JP3082738B2 - 高効率液体冷却装置 - Google Patents

高効率液体冷却装置

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JP3082738B2
JP3082738B2 JP10061822A JP6182298A JP3082738B2 JP 3082738 B2 JP3082738 B2 JP 3082738B2 JP 10061822 A JP10061822 A JP 10061822A JP 6182298 A JP6182298 A JP 6182298A JP 3082738 B2 JP3082738 B2 JP 3082738B2
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健一 辻
義仁 菊池
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  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高効率液体冷却装置
に関し、特にTV(テレビジョン)送信機等の電子装置
である発熱体に液体冷媒を循環供給する冷却装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】一般に、TV送信機等の電子装置は、多
数の半導体素子を搭載した複数枚のプリント基板を架に
実装し、架の内外に取付けたファン又はブロアによって
それらプリント基板に対する強制空冷を行っている。
【0003】近年、回路素子の大規模集積化や実装の高
密度化にともなって、架内の発熱密度が高くなってきて
いる。これらの装置では熱交換効率の良い液体冷却方式
を採用する場合が多い。例えば、液体冷媒を平板(コー
ルドプレート)内に流し、このコールドプレートに回路
素子を密着させ、熱を液体冷媒に伝達している。
【0004】従来の冷却装置では、図7に示すように、
液体冷媒を発熱体である電子装置50に循環供給し、電
子装置50から熱を排除している。図7において、50
は発熱体である電子装置、60はポンプラック、70は
温度上昇した液体冷媒を冷却する熱交換器である。
【0005】電子装置50内の51,52はコールドプ
レート、53,54はコールドプレート51,52内の
銅パイプ、55はコールドプレート51,52を戻り配
管83に接続する配管である。ポンプラック60内の6
1は液体冷媒の温度による体積変化を吸収するタンク、
62は液体冷媒を電子装置50に送り出すポンプ、63
は送り配管81をポンプ62に接続する配管、64はタ
ンク61とポンプ62とを接続する配管、65はタンク
61を戻り配管82に接続する配管である。
【0006】熱交換器70内の71は熱交換用のコンデ
ンサ、72はファン、73はファン72を回転させるモ
ータ、74は戻り配管82をコンデンサ71に接続する
配管、75はコンデンサ71を戻り配管83に接続する
配管である。
【0007】図8は図7のコールドプレート51の詳細
な構成を示す図である。図8において、2は発熱体、3
は発熱体のリード、6は液体冷媒、53はコールドプレ
ート51内の銅パイプ、56は銅パイプ53の熱をコー
ルドプレート51に伝達するための放熱用グリースであ
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の冷却装
置では、コールドプレートと放熱用グリースと銅パイプ
とを介しているため、発熱体の熱が液体冷媒に伝わりに
くいので、冷却効率が悪いという問題がある。
【0009】また、発熱体が分散している場合には、発
熱体全体をカバーするために大きくて重いコールドプレ
ートが必要となるので、装置全体が大型化してしまうと
いう問題がある。
【0010】さらに、銅パイプとコールドプレートとの
間に塗っている放熱用グリースが経年変化で減ると空気
層ができてしまい、その空気層によって熱抵抗が増大す
るので、装置の信頼性が低いという問題がある。
【0011】尚、銅パイプをコールドプレートに鋳込む
と、放熱用グリースを使用しなくともよいので、装置の
信頼性が低いという問題は解決する。しかしながら、鋳
造用アルミの熱伝導率が一般のアルミに比べて25%も
劣るため、さらに冷却効率が悪くなるという問題が発生
する。
【0012】そこで、本発明の目的は上記の問題点を解
消し、冷却特性及び装置の信頼性を向上させることがで
き、小型軽量化を図ることができる高効率液体冷却装置
を提供することにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明による高効率液体
冷却装置は、発熱体から奪った熱を排除する熱交換器
と、前記発熱体を冷却するための液体冷媒を循環させる
ポンプと、前記液体冷媒を貯蔵するタンクと、これらを
接続する配管類とを含み、前記配管類を介して前記液体
冷媒を循環供給して前記発熱体を冷却する高効率液体冷
却装置であって、前記液体冷媒が流れる通水孔を備えか
つその外部壁面に前記発熱体が取付けられる冷却部材を
具備し 前記通水孔は、前記冷却部材の表面に取付けら
れた発熱体の前記冷却部材への接触面近傍と前記冷却部
材の裏面に取付けられた発熱体の前記冷却部材への接触
面近傍とを前記液体冷媒が交互に通過するようジグザク
に配設されかつ前記発熱体の前記冷却部材への接触面近
傍において前記冷却部材の表面及び裏面と平行になるよ
うに配設されている。
【0014】すなわち、本発明の高効率液体冷却装置
は、半導体素子である発熱体が取付けられたベースに通
水孔を設け、そこに液体冷媒を通すことによって、冷却
効率を向上させることが可能となる。
【0015】より具体的には、ベースにアルミや銅等の
熱伝導率の良い材料を使用し、液体冷媒がベースに接す
る表面積を大きくし、なおかつ液体冷媒の流速を増すと
ともに、熱伝達率を良くするように通水孔の断面形状の
最適化を図るとともに、ベースの中を通水孔がジグザク
に通り、液体冷媒を発熱体近傍に衝突させ、局所的に高
い熱伝達率を与えている。
【0016】本発明の通水孔の断面形状の最適化を図る
場合、ベースの温度上昇ΔTと、発熱量Qと、熱伝達率
hcと、液体冷媒がベースに接する表面積Aとの関係
は、 ΔT=Q/(hc*A) である。温度上昇を抑えるには表面積を大きくするか、
または液体冷媒の流速を上げるなどして、熱伝達率を高
くする必要がある。そのためには通水孔の数を増やした
り、通水孔内をローレットで加工したり、通水孔内にノ
ッチ(こぶ状突起等)をつければ良い。
【0017】本発明の液体冷媒を衝突させる場合には、
衝突噴流の熱伝達によって物体上で局所的に高い熱伝達
率が与えられる利点を用いている。液体中の衝突噴流に
ついては流体力学あるいは熱力学的に解明されていない
が、実験では従来のコールドプレート方式に比べて、液
体冷媒の流量の1/2で温度上昇1/2以下、すなわち
冷却効率が4倍となる結果が得られている。また、動力
源の容量が比較的小さくてすむ上、流量制御によって熱
伝達率の微調整を容易に行うことが可能になるという利
点を合わせ持っている。
【0018】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例について図
面を参照して説明する。図1は本発明の第1の実施例に
よる冷却構造を示す図である。図1(a)は本発明の第
1の実施例による冷却構造の平面図であり、図1(b)
は本発明の第1の実施例による冷却構造の側面図であ
る。
【0019】これらの図において、半導体素子である発
熱体2のリード3は、信号配線パターン(図示せず)や
グランドパターン(図示せず)を収容するプリント基板
1に半田付けされている。また、発熱体2は熱伝導率の
高いベース5に取付けられ、ベース5内の通水孔7に液
体冷媒6を通している。
【0020】ベース5には熱伝導率の高い銅を使用し、
通水孔7は発熱体2の近傍(直下近傍)を通っているの
で、発熱体2の熱が液体冷媒6に伝わりやすくなり、発
熱体ケース(図示せず)の温度上昇を低く抑えることが
できる。
【0021】尚、ベース5はプレート8に取付けられて
おり、プレート8には発熱体2をベース5に当接させる
ために発熱体2を挿通させる溝が設けられている。ま
た、ベース5の2列の通水孔7は接続管4で連結され、
2列の通水孔7のうちの一方に供給される液体冷媒6は
2列の通水孔7のうちの他方を通って外部に排出される
ようになっている。
【0022】図2は本発明の第1の実施例の動作を説明
するための同一発熱量における流量と温度上昇との関係
を示す図である。図2においては、液体冷媒6の流量と
発熱体ケースの温度上昇との測定結果を表している。図
2を参照すると、図1に示す本発明の第1の実施例によ
る銅ベース方式は、従来のコールドプレート方式と比し
て、同一流量で温度上昇が約1/2となる(図2のa,
b参照)。
【0023】本発明の第1の実施例による銅ベース方式
では、発熱体2をベース5の通水孔7に沿って取付ける
ことで、ベース5を小型軽量化することができる。ま
た、従来使用されている放熱用グリースが不要となるの
で、経年変化がなく、装置の信頼性を向上させることが
できる。
【0024】図3は本発明の第2の実施例による冷却構
造を示す図である。図3(a)は本発明の第2の実施例
による冷却構造の平面図であり、図3(b)は本発明の
第2の実施例による冷却構造の側面図である。
【0025】これらの図において、本発明の第2の実施
例による冷却構造では発熱体2に取付けられた熱伝導率
の高いベース11に2本の通水孔12a,12bを設け
た以外は本発明の第1の実施例による冷却構造と同様の
構成となっており、同一構成要素には同一符号を付して
ある。また、同一構成要素の動作は本発明の第1の実施
例と同様である。
【0026】本発明の第2の実施例による冷却構造では
ベース11に設けている2本の通水孔12a,12bの
断面積の和を第1の実施例(図1)の通水孔7と同一と
しており、それら通水孔12a,12bに第1の実施例
と同一流速の液体冷媒6を通すことで、液体冷媒6への
熱伝達率及び伝熱面積を共に大きくすることができる。
【0027】図4は本発明の第3の実施例による冷却構
造を示す図である。図4(a)は本発明の第3の実施例
による冷却構造の平面図であり、図4(b)は本発明の
第3の実施例による冷却構造の側面図である。
【0028】これらの図において、本発明の第3の実施
例による冷却構造ではベース5の代わりに角パイプ21
を設けた以外は本発明の第1の実施例による冷却構造と
同様の構成となっており、同一構成要素には同一符号を
付してある。また、同一構成要素の動作は本発明の第1
の実施例と同様である。
【0029】本発明の第3の実施例による冷却構造では
ベース5の代わりに角パイプ21を設けているので、角
パイプ21内の通水孔22に液体冷媒6を通すことで、
本発明の第1の実施例による冷却構造と同様に発熱体2
を液体冷媒6で冷却することができる。この場合、わざ
わざベース5を製作しなくともよいので、ベース5を製
作するための切削加工が不要となり、生産性を向上させ
ることができる。
【0030】図5は本発明の第4の実施例による冷却構
造を示す図である。図5(a)は本発明の第4の実施例
による冷却構造の平面図であり、図5(b)は本発明の
第4の実施例による冷却構造の側面図であり、図5
(c)は図5(a)のAA線に沿う矢視方向の断面図で
ある。
【0031】これらの図において、本発明の第4の実施
例による冷却構造ではベース31内の通水孔32がベー
ス31に表面及び裏面に取付けられる発熱体2に対し
て、ベース31の表面側及び裏面側に夫々交互に近付く
ようにジグザグに配置した以外は本発明の第1の実施例
による冷却構造と同様の構成となっており、同一構成要
素には同一符号を付してある。また、同一構成要素の動
作は本発明の第1の実施例と同様である。
【0032】本発明の第4の実施例による冷却構造では
ベース31内の通水孔32がベース31の表面31aに
取付けられた発熱体2−1のベース31への接触面近傍
を通った後に、ベース31の裏面31bに取付けられた
発熱体2−2のベース31への接触面近傍を通り、ベー
ス31の表面31aに取付けられた発熱体2−3のベー
ス31への接触面近傍を通るようにジグザグに配置され
ている。
【0033】しかも、発熱体2−1〜2−3各々のベー
ス31への接触面近傍では通水孔32がベース31の表
面31a及び裏面31bと平行になるように加工されて
おり、通水孔32内を流れる液体冷媒6が発熱体2−1
〜2−3各々のベース31への接触面近傍に衝突するこ
とになるので、熱伝達率が向上し、冷却効率がよくな
る。
【0034】図6は本発明の第5の実施例による冷却構
造を示す図である。図6(a)は本発明の第5の実施例
による冷却構造の平面図であり、図6(b)は本発明の
第5の実施例による冷却構造の側面図であり、図6
(c)は図6(a)のBB線に沿う矢視方向の断面図で
ある。
【0035】これらの図において、本発明の第5の実施
例による冷却構造ではベース41内の通水孔42の発熱
体2−1〜2−3各々のベース41への接触面近傍の位
置に、通水孔42を通ってくる液体冷媒6が垂直に衝突
するように貯水室42a〜42cを配置した以外は本発
明の第4の実施例による冷却構造と同様の構成となって
おり、同一構成要素には同一符号を付してある。また、
同一構成要素の動作は本発明の第4の実施例と同様であ
る。
【0036】本発明の第5の実施例による冷却構造では
ベース41内の通水孔42がベース41の表面41aに
取付けられた発熱体2−1のベース41への接触面近傍
の貯水室42aを通った後に、ベース41の裏面41b
に取付けられた発熱体2−2のベース41への接触面近
傍の貯水室42bを通り、ベース41の表面41aに取
付けられた発熱体2−3のベース41への接触面近傍の
貯水室42cを通るようにジグザグに配置されている。
【0037】しかも、発熱体2−1〜2−3各々のベー
ス41への接触面近傍では貯水室42a〜42cの底面
がベース41の表面41a及び裏面41bと平行になる
ように配設されており、通水孔42内を流れる液体冷媒
6が貯水室42a〜42cにおいて発熱体2−1〜2−
3各々のベース41への接触面近傍に垂直に衝突するこ
とになるので、本発明の第4の実施例よりも熱伝達率が
さらに向上し、冷却効率がさらによくなる。
【0038】上記の場合、貯水室42a〜42c間を連
結する通水孔42は貯水室42a〜42cへの出口側の
断面積を小さくし、貯水室42a〜42cからの入口側
の断面積を大きくするようになっている。これによっ
て、通水孔42を通ってくる液体冷媒6は断面積が小さ
い部分で流速が速くなるように構成されている。よっ
て、液体冷媒6の流速が上がることで、熱伝達率が高く
なる。
【0039】図2を参照すると、本発明の第5の実施例
による衝突ベース方式では、従来のコールドプレート方
式と比して、流量1/2で温度上昇が約1/2以下にな
るという結果が得られる(図2のa,c参照)。
【0040】尚、上記の各実施例(第1の実施例〜第5
の実施例)では、ベース5,11,21,31,41に
熱伝導率の高い銅を使用しているが、熱伝導率が高けれ
ば、アルミ等の材料でも上述した効果を得ることがで
き、これに限定されるものではない。
【0041】また、通水孔7,12a,12b,22,
32,42内をローレットで加工したり、通水孔7,1
2a,12b,22,32,42内にノッチ(こぶ状突
起等)をつけて表面積を大きくすることで、冷却効率を
よくすることが可能となる。
【0042】このように、半導体素子である発熱体2が
取付けられたベース5,11,21,31,41に通水
孔7,12a,12b,22,32,42を設け、その
通水孔7,12a,12b,22,32,42に液体冷
媒6を通すことによって、冷却効率を向上させることが
できる。
【0043】すなわち、ベース5,11,21,31,
41にアルミや銅等の熱伝導率の良い材料を使用し、液
体冷媒6がベース5,11,21,31,41に接する
表面積を大きくし、なおかつ液体冷媒6の流速を増すと
ともに、熱伝導率を良くするように通水孔7,12a,
12b,22,32,42の断面形状の最適化を図る。
【0044】これによって、ベース31,41の中を通
水孔32,42がジグザクに通り、液体冷媒6を発熱体
2のベース31,41への接触面近傍に衝突させ、局所
的に高い熱伝達率を得ることができる。
【0045】通水孔7,12a,12b,22,32,
42の断面形状の最適化を図る場合、ベース5,11,
21,31,41の温度上昇ΔTと、発熱量Qと、熱伝
達率hcと、液体冷媒がベースに接する表面積Aとの関
係は、 ΔT=Q/(hc*A) である。温度上昇を抑えるには表面積を大きくするか、
または液体冷媒6の流速を上げるなどして、熱伝達率を
高くする必要がある。そのためには通水孔12a,12
bの数を増やしたり、通水孔7,12a,12b,2
2,32,42中のノッチやローレットをつければ良
い。
【0046】液体冷媒6を発熱体2のベース31,41
への接触面近傍に衝突させる場合、衝突噴流の熱伝達に
よって物体上で局所的に高い熱伝達率が与えられる利点
を用いている。液体中の衝突噴流については流体力学あ
るいは熱力学的に解明されていないが、実験では従来の
コールドプレート方式に比べて、液体冷媒の流量の1/
2で温度上昇1/2以下、すなわち冷却効率が4倍とな
る結果が得られている。また、動力源の容量が比較的小
さくてすむ上、流量制御によって熱伝達率の微調整を容
易に行うことが可能になるという利点を合わせ持ってい
る。
【0047】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、発
熱体から奪った熱を排除する熱交換器と、発熱体を冷却
するための液体冷媒を循環させるポンプと、液体冷媒を
貯蔵するタンクと、これらを接続する配管類とを有し、
配管類を介して液体冷媒を循環供給して発熱体を冷却す
る高効率液体冷却装置において、液体冷媒が流れる通水
孔を備えかつその外部壁面に発熱体が取付けられる冷却
部材を含むことによって、冷却特性及び装置の信頼性を
向上させることができ、小型軽量化を図ることができる
という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の第1の実施例による冷却構造
の平面図、(b)は本発明の第1の実施例による冷却構
造の側面図である。
【図2】本発明の第1の実施例の動作を説明するための
流量と温度上昇との関係を示す図である。
【図3】(a)は本発明の第2の実施例による冷却構造
の平面図、(b)は本発明の第2の実施例による冷却構
造の側面図である。
【図4】(a)は本発明の第3の実施例による冷却構造
の平面図、(b)は本発明の第3の実施例による冷却構
造の側面図である。
【図5】(a)は本発明の第4の実施例による冷却構造
の平面図、(b)は本発明の第4の実施例による冷却構
造の側面図、(c)は(a)のAA線に沿う矢視方向の
断面図である。
【図6】(a)は本発明の第5の実施例による冷却構造
の平面図、(b)は本発明の第5の実施例による冷却構
造の側面図、(c)は(a)のBB線に沿う矢視方向の
断面図である。
【図7】従来例による冷却装置の構成を示す図である。
【図8】(a)は従来例による冷却構造の平面図、
(b)は従来例による冷却構造の側面図、(c)は
(a)のCC線に沿う矢視方向の断面図である。
【符号の説明】
1 プリント基板 2,2−1〜2−3 発熱体 3 リード 4 接続管 5,11,21,31,41 ベース 6 液体冷媒 7,12,22,32,42 通水孔 8 プレート
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平7−285344(JP,A) 特開 平4−94562(JP,A) 特開 平1−286350(JP,A) 特開 平8−82653(JP,A) 特開 平1−230298(JP,A) 特開 平8−56088(JP,A) 実開 平3−17696(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H05K 7/20

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 発熱体から奪った熱を排除する熱交換器
    と、前記発熱体を冷却するための液体冷媒を循環させる
    ポンプと、前記液体冷媒を貯蔵するタンクと、これらを
    接続する配管類とを含み、前記配管類を介して前記液体
    冷媒を循環供給して前記発熱体を冷却する高効率液体冷
    却装置であって、 前記液体冷媒が流れる通水孔を備えかつその外部壁面に
    前記発熱体が取付けられる冷却部材を有し前記通水孔は、前記冷却部材の表面に取付けられた発熱
    体の前記冷却部材への接触面近傍と前記冷却部材の裏面
    に取付けられた発熱体の前記冷却部材への接触面近傍と
    を前記液体冷媒が交互に通過するようジグザクに配設さ
    れかつ前記発熱体の前記冷却部材への接触面近傍におい
    て前記冷却部材の表面及び裏面と平行になるように配設
    された ことを特徴とする高効率液体冷却装置。
  2. 【請求項2】 前記冷却部材は、その内部に前記通水孔
    が配設されたベース部材及びパイプ部材のいずれかで構
    成したことを特徴とする請求項1記載の高効率液体冷却
    装置。
  3. 【請求項3】 前記冷却部材は、前記液体冷媒が流れる
    複数の通水孔を含むことを特徴とする請求項1または請
    求項2記載の高効率液体冷却装置。
  4. 【請求項4】 前記通水孔は、前記発熱体の前記冷却部
    材への接触面近傍断面積が大きくしかつ前記冷却部材
    の表面に取付けられた発熱体の前記冷却部材への接触面
    近傍と前記冷却部材の裏面に取付けられた発熱体の前記
    冷却部材への接触面近傍とを接続する部分の断面積を小
    さくすることで、前記断面積の小さい部分及び大きい部
    分を介して流速の速い液体冷媒を前記発熱体の前記冷却
    部材への接触面近傍に衝突させるよう構成したことを特
    徴とする請求項1から請求項3のいずれか記載の高効率
    液体冷却装置。
  5. 【請求項5】 前記通水孔は、前記液体冷媒を前記発熱
    体の前記冷却部材への接触面近傍に垂直に衝突させるよ
    構成したことを特徴とする請求項1から請求項4のい
    ずれか記載の高効率液体冷却装置。
  6. 【請求項6】 前記発熱体の前記冷却部材への接触面近
    傍に配設されかつ前記液体冷媒を貯水する貯水室を含
    み、前記貯水室を前記通水孔で連結するととも に、前記
    液体冷媒を前記貯水室にて前記接触面近傍に垂直に衝突
    させるよう構成したことを特徴とする請求項5記載の
    効率液体冷却装置。
  7. 【請求項7】 前記冷却部材を保持しかつ前記発熱体を
    前記冷却部材に当接させるために前記発熱体を挿通する
    溝を備えたプレート部材を含むことを特徴とする請求項
    1から請求項7のいずれか記載の高効率液体冷却装置。
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