JP4026039B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

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っ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】
従来装置として、産業用のパワーユニットクーラ（沸騰冷却器）がある。この冷却器は、冷媒を貯留する冷媒槽の受熱面にＩＧＢＴ等の発熱体を接触させ、その発熱体から発生する熱を冷媒に伝達して放熱部へ輸送し、放熱部で外部流体（例えば空気）に放熱する装置である。ここで、発熱体であるＩＧＢＴは、単独でパッケージされているため、冷却器に対し比較的自由に取り付けることができる。しかし、発熱体がプリント基板上に設置されたコンピュータチップ（以下チップと略す）である場合、チップと接触する冷媒槽の受熱面側または冷媒槽の周囲に突起部があると、その突起部がプリント基板上の部品またはプリント基板自体と干渉する恐れがある。
【０００３】
そこで、本出願人は、特願平１０−３３０９８６号において、チップに適用できる沸騰冷却装置を提案した。この装置は、図７に示すように、平板状の冷媒槽１００を備え、冷媒槽１００の一方の平面側に放熱部１１０を設け、冷媒槽１００の他方の面（受熱面）にチップを取り付ける構造である。放熱部１１０は、冷媒槽１００に対し略垂直方向に一組のヘッダタンク１２０を差し込み、両ヘッダタンク１２０間に放熱チューブ１３０と放熱フィン１４０とを配置して構成されている。これにより、冷媒槽１００の外形内で一方の平面側に放熱部１１０を収めることができるので、冷媒槽１００の受熱面側及び冷媒槽１００の周囲に突起部のない沸騰冷却装置を構成できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願の沸騰冷却装置は、チップのサイズが小さくなると、プリント基板上でチップの周辺に配置されている部品が冷媒槽１００と干渉する可能性が生じる。この対策として、図８（ａ）に示すように、チップのサイズに合わせて冷媒槽１００の受熱面をできるだけ小さくすることで、冷媒槽１００とチップ周辺の部品との干渉を避けることが考えられる。しかし、この場合、図８（ｂ）に示すように、冷媒槽１００内の沸騰空間１０１で沸騰した冷媒蒸気が流出する蒸気通路１０２と、放熱部１１０で液化した凝縮液が沸騰空間１０１へ戻る液戻り通路１０３とが沸騰空間１０１の上部で略一直線上に繋がってしまうため、沸騰空間１０１より流出する冷媒蒸気と沸騰空間１０１へ戻る凝縮液とが干渉して、液戻りの悪化や蒸気の抜け不良を起こし、性能が低下する問題が生じる。
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、チップ周辺の部品と冷媒槽との干渉を防止でき、且つ良好な冷媒循環流を形成できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
冷媒槽は、沸騰空間から放熱部へ冷媒蒸気が流れる蒸気通路と、放熱部で液化した凝縮液を沸騰空間へ戻す液戻り通路とを有し、且つ蒸気通路の外側面の発熱体に近い面と液戻り通路の外側面の発熱体に近い面とが受熱面に対して発熱体側とは反対に後退して設けられ、放熱部は、冷媒槽に対し受熱面と反対側の面上に設けられている。
この構成によれば、蒸気通路及び液戻り通路を形成する各部位の表面と受熱面との間に高低差を設けることができるので、冷媒槽の受熱面に取り付けられる発熱体の周辺に部品を有する場合でも、その部品が蒸気通路及び液戻り通路を構成する各部位と干渉する可能性を低減できる。
【０００６】
（請求項２の手段）
冷媒槽は、受熱面のみが他の部位より突出して設けられている。この場合、発熱体の周辺に配置される部品が、冷媒槽の受熱面以外の他の部位と干渉する可能性を低減できる。
【０００７】
（請求項３の手段）
発熱体は、プリント基板上に設置されたコンピュータチップであり、このコンピュータチップを受熱面に接触させて使用される。この場合、冷媒槽の受熱面より外側でプリント基板と冷媒槽との間に生じる隙間を大きく取れるため、プリント基板上でコンピュータチップの周辺に配置される部品と冷媒槽との干渉を低減できる。
【０００８】
（請求項４の手段）
冷媒槽は、受熱面がコンピュータチップのサイズに合わせた大きさに設けられ、且つ蒸気通路と液戻り通路とが互いに異なる位置で沸騰空間と接続されている。冷媒槽の受熱面をコンピュータチップのサイズに合わせた大きさに設けた場合でも、蒸気通路と液戻り通路とが互いに異なる位置で沸騰空間と接続されることにより、蒸気通路を流れる冷媒蒸気と液戻り通路を流れる凝縮液との干渉を防止でき、良好な冷媒循環流を形成できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
（第１実施例）
図１は沸騰冷却装置の斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、図３（ａ）に示すように、例えばプリント基板２に設置されたコンピュータチップ３（以下チップ３と略す）に適用されるもので、内部に液冷媒（例えば水、アルコール、フロロカーボン、フロン等）を貯留する冷媒槽４と、この冷媒槽４でチップ３の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気の熱を外部流体に放出する放熱部５とを備え、一体ろう付けにより製造されている。
【００１０】
Ａ）冷媒槽４は、熱伝導性に優れる金属材料（例えばアルミニウム）で形成された薄型容器６とプレート状の蓋部品７から構成される。
薄型容器６は、図２（ａ）に示すように、平面形状が略台形状であり、厚み方向の一方側にチップ３と接触する受熱面６ａ（図３（ｂ）参照）が設けられ、他方側には、図２（ｂ）に示すように、沸騰空間８、一組のヘッダ接続部９、１０、蒸気通路１１、及び液戻り通路１２が設けられている。
受熱面６ａは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、チップ３の形状に合わせた大きさで、略正方形に設けられ、受熱面６ａ以外の他の部位より突出して設けられている。
【００１１】
沸騰空間８は、チップ３の熱を受けて液冷媒が沸騰する空間で、受熱面６ａの内側に形成されている。
ヘッダ接続部９、１０は、放熱部５のヘッダタンク１３（下述する）を接続する部分で、ヘッダタンク１３の断面形状に対応したスペースが設けられている。
一方のヘッダ接続部９は、沸騰空間８より上部右側に設けられ、蒸気通路１１を介して沸騰空間８と連通している。
他方のヘッダ接続部１０は、沸騰空間８より上部左側に設けられ、液戻り通路１２を介して沸騰空間８に連通している。
【００１２】
蒸気通路１１は、沸騰空間８で沸騰した冷媒蒸気を放熱部５へ導く通路で、例えば図２（ｂ）に示すように、沸騰空間８の上部側から右側まで広い範囲で沸騰空間８と接続されている。
液戻り通路１２は、放熱部５で液化された凝縮液を沸騰空間８へ戻すための通路で、例えば図２（ｂ）に示すように、他方のヘッダ接続部１０から沸騰空間８の左側下部に通じている。
上記の沸騰空間８、ヘッダ接続部９、１０、蒸気通路１１、及び液戻り通路１２等は、切削、放電加工、鍛造、鋳造等によって形成することができる。
【００１３】
蓋部品７は、例えば、表面にろう材を一体成型したクラッド材から成り、薄型容器６の平面形状と同一の略台形状に設けられ、薄型容器６の他方側を全面的に塞いで、薄型容器６に設けられた沸騰空間８、蒸気通路１１、及び液戻り通路１２の開口面を閉じている。但し、蓋部品７の上部両側には、ヘッダタンク１３の端部を差し込むための差込み口（図示しない）が開けられ、この差込み口がそれぞれ薄型容器６のヘッダ接続部９、１０に通じている。
【００１４】
Ｂ）放熱部５は、一組のヘッダタンク１３（１３Ａ、１３Ｂ）とコア部（下述する）を備え、図１に示すように、冷媒槽４の蓋部品７に対し略垂直に組付けられている。
一組のヘッダタンク１３は、冷媒槽４から冷媒蒸気が流入する蒸気側ヘッダタンク１３Ａと、コア部で液化した凝縮液が流入する液側ヘッダタンク１３Ｂである。
蒸気側ヘッダタンク１３Ａは、長手方向の一端部が蓋部品７の一方の差込み口より冷媒槽４の内部（一方のヘッダ接続部９）へ差し込まれ、蓋部品７に対して略垂直方向に延びた状態で配置される。
液側ヘッダタンク１３Ｂは、長手方向の一端部が蓋部品７の他方の差込み口より冷媒槽４の内部（他方のヘッダ接続部１０）へ差し込まれ、蓋部品７に対して略垂直方向に延びた状態で配置される。
【００１５】
コア部は、複数本の放熱チューブ１４と、各放熱チューブ１４の間に介在される放熱フィン１５とから成る。
放熱チューブ１４は、放熱フィン１５が接触する表面の幅に対して厚みが薄い偏平形状に設けられ、両ヘッダタンク１３Ａ、１３Ｂ間に複数本並設されて、それぞれ両ヘッダタンク１３Ａ、１３Ｂに連通している。
放熱フィン１５は、熱伝導性に優れる薄い金属板（例えばアルミニウム板）を交互に折り曲げて波状に形成したもので、放熱チューブ１４の表面に熱的に接合されている。
【００１６】
次に、本実施例の作動を説明する。
冷媒槽４の沸騰空間８に貯留されている液冷媒は、受熱面６ａに接触するチップ３の熱を受けて沸騰し、沸騰空間８より蒸気通路１１を通って蒸気側ヘッダタンク１３Ａへ進入する。放熱部５では、蒸気側ヘッダタンク１３Ａから各放熱チューブ１４へ流れた冷媒蒸気が、コア部に導入される外部流体（例えば空気）によって冷却され、放熱チューブ１４内で凝縮する。凝縮した冷媒は、液滴となって液側ヘッダタンク１３Ｂへ進入し、液側ヘッダタンク１３Ｂより冷媒槽４内の液戻り通路１２を通って沸騰空間８へ還流する。
【００１７】
（本実施例の効果）
本実施例の冷媒槽４は、受熱面６ａのみが他の部位より突出して設けられているので、受熱面６ａの周囲では、プリント基板２との間に生じる空間を大きく確保できる。これにより、プリント基板２上でチップ３の周辺に配置されている部品（図示しない）と冷媒槽４との干渉を回避できる。
また、本実施例では、受熱面６ａの大きさをチップ３のサイズに合わせて、冷媒槽４を小型化しているが、沸騰空間８に対して、蒸気通路１１が接続される位置と液戻り通路１２が接続される位置とが異なるため、蒸気通路１１を流れる冷媒蒸気と液戻り通路１２を流れる凝縮液とが干渉することはなく、良好な冷媒循環流を形成できる。
【００１８】
（第２実施例）
図４（ａ）は沸騰冷却装置１の上面図、（ｂ）は冷媒槽４の内部構造を示す平面図である。
本実施例の冷媒槽４は、図４（ｂ）に示すように、沸騰空間８の上部側から一方のヘッダ接続部９まで蒸気通路１１を略直角に曲げて構成している。これにより、冷媒槽４の外形は、図４（ａ）に示すように、受熱面６ａの右側を取り除いた形状にできる。
また、第１実施例と同様に、受熱面６ａのみが他の部位より突出して設けられているので、チップ３周辺の部品と冷媒槽４との干渉を回避できる。
【００１９】
（第３実施例）
図５（ａ）は沸騰冷却装置１の上面図、（ｂ）は冷媒槽４の内部構造を示す平面図である。
本実施例の冷媒槽４は、図５（ｂ）に示すように、沸騰空間８の右側から一方のヘッダ接続部９まで蒸気通路１１を略直線的に構成している。従って、冷媒槽４の外形は、図５（ａ）に示すように、第１実施例と略同一形状であるが、放熱部５の下部に蒸気通路１１を設けていないので、その部分（放熱部５の下部）にプリント基板２と接続するための孔１６等を設けることができる。
また、第１実施例と同様に、受熱面６ａのみが他の部位より突出して設けられているので、チップ３周辺の部品と冷媒槽４との干渉を回避できる。
【００２０】
（第４実施例）
図６（ａ）は沸騰冷却装置１の上面図、（ｂ）は冷媒槽４の内部構造を示す平面図である。
本実施例の冷媒槽４は、第３実施例と同様に、沸騰空間８の右側から一方のヘッダ接続部９まで蒸気通路１１を略直線的に構成している（図６（ｂ）参照）。但し、蒸気通路１１を設けていない放熱部５の下部を部分的に取り除いて、軽量化を図っている。
また、第１実施例と同様に、受熱面６ａのみが他の部位より突出して設けられているので、チップ３周辺の部品と冷媒槽４との干渉を回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の斜視図である。
【図２】沸騰冷却装置の上面図（ａ）と冷媒槽の内部構造を示す平面図（ｂ）である。
【図３】冷媒槽の側面図（ａ）と底面図（ｂ）である。
【図４】沸騰冷却装置の上面図（ａ）と冷媒槽の内部構造を示す平面図（ｂ）である（第２実施例）。
【図５】沸騰冷却装置の上面図（ａ）と冷媒槽の内部構造を示す平面図（ｂ）である（第３実施例）。
【図６】沸騰冷却装置の上面図（ａ）と冷媒槽の内部構造を示す平面図（ｂ）である（第４実施例）。
【図７】沸騰冷却装置の斜視図である（先願技術）。
【図８】沸騰冷却装置の上面図（ａ）と冷媒槽の内部構造を示す平面図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置
２ プリント基板
３ コンピュータチップ（発熱体）
４ 冷媒槽
５ 放熱部
６ａ 受熱面
８ 沸騰空間
１１ 蒸気通路
１２ 液戻り通路

Claims (4)

1. 発熱体を取り付ける受熱面を有し、この受熱面の内側に形成された沸騰空間に前記発熱体の熱を受けて沸騰する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外部流体との熱交換によって液化する放熱部とを備えた沸騰冷却装置であって、
   前記冷媒槽は、前記沸騰空間から前記放熱部へ冷媒蒸気が流れる蒸気通路と、前記放熱部で液化した凝縮液を前記沸騰空間へ戻す液戻り通路とを有し、且つ前記蒸気通路の外側面の発熱体に近い面と前記液戻り通路の外側面の発熱体に近い面とが前記受熱面に対して発熱体側とは反対に後退して設けられ、
   前記放熱部は、前記冷媒槽に対し前記受熱面と反対側の面上に設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記冷媒槽は、前記受熱面のみが他の部位より突出して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。
3. 前記発熱体は、プリント基板上に設置されたコンピュータチップであり、このコンピュータチップを前記受熱面に接触させて使用される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。
4. 前記冷媒槽は、前記受熱面が前記コンピュータチップのサイズに合わせた大きさに設けられ、且つ前記蒸気通路と前記液戻り通路とが互いに異なる位置で前記沸騰空間と接続されていることを特徴とする請求項３に記載した沸騰冷却装置。

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