JPH03274364A - Boiling type cooling device - Google Patents

Boiling type cooling device

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Publication number
JPH03274364A
JPH03274364A JP2206826A JP20682690A JPH03274364A JP H03274364 A JPH03274364 A JP H03274364A JP 2206826 A JP2206826 A JP 2206826A JP 20682690 A JP20682690 A JP 20682690A JP H03274364 A JPH03274364 A JP H03274364A
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JP
Japan
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evaporator
cooling
liquid
boiling
heat
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Application number
JP2206826A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nobuyoshi Takahashi
信義 高橋
Taku Kameda
卓 亀田
Masao Fujii
雅雄 藤井
Masahiro Ashitani
芦谷 正裕
Seiichi Murase
成一 村瀬
Takeo Yoshioka
武男 吉岡
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Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
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Publication date
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Priority to CN90109366A priority patent/CN1056350A/en
Priority to AU85506/91A priority patent/AU634097B2/en
Priority to AU85507/91A priority patent/AU632431B2/en
Priority to AU85643/91A priority patent/AU631506B2/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Abstract

PURPOSE:To prevent a reduction in performance caused by corrosion and to get superior cooling performance without using fluorocarbon by a method wherein an evaporator storing cooling liquid of aqueous solution of ethylene glycol and a copper condenser connected to the evaporator are provided. CONSTITUTION:Cooling liquid 25 of aqueous solution of ethylene glycol is stored in an evaporator 21. In order to resist in corrosion against this aqueous solution, evaporator 21, condenser 22, steam pipe 23 and liquid return pipe 24 are made of copper. A thyristor element 3 acting as a cooled member is pressure welded to the evaporator 21. With such an arrangement, the thyristor element 3 is cooled by the cooling liquid 25, steam 27 generated under boiling state is condensed by the condenser 24 and again returns back into the evaporator 21. At this time, since aqueous solution of ethylene glycol is used as the cooling liquid 25 in a boiling type cooling device, there is no problem of pollution of environment caused by fluorocarbon gas or the like. In addition, the device is made of copper, corrosion caused by aqueous solution of ethylene glycol can be prevented.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、例えば地下鉄用車両に搭載されるチョッパ
装置のサイリスタ素子や、電子機器に使用されるパワー
トランジスタなどを冷却するための沸騰冷却装置に関す
るものである。 [従来の技術] 第54図は例えば三菱電機技報第48巻第2号に示され
た従来の浸漬形沸騰冷却方式のサイリスタ装置を示す構
成図である。 図において、蒸発器(1)内にはR113等のフロン液
(2)が入れられており、このフロン液(2)にサイリ
スタ素子(3)が浸漬され冷却されている。サイリスタ
素子(3)にはフィン(4)が−体的に連結されている
。また、サイリスタ素子(3)の端子(5)は、蒸発器
(1)外に引き出されている。蒸発器(1〉の上部には
、蒸気管(6)及び液戻り管(7)を介して凝縮器(8
〉が連結されている。 次に、動作について説明する。サイリスタ素子(3)が
動作状態になると、その内部で電力損失が起こり、その
結果数100ワツトの高い熱量の熱が発生する。一方、
このサイリスタ素子(3)の冷却面は、直径数1011
という小さい面積であるため、冷却面の熱流束は、io
’W/1という高い値になる。 このようにサイリスタ素子(3)に発生した熱は、サイ
リスタ素子(3)の冷却面に圧接されたフィン(4)か
らフロン液(2)に放熱される。 これにより、フロン液(2)が沸騰して、蒸発器(1)
内にフロン蒸気(2a)が発生する1発生したフロン蒸
気(2a)は、蒸気管(6)を通って凝縮器(8)に入
り、この凝縮器(8〉で凝縮されて再びフロン液(2〉
となる、この凝縮されたフロン液(2)は、液戻り管(
7)から再び蒸発器〈1)内に戻る。 このような動作が繰り返されることにより、サイリスタ
素子(3)は冷却され続ける。 次に、第55図は例えばr電子機器の放熱設計とシミュ
レーションJ(1989年応用技術出版発行)第148
頁に示された従来の個別冷却フィン形(非浸漬形)沸騰
冷却方式のサイリスク装置を示す構成図である。 図において、サイリスタ素子(3)は大気中に露出され
ている。各サイリスク素子(3)には、冷却フィン(9
)が取り付けられている。各冷却フィン(9〉は、熱輸
送管(lO)を介して共通液溜(11)に連結されてい
る。これらの冷却フィン(9)、熱輸送管(10〉及び
共通液溜(11〉には、フロン液〈2〉が入れられてい
る。共通液溜(11)は、蒸気管(6〉及び液戻り管(
7〉を介して凝縮器(8)に連結されている。 次に、動作について説明する。サイリスタ素子(3〉で
発生した熱は、冷却フィン(9)を介してフロン液(2
)に伝達される。これにより、フロン液(2)が蒸発し
、フロン蒸気(2a〉が発生する1発生したフロン蒸気
(2a)は、熱輸送管(10) 、共通液溜(11)及
び蒸気管(6)を通って凝縮器(8)に入り、この凝縮
器(8〉で凝縮されて再びフロン液(2)となる。この
凝縮されたフロン液(2)は、重力により液戻り管(7
)を通って再び共通液溜(11)内に戻る。 このような動作が繰り返されることにより、サイリスタ
素子(3)は冷却され続ける。 ところで、第56図は一般的な冷媒の沸騰曲線を示す過
黒度と熱流束との関係図である。図において、A点〜B
点は自然対流の領域であり、B点〜C点〜D点は核沸騰
の領域である。D点はバーンアウト点と呼ばれ、D点の
熱流束はバーンアウト熱流束と呼ばれている。D点〜E
点は遷移沸騰の領域であり、E点〜F点〜G点は膜沸騰
の領域である。 通常、低い熱流束から高い熱流束になる場合は、A点か
らB点を経由してH′点に至る特性を示す。 そして、さらに熱流束を上げると、H′点からH点へ移
行し、それよりさらに熱流束を上げると、H点から0点
を経由してD点に至る特性を示す。 逆に、熱流束を下げて行くと、D点から0点を経由して
H点に至るが、さらに熱流束を下げてもH′点に移行せ
ず、H点からB点を経由してA点に戻る特性を示す、−
船釣に、このような現象は、ヒステリシスを持つと言わ
れている。 即ち、上記のような従来の沸騰冷却方法では、第56図
に示すB点からD点の間の熱流束を使用しているが、上
記のヒステリシスの特性を定量的に把握せずに蒸発器(
1)の伝熱面積を決めていた。 また、仮にこの特性を把握して蒸発器(1)の伝熱面積
を決めていたとしても、冷媒が変わった場合には、新た
な冷媒についての沸騰特性を把握する必要があった。 [発明が解決しようとする課題] 上記のように構成された従来の沸騰冷却方式のサイリス
タ装置においては、次のような問題点があった。 ■ それぞれ冷却液としてフロン液(2)を使用してい
るが、フロンは大気中に放出されるとオゾン層を破壊す
るため、環境保全の立場からはフロン以外の冷媒を用い
る必要がある。また、フロン以外の冷媒を用いる場合、
物性がフロンとは異なるため、従来同様の装置では様々
な点で十分な冷却性能が得られなくなってしまう。 ■ 従来装置のうち、個別冷却フィンタイプのものでは
、共通液溜(11〉が冷却フィン(9)の上方に配置さ
れているため、全体の高さ寸法が大きくなり、このサイ
リスタ装置が取り付けられる機器(例えば鉄道車両等)
に大きな装着空間が必要になり、機器のコンパクト化の
妨げになる。特に、リニアモータカーでは、車両のコン
パクト化、即ち低床化が強く要求されるため、サイリス
タ装置の高さ寸法を小さくすることが一層必要である。 ■ パワートランジスタ等の被冷却体は、より大電流化
されているのに対して、従来の装置では、十分な冷却特
性が得られず、特に熱負荷が小さいときの冷却特性が十
分でない。 ■ 蒸発器(1)又は冷却フィン(9)の設計をする際
に、沸騰開始点の熱流束を加味していないため、熱流束
が同一であっても、第56図のH点付近では、蒸発器(
1)の壁面温度と冷媒温度との差である過熱度が変動し
、冷却特性が不安定になる。 請求項(1)に係る発明は、上記のような問題点を解決
することを課題としてなされたものであり、フロンを用
いることなく、優れた冷却性能を持つ沸騰冷却装置を得
ることを特徴とする 請求項(2)及び(3)に係る発明は、それぞれ上記の
ような問題点を解決することを課題としてなされたもの
であり、全体の高さ寸法を小さくすることができる沸騰
冷却装置を得ることを特徴とする 請求項(4)に係る発明は、上記のような問題点を解決
することを課題としてなされたものであり、対流による
冷却が主になっているときの冷却特性を向上させ、これ
により熱負荷が小さいときの冷却特性を良くし、全体と
しての冷却特性を改善することができる沸騰冷却装置を
得ることを特徴とする 請求項(5)に係る発明は、上記のような問題点を解決
することを課題としてなされたものであり、広い熱負荷
の範囲に対して冷却特性を向上させることができる沸騰
冷却装置を得ることを特徴とする 請求項〈6〉に係る発明は、上記のような問題点を解決
することを課題としてなされたものであり、効果的に伝
熱を促進することができ、これによりフロンを用いるこ
となく、水又はエチレングリコール水溶液からなる冷却
液により優れた冷却性能を持たせることができる沸騰冷
却装置を得ることを特徴とする 請求項(7)に係る発明は、上記のような問題点を解決
することを課題としてなされたものであり、リークによ
る冷却性能の低下を防止でき、これによりフロンを用い
ることなく、水又はエチレングリコール水溶液からなる
冷却液により優れた冷却性能を持たせることができる沸
騰冷却装置を得ることを特徴とする 請求項(8)、(9)及び(10〉に係る発明は、それ
ぞれ上記のような問題点を解決することを課題としてな
されたものであり、蒸発器の過熱度の変動を防止し、冷
却性能を安定させることができる沸騰冷却装置を得るこ
とを目的とする。 [課題を解決するための手段] 請求項(1)に係る発明の沸騰冷却装置は、エチレング
リコール水溶液からなる冷却液を用いるとともに、銅製
の凝縮器を用いたものである。 請求項(2)に係る発明の沸騰冷却装置は、共通液溜の
側方に、はぼ水平方向に向いたダクトを介して蒸発器を
接続したものである。 請求項(3)に係る発明のsm冷却装置は、共通液溜の
側方に、はぼ水平方向に向いたダクトを介して蒸発器を
接続し、かつ蒸発器の吸熱面の内側に、上下方向に延び
る複数の内部流路を設けたものである。 請求項(4)に係る発明の沸騰冷却装置は、流入する冷
却液を冷却する液冷用冷却器を、蒸発器に連結したもの
である。 請求項(5)に係る発明の沸騰冷却装置は、蒸発器内に
、第1の冷媒流路と、この第1の冷媒流路より断面積の
小さい第2の冷媒流路とを互いに平行に設けたものであ
る。 請求項(6)に係る発明の沸騰冷却装置は、冷却液とし
て水又はエチレングリコール水溶液を使用し、かつ蒸発
器内の伝熱面上に、粒子径が300μm以上2000μ
m以下である伝熱促進粒子を多数固着したものである。 請求項(7)に係る発明の沸騰冷却装置は、冷却液とし
て水又はエチレングリコール水溶液を使用し、かつ冷却
液の液面上の空間部の圧力を監視する監視手段を、空間
部に臨んで設けるとともに、その圧力の異常上昇時に空
間部内を減圧する排気手段を空間部に接続したものであ
る。 請求項(8)、(9)及び(10)に係る発明の沸騰冷
却装置は、それぞれ蒸発器の伝熱面積を、冷媒の沸騰開
始点以上の熱流束値になるようにしたものである。 [作用] 請求項(1)に係る発明においては、エチレングリコー
ル水溶液からなる水溶液により、被冷却体を冷却すると
ともに、凝縮器を銅製にすることにより凝縮器の腐食を
特徴とる 請求項(2)に係る発明においては、蒸発器を共通液溜
の側方に配置することにより、全体の高さを特徴とる 請求項(3)に係る発明においては、蒸発器を共通液溜
の側方に配置することにより、全体の高さを低くし、か
つ複数の内部流路を蒸発器内に設けることにより、気泡
の移動を容易にして沸騰冷却装置を向上させる。 請求項(4)に係る発明においては、吸熱により対流す
る冷却液を、液冷用冷却器に流入させて冷却する。 請求項(5)に係る発明においては、蒸発器に第1の冷
媒流路より小断面の第2の冷媒流路を設けることにより
、小さい熱負荷のときの冷却効率を高める。 請求項(6)に係る発明においては、蒸発器内の伝熱面
に最適粒子径の伝熱促進粒子を固着することにより、効
果的に伝熱を促進し、冷却液として純水又はエチレング
リコール水溶液を使用する場合の冷却性能を高める。 請求項(7)に係る発明においては、監視手段により空
間部の圧力を監視するとともに、その圧力の異常上昇時
に排気手段により空間部内を減圧することにより、冷却
液として水又はエチレングリコール水溶液を使用する場
合のリークによる冷却性能の低下を特徴とる 請求項(8)、(9)及び(10)に係る発明において
は、蒸発器の伝熱面積を、冷媒の沸騰開始点以上の熱流
束値になるようにすることにより、過熱度の変動を防止
する。 [実施例] 以下、請求項(1〉に係る発明(以下、第1発明と略称
する。〉の実施例を図について説明する。 第1図は第1発明の一実施例によるサイリスタ装置用の
個別冷却フィンタイプの沸騰冷却装置を示す構成図であ
る。 図において、蒸発器(21)には、蒸気流路である蒸気
管(22〉及び液戻り流路である液戻り管(23)を介
して、凝縮器(24)が接続されている。 この凝縮器(24)は、複数本のフィンチューブ(24
m)と、フィンチューブ(24a)の両端部に設けられ
た第1及び第2のヘッダ(24b) 、 (24c)と
からなっている。 蒸発器(21〉内には、エチレングリコール水溶液から
なる冷却液(25〉が収容されている。このエチレング
リコール水溶液に対する耐腐食性から、蒸発器(21)
、凝縮器(22)、蒸気管(23)及び液戻り管(24
)は、それぞれ銅製のものが用いられている。 また、蒸発器(21)には、被冷却体としてのサイリス
タ素子〈3〉が圧接されている。 上記のように構成された沸騰冷却装置においては、従来
例と同様に、冷却液(25〉によりサイリスタ素子(3
)が冷却される。また、沸騰により生じた蒸気(27)
は、凝縮器(24)で凝縮されて、再び蒸発器(21)
内に戻る。 このとき、上記の沸騰冷却装置では冷却液(25〉とし
てエチレングリコール水溶液からなるものを用いている
ため、フロンガスのような環境破壊の問題は生じない。 また、装置は銅製なので、エチレングリコール水溶液に
よる腐食が防止される1例えば、エチレングリコール3
8@t%水溶液に防食剤を混入したものの場合、その侵
食度は、軟鋼で0.041mm/年、亜鉛は0.059
uz/年、銅は0.0O17iv/年とされている。こ
のため、装置の腐食は防止され、腐食にともなう非凝縮
性ガス(例えば、水素、)などの発生も防止される。 ここで、第2図はフロンR113,水及びエチレングリ
コール35−t%水溶液のそれぞれの沸騰曲線を示す伝
熱面の過熱度と熱流束との関係図である。 これらの各冷媒の沸騰冷却性能は、水が最も良く、次い
でエチレングリコール35wt%水溶液、フロンR11
3の順となっている。なお、第2図において、水とエチ
レングリコール35wt%水溶液とは実測値であり、フ
ロンR113は、核沸騰熱伝達の推算式であるL ab
ountzovの式を用いて求めたものである。以下に
、このL abountzovの式を示す。 IQ/(L−γv) l −1、/ ν、< 10−2
の場合α・12/λ、==0.0625f:(Q/(L
・γい)・12/ν、〕05×p、、l/3 +Q/(L・γ、))・12/ν□>10−2の場合α
・12/λ、 = 0.125[:+Q /(L・γ9
〉)・12/ν、〕G、@S×P 、 、 l / 3 12−<c 、、(T、+273)/L l(γ1/γ
V)×(σ/(J・γ、・L)1 ここで、Q:熱流束(keal/s+”hr)L:蒸発
潜熱(keal/Ag) γ0.液の比重量(kg/ x” ) γ、:蒸気の比重量(kg/l> シュ:液の動粘性係数(m’/br) α:熱伝達率(Acal/ +w”hr”C)λ1:液
の熱伝達率(^cat/ 1hr”c )C0:液の比
熱(Acal/ k’9℃)σ:表面張力(kg/富〉 J = 426.8 (keal keal )T、;
壁i (”C) P、:液のプラントル数(−〉 である。 第2図から明らかなように、飽和液温度70℃の場合、
エチレングリコール38@t%水溶液の沸騰冷却特性は
、水よりは劣るものの、フロンR113とほぼ同等か又
はそれより優れている。 一方、水は、沸騰冷却特性は優れているものの、0℃に
なると氷になってしまうので、車両などに搭載するには
、凍結対策や低温での立ち上がり特性を考慮した設計が
必要になり、適用温度範囲が限られてしまう、これに対
して、エチレングリコール水溶液は、第3図に示すよう
に、その濃度に応じて凍結温度を低くすることもできる
0例えば、第2図に示した、35wt%水溶液では凍結
温度が一20℃であり、サイリスタ素子(3〉の動作温
度範囲(通常、−20℃〜80℃程度である。)に十分
適用することができる。 しかし、エチレングリコール水溶液は、第4図に示すよ
うに、サイリスタ素子(3)の動作温度範囲での飽和圧
力が大気圧よりも低くなるため、リークなどから非凝縮
性ガス(例えば、空気。)が侵入することにより冷却性
能が悪くならないように製造する必要がある。 なお、上記実施例では装置の全体を銅製にしたが、凝縮
器(24)以外の部分については、他の材料製のもので
あってもよい。しかし、上述したような耐腐食性の点か
ら、特にエチレングリコール水溶液の蒸気(27)が存
在する部分、例えば蒸気管(22〉などについては、や
はり銅製のものを用いるのが好ましい。 また、エチレングリコール水溶液がちなる冷却液(25
)に、腐食抑制剤などを添加して用いてもよく、より確
実に腐食を防止できる。 さらに、上記実施例では蒸気流路として蒸気管(22)
を、液戻り流路として液戻り管(24)を、それぞれ示
したが、管状のものに限定されないのは言うまでもない
。 さらにまた、上記実施例ではサイリスタ装置用の個別冷
却フィンタイプの沸騰冷却装置を示したが、他のあらゆ
る沸騰冷却装置にも、第1発明を適用することができる
。 以下、請求項(2)に係る発明(以下、第2発明と略称
する。)の実施例を図について説明する。 第5図は第2発明の第1実施例によるサイリスタ装置用
の個別冷却フィンタイプの沸騰冷却装置を一部断面で示
す側面図、第6図は第5図の正面図である。 図において、被冷却体であるサイリスタ素子(3)には
蒸発器である冷却フィン(31)が個別に取り付けられ
ている。各冷却フィン(31)の側部には、はぼ水平方
向に向けられたダクト<32〉が取り付けられており、
冷却フィン(31)はこのダクト(32)を介して共通
液溜(33)の側方に連結されている。共通液溜(33
)の上部には、凝縮器(24)が接続されている。 また、冷却液(25〉として純水又はエチレングリコー
ル水溶液が使用されている。 次に、動作について説明する。大気中に露出しているサ
イリスタ素子(3)に発生した熱は、冷却フィン(31
)に伝達される。この熱により、冷却フィン(31)内
の冷却液(25〉が沸騰し、吸熱面(31a)から気泡
(26〉が発生して上昇する。この気泡(26)の上昇
にともなって、冷却フィン(31)内の冷却液(25)
が図の矢印のように対流する。 冷却フィン(31)内を上昇した気泡(26〉は、ダク
ト(32〉を通って共通液溜(33〉に移動し、液面か
ら第1のヘッダ(24b>に入る。これにより、第1の
ヘッダ(24b)内には、蒸気(27〉が充満する。こ
の蒸気<27〉は、凝縮器(24)で空冷され、凝縮、
液化し、再び冷却液(25〉となる、この冷却液(25
)は重力により共通液溜(33〉内に戻り、さらに冷却
フィン(31)に戻ってサイリスタ素子(3)の冷却を
行う。 このような沸騰冷却装置では、ダクト(32)をほぼ水
平に寝かせ、かつ共通液溜(33)の側方に冷却フィン
(31)を配置したので、全体の高さ寸法が従来よりも
小さくなっている。 ここで、上記実施例では冷却液(25)として純水又は
エチレングリコール水溶液が使用されているため、サイ
リスタ素子(3)に対する冷却形態としては、沸騰によ
る冷却だけでなく、対流による冷却や、対流及び沸騰に
よる冷却となることが多い、これに対して、上記実施例
の装置では、ダクト(32〉がほぼ水平方向に向けられ
ているとともに、共通液溜(33)の側方に冷却フィン
(31)が配置されているため、気泡(26〉がスムー
ズに移動するとともに、この移動により冷却液(25)
の対流が促進され、第55図の従来装置に比べて冷却特
性が高められる。 ところで、このように冷却液(25)として純水やエチ
レングリコール水溶液を使用する場合、動作温度が一2
0〜60℃程度であるため、蒸気(27)の圧力は15
0yiHg以下の低圧状態となることは、第1発明の実
施例と同様である。 次に、第7図は第2発明の第2実施例による沸騰冷却装
置の断面図である。 図において、各冷却フィン(31)及び共通液溜(33
〉の間には、それぞれほぼ水平方向に向いているダクト
である上部ダクト(34)と下部ダクト(35)とが介
在している。これらの上部ダクト(34)及び下部ダク
ト(35〉は、互いに平行に上下に間隔をおいて配置さ
れている。他の楕或は、第5図のものと同様である。 このような沸騰冷却装置では、気泡(26)が上部ダク
ト(34)を通るため、上部ダクト(34)では、冷却
フィン(31)から共通液溜(33〉に向けて冷却液(
25)が流れ、下部ダクト(34〉では共通液溜〈33
〉から冷却フィン(31)に向けて冷却液〈25〉が流
れる。このため、図の矢印に示すような冷却液(25〉
の対流が一層促進されるかたちとなり、冷却特性がより
高められる。 次に、第8図は第2発明の第3実施例による沸騰冷却装
置の断面図である。 図において、冷却フィン(31)は第7図のものに比べ
て上方に延長されており、冷却フィン(31)内の吸熱
面の上方に冷却液(25)の液面が位置している。そし
て、冷却フィン(31)の液面上と共通液溜(33)の
液面上又は第1のヘッダ(24b)とが、ダクトである
蒸気用ダクト〈36)により連結されている。即ち、冷
却フィン(31)と共通液溜り33)とは3本のダクト
で連結されている。 このような沸騰冷却装置では、蒸気(27)の専用の蒸
気用ダクト(36)を設けることにより、気泡(26)
の移動にともなう冷却液(25〉の対流を利用しつつ、
凝縮器(24)から戻る冷却液(25)に妨げられるこ
となく、蒸気(27)を凝縮器り24)側へ移動させる
ことができる。従って、冷却特性がさらに向上する。 次に、第9図は第2発明の第4実施例による沸騰冷却装
置の断面図である。 図において、凝縮器〈24)は第7図及び第8図とは反
対に傾いており、共通液溜(33〉の上方の第1のヘッ
ダ(24b)より、反対側の第2のヘッダ(24c)の
方が低くなっている。この第2のヘッダ(24c)の下
部と共通液溜(33)との間に、液戻り管(37)が設
けられている。また、第1のヘッダ(24b)の下端部
が共通液溜を兼ねている。 この実施例によれば、蒸気流路が大きくとれるため、蒸
気(27)の圧力損失が小さく、蒸気(27)が均一化
され易く、また凝縮された冷却液(25)が液戻り管(
37〉を通って共通液溜(33)に戻るため、凝縮後の
冷却液(25)と蒸気(27)とがすぐに接触すること
はなく冷却効率が良い。 なお、上記各実施例では冷却液〈25)として純水又は
エチレングリコール水溶液を使用したものを示したが、
他の水溶液やフロン液などを使用することも可能である
。 また、上記各実施例ではダクトを1〜3本使用したもの
を示したが、ダクトは4本以上使用してもよい。 さらに、ダクトの断面形状は円形、矩形及び多角形のい
ずれでもよく、例えば後述する第21図のように一部又
は全体にベローズを用いるなどしてもよい。 さらにまた、上記実施例では被冷却体としてサイリスタ
素子(3)を示したが、これに限定されるものではない
。 以下、請求項(3)に係る発明(以下、第3発明と略称
する。)の実施例を図について説明する。 第10図は第3発明の第1実施例による沸騰冷却装置の
要部断面図、第11図は第10図のA−A線に沿う矢視
断面図、第12図は第10図のB−B線に沿う矢視断′
@図である。 図において、蒸発器である冷却フィン(31)の吸熱面
(31a)の内側には、ブロック状のニレメン)(41
)が設けられている。この実施例の装置は銅製であり、
このためエレメント(41)も銅製のものが用いられて
いるゎエレメント(41)には、上下方向に延びる内部
流路としての断面円形の円形ダクト(42)が多数設け
られている。なお、他の構成は第5図のものと同様であ
る。 上記のような沸騰冷却装置においては、冷却フィン(3
1)が共通液溜(33)の側方に配置されているため、
第2発明の各実施例と同様に、全体の高さが低くなって
いる。また、冷却フィン(31)内に上下に延びる円形
ダクト(42)が形成されているため、発生した気泡(
26)がこれに案内されてスムーズに上昇し、これによ
り沸騰冷却や対流が促進され、冷却フィン(31)の冷
却特性、特に熱負荷が小さいときの冷却特性が向上する
。 ここで、第13図は冷却液として純水を使用した場合の
垂直円管の沸騰冷却特性についての実験結果を示す過熱
度と熱流束との関係図であり、液温60°C1伝熱面は
一様熱流束の条件とした。また、垂直円管は、内径φ3
■〜9■、長さ40zt〜80mmのものを使用した。 さらに、これと比較するため、水平円板(直径φLol
l )の沸騰冷却特性を破線で示した。 この実験結果に示すように、水平円板の沸騰開始点以下
の熱流束の小さい領域においても、垂直円管の沸騰冷却
特性が優れている。 また、第14図は冷却液としてエチレングリコール水溶
液(20wt%、 35wt%)を使用した場合の垂直
円管の沸騰冷却特性についての実験結果を示す過熱度と
熱流束との関係図であり、液温60℃、伝熱面は一様熱
流束の条件とした。また、垂直円管は、内径φ6■〜1
2+11、長さ8011のものを使用した。さらに、比
較のため、水平円板(直径φ10■)の沸騰冷却特性を
実線で示した。 この実験結果に示すように、エチレングリコール水溶液
を用いた場合であっても、垂直円管は、熱流束の小さい
領域における沸騰冷却特性が優れている。 これら第13図及び第14図の実験結果がちも、この実
施例の円形ダクト〈42)により、冷却フィン(31〉
の冷却特性、特に熱負荷が小さいときの冷却特性が向上
することが確認できる。 次に、第15図はこの第3発明の第2実施例による沸騰
冷却装置の冷却フィンの断面図であり、第1実施例の第
12図に相当する断面を示したものである。 この実施例では、内部流路として断面矩形の矩形ダクト
(43〉が用いられており、これにより上記実施例と同
様の効果が得られる。 また、第16図はこの第3発明の第3実施例による沸騰
冷却装置の冷却フィンの断面図、第17図は第16図の
C−C線に沿う矢視断面図である。 図において、冷却フィン(31)の吸熱面(31a)の
内側には、上下方向に延びる複数のフィン(44)が設
けられている。これらのフィン(44)により、冷却フ
ィン(31)内の中央部に内部流路り45)が形成され
ている。 この実施例では、発生した気泡(26)は、フィン(4
4)から離れ冷却フィン(31)の中央部を上昇するの
で、吸熱面(31a)の限界熱流束が大きくなり、ドラ
イアウトしにくくなる。 さらに、第18図は第3発明の第4実施例による沸騰冷
却装置の要部断面図、第19図は第18図のD−D線に
沿う矢視断面図である。 図において、エレメント(41)には、上下方向に延び
る内部流路としての二段矩形ダクト(46)が多数設け
られている。各二段矩形ダクト(46)間の肉厚は、2
■以下になっている。第20図は二段矩形ダクト(46
)を拡大して示す斜視図であり、二段矩形ダクト(46
〉の表面には、多数の伝熱促進微粒子(47)が固着さ
れている。この伝熱促進微粒子(47)は、例えばアル
ミニウム又は銅の小片からなっている。 このような二段矩形ダクト(46)によっても、上記各
実施例と同様の効果が得られる。 また、第18図のように、冷却液(25)の液面が吸熱
面(31a)の上端部よりも下にある場合でも、発生し
た気泡(26)が二段矩形ダクト(46)内を上昇する
ことにより、冷却液(25)も二段矩形ダクト(46)
内を押し上げられ、二段矩形ダクト(46)の上端部か
ら沸き出す、このようなボンピング効果により、吸熱面
(31a)の全体が冷却され、効率良い沸騰冷却が行わ
れる。 さらに、二段矩形ダクト(46〉を用いることにより構
造的強度が強くなる。 また、二段矩形ダクト(46)を用いた場合、フィン効
率が比較的悪い状態となるため、吸熱面(31a)の熱
流束が増大し、十分発達した核沸R熟伝達特性を利用で
きる。 次に、第21図は第3発明の第5実施例による沸騰冷却
装置の断面図であり、第18図と同様に二段矩形ダクト
(43)を有する冷却フィン(31)が用いられている
。第1のヘッダ(24b)の下端部が共通液溜(33)
を兼ねており、この第1のヘッダ(24b)と冷却フィ
ン(31)との間は、ダクトとしてのベローズ(48)
により連結されている。 通常、冷却フィン(31)はサイリスタ素子(3)のス
タック(12)に支持されており、凝縮器(24)は他
の位置に支持されている。このため、冷却フィン(31
)と凝縮器(24)とを連結するダクトには大きな応力
が生じる場合がある。また、熱変形によっても、ダクト
に無理な応力が生じることがある。これに対して、上記
のようにダクト部分にベローズ(48)を用いることに
より、応力が逃がされてダクトの破壊が防止される。 なお、上記各実施例では冷却液(25)として純水又は
エチレングリコール水溶液を使用したものを示したが、
他の水溶液やフロン液などを使用することも可能である
。 また、被冷却体はサイリスタ素子(3)に限定されるも
のではない。 さらに、上記各実施例ではダクトを1〜2本使用したも
のを示したが、第2発明と同様にダクトは3本以上使用
してもよく、ダクトの断面形状も限定されない。 さらにまた、ダクトを2本以上用いる場合、例えば第2
2図に示すように、それぞれのダクトにベローズ(48
)を用いてもよい。 ところで、第23図は第18図の冷却フィン(31〉を
使用した沸騰冷却装置の断面図である。図中、破@A、
B及びCは、それぞれ冷却液〈25〉の液面位置を示し
ている。このような沸騰冷却装置を使用して冷却試験を
行った結果(実測データ〉を第24図〜第27図に示す
。 まず、第24図は第23図の装置に純水(冷却液〉を液
面高さCで用いた場合の過熱度と熱流束との関係を示す
関係図である。比較のため、銅製の水平円板(φ10■
)及びSUSの垂直円管(内径φ6■ 長さ80■)の
それぞれの場合のデータを併記している。また、冷却液
(25)としてフロンR113を用いた場合のデータも
併記している。 この図に示すように、第23図の装置に純水を液面高さ
Cで使用した場合、フロンR113や水平円板垂直円管
のものに比べて、良好な沸騰冷却特性が得られた。 なお、熱流束及び過熱度の計算には、次に示す式【1】
及び【2】を使用した。 熱流束=素子の電力損失/吸熱面積・・・・・・・【1
】過熱度=吸熱面温度−冷却液温度・・・・・・・・・
【2】第25図は第23図の装置にエチレングリコール
35wt%水溶液(冷却液)を液面高さCで用いた場合
の過熱度と熱流束との関係を示す関係図である。 第24図と同様に、フロンR1]3を用いた場合、水平
円板、垂直円管の場合のデータをそれぞれ併記している
。この図のように、エチレングリコール水溶液2円面高
さCの場合にも、良好な沸騰冷却特性が得られた。 第26図は第23図の装置に対する冷却試験の結果を沸
騰熱伝達率と熱流束との関係で整理した関係図であり、
冷却液(25〉として純水1エチレングリコール水溶液
(20wt%、 35wt%)及びフロンR113をそ
れぞれ液面高さCで用いた場合のデータである。また、
比較のため、水平円板のデータも併記している。 この図から、第23図の装置で純水やエチレングリコー
ル水溶液を使用した場合に、広い熱流束の範囲で高い沸
騰熱伝達率が得られることがわかる。 第27図は第23図の装置でエチレングリコール水溶液
(35wt%)を使用した場合の液面位置と並列熱抵抗
との関係を示す関係図である。また、熱負荷は100O
Wである。 冷却フィン(31〉の冷却特性を示す並列熱抵抗は、液
面位置がA′〜Cの範囲のときに良好である。これは、
液面がA′より低いと吸熱面(31m)の液面からの露
出量が大きくなり、液面がCより高いと冷却液(25〉
が気泡(26)の移動の抵抗になるためである。実験の
結果、液面の位置は、吸熱面(31a)の上端部から1
0xz下の位置よりも上の位置が適当であり、これによ
り効率の良い沸騰冷却を行うことができる。 以下、請求項(4)に係る発明(以下、第4発明と略称
する。)の実施例を図について説明する。 第28図は第4発明の一実施例による沸騰冷却装置の断
面図であり、第8図と同−又は相当部分には同一符号を
付し、その説明を省略する。 図において、蒸発器である冷却フィン(31)と凝縮器
(24)との間は、蒸気管(49〉により直接連結され
ている。一方、共通液溜(33)の側面部には、複数本
のフィンチューブ(50a)を有する液冷用冷却器(5
0)が連結されている。つまり、液冷用冷却器(50)
は、各ダクト(34) 、(3,5)及び共通液溜(3
3)を介して、冷却フィン(31)に連結されている。 なお、他の構成については第8図のものと同様である。 上記のように構成された沸騰冷却装置では、熱負荷が小
さい場合、図の矢印に示すように、冷却液(25)に対
流が生じる。この対流した冷却液(25)は、液冷用冷
却器(50)に流入して冷却される。このため、対流に
よる冷却が主である場合、即ち熱負荷が小さい場合であ
っても十分な冷却効率が得られる。 なお、上記実施例では液冷用冷却器(50)としてフィ
ンチューブ< 50a)を有する空冷のものを示したが
、液冷用冷却器(50〉は冷却液を冷却できるものであ
ればよく、特に限定されない。 また、上記実施例では共通液溜(33)に液冷用冷却器
(50)を連結したが、冷却フィン(31)に直接連結
してもよい。 さらに、上記実施例では非浸漬形の沸騰冷却装置を示し
たが、浸漬形のものであっても、この発明を適用できる
。 以下、請求項(5)に係る発明(以下、第5発明と略称
する。〉の実施例を図について説明する。 第29図は第5発明の第1実施例による沸騰冷却装置の
蒸発器の断面図、第30図は第29図のE−E線に沿う
矢視断面図である。 図において、銅ブロック製の蒸発器(51)の外周面に
は、サイリスタ素子やパワートランジスタ等の発熱体で
ある被冷却体(52)が接合されている。また、蒸発器
(51)は凝縮器く図示せず)に連結されている。 蒸発器(51)の内部には、断面長方形の第1の冷媒流
路〈53)と、断面正方形の3本の第2の冷媒流路(5
4)とが設けられている。第2の冷媒流路(54)は、
第1の冷媒流路(53)より被冷却体(52)illに
位置しており、かつ第1の冷媒流路(53)と平行に設
けられている。また、第2の冷媒流R(54)の断面積
は、第1の冷媒流路(53)の断面積より小さくなって
いる。これらの第1及び第2の冷媒流路(53) 、(
54)内には、例えば水などの冷却液が流れるようにな
っている。 第1の冷媒流路(53)の被冷却体(52)(11の内
壁面には、伝熱促進粒子である金属粒子り55)が−面
に固着されている。蒸発器(51)の一端部には冷媒入
口(56)が、他端部には冷媒出口(57〉が設けられ
ており、それぞれ凝縮器に接続されている。 次に、動作について説明する。被冷却体〈52〉が発熱
すると、その熱は蒸発器(51〉に伝導し、第2の冷媒
流路(54)内の冷却液により冷却される。このとき、
熱負荷が小さければ対流伝熱で冷却され、熱負荷が大き
ければ沸騰伝熱で冷却される。 しかし、熱負荷がさらに大きくなると、小径の第2の冷
媒流N(54)はバーンアウト点に達し、伝熱面がドラ
イアウトを起こして、冷却特性が急激に悪化してしまう
。このような場合、第2の冷媒流路(54)より大径の
第1の冷媒流路(53)に熱が伝わり、第1の冷媒流B
(53)内の冷却液により沸騰冷却が行われる。 通常、このような冷却液に対する熱伝導は、独立に行わ
れるのではなく、伝熱面に流れ込む熱量と伝熱面の面積
とから決まる熱流束によって、その伝熱形態(対流伝熱
、沸騰伝熱、対流と沸騰の共存する伝熱など。〉が相互
に決定づけられる。 特に、2第2の冷媒流路(54)がドライアウトした場
合、全熱負荷が第1の冷媒流1(53)に流れ込み、第
1の冷媒流IN(53)の伝熱面の熱流束は急激に増大
する。 このように、上記実施例では第1の冷媒流路(53)で
冷却される前に、第1の冷媒流路(53)より小径の第
2の冷媒流路(54)で冷却されるので、熱負荷が比較
的小さい場合、即ち被冷却体(51)の電力損失が小さ
い場合の冷却特性が向上している。一方、熱負荷が大き
くなると第1の冷媒流路(53)で冷却されるので、全
体として、熱負荷の広い範囲に対して冷却特性が向上す
ることになる。 また、上記実施例では第1の冷媒流路(53)の伝熱面
、即ち内壁面上に金属粒子(55〉を固着したので、伝
熱面の表面積が大きくなるとともに、温度境界層の発達
が防止され、熱伝達が促進されることになり、結果とし
て冷却効率、特に熱負荷が比較的大きい場合の冷却効率
が良くなる。 次に、上記のような蒸発器(51)を有する沸騰冷却装
置の冷却特性を第31図について説明する。 第31図は上記実施例の装置の過熱度と熱流束との関係
、即ち沸騰曲線を示す関係図である。 図において、E、F、A点を通る実線は、金属粒子(5
5)及び第2の冷媒流路(54)を用いない第1の冷媒
流路(53)のみの場合の沸騰曲線を示している。特に
′、A点はこのときのバーンアウト点である。この状態
から金属粒子(55)を付加することにより、沸騰曲線
はE、F、C,B点を通る実線及び破線となる9さらに
、第2の冷媒流路(54)を付加することにより、沸騰
曲線は、EF点がり、C点に移り、全体としてり、C,
B点を通る一点鎖線及び破線となる。 このように、第1の冷媒流路(53)に金属粒子(55
)を固着したことにより、特に大きな熱負荷のときの伝
熱が促進され、冷却効率が良くなる。 また、熱負荷が小さいときには、冷媒流路の断面積が小
さい方が冷却特性が良いため、第2の冷媒流路(54)
を設けたことにより、特に小さな熱負荷のときの冷却特
性が良くなる。 ここで、例えばパワートランジスタなどの被冷却体は、
使用される条件により、その電力損失が時間に対して変
化する場合が多いため、冷却装置は、小さい電力損失か
ら大きい電力損失まで、常に高効率な冷却特性を必要と
されている。これに対して、上記のような蒸発器(51
)を有する沸騰冷却装置では、第2の冷媒流路(54)
と金属粒子〈55)との両方を設けたので、広い熱負荷
の範囲にわたって、冷却効率を高めることができ、優れ
た冷却特性を得ることができる。 次に、第32図は第5発明の第2実施例による沸騰冷却
装置の蒸発器(51)の断面図、第33図は第32図の
F−Fillに沿う断面図、第34図は第32図のG−
Gliにに沿う断面図である。 図において、第1の冷媒流路(53)の幅方向中央には
、その長さ方向に延びる補強板(58)が設けられてお
り、これにより第1の冷媒流路(53〉が2本に分割さ
れている。被冷却体(52〉は、蒸発器(51)の両面
に接合されており、このため第2の冷媒流路(54)が
第1の冷媒流F#1(53)の両側に配置されていると
ともに、金属粒子(55)も第1の冷媒流路(53〉の
内壁面のうち第32図の上下両面に固着されている。 このような装置によっても、上記実施例と同様の効果を
奏する。また、サイリスタ素子は3 ton程度の大き
な力で蒸発器(51)に圧接されるため、この実施例で
は、圧接に対する強度の点から補強板〈58)が設けら
れている。 なお、第2の冷媒流路(54)の断面形状は、第29図
のような正方形や第32図のような円形に限定されるも
のではなく、他の多角形や楕円形などでもよい。また、
第1の冷媒流路(53)の断面形状も長方形に限定され
ない。 また、被冷却体(52)はサイリスタ素子やパワートラ
ンジスタに限定されるものではなく、その個数も特に限
定されない。 さらに、第1及び第2の冷媒流路(53) 、(54)
の配置関係や数も上記各実施例に限定されるものではな
く、例えば第35図ないし第37図に示すような配置及
び数にしてもよい。 さらにまた、上記実施例では伝熱促進粒子として金属粒
子(55)を示したが、具体的には例えばアルミニウム
や銅の小片などを利用することができる。また、伝熱促
進粒子は非金属粒子であってもよいが、熱伝導率の高い
ものが好ましい。さらに、伝熱促進粒子は蒸発器(51
)と同じ材料のものであれば、特に固着が容易である。 また、上記実施例では蒸発器(51)として銅製のもの
を示したが、例えばアルミニラ製のものなど、他の材料
からなるものであってもよい。 さらに、上記実施例では金属粒子(55)を第1の冷媒
流N(53)に固着したが、第2の冷媒流路〈54〉に
固着してもよい。 さらにまた、上記実施例では金属粒子(55)を第1の
冷媒流路(53)の被冷却体(52〉側の壁面に一面に
設けたが、壁面の一部に設けてもよく、また他の壁面に
も設けてもよい。 また、上記実施例では冷却液の一例として水を示したが
、例えばエチレングリコール水溶液などの水溶液やフロ
ン液などであってもよい。 さらに、上記各実施例では第1の冷媒流路(53)に金
属粒子(55)を設けたが、伝熱促進粒子は必ずしも設
けなくてもよく、伝熱促進粒子を省略しても、この発明
の効果を得ることができる。 以下、請求項(6)に係る発明(以下、第6発明と略称
する。〉の実施例を図について説明する。 第38図は第6発明の第1実施例による個別冷却フィン
形(非浸漬形)の沸騰冷却装置の断面図、第39図は第
38図の冷却フィンの断面図であり、第5図と同−又は
相当部分には同一符号を付し、その説明を省略する。 図において、蒸発器である冷却フィン(31)内の伝熱
面である2カ所の吸熱面(31a)の表面には、それぞ
れ伝熱促進粒子〈61)が1層ずつ固着されている。ま
た、冷却液(25)は、純水又はエチレングリコール水
溶液からなるものが使用されている。 このような沸騰冷却装置では、冷却フィン(31)に伝
達された熱が所定値以上になると、伝熱促進粒子(61
)間の隙間や吸熱面(31)から気泡(26)が全面的
に発生する0発生した気泡(26)は、冷却液(25)
を上昇させながら自らも上昇する。そして、気泡り26
)は、冷却フィン(31)内の上部に到達すると、ダク
トク32)に沿って共通液溜〈33)に移動し、液面か
ら第1のヘッダ(24b)に入る。 これにより、第1のヘッダ(24b)内に蒸気(27)
が充満する。この蒸気り27)は、凝縮器(24)内で
空冷されて凝縮、液化される。凝縮液は、重力により再
び共通液溜(33〉に戻り冷却を行う。 ところで、従来のフロンR113を使用した装置では、
冷却フィン(31)の内壁面をショツトブラスト等によ
り粗面化して伝熱を促進していたが、物性の異なる純水
やエチレングリコール水溶液を冷却液(25)として使
用する場合、従来の装置では十分な伝熱促進を行うこと
ができない、これに対して、上記実施例では吸熱面(3
1a)上に伝熱促進粒子(61〉が設けられていること
により、吸熱面(31a)から冷却液(25)への伝熱
が促進され、沸騰時に全面にわたって気泡(26)が発
生しやすくなり、冷却効率が高められている。 また、第40図は第6発明の第2実施例を示す冷却フィ
ン(31)の断面図であり、伝熱促進粒子(61)を2
層に固着したものである。 さらに、第41図は第6発明の第3実施例を示す冷却フ
ィン(31)の断面図であり、補強板(62)を設ける
ことにより冷却フィン(31〉の構造強度を増したもの
である。即ち、純水やエチレングリコール水溶液を冷却
液(25)として使用する場合、十分に発達した核沸騰
現象は、フロンR113の場合とは異なり、10’ W
 / w”以上の熱流束で実現される。従って、同一の
熱負荷の場合、吸熱面(31a)の面積が小さい方が大
きな熱流束が得られることになる。この理由から、吸熱
面(31a)の表面に、伝熱面積を大きくするためのフ
ィンなどを設けない方が良い場合もある。この場合、冷
却フィン(31)は構造的に強度が不足するため、補強
板(62)が必要となる。 これら第2.第3実施例でも上記第1実施例と同様の効
果が得られる。 しかし、このような伝熱促進粒子(61)を用いた場合
でも、粒子径によっては十分な伝熱促進効果を得ること
ができない、そこで、上記のように冷却液(25)とし
て純水やエチレングリコール水溶液を用いた場合の伝熱
促進粒子〈61〉の最適粒子径について説明する。 まず、日本機械学会論文集第451号B編r多孔質伝熱
面の核沸騰熱圧特性」に示されている計算式を利用して
最適粒子径の推算を行う、この推算に必要な物性値は、
蒸発潜熱1表面張力及び冷媒蒸気の密度であり、これら
は検討対象となる飽和温度に対応した値を使用した。 非均−温度場において、開口半径r ecIlなるキャ
ビティを有する伝熱面から気泡を発生するのに必要な伝
熱面温度差ΔTKは、式【3】で与えられるとする。 但し、σ :表面張力(kg/ x )L :蒸発潜熱
(kca I / kg )ρV:冷媒蒸気の密度(k
g/ 1) Ts:冷媒の飽和温度(”C) Kc:定数 gc:変換係数である。 また、g c= 10’dyne−ci+/ J ==
 427kgf 1/ Mealである。 さらに、多孔質面では、粒子間に形成されるキャビティ
が有効な気泡様を形成すると考えられ、このキャビティ
の大きさく開口半径re)は、粒子径に比例するとすれ
ば、式【4】の関係を得る。 rc=Kp−rp   ・・・・・・【4】但し、Kp
:定数 rp;粒子半径(画)である。 上記の式【3】と式【4】とから、次の式【5】を得る
ことができる。 れる。 0.094≦Kp−ΔT / K c≦0.23− ・
−・−[61式【6]に式【5】を代入して、粒子半径
r、について整理すると、式【7】を得る。 ・ ・ ・【7】 上記の式【7】を使用して、最適粒子径の推算を行った
。その結果を次の表に示す。 一方、低熱流束Q / s −3X 10’W /1.
高熱流束Q / S = I X 108W/、2で高
性能な沸騰熱伝達特性を有する多孔質面の範囲は、式【
6】で表さ但し、表中、 A:エチレングリコール25−t%水溶液B:エチレン
グリコール35wt%水溶液C:エチレングリコール4
5wt%水溶液D:エチレングリコール液である。 上表の結果から、冷却液(25)として純水又はエチレ
ングリコール水溶液を使用した場合の伝熱促進粒子(6
1)の半径の範囲は、0.17〜3.80となる。そし
て、この範囲内で実用的な範囲を考えると、半径0.1
7〜1.0層程度、即ち300〜2000Jiwが伝熱
促進粒子(61)の最適粒子径となる。この最適粒子径
の範囲は、フロンR113の場合と明らかに異なってい
る。 次に、第42図〜第45図は冷却液(25)として純水
、エチレングリコール水溶液を使用した場合の吸熱面(
31a)の低圧での沸騰伝熱特性を示す過熱度と熱流束
との関係図であり、第42図は伝熱促進粒子(61)の
粒子径を1000μL積層を1層とした場合、第43図
は粒子径1000μL積層を2層とした場合、第44図
は粒子径400μm、積層を1層とした場合、第45図
は粒子径400μL積層を2層とした場合をそれぞれ示
している。また、各図とも、実験による実測値に基づい
ており、比較のため水平円板(φ10■、液温60℃)
の平滑面の場合の実測値も併記している。 これにより、各粒径の各冷媒とも伝熱促進粒子(61)
を用いることにより、水平円板の場合に比べて沸騰伝熱
特性が著しく向上していることがわかる。 第46図は第42図〜第45図のデータに基づいて純水
における熱流束と伝熱促進度との関係を粒子径ごとに示
した関係図、第47図は同様にエチレングリコール35
wt%水溶液における熱流束と伝熱促進度との関係を粒
子径ごとに示した関係図である。 これらの図から、上記した伝熱促進粒子〈61〉の最適
粒子径の範囲の内、粒子径400〜1000μmの範囲
で、積層を1層又は2層とした場合に伝熱促進度が優れ
ていることが確認できる。特に、粒子径100(lcz
iで積層を2眉とした場合に伝熱促進度が優れている。 なお、伝熱促進度は、式【8]を使用して計算した。 ・ ・ ・ ・ ・【8】 但し、過熱度−吸熱面温度−冷媒温度である。 上記の結果をまとめると、冷却液(25)として純水又
はエチレングリコール水溶液を使用する場合の伝熱促進
粒子(61)の最適粒子径は、300〜2000μまで
ある。そして、その範囲内で400〜ioo。 μmの範囲が特に良好であり、積層を2層とすればさら
に良好である。 なお、上記実施例では個別フィンタイプの沸騰冷却装置
を示したが、浸漬形の沸騰冷却装置にもこの第6発明を
適用できる。この場合、発熱体に取り付けられた放熱ブ
ロック等に伝熱促進粒子を固着すればよい。 また、伝熱促進粒子(61)は、例えば銅やアルミニウ
ムなどの金属粒子や他の非金属粒子等を利用することが
でき、特に限定されるものではないが、熱伝導率の高い
ものが好ましい。 以下、請求項(7)に係る発明(以下、第7発明と略称
する。)の実施例を図について説明する。 第48図は第7発明の一実施例による沸騰冷却装置を示
すm成因であり、第23図と同−又は相当部分には同一
符号を付し、その説明を省略する。 図において、第1のヘッダ(24b)の上端部には、伸
縮自在な可視部材であるベローズ(71)が設けられて
いる。このベローズ(71)の内部は、第1のヘッダ(
24b)内、即ち冷却液(25〉の液面上の空間部(7
2)に連通している。これにより、ベローズ(71)は
、空間部(72)内の圧力変化に応じて伸縮する。また
、ベローズ(71)は、ばね(73〉により縮小方向に
常時付勢されている。 ベローズ(71)の上端部には、可動接点(74a)が
取り付けられている。この可動接点(74a)は、ベロ
ーズ(71)の伸縮により移動し、対向する固定接点(
74b)に接離される。各接点(74a) 、(74b
)は、空間部(72)の圧力の異常上昇を検出する検出
器(75)に接続されている。この検出器(75)には
、警報器(76)が接続されている。 これらのベローズ(71) 、ばね(73)、各接点(
74a)、(74b)、検出器(75)及び警報器(7
6)がら、監視手段(70)が構成されている。 第1のヘッダ(24b)の側部には、電磁弁(77)を
介して排気手段としての真空容器(78)が接続されて
いる。電磁弁(77)は、検出器(75)に接続されて
おり、検出器〈75)で異常が検出されると開くように
なっている。 上記のように構成された沸騰冷却装置においては、沸騰
冷却の動作については第23図の装置と同様である。 ここで、第1発明の実施例でも説明したが、冷却液(2
5)として純水やエチレングリコール水溶液を使用する
場合、サイリスタ素子(3)の動作温度範囲(60℃前
後)における飽和圧力は大気圧よりも低くなる(第4図
)。このため、リークにより空気等の非凝縮性ガスが空
間部(72)に侵入することがある。 このように、装置内に空気が侵入すると、凝縮器(24
)の冷却性能が悪くなり、冷却液(25)の動作温度が
高くなり、この影響で冷却フィン〈31〉の温度も高く
なる。そして、サイリスタ素子(3〉のジャンクション
温度が高くなり、許容温度を越えるとサイリスタ素子(
3)が機能しなくなってしまう。特に、鉄道車両に搭載
されるす、イリスタ素子く3〉の場合、その機能が停止
すると、車両を停止させなければならず、営業運転に支
障をきたすことになる。 これに対して、上記実施例の装置では、空気の侵入によ
り空間部(72)内の圧力が上昇すると、ばね(73)
に逆らってベローズ(71)が伸びる。 圧力上昇が設定値に達すると、可動接点(74m)が固
定接点(74b)に接し、検出器(75)で異常圧力上
昇が検出される。これにより、警報器(76〉により警
報が発せられるとともに、電磁弁(77)が開放される
。電磁弁(77)の開放により、空間部(72)内のガ
スは真空容器(78)に移動し、これにより空間部(7
2)内が減圧される。装置の内圧が低下すると、ベロー
ズ(71)が縮小して接点(74a) 、 (74b)
が再び開く、接点(74a) 、 (74b)が開くと
、検出器(75)から正常信号が出力され、電磁弁(7
7)が閉じる。 このような監視手段(70)と真空容器(78)との働
きにより、リークによる冷却性能の低下が防止され、装
置は引き続き使用可能となる。従って、装置の冷却性能
が長期にわたって安定して確保できる。 ところで、冷却液(25)の動作温度は、サイリスタ素
子(3)による熱負荷と凝縮器(24〉の冷却性能とに
より決定される。この冷却液(25)の動作温度を60
℃とすると、そのときの蒸気圧Pは、冷却液(25)と
して純水を使用する場合、蒸気圧P = 150zyH
g (= 0.2AI?/cz2abs) 、冷却液(
25)としてエチレングリコール水溶液35wt%を使
用する場合、蒸気圧P=129ziHg (=0.17
ag/c1abs)となる。 一方、ベローズ(71)の受圧面積をSe1、ばね(7
3)のばね定数をkAfI/CL大気圧をP。、冷却液
(25)が60℃のときのばね(73)の可動端の変位
量をΔXcwとすると5次に示す式【9】が成り立つ。 P 1s = P −8+ kΔX ・・ ・・・・【
9】ここで、大気中の空気が装置内にリークしたために
、装置の内圧、即ち蒸気圧PがΔPAg/a1だけ上昇
し、ベローズ(71)がΔX、伸びたとすると、次の式
【10】が戒り立つ。 p 、−s = <p +ΔP)S+k(ΔX−Δx+
)・ ・ ・ ・ ・【10】 式【10】に式【9】を代入して整理すると、ΔP−S
−にΔx、=0 となる、即ち、ΔPの圧力上昇に対してΔX+=ΔP−
8/k(cm) の変位Iが検出されることになる。 このため、装置内圧の上昇の許容値を予め定めておくと
ともに、接点(74m) 、 (74b)の間隔をこれ
に対応した長さにしておけば、上記のように異常圧力上
昇時に警報が発せられるとともに、空間部(72)が減
圧されることになる。 なお、上記実施例では被冷却体としてサイリスタ素子(
3)の場合について説明したが、上記各発明と同様に被
冷却体は特に限定されるものではない。 また、上記実施例では個別フィンタイプ(非浸漬形)の
沸騰冷却装置を示したが、浸漬形のものにもこの発明は
適用できる。 さらに、上記実施例では排気手段として真空容器(78
)を示したが、例えば真空ポンプなど、他のものであっ
てもよい。 さらにまた、監視手段(70)も上記実施例の構成に限
定されるものではない。 以下、請求項(8)〜(10)に係る発明の実施例をま
とめて説明する。 第49図は発明者らが実験で求めた飽和液1so℃のと
きの各冷媒の沸騰曲線を示す過熱度と熱流束との関係図
である。冷媒は、純水7工チレングリコール20彎t%
水溶液、エチレングリコール35wt%水溶液及びエチ
レングリコール45wt%水溶液である。各冷媒につい
て、熱流束が105W/1付近で沸騰曲線が変化してい
ることがわかる。 ここで、実測値(過熱度ΔTsat、熱流束Q/S蒸気
の圧力Ps及び熱伝達率α)や、飽和液温が60℃のと
きの各冷媒の物性値(熱伝導率Kl、表面張力σ、液の
比重ρ1.蒸気の比重ρシ、液のブラントル数Pr、冷
媒の蒸発潜熱り及び液の温度伝導度al)を、以下に示
すヌセルト数Nu及び無次元数Fの式【11】〜【13
】に代入して、実験結果を整理した。 q α=3.ΔT、t(W/1℃) ・(12] ・ ・ ・ ・ ・【13】 そして、例えばエチレングリコール35wt%水溶液に
ついて、核沸騰熱伝達の関係であるヌセルト数Nuと無
次元数Fとの関係を整理したのが第50図である。 第50図において、−点鎖線はK utateladz
eの式(N u =7.OX 10−’ −F )を、
破線はエチレングリコール35−1%についての発明者
が作成した実験式(N u =9.Ox 1o−’ −
F )を、それぞれ示している。無次元数(Nu、F)
で整理した実測値の大部分は、発明者の実験式に対して
一25%〜+40%の範囲で整理されている。しかし、
無次元数Fが2X10’以下では、上記の実測値は、発
明者の実験式からずれる特性を示している。これは、エ
チレングリコール35wt%水溶液の冷媒としての特性
が、核沸騰伝達特性の強い領域と若干弱い領域(核沸騰
及び自然対流の混在する領域〉とに区別されることを示
している。 第51図はエチレングリコール水溶液の混合割合と安定
した核沸騰wgn点の熱流束との関係を示す関係図であ
り、飽和液温40℃、60℃、 70’C,80’Cの
それぞれについての実測値を整理したものである。この
図から、安定した核沸騰開始点の熱流束が、混合割合や
飽和液温の影響を受けることがわかる。 第52図はエチレングリコールのモル分率mと沸騰開始
点のF値との関係を示す関係図であり、モル分率mとF
値との関係を整理すると次の式【10%式% [14] この式【10を利用すれば、エチレングリコールのモル
分率mから、そのモル分率に対応する沸騰開始点のF値
を求めることができる。 一方、熱流束q/sは、次の式【15】により求められ
る。 ・ ・ ・ ・ ・ 【15】 そこで、式【15】のFが、式【10で求めた沸騰開始
点のF値以上になるように、蒸発器の伝熱面積Sを決め
れば、冷却液としてエチレングリコール水溶液を使用し
た沸騰冷却装置の蒸発器について、第53図に示すよう
な沸騰開始点以上の熱流束値で使用することができる。 また、フロロカーボン系の冷却液を使用する場合は、発
明者らの実験結果を無次元整理した結果、沸騰開始点の
熱流束を求めるためのF値として、F=1.1X10’
が得られた。 同様に、冷却液として純水又は水溶液を使用する場合は
、F = 2.7X 10’が得られた。 ここで、 q/s :熱流束値     (W /i2 )q  
:熱量       (W> S  :蒸発器の伝熱面積 (1〉 L  :蒸発潜熱     < keal/kg>ρV
 ;蒸気の比重量   (ktt/1)ρ1 :液の比
重量    (Ay/1)aj =液の温度伝導度  
(1/hr )σ  :表面張力     (Ag/置
)Ps :蒸気の圧力    (kg/1)Pr ;液
のプラントル数 (−〉 である。 以上の結果を整理すると、各冷媒について下記の関係式
となる。 純水又は水溶液 F≧2.7x 104 フロロカーボン系冷媒 F≧1.1xlO’ エチレングリコール水溶液 F≧2.IX 10’・m−0O’) これらの関係式を満たすように、蒸発器の伝熱面積を決
めれば、第53図に示すような沸騰開始点以上の熱流束
を使用することができ、実用上安定的な沸騰状態を得る
ことができる。即ち、過熱度の変動がなく、冷却性能の
安定した蒸発器を得ることができる。 [発明の効果コ 以上説明したように、請求項(1)に係る発明の沸騰冷
却装置は、エチレングリコール水溶液からなる冷却液を
用いるとともに、銅製の凝縮器を用いたので、フロンを
用いることなく、また腐食による性能低下を防止しつつ
、優れた冷却性能を得ることができるという効果を奏す
る。 請求項(2)に係る発明の沸騰冷却装置は、共通液溜の
使方に、はぼ水平方向に向いたダクトを介して蒸発器を
接続したので、高さ寸法を小さくすることができ、これ
によりこの装置が取り付けられる機器を小形化・低床化
することができるという効果を奏する。 請求項(3)に係る発明の沸騰冷却装置は、共通液溜の
使方に、はぼ水平方向に向いたダクトを介して蒸発器を
接続し、かつ蒸発器の吸熱面の内側に、上下方向に延び
る複数の内部流路を設けたので、上記請求項(2)の発
明の効果に加えて、冷却液の気泡の移動が容易になるた
め、沸騰冷却や対流による冷却が効率良く行われ、沸騰
冷却特性が向上するなどの効果を奏する。 請求項(4)に係る発明の沸騰冷却装置は、液冷用冷却
器を蒸発器に連結し、対流した冷却液を冷却するように
したので、対流による冷却が主になっている場合の冷却
効率を高め、これにより熱負荷が小さいときの冷却特性
を向上させ、全体として優れた冷却特性を得ることがで
きるという効果を奏する。 請求項(5)に係る発明の沸騰冷却装置は、第1の冷媒
流路より断面積の小さい第2の冷媒流路を蒸発器に設け
たので、特に熱負荷が小さいときの冷却特性が良くなり
、広い熱負荷の範囲に対して優れた冷却特性を得ること
ができるという効果を奏する。 請求項(6)に係る発明の沸騰冷却装置は、蒸発器内の
伝熱面上に、粒子径が300μm以上2000μm以下
である伝熱促進粒子を多数固着したので、効果的に伝熱
が促進され、フロンを用いることなく、水又はエチレン
グリコール水溶液からなる冷却液により優れた冷却性能
を得ることができるという効果を奏する。 請求項(7)に係る発明の沸騰冷却装置は、冷却液の液
面上の空間部内の圧力を監視する監視手段を、空間部に
臨んで設けるとともに、圧力の異常上昇時に空間部内を
減圧する排気手段を空間部に接続したので、リークによ
る冷却性能の低下を防止でき、これによりフロンを用い
ることなく、水又はエチレングリコール水溶液からなる
冷却液により優れた冷却性能を得ることができ、かつ冷
却性能を長期にわたって安定させることができるなどの
効果を奏する。 請求項(8)、(9)及び(10)に係る発明の沸騰冷
却装置は、蒸発器の伝熱面積を冷媒の沸m開始点以上の
熱流束値になるようにしたので、蒸発器の過熱度の変動
を防止し、冷却性能を安定させることができるという効
果を奏する。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention relates to a boiling cooling device for cooling thyristor elements of chopper devices installed in subway cars, power transistors used in electronic equipment, etc. It is related to. [Prior Art] FIG. 54 is a configuration diagram showing a conventional immersion type evaporative cooling type thyristor device disclosed in, for example, Mitsubishi Electric Technical Report Vol. 48, No. 2. In the figure, a fluorocarbon liquid (2) such as R113 is placed in an evaporator (1), and a thyristor element (3) is immersed in this fluorocarbon liquid (2) to be cooled. A fin (4) is physically connected to the thyristor element (3). Further, the terminal (5) of the thyristor element (3) is drawn out of the evaporator (1). A condenser (8) is connected to the upper part of the evaporator (1) via a steam pipe (6) and a liquid return pipe (7).
> are connected. Next, the operation will be explained. When the thyristor element (3) is activated, power losses occur within it, resulting in the generation of a high amount of heat of several hundred watts. on the other hand,
The cooling surface of this thyristor element (3) has a diameter of several 1011
Since the area is small, the heat flux of the cooling surface is io
'The value is as high as W/1. The heat generated in the thyristor element (3) in this way is radiated to the fluorocarbon liquid (2) from the fins (4) that are pressed against the cooling surface of the thyristor element (3). As a result, the Freon liquid (2) boils and moves to the evaporator (1).
1. The generated fluorocarbon vapor (2a) enters the condenser (8) through the steam pipe (6), is condensed in the condenser (8>), and becomes the fluorocarbon liquid (2a) again. 2〉
This condensed Freon liquid (2) is passed through the liquid return pipe (
7) and returns to the evaporator <1). By repeating such operations, the thyristor element (3) continues to be cooled. Next, Fig. 55 shows, for example, the heat dissipation design and simulation of electronic equipment J (published by Applied Technology Publishing, 1989), No. 148.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a conventional individual cooling fin type (non-immersion type) boiling cooling system SIRISK device shown in FIG. In the figure, the thyristor element (3) is exposed to the atmosphere. Each thyrisk element (3) has cooling fins (9
) is attached. Each cooling fin (9>) is connected to a common liquid reservoir (11) via a heat transport pipe (lO).These cooling fins (9), heat transport pipe (10> and common liquid reservoir (11) The common liquid reservoir (11) contains the steam pipe (6>) and the liquid return pipe (2).
7> to a condenser (8). Next, the operation will be explained. The heat generated by the thyristor element (3) is transferred to the fluorocarbon liquid (2) via the cooling fins (9).
). As a result, the fluorocarbon liquid (2) evaporates and fluorocarbon vapor (2a) is generated.1 The generated fluorocarbon vapor (2a) flows through the heat transport pipe (10), the common liquid reservoir (11), and the steam pipe (6). It enters the condenser (8), and is condensed in this condenser (8> to become a fluorocarbon liquid (2) again. This condensed fluorocarbon liquid (2) flows through the liquid return pipe (7) by gravity.
) and returns to the common liquid reservoir (11). By repeating such operations, the thyristor element (3) continues to be cooled. By the way, FIG. 56 is a relationship diagram between overblackness and heat flux showing a boiling curve of a general refrigerant. In the figure, point A to B
The points are areas of natural convection, and points B to C to D are areas of nucleate boiling. Point D is called the burnout point, and the heat flux at point D is called the burnout heat flux. Point D ~ E
The point is the region of transition boiling, and the points E to F to G are the region of film boiling. Normally, when the heat flux changes from low to high, it exhibits a characteristic that goes from point A to point B and then to point H'. Then, when the heat flux is further increased, it moves from point H' to point H, and when the heat flux is further increased, it exhibits a characteristic that it reaches point D from point H via point 0. Conversely, if the heat flux is lowered, it will reach point H from point D via point 0, but even if the heat flux is further reduced, it will not move to point H' and will continue from point H via point B. Indicates the characteristic of returning to point A, -
In boat fishing, this phenomenon is said to have hysteresis. That is, in the conventional boiling cooling method as described above, the heat flux between point B and point D shown in FIG. (
1) The heat transfer area was determined. Further, even if the heat transfer area of the evaporator (1) was determined by understanding these characteristics, when the refrigerant was changed, it was necessary to understand the boiling characteristics of the new refrigerant. [Problems to be Solved by the Invention] The conventional boiling cooling type thyristor device configured as described above has the following problems. ■ Each uses a fluorocarbon liquid (2) as a coolant, but since fluorocarbons destroy the ozone layer when released into the atmosphere, it is necessary to use a refrigerant other than fluorocarbons from the standpoint of environmental conservation. In addition, when using refrigerants other than fluorocarbons,
Because its physical properties are different from those of fluorocarbons, conventional devices will not be able to provide sufficient cooling performance in various respects. ■ Among conventional devices, the individual cooling fin type has a common liquid reservoir (11) placed above the cooling fins (9), which increases the overall height, making it difficult to install this thyristor device. Equipment (e.g. railway vehicles, etc.)
This requires a large installation space, which hinders the ability to make the device more compact. In particular, in the case of linear motor cars, there is a strong demand for the vehicle to be compact, that is, to have a low floor, so it is even more necessary to reduce the height dimension of the thyristor device. (2) Although objects to be cooled such as power transistors are subjected to larger currents, conventional devices do not have sufficient cooling characteristics, especially when the heat load is small. ■ When designing the evaporator (1) or cooling fins (9), the heat flux at the point where boiling starts is not taken into consideration, so even if the heat flux is the same, near point H in Figure 56, Evaporator(
1) The degree of superheat, which is the difference between the wall surface temperature and the refrigerant temperature, fluctuates, making the cooling characteristics unstable. The invention according to claim (1) has been made with the aim of solving the above-mentioned problems, and is characterized in that it provides a boiling cooling device with excellent cooling performance without using fluorocarbons. The inventions according to claims (2) and (3) have been made with the aim of solving the above-mentioned problems, respectively, and provide a boiling cooling device that can reduce the overall height dimension. The invention according to claim (4), characterized in that it obtains The invention according to claim (5) is characterized in that it provides a boiling cooling device that can improve the cooling characteristics when the heat load is small and thereby improve the cooling characteristics as a whole. The invention according to claim <6> is made with the aim of solving the above problems, and is characterized by obtaining a boiling cooling device that can improve cooling characteristics over a wide range of heat loads. was developed with the aim of solving the above-mentioned problems, and can effectively promote heat transfer.This allows cooling liquids made of water or ethylene glycol aqueous solution to be used without using CFCs. The invention according to claim (7), which is characterized in that it provides a boiling cooling device that can provide superior cooling performance, has been made with the aim of solving the above-mentioned problems, A claim characterized in that it is possible to obtain a boiling cooling device that can prevent a decline in cooling performance due to leakage, thereby providing excellent cooling performance with a cooling liquid made of water or an aqueous ethylene glycol solution without using fluorocarbons. The inventions according to (8), (9) and (10) were made with the aim of solving the above-mentioned problems, respectively, by preventing fluctuations in the degree of superheating of the evaporator and improving cooling performance. It is an object of the present invention to obtain a boiling cooling device that can be stabilized. [Means for solving the problem] The boiling cooling device of the invention according to claim (1) uses a cooling liquid consisting of an ethylene glycol aqueous solution, and The boiling cooling device of the invention according to claim (2) is one in which an evaporator is connected to the side of a common liquid reservoir via a duct oriented in a roughly horizontal direction. In the SM cooling device of the invention according to claim (3), the evaporator is connected to the side of the common liquid reservoir via a duct oriented in a substantially horizontal direction, and the evaporator is connected to the inside of the heat absorption surface of the evaporator. A plurality of internal flow passages extending in the vertical direction are provided on the inside. The boiling cooling device of the invention according to claim (4) is one in which a liquid cooling cooler for cooling an inflowing cooling liquid is connected to an evaporator. The evaporative cooling device of the invention according to claim (5) includes a first refrigerant flow path and a second refrigerant flow path having a smaller cross-sectional area than the first refrigerant flow path in parallel to each other in the evaporator. It was established. The boiling cooling device of the invention according to claim (6) uses water or an aqueous ethylene glycol solution as the cooling liquid, and has particles having a particle size of 300 μm or more and 2000 μm on the heat transfer surface in the evaporator.
It is made by fixing a large number of heat transfer promoting particles with a size of less than m. The boiling cooling device of the invention according to claim (7) uses water or an aqueous ethylene glycol solution as the cooling liquid, and the monitoring means for monitoring the pressure in the space above the liquid level of the cooling liquid is provided facing the space. In addition, an exhaust means is connected to the space to reduce the pressure inside the space when the pressure rises abnormally. In the evaporative cooling device of the invention according to claims (8), (9), and (10), the heat transfer area of each evaporator is set to a heat flux value equal to or higher than the boiling start point of the refrigerant. [Function] In the invention according to claim (1), the object to be cooled is cooled by an aqueous solution consisting of an ethylene glycol aqueous solution, and the condenser is made of copper, thereby preventing corrosion of the condenser. In the invention according to claim (3), the overall height is characterized by arranging the evaporator on the side of the common liquid reservoir.In the invention according to claim (3), the evaporator is arranged on the side of the common liquid reservoir. This reduces the overall height and provides multiple internal channels within the evaporator to facilitate air bubble movement and improve the evaporative cooling system. In the invention according to claim (4), the cooling liquid that convects due to heat absorption is cooled by flowing into the liquid cooling cooler. In the invention according to claim (5), by providing the evaporator with the second refrigerant flow path having a smaller cross section than the first refrigerant flow path, cooling efficiency is increased when the heat load is small. In the invention according to claim (6), heat transfer promoting particles of an optimum particle size are fixed to the heat transfer surface in the evaporator to effectively promote heat transfer, and pure water or ethylene glycol is used as the cooling liquid. Improves cooling performance when using aqueous solutions. In the invention according to claim (7), water or an aqueous ethylene glycol solution is used as the cooling liquid by monitoring the pressure in the space by the monitoring means and reducing the pressure in the space by the exhaust means when the pressure increases abnormally. In the inventions according to claims (8), (9), and (10), the heat transfer area of the evaporator is set to a heat flux value equal to or higher than the boiling start point of the refrigerant. This prevents fluctuations in the degree of superheating. [Example] Hereinafter, an example of the invention according to claim (1) (hereinafter referred to as the first invention) will be described with reference to the drawings. It is a configuration diagram showing an individual cooling fin type boiling cooling device. In the figure, the evaporator (21) has a steam pipe (22>) which is a vapor flow path and a liquid return pipe (23) which is a liquid return flow path. A condenser (24) is connected to the condenser (24) through a plurality of fin tubes (24).
m), and first and second headers (24b) and (24c) provided at both ends of the fin tube (24a). The evaporator (21) contains a cooling liquid (25) made of an aqueous ethylene glycol solution.The evaporator (21) is resistant to corrosion against this aqueous ethylene glycol solution.
, condenser (22), steam pipe (23) and liquid return pipe (24)
) are made of copper. Further, a thyristor element <3> as a cooled body is pressed into contact with the evaporator (21). In the boiling cooling device configured as described above, the thyristor element (3
) is cooled. Also, steam generated by boiling (27)
is condensed in the condenser (24) and then returned to the evaporator (21)
Go back inside. At this time, since the above-mentioned boiling cooling device uses an ethylene glycol aqueous solution as the cooling liquid (25), there is no problem of environmental damage such as chlorofluorocarbon gas.Also, since the device is made of copper, ethylene glycol aqueous solution is used as the cooling liquid (25). Corrosion is prevented1 For example, ethylene glycol3
In the case of an 8@t% aqueous solution mixed with an anticorrosion agent, the corrosion rate is 0.041 mm/year for mild steel and 0.059 mm/year for zinc.
uz/year, copper is 0.0O17iv/year. Therefore, corrosion of the device is prevented, and generation of non-condensable gas (eg, hydrogen) accompanying corrosion is also prevented. Here, FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the degree of superheat of the heat transfer surface and the heat flux, showing the respective boiling curves of Freon R113, water, and a 35-t% aqueous solution of ethylene glycol. Regarding the boiling cooling performance of each of these refrigerants, water is the best, followed by 35 wt% ethylene glycol aqueous solution and Freon R11.
The order is 3. In Fig. 2, water and ethylene glycol 35 wt% aqueous solution are actually measured values, and Freon R113 is L ab which is an estimation formula for nucleate boiling heat transfer.
It was calculated using the auntzov formula. The formula of this L abountzov is shown below. IQ/(L-γv) l-1, / ν, < 10-2
In the case α・12/λ, ==0.0625f: (Q/(L
・γ)・12/ν,]05×p,,l/3 +Q/(L・γ,))・12/ν□>10-2 α
・12/λ, = 0.125[:+Q/(L・γ9
〉)・12/ν,]G, @S×P, , l/3 12-<c,, (T, +273)/L l(γ1/γ
V)×(σ/(J・γ,・L)1 Where, Q: Heat flux (keal/s+”hr) L: Latent heat of vaporization (keal/Ag) γ0. Specific weight of liquid (kg/x”) γ,: specific weight of steam (kg/l>): kinematic viscosity coefficient of liquid (m'/br) α: heat transfer coefficient (Acal/ +w"hr"C) λ1: heat transfer coefficient of liquid (^cat/ 1hr”c) C0: Specific heat of liquid (Acal/k'9°C) σ: Surface tension (kg/wealth) J = 426.8 (keal keal)T,;
Wall i ("C) P,: Prandtl number of the liquid (->). As is clear from Fig. 2, when the saturated liquid temperature is 70°C,
The boiling cooling property of the ethylene glycol 38@t% aqueous solution is inferior to that of water, but is approximately equal to or better than that of Freon R113. On the other hand, although water has excellent boiling cooling properties, it turns into ice when the temperature drops to 0°C, so in order to install it in vehicles, etc., it is necessary to design it with anti-freezing measures and startup characteristics at low temperatures. On the other hand, as shown in Fig. 3, the freezing temperature of an ethylene glycol aqueous solution can be lowered depending on its concentration.For example, as shown in Fig. 2, A 35wt% aqueous solution has a freezing temperature of -20°C, and can be sufficiently applied to the operating temperature range (usually -20°C to 80°C) of thyristor elements (3). However, an ethylene glycol aqueous solution As shown in Fig. 4, the saturation pressure of the thyristor element (3) in the operating temperature range is lower than atmospheric pressure, so non-condensable gas (e.g. air) enters from leaks etc., causing cooling. It is necessary to manufacture the device so that its performance does not deteriorate. In the above embodiment, the entire device is made of copper, but the parts other than the condenser (24) may be made of other materials. However, from the viewpoint of corrosion resistance as mentioned above, it is still preferable to use copper, especially for the parts where the vapor (27) of the ethylene glycol aqueous solution is present, such as the steam pipe (22>). Cooling liquid that tends to be a glycol aqueous solution (25
) may be used by adding a corrosion inhibitor or the like to more reliably prevent corrosion. Furthermore, in the above embodiment, a steam pipe (22) is used as a steam flow path.
Although the liquid return pipe (24) is shown as the liquid return flow path, it goes without saying that the liquid return pipe is not limited to a tubular shape. Furthermore, although the above embodiment shows an individual cooling fin type boiling cooling device for a thyristor device, the first invention can be applied to any other boiling cooling device. Hereinafter, an embodiment of the invention according to claim (2) (hereinafter abbreviated as the second invention) will be described with reference to the drawings. FIG. 5 is a side view, partially in section, of an individual cooling fin type boiling cooling device for a thyristor device according to the first embodiment of the second invention, and FIG. 6 is a front view of FIG. 5. In the figure, cooling fins (31), which are evaporators, are individually attached to thyristor elements (3), which are objects to be cooled. A duct <32> oriented in the horizontal direction is attached to the side of each cooling fin (31).
The cooling fins (31) are connected to the sides of the common liquid reservoir (33) via this duct (32). Common liquid reservoir (33
) is connected to the upper part of the condenser (24). Further, pure water or an ethylene glycol aqueous solution is used as the cooling liquid (25). Next, the operation will be explained. The heat generated in the thyristor element (3) exposed to the atmosphere is transferred to the cooling fin (31
). This heat causes the cooling liquid (25> in the cooling fins (31) to boil, and bubbles (26>) are generated from the endothermic surface (31a) and rise.As the bubbles (26) rise, the cooling liquid (25>) in the cooling fins Coolant (25) in (31)
convects as shown by the arrow in the figure. The air bubbles (26> that have risen inside the cooling fins (31) move to the common liquid reservoir (33>) through the duct (32>) and enter the first header (24b>) from the liquid surface. The header (24b) is filled with steam (27). This steam (27) is air-cooled in the condenser (24), condenses,
This cooling liquid (25) liquefies and becomes a cooling liquid (25) again.
) returns to the common liquid reservoir (33) by gravity and further returns to the cooling fins (31) to cool the thyristor element (3). , and because the cooling fins (31) are arranged on the sides of the common liquid reservoir (33), the overall height is smaller than before.Here, in the above embodiment, the pure cooling liquid (25) is Since water or ethylene glycol aqueous solution is used, the cooling method for the thyristor element (3) is not only boiling, but also convection, or convection and boiling. In the device of the above embodiment, the duct (32> is oriented almost horizontally, and the cooling fins (31) are arranged on the side of the common liquid reservoir (33), so that the air bubbles (26>) are As well as moving smoothly, the cooling liquid (25)
The convection is promoted, and the cooling characteristics are improved compared to the conventional device shown in FIG. By the way, when using pure water or ethylene glycol aqueous solution as the coolant (25) in this way, the operating temperature is between -2 and 2.
Since the temperature is about 0 to 60℃, the pressure of steam (27) is 15
The low pressure state of 0yiHg or less is the same as in the embodiment of the first invention. Next, FIG. 7 is a sectional view of a boiling cooling device according to a second embodiment of the second invention. In the figure, each cooling fin (31) and the common liquid reservoir (33
An upper duct (34) and a lower duct (35), which are ducts oriented substantially horizontally, are interposed between the upper and lower ducts. These upper ducts (34) and lower ducts (35〉) are arranged parallel to each other and spaced apart above and below, similar to other ellipsoids or those in Fig. 5. Such boiling cooling In the device, since air bubbles (26) pass through the upper duct (34), the upper duct (34) directs the cooling liquid (
25) flows, and in the lower duct (34>, a common liquid reservoir <33
The cooling liquid <25> flows from the cooling liquid <25> toward the cooling fins (31). For this reason, a cooling liquid (25) as shown by the arrow in the figure is used.
The convection is further promoted, and the cooling properties are further enhanced. Next, FIG. 8 is a sectional view of a boiling cooling device according to a third embodiment of the second invention. In the figure, the cooling fins (31) are extended upward compared to those in FIG. 7, and the liquid level of the cooling liquid (25) is located above the heat absorption surface within the cooling fins (31). The liquid level of the cooling fins (31) and the liquid level of the common liquid reservoir (33) or the first header (24b) are connected by a steam duct (36) that is a duct. That is, the cooling fins (31) and the common liquid reservoir 33) are connected by three ducts. In such a boiling cooling device, by providing a dedicated steam duct (36) for steam (27), air bubbles (26)
While utilizing the convection of the cooling liquid (25) as it moves,
Steam (27) can be moved to the condenser tank 24) without being hindered by the cooling liquid (25) returning from the condenser (24). Therefore, the cooling characteristics are further improved. Next, FIG. 9 is a sectional view of a boiling cooling device according to a fourth embodiment of the second invention. In the figure, the condenser (24) is tilted in the opposite direction to that in FIGS. 24c) is lower.A liquid return pipe (37) is provided between the lower part of this second header (24c) and the common liquid reservoir (33).Also, the first header The lower end of (24b) also serves as a common liquid reservoir.According to this embodiment, since the steam flow path can be made large, the pressure loss of the steam (27) is small, and the steam (27) can be easily made uniform. Also, the condensed cooling liquid (25) is transferred to the liquid return pipe (
37> and returns to the common liquid reservoir (33), the condensed cooling liquid (25) and steam (27) do not come into contact with each other immediately, resulting in good cooling efficiency. In addition, in each of the above examples, pure water or ethylene glycol aqueous solution was used as the cooling liquid (25), but
It is also possible to use other aqueous solutions or fluorocarbon solutions. Moreover, although the above-mentioned embodiments use one to three ducts, four or more ducts may be used. Further, the cross-sectional shape of the duct may be circular, rectangular, or polygonal, and for example, a bellows may be used in part or the whole as shown in FIG. 21, which will be described later. Furthermore, in the above embodiment, the thyristor element (3) is shown as the object to be cooled, but the object is not limited to this. Hereinafter, an embodiment of the invention according to claim (3) (hereinafter abbreviated as the third invention) will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a cross-sectional view of essential parts of the boiling cooling device according to the first embodiment of the third invention, FIG. 11 is a cross-sectional view taken along line A-A in FIG. 10, and FIG. 12 is B in FIG. - Arrow section along line B'
@Figure. In the figure, inside the endothermic surface (31a) of the cooling fin (31) that is the evaporator, there is a block-shaped niremen (41
) is provided. The device in this example is made of copper;
For this reason, the element (41) is also made of copper.The element (41) is provided with a large number of circular ducts (42) each having a circular cross section and serving as an internal flow path extending in the vertical direction. Note that the other configurations are the same as those shown in FIG. 5. In the boiling cooling device as described above, cooling fins (3
1) is placed on the side of the common liquid reservoir (33),
Like each embodiment of the second invention, the overall height is low. In addition, since a circular duct (42) extending vertically is formed within the cooling fin (31), air bubbles (
26) is guided by this and rises smoothly, thereby promoting boiling cooling and convection, improving the cooling characteristics of the cooling fins (31), especially when the heat load is small. Here, Figure 13 is a diagram showing the relationship between the degree of superheating and the heat flux, showing the experimental results of the boiling cooling characteristics of a vertical circular tube when pure water is used as the coolant. was assumed to be a uniform heat flux condition. Also, the vertical circular pipe has an inner diameter of φ3
Items 1 to 9 and lengths of 40 to 80 mm were used. Furthermore, for comparison, a horizontal disk (diameter φLol
The boiling cooling characteristics of 1) are shown by broken lines. As shown in the experimental results, the boiling cooling characteristics of the vertical circular tube are excellent even in the region where the heat flux is small below the boiling starting point of the horizontal disk. Furthermore, Figure 14 is a diagram showing the relationship between the degree of superheating and the heat flux, showing the experimental results of the boiling cooling characteristics of a vertical circular tube when an ethylene glycol aqueous solution (20wt%, 35wt%) is used as the cooling liquid. The temperature was 60° C., and the heat transfer surface had uniform heat flux conditions. In addition, the vertical circular pipe has an inner diameter of φ6~1
2+11, length 8011 was used. Furthermore, for comparison, the boiling cooling characteristic of a horizontal disk (diameter φ10) is shown by a solid line. As shown in the experimental results, even when an ethylene glycol aqueous solution is used, the vertical circular tube has excellent boiling cooling characteristics in the region of low heat flux. The experimental results shown in FIGS. 13 and 14 also show that the circular duct (42) of this embodiment allows cooling fins (31)
It can be confirmed that the cooling characteristics of the cooling system, especially when the heat load is small, are improved. Next, FIG. 15 is a sectional view of a cooling fin of a boiling cooling device according to a second embodiment of the third invention, and shows a cross section corresponding to FIG. 12 of the first embodiment. In this embodiment, a rectangular duct (43) with a rectangular cross section is used as the internal flow path, and thereby the same effect as in the above embodiment can be obtained. FIG. 17 is a cross-sectional view of the cooling fin of the boiling cooling device according to the example, and is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. is provided with a plurality of fins (44) extending in the vertical direction.These fins (44) form an internal flow path 45) at the center of the cooling fin (31). In this example, the generated air bubbles (26) are
4) and rises in the center of the cooling fin (31), the critical heat flux of the endothermic surface (31a) increases, making it difficult to dry out. Furthermore, FIG. 18 is a sectional view of a main part of a boiling cooling device according to a fourth embodiment of the third invention, and FIG. 19 is a sectional view taken along line DD in FIG. 18. In the figure, the element (41) is provided with a large number of two-stage rectangular ducts (46) as internal flow paths extending in the vertical direction. The wall thickness between each two-stage rectangular duct (46) is 2
■It is as follows. Figure 20 shows a two-stage rectangular duct (46
) is an enlarged perspective view showing a two-stage rectangular duct (46
A large number of heat transfer promoting fine particles (47) are fixed to the surface of . The heat transfer promoting fine particles (47) are made of small pieces of aluminum or copper, for example. Even with such a two-stage rectangular duct (46), the same effects as in each of the above embodiments can be obtained. Furthermore, as shown in FIG. 18, even when the liquid level of the cooling liquid (25) is below the upper end of the endothermic surface (31a), the generated air bubbles (26) flow inside the two-stage rectangular duct (46). By rising, the cooling liquid (25) also flows into the two-stage rectangular duct (46).
Due to such a pumping effect, which is pushed up inside and boils out from the upper end of the two-stage rectangular duct (46), the entire endothermic surface (31a) is cooled, and efficient boiling cooling is performed. Furthermore, the structural strength is strengthened by using the two-stage rectangular duct (46). Also, when the two-stage rectangular duct (46) is used, the fin efficiency is relatively poor, so the heat absorption surface (31a) 21 is a cross-sectional view of the boiling cooling device according to the fifth embodiment of the third invention, and is similar to FIG. 18. A cooling fin (31) having a two-stage rectangular duct (43) is used.The lower end of the first header (24b) is connected to a common liquid reservoir (33).
A bellows (48) serving as a duct is connected between the first header (24b) and the cooling fin (31).
are connected by. Typically, the cooling fins (31) are supported on the stack (12) of thyristor elements (3), and the condenser (24) is supported at another location. For this reason, cooling fins (31
) and the condenser (24) may be subject to large stresses. Further, thermal deformation may also cause undue stress on the duct. On the other hand, by using the bellows (48) in the duct portion as described above, the stress is released and the duct is prevented from breaking. In addition, in each of the above examples, pure water or an aqueous ethylene glycol solution was used as the cooling liquid (25), but
It is also possible to use other aqueous solutions or fluorocarbon solutions. Furthermore, the object to be cooled is not limited to the thyristor element (3). Further, in each of the above embodiments, one or two ducts are used, but similarly to the second invention, three or more ducts may be used, and the cross-sectional shape of the duct is not limited. Furthermore, when using two or more ducts, for example, the second
As shown in Figure 2, each duct has a bellows (48
) may be used. By the way, Fig. 23 is a cross-sectional view of a boiling cooling device using the cooling fins (31) shown in Fig. 18.
B and C each indicate the liquid level position of the coolant <25>. Figures 24 to 27 show the results (actual measurement data) of a cooling test using such a boiling cooling device. It is a relationship diagram showing the relationship between the degree of superheating and the heat flux when used at liquid level height C.For comparison, a copper horizontal disk (φ10
) and SUS vertical circular pipe (inner diameter 6mm, length 80mm) are also shown. Data for the case where Freon R113 is used as the coolant (25) is also shown. As shown in this figure, when pure water was used in the device shown in Figure 23 at a liquid level height of C, better boiling cooling characteristics were obtained compared to Freon R113 or the horizontal disk and vertical circular tube. . In addition, the following formula [1] is used to calculate the heat flux and degree of superheating.
and [2] were used. Heat flux = element power loss/endothermic area...[1]
] Degree of superheat = endothermic surface temperature - coolant temperature...
[2] FIG. 25 is a diagram showing the relationship between the degree of superheating and the heat flux when a 35 wt % ethylene glycol aqueous solution (cooling liquid) is used in the apparatus shown in FIG. 23 at a liquid level C. Similarly to FIG. 24, data for the case of using Freon R1]3, the case of a horizontal disk, and the case of a vertical circular tube are also shown. As shown in this figure, good boiling cooling characteristics were also obtained when the ethylene glycol aqueous solution had a two-circle height C. FIG. 26 is a relationship diagram arranging the results of the cooling test for the device shown in FIG. 23 in terms of the relationship between boiling heat transfer coefficient and heat flux;
This is data when pure water 1 ethylene glycol aqueous solution (20 wt%, 35 wt%) and Freon R113 were used as the coolant (25) at the liquid level height C. Also,
For comparison, horizontal disk data is also shown. This figure shows that when pure water or an aqueous ethylene glycol solution is used in the apparatus shown in FIG. 23, a high boiling heat transfer coefficient can be obtained over a wide heat flux range. FIG. 27 is a relationship diagram showing the relationship between the liquid level position and the parallel thermal resistance when an ethylene glycol aqueous solution (35 wt %) is used in the apparatus shown in FIG. 23. Also, the heat load is 100O
It is W. The parallel thermal resistance, which indicates the cooling characteristics of the cooling fins (31), is good when the liquid level position is in the range of A' to C.
If the liquid level is lower than A', the amount of exposure of the endothermic surface (31 m) from the liquid level will be large, and if the liquid level is higher than C, the amount of exposure of the heat absorbing surface (31 m) from the liquid level will be greater.
This is because this becomes a resistance to the movement of the bubbles (26). As a result of the experiment, the position of the liquid level is 1 from the upper end of the endothermic surface (31a).
A position above 0xz is appropriate, and efficient boiling cooling can be performed thereby. Hereinafter, an embodiment of the invention according to claim (4) (hereinafter abbreviated as the fourth invention) will be described with reference to the drawings. FIG. 28 is a sectional view of a boiling cooling device according to an embodiment of the fourth invention, and the same or equivalent parts as in FIG. 8 are given the same reference numerals, and their explanations are omitted. In the figure, the cooling fins (31), which are evaporators, and the condenser (24) are directly connected by a steam pipe (49).On the other hand, there are multiple Liquid cooling cooler (5) with two fin tubes (50a)
0) are connected. In other words, the liquid cooling cooler (50)
is for each duct (34), (3,5) and common liquid reservoir (3).
3) to the cooling fins (31). Note that the other configurations are the same as those shown in FIG. 8. In the boiling cooling device configured as described above, when the heat load is small, convection occurs in the cooling liquid (25) as shown by the arrows in the figure. This convected cooling liquid (25) flows into the liquid cooling cooler (50) and is cooled. Therefore, even when cooling is mainly performed by convection, that is, when the heat load is small, sufficient cooling efficiency can be obtained. In addition, in the above embodiment, an air-cooled type having a fin tube <50a) is shown as the liquid-cooling cooler (50), but the liquid-cooling cooler (50) may be any type as long as it can cool the cooling liquid. There is no particular limitation.Also, in the above embodiment, the liquid cooling cooler (50) is connected to the common liquid reservoir (33), but it may be directly connected to the cooling fins (31). Although an immersion-type boiling cooling device is shown, the present invention can also be applied to an immersion-type device.Hereinafter, examples of the invention according to claim (5) (hereinafter referred to as the fifth invention) will be described. will be explained with reference to the figures. Fig. 29 is a cross-sectional view of the evaporator of the boiling cooling device according to the first embodiment of the fifth invention, and Fig. 30 is a cross-sectional view taken along the line EE in Fig. 29. In the figure, a cooled body (52), which is a heat generating element such as a thyristor element or a power transistor, is joined to the outer peripheral surface of an evaporator (51) made of a copper block. Inside the evaporator (51), there are a first refrigerant flow path (53) with a rectangular cross section and three second refrigerant flow paths (53) with a square cross section.
4) is provided. The second refrigerant flow path (54) is
It is located closer to the object to be cooled (52) than the first refrigerant flow path (53), and is provided in parallel to the first refrigerant flow path (53). Further, the cross-sectional area of the second refrigerant flow R (54) is smaller than the cross-sectional area of the first refrigerant flow path (53). These first and second refrigerant channels (53), (
54), through which a cooling liquid such as water flows. On the inner wall surface of the object to be cooled (52) (11) of the first refrigerant flow path (53), metal particles 55, which are heat transfer promoting particles, are fixed to the minus side. A refrigerant inlet (56) is provided at one end of the evaporator (51), and a refrigerant outlet (57) is provided at the other end, each of which is connected to a condenser.Next, the operation will be described. When the object to be cooled <52> generates heat, the heat is conducted to the evaporator (51>) and cooled by the cooling liquid in the second refrigerant flow path (54).At this time,
If the heat load is small, it will be cooled by convection heat transfer, and if the heat load is large, it will be cooled by boiling heat transfer. However, when the heat load becomes even larger, the small-diameter second refrigerant flow N (54) reaches a burnout point, causing dryout of the heat transfer surface and sharply deteriorating the cooling characteristics. In such a case, heat is transferred to the first refrigerant flow path (53) having a larger diameter than the second refrigerant flow path (54), and the first refrigerant flow B
Boiling cooling is performed by the cooling liquid in (53). Normally, such heat transfer to the coolant does not occur independently, but is determined by the heat flux determined by the amount of heat flowing into the heat transfer surface and the area of the heat transfer surface. Heat, heat transfer where convection and boiling coexist, etc. are determined mutually. In particular, when the second refrigerant flow path (54) dries out, the total heat load is reduced to the first refrigerant flow 1 (53). , and the heat flux on the heat transfer surface of the first refrigerant flow IN (53) increases rapidly.In this way, in the above embodiment, before being cooled in the first refrigerant flow path (53), Since the second refrigerant flow path (54) has a smaller diameter than the first refrigerant flow path (53), cooling characteristics are obtained when the heat load is relatively small, that is, when the power loss of the object to be cooled (51) is small. On the other hand, when the heat load increases, cooling is performed in the first refrigerant flow path (53), so overall the cooling characteristics improve over a wide range of heat loads. In the above embodiment, the metal particles (55) are fixed on the heat transfer surface of the first refrigerant flow path (53), that is, on the inner wall surface, so that the surface area of the heat transfer surface is increased and the development of a temperature boundary layer is prevented. heat transfer is promoted, and as a result, the cooling efficiency, especially when the heat load is relatively large, is improved. The cooling characteristics will be explained with reference to Fig. 31. Fig. 31 is a relationship diagram showing the relationship between the degree of superheating and the heat flux of the device of the above embodiment, that is, the boiling curve. In the figure, passing through points E, F, and A The solid line indicates metal particles (5
5) and boiling curves in the case of using only the first refrigerant flow path (53) without using the second refrigerant flow path (54). In particular, point 'A' is the burnout point at this time. By adding metal particles (55) from this state, the boiling curve becomes a solid line and a broken line passing through points E, F, C, and B.9 Furthermore, by adding a second refrigerant flow path (54), The boiling curve rises to the EF point, moves to the C point, and as a whole, C,
A dashed-dotted line and a broken line pass through point B. In this way, the metal particles (55
), heat transfer is promoted and cooling efficiency is improved, especially when there is a large heat load. Furthermore, when the heat load is small, the smaller the cross-sectional area of the refrigerant flow path, the better the cooling characteristics, so the second refrigerant flow path (54)
By providing this, cooling characteristics are improved, especially when the heat load is small. Here, for example, the object to be cooled such as a power transistor is
Since the power loss often changes over time depending on the conditions in which it is used, cooling devices are required to have highly efficient cooling characteristics at all times, from small power losses to large power losses. On the other hand, the evaporator (51
), the second refrigerant flow path (54)
Since both the metal particles and the metal particles <55) are provided, the cooling efficiency can be increased over a wide range of heat loads, and excellent cooling characteristics can be obtained. Next, FIG. 32 is a cross-sectional view of the evaporator (51) of the evaporative cooling device according to the second embodiment of the fifth invention, FIG. 33 is a cross-sectional view along the F-Fill of FIG. 32, and FIG. G- in Figure 32
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along Gli. In the figure, a reinforcing plate (58) extending in the length direction is provided at the center in the width direction of the first refrigerant flow path (53), so that two first refrigerant flow paths (53>) are provided. The object to be cooled (52) is joined to both sides of the evaporator (51), so that the second refrigerant flow path (54) is connected to the first refrigerant flow F#1 (53). The metal particles (55) are also fixed to both the upper and lower surfaces of the inner wall surface of the first refrigerant channel (53) as shown in FIG. 32. The same effect as in the example is produced.Furthermore, since the thyristor element is pressed against the evaporator (51) with a large force of about 3 tons, in this example, a reinforcing plate (58) is provided from the viewpoint of strength against pressure contact. Note that the cross-sectional shape of the second refrigerant flow path (54) is not limited to a square as shown in FIG. 29 or a circle as shown in FIG. 32, but may be other polygons, ellipses, etc. Also,
The cross-sectional shape of the first refrigerant flow path (53) is also not limited to a rectangle. Further, the object to be cooled (52) is not limited to a thyristor element or a power transistor, and the number thereof is not particularly limited either. Furthermore, first and second refrigerant channels (53), (54)
The arrangement relationship and number of the parts are not limited to those in each of the above embodiments, and the arrangement and number may be as shown in FIGS. 35 to 37, for example. Furthermore, although metal particles (55) are shown as heat transfer promoting particles in the above embodiments, for example, small pieces of aluminum or copper may be used. Further, the heat transfer promoting particles may be non-metallic particles, but particles with high thermal conductivity are preferable. Furthermore, the heat transfer promoting particles are added to the evaporator (51
) is particularly easy to fix. Further, in the above embodiment, the evaporator (51) is made of copper, but it may be made of other materials such as aluminum. Further, in the above embodiment, the metal particles (55) are fixed to the first refrigerant flow N (53), but they may be fixed to the second refrigerant flow path <54>. Furthermore, in the above embodiment, the metal particles (55) are provided all over the wall surface of the first refrigerant flow path (53) on the object to be cooled (52> side, but they may be provided on a part of the wall surface. It may also be provided on other wall surfaces. Also, in the above embodiments, water is shown as an example of the cooling liquid, but it may also be an aqueous solution such as an ethylene glycol aqueous solution or a fluorocarbon liquid.Furthermore, each of the above embodiments Although the metal particles (55) are provided in the first refrigerant flow path (53), the heat transfer promoting particles do not necessarily need to be provided, and the effects of the present invention can be obtained even if the heat transfer promoting particles are omitted. Hereinafter, an embodiment of the invention according to claim (6) (hereinafter referred to as the sixth invention) will be described with reference to the drawings. Fig. 38 shows an individual cooling fin type according to the first embodiment of the sixth invention. Figure 39 is a cross-sectional view of the cooling fin in Figure 38, and the same or equivalent parts as in Figure 5 are given the same reference numerals and their explanations are omitted. In the figure, a layer of heat transfer promoting particles (61) is fixed to each of the two heat absorbing surfaces (31a) which are heat transfer surfaces in the cooling fins (31) that are the evaporator. In addition, the cooling liquid (25) is made of pure water or an aqueous ethylene glycol solution.In such a boiling cooling device, when the heat transferred to the cooling fins (31) exceeds a predetermined value, Heat transfer accelerating particles (61
) Bubbles (26) are generated all over the space from the gap between the holes and the endothermic surface (31).
As it rises, it also rises itself. And bubbles 26
) reaches the upper part in the cooling fins (31), moves along the duct 32) to the common liquid reservoir <33), and enters the first header (24b) from the liquid level. This causes steam (27) to flow inside the first header (24b).
is full. This steam 27) is air-cooled in the condenser (24) and condensed and liquefied. The condensed liquid returns to the common liquid reservoir (33) again due to gravity and is cooled. By the way, in a device using conventional Freon R113,
The inner wall surface of the cooling fins (31) was roughened by shot blasting etc. to promote heat transfer, but when using pure water or ethylene glycol aqueous solution with different physical properties as the cooling liquid (25), conventional equipment In contrast, in the above embodiment, the heat transfer surface (3
1a) By providing the heat transfer promoting particles (61>) on the heat transfer surface (31a), heat transfer from the heat absorption surface (31a) to the cooling liquid (25) is promoted, and bubbles (26) are easily generated over the entire surface during boiling. 40 is a sectional view of a cooling fin (31) showing a second embodiment of the sixth invention, in which heat transfer promoting particles (61) are added to two
It is stuck to the layer. Furthermore, FIG. 41 is a sectional view of a cooling fin (31) showing a third embodiment of the sixth invention, in which the structural strength of the cooling fin (31) is increased by providing a reinforcing plate (62). That is, when pure water or an aqueous ethylene glycol solution is used as the coolant (25), a sufficiently developed nucleate boiling phenomenon occurs at 10'W, unlike in the case of Freon R113.
/w” or more. Therefore, for the same heat load, the smaller the area of the endothermic surface (31a), the larger the heat flux.For this reason, the heat flux of the endothermic surface (31a) ) It may be better not to provide fins to increase the heat transfer area on the surface of the cooling fins (31).In this case, the cooling fins (31) lack structural strength, so a reinforcement plate (62) is required The same effects as in the first embodiment can be obtained in these second and third embodiments. However, even when such heat transfer promoting particles (61) are used, sufficient heat transfer may not be achieved depending on the particle size. Therefore, the optimum particle size of the heat transfer promoting particles <61> when using pure water or ethylene glycol aqueous solution as the cooling liquid (25) as described above will be explained. The optimum particle size is estimated using the calculation formula shown in Proceedings of the Japan Society of Mechanical Engineers, No. 451, Part B, ``Nucleate Boiling Thermopressure Characteristics of Porous Heat Transfer Surfaces.'' The physical property values necessary for this estimation are as follows:
These are the latent heat of vaporization, surface tension, and density of refrigerant vapor, and values corresponding to the saturation temperature to be examined were used. In a non-uniform temperature field, the heat transfer surface temperature difference ΔTK required to generate bubbles from a heat transfer surface having a cavity with an opening radius recIl is given by equation [3]. However, σ: surface tension (kg/x) L: latent heat of vaporization (kca I/kg) ρV: density of refrigerant vapor (k
g/ 1) Ts: Saturation temperature of refrigerant ("C) Kc: Constant gc: Conversion coefficient. Also, g c = 10'dyne-ci + / J = =
It is 427kgf 1/meal. Furthermore, on a porous surface, cavities formed between particles are considered to form an effective bubble-like structure, and if the size of this cavity (opening radius re) is proportional to the particle diameter, then the relationship expressed by equation [4] get. rc=Kp-rp ・・・・・・【4】However, Kp
: constant rp; particle radius (stroke). From the above equations [3] and [4], the following equation [5] can be obtained. It will be done. 0.094≦Kp-ΔT/Kc≦0.23-・
-・- [61 Substituting equation [5] into equation [6] and rearranging with respect to the particle radius r, we obtain equation [7].・ ・ ・[7] Using the above equation [7], the optimum particle diameter was estimated. The results are shown in the table below. On the other hand, low heat flux Q/s -3X 10'W/1.
The range of porous surfaces with high-performance boiling heat transfer properties at high heat flux Q/S = I
6] However, in the table, A: 25-t% ethylene glycol aqueous solution B: 35-t% ethylene glycol aqueous solution C: ethylene glycol 4
5wt% aqueous solution D: ethylene glycol solution. From the results in the table above, it can be seen that when pure water or ethylene glycol aqueous solution is used as the cooling liquid (25),
The radius range of 1) is 0.17 to 3.80. Considering the practical range within this range, the radius is 0.1
The optimum particle size of the heat transfer promoting particles (61) is about 7 to 1.0 layers, that is, 300 to 2000 Jiw. This optimum particle size range is clearly different from that of Freon R113. Next, Figures 42 to 45 show the endothermic surface (
31a) is a relationship diagram between the degree of superheat and the heat flux showing the boiling heat transfer characteristics at low pressure, and FIG. The figure shows the case where two layers are laminated with a particle size of 1000 μL, FIG. 44 shows the case where the particle size is 400 μm and one layer is laminated, and FIG. 45 shows the case where two layers are laminated with a particle size of 400 μL. In addition, each figure is based on actual measured values from experiments, and for comparison, a horizontal disk (φ10■, liquid temperature 60℃)
Measured values for a smooth surface are also shown. As a result, each refrigerant of each particle size has heat transfer promoting particles (61).
It can be seen that by using a horizontal disk, the boiling heat transfer characteristics are significantly improved compared to the case of a horizontal disk. Fig. 46 is a relationship diagram showing the relationship between heat flux and heat transfer acceleration degree in pure water for each particle size based on the data in Figs.
FIG. 3 is a relationship diagram showing the relationship between heat flux and degree of heat transfer acceleration in a wt% aqueous solution for each particle size. From these figures, it can be seen that within the optimal particle size range of the heat transfer enhancing particles <61> described above, the degree of heat transfer promotion is excellent when the particle size is in the range of 400 to 1000 μm and the lamination is one or two layers. I can confirm that there is. In particular, particle size 100 (lcz
The degree of heat transfer promotion is excellent when the lamination is made into two layers. Note that the degree of heat transfer promotion was calculated using equation [8].・ ・ ・ ・ ・[8] However, the superheat degree - the endothermic surface temperature - the refrigerant temperature. To summarize the above results, the optimum particle diameter of the heat transfer promoting particles (61) when using pure water or an aqueous ethylene glycol solution as the coolant (25) is 300 to 2000 μm. And within that range 400 to ioo. The range of μm is particularly good, and it is even better if the laminated layer is two layers. In the above embodiment, an individual fin type boiling cooling device is shown, but the sixth invention can also be applied to an immersion type boiling cooling device. In this case, the heat transfer promoting particles may be fixed to a heat radiation block or the like attached to the heating element. Further, the heat transfer promoting particles (61) can be, for example, metal particles such as copper or aluminum or other non-metal particles, and are not particularly limited, but particles with high thermal conductivity are preferable. . Hereinafter, an embodiment of the invention according to claim (7) (hereinafter abbreviated as the seventh invention) will be described with reference to the drawings. FIG. 48 shows the evaporative cooling device according to an embodiment of the seventh invention, and the same or equivalent parts as in FIG. 23 are given the same reference numerals, and the explanation thereof will be omitted. In the figure, the upper end of the first header (24b) is provided with a bellows (71) that is a visible member that can be expanded and contracted. The inside of this bellows (71) contains the first header (
24b), that is, the space (7) above the liquid level of the cooling liquid (25>).
2). Thereby, the bellows (71) expands and contracts in response to pressure changes within the space (72). Further, the bellows (71) is always urged in the contraction direction by a spring (73).A movable contact (74a) is attached to the upper end of the bellows (71).This movable contact (74a) is moved by the expansion and contraction of the bellows (71), and the opposing fixed contact (
74b). Each contact (74a), (74b
) is connected to a detector (75) that detects an abnormal increase in pressure in the space (72). An alarm (76) is connected to this detector (75). These bellows (71), spring (73), each contact (
74a), (74b), detector (75) and alarm (7
6), a monitoring means (70) is configured. A vacuum container (78) serving as exhaust means is connected to the side of the first header (24b) via a solenoid valve (77). The solenoid valve (77) is connected to the detector (75) and opens when the detector (75) detects an abnormality. In the boiling cooling device configured as described above, the boiling cooling operation is similar to the device shown in FIG. 23. Here, as explained in the embodiment of the first invention, the cooling liquid (2
When using pure water or an aqueous ethylene glycol solution as 5), the saturation pressure in the operating temperature range (around 60° C.) of the thyristor element (3) will be lower than atmospheric pressure (Figure 4). Therefore, non-condensable gas such as air may enter the space (72) due to leakage. In this way, if air enters the device, the condenser (24
), the cooling performance of the cooling fluid (25) becomes high, and the temperature of the cooling fins (31) also becomes high due to this influence. When the junction temperature of the thyristor element (3) increases and exceeds the allowable temperature, the thyristor element (3)
3) will no longer function. In particular, in the case of an iris device mounted on a railway vehicle, if the function stops, the vehicle must be stopped, which will impede commercial operation. On the other hand, in the device of the above embodiment, when the pressure in the space (72) increases due to the intrusion of air, the spring (73)
The bellows (71) extends against the When the pressure rise reaches a set value, the movable contact (74m) comes into contact with the fixed contact (74b), and the abnormal pressure rise is detected by the detector (75). As a result, an alarm is issued by the alarm device (76>) and the solenoid valve (77) is opened. By opening the solenoid valve (77), the gas in the space (72) moves to the vacuum container (78). As a result, the space part (7
2) The pressure inside is reduced. When the internal pressure of the device decreases, the bellows (71) contracts and the contacts (74a) and (74b)
opens again, and when the contacts (74a) and (74b) open, a normal signal is output from the detector (75) and the solenoid valve (7
7) closes. Such a function of the monitoring means (70) and the vacuum container (78) prevents the cooling performance from deteriorating due to leakage, so that the apparatus can continue to be used. Therefore, the cooling performance of the device can be stably ensured over a long period of time. By the way, the operating temperature of the coolant (25) is determined by the heat load caused by the thyristor element (3) and the cooling performance of the condenser (24).
℃, the vapor pressure P at that time is: When using pure water as the coolant (25), the vapor pressure P = 150zyH
g (= 0.2AI?/cz2abs), cooling liquid (
When using 35 wt% ethylene glycol aqueous solution as 25), vapor pressure P=129ziHg (=0.17
ag/c1abs). On the other hand, the pressure receiving area of the bellows (71) is Se1, the spring (7
3) The spring constant is kAfI/CL, and the atmospheric pressure is P. When the displacement amount of the movable end of the spring (73) when the coolant (25) is at 60° C. is ΔXcw, the following formula [9] holds true. P 1s = P -8+ kΔX ... ... [
9] Here, if atmospheric air leaks into the device, the internal pressure of the device, that is, the vapor pressure P, increases by ΔPAg/a1, and the bellows (71) expands by ΔX, then the following equation [10] stands firm. p, -s = <p + ΔP)S+k(ΔX-Δx+
)・ ・ ・ ・ ・[10] Substituting equation [9] into equation [10] and rearranging, ΔP-S
−, Δx, = 0, that is, ΔX+=ΔP− for a pressure increase of ΔP
A displacement I of 8/k (cm) will be detected. For this reason, if the allowable value for the increase in the internal pressure of the device is determined in advance and the distance between the contacts (74m) and (74b) is set to a corresponding length, an alarm will be issued in the event of an abnormal pressure rise as described above. At the same time, the pressure in the space (72) is reduced. In addition, in the above embodiment, a thyristor element (
Although the case 3) has been described, the object to be cooled is not particularly limited as in each of the above inventions. Further, although the above embodiment shows an individual fin type (non-immersion type) boiling cooling device, the present invention can also be applied to an immersion type. Furthermore, in the above embodiment, the vacuum vessel (78
), but other devices such as a vacuum pump may also be used. Furthermore, the monitoring means (70) is not limited to the configuration of the above embodiment. Examples of the invention according to claims (8) to (10) will be described below. FIG. 49 is a diagram showing the relationship between the degree of superheat and the heat flux, showing the boiling curve of each refrigerant when the saturated liquid temperature is 1so° C., which the inventors found through experiments. The refrigerant is pure water 7% ethylene glycol 20t%
They are an aqueous solution, a 35 wt% ethylene glycol aqueous solution, and a 45 wt% ethylene glycol aqueous solution. It can be seen that for each refrigerant, the boiling curve changes when the heat flux is around 105 W/1. Here, the actual measured values (degree of superheating ΔTsat, heat flux Q/S steam pressure Ps and heat transfer coefficient α) and the physical property values of each refrigerant when the saturated liquid temperature is 60°C (thermal conductivity Kl, surface tension σ , the specific gravity of the liquid ρ1, the specific gravity of the vapor ρ, the Brunttl number Pr of the liquid, the latent heat of vaporization of the refrigerant, and the temperature conductivity al of the liquid) are expressed by the following formulas of the Nusselt number Nu and dimensionless number F [11] ~ [13
] and organized the experimental results. q α=3. ΔT, t (W/1°C) ・(12) ・ ・ ・ ・ ・ [13] For example, for a 35 wt% ethylene glycol aqueous solution, the relationship between the Nusselt number Nu and the dimensionless number F, which is the relationship of nucleate boiling heat transfer. Fig. 50 shows the arrangement of
The formula of e (N u = 7.OX 10-' -F ) is
The broken line represents the empirical formula created by the inventor for ethylene glycol 35-1% (N u = 9.Ox 1o-' -
F) are shown respectively. Dimensionless numbers (Nu, F)
Most of the measured values arranged in the above are arranged in the range of -25% to +40% with respect to the inventor's experimental formula. but,
When the dimensionless number F is 2×10' or less, the above-mentioned measured values exhibit characteristics that deviate from the inventor's experimental formula. This shows that the characteristics of the 35 wt% ethylene glycol aqueous solution as a refrigerant are divided into a region where the nucleate boiling transfer characteristic is strong and a region where it is slightly weak (a region where nucleate boiling and natural convection are mixed). The figure is a relationship diagram showing the relationship between the mixing ratio of the ethylene glycol aqueous solution and the heat flux at the stable nucleate boiling WGN point, and the actual values are shown for each of the saturated liquid temperatures of 40°C, 60°C, 70'C, and 80'C. This figure shows that the heat flux at the start point of stable nucleate boiling is affected by the mixing ratio and saturated liquid temperature. Figure 52 shows the relationship between the mole fraction m of ethylene glycol and the start of boiling. It is a relationship diagram showing the relationship between the F value of a point and the mole fraction m and F
To summarize the relationship with the values, the following formula [10% formula % [14] Using this formula [10], from the mole fraction m of ethylene glycol, the F value at the boiling start point corresponding to that mole fraction can be calculated. You can ask for it. On the other hand, the heat flux q/s is determined by the following equation [15].・ ・ ・ ・ ・ [15] Therefore, if the heat transfer area S of the evaporator is determined so that F in equation [15] is greater than or equal to the F value at the boiling start point determined by equation [10], The evaporator of a boiling cooling device using an aqueous ethylene glycol solution can be used at a heat flux value higher than the boiling start point as shown in FIG. In addition, when using a fluorocarbon-based coolant, as a result of the dimensionless arrangement of the inventors' experimental results, the F value for determining the heat flux at the boiling start point is F = 1.1X10'
was gotten. Similarly, when using pure water or an aqueous solution as the coolant, F = 2.7X 10' was obtained. Here, q/s: heat flux value (W/i2)q
: Heat amount (W> S : Heat transfer area of evaporator (1> L : Latent heat of vaporization <keal/kg>ρV
; Specific weight of vapor (ktt/1) ρ1 : Specific weight of liquid (Ay/1) aj = Temperature conductivity of liquid
(1/hr) σ: Surface tension (Ag/position) Ps: Steam pressure (kg/1) Pr: Prandtl number of liquid (->) Organizing the above results, the following relational expression is given for each refrigerant: Pure water or aqueous solution F≧2.7x 104 Fluorocarbon refrigerant F≧1.1xlO' Ethylene glycol aqueous solution F≧2.IX 10'・m-0O') Once the heat transfer area is determined, a heat flux higher than the boiling starting point as shown in FIG. 53 can be used, and a practically stable boiling state can be obtained. That is, it is possible to obtain an evaporator with stable cooling performance without fluctuations in the degree of superheating. [Effects of the Invention] As explained above, the boiling cooling device of the invention according to claim (1) uses a cooling liquid made of an ethylene glycol aqueous solution and a copper condenser, so it can be used without using fluorocarbons. Moreover, it is possible to obtain excellent cooling performance while preventing performance deterioration due to corrosion. In the boiling cooling device of the invention according to claim (2), since the evaporator is connected to the common liquid reservoir through a duct oriented in a substantially horizontal direction, the height dimension can be reduced. This has the effect of making it possible to downsize and lower the floor of the equipment to which this device is attached. In the boiling cooling device of the invention according to claim (3), the evaporator is connected to the common liquid reservoir through a duct oriented in the horizontal direction, and upper and lower Since a plurality of internal flow paths extending in the direction are provided, in addition to the effect of the invention of claim (2), bubbles in the cooling liquid can easily move, so cooling by boiling and convection can be efficiently performed. , the boiling cooling characteristics are improved. In the boiling cooling device of the invention according to claim (4), the liquid cooling cooler is connected to the evaporator and the convected cooling liquid is cooled. This has the effect of increasing efficiency, thereby improving cooling characteristics when the heat load is small, and providing excellent cooling characteristics as a whole. In the evaporative cooling device of the invention according to claim (5), since the second refrigerant flow path having a smaller cross-sectional area than the first refrigerant flow path is provided in the evaporator, cooling characteristics are particularly good when the heat load is small. This results in the effect that excellent cooling characteristics can be obtained over a wide range of heat loads. In the boiling cooling device of the invention according to claim (6), a large number of heat transfer promoting particles having a particle size of 300 μm or more and 2000 μm or less are fixed on the heat transfer surface in the evaporator, so that heat transfer is effectively promoted. This has the effect that excellent cooling performance can be obtained using a cooling liquid made of water or an aqueous ethylene glycol solution without using fluorocarbons. The boiling cooling device of the invention according to claim (7) is provided with a monitoring means facing the space for monitoring the pressure in the space above the liquid level of the cooling liquid, and also reduces the pressure in the space when the pressure rises abnormally. Since the exhaust means is connected to the space, it is possible to prevent deterioration of cooling performance due to leakage, and as a result, it is possible to obtain excellent cooling performance with a cooling liquid made of water or ethylene glycol aqueous solution without using Freon. This has the effect of stabilizing performance over a long period of time. In the boiling cooling device of the invention according to claims (8), (9) and (10), the heat transfer area of the evaporator is set to a heat flux value equal to or higher than the boiling point m of the refrigerant. This has the effect of preventing fluctuations in the degree of superheating and stabilizing cooling performance.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図は第1発明の第1実施例を示す構成図、第2図は
各冷媒の沸騰曲線を示す伝熱面の過熱度と熱流束との関
係図、第3図はエチレングリコール水溶液のエチレング
リコール濃度と凍結温度との関係を示す関係図、第4図
は各冷媒の飽和液温度と飽和圧力との関係を示す関係図
である。 第5図は第2発明の第1実施例を示す構成図、第6図は
第5図の正面図、第7図は第2発明の第2実施例を示す
断面図、第8図は第2発明の第3実施例を示す断面図、
第9図は第2発明の第4実施例を示す断面図である。 第10図は第3発明の第1実施例を示す一部切欠断面図
、第11図は第10図のA−Ai4iに沿う矢視断面図
、第12図は第10図のB−B線に沿う矢視断面図、第
13図は冷媒として純水を用いた場合の垂直円管の沸騰
曲線を示す関係図、第14図は冷媒としてエチレングリ
コール水溶液を用いた場合の垂直円管の沸騰曲線を示す
関係図、第15図は第3発明の第2実施例を示す断面図
、第16図は第3発明の第3実施例を示す断面図、第1
7図は第16図のC−C線に沿う矢視断面図、第18図
は第3発明の第4実施例を示す断面図、第19図は第1
8図のD−D線に沿う矢視断面図、第20図は第18図
の二段矩形ダクトを拡大して示す斜視図、第21図は第
3発明の第5実施例を示す断面図、第22図は第3発明
の第6実施例を示す断面図、第23図は第18図の冷却
フィンを使用した沸騰冷却装置の断面図、第24図は第
23図の装置に純水を液面高さCで用いた場合の過熱度
と熱流束との関係を示す関係図、第25図は第23図の
装置にエチレングリコール水溶液を液面高さCで用いた
場合の過熱度と熱流束との関係を示す関係図、第26図
は第23図の装置に対する冷却試験の結果を沸騰熱伝達
率と熱流束との関係で整理した関係図、第27図は第2
3図の装置でエチレングリコール水溶液を使用した場合
の液面位置と並列熱抵抗との関係を示す関係図である。 第28図は第4発明の一実施例を示す断面図であるわ 第29図は第5発明の第1実施例を示す断面図、第30
図は第29図のE−E!に沿う矢視断面図、第31図は
第29図の装置の沸騰曲線を示す関係図、第32図は第
5発明の第2実施例を示す断面図、第33図は第32図
のF−Fliに沿う矢視断面図、第34図は第32図の
G−G線に沿う矢視断面図、第35図は第5発明の第3
実施例を示す断面図、第36図は第35図のH−)(l
iに沿う矢視断面図、第37図は第35図のI−I@に
沿う矢1!断面図である。 第38図は第6発明の第1実施例を示す断面図、第39
図は第38図の冷却フィンの断面図、第40図は第6発
明の第2実施例を示す断面図、第41図は第6発明の第
3実施例を示す断面図、第42図〜第45図は冷却液と
して純水、エチレングリコール水溶液を使用した場合の
吸熱面の沸騰伝熱特性を示す関係図であり、第42図は
伝熱促進粒子の粒子径を1000μLWt層を1層とし
た場合、第43図は粒子径1000μL積層を2層とし
た場合、第44図は粒子径400μ贋、積層を1層とし
た場合、第45図は粒子径400ux、 81F層を2
層とした場合をそれぞれ示している。第46図は第42
図〜第45図のデータに基づいて純水における熱流束と
伝熱促進度との関係を粒子径ごとに示した関係図、第4
7図はエチレングリコール35wt%水溶液における熱
流束と伝熱促進度との関係を粒子径ごとに示した関係図
である。 第48図は第7発明の一実施例を示す構成図である。 第49図は飽和液温60℃のときの各冷媒の沸騰曲線を
示す過熱度と熱流束との関係図、第50図はエチレング
リコール35w%水溶液の核沸騰熱伝達を示すF値とN
u数との関係図、第51図はエチレングリコール水溶液
の混合割合と安定した核沸騰開始点の熱流束との関係を
示す関係図、第52図はエチレングリコールのモル分率
とF値との関係を示す関係図、第53図は一般的な冷媒
の沸騰曲線を示す過熱度と熱流束との関係図である。 第54図は浸漬形の従来装置の一例を示す構成図、第5
5図は非浸漬形の従来装置の一例を示す構成図、第56
図は一般的な冷媒の沸騰曲線を示す過熱度と熱流束との
関係図である。 図において、(3)はサイリスタ素子(被冷却体)、(
21)は蒸発器、(22〉は蒸気管(蒸気流路)、(2
3)は液戻り管(液戻り流路)、(24)は凝縮器、(
25)は冷却液、(31〉は冷却フィン(蒸発器)、<
 31m)は伝熱面、(32〉はダクト、(33)は共
通液溜、(42)は円形ダクト(内部流1)、〈43〉
は矩形ダクト(内部流路)、(45〉は内部流路、(4
6〉は二段矩形ダクト(内部流路)、  (48)はベ
ローズ(ダクト〉、(50〉は液冷用冷却器、(51)
は蒸発器、(53〉は第1の冷媒流路、(54〉は第2
の冷媒7XN、(61)は伝熱促進粒子、(70)は監
視手段、(71〉は排気手段である。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。
Fig. 1 is a configuration diagram showing the first embodiment of the first invention, Fig. 2 is a diagram showing the relationship between the degree of superheating of the heat transfer surface and the heat flux showing the boiling curve of each refrigerant, and Fig. 3 is a diagram showing the boiling curve of each refrigerant. FIG. 4 is a relationship diagram showing the relationship between ethylene glycol concentration and freezing temperature, and FIG. 4 is a relationship diagram showing the relationship between saturated liquid temperature and saturated pressure of each refrigerant. 5 is a block diagram showing the first embodiment of the second invention, FIG. 6 is a front view of FIG. 5, FIG. 7 is a sectional view showing the second embodiment of the second invention, and FIG. 2 A sectional view showing a third embodiment of the invention,
FIG. 9 is a sectional view showing a fourth embodiment of the second invention. FIG. 10 is a partially cutaway sectional view showing the first embodiment of the third invention, FIG. 11 is a sectional view taken along line A-Ai4i in FIG. 10, and FIG. 12 is a sectional view taken along line BB in FIG. 10. 13 is a relationship diagram showing the boiling curve of a vertical circular tube when pure water is used as a refrigerant, and FIG. 14 is a diagram showing the boiling curve of a vertical circular tube when an aqueous ethylene glycol solution is used as a refrigerant. 15 is a sectional view showing the second embodiment of the third invention; FIG. 16 is a sectional view showing the third embodiment of the third invention;
7 is a sectional view taken along line C-C in FIG. 16, FIG. 18 is a sectional view showing the fourth embodiment of the third invention, and FIG.
8 is a sectional view taken along line D-D in FIG. 8, FIG. 20 is an enlarged perspective view of the two-stage rectangular duct in FIG. 18, and FIG. 21 is a sectional view showing the fifth embodiment of the third invention. , FIG. 22 is a sectional view showing the sixth embodiment of the third invention, FIG. 23 is a sectional view of a boiling cooling device using the cooling fins of FIG. Figure 25 shows the relationship between the degree of superheating and heat flux when the liquid is used at a liquid level of C. Figure 25 shows the degree of superheating when an aqueous ethylene glycol solution is used in the apparatus of Figure 23 at a liquid level of C. Fig. 26 is a relational diagram showing the relationship between boiling heat transfer coefficient and heat flux, Fig. 26 is a relational diagram arranging the results of the cooling test for the device in Fig. 23 in terms of the relationship between boiling heat transfer coefficient and heat flux, and Fig. 27 is a relational diagram showing the relationship between
4 is a relationship diagram showing the relationship between the liquid level position and the parallel thermal resistance when an ethylene glycol aqueous solution is used in the apparatus shown in FIG. 3. FIG. FIG. 28 is a sectional view showing one embodiment of the fourth invention. FIG. 29 is a sectional view showing the first embodiment of the fifth invention.
The figure is E-E! in Figure 29! 31 is a relationship diagram showing the boiling curve of the device in FIG. 29, FIG. 32 is a sectional view showing the second embodiment of the fifth invention, and FIG. -Fli, FIG. 34 is a sectional view taken along line GG in FIG. 32, and FIG. 35 is a sectional view taken along line GG in FIG.
A sectional view showing the embodiment, FIG. 36 is H-)(l
A cross-sectional view along arrow i, FIG. 37 is arrow 1 along I-I@ in FIG. 35! FIG. FIG. 38 is a sectional view showing the first embodiment of the sixth invention;
The figures are a sectional view of the cooling fin shown in FIG. 38, FIG. 40 is a sectional view showing the second embodiment of the sixth invention, FIG. 41 is a sectional view showing the third embodiment of the sixth invention, and FIGS. Figure 45 is a relationship diagram showing the boiling heat transfer characteristics of the endothermic surface when pure water or ethylene glycol aqueous solution is used as the coolant, and Figure 42 shows the particle size of the heat transfer promoting particles with one layer of 1000μLWt. In this case, Fig. 43 shows the case where the particle size is 1000 μL and the lamination is made into two layers, Fig. 44 shows the case where the particle size is 400 μL and the lamination is made into one layer, and Fig. 45 shows the case where the particle size is 400 ux and the 81F layer is made into two layers.
Each case is shown as a layer. Figure 46 is the 42nd
A relationship diagram showing the relationship between heat flux and heat transfer promotion degree in pure water for each particle size based on the data in Figures 4-45.
FIG. 7 is a relationship diagram showing the relationship between heat flux and degree of heat transfer acceleration in a 35 wt% ethylene glycol aqueous solution for each particle size. FIG. 48 is a configuration diagram showing an embodiment of the seventh invention. Figure 49 is a diagram showing the relationship between the degree of superheat and heat flux, showing the boiling curve of each refrigerant when the saturated liquid temperature is 60°C, and Figure 50 is the F value and N value showing the nucleate boiling heat transfer of a 35 w% ethylene glycol aqueous solution.
Figure 51 is a diagram showing the relationship between the mixing ratio of an aqueous ethylene glycol solution and the heat flux at the stable nucleate boiling point, and Figure 52 is a diagram showing the relationship between the molar fraction of ethylene glycol and the F value. FIG. 53 is a diagram showing the relationship between the degree of superheat and the heat flux, which shows the boiling curve of a general refrigerant. Fig. 54 is a configuration diagram showing an example of a conventional immersion type device;
Figure 5 is a configuration diagram showing an example of a non-immersion type conventional device, No. 56.
The figure is a relationship diagram between degree of superheat and heat flux showing a boiling curve of a general refrigerant. In the figure, (3) is the thyristor element (cooled body), (
21) is the evaporator, (22> is the steam pipe (steam flow path), (2
3) is a liquid return pipe (liquid return flow path), (24) is a condenser, (
25) is the cooling liquid, (31> is the cooling fin (evaporator), <
31m) is the heat transfer surface, (32> is the duct, (33) is the common liquid reservoir, (42) is the circular duct (internal flow 1), <43>
is a rectangular duct (internal flow path), (45> is an internal flow path, (4
6> is a two-stage rectangular duct (internal flow path), (48) is a bellows (duct), (50> is a liquid cooling cooler, (51)
is the evaporator, (53> is the first refrigerant flow path, (54> is the second
The refrigerant 7XN, (61) are heat transfer promoting particles, (70) is a monitoring means, and (71> is an exhaust means. In each figure, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)エチレングリコール水溶液からなる冷却液を収容
している蒸発器と、この蒸発器に蒸気流路及び液戻り流
路を介して連結されている銅製の凝縮器とを備えている
ことを特徴とする沸騰冷却装置。
(1) It is characterized by being equipped with an evaporator containing a cooling liquid made of an aqueous ethylene glycol solution, and a copper condenser connected to the evaporator via a vapor flow path and a liquid return flow path. boiling cooling equipment.
(2)凝縮器に連結されているとともに、冷却液を収容
している共通液溜と、この共通液溜にダクトを介して連
結されているとともに、前記冷却液を収容しており、か
つ被冷却体に接合されている蒸発器とを備えている非浸
漬形の沸騰冷却装置において、前記ダクトがほぼ水平方
向に向けられているとともに、前記蒸発器が前記共通液
溜の側方に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装
置。
(2) A common liquid reservoir connected to the condenser and containing the coolant; and a common liquid reservoir connected to the common liquid reservoir via a duct, containing the coolant, and covered with and an evaporator joined to a cooling body, wherein the duct is oriented substantially horizontally and the evaporator is arranged to the side of the common liquid reservoir. A boiling cooling device characterized by:
(3)凝縮器に連結されているとともに、冷却液を収容
している共通液溜と、この共通液溜にダクトを介して連
結されているとともに、被冷却体に接合されており、か
つ前記冷却液を収容している蒸発器とを備えている非浸
漬形の沸騰冷却装置において、前記ダクトがほぼ水平方
向に向けられているとともに、前記蒸発器が前記共通液
溜の側方に配置されており、かつ前記蒸発器の吸熱面の
内側に、上下方向に延びる複数の内部流路が設けられて
いることを特徴とする沸騰冷却装置。
(3) A common liquid reservoir connected to the condenser and containing the cooling liquid, and connected to the common liquid reservoir via a duct and joined to the object to be cooled; and an evaporator containing a cooling liquid, wherein the duct is oriented substantially horizontally, and the evaporator is arranged to the side of the common liquid reservoir. A boiling cooling device characterized in that the evaporator has a plurality of internal channels extending in the vertical direction inside the endothermic surface of the evaporator.
(4)凝縮器に連結されているとともに、冷却液を収容
している蒸発器と、この蒸発器に連結され、流入する冷
却液を冷却する液冷用冷却器とを備えていることを特徴
とする沸騰冷却装置。
(4) It is characterized by being equipped with an evaporator connected to the condenser and accommodating a coolant, and a liquid cooling cooler connected to the evaporator and cooling the inflowing coolant. boiling cooling equipment.
(5)凝縮器に連結されているとともに冷却液を収容し
ている蒸発器を備えている沸騰冷却装置において、前記
蒸発器内には、第1の冷媒流路と、この第1の冷媒流路
より断面積の小さい第2の冷媒流路とが互いに平行に設
けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
(5) In a boiling cooling device including an evaporator connected to a condenser and containing a cooling liquid, the evaporator includes a first refrigerant flow path and a first refrigerant flow path. An evaporative cooling device characterized in that a second refrigerant flow path having a smaller cross-sectional area than the refrigerant flow path is provided in parallel with each other.
(6)凝縮器に連結されているとともに冷却液を収容し
ている蒸発器を備えている沸騰冷却装置において、前記
冷却液が水及びエチレングリコール水溶液のいずれか一
方からなり、かつ前記蒸発器内の伝熱面上に、粒子径が
300μm以上2000μm以下である伝熱促進粒子が
多数固着されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
(6) In a boiling cooling device equipped with an evaporator connected to a condenser and containing a cooling liquid, the cooling liquid consists of either water or an aqueous ethylene glycol solution, and the cooling liquid is contained in the evaporator. A boiling cooling device characterized in that a large number of heat transfer promoting particles having a particle diameter of 300 μm or more and 2000 μm or less are fixed on the heat transfer surface of the device.
(7)水及びエチレングリコール水溶液のいずれか一方
からなる冷却液を収容している蒸発器と、この蒸発器に
連結され、前記冷却液の蒸気を凝縮する凝縮器と、前記
冷却液の液面上の空間部に臨んで設けられ、前記空間部
の圧力を監視する監視手段と、前記空間部に接続され、
前記圧力の異常上昇時に前記空間部内を減圧する排気手
段とを備えていることを特徴とする沸騰冷却装置。
(7) an evaporator containing a coolant made of either water or an aqueous ethylene glycol solution; a condenser connected to the evaporator to condense vapor of the coolant; and a liquid level of the coolant. monitoring means provided facing the upper space and monitoring the pressure in the space; connected to the space;
A boiling cooling device comprising: exhaust means for reducing the pressure inside the space when the pressure abnormally increases.
(8)凝縮器に連結されているとともに冷却液を収容し
ている蒸発器を備えている沸騰冷却装置において、前記
冷却液が純水又は水溶液からなっているとともに、前記
蒸発器の伝熱面積が下記に示す関係式を満たしているこ
とを特徴とする沸騰冷却装置。 F≧2.7×10^4 但し ▲数式、化学式、表等があります▼ q/s:熱流束値(W/m^2) q:熱量(W) s:蒸発器の伝熱面積(m^2) L:蒸発潜熱(kcal/kg) ρv:蒸気の比重量(kg/m^3) ρl:液の比重量(kg/m^3) al:液の温度伝導度(m^2/hr) σ:表面張力(kg/m) Ps:蒸気の圧力(kg/m^2) Pr:液のプラントル数(−)
(8) In a boiling cooling device equipped with an evaporator connected to a condenser and containing a cooling liquid, the cooling liquid consists of pure water or an aqueous solution, and the heat transfer area of the evaporator A boiling cooling device characterized in that satisfies the relational expression shown below. F≧2.7×10^4 However, ▲There are mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ q/s: Heat flux value (W/m^2) q: Amount of heat (W) s: Heat transfer area of the evaporator (m ^2) L: Latent heat of vaporization (kcal/kg) ρv: Specific weight of vapor (kg/m^3) ρl: Specific weight of liquid (kg/m^3) al: Temperature conductivity of liquid (m^2/ hr) σ: Surface tension (kg/m) Ps: Steam pressure (kg/m^2) Pr: Prandtl number of liquid (-)
(9)凝縮器に連結されているとともに冷却液を収容し
ている蒸発器を備えている沸騰冷却装置において、前記
冷却液がエチレングリコール水溶液からなっているとと
もに、前記蒸発器の伝熱面積が下記に示す関係式を満た
していることを特徴とする沸騰冷却装置。 F≧2.1×10^4・m^−^0^.^0^2^γ但
し ▲数式、化学式、表等があります▼ q/s:熱流束値(W/m^2) q:熱量(W) s:蒸発器の伝熱面積(m^2) L:蒸発潜熱(kcal/kg) ρv:蒸気の比重量(kg/m^3) ρl:液の比重量(kg/m^3) al:液の温度伝導度(m^2/hr) σ:表面張力(kg/m) Ps:蒸気の圧力(kg/m^2) Pr:液のプラントル数(−) m:エチレングリコールのモル分率
(9) In a boiling cooling device equipped with an evaporator connected to a condenser and containing a cooling liquid, the cooling liquid is made of an ethylene glycol aqueous solution, and the heat transfer area of the evaporator is A boiling cooling device characterized by satisfying the relational expression shown below. F≧2.1×10^4・m^-^0^. ^0^2^γHowever, ▲There are mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ q/s: Heat flux value (W/m^2) q: Amount of heat (W) s: Heat transfer area of the evaporator (m^2) L: Latent heat of vaporization (kcal/kg) ρv: Specific weight of vapor (kg/m^3) ρl: Specific weight of liquid (kg/m^3) al: Temperature conductivity of liquid (m^2/hr) σ : Surface tension (kg/m) Ps: Steam pressure (kg/m^2) Pr: Prandtl number of liquid (-) m: Molar fraction of ethylene glycol
(10)凝縮器に連結されているとともにフロロカーボ
ン系の冷却液を収容している蒸発器を備えている沸騰冷
却装置において、前記蒸発器の伝熱面積が下記に示す関
係式を満たしていることを特徴とする沸騰冷却装置。 F≧1.1×10^4 但し ▲数式、化学式、表等があります▼ q/s:熱流束値(W/m^2) q:熱量(W) s:蒸発器の伝熱面積(m^2) L:蒸発潜熱(kcal/kg) ρv:蒸気の比重量(kg/m^3) ρl:液の比重量(kg/m^3) al:液の温度伝導度(m^2/hr) σ:表面張力(kg/m) Ps:蒸気の圧力(kg/m^2) Pr:液のプラントル数(−)
(10) In a boiling cooling device equipped with an evaporator connected to a condenser and containing a fluorocarbon-based cooling liquid, the heat transfer area of the evaporator satisfies the relational expression shown below. A boiling cooling device featuring: F≧1.1×10^4 However, ▲There are mathematical formulas, chemical formulas, tables, etc.▼ q/s: Heat flux value (W/m^2) q: Amount of heat (W) s: Heat transfer area of the evaporator (m ^2) L: Latent heat of vaporization (kcal/kg) ρv: Specific weight of vapor (kg/m^3) ρl: Specific weight of liquid (kg/m^3) al: Temperature conductivity of liquid (m^2/ hr) σ: Surface tension (kg/m) Ps: Steam pressure (kg/m^2) Pr: Prandtl number of liquid (-)
JP2206826A 1989-09-29 1990-08-06 Boiling type cooling device Pending JPH03274364A (en)

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AU63248/90A AU618203B2 (en) 1989-09-29 1990-09-26 Boiling type cooler device for power semiconductor switching elements
EP19900310641 EP0420668A3 (en) 1989-09-29 1990-09-28 Boiling type cooler device for power semiconductor switching elements
KR1019900015645A KR910006678A (en) 1989-09-29 1990-09-29 Boiling Chiller
CN90109366A CN1056350A (en) 1989-09-29 1990-09-29 Boiling cooling device
AU85506/91A AU634097B2 (en) 1989-09-29 1991-10-01 Boiling type cooler device for power semiconductor switching elements
AU85507/91A AU632431B2 (en) 1989-09-29 1991-10-01 Boiling type cooler device for power semiconductor switching elements
AU85643/91A AU631506B2 (en) 1989-09-29 1991-10-04 Boiling type cooler device for power semiconductor switching elements

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JP25207589 1989-09-29
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024090236A1 (en) * 2022-10-28 2024-05-02 株式会社デンソー Heat transfer member and heat transfer member manufacturing method

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JPS5373654A (en) * 1976-12-13 1978-06-30 Toshiba Corp Heat radiating panel
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JPS6256726B2 (en) * 1979-08-24 1987-11-27 Oosaka Gasu Kk

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