JPS6259889B2 - - Google Patents
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- Publication number
- JPS6259889B2 JPS6259889B2 JP56208648A JP20864881A JPS6259889B2 JP S6259889 B2 JPS6259889 B2 JP S6259889B2 JP 56208648 A JP56208648 A JP 56208648A JP 20864881 A JP20864881 A JP 20864881A JP S6259889 B2 JPS6259889 B2 JP S6259889B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- flow path
- refrigerant liquid
- container
- heating element
- cooling device
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
- F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
- F25B23/00—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect
- F25B23/006—Machines, plants or systems, with a single mode of operation not covered by groups F25B1/00 - F25B21/00, e.g. using selective radiation effect boiling cooling systems
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
- F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
- F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
- F28F13/06—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by affecting the pattern of flow of the heat-exchange media
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10W—GENERIC PACKAGES, INTERCONNECTIONS, CONNECTORS OR OTHER CONSTRUCTIONAL DETAILS OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
- H10W40/00—Arrangements for thermal protection or thermal control
- H10W40/70—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control
- H10W40/73—Fillings or auxiliary members in containers or in encapsulations for thermal protection or control for cooling by change of state
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
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。
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。
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。
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
い。
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
い。
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。
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。
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図は先行技術（特願昭56−053466＝特開昭
57−167663）であ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の流路で、この例では発熱体６より
下方に延長されている。７は冷媒液２の下向きの
流れが容器３の内壁面に沿つて流れるような流路
を形成する整流板である。発熱体１が発熱する
と、流路すなわちダクト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、流路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流路６内に気泡が発生
しない場合には、流路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、流
路６内では、上昇流が生じる。この冷媒液２を上
昇させる駆動力は流路６内の気体（気泡４を示
す）と液体との平均密度と、流路６外の冷媒液２
の平均密度との差が大きい程、また流路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。
57−167663）であ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の流路で、この例では発熱体６より
下方に延長されている。７は冷媒液２の下向きの
流れが容器３の内壁面に沿つて流れるような流路
を形成する整流板である。発熱体１が発熱する
と、流路すなわちダクト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、流路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流路６内に気泡が発生
しない場合には、流路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、流
路６内では、上昇流が生じる。この冷媒液２を上
昇させる駆動力は流路６内の気体（気泡４を示
す）と液体との平均密度と、流路６外の冷媒液２
の平均密度との差が大きい程、また流路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
び流路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内の流路６で発
生した駆動力によつて、冷媒液２は、流路６の下
部より、流路６内に流入し、流路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を下向きに流れ
て、流路６の下部へ流入する。したがつて、発熱
体１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。
び流路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内の流路６で発
生した駆動力によつて、冷媒液２は、流路６の下
部より、流路６内に流入し、流路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を下向きに流れ
て、流路６の下部へ流入する。したがつて、発熱
体１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。
ところが、先行技術においては、第２図に示さ
れるように整流板７と容器３との間の流路の断面
積Ｓこの例では幅がほぼ均一であるため、第３図
の斜線部で示す容器３の底部９の冷媒液２が淀ん
でしまい、そのため、この部分９における放熱が
疎外されるという欠点があつた。実験によれば、
この部分の面積は全放熱面積の20％以上占めるこ
とが確認された。このような傾向は、第４図に示
すように、発熱体１の底部９が大きくなる程、換
言すれば発熱体１の下端と容器３の下端との距離
Ｈが大きくなる程、顕著となる。
れるように整流板７と容器３との間の流路の断面
積Ｓこの例では幅がほぼ均一であるため、第３図
の斜線部で示す容器３の底部９の冷媒液２が淀ん
でしまい、そのため、この部分９における放熱が
疎外されるという欠点があつた。実験によれば、
この部分の面積は全放熱面積の20％以上占めるこ
とが確認された。このような傾向は、第４図に示
すように、発熱体１の底部９が大きくなる程、換
言すれば発熱体１の下端と容器３の下端との距離
Ｈが大きくなる程、顕著となる。
この発明は上述した先行技術の欠点を改善する
ためになされたものである。
ためになされたものである。
第５図、第６図はこの発明のそれぞれ一実施例
を示す断面図である。整流板７と容器３との間に
形成される流路８の断面積Ｓが容器３の下部に行
く程徐々に小さくなり、距離Ｈが小さくなつてい
る。このようにすると容器３の下部程流路８を流
れる冷媒液２の流速が早くなり、熱伝達率が上昇
する。また、容器３の底部における冷媒液の淀み
が小さくなる。このことは、例えば、沸騰冷却装
置１００が電車などの床下に取り付けられる場合
には容器３の底部が特に放熱と寄与しているた
め、極めて有効である。すなわち、第７図に示す
ように、車両１０の床下には、種々の電気機器１
１が艤装されており、車両１０が動いたときに生
じる床下の走行風は、沸騰冷却装置１００の底部
程大きく、上部では他の電気機器１１に邪魔され
ることによつて小さくなつている。したがつて、
沸騰冷却装置１００の底部程、熱伝達率を大きく
してやり、熱放散を大きくする方が、発熱体１の
温度上昇を押える上で有利となる。１２は線路、
１３は車輪である。
を示す断面図である。整流板７と容器３との間に
形成される流路８の断面積Ｓが容器３の下部に行
く程徐々に小さくなり、距離Ｈが小さくなつてい
る。このようにすると容器３の下部程流路８を流
れる冷媒液２の流速が早くなり、熱伝達率が上昇
する。また、容器３の底部における冷媒液の淀み
が小さくなる。このことは、例えば、沸騰冷却装
置１００が電車などの床下に取り付けられる場合
には容器３の底部が特に放熱と寄与しているた
め、極めて有効である。すなわち、第７図に示す
ように、車両１０の床下には、種々の電気機器１
１が艤装されており、車両１０が動いたときに生
じる床下の走行風は、沸騰冷却装置１００の底部
程大きく、上部では他の電気機器１１に邪魔され
ることによつて小さくなつている。したがつて、
沸騰冷却装置１００の底部程、熱伝達率を大きく
してやり、熱放散を大きくする方が、発熱体１の
温度上昇を押える上で有利となる。１２は線路、
１３は車輪である。
第８図はこの発明の他の実施例である。整流板
７の容器３の底部に近い端部が滑らかに曲げられ
ている。このようにすると、流路８を流れる冷媒
液２の流れが円滑になり、圧力損失が小さくなる
という特徴を有する。
７の容器３の底部に近い端部が滑らかに曲げられ
ている。このようにすると、流路８を流れる冷媒
液２の流れが円滑になり、圧力損失が小さくなる
という特徴を有する。
第９図、第１０図はこの発明の他の実施例を示
す断面図で、それぞれ容器３が６角筒、４角筒で
ある。第１０図では第２の流路８の終端部が第２
流路８の下部に当り、この部分の断面積が上部の
断面積より小さくしてある。
す断面図で、それぞれ容器３が６角筒、４角筒で
ある。第１０図では第２の流路８の終端部が第２
流路８の下部に当り、この部分の断面積が上部の
断面積より小さくしてある。
以上説明したように、この発明は、第２流路８
の上部断面積より下部断面積を小さくしたので、
容器の下部で流路８を流れる冷媒液の流速が早く
なり、容器の底部における冷媒液の淀みが小さく
なり、そのため、容器の底部での放熱効果を極め
て高めることができる。
の上部断面積より下部断面積を小さくしたので、
容器の下部で流路８を流れる冷媒液の流速が早く
なり、容器の底部における冷媒液の淀みが小さく
なり、そのため、容器の底部での放熱効果を極め
て高めることができる。
又第２の流路８を第１の流路６の下部に接続す
ると、冷媒液の所望する循環路が形成され、所望
する循環路外の巻込み流が減少するので、一層放
熱効果が促進される。
ると、冷媒液の所望する循環路が形成され、所望
する循環路外の巻込み流が減少するので、一層放
熱効果が促進される。
第１図は従来の沸騰冷却装置を示す断面図、第
２図は先行技術である沸騰冷却装置を示す断面
図、第３図〜第６図はそれぞれこの発明の沸騰冷
却装置の一実施例を示す断面図である。第７図は
この発明の応用例を示す概略正面図、第８図〜第
１０図は、それぞれこの発明の一実施例を示す断
面図である。 図において、１は発熱体、２は冷媒液、３は容
器、４は気ほう、６は第１の流路、７は整流板、
８は第２の流路、１０は車両である。尚、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。
２図は先行技術である沸騰冷却装置を示す断面
図、第３図〜第６図はそれぞれこの発明の沸騰冷
却装置の一実施例を示す断面図である。第７図は
この発明の応用例を示す概略正面図、第８図〜第
１０図は、それぞれこの発明の一実施例を示す断
面図である。 図において、１は発熱体、２は冷媒液、３は容
器、４は気ほう、６は第１の流路、７は整流板、
８は第２の流路、１０は車両である。尚、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)
- 【特許請求の範囲】 １ 冷媒液、この冷媒液に浸漬した発熱体、上記
冷媒液と発熱体を収容した容器、上記発熱体の熱
によつて生じる上記冷媒液の気泡が上向きに流れ
るように上記発熱体中に形成した第１の流路、上
記気泡の上向きの流れで生じる駆動力によつて上
記冷媒液が上記容器の内壁面に接して下向きに流
れ、かつ下降した上記冷媒液が第１の流路に導か
れるように形成した第２の流路を有するものにお
いて、上記第２の流路はその上部断面積よりその
下部断面積が小さいことを特徴とする沸騰冷却装
置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のものにおいて、
第２の流路は容器の内壁面と整流板で形成し、上
記整流板の下端部が滑らかに湾曲している沸騰冷
却装置。 ３ 特許請求の範囲第１項又は第２項記載のもの
において、第２の流路は第１の流路の下部と接続
している沸騰冷却装置。
Priority Applications (8)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56208648A JPS58108759A (ja) | 1981-12-22 | 1981-12-22 | 沸騰冷却装置 |
| KR8201479A KR860000253B1 (ko) | 1981-04-07 | 1982-04-03 | 비등 냉각장치(沸騰冷却裝置) |
| MX192188A MX157055A (es) | 1981-04-07 | 1982-04-06 | Mejoras en aparato de enfriamiento por ebullicion para autotransportes |
| US06/366,124 US4572286A (en) | 1981-04-07 | 1982-04-07 | Boiling cooling apparatus |
| DE19823213112 DE3213112A1 (de) | 1981-04-07 | 1982-04-07 | Siedekuehlapparat |
| ES511289A ES511289A0 (es) | 1981-04-07 | 1982-04-07 | Aparato de refrigeracion por ebullicion. |
| AU82439/82A AU551611B2 (en) | 1981-04-07 | 1982-04-07 | Ebullition cooling apparatus |
| US06/805,538 US4653579A (en) | 1981-04-07 | 1985-12-06 | Boiling cooling apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP56208648A JPS58108759A (ja) | 1981-12-22 | 1981-12-22 | 沸騰冷却装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58108759A JPS58108759A (ja) | 1983-06-28 |
| JPS6259889B2 true JPS6259889B2 (ja) | 1987-12-14 |
Family
ID=16559722
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP56208648A Granted JPS58108759A (ja) | 1981-04-07 | 1981-12-22 | 沸騰冷却装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58108759A (ja) |
-
1981
- 1981-12-22 JP JP56208648A patent/JPS58108759A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58108759A (ja) | 1983-06-28 |
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