JP6267079B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents
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Description
特許文献2には、発熱体であるCPUに接触する気化器から蒸気流路を介して冷媒蒸気を凝縮器へ導き、凝縮器において液化された冷媒を流体流路を介して気化器へ戻すCPU冷却装置が開示されている。この冷却装置において、凝縮器には放熱フィンに連設された、蛇行するパイプが設けられている。パイプの流入部から蒸気流路からの蒸気が流入し、パイプの流出部から流体流路への冷媒液が流出する。
特許文献3には、熱サイフォン型熱移動体が開示されている。それぞれX方向冷媒通路とY方向の冷媒通路が形成された吸熱側ヘッダーブロックと放熱側ヘッダーブロックとの間が複数の冷媒管によって接続されている。冷媒管間にコルゲートフィンが設置されている。この熱サイフォン型熱移動体では、吸熱側ヘッダーブロックを下側に、放熱側ヘッダーブロックを上側に配置し、吸熱側ヘッダーブロックの下面に半導体素子を密着させている。
特許文献4には、液冷システムが記載されている。熱交換用循環溶液とその蒸気とが収容された収納容器には、放熱器が設けられている。さらに、収納容器の溶液送出口と気液二相流体送入口とをその一部が収納容器内を通過するパイプにて連結されている。パイプは、溶液送出口に連結され収納容器に入る溶液送出パイプ部分と、収納容器内の溶器内パイプ部分と、収納容器内から出て気液二相流体送入口に連結される気液二相流体送入パイプ部分と、を有している。気液二相流体送入パイプ部分には、電子機器等の発熱体の放熱部となる加熱熱交換器が設置される。
特許文献5には、受熱部と放熱部とを同一筐体内に実装した一体型熱サイホンである冷却装置が開示されている。表面に複数のピラミッド型フィンが形成されたボイラプレート上に複数の復水器管が配置されている。復水器管とボイラプレート間に蒸気チャンバが構成されている。この冷却装置では、復水器管は放熱用の回旋フィンに挟まれている。蒸気チャンバにて発生した蒸気は、復水器管を上り、その壁面で液化される。
上記した蒸気の圧力損失の問題は、特許文献5に記載された、蒸発部と凝縮部とを一体化した構造では起こらない。蒸発面直上に凝縮部をもつことにより、蒸発部と凝縮部間の冷媒の循環が効率的に行なわれる。しかし、一体構成とすることは、製作が困難で高価になる上に下記のように効率的な放熱の面で難点がある。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、装置外部への放熱性を最大限高めつつ、冷媒循環系の圧力損失を低く抑えるというこれまで二律背反として考えられてきた機能を両立させることができる沸騰冷却装置を提供することにある。
[第1の実施の形態]
図1は本発明の第1の実施の形態に係る沸騰冷却装置を示す概略図である。沸騰冷却装置は、受熱部1と、蒸気管2と、放熱部3と、液管4と、冷却ファン6と、冷媒注入口7とを有する。受熱部1の上部と放熱部3の上部とは蒸気管2で接続されている。放熱部3の下部から引き出された液管4は受熱部1の側面に接続されている。受熱部1のカバー部は角錐台の形状を有している。受熱部1の頂部から垂直に引き出された蒸気管2は、円弧状に曲げられて水平の状態で放熱部3に接続されている。すなわち、蒸気管2は、受熱部1と接続する第1の端部と、放熱部3と接続する第2の端部とを有する。蒸気管2の中心軸の向きは、第1の端部の近傍においては、重力方向に対して略平行である。蒸気管2の中心軸の向きは、第2の端部の近傍においては、重力方向に対して略垂直である。受熱部1の底面は平坦である。受熱部1の底面には、例えば半導体装置である発熱素子5が、密着して配置されている。初期の冷媒注入あるいは補充用の冷媒注入のために、放熱部3の上部には冷媒注入口7が設けられている。放熱部3を冷却するための冷却ファン6が、放熱部3の側部に設置されている。
発熱素子5に対峙する受熱部1内部で冷媒が沸騰し、これにより発生した蒸気は蒸気管2への出口へと向かう。受熱部1は、蒸気管2に向かって蒸気の流通路が徐々に狭まるように形成されている。蒸気管2は発熱素子5の真上の位置において開口している。この構造により、受熱部1にて発生した蒸気は、沸騰泡の流れの勢いが有効に利用されて、低抵抗にて蒸気管2へ導入される。蒸気管2は緩やかに角度を変えることで、矢印8に沿って放熱部3へ向けて蒸気を運ぶ。凝縮部3の上方側面に蒸気管2が接続されていることは、放熱部3の性能確保にとって良好な条件であると考えられる。放熱部3に導入された蒸気は放熱部3内部を上から下へと流れ、液に戻る。液に戻った冷媒は放熱部3下部に滞留し、液管4を矢印9方向に進行して受熱部1へと戻っていく。
冷却器全体が定常状態にあるとき、質量ベースの流量はどこも同じであるが、体積ベースの流量は大きく違う。これは、液体と気体では密度が大きく変化するためである。受熱部1に接続される液管4の径が小さいことは、蒸気の混入を防ぐ効果がある。したがって、本実施形態において、受熱部1は、図2に示されるように、受熱部1の側面に接続された径の小さな液管4と受熱部1の上部に接続された比較的径の大きな蒸気管2とに接続されている構造を有することが最も好ましい。この構造により、以下に説明する蒸気管2内での液相の逆流防止策にあわせて、逆流を防ぐ、もしくは逆流が生じてもその影響を最低限に抑えることができる系を、逆止弁なしに実現することができる。
蒸気管2から蒸気流入口3eを介して、放熱部ヘッダー3aに流入した蒸気は、蒸気流入口3eが設けられた面の対抗面に当たり左右に(すなわち、図3Bにおける矢印方向に)拡散される。これによりヘッダー3a全体に蒸気をいきわたらせることができる。その後、蒸気は蒸気・凝縮液流路3c′を通過しながら凝縮する。このとき、液化した冷媒は重力により、凝縮液滞留部3bへと向かう。蒸気・凝縮液筒3cは、放熱フィン3dに接しており、フィン3d間を通過する空気により雰囲気に対して放熱される。凝縮は蒸気・凝縮液流路3c′の内壁上で行われる。流路内壁を凝縮液膜に覆われにくいようにするとその動作を促進する効果がある。その方法の一つとしては、内壁面を撥水加工するなどの方法が考えられるが、濡れ性の高い冷媒に対してはその有効性が高くない。そのため、最良の方法の一つは冷媒流路を鉛直に近い状態に形成し、重力をもって冷媒を凝縮液滞留部3bへと排出することである。放熱部3には冷媒注入口7が設けられている。冷媒注入時には同時に沸騰冷却装置内部の不凝縮性ガスを排除する必要がある。ガスは冷媒液に比較して密度が低いために重力方向上部から吸引することが必要である。この冷媒注入口7をどこに設けるかが課題になる。冷媒注入口7は、沸騰冷却装置を封止した後に、冷媒の循環に影響の少ない位置に設置することが最適である。そこで、放熱部ヘッダー3aのコーナー部に冷媒注入口7を設けると、不凝縮性のガスの排気を効果的にできるとともに、封止後は蒸気の流れに与える影響を少なくすることができる。
図5Aは、本発明の第2の実施の形態の受熱部を示す横断面図である。図5Bは、本発明の第2の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図5Aおよび図5Bに示す受熱部において、図2に示す第1の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、受熱部1の本体部1aの内側底面に沸騰促進フィン(沸騰促進板、単に、フィンとも称する)14が複数枚設置されている。これにより、沸騰面の液相への接触面積を増やすことができ、受熱の効率を高めることができる。矢印16は、液流方向を示す。矢印17は、蒸気流方向を示す。液相冷媒11は、受熱部1に流入した後、その流れに沿って形成された沸騰促進フィン14の間に矢印16に示すように流入する。沸騰促進フィン14が設けられていることで、沸騰促進フィン14の間に冷媒の流れが形成される。また、沸騰泡の上昇時には沸騰促進フィン14間を泡が勢いを持って流れることから、対流効果により伝熱が促進される。
図6Aは、本発明の第3の実施の形態の受熱部を示す横断面図である。図6Bは、本発明の第3の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図6Aおよび図6Bに示す受熱部において、図5Aおよび図5Bに示す第2の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、図6Aに示すように、受熱部1の平面形状が楕円形である。受熱部1の本体部1aが楕円形であるため、カバー部1bが楕円錐台の形状を有する。受熱部1が楕円形状を有することにより蒸気の流れがよりスムーズになる。受熱部1の平面形状は楕円形に代えて円形であってもよく、冷却すべき発熱素子5の形状に合わせて適宜形状を選択できる。
図7は、本発明の第4の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図7の受熱部において、図5Aおよび図5Bに示す第2の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、冷媒の沸騰を促進する沸騰促進フィン14が、多孔質の材料を用いて形成されている。多孔質のフィンを使用した場合、空孔からの発泡量が増え伝熱量も向上する。図8に多孔質材料の一例として、古河スカイ株式会社製のフルポーラス(商品名)の拡大図を示す。また、図9に別の一例として、神鋼鋼線工業株式会社製のアルポラス(商品名)の拡大図を示す。これらは、いずれもアルミニウム製の多孔質材である。これらの材料が沸騰促進フィン14に好適に使用可能である。
図10は、本発明の第5の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図10の受熱部において、図5Aおよび図5Bに示す第2の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図5Aおよび図5Bに示す第2の実施の形態の受熱部の場合、受熱部の各部の接続部がある角度をもって急に曲げられている。この場合、角を回り込む流れは、急に角の形状に追随できないために圧力損失を生じる可能性がある。本実施の形態はこれに対処したもので、図10に示すように、受熱部の本体部1aとカバー部1bとの間、および、カバー部1bと蒸気流出部1cとの間の角部が滑らかな曲線を描くように結ばれている。すなわち、受熱部1内の、本体部1aとカバー部1bとの接続部が流線型に形成されている。また、受熱部1内の、カバー部1bと蒸気流出部1cとの接続部が流線型に形成されている。このような形状をとることにより、流れの急変化が防止され、蒸気の流れがさらにスムーズとなって流れの圧力損失を最小化することができる。
本発明の実施態様に係る沸騰冷却装置によると、受熱部1においては、冷媒が蒸発し、沸騰により発生した蒸気が浮力により重力方向とは逆の上部へと流れる。受熱部1の上部には蒸気管2が接続されている。浮力により生じた蒸気の運動量を損なうことなく、蒸気管2を通り放熱部(熱交換部)3へと冷媒蒸気が送られる。放熱部3では冷媒から熱が奪われることにより、冷媒が液化・凝縮する。凝縮した液体冷媒は、放熱部3の下部より液管4を通じて受熱部(沸騰部)1の液体冷媒中へと戻る。
本発明の実施形態に係る沸騰冷却装置の受熱部1は、その外部底面が平面状で、かつ、その内部底面である沸騰面が平面状に形成されている。受熱部1は、半導体パッケージの表面全体を利用して沸騰受熱が可能である。従来のヒートパイプでは、円形もしくは楕円形のパイプの側面での受熱構造となっていたのに対して、本発明の実施形態の受熱構造は優位に熱を伝えることが可能である。また、パッケージからの熱を効率よく冷媒に伝えて、冷媒の気相変化を促す構造を構築する上でも、平面状の受熱構造が優位である。
さらに、蒸気管2は、受熱部1との接続部の直後から重力方向に対して横方向に曲げられ、放熱部(凝縮部)3へと送られる。放熱部3と受熱部1は重力方向に対して横方向に設置されている。仮に蒸気管2の内部で凝縮が生じた場合でも、液状冷媒は蒸気の流れに沿って放熱部3へと送られ(図4B参照)、蒸気管2内での滞留を抑止できる。
放熱部3は蒸気管2が曲げられて到達する部分をその上部入り口とし、凝縮された液相は放熱部3の下部より受熱部1へと還流する。その際、放熱部3からの液化した冷媒は、受熱部(沸騰部)1中の液化した冷媒内へ放出される。これにより、還流する液化した冷媒への蒸気の混入は防止される。放熱部3から受熱部1への液相の還流は重力による流れに依存する。本発明の実施形態の沸騰冷却装置においては、その高度差を小さくすることで、圧力差を小さく保っている。これにより圧力損失を一層小さくすることができる。図1および図2に示すように、放熱部3での底面の高さは受熱部1内での液化した冷媒の液面の高さより若干高くなっている。この高度差により、液化した冷媒の受熱部1への還流が可能になる。
次に、本発明の上記の実施形態の沸騰冷却装置の望ましい構造についての補足説明と製造方法の概要説明を行なう。
図2、図5Aから図7に示した受熱部について説明する。受熱部1の本体部1aは、底板1a1と側壁部1a2によって構成される。図11Aは、底板が四角形である場合の底板1a1の平面図である。図11Bは、図11AのA−A線に沿った断面図である。図11Cは、底板が円形である場合の底板1a1の平面図である。図11Dは、図11CのA−A線に沿った断面図である。図12Aは、側壁部が四角形である場合の側壁部1a2の平面図である。図12Bは、図12AのA−A線に沿った断面図である。図12Cは、側壁部が円形である場合の側壁部1a2の平面図である。図12Dは、図12CのA−A線に沿った断面図である。図13Aと図13Bはそれぞれ、カバー部が円板状である場合のカバー部1bの平面図と断面図である。図13Cと図13Dはそれぞれ、カバー部の形状が円錐台状である場合のカバー部1bの平面図と断面図である。
受熱部1の底板1a1は、発熱素子5に接するために熱伝導性の高い材料を用いることが望ましい。特に、底板1a1の材料としては、銅やアルミニウムなどは高い熱伝導率を持つ汎用される金属が好ましい。これらの材料を用いて、発熱素子5に接する面(底板1a1の下面)から、沸騰泡を発生させる沸騰促進フィン14までを一体として形成することが望まれる。沸騰促進フィン14においては、沸騰泡を発生させることが第一の目的であり、常に沸騰を続けるために必要な液体の供給を行いつつ、蒸気の排出を効率的に行う必要がある。有機系の冷媒を用いた場合、一般に水よりも表面張力が小さく、沸騰時に形成する泡の径が1.0mm前後である。このような場合には、沸騰促進フィン14間の距離を極端に狭く泡の径以下にすることは望ましくなく、泡の径程度かそれ以上にすることが望ましい。一方で、沸騰促進フィン14の表面積が広いほど放熱量も大きくできることを考えると、沸騰促進フィン14の間の距離を大きくとりすぎると、形成できる沸騰促進フィン14の数が限定されてしまう。さらに、沸騰促進フィン14の内部を通過する熱量は、沸騰促進フィン14の厚みに依存する。沸騰促進フィン14が厚ければより多くの熱が流れるが、厚くしすぎると放熱面積が限定されてしまう。これらの点を踏まえると、フィン間距離1.0mm、フィン厚み1.0から2.0mm、フィンの高さ1.0から5.0mm程度が最良の沸騰促進フィン14の構造である。これらミリスケールで、アスペクト比が1:5程度のフィン構造であれば、切削で製造することが良好な方法の一つである。受熱部1の内部の沸騰促進フィン14と底板1a1とを一体で形成すると、両者を別々に形成して合体する場合に比べてそれらの接続部に生じる熱抵抗を少なくすることができる。図11A〜11Dは、沸騰促進フィン14と底板1a1とを一体として形成した場合の例を示す。
沸騰促進フィン14を、図7に示す多孔質体を用いて形成する場合においては、底板1a1の底面を平滑にして、その平滑にした底面上に多孔質体をロウ付けなどにより接合する方法が好ましい。図8や図9に例示している多孔質体はいずれもアルミニウム製であるが、この場合、底板1a1も同じアルミニウムを用いることが好ましい。
蒸気・凝縮液流筒3cは、放熱の観点からはなるべく細いほうが良好であるが、凝縮冷媒の流れの観点からすると、ある程度の太さが必要となる。本発明の実施形態において、凝縮は重力に依存した液相の排除能力に頼っている。理想的には、凝縮した冷媒が蒸気・凝縮液流筒3cの流路内壁に薄膜の液相を形成し、重力により凝縮液滞留部3b側に排出される。まれに、凝縮した液相に蒸気が気泡となってトラップされることがあり、このような場合には、液相の排出に抵抗となる。このような事態を避けるためには、なるべく蒸気・凝縮液流筒3cの流路幅を最低限とする。有機冷媒を用いた場合には、蒸気・凝縮液流筒3cの流路内面の幅が0.3mm以上であり、放熱性の観点から同じく蒸気・凝縮液流筒3cの流路内面の幅が1.0mm以下であることが好ましい。
受熱部1と放熱部3に配管を接続する位置には、流入・流出ノズルを設け、配管材料を接続することが好ましい。接続部と配管材料の界面を通じても冷媒の漏出の恐れがあるために、接続部は接着材を用いて封止することが望ましい。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
装置外部への放熱性を最大限高めつつ、冷媒循環系の圧力損失を低く抑える機能を両立させることができる。
1a 本体部
1a1 底板
1a2 側壁部
1b カバー部
1c 蒸気流出部
1d 凝縮液流入部
2 蒸気管
3 放熱部
3a 放熱部ヘッダー
3b 凝縮液滞留部
3c 蒸気・凝縮液筒
3c′ 蒸気・凝縮液流路
3d 放熱フィン
3e 蒸気流入口
3f 凝縮液出口
3g 枠体
4 液管
5 発熱素子
6 冷却ファン
7 冷媒注入口
8 矢印(蒸気流方向)
9 矢印(液流方向)
10 蒸気(気相冷媒)
11 液相冷媒
12 冷媒液
13 沸騰泡
14 沸騰促進フィン
15 蒸気流方向
16 矢印(液流方向)
17 矢印(蒸気流方向)
Claims (5)
- 発熱素子から受熱する受熱部と、
前記受熱部において受熱した熱を放熱する放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部とを接続する蒸気管と、
前記放熱部と前記受熱部とを接続する液管と、を備える沸騰冷却装置であって、
前記放熱部は、上部ヘッダ、前記上部ヘッダより下方に位置する下部ヘッダ及び前記上部ヘッダと前記下部ヘッダとを接続する複数の接続管を有し、
前記下部ヘッダは、前記受熱部の側面と対向して配置され、
前記蒸気管は、一端が前記受熱部の上面に接続され、他端が前記上部ヘッダの側面に接続され、
前記蒸気管の一部が前記受熱部の上面に対して前記受熱部の上面及び前記放熱部の側面に対して凸形状を有する円弧状をなすように設けられ、
前記液管は、一端が前記受熱部の側面と接続され、他端が前記下部ヘッダと接続され、
前記蒸気管は、前記受熱部との接続部から垂直に引き出された後に曲がり始め、前記放熱部の上方側面に立設し、前記放熱部の立設する位置に水平をなして接続され、
前記受熱部内に、複数の沸騰促進板が設けられ、
前記沸騰促進板は、前記液管から前記受熱部内に流入する液相冷媒の液流方向に延びる板状に形成され、厚み方向に間隔を空けて前記受熱部と一体に形成され、
前記沸騰促進板の厚みは1.0mm〜2.0mmであり、前記沸騰促進板の高さは1.0mm〜5.0mmであり、前記沸騰促進板間距離が、1.0mmである沸騰冷却装置。 - 前記下部ヘッダは、前記受熱部における前記液管との接続面と対向する位置に配置され
る請求項1に記載の沸騰冷却装置。 - 前記蒸気管は、前記受熱部の上面に立設し、前記受熱部の立設する位置から円弧状をなすように設けられ請求項1又は2に記載の沸騰冷却装置。
- 前記受熱部と前記放熱部とは重力方向に対して横方向に設置されている請求項1から3のいずれか1項に記載の沸騰冷却装置。
- 前記液管は、前記放熱部下部から引き出される請求項1から4のいずれか1項に記載の
沸騰冷却装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2014163887A JP6267079B2 (ja) | 2008-11-18 | 2014-08-11 | 沸騰冷却装置 |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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