JPWO2009063703A1 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

重力方向依存性を上下左右において排除した構造を有する沸騰冷却器を提供する。吸熱部と放熱部が一体形成され、内蔵された冷媒が気化／凝縮を繰り返して熱を伝える沸騰冷却装置であって、前記吸熱部には、発熱体が設置された吸熱面から垂直方向に多孔質体が設置されている。

Description

本発明は、沸騰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。

半導体や電子機器で発生する大量の熱を伝えるために、半導体外部に高い熱伝導率を持つ材料を接着し、吸熱器としてその内部に冷媒を流すことにより、高い冷却性能を得ようとする方法が開発されている。

吸熱器で冷媒を沸騰させることで、より高い冷却効果を得ようとする方法も開発されている。

冷媒が奪った熱を外部に放出するためには、冷媒を吸熱部と放熱部のあいだで循環させる必要があるが、一般的にはポンプが用いられている。

沸騰冷却器の場合、発生する蒸気と液体の密度差により、蒸気が重力方向に対して上部に集まる原理を利用して、冷却器下部に吸熱部、上部に放熱部を設置することで、ポンプを必要としない、サーマルサイフォン式冷却構造も提案されている。

例えば特許文献１や特許文献２に示される構造がこれにあたる。

特許文献１では、車両に搭載された電子機器の冷却のためのサイフォン式沸騰冷却器として提案されているが、ポンプが要らないほかに、吸熱部と放熱部を比較的一体で形成することが出来ることを特徴としている。

ただ、提案されている構造では小型化するだけで、デスクトップ型の電子機器に搭載することができない。

機器の設置方向によって冷却器が機能しない方向があるため、重力方向に依存した冷却器である。

また、ポンプを使用する方式では、冷媒が吸熱部内部を速度を持って通過することにより得られる、強制対流効果を相乗効果として期待できるが、特許文献１ではこの効果をポンプを使用せずに得るための構造は提案されていない。

特許文献２では、吸熱部と放熱部を離れた位置に設置しながらも、重力方向上部に放熱部、下部に吸熱部を配することで、サイフォン式、ポンプレスの沸騰冷却器を提案されている。

両部は管でつながれ、吸熱部から放熱部に向かう蒸気管を太くし、放熱部の上部に接続し、放熱部から吸熱部に帰る液用の管を細くし、放熱部下部に接続していることを特徴としている。

ただ、特許文献１と同様に、重力方向が変わると機能しなくなる。

特許文献３でも、放熱部を上部に受熱部を下部に配した構造を提案しているため、動作時は重力方向にあわせて設置する必要があり、重力方向依存性を極力解消する必要がある電子機器には応用が出来ない。

さらに配管用のパイプが上下に屈曲されて配されていることにより、万が一蒸気が混入した場合の排除方法については検討がされていない。

特許文献４では、ノート型ＰＣのスクリーン側での放熱部にサイフォン方式で冷媒の対流を促す構造を提案している。

吸熱から放熱部までは、ヒートパイプを用いることで、ノート型ＰＣのヒンジ部を熱的に接続しつつ可動性を保っている。

性能としては、吸熱部からヒートパイプ、ヒートパイプから放熱部へとの熱抵抗がかさむ恐れがあり、放熱部の気液相の温度は冷却部品の温度と大きな温度差を生じる可能性があり、その結果沸騰の効果を理想的なまでには実現できていない。

さらに、放熱部での気液の対流はあくまでも、密度差に依存したもので、強制対流の効果を得ようとする構造として検討されていない。

ヒートパイプの接続部は放熱部に向かって左下部に設けられているため、ＰＣ右側が重力方向に対して上方に向いた角度で使用した場合でも、期待する性能を維持することが出来ると考えられるが、熱源が上に来てしまうＰＣ左向きの場合はその反対で同様の性能は出ないと考えられる。

特許文献５では、放熱用ラジエータを吸熱部の上方に構築することで、吸熱部で発生する蒸気を冷却し、凝縮し、吸熱部に戻す全体構造が提案されている。

両部をパイプなどでつなげる構造と比較して効果的であることをうたっているものの、吸熱部に戻る液体を利用して、強制対流効果を狙うことは検討されていない。

吸熱部においては「ピラミッド型フィン」を形成することにより沸騰促進効果を狙っているが、その構造からも強制対流を利用しないプール沸騰式に沸騰を促進することにより伝熱性能を最適化することを検討している。

あくまでも吸熱部を重力下部に配して使用する、重力方向依存型の沸騰冷却器である。

特許文献６では、吸熱部と放熱部をパイプで接続し、冷媒の循環を促すためにヒーターで冷媒を気化させその蒸気圧を利用することにより、冷媒を押し流す熱パルスを利用した方法を提案されている。

冷媒をより強制的に循環させる構造を提案することにより、それを重力方向に依存するこれまでの冷却器に比較すると、一見優位性があるように見える。

熱力学第二法則の観点からすると、熱を利用して動力を得ようとするこの方法は、電力がすでに供給されていることを考えると、非常に非効率的であるといわざるをえない。

さらに、熱パルス発生のための電気回路や、圧力を維持するためのチェックバルブなどをひつようとすることから、従来型のポンプを使用する方法に比較して高価なシステムなることが容易に想像でき、産業上の優位性があるとは考えにくい。

特許文献７では、ウィックを利用することで、重力方向上部に吸熱部が配された場合にも冷媒供給を可能にする構造を提案されている。

発熱体が設置された吸熱面に沿って冷媒供給が行えるように、ウィックを配することで、発熱体が重力方向に対して鉛直な面に設置された場合でも、吸熱面が重力方向上部に設置された場合でも、性能が維持できるとしてウィックを設置している。

ウィックは吸熱面などと一体的に形成されているとあるが、その具体的な方法については記述がなく、ウィック自体の構造や物性についても記述がない。

また、表面張力を利用して液の重力に反して吸引する場合、その限界高さは液の物性とウィックの構造に依存するが、それらについての具体的記述がなく、さらに冷却器のサイズなどに関する記述もなく具体性に欠ける。
特開２００１−２６８９４３号公報 特開２００２−１６８５４７号公報 特開２００５−１９５２２６号公報 特開２０００−０２２３７６号公報 特開２００４−０５６１２１号公報 特開２００６−２３７１８８号公報 特開２００５−２６８６５８号公報

また、上述した沸騰冷却器は、近年開発が進んでいるが、いずれも動作時の重力方向は限定されているか、具体性のある提案はされていないのが現状である。

その結果、実際にデスクトップ型ＰＣのように縦置きもしくは横置きの使用に耐えられるような冷却器の構造は発明されていない。

そこで、多孔質体を利用する具体的な構造を提案することで、液供給のための構造と冷却性能に関わる液供給能力の関連性を明らかにした沸騰冷却器の提案が必要である。

本発明は、重力方向依存性を上下左右において排除した構造を有する沸騰冷却器を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明にかかる第１の沸騰冷却装置は、吸熱部と放熱部が一体形成され、内蔵された冷媒が気化／凝縮を繰り返して熱を伝える沸騰冷却装置であって、前記吸熱部には、発熱体が設置された吸熱面から垂直方向に多孔質体が設置されていることを特徴とする。

本発明によれば、重力方向依存性を上下左右において排除した構造を有し、吸熱部と発熱体の接続部が重力に対して垂直方向にある動作環境、さらに吸熱部が発熱体の上部に接続した状態での動作環境において沸騰冷却の信頼性を確保することが出来る沸騰冷却器を提供可能とする。

本発明の目的は、沸騰冷却器でありながら、重力方向依存性を上下左右において排除した構造を有する提供することにある。

これにより、吸熱部と発熱体の接続部が重力に対して垂直方向にある動作環境（横向き動作）、さらに吸熱部が発熱体の上部に接続した状態での動作環境（下向き動作）において沸騰冷却の信頼性を確保することが出来る。

また、本発明にかかる沸騰冷却器は、液の循環には熱サイフォン式に気液相が流れる原理に加え、多孔質体を用いて吸熱部に冷媒液相を供給する原理を併用することで、ポンプを必要としない方式を実現する。

本発明にかかる沸騰冷却器の吸熱部は、放熱部との一体構造とし、冷媒が内蔵されている。冷媒液相は吸熱部で沸騰蒸発し発熱体からの熱を奪う一方、発生する蒸気は放熱部で冷却され凝縮液化する。

重力方向下部に溜まる液相は、冷媒の浸透圧を利用できるように形成された多孔質体を通り吸熱部へと送られる。

下向き動作においても冷却性能を維持できるように、発熱体設置面に対して垂直に多孔質体を設置することで、必要な流量を得ることが出来るようにする。

冷却器内部の冷媒循環経路の外側は冷却用空気の通風路とすることで、効率的な空気への放熱を行う。

（浸透速度）
ここで、多孔質体内部の液の浸透速度ｕは、以下のように表される。

ここで、Ｋは多孔質体のPermeability、ｍは冷媒の絶対粘度、ｄｐ／ｄｘは圧力勾配である。圧力勾配は多孔質体内部での毛管現象から近似する。

毛管現象で上昇する液柱はある高さで力が釣り合ったところで毛管への液流入が停止する。

この時点で、表面張力と毛管内の液重量による力が平衡状態にあるといえる。

この毛管により生じる静圧とその勾配を（１）式に使用する。

力が釣り合った地点では上昇が止まるため、この方法で計算される流速は最大値となる。

（液柱長さ）
平衡状態にある液柱長さは次の式で表される。

ここで、ｇは冷媒の表面張力、ｒは冷媒の密度、ｇは重力加速度、ｑは接触角、ｄは多孔質体の気孔径である。

この高さは本発明による重力方向の限界長さを示す。

これ以上に重力方向に長い構造は、毛管現象による液の移動が出来ないため、重力方向下向きの運転が出来ないためである。

（第１の実施形態）
次に、本発明にかかる実施の形態について、具体的な冷媒と、図１、図２を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態にかかる沸騰冷却器に基づく多孔質ブロック断面積と気孔径の関係を示す図である。図２は、本実施形態にかかる沸騰冷却器の構成の一例を示す図である。

まず、絶対粘度が０．５ｍＰａ・ｓ、冷媒の表面張力が約１０ｍＮ／ｍ、密度１５６０ｋｇ／ｍ3程度の冷媒を考える。

この表面張力の小さな冷媒の接触角を１０度程度とし、気孔径約１０ｍｍの多孔質体を使用すると、（２）式より静的液柱長さは６ｃｍあまりとなる。

この多孔質体のPermeabilityを１０-11［ｍ2］程度と見積もると、（１）式より液流速１．２ｍｍ／ｓとなる。

冷媒の気化潜熱を９０ｋＪ／ｋｇ、発熱量を１００Ｗと仮定すると、多孔質ブロックの断面積は５．７ｃｍ2必要となる。

もしくは、およそ２．４ｃｍ角の多孔質体を受熱面上に設置することにより、本冷却器の下向き動作と上向き動作が可能になる。

図１にブロック断面積の気孔径依存性を示す。

また、図２を用いて本実施形態にかかる沸騰冷却器の構成について説明する。図下方を重力方向としたとき、発熱体３より下方に受熱部（沸騰式吸熱部）１および放熱部２が位置する、下向き動作を表す。従来の沸騰冷却器では、液相が下にたまり、受熱部には運搬されず、冷却が成り立たない。本実施形態にかかる沸騰冷却器の構造において、多孔質ブロック４を受熱部に設置することにより、冷媒液相を受熱部近傍まで運ぶことが出来、熱伝導性のある、多孔質ブロック４を通じて冷媒が熱せられ気化される。気化された冷媒は、多孔質ブロック４より排気され、冷却循環経路５に示すように、横方向にある放熱部２へと向かう。放熱部２は外部で、冷却ファン６で冷やされることにより凝縮し、重力方向下側へと向かい、再び循環する。

（第２の実施形態）
図３を用いて、本発明にかかる第２の実施の形態について説明する。図３は、横向き動作が可能な構造の概略図が示されている。

図３に示す、左上には、Ａ−Ａ断面図を示し、右上には、沸騰冷却器の概観図を示し、右下には、横断面図を示す。

また、図３に示す本実施形態にかかる沸騰冷却器の構成は、多孔質ブロック４を第１の実施の形態として受熱面から垂直方向に配することに加え、受熱面に沿う方向にも配することにより、冷媒の運搬を横方向にも可能にしている。概観図には、放熱フィン７を示す。

この場合、受熱面に沿う方向に配された多孔質ブロックの断面積を前出の例の場合５．７ｃｍ2とすることで、１００Ｗの冷却に必要な冷媒量を輸送することが出来る。

本実施形態の冷却器に使用される冷媒の二つめの例として水の場合を考える。

絶対粘度を０．６５ｍＰａ・ｓ、表面張力を７０ｍＮ／ｍ、密度を９９０ｋｇ／ｍ3、接触角を約６０度、気孔径を約１００ｍｍとすると、（２）式より静的液柱長さは約３．６ｃｍ。

また、（１）式を基に必要断面積を計算すると、約０．７ｃｍ2で、１ｃｍ角以下となる。

前出の例に比較して液柱長さが短くなる一方、水の大きな気化潜熱の効果で流路断面積が小さくなっている。

多孔質体は図４に例として示すように、粉末を焼結したような構造や、発泡により気孔を形成する方法があるが、Permeabilityを高くするため、発泡体構造が有利である。

材料に関しては、熱伝導率が金属の中でも比較的高い、銅、ニッケル、アルミニウム等が考えられる。

熱伝導率の値が低い材料を使うと、多孔質体内部で温度差が出来てしまい、沸騰が生じる面の高さの管理が難しくなる。

（第３の実施形態）
図５を用いて本発明にかかる第３の実施の形態について説明する。

本実施形態にかかる沸騰式冷却装置の構成では、多孔質ブロック４に多孔質体の気孔径よりも大きな穴を開けることで、沸騰で生じる蒸気の多孔質体からの排気効率を高める働きをする。

本実施形態にかかる沸騰式冷却装置の構成では、多孔質ブロック４に多孔質体の気孔径よりも大きな穴を開けることで、沸騰で生じる蒸気の多孔質体からの排気効率を高める働きをする。

図５に示すように、本実施形態にかかる沸騰冷却器の構造においては、図下方を重力方向としたとき、発熱体３より下方に放熱部２が位置する、下向き動作を表す。

本実施形態にかかる沸騰冷却器の構造においては、多孔質ブロック４に多孔質体の気孔径よりも大きな穴である蒸気排気口８を設けている。

気化された冷媒は、多孔質ブロックより排気され、横方向にある放熱部５へと向かう。

放熱部２は外部で、冷却ファン６で冷やされることにより凝縮し、重力方向下側へと向かい、再び循環する。

穴の位置と形状は冷媒の物性により、液相の十分な流量を得られる一方、蒸気の効率的な排気を促せるように、液相の流れに沿って長く設置するのが理想的である。

第１の実施形態から第３の実施形態にかかる沸騰式冷却器は、以下に記載の効果を有する。第１の効果は、受熱部の内部構造により、発熱体の設置方向に寄らず冷却性能を維持できる沸騰冷却方式を提供可能とする。第２の効果は、受熱と放熱を一体構造とすることで、構造全体の温度の均一化が図れることにより高性能な冷却器を提供可能とする。

この出願は、２００７年１１月１５日に出願された日本出願特願２００７−２９６６７９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。

本発明にかかる沸騰冷却器の活用例として、冷却を必要とする電子機器、および、デスクトップ型ＰＣ、ワークステーション、サーバーなどの半導体装置が挙げられる。

第１の実施形態にかかる沸騰冷却器に基づく多孔質ブロック断面積と気孔径の関係を示す図である。 第１の実施形態にかかる沸騰冷却器の構成の一例を示す図である。 第２の実施形態にかかる沸騰冷却器の受熱部の一例を示す図である。 第２の実施形態にかかる沸騰冷却器の多孔質体の一例を示す図である。 第３の実施形態にかかる沸騰冷却器の構成の一例を示す図である。

符号の説明

１ 沸騰式吸熱部
２ 放熱部
３ 発熱体
４ 多孔質ブロック
５ 冷媒循環経路
６ 冷却ファン
７ 放熱フィン
８ 蒸気排気口

Claims (5)

1. 吸熱部と放熱部が一体形成され、内蔵された冷媒が気化／凝縮を繰り返して熱を伝える沸騰冷却装置であって、
   前記吸熱部には、発熱体が設置された吸熱面から垂直方向に多孔質体が設置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記吸熱面に沿って多孔質体が設置されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記多孔質体は、前記多孔質体の気孔径以上の大きさの穴が開いていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記多孔質体は、発泡体構造であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記多孔質体の材料として胴またはアルミニウムを用いることを特徴とする請求項４に記載の沸騰冷却装置。

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