JP2008025884A

JP2008025884A - 沸騰冷却式熱交換装置

Info

Publication number: JP2008025884A
Application number: JP2006197013A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakamura; 悟中村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】冷却性能の低下を抑制する。
【解決手段】発熱体３にて加熱された空気および発熱体３から発せられる熱を吸熱する室内熱交換器４は、上下方向に延びる複数本のチューブ２０と、チューブ２０の間に配されるフィン２１と、チューブ２０の両端を接続する上部ヘッダ２２および下部ヘッダ２３を有する。上部ヘッダ２０はヘッダ部２４とヘッダ増設部２５とを有しており、上部ヘッダ２４の断面積はチューブ２０の全流路断面積よりも大きい。その結果、冷媒蒸発時の圧損の増大を抑制し、冷却性能の低下を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高温媒体の熱を受熱して沸騰気化した冷媒を凝縮液化させることで、高温媒体の熱を放熱させる沸騰冷却式熱交換装置に関する。

従来より、電子部品などの発熱体を冷却する装置として、例えば、特許文献１に示すものが知られている。この特許文献１では、発熱体が配される筐体内部と連通した空間に配され、内部に冷媒が封入された冷媒槽と、筐体外部と連通した空間に配され、冷媒槽と連通した室外熱交換器とを有する沸騰冷却式熱交換装置が記載されている。この沸騰冷却式熱交換装置では、発熱体の熱を受熱した高温空気を冷媒槽を通過させて冷媒槽に封入された冷媒を蒸発気化させ、この蒸発気化した冷媒を室外熱交換器で凝縮液化することによって放熱させる。
特開平１０−１７８２９２号公報

ところで、特許文献１では、冷媒槽として、複数本の多孔管を並列配置し、これらの多孔管どうしを連通部において連通させた熱交換器を用いる点が記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載された冷媒槽において、多孔管の流路総断面積に比べて連通部の断面積が小さいと、圧損によって蒸発気化した冷媒が充分に流れず、冷却性能が低下してしまうといった問題点がある。特に、冷媒槽を通過する高温空気と、室外熱交換器を通過する冷却空気の温度差が大きいと、冷却性能の低下が顕著であるという問題点がある。

そこで、本発明では、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷媒槽を通過する高温空気と、室外熱交換器を通過する冷却空気の温度差が大きいとしても十分な冷却性能を得ることができる沸騰冷却式熱交換装置の提供を目的とするものである。

請求項１記載の発明によれば、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室内熱交換器と、高温部分よりも低温の低温部分に配され、室内熱交換器で沸騰気化した冷媒の熱を低温部分に放出して前記冷媒を凝縮液化させる室外熱交換器と、室外熱交換器と室内熱交換器とを連通させる冷媒配管とを有する沸騰冷却式熱交換装置において、室内熱交換器は、積層配置され、内部に冷媒が通過する流路が形成された複数本のチューブと、これらのチューブ間に配され、冷媒と通過空気との熱交換を促進させるフィンと、複数本のチューブの上端部に接続され、複数本のチューブを通過した冷媒を集める上部ヘッダと、複数本のチューブの下端部に接続され、複数本のチューブへと冷媒を分配する冷媒を集める下部ヘッダとを有し、室内熱交換器及び室外熱交換器の上部ヘッダの断面積が、チューブの全流路断面積と同等か大きいことを特徴とする。これにより、室内熱交換器に流入する空気の温度と室外熱交換器に流入する空気の流入温度の温度差ΔＴが大きい場合であっても、気相冷媒の圧力損失を抑制することができ、冷却性能を維持することができる。

請求項２記載の発明によれば、室内熱交換器の上部ヘッダの断面積は、チューブの全流路断面積の１００％以上であることを特徴とする。

以下、本発明の沸騰冷却式熱交換装置の実施の形態を図面に基づいて説明する。

冷却装置１は、図１に示すように、筐体２内に配された機器などの発熱体３の熱を内部に封入された冷媒によって吸熱させることによって発熱体３の冷却を行うものである。

筐体２の内部には、例えば通信機器などの送受信器や、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３が収容されており、この発熱体３の近傍には室内熱交換器４と室内熱交換器４に発熱体３による高温空気を通過させる室内熱交換器用の室内送風機９が配される。図１中では、室内熱交換器４は発熱体３の上方に傾斜して配されており、上下方向に空気が通過する向きに配される。室内熱交換器４の上方には、図示しないシュラウドを介して室内送風機９が取付けられており、室内送風機９が作動することによって、発熱体３の熱で高温となった高温空気が室内熱交換器４へと導風される。

筐体２の上部には、筐体２と区画された空間１１が設けられており、室外熱交換器５と室外熱交換器５に冷却風を通過させる室外熱交換器用の室外送風機１０が配されている。

室外熱交換器５は筐体２の上部に設けられた空間１１内において傾斜して配されており、室外熱交換器５の搭載スペースを抑えることができる。室外熱交換器５の一方の通風面と対向する部位には室外熱交換器５へと冷却風を送風する軸流ファンである室外送風機１０が配されており、この室外送風機１０を作動させることによって空間１１外から吸入した低温の空気が室外熱交換器５へと送風される。室外熱交換器５の他方の通風面と対向する部位には通気口が形成されており、室外熱交換器５内の冷媒と熱交換した通過風は図示しないシュラウドを介して外部へと排出される。

冷却装置１は、図２及び図３に示すように、室内に室内熱交換器４と室外に室外熱交換器５を配し、区画壁を貫通する冷媒配管６、７によって接続されており、互いに連通し、内部に冷媒が封入されている。

室内熱交換器４はアルミニウムなどの伝熱性に優れた金属からなる熱交換器であり、図３に示すように、内部を冷媒が通過する複数本のチューブ２０と、これらにチューブ２０の間に配され、熱交換性能を向上させるコルゲート状のフィン２１と、チューブ２０の端部に接続されるヘッダ２２、２３とを有する。

チューブ２０は図４に示すように、断面形状が長円形状である押出成形された偏平管であり、内部には、チューブ２０の高さ方向に複数の内壁２０ａが形成されており、この内壁２０ａによってチューブ２０の内部は複数の流路２０ｂが区画形成されている。このような多穴のチューブ２０を用いることによって耐圧性能を向上させることができるとともに、冷媒との接触面積拡大により吸熱効率を向上させることができる。チューブ２０は、流路２０ｂが上下方向に延びる向きに配されており、チューブ２０の上下端には上部ヘッダ２２及び下部ヘッダ２３にそれぞれ接続される。

室外熱交換器５は、室内熱交換器４と同様の構造を有する熱交換器であって、アルミニウムなどの伝熱性に優れた金属からなる。室外熱交換器５のチューブ３０は、室内熱交換器４のチューブ２０と同様の構造を有する偏平の多穴チューブが用いられる。チューブ３０は、流路が上下方向に延びる向きに配されており、ヘッダ５ａ、５ｂがチューブ３０の上下端にそれぞれ接続される。チューブ３０の間には、熱交換性能を向上させるコルゲート状のフィン３１が配される。

続いて、本発明の要部について述べる。

室内熱交換器４の上側ヘッダ２２は、図５に示すように室内熱交換器４の全てのチューブ２０の上端と連通するヘッダ部２４と、ヘッダ部２４と略平行に延びる円筒状のヘッダ増設部２５を有する。ヘッダ部２４は、断面形状が略Ｕ字状のヘッダプレート２４ａと、長手方向の中央部に平面部２４ｃを有し、且つ両端部に断面形状が略円弧形状を有するタンクプレート２４ｂとからなる。タンクプレート２４ｂの平面部２４ｃには、ヘッダ部２４内とヘッダ増設部２５内とを連通するための連通孔２４ｄが複数個穿設されている。ヘッダプレート２４ａとタンクプレート２４ｂとは向かい合わせて接合され、上下方向に延びる略円筒体形状をなす。

ヘッダ増設部２５は、図５にも示すように平面部２４ｃに対応する平面部２５ａを上下方向全長に渡って形成した略円筒状の筒状体から構成されている。平面部２５ａには、ヘッダ部２４に接合した際に、連通孔２４ｄと合致する位置に複数個の連通孔２５ｂがそれぞれ形成されている。連通孔２４ｄ、２５ｂが形成された断面において、ヘッダ部２４及びヘッダ増設部２５を合わせた断面積、すなわち上側ヘッダ２２の断面積は、下側ヘッダ２３に比べて大きい断面積を有している。

室外熱交換器５の上側ヘッダ５ａは、室内熱交換器４の上側ヘッダ２２と同様の構造を有すヘッダであって、室内熱交換器５の全てのチューブ３０の上端と連通する図５に示すようにヘッダ部２４と、ヘッダ部２４と略平行に延びる円筒状のヘッダ増設部２５を有する。

冷媒配管６は、一端が室内熱交換器４の上側ヘッダ２２のヘッダ増設部２５側部に接続され、他端が室外熱交換器５の上側ヘッダ５ａのヘッダ増設部２５側部にそれぞれ接続されている。冷媒配管６としては、例えば、３／４インチ配管（流路直径１９．５ｍｍ）が用いられる。冷媒配管７は、一端が室内熱交換器４の下側ヘッダ２３に、他端が室外熱交換器５の下側ヘッダ５ｂにそれぞれ接続されている。冷媒配管７としては、例えば、１／２インチ配管（流路直径１３ｍｍ）が用いられる。冷媒配管６は、気相冷媒が流れるため液相冷媒より断面積の大きい配管を配することで前述のヘッダ２２、５ａと同様、圧損を軽減させ冷却性能の低下を押える働きをもつ。

続いて、冷却装置１の概略の作動を述べる。

室内熱交換器４において、発熱体３にて加熱された空気および発熱体３から発せられる熱が吸熱され、液相冷媒が沸騰蒸発して気相冷媒となる。一方、室外熱交換器５では、気相冷媒が筐体２外の空気（冷却空気）にて冷却されて凝縮し、液相冷媒となる。

本発明によれば、室内熱交換器４及び室外熱交換器５の上部ヘッダの断面積は各熱交換器のチューブ２０、３０のおのおの全流路断面積と同等以上の断面積を有しているため、蒸発した冷媒がチューブ２０から上側ヘッダ２２へ、そして５ａに流入する際、気相冷媒の圧力損失を従来に比べ、低減することができる。特に、室内熱交換器４に流入する空気の温度と室外熱交換器５に流入する空気の流入温度の温度差ΔＴが大きい場合であっても、気相冷媒の圧力損失を抑制することができ、冷却性能を維持することができる。

以下、上側ヘッダ２２の断面積を、チューブ２０の全流路断面積よりも大きくした室内熱交換器４と上側ヘッダ５ａの断面積を、チューブ３０の全流路断面積よりも大きくした室外熱交換器５を有する冷却装置（実験例）と、上側ヘッダ２２の断面積が、チューブ２０の全流路断面積よりも小さい室内熱交換器４と上側ヘッダ５ａの断面積が、チューブ３０の全流路断面積よりも小さい室外熱交換器５を有する冷却装置（比較例）における冷却性能を比較した例について示す。実験例では、チューブ２０の全流路面積は６５８ｍｍ²、上側ヘッダ２２、５ａの断面積は７６５ｍｍ²、冷媒配管６の断面積は２２８ｍｍ²とした。液相冷媒の流れる冷媒配管７の断面積は９７ｍｍ²とした。なお、上側ヘッダ２２の断面積は、チューブ２０の全流路面積の１１６％となっている。一方、比較例では、チューブ２０の全流路断面積は６５８ｍｍ²、上側ヘッダ２２、５ａの断面積は２１７ｍｍ²、冷媒配管６、７の断面積は９７ｍｍ²とした。比較例における上側ヘッダ２２の断面積は、チューブ２０の全流路断面積の３３％となっている。図６参照）。図６は、室内熱交換器４に流入する空気の温度と室外熱交換器５に流入する空気の流入温度の温度差ΔＴに対して、比較例の冷却装置においてΔＴが１３℃の時の冷却性能を１００％とした時の冷却性能を示す。なお、図６中、実線は実験例の冷却性能を、破線は比較例の冷却性能をそれぞれ示す。図６に示すように、温度差ΔＴが１３℃以上となると、比較例では冷却性能が低下するのに対して、実験例では冷却性能は低下することなく、ほぼ維持される。また、実験例では、比較例に対して冷却性能を増大させることができる。

なお、上述した実施の形態では、室内熱交換器４と室外熱交換器５とをそれぞれ１つずつ有する冷却装置１について述べたが、室内熱交換器４および室外熱交換器５の数はこれに限定されるものではなく、例えば、室内熱交換器４に対して、複数個の室外熱交換器５を直列もしくは並列に接続した冷却装置としてもよい。

本発明の冷却装置を設けた筐体冷却装置を示す模式図である。本発明の冷却装置を示す模式図である。室内熱交換器のチューブを示す斜視図である。室内熱交換器の上側ヘッダを示す斜視図である。実験例と比較例における冷却性能を比較した図である。室内熱交換器に流入する空気の温度と室外熱交換器に流入する空気の流入温度の温度差ΔＴに対する冷却性能を示す図である。

Claims

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室内熱交換器と、
前記高温部分よりも低温の低温部分に配され、前記室内熱交換器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室外熱交換器と、
この室外熱交換器と前記室内熱交換器とを連通させる連通管とを有する沸騰冷却式熱交換装置において、
前記室内熱交換器は、
積層配置され、内部に冷媒が通過する流路が形成された複数本のチューブと、
これらのチューブ間に配され、冷媒と通過空気との熱交換を促進させるフィンと、
前記複数本のチューブの上端部に接続され、前記複数本のチューブを通過した冷媒を集める上部ヘッダと、
前記複数本のチューブの下端部に接続され、前記複数本のチューブへと冷媒を分配する冷媒を集める下部ヘッダとを有し、
前記室内熱交換器の上部ヘッダの断面積が、前記チューブの全流路断面積よりも大きいことを特徴とする沸騰冷却式熱交換装置。
前記室内熱交換器の上部ヘッダの断面積及び前記室外熱交換器の上部ヘッダ断面積は、前記チューブの全流路断面積の１００％以上であることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却式熱交換装置。