JP6787988B2

JP6787988B2 - 冷却装置および冷却装置の製造方法

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Publication number: JP6787988B2
Application number: JP2018242159A
Authority: JP
Inventors: 真也森峰
Original assignee: NEC Platforms Ltd
Current assignee: NEC Platforms Ltd
Priority date: 2018-12-26
Filing date: 2018-12-26
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2038-12-26
Also published as: WO2020137822A1; US11740035B2; US20220057149A1; JP2020106156A

Description

本発明は、冷却装置および冷却装置の製造方法に関する。

近年の高性能・高微細化が進んだ半導体や電子機器で大量の熱が発生するようになっている。これらの機器等の、故障を防ぎ安定した動作を行うためには、この大量の熱を速やかに冷却する必要がある。この高発熱密度の電子部品を冷却する手段として、冷媒の相変化を利用して、熱を輸送、拡散、冷却する冷却装置（以下、「相変化冷却装置」と呼ぶ）が考えられている。

一般的な相変化冷却装置は、ＣＰＵなどの電子部品から成る発熱体の熱を受ける受熱部と、冷媒の相変化を利用して輸送された熱を放熱する放熱部と、それらをつなぐ配管によって構成されている。受熱部には、液管から液相冷媒が供給され、発熱体から受ける熱によって、液相冷媒が沸騰し気相冷媒となる。この時、蒸発熱に相当する熱が吸収され、受熱部が冷却される。発生した気相冷媒は、気相管から排出されて、放熱部に移動し、放熱部で熱を放出して液化する。液化した液相冷媒は、液管に戻り、再び、受熱部に供給される。このような動作により、相変化冷却装置では、ポンプを使わずに冷媒を循環して、受熱部を冷却することができる。

上記のような相変化冷却装置の一例が、例えば特許文献１に開示されている。特許文献１の冷却装置は、電子部品等に密着する受熱部を備えた蒸発器と、蒸発器に作動液（冷媒）を供給する液管と、蒸発器で発生した冷媒蒸気を排出する蒸気管と、蒸発器内の空間を液管側と蒸気管側とに隔てる、板状で多孔質のウィックとを備えている。液管から蒸発器内に流入した冷媒は、毛細管現象によりウィックの厚み方向に移動し、電子部品等から受け取った熱により蒸発する。この時、蒸発熱に相当する熱が吸収され、受熱部が冷却される。この冷却装置では、ウィックを板状にすることで、蒸発器を薄型化している。

特開２０１２−２３３６２５号公報

しかし、特許文献１のような一般的な冷却装置では、冷却装置が傾くと、受熱部を均一に冷却できなくなるという問題がある。冷却装置が傾くと、液相冷媒は低い側に偏り、高い側には供給されなくなる。その結果、傾いた冷却装置の、高い側では冷却が十分に行われなくなり、冷却装置の冷却効率が低下する。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、冷却装置の傾きによる冷却効率の低下を低減できる冷却装置を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するため、冷却装置は、内部に空間を有する受熱部と、受熱部に液相冷媒を供給する液相配管と、受熱部から気相冷媒を排出する気相配管と、受熱部の内部に配置されたスペーサーとを有する。スペーサーは、液相冷媒より大きな比重を持っている。また、スペーサーは、受熱器の底面に沿って移動できる形状を有している。受熱部が傾くと、スペーサーが受熱器の低い側に移動する。ここで、スペーサーは、液相冷媒２より比重が大きいため、受熱器の低い側の底面に集まる。そしてスペーサーによって、排除された体積分だけ、液相冷媒が、受熱器の高い側に広がり、均一性の高い冷却を行うことができる。

本発明の効果は、冷却装置の傾きによる冷却効率の低下を低減できる冷却装置を提供できることである。

第１の実施形態の冷却装置を示す断面図である。第１の実施形態の冷却装置が傾いた状態を示す断面図である第２の実施形態の冷却装置の全体を示す側面模式図である。第２の実施形態の受熱部を示す平面図である。第２の実施形態の受熱部が水平状態にある時を示す断面図である。第２の実施形態の受熱部が傾いた状態を示す平面図である。第２の実施形態の受熱部が傾いた状態を示す断面図である。第２の実施形態の比較例を示す断面図である。第２の実施形態の受熱部が別の方向に傾いた状態を示す断面図である。第２の実施形態の液相配管口近傍を示す断面図である。第３の実施形態の受熱部を示す平面図である。第３の実施形態の受熱部が傾いた状態を示す断面図である。第４の実施形態のスペーサーを示す斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。なお各図面の同様の構成要素には同じ番号を付し、説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の冷却装置を示す断面図である。冷却装置は、内部に空間を有する受熱部１と、受熱部１に液相冷媒２を供給する液相配管３と、受熱部１から気相冷媒を排出する気相配管４と、受熱部１の内部に配置されたスペーサー５とを有する。スペーサー５は、液相冷媒２より大きな比重を持っている。スペーサー５は、受熱器１の内部で自由に動けるようになっている。図１の例では、スペーサー５は球形であるが、楕円体や多面体など他の形状であっても良い。

受熱部１が、熱を受け取ると、受熱部内部の底面に当たる沸騰部１ａで、液相冷媒２が沸騰し、気相配管４から排出される。この時、液相冷媒４の蒸発熱が消費され、受熱部１が冷却される。

図２は、冷却装置１が傾いた状態を示す断面図である。冷却装置１が傾くとスペーサー５が受熱器１の低い側に移動する。ここで、スペーサー５は、液相冷媒２より比重が大きいため、受熱器１の低い側の底面に集まる。そしてスペーサー５によって、排除された体積分だけ、液相冷媒２が、受熱器１の高い側に広がる。この広がりにより、受熱器１の高い側まで、液相冷媒２が到達し、沸騰部１ａの冷却に偏りが生じ難くすることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却装置の傾いた場合の冷却効率の低下を低減することができる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態の冷却装置１０００を示す側面模式図である。冷却装置１０００は、受熱部１００と、液相配管３００と、気相配管４００と、放熱部６００とを有し、これらが結合して閉鎖流路を形成している。この閉鎖流路には受熱部１００で受け取った熱により、液相から気相への相変化を起こすことで冷却を行う、冷媒が封入されている。そして、受熱部１００の内部には、液相冷媒２００に一部が浸漬されたスペーサー５００が配置されている、また、図３の例では、発熱体２０００と受熱部１００との間に熱伝導グリース２１００を配置して、両者の間の熱伝導性を高めている。図３の例では、発熱体２０００は、例えば、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）などの電子部品とすることができるが、これらに限られるものではなく、発熱するものに一般的に適用できる。

次に冷却と、冷媒の循環の動作について説明する。受熱部１００には、重力の作用を利用して、液相配管３００から液相冷媒２００が供給される。

受熱部１００の下面の沸騰部１００ａでは、熱伝導された発熱体２０００からの熱によって、内部の液相冷媒２００が沸騰し、液相冷媒２００を気相冷媒２１０に相変化させる。液相冷媒２００が気相冷媒２１０に相変化するとき、熱を潜熱として、冷媒中に吸収する。気相冷媒２１０は、その密度が液相冷媒２００より小さいため、その浮力により上昇し、矢印Ａで示されるように気相配管４００を通り放熱部６００に移動する。浮力を利用して放熱部６００に気相冷媒２１０を移動させるため、放熱部６００は受熱部１００より鉛直上方にある必要がある。

放熱部６００では、冷却ファン６１０などの冷却器を利用して、放熱部６００から空気中への放熱を促進する。放熱部６００に移動した気相冷媒２１０は、例えば、冷却ファン６１０から送られた冷却風によって、空気中にその熱を放熱し、液相冷媒２００に相変化する。液相冷媒２００は、気相冷媒２１０より密度が大きいため、その重力により降下し、液相配管３００を通り、矢印Ｂで示されるように、受熱部１００に還流される。還流された液相冷媒２００は、発熱体２０００から熱を受けることで冷媒の循環に再び利用される。

このように冷却装置１０００は、冷媒の相変化を利用することで、ポンプを使わずに液相冷媒２００および気相冷媒２１０を循環させることができる。また単位質量あたりの、相変化によって輸送できる熱量は、水冷などの冷媒の温度上昇によって熱を輸送する方式と比較して、数１００倍と大きいため、高発熱量の熱輸送・冷却に適している。

次に本実施形態の受熱部１００の構成について説明する。図４は、水平状態にある時の受熱部１００を示す平面図である。図４に示すように、受熱部１００の内部には、スペーサー５００が複数個封入されている。水平状態では、それぞれのスペーサー５００は、ランダムな位置を取っている。ここでは、スペーサー５００は球形としている。またこの例では、受熱部１００の内部空間を円柱状としている。そして、突起１１０を、上面から見たときに、円弧と直線で結ばれた形状となるようにしている。このようにすることで、受熱部１００が傾いた場合に、液相冷媒２００に浸漬されるスペーサー５００の体積を多くすることができる。なお、これは受熱部１００および突起１１０の形状の一例であって、これに限られるものではない。受熱部１００及び突起１１０の形状は、傾きが変化したときにスペーサー５００の移動を阻害しない形状であれば、任意の形状とすることができる。

図５は図４のＫ−Ｋ´における断面を示す断面図である。図５に示すように、受熱部１００の一側面には液相配管３００が接続され、接続部の液相配管口３１０から受熱部１００に液相冷媒２００が流入する。そして、液相冷媒配管口３１０の上方の、受熱部１００の内壁には、突起１１０が設けられている。突起１１０は、スペーサー５００が液相配管口３１０を閉塞することが無いように、スペーサー５００の移動を制限する。また、受熱部１００の上部には、気相配管口４１０を介して、気相配管４００が接続されている。

受熱部１００の内部には、液相冷媒２００と、スペーサー５００とが保持されている。スペーサー５００の比重は液相冷媒２００より十分に大きく、液相冷媒２００に浮くことはない。またスペーサー５００は球形であり、その中心から離れるほど断面積は小さくなる。このため、液相冷媒２００が存在する量は、高さによって異なる。スペーサー５００の中心より低い位置にしか液相冷媒２００が存在しない場合は、液相冷媒２００の存在量は液面で最少となり、中心から最も離れたすなわち沸騰部１００ａで最多となる。沸騰部１００ａで、液相冷媒２００が気相冷媒２１０に相変化するため、沸騰部１００ａに多くの冷媒が存在することで冷媒の効率的な利用ができる。

図６は、受熱部１００が液相配管３００の側が低くなるように、傾いた状態を示す平面図である。ここではこの状態を、左下に傾いたと称することとする。このように傾くことにより、スペーサー５００は突起１１０に向かって集合する。

図７は、図６のＬ−Ｌ´における断面図である。受熱部１００が左下に傾くことにより、液相冷媒２００は重力によって、左下へ移動する。この時、スペーサー５００も同様に左下へと移動する。こうして、液相配管口３１０側の液面が上昇する。この液面の上昇は、傾きによる液相冷媒２００の移動だけではなく、スペーサー５００が液相冷媒に浸る体積増加によっても引き起こされる。すなわち、液相冷媒２００に浸るスペーサー５００の体積増加分だけ、液相冷媒２００が押しのけられることで液相冷媒２００の液面が上昇する。その結果、高い方に傾いた気相配管４００側の沸騰部１００ａまで液相冷媒が行き渡り、沸騰部１００ａ全体に渡り相変化冷却を行うことができる。なお、図７では、図を見やすくするために、スペーサー５００が切断線に沿って直線的に並んでいる例を示しているが、スペーサー５００の配列はこれに限られることはない。

スペーサー５００の数量は、受熱部１００の上から見た時に、スペーサー５００の占める面積が、受熱部１００の底面の面積の１／４から１／２の範囲に収まる数量であることが望ましい。またスペーサー５００の大きさは、受熱部１００が水平状態にある時に、液相冷媒２００に自身の体積の１／３程度が浸る程度であることが望ましい。これは図５に示す水平状態にある時と、図７に示す傾いた状態にある時との間で、スペーサー５００が液相冷媒２００に浸される体積差を大きくするためである。

ここで比較のために、スペーサー５００が無い場合について説明する。図８は、スペーサー５００が無い受熱部を示した断面図である。この例では、液相冷媒２００が高い方に傾いた沸騰部１００ａに回らず、沸騰部１００ａが受熱部１００の内部の空間に暴露されてしまっている。この部分では、冷却が行われないため、発熱体の冷却の効率が低下する。

次に、液相配管３００側が高くなる方向に傾いた場合について説明する。図９は、液相配管口３１０側が高くなる方向に、受熱部１００が傾いた状態を示す断面図である。ここでは、このように傾いた状態を右下に傾くとも呼称することとする。受熱部１００が右下へ傾いた状態では、液相冷媒２００、スペーサー５００ともに、右下へ移動することになる。この時、右側には突起１１０が無いため、スペーサー５００は壁面と接触するまで移動する。液相冷媒２００に沈み込むスペーサー５００の体積増加は、左下に傾いたときと同様で、液相冷媒２００の液面を上昇させ、沸騰部１００ａの左側にも液相冷媒２００が行き渡る。このため、沸騰部１００ａの全面で、液相冷媒２００を気相冷媒２１０に相変化させることができる。結果として左下に傾いたときと同様に、右下に傾いた状態でも、より少ない液相冷媒２００の量で、安定した冷却状態を保つことが出来る。

次に、液相配管３００側が低くなる方向に傾いた時の、液面の上昇について説明する。図１０は、上記のように傾いた時の、液相配管口３１０近傍を描いた断面図である。図１０の中で、スペーサー５００に点線Ｃで示したのは、水平状態における液相冷媒２００の液面の位置である。そして、このように傾いた状態における液相冷媒２００の液面は、点線Ｄで示した位置になっている。すなわち両矢印Ｅで示される液相冷媒２００の液面の差に対応する分だけ、スペーサー５００が液相冷媒２００に浸る体積が増加し、この体積増加分の液相冷媒２００が押しのけられることで、液相冷媒２００の液面が上昇している。液相冷媒２００の液面が上昇するため、より少ない液相冷媒２００の量でも、沸騰部１００ａの右側が、液相冷媒２００に浸された状態を保つことができ、沸騰部１００ａの右側でも相変化冷却を行うことができる。以上のような動作により、結果として、少ない量の液相冷媒２００でも、安定した冷却状態を保つことが出来る。

次に突起１１０について説明する。図１０には、突起１１０の高さを、両矢印Ｆで示している。突起１１０はスペーサー５００と速やかに接触する必要があるため、Ｆは、例えばスペーサー５００の半径と同程度とすることができる。ただし、突起１１０が、冷媒２００の移動に影響を与える場合は、これより高い位置に設置してもよい。また、突起１１０の大きさは、スペーサー５００と接触した際に、液相配管口３１０とスペーサー５００とが十分な距離を保ち、液相冷媒２００の流入を阻害しないサイズとする。このような構成とすることにより、突起１１０が、スペーサー５００の移動を制限し、スペーサー５００が液相冷媒２００の流入を妨げることがないようになっている。

以上説明したように、本実施形態によれば、冷却装置の受熱部が傾いても、冷却を均一に行うことができる。

（第３の実施形態）
図１１は、第３の実施形態の受熱部１０１を示す平面図である。また図１２は、図１１のＭ−Ｍ´における断面図である。図１１に示すように、受熱部１００の内部には、第２の実施形態と同様の球形のスペーサー５００が複数個封入されている。また図１１、１２に示すように、本実施形態では、受熱部１００の内部空間を四角柱状としている。そして、突起１１１を、上面から見たときに、長方形となるようにしている。なお、この例では、受熱部１００の内部空間を四角柱状としたが、四角柱以外の多角柱状であっても良い。

図１２に示すように、受熱部１０１が、液相配管３００側が低くなるように傾くと、第２の実施形態と同様に、スペーサー５００が液相配管３００側に移動して液面が上昇し、高い方に傾いた沸騰部１００ａまで、液相冷媒２００が行き渡る。そして、突起１１１がスペーサー５００の移動を制限することにより、液相冷媒２００は、液相配管口３１１から受熱部１０１の内部にスムーズに供給される。

以上のような動作により、沸騰部の全面で均一性が良い相変化冷却を行うことができる。

（第４の実施形態）
第１から第３の実施形態では、スペーサーが球形である例を用いて説明したが、受熱部内部の沸騰部に沿ってスムーズに移動できる形状であれば、球形以外の形状であっても良い。例えば、図１３（ａ）に示すように円柱状のスペーサー５０１であっても良いし、図１３（ｂ）に示すように多面体のスペーサー５０２であっても良い。

以上説明したように、本実施形態によっても、第２、第３の実施形態と同様に、受熱部が均一な冷却を行うために利用できるスペーサーを構成することができる。

以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上記実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

１、１００受熱部
２、２００液相冷媒
３、３００液相配管
４、４００気相配管
５、５００、５０１、５０２スペーサー
１１０突起
２１０気相冷媒
３１０液相配管口
４１０気相配管口
１０００冷却装置
２０００発熱体

Claims

内部に空間を有する受熱部と、
前記受熱部に液相冷媒を供給する液相配管と、
前記受熱部の内部の空間の一部を満たす前記液相冷媒と
前記受熱部から気相冷媒を排出する気相配管と、
前記受熱部の内部に配置されたスペーサーと
を有し、
前記スペーサーは、
前記液相冷媒より比重が大きく、
前記受熱部が傾いた場合に、前記受熱部の内側底面に沿って下方に移動し、前記液相冷媒の液面を押し上げる形状を有し、
前記液相配管と前記受熱部との接続部に設けられた液相冷媒供給口を閉塞することを、妨げるように、前記スペーサーの移動を制限する突起を前記液相冷媒供給口の近傍に備えている
ことを特徴とする冷却装置。
前記気相配管から回収した前記気相冷媒を冷却して液化し、液化した前記液相冷媒を前記液相配管に送出する放熱部を有し、閉鎖流路を形成している
ことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
前記突起が、前記受熱部の内部の底面から前記スペーサーの外形の１／２倍以上１倍未満の高さに設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
前記受熱部の内部空間が円柱状である
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の冷却装置。
前記スペーサーが球形である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷却装置。
前記スペーサーが多面体である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の冷却装置。
前記受熱部を上から見た時に、
前記スペーサーの占める面積の合計が、前記受熱部の内部の底面積の１／４以上１／２未満である
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却装置。
内部に空間を有する受熱部と、
前記受熱部に液相冷媒を供給する液相配管と、
前記受熱部の内部の空間の一部を満たす前記液相冷媒と、
前記受熱部から気相冷媒を排出する気相配管と、
前記気相配管から回収した前記気相冷媒を冷却して液化し、液化した前記液相冷媒を前記液相配管に送出する放熱部と、
を用いて閉鎖流路を形成し、
前記受熱部の内部に、
前記液相冷媒より比重が大きく、前記受熱部が傾いた場合に、前記受熱部の内側底面に沿って下方に移動し、前記液相冷媒の液面を押し上げる形状を有するスペーサーを配置し、
前記液相配管と前記受熱部との接続部に設けられた液相冷媒供給口を閉塞することを、妨げるように、前記スペーサーの移動を制限する突起を前記液相冷媒供給口の近傍に配置する
ことを特徴とする冷却装置の製造方法。
前記スペーサーが球形である
ことを特徴とする請求項８に記載の冷却装置の製造方法。