JP7299441B1 - 沸騰式冷却器 - Google Patents
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Abstract
Description
上記第1の発明において、好ましくは、第2取付部において、冷媒ガスによって冷媒液の上端よりも上方へ持上げられた冷媒液によって、第2発熱体との熱交換が行われる。
また、上記目的を達成するために、第2の発明による沸騰式冷却器は、冷媒を収容する収容空間と、収容空間に繋がる冷媒ガス出口と、収容空間に繋がる冷媒液入口とを含み、発熱体との熱交換により、冷媒を沸騰させる沸騰部と、冷媒ガス出口および冷媒液入口に連通する冷媒通路と、冷媒通路と沸騰部との間に設けられ外部流体を流通させる外部通路とを有し、冷媒ガス出口から受け入れた冷媒ガスを外部流体との熱交換により凝縮させ、凝縮した冷媒液が冷媒液入口へ送られる凝縮部と、を備え、沸騰部は、発熱体が取り付けられる第1壁部と、収容空間を介して第1壁部と対向し、外部通路と隣接する第2壁部と、収容空間を通って第1壁部と第2壁部とを接続する熱伝導部とを有し、熱伝導部は、収容空間内の冷媒液入口の下端から冷媒ガス出口の上端まで、収容空間内で冷媒液入口から冷媒ガス出口に向かう方向に板状に延びるように設けられている。
図1~図6を参照して、第1実施形態による沸騰式冷却器100(以下、冷却器100という)の構成について説明する。冷却器100は、冷媒の気化と凝縮との相変化(潜熱)を利用して、発熱体HSからの熱を吸収して、外部に放熱する沸騰冷却方式による冷却器である。冷却器100は、冷媒の吸熱により発熱体HSを冷却する。吸熱により気化した冷媒ガスが、外部流体により冷却されることにより、凝縮して液相に戻る。本実施形態の冷却器100は、発熱体HSからの熱を後述する外部通路22まで熱伝導で移動させることにより、外部通路22を流通する外部流体2との熱交換によって発熱体HSからの熱を外部に放熱する機能をさらに備えている。
図1に示すように、冷却器100は、沸騰部10と、凝縮部20とを備えている。沸騰部10および凝縮部20の各々の内部には、冷媒1(図3参照)を収容するための空間(図3参照)が形成されている。冷却器100は、沸騰部10と、凝縮部20とによって、密閉された内部空間を有している。この密閉空間内に、冷媒1が収容されている。沸騰部10および凝縮部20は、たとえばアルミニウム(アルミニウム合金を含む)、銅(銅合金を含む)などの熱伝導性の高い金属材料により形成されている。
図2および図3に示すように、沸騰部10は、冷媒1(図3参照)を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含む。冷媒ガス出口12が収容空間11の上部に配置され、冷媒液入口13が収容空間11の下部に配置されている。沸騰部10は、発熱体HSとの熱交換により冷媒1を沸騰させるように構成されている。
図3に示すように、凝縮部20は、冷媒1を流通させる冷媒通路21と、外部流体2を流通させる外部通路22とを有する。冷媒通路21は、沸騰部10の冷媒ガス出口12および冷媒液入口13に連通している。凝縮部20は、冷媒ガス出口12から受け入れた冷媒ガス1aを外部流体2との熱交換により凝縮させるように構成されている。冷媒通路21において、凝縮した冷媒液1bが冷媒液入口13へ送られる。
図7に示すように、第1層40は、冷媒通路21と、冷媒通路21と連通する冷媒ガス入口部41と、冷媒通路21と連通する冷媒液出口部42と、を含む。第1層40(冷媒通路21)は、冷媒通路21と外部通路22とを仕切る仕切板43と、冷媒通路21の外周部を区画する周壁44(図2参照)とにより区画されている。図2に示すように、仕切板43の上端近傍には、冷媒ガス入口部41と接続通路51とを連通させる貫通孔43aが形成されている。仕切板43の下端近傍には、冷媒液出口部42と接続通路52とを連通させる貫通孔43bが形成されている。
図7に示すように、第2層50は、外部通路22と、冷媒ガス分配路23を構成する上側の接続通路51と、冷媒液集合路24を構成する下側の接続通路52と、を含む。
次に、冷却器100の動作を説明する。パワーモジュールである発熱体HSの動作に伴い、発熱体HSが発熱する。発熱体HSの冷却時には、冷却器100の外部に設置される送風機(図示せず)によって外部通路22に外部流体2としての空気が送り込まれる。
第1実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
次に、図8~図11を参照して、本発明の第2実施形態による沸騰式冷却器200(以下、冷却器200という)の構成について説明する。第2実施形態では、沸騰部10の熱伝導部19が収容空間11を仕切る仕切壁により構成された上記第1実施形態とは異なり、熱伝導部19がコルゲートフィン160(図9参照)により構成された例について説明する。
第2実施形態では、上記第1実施形態と同様に、沸騰部10が冷媒1を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含むので、冷媒ガス1aによって冷媒液1bの移動が阻害されることを抑制できる。さらに、沸騰部10が、発熱体HSが取り付けられる第1壁部14と、収容空間11を介して第1壁部14と対向し、外部通路22と隣接する第2壁部15と、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19とを有するので、発熱体HSから第1壁部14に加えられる熱を、熱伝導部19を通じた熱伝導により第2壁部15まで移動させて、第2壁部15と隣接する外部通路22を流れる外部流体2へ直接(冷媒1を介さずに)放出することができるとともに、収容空間11内の冷媒ガス1aの一部を凝縮させて、沸騰部10の内表面で冷媒1が乾くことを抑制する効果が得られる。これらの結果、外部流体2の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
次に、図12~図13を参照して、本発明の第3実施形態による沸騰式冷却器300(以下、冷却器300という)の構成について説明する。第3実施形態では、Z方向において凝縮部20が沸騰部10の全体に亘って設けられる上記第1実施形態とは異なり、Z方向において凝縮部220が沸騰部10の上側の一部に設けられる例について説明する。
第3実施形態では、上記第1実施形態と同様に、沸騰部10が冷媒1を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含むので、冷媒ガス1aによって冷媒液1bの移動が阻害されることを抑制できる。さらに、沸騰部10が、発熱体HSが取り付けられる第1壁部14と、収容空間11を介して第1壁部14と対向し、外部通路22と隣接する第2壁部15と、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19とを有するので、発熱体HSから第1壁部14に加えられる熱を、熱伝導部19を通じた熱伝導により第2壁部15まで移動させて、第2壁部15と隣接する外部通路22を流れる外部流体2へ直接(冷媒1を介さずに)放出することができるとともに、収容空間11内の冷媒ガス1aの一部を凝縮させて、沸騰部10の内表面で冷媒1が乾くことを抑制する効果が得られる。これらの結果、外部流体2の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
次に、第1~第3実施形態の冷却器の効果を確認するための実験結果について説明する。
実施例では、第1実施形態の冷却器100、第2実施形態の冷却器200、第3実施形態の冷却器300のそれぞれについて、試験用の発熱体HSを取り付けて加熱した状況での冷却性能の測定を行った。その際、凝縮部20の外部通路22に対して所定風量で送風した。発熱体HSの取付面(第1壁部14の外表面14a)の表面温度と、沸騰部10の収容空間11内の冷媒温度とを測定し、冷却性能の指標として、測定された表面温度と冷媒温度との温度差ΔTを求めた。温度差ΔTが小さいほど沸騰部10の冷却性能が高いことを示す。
(条件1)取付部P1~P6の6つの発熱体HSにより加熱する。
(条件2)上側の取付部P4~P6の3つの発熱体HSだけで加熱し、下側の取付部P1~P3は加熱しない。
そして、条件1について、冷媒1の液面1cから最も離れた最上部の取付部P6における温度差ΔTと、下側の3つの取付部P1~P3における温度差ΔTの最高値と、を取得した。条件2について、冷媒1の液面1cから最も離れた最上部の取付部P6における温度差ΔTを取得した。温度測定の際、各発熱体HSの発熱量(発熱密度[W/cm2])を段階的に変化させ、それぞれの発熱量における温度差ΔTを取得した。
図14~図16は、それぞれ第1実施形態の冷却器100、第2実施形態の冷却器200、第3実施形態の冷却器300の冷却性能の測定結果を示すグラフである。
次に、図17~図20を参照して、本発明の第4実施形態による沸騰式冷却器400(以下、冷却器400という)の構成について説明する。第4実施形態では、上記第3実施形態の構成に加えて、沸騰部410の収容空間11内に、冷媒ガス出口12と連通する第1通路部411a(図19参照)と冷媒液入口13と連通する第2通路部411b(図19参照)とを設けた例について説明する。
第4実施形態では、上記第1実施形態と同様に、沸騰部410が冷媒1を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含むので、冷媒ガス1aによって冷媒液1bの移動が阻害されることを抑制できる。さらに、沸騰部410が、発熱体HSが取り付けられる第1壁部14と、収容空間11を介して第1壁部14と対向し、外部通路22と隣接する第2壁部15と、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19とを有するので、外部流体2の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
次に、図21~図25を参照して、本発明の第5実施形態による沸騰式冷却器500(以下、冷却器500という)の構成について説明する。第5実施形態では、上記第1~第4実施形態とは、凝縮部520における冷媒通路521および外部通路522の向きが異なる例について説明する。なお、第5実施形態では、上記した各実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
第5実施形態では、上記第1実施形態と同様に、沸騰部510が冷媒1を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含むので、冷媒ガス1aによって冷媒液1bの移動が阻害されることを抑制できる。さらに、沸騰部510が、発熱体HSが取り付けられる第1壁部14と、収容空間11を介して第1壁部14と対向し、外部通路522と隣接する第2壁部15と、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19とを有するので、外部流体2の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
次に、図26~図29を参照して、本発明の第6実施形態による沸騰式冷却器600(以下、冷却器600という)の構成について説明する。第6実施形態では、上記第4実施形態に示した沸騰部410の構成と、上記第5実施形態に示した凝縮部520の構成とを、組み合わせた例について説明する。なお、第6実施形態では、上記した各実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
第6実施形態では、上記第1実施形態と同様に、沸騰部610が冷媒1を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含むので、冷媒ガス1aによって冷媒液1bの移動が阻害されることを抑制できる。さらに、沸騰部610が、発熱体HSが取り付けられる第1壁部14と、収容空間11を介して第1壁部14と対向し、外部通路622と隣接する第2壁部15と、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19とを有するので、外部流体2の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
次に、図30~図32を参照して、本発明の第7実施形態による沸騰式冷却器700(以下、冷却器700という)の構成について説明する。上記第6実施形態では、Z方向に延びる外部通路622が凝縮部620に設けられた構造であって、沸騰部610と凝縮部620とがY方向に積層される一方で、凝縮部620内の第1層40(冷媒通路621)と第2層50(外部通路622)とがX方向の積層構造を有する冷却器600の例を示したが、この第7実施形態では、Z方向に延びる外部通路722が設けられた構造であって、沸騰部710と凝縮部720との積層方向と、凝縮部720内の第1層40(冷媒通路721)と第2層50(外部通路722)との積層方向と、を一致させた例について説明する。なお、第7実施形態では、上記した各実施形態と同様の構成については、同一の符号を用いるとともに説明を省略する。
第7実施形態では、上記第1実施形態と同様に、沸騰部710が冷媒1を収容する収容空間11と、収容空間11に繋がる冷媒ガス出口12と、収容空間11に繋がる冷媒液入口13とを含むので、冷媒ガス1aによって冷媒液1bの移動が阻害されることを抑制できる。さらに、沸騰部710が、発熱体HSが取り付けられる第1壁部14と、収容空間11を介して第1壁部14と対向し、外部通路722と隣接する第2壁部15と、収容空間11を通って第1壁部14と第2壁部15とを接続する熱伝導部19とを有するので、外部流体2の低温時であっても、入熱量の増大による冷却性能の急激な低下を抑制することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更(変形例)が含まれる。
1a 冷媒ガス
1b 冷媒液
1c 液面
2 外部流体
10、110、410、510、610、710 沸騰部
11 収容空間
12 冷媒ガス出口
13 冷媒液入口
14 第1壁部
15 第2壁部
19 熱伝導部
20、220、520、620、720 凝縮部
21、521、621、721 冷媒通路
22、522、622、722 外部通路
31 第1取付部
32 第2取付部
40 第1層
43 仕切板
44 周壁
45、545 コルゲートフィン
50 第2層
55、555 コルゲートフィン
100、200、300、400、500、600、700 冷却器(沸騰式冷却器)
160 コルゲートフィン
HS 発熱体
Claims (12)
- 冷媒を収容する収容空間と、前記収容空間に繋がる冷媒ガス出口と、前記収容空間に繋がる冷媒液入口とを含み、発熱体との熱交換により、前記冷媒を沸騰させる沸騰部と、
前記冷媒ガス出口および前記冷媒液入口に連通する冷媒通路と、前記冷媒通路と前記沸騰部との間に設けられ外部流体を流通させる外部通路とを有し、前記冷媒ガス出口から受け入れた冷媒ガスを前記外部流体との熱交換により凝縮させ、凝縮した冷媒液が前記冷媒液入口へ送られる凝縮部と、を備え、
前記沸騰部は、前記発熱体が取り付けられる第1壁部と、前記収容空間を介して前記第1壁部と対向し、前記外部通路と隣接する第2壁部と、前記収容空間を通って前記第1壁部と前記第2壁部とを接続する熱伝導部とを有し、
前記冷媒ガス出口が前記収容空間の上部に配置され、前記冷媒液入口が前記収容空間の下部に配置され、
前記収容空間には、前記発熱体からの入熱がない室温下の非稼働状態において、前記冷媒ガス出口と前記冷媒液入口との間の高さ位置に前記冷媒液の上端が位置するように前記冷媒が収容されており、
前記第1壁部の外面には、前記非稼働状態における前記冷媒液の前記上端よりも下方に位置し第1発熱体が取り付けられる第1取付部と、前記非稼働状態における前記冷媒液の前記上端よりも上方に位置し第2発熱体が取り付けられる第2取付部と、が設けられており、
前記熱伝導部は、前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向において、前記冷媒液の前記上端よりも下方の第1熱伝導部分と、前記冷媒液の前記上端よりも上方の第2熱伝導部分とを有し、
前記第1熱伝導部分は、前記第1壁部を介して前記第1取付部と対向しており、
前記第2熱伝導部分は、前記第1壁部を介して前記第2取付部と対向している、沸騰式冷却器。 - 前記第2取付部において、前記冷媒ガスによって前記冷媒液の前記上端よりも上方へ持上げられた前記冷媒液によって、前記第2発熱体との熱交換が行われる、請求項1に記載の沸騰式冷却器。
- 前記熱伝導部は、前記収容空間内で前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向に延びるとともに、前記収容空間に複数設けられている、請求項1に記載の沸騰式冷却器。
- 前記熱伝導部は、前記収容空間内に設けられた仕切壁により構成されている、請求項3に記載の沸騰式冷却器。
- 前記熱伝導部は、前記収容空間内に設けられたコルゲートフィンにより構成されている、請求項3に記載の沸騰式冷却器。
- 前記熱伝導部は、前記収容空間内の前記冷媒ガス出口から前記冷媒液入口までに亘って設けられている、請求項1に記載の沸騰式冷却器。
- 前記冷媒通路は、前記冷媒通路と前記外部通路とを仕切る仕切板と、前記冷媒通路の外周部を区画する周壁とを含み、かつ、前記冷媒通路の内部に前記仕切板および前記周壁と一体化されたコルゲートフィンを含む、請求項1に記載の沸騰式冷却器。
- 前記凝縮部は、前記冷媒通路を構成する平板状の第1層と、前記冷媒通路と前記沸騰部とを連通させる接続通路と前記外部通路とを含む平板状の第2層と、が積層された構造を有し、
前記凝縮部が前記沸騰部の前記第2壁部に積層されるとともに前記沸騰部と一体化されている、請求項1に記載の沸騰式冷却器。 - 前記熱伝導部は、前記収容空間内で前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向に延びるとともに、前記収容空間を複数の通路部に区画するように構成され、
前記複数の通路部は、
前記発熱体の配置領域と前記第1壁部を介して重なる位置に配置され、前記冷媒ガス出口と連通する第1通路部と、
前記第1通路部と隣接し、前記冷媒液入口と連通する第2通路部と、を含み、
前記第1通路部の下部と前記第2通路部の下部とは互いに連通している、請求項1に記載の沸騰式冷却器。 - 前記冷媒液入口は、前記第1通路部には開口せずに前記第2通路部に開口する位置に設けられている、請求項9に記載の沸騰式冷却器。
- 前記凝縮部は、複数の前記冷媒通路を含み、
前記熱伝導部は、前記収容空間内で前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向に延びるとともに、前記収容空間を複数の通路部に区画するように構成され、
前記沸騰部の前記収容空間の一部、または、前記沸騰部の前記第2壁部に設けられ、複数の前記冷媒通路の各々と前記複数の通路部の各々とを相互に連通させる分配部をさらに備える、請求項1に記載の沸騰式冷却器。 - 冷媒を収容する収容空間と、前記収容空間に繋がる冷媒ガス出口と、前記収容空間に繋がる冷媒液入口とを含み、発熱体との熱交換により、前記冷媒を沸騰させる沸騰部と、
前記冷媒ガス出口および前記冷媒液入口に連通する冷媒通路と、前記冷媒通路と前記沸騰部との間に設けられ外部流体を流通させる外部通路とを有し、前記冷媒ガス出口から受け入れた冷媒ガスを前記外部流体との熱交換により凝縮させ、凝縮した冷媒液が前記冷媒液入口へ送られる凝縮部と、を備え、
前記沸騰部は、前記発熱体が取り付けられる第1壁部と、前記収容空間を介して前記第1壁部と対向し、前記外部通路と隣接する第2壁部と、前記収容空間を通って前記第1壁部と前記第2壁部とを接続する熱伝導部とを有し、
前記熱伝導部は、前記収容空間内の前記冷媒液入口の下端から前記冷媒ガス出口の上端まで、前記収容空間内で前記冷媒液入口から前記冷媒ガス出口に向かう方向に板状に延びるように設けられている、沸騰式冷却器。
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