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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdampfungskühlung, welche ein Kühlmittel verwendet.
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Stand der Technik
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Eine Verdampfungskühlung ist eine Vorrichtung, die einen wärmeaufnehmenden Teil, an dem ein zu kühlendes Zielobjekt angebracht ist, und einen wärmeabstrahlenden Teil umfasst. In der Verdampfungskühlung kocht und verdampft eine Kühlflüssigkeit, die mit dem wärmeaufnehmenden Teil in Kontakt ist, um Wärme an den wärmeabstrahlenden Teil zu übertragen. Effiziente Verdampfung und Verdunstung verbessern die Wärmeleitfähigkeit, d.h. die Kühleffizienz.
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Bekannt ist dabei, dass eine große Anzahl von Löchern in dem wärmeaufnehmenden Teil vorgesehen wird, um eine ungleichmäßige raue Oberfläche zu bilden, um dadurch das Verdampfen zu fördern (siehe z. B. Patentliteratur (PTL) 1 bis 3). Insbesondere in PTL 3 ist ein metallischer poröser Körper über der unebenen Oberfläche einer Wärmeübertragungswand angebracht, so dass unebene Räume entstehen, die sich gegenseitig überschneiden. Mit dieser Konfiguration wird erreicht, dass Sieden und Verdampfen weiter gefördert werden, wodurch die Kühlleistung verbessert wird.
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Die Wärmeerzeugungsdichte in neueren elektronischen Geräten wie Servercomputern und Wechselrichtern von Elektrofahrzeugen steigt jedoch unaufhaltsam an, weswegen ein Bedarf an einer weiter verbesserten Kühlungseffizienz besteht.
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Angeführte Druckschriften
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Patentliteratur
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- PTL 1: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 2012-13396
- PTL2: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 2017-15269
- PTL3: Ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 2018-204882
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Beschreibung der Erfindung
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Technisches Problem
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In Anbetracht der obigen Situation ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Verdampfungskühlung mit einer verbesserten Kühlleistung bereitzustellen.
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Lösung des Problems
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben die weitere Verbesserung der Kühlleistung in der Verdampfungskühlung gemäß der oben beschriebenen PTL 3 untersucht. In der Verdampfungskühlung wird eine Kühlflüssigkeit in einen Raum zwischen einem metallischen porösen Körper und einer unebenen Oberfläche zugeführt, und Dampf (Blasen) wird aus dem Raum über Löcher in dem metallischen porösen Körper und Rillen auf der unebenen Oberfläche abgelassen. Die Kühlflüssigkeit und der Dampf stören sich gegenseitig, insbesondere wenn die Dampfmenge zunimmt. Dadurch erhöht sich der Flüssigkeitswiderstand und eine reibungslose Zirkulation wird verhindert. Die Erfinder sind der Ansicht, dass dies ein Faktor sein könnte, der die Kühlleistung einschränkt.
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Als Ergebnis weiterer intensiver Untersuchungen haben die Erfinder herausgefunden, dass der erzeugte Dampf (Blasen) durch die Auftriebskraft gleichmäßig entlang der Rillen bewegt und entladen wird, indem die unebene Oberfläche zu einer vertikalen Oberfläche oder einer geneigten Oberfläche gemacht wird, deren Höhe sich in einer Richtung, entlang der sich die Rillen erstrecken, ändert. Dadurch wird eine Pumpwirkung erzeugt, die die Zufuhr der Kühlflüssigkeit durch die Durchgangslöcher des porösen Metallkörpers fördert und auch die Zirkulation der Zufuhr, die Verdampfung und den Austritt des Kühlmittels unterstützt. Als Ergebnis haben die Erfinder festgestellt, dass die Kühlleistung weiter verbessert werden kann, und haben die vorliegende Erfindung gemacht.
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Im Speziellen umfasst die Erfindung Folgendes:
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(1) Eine Verdampfungskühlung mit: einem wärmeaufnehmenden Abschnitt, an dem ein zu kühlendes Zielobjekt angebracht ist; und einem wärmeabstrahlenden Abschnitt, zu dem Wärme durch Sieden und Verdampfen einer Kühlflüssigkeit, welche in Kontakt mit dem wärmeaufnehmenden Abschnitt steht, übertragen wird, wobei der wärmeaufnehmende Abschnitt umfasst: eine Wärmeübertragungswand mit einer Befestigungsfläche, an der das zu kühlende Zielobjekt befestigt ist, und einer unebenen Oberfläche mit einer Vielzahl von Rillen, die in einem Bereich außerhalb der Befestigungsfläche vorgesehen sind; und einem porösen Metallkörper, der so angebracht ist, dass er auf der unebenen Oberfläche der Wärmeübertragungswand aufliegt, wobei der poröse Metallkörper eine Vielzahl von darin ausgebildeten Durchgangslöchern aufweist, wobei eine Öffnung jedes der Durchgangslöcher der unebenen Oberfläche zugewandt ist und die andere Öffnung jedes der Durchgangslöcher zu einem Raum auf einer der unebenen Oberfläche gegenüberliegenden Seite geöffnet ist, wobei zumindest die unebene Oberfläche der Wärmeübertragungswand und der metallische poröse Körper in die Kühlflüssigkeit eingetaucht sind, und die unebene Oberfläche der Wärmeübertragungswand eine vertikale Oberfläche oder eine geneigte Oberfläche mit einer Höhe, die sich in einer Richtung, entlang der sich die Rillen erstrecken, ändert, aufweist, und zumindest ein Ende an einer höheren Position von gegenüberliegenden Enden jeder der Rillen in der Richtung, entlang der sich die Rillen erstrecken, geöffnet ist.
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(2) Die Verdampfungskühlung gemäß (1), bei der die unebene Oberfläche eine Vielzahl von Rillen aufweist, die sich parallel zueinander erstrecken, und der poröse Metallkörper an der unebenen Oberfläche befestigt ist, wobei die gegenüberliegenden Enden der Rillen geöffnet sind.
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(3) Die Verdampfungskühlung gemäß (1) oder (2), bei der der poröse Metallkörper ein lotusartiger poröser Metallformkörper ist, der durch ein Metallverfestigungsverfahren geformt wurde, wobei der lotusartige poröse Metallformkörper eine Vielzahl von Poren aufweist, die sich in eine Richtung erstrecken.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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In einer oben beschriebenen Verdampfungskühlung gemäß der vorliegenden Erfindung kann der erzeugte Dampf (Blasen) durch die Auftriebskraft entlang der Nuten reibungslos bewegt und entladen werden, selbst wenn die Menge des erzeugten Dampfes groß ist. Die durch die Bewegung und den Austritt des Dampfes hervorgerufene Pumpwirkung fördert die Zufuhr einer Kühlflüssigkeit durch die Löcher des porösen Metallkörpers. Dadurch werden die Zirkulation der Zufuhr, die Verdampfung und der Austritt des Kühlmittels insgesamt gefördert, was zu einer weiteren Verbesserung der Kühlleistung führt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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- [1] 1 ist ein erklärendes Diagramm einer Verdampfungskühlung gemäß einer repräsentativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, von vorne gesehen.
- [2] 2 ist ein erläuterndes Diagramm der Verdampfungskühlung, von der Seite gesehen. [3]
- 3 ist eine perspektivische Ansicht, die einen wärmeaufnehmenden Abschnitt mit einer Wärmeübertragungswand und einem porösen Metallkörper innerhalb der Verdampfungskühlung zeigt.
- [4] 4 ist eine perspektivische Explosionsansicht des wärmeaufnehmenden Teils.
- [5] 5 ist ein erklärendes Diagramm, das die Bewegung eines Kühlmittels in dem wärmeaufnehmenden Teil zeigt.
- [6] 6 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Bewegung eines Kühlmittels in einem modifizierten Beispiel des wärmeaufnehmenden Teils gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
- [7] 7 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Bewegung des Kühlmittels in dem wärmeaufnehmenden Teil gemäß dem modifizierten Beispiel zeigt.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben.
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Wie in den 1 und 2 gezeigt, umfasst eine Verdampfungskühlung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung: einen wärmeaufnehmenden Abschnitt 11, an dem ein zu kühlendes Objekt 9 befestigt ist; einen wärmeabstrahlenden Abschnitt 12; und eine Kühlflüssigkeit 10. In der Verdampfungskühlung 1 kocht und verdampft die Kühlflüssigkeit 10, welche in Kontakt mit dem wärmeaufnehmenden Teil 11 steht, um Blasen zu bilden und dadurch Wärme in Form von latenter Wärme an den wärmeabstrahlenden Teil 12 zu übertragen. In diesem Beispiel sind der wärmeaufnehmende Teil 11 und der wärmeabstrahlende Teil 12 in einem Lagerbehälter 7 installiert, in dem die Kühlflüssigkeit 10 eingeschlossen ist und ist das zu kühlende Objekt 9 an dem wärmeaufnehmenden Teil 11 befestigt.
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Der wärmeaufnehmende Teil 11 kann gemäß dem vorliegenden Beispiel an dem zu kühlenden Objekt 9 angebracht werden, das vollständig in die Kühlflüssigkeit 10 innerhalb des Lagerbehälters 7 eingetaucht ist, so dass dieser ebenfalls vollständig in die Kühlflüssigkeit 10 eingetaucht ist (Immersionstyp). Andererseits kann das zu kühlende Objekt 9 an einer Außenfläche einer Behälterwand (Seitenwand) des Lagerbehälters 7 angebracht werden und kann die Behälterwand selbst als wärmeaufnehmender Abschnitt 11 fungieren, um nur den wärmeaufnehmenden Abschnitt (eine Innenfläche davon) in Kontakt mit der Kühlflüssigkeit 10 zu bringen (Nicht-Immersionstyp).
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Wie auch in den 3 bis 5 gezeigt, umfasst der wärmeaufnehmende Teil 11 eine Wärmeübertragungswand 2 und einen porösen Metallkörper 3. Das zu kühlende Objekt 9 ist an der Wärmeübertragungswand 2 befestigt und die Wärmeübertragungswand 2 weist eine unebene Oberfläche 21 auf, mit der die Kühlflüssigkeit 10 in Kontakt kommt. Der poröse Metallkörper 3 ist so angebracht, dass er auf der unebenen Oberfläche 21 der Wärmeübertragungswand 2 aufliegt.
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Obwohl der wärmeaufnehmende Teil 11 und der wärmeabstrahlende Teil 12 in einem Lagerbehälter 7 untergebracht sind, können Behälter, die jeweils den wärmeaufnehmenden Teil 11 und den wärmeabstrahlenden Teil 12 bilden, auch durch ein Rohr oder ähnliches miteinander verbunden sein, solange die Behälter Innenräume aufweisen, die miteinander in Verbindung stehen. In diesem Fall können die Behälter über zwei Strömungswege miteinander in Verbindung stehen, von denen einer ein verdampftes Kühlmittel vom wärmeaufnehmenden Teil 11 zum wärmeabstrahlenden Teil 12 leitet, während der andere das am wärmeabstrahlenden Teil 12 wieder flüssig gewordene Kühlmittel zurück zum wärmeaufnehmenden Teil 11 leitet. Darüber hinaus kann eine von herkömmlichen Verdampfungskühlungen bekannte Kommunikationsform weitgehend angewendet werden.
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Wie in 1 und 2 gezeigt, ist der wärmeabstrahlende Teil 12 gemäß dem vorliegenden Beispiel mit einem Kondensationsrohr 8 versehen, durch das Kühlwasser fließt. Das verdampfte Kühlmittel wird mit dem Kondensationsrohr 8 in Berührung gebracht, wobei diesem Wärme entzogen wird und es sich verflüssigt. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf eine solche Form der Wärmeabstrahlung beschränkt und eine von herkömmlichen Verdampfungskühlungen bekannte Form der Wärmeabstrahlung kann weitgehend übernommen werden. Beispielsweise kann eine Vorrichtung verwendet werden, bei der eine Wärmestrahlungsrippe zum Abstrahlen von Wärme in Form von Luftblasen an der Außenwand eines Wärmestrahlungsabschnitts vorgesehen ist und die Wärme von einem Kühlmittel durch die Innenwand der Vorrichtung absorbiert wird.
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Es ist möglich, ein Kühlmittel (Kühlmittelflüssigkeit) aus herkömmlich bekannten Kühlmitteln wie Wasser, Alkohol und Fluorkohlenwasserstoff-Kühlmitteln auszuwählen und zu verwenden, abhängig von einem Unterschied zwischen dem Immersionstyp, in dem das zu kühlende Objekt 9 eingetaucht wird, und dem Nicht-Immersionstyp, in dem das zu kühlende Objekt 9 nicht eingetaucht wird, einer Struktur, einem Material, usw. des zu kühlenden Objekts 9 falls der Immersionstyp verwendet wird, und einem Material des wärmeaufnehmenden Teils 11 und des wärmeabstrahlenden Teils 12.
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Wie in 4 gezeigt, besteht die Wärmeübertragungswand 2 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und weist eine Befestigungsfläche 20, an der das zu kühlende Objekt 9 befestigt ist, und eine unebene Oberfläche 21, die mit einer Vielzahl von Rillen 22 versehen ist, die in einem anderen Bereich als die Befestigungsfläche 20 angeordnet sind, auf. Im vorliegenden Beispiel besteht die Wärmeübertragungswand 2 aus einer Platte mit der unebenen Oberfläche 21, die auf einer Vorderseite der Platte ausgebildet ist, und der Befestigungsfläche 20, die auf einer Rückseite der Platte ausgebildet ist.
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Die unebene Fläche 21 der Wärmeübertragungswand 2 ist eine vertikale Fläche oder eine geneigte Fläche (in diesem Beispiel eine vertikale Fläche), deren Höhe beziehungsweise Höhenposition sich in einer Richtung, in der sich die Rillen 22 erstrecken, ändert. Die unebene Oberfläche 21 besteht aus einer Vielzahl von Nuten 22, die voneinander unabhängig sind und sich parallel zueinander erstrecken, wobei sich jede Nut 22 in vertikaler Richtung erstreckt.
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Darüber hinaus sind zumindest die oberen Enden 22a, die sich in der Richtung, in der sich die Nuten 22 erstrecken, an einer höheren Position zwischen den beiden Enden der Nuten 22 befinden, von einem oberen Endabschnitt 2a der Wärmeübertragungswand 2 aus nach außen (zu einem Innenraum des Behälters) geöffnet, so dass der Dampf des Kältemittels leicht aus den oberen Enden 22a entweichen kann. In diesem Beispiel sind auch die unteren Enden 22b nach unten hin geöffnet, so dass die Kühlflüssigkeit 10 leicht in die Nuten 22 eingeleitet werden kann.
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Der poröse Metallkörper 3 weist eine Vielzahl von darin ausgebildeten Durchgangslöchern 30 auf und ist so angebracht, dass er auf der unebenen Oberfläche 21 (in der Zeichnung die vordere Oberfläche) der Wärmeübertragungswand 2 aufliegt, wobei eine Öffnung jedes der Durchgangslöcher 30 der unebenen Oberfläche 21 zugewandt ist und die andere Öffnung zu einem Raum auf der gegenüberliegenden Seite der unebenen Oberfläche 21 hin geöffnet ist. Der poröse Metallkörper 3 hat eine äußere Form und eine Abmessung, die mit denen der unebenen Oberfläche 21 übereinstimmen, und ist so vorgesehen, dass er die unebene Oberfläche 21 vollständig überlagert. Dabei kann die Abmessung des porösen Metallkörpers 3 größer oder kleiner als die der unebenen Fläche 21 gewählt werden.
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In der Verdampfungskühlung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform tritt das Sieden des Kühlmittels hauptsächlich an einem Kontaktabschnitt zwischen der unebenen Oberfläche 21 und dem porösen Metallkörper 3 auf, d. h. an einem Kontaktabschnitt zwischen den Rillen 22. Das Sieden tritt auch an einer Kante jedes der Durchgangslöcher 30 auf, die eine Schnittstelle mit der Kühlflüssigkeit an den Öffnungen der Durchgangslöcher 30 auf einer der unebenen Oberfläche 21 gegenüberliegenden Seite bilden. Anschließend wird, wie in 5 gezeigt, der Dampf des Kühlmittels aus den Durchgangslöchern 30 des porösen Metallkörpers 3 oder dem offenen Teil am oberen Ende der Nuten 22 nach außen abgeleitet. Die Kühlmittelflüssigkeit wird von den Durchgangslöchern 30 des porösen Metallkörpers 3 und den offenen Abschnitten am oberen und unteren Ende der Nuten 22 zugeführt.
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Die Menge der behandelten Wärme kann gering sein und die Menge des erzeugten Dampfes kann gering sein. In einem solchen Fall entweicht der Dampf durch die nächstgelegenen Durchgangslöcher 30 mit geringerem Flüssigkeitswiderstand nach außen, anstatt durch lange Passagen der Nuten 22, und die Nuten 22 fungieren hauptsächlich als Zufuhrweg für die Kühlflüssigkeit. Andererseits kann die Menge der behandelten Wärme zunehmen und kann die Menge des erzeugten Dampfes zunehmen. In einem solchen Fall wird der Flüssigkeitswiderstand kleiner, da der Dampf sowohl durch die Durchgangslöcher 30 als auch durch die Nuten 22 entweichen kann. So ändert sich die Funktion der Rillen 22 allmählich, um auch die Ableitung des Dampfes zu ermöglichen.
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Sobald die Dampftröpfchen in den Rillen 22 aufsteigen, werden die Zufuhr der Kühlmittelflüssigkeit und der Austritt des Dampfes kräftig gehalten, was aufgrund des Auftriebs eine Pumpwirkung widerspiegelt, und die Zirkulation von Zufuhr, Verdampfung und Austritt des Kühlmittels wird insgesamt gefördert. Infolgedessen kann die Kühlleistung weiter verbessert werden. Die Durchgangslöcher 30 übernehmen sowohl die Zufuhr der Kühlmittelflüssigkeit als auch die Abfuhr des Dampfes, unabhängig von der Menge der behandelten Wärme. Insbesondere gibt es aufgrund des porösen Materials des lotusartigen porösen Metallformkörpers, das später beschrieben wird, Variationen in den Porendurchmessern, so dass die Zufuhr der Kühlmittelflüssigkeit und die Ableitung des Dampfes zwischen den Durchgangslöchern 3 mit unterschiedlichen Innendurchmessern aufgeteilt wird, wodurch die Durchgangslöcher 30 effizient funktionieren können.
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Als Materialien für den porösen Metallkörper 3 kann eine breite Palette von Metallmaterialien mit guter Wärmeleitfähigkeit verwendet werden, die auch für Rohre und Rippen herkömmlicher Wärmetauscher verwendet werden, wie Aluminium, Eisen und Kupfer. Die sich in einer Richtung erstreckenden Durchgangslöcher können durch ein bekanntes Verfahren wie Bohren oder Laserbearbeitung hergestellt werden. Im vorliegenden Beispiel wird der mit Durchgangslöchern versehene poröse Metallkörper jedoch aus einem porösen Material hergestellt, das durch Schneiden eines lotusartigen porösen Metallformkörpers erhalten wird, der durch ein Metallverfestigungsverfahren geformt wird und eine Vielzahl von Poren aufweist, die sich in einer Richtung erstrecken, und zwar in einer Richtung, die die Richtung, entlang der sich die Poren erstrecken, schneidet.
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Ein solcher lotusartiger poröser Metallformkörper kann durch ein bekanntes Verfahren, wie zum Beispiel ein Druckgasverfahren (beispielsweise das im
japanischen Patent Nr. 4235813 beschriebene Verfahren) oder ein thermisches Zersetzungsverfahren geformt werden. Bei den Durchgangslöchern 30 handelt es sich um die durch das Schneiden getrennten Poren. Das aus dem lotusartigen porösen Metallformkörper ausgeschnittene poröse Material wird auf diese Weise verwendet, wodurch der poröse Metallkörper 6, der mit einer großen Anzahl von in einer Richtung verlaufenden Durchgangslöchern versehen ist, leicht und kostengünstig hergestellt werden kann.
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Der poröse Metallkörper 3 hat die Form einer flachen Platte mit einer relativ kleinen Abmessung in der Richtung, in der sich die Durchgangslöcher 30 erstrecken, jedoch kann der poröse Metallkörper 3 natürlich auch in verschiedenen anderen Formen gestaltet werden.
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Es ist nur ein poröser Metallkörper 3 vorgesehen, um die gesamte unebene Oberfläche 21 mit Ausnahme der gegenüberliegenden Enden der Nuten 22 abzudecken, wenn die gegenüberliegenden Enden geöffnet sind. Hier können, wie in den 6 und 7 gezeigt, mehrere metallische poröse Körper 3 nebeneinander mit einem dazwischen liegenden Spalt 40 angeordnet sein. Dementsprechend können offene Abschnitte der Nuten 22 nicht nur an den gegenüberliegenden Enden, sondern auch in dem Spalt 40 in der Mitte vorgesehen werden, wodurch eine reibungslose Zufuhr der Kühlmittelflüssigkeit und ein Ablassen des Dampfes ermöglicht wird. Dadurch wird die Kühleffizienz erhöht.
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Obwohl die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung obenstehend beschrieben wurden, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt und kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Formen umgesetzt werden, ohne vom Kern der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verdampfungskühlung
- 10
- Kühlmittelflüssigkeit
- 11
- wärmeaufnehmender Teil
- 12
- wärmeabstrahlender Teil
- 2
- Wärmeübertragungswand
- 2a
- oberer Endabschnitt
- 20
- Befestigungsfläche
- 21
- unebene Oberfläche
- 22
- Rillen
- 22a
- oberes Ende
- 22b
- unteres Ende
- 3
- poröser Metallkörper
- 30
- Durchgangsloch
- 7
- Vorratsbehälter
- 8
- Kondensationsrohr
- 9
- zu kühlendes Zielobjekt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 201213396 [0004]
- JP 201715269 [0004]
- JP 2018204882 [0004]
- JP 4235813 [0027]
