JP3384066B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents
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- H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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- F28D15/00—Heat-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
- F28D15/02—Heat-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 in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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- F28F3/02—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations
- F28F3/025—Elements or assemblies thereof with means for increasing heat-transfer area, e.g. with fins, with recesses, with corrugations the means being corrugated, plate-like elements
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- H—ELECTRICITY
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- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2224/00—Indexing scheme for arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies and methods related thereto as covered by H01L24/00
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- H01L2224/48—Structure, shape, material or disposition of the wire connectors after the connecting process of an individual wire connector
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- H01L2224/48151—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive
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- H01L2224/48227—Connecting between a semiconductor or solid-state body and an item not being a semiconductor or solid-state body, e.g. chip-to-substrate, chip-to-passive the body and the item being stacked the item being non-metallic, e.g. insulating substrate with or without metallisation connecting the wire to a bond pad of the item
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、発熱した半導体素子等
の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。
の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来電気機器等の半導体素子の冷却方法
として、冷媒を用いて冷却を行う沸騰冷却装置がある。
図１８は、特開昭５６−１４７４５７号公報に開示され
た従来の沸騰冷却装置を示す図である。この図におい
て、素子ケース部１と熱交換器２が熱輸送管３Ａ，３Ｂ
によって接続されており、その作用は次の通りである。
つまり、半導体素子４Ａが発熱して冷却媒体８を沸騰さ
せると、冷却媒体８は蒸気になって上昇し熱輸送管３Ａ
を経て熱交換器２に移動する。熱交換器２に達した蒸気
はフィンチューブ２Ａに分配され、外部冷却によって凝
縮して熱輸送管３Ｂに達し、再び素子ケース１に戻る。
このようなサイクルによって、半導体素子は冷却され
る。
として、冷媒を用いて冷却を行う沸騰冷却装置がある。
図１８は、特開昭５６−１４７４５７号公報に開示され
た従来の沸騰冷却装置を示す図である。この図におい
て、素子ケース部１と熱交換器２が熱輸送管３Ａ，３Ｂ
によって接続されており、その作用は次の通りである。
つまり、半導体素子４Ａが発熱して冷却媒体８を沸騰さ
せると、冷却媒体８は蒸気になって上昇し熱輸送管３Ａ
を経て熱交換器２に移動する。熱交換器２に達した蒸気
はフィンチューブ２Ａに分配され、外部冷却によって凝
縮して熱輸送管３Ｂに達し、再び素子ケース１に戻る。
このようなサイクルによって、半導体素子は冷却され
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１８
に示したような沸騰冷却装置は、蒸気になった冷却媒体
８が直接熱交換器２内壁に熱を伝えて冷却される構造と
なっているため、その熱伝達効率は熱交換器２の内壁の
面積に依存する。従って装置を小型化しようとすると、
放熱特性は悪化してしまうという問題があった。
に示したような沸騰冷却装置は、蒸気になった冷却媒体
８が直接熱交換器２内壁に熱を伝えて冷却される構造と
なっているため、その熱伝達効率は熱交換器２の内壁の
面積に依存する。従って装置を小型化しようとすると、
放熱特性は悪化してしまうという問題があった。
【０００４】そこで本発明は上記問題に鑑みたものであ
り、熱交換器内に冷媒から熱交換器への放熱を促進させ
る凝縮促進手段を取り付けることにより上記問題を解決
する沸騰冷却装置を得ることを目的としている。
り、熱交換器内に冷媒から熱交換器への放熱を促進させ
る凝縮促進手段を取り付けることにより上記問題を解決
する沸騰冷却装置を得ることを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に構成された本発明の沸騰冷却装置は、電気回路等で用
いられ、駆動することにより余分な熱を発生する発熱体
と、前記発熱体の発する熱を吸収し、その熱によって気
化する冷媒と、前記冷媒を入れる冷却槽と、一方の開口
面が前記冷却槽に取り付けられるとともに、他方の開口
面が密閉して取り付けられ、前記気化して上昇して来る
冷媒を冷却液化して前記冷却槽に戻す筒状の放熱部と、
前記放熱部内に配され、冷媒が通過する冷媒通路を細流
路に区画するとともに、前記冷媒から前記放熱部への放
熱を高める凝縮促進手段とを備え、この凝縮促進手段の
少なくとも一部分は、冷媒流れ方向において分断されて
いることを特徴としている。
に構成された本発明の沸騰冷却装置は、電気回路等で用
いられ、駆動することにより余分な熱を発生する発熱体
と、前記発熱体の発する熱を吸収し、その熱によって気
化する冷媒と、前記冷媒を入れる冷却槽と、一方の開口
面が前記冷却槽に取り付けられるとともに、他方の開口
面が密閉して取り付けられ、前記気化して上昇して来る
冷媒を冷却液化して前記冷却槽に戻す筒状の放熱部と、
前記放熱部内に配され、冷媒が通過する冷媒通路を細流
路に区画するとともに、前記冷媒から前記放熱部への放
熱を高める凝縮促進手段とを備え、この凝縮促進手段の
少なくとも一部分は、冷媒流れ方向において分断されて
いることを特徴としている。
【０００６】なお、前記凝縮促進手段は上下に複数に分
割されていたり、穴が形成されていたりすることが好ま
しい。
割されていたり、穴が形成されていたりすることが好ま
しい。
【０００７】
【作用】上記構成の本発明によれば、発熱体が電気回路
等において駆動し、それにより余分な熱を発生する。発
熱体において発生した熱は冷媒に吸収され、冷媒を沸騰
気化させる。発生した冷媒の蒸気は熱サイフォン効果に
よって放熱部内を上昇し、放熱部内面に接して配置され
た凝縮促進手段に熱を伝え、冷却されて再び液化する。
液化した冷媒は重力により下方に垂れ、下部の冷却槽に
戻る。よって発熱体で発生した余分な熱は、冷媒、熱吸
収手段、放熱部を伝って大気に放出される。また凝縮促
進手段を付けることで放熱部内の熱を伝達する面積が増
加する。またこのように面積が増加することで、冷却液
化して下降して来る冷媒の単位面積当たりの液膜厚を全
体的に薄くする。
等において駆動し、それにより余分な熱を発生する。発
熱体において発生した熱は冷媒に吸収され、冷媒を沸騰
気化させる。発生した冷媒の蒸気は熱サイフォン効果に
よって放熱部内を上昇し、放熱部内面に接して配置され
た凝縮促進手段に熱を伝え、冷却されて再び液化する。
液化した冷媒は重力により下方に垂れ、下部の冷却槽に
戻る。よって発熱体で発生した余分な熱は、冷媒、熱吸
収手段、放熱部を伝って大気に放出される。また凝縮促
進手段を付けることで放熱部内の熱を伝達する面積が増
加する。またこのように面積が増加することで、冷却液
化して下降して来る冷媒の単位面積当たりの液膜厚を全
体的に薄くする。
【０００８】さらに、凝縮促進手段を上下に複数に分割
したり穴を形成したりすることにより、液膜成長を防止
し最大液膜厚をさらに薄くする。
したり穴を形成したりすることにより、液膜成長を防止
し最大液膜厚をさらに薄くする。
【０００９】
【発明の効果】以上の作用を有する本発明によれば、放
熱部内に接して凝縮促進手段を配置することにより、実
質的に放熱部内の放熱面積が増加する。これにより、沸
騰気化して上昇して来る冷媒の単位体積当たりの伝熱面
積が増加し、放熱特性を向上させることができる。また
冷却液化して下降して来る冷媒の単位面積当たりの液膜
厚を全体的に薄くすることで、液膜の熱抵抗の増大によ
る放熱特性低下を防止でき、熱伝達効率を高めることが
できる。さらに液膜成長を防止することにより最大液膜
厚を薄くして液膜の熱抵抗を小さくできる。これによ
り、放熱特性を低下せずに装置全体の小型化が実現でき
る。
熱部内に接して凝縮促進手段を配置することにより、実
質的に放熱部内の放熱面積が増加する。これにより、沸
騰気化して上昇して来る冷媒の単位体積当たりの伝熱面
積が増加し、放熱特性を向上させることができる。また
冷却液化して下降して来る冷媒の単位面積当たりの液膜
厚を全体的に薄くすることで、液膜の熱抵抗の増大によ
る放熱特性低下を防止でき、熱伝達効率を高めることが
できる。さらに液膜成長を防止することにより最大液膜
厚を薄くして液膜の熱抵抗を小さくできる。これによ
り、放熱特性を低下せずに装置全体の小型化が実現でき
る。
【００１０】
（第１実施例）以下本発明の第１実施例の沸騰冷却装置
を図面に基づき説明する。図１（ａ）は本発明の第１実
施例による沸騰冷却装置を電気自動車用の沸騰冷却装置
に用いた場合の概略図である。概略的には圧延鋼板製の
冷却槽２０（冷却槽）の中に被冷却物である半導体素子
７０（発熱体）がマウントされており、この半導体素子
７０を浸すのに充分な量のフロロカーボン系の冷媒６０
が注入されている。また冷却槽２０の壁面に複数の気密
端子５０が取り付けられ、半導体素子７０に配線されて
いる。冷却槽２０の上部には、偏平断面を持つアルミ製
のチューブ１０２が一方の開口面を下にし、他方の開口
面を密閉して、冷却槽２０と一体気密構造となるように
付けられている。そして冷却槽２０の側面にはアルミ製
のコルゲートフィン１０１が接続され、熱交換器１０
（放熱部）が構成されている。また熱交換器１０の内部
には、熱交換器１０の内部表面積を増加させるインナー
フィン１４０（凝縮促進手段）がろう付等で取り付けら
れている。図１（ｂ）は熱交換器１０の概略図である。
本実施例では、インナーフィン１４０は上部から見て波
型になるように構成されている。
を図面に基づき説明する。図１（ａ）は本発明の第１実
施例による沸騰冷却装置を電気自動車用の沸騰冷却装置
に用いた場合の概略図である。概略的には圧延鋼板製の
冷却槽２０（冷却槽）の中に被冷却物である半導体素子
７０（発熱体）がマウントされており、この半導体素子
７０を浸すのに充分な量のフロロカーボン系の冷媒６０
が注入されている。また冷却槽２０の壁面に複数の気密
端子５０が取り付けられ、半導体素子７０に配線されて
いる。冷却槽２０の上部には、偏平断面を持つアルミ製
のチューブ１０２が一方の開口面を下にし、他方の開口
面を密閉して、冷却槽２０と一体気密構造となるように
付けられている。そして冷却槽２０の側面にはアルミ製
のコルゲートフィン１０１が接続され、熱交換器１０
（放熱部）が構成されている。また熱交換器１０の内部
には、熱交換器１０の内部表面積を増加させるインナー
フィン１４０（凝縮促進手段）がろう付等で取り付けら
れている。図１（ｂ）は熱交換器１０の概略図である。
本実施例では、インナーフィン１４０は上部から見て波
型になるように構成されている。
【００１１】このような構成において、半導体素子７０
は気密端子５０を通して気密状態で通電され、素子の電
力ロス分を発熱する。半導体素子７０において発生した
熱は周囲の冷媒６０に吸収され、冷媒６０を沸騰させ
る。発生した冷媒６０の蒸気は熱サイフォン効果によっ
てチューブ１０２内を上昇し、インナーフィン１４０及
びチューブ１０２に熱を伝えて冷却され、再び液化す
る。液化した冷媒６０は重力により下部の冷却槽２０に
戻る。よって半導体素子７０で発生した熱は、冷媒６
０、インナーフィン１４０、チューブ１０２、コルゲー
トフィン１０１を伝って大気に放出される。
は気密端子５０を通して気密状態で通電され、素子の電
力ロス分を発熱する。半導体素子７０において発生した
熱は周囲の冷媒６０に吸収され、冷媒６０を沸騰させ
る。発生した冷媒６０の蒸気は熱サイフォン効果によっ
てチューブ１０２内を上昇し、インナーフィン１４０及
びチューブ１０２に熱を伝えて冷却され、再び液化す
る。液化した冷媒６０は重力により下部の冷却槽２０に
戻る。よって半導体素子７０で発生した熱は、冷媒６
０、インナーフィン１４０、チューブ１０２、コルゲー
トフィン１０１を伝って大気に放出される。
【００１２】従って本実施例では、インナーフィン１４
０によって熱交換器１０の伝熱面積を実質的に増加させ
たことにより、熱伝達効率を高めることができる。また
面積の増加により、冷却液化して下降して来る冷媒２０
の液膜（図１（ａ）中の１５０）を均等に薄くすること
ができる（同量の冷媒２０を降下させる場合、広面積な
程、単位面積当たりの冷媒量は減少する）ため、液膜の
熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止でき、さらに熱
伝達効率を高めることができる。従って放熱特性を向上
しつつ装置全体の小型化が実現できる。
０によって熱交換器１０の伝熱面積を実質的に増加させ
たことにより、熱伝達効率を高めることができる。また
面積の増加により、冷却液化して下降して来る冷媒２０
の液膜（図１（ａ）中の１５０）を均等に薄くすること
ができる（同量の冷媒２０を降下させる場合、広面積な
程、単位面積当たりの冷媒量は減少する）ため、液膜の
熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止でき、さらに熱
伝達効率を高めることができる。従って放熱特性を向上
しつつ装置全体の小型化が実現できる。
【００１３】ここで本実施例において、チューブ１０２
を冷却槽２０と一体化にしたことにより、従来の循環式
に比べ冷媒の冷却液槽から気化、液化して再び冷却槽に
至る経路が短いため、液面の変化を小さく抑えることが
でき、また冷媒の量も減少できる。またチューブ１０２
を偏平としたことで、その平面部に冷却フィンを簡単に
取り着けることができ、しかもフィンは通風時に熱伝達
率が非常に高いコルゲートフィン１０１を用いているた
め、小型で高い冷却性能を得ることができる。一般的に
高い冷却性能を得るために強制冷却用の送風ファンを用
いるが、本実施例の沸騰冷却装置においては偏平チュー
ブを使用しているため、同じ断面積を持つ円管チューブ
に比べて送風時の空気抵抗が減少でき、送風ファンも小
型小電力の物を用いるだけでさらに高い冷却性能を得る
ことができる。このことは、消費電力や車体重量によっ
て走行距離が大きく変わる電気自動車に対して大きな利
点となる。また、本実施例の沸騰冷却装置の熱交換器１
０を製作するにおいて、インナーフィン１４０が挿入さ
れていない場合には、チューブ１０２は薄肉であるため
に反りを生じやすく、コルゲートフィン１０１とチュー
ブ１０２とのろう付がうまく行えない場合がある。しか
し、本実施例における様にインナーフィン１４０が挿入
されている場合には、チューブ１０２は反りを生じにく
く、コルゲートフィン１０１とチューブ１０２とのろう
付がし易いという効果を有する。さらに、装置作動中の
圧力変動に対しても、チューブ１０２内に配置されたイ
ンナーフィン１４０が補強材の役割を果たし、耐圧性が
向上するという効果も有する。
を冷却槽２０と一体化にしたことにより、従来の循環式
に比べ冷媒の冷却液槽から気化、液化して再び冷却槽に
至る経路が短いため、液面の変化を小さく抑えることが
でき、また冷媒の量も減少できる。またチューブ１０２
を偏平としたことで、その平面部に冷却フィンを簡単に
取り着けることができ、しかもフィンは通風時に熱伝達
率が非常に高いコルゲートフィン１０１を用いているた
め、小型で高い冷却性能を得ることができる。一般的に
高い冷却性能を得るために強制冷却用の送風ファンを用
いるが、本実施例の沸騰冷却装置においては偏平チュー
ブを使用しているため、同じ断面積を持つ円管チューブ
に比べて送風時の空気抵抗が減少でき、送風ファンも小
型小電力の物を用いるだけでさらに高い冷却性能を得る
ことができる。このことは、消費電力や車体重量によっ
て走行距離が大きく変わる電気自動車に対して大きな利
点となる。また、本実施例の沸騰冷却装置の熱交換器１
０を製作するにおいて、インナーフィン１４０が挿入さ
れていない場合には、チューブ１０２は薄肉であるため
に反りを生じやすく、コルゲートフィン１０１とチュー
ブ１０２とのろう付がうまく行えない場合がある。しか
し、本実施例における様にインナーフィン１４０が挿入
されている場合には、チューブ１０２は反りを生じにく
く、コルゲートフィン１０１とチューブ１０２とのろう
付がし易いという効果を有する。さらに、装置作動中の
圧力変動に対しても、チューブ１０２内に配置されたイ
ンナーフィン１４０が補強材の役割を果たし、耐圧性が
向上するという効果も有する。
【００１４】（第２実施例）以下に本発明の第２実施例
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図２は本
発明の第２実施例の沸騰冷却装置を示す図である。この
図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器
１０内部に形成されたインナーフィン１４０が、縦方向
に複数に分割されていることである。また図３は熱交換
器１０の概略図である。
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図２は本
発明の第２実施例の沸騰冷却装置を示す図である。この
図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器
１０内部に形成されたインナーフィン１４０が、縦方向
に複数に分割されていることである。また図３は熱交換
器１０の概略図である。
【００１５】このようにインナーフィン１４０を分割す
ることにより、液膜の成長を抑制することができる。図
４は沸騰気化して上昇した冷媒６０の蒸気が、インナー
フィン１４０に接触して非常に薄い液膜１５０を形成し
た様子を示す図である。この場合冷媒６０は粘性力と重
力が釣り合った状態で下方に流下する。その途中におい
ても次々と蒸気が凝縮していくので、液膜１５０の厚さ
は下方に行く程徐々に厚くなる。前述のようにこの液膜
１５０は、蒸気からインナーフィン１４０への熱伝達に
対して抵抗となる。ところが図４のようにインナーフィ
ン１４０を分割することにより、液膜が成長する前に再
び雫状になるので液膜を全体的に薄くすることができ
る。
ることにより、液膜の成長を抑制することができる。図
４は沸騰気化して上昇した冷媒６０の蒸気が、インナー
フィン１４０に接触して非常に薄い液膜１５０を形成し
た様子を示す図である。この場合冷媒６０は粘性力と重
力が釣り合った状態で下方に流下する。その途中におい
ても次々と蒸気が凝縮していくので、液膜１５０の厚さ
は下方に行く程徐々に厚くなる。前述のようにこの液膜
１５０は、蒸気からインナーフィン１４０への熱伝達に
対して抵抗となる。ところが図４のようにインナーフィ
ン１４０を分割することにより、液膜が成長する前に再
び雫状になるので液膜を全体的に薄くすることができ
る。
【００１６】従って液膜の熱抵抗の増大による放熱特性
低下を防止でき、伝熱面積も増加することでさらに熱伝
達効率を高めることができる。よって放熱特性を向上し
つつ装置全体の小型化が実現できる。 （第３実施例）以下に本発明の第３実施例である沸騰冷
却装置を図面を用いて説明する。図５は本発明の第３実
施例の沸騰冷却装置を示す図である。この図において図
１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器１０内部に形
成されたインナーフィン１４０が縦方向に複数に分割さ
れており、その分割されたインナーフィン１４０の山と
谷が、隣会う（真下の）他のインナーフィン１４０の山
と谷とそれぞれずらされて配置されていることである。
低下を防止でき、伝熱面積も増加することでさらに熱伝
達効率を高めることができる。よって放熱特性を向上し
つつ装置全体の小型化が実現できる。 （第３実施例）以下に本発明の第３実施例である沸騰冷
却装置を図面を用いて説明する。図５は本発明の第３実
施例の沸騰冷却装置を示す図である。この図において図
１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器１０内部に形
成されたインナーフィン１４０が縦方向に複数に分割さ
れており、その分割されたインナーフィン１４０の山と
谷が、隣会う（真下の）他のインナーフィン１４０の山
と谷とそれぞれずらされて配置されていることである。
【００１７】図６は分割したインナーフィン１４０を上
から見た様子を示す図である。図６（ａ）は隣会うイン
ナーフィン１４０のピッチｌが同じで、その配置が異な
る場合である。また図６（ｂ）は隣会うインナーフィン
１４０のピッチｌ1 ，ｌ2 が異なる場合である。このよ
うに分割したインナーフィン１４０を徐々にずらして配
置することにより、冷却液化してインナーフィン１４０
を伝って降下する雫状の冷媒６０が直下のインナーフィ
ン１４０に付着して下のインナーフィン１４０において
液膜が成長してしまうという現象を抑制することができ
る。従って液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低下を防
止でき、さらに熱伝達効率を高めることができる。よっ
て放熱特性を向上しつつ装置全体の小型化が実現でき
る。
から見た様子を示す図である。図６（ａ）は隣会うイン
ナーフィン１４０のピッチｌが同じで、その配置が異な
る場合である。また図６（ｂ）は隣会うインナーフィン
１４０のピッチｌ1 ，ｌ2 が異なる場合である。このよ
うに分割したインナーフィン１４０を徐々にずらして配
置することにより、冷却液化してインナーフィン１４０
を伝って降下する雫状の冷媒６０が直下のインナーフィ
ン１４０に付着して下のインナーフィン１４０において
液膜が成長してしまうという現象を抑制することができ
る。従って液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低下を防
止でき、さらに熱伝達効率を高めることができる。よっ
て放熱特性を向上しつつ装置全体の小型化が実現でき
る。
【００１８】（第４実施例）以下に本発明の第４実施例
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図７は本
発明の第４実施例の沸騰冷却装置を示す図である。この
図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器
１０内部に形成されるインナーフィン１４０をコルゲー
ティッドルーバフィンで形成することである。
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図７は本
発明の第４実施例の沸騰冷却装置を示す図である。この
図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器
１０内部に形成されるインナーフィン１４０をコルゲー
ティッドルーバフィンで形成することである。
【００１９】図７のように構成することにより、沸騰気
化して上昇して来る冷媒６０がインナーフィン１４０の
穴を通り抜け易くなる。これにより熱交換器１０内で蒸
気の拡散が起こり、熱交換器１０内の熱の偏りを防止す
ることができる。またコルゲーティッドルーバフィンの
ルーバにより図４（ｂ）と同様に液膜の成長を抑制する
ことができ、液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低下を
防止できる。
化して上昇して来る冷媒６０がインナーフィン１４０の
穴を通り抜け易くなる。これにより熱交換器１０内で蒸
気の拡散が起こり、熱交換器１０内の熱の偏りを防止す
ることができる。またコルゲーティッドルーバフィンの
ルーバにより図４（ｂ）と同様に液膜の成長を抑制する
ことができ、液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低下を
防止できる。
【００２０】上述のように本実施例では、熱を効率良く
インナーフィン１４０で吸収できるため、放熱特性を向
上しつつ装置全体の小型化が実現できる。また上記実施
例と同様に熱交換器１０の伝熱面積を実質的に増加させ
たことにより、冷却液化して下降して来る冷媒６０の液
膜を均等に薄くすることができるため、液膜の熱抵抗の
増大による放熱特性低下を防止でき、熱伝達効率を高め
ることができる。
インナーフィン１４０で吸収できるため、放熱特性を向
上しつつ装置全体の小型化が実現できる。また上記実施
例と同様に熱交換器１０の伝熱面積を実質的に増加させ
たことにより、冷却液化して下降して来る冷媒６０の液
膜を均等に薄くすることができるため、液膜の熱抵抗の
増大による放熱特性低下を防止でき、熱伝達効率を高め
ることができる。
【００２１】また本実施例では図８のように、熱交換器
１０内部に形成されたインナーフィン１４０を、縦方向
に複数に分割しても良い。このようにインナーフィン１
４０を分割することにより、さらに液膜を全体的に薄く
することができ、液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低
下を防止してさらに熱伝達効率を高めることができる。
１０内部に形成されたインナーフィン１４０を、縦方向
に複数に分割しても良い。このようにインナーフィン１
４０を分割することにより、さらに液膜を全体的に薄く
することができ、液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低
下を防止してさらに熱伝達効率を高めることができる。
【００２２】（第５実施例）以下に本発明の第５実施例
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図９は本
発明の第５実施例の沸騰冷却装置を示す図である。この
図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器
１０内部に形成されるインナーフィン１４０の片面に穴
部を形成したことである。
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図９は本
発明の第５実施例の沸騰冷却装置を示す図である。この
図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換器
１０内部に形成されるインナーフィン１４０の片面に穴
部を形成したことである。
【００２３】このようにすることにより、液膜の成長を
抑制することができる。すなわち、液膜が成長する前に
再び雫状になるので液膜を全体的に薄くすることがで
き、液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止して
さらに熱伝達効率を高めることができる。よって放熱特
性を向上しつつ装置全体の小型化が実現できる。本実施
例において、穴部は図９に示すように略方形状でも良い
し、略円状等としても良い。また図１０に示すようにイ
ンナーフィン１４０の両面に交互に穴部を形成しても良
い。これにより、液膜の成長を抑制するだけでなく、熱
交換器１０内で蒸気の拡散により、熱交換器１０内の熱
の偏りを防止することができる。従って、放熱特性を向
上しつつ装置全体の小型化が実現できる。なお、穴部は
図１０に示したように両面に交互に形成することによ
り、穴部のピッチも短くでき、さらに液膜の成長を抑制
することができる。
抑制することができる。すなわち、液膜が成長する前に
再び雫状になるので液膜を全体的に薄くすることがで
き、液膜の熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止して
さらに熱伝達効率を高めることができる。よって放熱特
性を向上しつつ装置全体の小型化が実現できる。本実施
例において、穴部は図９に示すように略方形状でも良い
し、略円状等としても良い。また図１０に示すようにイ
ンナーフィン１４０の両面に交互に穴部を形成しても良
い。これにより、液膜の成長を抑制するだけでなく、熱
交換器１０内で蒸気の拡散により、熱交換器１０内の熱
の偏りを防止することができる。従って、放熱特性を向
上しつつ装置全体の小型化が実現できる。なお、穴部は
図１０に示したように両面に交互に形成することによ
り、穴部のピッチも短くでき、さらに液膜の成長を抑制
することができる。
【００２４】（第６実施例）以下に本発明の第６実施例
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図１１は
本発明の第６実施例の沸騰冷却装置を示す図である。こ
の図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換
器１０内部に形成される凝縮促進手段として、切り込み
形成したルーバを有する板状部材を用いたことである。
また図１２は熱交換器１０の概略図である。
である沸騰冷却装置を図面を用いて説明する。図１１は
本発明の第６実施例の沸騰冷却装置を示す図である。こ
の図において図１の沸騰冷却装置と異なるのは、熱交換
器１０内部に形成される凝縮促進手段として、切り込み
形成したルーバを有する板状部材を用いたことである。
また図１２は熱交換器１０の概略図である。
【００２５】本実施例において、ルーバ上に付着した冷
媒６０はチューブ１０２の中央部に落下するために液膜
の成長が抑制されるため、液膜の熱抵抗の増大による放
熱特性低下を防止してさらに熱伝達効率を高めることが
できる。これにより放熱特性を向上しつつ装置全体の小
型化が実現できる。 （第７実施例）以下に本発明の第７実施例である沸騰冷
却装置を図面を用いて説明する。図１３は本発明の第７
実施例の沸騰冷却装置を示す図である。上記第１〜第６
実施例では、一本のチューブ１０２から成る熱交換器１
０を有する直接冷却方式の沸騰冷却装置を用いてその作
用効果を説明したが、本発明は図１３のように複数のチ
ューブ１０２を並列接続した熱交換器１０を有する間接
冷却方式の沸騰冷却装置に適用しても良い。この図にお
いて本実施例における沸騰冷却装置は、熱交換器１０、
インナーフィン１４０、コルゲートフィン１０１、冷却
槽２０、冷媒６０、パワーパック１１０よりなる。冷却
槽２０の内部には冷媒６０が封入されている。熱交換器
１０とパワーパック１１０はＯリング１３０を介してボ
ルト１３３にて取り付けられている。ここで放熱面１１
１は銅等の熱伝導性の良い材質であり、冷媒６０は水で
ある。コルゲートフィン１０１は熱交換器１０に接着固
定されている。パワーパック１１０の中にはシリコンゲ
ル１１４が半導体素子７０を保護するために充填されて
いる。図１３に示すように熱交換器１０は、冷媒６０が
銅板１１３の放熱面１１１からの熱を吸収するようにパ
ワーパック１１０の上方に配される。コルゲートフィン
１０１は熱交換器１０の伝熱面積を拡大し、かつコルゲ
ートフィン１０１の前縁効果により放熱効率を良くする
ものである。またインナーフィン１４０は図１（ｂ）の
ようなフィンを用いても良いし、図７のようなコルゲー
ティッドルーバフィンを用いても良い。
媒６０はチューブ１０２の中央部に落下するために液膜
の成長が抑制されるため、液膜の熱抵抗の増大による放
熱特性低下を防止してさらに熱伝達効率を高めることが
できる。これにより放熱特性を向上しつつ装置全体の小
型化が実現できる。 （第７実施例）以下に本発明の第７実施例である沸騰冷
却装置を図面を用いて説明する。図１３は本発明の第７
実施例の沸騰冷却装置を示す図である。上記第１〜第６
実施例では、一本のチューブ１０２から成る熱交換器１
０を有する直接冷却方式の沸騰冷却装置を用いてその作
用効果を説明したが、本発明は図１３のように複数のチ
ューブ１０２を並列接続した熱交換器１０を有する間接
冷却方式の沸騰冷却装置に適用しても良い。この図にお
いて本実施例における沸騰冷却装置は、熱交換器１０、
インナーフィン１４０、コルゲートフィン１０１、冷却
槽２０、冷媒６０、パワーパック１１０よりなる。冷却
槽２０の内部には冷媒６０が封入されている。熱交換器
１０とパワーパック１１０はＯリング１３０を介してボ
ルト１３３にて取り付けられている。ここで放熱面１１
１は銅等の熱伝導性の良い材質であり、冷媒６０は水で
ある。コルゲートフィン１０１は熱交換器１０に接着固
定されている。パワーパック１１０の中にはシリコンゲ
ル１１４が半導体素子７０を保護するために充填されて
いる。図１３に示すように熱交換器１０は、冷媒６０が
銅板１１３の放熱面１１１からの熱を吸収するようにパ
ワーパック１１０の上方に配される。コルゲートフィン
１０１は熱交換器１０の伝熱面積を拡大し、かつコルゲ
ートフィン１０１の前縁効果により放熱効率を良くする
ものである。またインナーフィン１４０は図１（ｂ）の
ようなフィンを用いても良いし、図７のようなコルゲー
ティッドルーバフィンを用いても良い。
【００２６】図１３の側面図を図１４に示す。本実施例
において、強制冷却ファンは軸流ファン３０２を使用
し、これによりコルゲートフィン１０１へ送風する。送
風方向は図示６０２に示すように吸い込んでもよいし、
また逆に送風してもよい。熱交換器１０、コルゲートフ
ィンは前述のようにＡｌ等の金属よりなる。低温での使
用に際しては、冷媒６に不凍液等を混ぜ凝固点を低くし
たり、第１から６実施例に示したようにフロロカーボン
等の流動点の低い液体を用いる。
において、強制冷却ファンは軸流ファン３０２を使用
し、これによりコルゲートフィン１０１へ送風する。送
風方向は図示６０２に示すように吸い込んでもよいし、
また逆に送風してもよい。熱交換器１０、コルゲートフ
ィンは前述のようにＡｌ等の金属よりなる。低温での使
用に際しては、冷媒６に不凍液等を混ぜ凝固点を低くし
たり、第１から６実施例に示したようにフロロカーボン
等の流動点の低い液体を用いる。
【００２７】このような構成において半導体素子７０が
発熱すると、銅板１１３の放熱面１１１に熱が伝わり冷
媒６０を沸騰気化させる。この時、冷媒６０と放熱面１
１１の間で沸騰による高効率な熱伝達が行われる。沸騰
時の熱伝達率は自然対流時の１００〜１０００倍にも達
する。冷媒６０は水から蒸気に変化し、沸騰気化した蒸
気はチューブ１０２を上昇して通路内を循環する。蒸気
はチューブ１０２の内面のインナーフィン１４０及びチ
ューブ１０２に接触すると凝縮して水となり潜熱を放出
する。放出された熱はコルゲートフィン１０１へと伝わ
り、コルゲートフィンは軸流ファン３０２からの送風に
より冷却される。
発熱すると、銅板１１３の放熱面１１１に熱が伝わり冷
媒６０を沸騰気化させる。この時、冷媒６０と放熱面１
１１の間で沸騰による高効率な熱伝達が行われる。沸騰
時の熱伝達率は自然対流時の１００〜１０００倍にも達
する。冷媒６０は水から蒸気に変化し、沸騰気化した蒸
気はチューブ１０２を上昇して通路内を循環する。蒸気
はチューブ１０２の内面のインナーフィン１４０及びチ
ューブ１０２に接触すると凝縮して水となり潜熱を放出
する。放出された熱はコルゲートフィン１０１へと伝わ
り、コルゲートフィンは軸流ファン３０２からの送風に
より冷却される。
【００２８】従って本実施例においてもインナーフィン
１４０によって熱交換器１０の伝熱面積を実質的に増加
させたことにより、熱伝達効率を高めることができる。
また面積の増加により、冷却液化して下降して来る冷媒
６０の液膜を均等に薄くすることができるため、液膜の
熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止でき、さらに熱
伝達効率を高めることができる。従って放熱特性を向上
しつつ装置全体の小型化が実現できる。
１４０によって熱交換器１０の伝熱面積を実質的に増加
させたことにより、熱伝達効率を高めることができる。
また面積の増加により、冷却液化して下降して来る冷媒
６０の液膜を均等に薄くすることができるため、液膜の
熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止でき、さらに熱
伝達効率を高めることができる。従って放熱特性を向上
しつつ装置全体の小型化が実現できる。
【００２９】本実施例においては、図１５に示したよう
にインナーフィン１４０を上下方向に分割しても良い。
前述のようにインナーフィン１４０を分割することによ
り、さらに液膜を全体的に薄くすることができ、液膜の
熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止してさらに熱伝
達効率を高めることができる。なお図３，図５，図８，
図１５においては、図１６のようにインナーフィン１４
０の下部の一部を削って尖らせることにより、インナー
フィン１４０に付着した冷媒６０が雫状になり易くな
り、下方に流下しやすくなる。これにより液膜の成長を
さらに抑制することができる。また、上記第１〜第７実
施例で、チューブ１０２内表面及びインナーフィン１４
０の表面に金・銀・クロム等の貴金属類をめっきするこ
とにより、液膜を形成する膜状凝縮ではなく液滴を生じ
させる滴状凝縮が起こり易くなり、熱伝達率を大幅に向
上させることができる。そしてインナーフィン１４０は
波型に限られた訳ではなく、例えば図１７に示すように
略方形状としても良い。
にインナーフィン１４０を上下方向に分割しても良い。
前述のようにインナーフィン１４０を分割することによ
り、さらに液膜を全体的に薄くすることができ、液膜の
熱抵抗の増大による放熱特性低下を防止してさらに熱伝
達効率を高めることができる。なお図３，図５，図８，
図１５においては、図１６のようにインナーフィン１４
０の下部の一部を削って尖らせることにより、インナー
フィン１４０に付着した冷媒６０が雫状になり易くな
り、下方に流下しやすくなる。これにより液膜の成長を
さらに抑制することができる。また、上記第１〜第７実
施例で、チューブ１０２内表面及びインナーフィン１４
０の表面に金・銀・クロム等の貴金属類をめっきするこ
とにより、液膜を形成する膜状凝縮ではなく液滴を生じ
させる滴状凝縮が起こり易くなり、熱伝達率を大幅に向
上させることができる。そしてインナーフィン１４０は
波型に限られた訳ではなく、例えば図１７に示すように
略方形状としても良い。
【００３０】なお本発明は電気自動車に限られたもので
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、構
成または形状を任意に変更して、他の電力用半導体素子
または発熱素子等の発熱体に対して実施できるものであ
る。
はなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、構
成または形状を任意に変更して、他の電力用半導体素子
または発熱素子等の発熱体に対して実施できるものであ
る。
【図１】（ａ）は、本発明の第１実施例における沸騰冷
却装置を示す図である。（ｂ）は、図１（ａ）に示す沸
騰冷却装置の熱交換器を示す図である。
却装置を示す図である。（ｂ）は、図１（ａ）に示す沸
騰冷却装置の熱交換器を示す図である。
【図２】本発明の第２実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。
す図である。
【図３】図２に示す沸騰冷却装置の熱交換器を示す図で
ある。
ある。
【図４】（ａ）と（ｂ）は図２に示す沸騰冷却装置にお
けるインナーフィン上の液膜の様子を示す図である。
けるインナーフィン上の液膜の様子を示す図である。
【図５】本発明の第３実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。
す図である。
【図６】（ａ）と（ｂ）は図５に示す沸騰冷却装置にお
けるインナーフィンを上から見た図である。
けるインナーフィンを上から見た図である。
【図７】本発明の第４実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。
す図である。
【図８】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す図
である。
である。
【図９】本発明の第５実施例における沸騰冷却装置を示
す図である。
す図である。
【図１０】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す
図である。
図である。
【図１１】本発明の第６実施例における沸騰冷却装置を
示す図である。
示す図である。
【図１２】図９に示す沸騰冷却装置の熱交換器を示す図
である。
である。
【図１３】本発明の第７実施例である沸騰冷却装置を示
す図である。
す図である。
【図１４】図１６に示す沸騰冷却装置を横から見た図で
ある。
ある。
【図１５】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す
図である。
図である。
【図１６】本発明の第８実施例における沸騰冷却装置を
示す図である。
示す図である。
【図１７】本発明の一実施例である沸騰冷却装置を示す
図である。
図である。
【図１８】従来の沸騰冷却式半導体装置を示す図であ
る。
る。
１０ 熱交換器（放熱部）
１０１ コルゲートフィン
１０２ チューブ
１１０ パワーパック
１１１ 放熱面
１１３ 銅板
１１４ シリコンゲル
１３０ Ｏリング
１３３ ボルト
１４０ インナーフィン（凝縮促進手段）
１５０ 液膜
２０ 冷却槽
３０２ 軸流ファン
５０ 気密端子
６０ 冷媒
６０２ 熱流
７０ 半導体素子（発熱体）
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 古川 隆
愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本
電装株式会社内
(72)発明者 鈴木 昌彦
愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 日本
電装株式会社内
(56)参考文献 特開 昭58−131755（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−761（ＪＰ，Ａ)
特開 昭60−109334（ＪＰ，Ａ)
実開 昭55−14740（ＪＰ，Ｕ)
実開 平５−6851（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01L 23/34 - 23/473
Claims (11)
- 【請求項１】 電気回路等で用いられ、駆動することに
より熱を発生する発熱体と、 前記発熱体の発する熱を吸収し、その熱によって気化す
る液状の冷媒と、 前記冷媒を入れる冷却槽と、 一方の開口面が前記冷却槽に取り付けられるとともに、
他方の開口面が密閉して取り付けられ、前記気化して上
昇して来る冷媒を冷却液化して前記冷却槽に戻す筒状の
放熱部と、前記放熱部内に配され、冷媒が通過する冷媒通路を細流
路に区画するとともに、 前記冷媒から前記放熱部への放
熱を高める凝縮促進手段とを備え、 この凝縮促進手段の少なくとも一部分は、冷媒流れ方向
において分断されている ことを特徴とする沸騰冷却装
置。 - 【請求項２】 前記凝縮促進手段は、前記放熱部内の内
面積を増加させ、沸騰気化して上昇した前記冷媒から熱
を吸収し易くする構造であることを特徴とする請求項１
記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項３】 前記凝縮促進手段はフィンであることを
特徴とする請求項１または請求項２記載の沸騰冷却装
置。 - 【請求項４】 前記凝縮促進手段は、重力方向において
複数に分割されていることを特徴とする請求項１乃至３
のうちいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項５】 前記凝縮促進手段は波型部材で構成され
ていることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか
１つに記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項６】 前記凝縮促進手段は、上方から見て波型
となるように前記放熱部内に配されることを特徴とする
請求項５記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項７】 前記凝縮促進手段の波型形状の山と谷
が、隣あう他の前記波型部材の山と谷とそれぞれずらさ
れて配置されていることを特徴とする請求項１乃至６の
うちいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項８】 前記凝縮促進手段の下端部は下方に突出
した形状を有し、前記放熱部内に付着した前記冷媒を前
記冷却槽に戻り易くする構造であることを特徴とする請
求項１乃至７のうちいずれか１つに記載の沸騰冷却装
置。 - 【請求項９】 前記凝縮促進手段は、切り起こし形成さ
れたルーバ部が設けられていることを特徴とする請求項
１乃至８のうちいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項１０】 前記ルーバ部の開放端側が他端側より
も下にある構造とし、前記放熱部内に付着した前記冷媒
を前記冷却槽に戻り易くする構造であることを特徴とす
る請求項９記載の沸騰冷却装置。 - 【請求項１１】 前記凝縮促進手段は、穴が形成されて
いることを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか
１つに記載の沸騰冷却装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32235093A JP3384066B2 (ja) | 1993-12-21 | 1993-12-21 | 沸騰冷却装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32235093A JP3384066B2 (ja) | 1993-12-21 | 1993-12-21 | 沸騰冷却装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07176662A JPH07176662A (ja) | 1995-07-14 |
| JP3384066B2 true JP3384066B2 (ja) | 2003-03-10 |
Family
ID=18142666
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32235093A Expired - Lifetime JP3384066B2 (ja) | 1993-12-21 | 1993-12-21 | 沸騰冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3384066B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2011050197A (ja) | 2009-08-28 | 2011-03-10 | Hitachi Ltd | 電力変換装置 |
| TWI498519B (zh) * | 2012-12-27 | 2015-09-01 | Giga Byte Tech Co Ltd | 散熱模組 |
| CN116156830A (zh) * | 2021-11-19 | 2023-05-23 | 北京比特大陆科技有限公司 | 一种冷却装置和电子设备 |
-
1993
- 1993-12-21 JP JP32235093A patent/JP3384066B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07176662A (ja) | 1995-07-14 |
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