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，例如为了冷却装在地铁用车辆上的轩波(チョッパ)装置的可控硅元件，或电子器械上使用的功率晶体管等的沸腾冷却装置。
图54表示如三菱电机技报第48卷第2号中所示的过去的浸渍型沸腾冷却方式的可控硅装置的结构图。
图中，在蒸发器(1)内装有R113等的氟隆液体(2)，该氟隆液(2)中浸渍可控硅元件(3)以进行冷却。散热片(4)连接于可控硅元件(3)上成为一体。另外，可控硅元件(3)的接头(5)，引出蒸发器(1)之外。在蒸发器(1)的上部，通过蒸气管(6)以及液体回流管(7)连接冷凝器(8)。
下面说明其操作。如果可控硅元件(3)处于工作状态，在其内部产生电力损失，其结果是产生数值100瓦的高热量的热。另一方面，该可控硅元件(3)的冷却面，由于其直径为10mm的小面积，因此，冷却面的热流束就变成105瓦/米2的高值。
在可控硅元件(3)中如此产生的热量，从压接于可控硅元件(3)的冷却面的散热片(4)，向氟隆液(2)放热。通过放热，使氟隆液沸腾，在蒸发器(1)内产生氟隆蒸气(2a)。产生的蒸气(2a)经蒸气管(6)进入冷凝器(8)，在冷凝器(8)中被冷凝再成为氟隆液(2)。该冷凝的氟隆液(2)，从液体回流管路(7)重新回到蒸发器(1)。
通过重复进行这样的操作，继续冷却可控硅元件(3)。
下面，图55为表示例如在[电子机器的放热设计和模拟](1989年应用技术出版发行)第148页中所示的，过去的单独冷却散热片型(非浸渍型)沸腾冷却方式的可控硅装置的结构图。
图中，可控硅元件(3)暴露于大气中。在各可控硅元件(3)，装有冷却散热片(9)。各冷却散热片(9)，通过热输送管(10)连接于共同集液槽(11)。这些冷却散热片(9)，热输送管(10)以及共同集液槽(11)中通入氟隆液(2)。共同集液槽(11)，通过蒸气管(6)以及液体回流管(7)连接于冷凝器(8)。
下面说明其操作。在可控硅元件(3)中产生的热，通过冷却散热片(9)传给氟隆液(2)。因此，氟隆液(2)蒸发，并产生氟隆蒸气(2a)。所产生的氟隆蒸气(2a)经热输送管(10)，共同集液槽(11)及蒸气管(6)进入冷凝器(8)，在冷凝器(8)中被冷凝，重新变成氟隆液(2)。所冷凝的氟隆液(2)，因重力经过液体回流管路(7)重新回到共同集液槽(11)内。
通过反复进行这样的操作，继续冷却可控硅元件(3)。
然而，图56为表示一般性的冷却介质的沸腾曲线的过热度与热流束之间的关系图。图中，A点-B点为自然对流领域，而B点-C点-D点为泡核沸腾的领域。D点称作临界点，而D点的热流束称作临界点热流束。D点-E点为迁移沸腾的领域，而E点-F点-G点，为膜沸腾的领域。
通常，从低的热流束变成高的热流束的情况下，表示从A点经由B点到达H′点的特性。然后，如果进一步提高热流束，则从H′点移向H点。如果再进一步提高热流束，则表示从H点经由C点到达D点的特性。相反，如果降低热流束，则表示从D点经由C点到达H点，但是进一步降低热流束，也不能移向H′点，而从H点经由B点回到A点之特性。一般，这样的现象称为滞后现象。
也就是说，如上述那样的过去的沸腾冷却方法中，使用在图56中所示的从B点到D点之间的热流束，但没有定量地掌握滞后作用的特性而决定了蒸发器(1)的传热面积。另外，相反，使既掌握该特性决定蒸发器(1)的传热面积，在改变了冷却介质的情况下，有必要掌握关于新的冷却介质的沸腾特性。
如上述结构的现有的沸腾冷却方式的可空硅装置中，还存在如下的问题。
①将氟隆液(2)作为各自的冷却液使用，但如果在大气中放出氟隆气，则会破坏大气的臭氧层，因此，从环境保护的立场出发，有必要用氟隆以外的冷却介质。另外，在用氟隆以外的冷却介质的情况下，由于其物性与氟隆不同，在以往同样的装置中，在各方面得不到充分的冷却性能。
②在以往的装置中，在单独冷却散热片型装置中，由于共同集液槽(11)设置在冷却散热片(9)的上方，其整体高度变高，要安装该可控硅装置的机器(例如铁道车辆等)需要很大的装配空间，碍于机器的小型化。特别是，在线性电动机驱动车辆中，强烈要求车辆的小型化，也就是说要求低床化，因此，更有必要将可控硅装置的高度降低。
③功率晶体管等的被冷却体，对于较大电流化而言，在以往的装置中得不到充分的冷却特性，特别是热负荷小的时候的冷却特性较差。
④设计蒸发器(1)或冷却散热片(9)时，由于没有加进沸腾开始点的热流束，由即使热流束相同，在图56的H点附近，蒸发器(1)的壁面温度与冷却介质温度之差的过热度有变化，使冷却特性变为不稳定。
权利要求(1)涉及的发明，就是以解决上述问题为课题而进行的发明，其目的在于得到不用氟隆，并具有优异的冷却性能的沸腾冷却装置。
权利要求(2)及(3)所涉及的发明是以解决如上述的各自的问题点作为课题进行的发明，其目的在于得到使整体高度的尺寸变小的沸腾冷却装置。
权利要求(4)涉及的发明是以解决如上述的问题点作为课题进行的发明，其目的在于得到提高以对流冷却为主要的时候的冷却特性，并由此使热负荷小的时候的冷却特性好，并能够得到改善整体的冷却特性的沸腾冷却装置。
权利要求(5)涉及的发明是以解决如上述的问题点作为课题进行的发明，其目的在于得到对于宽的热负荷范围，能够提高冷却特性的沸腾冷却装置。
权利要求(6)涉及的发明是以解决如上述问题点作为课题进行的发明，其目的在于得到在效果方面能促进传热，并由此不用氟隆而通过由水或者乙二醇组成的冷却液，以保持优异的冷却性能的沸腾冷却装置。
权利要求(7)涉及的发明是以解决如上述存在的问题作为课题进行的发明，其目的在于得到能够防止泄漏引起的冷却性能的下降，并由此不用氟隆，而通过由水或乙二醇水溶液组成的冷却液，以保持优异的冷却性能的沸腾冷却装置。
权利要求(8)、(9)以及(10)涉及的发明是以解决如上述存在的各种问题作为课题进行的发明，其目的在于得到防止蒸发器过热度的变动，并可以使冷却性能稳定的沸腾冷却装置。
权利要求(1)涉及的发明的沸腾冷却装置是用乙二醇水溶液组成的冷却液，并同时用了铜制的冷凝器的装置。
权利要求(2)涉及的发明的沸腾冷却装置是在共同集液槽的侧面，通过几乎朝向水平方向的导管连接了蒸发器的装置。
权利要求(3)涉及的发明的沸腾冷却装置是在共同集液槽的侧面，通过几乎朝向水平方向的导管连接蒸发器，而且在蒸发器之吸热面的内侧设置了沿上下方向延伸多条内部管道的装置。
权利要求(4)涉及的发明的沸腾冷却装置是在蒸发器上连接了将流入的冷却液进行冷却的冷却用冷却器。
权利要求(5)涉及的发明的沸腾冷却装置是在蒸发器内互相平行地设置了第一冷却介质流路与比该第一冷却介质流路截面积小的第二冷却介质流路。
权利要求(6)涉及的发明的沸腾冷却装置是用水或乙二醇水溶液作为冷却液，而且蒸发器内的传热面上，粘着许多粒径为300μm以上2000μm以下的促传热颗粒。
权利要求(7)涉及的发明的沸腾冷却装置是用水或乙二醇水溶液作为冷却液，而且面邻冷却液的液面上的空间部位设置监测其空间压力的监测装置，同时在其空间部位连接了在其压力异常上升时，使空间部位内减压的排气装置。
权利要求(8)、(9)及(10)涉及的发明的沸腾冷却装置是将各蒸发器的传热面积做成使冷却介质的沸腾开始点以上的热流束值。
在权利要求(1)涉及的发明中，通过由乙二醇水溶液组成的水溶液，将被冷却体进行冷却的同时，通过铜制的冷凝器，可以防止冷凝器的腐蚀。
在权利要求(2)涉及的发明中，通过在共同集液槽的侧面配置蒸发器，以降低整体的高度。
在权利要求(3)涉及的发明中，通过在共同集液槽的侧面配置蒸发器，以降低整体的高度，而且在蒸发器内设置多个内部流路，使气泡的移动变容易，提高沸腾冷却特性。
在权利要求(4)涉及的发明中，通过吸热，使对流的冷却液流入冷却用冷却器，以进行冷却。
在权利要求(5)涉及的发明中，通过在蒸发器中设置比第一冷却介质流路的截面积小的第二冷却介质流路，以提高小热负荷时的冷却效率。
在权利要求(6)涉及的发明中，在蒸发器内的传热面上粘着适宜粒径的促传热的颗粒，以有效地促进传热，并提高将水或乙二醇作为冷却液使用的情况下的冷却性能。
在权利要求(7)涉及的发明中，通过监测装置监测空间部位的压力的同时，在其压力异常上升时，通过排气装置使空间部位内减压，以防止使用水或乙二醇水溶液作为冷却液的情况下，由于泄漏引起的冷却性能的降低。
在权利要求(8)、(9)及(10)涉及的发明中，通过将蒸发器的传热面积做成冷却介质的沸腾开始点以上的热流束值，以防止过热度的变动。
实施例下面根据图说明权利要求(1)涉及的发明(以下简称第一发明)的实施例。
图1表示根据第一发明的一个实施例的可控硅装置用的单独冷却散热型的沸腾冷却装置的结构图。
图中，在蒸发器(21)上，通过蒸气流路的蒸气管(22)以及回液流路的液体回流管(23)连接冷凝器(24)。冷凝器(24)，由多根的散热管(24a)和设置在散热管(24a)的两端的第一及第二联管箱(24b)、(24c)构成。
在蒸发器(21)内，收容由乙二醇溶液组成的冷却液(25)，考虑到该乙二醇水溶液的腐蚀性，分别用铜制的蒸发器(21)，冷凝器(22)、蒸气管(23)以及液体回流管路(24)。
另外，作为被冷却体的可控硅元件(3)压接于蒸发器(21)上。
如在上述结构的沸腾冷却装置之中，和以往的实施例相同，通过冷却液(25)冷却可控硅元件(3)。另外，由于沸腾产生的蒸气(27)在冷凝器(24)中被冷凝，重新回到蒸发器(21)内。
此时，在上述的沸腾冷却装置中，由于乙二醇水溶液作为冷却液(25)，因此，不产生氟隆气体那样的破坏环境的问题。
还有，由于装置是铜制的，因此可以防止乙二醇水溶液引起的腐蚀。例如，在38%(we)乙二醇水溶液中混入了防腐剂的情况下，其侵蚀度为，软钢为0.041mm/年、锌为0.059mm/年和铜为0.0017mm/年。因此，防止了装置的腐蚀。也可以防止随着腐蚀而产生的非凝性气体(例如H2)等。
其中，图2为表示氟隆R113、水及35%(wt)乙二醇水溶液的各自的沸腾曲线的传热面的过热度与热流束之间的关系图。
这些各冷却介质的沸腾冷却性能，其顺序是水为最好，然后35%(wt)乙二醇水溶液和氟隆R113。还有，在图2中，水和35%(wt)乙二醇水溶液为实测值，而氟隆R113是用泡核沸腾传热的推算式Labountzov公式求出的数值。下面为Labountzov公式。
｛Q/(L·γv)｝·l2/ν1＜10-2の情况α·l2/λ1＝0.0625〔｛Q/(L·γv)｝·l2/ν1〕0.5×Pr1l｛Q/(L·γv)｝·l2/ν1＞10-2の場合α·l2/λ1＝0.125〔｛Q/(L·γv)｝·l2/ν1〕0.05×Pr1
l2＝｛Cp1(Ts+273)/L｝(γ1/γv)×｛σ/(J·γv·L)｝其中，Q热流束 (仟卡/米2小时)L蒸发潜热 (仟卡/公斤)1液体的比重量 (公斤/米3)rv蒸气的比重量 (公斤/米3)L1液体的流动粘度系数 (米2/小时)α导热系数 (仟卡/米2小时℃)λ1液体的导热系数 (仟卡/米2℃)Cp1液体的比热 (仟卡/公斤℃)σ表面张力 (公斤/米)J＝426.8(kgJ/kcal)Ts壁温 (℃)P
1液体的普兰特尔准数 (一)由图2明显看出，在饱和温度为70℃的时候，35%(wt)的乙二醇水溶液的沸腾冷却特性比水差，但与氟隆R113几乎相等或比它更好。
另一方面，沸腾冷却特性优异的水，一到0℃就成为冰，因此装载在车辆等上的时候，需要考虑冻结对策或提高其特性的设计，适用温度范围受限制。对此乙二醇水溶液，如图3所示，根据其浓度也可以降低冻结温度。例如，图3所示的35%(wt)乙二醇水溶液的冻结温度为-20℃，则可以充分适用于可控硅元件(3)的工作温度范围(一般，-20℃-80℃左右)。
但是，乙二醇水溶液，如图4所示，使可控硅元件(3)的工作温度范围内的饱和压力低于大气压，因此需要制造出避免发生由于泄漏等非凝性气体(例如，空气)的入浸恶化冷却性能的装置。
还有，在上述的实施例中将装置的整体做成铜制的，但除了冷凝器(24)以外的部分，也可以用其它材料制成。但是，从如上所述的耐腐蚀性观点考虑，特别是在乙二醇水溶液的蒸气(27)存在的部分，例如蒸气管(22)等，还是用铜制的为好。
另外，由乙二醇水溶液组成的冷却液(25)中，可以添加使用抑腐蚀剂等，以更确实地防止腐蚀。
而且，在上述实施例中，作为蒸气流路分别表示了蒸气管(22)液体回流管路(24)，但没有受限于管状。
再进一步，在上述实施例中表示了可控硅装置用的单独冷却散热片型沸腾冷却装置，但其它的所有沸腾冷却装置也可以适用于第一发明。
下面，根据图说明权利要求(2)涉及的发明(以下简称第二发明)的实施例。
图5为表示根据第二发明的第一实施例的可控硅装置用的单独冷却散热片型的沸腾冷却装置的部分断面的侧视图，图6是图5的正视图。
图中，在被冷却体的可控硅元件(3)上面，独立地装配着蒸发器的冷却散热片(31)。在各冷却散热片(31)的侧面，几乎朝水平方向安装着导管(32)，而冷却散热片(31)通过该导管(32)连接于共同集液槽(33)的侧方。在共同集液槽(33)的上部连接冷凝器(24)。
另外，将纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)。
下面，关于操作进行说明。暴露于大气中的可控硅元件(3)中产生的热，传给冷却散热片(31)。这个热使沸腾冷却散热片(31)内的冷却液(25)沸腾，从吸热面(31a)产生的气泡(26)就上升。随着气泡(26)的上升，冷却散热片(31)内的冷却液(25)，如图中箭头方向进行对流。
冷却散热片(31)内上升的气泡(26)，通过导管(32)向共同集液槽(33)移动，从液面进入第一联管箱(24b)。由此，在第一联管箱(24b)内充满蒸气(27)。该蒸气(27)在冷凝器(24)中空冷，冷凝液化，重新成为冷却液(25)。该冷却液(25)由于重力作用回到共同集液槽(33)内，进一步回到冷却散热片(31)中，以进行可控硅元件(3)的冷却。
在这类沸腾冷却装置中，使导管(32)几乎水平地放躺，而且由于共同集液槽(33)的侧方配置了冷却散热片(31)，因此使整体高度的尺寸比过去的变小。
其中，在上述实施例中，由于将纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)，因此，对于可控硅元件(3)的冷却形态而言，不仅仅是通过沸腾冷却，而且也通过对流冷却，或者通过对流及沸腾同时进行冷却情况较多。对此，在上述实施例的装置中，导管(32)几乎朝向水平方向，由于在共同集液槽(33)的侧方配置的是冷却散热片(31)，因此气泡(26)可以流畅地移动，并根据该移动促进冷却液(25)的对流，比图55的过去的装置，可以提高冷却特性。
可是，在这样使用纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下，由于工作温度为-20℃-60℃左右，在蒸气(27)的压力处于150mmHg柱以下的低压状态，这与第一发明的实施例相同。
下面，图7为根据第二发明的第二实施例的沸腾冷却装置的断面图。
图中，在各冷却散热片(31)以及共同集液槽(33)之间，几乎朝向水平方向分别通过导管的上部导管(34)与下部导管(35)。这些上部导管(34)以及下部导管(35)，以上下间隔互相平行地配置。其它结构与图5的结构相同。
在这样的沸腾冷却装置中，由于气泡(26)通过上部导管(34)，则在上部导管(34)中，冷却液(25)从散热片(31)流向共同集液槽(33)，而在下部导管(34)中，冷却液(25)从共同集液槽(33)流向冷却散热片(31)。因此，就成为图的箭头方向所示那样的进一步促进冷却液(25)的对流的形式。提高了冷却特性。
下面，图8为第二发明的第三实施例的沸腾冷却装置的断面图。
图中，冷却散热片(31)比图7的冷却散热片往上方延伸，而冷却液(25)的液面位于冷却散热片(31)内的吸热面上方。这样，冷却散热片(31)的液面上与共同集液槽(33)的液面上或第一联管箱(24b)，均通过蒸气用导管(36)连接。也就是说，冷却散热片(31)与共同集液槽(33)用三根导管连接。
在这类沸腾冷却装置中，通过设置蒸气(27)的专用的蒸气用导管(36)，以利用随着气泡(26)的移动产生的冷却液(25)的对流，同时不碍于从冷凝器(24)回流的冷却液(25)，可以使蒸气(27)向冷凝器(24)的侧面移动，因而进一步提高冷却特性。
其次，图9为根据第二发明的第四实施例的沸腾冷却装置的断面图。
图中冷凝器(24)与图7及图8相反地倾斜，并与共同集液槽(33)上方的第一联管箱(24b)比较，其对面的第二联管箱(24c)更低。该第二联管箱(24c)的下部与共同集液槽(33)之间设置液体回流管路(37)。而且，第一联管箱(24b)的下端部兼做共同集液槽。
根据该实施例，由于使蒸气流路变大，蒸气(27)的压力损失减小，蒸气(27)容易均一化，并且所冷凝的冷却液(25)经过液体回流管路(37)回流于共同集液槽(33)，因此，冷凝后的冷却液(25)与蒸气不马上接触，使冷却效率提高了。
还有，在上述实施例中，示出了将纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)使用，但也可以使用其它的水溶液或氟隆液等。
另外，在上述实施例中表示使用1-3根导管，但也可以使用4根以上的导管。
此外，导管的形状为圆形、矩形及多边形的任何一种也可以，例如，如后面叙述的图21那样，对其一部分或全体，用波纹管也可以。
再者，在上述实施例中表示的被冷却体为可控硅元件(3)，但并不限于此。
以下，根据图说明权利要求(3)涉及的发明(以下简称第三发明)的实施例。图10表示根据第三发明的第一实施例的沸腾冷却装置的主要部位断面图，图11为图10的沿A-A线箭头方向的断面图，图12为图10沿B-B线箭头方向的断面图。
图中，在蒸发器的冷却散热片(31)的吸热面(31a)的内侧，设置部件(41)。该实施例的装置是用铜制的，因此，部件(41)也是用铜制的部件。在部件(41)上，设置向上下方向延伸的作为内部流路的断面为圆形的多根圆形导管(42)。其它的结构与图5的装置相同。
在如上述的沸腾冷却装置中，由于在共同集液槽(33)的侧方配置冷却散热片(31)，因此与第二发明的各实施例一样，整体的高度变低了。另外，由于在冷却散热片(31)内，形成上下延伸的圆形导管(42)，因此，产生的气泡(26)在该导管的导引下流畅地上升，由此促进沸腾冷却或对流，以提高冷却散热片(31)的冷却特性，特别是提高热负荷小时候的冷却特性。
这里，图13是表示使用纯水作为冷却液的情况下，关于垂直圆管的沸腾冷却特性的实验结果的过热度与热流束之间的关系图，而其实验条件为液温60℃，传热面的热流束一样。而使用的垂直圆管为内径φ3mm-9mm，长度为40mm-80mm。另外，为了作比较，用虚线表示水平圆板(直径φ10mm)的沸腾冷却特性。
正如该实验结果所表明的，即使在水平圆板的沸腾开始点以下的热流束小的领域中，该垂直圆管的沸腾冷却特性是优异的。
另外，图14表示用20%(wt)、35%(wt)乙二醇水溶液作为冷却液的情况下，关于垂直圆管沸腾冷却特性的实验结果的过热度与热流束的关系图，其条件为液温60℃，传热面的热流束一样。而使用的垂直圆管的内径为φ6mm-12mm，长度为80mm。另外，为了比较，以实线表示水平圆板(直径φ10mm)的沸腾冷却特性。
如实验结果所表明的，既使用乙二醇水溶液的情况下，垂直圆管在热流束小的领域中的沸腾冷却特性是优异的。
由图13及图14的实验结果也可以确认，通过该实施例的圆形导管(42)，提高了冷却散热片(31)的冷却特性，特别是热负荷小时候的冷却特性。
其次，图15是根据第三发明的第二实施例的沸腾冷却装置的冷却散热片的断面图，表示相当于第一实施例的图12的断面。
在该实施例中，用断面为矩形的矩形导管(43)作为其内部流路，并由此得到与上述实施例同样的效果。
另外，图16是根据第三发明的第三实施例的沸腾冷却装置的冷却散热片的断面图，图17是图16的沿C-C线的箭头方向的断面图。
图中，在冷却散热片(31)的吸热面(31a)的内侧，设置沿上下方向延伸的多个散热片(44)。通过这些散热片(44)，在冷却散热片(31)内的中央部位形成内部流路(45)。
在该实施例中，由于产生的气泡(26)从散热片(44)离开向冷却散热片(31)的中央部位上升，因而使吸热面(31a)的界限(临界)热流束变大，则难以发生过早干燥(ドテイァウト)。
另外，图18是根据第三发明的第四实施例的沸腾冷却装置的主要部位的断面图，而图19是图18中沿D-D线箭头方向的断面图。
图中，在部件(41)上，设置沿上下方向延伸的作为内部流路的二段矩形导管(46)多根。各二段矩形导管(46)间的厚度为2mm以下。图20为表示二段矩形导管(46)的放大斜视图，而在二段矩形导管(46)的表面，粘着许多的传热促进颗粒(47)。该传热促进颗粒(47)例如是由铝或铜的小片制成。
根据这样的二段矩形导管(46)，也可以得到与上述各实施例相同的效果。
另外，如图18所示，冷却液(25)的液面位置比吸热面(31a)的上端部分低的情况下，也使产生的气泡(26)在二段矩形导管(46)内上升，冷却液(25)也被压入二段矩形导管(46)内，从二段矩形导管上端部位沸腾出来。通过这样的泵效果，冷却吸热面(31a)的全部，以进行效率好的沸腾冷却。
进一步，通过使用二段矩形导管(46)，提高结构强度。
另外，在用二段矩形导管(46)的情况下，由于散热片的效率相对恶化，因此增大吸热面(31a)的热流束，可以利用相当激烈的泡核沸腾热传导特性。
下面，图21是根据第三发明的第五实施例的沸腾冷却装置的断面图，与图18相同，采用具有二段矩形导管(43)的冷却散热片(31)。第一联管箱(24b)的下端部兼做共同集液槽(33)，而该第一联管箱(24b)和冷却散热片(31)之间，通过作为导管的波纹管(48)连接。
通常，冷却散热片(31)被支撑在可控硅元件(3)的排气管(12)上，冷凝器(24)被支持在另外的位置。因此，连接冷却散热片(31)与冷凝器(24)的导管，有时产生很大的应力。另外，根据热变形，导管中也可能产生不合适的应力。对此，如上所述，通过在导管部分中用波纹管(48)，使应力分散，并可以防止导管的破裂。
还有，在上述各实施例中，使用了纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)，但也可以使用其它的水溶液或氟隆液等。
另外，被冷却体也不限于可控硅元件(3)。
进一步，在上述各实施例中，使用1-2根导管，但与第二发明相同，使用三根以上的导管也可以，而且导管的断面形状不受限制。
再进一步，在使用二根以上导管的情况下，例如，如图22所示，在各自的导管上用波纹管(48)也可以。
图23是使用图18的冷却散热片(31)的沸腾冷却装置的断面图。图中，虚线A、B、及C，分别表示冷却液(25)的液面位置。使用这样的沸腾冷却装置进行冷却实验的结果(实测数据)示于图24-图27。
首先，图24是表示在图23的装置中，以C的液面高度用纯水(冷却液)的情况下的过热度与热流束之间的关系的关系图。为了比较，一起记载了铜制的水平圆板(φ10mm)及SUS的垂直圆管(内径φ6mm，长度80mm)的各自情况下的数据。另外，作为冷却液(25)，也一起记载了使用氟隆R113的情况下的数据。
如该图所示，在图23的装置中，以C的液面高度使用纯水的情况下，得到了比氟隆R113或水平圆板，垂直圆管的情况更好的沸腾冷却特性。
还有，计算热流束以及过热度时，使用了以下表示的式[1]及[2]热流束＝元件的电力损失/吸热面积……[1]过热度＝吸热面温度-冷却液温度……[2]图25表示在图23的装置中，用35%(wt)的乙二醇水溶液(冷却液)，在液面高度C的情况下的过热度与热流束之间的关系的关系图。与图24相同，在图中一起记载了用氟隆R113的情况下水平圆板，垂直圆管的情况下的各自的数据。如该图所示，在液面高度C的乙二醇水溶液的情况下，也得到了良好的沸腾冷却特性。
图26是对图23的装置的冷却实验结果，用沸腾导热系数与热流束之间的关系进行整理的关系图，冷却液(25)为纯水，35%(wt)、20%(wt)乙二醇水溶液及氟隆R113，各自的液面高度为C的情况下的数据。另外，为了比较，也一起记载了水平圆板的数据。
由该图看出，在图23的装置中，使用纯水或乙二醇水溶液的情况下，在宽的热流束范围内，得到高的沸腾导热系数。
图27是表示在图23的装置中，使用35%(wt)乙二醇水溶液情况的液面位置与并列热阻之间关系的关系图。另外，热负荷为1000w。
表示冷却散热片(31)的冷却特性的并列热阻，在液面位置A′-C的范围时良好。这是由于如果液面低于A′，从吸热面(31a)的液面的露出量变大，而液面如果高于C，冷却液(25)成为气泡(26)的移动的阻力。实验结果表明，液面的位置从吸热面(31a)的顶端部位10mm下面的位置之上面的位置为适当，而由此可以进行效率好的沸腾冷却。
下面，根据图说明权利要求(4)涉及的发明(以下简称第四发明)的实施例。图28是根据第四发明的一个实施例的沸腾冷却装置的断面图，与图8相同，或相当的部分，给予同一符号，并省略其说明。
图中，蒸发器的冷却散热片(31)与冷凝器(24)之间，通过蒸气管(49)直接连接。另一方面，在共同集液槽(33)的侧面部位上连接具有多根的散热管(50a)液冷用冷却器(50)。也就是说，液冷用冷却器(50)通过各导管(34)、(35)及共同集液槽(33)，连接于冷却散热片(31)。而其它的结构与图8的装置相同。
在如上述结构的沸腾冷却装置中，热负荷小时，如图的箭头所示，冷却液(25)中产生对流。该对流的冷却液(25)，流入液冷用冷却器(50)中被冷却。因此，根据对流冷却为主要的情况下，也就是热负荷小的情况下，也得到充分的冷却效率。
还有，在上述实施例外中，作为液冷用冷却器(50)，虽然有散热管(50a)的空冷的冷却器，但液冷用冷却器(50)只要能够冷却冷却液，不受特别限定。
另外，在上述实施例中，在共同集液槽(33)上，连接了液冷用冷却器(50)，但冷却散热片直接连接也可以。
进一步，在上述实施例中，示出了非浸渍型的沸腾冷却装置，但浸渍型的沸腾冷却装置也适用于本发明。
下面，根据图说明权利要求(5)涉及的发明(以下简称第五发明)的实施例。图29是根据第五发明的第一实施例的沸腾冷却装置的蒸发器的断面图，图30是图29的沿E-E线箭头的断面图。
图中，在铜片制的蒸发器(51)的外周围，接合着可控硅元件或者功率晶体管等的作为发热体的被冷却体(52)。而蒸发器(51)连接于冷凝器(图中没有示出)。
在蒸发器(51)的内部，设置截面为长方形的第一冷却介质流路(53)和截面为正方形的三根第二冷却介质流路(54)。第二冷却介质流路(54)，比第一冷却介质流路(53)的位置靠近于被冷却体(52)，而且与第一冷却介质流路(53)平行地设置。另外，第二冷却介质流路(54)的截面积比第一冷却介质流路(53)的截面积小。在这些第一及第二冷却介质流路(53)、(54)内可以流动，例如水等的冷却液。
在第一冷却介质流路(53)的被冷却体(52)侧的内壁面的一面上粘接作为传热促进粒子的金属颗粒(55)。蒸发器(51)的一端设置冷却介质入口(56)，而另一端上设置冷却介质出口(57)，并分别连接于冷凝器。
下面，对关于操作进行说明。如果被冷却体(52)发热，其热传导给蒸发器(51)，并通过第二冷却介质流路(54)内的冷却液被冷却。此时，如果热负荷小，就可以以对流传热进行冷却，如果热负荷大，则以沸腾传热进行冷却。
但是，如果热负荷相当大，则小直径的第二冷却介质流路(54)达到断燃点，引起传热面过速干燥。急剧恶化冷却特性。在这种情况下，热传到直径比第二冷却介质流路大的第一冷却介质流路(53)，通过第一冷却介质流路(53)内的冷却液进行沸腾冷却。
通常，对这样的热传导，不是独立地进行，而是通过流进传热面上的热量与由传热面的面积决定的热流束，互相决定其传热状态(对流传热、沸腾传热、对流与沸腾共存的传热等)。特别是，当第二冷却介质流路(54)过早干燥的时候，全热的负荷流进第一冷却介质流路(53)，急剧增大第一冷却介质流路(53)的传热面的热流束。
这样，在上述实施例中，在第一冷却介质流路(53)中被冷却之前，由于在比第一冷却介质流路(53)直径小的第二冷却介质流路(54)中冷却，所以提高了热负荷比较小的时候，即，被冷却体(51)的电力损失小的情况下的冷却特性。一方面，如果热负荷变大，则在第一冷却介质流路(53)中冷却，因此作为整体，提高了对于宽的热负荷范围的冷却特性。
另外，在上述实施例中，第一冷却介质流路(53)的传热面，即内壁面上由于粘着金属颗粒(55)，传热面的表面积变大，同时可以防止温度边界层的扩大，促进热传导，其结果冷却效率，特别是热负荷比较大的情况下的冷却效率变好。
下面，根据图(31)说明具有如上述蒸发器(51)的沸腾冷却装置的冷却特性。图31是表示上述实施例的装置的过热度与热流束之间的关系，也就是表示沸腾曲线的关系图。
图中，通过E、F、A点的实线表示不同金属颗粒(55)以及第二冷却介质流路(54)，只用第一冷却介质流路(53)的情况下的沸腾曲线。特别是，A点是此时的断燃点。从该状态通过附加金属颗粒(55)，沸腾曲线变为通过E、F、C、B点的实线及虚线。而且，通过附加第二冷却介质流路(54)，沸腾曲线E、F、点移向D、C点，作为整体就成为通过D、C、B点的点划线及虚线。
这样，在第一冷却介质流路(53)中，用粘接金属颗粒(55)的方法，以促进热负荷特别大的时候的传热以至冷却效率变好。另外，在热负荷小的时候，由于冷却介质流路的截面积小的一方的冷却特性好，因此通过设置第二冷却介质流路(54)，使热负荷特别小时候的冷却特性变好。
其中，例如功率晶体管等的被冷却体，根据所使用的条件，其电力随时间变化的情况多，因此，冷却装置从小的电力损失到大的电力损失为止，经常需要高效率的冷却特性。对此，具有如上述的蒸发器(51)的沸腾冷却装置中，由于设置了第二冷却介质流路(54)与金属颗粒(55)，二者可以在宽的热负荷范围内提高冷却效率，可以得到优异的冷却特性。
下面，图32是根据第五发明的第二实施例的沸腾冷却装置的蒸发器(51)的断面图，图33是图32沿F-F线的断面图，图34是图32沿G-G线的断面图。
图中，在第一冷却介质流路(53)的宽度方向中央，设置延伸于其长度方向的增强板(58)，根据该增强板将第一冷却介质流路(53)分成两部分。被冷却体(52)，接合于蒸发器(51)的两面，由此，第二冷却介质流路(54)配置在第一冷却介质流路(53)的两侧，与此同时，金属颗粒(55)也在第一冷却介质流路(53)的内壁中粘接于图32的上下两面。
根据这样的装置，也能得到与上述实施例同样的效果。另外，由于可控硅元件是以3吨左右的大的力压接于蒸发器(51)，因此在该实施例中，对压接的强度考虑，设置了增强板(58)。
还有，第二冷却介质流路(54)的断面形状，不限于如图29那样的正方形或如图32那样的圆形，也可以是其它的多边形或椭圆形等。另外，第一冷却介质流路(53)的断面形状也不受限于长方形。
另外被冷却体(52)也不受限于可控硅元件或功率晶体管，并其数量也没有特殊限定。
进一步，第一及第二冷却介质流路(53)和(54)的配置关系或者数量也不受上述实施例的限制，例如，也可以是由图35至图37所示的配置及数量。
再有，在上述实施例中，作为传热促进颗粒，示出了金属颗粒(55)，但具体的例子为可以利用铝或铜的小片等。另外，传热促进颗粒为非金属颗粒也可以，但导热系数高的材料为好。而且，如果传热促进颗粒与蒸发器(51)为相同的材料，特别容易粘接。
另外，在上述实施例中，作为蒸发器(51)，示出了铜制的，但例如铝制的等其它材料制成也可以。
进一步，在上述实施例外中，在第一冷却介质流路(53)中粘接金属颗粒(55)，但粘接在第二冷却介质流路(54)上也可以。
再进一步，在上述实施例中，将金属颗粒(55)设置在第一冷却介质流路(53)的被冷却体(52)的侧面的一面壁上，但设在壁面的一部分上也可以，或设在另一壁面上也可以。
另外，在上述实施例中，作为冷却液的一例，示出了水，但例如乙二醇水溶液等的水溶液或氟隆液等也可以。
进一步，在上述各实施例中，虽然在第一冷却介质流路(53)中设置了金属颗粒(55)，但传热促进颗粒不是非设不可，省略了传热促进颗粒，也能得到本发明的效果。
下面，根据图说明权利要求(6)涉及的发明(以下简称第六发明)的实施例。图38是根据第六发明的第一实施例的单独冷却散热片型(非浸渍型)的沸腾冷却装置的断面图，图39是图38的冷却散热片的断面图，与图5相同或相当的部分给出相同符号，并省略其说明。
图中，在蒸发器的冷却散热片(31)内的传热面的两处的吸热面(31a)的表面上，分别一层一层地粘接着传热促进颗粒(61)。另外，冷却液(25)，可以使用由纯水或者乙二醇水溶液制备。
在这样的冷却装置中，如果在冷却散热片(31)上传入的热达到所定值以上，则从传热促进颗粒(61)内的间隙或吸热面，全面产生气泡(26)。产生的气泡(26)，一面使冷却液(25)上升，同时气泡本身也上升。这样，气泡(26)一达到冷却散热片(31)内的上部，沿着导管(32)向共同集液槽(33)移动，再从液面进入第一联管箱(24b)。
通过这些，在第一联管箱(24b)内充满蒸气(27)。该蒸气(27)在冷凝器(24)内被空冷、冷凝和液化。冷凝液通过重力重新回到共同集液槽(33)进行冷却。
可是，在使用氟隆R113的过去的装置中，通过将冷却散热片(31)的内壁面以喷丸剂等进行粗面化，促进了传热。但不同物性的纯水或乙二醇水溶液作为冷却液使用的时候，在过去的装置中不能进行充分的传热促进。对此，在上述实施例中，通过在吸热面(31a)上设置传热促进颗粒(61)，以促进从吸热面(31a)向冷却液(25)的传热，沸腾时，在整个面上容易产生气泡(26)，则提高冷却效率。
另外，图40是表示第六发明的第二实施例的冷却散热片(31)的断面图，粘接了两层传热促进颗粒(61)。
进一步，图41是表示第六发明的第三实施例的冷却散热片(31)的断面图，通过设置增强板(62)，增加了冷却散热片(31)的结构强度。也就是说，在将纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)使用的时候，与使用氟隆R113的情况不同，以105w/米2以上的热流束，就充分达到了泡核沸腾现象。因此，在相同热负荷的情况下，吸热面(31a)的面积小的一方，得到大的热流束。从这个理由考虑，在吸热面(31a)的表面，为了使传热面积大，而不设置散热片等为好的情况也有。该情况下，冷却散热片(31)由于结构强度不够，就需要增强板(62)。
在这些第二第三实施例中，也得到与上述实施例1同样的效果。
然而，即使用了这样的传热促进颗粒(61)，根据粒径不能得到充分的传热促进效果。因此，要说明如上述使用纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下的传热促进颗粒(61)的最适宜的粒径。
首先，利用日本机械学会论文集第451号B编《多孔质传热面的泡核沸腾热传导特性》中所示的计算式进行最适粒径的推算。该推算所需要的物性值为，蒸发潜热、表面张力及冷却介质蒸气的密度，而成为这些研究对象的饱和温度使用了相对应的值。
在非均匀温度场中，从成为开口半径rccm的具有空穴(キセビティ)的传热面产生气泡所需要的传热面的温度差△TK，以式[3]给出。
△T＝Kc……[3]其中 σ表面张力 (kg/m)L蒸发潜热 (kcal/kg)ρv冷却介质蒸气的密度 (kg/m)Ts冷却介质的饱和温度 (℃)Kc常数gc转化系数而且，gc＝107达因·厘米/J＝427kgf·m/kcal。
进一步，在多孔质面上，应考虑颗粒之间形成的空穴才能形成有效的气泡核，而该空穴的大小(开口半径rc)如果与颗粒成正比，得到式[4]的关系。
rc＝Kp·rp…… [4]而 Kp常数rp颗粒半径 (m)由上述的[3]式与[4]式，可以得到下面的[5]式。
(2σ(Ts+273.15))/(L·ρv·rp·gc) ＝ (Kp)/(Kc) ·△T ……[5]另外，低热流束q/S＝3×104w/m2，高热流束q/S＝1×105w/m2时，具有高性能的沸腾热传导特性的多孔质面的范围，可以由[6]式表示。
0.094≤Kp·△T/Kc≤0.23 ……[6]
将[5]式代入[6]式中，根据颗粒半径rp进行整理，则可以得到[7]式。
(2σ(Ts+273.15))/(L·ρv·gc×0.23) ≤rp≤ (2σ(Ts+273.15))/(L·ρv·gc×0.094)……[7]使用上述的[7]式，进行了最适合的粒径的推算，其结果示于下表。
表Ts 40℃ 60℃ 70℃ 80℃纯水 1.54-3.8 0.63-1.54 0.41-1.0 0.28-0.68mm mm mm mmA 1.31-3.1 0.52-1.27 0.34-0.83 0.23-0.55mm mm mm mmB 1.1-2.7 0.44-1.1 0.29-0.71 0.20-0.48mm mm mm mmC 0.98-2.4 0.40-0.98 0.26-0.63 0.17-0.43mm mm mm mmD 67.7-166 15.4-37.6 7.9-19.2 4.3-10.5mm mm mm mm氟隆R113 54.5-133 28-68.8 20.7-50.6 13.6-33.0mm mm mm mm
表中，A25%(wt)乙二醇水溶液B35%(wt)乙二醇水溶液C45%(wt)乙二醇水溶液D乙二醇水溶液由上表的结果看出，使用纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下，传热促进颗粒(61)的半径的范围是0.17-3.8mm。由此考虑在该范围内可实用的范围，可以为半径0.17-1.0mm左右，也就是说，传热促进颗粒(61)的最适合的粒径为300-2000μm。该适宜的粒径范围，明显不同于使用氟隆R113作为冷却液的情况。
下面，图42-图45是使用纯水、乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下，表示吸热面(31a)在低压中的沸腾传热特性的过热度与热流束之间的关系的关系图，分别表示图42为传热促进颗粒(61)的粒径为1000μm，积层为一层的情况，图43为粒径为1000μm，积层为两层的情况，图44为粒径400μm，积层为一层的情况，图45为粒径400μm，积层为两层的情况。另外，各图均按照实验的实测值，而且为了比较，同时一起记载了水平圆板(φ10mm、液温为60℃)的光滑面情况下的实测值。
通过这些知道，以同时用各粒径的冷却介质与传热促进颗粒(61)时，比水平圆板的情况显著提高沸腾传热特性。
图46是以各粒径表示的根据图42-图45，在纯水中的热流束与传热促进度之间关系的关系图，图47同样是以粒径表示的，在35%(wt)乙二醇水溶液中的热流束与传热促进度之间关系的关系图。
从这些图可以确认，在上述的传热促进颗粒(61)的最适粒径的范围内，在粒径400-1000μm的范围内，其积层作为一层或两层的情况下传热促进度优异。特别是，粒径为1000μm，积层为两层的情况下传热促进度优异。还有，传热促进度用[8]式进行了计算。
传热促进度＝ (具有传热促进颗粒的传热面的过热度)/(光滑面的过热度) ……[8]而过热度＝吸热面温度-冷却介质温度。
综上述结果，在使用纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下，传热促进颗粒(61)的最适粒径为300-2000μm。而且，其范围内400-1000μm的范围内为特别好，如果将积层作为两层就更好。
还有，在上述实施例中，表示了单独散热片型的沸腾冷却装置，但在浸渍型的沸腾冷却装置中也可以适用第六发明。这种情况下，如果在发热体中安装的散热片等上粘接传热促进颗粒为好。
另外，传热促进颗粒(61)，也可以利用铜或铝等的金属颗粒，或非金属颗粒，没有特别的限制，但导热系数高的材料为好。
以下，根据图说明权利要求(7)涉及的发明的(以下简称第七发明)实施例。图48是表示根据第七发明的一个实施例的沸腾冷却装置的结构图，与图23相同，或相当部分给出同一符号，并省略其说明。
图中，在第一联管箱(24b)的顶端部，设置伸缩自如的可绕性的材料制得的波纹管(71)。该波纹管(71)的内部与第一联管箱(24b)内，即冷却液(25)的液面上的空间部位(72)连通。由此，波纹管(71)根据空间部位(72)的压力变化伸缩。另外，波纹管(71)通过弹簧(73)平常处于缩小方向。
在波纹管(71)的顶端部，安装可动接点(74a)。该可动接点(74a)，通过波纹管(71)的伸缩移动，并接，离于反对方向的固定接点(74b)。各接点(74a)、(74b)与检测空间部位(72)的压力的异常上升的检测器(75)相连接。该检测器(75)与警报器(76)相连接。
由这些波纹管(71)、弹簧(73)、各接点(74a)、(74b)、检测器(75)以及警报器(76)构成监视装置(70)。
在第一联管箱(24b)的侧部，通过电磁阀(77)连接作为排气装置的真空容器(78)。电磁阀(77)，与检测器(75)连接，当检测器(75)检测出压力异常时，使该阀打开。
如上述构成的沸腾冷却装置中，关于沸腾冷却的操作与图23的装置相同。
这里，已在第一发明的实施例中也进行了说明，使用纯水或乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下，在可控硅元件(3)的工作温度范围(60℃前后)中的饱和压力比大气压低(图4)。因此，由于泄漏引起的空气等的非冷凝性气体侵入空间部位(72)。
这样，如果装置内侵入空气，冷凝器(24)的冷却性能恶化，冷却液(25)的工作温度变高，由于该影响冷却散热片(31)的温度也变高。于是可控硅元件(3)的接点(ジ
ン
ョソ)温度变高。如果超过所允许的温度，使可控硅元件(3)失去功能。特别是，装在铁道车辆上的可控硅元件(3)的情况下，如果失去其功能，必须停止车辆，给营业运转带来障碍。
对此，在上述实施例的装置中，如果由于空气侵入使空间部位(72)内的压力上升，就以逆弹簧(73)延伸波纹管(71)。如果压力的上升到达设定值，可动接点(74a)与固定接点(74b)接触，检测器(75)中检出异常的压力上升。根据这些，通过警报器(76)发出警报的同时打开电磁阀(77)。由于打开电磁阀(77)，空间部位(72)内部减压。如果装置的内压降低，则波纹管(71)缩短，重新打开接点(74a)、(74b)。如果接点(74a)、(74b)被打开，从检测器(75)发出正常信号，关闭电磁阀(77)。
根据这样的监视装置(70)与真空容器(78)的工作，可以防止泄漏引起的冷却性能的降低，能够继续使用装置。因此，可以长期、稳定地确保装置的冷却性能。
可是，冷却液(25)的工作温度，根据由于可控硅元件(3)引起的热负荷与冷凝器(24)冷却性能决定。如果该冷却液(25)的工作温度超过60℃，此时的蒸气压P为使用纯水作为冷却液(25)的情况下，蒸气压P＝150mmHg(＝0.2kg/cm2abs)，而使用35%(wt)乙二醇水溶液作为冷却液(25)的情况下，蒸气压P＝129mmHg(＝0.7kg/am2abs)。
另一方面，波纹管(71)的受压面积Scm2为，如果弹簧(73)的弹簧常数K kg/cm、大气压为Po，冷却液(25)为60℃时的弹簧(73)的可动端的变位量为△Xcm，则成立下面表示的[9]式。
Po·S＝P·S+K△X …… [9]其中，由于大气中的空气泄漏于装置内，如果装置的内压，即蒸气压P1仅仅上升△P kg/cm2，波纹管(71)延伸△X1，则成立下面的[10]式。
Po·S＝(P+△P)S+K(△X-△X1) …… [10]把[9]式代入[10]式，并进行整理，则成为△P·S-K△X1＝0。即可以检出对△P的压力上升，△X1＝△P·S/K (cm)的变位量。
因此，如果预先决定装置内压力上升的允许值，同时将接点(74a)、(74b)的间隔，作成相应的长度，就在如上述异常压力上升时发出警报的同时，可以使空间部位(72)减压。
还有，在上述实施例中，说明了就可控硅元件(3)作为被冷却体的情况，但与上述各发明同样，被冷却体不受特别的限定。
另外，在上述实施例中，表示了单独散热片型(非浸渍型)的沸腾冷却装置，但浸渍型的沸腾冷却装置也可以适用于本发明。
进一步，在上述实施例中，作为排气装置表示了真空容器(78)，但也可以是例如真空泵等其它的装置。
再进一步，监视装置(70)也不受在上述实施例中的结构的限制。
下面综合说明权利要求(8)-(10)涉及的发明的实施例。
图49是发明者们用实验求得的表示饱和液温60℃时的各冷却介质的沸腾曲线的过热度与热流束之间的关系的关系图。冷却介质为纯水、20%(wt)乙二醇水溶液、35%(wt)乙二醇水溶液及45%(wt)乙二醇水溶液。关于各冷却介质，都知道沸腾冷却曲线在热流束为105w/m2附近变化。
这里，将实测值(过热度△Tsat、热流束Q/S、蒸气压力Ps及传热系数α)或饱和液温为60℃时的各冷却介质的物性值(导热率K1、表面张力σ、液体比重量σ1、蒸气比重σv、液体的普兰特尔准数Pr、冷却介质的蒸发潜热L及液体的温度传导率a1)，代入下面所示的努塞尔特导热系数(スセルト数)Nu及无因次数F的式[11]-[13]，并整理了实验结果。
Nu=aKl·σρl-ρv]]>……11α＝ (q)/(s·ΔTsat) (W/
2℃) ……12F=Pγ-0.35·
0.7·[psσ(ρl-ρv)]0.2]]>……13这样，例如关于35%(wt)乙二醇水溶液，整理泡核沸腾热传导关系的努塞尔特导热系数Nu与无因次数F之间的关系的就是图50。
在图50中，分别表示点划线为Ku ta teladze公式(Nu＝7.0×10-4·F)，虚线为关于35%(wt)乙二醇水溶液的发明者所给出的实验式(Nu＝9.0×10-4·F)。以无因次数(Nu·F)整理的实测值的大部分是对于发明者的实验式-25%-+40%范围内整理的。但是，当无因次数F为2×104以下时，上述的实测值示出与发明者的实验式不吻合的特性。这就表示，35%(wt)乙二醇水溶液作为冷却介质的特性，区别于泡核沸腾传导特性强的领域与若干弱的领域(泡核沸腾以及自然对流混合存在的领域)。
图51表示乙二醇水溶液的混合比例与稳定了的泡核沸腾开始点的热流束之间的关系的关系图，分别整理了关于饱和液温40℃、60℃、70℃及80℃的实测值。从该图明白，稳定了的泡核沸腾开始点的热流束受到混合比例或饱和液温的影响。
图52表示乙二醇的摩尔分率m与沸腾开始点的F值之间的关系的关系图，整理摩尔分率m与F值的关系，可得到下面的公式[14]。
F＝2.1×104·m-0.027…… [14]如果利用该式[14]，可以从乙二醇的摩尔分率m，求出与其摩尔分率相对应的沸腾开始点的F值。
另一方面，热流束/S由下面的式[15]求出。
q/s=L·ρv·al0.86·ρl-ρvσ·[FPγ0.35·[Psρ(ρl-ρv)]0.7]1/0.7]]>于是，如果使[15]式的F成为以[14]式求出的沸腾开始点的F值以上，规定蒸发器的传热面积S，则就使用乙二醇水溶液作为冷却液的沸腾冷却装置的蒸发器，可以使用如图53所示的沸腾开始点以上的热流束值。
另外，使用碳氟化合物系的冷却液的情况下，将发明者的实验结果无因次整理的结果，作为求出沸腾开始点的热流束的F值，得到了F＝1.1×104。
同样，使用纯水或水溶液作为冷却液的情况下，得到了F＝2.7×104。
其中，q/s热流束值 (w/m2)q热量 (w)S蒸发器的传热面积 (m2)L蒸发潜热 (kcal/kg)ρv蒸气的比重量 (kg/m3)ρl液体的比重量 (kg/n3)
a1液体的温度传导率 (m2/hr)σ表面张力 (kg/m)Ps蒸气的压力 (kg/m2)Pr液体的普兰特尔准数 (-)如果整理以上的结果，关于各冷却介质就成为以下的关系式纯水或水溶液F≥2.7×104碳氟化合物系冷却介质F≥1.1×104乙二醇水溶液F≥2.1×104·M-0.027如果使用蒸发器的传热面积规定为满足这些关系式，就可以使用如图53所示的沸腾开始点以上的热流束，可以得到实用上稳定的沸腾状态。也就是说，可以得到过热度不变动，冷却性能稳定的蒸发器。
如以上的说明，权利要求(1)涉及的发明的沸腾冷却装置，由于使用由乙二醇水溶液组成的冷却液的同时，还用铜制的冷凝器，因此，具有不用氟隆，或防止腐蚀引起的性能降低，可以得到优异的冷却性能的效果。
权利要求(2)涉及的沸腾冷却装置，由于在共同集液槽侧方，通过向着水平方向的导管连接了蒸发器，因此具有可以使高度的尺寸小，并由此可以使安装该装置的机器小型化，低床化的效果。
权利要求(3)涉及的沸腾冷却装置，由于在共同集液槽侧方，通过几乎向着水平方向的导管连接了蒸发器，而且在蒸发器的吸热面的内侧，设置了向上下方向延伸的多个的内部流路，因此，除具有上述权利要求(2)的发明的效果之外，还通过沸腾冷却或对流，可以高效率地进行冷却，并提高沸腾冷却特性等效果。
权利要求(4)涉及的发明的沸腾冷却装置，由于将液冷用冷却器连接于蒸发器，以冷却对流的冷却液，因此具有提高以对流冷却为主的情况下的冷却效率，并由此提高热负荷小时候的冷却特性，作为整体可以得到优异的冷却特性的效果。
权利要求(5)涉及的发明的沸腾冷却装置，由于在蒸发器上设置了比第一冷却介质流路的截面积小的第二冷却介质流路，因此具有使热负荷特别小的时候的冷却特性变好，并对于宽的热负荷范围内可以得到优异的冷却特性之效果。
权利要求(6)涉及的发明的沸腾冷却装置，由于在蒸发器内的传热面上粘接了粒径为300μm以上，2000μm以下的许多传热促进颗粒，因此具有促进传热效果，不用氟隆，而用由水或乙二醇水溶液组成的冷却液，可以得到优异的冷却性能之效果。
权利要求(7)涉及的发明的沸腾冷却装置，由于临于空间部位设置了监视冷却液的液面上的空间部位内压力的监视装置，同时在空间部位连接了压力异常上升时空间部位内减压的排气装置，因此，该装置具有可以防止由泄漏引起的冷却性能的降低，并由此不用氟隆，而通过用水或乙二醇水溶液作成的冷却液就可以得到优异的冷却性能，而且可以使冷却性能长期保持稳定的效果。
权利要求(8)、(9)及(10)涉及的发明的沸腾冷却装置，由于使蒸发器的传热面积作成以达到冷却介质的沸腾开始点以上的热流束值，因此可以发挥防止蒸发器的过热度的变动，使冷却性能稳定的效果。
图面的简单说明图1为表示第一发明的第一实施例的结构图，图2为表示各冷却介质的沸腾曲线的传热面的过热度与热流束之间的关系图，图3为表示乙二醇水溶液的乙二醇浓度与冻结温度之间关系的关系图，图4为表示各冷却介质的饱和温度与饱和压力之间关系的关系图。
图5为表示第二发明的第一实施例的结构图，图6为图5的正视图，图7为表示第二发明的第二实施例的断面图，图8为表示第二发明的第三实施例的断面图，图9为表示第二发明的第四实施例的断面图。
图10为表示第三发明的第一实施例的部分切口的断面图，图11为图10的沿A-A线的箭视断面图，图12为图10沿B-B线的箭视的断面图，图13为表示用纯水作为冷却液的情况下的垂直圆管的沸腾曲线的关系图，图14为表示用乙二醇水溶液作为冷却介质的情况下的垂直圆管的沸腾曲线的关系图，图15为表示第三发明的第二实施例的断面图，图16为表示第三发明的第三实施例的断面图，图17为图16沿C-C线的箭视断面图，图18表示第三发明的第四实施例的断面图，图19为图18的沿D-D线的箭视断面图，图20是表示图18的两段矩形导管的放大斜视图，图21表示第三发明的第五实施例的断面图，图22表示第三发明的第六实施例的断面图，图23为使用图18的冷却散热片的沸腾冷却装置的断面图，图24为表示在图23的装置中用以C的液面高度的纯水情况下的过热度与热流束之间的关系图，图25为在图23的装置中用乙二醇水溶液，液面高度为C情况下表示的过热度与热流束之间关系的关系图，图26为对图23装置的冷却实验结果，以沸腾传热系数与热流束之间的关系整理的关系图，图27为表示在图23的装置中使用乙二醇水溶液的情况下的液面位置与并列热阻之间关系的关系图。
图28为表示第四发明的第一实施例的断面图。
图29表示第五发明的第一实施例的断面图，图30为图29的沿E-E线箭视断面图，图31表示图29装置的沸腾曲线的关系图，图32表示第五发明的第二实施例的断面图，图33为图32的沿F-F线的箭视断面图，图34为图32的沿G-G线的箭视的断面图，图35表示第五发明的第三实施例的断面图，图36为图35的沿H-H线的箭视断面图，图37为图35的沿I-I线的箭视断面38表示第六明的第一实施例的断面图，图39为图38的冷却散热片的断面图，图40表示第六发明的第二实施例的断面图，图41表示第六发明的第三实施例的断面图，图42-图45表示使用纯水、乙二醇水溶液为冷却液的情况下的吸热面的沸腾传热特性的关系图，图42表示传热促进颗粒的粒径为1000μm，积层为一层的情况，图43表示粒径为1000μm，积层为二层的情况，图44表示粒径为400μm，积层为一层的情况，图45表示粒径为400μm，积层为二层的情况。图46为根据图42-图45的数据，以各种粒径表示的纯水中的热流束与传热促进度之间关系的关系图，图47表示在35%(wt)乙二醇水溶液中的各种粒径的热流束与传热促进度之间关系的关系图。
图48表示第七发明的一个实施例的结构图。
图49表示饱和液温60℃时的各冷却介质的沸腾曲线的过热度与热流束之间的关系图，图50为表示35%(wt)乙二醇水溶液的泡核沸腾热传导的F值与Nu数之间的关系图，图51表示乙二醇水溶液的混合比例与稳定了的泡核沸腾开始点的热流束之间关系的关系图，图52表示乙二醇的摩尔分率与F值之间关系的关系图，图53为表示一般性的冷却介质的沸腾曲线的过热度与热流束之间的关系图。
图54为表示浸渍型的过去装置的一例的结构图，图55为表示非浸渍型的过去装置的一例的结构图，图56为表示一般性的冷却介质的沸腾曲线的过热度与热流束之间的关系图。
图中，(3)为可控硅元件(被冷却体)，(21)为蒸发器，(22)为蒸气管(蒸气流路)，(23)为液体回流管(回液流路)，(24)为冷凝器，(25)为冷却液，(31)为冷却散热片(蒸发器)，(31a)为传热面，(32)为导管，(33)为共同集液槽，(42)为圆形导管(内部流路)，(43)为矩形导管(内部流路)，(45)为内部流路，(46)为二段矩形导管(内部流路)，(48)为波纹管(导管)，(50)为液冷用冷却器，(51)为蒸发器，(53)为第一冷却介质流路，(54)为第二冷却介质流路，(61)为传热促进颗粒，(70)为监测装置，(71)为排气装置。
还有，各图中，相同符号表示相同或相当部分。
权利要求
1.沸腾冷却装置，其特征是该装置具备收容由乙二醇水溶液组成的冷却液的蒸发器和通过蒸气流路及回流液流路连接于蒸器的铜制的冷凝器。
2.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器，同时收容冷却液的共同集液槽与该共同的集液槽上通过导管连接，并收容上述冷却液，而且接合于被冷却体的蒸发器的非浸渍型的沸腾冷却装置中，其特征是上述导管几乎朝水平方向配置，同时上述蒸发器配置在上述共同集液槽的侧方。
3.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器，并收容冷却液的共同集液槽与通过导管连接于共同集液槽，同时连接于被冷却体，而且收容上述冷却液的蒸发器的非浸渍型的沸腾冷却装置中，其特征是上述导管几乎朝水平方向，同时上述蒸发器配置在上述共同集液槽的侧方，而且在上述蒸发器的吸热面的内侧，设置沿上下方向延伸的多个内部流路。
4.沸腾冷却装置，其特征是该冷却装置具备连接于冷凝器，同时收容冷却液的蒸发器，连接于该蒸发器，并冷却流入的冷却液的冷却用冷却器。
5.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器，并收容冷却液之蒸发器的沸腾冷却装置中，其特征是，在上述蒸发器内，互相平行地设置第一冷却介质流路和与比第一冷却介质流路截面积小的第二冷却介质流路。
6.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器，并收容冷却液的蒸发器的沸腾冷却装置中，其特征是上述冷却液由水及乙二醇水溶液中的任何一种组成，而且在上述蒸发器内的传热面上，粘接许多其粒径为300μm以下的传热促进颗粒。
7.沸腾冷却装置，其特征是该装置具备收容由水及乙二醇水溶液的任意一种组成的冷却液的蒸发器，连接于该蒸发器，并冷凝上述冷却液的蒸气的冷凝器，设置在面临上述冷却液的液面上的空间部位，并监测上述空间部位的压力的监测装置，连接于上述空间部位，并在上述压力异常上升时，使上述空间部位内减压的排气装置。
8.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器，并收容冷凝液的蒸发，器的沸腾冷却装置中，其特征是上述冷却液由纯水或者水溶液组成，同时上述蒸发器的传热面积是如下表示的关系式。F≥2.7×104而F=Pγ-0.35
0.7·[psσ(ρl-ρv)]0.7]]>q/S热流束值 (w/m2)q热量 (W)S蒸发器的传热面积 (m2)L蒸发潜热 (Kcal/kg)ρv蒸气的比重量 (kg/m3)ρ液体的比重量 (kg/m3)α1液体的温度传导度 (m2/hr)σ表面张力 (kg/m)Ps蒸气压力 (kg/m2)Pr液体的普兰特尔准数(一)
9.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器并收容冷却液的蒸发器的沸腾冷却装置中，其特征是上述冷却液由乙二醇水溶液组成的同时，上述蒸发器的传热面积满足下述所示的关系式。F≥2.1×104·m-0.027而F=Pγ-0.35
0.7·[psσ(ρl-ρv)]0.2]]>q/S热流束值 (w/m2)q热量 (W)S蒸发器的传热面积 (m2)L蒸发潜热 (Kcal/kg)ρv蒸气的比重量 (kg/m3)ρl液体的比重量 (kg/m3)α1液体的温度传导度 (m2/hr)σ表面张力 (kg/m)Ps蒸气压力 (kg/m2)Pr液体的普兰特尔准数(一)M乙二醇的摩尔分率
10.沸腾冷却装置，在具备连接于冷凝器，并收容碳氟化合物系冷却液的蒸发器的沸腾冷却装置，其特征是上述蒸发器的传热面积满足下面表示的关系式。F≥1.1×104而F=Pγ-0.35
0.7·[psσ(ρl-ρv)]0.7]]>q/S热流束值 (w/m2)q热量 (W)S蒸发器的传热面积 (m2)L蒸发潜热 (Kcal/kg)ρv蒸气的比重量 (kg/m3)ρl液体的比重量 (kg/m3)α1液体的温度传导度 (m2/hr)σ表面张力 (kg/m)Ps蒸气压力 (kg/m2)Pr液体的普兰特尔准数全文摘要
本发明涉及冷却电子装置的可控硅元件或功率晶体管，采用氟隆以外例如水或乙二醇作为冷却液的沸腾冷却装置，包括铜制的蒸发器、冷凝器、蒸气管以及液体回流管路，作为被冷却体可控硅元件位于蒸发器上，从而不产生氟隆气体对环境的污染，也防止了对装置的腐蚀，此外，本发明的其它实施例还能进一步提高装置在热负荷小时以及热负荷范围宽时的冷却特性以及使装置小形化。
文档编号F28D15/02GK1056350SQ9010936
公开日1991年11月20日 申请日期1990年9月29日 优先权日1989年9月29日
发明者高橋信義, 亀田卓, 藤井雅雄, 芦谷正裕, 村濑成一, 吉岡武男 申请人:三菱电机株式会社