JPH10178292A - 沸騰冷却装置及びそれを用いた筐体冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷媒液面の低下を防止する。 【解決手段】 高温流体と低温流体とを隔離する流体隔
離板２、高温流体側に配設され、内部に冷媒が封入され
た冷媒槽３ａ、一方が冷媒槽３ａに連通された連通管３
４ａ、３４ｂ、連通管３４ａ、３４ｂの他方に気密に連
通され低温流体側に配設された放熱器３ｂを有する。冷
媒槽３ａは略平行に配列された複数本の管状部材として
の吸熱管３１ａからなり、この管状部材は、断面形状が
長円形状からなる扁平管であり、内部は上下方向に渡っ
て複数の小通路３３０に区分けされている。各小通路３
３０の直径（最大径）は０．５〜１ｍｍに設定される。
吸熱管３１ａが扁平なので沸騰して上昇する途中に気泡
が合体しやすく、合体して大きくなった気泡が扁平の吸
熱管内を上昇するときに、吸熱管内に広がり上昇するた
め液冷媒を一緒に巻き上げ上昇する。これによって低下
した液面を持ち上げることができ、冷媒液面の低下を防
止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高温媒体の熱で冷
媒を沸騰させ、その後凝縮させることで高温媒体の熱を
放熱させる沸騰冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電子部品等の発熱体を密閉化
されたハウジング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
ウジング内部の空気とハウジング外部の空気との間で熱
交換を行なう方法が行われている。そして、構成部品が
少なく、熱移動量が大きいものとして、特公平２−３３
２０号公報に示す様な、ハウジングを貫通して配置され
たヒートパイプ（内部に冷媒が封入されている）を使用
する方法が知られている。

【０００３】特公平２−３３２０号公報に示す様なヒー
トパイプ２００は、ハウジング内部の高温空気で内部の
冷媒を沸騰させ、ハウジング外部に配置される放熱部で
その冷媒を凝縮させることで放熱し、その凝縮冷媒を再
びハウジング内部に位置する吸熱部に滴下させる。しか
しながら、特公平２−３３２０号公報のようにヒートパ
イプは、沸騰して上昇する蒸気冷媒と、凝縮されて降下
する凝縮冷媒が同じ管内を移動するため、両者が対抗し
あって冷媒全体の循環が効率良く行われないという問題
がある。

【０００４】そこで、実開昭６２−１６２８４７号公報
のように、冷媒を循環させることで効率良く放熱させる
ことができる沸騰冷却装置が知られている。実開昭６２
−１６２８４７号公報に示された沸騰冷却装置は、冷媒
槽に発熱体を固定し、発熱体の発する熱を冷媒槽内に封
入された冷媒で吸熱し、吸熱により沸騰気化した冷媒
を、冷媒槽の上に配設された放熱器で凝縮液化させ、凝
縮液化した冷媒を、冷媒槽内に挿入された冷媒戻り管を
介して冷媒槽に戻すものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実開昭
６２−１６２８４７に示された沸騰冷却装置は、製作時
に冷媒槽の受熱面をカバーするように冷媒を封入して
も、実際に受熱すると沸騰冷却装置内の温度が上昇し、
内圧も上昇する。これによる冷媒の気相割合が増える。
さらに、冷媒槽で沸騰し放熱器で凝縮して冷媒槽に戻る
までの経路にある冷媒量が増えていく。これらの原因に
より、受熱量が増えれば増えるほど、冷媒槽の冷媒液面
は低下し、沸騰による熱の移動を行える領域が減り、性
能が低下してしまう。

【０００６】これを避けるために、製作時に冷媒を多め
に入れると、受熱量が多くない時に、冷媒液面が高くな
りすぎ、放熱器で本来凝縮に使われるべき領域を減らし
てしまう。また不要に冷媒液量が多いと、沸騰蒸気の循
環経路をせばめ、冷媒の循環を妨げてしまう。この結
果、放熱性能が低下するという問題が発生する。また、
放熱特性が低下することにより、体格の大型化を招いて
いる。

【０００７】本発明は、上記事情に基づいて成されたも
ので、その第１の目的は、新規な構成にて体格の小型化
を図ることにある。また、第２の目的は、冷媒液面の低
下を防止できる沸騰冷却装置を得ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明によ
れば、冷媒槽内に封入される冷媒は、冷媒槽を構成する
管状部材の中で高温部分の熱を受熱して沸騰気化する。
沸騰気化した冷媒は、気泡となって冷媒槽を構成する管
状部材を上昇し、冷媒液面を越えた後、気相冷媒として
冷媒槽の上部に配置された放熱器に送出される。放熱器
では、冷媒の持つ熱を低温部分に放出させ、冷媒を凝縮
液化させる。凝縮液化された冷媒は、重力により冷媒槽
に戻り再び熱を受熱する。

【０００９】本発明では、少なくとも冷媒槽が管状部材
からなり、その管状部材が内部に複数の小通路を有する
多孔管であるため、気泡の発生と気泡の上昇により液冷
媒が各小通路多孔管内を上昇し、見かけの冷媒液面を押
し上げる。これにより冷媒液面が下がって冷媒槽の受熱
面が露出し放熱性能が低下することを防止できる。ま
た、冷媒液面の低下を防ぐために冷媒を必要以上に封入
し、蒸気冷媒の循環を妨げたり、放熱器にまで液面が上
昇して放熱器の放熱性能が低下することを防止できる。
この結果、効率良く受放熱が行えるため、小型化が可能
となる。

【００１０】請求項２記載の発明によれば、冷媒槽は、
略平行に配列された複数の吸熱管からなり各吸熱管が多
孔管であるであるため、冷媒全体を各吸熱管の小通路内
に分配でき、小通路１つ当たりの液面の低下を更に低減
することができる。これにより、気泡の発生と気泡の上
昇により、液冷媒が各小通路内を上昇し、更に、見かけ
の冷媒液面を押し上げることができる。

【００１１】請求項３記載の発明によれば、冷媒槽の小
通路は吸熱側下部連通部側から吸熱側上部連通部側へ向
かって延設されるため、液冷媒が各小通路内を上昇し、
請求項１記載の発明の効果に対し、更に、見かけの冷媒
液面を押し上げることができる。また、冷媒槽の上部か
ら下部に渡りムラなく熱を吸収できる。請求項４記載の
発明によれば、放熱器が略平行に配列された複数の放熱
管からなり、その各放熱管が多孔管であるので、気相冷
媒が放熱管に放熱する放熱面積を増加させることがで
き、請求項１記載の発明の効果に加え、更に放熱特性が
向上できる効果がある。

【００１２】請求項５記載の発明によれば、小通路は放
熱側下部連通部側から放熱側上部連通部側へ向かって延
設されるため、請求項４記載の発明の効果の他に、更に
凝縮した冷媒を効率よく冷媒槽に戻すことができ、冷媒
の循環を効率よく行えるという効果がある。請求項６記
載の発明によれば、各小通路内で冷媒が沸騰が沸騰気化
する。吸熱量が多くなり沸騰が限界に近づくと、気泡が
大きくなりその小通路での吸熱性能が飽和してくるが、
冷媒槽は高温流体が流通する方向に複数の小通路が積層
されるように管状部材が配置されているため、手前（高
温流体の上流側）に位置する小通路内の冷媒から順に沸
騰気化していき、吸熱しきれない熱を後段（高温流体の
下流側）の小通路で吸熱するため、放熱特性が低下する
ことを防止できる。

【００１３】請求項７記載の発明によれば、管状部材は
外形が扁平断面を有するため、高温空気と広い接触面積
を有し、管状部材内での沸騰を促進して更に液面低下防
止の効果が得られる。これにより請求項１記載の発明の
効果に加え、更に放熱特性が向上できる効果がある。請
求項８記載の発明によれば、複数の板状部材と２つの壁
面とで囲まれた複数の通路で小通路を構成するため、請
求項７記載の発明の効果に加え、更に外部と小通路内の
冷媒との伝熱性を向上させることができる効果を奏す
る。

【００１４】請求項９記載の発明によれば、管状部材は
略目の字断面を有するため、請求項１記載の発明の効果
に加え、更に外部と小通路内の冷媒との伝熱性を向上さ
せることができる効果を奏する。請求項１０記載の発明
によれば、管状部材における各小通路の直径が、冷媒の
沸騰面離脱時の気泡径の１〜１０² 倍に設定されるた
め、冷媒の沸騰の妨げとならない。そして、壁面に接触
する冷媒量を減らすことができるため、冷媒の熱容量を
小さくして更に沸騰しやすくなる。これにより、気泡が
合体して、直ちに小通路内で気泡による液冷媒の持ち上
げ効果を得られる。

【００１５】請求項１１記載の発明によれば、請求項１
ないし請求項１０の何れかに記載の発明の効果に加え、
更に高温流体側の熱を低温流体側へ効率よく放熱できる
という効果を奏する。請求項１２記載の発明によれば、
冷媒は、沸騰気化していない時の液面が流体隔離板の位
置に略一致する位置まで冷媒槽内に注入されるため、冷
媒の液面が低下することを更に防止できる。

【００１６】請求項１３記載の発明によれば、冷媒槽で
沸騰気化した冷媒を高温側連通管により放熱器に送出
し、放熱器で凝縮液化された冷媒を低温側連通管により
冷媒槽に戻すため、効率よく冷媒を循環させることがで
きる。請求項１４記載の発明によれば、内部連通室内
に、冷媒槽を、高温流体が流通する方向に複数の小通路
が積層されるように配置し、更に放熱器を、低温流体が
流通する方向に複数の小通路が積層されるように配置す
るため、請求項６記載の発明の効果と同等の効果が得ら
れる。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の沸騰冷却装置の実
施の形態を図面に基づいて説明する。 （第１の実施の形態）図１は第１の実施の形態における
冷却器を筐体冷却装置に適用した場合の側面図であり、
図２は図１を外側、すなわち紙面左側から見た平面図で
ある。また、図３は沸騰冷却装置１の斜視図、図４は図
３における正面図、図５は図４における一部断面図、図
６は図３におけるII−II断面図、図７は図４に示した沸
騰冷却装置１の説明図である。

【００１８】本実施の形態における冷却器は、図１に示
すように密閉空間９を形成する筐体８０内に装着される
ものである。そしてその密閉空間９内には、例えば通信
機器等の送受信器や、その送受信器を駆動するためのパ
ワーアンプからなる発熱体７が収容されている。図１、
２に示すように冷却器の上部、下部には夫々密閉空間９
と連通する開口部１３、１４が設けられている。冷却器
は、密閉空間９の気体を高温側の伝熱空間１１に取り込
むために、密閉空間９の上部と連通した開口部である通
気口１３が形成されている。具体的には、側壁面９ａと
仕切壁２２とで冷却器内を上下方向に伸びる送風路２３
を形成し、この送風路２３の上端が通気口１３として密
閉空間９内の上部（流体隔離板２より上方）に開口して
いる。通気口１３の出口部分には密閉空間９の下部から
の冷風の導入を抑制するとともに、密閉空間９の上部か
らの高温風を積極的に導入するように、密閉空間９の上
部に開口する導入口２２１が形成されている。

【００１９】これにより、発熱体７の熱で高温になった
気体が通気口１３から送風路２３内へ導入されてスムー
ズに冷媒槽３ａへ導かれるため、密閉空間９内の温度を
均一に保つことができる。即ち、発熱体７から発生する
熱で高温となった気体が対流によって密閉空間９内を上
昇するため、密閉空間９内の上部に通気口１３を設けた
方が密閉空間９内の冷却効率が良いと言える。言い換え
れば、通気口１３が流体隔離板２より低い位置にある
と、密閉空間９内の比較的低温の気体が通気口１３から
送風路２３内に導入されて冷媒槽３ａへ導かれるため、
密閉空間９内の冷却効率が低下する可能性がある。

【００２０】また、高温側および低温側の各伝熱空間１
１、１２内で、冷媒槽３ａおよび放熱器３ｂを通過する
気体が、それぞれ吸入側の通気口１３、１６から排出側
の通気口１４、１７へ向かってスムーズに流れる様に、
沸騰冷却装置１全体が前後方向（図１の左右方向）に傾
斜した状態で配置されている。これにより、冷媒槽３ａ
および放熱器３ｂを通過する気体の流れ方向の変化を緩
やかにできるため、狭いスペース内での送風経路損失を
低減できる。その結果、密閉空間９内にある内部ファン
１５を小型化できる上に、内部ファン１５の発熱量を低
減できるため、その分、発熱体７の発熱量を増やすこと
ができる（即ち、冷却能力を上げようとして内部ファン
１５を大型化すると、内部ファン１５の発熱量が増加す
るため、結果的に発熱体７の発熱量を増やせなくな
る）。

【００２１】内部循環ファンとしての内部ファン１５は
軸流ファンからなり、吸引することで、導入口２２１を
介して通気口１３に導入された高温風（高温流体として
の高温空気）を冷媒槽３ａの各吸熱管３１ａ間に導入さ
せる。そして、内部ファン１５は冷媒槽３ａの吸熱管３
１ａと平行となるように傾斜させられている。なお、内
部ファン１５は冷媒槽３ａの吸熱管３１ａに対して傾斜
していても良い。

【００２２】外部循環ファンとしての外部ファン１８は
軸流ファンからなり、吸引することで、通気口１６を介
して導入された低温風（低温流体としての低温空気）を
放熱器３ｂの各放熱管３１ｂ間に導入させる。なお、外
部ファン１８は放熱器３ｂの放熱管３１ｂに対して傾斜
して配置されている。そして、外部ファン１８の排出側
には外部ファン１８を出た風を上方に変向させる変向板
１８１が配設されている。外部ファン１８を出た風は変
向板１８１により冷却器上面に開口された通気口１７を
通り、外部に排出される。

【００２３】図１における冷却器の放熱器３ｂの側方に
は、放熱器３ｂをメンテナンスするメンテナンス蓋９ｂ
が設けられている。放熱器３ｂは外部空気を導入するた
め、外部空気中に含まれる粉塵やゴミ等が放熱管３１ｂ
相互間に詰まってしまう可能性があるが、このメンテナ
ンス蓋９ｂを設けることにより、容易にそれらを除去す
ることができる。なお、このメンテナンス蓋９ｂは、作
動時には冷却器に固定されており、清掃時に開放される
ものである。

【００２４】図３は沸騰冷却装置を示す斜視図である。
沸騰冷却装置が高温流体及び低温流体の夫々流れる方向
に複数積層させている。沸騰冷却装置１は図３、４に示
すように、高温流体（例えば高温の空気）と低温流体
（例えば低温の空気）とを隔離する流体隔離板２、流体
隔離板２よりも高温流体側に配設された複数本の吸熱管
３１ａからなる冷媒槽３ａ、吸熱管３１ａの内部に封入
され、高温流体から熱を受けて沸騰気化する冷媒８（図
示せず）、一方が冷媒槽３ａに気密に連通され、他方が
流体隔離板２を通り抜けて低温流体側に延設された一対
の低温側連通管３４ａ、高温側連通管３４ｂ、低温側連
通管３４ａ、高温側連通管３４ｂの他方に気密に連通さ
れ、流体隔離板２よりも低温流体側に配設され複数本の
放熱管３１ｂからなる放熱器３ｂ、冷媒槽３ａの各吸熱
管３１ａの相互間に融合した状態（例えば、ろう付けさ
れた状態）で接合された受熱フィン６ａ、放熱器３ｂの
各放熱管３１ｂの相互間に融合した状態（例えば、ろう
付けされた状態）で接合された放熱フィン６ｂ、及び冷
媒槽３ａと低温側連通管３４ａとの間、放熱器３ｂと低
温側連通管３４ｂとの間に埋設され、夫々冷媒槽３ａか
ら低温側連通管３４ａへの熱移動、放熱器３ｂから高温
側連通管３４ｂへの熱移動を抑制する熱伝導抑制手段と
しての断熱材５０（例えば、発泡性樹脂であるウレタン
フォーム）から構成される。

【００２５】流体隔離板２は、例えば内部が高温となる
密閉空間の一壁面を構成するもので、アルミニウム等の
金属材料から成り、低温側連通管３４ａ、高温側連通管
３４ｂと一体的に接合（例えばろう付け）されている。
この流体隔離板２には、低温側連通管３４ａ、高温側連
通管３４ｂを通すための挿通穴が開けられている。な
お、流体隔離板２と各連通管との間に、熱移動を抑制す
るゴム等の樹脂を挟持させても良い。また、流体隔離板
２をウレタンフォーム等の発泡性樹脂からなる断熱材で
周囲（低温流体もしくは高温流体の少なくとも一方）と
断熱させても良い。

【００２６】冷媒槽３ａは、略平行に配列された複数本
の管状部材としての吸熱管３１ａと、吸熱管３１ａの下
部に配設されて、これら吸熱管３１ａを下方で連通する
吸熱側下部連通部４１、及び吸熱管３１ａの上部に配設
されて、これら吸熱管３１ａを上方で連通する吸熱側上
部連通部４２とから成る。吸熱管３１ａは、伝熱性に優
れた金属材（例えばアルミニウムや銅）を断面形状が長
円形状（または細長い長方形）を成す偏平管に形成した
ものである。

【００２７】図５は、吸熱管３１ａを示す一部断面図で
ある。なお、この図で受熱フィン６ａは省略してある。
同図に示すように、吸熱管３１ａは断面形状が長円形状
からなる扁平管であり、内部には上下方向に渡って複数
の内部仕切り板３３が形成されている（略目の字断
面）。この内部仕切り板３３により、吸熱管３１ａは内
部が複数の小通路３３０に区分けされた多孔管として構
成されている。すなわち、吸熱管３１ａを構成する管状
部材は、対向する２つの壁面と、内部に２つの壁面に共
に接する複数の板状部材が配置され、この複数の板状部
材と前記２つの壁面とで囲まれた複数の通路で小通路３
３０が構成されているといえる。これにより、耐圧性能
向上、冷媒との接触表面積拡大に伴う吸熱効率の向上等
の効果がある。なお、この吸熱管３１ａは、押し出し形
成により容易に形成できる。各小通路３３０の直径（小
通路が方形の場合は各辺の径の最大径、小通路が円形も
しくは楕円形の場合は最大径）は冷媒が沸騰して吸熱管
内壁を離脱する時の気泡径の１〜１０² 倍程度とするこ
とが好ましく、本実施の形態では０．５〜１ｍｍに設定
されている。この吸熱管は小通路３３０が上下方向（吸
熱側下部連通部４１から吸熱側上部連通部４２）へ向か
って開口するように配置され、そして高温流体が流通す
る方向に小通路３３０が積層されるように配置される。

【００２８】放熱器３ｂは、略平行に配列された複数本
の放熱管３１ｂと、放熱管３１ｂの下部に配設されて、
これら放熱管３１ｂを下方で連通する放熱側下部連通部
４３、及び放熱管３１ｂの上部に配設されて、これら放
熱管３１ｂを上方で連通する放熱側上部連通部４４とか
ら成る。放熱管３１ｂも、伝熱性に優れた金属材（例え
ばアルミニウムや銅）を断面形状が長円形状（または細
長い長方形）を成す偏平管に形成したものである。放熱
管３１ｂにおいても図５に示す吸熱管３１ａと同様に断
面形状が長円形状からなる扁平管で構成され、内部には
上下方向に渡って複数の内部仕切り板３３が形成されて
いる（図略）。これにより、耐圧性能向上、冷媒との接
触表面積拡大に伴う放熱効率の向上等の効果がある。こ
の放熱管３１ｂも、押し出し形成により容易に形成でき
る。この放熱管３１ｂも吸熱管３１ａと同様に小通路３
３０が上下方向（放熱側下部連通部４３から放熱側上部
連通部４４）へ向かって開口するように配置され、そし
て低温流体が流通する方向に小通路３３０が積層される
ように配置される。

【００２９】高温側連通管３４ｂは、冷媒槽３ａの吸熱
側上部連通部４２と放熱器３ｂの放熱側上部連通部４４
とに連通され、冷媒槽３ａで沸騰気化された冷媒８を放
熱器３ｂに送出する。そして高温側連通管３４ｂは、吸
熱管３１ｂと略平行で所定間隔（好ましくは各吸熱管３
１ｂ相互間の距離よりも大きい間隔、より好ましくはそ
の相互間間隔の２倍以上の間隔）を有して配設されてい
る。

【００３０】低温側連通管３４ａは、放熱器３ｂの放熱
側下部連通部４３と冷媒槽３ａの吸熱側下部連通部４１
とに連通され、放熱器３ｂで冷却液化された冷媒８を冷
媒槽３ａに戻す。そして低温側連通管３４ａは、放熱管
３１ａと略平行で所定間隔（好ましくは各放熱管３１ａ
相互間の距離よりも大きい間隔、より好ましくはその相
互間間隔の２倍以上の間隔）を有して配設されている。

【００３１】冷媒８は、ＨＦＣ−１３４ａ（化学式：Ｃ
Ｈ₂ ＦＣＦ₃ ）や水などから成り、その容器内部圧力が
あまり高くない範囲（ＨＦＣ−１３４ａの場合、例えば
数１０気圧以下の圧力）内で、高温流体により沸騰し低
温流体により凝縮されるように設定されている。具体的
には、冷媒８は最高でも１００℃以下で沸騰されるよう
に選択されている。ここで、冷媒は複数の組成の冷媒を
混合させてもよく、また、主として単一組成の冷媒を用
いても良い。また、冷媒８は液面が、非動作時に流体隔
離板２の位置に一致する程度、または冷媒が吸熱上部連
通部４２内に液面がある程度に冷媒槽３ａ内に封入され
ている。冷媒量は作動時に液面が放熱管３１ｂに達しな
い方が好ましい。但し、冷媒８の封入は、吸熱管３１ａ
及び放熱管３１ｂに夫々吸熱フィン６ａ及び放熱フィン
６ｂをろう付け接合した後に行なわれる。

【００３２】受熱フィン６ａは、各吸熱管３１ａ相互間
に配設され、放熱フィン６ｂは、各放熱管３１ｂ相互間
に配設されている。受熱フィン６ａ及び放熱フィン６ｂ
は、伝熱性に優れる金属（例えばアルミニウム）の薄い
板（板厚０．０２〜０．５mm程度）を交互に押し返して
波状に形成したコルゲートフィンであり、吸熱管３１
ａ、放熱管３１ｂの平坦な外壁面にろう付けされている
（即ち、融合した状態で接合されている）。この受熱フ
ィン６ａは、高温流体側の熱を冷媒８に伝えやすくする
ものであり、同時に吸熱管３１ａの強度を向上させてい
る。また放熱フィン６ｂは、冷媒８の熱を低温流体側に
伝えやすくするものであり、同時に放熱管３１ｂの強度
を向上させている。

【００３３】高温部分には高温流体である高温空気が流
通される高温通路３５ａが形成され、低温部分には低温
流体である低温空気が流通される低温通路３５ｂが形成
されている。そして、熱伝導抑制手段として、少なくと
も冷媒槽３ａと低温側連通管３４ａとの間、放熱器３ｂ
と連通管３４ｂとの両方の間に配置された板状部材を用
いている。

【００３４】また、熱伝導抑制手段として、例えば、発
泡性樹脂、より具体的にはウレタンフォームからなる断
熱材５０を有する。この断熱材５０は、図４、６に示す
ように、冷媒槽３ａと低温側連通管３４ａとの間、放熱
器３ｂと高温側連通管３４ｂとの間に配設されている。
そして、断熱材５０は、夫々冷媒槽３ａから低温側連通
管３４ａへの熱移動、高温側連通管３４ｂから放熱器３
ｂへの熱移動を抑制している。なお、図６において、各
冷媒槽は吸熱管３１ａ、受熱フィン６ａとが交互に積層
されて構成されており、その吸熱管３１ａがそれぞれ小
通路を有している。

【００３５】ここで、断熱材５０は冷媒槽３ａと低温側
連通管３４ａとの間、放熱器３ｂと高温側連通管３４ｂ
との間に配設されるだけでなく、低温側連通管３４ａ及
び高温側連通管３４ｂの外周を被覆している。この被覆
は低温側連通管３４ａ及び高温側連通管３４ｂの外周全
体を覆ってもよく、一部（上下方向の一部）を覆うよう
にしてもよい。なお、断熱材５０は各連通管３４ａ、３
４ｂの外周全てを覆わず、冷媒槽３ａと低温側連通管３
４ａとの間、放熱器３ｂと高温側連通管３４ｂとの間に
配設されるものでも良い。

【００３６】この高温通路３５ａは、流体隔離板２と冷
媒槽３ａの外周を囲う板状部材からなる高温側区画部材
５０ｄとで構成されている。そして冷媒槽３ａがこの高
温通路３５ａに配置され、低温側連通管３４ａはこの高
温通路３５ａよりも低温の領域へ分離されている。これ
は、図６に示すように、低温側連通管３４ａを高温側区
画部材５０ｄの外側に配置することで達成できる。そし
て、高温空気が流通する上流側における低温側連通管３
４ａの全面にはブラケットが配置され、高温空気が低温
側連通管３４ａの配置される空間へ流入することを防止
している。

【００３７】また、同様に低温通路３５ｂは、流体隔離
板２と放熱器３ｂの外周を囲う板状部材からなる低温側
区画部材５０ｃとで構成されている。そして放熱器３ｂ
がこの低温通路３５ａに配置され、高温側連通管３４ｂ
はこの低温通路３５ｂよりも高温の領域へ分離されてい
る。これは、高温側連通管３４ｂを低温側区画部材５０
ｃの外側に配置することで達成できる。

【００３８】フランジは沸騰冷却装置を固定するもので
あり、冷媒槽３１ａと低温側連通管３４ａとの間を所定
間隔に保つ働きをし、また、放熱器３１ｂと高温側連通
管３４ｂとの間を所定間隔に保つ働きする。また、上記
沸騰冷却装置１は、各冷媒槽どうしが並列配置され更に
各放熱器どうしが並列配置されるように並列配置されて
いる。

【００３９】次に、本実施の形態の作動を説明する。作
動することにより発熱体７が発熱し、密閉空間９内が高
温になる。内部ファン１５は高温になった空気を循環さ
せ、その高温空気を冷媒槽３ａに導入させる。冷媒槽３
ａの各吸熱管３１ａに封入された冷媒８は、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、低温流体に晒されて低温
となっている放熱器３ｂの各放熱管３１ｂ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。放熱器３ｂで凝縮液化した冷媒８
は、自重により内壁面を伝って冷媒槽３ａの吸熱側下部
連通部４１へ滴下する。なお、外部ファン１８は外部か
ら低温の空気を吸引し放熱器３ｂへ導入し続ける。この
冷媒８の沸騰・凝縮液化の繰り返しにより、高温空気と
低温空気とが混合することなく、発熱体７の熱を外部へ
効率よく放熱させることができる。

【００４０】以下、本実施の形態の効果を説明する。こ
のような沸騰冷却装置は、製作時に冷媒槽の受熱面をカ
バーするように図７のＢレベルまで冷媒を封入しても、
実際に受熱すると沸騰冷却装置内の温度が上昇し、内
圧も上昇する、冷媒は密閉容器の中で容器内の温度に
より液相と気相がバランスして存在しているが、沸騰冷
却器内の温度上昇により、冷媒の気相割合が増え、液相
割合が減る、冷媒槽で沸騰し放熱器で凝縮して冷媒槽
に戻るまでの経路にある冷媒量が増えていく、の３つの
原因により、受熱量が増えれば増えるほど、冷媒槽の冷
媒液面は低下し（Ｃレベル）、沸騰による熱の移動を行
える領域が減り、性能が低下してしまう。

【００４１】これを避けるために、製作時に冷媒を多め
（Ａレベル以上）にいれると、受熱量が多くない時に、
冷媒液面が高くなりすぎ、放熱器３ｂ内で本来凝縮に使
われるべき領域を減らしてしまったり、冷媒槽３ａの吸
熱側上部連通部４２の冷媒蒸気の循環路径を狭め、吸熱
管３１ａで気化した冷媒蒸気がスムーズに高温側連通管
３４ｂに上昇できなくなる。この結果、放熱性能が低下
するという問題が発生する。

【００４２】特にこの現象は液化した冷媒が吸熱管壁の
上部より戻るヒートパイプ式より図７に示したような、
冷媒８が高温側連通管３４ｂとは別の低温側連通管３４
ａより吸熱側下部連通部４１に戻るタイプに影響が大き
い。図８は、冷媒槽３ａを多孔管にしたことによる効果
を説明する図である。ここで同図（ａ）、（ｂ）は参考
図、（ｃ）、（ｄ）は本願の説明図である。

【００４３】図８（ａ）は、吸熱時に冷媒８の液面が低
下して性能が低下するのを防止するため、吸熱管３１ａ
を扁平にした際の吸熱管３１ａの断面図であり、同図
（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図８（ａ）、
（ｂ）に示すように、吸熱管３１ａが扁平なので沸騰し
て上昇する途中に気泡が合体しやすく、合体して大きく
なった気泡が扁平の吸熱管内を上昇するときに、吸熱管
内に広がり上昇するため液冷媒を一緒に巻き上げ上昇す
る。これによって低下した液面を持ち上げることができ
る。

【００４４】図８（ｃ）は（ａ）において、更に吸熱管
３１ａを多孔の管状部材とした際の吸熱管３１ａの断面
図であり、同図（ｄ）は（ｃ）のＤ−Ｄ断面図である。
図８（ｃ）、（ｄ）に示すように、吸熱管３１ａを多孔
の管状部材とすることで、気泡がほぼ管径と同じになっ
て各気泡の間に液冷媒をはさんで上昇し、大幅に液面を
上昇させる。これによって冷媒液面の低下を防止でき
る。また、この効果は吸熱によって発生する気泡による
ものなので、吸熱が小さい時（液面の低下が小さい）に
は気泡による持ち上げ効果も小さくなり、液面が高くな
りすぎることがない。多孔の管状部材は、その一つの管
径が冷媒の沸騰面離脱時の気泡径の１〜１０² 倍オーダ
ーの相当直径であると、冷媒の沸騰の妨げとならず、気
泡の合体によりすぐに管内で気泡による液冷媒の持ち上
げ効果を得られる。

【００４５】また、図８（ａ）、（ｃ）のように吸熱管
３１ａを扁平にする（２平面間距離を小さくする）こと
で合体気泡が管壁に挟まれて、図９のようにつぶれて上
昇する。このとき吸熱管３１ａと気泡の間で液冷媒の液
膜が薄くなる（δ＞液膜）領域ができ、この領域では管
壁から受けた熱が薄い液冷媒に伝わる。薄い液冷媒の熱
容量は小さく、熱伝導によって他の液冷媒に逃げる熱量
がすくなくなるので、すぐに隣接する気泡がわに蒸発す
る。これは液冷媒の中で気泡を発生させる「沸騰」より
熱抵抗の小さな蒸発現象であり、より性能が向上する。

【００４６】しかし、図９に示すように、吸熱管３１ａ
と気泡の間で液冷媒が薄くなる領域が剰り広くなると、
熱抵抗の小さな蒸発現象により、すぐに薄い液冷媒の気
化が起こり、周辺の厚い液冷媒側からの冷媒供給が間に
合わなくなる場合がある。その場合、蒸発が生じる領域
が減少してしまう。しかしながら、図８（ｃ）のように
多孔の管状部材を用いることにより、合体気泡の大きさ
が小通路３３０壁によって制約され、上記の現象が起こ
りにくくなるという効果がある。さらに、壁面面積がさ
らに増加し、熱抵抗の小さな効果がさらに得られるメリ
ットもある。

【００４７】また、本案のように高温の流体から受熱し
て、内部に封入された冷媒を沸騰、凝縮させる沸騰冷却
装置においては、高温の流体の流れる方向と封入された
冷媒の沸騰し、上昇する流れの方向は平行よりも直角に
近い。図１０（ａ）は図８（ａ）に示された吸熱管３１
ａ内の気泡発生のの様子を示す模式図であり、図１０
（ｂ）は図１０（ａ）に示した吸熱管３１ａ近傍を通過
する高温空気の温度分布を示した図である。また図１０
（ｃ）は図８（ｃ）に示された吸熱管３１ａ内の気泡発
生のの様子を示す模式図であり、図１０（ｄ）は図１０
（ｃ）に示した吸熱管３１ａ近傍を通過する高温空気の
温度分布を示した図である。図１０（ａ）、（ｂ）のよ
うに一孔の管状部材の場合、管の高温流体の入り口側か
ら沸騰が始まり、その気泡が合体し、上昇していく。こ
れにより特に吸熱管の長さが長い場合、吸熱管の上部は
合体気泡により覆われ、その気泡が大きく、高温流体の
熱量が大きい場合、吸熱管の上部の効率が低下する場合
がある。すなわち、図１０（ｂ）に示すように、温度Ｔ
1 で導入された高温空気のうち、下部III 、中部IIに導
入された高温空気は吸気管３１の近傍を通過するにつれ
て、温度Ｔ2 まで低下するが、上部Ｉに導入された高温
空気はその温度を吸熱管３１ａに伝えきれず、Ｔ2 より
も高いＴ3 までしか低下しなくなる。これに対し、図１
０（ｃ）に示した吸熱管３１ａの場合、高温流の流れ方
向に多孔の管状部材を用いたため、吸熱管３１ａの上部
Ｉにおいてもより下流側の管の冷媒が沸騰するため、温
度Ｔ2 まで低下させることができる。これにより性能の
低下が防止できる。

【００４８】なお、放熱管３１ｂは密閉匡体外の低温流
体と熱交換を行う。このため放熱管３１ｂ側の低温流体
の送風経路は直接匡体外の環境と連結している。図１１
に示すように、一般のヒートパイプ方式の円管であると
と、その後流（管近傍を通過した空気の流れ）は乱れ、
騒音が発生する。それに対し、扁平の放熱管を用いるこ
とにより、放熱管の後流の乱れは小さくなり、また送風
抵抗も小さくなるため、同じ送風量であっても騒音を低
減することができる。これは特に匡体の外と接続される
放熱器側で大きなな利点である。

【００４９】また、外部の低温流体を取り入れる際に、
一緒にごみも取り込んでしまう。このとき定期的に放熱
器３ｂの清掃を行うが、放熱器３ｂの正面から洗浄器等
を使って清掃を行うことが多い。このとき、扁平の放熱
器は陰になる部分が少なく、効率的に清掃が可能であ
る。また、扁平のチューブでフィンを挟む構造により、
薄く、変形しやすい受熱、放熱フィンの保護になる。吸
熱管、放熱管の多孔化、目の字構造は管とフィンを積層
して一体ろう付けするときに管の剛性アップによるろう
付け性向上に役立つ。また、押し出し材を用いることに
より、低コストに製作できる。各管の相当直径が小さく
なることから耐圧性が増す。また、扁平構造により匡体
外からの異物（いたづらによる異物の打ち込み）が冷媒
を封入する放熱管を損傷する可能性が低くなる。

【００５０】また、本実施の形態においては、更に以下
の効果がある。 （１）低温側連通管３４ａと放熱管３１ａとの間に、流
体隔離板２とともに高温通路３５ａを区画する高温側区
画部材５０ｄを有し、この高温側区画部材５０ｄにより
低温側連通管３４ａを高温通路３５ａよりも低温の領域
へ分離する。これにより、高温通路から低温側連通管３
４ａへの熱伝導を抑制できる。また、高温側連通管３４
ｂと吸熱管３１ｂとの間に、流体隔離板２とともに低温
通路３５ｂを区画する低温側区画部材５０ｃを有し、こ
の低温側区画部材５０ｃにより高温側連通管３４ｂを低
温通路３５ａよりも高温の領域へ分離する。これによ
り、低温側連通管３４ａから低温通路３５ｂへの熱伝導
を抑制できる。結果、冷媒の循環が阻害されることを防
止できる。

【００５１】（２）沸騰冷却装置は送風可能部分（フィ
ン部分）と送風不可能部分（低温側連通管３４ａ、高温
側連通管３４ｂ）とに分けることができる。本実施の形
態のような多段式の沸騰冷却装置に、図示しないファン
により単純に送風すると、送風された風はフィン部分に
流入する際に縮流し、フィン部分通過後に拡大流れとな
り、圧力損失を生じる可能性がある。これに対し、本実
施の形態では流体隔離板２と高温側区画部材５０ｄとで
高温通路３５ａを区画し、流体隔離板２と低温側区画部
材５０ｃとで低温通路３５ｂを区画しているため、各通
路３５ａ，３５ｂを流れる通気が直線的に流れるように
なり、これにより圧力損失を低減することができる。こ
のことは、ファンの消費電力低減と送風騒音低減に役立
つ。また、区画されない場合に比較して送風断面積が制
限されるため、フィン部分の流量を増加させることがで
きる。

【００５２】（３）高温側連通管３４ｂは、吸熱管３１
ｂと略平行で所定間隔（好ましくは各吸熱管３１ｂ相互
間の距離よりも大きい間隔、より好ましくはその相互間
間隔の２倍以上の間隔）を有して配設されているため、
冷媒槽３ａで沸騰気化して上昇する蒸気冷媒が、高温側
連通管３４ｂを介して低温の放熱器３ｂへ熱を放熱し
て、高温側連通管３４ｂ内で降下することを防止でき
る。また、低温側連通管３４ａは、放熱器３ｂの放熱側
下部連通部４３と冷媒槽３ａの吸熱側下部連通部４１と
に連通され、放熱器３ｂで冷却液化された冷媒８を冷媒
槽３ａに戻す。そして低温側連通管３４ａは、放熱管３
１ａと略平行で所定間隔（好ましくは各放熱管３１ａ相
互間の距離よりも大きい間隔、より好ましくはその相互
間間隔の２倍以上の間隔）を有して配設されているた
め、放熱器３ｂで凝縮液化されて降下してくる凝縮冷媒
が、低温側連通管３４ａを介して高温の冷媒槽３ａから
熱を吸収して、低温側連通管３４ａ内で上昇力を受ける
ことを防止できる。 （４）冷媒槽３ａは複数の吸熱管３１ａで熱を受けるこ
とができるので吸熱効率が向上する。そして、この吸熱
により沸騰気化する冷媒を上部の吸熱側上部連通部４２
で収集し、その冷媒は高温側連通管３１ｂにより放熱器
３ｂへ送出されているので、放熱器３ｂと冷媒槽３ａと
を連通するための管の数を減らすことができ、流体隔離
板２の加工を容易にできる。また、同様に放熱器３ｂは
複数の吸熱管３１ｂで熱を放出するので放熱効率が向上
する。そして、凝縮液化された冷媒を下部の放熱側下部
連通部４３で収集し、その冷媒は低温側連通管３４ａに
より冷媒槽３ａへ送出されているので、放熱器３ｂと冷
媒槽３ａとを連通するための管の数を減らすことがで
き、流体隔離板２の加工を容易にできる。

【００５３】（５）低温側連通管３４ａの外周に被覆さ
れた断熱材５０ａを有し、高温側連通管３４ｂの外周に
被覆された断熱材５０ｂを有する。これにより、冷媒の
循環が阻害されることを防止できる。 （６）また、受熱フィン６ａおよび放熱フィン６ｂが夫
々冷媒槽３ａ、放熱器３ｂと融合した状態で接合されて
いることから、受熱フィン６ａおよび放熱フィン６ｂを
冷媒槽３ａ、放熱器３ｂに対して機械的に取り付けた場
合と比較して、各フィンと沸騰冷却管との間の熱抵抗を
小さくできる。これにより、受熱フィン６ａおよび放熱
フィン６ｂを冷媒槽３ａ、放熱器３ｂに対して機械的に
取り付けた場合より、更に沸騰冷却装置全体の小型化が
可能となる。

【００５４】なお、図１２のようなヒートパイプ式の沸
騰冷却器であっても、上部の放熱管３１ｂで凝縮した冷
媒が吸熱管の管壁全てを濡らして降下しているわけでは
なく、壁面の一部に片寄って降下するため、冷媒槽の吸
熱管を多孔の管状部材にすることで冷媒液面低下を防止
する効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態における沸騰冷却装置を用い
た筐体冷却装置の側面図である。

【図２】図１に示した筐体冷却装置を外側から見た平面
図である。

【図３】第１の実施の形態における沸騰冷却装置を示す
斜視図である。

【図４】図３における沸騰冷却装置の正面図である。

【図５】図４に示した沸騰冷却装置の一部断面図であ
る。

【図６】図３におけるII−II断面図である。

【図７】図４の沸騰冷却装置を説明するための模式図で
ある。

【図８】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施の形態における沸
騰冷却装置の説明図である。

【図９】第１の実施の形態における沸騰冷却装置の説明
図である。

【図１０】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施の形態における
沸騰冷却装置の説明図である。

【図１１】（ａ）、（ｂ）は第１の実施の形態における
沸騰冷却装置の説明図である。

【図１２】本発明のその他の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 １１ 高温側の伝熱空間 １２ 低温側の伝熱空間 １３、１６ 吸入側の通気口 １４、１７ 排出側の通気口 １５ 内部ファン ２ 流体隔離板 ２２ 仕切壁 ２３ 送風路 ３ａ 冷媒槽 ３ｂ 放熱器 ３１ａ 吸熱管 ３１ｂ 放熱管 ３３０ 小通路 ３３ 内部仕切り板 ３４ａ 低温側連通管（連通管） ３４ｂ 高温側連通管（連通管） ３５ａ 高温通路（高温部分） ３５ｂ 低温通路（低温部分） ４１ 吸熱側下部連通部 ４２ 吸熱側上部連通部 ４３ 放熱側下部連通部 ４４ 放熱側上部連通部 ５０ａ、ｂ 断熱材（熱伝導抑制手段） ５０ｃ 低温側区画部材 ５０ｄ 高温側区画部材 ６ａ 受熱フィン ６ｂ 放熱フィン ７ 発熱体 ８ 冷媒 ９ 密閉空間 ９ａ 壁面

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高温部分から受熱して沸騰気化する冷媒
   が内部に封入された冷媒槽と、 一方が前記冷媒槽と気密に連通され、他方が前記高温部
   分よりも低温の低温部分に延設された連通管と、 前記連通管の前記他方に気密に連通されて前記冷媒槽よ
   りも上部に配置され、前記冷媒槽で沸騰気化した冷媒の
   熱を前記低温部分に放出して前記冷媒を凝縮液化させる
   放熱器とを有し、少なくとも前記冷媒槽は管状部材から
   なり、該管状部材は、内部が複数の小通路からなる多孔
   管であることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 【請求項２】 前記冷媒槽は、略平行に配列された複数
   の吸熱管からなり、前記各吸熱管が多孔管である請求項
   １記載の沸騰冷却装置。
3. 【請求項３】 前記冷媒槽は、前記複数の吸熱管の下部
   に配設されて前記複数の吸熱管を夫々連通させる吸熱側
   下部連通部と、前記複数の吸熱管の上部に配設されて前
   記複数の吸熱管を夫々連通させる吸熱側上部連通部とを
   有し、前記小通路は前記吸熱側下部連通部側から前記吸
   熱側上部連通部側へ向かって延設されることを特徴とす
   る請求項２記載の沸騰冷却装置。
4. 【請求項４】 前記放熱器は、略平行に配列された複数
   の放熱管からなり、前記各放熱管が多孔管である請求項
   １ないし請求項３の何れかに記載の沸騰冷却装置。
5. 【請求項５】 前記複数の放熱管の下部に配設されて前
   記複数の放熱管を夫々連通させる放熱側下部連通部と、
   前記複数の放熱管の上部に配設されて前記複数の放熱管
   を夫々連通させる放熱側上部連通部とを有し、前記小通
   路は前記放熱側下部連通部側から前記放熱側上部連通部
   側へ向かって延設されることを特徴とする請求項４記載
   の沸騰冷却装置。
6. 【請求項６】 前記高温部分は高温流体が流通される通
   路であり、前記冷媒槽は前記高温流体が流通する方向に
   前記複数の小通路が積層されるように前記管状部材が配
   置されることを特徴とする請求項１ないし請求項５の何
   れかに記載の沸騰冷却装置。
7. 【請求項７】 前記管状部材は外形が扁平断面を有する
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６の何れかに記
   載の沸騰冷却装置。
8. 【請求項８】 前記管状部材は対向する２つの壁面を有
   する扁平形状をを有し、内部に前記２つの壁面に共に接
   する複数の板状部材が配置され、この複数の板状部材と
   前記２つの壁面とで囲まれた複数の通路で前記小通路を
   構成することを特徴とする請求項１ないし請求項７の何
   れかに記載の沸騰冷却装置。
9. 【請求項９】 前記管状部材は略目の字断面を有するこ
   とを特徴とする請求項８記載の沸騰冷却装置。
10. 【請求項１０】 前記冷媒槽を構成する前記管状部材に
    おける各小通路の直径が、前記冷媒の沸騰面離脱時の気
    泡径の１〜１０² 倍に設定されることを特徴とする請求
    項１ないし請求項９の何れかに記載の沸騰冷却装置。
11. 【請求項１１】 前記高温部分に高温流体が流通され、
    前記低温部分に低温流体が流通され、当該高温流体と低
    温流体とが流体隔離板により隔離され、 前記冷媒槽は流体隔離板よりも前記高温流体側に配設さ
    れ前記高温流体から受熱し、 前記連通管は、一方が前記冷媒槽と気密に連通され、他
    方が前記流体隔離板を通り抜けて前記低温流体側に延設
    され、 前記放熱器は、前記流体隔離板よりも前記低温流体側に
    配設され前記沸騰気化した冷媒の熱を前記低温流体に放
    出することを特徴とする請求項１ないし請求項１０の何
    れかに記載の沸騰冷却装置。
12. 【請求項１２】 前記冷媒は、沸騰気化していない時の
    液面が前記流体隔離板の位置に略一致する位置まで前記
    冷媒槽内に注入されることを特徴とする請求項１１記載
    の沸騰冷却装置。
13. 【請求項１３】 前記連通管は、前記冷媒槽で沸騰気化
    した冷媒を前記放熱器に送出する高温側連通管と、前記
    放熱器で凝縮液化された冷媒を前記冷媒槽に戻す低温側
    連通管とを備えることを特徴とする請求項１ないし請求
    項１２の何れかに記載の沸騰冷却装置。
14. 【請求項１４】 請求項１ないし請求項１３の何れかに
    記載の沸騰冷却装置と、 作動することにより発熱する電気機器が内部に収容され
    る筐体と、 前記筐体内部に連通した内部連通室に配設され、前記電
    気機器を含む領域内で空気循環を行うことで前記内部連
    通室内に前記高温流体を発生させる内部循環ファンと、 前記筐体外部に連通した外部連通室に配設され、外部と
    の空気循環を行うことで前記外部連通室内に前記低温流
    体を発生させる外部循環ファンとを有し、前記内部連通
    室内に、前記冷媒槽を、前記高温流体が流通する方向に
    前記複数の小通路が積層されるように配置し、更に前記
    放熱器を、前記低温流体が流通する方向に前記複数の小
    通路が積層されるように配置したことを特徴とする沸騰
    冷却装置を用いた筐体冷却装置。