JP2004349551A

JP2004349551A - 沸騰冷却システム

Info

Publication number: JP2004349551A
Application number: JP2003146401A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Sakai; 泰幸酒井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-09

Abstract

【課題】凝縮器でのフラディングを心配することなく、ドライアウトが発生しない多量の液冷媒を沸騰冷却器に送り込み、発熱体を効率よく冷却できる沸騰冷却システムの提供である。
【解決手段】沸騰冷却システムは、液冷媒を送り出すポンプ１２と、送り出され第１発熱体３５を冷却する液冷媒が充填された沸騰冷却器１５と、気液二相流を液冷媒と冷媒蒸気に分離する気液分離器２０と、分離された液冷媒をポンプの入口側１２ａに戻す戻し通路２２と、分離された冷媒蒸気により第２発熱体を冷却する第２冷却器２５と、冷媒蒸気を凝縮させ放熱する凝縮器３０と、から成る。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、沸騰冷却器を含み電力変換器の半導体装置等の冷却に使用される沸騰冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体素子はますます高集積化、高容量化及び高速化の傾向にあり、それに伴い、半導体素子の発熱量や発熱密度が増大している。こうした事情を背景に、半導体素子を含む半導体装置を効果的に冷却できる高性能で小型の冷却器へのニーズが高まっている。
【０００３】
図３に示す従来の半導体冷却装置（特許文献１参照）は、冷媒循環通路１００上に配置された半導体冷却用モジュール（沸騰冷却器）１０２、冷媒循環ポンプ１０４、冷媒冷却器（凝縮器）１０６、及び出口側ポンプ１０８から成る。モジュール１０２は、熱を受ける冷媒槽と、強制空冷により大気中に放熱する放熱部とから成る。モジュール１０２内に第１発熱体としての半導体発熱素子（不図示）が搭載されている。
【０００４】
低沸点の冷媒液が冷媒循環ポンプ１０４によってモジュール１０２に供給され、その内部の半導体素子の表面に直接接触し沸騰する。強制対流及び沸騰による熱伝達により半導体素子が冷却される。モジュール１０２で温めた後排出された気液二相流状態の冷媒は、出口側ポンプ１０８により増圧され、凝縮器１０６に送られる。その後、凝縮器１０６で冷却されて凝縮し、冷媒循環ポンプ１０４に戻る。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−１０４３５７号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来例では、モジュール（沸騰部）１０２での冷媒でのドライアウトを避けようとすれば、凝縮器１０６でフラディングが発生し易くなる問題がある。即ち、ドライアウトを避けるために、冷媒循環ポンプ１０４は、半導体素子の発熱を冷媒の蒸発潜熱で除した流量よりも多い流量の冷媒をモジュール１０２に送り込まなければならない。
【０００７】
こうすると、モジュール１０２の出口から冷媒蒸気と共に液冷媒も流出してくる。この気液二相流が凝縮器１０６に送り込まれ、液冷媒が存在する分だけ凝縮器１０６でフラッディングが生じ、熱伝達率が低下してしまう。さりとて、フラディングをおそれてモジュール１０２への液冷媒の送り込み量を減少させれば、半導体素子の冷却効率が悪くなる。
【０００８】
また、従来例は電力変換器に発熱体が２つある場合への対処が困難である。詳しくは、電力変換器等には半導体素子の他に、リアクトルのような別の発熱体が存在する場合がある。リアクトル等は半導体素子ほど低温に冷却することが要求されない。
【０００９】
従来例において液冷媒を別の発熱体用冷却器に供給すると、発生した蒸気より冷却器内の圧力が上昇し、蒸気が凝縮する。その結果、リアクトル等の熱が半導体素子に逆流してしまう。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、凝縮器でのフラディングを心配することなく、ドライアウトが発生しないように多量の液冷媒を沸騰冷却器に送り込み、半導体素子等の発熱体を効率よく冷却できる沸騰冷却システムを提供することを第１目的とする。第２の目的は、要求冷却温度が異なる２つの発熱体を同時に冷却できる沸騰冷却システムの提供である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本願の発明者は、沸騰冷却器から流出した気液二相流のうち、液冷媒は極力凝縮器に流入させないことを思い付いて、本発明を完成した。
▲１▼本願の第１発明による沸騰冷却システムは、請求項１に記載したように、液冷媒を送り出すポンプと；液冷媒が充填され第１発熱体の熱を吸熱する沸騰冷却器と；沸騰冷却器から流出した気液二相流を液冷媒と冷媒蒸気に分離する気液分離器と；気液分離器で分離された液冷媒をポンプの入口側に戻す戻し通路と；気液分離気で分離された冷媒蒸気により第２発熱体を冷却する第２冷却器と；第２冷却器とポンプとの間に配置され冷媒蒸気を液冷媒に凝縮させ放熱する凝縮器と；から成ることを特徴とする。
【００１２】
この沸騰冷却システムにおいて、気液分離器で分離した液冷媒は戻し通路によりポンプの入口側に戻され、冷媒蒸気のみが第２冷却器に流入する。冷媒蒸気は第２冷却器内で第２発熱体の冷却に利用される。その後凝縮器に流入するので、フラディングが発生するおそれがない。この事情は、次述する第２発明でも同様である。
【００１３】
請求項２の沸騰冷却システムは、請求項１において、沸騰冷却器の冷却温度は第２冷却器の冷却温度よりも低い。請求項３の沸騰冷却システムは、請求項２の気液分離器は更に、冷媒蒸気の液冷媒戻し通路への流入を防止する弁を含む。
▲２▼第２発明による沸騰冷却システムは、請求項４に記載したように、液冷媒を送り出すポンプと；液冷媒が充填され第１発熱体の熱を吸熱する沸騰冷却器と；沸騰冷却器から流出した気液二相流を液冷媒と冷媒蒸気に分離する気液分離器と；気液分離器で分離された液冷媒をポンプの出口側に戻す戻し通路と；気液分離気で分離された冷媒蒸気により第２発熱体を冷却する第２冷却器と；第２冷却器とポンプとの間に配置され冷媒蒸気を液冷媒に凝縮させ放熱する凝縮器；から成ることを特徴とする。
【００１４】
請求項５の沸騰冷却システムは、請求項４において、前記沸騰冷却器の冷却温度は第２冷却器の冷却温度よりも低い。請求項６の沸騰冷却システムは、請求項５において更に、戻し通路の終端とポンプと沸騰冷却器との間の経路との交差部に、気液分離器で分離した液冷媒を沸騰冷却器へ送り出す補助ポンプを含む。
【００１５】
【発明の実施の形態】
＜ポンプ＞
本発明の沸騰冷却システムを車両の電力変換器の冷却に適用した場合、発熱部たる半導体素子等と、放熱部たる凝縮器とが離れており、冷媒の自然循環では冷却が不十分となる。そこで本発明ではポンプにより冷媒を強制循環させる。
＜沸騰冷却器＞
冷却沸騰器は冷媒が充填された冷媒槽を含み、冷媒の沸騰を利用して発熱体の熱を吸収し冷却するものである。第１発熱体の大きさや温度との関係で、冷媒のドライアウトが発生しないように留意する。ここで、「ドライアウト」とは、沸騰冷却器内の液冷媒がなくなって冷媒蒸気のみになる現象を言い、その発生は熱伝達率の低下を招く。
【００１６】
沸騰冷却器は、半導体素子等、要求される冷却温度が比較的低い（セ氏１００から２００度程度）第１発熱体を液冷媒で冷却する。ポンプによる強制循環を用いているため、沸騰冷却器を車両内において比較的高い場所にセットすることが可能となる。
＜気液分離器＞
気液分離器は沸騰冷却器から流出する気液二相流を液冷媒と冷媒蒸気とに分離するものである。分離するのは、次述するように、凝縮器に極力液冷媒を供給しないため、及び第２冷却器でも冷媒蒸気により第２発熱体を冷却するためである。気液分離器は冷媒蒸気の戻し通路への流入を防止する弁を持つことができる。
＜第２冷却器、凝縮器＞
第２冷却器は、リアクトル等要求される冷却温度が比較的高い（セ氏２００から３００度程度）第２発熱体を、気液分離器から流入する冷媒蒸気で冷却する。
【００１７】
凝縮器は冷却器から流入する冷媒蒸気を周辺の空気で冷却して液化させ（その際放熱する）、液冷媒に戻すものである。リアクトルの温度や冷却器の大きさ等との関係で、フラディングが発生しないように注意する。「フラディング」とは、凝縮器の大部分が液冷媒で充填されることで、液冷媒が充填された部分は熱伝達率が低下する。
＜戻し通路＞
戻し通路は、気液分離器で分離された液冷媒をポンプ側に戻す（凝縮器に送らない）ために設けられ、第１タイプではポンプの入口側に戻す。戻った液冷媒はポンプに流入し、凝縮器から流入した液冷媒と共に沸騰冷却器へ送り出される。第１タイプは請求項１から請求項３、及び第１実施例に対応する。
【００１８】
第２タイプではポンプの出口側に戻す。戻った液冷媒はポンプと沸騰冷却器との間に配置された補助ポンプにより沸騰冷却器へ送り出される。補助ポンプはポンプから送り出される液冷媒の圧力により駆動することができる。第２タイプは請求項４から請求項６、及び第２実施例に対応する。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を添付図面を参照しつつ説明する。
（構成）
図１に示す沸騰冷却システムは、冷媒循環通路１０上に冷媒の循環方向に沿って順に配置されたポンプ１２、沸騰冷却器１５、気液分離器２０、第２冷却器２５及び凝縮器３０等から成る。
【００２０】
沸騰冷却器１５は角柱フィンを所定ピッチで配設した冷媒槽１６を有する。後述する半導体素子３５の熱を受けると、冷媒槽１６内の冷媒が沸騰して冷媒蒸気となる。この冷媒は気化するときに必要な潜熱を吸収する。
【００２１】
沸騰冷却器１５は半導体素子３５に熱的に接続され、モータ１３で駆動されるポンプ１２により液冷媒が沸騰冷却器１５に供給される。沸騰冷却器１５から凝縮器３０に至る経路１１ａ上に配置された気液分離器２０はフロート弁２１を備える。気液分離器２０と凝縮器３０との間の経路上に第２冷却器２５が配置され、リアクトル２６が接触している。また、フロート弁２６とポンプ１２の入口側１２ａとが戻し通路２３で接続されている。
（作用）
この実施例において、沸騰冷却器１５内の液冷媒は半導体素子３５の熱を吸収し蒸発する。このとき、冷媒の蒸発潜熱に冷媒の質量を乗じた仕事率の熱が、冷媒により運び去られ、半導体素子３５が所定温度に冷却される。
【００２２】
沸騰冷却器１５から流出する気液二相流を気液分離器２０が液冷媒と冷媒蒸気とに分離する。冷媒蒸気が第２冷却器２５に流入し、その傍らのリアクトル２６を冷却して過熱蒸気となり、凝縮器３０に流入する。冷媒上記はその後凝縮器３０で冷却されて凝縮し、その際放熱する。その後、液冷媒は凝縮器３０からポンプ１２に戻る。
【００２３】
一方、気液分離器２０で分離された液冷媒は戻し経路２３を経由してポンプ１２の入口側１２ａに戻り、その後ポンプ１２に流入する。なお、気液分離器２０内に液冷媒がなくなると、フロート弁２１が戻し通路２３を閉じる。
（効果）
この実施例によれば、第１に、凝縮器３０でのフラディングを心配することなく、沸騰冷却器１５で冷媒がドライアウトを生じないよう、多量の冷媒を供給できる。多量の冷媒を供給すると、沸騰冷却器１５の出口での冷媒乾き度（クオリティ）が１より小さくなり、冷媒蒸気中に液冷媒が残存した状態となる。しかし、気液二相流が気液分離器２０で液冷媒と冷媒蒸気とに分離され、液冷媒は戻し通路２３によりポンプ１２に戻され、凝縮器３０には殆ど流入しないからである。
【００２４】
その結果、従来のように気液二相流が凝縮器にそのまま流入し、凝縮熱伝達に関与しない液冷媒の大きな塊が凝縮器内の細管を流れ、凝縮器の性能を低下させることがなくなる。
【００２５】
第２に、要求冷却温度が比較的低い半導体素子３５と、比較的高いリアクトル２６とが共に効果的に冷却できる。温度が上昇し易い半導体素子３５は沸騰冷却器１５内の液冷媒が沸騰することで冷却し、それ程上昇しないリアクトル２６は第２冷却器２５内で冷媒蒸気に接触させて冷却するからである。
【００２６】
第３に、気液分離器２０内に液冷媒がなくなり冷媒蒸気のみとなったときは、フロート弁２１が戻し通路２３を閉じるので、冷媒蒸気が戻し通路２３を通じてポンプ１２へ流入する心配はない。
＜第２実施例＞
（構成）
図２に示す第２実施例は、上記第１実施例と比べて、戻し通路５０の配設場所が異なる。即ち、戻し通路５０は沸騰冷却器１５の近傍に設けられた気液分離器２０の底部からポンプ１２の出口側１２ｂに延び、終端がポンプ１２から沸騰冷却器１５に延びる経路に交差している。交差部に設けられた補助ポンプ５５はポンプ１２から送り出される液冷媒の圧力により駆動されるエジェクタ（ジェットポンプ）である。
（作用効果）
この実施例の作用に関し、半導体素子３５が沸騰冷却器１５で冷却され、気液二相流が気液分離器２０で分離され、リアクトル２６が第２冷却器２５で冷却される点は第１実施例と同様である。但し、以下の点は第１実施例とは異なる。沸騰冷却器１５で気化せず気液分離器２０で分離された液冷媒は、直ちに戻り通路５０を通して補助ポンプ５５に戻され、沸騰冷却器１５に送り込まれて再利用される。
【００２７】
この実施例によれば、第１実施例の効果に加えて、以下の特有の効果が得られる。ポンプ１２は蒸発及び凝縮に関与した冷媒のみを送り出せば良いので、ポンプ１２が小型化できるのみならず、モータ１３の消費電力が低減できる。また、冷媒圧力で作動する補助ポンプ５５は駆動源が不要である。
【００２８】
また、ポンプ１２の小型化に関連して、ポンプ１２と補助ポンプ５５との間の経路の圧力損失が減少し、沸騰冷却器１５及び冷却器２５と凝縮器３０との間の温度が小さくなる。更に、気液分離器２０を沸騰冷却器１５に近接させ、冷却器２５を気液分離器２０に近接させたので、沸騰冷却器１５と第２冷却器２５との間隔を短くでき、電力変換器の小型化が可能になる。
【００２９】
加えて、気液分離器２０内の液冷媒がなくなっても、ポンプ１２が送り出す液冷媒の量は変化しないので、第１実施例におけるフロート弁２１は不要である。
【００３０】
【発明の効果】
以上述べてきたように、第１発明の沸騰冷却システムによれば、ドライアウトを防止しつつ沸騰冷却器に多量の冷媒を供給し、要求冷却温度の高低に応じて沸騰冷却器及び第２冷却器で第１発熱体及び第２発熱体を冷却できる。また、凝縮器にはその上流側に配置された気液分離器で分離した冷媒蒸気のみが流入するので、フラディングの発生が防止できる。
【００３１】
また、第２発明の沸騰冷却システムでも第１発明と同様の効果が得られ、さらにポンプが小型化できる。
【００３２】
請求項２及び５の沸騰冷却システムによれば、沸騰冷却器が要求冷却温度が低い第１発熱体を液冷媒で効果的に冷却でき、第２冷却器が要求温度がそれほど低くない第２発熱体を冷媒蒸気で冷却できる。請求項３の沸騰冷却システムによれば、気液分離器に液冷媒がなくなった場合でも、液冷媒供給量の減少が防止できる。請求項６の沸騰冷却システムによれば、ポンプの小型化に伴い、経路の圧力損失の減少及び電力変換器の小型化が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の全体説明図である。
【図２】第２実施例の全体説明図である。
【図３】従来例の説明図である。
【符号の説明】
１０：循環通路１２：ポンプ
１５：沸騰冷却器２０：気液分離器
５０，２３：戻し通路２５：第２冷却器
３０：凝縮器３５：半導体素子

Claims

液冷媒を送り出すポンプと、
液冷媒が充填され第１発熱体の熱を吸熱する沸騰冷却器と、
前記沸騰冷却器から流出した気液二相流を液冷媒と冷媒蒸気に分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された液冷媒を前記ポンプの入口側に戻す戻し通路と、
前記気液分離気で分離された冷媒蒸気により第２発熱体を冷却する第２冷却器と、
前記第２冷却器と前記ポンプとの間に配置され、冷媒蒸気を凝縮させ放熱する凝縮器と、
から成ることを特徴とする沸騰冷却システム。
前記沸騰冷却器の冷却温度は前記第２冷却器の冷却温度よりも低い請求項１に記載の沸騰冷却システム。
前記気液分離器は更に、冷媒蒸気の前記液冷媒戻し通路への流入を防止する弁を含む請求項２に記載の沸騰冷却システム。
液冷媒を送り出すポンプと、
液冷媒が充填され第１発熱体の熱を吸熱する沸騰冷却器と、
前記沸騰冷却器から流出した気液二相流を液冷媒と冷媒蒸気に分離する気液分離器と、
前記気液分離器で分離された液冷媒を前記ポンプの出口側に戻す戻し通路と、
前記気液分離気で分離された冷媒蒸気により第２発熱体を冷却する第２冷却器と、
前記第２冷却器と前記ポンプとの間に配置され、冷媒蒸気を凝縮させ放熱する凝縮器と、
から成ることを特徴とする沸騰冷却システム。
前記沸騰冷却器の冷却温度は前記第２冷却器の冷却温度よりも低い請求項４に記載の沸騰冷却システム。
更に、前記戻し通路の終端と前記ポンプと前記沸騰冷却器との間の経路との交差部に、前記気液分離器で分離した液冷媒を前記沸騰冷却器へ送り出す補助ポンプを含む請求項５に記載の沸騰冷却システム。