JP5618419B2 - 沸騰冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体素子等の発熱体の冷却に好適な沸騰冷却システムに関し、特に発熱密度の高い発熱体に対しても安定した沸騰開始が可能な沸騰冷却システムに関する。

近年、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器に搭載される中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体素子は小型化・高集積化により発熱量が増大している。ところが、上述の半導体素子は、通常、所定の温度を超えるとその性能を維持できなくなるばかりでなく、場合によっては破損することもある。このため冷却等の温度管理が必要とされる。そのため従来、一般的にはヒートシンクと、それに冷却風を送るファンとを用いる空冷システムによって冷却を実現してきた。しかしながら、上述の半導体素子の小型化・高集積化により発熱部位の局所化が生じており、また近年の環境配慮型社会への要望から、電子機器の消費電力や騒音の低減が求められている。

上記課題、要望より従来の空冷システムに代わり、たとえば水等の冷媒を用いた液冷システムなどの効率的な冷却技術が強く求められている。上記液冷システムの中でも液体の沸騰を利用し、該冷媒の気化潜熱を利用して高い冷却効率を得ることができる沸騰冷却システムは特に注目を集めている。

なお、本発明に関する従来技術としては、例えば、以下の特許文献１〜３によれば、発熱する半導体素子等に熱的に接続され、収容された液体冷媒を沸騰させる受熱ジャケットと、受熱ジャケットからの冷媒蒸気を受容し、液体に凝縮する凝縮器を備え、相変化により冷媒を循環させる冷却システムが開示されている。

また、以下の特許文献４によれば、沸騰面の伝熱性能を向上させるため、沸騰面の液体と接する表面下に微小な孔または隙間によって外部と連通する微細なトンネルを接近させて設ける技術が開示されている。

特開２０１１−４７６１６号公報 特開２００１−７７２５６号公報 特開２００８−１４７４８２号公報 特開２００５−１６４１２６号公報

上述の沸騰冷却システムを用いて発熱体を冷却する場合、特に当該沸騰が開始する際に発生するオーバーシュートが問題となる。すなわち図１の破線に示すように、沸騰面の温度は、沸騰を開始するまで上昇し沸騰開始後に急激に低下して安定する。この沸騰開始時の最高温度と、安定して沸騰している時の温度との差異がオーバーシュートである。このオーバーシュートは、突沸（爆発的な沸騰現象）と同様な現象に起因する。

このオーバーシュートは、外部条件をまったく同じにして発熱体の発熱と停止を繰り返した場合でも、図２に示すようにオーバーシュートの大きさ、及び発熱開始から沸騰開始までの時間が毎回異なるという性質を有する。さらに場合によっては発熱開始から数時間以上も沸騰が開始しないという状況も発生してしまう。したがって半導体素子等を、沸騰冷却システムを用いて冷却する場合、上述のオーバーシュートを完全に抑制する必要がある。このオーバーシュートが発生すると、半導体素子の許容限度以上の温度になって半導体素子の故障や破損の可能性が高くなる。

上述した特許文献１〜３には、沸騰面に、沸騰による伝熱性能を高めるための技術は記述されているが、オーバーシュートを抑制できる技術は述べられていない。

オーバーシュートを抑制するためには、発熱開始時に、沸騰の開始となる最初の気泡の発生を促進する構造を備えることが必要である。即ち、気泡の発生を誘発することによって、オーバーシュートの発生を抑制する必要がある。

図３に示す特許文献４の構造によると、沸騰の開始となる気泡が発生したのち、前記気泡がトンネル内に広がっていき、トンネル内が蒸気の層で満たされる。そして図４のように前記蒸気層が微小な孔または隙間を通して液体と接することで連続した沸騰を行うことができる。

しかし、特許文献４の構造を平面上に形成した場合、図５のようにそれぞれのトンネルが平行であるため、気泡がどこかに一つ発生しても、トンネル１列にしか蒸気層を形成することはできない。そのため、蒸気層が沸騰面全体に広がるためには多くの気泡が発生する必要がある。しかし、気泡の発生は確率的であるため、特許文献４の構造では図２に示すような沸騰開始時期の不安定さを抑制することはできない。

さらに、オーバーシュートを抑制するためには、沸騰面への異物の浸透、特にロウ付けに用いるロウ材の沸騰面への浸透を防止する構造を備えることが必要である。一般に沸騰現象の性質は、液体と沸騰面を構成する材質との濡れ性、つまり接触角の大きさに大きく影響を受ける。一般に前記接触角が小さい方が沸騰伝熱性能は向上することが知られている。この理由は接触角が小さいほど、気泡と沸騰面との間に液体が流れ込むことで、一つ一つの気泡が小さくなり、熱伝導率が小さい蒸気層が薄くなるためである。逆に、沸騰の開始となる最初の気泡の発生時には、接触角が小さいと前記液体の流れ込みによって気泡が成長しにくいため、接触角が大きいほど、沸騰開始が安定することとなる。したがって沸騰面内への、沸騰面を構成する材質よりも液体との接触角が小さい例えばロウ材等の異物の浸透は、沸騰開始が安定しない原因となる。

本発明の目的は、発熱開始時のオーバーシュートを抑制し、安定した沸騰開始を実現する沸騰冷却システムを提供することにある。

本発明は、発熱体と熱的に接触されるベースに金属からなる沸騰伝熱部を有し、前記沸騰伝熱部が液体冷媒と接している沸騰冷却システムであって、前記沸騰伝熱部は表面下に孔、または隙間によって外部と連通するトンネルを平行に複数設けてあり、前記トンネルと垂直な方向にすべてのトンネルを貫通するトンネル径より深い溝を備え、前記溝の上部に蓋板を備えていることを特徴とする。

本発明の沸騰冷却システムによれば、前記沸騰伝熱部に加えられた溝により、溝の部分のベース厚さが薄くなるために溝の部分の温度が周辺部よりも高くなり、該当部における気泡発生を促進する。さらに、どこか１点で気泡が発生すると、前記溝及び蓋板により形成された新たなトンネルを通じて、前記沸騰伝熱面のトンネルすべてを蒸気で満たすことができ、発熱開始時の安定した沸騰開始を実現できる。

沸騰冷却システムにおいて沸騰開始時に発生するオーバーシュートを説明するためのグラフである。 上記オーバーシュートの発生が不安定であることを示すグラフである。 特許文献４による沸騰伝熱構造の斜視図である。 特許文献４による沸騰の様子を示す沸騰伝熱面の断面図である。 平面上に形成されたトンネル構造を有する沸騰伝熱面における蒸気層の広がり方を示す一部断面を含む斜視図である。 上記沸騰伝熱面での蒸気層の広がり方を示す一部断面を含む斜視図である。 本発明の実施の形態になるサーモサイフォンを利用した沸騰冷却システムの全体概略構成を示す断面図である。 上記沸騰冷却システムを構成する凝縮器の詳細構造を示すための正面図及び斜視図である。 上記沸騰冷却システムを構成する受熱ジャケットの詳細構造を示すための一部断面を含む斜視図である。 上記受熱ジャケットを構成する沸騰伝熱面の詳細構造を示すための拡大斜視図である。 上記沸騰伝熱面の作成手順を示した一部断面を含む斜視図である。 上記沸騰伝熱面のさらに詳細構造を示すための一部断面を含む斜視図である。 上記沸騰伝熱面の温度分布を示す断面図である。 上記受熱ジャケットの詳細構造を示すための断面図である。 沸騰冷却すべき半導体素子が複数個、同一の回路基板上に配置されている場合の沸騰冷却システムの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。
（実施例１）
図７に本発明の一実施形態となる沸騰冷却システムの全体構造を示す。回路基板701上に半導体素子等の発熱体702が搭載されている。そして、当該発熱体の表面には、本発明による沸騰安定化構造を備えた受熱ジャケット703が取り付けられ、発熱体702と受熱ジャケット703は熱的に接触されている。さらに受熱ジャケット703の内部には液体冷媒704が収容されており、蒸気管705と液戻り管706によって凝縮器707と接続されている。また、冷却ファン708が、凝縮器707に冷却風を送ることができる位置に搭載されている。

以上のような構造を持つ沸騰冷却システム700では、発熱体702で発生した熱は受熱ジャケット703に伝達され、伝達された熱によって液体冷媒704は沸騰して蒸気となる。発生した蒸気は蒸気管705を通って矢印709のように流れ、凝縮器707へ導かれる。蒸気はこの凝縮器707で冷却風によって冷やされ、凝縮して液体となる。液体となった冷媒は重力によって液戻り管706を通って矢印710のように受熱ジャケットに戻される。以上のように沸騰冷却システム700は液体冷媒704の相変化と重力によって、伝導ポンプなどの外部動力なしで当該冷媒を循環することのできる、所謂サーモサイフォンを構成している。

沸騰冷却システム700は、上述のように冷媒の潜熱によって熱を輸送するため、冷媒として用いる液体としては、大きな潜熱を有する例えば水等を採用すると、高い冷却効率を得ることができる。ただし、水を冷媒として用いて常温での冷却を行う場合は、水の沸点を下げるためサーモサイフォンを構成する配管内が減圧されている必要がある。この時、受熱ジャケット703、蒸気管705、液戻り管706、凝縮器707はそれぞれ例えば銅などの水に対して腐食性を示さない金属材料で構成されることが望ましく、内部の減圧を維持するため、それぞれの接合部はロウ付け、あるいは溶接されていることが望ましい。また、冷媒として例えばハイドロフルオロエーテル等の沸点の低い有機冷媒を用いる場合は、配管内部を減圧する必要がないため、蒸気管及び凝縮管として例えばシリコンチューブやゴムチューブ等の変形可能な材料を用いることができ、前記凝縮器の位置を自由に変更することができる。その他、発熱体702から伝達された熱によって沸騰する材料であれば、冷媒は特に限定されない。本実施例では冷媒として水を採用し、その他の金属材料は銅を採用している。

凝縮器707は、蒸気が通過する配管に放熱フィンを接続し、効率良く熱交換を行うことができる構造が好ましい。本実施例では図８に示す構造を採用した。凝縮器800は、送られた蒸気を広げる蒸気ヘッダ801と、凝縮した液体冷媒を貯める凝縮液ヘッダ802及び両者を接続する凝縮管803と、凝縮管803と熱的に接続された放熱フィン804から構成される。蒸気ヘッダ801と凝縮液ヘッダ802には、それぞれ蒸気管703と液戻り管704が接続される。凝縮器800に送られた蒸気は、凝縮管803を通過する際に冷やされて凝縮し、熱は放熱フィンを通して周囲の空気に伝達される。本実施例では放熱フィンとしてオフセットフィン805を採用することで、放熱性能の体積効率を向上させている。凝縮器を構成する材料としては、熱伝導率に優れた例えば銅やアルミニウム等の金属が望ましい。

図９に、本実施例における受熱ジャケットの構造を示す。受熱ジャケット900は例えば銅などの熱伝導率に優れた金属からなる矩形のベース901の上部に銅またはステンレスなどの金属を椀状に絞って形成されたカバー902を乗せ、カバー902の下部を、例えばＡｇ72-Ｃｕ28（ＢＡｇ-8）等のロウ材を用いたロウ付けによりベース901と接合する。そして、液体冷媒である水の沸点を下げるため、内部を減圧する。カバー902の上部と側面には貫通穴が形成されており、それぞれ蒸気管703と液戻り管704と接続される。そして、ベース901を加工することで、本発明による沸騰伝熱部904が形成される。

また、沸騰の開始となる最初の気泡の発生を妨げる要因として、沸騰伝熱部904内へのロウ材の浸透が挙げられる。その理由は、気泡の発生に液体冷媒とベース材料との接触角が大きな影響を与えるためであり、沸騰伝熱部904へ浸透したロウ材が沸騰面上に部分的な皮膜を形成すると、前記皮膜上において冷媒とベースとの接触角が変化し、気泡の発生を妨げてしまう。したがって受熱ジャケット900のロウ付け部903から、沸騰伝熱部904内へロウ材が浸透することを防止する必要がある。

上記ロウ材の浸透は、ロウ付け時に、炉内で加熱されて溶けたロウ材が、毛細管力によってベース上の微細な凹凸の隙間や溝を通って内部に浸透してしまうために発生する。したがって上記の問題を解決するため、ロウ付け部903と沸騰伝熱部904の間にフライス盤によるエンドミル加工を行うことで、表面粗さを3．2S（平均面からの最大高さが3．2μｍ）以下に抑えた平滑加工面905を形成する。

図１４に前記受熱ジャケット900の断面図を示す。上記追加工により、ロウ付け時にロウ材はロウ付け部903においてフィレット形状を形成するため、ロウ付け部903から受熱ジャケット900の内部には浸透しない。

図１０に、本発明による沸騰伝熱部904を示す。当該沸騰伝熱面は受熱ジャケットのベース901上の冷媒と接する側に、微細な孔によって外部と連通する微細なトンネル構造1001を備え、沸騰伝熱部904の中央に幅1ｍｍ、深さ0．9ｍｍの溝907を備え、その上部に厚さ0．5ｍｍ、幅8ｍｍのベースと同じ金属材料からなる蓋板906をスポット溶接にて設置する。この蓋板906は、溝907で発生した気泡を上部に上昇させずに溝907から延びたトンネル構造1001に広げるためのものであり、蓋板906の幅は、トンネル構造1001への気泡の拡散と、上部への気泡の上昇との兼ね合いで決まる。

トンネル構造1001の拡大図は図３に示している。発明の概要にて述べたように、当該トンネル構造中のどこかで沸騰の開始となる気泡が発生すると、気泡は１列のトンネル302内に広がり、孔301を通じて冷媒と接する状態となる。その後、図４に示すように孔301を通じて連続した沸騰を持続することが可能となる。この時トンネルの径、及び孔の径の大きさは採用する冷媒の物性、特に表面張力によって最適な値が存在する。冷媒の表面張力に対して孔径が大きすぎる、またはトンネル径が小さすぎると、冷たい液体冷媒がトンネル内に多量に流入し、トンネル内の蒸気が再凝縮し、沸騰が停止してしまう可能性がある。また、冷媒の表面張力に対して孔径が小さすぎる、またはトンネル径が大きすぎると、気泡403の沸騰面からの剥離がスムーズに行われず、伝熱性能が低下してしまう。本実施例では冷媒である水に対して最適化を行い、平均孔径0．25mm、トンネル径0．8mmとした。

上記トンネル構造1001は、図１１に示すように金属板のベース1101上に、ローレット加工1102にて溝を付けた面を、フィン加工1103にて連続して鋤起こして形成されたフィンの先端部をロール加工1104にて抑圧することで形成できる。即ち、上からの抑圧によって先端部を溝側に直角に折り曲げることで図１１の右に示したトンネル構造が得られる。

図１２に、中央に追加された溝付近の拡大図を示す。沸騰面には隣接して平行に設置されているトンネル1201に対して垂直方向に、トンネル1201の底面より深く掘られた溝1202が備えられている。

図１３に溝1202の掘られた沸騰伝熱部の断面図を示す。沸騰伝熱部に対して、発熱体1301から熱が伝達されるとき、断面の温度分布1302は発熱体に近いほど高く、冷媒側に近いほど低くなる。したがって、溝907が無い場所では一様である沸騰面の温度よりも、溝907のある部分の沸騰面の温度を特異的に高くすることができる。以上のようにして、沸騰面に特異的に温度の高い箇所を形成することで、沸騰の開始となる最初の気泡の発生を促進することができる。また、溝907の深さを変えることで溝907の底と表面との温度差が大きくなるので、気泡の発生の促進を調節できる。

さらに、追加の溝907を備えていない従来構造では、最初の気泡が発生したとしても図５に示すようにトンネル１列にしか広がる事ができなかったが、図１０に示すように溝907及び蓋板906を新たに備えることにより、図６に示すように、並列するトンネルに対して垂直に新たなトンネル601が形成され、気泡発生点602から広がる蒸気層は、トンネル601をバイパスとしてすべてのトンネル内に参照番号603のように広がる事ができる。
（実施例２）
図７の構造が回路基板上に複数個ある場合の構造を図１５に示す。回路基板701に配置された３つの半導体素子のそれぞれに対応して受熱ジャケット703a，b，cが設けられており、それぞれの受熱ジャケット703a，b，cから、熱交換を行う凝縮器707に蒸気管705a，b，c及び液戻り管706a，b，cが接続されている。凝縮器707は３つの受熱ジャケット703a，b，cから送られてくる蒸気をまとめて熱交換を行う。凝縮器707の近傍には熱交換を促進するための冷却ファン708が設けられている。更に、蒸気管705a，b，cのそれぞれの凝縮器707側の出口に蒸気の蒸気圧や温度を検知するセンサを設け、液戻り管706a，b，cのそれぞれの凝縮器707側の入口に液の戻り量を制御する弁を設け、各半導体素子のセンサで検知した発熱の度合い（蒸気の発生量）に応じてそれぞれの弁の開閉を制御して戻り液の還流量を制御することもできる。上記の制御は制御回路1500によって行われる。

その結果、限られた量の液体冷媒704を有効活用して、適切な沸騰冷却を行うことができる。また、それぞれの受熱ジャケット703a，b，cに凝縮器707を設ける場合に比べて、凝縮器707の設置スペースが節約できる。

図１５では、上記の熱交換を行うための凝縮器707、冷却ファン708及び制御回路1500は、図中の下方に設けてあるが、回路基板701上の部品配置や冷却効果を考慮して設置場所を適宜選択できる。

以上により、本発明の沸騰冷却システムでは、発熱開始時のオーバーシュートを抑制し、安定した沸騰開始が可能となる。

２０１…オーバーシュート
３００、９０４…沸騰伝熱部
３０１…孔
３０２，１２０１…トンネル
３０３，９０１，１１０１…ベース
４０１…孔
４０２…蒸気
４０３，７１１…気泡
５０１…気泡発生点
５０２…蒸気層の広がり
６０１…追加されたトンネル
６０２…気泡発生点
６０３…蒸気層の広がり
７００…沸騰冷却システム
７０１…回路基板
７０２，１３０１…発熱体
７０３，９００…受熱ジャケット
７０４…液体冷媒
７０５…蒸気管
７０６…液戻り管
７０７，８００…凝縮器
７０８…冷却ファン
７０９…蒸気の流れ
７１０…戻り液の流れ
８０１…蒸気ヘッダ
８０２…凝縮液ヘッダ
８０３…凝縮管
８０４…放熱フィン
８０５…オフセットフィン
９０２…カバー
９０３…ロウ付け部
９０５…平滑加工面
９０６…蓋板
９０７…溝
１００１…トンネル方向
１１０２…ローレット加工
１１０３…フィン加工
１１０４…ロール加工
１３０２…沸騰面温度分布
１３０４…熱の流れ

Claims (6)

1. 基板上に搭載された発熱体に熱的に取り付けられ、前記発熱体からの発熱により内部に収容された液体冷媒を蒸発させる受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットからの冷媒蒸気を受容し、熱を外部に伝達して前記冷媒蒸気を液体冷媒に凝縮する凝縮器と、前記受熱ジャケットからの冷媒蒸気を前記凝縮器に導く第一の配管と、前記凝縮器からの液体冷媒を前記受熱ジャケットに導く第二の配管を備えた沸騰冷却システムにおいて、
   前記受熱ジャケットは、発熱体と熱的に接触される金属から成るベースと、内部に液体冷媒を収容するための金属から成るカバーとをロウ付けした構造を有し、
   前記ベースは、前記液体冷媒と接する側に沸騰伝熱部を有し、
   前記沸騰伝熱部は、表面下に孔、または隙間によって外部と連通するトンネルを平行に複数設けてあり、前記トンネルと垂直な方向にすべてのトンネルを貫通するトンネル径より深い溝を備え、前記溝の上部に蓋板を備えていることを特徴とする沸騰冷却システム。
2. 前記ベースの表面が、前記沸騰伝熱部周辺の前記カバーとロウ付けされる部分において、ロウ材が前記カバー内部に浸透しない程度まで表面粗さを小さく抑えるよう表面加工されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却システム。
3. 前記液体冷媒は水であり、さらに前記受熱ジャケット内部が減圧されていることを特徴とする前記請求項１に記載の沸騰冷却システム。
4. 前記凝縮器を前記受熱ジャケットより高い位置に配置することを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却システム。
5. 回路基板上に配置された複数の半導体素子に対応して設けられた沸騰冷却システムは、
   前記半導体素子のそれぞれに対応して、
   表面下に孔または隙間によって外部と連通するトンネルが平行に複数設けられ、前記トンネルと垂直な方向にすべてのトンネルを貫通するトンネル径よりも深い溝が設けられ、前記溝の上部に蓋板を設けられた沸騰伝熱面を液体冷媒と接する側に有するベースであって、前記半導体素子と熱的に接触される金属から成るベースと、カバーとから構成され、前記液体冷媒を収容し蒸発させる受熱ジャケットを有し、
   前記複数の受熱ジャケットに対応して、
   前記複数の受熱ジャケットから蒸気管を通って送られてくる蒸気をまとめて熱交換し、液化された液体冷媒を液戻り管を通って前記複数の受熱ジャケットのそれぞれに還流させ、前記回路基板上に設けられた凝縮器を有すること
   を特徴とする沸騰冷却システム。
6. 前記沸騰冷却システムは、さらに、
   前記複数の蒸気管のそれぞれの前記凝縮器側の出口に蒸気の蒸気圧や温度を検知するセンサ、及び、前記複数の液戻り管のそれぞれの前記凝縮器側の入口に液の戻り量を制御する弁を有し、
   前記複数の半導体素子に対応した前記センサで検知した発熱の度合いに応じて前記複数の弁のそれぞれの開閉を制御して戻り液の還流量を制御する制御回路を有することを特徴とする請求項５記載の沸騰冷却システム。

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