JP2000074536A - 沸騰冷却装置 - Google Patents
沸騰冷却装置Info
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Abstract
放熱壁8に凝縮フィン8aを多数設けることが一般に行
われるが、多数設けられたフィン間に液冷媒がブリッジ
し、熱抵抗が増大して冷却能力が向上しない。 【解決手段】 凝縮フィン8aの間隔がラプラス長さ以
上に設けられることにより、作動温度域においてフィン
間に液冷媒がブリッジする不具合が生じない。これによ
り、凝縮フィン8aの熱抵抗が低く抑えられ、凝縮フィ
ン8aで効率的に放熱でき、結果的に沸騰冷却装置の冷
却能力を高めることができる。
Description
媒の蒸発と凝縮の循環ループを形成して発熱体を冷却す
る沸騰冷却装置に関するもので、CPUなどの半導体集
積回路の冷却に用いて好適なものである。
適な小型の沸騰冷却装置を出願した(特願平9−995
0号、特願平9−29987号および特願平9−246
297号)。この沸騰冷却装置は、偏平な箱型を成す密
閉容器の対向する一方の壁面(受熱壁)に発熱体(CP
U)が固定され、他方の壁面(放熱壁)に放熱フィンが
取り付けられ、容器の内部に所定量の冷媒が封入される
ものである。CPUの熱は受熱壁を介して内部の冷媒に
伝達されて冷媒を沸騰させ、沸騰した蒸気冷媒が放熱面
に凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱
が放熱壁より放熱フィンを介して大気に放出される。
性能アップが望まれる。冷却能力を向上する1つの手段
として、凝縮壁の熱放出量を増大させ、凝縮壁の過冷度
を低下させることが考えられる。凝縮壁の面積を増大さ
せると容器が大型化して適切でないため、凝縮壁に凝縮
フィンを設けて放熱能力を増大させることが一般に行わ
れる。しかし、本願発明者らは、凝縮フィンを多く設け
ても、作動中に凝縮フィンと隣接する凝縮フィンとの間
に凝縮液がブリッジして放熱能力が低下し、十分な性能
アップ効果が得られないことを見出した。
たもので、その目的は、最適な凝縮フィンの間隔設定を
可能にすることによって、高い冷却性能を得ることので
きる沸騰冷却装置の提供にある。
フィンの間隔がラプラス長さ(冷媒が沸騰気化して容器
の内壁から脱離する際の気化直径)以上に設けられてい
るため、沸騰冷却装置の作動中に凝縮フィンと隣接する
凝縮フィンとの間に凝縮液がブリッジする不具合がな
い。このため、ブリッジした凝縮液によって凝縮フィン
の放熱能力が低下する不具合が生じず、凝縮フィンによ
って効率的に放熱させることができ、結果的に沸騰冷却
装置の冷却能力を高めることができる。
を蒸気通路に向かって短く設けることで、発熱体の熱を
受けて蒸気通路内で発生した蒸気を容器内に広く行き渡
らせることができる。
設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴ある
いは液膜の成長が抑えられるとともに、凝縮フィンの端
の高さが連続的に低くなることによって、凝縮フィンに
付着した凝縮液が円滑に排水される。このように、凝縮
フィンに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮
フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高
めることができる。
設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴ある
いは液膜の成長が抑えられるとともに、分割された凝縮
フィンと凝縮フィンとの間が連続的に高さ変化すること
によって、凝縮フィンに付着した凝縮液が円滑に下方の
凝縮フィンへ排水される。このように、凝縮フィンに付
着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィンの熱
抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることが
できる。
設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴ある
いは液膜の成長が抑えられるとともに、フィン端がテー
パ状に設けられたことによって、さらに凝縮フィンに付
着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。このよう
に、凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が促進されるた
め、凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却
能力を高めることができる。
設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴ある
いは液膜の成長が抑えられるとともに、凝縮フィンの側
面に傾斜面を設けたことによって、さらに凝縮フィンに
付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。このよ
うに、凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が促進される
ため、凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷
却能力を高めることができる。
縮フィンに付着した液冷媒の排水が、補助ウイックによ
って促進されるため、放熱壁もしくは凝縮フィンの熱抵
抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることがで
きる。
ィンで液化した液冷媒が補助ウイックから主ウイックに
直接供給される。つまり、凝縮した液冷媒は、容器の下
部で溜まることなく再び受熱壁に導かれる。このよう
に、液冷媒の流れ経路が短くなることによって液冷媒の
循環効率が向上し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めるこ
とができる。
は凝縮フィンの表面に施された微細溝加工あるいは親水
処理加工によって、表面に付着した液冷媒の排水が促進
されるため、放熱壁もしくは凝縮フィンの熱抵抗が減少
し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
ることによって、制御通路により蒸気冷媒を効率的に拡
散できる。つまり、制御通路によって効率的に凝縮フィ
ンや放熱壁を使用でき、沸騰冷却装置の冷却能力を高め
ることができる。
図1〜図4を用いて説明する。なお、図1は凝縮フィン
の配置を示す放熱壁の内面図、図2は沸騰冷却装置の正
面図と断面図、図3は沸騰冷却装置の使用例を示す斜視
図、図4は作動温度に対するラプラス長さ、表面張力、
液・蒸気密度の関係を示すグラフである。
えばコンピュータに搭載されたCPU2(発熱体の一
例)を冷却するものであり、基板3に取り付けられたC
PU2と放熱フィン4との間に介在されて使用される。
沸騰冷却装置1は、CPU2が取り付けられる発熱体取
付部7aを備えた容器5と、この容器5内に配置された
主ウイック6と、容器5内に所定量封入された冷媒(図
示しない)とからなる。
ば、銅、ニッケル、アルミニウム等)により製造され、
図2に示すように、横寸法aおよび縦寸法bに対して厚
さ寸法hが小さい偏平な箱型に形成されている。また、
容器5は、図3に示すように、基板3に配置されたスロ
ット3a等によって容器5の配置に制約を受けるため、
受熱壁7の中央部にCPU2を配置できない。そこで、
発熱体取付部7aは、受熱壁7の中心からオフセットし
て設けられている。なお、受熱壁7の中心とは、受熱壁
7の重心、即ち受熱壁7の対角線の交差付近である。
熱によって蒸発し、空冷によって凝縮するもので、水、
アルコール、アセトン、その他の有機溶剤などから、作
動温度域や、沸騰冷却装置1の構成材料との適合性等に
基づいて選定される。なお、一般的には、銅−水系の冷
媒が用いられる。
に対応するものであり、主ウイック6は、どのような姿
勢においても容器5内の下部に溜まった液冷媒を発熱体
取付部近傍6a(発熱体取付部7aから受熱して冷媒を
蒸発させる部分)に輸送するものである。主ウイック6
は、下部に溜まった液冷媒を毛細管現象によって発熱体
取付部近傍6aに運搬するもので、本実施形態では有孔
金属焼結体を採用している。この有孔金属焼結体は、熱
伝導性に優れる金属(例えば、銅、ニッケル、アルミニ
ウム等)により製造された多孔質材料で、沸騰冷却装置
1の熱抵抗を低減するために、容器5と接合することが
望ましく、例えばろう付け、ハンダ付け等の接合技術で
容器5に接合される。なお、本実施形態では主ウイック
6として有孔金属焼結体を採用しているが、金網や金属
繊維、金属以外の繊維(例えば、カーボンファイバー、
グラスファイバー等)など、他のウイックを用いても良
い。
図1に示す凝縮フィン8aが設けられている。なお、図
1(a)〜(f)はそれぞれ異なった放熱壁8の内面を
示すものであり、フィン列端部の位置を略山型配置した
例、中央の蒸気通路に向けてフィン長を短く設けた例を
種々示すものである。図1(a)は、各列の凝縮フィン
8aを分割しない例である。図1(b)、(c)は、各
列の凝縮フィン8aを分割するとともに、中央の蒸気通
路に向けてフィン長を短く設けた例である。図1(d)
は、発熱体取付部近傍6aの凝縮フィン8aの分割数を
増した例である。図1(e)は、凝縮フィン8aを斜め
に配置した例である。図1(f)は、凝縮フィン8aの
間隔を不等ピッチに配置した例である。
するもので、凝縮フィン8aのフィン間隔は、過冷度低
減のための必要凝縮面積を確保し、かつ作動温度域で凝
縮フィン8aと隣接する凝縮フィン8aとの間に凝縮液
がブリッジしないラプラス長さ以上に設けられている。
水冷媒を用いた場合の作動温度に対するラプラス長さ、
表面張力、液・蒸気密度の関係を、図4のグラフに示
す。
ある。
の場合a=0.8〜1.5、フロン系冷媒の場合a=
0.5〜1.0)、σ:液冷媒の表面張力、ρ1:液冷
媒の密度、ρ2 :蒸気冷媒の密度、g:重力加速度を示
す。
2の熱は、発熱体取付部7aから容器5内の発熱体取付
部近傍6aに伝達され、その発熱体取付部近傍6aに運
搬された液冷媒を沸騰させる。発生した蒸気冷媒は、放
熱フィン4によって温度が低く抑えられる放熱壁8およ
び凝縮フィン8aに凝縮潜熱を放出して凝縮液化し、液
滴となって下部に溜まる液冷媒に還流する。放熱壁8に
放出された熱は、放熱壁8に取り付けられた放熱フィン
4を介して大気に放出される。
縮フィン8aの間隔がラプラス長さ以上に設けられてい
るため、沸騰冷却装置1の作動中に凝縮フィン8aと隣
接する凝縮フィン8aとの間に凝縮液がブリッジする不
具合がない。このため、ブリッジした凝縮液によって凝
縮フィン8aの放熱能力が低下する不具合が生じず、凝
縮フィン8aによって効率的に放熱させることができ、
結果的に沸騰冷却装置1の冷却能力を高めることができ
る。
器5の下部に溜まった冷媒が、主ウイック6の毛細管現
象によって発熱体取付部近傍6aに運搬されるため、発
熱体取付部7aが受熱壁7の中心からオフセットされ、
且つ、図2に示すようなサイドヒート時においても、容
器5内の冷媒を確実に発熱体取付部近傍6aに導くこと
ができる。そして、発熱体取付部近傍6aという広い範
囲において冷媒を沸騰させることができるため、沸騰量
が増えて、発熱体取付部7aの過熱度を低減できる。
によって発熱体取付部近傍6aに運搬するため、容器5
内の冷媒量が少なくて済む。このため、容器5を立てて
使用するサイドヒート時において、冷媒に漬かる放熱壁
8の面積が少なくなり、実際的に蒸気冷媒を凝縮させる
凝縮面積が多くなる。この結果、凝縮量が増えて過冷度
も低減できる。このように、発熱体取付部7aの過熱度
を低減し、放熱壁8の過冷度も低減でき、結果的に沸騰
冷却装置1の冷却性能を向上できる。
および冷媒のみで構成される。つまり、沸騰冷却装置1
は、大変シンプルで済み、沸騰冷却装置1の生産性が向
上し、コストを低く抑えることができる。
いて説明する。なお、図5(a)は放熱壁8の内面を示
し、(b)はA−A線に沿う断面図を示す。この第2実
施形態は、凝縮フィン8aのフィン端の高さを連続的に
低く設けるとともに、複数に分割されたフィン分割部分
においてもフィンの高さを連続的に変化させたものであ
り、この実施形態ではフィン端の高さを図5(b)に示
すように円弧状に変化させた例を示す。凝縮フィン8a
が分割して設けられたことにより、凝縮フィン8aに付
着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、
凝縮フィン8aの端の高さが連続的に変化することによ
って、凝縮フィン8aに付着した凝縮液が円滑に排水さ
れる。このように、凝縮フィン8aに付着した液冷媒の
排水が促進されるため、凝縮フィン8aの熱抵抗が減少
し、沸騰冷却装置1の冷却能力を高めることができる。
いて説明する。なお、図6(a)は放熱壁8の内面を示
し、(b)はA−A線に沿う断面図を示す。この第3実
施形態は、分割された各凝縮フィン8aの側面に、凝縮
フィン8aから放熱壁8にかかる傾斜面を設けたので、
この実施形態では傾斜面を図6(b)に示すように円弧
状に設けた例を示す。この実施形態は、押出し成形、引
抜き成形、冷間鍛造等の成形技術を用いて放熱壁8と凝
縮フィン8aを一体成形することで容易に実施できる。
凝縮フィン8aが分割して設けられたことにより、凝縮
フィン8aに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えら
れるとともに、凝縮フィン8aの側面に放熱壁8にかか
る傾斜面を設けたことによって、さらに凝縮フィン8a
に付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。この
ように、凝縮フィン8aに付着した液冷媒の排水が促進
されるため、凝縮フィン8aの熱抵抗が減少し、沸騰冷
却装置1の冷却能力を高めることができる。
いて説明する。なお、図7は放熱壁8の内面を示す。こ
の第4実施形態は、分割された各凝縮フィン8aのフィ
ン端の厚さをテーパ状に薄くして尖らせた例を示す。凝
縮フィン8aが分割して設けられたことにより、凝縮フ
ィン8aに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられ
るとともに、フィン端を尖らせたことによって、さらに
凝縮フィン8aに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑
えられる。このように、凝縮フィン8aに付着した液冷
媒の排水が促進されるため、凝縮フィン8aの熱抵抗が
減少し、沸騰冷却装置1の冷却能力を高めることができ
る。
いて説明する。なお、図8(a)〜(d)は、それぞれ
異なった沸騰冷却装置1の断面図を示す。この第5実施
形態は、放熱壁8もしくは凝縮フィン8aの少なくとも
一方に液冷媒の伝達性に優れた補助ウイック9を設け、
凝縮した液滴の排水を促進させて放熱壁8の過冷度を低
減させるものである。
質材料を用いたもので、例えば有孔焼結金属を用いたも
のである。図8(b)は、補助ウィック9として金属繊
維や金網を用いたものである。図8(c)は、補助ウィ
ック9としてカーボンファイバ、グラスファイバ等の繊
維を用いたものである。図8(d)は、補助ウィック9
として金属ワイヤを用いたものである。
触させることにより、補助ウイック9で運搬される液冷
媒が直接主ウイック9に供給されるため、液冷媒の流れ
経路が短くなる。これによって液冷媒の循環効率が向上
し、沸騰冷却装置1の冷却能力を高めることができる。
いて説明する。なお、図9(a)〜(d)は、それぞれ
異なった放熱壁8の内面を示す。この第6実施形態は、
凝縮フィン8aの形状を一部変更し、蒸気冷媒の流れを
制御する制御通路10を設けたものである。この制御通
路10によって、蒸気冷媒の流れを沸騰冷却装置1内
(つまり、主ウイック6と放熱壁8の間の空間)全体に
蒸気を拡散して凝縮フィン8aや放熱壁8を有効に使う
ことで、放熱壁8の過冷度を低減させるものである。
生した蒸気を制御通路10によって下方へ導くものであ
る。図9(b)は、発熱体取付部近傍6aで発生した蒸
気を制御通路10によって一端下方へ導き、その後両側
へ拡散させるものである。図9(c)は、発熱体取付部
近傍6aの上部で発生した蒸気を両側から下方へ導くと
ともに、発熱体取付部近傍6aの下部で発生した蒸気を
下方へ導くものである。図9(d)は、凝縮フィン8a
と制御通路10とを組み合わせたものである。
ィン8aの少なくとも一方の表面に親水性皮膜を形成す
るなどの親水処理を施したり、放熱壁8もしくは凝縮フ
ィン8aの少なくとも一方の表面に微細溝を形成するな
どの微細溝加工を施しても良い。なお、微細溝の溝幅は
200μm以下が望ましく、溝幅に対する深さの比は1
以上であることが望ましい。放熱壁8もしくは凝縮フィ
ン8aの表面に施された親水性皮膜や微細溝によって、
表面に付着した液冷媒の排水が促進される。このため、
放熱壁8もしくは凝縮フィン8aの熱抵抗が減少し、沸
騰冷却装置1の冷却能力を高めることができる。
(第1実施形態)。
A線に沿う断面図である(第1実施形態)。
1実施形態)。
ラプラス長さ(a=1)、表面張力、液・蒸気密度の関
係を示すグラフである(第1実施形態)。
沿う断面図である(第2実施形態)。
沿う断面図である(第3実施形態)。
(第5実施形態)。
実施形態)。
Claims (12)
- 【請求項1】受熱壁および放熱壁を備えた容器内に冷媒
が封入された沸騰冷却装置であって、 前記容器の内部には、少なくとも前記放熱壁と熱的に結
合する凝縮フィンが設けられるとともに、この凝縮フィ
ンの間隔が、必要な凝縮面積が確保できる最大の凝縮フ
ィンの間隔以下で、かつ、冷媒が沸騰気化して前記容器
の内壁を脱離する際の気化直径の平均値以上に設けられ
たことを特徴とする沸騰冷却装置。 - 【請求項2】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記容器内には、蒸気冷媒が流れる蒸気通路を備え、 前記凝縮フィンは、前記蒸気通路に向かってフィン長が
短く設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。 - 【請求項3】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記凝縮フィンは、長手方向に複数に分割して設けら
れ、フィン端はフィンの高さが連続的に低く設けられた
ことを特徴とする沸騰冷却装置。 - 【請求項4】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記凝縮フィンは、長手方向に複数に分割して設けら
れ、その分割部分はフィンの高さが連続的に変化して設
けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。 - 【請求項5】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記凝縮フィンは、長手方向に複数に分割して設けら
れ、フィン端はフィンの厚さがテーパ状に薄く設けられ
たことを特徴とする沸騰冷却装置。 - 【請求項6】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記凝縮フィンの側面には、前記凝縮フィンから前記放
熱壁にかかる傾斜面が設けられたことを特徴とする沸騰
冷却装置。 - 【請求項7】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記放熱壁もしくは前記凝縮フィンの少なくとも一方に
は、前記容器内で液化した液冷媒の排水を促進させる補
助ウイックが配置されたことを特徴とする沸騰冷却装
置。 - 【請求項8】請求項7の沸騰冷却装置において、 前記補助ウイックは、多孔焼結金属体、金属繊維、金
網、あるいは金属以外の繊維であることを特徴とする沸
騰冷却装置。 - 【請求項9】請求項7の沸騰冷却装置において、 前記補助ウイックは、前記容器内下部の液冷媒を前記受
熱壁へ運搬する主ウイックに接触することを特徴とする
沸騰冷却装置。 - 【請求項10】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記放熱壁もしくは前記凝縮フィンの少なくとも一方
は、表面に微細溝加工が施されたことを特徴とする沸騰
冷却装置。 - 【請求項11】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記放熱壁もしくは前記凝縮フィンの少なくとも一方
は、表面に親水処理加工が施されたことを特徴とする沸
騰冷却装置。 - 【請求項12】請求項1の沸騰冷却装置において、 前記容器の内部には、蒸気冷媒の流れを制御する制御通
路が設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24548398A JP3900702B2 (ja) | 1998-08-31 | 1998-08-31 | 沸騰冷却装置 |
US09/317,382 US6227287B1 (en) | 1998-05-25 | 1999-05-24 | Cooling apparatus by boiling and cooling refrigerant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24548398A JP3900702B2 (ja) | 1998-08-31 | 1998-08-31 | 沸騰冷却装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000074536A true JP2000074536A (ja) | 2000-03-14 |
JP3900702B2 JP3900702B2 (ja) | 2007-04-04 |
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ID=17134340
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP24548398A Expired - Fee Related JP3900702B2 (ja) | 1998-05-25 | 1998-08-31 | 沸騰冷却装置 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP3900702B2 (ja) |
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