JP2004311519A

JP2004311519A - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP2004311519A
Application number: JP2003099438A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Genta; 啓之現田; Koji Tanaka; 公司田中
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2004-11-04

Abstract

【課題】冷媒容器に歪が発生した場合であっても、発熱体が発する熱を冷媒に伝達し確実に冷却性能を発揮することが可能な沸騰冷却装置を提供すること。
【解決手段】沸騰冷却装置１は、発熱体１００の形状に対応した取付面７１を有し、受熱側プレート部材２０より剛性が高いブロック体の受熱部７０を冷媒容器１０とは別体で備えている。したがって、冷媒容器１０の受熱側プレート部材２０が歪むことがあったとしても、受熱部７０の取付面７１は歪み難い。これにより、受熱部７０の取付面７１に発熱体１００を取り付けたときに発熱体１００を密着させ易い。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰と凝縮による潜熱移動によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、下記特許文献１に開示された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷却装置は、内部に冷媒を貯留する冷媒容器を備えている。この冷媒容器は、受熱プレート、放熱プレート、および両プレート間に挟まれる中間プレートを積層して形成されている。そして、発熱体を冷却するときには、発熱体が冷媒容器の受熱プレート面に取り付けられ、冷媒容器内の冷媒が発熱体から受熱するようになっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００３−４２６７１号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の沸騰冷却装置では、受熱プレートをプレス加工等により形成するとき、あるいは受熱プレートを他のプレートとろう付け等により接合して冷媒容器を形成するときに、受熱プレートに歪が発生する場合がある。冷媒容器の発熱体を取り付ける部位に歪が発生すると、発熱体を冷媒容器に取り付けたときに発熱体と冷媒容器とが密着し難く、発熱体が発する熱を冷媒に伝え難いという不具合が発生する。このような不具合が発生すると沸騰冷却装置の冷却性能が充分に発揮できないという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記点を鑑みてなされたものであって、冷媒容器に歪が発生した場合であっても、発熱体が発する熱を冷媒に確実に伝達し冷却性能を発揮することが可能な沸騰冷却装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、
冷媒を内部に貯留する冷媒容器（１０）を備え、
冷媒が発熱体（１００）から受熱して沸騰気化し、その冷媒蒸気が有する潜熱を外部に放出して発熱体（１００）を冷却する沸騰冷却装置において、
発熱体（１００）の形状に対応した取付面（７１）に発熱体（１００）が取り付けられる取付部材（７０）を、冷媒容器（１０）とは別体で備え、
取付部材（７０）は冷媒容器（１０）に接合され、冷媒は取付部材（７０）を介して前記発熱体（１００）から受熱することを特徴としている。
【０００７】
これによると、冷媒容器（１０）に歪が発生したとしても、冷媒容器（１０）と別体の取付部材（７０）には歪が発生し難い。したがって、取付部材（７０）の取付面（７１）に発熱体（１００）を密着させ易く、発熱体（１００）が発する熱を冷媒に伝達し易い。このようにして、冷却性能を確実に発揮することが可能である。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明では、冷媒容器（１０）は、複数のプレート部材（２０、３０、４０、５０、６０）を積層配置して形成されていることを特徴としている。
【０００９】
これによると、複数のプレート部材（２０、３０、４０、５０、６０）を積層することで、冷媒容器（１０）を容易に構成することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明では、取付部材（７０）は、プレート部材（２０）より剛性が高いことことを特徴としている。
【００１１】
これによると、冷媒容器（１０）を構成するプレート部材（２０）に歪が発生した場合であっても、冷媒容器（１０）に接合された取付部材（７０）の取付面（７１）が歪むことを確実に防止することが可能である。
【００１２】
また、請求項４に記載の発明では、
複数のプレート部材（２０、３０、４０、５０、６０）は、積層方向の最外方に配置される外側プレート部材（２０、６０）と、外側プレート部材（２０、６０）間に配置されるとともに、冷媒の貯留空間となる開口（３１、４１、５１）を有する中間プレート部材（３０、４０、５０）とからなり、
取付部材（７０）は、中間プレート部材（３０）に対し開口（３１ａ）を覆うように接合されていることを特徴としている。
【００１３】
これによると、取付部材（７０）が開口（３１ａ）を覆う部位において、取付部材（７０）と冷媒とを直接接触させることができる。したがって、取付部材（７０）は発熱体（１００）が発する熱を効率良く冷媒に伝達することができる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明では、中間プレート部材（３０）は、表面にろう材層を有し、取付部材（７０）は、ろう材層のろう材により接合されていることを特徴としている。
【００１５】
これによると、取付部材（７０）を、冷媒容器（１０）の中間プレート（３０）に、中間プレート部材（３０）の表面のろう材層を利用して容易に接合することができる。
【００１６】
また、請求項６に記載の発明では、取付部材（１７０）には、前記開口（３１ａ）と連通する凹部（１７４）が形成されていることを特徴としている。
【００１７】
これによると、凹部（１７４）内において取付部材（１７０）と冷媒とを直接接触させることができる。したがって、取付部材（１７０）は発熱体が発する熱を一層効率良く冷媒に伝達することができる。
【００１８】
また、請求項７に記載の発明では、外側プレート部材（２０）は、取付部材（７０）の外形に対応した開口部（２１）を有し、取付部材（７０）は、開口部（２１）内に挿設されつつ中間プレート部材（３０）に接合されていることを特徴としている。
【００１９】
これによると、開口部（２１）により、取付部材（７０）の冷媒容器（１０）への接合位置を決定し易い。
【００２０】
また、請求項８に記載の発明では、外側プレート部材（２０）は、開口部（２１）の内側方向に突出した突出部（２２）を有し、突出部（２２）は、開口部（２１）に挿設された取付部材（７０）に当接していることを特徴としている。
【００２１】
これによると、突出部（２２）により、開口部（２１）に挿設された取付部材（７０）を位置決めし易い。また、接合時の仮固定も容易である。
【００２２】
また、請求項９に記載の発明では、取付部材（２７０）は、取付面（２７１）から立設され、取付面（２７１）に発熱体（１００）を取り付けたときに発熱体（１００）の外周面に密接する壁部（２７６）を有することを特徴としている。
【００２３】
これによると、発熱体（１００）を取付部材（２７０）の取付面（２７１）に取り付けたときに、発熱体（１００）を取付面（２７１）だけでなく壁部（２７６）とも接触させることができる。すなわち、取付部材（２７０）と発熱体（１００）との接触面積を増加することが可能である。したがって、取付部材（２７０）は発熱体（１００）が発する熱をより一層効率良く冷媒に伝達することができる。
【００２４】
なお、上記各手段に付した括弧内の符号は、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一例である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態における沸騰冷却装置の概略構造を示す図であり、（ａ）は、概略側面図、（ｂ）は、沸騰冷却装置を図１（ａ）の下方側から見た図である。
【００２７】
図１（ａ）に示すように、沸騰冷却装置１は、例えば、半導体素子等の発熱体１００を冷却するもので、内部空間に冷媒を貯留する冷媒容器１０と、この冷媒容器１０の図１（ａ）中下面側に設けられ、発熱体１００が取り付けられる受熱部７０とで構成されている。ここで、受熱部７０が本実施形態における取付部材である。
【００２８】
図１（ａ）に示すように、冷媒容器１０は、発熱体１００が取り付けられる側の最外部に配置される外側プレート部材である受熱側プレート２０、受熱側プレート２０とは反対側の最外部に配置される外側プレート部材である放熱側プレート６０、および受熱側プレート２０と放熱側プレート６０との間に積層される３枚の中間プレート部材である中間プレート３０、４０、５０により構成されている。
【００２９】
図２に示すように、受熱側プレート２０には、受熱部７０を挿設するための矩形状の開口部２１が形成されており、開口部２１の内側面には、各辺に開口部２１の内側方向に突出した突出部２２がそれぞれ２つ設けられている。この突出部２２は、開口部２１内に受熱部７０が挿設されたときに、受熱部７０の側面７３（図１（ｂ）参照）に当接するようになっている。
【００３０】
図３に示すように、中間プレート３０には、図中左右方向（図１（ｂ）の左右方向に対応）に延びるスリット状の開口３１が複数本並設されている。また、図４に示すように、中間プレート４０には、図中上下方向（図１（ｂ）の上下方向に対応）に延びるスリット状の開口４１が複数本並設され、図５に示すように、中間プレート５０には、図中左右方向（図１（ｂ）の左右方向に対応）に延びるスリット状の開口５１が複数本並設されている。
【００３１】
詳細な図示は省略しているが、放熱側プレート６０は、受熱側プレート２０、中間プレート３０、４０、５０と外形を同一とし、開口を有しないプレート部材である。
【００３２】
そして、中間プレート３０、４０、５０は、受熱側プレート２０、放熱側プレート６０とともに重ね合わせられ、開口３１と開口４１とが直交するように配置されるとともに、開口４１と開口５１とが直交するように配置されている。これにより、開口３１、開口４１、開口５１がすべて連通し、冷媒容器１０内に冷媒を貯留および循環するための空間（後述する冷媒室１１）が形成されている。
【００３３】
受熱部７０は、方体形状のブロック体であり、図１（ａ）中下方側の発熱体１００の取付面７１とは反対側の端部（後述する接合側面７２）が、冷媒容器１０の受熱側プレート２０の開口部２１内に挿設され、中間プレート２０に接合されている。なお、受熱部７０は、厚さ（図１（ａ）中上下方向の寸法）が、受熱側プレート２０の厚さより厚くなっており、冷媒容器１０の図１（ａ）中下面より突設されている。また、取付面７１は、取り付けられる発熱体１００に対応したサイズおよび面形状となっている。
【００３４】
これにより、受熱部７０の取付面７１に発熱体１００を取り付けたときには、発熱体１００は取付面７１に密着するとともに、発熱体１００と結合する図示しない他の構成（例えば発熱体が実装された基板や基板上の他の素子）と冷媒容器１０とが干渉し難くなっている。
【００３５】
受熱側プレート２０、中間プレート３０、４０、５０、および放熱側プレート６０は、それぞれろう付けが可能で、熱伝導性に優れる金属板（例えばアルミニウム板もしくはアルミニウム合金板）からなり、それぞれ平面形状が同一な矩形に形成されている。また、受熱部７０は、ろう付けが可能で、熱伝導性に優れる金属ブロック（例えばアルミニウムブロックもしくはアルミニウム合金ブロック）からなっており、各プレート２０、３０、４０、５０、６０より厚く、剛性が高くなっている。
【００３６】
具体的には、受熱側プレート２０、放熱側プレート６０、受熱部７０には熱伝導性よりアルミニウム材を使用し、中間プレート３０、４０、５０には母材となるアルミニウム合金板の表面にろう材層が形成されたクラッド材を使用している。
【００３７】
そして、冷媒容器１０を構成する複数のプレート部材である各プレート２０、３０、４０、５０、６０および取付部材である受熱部７０を仮固定した後一体ろう付けして沸騰冷却装置１は形成されている。ろう付け前の仮固定時には、受熱部７０は受熱側プレート２０の開口部２１内において、受熱部７０に当接する突出部２２により確実に位置決めされ、突出部２２の若干の弾性変形により確実に仮固定される。
【００３８】
一体ろう付けにより形成された沸騰冷却装置１は、図６に断面構造（図１（ａ）のＡ−Ａ線断面図）を示すように、各プレート２０、３０、４０、５０、６０間は中間プレート３０、４０、５０の表面に形成されたろう材層のろう材によりろう付け接合されている。
【００３９】
また、受熱部７０は、取付面７１と反対側の接合側面７２が、中間プレート３０に対し、中間プレート３０の表面に形成されたろう材層のろう材によりろう付け接合されている。さらに、中間プレート３０の表面のろう材は、ろう付け時に受熱部７０と受熱側プレート２０の突出部２２との当接部位（図１（ｂ）参照）に進行し、両者間も確実にろう付けされている。
【００４０】
受熱部７０は、中間プレート３０の開口３１のうち、受熱側プレート２０の開口部２１に対応する位置に形成された開口３１ａを覆うようにろう付け接合されている。したがって、受熱部７０の接合側面７２は、開口３１、４１、５１により形成された冷媒容器１０内の冷媒室１１の内壁の一部を構成している。
【００４１】
本実施形態では、上述の各プレート２０、３０、４０、５０に設けられた開口部およびスリット状開口は、プレス加工により形成した。プレス加工以外に、切削加工、エッチング加工等により形成することも可能である。なお、図示を省略しているが、冷媒容器１０には、その内部空間（冷媒室１１）に通じる注入パイプが設けられており、冷媒室１１内に注入パイプを通じて所定量の冷媒が注入され、注入後、注入パイプの先端を封じ切って密閉されている。また、冷媒として、本例ではフロンが用いられるがこれに限られるものではない。
【００４２】
次に、上記構成の沸騰冷却装置１の作動について説明する。
【００４３】
ここでは、受熱部７０の取付面７１が下方となるように沸騰冷却装置１が配置されている場合（所謂ボトムヒートで使用された場合）について説明する。
【００４４】
図６に示すように、受熱部７０の取付面７１に発熱体１００が取り付けられ、発熱体１００が発熱すると、その熱を受熱部７０が取付面７１から受熱し接合側面７２に伝導する。この受熱部７０によって伝えられた熱により、冷媒室１１内の受熱側プレート２０寄りに貯留されている液冷媒は、接合側面７２の近傍領域において沸騰気化し、冷媒室１１中に拡散する。
【００４５】
そして、拡散した冷媒蒸気は、冷媒室１１内の主に放熱側プレート６０近傍において外部に放熱して凝縮し、液冷媒となって受熱側プレート２０寄りに還流する。このようにして、発熱体１００は冷媒の潜熱移動により冷却される。
【００４６】
なお、受熱部７０の取付面７１が側方となるように沸騰冷却装置１が配置されている場合（所謂サイドヒートで使用された場合）には、冷媒の循環方向は若干異なるが、ボトムヒート時と同様の作動により発熱体１００は冷却される。
【００４７】
上述の構成および作動によれば、沸騰冷却装置１は、発熱体１００の形状に対応した取付面７１を有し、受熱側プレート部材２０等より剛性が高いブロック体の受熱部７０を冷媒容器１０とは別体で備えている。したがって、受熱側プレート部材２０をプレス加工等により形成するとき、もしくは一体ろう付け時に、受熱側プレート部材２０が歪むことがあったとしても、受熱部７０の取付面７１は歪み難い。これにより、受熱部７０の取付面７１に発熱体１００を取り付けたときに発熱体１００を密着させ易い。
【００４８】
また、受熱部７０は、中間プレート３０の開口３１ａを覆うように中間プレート３０に接合されており、この部位において、受熱部７０は冷媒容器１０内の冷媒と直接接触している。
【００４９】
これらにより、沸騰冷却装置１は、発熱体１００の熱を受熱部７０を介して冷媒容器１０内の冷媒に効率良く伝達することができる。このようにして、沸騰冷却装置１は冷却性能を確実に発揮することができる。
【００５０】
また、冷媒容器１０は、複数のプレート２０、３０、４０、５０、６０を積層し、一部のプレート３０、４０、５０の表面に形成されたろう材層のろう材により接合している。したがって、冷媒容器１０を容易に形成することができる。
【００５１】
また、受熱部７０と冷媒容器１０と間のろう付け接合には、中間プレート部材３０の表面のろう材層のろう材を利用することができる。したがって、ろう付け時に、接合部位に新たにろう材を供給する必要がない。さらに、一体ろう付け接合するときには、受熱側プレート２０の開口部２１に設けた突出部２２により、受熱部７０を冷媒容器１０の構成部材に対し位置決め仮固定することが容易にできる。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について図７に基づいて説明する。本第２の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、受熱部の形状が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５３】
図７に断面図を示すように、本実施形態の沸騰冷却装置１の取付部材である受熱部１７０には、取付面７１と反対側の面に、中間プレート３０の開口３１ａと連通する複数の凹部１７４が形成されている。そして、接合側面７２は周縁部だけでなく隣接する凹部１７４間の凸部１７５も、中間プレート３０とろう付け接合され、接合強度を確保している。
【００５４】
上述の構成によれば、凹部１７４内においても、受熱部１７０と冷媒室１１内の冷媒とを直接接触させることができる。したがって、受熱部１７０と冷媒との接触面積が増加できるとともに、発熱体１００からの熱の伝導距離を低減することができる。これらにより、受熱部１７０は発熱体１００が発生する熱を一層効率良く冷媒に伝達することができる。
【００５５】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について図８に基づいて説明する。本第３の実施形態は、前述の第１の実施形態と比較して、受熱部の形状が異なる。なお、第１の実施形態と同様の部分については、同一の符号をつけ、その説明を省略する。
【００５６】
図８に断面図を示すように、本実施形態の沸騰冷却装置１の取付部材である受熱部２７０には、取付面２７１の周縁部に、本実施形態における壁部である立設壁２７６が設けられている。そして、立設壁２７６の内側の凹部に発熱体１００を取り付けると、発熱体１００は、取付面２７１だけでなく立設壁２７６とも密着するようになっている。
【００５７】
上述の構成によれば、受熱部２７０と発熱体１００との接触面積を増加することができる。したがって、受熱部２７０は発熱体１００が発生する熱を一層効率良く冷媒に伝達することができる。
【００５８】
（他の実施形態）
上記各実施形態では、取付部材である受熱部を冷媒容器１０の中間プレート２０にろう付け接合していたが、冷媒容器とは別体の受熱部を接合するものであれば、これらに限定されるものではない。例えば、図９に示すように、受熱部３７０を受熱側プレート２０にピン部３７８等により位置決め仮固定してろう付け等により接合するものであってもよい。これによっても、発熱体の取付面が歪むことを防止できる。すなわち、発熱体と取付面とを密着させ易い。
【００５９】
また、上記各実施形態では、冷媒容器１０の下面側略中央に受熱部を配置していたが、冷媒の良好な循環等を考慮して中央からオフセットして配置するものであってもよい。特にサイドヒートの姿勢で用いる場合には、注入冷媒量や冷媒循環を考慮して下方側にオフセットして配置させてもよい。
【００６０】
また、上記各実施形態では、冷媒を冷媒容器１０内で循環させ、主に放熱側プレート６０近傍において外部に放熱して凝縮させていたが、放熱効率を向上するために冷媒容器１０の表面に放熱フィンを設けるものであってもよい。また、冷媒容器１０内の冷媒室１１と連通するチューブと、チューブ表面に形成された放熱フィンとを有する放熱部を設け、放熱部に冷媒を循環して冷媒の凝縮を行なうものであってもよい。
【００６１】
また、上記第２の実施形態では、受熱部１７０に冷媒室１１内と連通する複数の凹部１７４を形成していたが、凹部を１つあるいは複数設け、この中にインナフィンを配設するものであってもよい。
【００６２】
また、上記各実施形態では、沸騰冷却装置１は、ボトムヒートもしくはサイドヒートの姿勢で使用するもの、すなわち、発熱体の取付面は下方側あるいは側方側とするものであったが、冷媒を強制循環する沸騰冷却装置であれば、発熱体の取付面を上方側に設けるものであってもよい。
【００６３】
また、上記各実施形態では、冷媒容器１０を５枚のプレートを積層して構成していたが、積層枚数が限定されるものではないことは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態における沸騰冷却装置の概略構造を示す図であり、（ａ）は、概略側面図、（ｂ）は、（ａ）の下方側から見た図である。
【図２】受熱側プレート２０の平面図である。
【図３】中間プレート３０の平面図である。
【図４】中間プレート４０の平面図である。
【図５】中間プレート５０の平面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における沸騰冷却装置の図１（ａ）Ａ−Ａ断面図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における沸騰冷却装置の概略構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における沸騰冷却装置の概略構造を示す断面図である。
【図９】本発明の他の実施形態における沸騰冷却装置の概略構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１沸騰冷却装置
１０冷媒容器
２０受熱側プレート（プレート部材、外側プレート部材）
２１開口部
２２突出部
３０、４０、５０中間プレート（プレート部材、中間プレート部材）
３１、３１ａ、４１、５１開口
６０放熱側プレート（プレート部材、外側プレート部材）
７０、１７０、２７０、３７０受熱部（取付部材）
７１、２７１取付面
１００発熱体
１７４凹部
２７６立設壁（壁部）

Claims

冷媒を内部に貯留する冷媒容器（１０）を備え、
前記冷媒が発熱体（１００）から受熱して沸騰気化し、その冷媒蒸気が有する潜熱を外部に放出して前記発熱体（１００）を冷却する沸騰冷却装置において、
前記発熱体（１００）の形状に対応した取付面（７１）に前記発熱体（１００）が取り付けられる取付部材（７０）を、前記冷媒容器（１０）とは別体で備え、
前記取付部材（７０）は前記冷媒容器（１０）に接合され、前記冷媒は前記取付部材（７０）を介して前記発熱体（１００）から受熱することを特徴とする沸騰冷却装置。
前記冷媒容器（１０）は、複数のプレート部材（２０、３０、４０、５０、６０）を積層配置して形成されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
前記取付部材（７０）は、前記プレート部材（２０）より剛性が高いことを特徴とする請求項２に記載の沸騰冷却装置。
前記複数のプレート部材（２０、３０、４０、５０、６０）は、積層方向の最外方に配置される外側プレート部材（２０、６０）と、前記外側プレート部材（２０、６０）間に配置されるとともに、前記冷媒の貯留空間となる開口（３１、４１、５１）を有する中間プレート部材（３０、４０、５０）とからなり、
前記取付部材（７０）は、前記中間プレート部材（３０）に対し前記開口（３１ａ）を覆うように接合されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の沸騰冷却装置。
前記中間プレート部材（３０）は、表面にろう材層を有し、
前記取付部材（７０）は、前記ろう材層のろう材により接合されていることを特徴とする請求項４に記載の沸騰冷却装置。
前記取付部材（１７０）には、前記開口（３１ａ）と連通する凹部（１７４）が形成されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の沸騰冷却装置。
前記外側プレート部材（２０）は、前記取付部材（７０）の外形に対応した開口部（２１）を有し、
前記取付部材（７０）は、前記開口部（２１）内に挿設されつつ前記中間プレート部材（３０）に接合されていることを特徴とする請求項４ないし請求項６のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。
前記外側プレート部材（２０）は、前記開口部（２１）の内側方向に突出した突出部（２２）を有し、
前記突出部（２２）は、前記開口部（２１）に挿設された前記取付部材（７０）に当接していることを特徴とする請求項７に記載の沸騰冷却装置。
前記取付部材（２７０）は、前記取付面（２７１）から立設され、前記取付面（２７１）に前記発熱体（１００）を取り付けたときに前記発熱体（１００）の外周面に密接する壁部（２７６）を有することを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１つに記載の沸騰冷却装置。