JP2013130379A - 冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】受熱部の熱伝達効率を高め、冷却性能の向上を図る。
【解決手段】横向きに配置されるタンク２の上側部に、上下方向に沿うパイプ３がタンク２の長さ方向に並んで複数本立設されるとともに、これらパイプ３の下端部がタンク２内に連通状態とされ、タンク２の内底面に、上下方向に沿う板状リブ８が長さ方向に沿って立設され、冷媒が、板状リブ８の上端よりも下方位置に液面Ｌを形成するように封入され、タンク２の外底面が受熱部とされており、タンク２は、その周壁と板状リブ８とが一体形成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ヒートパイプ式の冷却器に係り、受熱部の構造改良に関する。

アルミニウム製冷却器は、冷媒として水を使用すると、化学反応により水素が発生し、密閉容器内に滞留することから冷却性能が劣化する。このため、冷媒として代替フロンを使用しているが、オゾン破壊及び地球温暖化に影響がある。したがって、オゾン破壊及び地球温暖化に影響がない水を冷媒に使用する要望が強い。
水を冷媒に使った冷却器としては、単管ヒートパイプが一般的であるが、特許文献１に記載のようなヒートパイプユニット式冷却器もある。ヒートパイプは構造が簡単で作り易く、熱効率がよいが、代替フロンを使ったアルミニウム製冷却器の性能には及ばないため、その性能向上が望まれている。

このヒートパイプ式冷却器の性能向上を図ったものとして、例えば特許文献２〜４に示すものがある。
特許文献２記載の冷却器では、ヒートパイプの吸熱部（受熱部）の内面に核沸騰を促進させる突出部が周方向に等間隔で複数設けられている。
特許文献３記載の冷却器では、ヒートパイプの吸熱部の内面に核沸騰を促進させるインナーフィンが嵌着されている。インナーフィンとしては、ヒートパイプの径方向中心から放射状に延びる横断面形状のものが図示されている。
特許文献４記載の冷却器では、受熱部の内底部に平板状の放熱促進フィンが複数平行に立設されている。

特開２００４−１２５３８１号公報 実開昭６１−１６１５５４号公報 実開昭６１−１６１５６０号公報 国際公開２０１０／０５８５２０号公報

これら特許文献２〜４記載の冷却器は、突出部あるいはフィンにより、冷媒との接触面積を増やして、受熱部の熱伝達効率を高めることができるとされているが、より効率を高めて、さらなる冷却性能の向上が求められている。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、受熱部の熱伝達効率を高め、冷却性能の向上を図ることを目的とする。

特許文献２〜３記載の冷却器では、突出部やインナーフィンを嵌着等により接合しているため、接触熱抵抗が生じる。また、特許文献４記載の冷却器では、液面よりもフィン高さが低いため、表面積の拡大が最大限生かされていない。
本発明はこれらの課題解決のため、以下の解決手段とした。

すなわち、本発明の冷却器は、横向きに配置されるタンクの上側部に、上下方向に沿うパイプが前記タンクの長さ方向に並んで複数本立設されるとともに、これらパイプの下端部が前記タンク内に連通状態とされ、前記タンクの内底面に、上下方向に沿う板状リブが長さ方向に沿って立設され、冷媒が、前記板状リブの上端よりも下方位置に液面を形成するように封入され、前記タンクの外底面が受熱面とされており、前記タンクは、その周壁と前記板状リブとが一体形成されていることを特徴とする。

この冷却器は、タンクの外底面をブロック等に埋め込み、そのブロックを介して半導体素子を取り付けて使用される。半導体素子の熱は、タンクの外底面から内部の冷媒に伝わり、冷媒を加熱する。冷媒は、加熱により沸騰して、その蒸気がタンクの上部スペースを経由して各パイプ内に上昇し、これらパイプから放熱されることにより凝縮し、その凝縮液が再びパイプ内を下降しタンクに戻される。
この場合、タンク内に立設される板状リブは、冷媒との接触面積を増やして、冷媒への熱伝達を促進することができる。また、この板状リブの下端部表面とタンク内周面との間が角部となることから、その角部に熱が集中して、その熱の集中により沸騰の核が発生し易い。したがって、この角部を中心に核沸騰が生じる。この板状リブは、上端部が冷媒の液面よりも上方に突出して配置されていることから、この角部から上方に向けて温度勾配が生じ、角部において最も高温になる。このため、角部で生じた核沸騰がタンクや板状リブの面方向に拡がることなく、角部で集中的に発生した状態が継続される。
しかも、タンクの周壁と板状リブとが一体成形され、これらの間の熱伝達も円滑に行わうことができる。

本発明の冷却器において、前記板状リブは、相互に間隔をあけて複数平行に設けられているとよい。
各板状リブの下端部とタンクの内周面との間に角部が形成されるため、これら角部が沸騰の核となり、複数箇所で核沸騰を生じさせることができ、熱伝達効率をさらに高めることができる。

本発明の冷却器において、前記タンク及び板状リブは銅又は銅合金により形成されているとよい。
冷媒として水の使用が可能になり、環境への影響を低減することができる。しかも、局部的な核沸騰により熱伝達効率が高いので、水を使用しても高い冷却性能を発揮することができる。

本発明の冷却器によれば、板状リブが液面より上方に突出しているため、冷媒との接触面積が大きく、また、タンクの周壁と板状リブとが一体成形されているため、その間の熱伝達も円滑に行うことができ、熱伝達効率を高め、冷却性能の向上を図ることができる。

本発明の冷却器の一実施形態を示す全体斜視図である。 図１の冷却器に用いられる本発明の第１実施形態におけるタンクの内部構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態におけるタンクの内部構造を示す図２同様の断面図である。 本発明の第３実施形態におけるタンクの内部構造を示す図２同様の断面図である。

以下、本発明の冷却器の実施形態を説明する。
図１は、本発明が適用される冷却器の全体構造を示している。この冷却器１は、水平に配置されたタンク２と、このタンク２の上側部に垂直に立設された複数本のパイプ３と、タンク２の外底面を埋設するベースブロック４と、パイプ３の上端部に設けられた複数のフィン５とを備えており、ベースブロック４におけるタンク２の取付け部とは反対面に半導体素子６が固定される構成である。

タンク２は、両端部とも閉塞され、その上側部の壁に各パイプ３の下端部が固定されている。これらパイプ３は、上端部が閉塞状態とされるが、下端部は開口され、タンク２の壁を貫通状態に固定されることにより、タンク２の内部とパイプ３の内部とが連通状態に接続されている。図２に示す本発明の第１実施形態の例では、タンク２の貫通孔の内側にパイプが挿入されろう付けにより接合されている。また、これらパイプ３は、タンク２に直交するように垂直に立設されることにより、タンク２の長さ方向に列をなすように立設されている。
フィン５は、薄板状に形成され、複数枚が若干の間隔をあけて重ねられ、各パイプ３の上端部に串刺し状態に取り付けられている。

そして、タンク２の内部に、その内部空間を左右二つの空間に二分するように垂直な板状リブ８がタンク２の長さ方向に沿って設けられている。この板状リブ８は、その上端部及び下端部がタンク２の内周面にそれぞれ固定されており、この板状リブ８により仕切られた二つの空間は、タンク２に接続されている各パイプ３の開口３ａを介して相互に連通している。この場合、このタンク２は押出成形又は連続鋳造により製造されており、タンク２の周壁と板状リブ８とは一体成形されている。
そして、この板状リブ８の上部を液面から突出させるように、高さ方向の途中まで冷媒として水が封入されている。符号Ｌが冷媒の液面を示す。
ベースブロック４は、タンク２の下側の半分以上を覆うように埋設しており、図示例では裏面が半導体取付け面９とされ、ベースブロック４に埋設されているタンク２の外底面が受熱面Ｓとされている。
なお、タンク２、各パイプ３は、銅又は銅合金により構成され、ベースブロック４は、アルミニウム又はアルミニウム合金により構成される。図１において符号１０はタンク２の一端部に接続された冷媒注入用管を示す。

このように構成した冷却器１は、ベースブロック４の半導体取付け面９に半導体素子６を固定して使用される。半導体素子６の熱は、タンク２の外底面の受熱面Ｓから内部の冷媒に伝わり、半導体素子６が高温になると、その熱は図２に矢印で模式的に示したように、ベースブロック４を経由してタンク２の壁に伝わる。このタンク２の壁に伝わった熱は、壁に沿って周方向及び長さ方向に伝導するとともに、このタンク２には、内部に板状リブ８が立設されているため、板状リブ８に熱が伝わり、この板状リブ８を面方向に伝導し、その間にタンク２の壁及び板状リブ８の表面によって冷媒を加熱する。冷媒は、加熱により沸騰して、その蒸気がタンク２の上部スペースを経由して各パイプ３内に上昇し、これらパイプ３の上端部でフィン５から放熱されることにより凝縮し、その凝縮液が再びパイプ３内を下降してタンク２に戻される。

このとき、タンク２の壁は緩やかな凹円弧壁であり、板状リブ８は平坦であるので、ベースブロック４から伝わった熱は、タンク２の壁及び板状リブ８の面に沿って速やかに伝導する。これに対して、板状リブ８とタンク２の壁との結合部１１付近は、タンク２の壁を伝わる熱が板状リブ８の結合部１１の両側から集まってくるとともに、タンク２の壁を周方向に伝導する熱が向きを変えて板状リブ８に伝達する。このため、その結合部１１に熱が集中することになり、結合部１１付近が特に高温になって、この結合部１１の両側の角部Ａを起点に沸騰が生じる。

板状リブ８及びタンク２の壁は、冷媒の液面Ｌより上方にまで延びているので、板状リブ８の表面の大部分を伝熱面積として広く使えるとともに、この液面Ｌから上方に突出して比較的温度の低い上端部と、熱が集中して高温になる結合部１１との間で温度勾配が生じる。このため、これらタンク２及び板状リブ８の全体が均一な温度で上昇するのではなく、結合部１１が他の部分よりも高温となった状態で全体が温度上昇する。したがって、常に高温状態となる結合部１１の両側の角部Ａを起点とした核沸騰状態を継続させることができる。しかも、タンク２の周壁と板状リブ８とは一体成形されているので、これらの結合部１１における熱伝達も円滑に行うことができる。したがって、高い熱伝達効率を維持して冷却性能を高めることができる。
板状リブ８の上端が液面Ｌよりも低いと、伝熱面積が少なくなって、熱伝達効率を低下させることになる。

図３は本発明の第２実施形態を示しており、この第２実施形態では、板状リブ１５の高さがタンク２の直径よりも小さく、その上端がタンク２の内周面から離間して配置されている。ただし、板状リブ１５の上端部は冷媒の液面Lより上方に突出している。その他の構成は第１実施形態と同様であり、共通部分には同一符号を付して説明を省略する。
この第２実施形態においても、板状リブ１５が冷媒の液面Lより上方に突出しているので、第１実施形態の場合と同様に、板状リブ１５に生じる温度勾配により、板状リブ１５の下端部とタンクの壁との結合部１１において最も高温になり、その両側の角部Ａで核沸騰状態を継続させることができる。

図４は本発明の第３実施形態を示している。この第３実施形態では、板状リブ１６Ａ〜１６Ｃの高さは第２実施形態の場合と同様にタンク２の直径より小さく、上端がタンク２の内周面から離間して配置されているが、この板状リブ１６Ａ〜１６Ｃが複数枚平行に設けられている。図示例では、３枚の板状リブ１６Ａ〜１６Ｃがタンク２内の上部を除く大部分の空間をほぼ同じ幅の四つの溝状空間に区画するように、ほぼ等間隔で設けられている。この場合も、各板状リブ１６Ａ〜１６Ｃの上端部は冷媒の液面Ｌの上方に突出している。

この第３実施形態では、各板状リブ１６Ａ〜１６Ｃとタンク２の壁との結合部１１の両側に角部Ａが形成されるので、この角部Ａを起点として核沸騰が生じる。核沸騰の起点Ａが複数、この場合は６箇所となるので、より冷却性能を高めることができる。
板状リブの枚数は、この３枚に限るものではない。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、タンク、板状リブ、パイプを銅又は銅合金により形成したが、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成することを妨げるものではない。また、冷媒として水を使用したが、水以外の冷媒を用いてもよい。
また、タンクは厳密に水平に配置されなくても、横向きに配置されるものであればよく、パイプも垂直に対して若干傾いて配置されることは許容される。また、このタンクは断面丸形のパイプ形状としたが、断面四角形等の他の形状としてもよい。

１ 冷却器
２ タンク
３ パイプ
４ ベースブロック
５ フィン
６ 半導体素子
８ 板状リブ
９ 半導体取付け面
１０ 冷媒注入用管
１１ 結合部
１５，１６Ａ〜１６Ｃ 板状リブ
Ａ 角部（核沸騰の起点）
Ｌ 液面
Ｓ 受熱面

Claims (3)

1. 横向きに配置されるタンクの上側部に、上下方向に沿うパイプが前記タンクの長さ方向に並んで複数本立設されるとともに、これらパイプの下端部が前記タンク内に連通状態とされ、前記タンクの内底面に、上下方向に沿う板状リブが長さ方向に沿って立設され、冷媒が、前記板状リブの上端よりも下方位置に液面を形成するように封入され、前記タンクの外底面が受熱面とされており、前記タンクは、その周壁と前記板状リブとが一体形成されていることを特徴とする冷却器。
2. 前記板状リブは、相互に間隔をあけて複数平行に設けられていることを特徴とする請求項１記載の冷却器。
3. 前記タンク及び板状リブは銅又は銅合金により形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却器。
   

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