JP2015065187A - 冷却装置とこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却ファンの制御や冷媒の循環用動力源を不要とし、電子機器の発熱量の変化に対応することができる冷却装置を提供することを目的としている。【解決手段】冷媒５を、受熱部６、往路管８、放熱部７、復路管９、再び受熱部６へと循環させて熱の移動を行う冷却装置３であって、スイッチング素子２の熱を受ける受熱板１１に多孔質の突起１６を形成することにより、冷媒５の沸騰を促進し、冷却能力の低下を防ぎ、スイッチング素子２の発熱量の変化にも追従できる。【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、電力半導体を搭載した電子機器の冷却装置、およびこれを搭載した電子機器に関するものである。

従来この種の冷却装置は、発熱体となる電子機器の熱を受けて沸騰する液冷媒を貯留する冷媒槽と、この冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気を冷却風との熱交換によって冷却する放熱器とを備えた自然循環式の沸騰冷却装置であって、放熱器へ供給される冷却風量を可変する風量可変手段によりファン風量を制御し必要冷却能力を制御する構成となっていた。（例えば特許文献１参照）。

また、発熱体となる電子機器を冷却する冷却板と、放熱器と、インバータ式ポンプを繋ぎ、放熱器をファンにより冷却する循環式の冷却装置であって、電子機器近傍に温度センサを設置し、温度センサの測定値によりインバータ式ポンプの回転数とファンの回転数を制御し必要冷却能力を制御する構成となっていた。（例えば特許文献２参照）。

特開２０００−２０８６８３号公報 特開２００５−５５７１号公報

しかし、特許文献１で知られる自然循環式の沸騰冷却装置では、冷媒の循環用動力源（例えばインバータ式ポンプ）を持たないので電子機器の発熱量の変化に対し、電子機器の温度の検出値から、冷却ファンの回転数を制御することで対応させる。すなわち、電子機器の温度が高くなると、ファン風量を増大させるのである。

この方式では、電子機器の発熱量の変化に対し、ファン風量を増大させても、冷却が一時的に間に合わないという課題があった。

また特許文献２で知られるインバータ式ポンプを用いた循環式の冷却装置では、冷却能力に大きな影響力のある冷媒の循環量をインバータ式ポンプで制御することで電子機器の発熱量の変化に対応している。

この方式では、冷媒の循環用動力源となるインバータ式ポンプを駆動するための電力が必要となり、また、点検・メンテナンスが必要であることや、更にはインバータ式ポンプが蒸気を吸い込むと不具合が生じ、冷却装置の信頼性を損なうという課題があった。

本発明はこのような課題を解決するものであり、冷却ファンの制御や冷媒の循環用動力源を不要とし、電子機器の発熱量の変化に対応することができる冷却装置を提供することを目的としている。

そして、この目的を達成するために本発明は、内部に作動流体となる冷媒が封入され、発熱体となる電子機器からの熱を受ける受熱板を備えた受熱部と、前記冷媒の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する往路管および復路管とを備え、前記受熱部、前記往路管、前記放熱部、および前記復路管により前記冷媒が循環する循環経路を形成するとともに、前記循環経路のうちの前記放熱部から前記受熱部の間に逆止弁を設け、前記冷媒を前記循環経路に循環させて前記受熱部の熱を前記放熱部へ移動させる構成であって、前記受熱部内にて前記冷媒の沸騰を促進させる突起を備えることを特徴とする自然循環式の沸騰冷却装置である。これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明によれば、内部に作動流体となる冷媒が封入され、発熱体となる電子機器からの熱を受ける受熱板を備えた受熱部と、前記冷媒の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する往路管および復路管とを備え、前記受熱部、前記往路管、前記放熱部、および前記復路管により前記冷媒が循環する循環経路を形成するとともに、前記循環経路のうちの前記放熱部から前記受熱部の間に逆止弁を設け、前記冷媒を前記循環経路に循環させて前記受熱部の熱を前記放熱部へ移動させる構成であって、前記受熱部内にて前記冷媒の沸騰を促進させる突起を備えることにより、電子機器の発熱量の変化に対して、前記冷媒の速やかな沸騰を導き、前記受熱部内が過熱状態となることで前記電子機器が温度異常により故障することを防ぐ。

また冷媒の循環用動力源を持たない自然循環式の沸騰冷却装置では、発熱体からの熱により冷媒の循環が生じるため、特に前記電子機器の始動時で発熱が生じる始めにおいて前記受熱部内で突沸が生じる懸念があるが、本発明によれば前記突起により沸騰の際に生じる気泡を細かくすることができるので、突沸を防ぎ冷却装置の信頼性を向上することができるのである。

すなわち、本発明においては、冷却ファンの制御や冷媒の循環用動力源を不要とし、電子機器の発熱量の変化に対応することができるのである。

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設置概略図 本発明の実施の形態１の冷却装置の概略図 同冷却装置の受熱部の詳細図 （ａ）側面図、（ｂ）平面図 同冷却装置の受熱板の他の形態を示す概略図 （ａ）側面図、（ｂ）平面図 同冷却装置の別の配置方向を示す概略図 本発明の実施の形態２の冷却装置の概略図

以下、本発明の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、本実施の形態の電子機器の設置概略図を示している。

電子機器の筐体１の内部には電力変換等を行う電子回路（図示せず）を備えている。筐体１の内部に設置される電子回路の中で特に発熱するのは、直流を交流に変換する、または交流を直流に変換するスイッチング素子２（例えばＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ）である。このスイッチング素子２を冷却するために冷却装置３が備えられ、冷却装置３は筐体１の一部に強固に固定されており、ファン４を備えている。

図２は、冷却装置３の概略図を示している。冷却装置３は、内部に作動流体となる冷媒５が封入されており、受熱部６と放熱部７とを気密に接続する往路管８と復路管９とで構成されている。

ここで、それぞれの構成要素の基本機能および冷媒５の流れについて説明する。

受熱部６は、スイッチング素子２と熱的に接続し、その熱を受けて冷媒５を沸騰させる。その沸騰した冷媒５は、その体積膨張した圧力により往路管８を通り放熱部７へと移動する。

放熱部７は、内部に複数の細流路を備え、外側にフィンを備えたラジエータ（例えば、コルゲートフィン）となっている。内部の細流路に沸騰した冷媒５が通るときに、その冷媒５のもつ熱が外側のフィンに伝わり、ファン４で強制送風される空気により外側のフィンが冷やされることで、冷媒５の熱を放熱するのである。また、そのときに冷媒５は凝縮する。その凝縮した冷媒５は、重力の作用で復路管９を通り受熱部６へと再び供給される。

受熱部６、往路管８、放熱部７、および復路管９により冷媒５が自然循環する循環経路が形成され、冷媒５が上記のような循環を繰り返すことで、スイッチング素子２は冷却されるのである。

次に、本実施の形態で特に重要な特徴となる受熱部６の詳細について図３に示し説明する。

図３（ａ）は受熱部６の側面詳細図であり、図３（ｂ）は受熱部６の平面詳細図である。

受熱部６は、スイッチング素子２の熱を受ける受熱板１１と、受熱板１１を気密に覆い、往路管８および復路管９との接続口を備える受熱カバー１２と、復路管９から供給された冷媒５を受熱板１１の中央まで導く案内管１３と、案内管１３の先端に逆止弁１４とを備えている。

受熱板１１の外表面には、スイッチング素子２が密着しており、スイッチング素子２の熱を受熱板１１を介して冷媒５へと伝えている。受熱板１１の内表面には、伝熱促進のための表面積拡大と伝熱部位の厚みを減じ熱抵抗を小さくする効果を狙った溝１５が放射状に形成されている。この溝１５の底面に沸騰促進の効果を狙った多孔質の突起１６が受熱板１１の中央部に複数形成されている。また、受熱カバー１２と往路管８との接続部に、蒸気チャンバー部１７を設けている。

受熱部６の、このような構成により、案内管１３を経て冷媒５が受熱板１１の中央に供給された時に、溝１５を伝い全体的に広がると同時に、沸騰した冷媒５により逆止弁１４が閉じ、受熱部６内への冷媒供給が一時的に停止し、余分な量が供給されることを防ぐので、高い冷却効果が得られる。

このとき、多孔質の突起１６により、冷媒５の沸騰により生じる気泡が細かくなるという効果や、多孔質の微細な形状が表面積の増大と沸騰核の役割を果たすという効果が得られ、冷媒５の沸騰を促進できる。

そして、沸騰した冷媒５は、受熱カバー１２内に充満し、その圧力により、蒸気チャンバー部１７および往路管８を通り、放熱部７へと移動する。このとき、一時的に受熱部６内の圧力が下がり、逆止弁１４上に滞留した冷媒５の水頭圧力により、逆止弁１４が押し開かれ、冷媒５が再び供給される。以後、同様の沸騰現象を繰り返す。

蒸気チャンバー部１７は、受熱カバー１２において一部盛り上がるように形成され、その蒸気チャンバー部１７の一端において往路管８が、逆止弁１４よりも高い位置で接続する。これにより、沸騰した冷媒５が往路管８へとスムーズに流れていくのである。

この突起１６と蒸気チャンバー部１７の効果が最も活かされるのは、スイッチング素子２の停止時や低負荷時である。このときは、冷媒５が受熱部６内に液相のまま滞留しやすくなる。この液相の冷媒５が沸騰に伴い発生する気泡の離脱を阻害するとともに、往路管８の入口を塞いで沸騰した冷媒５の流れを阻害し、冷却装置３の性能を低下させる。

このとき、多孔質の突起１６では、沸騰に伴い発生する気泡が大きくなる前に離脱し、また表面積を増大できるので、細かな気泡が突起１６全体から多量に発生することができる。この多量に発生した気泡が受熱板１１上に滞留した液相の冷媒５を巻き込み往路管８へと流すことができる。

また、蒸気チャンバー部１７を受熱カバー１２から一部盛り上がるように形成することで、沸騰した冷媒５が充満する空間を確保し、また往路管８との接続口が逆止弁１４よりも高くなることで、往路管８の入口の少なくとも一部は滞留した液相の冷媒５で閉塞されることを防ぐ。

このように、冷却装置３の性能低下を防ぐとともに、スイッチング素子２の始動時や運転状態の過渡時にスイッチング素子２からの発熱量が変化しても冷却性能がスムーズに追従することができる。

以上のように、冷却装置３はファン４の制御や冷媒の循環用動力源（例えば、インバータ式ポンプ）を不要とし、電子機器の発熱量の変化に対応することができるのである。

ここで、この放射状の溝１５は、例えば切削加工や、鋳型鋳造、プレス加工により形成される。切削加工の場合は、微細形状や特異形状でも製造が可能である。鋳型鋳造の場合は、特に大きな形状でも容易に製造可能である。また、プレス加工の場合は、特に小型で大量の製造を容易に実現できる。

また、突起１６は、溝１５の底面に金属粉粒体や金属細線を敷き、焼結して形成することができる。材質は、受熱板１１と同等が好ましく、例えば銅やアルミである。

また、この放射状の溝１５は、放射状以外に、平行溝でも良い。

また、この突起１６は、図４に示すような微細溝１８でも良い。図４（ａ）は受熱部６の側面詳細図であり、図４（ｂ）は受熱部６の平面詳細図である。

この微細溝１８においても、突起１６と同様の効果が得られ、放射状の溝１５の形成と同時に加工できるので製造が容易になる。

また、本発明の冷却装置３では、図５に示すような縦配置にも対応できる。

すなわち、放熱部７の下端よりも受熱部６の上端が下方となる位置関係であれば、前述の循環経路が成立し、冷媒の自然循環によりスイッチング素子２の冷却が可能となる。

またこの縦配置についても、蒸気チャンバー部１７は、受熱カバー１２において一部盛り上がるように形成され、その蒸気チャンバー部１７の一端において往路管８が、逆止弁１４よりも高い位置で接続するので、沸騰した冷媒５が往路管８へとスムーズに流れていくのである。

（実施の形態２）
次に、図６を用いて本発明の第２の実施の形態について説明する。

全体の構成は、実施の形態１と同じであり、その詳細な説明は省略する。

実施の形態２において特徴的な部分は、蒸気チャンバー部１７の内表面、復路管９の内表面、案内管１３の内表面に親水性の表面処理１９、往路管８の内表面に親水性の表面処理２０が施されていることである。

図６に親水性の表面処理１９、および表面処理２０を施す位置の概略図を示す。この表面処理は、例えばサンドブラストや、微細溝加工、プラズマ処理、ＵＶ照射、レーザー照射、熱処理、イオン注入、電解研磨などにより施すことができる。

往路管８や復路管９に市販の金属パイプを使うならば、エアコン等に用いられている内面に細溝が形成された管を流用することができる。

復路管９および案内管１３においては、毛細管力の作用により液相の冷媒５の還流を促進することができる。

往路管８および蒸気チャンバー部１７においては、沸騰した冷媒５の流れをスムーズにすることができる。

すなわち、沸騰した冷媒５は、沸騰して蒸発した気相が液相を巻き込み往路管８へと流れていく。このとき、蒸気チャンバー部１７では、液相の冷媒５が滴状になることなく内表面を覆うため、冷媒５の流れを阻害しにくくなるのである。また、往路管８においては、液相の冷媒５が管壁側へはりつき、管中心に気相の冷媒５の経路を確保できるのである。

なおここで、表面処理２０は、表面処理１９よりも親水性が弱く例えばサンドブラストやプラズマ処理であるならば処理時間を短くする。これにより、往路管８において、管内壁に付着した液相の冷媒５が毛細管力もしくは重力の作用により、気相の冷媒５の循環方向に抗って受熱部６側へと還流することを防ぐことができる。

また例えばスイッチング素子２が停止し、冷媒５の循環が停止したときに、冷媒５が冷却装置３の内部のあらゆる箇所で凝縮するが、表面処理１９および表面処理２０の作用により、受熱部６へと冷媒５が還流し、スイッチング素子２の再始動の際にも冷却能力を損なうことを防ぐ。

なお、冷媒５には、純冷媒として、純水、エタノール、メタノール、アセトン、ペンタン、フレオン系冷媒、フロン系冷媒、フッ素系液体、などを用いると良く、冷却装置３の設置環境条件や絶縁の必要性、必要冷却性能を考慮し選択する。

この場合例えば冷却装置３を常温付近で使用するのであれば、純水は蒸発潜熱が大きく調達性が良いため好適である。

また例えば氷点下環境で使用するのであれば、エタノールやメタノール、などの凝固点が０℃以下のものが好適であり、氷点下環境でも冷却装置３の動作が可能である。

また例えば電気絶縁性が必要な場合は、フレオン系冷媒、フロン系冷媒、フッ素系液体、などの電気絶縁性が大きい冷媒が好適であり、冷却装置３が天災や事故で破壊されて冷媒５が漏れることにより周囲の電機機械が漏電することを防ぐことができる。

なおまた、それぞれの冷媒を混合した混合冷媒を使用しても良く、有機溶剤や高級脂肪酸、界面活性剤を添加しても良い。

この場合例えば、純水にエタノールを混合し、エタノール水溶液とすることで、純水のみよりも表面張力を低下させるので、冷媒５が受熱部６内部や、往路管８内壁で滴状になりにくく内表面を覆いやすくなるため、冷媒５の流れを阻害しにくくなるのである。有機溶剤や高級脂肪酸の添加でも表面張力の低下作用が得られ、界面活性剤では界面張力の低下作用が得られ、それぞれ前述と同様な効果が得られ、冷媒５の流れを阻害しにくくなる。これにより、冷却装置３内の圧力損失が低下し、冷却装置３の性能低下を防ぐとともに、スイッチング素子２の始動時や運転状態の過渡時にスイッチング素子２からの発熱量が変化しても冷却性能がスムーズに追従することができる。

以上のように本発明は、内部に作動流体となる冷媒が封入され、発熱体となる電子機器からの熱を受ける受熱部と、その冷媒の熱を放出する放熱部と、受熱部と放熱部とを接続する往路管および復路管とを備え、この受熱部、往路管、放熱部、および復路管により冷媒が循環する循環経路を形成するとともに、循環経路のうちの放熱部から受熱部の間に逆止弁を設け、冷媒を循環経路に循環させて受熱部の熱を放熱部へ移動させる自然循環式の沸騰冷却装置であって、この受熱部内にて冷媒の沸騰を促進させる突起を備えることにより、冷却ファンの制御や冷媒の循環用動力源を使わずとも発熱体となる電子機器の発熱量が変化にスムーズに対応できるのである。

したがって、各種電子機器の冷却装置として活用される。

１ 筐体
２ スイッチング素子
３ 冷却装置
４ ファン
５ 冷媒
６ 受熱部
７ 放熱部
８ 往路管
９ 復路管
１１ 受熱板
１２ 受熱カバー
１３ 案内管
１４ 逆止弁
１５ 溝
１６ 突起
１７ 蒸気チャンバー部
１８ 微細溝
１９ 表面処理
２０ 表面処理

Claims (11)

1. 電子部品を有する電子機器の冷却装置において、
   前記冷却装置は、
   内部に作動流体となる冷媒が封入され、
   発熱体となる前記電子機器からの熱を受ける受熱板を備えた受熱部と、
   前記冷媒の熱を放出する放熱部と、
   前記受熱部と前記放熱部とを接続する往路管および復路管とを備え、
   前記受熱部、前記往路管、前記放熱部、および前記復路管により前記冷媒が循環する循環経路を形成するとともに、
   前記循環経路のうちの前記放熱部から前記受熱部の間に逆止弁を設け、
   前記冷媒を前記循環経路に循環させて前記受熱部の熱を前記放熱部へ移動させる構成であって、
   前記受熱部内にて前記冷媒の沸騰を促進させる少なくとも１つの突起を備えている冷却装置。
2. 前記突起は、前記受熱板の内側に金属多孔質体を焼結して形成されている請求項１記載の冷却装置。
3. 前記突起は、前記受熱板の内側表面への微細加工により形成されている請求項１記載の冷却装置。
4. 前記受熱部は、前記往路管との接続口に蒸気チャンバー部を備え、
   前記往路管と、前記蒸気チャンバー部との接続口が、前記逆止弁よりも高い位置に配されている請求項１記載の冷却装置。
5. 前記蒸気チャンバー部の内表面に親水性の表面処理が施されている請求項４記載の冷却装置。
6. 前記往路管の内表面に親水性の表面処理が施されている請求項１記載の冷却装置。
7. 前記受熱部は、前記復路管との接続口から前記受熱部の中央まで前記冷媒を導く案内管を備え、前記復路管および前記案内管の内表面に親水性の表面処理が施されている請求項１記載の冷却装置。
8. 前記冷媒に純冷媒を用いる請求項１から７いずれかに記載の冷却装置。
9. 前記冷媒に混合冷媒を用いる請求項１から７いずれかに記載の冷却装置。
10. 前記冷媒に界面活性剤を添加する請求項１〜９いずれかに記載の冷却装置。
11. 前記冷媒に有機溶媒を添加する請求項１〜９いずれかに記載の冷却装置。

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