JP2005201600A - 熱サイフォン型熱移動体 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡素な構成により、省スペース、かつ低コストで製造可能ながら、高温の液体等の流体を効率良く迅速に冷却することができる熱サイフォン型熱移動体を提供する。
【解決手段】 冷媒を流動させる複数の冷媒通路Ｚが設けられた冷媒管１０を複数平行に配し、これら冷媒管１０の両端に、ヘッダーブロック２０を接合する。ヘッダーブロック２０には、冷媒通路Ｚに連通する冷媒通路Ｘ，Ｙが設けられ、さらに、被冷却流体を流通させるパイプ４０を、冷媒通路Ｘと平行に貫通させる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高温の液体等を短時間で冷却するのに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。

本出願人は、熱サイフォン型の冷却装置として、平行に配した複数の扁平な冷媒管の両端に、冷媒管内の冷媒通路に連通する冷媒通路を有する熱伝導体を接合し、封入した冷媒が三次元方向に循環するように構成して、冷媒の循環効率を高め、冷却効率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

上記文献に記載されるものも含めて、一般に熱サイフォン型熱移動体は、機器内で上昇する高熱の空気等の気体、すなわち雰囲気や、半導体素子等の発熱体である固体を冷却するための用途が多く、熱水等の高温の液体を速やかに冷却するものは少なかった。そして、このような液体を冷却するには、熱交換を行わせる流体通路の長さを小さなスペースで確保するため蛇行させたものが多く、このように流体通路を蛇行させることは、装置の複雑化やコストの増大を招くとともに、省スペース化にも限度があった。

よって本発明は、簡素な構成により、省スペース、かつ低コストで製造可能ながら、高温の液体等の流体を効率良く迅速に冷却す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の一端および他端に、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が接合され、少なくとも一方の熱伝導体に、被冷却流体を流動させる流体通路が設けられていることを特徴としている。

本発明では、流体通路の一端から他端に向けて、例えば高温水（被冷却流体）を流すと、その高温水によって熱伝導体が加熱され、さらに、熱伝導体内の冷媒通路を流動する冷媒が加熱されて沸騰気化する。沸騰気化した冷媒蒸気は、冷媒管の冷媒通路に流入し、冷媒通路内を他方の熱伝導体方向に移動しつつ、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。これによって高温水は冷却されて、熱伝導体から排出される。凝集液化した冷媒は、加熱側の熱伝導体に戻り、再び加熱されて沸騰気化し、冷媒管内に流入し、これが繰り返され、冷媒は循環する。

本発明によれば、冷媒管および熱伝導体に形成された冷媒通路を循環する冷媒の循環経路を三次元的に構成することができることから、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。その結果、熱伝導体を通過する被冷却流体を迅速に冷却させることができる。また、冷却効率が高いことから、流体通路は短くて済み、蛇行させる必要がなく、例えば冷媒通路に沿った直線路とすることができる。このため、簡素な構成となり、省スペース、かつ低コストで製造可能である。

本発明の熱伝導体に設けられる流体通路は、熱伝導体に形成された孔、もしくは熱伝導体を貫通し、かつ該熱伝導体に密着して接合された管状部材の形態が挙げられる。特に管状部材の場合、熱伝導体に、その管状部材の外周面に通じるろう付け孔を形成し、このろう付け孔に装填したろう材を溶解させることによって管状部材を熱伝導体にろう付けすると、溶解したろう材が毛細管現象によって管状部材と熱伝導体との間に浸透させることができるので、管状部材を簡単、かつ確実に熱伝導体にろう付けすることができる。また、本発明では、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、冷媒を流動させる複数の冷媒通路が設けられた冷媒管の一端および他端に、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接合し、少なくとも一方の熱伝導体に設けた流体通路に被冷却流体を流動させることにより、高温の液体等の流体を効率良く迅速に冷却することができるとともに、構成が簡素で、省スペース、かつ低コストで製造可能であるといった効果を奏する。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、本発明の一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）Ｐの（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図である。この熱移動体Ｐ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とを備えている。また、図２、図３は、それぞれ熱移動体Ｐの一部断面側面図、一部断面正面図である。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り、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。熱移動体Ｐは、図１〜図３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２および図４に示すように、冷媒管１０は、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５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が形成されている。また、図５（ｂ），（ｃ）および図６に示すように、冷媒通路Ｘの両側であって、ヘッダーブロックの幅方向両端部には、冷媒通路Ｘと平行な貫通孔２５が形成されている。冷媒通路Ｘおよび貫通孔２５は、互いに等間隔をおいて配されている。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および貫通孔２５は押し出し加工時に形成される。

また、図５（ａ），（ｂ）および図６に示すように、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６に示すように、凹所２１は各冷媒通路Ｘを横断しており、その周囲全周に、段部２１ａが形成されている。冷媒管１０は、その先端が段部２１ａに突き当てられた状態で凹所２１に嵌合され、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の先端と凹所２１の底部との間には空間が形成され、その空間が、冷媒通路Ｘに直交し、かつこの冷媒通路Ｘと、冷媒管１０の各冷媒通路Ｚに連通する冷媒通路Ｙ（Ｙ方向冷媒通路）とされている。

また、図２および図３に示すように、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、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。

ヘッダーブロック２０に形成された両側の貫通孔２５には、図１、図５および図６に示すように、ステンレス等からなる金属製のパイプ（管状部材）４０が通され、このパイプ４０内が、流体通路４１とされている。パイプ４０の両端はヘッダーブロック２０から所定長さ突出しており、その突出部分が、流体の導入口あるいは導出口となるノズル４０ａとされ、このノズル４０ａに、ホースあるいは他のパイプ等が接続される。パイプ４０は貫通孔２５の内面に摺動して通され、その内面に、ろう付けされることによりヘッダーブロック２０に密着して接合されている。

ヘッダーブロック２０に対するパイプ４０のろう付け方法の一例としては、図５（ｂ）に示すように、予め、ヘッダーブロック２０の側面から貫通孔２５に通じる（パイプ４０を通した後はパイプ４０の外周面に通じる）ろう付け孔２６を、ヘッダーブロック２０の長手方向に間隔をおいて複数空けておき、パイプ４０を貫通孔２５に通した後、ろう付け孔２６にろう材を装填して溶解させる。この方法によれば、溶解したろう材は毛細管現象によってパイプ４０の外周面と貫通孔２５の内面との間に浸透し、これら外周面と内面とがろう付けされるので、パイプ４０を簡単、かつ確実にろう付けすることができる。

上記、ヘッダーブロック２０の厚さ、幅、長さ、冷媒通路Ｘの径や数、冷媒通路Ｙを形成する凹所２１の寸法等は、所要冷却能力、当該熱移動体Ｐ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Ｐ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。

次に、上記熱移動体Ｐの使用方法ならびに作用を説明する。
図１に示すように縦置き姿勢とした熱移動体Ｐの、上側の一方のパイプ４０の一端側のノズル４０ａに、高温水等の冷却すべき流体を上側のヘッダーブロック２０内に導く導入ホースを接続し、下側の一方のパイプ４０の一端側のノズル４０ａに、冷却された流体を下側のヘッダーブロック２０内から導出する導出ホースを接続し、残った各ノズル４０ａ間を、中継ホースで適宜に接続して、流体の循環経路を構成する。

図７を参照して、上記各ホースの接続例を説明する。図７では、熱移動体Ｐの右側面と左側面とを示しており、実線矢印を各ホース、熱移動体Ｐ間の二点鎖線矢印をパイプ４０（４０Ａ〜４０Ｄ）として表している。流体の流通方向に沿って説明すると、まず、上側のパイプ４０Ａにおける右側面側のノズル４０ａに導入ホース５０を接続し、このパイプ４０Ａの左側面側のノズル４０ａから、上側のパイプ４０Ｂの左側面側のノズル４０ａに中継ホース５１ａを接続する。次いで、このパイプ４０Ｂの右側面側のノズル４０ａから下側のパイプ４０Ｃにおける右側面側のノズル４０ａに中継ホース５１ｂを接続し、このパイプ４０Ｃの左側面側のノズル４０ａから、下側のパイプ４０Ｄの左側面側のノズル４０ａに中継ホース５１ｃを接続する。最後に、パイプ４０Ｄの右側面側のノズル４０ａに、導出ホース５２を接続する。

導入ホース５０から熱移動体Ｐの上側のヘッダーブロック２０内に導入された被冷却流体は、図７に示す矢印の経路で、ヘッダーブロック２０内のパイプ４０（４０Ａ〜４０Ｄ）内と各中継ホース５１ａ〜５１ｃを交互に通過し、導出ホース５２から排出されていく。ここで、熱移動体Ｐにおいては、導入されたばかりの高温の被冷却流体から、まず、上側のヘッダーブロック２０が加熱され、次いで、下方の冷媒管１０およびコルゲートフィン３０に向かってその熱が伝導する。次に、上側のヘッダーブロック２０内の各パイプ４０Ａ，４０Ｂ内を通過した被冷却流体は、下側のヘッダーブロック２０内の各パイプ４０Ｃ，４０Ｄ内に導入される。この被冷却流体は、下側のヘッダーブロック２０に熱を伝達し、この熱により下側のヘッダーブロック２０内の冷媒が加熱され、その冷媒は、沸騰気化しながら冷媒通路Ｘ，Ｙ，Ｚを流動し、これによって熱が冷媒管１０内の冷媒通路Ｚを通って上方に輸送され、さらに、次々にコルゲートフィン３０に熱が輸送される。このような過程により、被冷却流体の熱は熱移動体Ｐ全体に移送され、その熱は、コルゲートフィン３０から低温流体に放熱されることにより、内部の気化した冷媒が凝縮液化し、再び被冷却流体から受熱することを繰り返す。これによって、パイプ４０内を流動する被冷却流体はしだいに冷却され、導出ホース５０から排出される。

上記実施形態の熱移動体Ｐによれば、冷媒管１０およびヘッダーブロック２０に形成された各冷媒通路Ｘ，Ｙ，Ｚを循環する冷媒の循環経路が三次元的に構成されるので、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。その結果、ヘッダーブロック２０を通過する被冷却流体を迅速に冷却させることができる。また、冷却効率が高いことから、ヘッダーブロック２０内でパイプ４０を蛇行させる必要がなく、直線と状態であっても、十分な冷却性能を確保することができる。このため、熱移動体Ｐ自体が簡素な構成となり、省スペース、かつ低コストで製造可能である。

なお、図７では、１つの熱移動体Ｐで被冷却流体を冷却する構成を示したが、複数の熱移動体Ｐを連結して、冷却性能を向上させることができる。例えば、図８に示すように縦置きした熱移動体Ｐを上下に配設し、上側の熱移動体Ｐ内に導入した被冷却流体を、下側の熱移動体Ｐに流して排出させる構成が挙げられる。この場合、上側の熱移動体Ｐから排出される被冷却流体は、中継ホース５１ｄを経て、下側の熱移動体Ｐの上側のパイプ４０Ａ内に導入されていく。

また、上記実施形態では、ヘッダーブロック２０に貫通させたパイプ４０内に被冷却流体を流通させる構成であるが、パイプ４０を通さずに、単なる孔（上記実施形態では貫通孔２５）を流体通路として利用しても良い。そのような孔を流体通路とするか、パイプ４０の内部を流体通路とするかは、ヘッダーブロック２０の金属種と被冷却流体の種類との適合性を考慮して適宜に選択すれば良い。すなわち、被冷却流体が、例えばヘッダーブロック２０を腐食させる成分を有する場合は、耐食性を有するパイプ４０を利用し、そうでない場合は、パイプ４０は不要である。

本発明の一実施形態の熱移動体の（ａ）正面図、（ｂ）平面図、（ｃ）側面図である。 一実施形態の熱移動体の一部断面側面図である。 一実施形態の熱移動体の一部断面平面図である。 熱移動体の冷媒管の一部斜視図である。 熱移動体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。 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。 熱移動体に設定される被冷却流体の流通経路を示す図である。 ２つの熱移動体を上下に配して状態での被冷却流体の流通経路を示す図である。

符号の説明

１０…冷媒管
２０…ヘッダーブロック（熱伝導体）
３０…コルゲートフィン
４０…パイプ（管状部材）
４１…流体通路
Ｐ…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の一端および他端に、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が接合され、少なくとも一方の前記熱伝導体に、被冷却流体を流通させる流体通路が設けられていることを特徴とする熱サイフォン型熱移動体。
2. 前記流体通路は、前記熱伝導体に形成された孔であ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. 前記流体通路は、前記熱伝導体を貫通し、かつ該熱伝導体に密着して接合された管状部材であ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. 前記熱伝導体に、前記管状部材の外周面に通じるろう付け孔が形成され、このろう付け孔に装填したろう材を溶解させることにより、管状部材が熱伝導体にろう付けされていることを特徴とする請求項３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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