JP2010212402A

JP2010212402A - 沸騰冷却装置

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Publication number: JP2010212402A
Application number: JP2009056086A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Kuno; 裕道久野; Yasuharu Taketsuna; 靖治竹綱; Mikio Shirai; 幹夫白井; Hideo Nakamura; 秀生中村; Joji Yamazaki; 丈嗣山崎; Haruhiko Ota; 治彦大田; Yasuhisa Niimoto; 康久新本; Koichi Suzuki; 康一鈴木; Nobuyuki Abe; 宜之阿部; Osamu Kawanami; 治河南
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2009-03-10
Publication date: 2010-09-24
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: DE112010001158T5; JP4766132B2; CN102349152B; CN102349152A; DE112010001158B4; DE112010001158B8; US20120111550A1; WO2010104080A1

Abstract

【課題】簡易な構成で気泡体積を適度な大きさに留めることができ、これにより熱伝達特性を向上させる。
【解決手段】発熱体を冷却する沸騰冷却装置において、鉛直方向に下段チャネル２、中段チャネル３、上段チャネル４の複数の冷却チャネルを有し、各冷却チャネルは鉛直方向に冷媒を流す冷却フィン１２と、冷却フィン１２の発熱体当接側と反対側に形成された蒸気排出流路１６とを有する。さらに、各冷却チャネル間に、発生した気泡が次の冷却チャネルに進行することを阻害し蒸気排出流路１６へと導く流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は沸騰冷却装置に関し、特に沸騰・二相流（気液二相流）を用いた冷却装置における冷却性能の改善に関する。

従来より、強制対流下の沸騰・二相流を用いた冷却装置が開発されており、ハイブリッド車両のインバータ冷却システム等に適用されている。

特許文献１には、冷媒流路を有する冷却用基体とその上に実装される複数のパワー半導体とで構成され、パワー半導体素子の実装位置を最適に定めて冷媒の温度上昇を適切化し、冷却効率を高めたパワー半導体モジュールが開示されている。

また、特許文献２には、沸騰冷却において、モジュールの上部（下流域）の放熱性能低下を防止する沸騰冷却装置が開示されており、パワー半導体からの授熱によりモジュールの下部（上流域）で発生した蒸気がモジュールの上部（下流域）へ進入することを隔壁等で防止することが開示されている。

特開２００７−１２７２２号公報特開平９−２３０８１号公報

ところで、沸騰・二相流を用いた冷却装置では、限界熱流速の低下や沸騰時の熱伝達係数の低下を抑制するとともに、装置をできるだけ小型に設計する必要がある。一般に、沸騰では気泡底部の気液挙動により熱伝達が決定される。具体的には、薄液膜の形成により熱伝達が促進される領域と乾き部の進展により熱伝達が劣化する部分とが共存している。そして、どちらの現象が支配的であるかに対しては、気泡の付着面積が大きな影響を及ぼすことになる。しかし、気泡の成長により付着面積が増大すれば、伝熱促進から劣化に転じることもある。

図８に、小気泡の成長に伴う核沸騰熱伝達における小さな熱伝達促進の様子を示す。オープン流路で気泡サイズが小さい場合である。（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。気泡サイズは圧力が低いほど大きくなり、周囲液体の温度が飽和温度よりも低いほど（サブクール状態）小さくなる。気泡サイズが小さい場合、乾き部５０の面積も小さいが、薄液膜５２が占める面積も小さくなる。この結果、沸騰熱伝達の特徴は薄れてしまい、気泡周囲の液単相への熱伝達の寄与が依然として大きい。したがって、液単相への熱伝達と比較した場合の熱伝達促進割合は小さい。

図９に、大気泡の成長に伴う核沸騰熱伝達における大きな熱伝達促進の様子を示す。オープン流路で気泡サイズが中〜大の場合である。気泡サイズが大きくなると、乾き部５０の面積も大きくなるが、薄液膜５２が占める面積が大きくなる。この結果、沸騰熱伝達の特徴が顕著となり、液単相への熱伝達と比較した場合の熱伝達促進割合は大きい。

図１０に、巨大気泡の成長に伴う核沸騰熱伝達における熱伝達劣化の様子を示す。オープン流路で気泡サイズが非常に大きい場合である。気泡が過度に大きくなると、乾き部５０の占める面積が広がって、この部分の熱伝達劣化が薄液膜５２の蒸発による熱伝達促進よりも顕著になり、伝熱面全体としては熱伝達劣化の様相を呈することになる。

図１１に、冷却フィン１２（以下、単にフィンと称する）間での扁平気泡成長に伴う核沸騰熱伝達における熱伝達促進の様子を示す。フィン間狭あい流路で、気泡サイズが中程度の場合である。適度の大きさの扁平を発生、成長させることでフィン１２による伝熱面積の増大と熱伝達係数の増大をともに満足することができる。

図１２に、気泡体積と熱伝達促進・劣化の関係を示す。オープン流路及びフィン間狭あい流路ともに気泡体積が小さすぎても大きすぎても熱伝達促進が見込めず、気泡を適度な大きさに留めることが必要である。このために、伝熱面への接触時間を制御して、過度に長くしないことが重要である。

本発明の目的は、簡易な構成で気泡体積を適度な大きさに留めることができ、これにより熱伝達特性を向上させる冷却装置を提供することにある。

本発明は、発熱体を冷却する沸騰冷却装置において、鉛直方向に配置された少なくとも第１及び第２の冷却チャネルを有し、前記第１冷却チャネル及び第２冷却チャネルは、鉛直方向に冷媒を流す冷却フィンと、前記冷却フィンの、発熱体当接側と反対側に形成された蒸気排出流路とを有し、さらに、前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネル間に、前記第１冷却チャネルで発生した気泡の前記第２冷却チャネルへの進行を阻害し前記蒸気排出流路へと導くガイド部を有することを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、さらに、前記冷却フィンと前記蒸気排出流路との間に配置される仕切板を有し、前記ガイド部は前記仕切板の一部として形成される。

本発明の他の実施形態では、前記仕切板は、前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネル間に対応する位置に開口部を有し、前記ガイド部は前記開口部の縁部から前記冷却フィンの前記発熱体当接側に向けて突出形成される。

また、本発明の他の実施形態では、さらに、前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネル間に設けられ前記第２冷却チャネルに冷媒を供給する給液管を有し、前記ガイド部の先端部は前記給液管に当接する。

また、本発明の他の実施形態では、前記第１冷却チャネルは前記第２冷却チャネルの鉛直下方に配置され、前記ガイド部は、前記第２冷却チャネルの前記冷却フィンから前記第１冷却チャネルの前記冷却フィンに向けて傾斜形成される。

本発明によれば、簡易な構成で気泡体積を適度な大きさに留め、熱伝達特性を向上させることができる。

実施形態の冷却装置の要部構成図である。給液管の構成図である。流路仕切板兼蒸気排出ガイド板の構成図である。フィン及び流路仕切板兼蒸気排出ガイド板の斜視図である。実施形態の冷却装置の全体構成図である。実施形態のシステム構成図である。実施形態の他のシステム構成図である。オープン流路で気泡サイズが小さい場合の熱伝達特性図である。オープン流路で気泡サイズが中程度の場合の熱伝達特性図である。オープン流路で気泡サイズが過大に大きい場合の熱伝達特性図である。フィン間狭あい流路で気泡サイズが中程度の場合の熱伝達特性図である。気泡体積と熱伝達特性の関係を示すグラフ図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における沸騰冷却装置の要部構成を示す。（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＢ−Ｂ’断面図、（ｄ）はＡ−Ａ’断面図である。

沸騰冷却装置１は、給液管１０、フィン１２、フィン基部１３、冷却面１４、蒸気排出流路１６、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８を有する。

フィン１２は、フィン基部１３上に所定間隔で複数立設され、それぞれのフィン１２が冷却チャネルを形成するマルチチャネル方式である。（ａ）の正面図に示すように、沸騰冷却装置１は鉛直方向に配置され（垂直置き）、各フィン１２は鉛直方向に延設される。図では下段チャネル２、中段チャネル３、上段チャネル４の３チャネルが例示され、仕切板２０で左右に仕切られて合計６チャネルが示されているが、これに限定されるものではない。各フィン１２は例えば高熱伝導率のアルミニウムで成形され、鉛直方向に冷媒流路が形成される。冷媒はポンプにより鉛直上方に向けて強制対流される。フィン１２は、冷却面１４を構成するフィン基部１３の表面積を拡大し、かつ熱伝達率を増大させる。フィン１２の冷却面１４には、例えばハイブリッド車両のパワー素子ユニット（ＩＧＢＴモジュール）が当接する。

給液管１０は、フィン１２の間に配置され、冷媒としての冷却液をフィン１２に供給する。（ａ）に示すように、給液管１０は、各チャネル毎に水平方向に配置される。下段チャネル２には下段チャネル２の下部に配置された給液管１０から冷媒が鉛直上方に向けて供給され、中段チャネル３には中段チャネル３の下部、すなわち中段チャネル３と下段チャネル２との間に配置された給液管１０から冷媒が鉛直上方に向けて供給され、上段チャネル４には上段チャネル４の下部、すなわち上段チャネル４と中段チャネル３との間に配置された給液管１０から冷媒が鉛直上方に向けて供給される。給液管１０は上記のように水平方向に配置され、仕切板２０の右側に位置する各給液管１０には図中矢印の如く右側から冷媒が供給され、仕切板２０の左側に位置する各給液管１０には左側から冷媒が供給される。冷媒は各チャネルの各フィン１２で加熱され、沸騰して気泡が発生する。

蒸気排出流路１６は、各フィン１２の上面、すなわち発熱体が当接するフィン１２の冷却面１４とは反対側の面に設けられる。蒸気排出流路１６は各冷却チャネルに共通に設けられ、各冷却チャネルで発生した気泡を排出する。

流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８は、各フィン１２の上面、すなわちフィン基部１３とは反対側の面、つまりフィン１２の冷却面とは反対側の面に当接配置されてフィン１２と蒸気排出流路１６とを仕切る。また、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８は、下段チャネル２のフィン１２と中段チャネル３のフィン１２との間、及び中段チャネル３のフィン１２と上段チャネル４のフィン１２との間に開口部が設けられ、かつ、開口部の縁部にフィン基部１３に向けて所定角度で傾斜突出するガイド部１９を有する。（ｂ）に示す如く、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８のガイド部１９は、下段チャネル２と中段チャネル３との間に着目すると、中段チャネルのフィン１２の鉛直下方側端部からフィン基部１３に向けて突出し給液管１０に当接する。中段チャネル３と上段チャネル４との間も同様であり、ガイド部１９は上段チャネル４のフィン１２の鉛直下方側端部からフィン基部１３に向けて突出し給液管１０に当接する。ガイド部１９は流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８とは別個に成形して流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８に接合してもよく、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８の一部をフィン基部１３側に折曲形成してもよい。ガイド部１９は、中段チャネル３のフィン１２の鉛直下方側端部からフィン基部１３に向けて所定角度で傾斜して突出して給液管１０に当接しているため、下段チャネル２のフィン１２で発生しフィン１２を通過した気泡はこのガイド部１９が障壁となり、中段チャネル３への進行が阻害されるとともに蒸気排出流路１６へ導かれる。また、ガイド部１９は、上段チャネル４のフィン１２の鉛直下方側端部からフィン基部１３に向けて所定角度で傾斜して突出して給液管１０に当接しているため、中段チャネル３のフィン１２で発生しフィン１２を通過した気泡はこのガイド部１９が障壁となり、上段チャネル４への進行が阻害されるとともに蒸気排出流路１６へ導かれる。

図２に、給液管１０の形状例を示す。（ａ）は給液管１０の側面にその開口径が順次増大する冷媒供給孔を所定間隔で複数形成した場合である。また、（ｂ）は給液管１０の側面にその開口面積が順次増大する冷媒供給スリットを形成した場合である。いずれの場合も、冷媒の下流側ほど開口径あるいは開口面積が増大するように配置される。

図３に、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８の構成を示す。流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８は、金属板をプレス成形してなり、下段チャネル２と中段チャネル３との間、及び中段チャネル３と上段チャネル４との間にそれぞれ開口部１８ａ，１８ｂが形成される。下段チャネル２で発生し成長した気泡は開口部１８ａから蒸気排出流路１６に排出され、中段チャネル３で発生し成長した気泡は開口部１８ｂから蒸気排出流路１６に排出される。

開口部１８ａの開口端部、具体的には中段チャネル３のフィン１２の鉛直下方側端部にガイド部１９が形成され、かつ、開口部１８ｂの開口端部、すなわち上段チャネル４のフィン１２の鉛直下方側端部にガイド部１９が形成される。ガイド部１９は、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８の一部を折曲成形してもよい。

図４に、フィン１２と流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８の分解斜視図を示す。下段チャネル２のフィン１２で発生した気泡はガイド部１９に衝突し、中段チャネル３に進行することなく開口部１８ａから蒸気排出流路１６に排出される。また、中段チャネル３のフィン１２で発生した気泡もガイド部１９に衝突し、上段チャネル４に進行することなく開口部１８ｂから蒸気排出流路１６に排出される。上段チャネル４のフィン１２で発生した気泡はそのまま蒸気排出流路１６に排出される。

図５に、沸騰冷却装置１の全体構成を示す。図１に示す要部である冷却部２８はパワー素子ユニット等の発熱体２６の間に配置される。冷却部２８の鉛直下方には冷媒供給ジャケット２２及び液量分配板２４が設けられ、鉛直下方からポンプにより供給された冷媒を貯留し、かつ冷媒を適当な量に分配して冷却部２８の各給液管１０に供給する。一方、冷却部２８の鉛直上方には蒸気排出ジャケット３０が設けられ、冷却部２８の蒸気排出流路１６に接続される。ガイド部１９で蒸気排出流路１６に排出された気泡は蒸気排出ジャケット３０に集められ外部に排出される。

このように、本実施形態では流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８をフィン１２と蒸気排出流路１６との間に介在させることで、各冷却チャネルで発生した気泡が次の冷却チャネルに進行して気泡が過度に大きくなることを防ぎ、熱伝達性能の劣化、限界熱流速の低下を防止することができる。

また、本実施形態では蒸気排出流路１６をフィン１２の上面側、すなわち発熱体であるパワー素子ユニットとは反対側に配置しているため、冷却装置の幅方向サイズを縮小することができる。

また、本実施形態における流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８は、単にフィン１２上に配置するだけでよいので、構造の簡素化及び製造時の組み立て性も向上する。

また、本実施形態のように沸騰冷却装置１を垂直置きにし、フィン１２も垂直置きにすることで、浮力による発生気泡の排出性が向上する効果もある。

なお、本実施形態の沸騰冷却装置は、ハイブリッド車両のインバータ冷却のみならず、任意の発熱体に適用することができる。本実施形態の冷却装置を用いたシステム構成も任意であるが、図６及び図７にその一例を示す。

図６において、沸騰冷却装置１から排出された気液二相流は気液分離器１０６に供給される。また、気液分離器１０６には凝縮器１０８が接続され、凝縮器１０８にはさらに第２の気液分離器１１０が接続される。気液分離器１０６，１１０からの冷却液は調整バルブ１１２を介して過冷却器１０２に供給され、ポンプ１０４により沸騰冷却装置１に循環させる。調整バルブ１１２と過冷却器１０２との間にアキュムレータ１００が接続され、気体圧力を利用して冷却液を過冷却器１０２に供給する。

図７において、沸騰冷却装置１から排出された気液二相流は凝縮器１０８に供給され、凝縮器１０８には気液分離器１１６が接続される。気液分離器１１６からの冷却液はポンプ１０４により沸騰冷却装置１に循環させる。ポンプ１０４と気液分離器１１６との間にアキュムレータ１００が接続され、気体圧力を利用して冷却液をポンプ１０４に供給する。

１沸騰冷却装置、２下段チャネル、３中段チャネル、４上段チャネル、１０給液管、１２フィン、１３フィン基部、１４冷却面、１６蒸気排出流路、１８流路仕切板兼蒸気排出ガイド板、１９ガイド部、２０仕切板。

Claims

発熱体を冷却する沸騰冷却装置において、
鉛直方向に配置された少なくとも第１及び第２の冷却チャネルを有し、
前記第１冷却チャネル及び第２冷却チャネルは、
鉛直方向に冷媒を流す冷却フィンと、
前記冷却フィンの、発熱体当接側と反対側に形成された蒸気排出流路と、
を有し、さらに、
前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネル間に、前記第１冷却チャネルで発生した気泡の前記第２冷却チャネルへの進行を阻害し前記蒸気排出流路へと導くガイド部を有する
ことを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項１記載の装置において、さらに、
前記冷却フィンと前記蒸気排出流路との間に配置される仕切板
を有し、前記ガイド部は前記仕切板の一部として形成される
ことを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項２記載の装置において、
前記仕切板は、前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネル間に対応する位置に開口部を有し、前記ガイド部は前記開口部の縁部から前記冷却フィンの前記発熱体当接側に向けて突出形成される
ことを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項３記載の装置において、さらに、
前記第１冷却チャネルと前記第２冷却チャネル間に設けられ前記第２冷却チャネルに冷媒を供給する給液管
を有し、前記ガイド部の先端部は前記給液管に当接することを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項３記載の装置において、
前記第１冷却チャネルは前記第２冷却チャネルの鉛直下方に配置され、
前記ガイド部は、前記第２冷却チャネルの前記冷却フィンから前記第１冷却チャネルの前記冷却フィンに向けて傾斜形成される
ことを特徴とする沸騰冷却装置。