JP2000031361A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 容器に気密漏れが生じた場合でも、ある程度
の放熱性能を維持できる沸騰冷却装置１を提供するこ
と。 【解決手段】 沸騰冷却装置１は、冷媒槽３と放熱器４
とを熱的に結合する伝熱部５を有する。この伝熱部５
は、熱伝導性に優れる金属材料（例えばアルミニウム、
銅等）で形成され、放熱器４の下部タンク１４内を通っ
てコア部１２の中央部を上下方向に配された主伝熱部５
Ａと、互いに均等な間隔を保って主伝熱部５Ａと平行に
コア部１２の略全体に配された副伝熱部５Ｂと、コア部
１２の上下方向の略中央部を横方向に配され、主伝熱部
５Ａと複数本の副伝熱部５Ｂとを熱的に結合する連結部
５Ｃとから成る。この構成により、沸騰冷却装置１に気
密漏れが発生した場合でも、伝熱部５を通じて冷媒槽３
から放熱器４へ熱移動を行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電気自動車
のインバータ回路に使用される半導体素子等の発熱体を
冷却するための沸騰冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来技術として、例えば特開平８−２０
４０７５号公報に記載された沸騰冷却装置がある。この
沸騰冷却装置は、沸騰部と凝縮部とを有する高気密容器
内に冷媒を封入し、その冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しに
よる熱輸送によって発熱体を冷却するものである。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の沸騰
冷却装置は、高気密容器に微小のクラック等が発生して
気密漏れが生じると、発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒
蒸気が容器の外部へ漏れ出てしまうため、容器内部に封
入されている冷媒が蒸発部と凝縮部とを循環できなくな
る。その結果、発熱体の熱を蒸発部から放熱部へ移動さ
せることが不可能となり、冷却装置としての機能を消失
し、発熱体を冷却することができなくなるという問題が
あった。本発明は、上記事情に基づいて成されたもの
で、その目的は、容器に気密漏れが生じた場合でも、あ
る程度の放熱性能を維持できる沸騰冷却装置を提供する
ことにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】（請求項１の手段）本発
明の沸騰冷却装置は、冷媒槽と放熱器とを熱的に結合し
て、熱伝導により冷媒槽から放熱器へ熱移動を行うこと
のできる伝熱部を設けている。この構成によれば、冷媒
を封入する容器（冷媒槽と放熱器）に気密漏れが生じ
て、冷媒の沸騰と凝縮による熱輸送が不可能になって
も、伝熱部を通じて冷媒槽から放熱器へ発熱体の熱を移
動（熱伝導）することができる。この結果、容器に気密
漏れが生じても、ある程度の放熱性能を確保できるた
め、発熱体の急激な温度上昇を抑制できる。

【０００５】（請求項２の手段）伝熱部は、冷媒槽から
放熱器の略全体に熱移動できる。この場合、放熱器全体
を有効に使用できるため、熱伝導による放熱性能を向上
できる。

【０００６】（請求項３の手段）伝熱部は、冷媒槽を構
成する押出材の一部を放熱器まで延長して設けられてい
る。この場合、伝熱部を冷媒槽から放熱器まで一体で成
形でき、冷媒槽と放熱器との間で伝熱部に接合部を設け
る必要がない。これにより、接合部を設ける場合と比較
して、伝熱部の熱抵抗を低減できるため、より放熱性能
を向上できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。 （第１実施例）図１は沸騰冷却装置１の正面図（ａ）と
側面図（ｂ）である。沸騰冷却装置１は、例えば電気自
動車のインバータ回路を構成するＩＧＢＴモジュール等
の発熱体２（半導体素子）を冷却するもので、図１に示
すように、内部に液冷媒を溜める冷媒槽３と、この冷媒
槽３の上部に設けられる放熱器４と、熱伝導により冷媒
槽３から放熱器４へ熱移動を行うことのできる伝熱部５
とを備える。発熱体２は、図１（ｂ）に示すように、ボ
ルト６の締め付けによって冷媒槽３の両表面に密着して
固定されている。

【０００８】冷媒槽３は、アルミニウム等の熱伝導性に
優れる金属材料より形成された中空容器７と、この中空
容器７の下端部に被せられるエンドタンク８とから成
り、内部に冷媒室９、液戻り通路１０、及び還流通路１
１が形成されている。中空容器７は、例えば押し出し成
形品で、図２に示すように、横幅に対して厚みが薄い偏
平形状に設けられ、容器内部に複数本の仕切り壁７ａ、
７ｂ、７ｃが残されている。エンドタンク８は、例えば
中空容器７と同じアルミニウム製で、その形状を図３
｛（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ断
面図｝に示す。このエンドタンク８は、ろう付け等によ
り中空容器７の下端部に接合されて、中空容器７の下端
側を閉塞している。但し、エンドタンク８の内側は、図
３（ｃ）に示すように、中空容器７の下端面との間に空
間が確保されている。

【０００９】冷媒室９は、中空容器７の中央部に位置す
る１本の仕切り壁７ａと、左右両側寄りに位置する一組
の仕切り壁７ｂとの間に形成され、内部が複数の仕切り
壁７ｃによって通路状に区画されている。この冷媒室９
は、内部に貯留する液冷媒が発熱体２の熱を受けて沸騰
する沸騰領域を形成している。液戻り通路１０は、放熱
器４で凝縮した凝縮液が流れ込むための通路で、仕切り
壁７ｂの外側に形成されている。還流通路１１は、液戻
り通路１０へ流入した凝縮液を冷媒室９へ供給するため
の通路で、エンドタンク８の内側空間によって形成さ
れ、冷媒槽３の下端部で液戻り通路１０と冷媒室９とを
連通している。

【００１０】放熱器４は、コア部１２、上部タンク１
３、及び下部タンク１４より構成されている。コア部１
２は、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流
体（例えば空気）との熱交換によって凝縮液化させる放
熱部であり、複数本の放熱チューブ１５と放熱フィン１
６とを交互に配置し、各放熱チューブ１５を垂直方向に
立てた状態で使用される。放熱チューブ１５は、例えば
アルミニウム製の偏平な管を使用し、その内部にインナ
フィン１７が挿入されている（図９参照）。放熱フィン
１６は、熱伝導性に優れる薄い金属板（例えばアルミニ
ウム板）を交互に折り曲げて波状に成形したコルゲート
フィンである。

【００１１】上部タンク１３は、例えばアルミニウム製
のコアプレート１８とタンクプレート１９とを組み合わ
せて構成され、各放熱チューブ１５の上端部に連結され
ている。コアプレート１８とタンクプレート１９の形状
をそれぞれ図４｛（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図｝と
図５｛（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＢ−
Ｂ断面図｝に示す。コアプレート１８には、放熱チュー
ブ１５の端部が挿入される長孔１８ａが多数形成されて
いる。下部タンク１４は、例えばアルミニウム製のコア
プレート２０とタンクプレート２１とを組み合わせて構
成され、各放熱チューブ１５の下端部に連結されてい
る。コアプレート２０とタンクプレート２１の形状をそ
れぞれ図６｛（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図｝と図７
｛（ａ）は側面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）はＣ−Ｃ断
面図｝に示す。コアプレート２０は、上部タンク１３の
コアプレート１８と同一形状であり、放熱チューブ１５
の端部が挿入される長孔２０ａが多数形成されている。
また、タンクプレート２１には、冷媒槽３（中空容器
７）の上端部が挿入される長孔２１ａが形成されてい
る。

【００１２】伝熱部５は、冷媒槽３と放熱器４とを熱的
に結合するもので、１本の主伝熱部５Ａ、複数本の副伝
熱部５Ｂ、及び主伝熱部５Ａと副伝熱部５Ｂとを連結す
る連結部５Ｃより構成され、熱伝導性に優れる金属材料
（例えばアルミニウム、銅等）で形成されている。主伝
熱部５Ａは、放熱器４の下部タンク１４内を通ってコア
部１２の中央部を上下方向に配され、その下端面が冷媒
槽３（中空容器７）の中央部に位置する仕切り壁７ａの
上端面とろう付けにより接合されている（図８参照）。
副伝熱部５Ｂは、互いに均等な間隔を保って主伝熱部５
Ａと平行にコア部１２の略全体に配されている。また、
副伝熱部５Ｂには、図９に示すように、放熱チューブ１
５が内蔵され、隣合う副伝熱部５Ｂ同士の間に放熱フィ
ン１６が介在されている。連結部５Ｃは、コア部１２の
上下方向の略中央部を横方向に配され、主伝熱部５Ａと
複数本の副伝熱部５Ｂとを熱的に結合している。なお、
主伝熱部５Ａ、副伝熱部５Ｂ、及び連結部５Ｃは、それ
ぞれ別部材をろう付け等により接合しても良いが、伝熱
部５の熱抵抗を低減するために一体構造とした方が良
い。

【００１３】次に、本実施例の作動を説明する。 ａ）沸騰冷却装置１に気密漏れが発生していない場合。 発熱体２から発生した熱が冷媒槽３（中空容器７）の壁
面を通じて冷媒室９に貯留されている液冷媒に伝達され
て液冷媒が沸騰する。沸騰した冷媒は、蒸気となって冷
媒室９を上昇し、冷媒室９から下部タンク１４内を通っ
てコア部１２の各放熱チューブ１５へ流入する。放熱チ
ューブ１５へ流入した冷媒蒸気は、放熱チューブ１５を
流れる際に外気との熱交換によって冷却され、潜熱を放
出して放熱チューブ１５の内壁面及びインナフィン１７
の表面に凝縮する。この冷媒蒸気が凝縮する際に放出さ
れた潜熱は、各放熱チューブ１５の壁面から主に副伝熱
部５Ｂを通じて放熱フィン１６へ伝達され、その放熱フ
ィン１６より外気に放出される。放熱チューブ１５内で
凝縮して液滴となった凝縮液は、放熱チューブ１５の内
壁面及びインナフィン１７の表面を伝って下方へ流れ、
放熱チューブ１５から滴下して冷媒槽３へ還流する。

【００１４】ｂ）沸騰冷却装置１に気密漏れが発生した
場合。 この場合、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が外
部へ漏れ出てしまうため、冷媒による熱輸送が不可能と
なるが、伝熱部５を通じて冷媒槽３から放熱器４へ熱移
動を行うことができる。つまり、発熱体２に発生した熱
は、図１（ａ）に矢印で示すように、熱伝導によって中
空容器７の仕切り壁７ａから主伝熱部５Ａへ伝わり、更
に主伝熱部５Ａから連結部５Ｃ及び副伝熱部５Ｂへと伝
わってコア部１２の略全域に拡散され、放熱フィン１６
より外気に放出される。

【００１５】（本実施例の効果）本実施例の沸騰冷却装
置１は、冷媒を封入している容器（冷媒槽３及び放熱器
４）に気密漏れが生じても、伝熱部５を通じて冷媒槽３
から放熱器４へ発熱体２の熱を移動（熱伝導）すること
ができる。この結果、冷媒による熱輸送が不可能になっ
ても、伝熱部５による熱伝導によってある程度の放熱性
能を維持できるため、図１０及び図１１に示すように、
発熱体２の急激な温度上昇を抑制でき、温度上昇による
発熱体２（半導体素子）への悪影響を防止できる。この
熱伝導による放熱性能は、伝熱部５の伝熱面積、放熱フ
ィン１６の総放熱面積、放熱器４への冷却風速等により
規定される。従って、熱伝導により充分な放熱性能を維
持できれば、図１０に示すように、冷媒槽３の表面温度
（発熱体２の取付面温度）を発熱体２の許容最高温度以
下に抑えることが可能である。また、熱伝導による放熱
性能が低い場合でも、熱伝導による放熱性能が得られな
い従来装置と比較して、図１１に示すように、冷媒槽３
の表面温度が発熱体２の許容最高温度を超えるまでの時
間をｔ1 からｔ2 （ｔ1 ＜ｔ2 ）へと延ばすことができ
る。

【００１６】（第２実施例）図１２は沸騰冷却装置１の
正面図である。本実施例は、中空容器７の仕切り壁７ａ
の上部、及び仕切り壁７ｂの上部にそれぞれ伝熱部５を
設けて、各仕切り壁７ａ、７ｂと伝熱部５とを熱的に結
合させた一例である。この場合、冷媒槽３から放熱器４
へ複数箇所（図１２では３ヶ所）で熱伝導を行うことが
できるため、熱伝導による冷媒槽３から放熱器４への熱
移動量を増大でき、放熱性能の向上を図ることができ
る。なお、仕切り壁７ａと伝熱部５及び仕切り壁７ｂと
伝熱部５とは、第１実施例で説明した仕切り壁７ａと主
伝熱部５Ａとを熱的に結合する場合と同様に、例えばろ
う付け等により接合される（図１３参照）。

【００１７】（第３実施例）図１４は沸騰冷却装置１の
正面図（ａ）と側面図（ｂ）である。本実施例は、伝熱
部５を冷媒槽の中空容器７と一体に設けた一例である。
第１実施例で説明したように、中空容器７を押し出し成
形することにより、その中空容器７に設けられる仕切り
壁７ｃを延長して、図１５に示すように、伝熱部５を仕
切り壁７ｃと一体に形成することができる。この場合、
伝熱部５と仕切り壁７ｃとの間に接合部が無くなるた
め、伝熱部５を仕切り壁７ｃと別体で形成して両者を接
合する場合と比較して、伝熱部５と仕切り壁７ｃとの間
の熱抵抗を低減でき、その分、放熱性能を向上できるメ
リットがある。なお、仕切り壁７ｃでなくても、伝熱部
５を仕切り壁７ａまたは仕切り壁７ｂと一体に形成して
も良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】沸騰冷却装置の正面図（ａ）と側面図（ｂ）で
ある（第１実施例）。

【図２】中空容器の上面図（ａ）と側面図（ｂ）であ
る。

【図３】エンドタンクの形状を示す図面である。

【図４】上部タンクのコアプレートの形状を示す図面で
ある。

【図５】上部タンクのタンクプレートの形状を示す図面
である。

【図６】下部タンクのコアプレートの形状を示す図面で
ある。

【図７】下部タンクのタンクプレートの形状を示す図面
である。

【図８】仕切り壁と伝熱部との接合状態を示す断面図で
ある。

【図９】コア部の一部断面図である。

【図１０】本実施例の効果を示すグラフである。

【図１１】本実施例の効果を示すグラフである。

【図１２】沸騰冷却装置の正面図である（第２実施
例）。

【図１３】仕切り壁と伝熱部との接合状態を示す断面図
である（第２実施例）。

【図１４】沸騰冷却装置の正面図（ａ）と側面図（ｂ）
である（第３実施例）。

【図１５】仕切り壁と伝熱部との一体構造を示す断面図
である（第３実施例）。

【符号の説明】

１ 沸騰冷却装置 ２ 発熱体 ３ 冷媒槽 ４ 放熱器 ５ 伝熱部 ５Ａ 主伝熱部（伝熱部） ５Ｂ 副伝熱部（伝熱部） ５Ｃ 連結部（伝熱部） ７ 中空容器（押出材）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】表面に発熱体が取り付けられ、内部に液冷
   媒を貯留する冷媒槽と、 この冷媒槽で前記発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気
   を外部流体との熱交換によって凝縮液化させる放熱器と
   を備え、 冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによる熱輸送によって前記
   発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、 前記冷媒槽と前記放熱器とを熱的に結合して、熱伝導に
   より前記冷媒槽から前記放熱器へ熱移動を行うことので
   きる伝熱部を設けたことを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 【請求項２】前記伝熱部は、前記冷媒槽から前記放熱器
   の略全体に熱移動できることを特徴とする請求項１に記
   載した沸騰冷却装置。
3. 【請求項３】前記冷媒槽は、押し出し成形された押出材
   を使用して構成され、 前記伝熱部は、前記押出材の一部を前記放熱器まで延長
   して設けられていることを特徴とする請求項１または２
   に記載した沸騰冷却装置。