JPS6153859B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は、例えば電力用半導体素子などの発
熱体を沸騰熱伝達を応用して冷却する沸騰冷却装
置に関するものであり、目的とするところはその
冷却特性の改善することにある。

第１図は従来の沸騰冷却装置１００を示す断面
図であり、１は半導体素子などの発熱体、２は冷
媒液、３は容器である。

今、発熱体１が通電などによつて発熱すると、
発熱体１の冷媒液２に接する面（伝熱面）から気
泡４が発生する。発生した気泡すなわち蒸気は、
容器３内の気相空間５を実線の矢印に示すように
上昇し、冷却されている容器３の内壁面で凝縮液
化する。この時、凝縮潜熱として、発熱体１で発
生した熱を容器３外へ放散させる。凝縮液化した
冷媒液２Ａは、容器内壁面に沿つて重力の作用で
降下し、冷媒液２中に還流する。この際、冷媒液
２は、上昇する気泡４によつてかく乱され、した
がつて、容器３の内壁面の冷媒液２に接する部分
にも、冷媒液２の対流熱伝達によつて、発熱体１
で発生した熱の一部が伝えられ、容器３の壁を介
して、容器外へ放散される。

しかしながら、従来の沸騰冷却装置１００で
は、上昇する気泡４による冷媒液２のかく乱が、
不確定であつたため、対流熱伝達率が極めて小さ
く、（実際に、第１図に示すような構成の場合に
は、気泡４によるかく乱は、気泡４が発生してい
る発熱体１の表面近くの冷媒液２中の付近に限ら
れており、その気泡のかく乱によつては容器３の
下部にまでは、気泡４のかく乱による対流が及ん
でいない事が認められる。）したがつて、対流熱
伝達による熱の放散効果は極めて小さかつた。

この発明は、上昇する気泡４によつて誘発され
た冷媒液２の流れを積極的に利用することによ
り、冷却特性を改善した沸騰冷却装置を提供する
ことを目的とするものである。

第２図はこの発明の一実施例による沸騰冷却装
置を示す断面図である。図において、１〜５は上
記従来装置と全く同様のものを示す。６は発熱体
１の内部に形成された冷媒液２の流路を形成する
ダクト、７は冷媒液２の循環流が容器３の内壁面
に沿つて流れるように形成した整流板である。発
熱体１が発熱すると、ダクト６内に発生した気泡
４の上昇によつて、気泡４と冷媒液２間に粘性に
基づく摩擦力が働き、ダクト６内の冷媒液２をか
き上げるいわゆる気泡ポンプ作用が働く。また、
発熱体１からの発生熱が小さくてダクト６内に気
泡が発生しない場合には、ダクト６内の冷媒液２
が加熱されて、密度が小さくなり浮力が生じる。
したがつて、いずれにしても、発熱体１が発熱す
ると、ダクト６内では、上昇液が生じる。この冷
媒液２を上昇させる駆動力はダクト６内の気体
（気泡４を示す）と液体との平均密度と、ダクト
外の冷媒液２の平均密度との差が大きい程、また
ダクト６の鉛直方向の高さが大きい程大きくなる
ことが知られている。

したがつて、第２図に示すように整流板７およ
びダクト６を沸騰冷却装置１００内に構成してお
くと、冷媒液２は実線の矢印に示すように循環す
ることになる。すなわち、発熱体１内のダクト６
で発生した駆動力によつて、冷媒液２は、ダクト
６の下部より、ダクト６内に流入し、ダクト６の
上部から流出する。流出した冷媒液２は、容器３
の内壁面と整流板７間に形成された流路８を循環
して、ダクト６の下部へ流入する。したがつて、
発熱体６内で誘発された冷媒液２は整然と流路８
を流れ、流路８内の冷媒液２と容器３の内壁面間
の対流熱伝達特性を上昇させることになる。

第３図はこの発明の他の実施例を示すものであ
る。図において９は、気泡ポンプ作用により噴き
上げられた気泡４と冷媒液２の混在した混相流の
流路を、絞るために設けられたノズルである。上
記混相流は、ノズル９によつて、さらに流速が高
められ、容器３上部に勢いよく噴き上げられる。

一般に発熱体をその容器内に有する沸騰冷却装
置において、冷媒液以外の非凝縮ガス例えば空気
が容器内に混入すると、非凝縮ガスが凝縮伝熱面
すなわち容器内壁面の近くによどむことにより、
凝縮潜熱が容器外部に放散することが妨げられ、
著しく凝縮熱伝達率を低下させることが知られて
いる。したがつて、容器３内に非凝縮ガスが混入
している場合でも、ノズル９を設けて流速を高
め、容器３上部に混相流を衝突させれば、非凝縮
ガスは衝突噴流により吹き飛ばされるので、容器
３上部の内壁面における凝縮熱伝達率の低下を防
ぐことができる。

第４図は、さらに他の実施例を示す図で、整流
板１０は発熱体１中に形成されたダクト６内を通
過する混相流（駆動流）を利用して、容器３下部
の冷媒液２を吸引し、冷媒液２の流れ（被駆動
流）を誘起させ、上記駆動流と合流しながら、容
器３上部に、駆動流と被駆動流が混在した流れを
噴出させるエゼクタ効果をもたらすように形成さ
れている。１１は前記整流板１０を設けることに
よつて、発熱体１と整流板１０の間に形成される
流路である。

上記整流板１０を設けると、容器３下部の冷媒
液２は、エゼクタ効果により、流路１１を通つて
積極的に吸い上げられ、流路８における冷媒液２
も、それに伴なつて容器３の内壁面に沿つて下部
へ流れ、容器３の下部から上部への冷媒液の循環
がすみやかに行なわれる。

第５図はさらに他の実施例を示す。９は、第４
図におけるダクト６の上部に、さらにエゼクタ効
果を高め、容器３の下部から上部への循環を良く
するために設けられたノズルである。

第６図は、さらに他の実施例を示し、１２は、
第２図における整流板７の下部に流路８の冷媒液
２を吸引するために設けられたスリツトである。
上述のように整流板７にスリツト１２を設けれ
ば、第４図と同じ効果が得られることは言うまで
もない。

この発明は以上説明したように、発熱体からの
発生熱によつて誘起された冷媒液の流れを、発熱
体内外に設けた流路に沿つて通るようにし、容器
と冷媒液間の強制対流熱伝達を高めたもので、沸
騰冷却装置の性能向上および小形化がはがれるな
どの効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の沸騰冷却装置を概略的に示す断
面図、第２図はこの発明を説明するための沸騰冷
却装置を概略的に示す断面図、第３図〜第６図は
この発明のそれぞれの実施例による沸騰冷却装置
を概略的に示す断面図である。 図中、１は発熱体、２は冷媒液、３は容器、４
は気泡、６はダクト、７は整流板、８は流路、９
はノズル、１０は整流板、１１は流路、１２はス
リツトである。なお、各図中同一符号は同一また
は相当部分を示すものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 容器内に収容される冷媒液中に発熱体を浸し
   て成る沸騰冷却装置において、前記発熱体の熱に
   よつて生ずる前記冷媒液の気泡が上向きに噴き上
   がるように前記発熱体中に形成されたダクトと、
   前記気泡の上向きの噴き上げで生ずる駆動力によ
   つて前記冷媒液が前記容器の内壁面に接つして循
   環するように設けられた整流板と、前記気泡の上
   向きの噴き上げによつて生ずる前記冷媒液および
   気泡の混在した上向噴流を絞るように前記発熱体
   の前記ダクト上部に設置されたノズルとを備え、
   前記ノズルによる絞り作用により前記上向噴流を
   前記容器の上部に勢い良く噴き上げるようにした
   ことを特徴とする沸騰冷却装置。 ２ 前記整流板にスリツトを設けるようにした特
   許請求の範囲第１項記載の沸騰冷却装置。 ３ 容器内に収容される冷媒液体中に発熱体を浸
   して成る沸騰冷却装置において、前記発熱体の熱
   によつて生ずる前記冷媒液の気泡が上向きに噴き
   上がるように前記発熱体中に形成されたダクト
   と、前記発熱体の外部側面との間で前記冷媒液の
   第２の通路を形成するように前記発熱体を囲んで
   配置された整流板とを備え、前記発熱体中に形成
   された前記ダクト内を通過する前記冷媒液および
   前記気泡の混在する上向噴流によつて前記容器下
   部の冷媒液を前記第２の通路にも上向きに誘発さ
   せ、前記ダクト内の上向噴流と前記第２の通路内
   の前記冷媒液の上向きの流れとの混合流を前記容
   器上部に噴出させるようにしたことを特徴とする
   沸騰冷却装置。 ４ 前記発熱体内の前記ダクト上部にノズルを設
   けるようにした特許請求の範囲第３項記載の沸騰
   冷却装置。