JP2005337701A

JP2005337701A - 冷却装置

Info

Publication number: JP2005337701A
Application number: JP2005126698A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Inoue; 利明井上
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-04-27
Filing date: 2005-04-25
Publication date: 2005-12-08

Abstract

【課題】ＩＣチップなどの発熱体に対して高い冷却能力を示す冷却装置を提供すること。
【解決手段】本発明では、発熱体から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発部と、同蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導くと共に、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く冷媒流路とを備えた冷却装置において、前記冷媒流路は、前記蒸発部及び前記凝縮部との接続部をそれぞれ拡開させることとした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＩＣチップなどを冷却する冷却装置に関するものである。

従来、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵという）などのＩＣチップの冷却装置においては、空冷あるいは水冷による強制対流熱伝達により冷却が行われていた。しかし、この相変化を伴わない冷却方法は、今後ますます高速化、高集積化されるであろうＩＣチップの冷却に対しては限界があるため、今日では、熱サイフォンの原理を利用した相変化を伴う冷却装置が提案されている。

この熱サイフォンの原理を利用した冷却装置は、発熱体となるＩＣチップから吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発部と、同蒸発部の上方に位置し、蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮部と、一端が前記蒸発部に連通し、他端が前記凝縮部に連通して、蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮部に導くと共に、凝縮部で凝縮された冷媒を蒸発部に導く冷媒流路とを備え、冷媒流路と蒸発部、及び冷媒流路と凝縮部とが、それぞれ直角に接続されていた（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００２−１６８５４７号公報

しかし、上記熱サイフォンの原理を利用した従来の冷却装置は、冷媒流路と蒸発部、及び冷媒流路と凝縮部とが直角に接続されるため、その接続部に角が形成されて冷媒の流動が抑制されてしまい、蒸発部と凝縮部との間で冷媒の交換を充分に行うことができなかった。そのため、発熱体となるＩＣチップを充分に冷却することができなかった。

そこで、請求項１に係る本発明では、発熱体から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発部と、同蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導くと共に、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く冷媒流路とを備えた冷却装置において、前記冷媒流路は、前記蒸発部及び前記凝縮部との接続部をそれぞれ拡開させることにした。

また、請求項２に係る本発明では、前記請求項１に係る本発明において、前記接続部は、開口端に傾斜面を形成することにした。

また、請求項３に係る本発明では、前記請求項１又は請求項２に係る本発明において、前記冷媒流路は、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導く気体流路と、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く液体流路とに分離することにした。

また、請求項４に係る本発明では、前記請求項１〜請求項３に係る本発明において、前記蒸発部は、内側に放熱フィンを形成することにした。

そして、本発明では、以下に記載する効果を奏する。

すなわち、請求項１に係る本発明では、冷媒流路の蒸発部及び凝縮部との接続部をそれぞれ拡開させているために、冷媒の流動が促進されて、蒸発部と凝縮部との間で冷媒の交換が充分に行われ、発熱体を充分に冷却することができる。

また、請求項２に係る本発明では、接続部の開口端に傾斜面を形成しているために、冷媒の流動がより円滑になって、発熱体に対する冷却能力をさらに高めることができる。

また、請求項３に係る本発明では、冷媒流路を蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮部に導く気体流路と凝縮部で凝縮された冷媒を蒸発部に導く液体流路とに分離しているために、蒸発部から凝縮部へと移動する気体状の冷媒と、凝縮部から蒸発部へと移動する液体状の冷媒とが冷媒流路内で直接接触して、その気液接触面でせん断が発生することがなく、蒸発部へ到達する冷媒の量がせん断によって制限されることがない。そのため、高熱流束においても液体状の冷媒を凝縮部に供給することが可能となり、発熱体に対する冷却能力をさらに高めることができる。

また、請求項４に係る本発明では、蒸発部の内側に放熱フィンを形成しているために、発熱体から蒸発部への熱伝導が良好に行われることになり、発熱体の冷却効果を向上させることができる。

本発明に係る冷却装置は、熱サイフォンの原理による沸騰熱伝達を利用したものであり、ＩＣチップなどの発熱体から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発部と、同蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導くと共に、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く冷媒流路とを備え、特に前記冷媒流路は、前記蒸発部との接続部と、前記凝縮部との接続部をそれぞれ拡開させている。

このように、冷媒流路と蒸発部との接続部、及び冷媒流路と凝縮部との接続部をそれぞれ拡開させているので、蒸発部から冷媒流路への冷媒の流出、及び冷媒流路から蒸発部への冷媒の流入を促進することができると共に、凝縮部から冷媒流路への冷媒の流出、及び冷媒流路から凝縮部への冷媒の流入を促進することができ、蒸発部と凝縮部との間で冷媒の交換を充分に行うことができる。そのため、冷却装置の発熱体に対する冷却能力が高く、ＣＰＵのＩＣチップなど、発熱量の大きい発熱体であっても充分に冷却することができる。

例えば、相変化を伴わずに空冷による強制対流を行って冷却を行う冷却装置は、８０℃以下に冷却可能な熱流束が５０kW/m²程度であり、熱サイフォンの原理を利用した相変化を伴う冷却装置では、６０〜８０kW/m²程度であるが、本実施形態の冷却装置であれば、さらに高熱流束域まで８０℃以下に冷却することができ、今後ますます高速化、高集積化されるであろうＩＣチップなどの発熱体から放熱される高熱流束を充分に冷却することができる。

特に、前記接続部の開口端に傾斜面を形成した場合には、かかる傾斜面に沿って冷媒が冷媒流路へ出入りすることとなり、より円滑に冷媒が流動することとなる。そのため、蒸発部と凝縮部との間で効率よく冷媒を交換することができ、発熱体に対する冷却装置の冷却能力をさらに高めることができる。

また、前記冷媒流路は、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導く気体流路と、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く液体流路とに分離することができ、このように冷媒流路を分離させた場合には、蒸発部から凝縮部へと移動する気体状の冷媒と、凝縮部から蒸発部へと移動する液体状の冷媒とが冷媒流路内で直接接触して、その気液接触面でせん断が発生することがない。そのため、蒸発部へ到達する冷媒の量がせん断によって制限されることがなく、高熱流束においても液体状の冷媒を凝縮部に供給することが可能となり、冷却装置の発熱体に対する冷却能力をさらに高めることができる。

また、蒸発部の内側に放熱フィンを形成した場合には、発熱体から蒸発部への熱伝導が良好に行われることになり、発熱体の冷却効果を向上させることができる。

以下に、本発明に係る冷却装置の具体的な実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明に係る冷却装置の一実施形態を示す説明図であり、図示するように、本実施形態の冷却装置A1は、冷媒４を収容した中空状の容器からなる蒸発部１の上方に、同じく中空状の容器からなる凝縮部２を配置し、前記蒸発部１の上端に断熱管からなる冷媒流路３の下端を連通させると共に、同冷媒流路３の上端を前記凝縮部２の下端に連通させている。従って、前記蒸発部１の内部の冷媒４は、冷媒流路３を通って自由に凝縮部２に移動できる。また、前記凝縮部２をなしている容器の外側面には、周囲への放熱をよくするためのフィン５を取り付けている。

上記冷却装置A1は、銅やアルミニウムから形成しており、冷媒４には、フロン系物質、FC72、又は水などを用いている。特に、冷媒４に関しては、環境問題の点から圧力２０kPa程度の水を好適に用いることができる。

そして、本実施形態では、前記冷媒流路３における蒸発部１との接続部６、及び凝縮部２との接続部６をそれぞれベルマウス状に漸次拡開させて、接続部６の開口端に傾斜面6aを形成している。

上記構成からなる本実施形態の冷却装置A1では、蒸発部１に発熱体Ｂが取り付けられると、同発熱体Ｂの熱が蒸発部１の内部の冷媒４に伝わって液体状態の冷媒４が沸騰し、蒸気となった冷媒４が蒸発部１から冷媒流路３へと流出する。このとき、本実施形態の冷却装置A1では、前記蒸発部１との接続部６となる冷媒流路３の下端を蒸発部１に向かって拡開させているので、冷媒４が蒸発部１から冷媒流路３へと円滑に流出することができる。そして、冷媒流路３に入った気体状態の冷媒４はそのまま冷媒流路３を上昇し、凝縮部２に流入する。

凝縮部２に流入した冷媒４は周囲から熱を奪われて凝縮し、再び液体状態に戻って重力により落下する。この落下した冷媒４は凝縮部２から冷媒流路３へ流出するが、本実施形態の冷却装置A1では、前記凝縮部２との接続部６となる冷媒流路３の上端を凝縮部２に向かって拡開させているので、冷媒４が凝縮部２から冷媒流路３へと円滑に流出することができる。そして、冷媒流路３に入った液体状態の冷媒４はそのまま冷媒流路３を落下し、蒸発部１に流入する。

このように、本実施形態の冷却装置A1では、液体から気体、気体から液体へと冷媒４が連続的に相変化して循環し、自然対流沸騰熱伝達によって熱が伝わっていくので、冷媒４を移動させるためのポンプや、空冷による強制対流を行う場合の送風機（ファン）を設ける必要がなく、それらポンプや送風機を駆動させるための電源も必要がない。そのため、冷却装置A1をコンパクト化することができると共に、その運転コストを全くなくすことができる。また、送風機がないので、その騒音をなくすこともできる。

図２には、上記冷却装置A1の使用状態を示している。ここでは、コンピュータＣのＣＰＵを発熱体Ｂとしており、コンピュータＣの内部に冷却装置A1の蒸発部１を配置して、同蒸発部１に前記ＣＰＵを密着させて取り付けると共に、コンピュータＣの外部に凝縮部２を配置して、ＣＰＵで発生した熱をコンピュータＣの外部へ放出させるようにしている。このように、本実施形態の冷却装置A1は、コンピュータＣのＣＰＵのような発熱量の大きい発熱体Ｂに対しても使用することができると共に、設置に場所もとらない。なお、発熱体ＢとなるＣＰＵの蒸発部１への取付位置は、図２（ａ）に示すように、蒸発部１の側面であっても、図２（ｂ）に示すように、蒸発部１の下面であってもよい。

図３には、上記冷却装置A1と、蒸発部１及び凝縮部２に対し冷媒流路３を直角に接続した比較対象としての従来の冷却装置とにおいて、それぞれ冷却能力を測定した結果を示している。横軸は、冷媒流路３をなす断熱管の内径Ｄp（mm）、縦軸は、発熱体Ｂの温度変動開始熱流束ｑf（kW/m²）であり、図に示す測定結果から、本実施形態の冷却装置A1のほうが、比較対象となる蒸発部１及び凝縮部２に対し冷媒流路３を直角に接続した従来の冷却装置よりも高熱流束まで冷却できることが分かる。また、同一熱流束ならば、本実施形態の冷却装置A1のほうがより低い温度まで冷却できることが分かる。このように、冷媒流路３における蒸発部１との接続部６及び凝縮部２との接続部６を拡開させれば、冷却装置A1の冷却能力を高めることができることが分かる。

図４には、他実施形態としての冷却装置A2を示している。この冷却装置A2では、冷媒流路３をなす断熱管の内部にパイプ７を挿入して断熱管を２重構造にし、挿入したパイプ７の内側に形成される流路を、前記蒸発部１で蒸発した冷媒４を前記凝縮部２に導く気体流路3aとすると共に、挿入したパイプ７の外側に形成される流路を、前記凝縮部２で凝縮された冷媒４を前記蒸発部１に導く液体流路3bとしている。なお、それ以外の構成に関しては前記図１に示す冷却装置A1と同様であり、同じ符号を付して説明を省略する。

このように、本実施形態の冷却装置A2では、冷媒流路３を、蒸気となった冷媒４が上昇するための気体流路3aと、液体に戻った冷媒４が下降するための液体流路3bとに分けているので、蒸発部１と凝縮部２との間で気体状の冷媒４と液体状の冷媒４とをそれぞれ個別に移動させることができ、冷媒４の流動性がさらによくなって、より一層冷却装置A2の冷却能力を高めることができる。

図５には、他実施形態としての冷却装置A3を示している。この冷却装置A3では、冷媒流路３を構成する気体流路3aと液体流路3bとをそれぞれ別のパイプとして完全に分離した構造としている。なお、それ以外の構成に関しては前記図１に示す冷却装置A1と同様であり、同じ符号を付して説明を省略する。

このように、本実施形態の冷却装置A3では、前記実施形態の冷却装置A2と同様に、冷媒流路３を、蒸気となった冷媒４が上昇するための気体流路3aと、液体に戻った冷媒４が下降するための液体流路3bとに分けているので、蒸発部１と凝縮部２との間で気体状の冷媒４と液体状の冷媒４とをそれぞれ個別に移動させることができ、冷媒４の流動性がさらによくなって、より一層冷却装置A3の冷却能力を高めることができる。

特に、本実施形態の冷却装置A3では、気体流路3aと液体流路3bとをそれぞれ別のパイプとして完全に分離した構造としているために、高温の気体流路3aから低温の液体流路3bへの熱伝導を防止することができるので、より一層冷却装置A3の冷却能力を高めることができる。

図６には、他実施形態としての冷却装置A4を示している。この冷却装置A4では、蒸発部１の内壁に放熱フィン８を取付けている。具体的には、蒸発部１の発熱体Ｂを取付けた壁の内側に発熱体Ｂと対向させた位置に放熱フィン８を取付け、この放熱フィン８と冷媒４とを接触させて発熱体Ｂの熱を冷媒４へ放熱している。

このように、本実施形態の冷却装置A4では、蒸発部１の内側に放熱フィン８を形成しているために、発熱体Ｂから蒸発部１への熱伝導が良好に行われることになり、発熱体Ｂの冷却効果を向上させることができる。

本発明に係る冷却装置の一実施形態を示す一部拡大説明図である。本発明に係る冷却装置の一実施形態の使用状態を示す説明図である。本発明に係る冷却装置と従来の冷却装置との冷却能力を比較した比較試験の結果を示すグラフである。他実施形態としての冷却装置を示す一部拡大説明図である。他実施形態としての冷却装置を示す一部拡大説明図である。他実施形態としての冷却装置を示す一部拡大説明図である。

符号の説明

A1〜A4 冷却装置
Ｂ発熱体
Ｃコンピュータ
１蒸発部
２凝縮部
３冷媒流路（断熱管）
3a 気体流路
3b 液体流路
４冷媒
５フィン
６接続部
6a 傾斜面
７パイプ
８放熱フィン

Claims

発熱体から吸熱して冷媒を蒸発させる蒸発部と、同蒸発部で蒸発した冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導くと共に、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く冷媒流路とを備えた冷却装置において、
前記冷媒流路は、前記蒸発部及び前記凝縮部との接続部をそれぞれ拡開させたことを特徴とする冷却装置。
前記接続部は、開口端に傾斜面を形成したことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
前記冷媒流路は、前記蒸発部で蒸発した冷媒を前記凝縮部に導く気体流路と、前記凝縮部で凝縮された冷媒を前記蒸発部に導く液体流路とに分離していることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の冷却装置。
前記蒸発部は、内側に放熱フィンを形成したことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の冷却装置。