JP2008519430A - 液冷式冷却プレート型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】熱交換器は、冷却対象物に固定される熱回収面(11)、及びその裏側にあってフィンを有していても良い熱移動面(12)を有した冷却プレート(10)と、熱移動面(12)を覆う冷却室(30)とを備える。冷却室(30)は流入ポート(27)と流出ポート(29)とを備え、両ポート間の流路を介して流体が循環する。流路内の流動分散部材(40)は、流入ポート(27)に連通する複数の流入路(44)と、流入路(44)と互い違いに設けられて流出ポート(29)に連通する複数の流出路(33)と、ギャップ(48)により熱移動面(12)から離間された複数の流動面(46)とを形成する。流入路(44)がギャップ(48)と連通することにより、流入ポート(27)を介して流入路(44)に流入した流体は、ギャップ(48)を通って流動して流出路(33)に流入し、流出ポート(29)を介して冷却室(30)から流出する。ギャップ(48)は、流体の速度を増大させると共に、流体の混合を促進する大きさとされる。
【選択図】図２

Description

本発明は、熱移動面と、その裏側にあって冷却対象物に固定される熱回収面とを有する冷却プレートと、上記熱移動面を覆うように設けられる冷却室とを備え、この冷却室は流入ポートと流出ポートとを有し、両ポート間の流路を介して流体を冷却室に循環させるようにした熱交換器に関するものである。

従来の液冷式冷却プレート型熱交換器では、流路の一端に流体が供給されると共に、流路の他端で流体が回収される。通常、流体は冷却される面と平行に流動する。流路は、冷却面における流体通路を流体の予熱（温度勾配）や好ましい圧力低下に関連させて管理するべく、直列及び並列の通路に展開される。流路が細くなるに従い、流体の圧力低下が増大する。流体の予熱は冷却プレートの熱移動効率を制限するものであり、冷却面と流体との間の温度差と比較して流体の予熱を最小限にするためには、流体の流速が高く維持されなければならない。

特許文献１及び２に示された装置では、冷却される面に垂直な方向に流体が流動する。流体は、冷却面に取り付けられたフィンの先端部上方にある空間に導入される。流体は、フィン先端部近傍のフィンの間にある流路に流入し、フィンの基部近傍の流体回収路へと流出する。垂直な流動の発想は、フィンの間の狭い流路内における流体の流動距離を減少させることにより、圧力低下を減少させる。また、流体の予熱が生じないため、高い熱移動効率を得ることが可能となる。
米国特許５，０２９，６３８号明細書 米国特許５，１４５，００１号明細書

この発想の欠点は、フィンが突出する壁からフィンへの、即ち熱発生部材に装着された熱交換プレートからフィンへの熱伝導を、フィンの基部近傍の流体回収路が妨げることにある。このことは、フィンへの熱伝導経路における熱抵抗を増大させることになる。

本発明による熱交換器は、流路に流動分散部材が組み込まれており、この流動分散部材は、流入ポートに連通する複数の流入路と、上記流入路と互い違いに設けられて流出ポートに連通する複数の流出路と、熱移動面からギャップを設けて離間された複数の流動面とを有する。上記流入路は、上記流入ポートを介して上記流入路に流入する流体が上記ギャップを通って流動し、上記流出路に流入して上記流出ポートから室外へ流出するように、上記ギャップと連通している。

作動時には、流体は冷却プレートの流入ポートに流入し、流動分散部材の全ての流入路に連通した流入部内に流入する。流入路は、冷却プレートに近接するギャップ内に流体を向かわせる。流体は熱移動面上を流動し、流出路に流入して流出ポートから流出部を出るまでの短い距離の間に、熱移動面との間で熱交換を行う。
流体は、流入部や流出部のような、冷却プレートの低い流動抵抗を有する領域を比較的低速で流動する一方、ギャップを比較的高速で流動し、冷却される面の領域において高い流動抵抗が熱の移動を促進する。これにより、冷却される面における高い熱移動率を可能としながら、圧力低下を小さくすることが可能となる。

新たな分散流の放射及び収集の発想は、熱移動を高める様々な構成を用いて高性能の冷却プレートを形成することを可能とする。この発想は、単相及び２相の冷却プレートのいずれにも好適である。
本発明による熱交換器は、様々な熱移動促進面（フィン、窪みなど）に用いられるだけではなく、何も設けられていない面にも効果的に適用することができる。凹凸要素や、こぶ、樹状突起、多孔性発泡体、或いは多孔性焼結粉などの不規則に設けられた促進部材のほか、均一に配列された板状フィン、溝、ピン状フィン、分断された板状フィン、或いは互いに交差するフィンなどで構成された表面積増大部材と共に用いることが可能である。

本発明の更なる目的及び特徴は、添付の図面と共に斟酌される以下の詳細な説明から明らかであろう。但し、これら図面は、本発明の範囲を定めるものではなく、本発明の例示を目的として作成されたものに過ぎないものであって、本発明の範囲は添付の請求項を参照すべきであることはいうまでもない。また、これら図面は、必ずしも一定の縮尺で作成されたものではなく、特に示されない限り、ここに述べられた構成及び手順を概念的に例示するものに過ぎないことはいうまでもない。

本発明による熱交換器の効果には以下が含まれる。
高い熱移動性能は、中間の微小に延設された面（フィン）及び／又は別の熱移動促進構造（流動干渉体、凹凸、小さな窪みなど）を有した熱移動面により達成できる。
冷却される面の多くの箇所に冷却流体が直接的に分散されることにより、流体の予熱量を最小限にすると共に効率を最大限にする。

流体は、供給された位置の近傍に集められ、流体の流動経路の長さが制限されて圧力低下が低く維持される。
高い熱移動性能は、圧力低下が低い状態で達成される。
冷却される面の大きさは、単位表面積あたりの同じ冷却能力を提供する可能性を維持しながら、より大きなサイズへと容易に拡大することが可能である。

不均一な熱変動を有した面は、当該面に対応して設計された不均一な流体の変化をその面に適用することによって、より低い流体流量での対処が可能となる。

本発明の更なる特徴及び利点は、添付図面中の限定されない例によって示された、その好ましい実施形態についての以下の詳細な説明からより明確になるであろう。
図１及び２を参照すると、本発明による熱交換器の第１実施形態は、半導体部品などの冷却対象物に取り付けられる熱回収面１１と、その裏側にあって熱を取り去るために流体が循環される熱移動面１２とを有した金属性の冷却プレート１０を備える。熱移動面１２は、熱移動面１２から立設された平行な微小なフィン１４の配列を有している。これらのフィンは、板１０に溝を転がすことによって形成してもよいものであって、０．００１インチ以下の高さを有するようにしても良い。

別の実施形態では、図１Ａに示すように、熱移動面は、多孔性発泡体パッド１６からなる不規則な表面増大部材を備えている。
冷却プレート１０を覆うように嵌合するカバー２０は、ポンプなどの循環手段に流体導管を接続するための流入ニップル２６及び流出ニップル２８が設けられた頂部２２を備えており、周囲には周壁２４及び取付ベース２５が設けられている。ベース２５には、冷却プレート１０にある取付孔１８に対応したボス３４及び取付孔３５のほか、ゴム製Ｏリングを受容するシール溝３６が設けられている。カバー２０には、第１凹部３２と、第１凹部３２の底部に形成されて流動分散部材４０を受容する第２凹部３８が設けられている。これら凹部は、冷却プレート１０に装着されたときに冷却室３０を形成する。流動分散部材４０は成型プラスチックモジュールであるのが好ましく、第２凹部３８内に固定されると共に段部３９によって第２凹部の底部から離間することにより冷却室３０の流入部３１を形成する（図３）。第２凹部３８の底部にある流入ポート２７は、流入ニップル２６と連通している。第１凹部３２の底部に位置する一方で第２凹部３２の外側に位置する流出ポート２９は、流出ニップル２８と連通している。第２凹部３８に代えて、流動分散部材４０が流入部３１を形成する凹部を備えるようにしても良い。

図３を参照すると、流動分散部材４０は、冷却室３０の流入部３１及び流出部３３間の分割壁として機能する。この分割壁には、流入部３１と流出部３３との間に延設されることにより流出部に連通する流入路として機能する平行な溝４４が設けられている。分割壁４０は、流出路４７によって分離され、ギャップ４８によって熱移動面から離間された複数のランド部４６を同一平面上に有している。各ランド部４６は、それぞれの溝又は流入路４４によって分断され、熱移動面１２に対面する流動面を形成している。

熱移動面にフィン１４が設けられる場合、ランド部４６がフィンの先端部に当接するようにすることで、フィンの高さによってギャップの大きさが決定されるようにするのが好ましい。このようにすることで、ギャップ４８内の冷却流体はフィンの間の流路を通って流動させられるようになり、流速を高めると共に、流体が概ね流出ポート２９の方向に向けて移動する際に、数度にわたりその方向を変更させることになる。便宜上、図１に示すように直交座標を用いると、流体はまず溝４４を通ってＺ方向に下方に移動し、次にギャップ４８を通ってＹ方向に、そして流出路４７を通ってＸ方向に移動する。

本発明による熱交換器の第２実施形態を図４及び５に示す。冷却プレート５０は、熱回収面５１、熱移動面５２、及び熱移動面に設けられた微小なフィン５４を有している。カバー６０は、ベース６２のほか、前壁６４、後壁６５、及びベースの縁部から立設された対向する側壁６６を有している。カバー６０は冷却プレート５０と嵌合して冷却室６１を形成しており、鑞付け（両者が金属の場合）、接着、或いはガスケットを用いた機械的な接合などにより固定されている。

流動分散部材は、ベース６２に固定されて両側壁６６間に延設された蛇行壁７０により形成され、冷却室６１を、流入ポート６７からの供給を受ける流入部７２と、流出ポート６８への供給を行う流出部７４とに分割している。蛇行壁７０は流入部７２において流入路７３を形成すると共に、流出部７４において流出路７５を形成しており、流入路７３は流出路７５と互い違いに設けられている。蛇行壁７０は、流入路７３及び流出路７５の閉鎖端部を形成する湾曲部７７によって連結された平行な壁部７６を有する。壁部７６は平行なものとして示されるものの、この点は本質的要素ではなく、正弦波状や別の形状で流入路と流出路とを互い違いに設けるようにしても良い。同様に、流路７３及び７５の閉鎖端部７７も、湾曲している必要はなく、四角状に仕切って上述したようにフィンとつなぎ合わさるようにしても良い。

蛇行壁７０は、冷却プレート５０がカバー６０に取り付けられて冷却室６１を封じるときギャップ７９の分だけ熱移動面５２から離間する、長手方向縁部７８を有する。図５の断面図に高さを誇張して示すようなフィン５４が熱移動面に設けられている場合、フィン５４の先端部５６は蛇行壁７０の先端部と直接的に接触しているのが好ましい。従って、全ての流体がフィンの間の流路５８を通って流動するように、フィン５６の高さが壁部７６に形成された流動面と熱移動面５２との間のギャップ７９の寸法を定める。第１実施形態の構成と同様に、このような構成もギャップ７９において多方向に向けた流体の高速の流動をもたらす。図４に示す直交座標を用いると、流体はＸ方向に向けて流入ポート６７に流入し、Ｙ方向に向けて流入路７３に流入する。更に流体は、Ｘ方向にギャップ７９を通過し、Ｙ方向に流出路７５を通って移動し、Ｘ方向に流出ポート６８から流出する。通常、流体がギャップ内の高速領域に出入りする際には、Ｚ方向にかなりの混合が発生し、良好な熱移動をもたらす。流入ポート６７及び流出ポート６８をベース６２に設けることが可能なスペースがある場合には、Ｚ方向における更なる混合が得られる。

冷却プレートの熱移動面にフィンを設けない場合においても本発明の効果が得られることは強調する必要があるが、フィンは冷却プレートへの熱拡散のための表面積を増加させると共に、流体を指向させ混合させる機能を有する。
図６乃至８は、ピン状フィン型冷却プレート８０、流動分散部材９０及びマニホールド１００を用いた熱交換器の一実施形態を示す。冷却プレート８０は、熱回収面８１と、ピン状フィン８４が設けられた熱移動面８２とを有しており、周壁部８６に嵌合することによってピン状フィン８４を取り囲む冷却室を形成する。周壁部８６には、例えばプリント基板上の半導体などの冷却対象部品上に冷却プレート８０を固定するための取付孔８８を有したタブ８７が設けられている。

流動分散部材９０は、互い違いに設けられた流入孔９４の列及び流出孔９６の列を有するベースプレート９２を備えている。マニホールド１００は、循環ループに接続するための流入ニップル１０３及び流出ニップル１０４を有した周壁１０２と、流入路１０８を有する流入部１０７を、流出路１１０を有する流出部１０９から分離する蛇行分割壁１０６とを備える。流入路１０８と流出路１１０とは互い違いになっており、それぞれ流入孔９４の列及び流出孔９６の列と連通している。ベースプレート９２は、奇数列のピン状フィン８４（１列あたり６個のピン）の間に間隔を置いて流入孔９４（１列あたり５個の孔）を配列すると共に、偶数列のピン状フィン８４（１列あたり５個のピン）の間に間隔を置いて流出孔９６（１列あたり６個の孔）を配列し、ピン状フィン８４の先端部に直接取り付けられるのが好ましい。これにより、いくつかのピン状フィンにおいては冷却流体の実質的に下方への流れを生む出すと共に、他のピン状フィンでは実質的に上方への流れを生み出し、流体が熱移動面８２に対して方向を変える際に良好な混合を生じさせる。カバー１１２は、蛇行壁１０６の先端部と接触して装着されることにより、流体は全て、流入部１０７から流出部１０９へと、ピン状フィン８４を取り囲む冷却室を経由して流動する。

以上のように、本発明の新規な基本的特徴が、その好ましい実施形態に適用されたものとして図示され、記述され、指し示されたが、例示された装置の外観及び詳細、並びにその動作において、様々な省略、代替、及び変更が、本発明の真意から逸脱することなく当業者によってなし得ることはいうまでもない。例えば、実質的に同じ方法により、実質的に同様の機能を実行して同様の結果を得る要素及び／又は方法の組合せは、いずれも本発明の範囲内にあることが明らかである。また、開示された本発明の態様或いは実施形態と関連づけて示され及び／又は述べられた構成及び／又は要素及び／又は方法は、一般的な設計的選択事項として開示、記述、或いは示唆された別の態様或いは実施形態のいずれにも組み込むことが可能である。従って、ここに添付された請求の範囲によって示されるとおりに本発明の範囲が定められる。

本発明による熱交換器の第１実施形態の上方からの分解斜視図、 別の冷却プレートの斜視図、 第１実施形態におけるカバー及び流動分散モジュールの下方からの斜視図、 図１及び２の熱交換器の断面図、 本発明による熱交換器の第２実施形態の分解斜視図、 図４の熱交換器の断面図、 熱交換器の第３実施形態の側面図、 カバーを取り除いた第３実施形態の平面図、及び 第３実施形態の冷却プレートの平面図である。

符号の説明

１０，５０，８０ 冷却プレート
１１，５１，８１ 熱回収面
１２，５２，８２ 熱移動面
１４，５４ フィン（表面増大部材、冷却フィン）
１６ 多孔性発泡体パッド（表面増大部材、発泡体パッド）
２０，６０ カバー
２７，６７ 流入ポート
２９，６８ 流出ポート
３０，６１ 冷却室
３１，７２，１０７ 流入部
３３，７４，１０９ 流出部
３８ 第２凹部（凹部）
４０ 流動分散部材（分割壁）
４４ 溝（流入路）
４６ ランド部
４８，７９ ギャップ
６２ ベース
６６ 側壁
７０ 蛇行壁（流動分散部材、分割壁）
７３，１０８ 流入路
７５，１１０ 流出路
７６ 壁部
７７ 湾曲部
８４ ピン状フィン（表面増大部材、冷却フィン）
９０ 流動分散部材
１０６ 蛇行分割壁（分割壁）

Claims (8)

1. 冷却対象物から熱を取り除くための熱交換器において、
   熱移動面と、その裏側にあって冷却対象物に固定される熱回収面とを有する冷却プレートと、
   上記熱移動面を覆うように設けられて流入ポートと流出ポートとを有し、上記流入ポート及び流出ポート間の流路を介して流体が循環される冷却室と、
   上記流路に設けられる流体分散部材であって、上記流入ポートに連通する複数の流入路と、上記流入路と互い違いに設けられて上記流出ポートに連通する複数の流出路と、上記熱移動面と平行であると共に均一のギャップを設けて上記熱移動面から離間された同一平面上の複数の流動面とを有する流動分散部材と
   を備え、
   上記流入路は、上記流入ポートを介して上記流入路に流入する流体が上記ギャップを通って流動し、上記流出路に流入して上記流出ポートから上記冷却室の外へ流出するように、上記ギャップと連通しており、
   上記冷却プレートは、上記熱移動面から上記ギャップ内に立設されたほぼ平行な複数の冷却フィンを更に備え、
   上記フィンは、上記流動面に当接すると共に、上記流入路を横断するように延設され、上記フィンが、上記流入路、上記流出路、及び上記流動面を横切るように連続的に延設されることにより、流体は上記ギャップを横断するように流動させられて上記流入路及び流出路内を流れることを特徴とする熱交換器。
2. 上記流動分散部材は、上記冷却室を流入部と流出部とに分割する分割壁を備え、
   上記流入部は、上記分割壁により上記熱移動面から分離されており、
   上記流入路は、上記流入部から上記流出部にかけて上記分割壁を通って延設された複数の溝を備え、
   上記分割壁は、上記ギャップにより上記熱移動面から離間されると共に上記流出路によって分離された複数のランド部を備え、
   上記ランド部のそれぞれは、上記流動面が上記ランド部に形成されるように、上記溝のそれぞれにより分断されていることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
3. 上記冷却プレートと嵌合して上記冷却室を形成するカバーを更に備え、
   上記流入ポート及び流出ポートは上記カバーに形成されており、
   上記流動分散部材は、上記流入ポートに装着されるモジュールとして形成され、
   上記モジュール及び上記カバーの一方は、上記流入部を形成する凹部が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の熱交換器。
4. 上記凹部は上記カバーに形成されており、上記モジュールは上記凹部に受容されることを特徴とする請求項３に記載の熱交換器。
5. 上記流動分散部材は、上記流入路を有する流入部と上記流出路を有する流出部とに上記冷却室を分割する蛇行壁を備え、
   上記流入部及び流出部は共に、上記熱移動面で連結されており、
   上記蛇行壁は、上記ギャップの分だけ上記熱移動面から離間することによって上記流動面を形成する長手方向縁部を有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。
6. 上記蛇行壁は、上記流路の閉鎖端部を形成する湾曲部により接続されたほぼ平行な壁部を有することを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
7. 上記冷却プレートと嵌合して上記冷却室を形成するカバーを更に備え、
   上記カバーは、ベースと１対の対向する側壁とを備え、
   上記蛇行壁は、上記側壁間に延設されると共に、上記長手方向縁部が上記ギャップの分だけ熱移動面から離間するように、上記ベースから上方に延設されることを特徴とする請求項５に記載の熱交換器。
8. 上記流動分散部材は、成型プラスチックからなることを特徴とする請求項１に記載の熱交換器。

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