JP2006234267A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒流路の熱伝達性能を向上し、高性能な沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】 第１と第２の冷媒槽４，５と、複数の冷媒流路３及び放熱フィン２とよりなる放熱部を備えていて、内部に冷媒が封入されている沸騰冷却装置１は、該冷媒流路３がその内部を長手方向に仕切る内柱部３１を有し、該内柱部に冷媒の伝熱を促進する伝熱促進部３２〜３４を設けた扁平管３によって構成されている。伝熱促進部は、内柱部３１に形成した複数の穴部３２及び複数の切起し部３３又は突起部、或いは内柱部３１から延在する伝熱面拡大部３４である。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関し、特にＣＰＵ（コンピュータチップ）等の電子機器の冷却に好適なものである。

近年、ＣＰＵ等の発熱素子は、その発熱量が益々増加し、素子の温度を最適に保つには冷媒を使用した高性能冷却装置のニーズが高まっている。そのため冷却装置の高性能化が望まれている。また、環境負荷を低減するために自然冷媒化という課題もあり、なかでも水を冷媒として使用し、冷却装置に銅材料を使用するという水冷媒−銅材料の組み合わせが多く、冷媒流路として銅製扁平管が多く用いられている。

このような扁平管の熱交換性能を向上させるために、従来においては、特許文献１に示されるように、扁平管内に別部品であるインナーフィンを挿入したり、又は内表面積を拡大させるために押出し多穴扁平管を使用したりすることが行われている。しかしながら、インナーフィンを設ける場合は、インナーフィンを扁平管内にろう付けするためにろう材のクラッド化が必要であったり、インナーフィンである部品の追加及び扁平管への挿入工程を必要とする等のため、コスト増を招くという問題がある。また銅製の場合では、現状の押出し加工では、押出し多穴扁平管を製造するのは困難であり、コストが高く付くという問題がある。

また、銅製の押出し多穴扁平管の製造の問題を解決するために、一枚の銅製の板材を折り曲げて、中央に内柱部を形成するようにろう付けすることに扁平管を形成することが、特許文献２等により従来より知られている。しかしこの場合においては、十分な多穴扁平管が得られず、また十分に内表面積を拡大することができず、その結果、熱交換性能を十分に向上させることができないという問題がある。

特開平５−１１５９３４号公報 特開２００３−２０２１９６号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、冷媒流路である扁平管の熱伝達性能を向上し、高性能な沸騰冷却装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の沸騰冷却装置を提供する。
請求項１に記載の沸騰冷却装置は、第１と第２の冷媒槽４，５と、複数の冷媒流路３及び放熱フィン２とよりなる放熱部を備えていて、その内部に冷媒が封入されているものであって、この冷媒流路３がその内部を長手方向に仕切る少なくとも１つの内柱部３１を有し、この内柱部３１に冷媒の伝熱を促進する伝熱促進部３２〜３４を設けた扁平管３であることを特徴とするものである。これにより、放熱部での放熱性能の向上を図ることができる。

請求項２の沸騰冷却装置は、伝熱促進部として扁平管３の内柱部３１に複数の穴部３２を形成したものであり、また請求項３の沸騰冷却装置は、伝熱促進部として扁平管３の内柱部３１にスリット、ルーバー等の複数の切起し部３３又は複数の突起部を形成したものであり、これによって、冷媒流路内を流れる冷媒に乱流を発生させて、その熱伝達効果を向上させることができる。

請求項４の沸騰冷却装置は、内柱部３１及び伝熱促進部を含めて、扁平管３が１つの板材３０から形成されているものであり、これにより、放熱性能の向上と同時に、製造コストの削減を図ることができる。
請求項５の沸騰冷却装置は、伝熱促進部として内柱部から冷媒流路内に延在する伝熱面拡大部３４を設けたものであり、これにより、冷媒流路内の内表面積を拡大することができ、放熱性能の向上を図ることができる。

請求項６の沸騰冷却装置は、伝熱面拡大部３３，３４に複数の穴部３５又はスリット、ルーバー等の複数の切起し部３６を形成したものであり、これにより、伝熱表面積の拡大及び乱流効果をもたせることができ、放熱性能を一層向上できる。
請求項７の沸騰冷却装置は、扁平管３の材料である板材として、両面又は片面がろう材によってクラッドされたもの、もしくは全くろう材がクラッドされていないもののいづれかを使用したものである。

以下、図面に従って本発明の実施の形態の沸騰冷却装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態の沸騰冷却装置の断面図である。沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体７を冷却するものであり、一対の冷媒槽４，５と放熱部とで構成され、一体ろう付けにより製造される。発熱体７は、主にコンピュータチップ（ＣＰＵ）等の電子機器であり、受熱側である第１の冷媒槽４の外壁面略中央部に密着して取り付けられる。なお、図１では沸騰冷却装置１は、サイドヒートの姿勢で使用するものとして示されているが、受熱側である第１の冷媒槽４を下部に配置したボトムヒートの姿勢で使用することも可能である。

沸騰冷却装置１は、発熱体７が取り付けられる受熱側である第１の冷媒槽４、冷媒循環を形成する第２の冷媒槽５及びこれら第１、第２の冷媒槽４，５間に介在する放熱部とを備えていて、この内部を所定量の冷媒が封入されている一種の密閉容器を形成しており、その内部を冷媒の気化と凝縮とが繰り返えされる冷媒循環系を形成している。なお、符号８は、第１の冷媒槽４内に受熱側内壁に設けられた多孔質部材である。

放熱部は、第１、第２の両冷媒槽４，５間を連通する複数の冷媒流路３と、各冷媒流路３間に介在し、放熱面積を増大するための放熱フィン２と、このフィン２を保護するために放熱部の両側部に設けられるフィン抑え部材６とから構成されている。図１では、放熱フィン２はコルゲートフィン（波形フィン）となっているが、これに限定されるものではない。
沸騰冷却装置１を構成するこれらの部材（冷媒槽４，５、冷媒流路３、放熱フィン２及びフィン抑え部材６）は、好ましくは伝熱性に優れた金属材料（例えば、銅、アルミニウム及びこれらの合金等）により形成される。

次に本発明の特徴である冷媒流路３の構造について説明する。本発明では、冷媒流路３として扁平管３が使用され、図２（ａ）に示すようにこの扁平管３内には長手方向（管軸方向）に延びる内柱部３１が設けられていて内部を仕切っている。この内柱部３１は、扁平管３内に複数設けて、多穴扁平管３にすることも可能である。本発明の特徴は、この扁平管３の内柱部３１に後述する伝熱促進部を設けることにある。

図２（ａ）は、第１実施例の冷媒流路構造の斜視図であり、図２（ｂ）は、第１実施例の内柱部の斜視図である。扁平管３内には、長手方向に延在する内柱部３１が設けられていて、内部の冷媒流路を仕切っていると共に、内柱部３１には、伝熱促進部として、適宜の間隔をあけて複数の穴部３２が形成されている。これらの穴部３２の形状は、四角形でも、円形でも或いは長円形でもよい。この場合、扁平管３と内柱部３１とを別体で形成し、その後扁平管３内に内柱部３１を挿入し、ろう付け、溶接等により両者を固着してもよい。

図２（ｃ），（ｄ）は、第２実施例の冷媒流路構造を示しており、（ｃ）は内柱部の斜視図を、（ｄ）は内柱部の平面図である。第２実施例では、扁平管３の内柱部３１に伝熱促進部として、ルーバー、スリット等の複数の切起し部３３を適宜の間隔をあけて設けたものである。図２（ｃ），（ｄ）では、切起し部３３は交互に異なる方向に切り起こされているが、切り起しの方向を同じ方向に揃えてもよい。また、切起し部３３に代えて、図示されていないが内柱部３１に突起部を設けるようにしてもよい。この第２実施例でも、第１実施例と同様に扁平管３と円柱部３１とは、当初から一体に形成しても、或いは別体に形成し、後に両者を固着するようにしてもよい。

図３は、第３実施例の冷媒流路構造を示しており、（ａ），（ｂ）は、内柱部３１に設ける伝熱促進部である伝熱面拡大部３４の２つの例をそれぞれ示している。第３実施例の扁平管３は、内柱部３１及び伝熱面拡大部３４を含めて、１枚の板材３０から形成されている。この扁平管３の製造は、従来の扁平管の製造方法と同様の方法が採用されている。即ち、図４に示すように、長尺板材３０を折曲加工して、その長手方向に沿って左右対称に内柱部３１ａ，３１ｂ及び伝熱面拡大部３４ａ，３４ｂを予め形成する。次に内柱部３１ａ，３１ｂ同志が背中合わせに当接するように両側から折り曲げることによって、扁平管３を形成する。板材３０の両面又は片面にろう材がクラッドされている場合は、このろう材によって扁平管３がろう付けされる。板材３０にろう材が全くクラッドされていない場合は、折り曲げた板材３０の当接部をろう付け又は溶接等により固着することにより、扁平管３が製造される。

このようにして、１つの板材３０によって形成された扁平管３には、２倍の板厚の内柱部３１（３１ａ，３１ｂ）が形成されると共に、内柱部３１（３１ａ，３１ｂ）によって仕切られた扁平管３内の各々の空間（冷媒流路）内には、内柱部３１（３１ａ，３１ｂ）から図３において左右に各々延在する伝熱面拡大部３４ａ，３４ｂが、伝熱促進部として設けられるようになる。
図３（ａ）では、伝熱面拡大部３４ａ，３４ｂが、内柱部３１の底部から単純に斜め上方に傾斜した形状をしており、図３（ｂ）では、伝熱面拡大部３４ａ，３４ｂが、断面山形形状をしている。この山形形状の伝熱面拡大部３４ａ，３４ｂにおいては、扁平管３内にインナーフィンを挿入したと同じような効果を奏する。

また図３（ｃ），（ｄ）は、第３実施例の変形例を示している。この変形例では、伝熱面拡大部３４（３４ａ，３４ｂ）に複数の穴部３５又はスリット、ルーバー等の複数の切起し部３６が形成されている。即ち、図３（ｃ）では、伝熱面拡大部３４（３４ａ，３４ｂ）の傾斜面に、第１実施例の内柱部３１に形成した穴部３２と同様に適宜の間隔をあけて複数の穴部３５が形成されている。この穴部３５の穴形状は、四角形、円形、長円形及び多角形等のいずれでもよい。また、図３（ｄ）は、断面山形形状の伝熱面拡大部３４（３４ａ，３４ｂ）の傾斜面に、第２実施例の内柱部３１に形成した切起し部３３と同様にスリット、ルーバー等の複数の切起し部３６が形成されている。このように、伝熱面拡大部３４（３４ａ，３４ｂ）に穴部３５又は切起し部３６を形成することにより、内表面積拡大に加えて、乱流効果をもたせることもでき、伝熱性能が一層向上する。

上記構成よりなる沸騰冷却装置１の作動について説明する。
沸騰冷却装置１内部に所定量封入された冷媒が、第１の冷媒槽４にて発熱体７より受熱し、沸騰・気化し、冷媒流路（扁平管）３に流入する。放熱部には外部流体（冷却風）が導入されており、沸騰気化した冷媒蒸気は、冷媒流路（扁平管）３→放熱フィン２→外部流体へと熱伝達して放熱し、第２の冷媒槽５からＵターンしながら凝縮・液化し、第１の冷媒槽４へと環流する。

本発明の前記第１、第２実施例では、扁平管３の内柱部３１に伝熱促進部である穴部３２又は切起し部３３或いは突起部（図示せず）を設けることによって、扁平管３内での冷媒流れに乱流を発生させることができ、熱伝達効率を向上させることができ、放熱性能が向上し、冷媒の凝縮・液化が促進される。
また、本発明の前記第３実施例では、扁平管３内に伝熱促進部である伝熱面拡大部３４（３４ａ，３４ｂ）が、扁平管３と同一の板材３０で一体に形成されており、冷媒流路内の内表面積を拡大することができ、その放熱性能を向上でき、冷媒の凝縮・液化が促進される。また、一枚の板材３０で形成できるので、製造コストが削減できる。
更に、前記第３実施例の変形例では、伝熱面拡大部３４（３４ａ，３４ｂ）に穴部３５又は切起し部３６を形成しているので、内表面積の拡大に加えて、乱流効果も生じ、放熱性能を一層向上させることができる。

なお、本発明においては冷媒流路（扁平管）構造を沸騰冷却装置に使用される場合を例示して説明しているが、このような扁平管の構造は、必要に応じ各種の熱交換器に適用可能である。

本発明の実施の形態の沸騰冷却装置の断面図である。 （ａ）は第１実施例の冷媒流路構造の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の内柱部の斜視図であり、（ｃ），（ｄ）は第２実施例の冷媒流路構造の内柱部の斜視図及び平面図である。 （ａ），（ｂ）は第３実施例の冷媒流路構造のそれぞれの異なる形態を示す斜視図であり、（ｃ），（ｄ）は第３実施例の各変形例を示す図である。 図３（ｂ）に示された第３実施例の冷媒流路構造の製造手順を説明する図である。

符号の説明

１ 沸騰冷却装置
２ 伝熱フィン
３ 冷媒流路（扁平管）
３０ 板材
３１，３１ａ，３１ｂ 内柱部
３２ 穴部（伝熱促進部）
３３ 切越し部（伝熱促進部）
３４，３４ａ，３４ｂ 伝熱面拡大部（伝熱促進部）
３５ 穴部
３６ 切起し部
４，５ 冷媒槽
７ 発熱体

Claims (7)

1. 発熱体７が取り付けられる第１の冷媒槽（４）と、
   冷媒循環を形成する第２の冷媒槽（５）と、
   前記両冷媒槽（４，５）間を連通する複数の冷媒流路（３）及びこの冷媒流路（３）間に介在する放熱フィン（２）とからなる放熱部と、
   から構成され、その内部に所定量の冷媒が封入されている沸騰冷却装置（１）において、
   前記冷媒流路（３）が、その内部を長手方向に仕切る少なくとも１つの内柱部（３１）を有する扁平管（３）であって、前記内柱部（３１）に冷媒の伝熱を促進する伝熱促進部（３２〜３４）を設けたことを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記伝熱促進部が、前記内柱部（３１）に形成され、前記内柱部（３１）によって仕切られた前記扁平管（３）内の冷媒流路間を連通する複数の穴部（３２）であることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記伝熱促進部が、前記扁平管（３）内の前記内柱部（３１）に形成された、スリット、ルーバー等の複数の切起し部（３３）又は複数の突起部であることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記内柱部（３１）及び前記伝熱促進部を含めて、前記扁平管（３）が、１つの板材（３０）から形成されることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記伝熱促進部が、前記内柱部（３１）から冷媒流路内に延在する伝熱面拡大部（３４）であることを特徴とする請求項４に記載の沸騰冷却装置。
6. 前記伝熱面拡大部（３４）に複数の穴部（３５）又はスリット、ルーバー等の複数の切起し部（３６）を形成したことを特徴とする請求項５に記載の沸騰冷却装置。
7. 前記板材（３０）が、両面又は片面をろう材によってクラッドされたもの、もしくは全くろう材がクラッドされていないものであることを特徴とする請求項４，５又は６に記載の沸騰冷却装置。

Images