JP2005201539A - 熱サイフォン型熱移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 放熱部内を流動する冷媒の循環効率をより高めて冷媒の沸騰気化・凝集液化の作用による冷却効率の大幅な向上が図られる熱サイフォン型熱移動体を提供する。
【解決手段】 鉛直方向に延び、平行に並列する複数の冷媒管１０の上端および下端に、冷媒管１０内の冷媒通路Ｚに連通する冷媒通路Ｘ，Ｙを有するヘッダーブロック２０を接合して放熱部１を構成する。上側のヘッダーブロック２０の開口（冷媒流入口）２５から下側のヘッダーブロック２０の開口（冷媒流出口）２５にわたってループ管４０を接続し、ループ管４０、放熱部１を経て再びループ管４０に至る冷媒の一方向の循環経路を形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば半導体素子、あるいは各種産業機器の操作盤等の筐体内を冷却させる冷却デバイスとして好適な熱サイフォン型熱移動体に関する。

半導体素子の冷却デバイスとして、冷媒管に封入した冷媒の動きに伴う潜熱を利用する熱サイフォン型が知られている。熱サイフォン型の冷却装置は、一般に、冷媒管の一端側に設定される受熱側に発熱体を接触させると、冷媒が加熱されて沸騰気化し、冷媒蒸気が他端側の放熱側に移動しつつ冷媒管の内壁で凝集液化し、その凝縮潜熱が低温流体に伝達して放熱し、発熱体の熱が放熱されて冷却される構成である。この場合、放熱部で凝縮液化した冷媒は自重により冷媒管の内壁面を伝って受熱部に移動し、再び発熱体で加熱されて沸騰気化するといった循環作用を示す。

このような冷却装置では、冷媒管が鉛直方向に沿っており、下端側が受熱側、上端側が放熱側に設定されたいわゆるボトムヒート型の場合、冷媒管が鉛直方向に沿っていることから、冷媒の沸騰気化・凝縮液化の循環がきわめてダイナミックに進行するため、優れた冷却効率を発揮するものである。ところが、設置する機器によっては、受熱側と放熱側の設置箇所に制約があって冷媒管を水平な状態としなければならない場合がある。そこで、本出願人は、複数の扁平な冷媒管の両端に熱伝導体を接合し、熱伝導体のＸ方向冷媒通路およびＹ方向冷媒通路と、冷媒管のＺ方向冷媒通路とを連通させることで、冷媒が三次元方向に循環可能とし、設置スタイル（縦置き、横置き等）の自由度を向上させた熱サイフォン型熱移動体を提案した（特許文献１）。

特開２００３−１６６７９３号公報

上記文献に記載の熱移動体では、放熱部（コア部）内のＸ，Ｙ，Ｚ方向にそれぞれ延びる冷媒通路を、設置状態に応じて流動・循環することで、冷媒の沸騰気化・凝縮液化が活発に進行し、冷却効率の向上は図れるものである。しかしながら、冷媒通路が放熱部の内部に存在するため、設置状態等によっては冷媒の流動が円滑に進まず、したがって、冷媒の循環効率がより高く、高温の発熱体にも対応可能な熱移動体の開発が要請されることになった。

よって本発明は、放熱部内を流動する冷媒の循環効率をより高めて冷媒の沸騰気化・凝集液化の作用による冷却効率の大幅な向上を図ることができる熱サイフォン型熱移動体を提供することを目的としている。

本発明は、冷媒を流動させる複数の冷媒通路が設けられた冷媒管、およびこの冷媒管の一端および他端に接合され、冷媒通路を互いに連通させる連通路がそれぞれ設けられた熱伝導体を備え、さらに、冷媒通路に対する冷媒流入口および冷媒流出口が設けられた放熱部と、この放熱部の外部において冷媒流入口から冷媒流出口にわたって接続され、受熱部を構成するループ管とを備えることを特徴としている。

本発明では、発熱体の熱をループ管で受けるようにして用いられる。発熱体の熱によりループ管は加熱されると、ループ管内に流動する冷媒が加熱され、その冷媒が沸騰気化する。沸騰気化した冷媒蒸気は、ループ管から冷媒流入口を経て放熱部の冷媒管の冷媒通路に流入し、冷媒通路内を冷媒流出口方向に移動しつつ、冷媒管の内壁で凝集液化し、その凝縮潜熱が低温流体に伝達して放熱する。これによって、発熱体は冷却される。冷媒管内で凝縮液化した冷媒は、冷媒通路から冷媒流出口を経てループ管に戻り、再び発熱体で加熱されて沸騰気化する。このようにして、冷媒は、ループ管、放熱部、ループ管といった経路で循環する。

本発明によれば、受熱部を放熱部の外部に設定し、冷媒をループ管と放熱部との間で循環させるので、冷媒の循環経路を一定方向に導くことが可能となり、冷媒の循環がより一層円滑なものとなる。その結果、冷媒の循環効率が向上するとともに、冷媒の沸騰気化・凝集液化の作用による冷却効率の大幅な向上が図られる。

本発明の上記冷媒流入口および冷媒流出口は、冷媒管の両端に接合された各熱伝導体にそれぞれ設けられるか、あるいは双方が一方の熱伝導体に設けられる形態のいずれかを採用することができる。このような場合、冷媒流入口および冷媒流出口は、熱伝導体に設けられた連通路を介して冷媒通路に連通している。また、冷媒管に放熱用のフィンを接合すれば、さらなる冷却効率の向上を図ることができるので好ましい。

本発明によれば、受熱部を放熱部の外部に設定し、冷媒をループ管と放熱部との間で循環させ、かつ、その循環経路を一定方向に導くことが可能となることから、冷媒の循環効率が向上して冷却効率の大幅な向上が図られるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る熱サイフォン型熱移動体（以下、熱移動体と略称する）Ｐ１の（ａ）側面図、（ｂ）正面図、図２は背面図である。この熱移動体Ｐ１は、放熱部１と受熱部２とを有しており、以下、これらを説明する。

Ａ．放熱部
図３、図４、図５は、それぞれ放熱部１の斜視図、一部断面側面図、一部断面正面図である。この放熱部１は、等間隔をおいて互いに平行に配された複数の冷媒管１０と、これら冷媒管１０の一端および他端に接合されて互いに平行をなす一対のヘッダーブロック（熱伝導体）２０と、隣り合う冷媒管１０に接合されたコルゲートフィン３０とから構成されている。冷媒管１０、ヘッダーブロック２０およびコルゲートフィン３０は、いずれもアルミニウム製である。

熱移動体Ｐ１は、図３〜図５に示すように、放熱部１の一対のヘッダーブロック２０を上下に配し、冷媒管１０を鉛直に立てた縦置きを基本姿勢として使用されるが、使用姿勢はこれに限定されるものではない。図１、図３、図５の各図では冷媒管１０の数が異なるが、これは冷媒管１０が仕様に応じて任意の数で良いことを示しているからであり、放熱部１に構造的な相違はない。各ヘッダーブロック２０に対する各冷媒管１０の接合、および各冷媒管１０に対する各コルゲートフィン３０の接合は、ろう付けによりなされている。

冷媒管１０は、図６に示すように、断面が扁平楕円状で、内部には、長手方向に延びる複数（この場合６つ）の冷媒通路（Ｚ方向冷媒通路）Ｚが、隔壁１１によって幅方向に一列の状態で形成されている。冷媒管１０は中実なアルミニウムの押し出し加工によって成形された素材を所定長さに切断したものである。冷媒通路Ｚは押し出し加工時に形成され、その寸法は、冷媒管１０の厚さや幅等の寸法、押し出し成形性、冷媒通路Ｚを流れる冷媒の流動性等の諸条件を勘案して適宜に設定される。

ヘッダーブロック２０は、図７に示すように、断面が長方形状で、一定厚さの長尺なバー状を呈しており、内部には、長手方向に延び、両端面に開口する複数（この場合３つ）の断面円形状の冷媒通路（Ｘ方向冷媒通路）Ｘが等間隔をおいて形成されている。ヘッダーブロック２０は、中実なアルミニウムの押し出し加工によって成形された素材を所定長さに切断したもので、冷媒通路Ｘは押し出し加工時に形成される。また、ヘッダーブロック２０の片面には、幅方向（冷媒通路Ｘに直交する方向）に延びる複数の凹所２１が等間隔をおいて形成されている。これら凹所２１の数は冷媒管１０の数に対応している。図８に示すように、凹所２１は各冷媒通路Ｘを横断しており、その深さはヘッダーブロック２０の厚さの半分よりやや浅い。これら凹所２１に冷媒管１０の端部が嵌合され、冷媒管１０はヘッダーブロック２０にろう付けによって気密的に接合されている。冷媒管１０はヘッダーブロック２０に直交して接合され、その状態で、図８に示すように、ヘッダーブロック２０の１つの冷媒通路Ｘに対して２つの冷媒通路Ｚが連通している。

また、図７に示すように、ヘッダーブロック２０には、長手方向に間隔をおいて複数（この場合３つ）の冷媒通路（Ｙ方向冷媒通路）Ｙが形成されている。これら冷媒通路Ｙは、ヘッダーブロック２０の一方の側面からの孔空け加工によって形成されており、３つの冷媒通路Ｘを貫通することによってこれら冷媒通路Ｘに連通している。各冷媒通路Ｙは、近隣する凹所２１と連通せぬよう凹所２１の間に配されており、その開口は、ろう付けされたプラグ２２で気密的に閉塞されている。図７（ｂ）に示すように、ヘッダーブロック２０の一方の側面には、冷媒通路Ｘに連通する開口２５が形成されている。この開口２５には、後述するループ管４０が嵌合される。各冷媒通路Ｘの両端面の開口のうち、中央の冷媒通路Ｘの一方の開口が冷媒充填口２３とされる。この冷媒充填口２３は、冷媒充填後に、最終的にろう付けされるネジ式キャップ２４で封止され、他の開口は、冷媒通路Ｙと同様にろう付けされたプラグ２２で気密的に閉塞されている。冷媒はフロン等であって、冷媒充填口２３から適量が充填され、その後、冷媒充填口２３はキャップ２４で封止される。

なお、ヘッダーブロック２０の厚さ、幅、長さ、冷媒通路Ｘ，Ｙの径や数、凹所２１の寸法等は、所要冷却能力、当該熱移動体Ｐ１の設置スペース、冷媒管１０の寸法および冷媒の種類等を勘案して適宜に設定される。

各ヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｘ，Ｙは互いに連通し、さらに、各冷媒管１０の冷媒通路Ｚはヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｘに連通している。すなわち、冷媒通路Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに連通している。これら冷媒通路Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する方向に延びており、図１に示す熱移動体Ｐ１の使用姿勢で、冷媒通路Ｘは三次元方向におけるＸ方向、冷媒通路ＹはＹ方向、冷媒通路ＺはＺ方向に延びることになる。

Ｂ．受熱部
図１および図２に示すように、受熱部２は、上記放熱部１の各ヘッダーブロック２０の一方の側面間にわたって並列して接合された複数（この場合２つ）のループ管４０と、このループ管４０の外面側に接合された矩形状の受熱板４１とから構成される。ループ管４０は、内部に冷媒通路（図示略）を有する扁平管で、主たる部分が冷媒管１０と平行に配され、湾曲形成された両端部がヘッダーブロック２０の側面に形成された開口２５に嵌合され、かつ、ろう付けされて気密的に接合されている。ループ管４０および受熱板４１は、熱伝導性に優れたアルミニウム等により成形される。特にループ管４０は、上記放熱部１を構成する冷媒管１０と同じ材料を適宜に加工して流用することができる。ループ管４０内の冷媒通路は、開口２５を介してヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｘに、さらには冷媒通路Ｙ，Ｚに連通しており、したがって、放熱部１内に充填された冷媒は、放熱部１からループ管４０の間を循環できるようになっている。

次に、上記熱移動体Ｐ１の使用方法ならびに作用を説明する。
本実施形態の熱移動体Ｐ１は、図１および図２に示すように、一対のヘッダーブロック２０を上下に配し、冷媒管１０を鉛直に立てた縦置きを基本姿勢として用いられ、受熱部２の受熱板４１の表面に、半導体素子等の発熱体５０を接触させて、その発熱体５０の冷却を行う。

発熱体５０で発生する熱は、受熱板４１からループ管４０に伝わり、さらに、上下のヘッダーブロック２０に伝わる。ここで、放熱部１内およびループ管４０内に充填された冷媒（冷媒液）は下方に滞留しており、その冷媒は、ループ管４０の下部や下側のヘッダーブロック２０で加熱されて沸騰気化し、例えば、主にループ管４０を上昇して上側のヘッダーブロック２０内に開口（冷媒流入口）２５から流入する。そして、上側のヘッダーブロック２０内を流動する間や、さらに冷媒管１０を下降する間に、冷媒蒸気は凝縮液化して冷媒液に変わり、その凝縮潜熱が外気に放熱される。

冷媒液は冷媒管１０の内壁を伝って滴下し、下側のヘッダーブロック２０内に流入して開口（冷媒流出口）２５から再びループ管４０内に入り、この間に発熱体５０に加熱されて沸騰気化し、ループ管４０を上昇して再び上側のヘッダーブロック２０内に流入する。このように冷媒はループ管４０、放熱部１、ループ管４０という経路（図１（ａ）の二点鎖線矢印で示す）で循環し、その間に沸騰気化・凝縮液化の作用が繰り返しがなされ、これによって発熱体５０は継続して冷却される。

上記実施形態の熱移動体Ｐ１によれば、冷媒が、ループ管４０、放熱部１、ループ管４０といった経路で循環するように、冷媒の循環経路を一定方向に導くことが可能となり、これによって冷媒は円滑に循環する。その結果、冷媒の循環効率が向上するとともに、冷媒の沸騰気化・凝集液化の作用による冷却効率の大幅な向上が図られる。

また、ヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｘ，Ｙと、冷媒管１０の冷媒通路Ｚとが連通しているので、冷媒は三次元方向に循環可能である。このため、冷媒が局所的に停滞するといったことが起こりにくく、流速あるいは流量等を要素とする冷媒の流動性の均一化が図られ、さらに、冷媒温度の均一化が図られる。

（２）第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図９は、第２実施形態に係る熱移動体Ｐ２の（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。この熱移動体Ｐ２は、上記第１実施形態の熱移動体Ｐ１と同様の放熱部１を有しており、この放熱部１の下側のヘッダーブロック２０の下面中央に、受熱部２が接合されている。この受熱部２は、扁平で側面視Ｕ字状をなし、両端が下側のヘッダーブロック２０の下面中央に接合されたループ管４０と、このループ管４０の途中に設けられた受熱板４１とから構成されている。

この場合、下側のヘッダーブロック２０の下面中央には、両側の上記冷媒通路Ｘに連通する２つの開口（図示略）が形成され、これら開口に、ループ管４０の端部がそれぞれ嵌合され、ろう付けにより気密的に接合されている。これにより、ループ管４０内の冷媒通路は、それら開口を介して下側のヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｘ、さらには冷媒通路Ｙ，Ｚに連通しており、したがって、放熱部１内に充填された冷媒は、放熱部１とループ管４０との間を循環できるようになっている。ループ管４０は、途中に配された受熱板４１を貫通しており、受熱板４１は、ループ管４０の下端部である折り返し部の片側（図９（ａ）の左側部分）を覆うように配置され、ループ管４０にろう付けで接合されている。

第２実施形態の熱移動体Ｐ２では、受熱板４１の表面に発熱体５０を接触させて用いられる。発熱体５０で発生する熱は、受熱板４１からループ管４０に伝わり、ループ管４０内に滞留している冷媒（冷媒液）が加熱されて沸騰気化し、冷媒蒸気は、受熱板４１が配された側のループ管４０の上記片側を上昇し、下側のヘッダーブロック２０内に開口（冷媒流入口）から流入し、冷媒管１０を上昇して上側ヘッダーブロック２０に上昇する間に、凝集液化する。そして、その冷媒液は、冷媒管１０を下降して下側のヘッダーブロック内に流入し、さらに、別の開口（冷媒流出口）を経てループ管４０内に戻り、再び加熱されて沸騰気化する。図９（ａ）の二点鎖線矢印は、冷媒の経路を示している。

上記第２実施形態の熱移動体Ｐ２でも、ループ管４０から放熱部１を経て再びループ管４０に戻るように冷媒の循環経路が一方向に定まるので、冷媒は円滑に循環し、その結果、冷媒の循環効率が向上するとともに、冷媒の沸騰気化・凝集液化の作用による冷却効率の大幅な向上が図られる。

なお、上記実施形態の各熱移動体Ｐ１，Ｐ２では、放熱部の冷媒管１０および各ヘッダーブロック２０を水平に配し、受熱板４１を上下いずれかに向ける横置き姿勢や、その水平姿勢から冷媒管１０がある程度傾斜する姿勢など、様々な姿勢で使用することができる。

本発明の第１実施形態の熱移動体の（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。 第１実施形態の熱移動体の背面図である。 第１実施形態の熱移動体の放熱部の斜視図である。 放熱部の一部断面側面図である。 放熱部の一部断面平面図である。 放熱部の冷媒管の一部斜視図である。 放熱部のヘッダーブロックの（ａ）一部断面側面図、（ｂ）平面図、（ｃ）端面図である。 放熱部のヘッダーブロックへの冷媒管の接合構造を示す縦断面図である。 本発明の第２実施形態の熱移動体の（ａ）側面図、（ｂ）正面図である。

符号の説明

１…放熱部
２…受熱部
１０…冷媒管
２０…ヘッダーブロック（熱伝導体）
２５…開口（冷媒流入口、冷媒流出口）
３０…コルゲートフィン
４０…ループ管
４１…受熱板
Ｐ１，Ｐ２…熱サイフォン型熱移動体
Ｘ，Ｙ…ヘッダーブロックの冷媒通路（連通路）
Ｚ…冷媒管の冷媒通路

Claims (5)

1. 冷媒を流動させる複数の冷媒通路が設けられた冷媒管、およびこの冷媒管の一端および他端に接合され、前記冷媒通路を互いに連通させる連通路がそれぞれ設けられた熱伝導体を備え、さらに、前記冷媒通路に対する冷媒流入口および冷媒流出口が設けられた放熱部と、
   この放熱部の外部において前記冷媒流入口から前記冷媒流出口にわたって接続され、受熱部を構成するループ管とを備えることを特徴とする熱サイフォン型熱移動体。
2. 一方の前記熱伝導体に前記冷媒流入口が設けられ、他方の前記熱伝導体に前記冷媒流出口が設けられ、これら冷媒流入口および冷媒流出口が、前記連通路を介して前記冷媒通路に連通していることを特徴とする請求項１に記載の熱サイフォン型熱移動体。
3. 一方の前記熱伝導体に、前記冷媒流入口および前記冷媒流出口の双方が設けられ、これら冷媒流入口および冷媒流出口が、前記連通路を介して前記冷媒通路に連通していることを特徴とする請求項１に記載の熱サイフォン型熱移動体。
4. 前記ループ管に受熱板が接合されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の熱サイフォン型熱移動体。
5. 前記冷媒管に放熱用のフィンが接合されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱サイフォン型熱移動体。
   

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