JP2019024028A - Cooler for electronic equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、中央演算装置(CPU)や電力変換素子等の高発熱体となる半導体デバイスを内部に有する電子機器の冷却装置に関する。 The present invention relates to a cooling device for an electronic apparatus having therein a semiconductor device that is a high heat generating element such as a central processing unit (CPU) or a power conversion element.
近年、電子機器や電力変換装置は、小型化、高密度化が進み、発熱密度が増加している。これらの装置に用いられるCPUや電力変換素子等の半導体デバイスは、動作時に発熱するが、所定の温度を超えると性能が低下する、或いは破損することがある。従って、発熱する電子機器については所定の温度以下に冷却する必要がある。また、電子機器を有する装置全体の小型化に伴い、発熱する電子機器を冷却するための冷却装置も、小型化や冷却能力の向上が求められている。 In recent years, electronic devices and power conversion devices have been reduced in size and density, and the heat generation density has increased. Semiconductor devices such as CPUs and power conversion elements used in these devices generate heat during operation, but their performance may be degraded or damaged when they exceed a predetermined temperature. Therefore, it is necessary to cool an electronic device that generates heat to a predetermined temperature or lower. In addition, with the downsizing of the entire apparatus having electronic devices, cooling devices for cooling electronic devices that generate heat are also required to be downsized and have improved cooling capacity.
従来の電子機器の冷却装置としては、例えば、電力変換装置の冷却装置として、空気や水を冷媒とし、この冷媒の顕熱差(温度差)を利用したものがある。このような冷媒の顕熱差を利用した冷却装置においては、前記冷媒の輸送のために、ファン、ポンプ等の外部動力や、自然対流等を用い、発熱する電子機器の部分まで温度の低い冷媒を輸送し、発熱している高温の電子機器と熱交換を行うことで、電子機器を冷却している。 As a conventional cooling device for electronic equipment, for example, there is a cooling device for a power converter that uses air or water as a refrigerant and uses a sensible heat difference (temperature difference) of the refrigerant. In such a cooling device using the sensible heat difference of the refrigerant, a refrigerant having a low temperature up to the part of the electronic device that generates heat by using external power such as a fan or a pump or natural convection for transporting the refrigerant. The electronic equipment is cooled by exchanging heat and exchanging heat with the high-temperature electronic equipment generating heat.
発熱密度の向上に伴い、顕熱を利用した冷却装置では、冷却能力の不足や、冷却装置が大型化する問題があった。このため、近年は更に冷却能力が高い、冷媒の相変化時の潜熱を利用した冷却装置が用いられるようになっている。一般に潜熱は顕熱に比べ大きく、また相変化時は温度上昇がないため、冷媒と発熱体との温度差が小さくても大量の熱を発熱体から冷媒へ伝えることができ、冷却装置の小型高効率化が可能となる。 Along with the improvement in the heat generation density, the cooling device using sensible heat has a problem of insufficient cooling capacity and an increase in size of the cooling device. For this reason, in recent years, a cooling device that has a higher cooling capacity and uses latent heat at the time of phase change of the refrigerant has been used. In general, latent heat is larger than sensible heat, and since there is no temperature rise during phase change, a large amount of heat can be transferred from the heating element to the refrigerant even if the temperature difference between the refrigerant and the heating element is small. High efficiency can be achieved.
この潜熱を利用した冷却装置としては、例えば、特開2011−47616号公報(特許文献1)に記載されたものがある。この特許文献1のものには、受熱ジャケットにおいて、冷媒を発熱体と熱交換させて気化させ、上方に設けたヘッダを介して凝縮器に流し、この凝縮器で前記気化した冷媒を再度凝縮させ、その後、凝縮した液冷媒の重力により、液戻り管を介して前記受熱ジャケットに戻るように構成されている重力式の電子装置用冷却システムが記載されている。
As a cooling device using this latent heat, for example, there is one described in JP 2011-47616 A (Patent Document 1). In this
この特許文献1のものでは、冷媒の輸送にポンプ等の外部動力を用いないので、より消費電力を低減させた冷却装置とすることができ、結果として、これを搭載する電子機器の低消費電力化を実現することができる。
In this
また、潜熱を利用した従来の他の冷却装置として、特開2004−190976号公報(特許文献2)に記載されたものがある。この特許文献2のものには、冷媒の循環のために液冷媒の重力を用いず、毛細管力を発生するウィック構造を蒸発器に設け、前記毛細管力を利用して、冷媒を循環させる電子デバイスの冷却装置が記載されている。
Another conventional cooling device using latent heat is described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-190976 (Patent Document 2). In this
上記特許文献1に記載されているような液冷媒の重力により冷媒を循環させる重力式の冷却装置では、冷媒を循環させるために、前記受熱ジャケットにおける液冷媒の液面高さに比べ、凝縮器における液冷媒の液高さを高くしなければならない。即ち、前記凝縮器で凝縮した液冷媒が前記受熱ジャケットに流れて気化し、再び前記凝縮器まで戻るのに必要な圧力損失分、凝縮器における液冷媒の液面高さを、受熱ジャケットにおける液冷媒の液面高さより高くしなければならない。このため、電子機器の冷却装置が高さ方向に大型化する課題がある。
In the gravity-type cooling device that circulates the refrigerant by the gravity of the liquid refrigerant as described in the above-mentioned
また、上記特許文献2に記載されているような毛細管力を利用して冷媒を循環させる冷却装置では、上記特許文献1のように、冷媒液面の高低差を設ける必要はないが、蒸発器に毛細管力を発生するウィック構造をもつため、前記ウィック内は液冷媒と気化した冷媒の共存する二相流となる。このため、前記ウィック内は流動による圧力損失が大きくなり、結果として冷媒の流動が阻害され、伝熱能力が低下する課題がある。
Further, in the cooling device that circulates the refrigerant using the capillary force described in
本発明の目的は、毛細管力を利用しつつ小さい圧力損失で冷媒を循環させることができ、しかも小型で冷却能力の高い電子機器の冷却装置を得ることにある。 An object of the present invention is to obtain a cooling device for an electronic device that can circulate a refrigerant with a small pressure loss while utilizing a capillary force and that is small in size and has a high cooling capacity.
上記目的を達成するため、本発明は、内部に封入した液冷媒を気化させて発熱体を冷却すると共に、気化したガス冷媒が流出する沸騰部出口を有する沸騰部と、気化した冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記沸騰部の周囲に設けられ、前記凝縮部で凝縮した液冷媒を貯留する液溜部と、前記沸騰部出口と前記凝縮部上部の入口とを接続するガス配管と、前記凝縮部の下部と前記液溜部とを接続する液配管とを備え、前記沸騰部は、前記液溜部と前記沸騰部出口とを接続する複数の微細流路が設けられ、かつ前記微細流路は、その入口側よりも出口側が高い位置となるように傾斜させて構成され、前記液溜部の液冷媒を微細流路の毛細管力によりこの微細流路内を上昇させる構成としていることを特徴とする電子機器の冷却装置にある。 In order to achieve the above object, the present invention vaporizes the liquid refrigerant sealed inside to cool the heating element, condenses the boiling part having a boiling part outlet through which the vaporized gas refrigerant flows out, and the vaporized refrigerant. A condensing unit, a liquid storage unit that is provided around the boiling unit and stores the liquid refrigerant condensed in the condensing unit, a gas pipe connecting the boiling unit outlet and the upper inlet of the condensing unit, and the condensing unit A liquid pipe that connects the lower part of the liquid part and the liquid reservoir part, and the boiling part is provided with a plurality of fine flow paths that connect the liquid reservoir part and the boiling part outlet, and the fine flow path Is configured to be inclined so that the outlet side is higher than the inlet side, and the liquid refrigerant in the liquid reservoir is configured to rise in the fine flow path by the capillary force of the fine flow path. It is in the cooling device for electronic equipment.
本発明の他の特徴は、内部に封入した液冷媒を気化させて発熱体を冷却すると共に、気化したガス冷媒が流出する沸騰部出口を有する沸騰部と、 気化した冷媒を凝縮させる凝縮部と、前記沸騰部の周囲に設けられ、前記凝縮部で凝縮した液冷媒を貯留する液溜部と、前記沸騰部出口と前記凝縮部上部の入口とを接続するガス配管と、前記凝縮部の下部と前記液溜部とを接続する液配管とを備え、前記沸騰部は、前記液溜部と前記沸騰部出口とを接続する複数の微細流路が設けられ、かつ前記微細流路は、その入口側から出口側まで流路面積が一定の連続した形状に構成され、前記液溜部の液冷媒を前記微細流路の毛細管力によりこの微細流路内に流入させる構成としている電子機器の冷却装置にある。 Another feature of the present invention is that the liquid refrigerant sealed inside is vaporized to cool the heating element, and the boiling part has a boiling part outlet from which the vaporized gas refrigerant flows out, and the condensing part condenses the vaporized refrigerant. A liquid reservoir portion that is provided around the boiling portion and stores the liquid refrigerant condensed in the condensing portion; a gas pipe that connects the boiling portion outlet and the upper inlet of the condensing portion; and a lower portion of the condensing portion And a liquid pipe connecting the liquid reservoir, the boiling portion is provided with a plurality of fine flow paths connecting the liquid reservoir and the outlet of the boiling portion, and the fine flow path is Cooling of electronic equipment configured to have a continuous shape with a constant flow path area from the inlet side to the outlet side, and to allow the liquid refrigerant in the liquid reservoir to flow into the fine flow path by the capillary force of the fine flow path In the device.
本発明によれば、毛細管力を利用しつつ小さい圧力損失で冷媒を循環させることができ、しかも小型で冷却能力の高い電子機器の冷却装置を得ることができる効果がある。 According to the present invention, it is possible to circulate the refrigerant with a small pressure loss while utilizing the capillary force, and to obtain an electronic device cooling apparatus having a small size and a high cooling capacity.
以下、本発明の電子機器の冷却装置における具体的実施例を、図面を用いて説明する。各図において、同一符号を付した部分は同一或いは相当する部分を示している。 Specific examples of the electronic apparatus cooling apparatus according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In each figure, the part which attached | subjected the same code | symbol has shown the part which is the same or it corresponds.
本発明の電子機器の冷却装置における実施例1を、図1〜図6を用いて説明する。
まず、図1により、本実施例1の全体構成を説明する。図1は本実施例1を示す電子機器の冷却装置の斜視図である。
A first embodiment of the electronic apparatus cooling apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS.
First, the overall configuration of the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view of a cooling apparatus for an electronic apparatus according to the first embodiment.
図1において、冷却装置1は、沸騰部2、凝縮部3、液溜部4、液配管5、ガス配管6などを備えている。矢印gは重力の方向である。
前記沸騰部2は、前記液溜部4及び前記ガス配管6と接続され、内部が密閉された状態で冷媒を流すことができるように構成されている。また、半導体素子等の発熱体7と熱的に接続され、前記発熱体7で発熱する熱を、前記沸騰部2を流れる冷媒に伝達することで、前記発熱体7を冷却するように構成されている。
In FIG. 1, the
The
前記ガス配管6は、前記沸騰部2及び前記凝縮部3と接続され、内部が密閉された状態で冷媒を流すことができる。前記ガス配管6は、その内部を主に沸騰により気化して膨張した冷媒が流れるため、前記液配管5に比べて配管径は大きい方が好ましい。また、本実施例では、前記ガス配管6を円管としているが、楕円形の管や四角形の管等、他の管形状としても良い。
The
前記凝縮部3は、前記ガス配管6及び前記液配管5と接続され、内部が密閉された状態で冷媒を流すことができる。前記凝縮部3では、前記ガス配管6から流入するガス冷媒を再凝縮させる。従って、前記凝縮部3の材質は、熱伝導率の大きいものが良く、例えば銅やアルミで構成されている。
The condensing unit 3 is connected to the
前記液配管5は、前記凝縮部3及び前記液溜部4と接続され、内部が密閉された状態で冷媒を流すことができる。なお、本実施例においては、前記液配管5は前記凝縮部3から液溜部4まで水平に接続されているが、斜めに接続させるようにしても良い。前記液配管5の入口側(凝縮部3側)よりも出口側(液溜部4側)が低くなるように接続すれば、液冷媒の輸送に液冷媒の重力を利用できるため、液冷媒をよりスムーズに前記液溜部4まで送ることができる。また、前記液配管5の断面形状は、前記ガス配管6と同様に、円管で構成されているが、円管に限られず、楕円形の管や四角形の管等の他の管形状にしても良い。
The
前記液溜部4は、前記液配管5及び前記沸騰部2と接続され、内部が密閉された状態で冷媒を流すことができる。この液溜部4には、前記凝縮部3で再凝縮した液冷媒が貯留される。
The
前記発熱体7は、CPUや電力変換素子等であり、発熱源となる。前記発熱体7は、前記沸騰部2と熱的に接続されており、前記発熱体7で発生した熱は前記沸騰部2に伝達されるように構成されている。即ち、前記発熱体7と前記沸騰部2とは、直接接触させるか、或いは熱伝導率の大きいシートやグリス等を介して接続され、更に、ネジ(図示せず)などにより、前記発熱体7の周囲と前記冷却装置1が固定されることにより、熱抵抗を小さくして、効率良く熱を冷却装置1に伝達することができる。
The
前記冷却装置1には、冷媒が冷媒注入口(図示せず)から注入される。その後、冷却装置1内部の圧力を所定圧力に調整し、前記冷媒注入口を封止する。冷媒が気化する温度は冷媒の種類及び飽和蒸気圧により決まるため、冷却装置1内部の飽和蒸気圧が変化しないように、前記冷媒注入口を封止した後、外気と冷媒とが冷却装置1内で透過しないようにする必要がある。このため、冷却装置1で冷媒が流れる部分の材質は、気体の透過が小さい金属材が好適である。
また、冷媒は、前記発熱体7の使用温度で、気液相変化が起きるものであれば良く、減圧した水やフロン系冷媒が好適である。
A coolant is injected into the
Moreover, the refrigerant | coolant should just be a thing which a gas-liquid phase change occurs at the use temperature of the said
次に、本実施例における沸騰部2の構造について、図2〜図4を用いて説明する。図2は図1に示す沸騰部2及び液溜部4を示す平面断面図で、微細通路22の部分に沿った断面を示す図、図3は図2のIII−III線矢視断面図、図4は図3のA部拡大図である。
Next, the structure of the boiling
図2、図3に示すように、沸騰部2は、円板状部材2aと、この円板状部材2aの中央上部に設けられた沸騰部出口(沸騰部中心)21と、前記円板状部材2aの外周側と前記沸騰部出口21を接続するように、前記円板状部材2aの外周側から前記沸騰部出口21に向かって放射状に多数設けられた微細流路22を備えている。また、この微細流路22は、その入口側から出口側まで流路面積が一定の連続した形状、即ち断続的ではない形状に構成されている。
As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the boiling
前記円板状部材2aの外周側には、この円板状部材2aの外周側に沿って、環状(ドーナツ状)に形成された液溜部4が設けられている。この液溜部4は、前記円板状部材2aの外周部に沿って設けられた環状部材4aに形成されており、前記液配管5から流入する液冷媒が貯留される。従って、前記微細流路22は、この液溜部4と前記沸騰部出口21とを接続するように設けられており、前記液溜部4の液冷媒を前記微細通路22の毛細管力により該微細通路22内に流入させるように構成されている。
On the outer peripheral side of the disk-shaped
図3に示すように、前記沸騰部出口21は前記液溜部4よりも高い位置に配置されており、また、前記沸騰部2の前記微細流路22は、図2に示すように、一端側が前記液溜部4に開口し、他端側が前記沸騰部出口21に開口するように形成されている。従って、前記微細流路22は、外周側に設けた前記液溜部4から前記沸騰部出口21に向かって上昇するように、傾斜した構造に形成されている。更に、前記微細流路22は、図2に示すように、前記円板状部材2aの周方向に、多数形成されており、この多数の微細流路22は前記沸騰部中心21で合流されている。従って、前記微細通路22は、前記沸騰部中心21から前記円板状部材2aの外周全体に亘って放射状に多数設けられている。なお、前記沸騰部出口21は前記ガス配管6(図1参照)と接続されている。
As shown in FIG. 3, the boiling
前記微細流路22は、前述したように、入口側より出口側の方が高くなるように形成されており、この微細流路22の入口側は前記液溜部4と接続され、液冷媒で満たされている。このため、微細流路22入口側の液冷媒は、毛細管力により、図4に示すように、該微細流路22の出口221まで流れる。前記沸騰部中心21は、前記微細流路22に比べて断面積が大きいため、毛細管力は小さくなる。したがって、液冷媒は液溜部4から微細流路の出口221の位置まで輸送される。
As described above, the
前記微細流路22の断面形状は、毛細管力により液冷媒を輸送できればよく、製作のし易さを考慮すると、四角形または円形が好適である。
図5は図3に示す微細流路22が四角形の場合における冷媒の流動を説明する断面図、図6は図3に示す微細流路22が円形の場合における冷媒の流動を説明する断面図である。これら図5、図6を用いて、それぞれの断面形状における前記微細流路22を流れる冷媒の流動状態を比較して説明する。
The cross-sectional shape of the
5 is a cross-sectional view for explaining the flow of the refrigerant when the
微細流路22内を流れる液冷媒は、発熱体7(図3参照)からの熱によってガス化する。このため、前記微細流路22内は、図5、図6に示すように、ガス化したガス冷媒と、ガス化していない液冷媒の二相流となり、前記ガス冷媒は微細流路22の断面中心部分を流れ、その外周を液冷媒が膜状に流れる。前記微細流路22の断面形状が四角形の場合には、図5中に矢印で示した四角形の角部付近では、液冷媒の膜厚が厚くなる。この膜厚の厚い部分が生じるため、瞬時的に前記発熱部7における局所の発熱量が大きくなった場合でも、前記液膜の厚い部分により、液冷媒が不足することを抑制して、液冷媒の蒸発を継続することができる。従って、前記発熱部7を安定して冷却できる効果が得られる。
The liquid refrigerant flowing in the
なお、図5に示す四角形の微細流路22では、上の2つの角部と下の2つの角部を、同じ高さ位置となるように構成しているが、四角形の1つの角部が最上部、他の1つの角部が最下部となるように斜めに配置、即ちひし形形状となるように構成しても良い。
In the rectangular
一方、図6に示すように、微細流路22の断面が円形の場合は、液冷媒はガス冷媒の周囲にほぼ均一な厚さで分布する。従って、微細流路22を円形に形成した場合、前記発熱体7からの熱を、円形の微細通路22の外周全体から均一に液冷媒に伝えることができる。
前記沸騰部2の材質としては、前記発熱体7からの熱を効率良く冷媒に伝達させる必要があるため、例えば銅やアルミなどの熱伝導率の大きい材料を使用すると良い。
On the other hand, as shown in FIG. 6, when the cross section of the
As the material of the boiling
次に、図1を用いて、本実施例の電子機器の冷却装置1の動作について説明する。
液溜部4に液冷媒が貯留されている場合、この液冷媒は、前記液溜部4から、毛細管力により、沸騰部2の前記微細流路22内へ流入し、更に前記微細流路22の出口221(図4参照)まで液冷媒は溜まる。前記微細流路22に液冷媒が溜っている状態で、前記発熱体7からの熱が沸騰部2へ伝達されると、前記微細流路22が加熱され、加熱された微細流路22の壁面から、液冷媒へ熱が伝わる。これにより、微細流路22内の液冷媒は沸騰し、ガス化し、前記微細流路22内には、図5、図6に示すように、気体スラグ(気液二層流の中に現れる大きな気体)が生成され、スラグ流となって流れる。
Next, the operation of the electronic
When liquid refrigerant is stored in the
前記微細流路22内で、沸騰していない液冷媒はこの微細流路22の管壁面側に移動して液膜となる。前記微細流路22は、前記沸騰部出口21に向かって高さ方向に傾斜しているため、前記気体スラグは浮力により前記沸騰部出口21に向かって流れる。
In the
このように、スラグ流が前記微細流路22を流れる際は、浮力による力が働くため、前記微細流路22の入口と出口との間の圧力損失を小さくすることができる。また、前記スラグ流が前記微細流路22を流れることによって、スラグ流周囲の液膜は非常に薄くなるから、前記微細流路22を流れる液冷媒への熱伝達性が向上する。これにより、前記発熱体7からの熱を、より効率良く液冷媒へ伝えることができる。
Thus, when the slag flow flows through the
前記微細流路22を流れる液冷媒への熱伝達性が向上するためには、前記微細流路22が円形の場合には、その直径を0.5〜0.1mmにすることが好ましい。前記微細流路22が円形以外の場合には、その水力等価直径を0.5〜0.1mmとすれば良い。
In order to improve heat transfer to the liquid refrigerant flowing through the
前記沸騰部出口21から、図1に示す前記ガス配管6へ流れたガス冷媒は、前記凝縮部3へ流入して凝縮され、再度液冷媒となる。本実施例では、ファン(図示せず)から前記凝縮部3に対し、冷媒の凝縮温度よりも低温の空気を、図1にAirで示す矢印の方向に送風し、前記凝縮部3内を流れるガス冷媒と前記空気を熱交換させ、ガス冷媒を冷却し、凝縮させている。
The gas refrigerant that has flowed from the boiling
一般に、空気の熱伝導率は小さいため、伝熱面積や熱伝達率を増加させる目的で、前記凝縮部3の空気側には、フィン31が設けられている。前記ファンによる空気の通風方向は、本実施例では、前記凝縮部3から前記沸騰部2へ向かうようにしているが、冷却装置1を実装する電子機器に応じて、前記通風方向を適宜変えるようにしても良い。例えば、前記凝縮部3を前記沸騰部2よりも、紙面奥側に配置し、前記ガス配管6及び前記液配管5も図1の紙面奥側に向くように構成し、紙面奥側から手前方向へ通風するようにファンを設けた場合でも同様の効果が得られる。
In general, since the thermal conductivity of air is small,
また、上記実施例1では、前記凝縮部3を外部空気で冷却するようにしているが、冷水で冷却したり、或いはペルチェ素子や冷凍サイクル等の冷熱源で冷却するようにしても良い。 Moreover, in the said Example 1, although the said condensation part 3 is cooled with external air, you may make it cool with cold water, or may be cooled with cold heat sources, such as a Peltier device and a refrigerating cycle.
前記凝縮部3において凝縮された液冷媒は、該凝縮部3の下部から前記液配管5を介して前記液溜部4へ流入し、再びこの液溜部4に貯留され、以下同様の動作を繰り返す。
なお、前記凝縮部3から前記液溜部4へ液冷媒がスムーズに流れるように、前記凝縮部3の下端は前記液溜部4の上端より高い位置に設けられている。
The liquid refrigerant condensed in the condensing unit 3 flows from the lower part of the condensing unit 3 into the
In addition, the lower end of the condensing unit 3 is provided at a position higher than the upper end of the
また、前記液配管5及び前記液溜部4を形成している環状部材4aの材質は、凝縮した液冷媒が、外気や前記発熱体7からの熱伝導により、前記液配管5や前記液溜部4内部で沸騰することを防止するため、熱伝導率が比較的小さい材料、例えばステンレス等で構成すると良い。
The material of the
以上述べた本実施例1によれば、上述した特許文献1に記載されている液冷媒の重力により冷媒を循環させる重力式の冷却装置で必要だった液面高さほどの高低差が必要ないため、電子機器の冷却装置が高さ方向に大型化するのを防止でき、冷却装置をより小型化できる効果が得られる。
According to the first embodiment described above, there is no need for a height difference as high as the liquid level required in the gravity type cooling device that circulates the refrigerant by the gravity of the liquid refrigerant described in
また、沸騰部2に微細流路22を、沸騰部出口21周りに放射状に形成する構成としているので、微細流路22をより多く設けることが可能となる。これにより、液冷媒を微細流路まで誘導するための毛細管力が大きくなる。従って、発熱体7からの発熱量が大きい場合も毛細管力により液冷媒が微細流路に充填され、発熱体7を冷却することができるから、この点からも冷却能力の向上を図ることができる。
In addition, since the
更に、前記微細流路22は、液溜部4から沸騰部中心21に向かって上昇するように傾斜をつけているので、前記微細流路22内で沸騰して発生した気体スラグの浮力により、自然に、冷媒をガス配管6へ向かって流すことができる。これにより、上記特許文献2に記載されているような、毛細管力を利用して冷媒を循環させる冷却装置に比べ、気液二相流となっている冷媒の流動による圧力損失を大幅に低減でき、冷媒の流動が阻害されず、伝熱能力を向上できる効果も得られる。また、前記微細流路22における冷媒への熱伝熱は、沸騰に加えてスラグ流を利用した液膜での熱伝達により、小型で冷却能力の高い電子機器の冷却装置を得ることができる。
Further, since the
本発明の電子機器の冷却装置における実施例2を、図7及び図8を用いて説明する。図7は本実施例2を示す電子機器の冷却装置の斜視図、図8は図7に示す沸騰部2及び液溜部4を示す平面断面図で、微細通路22の部分に沿った断面を示す図である。本実施例2の説明においては、上記実施例1と同様の部分については同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
A second embodiment of the electronic apparatus cooling apparatus according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a perspective view of a cooling apparatus for an electronic device showing the second embodiment, and FIG. 8 is a plan sectional view showing the boiling
図7、図8に示すように、本実施例2では、複数の微細流路22を有する沸騰部2の形状を、実施例1に示すように円形の形状ではなく、四角形となるように構成しているものである。また、液溜部4も、四角形の前記沸騰部2の形状に合わせて、四角形となるように構成して、前記沸騰部2の外周部に沿って設けられている。即ち、前記沸騰部2は、四角形の板状部材2b、この四角形の板状部材2bに形成された複数の微細流路22、及び前記板状部材2bの中心に設けられた沸騰部出口(沸騰部中心)21を備えている。また、四角形の前記板状部材2bの周囲には四角形の環状部材4aが設けられ、この環状部材4aには液溜部4が形成されている。前記微細流路22は前記液溜部4と前記沸騰部出口21を接続するように、前記板状部材2bの外周側から前記沸騰部出口に向かって放射状に多数設けられている。
As shown in FIGS. 7 and 8, in the second embodiment, the shape of the boiling
一般に、発熱体7は角型形状であるため、本実施例のように沸騰部2を四角形とすることにより、沸騰部2の全体を四角形の発熱体7に対応させて接触させることができるため、沸騰部2の全体を有効に発熱体7の冷却に使用できる。即ち、沸騰部2における発熱体7の冷却に寄与しない部分をより低減することが可能となる。
In general, since the
また、図8に示すように、沸騰部2が四角形の形状となっているため、周方向に多数設けられている微細流路22は、それぞれの入口位置によって流路長さが異なることになる。本実施例2では、周方向に設けられている全ての微細流路22は同じ直径(微細流路の断面が円形でない場合には同じ水力等価直径)としているが、微細流路22の長さに応じて、それぞれの微細流路22の直径或いは水力等価直径を変えることにより、毛細管力を調整することも可能である。
Moreover, as shown in FIG. 8, since the boiling
即ち、全ての微細流路22の出口221(図4参照)の部分まで液冷媒が充填されるように、流路の長い微細流路22では、その直径或いは水力等価直径をより小さくすることにより、毛細管力が大きくなるように調整し、流路の短い微細流路22の場合には、直径或いは水力等価直径を大きくする。他の構成は、上記実施例1と同様である。
That is, by reducing the diameter or hydraulic equivalent diameter of the
本実施例によれば、一般的な四角形の発熱体7に対して沸騰部2の形状も四角形とすることにより、沸騰部2の伝熱面を有効に利用することができ、高効率な電子機器の冷却装置を得ることができる。
According to the present embodiment, the shape of the boiling
本発明の電子機器の冷却装置における実施例3を、図9を用いて説明する。図9は本発明の実施例3を説明する沸騰部2の側面図で、微細配管22を破線で示している。本実施例3の説明においても、上記実施例1と同様の部分については同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。また、図9は沸騰部2のみを示しているが、他の構成は上記実施例1と同様である。
A third embodiment of the electronic apparatus cooling apparatus according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a side view of the boiling
図9に示すように、本実施例3において、沸騰部2が円形である点では上記実施例1と同様であり、また微細流路22が周方向に多数設けられている点でも同じである。本実施例3が上記実施例1と異なる点は、沸騰部2に形成している微細流路22を、上層微細流路223と下層微細流路224の2種類設けている点である。
As shown in FIG. 9, in the present Example 3, it is the same as that of the said Example 1 in the point that the boiling
各微細流路22(223,224)における液溜部4(図2参照)への開口部(入口側開口部)は、図9に示すように、周方向に等間隔で、且つ同じ高さ位置に設けられている。
また、前記上層微細流路223の出口側は、沸騰部出口21の上部21aの位置に開口し、前記下層微細流路224の出口側は、前記沸騰部出口21の下部21bの位置に開口している。また、前記上層微細流路223と下層微細流路224は、図9に示すように、周方向に交互に設けられている。
The openings (inlet side openings) to the liquid reservoir 4 (see FIG. 2) in each fine channel 22 (223, 224) are equally spaced in the circumferential direction and the same height as shown in FIG. In the position.
Further, the outlet side of the upper layer
上述したように、上層微細流路223と下層微細流路224は、入口高さは共通であるが、出口高さが異なっているため、上層微細流路223と下層微細流路224では流路の長さが異なり、上層微細流路223の方が長くなる。各微細流路22では、毛細管力により液冷媒をその出口側、即ち沸騰部中心21側まで充填しなければならない。従って、上層微細流路223の直径或いは水力等価直径を下層微細流路224のそれより小さくすることにより、上層微細流路223の毛細管力の方が大きくなるように調整することが好ましい。このように、本実施例においても上記実施例2と同様に、微細流路22の直径或いは水力等価直径を変えて毛細管力を適切に調節することができる。
As described above, the
ところで、上記実施例1のものにおいて、微細流路22の数を増加させていくと、微細流路の入口側の間隔は十分確保できるが、微細流路の出口側の間隔は小さくなり、隣接する微細流路22の出口側どうしが合体すると、微細流路22出口の水力等価直径が大きくなり、毛細管力が働かなくなる。このため、隣接する微細流路22の出口側どうしが合体しないようにするため、前記微細流路22の数を一定数以上増加できない。
これに対し、本実施例3のように、微細流路22の出口の高さを変える構成とすることにより、実施例1のものに対し、例えば前記微細流路22の数を2倍に増加させることが可能となる。
By the way, in the thing of the said Example 1, if the number of the
On the other hand, by adopting a configuration in which the height of the outlet of the
発熱体7(図1参照)の発熱量が大きい場合、微細流路22内の液冷媒がすべて気化するドライアウト現象が起こることがある。このドライアウト現象が起こると、微細流路22内に液冷媒が無くなり、発熱体7を適切な温度に冷却することができなくなる。
When the heat generation amount of the heating element 7 (see FIG. 1) is large, a dry-out phenomenon may occur in which all the liquid refrigerant in the
本実施例3では、前記微細流路22を、上層微細流路223と下層微細流路224の2層に多層化しているので、各微細流路22の入口側が隣接する微細流路22と重ならない限り、微細流路を増加させることができ、この結果、前記ドライアウト現象の発生を防止し、発熱体7の発熱量が大きい場合でも十分に冷却することが可能となる。
In the third embodiment, the
なお、本実施例3では前記微細流路22を、上層微細流路223と下層微細流路224の2種類設けた例を説明したが、沸騰部出口21の上下方向に3層以上となるように3種類以上の微細流路を設けるようにしても良い。その他の構成、効果は、上記実施例1と同様である。
In the third embodiment, the example in which the
本発明の電子機器の冷却装置における実施例4を、図10を用いて説明する。図10は本実施例4を示す電子機器の冷却装置の斜視図であり、沸騰部2の別の例を示す図である。本実施例4の説明においても、上記実施例1と同様の部分については同一符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
本実施例4は、沸騰部を複数設け、各沸騰部の中央上部にはそれぞれ沸騰部出口を設け、且つ前記沸騰部の周囲における前記沸騰部出口よりも低い位置には、それぞれ液溜部を設け、これらの液溜部と前記沸騰部出口を接続するように多数の微細流路を放射状に設けているものである。 In Example 4, a plurality of boiling parts are provided, a boiling part outlet is provided at the center upper part of each boiling part, and a liquid reservoir is provided at a position lower than the boiling part outlet around the boiling part. A large number of fine flow paths are provided radially so as to connect these liquid reservoirs and the boiling part outlet.
即ち、図10に示すように、沸騰部2を、上側沸騰部24と下側沸騰部25で構成し、発熱体7を上下2つの前記沸騰部24,25により冷却するようにしている。また、前記沸騰部24,25は四角形状に構成され、この沸騰部24,25の下面と2つの側面に沿うように、コの字型の液溜部4(上側液溜部44、下側液溜部45)が設けられている。更に、前記上側沸騰部24と下側沸騰部25の中央上部には、前記液溜部4よりも高い位置に、それぞれ上側沸騰部出口21Aと下側沸騰部出口21Bが設けられている。
That is, as shown in FIG. 10, the boiling
前記上側沸騰部24と前記下側沸騰部25内には、前記液溜部44,45と前記沸騰部出口21A,21Bを接続するように多数の微細流路22が放射状に設けられている。即ち、上側液溜部44及び下側液溜部45からガス配管6に向かって上昇するように、前記微細流路22が放射状に設けられている。
In the upper boiling part 24 and the lower boiling part 25, a large number of
また、前記上側液溜部44と前記下側液溜部45には、液冷媒が充填されている状態にする必要があるため、凝縮部3で凝縮した液冷媒の液面は、液配管5内の液面高さ51よりも、少なくとも上方に存在するように構成している。
Further, since the
本実施例においては、前記発熱体7及び前記沸騰部24,25は矢印gで示した重力方向と平行な向きに設けられている。従って、前記各沸騰部24,25の微細流路22内において気化した冷媒はスラグ流となり、重力と逆方向に浮力を受けてガス管6へと移動していく。仮に、上記実施例1に示すように、微細流路22を沸騰部2の外側全周からその沸騰部出口21に向かって放射状に形成したものを、図10に示すように、重力方向gと平行な向きに配置すると、沸騰部出口21よりも上方に位置する微細流路22ができてしまう。この上方に位置する微細流路22では、冷媒が気化したスラグ流が微細流路22の入口側に逆流する現象が発生する。
In the present embodiment, the
これに対し、本実施例4のような構成とすることにより、前記上側液溜部44及び前記下側液溜部45から、上側沸騰部24及び下側沸騰部25における微細流路22に流入する冷媒の流れ方向は、どの微細流路22においても水平から上方の向きとなる。従って、微細流路22内で発生し、浮力により上昇するスラグ流が、前記液溜部44,45に逆流することを防止することができる。他の構成は上記実施例1と同様である。
On the other hand, with the configuration as in the fourth embodiment, the
本実施例4によれば、沸騰部2を上下に配置した複数個の沸騰部2(上側沸騰部24、下側沸騰部25)で構成しているので、冷却能力をより大きくすることができ、また、発熱体7が長いものにも対応することができ、更に複数個の発熱体7の冷却も可能となる。また、微細流路22をより多く設けることが可能となるから、液冷媒を微細流路まで誘導するための毛細管力が大きくなる。従って、発熱体7からの発熱量が大きい場合も毛細管力により液冷媒が微細流路に充填され、発熱体7を冷却することができるから、この点からも冷却能力の向上を図ることができる。
According to the fourth embodiment, since the boiling
なお、本実施例では、沸騰部2及び液溜部4を、上側と下側に2つ配置する構成としているが、2つに限定されるものでなく、発熱体7の大きさや微細流路22の毛細管力に応じて、分割数(沸騰部2及び液溜部4の数)を増加させることも可能である。この分割数に応じて、液配管5及びガス配管6を分岐させる数を増やす必要はある。
In the present embodiment, two boiling
また、前記沸騰部2を四角形状に構成した例を説明したが、半円形状とすることも可能である。更に、本実施例4では、複数の沸騰部2及び液溜部4を上下に配置する構成としたが、複数の沸騰部2及び液溜部4を左右に配置する構成としても良い。
Moreover, although the example which comprised the said boiling
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。
更に、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
In addition, this invention is not limited to the Example mentioned above, Various modifications are included. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment.
Further, the above-described embodiments have been described in detail for easy understanding of the present invention, and are not necessarily limited to those having all the configurations described.
1:冷却装置、
2:沸騰部、2a:円板状部材、2b:板状部材、
21:沸騰部出口(沸騰部中心)、21a:上部、21b:下部、
21A:上側沸騰部出口、21B:下側沸騰部出口、
22:微細流路(微細管路)、221:微細流路の出口、
223:上層微細流路、224:下層微細流路、
24:上側沸騰部、25:下側沸騰部、
3:凝縮部、31:フィン、
4:液溜部、4a:環状部材、44:上側液溜部、45:下側液溜部、
5:液配管、51:液配管の液面高さ、
6:ガス配管、7:発熱体。
1: cooling device,
2: boiling part, 2a: disk-shaped member, 2b: plate-shaped member,
21: Boiling part exit (boiling part center), 21a: upper part, 21b: lower part,
21A: Upper boiling part outlet, 21B: Lower boiling part outlet,
22: Fine flow path (fine pipe line), 221: Exit of fine flow path,
223: Upper microchannel, 224: Lower microchannel,
24: Upper boiling part, 25: Lower boiling part,
3: Condensing part, 31: Fin,
4: liquid reservoir, 4a: annular member, 44: upper liquid reservoir, 45: lower liquid reservoir,
5: Liquid piping, 51: Liquid level height of liquid piping,
6: Gas piping, 7: Heating element.
Claims (9)
気化した冷媒を凝縮させる凝縮部と、
前記沸騰部の周囲に設けられ、前記凝縮部で凝縮した液冷媒を貯留する液溜部と、
前記沸騰部出口と前記凝縮部上部の入口とを接続するガス配管と、
前記凝縮部の下部と前記液溜部とを接続する液配管とを備え、
前記沸騰部は、前記液溜部と前記沸騰部出口とを接続する複数の微細流路が設けられ、かつ前記微細流路は、その入口側よりも出口側が高い位置となるように傾斜させて構成され、前記液溜部の液冷媒を微細流路の毛細管力によりこの微細流路内を上昇させる構成としている
ことを特徴とする電子機器の冷却装置。 A boiling part having a boiling part outlet through which the liquid refrigerant sealed inside is vaporized to cool the heating element and the vaporized gas refrigerant flows out,
A condensing part for condensing the vaporized refrigerant;
A liquid reservoir that is provided around the boiling portion and stores the liquid refrigerant condensed in the condenser;
A gas pipe connecting the boiling part outlet and the inlet at the top of the condensing part;
A liquid pipe connecting the lower part of the condensing unit and the liquid reservoir,
The boiling section is provided with a plurality of fine flow paths connecting the liquid reservoir section and the boiling section outlet, and the fine flow paths are inclined so that the outlet side is higher than the inlet side. A cooling apparatus for electronic equipment, characterized in that the liquid refrigerant in the liquid reservoir is raised in the fine flow path by the capillary force of the fine flow path.
前記沸騰部の前記微細流路の直径或いは水力等価直径が0.5〜0.1mmであることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device of Claim 1,
The electronic apparatus cooling device according to claim 1, wherein a diameter of the fine channel or a hydraulic equivalent diameter of the boiling portion is 0.5 to 0.1 mm.
前記沸騰部は、円板状部材を備え、この円板状部材の中心には前記沸騰部出口が設けられ、前記微細流路は、この円板状部材の外周側から前記沸騰部出口に向かって放射状に形成されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device of Claim 1,
The boiling part includes a disk-shaped member, and the boiling part outlet is provided at the center of the disk-shaped member, and the fine flow path is directed from the outer peripheral side of the disk-shaped member toward the boiling part outlet. A cooling device for electronic equipment, characterized by being formed radially.
前記沸騰部は、四角形の板状部材を備え、この板状部材の中心には前記沸騰部出口が設けられ、前記微細流路は、この板状部材の外周側から前記沸騰部出口に向かって放射状に形成されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device of Claim 1,
The boiling portion includes a rectangular plate-like member, the boiling portion outlet is provided at the center of the plate-like member, and the fine flow path is directed from the outer peripheral side of the plate-like member toward the boiling portion outlet. A cooling device for electronic equipment, characterized by being formed radially.
流路の長い微細流路では、その直径或いは水力等価直径が、流路の短い微細流路よりも小さくなるように構成していることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device according to claim 4,
An electronic device cooling apparatus characterized in that a fine flow path with a long flow path has a smaller diameter or a hydraulic equivalent diameter than a fine flow path with a short flow path.
前記沸騰部に設けられている前記微細流路は、その出口側が、前記沸騰部出口の上部に接続される上層微細流路と、前記沸騰部出口の下部に接続される下層微細流路により構成されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device of Claim 1,
The fine flow path provided in the boiling part is composed of an upper fine flow path whose outlet side is connected to the upper part of the boiling part outlet and a lower fine flow path connected to the lower part of the boiling part outlet. A cooling device for electronic equipment.
前記沸騰部を複数設け、各沸騰部の中央上部にはそれぞれ沸騰部出口を設け、且つ前記沸騰部の周囲における前記沸騰部出口よりも低い位置には、それぞれ液溜部を設け、この液溜部と前記沸騰部出口を接続するように多数の微細流路が放射状に設けられていることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device of Claim 1,
A plurality of the boiling parts are provided, a boiling part outlet is provided at the center upper part of each boiling part, and a liquid reservoir is provided at a position lower than the boiling part outlet around the boiling part. A cooling device for electronic equipment, wherein a plurality of fine flow paths are provided radially so as to connect the part and the boiling part outlet.
前記沸騰部を、上側沸騰部と下側沸騰部で構成し、前記沸騰部は四角形状に構成され、それぞれの沸騰部の下面と2つの側面に沿うように、コの字型の液溜部がそれぞれ設けられ、前記上側沸騰部と下側沸騰部の中央上部には、前記液溜部よりも高い位置に、それぞれ上側沸騰部出口と下側沸騰部出口が設けられ、前記上側沸騰部と前記下側沸騰部内には、前記液溜部と前記沸騰部出口を接続するように多数の微細流路が放射状に設けられていることを特徴とする電子機器の冷却装置。 In the cooling device of the electronic device of Claim 1,
The boiling part is composed of an upper boiling part and a lower boiling part, and the boiling part is formed in a square shape, and a U-shaped liquid reservoir so as to be along the lower surface and two side surfaces of each boiling part. The upper boiling part outlet and the lower boiling part outlet are provided at positions higher than the liquid reservoir at the center upper part of the upper boiling part and the lower boiling part, respectively, and the upper boiling part and A cooling device for electronic equipment, wherein a plurality of fine flow paths are provided radially in the lower boiling portion so as to connect the liquid reservoir and the outlet of the boiling portion.
気化した冷媒を凝縮させる凝縮部と、
前記沸騰部の周囲に設けられ、前記凝縮部で凝縮した液冷媒を貯留する液溜部と、
前記沸騰部出口と前記凝縮部上部の入口とを接続するガス配管と、
前記凝縮部の下部と前記液溜部とを接続する液配管とを備え、
前記沸騰部は、前記液溜部と前記沸騰部出口とを接続する複数の微細流路が設けられ、かつ前記微細流路は、その入口側から出口側まで流路面積が一定の連続した形状に構成され、前記液溜部の液冷媒を前記微細流路の毛細管力によりこの微細流路内に流入させる構成としている
ことを特徴とする電子機器の冷却装置。 A boiling part having a boiling part outlet through which the liquid refrigerant sealed inside is vaporized to cool the heating element and the vaporized gas refrigerant flows out,
A condensing part for condensing the vaporized refrigerant;
A liquid reservoir that is provided around the boiling portion and stores the liquid refrigerant condensed in the condenser;
A gas pipe connecting the boiling part outlet and the inlet at the top of the condensing part;
A liquid pipe connecting the lower part of the condensing unit and the liquid reservoir,
The boiling portion is provided with a plurality of fine flow paths connecting the liquid reservoir portion and the boiling portion outlet, and the fine flow passage has a continuous shape with a constant flow passage area from the inlet side to the outlet side. An electronic device cooling apparatus, characterized in that the liquid refrigerant in the liquid reservoir is configured to flow into the fine flow path by the capillary force of the fine flow path.
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