JP2004218887A

JP2004218887A - 電子素子の冷却装置

Info

Publication number: JP2004218887A
Application number: JP2003004710A
Authority: JP
Inventors: Masataka Mochizuki; 正孝望月; Koichi Masuko; 耕一益子; Yoji Kawahara; 洋司川原
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2003-01-10
Filing date: 2003-01-10
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】製造性の良好な電子素子の冷却装置を提供する。
【解決手段】ＣＰＵ１１が外表面に熱伝達可能に接触させられる蒸発部２の端部に液戻り管４が接続され、かつその蒸発部２の他方の端部に蒸気管５が接続され、さらにこれら液戻り管４と蒸気管５とが、外部に放熱させる凝縮部３に連通させられて全体として環状の流路が形成され、かつその環状の流路の内部に凝縮性の作動流体が封入され、さらに蒸発部２内に液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる多孔質のウイックが配置され、ウイックとして機能する一対の多孔質体１６がスペーサー１８を挟んで蒸発部２内に封入されるとともに、この一対の多孔質体１６とスペーサー１８に切り欠いて形成された切り欠き部１７との間に液戻り管４が連通する空間部１９が形成され、また蒸発部２の内面と多孔質体１６との間に、蒸気管５に連通する通気路２１が形成されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、宇宙用、工業用、家庭用の電子素子を冷却するための電子素子の冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、ＣＰＵなどの電子素子の高速化、大容量化によってその発熱量が多くなってきており、それに伴って温度上昇による誤動作または破損などを回避するために、より効果的に放熱・冷却することが求められるようになってきている。そこで従来、電子素子用冷却器の一例として、ヒートパイプとヒートシンクとファンとを組み合わせた構造がある。
【０００３】
より具体的には、この冷却器は、電子素子に金属製の受熱ブロックを密着状態に取り付けるとともに、この受熱ブロックにヒートパイプの一端部を連結し、更にその他端部にヒートシンクにおけるベースプレートを取り付けている。このヒートシンクは、ヒートパイプとの接触面積を得るためにヒートパイプの長さ方向にある程度の長さを有する板状あるいはブロック状のベースプレートと、ヒートパイプの長さ方向に向けた姿勢でベースプレートに起立状態に取り付けた多数枚の板状フィンとを備えている。更にこの冷却器は、ベースプレートの側面部ならびに各板状フィンの側縁部と対向した位置にファンを配置しており、つまりファンは、ヒートパイプの端部と対向した配置となっている。
【０００４】
ここで、いわゆるサーモサイホンと称されるヒートパイプは、凝縮した液相の作動流体を重力によって下方の蒸発部に還流させるように構成されているので、毛細管圧力をポンプ力として発生するウイックは設けられていないが、一般的なヒートパイプは、外部から入熱のある蒸発部が必ずしも下側となるボトムヒートモードで使用されるわけではないので、液相の作動流体を蒸発部に貫流させるためのポンプ作用を生じるウイックを設けている。
【０００５】
このウイックは、毛細管圧力を生じるものであるから、開口部に生じるメニスカスでの実効毛細管半径が可及的に小径となる構造のものであることが好ましく、従来では、作動流体を封入したコンテナ（容器）の内面に形成した細溝やメッシュ材、結束した極細線、多孔質材などが使用されている。このウイックにおける蒸発部側の部分において、作動流体の蒸発に伴うメニスカスの低下が生じ、それに伴って毛細管圧力が生じるので、液相の作動流体はウイックの内部を蒸発部側に向けて還流することになる。これに対して作動流体の蒸気は、蒸発部側から作動流体の凝縮の生じる凝縮部に向けて流動するので、ウイックに沿って還流する液相作動流体の流動方向と作動流体蒸気の流動方向とが互いに反対となる。そのために、ウイックの表面において液相の作動流体が作動流体蒸気によって吹き飛ばされ、あるいは吹き戻され、これがいわゆる飛散限界となってヒートパイプの熱輸送能力が制限されることがある。
【０００６】
従来、このような不都合を解消できるヒートパイプとしてループ型のものが開発されている。これは、外部から入熱のある蒸発部と作動流体が放熱して凝縮する凝縮部とを分離して構成し、かつこれらの液相の作動流体が蒸発部に向けて貫流する液流管と作動流体蒸気の流動する蒸気流管とによって環状（ループ状）に連結した構造のヒートパイプである。このような構造であれば、液相作動流体と作動流体蒸気とが同一箇所を流れることがないので、上述した飛散限界などによる熱輸送能力の制約がなくなる。
【０００７】
この種のループ型のヒートパイプの一例が特開平１０−２４６５８３号公報（特許文献１）に記載されている。この公報に記載されたヒートパイプは、液管と蒸気管とが接続された蒸発器を備えており、その蒸発器を構成している円筒容器の内周面に軸線方向に向けた直線状の多数の溝が形成され、かつその溝の形成された内周面に、円筒状の多孔質セラミックが密着状態に嵌合させられている。
【０００８】
したがって上記の公報に記載されたヒートパイプでは、蒸発器の外周面に伝達された熱によって、その容器の内周面に接している作動流体が加熱されて蒸発し、その蒸気は容器の内周面に形成された溝を通って軸線方向に流れ、蒸気管を介して蒸発器から送り出される。一方、液相の作動流体は、液管から多孔質セラミックすなわちウイックに供給され、そのウイックが容器の内周面に接触しているので、ウイックの外周面で毛細管圧力が生じ、その結果、液相の作動流体はウイックの外周面すなわち前記容器の内周面に供給される。そして、その液相作動流体が加熱蒸発して蒸気管を経て凝縮部に流動するので、作動流体の潜熱として熱を輸送することができる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−２４６５８３号公報（段落（００４０）〜（００４９）、図１、図２）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のヒートパイプは、液管と蒸気管とを接続する工程と、この液管と蒸気管とが接続された蒸発器を備える工程と、その蒸発器を構成している円筒容器の内周面に軸線方向に向けた直線状の多数の溝を形成する工程と、その溝の形成された内周面に円筒状の多孔質セラミックを密着状態に嵌合する工程という多工程で製造されているので、このように部品点数が多いと、その分製造に要するタクトタイムもかかり、製造コストの増大を余儀なくされるという問題があった。
【００１１】
この発明は上記の事情を背景にしてなされたものであり、製造性の良好な電子素子の冷却装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、この発明は、発熱する電子素子が外表面に熱伝達可能に接触させられる筐体の端部に液戻り管が接続され、かつその筐体の他方の端部に蒸気管が接続され、さらにこれら液戻り管と蒸気管とが、外部に放熱させる凝縮部に連通させられて全体として環状の流路が形成され、かつその環状の流路の内部に凝縮性の作動流体が封入され、さらに前記筐体内に液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる多孔質のウイックが配置された電子素子の冷却装置において、前記ウイックとして機能する一対の多孔質体がスペーサーを挟んで前記筐体内に封入されるとともに、この一対の多孔質体と前記スペーサに切り欠いて形成された切り欠き部との間に前記液戻り管が連通する空間部が形成され、また前記筐体の内面と前記多孔質体との間に、前記蒸気管に連通する通気路が形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
この発明によれば、上記空間部は、ウイックとして機能する一対の多孔質体がスペーサーを挟んで前記筐体内に封入されるとともに、この一対の多孔質体と前記スペーサに切り欠いて形成された切り欠き部との間に前記液戻り管が連通し、また上記通気路は、前記筐体の内面と前記多孔質体との間に、前記蒸気管に連通する。
【００１４】
より具体的には、この発明では、筐体、つまり蒸発部容器の内部に一対の多孔質体が配列され、この一対の多孔質体同士間にスペーサーを挟んだ一対の多孔質体が蒸発部容器の内部に封入される。また、上記空間部は、この一対の多孔質体と、挟まれたスペーサに切り欠いて形成された切り欠き部との間に液戻り管が連通し、また上記通気路は、蒸発部容器の内面と一対の多孔質体との間に、蒸気管が連通する。その空間部には液相の作動流体が入り、その液相の作動流体が多孔質体として機能する多孔質体に浸透し、その多孔質体で生じる毛細管圧力によって蒸発部容器の内面に向けて流動する。一方、蒸発部容器に対して電子素子からの熱が加えられていることにより、各多孔質体の表面で作動流体の蒸発が生じているので、いずれの多孔質体の表面においても同様に毛細管圧力が生じ、その結果、液戻り管側の多孔質体に浸透した液相の作動流体は、蒸気管側の多孔質体に吸引される。こうして各多孔質体に液相の作動流体が分散させられ、かつそれぞれの表面と蒸発部容器の内面との間で作動流体の蒸発が生じる。その蒸気は、蒸発部容器の内面側に設けられている溝部の中を流れ、各多孔質体の蒸気管に近い蒸発部容器の端部に形成されている蒸気流路の中に流れ込み、この蒸気流路を介して蒸気管に流入する。さらにその作動流体蒸気は、凝縮部において放熱して凝縮し、その後、液戻り管を介して蒸発部容器の内部に還流する。
【００１５】
したがって、この発明は、スペーサーと一対の多孔質体とを備え、部品点数が少なく簡単な構造により、液相の作動流体が毛細管圧力によって浸透し、多孔質体同士間の空間部に液相の作動流体が流動するので、製造に要するタクトタイム、製造コストを低減する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照してこの発明を具体的に説明する。この発明の電子素子の冷却装置におけるループ型ヒートパイプ１は、図１に示すように、蒸発部２と凝縮部３とが、液戻り管４と、これより大径の蒸気管５とによって連通され、全体として密閉された環状に形成されている。このヒートパイプ１の内部は、ほぼ完全に脱気された後に、水やアルコールなどの凝縮性の流体が作動流体６として封入されている。なお、作動流体６を必要に応じて補充するために、前記液戻り管４の適宜の箇所に、作動流体６を貯留しているリザーバー７が接続されている。なお、蒸発部２の表面上には、電子素子に相当するＣＰＵ１１が配置されている。
【００１７】
このループ型ヒートパイプ１は、蒸発部２の構造に特徴があり、その一例を図２および図３に示してある。ここに示す蒸発部２は、直方体形状に構成したものであって、金属製のチューブ１２と、その一端を閉じるように取り付けられた流入カバー１３と、他方の端部を閉じるように前記チューブ１２に取り付けられた流出カバー１４とによってコンテナ１５が構成されている。このコンテナ１５の内部には、ウイックとして機能する一対の多孔質体１６と、チューブ１２の軸線方向に向けて切り欠いて形成された切り欠き部１７を形成しているスペーサー１８とが収容されている。ここでスペーサー１８は、各多孔質体１６同士間に配置されている。このループ型ヒートパイプ１は、スペーサー１８が多孔質体１６同士間に配置されていることにより、各多孔質体１６と切り欠き部１７との間に空間部１９が形成される。
【００１８】
図４および図５に上記コンテナ１５を構成しているチューブ１２を示してある。なお、図４はチューブ１２を示す上面図、図５はチューブ１２を示す断面図である。チューブ１２の内面には、コンテナ１５の内面の面積を増大するように機能し、また後述するように作動流体６の流路となる通気路２１と、スペーサー１８の両端を押さえる凸部２２と、上記多孔質体１６の両端を支える溝２３とがチューブ１２の軸線方向に向けて形成されている。なお、通気路２１、溝２３および凸部２２は、多孔質体１６の表面に向き合うチューブ１２の内面に軸線方向に向けた直線状に形成されており、その断面形状を波状に形成してもよく、またチューブ１２の内面の一部に形成されていてもよい。
【００１９】
つぎに、流入カバー１３について説明する。図６および図７に流入カバー１３を示してある。なお、図６は流入カバー１３を示す上面図、図７は流入カバー１３を示す断面図である。
【００２０】
流入カバー１３は、チューブ１２の一方の端部に取り付けられている。流入カバー１３には、前述した液戻り管４を接続するための流入ポート２５が形成されている。流入カバー１３は、チューブ１２の一方の端部を支持するための溝３１が形成されている。
【００２１】
つぎに、流出カバー１４について説明する。図８および図９に流出カバー１４を示してある。なお、図８は流出カバー１４を示す上面図、図９は流出カバー１４を示す断面図である。流出カバー１４は、チューブ１２の他方の端部に取り付けられている。流出カバー１４には、前述した蒸気管５を接続するための流出ポート２６が形成されている。流出カバー１４は、溝３２によって突出されている複数の突起部３３が形成されている。流出カバー１４は、突起部３３がチューブ１２の一方の端部を支持することにより、チューブ１２との間に空間部３４が形成される。つまり、各ポート２５，２６は、それぞれ接続部となっている。
【００２２】
つぎに、多孔質体１６について説明する。図６および図７に多孔質体１６を示してある。なお、図６は多孔質体１６を示す上面図、図５は多孔質体１６を示す断面図である。多孔質体１６は、薄肉平板形状であるので加工しやすく、製造コストがかからない形状となっている。この多孔質体１６は、二個用いられている。ここで、多孔質体１６は、セラミックあるいは金属粉末を原料としたものであってもよく、例えばそれらの原料粉末を圧縮成形した後に焼結することにより製造されたものであってもよく、気孔率が５０％以上で、気孔の平均開口径が１０μｍ程度の多孔質体であってもよい。
【００２３】
各多孔質体１６は、コンテナ１５の内部にその軸線方向に所定の間隔を開けて互いに平行に配置されている。その状態で、多孔質体１６の側面がチューブ８の内面（より正確には通気路２１同士の間のいわゆる山の部分）に密着している。
【００２４】
上記のループ型ヒートパイプ１は、重力のある環境および無重力環境のいずれでも使用できる。すなわち、蒸発部２のコンテナ１５の内部には液相の作動流体６が供給されていて多孔質体１６が作動流体６で湿潤した状態となっている。この状態で蒸発部２に対して外部から熱Ｑが与えられると、コンテナ１５の内面に接触し、もしくはその近辺にある液相の作動流体６が加熱されて蒸発する。その場合、前記チューブ１２の内面に通気路２１が複数形成されているので、チューブ１２と作動流体６との熱交換面積が広く、したがって効率よく作動流体６に対して熱が伝達される。
【００２５】
作動流体６の蒸発の生じるコンテナ１５の内面に液相の作動流体６を供給するウイックである多孔質体１６は、コンテナ１５あるいはこれを構成しているチューブ１２およびスペーサー１８の軸線方向の長さが同一とされている。したがって多孔質体１６を焼結体によって構成する場合であっても、所期の寸法・形状のものが容易に製造される。なお多孔質体１６、コンテナ１５、チューブ１２、スペーサー１８の軸線方向の長さは全て２０ｍｍとなっている。これらの材質は、全て無酸素銅（Ｃ１０２０）でもよい。
【００２６】
つぎに、スペーサー１８について説明する。図８および図９にスペーサー１８を示してある。スペーサー１８は、薄肉平板形状となっており、なお、図８はスペーサー１８を示す上面図、図９はスペーサー１８を示す断面図である。このスペーサー１８は、一個用いられている。また、スペーサー１８の厚みは約０．５ｍｍとなっている。ここで、スペーサー１８は、上記多孔質体１６と同材料であってもよい。スペーサー１８は、上述したようにチューブ１２の軸線方向に向けて切り欠き部１７のみが形成されているので、プレス成形加工などの簡単な工法により製造することができる。したがってこのようなスペーサー１８の構造により、製造コストが低減される。
【００２７】
つぎに、スペーサー１８について説明する。図８および図９にスペーサー１８を示してある。なお、図８はスペーサー１８を示す上面図、図９はスペーサー１８を示す断面図である。スペーサー１８は、薄肉平板形状となっており、加工しやすく、製造コストがかからない形状となっている。このスペーサー１８は、一個用いられている。また、スペーサー１８の厚みは約０．５ｍｍとなっている。ここで、スペーサー１８は、上記多孔質体１６と同材料であってもよい。スペーサー１８は、上述したようにチューブ１２の軸線方向に向けて切り欠き部１７のみが形成されているので、プレス成形加工などの簡単な工法により製造することができる。したがってこのようなスペーサー１８の構造により、製造コストが低減される。
【００２８】
一方、加熱されて蒸発した作動流体の蒸気４１は、通気路２１を通って蒸気管５側に流動する。上述したように多孔質体１６同士の間には空間部１９が形成されていて、各通気路２１はその空間部１９に開口しており、作動流体の蒸気４１は通気路２１からその空間部分に流出した後に空間部３４に集められ、その後、流出ポート２６から蒸気管５に流出する。
【００２９】
上述したようにループ型ヒートパイプ１は、各構成部分が簡単な構造で形成されていることにより、製造コストをより低減することができる。
【００３０】
なお、この発明は上述した各具体例に限定されない。したがって例えば流入カバー１３、流出カバー１４は、直方体形状だけでなく、中空円筒形状であってもよい。また、スペーサー１８の切り欠き部１７は、直線的な形状だけでなく、曲線的な形状であってもよい。ウイックとして機能する多孔質体１６とコンテナ１５の内面との間の通気路２１は、コンテナ１５に形成したものに限らず、多孔質体１６に形成したものであってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明では、空間部は、ウイックとして機能する一対の多孔質体がスペーサーを挟んで筐体内に封入されるとともに、この一対の多孔質体とスペーサに切り欠いて形成された切り欠き部との間に液戻り管が連通する。また、通気路は、筐体の内面と前記多孔質体との間に蒸気管が連通する。そのため、簡単な構造で電子素子を冷却することができるので、安価な構造によって製造性が良好になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る電子素子の冷却装置におけるループ型ヒートパイプの全体的な構成を示す模式的な図である。
【図２】図１に示す蒸発部の断面図である。
【図３】図１に示す蒸発部の空間部を示す断面図である。
【図４】図２に示すチューブの上面図である。
【図５】図２に示すチューブの断面図である。
【図６】図２に示す流入カバーの上面図である。
【図７】図２に示す流入カバーの断面図である。
【図８】図２に示す流出カバーの上面図である。
【図９】図２に示す流出カバーの断面図である。
【図１０】図２に示す多孔質体の上面図である。
【図１１】図２に示す多孔質体の断面図である。
【図１２】図２に示すスペーサーの上面図である。
【図１３】図２に示すスペーサーの断面図である。
【符号の説明】
１…ループ型ヒートパイプ、２…蒸発部、４…液戻り管、５…蒸気管、１１…ＣＰＵ、１２…チューブ、１３…流入カバー、１４…流出カバー、１５…コンテナ１６…多孔質体、１７…切り欠き部、１８…スペーサー、１９…空間部、２１…通気路。

Claims

発熱する電子素子が外表面に熱伝達可能に接触させられる筐体の端部に液戻り管が接続され、かつその筐体の他方の端部に蒸気管が接続され、さらにこれら液戻り管と蒸気管とが、外部に放熱させる凝縮部に連通させられて全体として環状の流路が形成され、かつその環状の流路の内部に凝縮性の作動流体が封入され、さらに前記筐体内に液相の作動流体を浸透させて毛細管圧力を生じさせる多孔質のウイックが配置された電子素子の冷却装置において、
前記ウイックとして機能する一対の多孔質体がスペーサーを挟んで前記筐体内に封入されるとともに、この一対の多孔質体と前記スペーサに切り欠いて形成された切り欠き部との間に前記液戻り管が連通する空間部が形成され、また前記筐体の内面と前記多孔質体との間に、前記蒸気管に連通する通気路が形成されていることを特徴とする電子素子の冷却装置。