JP5163548B2 - Boiling cooler - Google Patents
Boiling cooler Download PDFInfo
- Publication number
- JP5163548B2 JP5163548B2 JP2009056087A JP2009056087A JP5163548B2 JP 5163548 B2 JP5163548 B2 JP 5163548B2 JP 2009056087 A JP2009056087 A JP 2009056087A JP 2009056087 A JP2009056087 A JP 2009056087A JP 5163548 B2 JP5163548 B2 JP 5163548B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- cooling
- fin
- refrigerant
- steam
- flow path
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
Description
本発明は沸騰冷却装置に関し、特に沸騰・二相流(気液二相流)を用いた冷却装置における冷却性能の改善に関する。 The present invention relates to a boiling cooling device, and more particularly to improvement of cooling performance in a cooling device using boiling / two-phase flow (gas-liquid two-phase flow).
従来より、強制対流下の沸騰・二相流を用いた冷却装置が開発されており、ハイブリッド車両のインバータ冷却システム等に適用されている。 Conventionally, a cooling device using boiling / two-phase flow under forced convection has been developed and applied to an inverter cooling system of a hybrid vehicle.
特許文献1には、冷媒流路を有する冷却用基体とその上に実装される複数のパワー半導体とで構成され、パワー半導体素子の実装位置を最適に定めて冷媒の温度上昇を適切化し、冷却効率を高めたパワー半導体モジュールが開示されている。 Patent Document 1 is composed of a cooling base body having a coolant channel and a plurality of power semiconductors mounted thereon, optimally determining the mounting position of the power semiconductor element to optimize the temperature rise of the coolant, and cooling A power semiconductor module with improved efficiency is disclosed.
また、特許文献2には、沸騰冷却において、モジュールの上部(下流域)の放熱性能低下を防止する沸騰冷却装置が開示されており、パワー半導体からの授熱によりモジュールの下部(上流域)で発生した蒸気がモジュールの上部(下流域)へ進入することを隔壁等で防止することが開示されている。 Patent Document 2 discloses a boiling cooling device that prevents a decrease in heat dissipation performance in the upper part (downstream area) of the module in boiling cooling. In the lower part (upstream area) of the module due to heat transfer from the power semiconductor. It is disclosed that a generated partition prevents the generated steam from entering the upper part (downstream area) of the module.
沸騰・二相流を用いた冷却装置は、相変化による潜熱輸送を利用した高効率な熱伝達方式であり、蒸気圧曲線に沿って飽和温度が圧力に依存するので、液体温度制御が一定範囲で可能であり、冷却面温度との温度差を調整できるので負荷変動への追従性において利点をもつ等の効果があるが、冷却性能をさらに向上させるためには、発生した蒸気を冷却フィンの根本から速やかに離脱させる必要がある。すなわち、冷却フィンの熱流速分布は、発熱体に当接する根本が最も高く、根本から離れて冷却フィンの先端部にいくに従って低くなるが、発生した蒸気が冷却フィンの根本に停留したのでは沸騰潜熱が利用できず、熱伝達効率が低下してしまうだけでなく、液体の枯渇によるバーンアウトも生じ得る。 The cooling device using boiling / two-phase flow is a high-efficiency heat transfer method that utilizes latent heat transport by phase change, and the saturation temperature depends on the pressure along the vapor pressure curve, so the liquid temperature control is within a certain range. It is possible to adjust the temperature difference with the cooling surface temperature, and there is an effect such as having an advantage in the ability to follow load fluctuations.However, in order to further improve the cooling performance, the generated steam is transferred to the cooling fins. It is necessary to quickly leave the root. In other words, the heat flow distribution of the cooling fin is highest at the root in contact with the heating element, and decreases as it moves away from the root and toward the tip of the cooling fin. Not only can latent heat not be used, reducing heat transfer efficiency, but also burnout due to liquid depletion.
本発明の目的は、発生した蒸気を速やかに排出して蒸気の充満を防ぎ、冷却性能を維持ないし向上させることができる沸騰冷却装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a boiling cooling device capable of quickly discharging generated steam to prevent the filling of steam and maintaining or improving cooling performance.
本発明は、沸騰冷却装置であって、冷媒流路と、前記冷媒流路から供給された冷媒により発熱体を冷却する冷却フィンと、前記冷却フィンで発生した蒸気を外部に排出する蒸気排出流路とを有し、前記冷却フィンは、フィン基部から先端に向けて仰角をもって形成され、前記装置は、前記冷媒が前記装置の鉛直下方から鉛直上方に向けて供給される垂直置きであり、前記冷却フィンのフィン面のうち、鉛直上方側の面と鉛直下方側の面がともに前記仰角をもって形成され、さらに、前記蒸気排出流路に沿って配置される衝突板と、前記衝突板から重力により落下する凝縮液を外部に排出する排出口とを有し、前記排出口から排出された凝縮液は、冷媒を循環させるループに戻されることを特徴とする。 The present invention relates to a boiling cooling device, a refrigerant flow path, a cooling fin that cools a heating element by the refrigerant supplied from the refrigerant flow path, and a vapor discharge flow that discharges steam generated in the cooling fin to the outside The cooling fin is formed with an elevation angle from the fin base toward the tip, and the device is vertically placed in which the refrigerant is supplied from vertically downward to vertically upward of the device, Of the fin surfaces of the cooling fins, both the vertically upper surface and the vertically lower surface are formed with the elevation angle, and further, a collision plate disposed along the vapor discharge flow path, and gravity from the collision plate And a condensate discharged from the discharge port is returned to a loop for circulating the refrigerant .
本発明の1つの実施形態では、前記衝突板は、その面形状が波形あるいは鋸歯状であることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the collision plate is characterized in that its surface shape is corrugated or serrated .
本発明によれば、発生した蒸気を速やかに排出して蒸気の充満を防ぎ、冷却性能を維持ないし向上させることができる。 According to the present invention, the generated steam can be quickly discharged to prevent the steam from being filled, and the cooling performance can be maintained or improved.
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1に、本実施形態における沸騰・二相流を用いた沸騰冷却装置1の正面図を示し、図2に底面図を示す。沸騰冷却装置1は、底板及び天板からなる筐体内に冷却フィン及び冷媒流路並びに蒸気排出流路を備えて構成される。本実施形態における沸騰冷却装置1は垂直置きであり、例えばハイブリッド車両のパワー素子ユニット(IGBTモジュール)を冷却するシステムの構成要素として用いられる。図は、沸騰冷却装置1を垂直置きした場合の正面図を示しており、重力の方向を矢印gで示す。装置を垂直置きにした場合、冷媒は鉛直下方から供給される。冷媒である冷却液は冷却システムの循環ポンプにより強制対流される。冷媒は装置の長手方向に沿って左右にそれぞれ設けられた冷媒流路10内を鉛直上方に向けて流れ、冷却フィン12に供給される。冷却フィン12は左右に分割して設けられ、右側の冷却フィン12には右側の冷媒流路10から冷媒が供給され、左側に冷却フィン12には左側の冷媒流路10から冷媒が供給される。冷却フィン12は伝熱面積を増大させるものであり、フィン間を両側面と底面の三面加熱の狭あい流路として構成する。冷媒はフィン間流路を通過し、フィン間狭あい流路によって発生する気泡を扁平化させ、通過する扁平気泡による薄液膜蒸発を促進することにより高い熱伝達係数を得ることができる。また、直接冷却面に冷媒を供給することで、液体の枯渇によるバーンアウトを防ぎ、核沸騰の除熱限界となる限界熱流速を増大させることができる。また、装置中央には装置の長手方向に沿って蒸気排出流路14が設けられる。フィン間狭あい流路で発生した気泡(蒸気)はこの蒸気排出流路14に集められ、鉛直上方に設けられた蒸気排出口から外部に排出される。排出された蒸気は気液分離器及び凝縮器を介して冷却液として装置に循環される。
FIG. 1 shows a front view of a boiling cooling device 1 using boiling / two-phase flow in this embodiment, and FIG. 2 shows a bottom view. The boiling cooling device 1 includes a cooling fin, a refrigerant flow path, and a vapor discharge flow path in a casing made up of a bottom plate and a top plate. The boiling cooling device 1 in the present embodiment is vertically placed, and is used as, for example, a component of a system that cools a power element unit (IGBT module) of a hybrid vehicle. The figure shows a front view when the boiling cooling device 1 is placed vertically, and the direction of gravity is indicated by an arrow g. When the apparatus is placed vertically, the refrigerant is supplied from below vertically. Coolant, which is a refrigerant, is forced to convection by a circulation pump of the cooling system. The refrigerant flows vertically upward in the
冷却フィン12は図1の正面図に示すように水平方向に延在するが、フィン面は水平面内に存在するのではなく、フィンの基部から先端に向けて所定角度傾斜して、つまり基部から先端に向けて所定の仰角をもって形成される。
The
図3に、図1のA―A断面を示す。冷却フィン12は、パワー素子ユニット等の発熱体16に当接するフィン基部12aからフィン面が突出形成されるが、フィン面は水平方向に突出するのでなく、鉛直上方に向けて所定角度傾斜して突出する。所定角度は例えば水平方向に対して15度〜60度である。冷媒11として冷却液は、図中紙面に垂直な方向から供給される。冷却フィン12の根本が最も熱流速が高く、根本近傍において冷媒が沸騰して気泡(蒸気)が発生する。冷却フィン12のフィン面が根本から水平方向に突出しているものとすると、発生した蒸気18は根本部分に停留し充満してしまう。蒸気18が充満してしまうと、フィンを含めた伝達面が乾くので熱伝達の劣化を生じ、ひいてはバーンアウトが生じ得る。一方、図3に示すように冷却フィン12のフィン面が傾斜していると、蒸気18は根本から離脱するので、熱流速の高い根本に蒸気が充満することを防ぎ、熱伝達率を向上させることができる。また、蒸気18が浮力により排除し易くなるため、冷媒を強制対流させるためのポンプ負荷も軽減することができる。蒸気18を浮力により容易に排出できるのは垂直置きの利点の一つであろう。
FIG. 3 shows an AA cross section of FIG. The fin surface of the
図4に、他の実施形態の冷却フィン12の構成を示す。冷却フィン12のフィン面はフィン基部12aから突出形成されるが、冷却フィン12のフィン面を鉛直上方側の面12bと鉛直下方側の面12cとすると、鉛直上方側の面12bは水平方向に突出する一方、冷却フィン12の鉛直下方側の面12cは根本から鉛直上方に向けて傾斜突出する。
In FIG. 4, the structure of the
このように、冷却フィン12の一面と他面の形状を異にし、鉛直下方側の面12cのみを傾斜させても、図3と同様の効果がある。すなわち、フィンの根本で発生した蒸気を根本から離脱させて熱伝達効率を上げることができる。また、蒸気18が浮力により排除し易くなる。傾斜面の角度は図3と同様であり、水平方向に対して15度〜60度が好適である。
As described above, even if the shapes of the one surface and the other surface of the
本実施形態では、冷却フィン12を根本から傾斜させて形成しているが、根本から傾斜させることなく、あるいは根本から傾斜させるととともに、正面から見て傾斜させてもよい。
In the present embodiment, the
図5に、他の実施形態における沸騰冷却装置1の正面図を示す。正面から見て冷却フィン12を傾斜させる場合の構成例である。図1に示す沸騰冷却装置1と同様に、装置は垂直置きであり、鉛直下方から冷媒が供給される、冷媒はポンプ等により強制対流される。冷媒は左右に設けられた冷媒流路10内を鉛直上方に向けて流れ、冷却フィン12に左右から中央に向けて供給される。沸騰冷却装置1の中央には蒸気排出流路14が設けられ、発生した蒸気はこの蒸気排出流路14に集められて鉛直上方に設けられた排出口から外部に排出される。
In FIG. 5, the front view of the boiling cooling device 1 in other embodiment is shown. It is a structural example in the case of inclining the cooling
冷却フィン12は所定角度で傾斜して形成される。すなわち、冷媒流路10から見て、冷媒流路10に近い上流側よりも下流側に向かって鉛直上方に傾斜して形成される。言い換えれば、蒸気排出流路14の右側に位置する冷却フィン12は、蒸気排出流路14に向かうにつれて鉛直上方に傾斜して形成され、蒸気排出流路14の左側に位置する冷却フィン12も、蒸気排出流路14に向かうにつれて鉛直上方に傾斜して形成されるため、正面から見て冷却フィン12がハの字形状となるように配置される。このように冷却フィン12を傾斜させることで、フィン間狭あい流路で発生し成長した蒸気18を排出し易くなり、蒸気18の停留を防止して熱伝達効率を向上させることができる。
The cooling
なお、本実施形態において冷却フィン12から排出された蒸気18は蒸気排出流路14から外部に排出されるが、沸騰・液体二相流であるため装置内部に余剰凝縮液を回収する機構を設けることも好適である。
In the present embodiment, the
図6に、さらに他の実施形態における沸騰冷却装置1の正面図を示す。蒸気排出路14内に衝突板20が配置される。図7に、図6の部分Pの拡大図を示す。衝突板20を蒸気排出路14に沿って配置することで、図7に示すように左右の冷却フィン12で発生した蒸気18の流れは衝突板20に衝突し、余剰凝縮液22が衝突板20に沿って重力により鉛直下方に流れ、装置1の下部に設けられたドレン(排出口)から排出される。ドレンから排出された凝縮液は、冷却液を循環させるループに戻される。
In FIG. 6, the front view of the boiling cooling device 1 in other embodiment is shown. A
このように、装置内部に衝突板20を配置して余剰凝縮液22を回収することで、装置外の循環ループに別途気液分離器を設ける必要がなくなり、システムの低コスト化を図ることができる。また、余剰凝縮液22が循環ループ内の凝縮器に進入しなくなるため、凝縮性能が向上する。蒸気18とともに凝縮液が凝縮器に進入してしまうと、凝縮器壁面と蒸気の接する面積が減るため、熱伝達率の高い凝縮熱伝達が得られにくいからである。さらに、冷媒が溜まると冷媒中の腐食生成物も溜まり材料の腐食が促進される事態も未然に防止することができる。
In this way, by disposing the
図6では衝突板20の面形状を平板としたが、これに限定されるものではなく、衝突板20の面形状を凹凸、波形、鋸波状等とすることができる。また、衝突板20の面は連続面ではなく、離散的に存在してもよい。図8及び図9に、衝突板20の例を示す。図8は波形あるいは鋸歯状の場合、図9は離散的に存在する場合である。
Although the surface shape of the
1 沸騰冷却装置、10 冷媒流路、12 冷却フィン、14 蒸気排出流路、16 発熱体、18 蒸気、20 衝突板、22 余剰凝縮液。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Boiling cooler, 10 Refrigerant flow path, 12 Cooling fin, 14 Steam discharge flow path, 16 Heat generating body, 18 Steam, 20 Collision plate, 22 Excess condensate.
Claims (2)
冷媒流路と、
前記冷媒流路から供給された冷媒により発熱体を冷却する冷却フィンと、
前記冷却フィンで発生した蒸気を外部に排出する蒸気排出流路と、
を有し、前記冷却フィンは、フィン基部から先端に向けて仰角をもって形成され、
前記装置は、前記冷媒が前記装置の鉛直下方から鉛直上方に向けて供給される垂直置きであり、
前記冷却フィンのフィン面のうち、鉛直上方側の面と鉛直下方側の面がともに前記仰角をもって形成され、さらに、
前記蒸気排出流路に沿って配置される衝突板と、
前記衝突板から重力により落下する凝縮液を外部に排出する排出口と、
を有し、前記排出口から排出された凝縮液は、冷媒を循環させるループに戻されることを特徴とする沸騰冷却装置。 A boiling cooling device,
A refrigerant flow path;
Cooling fins for cooling the heating element by the refrigerant supplied from the refrigerant flow path;
A steam discharge passage for discharging the steam generated in the cooling fin to the outside;
The cooling fin is formed with an elevation angle from the fin base toward the tip ,
The apparatus is a vertical installation in which the refrigerant is supplied from vertically downward to vertically upward of the apparatus,
Of the fin surfaces of the cooling fins, both the vertically upper surface and the vertically lower surface are formed with the elevation angle, and
A collision plate disposed along the vapor discharge flow path;
A discharge port for discharging the condensate falling from the collision plate by gravity;
And the condensate discharged from the discharge port is returned to a loop for circulating the refrigerant .
前記衝突板は、その面形状が波形あるいは鋸歯状であることを特徴とする沸騰冷却装置。 The apparatus of claim 1.
The impingement plate has a corrugated surface or a sawtooth shape, and is a boiling cooling device .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009056087A JP5163548B2 (en) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | Boiling cooler |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009056087A JP5163548B2 (en) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | Boiling cooler |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2010212403A JP2010212403A (en) | 2010-09-24 |
JP5163548B2 true JP5163548B2 (en) | 2013-03-13 |
Family
ID=42972291
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2009056087A Expired - Fee Related JP5163548B2 (en) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | Boiling cooler |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP5163548B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPWO2014049805A1 (en) * | 2012-09-28 | 2016-08-22 | 株式会社日立製作所 | COOLING SYSTEM AND ELECTRIC DEVICE USING THE SAME |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58131755A (en) * | 1982-01-29 | 1983-08-05 | Toshiba Corp | Cooling device |
JP2828996B2 (en) * | 1987-07-10 | 1998-11-25 | 株式会社日立製作所 | Semiconductor cooling equipment |
JP3487382B2 (en) * | 1994-12-28 | 2004-01-19 | 株式会社デンソー | Boiling cooling device |
JPH0923081A (en) * | 1995-07-05 | 1997-01-21 | Nippondenso Co Ltd | Boiling cooling equipment |
JP2004349551A (en) * | 2003-05-23 | 2004-12-09 | Denso Corp | Boiling cooling system |
-
2009
- 2009-03-10 JP JP2009056087A patent/JP5163548B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2010212403A (en) | 2010-09-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP3487382B2 (en) | Boiling cooling device | |
JP6015675B2 (en) | COOLING DEVICE AND ELECTRONIC DEVICE USING THE SAME | |
JP2007208116A (en) | Air-cooled cooler | |
JP2016009828A (en) | Ebullient cooling device for heating element | |
JP4899997B2 (en) | Thermal siphon boiling cooler | |
WO2016104729A1 (en) | Cooler | |
JPWO2015146110A1 (en) | Phase change cooler and phase change cooling method | |
JP5092931B2 (en) | Boiling cooler | |
JP4766132B2 (en) | Boiling cooler | |
JP2010236792A (en) | Ebullient cooling device | |
JP5163548B2 (en) | Boiling cooler | |
JP2013033807A (en) | Cooling device and electronic apparatus using the same | |
US10729040B2 (en) | Cooler, power conversion apparatus, and cooling system | |
JP2010080507A (en) | Electronic apparatus | |
WO2016031227A1 (en) | Heat receiver, cooling device using same, and electronic device using same | |
KR20230008745A (en) | Systems and methods for vapor management in immersion cooling | |
JP5860728B2 (en) | Electronic equipment cooling system | |
JP2010212404A (en) | Ebullient cooling device | |
KR101297046B1 (en) | Phase change heat transfer system equipped with vapor fin | |
WO2017046986A1 (en) | Cooling device and electronic device equipped with same | |
JP3975252B2 (en) | Boiling cooler for electric vehicles | |
JP5938574B2 (en) | Cooling device and electric vehicle equipped with the same | |
JP2017009253A (en) | Cooler, electronic equipment mounted with the same, and electric vehicle | |
WO2013073696A1 (en) | Cooling device and electronic device using same | |
JP2000022377A (en) | Boiling cooler |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20120202 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20120817 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120904 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120924 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20121120 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20121203 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151228 Year of fee payment: 3 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 5163548 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20151228 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |