JP2006012926A

JP2006012926A - 沸騰冷却器

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Publication number: JP2006012926A
Application number: JP2004184263A
Authority: JP
Inventors: Shinya Nagamatsu; 信也長松; Yoshiya Eda; 義弥枝; Seizo Ueno; 誠三上野
Original assignee: Furukawa Sky KK
Current assignee: Furukawa Sky KK
Priority date: 2004-06-22
Filing date: 2004-06-22
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-06-22
Also published as: JP4583082B2

Abstract

【課題】冷却性能を向上させ、従来の寸法を拡大せずに信頼性を向上させた沸騰冷却器を提供する。
【解決手段】下面に発熱素子を取り付ける冷媒蒸発部（３）とその上面に蒸発部に連通して設けた、内部にフィンを有するコンテナ部材（４）を複数の所定間隔で配置立設するとともに、該各コンテナ部材の外側の各部材の間隙にその幅全体にコルゲートフィン（５）を設けてなる凝縮部（１）とよりなり、蒸発部と前記蒸発部の凝縮部との接合面において冷媒蒸気が蒸発部において凝縮部の底面に対して行きわたるように基板中の蒸発部の仕切枠に切欠部を設けた沸騰冷却器。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰冷却器に係わり、ファン等によって流動する空気等の冷却流体により発熱部位を強制空冷するための冷却器に関するものである。

従来より、大容量発熱素子を冷却する為には、様々な方式がとられている。例えば、パワーエレクトロニクスで用いられているＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のような大容量の発熱を処理するために、図７に示すような沸騰冷却方式が主として用いられている。
この沸騰冷却方式は、下方に発熱する素子を取り付けた基板部７０があり、基板部７０の上部には凝縮部７１が設けられ、その凝縮部の上方にはヘッダー部７２が設けられている。そして基板部７０の、凝縮部７１の底面に対応した部分には基板部内部に蒸発部７３が設けられている。この蒸発部には、通常、その作動冷媒として、パーフルオロカーボン（以下、ＰＦＣという）が封入されている。７４はＰＦＣ注入封止部を示す。

パーフルオロカーボンは、無臭無害な冷媒であり、オゾン破壊係数がゼロである為、使用制限はないものである。図２にＰＦＣの１例としてＣ_６Ｆ_１４の特性を示す。同図において横軸が温度、縦軸が飽和蒸気圧である。これからわかるように、−２０℃から８０℃程度まで冷媒作動液として使用することが可能で沸騰冷却器用の冷媒作動液として広く用いられている。
この作動液を用いる沸騰冷却方式の最大の利点は、放熱性能のパフォーマンスの高さにあり、特に鉄道車両用のパワーインバータ系の半導体素子冷却用途として多く使用されている。

その１例として、特許文献１に記載の冷却器があげられる。このものは蒸発部と称される上記ＰＦＣを封入する部分と、凝縮部と称される発熱素子から受熱したことによる、ＰＦＣの蒸気が昇流する内部のアルミニウム製フィンを封入したコンテナ部（蒸発部とコンテナ部とは蒸発部に一定配置された穴によって連通している）と外部のファン等での冷却方式による放熱手段としての外部のアルミニウム製フィン（これは、蒸発部、コンテナ部とは連通なし）とで構成されている。更に、上部のコンテナ部の最上部間をヘッダーと称される同じくアルミニウム製のプレート材で接続されている。このアルミニウム製のプレート材を取り付けることにより、従来、この部分に大きな液溜まり部を設けていたのを不要にしている。

しかし、この特許文献１の沸騰式冷却器は上記記載どおり、構成部材が多く、且つ、大型でＰＦＣを封入する部分は蒸気レベルでの気密保持が必須となっており、通常、ヘリウムによる１×１０⁻⁷ ａｃｃ／ｓｅｃの気密試験をクリアすることが求められる。そのため気密に関与する接合部は、可能な限り少なくすることが重要である。しかし、放熱性能を劣化させることなく、且つ、大きさも拡大することなく、接合部を減らすことは困難であった。
特開２００２−１３４６７０号

本発明の目的は、冷却性能を向上させた沸騰冷却器を提供することであり、従来の寸法を拡大せずに信頼性を向上させた沸騰冷却器を提供することにある。

本発明の上記の課題は次の手段により達成された。
（１）下面に発熱素子を取り付ける冷媒蒸発部と、その上面に蒸発部に連通して設けた、内部にフィンを有するコンテナ部材を複数の所定間隔で配置立設するとともに、該各コンテナ部材の外側の各部材の間隙にその幅全体にコルゲートフィンを設けてなる凝縮部とよりなり、蒸発部と前記蒸発部の凝縮部との接合面において冷媒蒸気が蒸発部において凝縮部の底面に対して行きわたるように基板中の蒸発部の仕切枠に切欠部を設けたことを特徴とする沸騰冷却器。
（２）コンテナ部材の内部に設けたフィンを該部材の最上位まで延ばさず、最上位部を冷媒が水平方向に移動しうるよう所定の高さの隙間を空けた事を特徴とする（１）記載の沸騰冷却器。
（３）冷媒蒸発部の冷媒が、平行した所定高さに設けられ、かつ、間欠的に切り欠きを設けた、複数の立体壁によって形成される溝構造からなる流路を流れる（１）又は（２）記載の沸騰冷却器。
（４）複数の溝構造の流路を平行配置した前記の蒸発通路部材の一部を切り欠き、連通させて接合一体化した蒸発部において、該蒸発部の上面部及び／又は下面部の表面に規則的もしくはランダムに細かい溝加工を施したことを特徴とする（１）または（２）のいずれか１項記載の沸騰冷却器。
（５）複数の通路を平行配置した構成の蒸発通路部材の一部を切り欠き、連通させて接合一体化した蒸発部において、上面部及び下面部を規則的もしくはランダムにエッチング加工を施したことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項記載の沸騰冷却器。

本発明により、従来の車両用に使用されている、沸騰冷却器の性能を低下させること無く、信頼性を更に向上させることが可能となった。また、ヘッダー部の接合をなくすことにより、組み立ての簡易性が向上し、１度のろう付け作業で全ての接合部の接続が完了し、その後は、ＰＦＣを脱気封入すれば製品が完成するという製造工程が可能となった為、大幅に製造コストを低減することが可能となった。
以上のように、本発明は放熱性能を従来製品と同等以上とした上で、寸法を小型化し、製造コストを大幅に改善することが出来る放熱器を提供することを可能とするものである。

本発明の具体的な内容を実施態様をもとに説明する。
図１は、本発明品の全体図である。図１に示した様に、構成部分は大別して、凝縮部の底面に対応させて設置した蒸発部１を有する基板部２、蒸発部１の上に取り付けた前記の凝縮部３、とからなる。凝縮部３は、所定間隔で複数立設したコンテナ部材４と、外部コルゲートフィン５とを交互に配設して組立てる。
この凝縮部３を図３に斜視図で示す。コンテナ部材４は図６によって説明するように内部フィン材を有し、該部材４の上面及び両側部を略コの字形のサイドフレームで密閉してある。コルゲートフィン５の上部面及び底部面は、それぞれ、上面板６ａ、下面板６ｂで閉じてある。このように凝縮部３は所定間隔で立設したコンテナ部材を有している。図示しないが、基板部の裏面（下面）には発熱素子が取付けられ、ＰＦＣ注入封止部を有していることは従来と同様である。
このように本発明の実施態様では、凝縮部最上部間を連通させるヘッダー部がない構造になっている。凝縮部最上部間を連通させるヘッダーの機能の代わりに、蒸発部内部のアルミニウム押し出し成型品製の分割部材を接合部に切り欠きを設けてそこで連通を取らせている。

図４に、前記図１の冷却器から凝縮部３を取り外した基板部２を斜視図で拡大して示す。図面に示すように、蒸発部１は、冷媒の流路を形成した下板８と、これと組合せた上板９とからなり、この態様では上板９は、９ａ、９ｂの左右板を接合してなる。１０は下板８に流路１１を形成する溝体であり、一定間隔で、下板８に平行に列設されている。なお、下板８の表面はエッチングにより表面積を増すようにしてもよい。
上板９には、縦枠９ｃ、横枠９ｄが形成されている。枠９ｃ、９ｄの間で形成される孔部が、冷媒流路からの冷媒の蒸発上昇空間であり、この部分を通って、前記の流路１１から蒸発した前記コンテナ部材４の内部へと冷媒が上昇する。１２が上板９と下板８の縦の仕切枠に設けた切欠部である。

車両用に用いられている沸騰冷却器はその取り付けるインバータ等に使用されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が大きく数量が多い為、基板部２は約１ｍ角のサイズ寸法が必要となる。その部材として通常使用されているアルミニウム材は上下に２分割構造となっており、これに、制限されるものではないが、通常平面部も左右に２分割された押し出しで製作されたアルミニウム部材をろう付けといわれる手段で接合する方法が用いられている。これは前述のとおりである。本発明ではこの場合に図４に示すように両部材の中央部で、下板８と９とからなる蒸発部１の枠部を切り欠いて切欠部１２を設けこの部分で左右の蒸発空間を連通させる。
切欠部１２は、図４のように少なくとも１個所設けるが、２個所以上設けて左右の板の前記の蒸発上昇空間を連続させてもよい。
本発明において、凝縮部３のコンテナ部材４の下部と蒸発部の横仕切枠９ｄとは互いに直交するように構成する。

さらに前記の冷媒の流路となる下板８の好ましい一例を拡大して図５に上方からの斜視図として示す。図示のように溝構造壁１０には、切り欠き１３を周期的に設けるのが好ましい。
この溝構造壁１０と切り欠き１３との幅（長さ）の比は特に制限するものではないが、３：１〜３：２、特に２：１の割合が良好である。切り欠きの効果としては、これがない押し出し材のままでは、横方向の冷媒（ＰＦＣ液）の連通が取れなくなり、液の流れが阻害される。一方、本製品は、内部でＰＦＣ液が蒸発凝縮を繰り返す為、一定の耐圧強度が必要となる。これらを総合的に検討した結果、蒸発部ベース部分の切り欠きは前記割合がよい。この割合はＰＦＣ液の長手方向への直進性と横方向への移動との関係で定める。１１ａは冷媒流路１１の底面にさらに深く切り込んで設けたより細い溝孔である。これを設ける理由は、毛細管現象により冷却器が傾いた時にも流路に必要な冷媒を保持する作用を付与するためである。

また、図示しないが、本発明においては、蒸発冷媒の流通効果を高めるためには上板９において横仕切枠９ｄの幅を中央から離れて端部へ行く程細くし、結果、横仕切枠間で形成される空間（冷媒蒸発空間）が中央縦仕切枠９ｃから横方向に遠くなるほど拡がるようにするのが好ましい。
すなわち、蒸発部と凝縮部との接合面は端部ほど、蒸発上昇空間を大きく取り、中央部ほどそれを小さくするパターンを設けた。このことの効果は、蒸発部の平面部の大きさに対して凝縮部は、外部に取り付けられている、外部のアルミニウム製のフィンの許容される、圧力損失の影響の為に、蒸発部並行面に比べてサイズ寸法が小さくなってしまう。この為、蒸発部端部に近いところほど、大きく切り欠き、周囲に液が循環して全体として液の流れを改善することができる。
このようにすることにより、凝縮部最上部の連通用のヘッダーを不要とできる。この効果としては、ヘッダー部と凝縮部最上面部とを接続する個所が不要になり、気密保持不完全の危険性が大きく減少する。更に、ヘッダー部がなくなるため、凝縮部最上位部はフラットな面となり、高さ寸法も小さくすることが出来る。

次に、本発明では、図１に示したように、凝縮部３に用いられている内部フィン５（コルゲートフィン）を両面をはさみこんだコンテナ部材４は、内部にアルミニウム製のフィン６０（オフセットフィン）を有しているが、このコンテナ部材の内部の状態を一部切欠して、図６に示した。図面に示すように、フィン６０を最上端まで延ばさず、好ましくは高さ５ｍｍから１０ｍｍの空間部６１を設けて、そのまま上部にフタをし密閉して接合するのが好ましい。この部分の機能は、蒸発部のＰＦＣの蒸気が昇流し、その最上部では蒸気が凝縮して液状態へ戻らなければならない。更に、液状態に戻ったＰＦＣは同じ流路を通って下部の蒸発部に戻っていく。そのため、蒸気から液に戻る為のスペースは重要となる。そのため、この実施態様によって、フィンの長さ自体を短くして、凝縮部の熱特性の低下以上に、冷媒液の還流が促進され、熱輸送特性は従来以上に向上することができる。

内部のフィン６０の挿入状態は、図では、オフセットフィンを呼ばれるアルミニウム製のフィンが両側のアルミニウム製の板ではさまれた構造（これをコンテナ部材と呼んでいる）になっている。コンテナ部材内部では下部の蒸発部から上昇した蒸気がこのフィンの間を縫うようにして上昇していく。その過程で、外部のアウターフィン（コルゲートフィン５）へと熱交換し放熱する構造となっている。従来のものは内部フィンがコンテナ部材の内部で頂部まで伸びており、蒸気はその上に設けたヘッダー部のみによって連通が取られていた。
しかしながら、オフセットフィンと呼ばれる内部フィンは、構造上入り組んだ構造で且つ、平面方向の蒸気の移動が困難な構造となっている。つまり、ヘッダー部のみの連通では、個々の上記コンテナ部内の蒸気を均一に回らせることが困難である。このヘッダー部の重要な機能として、内部フィンが無い部分なので、この部分でＰＦＣ蒸気がＰＦＣ液に戻り、それが、個々のコンテナ部を通って蒸発部へと戻っていく。

そのため従来の冷却器としての性能の良否は、蒸発部から凝縮部の最上部まで効率的に蒸気を昇らせ、且つ、ヘッダー部で迅速に凝縮させ、ＰＦＣ液の状態で蒸発部にＰＦＣ液を戻す一連の工程がうまく循環するかにかかっている。

これに対し上記実施態様に示した本発明では個々のコンテナ部材毎に最上部に５ｍｍから１０ｍｍの空隙を設けて、この部分で蒸気の液化を促進させる手法を採用した。その結果、コンテナ内のオフセットフィンを最上部に５ｍｍから１０ｍｍ短くしても従来のヘッダーの部分で蒸気の液化を促進させることができ、逆に放熱性能が向上するという結果が得られた。この理由として、幅の狭いヘッダー部に蒸気の集約が進まなければ蒸気の液化を促進しにくい従来技術に対して、上記実施態様では個々のコンテナ部毎に蒸気の液化が促進され、これがオフセットフィンを短くすることによる伝熱面積減少効果を上回ることがある。

また、従来ヘッダー部は最後に取り付けなければならず、強度面から考慮してろう付けでの接続が困難であった為に、この接続個所だけは、溶接接続しなければならないという製造上の問題点があったが、本発明では、全ての接合部がろう付けで可能となったため、１度のろう付け作業で全ての部材を接続し、その後、ＰＦＣを脱気封入すれば製品が完成するという効率の良い製造工程が可能となった。

本発明の沸騰冷却器の組立てはろう材をクラッドした各部材のろう付け接合により行うことができる。例えばコンテナ材４の内部フィン６０はろう材がクラッドされており、コンテナ材両側プレートと接合する。また凝縮部３の底面端面は基板２上にろう付接合される。
以上のように、本発明は、蒸発部と凝縮部とのＰＦＣの液の流れを改善する手法を採用したことにより、性能劣化を起こすことなく、ヘッダー部を削除することが可能となった。このことにより、接続個所を減らすことが出来、気密保持の信頼性が向上し、且つ、沸騰冷却器の高さ寸法を小さくすることが可能となった。

本発明の沸騰冷却器一例の斜視図である。ＰＦＣの飽和蒸発圧曲線である。本発明の沸騰冷却器の凝縮部の好ましい一実施態様を示す斜視図である。本発明の沸騰冷却器の蒸発部の好ましい一実施態様を示す斜視図である。本発明の沸騰冷却器の蒸発部の下面部の好ましい一実施態様を示す上方からの斜視図である。本発明に用いられるコンテナ部材の一部を切欠して、内部の状態を示す斜視図である。従来の沸騰冷却器の代表的な例の斜視図である。

符号の説明

１蒸発部
２基板部
３凝縮部
４コンテナ部材
５コルゲートフィン
６ａ上面板
６ｂ下面板
８下板
９上板
９ａ上板の左板
９ｂ上板の右板
９ｃ上板の縦枠
９ｄ上板の横枠
１０溝構造壁
１１冷媒の流路
１２切欠部
１３切り欠き部

Claims

下面に発熱素子を取り付ける冷媒蒸発部と、その上面に蒸発部に連通して設けた、内部にフィンを有するコンテナ部材を複数の所定間隔で配置立設するとともに、該各コンテナ部材の外側の各部材の間隙にその幅全体にコルゲートフィンを設けてなる凝縮部とよりなり、蒸発部と前記蒸発部の凝縮部との接合面において冷媒蒸気が蒸発部において凝縮部の底面に対して行きわたるように基板中の蒸発部の仕切枠に切欠部を設けたことを特徴とする沸騰冷却器。
コンテナ部材の内部に設けたフィンを該部材の最上位まで延ばさず、最上位部を冷媒が水平方向に移動しうるよう所定の高さの隙間を空けた事を特徴とする請求項１記載の沸騰冷却器。
冷媒蒸発部の冷媒が、平行した所定高さに設けられ、かつ、間欠的に切り欠きを設けた、複数の立体壁によって形成される溝構造からなる流路を流れる請求項１又は２記載の沸騰冷却器。
複数の溝構造の流路を平行配置した前記の蒸発通路部材の一部を切り欠き、連通させて接合一体化した蒸発部において、該蒸発部の上面部及び／又は下面部の表面に規則的もしくはランダムに細かい溝加工を施したことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項記載の沸騰冷却器。
複数の通路を平行配置した構成の蒸発通路部材の一部を切り欠き、連通させて接合一体化した蒸発部において、上面部及び下面部を規則的もしくはランダムにエッチング加工を施したことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項記載の沸騰冷却器。