JP6448666B2 - Cooler - Google Patents
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Description
本発明は、建設機械(ハイブリッド)、風力・太陽光発電の電力変換装置、電源装置・無停電電源装置等の電力変換装置、エレベータ・圧延機・工作機械などのモータ制御などのいわゆるインバータ、鉄道車両・電気車両等のパワートランジスタやサイリスタ等の半導体素子を利用した制御機器等の冷却に用いる冷却器に関する。
本願は、2014年12月25日に出願された特願2014−262357号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。The present invention relates to a construction machine (hybrid), a wind power / solar power generation power converter, a power converter such as a power supply / uninterruptible power supply, a so-called inverter for motor control of an elevator / rolling machine / machine tool, etc., railway The present invention relates to a cooler used for cooling a control device using a semiconductor element such as a power transistor or a thyristor of a vehicle or an electric vehicle.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2014-262357 for which it applied on December 25, 2014, and uses the content here.
パワートランジスタやサイリスタ等の半導体素子を利用した制御機器等の冷却に使用する冷却器として、冷媒が沸騰する際の潜熱を利用して発熱体を冷却する冷却器(沸騰冷却器)が知られている。 As a cooler used for cooling control devices using semiconductor elements such as power transistors and thyristors, a cooler (boiling cooler) that cools a heating element using latent heat when the refrigerant boils is known. Yes.
例えば、特許文献1に記載の冷却器(ヒートパイプ冷却器)は、半導体素子等の発熱体の熱を受けるベースブロックに、断面積の大きな複数本の円管状のタンクを埋設するとともに、タンクの露出部分の側面に複数の細いパイプを立設させ、そのパイプに複数のフィンを取り付けた構成とされ、発熱体の熱を外気によって冷却することができるようになっている。 For example, a cooler (heat pipe cooler) described in Patent Document 1 embeds a plurality of circular tanks having a large cross-sectional area in a base block that receives heat from a heating element such as a semiconductor element. A plurality of thin pipes are erected on the side surface of the exposed portion, and a plurality of fins are attached to the pipes, so that the heat of the heating element can be cooled by outside air.
沸騰冷却性能を発揮するためには、冷媒の入ったタンクに適正な空間が確保され、この空間部分にパイプが接続されていることが必要とされる。この空間は、通常、タンクの体積の1/3以上あることが理想である。一方、タンクの管底面に液状の冷媒がないと、沸騰冷却性能を発揮することができない。 In order to exert the boiling cooling performance, it is necessary that an appropriate space is secured in the tank containing the refrigerant, and a pipe is connected to the space portion. Ideally, this space is usually 1/3 or more of the volume of the tank. On the other hand, if there is no liquid refrigerant on the bottom surface of the tank, boiling cooling performance cannot be exhibited.
特許文献1に記載される冷却器においては、ベースブロックの側面に対して複数のパイプが直立して設置されている。この冷却器が取り付けられた車両が勾配のある場所を走行すると、タンクの円管軸方向において、部分的にタンクの空間が液状の冷媒で埋まって液状のまま冷媒がパイプに到達したりタンクの底部に液状の冷媒がない状況ができたりすることが問題であった。 In the cooler described in Patent Document 1, a plurality of pipes are installed upright with respect to the side surface of the base block. When a vehicle equipped with this cooler travels on a slope, the tank space is partially filled with liquid refrigerant in the axial direction of the tank tube, and the refrigerant reaches the pipes in the liquid state. The problem was that there was no liquid refrigerant at the bottom.
また、タンクの円管軸の傾きとは別に、タンクに直立して配置されたパイプの円管軸の傾きが生じることがある。この場合には、パイプ内に冷媒が液状のまま進入して凝縮面積が減少することで冷却性能が低下するおそれがあるだけでなく、沸騰気泡がパイプ先端に激しく衝突して沸騰音(衝突音)を生じるおそれもある。 In addition to the inclination of the tank pipe axis, the pipe axis of the pipe arranged upright on the tank may be inclined. In this case, not only does the refrigerant enter the pipe in a liquid state and the condensation area decreases, but the cooling performance may decrease, and the boiling bubbles violently collide with the tip of the pipe, causing a boiling sound (impact sound). ) May occur.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、冷却性能の向上を図ることができ、使用時の姿勢が変化した場合においても、冷却性能を良好に維持できる冷却器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and can provide a cooler that can improve cooling performance and can maintain good cooling performance even when the posture during use changes. With the goal.
本発明の冷却器は、上下方向に沿い発熱体が装着される装着面を有するベースブロックと:該ベースブロックの前記装着面とは反対面に埋設され、冷媒が収容された円管状のタンク;及び該タンクの側面に立設状態で接続された、相互に平行な複数の円管状のパイプ;からなるパイプユニットと:複数の前記パイプを貫通させた状態でこれらパイプに取り付けられた複数の放熱フィンと:を備え、前記タンクは、前記ベースブロックの前記反対面に沿って水平方向に沿って延在し、前記パイプは、前記タンクの延在方向に沿う列をなして立設されるとともに、前記タンクとの接続端から閉塞端に向けて上方に向かうように傾斜しており、前記パイプの内径d2は、前記タンクの内径d1よりも小さく設定されており、前記パイプの中心線は、前記タンクの中心線から径方向に向かう放射線と平行に、0より大きく(d1−d2)/2以下の範囲内で前記放射線よりも上側に偏芯して配置されている。 The cooler of the present invention includes a base block having a mounting surface on which a heating element is mounted along the vertical direction; a circular tank embedded in a surface opposite to the mounting surface of the base block and containing a refrigerant; And a plurality of parallel pipe pipes connected in a standing manner to the side of the tank; and a plurality of heat radiations attached to the pipes through the pipes. The tank extends in a horizontal direction along the opposite surface of the base block, and the pipes are erected in a row along the extending direction of the tank. the is inclined to be directed upwardly toward the closed end from the connection end of the tank, an inner diameter d2 of the pipe, the is set smaller than the inner diameter d1 of the tank, the center line of the pipe, Parallel to the radiation direction from the center line of the serial tank in a radial direction and are arranged eccentrically above the said radiation in the range greater than the (d1-d2) / 2 or less 0.
通常、1つのタンクに複数のパイプを接続したサーモサイフォン型ヒートパイプ(パイプユニット)においては、単管式ヒートパイプと比較して、複数のパイプによる凝縮面積が大きいので、パイプユニットに収容される冷媒の液量が多い。また、車両の登降走行に伴う勾配時等にも沸騰冷却性能を発揮するには、パイプユニット内の冷媒が片側(低い方)に偏ることで、その反対側(高い方)のタンクの底部から冷媒がなくならないように(干上がらないように)するため、パイプユニットにおいて収容する冷媒の液量を多くしておく必要がある。ところが、その一方で、沸騰冷却性能を発揮するためには、パイプユニットの内部に収容された冷媒(冷媒の液面)とタンクに取り付けられたパイプとの間に適正な空間を確保することも必要とされるので、冷媒の液量が多いことが不利になるおそれがある。 Usually, in a thermosiphon type heat pipe (pipe unit) in which a plurality of pipes are connected to one tank, the condensation area of the plurality of pipes is larger than that of a single pipe type heat pipe, so that it is accommodated in the pipe unit. The amount of refrigerant is large. Also, in order to demonstrate boiling cooling performance when the vehicle is climbing up and down, the refrigerant in the pipe unit is biased to one side (lower side), so that the other side (higher side) from the bottom of the tank In order to prevent the refrigerant from running out (so as not to dry up), it is necessary to increase the amount of refrigerant stored in the pipe unit. However, on the other hand, in order to exert the boiling cooling performance, it is also possible to secure an appropriate space between the refrigerant (liquid level of the refrigerant) accommodated in the pipe unit and the pipe attached to the tank. Since it is required, it may be disadvantageous that the amount of the refrigerant is large.
この点、本発明の冷却器においては、各パイプをタンクから上方に向かうように傾斜させるとともに、タンクから上側に偏芯させているので、タンク内の液状の冷媒の貯留領域を増加させることができる。このため、冷却器が傾いた際にも、タンク内の液状の冷媒とパイプとの間に空間を確保することができる。また、パイプを上側に偏芯させ、タンク内の貯留領域を深くしているので、冷却器の姿勢が変化しても、タンク内に液状の冷媒を保持することができる。したがって、タンクの底部が乾くことがなく、常時、沸騰冷却性能を円滑に発揮させ良好に維持することができる。 In this respect, in the cooler of the present invention, each pipe is inclined upward from the tank and is eccentric upward from the tank, so that the storage area for the liquid refrigerant in the tank can be increased. it can. For this reason, even when the cooler is inclined, a space can be secured between the liquid refrigerant in the tank and the pipe. Further, since the pipe is eccentric upward and the storage area in the tank is deepened, the liquid refrigerant can be held in the tank even if the attitude of the cooler changes. Therefore, the bottom of the tank does not dry, and the boiling cooling performance can be exhibited smoothly and maintained at all times.
なお、車両の傾き等によるタンクの底部の干上がり対策として、タンクの長さを短くして、その分、タンクの設置数を増やして縦列状態に複数列配置することが考えられる。ところが、タンクの長さを短くして複数列配置した場合には、車両の走行方向すなわち冷却風の風上と風下とでヒートパイプ構造が分断されるため、温度勾配が生じて、風下側の温度が高くなることが懸念される。これに対し、本発明の冷却器においては、各パイプをタンクから上方に傾斜させてタンクに接続するとともにタンクの上側に偏芯させて配置したので、タンクを長尺化した場合においても冷媒の液量を増やすことができ、タンクの底部が干上がらないように管理することができる。このため、冷却風の風上から風下に至る長い一本のタンクを構成して、ヒートパイプの均熱特性により風上と風下との温度差を小さくし、冷却性能の向上を図ることができる。 In order to prevent the bottom of the tank from drying up due to the inclination of the vehicle or the like, it is conceivable that the length of the tank is shortened, and the number of tanks is increased accordingly, and a plurality of rows are arranged in a column. However, when the tank is shortened and arranged in multiple rows, the heat pipe structure is divided in the vehicle traveling direction, that is, the windward and leeward side of the cooling air, so that a temperature gradient occurs and the leeward side There is a concern that the temperature will rise. On the other hand, in the cooler of the present invention, each pipe is inclined upward from the tank and connected to the tank and is arranged eccentrically on the upper side of the tank. Therefore, even when the tank is elongated, The amount of liquid can be increased, and management can be performed so that the bottom of the tank does not dry up. For this reason, one long tank from the windward side to the leeward side of the cooling air can be configured, and the temperature difference between the windward and leeward can be reduced by the heat equalization characteristics of the heat pipe, so that the cooling performance can be improved. .
本発明の冷却器において、前記タンクに収容される前記冷媒の設定液面は、前記タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、前記パイプの前記接続端における前記設定液面から露出した最大開口高さm2と前記タンクの内径d1との比率(m2/d1)が0.27以上となるように設定されている。 In the cooler of the present invention, the set liquid level of the refrigerant stored in the tank is the set liquid level at the connection end of the pipe in a state where the extending direction of the tank is left in a horizontal direction. The ratio (m2 / d1) between the maximum opening height m2 exposed from the inner diameter d1 and the inner diameter d1 of the tank is set to be 0.27 or more.
タンクに対してパイプを上側に偏芯させることで、パイプユニットの内部に収容する冷媒の液量を増加させることが可能となり、冷却性能の向上を図ることができる。しかし、パイプユニットの内部に収容する冷媒の液量をあまり多くすると、タンク内の沸騰気泡がパイプに向かって冷媒を押し上げることで、パイプ先端に沸騰気泡が激しく衝突し、沸騰音(衝突音)が生じることがある。 By decentering the pipe upward with respect to the tank, it becomes possible to increase the amount of the refrigerant accommodated in the pipe unit, and to improve the cooling performance. However, if the amount of refrigerant contained in the pipe unit is increased too much, the boiling bubbles in the tank push the refrigerant toward the pipe, causing the boiling bubbles to collide violently at the tip of the pipe, resulting in a boiling sound (collision sound). May occur.
この点、本発明者は、パイプユニットに収容される冷媒の液面を、タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、パイプの接続端の最大開口高さm2とタンクの内径d1との比率(m2/d1)が0.27以上となるように設定することにより、沸騰音の発生を回避できることを突き止めた。このように、比率(m2/d1)を0.27以上に設定した場合においては、タンクとパイプとの間で蒸気の通路が確保されることから、沸騰気泡が冷媒を押し上げることを防止できる。したがって、パイプユニットの内部に収容する冷媒の液量を増量した場合であっても、沸騰音の発生を回避することができる。 In this regard, the present inventor has found that the liquid level of the refrigerant accommodated in the pipe unit is left standing along the horizontal direction of the tank extending direction and the maximum opening height m2 of the pipe connection end and the tank It was found that the generation of boiling noise can be avoided by setting the ratio (m2 / d1) to the inner diameter d1 to be 0.27 or more. As described above, when the ratio (m2 / d1) is set to 0.27 or more, a steam passage is ensured between the tank and the pipe, so that boiling bubbles can be prevented from pushing up the refrigerant. Therefore, even when the amount of the refrigerant stored in the pipe unit is increased, generation of boiling noise can be avoided.
本発明によれば、冷却性能の向上を図ることができ、使用時における姿勢が変化した場合においても、冷却性能を良好に維持することができる。
できる。According to the present invention, the cooling performance can be improved, and the cooling performance can be satisfactorily maintained even when the posture during use is changed.
it can.
以下、本発明の冷却器の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1から図3A,3Bは、本発明の実施形態の冷却器100を示している。この車両用冷却器100は、発熱体10が装着される装着面21aが上下方向に沿って形成されたベースブロック20と、このベースブロック20の装着面21aとは反対側の反対面21bに埋設された複数のタンク31及び各タンク31の側面に立設した状態で接続された複数のパイプ32からなるパイプユニット30と、複数のパイプ32を貫通させた状態でこれらパイプ32に取り付けられた複数の放熱フィン40とを備え、車両に用いられる。Hereinafter, embodiments of the cooler of the present invention will be described with reference to the drawings.
1 to 3A and 3B show a
この冷却器100は、図示は省略するが、車両の側面の下部において、ベースブロック20の装着面21aが上下方向に沿うようにして設置される。
Although not shown, the
ベースブロック20は、熱伝導性に優れる熱容量の大きなアルミニウムや銅等の金属により形成されている。そして、ベースブロック20の片側(図1では左側)の装着面21aに、半導体素子等の発熱体10が装着され、その発熱体10が装着された装着面21aとは反対側(図1では右側)の反対面21bに、タンク31が埋設されている。
The
パイプユニット30は、円管状のタンク31の側面に、このタンク31の内径d1よりも径の小さい内径d2の円管状の細いパイプ32を複数接続することにより構成されている。例えば、内径d1を27.6mmとするタンク31と、内径d2を13.88mmとするパイプ32とを、好適に用いることができる。
The
タンク31は、図2に示すように、円管状のパイプにより形成され、その延在方向が水平方向に沿って配置され、ベースブロック20の反対面21bに取り付けられている。
As shown in FIG. 2, the
パイプ32は、上述したように、内径d2がタンク31の内径d1よりも小さく設定され、図2に示すように各タンク31の側面に接続されている。また、パイプ32は、図3Bに示すように、一定間隔をおいて相互に平行に、タンク31の延伸方向に沿う列をなして立設されている。各パイプ32は、図2及び図4に示すように、タンク31との接続端からその反対側の閉塞端に向けて、水平方向に対して上方に角度αで傾斜して配置されている。この角度αは、車両が勾配のある場所を走行し、冷却器100が傾く可能性のある角度を基準(例えば7°)に設定される。そして、パイプ32の中心線は、タンク31の中心線から径方向に向かう放射線と平行に、(d1−d2)/2以下の範囲内で、その放射線よりも上側に偏芯して配置されている。なお、図4においては、このパイプ32の偏芯量を符号Lで示す。また、偏芯量Lは、例えば、タンク31の内径d1を27.6mm、パイプ32の内径d2を13.88mmとした場合においては、(d1−d2)/2以下の範囲内は、0mmを超えて6.86mm以下の範囲内とされる。
As described above, the
これらタンク31及びパイプ32は、アルミニウム又は銅により形成され、内部空間を一体としてろう付けにより接合されている。タンク31および各パイプ32を接合してなるパイプユニット30の内部には、純水やパーフルオロカーボン等の冷媒60が収容されている。
The
パイプユニット30に収容される冷媒60の設定液面は、図2及び図4に示すように、タンク31の延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、パイプ32の接続端における設定液面から露出した最大開口高さm2とタンク31の内径d1との比率(m2/d1)が0.27以上となるように設定されている。
As shown in FIGS. 2 and 4, the set liquid level of the refrigerant 60 accommodated in the
冷却器100では、このように複数のパイプ32が取り付けられたタンク31(パイプユニット30)を、図1から図3A,3Bに示すように、ベースブロック20の反対面21bに複数個を上下方向に並列に配置することにより、パイプ32をマトリクス状に配置している。なお、本実施例では、図3B及び図5に示すように、パイプ32を上面視で格子状に配置しているが、ジグザグに配列する構成としたり、他の配列とすることも可能である。
In the cooler 100, as shown in FIGS. 1 to 3A and 3B, a plurality of tanks 31 (pipe units 30) to which a plurality of
ベースブロック20と各タンク31とは、はんだ付け等により、一体に接合されている。これにより、ベースブロック32とタンク31との間の熱移動が円滑に行われるようになっている。
The
なお、本実施形態の冷却器100においては、ベースブロック20とタンク31との接合部分が、はんだ付け等による固定の他に、図1及び図2に示すように、固定金具50をベースブロック20にねじ止めすることにより固定されており、冷却器100に激しい振動が加えられた際において耐えうるように補強がなされている。
In the cooler 100 according to the present embodiment, the joint between the
パイプ32には、熱伝導率に優れたアルミニウムや銅からなる薄い板状の放熱フィン40が、パイプ32を貫通させた状態で、串刺しにされたように複数枚重ねて取り付けられている。放熱フィン40には、薄板の所定位置に、例えばバーリング加工等により形成された複数の貫通孔(図示略)が設けられている。これらの貫通孔にパイプ32を圧入することにより、各パイプ32に放熱フィン40が跨って取り付けられ、放熱フィン40と各パイプ32とが一体に設けられる。なお、放熱フィン40の貫通孔に挿入したパイプ32を拡管することにより、放熱フィン40を取り付けることもできる。
A plurality of thin plate-
このように構成された冷却器100においては、発熱体10から発生した熱が、ベースブロック20に伝わり、さらにベースブロック20からパイプユニット30のタンク31に伝わって、タンク31内の冷媒60を沸騰させて蒸発させる。そして、蒸発した冷媒60の蒸気は、タンク31内を上昇してパイプ32内に移動し、パイプ32を介して放熱フィン40に熱が伝わることにより冷却される。
In the cooler 100 configured as described above, the heat generated from the
この冷却器100においては、各パイプ32をタンク31から上方に傾斜させたパイプユニット30を構成しているので、車両が勾配のある場所を走行して冷却器100が傾いた際にも、各パイプ32は水平以上の角度の姿勢を保つことができる。また、タンク31に対して各パイプ32を上側に偏芯させて配置したので、タンク31内の液状の冷媒60の貯留領域を増加させることができる。これにより、冷却器100が傾いて姿勢が変化した際にも、タンク31内に液状の冷媒60を保持しながら、タンク31に空間を確保でき、冷媒60が液状のままタンク31からパイプ32に流れ込むことを防止することができる。つまり、液状の冷媒60のパイプ32への流れ込みが防止され、タンク31の底部が乾くことがないので、常時、沸騰冷却性能を円滑に発揮させることができ、冷却性能を良好に維持することができる。
In the cooler 100, the
冷却器100においては、タンク31を長尺化した場合においても、パイプユニット30に収容される冷媒60の液量を増やすことにより、タンク31の底部が干上がらないように管理することができる。このため、タンク31を長尺化して一本化し、ヒートパイプの均熱特性により、風上と風下との温度差を小さくすることができ、冷却性能の向上を図ることができる。
In the cooler 100, even when the
冷却器100においては、冷媒60の設定液面を、タンク31の延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、パイプ32の接続端の最大開口高さm2とタンク31の内径d1との比率(m2/d1)が0.27以上となるように設定し、蒸気の通路を確保しているので、沸騰気泡が液状の冷媒60を押し上げることを防止できる。したがって、パイプユニット30の内部に収容する冷媒60の液量を増量した場合であっても、沸騰音の発生を回避することができる。
In the cooler 100, the maximum opening height m2 of the connection end of the
なお、本発明は上記実施形態の構成のものに限定されるものではなく、細部構成においては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 In addition, this invention is not limited to the thing of the structure of the said embodiment, In a detailed structure, a various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
例えば、放熱フィン40は、上記実施形態のように、全部のパイプ32を貫通させた状態で取り付ける構成とする他、これら複数のパイプ32をいくつかのブロックに分けて、複数個のパイプ32毎に分けた小型の放熱フィンを取り付ける構成とすることもできる。
For example, the radiating
また、上記実施形態において、各パイプ32は接続端において、図4に示すように、各パイプ32の中心線と直交するように切断されているが、図6に示すパイプユニット30Aのように、中心線に対して斜めに切断された接続端を有するパイプ32Aを用いてもよい。この場合、タンク31内へのパイプ32Aの接続端の進入量を極力少なくすることができる。
Moreover, in the said embodiment, although each
冷却性能の向上を図ることができ、使用時の姿勢が変化した場合においても、沸騰冷却性能を良好に維持できる冷却器を提供する。 Provided is a cooler capable of improving cooling performance and capable of maintaining good boiling cooling performance even when the posture during use is changed.
10 発熱体
20 ベースブロック
21a 装着面
21b 反対面
30,30A パイプユニット
31 タンク
32,32A パイプ
40 放熱フィン
50 固定金具
60 冷媒
100 冷却器DESCRIPTION OF
Claims (2)
該ベースブロックの前記装着面とは反対面に埋設され、冷媒が収容された円管状のタンク;及び該タンクの側面に立設状態で接続された、相互に平行な複数の円管状のパイプ;からなるパイプユニットと:
複数の前記パイプを貫通させた状態でこれらパイプに取り付けられた複数の放熱フィンと:を備え、
前記タンクは、前記ベースブロックの前記反対面に沿って水平方向に延在し、
前記パイプは、前記タンクの延在方向に沿う列をなして立設されるとともに、前記タンクとの接続端から閉塞端に向けて上方に向かうように傾斜しており、
前記パイプの内径d2は、前記タンクの内径d1よりも小さく設定され、
前記パイプの中心線は、前記タンクの中心線から径方向に向かう放射線と平行に、0より大きく(d1−d2)/2以下の範囲内で前記放射線よりも上側に偏芯して配置されている冷却器。 A base block having a mounting surface on which a heating element is mounted along the vertical direction:
A tubular tank embedded in a surface opposite to the mounting surface of the base block and containing a refrigerant; and a plurality of parallel tubular pipes connected in a standing state to a side surface of the tank; A pipe unit consisting of:
A plurality of heat dissipating fins attached to these pipes in a state of penetrating the plurality of pipes;
The tank extends horizontally along the opposite surface of the base block ;
The pipe is erected in a row along the extending direction of the tank, and is inclined so as to go upward from the connection end with the tank toward the closed end,
An inner diameter d2 of the pipe is set smaller than an inner diameter d1 of the tank,
The center line of the pipe is arranged in parallel with the radial radiation from the center line of the tank and eccentrically above the radiation within a range greater than 0 (d1-d2) / 2. The cooler.
前記タンクの延在方向を水平方向に沿って静置した状態において、
前記パイプの前記接続端における前記設定液面から露出した最大開口高さm2と前記タンクの内径d1との比率(m2/d1)が0.27以上となるように設定されている請求項1に記載の冷却器。 The set liquid level of the refrigerant stored in the tank is in a state where the extending direction of the tank is allowed to stand along the horizontal direction.
The ratio (m2 / d1) between the maximum opening height m2 exposed from the set liquid level at the connection end of the pipe and the inner diameter d1 of the tank is set to be 0.27 or more. The cooler described.
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