JP3951541B2

JP3951541B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP3951541B2
Application number: JP2000050833A
Authority: JP
Inventors: 長賀部　　博之; 久夫永島; 明宏前田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2007-08-01
Anticipated expiration: 2020-02-28
Also published as: JP2001244395A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達によって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。
【０００２】
【従来の技術】
ＩＧＢＴモジュール等の半導体素子を冷却する従来技術として、例えば特開平８−２０４０７５号に開示された沸騰冷却装置がある。
この沸騰冷却装置は、密閉された空間を形成する冷却器（通常は冷媒槽と放熱器とで構成される）を備え、この冷却器内に封入された冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体を冷却するものである。冷却器の材質としては、熱伝導率が高く、且つ加工性に優れた金属が使用され、一般的にはアルミニウムが最も多く採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、熱交換器の材質としてアルミニウム（Ａｌ）を使用し、且つ冷媒として安価な水（Ｈ₂Ｏ）を使用した場合、アルミニウムの方が冷媒中の水素よりイオン化傾向が大きいため、アルミニウムと水とが化学反応を起こして水素ガス（Ｈ₂）が発生する。この結果、発生した水素ガス（不凝縮ガス）が放熱器内に溜まると、▲１▼放熱器の有効コア体積が減少し、▲２▼冷却器の内圧が上昇して冷媒の沸点が上昇することから、放熱性能が大幅に低下するという問題を生じる。
【０００４】
ここで、水素ガスの発生を防止するためには、冷却器の材質であるアルミニウムの表面に被膜を形成して、アルミニウムと水との化学反応を抑制することが考えられる。そこで、本発明者は、表面処理として一般的なベーマイト処理を冷却器の内面に実施したが、沸騰流の影響で被膜が破壊されてしまうため、水素ガスの発生を抑制することができず、図１１に示すように、時間が経過するに連れて放熱性能（冷却器の熱抵抗値）が低下する結果となった。
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、アルミニウムを材質とする冷却器の内面に耐久性の高い被膜を形成することで、長期間に渡って水素ガスの発生を防止できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
密閉された空間を形成するアルミニウム製の冷却器を備え、この冷却器内に水（Ｈ₂Ｏ）を主成分とする冷媒が封入され、この冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、冷却器の内面に珪酸被膜（ＳｉＯ₂ ）が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、冷媒を封入する冷却器の内面に珪酸被膜（ＳｉＯ₂ ）が形成されることにより、冷却器の材質であるアルミニウムと冷媒の主成分である水との接触を防止できる。その結果、アルミニウムと水とが化学反応して水素ガスが発生することを防ぐことができる。
【０００６】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
被膜は、４５０℃以上の温度で加熱して乾燥させた時に、セラミック化して無機被膜となるＳｉＯ₂ 処理溶液を用いて形成される。この場合、被膜の厚みを０．５μｍ以下とすることで、被膜形成時にクラック欠陥が発生することを防止できる。
【０００７】
（請求項３の手段）
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
被膜は、常温から２００℃以下の温度で加熱して乾燥させた時に、セラミック化して無機被膜となるＳｉＯ₂ 処理溶液を用いて形成される。この場合、処理温度が低いので、クラック欠陥が発生し難く、被膜の厚みを１０μｍ以下とすることができる。
【０００８】
（請求項４の手段）
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
冷却器は、内部に液冷媒を貯留し、外表面に発熱体が取り付けられる冷媒槽と、この冷媒槽で発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、その冷媒蒸気の熱を外部流体に放出する放熱器とを備えている。この場合、冷媒槽の内面と放熱器の内面とに珪酸被膜が形成されている。
【０００９】
【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の側面図、図２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、内部に封入される冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体２を冷却するもので、液冷媒を貯留する冷媒槽３と、この冷媒槽３の上部に組付けられる放熱器４とを備え、装置全体がアルミニウム製で一体ろう付けにより製造されている。この沸騰冷却装置１に使用される冷媒は、水（Ｈ₂Ｏ）であり、必要に応じて不凍液を加えても良い。
【００１０】
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、図１に示すように、冷媒槽３の表面に密着してボルト５等により固定される。
冷媒槽３は、押出材６とエンドプレート７で構成される。
押出材６は、アルミニウムの押出成形品で、図３に示すように、横幅に対して厚み幅が薄い薄型形状に設けられ、その内部に下述の沸騰通路８、液戻り通路９、及び断熱通路１０を構成する複数の通路状空間部が形成されている。
【００１１】
沸騰通路８は、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気（気泡）が流出する通路で、発熱体２の取付け範囲に対応して複数本形成されている。また、沸騰通路８を形成する押出材６の内壁面は、発熱体２の熱を液冷媒に伝達する伝熱面を形成している。更に、各沸騰通路８には、図３（ａ）に示すように、伝熱面の一部を構成するプレート部材１１（下述する）が挿入されている。
液戻り通路９は、放熱器４で冷却されて液化した凝縮液が流入する通路で、押出材６の両端部に設けられている。
【００１２】
断熱通路１０は、沸騰通路８と液戻り通路９との間を断熱するための通路で、液戻り通路９と沸騰通路８との間に設けられている。
押出材６の上端部は、図３（ｂ）に示すように、液戻り通路９と断熱通路１０を含む両端部と複数の沸騰通路８を含む中央部とで高低差を有し、両端部より中央部の方が上方へ突出して設けられ、且つ中央部は、図３（ｃ）に示すように、その上端面が傾斜している。
【００１３】
エンドプレート７は、図４に示すように、左右方向に細長く、且つ外周縁部７ａより内側部分７ｂが若干突起して設けられている。このエンドプレート７は、図５に示すように、突起している内側部分７ｂを押出材６の下端開口部内に嵌め込んで、外周縁部７ａを押出材６の外周下端面に当接させることにより、押出材６の下端開口部を塞いでいる。
エンドプレート７で塞がれた押出材６の下端部には、液戻り通路９へ流入した凝縮液を沸騰通路８へ還流させるための連通路１２が形成され（図５参照）、この連通路１２を介して液戻り通路９と沸騰通路８及び断熱通路１０とが相互に連通している。
【００１４】
前記のプレート部材１１は、母材となるアルミニウム板の少なくとも片面にろう材層を設けたクラッド材であり、図６（ａ）に示すように、幅方向の一端側辺部に複数の切欠き部１１ａが略等間隔に設けられ、切欠き部１１ａと反対側に凸部１１ｂが設けられている。このプレート部材１１は、図７に示すように、切欠き部１１ａを有する一端側辺部が、沸騰通路８を形成する押出材６の一方の内壁面に形成された溝部６ａに挿入され、凸部１１ｂの先端部が押出材６の他方の内壁面に形成された溝部６ｂに挿入されて、沸騰通路８の内部で位置決めされている。なお、プレート部材１１は、図６（ｂ）に示すように、切欠き部１１ａを凸部１１ｂ側の辺部に形成したものを使用しても良い。
【００１５】
放熱器４は、図２に示すように、放熱フィン１３を介して並設される複数本のチューブ１４と、各チューブ１４の上部に設けられる上部タンク１５と、各チューブ１４の下部に設けられる下部タンク１６とで構成され、この下部タンク１６の内部に冷媒槽３の上端部が挿入されている。
放熱フィン１３は、熱伝導率が高い薄い金属板（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、チューブ１４の表面に接合されている。
チューブ１４は、アルミニウム製の偏平な管を所定の長さに切断して、上部タンク１５と下部タンク１６との間に複数本並設されている。
【００１６】
チューブ１４の内部には、図８に示すように、インナフィン１７が挿入されている。インナフィン１７は、アルミニウムの薄板を所定のピッチで交互に折り曲げて波状に成形したもので、チューブ１４内の凝縮面積を増大させるとともに、チューブ１４内に冷媒循環路（後述する）を形成する目的で用いられる。このインナフィン１７は、折り曲げ部（山と谷）の延設方向をチューブ１４の通路方向（図８（ｂ）の上下方向）に向けてチューブ１４内に挿入され、且つチューブ１４内の横幅方向（図８の左右方向）で右側に片寄って配置され、各折り曲げ部がチューブ１４の内壁面に当接して、ろう付けされている。
【００１７】
これにより、チューブ１４内には、図８においてインナフィン１７の左側に確保される第１の通路（以後、蒸気通路１８と呼ぶ）と、インナフィン１７のピッチ間に形成される複数の第２の通路（以後、凝縮液通路１９と呼ぶ）とを有し、その蒸気通路１８と凝縮液通路１９とで前記の冷媒循環路を構成している。
なお、チューブ１４は、放熱フィン１３との接合面である両側面が、放熱器４に送風される冷却風の流れ方向に沿って配置されるが、この時、凝縮液通路１９より蒸気通路１８の方が冷却風の流れ方向下流側に位置するようにチューブ１４の向きを特定している（図１参照）。
【００１８】
上部タンク１５は、浅皿状のコアプレート１５Ａと深皿状のタンクプレート１５Ｂとを組み合わせて構成され、コアプレート１５Ａに開けられている複数の長孔（図示しない）にそれぞれチューブ１４の上端部が挿入されている（図２参照）。
下部タンク１６は、浅皿状のコアプレート１６Ａと深皿状のタンクプレート１６Ｂとを組み合わせて構成され、コアプレート１６Ａに開けられている複数の長孔（図示しない）にそれぞれチューブ１４の下端部が挿入されている（図２参照）。
【００１９】
上述した冷媒槽３は、図１に示すように、押出材６の上端部が下部タンク１６の内部に挿入され、下部タンク１６に対し大きく傾いて組付けられている。
また、下部タンク１６の内部には、各沸騰通路８より流出した冷媒蒸気をチューブ１４内の蒸気通路１８へ優先的に流れ込むように導くとともに、チューブ１４内で液化した凝縮液が各沸騰通路８内へ落下することを防止するための冷媒流制御板２０が設けられている。
【００２０】
この沸騰冷却装置１は、冷媒が封入される装置内部のアルミニウム表面（冷媒槽３の内面、下部タンク１６の内面、各チューブ１４の内面、及び上部タンク１５の内面）に、珪酸被膜（ＳｉＯ₂ ）２１が形成されている（図９参照）。
この被膜２１は、ＳｉＯ₂ 処理溶液を加熱、乾燥させて形成される。
ＳｉＯ₂ 処理溶液は、▲１▼４５０℃以上の温度で加熱し、乾燥させた時にセラミック化（硬化）して無機被膜となるもの、又は▲２▼触媒反応により常温から２００℃以下の温度で加熱し、乾燥させた時にセラミック化して無機被膜となるものを使用することが望ましい。
【００２１】
但し、上記▲１▼及び▲２▼に示した何れのＳｉＯ₂ 処理溶液であっても、アルコール系の溶媒を使用すれば、アルミニウムに対して濡れ性が良いので、ＳｉＯ₂ 処理溶液をディップ又は塗布により一様にアルミニウムの表面に付着できる。
なお、▲１▼のＳｉＯ₂ 処理溶液を使用して被膜２１を形成する時は、被膜２１の厚みを０．５μｍ以下とすれば、被膜形成時にクラック欠陥が発生することを防止できる。また、▲２▼のＳｉＯ₂ 処理溶液を使用して被膜２１を形成する時は、処理温度が低いので、クラック欠陥が発生し難いため、被膜２１の厚みを１０μｍ以下とすることが望ましい。
【００２２】
次に、沸騰冷却装置１の作動を説明する。
冷媒槽３に貯留されている液冷媒は、発熱体２の熱が伝熱面である押出材６の内壁面及びプレート部材１１の表面から伝わって沸騰し、蒸気となって各沸騰通路８から下部タンク１６内へ流出する。下部タンク１６内へ流出した冷媒蒸気は、図１０に示すように、冷媒流制御板２０に沿って流れ、チューブ１４内の主に蒸気通路１８へ流入する。
蒸気通路１８を上昇して上部タンク１５内に流入した冷媒蒸気は、上部タンク１５の内部で拡散され、より均一化されて凝縮液通路１９内に流入し、インナフィン１７の表面及びチューブ１４の内壁面に凝縮して液化する。
【００２３】
凝縮液通路１９内で液化した凝縮液の多くは下部タンク１６内へ落下するが、一部の凝縮液は表面張力によってインナフィン１７の下部に保持され、液溜まり部２２を形成する（図１０参照）。この液溜まり部２２は、放熱量が増大した時に、各沸騰通路８から冷媒蒸気とともに吹き上げられて上昇してくる液冷媒がインナフィン１７の下部表面に当たり、表面張力によってインナフィン１７の下部に捕らえられることでも形成される。このインナフィン１７の液溜まり部２２に溜まった凝縮液も、蒸気通路１８を上昇する冷媒蒸気の圧力に押されて液溜まり部２２から下部タンク１６内へ順次落下する。
下部タンク１６に溜まった凝縮液は、液戻り通路９及び断熱通路１０へ流れ込み、両通路９、１０から連通路１２を経て各沸騰通路８へ還流する。
【００２４】
（本実施例の効果）
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒を封入する装置内部のアルミニウム表面に珪酸被膜２１（図９参照）を形成しているので、装置内部に封入された冷媒（水）がアルミニウム表面に直接触れることがなく、アルミニウムと水との化学反応を防止できる。特に、沸騰冷却装置１では、冷媒槽３内で発熱体２の熱を受けた冷媒が激しく沸騰するが、セラミック化した珪酸被膜２１であれば、沸騰流によって簡単に破壊されることはなく、長期間に渡って被膜２１が保持される。これにより、水素ガスの発生を防止できるので、放熱器４の有効コア体積が減少することはなく、且つ冷媒の沸点が上昇することもない。
【００２５】
この結果、図１１に示すように、長時間に渡って放熱性能が低下することはなく、安定した性能を維持することができる。なお、図１１は、沸騰冷却装置の放熱性能を表す熱抵抗値（冷媒槽の表面温度−大気温度）を測定したもので、従来技術で説明したように、アルミニウムの表面にベーマイト処理を実施した場合は、時間経過と共に熱抵抗値が次第に増大し、放熱性能が低下していることを示している。つまり、ベーマイト処理によって形成された被膜が沸騰流の影響等によって破壊されていると判断できる。これに対し、本発明の構成（アルミニウムの表面に珪酸被膜２１を形成した場合）では、長時間経過しても熱抵抗値が増大することはなく、珪酸被膜２１が破壊されていないと判断できるので、耐久性の高い沸騰冷却装置１を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の側面図である。
【図２】沸騰冷却装置の正面図である。
【図３】押出材の上面図（ａ）、正面図（ｂ）、側面図（ｃ）である。
【図４】エンドプレートの側面図（ａ）、平面図（ｂ）、断面図（ｃ）である。
【図５】エンドプレートの取付け状態を示す断面図である。
【図６】プレート部材の平面図（ａ）、（ｂ）である。
【図７】沸騰通路部の拡大断面図である。
【図８】インナフィンを有するチューブの上面図（ａ）と正面図（ｂ）である。
【図９】アルミニウム表面に形成された被膜の断面図である。
【図１０】冷媒蒸気の流れを示す放熱器の断面図である。
【図１１】沸騰冷却装置の熱抵抗値の測定値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
２１被膜

Claims

密閉された空間を形成するアルミニウム製の冷却器を備え、この冷却器内に水（Ｈ₂Ｏ）を主成分とする冷媒が封入され、この冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
前記冷却器の内面に珪酸被膜（ＳｉＯ₂ ）が形成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
前記被膜は、４５０℃以上の温度で加熱して乾燥させた時に、セラミック化して無機被膜となるＳｉＯ₂ 処理溶液を用いて形成され、且つ前記被膜の厚みは、０．５μｍ以下であることを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
前記被膜は、常温から２００℃以下の温度で加熱して乾燥させた時に、セラミック化して無機被膜となるＳｉＯ₂ 処理溶液を用いて形成され、且つ前記被膜の厚みは、１０μｍ以下であることを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項１に記載した沸騰冷却装置において、
前記冷却器は、内部に液冷媒を貯留し、外表面に前記発熱体が取り付けられる冷媒槽と、この冷媒槽で前記発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、その冷媒蒸気の熱を外部流体に放出する放熱器とを備えていることを特徴とする沸騰冷却装置。