JP2004207643A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】サイドヒート姿勢で使用される場合において、冷媒液面を下げて放熱部を大きく確保し、冷却性能の向上を可能とする沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】自身の側壁111に発熱体10が装着されると共に、内部に冷媒が封入される第1冷媒槽110と、第1冷媒槽110の反発熱体側に配置される第2冷媒槽120と、上下方向に複数積層され、第1冷媒槽110および第2冷媒槽120の内部同士を連通させるチューブ130とを有する沸騰冷却装置において、第1冷媒槽110の内部に、第1冷媒槽110の冷媒を第2冷媒槽120を経由して、発熱体10の上側に対応する位置から側壁111の内壁面111aに沿って還流させる冷媒流制御手段140を設ける。
【選択図】 図2

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により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ものである。
【0002】
【従来の技術】
本出願人は、先に特願2001−327444において、図10に示すような沸騰冷却装置100を提案している。この沸騰冷却装置100は、内部に冷媒が貯留される冷媒槽101、複数のチューブ130およびヘッダ160から成り、冷媒槽101の下側の受熱面110aに発熱体10が取付けられる。
【0003】
チューブ130は、冷媒槽101の放熱面110bに対して略直立して配置され、冷媒槽101とヘッダ160とを互いに連通させるようにしている。そして、発熱体10の取付け部位が放熱面110bに投影される領域を沸騰領域とする時に、複数のチューブ130のうち、沸騰領域に配置されるチューブ130Cは、沸騰領域外に配置されるチューブ130Dより、冷媒槽101に接続される下端開口部の通路面積が大きくなるようにしている。
【0004】
これにより、発熱体10の熱を受けて沸騰気化した冷媒が、複数のチューブ130のうち、沸騰領域内に配置されているチューブ130Cに優先的に流れ込むことができる。その結果、沸騰領域内に配置されているチューブ130Cからヘッダ160内で拡散した冷媒が、沸騰領域外に配置されているチューブ130Dを通って冷却され、凝縮液となって冷媒槽101に還流する。発熱体10から発生した熱は、冷媒に伝達されて、凝縮される際に沸騰領域外のチューブ130Dからで外気に放出されることで発熱体10が冷却されることになる。
【0005】
このように、この沸騰冷却装置100においては、沸騰領域内に配置されるチューブ130Cの下端開口部の通路断面積を他のチューブ130Dよりも大きくするだけで冷媒の循環を良好にできるので、放熱部(チューブ130D部)の体格が大きくなるこを抑制でき、且つ装置全体が大型化することを抑制できるようにしている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
近年、発熱体10の発熱量は増加傾向にあり、沸騰冷却装置100に対する冷却性能向上のニーズが高まっており、更には、図11に示すように、発熱体10の実装密度をアップするためにサイドヒート姿勢(発熱体10が冷媒槽101の側面に位置する)での使用が多くなっている。
【0007】
発熱体10は、各種配線の関係から冷媒槽101の略中央に取付けされるため、このサイドヒート姿勢の場合には冷媒槽101内の発熱体10上端近傍まで冷媒を充填させる必要があり、その結果、蒸発した冷媒が凝縮する放熱部(沸騰気化した冷媒が流通するチューブ130の本数)が減少し、充分な冷却性能が得られなくなる。
【0008】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、サイドヒート姿勢で使用される場合において、冷媒液面を下げて放熱部を大きく確保し、冷却性能の向上を可能とする沸騰冷却装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【0010】
請求項1に記載の発明では、自身の側壁(111)に発熱体(10)が装着されると共に、内部に冷媒が封入される第1冷媒槽(110)と、第1冷媒槽(110)の反発熱体側に配置される第2冷媒槽(120)と、上下方向に複数積層され、第1冷媒槽(110)および第2冷媒槽(120)の内部同士を連通させるチューブ(130)とを有し、発熱体(10)の熱によって沸騰気化した冷媒が、凝縮液化する際にチューブ(130)の外部に放熱することで、発熱体(10)を冷却する沸騰冷却装置において、第1冷媒槽(110)の内部には、第1冷媒槽(110)の冷媒を第2冷媒槽(120)を経由して、発熱体(10)の上側に対応する位置から側壁(111)の内壁面(111a)に沿って還流させる冷媒流制御手段(140)が設けられたことを特徴としている。
【0011】
これにより、第1冷媒槽(110)の発熱体(10)が対応する内壁面(111a)に冷媒が供給され、発熱体(10)の熱によって沸騰気化させることができるので、第1冷媒槽(110)内に封入される冷媒の液面を下げることができる。よって、その分チューブ(130)において放熱部として活用できる領域を大きくすることができるので、サイドヒート姿勢における冷却性能を向上させることができる。
【0012】
請求項2に記載の発明では、冷媒流制御手段(140)は、第1冷媒槽(110)内部を発熱体(10)上端近傍位置で上下の空間に仕切る仕切り部(141)と、仕切り部(141)において、内壁面(111a)側で上下の空間を連通させる隙間部(142)とから成ることを特徴としており、これにより、冷媒流制御手段(140)を容易に形成することができる。
【0013】
請求項3に記載の発明では、隙間部(142)の開口面積は、チューブ(130)のうち、少なくとも第1冷媒槽(110)から第2冷媒槽(120)に向かう冷媒が流通するチューブ(130A)の流路面積よりも小さく形成されたことを特徴としている。
【0014】
これにより、沸騰気化した冷媒を第1冷媒槽(110)から第2冷媒槽(120)に向かうチューブ(130A)側に流入させやすくして、第2冷媒槽(120)を経由して隙間部(142)へ還流するのを促進できるので、冷却性能を更に向上させることができる。
【0015】
請求項4に記載の発明では、チューブ(130)は、水平方向にも複数配列され、この配列方向に外部流体が供給されており、チューブ(130)のうち、第1冷媒槽(110)から第2冷媒槽(120)に向かう冷媒が流通するチューブ(130A)の流路面積は、外部流体の上流側から下流側に向けて大きくなるようにし、且つ、第2冷媒槽(110)から第1冷媒槽(120)の内壁面(111a)に向かう冷媒が流通するチューブ(130B)の流路面積は、外部流体の下流側から上流側に向けて大きくなるようにしたことを特徴としている。
【0016】
これにより、外部流体は冷媒との熱交換により下流側に向けて温度上昇していくので、第1冷媒槽(110)から第2冷媒槽(120)に向かう冷媒(沸騰気化冷媒)は凝縮が抑制され、その流れが滞ることが無い。また、第2冷媒槽(120)から第1冷媒槽(110)に向かう冷媒が流通するチューブ(130B)においては、逆に熱交換前の外部流体によって上流側で冷媒(沸騰気化冷媒)の凝縮が活発に行われ、総じて、冷媒の還流が促進され、冷却性能を一層向上させることができる。
【0017】
請求項5に記載の発明では、第1冷媒槽(110)および第2冷媒槽(120)は、中間に配置されるものにおいて複数の開口部(113a、114a、122a、123a)を有する複数のプレート(111〜114、121〜124)が積層されて形成されたことを特徴としている。
【0018】
これにより、第1、第2冷媒槽(110、120)を容易に形成できると共に、第1冷媒槽(110)においては、積層構造を活用して冷媒流制御手段(140)を容易に形成できる。
【0019】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【0020】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
本発明の沸騰冷却装置100の第1実施形態を図1〜図5に基づいて説明する。この沸騰冷却装置100は、図1に示すように、例えば半導体素子等の発熱体10を冷却するもので、第1冷媒槽110、第2冷媒槽120、複数のチューブ130、放熱フィン150から構成されており、以下説明する各部材は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金より成り、各部材間で接合される部位に施されたろう材により一体でろう付けされている。
【0021】
図2は図1における沸騰冷却装置100のA−A部における断面図、図3は第1冷媒槽110を構成する各プレート111〜114を示す正面図、図4は図2のB−B部における断面図、図5は中間プレート113、114が重なり合った状態を示す部分正面図である。
【0022】
第1冷媒槽110は、側壁を成す受熱プレート111、この受熱プレート111に対向配置される放熱プレート112、および受熱プレート111と放熱プレート112との間に積層される複数の中間プレート113、114より構成され、全体が一体ろう付けされている。
【0023】
図3に示すように、受熱プレート111は、発熱体10が取付けられる略正方形の平板部材である。放熱プレート112は、上記受熱プレート111と同様の略正方形の平板部材であり、チューブ130の一方の端部が挿入されるチューブ孔112aが複数設けられている。
【0024】
中間プレート113(ここでは3個仕様としている)は、略正方形の平板部材に縦横に延びる開口部113aが複数形成されている。また、隣り合う開口部113a間においては肉厚部113bが形成されている。
【0025】
中間プレート114は、上記中間プレート113に対して類似の開口部114aが形成されたものであり、特に発熱体10に対応する領域には縦方向に延びるスリット状の開口部114bが複数設けられている。そして開口部114a、114b間には肉厚部114cが形成されている。尚、中間プレート113、114の各開口部113a、114a、114bは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成されている。
【0026】
そして、図2に示す様に、中間プレート113、114が受熱プレート111と放熱プレート112との間に積層されて、第1冷媒槽110として形成されることになり、各開口部113a、114a、114bが重なり合う位置で互いに連通して内部空間が形成される。この内部空間には所定量の冷媒が封入されており、冷媒としては、ここではフロン(HFC134a)を用いている。その他の冷媒として、水、アルコール、フロロカーボン等を用いても良い。
【0027】
尚、各開口部113a、114a、114bおよび各肉厚部113b、114cの組み合わせにより、第1冷媒槽110内には本発明の特徴部としての冷媒流制御手段140が形成されることになるが、その詳細については後述する。
【0028】
第1冷媒槽110の受熱プレート111の外側となる受熱面110aの中央には、発熱体10が配置され、図示しないボルト等の締め付けにより固定されている。尚、発熱体10と受熱面110aとの間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。このように、本沸騰冷却装置100においては、発熱体10は第1冷媒槽110の受熱プレート(側壁)111に装着され、サイドヒート姿勢で使用されるものとしている。
【0029】
第2冷媒槽120は、上記第1冷媒槽110と同様に複数のプレート121〜124が積層されて成るもので、第1冷媒槽110の反発熱体側に配置されている。中間に挟まれる中間プレート122、123には、それぞれ開口部122a、123aが形成されている。これら開口部112a、123aが互いに重なり合うことによって、第2冷媒槽120は内部空間を形成する容器となっている。尚、プレート121にはチューブ孔121aが複数設けられている。
【0030】
チューブ130は、図4に示すように、押し出し加工により形成され、断面が扁平状を成し、内部には複数の流路131を有する多孔チューブとしており、上下方向に複数(ここでは7段)積層され、更には、水平方向にも複数(ここでは3列)配列されている。
【0031】
そして、チューブ130の一方の端部が放熱プレート112のチューブ孔112aに挿入、ろう付けされ、また、チューブ130の他方の端部がプレート121のチューブ孔121aに挿入、ろう付けされている。そして、チューブ130によって第1冷媒槽110および第2冷媒槽120の内部同士が連通される。
【0032】
尚、チューブ130の端部は、冷媒流通時の流通抵抗低減、両冷媒槽110、120の小型化のために、両冷媒槽110、120の内部空間に突出しないように、位置決めされている。
【0033】
そして、チューブ130には複数の放熱フィン150が設けられている。放熱フィン150は、チューブ130が貫通することによって、このチューブ130に装着されるいわゆるプレートフィンである。
【0034】
この沸騰冷却装置100を作動させる際には、熱交換を促進させるために、図示しない送風装置等により水平方向(チューブ130の配列方向)にチューブ130および放熱フィン150を通過するように外部流体としての冷却風が供給されるようにしている。
【0035】
次に、本発明の特徴部について説明する。本発明では、第1冷媒槽110内に冷媒流制御手段140を設けている。この冷媒流制御手段140は、ここでは中間プレート113、114によって形成される仕切り部141と隙間部142とから成るようにしている。
【0036】
仕切り部141は、中間プレート113の肉厚部113bのうち、発熱体10の上端近傍位置に対応するものが積層されることによって形成されている。また、隙間部142は、図5に示すように、発熱体10の上端近傍位置に対応する中間プレート113の開口部113aと中間プレート114の開口部114bとが僅かに重なり合うことによって形成される隙間である。
【0037】
そして、隙間部142に近接する中間プレート114の肉厚部114cと仕切り部141とによって、第1冷媒槽110内の空間は発熱体10の上端近傍位置で上下の空間に仕切られ、また、隙間部142によって受熱プレート111の内壁面111a側で上下の空間が連通される形となっている。
【0038】
更に、ここでは、隙間部142の開口面積は、冷媒液面と仕切り部141とによって挟まれるチューブ130の流路131のトータル面積よりも小さくなるようにしている。尚、冷媒液面と仕切り部141とによって挟まれるチューブ130というのは、後述するように第1冷媒槽110において発熱体10の熱によって沸騰気化した冷媒が第2冷媒槽120側に向かって流通するチューブ(以下、チューブ130Aとして区別する)である。
【0039】
以上のように構成される沸騰冷却装置100においては、第1冷媒槽110の受熱プレート111に取付けられた発熱体10の熱を受けて沸騰気化した冷媒の大半は、仕切り部141によってその流れが制御され、チューブ130Aから第2冷媒槽120を経て、チューブ130Aの上側に位置するチューブ130(以下、チューブ130Bとして区別する)を流れ、再び第1冷媒槽110に戻る。この沸騰気化した冷媒は上記のようにチューブ130A、130Bを流れる際に、冷却風により凝縮液化し、第1冷媒槽110の上側の空間に流入する。この時の凝縮潜熱が冷却風に放出されることで発熱体10は冷却される。この凝縮潜熱の放出は放熱フィン150により促進される。尚、チューブ130Aを流れる際に凝縮液化した冷媒は、第2冷媒槽120の下側に溜まる。
【0040】
そして、第1冷媒槽110の上側の空間に流入した液化冷媒は、隙間部142から内壁面111aに沿って薄い液膜を形成しつつ流れ落ちる。
【0041】
このように、第1冷媒槽110内に冷媒流制御手段140を設けることにより、第1冷媒槽110の発熱体10が対応する内壁面111aに凝縮液化した冷媒が供給され、発熱体10の熱によって沸騰気化させることができるので、第1冷媒槽110内に封入される冷媒の液面を下げることができる。よって、その分チューブ130において放熱部として活用できる領域を大きくすることができるので、サイドヒート姿勢における冷却性能を向上させることができる。
【0042】
また、冷媒流制御手段140を仕切り部141および隙間部142から構成するようにしているので、冷媒流制御手段140を容易に形成することができる。
【0043】
また、隙間部142の開口面積は、少なくともチューブ130Aの流路面積よりも小さく成るようにしているので、沸騰気化した冷媒をチューブ130A側に流入させやすくして、第2冷媒槽120を経由して隙間部142へ還流するのを促進でき、冷却性能を更に向上させることができる。
【0044】
更に、第1、第2冷媒槽110、120を複数のプレート111〜114、121〜124による積層構造としているので、第1、第2冷媒槽110、120を容易に形成できると共に、第1冷媒槽110においては、積層構造を活用して冷媒流制御手段140を容易に形成できる。
【0045】
(第2実施形態)
本発明の第2実施形態を図6に示す。第2実施形態は、上記第1実施形態に対して、チューブ130Aおよびチューブ130Bの流路面積を冷却風の流れ方向に対して変化させるようにしたものである。
【0046】
即ち、冷却風の上流側では冷媒流制御手段(140)を発熱体10の中段位置に設定し、また冷却風の下流側では冷媒流制御手段(140)を発熱体10の上端の更に上側に相当する位置に設定することで、チューブ130Aを冷却風の上流から下流に向けて本数が増加するようにしている。即ち、チューブ130Aの流路面積が冷却風の上流側から下流側に向けて大きくなるようにしている。
【0047】
一方、上記チューブ130Aの設定により、チューブ130Bの流路面積は逆に冷却風の下流側から上流側に向けて大きくなるようにしている。
【0048】
これにより、冷却風は冷媒との熱交換により下流側に向けて温度上昇していくので、第1冷媒槽110から第2冷媒槽120に向かうチューブ130Aにおいて、冷媒(沸騰気化冷媒)は凝縮が抑制され、その流れが滞ることは無い。また、第2冷媒槽120から第1冷媒槽110に向かうチューブ130Bにおいては、逆に冷媒は熱交換前の冷却風によって上流側で冷媒(沸騰気化冷媒)の凝縮が活発に行われ、総じて、冷媒の還流が促進され、冷却性能を一層向上させることができる。
【0049】
(その他の実施形態)
上記第1、第2実施形態に対して、第1、第2冷媒槽110、120は複数のプレートの積層構造によって形成されるものに限らず、扁平な容器体で構成するようにしても良い。
【0050】
その場合には、図7(その他の実施形態1)に示すように、冷媒流制御手段140としては、板状部材によって仕切り部141を形成し、内壁面111a側に隙間部142が形成されるようにすれば良い。
【0051】
また、冷媒流制御手段140は、図8に示すように、チューブ130Bから発熱体10に対応する内壁面111a側に繋がり、チューブ130Aのトータル流路面積よりも小さくなる開口部144を有する連通路143としても良い。尚、図8(a)(その他の実施形態2)は、第1冷媒槽110が複数のプレート111〜114によって形成される場合、図8(b)(その他の実施形態3)は、第1冷媒槽110が1つの扁平容器体から形成される場合を示したものである。
【0052】
また、上記第1、第2実施形態では第1、第2冷媒槽110、120の中間プレート113、122、123は各1枚、中間プレート114は3枚の設定のものとして説明したが、これに限らず他の枚数の組み合わせとしても良い。
【0053】
また、放熱フィン150は、図9(その他の実施形態4)に示すように、プレートフィンに限らず、例えば波形に形成されてチューブ130の間に介在(一体ろう付け)されるコルゲートフィン151等としても良い。
【0054】
尚、本沸騰冷却装置100においては、チューブ130を上下方向に向けて、第1冷媒槽110を下側とし、発熱体10が更にその下側となるボトムヒート姿勢としても使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態における沸騰冷却装置全体の外観を示す斜視図である。
【図2】図1のA−A部における断面図である。
【図3】第1冷媒槽を構成する各プレートを示す正面図である。
【図4】図2のB−B部における断面図である。
【図5】中間プレートが重なり合った状態を示す部分正面図である。
【図6】第2実施形態におけるチューブを示す断面図である。
【図7】その他の実施形態1における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図8】(a)はその他の実施形態2、(b)はその他の実施形態3における沸騰冷却装置を示す部分断面図である。
【図9】その他の実施形態4における沸騰冷却装置全体の外観を示す斜視図である。
【図10】先の出願における沸騰冷却装置全体の外観を示す斜視図である。
【図11】サイドヒート姿勢で使用される場合の沸騰冷却装置を示す断面図である。
【符号の説明】
10 発熱体
100 沸騰冷却装置
110 第1冷媒槽
111 受熱プレート(側壁)
111a 内壁面
112 放熱プレート
113、114 中間プレート
113a、114a 開口部
120 第2冷媒槽
121、124 プレート
122、123 中間プレート
122a、123a 開口部
130 チューブ
130A 第1冷媒槽から第2冷媒槽に向かう冷媒が流通するチューブ
130B 第2冷媒槽から第1冷媒槽の内壁面に向かう冷媒が流通するチューブ
140 冷媒流制御手段
141 仕切り部
142 隙間部

Claims (5)

  1. 自身の側壁(111)に発熱体(10)が装着されると共に、内部に冷媒が封入される第1冷媒槽(110)と、
    前記第1冷媒槽(110)の反発熱体側に配置される第2冷媒槽(120)と、
    上下方向に複数積層され、前記第1冷媒槽(110)および前記第2冷媒槽(120)の内部同士を連通させるチューブ(130)とを有し、
    前記発熱体(10)の熱によって沸騰気化した前記冷媒が、凝縮液化する際に前記チューブ(130)の外部に放熱することで、前記発熱体(10)を冷却する沸騰冷却装置において、
    前記第1冷媒槽(110)の内部には、前記第1冷媒槽(110)の前記冷媒を前記第2冷媒槽(120)を経由して、前記発熱体(10)の上側に対応する位置から前記側壁(111)の内壁面(111a)に沿って還流させる冷媒流制御手段(140)が設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
  2. 前記冷媒流制御手段(140)は、前記第1冷媒槽(110)内部を前記発熱体(10)上端近傍位置で上下の空間に仕切る仕切り部(141)と、
    前記仕切り部(141)において、前記内壁面(111a)側で前記上下の空間を連通させる隙間部(142)とから成ることを特徴とする請求項1に記載の沸騰冷却装置。
  3. 前記隙間部(142)の開口面積は、前記チューブ(130)のうち、少なくとも前記第1冷媒槽(110)から前記第2冷媒槽(120)に向かう前記冷媒が流通するチューブ(130A)の流路面積よりも小さく形成されたことを特徴とする請求項2に記載の沸騰冷却装置。
  4. 前記チューブ(130)は、水平方向にも複数配列され、この配列方向に外部流体が供給されており、
    前記チューブ(130)のうち、前記第1冷媒槽(110)から前記第2冷媒槽(120)に向かう前記冷媒が流通するチューブ(130A)の流路面積は、前記外部流体の上流側から下流側に向けて大きくなるようにし、
    且つ、前記第2冷媒槽(110)から前記第1冷媒槽(120)の前記内壁面(111a)に向かう前記冷媒が流通するチューブ(130B)の流路面積は、前記外部流体の下流側から上流側に向けて大きくなるようにしたことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載の沸騰冷却装置。
  5. 前記第1冷媒槽(110)および前記第2冷媒槽(120)は、中間に配置されるものにおいて複数の開口部(113a、114a、122a、123a)を有する複数のプレート(111〜114、121〜124)が積層されて形成されたことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれかに記載の沸騰冷却装置。
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