JP3953741B2

JP3953741B2 - Boiling cooler and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP3953741B2
Application number: JP2001058653A
Authority: JP
Inventors: 靖人末木; 公春湯山
Original assignee: 株式会社エムエーファブテック
Priority date: 2001-03-02
Filing date: 2001-03-02
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2021-03-02
Also published as: JP2002261217A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して積層構造体からなる沸騰冷却器、及びその製造方法に関するものである。この沸騰冷却器は、比較的大型の発熱体、例えば、鉄道車両の主電源制御用素子（ＩＧＢＴ）の冷却用に適したものであるが、用途はもちろんこれに限定されるわけではない。
【０００２】
【従来の技術】
エタノール等の液相冷媒（作動液とも称される）を発熱体の熱によって沸騰・蒸発上昇させ、この気相冷媒をフィン等を用いて冷却・凝縮下降させて環流することにより発熱体の冷却を行う装置は、ヒートパイプ（気相冷媒収容室がパイプ状）または沸騰冷却器（気相冷媒収容室がパイプ以外の形状）として公知である。このように冷媒の二相変化を利用したヒートパイプまたは沸騰冷却器は、強制的な冷媒循環装置を必要とせず、なおかつ単に金属板からなるフィン冷却器に比べて熱輸送性能が高いので、近年、小型の電子機器から大型の電源装置等までの発熱素子冷却用として、幅広く用いられるようになってきた。
【０００３】
図１１には、特に、気相冷媒収容室と冷却フィンとが積層構造で形成された沸騰冷却器の一例を示している。この沸騰冷却器１０１は、その下方に位置する発熱体（図示せず）に取付けられて該発熱体から熱伝達を受けるタンク１０３と、扁平な気相冷媒収容室と冷却フィンとが交互に積層配置されかつタンク１０３内空間と流体流通可能とされたコンデンサ１０２とを備えている。タンク１０３は押出型材からなり、液相冷媒（例えばエタノール）を収容するための複数の冷媒収容溝１０６が、沸騰冷却器１０１の長手方向に延在する形態で形成されている。これら溝の両端部は、封止部材１０４の周囲をタンク１０３に溶接することによって封止されている。タンク１０３の上面には、複数の冷媒収容溝１０６に通じ、コンデンサ１０２を収容するための開口部が形成されている。コンデンサ１０２は、開口部に嵌め込まれた後、タンク１０３との接続隅肉部を全周にわたって溶接することによりタンク１０３に固定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的に発熱体の温度は変動する。発熱体が、例えば、毎日運転される鉄道車両の主電源制御用素子である場合、完全冷機状態から高温状態への大きな温度変化が少なくとも１日１回生じ、さらに運転中の比較的小さな温度変化が多数回生じる。このような発熱体の温度変化は冷却器に伝達され、冷却器の各部に熱応力サイクルが生じたり、あるいは冷媒の蒸気圧変動に伴う応力サイクルが生じる。上記のような沸騰冷却器１０１では、タンク１０３とコンデンサ１０２、及びタンク１０３と封止部材１０４とが線状の溶接ビード１０５によって溶接結合されているので、これらの応力が溶接ビード１０５の近傍に集中し、繰返される応力変動による金属疲労から亀裂が発生し、冷媒の漏出に至る場合があるという問題があった。また、沸騰冷却器１０１では、最も圧力のかかるコンデンサ１０２の下部の剛性が低いため、高圧力用途には適していない。
【０００５】
さらに、上記のような沸騰冷却器１０１では、その製造に際して、積層・真空ろう付けによるコンデンサ１０２の形成、押出しによるタンク１０３の母材の形成、タンク１０３上面における開口部形成、コンデンサ１０２とタンク１０３との溶接、タンク１０３と封止部材１０４との溶接、といった種々の作業工程が必要であり、製造に長時間を要したり、それに伴って製造コストが高くなったりするという問題もあった。
【０００６】
本発明は、従来の沸騰冷却器が有する上記のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、全体剛性が高く、耐圧性に優れ、熱応力または圧力変動による亀裂・冷媒漏れが生じにくく、なおかつ製造が容易である沸騰冷却器を提供することである。本発明の他の目的は、そのような沸騰冷却器の製造方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明が提供する沸騰冷却器は、液相冷媒を収容するために貫通形成された冷媒通路を有しかつ外部の発熱体と接続する複数のタンクセグメントと、下部に前記液相冷媒を収容し上部に前記発熱体の熱によって蒸発した気相冷媒を収容する扁平空間の輪郭を形成する枠体と、金属板の両面にろう材層が形成されたブレージングシートからなり前記冷媒通路に連通する液相冷媒用開口部を下部に有しかつ前記枠体の両側に設けられた仕切板と、を備え、前記仕切板の下部には前記タンクセグメントが、前記冷媒通路と前記液相冷媒用開口部とを連通させた積層状態でろう付け一体化されていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によれば、各構成部材間の接合は全て面接合となるため全体剛性が高く、耐圧性にも優れ、熱応力または圧力変動に伴う応力が好適に分散されるので亀裂・冷媒漏れが生じにくい。発熱体との接続部が面接合を介して全体構造に一体化されていることも、亀裂防止に有利に作用する。また、各構成部材を積層した後、真空中で１回加熱するだけで、ろう材が溶融して全体が一体化されるので製造が極めて容易である。
【０００９】
前記タンクセグメントは、前記冷媒通路を複数備えると共に該複数の冷媒通路を互いに連通させる連通溝を有していることが好ましい。また、前記連通溝の上端部は、前記冷媒通路の最大高さの４〜９割まで入れられる冷媒液面より下方に配置され、かつ、前記連通溝の上下間隔は、前記最大高さ×０．１３以上とされていることが好ましい。この場合、冷媒通路の上部１〜６割は、蒸気を凝縮部へと流れ易くするためのスペースとして確保される。
【００１０】
各冷媒通路内の液相冷媒の液面高さは、発熱体から伝達される熱量が不均一であること、発熱体の傾斜、遠心力などに起因して異なってくる場合があり、最悪のケースでは液涸れが生じる可能性もある。しかし、上記のような構成とすれば、連通溝を通じて液相冷媒が流動して各冷媒通路内の液相冷媒の液面高さが均一化されるのでこのような問題が生じない。なお、上記のように、連通溝は、冷媒液面下に設けた方が液相冷媒の移動が容易であって好ましいが、連通溝が液面を挟む形態であっても沸騰冷却器としての機能は損なわれない。
【００１１】
前記枠体は、熱の放散を促進するためのインナーフィンを前記扁平空間内に保持するように形成されているとさらに好ましい。
【００１２】
この構成によれば、冷媒の熱が、仕切板及び外部フィンへとさらに伝達されやすくなるので、冷却器としての冷却効果がさらに向上する。
【００１３】
本発明が提供する、沸騰冷却器の製造方法は、液相冷媒を収容するために貫通形成された冷媒通路を有しかつ外部の発熱体との接続部を含む複数のタンクセグメントと、下部に前記液相冷媒を収容し上部に前記発熱体の熱によって蒸発した気相冷媒を収容する扁平空間の輪郭を形成する枠体と、金属板の両面にろう材層が形成されたブレージングシートからなり前記冷媒通路に連通する液相冷媒用開口部を下部に有しかつ前記枠体の両側に設けられた仕切板と、を準備する段階と、前記仕切板と前記枠体と前記タンクセグメントとを、前記冷媒通路と前記液相冷媒用開口部とを連通させた状態で積層して積層体を組立てる段階と、前記積層体を加熱ろう付けにより一体化する段階と、を含むことを特徴とする。
【００１４】
この製造方法によれば、各構成部材を積層した後、真空中で１回加熱するだけで、ろう材が溶融して全体が一体化されるので、全体剛性が高く、耐圧性にも優れ、亀裂・冷媒漏れを生じにくい沸騰冷却器を極めて容易に製造することができる。
【００１５】
前記仕切板と前記枠体と前記タンクセグメントとは、それぞれ対応する位置に位置合せ孔を有し、前記積層体を組立てる段階は、前記位置合せ孔に位置合せピンを挿通する段階を含んでいるとさらに好ましい。
【００１６】
位置合せピンを使用すれば各構成部材同士の位置合せが容易かつ正確になり、また位置合せピンが冷却器全体を貫通する補強部材ともなるので、全体剛性がさらに向上して有利である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による沸騰冷却器の好ましい実施形態を示す添付図面を参照しながら、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１８】
始めに図１，図２，図３を参照して本発明による沸騰冷却器１の一実施形態の全体構成を説明する。図１は、本発明による沸騰冷却器１の一実施形態を完成状態で示す斜視図、図２は、沸騰冷却器１の一部を、各構成部材に分解して示す分解斜視図、図３は、沸騰冷却器１のコンデンサ部２を除去してタンク部３のみを上方から見た平面図である（後述のインナーフィン７０は省略している）。本実施形態の沸騰冷却器１は、大きく見れば直方体を２個重ねた形状を有している。さらに詳しく述べると、この沸騰冷却器１は、略直方体状のコンデンサ部２と、コンデンサ部２の下方に配置されやはり略直方体状のタンク部３と、タンク部３から両矢印Ａで示す前後方向に張出した略直方体状の前後張出部４，４と、タンク部３から両矢印Ｂで示す左右方向に張出した略直方体状の側方張出部５，５とを備えている。
【００１９】
コンデンサ部２は、仕切板３０と、フィン４０及びヘッダー５０の組合せと、仕切板３０と、枠体２０と、仕切板３０とをこの順で、両矢印Ａで示す前後方向に多数積層して接合し、さらに、前後方向端部には、端板３１を接合して構成されている（但し、この形成様式は、構成を説明するために便宜的に記載したものであり、沸騰冷却器１の実際の製造方法については追って詳細に説明する）。こうしてコンデンサ部２は、枠体２０とそれを挟む２枚の仕切板３０，３０とから形成された扁平空間２０ａとフィン４０とを多数含むことになる。フィン４０は、放熱作用を高めるために、２枚の仕切板３０，３０の間に挟持されている。また、上端部には、ヘッダー５０が有する複数の気相冷媒通路５５…５５と、仕切板３０が有する複数の気相冷媒用開口部３５…３５と、複数の扁平空間２０ａ…２０ａとから、気相冷媒を流動させる複数の通路が形成されている。
【００２０】
タンク部３は、仕切板３０と、タンクセグメント１０と、仕切板３０と、枠体２０と、仕切板３０とをこの順で、タンクセグメント１０が有する冷媒通路１４と仕切板３０が有する液相冷媒用開口部３４とが連通するように、両矢印Ａで示す前後方向に多数積層して接合し、さらに、前後方向端部には、端板３１を接合して形成されている（但し、この形成様式も、構成を説明するために便宜的に記載したものであり、沸騰冷却器１の実際の製造方法については追って詳細に説明する）。こうして、タンク部３には、上方に向けて部分的に開口し、液相冷媒を収容するための複数の液相冷媒収容部３ａ…３ａが形成されている（図３）。タンク部３の下面には、発熱体８０（図４にのみ示す）が接続される。
【００２１】
前後張出部４は、端部セグメント１１と２個のコーナーセグメント１３，１３とから構成され、主として沸騰冷却器１の取付け用に使用される。図示の実施形態では、端部セグメント１１が複数の通路１１ａ…１１ａを、角部セグメント１３が通路１３ａを有しているが、これは、端部セグメント１１とタンクセグメント１０とを共通の押出母材から切出して形成し、角部セグメント１３と側方セグメント１２（後出）とを共通の押出母材から切出して形成したためであり、これらの通路１１ａ，１３ａは冷媒を収容するためのものではない。しかし、これら通路１１ａ…１１ａ，１３ａを有することは、軽量化の観点で好ましい。
【００２２】
側方張出部５は、仕切板３０と、側方セグメント１２と、仕切板３０と、枠体２０と、仕切板３０とをこの順で、両矢印Ａで示す前後方向に多数積層して接合し、さらに、前後方向端部には、端板３１を接合して形成されている。側方張出部５は、前後張出部４と同様に、主として沸騰冷却器１の取付け用に使用される。図示の実施形態では、側方張出部５もまた貫通形態の通路を有しているが、これは冷媒を収容するためのものではなく、主目的は軽量化である。
【００２３】
次に、沸騰冷却器１の冷却作用について説明する。ここで使用される代表的な液相冷媒はエタノールであるが、他の液体であっても冷却作用に変わりはない。
【００２４】
完成した沸騰冷却器１には、図示しない注入口から適当量の液相冷媒が注入され、その後密閉される。この状態で沸騰冷却器１は、タンク部３が発熱体８０に接触するように固定される。発熱体８０の温度が上昇すると、タンクセグメント１０、枠体２０、仕切板３０の下部が加熱され、液相冷媒収容部３ａ…３ａに収容された冷媒の温度が上昇し、やがて沸騰が始まる。沸騰した冷媒から蒸発した蒸気は上昇し、タンク部３の上部に形成された複数の開口部を通じて、コンデンサ部２に形成された多数の扁平空間２０ａ…２０ａへと入る。この蒸気は、フィン４０によって好適に冷却された仕切板３０及びインナーフィン７０に触れて熱を奪われ凝縮して液相冷媒となり、仕切板３０に沿って下降して液相冷媒収容部３ａ…３ａへと還流する。液相冷媒収容部３ａ…３ａへ戻った冷媒は再び沸騰・蒸発して上記の過程を繰返す。こうして、発熱体８０の熱は、冷媒の相変化を通じて好適に沸騰冷却器１の外部へと放散される。
【００２５】
なお、気相冷媒通路５５…５５を有するヘッダー５０を備えた図示の実施形態では、沸騰した冷媒の蒸気の一部は、さらに上昇して気相冷媒通路５５…５５へと流入する。こうして気相冷媒は、コンデンサ部２の上端部に形成された複数の通路を通じて、複数の扁平空間２０ａ…２０ａの間を自由に流動できるので、発熱体８０の温度分布が不均一で各扁平空間２０ａ内の蒸気圧に差が生じる可能性のある場合でも、蒸気圧の均等化が図られる。
【００２６】
以下、各構成部材を詳細に説明する。
【００２７】
図４は、タンクセグメント１０の詳細を示す正面図である。タンクセグメント１０は、アルミニウムまたはアルミニウム系合金の押出型材を押出方向に直交する方向に切断して形成され、略矩形断面に貫通形成された複数（図示の形態では８個）の冷媒通路１４…１４と、複数の位置合せ孔１６，１６（図示の形態では２個）とを備えている。冷媒通路１４…１４は、沸騰冷却器１の完成状態では、後述する枠体２０の冷媒収容溝２４…２４及び仕切板３０の液相冷媒用開口部３４…３４と気密接続されて、沸騰冷却器１の前後方向に延在する貫通形態の液相冷媒収容部３ａ…３ａを構成する。位置合せ孔１６，１６は、位置合せピン６０（図２参照）と協働して、積層段階における各構成部材同士の相対位置を正確に合せる機能を有している。なお、タンクセグメント１０が比較的小さい場合には、単一の冷媒通路１４を用いてもよい。
【００２８】
タンクセグメント１０は複数個用いられるが、そのうちの少なくとも１つには、複数の冷媒通路１４…１４を互いに連通させる連通溝１５…１５を形成する。各冷媒通路１４…１４内の液相冷媒の液面高さは、発熱体８０から伝達される熱量が不均一である場合や、発熱体８０が左右方向に傾斜した場合（すなわち、発熱体８０を保持する鉄道車両等が傾斜した場合）、または遠心力が作用した場合などでは、相互に異なることがあり、最悪のケースでは液涸れが生じる可能性もある。連通溝１５…１５は、このようなときに各冷媒通路１４…１４間で液相冷媒を流動させて各冷媒通路１４…１４内の液相冷媒の液面高さを均一化する機能を有している。
【００２９】
冷媒の液面位置は次のように決定すると好ましい。すなわち、冷媒通路１４…１４の最大高さＨの４割から９割に冷媒を入れ、冷媒通路１４…１４の最大高さＨの１割から６割を冷媒蒸気が移動できるスペースとして残す。これにより、冷媒の蒸気が移動できるスペースが確保され、順次冷媒が沸騰しても蒸気がコンデンサ部２側へ上昇し易くなり、また、常に液相冷媒が確保されて液涸れが防止される。例えば、図示する好適な実施形態では、冷媒の液面位置を、冷媒通路１４…１４の最大高さＨの２／３の位置にしている。
【００３０】
連通溝１５…１５の位置及びサイズは、次のように決定すると好ましい。すなわち、連通溝１５…１５の位置は、その上端部が冷媒液面下に配置されるように決定し、その幅（上下間隔Ｗ）は、冷媒通路１４…１４の最大高さＨ×０．１３以上とすることが好ましい。例えば、図示する好適な実施形態では、冷媒通路１４…１４の最大高さＨが５０ｍｍ、連通溝内の冷媒液面高さが冷媒通路１４…１４の底面から３３ｍｍ、連通溝の中心Ｃの位置が冷媒液面下５〜１５ｍｍで、連通溝の上下間隔Ｗが１０ｍｍとされている。また、連通溝１５…１５は、図５に断面で示すように、タンクセグメント１０の前面、後面双方に設けてもよいし、片面のみに設けてもよい。
【００３１】
さらに、少なくとも１つのタンクセグメント１０には、発熱体８０と接続するための接続部１０ａ…１０ａを設ける。図示する実施形態における接続部１０ａは、冷媒通路１４を逃がした余肉部１０ｂとねじ穴１０ｃとから構成され、これが６ヶ所に設けられている。接続部１０ａの数は、発熱体８０の大きさや形状に応じて任意に選択することができる。また、余肉部１０ｂをどのような形状にするか、言い換えれば冷媒通路１４の断面をどのような形状にするかも、任意に選択可能である。タンクセグメント１０は、押出型材から形成されるので、複雑な形状も容易に実現可能である。このように、タンクセグメント１０に接続部１０ａ…１０ａを設けることによって、発熱体８０（または、発熱体８０を保持する鉄道車両等）の振動に起因して作用する入力が、タンクセグメント１０から他の部材へと、ろう付けによる面接合部を介して好適に分散されるので、沸騰冷却器１の耐久性の観点で有利である。
【００３２】
図６は、枠体２０の詳細を示す正面図である。枠体２０は、アルミニウムまたはアルミニウム系合金からなり、その下部に、複数の冷媒収容溝２４…２４を備えている。冷媒収容溝２４…２４は、タンクセグメント１０が有する複数の冷媒通路１４…１４と部分的に対応する形状を有し上方に向けて開口している。冷媒収容溝２４…２４は、積層された際に、タンクセグメント１０の冷媒通路１４…１４及び仕切板３０の液相冷媒用開口部３４…３４と共に液相冷媒収容部３ａ…３ａを構成する。枠体２０の上部は、発熱体８０の熱によって蒸発した気相冷媒を収容する扁平空間２０ａの輪郭を形成し、最上部は、本実施形態においては、ヘッダー５０及びその気相冷媒通路５５…５５に部分的に対応した形状とされている。枠体２０の最外周輪郭は、図１に示すコンデンサ部２、タンク部３、側方張出部５，５の全てを包含する形状とされている。さらに、枠体２０には、複数（図示の形態では６個）の位置合せ孔２６…２６が設けられている。なお、枠体２０が比較的小さい場合には、冷媒収容溝２４を単一のものとしてもよい。
【００３３】
図６に示す枠体２０は、熱の放散を促進するためのインナーフィン７０を扁平空間２０ａ内に保持するよう、複数のフィン保持部２１…２１，２１ａ…２１ａを有している。この構成によれば、組立ての際にインナーフィン７０が所定位置に保持され、冷却器としての使用時には、気相冷媒の熱が、仕切板３０及びフィン４０へとさらに伝達されやすくなるので、沸騰冷却器１の冷却性能がさらに向上する。インナーフィン７０としては、オフセットフィン等、種々のフィンが使用可能である。
【００３４】
本実施形態では、冷媒収容溝２４…２４の上端に位置するフィン保持部２１ａ…２１ａは、タンクセグメント１０が有する冷媒通路１４…１４及び仕切板３０が有する液相冷媒用開口部３４…３４の上端位置よりわずかに高い位置に配置されている。これは、インナーフィン７０が、前後方向に貫通する液相冷媒収容部３ａ…３ａを遮らないようにするためである。
【００３５】
図７は、仕切板３０の詳細を示す正面図である。仕切板３０は、アルミニウムまたはアルミニウム合金等の金属板の両面にろう材層が形成されたブレージングシート（通常、ろう材層をクラッド形成したもの）から形成されている。沸騰冷却器１をアルミニウムで構成する場合、ろう材としてはアルミニウム−シリコン系ろう材、またはアルミニウム−シリコン−マグネシウム系ろう材が好ましいが、これらに限定はされない。真空ろう付けによってろう材が溶融・固化し、仕切板３０は、各部材を結合する接着剤のように機能する。
【００３６】
仕切板３０は、タンクセグメント１０が有する複数の冷媒通路１４…１４に対応した形状の複数の液相冷媒用開口部３４…３４を下部に有し、かつ上部が枠体２０を包含する形状とされている。また、仕切板３０は、後述するヘッダー５０の気相冷媒通路５５…５５に対応した形状に形成された複数の気相冷媒用開口部３５…３５を有している。仕切板３０は、積層された際に、枠体２０と組合されて、気相冷媒を収容する扁平空間２０ａを形成する。液相冷媒用開口部３４…３４は、タンクセグメント１０の冷媒通路１４…１４及び枠体２０の冷媒収容溝２４…２４と共に液相冷媒収容部３ａ…３ａを構成する。仕切板３０の最外周輪郭は、図１に示すコンデンサ部２、タンク部３、側方張出部５，５の全てを包含する形状とされている。さらに、仕切板３０には、複数（図示の形態では６個）の位置合せ孔３６…３６が設けられている。なお、仕切板３０が比較的小さい場合には、液相冷媒用開口部３４を単一のものとしてもよい。
【００３７】
図７に示す仕切板３０は、４ヶ所に爪部３７を有している。これらは、積層作業の際、フィン４０を挟んだ後に、図１に示すように折り曲げて、フィン４０を、溶融接合されるまでの間、所定位置に保持するためのものである。
【００３８】
フィン４０は、好ましくは薄い金属板を折り曲げて多数の通風路を有するように形成され、図２に示すように、前後方向には２枚の仕切板３０，３０で挟まれ、上下方向には、タンクセグメント１０とヘッダー５０との間に挟まれるように配置される。フィン４０の前後方向厚さは、タンクセグメント１０及びヘッダー５０の前後方向厚さと同一に形成されており、従って、積層された状態では２枚の仕切板３０，３０に密着し、仕切板３０，３０のろう材が溶融することによって、２枚の仕切板３０，３０に接合され、その結果、仕切板３０，３０から効率良く熱を奪って放散するように作用する。フィン４０は、ストレートフィンでも、ウェービーフィンでもよい。
【００３９】
ヘッダー５０は、図２に示すように、前後方向に貫通する複数（図示の形態では５個）の気相冷媒通路５５…５５と、同じく前後方向に貫通する複数（図示の形態では２個）の位置合せ孔５６とを備え、タンクセグメント１０と同一の厚さに形成されている。気相冷媒通路５５…５５は、仕切板３０に形成されている気相冷媒用開口部３５の形状に対応した形状を有している。ヘッダー５０は、積層された状態では２枚の仕切板３０に密着し、仕切板３０のろう材が溶融することによって、２枚の仕切板３０に接合される。従って、ヘッダー５０は、気相冷媒を自由に流動させるだけでなく、沸騰冷却器１の全体剛性を高める効果も有している。
【００４０】
２枚の端板３１，３１（図１，２参照）は、仕切板３０より厚いアルミニウムまたはアルミニウム系合金の板材（ろう材を含まず）から形成され、仕切板３０と同じ外輪郭を有し、また、位置合せ孔３１ａを備えている。端板３１，３１は、特にコンデンサ部２の前後方向両端部の剛性確保のために接合されるものである。また、２枚の接合板３２，３２（図２参照）は、仕切板３０と同様にブレージングシートから形成され、端板３１と、端部セグメント１１及び角部セグメント１３とを面接合するために挟まれている。
【００４１】
次に、沸騰冷却器１を本発明による方法に従って製造する手順を説明する。
【００４２】
まず、既に詳細を説明したタンクセグメント１０、端部セグメント１１、側方セグメント１２、角部セグメント１３、枠体２０、仕切板３０、端板３１、接合板３２、フィン４０、ヘッダー５０、インナーフィン７０のそれぞれを必要数準備する。
【００４３】
次いで、各構成部材に形成された位置合せ孔１６，２６，３１ａ，３６，５６に位置合せピン６０を挿通しながら（図２参照）、端部セグメント１１と２個の角部セグメント１３，１３との組合せ、接合板３２、端板３１、仕切板３０、タンクセグメント１０とフィン４０と２個の側方セグメント１２，１２とヘッダー５０との組合せ、仕切板３０、枠体２０とインナーフィン７０との組合せ、仕切板３０、タンクセグメント１０とフィン４０と２個の側方セグメント１２，１２とヘッダー５０との組合せ、仕切板３０、枠体２０とインナーフィン７０との組合せ、仕切板３０、…（中略）…、仕切板３０、端板３１、接合板３２、端部セグメント１１と２個の角部セグメント１３，１３との組合せ、を、この順に全て重ねて非接合積層体１ａ（図２はその一部のみを示している）を形成し、固定用クランプ等で図１に両矢印Ａで示す前後方向に適度に加圧して保持する。
【００４４】
次いで、固定保持された非接合積層体１ａを電気加熱炉等に収納し、炉内を真空にした後、仕切板３０が有するろう材の融点を越えるまで温度上昇させる。高温状態に所定時間保持した後、炉内温度を下げ、十分に温度低下した状態で沸騰冷却器１を炉から取出す。
【００４５】
上記の加熱処理が終了した沸騰冷却器１では、仕切板３０及び接合板３２が有するろう材が溶融して、全ての構成部材が一体化されている。なお前述のように、アルミニウム−シリコン系ろう材、またはアルミニウム−シリコン−マグネシウム系ろう材を用いた場合、ろう材を溶融させるために適切な温度は約６５０℃である。
【００４６】
次に、本発明に関するいくつかの変更形態について説明する。
【００４７】
前後張出部４は、上記の実施形態では主として沸騰冷却器１の取付け用に使用されるものであるが、発熱体８０に接触させて吸熱用に利用してもよい。その場合、例えば、端板３１及び接合板３２にも仕切板３０が有する液相冷媒用開口部３４…３４と同様の開口部を設けて、端部セグメント１１が有する通路１１ａ…１１ａを冷媒収容部３ａ…３ａに連通させ、なおかつ、前後張出部４の端面は、もう１枚の接合板３２を追加接合して（他の部材と共に真空ろう付けで面接合される）封止する。この場合、前後張出部４の端面で、端部セグメント１１と角部セグメント１３とが連結されるので、剛性がさらに増大するという効果もある。従って、通路１１ａ…１１ａを冷媒収容部３ａ…３ａに連通させない場合であっても、接合板３２を追加してもよい。
【００４８】
側方張出部５は、前述の実施形態では主として沸騰冷却器１の取付け用に使用されるものであるが、発熱体８０に接触させて吸熱用に利用してもよい。その場合には、例えば、タンクセグメント１０と側方セグメント１２とを分割せずに一体で形成し、タンクセグメント１０が有する冷媒通路１４と側方セグメント１２が有する通路１２ａとを連通させ、また、枠体２０が有する冷媒収容溝２４と通路２２とを連通させる。
【００４９】
前後張出部４及び側方張出部５のいずれかを排除した形態、あるいは双方とも排除した形態でも、本発明に係る基本的な作用・効果は得られる。しかし、前後張出部４または側方張出部５を備えていると、沸騰冷却器１の取付けの自由度が増して好ましい。
【００５０】
図示の形態では、枠体２０がインナーフィン７０を保持しているが、このインナーフィン７０は省略可能である。但し、この場合、冷却性能はやや劣ることになる。
【００５１】
また、インナーフィン７０が存在する場合でも、存在しない場合でも、枠体２０において冷媒収容溝２４…２４を形成している側壁部２４ａ…２４ａを、さらに上方まで延在させてもよい（インナーフィン７０が存在する場合にはインナーフィン７０の上下幅が小さくなるが）。このようにすると、枠体２０による仕切板３０の支持剛性が増大し、耐圧性、耐久性がさらに向上するので好ましい。
【００５２】
図８は、タンクセグメント１０の冷媒通路の変更形態を示している。この変更形態における冷媒通路１４′の輪郭は、沸騰冷却器１の前後方向（押出母材の押出方向）に延在する多数の凸条１４ａと凹溝１４ｂとから形成されている。このようにすると、冷媒通路１４′の輪郭部表面積が大きくなり、核沸騰の起点が多くなる。従って、液相冷媒の気化が一層盛んになり、気化によって持ち出される熱量が増加するので冷却器としての冷却性能の向上を図ることができる。なお、図示の形態では凹凸形状を略矩形としているが、これは一例に過ぎず、三角形状、サイン波のような曲線状、といった矩形以外の形状としてもよく、各凹凸の大きさも自由に選択することができる。また、ここではタンクセグメント１０の冷媒通路１４′のみを示しているが、枠体２０の冷媒収容溝２４…２４、及び仕切板３０の液相冷媒用開口部３４…３４の輪郭も、同様の凹凸形状を有するように形成してもよい。
【００５３】
図示の実施形態では、枠体２０の冷媒収容溝２４…２４の下部形状をタンクセグメント１０の冷媒通路１４…１４に対応した形状としているが、冷媒収容溝２４…２４の底面が冷媒通路１４…１４の底面より上方に位置するように構成すれば、枠体２０が壁となって、冷媒収容部３ａ…３ａが前後方向にいくつかの区画に分割される。このような構成によれば、前後方向に傾いた場合や前後方向に遠心力の作用を受けた場合でも、ある程度の液相冷媒が各区画内に残留するので、液相冷媒の一方向への極端な偏りを防止することができ、こうして、液涸れの危険を回避することができる。
【００５４】
図示の実施形態では、沸騰冷却器１はヘッダー５０を備えているが、ヘッダー５０を含まない形態であっても、本発明に係る基本的な作用・効果は得られる。この場合、仕切板３０における気相冷媒用開口部３５…３５を省略し、フィン４０の上端部は、仕切板３０の上端部に一致させることが好ましい。
【００５５】
図９は、図４における連通溝１５の変更形態である連通溝１５′を備えたタンクセグメント１０′を示し、図１０は、図９におけるＸ−Ｘ線視断面を示している。この連通溝１５′は、タンクセグメント１０′の厚さ（前後）方向に貫通する形でリブの一部を切除した形状である。タンクセグメント１０′はアルミニウムの押出型材を切断して形成されるので、連通溝１５′は、母材の押出成形時に、同時に形成することが可能である。従って、前記連通溝１５の場合に必要な複雑な後加工が不要であり、沸騰冷却器の製作がより容易になる。このようなタンクセグメント１０′を、例えば、タンク部３の両端部２ヶ所に用いれば、前述のタンクセグメント１０を用いた実施形態と同様の作用を得ることができる。
【００５６】
上記においては、使用される冷媒の代表例としてエタノールを挙げたが、冷媒は、発熱体の温度や使用環境の外気温などに応じて適宜選択することができる。オゾン破壊の懸念がない他の好適な冷媒の一例として、パーフロロカーボンを挙げることができる。
【００５７】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、全体剛性が高く、耐圧性に優れ、熱応力または圧力変動による亀裂・冷媒漏れが生じにくく、なおかつ製造が容易である沸騰冷却器が提供される。さらに、本発明によれば、このような沸騰冷却器を真空ろう付け法によって極めて容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による沸騰冷却器の一実施形態を完成状態で示す斜視図である。
【図２】図１の沸騰冷却器の一部を、各構成部材に分解して示す分解斜視図である。
【図３】図１の沸騰冷却器についてコンデンサ部を除去してタンク部のみを上方から見た平面図である。
【図４】図１の沸騰冷却器を構成するタンクセグメントを示す正面図である。
【図５】図４におけるＶ−Ｖ線視断面図である。
【図６】図１の沸騰冷却器の扁平空間の輪郭を形成する枠体の正面図である。
【図７】図１の沸騰冷却器の扁平空間の壁面を形成する仕切板の正面図である。
【図８】タンクセグメント内冷媒通路の変更実施形態を示す正面図である。
【図９】別形態の連通溝を備えたタンクセグメントを示す正面図である。
【図１０】図９におけるＸ−Ｘ線視断面図である。
【図１１】従来の沸騰冷却器の一例を完成状態で示す斜視図である。
【符号の説明】
１…沸騰冷却器；１ａ…非接合積層体（積層体）；１０，１０′…タンクセグメント；１０ａ…接続部；１４，１４′…冷媒通路；１５，１５′…連通溝；１６，２６，３１ａ，３６，５６…位置合せ孔；２０…枠体；２４…冷媒収容溝；３０…仕切板；３４…液相冷媒用開口部（開口部）；３５…気相冷媒用開口部；４０…フィン；５０…ヘッダー；５５…気相冷媒通路；６０…位置合せピン；７０…インナーフィン；８０…発熱体；Ｃ…連通溝の中心；Ｈ…冷媒通路の最大高さ；Ｗ…連通溝の上下間隔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention generally relates to a boiling cooler composed of a laminated structure, and a method for manufacturing the same. This boiling cooler is suitable for cooling a relatively large heating element, for example, a main power supply control element (IGBT) of a railway vehicle, but the application is not limited to this.
[0002]
[Prior art]
Cooling the heating element by boiling and evaporating the liquid phase refrigerant (also called hydraulic fluid) such as ethanol by the heat of the heating element, and cooling and condensing this gas-phase refrigerant using fins An apparatus that performs this is known as a heat pipe (a gas-phase refrigerant storage chamber is in a pipe shape) or a boiling cooler (a gas-phase refrigerant storage chamber is in a shape other than a pipe). In this way, the heat pipe or the boiling cooler using the two-phase change of the refrigerant does not require a forced refrigerant circulation device, and has a higher heat transport performance than a finned cooler simply made of a metal plate. It has come to be widely used for cooling heating elements from small electronic devices to large power supply devices.
[0003]
FIG. 11 particularly shows an example of a boiling cooler in which a gas-phase refrigerant storage chamber and cooling fins are formed in a laminated structure. The boiling cooler 101 is attached to a heating element (not shown) located below the tank 103 and receives heat transfer from the heating element, flat gas-phase refrigerant storage chambers and cooling fins are alternately stacked. A capacitor 102 that is disposed and is capable of fluid communication with the space in the tank 103 is provided. The tank 103 is made of an extrusion mold material, and a plurality of refrigerant containing grooves 106 for containing a liquid phase refrigerant (for example, ethanol) are formed so as to extend in the longitudinal direction of the boiling cooler 101. Both ends of these grooves are sealed by welding the periphery of the sealing member 104 to the tank 103. On the upper surface of the tank 103, an opening for accommodating the capacitor 102 is formed through the plurality of refrigerant accommodating grooves 106. The capacitor 102 is fixed to the tank 103 by fitting the fillet portion connected to the tank 103 over the entire circumference after being fitted into the opening.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Generally, the temperature of the heating element varies. When the heating element is, for example, a main power control element for a railway vehicle that is operated every day, a large temperature change from a completely cold state to a high temperature state occurs at least once a day, and a relatively small temperature change during operation. Occurs many times. Such a temperature change of the heating element is transmitted to the cooler, and a thermal stress cycle occurs in each part of the cooler, or a stress cycle due to a change in the vapor pressure of the refrigerant occurs. In the boiling cooler 101 as described above, since the tank 103 and the capacitor 102 and the tank 103 and the sealing member 104 are welded and joined by the linear weld bead 105, these stresses are in the vicinity of the weld bead 105. There has been a problem that cracks may occur due to metal fatigue due to concentrated and repeated stress fluctuations, leading to refrigerant leakage. Also, the boiling cooler 101 is not suitable for high pressure applications because the rigidity of the lower part of the capacitor 102 to which the most pressure is applied is low.
[0005]
Further, in the above-described boiling cooler 101, in the production thereof, the capacitor 102 is formed by lamination and vacuum brazing, the base material of the tank 103 is formed by extrusion, the opening is formed on the upper surface of the tank 103, and the capacitor 102 and the tank 103 are formed. Various work processes such as welding with the tank 103 and welding between the tank 103 and the sealing member 104 are necessary, and there is a problem that the manufacturing takes a long time and the manufacturing cost increases accordingly.
[0006]
The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems of conventional boiling coolers, and its purpose is high overall rigidity, excellent pressure resistance, cracks / refrigerant due to thermal stress or pressure fluctuations, etc. It is an object of the present invention to provide a boiling cooler that hardly leaks and is easy to manufacture. Another object of the present invention is to provide a method for producing such a boiling cooler.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, a boiling cooler provided by the present invention includes a plurality of tank segments having a refrigerant passage formed so as to penetrate therethrough for accommodating a liquid-phase refrigerant and connected to an external heating element, and a lower part And a brazing sheet in which a brazing material layer is formed on both sides of a metal plate, and a frame that forms an outline of a flat space that contains the liquid-phase refrigerant and accommodates a gas-phase refrigerant evaporated by heat of the heating element. A partition plate provided at a lower portion of the frame body and having an opening for liquid phase refrigerant communicating with the coolant passage, and the tank segment is disposed at the lower portion of the partition plate. And the liquid phase refrigerant opening are connected to each other by brazing in a laminated state.
[0008]
According to this configuration, since all the joining between the constituent members is a surface joining, the overall rigidity is high, the pressure resistance is excellent, and the stress accompanying thermal stress or pressure fluctuation is suitably dispersed, so that cracks and refrigerant leakage are prevented. Hard to occur. The fact that the connecting portion with the heating element is integrated into the entire structure through surface bonding also has an advantageous effect on preventing cracks. In addition, after laminating the constituent members, the brazing material is melted and integrated as a whole only by heating once in a vacuum, so that the manufacturing is extremely easy.
[0009]
The tank segment preferably includes a plurality of the refrigerant passages and a communication groove that allows the plurality of refrigerant passages to communicate with each other. Further, the upper end portion of the communication groove is disposed below the coolant liquid level that can be inserted up to 40 to 90% of the maximum height of the refrigerant passage, and the vertical distance of the communication groove is the maximum height × 0. .13 or more is preferable. In this case, the upper part to 60% of the refrigerant passage is secured as a space for facilitating the flow of the steam to the condensing part.
[0010]
The liquid level height of the liquid refrigerant in each refrigerant passage may vary due to non-uniform heat transfer from the heating element, inclination of the heating element, centrifugal force, etc. In the case, dripping may occur. However, with the above configuration, the liquid phase refrigerant flows through the communication groove and the liquid level height of the liquid phase refrigerant in each refrigerant passage is made uniform, so that such a problem does not occur. As described above, the communication groove is preferably provided below the liquid level of the refrigerant because the movement of the liquid-phase refrigerant is easy. However, even if the communication groove is configured to sandwich the liquid level, The function is not impaired.
[0011]
More preferably, the frame is formed so as to hold an inner fin for promoting heat dissipation in the flat space.
[0012]
According to this configuration, since the heat of the refrigerant is further easily transmitted to the partition plate and the external fin, the cooling effect as the cooler is further improved.
[0013]
A method for manufacturing a boiling cooler provided by the present invention includes a plurality of tank segments having a refrigerant passage formed so as to penetrate therethrough for containing a liquid-phase refrigerant and including a connection portion with an external heating element, and It comprises a frame that forms an outline of a flat space that contains the liquid-phase refrigerant and contains vapor-phase refrigerant evaporated by the heat of the heating element, and a brazing sheet in which a brazing material layer is formed on both sides of the metal plate. Preparing a partition plate having a liquid-phase coolant opening communicating with the coolant passage at a lower portion and provided on both sides of the frame; and the partition plate, the frame, and the tank segment. And laminating the refrigerant passage and the liquid phase refrigerant opening in communication with each other, and assembling the laminated body, and integrating the laminated body by heat brazing. .
[0014]
According to this manufacturing method, after laminating each constituent member, the brazing material is melted and integrated as a whole only by heating once in a vacuum, so that the overall rigidity is high and the pressure resistance is excellent. A boiling cooler that hardly causes cracks and refrigerant leakage can be manufactured very easily.
[0015]
The partition plate, the frame body, and the tank segment have alignment holes at corresponding positions, and the step of assembling the laminated body includes a step of inserting an alignment pin into the alignment hole. And more preferred.
[0016]
If the alignment pin is used, the alignment between the constituent members becomes easy and accurate, and the alignment pin also serves as a reinforcing member penetrating the entire cooler, which is advantageous in that the overall rigidity is further improved.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment of a boiling cooler according to the present invention.
[0018]
First, an overall configuration of an embodiment of the boiling cooler 1 according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 is a perspective view showing an embodiment of a boiling cooler 1 according to the present invention in a completed state, FIG. 2 is an exploded perspective view showing a part of the boiling cooler 1 in an exploded manner, and FIG. These are the top views which removed the capacitor | condenser part 2 of the boiling cooler 1 and looked only at the tank part 3 from upper direction (the below-mentioned inner fin 70 is abbreviate | omitted). The boiling cooler 1 of the present embodiment has a shape in which two rectangular parallelepipeds are stacked. More specifically, the boiling cooler 1 includes a substantially rectangular parallelepiped capacitor portion 2, a substantially rectangular parallelepiped tank portion 3 disposed below the capacitor portion 2, and a longitudinal direction indicated by a double arrow A from the tank portion 3. Are provided with front and rear projecting portions 4 and 4 having a substantially rectangular parallelepiped shape and side projecting portions 5 and 5 having a substantially rectangular parallelepiped shape projecting from the tank portion 3 in the left-right direction indicated by a double arrow B.
[0019]
The capacitor unit 2 is formed by stacking a large number of partition plates 30, combinations of fins 40 and headers 50, partition plates 30, frame bodies 20, and partition plates 30 in this order in the front-rear direction indicated by a double arrow A. Further, the end plate 31 is joined to the end portions in the front-rear direction (however, this formation mode is described for convenience of explanation, and the boiling cooler 1 The actual manufacturing method will be described in detail later). Thus, the capacitor unit 2 includes a large number of flat spaces 20 a and fins 40 formed from the frame body 20 and the two partition plates 30 and 30 sandwiching the frame body 20. The fin 40 is sandwiched between the two partition plates 30 and 30 in order to enhance the heat radiation effect. The upper end portion includes a plurality of gas-phase refrigerant passages 55... 55 included in the header 50, a plurality of gas-phase refrigerant openings 35... 35 included in the partition plate 30, and a plurality of flat spaces 20a. A plurality of passages through which the gas-phase refrigerant flows are formed.
[0020]
The tank unit 3 includes a partition plate 30, a tank segment 10, a partition plate 30, a frame body 20, and a partition plate 30 in this order, a liquid phase that the tank segment 10 includes the refrigerant passage 14 and the partition plate 30. In order to communicate with the refrigerant opening 34, a large number of them are stacked and joined in the front-rear direction indicated by the double arrow A, and further, an end plate 31 is joined to the end in the front-rear direction (however, This formation mode is also described for convenience in order to explain the configuration, and an actual manufacturing method of the boiling cooler 1 will be described later in detail). Thus, the tank portion 3 is formed with a plurality of liquid-phase refrigerant accommodating portions 3a... 3a that are partially opened upward and for accommodating the liquid-phase refrigerant (FIG. 3). A heating element 80 (shown only in FIG. 4) is connected to the lower surface of the tank unit 3.
[0021]
The front / rear overhanging portion 4 is composed of an end segment 11 and two corner segments 13 and 13, and is mainly used for mounting the boiling cooler 1. In the illustrated embodiment, the end segment 11 has a plurality of passages 11a... 11a, and the corner segment 13 has a passage 13a. This is because the end segment 11 and the tank segment 10 are connected to a common extruder. This is because the corner segment 13 and the side segment 12 (described later) are cut out from a common extruded base material, and these passages 11a and 13a are not for accommodating the refrigerant. Absent. However, having these passages 11a... 11a, 13a is preferable from the viewpoint of weight reduction.
[0022]
The side projecting portion 5 is formed by laminating a large number of partition plates 30, side segments 12, partition plates 30, frame bodies 20, and partition plates 30 in this order in the front-rear direction indicated by a double arrow A. Further, the end plate 31 is joined to the end portion in the front-rear direction. The side overhanging portion 5 is used mainly for mounting the boiling cooler 1 in the same manner as the front and rear overhanging portion 4. In the illustrated embodiment, the side projecting portion 5 also has a through-passage, but this is not for housing the refrigerant, and the main purpose is weight reduction.
[0023]
Next, the cooling action of the boiling cooler 1 will be described. A typical liquid-phase refrigerant used here is ethanol, but the cooling effect is not changed even with other liquids.
[0024]
The completed boiling cooler 1 is injected with an appropriate amount of liquid-phase refrigerant from an inlet (not shown) and then sealed. In this state, the boiling cooler 1 is fixed so that the tank unit 3 contacts the heating element 80. When the temperature of the heating element 80 rises, the tank segment 10, the frame body 20, and the lower part of the partition plate 30 are heated, the temperature of the refrigerant accommodated in the liquid-phase refrigerant accommodating portions 3a ... 3a rises, and boiling begins soon. The vapor evaporated from the boiling refrigerant rises and enters a large number of flat spaces 20a... 20a formed in the capacitor unit 2 through a plurality of openings formed in the upper part of the tank unit 3. This vapor touches the partition plate 30 and the inner fin 70 which are suitably cooled by the fins 40 and is deprived of heat to condense into a liquid refrigerant, and descends along the partition plate 30 to reach the liquid phase refrigerant accommodating portion 3a. Reflux to 3a. The refrigerant that has returned to the liquid-phase refrigerant housings 3a... 3a again boils and evaporates and repeats the above process. Thus, the heat of the heating element 80 is preferably dissipated to the outside of the boiling cooler 1 through the phase change of the refrigerant.
[0025]
In the illustrated embodiment including the header 50 having the gas-phase refrigerant passages 55... 55, a part of the boiling vapor of the refrigerant further rises and flows into the gas-phase refrigerant passages 55. In this way, the gas-phase refrigerant can freely flow between the plurality of flat spaces 20a through 20a through the plurality of passages formed at the upper end portion of the capacitor unit 2, so that the temperature distribution of the heating element 80 is non-uniform and each flat space Even when there is a possibility that a difference occurs in the vapor pressure in 20a, the vapor pressure can be equalized.
[0026]
Hereinafter, each component will be described in detail.
[0027]
FIG. 4 is a front view showing details of the tank segment 10. The tank segment 10 is formed by cutting an extrusion mold material of aluminum or an aluminum-based alloy in a direction orthogonal to the extrusion direction, and a plurality of (eight in the illustrated embodiment) refrigerant passages 14... And a plurality of alignment holes 16, 16 (two in the illustrated embodiment). When the boiling cooler 1 is completed, the refrigerant passages 14... 14 are hermetically connected to refrigerant housing grooves 24... 24 of the frame 20 and a liquid phase refrigerant opening 34. The liquid-phase refrigerant | coolant accommodating part 3a ... 3a of the penetration form extended in the front-back direction of the container 1 is comprised. The alignment holes 16 and 16 cooperate with the alignment pin 60 (see FIG. 2) to have a function of accurately aligning the relative positions of the constituent members in the stacking stage. When the tank segment 10 is relatively small, a single refrigerant passage 14 may be used.
[0028]
A plurality of tank segments 10 are used, and at least one of them is formed with communication grooves 15... 15 for communicating the plurality of refrigerant passages 14. The liquid level height of the liquid phase refrigerant in each refrigerant passage 14... 14 is the case where the amount of heat transmitted from the heating element 80 is uneven or when the heating element 80 is inclined in the left-right direction (that is, the heating element 80. When a railway vehicle or the like holding the vehicle is tilted) or when a centrifugal force is applied, it may be different from each other, and liquid dripping may occur in the worst case. The communication grooves 15... 15 have the function of causing the liquid phase refrigerant to flow between the refrigerant passages 14. is doing.
[0029]
The liquid level position of the refrigerant is preferably determined as follows. That is, the refrigerant is put into 40 to 90% of the maximum height H of the refrigerant passages 14 ... 14, and 10% to 60% of the maximum height H of the refrigerant passages 14 ... 14 is left as a space where the refrigerant vapor can move. As a result, a space in which the vapor of the refrigerant can move is ensured, and even if the refrigerant boils sequentially, the vapor easily rises to the capacitor unit 2 side, and a liquid phase refrigerant is always secured to prevent liquid dripping. For example, in the illustrated preferred embodiment, the liquid level position of the refrigerant is set to a position of 2/3 of the maximum height H of the refrigerant passages 14.
[0030]
The positions and sizes of the communication grooves 15... 15 are preferably determined as follows. That is, the position of the communication grooves 15... 15 is determined so that the upper end portion is disposed below the refrigerant liquid surface, and the width (vertical interval W) is the maximum height H × 0. It is preferable to set it to 13 or more. For example, in the illustrated preferred embodiment, the maximum height H of the refrigerant passages 14... 14 is 50 mm, the liquid level in the communication groove is 33 mm from the bottom surface of the refrigerant passages 14. Is 5-15 mm below the coolant level, and the vertical gap W of the communication groove is 10 mm. Further, the communication grooves 15... 15 may be provided on both the front surface and the rear surface of the tank segment 10 as shown in a cross section in FIG.
[0031]
Further, at least one tank segment 10 is provided with connection portions 10a... 10a for connection to the heating element 80. The connecting portion 10a in the illustrated embodiment is composed of a surplus portion 10b that has escaped the refrigerant passage 14 and screw holes 10c, and these are provided at six locations. The number of connection portions 10 a can be arbitrarily selected according to the size and shape of the heating element 80. Moreover, what kind of shape the surplus part 10b is made, in other words what kind of shape the cross section of the refrigerant passage 14 is made, can be arbitrarily selected. Since the tank segment 10 is formed from an extrusion mold material, a complicated shape can be easily realized. As described above, by providing the connecting portions 10a... 10a to the tank segment 10, the input acting due to the vibration of the heating element 80 (or the railway vehicle holding the heating element 80, etc.) This is advantageous in terms of durability of the boiling cooler 1 because it is preferably dispersed through the surface joint portion by brazing.
[0032]
FIG. 6 is a front view showing details of the frame body 20. The frame body 20 is made of aluminum or an aluminum-based alloy, and includes a plurality of refrigerant containing grooves 24. The refrigerant accommodating grooves 24... 24 have a shape partially corresponding to the plurality of refrigerant passages 14... 14 of the tank segment 10 and open upward. The refrigerant accommodating grooves 24... 24 constitute liquid phase refrigerant accommodating portions 3 a to 3 a together with the refrigerant passages 14 to 14 of the tank segment 10 and the liquid phase refrigerant openings 34 to 34 of the partition plate 30 when stacked. The upper part of the frame 20 forms an outline of a flat space 20a that accommodates the gas-phase refrigerant evaporated by the heat of the heating element 80, and the uppermost part is the header 50 and its gas-phase refrigerant passage 55 in the present embodiment. The shape partially corresponds to 55. The outermost peripheral contour of the frame body 20 has a shape that includes all of the capacitor portion 2, the tank portion 3, and the side protruding portions 5 and 5 shown in FIG. 1. Further, the frame 20 is provided with a plurality (six in the illustrated embodiment) of alignment holes 26. In addition, when the frame 20 is comparatively small, the refrigerant | coolant accommodation groove | channel 24 is good also as a single thing.
[0033]
The frame 20 shown in FIG. 6 has a plurality of fin holding portions 21... 21, 21 a... 21 a so as to hold the inner fins 70 for promoting heat dissipation in the flat space 20 a. According to this configuration, the inner fin 70 is held at a predetermined position during assembly, and the heat of the gas-phase refrigerant is more easily transmitted to the partition plate 30 and the fin 40 when used as a cooler. The cooling performance of the cooler 1 is further improved. Various fins such as offset fins can be used as the inner fin 70.
[0034]
In the present embodiment, the fin holding portions 21a... 21a located at the upper ends of the refrigerant accommodating grooves 24... 24 are formed on the refrigerant passages 14... 14 of the tank segment 10 and the liquid phase refrigerant openings 34. It is arranged at a position slightly higher than the upper end position. This is to prevent the inner fin 70 from blocking the liquid-phase refrigerant accommodating portions 3a ... 3a penetrating in the front-rear direction.
[0035]
FIG. 7 is a front view showing details of the partition plate 30. The partition plate 30 is formed from a brazing sheet (usually clad with a brazing material layer) in which a brazing material layer is formed on both surfaces of a metal plate such as aluminum or an aluminum alloy. When the boiling cooler 1 is made of aluminum, the brazing material is preferably an aluminum-silicon brazing material or an aluminum-silicon-magnesium brazing material, but is not limited thereto. The brazing material is melted and solidified by vacuum brazing, and the partition plate 30 functions like an adhesive that joins the members.
[0036]
The partition plate 30 has a plurality of liquid-phase refrigerant openings 34... 34 having a shape corresponding to the plurality of refrigerant passages 14... 14 of the tank segment 10 in the lower part, and the upper part includes the frame body 20. Has been. Further, the partition plate 30 has a plurality of gas-phase refrigerant openings 35... 35 formed in a shape corresponding to gas-phase refrigerant passages 55. When the partition plates 30 are stacked, the partition plates 30 are combined with the frame body 20 to form a flat space 20a that accommodates the gas-phase refrigerant. The liquid phase refrigerant openings 34... 34 together with the refrigerant passages 14... 14 of the tank segment 10 and the refrigerant accommodating grooves 24. The outermost peripheral contour of the partition plate 30 has a shape that includes all of the capacitor portion 2, the tank portion 3, and the side protruding portions 5 and 5 shown in FIG. 1. Further, the partition plate 30 is provided with a plurality (six in the illustrated embodiment) of alignment holes 36. In addition, when the partition plate 30 is relatively small, the liquid-phase refrigerant opening 34 may be a single one.
[0037]
The partition plate 30 shown in FIG. 7 has claw portions 37 at four locations. These are for holding the fin 40 in a predetermined position until it is melt-bonded by bending as shown in FIG.
[0038]
The fin 40 is preferably formed by bending a thin metal plate to have a large number of ventilation paths. As shown in FIG. 2, the fin 40 is sandwiched between two partition plates 30 and 30 in the front-rear direction and in the vertical direction. The tank segment 10 and the header 50 are disposed so as to be sandwiched between them. The thickness of the fin 40 in the front-rear direction is the same as the thickness of the tank segment 10 and the header 50 in the front-rear direction. Therefore, in the stacked state, the fin 40 is in close contact with the two partition plates 30, 30. When the brazing filler metal 30 is melted, it is joined to the two partition plates 30 and 30, and as a result, the heat is efficiently taken away from the partition plates 30 and 30 to be dissipated. The fin 40 may be a straight fin or a waby fin.
[0039]
As shown in FIG. 2, the header 50 includes a plurality (five in the illustrated embodiment) of gas-phase refrigerant passages 55... 55 penetrating in the front-rear direction, and a plurality (two in the illustrated embodiment) penetrating in the front-rear direction. Are formed to have the same thickness as the tank segment 10. The gas-phase refrigerant passages 55... 55 have a shape corresponding to the shape of the gas-phase refrigerant opening 35 formed in the partition plate 30. The header 50 is in close contact with the two partition plates 30 in a stacked state, and is joined to the two partition plates 30 by melting the brazing material of the partition plate 30. Therefore, the header 50 not only allows the gas-phase refrigerant to flow freely, but also has the effect of increasing the overall rigidity of the boiling cooler 1.
[0040]
The two end plates 31 and 31 (see FIGS. 1 and 2) are formed of aluminum or aluminum alloy plate material (not including brazing material) thicker than the partition plate 30 and have the same outer contour as the partition plate 30. In addition, an alignment hole 31a is provided. The end plates 31, 31 are joined to ensure rigidity at both ends in the front-rear direction of the capacitor unit 2. Moreover, the two joining plates 32 and 32 (refer FIG. 2) are formed from a brazing sheet similarly to the partition plate 30, and in order to surface-join the end plate 31, the edge segment 11, and the corner | angular segment 13. It is sandwiched.
[0041]
Next, a procedure for manufacturing the boiling cooler 1 according to the method of the present invention will be described.
[0042]
First, the tank segment 10, the end segment 11, the side segment 12, the corner segment 13, the frame 20, the partition plate 30, the end plate 31, the joining plate 32, the fin 40, the header 50, the inner fin, which have already been described in detail. Prepare the required number of each of 70.
[0043]
Next, the end segment 11 and the two corner segments 13, 13 are inserted through the alignment pins 60 through the alignment holes 16, 26, 31a, 36, 56 formed in each component (see FIG. 2). Combination, joining plate 32, end plate 31, partition plate 30, combination of tank segment 10 and fin 40, two side segments 12, 12 and header 50, partition plate 30, frame 20 and inner fin 70 Combination of the partition plate 30, the tank segment 10 and the fin 40, the two side segments 12 and 12, and the header 50, the partition plate 30, the combination of the frame 20 and the inner fin 70, the partition plate 30, ... (omitted) ..., the partition plate 30, the end plate 31, the joining plate 32, the combination of the end segment 11 and the two corner segments 13 and 13 are all stacked in this order, and the non-joined laminate 1 (Figure 2 is that shows only a portion thereof) is formed and held by applying moderately pressurized in the longitudinal direction indicated by a double-headed arrow A in FIG. 1 with a fixed clamp or the like.
[0044]
Next, the non-bonded laminated body 1a fixed and held is housed in an electric heating furnace or the like, and after the inside of the furnace is evacuated, the temperature is raised until the melting point of the brazing material of the partition plate 30 is exceeded. After maintaining at a high temperature for a predetermined time, the temperature in the furnace is lowered, and the boiling cooler 1 is taken out of the furnace in a state where the temperature is sufficiently lowered.
[0045]
In the boiling cooler 1 in which the above heat treatment has been completed, the brazing material of the partition plate 30 and the joining plate 32 is melted, and all the constituent members are integrated. As described above, when an aluminum-silicon brazing material or an aluminum-silicon-magnesium brazing material is used, a suitable temperature for melting the brazing material is about 650 ° C.
[0046]
Next, some modifications relating to the present invention will be described.
[0047]
The front and rear overhanging portion 4 is mainly used for mounting the boiling cooler 1 in the above embodiment, but may be used for heat absorption by contacting the heating element 80. In this case, for example, the end plate 31 and the joining plate 32 are provided with openings similar to the liquid-phase refrigerant openings 34... 34 included in the partition plate 30, and the passages 11 a. Further, the end surfaces of the front and rear projecting portions 4 are sealed by additional joining of another joining plate 32 (surface joining is performed together with other members by vacuum brazing). In this case, since the end segment 11 and the corner segment 13 are connected to each other at the end surface of the front and rear projecting portion 4, there is an effect that the rigidity is further increased. Therefore, the joining plate 32 may be added even when the passages 11a... 11a are not communicated with the refrigerant accommodating portions 3a.
[0048]
The side overhanging portion 5 is mainly used for mounting the boiling cooler 1 in the above-described embodiment, but may be used for heat absorption by contacting the heating element 80. In that case, for example, the tank segment 10 and the side segment 12 are integrally formed without being divided, the refrigerant passage 14 included in the tank segment 10 and the passage 12a included in the side segment 12 are communicated, The refrigerant accommodation groove 24 and the passage 22 included in the frame body 20 are communicated with each other.
[0049]
The basic operation and effect according to the present invention can be obtained even in a form in which one of the front and rear projecting parts 4 and the side projecting parts 5 is excluded, or in a form in which both are excluded. However, it is preferable to provide the front / rear overhanging portion 4 or the side overhanging portion 5 because the degree of freedom in mounting the boiling cooler 1 is increased.
[0050]
In the illustrated embodiment, the frame body 20 holds the inner fins 70, but the inner fins 70 can be omitted. However, in this case, the cooling performance is slightly inferior.
[0051]
In addition, in the case where the inner fin 70 is present or not present, the side wall portions 24a ... 24a forming the refrigerant accommodating grooves 24 ... 24 in the frame body 20 may be extended further upward (inner fins). When 70 is present, the vertical width of the inner fin 70 is small). This is preferable because the support rigidity of the partition plate 30 by the frame body 20 is increased, and the pressure resistance and durability are further improved.
[0052]
FIG. 8 shows a modification of the refrigerant passage of the tank segment 10. The contour of the refrigerant passage 14 'in this modified form is formed by a number of ridges 14a and grooves 14b extending in the front-rear direction of the boiling cooler 1 (extrusion direction of the extruded base material). If it does in this way, the outline part surface area of refrigerant passage 14 'will become large, and the starting point of nucleate boiling will increase. Therefore, the vaporization of the liquid phase refrigerant becomes more active and the amount of heat taken out by the vaporization increases, so that the cooling performance as a cooler can be improved. In the illustrated form, the uneven shape is substantially rectangular, but this is only an example, and it may be a shape other than a rectangle such as a triangular shape or a curved shape such as a sine wave, and the size of each unevenness can be freely selected. can do. Although only the refrigerant passage 14 'of the tank segment 10 is shown here, the outlines of the refrigerant accommodating grooves 24 ... 24 of the frame 20 and the liquid phase refrigerant openings 34 ... 34 of the partition plate 30 are the same. You may form so that it may have an uneven | corrugated shape.
[0053]
In the illustrated embodiment, the lower shape of the refrigerant accommodating grooves 24... 24 of the frame 20 is formed to correspond to the refrigerant passages 14... 14 of the tank segment 10, but the bottom surface of the refrigerant accommodating grooves 24. If it comprises so that it may be located above the bottom face of 14, the frame 20 becomes a wall and the refrigerant | coolant accommodating part 3a ... 3a is divided | segmented into several divisions in the front-back direction. According to such a configuration, even when tilted in the front-rear direction or subjected to centrifugal force in the front-rear direction, a certain amount of liquid-phase refrigerant remains in each compartment, so the liquid-phase refrigerant in one direction Extreme bias can be prevented, thus avoiding the risk of dripping.
[0054]
In the illustrated embodiment, the boiling cooler 1 includes the header 50. However, even in a form that does not include the header 50, the basic operation and effect according to the present invention can be obtained. In this case, it is preferable that the gas phase refrigerant openings 35... 35 in the partition plate 30 are omitted, and the upper ends of the fins 40 are made to coincide with the upper ends of the partition plate 30.
[0055]
FIG. 9 shows a tank segment 10 ′ having a communication groove 15 ′ which is a modified form of the communication groove 15 in FIG. 4, and FIG. 10 shows a cross section taken along line XX in FIG. 9. The communication groove 15 ′ has a shape in which a part of the rib is cut out so as to penetrate in the thickness (front-rear) direction of the tank segment 10 ′. Since the tank segment 10 'is formed by cutting an aluminum extrusion mold, the communication groove 15' can be formed simultaneously with the extrusion of the base material. Therefore, the complicated post-processing required for the communication groove 15 is not necessary, and the manufacture of the boiling cooler becomes easier. If such a tank segment 10 ′ is used at, for example, two places on both ends of the tank part 3, the same action as in the embodiment using the tank segment 10 described above can be obtained.
[0056]
In the above, ethanol is mentioned as a representative example of the refrigerant used. However, the refrigerant can be appropriately selected according to the temperature of the heating element, the outside air temperature of the use environment, and the like. As an example of another suitable refrigerant that is not concerned with ozone destruction, perfluorocarbon can be given.
[0057]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, there is provided a boiling cooler that has high overall rigidity, excellent pressure resistance, is resistant to cracks and refrigerant leakage due to thermal stress or pressure fluctuation, and is easy to manufacture. Is done. Furthermore, according to the present invention, such a boiling cooler can be manufactured very easily by the vacuum brazing method.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a boiling cooler according to the present invention in a completed state.
FIG. 2 is an exploded perspective view showing a part of the boiling cooler of FIG.
FIG. 3 is a plan view of the boiling cooler of FIG. 1 with the capacitor portion removed and only the tank portion viewed from above.
FIG. 4 is a front view showing a tank segment constituting the boiling cooler of FIG. 1;
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line VV in FIG.
6 is a front view of a frame body that forms an outline of a flat space of the boiling cooler of FIG. 1. FIG.
7 is a front view of a partition plate forming a wall surface of the flat space of the boiling cooler of FIG. 1. FIG.
FIG. 8 is a front view showing a modified embodiment of the refrigerant passage in the tank segment.
FIG. 9 is a front view showing a tank segment having a communication groove of another form.
10 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG.
FIG. 11 is a perspective view showing an example of a conventional boiling cooler in a completed state.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Boiling cooler; 1a ... Non-joining laminated body (laminated body); 10, 10 '... Tank segment; 10a ... Connection part; 14, 14' ... Refrigerant passage; 15, 15 '... Communication groove; 31a, 36, 56 ... alignment holes; 20 ... frame; 24 ... refrigerant housing groove; 30 ... partition plate; 34 ... liquid phase refrigerant opening (opening); 35 ... gas phase refrigerant opening; 50 ... Header; 55 ... Gas phase refrigerant passage; 60 ... Alignment pin; 70 ... Inner fin; 80 ... Heating element; C ... Center of communication groove; H ... Maximum height of refrigerant passage; W ... Communication groove Vertical spacing

Claims

A plurality of tank segments having a refrigerant passage formed therethrough for containing a liquid-phase refrigerant and connected to an external heating element;
A frame body that forms the outline of a flat space that houses the liquid-phase refrigerant in the lower part and the gas-phase refrigerant evaporated by the heat of the heating element in the upper part;
A partition plate provided on both sides of the frame, having a liquid-phase refrigerant opening at the lower part, comprising a brazing sheet in which a brazing material layer is formed on both surfaces of a metal plate, and communicating with the refrigerant passage;
The boiling cooler characterized in that the tank segment is brazed and integrated under the partition plate in a laminated state in which the refrigerant passage and the liquid phase refrigerant opening are in communication.

2. The boiling cooler according to claim 1, wherein the tank segment includes a plurality of the refrigerant passages and a communication groove that allows the plurality of refrigerant passages to communicate with each other.

The upper end portion of the communication groove is disposed below the refrigerant liquid level set to the maximum height of the refrigerant passage x [0.4 to 0.9], and the vertical interval of the communication groove is the maximum The boiling cooler according to claim 2, wherein the height is 0.13 or more.

The boiling cooler according to any one of claims 1 to 3, wherein the frame is formed to hold an inner fin for promoting heat dissipation in the flat space. .

A plurality of tank segments having a refrigerant passage penetratingly formed for containing the liquid phase refrigerant and including a connection portion with an external heating element, and containing the liquid phase refrigerant in the lower part and heat of the heating element in the upper part The lower part has an opening for a liquid-phase refrigerant that is formed of a frame that forms an outline of a flat space that accommodates the vapor-phase refrigerant evaporated by the above, and a brazing sheet in which a brazing filler metal layer is formed on both surfaces of the metal plate. And a partition plate provided on both sides of the frame body, and
Laminating the partition plate, the frame body, and the tank segment in a state where the refrigerant passage and the liquid phase refrigerant opening are in communication with each other, and assembling a laminated body;
And a step of integrating the laminate by heat brazing.

The partition plate, the frame body, and the tank segment have alignment holes at corresponding positions, and the step of assembling the stacked body includes a step of inserting an alignment pin into the alignment hole. The method for manufacturing a boiling cooler according to claim 5, wherein the boiling cooler is manufactured.