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公開番号2020180743
公報種別公開特許公報(A)
公開日20201105
出願番号2019084004
出願日20190425
発明の名称沸騰冷却装置
出願人株式会社SOKEN,株式会社デンソー
代理人特許業務法人かいせい特許事務所
主分類F28D 15/02 20060101AFI20201009BHJP(熱交換一般)
要約【課題】小型化を図りつつ、傾斜時における冷却性能を確保することができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】沸騰冷却装置は、蒸発器10と、凝縮器20と、熱媒体通路30とを備える。凝縮器20は、第1凝縮器21と、第1凝縮器21の重力方向上方側に配置される第2凝縮器22と、を有している。第1凝縮器21には、蒸発器10から流出した熱媒体が流入する。第2凝縮器22には、第1凝縮器21から流出した熱媒体が流入する。熱媒体通路30は、第1凝縮器21から流出した液相熱媒体を蒸発器10側に導く複数の第1液通路303、304と、第2凝縮器22から流出した液相熱媒体を蒸発器10側に導く第2液通路305、306と、を含んでいる。複数の第1液通路303、304の上流側端部は、それぞれ、第1凝縮器21における重力方向の中央より下方側に接続されている。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
冷却対象物(40)と熱媒体との熱交換により前記熱媒体を沸騰気化させることで前記冷却対象物を冷却する蒸発器(10)と、
前記熱媒体と外部流体との熱交換により前記熱媒体を凝縮させることで前記熱媒体の熱を前記外部流体に放熱する凝縮器(20)と、
前記蒸発器と前記凝縮器とをループ状に連結して前記蒸発器と前記凝縮器との間で前記熱媒体を循環させる熱媒体通路(30)と、を備える沸騰冷却装置であって、
前記凝縮器は、第1凝縮器(21)と、前記第1凝縮器の重力方向上方側に配置される第2凝縮器(22)と、を有しており、
前記第1凝縮器には、前記蒸発器から流出した前記熱媒体が流入し、
前記第2凝縮器には、前記第1凝縮器から流出した前記熱媒体が流入し、
前記熱媒体通路は、前記第1凝縮器から流出した液相の前記熱媒体を前記蒸発器側に導く複数の第1液通路(303、304)と、前記第2凝縮器から流出した液相の前記熱媒体を前記蒸発器側に導く第2液通路(305、306)と、を含んでおり、
前記複数の第1液通路の上流側端部は、それぞれ、前記第1凝縮器における重力方向の中央より下方側に接続されている沸騰冷却装置。
続きを表示(約 970 文字)【請求項2】
車両に搭載される請求項1に記載の沸騰冷却装置であって、
前記複数の第1液通路のうち、最も車両後方側に配置された前記第1液通路である第1後方液通路(303)の上流側端部は、前記第1凝縮器における車両後方側の端部に接続されている請求項1に記載の沸騰冷却装置。
【請求項3】
前記第2液通路は、複数設けられており、
複数の前記第2液通路の上流側端部は、それぞれ、前記第2凝縮器における重力方向の中央より下方側に接続されている請求項1または2に記載の沸騰冷却装置。
【請求項4】
車両に搭載される請求項3に記載の沸騰冷却装置であって、
前記複数の第2液通路のうち、最も車両後方側に配置された前記第2液通路である第2後方液通路(305)の上流側端部は、前記第2凝縮器における車両後方側の端部に接続されている請求項3に記載の沸騰冷却装置。
【請求項5】
前記熱媒体通路は、前記蒸発器から流出した前記熱媒体を前記第1凝縮器に導く蒸気通路(301)を含んでおり、
前記蒸気通路の下流側端部は、前記第1凝縮器における重力方向の中央より上方側に接続されている請求項1ないし4のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項6】
前記第2液通路の下流側端部は、前記第1凝縮器における重力方向下方側の端部に接続されている請求項1ないし5のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項7】
車両に搭載される請求項1ないし6のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置であって、
前記複数の第1液通路のうち、最も車両前方側に配置された前記第1液通路である第1前方液通路(304)の上流側端部は、前記第1凝縮器における車両前方側の端部に接続されている請求項1ないし6のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。
【請求項8】
車両に搭載される請求項1ないし7のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置であって、
前記複数の第2液通路のうち、最も車両前方側に配置された前記第2液通路である第2前方液通路(306)の上流側端部は、前記第2凝縮器における車両前方側の端部に接続されている請求項1ないし7のいずれか1つに記載の沸騰冷却装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、沸騰冷却装置に関するものである。
続きを表示(約 7,600 文字)【背景技術】
【0002】
従来、特許文献1には、車両に搭載されるパワー素子等の発熱体を冷却するために、発熱体で発生する熱により熱媒体を沸騰させて発熱体から吸熱する沸騰冷却装置が開示されている。
【0003】
特許文献1の沸騰冷却装置は、蒸発器、凝縮器および熱媒体配管を備えている。蒸発器は、内部に熱媒体を流通させて発熱体からの熱を受熱する。凝縮器は、蒸発器で蒸発した熱媒体を冷却液化する。熱媒体配管は、蒸発器と凝縮器とをループ状に連結して蒸発器と凝縮器との間で熱媒体を循環させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
特開2017−48964号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、特許文献1の沸騰冷却装置において、発熱体の発熱量が増大すると、蒸発器から気液二相状態の熱媒体が流出する。このとき、気液二相状態の熱媒体を凝縮器の重力方向上方側にある熱媒体流入口まで上昇させる必要があるので、気相熱媒体を熱媒体流入口まで上昇させる場合と比較して、熱媒体の圧力損失が増大する。
【0006】
したがって、沸騰冷却装置内で熱媒体を循環させるためには、蒸発器に対する凝縮器の高さを高くする必要がある。これにより、液相熱媒体の位置エネルギを増大させて、液相熱媒体の駆動力を大きくすることができる。しかしながら、蒸発器に対する凝縮器の高さを高くすると、沸騰冷却装置が大型化してしまう。
【0007】
ところで、特許文献1の沸騰冷却装置を車両に搭載した場合、坂路等において車両が傾斜すると、沸騰冷却装置全体が傾斜する。このとき、傾斜方向や傾斜角度によっては、凝縮器内に液相熱媒体が滞留し、冷却性能が低下するおそれがある。
【0008】
本発明は上記点に鑑みて、小型化を図りつつ、傾斜時における冷却性能を確保することができる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上記目的を達成するため、請求項1に記載の沸騰冷却装置は、
冷却対象物(40)と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることで冷却対象物を冷却する蒸発器(10)と、
熱媒体と外部流体との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を外部流体に放熱する凝縮器(20)と、
蒸発器と凝縮器とをループ状に連結して蒸発器と凝縮器との間で熱媒体を循環させる熱媒体通路(30)と、を備える沸騰冷却装置において、
凝縮器は、第1凝縮器(21)と、第1凝縮器の重力方向上方側に配置される第2凝縮器(22)と、を有しており、
第1凝縮器には、蒸発器から流出した熱媒体が流入し、
第2凝縮器には、第1凝縮器から流出した熱媒体が流入し、
熱媒体通路は、第1凝縮器から流出した液相の熱媒体を蒸発器側に導く複数の第1液通路(303、304)と、第2凝縮器から流出した液相の熱媒体を蒸発器側に導く第2液通路(305、306)と、を含んでおり、
複数の第1液通路の上流側端部は、それぞれ、第1凝縮器における重力方向の中央より下方側に接続されている。
【0010】
これによれば、重力方向下方側に位置する第1凝縮器において、気液二相状態の熱媒体から少なくとも一部の液相熱媒体が分離される。このため、重力方向上方側に位置する第2凝縮器には、少なくとも一部の液相熱媒体が分離された後の熱媒体が流入する。すなわち、気液二相状態の熱媒体を第2凝縮器まで上昇させる必要がない。したがって、気液二相状態の熱媒体の重力方向上方側への上昇高さを低くすることができるので、熱媒体の圧力損失を低減できる。このため、蒸発器に対する凝縮器の高さを高くする必要がないので、沸騰冷却装置の小型化を図ることができる。
【0011】
さらに、第1液通路を複数設けるとともに、複数の第1液通路の上流側端部を、それぞれ、第1凝縮器における重力方向の中央より下方側に接続することで、傾斜時における冷却性能を確保することができる。
【0012】
すなわち、沸騰冷却装置全体が傾斜した場合でも、複数の第1液通路のうち、傾斜時に下方側に位置する第1液通路によって、第1凝縮器から蒸発器側へ液相冷媒を供給することができる。このため、傾斜時において、第1凝縮器内に液相熱媒体が滞留することを抑制できる。その結果、傾斜時における沸騰冷却装置の冷却性能を確保することが可能となる。
【0013】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【0014】
第1実施形態に係る沸騰冷却装置を示す説明図である。
図1の沸騰冷却装置において車両が登坂している状態を示す図である。
図1の沸騰冷却装置において車両が降坂している状態を示す図である。
第2実施形態に係る沸騰冷却装置を示す説明図である。
図4の沸騰冷却装置において車両が登坂している状態を示す図である。
図4の沸騰冷却装置において車両が降坂している状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【0016】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について図1〜図3に基づいて説明する。本実施形態の沸騰冷却装置は、車両に搭載された発熱体を冷却する装置である。また、以下の各図における上下前後を示す矢印は、車両が水平面に位置する際の上下前後の各方向を示している。以下の図1、および後述する図4は、車両の上下方向が重力方向と平行になっている状態を示している。
【0017】
また、本明細書において、「重力方向」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における重力方向を意味している。したがって、「重力方向の上方側」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における重力方向の上方側を示している。同様に、「重力方向の下方側」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における重力方向の下方側を示している。また、「水平方向」とは、沸騰冷却装置が水平面に配置された状態における水平方向を意味している。
【0018】
より詳細には、「重力方向」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における重力方向を意味している。したがって、「重力方向の上方側」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における重力方向の上方側を示している。同様に、「重力方向の下方側」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における重力方向の下方側を示している。また、「水平方向」とは、水平面に位置する車両に沸騰冷却装置が搭載された状態における水平方向を意味している。
【0019】
図1に示すように、沸騰冷却装置1は、蒸発器10と、凝縮器20と、熱媒体通路30とを備えている。蒸発器10は、冷却対象物である発熱体40と熱媒体との熱交換により熱媒体を沸騰気化させることで発熱体40を冷却する熱交換器である。発熱体40としては、充放電可能な二次電池(例えば、リチウムイオン電池、鉛蓄電池)やパワー素子を採用することができる。
【0020】
凝縮器20は、熱媒体と外部流体である空気との熱交換により熱媒体を凝縮させることで熱媒体の熱を空気に放熱する熱交換器である。熱媒体通路30は、蒸発器10と凝縮器20とをループ状に連結して、蒸発器10と凝縮器20との間で熱媒体を循環させる通路である。
【0021】
熱媒体としては、蒸発および凝縮可能な流体を採用することができる。具体的には、熱媒体として、水またはアルコールを採用することができる。また、熱媒体として、蒸気圧縮式の冷凍サイクルで利用されるフロン系冷媒(例えば、R134a、R1234yf等)を用いることができる。また、熱媒体としては、フロン系冷媒だけでなく、二酸化炭素等の他の冷媒や不凍液等を用いることも可能である。
【0022】
蒸発器10および凝縮器20は、車両の前後方向に配置されている。本実施形態では、蒸発器10は、凝縮器20よりも車両後方側に位置している。
【0023】
次に、蒸発器10の構成について説明する。蒸発器10は、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器である。蒸発器10は、蒸発チューブ101と、蒸発タンク102、103とを備えている。
【0024】
蒸発チューブ101は、熱媒体が流れる流路を形成する管状部材である。蒸発チューブ101は、扁平板状(すなわち断面扁平形状)に形成された扁平チューブである。蒸発チューブ101は、その長手方向が重力方向と略平行となるように配置されている。蒸発チューブ101は、水平方向において、複数本平行に配置されている。
【0025】
複数の蒸発チューブ101は、同一平面を形成している。すなわち、複数の蒸発チューブ101は、蒸発チューブ101の両側の扁平面がそれぞれ同一平面上に配置されるように、一列に並んで配置されている。
【0026】
複数の蒸発チューブ101における扁平面には、発熱体40が接合されている。このため、蒸発チューブ101内の熱媒体には、発熱体40からの熱が伝わる。
【0027】
蒸発タンク102、103は、複数の蒸発チューブ101と連通している。蒸発タンク102、103は、複数の蒸発チューブ101に対して熱媒体の集合または分配を行う。
【0028】
蒸発タンク102、103は、蒸発チューブ101における長手方向の両端部に一つずつ設けられている。すなわち、蒸発タンク102、103は、蒸発チューブ101における重力方向上端部および下端部に一つずつ設けられている。
【0029】
蒸発タンク102、103は、蒸発チューブ101の長手方向と直交する方向に延びている。すなわち、蒸発タンク102、103は、水平方向に延びている。蒸発タンク102、103には、蒸発チューブ101が挿入された状態で接合されている。
【0030】
ここで、二つの蒸発タンク102、103のうち、重力方向下方側に配置されるとともに蒸発チューブ101に対して熱媒体の分配を行うものを、蒸発入口タンク102という。また、二つの蒸発タンク102、103のうち、重力方向上方側に配置されるとともに、蒸発チューブ101から流出する熱媒体の集合を行うものを、蒸発出口タンク103という。
【0031】
蒸発入口タンク102は、後述する凝縮器20にて凝縮した液相熱媒体を蒸発入口タンク102内に流入させる蒸発側液流入口1021を有している。蒸発側液流入口1021は、蒸発入口タンク102における長手方向の一端側に設けられている。
【0032】
蒸発出口タンク103は、蒸発側蒸気流出口1031を有している。蒸発側蒸気流出口1031は、蒸発出口タンク103内の熱媒体を凝縮器20の第1蒸気流入口2121側へ流出させる。換言すると、蒸発側蒸気流出口1031は、蒸発チューブ101にて蒸発した気相熱媒体を含む気液二相状態の熱媒体を、凝縮器20の第1蒸気流入口2121側へ流出させる。
【0033】
蒸発側蒸気流出口1031は、蒸発出口タンク103における長手方向の一端側に設けられている。本実施形態では、蒸発側蒸気流出口1031は、蒸発出口タンク103の長手方向における蒸発側液流入口1021と同一側の端部に設けられている。
【0034】
次に、凝縮器20の構成について説明する。凝縮器20は、第1凝縮器21および第2凝縮器22を有している。第2凝縮器22は、第1凝縮器21の重力方向上方側に配置されている。本実施形態では、第1凝縮器21および第2凝縮器22は一体に形成されている。なお、第1凝縮器21および第2凝縮器22を別体として形成してもよい。
【0035】
第1凝縮器21は、蒸発器10から流出した気液二相状態の熱媒体から少なくとも一部の液相熱媒体を分離する。第1凝縮器21は、気液二相状態の熱媒体から少なくとも一部の液相熱媒体が分離された後の熱媒体を、第2凝縮器22の流入口側へ流出させる。
【0036】
次に、第1凝縮器21の構成について説明する。第1凝縮器21は、熱媒体と空気とを熱交換させる第1熱交換部210を有している。より詳細には、第1熱交換部210は、蒸発器10から流出した気液二相状態の熱媒体と空気とを熱交換させて、気液二相状態の熱媒体の少なくとも一部を凝縮させる。
【0037】
第1熱交換部210は、第1凝縮チューブ211および第1放熱フィン215を有している。換言すると、第1凝縮チューブ211および第1放熱フィン215により、第1熱交換部210が構成されている。
【0038】
具体的には、第1凝縮器21は、いわゆるタンクアンドチューブ型の熱交換器である。第1凝縮器21は、第1凝縮チューブ211と、第1凝縮タンク212、213と、第1放熱フィン215とを備えている。
【0039】
第1凝縮チューブ211は、熱媒体が流れる第1凝縮流路2110を形成する管状部材である。具体的には、第1凝縮チューブ211は、扁平板状に形成された扁平チューブである。
【0040】
第1凝縮チューブ211は、その長手方向が水平方向と略垂直となるように配置されている。すなわち、第1凝縮チューブ211は、その長手方向が重力方向と略平行となるように配置されている。したがって、第1凝縮器21は、第1凝縮流路2110において熱媒体が重力方向に流れるように構成されている。
【0041】
第1凝縮器21は、複数の第1凝縮チューブ211を有している。したがって、第1凝縮器21は、複数の第1凝縮流路2110を有している。本例では、第1凝縮チューブ211は、水平方向において、複数本平行に配置されている。
【0042】
複数の第1凝縮チューブ211は所定の間隔で互いに積層されている。複数の第1凝縮チューブ211同士の間には、空気が流れるようになっている。複数の第1凝縮チューブ211同士の間の空気通路には、第1放熱フィン215が設けられている。本実施形態では、第1放熱フィン215は、波状(すなわちコルゲート状)に形成されている。これにより、複数の第1凝縮チューブ211内を流れる熱媒体と、複数の第1凝縮チューブ211間を流れる空気とが熱交換される。
【0043】
第1凝縮タンク212、213は、複数の第1凝縮チューブ211と連通している。第1凝縮タンク212、213は、複数の第1凝縮チューブ211に対して熱媒体の集合または分配を行う。第1凝縮タンク212、213は、第1凝縮チューブ211における長手方向の両端部に一つずつ設けられている。
【0044】
第1凝縮タンク212、213は、第1凝縮チューブ211の長手方向と直交する方向に延びている。すなわち、第1凝縮タンク212、213は、水平方向に延びている。具体的には、第1凝縮タンク212、213は、車両前後方向に延びている。第1凝縮タンク212、213には、第1凝縮チューブ211が挿入された状態で接合されている。
【0045】
ここで、二つの第1凝縮タンク212、213のうち、重力方向上方側に配置されるとともに、第1凝縮チューブ211に対して熱媒体の分配を行うものを、第1凝縮入口タンク212という。また、二つの第1凝縮タンク212、213のうち、重力方向下方側に配置されるとともに、第1凝縮チューブ211から流出する熱媒体の集合を行うものを、第1凝縮出口タンク213という。
【0046】
第1凝縮入口タンク212は、第1蒸気流入口2121および凝縮側蒸気流出口2122を有している。第1蒸気流入口2121は、蒸発器10から流出した気液二相状態の熱媒体を第1凝縮入口タンク212内に流入させる。凝縮側蒸気流出口2122は、第1凝縮出口タンク213内の気相熱媒体を、後述する第2凝縮器22の第2蒸気流入口2221側へ流出させる。
【0047】
第1蒸気流入口2121は、第1凝縮入口タンク212における水平方向の一端部に設けられている。具体的には、第1蒸気流入口2121は、第1凝縮入口タンク212における車両後方側の端部に設けられている。また、第1蒸気流入口2121は、蒸発器10の蒸発側蒸気流出口1031よりも重力方向上方側に配置されている。
【0048】
凝縮側蒸気流出口2122は、第1凝縮入口タンク212における水平方向の他端部に設けられている。具体的には、凝縮側蒸気流出口2122は、第1凝縮入口タンク212における車両前方側の端部に設けられている。
【0049】
第1凝縮出口タンク213は、第1液流出口2131、第2液流出口2132、第1液流入口2133および第2液流入口2134を有している。第1液流出口2131および第2液流出口2132は、第1凝縮出口タンク213内の液相熱媒体を、蒸発器10の蒸発側液流入口1021側へ流出させる。第1液流入口2133および第2液流入口2134は、第2凝縮器22から流出した液相熱媒体を第1凝縮出口タンク213内に流入させる。
【0050】
ここで、第1凝縮出口タンク213における重力方向下方側の端面を、第1凝縮出口タンク213の下端面213aという。
(【0051】以降は省略されています)

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