JPH11502300A - エレクトロニクス用の冷却系統 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、蒸発器および凝縮器を含むとともに冷媒の熱対流循環を利用する密封された閉じたパイプ回路を有し、蒸発器が冷却すべき放熱部材と伝熱接触されて熱を該部材から吸収し、その熱が冷媒によりパイプ回路を通って凝縮器へ送られて凝縮器内にて消散される、特にエレクトロニクス部材を冷却するための冷却系統に関する。本発明によれば、パイプ回路（３）は複数の直列に連結された蒸発器（１ａ，１ｂ，１ｃ）を含み、各々の蒸発器は放熱部材と伝熱接触され、また凝縮された冷媒の液体レベルがパイプ回路（３）の最上位置の蒸発器（１ｃ）より下方となるように凝縮器（２）が位置される。これは、直列連結された蒸発器（１ａ，１ｂ，１ｃ）によって達成される、パイプ回路（３）に使用された冷媒を蒸発器が部分的に蒸発させた後の循環方向における向上されたポンピング作用によって可能とされる。

Description

【発明の詳細な説明】 エレクトロニクス用の冷却系統 技術分野 本発明は冷却系統に係わり、さらに詳しくはこの系統に使用される冷媒を循環 させるために熱対流作用を利用した、電子部材を冷却するための系統に関する。 この系統は、蒸発器および凝縮器を含む密封された閉パイプ回路を含み、蒸発器 は冷却されて熱を奪われるように放熱部材と伝熱接触されており、熱はパイプ回 路を通る冷媒により凝縮器へ運ばれて、そこで消散される。 従来技術の説明 基本的に熱対流回路は蒸発器および凝縮器を含み、これらの蒸発器および凝縮 器は一つのパイプ回路に組み入れられる。この回路は密封されており、また意図 する目的に好適なクーラントすなわち冷媒を充填されている。この回路を機能さ せるために、凝縮器は蒸発器より多少上方に配置されることが必要である。熱が 蒸発器に導かれると、冷媒の一部分が沸騰し、液体およびガスの混合物が凝縮器 へと上昇する。冷媒は凝縮器内部で凝縮し、熱が解放される。このようにして形 成された液体はその後に自重によって蒸発器へ戻る。 熱が僅かな熱損失のもとで長い距離にわたって運ばれることのできる限りにお いては、熱対流回路は通常は非常に有効な熱の移送装置である。それ故に熱対流 回路は様々な冷却目的に関して有利に使用できる。さらに、蒸発器および凝縮器 の設計において一般にかなりの自由度がある。しかしながら、電子部材の冷却と いう点においては、冷却すべきそれらの電子部材は一般に非常に小さく、このこ とは蒸発器も小型にしなければならないことを意味する。使用される外部冷却媒 体は一般に空気であり、このことは凝縮器が広い外部表面積を有していなければ ならないことを意味する。それ故に、これらのことから熱対流回路は表面積を非 常に大きく拡大できるようにする装置であり、さらにこの表面積の拡大は熱源か ら長い距離を隔てて配置できる装置であると言うことができる。 これらの熱対流回路の欠点の一つは、凝縮器が常に蒸発器より高い位置に配置 されねばならないことである。非常に多数の高密度にパッケージングされた部材 を含み、その幾つかが冷却されねばならないような今日の電子装置においては、 それらの放熱部材が個々に蒸発器を凝縮器と組合わせて必要とするので、冷却は 困難となる。パイプ回路を形成するパイプの配置、また凝縮器の適当な配置の上 でも困難となる。 発明の概要 本発明の目的は、複雑なパイプの配置を必要とせず、凝縮器の配置がこの形式 の周知の先行装置ほど制約を受けないような冷却系統を提供することにより、既 存の熱対流回路の欠点を回避することである。この目的は、請求の範囲に記載す る特徴を有す冷却系統を備えることで達成される。 本発明は、一つ以上の蒸発器が使用される場合には、それらの蒸発器を直列に 連結して、それらの一つ以上の蒸発器を凝縮器の液体レベル位置よりも上方に配 置できるようにポンピング（揚液）作用を行うようにさせることができるという 概念を基本としている。これは凝縮器の配置に関しての自由度を著しく増大する 。電子部材の冷却に関しては、互いに異なる高さに配置された多数の部材が付加 的な冷却形態を一般に要求すると考えられる。ガスに含まれて流され、蒸発器内 部で沸騰される液体は、幾つかの例では機能を改善することができる一方、他の 例ではその液体が問題を引き起こしかねない。しかしながらこの二相混合物の液 体成分は、適当な設計の蒸発器構造によって非常に広い範囲で調整されることが できる。 本発明はその好ましい実施例を参照して、また添付図面を参照して、以下にさ らに詳細に説明される。 図面の簡単な説明 図１は、周知の熱対流回路の基本を図示する図面である。 図２は、本発明の熱対流回路の基本を図示する図面である。 図３は、本発明の熱対流回路に使用された一つの蒸発器の側面図であり、その 蒸発器の二つの異なる断面図も示している。 図４は、いわゆるマルチチップ・モジュールにおける本発明の熱対流回路の使 用の実施例を示している。 好ましい実施例の詳細な説明 図１は蒸発器１および凝縮器２を含み、これらの蒸発器および凝縮器が一つの パイプ回路３に組み込まれた熱対流回路の基本を概略的に示している。この回路 は密封されており、意図する目的に適当な冷媒を充填されている。熱が蒸発器１ に伝えられると、冷媒の一部分は沸騰し、液体およびガスの混合物が凝縮器２へ 向かってパイプ回路３を上昇する。この冷媒は凝縮器２で凝縮され、熱が解放さ れる。このようにして形成された液体はその後自重によって蒸発器へ戻る。熱の 移送が図１において大きな矢印で概略的に示されており、冷媒の循環は小さな矢 印で示されている。この回路を機能させるためには、凝縮器の液体レベルを蒸発 器より多少高くしなければならない。 図２は本発明の熱対流系統の原理を概略的に示している。複数の蒸発器１ａ， １ｂ・・・をパイプ回路３において直列に連結することで、そのパイプ回路に使 用される冷媒のポンピング作用が高められるので、凝縮器２の内部の凝縮された 液体冷媒のレベルが図面で明かとなるようにパイプ回路における最も高所の蒸発 器１ｃよりも下方に位置するように、凝縮器２を配置することができる。この理 由は、凝縮器２を出る液体の固有の重量すなわち自重（dead weight）が下部の 蒸発器１ａを出る二相混合物の固有の重量すなわち自重よりも格段に大きいから である。二相混合物はそれによって上方へ向かって駆動され、それに含まれる液 体は上側蒸発器１ｂ・・の内部の液体を蒸発させるのに使用できる。このポンピ ング作用の原理はエアーリフトポンプという名称で文献において周知である。 この点において、この機能は蒸発器で沸騰するガスに含まれた液体によって改 善される。二相混合物の液体含有量は駆動高さ、パイプ形および蒸発器の設計を 適当に選定することで広い範囲で調整できる。実際の試験は、伝熱改善因子の一 つは、高い圧力と狭い通路との組合わせであることを示している。伝熱係数は沸 騰媒体が使用される他の場合における通常値よりも５〜１０倍も高い係数を有す るものが測定された。 図３は蒸発器１の構造を示している。金属製本体４は入口室５および出口室６ を含んでおり、これらの室はミリメートル径の寸法を有する多数の狭い通路７に よって相互に連結されている。この構造は、それらの通路の全外皮面積が金属製 本体の前面よりも格段に大きくなるように作ることができる。伝熱はある例では このようにして著しく改善されることができる。 本発明の冷却系統は、いわゆるマルチチップ・モジュールに関して特に用途が ある。マルチチップ・モジュールは一般に一つ以上のマイクロ回路を含むカプセ ルを構成すると言うことができる。最近のエレクトロニクスでは、これらのモジ ュールはしばしば切手の大きさから手のひらの大きさまでの様々な寸法の小さな 回路基板の形態をしている。マルチチップ・モジュールで与えられる利点の一つ は、マルチ回路が互いに接近して配置でき、また速い信号速度を使用できること である。マルチチップ・モジュールの欠点の一つは、冷却問題を解決するのに困 難なことである。 マルチチップ・モジュールはしばしば非常にたくさんの電気的連結部を有して おり、それ故にそのモジュールが使用される回路基板と平行に取付けられねばな らない。この結果、マルチチップ・モジュールの一つの側面だけが空気で冷却す るように使用でき、これが重大な問題を与える。キャリヤ（carrier）側から冷 却が行われるならば、この側は熱の良導体でなければならず、マイクロ回路もキ ャリヤに対して効率的に熱的に連結されねばならない。マイクロ回路側から冷却 が行われるならば、それらの部材の担持面は下方へ向けられねばならず、少なく とも実際例におけるほとんどの場合に、冷却本体は異なる高さ位置で回路に連結 されるようになされねばならない。このようにして構造上の自由度を著しく制約 する問題がいずれの場合にも生じるのである。 それ故に本発明の熱対流回路で達成することのできる両側冷却が満足できる利 点を与えるのである。この原理は図４に示されている。マルチチップ・モジュー ル８は回路基板９と平行に取付けられる。マルチチップ・モジュール８のキャリ ヤ側にはフィン付きクーラー１０が配置され、凝縮器２はクーラーの底部プレー ト１１に一体構成されている。凝縮器は、意図した目的に最適な横断面積を有す る複数の垂直通路またはチャンネルを含んで構成されている。この熱対流回路の 蒸発器１ａ，１ｂはマルチチップ・モジュール８のマイクロ回路側に配置されて おり、また最大限の出力損失を有するこれらのマイクロ回路に取付けられている 。この連結系統は図２を参照して上述で説明したのと同じように作動する。 凝縮器および最下蒸発器の内部の液体レベルの間の数センチメートルの高さの 差によるだけで、熱対流回路における循環を駆動することは完全に可能である。 液体は、上述したような直列式の連結で達成されるポンピング作用により、残り の蒸発器へ給送されることができる。それ故に、凝縮器内の液体レベルは低く維 持され、これにより凝縮器の表面が有効に使用されることになる。 本発明は、先に記述し、また図示した本発明の実施例に制限されることはなく 、また以下の請求の範囲の欄に記載した範囲内で変更することのできることが理 解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，Ｓ Ｄ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．蒸発器および凝縮器を含む密封状に閉じたパイプ回路であって、該回路に 用いる冷媒すなわちクーラントが熱対流作用によって駆動されるパイプ回路を有 し、蒸発器は冷却すべき放熱部材と伝熱接触されて熱を該部材から吸収し、その 熱が冷媒によりパイプ回路を通って凝縮器へ送られて凝縮器内にて消散される、 特にエレクトロニクス部材を冷却するための冷却系統であって、パイプ回路（３ ）が複数の直列に連結された蒸発器（１ａ，１ｂ，１ｃ）を含み、各々の蒸発器 はそれぞれの放熱部材と伝熱接触されており、蒸発器（１ａ，１ｂ，１ｃ）は一 緒になってそれらの蒸発器の下流側におけるパイプ回路（３）に使用された部分 蒸発された冷媒のポンピング作用を向上させること、また凝縮された冷媒の液体 レベルがパイプ回路（３）の最上位置の蒸発器（１ｃ）より下方となるように凝 縮器（２）が位置され、これは直列連結された蒸発器（１ａ，１ｂ，１ｃ）で達 成される向上されたポンピング作用によって可能とされたことを特徴とする冷却 系統。 ２．請求の範囲第１項に記載の冷却系統であって、各々の蒸発器（１ａ，１ｂ ，１ｃ）が伝熱本体（４）で構成され、この伝熱本体はそれに形成されてパイプ 回路（３）に連結されている入口室（５）および出口室（６）の間に多数の狭く 互いに平行な通路（７）を有することを特徴とする冷却系統。 ３．組合わされた回路基板（９）にマイクロ回路側を向けたマルチチップ・モ ジュール（８）用の請求の範囲第１項に記載の冷却系統であって、前記マルチチ ップ・モジュールにおいては蒸発器（１ａ，１ｂ）がマルチチップ・モジュール （８）の放熱部材上に配置され、また凝縮器（２）はそのキャリヤ側にてマルチ チップ・モジュールの外部に配置されていることを特徴とする冷却系統。 ４．請求の範囲第３項に記載の冷却系統であって、凝縮器（２）が冷却フィン （１０）を含み、該フィンはマルチチップ・モジュールから外方へ向かって延在 していることを特徴とする冷却系統。 ５．請求の範囲第４項に記載の冷却系統であって、凝縮器（２）が底部プレー ト（１１）に一体構成された垂直冷媒通路を有するフィン付きクーラー（１０） の形態であることを特徴とする冷却系統。