专利名称：沸腾冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及沸腾冷却装置，特别涉及使用沸腾、二相流(气液二相流)的冷却装置的冷却性能的改善。
背景技术：
一直以来，开发了使用强制对流下的沸腾、二相流的冷却装置，适用于混合动力车辆的变换器(逆变器)冷却系统等。在专利文献1中，公开了一种功率半导体模块，其包括具有冷却剂流路的冷却用基体和在其上安装的多个功率半导体，最适当地确定功率半导体元件的安装位置以使冷却剂的温度上升最适当化，提高冷却效率。此外，在专利文献2中，公开了一种沸腾冷却装置，在沸腾冷却中防止模块的上部 (下游区域)的放热性能下降，公开了用隔壁等来防止因来自功率半导体的授热而在模块的下部(上游区域)产生的蒸汽进入模块的上部(下游区域)。现有技术文献专利文献专利文献1 特开2007-12722号公报；专利文献2 特开平9-23081号公报。
发明内容
发明所要解决的问题但是，在使用沸腾、二相流的冷却装置中，需要抑制极限热流速的下降和/或沸腾时的传热系数的下降，并将装置尽可能地设计为小型。通常，在沸腾中由气泡底部的气液运行情况来决定传热(热传递)。具体地，因薄液膜的形成而促进传热的区域和因干燥部的发展而使传热变差的部分共存。而且，对于任一现象占支配地位的情况，气泡的附着面积都会产生很大影响。但是，如果因气泡的成长而使附着面积增大，则有时也会从促进传热转变为变差。图8A和图8B表示与小气泡的成长相伴的泡核沸腾传热的小的传热促进的状态。 在开放式流路中气泡尺寸为较小的情况。图8(A)是俯视图，图8(B)是侧视图。压力越低则气泡尺寸越大，周围液体的温度比饱和温度越低(低温处理)则气泡尺寸越小。在气泡尺寸小的情况下，干燥部50的面积也小，但是，薄液膜52所占的面积也变小。其结果，沸腾传热的特征变小，依然很大地有助于对气泡周围的液单相的传热。因此，与对液单相的传热相比较的情况下的传热促进比例小。图9A和图9B表示与大气泡的成长相伴的泡核沸腾传热的大的传热促进的状态。 在开放式流路中气泡尺寸为中 大的情况。在气泡尺寸变大时，干燥部50的面积也变大， 但是，薄液膜52所占的面积变大。其结果，沸腾传热的特征变显著，与向液单相的传热的情况相比较的情况下的传热促进比例大。
图IOA和图IOB表示与巨大气泡的成长相伴的泡核沸腾传热的传热变差(劣化) 的状态。在开放式流路中气泡尺寸为非常大的情况。在气泡变得过大时，干燥部50的所占的面积扩展，该部分的传热变差相比薄液膜52的蒸发所产生的传热促进变得更为显著，作为传热面整体而呈现传热变差的状况。图IlA和图IlB表示与冷却翅片12 (以下简称为翅片，7 4 > )间的扁平气泡成长相伴的泡核沸腾传热的传热促进的状态。在翅片间狭窄的流路中，气泡尺寸为中等程度的情况。可通过产生适度大小的扁平并使其成长来同时满足翅片12所致的传热面积的增大和传热系数的增大。图12表示气泡体积和传热促进、变差的关系。横轴表示气泡体积，竖轴表示传热。 竖轴的箭头P表示传热促进，箭头Q表示传热变差。开放式流路(图中，由标记a表示)和翅片间狭窄流路(图中，由标记b表示)皆是无论气泡体积过小还是过大都不能估计到传热促进，需要使气泡限制于适度的大小(图中，用OPT表示最佳值)。因此，控制对传热面的接触时间以不过度地延长是重要的。用于解决问题的手段本发明的目的是提供可用简单的构成使气泡体积限制于适度的大小，从而提高传热特性的冷却装置。本发明的沸腾冷却装置，将发热体冷却，其特征在于，具有在铅垂方向上配置的至少第一和第二冷却通道，所述第一冷却通道和第二冷却通道还具有使冷却剂在铅垂方向上流动的冷却翅片；和在所述冷却翅片的、与抵接发热体的一侧相反侧形成的蒸汽排出流路，在所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间，具有阻碍在所述第一冷却通道产生的气泡向所述第二冷却通道前进且向所述蒸汽排出流路导引的导引部。在本发明的一个实施方式中，还具有在所述冷却翅片和所述蒸汽排出流路之间配置的隔板，所述导引部形成为所述隔板的一部分。在本发明的另一实施方式中，所述隔板在与所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间对应的位置具有开口部，所述导引部从所述开口部的缘部向所述冷却翅片的所述抵接发热体的一侧突出形成。此外，在本发明的另一实施方式中，还具有在所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间设置且向所述第二冷却通道供给冷却剂的供液管，所述导引部的顶端(前端)部抵接所述供液管。另外，在本发明的另一实施方式中，所述第一冷却通道配置在所述第二冷却通道的铅垂下方，所述导引部从所述第二冷却通道的所述冷却翅片朝向所述第一冷却通道的所述冷却翅片倾斜形成。发明的效果根据本发明，可用简单的构成使气泡体积限制于适度的大小，从而提高传热特性。
图IA是实施方式的冷却装置的主视图。图IB是实施方式的冷却装置的侧视图。图IC是实施方式的冷却装置的B-B’剖视图。
图ID是实施方式的冷却装置的A-A’剖视图。图2A是供液管的构成图。图2B是供液管的另一构成图。图3A是流路隔板兼蒸汽排出导引板的主视图。图;3B是流路隔板兼蒸汽排出导引板的侧视图。图4是翅片及流路隔板兼蒸汽排出导引板的分解立体图。图5是实施方式的冷却装置的整体构成图。图6是实施方式的系统构成图。图7是实施方式的另一系统构成图。图8A是表示在开放式流路中气泡尺寸小的情况下的传热特性的俯视图。图8B是表示在开放式流路中气泡尺寸小的情况下的传热特性的侧视图。图9A是表示在开放式流路中气泡尺寸中等程度的情况下的传热特性的俯视图。图9B是表示在开放式流路中气泡尺寸中等程度的情况下的传热特性的侧视图。图IOA是表示在开放式流路中气泡尺寸过大的情况下的传热特性的俯视图。图IOB是表示在开放式流路中气泡尺寸过大的情况下的传热特性的侧视图。图IlA是表示在翅片间狭窄流路中气泡尺寸中等程度的情况下的传热特性的俯视图。图IlB是表示在翅片间狭窄流路中气泡尺寸中等程度的情况下的传热特性的侧视图。图12是表示气泡体积和传热特性的关系的曲线图。附图标记说明1沸腾冷却装置 2下层通道 3中层通道 4上层通道10供液管 12翅片 13翅片基部 14冷却面 16蒸汽排出流路 18流路隔板兼蒸汽排出导引板 19导引部 20隔板
具体实施例方式下面根据附图来说明本发明的实施方式。图IA 图ID中表示本实施方式的沸腾冷却装置的重要部分的构成。图IA是主视图，图IB是侧视图，图IC是B-B’剖视图，图ID是A-A’剖视图。沸腾冷却装置1具有供液管10、翅片12、翅片基部13、冷却面14、蒸汽排出流路 16、流路隔板兼蒸汽排出导引板18。翅片12是在翅片基部13上以预定间隔竖立设置多个，且各翅片12形成冷却通道的多通道方式。如图IA的主视图所示，沸腾冷却装置1在铅垂方向上配置(垂直设置)，各翅片12在铅垂方向上延伸设置。在图中，例示下层通道2、中层通道3、上层通道4这三个通道，由隔板20左右分隔而表示共计六个通道，但是，并不限于此。各翅片12由例如高热导率的铝成形，在铅垂方向上形成冷却剂流路。将冷却剂通过泵向铅垂上方强制对流。翅片12使构成冷却面14的翅片基部13的表面积扩大，并且增大传热率。在翅片12的冷却面14上，抵接例如混合动力车辆的功率元件单元(IGBT模块)。供液管10在翅片12间配置，将作为冷却剂的冷却液向翅片12供给。如图IA所示，供液管10在各通道的每个水平地配置。在下层通道2，从在下层通道2的下部配置的供液管10向铅垂上方供给冷却剂，在中层通道3，从在中层通道3的下部即中层通道3和下层通道2之间配置的供液管10向铅垂上方供给冷却剂，在上层通道4，从在上层通道4的下部即上层通道4和中层通道3之间配置的供液管10向铅垂上方供给冷却剂。供液管10如上述那样在水平方向上配置，如图中箭头那样从右侧向位于隔板20右侧的各供液管10供给冷却剂，从左侧向位于隔板20左侧的各供液管10供给冷却剂。冷却剂由各通道的各翅片 12加热，沸腾而产生气泡。蒸汽流出流路16在各翅片12的上表面即发热体所抵接的翅片12的与冷却面14 相反侧的面上设置。蒸汽排出流路16对各冷却通道共同设置，将在各冷却通道产生的气泡排出。流路隔板兼蒸汽排出导引板18与各翅片12的上表面，即与翅片基部13相反侧的面，也就是翅片12的与冷却面相反侧的面抵接配置，以将翅片12和蒸汽排出流路16分隔。 此外，流路隔板兼蒸汽排出导引板18在下层通道2的翅片12和中层通道3的翅片12之间、 以及中层通道3的翅片12和上层通道4的翅片12之间设置开口部，并且，在开口部的缘部具有向翅片基部13以预定角度倾斜突出的导引部19。如图IB所示，流路隔板兼蒸汽排出导引板18的导引部19，若着眼于下层通道2和中层通道3之间，从中层通道的翅片12的铅垂下方侧端部向翅片基部13突出并抵接供液管10。中层通道3和上层通道4之间也同样，导引部19从上层通道4的翅片12的铅垂下方侧端部向翅片基部13突出并抵接供液管 10。导引部19可与流路隔板兼蒸汽排出导引板18分体地成形以与流路隔板兼蒸汽排出导引板18接合，可将流路隔板兼蒸汽排出导引板18的一部分向翅片基部13侧弯曲形成。导引部19从中层通道3的翅片12的铅垂下方侧端部向翅片基部13以预定角度倾斜突出而与供液管10抵接，因此在下层通道2的翅片12产生且通过翅片12的气泡由该导引部19 作为屏障，阻碍向中层通道3的前进并向蒸汽排出流路16导引。此外，导引部19从上层通道4的翅片12的铅垂下方侧端部向翅片基部13以预定角度倾斜突出而与供液管10抵接， 因此在中层通道3的翅片12产生且通过翅片12的气泡由该导引部19作为屏障，阻碍向上层通道4的前进并向蒸汽排出流路16导引。图2A和图2B表示供液管10的形状例。图2A是在供液管10的侧面以预定间隔形成多个其开口直径依次增大的冷却剂供给孔的情况。此外，图2B是在供液管10的侧面形成其开口面积依次增大的冷却剂供给槽的情况。在任一情况下，都配置成越靠近冷却剂的下游侧开口直径或开口面积越增大。图3A和图;3B表示流路隔板兼蒸汽排出导引板18的构成。图3A是主视图，图是侧视图。流路隔板兼蒸汽排出导引板18通过将金属板冲压成形而构成，在下层通道2和中层通道3之间以及中层通道3和上层通道4之间分别形成开口部18a、18b。在下层通道 2产生并成长的气泡从开口部18a排出到蒸汽排出流路16，在中层通道3产生并成长的气泡从开口部18b排出到蒸汽排出流路16。在开口部18a的开口端部，具体地，在中层通道3的翅片12的铅垂下方侧端部形成导引部19，并且，在开口部18b的开口端部即上层通道4的翅片12的铅垂下方侧端部形成导引部19。导引部19可通过将流路隔板兼蒸汽排出导引板18的一部分弯曲而成形。图4A和图4B表示翅片12和流路隔板兼蒸汽排出导引板18的分解立体图。在下层通道2的翅片12产生的气泡碰撞导引部19，没有向中层通道3前进地从开口部18a排出到蒸汽排出流路16。此外，在中层通道3的翅片12产生的气泡碰撞导引部19，没有向上层通道4前进地从开口部18b排出到蒸汽排出流路16。在上层通道4的翅片12产生的气泡原样地(直接)排出到蒸汽排出流路16。图5表示沸腾冷却装置1的整体构成。作为重要部分的冷却部28配置在功率元件单元等发热体沈之间。在冷却部观的铅垂下方设置冷却剂供给套管22和液量分配板 24，储存从铅垂下方由泵供给的冷却剂，并且将冷却剂以适当的量分配来向冷却部观的各供液管10供给。另一方面，在冷却部观的铅垂上方设置蒸汽排出套管30，与冷却部观的蒸汽排出流路16连接。由导引部19排出到蒸汽排出流路16的气泡被蒸汽排出套管30收集并排出到外部。这样，在本实施方式中通过将流路隔板兼蒸汽排出导引板18设置于翅片12和蒸汽排出流路16之间，从而可防止在各冷却通道产生的气泡向下一冷却通道前进而使气泡变得过大，且可防止传热性能的变差、极限热流速的下降。此外，在本实施方式中将蒸汽排出流路16在翅片12的上表面侧即配置在与作为发热体的功率元件单元相反一侧，因此可缩小冷却装置的宽度方向尺寸。另外，本实施方式的流路隔板兼蒸汽排出导引板18可仅配置在翅片12上，因此结构的简化和制造时的组装性也提高。此外，如本实施方式那样，使沸腾冷却装置1成为垂直设置，翅片12也垂直设置， 从而具有基于浮力的所产生的气泡的排出性提高的效果。再有，本实施方式的沸腾冷却装置不限于混合动力车辆的变换器冷却，可适用于任意发热体。使用本实施方式的冷却装置的系统构成也是任意的，在图6和图7中表示其一个实例。在图6中，将从沸腾冷却装置1排出的气液二相流向气液分离器106供给。此外， 在气液分离器106连接有冷凝器108，在冷凝器108还连接有第二气液分离器110。来自气液分离器106、110的冷却液经调整阀112向过冷却器102供给，通过泵104向沸腾冷却装置1中循环。在调整阀112和过冷却器102之间连接储液器100(储能器)，利用气体压力来将冷却液向过冷却器102供给。在图7中，将从沸腾冷却装置1排出的气液二相流向冷凝器108供给，在冷凝器 108连接有气液分离器116。来自气液分离器116的冷却液通过泵104向沸腾冷却装置1循环。在泵104和气液分离器116之间连接有储液器100，利用气体压力来将冷却液向泵104供给。
权利要求
1.一种沸腾冷却装置，将发热体冷却，其特征在于，具有在铅垂方向上配置的至少第一冷却通道和第二冷却通道， 所述第一冷却通道和第二冷却通道具有 使冷却剂在铅垂方向上流动的冷却翅片；和在所述冷却翅片的、与抵接发热体的一侧的相反侧形成的蒸汽排出流路， 在所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间，还具有阻碍在所述第一冷却通道产生的气泡向所述第二冷却通道前进且向所述蒸汽排出流路导引的导引部。
2.根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于，还具有配置在所述冷却翅片和所述蒸汽排出流路之间的隔板，所述导引部形成为所述隔板的一部分。
3.根据权利要求2所述的沸腾冷却装置，其特征在于，所述隔板在与所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间对应的位置具有开口部，所述导引部从所述开口部的缘部向所述冷却翅片的所述抵接发热体的一侧突出地形成。
4.根据权利要求3所述的沸腾冷却装置，其特征在于，还具有设置在所述第一冷却通道和所述第二冷却通道之间的向所述第二冷却通道供给冷却剂的供液管，所述导引部的顶端部抵接所述供液管。
5.根据权利要求3所述的沸腾冷却装置，其特征在于， 所述第一冷却通道配置在所述第二冷却通道的铅垂下方，所述导引部从所述第二冷却通道的所述冷却翅片朝向所述第一冷却通道的所述冷却翅片倾斜地形成。
全文摘要
本发明提供能用简单的构成使气泡体积限制于适度大小的沸腾冷却装置。在将发热体冷却的沸腾冷却装置中，在铅垂方向上具有下层通道(2)、中层通道(3)、上层通道(4)多个冷却通道，各冷却通道具有在铅垂方向上使冷却剂流动的冷却翅片(12)和在冷却翅片(12)的与抵接发热体的一侧相反侧形成的蒸汽排出流路(16)。再有，在各冷却通道间，具备阻碍产生的气泡向下一冷却通道前进并向蒸汽排出流路(16)导引的流路隔板兼蒸汽排出导引板(18)。
文档编号H01L23/427GK102349152SQ20108001121
公开日2012年2月8日 申请日期2010年3月9日 优先权日2009年3月10日
发明者中村秀生, 久野裕道, 大田治彦, 山崎丈嗣, 新本康久, 河南治, 白井干夫, 竹纲靖治, 铃木康一, 阿部宜之 申请人:丰田自动车株式会社