JP6743652B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

本明細書に開示する技術は、沸騰冷却装置に関する。

例えば半導体装置等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置が知られている。沸騰冷却装置は、冷媒を収容する開口付き容器と、その開口を閉じる伝熱板を備えており、その伝熱板の容器内側の面は冷媒に接触し、その伝熱板の容器外側の面に発熱体を取り付ける。発熱体が発熱すると、その熱は伝熱板の外側面から内側面に伝熱し、その熱によって液体状態にある冷媒が沸騰する。これによって、発熱体は冷却される。例えば、特許文献１に、沸騰冷却装置の一例が記載されている。

特開２０１３−２４４５６号公報

沸騰冷却装置で冷却する発熱体の温度を検出する必要があり、発熱体には温度センサが取り付けられている。発熱体内に温度分布が生じると、温度センサが配置されている位置の局所的温度を検出することになる。

沸騰現象が生じるか否かには複雑な事象が関連し、伝熱板の広がりのなかで一様に沸騰するとは限らない。例えば、伝熱板の接触面（容器内側の面）に窪みや傷等の凹部が存在すると、接触する冷媒が沸騰し易くなり、この凹部の径が大きいと凹部の径が小さい場合に比較して、冷媒が沸騰し易くなることが知られている。
このために、温度センサの配置位置の近傍では活発な沸騰現象が生じる一方において、温度センサから離間した位置では低調な沸騰現象しか生じない場合が起こり得る。この場合、温度センサは、活発な沸騰現象によってよく冷却された部分の温度を検出することになる。このため、温度センサの検出値が許容温度以下であっても、温度センサから離れた部分では発熱体が許容温度以上に昇温している可能性がある。

本明細書では、温度センサの検出値が許容温度以下でも許容温度以上に昇温している部分が生じないようにする技術を開示する。

本明細書に開示する沸騰冷却装置は、温度センサを備えている発熱体を冷却する。沸騰冷却装置は、冷媒を収容する容器と、容器外に配置される発熱体が発生する熱を冷媒に伝達する伝熱板を備えている。伝熱板は、容器内に露出し、冷媒と接触する接触面を備えている。接触面には、複数の凹部が設けられている。接触面を平面視したときに、温度センサが配置されている領域に設けられる凹部の径は、温度センサが配置されていない領域に設けられる凹部の径より小さい。

上記の沸騰冷却装置では、接触面において、温度センサが配置されている領域の凹部の径が、温度センサが配置されていない領域の凹部の径より小さくされている。これによって、接触面を平面視したときに、温度センサが配置されていない領域では活発な沸騰現象を得てよく冷却することができる。逆に、温度センサが配置されている領域では低調な沸騰現象しか生じず、冷却能力が低い。温度センサは、発熱体のうち、冷却能力が低くて高温となっている部分の温度を検出することになる。温度センサの検出値が許容温度以下であれば、許容温度以上に昇温している部分が存在しない関係を得ることができる。

実施例に係る沸騰冷却装置の概略構成を示す側面図。 実施例に係る伝熱板を示す上面図。 実施例に係る伝熱板の表面形状を説明するための図であり、（ａ）は伝熱板の一部分を拡大した上面図であり、（ｂ）は伝熱板の一部分を拡大した断面図である。

図面を参照して、本実施例に係る沸騰冷却装置２について説明する。沸騰冷却装置２は、発熱体３０の熱によって容器１２内に収容される冷媒を沸騰させて発熱体３０を冷却する冷却装置である。本実施例では、冷媒として、車両用のエンジンの冷却に用いられるＬＬＣ（Ｌｏｎｇ Ｌｉｆｅ Ｃｏｏｌａｎｔ）が用いられる。他の例では、これ以外の冷媒が用いられてもよい。冷却対象の発熱体３０は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）である。図１に示すように、沸騰冷却装置２は、容器１２と、伝熱板２０と、凝縮器１６と、冷媒循環回路１８を備えている。

容器１２は、略直方形の箱型であり、底板がなく、底が開口している。伝熱板２０は開口１４を閉じ、底板となる。すなわち、開口１４は伝熱板２０によって閉塞されている。また、容器１２は、冷媒循環回路１８と接続している。容器１２内には、冷媒が収容されている。なお、以下では、図１のＺ軸の正方向側を「上側」と呼び、Ｚ軸の負方向側を「下側」と呼ぶ場合がある。伝熱板２０の容器内側の面（上面）２２は、容器１２内に露出し、液体状態にある冷媒に接する。

伝熱板２０は、伝熱性を有する金属によって形成されており、例えば、アルミ又は銅で形成されている。伝熱板２０は、略矩形の板状であり、容器１２の開口１４が設けられている面（すなわち、図１のＸＹ平面）に平行に配置されている。伝熱板２０は、容器１２の開口１４が設けられている面と略一致する形状であり、容器１２をＺ軸方向から見たときに容器１２と略一致するように容器１２に接合されている。伝熱板２０は、容器１２の開口１４を閉塞するように接合されており、伝熱板２０と容器１２の接合部は、例えば溶接されている。これによって、容器１２内に収容される冷媒が開口１４から漏出することが防止される。伝熱板２０の容器１２に接合される面２２（以下、伝熱板２０の上面２２と呼ぶ場合がある。）は、容器１２内に露出している。なお、本実施例では、容器１２をＺ軸方向から見たときに容器１２と伝熱板２０が略一致しているが、伝熱板２０の上面２２の少なくとも一部が容器１２内に露出し、かつ、容器１２の開口１４が伝熱板２０によって閉塞されていれば、このような構成に限定されない。例えば、容器１２の開口を容器１２の下面の一部分に形成し、この開口より大きい伝熱板を用いて開口を閉塞するように伝熱板を接合してもよい。伝熱板２０の上面２２のうち、容器１２内に露出する部分には凹部２６、２８が設けられている。伝熱板２０の上面２２に設けられる凹部２６、２８については後述する。なお、伝熱板２０の上面２２のうち、容器１２内の冷媒と接触する部分は、請求項の「接触面」の一例である。

伝熱板２０の容器１２に接する面２２の反対側の面（以下、伝熱板２０の下面と呼ぶ場合がある。）には、発熱体３０が接触している。すなわち、発熱体３０は、容器１２の外部に配置され、伝熱板２０と発熱体３０は容器１２外で接触している。伝熱板２０と発熱体３０は熱的に接続されており、発熱体３０が発熱すると、発熱体３０の熱は伝熱板２０の下面に伝達される。伝熱板２０の下面に伝達された熱は、伝熱板２０の上面２２に伝達される。伝熱板２０の上面２２は容器１２内に露出しているため、伝熱板２０の上面２２に伝達された熱は、容器１２内に収容される冷媒に伝達される。冷媒に熱が伝達されると冷媒は沸騰する。なお、本実施例では、伝熱板２０と発熱体３０は直接接触しているが、このような構成に限定されない。伝熱板２０と発熱体３０は熱的に接続されていればよく、伝熱板２０と発熱体３０の間には、伝熱性を有する他の部材が配置されていてもよい。

凝縮器１６は、冷媒を凝縮し、冷媒を気体から液体に相変化させる。凝縮器１６は、冷媒循環回路１８と接続している。冷媒循環回路１８は、リターン管１８ａと供給管１８ｂを備えており、リターン管１８ａと供給管１８ｂはそれぞれ容器１２と凝縮器１６を接続している。リターン管１８ａは、容器１２内の気体の冷媒を凝縮器１６に送り出し、供給管１８ｂは、凝縮器１６で気体から液体に相変化した冷媒を容器１２内に送り出す。すなわち、容器１２内で沸騰し、液体から気体に相変化した冷媒は、リターン管１８ａを通って凝縮器１６に送り出される。凝縮器１６に送り出された冷媒は、気体から液体に相変化する。凝縮器１６で液体に相変化された冷媒は、供給管１８ｂを通って再び容器１２内に収容される。

図２及び図３を参照して、伝熱板２０の容器１２内に露出する面２２の形状について説明する。図２は、伝熱板２０の上面２２（図１のＺ軸の負方向に見た面）を示している。図２では、伝熱板２０の下面に配置される発熱体３０と、発熱体３０の中心に配置される温度センサ３２を破線で示している。また、図２には、温度センサ３２の外周に配置される境界２４が示されている。図３は、伝熱板２０の上面２２上の境界２４を含む一部分を拡大した図であり、図３（ａ）は、Ｚ軸方向から見た上面図であり、図３（ｂ）は、Ｙ軸方向から見た側面図である。

図３に示すように、伝熱板２０の上面２２には、複数の凹部２６、２８が設けられている。凹部２６は、伝熱板２０の上面のうち、境界２４（図２参照）の外側の領域（図３（ａ）の左側の領域）に設けられており、凹部２８は、境界２４の内側の領域（図３（ａ）の右側の領域）に設けられている。境界２４は、伝熱板２０をＺ軸の負方向に見たときに、発熱体３０の温度センサ３２の外周より大きくされている。具体的には、伝熱板２０の上面２２において、温度センサ３２の外周と一致する位置に冷媒が接触したときに、冷媒の表面張力によって算出されるラプラス半径の寸法だけ、境界２４は温度センサ３２の外周より大きくされている。複数の凹部２６、２８は、均等な間隔で配置され（図３（ａ）参照）、かつ、均一な深さを有している（図３（ｂ）参照）。凹部２６の径Ｌ１は、凹部２８の径Ｌ２より大きくされている。

伝熱板２０の上面２２に、例えば、窪みや傷等の凹部を設けると、凹部に付着した気泡によって伝熱板２０の上面２２に接触する冷媒が沸騰し易くなる。このため、伝熱板２０の上面２２に凹部を設けると、沸騰開始温度が低くなる。本実施例では、伝熱板２０の上面２２に凹部２６、２８が設けられていることによって、伝熱板２０の上面２２全域において、冷媒を沸騰し易くすることができる。ここでいう沸騰開始温度は、冷媒が沸騰を開始するときの発熱体温度をいう。沸騰しやすい位置では沸騰開始温度が低く、沸騰し難い位置では沸騰開始温度が高い。

本実施例では、伝熱板２０の上面２２において、境界２４の外側の領域では径の大きい凹部２６が設けられており、境界２４の内側の領域では径の小さい凹部２８が設けられている。冷媒と接触する面に設けられる凹部の径が大きいと、冷媒が沸騰し易くなることが知られている。このため、本実施例では、伝熱板２０の上面２２において、径の小さい凹部２８が設けられている境界２４の内側の領域では、径の大きい凹部２６が設けられている境界２４の外側の領域より冷媒が沸騰され難い。このため、発熱体３０において、Ｚ軸方向から見たときに境界２４の内側の領域と一致する領域では、境界２４の外側の領域と一致する領域と比較して、冷却され難い。したがって、発熱体３０のＺ軸方向から見たときの境界２４の内側の領域は、その他の領域より高温となる。

温度センサ３２は、発熱体３０のＺ軸方向から見たときの境界２４の内側の領域と一致する領域内に配置されている。このため、温度センサ３２は、発熱体３０の中で、冷却され難い部分の温度を検出する。したがって、発熱体３０において、温度センサ３２で検出された温度より高温になっている部分が生じることを抑制することができる。その結果、発熱体３０の中で保護温度を超える部分が生じることを回避することができ、より安全に発熱体３０の温度を管理することができる。なお、伝熱板２０の境界２４は、温度センサ３２が配置されている領域より大きくされていればよく、例えば、本実施例で示す境界２４より、境界の内側の領域が大きくなるように境界を設けてもよい。ただし、径の小さい凹部２８を設ける領域が大きくなると、伝熱板２０全体の冷却能力が低下するため、境界２４の内側の境域は、温度センサ３２が配置されている領域の大きさに近いほうがよい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

２：沸騰冷却装置
１２：容器
１４：開口
１６：凝縮器
１８：冷媒循環回路
１８ａ：リターン管
１８ｂ：供給管
２０：伝熱板
２２：上面
２４：境界
２６：凹部
２８：凹部
３０：発熱体
３２：温度センサ

Claims (1)

1. 温度センサを備える発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
   冷媒を収容する容器と、
   前記容器外に配置される前記発熱体が発生する熱を前記冷媒に伝達する伝熱板を備えており、
   前記伝熱板は、前記容器内に露出し、前記冷媒と接触する接触面を備えており、
   前記接触面には、複数の凹部が設けられており、
   前記接触面を平面視したときに、前記温度センサが配置されている領域に設けられる前記凹部の径は、前記温度センサが配置されていない領域に設けられる前記凹部の径より小さい、沸騰冷却装置。

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