JP2015060901A - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体を受熱部の上面に設置した場合においても効率的に冷却できる冷却装置を提供する。【解決手段】作動流体を循環し液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置において、発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成するとともに、前記帰還経路の前記受熱部近傍または前記受熱部内に逆止弁を介在させ、前記受熱部内の前記逆止弁下流に導入管と、前記導入管に囲まれた空間である加圧室と、前記逆止弁と前記加圧室との間に作動流体供給口とを備え、前記導入管と前記受熱板との間に前記作動流体が流通可能な隙間を有した冷却装置であって、前記受熱板の前記導入管と対向する面に前記導入管内に突出する突起を設けたものであるので、発熱体を受熱部の上面に設置した場合においても効率的に冷却できる。【選択図】図３

Description

本発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電子部品の発熱を放熱する冷却装置に関するものである。

従来この種の冷却装置は、大電流を流すインバータ回路に搭載されたものが知られている。

インバータ回路には、電力用半導体素子が複数個使用されており、それぞれの電力用半導体素子に数十アンペアの大電流が流れるため、電力用半導体素子の発熱量は大きく、冷却する必要があった。

そこで、例えば特許文献１に示す冷却装置では、下部の受熱部において、冷媒で電力用半導体素子の熱を奪わせて気化させ、上部に配置した放熱部で冷やして液化させ、再び下部に滴下させるサイクルを繰り返させることで、インバータ回路を冷却している。

しかしながら、このような冷却装置は、受熱部において冷媒を沸騰気化させる沸騰型冷却タイプといわれるものであり、このタイプのものは、受熱部において冷媒が滞留した状態で受熱するため、受熱部における冷媒の熱伝達率が悪く、結論として、冷却性能が低いことが知られている。

これに対して、特許文献２に示す冷媒循環型冷却タイプは、受熱部において冷媒を流動させた状態で受熱させるので、受熱部における冷媒の熱伝達率が高く、結論として、冷却性能が飛躍的に高くなる。

特開平８−１２６１２５号公報 特許第４９７８４０１号公報

上述のごとく、冷媒循環型冷却タイプでは冷却性能が飛躍的に高くなるが、特許文献２に示す冷却装置では、発熱体である電力用半導体素子を受熱部の上面に設置した場合、効果的に放熱できないという課題があった。効果的に放熱できない理由は、特許文献２に示す冷媒循環型冷却タイプでは、逆止弁を解して導入管内に供給される液体状態の冷媒が受熱板に接触することで冷媒が気化し、導入管内の気化した冷媒と液体状態の冷媒が、導入管と受熱板との隙間から冷媒が拡散し、結果として受熱板上に液体状態の冷媒が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させたものであるが、電力用半導体素子を受熱部の上面に設置した場合、導入管内は液体状態の冷媒で満たされてしまうため、導入管と受熱板との隙間から液体状態の冷媒が均一に拡散できなくなり、受熱部の一部において液体状態の冷媒が不足する状態いわゆるドライアウトを生じ、結果として熱伝達率が大きく低下してしまうためである。

そこで、本発明は、発熱体を受熱部の上面に設置した場合においても効率的に冷却できる冷却装置を提供することを目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明の冷却装置は、作動流体を循環し液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置において、発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成するとともに、前記帰還経路の前記受熱部近傍または前記受熱部内に逆止弁を介在させ、前記受熱部内の前記逆止弁下流に導入管と、前記導入管に囲まれた空間である加圧室と、前記逆止弁と前記加圧室との間に作動流体供給口とを備え、前記導入管と前記受熱板との間に前記作動流体が流通可能な隙間を有した冷却装置であって、前記受熱板の前記導入管と対向する面に前記導入管内に突出する突起を設けたことを特徴とする冷却装置であり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のごとく本発明の冷却装置は、作動流体を循環し液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置において、発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成するとともに、前記帰還経路の前記受熱部近傍または前記受熱部内に逆止弁を介在させ、前記受熱部内の前記逆止弁下流に導入管と、前記導入管に囲まれた空間である加圧室と、前記逆止弁と前記加圧室との間に作動流体供給口とを備え、前記導入管と前記受熱板との間に前記作動流体が流通可能な隙間を有した冷却装置であって、前記受熱板の前記導入管と対向する面に前記導入管内に突出する突起を設けたものであるので、発熱体を受熱板の上面に設置した場合においても効率的に冷却できる。

すなわち、本発明においては、発熱体を受熱板の上面に設置した場合においても、導入管内に突出する突起を設けたことで、帰還経路から逆止弁を通過し導入管内すなわち加圧室に供給される液相作動流体は、受熱板から突出した突起に接触し、加圧室内が液相作動流体に満たされる前に液相作動流体を気化させ気相作動流体とすることができる作用を有する。このように、加圧室が液相作動流体に満たされずに液相作動流体を加圧室内にて気化することができるため、加圧室内で液相作動流体と気相作動流体の気液混合冷媒状態となり、導入管と受熱板との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部内部に拡散され、結果として受熱板上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。すなわち、発熱体を受熱板の上面に設置した場合においても、発熱体を効率よく冷却できるのである。

本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の外観図 （ａ）同冷却装置の斜視図、（ｂ）同冷却装置の上面図、（ｃ）同冷却装置の側面図 同冷却装置の受熱部内部を示すためのＡ−Ａ‘断面図 同冷却装置の受熱板を示すためのＢ−Ｂ‘断面図

以下、本実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における冷却装置１を適用した電子機器５０の外観を表すものである。図１に示すように、電子機器５０は、ケース５１内に発熱体２となる電力用半導体素子と冷却装置１とが備えられている。

冷却装置１は、発熱体２を設置し発熱体２を冷却するための受熱部３と、放熱部４を備えており、放熱経路５と帰還経路６とにより受熱部３と放熱部４が連結されている。この構成により、冷却装置１は内部が密閉空間となり、図１では図示していないが、冷却装置１内は、減圧した上で、冷媒である作動流体が封入されている。作動流体としては、純水、エタノール、フロン類、フッ素系溶剤類などが用いられる。

また、冷却装置１は、放熱部４に輸送した熱を最終的に外気に放熱するためのファン７を備えている。

次に、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図３を用いて説明する。図２（ａ）は冷却装置１の斜視図、図２（ｂ）は冷却装置１の上面図、図２（ｃ）は冷却装置１の側面図、図３は冷却装置１の受熱部３を示すＡ−Ａ‘断面図である。

図３に示すように、受熱部３は、受熱板８、逆止弁９、作動流体供給口１０、導入管１１を備えており、受熱板８は、導入管１１内すなわち加圧室１２に突出する突起１３を備えている。

突起１３は、逆止弁９側に位置する突起１３の先端から突起１３の根元に向かって、突起１３と垂直な面の断面積が大きくなっており、突起１３の断面形状が円形として構成されたものである。また、この突起１３の中心軸は、導入管１１の中心軸と一致するように構成されたものである。

導入管１１は、図３に示すように、受熱板８側に向かって、導入管１１内の断面積が大きくなるように構成されたものである。

図４は冷却装置１の受熱板８を示すためのＢ−Ｂ‘断面図であり、図４を用いて説明する。受熱板８は、図４に示すように、突起１３を中心として、受熱板８内に放射上のフィン１４を備えたものである。

次に、上記構成における冷却装置１の基本的な仕組みについて説明する。

冷却装置１は、内部を減圧した後に冷媒である作動流体を封入したものであり、冷却装置１内は、作動流体の作用により外部温度に応じた作動流体の飽和圧力となる。発熱体２の熱は受熱部３の受熱板８を介して作動流体に伝わり、作動流体が液相から気相へと変化することで、発熱体２が冷却される。受熱部３内にて気化した作動流体は、放熱経路５を通過し放熱部４へと移動し、ファン７により冷やされ再び液化し液相の作動流体となり逆止弁９の上流に位置する帰還経路６内部に溜まる。

逆止弁９は、加圧室１２の内部圧力が、帰還経路６に溜まった液相の作動流体の水頭圧よりも大きくなった場合に閉まることで、受熱部３内にて気化した作動流体が帰還経路６へ逆流することを防止する。また、逆止弁９は、加圧室１２の内部圧力よりも、帰還経路６に溜まった液相の作動流体の水頭圧が大きくなった場合に開くことで、帰還経路６から加圧室１２に液相の作動流体が供給される。すなわち、加圧室１２の内部圧力と帰還経路６に溜まった液相の作動流体の水頭圧とのバランスにより、自動的に受熱部３内に液相の作動流体が供給される仕組みとなっている。

よって、受熱部３内にて作動流体が気化し、気化した作動流体が放熱経路５を通過し放熱部４にて液化し、液化した作動流体が帰還経路６を通過し再び受熱部３内に供給されるサイクルが繰り返されることで、発熱体２を冷却している。

本実施の形態では、作動流体を循環し液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置１において、発熱体２を設置する受熱板８を備えた受熱部３、放熱経路５、放熱部４、帰還経路６を順に連結して作動流体の循環経路を形成するとともに、帰還経路６の受熱部３近傍または受熱部３内に逆止弁９を介在させ、受熱部３内の逆止弁９下流に導入管１１と、導入管１１に囲まれた空間である加圧室１２と、逆止弁９と加圧室１２との間に作動流体供給口１０とを備え、導入管１１と受熱板８との間に作動流体が流通可能な隙間を有した冷却装置１であって、受熱板８の導入管１１と対向する面に、導入管１１内に突出する突起１３を設けたものであるため、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合においても、導入管１１内に突出する突起１３を設けたことで、帰還経路６から逆止弁９を通過し導入管１１内すなわち加圧室１２に供給される液相作動流体は、受熱板８から突出した突起１３に接触し、加圧室１２が液相作動流体に満たされる前に液相作動流体を気化させ気相作動流体とすることができる作用を有する。このように、加圧室１２が液相作動流体に満たされずに液相作動流体を加圧室１２にて気化することができるため、加圧室１２で液相作動流体と気相作動流体とが気液混合状態となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部３内部に拡散され、結果として受熱板８上および受熱板８上に形成されたフィン１４上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。すなわち、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合においても、発熱体を効率よく冷却できるのである。

また、突起１３は、突起１３の先端から突起１３の根元に向かって、突起１３と垂直な突起１３の断面積が大きくなるように設けたものであり、突起１３を先端から根元まで略均一な断面積にて設けた場合に比べ突起１３の熱抵抗が小さくなる。ここで、本実施の形態の冷却装置１では、加圧室１２で生成した気液混合作動流体は、突起１３と導入管１１の間を通過した後に、導入管１１と受熱板８との隙間から受熱部３内に放射方向に拡散する流れとなる。そのため、突起１３の根元近傍における作動流体の流れ方向が、逆止弁９から受熱板８への流れから突起１３から放射方向への流れへと曲がることとなり、その流れを邪魔することなく突起１３の根元は先端よりも断面積を大きくすることができる。すなわち、突起１３の先端は細くなり作動流体の流路を確保し、突起１３の根元は作動流体を整流する作用を持つように根元に向かうにつれ、その断面積が大きくなるようなっているので、突起１３の先端から根元までの断面積が略均一な大きさの場合に比べ熱抵抗が小さくなり、発熱体２の熱を効率良く突起１３の先端まで伝えることができるため突起１３の先端部にて液相作動流体を効率よく気化させることができ、その液相作動流体の気化の作用により、加圧室１２で液相作動流体と気相作動流体とが気液混合状態となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部３内部に拡散され、結果として受熱板８上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。すなわち、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合においても、発熱体を効率よく冷却できるのである。

また、突起１３は、突起１３と垂直な突起１３の断面形状が、円形となるように設けたものであるため、加圧室１２で液相作動流体が気化し、液相作動流体と気相作動流体の気液混合状態となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部３内部に拡散される際に断面形状が円形の突起１３に沿って作動流体が流動するため、作動流体が流動する際の流動抵抗を最小限に抑えることができ、気液混合作動流体を受熱部３内部に効率良く拡散することができるため、結果として受熱板８上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。すなわち、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合においても、発熱体を効率よく冷却できるのである。ここで、突起１３の断面形状が円形であると説明したが、略円形であっても同様の作用と効果を有する。

また、突起１３は、突起１３の中心軸が導入管１１の中心軸と一致するように設けたことで、加圧室１２で液相作動流体が気化し、液相作動流体と気相作動流体の気液混合状態となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部３内部に拡散される。その際に、まず、気液混合作動流体が導入管１１および突起１３に挟まれた空間を流動するが、突起１３と導入管１１の中心軸が一致していることで、突起１３の壁面と導入管１１の内壁面の距離が、突起１３の放射方向において全周均一となっているため、加圧室１２を流動する際の流動抵抗が略均一となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から略均一に気液混合作動流体を受熱部３内部に効率良く拡散することができるため、結果として受熱板８上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。すなわち、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合においても、発熱体を効率よく冷却できるのである。ここで、突起１３の中心軸が導入管１１の中心軸と一致すると説明しているが、中心軸の一致は製造公差程度のズレであれば上記と同様の作用と効果を有するため、中心軸の一致は略一致であっても同様の作用と効果を有する。

また、導入管１１は、受熱板８側に向かって、導入管１１と垂直な導入管１１に囲まれた空間の断面積が大きくなるように設けたことで、加圧室１２で液相作動流体が気化し、液相作動流体と気相作動流体の気液混合状態となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部３内部に拡散される際に、導入管１１に沿って作動流体が流動するため、作動流体が流動する際の流動抵抗を最小限に抑えることができ、気液混合作動流体を受熱部３内部に効率良く拡散することができるため、結果として受熱板８上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。すなわち、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合においても、発熱体を効率よく冷却できるのである。

本実施の形態では、発熱体２を受熱板８の上面に設置した場合において説明したが、発熱体２を受熱板８の下面に設置した場合においても、加圧室１２で液相作動流体と気相作動流体とが気液混合状態となり、導入管１１と受熱板８との間の隙間から気液混合作動流体が受熱部３内部に拡散され、結果として受熱板８上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。

また、電子機器５０は、製品の構成により、冷却装置１の受熱部３の上部に発熱体２である高発熱部品を設置しなければならない場合が多く、本実施の形態のように、受熱板８の発熱体２設置面が上向きとなるように配置し、発熱体２設置面に電子機器５０の高発熱部品である発熱体２を設置した場合においても、上述するように、冷却装置１は受熱板８上に液相作動流体が流動しながら薄膜を形成することで飛躍的に熱伝達率を向上させることができる。

以上のごとく本発明の冷却装置は、作動流体を循環し液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置において、発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成するとともに、前記帰還経路の前記受熱部近傍または前記受熱部内に逆止弁を介在させ、前記受熱部内の前記逆止弁下流に導入管と、前記導入管に囲まれた空間である加圧室と、前記逆止弁と前記加圧室との間に作動流体供給口とを備え、前記導入管と前記受熱板との間に前記作動流体が流通可能な隙間を有した冷却装置であって、前記受熱板の前記導入管と対向する面に前記導入管内に突出する突起を設けたことを特徴とする冷却装置であって、前記受熱板の前記導入管と対向する面に、前記導入管内に突出する突起を設けたものであるので、発熱体を受熱部の上面に設置した場合においても効率的に冷却できる。

そして、このような冷却装置は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電子部品などの冷却に広く活用されることが期待される。

１ 冷却装置
２ 発熱体
３ 受熱部
４ 放熱部
５ 放熱経路
６ 帰還経路
７ ファン
８ 受熱板
９ 逆止弁
１０ 作動流体供給口
１１ 導入管
１２ 加圧室
１４ フィン
５０ 電子機器
５１ ケース

Claims (7)

1. 作動流体を循環し液相と気相の相変化によって冷却する冷却装置において、発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成するとともに、前記帰還経路の前記受熱部近傍または前記受熱部内に逆止弁を介在させ、前記受熱部内の前記逆止弁下流に導入管と、前記導入管に囲まれた空間である加圧室と、前記逆止弁と前記加圧室との間に作動流体供給口とを備え、前記導入管と前記受熱板との間に前記作動流体が流通可能な隙間を有した冷却装置であって、前記受熱板の前記導入管と対向する面に前記導入管内に突出する突起を設けたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記突起は、前記突起のすべてまたは一部において、前記突起の先端から前記突起の根元に向かって、前記突起と垂直な前記突起の断面積が大きくなることを特徴とした請求項１記載の冷却装置。
3. 前記突起は、前記突起と垂直な前記突起の断面形状が、円形をしていることを特徴とした請求項１または２記載の冷却装置。
4. 前記突起は、前記突起の中心軸が前記導入管の中心軸と一致するように備えたことを特徴とした請求項１〜３記載の冷却装置。
5. 前記導入管は、前記導入管のすべてまたは一部において、前記導入管の前記受熱板側に向かって、前記導入管と垂直な前記導入管に囲まれた断面積が大きくなることを特徴とした請求項１〜４記載の冷却装置。
6. 電子機器の高発熱部品に冷却装置を取り付けた請求項１〜５いずれか一つに記載の電子機器。
7. 前記受熱板の発熱体設置面が上向きとなるように配置し、前記発熱体設置面に前記電子機器の前記高発熱部品を設置したことを特徴とした請求項６記載の電子機器。

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