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WO2010104080A1 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

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WO2010104080A1
WO2010104080A1 PCT/JP2010/053910 JP2010053910W WO2010104080A1 WO 2010104080 A1 WO2010104080 A1 WO 2010104080A1 JP 2010053910 W JP2010053910 W JP 2010053910W WO 2010104080 A1 WO2010104080 A1 WO 2010104080A1
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WO
WIPO (PCT)
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cooling
channel
cooling channel
fin
heat transfer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2010/053910
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
裕道 久野
靖治 竹綱
白井　幹夫
中村　秀生
山崎　丈嗣
治彦 大田
康久 新本
鈴木　康一
宜之 阿部
治 河南
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to US13/254,680 priority Critical patent/US20120111550A1/en
Priority to CN201080011212.XA priority patent/CN102349152B/zh
Priority to DE112010001158T priority patent/DE112010001158B8/de
Publication of WO2010104080A1 publication Critical patent/WO2010104080A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H10W40/73—
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H05K7/2089—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating for power electronics, e.g. for inverters for controlling motor
    • H05K7/20936—Liquid coolant with phase change
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • F28D15/0266—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes with separate evaporating and condensing chambers connected by at least one conduit; Loop-type heat pipes; with multiple or common evaporating or condensing chambers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F3/00—Plate-like or laminated elements; Assemblies of plate-like or laminated elements
    • F28F3/12—Elements constructed in the shape of a hollow panel, e.g. with channels

Definitions

  • the present invention relates to a boiling cooling device, and more particularly to improvement of cooling performance in a cooling device using boiling / two-phase flow (gas-liquid two-phase flow).
  • Patent Document 1 is composed of a cooling base body having a coolant channel and a plurality of power semiconductors mounted thereon, optimally determining the mounting position of the power semiconductor element to optimize the temperature rise of the coolant, and cooling A power semiconductor module with improved efficiency is disclosed.
  • Patent Document 2 discloses a boiling cooling device that prevents a decrease in heat dissipation performance in the upper part (downstream area) of the module in boiling cooling. In the lower part (upstream area) of the module due to heat transfer from the power semiconductor. It is disclosed that a generated partition prevents the generated steam from entering the upper part (downstream area) of the module.
  • JP 2007-12722 A Japanese Patent Laid-Open No. 9-23081
  • FIG. 8A and FIG. 8B show a state of small heat transfer promotion in nucleate boiling heat transfer accompanying the growth of small bubbles. This is the case when the bubble size is small in the open flow path.
  • 8A is a plan view
  • FIG. 8B is a side view.
  • the bubble size increases as the pressure decreases, and decreases as the temperature of the surrounding liquid becomes lower than the saturation temperature (subcool state).
  • the saturation temperature subcool state
  • 9A and 9B show a state of large heat transfer promotion in the nucleate boiling heat transfer accompanying the growth of large bubbles. This is when the bubble size is medium to large in the open channel. As the bubble size increases, the area of the dry portion 50 also increases, but the area occupied by the thin liquid film 52 increases. As a result, the feature of boiling heat transfer becomes remarkable, and the heat transfer promotion ratio when compared with heat transfer to the liquid single phase is large.
  • FIG. 10A and FIG. 10B show the state of heat transfer deterioration in nucleate boiling heat transfer accompanying the growth of giant bubbles. This is the case when the bubble size is very large in the open channel. When the bubbles become excessively large, the area occupied by the dry portion 50 increases, and the heat transfer deterioration in this portion becomes more conspicuous than the heat transfer promotion by evaporation of the thin liquid film 52, and the heat transfer surface as a whole is deteriorated in heat transfer. It will take on an aspect.
  • FIG. 11A and 11B show the state of heat transfer promotion in nucleate boiling heat transfer accompanying flat bubble growth between cooling fins 12 (hereinafter simply referred to as fins). This is a case where the bubble size is medium in a narrow flow path between fins.
  • FIG. 12 shows the relationship between the bubble volume and heat transfer acceleration / degradation.
  • the horizontal axis represents the bubble volume
  • the vertical axis represents heat transfer.
  • An arrow P on the vertical axis indicates heat transfer promotion
  • an arrow Q indicates heat transfer deterioration.
  • Both the open channel (indicated by symbol a) and the narrow fin channel (indicated by symbol b in the diagram) cannot be expected to promote heat transfer if the bubble volume is too small or too large. It is necessary to keep the size as large as possible (in the figure, the optimum value is indicated by OPT). For this reason, it is important that the contact time with the heat transfer surface is controlled so as not to be excessively long.
  • An object of the present invention is to provide a cooling device that can keep a bubble volume to an appropriate size with a simple configuration, thereby improving heat transfer characteristics.
  • the present invention relates to a boiling cooling device for cooling a heating element, having at least first and second cooling channels arranged in a vertical direction, wherein the first cooling channel and the second cooling channel supply a refrigerant in a vertical direction.
  • it further includes a partition plate arranged between the cooling fin and the steam discharge flow path, and the guide portion is formed as a part of the partition plate.
  • the partition plate has an opening at a position corresponding to between the first cooling channel and the second cooling channel, and the guide portion is cooled from the edge of the opening.
  • the fin is formed so as to protrude toward the heating element contact side of the fin.
  • it further includes a liquid supply pipe that is provided between the first cooling channel and the second cooling channel and supplies a refrigerant to the second cooling channel, and the tip of the guide portion. The portion comes into contact with the liquid supply pipe.
  • the first cooling channel is disposed vertically below the second cooling channel, and the guide portion extends from the cooling fin of the second cooling channel to the first cooling channel. An inclination is formed toward the cooling fin.
  • the present invention it is possible to keep the bubble volume at an appropriate size with a simple configuration and improve the heat transfer characteristics.
  • 1 boil cooling device 2 lower channel, 3 middle channel, 4 upper channel, 10 feed pipe, 12 fins, 13 fin base, 14 cooling surface, 16 steam discharge flow path, 18 flow path partition plate and steam discharge guide plate, 19 guide parts, 20 partition plates.
  • FIG. 1A to FIG. 1D show the main configuration of the boiling cooling device in the present embodiment.
  • 1A is a front view
  • FIG. 1B is a side view
  • FIG. 1C is a B-B ′ sectional view
  • FIG. 1D is an A-A ′ sectional view.
  • the boiling cooling device 1 includes a liquid supply pipe 10, fins 12, fin bases 13, a cooling surface 14, a steam discharge channel 16, and a channel partition plate / steam discharge guide plate 18.
  • a plurality of fins 12 are erected on the fin base 13 at a predetermined interval, and each fin 12 forms a cooling channel.
  • the boiling cooling device 1 is arranged in the vertical direction (vertical placement), and each fin 12 extends in the vertical direction.
  • three channels of the lower channel 2, the middle channel 3, and the upper channel 4 are illustrated, and a total of six channels are shown by being partitioned left and right by the partition plate 20, but the present invention is not limited to this.
  • Each fin 12 is formed of, for example, aluminum having high thermal conductivity, and a coolant channel is formed in the vertical direction.
  • the refrigerant is forcedly convected vertically upward by the pump.
  • the fin 12 enlarges the surface area of the fin base 13 constituting the cooling surface 14 and increases the heat transfer coefficient.
  • a power element unit (IGBT module) of a hybrid vehicle abuts on the cooling surface 14 of the fin 12.
  • the liquid supply pipe 10 is arranged between the fins 12 and supplies a cooling liquid as a refrigerant to the fins 12. As shown in FIG. 1A, the liquid supply pipe 10 is arranged in the horizontal direction for each channel.
  • the lower channel 2 is supplied with a refrigerant vertically upward from a liquid supply pipe 10 disposed at the lower portion of the lower channel 2, and the lower channel of the middle channel 3, that is, the middle channel 3 and the lower channel 2 is supplied to the middle channel 3.
  • the refrigerant is supplied vertically upward from the liquid supply pipe 10 disposed between them, and the liquid supply pipe 10 disposed between the upper channel 4 and the lower channel 4, that is, between the upper channel 4 and the middle channel 3, is supplied to the upper channel 4.
  • the refrigerant is supplied vertically upward.
  • the liquid supply pipes 10 are arranged in the horizontal direction as described above, and each of the liquid supply pipes 10 positioned on the right side of the partition plate 20 is supplied with refrigerant from the right side as indicated by an arrow in the figure, and is positioned on the left side of the partition plate 20. Refrigerant is supplied to each liquid supply pipe 10 from the left side. The refrigerant is heated by each fin 12 of each channel and boiled to generate bubbles.
  • the vapor discharge flow path 16 is provided on the upper surface of each fin 12, that is, the surface opposite to the cooling surface 14 of the fin 12 with which the heating element abuts.
  • the steam discharge flow path 16 is provided in common to each cooling channel, and discharges bubbles generated in each cooling channel.
  • the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 is disposed in contact with the upper surface of each fin 12, that is, the surface opposite to the fin base portion 13, that is, the surface opposite to the cooling surface of the fin 12.
  • the vapor discharge channel 16 is partitioned. Further, the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 is opened between the fins 12 of the lower channel 2 and the fins 12 of the middle channel 3 and between the fins 12 of the middle channel 3 and the fins 12 of the upper channel 4.
  • a guide portion 19 that protrudes at an angle toward the fin base portion 13 at an edge portion of the opening portion. As shown in FIG.
  • the guide portion 19 of the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 is focused on between the lower channel 2 and the middle channel 3, and the fin base from the vertically lower end of the fin 12 of the middle channel. It protrudes toward 13 and contacts the liquid supply pipe 10. The same applies to the middle channel 3 and the upper channel 4, and the guide portion 19 protrudes from the vertically lower end of the fin 12 of the upper channel 4 toward the fin base portion 13 and comes into contact with the liquid supply pipe 10.
  • the guide portion 19 may be formed separately from the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 and joined to the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18. The portion may be bent on the fin base 13 side.
  • the guide portion 19 protrudes at a predetermined angle from the vertically lower end of the fin 12 of the middle channel 3 toward the fin base 13 and abuts against the liquid supply pipe 10, the guide portion 19 is formed by the fin 12 of the lower channel 2.
  • the bubbles that have been generated and have passed through the fins 12 are blocked by the guide portion 19 and are prevented from proceeding to the middle channel 3 and are guided to the vapor discharge passage 16.
  • the guide portion 19 protrudes at a predetermined angle from the vertically lower end of the fin 12 of the upper channel 4 toward the fin base 13 and contacts the liquid supply pipe 10, the fin of the middle channel 3 The bubbles generated at 12 and passing through the fins 12 are blocked by the guide portion 19 and are prevented from proceeding to the upper channel 4 and are guided to the vapor discharge flow path 16.
  • FIG. 2A and 2B show an example of the shape of the liquid supply pipe 10.
  • FIG. 2A shows a case where a plurality of refrigerant supply holes whose opening diameters are sequentially increased are formed at predetermined intervals on the side surface of the liquid supply pipe 10.
  • FIG. 2B shows a case where a refrigerant supply slit whose opening area is sequentially increased is formed on the side surface of the liquid supply pipe 10. In any case, the opening diameter or the opening area is increased toward the downstream side of the refrigerant.
  • FIG. 3A and 3B show the configuration of the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18.
  • 3A is a front view and FIG. 3B is a side view.
  • the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 is formed by pressing a metal plate, and has openings 18a and 18b between the lower channel 2 and the middle channel 3 and between the middle channel 3 and the upper channel 4 respectively. Is formed. Bubbles generated and grown in the lower channel 2 are discharged from the opening 18a to the vapor discharge channel 16, and bubbles generated and grown in the middle channel 3 are discharged from the opening 18b to the vapor discharge channel 16.
  • the guide portion 19 is formed at the opening end of the opening 18a, specifically, the vertically lower end of the fin 12 of the middle channel 3, and the opening end of the opening 18b, that is, the fin 12 of the upper channel 4 is formed.
  • a guide portion 19 is formed at the end portion on the vertically lower side.
  • the guide portion 19 may be formed by bending a part of the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18.
  • FIGS. 4A and 4B are exploded perspective views of the fins 12 and the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18. Bubbles generated in the fins 12 of the lower channel 2 collide with the guide portion 19, and are discharged from the opening 18 a to the vapor discharge channel 16 without proceeding to the middle channel 3. In addition, bubbles generated in the fins 12 of the middle channel 3 also collide with the guide portion 19 and are discharged from the opening 18 b to the vapor discharge flow path 16 without proceeding to the upper channel 4. Bubbles generated in the fins 12 of the upper channel 4 are discharged as they are to the vapor discharge flow path 16.
  • FIG. 5 shows the overall configuration of the boiling cooling device 1.
  • the cooling unit 28 which is a main part, is disposed between the heating elements 26 such as a power element unit.
  • a refrigerant supply jacket 22 and a liquid quantity distribution plate 24 are provided vertically below the cooling unit 28, store the refrigerant supplied by the pump from below the vertical, and distribute the refrigerant in an appropriate amount to each of the cooling units 28. Supply to the supply pipe 10.
  • a steam discharge jacket 30 is provided vertically above the cooling unit 28 and connected to the steam discharge channel 16 of the cooling unit 28. Bubbles discharged to the steam discharge passage 16 by the guide portion 19 are collected in the steam discharge jacket 30 and discharged to the outside.
  • the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 is interposed between the fins 12 and the steam discharge flow path 16 so that bubbles generated in each cooling channel advance to the next cooling channel.
  • the steam discharge channel 16 is arranged on the upper surface side of the fin 12, that is, on the side opposite to the power element unit that is a heating element, the size in the width direction of the cooling device can be reduced.
  • the flow path partition plate / steam discharge guide plate 18 in the present embodiment only needs to be disposed on the fins 12, the structure is simplified and the assemblability at the time of manufacture is improved.
  • the boiling cooling device 1 is placed vertically, and the fins 12 are also placed vertically, so that there is an effect of improving the discharge of generated bubbles due to buoyancy.
  • boiling cooling device of this embodiment can be applied not only to inverter cooling of a hybrid vehicle but also to any heating element.
  • system configuration using the cooling device of this embodiment is also arbitrary, an example is shown in FIGS.
  • the gas-liquid two-phase flow discharged from the boiling cooling device 1 is supplied to the gas-liquid separator 106.
  • a condenser 108 is connected to the gas-liquid separator 106
  • a second gas-liquid separator 110 is further connected to the condenser 108.
  • the cooling liquid from the gas-liquid separators 106 and 110 is supplied to the supercooler 102 via the adjustment valve 112 and is circulated to the boiling cooling device 1 by the pump 104.
  • the accumulator 100 is connected between the adjustment valve 112 and the subcooler 102, and the coolant is supplied to the subcooler 102 using the gas pressure.
  • the gas-liquid two-phase flow discharged from the boiling cooling device 1 is supplied to the condenser 108, and the gas-liquid separator 116 is connected to the condenser 108.
  • the coolant from the gas-liquid separator 116 is circulated to the boiling cooling device 1 by the pump 104.
  • the accumulator 100 is connected between the pump 104 and the gas-liquid separator 116, and supplies the cooling liquid to the pump 104 using gas pressure.

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Abstract

　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る沸騰冷却装置。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。

Description

沸騰冷却装置
　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８Ａ及び図８Ｂ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。図８（Ａ）は平面図、図８（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９Ａ及び図９Ｂ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１０Ａ及び図１０Ｂ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１１Ａ及び図１１Ｂ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。横軸は気泡体積を示し、縦軸は熱伝達を示す。縦軸における矢印Ｐは熱伝達促進を示し、矢印Ｑは熱伝達劣化を示す。オープン流路（図中、符号ａで示す）及びフィン間狭あい流路（図中、符号ｂで示す）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（図中、最適値をＯＰＴで示す）。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正面図である。 実施形態の冷却装置の側面図である。 実施形態の冷却装置のＢ－Ｂ’断面図である。 実施形態の冷却装置のＡ－Ａ’断面図である。 給液管の構成図である。 給液管の他の構成図である。 流路仕切板兼蒸気排出ガイド板の正面図である。 流路仕切板兼蒸気排出ガイド板の側面図である。 フィン及び流路仕切板兼蒸気排出ガイド板の分解斜視図である。 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を示す平面図である。 オープン流路で気泡サイズが小さい場合の熱伝達特性を示す側面図である 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を示す平面図である。 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を示す側面図である。 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を示す平面図である。 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を示す側面図である。 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を示す平面である。 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を示す側面図である。 気泡体積と熱伝達特性の関係を示すグラフ図である。
　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。
　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１Ａ～図１Ｄに、本実施形態における沸騰冷却装置の要部構成を示す。図１Ａは正面図、図１Ｂは側面図、図１ＣはＢ－Ｂ’断面図、図１Ｄ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。図１Ａ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。図１Ａ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。図１Ｂ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２Ａ及び図２Ｂに、給液管１０の形状例を示す。図２Ａ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、図２Ｂ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３Ａ及び図３Ｂに、流路仕切板兼蒸気排出ガイド板１８の構成を示す。図３Ａは正面図、図３Ｂは側面図である。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４Ａ及び図４Ｂ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。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。

Claims (5)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
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