專利名稱：沸騰冷卻裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)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(shù)：
一直以來，開發(fā)了使用強(qiáng)制對流下的沸騰、二相流的冷卻裝置，適用于混合動(dòng)力車輛的變換器(逆變器)冷卻系統(tǒng)等。在專利文獻(xiàn)1中，公開了一種功率半導(dǎo)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(gè)功率半導(dǎo)體，最適當(dāng)?shù)卮_定功率半導(dǎo)體元件的安裝位置以使冷卻劑的溫度上升最適當(dāng)化，提高冷卻效率。此外，在專利文獻(xiàn)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 (下游區(qū)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(dǎo)體的授熱而在模塊的下部(上游區(qū)域)產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入模塊的上部(下游區(qū)域)。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 特開2007-12722號(hào)公報(bào)；專利文獻(xiàn)2 特開平9-23081號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)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(shí)的傳熱系數(shù)的下降，并將裝置盡可能地設(shè)計(jì)為小型。通常，在沸騰中由氣泡底部的氣液運(yùn)行情況來決定傳熱(熱傳遞)。具體地，因薄液膜的形成而促進(jìn)傳熱的區(qū)域和因干燥部的發(fā)展而使傳熱變差的部分共存。而且，對于任一現(xiàn)象占支配地位的情況，氣泡的附著面積都會(huì)產(chǎn)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(shí)也會(huì)從促進(jìn)傳熱轉(zhuǎn)變?yōu)樽儾?。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(jìn)的狀態(tài)。 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(cè)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，干燥部50的面積也小，但是，薄液膜52所占的面積也變小。其結(jié)果，沸騰傳熱的特征變小，依然很大地有助于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(jìn)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(jìn)的狀態(tài)。 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(shí)，干燥部50的面積也變大， 但是，薄液膜52所占的面積變大。其結(jié)果，沸騰傳熱的特征變顯著，與向液單相的傳熱的情況相比較的情況下的傳熱促進(jìn)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(tài)。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(shí)，干燥部50的所占的面積擴(kuò)展，該部分的傳熱變差相比薄液膜52的蒸發(fā)所產(chǎn)生的傳熱促進(jìn)變得更為顯著，作為傳熱面整體而呈現(xiàn)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(jìn)的狀態(tài)。在翅片間狹窄的流路中，氣泡尺寸為中等程度的情況?？赏ㄟ^產(chǎn)生適度大小的扁平并使其成長來同時(shí)滿足翅片12所致的傳熱面積的增大和傳熱系數(shù)的增大。圖12表示氣泡體積和傳熱促進(jìn)、變差的關(guān)系。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(jìn)，箭頭Q表示傳熱變差。開放式流路(圖中，由標(biāo)記a表示)和翅片間狹窄流路(圖中，由標(biāo)記b表示)皆是無論氣泡體積過小還是過大都不能估計(jì)到傳熱促進(jìn)，需要使氣泡限制于適度的大小(圖中，用OPT表示最佳值)。因此，控制對傳熱面的接觸時(shí)間以不過度地延長是重要的。用于解決問題的手段本發(fā)明的目的是提供可用簡單的構(gòu)成使氣泡體積限制于適度的大小，從而提高傳熱特性的冷卻裝置。本發(fā)明的沸騰冷卻裝置，將發(fā)熱體冷卻，其特征在于，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(dòng)的冷卻翅片；和在所述冷卻翅片的、與抵接發(fā)熱體的一側(cè)相反側(cè)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(chǎn)生的氣泡向所述第二冷卻通道前進(jìn)且向所述蒸汽排出流路導(dǎo)引的導(dǎo)引部。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(dǎo)引部形成為所述隔板的一部分。在本發(fā)明的另一實(shí)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(yīng)的位置具有開口部，所述導(dǎo)引部從所述開口部的緣部向所述冷卻翅片的所述抵接發(fā)熱體的一側(cè)突出形成。此外，在本發(fā)明的另一實(shí)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(shè)置且向所述第二冷卻通道供給冷卻劑的供液管，所述導(dǎo)引部的頂端(前端)部抵接所述供液管。另外，在本發(fā)明的另一實(shí)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(dǎo)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(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，可用簡單的構(gòu)成使氣泡體積限制于適度的大小，從而提高傳熱特性。


圖IA是實(shí)施方式的冷卻裝置的主視圖。圖IB是實(shí)施方式的冷卻裝置的側(cè)視圖。圖IC是實(shí)施方式的冷卻裝置的B-B’剖視圖。
圖ID是實(shí)施方式的冷卻裝置的A-A’剖視圖。圖2A是供液管的構(gòu)成圖。圖2B是供液管的另一構(gòu)成圖。圖3A是流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板的主視圖。圖;3B是流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板的側(cè)視圖。圖4是翅片及流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板的分解立體圖。圖5是實(shí)施方式的冷卻裝置的整體構(gòu)成圖。圖6是實(shí)施方式的系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖7是實(shí)施方式的另一系統(tǒng)構(gòu)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)視圖。圖12是表示氣泡體積和傳熱特性的關(guān)系的曲線圖。附圖標(biāo)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(dǎo)引板 19導(dǎo)引部 20隔板
具體實(shí)施例方式下面根據(jù)附圖來說明本發(fā)明的實(shí)施方式。圖IA 圖ID中表示本實(shí)施方式的沸騰冷卻裝置的重要部分的構(gòu)成。圖IA是主視圖，圖IB是側(cè)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(dǎo)引板18。翅片12是在翅片基部13上以預(yù)定間隔豎立設(shè)置多個(gè)，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(shè)置)，各翅片12在鉛垂方向上延伸設(shè)置。在圖中，例示下層通道2、中層通道3、上層通道4這三個(gè)通道，由隔板20左右分隔而表示共計(jì)六個(gè)通道，但是，并不限于此。各翅片12由例如高熱導(dǎo)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(qiáng)制對流。翅片12使構(gòu)成冷卻面14的翅片基部13的表面積擴(kuò)大，并且增大傳熱率。在翅片12的冷卻面14上，抵接例如混合動(dòng)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(gè)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(cè)向位于隔板20右側(cè)的各供液管10供給冷卻劑，從左側(cè)向位于隔板20左側(cè)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(chǎn)生氣泡。蒸汽流出流路16在各翅片12的上表面即發(fā)熱體所抵接的翅片12的與冷卻面14 相反側(cè)的面上設(shè)置。蒸汽排出流路16對各冷卻通道共同設(shè)置，將在各冷卻通道產(chǎn)生的氣泡排出。流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18與各翅片12的上表面，即與翅片基部13相反側(cè)的面，也就是翅片12的與冷卻面相反側(cè)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(dǎo)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(shè)置開口部，并且，在開口部的緣部具有向翅片基部13以預(yù)定角度傾斜突出的導(dǎo)引部19。如圖IB所示，流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18的導(dǎo)引部19，若著眼于下層通道2和中層通道3之間，從中層通道的翅片12的鉛垂下方側(cè)端部向翅片基部13突出并抵接供液管10。中層通道3和上層通道4之間也同樣，導(dǎo)引部19從上層通道4的翅片12的鉛垂下方側(cè)端部向翅片基部13突出并抵接供液管 10。導(dǎo)引部19可與流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18分體地成形以與流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18接合，可將流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18的一部分向翅片基部13側(cè)彎曲形成。導(dǎo)引部19從中層通道3的翅片12的鉛垂下方側(cè)端部向翅片基部13以預(yù)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(chǎn)生且通過翅片12的氣泡由該導(dǎo)引部19 作為屏障，阻礙向中層通道3的前進(jìn)并向蒸汽排出流路16導(dǎo)引。此外，導(dǎo)引部19從上層通道4的翅片12的鉛垂下方側(cè)端部向翅片基部13以預(yù)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(chǎn)生且通過翅片12的氣泡由該導(dǎo)引部19作為屏障，阻礙向上層通道4的前進(jìn)并向蒸汽排出流路16導(dǎo)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(cè)面以預(yù)定間隔形成多個(gè)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(cè)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游側(cè)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(dǎo)引板18的構(gòu)成。圖3A是主視圖，圖是側(cè)視圖。流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18通過將金屬板沖壓成形而構(gòu)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(chǎn)生并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(chǎn)生并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(cè)端部形成導(dǎo)引部19，并且，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(cè)端部形成導(dǎo)引部19。導(dǎo)引部19可通過將流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)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(dǎo)引板18的分解立體圖。在下層通道2的翅片12產(chǎn)生的氣泡碰撞導(dǎo)引部19，沒有向中層通道3前進(jìn)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(chǎn)生的氣泡碰撞導(dǎo)引部19，沒有向上層通道4前進(jìn)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(chǎn)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(gòu)成。作為重要部分的冷卻部28配置在功率元件單元等發(fā)熱體沈之間。在冷卻部觀的鉛垂下方設(shè)置冷卻劑供給套管22和液量分配板 24，儲(chǔ)存從鉛垂下方由泵供給的冷卻劑，并且將冷卻劑以適當(dāng)?shù)牧糠峙鋪硐蚶鋮s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(shè)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(dǎo)引部19排出到蒸汽排出流路16的氣泡被蒸汽排出套管30收集并排出到外部。這樣，在本實(shí)施方式中通過將流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18設(shè)置于翅片12和蒸汽排出流路16之間，從而可防止在各冷卻通道產(chǎn)生的氣泡向下一冷卻通道前進(jìn)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(shí)施方式中將蒸汽排出流路16在翅片12的上表面?zhèn)燃磁渲迷谂c作為發(fā)熱體的功率元件單元相反一側(cè)，因此可縮小冷卻裝置的寬度方向尺寸。另外，本實(shí)施方式的流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板18可僅配置在翅片12上，因此結(jié)構(gòu)的簡化和制造時(shí)的組裝性也提高。此外，如本實(shí)施方式那樣，使沸騰冷卻裝置1成為垂直設(shè)置，翅片12也垂直設(shè)置， 從而具有基于浮力的所產(chǎn)生的氣泡的排出性提高的效果。再有，本實(shí)施方式的沸騰冷卻裝置不限于混合動(dòng)力車輛的變換器冷卻，可適用于任意發(fā)熱體。使用本實(shí)施方式的冷卻裝置的系統(tǒng)構(gòu)成也是任意的，在圖6和圖7中表示其一個(gè)實(shí)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(jīng)調(diào)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(huán)。在調(diào)整閥112和過冷卻器102之間連接儲(chǔ)液器100(儲(chǔ)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(huán)。在泵104和氣液分離器116之間連接有儲(chǔ)液器100，利用氣體壓力來將冷卻液向泵104供給。
權(quán)利要求
1.一種沸騰冷卻裝置，將發(fā)熱體冷卻，其特征在于，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(dòng)的冷卻翅片；和在所述冷卻翅片的、與抵接發(fā)熱體的一側(cè)的相反側(cè)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(chǎn)生的氣泡向所述第二冷卻通道前進(jìn)且向所述蒸汽排出流路導(dǎo)引的導(dǎo)引部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的沸騰冷卻裝置，其特征在于，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(dǎo)引部形成為所述隔板的一部分。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的沸騰冷卻裝置，其特征在于，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(yīng)的位置具有開口部，所述導(dǎo)引部從所述開口部的緣部向所述冷卻翅片的所述抵接發(fā)熱體的一側(cè)突出地形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的沸騰冷卻裝置，其特征在于，還具有設(shè)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(dǎo)引部的頂端部抵接所述供液管。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的沸騰冷卻裝置，其特征在于， 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(dǎo)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(fā)明提供能用簡單的構(gòu)成使氣泡體積限制于適度大小的沸騰冷卻裝置。在將發(fā)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(gè)冷卻通道，各冷卻通道具有在鉛垂方向上使冷卻劑流動(dòng)的冷卻翅片(12)和在冷卻翅片(12)的與抵接發(fā)熱體的一側(cè)相反側(cè)形成的蒸汽排出流路(16)。再有，在各冷卻通道間，具備阻礙產(chǎn)生的氣泡向下一冷卻通道前進(jìn)并向蒸汽排出流路(16)導(dǎo)引的流路隔板兼蒸汽排出導(dǎo)引板(18)。
文檔編號(hào)H01L23/427GK102349152SQ20108001121
公開日2012年2月8日 申請日期2010年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月10日
發(fā)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, 白井干夫, 竹綱靖治, 鈴木康一, 阿部宜之 申請人:豐田自動(dòng)車株式會(huì)社