JP6860005B2 - 相変化冷却器、及び電子機器 - Google Patents
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Description
本発明は、相変化冷却器、及び電子機器に関し、特に相変化現象を用いて冷媒を自然循環させて冷却する相変化冷却器、及びそれを搭載した電子機器に関する。
通信インフラの発展に伴って情報処理量が増えている一方で、プロセス技術の進歩によって電子機器の小型化が進んでいる。この結果、電子機器に搭載された発熱体の高発熱量化・高密度実装化が進んでおり、近年では高効率な冷却手法として相変化冷却が注目されている。
相変化冷却では、冷却器を受熱部と放熱部に分割し、これらを蒸気管及び液管を用いて環状に接続している。冷却器の内部には冷媒が封入されており、受熱部では発熱体から受熱して冷媒液が蒸発し、放熱部では冷却風に放熱して冷媒蒸気が凝縮する、という気液の相変化現象を利用して、熱輸送が行われる。そして、冷媒液が蒸発し続けている間は液温が沸点に保たれる性質を利用して、冷却している。
受熱部にはジャケット等を使用し、発熱体直上に設置する。また、放熱部にはラジエータ等を使用し、発熱体から離れた場所に設置する。発熱体が高密度実装され、電子機器内の狭い空間に配置されていたとしても、放熱部を電子機器内の比較的広い空間に設置できるので、空冷に比べて放熱面積の確保が容易である。
また、冷媒が気液相変化する際の潜熱を利用しているので、水冷に比べて熱輸送能力が高くなっており、冷却ファン電力を低減することができる。サーモサイフォン式相変化冷却器の場合、気液の密度差と重力を利用して冷媒を自然循環させるので、ポンプ等の外部駆動源の電力を削減することができる。
特許文献１は、サーモサイフォンを利用した冷却システムに関するものである。特許文献１の冷却システムでは、図１１に示すように、発熱源で発生した熱は受熱ジャケット１０へ伝達され、伝達された熱により液体冷媒である水（Ｗａ）が蒸発し蒸気（ＳＴ）が発生する。発生した蒸気（ＳＴ）は、受熱ジャケット１０から配管１１を通って凝縮器１２へ導かれる。凝縮器１２では、冷媒蒸気が冷却ファン１３によって送風される空気により冷却されて液体となり、配管１４を通って再び上記受熱ジャケット１０へ戻る。
特許文献１の冷却システムでは受熱ジャケット１０の天面に配管１１が、側面に配管１４がそれぞれほぼ垂直に接続されている。また、配管１１の他端は凝縮器１２上方に、配管１４の他端は凝縮器１２下方に接続されており、環状の冷媒流路を形成している。そして特許文献１の冷却システムでは、受熱ジャケット１０から凝縮器１２へ発生した蒸気（ＳＴ）を導く配管１１は、約９０度曲げられている。
特許文献２は、気液間の相変化現象を利用して冷媒を循環させる沸騰冷却装置に関するものであり、受熱部のカバー部は円錐台形状や角錐台形状とし、蒸気管を受熱部の頂部から垂直に引き出すことが、提案されている。特許文献２では、受熱部内部で冷媒が沸騰し、これにより発生した蒸気は蒸気管への出口へと向かうこと、受熱部は蒸気管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こと、蒸気管は発熱素子の真上の位置において開口していることなど、記載がある。特許文献２では、この構造により、受熱部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、低抵抗にて蒸気管へ導入することができる。
特許文献３は、ボードに実装された、発熱体の一例としての複数の半導体素子を冷却する冷却装置に関するものであり、複数の半導体素子を経由する冷媒の循環経路を形成し、一つのポンプで冷媒を循環させることで、各発熱体を冷却することが、提案されている。特許文献３では、受熱器の上面板に突出部を設けることにより、冷媒入口と冷媒出口間の中部までの間は、水平方向に徐々に広がる空間を有し、この中部から冷媒出口までの間は、水平方向に徐々に狭まる空間を有する構成とすることが、提案されている。特許文献３ではこのような空間を有する構成とすることにより、気化部で気化した冷媒が気化部から冷媒出口へとスムーズに流出することになり、その結果として、気化部を流れる冷媒のスピードが速くなり、冷却効率を高めることが記載されている。
しかしながら、上述した背景技術の冷却装置には、次のような冷却器の放熱量が増加した場合の冷却性能に関する課題がある。
相変化冷却は、冷媒液が蒸発し続けている間は液温が沸点に保たれる性質を利用して、冷却している。ここで、冷媒液の沸点は受熱部の内圧と正の相関関係にあり、冷媒の蒸気圧曲線で表される。例えば水の場合は図１０のようになる。
一般的に冷媒液の沸点Ｔｖ［℃］は、冷却風温度Ｔａ［℃］、放熱部熱抵抗Ｒｖａ［℃／Ｗ］、冷却器の放熱量Ｑ［Ｗ］を用いて、
Ｔｖ＝Ｔａ＋Ｒｖａ×Ｑ … 式（１）
の式で表される。上記の比例関係を考慮すると、冷媒流路の圧力損失に起因して受熱部の内圧が上昇するため、これに伴った冷媒液の沸点上昇ΔＴｖ（Ｐ）［℃］の項を加えて、
Ｔｖ＝Ｔａ＋Ｒｖａ×Ｑ＋ΔＴｖ（Ｐ） … 式（１）’
と修正する必要がある。
Ｔｖ＝Ｔａ＋Ｒｖａ×Ｑ … 式（１）
の式で表される。上記の比例関係を考慮すると、冷媒流路の圧力損失に起因して受熱部の内圧が上昇するため、これに伴った冷媒液の沸点上昇ΔＴｖ（Ｐ）［℃］の項を加えて、
Ｔｖ＝Ｔａ＋Ｒｖａ×Ｑ＋ΔＴｖ（Ｐ） … 式（１）’
と修正する必要がある。
特許文献１、特許文献２や特許文献３に示された構造では蒸気管を約９０度曲げているので、この部位の局所圧力損失係数が大きくなっている。また、特許文献１では、受熱ジャケット１０の天面という比較的広い面に対して、細い蒸気管が接続されている。このため、受熱部から蒸気管へ蒸気が移動する際に急な縮小が起きることが考えられ、この部位の局所圧力損失係数も大きくなっている。
冷媒流路のある部位の局所圧力損失ΔＰ［Ｐａ］は、冷媒の流速ｖ（Ｑ）［ｍ／ｓ］、冷媒の密度ρ［ｋｇ／ｍ３］、局所圧力損失係数ζ［-］を用いて、
ΔＰ＝ζ×ρ×ｖ（Ｑ）２÷２ … 式（２）
で表される。ここで、上記のように電子機器に搭載された発熱体の高発熱量化が進んでいる。また、同時に高密度実装化が進んでおり、１つの受熱部に複数の発熱体が取付けられることがある。この結果、冷却器の放熱量が急増しており、これに比例して冷却器内部を循環する冷媒の流速が速くなっている。よって、特許文献１、特許文献２や特許文献３のような局所圧力損失係数が大きい構造では、冷媒流路の圧力損失が大きく増加する。この結果、受熱部の内圧が上昇し、これに伴って冷媒液の沸点が上昇するので、冷却性能が悪化する。
ΔＰ＝ζ×ρ×ｖ（Ｑ）２÷２ … 式（２）
で表される。ここで、上記のように電子機器に搭載された発熱体の高発熱量化が進んでいる。また、同時に高密度実装化が進んでおり、１つの受熱部に複数の発熱体が取付けられることがある。この結果、冷却器の放熱量が急増しており、これに比例して冷却器内部を循環する冷媒の流速が速くなっている。よって、特許文献１、特許文献２や特許文献３のような局所圧力損失係数が大きい構造では、冷媒流路の圧力損失が大きく増加する。この結果、受熱部の内圧が上昇し、これに伴って冷媒液の沸点が上昇するので、冷却性能が悪化する。
本発明の目的は、冷却性能及び耐圧性能を高めた、相変化冷却器、及びこれを用いた電子機器を提供することにある。
前記目的を達成するため、本発明に係る相変化冷却器は、受熱部と、放熱部と、上記受熱部及び上記放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、内部に封入される冷媒と、を備え、
上記受熱部はほぼ半円形の断面を持ち、上記蒸気管は上記受熱部の斜面に接続されている。
上記受熱部はほぼ半円形の断面を持ち、上記蒸気管は上記受熱部の斜面に接続されている。
本発明に係る電子機器は、相変化冷却器を含み、
上記相変化冷却器は、受熱部と、放熱部と、上記受熱部及び上記放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、内部に封入される冷媒と、を備え、
上記相変化冷却器の上記受熱部はほぼ半円形の断面を持ち、上記相変化冷却器の上記蒸気管は上記受熱部の斜面に接続されている。
上記相変化冷却器は、受熱部と、放熱部と、上記受熱部及び上記放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、内部に封入される冷媒と、を備え、
上記相変化冷却器の上記受熱部はほぼ半円形の断面を持ち、上記相変化冷却器の上記蒸気管は上記受熱部の斜面に接続されている。
本発明は、冷却性能及び耐圧性能を高めた相変化冷却器を実現できる。
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。本明細書の「斜面」とは、鉛直方向でも水平方向でもない面を指すものとする。本明細書の「斜め」とは、鉛直方向でも水平方向でもない方向や角度を指しているものとする。以下では、鉛直方向をＺ軸、水平面内で受熱部から放熱部に向かう方向をＹ軸、Ｙ軸及びＺ軸と直交する方向をＸ軸とする。
〔本発明の上位概念の実施形態〕
本発明の具体的な実施形態について説明する前に、本発明の上位概念の実施形態について説明する。本実施形態に係る相変化冷却器は、受熱部と、放熱部と、受熱部及び放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、を備える。相変化冷却器の受熱部は、ほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形の断面を、持っている。そして相変化冷却器の蒸気管は、受熱部の斜面に接続されていることを特徴とする。
本発明の具体的な実施形態について説明する前に、本発明の上位概念の実施形態について説明する。本実施形態に係る相変化冷却器は、受熱部と、放熱部と、受熱部及び放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、を備える。相変化冷却器の受熱部は、ほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形の断面を、持っている。そして相変化冷却器の蒸気管は、受熱部の斜面に接続されていることを特徴とする。
受熱部の斜面に対してほぼ垂直に蒸気管を接続することで、蒸気管の曲げ角度を背景技術の構造の約９０度よりも小さくすることができる。また、蒸気管の曲げ角度が小さくなった結果、同じ冷却器サイズでも曲率を維持したまま蒸気管の径を太くできるので、冷媒の流速が遅くなる。これらにより、冷媒蒸気が蒸気管を通過する際の圧力損失を低減することができる。受熱部の断面をほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形にした結果、受熱部から蒸気管に向かって蒸気の流路が緩やかに縮小する。また、上記のように蒸気管の径を太くできるので、縮小率がさらに緩まり、かつ冷媒の流速が遅くなる。これらにより、冷媒蒸気が蒸気管に流入する際の圧力損失も低減できる。以上より、冷却器全体の圧力損失を小さくできるので、冷媒液の沸点上昇を抑制し、冷却性能を向上させることができる。また、受熱部の断面をほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形にした結果、冷却風の風向きに対して垂直になる面が減り、通風抵抗が小さくなる。これにより、同じ冷却ファン電力でも風量が増えるので、さらに冷却性能を向上させることができる。
上記のように冷媒液の沸点上昇を抑制しているので、相変化冷却器の受熱部の内圧を下げることができる。さらに、受熱部の断面をほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形にすることで、受熱部のジャケットを曲面にしたり、１面の面積を狭くしたりしている。これにより、受熱部のジャケットの板材にかかる圧力が分散されるので、板厚が同じままでも相当応力を半分以下にできる。以上より、受熱部の耐圧性能を向上させることができる。以下、より具体的な実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
次に、本発明の第１実施形態による相変化冷却器、及び電子機器について、説明する。図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る相変化冷却器の概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の相変化冷却器を実装した電子機器の概念図である。言い換えると、図１（ｂ）は本実施形態に係る相変化冷却器を搭載した電子機器のＹ−Ｚ断面の概念図である。図２（ａ）は図１（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の側面図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の上面図であり、図２（ｃ）は図１（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の他の側面図である。言い換えると、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本実施形態に係る相変化冷却器の受熱部付近の三面図である。
次に、本発明の第１実施形態による相変化冷却器、及び電子機器について、説明する。図１（ａ）は本発明の第１実施形態に係る相変化冷却器の概念図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の相変化冷却器を実装した電子機器の概念図である。言い換えると、図１（ｂ）は本実施形態に係る相変化冷却器を搭載した電子機器のＹ−Ｚ断面の概念図である。図２（ａ）は図１（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の側面図であり、図２（ｂ）は図１（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の上面図であり、図２（ｃ）は図１（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の他の側面図である。言い換えると、図２（ａ）〜図２（ｃ）は、本実施形態に係る相変化冷却器の受熱部付近の三面図である。
（構成の説明）
本実施形態に係る相変化冷却器３００は図１（ａ）に示すように、受熱部３１０と、放熱部３２０と、受熱部３１０及び放熱部３２０を環状に接続する蒸気管３３０及び液管３４０と、内部に封入される冷媒３５０と、を備える。そして図１（ａ）の相変化冷却器３００の受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されていることを特徴とする。
本実施形態に係る相変化冷却器３００は図１（ａ）に示すように、受熱部３１０と、放熱部３２０と、受熱部３１０及び放熱部３２０を環状に接続する蒸気管３３０及び液管３４０と、内部に封入される冷媒３５０と、を備える。そして図１（ａ）の相変化冷却器３００の受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されていることを特徴とする。
本実施形態に係る電子機器１００は図１（ｂ）に示すように、図１（ａ）の相変化冷却器３００を含む。電子機器１００は、搭載された発熱体２００、冷却ファン４００、をさらに備える。
本実施形態に係る相変化冷却器３００について、より詳細に説明する。相変化冷却器３００の受熱部３１０はベース３１１とジャケット３１２から構成されており、そのＹ−Ｚ断面はほぼ半円形になっている。なお、受熱部３１０は中空になっており、内部に冷媒液３５１がプールされている。
受熱部３１０のジャケット３１２に設けられた斜面に蒸気管３３０が、側面に液管３４０がそれぞれ接続されている。また、蒸気管３３０の逆端は放熱部３２０の上方、液管３４０の逆端は放熱部３２０の下方にそれぞれ接続されており、環状の冷媒流路を形成している。なお、受熱部３１０からＹ軸方向に離れた位置に放熱部３２０が設置されるため、蒸気管３３０はＹ−Ｚ平面内で約４５度曲げられている。
相変化冷却器３００の発熱体２００は、受熱部３１０のベース３１１の外側面である受熱面３１１Ａに取付けられる。また、受熱部３１０のベース３１１の内側面である伝熱面３１１Ｂには、フィン等の構造３１１Ｃが設けられている。これにより、冷媒液３５１との接触面積を増やし、受熱部３１０の冷却性能を向上させている。
受熱部３１０のベース３１１及び受熱部３１０のジャケット３１２は押出しやプレス等で製造することを想定しており、安価に抑えている。また、これらはアルミや銅等の熱伝導率の良い金属を素材とし、受熱部３１０に一体化する時はロウ付け等による接合を想定しているが、接合が難しい異種金属を用いる場合は、間にシール材を挟んでネジ止めする等でも良い。
蒸気管３３０は、受熱部３１０や放熱部３２０との接続面に対して、ほぼ垂直になるように接続されることを想定している。図３（ａ）は配管を面に対して斜めに接続した場合の接続部付近の拡大模式図であり、図３（ｂ）は配管を面に対して垂直に接続した場合の接続部付近の拡大模式図である。配管を接続面に対して斜めに接続する場合の配管差込長（Ｌ１）は、垂直に接続する場合の配管差込長（Ｌ２）に対して比較的長くなる。
配管を面に対して斜めに接続した場合、配管差込長が長くなるので受熱部３１０から蒸気管３３０への入口部の圧力損失が大きくなり、冷却性能の悪化に繋がる。また、配管を面に対して斜めに接続する場合、面に穴を空ける工程や、配管を指定角度に固定する工程などが高難度化するため、製造コストが増加する。
蒸気管３３０の曲げ角度の最適値は、受熱部３１０と放熱部３２０の相対位置によって変わるが、本実施形態では４５±１５度程度を想定している。これより大きい場合、背景技術の構造に近付くため、本実施形態の効果を十分に得られない。逆に小さい場合（図４）、受熱部３１０と放熱部３２０の天面高さの差（Ｈ１）が小さくなり、受熱部３１０が障害物となって冷却風４１０の通風抵抗が増加するので、放熱部３２０に供給される風量が減り、冷却性能が悪化する。また、上記のように配管を面に対して垂直に接続することを念頭に置くと、相変化冷却器３００のＹ軸方向のサイズが大きくなってしまう。
図１（ｂ）では冷却ファン４００を放熱部３２０の風下側直近に設置しているが、設置位置や風向きを限定するものではない。また、図２（ｃ）では発熱体２００を２個にしているが、個数を限定するものではなく、発熱体２００の取付け位置を限定するものでもない。
（動作の説明）
本実施形態に係る相変化冷却器３００の動作、発熱体２００の冷却、について説明する。電子機器１００を動作させると、電子機器１００に搭載された発熱体２００が発熱する。発熱体２００で発生した熱は受熱部３１０の受熱面３１１Ａに伝わり、ベース３１１を介して、伝熱面３１１Ｂ及びフィン等の構造３１１Ｃに拡がり、冷媒液３５１に伝わる。この時、冷媒液３５１は蒸発し、潜熱の形で熱を保持する。冷媒蒸気３５２は気液の密度差によって上方に移動し、蒸気管３３０を通って放熱部３２０に移動する。冷媒蒸気３５２は放熱部３２０で、冷却ファン４００から供給される冷却風４１０と熱交換を行い、潜熱を放出することで凝縮し、冷媒液３５１となる。冷媒液３５１は気液の密度差によって下方に移動し、液管３４０を通って受熱部３１０に再び戻ってくる。このように冷媒の気液相変化を用いた自然循環を繰り返すことで、発熱体２００で発生した熱を放熱し、冷却を行う。
本実施形態に係る相変化冷却器３００の動作、発熱体２００の冷却、について説明する。電子機器１００を動作させると、電子機器１００に搭載された発熱体２００が発熱する。発熱体２００で発生した熱は受熱部３１０の受熱面３１１Ａに伝わり、ベース３１１を介して、伝熱面３１１Ｂ及びフィン等の構造３１１Ｃに拡がり、冷媒液３５１に伝わる。この時、冷媒液３５１は蒸発し、潜熱の形で熱を保持する。冷媒蒸気３５２は気液の密度差によって上方に移動し、蒸気管３３０を通って放熱部３２０に移動する。冷媒蒸気３５２は放熱部３２０で、冷却ファン４００から供給される冷却風４１０と熱交換を行い、潜熱を放出することで凝縮し、冷媒液３５１となる。冷媒液３５１は気液の密度差によって下方に移動し、液管３４０を通って受熱部３１０に再び戻ってくる。このように冷媒の気液相変化を用いた自然循環を繰り返すことで、発熱体２００で発生した熱を放熱し、冷却を行う。
（効果の説明）
本実施形態の相変化冷却器３００では、受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されている。より具体的には、本実施形態では蒸気管３３０を受熱部３１０のジャケット３１２の斜面に接続することで、その曲げ角度を約４５度まで小さくしている。これにより、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０を通過する際の圧力損失を、背景技術のものに比べて、低減できる。また、曲げ角度が小さくなった結果、同じ冷却器サイズでも曲率を維持したまま蒸気管３３０の径を太くできるので、冷媒の流速が遅くなり、さらに圧力損失を低減することができる。
本実施形態の相変化冷却器３００では、受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されている。より具体的には、本実施形態では蒸気管３３０を受熱部３１０のジャケット３１２の斜面に接続することで、その曲げ角度を約４５度まで小さくしている。これにより、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０を通過する際の圧力損失を、背景技術のものに比べて、低減できる。また、曲げ角度が小さくなった結果、同じ冷却器サイズでも曲率を維持したまま蒸気管３３０の径を太くできるので、冷媒の流速が遅くなり、さらに圧力損失を低減することができる。
受熱部３１０の断面をほぼ半円形にした結果、受熱部３１０から蒸気管３３０に向かって蒸気の流路が緩やかに縮小するので、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０に流入する際の圧力損失も低減できる。また、ここでも蒸気管３３０の径を太くすることで、縮小率が緩まり、かつ冷媒の流速が遅くなるので、さらに圧力損失を低減することができる。
これらにより、冷却器全体の圧力損失を小さくできるので、冷媒液３５１の沸点上昇を抑制し、冷却性能を向上させることができる。
本実施形態では、受熱部３１０のジャケット３１２に斜面を設けている。この結果、冷却ファン４００によって発生した冷却風４１０の風向きに対して垂直になる面が減り、通風抵抗が小さくなる。これにより、同じ冷却ファン電力でも風量が増えるので、放熱部３２０の熱抵抗が小さくなり、冷媒液３５１の沸点が低くなるので、冷却性能を向上させることができる。
また本実施形態によれば、冷却器の放熱量が増加した場合の耐圧性能を向上させることができる。相変化冷却器において、最も内圧が高い部位は受熱部であり、受熱部の内圧は冷媒液の沸点と比例関係にある。ここで、背景技術で説明した式（１）から解るように、放熱量は直接的に冷媒液の沸点に関係しており、放熱量が増加すると受熱部内が高圧化する。これとは別に、背景技術で説明した式（１）’及び式（２）から解るように、放熱量は間接的にも冷媒液の沸点に関係している。特許文献１、特許文献２や特許文献３のような局所圧力損失係数が大きい構造では、放熱量が増加すると沸点上昇が起き、受熱部内がさらに高圧化する。
特に特許文献１のように、受熱部の断面がほぼ四角形の場合、天面が比較的広い平面になっているため、高圧に耐えられず、塑性変形が起きて膨張し、最悪の場合、破壊に至る。また、即座に破壊に至らない場合でも、電子機器のオン／オフにあわせて受熱部が膨張／収縮を繰り返すうちに疲労破壊に至る可能性も考えられる。
本実施形態では受熱部３１０の斜面に蒸気管３３０を接続することで、上記のように冷媒液３５１の沸点上昇を抑制できるので、間接的な受熱部３１０内の高圧化を抑制することができる。さらに、受熱部３１０の断面をほぼ半円形にすることで、受熱部３１０のジャケット３１２を曲面にし、受熱部３１０のジャケット３１２の板材にかかる圧力を分散させている。板厚が同じままでも相当応力を半分以下にすることができるので、変形量を小さくし、受熱部３１０が破壊に至る可能性を下げることができる。これらにより、耐圧性能を向上させることができる。
以上のように、本実施形態によれば、相変化冷却器３００のサイズや重量、冷却ファン４００の電力を維持したまま、冷却性能及び耐圧性能を向上させることができる。これにより、高発熱量かつ高密度実装された複数の発熱体を１つの冷却器で冷却する場合にも相変化冷却器を使用できるようになる。
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による相変化冷却器、及び電子機器について、説明する。本実施形態の相変化冷却器は、第１実施形態の相変化冷却器の変形例である。第１実施形態と同様な要素については、同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。
次に、本発明の第２実施形態による相変化冷却器、及び電子機器について、説明する。本実施形態の相変化冷却器は、第１実施形態の相変化冷却器の変形例である。第１実施形態と同様な要素については、同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。
図５（ａ）は本発明の第２実施形態に係る相変化冷却器の概念図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の相変化冷却器を実装した電子機器の概念図である。言い換えると、図５（ｂ）は本実施形態に係る相変化冷却器を搭載した電子機器のＹ−Ｚ断面の概念図である。図６（ａ）は図５（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の側面図であり、図６（ｂ）は図５（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の上面図であり、図６（ｃ）は図５（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の他の側面図である。言い換えると、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施形態に係る相変化冷却器の受熱部付近の三面図である。
（構成の説明）
本実施形態に係る構造は、第１実施形態の構造から受熱部３１０のジャケット３１２の斜面のうち、蒸気管３３０の接続部付近を曲面から平面に変更したものである。
本実施形態に係る構造は、第１実施形態の構造から受熱部３１０のジャケット３１２の斜面のうち、蒸気管３３０の接続部付近を曲面から平面に変更したものである。
本実施形態に係る相変化冷却器３００は図５（ａ）に示すように、受熱部３１０と、放熱部３２０と、受熱部３１０及び放熱部３２０を環状に接続する蒸気管３３０及び液管３４０と、内部に封入される冷媒３５０と、を備える。そして図５（ａ）の相変化冷却器３００の受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されていることを特徴とする。そして本実施形態では、受熱部３１０の斜面のうち、蒸気管３３０との接続部付近が平面になっていることを特徴とする。
本実施形態に係る電子機器１００は図５（ｂ）に示すように、図５（ａ）の相変化冷却器３００を含む。電子機器１００は、搭載された発熱体２００、冷却ファン４００、をさらに備える。
なお、図５（ａ）や図５（ｂ）の図中では、受熱部３１０の蒸気管３３０との接続面をＸ軸方向に沿って全てを平面にしているが、必ずしも全てを平面にする必要はなく、接続部付近が平面になっていれば良い。逆に受熱部３１０のＹ−Ｚ断面をほぼ半円形からほぼ多角形に変更しても良い。
蒸気管３３０は、受熱部３１０や放熱部３２０との接続面に対して、ほぼ垂直になるように接続されることを想定している。配管を面に対して斜めに接続する場合の配管差込長は、垂直に接続する場合の配管差込長に対して比較的長くなる。
配管を面に対して斜めに接続した場合、受熱部３１０から蒸気管３３０への入口部の圧力損失が大きくなり、冷却性能の悪化に繋がる。また、配管を面に対して斜めに接続する場合、面に穴を空ける工程や、配管を指定角度に固定する工程などが高難度化するため、製造コストが増加する。
蒸気管３３０の曲げ角度の最適値は、受熱部３１０と放熱部３２０の相対位置によって変わるが、本実施形態では４５±１５度程度を想定している。これより大きい場合、背景技術の構造に近付くため、本実施形態の効果を十分に得られない可能性がある。
図５（ｂ）では冷却ファン４００を放熱部３２０の風下側直近に設置しているが、設置位置や風向きを限定するものではない。また、図６（ｃ）では発熱体２００を２個にしているが、個数を限定するものではなく、発熱体２００の取付け位置を限定するものでもない。
（動作の説明）
本実施形態に係る相変化冷却器３００の動作、発熱体２００の冷却、について説明する。電子機器１００を動作させると、電子機器１００に搭載された発熱体２００が発熱する。発熱体２００で発生した熱は受熱部３１０の受熱面３１１Ａに伝わり、ベース３１１を介して、伝熱面３１１Ｂ及びフィン等の構造３１１Ｃに拡がり、冷媒液３５１に伝わる。この時、冷媒液３５１は蒸発し、潜熱の形で熱を保持する。冷媒蒸気３５２は気液の密度差によって上方に移動し、蒸気管３３０を通って放熱部３２０に移動する。冷媒蒸気３５２は放熱部３２０で、冷却ファン４００から供給される冷却風４１０と熱交換を行い、潜熱を放出することで凝縮し、冷媒液３５１となる。冷媒液３５１は気液の密度差によって下方に移動し、液管３４０を通って受熱部３１０に再び戻ってくる。このように冷媒の気液相変化を用いた自然循環を繰り返すことで、発熱体２００で発生した熱を放熱し、冷却を行う。
本実施形態に係る相変化冷却器３００の動作、発熱体２００の冷却、について説明する。電子機器１００を動作させると、電子機器１００に搭載された発熱体２００が発熱する。発熱体２００で発生した熱は受熱部３１０の受熱面３１１Ａに伝わり、ベース３１１を介して、伝熱面３１１Ｂ及びフィン等の構造３１１Ｃに拡がり、冷媒液３５１に伝わる。この時、冷媒液３５１は蒸発し、潜熱の形で熱を保持する。冷媒蒸気３５２は気液の密度差によって上方に移動し、蒸気管３３０を通って放熱部３２０に移動する。冷媒蒸気３５２は放熱部３２０で、冷却ファン４００から供給される冷却風４１０と熱交換を行い、潜熱を放出することで凝縮し、冷媒液３５１となる。冷媒液３５１は気液の密度差によって下方に移動し、液管３４０を通って受熱部３１０に再び戻ってくる。このように冷媒の気液相変化を用いた自然循環を繰り返すことで、発熱体２００で発生した熱を放熱し、冷却を行う。
（効果の説明）
本実施形態の相変化冷却器３００では第１実施形態と同様に、受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されている。より具体的には、本実施形態では蒸気管３３０を受熱部３１０のジャケット３１２の斜面に接続することで、その曲げ角度を、約４５度まで小さくしている。これにより、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０を通過する際の圧力損失を、背景技術のものに比べて、低減できる。
本実施形態の相変化冷却器３００では第１実施形態と同様に、受熱部３１０はほぼ半円形の断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されている。より具体的には、本実施形態では蒸気管３３０を受熱部３１０のジャケット３１２の斜面に接続することで、その曲げ角度を、約４５度まで小さくしている。これにより、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０を通過する際の圧力損失を、背景技術のものに比べて、低減できる。
さらに本実施形態では、受熱部３１０の斜面のうち、蒸気管３３０との接続部付近が平面になっている。図７（ａ）は配管を曲面に接続する場合の接続部付近の拡大模式図であり、図７（ｂ）は配管を平面に接続する場合の接続部付近の拡大模式図である。配管を平面に接続する場合の配管差込長（Ｌ３）は、曲面に接続する場合の配管差込長（Ｌ２）に対して比較的短くなる。本実施形態によれば、第１実施形態の相変化冷却器と比べて蒸気管３３０の配管差込長が短くなるので、受熱部３１０から蒸気管３３０への入口部の圧力損失を小さくし、冷却性能をより向上させることができる。
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による相変化冷却器、及び電子機器について、説明する。本実施形態の相変化冷却器は、第１実施形態の相変化冷却器の変形例である。第１実施形態と同様な要素については、同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。
次に、本発明の第３実施形態による相変化冷却器、及び電子機器について、説明する。本実施形態の相変化冷却器は、第１実施形態の相変化冷却器の変形例である。第１実施形態と同様な要素については、同じ参照番号を付して、その詳細な説明を省略することとする。
図８（ａ）は本発明の第３実施形態に係る相変化冷却器の概念図であり、図８（ｂ）は図８（ａ）の相変化冷却器を実装した電子機器の概念図である。言い換えると、図８（ｂ）は本実施形態に係る相変化冷却器を搭載した電子機器のＸ−Ｙ断面の概念図である。図９（ａ）は図８（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の側面図であり、図９（ｂ）は図８（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の上面図であり、図９（ｃ）は図８（ｂ）の相変化冷却器の受熱部付近の他の側面図である。言い換えると、図９（ａ）〜図９（ｃ）は、本実施形態に係る相変化冷却器の受熱部付近の三面図である。本実施形態の相変化冷却器は、第１実施形態の相変化冷却器の変形例である。
（構成の説明）
本実施形態に係る構造は、第１実施形態の構造から受熱部３１０のＸ−Ｙ断面も、ほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形に変更したものである。また、蒸気管３３０は受熱部３１０のＹ−Ｚ平面及びＸ−Ｙ平面内での斜面に接続したものである。
本実施形態に係る構造は、第１実施形態の構造から受熱部３１０のＸ−Ｙ断面も、ほぼ（半）円形ないしはほぼ多角形に変更したものである。また、蒸気管３３０は受熱部３１０のＹ−Ｚ平面及びＸ−Ｙ平面内での斜面に接続したものである。
本実施形態に係る相変化冷却器３００は図８（ａ）に示すように、受熱部３１０と、放熱部３２０と、受熱部３１０及び放熱部３２０を環状に接続する蒸気管３３０及び液管３４０と、内部に封入される冷媒３５０と、を備える。そして図８（ａ）の相変化冷却器３００の受熱部３１０はベースとジャケットから構成されており、そのＹ−Ｚ断面がほぼ半円形、Ｘ−Ｙ断面がほぼ円形になっている。なお、受熱部３１０は中空になっており、内部に冷媒液３５１がプールされている。
本実施形態に係る電子機器１００は図８（ｂ）に示すように、図８（ａ）の相変化冷却器３００を含む。図８（ｂ）の電子機器１００は、搭載された発熱体、冷却ファン４００、をさらに備える。
受熱部３１０のジャケット３１２に設けられたＹ−Ｚ平面及びＸ−Ｙ平面内での斜面に蒸気管３３０が、側面に液管３４０がそれぞれ接続されている。また、蒸気管３３０の逆端は放熱部３２０の上方、液管３４０の逆端は放熱部３２０の下方にそれぞれ接続されており、環状の冷媒流路を形成している。なお、受熱部３１０からＹ軸方向に離れた位置に放熱部３２０が設置されるため、蒸気管３３０はＹ−Ｚ平面内で約４５度曲げられている。さらに、本実施形態の相変化冷却器３００では、受熱部３１０と放熱部３２０のＸ軸方向のサイズが異なるため、蒸気管３３０はＸ−Ｙ平面内でも約４５度曲げられている。ここで、蒸気管３３０は２ヶ所ではなく、１ヶ所で曲げられていることを特徴とする。
図８（ｂ）では冷却ファン４００を放熱部の風下側直近に３個設置しているが、設置位置や風向きや個数を制限するものではない。また、図９（ｃ）では発熱体２００を２個にしているが、個数を限定するものではなく、発熱体２００の取付け位置を限定するものでもない。
（動作の説明）
本実施形態に係る相変化冷却器３００の動作、発熱体２００の冷却、について説明する。電子機器１００を動作させると、電子機器１００に搭載された発熱体２００が発熱する。発熱体２００で発生した熱は受熱部３１０の受熱面３１１Ａに伝わり、ベース３１１を介して、伝熱面３１１Ｂ及びフィン等の構造３１１Ｃに拡がり、冷媒液３５１に伝わる。この時、冷媒液３５１は蒸発し、潜熱の形で熱を保持する。冷媒蒸気３５２は気液の密度差によって上方に移動し、蒸気管３３０を通って放熱部３２０に移動する。冷媒蒸気３５２は放熱部３２０で、冷却ファン４００から供給される冷却風４１０と熱交換を行い、潜熱を放出することで凝縮し、冷媒液３５１となる。冷媒液３５１は気液の密度差によって下方に移動し、液管３４０を通って受熱部３１０に再び戻ってくる。このように冷媒の気液相変化を用いた自然循環を繰り返すことで、発熱体２００で発生した熱を放熱し、冷却を行う。
本実施形態に係る相変化冷却器３００の動作、発熱体２００の冷却、について説明する。電子機器１００を動作させると、電子機器１００に搭載された発熱体２００が発熱する。発熱体２００で発生した熱は受熱部３１０の受熱面３１１Ａに伝わり、ベース３１１を介して、伝熱面３１１Ｂ及びフィン等の構造３１１Ｃに拡がり、冷媒液３５１に伝わる。この時、冷媒液３５１は蒸発し、潜熱の形で熱を保持する。冷媒蒸気３５２は気液の密度差によって上方に移動し、蒸気管３３０を通って放熱部３２０に移動する。冷媒蒸気３５２は放熱部３２０で、冷却ファン４００から供給される冷却風４１０と熱交換を行い、潜熱を放出することで凝縮し、冷媒液３５１となる。冷媒液３５１は気液の密度差によって下方に移動し、液管３４０を通って受熱部３１０に再び戻ってくる。このように冷媒の気液相変化を用いた自然循環を繰り返すことで、発熱体２００で発生した熱を放熱し、冷却を行う。
（効果の説明）
本実施形態の相変化冷却器３００では第１実施形態と同様に、受熱部３１０はほぼ半円形のＹ−Ｚ断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されている。より具体的には、本実施形態で蒸気管３３０を受熱部３１０のジャケット３１２の斜面に接続することで、その曲げ角度を、約４５度まで小さくしている。これにより、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０を通過する際の圧力損失を、背景技術のものに比べて、低減できる。
本実施形態の相変化冷却器３００では第１実施形態と同様に、受熱部３１０はほぼ半円形のＹ−Ｚ断面を持ち、蒸気管３３０は受熱部３１０の斜面に接続されている。より具体的には、本実施形態で蒸気管３３０を受熱部３１０のジャケット３１２の斜面に接続することで、その曲げ角度を、約４５度まで小さくしている。これにより、冷媒蒸気３５２が蒸気管３３０を通過する際の圧力損失を、背景技術のものに比べて、低減できる。
受熱部３１０と放熱部３２０のＸ軸方向のサイズが異なり、放熱部３２０の方が大きい場合がある。これは受熱部３１０が発熱体２００付近の狭い空間に設置されるのに対し、放熱部３２０は放熱面積を確保するために電子機器１００内の比較的広い空間に設置されるからである。
このような場合、蒸気管３３０側の側面を揃えて、液管３４０をＸ−Ｙ平面内で曲げて対応するのが一般的である。なぜならば、液管３４０内は冷媒蒸気３５２ではなく、より密度の大きい冷媒液３５１が流れているため、冷媒流速が遅くなっており、局所圧力損失係数が増えても大きな圧力損失増加に繋がらないからである。また、液管３４０は蒸気管３３０よりも配管径が小さくなっているので、加工しやすく、曲げ半径も小さくできるからである。
しかし、電子機器１００内の部品配置の制限から蒸気管３３０側の側面を揃えられない可能性が考えられる。このような場合、蒸気管３３０の形状で対応する必要があるが、背景技術の構造ではＹ−Ｚ平面内の約９０度の曲げだけでなく、Ｘ−Ｙ平面内でも追加で曲げることになり、圧力損失が増加するので、冷却性能が悪化する。また、比較的径の大きい配管を３次元的に複雑に曲げるので、製造工程が高難度化し、治具費や製造コストが増加してしまう。曲率と曲げ半径を考慮すると、冷却器のサイズが大きくなる可能性も考えらえる。
そこで、本実施形態のように受熱部３１０のＸ−Ｙ断面もほぼ円形にし、蒸気管３３０をＹ−Ｚ平面及びＸ−Ｙ平面内での斜面に接続する。これにより、蒸気管３３０をほぼ（Ｘ，Ｙ，Ｚ）＝（１，１，１）方向に出すことができ、曲げが１ヶ所で済むようになる。また、この時の曲げ角度も約４５度になるので、背景技術よりも圧力損失を小さくし、冷却性能を向上させることができる。
また、受熱部３１０のジャケット３１２の板材にかかる圧力がより分散されるので、耐圧性能をさらに向上させることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲に含まれることはいうまでもない。
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、上述した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。
この出願は、２０１６年３月３１日に出願された日本出願特願２０１６−７０１４７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
１００ 電子機器
２００ 発熱体
３００ 相変化冷却器
３１０ 受熱部
３１１ ベース
３１１Ａ 受熱面
３１１Ｂ 伝熱面
３１１Ｃ フィン等の構造
３１２ ジャケット
３２０ 放熱部
３３０ 蒸気管
３４０ 液管
３５０ 冷媒
３５１ 冷媒液
３５２ 冷媒蒸気
４００ 冷却ファン
４１０ 冷却風
２００ 発熱体
３００ 相変化冷却器
３１０ 受熱部
３１１ ベース
３１１Ａ 受熱面
３１１Ｂ 伝熱面
３１１Ｃ フィン等の構造
３１２ ジャケット
３２０ 放熱部
３３０ 蒸気管
３４０ 液管
３５０ 冷媒
３５１ 冷媒液
３５２ 冷媒蒸気
４００ 冷却ファン
４１０ 冷却風
Claims (5)
- 受熱部と、放熱部と、前記受熱部及び前記放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、内部に封入される冷媒と、を備え、
前記受熱部はほぼ半円形またはほぼ円形の断面を持ち、前記蒸気管は前記受熱部の斜面に接続されており、前記受熱部の斜面のうち、少なくとも前記蒸気管との接続部付近が平面になっている、相変化冷却器。 - ベース及びジャケットから構成される受熱部と、放熱部と、前記受熱部及び前記放熱部を環状に接続する蒸気管及び液管と、内部に封入される冷媒と、を備え、
前記受熱部は前記ベースの主平面を基準として前記ジャケットが凸状をなすほぼ多角形の断面を持ち、前記蒸気管は前記受熱部の斜面に接続されており、前記受熱部の斜面のうち、少なくとも前記蒸気管との接続部付近が平面になっている、相変化冷却器。 - 前記蒸気管は前記受熱部の斜面に対してほぼ垂直に接続されており、前記受熱部側の端部付近が鉛直方向に対して斜めになるように設置されている、請求項１又は請求項２のいずれか一項に記載の相変化冷却器。
- 前記蒸気管は前記放熱部の側面に対してほぼ垂直に接続され、かつ前記放熱部側の端部付近が鉛直方向に対してほぼ垂直に設置されており、前記蒸気管の曲げ角度が約９０度より小さくなっている、請求項３に記載の相変化冷却器。
- 請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の相変化冷却器を含む、電子機器。
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