JP3953741B2 - Boiling cooler and manufacturing method thereof - Google Patents
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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
[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
[0005]
Further, in the above-described boiling
[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 |
[0019]
The
[0020]
The
[0021]
The front / rear overhanging portion 4 is composed of an
[0022]
The side projecting portion 5 is formed by laminating a large number of
[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
[0025]
In the illustrated embodiment including the
[0026]
Hereinafter, each component will be described in detail.
[0027]
FIG. 4 is a front view showing details of the
[0028]
A plurality of
[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
[0030]
The positions and sizes of the
[0031]
Further, at least one
[0032]
FIG. 6 is a front view showing details of the
[0033]
The
[0034]
In the present embodiment, the
[0035]
FIG. 7 is a front view showing details of the
[0036]
The
[0037]
The
[0038]
The
[0039]
As shown in FIG. 2, the
[0040]
The two
[0041]
Next, a procedure for manufacturing the boiling cooler 1 according to the method of the present invention will be described.
[0042]
First, the
[0043]
Next, the
[0044]
Next, the non-bonded
[0045]
In the boiling cooler 1 in which the above heat treatment has been completed, the brazing material of the
[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
[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
[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
[0051]
In addition, in the case where the
[0052]
FIG. 8 shows a modification of the refrigerant passage of the
[0053]
In the illustrated embodiment, the lower shape of the refrigerant
[0054]
In the illustrated embodiment, the boiling cooler 1 includes the
[0055]
FIG. 9 shows a
[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 (6)
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沸騰冷却器。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.
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、沸騰冷却器の製造方法。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.
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