专利名称：沸腾冷却装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用制冷剂的沸腾冷却装置。
背景技术：
沸腾冷却装置是利用制冷剂的从液体到气体的相变化来对发热体进行冷却的装置。在此，在密封系统的沸腾冷却装置中，从发热体受热的液体制冷剂多为醇(alcohol) 类。例如，在日本特开平4-257693号公报(专利文献1)中记载了水(100份)与低级醇 (5 12份)的混合液。此处的制冷剂主要以在室内用设备的冷却中使用的热管作为对象， 在-io°c左右不冻结且具有不燃性。并且，在日本实开昭62-8571号公报(专利文献2)中记载了水与醇的混合液。在此，通过改变水与醇的混合比例来防止制冷剂的冻结。另一方面，在沸腾冷却装置中，也进行热传递特性等如何根据收纳如上所述的液体制冷剂的部位、和将发热体的热传递至液体制冷剂的部位的空间结构而变化等的研究。 例如，第22回日本伝熱* > ” , A講演論文集(1985-5)A112「狭0間隙(二 ^汁3核沸騰熱伝達」(非专利文献1)中，记载了传热面和与该传热面对置的面之间的离开距离与热传递特性之间的关系。专利文献1 日本特开平4-257693号公报专利文献2 日本实开昭62-8571号公报非专利文献1 第22回日本伝熱〉> 求”々A講演論文集(1985-5) Al 12「狭…間隙(二杉汁3核沸騰熱伝達」在沸腾冷却装置中，对于产生高热通量的发热体，有可能发生烧毁(burn-out) (膜沸腾)。在发生了烧毁的区域中不进行热传递，冷却性能降低。因此，一直以来都在寻求抑制发生烧毁的技术。最近，作为发热体的电子设备等小型化、高集成化，热通量(发热密度)变高(例如lMW/m2左右)，容易发生烧毁。并且，在使用水作为液体制冷剂的情况下，液体制冷剂所具有的临界热通量变大， 不易发生烧毁。但是，由于水的熔点高，容易冻结，因此不适合搭载于车辆。另一方面，在使用醇作为液体制冷剂的情况下，醇的熔点低，不易冻结。但是，醇的临界热通量比水的临界热通量小，在抑制烧毁的方面存在问题。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够抑制液体制冷剂的冻结、且能够抑制烧毁的发生的沸腾冷却装置。本发明的沸腾冷却装置的特征在于，具备收纳部，将吸收发热体的热的液体制冷剂收纳于该收纳部的内部，液体制冷剂是由沸点不同的至少两种液体构成的混合液，收纳部具有传热壁部，该传热壁部用于将发热体的热传递至液体制冷剂；以及对置壁部，该对置壁部隔着液体制冷剂与传热壁部对置，传热壁部与对置壁部之间的离开距离为3mm以下。通过使用混合液作为液体制冷剂，能够按照所要求的规格调整熔点，由此能够防 止液体制冷剂冻结。进而，通过将传热壁部与对置壁部之间的离开距离设为3mm以下，热传 递变好，能够抑制烧毁的发生。在此，传热壁部与对置壁部之间的离开距离优选为2mm以下。由此，热传递进一 步变好，能够进一歩抑制烧毁的发生。此外，传热壁部与对置壁部之间的离开距离优选为 0. 5mm以上1. 5mm以下。由此，热传递进ー步变好，能够进一歩抑制烧毁的发生。在此，液体制冷剂优选为水与乙醇的混合液。与其他醇类相比较，乙醇的熔点低， 在与水的混合液中容易降低熔点。即，混合液达到目标熔点温度所需的乙醇的量比混合其 他醇时所需的醇的量少。因此，与其他的醇相比较，能够增大混合液中的水的比例，由此能 够增大混合液的临界热通量。并且，与其他醇类相比较，乙醇的蒸发热(潜热)大。因此，通过使用乙醇，混合液 的临界热通量变得更大。此外，乙醇的沸点相对较低，热循环效率变好，作为沸腾冷却的制 冷剂是有效的。并且，由于乙醇的沸点不会过低，且沸点比一般在冷凝部使用于冷凝的制冷 剂(例如冷却水)的温度(例如65°C左右)高，因此更适合沸腾冷却。特別地，通过使用在 该狭窄间隙中气泡上升速度大的上述混合液，热传递性能大幅提高。如上，通过使用水与乙 醇的混合液，能够防止冻结，并且能够抑制烧毁的发生。此外，上述混合液的乙醇浓度优选为45质量％以上、55质量％以下。由此，熔点不 到-30°C，能够可靠地满足搭载于车辆时一般要求的规格(例如在-30°C不冻结)。并且，与 醇单一成分相比较，液体制冷剂的临界热通量増大与混合液中所含的水相应的量。由此，能 够抑制烧毁的发生。另外，本发明的沸腾冷却装置还具备冷凝部，该冷凝部与收纳部连接，使因发热体 的热而沸腾的液体制冷剂冷凝，上述沸腾冷却装置也可以作为密封系统的沸腾冷却装置。根据本发明的沸腾冷却装置，能够抑制烧毁的发生。
图1是示出沸腾冷却装置1的立体图。图2是沿着图1的A-A线的剖视图。
图3是示出各种醇的特性的图。图4是示出乙醇-水混合液的乙醇浓度与临界热通量之间的关系的图。图5是示出离开距离与热传递率之间的关系的图。图6是示出回流离开距离与热传递率之间的关系的图。图7是示出乙醇-水混合液的乙醇浓度与热传递率之间的关系的图。图8是用于对膜沸腾进行说明的示意图。图9是示出乙醇-水混合液的乙醇浓度与元件温度之间的关系的图。图10是示出实验的简单构成的示意图。图11是示出实验中发热体的输出与热电偶的測定温度之间的关系的图。图12是示出沸腾冷却装置100的与A-A剖视图相当的图。标号说明
UlOO 沸腾冷却装置；2、20 收纳部；21 受热通路；201 第一受热通路；202 第二受热通路；22,203 供给通路；21a,201a,201b,202a,202b 传热壁部；23a 对置壁部；3、 30 冷凝部；31,301,302 冷凝管；23,51,52 隔板；Z、Z1 Z4 发热体。
具体实施例方式下面，列举实施方式对本发明更详细地进行说明。参照图1 图9对本实施方式的沸腾冷却装置进行说明。图1是示出沸腾冷却装置1的立体图。图2是沿着图1的A-A线的剖视图。图3是示出各种醇的特性的图。图4 是示出乙醇-水混合液的乙醇浓度与临界热通量之间的关系的图。图5是示出离开距离与热传递率之间的关系的图。图6是示出回流离开距离与热传递率之间的关系的图。图7是示出乙醇-水混合液的乙醇浓度与热传递率之间的关系的图。图8是用于说明膜沸腾的示意图。图9是示出乙醇-水混合液的乙醇浓度与元件温度之间的关系的图。另外，图4引自"Matorir, A. S. ，Heat transfer Soviet Research,5-1 (1973)，85 89”。如图1以及图2所示，沸腾冷却装置1由内部空间被隔板23分隔的容器Y构成， 并具备收纳部2和冷凝部3。收纳部2是近似立方体形状的金属制的容器，在内部储存有液体制冷剂。收纳部2 具备受热通路21、供给通路22以及隔板23。受热通路21是由以下四个面包围的部位包括收纳部2的安装有发热体Z的传热壁部21a的侧壁面、与该侧壁面对置的隔板23、以及包括容器Y的前侧和后侧(图2中纸面的进深侧和近前侧)的侧壁面。隔板23形成受热通路21的侧面以及供给通路22的侧面，将收纳部2的内部空间分隔为受热通路21和供给通路22。发热体Z例如是半导体元件等。受热通路21呈近似立方体形状，上方开口而与冷凝部3连接，下方开口而与供给通路22连接。传热壁部21a与隔板23平行，将隔板23中的与传热壁部21a对置的部分作为对置壁部23a。在本实施方式中，传热壁部21a与对置壁部23a之间的离开距离约为1mm。受热通路21充满液体制冷剂。受热通路21的传热壁部21a是将发热体Z的热传递至液体制冷剂的部位。受热通路21内的液体制冷剂吸收发热体Z的热而沸腾，成为气泡后的液体制冷剂在液体制冷剂内上升。关于供给通路22，之后叙述。冷凝部3位于收纳部2的上方，且下方开口而与受热通路21以及供给通路22连接。在冷凝部3设置有冷凝管31。在冷凝管31内流动有冷却水。冷凝部3对从受热通路 21上升来的蒸汽进行冷却而使其冷凝。供给通路22与受热通路21并列地配置，是收纳部2内被隔板23与受热通路21 分隔开的另一方侧的部位。供给通路22上方开口而与冷凝部3连接，下方开口而与受热通路21连接。由冷凝部3冷凝后的液体制冷剂形成液滴，并滴落至液体制冷剂的液面。供给通路22接收从冷凝部3滴落的液体制冷剂，利用压力差将液体制冷剂从下方供给到受热通路21。另外，沸腾冷却装置1完全形成密封状态。液体制冷剂被封入真空状态的容器(沸腾冷却装置1)。在此，对收纳于收纳部2的液体制冷剂进行说明。液体制冷剂是水与乙醇的混合液。在本实施方式中，该混合液的乙醇浓度为约50质量％ (wt%)0乙醇的沸点相对较低， 为78.6°C。乙醇的沸腾温度低，作为沸腾冷却装置的制冷剂是有效的。并且，在本实施方式中，冷凝管31内流动有约65°C的冷却水。因此，优选沸点比65°C适当地高一些的液体制冷剂。在这一点上，在混合液中使用乙醇也是有效的。此外，乙醇的蒸发热(潜热)为85^J/kg，比其他醇类的蒸发热大。因此，乙醇的临界热通量大。即，与使用其他醇类的情况相比，水与乙醇的混合液能够使临界热通量(MW/ m2)大。由于当热通量超过临界热通量时会引起烧毁，因此，临界热通量大的情况比较有利。 另外，水的蒸发热比乙醇大。此外，如图3所示，与其他醇类相比较，乙醇的熔点低(-114.1°C)。因此，与使用其他的醇类的情况相比较，使混合液达到作为目标的熔点温度(在此不超过_30°C)所需的混合量少。水的蒸发热比醇类大，由此，水成分越多，混合液的临界热通量越大。利用较少的量的乙醇就能够降低上述混合液的熔点，结果，能够增多水成分而增大上述混合液的临界热通量。如此，在本实施方式中，最适合与水混合的是乙醇。考虑例如使用HFE-7200与水混合的情况。如图3所示，HFE-7200的熔点比乙醇的熔点低，可有效地降低混合液的熔点。但是，由于HFE-7200的蒸发热比乙醇小很多，因此在混合后难以确保合适的蒸发热。即，难以抑制烧毁的发生。并且，考虑例如使用异丙醇与水混合的情况。异丙醇的蒸发热比较大，可有效地抑制烧毁的发生。但是，异丙醇的熔点比乙醇的熔点高，因此必须混合比乙醇多的量才能够得到与水-乙醇混合液的熔点相同的熔点。结果，为了降低混合液的熔点，需要增加异丙醇相对于水的混合比，混合液的蒸发热降低。此外，异丙醇的蒸发热比乙醇的蒸发热小。如上所述，水-乙醇混合最适于发挥防止冻结效果和抑制发生烧毁的效果这两方效果。在此，对乙醇浓度进行说明。如图4所示，可知在水与乙醇的混合液中，当乙醇浓度不同时临界热通量也不同。如图4所示，在乙醇浓度为约75质量％以下时，临界热通量变大。即，如上所述，由于临界热通量大的情况有利于抑制烧毁，因此在烧毁的抑制中优选使用乙醇浓度为约75质量％以下的混合液。但是，乙醇浓度越低，混合液的熔点越高，越容易冻结。特别地，由于是在搭载于车辆的沸腾冷却装置中使用的液体制冷剂，因此一般要求上述液体制冷剂在-30°C左右不冻结。因此，进行乙醇浓度为40质量％的混合液的冻结实验。结果，确认了该混合液在_35°C 的环境中不会冻结。即，对于混合液，如果乙醇浓度在40质量％以上，则熔点在_35°C以下， 即使在-30°C也不会冻结。满足搭载于车辆的要求规格。并且，如上所述，由于混合液中含有临界热通量大的水成分，因此，上述混合液的临界热通量比乙醇单一成分的临界热通量大。如此，在车辆的沸腾冷却装置中使用的液体制冷剂优选为乙醇浓度在40质量％ 以上、75质量％以下的混合液(水+乙醇)。由此来防止冻结并且抑制烧毁。并且，为了进一步可靠地防止冻结，优选乙醇浓度在45质量％以上。例如，当乙醇浓度为50质量％左右时，混合液的熔点比_40°C低，甚至能够满足寒冷地区的要求规格 (在_40°C不冻结)。即，通过使用乙醇浓度为45 75质量％的混合液，能够更加可靠地防止冻结，并且能够增大临界热通量来抑制烧毁。在此，在本实施方式中，传热壁部21a与对置壁部23a之间的离开距离为约1mm。 在非专利文献1中记载，当减小上述离开距离(传热壁部21a与对置壁部23a之间的间隙) 时，与池沸腾(pool boiling)相比能够促进热传递。另外，所谓池是指离开距离为IOmm以上的具有充足距离的情况。例如，在离开距离为2mm、1mm、以及0. 6mm的情况下，在低热通量区域明显能够促进热传递。热传递率越大，冷却性能越好。 在与本实施方式相同的构成中，进行了改变上述离开距离而观察热传递率的不同的实验。在该实验中，使用乙醇浓度为60质量％的混合液。发热体的热通量为1 2MW/ m2。如图5所示，当离开距离在2mm以下时，热传递率上升。但是，水与乙醇的混合液的临界气泡直径为约1. 5mm，认为在离开距离最大达到其2倍亦即3mm之前，都能够进行良好的热传递。即，如果离开距离在3mm以下，则在热传递方面能够得到有利的效果。进而，优选离开距离在2mm以下。更优选离开距离为以Imm为中心，在0. 5mm以上、1. 5mm以下。并且，也对隔板23与供给通路22侧的壁部22a之间的离开距离(以下称为回流离开距离)进行了同样的实验。如图6所示，当回流离开距离从Imm趋向2mm时热传递率急剧上升，但是在2mm之后，热传递率基本不上升。若是也考虑如果增大回流离开距离则装置大型化这一缺点，可知为了抑制装置大型化并且提高热传递率，回流离开距离在2mm左右比较适宜。本实施方式的回流离开距离为2mm。接下来，在本实施方式中，将传热壁部21a与对置壁部23a之间的离开距离设为 1mm，改变混合液的乙醇浓度而进行热传递率的实验。如图7所示，可知当乙醇浓度为50质量％时，热传递率高(约7. 8 X 104W/m2 · K)。并且，可知当乙醇浓度为60质量％以及70质量％时，热传递率也较高(60质量％ 约6. 5X104W/m2 ·Κ、70质量％ 约6. 3X104W/m2 ·Κ)。如图4所示，随着乙醇浓度从75质量％趋向30质量％，临界热通量逐渐增大。从抑制烧毁(75质量％以下)、防止冻结(40质量％以上)、以及上述热传递率的观点来看，可以认为当乙醇浓度为以获得高热传递率的50 70质量％为中心的大约45质量％以上、75 质量％以下时，适合搭载于车辆。更优选的乙醇浓度是以获得最高热传递率的50质量％为中心的45质量％以上、55质量％以下。在本实施方式中，离开距离为1mm，混合液的乙醇浓度为50质量％。如上所述，由此，能够防止液体制冷剂的冻结，并且能够抑制烧毁的发生。另外，如图8 (上图)所示，烧毁、特别是膜沸腾，发生在传热壁部21a的与发热体Z 的中心部分(温度最高的部分)对应的内表面附近。当发生膜沸腾时，在发生上述膜沸腾的区域(膜沸腾区域)中，液体制冷剂无法与传热壁部21a接触，从而无法进行热传递。由此，冷却性能降低。并且，热的传递会避开膜沸腾区域而向周围扩大。即，热传导距离增长。 由此，对于在传热壁部21a传递的热，热阻率增大，传热性能降低。例如，在发热体Z的发热密度超过lMW/m2的情况下，在乙醇单一成分的液体制冷剂中存在发生膜沸腾的可能。但是，通过将上述优选的混合液作为液体制冷剂使用，能够抑制膜沸腾的发生。如图8 (下图)所示，由于抑制了膜沸腾，因此液体制冷剂与传热壁部21a的内表面接触，并且能够防止传热时的热的扩散。热传导距离也变短，冷却性能以及传热性能提高。并且，如图9所示，在密封系统的沸腾冷却装置中的发热体Z的发热密度与乙醇浓度之间的关系中，当乙醇浓度为80 100质量％时元件温度会稍稍增高，而与发热密度无关，但是，即使乙醇浓度变化，也几乎看不到元件温度的差别。其原因推测如下，如果是开放系统的话，则随着乙醇浓度的减少而沸点变高，因此预计在开放系统中，随着乙醇浓度减少，传热性能降低，元件温度上升，然而在密封系统中，由于沸点依存于压力，压力依存于冷凝能力，由于在密封系统中冷凝能力恒定，因此混合制冷剂的沸点之差几乎消失，而与乙醇浓度无关。因此，如果是密封系统的话，由于在混合制冷剂中不会发生因减少乙醇浓度而导致的沸点降低、以及与之伴随的传热性能的降低，因此，可知在使用混合制冷剂的情况下优选形成为密封系统。并且，由于当乙醇浓度为80 100质量％时元件温度会稍稍升高，因此可知乙醇浓度在80质量％以下为好。由此结果亦可知乙醇浓度在40 75质量％时是有效的。在此，进一步，对上述离开距离与元件温度之间的关系进行了实验。图10是示出实验的简单构成的示意图。图11是示出实验中发热体的输出与热电偶的测定温度之间的关系的图。在图11中，横轴是发热体的输出(W)，纵轴是温度(°c )。在实验中，虽然基本构成与上述实施方式相同，但如图10所示，在传热壁部21a与发热体(加热器)之间配置热电偶来测定温度。液体制冷剂是水和乙醇的混合液。将传热壁部21a与对置壁部23a的离开距离设为h。热电偶的测定温度相当于元件温度(发热体温度)。相对于乙醇浓度为50质量％的液体制冷剂针对h为Imm和无限的情况进行实现， 以及相对于乙醇浓度为100质量％的液体制冷剂针对h为Imm和无限的情况进行实验。此处的无限是指对h = IOmm以上亦即充分长度的情况进行实验的结果，表示池的意思。在实验结果中，如图11所示，可知在乙醇浓度为50质量％、h = Imm的情况下元件温度最低。即，在以乙醇浓度为50质量％的混合液作为液体制冷剂、且设定h = Imm的情况下，冷却性能最高。例如，即使在使用同样的乙醇浓度为50质量％的液体制冷剂的情况下，h = Imm时的元件温度也始终比h为无限时的元件温度低。并且，在乙醇浓度为100质量％的情况下，虽然在元件的输出小时，h = 1时的元件温度比h为无限时的元件温度低，但是在元件的输出大时，h = 1时的元件温度比h为无限时的元件温度高。即，可知在乙醇浓度为100质量％的情况下，即使减小传热壁部21a与对置壁部23a之间的离开距离h也没有效果，或者即使有效果，效果也很小。根据以往的论文，可知在狭窄间隙中，在通路下部产生的蒸汽推开通路上部的蒸汽，由此热传递率提高。进而，由于水与乙醇的混合制冷剂的蒸气密度比乙醇单一成分的蒸气密度小，因此气泡上升速度快。因此，推测狭窄间隙中的热传递性能在水与乙醇的混合成分制冷剂中的提高幅度比在乙醇单一成分制冷剂中的提高幅度大。另外，在本实施方式中，虽然作为最佳的实施方式而将离开距离设定为1mm、醇浓度设定为50质量％，但这些数值并未除去误差。即使数值存在少许偏差，也能发挥上述效果。即，本实施方式中的数值具有少量余地，因误差等导致的少许偏差包含于本实施方式。 例如，对于50质量％的乙醇浓度，只要在下限为49 48质量％、上限为51 52质量％的范围内即可。同样地，对于Imm的离开距离，只要在0. 9 1. Imm内即可。在此，作为本实施方式的变形实施方式，沸腾冷却装置也可以是如图12所示的构成。图12是示出沸腾冷却装置100的与A-A剖视图相当的图。如图12所示，沸腾冷却装置100由冷凝部30和内部被两个隔板51、52分隔的收纳部20构成。收纳部20具备第一受热通路201、第二受热通路202、供给通路203、以及隔板51、52。第一受热通路201呈近似立方体，大体上是由包含以下面的侧壁面包围的部位 左侧的隔板51、和包含安装有发热体Z1、Z2的传热壁部201a、201b的侧壁面。第二受热通路202呈近似立方体，大体上是由包含以下面的侧壁面包围的部位右侧的隔板52、和包含安装有发热体Z3、Z4的传热壁部20h、202b的侧壁面。受热通路201、202上方开口而与冷凝部30连接，下方开口而与供给通路203连接。受热通路201、202在内部收纳有上述液体制冷剂。包含传热壁部201a、201b的侧壁面与隔板51 (相当于对置壁部)之间的离开距离为3mm以下(在此为约1mm)。包含传热壁部 202a,202b的侧壁面与隔板52 (相当于对置壁部)之间的离开距离也为3mm以下(在此为约 Imm)。供给通路203呈近似立方体，是由隔板51和隔板52夹着的部位，上方开口而与冷凝部30连接，下方开口而与受热通路201、202连接。隔板51与隔板52之间的离开距离 (回流离开距离)为约2mm。冷凝部30位于受热通路201、202以及供给通路203的上方。在冷凝部30设置有冷凝管301、302，冷却水在冷凝管301、302中流动。收纳于受热通路201、202的本实施方式的液体制冷剂(混合液)分别从发热体Zl Z4吸收热而沸腾。上升的蒸汽在冷凝部30 冷凝。冷凝后的液体制冷剂主要滴落至供给通路203。供给通路203接受从冷凝部3滴落的液体制冷剂，利用压力差将液体制冷剂从下方供给至受热通路201、202(参照图12的箭头)。由此，通过使用上述混合液，能够发挥与本实施方式同样的效果。对于本发明的沸腾冷却装置，也可以形成为如下的构造发热体由基板和设置在基板上的发热元件构成，在收纳部的侧壁形成孔，并且以封闭该孔的方式配置基板，基板与制冷剂直接接触。在该情况下，基板被视为收纳部的一部分，基板相当于传热壁部。并且， 也可以是发热体配置于收纳部内并浸于制冷剂的构造。并且，热交换器不限定于制冷剂积存在有底容器内的热交换器，也可以是制冷剂流动而不积存的构造的热交换器。以上，根据本发明，即使采用这些结构，也能发挥上述同样的效果。
权利要求
1.一种沸腾冷却装置，其特征在于，所述沸腾冷却装置具备收纳部，将吸收发热体的热的液体制冷剂收纳于该收纳部的内部，所述液体制冷剂是由沸点不同的至少两种液体构成的混合液， 所述收纳部具有传热壁部，该传热壁部用于将所述发热体的热传递至所述液体制冷剂；以及对置壁部，该对置壁部隔着所述液体制冷剂与所述传热壁部对置， 所述传热壁部与所述对置壁部之间的离开距离为3mm以下。
2.根据权利要求1所述的沸腾冷却装置，其特征在于， 所述传热壁部与所述对置壁部之间的离开距离为2mm以下。
3.根据权利要求2所述的沸腾冷却装置，其特征在于，所述传热壁部与所述对置壁部之间的离开距离为0. 5mm以上1. 5mm以下。
4.根据权利要求1 3中的任一项所述的沸腾冷却装置，其特征在于， 所述液体制冷剂是水与乙醇的混合液。
5.根据权利要求4所述的沸腾冷却装置，其特征在于， 所述混合液的乙醇浓度为45质量％以上、55质量％以下。
全文摘要
本发明提供能够防止液体制冷剂的冻结，并且能够抑制烧毁的发生的沸腾冷却装置。本发明的沸腾冷却装置的特征在于，具备收纳部，将吸收发热体的热的液体制冷剂收纳于该收纳部的内部，液体制冷剂是由沸点不同的至少两种液体构成的混合液，收纳部具有传热壁部，该传热壁部用于将发热体的热传递至液体制冷剂；以及对置壁部，该对置壁部隔着液体制冷剂与传热壁部对置，传热壁部与对置壁部之间的离开距离为3mm以下。
文档编号H01L23/427GK102326047SQ20108000900
公开日2012年1月18日 申请日期2010年2月1日 优先权日2009年2月23日
发明者吉原康二, 针生聪 申请人:株式会社丰田自动织机