２】請求項７に記載の発明によれば、筐体内流
体循環手段によって筐体内通路内に強制的に内部流体を
循環させることにより、沸騰部を成す筐体内熱交換器で
の内部流体と冷媒との熱交換性能を向上できると共に、
筐体外流体循環手段によって筐体外通路内に強制的に外
部流体を循環させることにより、凝縮部を成す筐体外熱
交換器での外部流体と冷媒との熱交換性能を向上でき
る。これにより、更に沸騰冷却装置の小型化を図ること
が可能となるという効果が得られる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の熱交換装置を備え
た沸騰冷却装置を電子機器装置に組み込んだ実施例を図
面に基づいて説明する。

【００１４】〔第１実施例の構成〕図１ないし図６は本
発明の第１実施例を示したもので、図１は電子機器装置
の全体構造を示した図である。

【００１５】電子機器装置１は、例えば携帯電話や自動
車電話等の移動無線電話の無線基地局装置であって、内
部に電子部品１１、１２を気密的に収容するハウジング
１３、およびこのハウジング１３内に組み込まれ、電子
部品１１、１２を冷却する沸騰冷却装置（冷却器）１４
等から構成されている。

【００１６】電子部品１１は、電気が流れると所定の作
動を行うと共に、発熱する発熱体（例えば送受信器に組
み込まれる高周波スイッチング回路を構成する半導体ス
イッチング素子等）である。電子部品１２は、電気が流
れると所定の作動を行うと共に、発熱する発熱体（例え
ばパワーアンプに組み込まれるパワートランジスタ等の
半導体増幅素子等）である。

【００１７】ハウジング１３は、内部を外部から気密化
する筐体であって、内部には密閉空間１５が形成されて
いる。この密閉空間１５は、電子部品１１、１２に塵、
埃や水分等の異物が付着することにより電子部品１１、
１２の性能が低下することを防止するために、後記する
沸騰冷却装置１４の流体隔離板等により外部と完全に気
密的に区画されている。

【００１８】そして、密閉空間１５は、沸騰冷却装置１
４の流体隔離板および沸騰冷却装置１４のケーシングに
よって、電子部品１１、１２を収容する電子部品収容空
間１６と筐体内通路としての高温側伝熱空間１７とに区
画されている。この高温側伝熱空間１７は、風上側が沸
騰冷却装置１４の奥行き寸法をできるだけ小さくするた
めに流路面積が狭く、風下側が風上側よりも流路面積が
広くなっている。さらに、ハウジング１３は、流体隔離
板によって高温側伝熱空間１７と気密的に区画された筐
体外通路としての低温側伝熱空間１８を形成している。

【００１９】沸騰冷却装置１４は、ハウジング１３に一
体的に設けられたケーシング２０、低温空気（外部流
体、低温流体）の空気流を発生させる２個の上部側遠心
式送風機２１、高温空気（内部流体、高温流体）の空気
流を発生させる２個の下部側遠心式送風機２２、密閉空
間１５内の空気温度を下限温度（例えば０℃）以上にす
るための電気ヒータ２３、これらの沸騰冷却装置１４の
電気機器を通電制御するコントローラ２４、および密閉
空間１５内の空気温度を上限温度（例えば６５℃）以下
にするための熱交換装置２５等から構成されている。

【００２０】ケーシング２０は、電子機器装置１の最も
外側に配される外壁板２６、および高温側伝熱空間１７
を囲む背面側区画板２７等からなり、これらの外壁板２
６と背面側区画板２７はスポット溶接等の手段による接
合、あるいはねじやボルト等の締結具による締結により
ハウジング１３に固定されている。

【００２１】２個の上部側遠心式送風機２１は、本発明
の筐体外流体循環手段であって、低温側伝熱空間１８内
に空気流を発生させる遠心式ファン３１、この遠心式フ
ァン３１を回転させる電動モータ３２、および遠心式フ
ァン３１を回転自在に収容するスクロールケーシング３
３をそれぞれ有している。

【００２２】２個の下部側遠心式送風機２２は、本発明
の筐体内流体循環手段であって、高温側伝熱空間１７内
に空気流を発生させる遠心式ファン３４、この遠心式フ
ァン３４を回転させる電動モータ３５、および遠心式フ
ァン３４を回転自在に収容するスクロールケーシング３
６をそれぞれ有している。

【００２３】電気ヒータ２３は、密閉空間１５内の温度
が下限温度（例えば０℃）よりも低温のときに電子部品
（例えば半導体素子）１１、１２の性能が低下するた
め、密閉空間１５内の温度を下限温度以上となるよう
に、高温側伝熱空間１７を流れる空気を加熱する内部流
体加熱手段である。この実施例の電気ヒータ２３は、例
えば１．２ｋＷの発熱量を持つものである。

【００２４】コントローラ２４は、例えばサーミスタ等
の感温素子よりなる温度センサ９により検出した密閉空
間１５内の検出温度に基づいて、２個の上部側遠心式送
風機２１の電動モータ３２、２個の下部側遠心式送風機
２２の電動モータ３５および電気ヒータ２３等の電気機
器を制御する制御手段である。

【００２５】コントローラ２４は、密閉空間１５内の温
度が下限温度（例えば０℃）以上の時に、２個の上部側
遠心式送風機２１および２個の下部側遠心式送風機２２
をＨｉ運転（強風量）またはＬｏ運転（弱風量）し、電
気ヒータ２３をＯＦＦ（オフ）する。また、コントロー
ラ２４は、密閉空間１５内の温度が下限温度（例えば０
℃）以下の時に、２個の上部側遠心式送風機２１の電動
モータ３２をＯＦＦ（オフ）し、２個の下部側遠心式送
風機２２の電動モータ３５をＨｉ運転（強風量）または
Ｌｏ運転（弱風量）し、電気ヒータ２３をＯＮ（オン）
する。

【００２６】次に、沸騰冷却器を備えた熱交換装置２５
を図１ないし図５に基づいて詳細に説明する。ここで、
図２（ａ）は沸騰冷却装置の概略構造を示した図で、図
２（ｂ）は沸騰冷却器を多段に配設した熱交換装置を示
した図で、図３は沸騰冷却器の具体的構造を示した図
で、図４および図５は沸騰冷却器を２分割する流体隔離
板を示した図である。

【００２７】熱交換装置２５は、ハウジング１３内を循
環する内部空気（筐体内部流体、所謂内気）である高温
空気とハウジング１３外を循環する外部空気（筐体外部
流体、所謂外気）である低温空気とを気密的に隔離する
流体隔離板２、およびこの流体隔離板２を貫通した状態
で流体隔離板２に組み付けられた多段式（２段式）の沸
騰冷却器３等から構成されている。

【００２８】流体隔離板２は、内部が高温となる密閉空
間１５の一壁面および内部が低温となる低温側伝熱空間
１８の一壁面を構成する、ハウジング１３の一壁面（筐
体の一部）を成すものである。例えばアルミニウム等の
熱伝導性に優れる金属材料よりなる薄板からなり、高温
側伝熱空間１７を含む密閉空間１５と低温側伝熱空間１
８を含む外部とを気密的に区画するように、沸騰冷却器
３およびケーシング２０と一体的に接合（ろう付け）さ
れている。

【００２９】この流体隔離板２には、図４に示したよう
に、後記する沸騰冷却器３の各沸騰冷却管を貫通させる
ための細長い長方形状または長円形状の貫通孔３８（例
えば幅が１．７ｍｍで、長さが１６．０ｍｍ）が一定の
間隔をおいて複数開けられている。但し、流体隔離板２
は、図５に示したように、分割体（本例では二分割）と
しても良い。

【００３０】沸騰冷却器３は、ケーシング２０内に所定
の角度だけ傾斜した状態で多段（２段）に組み付けら
れ、内部にフロロカーボン系またはフロン系の冷媒が封
入された複数本の沸騰冷却管４、各沸騰冷却管４を連通
する一対の連結管５、沸騰冷却管４の外部に取り付けら
れた複数の伝熱フィン６等から構成されたマルチフロー
パス型の熱交換器である。なお、沸騰冷却器３の両側に
は、流体隔離板２およびケーシング２０に締結具により
締結する役目と複数本の沸騰冷却管や複数の伝熱フィン
６を補強する役目のサイドプレート３７が接合されてい
る。また、沸騰冷却器３は、高温空気および低温空気の
流れ方向に多段（例えば２段）となるように配設されて
いる。

【００３１】複数本の沸騰冷却管４は、例えばアルミニ
ウムや銅等の熱伝導性に優れた金属材料を断面形状が細
長い長方形状または長円形状を成す偏平管（例えば幅が
１．７ｍｍで、長さが１６．０ｍｍ）に形成したもので
あり、それぞれ流体隔離板２の貫通孔３８を通り抜ける
ように配されている。これらの沸騰冷却管４よりなる沸
騰冷却器３は、流体隔離板２より高温空気側に配される
一方側（図３の図示下側）が冷媒液槽（沸騰部）７、流
体隔離板２より低温空気側に配される他方側（図３の図
示上側）が冷媒蒸気槽（凝縮部）８として構成される。
なお、この実施例では、沸騰部７および凝縮部８は、幅
（幅方向寸法）が３６０ｍｍ、高さが４３０ｍｍ、厚さ
が１６ｍｍとされている。

【００３２】連結管５は、複数本の沸騰冷却管４（沸騰
部７）の下端部に接続された高温側タンク４１、および
複数本の沸騰冷却管４（凝縮部８）の上端部に接続され
た低温側タンク４２からなり、各沸騰冷却管４を連通し
ている。これらの高温側、低温側タンク４１、４２は、
沸騰冷却管４側に設けられたコアプレートとこのコアプ
レートに接合する略逆Ｕ字状のタンクプレートとから構
成されている。なお、何れか一方の高温側タンク４１ま
たは低温側タンク４２には、沸騰冷却器３内に冷媒を封
入するための冷媒封入口（図示せず）が１箇所だけ設け
られている。冷媒は、その液面がほぼ流体隔離板２の位
置と一致する高さまで、すなわち、沸騰部７の高さまで
沸騰冷却器３の各沸騰冷却管４内に封入されている。但
し、冷媒の封入は、沸騰冷却管４に伝熱フィン６をろう
付け接合した後に行われる。また、高温側タンク４１は
なくても良い。

【００３３】伝熱フィン６は、沸騰冷却器３の高温側
（沸騰部７）で隣合う沸騰冷却管４間に介在された受熱
フィン６ａと、沸騰冷却器３の低温側（凝縮部８）で隣
合う沸騰冷却管４間に介在された放熱フィン６ｂとから
なる。この伝熱フィン６は、例えばアルミニウム等の熱
伝導性に優れる金属材料よりなる薄い板（例えば板厚
０．０２〜０．５０ｍｍ程度）を交互に押し返して波形
状に形成したコルゲートフィンであり、沸騰冷却管４の
平坦な外壁面にろう付けされている。すなわち、沸騰冷
却管４の外壁面と伝熱フィン６とが融合した状態で接合
されている。

【００３４】受熱フィン６ａは、流体隔離板２よりも下
方に配され、フィンピッチＰ1 が例えば２．４０ｍｍ、
フィン幅Ｂ1 が例えば１６ｍｍである。なお、フィンピ
ッチＰ1 は例えば１．５０ｍｍ〜２．９０ｍｍの範囲が
良く、望ましくは２．００ｍｍ〜２．５０ｍｍの範囲が
良い。放熱フィン６ｂは、流体隔離板２よりも上方に配
され、フィンピッチＰ2 が例えば３．７５ｍｍ、フィン
幅Ｂ2 が例えば１６ｍｍである。なお、フィンピッチＰ
2 は、例えば３．００ｍｍ〜４．５０ｍｍの範囲が良
く、望ましくは３．５０ｍｍ〜４．００ｍｍが良い。す
なわち、沸騰冷却器３は、受熱フィン６ａのフィンピッ
チＰ1 を放熱フィン６ｂのフィンピッチＰ2 よりも、例
えば５０％〜６５％程度だけ小さくしている。

【００３５】そして、熱交換装置２５は、図１および図
２（ｂ）に示したように、密閉空間１５の高温側伝熱空
間１７内を循環する高温空気（ハウジング１３内の清浄
な空気）と低温側伝熱空間１８内を循環する低温空気
（ハウジング１３外の汚れた空気）とが対向流となるよ
うに、高温空気および低温空気の流れ方向に沸騰冷却器
３が多段に配設されている。

【００３６】すなわち、多段の沸騰冷却器３等よりなる
熱交換装置２５は、２段目の沸騰冷却器３の各沸騰冷却
管４の下端部（沸騰部７）の図示右側部が高温空気の入
口とされ、１段目の沸騰冷却器３の各沸騰冷却管４の下
端部（沸騰部７）の図示左側部が高温空気の出口とされ
ている。また、熱交換装置２５は、１段目の沸騰冷却器
３の各沸騰冷却管４の上端部（凝縮部８）の図示左側部
が高温空気の入口とされ、２段目の沸騰冷却器３の各沸
騰冷却管４の上端部（凝縮部８）の図示右側部が高温空
気の出口とされている。

【００３７】〔第１実施例の作用〕次に、本実施例の沸
騰冷却器３を高温空気と低温空気とが対向流となるよう
に多段に配設した熱交換装置２５を備えた沸騰冷却装置
１４の作用を図２および図３に基づいて簡単に説明す
る。

【００３８】ハウジング１３中の密閉空間１５内の温度
が下限温度（例えば０℃）以上の時に、２個の上部側遠
心式送風機２１の電動モータ３２および２個の下部側遠
心式送風機２２の電動モータ３５の通電を開始すること
により、遠心式ファン３１、３４が作動を始める。これ
により、ハウジング１３内の密閉空間１５中に高温空気
（埃、塵または水分等の異物を含まない清浄な内気、内
部流体）の循環流が発生する。また、ハウジング１３外
の低温側伝熱空間１８中に低温空気（埃、塵または水分
等の異物を含む外気、外部流体）の循環流が発生する。

【００３９】そして、ハウジング１３の流体隔離板２を
貫通した状態で取り付けられた沸騰冷却器３は、多段式
の沸騰冷却器３の各沸騰冷却管４に封入された冷媒が、
図２（ａ）に示したように、受熱フィン６ａを介して高
温空気より伝達された熱を受けて沸騰気化する。気化し
た冷媒蒸気は、低温空気に晒されて低温となっている沸
騰冷却器３の上端側に設けられる凝縮部８で内壁面に凝
縮液化し、その凝縮潜熱が放熱フィン６ｂを介して低温
空気に伝達される。

【００４０】凝縮部８で凝縮液化した冷媒は、図２
（ａ）に示したように、自重により各沸騰冷却管４の内
壁面を伝って沸騰冷却器３の下端側に設けられる沸騰部
７へ滴下する。以上のように、沸騰冷却器３の各沸騰冷
却管４内に封入された冷媒が沸騰気化・凝縮液化を交互
に繰り返すことにより、高温空気の熱を低温空気へ移動
することにより、電子部品１１、１２で発生した熱を多
段の沸騰冷却器３で放熱できる。

【００４１】それによって、密閉空間１５の高温側伝熱
空間１７内を循環する高温空気（ハウジング１３内のき
れいな空気）と低温側伝熱空間１８内を循環する低温空
気（ハウジング１３外の汚れた空気）とが混合すること
なく、電子部品１１、１２を冷却することができる。

【００４２】ここで、本実施例の沸騰冷却器３は、受熱
フィン６ａのフィンピッチＰ1 が、放熱フィン６ｂのフ
ィンピッチＰ2 よりも小さいので、複数本の沸騰冷却管
４のうち流体隔離板２より上方に突出する（ハウジング
１３外に突出する）凝縮部８の熱交換有効面積よりも流
体隔離板２より下方に突出する（ハウジング１３内に突
出する）沸騰部７の熱交換有効面積の方が小さくなって
いるが、沸騰部７はフィンピッチの小さい分だけ熱交換
性能が向上するので、沸騰部７の熱交換有効面積が小さ
くなっても熱交換性能の低下はない。

【００４３】〔第１実施例の効果〕したがって、本実施
例の沸騰冷却器３は、ハウジング１３（流体隔離板２）
により高温側が気密化されているので、目詰まりを起こ
す心配のない沸騰部７を成す沸騰冷却管４に設けられる
受熱フィン６ａのフィンピッチＰ1 を、埃、塵または水
分等の異物を含んだ外気に晒される凝縮部８を成す沸騰
冷却管４に設けられる放熱フィン６ｂのフィンピッチＰ
2 よりも小さくしている。

【００４４】これにより、フィンピッチを流体隔離板２
の高温側（内気側）と低温側（外気側）とで同じ大きさ
にした場合と比較して、凝縮部８の目詰まりを防止しな
がら、沸騰部７のフィンピッチＰ1 を凝縮部８のフィン
ピッチＰ2 よりも小さくすることで高温空気の冷却性能
を向上できる。また、フィンピッチＰ1 を小さくした分
だけ、受熱フィン６ａの上下方向寸法を放熱フィン６ｂ
の上下方向寸法よりも短縮でき、それによって複数本の
沸騰冷却管４の沸騰部７の上下方向寸法（放熱有効面
積）を小さくできるので、沸騰冷却器３、ひいては沸騰
冷却装置１４全体の小型化を達成できる。

【００４５】次に、沸騰冷却器３を高温空気および低温
空気の流れ方向に多段に配設した熱交換装置の特徴を図
６（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。図６（ａ）、
（ｂ）は沸騰冷却器３が単段（１段）および多段（２
段）の場合の空気の流路方向温度分布および冷媒の流路
方向温度分布を示した模式図である。なお、模式図の縦
軸は温度（下方ほど高温）であり、横軸は流体（空気）
の流れ方向である。

【００４６】沸騰冷却器３が単段（１段）の熱交換装置
（従来例）の場合には、図６（ａ）に示したように、高
温空気が下段の沸騰冷却器（沸騰部７）の図示右側から
流入し、上段の沸騰冷却器（凝縮部８）へ放熱するに従
って高温空気の温度が降温した後に、放熱した高温空気
（冷却された高温空気）が沸騰冷却器３の図示左側へ流
出する。また、沸騰冷却器３が単段（１段）の熱交換装
置（従来例）の場合には、図６（ａ）に示したように、
低温空気が上段の沸騰冷却器（凝縮部８）の図示左側か
ら流入し、沸騰冷却器３から受熱するに従って高温空気
の温度が昇温し沸騰冷却器３の図示右側へ流出する。

【００４７】ここで、沸騰冷却器３の凝縮部８の入口空
気と出口空気との温度差をΔＴ1 とすると、沸騰冷却器
３内に封入された冷媒と熱交換する熱交換媒体は空気で
あるため、低温空気は、沸騰冷却器３の放熱フィン６ｂ
により急速に加熱され、低温空気は入口で急激に昇温す
るものの、その後、飽和状態となるため、温度差ΔＴ1
（冷却性能）はあまり大きくならない。

【００４８】これに対し、沸騰冷却器３を多段に配設し
た熱交換装置（第１実施例）２５の場合には、図６
（ｂ）に示したように、空気の流れ方向に少なくとも２
段階で沸騰冷却器３内に封入された冷媒と空気との熱交
換を行うことができる。このとき、１段目の沸騰冷却器
３内に封入された冷媒と２段目の沸騰冷却器３内に封入
された冷媒には図示破線のように温度差（放熱フィン温
度差、受熱フィン温度差）があるため、図６（ｂ）に示
したように、低温空気は１段目の沸騰冷却器３の凝縮部
８の途中で飽和温度になった後、更に２段目の沸騰冷却
器３の入口付近で温度が昇温すると共に、高温空気は２
段目の沸騰冷却器３の沸騰部７の途中で飽和温度になっ
た後、更に１段目の沸騰冷却器３の入口付近で温度が降
温する。

【００４９】したがって、図６（ａ）、（ｂ）に示した
ように、本実施例（沸騰冷却器３を多段に配設した熱交
換装置２５）の場合の温度差ΔＴ2 は、従来例（単段の
沸騰冷却器３を配設した熱交換装置）の場合の温度差Δ
Ｔ1 よりも大きくできるので、高温空気の熱を低温空気
へ放熱させることにより、高温空気の冷却性能を向上で
きる。これにより、電子部品１１、１２の冷却効果を向
上できるので、電子部品１１、１２が安定した作動を行
う。また、本実施例では、従来例と同等の放熱性能（冷
却性能）で比較した場合、沸騰冷却器３の熱交換有効面
積（放熱有効面積）を減少できるので、このようなコン
パクトな熱交換装置２５を備えた沸騰冷却装置１４全体
を小型化できる。

【００５０】また、沸騰冷却器３を多段に配設した熱交
換装置２５は、高温空気と低温空気とが対向流となるよ
うに配設されている。したがって、１段目の沸騰冷却器
３内に封入された冷媒の温度（放熱フィン温度、受熱フ
ィン温度）と２段目の沸騰冷却器３内に封入された冷媒
の温度（放熱フィン温度、受熱フィン温度）との間に効
果的に温度差を設けることができるので、温度差のある
冷媒を用いて低温空気・高温空気を順次効率良く昇温・
降温することが可能である。それによって、更に冷却性
能が改善され沸騰冷却装置１４全体の小型化が可能とな
る。

【００５１】なお、本実施例では、沸騰冷却器３が２段
の場合について説明したが、熱交換装置２５の沸騰部７
および凝縮部８の空気入口と空気出口との温度差を更に
大きく取りたい場合には、３段以上の多段としても良
く、作用効果については同様なため説明は省略する。

【００５２】〔第２実施例の構成〕図７ないし図１１は
本発明の第２実施例を示したもので、図７ないし図９は
電子機器装置に組み込まれた沸騰冷却装置の具体的構造
を示した図で、図１０は沸騰冷却器の具体的構造を示し
た図で、図１１は沸騰冷却器を多段に配設した熱交換装
置の概略構造を示した図である。

【００５３】本実施例の熱交換装置２５を構成する沸騰
冷却器３は、ケーシング内に所定の角度だけ傾斜した状
態で多段（３段）に組み付けられ、複数本の沸騰冷却管
４ａが沸騰部７を構成する高温側熱交換器（内気側熱交
換器）３ａと複数本の沸騰冷却管４ｂが凝縮部８を構成
する低温側熱交換器（外気側熱交換器）３ｂとに２分割
され、さらにこれらの高温側、低温側熱交換器３ａ、３
ｂを２本の冷媒循環用第１、第２連結管９ａ、９ｂで連
結している。

【００５４】ケーシング２０は、第１実施例と同様に、
外壁板２６および背面側区画板２７等からなる。外壁板
２６の中央部には、外部より低温空気（埃、塵または水
分等の異物を含む汚れた外気）を低温側伝熱空間１８内
に吸い込むための１個の方形状低温側吸込口２６ａが開
口している。また、外壁板２６の上部側には、上部側遠
心式送風機２１より外部に低温空気を吐出するための２
個の方形状低温側吐出口２６ｂが開口している。

【００５５】背面側区画板２７の上部側には、電子部品
収容空間１６より高温空気（埃、塵または水分等の異物
を含まない清浄な内気）を高温側伝熱空間１７に吸い込
むための１個の方形状高温吸込口２７ａが開口してい
る。また、背面側区画板２７の下側には、一方の下部側
遠心式送風機２２から電子部品１１に冷却された高温空
気を導くダクト２７ｂ、および他方の下部側遠心式送風
機２２から電子部品１２に冷却された高温空気を導くダ
クト２７ｃがスポット溶接等の手段により接合されてい
る。ダクト２７ｂ、２７ｃは、２個の下部側遠心式送風
機２２のスクロールケーシング３６にそれぞれ一体的に
接続されている。

【００５６】高温側熱交換器３ａは、本発明の筐体内熱
交換器であって、複数本の沸騰冷却管４ａ、高温側上端
タンク４１ａ、高温側下端タンク４２ａ、隣合う沸騰冷
却管４ａ間に介在された受熱フィン６ａ、およびサイド
プレート３７ａ等から構成されている。この高温側熱交
換器３ａは、ハウジング１３により外部から密閉化され
た高温側伝熱空間１７内に配されているので、埃、塵ま
たは水分等の異物を含んだ外気に晒される心配はない。

【００５７】低温側熱交換器３ｂは、本発明の筐体外熱
交換器であって、複数本の沸騰冷却管４ｂ、低温側上端
タンク４１ｂ、低温側下端タンク４２ｂ、隣合う沸騰冷
却管４ｂ間に介在された放熱フィン６ｂ、およびサイド
プレート３７ｂ等から構成されている。この低温側熱交
換器３ｂは、埃、塵または水分等の異物を含んだ外気に
晒される低温側伝熱空間１８内において高温側熱交換器
３ａと略同一平面上に位置するように配されている。な
お、低温側下端タンク４２ｂを第２連結管９ｂ側が下方
となるように傾斜しても良い。

【００５８】本実施例の沸騰冷却器３は、高温側熱交換
器３ａに設けられる受熱フィン６ａのフィンピッチＰ1
（例えば１．５０ｍｍ〜２．９０ｍｍ、望ましくは２．
００ｍｍ〜２．５０ｍｍで、本例では２．４０ｍｍ）
を、低温側熱交換器３ｂの放熱フィン６ｂのフィンピッ
チＰ2 （例えば３．００ｍｍ〜４．５０ｍｍ、望ましく
は３．５０ｍｍ〜４．００ｍｍで、本例では３．７５ｍ
ｍ）よりも小さくしている。すなわち、沸騰冷却器３
は、受熱フィン６ａのフィンピッチＰ1 を放熱フィン６
ｂのフィンピッチＰ2 よりも、例えば５０％〜６５％程
度だけ小さくしている。

【００５９】第１連結管９ａは、沸騰冷却管４と同じ金
属材料によって断面形状が円形状に形成された金属パイ
プであって、沸騰部７の上端部に設けられる高温側上端
タンク４１ａと凝縮部８の上端部に設けられる低温側上
端タンク４１ｂとを連通している。この第１連結管９ａ
は、沸騰部７で沸騰気化した冷媒蒸気を凝縮部８に導く
高温低温誘導手段である。

【００６０】第２連結管９ｂは、第１連結管９ａと同じ
金属材料によって断面形状が円形状に形成された金属パ
イプであって、凝縮部８の下端部に設けられる低温側下
端タンク４２ｂと沸騰部７の下端部に設けられる高温側
下端タンク４２ａとを連通している。この第２連結管９
ｂは、凝縮部８で凝縮液化した冷媒液を沸騰部７に導く
低温高温誘導手段である。

【００６１】〔第２実施例の効果〕本実施例では、フィ
ンピッチを流体隔離板２の高温側（内気側）と低温側
（外気側）とで同じ大きさにした場合と比較して、低温
側熱交換器３ｂの目詰まりを防止しながら、高温側熱交
換器３ａのフィンピッチＰ1 を低温側熱交換器３ｂのフ
ィンピッチＰ2 よりも小さくすることで高温空気の冷却
性能を向上でき、沸騰冷却器３、ひいては沸騰冷却装置
１４全体の小型化を達成できる。本実施例は、沸騰部７
と凝縮部８とを２本の第１、第２連結管９ａ、９ｂによ
って環状に連結した沸騰冷却器３を空気の流れ方向に多
段に配設した熱交換装置２５を備えた沸騰冷却装置１４
を備えている。この構成によって、各沸騰冷却器３内に
おいて冷媒の循環流が形成され、冷媒蒸気（沸騰蒸気）
と冷媒液（凝縮液）との衝突を防止できるので、各沸騰
冷却器３単体の放熱性能（冷却性能）を第１実施例より
も向上することができる。このような沸騰冷却器３を多
段に配設することにより、第１実施例よりも更に熱交換
装置２５の放熱性能（冷却性能）の向上を図ることがで
きる。

【００６２】〔第３実施例の構成〕図１２は本発明の第
３実施例を示したもので、沸騰冷却器の具体的構造を示
した図である。

【００６３】本実施例の熱交換装置２５を構成する沸騰
冷却器３は、ケーシング内に所定の角度だけ傾斜した状
態で多段（３段）に組み付けられ、沸騰部７を成す高温
側熱交換器（筐体内熱交換器、内気側熱交換器）３ａと
凝縮部８を成す低温側熱交換器（筐体外熱交換器、外気
側熱交換器）３ｂとに２分割され、さらにこれらの高温
側、低温側熱交換器３ａ、３ｂを２本の第１、第２連結
管９ａ、９ｂで連結している。

【００６４】そして、本実施例の沸騰冷却器３は、第２
実施例と比べて、高温側熱交換器３ａと低温側熱交換器
３ｂとを略同一平面上で幅方向の両側（図示左右側）に
互い違いにずらして配設している。さらに、その互い違
い部（位置ずれ部）５１、５２に高温側熱交換器３ａと
低温側熱交換器３ｂとを環状に連結するための冷媒循環
用の第１、第２連結管９ａ、９ｂを配している。

【００６５】第１連結管９ａは、高温側熱交換器３ａ
（沸騰部７）の上端部に設けられる高温側上端タンク４
１ａと低温側熱交換器３ｂ（凝縮部８）の上端部に設け
られる低温側上端タンク４１ｂとを連通し、沸騰部７で
沸騰気化した冷媒蒸気を凝縮部８に導く金属パイプであ
る。第２連結管９ｂは、低温側熱交換器３ｂの下端部に
設けられる低温側下端タンク４２ｂと高温側熱交換器３
ａの下端部に設けられる高温側下端タンク４２ａとを連
通し、凝縮部８で凝縮液化した冷媒液を沸騰部７に導く
金属パイプである。

【００６６】〔第３実施例の効果〕本実施例では、高温
側熱交換器３ａと低温側熱交換器３ｂとを略同一平面上
で幅方向の両側に互い違いにずらして配設し、その互い
違い部５１、５２に高温側熱交換器３ａと低温側熱交換
器３ｂとを連結する第１、第２連結管９ａ、９ｂを配し
ている。それによって、沸騰冷却器３の幅方向の両側
（図示左右側）に第１、第２連結管９ａ、９ｂが突出し
て配管される第２実施例の場合と比べて、不要になった
配管突出部とデッドスペースである第１連結管９ａの分
だけ側方寸法を短縮でき、このようにコンパクトな沸騰
冷却器３を備えた沸騰冷却装置１４全体の一層の小型化
を図ることができる。

【００６７】〔変形例〕本実施例の熱交換装置２５を備
えた沸騰冷却装置１４は、密閉化された空間に電子部品
１１、１２等の発熱体を収容する必要がある場合に利用
される。なお、密閉化された空間に発熱体を収容する必
要がある場合とは、例えば油、水分、鉄粉、腐食性ガス
等を含む厳しい環境下で発熱体を使用する場合、または
電気的な断続を行う際のアーク防止や接点の酸化を防ぐ
ために不活性ガス（ヘリウムガス、アルゴンガス等）を
使用する場合、あるいは人体に有害な気体（例えばフロ
ロカーボンから分解生成されたフッ化水素等）を外部に
洩らさないようにする場合等がある。

【００６８】本実施例では、沸騰冷却器３、高温側熱交
換器３ａ、低温側熱交換器３ｂとしてコルゲートフィン
・チューブ式のマルチフローパス型の熱交換器を用いた
が、沸騰冷却器３、高温側熱交換器３ａ、低温側熱交換
器３ｂとしてプレートフィン・チューブ式の熱交換器、
微細ピンフィン・チューブ式の熱交換器、偏平管（チュ
ーブ）を蛇行状に屈曲形成したサーペンタイン型の熱交
換器、２枚の成形プレートを貼り合わせた沸騰冷却管を
多数積層したドロンカップ型の熱交換器を用いても良
い。受熱フィン６ａまたは放熱フィン６ｂとしてスリッ
トフィンやルーバーフィンを利用しても良い。

【００６９】本実施例では、ハウジング１３内部空気、
筐体内部流体である高温空気（内気）として電子部品１
１、１２等の発熱体により高温化される高温空気等の高
温気体を用いたが、高温流体として電子部品１１、１２
等の発熱体を冷却する冷却水やオイル（作動油や潤滑油
を含む）等の高温液体を用いても良い。これと同様に、
ハウジング１３外部空気、筐体外部流体である外部流体
（外気）として低温空気等の低温気体だけでなく水やオ
イル等の低温液体を用いても良い。これらの場合には、
筐体内流体循環手段や筐体外流体循環手段はポンプを使
用することになる。なお、ポンプや遠心式ファン３１、
３４を駆動する駆動手段としては本例のような電動モー
タ３２、３５だけでなく内燃機関、水車、風車等を用い
ても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】電子機器装置の全体構造を示した概略図である
（第１実施例）。

【図２】（ａ）は沸騰冷却装置の熱交換装置の概略構造
を示した断面図で、（ｂ）は沸騰冷却装置の熱交換装置
の概略構造を示した模式図である（第１実施例）。

【図３】沸騰冷却器の具体的構造を示した正面図である
（第１実施例）。

【図４】沸騰冷却器を２分割する流体隔離板を示した斜
視図である（第１実施例）。

【図５】沸騰冷却器を２分割する流体隔離板を示した斜
視図である（第１実施例）。

【図６】（ａ）は従来例の場合の空気および冷媒の流路
方向温度分布を表した模式図で、（ｂ）は第１実施例の
場合の空気および冷媒の流路方向温度分布を表した模式
図である。

【図７】沸騰冷却装置の具体的構造を示した断面図であ
る（第２実施例）。

【図８】沸騰冷却装置の具体的構造を示した正面図であ
る（第２実施例）。

【図９】沸騰冷却装置の具体的構造を示した背面図であ
る（第２実施例）。

【図１０】沸騰冷却器の具体的構造を示した正面図であ
る（第２実施例）。

【図１１】沸騰冷却器の概略構造を示した断面図である
（第２実施例）。

【図１２】沸騰冷却器の具体的構造を示した正面図であ
る（第３実施例）。

【符号の説明】

１ 電子機器装置 ２ 流体隔離板 ３ 沸騰冷却器 ４ 沸騰冷却管 ５ 連結管 ６ 伝熱フィン ７ 沸騰部 ８ 凝縮部 ９ 温度センサ １１ 電子部品（発熱体） １２ 電子部品（発熱体） １３ ハウジング（筐体） １４ 沸騰冷却装置 １５ 密閉空間 １７ 高温側伝熱空間（筐体内通路） １８ 低温側伝熱空間（筐体外通路） ２１ 上部側遠心式送風機（筐体外流体循環手段） ２２ 下部側遠心式送風機（筐体内流体循環手段） ２５ 熱交換装置 ４１ 高温側タンク ４２ 低温側タンク ５１ 互い違い部（位置ずれ部） ５２ 互い違い部（位置ずれ部） ３ａ 高温側熱交換器（筐体内熱交換器） ３ｂ 低温側熱交換器（筐体外熱交換器） ４ａ 沸騰冷却管 ４ｂ 沸騰冷却管 ６ａ 受熱フィン ６ｂ 放熱フィン ９ａ 第１連結管 ９ｂ 第２連結管 ４１ａ 高温側上端タンク ４１ｂ 低温側上端タンク ４２ａ 高温側下端タンク ４２ｂ 低温側下端タンク

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部が外部から密閉化され、内部流体と外
   部流体とを隔離する筐体を貫通して配され、前記筐体内
   の内部流体の熱を前記筐体外の外部流体へ移動させる沸
   騰冷却器であって、 （ａ）前記筐体内に配される側が内部流体から受熱して
   内部に封入された冷媒が沸騰する沸騰部を成すと共に、
   前記筐体外に配される側が前記沸騰部で沸騰した冷媒蒸
   気の熱を外部流体に放出して冷媒蒸気を凝縮させる凝縮
   部を成す沸騰冷却管と、 （ｂ）前記沸騰部を成す前記沸騰冷却管に設けられ、内
   部流体から受熱する受熱フィンと、 （ｃ）前記凝縮部を成す前記沸騰冷却管に設けられ、外
   部流体に放熱する放熱フィンとを具備した沸騰冷却器に
   おいて、 前記受熱フィンのフィンピッチをＰ1 、 前記放熱フィンのフィンピッチをＰ2 としたとき、 Ｐ1 ＜Ｐ2 の関係を満足することを特徴とする沸騰冷却器。
2. 【請求項２】請求項１に記載の沸騰冷却器を備えた熱交
   換装置において、 前記沸騰冷却器は、内部流体と外部流体とが対向流とな
   るように内部流体および外部流体の流れ方向に多段に配
   設されたことを特徴とする熱交換装置。
3. 【請求項３】請求項２に記載の熱交換装置を備えた沸騰
   冷却装置において、 内部流体が流れると共に、前記沸騰部を収容した筐体内
   通路と、 この筐体内通路に前記筐体により気密的に区画され、外
   部流体が流れると共に、前記凝縮部を収容した筐体外通
   路と、 前記筐体内通路内において内部流体を強制循環させる筐
   体内流体循環手段と、 前記筐体外通路内において外部流体を強制循環させる筐
   体外流体循環手段とを備えたことを特徴とする沸騰冷却
   装置。
4. 【請求項４】内部が外部から密閉化され、内部流体と外
   部流体とを隔離する筐体を貫通して配され、前記筐体内
   の内部流体の熱を前記筐体外の外部流体へ移動させる沸
   騰冷却器であって、 （ａ）前記筐体内に配され、内部流体から受熱して内部
   に封入された冷媒が沸騰する沸騰部を成す筐体内熱交換
   器と、 （ｂ）前記筐体外に配され、前記沸騰部で沸騰した冷媒
   蒸気の熱を外部流体に放出して冷媒蒸気を凝縮させる凝
   縮部を成す筐体外熱交換器と、 （ｃ）前記筐体を貫通して配され、前記筐体内熱交換器
   と前記筐体外熱交換器とを気密的に連結する連結管と、 （ｄ）前記筐体内熱交換器に設けられ、内部流体から受
   熱する受熱フィンと、 （ｅ）前記筐体外熱交換器に設けられ、外部流体に放熱
   する放熱フィンとを具備した沸騰冷却器において、 前記受熱フィンのフィンピッチをＰ1 、 前記放熱フィンのフィンピッチをＰ2 としたとき、 Ｐ1 ＜Ｐ2 の関係を満足することを特徴とする沸騰冷却器。
5. 【請求項５】請求項４に記載の沸騰冷却器において、 前記筐体内熱交換器と前記筐体外熱交換器とを略同一平
   面上で、且つ幅方向に位置をずらして配設し、この位置
   ずれ部に前記筐体内熱交換器の上部と前記筐体外熱交換
   器の上部とを連結する第１連結管、および前記筐体内熱
   交換器の下部と前記筐体外熱交換器の下部とを連結する
   第２連結管を設けたことを特徴とする沸騰冷却器。
6. 【請求項６】請求項４または請求項５に記載の沸騰冷却
   器を備えた熱交換装置において、 前記沸騰冷却器は、内部流体と外部流体とが対向流とな
   るように内部流体および外部流体の流れ方向に多段に配
   設されたことを特徴とする熱交換装置。
7. 【請求項７】請求項６に記載の熱交換装置を備えた沸騰
   冷却装置において、 内部を内部流体が流れると共に、前記筐体内熱交換器を
   収容した筐体内通路と、 この筐体内通路に前記筐体により気密的に区画され、内
   部を外部流体が流れると共に、前記筐体外熱交換器を収
   容した筐体外通路と、 前記筐体内通路内において内部流体を強制循環させる筐
   体内流体循環手段と、 前記筐体外通路内において外部流体を強制循環させる筐
   体外流体循環手段とを備えたことを特徴とする沸騰冷却
   装置。