JP3890795B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによって発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、特開平８−２０４０７５号公報に記載された沸騰冷却装置が公知である。この沸騰冷却装置は、サーモサイホンの原理を用いたもので、液冷媒を貯留する冷媒槽と、この冷媒槽の上部に配置される放熱器とを有し、冷媒槽で発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が放熱器へ流入し、放熱器に送風される冷却風によって冷却され、液化して冷媒槽へ還流する構成である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記の沸騰冷却装置において、放熱性能を向上させるためには、放熱器へ送風される冷却風量（風速）を増大することが一般に考えられる。
ところが、例えば冷媒槽温度が低く、冷却風速が大きい程、内圧がより低下して冷媒槽内に占める気泡の体積割合が大きくなる（ボイル・シャルルの法則）。従って、特に冷媒封入量を少なくした薄型の冷媒槽では、図６に示すように、冷却風速が大きい場合に冷媒槽温度が低下すると、冷媒槽内の沸騰面がより多くの気泡（冷媒蒸気）で覆われるため、沸騰熱伝達率が低下して沸騰面の温度が急激に上昇（バーンアウト）してしまう。たとえ、冷媒槽が薄型でなくても、内圧が低下すると、沸騰核になり得るキャビティ（μオーダ）が減少し、沸騰熱伝達率が低下してしまうことがある。
冷却風速が小さい場合には、放熱性能が低下するため、冷媒槽温度が高くなってくると発熱体温度（チップ温度）を許容上限温度以下に抑えることができない。以上の結果、冷却風速を一定にすると、より広い作動温度範囲に適用できないという問題が生じる。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、より広い作動温度範囲で高い放熱性能を確保できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
放熱器へ供給される冷却風量を可変する風量可変手段と、冷媒槽の温度を検出する検出手段とを具備し、冷媒槽は薄型形状に設けられた中空部材を備え、中空部材の内部に冷媒槽内部を区画する複数のリブを有し、検出手段は、冷媒槽表面において前記リブの近傍に取付けられ、風量可変手段は、検出手段の検出値が所定値より低い時に、放熱器へ供給される冷却風量を低減することを特徴とする。
これにより、冷媒槽温度が所定値より低い時は、放熱器への冷却風量を低減することで内圧を上昇させ、冷媒槽内に占める気泡の体積割合を低減できる。その結果、冷媒槽内の沸騰面が多くの気泡（冷媒蒸気）で覆われて沸騰熱伝達率が大幅に低下することはなく、沸騰面温度の急上昇を抑制できる。
【０００５】
（請求項２の手段）
請求項１において、風量可変手段は、冷却風を発生する冷却ファンを有し、検出手段の検出値が所定値より低い時に、冷却ファンの送風量を低減することを特徴とする。
放熱器へ送風される冷却風を冷却ファンによって発生させる場合は、冷却ファンの回転数を下げるだけで、容易に放熱器へ供給される冷却風量を低減することができる。
【０００６】
（請求項３の手段）
請求項１において、車両の走行によって生じる走行風を放熱器へ導く冷却風導入路を具備し、風量可変手段は、冷却風導入路の通路開口面積を低減できる遮蔽板を有し、検出手段の検出値が所定値より低い時に、遮蔽板によって冷却風導入路の通路開口面積を低減することを特徴とする。この場合、冷却風導入路の通路開口面積を低減することで冷却風導入路の通路抵抗が増大するため、放熱器へ供給される冷却風量を低減できる。
【０００７】
（請求項４の手段）
請求項１〜３のいずれか１項において、検出手段は、冷媒槽の温度を測定する温度センサである。この場合、温度センサによって冷媒槽温度を容易に、且つ確実に測定できる。
【０００８】
（請求項５の手段）
請求項４において、温度センサは、発熱体の近傍で冷媒槽に接触して設けられている。この場合、発熱体の温度変化に伴う冷媒槽温度をより的確に且つ応答性良く測定できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は沸騰冷却装置１の正面図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによって発熱体２を冷却するもので、内部に液冷媒を貯留する冷媒槽３と、この冷媒槽３で発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気の熱を放出する放熱器４と、この放熱器４に送風する冷却ファン５（図２参照）とを備える。
発熱体２は、例えば電気自動車のインバータ回路を構成するＩＧＢＴモジュールであり、発熱部であるコンピュータチップ（図示しない）を内蔵している。この発熱体２は、図２に示すように、図示しないボルト等によって冷媒槽３の一方の表面に密着して固定される。
【００１１】
冷媒槽３は、中空部材６とエンドカップ７から成る。
中空部材６は、アルミニウム等の熱伝導性に優れる金属材料から成る押出成形品で、横幅に対して厚みが薄い薄型形状に設けられ、内部に冷媒室８と液戻り通路９とを形成している。
エンドカップ７は、例えば中空部材６と同じアルミニウム製で、中空部材６の下端部に被せられ、中空部材６の下端面との間に連通路１０（図２参照）を形成している。
【００１２】
冷媒室８は、内部に貯留する液冷媒が発熱体２の熱を受けて沸騰する沸騰空間であり、中空部材６の左右両側に有する２本のリブ１１の間に設けられ、その内部が複数本のリブ１２によって複数の通路状に区画されている。
液戻り通路９は、放熱器４で冷却され液化した凝縮液が流入する通路で、図１において、中空部材６の最も左側に設けられている。
連通路１０は、液戻り通路９へ流入した凝縮液を冷媒室８へ供給するための通路で、液戻り通路９と冷媒室８とを相互に連通している。
【００１３】
放熱器４は、所謂ドロンカップタイプの熱交換器で、連結管１３、放熱管１４、及び放熱フィン１５（図３参照）より構成される。
連結管１３は、冷媒槽３との連結部であり、冷媒槽３の上端部に組付けられている。この連結管１３は、図３に示すように、プレス成形された２枚の成形プレート１３ａ、１３ｂを接合して形成され、一方の成形プレート１３ａの長手方向（図３の左右方向）両端部に円形の連通口１６が開口している。連結管１３の内部は、仕切り板１７が配され、この仕切り板１７によって冷媒槽３の冷媒室８と連通する第１の連通室（図３では仕切り板１７より右側の空間）と、冷媒槽３の液戻り通路９と連通する第２の連通室（図３では仕切り板１７より左側の空間）とに仕切られている。また、連結管１３の内部には、例えばアルミニウム製のインナフィン１８が横向きに挿入されている（図１参照）。
【００１４】
放熱管１４は、プレス成形された２枚の成形プレート１４ａを互いの外周縁部で接合して偏平な中空管に形成され、両成形プレート１４ａの長手方向（図３の左右方向）両端部に円形の連通口１９が開口している。但し、最も外側（図３の最も下側）に配される成形プレート１４ａには連通口１９が開口していない。また、放熱管１４の内部には、図３に示すように、インナフィン２０が挿入されている。
この放熱管１４は、図２及び図３に示すように、連結管１３の片側に複数個設けられ、互いの連通口１９を通じて相互に連通している。また、連結管１３と隣接する放熱管１４は、連結管１３の連通口１６と放熱管１４の連通口１９とを通じて相互に連通している。なお、放熱管１４は、図１に示すように、左右両側の連通口１９に高低差を持たせるように、若干傾斜した状態で連結管１３に組付けられている。
放熱フィン１５は、熱伝導性に優れる薄い金属板（例えばアルミニウム板）を交互に折り曲げて波状に成形したもので、図３に示すように、隣合う放熱管１４同士の間に介在されて放熱管１４の表面に接合されている。
【００１５】
冷却ファン５は、図２に示すように、放熱器４の上部に設置され、図示しない制御装置を介して通電されることにより、放熱器４のコア部（放熱管１４と放熱フィン１５とで構成される放熱部）に対し下方から上方へ垂直送風を行う。
制御装置は、冷媒槽３の表面温度を測定する温度センサ２１（図１及び図２参照）の測定値に基づいて、冷却ファン５の送風量（モータ回転数）を例えば２段階（ＨｉとＬｏ）に制御する。具体的には、図４に示すように、温度センサ２１の測定値が予め設定された所定値ｔ1 より大きい時は、冷却ファン５の送風量をＨｉレベル（例えば風速ｖ＝５ｍ／ｓが得られるモータ回転数）とし、温度センサ２１の測定値がｔ1 以下の時は、冷却ファン５の送風量をＬｏレベル（例えば風速ｖ＝１ｍ／ｓが得られるモータ回転数）とする。なお、前記ｔ1 は、例えば沸騰冷却装置１の放熱量Ｑ＝２ｋｗの場合に、冷却ファン５の送風量をＨｉレベルに設定した時、冷媒室８の沸騰面の温度が急激に上昇してバーンアウトを生じる時の温度より若干高い温度である。
【００１６】
温度センサ２１は、冷却ファン５の風量レベルを切り替える時のしきい値（所定値ｔ1 ）を精度良く決定するために、冷媒槽３の表面温度が最も高くなる部位（ＩＧＢＴの場合、チップが内蔵されている辺り）に設ける方が良い。但し、本実施例では、冷媒槽３の一方の表面に発熱体２が固定されるため、冷媒槽３の他方の表面に温度センサ２１を取り付ける方が都合が良い。そこで、冷媒槽３の他方の表面では、チップの熱が伝達されるリブ１１またはリブ１２の近傍が最も表面温度が高くなるため、リブ１１またはリブ１２の近傍に温度センサ２１を取り付けると良い（図１参照）。
なお、この場合において、冷媒槽３の両面に発熱体２が固定される場合は、冷媒槽３の表面で発熱体２の近傍（チップに近い部位）に温度センサ２１を設けることが望ましい。
【００１７】
次に、本実施例の作動を説明する。
発熱体２から発生した熱は、冷媒室８の沸騰面を介して液冷媒に伝達される。発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気は、冷媒室８を上昇して冷媒室８から連結管１３の第１の連通室へ進入し、更に第１の連通室から放熱管１４へ流入する。放熱管１４へ流入した冷媒蒸気は、放熱管１４を流れる際に冷却風によって冷却され、潜熱を放出して凝縮する。冷媒蒸気の潜熱は、放熱管１４から放熱フィン１５を通じて冷却風に放出される。
放熱管１４の内部で凝縮して液滴となった凝縮液は、放熱管１４の内部を傾斜下方向（図１の右側から左側）に流れた後、連結管１３の第２の連通室へ進入し、更に第２の連通室を通って冷媒室８の液戻り通路９へ流れ込んだ後、連通路１０を通って冷媒室８へ還流する。
【００１８】
ここで、温度センサ２１によって測定される冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 より高い場合は、制御装置を介して冷却ファン５の風量レベルがＨｉに設定され、発熱体２のチップ温度Ｔｊは、チップの許容上限温度Ｔｊmax 以下に抑えられている。
また、冷媒槽温度Ｔｒは、発熱体２の発熱量、及び大気温度に相関し、発熱体２の発熱量あるいは大気温度が低い程、冷媒槽温度Ｔｒも低下する。従って、冷却ファン５の風量レベルをＨｉに固定すると、大気温度が低い場合等に、冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 以下まで低下し、沸騰面でバーンアウトを生じる可能性がある。そこで、温度センサ２１によって測定される冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 以下の場合は、制御装置を介して冷却ファン５の風量レベルをＬｏに切り替える。これにより、冷却ファン５の風量レベルをＨｉ→Ｌｏに下げても、発熱体２のチップ温度Ｔｊを許容上限温度Ｔｊmax 以下に抑えることができる。
【００１９】
（第１実施例の効果）
本実施例では、冷却ファン５の風量レベルを冷媒槽温度Ｔｒに基づいて２段階に切り替えている。つまり、冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 より高い場合は、冷却ファン５の風量レベルをＨｉに設定することで高い放熱性能を維持できる。
また、冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 以下の場合は、冷却ファン５の風量レベルをＬｏに設定することで内圧をより大きくできる。これにより、冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 以下の場合でも、安定して沸騰でき、沸騰面でのバーンアウトの発生を防止できる。
以上の結果、要求される作動温度範囲でチップ温度を許容上限温度以下に抑えることができる。
また、冷却ファン５の風量レベルをＬｏに設定することで、冷却ファン５のモータ寿命を向上できる効果もある。
【００２０】
なお、本実施例では、温度センサ２１によって測定される冷媒槽温度Ｔｒに基づいて冷却ファン５の風量レベルを切り替えているが、冷媒槽温度Ｔｒ以外でも、冷媒槽温度Ｔｒに相関する物理量、例えば発熱体２の発熱量または大気温度または放熱器４への冷却風量（走行風導入時等）に基づいて冷却ファン５の風量レベルを切り替えても良い。
また、冷却ファン５の風量レベルをＨｉとＬｏの２段階に切り替えているが、３段階以上に切り替えても良い。
本実施例の沸騰冷却装置１は、垂直送風に対応した構成であるが、水平送風に対応した構成でも良い。
【００２１】
（第２実施例）
図５は沸騰冷却装置１を車両に搭載した状態を示す図面である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、図５に示すように、車両ＥＶの前方に搭載され、車両ＥＶの走行に伴って生じる走行風が冷却風導入路２２を介して放熱器４に供給される。なお、沸騰冷却装置１は、走行風を受け易い様に、放熱器４のコア面が車両前後方向を向いた状態で設置されている。
冷却風導入路２２は、例えば車両ＥＶのフロントグリルに開口する開口部２３から放熱器４までダクト状に延びて設けられ、開口部２３より導入された走行風を放熱器４まで導くことができる。この冷却風導入路２２には、冷却風導入路２２の通路開口面積を低減できる遮蔽板２４が放熱器４の前方に具備されている。
【００２２】
遮蔽板２４は、冷却風導入路２２に対し上下移動または左右移動あるいは支点２４ａを中心として回動可能に設けられ、図示しないアクチュエータにより作動する。
アクチュエータは、第１実施例に記載した温度センサ２１の測定値に基づいて制御装置により制御される。具体的には、温度センサ２１の測定値が所定値ｔ1 より大きい時は、冷却風導入路２２を全開する位置に遮蔽板２４を駆動し、温度センサ２１の測定値がｔ1 以下の時は、冷却風導入路２２の通路開口面積を低減する位置（図５に示す位置）に遮蔽板２４を駆動する。
【００２３】
上記の構成によれば、温度センサ２１の測定値が所定値ｔ1 より大きい時は、遮蔽板２４が冷却風導入路２２を全開するので、冷却風導入路２２を通じて走行風が放熱器４へ供給される。また、温度センサ２１の測定値が所定値ｔ1 以下の時は、遮蔽板２４が冷却風導入路２２の通路開口面積を低減するため、冷却風導入路２２の通路抵抗が増大する。その結果、冷却風導入路２２を全開する場合と比較して、放熱器４へ供給される冷却風量が低減する。これにより、冷媒槽温度Ｔｒが所定値ｔ1 以下の場合でも、内圧の大幅な低下を防止でき、安定した沸騰状態を保つことができる。
なお、本実施例の場合、放熱器４へ冷却風を走行風によって確保しているが、第１実施例に記載した冷却ファン５を併用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の正面図である（第１実施例）。
【図２】沸騰冷却装置の側面図である（第１実施例）。
【図３】放熱器の断面図である（第１実施例）。
【図４】本発明の制御内容を示す説明図である。
【図５】沸騰冷却装置を車両に搭載した状態を示す図面である（第２実施例）。
【図６】冷媒槽温度とチップ温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置
２ 発熱体
３ 冷媒槽
４ 放熱器
５ 冷却ファン
６ 中空部材
１１ リブ
１２ リブ
２１ 温度センサ（検出手段）
２２ 冷却風導入路
２４ 遮蔽板
ＥＶ 車両

Claims (5)

1. 発熱体の熱を受けて沸騰する液冷媒を貯留する冷媒槽と、
   この冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気を冷却風との熱交換によって冷却する放熱器とを備えた沸騰冷却装置であって、
   前記放熱器へ供給される冷却風量を可変する風量可変手段と、
   前記冷媒槽の温度を検出する検出手段とを具備し、
   前記冷媒槽は薄型形状に設けられた中空部材を備え、前記中空部材の内部に前記冷媒槽内部を区画する複数のリブを有し、
   前記検出手段は、前記冷媒槽表面において前記リブの近傍に取付けられ、
   前記風量可変手段は、前記検出手段の検出値が所定値より低い時に、前記放熱器へ供給される冷却風量を低減することを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記風量可変手段は、冷却風を発生する冷却ファンを有し、前記検出手段の検出値が所定値より低い時に、前記冷却ファンの送風量を低減することを特徴とする請求項１に記載した沸騰冷却装置。
3. 車両の走行によって生じる走行風を前記放熱器へ導く冷却風導入路を具備し、
   前記風量可変手段は、前記冷却風導入路の通路開口面積を低減できる遮蔽板を有し、前記検出手段の検出値が所定値より低い時に、前記遮蔽板によって前記冷却風導入路の通路開口面積を低減することを特徴とする請求項１に記載した沸騰冷却装置。
4. 前記検出手段は、前記冷媒槽の温度を測定する温度センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載した沸騰冷却装置。
5. 前記温度センサは、前記発熱体の近傍で前記冷媒槽に接触して設けられていることを特徴とする請求項４に記載した沸騰冷却装置。

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