JP2013155925A - 沸騰冷却器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒に対する発熱体の熱の伝達を促進することよって発熱体の冷却効率を高めることにより、ドライアウトの発生を防止することができる沸騰冷却器を提供する。
【解決手段】 沸騰冷却器Ｍは、筐体１の内部に収容され、凝縮部２を介して放熱して気体から液体に変化するとともに、半導体素子Ｈから吸熱して液体から気体に変化する冷媒３Ａ，３Ｂを備えている。筐体１の内部における表面に多孔質体５が接合され、多孔質体５は、液体冷媒３Ｂに浸されている。多孔質体５に、液体冷媒３Ｂが気化される連通孔８が形成され、筐体１に、連通孔８と筐体１の内部とを連通する気体流路６が形成されており、気体流路６が、多孔質体５と非接触状態となる位置に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体の冷媒が沸騰する際に生ずる潜熱移動により発熱体を冷却する沸騰冷却器に関する。

半導体素子などの発熱体を冷却する装置として、従来、冷媒の液体から気体への相変化を利用した沸騰冷却器が知られている。沸騰冷却器は、冷媒を収容し、発熱体の熱を冷媒に伝達する筐体を備えている。また、筐体の上方には、気化した冷媒を液体に凝縮する凝縮部が設けられており、液体の冷媒が沸騰する際に生ずる潜熱移動により発熱体を冷却するというものである。

この種の沸騰冷却器として、従来、冷媒を蒸発させる蒸発部と冷媒を貯蔵する液溜部とを備え、蒸発部と液溜部との間にウィックを介在させた冷却装置がある（たとえば、特許文献１参照）。この沸騰冷却器は、ウィックとして多孔質アルミナを用いている。このため、蒸発部と液溜部との伝熱性を高いものとしながら、安定して気体／液体をウィックに通過させることができるようにしている。

特開２００４−２２６８２号公報

しかし、上記特許文献１に開示された冷却装置においては、蒸発部とウィックとの間に、気化した冷媒の流路が形成されている。この流路が形成されていることにより、蒸発部と液溜部との接触面積が小さくなってしまう。このため、蒸発部と液溜部（筐体）との間の伝熱性が低くなり、その結果、冷媒の蒸発の促進が阻害されて、発熱体の冷却効率が低くなり、ドライアウトを発生させてしまうことがあるという問題があった。

そこで、本発明の課題は、冷媒に対する発熱体の熱の伝達を促進することよって発熱体の冷却効率を高めることにより、ドライアウトの発生を防止することができる沸騰冷却器を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係る沸騰冷却器は、発熱体から発せられる熱を吸熱し、発熱体と接触する発熱体接触部を備える筐体に設けられた凝縮部に発熱体から発せられた熱を伝熱して発熱体を冷却する沸騰冷却器であって、筐体の内部に収容され、凝縮部を介して放熱して気体から液体に変化するとともに、発熱体から吸熱して液体から気体に変化する冷媒を備え、筐体の内部における表面に多孔質体が接合され、多孔質体は、液体となっている冷媒に浸されており、多孔質体に、液体となっている冷媒が気化される連通孔が形成され、筐体に、連通孔と筐体の内部とを連通する気体流路が形成されており、気体流路が、多孔質体と非接触状態となる位置に配置されていることを特徴とする。

本発明に係る沸騰冷却器においては、筐体に、連通孔と筐体の内部とを連通する気体流路が形成されており、気体流路が、多孔質体と非接触状態となる位置に配置されている。このため、気体流路によって多孔質体と筐体との接触を阻害されることがなくなる。その結果、冷媒に対する発熱体の熱の伝達を促進することよって発熱体の冷却効率を高めることにより、ドライアウトの発生を防止することができる。

ここで、多孔質体は、四角錐形状の多孔質単体をアレー状に配置して形成されており、連通孔は、多孔質単体の先端位置に配置され、連通孔の開口角度が、多孔質単体の先端の角度よりも小さくされているようにすることができる。

このように、連通孔の開口角度が、多孔質単体の先端の角度よりも小さくされていることにより、連通孔において、多孔質体の毛管力の作用により、多孔質体に対する液体の冷媒の接触が促進される。したがって、筐体における熱を液体の冷媒に対して十分に伝熱することができる。その結果、ドライアウトの発生をさらに防止することができる。また、連通孔の開口角度が、多孔質単体の先端の角度よりも小さくすることにより、気体流路を、多孔質体と非接触状態となる位置に容易にすることができる。

本発明に係る沸騰冷却器によれば、冷媒に対する発熱体の熱の伝達を促進することよって発熱体の冷却効率を高めることにより、ドライアウトの発生を防止することができる。

本発明の実施形態に係る沸騰冷却器の側断面図である。 （ａ）は、多孔質体および多孔質体取付部の底面図、（ｂ）は、その側断面図である。 多孔質体の先端と連通孔の先端の角度の関係を説明する説明図である。 （ａ）は、沸騰冷却器を水平に配置した状態における連通孔の近傍を示す側断面図、（ｂ）は、沸騰冷却器を傾けて配置した状態における連通孔の近傍を示す側断面図である。 他の実施形態に係る沸騰冷却器の側断面図である。 さらに他の実施形態に係る沸騰冷却器の側断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致しない。

図１は、本発明の実施形態に係る沸騰冷却器の側断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る沸騰冷却器Ｍは、発熱体である半導体素子Ｈを冷却する冷却装置であり、同一形状である一対の筐体１を備えている。筐体１には、それぞれ発熱体接触部である半導体素子接触部１１が形成されており、半導体素子接触部１１が向かい合わせで配置されている。

この半導体素子接触部１１の間には、一対の半導体素子Ｈとして、パワーモジュールが配置されている。一対の半導体素子Ｈは互いに背中合わせで配置されており、それぞれの表面側が筐体１における半導体素子接触部１１に挟持されている。こうして、半導体素子Ｈは、それぞれ筐体１に接触して配置されており、半導体素子Ｈの片面側を冷却する。沸騰冷却器Ｍは、半導体素子の片面側を冷却する片面冷却器として機能している。

筐体１には、凝縮部であるフィン２が設けられている。フィン２は、筐体１の外側上部に設けられており、半導体素子Ｈから吸収した熱を筐体１の外部に放出している。また、筐体１の内部には、冷媒として液体冷媒３Ａおよび気体冷媒３Ｂが収容されている。冷媒は、半導体素子Ｈの熱を吸収することによって液体冷媒３Ａから気体冷媒３Ｂに相変化し、吸収した熱をフィン２に伝熱する。さらに、冷媒は、フィン２を介して放熱して気体冷媒３Ｂから液体冷媒３Ａに相変化する。液体冷媒３Ａは、筐体１の内部における上方に収容されており、気体冷媒３Ｂは下方に収容されている。

また、筐体１には、多孔質体取付部４が設けられており、多孔質体取付部４には、多孔質体５が接合されて取り付けられている。多孔質体５は、銅やアルミナなどの金属や樹脂などからなり、多孔質体５には、多数の小孔が形成されている。また、多孔質体５の外形は、略四角錐形状とされている。

さらに、多孔質体取付部４は、その内形が多孔質体５の外形と略同一形状とされており、多孔質体取付部４に多孔質体５が取り付けられると、多孔質体５における側面全体が、筐体１における多孔質体取付部４に接触する。このため、多孔質体５の側面は、筐体１に対して全体的に接触した状態となっている。

また、図２に示すように、多孔質体取付部４には、複数の多孔質体５がアレー状に取り付けられている。本実施形態では、多孔質体５が多孔質単体となっている。多孔質体取付部４には、筐体１の長手方向に沿って形成された気体流路６が形成されており、多孔質体取付部４おける多孔質体５が取り付けられた領域の先端と気体流路６とは、補助気体流路７によって接続されている。

さらに、多孔質体５における先端位置には、略四角錐形状の連通孔８が形成されている。連通孔８は、気体流路６および補助気体流路７によって、筐体１の内部と連通している。ここで、図３に示すように、連通孔８における先端のなす角度である第１頂角θ１は、多孔質体５における先端のなす角度であり、本発明の連通孔の開口角度である第２頂角θ２よりも小さくされている。このため、多孔質体５の側面は、筐体１に対して全体的に接触している。

多孔質体５には多数の小孔が形成されており、毛管作用によって液体が流通可能とされている。このため、多孔質体５に形成された連通孔８には、筐体１に収容された液体冷媒３Ａが、毛管作用によって流入する。連通孔８に流入した液体冷媒３Ａは、筐体１を介して伝達される半導体素子Ｈの熱によって気化して気体冷媒３Ｂとなる。

次に、本実施形態に係る沸騰冷却器の作用について説明する。本実施形態に係る沸騰冷却器Ｍでは、半導体素子接触部１１に設置された半導体素子Ｈが発熱した際に、半導体素子Ｈの熱を吸熱して半導体素子Ｈを冷却する。半導体素子Ｈから熱を吸熱する際には、筐体１に収容された液体冷媒３Ａが気体に相変化して気体冷媒３Ｂとなる。このときの蒸発潜熱によって半導体素子Ｈの熱を吸熱する。

液体冷媒３Ａの相変化の多くは、多孔質体５における連通孔８で行われる。このため、連通孔８に滞留する液体冷媒３Ａに効率的に伝達することにより、半導体素子Ｈの冷却効率を高めることができる。ここで、多孔質体５は、筐体１における多孔質体取付部４に取り付けられており、多孔質体取付部４と多孔質体５との間に、気体冷媒３Ｂが流通する流路が形成されていると、多孔質体５に対する筐体１からの熱の伝達が阻害され、半導体素子Ｈの冷却効率を低下させる原因となる。

この点、本実施形態に係る沸騰冷却器Ｍでは、連通孔８において発生した気体冷媒３Ｂの流路である気体流路６が、筐体１における多孔質体５とは非接触となる領域に形成されている。このため、筐体１における多孔質体取付部４と多孔質体５との接触面積を広くすることができる。その結果、液体冷媒３Ａに対する半導体素子Ｈの熱の伝達を促進することよって半導体素子Ｈの冷却効率を高めることができ、ドライアウトの発生を防止することができる。

また、液体冷媒３Ａは、主として多孔質体５における連通孔８で気体冷媒３Ｂに相変化する。連通孔８で相変化した気体冷媒３Ｂは、補助気体流路７を通過して気体流路６に導入され、気体流路６からフィン２の近傍位置まで移動する。連通孔８においては、液体冷媒３Ａを気化させるための熱は、液体冷媒３Ａが多孔質体５と接触することに伝達される分がその多くを占めている。このとき、連通孔８において、多孔質体５と液体冷媒３Ａとの接触が十分でない場合には、液体冷媒３Ａの気化の促進が阻害され、その結果としてドライアウトが生じることが懸念される。

この点、本実施形態では、図３に示す連通孔８の先端の角度である第２頂角θ２は、多孔質体５の先端の角度である第１頂角θ１よりも小さくされている。このため、連通孔８において、多孔質体５の毛管力の作用により、多孔質体５に対する液体冷媒３Ａの接触が促進される。したがって、筐体１における熱を液体冷媒３Ａに対して十分に伝熱することができるので、ドライアウトの発生をさらに防止することができる。

また、第２頂角θ２が第１頂角θ１よりも小さくされていることにより、多孔質体５内に連通孔を収めることができる。そのため、多孔質体取付部４における余裕となるスペースが大きくなるので、気体流路６を形成するスペースを設計する際の自由度を高めることができる。したがって、気体流路６を、多孔質体５と非接触状態となる位置に容易にすることができる。

他方、連通孔８から気体冷媒３Ｂが排出される際の排出路について説明する。沸騰冷却器Ｍを水平に配置し、気体流路６が水平に沿って配置されている状態における連通孔８の近傍を図４（ａ）に示す。図４（ａ）に示すように、連通孔８から排出される気体冷媒３Ｂは、筐体１と多孔質体５との界面において、液体冷媒３Ａが沸騰して相変化し、気体冷媒３Ｂが発生し、微細な気泡となる。

この気泡には、液体冷媒３Ａからの浮力が作用して、補助気体流路７を通って気体流路６に移動する。気体流路６における気泡は、液体冷媒３Ａによる浮力と気泡自体の駆動力によって気体流路を移動し、フィン２の近傍位置まで移動する。こうして、気体冷媒３Ｂがフィン２の近傍位置までスムーズに移動することとなる。

一方、沸騰冷却器Ｍを傾けて配置し、気体流路６が傾いて配置されている状態における連通孔８の近傍を図４（ｂ）に示す。図４（ｂ）に示すように、連通孔８から排出される気体冷媒３Ｂは、沸騰冷却器Ｍを水平に配置した場合と同様、筐体１と多孔質体５との界面において、液体冷媒３Ａが沸騰して相変化し、気体冷媒３Ｂが発生し、微細な気泡となる。

また、沸騰冷却器Ｍを傾けて配置した場合には、液体冷媒３Ａによる浮力の影響が気体冷媒３Ｂにより大きく作用する。このため、傾いた気体流路６に沿って上方に沿って気体冷媒３Ｂが移動し、フィン２の近傍位置まで移動する。こうして、気体冷媒３Ｂがフィン２の近傍位置までスムーズに移動することとなる。

したがって、沸騰冷却器Ｍでは、たとえばトップヒートモードであっても、気体冷媒３Ｂの気泡がフィン２に対してスムーズに移動することとなる。したがって、気体冷媒３Ｂが流体冷媒３Ａ内で滞留することによるドライアウトの発生を好適に防止することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。たとえば、上記実施形態においては、多孔質体５および連通孔８の形状が四角錐形状とされているが、他の形状とされているようにすることもできる。たとえば、図５に示すように、多孔質体５１の形状を四角錐形状とするとともに、連通孔８１の形状を立方体形状、あるいは直方体形状とすることもできる。

あるいは、図６に示すように、多孔質体５２の形状を四角錐形状とするとともに、連通孔８２の形状を球形状、あるいは直方体形状とすることもできる。さらに、多孔質体５についても、四角錐形状に限らず、他の形状とすることもできる。たとえば、三角錐形状とすることもできるし、６角錐形状とすることもできる。

さらに、上記実施形態では、多孔質体として、複数の多孔質体の単体がアレー状に配置されたものが用いられている。これに対して、単数の多孔質体を用いることもできる。また、複数の多孔質体を用いる場合でも、アレー状に配置することなく、他の態様で配置することもできる。

１…筐体、２…フィン、３Ａ…液体冷媒、３Ｂ…気体冷媒、４…多孔質体取付部、５，５１，５２…多孔質体、６…気体流路、７…補助気体流路、８，８１，８２…連通孔、１１…半導体素子接触部、Ｈ…半導体素子、Ｍ…沸騰冷却器。

Claims (2)

1. 発熱体から発せられる熱を吸熱し、前記発熱体と接触する発熱体接触部を備える筐体に設けられた凝縮部に前記発熱体から発せられた熱を伝熱して前記発熱体を冷却する沸騰冷却器であって、
   前記筐体の内部に収容され、前記凝縮部を介して放熱して気体から液体に変化するとともに、前記発熱体から吸熱して液体から気体に変化する冷媒を備え、
   前記筐体の内部における表面に多孔質体が接合され、
   前記多孔質体は、液体となっている前記冷媒に浸されており、
   前記多孔質体に、液体となっている前記冷媒が気化される連通孔が形成され、前記筐体に、前記連通孔と前記筐体の内部とを連通する気体流路が形成されており、
   前記気体流路が、前記多孔質体と非接触状態となる位置に配置されていることを特徴とする沸騰冷却器。
2. 前記多孔質体は、四角錐形状の多孔質単体をアレー状に配置して形成されており、
   前記連通孔は、前記多孔質単体の先端位置に配置され、前記連通孔の開口角度が、前記多孔質単体の先端の角度よりも小さくされている請求項１に記載の沸騰冷却器。

Images