JP2011108685A - Natural circulation type boiling cooler - Google Patents

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雄一朗 友野
Satoshi Hario
聡 針生
Koji Yoshihara
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    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a natural circulation type boiling cooler capable of enhancing the condensing capability of a condenser unit. <P>SOLUTION: The natural circulation type boiling cooler includes a storage portion 2, which stores a liquid coolant for receiving the heat of a heating element Z; a partition portion 21 which partitions the space in the storage portion 2 into a boiling passage A and a circulation passage B; and the condensing unit 3, which communicates with the boiling passage A via an upper exit Aa of the boiling passage A, wherein the circulation passage B communicating with the boiling passage A at a lower portion of the boiling passage A. The opening area of the upper exit Aa of the boiling passage A is smaller than the area of the liquid surface of the liquid coolant inside the boiling passage A. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、冷媒を用いて発熱体を冷却する自然循環式沸騰冷却装置に関するものである。   The present invention relates to a natural circulation boiling cooling device that cools a heating element using a refrigerant.

沸騰冷却装置は、液体冷媒が沸騰する際の潜熱を利用して発熱体を冷却する装置である。沸騰冷却装置には、その構造により液体冷媒を自然循環させるものがある。自然循環式沸騰冷却装置は、発熱体の発熱を液体冷媒に伝達し、液体冷媒を沸騰・蒸発させ、気化した冷媒蒸気を凝縮して再び液体冷媒に戻し、戻った液体冷媒が再び発熱体から受熱するというサイクルを、冷媒蒸気の上昇や液体冷媒の自重などを利用して自然に行わせるものである。自然循環式沸騰冷却装置は、例えば、特開平10−173115号公報(特許文献1)に記載されている。以下、明細書において、自然循環式沸騰冷却装置を単に「沸騰冷却装置」と略称する。   The boiling cooling device is a device that cools a heating element using latent heat when a liquid refrigerant boils. Some boiling cooling devices naturally circulate a liquid refrigerant depending on its structure. The natural circulation boiling cooling device transmits the heat generated by the heating element to the liquid refrigerant, causes the liquid refrigerant to boil and evaporate, condenses the vaporized refrigerant vapor, and returns it to the liquid refrigerant. The cycle of receiving heat is naturally performed by using the rise of the refrigerant vapor or the weight of the liquid refrigerant. A natural circulation boiling cooling device is described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 10-173115 (Patent Document 1). Hereinafter, in the specification, the natural circulation boiling cooling device is simply referred to as “boiling cooling device”.

特開平10−173115号公報JP-A-10-173115

ところで、沸騰冷却装置は、液体冷媒を収容する収容部を備えている。収容部内は、例えば上下に延びた仕切壁により、発熱体から受熱する液体冷媒が収容された沸騰通路と、沸騰通路に液体冷媒を供給する環流通路とに仕切られている。沸騰通路は、収容部の下部で環流通路と連通している。これにより、沸騰通路内の液体冷媒が沸騰により減少した際、自重により、環流通路内の液体冷媒が沸騰通路に流入し、自然循環が行われる。   By the way, the boiling cooling apparatus is provided with the accommodating part which accommodates a liquid refrigerant. The inside of the accommodating part is partitioned by a partition wall extending vertically, for example, into a boiling passage in which the liquid refrigerant that receives heat from the heating element is accommodated and a circulation passage that supplies the liquid refrigerant to the boiling passage. The boiling passage communicates with the reflux passage at the lower portion of the housing portion. Thereby, when the liquid refrigerant in the boiling passage decreases due to boiling, the liquid refrigerant in the circulation passage flows into the boiling passage by its own weight, and natural circulation is performed.

沸騰通路は、収容部上方に配置された凝縮部に連通している。凝縮部は、沸騰通路から流入した冷媒蒸気を冷却して凝縮し再び液体冷媒に戻すものである。凝縮部には、凝縮部内を冷却する機能を有する冷却部(冷却管やフィン等)が存在する。凝縮部内で凝縮した液体冷媒は、冷却部の表面に膜状に付着し、ある量を超えると滴下する。凝縮部の凝縮能力は、沸騰冷却装置における熱伝達率に大きく関わる能力である。   The boiling passage communicates with a condensing unit disposed above the housing unit. The condensing unit cools and condenses the refrigerant vapor flowing from the boiling passage and returns it to the liquid refrigerant. The condensing unit includes a cooling unit (cooling pipe, fin, etc.) having a function of cooling the inside of the condensing unit. The liquid refrigerant condensed in the condensing part adheres to the surface of the cooling part in a film form and drops when it exceeds a certain amount. The condensing capacity of the condensing part is an ability largely related to the heat transfer coefficient in the boiling cooling device.

凝縮部の凝縮能力は、冷却部の熱伝達率により変動する。この冷却部の熱伝達率は、冷却部の表面に液体冷媒膜(以下、液膜と称する)が付着していると、その分凝縮部内と冷却部との熱交換が阻害され、減少する。そこで、冷却部表面の液膜を取り除く等により、凝縮部の凝縮能力を向上させることが求められている。   The condensing capacity of the condensing part varies depending on the heat transfer coefficient of the cooling part. When a liquid refrigerant film (hereinafter referred to as a liquid film) adheres to the surface of the cooling unit, the heat transfer coefficient of the cooling unit is reduced by the amount of heat exchange between the condensing unit and the cooling unit. Therefore, it is required to improve the condensing capacity of the condensing part by removing the liquid film on the surface of the cooling part.

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、凝縮部の凝縮能力を上げ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。   This invention is made | formed in view of such a situation, and it aims at providing the boiling cooling device which can raise the condensing capability of a condensation part.

本発明の沸騰冷却装置は、発熱体の熱を受ける液体冷媒を収容する収容部と、収容部内空間を沸騰通路と環流通路とに仕切る仕切壁部と、沸騰通路の上部出口を介して沸騰通路と連通する凝縮部と、を備え、環流通路は沸騰通路の下部において沸騰通路と連通している自然循環式沸騰冷却装置であって、沸騰通路の上部出口の開口面積は、沸騰通路内における液体冷媒の液面の面積よりも小さいことを特徴とする。   The boiling cooling device of the present invention includes a housing part that houses a liquid refrigerant that receives heat from a heating element, a partition wall part that partitions a space in the housing part into a boiling passage and a circulation passage, and a boiling passage through an upper outlet of the boiling passage. A recirculation passage is a natural circulation boiling cooling device in communication with the boiling passage at a lower portion of the boiling passage, and an opening area of an upper outlet of the boiling passage is a liquid in the boiling passage. It is characterized by being smaller than the area of the liquid level of the refrigerant.

沸騰通路で発熱体から受熱した液体冷媒は、蒸気となって沸騰通路の液面から放出される。沸騰通路内の液面は蒸気の放出口となる。本発明では、沸騰通路の上部出口の開口面積が沸騰通路内の液面の面積よりも小さくなっているため、沸騰通路の上部出口から放出される蒸気の流速は上昇する。これにより、流速が上がった蒸気が凝縮部に流入する。凝縮部への蒸気流入速度が上がることで、その風圧により、蒸気が凝縮部内に生じた液膜を取り除く(滴下させる)効果は大きくなる。さらに、蒸気の流速が上がることで、凝縮部内の液膜にせん断力が加わり、液膜の厚さが薄くなる。それにより液膜を介した熱交換が良好となる。以上より、凝縮部の凝縮能力は向上する。   The liquid refrigerant received from the heating element in the boiling passage is discharged as a vapor from the liquid surface of the boiling passage. The liquid level in the boiling passage serves as a vapor discharge port. In the present invention, since the opening area of the upper outlet of the boiling passage is smaller than the area of the liquid level in the boiling passage, the flow velocity of the steam discharged from the upper outlet of the boiling passage increases. Thereby, the vapor | steam which flowed up flows in into a condensation part. By increasing the steam inflow speed into the condensing unit, the effect of removing (dropping) the liquid film generated in the condensing unit by the wind pressure is increased. Furthermore, when the flow velocity of the steam is increased, a shearing force is applied to the liquid film in the condensing part, and the thickness of the liquid film is reduced. Thereby, the heat exchange through the liquid film becomes good. From the above, the condensing capacity of the condensing part is improved.

ここで、沸騰通路内の液面の面積に対する沸騰通路の上部出口の開口面積の面積比は、0.8以下であることが好ましい。0.8以下の範囲において、熱伝達率の上昇が顕著に表われてき、液膜を取り除く効果も大きくなる。従って、凝縮部の凝縮能力はより向上する。   Here, the area ratio of the opening area of the upper outlet of the boiling passage to the area of the liquid level in the boiling passage is preferably 0.8 or less. In the range of 0.8 or less, the increase in the heat transfer coefficient appears remarkably, and the effect of removing the liquid film is increased. Therefore, the condensing capacity of the condensing part is further improved.

さらに、上記面積比は、0.5以下であることが好ましい。これにより、熱伝達率がおよそ1.5倍程度まで上昇し、液膜を介した熱交換がさらに良好となり、結果、凝縮部の凝縮能力がさらに向上する。   Furthermore, the area ratio is preferably 0.5 or less. Thereby, a heat transfer rate rises to about 1.5 times, the heat exchange through a liquid film becomes still more favorable, and as a result, the condensation capability of a condensation part further improves.

また、上記面積比は、0.2以上であることが好ましい。面積比が0.2未満となると、沸騰通路内の圧力が上昇し、液体冷媒の沸点が上昇する可能性があると共に、液面の低下により、伝熱面が液体冷媒で覆われない状態になる可能性が生じる。あるいは、液面の低下が生じても伝熱面が液体冷媒で覆われるように構成することも考えられるが、これは沸騰冷却装置の上下方向寸法の増大につながり好ましくない。面積比が0.2以上であれば、これら不都合を回避でき、沸騰通路内における熱伝達率の低下を抑制することができる。   The area ratio is preferably 0.2 or more. When the area ratio is less than 0.2, the pressure in the boiling passage increases, the boiling point of the liquid refrigerant may increase, and the heat transfer surface is not covered with the liquid refrigerant due to a decrease in the liquid level. The possibility arises. Alternatively, it is conceivable that the heat transfer surface is covered with the liquid refrigerant even if the liquid level is lowered, but this is not preferable because it leads to an increase in the vertical dimension of the boiling cooling device. If the area ratio is 0.2 or more, these inconveniences can be avoided and a decrease in the heat transfer coefficient in the boiling passage can be suppressed.

ここで、収容部が、内部に液体冷媒を収容する容器部と、容器部の上方に位置し容器部より拡幅された拡幅部と、を備える場合、沸騰通路内の液面は、容器部内に位置することが好ましい。液面が容器部に位置することで、上記面積比が著しく小さくなることがなく、沸点の急激な上昇を防止することができる。   Here, in the case where the storage unit includes a container part that stores the liquid refrigerant therein and a widened part that is positioned above the container part and is wider than the container part, the liquid level in the boiling passage is in the container part. Preferably it is located. When the liquid level is located in the container portion, the area ratio is not significantly reduced, and a rapid rise in boiling point can be prevented.

また、仕切壁部は、容器部内に配置される第一壁部と、拡幅部内に配置される傾斜壁部とからなり、傾斜壁部は、第一壁部上端から拡幅部の拡幅方向に延在し、傾斜壁部の上面は、第一壁部上端から拡幅方向に向かうほど上方となるように傾斜していることが好ましい。傾斜壁部により、上部出口の開口面積を小さくすることができる上、傾斜壁部上に滴下した液体冷媒が環流通路に誘導される。   The partition wall portion includes a first wall portion disposed in the container portion and an inclined wall portion disposed in the widened portion, and the inclined wall portion extends from the upper end of the first wall portion in the widening direction of the widened portion. It is preferable that the upper surface of the inclined wall portion is inclined so as to be higher from the upper end of the first wall portion toward the widening direction. The inclined wall portion can reduce the opening area of the upper outlet, and the liquid refrigerant dropped on the inclined wall portion is guided to the circulation passage.

本発明の沸騰冷却装置によれば、凝縮部の凝縮能力を上げることができる。   According to the boiling cooling device of the present invention, the condensing capacity of the condensing part can be increased.

第一実施形態に係る沸騰冷却装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the boiling cooling device which concerns on 1st embodiment. 第一実施形態に係る沸騰冷却装置を示す正面図である。It is a front view which shows the boiling cooling device which concerns on 1st embodiment. 面積比に対する熱伝達率比の予測推移を示すグラフである。It is a graph which shows the prediction transition of the heat transfer rate ratio with respect to an area ratio. 第二実施形態に係る沸騰冷却装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the boiling cooling device which concerns on 2nd embodiment. 面積比に対する液面低下の予測推移を示すグラフである。It is a graph which shows the prediction transition of the liquid level fall with respect to an area ratio. その他の実施形態に係る沸騰冷却装置を示す縦断面図である。It is a longitudinal cross-sectional view which shows the boiling cooling device which concerns on other embodiment.

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments.

<第一実施形態>
第一実施形態の沸騰冷却装置1について図1および図2を参照して説明する。図1は、沸騰冷却装置1を示す縦断面図である。図2は、沸騰冷却装置1を示す正面図である。
<First embodiment>
A boiling cooling device 1 according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing a boiling cooling device 1. FIG. 2 is a front view showing the boiling cooling device 1.

図1に示すように、沸騰冷却装置1は、収容部2と、凝縮部3と、を備えている。収容部2は、内部に液体冷媒(例えば水、アルコール、フロン等)を収容する金属容器であって、容器部2aと、拡幅部2bと、を有している。容器部2aは、略直方体形状で内部に液体冷媒を収容する。拡幅部2bは、容器部2aの上方に位置し、容器部2aより一平面方向に(図1における右方に)拡幅した略直方体形状となっている。   As shown in FIG. 1, the boiling cooling device 1 includes a storage unit 2 and a condensing unit 3. The accommodating part 2 is a metal container which accommodates a liquid refrigerant (for example, water, alcohol, chlorofluorocarbon, etc.) inside, and has a container part 2a and a widened part 2b. The container part 2a has a substantially rectangular parallelepiped shape and accommodates a liquid refrigerant therein. The widened portion 2b is located above the container portion 2a and has a substantially rectangular parallelepiped shape widened in one plane direction (to the right in FIG. 1) from the container portion 2a.

収容部2は、内部に、伝熱面21と、仕切壁部22と、を有している。伝熱面21は、上下方向に延在し発熱体Zの熱を液体冷媒に伝える部位である。伝熱面21は、後述する沸騰通路Aに面しており、発熱体Zの位置に対応した収容部2の内側面である。ここでは、発熱体Zの熱が収容部2の側壁を伝わることを考慮して、図1の点線に示すように、発熱体Zから約45度の角度で拡幅した範囲を伝熱面21としている。なお、発熱体Zは、収容部2に取り付けられる、例えば半導体素子等を含んだパワーモジュールなどである。図2に示すように、ここでは、複数の発熱体Zが収容部2の側壁に取り付けられている。液体冷媒の液面は、沸騰冷却装置1停止時に、容器部2a内に位置している。   The accommodating part 2 has the heat-transfer surface 21 and the partition wall part 22 inside. The heat transfer surface 21 is a part that extends in the vertical direction and transfers the heat of the heating element Z to the liquid refrigerant. The heat transfer surface 21 faces a boiling passage A, which will be described later, and is the inner side surface of the housing portion 2 corresponding to the position of the heating element Z. Here, considering that the heat of the heating element Z is transmitted through the side wall of the housing portion 2, a range widened at an angle of about 45 degrees from the heating element Z as the heat transfer surface 21 as shown by the dotted line in FIG. Yes. The heating element Z is a power module or the like that is attached to the housing portion 2 and includes, for example, a semiconductor element. As shown in FIG. 2, here, a plurality of heating elements Z are attached to the side wall of the housing portion 2. The liquid level of the liquid refrigerant is located in the container portion 2a when the boiling cooling device 1 is stopped.

仕切壁部22は、第一部材22aと、第二部材22bとからなっている。第一部材22aは、板状部材であって、伝熱面21に対向する位置において容器部2aの側壁と平行に配置されている。第二部材22bは、板状部材であって、第一部材22aの上端に連続して接合されている。第二部材22bは、第一部材22aの上端から、伝熱面21を含む容器部2aの側面に向けて斜め上方に傾斜している。第二部材22bは、液体冷媒の液面より上方に位置している。   The partition wall portion 22 includes a first member 22a and a second member 22b. The first member 22a is a plate-like member, and is disposed in parallel to the side wall of the container portion 2a at a position facing the heat transfer surface 21. The second member 22b is a plate-like member and is continuously joined to the upper end of the first member 22a. The second member 22 b is inclined obliquely upward from the upper end of the first member 22 a toward the side surface of the container part 2 a including the heat transfer surface 21. The second member 22b is located above the liquid level of the liquid refrigerant.

第一部材22aおよび第二部材22bからなる仕切壁部22は、収容部2の内部空間を沸騰通路Aと環流通路Bとに仕切っている。仕切壁部22は、収容部2内側面に接合されているが、収容部2の内底面には接合されていない。このため、沸騰通路Aと環流通路Bとは下方で連通している。   The partition wall portion 22 formed of the first member 22a and the second member 22b partitions the internal space of the housing portion 2 into a boiling passage A and a reflux passage B. The partition wall portion 22 is joined to the inner side surface of the housing portion 2, but is not joined to the inner bottom surface of the housing portion 2. For this reason, the boiling passage A and the circulation passage B communicate with each other on the lower side.

沸騰通路Aは、収容部2の内側面、内底面、および、仕切壁部22で囲まれた空間であって、伝熱面21側(図1における左側)の領域である。沸騰通路Aは、上下方向に延在し、上部出口Aaを介して凝縮部3の凝縮室31と連通し、下部入口を介して環流通路Bに連通している。沸騰通路Aは、伝熱面21からの受熱により液体冷媒を沸騰させ、冷媒蒸気を凝縮室31に流出させる。沸騰通路Aの流路断面積は、第二部材22bで区画される範囲において、上方に向かうにつれて徐々に小さくなっている。   The boiling passage A is a space surrounded by the inner side surface, the inner bottom surface, and the partition wall portion 22 of the accommodating portion 2, and is a region on the heat transfer surface 21 side (left side in FIG. 1). The boiling passage A extends in the vertical direction, communicates with the condensation chamber 31 of the condensing unit 3 through the upper outlet Aa, and communicates with the reflux passage B through the lower inlet. The boiling passage A causes the liquid refrigerant to boil by receiving heat from the heat transfer surface 21, and causes the refrigerant vapor to flow out to the condensation chamber 31. The flow passage cross-sectional area of the boiling passage A gradually decreases in the range defined by the second member 22b.

ここで、沸騰通路Aは、第二部材22bにより、上部出口Aaの開口面積が狭められている。そして、沸騰通路A内の液体冷媒の液面は、第二部材22bよりも下方に位置している。従って、沸騰通路Aの上部出口Aaの開口面積は、沸騰流路A内の液面の面積(すなわち、第一部材22aで仕切られた沸騰流路Aの流路断面積)よりも小さくなっている。伝熱面21と第一部材22aとの離間距離は、およそ2〜5mm程度である。沸騰通路A内の液面の面積に対する上部出口Aaの開口面積の面積比(以下、面積比と略称する)は、約0.8以下となっている。   Here, in the boiling passage A, the opening area of the upper outlet Aa is narrowed by the second member 22b. And the liquid level of the liquid refrigerant in the boiling channel | path A is located below rather than the 2nd member 22b. Therefore, the opening area of the upper outlet Aa of the boiling passage A is smaller than the area of the liquid surface in the boiling passage A (that is, the flow passage cross-sectional area of the boiling passage A partitioned by the first member 22a). Yes. The separation distance between the heat transfer surface 21 and the first member 22a is about 2 to 5 mm. The area ratio of the opening area of the upper outlet Aa to the liquid surface area in the boiling passage A (hereinafter referred to as area ratio) is about 0.8 or less.

環流通路Bは、収容部2の内側面、内底面、および、仕切壁部22で囲まれた空間であって、伝熱面21がない側(図1における右側)の領域である。環流通路Bは、上下方向に延在し、上部入口を介して凝縮室31と連通し、下部出口を介して沸騰通路Aに連通している。環流通路Bは、上部入口から凝縮部3で凝縮された液体冷媒が流入し、下部出口を介して沸騰通路Aに液体冷媒を供給する。液体冷媒は、自重により環流通路Bから沸騰通路Aに向かって流れる。   The circulation passage B is a space surrounded by the inner side surface, the inner bottom surface, and the partition wall portion 22 of the housing portion 2 and is a region on the side (the right side in FIG. 1) without the heat transfer surface 21. The reflux passage B extends in the vertical direction, communicates with the condensation chamber 31 via the upper inlet, and communicates with the boiling passage A via the lower outlet. In the circulation passage B, the liquid refrigerant condensed in the condensing unit 3 flows from the upper inlet, and supplies the liquid refrigerant to the boiling passage A through the lower outlet. The liquid refrigerant flows from the circulation passage B toward the boiling passage A by its own weight.

凝縮部3は、収容部2の上方に配置され、沸騰通路Aから流入した冷媒蒸気を凝縮して液体冷媒に戻すものである。凝縮部3は、内部空間である凝縮室31と、複数の冷却管32と、を備えている。凝縮室31は、略直方体形状の空間であって、沸騰通路Aおよび環流通路Bにそれぞれ連通している。凝縮室31には、沸騰通路Aから冷媒蒸気が流入する。   The condensing part 3 is arrange | positioned above the accommodating part 2, and condenses the refrigerant | coolant vapor | steam which flowed in from the boiling channel | path A, and returns it to a liquid refrigerant. The condensing unit 3 includes a condensing chamber 31 that is an internal space and a plurality of cooling pipes 32. The condensation chamber 31 is a substantially rectangular parallelepiped space, and communicates with the boiling passage A and the circulation passage B, respectively. Refrigerant vapor flows from the boiling passage A into the condensing chamber 31.

冷却管32は、内部に冷却流体が環流するパイプであり、図2に示すように、凝縮部3を貫いて配置されている。冷却流体は、気体でも液体でもよく、ここでは冷水を用いている。冷却管32は、外部で放熱器や循環ポンプ等に接続されている。冷却管32は、凝縮室31を冷却し、凝縮室31内の冷媒蒸気を凝縮させる。凝縮した液体冷媒は、冷却管32表面に膜状に付着した後滴下して環流通路Bに流入し、その後沸騰通路Aに環流する。   The cooling pipe 32 is a pipe through which the cooling fluid circulates, and is disposed through the condensing unit 3 as shown in FIG. The cooling fluid may be gas or liquid, and cold water is used here. The cooling pipe 32 is externally connected to a radiator, a circulation pump, or the like. The cooling pipe 32 cools the condensation chamber 31 and condenses the refrigerant vapor in the condensation chamber 31. The condensed liquid refrigerant adheres to the surface of the cooling pipe 32 in the form of a film, then drops and flows into the circulation passage B, and then circulates into the boiling passage A.

ここで、上記面積比と、蒸気の流速との関係について説明する。沸騰通路A内の液面の面積をS、沸騰通路Aの上部出口Aaの開口面積をS、前記液面から放出される蒸気の流速をu、上部出口Aaから流出する蒸気の流速をuとする。後述する2つの仮定をすることで、流量保存則から、u×S=u×Sが成り立つ。これより、u=(S/S)×uとなる。上記面積比はS/Sであるから、これをXとすると、u=u/Xとなる。これより、面積比が1より小さければ、上部出口Aaから流出する蒸気の流速が上昇することがわかる。 Here, the relationship between the area ratio and the steam flow rate will be described. The area of the liquid surface in the boiling passage A is S 1 , the opening area of the upper outlet Aa of the boiling passage A is S 2 , the flow velocity of the steam discharged from the liquid surface is u 1 , and the flow velocity of the steam flowing out from the upper outlet Aa Is u 2 . By making the following two assumptions, u 1 × S 1 = u 2 × S 2 holds from the flow rate conservation law. From this, u 2 = (S 1 / S 2 ) × u 1 . Since the area ratio is S 2 / S 1 , if this is X, u 2 = u 1 / X. From this, it can be seen that if the area ratio is smaller than 1, the flow velocity of the steam flowing out from the upper outlet Aa increases.

次に、上記面積比と、凝縮部3の熱伝達率との関係について図3を参照して説明する。図3は、面積比に対する熱伝達率比の予測推移を示すグラフである。横軸は面積比(S/S)であり、縦軸は、熱伝達率の上昇度合いであって、面積比S/Sのときの熱伝達率を、面積比1のときの熱伝達率で割ったもの(熱伝達率比)である。 Next, the relationship between the area ratio and the heat transfer coefficient of the condensing unit 3 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a graph showing a predicted transition of the heat transfer coefficient ratio with respect to the area ratio. The horizontal axis is the area ratio (S 2 / S 1 ), and the vertical axis is the degree of increase in the heat transfer coefficient. The heat transfer coefficient when the area ratio S 2 / S 1 is Divided by heat transfer coefficient (heat transfer coefficient ratio).

図3に示すグラフは、下記式(1)に基づいている。式(1)は、「ヌセルト(Nusselt)の流動飽和蒸気に対する水膜理論」による式である。   The graph shown in FIG. 3 is based on the following formula (1). Formula (1) is a formula according to “Water film theory for Nusselt's flowing saturated steam”.

Figure 2011108685
Figure 2011108685

αは熱伝達係数、Cは流動方向や状態による定数、Cは摩擦係数、λは熱伝達率、ρは密度、uは平均速度、μは粘性係数、tは飽和温度、θは壁温、lは垂直壁の高さ、hlatは蒸発の潜熱、である。添字Lは液体に対する値を意味し、添字Vは蒸気に対する値を意味する。 α is the heat transfer coefficient, C is a constant due to the flow direction and condition, C f is the friction coefficient, lambda is the thermal transfer coefficient, [rho is the density, u is the mean velocity, mu is viscosity coefficient, t s is the saturation temperature, theta wall The temperature, l is the height of the vertical wall, and h lat is the latent heat of evaporation. The subscript L means the value for the liquid, and the subscript V means the value for the vapor.

ここで、2つの仮定を導入する。1つ目は、沸騰気体を理想流体とする(uSは一定:Sは流路面積)。2つ目は、凝縮部吹込み口(すなわち、上部出口Aa)の圧力Pを固定値とする(Pは一定)。この仮定から、下記式(2)、(3)が成立する。 Here, two assumptions are introduced. The first is to use boiling gas as an ideal fluid (u V S is constant: S is a channel area). Second, the condensation unit blow port (i.e., top outlet Aa) a fixed value of pressure P 2 of the (P 2 is a constant). From this assumption, the following equations (2) and (3) hold.

Figure 2011108685
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Figure 2011108685
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そして、式(2)のuを式(1)のuに代入する。さらに、Pを凝縮部内の圧力とみなして、蒸気圧と沸点に関するアントワンの式である下記式(4)に代入する。 Then, u 2 in Expression (2) is substituted for u V in Expression (1). Further, by regarding the P 2 and the pressure in the condenser unit, and assigned to the following formula (4) is an expression of Antoine regarding vapor pressure and boiling point.

Figure 2011108685
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式中のA、B、Cはそれぞれ気体物質によって決まる定数である。これにより、凝縮部の凝縮点温度(飽和温度)tを定義できる。このtを式(1)に代入することで、式(1)をS/Sで記述でき、図3に示す傾向が表われる。図3に示すように、ヌセルトの式に基づく予測推移によれば、熱伝達率は、面積比が小さくなるほど大きくなることがわかる。特に面積比が0.5以下になると、熱伝達率の上昇が大きくなることがわかる。 A, B, and C in the formula are constants determined by the gaseous substances. Thus, the condensation point temperature of the condensing unit can be defined (saturation temperature) t s. By substituting the t s in the formula (1), the equation (1) can be written in S 2 / S 1, they tend to 3 appearing. As shown in FIG. 3, according to the predicted transition based on Nusert's equation, it can be seen that the heat transfer coefficient increases as the area ratio decreases. In particular, it can be seen that when the area ratio is 0.5 or less, the increase in heat transfer coefficient increases.

沸騰冷却装置1では、沸騰通路Aの上部出口Aaの開口面積が、沸騰通路A内の液面の面積よりも小さくなっている。これにより、上部出口Aaでの蒸気の流速は上昇し、速度上昇した蒸気が凝縮室31に流入することで、冷却管32表面の液膜は取り除かれやすくなる。さらに、図3に示すように、面積比が小さいと凝縮部3の熱伝達率が向上する。これら2つの作用により、凝縮部3の凝縮能力は向上する。   In the boiling cooling device 1, the opening area of the upper outlet Aa of the boiling passage A is smaller than the area of the liquid level in the boiling passage A. As a result, the flow velocity of the steam at the upper outlet Aa increases, and the liquid film on the surface of the cooling pipe 32 is easily removed as the increased speed of the steam flows into the condensation chamber 31. Furthermore, as shown in FIG. 3, when the area ratio is small, the heat transfer coefficient of the condensing unit 3 is improved. By these two actions, the condensing capacity of the condensing part 3 is improved.

第一実施形態では、面積比が0.8以下であるため、凝縮部3の熱伝達率は向上する。また、収容部2の上部が拡幅部2bであるため、凝縮部3による凝縮スペースが拡大し、凝縮能力を向上させることができる。   In 1st embodiment, since an area ratio is 0.8 or less, the heat transfer rate of the condensation part 3 improves. Moreover, since the upper part of the accommodating part 2 is the widening part 2b, the condensation space by the condensation part 3 can be expanded, and a condensation capability can be improved.

<第二実施形態>
第二実施形態の沸騰冷却装置10について図4を参照して説明する。図4は、沸騰冷却装置10を示す縦断面図である。第二実施形態において、第一実施形態と同じ名称のものは、同じ機能を有するため、主に配置・形状の異なる部分について説明する。
<Second embodiment>
The boiling cooling apparatus 10 of 2nd embodiment is demonstrated with reference to FIG. FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing the boiling cooling device 10. In the second embodiment, parts having the same names as those in the first embodiment have the same functions, and therefore, the portions having different arrangements and shapes will be mainly described.

沸騰冷却装置10は、収容部20と、凝縮部30と、を備えている。収容部20は、上部が拡幅した略T字形状となっている。収容部20は、液体冷媒を収容する容器部20aと、容器部20aの上部で容器部20aより拡幅した拡幅部20bと、からなっている。液体冷媒の液面は、沸騰冷却装置10停止時に、容器部20a内に位置している。さらに、収容部20は、内部に、伝熱面211、212と、仕切壁部221、222と、を備えている。   The boiling cooling device 10 includes a storage unit 20 and a condensing unit 30. The accommodating part 20 is substantially T-shaped with the upper part widened. The accommodating part 20 includes a container part 20a that accommodates the liquid refrigerant, and a widened part 20b that is wider than the container part 20a at the upper part of the container part 20a. The liquid level of the liquid refrigerant is located in the container portion 20a when the boiling cooling device 10 is stopped. Furthermore, the accommodating part 20 is equipped with the heat-transfer surfaces 211 and 212 and the partition wall parts 221 and 222 inside.

伝熱面211(212)は、発熱体Z1(Z2)に対応し、収容部20において互いに対向位置にある内側面(図3の左右)にそれぞれ配置されている。発熱体Z1、Z2は、第一実施形態同様、収容部20の側壁に複数取り付けられる。   The heat transfer surface 211 (212) corresponds to the heating element Z1 (Z2), and is disposed on each of the inner side surfaces (left and right in FIG. 3) that are opposed to each other in the storage unit 20. A plurality of heating elements Z1 and Z2 are attached to the side wall of the accommodating portion 20 as in the first embodiment.

仕切壁部221は、収容部20内に当該内側面から離間して配置される、第一部材221a(本発明における「第一壁部」に相当する)および第二部材221b(本発明における「傾斜壁部」に相当する)からなる板状部材である。第一部材221aは、容器部20a内に、伝熱面211に対向且つ平行に配置されている。第一部材221aと伝熱面211との離間距離は、およそ2〜5mm程度である。第二部材221bは、第一部材221aの上端に接合され、拡幅部20b内において、第一部材221aに対し当該拡幅方向(図4の左斜め上方)に傾いている。換言すると、第二部材221bは、第一部材221a上端から拡幅方向に向かうほど上方となるように傾斜して延在している。第二部材221bの先端と、対向する拡幅部20bの内側面との離間距離は、第一部材221aと伝熱面211との離間距離の0.5倍となっている。   The partition wall portion 221 is disposed in the accommodating portion 20 so as to be separated from the inner side surface, and the first member 221a (corresponding to the “first wall portion” in the present invention) and the second member 221b (in the present invention “ It is a plate-like member consisting of “an inclined wall portion”. The first member 221a is disposed in the container portion 20a so as to face and be parallel to the heat transfer surface 211. The distance between the first member 221a and the heat transfer surface 211 is about 2 to 5 mm. The 2nd member 221b is joined to the upper end of the 1st member 221a, and inclines in the said widening direction (left diagonally upward of FIG. 4) with respect to the 1st member 221a in the wide part 20b. In other words, the second member 221b extends so as to be inclined upwardly toward the widening direction from the upper end of the first member 221a. The separation distance between the tip of the second member 221b and the inner side surface of the opposing widened portion 20b is 0.5 times the separation distance between the first member 221a and the heat transfer surface 211.

仕切壁部222は、仕切壁部221と同様に、第一部材222aおよび第二部材22bbからなる。仕切壁部222は、仕切壁部221と鏡像構造となっており、説明を省略する。仕切壁部221(222)は、収容部20内空間を沸騰通路A1(A2)と環流通路Bとに仕切っている。   The partition wall part 222 is composed of a first member 222a and a second member 22bb, like the partition wall part 221. The partition wall 222 has a mirror image structure with the partition wall 221, and a description thereof is omitted. The partition wall part 221 (222) partitions the inner space of the housing part 20 into a boiling passage A1 (A2) and a circulation passage B.

沸騰通路A1は、伝熱面211に面しており、収容部2の内側面、内底面、および、仕切壁部221で囲まれた空間である。沸騰通路A2は、伝熱面212に面しており、収容部2の内側面、内底面、および、仕切壁部222で囲まれた空間である。沸騰通路A1(A2)は、上部出口A1a(A2a)において、容器部20a内よりも流路断面積が小さくなっている(面積比0.5)。環流通路Bは、収容部2の内側面、内底面、および、仕切壁部221、222で囲まれた空間である。環流通路Bの上部は、第二部材221b、222bの傾斜により拡幅している。沸騰通路A1、A2、および、環流通路Bは、収容部20の下部で連通している。   The boiling passage A <b> 1 faces the heat transfer surface 211 and is a space surrounded by the inner side surface, the inner bottom surface, and the partition wall portion 221 of the housing portion 2. The boiling passage A <b> 2 faces the heat transfer surface 212 and is a space surrounded by the inner side surface, the inner bottom surface, and the partition wall portion 222 of the housing portion 2. The boiling passage A1 (A2) has a channel cross-sectional area smaller than that in the container 20a at the upper outlet A1a (A2a) (area ratio 0.5). The circulation passage B is a space surrounded by the inner side surface, the inner bottom surface, and the partition wall portions 221 and 222 of the housing portion 2. The upper part of the circulation path B is widened by the inclination of the second members 221b and 222b. The boiling passages A <b> 1 and A <b> 2 and the circulation passage B are in communication with each other at the lower part of the housing portion 20.

凝縮部30は、収容部20(拡幅部20b)の上方に配置され、凝縮室31と、複数の冷却管32と、を有している。凝縮室31は、沸騰通路A1、A2、および、還流通路Bと連通している。凝縮部30で凝縮した液体冷媒は、拡幅した環流通路Bに滴下・流入する。   The condensing part 30 is disposed above the accommodating part 20 (the widened part 20b) and has a condensing chamber 31 and a plurality of cooling pipes 32. The condensation chamber 31 communicates with the boiling passages A1 and A2 and the reflux passage B. The liquid refrigerant condensed in the condensing unit 30 drops and flows into the widened circulation passage B.

ここで、第二実施形態では、沸騰通路A1(A2)の上部出口A1a(A2a)の開口面積が、沸騰通路A1(A2)内の液面の面積(すなわち流路断面積)よりも小さくなっている。これにより、第一実施形態同様の効果が発揮される。さらに、第二実施形態では、面積比が0.5となっており、流速増加による液膜取り除き効果上昇、および、図3に示す熱伝達率の向上から、より凝縮部30の凝縮能力を向上させることができる。   Here, in the second embodiment, the opening area of the upper outlet A1a (A2a) of the boiling passage A1 (A2) is smaller than the area of the liquid surface in the boiling passage A1 (A2) (that is, the flow passage cross-sectional area). ing. Thereby, the effect similar to 1st embodiment is exhibited. Furthermore, in the second embodiment, the area ratio is 0.5, and the condensing capacity of the condensing unit 30 is further improved by increasing the effect of removing the liquid film by increasing the flow velocity and improving the heat transfer coefficient shown in FIG. Can be made.

また、面積比が0.2以上であるため、液体冷媒の沸点上昇はほぼなく、良好な熱伝達を実現できる。なお、面積比が0.2未満となると、液体冷媒の種類によっては沸点が10〜20℃程度上昇する場合があり、この場合、ICチップの冷却は困難となる。また、この場合、圧力によって冷媒液面が低下するため、伝熱面が液体冷媒で覆われず、沸騰冷却が為されなくなる場合がある。図5に示すように、面積比が0.2を下回ると液面低下量が急激に大きくなる。なお、図5のグラフは、式(1)に基づいて導出したものであり、横軸が面積比、縦軸が液面低下量(mm)である。このように、面積比は0.2以上であることが好ましい。   Further, since the area ratio is 0.2 or more, the boiling point of the liquid refrigerant is hardly increased, and good heat transfer can be realized. When the area ratio is less than 0.2, the boiling point may increase by about 10 to 20 ° C. depending on the type of the liquid refrigerant, and in this case, it is difficult to cool the IC chip. Further, in this case, since the refrigerant liquid level is lowered by the pressure, the heat transfer surface may not be covered with the liquid refrigerant, and boiling cooling may not be performed. As shown in FIG. 5, when the area ratio is less than 0.2, the liquid level reduction amount increases rapidly. The graph of FIG. 5 is derived based on the formula (1), where the horizontal axis represents the area ratio and the vertical axis represents the liquid level drop (mm). Thus, the area ratio is preferably 0.2 or more.

また、第二実施形態では、図4のような直立状態で、沸騰冷却装置10動作時および停止時いずれにおいても、液体冷媒の液面が容器部20a内に位置している。従って、液面が拡幅部20b内に位置することがなく、面積比の著しい減少による沸点上昇を防止することができる。また、収容部20の上部が拡幅部20bであるため、凝縮部30による凝縮スペースが拡大し、凝縮部30による凝縮能力を向上させることができる。また、第二部材221b(222b)により、沸騰通路A1(A2)の上部出口の開口面積を小さくすることができる上、凝縮部30から滴下した液体冷媒が環流通路Bに誘導されて自然循環がスムーズになる。   In the second embodiment, in the upright state as shown in FIG. 4, the liquid refrigerant level is located in the container portion 20 a both when the boiling cooling device 10 is operating and when it is stopped. Therefore, the liquid level is not located in the widened portion 20b, and an increase in boiling point due to a significant decrease in the area ratio can be prevented. Moreover, since the upper part of the accommodating part 20 is the wide part 20b, the condensation space by the condensation part 30 can be expanded, and the condensation capability by the condensation part 30 can be improved. In addition, the opening area of the upper outlet of the boiling passage A1 (A2) can be reduced by the second member 221b (222b), and the liquid refrigerant dripped from the condensing unit 30 is guided to the circulation passage B to cause natural circulation. Become smooth.

<その他の実施形態>
図6に示すように、沸騰通路A1の幅(流路断面積)は、容器部20aの側壁の一部が傾斜することにより、上下方向で変化する構造であってもよい。液面が常に容器部20a内に位置する場合、容器部20a内の沸騰流路A1におけるどの流路断面積も、上部出口A1aの開口面積よりも大きくなっている。これによっても、上記実施形態同様の効果が発揮される。
<Other embodiments>
As shown in FIG. 6, the width (flow path cross-sectional area) of the boiling passage A <b> 1 may be a structure that changes in the vertical direction when a part of the side wall of the container portion 20 a is inclined. When the liquid level is always located in the container part 20a, any channel cross-sectional area in the boiling channel A1 in the container part 20a is larger than the opening area of the upper outlet A1a. This also exhibits the same effect as in the above embodiment.

また、凝縮部は、フィン等を有し、冷媒蒸気を空冷により凝縮する空冷式の凝縮器であってもよい。空冷式の場合、冷却管32を用いる場合に比べて冷却性能が落ちてしまうが、本発明の構成とすることで、巨大化や高コスト化を招くことなく凝縮能力を高めることができるため有効である。なお、発熱体は収容部の内部に配置されていてもよく、この場合、伝熱面は、発熱体の液体冷媒と接する面となる。   The condensing unit may be an air-cooled condenser that has fins or the like and condenses the refrigerant vapor by air cooling. In the case of the air-cooled type, the cooling performance is lowered as compared with the case where the cooling pipe 32 is used. However, the configuration of the present invention is effective because the condensing capacity can be increased without increasing the size and cost. It is. In addition, the heat generating body may be disposed inside the housing portion, and in this case, the heat transfer surface is a surface in contact with the liquid refrigerant of the heat generating body.

1、10:沸騰冷却装置、
2、20:収容部、 2a、20a:容器部、 2b、20b:拡幅部、
21、211、212:伝熱面、 22、221、222:仕切壁部、
22a、221a、222a:第二部材22b、221b、222b:第二部材、
3、30:凝縮部、 31:凝縮室、 32:冷却管、
A、A1、A2:沸騰通路、 B:環流通路、 Z、Z1、Z2:発熱体
1, 10: Boiling cooling device,
2, 20: accommodating portion, 2a, 20a: container portion, 2b, 20b: widened portion,
21, 211, 212: heat transfer surface, 22, 221, 222: partition wall,
22a, 221a, 222a: second member 22b, 221b, 222b: second member,
3, 30: condensing part, 31: condensing chamber, 32: cooling pipe,
A, A1, A2: Boiling passage, B: Circulation passage, Z, Z1, Z2: Heating element

Claims (6)

発熱体の熱を受ける液体冷媒を収容する収容部と、
前記収容部内空間を沸騰通路と環流通路とに仕切る仕切壁部と、
前記沸騰通路の上部出口を介して前記沸騰通路と連通する凝縮部と、
を備え、前記環流通路は前記沸騰通路の下部において前記沸騰通路と連通している自然循環式沸騰冷却装置であって、
前記沸騰通路の上部出口の開口面積は、前記沸騰通路内における液体冷媒の液面の面積よりも小さいことを特徴とする自然循環式沸騰冷却装置。
An accommodating portion for accommodating a liquid refrigerant that receives heat from the heating element;
A partition wall portion for partitioning the space in the housing portion into a boiling passage and a reflux passage;
A condensing part communicating with the boiling passage through an upper outlet of the boiling passage;
The natural circulation boil cooling device, wherein the circulating passage is in communication with the boiling passage at a lower portion of the boiling passage,
The natural circulation boiling cooling device, wherein an opening area of an upper outlet of the boiling passage is smaller than an area of a liquid surface of the liquid refrigerant in the boiling passage.
前記沸騰通路内の液面の面積に対する前記沸騰通路の上部出口の開口面積の面積比は、0.8以下である請求項1に記載の自然循環式沸騰冷却装置。   2. The natural circulation boiling cooling device according to claim 1, wherein an area ratio of an opening area of an upper outlet of the boiling passage to an area of a liquid surface in the boiling passage is 0.8 or less. 前記沸騰通路内の前記液面の面積に対する前記沸騰通路の上部出口の開口面積の面積比は、0.5以下である請求項2に記載の自然循環式沸騰冷却装置。   The natural circulation boiling cooling device according to claim 2, wherein an area ratio of an opening area of an upper outlet of the boiling passage to an area of the liquid surface in the boiling passage is 0.5 or less. 前記沸騰通路内の前記液面の面積に対する前記沸騰通路の上部出口の開口面積の面積比は、0.2以上である請求項2または3に記載の自然循環式沸騰冷却装置。   The natural circulation boiling cooling device according to claim 2 or 3, wherein an area ratio of an opening area of an upper outlet of the boiling passage to an area of the liquid surface in the boiling passage is 0.2 or more. 前記収容部は、内部に液体冷媒を収容する容器部と、前記容器部の上方に位置し前記容器部より拡幅された拡幅部と、を備え、
前記沸騰通路内の液面は、前記容器部内に位置する請求項1〜4の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
The accommodating portion includes a container portion that contains a liquid refrigerant therein, and a widened portion that is located above the container portion and is wider than the container portion,
The liquid level in the boiling passage is the boiling cooling device according to any one of claims 1 to 4, which is located in the container portion.
前記収容部は、内部に液体冷媒を収容する容器部と、前記容器部の上方に位置し前記容器部より拡幅された拡幅部と、を備え、
前記仕切壁部は、前記容器部内に配置される第一壁部と、前記拡幅部内に配置される傾斜壁部とからなり、
前記傾斜壁部は、前記第一壁部上端から前記拡幅部の拡幅方向に延在し、
前記傾斜壁部の上面は、前記第一壁部上端から前記拡幅方向に向かうほど上方となるように傾斜している請求項1〜5の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
The accommodating portion includes a container portion that contains a liquid refrigerant therein, and a widened portion that is located above the container portion and is wider than the container portion,
The partition wall portion includes a first wall portion disposed in the container portion, and an inclined wall portion disposed in the widened portion,
The inclined wall portion extends from the upper end of the first wall portion in the widening direction of the widened portion,
The boiling cooling device according to any one of claims 1 to 5, wherein an upper surface of the inclined wall portion is inclined so as to be higher from the upper end of the first wall portion toward the widening direction.
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