JP2014074568A - ループ型サーモサイフォン及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて熱輸送効率が高いループ型サーモサイフォンを提供する。
【解決手段】ループ型サーモサイフォン１０は、冷媒の蒸気を発生する蒸発器１１と、蒸発器１１で発生した冷媒の蒸気を凝縮する熱交換器１２と、蒸発器１１と熱交換器１２との間を連絡し冷媒の蒸気が通る気液二相管１３と、蒸発器１１と熱交換器１２との間を連絡し熱交換器１２で凝縮した冷媒が通る液管１４とを有する。また、蒸発器１１は、熱源に熱的に接続される伝熱部２１と、伝熱部２１とともに冷媒が封入される空間を形成するカバー部２２とを有し、カバー部２２の内面には疎水処理が施されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ループ型サーモサイフォン及びそのループ型サーモサイフォンを備えた電子機器に関する。

パーソナルコンピュータやサーバに使用されるＣＰＵ等の半導体装置（ＬＳＩ：Large Scale Integration）は、稼働にともなって多量の熱を発生する。半導体装置の温度が許容温度を超えると、誤動作や故障が発生したり、プロテクション機能が作動して処理能力が著しく低下したりする。そのため、半導体装置の温度が許容範囲を超えないように、半導体装置を冷却することが重要である。

ＣＰＵ等の半導体装置の冷却には、一般的に空冷式又は水冷式の冷却装置が使用される。空冷式冷却装置は、半導体装置の上に取り付ける金属製のフィンと、フィンに風を送る送風機とを有する。また、水冷式冷却装置は、半導体装置の上に取り付ける金属製の中空プレートと、熱交換器と、中空プレートと熱交換器との間に冷却水を循環させるポンプとを有する。

近年、更なる高性能化の要求により、消費電力が数１００Ｗの半導体装置の登場が予想されている。このような半導体装置は、従来の半導体装置に比べて発熱量が大きいため、空冷式又は水冷式の冷却装置では十分に冷却できないおそれがある。このため、空冷式又は水冷式の冷却装置に比べてより一層冷却能力が高い冷却装置が望まれている。

そのような冷却装置の一つに、ループ型サーモサイフォンがある。ループ型サーモサイフォンは、冷媒（作動液）の潜熱を利用して熱を輸送する。一般的なループ型サーモサイフォンは、熱源から熱が伝達されて冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、送風機等により冷却されて冷媒の蒸気を液体に戻す熱交換器と、蒸発器と熱交換器との間を連絡する気液二相管及び液管とを有する。冷媒として水を使用するループ型サーモサイフォンの場合、水冷式の冷却装置に比べて５倍以上の熱輸送能力を有する。

特開平８−３１３１７８号公報 特開２００８−１３４０４３号公報 実用新案登録第３１７００５７号公報

従来に比べて熱輸送効率が高いループ型サーモサイフォンを提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する熱交換器と、前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記冷媒の蒸気が通る気液二相管と、前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記熱交換器で凝縮した冷媒が通る液管とを有し、前記蒸発器が、熱源に熱的に接続される伝熱部と、前記伝熱部とともに前記冷媒が封入される空間を形成し内面に疎水処理が施されたカバー部とを有するループ型サーモサイフォンが提供される。

上述した一観点に係るループ型サーモサイフォンによれば、蒸発器内の蒸気の乾き度が高くなり、従来に比べて熱輸送効率が向上する。

図１は、大気圧下における水蒸気の乾き度を示す図である。 図２は、実施形態に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。 図３は、実施形態に係るループ型サーモサイフォンを半導体装置の上に装着した状態を示す図である。 図４は、蒸発器内で冷媒が蒸発するときに発生した飛沫や蒸発器内で凝縮して液体になった冷媒がカバー部の内側表面に付着し、重力によりカバー部の壁面を伝って下に移動する状態を示す模式図である。 図５は、変形例１に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。 図６は、変形例２に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。 図７は、変形例３に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。 図８は、実施形態に係るループ型サーモサイフォンを搭載した電子機器を示す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

図１は、横軸にエンタルピー（熱量）をとり、縦軸に温度をとって、大気圧下における水蒸気の乾き度を示す図である。

大気圧下では、温度が０℃から１００℃までの間、水は液体の状態である。そして、温度が０℃から１００℃までの間、水の温度はエンタルピーの上昇にともなって上昇する。

エンタルピーが４１９ｋＪ／ｋｇを超えると、水は温度が１００℃の水蒸気になる。エンタルピーが４１９ｋＪ／ｋｇから２６７６ｋＪ／ｋｇの間、水蒸気の温度は１００℃のままである。

水蒸気には湿った水蒸気と乾いた水蒸気とがある。温度が１００℃でエンタルピーが４１９ｋＪ／ｋｇの水蒸気は、乾き度が０％であり、湿った水蒸気である。この場合、水蒸気は潜熱を全くもたない。

一方、温度が１００℃でエンタルピーが２６７６ｋＪ／ｋｇの水蒸気は、乾き度が１００％であり、乾いた水蒸気である。この場合、水蒸気は１００％の潜熱、すなわち２２５７ｋＪ／ｋｇの潜熱をもつ。

ループ型サーモサイフォンのように潜熱を利用して熱を輸送する冷却装置では、蒸気の乾き度が高いほど多くの熱を輸送することができ、冷却効率が高くなる。しかし、ループ型サーモサイフォンでは、蒸発器内で冷媒（上記の例では水）が蒸気に変化するときに沸騰により飛沫が発生したり、蒸発器内で蒸気が凝縮して液体に戻ったりする。このため、蒸発器内の蒸気の乾き度が低下して、熱輸送効率が低くなり、冷却効率も低くなる。

以下の実施形態では、従来に比べて熱輸送効率が高いループ型サーモサイフォンについて説明する。

（実施形態）
図２は、実施形態に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。また、図３は、実施形態に係るループ型サーモサイフォンを半導体装置の上に装着した状態を示す図である。

図１に示すように、ループ型サーモサイフォン１０は、蒸発器１１と、熱交換器１２と、気液二相管１３と、液管１４とを有する。また、ループ型サーモサイフォン１０内の空間には、温度に応じて液相又は気相に変化する冷媒が封入されている。更に、ループ型サーモサイフォン１０内の空間は例えば１／１００気圧程度に減圧されており、比較的低い温度で冷媒が蒸発するようになっている。

本実施形態では、冷媒として水を使用した場合について説明するが、アルコール、フッ素系不活性液体又はその他の薬品を冷媒として使用してもよい。

蒸発器１１は、矩形平板状の伝熱部２１と、伝熱部２１の上側に接合されて伝熱部２１とともに四角錘状の空間を形成するカバー部２２とを有する。

熱交換器１２の内側には例えば円筒状の空間が設けられており、外側には多数の冷却用のフィン１２ａが設けられている。熱交換器１２は、図２に示すように、蒸発器１１の上方に配置される。

気液二相管１３は、蒸発器１１の頂部と、熱交換器１２内の空間の一方の端部との間を連絡している。また、液管１４は、熱交換器１２内の空間の他方の端部と、蒸発器１１のカバー部２２に設けられた孔との間を連絡している。

液管１４の内径は、気液二相管１３の内径に比べて小さく設定されている。熱交換器１２内の空間は、気液二相管１３及び液管１４の内径に応じて、気液二相管１３側が広く、液管１４側が狭くなっている。気液二相管１３及び液管１４は、例えば銅、銅合金、ステンレス、アルミニウム又はアルミニウム合金により形成される。

蒸発器１１の伝熱部２１は、図３のように、回路基板３１に実装された半導体装置３２の上に、伝熱シート３３を介して配置される。なお、図３中の符号３２ａは半導体装置３２のパッケージ内に封止された半導体チップであり、符号３２ｂは半導体装置３２と回路基板３１とを電気的且つ物理的に接続するはんだである。

伝熱部２１は例えば銅、銅合金、アルミニウム又はアルミニウム合金等のように熱伝導性が高い金属により形成されており、伝熱シート３３に接触する下側の面は平坦である。本実施形態においては、伝熱部２１の上側の面に多数の凹凸２３を設けて、伝熱部２１と液体状態の冷媒との接触面積を大きくしている。但し、凹凸２３は必須ではなく、必要に応じて設ければよい。

伝熱部２１の上側の面には親水処理が施されており、カバー部２２の内側の面には疎水処理が施されている。本実施形態では、伝熱部２１の上側の面を親水性の膜２４で覆い、蒸発器１１のカバー部２２の内側の面を疎水性の膜２５により覆っている。

親水性の膜２４の膜材料として、例えば酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及びポリアミド等を使用することができる。また、疎水性の膜２５の膜材料として、例えばフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン及びポリスルフォン等を使用することができる。親水性の膜２４を形成する替りに、伝熱部２１の上面側に微細な凹凸を設けて親水性を付与してもよい。

なお、前述したように冷媒として水以外のものを使用することも可能であるが、本願では冷媒が水か否かにかかわらず、液体状態の冷媒との接触角が大きくなる処理を疎水処理と呼び、液体状態の冷媒との接触角が小さくなる処理を親水処理と呼んでいる。

以下、上述したループ型サーモサイフォン１０の動作について説明する。ここでは、初期状態において、蒸発器１１内に一定量の水（冷媒）が液体の状態で存在するものとする。

半導体装置３２の稼働により発生した熱は、伝熱シート３３を介して伝熱部２１に伝達され、伝熱部２１の温度が上昇する。これにより、伝熱部２１の上に付着している液体状態の冷媒が蒸発し、伝熱部２１から蒸発熱を奪う。

蒸発器１１内で発生した蒸気は気液二相管１３を通り、熱交換器１２内に進入する。これにより、熱交換器１２の温度が上昇する。しかし、前述したように熱交換器１２には多数のフィン１２ａが設けられており、フィン１２ａ間を通る風により熱交換器１２が冷却される。そのため、熱交換器１２内では冷媒の蒸気が凝縮して液体に戻る。

この場合、熱交換器１２では、気液二相管１３側の口径が大きく、液管１４側の口径が小さいので、気液二相管１３と液管１４との間には圧力差が生じる。この圧力差により、熱交換器１２内で液体となった冷媒は液管１４側に移動し、液管１４内に入る。液管１４内に入った液体状態の冷媒は、その後重力により液管１４内を下降し、蒸発器１１内に入る。

このように、冷媒が液相と気相とに変化しながら蒸発器１１と熱交換器１２との間を循環し、それにより蒸発器１１から熱交換器１２に熱が輸送されて、半導体装置３２が冷却される。

ところで、本実施形態では、伝熱部２１の上面側に凹凸２３が設けられているので、伝熱部２１と液体状態の冷媒との接触面積が大きく、伝熱部２１から液体状態の冷媒への熱伝達効率が高い。また、本実施形態では、伝熱部２１の上面側に親水性の膜２４を形成しているので、蒸発器１１内の液体状態の冷媒の量が少なくなっても、伝熱部２１の上面側に液体状態の冷媒が濡れ広がる。このため、伝熱部２１から液体状態の冷媒への熱伝達効率がより一層向上する。

更に、本実施形態では、カバー部２２の内側表面に疎水処理として疎水性の膜２５を形成している。このため、図４に模式的に示すように、蒸発器２１内で冷媒が蒸発するときに発生した飛沫や蒸発器２１内で凝縮して液体になった冷媒がカバー部２２の内側表面に付着すると、即座に重力によりカバー部２２の壁面を伝って下に移動する。本実施形態では、蒸発器１１内の空間が、伝熱部２１側を底辺とする錘状になっているため、蒸発器１１内の天井近くに付着した液体の冷媒も、カバー部２２の壁面を伝って下に移動する。

これにより、蒸発器１１内の蒸気の乾き度の低下が抑制され、熱輸送効率が高くなる。その結果、半導体装置２３を効率よく冷却することができる。

（実験例）
実験例として、図２に示す形状のループ型サーモサイフォン１０を作製した。蒸発器１１は銅により形成し、中央部の高さは３０ｍｍ、外周部の高さは５ｍｍとした。蒸発器１１のカバー部２２の内側の面には、疎水性の膜２５として、厚さが約２０μｍのフッ素樹脂膜をコーティングした。水とフッ素樹脂膜との接触角は、約１００°である。

伝熱部２１の上面には、凹凸２３として、１７個の柱状の突起を０．５ｍｍ間隔で格子状に配置した。この突起の大きさは１ｍｍ（縦）×１ｍｍ（横）×２ｍｍ（高さ）である。伝熱部２１の上面（凹凸２３の上を含む）には、親水性の膜２４として、厚さが０．５μｍの酸化チタン膜を形成した。水と酸化チタン膜との接触角は、約５°である。

また、熱交換器１２も銅により形成した。気液二相管１３及び液管１４には、その内部が観察できるように透明の管を使用した。気液二相管１３の内径は４．３ｍｍ、液管１４の内径は２．１ｍｍである。

これらの蒸発器１１、熱交換器１２、気液二相管１３及び液管１４により、図２に示すループ型サーモサイフォン１０を組み立て、内部に冷媒として７０ｃｃの水を封入した。ループ型サーモサイフォン１０内の圧力は、大気圧よりも１００ｋＰａ程度低い圧力とした。

このループ型サーモサイフォン１０の蒸発器１１を、図３に示すように半導体装置３２の上に伝熱シート３３を挟んで取り付けた。半導体装置３２のサイズは４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×１０ｍｍ（高さ）であり、その内部に配置された半導体チップ３２ａのサイズは２５ｍｍ（縦）×２５ｍｍ（横）である。

また、熱交換器１２の近傍に送風機を配置し、送風機から熱交換器１２に風速３ｍ／ｓの風を供給した。更に、半導体装置３２を２００Ｗの電力で発熱させて、気液二相管１３及び液管１４内の状態を観察した。

その結果、蒸発器１１で発生した蒸気が熱交換器１２に移動して液体になり、液管１４内を下方に移動するのが確認できた。また、気液二相管１３内には液体の状態の冷媒が殆ど観察されなかった。

一方、比較例として、親水性の膜２４及び疎水性の膜２５を有しないこと以外は実験例と同様のループ型サーモサイフォンを作製し、気液二相管及び液管内の状態を観察した。その結果、気液二相管内に比較的多くの液体の状態の冷媒が観察された。

実験例のように、蒸発器１１内に親水性の膜２４及び疎水性の膜２５を設けることにより、比較例に比べて１５〜２０％程度の冷却性能の向上が期待できる。

（変形例１）
図５は、変形例１に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。図５において、図２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図５に示すように、変形例１のループ型サーモサイフォン１０ａでは、気液二相管１３の内面の蒸発器１１に近い部分に、蒸発器１１の疎水性の膜２５に連続する疎水性の膜２５ａを形成している。

これにより、気液二相管１３内に入り込んだ飛沫や気液二相管１３内で凝縮した冷媒を気液二相管１３内から速やかに排除することができ、蒸発器１１から熱交換器１２に移動する蒸気の乾き度をより高くすることができる。その結果、ループ型サーモサイフォン１０ａの冷却能力が、図２に示すループ型サーモサイフォン１０よりも向上する。

（変形例２）
図６は、変形例２に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。図６において、図２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図６に示す変形例２のループ型サーモサイフォン１０ｂでは、蒸発器４０が直方体形状を有する。この蒸発器４０のサイズは、例えば４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×３０ｍｍ（高さ）であり、例えば４０ｍｍ（縦）×４０ｍｍ（横）×５ｍｍ（厚さ）の矩形平板状の伝熱部４１と、その上に配置されて伝熱部４１とともに高さが２０ｍｍの直方体形状の空間を形成するカバー部４２とにより形成される。

カバー部４２の内側の面は、フッ素樹脂等により形成された疎水性の膜２５に覆われている。

変形例２のループ型サーモサイフォン１０ｂにおいても、図２に示すループ型サーモサイフォン１０と同様の効果を奏する。また、蒸発器４０の形状が直方体であるので、四角錘状に形成された図２に示すループ型サーモサイフォン１０に比べて製造が容易である。

（変形例３）
図７は、変形例３に係るループ型サーモサイフォンを示す図である。図７において、図２と同一物には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図７に示す変形例３のループ型サーモサイフォン１０ｃでは、蒸発器５０が、伝熱部５１と、伝熱部５１の上に配置されて伝熱部５１とともにドーム状の空間を形成するカバー部５２とにより形成されている。このカバー部５２の内側の面には、フッ素樹脂等により形成された疎水性の膜２５に覆われている。

変形例３のループ型サーモサイフォン１０ｃにおいても、図２に示すループ型サーモサイフォン１０と同様の効果を奏する。また、変形例３では、蒸発器５０内の空間が、伝熱部２１側を底辺とするドーム状であるため、蒸発器１１内の天井近くに付着した液体の冷媒が、カバー部２２の壁面を伝って下に移動しやすい。

（電子機器）
図８は、実施形態に係るループ型サーモサイフォンを搭載した電子機器を示す模式図である。

電子機器６０は、例えばブレードサーバや、タワー型のパーソナルコンピュータであり、図８のように、筺体６６内にはＣＰＵ６２及びメモリ（図示せず）等が実装された回路基板６１と、筺体６６内に冷風を取り入れるための送風機６７とが配置されている。

また、ＣＰＵ６２には、実施形態に係るループ型サーモサイフォン１０（図２参照）の蒸発器１１が接続されている。ループ型サーモサイフォン１０の熱交換器１２は送風機６７の近傍に配置されており、送風機６７から冷風が供給されるようになっている。蒸発器１１と熱交換器１２との間には、気液二相管１３及び液管１４が接続されている。

本実施形態に係る電子機器６０は、ループ型サーモサイフォン１０によりＣＰＵ６２を冷却する。このループ型サーモサイフォン１０は、前述したように冷却能力が高いので、熱によるＣＰＵ６２の誤動作や故障の発生及び処理能力の低下を防止できる。これにより、電子機器６０の信頼性が向上する。

以上の諸実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する熱交換器と、
前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記冷媒の蒸気が通る気液二相管と、
前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記熱交換器で凝縮した冷媒が通る液管とを有し、
前記蒸発器が、熱源に熱的に接続される伝熱部と、前記伝熱部とともに前記冷媒が封入される空間を形成し内面に疎水処理が施されたカバー部とを有することを特徴とするループ型サーモサイフォン。

（付記２）前記伝熱部の前記空間側の表面に親水処理が施されていることを特徴とする付記１に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記３）前記気液二相管の内径が、前記液管の内径よりも大きいことを特徴とする付記１又は２に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記４）前記疎水処理として、前記カバー部の内面にフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン及びポリスルフォンから選択された樹脂の膜が形成されていることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記５）前記親水処理として、前記伝熱部の表面に酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素及びポリアミドから選択された材料の膜が形成されていることを特徴とする付記２に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記６）前記親水処理として、前記伝熱部の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする付記２に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記７）前記伝熱部とカバー部とにより形成される前記空間が、前記伝熱部側を底辺とする錘状又はドーム状であることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記８）前記伝熱部とカバー部とにより形成される前記空間が、直方体形状であることを特徴とする付記１乃至６のいずれか１項に記載のループ型サーモサイフォン。

（付記９）電子部品を搭載した回路基板と、
ループ型サーモサイフォンとを具備し、
前記ループ型サーモサイフォンは、
前記電子部品で発生する熱により冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する熱交換器と、
前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記冷媒の蒸気が通る気液二相管と、
前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記熱交換器で凝縮した冷媒が通る液管とを有し、且つ前記蒸発器が、熱源に熱的に接続される伝熱部と、前記伝熱部とともに前記冷媒が封入される空間を形成し内面に疎水処理が施されたカバー部とを有する
ことを特徴とする電子機器。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…ループ型サーモサイフォン、１１，４０，５０…蒸発器、１２…熱交換器、１３…気液二相管、１４…液管、２１，４１，５１…伝熱部、２２，４２，５２…カバー部、２３…凹凸、２４…親水性の膜、２５，２５ａ…疎水性の膜、３１…回路基板、３２…半導体装置、３３…伝熱シート、６０…電子機器、６１…回路基板、６２…ＣＰＵ、６６…筐体、６７…送風機。

Claims (5)

1. 冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
   前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する熱交換器と、
   前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記冷媒の蒸気が通る気液二相管と、
   前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記熱交換器で凝縮した冷媒が通る液管とを有し、
   前記蒸発器が、熱源に熱的に接続される伝熱部と、前記伝熱部とともに前記冷媒が封入される空間を形成し内面に疎水処理が施されたカバー部とを有することを特徴とするループ型サーモサイフォン。
2. 前記伝熱部の前記空間側の表面に親水処理が施されていることを特徴とする請求項１に記載のループ型サーモサイフォン。
3. 前記気液二相管の内径が、前記液管の内径よりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載のループ型サーモサイフォン。
4. 前記疎水処理として、前記カバー部の内面にフッ素樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン及びポリスルフォンから選択された樹脂の膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のループ型サーモサイフォン。
5. 電子部品を搭載した回路基板と、
   ループ型サーモサイフォンとを具備し、
   前記ループ型サーモサイフォンは、
   前記電子部品で発生する熱により冷媒の蒸気を発生する蒸発器と、
   前記蒸発器で発生した前記冷媒の蒸気を凝縮する熱交換器と、
   前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記冷媒の蒸気が通る気液二相管と、
   前記蒸発器と前記熱交換器との間を連絡し前記熱交換器で凝縮した冷媒が通る液管とを有し、且つ前記蒸発器が、熱源に熱的に接続される伝熱部と、前記伝熱部とともに前記冷媒が封入される空間を形成し内面に疎水処理が施されたカバー部とを有することを特徴とする電子機器。

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