JP4026249B2 - 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（取付け面）にＩＧＢＴ等の電子素子を接触させ、そのＩＧＢＴから発生する熱を冷媒に伝達して放熱器へ輸送し、放熱器で外部流体に放熱する装置である。この場合、発熱体となるＩＧＢＴが単独でパッケージされているため、取付け上の制約を受けることが少なく、冷媒槽に対し比較的自由に取り付けることが可能である。言い換えると、冷媒槽の取付け面側へ放熱器のコア部が突出していても、冷媒槽に対して何ら問題なくＩＧＢＴ等の電子素子を取り付けることができる。
【０００３】
ところが、プリント基板上に配置されたコンピュータチップ等の発熱体を冷却する場合、その発熱体の上方に冷却器を固定して使用する必要性があるため、発熱体と接触する冷媒槽の取付け面側へ放熱器のコア部等が突出していると、その突出部分がプリント基板上に配置された部品あるいはプリント基板自体と干渉する可能性がある。従って、冷却器としては、発熱体と接触する冷媒槽の取付け面側へ放熱器のコア部等が突出しない構造が望まれる。
そこで、図４に示すように、平板状の冷媒槽３に対し、一方側から放熱器４のヘッダ１９、２０を差し込んで放熱コアを構成することで、冷媒槽３の外形内に放熱器４を収めることができ、且つ発熱体を取付ける側（他方側）へ放熱器４が突出することを回避できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記のように冷媒槽３の一方側から放熱器４のヘッダ１９、２０を差し込んで放熱コアを構成した場合、図２に示すように、冷媒槽３内の沸騰空間と蒸気側ヘッダ１９の内部とを連通する蒸気流出口１４の下側壁部の高さに応じて、蒸気側ヘッダ１９の内部で凝縮した一部の液冷媒が蒸気側ヘッダ１９内の下部に滞留することになる。この場合、蒸気側ヘッダ１９に差し込まれる放熱チューブ２４の開口部下端（図３参照）が、前記の蒸気流出口１４の下側壁部の高さより低いと、放熱チューブ２４の一部が液に浸かってしまうため、放熱チューブ２４内に進入できる冷媒蒸気量が低減して、性能低下を招くという問題が生じる。
【０００５】
また、ヘッダ１９、２０に対し放熱チューブ２４を上下方向に複数配置した場合、蒸気側ヘッダ１９の内部で凝縮した液が蒸気側ヘッダ１９の壁面を伝って落ちる際に、放熱チューブ２４の開口部に液が掛かると、冷媒蒸気が放熱チューブ２４内に進入するのを妨げることになり、性能低下を引き起こすことになる。
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、蒸気側ヘッダの内部にて放熱チューブの開口部が液で覆われることを防いで性能低下を防止することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
冷媒槽は、一方のヘッダ接続部と沸騰空間とを連通する蒸気流出口の下端が蒸気側ヘッダ内に開口する放熱チューブの開口部の下端より低い位置に設けられている。この構造によれば、蒸気側ヘッダ内で凝縮した液がヘッダ内の下部に滞留しても、その液面が蒸気流出口の下端を超えて上昇することがない（液面が蒸気流出口の下端を超えると、蒸気流出口より沸騰空間へ流れ込む）ので、放熱チューブの開口部が液で覆われることを防止できる。
【０００７】
（請求項２の手段）
放熱器は、蒸気側ヘッダの端部が一方のヘッダ接続部より冷媒槽内に差し込まれ、その差し込まれた蒸気側ヘッダの壁面に沸騰空間に通じる連通口が開けられており、この連通口の下端が、蒸気側ヘッダ内に開口する放熱チューブの開口部の下端より低い位置に設けられている。この場合、蒸気側ヘッダ内の下部に滞留した凝縮液の液面がヘッダの連通口の下端を超えると、その連通口を通って沸騰空間へ凝縮液が流れ込むので、蒸気側ヘッダ内の下部に滞留した凝縮液によって放熱チューブの開口部が液で覆われることを防止できる。
なお、連通口の下端より前記の蒸気流出口の下端の方が高い場合は、蒸気側ヘッダ内に滞留した凝縮液が連通口の下端を超えて蒸気流出口の下端まで達することができるが、この場合は、請求項１の手段に記載したように、蒸気流出口の下端より更に放熱チューブの開口部の下端の方が高いので、放熱チューブの開口部が液で覆われることを防止できる。
【０００８】
（請求項３の手段）
放熱器は、蒸気側ヘッダ及び液側ヘッダに対して放熱チューブを上下方向に複数配置して構成され、蒸気側ヘッダは、その内部空間で上段の放熱チューブと下段の放熱チューブとの間を分割する仕切り壁を有している。この構造によれば、蒸気側ヘッダの壁面を伝って流れ落ちる凝縮液が、仕切り壁より下側に開口する放熱チューブの開口部に掛かることを防止できる。
【０００９】
（請求項４の手段）
冷媒槽と放熱器は、ろう付けにより一体成型される。
【００１０】
【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。
図１は冷媒槽と蒸気側ヘッダとの接続部を示す断面図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、図５に示すように、例えばプリント基板に設置されたコンピュータチップ等の発熱体２を冷却するもので、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３と、この冷媒槽３で発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流体（例えば空気）との熱交換によって液化する放熱器４とを備える。この冷媒槽３と放熱器４は、ろう付けにより一体成型される。
【００１１】
Ａ）冷媒槽３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５と蓋プレート６から構成され、図７に示すように、直立した状態で使用される。
ａ）薄型容器５は、図６に示すように、平面形状が縦長の長方形であり、厚み方向の一方側（図６の裏側）が平坦面で発熱体２の取付け面として使用され、他方側には下述する沸騰空間７、一組のヘッダ接続部８、９、液戻り通路１０、及び冷媒注入部１１が設けられている。また、薄型容器５の外周部には、薄型容器５を厚み方向に貫通する複数の孔１２が設けられている。
【００１２】
沸騰空間７は、発熱体２の熱を受けて液冷媒が沸騰する空間を形成するもので、薄型容器５の中央部全体に設けられている。この沸騰空間７には、多数の角柱１３が一定の間隔を開けて格子状に配置され、沸騰空間７全体が碁盤の目のように区画された冷媒通路を形成している。なお、沸騰空間７に設けられた多数の角柱１３は、冷媒槽３の強度を確保するための補強リブとしても機能している。
ヘッダ接続部８、９は、放熱器４のヘッダ１９、２０（下述する）を接続する部分で、各ヘッダ１９、２０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８は、沸騰空間７の上部右側に隣接して設けられ、蒸気流出口１４を通じて沸騰空間７と連通している。
他方のヘッダ接続部９は、沸騰空間７の上部左側に設けられ、液戻り通路１０を通じて沸騰空間７に連通している。
【００１３】
液戻り通路１０は、放熱器４で液化された凝縮液を沸騰空間７へ戻すための通路で、他方のヘッダ接続部９の下部から下方へ延びて設けられ、沸騰空間７の最下部に通じている。
冷媒注入部１１は、冷媒槽３の内部（沸騰空間７）へ冷媒を注入する時の注入通路を形成するもので、例えば一方のヘッダ接続部８の下方に設けられ、沸騰空間７に通じている。
なお、沸騰空間７、ヘッダ接続部８、９、液戻り通路１０、及び冷媒注入部１１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。
孔１２は、図示しない固定部材によって薄型容器５の表面（平坦面）に発熱体２を固定するために設けられている。
【００１４】
ｂ）蓋プレート６は、薄型容器５の他方側を全面的に塞いで、薄型容器５に設けられた沸騰空間７及び液戻り通路１０の開口面を閉じている。但し、蓋プレート６の上部両側には、ヘッダ１９、２０を差し込むための差込み口１５、１６（図５参照）が開けられ、この差込み口１５、１６がそれぞれヘッダ接続部８、９に通じている。また、蓋プレート６には、薄型容器５に設けられた冷媒注入部１１に通じる丸孔１７が一方の差込み口１５の下部に開けられ、この丸孔１７に注入パイプ１８が接続される。注入パイプ１８は、冷媒槽３内へ冷媒を注入する時の注入口であり、所定量の冷媒を注入した後、先端開口部が封じられる。
この蓋プレート６は、例えば、表面にろう材を一体成型したクラッド材より形成することができる。
【００１５】
Ｂ）放熱器４は、一組のヘッダ（蒸気側ヘッダ１９と液側ヘッダ２０）とコア部（下述する）より構成され、図７に示すように、ダクト２１を介して冷却風が送風される。
ａ）一組のヘッダは、冷媒槽３で発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が流入する蒸気側ヘッダ１９と、コア部で液化した凝縮液が流入する液側ヘッダ２０であり、図５に示すように、それぞれコア部に対して内側壁面を形成するヘッダプレート１９ａ、２０ａと外側壁面を形成するヘッダプレート１９ｂ、２０ｂとを組み合わせて構成される。
【００１６】
蒸気側ヘッダ１９は、長手方向の一端側が蓋プレート６の一方の差込み口１５より冷媒槽３の内部（一方のヘッダ接続部８）へ差し込まれ、蓋プレート６に対して略垂直方向に延びた状態で配置される。この蒸気側ヘッダ１９には、図２に示すように、冷媒槽３の内部へ差し込まれた端部の内側壁面（放熱チューブ２４が差し込まれる側の壁面）に冷媒槽３内の蒸気流出口１４に通じる連通口２２（蒸気流出口１４と略同じ大きさ）が開けられている。
【００１７】
また、蒸気側ヘッダ１９の内側壁面を形成するヘッダプレート１９ａには、放熱チューブ２４の一方の端部を挿入するための長孔が上下二段にそれぞれ複数個ずつ等間隔に開けられている。更に、蒸気側ヘッダ１９の内部には、図１及び図３に示すように、内部空間を上下に分割する仕切り壁２３が設けられている。この仕切り壁２３は、ヘッダ長手方向の略全域に渡って、内側壁面に開けられた上下の長孔の間を分割する位置に設けられている。但し、連通口２２が開いている部分は仕切り壁２３を有していない（図１参照）。
【００１８】
液側ヘッダ２０は、長手方向の一端側が蓋プレート６の他方の差込み口１６より冷媒槽３の内部（他方のヘッダ接続部９）へ差し込まれ、蓋プレート６に対して略垂直方向に延びた状態（蒸気側ヘッダ１９と平行）で配置される。この液側ヘッダ２０には、冷媒槽３の内部へ差し込まれた端部の下側壁面に液戻り通路１０に通じる連通口が開けられている。また、液側ヘッダ２０の内側壁面を形成するヘッダプレート２０ａには、放熱チューブ２４の他方の端部を挿入するための長孔が上下二段にそれぞれ複数個ずつ等間隔に開けられている。
【００１９】
ｂ）コア部は、発熱体２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であり、複数本の放熱チューブ２４と、各放熱チューブ２４の間に介在される放熱フィン２５とから成る。
放熱チューブ２４は、放熱フィン２５が接触する外壁面の幅（図１の上下幅）に対して厚みが薄い偏平形状に設けられ、蒸気側ヘッダ１９と液側ヘッダ２０との間で上下二段に配置され、且つ各段でそれぞれ放熱フィン２５を介して複数の放熱チューブ２４が並設されている。この放熱チューブ２４は、一方の端部が蒸気側ヘッダ１９のヘッダプレート１９ａに開けられた長孔に差し込まれ、他方の端部が液側ヘッダ２０のヘッダプレート２０ａに開けられた長孔に差し込まれて、蒸気側ヘッダ１９と液側ヘッダ２０とを連通している。
放熱フィン２５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２４の外壁面に熱的に接合されている。
【００２０】
ここで、図１及び図２を参照して、冷媒槽３の内部に設けられる蒸気流出口１４の下端Ｘ、蒸気側ヘッダ１９の端部に開口する連通口２２の下端Ｙ、及び蒸気側ヘッダ１９の下段の長孔に挿入される放熱チューブ２４の開口部の下端Ｚの位置（高さ）関係について説明する。
まず、図２に示すように、蒸気流出口１４の下端Ｘと連通口２２の下端Ｙは同じ高さに設けられている。また、放熱チューブ２４の開口部の下端Ｚは、図１に示すように、蒸気流出口１４の下端Ｘ及び連通口２２の下端Ｙより高い位置に設けられている。言い換えれば、放熱チューブ２４の開口部の下端Ｚより蒸気流出口１４の下端Ｘ及び連通口２２の下端Ｙの方が低い位置になるように設定されている。
【００２１】
次に、本実施例の作動を説明する。
冷媒槽３内の液冷媒は、発熱体２の熱を受けて沸騰した後、沸騰空間７から蒸気流出口１４を通って蒸気側ヘッダ１９へ進入し、蒸気側ヘッダ１９から各放熱チューブ２４へ流れる。放熱チューブ２４を流れる冷媒蒸気は、ダクト２１を通ってコア部に送風される冷却風によって冷却され、放熱チューブ２４内で凝縮する。凝縮した冷媒は、液滴となって液側ヘッダ２０へ押し流され、更に液側ヘッダ２０より液戻り通路１０を落下して冷媒槽３内の沸騰空間７へ還流する。この作動における冷媒の流れを図８に矢印で示す。
また、蒸気側ヘッダ１９へ進入した冷媒蒸気が蒸気側ヘッダ１９の内部で凝縮すると、蒸気側ヘッダ１９の壁面を伝って流れ落ち、そのまま蒸気側ヘッダ１９の底部に滞留する。ここで、滞留した凝縮液の液面が蒸気流出口１４の下端Ｘ及び連通口２２の下端Ｙを超えると、図２に示すように、連通口２２及び蒸気流出口１４よりオーバフローして沸騰空間７へ戻ることができる。
【００２２】
（本実施例の効果）
本実施例の沸騰冷却装置１は、放熱チューブ２４の開口部の下端Ｚより蒸気流出口１４の下端Ｘ及び連通口２２の下端Ｙの方が低い位置にあるため、蒸気側ヘッダ１９の底部に凝縮液が滞留しても、その滞留した凝縮液に放熱チューブ２４の開口部が浸かることはない（図１参照）。これにより、放熱チューブ２４に冷媒蒸気が進入できなくなることを防止でき、その冷媒蒸気が進入できなくなることによる放熱性能の低下を防止できる。
また、蒸気側ヘッダ１９の内部空間を仕切り壁２３によって分割しているので、蒸気側ヘッダ１９の壁面を伝って流れ落ちる凝縮液が、仕切り壁２３より下段に開口する放熱チューブ２４の開口部に掛かることを防止できる。なお、仕切り壁２３より上段側で凝縮した液は、図１に示すように、仕切り壁２３の上面を流れて、仕切り壁２３の端部から下方に流れ落ちることができる。
【００２３】
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒槽３に対して一組のヘッダ１９、２０を略垂直方向に組付けてコア部を構成しているので、放熱器４全体を冷媒槽３の外形内に収めることができ（図４参照）、且つ冷媒槽３の発熱体取付け面側へ放熱器４が突出することもない。従って、プリント基板に設置されるコンピュータチップ等の発熱体２にも容易に適用できる。
【００２４】
（変形例）
本実施例では、蒸気側ヘッダ１９の端部を一方のヘッダ接続部８まで挿入しているため、その蒸気側ヘッダ１９の端部に連通口２２を形成しているが、例えば、図９に示すように、蒸気側ヘッダ１９の端部を蓋プレート６に設けられた差込み口１５にだけ挿入して接続しても良い。この場合、蒸気側ヘッダ１９の端部に連通口２２を設ける必要がないので、蒸気流出口１４の下端Ｘを放熱チューブ２４の開口部の下端Ｚより低い位置にするだけで良い。
【００２５】
また、上記実施例では、蒸気流出口１４の下端Ｘと連通口２２の下端Ｙを同じ高さに設けているが、蒸気流出口１４の下端Ｘと連通口２２の下端Ｙとの高さが異なる構造としても良い。この場合においても、放熱チューブ２４の開口部の下端Ｚより蒸気流出口１４の下端Ｘ及び連通口２２の下端Ｙの方を低い位置に設けることは言うまでもない。
更に、上記実施例では、放熱チューブ２４を上下二段に配置しているが、三段以上の複数段としても良い。あるいは一段だけで構成しても良い。放熱チューブ２４を三段以上とする場合、蒸気側ヘッダ１９の内部空間を各段の放熱チューブ２４間で分割する仕切り壁２３を設けることが望ましい。また、放熱チューブ２４を一段だけで構成する場合は、仕切り壁２３を設ける必要はない。
【図面の簡単な説明】
【図１】冷媒槽と蒸気側ヘッダとの接続部を示す断面図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図４】沸騰冷却装置の正面図である。
【図５】沸騰冷却装置の分解斜視図である。
【図６】薄型容器の平面図である。
【図７】沸騰冷却装置の斜視図である。
【図８】冷媒の流れを示す沸騰冷却装置の斜視図である。
【図９】冷媒槽と蒸気側ヘッダとの接続部を示す断面図である（変形例）。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置
２ 発熱体
３ 冷媒槽
４ 放熱器
７ 沸騰空間
８ 一方のヘッダ接続部
９ 他方のヘッダ接続部
１４ 蒸気流出口
１９ 蒸気側ヘッダ
２０ 液側ヘッダ
２２ 連通口
２３ 仕切り壁
２４ 放熱チューブ

Claims (4)

1. 内部に貯留する液冷媒が発熱体の熱を受けて沸騰する沸騰空間を形成し、その沸騰空間を介して対向する二面が略直立した姿勢で使用されるとともに、その対向する一方の壁面に前記発熱体が取り付けられ、他方の壁面に前記沸騰空間に連通する一方のヘッダ接続部と他方のヘッダ接続部とが開口する冷媒槽と、
   前記一方のヘッダ接続部に接続されて前記冷媒槽の他方の壁面に対し略垂直方向に延びる蒸気側ヘッダ、前記他方のヘッダ接続部に接続されて前記冷媒槽の他方の壁面に対し略垂直方向に延びる液側ヘッダ、及び前記蒸気側ヘッダと前記液側ヘッダとを連通する放熱チューブを有し、前記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器とを備える沸騰冷却装置であって、
   前記冷媒槽は、前記一方のヘッダ接続部と前記沸騰空間とを連通する蒸気流出口の下端が前記蒸気側ヘッダ内に開口する前記放熱チューブの開口部の下端より低い位置に設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記放熱器は、前記蒸気側ヘッダの端部が前記一方のヘッダ接続部より前記冷媒槽内に差し込まれ、その差し込まれた前記蒸気側ヘッダの壁面に前記沸騰空間に通じる連通口が開けられており、この連通口の下端が、前記蒸気側ヘッダ内に開口する前記放熱チューブの開口部の下端より低い位置に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. 前記放熱器は、前記蒸気側ヘッダ及び前記液側ヘッダに対して前記放熱チューブを上下方向に複数配置して構成され、
   前記蒸気側ヘッダは、その内部空間で上段の前記放熱チューブと下段の前記放熱チューブとの間を分割する仕切り壁を有してい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. 前記冷媒槽と前記放熱器は、ろう付けにより一体成型されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載した沸騰冷却装置。

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