JP3810119B2 - Boiling cooler - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術として、特開昭51−118038号に開示された冷却装置がある。
この冷却装置は、冷媒を貯蔵する冷媒タンク、発熱体を挟持する中空の冷却フィン、冷媒タンクと冷却フィンを連通する接手管、および冷却フィンと接手管の内部に挿入されて、末広がりに形成された上端が冷媒タンク内に開口するインナチューブを備える。この冷却装置によれば、発熱体の熱で沸騰した蒸気冷媒がインナチューブの外側を通って冷媒タンク内へ流入し、冷媒タンク内に貯蔵されている液冷媒がインナチューブの内側を通って冷却フィンに流れ込むことができる。これにより、蒸気冷媒と液冷媒とがインナチューブにより分離されて蒸気冷媒と液冷媒との循環が良好に行われることから、蒸気冷媒と液冷媒とが衝突して冷却性能が低下する所謂フラッディングを防止できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の冷却装置では、インナチューブの内側を低温の液冷媒が流れて、外側を高温の蒸気冷媒が流れるため、インナチューブの壁面を介して蒸気冷媒と液冷媒との間で熱交換が行われる。このため、冷却フィンに流れ込む液冷媒の温度が上昇して冷却効果が低下する。
また、液冷媒の温度上昇によって液冷媒の一部が気化すると、その気化した蒸気冷媒と液冷媒の流れが逆行するため、冷却フィンに流れ込む液冷媒の量が低減して冷却能力が低下し、完全にフラッディングを防止できない。
さらには、冷却フィンと接手管の内部にインナチューブを挿入する必要があるため、構造が複雑になってコストの上昇を招くといった問題がある。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、簡単な構造(安価)で蒸気冷媒と液冷媒との循環を良好に行うことのできる沸騰冷却装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明では、冷媒槽が、横幅に対して厚み幅の薄い断面偏平形状を有する押出材を略U字状に曲げ加工して設けられ、その押出材の曲げ部より一端側の外壁平面部に発熱体が取り付けられている。従って、発熱体の熱で沸騰気化した蒸気冷媒は、押出材に形成された貫通孔内を上昇して、冷媒槽の一端側開口部から放熱器に流入し、放熱器で冷却された液冷媒は、冷媒槽の他端側開口部より貫通孔内に流入した後、曲げ部を通って発熱体が取り付けられている沸騰領域へ供給される。この様に、蒸気冷媒と液冷媒との循環が良好に行われることで冷却性能が向上する。
特に、本発明では、複数の放熱管の下端部を連通させる下部連通部材が設けられているので、冷媒槽において加熱された蒸気冷媒を各放熱管に分配することができる。また、本発明では、冷媒槽の一端側開口部の方が冷媒槽の他端側開口部より高い位置で開口しているため、他端側開口部へとショートカットすることなく、蒸気冷媒を放熱器へと流入させることができる。また、放熱器内の液冷媒は、一端側開口部より低い位置に開口する他端側開口部から貫通孔内へ流入するため、蒸気冷媒と液冷媒との循環がより良好に行われて、フラッディング減少に効果がある。さらに、本発明では、冷媒槽を略U字状に曲げ加工して、その両端部を放熱器に接合するだけの簡単な構造でフラッディングを減少できるため、従来の冷却装置と比較して低コストである。
【0006】
請求項2の発明では、押出材に形成された貫通孔が仕切り壁によって複数の通路に区画されている。これにより、冷媒槽の耐圧性が向上すると共に、伝熱面積が拡大することで放熱性能が向上する。
【0009】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の沸騰冷却装置を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
図1は沸騰冷却装置の全体斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置1は、冷媒の沸騰/凝縮熱伝達によって発熱体2を冷却するもので、冷媒槽3、放熱器4、および冷却ファン(図示しない)から構成されている。
発熱体2は、例えば電気自動車や一般電力制御機器等のインバータ回路を構成するIGBTモジュールである。この発熱体2は、内部で発生した熱を放出する放熱板2aを有し、この放熱板2aが冷媒槽3の外壁平面部3aに密着した状態でボルト5の締め付けによって冷媒槽3に固定されている(図1及び図2参照)。
【0010】
冷媒槽3は、例えばアルミニウム製のブロック材から押し出し加工によって成形された押出材を略U字状に折り曲げ加工したもので、本実施例では放熱器4に対して2個設けられている。
押出材は、縦長形状で、且つ横幅に対して厚み幅の薄い断面偏平形状に設けられ、内部に貫通孔6(図2参照)が開けられている。また、押出材の外壁平面部3aには、貫通孔6の幅方向両側(図2の左右両側)に前記ボルト5を螺子込むための螺子孔3bが形成されている。
【0011】
放熱器4は、複数の放熱管7、各放熱管7の間に介在される放熱フィン8、各放熱管7の下端部を連通する下部連通部材9、各放熱管7の上端部を連通する上部連通部材10より構成されている。
放熱管7は、偏平なアルミニウム管で、下端部が下部連通部材9を構成するロアプレート9a(図3参照)に形成されたバーリング部(図示しない)に差し込まれてロアプレート9aと気密に接合され、上端部が上部連通部材10を構成するアッパプレート(図示しない)に形成されたバーリング部に差し込まれてアッパプレートと気密に接合されている。
放熱フィン8は、アルミニウム製の薄板を波形状(コルゲート型)に成形したもので、各屈曲部が放熱管7の外壁面に接触した状態で接合されている。
【0012】
下部連通部材9は、アルミニウム製のロアプレート9aとロアタンク9bから成る(図3参照)。ロアタンク9bには、冷媒槽3の両端開口部が差し込まれるバーリング部9cが設けられている。
上部連通部材10は、下部連通部材9と同様にアルミニウム製のアッパプレートとアッパタンクから成る。
この放熱器4を構成する各部品および冷媒槽3は、図1に示す全体形状を成す様に仮組付けされて一体ろう付けによって接合された後、冷媒槽3(貫通孔6)と放熱器4(各放熱管7、下部連通部材9、上部連通部材10)とで形成される密閉空間内にフロロカーボン系の冷媒が封入されている。
なお、発熱体2は、図3に示す様に、押出材の曲げ部(冷媒槽3の下端部)より一端側に取り付けられている。
【0013】
次に、本実施例の作用を説明する。
発熱体2の熱を受けて沸騰気化した蒸気冷媒は、冷媒槽3の貫通孔6内を上昇して一端側開口部6aから放熱器4の下部連通部材9内に流入した後、下部連通部材9から各放熱管7に分配される。各放熱管7内を上昇する蒸気冷媒は、冷却ファンの送風を受けて低温となっている放熱管7の内壁面に凝縮して液化し、液滴となって放熱管7内を流下して再び下部連通部材9内に戻る。下部連通部材9内に溜まった液冷媒は、図3に実線矢印で示す様に、冷媒槽3の他端側開口部6bから貫通孔6内に流入し、貫通孔6の下端部(押出材の曲げ部)を通って、再び発熱体2が固定されている沸騰領域に供給される。
一方、蒸気冷媒が凝縮する際に放出された凝縮潜熱は、放熱管7の壁面から放熱フィン8へ伝わって、各放熱管7の間を通過する送風空気に放出される。
【0014】
(本実施例の効果)
本実施例では、冷媒槽3を略U字状に形成して、その曲げ部から一端側に発熱体2を固定しているため、発熱体2の熱で沸騰気化した蒸気冷媒は、冷媒槽3の一端側開口部6aから放熱器4の下部連通部材9内に流入し、下部連通部材9内に溜まった液冷媒は、冷媒槽3の他端側開口部6bから貫通孔6内に流入する。この様に、押出材から成る冷媒槽3を略U字状に形成して蒸気冷媒の上昇経路と液冷媒の下降経路とを独立させたことにより、蒸気冷媒と液冷媒との循環が良好に行われて冷却性能が向上する。また、上昇経路と下降経路との間に空間が確保されることから、上昇経路を上昇する蒸気冷媒と下降経路を流下する液冷媒との間で熱交換が行われることがなく、液冷媒の温度上昇による冷却効果の低下を防止できる。
また、冷媒槽3を押出材で構成したことにより、冷媒槽3の強度設計が容易である。
さらには、押出材を略U字状に曲げ加工して、その両端部を放熱器4に接合するだけの簡単な構造でフラッディングの発生を低減できるため、従来の冷却装置と比較して低コストである。
【0015】
(第2実施例)
図4は冷媒槽3の水平断面図である。
本実施例の冷媒槽3は、押出材の貫通孔6が仕切り壁6cによって複数の通路6dに区画されている。これにより、各仕切り壁6cが冷媒槽3の補強材として機能することから冷媒槽3の耐圧性が向上すると共に、伝熱面積が拡大することで放熱性能が向上する。
【0016】
(第3実施例)
図5は下部連通部材9と冷媒槽3の縦断面図である。
本実施例の冷媒槽3は、発熱体2が固定されている一端側開口部6aの方が他端側開口部6bより高い位置で下部連通部材9に接合されている。これにより、下部連通部材9内に溜まっている液冷媒は、一端側開口部6aより低い位置に開口する他端側開口部6bから貫通孔6内へ流入することができる。このため、蒸気冷媒と液冷媒との循環がより良好に行われて、フラッディング減少に効果がある。
【0017】
(第4実施例)
図6は下部連通部材9と冷媒槽3の縦断面図である。
本実施例は、冷媒槽3に固定する発熱体2の個数が多い場合を示す。
この場合、押出材の長さを発熱体2の個数に応じて長く切断するだけで容易に対応できる。また、本実施例の様に発熱体2の個数が多くなっても冷媒槽3が放熱器4の下部連通部材9に対して2箇所(一端側開口部6aと他端側開口部6b)で接合されているため、質量増加に対して剛性が高く、耐久性も良いと言える。
【図面の簡単な説明】
【図1】沸騰冷却装置の全体斜視図である。
【図2】冷媒槽の水平断面図である。
【図3】下部連通部材と冷媒槽の縦断面図である。
【図4】冷媒槽の水平断面図である(第2実施例)。
【図5】下部連通部材と冷媒槽の縦断面図である(第3実施例)。
【図6】下部連通部材と冷媒槽の縦断面図である(第4実施例)。
【符号の説明】
1 沸騰冷却装置
2 発熱体
3 冷媒槽
4 放熱器
6 貫通孔
6c 仕切り壁
6d 通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a boiling cooling device for cooling a heating element such as a semiconductor element.
[0002]
[Prior art]
As a prior art, there is a cooling device disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 51-118038.
This cooling device is inserted into the refrigerant tank that stores the refrigerant, the hollow cooling fin that sandwiches the heating element, the joint pipe that communicates the refrigerant tank and the cooling fin, and the cooling fin and the joint pipe, and is formed to be widened toward the end. An inner tube whose upper end opens into the refrigerant tank is provided. According to this cooling device, the vapor refrigerant boiled by the heat of the heating element flows into the refrigerant tank through the outside of the inner tube, and the liquid refrigerant stored in the refrigerant tank cools through the inside of the inner tube. Can flow into the fins. As a result, the vapor refrigerant and the liquid refrigerant are separated by the inner tube so that the vapor refrigerant and the liquid refrigerant are circulated well, so that the so-called flooding in which the vapor refrigerant and the liquid refrigerant collide with each other to reduce the cooling performance is performed. Can be prevented.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the above cooling device, since the low-temperature liquid refrigerant flows inside the inner tube and the high-temperature vapor refrigerant flows outside, the heat exchange is performed between the vapor refrigerant and the liquid refrigerant through the wall surface of the inner tube. Done. For this reason, the temperature of the liquid refrigerant flowing into the cooling fins rises and the cooling effect decreases.
Further, when a part of the liquid refrigerant is vaporized due to the rise in the temperature of the liquid refrigerant, the vapor refrigerant and the liquid refrigerant flow reverse to each other, so the amount of the liquid refrigerant flowing into the cooling fins is reduced and the cooling capacity is lowered. It cannot completely prevent flooding.
Furthermore, since it is necessary to insert the inner tube into the cooling fin and the joint pipe, there is a problem that the structure becomes complicated and the cost increases.
The present invention has been made based on the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a boiling cooling device that can circulate the vapor refrigerant and the liquid refrigerant satisfactorily with a simple structure (inexpensive). .
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In the first aspect of the invention, the refrigerant tank is provided by bending an extruded material having a thin cross-sectional flat shape with respect to the lateral width into a substantially U shape, and the outer wall on one end side from the bent portion of the extruded material. A heating element is attached to the flat portion. Therefore, the vapor refrigerant boiled and vaporized by the heat of the heating element rises in the through hole formed in the extruded material, flows into the radiator from one end side opening of the refrigerant tank, and is cooled by the radiator. After flowing into the through-hole from the opening at the other end of the refrigerant tank, it is supplied to the boiling region where the heating element is attached through the bent portion. Thus, the cooling performance is improved by the good circulation of the vapor refrigerant and the liquid refrigerant.
In particular, in the present invention, since the lower communication member that communicates the lower ends of the plurality of heat radiating pipes is provided, the vapor refrigerant heated in the refrigerant tank can be distributed to the heat radiating pipes. Further, in the present invention, the one end side opening of the refrigerant tank opens at a position higher than the other end side opening of the refrigerant tank, so that the vapor refrigerant is radiated without shortcut to the other end side opening. Can flow into the vessel. In addition, since the liquid refrigerant in the radiator flows into the through hole from the other end side opening that opens at a position lower than the one end side opening, the circulation of the vapor refrigerant and the liquid refrigerant is performed better, Effective in reducing flooding. Furthermore, according to the present invention, since the cooling tank can be bent into a substantially U shape and the flooding can be reduced with a simple structure in which both ends are joined to the radiator, the cost is lower than that of a conventional cooling device. It is.
[0006]
In the invention of
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, the boiling cooling device of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
FIG. 1 is an overall perspective view of the boiling cooling device.
The boiling cooling device 1 of the present embodiment cools the
The
[0010]
The
The extruded material has a vertically long shape and is provided in a cross-sectional flat shape having a thin thickness with respect to the lateral width, and a through hole 6 (see FIG. 2) is opened inside. Further,
[0011]
The
The
The
[0012]
The
Similar to the
Each component constituting the
In addition, the
[0013]
Next, the operation of this embodiment will be described.
The vapor refrigerant boiled and vaporized by receiving heat from the
On the other hand, the condensation latent heat released when the vapor refrigerant is condensed is transmitted from the wall surface of the
[0014]
(Effect of this embodiment)
In the present embodiment, the
In addition, since the
Furthermore, it is possible to reduce the occurrence of flooding with a simple structure in which the extruded material is bent into a substantially U shape and both ends thereof are joined to the
[0015]
(Second embodiment)
FIG. 4 is a horizontal sectional view of the
In the
[0016]
(Third embodiment)
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the
The
[0017]
(Fourth embodiment)
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the
This embodiment shows a case where the number of
In this case, the length of the extruded material can be easily dealt with simply by cutting it long according to the number of the
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of a boiling cooling device.
FIG. 2 is a horizontal sectional view of a refrigerant tank.
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of a lower communication member and a refrigerant tank.
FIG. 4 is a horizontal sectional view of a refrigerant tank (second embodiment).
FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a lower communication member and a refrigerant tank (third embodiment).
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a lower communication member and a refrigerant tank (fourth embodiment).
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (2)
前記放熱器は、複数の放熱管と、前記放熱管の間に配される放熱フィンとを有し、
前記放熱器の下部には、前記放熱管の下端部を連通させる下部連通部材が設けられており、
前記冷媒槽は、押出し加工によって内部を長手方向に貫通する貫通孔が形成されるとともに、横幅に対して厚み幅の薄い断面偏平形状を有する押出材によって構成され、この押出材を略U字状に曲げ加工して、その両端部が前記下部連通部材に接合されて前記貫通孔が前記放熱器内部と連通し、曲げ部より一端側の外壁平面部に前記発熱体が取り付けられており、
前記冷媒槽の前記一端側開口部の方が、前記冷媒槽の他端側開口部より高い位置で開口していることを特徴とする沸騰冷却装置。A boiling cooling device comprising a refrigerant tank having a heating element attached therein and containing therein a refrigerant that is vaporized by receiving heat from the heating element; and a radiator that releases heat of vapor refrigerant vaporized in the refrigerant tank. There,
The radiator has a plurality of heat radiating tubes and heat radiating fins arranged between the heat radiating tubes,
The lower part of the radiator is provided with a lower communication member for communicating the lower end of the radiator pipe,
The refrigerant tank is formed of an extruded material having a cross-sectional flat shape with a thin width relative to the lateral width, and a through-hole penetrating the inside in the longitudinal direction is formed by extrusion processing. The extruded material is substantially U-shaped. The both ends are joined to the lower communication member , the through hole communicates with the inside of the radiator, and the heating element is attached to the outer wall plane portion on one end side from the bent portion ,
The boiling cooling device , wherein the one end side opening of the refrigerant tank is opened at a position higher than the other end side opening of the refrigerant tank .
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Family Applications (1)
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- 1996-03-07 JP JP05060196A patent/JP3810119B2/en not_active Expired - Fee Related
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