JP3804185B2

JP3804185B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP3804185B2
Application number: JP14130197A
Authority: JP
Inventors: 清司川口; 公良寺尾; 公司田中; 和雄小林
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1997-05-30
Filing date: 1997-05-30
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2017-05-30
Also published as: JPH10335552A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰及び凝縮作用により発熱体の熱を外部流体へ放出して発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特開平８−７８５８９号公報に記載された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷却装置は、液冷媒を溜める冷媒槽と、この冷媒槽の上部に設けられた凝縮器とを備え、この凝縮器が冷媒槽に対して略９０度傾いた状態で取り付けられている。その凝縮器は、放熱チューブとフィンとを交互に複数配置されて、各放熱チューブの両端開口部にそれぞれヘッダが接続され、このヘッダを通じて各放熱チューブが相互に連通されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来装置は、冷媒槽の上端開口部が一方のヘッダに接続されているが、この一方のヘッダに対して放熱チューブと９０度異なる方向から挿入されているため、一方のヘッダの体格が大きくなり、装置全体の体格に対する放熱面積の割合が小さくなってしまう。
また、冷媒槽に対して凝縮器を略９０度傾けて取り付けているため、一方向から組み付けることが困難となり、組み付け性が悪いといった問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、装置全体の体格に対して凝縮部の放熱面積を大きく取ることができ、且つ組み付け性の良い沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
冷媒槽及び放熱チューブは、それぞれ押し出し材によって両端が開口する中空形状に設けられ、且つ冷媒槽と放熱チューブが同一方向を向いて略平行に配置されている。また、連通部材は、冷媒槽と放熱チューブの各一方側の開口端部が共に組み付けられる一方の連通部材と、冷媒槽と放熱チューブの各他方側の開口端部が共に組み付けられる他方の連通部材とから成り、それぞれ２枚のプレス成型品を貼り合わせて構成されている。
【０００５】
本発明によれば、冷媒槽と放熱チューブに押し出し材を用いているため、型費を安くできる。また、押し出し材を用いることにより、冷媒槽においては、発熱体が取り付けられる取り付け面の平面度が得られやすく、放熱チューブでは、厚みを薄くして放熱面積を大きく確保することが容易である。更に、連通部材を２枚のプレス成型品を貼り合わせて構成しているため、厚みを薄くすることができる。その結果、連通部材の体格を小さくできるため、装置全体の体格に対して放熱面積を大きく取ることができる。
また、冷媒槽と放熱チューブの両端開口部に一方の連通部材と他方の連通部材を組み付けるだけの簡単な構成であるため、製造における組み付けが容易である。
【０００６】
（請求項２の手段）
冷媒槽は、内部に複数の冷媒流路が設けられている。この場合、各冷媒流路の断面積を小さくする（例えば流路幅０．５〜１．０mm）ことにより、沸騰冷却装置を垂直に設置して使用した場合に、沸騰した蒸気冷媒（気泡）が各冷媒流路を上昇する際に、気泡に釣られて液冷媒も上昇して沸騰面（発熱体の取り付け部位）を濡らすことができる。これにより、冷媒封入量を減らして放熱チューブ内の液面を低くできるため、液冷媒に覆われる放熱チューブの凝縮面積を少なくすることができ、必要な放熱性能を確保できる。なお、複数の冷媒流路は、押し出し成型により冷媒槽内に複数のリブを設けて形成しても良いし、冷媒槽内にフィンピッチの細かいインナフィンを挿入して形成しても良い。
【０００７】
（請求項３の手段）
冷媒槽の一方の開口端部に蒸気冷媒の流出を阻止する冷媒流制御板を設けている。この場合、発熱体の熱を受けて沸騰した蒸気冷媒が必然的に冷媒槽の他方の開口端部より流出し、凝縮部で凝縮液化された凝縮液が冷媒槽の一方の開口端部より冷媒槽内へ戻ることができる。つまり、冷媒槽で沸騰した蒸気冷媒と凝縮部で凝縮液化された凝縮液との干渉を防止でき、冷媒を一方向に自然循環させることができるため冷却性能を向上できる。
【０００８】
（請求項４の手段）
凝縮部が複数設けられ、各凝縮部が冷媒槽に対して横幅方向に一定の間隔を空けて並設されている。この場合、冷媒槽に対して発熱体を取り付け螺子とナットの締め付けによって容易に固定することができる。つまり、発熱体に設けられた取り付け螺子（雄螺子）を冷媒槽に形成された貫通穴に通し、発熱体と反対側で取り付け螺子の端部にナットを締め付けることにより発熱体を冷媒槽に固定することができる。この時、ナットの締め付け作業を隣り合う凝縮部間に確保されるスペースを利用して行うことができるため、凝縮部に邪魔されることなく、容易に発熱体を冷媒槽へ固定することができる。
【０００９】
（請求項５の手段）
凝縮部は、冷媒槽に対して横幅方向の片側にオフセット配置されている。この場合も、請求項４と同様に、冷媒槽に対して発熱体を取り付け螺子とナットの締め付けによって容易に固定することができる。つまり、凝縮部がオフセット配置されているため、凝縮部に邪魔されることなく、ナットの締め付け作業を行うことができる。
また、本発明では、沸騰冷却装置を垂直に設置する場合に、凝縮部を冷媒槽の上部側に配置することにより、放熱チューブが液冷媒に満たされることがないため、必要な放熱性能を確保できる。
【００１０】
（請求項６の手段）
凝縮部は、複数の放熱チューブから成り、各放熱チューブが一定の間隔を空けて並設されている。従来の沸騰冷却装置では、放熱チューブの表面にフィン（波形のコルゲートフィンを使用する場合が多い）を配置する場合が一般的であるが、この場合フィンが通風抵抗となり、フィンによる圧力損失が大きいため、冷却ファンと凝縮部との距離が大きい場合には、冷却ファンから凝縮部まで冷却風を導入するダクトを用いる必要があった。これに対し、発熱体の発熱量が比較的小さい場合には、放熱面積もそれ程大きくは必要ないため、フィンを廃止しても必要な冷却性能を確保することができる。また、フィンを無くすことで圧力損失を低減できるため、冷却ファンを凝縮部から離れた場所に設置した場合に、ダクトを使用しなくても十分な冷却風を凝縮部に導入することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の沸騰冷却装置を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰及び凝縮作用によって発熱体２を冷却するもので、液冷媒を溜める冷媒槽３、放熱チューブ４と放熱フィン５とを交互に複数段重ねて構成された凝縮部、冷媒槽３と各放熱チューブ４とを連通する２個のヘッダ６（一方のヘッダ６Ａ、他方のヘッダ６Ｂ）を有する。
【００１２】
冷媒槽３は、熱伝導性に優れるアルミニウムの押し出し材によって両端が開口する中空形状に形成されている。発熱体２が固定される冷媒槽３の一表面は、発熱体２の取り付け面としての平面度が確保されている。また、冷媒槽３の内部には、図４に示す様に複数のリブ３ａが設けられ、各リブ３ａによって複数の冷媒流路３ｂが形成されている。この場合、冷媒槽３にリブ３ａを設けることにより、冷媒圧力に対する強度を確保できるとともに、沸騰面積を増大できる効果がある。なお、リブ３ａを設ける代わりに、図５に示す様に、冷媒槽３内に波形のインナフィン７（所謂コルゲートフィン）を挿入しても良い。このインナフィン７を使用する場合は、図６に示す様に、フィン壁面に多数のスリット７ａを形成することで、冷媒の移動がインナフィン７によって規制されることなく、冷媒槽３内を容易に移動できる様に構成できる。
【００１３】
放熱チューブ４は、冷媒槽３と同様にアルミニウムの押し出し材によって両端が開口する偏平な中空形状に形成され、冷媒槽３と長さが同一に設けられている。各放熱チューブ４は、それぞれ冷媒槽３と同一方向を向いて冷媒槽３と略平行に配置されている。なお、放熱チューブ４の内部には、図７に示す様に、リブ４ａによって区画された複数の通路４ｂを形成しても良い。この場合、リブ４ａを設けることで冷媒圧力に対する強度を確保できるとともに、凝縮面積を増大できる効果がある。また、リブ４ａを設ける代わりに、図８に示す様に、放熱チューブ４内にインナフィン８を挿入しても良い。
放熱フィン５は、例えばアルミニウム等の薄い金属板を交互に折り曲げて波状に成形したもので、各放熱チューブ４間に介在されている。
この放熱チューブ４と放熱フィン５とで構成される凝縮部には、図示しない冷却ファンにより冷却風が供給される。
【００１４】
ヘッダ６は、冷媒槽３と各放熱チューブ４の各一方側の開口端部が共に組み付けられる一方のヘッダ６Ａと、冷媒槽３と各放熱チューブ４の各他方側の開口端部が共に組み付けられる他方のヘッダ６Ｂとから成る。
各ヘッダ６は、それぞれ略矩形状にプレス成型された２枚のプレート部材６ａ、６ｂを周囲のみ接合して偏平な中空形状に形成され、片方のプレート部材６ｂに冷媒槽３及び各放熱チューブ４の開口端部が挿入される開口部が形成されている（図２参照）。
【００１５】
発熱体２は、例えばパソコン等に使用されるＣＰＵであり、冷媒槽３の底面中央部に密着して固定されている。
冷媒は、水、アルコール、フロロカーボン、フロン等が用いられ、他方のヘッダ６Ｂに取り付けられた注入パイプ９を通じて冷媒槽３内に注入される。なお、冷媒は、冷媒槽３の上壁面より低い位置で、冷媒液面の上部に空間が残される程度まで注入されている（図２参照）。
この沸騰冷却装置１は、冷媒槽３、凝縮部（放熱チューブ４と放熱フィン５）、ヘッダ６を組み合わせて全体形状を組み立てた後、一体ろう付けによって製造される。
【００１６】
次に、本実施例の作動を説明する。
ａ）図２に示す様に沸騰冷却装置１を水平に設置した場合。
発熱体２より発生した熱を受けて沸騰した冷媒は、液面上部の空間を通って両側のヘッダ６Ａ、６Ｂへ流入し、両ヘッダ６Ａ、６Ｂよりそれぞれ各放熱チューブ４へ分配される。放熱チューブ４を流れる蒸気冷媒は、放熱チューブ４の内壁面に凝縮して液滴となり、蒸気冷媒の流れに押されながら放熱チューブ４内を移動し、両ヘッダ６Ａ、６Ｂより冷媒槽３内へ還流して、再び上記サイクル（沸騰−凝縮−液化）を繰り返す。
一方、発熱体２より冷媒に伝達された熱は、放熱チューブ４内で蒸気冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、放熱チューブ４の壁面より放熱フィン５を通じて外気に放出される。
【００１７】
ｂ）図３に示す様に沸騰冷却装置１を垂直に設置した場合。
発熱体２より発生した熱を受けて沸騰した冷媒は、冷媒槽３内の上部空間より上部側に位置する他方のヘッダ６Ｂへ流入し、そのヘッダ６Ｂより各放熱チューブ４へ分配される。放熱チューブ４を流れる蒸気冷媒は、放熱チューブ４の内壁面に凝縮して液滴となり、自重により放熱チューブ４の内壁面を伝いながら下方へ移動して液冷媒に戻る。各放熱チューブ４内の液冷媒は、下部側に位置する一方のヘッダ６Ａを通って冷媒槽３内へ供給され、再び上記サイクル（沸騰−凝縮−液化）を繰り返す。
一方、発熱体２より冷媒に伝達された熱は、放熱チューブ４内で蒸気冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、放熱チューブ４の壁面より放熱フィン５を通じて外気に放出される。
【００１８】
（第１実施例の効果）
本実施例によれば、冷媒槽３と放熱チューブ４に押し出し材を用いているため、冷媒槽３においては、発熱体２が取り付けられる取り付け面の平面度が得られやすく、放熱チューブ４では、厚みを薄くして放熱面積を大きく確保することが容易である。
また、ヘッダ６を２枚のプレス成型品（プレート部材６ａ、６ｂ）を貼り合わせて構成しているため、ヘッダ６の厚みを薄くすることができる。その結果、ヘッダ６の体格を小さくできるため、装置全体の体格に対して放熱面積を大きく取ることができる。
更には、冷媒槽３と放熱チューブ４の両端開口部に一方のヘッダ６Ａと他方のヘッダ６Ｂを組み付けるだけの簡単な構成であるため、製造における組み付けが容易である。
【００１９】
（第２実施例）
図９は沸騰冷却装置１の断面図である。
本実施例は、冷媒槽３の内部に断面積の小さい（例えば流路幅が０．５〜１．０mm）複数の冷媒流路３ｂを形成した場合を示す。具体的には、図１０に示す様に、各リブ３ａの間隔を小さくしたり、図１１に示す様に、冷媒流路３ｂを２列に構成することにより各冷媒流路３ｂの断面積を小さくすることができる。あるいは、図１２に示す様に、冷媒槽３内に挿入されるインナフィン７のフィンピッチを細かくすることで冷媒流路３ｂの断面積を小さくすることもできる。
この場合、図９に示す様に沸騰冷却装置１を垂直に設置すると、蒸気冷媒（気泡）が各冷媒流路３ｂを上昇する際に、その気泡の上昇に釣られて液冷媒も上昇し、沸騰面（発熱体２の取り付け部位）を濡らすことができる。つまり、気泡径が冷媒流路３ｂの径より若干大きいため、液冷媒が気泡と壁面により閉じ込められて、気泡の上昇に伴い一緒に上昇する。従って、図９に示す様に、真の液面に対して見かけの液面を高くできるため、冷媒封入量を減らして液冷媒に覆われる放熱チューブ４の凝縮面積を少なくすることができる（液面より上方に現れる凝縮面積を大きく確保できる）。その結果、沸騰冷却装置１を垂直に設置した場合でも必要な冷却性能を維持することができる。
【００２０】
（第３実施例）
図１３は沸騰冷却装置１の断面図である。
本実施例では、冷媒槽３の一方の開口端部に蒸気冷媒の流出を阻止する冷媒流制御板１０を設けている。言い換えれば、冷媒槽３の一方の開口端部を液冷媒のみ流通できる様に、開口端部の上部側を冷媒流制御板１０によって閉塞している。従って、冷媒流制御板１０の下部には、一方のヘッダ６Ａと冷媒槽３とを液冷媒が流通できる流通口１１が確保されている。
これにより、発熱体２の熱を受けて沸騰した蒸気冷媒は、図１３に矢印で示す様に、必然的に冷媒槽３内の上部空間を他方の開口端部側（右側）へ流れて他方のヘッダ６Ｂへ流入し、凝縮部で凝縮液化されて凝縮液となった後、一方のヘッダ６Ａを通って流通口１１より冷媒槽３内へ戻ることができる。この様に、冷媒槽３で沸騰した蒸気冷媒と凝縮部で凝縮液化された凝縮液との干渉がなく、冷媒を一方向に自然循環させることができるため、冷却性能を向上できる。
【００２１】
（第４実施例）
図１４は沸騰冷却装置１の断面図である。
本実施例は、凝縮部を複数の放熱チューブ４のみで構成した一例を示すものである。つまり、発熱体２の発熱量が比較的小さい場合は、放熱面積もそれ程大きくは必要ないため、放熱フィン５を廃止しても必要な冷却性能を確保できる。
また、波形の放熱フィン５（コルゲートフィン）を設ける場合、放熱フィン５が送風抵抗となって圧力損失が大きくなるため、冷却ファンを凝縮部より離れた場所に設置する場合には、冷却ファンから凝縮部まで冷却風を導くダクト（図示しない）を設ける必要がある。しかし、放熱フィン５を廃止して放熱チューブ４だけで凝縮部を構成すれば、放熱フィン５による送風抵抗が無く、圧力損失を小さくできるため、ダクトを使用しなくても十分な冷却風を導入することが可能となる。
【００２２】
（第５実施例）
図１５は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、一つの冷媒槽３に対して複数の凝縮部（図１５では２組）を設けた場合の一例を示すものである。各凝縮部は、冷媒槽３に対して横幅方向に所定の間隔を空けて並設されている。
本実施例の構成によれば、発熱体２を取り付け螺子１２（雄螺子）とナット１３の締結によって容易に冷媒槽３へ固定することができる。つまり、図１６に示す様に、予め発熱体２に設けられた取り付け螺子１２を冷媒槽３の略中央部に形成された貫通穴３ｃに通し、取り付け螺子１２の端部よりナット１３を締め付けることで発熱体２を冷媒槽３に固定することができる。この場合、２組の凝縮部が所定の間隔を空けて並設されているため、そのスペースを利用してナット１３の締め付け作業を行うことができる。また、冷媒槽３は、押し出し材で形成されているため、貫通穴３ｃを設けることも簡単である。
なお、本実施例で説明した複数の凝縮部は、第１実施例に記載した凝縮部を複数に分割したものと考えることもできる。
【００２３】
（第６実施例）
図１７は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、図１７に示す様に、凝縮部の体格を小型化するとともに、その凝縮部を冷媒槽３に対して横幅方向の片側にオフセット配置したものである。
これにより、発熱体２の取り付け螺子１２に対してナット１３の締め付け作業を容易に行うことができる。
また、沸騰冷却装置１を垂直に設置する場合、図１８に示す様に、凝縮部を上部側に配置することにより、放熱チューブ４が液冷媒によって満たされないため、凝縮部の体格を小さくしても必要な冷却性能を確保できる。この場合、第３実施例の場合と同様に、冷媒槽３の一方の開口端部（図１８の左側開口端部）に冷媒流制御板１０を設けることにより、図１８に矢印で示す様に、冷媒を一方向に自然循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の斜視図である（第１実施例）。
【図２】沸騰冷却装置（水平に設置した場合）の断面図である。
【図３】沸騰冷却装置（垂直に設置した場合）の断面図である。
【図４】冷媒槽の断面図である。
【図５】冷媒槽の断面図である。
【図６】インナフィンの斜視図である。
【図７】放熱チューブの断面図である。
【図８】放熱チューブの断面図である。
【図９】沸騰冷却装置の断面図である（第２実施例）。
【図１０】冷媒槽の断面図である。
【図１１】冷媒槽の断面図である。
【図１２】冷媒槽の断面図である。
【図１３】沸騰冷却装置の断面図である（第３実施例）。
【図１４】沸騰冷却装置の断面図である（第４実施例）。
【図１５】沸騰冷却装置の斜視図である（第５実施例）。
【図１６】沸騰冷却装置の断面図である（第５実施例）。
【図１７】沸騰冷却装置の斜視図である（第６実施例）。
【図１８】沸騰冷却装置の断面図である（第６実施例）。
【符号の説明】
１沸騰冷却装置
２発熱体
３冷媒槽
３ｂ冷媒流路
４放熱チューブ
６ヘッダ（連通部材）
６Ａ一方のヘッダ（一方の連通部材）
６Ｂ他方のヘッダ（他方の連通部材）
１０冷媒流制御板

Claims

冷媒の沸騰及び凝縮作用によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
液冷媒を溜める冷媒槽と、
前記発熱体の熱で沸騰した蒸気冷媒が流入する放熱チューブを有し、この放熱チューブを流れる蒸気冷媒を凝縮させる凝縮部と、
前記冷媒槽と前記放熱チューブとを連通する一組の連通部材とを備え、
前記冷媒槽及び前記放熱チューブは、それぞれ押し出し材によって両端が開口する中空形状に設けられ、且つ前記冷媒槽と前記放熱チューブが同一方向を向いて略平行に配置され、
前記一組の連通部材は、前記冷媒槽と前記放熱チューブの各一方側の開口端部が共に組み付けられる一方の連通部材と、前記冷媒槽と前記放熱チューブの各他方側の開口端部が共に組み付けられる他方の連通部材とから成り、それぞれ２枚のプレス成型品を貼り合わせて構成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
前記冷媒槽の内部に断面積の小さい複数の冷媒流路が設けられていることを特徴とする請求項１に記載した沸騰冷却装置。
前記冷媒槽の一方の開口端部に蒸気冷媒の流出を阻止する冷媒流制御板を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載した沸騰冷却装置。
前記凝縮部が複数設けられ、各凝縮部が前記冷媒槽に対して横幅方向に一定の間隔を空けて並設されていることを特徴とする請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷却装置。
前記凝縮部は、前記冷媒槽に対して横幅方向の片側にオフセット配置されていることを特徴とする請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷却装置。
前記凝縮部は、複数の前記放熱チューブから成り、各放熱チューブが一定の間隔を空けて並設されていることを特徴とする請求項１〜５に記載した何れかの沸騰冷却装置。