沸騰冷卻裝置的製作方法
2023-05-07 12:47:46 2
專利名稱：沸騰冷卻裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及沸騰冷卻裝置，特別涉及使用沸騰、二相流(氣液二相流)的冷卻裝置的冷卻性能的改善。
背景技術：
一直以來，開發了使用強制對流下的沸騰、二相流的冷卻裝置，適用於混合動力車輛的變換器(逆變器)冷卻系統等。在專利文獻1中，公開了一種功率半導體模塊，其包括具有冷卻劑流路的冷卻用基體和在其上安裝的多個功率半導體，最適當地確定功率半導體元件的安裝位置以使冷卻劑的溫度上升最適當化，提高冷卻效率。此外，在專利文獻2中，公開了一種沸騰冷卻裝置，在沸騰冷卻中防止模塊的上部 (下遊區域)的放熱性能下降，公開了用隔壁等來防止因來自功率半導體的授熱而在模塊的下部(上遊區域)產生的蒸汽進入模塊的上部(下遊區域)。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 特開2007-12722號公報；專利文獻2 特開平9-23081號公報。
發明內容
發明所要解決的問題但是，在使用沸騰、二相流的冷卻裝置中，需要抑制極限熱流速的下降和/或沸騰時的傳熱係數的下降，並將裝置儘可能地設計為小型。通常，在沸騰中由氣泡底部的氣液運行情況來決定傳熱(熱傳遞)。具體地，因薄液膜的形成而促進傳熱的區域和因乾燥部的發展而使傳熱變差的部分共存。而且，對於任一現象佔支配地位的情況，氣泡的附著面積都會產生很大影響。但是，如果因氣泡的成長而使附著面積增大，則有時也會從促進傳熱轉變為變差。圖8A和圖8B表示與小氣泡的成長相伴的泡核沸騰傳熱的小的傳熱促進的狀態。 在開放式流路中氣泡尺寸為較小的情況。圖8(A)是俯視圖，圖8(B)是側視圖。壓力越低則氣泡尺寸越大，周圍液體的溫度比飽和溫度越低(低溫處理)則氣泡尺寸越小。在氣泡尺寸小的情況下，乾燥部50的面積也小，但是，薄液膜52所佔的面積也變小。其結果，沸騰傳熱的特徵變小，依然很大地有助於對氣泡周圍的液單相的傳熱。因此，與對液單相的傳熱相比較的情況下的傳熱促進比例小。圖9A和圖9B表示與大氣泡的成長相伴的泡核沸騰傳熱的大的傳熱促進的狀態。 在開放式流路中氣泡尺寸為中 大的情況。在氣泡尺寸變大時，乾燥部50的面積也變大， 但是，薄液膜52所佔的面積變大。其結果，沸騰傳熱的特徵變顯著，與向液單相的傳熱的情況相比較的情況下的傳熱促進比例大。
圖IOA和圖IOB表示與巨大氣泡的成長相伴的泡核沸騰傳熱的傳熱變差(劣化) 的狀態。在開放式流路中氣泡尺寸為非常大的情況。在氣泡變得過大時，乾燥部50的所佔的面積擴展，該部分的傳熱變差相比薄液膜52的蒸發所產生的傳熱促進變得更為顯著，作為傳熱面整體而呈現傳熱變差的狀況。圖IlA和圖IlB表示與冷卻翅片12 (以下簡稱為翅片，7 4 > )間的扁平氣泡成長相伴的泡核沸騰傳熱的傳熱促進的狀態。在翅片間狹窄的流路中，氣泡尺寸為中等程度的情況。可通過產生適度大小的扁平並使其成長來同時滿足翅片12所致的傳熱面積的增大和傳熱係數的增大。圖12表示氣泡體積和傳熱促進、變差的關係。橫軸表示氣泡體積，豎軸表示傳熱。 豎軸的箭頭P表示傳熱促進，箭頭Q表示傳熱變差。開放式流路(圖中，由標記a表示)和翅片間狹窄流路(圖中，由標記b表示)皆是無論氣泡體積過小還是過大都不能估計到傳熱促進，需要使氣泡限制於適度的大小(圖中，用OPT表示最佳值)。因此，控制對傳熱面的接觸時間以不過度地延長是重要的。用於解決問題的手段本發明的目的是提供可用簡單的構成使氣泡體積限制於適度的大小，從而提高傳熱特性的冷卻裝置。本發明的沸騰冷卻裝置，將發熱體冷卻，其特徵在於，具有在鉛垂方向上配置的至少第一和第二冷卻通道，所述第一冷卻通道和第二冷卻通道還具有使冷卻劑在鉛垂方向上流動的冷卻翅片；和在所述冷卻翅片的、與抵接發熱體的一側相反側形成的蒸汽排出流路，在所述第一冷卻通道和所述第二冷卻通道之間，具有阻礙在所述第一冷卻通道產生的氣泡向所述第二冷卻通道前進且向所述蒸汽排出流路導引的導引部。在本發明的一個實施方式中，還具有在所述冷卻翅片和所述蒸汽排出流路之間配置的隔板，所述導引部形成為所述隔板的一部分。在本發明的另一實施方式中，所述隔板在與所述第一冷卻通道和所述第二冷卻通道之間對應的位置具有開口部，所述導引部從所述開口部的緣部向所述冷卻翅片的所述抵接發熱體的一側突出形成。此外，在本發明的另一實施方式中，還具有在所述第一冷卻通道和所述第二冷卻通道之間設置且向所述第二冷卻通道供給冷卻劑的供液管，所述導引部的頂端(前端)部抵接所述供液管。另外，在本發明的另一實施方式中，所述第一冷卻通道配置在所述第二冷卻通道的鉛垂下方，所述導引部從所述第二冷卻通道的所述冷卻翅片朝向所述第一冷卻通道的所述冷卻翅片傾斜形成。發明的效果根據本發明，可用簡單的構成使氣泡體積限制於適度的大小，從而提高傳熱特性。
圖IA是實施方式的冷卻裝置的主視圖。圖IB是實施方式的冷卻裝置的側視圖。圖IC是實施方式的冷卻裝置的B-B』剖視圖。
圖ID是實施方式的冷卻裝置的A-A』剖視圖。圖2A是供液管的構成圖。圖2B是供液管的另一構成圖。圖3A是流路隔板兼蒸汽排出導引板的主視圖。圖;3B是流路隔板兼蒸汽排出導引板的側視圖。圖4是翅片及流路隔板兼蒸汽排出導引板的分解立體圖。圖5是實施方式的冷卻裝置的整體構成圖。圖6是實施方式的系統構成圖。圖7是實施方式的另一系統構成圖。圖8A是表示在開放式流路中氣泡尺寸小的情況下的傳熱特性的俯視圖。圖8B是表示在開放式流路中氣泡尺寸小的情況下的傳熱特性的側視圖。圖9A是表示在開放式流路中氣泡尺寸中等程度的情況下的傳熱特性的俯視圖。圖9B是表示在開放式流路中氣泡尺寸中等程度的情況下的傳熱特性的側視圖。圖IOA是表示在開放式流路中氣泡尺寸過大的情況下的傳熱特性的俯視圖。圖IOB是表示在開放式流路中氣泡尺寸過大的情況下的傳熱特性的側視圖。圖IlA是表示在翅片間狹窄流路中氣泡尺寸中等程度的情況下的傳熱特性的俯視圖。圖IlB是表示在翅片間狹窄流路中氣泡尺寸中等程度的情況下的傳熱特性的側視圖。圖12是表示氣泡體積和傳熱特性的關係的曲線圖。附圖標記說明1沸騰冷卻裝置 2下層通道 3中層通道 4上層通道10供液管 12翅片 13翅片基部 14冷卻面 16蒸汽排出流路 18流路隔板兼蒸汽排出導引板 19導引部 20隔板
具體實施例方式下面根據附圖來說明本發明的實施方式。圖IA 圖ID中表示本實施方式的沸騰冷卻裝置的重要部分的構成。圖IA是主視圖，圖IB是側視圖，圖IC是B-B』剖視圖，圖ID是A-A』剖視圖。沸騰冷卻裝置1具有供液管10、翅片12、翅片基部13、冷卻面14、蒸汽排出流路 16、流路隔板兼蒸汽排出導引板18。翅片12是在翅片基部13上以預定間隔豎立設置多個，且各翅片12形成冷卻通道的多通道方式。如圖IA的主視圖所示，沸騰冷卻裝置1在鉛垂方向上配置(垂直設置)，各翅片12在鉛垂方向上延伸設置。在圖中，例示下層通道2、中層通道3、上層通道4這三個通道，由隔板20左右分隔而表示共計六個通道，但是，並不限於此。各翅片12由例如高熱導率的鋁成形，在鉛垂方向上形成冷卻劑流路。將冷卻劑通過泵向鉛垂上方強制對流。翅片12使構成冷卻面14的翅片基部13的表面積擴大，並且增大傳熱率。在翅片12的冷卻面14上，抵接例如混合動力車輛的功率元件單元(IGBT模塊)。供液管10在翅片12間配置，將作為冷卻劑的冷卻液向翅片12供給。如圖IA所示，供液管10在各通道的每個水平地配置。在下層通道2，從在下層通道2的下部配置的供液管10向鉛垂上方供給冷卻劑，在中層通道3，從在中層通道3的下部即中層通道3和下層通道2之間配置的供液管10向鉛垂上方供給冷卻劑，在上層通道4，從在上層通道4的下部即上層通道4和中層通道3之間配置的供液管10向鉛垂上方供給冷卻劑。供液管10如上述那樣在水平方向上配置，如圖中箭頭那樣從右側向位於隔板20右側的各供液管10供給冷卻劑，從左側向位於隔板20左側的各供液管10供給冷卻劑。冷卻劑由各通道的各翅片 12加熱，沸騰而產生氣泡。蒸汽流出流路16在各翅片12的上表面即發熱體所抵接的翅片12的與冷卻面14 相反側的面上設置。蒸汽排出流路16對各冷卻通道共同設置，將在各冷卻通道產生的氣泡排出。流路隔板兼蒸汽排出導引板18與各翅片12的上表面，即與翅片基部13相反側的面，也就是翅片12的與冷卻面相反側的面抵接配置，以將翅片12和蒸汽排出流路16分隔。 此外，流路隔板兼蒸汽排出導引板18在下層通道2的翅片12和中層通道3的翅片12之間、 以及中層通道3的翅片12和上層通道4的翅片12之間設置開口部，並且，在開口部的緣部具有向翅片基部13以預定角度傾斜突出的導引部19。如圖IB所示，流路隔板兼蒸汽排出導引板18的導引部19，若著眼於下層通道2和中層通道3之間，從中層通道的翅片12的鉛垂下方側端部向翅片基部13突出並抵接供液管10。中層通道3和上層通道4之間也同樣，導引部19從上層通道4的翅片12的鉛垂下方側端部向翅片基部13突出並抵接供液管 10。導引部19可與流路隔板兼蒸汽排出導引板18分體地成形以與流路隔板兼蒸汽排出導引板18接合，可將流路隔板兼蒸汽排出導引板18的一部分向翅片基部13側彎曲形成。導引部19從中層通道3的翅片12的鉛垂下方側端部向翅片基部13以預定角度傾斜突出而與供液管10抵接，因此在下層通道2的翅片12產生且通過翅片12的氣泡由該導引部19 作為屏障，阻礙向中層通道3的前進並向蒸汽排出流路16導引。此外，導引部19從上層通道4的翅片12的鉛垂下方側端部向翅片基部13以預定角度傾斜突出而與供液管10抵接， 因此在中層通道3的翅片12產生且通過翅片12的氣泡由該導引部19作為屏障，阻礙向上層通道4的前進並向蒸汽排出流路16導引。圖2A和圖2B表示供液管10的形狀例。圖2A是在供液管10的側面以預定間隔形成多個其開口直徑依次增大的冷卻劑供給孔的情況。此外，圖2B是在供液管10的側面形成其開口面積依次增大的冷卻劑供給槽的情況。在任一情況下，都配置成越靠近冷卻劑的下遊側開口直徑或開口面積越增大。圖3A和圖;3B表示流路隔板兼蒸汽排出導引板18的構成。圖3A是主視圖，圖是側視圖。流路隔板兼蒸汽排出導引板18通過將金屬板衝壓成形而構成，在下層通道2和中層通道3之間以及中層通道3和上層通道4之間分別形成開口部18a、18b。在下層通道 2產生並成長的氣泡從開口部18a排出到蒸汽排出流路16，在中層通道3產生並成長的氣泡從開口部18b排出到蒸汽排出流路16。在開口部18a的開口端部，具體地，在中層通道3的翅片12的鉛垂下方側端部形成導引部19，並且，在開口部18b的開口端部即上層通道4的翅片12的鉛垂下方側端部形成導引部19。導引部19可通過將流路隔板兼蒸汽排出導引板18的一部分彎曲而成形。圖4A和圖4B表示翅片12和流路隔板兼蒸汽排出導引板18的分解立體圖。在下層通道2的翅片12產生的氣泡碰撞導引部19，沒有向中層通道3前進地從開口部18a排出到蒸汽排出流路16。此外，在中層通道3的翅片12產生的氣泡碰撞導引部19，沒有向上層通道4前進地從開口部18b排出到蒸汽排出流路16。在上層通道4的翅片12產生的氣泡原樣地(直接)排出到蒸汽排出流路16。圖5表示沸騰冷卻裝置1的整體構成。作為重要部分的冷卻部28配置在功率元件單元等發熱體沈之間。在冷卻部觀的鉛垂下方設置冷卻劑供給套管22和液量分配板 24，儲存從鉛垂下方由泵供給的冷卻劑，並且將冷卻劑以適當的量分配來向冷卻部觀的各供液管10供給。另一方面，在冷卻部觀的鉛垂上方設置蒸汽排出套管30，與冷卻部觀的蒸汽排出流路16連接。由導引部19排出到蒸汽排出流路16的氣泡被蒸汽排出套管30收集並排出到外部。這樣，在本實施方式中通過將流路隔板兼蒸汽排出導引板18設置於翅片12和蒸汽排出流路16之間，從而可防止在各冷卻通道產生的氣泡向下一冷卻通道前進而使氣泡變得過大，且可防止傳熱性能的變差、極限熱流速的下降。此外，在本實施方式中將蒸汽排出流路16在翅片12的上表面側即配置在與作為發熱體的功率元件單元相反一側，因此可縮小冷卻裝置的寬度方向尺寸。另外，本實施方式的流路隔板兼蒸汽排出導引板18可僅配置在翅片12上，因此結構的簡化和製造時的組裝性也提高。此外，如本實施方式那樣，使沸騰冷卻裝置1成為垂直設置，翅片12也垂直設置， 從而具有基於浮力的所產生的氣泡的排出性提高的效果。再有，本實施方式的沸騰冷卻裝置不限於混合動力車輛的變換器冷卻，可適用於任意發熱體。使用本實施方式的冷卻裝置的系統構成也是任意的，在圖6和圖7中表示其一個實例。在圖6中，將從沸騰冷卻裝置1排出的氣液二相流向氣液分離器106供給。此外， 在氣液分離器106連接有冷凝器108，在冷凝器108還連接有第二氣液分離器110。來自氣液分離器106、110的冷卻液經調整閥112向過冷卻器102供給，通過泵104向沸騰冷卻裝置1中循環。在調整閥112和過冷卻器102之間連接儲液器100(儲能器)，利用氣體壓力來將冷卻液向過冷卻器102供給。在圖7中，將從沸騰冷卻裝置1排出的氣液二相流向冷凝器108供給，在冷凝器 108連接有氣液分離器116。來自氣液分離器116的冷卻液通過泵104向沸騰冷卻裝置1循環。在泵104和氣液分離器116之間連接有儲液器100，利用氣體壓力來將冷卻液向泵104供給。
權利要求
1.一種沸騰冷卻裝置，將發熱體冷卻，其特徵在於，具有在鉛垂方向上配置的至少第一冷卻通道和第二冷卻通道， 所述第一冷卻通道和第二冷卻通道具有 使冷卻劑在鉛垂方向上流動的冷卻翅片；和在所述冷卻翅片的、與抵接發熱體的一側的相反側形成的蒸汽排出流路， 在所述第一冷卻通道和所述第二冷卻通道之間，還具有阻礙在所述第一冷卻通道產生的氣泡向所述第二冷卻通道前進且向所述蒸汽排出流路導引的導引部。
2.根據權利要求1所述的沸騰冷卻裝置，其特徵在於，還具有配置在所述冷卻翅片和所述蒸汽排出流路之間的隔板，所述導引部形成為所述隔板的一部分。
3.根據權利要求2所述的沸騰冷卻裝置，其特徵在於，所述隔板在與所述第一冷卻通道和所述第二冷卻通道之間對應的位置具有開口部，所述導引部從所述開口部的緣部向所述冷卻翅片的所述抵接發熱體的一側突出地形成。
4.根據權利要求3所述的沸騰冷卻裝置，其特徵在於，還具有設置在所述第一冷卻通道和所述第二冷卻通道之間的向所述第二冷卻通道供給冷卻劑的供液管，所述導引部的頂端部抵接所述供液管。
5.根據權利要求3所述的沸騰冷卻裝置，其特徵在於， 所述第一冷卻通道配置在所述第二冷卻通道的鉛垂下方，所述導引部從所述第二冷卻通道的所述冷卻翅片朝向所述第一冷卻通道的所述冷卻翅片傾斜地形成。
全文摘要
本發明提供能用簡單的構成使氣泡體積限制於適度大小的沸騰冷卻裝置。在將發熱體冷卻的沸騰冷卻裝置中，在鉛垂方向上具有下層通道(2)、中層通道(3)、上層通道(4)多個冷卻通道，各冷卻通道具有在鉛垂方向上使冷卻劑流動的冷卻翅片(12)和在冷卻翅片(12)的與抵接發熱體的一側相反側形成的蒸汽排出流路(16)。再有，在各冷卻通道間，具備阻礙產生的氣泡向下一冷卻通道前進並向蒸汽排出流路(16)導引的流路隔板兼蒸汽排出導引板(18)。
文檔編號H01L23/427GK102349152SQ20108001121
公開日2012年2月8日 申請日期2010年3月9日 優先權日2009年3月10日
發明者中村秀生, 久野裕道, 大田治彥, 山崎丈嗣, 新本康久, 河南治, 白井幹夫, 竹綱靖治, 鈴木康一, 阿部宜之 申請人:豐田自動車株式會社