JPS6222060B2

JPS6222060B2 -

Info

Publication number: JPS6222060B2
Application number: JP54024470A
Authority: JP
Inventors: Teigo Okada; Hisao Sonobe
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1979-03-05
Filing date: 1979-03-05
Publication date: 1987-05-15
Also published as: US4330033A; FR2451009B1; DE3003991A1; FR2451009A1; JPS55118561A; DE3003991C2

Description

【発明の詳細な説明】本発明は冷媒の沸騰、凝縮を利用して発熱体を
冷却する定圧形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から形成され
ている。その冷却容器の内圧は冷媒の温度に沿つ
て変化し、冷媒の温度は周囲温度や発熱体の発熱
量の変化によつて大きく変化する。たとえば冷媒
にフロン−113を使用したとき、冷媒の温度が０
℃から100℃まで変化した場合、内圧は0.15Kg／
cm²から4.5Kg／cm²（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
完全であつて、内圧が大気圧（1.033Kg／cm²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
て消耗するため冷却不能に陥り、内圧が大気圧よ
り低い場合と同様の結果を招く。

したがつて、従来装置においては気密保持が重
要な課題であり、完全な溶接組立構造などを採つ
ているが完全な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。また冷却容器の内部を開けるに
は溶接部などを切り開く必要があり、発熱体（被
冷却体）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
としたものとして実開昭53−15749号公報があ
り、ここには少なくとも蒸発器と凝縮器から成る
冷却容器と、伸縮自在の液溜と、この液溜前記冷
却容器とを連結管で連通し、前記冷却容器と連結
管及び液溜の底部まで冷媒液を充填し、前記液溜
の伸縮部内に気体を充填するようにした沸騰冷却
装置が開示されている。この構造において、所定
の沸騰冷却を行なうときは、発熱体の発熱量に応
じて冷媒液を液溜に移動させて液溜の伸縮部を自
由に伸張し、凝縮部に凝縮空間を確保している。
すなわち、自動的に発熱量に見合つて冷却性能を
変化させ、冷媒液の温度を沸点に保ち、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。したがつて、この装置では常
に大気圧で動作するため装置の気密が不要となり
前記従来技術の欠点を解決していた。

ところが、この装置には次のような欠点があ
る。すなわち、液溜の部分が密閉されているので
冷媒中に溶解している空気が多量に出て来ると、
外部に出ないで凝縮器内にたまつて不凝縮ガスと
なり、これが著しく冷却性能を悪化させる問題が
ある。したがつて、この装置では冷却容器内に冷
媒液を充填するときはあらかじめ冷却容器内を真
空引きして、かつ脱気した冷媒液を注入する必要
があり、装置の組立に手数を要しかつ空気が入ら
ないように注意しなければならない。

本発明の目的は、冷却装置内の空気や冷媒に溶
解している空気を、沸騰冷却作用中に脱気を行な
つて装置外に排出し、常に大気圧下で良好な冷却
性能を得る定圧形沸騰冷却装置を提供するにあ
る。

本発明に係る定圧形沸騰冷却装置は凝縮器より
も上方に設けた蒸発器の底部内に連通された液溜
の上部に一定量以上の空気を自動的に排出する脱
気弁を設け、また凝縮器の頂部と液溜の底部との
間に絞りと放熱フインの付いた脱気管を設けた構
造とすることにより、発熱体から熱が発生し沸騰
中に冷媒液中から出て来た空気を凝縮器およびそ
の頂部に設けた脱気管で冷媒と空気に分離し空気
のみを液溜の上部にためて、一定量以上の空気が
たまつた際に液溜の伸縮部の位置を検出して外部
に排出させる構造としたものであり、冷却装置内
の圧力が常に大気圧で動作でき、かつ、冷媒液中
の脱気を容易にしたことを特徴とするものであ
る。

以下、本発明の実施例を図面を参照して具体的
に説明する。第１図は本発明の一実施例の動作中
の概念図である。図において、１は発熱体として
の半導体スタツクであり蒸発器２の中の冷媒液２
２ａ（例えば、フロン系やフロロカーボン系冷媒
液）に浸されている。３は前記蒸発器のふたでパ
ツキン等を介して締付ボルト４で密閉されてい
る。５は蒸気器で前記蒸発器で沸騰した蒸気を凝
縮器６に導くものである。前記凝縮器６は両端に
ヘツダ７ａ，７ｂを設けその間を凝縮管８で連通
し、前記凝縮管８には放熱フイン９が取りつけら
れて外気に放熱する構造となつている。前記蒸気
管５はヘツダ７ａにとりつけられており、冷媒蒸
気２２ｂがヘツダ７ａから凝縮管８を通つてヘツ
ダ７ｂに達する間に凝縮した冷媒液２２ａは管内
壁に沿つて再びヘツダ７ａにもどり下端より液戻
り管１０を通り再び蒸発器２内にもどる。１２は
液溜であり前記凝縮器６より上部に設けられ、そ
の液溜の底部とは蒸発器２と液もどり管１０を経
由した連結管１１により連通されている。そして
液溜１２はわずかな圧力で自在に可変できる伸縮
部１３が設けられておりその上部に脱気弁１４を
設けその脱気弁１４には排気管１５が設けられて
いる。また液溜１２の内部は、通常、前記半導体
スタツク１が発熱して凝縮器６内に冷媒蒸気２２
ｂが充満しているときには、その蒸気で占められ
る容積に等しい量の冷媒液２２ｃが入つており、
その冷媒液２２ｃの上部には、それより比重が小
さく、溶け合わないシール液２３（例えば、テト
ラエチレングリコールなどの液体）が設けられ、
その上部は若干の空気室２４を形成している。そ
して、半導体スタツク１の発熱がないときは、冷
媒液２２ｃがほとんど凝縮器６内を充満するため
にもどり液溜１２の伸縮部１３が小さく縮まつて
底部に前記シール液２３が存在するようになつて
止まつている。一方液溜１２の外側に固定された
支柱１６の上端には近接スイツチ１７が設けられ
ている。２１は電源装置でこれが前記脱気弁１４
と近接スイツチ１７に通じており、前記液溜１２
の上端部が前記近接スイツチ１７に近ずいたとき
信号を送り前記脱気弁１４の弁を開き、液溜１２
内の空気を排気管１５より外部に排出する働きを
行なう。さらに、１８は脱気管で、前記凝縮器６
の頂部であるヘツダ７ｂと前記連結管１１とを連
通しており、その脱気管１８の途中には絞り１９
と放熱フイン２０が設けられている。そしてこの
脱気管はヘツダ７ｂからみて空気などの気泡が前
記連結管１１に向つて流れるように傾斜している
ことが望ましい。また、脱気管１８に設けた絞り
１９と放熱フイン２０の関係は、冷媒蒸気２２ｂ
のみ絞り１９を通つたとき、その蒸気が放熱フイ
ン２０の部分の脱気管１８内を通過する間に完全
に冷媒液２２ｃあるいは２２ａに凝縮できる流量
の蒸気のみを通すような抵抗をもつ絞り１９でな
ければならない。

次に、上記第１図の実施例において、液溜と、
脱気管のその他の具体的な実施例について述べ
る。第２図は、液溜のその他の実施例であり、液
溜１２の上部には伸縮部１３を設け、その上部の
ふた３０は中に孔を有する弁座を設け、弁３１が
はめ込まれている。一方液溜１２の底部に支持板
３２をとりつけ、その支持板の端部に孔を設け
て、これを貫通するようにリンク３３を取りつけ
て、そのリンク３３の下端にストツパ３４を設け
る。前記ふた３０には支柱３６を固定し、リンク
３５をピンとバネ３７を介してとりつける。前記
リンク３５は前記弁３１とリンク３３をピンを介
して結合されるよう構成したものである。なお、
液溜１２内には前記第１図と同様に所定量の冷媒
液２２とシール液２３、空気室２４が設けられて
いる。空気室２４にある一定量以上の空気がたま
つた時、伸縮部１３が伸びてふた３０が上昇し、
リンク３３の下端のストツパ３４が支持板に突き
当るとリンク３５を介して弁３１が開き、外部に
空気を排出する構造となつている。第３図は前記
第１図の絞り１９の具体的な実施例を示すもの
で、管１８ａ，１８ｂの間に網状あるいは多孔板
のごときフイルタ４０を設け、管１８ｂと１８ｃ
および管１８ｃと１８ｄの間にそれぞれオリフイ
ス板４１を設けた絞りを示したもので、これはオ
リフイスを利用した抵抗体である。実験によれ
ば、空気などは通しやすく、冷媒蒸気２２ｂなど
は通しにくい傾向を示す良好な絞りである。

また、第４図は前記第１図の脱気管で絞りと放
熱フインを組合せたもので、脱気管の内部に棒５
０を設け、小さな突起部５１と管内壁とのすき間
の摩擦抵抗を利用した絞りであり、長さが必要な
ためその部分の管の外周に放熱フイン２０を設け
たものである。なお、前記棒５０には、単なるね
じやねじを切つた上にさらに軸方向に溝をつけた
ごときものなどが容易に考えられる。

上記第１図から第４の実施例の構成において、
まず、半導体スタツク１の発熱が零の場合には、
蒸発器内の沸騰が起きず冷媒蒸気２２ｂがないた
め、凝縮器６内および脱気管１８、連結管１１は
すべて冷媒液２２ａで充たされており、液溜１２
の伸縮部は小さくちぢまつており、その内部のシ
ール液もほぼ液溜の底部のところで止まつてい
る。このとき勿論、冷却装置内圧は、液溜１２の
伸縮部の可変により大気圧の状態である。この状
態から、前記半導体スタツク１から発熱が生じ、
蒸発器２内の冷媒液２２ａが沸騰点の近くの液温
になると沸騰が開始される。発生した冷媒蒸気２
２ｂは蒸気管５より凝縮器６内のヘツダ７ａに入
り、これより凝縮管８を通つてヘツダ７ｂに通じ
る途中で凝縮管８の外部の放熱フイン９により冷
却され、管内で凝縮した冷媒液は再びヘツダ７ａ
の下端にもどり液戻り管１０より蒸発器２へもど
る循環により半導体スタツク１が冷却される。こ
のとき、凝縮器６内の冷媒蒸気２２ｂで占められ
た容積に相当する冷媒液は連結管１１を通つて液
のままの状態で液溜１２へ移動し伸縮部１３が上
部へ伸びた状態で平衡が保たれ、冷却装置内は大
気圧の状態で沸騰冷却が行なわれている。この状
態が第１図に示した実施例である。ところで、
今、冷媒液２２ａに空気が含まれていなければ、
沸騰した冷媒蒸気２２ｂ中にも空気がないため、
ヘツダ７ｂの頂部から脱気管１８に向つて少量づ
つ送り込まれる蒸気は絞り１９を通過したあと放
熱フイン２０の部分ですべて液に凝縮されたあと
冷媒液２２ａとなつて連結管１１を通つて少量で
あるが蒸発器２内にもどる。

しかし、この冷却装置を組立てた直後やまた半
導体スタツク１が故障して組替えしたあと、空気
の多量に入つた冷媒を注入して、半導体スタツク
１を発熱させた場合には、冷媒蒸気２２ｂ中に多
量の空気が不凝縮ガスとなつて混入する。それが
凝縮器６内を通り、ヘツダ７ｂの頂部にたまり、
そこから脱気管１８内を通り、蒸気のみ前述のよ
うに液となつてもどり、空気のみ脱気管１８を気
泡の状態で通つて連結管１１を上昇して液溜１２
に入る。液溜１２に入つた空気は冷媒液２２ｃ及
びシール液２３を通過して空気室２４にたまる。
初期の間はこの空気の量が多いため、空気室の容
積が増加し、伸縮部１３が一定量以上のびると液
溜１２の上端部が支柱１６に設けた近接スイツチ
１７に触れ、そのときの信号により電源装置２１
が働き脱気弁１４を開き余分の空気を排気管より
外部に排出する働きを行なう。フロン系冷媒の場
合、概略0.1〜0.2重量％の空気が含まれており、
冷媒液量１に対して２〜３倍の空気（気体）が含
まれている。前述の脱気作用が頻ぱんに行われる
のは初期の段階のみで、冷媒液中から何回かくり
返し脱気されたあとは正規の状態（第１図の実施
例の位置）で沸騰冷却が行なわれる。

また、第２図の液溜は機械的な構造のみで脱気
作用を行なうもので第１図の実施例より構造が複
雑であるが電源装置が不要である。また、第３，
４図は、脱気管の絞りの具体的な実施例の構造を
示したものであるが、本発明者らの実験によれば
空気が通りやすく冷媒蒸気の通しにくい絞りとし
ては、流体の抵抗が流量の２乗に比例するものが
良く、オリフイス系の絞りが良好であつた。

以上のように上記実施例によれば、発熱のある
なしにかかわらず液溜１２の伸縮部１３により自
在に可変されるため、冷却装置内圧力は常に大気
圧で動作される。そして、冷媒液中に多量の空気
が溶解している場合でも脱気管で分離し、液溜上
部の脱気弁より空気を排出することができるた
め、空気排出のために装置を分解する必要はなく
なり、また、冷媒液２２ｃの出し入れも蒸発器２
内の液の状態でできるため簡単な連結管で連通す
るだけで良好な冷却性能を得ることができる。

第５図、第６図は本発明の他の実施例の沸騰冷
却動作中の概念図である。構成上第１図と大きく
異なるところは蒸発器と凝縮器周辺の冷媒液の循
環系路の変形例および被冷却体である半導体スタ
ツクと蒸発器の構成の応用例を示したものであ
る。

まず第５図は、蒸発器２への液戻り管１０を凝
縮器６の両方のヘツダから設ける。すなわち、ヘ
ツダ７ａから液戻り管１０ａを、ヘツダ７ｂから
液戻り管１０ｂを設けた構造で、その他の部分は
第１図の実施例と全く同様である。このような構
造にすることによつて、半導体スタツク１から発
熱が開始された初期の段階は、対流からサブクー
ル沸騰を行なうが、この段階における冷媒液の循
環がスムーズに行なわれる。すなわち、この初期
の冷却動作は冷却液の循環量が多いので、蒸気管
５から立上つた冷媒液はヘツダ７ａから凝縮管８
内を大部分対流熱伝達しながらヘツダ７ｂに移動
し、液戻り管１０ｂより蒸発器２内にもどるスム
ーズな動作が行なわれる。その他の沸騰冷却動作
および脱気作用は前記第１図のものと全く同様で
あり、冷却装置内は常に大気圧で沸騰冷却され
る。

次に、第６図は被冷却体である半導体スタツク
１が蒸発器２の外部から接触させて沸騰冷却させ
る構造のものである。このような構造にすること
により、半導体スタツクなどは蒸発器２内の冷媒
液２２ａに浸されないので、半導体スタツクの組
立や取扱いが非常に簡単になる利点がある。その
他の沸騰冷却や脱気作用の基本的な動作は前記第
１図の実施例と全く同様である。

上記各実施例においては、凝縮器は自然空冷式
のものを示したが、この部分は送風機等を用いた
強制空冷式にも適用でき、また水冷式などで冷却
してもよい。また、被冷却体としては半導体を用
いた場合を示したが、その他の電気品や一般の発
熱体にも容易に適用することが可能である。

本発明に係る定圧形沸騰冷却装置によれば、冷
媒液中に空気などの不凝縮ガスが入つているよう
な場合にも自動的に脱気作用を行ない、冷却装置
内圧を常に大気圧として安定した冷却性能を得る
ことができるという効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の定圧形沸騰冷却装置の実施例
を示す概念図、第２図は本発明の液溜の部分の他
の実施例を示す断面図、第３図および第４図はそ
れぞれ本発明の脱気管の部分のその他の実施例を
示す断面図、第５図および第６図はそれぞれ本発
明の定圧形沸騰冷却装置のその他の実施例を示す
概念図である。２……蒸発器、６……凝縮器、１１……連結
管、１２……液溜、１４……脱気弁、１６……支
柱、１７……近接スイツチ、２１……電源装置。

Claims

【特許請求の範囲】１蒸発器と、この蒸発器に蒸気管を介して連通
され前記蒸発器より上方に位置する凝縮器と、こ
の凝縮器より上方に位置し伸縮可能に形成された
液溜と、この液溜の底部と前記蒸発器の底部内と
を連通する連通管とにより密閉された冷却容器を
形成し、この冷却容器内に液面が前記液溜に位置
するように冷媒液を充填してなる定圧形沸騰冷却
装置において、前記液溜の上部に脱気弁を設ける
と共に、前記液溜の伸縮を検出して前記脱気弁を
開閉する変位検出手段を設け、かつ前記凝縮器の
頂部と前記連通管にまたがつて脱気管を設けたこ
とを特徴とする定圧形沸騰冷却装置。２特許請求の範囲第１項記載において、前記変
位検出手段は、上下方向に伸縮する前記液溜の底
部に一端を支持し他端を液溜の頂部よりも上方に
延在させた支柱と、この支柱に支持され前記液溜
頂部の接近を検出する近接スイツチと、この近接
スイツチの信号を受けて前記脱気弁を開く電源装
置とを有することを特徴とする定圧形沸騰冷却装
置。３特許請求の範囲第１項記載において、前記液
溜は内部の冷媒液面上にシール液を充填している
ことを特徴とする定圧形沸騰冷却装置。４特許請求の範囲第１項記載において、前記脱
気管は前記凝縮器側に絞りを有すると共に前記液
溜の底部側に上昇するように傾斜していることを
特徴とする定圧形沸騰冷却装置。