JP2005019905A

JP2005019905A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2005019905A
Application number: JP2003185994A
Authority: JP
Inventors: Hiromasa Ashitani; 博正芦谷; Masao Nakano; 雅夫中野; Akira Ikeda; 明池田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】吸熱器における放熱性能の向上を図り、冷媒への伝熱効果を高める。
【解決手段】半導体装置２に熱結合された吸熱器１と、この吸熱器１から冷媒液を導入して冷却する放熱器と、該放熱器４にて冷却された冷媒液を吸熱器１に移送する第１冷媒移送管５と、吸熱器１で加熱された冷媒蒸気を放熱器に移送する第２冷媒移送管と、第１冷媒移送管５に設けられた冷媒ポンプとを具備した冷却装置であって、吸熱器１に形成された熱交換室１２の一端側に第１冷媒移送管５を接続して冷媒入口１３を開口するとともに、他端側に第２冷媒移送管６を接続して冷媒出口１４を開口し、半導体装置２と密着された吸熱器１の底部で熱交換室１２の伝熱面に、吸熱促進用の溝１６により冷媒入口１３から流入する冷媒液を拡散させて熱伝達を促進する伝熱促進部１５を設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば電子機器に搭載されて高温となる発熱体、たとえばＭＰＵやＣＰＵなどの半導体装置を放熱させるための冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえば特許文献１には、ノートパソコンなどのパーソナルコンピュータに組み込まれ、半導体装置などの発熱体から放熱させるための冷却装置が開示されている。
【０００３】
この冷却装置において、ＣＰＵなどの発熱体に伝熱パッドを介して取り付けられた吸熱部は、蓋により閉鎖された有底状の筐体で構成され、その一端側に冷媒入口が形成され、他端側に冷媒出口が形成されたものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３１４２７９号公報（図３）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記吸熱器では、液体冷媒が流送される筐体内のところで、吸熱空間部が一定の厚みを有する矩形平板状に形成されているため、特に電子機器などのように低熱抵抗では放熱性が低く、冷媒への吸熱性能が十分でないという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解決して、吸熱器における低熱抵抗による放熱性能の向上を図り、冷媒への伝熱効果を高め、吸熱器における熱交換性能を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、発熱体に熱結合されて熱交換室で冷媒に吸熱させる吸熱器と、前記吸熱器から冷媒を導いて放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱された冷媒を前記吸熱器に移送する第１冷媒移送管と、前記吸熱器で吸熱された冷媒を放熱器に移送する第２冷媒移送管と、第１冷媒移送管に設けられた冷媒ポンプとを具備した冷却装置であって、前記吸熱器の一端側に第１冷媒移送管を接続して熱交換室に冷媒入口を開口するとともに、他端側に第２冷媒移送管を接続して熱交換室に冷媒出口を開口し、前記発熱体と熱結合された吸熱器の底部で熱交換室の伝熱面に、前記冷媒入口から流入する冷媒を拡散させて熱伝達を促進する凹凸部を有する伝熱促進部を設けたものである。
【０００８】
上記構成によれば、伝熱面に形成された凹凸部により、伝熱面積を増大させ、冷媒の分散と攪拌とを図って吸熱性能を向上させるとともに、冷媒液の沸騰現象を誘起させるための気泡を安定して発生させることができるので、吸熱器における低熱抵抗による放熱性能を向上させ、冷媒への伝熱効果を高めて吸熱器における熱交換性能を向上させることができる。
【０００９】
請求項５記載の発明は、吸熱促進用の溝のピッチを１．０〜２．０ｍｍの範囲とし、溝の深さを０．５〜２．０ｍｍの範囲としたものである。
上記構成によれば、鍛造などの加圧装置により溝を形成する場合、溝のピッチを１．０ｍｍ以上、溝の深さを０．５ｍｍ以上とすることで、加圧機の金型の寿命が十分に長くできてコストダウンが図ることができる。また溝のピッチを２．０ｍｍ以下、溝の深さを２．０ｍｍ以下とすることで、伝熱面積を十分増加させることができて熱交換性能の向上を図ることができ、沸騰現象における気泡形成を十分に促進させることができる。
【００１０】
請求項７記載の発明は、発熱体に熱結合されて熱交換室で冷媒に吸熱させる吸熱器と、前記吸熱器から冷媒を導いて放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱された冷媒を前記吸熱器に移送する第１冷媒移送管と、前記吸熱器で吸熱された冷媒を放熱器に移送する第２冷媒移送管と、第１冷媒移送管に設けられた冷媒ポンプとを具備した冷却装置であって、前記吸熱器の天部に第１冷媒移送管を接続して熱交換室に冷媒入口を開口させ、発熱体と熱結合された吸熱器の底部で熱交換室の伝熱面に向かって冷媒を吹き付けるように構成したものである。
【００１１】
上記構成によれば、熱交換室の伝熱面に向かって冷媒を吹き付けることにより、冷媒が効果的に分散および攪拌されて熱交換性能の向上を図ることができ、また沸騰現象における気泡の形成を効果的に促進することができる。
【００１２】
請求項８記載の発明は、吸熱器に接続される第１冷媒移送管と第２冷媒移送管の少なくとも接続部を、第１冷媒移送管が接続された移送内管の外周部に、第２冷媒移送管が接続された移送外管を外嵌させた二重管構造とし、冷媒入口の周囲に冷媒出口を開口したものである。
【００１３】
上記構成によれば、第１冷媒移送管と第２冷媒移送管とを二重管構造とすることで、吸熱器への配管構造をシンプル化でき、発熱体周辺の設計の自由度を向上させることができる。
【００１４】
請求項９記載の発明は、発熱体と熱結合された吸熱器の底部で熱交換室の伝熱面に、凹凸部により冷媒を拡散させる伝熱促進部を設けたものである。
上記構成によれば、伝熱促進部の凹凸部により、上方から吹き付けられた冷媒の分散と攪拌をさらに促進させて、熱交換性能を向上させ、沸騰現象における気泡の形成を促進させることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る冷却装置の実施の形態を図１〜図５に基づいて説明する。
【００１６】
この冷却装置は、図５に示すように、回路基板９上の発熱体であるＣＰＵやＭＰＵなどの半導体装置２に伝熱パッド（伝熱部材）３を介して密着して取り付けられ熱結合されて冷媒液に吸熱させる吸熱器１と、この吸熱器２から吸熱後の冷媒蒸気（以下、冷媒液と冷媒蒸気の混相流を含むものとする）を導入して放熱させる放熱器４と、前記放熱器４にて冷却凝縮された冷媒液を吸熱器１に移送する第１冷媒移送管５と、吸熱器１で加熱蒸発された冷媒蒸気を放熱器４に移送する第２冷媒移送管６と、第１冷媒移送管５の途中に介在された冷媒ポンプ７とが具備されている。
【００１７】
そして、冷媒ポンプ７により、放熱器４で冷却凝縮された冷媒液が第１冷媒移送管５を介して吸熱器１に移送され、吸熱器１で半導体装置２の熱が吸収されて冷媒液が加熱蒸発される。そして吸熱後の冷媒蒸気が第２冷媒移送管６を介して放熱器４に移送され、放熱器４では、冷媒蒸気がフィン付き冷却パイプに導入されて、冷却用ファン装置８による冷却風により放熱冷却されて凝縮される。このように吸熱器１→第２冷媒移送管６→放熱器４→第１冷媒移送管６→（冷媒ポンプ７）からなる閉回路の冷媒の循環サイクルが構成され、吸熱器１と放熱器４とでそれぞれ冷媒の蒸発と凝縮の潜熱作用により熱交換するもので、冷媒は空気と非接触の状態に構成されている。
【００１８】
（吸熱器の第１実施例）
前記吸熱器１は、図１〜図４に示すように、平板直方体状の吸熱器本体１１内には熱交換室１２が形成されており、吸熱器本体１１の一端側に第１冷媒移送管５が接続されて熱交換室１２に冷媒入口１３が開口され、他端側に第２冷媒移送管６が接続されて熱交換室１２に冷媒出口１４が開口され、これら冷媒入口１３と冷媒出口１４は、それぞれ幅方向の中央部で冷媒送流方向に沿う流送軸Ｏ上に配置されている。
【００１９】
前記熱交換室１２は矩形平板状で、平面視で冷媒入口１３から鈍角で急激に広がる三角形状の拡開部１２ａと、この拡開部１２ａから側縁部が平行に連続する矩形状の熱交換部１２ｂと、熱交換部１２ｂから冷媒出口１４に鈍角で急激に収束する三角形状の合流部１２ｃとにより構成されている。前記拡開部１２ａは、側面視で冷媒入口１３の底部から冷媒入口１３の流送軸Ｏの高さまで上向きに傾斜する上昇傾斜面１２ｄが形成され、上昇傾斜面の抵抗により冷媒入口１３から流入する冷媒液を効果的に幅方向に分散するように構成される。また合流部１２ｃも、側面視で熱交換部１２ｂの底部から冷媒出口１４の底部に下向きに傾斜する下降傾斜面１２ｅが形成されて冷媒蒸気を冷媒出口１４に案内するように構成されている。
【００２０】
熱交換部１２ｂは、底部伝熱面に多数の吸熱促進用の溝（凹凸部）１６が形成されて伝熱促進部１５が設けられており、吸熱促進用の溝１６により冷媒入口１３から流入する冷媒液を拡散させるとともに伝熱面を拡大している。すなわち、この伝熱促進部１５は、互いに平行で冷媒入口１３の冷媒入口１３の流送軸Ｏに対して所定角度α°でたとえば右側上流から左側下流に傾斜する多数の吸熱促進用の溝１６が互いに平行に形成されて構成され、これら吸熱促進用の溝１６は三角形断面で、図４に示すように、山部間のピッチＰ１（または谷部間のピッチＰ２）が１．０〜２．０ｍｍの範囲に設定され、深さｄが０．５〜２．０ｍｍの範囲に設定されている。これは、Ｐ１（Ｐ２）＜１．０ｍｍまたは／および深さｄ＜０．５ｍｍでは、鍛造などの加圧装置により溝１６を形成する場合、加圧機の金型の寿命が短期間となり、コストダウンがはかりにくい。またＰ１（Ｐ２）＞２．０ｍｍまたは／および深さｄ＞２．０ｍｍでは、伝熱面積の増加が少なく、また沸騰現象における気泡形成の促進が十分でないからである。
【００２１】
上記構成によれば、吸熱器１の熱交換室１２で、半導体装置２に密着した熱交換部１２ｂの伝熱面に、互いに平行で傾斜する多数の吸熱促進用の溝１６を形成した伝熱促進部１６を設けたので、冷媒入口１３から流入する冷媒液を効果的に拡散して効果的に熱吸収を行うとともに、伝熱面積が十分に増大されるので、半導体装置２からの熱を効果的に冷媒液に吸収して蒸発させることができる。また多数の吸熱促進用の溝１６の凹凸部が、冷媒液の沸騰現象を誘起させるための気泡を安定して発生させることができる。したがって、吸熱器１における低熱抵抗による放熱性能の向上を図り、冷媒液への伝熱効果を高め、熱交換性能を向上させることができる。
【００２２】
（吸熱器の第２の実施例）
本発明の冷却装置に採用される吸熱器の第２実施例を図６〜図８を参照して説明する。なお、第１の実施の形態で説明した部材と同一部材には同一符号を付して説明を省略する
第１の実施例では、熱交換部１２ｂに形成した吸熱促進用の溝１６を、それぞれ軸心Ｏに対して一定方向に傾斜させたが、この熱交換部１２ｂに設けられた伝熱促進部２０を、流送軸Ｏの両側に互いに平行な吸熱促進用の溝２１を有する２つの溝群２２Ａ，２２Ｂにより構成し、これら各溝群２２Ａ，２２Ｂの溝２１がそれぞれ左右両側上流から流送軸Ｏ側下流に向かって傾斜するように、流送軸Ｏを中心とする左右対称に形成されている。なお、溝２１の断面形状やピッチは第１の実施例の溝１６と同一に形成されている。
【００２３】
上記構成によれば、第１の実施例と同様の作用効果を奏することができる。
（吸熱器の第３の実施例）
本発明の冷却装置に採用される吸熱器の第３実施例を図９〜図１１を参照して説明する。なお、第１の実施の形態で説明した部材と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００２４】
熱交換部１２ｂに形成された伝熱促進部３０を、互いに平行に傾斜された多数の吸熱促進用の溝３１を交差するように配置して菱形格子状に構成されている。そして、これら溝３１に囲まれた格子の中央部に頂部３２が突設される。なお、溝３１の断面形状やピッチは第１の実施例と同じである。
【００２５】
上記構成によれば、第１の実施例と同様の作用効果を奏することができ、さらに冷媒入口１３から流入される冷媒液が、互いに交差するこれら吸熱促進用の溝３１により効果的に攪拌混合されて蒸発が促進される。
【００２６】
（吸熱器の第４の実施例）
本発明の冷却装置に採用される吸熱器の第４実施例を図１２〜図１４を参照して説明する。なお、第１の実施の形態で説明した部材と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００２７】
熱交換部１２ｂに設けられた伝熱促進部４０は、多数の所定高さの突起４１を所定の間隔をあけて不規則的に（または規則的に）突設することにより構成される。図では突起４１は円柱状に形成されているが、円錐状や円柱台、楕円柱、長円柱などのように流動抵抗の少ないものであれば差し支えない。
【００２８】
上記構成によれば、熱交換部１２ｂを流れる冷媒液を攪拌分散させるとともに、冷媒液と接触する伝熱面積を増大させて、第１の実施例と同様の作用効果を奏することができる。
【００２９】
（吸熱器の第５の実施例）
本発明の冷却装置に採用される第５実施例を図１５〜図１７を参照して説明する。なお、第１の実施の形態で説明した部材と同一部材には同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
前記吸熱器１は、矩形平板状の吸熱器本体５１内に矩形平板状の熱交換室５２が形成され、吸熱器本体５１の天部５１ａの中心位置に冷媒移送用二重管５３が接続されて開口されている。この冷媒移送用二重管５３は、中心部に第１冷媒移送管５が接続された移送内管５３ａが配置されて熱交換室５２に冷媒入口５４が開口され、この移送内管５３ａに一定の流路空間をあけて、第２冷媒移送管６が接続された移送外管５３ｂが同心状に外嵌され熱交換室５２に冷媒出口５５が開口されている。そして移送内管５３ａの先端部が移送外管５３ｂより内側に突出されることにより、冷媒入口５４の周囲上方部に冷媒出口５５が開口される。
【００３１】
半導体装置２に密着された熱交換室５２の底部５１ｂで熱交換室５２の伝熱面には、平面視で波形状の多数の伝熱促進用の溝５８が互いに平行に形成された伝熱促進部５７が設けられており、冷媒入口５３から供給された冷媒液を拡散させるとともに、伝熱面積を拡大して冷媒液への伝熱効果を高めている。伝熱促進用の溝５８は第１の実施例と同一形状で同一のピッチに形成されている。
【００３２】
したがって、移送内管５３ａから移送された冷媒液は、冷媒入口５４から噴出されて伝熱面の伝熱促進部５７に略直角方向から吹き付けられ、衝突して周囲に拡散され四方八方に分散される。そして伝熱促進用の溝５８により伝熱面積が増大された伝熱促進部５７の表面に冷媒液が接触されて吸熱され加熱蒸発される。さらに吸熱後の冷媒蒸気は熱交換室５２の外周側から迂回されて冷媒出口５５から移送外管５３ｂに排出される。
【００３３】
ところで、半導体装置２には、特に高温となる高発熱部（図では平面視で半導体装置２の中心部）があり、半導体装置２に熱結合された熱交換室５２の底部の伝熱面にも温度分布の勾配が生じる。ここでは、冷媒出口５４から冷媒液を吹き付ける伝熱促進部５７（伝熱面）の部位を、半導体装置２の高発熱部の対応部に一致させることで、半導体装置２の高発熱部をより効果的に冷却して伝熱促進部５７の温度分布の均一化を図り、半導体装置２をより効果的に冷却できる。
【００３４】
上記構成によれば、放熱器４から吸熱器１に冷媒液を移送する第１冷媒移送管５３ａと、吸熱器１から放熱器４に冷媒蒸気を移送する第２冷媒移送管５３ｂの吸熱器１への接続部を、同心状に一体化した冷媒移送用二重管５３を使用することで、半導体装置２および吸熱器１の周辺の配管をコンパクト化することができ、設計の自由度を向上させることができる。またこの冷媒移送用二重管５３を熱交換室５２の天部５１ａに接続して冷媒入口５４を開口させ、伝熱促進部５７に冷媒液を噴流状態で吹き付けるように構成したので、衝突後の攪拌分散効果により、沸騰現象による気泡の形成を促進させることができる。また伝熱促進部５７の溝５６により伝熱面積が増大されることにより、吸熱器１における放熱性能の向上を図り、冷媒液への伝熱効果を高め、吸熱器１における熱交換性能を向上させることができる。さらにまた、半導体装置２の高発熱部に対応する伝熱促進部５８（伝熱面）に、冷媒液を吹き付けて、半導体装置２の高発熱部位をより効果的に冷却して伝熱促進部５７における温度分布の均一化を図り、効率良く半導体装置２を冷却することができる。
【００３５】
なお、上記構成で冷媒移送用二重管５３を採用したが、第１冷媒移送管５のみを天部５１ａに接続して冷媒入口を開口させ、第２冷媒移送管６を他の部分に接続した構成であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上に述べたごとく請求項１記載の発明によれば、伝熱面に形成された凹凸部により、伝熱面積を増大させ、冷媒の分散と攪拌とを図って吸熱性能を向上させるとともに、冷媒液の沸騰現象を誘起させるための気泡を安定して発生させることができるので、吸熱器における低熱抵抗による放熱性能を向上させ、冷媒への伝熱効果を高めて吸熱器における熱交換性能を向上させることができる。
【００３７】
請求項５記載の発明によれば、鍛造などの加圧装置により溝を形成する場合、溝のピッチを１．０ｍｍ以上、溝の深さを０．５ｍｍ以上とすることで、加圧機の金型の寿命が十分に長くできてコストダウンが図ることができる。また溝のピッチを２．０ｍｍ以下、溝の深さを２．０ｍｍ以下とすることで、伝熱面積を十分増加させることができて熱交換性能の向上を図ることができ、沸騰現象における気泡形成を十分に促進させることができる。
【００３８】
請求項７記載の発明によれば、熱交換室の伝熱面に向かって冷媒を吹き付けることにより、冷媒が効果的に分散および攪拌されて熱交換性能の向上を図ることができ、また沸騰現象における気泡の形成を効果的に促進することができる。
【００３９】
請求項８記載の発明によれば、第１冷媒移送管と第２冷媒移送管とを二重管構造とすることで、吸熱器への配管構造をシンプル化でき、発熱体周辺の設計の自由度を向上させることができる。
【００４０】
請求項９記載の発明によれば、伝熱促進部の凹凸部により、上方から吹き付けられた冷媒の分散と攪拌をさらに促進させて、熱交換性能を向上させ、沸騰現象における気泡の形成を促進させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る冷却装置の実施の形態における吸熱器の第１の実施例を示す平面断面図である。
【図２】同吸熱器の側面断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】同吸熱器の伝熱促進用の溝を示す部分拡大断面図である。
【図５】同冷却装置の全体構成図である。
【図６】同吸熱器の第２の実施例を示す平面断面図である。
【図７】同吸熱器の側面断面図である。
【図８】図７の部分拡大図である。
【図９】同吸熱器の第３の実施例を示す平面断面図である。
【図１０】同吸熱器の側面断面図である。
【図１１】図１０の部分拡大図である。
【図１２】同吸熱器の第４の実施例を示す平面断面図である。
【図１３】同吸熱器の側面断面図である。
【図１４】図１３の部分拡大図である。
【図１５】同吸熱器の第５の実施例を示す平面断面図である。
【図１６】同吸熱器の側面断面図である。
【図１７】同吸熱器を採用した冷却装置の構成図である。
【符号の説明】
Ｏ流送軸
１吸熱機
２半導体装置
４放熱器
５第１冷媒移送管
６第２冷媒移送管
７冷媒ポンプ
８冷却用ファン装置
１１吸熱器本体
１２熱交換室
１２ｂ熱交換部
１３冷媒入口
１４冷媒出口
１５伝熱促進部
１６吸熱促進用の溝
２０伝熱促進部
２１吸熱促進用の溝
２２Ａ，２２Ｂ溝群
３０伝熱促進部
３１吸熱促進用の溝
３２頂部
４０伝熱促進部
４１突起
５１吸熱器本体
５１ａ天部
５１ｂ底部
５３冷媒移送用二重管
５３ａ第１冷媒移送管
５３ｂ第２冷媒移送管
５４冷媒入口
５５冷媒出口
５６伝熱促進用の溝
５７伝熱促進部

Claims

発熱体に熱結合されて熱交換室で冷媒に吸熱させる吸熱器と、前記吸熱器から冷媒を導いて放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱された冷媒を吸熱器に移送する第１冷媒移送管と、前記吸熱器で吸熱された冷媒を放熱器に移送する第２冷媒移送管と、第１冷媒移送管に設けられた冷媒ポンプとを具備した冷却装置であって、
前記吸熱器の一端側に第１冷媒移送管を接続して熱交換室に冷媒入口を開口するとともに、他端側に第２冷媒移送管を接続して熱交換室に冷媒出口を開口し、前記発熱体と熱結合された吸熱器の底部で熱交換室の伝熱面に、前記冷媒入口から流入する冷媒を拡散させて熱伝達を促進する凹凸部を有する伝熱促進部を設けた
ことを特徴とする冷却装置。
伝熱促進部の凹凸部を、冷媒入口から冷媒出口に至る冷媒送流方向に対して所定角度で傾斜する多数の吸熱促進用の溝により構成した
ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
吸熱促進用の溝を、互いに平行に形成した
ことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
互いに平行な吸熱促進用の多数の溝を交差するように配置した
ことを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
吸熱促進用の溝のピッチを１．０〜２．０ｍｍの範囲とし、溝の深さを０．５〜２．０ｍｍの範囲とした
ことを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の冷却装置。
伝熱促進部の凹凸部を、伝熱面の底面に突設された複数の突起により構成した
ことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
発熱体に熱結合されて熱交換室で冷媒に吸熱させる吸熱器と、前記吸熱器から冷媒を導いて放熱させる放熱器と、前記放熱器で放熱された冷媒を吸熱器に移送する第１冷媒移送管と、前記吸熱器で吸熱された冷媒を放熱器に移送する第２冷媒移送管と、第１冷媒移送管に設けられた冷媒ポンプとを具備した冷却装置であって、
前記吸熱器の天部に第１冷媒移送管を接続して熱交換室に冷媒入口を開口させ、発熱体と熱結合された吸熱器の底部で熱交換室の伝熱面に向かって冷媒を吹き付けるように構成した
ことを特徴とする冷却装置。
吸熱器に接続される第１冷媒移送管と第２冷媒移送管の少なくとも接続部を、第１冷媒移送管が接続された移送内管の外周部に、第２冷媒移送管が接続された移送外管を外嵌させた二重管構造とし、
冷媒入口の周囲に冷媒出口を開口した
ことを特徴とする請求項７記載の冷却装置。
発熱体と熱結合された吸熱器の底部で熱交換室の伝熱面に、凹凸部により冷媒を拡散させる伝熱促進部を設けた
ことを特徴とする請求項７または８記載の冷却装置。