JPS6034040B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は冷嬢の沸騰、凝縮を利用して発熱体を冷却する
沸騰冷却装置に関する。

従来の沸騰冷却装置は大きく分けて蒸発器と凝縮器から
成り、密閉された冷却容器を構成している。

その冷却容器の内圧は冷媒の温度に沿って変り、冷煤の
温度は周囲温度や発熱体の発熱量が変ると大きく変化す
る。たとえば冷煤にフロン−１１３を使用したとき、冷
媒の温度が０℃から１００ｑＣまで変化した場合、内圧
は０．１５ｋ９／地（つまり負圧）から４．５ｋｇ／の
（絶対圧力）まで変化する。このような使用状況下にお
いて冷却容器の気密が不完全である場合、内圧が大気圧
（１．０３３ｋ９／嫌絶対圧力）より低い場合には冷却
容器に空気などの不凝縮ガスが侵入して凝縮器の性能が
著しく低下し、所要の冷却性能が得られなくなり、発熱
体の異常過熱や破損を招くことになる。また内圧が大気
圧より高い場合にも冷媒が冷却容器の外に逃げて消耗す
ため冷却不能に陥り、内圧が大気圧より低い場合と同じ
結果を招く。したがって、従釆装置において気密保持が
重要な課題であり、完全な溶接組立構造などを探ってい
るが最新の技術を駆使しても気密保持は容易でない。

特に大形の冷却容器の気密保持は不可能に近く、法規上
も圧力容器の扱いになるため頑丈な構造にする必要があ
る。また、冷却装置の溶接部は、真に気密にできないた
め、経年変化とともに、ごく少量の不凝縮ガス（主に空
気）が侵入するが、これが侵入しても所定の冷却性能が
得られるように空気溜を設ける必要がある。また冷却容
器を開けるには溶接部などを切り開く必要があり、発熱
体の保守点検等は非常に困難である。上記した従来技術
の欠点を解消することを目的とした先行技術に、本出願
人が先に出願した昭和５位王８月２５日出願、「侍顔昭
５０−１０２１６７号」があり、この先行技術は、少な
くとも蒸発部と凝縮部から成る冷却容器と、上部を大気
に開放した孔を有する液溜と、この液溜と冷却容器の１
部とを蓮適する蓮通手段と、前記冷却容器と蓮通手段並
びに液溜とに充填された冷媒液とを有する沸騰冷却装置
であり、液溜内には、冷媒液より比重が小さく、かつ、
不溶な液体で封止した構造である。この構造においては
、まず、袷媒液が沸点以下にあれば、封止された冷却容
器と蓮通管および液溜の下方までの全容積に、袷媒液が
充満している。次に、所定の沸騰冷却を行なうときは、
発熱体の発熱量に応じて袷煤液を液溜に移動させ、凝縮
部の凝縮空間を確保し、すなわち、自動的に発熱量に見
合って冷却性能を向上させ、袷煤液の温度を沸点すなわ
ち前記フロン−１１３の場合で４７．６ｏｏに保ち、冷
却装置内圧を常に大気圧と等しく保ちながら発熱体を冷
却するものである。したがって、この先行技術では常に
大気圧で動作するため装置の気密が不要となり前記の従
来技術の欠点を解決していた。ところが、この先行技術
には液溜６の上部が大気に開放されているので、冷煤液
が自然蒸発するのを防止するために封止液体を浮上させ
ているが、この封止液体に冷媒液がごく少量溶け込むの
で、その分が除々に大気中に蒸発して消耗するため、長
期間に冷煤液が減少する欠点がある。

また装置を運搬する途中で傾斜させたり、転倒させると
冷煤液が外部に流出する欠点がある。また、車両などに
搭載した場合には、車両の振動や衝撃により冷媒液や封
止液体が飛び出すおそれがある。要するに先行技術では
上記のように冷煤液の消耗により冷却装置としての機能
が失なわれる欠点がある。 本発明の目的は、液溜上部
の大気開放をなくし、装置の静止状態はもちろん、振動
、傾斜、転倒などがあっても冷煤液が外部に流出、ある
いは消耗しないようにしつつ、しかも、前記先行技術と
同様の性能、つまり冷却容器内は常に、ほぼ大気圧で良
好な冷却性能を得る沸騰冷却装置を提供するにある。本
発明は液溜を密閉構造として、かつ、液溜内の容積を可
変できる構造として、発熱体から熱が発生したり、休止
した場合に液溜に冷却液が自在に流出入できるもので、
冷却装置内の圧力は常に大気圧で動作でき、かつ、冷媒
液の消耗を完全に防止したことを特徴とするものである
。

ここで、液溜をも密閉構造として容積を可変となした状
態（先行技術と異なる）で、冷却装置内の圧力が常に大
気圧で動作（先行技術と同じ）できるということは、冷
煤液が沸点以下にある限りは、密閉された全冷却装置内
は、冷媒液が完全に満されている（つまり、冷媒ガスも
他のガスも存在しない）ということを意味することは、
容易に理解できる。そして、通常の使用状態で、冷媒の
温度が、沸点（例えば４７．６００）に達すれば、気化
して冷煤蒸気の発生により充填物容積が増す。しかし、
この状態でも大気圧を保つように、内容積が増すことが
できるように、可変容積の液溜を有する。このように、
大気圧に保たれる以上、冷煤液の温度は、その沸点、例
えば、４７．がｏを越えて上昇することはないはずであ
る。実使用状態で、内部の気化による体積増大分を許容
するように、液溜の大きさが設計されるのである。

以下、本発明の実施例を図によって具体的に説明する。

第１図はもっとも一般的な沸騰冷却装置に本発明を実施
した場合の動作中すなわち発熱体９の発熱によって袷煤
が沸騰し冷煤蒸気８ｃが発生し、それによって体積が増
えた分だけ液溜６別が伸びた状態の概念図である。図に
おいて、１は蒸発器、２は蒸気管、３は凝縮器、４は戻
り管、５ａ（アルファベットの補助符号は装置の動作の
理解を容易にするために付したものであり、補助符号を
付さないときは補助符号を付した部品の総称であると定
義する）は蓮通管、６ａは液溜、７は伸縮部、８ａと８
ｂは冷媒液、８ｃは袷媒蒸気、９は発熱体であり、矢印
は流れの方向と向きを示す。更に個々について詳しく説
明すると、蒸発器１は冷煤液８ａが沸騰して冷煤蒸気８
ｃになるときの気化潜熱によって発熱体９を冷却するも
の、蒸気管２は冷嬢蒸気８ｃを凝縮器３に導くもの、凝
縮器３は冷煤蒸気８ｃを凝縮液化し、その際に冷媒蒸気
８ｃの潜熱を外部冷煤例えば大気に熱伝達するもの、戻
り管４は凝縮器３で凝縮液化した冷媒液８ａを蒸発器１
に戻すもの、蓮通管５ａは液より軽い蒸気が液中を下向
きに容易に流れられない現象と凝縮作用によって冷媒蒸
気８ｃが直接に液溜６ａに入ることを防止するためのも
の、液溜６ａは冷却作用に直援関係しない余分な冷煤液
８ｂを溜めるもの、伸縮部７は液溜６ａ内に冷煤液８ｂ
が出入りしても液溜６ａ内は常に大気圧に保持できるよ
うに、その内容積を自由に可変するもの、冷煤液８ａは
発熱体９の冷却目標温度に等しい沸点のもの、冷媒液８
ｂは冷煤液８ａから、冷媒蒸気８ｃの発生によって分離
した液溜６ａの方へ移動した冷煤液である。発熱体９は
被冷却体であり、たとえば半導体素子や電気機器のよう
なものである。ここで、「冷却容器」なる用語は蒸発器
１と蒸気管２と凝縮器３と戻り管４が結合した容器の総
称であり、従来装置の基本的構成の総称としても使って
いる。さらに説明を加えると、液溜６ａの容積は伸縮部
７が最大限のびたときの最大容積、すなわち凝縮器３が
１００％働く時に冷却容器の外に排除する必要のある冷
煤８ｂ量以上の大きさ、冷媒液８ａの充填量は最小限、
冷却容器と蓮通管５ａを満たせる量と、伸縮部７が最小
限ちぢまつたときの液溜６ａ内を満たした量とを加えた
量である。すなわち、前述したように、大気圧に保つた
めには、液溜６ａの伸縮部７がちぢまった状態での冷却
装置の内容積全体を、冷煤８ａ，８ｂで充満しなければ
ならない。これによって、袷媒の沸点以下に冷煤の温度
が下っても、密閉容器内の冷煤の体積は殆んど変らず、
大気圧に保たれる。仮に冷媒蒸気あるいま他のガスが少
量でも混入しておれば、袷媒の温度の低下により、密閉
容器に負圧が生じ、本発明の効果は得られない。このよ
うな構成において、まず、発熱体９の発熱量が零の場合
、冷煤液８ａは沸騰しないので冷煤蒸気８ｃはないので
、冷媒液８ｂは蒸気管２と凝縮器３の点々で表した袷煤
蒸気８ｃの空間の部分に入り、この冷媒液８ｂは液溜６
ａの伸縮部７がちぢむことによって、冷却容器と蓮通管
５ａと液溜６ａ内が冷煤液８で満される。

この状態において液溜６ａ内は、伸縮部７が縦少され大
気圧を保持するので冷却容器の内圧はほぼ大気圧に等し
い、詳しくは、冷却容器の最下部が最も高く、その値は
大気圧に液柱の圧を加えたものとなるが、大形の装置を
除いて液柱の圧力は無視してもよく、内圧は大気圧に等
しいと考えてよい。次に、この状態から図示した状態に
なる過程を説明すると、発熱体９が発熱を開始してすぐ
に冷媒液８ａが沸騰することはなく、最初、矢印に示し
たような向きで冷煤液８ａが流れ、自然対流が起こるが
、それだけでは冷却性能が十分でないので冷媒液８ａの
温度は上昇する。やがて冷煤液８ａの温度が大気圧にお
ける飽和温度すなわち、沸点に近づくと、発熱体９の表
面から激しい沸騰が起こり、袷煤蒸気８ｃが発生して冷
却容器の内圧が上がり、圧力の低い方向、すなわち液溜
６ａに向って、冷煤液８ａと冷煤蒸気８ｃが蓮通管５ａ
を通って移動する。その際に冷煤蒸気８ｃは冷やされて
液化して液溜６ａに達し、その結果、伸縮部７が伸びて
バランスする。移動したそれらの冷煤液が冷媒液８ｂで
ある。冷媒液８ｂの量は発熱体９の発熱量と沸点と凝縮
器３の外部袷煤の温度などによって変る。沸点、外部冷
煤の温度が一定とすると発熱量のみによって変り、その
場合の平衡点は冷却容器内で冷媒蒸気８ｃの占める容積
、すなわち、凝縮器３の凝縮面積が十分に確保されて矢
印で示すような沸騰と凝縮の循環が始まって冷煤液８ａ
の温度の上昇がなくなる時点であり、そのときの冷媒液
８ａの温度はほぼ沸点になり、冷却容器の内圧はほぼ大
気圧に等しい値となる。図は凝縮器３の半分が有効に働
いている場合を示しているが、このときの発熱体９の発
熱量は限界の半分である。さらに発熱体９の発熱量を限
界を越えることなく増加させた場合、冷媒液８ａの温度
がわ‐ずかに上昇するが、温度の上昇とともに冷却容器
の内圧も上昇し、冷嬢蒸気８ｃは液溜６ａに向って移動
を始め、冷媒蒸気８ｃは運遍管５ａで液化されて液溜６
ａの伸縮部７がさらに伸びて容積を増し冷媒液８ｂに加
わる。このように冷媒液８ａが冷媒蒸気８ｃになって冷
却容器から出ることは冷却容器の冷媒液８ａの量が減る
ことになり、凝縮器３の凝縮面積が増加して、沸騰と凝
縮の激しさを増し、袷媒液８ａの温度の上昇が止まり、
その結果、冷煤液８ａの温度は沸点よりわずかに高い値
になり、冷却容器の内圧は大気圧をわずかに上まわる値
となる。以上は発熱体９の発熱量を零から最大限まで増
した場合の説明であるが、これとは逆に発熱体９の発熱
量を最大限から零に減らした場合は発熱量に応じて冷煤
液８ａの温度が下がり、冷却容器の内圧が下がって冷媒
液８ｂが冷却容器内に移動し、液溜６ａの伸縮部７が縮
小され、凝縮器３の凝縮面積が減って、冷媒液８ａの温
度は自動的に沸点近くに保たれ、冷却容器の内圧はほぼ
大気圧に保たれる。

以上のように本実施例によると、発熱量の大小にかかわ
らず、液溜６ａの伸縮部７の伸縮によって冷却容器の内
圧が常に大気圧に保たれるので、液溜６ａの上部を大気
に開放させなくても常に大気圧で動作できる。

したがって、この冷却装置は静止状態はもちろんのこと
、振動や煩斜、転倒などがあっても、冷煤液が外部に流
出したり、また消耗が全くないため、常に良好な冷却性
能を得る効果がある。第２図、第３図、第４図は本発明
の他の実施例の動作中の概念図である。

構成上第１図と大きく異なるところは冷嬢蒸気８ｃの循
環系路であり、特に第４図に示した実施例は蒸発器１と
蒸気管２と凝縮器３と戻り管４を１つにして冷却容器１
０としたものである。いずれの実施例も冷媒液８ａが蓮
通管５ａを通じ液溜６ａに出入し、凝縮面積を自動的に
調節して、冷煤液８ａの温度を沸点に保つことは第１図
に示した実施例とまったく変りなく、冷却作用や効果も
ほぼ同様であるが特異な動作や効果などについて説明す
る。なお、第２図以降において第１図と同一の符号の部
分は第１図と同一の部品である。第２図に示した実施例
によると冷媒蒸気８ｃと冷煤液８ａが混合して凝縮器３
の下方から上方に向って比較的速い速度で流れる。

冷媒液８ａと冷媒蒸気８ｃが液溜６ａに移動する際には
必ず凝縮器３を通り、冷媒蒸気８ｃのほとんどが凝縮液
化されるので、蓮通管５ａの凝縮能力を小さくできるこ
と、他に蒸気管２が短か〈、袷媒蒸気８ｃは蒸発器１を
出てすぐに凝縮器３で凝縮液化されるので、冷却容器内
における冷媒蒸気８ｃが占める空間が小なくなるため、
冷却容器外へ排除する必要のある冷媒液８ａの量が少な
くなり、その結果液溜６ａの容積を小さくできることな
どが実現できる。第３図に示す実施例においても第２図
に示した実施例とほぼ同等の効果が得られる。

第４図に示した実施例では、冷却容器１０の側面及び上
面全体に凝縮用のフィンを設けており、．袷煤８ａの沸
騰により冷媒蒸気８ｃが発生すれば、この蒸気８ｃで満
たされた容器部分が凝縮器部を構成することとなる。

冷媒液８ａで満たされた容器部分は、対流による熱伝達
が主であり凝縮器部とは呼べず、蒸発器部を構成する。
この構造は、特に、発熱体９が大形の場合に適している
。さらに本発明の他の実施例として第５図、第６図、第
７図、第８図に示したものについて説明する。これらの
実施例において第１図、第２図、第３図、第４図に示し
た実施例と異なるところは、蓬通管５の形状や、液溜６
の形状ならびに配置、および発熱体９の配置であり、冷
却容器の構成などは第１図、第２図、第３図、第４図に
示した実施例と変るところがなく、第１図、第２図、第
３図、第４図に示した実施例のいずれでもよく、また、
それ以外のものであってよい。一例として第１図に示し
た冷却容器を説明の対象にする。ほかに冷煤液８が液溜
６に移動することによって凝縮器３の凝縮面積が変化し
て発熱体９の発熱量に見合って凝縮性能が変化し、袷媒
液８の温度を沸点に保つ動作すなわち冷却容器の内圧を
常に大気圧に保つ基本的な動作は第１図、第２図、第３
図、第４図に示した実施例と同じである。以下個々につ
いて補足すべき点について説明する。

第５図に示した実施例において特異なところは液溜６ａ
の下部と冷却容器の下部を運通したことにあり、冷却容
器の下部には冷媒蒸気８ｃが存在しないので、運速管５
ｂに冷媒蒸気８ｃが直接入ることはない。

したがって、本実施例によると蓮通管５ｂは凝縮能力が
ほとんどないような簡単なる管でよく、装置の構成は簡
単になり、冷却動作の安定した装置が実現できる。第６
図に示した実施例では、蓮通管５ｃと冷却容器の接続箇
所を蒸発器１にしても、前記第５図と同様に運通管５ｃ
に冷煤蒸気８ｃが直接入ることはない。

また液溜６ａの配置も蒸発器１の近くにおくことも可能
で、伸縮部７も水平方向、傾斜いずれの場合でも本発明
の目的は達成される。したがって、本実施例によると、
蓮通管５および液溜６の配置が非常に自由にできるので
、装置の綾成が非常に簡単となる。つぎに、第７図に示
した実施例では、前記第１図の実施例の液溜６ａの部分
に制止枠１１をつけ加えた構造のもので、記号日は液溜
６ａの上面と前記制止枠１１の間隔であり、この間隔日
は、冷却動作が開始された直後や、発熱体９の発熱量が
増減したときに変化する。

そして、この制止枠１１は伸縮部７が伸びて来たとき、
液溜６ａの上面が突き当り（このとき、間隔日が０とな
る）これ以上伸びない拘束の働きをする。この制止枠１
１を凝縮器３が１００％働いたときの液溜６ａの上面の
上限となるように設けることにより、冷却能力の最大限
の拡大と液溜６ａの伸縮部７の破損を防止する効果があ
る。その理由を説明すると、発熱体９の発熱量が定格の
大きさ以上、あるいは、発熱量が定格であるが、凝縮器
３の外部冷却性能が劣っているために凝縮器３が１００
％働いてもさらに冷煤液８の温度が沸点以上になる場合
、冷却容器の内圧が大気圧より高くなろうとする。この
とき、前記制止枠１１がない場合には、伸縮部７が所定
より大きく伸び切って強度限界を越えると破損するおそ
れがある。また、破損に至らない場合でも、沸点が上ら
ないために凝縮器３の冷却能力が上がらない。そこで、
本実施例のように前記制止枠１１が設けられていると、
液溜６ａの上面が制止枠１１に突き当り拘束されるため
、容積がこれ以上増加しないため、内圧が大気圧より高
くなるので、袷嫌液８の温度が沸点（大気圧の）を越え
るが、凝縮器３において外部冷煤との温度差が大きくな
り、凝縮性能が増加するので冷媒液８の温度の上昇があ
るところで止まり冷却動作が安定する。また液溜６ａの
伸縮部７も一定のところで停止するので、発熱体９の発
熱量が定格より大きくなっても伸縮部７が伸びすぎて破
損してしまうことがない。本発明において、発熱体９は
主に蒸発器１の内においた場合を示したが、第８図に示
すように、発熱体９（例えば半導体素子のごときもの）
はゞ蒸発器１の外部に位置し、蒸発器１の外壁から熱が
加わってその内壁が沸騰する面になる構成にしても本発
明は適用でき、その場合、発熱体９の保守点検が極めて
容易になる。

また、上記各実施例において、凝縮器３と蓮通管５は直
接大気に放熱するように図示しているが、外部冷媒の種
類やその循環方法に限定はなく、たとえば、強制的に水
を通すようにしてもよいし、また、第８図に示すように
、送風機１３で強制的に冷却するようにしてもよい。

本発明によれば、常に安定した冷却性能を有する沸騰冷
却装置を提供することができ〜 これは、半導体装置、
変圧器、回転機などを始めとする発熱を伴う各種装置の
冷却に極めて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第８図は、本発明の沸騰冷却装置の各実施例
を示す図である。 符号の説明 １・・・蒸発器、３・・・凝縮器、５・・
・蓮通管、６・・・液溜、８・・・冷媒液、１１・・・
制止枠。 多’図弟ｚ図 ある図 孫４図 孫ｓ囚 蘇る図 孫７図 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 蒸発部と凝縮部および内容積可変の液溜とから成り
   容器全体として外部と密閉された冷却容器、冷媒液の温
   度がその沸点以下のとき前記冷却容器に充満された冷媒
   液とを有することを特徴とする沸騰冷却装置。 ２ 前記蒸発部と凝縮部とから成る冷却部と前記液溜と
   が、上記冷却部側からたどると立下り部を有する連通管
   で連通されて成る第１項記載の沸騰冷却装置。