JP5163548B2

JP5163548B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP5163548B2
Application number: JP2009056087A
Authority: JP
Inventors: 裕道久野; 靖治竹綱; 幹夫白井; 秀生中村; 丈嗣山崎; 治彦大田; 康久新本; 康一鈴木; 宜之阿部; 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: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2029-03-10
Also published as: JP2010212403A

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

沸騰・二相流を用いた冷却装置は、相変化による潜熱輸送を利用した高効率な熱伝達方式であり、蒸気圧曲線に沿って飽和温度が圧力に依存するので、液体温度制御が一定範囲で可能であり、冷却面温度との温度差を調整できるので負荷変動への追従性において利点をもつ等の効果があるが、冷却性能をさらに向上させるためには、発生した蒸気を冷却フィンの根本から速やかに離脱させる必要がある。すなわち、冷却フィンの熱流速分布は、発熱体に当接する根本が最も高く、根本から離れて冷却フィンの先端部にいくに従って低くなるが、発生した蒸気が冷却フィンの根本に停留したのでは沸騰潜熱が利用できず、熱伝達効率が低下してしまうだけでなく、液体の枯渇によるバーンアウトも生じ得る。

本発明の目的は、発生した蒸気を速やかに排出して蒸気の充満を防ぎ、冷却性能を維持ないし向上させることができる沸騰冷却装置を提供することにある。

本発明は、沸騰冷却装置であって、冷媒流路と、前記冷媒流路から供給された冷媒により発熱体を冷却する冷却フィンと、前記冷却フィンで発生した蒸気を外部に排出する蒸気排出流路とを有し、前記冷却フィンは、フィン基部から先端に向けて仰角をもって形成され、前記装置は、前記冷媒が前記装置の鉛直下方から鉛直上方に向けて供給される垂直置きであり、前記冷却フィンのフィン面のうち、鉛直上方側の面と鉛直下方側の面がともに前記仰角をもって形成され、さらに、前記蒸気排出流路に沿って配置される衝突板と、前記衝突板から重力により落下する凝縮液を外部に排出する排出口とを有し、前記排出口から排出された凝縮液は、冷媒を循環させるループに戻されることを特徴とする。

本発明の１つの実施形態では、前記衝突板は、その面形状が波形あるいは鋸歯状であることを特徴とする。

本発明によれば、発生した蒸気を速やかに排出して蒸気の充満を防ぎ、冷却性能を維持ないし向上させることができる。

実施形態における装置の平面図である。実施形態における装置の底面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。他の実施形態の断面図である。他の実施形態における装置の平面図である。さらに他の実施形態における平面図である。図６の一部拡大図である。さらに他の実施形態の一部拡大図である。さらに他の実施形態の一部拡大図である。

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・二相流を用いた沸騰冷却装置１の正面図を示し、図２に底面図を示す。沸騰冷却装置１は、底板及び天板からなる筐体内に冷却フィン及び冷媒流路並びに蒸気排出流路を備えて構成される。本実施形態における沸騰冷却装置１は垂直置きであり、例えばハイブリッド車両のパワー素子ユニット（ＩＧＢＴモジュール）を冷却するシステムの構成要素として用いられる。図は、沸騰冷却装置１を垂直置きした場合の正面図を示しており、重力の方向を矢印ｇで示す。装置を垂直置きにした場合、冷媒は鉛直下方から供給される。冷媒である冷却液は冷却システムの循環ポンプにより強制対流される。冷媒は装置の長手方向に沿って左右にそれぞれ設けられた冷媒流路１０内を鉛直上方に向けて流れ、冷却フィン１２に供給される。冷却フィン１２は左右に分割して設けられ、右側の冷却フィン１２には右側の冷媒流路１０から冷媒が供給され、左側に冷却フィン１２には左側の冷媒流路１０から冷媒が供給される。冷却フィン１２は伝熱面積を増大させるものであり、フィン間を両側面と底面の三面加熱の狭あい流路として構成する。冷媒はフィン間流路を通過し、フィン間狭あい流路によって発生する気泡を扁平化させ、通過する扁平気泡による薄液膜蒸発を促進することにより高い熱伝達係数を得ることができる。また、直接冷却面に冷媒を供給することで、液体の枯渇によるバーンアウトを防ぎ、核沸騰の除熱限界となる限界熱流速を増大させることができる。また、装置中央には装置の長手方向に沿って蒸気排出流路１４が設けられる。フィン間狭あい流路で発生した気泡（蒸気）はこの蒸気排出流路１４に集められ、鉛直上方に設けられた蒸気排出口から外部に排出される。排出された蒸気は気液分離器及び凝縮器を介して冷却液として装置に循環される。

冷却フィン１２は図１の正面図に示すように水平方向に延在するが、フィン面は水平面内に存在するのではなく、フィンの基部から先端に向けて所定角度傾斜して、つまり基部から先端に向けて所定の仰角をもって形成される。

図３に、図１のＡ―Ａ断面を示す。冷却フィン１２は、パワー素子ユニット等の発熱体１６に当接するフィン基部１２ａからフィン面が突出形成されるが、フィン面は水平方向に突出するのでなく、鉛直上方に向けて所定角度傾斜して突出する。所定角度は例えば水平方向に対して１５度〜６０度である。冷媒１１として冷却液は、図中紙面に垂直な方向から供給される。冷却フィン１２の根本が最も熱流速が高く、根本近傍において冷媒が沸騰して気泡（蒸気）が発生する。冷却フィン１２のフィン面が根本から水平方向に突出しているものとすると、発生した蒸気１８は根本部分に停留し充満してしまう。蒸気１８が充満してしまうと、フィンを含めた伝達面が乾くので熱伝達の劣化を生じ、ひいてはバーンアウトが生じ得る。一方、図３に示すように冷却フィン１２のフィン面が傾斜していると、蒸気１８は根本から離脱するので、熱流速の高い根本に蒸気が充満することを防ぎ、熱伝達率を向上させることができる。また、蒸気１８が浮力により排除し易くなるため、冷媒を強制対流させるためのポンプ負荷も軽減することができる。蒸気１８を浮力により容易に排出できるのは垂直置きの利点の一つであろう。

図４に、他の実施形態の冷却フィン１２の構成を示す。冷却フィン１２のフィン面はフィン基部１２ａから突出形成されるが、冷却フィン１２のフィン面を鉛直上方側の面１２ｂと鉛直下方側の面１２ｃとすると、鉛直上方側の面１２ｂは水平方向に突出する一方、冷却フィン１２の鉛直下方側の面１２ｃは根本から鉛直上方に向けて傾斜突出する。

このように、冷却フィン１２の一面と他面の形状を異にし、鉛直下方側の面１２ｃのみを傾斜させても、図３と同様の効果がある。すなわち、フィンの根本で発生した蒸気を根本から離脱させて熱伝達効率を上げることができる。また、蒸気１８が浮力により排除し易くなる。傾斜面の角度は図３と同様であり、水平方向に対して１５度〜６０度が好適である。

本実施形態では、冷却フィン１２を根本から傾斜させて形成しているが、根本から傾斜させることなく、あるいは根本から傾斜させるととともに、正面から見て傾斜させてもよい。

図５に、他の実施形態における沸騰冷却装置１の正面図を示す。正面から見て冷却フィン１２を傾斜させる場合の構成例である。図１に示す沸騰冷却装置１と同様に、装置は垂直置きであり、鉛直下方から冷媒が供給される、冷媒はポンプ等により強制対流される。冷媒は左右に設けられた冷媒流路１０内を鉛直上方に向けて流れ、冷却フィン１２に左右から中央に向けて供給される。沸騰冷却装置１の中央には蒸気排出流路１４が設けられ、発生した蒸気はこの蒸気排出流路１４に集められて鉛直上方に設けられた排出口から外部に排出される。

冷却フィン１２は所定角度で傾斜して形成される。すなわち、冷媒流路１０から見て、冷媒流路１０に近い上流側よりも下流側に向かって鉛直上方に傾斜して形成される。言い換えれば、蒸気排出流路１４の右側に位置する冷却フィン１２は、蒸気排出流路１４に向かうにつれて鉛直上方に傾斜して形成され、蒸気排出流路１４の左側に位置する冷却フィン１２も、蒸気排出流路１４に向かうにつれて鉛直上方に傾斜して形成されるため、正面から見て冷却フィン１２がハの字形状となるように配置される。このように冷却フィン１２を傾斜させることで、フィン間狭あい流路で発生し成長した蒸気１８を排出し易くなり、蒸気１８の停留を防止して熱伝達効率を向上させることができる。

なお、本実施形態において冷却フィン１２から排出された蒸気１８は蒸気排出流路１４から外部に排出されるが、沸騰・液体二相流であるため装置内部に余剰凝縮液を回収する機構を設けることも好適である。

図６に、さらに他の実施形態における沸騰冷却装置１の正面図を示す。蒸気排出路１４内に衝突板２０が配置される。図７に、図６の部分Ｐの拡大図を示す。衝突板２０を蒸気排出路１４に沿って配置することで、図７に示すように左右の冷却フィン１２で発生した蒸気１８の流れは衝突板２０に衝突し、余剰凝縮液２２が衝突板２０に沿って重力により鉛直下方に流れ、装置１の下部に設けられたドレン（排出口）から排出される。ドレンから排出された凝縮液は、冷却液を循環させるループに戻される。

このように、装置内部に衝突板２０を配置して余剰凝縮液２２を回収することで、装置外の循環ループに別途気液分離器を設ける必要がなくなり、システムの低コスト化を図ることができる。また、余剰凝縮液２２が循環ループ内の凝縮器に進入しなくなるため、凝縮性能が向上する。蒸気１８とともに凝縮液が凝縮器に進入してしまうと、凝縮器壁面と蒸気の接する面積が減るため、熱伝達率の高い凝縮熱伝達が得られにくいからである。さらに、冷媒が溜まると冷媒中の腐食生成物も溜まり材料の腐食が促進される事態も未然に防止することができる。

図６では衝突板２０の面形状を平板としたが、これに限定されるものではなく、衝突板２０の面形状を凹凸、波形、鋸波状等とすることができる。また、衝突板２０の面は連続面ではなく、離散的に存在してもよい。図８及び図９に、衝突板２０の例を示す。図８は波形あるいは鋸歯状の場合、図９は離散的に存在する場合である。

１沸騰冷却装置、１０冷媒流路、１２冷却フィン、１４蒸気排出流路、１６発熱体、１８蒸気、２０衝突板、２２余剰凝縮液。

Claims

沸騰冷却装置であって、
冷媒流路と、
前記冷媒流路から供給された冷媒により発熱体を冷却する冷却フィンと、
前記冷却フィンで発生した蒸気を外部に排出する蒸気排出流路と、
を有し、前記冷却フィンは、フィン基部から先端に向けて仰角をもって形成され、
前記装置は、前記冷媒が前記装置の鉛直下方から鉛直上方に向けて供給される垂直置きであり、
前記冷却フィンのフィン面のうち、鉛直上方側の面と鉛直下方側の面がともに前記仰角をもって形成され、さらに、
前記蒸気排出流路に沿って配置される衝突板と、
前記衝突板から重力により落下する凝縮液を外部に排出する排出口と、
を有し、前記排出口から排出された凝縮液は、冷媒を循環させるループに戻されることを特徴とする沸騰冷却装置。
請求項１記載の装置において、
前記衝突板は、その面形状が波形あるいは鋸歯状であることを特徴とする沸騰冷却装置。