JP2012169453A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、沸騰冷却装置に係り、冷却液の相変化を利用した冷却性能の向上を図ることにある。
【解決手段】発熱体である半導体モジュール１２を冷却する冷却液１８を封入する冷却槽１６を有する筐体１４と、筐体１４の、冷却槽１６内の冷却液１８が接する側壁１４ｂ及び底板１４ａの内部に設けられる中空部３０と、中空部３０に封入される蓄熱剤３２と、を設ける。また、筐体１４の側壁１４ｂ及び底板１４ａの外面に放熱フィン３８を設けると共に、冷却槽１６内の冷却液１８が気化された蒸気を凝縮する熱交換器２６を設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、沸騰冷却装置に係り、特に、筐体の冷却槽に封入された冷却液により発熱体を冷却するうえで好適な沸騰冷却装置に関する。

従来、冷却液の液体から気体への相変化を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この沸騰冷却装置は、発熱体の発する熱で気化する冷却液を収容する冷却槽と、冷却槽内で沸騰気化した蒸気を冷却して液化する熱交換器と、を備えている。かかる沸騰冷却装置において、冷却槽内の冷却液は、発熱体で発生した熱を受けると、沸騰気化する。沸騰気化した蒸気は、冷却槽内を上昇した後に熱交換器で凝縮して液滴となることで、冷却されつつ冷却槽内の冷却液溜まりに戻る。尚、沸騰気化した蒸気が熱交換器で凝縮する際に放出した凝縮潜熱は、熱交換器を通じて外部へ放出される。従って、上記した沸騰冷却装置によれば、冷却液の液体から気体への相変化を利用して効率的に発熱体を冷却することができる。

特開平９−２０５１６７号公報

ところで、冷却液の相変化を利用して発熱体を冷却する冷却性能について、一般的に、沸騰曲線で示されるように、冷却液は、相変化する過程で過熱度に対する熱流束が限界熱流束点（極大熱流束点）を超えた際に遷移沸騰に移行するので、過熱度が上がっても熱流束が低下する事態が発生することがある。このため、冷却液の相変化を利用した冷却性能には限界が存在する。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、冷却液の相変化を利用した冷却性能の向上を図る沸騰冷却装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、発熱体を冷却する冷却液を封入する冷却槽を有する筐体と、前記筐体の、前記冷却槽内の前記冷却液が接する壁内に設けられる中空部と、前記中空部に封入される蓄熱剤と、を備える沸騰冷却装置により達成される。

本発明によれば、冷却液の相変化を利用した冷却性能の向上を図ることができる。

本発明の一実施例である沸騰冷却装置の構成図である。 本実施例の沸騰冷却装置を図１に示すＡ−Ａに沿って切断した際の断面図である。 過熱度と熱伝達率との関係を示す一般的な沸騰曲線を表した図である。 本実施例の沸騰冷却装置において過熱度と熱伝達率との関係を示す沸騰曲線を表した図である。 本発明の変形例である沸騰冷却装置の図である。 本実施例の沸騰冷却装置を図５に示すＢ−Ｂに沿って切断した際の断面図である。

以下、図面を用いて、本発明に係る沸騰冷却装置の具体的な実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施例である沸騰冷却装置１０の構成図を示す。尚、図１には、沸騰冷却装置１０の断面図を示す。また、図２は、本実施例の沸騰冷却装置１０を図１に示すＡ−Ａに沿って切断した際の断面図を示す。

本実施例の沸騰冷却装置１０は、例えばハイブリッド自動車（プラグインのものを含む）や電気自動車等に搭載されるインバータ等に適用される発熱体を冷却するプール沸騰方式の冷却装置である。以下、本実施例において、沸騰冷却装置１０が冷却する発熱体は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどからなる半導体モジュール１２（Intelligent Power Module：ＩＰＭ）であるとする。

沸騰冷却装置１０は、底板１４ａと側壁１４ｂと天板１４ｃとにより構成される筐体１４を備えている。筐体１４は、大面積の側壁１４ｂと小面積の側壁１４ｂとを有するほぼ直方体形状に形成されており、アルミニウムや銅などの熱伝導性の良い金属材料により形成されている。筐体１４の内部には、冷却槽１６が設けられている。冷却槽１６には、半導体モジュール１２を冷却する冷却液１８が封入される。冷却液１８は、水及びアルコール（エタノールやエチレングリコールなど）の溶液であって、冷却槽１６に貯留される。冷却液１８は、冷却槽１６の全体には充填されておらず、冷却槽１６の一部（下部）に存在する。尚、冷却槽１６内の空気層は、冷却液１８が沸騰冷却装置１０を搭載する車両の走行環境に対応した沸点（凝縮点）を実現するように減圧調整されている。

筐体１４を構成する底板１４ａ、側壁１４ｂ、及び天板１４ｃはそれぞれ、所定の厚さを有している。筐体１４の４つの側壁１４ｂのうち一つの側壁１４ｂの下部には、冷却槽１６と外部とを連通する開口穴２０が形成されている。開口穴２０は、長方形状に形成されており、筐体１４の側壁１４ｂのうち比較的大きな面積を有する側壁１４ｂに設けられている。開口穴２０は、ベースプレート２２により塞がれている。ベースプレート２２は、開口穴２０の大きさに合致した大きさ（面積）を有する平板状の部材であり、アルミニウムや銅などの熱伝導性の良い金属材料により形成されている。

ベースプレート２２には、半導体モジュール１２が取り付け固定されている。半導体モジュール１２は、シリコンやＳｉＣなどの基板上に形成されたパワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体素子２４からなり、ベースプレート２２とは電気的に絶縁されている。半導体モジュール１２は、ベースプレート２２を介して冷却槽１６内の冷却液１８に面している。半導体モジュール１２の半導体素子２４は、外部から電力供給がなされることにより作動する素子であって、その作動に伴って発熱する。

筐体１４の上部には、熱交換器２６が取り付けられている。熱交換器２６は、内部に冷媒が流通する筒状の冷却パイプ２８を有している。冷却パイプ２８は、筐体１４の側壁１４ｂの上部を貫通しており、冷却槽１６の上部の空気層内で延びている。熱交換器２６は、冷却パイプ２８を流れる冷媒との熱交換により、冷却槽１６内で気化する蒸気を凝縮する機能を有している。

筐体１４の側壁１４ｂ及び底板１４ａは、上記の如く所定の厚さを有しているが、その側壁１４ｂ及び底板１４ａの内部には、空間が広がる中空部３０が設けられている。中空部３０は、側壁１４ｂの下部（具体的には、冷却槽１６内に溜まる冷却液１８の上面に対応する高さまでの部位）及び底板１４ａのほぼ全面に亘って広がるように設けられている。中空部３０は、冷却槽１６の下部に溜まる冷却液１８を側方及び下方から取り囲むように設けられている。尚、中空部３０は、筐体１４の側壁１４ｂに空いた開口穴２０やベースプレート２２の部位には設けられておらず、その部位を除いて広がっている。

中空部３０には、蓄熱剤３２が封入されている。蓄熱剤３２は、キシリトール（融点約９４℃）やエリスリトール（融点約１２３℃）などの熱エネルギを貯蔵可能な潜熱蓄熱材料により構成されている。蓄熱剤３２は、中空部３０内のほぼ全体にわたって充填されている。尚、蓄熱剤３２の融点と、冷却槽１６内に溜まる冷却液１８の沸騰曲線における限界熱流束点と、は互いに合致するように設定されている。このため、蓄熱剤３２は、冷却液１８の限界熱流束点で融解し始める。

筐体１４の側壁１４ｂには、蓄熱剤注入口３４及び真空引き口３６が設けられている。蓄熱剤注入口３４及び真空引き口３６はそれぞれ、側壁１４ｂの、中空部３０の上部よりも僅かに上方に設けられている。蓄熱剤注入口３４及び真空引き口３６はそれぞれ、蓄熱剤３２が溜まる冷却槽１６に連通している。蓄熱剤３２は、中空部３０に封入する際に蓄熱剤注入口３４から注入される。この蓄熱剤３２の蓄熱剤注入口３４からの注入は、中空部３０内に熱伝導を阻害する空気層が形成されるのを防止するため、真空引き口３６を通じて中空部３０内を減圧しながら、かつ、加熱して液化した蓄熱剤３２を直接に或いはマイクロカプセルに充填しながら行われる。

また、筐体１４の側壁１４ｂ及び底板１４ａの外面には、放熱フィン３８が設けられている。放熱フィン３８は、側壁１４ｂの下部（具体的には、中空部３０が設けられている側壁１４ｂの部位）及び底板１４ａのほぼ全面に亘って設けられている。放熱フィン３８は、中空部３０に封入されている蓄熱剤３２が吸熱した熱を外部（大気中）へ放出する機能を有している。

次に、図３及び図４を参照して、本実施例の沸騰冷却装置１０の動作・作用について説明する。図３は、過熱度と熱伝達率との関係を示す一般的な沸騰曲線を表した図を示す。また、図４は、本実施例の沸騰冷却装置１０において過熱度と熱伝達率との関係を示す沸騰曲線を表した図を示す。

本実施例において、半導体モジュール１２は、作動する際に損失を発生する。半導体モジュール１２で発生する損失のほとんどは、熱となって放出される。半導体モジュール１２から放出された熱は、ベースプレート２２を介して冷却槽１６内の冷却液１８に伝わる。ベースプレート２２の裏面は、冷却液１８に接することで直接に冷却される。冷却槽１６内の冷却液１８は、半導体モジュール１２からの熱を受けることで温度上昇する。そして、半導体モジュール１２で発生する損失が大きくなると、やがてその冷却液１８は沸騰する。

冷却液１８が半導体モジュール１２の蒸発潜熱を奪って沸騰気化すると、その冷却液が気化した蒸気は、浮力を受けて冷却槽１６内を上昇する。冷却槽１６内を上昇した蒸気は、熱交換器２６の冷却パイプ２８内を流れる冷媒との間で熱交換を行うことで水に凝縮して液滴となる。この場合、凝縮された水は、蒸気に比べて冷やされた状態で冷却槽１６内を落下して冷却槽１６下部の液溜まりに滴下する。また、冷却パイプ２８内の冷媒は、冷却槽１６内の水蒸気と熱交換した後に冷却パイプ２８を通じて外部へ流出するので、沸騰気化した蒸気が熱交換器２６で凝縮する際に放出した凝縮潜熱は、冷却パイプ２８内の冷媒を通じて外部へ放出される。

従って、本実施例の沸騰冷却装置１０においては、半導体モジュール１２が発熱した際にその発生した熱により冷却槽１６内の冷却液１８を沸騰させることで、その冷却液１８の液体から気体への相変化を利用して半導体モジュール１２を冷却することができる。本実施例の如く液体から気体への相変化を利用した沸騰冷却方式では、水冷方式に比べて極めて大きな冷却性能が得られる。このため、本実施例の沸騰冷却装置１０によれば、半導体モジュール１２の冷却を効率的に行うことが可能である。

また、本実施例において、筐体１４の冷却槽１６内の冷却液１８が半導体モジュール１２からの熱を受けて温度上昇し沸騰し始めた後、その冷却液１８の温度が蓄熱剤３２の融点（例えば、キシリトールの場合は約９４℃）に到達すると、筐体１４の壁内にある中空部３０内の蓄熱剤３２が固体から液体へ相変化する。この際、蓄熱剤３２は、冷却液１８から融解潜熱を吸熱することで、冷却液１８の液温を低下させる。冷却液１８の液温が低下すると、その液温低下に伴って、冷却液１８の過熱度が減少すると共に、冷却液の熱伝達率が増加する（図４参照）。

上述の如く、蓄熱剤３２は、冷却液１８の限界熱流束点で融解し始める。従って、本実施例の沸騰冷却装置１０においては、図３に示す如き遷移沸騰領域を有する一般的な沸騰曲線の場合と異なり、冷却槽１６内の冷却液１８が半導体モジュール１２からの受熱により沸騰する過程でその過熱度に対する熱流束が限界熱流束点に達した際に、蓄熱剤３２の固体から液体への相変化により冷却液１８の液温を低下させることができるので、冷却液１８の過熱度に対する熱流束が限界熱流束点を超えた後にその冷却液１８が、過熱度の増加に伴って熱伝達率が低下する遷移沸騰に移行するのを防止することができる。

このため、本実施例の沸騰冷却装置１０によれば、半導体モジュール１２で発生した熱により冷却槽１６内の冷却液１８を沸騰させてその半導体モジュール１２を冷却するうえで、半導体モジュール１２から冷却液１８へのプール沸騰の沸騰伝熱性能の向上を図ることができ、冷却液１８の相変化を利用した半導体モジュール１２の冷却性能を向上させることができる。

尚、蓄熱剤３２が充填される中空部３０は、筐体１４の側壁１４ｂ及び底板１４ａの内部に、側壁１４ｂの下部（具体的には、冷却槽１６内に溜まる冷却液１８の上面に対応する高さまでの部位）及び底板１４ａのほぼ全面に亘って広がるように、すなわち、冷却槽１６の下部に溜まる冷却液１８を側方及び下方から取り囲むように設けられているが、側壁１４ｂに空いた開口穴２０やベースプレート２２の部位には設けられておらず、その部位（すなわち、冷却液１８が半導体モジュール１２に面する位置）を除いて広がっている。このため、本実施例の構成によれば、筐体１４の側壁１４ｂのうち冷却液１８が半導体モジュール１２に面する位置にも中空部３０が設けられる構成と異なり、半導体モジュール１２で発生した熱を冷却槽１６内の冷却液１８に伝えるうえで熱抵抗が増加するのを抑制することが可能である。

また、本実施例において、冷却液１８からの熱が中空部３０内の蓄熱剤３２に吸熱された後、その吸熱を行った蓄熱剤３２は、半導体モジュール１２で発生する損失が減少してその温度が低下しそして冷却液１８の液温が低下した際に、筐体１４の外面に設けられた放熱フィン３８を介して外部（大気中）へ放熱しながら液体から固体へ相変化する。そして以後再び、蓄熱剤３２は、冷却液１８が半導体モジュール１２からの熱を受けて温度上昇し沸騰し始めた後、その冷却液１８の温度が蓄熱剤３２の融点に到達した際に、固体から液体へ相変化すると共に、冷却液１８から融解潜熱を吸熱することで、冷却液１８の液温を低下させる処理を繰り返す。従って、本実施例によれば、蓄熱剤３２での吸熱と放熱とを適宜繰り返すことで、効果的に半導体モジュール１２を冷却することが可能である。

尚、筐体１４の部位のうち外面に放熱フィン３８が設けられる壁は、蓄熱剤３２が充填される中空部３０が設けられている側壁１４ｂ及び底板１４ａに限定される。このため、蓄熱剤３２に蓄えられた熱の放熱フィン３８を介した外部への放出を効率よく行うことが可能である。

このように、本実施例によれば、半導体モジュール１２の冷却性能を向上させることができ、その結果として、半導体モジュール１２の各構成部品における耐熱性を下げることができ、また、その半導体モジュール１２を搭載する車載インバータのコンパクト化を図ることで、搭載自由度を飛躍的に向上させることができ、或いは電動ウォータポンプやラジエータなどの専用品を削減することができるので、製造コストの削減を図ることができる。

尚、上記の実施例においては、半導体モジュール１２が特許請求の範囲に記載した「発熱体」に、側壁１４ｂ及び底板１４ａが特許請求の範囲に記載した「壁」に、ベースプレート２２が特許請求の範囲に記載した「ベース基板」に、それぞれ相当している。

ところで、上記の実施例においては、半導体モジュール１２が取り付けられたベースプレート２２を冷却槽１６内の冷却液１８に直接的に面するものとしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、半導体モジュール１２で発生する熱が冷却液１８に有効に伝達することができれば、ベースプレート２２と冷却液１８との間に金属などの熱伝導性の良い部材を介在させることとしてもよい。例えば、筐体１４の側壁１４ｂに開口穴２０を設けることなく、側壁１４ｂの外面にベースプレート２２を設置することとしてもよい。

また、上記の実施例においては、図１及び図２に示す如く、筐体１４の側壁１４ｂにベースプレート２２及び半導体モジュール１２を配置すること、すなわち、ベースプレート２２及び半導体モジュール１２の平板面の法線が側方へ向くこととしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図５及び図６に示す如く、ベースプレート２２及び半導体モジュール１２を筐体１４の底板１４ａに配置すること、すなわち、ベースプレート２２及び半導体モジュール１２の平板面の法線が上下方向へ向くこととしてもよい。この際、図５及び図６に示す如く、筐体１４の底板１４ａに冷却槽１６と外部とを連通する開口穴２０を設け、その開口穴２０をベースプレート２２により塞ぐものとしてもよいが、その開口穴２０を設けることなく、底板１４ａの外面にベースプレート２２を設置することとしてもよい。

１０ 沸騰冷却装置
１２ 半導体モジュール
１４ 筐体
１４ａ 底板
１４ｂ 側壁
１６ 冷却槽
１８ 冷却液
２２ ベースプレート
２４ 半導体素子
２６ 熱交換器
３０ 中空部
３２ 蓄熱剤
３８ 放熱フィン

Claims (5)

1. 発熱体を冷却する冷却液を封入する冷却槽を有する筐体と、
   前記筐体の、前記冷却槽内の前記冷却液が接する壁内に設けられる中空部と、
   前記中空部に封入される蓄熱剤と、
   を備えることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記中空部は、前記冷却槽内の前記冷却液が前記発熱体に面する位置を除いて該冷却槽内の該冷却液を囲むように前記筐体の前記壁内に設けられることを特徴とする請求項１記載の沸騰冷却装置。
3. 前記筐体の前記壁の外面に設けられる放熱フィンを備えることを特徴とする請求項１又は２記載の沸騰冷却装置。
4. 前記冷却槽内の前記冷却液が気化された蒸気を凝縮する熱交換器を備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項記載の沸騰冷却装置。
5. 前記発熱体は、ベース基板を介して前記冷却槽内の前記冷却液により冷却される半導体モジュールであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項記載の沸騰冷却装置。
   

Images