JP4042268B2

JP4042268B2 - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP4042268B2
Application number: JP25292999A
Authority: JP
Inventors: 栄太郎田中; 公良寺尾; 清司川口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-09-07
Filing date: 1999-09-07
Publication date: 2008-02-06
Anticipated expiration: 2019-09-07
Also published as: JP2001077257A

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もので、電子機器の冷却、特にＣＰＵなどを含む発熱量の多い高密度実装基板の冷却に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、高発熱のＣＰＵなどの冷却装置として好適な小型の沸騰冷却装置を出願した（特開平１０−２０９３５５号公報、特開平１０−２０９３５６号公報および特開平１１−８７５８３号公報参照）。
【０００３】
この沸騰冷却装置は、偏平な箱型を成す密閉型の沸騰冷却容器の対向する一方の壁面（受熱壁）に発熱体（例えばＣＰＵ）が固定され、他方の壁面（放熱壁）に放熱フィンがとりつけられ、沸騰冷却容器の内部に所定量の冷媒が封入されるものである。発熱体の熱は受熱壁を介して内部の冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させ、沸騰した蒸気冷媒が放熱面にて冷却されて凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱が放熱壁より放熱フィンを介して大気に放出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の沸騰冷却装置において、密閉された沸騰冷却容器内の圧力が高い場合、その圧力によって沸騰冷却容器に歪みが生じると、沸騰冷却容器と発熱体との接触状況に不具合が生じるため、発熱体との接触部での熱伝導が悪くなり、冷却が充分に行なわれなくなる。
【０００５】
そこで沸騰冷却容器内に、対向配置した受熱壁と放熱壁との間に複数の連結部材を設け、両壁間を一定間隔に保持するように構成している。この連結部材は通常金属製であり、沸騰冷却容器の強度を向上させ変形を抑えると同時に、伝熱部材ともなり伝熱面積を拡大する効果が得られ、伝熱面の加熱度を下げることが従来より知られている。しかし、伝熱面の加熱度を更に下げるために、連結部材を多くしたりその高さを高くしても、必ずしも充分な伝熱面積の拡大効果が得られず、沸騰冷却容器の熱抵抗もそれほど下がらない。
【０００６】
本発明者等の研究によると、発熱体が設けられる受熱壁の内側表面に最も近い表面で沸騰による熱伝導が行なわれ、その内側表面から離れると大幅に冷媒への熱伝達が悪くなる（熱伝達の寄与率が低下する）ことが判明した。そこで、本発明の目的は、上記の点に着目し、簡単な構造で受熱壁より冷媒への熱伝達を高めることができる沸騰冷却装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１および請求項２記載の発明によれば、沸騰冷却装置は発熱体が設けられる受熱壁の内側表面に最も近い表面で、多孔質層により冷媒との接触面積が拡大される。また多孔質層は微細キャビティを有することにより、蒸発し易くなる効果がある。これにより発熱体が設けられる受熱壁の内側表面の広い範囲において冷媒を効率良く蒸発させることができるため、蒸発量が増えて発熱体を設けた部分の過熱度を低減できる。結果的に沸騰冷却装置の冷却性能を向上できる。
また、発熱体が設けられる受熱壁の内側表面に最も近い表面のみならず、沸騰冷却容器に形成する連結部材の壁面にも多孔質層を設けることにより、連結部材の壁面でも冷媒の蒸発効率が上り、伝熱部材としての性能向上により発熱体取付部の過熱度を低減できる。
【０００８】
請求項３記載の発明によれば、発熱体が設けられる受熱壁の内側表面に最も近い表面に、多孔質層を厚み０．２ｍｍ〜１ｍｍの範囲で設けることにより、熱伝達の寄与率の最も高い部分で伝熱面積の拡大効果が得られ、多孔質層内で発生した気泡がそこに貯留することによる熱抵抗の増大も抑えることができる。結果的に発熱体の熱が冷媒へ効率的に伝達され、発熱体を設けた部分の過熱度を低減できる。このことより、多孔質層は薄くて良く、多孔質原料は少なくてすみコストを抑えることができる。また残りの空間は蒸気通路として有効に利用できることから装置全体を薄くすることができる。
【００１０】
請求項４記載の発明によれば、沸騰冷却容器と多孔質層の材質をアルミニウム合金とすることより、沸騰冷却容器は押し出しや冷鍛で容易に形成でき、多孔質層も微細な粒状形・粉末・ワイヤー・棒状・金網などをプレスによって圧縮成型することで容易に形成できる。また成型後の沸騰冷却容器との一体化も、プレスでの圧縮や焼結・ロウ付けなどの方法で容易にできることから、沸騰冷却装置の生産性が向上し、コストを抑えることができる。
【００１２】
請求項５記載の発明によれば、発熱体が設けられる受熱壁の内側表面に最も近い表面のみならず、沸騰冷却容器に形成する連結部材そのものを多孔質材を用いて形成することにより、連結部材でも冷媒の蒸発効率が上り、発熱体を設けた部分の過熱度を低減できる。また、多孔質層が連結部材の機能を兼ねたり補ったりすることにより、冷媒槽に形成する連結部材は強度上必要な所のみとできるため、数を少なくでき構造を簡単にできることから生産性が向上し、コストを抑えることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を、図面に基づき説明する。
〔第１の実施形態〕
第１の実施形態を図１、図２と図３、図４のグラフを用いて説明する。なお、図１は沸騰冷却装置１であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は沸騰冷却容器２のＡ−Ａ断面図、図２は沸騰冷却装置１の使用例を示す斜視図である。図３は受熱壁３からの距離と熱伝達の寄与率との関係を示し、（ａ）は実験に用いた沸騰冷却容器２の部分断面図、（ｂ）は実験結果を示すグラフ、図４は多孔質層４の厚さと過熱度との関係を示すグラフである。
【００１４】
本実施形態の沸騰冷却装置１は、図２に示すように、例えばプリント基板５に実装された高発熱のＣＰＵ等を含む高密度実装回路からなる発熱体６を冷却するもので、内部に液状の冷媒（例えば、水、アルコール、フロロカーボン、フロン等）を封入した沸騰冷却容器２を含む。この沸騰冷却容器２は受熱壁３を介して発熱体６の熱を受け、沸騰した冷媒蒸気を放熱器９に導入し、外部流体（例えば外気）との熱交換によって液化する。この沸騰冷却容器２と放熱器９は、ろう付けにより一体成型される。また放熱器９へ冷却風を導くため、放熱器９を取り囲むようにダクト１０が配置されており、ダクト１０の下方から上方へ送風するように設置されることが最も多い。
【００１５】
沸騰冷却容器２は、熱伝導性に優れる金属材料であるアルミニウムにより板状に設けられ、図１に示すように、略直立した状態で且つ液状の冷媒７に浸かって使用される。なお、発熱体６は、図示しない螺子等で前記受熱壁３の外面で平板状の発熱体取付面３ａに接触するよう取り付け固定される。沸騰冷却容器２は、発熱体取付面３ａのある受熱壁３と、それと対向配置して圧力容器を構成する放熱壁８とを有し、受熱壁３と放熱壁８との間には、両壁間を所定間隔に保持し、冷媒７が流れる空間を形成するための複数の連結部材３ｂを設けてある。
【００１６】
また図３に示すように、沸騰による受熱壁３の内側表面より冷媒７への熱伝達に最も寄与率の高いのは、前記発熱体６及びその近傍に対向する受熱壁３の内側表面の全表面または一部表面が望ましい。具体的には沸騰冷却容器２の発熱体取付面３ａに最も近い受熱壁３の内側表面より厚みが２ｍｍ以下の範囲であることが解ったため、そこに多孔質層４を配置する。
【００１７】
多孔質層４は、熱伝導性に優れる金属材料であるアルミニウム合金を、微細な粒状形、粉末、ワイヤー、棒状、金網などをプレスによって圧縮成型した焼結金属、金属繊維、金属メッシュ、または発泡金属等であり、冷媒７との接触面積拡大と微細キャビティとして機能する。
【００１８】
多孔質層４は、所定の厚みと空孔率を有するように設けられている。図４にアルミニウム合金の多孔質層４とフロン系の冷媒を用いて行った実験結果を示すが、多孔質層４の厚みを変えることで伝熱面の過熱度は変化する。具体的に厚みは２ｍｍ以下で、望ましくは０．２ｍｍ〜１ｍｍとすることで、多孔質層４内で発生した気泡がそこに貯留することによる熱抵抗の増大を抑えることができ、伝熱面の過熱度を低減できる。また空孔率は、伝熱面積の拡大効果を得るため２０％以上で、望ましくは５０％以上とすることで受熱壁３の熱が冷媒へ効率的に伝達され、伝熱面の過熱度を低減できる。
【００１９】
また、多孔質層４は、受熱壁３の内面にほぼ一致する大きさの板状であり、受熱壁３と多孔質層４との間の良好な熱伝達が得られるように、接合することが望ましく、例えば焼結、ろう付け、ハンダ付け等で一体に製造されている。このため、発熱体取付面３ａで受けた熱が効率良く内部の冷媒に伝えられる。
【００２０】
沸騰冷却容器２に封入される冷媒は発熱体３の熱によって蒸発し、空冷によって冷却される放熱器９で凝縮するもので、水、アルコール、フロロカーボン、フロン、その他の有機溶剤などから、作動温度域や、沸騰冷却装置１の構成材料との適合性等に基づいて選定される。なお、一般的には、アルミ−フロン系の冷媒が使用される場合が多い。
【００２１】
沸騰冷却装置１の作動を説明する。
【００２２】
発熱体６の熱は、発熱体取付面３ａから沸騰冷却容器２内に伝達され、その受熱壁３の内面近傍の液状の冷媒７を沸騰させる。発生した冷媒蒸気は放熱器９に入り、外部流体により冷却されて凝縮潜熱を放出して凝縮液化し、液状の冷媒７となって沸騰冷却容器２に戻り、蒸発と凝縮を繰返す。
【００２３】
本発明の他の実施形態を図５を用いて説明する。
【００２４】
（ａ）は、図１（ｂ）に示したものの変形例である。これは受熱壁３に形成する連結部材３ｂの根元の形状を円弧状にしたもので、この受熱壁３自体を押し出しや冷鍛で形成しやすくするだけでなく、多孔質層４を円弧状の底にプレスで整形する際も均等に整形しやすくなり、生産性が向上してコストを抑えることができる。
【００２５】
（ｂ）は、図１（ｂ）に示したものの変形例である。受熱壁３の内面や連結部材３ｂの根元のみならず、連結部材３ｂの壁面にも多孔質層４を設けたものである。結果として連結部材３ｂの壁面でも冷媒７の蒸発効率が上り、伝熱部材としての性能が上がることにより伝熱面の過熱度を低減できる。
【００２６】
（ｃ）は、（ｂ）に示したものの変形例である。これは受熱壁３に形成する連結部材３ｂを根元から先端に向けて細くしたものであり、（ｂ)に示した多孔質層４の配し方を実際に生産する場合に適している。
【００２７】
（ｄ）、（ｅ）は、（ｃ）及び図１（ｂ）に示したものの変形例である。受熱壁３の内面と連結部材３ｂの壁面のみならず、受熱壁３に形成する連結部材３ｂの一部または全てを多孔質層４で形成したものである。連結部材３ｂでも冷媒７の蒸発効率が上り、伝熱面の過熱度を低減できるのみならず、多孔質層４が連結部材３ｂの機能を兼ねたり補ったりすることにより、沸騰冷却容器２に形成する連結部材３ｂは強度上必要な所のみとできるため、数を少なくでき構造を簡単にできることから生産性が向上し、コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態を示し、（ａ）は沸騰冷却装置を示す斜視図、（ｂ）は沸騰冷却装置の沸騰冷却容器の断面図を示す。
【図２】図１に示す沸騰冷却装置の使用例を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は沸騰冷却装置の沸騰冷却容器の部分断面図、（ｂ）は受熱壁からの距離範囲と熱伝達の寄与率との関係を示すグラフである。
【図４】多孔質層の厚みと過熱度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の他の実施形態を示し（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）は、それぞれ異なった沸騰冷却装置の沸騰冷却容器の断面図を示す。
【符号の説明】
１沸騰冷却装置
２沸騰冷却容器
３受熱壁
３ａ発熱体取付面
３ｂ連結部材
４多孔質層
５基板
６発熱体
７冷媒
８放熱壁
９放熱器
１０ダクト

Claims

互いに対向配置した受熱壁と放熱壁を有する沸騰冷却容器と、前記受熱壁の外側表面に設けた発熱体と、前記沸騰冷却容器内において前記受熱壁と前記放熱壁との間に設けた複数の連結部材とを備え、前記沸騰冷却容器内に冷媒を封入した沸騰冷却装置において、少なくとも前記発熱体及びその近傍に対向する前記受熱壁の内側表面の全表面または一部表面と、前記連結部材の壁面とに、多孔質層を設けたことを特徴とする沸騰冷却装置。
前記沸騰冷却容器に、外部流体との熱交換により冷媒を液化する放熱器を備えた前記沸騰冷却装置において、少なくとも前記発熱体及びその近傍に対向する前記受熱壁の内側表面の全表面または一部表面に、多孔質層を設けたことを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
前記多孔質層は、厚みが０．２ｍｍ〜１ｍｍであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の沸騰冷却装置。
前記沸騰冷却容器及び前記多孔質層は、アルミニウム合金からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
前記連結部材が多孔質材からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。