JP3841944B2 - プレートフィン型素子冷却器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体冷却素子として利用される沸騰冷却器の改良に係り、熱交換効率に優れたプレートフィン型素子冷却器に冷媒液としていわゆるフロン系から純水系水溶液に変更し使用した際の水素の発生を、アルミニウムの表面処理と特定の冷媒液を使用することにより防止し、長期的に安定して使用できる構成からなるプレートフィン型素子冷却器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般産業分野での交流電源制御技術あるいは鉄道車両の動力として、所謂インバーターモーターが採用され、インバーターによる電源の制御が行われている。そこで、ダイオード、トランジスタ、サイリスタなどの半導体素子を使用して電力の変換、制御、開閉を行うパワーエレクトロニクス技術では、かかる半導体素子の冷却が不可欠である。
【０００３】
従来の素子冷却器は、動作冷媒の蒸発と凝縮により熱を移動させるサーモサイホンの原理による、所謂ヒートパイプを使用し、パイプの一端側に着設した素子の熱がパイプ内の冷媒液体を蒸発させ、パイプの他端側に設けられた放熱フィンにて冷却され、蒸発ガスが凝縮すると液成分はパイプ内に内張したウィックと呼ばれる多孔質物質の毛細管現象で蒸発部へ還流することにより、素子の熱が移動して空気中に放熱される構成からなる。
【０００４】
また、内部に冷媒液を溜めた蒸発器の外面にサイリスタを設けてフロンなどの冷媒液を蒸発させて、蒸気管を介して凝縮器へ送り、放熱凝縮させた冷媒液を再度、戻り管で蒸発器の液溜に戻す沸騰冷媒冷却器において、全ての通路を傾斜させて凝縮液が滞留し凍結することを防止した構成が提案（特開平４−２５１１７８号）されている。
【０００５】
一方、出願人は、冷媒の凝縮をプレートフィン型熱交換器の凝縮部にて行うようにヘッダータンクを介して接続する蒸発部として、相互に連通する多数の中空通路を有する中空面板を用いこれに半導体素子を着設した構成となし、該中空通路内に表面に微細凹凸加工を施したフィンを設けたことにより、素子間のアンバランス負荷時においても均熱化が可能で、高密度熱流束や過負荷に対しても放熱性能にすぐれ、特に、素子の取付アレンジや大容量化に対して制約が少なく、小型軽量化が容易な素子冷却器を提案（特開平８−２０４０７５号）した。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の素子冷却器には、冷媒液にフロンが使用されていたが、今日、環境保全のためにフロンから水などへの媒体に変更されており、先の沸騰冷媒冷却器の構成では、銅製の冷却器に純水系水溶液を封入した例が示されている。
【０００７】
また、プレートフィン型の素子冷却器においても、純水へと冷却媒体の変更が行われるが、熱交換器の素材にアルミニウムが使用されるこの冷却器では、水腐食による水素の発生が懸念され、長期的に安定して使用できる構成のプレートフィン型素子冷却器が求められている。
【０００８】
この発明は、アルミニウム素材からなり、熱交換効率に優れたプレートフィン型素子冷却器において、冷媒液をフロンから純水等へ転換するに際し、水腐食を防止して水素の発生を防止し、長期的に安定して使用できる構成からなるプレートフィン型素子冷却器の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、水腐食を防止して水素の発生を防止できるプレートフィン型素子冷却器の構成を目的に種々検討し、冷却器素材のアルミニウムの表面処理に着目してさらに検討を加えた結果、純水で加圧加熱処理したアルミニウムを使用して冷却器を作製し、このリン酸塩の純水希釈溶液を冷媒液とすると、水素の発生が著しく減少するため、凝縮部に水素吸蔵合金を配設して僅かに発生した水素を吸収させると長期的に安定して使用できること、また、同様にリン酸塩の純水希釈溶液で処理したアルミニウムを使用して冷却器を作製し、このリン酸塩希釈溶液を冷媒液とすると、水素の発生が著しく減少することを知見し、この発明を完成した。
【００１０】
すなわち、この発明は、外表面に素子を着設する中空面板からなる蒸発部と、該蒸発部の中空通路部内とヘッダータンクを介して連通するプレートフィン型熱交換器からなる凝縮部とで構成され、内部に低沸点冷媒液を封入し、素子からの入熱を蒸発部での冷媒液の沸騰気化、凝縮部でのガス液化にて放熱可能となしたプレートフィン型素子冷却器において、冷媒液に接触する冷却器素材のアルミニウム又はアルミニウム合金が純水又はリン酸塩の純水希釈溶液で大気圧以上で加熱表面処理され、冷媒液に当該加熱処理を行ったものと同様のリン酸塩の純水希釈溶液を用いた、純水系冷媒の使用に伴う冷却器内での水素の発生を抑えたアルミニウム系のプレートフィン型素子冷却器である。
【００１１】
また、発明者らは、上記の構成のプレートフィン型素子冷却器において、
冷媒液にリン酸塩を含むエチレングリコール水溶液を用いた構成、
凝縮部内またはこれに連通する箇所に水素吸蔵合金、特に活性化処理した希土類系水素吸蔵合金に水分遮断膜にて被覆したものを収納可能にした構成、
リン酸塩の純水希釈溶液が中性、ｐＨ５〜８、すなわちリン酸塩の純水希釈溶液のリン酸イオン濃度が、５ｇ／ｌ〜１００ｇ／ｌである構成、を併せて提案する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
この発明において、冷却器はプレートフィン型であればいずれの構成であっても適用できるが、実施例で示すように外表面に素子を着設する中空面板からなる蒸発部と、該蒸発部の中空通路部内とヘッダータンクを介して連通するプレートフィン型熱交換器からなる凝縮部とで構成されることが望ましい。
【００１３】
この発明において、冷却器素材のアルミニウム又はアルミニウム合金には、例えば、Ａ１０５０、Ａ１１００、Ａ３００３、Ａ５０５２、Ａ６０６３、Ａ６０６１、ＢＡＳ２３１Ｐ（ブレージングシート）等を使用できる。
【００１４】
この発明において、リン酸塩の純水希釈溶液は、中性、ｐＨ５〜８、すなわちリン酸塩の純水希釈溶液のリン酸イオン濃度が、５ｇ／ｌ〜１００ｇ／ｌである理由は、ＰＯ₄ ^---イオンが５ｇ／ｌ未満では腐食抑制効果が十分得られず、ガスの発生防止効果も十分でないため、５ｇ／ｌ以上の濃度が必要であるが、１００ｇ／ｌを越えると均一な皮膜が得られ難くなりむらが出やすいため、上記範囲とする。
【００１５】
リン酸塩には、溶液となした際に上記の条件を満足するものであれば、公知のいずれのものを採用でき、例えば実施例では、リン酸二水素カリウムＫＨ₂ＰＯ₄に加えリン酸水素二ナトリウムＮａ₂ＨＰＯ₄を使用した。
【００１６】
この発明において、冷却器素材のアルミニウム又はアルミニウム合金を純水又はリン酸塩の純水希釈溶液で大気圧以上で加熱処理するが、加圧力３．０ｋｇ／ｃｍ²以下、温度９０〜１３０℃に限定する理由は、冷却器の使用環境より高温で処理することが望ましいためであり、１３０℃を越えると安定した被膜が形成され難いためである。
【００１７】
この発明において、冷媒液には冷却器素材に当該加熱処理を行った処理液と同等液を用いることを特徴とするが、全く同一物性を持つ必要はなく、処理液としての条件を満足する範囲であれば、いずれのものも採用できる。
【００１８】
この発明において、水素吸蔵合金には、希土類系水素吸蔵合金が好ましく、ミッシュメタル、例えば、Ｍｍ−Ｎｉ−Ａｌ系が好ましく、８０℃で１時間加熱処理するなどの活性化処理を施すことが望ましい。また、希土類系水素吸蔵合金は凝縮部への設置に際して、水分遮断膜にて被覆することが望ましく、フッ化ビニルフィルム等が使用できる。
【００１９】
【実施例】
実施例１
図３〜図５に示すように、前面に冷却用ファン２０が設置された水平方向の強制風冷式の凝縮部の下部に蒸発部を垂直方向に配置する構成で、凝縮部１０は、内部に熱交換用セレートフィンを配置し、その周囲をサイドバーにて囲った作動冷媒通路１２と凝縮のための空気用フィンを内部に配置し、上端はサイドバーで下端はヘッダー部材兼サイドバーで閉塞された空気通路１３とを下方に複数の連通孔を穿孔したチューブプレートを挟んで交互に積層し、ろう付けにて一体結合化し、図３で作動冷媒通路１２の流体は上下方向に、空気通路１３の流体は前後方向（図４では空気通路１３の流体は左右方向）に移動するよう構成されている。
【００２０】
蒸発部１の上下端は開放されており、上側が後述の凝縮部１０のヘッダータンク１１に望み、下側は蓋板４にて閉塞されるが、蓋板４と中空通路２下端との間に隙間５が形成され各中空通路２は同隙間にて相互に連通している。蒸発部１表面は両面とも半導体素子をねじ止めできるように所定位置にねじ穴６が設けられ、ここでは最大１２個の素子が着設できる。
【００２１】
素材のＡ３００３材に下記の４種の表面処理を施して上記構成のプレートフィン型冷却器を４種作製し、動作冷媒に純水（伝導度〜１μｓ／ｃｍ）を用いて、凝縮部を８０℃に保持して７００時間、水素ガスの発生状況を観察した。
【００２２】
表面処理は、
（１）純水中で１２０℃、２．０ｋｇ／ｃｍ²に加圧したもの、
（２）中性のリン酸塩水溶液（ＰＯ₄ ^---イオン濃度８ｇ／ｌ、ｐＨ６．９）中で１２０℃、２．０ｋｇ／ｃｍ²に加圧したもの、
（３）モノエチルアミン水溶液中で煮沸したもの、
（４）トリエタノールアミン水溶液中で煮沸したもの、の４種を行った。
【００２３】
水素ガスの発生状況は、経過時間と単位面積当たりのガス発生量（ｌ／ｍ²）で表したグラフの図１に示すとおりである。純水中で加圧熱処理したＡ３００３材で冷却器を作製し、動作冷媒に純水を用いた場合が最も水素の発生が少なく、かつ発生量が経時的に増加しないことが明らかである。
【００２４】
実施例２
実施例１で中性のリン酸塩中で加圧熱処理したＡ３００３材で冷却器を作製し、動作冷媒に、
（Ａ）純水、
（Ｂ）３０％エチレングリコール水溶液、
（Ｃ）中性リン酸塩水溶液水溶液、
を用いて、凝縮部を８０℃に保持して８００時間、水素ガスの発生状況を観察した。
【００２５】
水素ガスの発生状況は、経過時間と単位面積当たりのガス発生量（ｌ／ｍ²）で表したグラフの図２に示すとおりである。中性リン酸塩水溶液中で加圧熱処理したＡ３００３材で作製された冷却器で、動作冷媒に純水（Ａ）用いると４４０時間経過後に急速に水素ガスが発生して８００時間後は４．３１ｌ／ｍ²となるが、エチレングリコール水溶液（Ｂ）では８００時間後で０．０３ｌ／ｍ²と少なく、同じ中性リン酸塩水溶液（Ｃ）を使用すると水素ガスの発生が８００時間後でも皆無となる。
【００２６】
動作冷媒にエチレングリコール水溶液を用いた例を、８００時間後さらに連続して実施したところ、水素ガスが増加する傾向を確認しため、加圧熱処理時の中性リン酸塩水溶液にエチレングリコールを加えた水溶液を動作冷媒に用いたところ、水素ガスの発生を抑制でき、当初より使用すると上記の中性リン酸塩水溶液（Ｃ）と同様の効果を得た。
【００２７】
詳細は不明であるが、リン酸塩の純水希釈溶液は、ＰＯ₄イオンが遊離した溶液で、溶液で煮沸されて基板のアルミが該Ｐを取り込み、その結果アルミ表面が極めて安定化されて、冷媒液にも同じＰＯ₄イオンが遊離した溶液を使用することで、水素が発生しない効果を得ているものと推測される。
【００２８】
冷媒液にエチレングリコール水溶液を用いる場合は、濃度は実施例では３０％であったが、１０〜５０％の範囲が好ましいことを確認した。
【００２９】
実施例３
実施例２において、冷却器を実施例１で中性のリン酸塩中で加圧熱処理したＡ３００３材で冷却器を作製し、図３、図４に示すごとく、凝縮部１０の作動冷媒通路１２上端と連通するヘッダー部１４を設けて内部にフッ化ビニルフィルムで被覆した希土類系水素吸蔵合金を配設し、実施例２と同様条件で凝縮部を８０℃に保持して８００時間、水素ガスの発生状況を観察した結果、（Ａ）、（Ｂ）の動作冷媒で発生した水素ガスを吸着して水素ガスが皆無となった。
【００３０】
図示しないが、ヘッダー部１４に配設する希土類系水素吸蔵合金は、ここではカートリッジに収納されており、このカートリッジが着脱自在の構成でヘッダー部１４に収容され凝縮部１０と連通するもので、凝縮部１０に直接このカートリッジに収納可能にする構成も採用できる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明は、アルミニウム素材からなり、熱交換効率に優れたプレートフィン型素子冷却器において、リン酸塩の純水希釈溶液で処理したアルミニウムを使用して冷却器を作製し、このリン酸塩希釈溶液を冷媒液とすると、水素の発生が著しく減少し、冷媒液をフロンから純水等へ転換するに際し、水腐食を防止して水素の発生を防止し、長期的に安定して使用できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】水素ガスの発生状況を経過時間と単位面積当たりのガス発生量（ｌ／ｍ²）で表したグラフである。
【図２】水素ガスの発生状況を経過時間と単位面積当たりのガス発生量（ｌ／ｍ²）で表したグラフである。
【図３】プレートフィン型素子冷却器の一実施例を示す一部破断正面説明図である。
【図４】図３の一部破断側面図である。
【図５】図３の蒸発部のＡ−Ａ線における横断上面説明図である。
【符号の説明】
１ 蒸発部
２ 中空通路
３ フィン
４ 蓋板
５ 隙間
６ ねじ穴
１０ 凝縮部
１１ ヘッダータンク
１２ 作動冷媒通路
１３ 空気通路
１４ ヘッダー部
２０ 冷却用ファン

Claims (7)

1. 外表面に素子を着設する中空面板からなる蒸発部と、該蒸発部の中空通路部内とヘッダータンクを介して連通するプレートフィン型熱交換器からなる凝縮部とで構成され、内部に低沸点冷媒液を封入し、素子からの入熱を蒸発部での冷媒液の沸騰気化、凝縮部でのガス液化にて放熱可能となしたプレートフィン型素子冷却器において、冷媒液に接触する冷却器素材のアルミニウム又はアルミニウム合金が純水又はリン酸塩の純水希釈溶液で大気圧以上で加熱表面処理され、冷媒液にリン酸塩の純水希釈溶液を用いた、純水系冷媒の使用に伴う冷却器内での水素の発生を抑えたアルミニウム系のプレートフィン型素子冷却器。
2. 請求項１において、冷媒液にリン酸塩を含むエチレングリコール水溶液を用いたプレートフィン型素子冷却器。
3. 請求項１または請求項２において、冷却器の凝縮部内又はこれに連通する箇所に水素吸蔵合金を収納可能にしたプレートフィン型素子冷却器。
4. 請求項３において、水素吸蔵合金が水分遮断膜にて被覆されたプレートフィン型素子冷却器。
5. 請求項１または請求項２において、リン酸塩の純水希釈溶液のｐＨが、５〜８であるプレートフィン型素子冷却器。
6. 請求項１または請求項２において、リン酸塩の純水希釈溶液のリン酸イオン濃度が、５ｇ／ｌ〜１００ｇ／ｌであるプレートフィン型素子冷却器。
7. 請求項１または請求項２において、加熱処理条件が、加圧力３．０ｋｇ／ｃｍ²以下、温度９０〜１３０℃であるプレートフィン型素子冷却器。

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