JP2007081375A - Cooling system - Google Patents
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Abstract
【課題】伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することにより、強力なポンプを用いずとも全体としても冷却効率をより高くすることができ、これにより、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能な冷却装置を提供することを目的とする。
【解決手段】10は発熱電子部品4と接触させるベース板、11はベース板10に一体に複数設けられる伝熱フィン、12は外部の配管8から冷媒が流入する流入口、13は冷媒が外部の配管に出て行くための流出口である。伝熱フィン11は、冷媒の流入口12側の上部角部が円弧状に切り欠かれた切り欠き部11aを有しており、これにより、伝熱に対する寄与が少ない部分が削除されるので、伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することができる。
【選択図】図2[PROBLEMS] To reduce the pressure loss without significantly impairing the heat transfer performance, thereby enabling a higher cooling efficiency as a whole without using a powerful pump, thereby keeping the temperature of the heat generating electronic component low. An object of the present invention is to provide a cooling device capable of performing the above.
SOLUTION: 10 is a base plate to be brought into contact with a heat generating electronic component 4, 11 is a plurality of heat transfer fins provided integrally with the base plate 10, 12 is an inlet through which refrigerant flows from an external pipe 8, and 13 is external to the refrigerant. It is an outlet to go out to the piping. The heat transfer fin 11 has a cutout portion 11a in which an upper corner portion on the refrigerant inlet 12 side is cut out in an arc shape, and thereby, a portion with little contribution to heat transfer is deleted. Pressure loss can be reduced without significantly degrading heat transfer performance.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、パーソナルコンピュータ等に使われるマイクロプロセッシングユニット(以下、MPUと略す)等の発熱する半導体、またはその他の発熱部を有する電子部品を冷媒の循環もしくは、相変化による吸熱作用により冷却する冷却装置に関するものである。 The present invention is a cooling system that cools a heat-generating semiconductor such as a microprocessing unit (hereinafter abbreviated as MPU) used in a personal computer or the like, or an electronic component having other heat-generating parts by circulation of refrigerant or heat absorption by phase change. It relates to the device.
近年、電子機器においては半導体等の電子部品の高集積化、動作クロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電子部品の正常動作の為に、それぞれの電子部品の接点温度を動作温度範囲内に如何に保つかが大きな問題となってきている。このため、従来のようにヒートシンクで空冷するだけでは能力不足で、より高効率の冷却装置が不可欠になっている。そこでこのような冷却装置として、本出願人は、発熱した電子部品を冷媒の循環により高効率に冷却する冷却装置を提案した(特許文献1)。 In recent years, in electronic devices, the contact temperature of each electronic component has been reduced for the normal operation of the electronic component against the increase in heat generation due to higher integration of electronic components such as semiconductors and higher operating clock frequencies. How to keep within the operating temperature range has become a major issue. For this reason, it is not sufficient to perform air cooling with a heat sink as in the conventional case, and a more efficient cooling device is indispensable. Thus, as such a cooling device, the present applicant has proposed a cooling device that efficiently cools the generated electronic components by circulating the refrigerant (Patent Document 1).
以下、このような、冷媒を循環させて冷却する従来の冷却装置および冷媒の相変化による吸熱作用を用いた冷却装置について説明する。 Hereinafter, a conventional cooling device that circulates and cools the refrigerant and a cooling device that uses an endothermic action due to the phase change of the refrigerant will be described.
図10の従来の冷却装置を備えた電子機器の構成図において、101は冷却装置を搭載した電子機器としてのパーソナルコンピュータの筐体、103は冷却装置を構成するため発熱体に接触して熱交換する熱交換手段、104はMPU等の発熱電子部品である。105は発熱電子部品104を実装した基板、107は筐体101の内部側面に設けられ発熱電子部品104から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、108は熱交換手段103と放熱器107とを接続して冷媒を循環するための閉じた配管である。109は冷媒を圧送循環させる加圧ポンプである。
In the configuration diagram of the electronic device having the conventional cooling device of FIG. 10, 101 is a housing of a personal computer as an electronic device equipped with the cooling device, 103 is in contact with the heating element to constitute the cooling device, and exchanges heat. The heat exchanging means 104 is a heat generating electronic component such as an MPU.
発熱電子部品104と熱交換手段103との接触面には熱伝導性グリース(図示せず)が塗布されており、前記接触面での接触熱抵抗を低減させている。
A heat conductive grease (not shown) is applied to the contact surface between the heat generating
配管108内を循環する冷媒としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液が適当であり、さらに後述するように熱交換手段103の内部部品の材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。
As the refrigerant circulating in the
放熱器107は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。また、放熱器107に強制的に空気を当てて冷やし冷却効果を増やすためファンを設けてもよい。
The
配管108は、配管レイアウトの自由度を確保するため、フレキシブルでガス透過性の少ないゴム、例えばブチルゴムなどのゴムチューブで構成されている。
The
熱交換手段103は熱伝導性に優れるアルミニウム、銅などの金属部品と冷媒を外部に漏らさず、かつ、外部から与えられる固定応力に耐える強度をもつ樹脂部品などで構成される。 The heat exchanging means 103 is composed of a metal part such as aluminum or copper having excellent heat conductivity and a resin part that does not leak the refrigerant to the outside and has a strength that can withstand a fixed stress given from the outside.
図11に従来の冷却装置の熱交換手段断面図を示す。110は発熱電子部品104と接触させるベース板、131はベース板110に一体に複数設けられる伝熱フィン、112は外部の配管108から冷媒が流入する流入口、113は冷媒が外部の配管108に出て行くための流出口である。114は図示しない部材により外部から与える適当な力でベース板110を発熱電子部品104に対し押圧するケースである。なお、この図では表現されていないがベース板110には任意の間隔をもって複数の伝熱フィン131が一体に設けられている。
FIG. 11 is a sectional view of heat exchange means of a conventional cooling device. 110 is a base plate to be brought into contact with the heat generating
さて、加圧ポンプ109により加圧された冷媒は流入口112から入って来る時点で下向きのベクトルを持っているが、そのベクトルはベース板110および伝熱フィン131の存在により水平方向に偏向させられ、冷媒は複数並んだ伝熱フィン131の隙間に導かれることとなる。一方、発熱電子部品104の界面から伝熱された熱によりベース板110の温度は上昇しそれとともに伝熱フィン131の表面温度も上昇する。ベース板110と伝熱フィン131に接する冷媒はそれらとの温度差に比例した熱量を受け取りながら伝熱フィン131の間を流れ、下流に位置する流出口113に導かれ、外部の配管108に流出する。その後、配管108により冷媒は放熱器107に導かれ、ここで受け取った熱量を系の外部の空気へ放出する。
The refrigerant pressurized by the pressurizing
図12に従来の冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視図を示す。 FIG. 12 is a schematic perspective view of a base plate and heat transfer fins of a conventional cooling device.
図12において、元々一体の銅を代表とする金属塊からワイヤ放電加工により隙間を入れることにより複数の伝熱フィン131が形成されている。この方式では、ベース板110と伝熱フィン131の間には隙間および他の熱伝導に不利となる部材は介在しないため熱交換特性の劣化を防ぐことができる反面、量産性は良好とは言えない。
In FIG. 12, a plurality of
そこで、このような加工によらず、プレス加工などにより得られた薄板を適当な隙間を隔てて並べ、その状態で、銀ロウなどでベース板110に固定するというより量産に適した方法、および、刃物状の工具により、ベース板110の表面を切り起こして伝熱フィン131を形成する方法などもある。
Therefore, regardless of such processing, a method suitable for mass production, in which thin plates obtained by pressing or the like are arranged with an appropriate gap therebetween and fixed to the
以上が従来の冷却装置についての説明であるが、さらに管路、受熱部、放熱部に銅などの金属を用いて外部に対し十分な気密を保ちうる構造とし、内部を脱気した上で冷媒に水もしくはHFC−134aなどの代替フロンなどを一定量封入して、その冷媒の相変化による熱移送を応用した冷却システムも提案されている。この冷却装置は内部圧力を常圧に対し低く保つ、もしくは沸点の低い冷媒を用いるという点以外の構成は前記の従来の冷却装置と大略同じである。この冷却装置は気密容器内に相変化可能な液体を封入し相変化により熱移送を行なうのはヒートパイプと同じであるが、冷媒をポンプにより強制的に循環させることにより循環量の増加を図って熱交換性能を増大させるこの冷却装置を強制循環型ヒートパイプという。この冷却装置は内部の圧力が低いので低温で内部の冷媒が蒸発しやすい状態である。そのため、前記の冷却装置と異なり、熱交換手段に導かれた冷媒はそこで全部もしくは一部蒸発し気化熱を奪うことで伝熱フィンから熱を受け取る。蒸発して蒸気となった冷媒は熱交換手段から配管に流出、その後、配管により放熱器に導かれ、低温の放熱器内壁に触れ凝縮する。このときに受け取った熱量を凝縮熱として放出する。この熱は放熱器を通じて系外部の空気へ放出されるのは前記の冷却装置と同様である。
一般的な伝熱学により考察すると、発熱電子部品104の熱をより高効率に冷媒に伝えるには、前述のように伝熱量は温度差に比例するので冷媒と接触するベース板110に設けられた伝熱フィン131の表面温度をできるだけ発熱電子部品104に近づけ高温に保つ、言い換えると、冷媒と伝熱フィン131との温度差を大きく保つとともに、冷媒と接触する伝熱フィン131の表面積を大きく確保する必要がある。
Considering general heat transfer, in order to transfer the heat of the heat generating
ここで従来の冷却装置の伝熱フィン131を検証してみる。ベース板110に発熱電子部品104から熱が伝達する面となる伝熱面は発熱電子部品104との接触面のみである。よって、ベース板110と伝熱フィン131の表面温度は上記接触面からの伝熱距離に比例した分布をもつ。
Here, the
図13は熱流体シミュレーションによって得られた従来のベース板100と伝熱フィン131の温度分布図である。図13で、冷媒の流れは左から右の方向であり、この温度分布は、前記接触面の中心を通り接触面に垂直でかつ冷媒の流れに平行な面で2分割されたシミュレーションモデルの中央断面を示している。図中、白抜きで示される領域が熱源に近いため温度が高く、それ以外の領域は図中の凡例に示されるように、それに隣接する薄い網掛け,濃い網掛けの順に温度は低くなる。さらにフィン上部に位置する斜線部は本シミュレーション結果では流入してくる冷媒温度に対して温度差が2℃以内の領域を示している。
FIG. 13 is a temperature distribution diagram of the
下半分はベース板110底部の一部を中心とした同心円状の温度分布となっており、ベース板110底部の伝熱面を反映した温度分布になっていることがわかる。上半分は冷媒の流れにより、冷媒の流れに対して伝熱フィン131の前縁上端を中心とする4分円状に低温部が存在している。前記のようにこの低温部は流入してくる冷媒の温度とほぼ等しい。つまり、この部分は熱交換には寄与せず、この面内での伝熱はその他の部分で行なわれることとなる。伝熱フィン131の表面では伝熱領域はこのように限られているが、このような分布は図の垂直方向でも同様であり、ベース板110底部の伝熱面から離れると急激に温度は低下する。つまり、熱交換可能な領域は伝熱面を中心とする放射面内の領域なので、この領域内で伝熱面積を大きくすることを主眼とし、伝熱フィン131の厚さおよびフィン間隔を極限まで小さくすればよいこととなる。
The lower half has a concentric temperature distribution centered on a part of the bottom of the
しかし、実際には、伝熱フィン131の間を通過する冷媒に対して伝熱フィン131の表面では、その粘性に起因するせん断応力により流体抵抗が発生する。このせん断応力による流体抵抗が圧損といわれるもので、同一のポンプでは発生圧力とそのときの流量は一義的に決まるため、この圧損が大きくなれば流量が減少することとなる。そして、前記の伝熱フィン131の厚さおよび伝熱フィン131の間隔を極限まで小さくした状態、換言すれば冷媒の流れ方向に垂直な断面において伝熱フィン131の占める領域に対する冷媒の占める領域の比が小さくなると、この圧損は大きくなる。また、冷媒の流れ方向に平行な断面において伝熱フィン131の長さが長くなる、換言すれば伝熱フィン131の冷媒に接触する面積が大きくなると、圧損は比例して増加し、フィン間を通過する冷媒の流量は減少することとなる。そして、この流量と伝熱効率はこの伝熱部分だけでなく放熱部分でも一般に比例の関係であり、システムを高性能化するためには、圧損に打ち勝ち多くの冷媒を流す強力なポンプの確保が必要となる。しかし、このことはポンプの大型化を招き、装置の低コスト化および低騒音化の要求に反することとなり、実現が困難となりつつある。
However, in reality, fluid resistance is generated on the surface of the
同様に相変化を伴う熱の移送を行う強制循環型ヒートパイプを応用した冷却装置においても、蒸発により液相から気相に変化する冷媒が一部分であれば、大部分の冷媒は液相のまま伝熱フィンの間を通過する。このため、前記の冷却装置と同様、ここには伝熱フィン131の冷媒に接触する面積に比例して増加する圧損が生じ、フィン間を通過する冷媒の流量は減少するという課題が生じる。
Similarly, in a cooling device using a forced circulation heat pipe that transfers heat with phase change, if the refrigerant that changes from the liquid phase to the gas phase due to evaporation is a part, most of the refrigerant remains in the liquid phase. Passes between heat transfer fins. For this reason, similarly to the cooling device, a pressure loss that increases in proportion to the area of the
本発明は上記の課題を解決するもので、伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することにより、強力なポンプを用いずとも全体としても冷却効率をより高くすることができ、これにより、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能な冷却装置を提供することを目的とする。 The present invention solves the above-mentioned problems, and by reducing the pressure loss without significantly impairing the heat transfer performance, the cooling efficiency can be further improved as a whole without using a powerful pump. An object of the present invention is to provide a cooling device capable of keeping the temperature of a heat generating electronic component low.
本発明の冷却装置は、冷媒を循環するための閉配管に冷媒ポンプと放熱装置と熱交換手段とが設けられ、前記熱交換手段を発熱電子部品に接触させて前記閉配管内部の冷媒との熱交換作用で前記発熱電子部品から熱を奪い、前記放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、前記熱交換手段は、複数の伝熱フィンを内包し、該伝熱フィンは、冷媒流入側の高さが冷媒流出側の高さよりも低くなるように形成されていることを特徴とする。 In the cooling device of the present invention, a closed pipe for circulating the refrigerant is provided with a refrigerant pump, a heat radiating device, and a heat exchanging means, and the heat exchanging means is brought into contact with a heat generating electronic component so as to contact the refrigerant inside the closed pipe. A cooling device that removes heat from the heat generating electronic component by heat exchange action and dissipates heat from the heat dissipation device, wherein the heat exchange means includes a plurality of heat transfer fins, and the heat transfer fins are on the refrigerant inflow side. Is formed so as to be lower than the height on the refrigerant outflow side.
本発明の冷却装置によれば、伝熱フィンの高さを、冷媒流出側よりも冷媒流入側が低くなるように形成することにより、熱交換手段における熱交換性能を落とすことなく圧損を小さくできるため、全体としても冷却効率が高まり、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能となる。 According to the cooling device of the present invention, since the heat transfer fin is formed so that the refrigerant inflow side is lower than the refrigerant outflow side, the pressure loss can be reduced without reducing the heat exchange performance in the heat exchange means. As a whole, the cooling efficiency is increased, and the temperature of the heat generating electronic component can be kept low.
本願の第1の発明は、冷媒を循環する閉配管に冷媒ポンプと放熱器と熱交換器とが設けられ、熱交換器は電子部品の熱を受熱し、冷媒ポンプで循環する冷媒で放熱器に伝熱し、放熱装器から放熱を行う冷却装置であって、熱交換器は冷媒の流入口と流出口を有する筐体に複数の伝熱フィンを内包し、伝熱フィンは冷媒の流入口側の高さが冷媒の流出口側の高さよりも低くなるように形成されていることを特徴とする冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流入側に生じる伝熱に対する寄与が少ない部分を少なくすることができ、これにより、熱交換部分の圧損を低減することができる。 According to a first aspect of the present application, a refrigerant pump, a radiator, and a heat exchanger are provided in a closed pipe that circulates a refrigerant, and the heat exchanger receives heat from an electronic component and circulates through the refrigerant pump. The heat exchanger includes a plurality of heat transfer fins in a housing having a refrigerant inlet and outlet, and the heat transfer fin is a refrigerant inlet. The cooling device is characterized in that the height on the side is lower than the height on the outlet side of the refrigerant, and this configuration contributes to heat transfer generated on the refrigerant inflow side. It is possible to reduce the portion where there is a small amount of heat, and thereby reduce the pressure loss of the heat exchange portion.
本願の第2の発明は、伝熱フィンの冷媒の流入口側部は、流入口側端より中央部にかけて所定の長さ、連続的に高さが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項1記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒の粘性に起因する流体抵抗の発生を防ぐとともに、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。なお、有効伝熱面積とは、伝熱フィンの表面積のうち、冷媒と接触して熱を交換することが可能な領域を示すものである。 The second invention of the present application is characterized in that the refrigerant inlet side portion of the heat transfer fin is formed to have a predetermined length and a continuous height from the inlet side end to the center portion. The cooling device according to claim 1, wherein such a configuration prevents fluid resistance due to the viscosity of the refrigerant and reduces pressure loss in the heat exchange part without reducing the effective heat transfer area. can do. In addition, an effective heat transfer area shows the area | region which can contact a refrigerant | coolant and can exchange heat among the surface areas of a heat transfer fin.
本願の第3の発明は、伝熱フィンの冷媒の流れ方向の断面積は、冷媒の流れに沿う側部の伝熱フィンより中央部の伝熱フィンにかけて、伝熱フィンの所定の幅に含まれる伝熱フィンが連続的に断面積が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項1記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流路内には、最も圧損が少なくなるような形状にそれぞれ形成された伝熱フィンが配置されるので、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。 In the third invention of the present application, the cross-sectional area of the heat transfer fin in the flow direction of the refrigerant is included in a predetermined width of the heat transfer fin from the side heat transfer fin along the flow of the refrigerant to the heat transfer fin in the center. The cooling device according to claim 1, wherein the heat transfer fin is continuously formed to have a large cross-sectional area. Since the heat transfer fins each formed in a shape that minimizes the pressure loss are arranged, the pressure loss of the heat exchange portion can be reduced without reducing the effective heat transfer area.
本願の第4の発明は、伝熱フィンの冷媒の流れ方向の断面積は、冷媒の流れに沿う側部の伝熱フィンより中央部の伝熱フィンにかけて、伝熱フィンの所定の幅に含まれる伝熱フィンが連続的に断面積が広くなるように形成されるとともに、各々の伝熱フィンは伝熱フィンの冷媒の流入口側端より中央部にかけて連続的に高さが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項1記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流路内には、最も圧損が少なくなるような形状にそれぞれ形成された伝熱フィンが配置されるので、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。 According to a fourth aspect of the present invention, the cross-sectional area of the heat transfer fin in the flow direction of the refrigerant is included in a predetermined width of the heat transfer fin from the side heat transfer fin along the flow of the refrigerant to the heat transfer fin in the center. The heat transfer fins are formed so that the cross-sectional area continuously increases, and the height of each heat transfer fin is continuously increased from the refrigerant inlet side end to the center of the heat transfer fin. The cooling device according to claim 1, wherein the heat transfer is formed in such a configuration that the pressure loss is minimized in the refrigerant flow path. Since the fins are arranged, the pressure loss of the heat exchange part can be reduced without reducing the effective heat transfer area.
本願の第5の発明は、熱交換器は、冷媒が相変化して熱交換を行なうことを特徴とする請求項1乃至4のうちいずれか1に記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流路内には、最も圧損が少なくなるような形状にそれぞれ形成された伝熱フィンが配置されるので、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。 5th invention of this application is a cooling device of any one of Claims 1 thru | or 4 characterized by the heat exchanger performing a heat exchange by a phase change of a refrigerant | coolant, Such a structure As a result, heat transfer fins, each formed in a shape that minimizes the pressure loss, are arranged in the refrigerant flow path, so that the pressure loss in the heat exchange portion is reduced without reducing the effective heat transfer area. be able to.
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1における冷却装置の熱交換手段について説明する。
(Embodiment 1)
The heat exchange means of the cooling device in Embodiment 1 of the present invention will be described.
図1は本発明の実施の形態1における冷却装置を備えた電子機器の構成図、図2は本発明の実施の形態1における冷却装置の熱交換手段の断面図、図3は本発明の実施の形態1における冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視断面図、図4は熱流体シミュレーションによって得られた本発明の実施の形態1における冷却装置のベース板と伝熱フィンの温度分布図である。 FIG. 1 is a configuration diagram of an electronic apparatus including a cooling device according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of heat exchange means of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention, and FIG. FIG. 4 is a schematic perspective cross-sectional view of the base plate and the heat transfer fin of the cooling device according to the first embodiment, and FIG. 4 is a temperature distribution diagram of the base plate and the heat transfer fin of the cooling device according to the first embodiment of the present invention obtained by thermal fluid simulation. It is.
図1において、1は冷却装置を搭載した電子機器としてのパーソナルコンピュータの筐体、3は冷却装置を構成するため発熱体に接触して熱交換する熱交換手段、4はMPU等の発熱電子部品である。5は発熱電子部品4を実装した基板、7は筐体1の内部側面に設けられ発熱電子部品4から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、8は熱交換手段3と放熱器7とを接続して冷媒を循環するための閉じた配管である。9は冷媒を圧送循環させる加圧ポンプである。
In FIG. 1, 1 is a housing of a personal computer as an electronic device equipped with a cooling device, 3 is a heat exchange means for exchanging heat in contact with a heating element to constitute the cooling device, and 4 is a heat generating electronic component such as an MPU. It is. 5 is a substrate on which the heat generating
発熱電子部品4と熱交換手段3との接触面には熱伝導性グリース(図示せず)が塗布されており、前記接触面での接触熱抵抗を低減させている。
A heat conductive grease (not shown) is applied to the contact surface between the heat generating
配管8内を循環する冷媒としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液が適当であり、さらに後述するように熱交換手段3の内部部品の材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。
As the refrigerant circulating in the
放熱器7は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。また、放熱器7に強制的に空気を当てて冷やし冷却効果を増やすためファンを設けてもよい。
The
配管8は、配管レイアウトの自由度を確保するため、フレキシブルでガス透過性の少ないゴム、例えばブチルゴムなどのゴムチューブで構成されている。
The
熱交換手段3は熱伝導性に優れるアルミニウム、銅などの金属部品と冷媒を外部に漏らさずかつ、外部から与えられる固定応力に耐える強度をもつ樹脂部品などで構成される。
The
次に、図2に基づいて熱交換手段3の内部構成について説明する。 Next, the internal configuration of the heat exchange means 3 will be described with reference to FIG.
本断面図は図1におけるA−A’断面におけるもので、図中の白抜きの矢印は冷媒の流れの方向を表すものである。 This cross-sectional view is taken along the A-A ′ cross section in FIG. 1, and the white arrow in the figure represents the direction of the refrigerant flow.
10は発熱電子部品4と接触させるベース板、11はベース板10に一体に複数設けられる伝熱フィン、12は外部の配管8から冷媒が流入する流入口、13は冷媒が外部の配管8に出て行くための流出口である。14は図示しない部材により外部から与える適当な力でベース板10を発熱電子部品4に対し押圧するケースである。なお、この図では表現されていないがベース板10には任意の間隔をもって複数の伝熱フィン11が一体に設けられている。
10 is a base plate to be brought into contact with the heat generating
ケース14は実際の形状が複雑であることとある程度の耐熱性が要求されることから、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリフェニレンエーテル(PPE)等の樹脂成形での製作が好適である。これら樹脂部品の熱伝導率は一般的な金属に比べ非常に小さい。そのため、この部品を通じての外部への熱伝達は無視できる程少ない。つまり、発熱電子部品4からの熱の移動はベース板10、伝熱フィン11、冷媒の順である。実際はそのままでは発熱電子部品4とベース板10の間にはそれぞれの面粗度により微小な隙間が生じるので、例えばシリコン系の基剤に熱伝導性に優れたアルミニウムなどの微粉体を混入した熱伝導性グリースを薄く塗布することが望ましい。
Since the actual shape of the
図3において、発熱電子部品4と接触するベース板10は、平面視矩形状の板であり、高熱伝導率で放熱性のよい銅、アルミニウム等の金属材料で、鋳造、鍛造、機械加工やこれらの組み合わせの加工方法により構成される。
In FIG. 3, the
伝熱フィン11は、冷媒の流入口12側の上部角部が円弧状に切り欠かれた切り欠き部11aを有する板であり、同じ形状の伝熱フィン11が複数枚、わずかに隙間を開けた状態でベース板10に垂直となるように固定されている。伝熱フィン11は、高熱伝導率で放熱性のよい銅、アルミニウム等の金属材料で作られる。伝熱フィン11のベース板10に対する固定法としては、ロウ付け、半田付け、溶接などが考えられるが、理想的には図2または図3のように一体の金属塊からワイヤ放電加工になどに代表される削りだしに準じた加工でベース板10と一体に形成するほうが、熱抵抗が最小となるので好ましい。この場合まず、伝熱フィン11の外形をフライス加工などにより形成し、その後、ワイヤ放電加工を行い、複数枚の伝熱フィン11を形成する。
The
図4において、前記の図13と同様、白抜きで示される領域が熱源に近いため温度が高く、それ以外の領域に図中の凡例に示されるように、それに隣接する薄い網掛け、濃い網掛けの順に温度は低くなる。さらにフィン上部に位置する斜線部は本シミュレーション結果では流入してくる冷媒温度に対して温度差が2℃以内の領域を示している。 In FIG. 4, as in FIG. 13, the white area is close to the heat source, so the temperature is high. In the other areas, as shown in the legend in FIG. The temperature decreases in the order of multiplication. Further, the hatched portion located above the fin indicates a region where the temperature difference is within 2 ° C. with respect to the incoming refrigerant temperature in the simulation result.
さて、図2において熱交換手段3外部に設けられた加圧ポンプ9により加圧された冷媒は、流入口12と流出口13の圧力差により伝熱フィン11の間の隙間を白抜き矢印方向へ流れ抜ける。このとき、冷媒は、ベース板10と伝熱フィン11の冷媒接液面から熱を奪うことになる。前述したように、熱交換面積を拡大するため伝熱フィン11の間の隙間を狭くすれば圧損が大きくなり、同じ加圧ポンプ9を用いる限り熱交換効率はかえって低下する。本実施の形態では、伝熱フィン11の流入側の上部角部に円弧状の切り欠き部11aを設けており、この切り欠き部11aがあることにより、冷媒が伝熱フィン11と接触する接液面積が削減される。この切り欠き部11aの形状は前述の図13に示された従来の伝熱フィン131における低温部が占める部分とほぼ一致している。この低温部は、流入口12から流入してくる冷媒が最初に伝熱フィン31と接触する部分であり、ここでの接触面温度は冷媒とほぼ同じであり、かつ熱源からの距離があるので、フィンを伝わってくる熱量も少ない。つまり、この部分では、冷媒と伝熱フィン31との温度差がないため熱の授受はおこらず、冷媒と伝熱フィン31表面との間で流体摩擦がおき圧損が生じているのみである。これに対し、本実施の形態における伝熱フィン11は、上述したように、流体摩擦がおき圧損が生じる部分となる、冷媒の流入口12側の上部角部を切り欠いて切り欠き部11aとしたことにより、伝熱量の減少を最小限に抑えつつも圧損を削減することが可能となる。図4と図13を比較すれば、従来の低温部にあたる部分がほぼ無くなったことで本実施例では下流まで低温部が広がっていることが分る。これはフィン上部の圧損が減少することでフィン上部の流速が上がって熱交換率が向上し、結果として低温となっていることを示している。なお、図4もしくは図13に示すように、熱交換効率の良い高温部は発熱電子部品4からの伝熱面上に放射面上に広がり、冷媒の流れにより下流側に拡がって分布するので、加圧ポンプ9の能力を抑えて低騒音化する、もしくは絶対的に圧送能力が不足しているなどの理由により、より一層の低圧損化が求められる場合、例えば図12の等温線に沿った形で所要の圧損になるまで伝熱フィン11の切り欠き部11aの面積を大きくすれば伝熱性能の劣化を最小に抑えた冷却装置を得ることができる。
2, the refrigerant pressurized by the pressurizing pump 9 provided outside the heat exchanging means 3 passes through the gap between the
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2における冷却装置の熱交換手段3について説明する。
(Embodiment 2)
The heat exchange means 3 of the cooling device in Embodiment 2 of this invention is demonstrated.
図5は従来の伝熱フィン131での熱流体シミュレーションによる温度分布斜視図である。図6および図7は本発明の実施の形態2における冷却装置のベース板10と伝熱フィン11の概観斜視断面図である。
FIG. 5 is a temperature distribution perspective view of a conventional
図5において、図中、白抜きで示される領域が熱源である。図5のように、冷媒とほぼ温度の等しい領域は冷媒の流路の流れに平行な中央断面付近でもっとも狭く、端に寄るに従い広くなるような分布となっている。これは、前述したように、発熱電子部品4からの熱がその伝熱面を中心とする放射面状の等温面を保ちながら拡大することなどに起因している。このように温度分布が3次元的な構造を持っているので、これに合わせて複数の伝熱フィン21からなる直方体全体の形状を3次元的に変化させる、つまり、冷媒流路内に配置される位置によりそれぞれ伝熱フィン21を異なる形状に形成すれば有効な伝熱面積の減少を最小限に留めつつ低圧損化を実現できる。
In FIG. 5, a region indicated by white in the drawing is a heat source. As shown in FIG. 5, the region where the temperature is almost equal to that of the refrigerant is the narrowest in the vicinity of the central cross section parallel to the flow of the refrigerant, and is widened toward the end. As described above, this is due to the fact that the heat from the heat generating
図6は伝熱フィン21を一つの金属塊から前述のワイヤ放電加工などによりベース板10と一体に形成した例である。加工はまず、従来のフィン形状に準じた直方体がベース板10に一体となった状態の外形を形成し、それを、ボールエンドミルなどを使用し図6中A部の曲面を形成、その後図6中B部をエンドミル等で加工、それからワイヤ放電加工により伝熱フィン21間の隙間となる部分を加工して、それぞれ一枚ずつの伝熱フィン21を形成する。ワイヤ放電加工前の形状は、アルミを素材とする場合には鋳造、銅を素材とする場合には鍛造によることで比較的安価に得ることができる。なお、さらに安価に形成するにはフィン形状に準じた直方体に上記のエンドミル加工により得る平面部を掘り込んだ形状の材料ブロックを鋳造もしくは鋳造加工により外形を形成し、それをワイヤ放電加工しフィン形状を得るようにしてもよい。
FIG. 6 shows an example in which the
図7は伝熱フィン21を一つの金属塊から前述のワイヤ放電加工などによりベース板10と一体に形成した例である。加工はまず、従来のフィン形状に準じた直方体がベース板10に一体となった状態の外形を形成し、それを、ボールエンドミルなどを使用し図7中A部の曲面を形成、その後図7中B部をエンドミル等で加工、それからワイヤ放電加工により伝熱フィン21間の隙間となる部分を加工して、それぞれ1枚ずつの伝熱フィン21を形成する。ワイヤ放電加工前の形状は、アルミ素材とする場合には鋳造、銅を素材とする場合には鍛造によることで比較的安価に得ることができる。なお、さらに安価に形成するにはフィン形状を中央部から端部にかけて任意の数の部分に分け、それぞれの部分の平均的な形状を決定、個の形状をプレス加工で伝熱フィン21を作成、銀ロウ付けなどによりベース板10に一枚ずつ固定してもよい。
FIG. 7 shows an example in which the
(実施の形態3)
以上は低温の冷媒が伝熱フィン表面など高温の伝熱面に接触しそこで熱を受け取り冷媒温度が上昇して熱を持ち去るという冷却装置についての説明であった。これ以外に前記のように冷媒の液相から気相への相変化にともなう気化熱を利用しより熱密度の高い熱源からの熱移送を効率的に行う冷却装置も提案されている。例えば冷媒に水を用いた場合、相変化を利用して熱の移送を行うためには所要とされる伝熱フィン表面温度で冷媒が蒸発するようにその伝熱部での圧力を低く保つようにする。そのため、外部の大気圧に対し永続して気密を保つため、配管はもとより冷媒が接する部材はすべて銅などの金属製とし部品間の接合にも溶接など特別に配慮する必要がある。また部材についても配慮が必要で、例えば冷媒が水の場合アルミニウムなど、冷媒と化学的に反応して非凝縮性のガスを生じるような金属や有機物は接液する部品の素材とすることができない。ただ、受熱部分には熱伝導率の良い材料を用い、接液面積も確保するべきであるのはいうまでもない。よって、ここでは一番安価と思われる水を冷媒とすれば必然的に銅が最良の構成材料となるので前述の冷却装置の基本構成はもとより、伝熱フィンの製法その他もそのままあてはまる。冷媒の相変化による伝熱は、放熱器により沸点以下に冷却された冷媒が伝熱フィンに接触、沸点以上に熱せられた部分が沸騰、蒸発しそのときの気化熱により多くの熱量が伝熱フィンより奪われる。発生した蒸気は気泡の状態で液相のままの冷媒中を漂いながら浮力に従い上方に移動する。しかしこのとき、気泡が伝熱フィン間に滞留するとドライアウト状態になる可能性がある。ドライアウト状態とは液相の冷媒が高温部に供給されない状態で、ここでの熱の授受はほとんど行なわれない。この気泡の滞留を防ぐため、フィン間の冷媒を流動させる必要がある。このように冷媒流動をポンプで行なわせる。強制循環型ヒートパイプのうち冷媒循環量の一部のみを相変化させるものがあり、このタイプの強制循環型ヒートパイプにおいても前記と同じく、気泡が混在する冷媒の流れを発生させるときに圧損が生じてポンプの能力が不足するなどの課題が生じる。つまり、前記と同じ手段を講じることで、流動に対する圧損を低減できるのでこの課題を解決することができる。また、冷媒循環量のすべてを相変化させる強制循環型ヒートパイプにおいても伝熱フィンの高温部分に効率よく冷媒を接触させることができるので伝熱効率の向上が期待できる。
(Embodiment 3)
The above is a description of a cooling device in which a low-temperature refrigerant comes into contact with a high-temperature heat transfer surface such as the surface of a heat transfer fin and receives heat there to raise the refrigerant temperature and carry away the heat. In addition to the above, there has been proposed a cooling device that efficiently uses the heat of vaporization accompanying the phase change of the refrigerant from the liquid phase to the gas phase to efficiently transfer heat from a heat source having a higher heat density. For example, when water is used as the refrigerant, in order to transfer heat using the phase change, the pressure at the heat transfer section should be kept low so that the refrigerant evaporates at the required heat transfer fin surface temperature. To. Therefore, in order to maintain the airtightness permanently against the external atmospheric pressure, it is necessary to make special considerations such as welding for joining the parts, and all the members that contact the refrigerant as well as the piping are made of metal such as copper. In addition, it is necessary to consider the components. For example, when the coolant is water, metals such as aluminum that cannot react with the coolant and generate non-condensable gases or organic materials cannot be used as materials for parts that come into contact with liquid. . However, it is needless to say that a material having good thermal conductivity should be used for the heat receiving portion and the liquid contact area should be secured. Therefore, here, if water, which is considered to be the least expensive, is used as the refrigerant, copper is inevitably the best constituent material. Therefore, not only the basic configuration of the cooling device described above, but also the manufacturing method of the heat transfer fins and the like are applied as they are. The heat transfer due to the phase change of the refrigerant is such that the refrigerant cooled below the boiling point by the radiator contacts the heat transfer fins, the part heated above the boiling point boils and evaporates, and a large amount of heat is transferred by the heat of vaporization at that time Deprived of fins. The generated vapor moves upward according to the buoyancy while drifting in the refrigerant in the liquid phase in the form of bubbles. However, at this time, if air bubbles stay between the heat transfer fins, there is a possibility that a dry-out state may occur. The dry-out state is a state in which liquid-phase refrigerant is not supplied to the high-temperature part, and heat transfer is hardly performed here. In order to prevent the bubbles from staying, it is necessary to cause the refrigerant between the fins to flow. In this way, the refrigerant flows with a pump. Some forced circulation type heat pipes change the phase of only a part of the refrigerant circulation amount, and in this type of forced circulation type heat pipe as well, pressure loss occurs when generating a refrigerant flow in which bubbles are mixed. This causes problems such as insufficient pump capacity. That is, by taking the same means as described above, the pressure loss against the flow can be reduced, so that this problem can be solved. Further, even in the forced circulation heat pipe that changes the phase of the refrigerant circulation amount, the refrigerant can be efficiently brought into contact with the high-temperature portion of the heat transfer fin, so that improvement in heat transfer efficiency can be expected.
本発明の実施の形態1と実施の形態2における効果を、従来例を基に熱流体シミュレーション結果で比較してみる。図8は本発明における各実施例での伝熱量比較のグラフを示している。また、図9は本発明における各実施例での圧損比較のグラフである。図8に明らかなように、各流量において従来例の伝熱量を100%とすると、実施の形態1と実施の形態2はともに、2%程度の減少しか見られない。また、図9に示すように、実施の形態1では各流量を通して従来例と比較すると、7%から10%の圧損低減効果が見られる。また、実施の形態2では各流量で10%以上の圧損低減効果が見られる。なお、実施の形態3においても、相変化に至るまでの冷媒もしくは冷媒の一部が相変化し混相化した冷媒による圧損低減に同様の効果が期待される。また、冷媒が伝熱フィンの高温部分に効率よく冷媒を接触させることができるので伝熱効率の向上が期待できる。 The effects of the first embodiment and the second embodiment of the present invention will be compared with the results of thermal fluid simulation based on the conventional example. FIG. 8 shows a graph of heat transfer comparison in each example of the present invention. FIG. 9 is a graph of pressure loss comparison in each example of the present invention. As is apparent from FIG. 8, assuming that the heat transfer amount of the conventional example is 100% at each flow rate, both the first embodiment and the second embodiment show only a decrease of about 2%. Further, as shown in FIG. 9, in the first embodiment, a pressure loss reduction effect of 7% to 10% is seen through each flow rate as compared with the conventional example. In the second embodiment, a pressure loss reduction effect of 10% or more is observed at each flow rate. In the third embodiment, the same effect is expected to reduce the pressure loss due to the refrigerant or the refrigerant in which a part of the refrigerant has undergone phase change and mixed phase until the phase change. Moreover, since a refrigerant | coolant can contact a refrigerant | coolant efficiently to the high temperature part of a heat-transfer fin, the improvement of heat-transfer efficiency can be anticipated.
本発明は、伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することにより、強力なポンプを用いずとも全体としても冷却効率をより高くすることができるので、発熱電子部品を冷媒の循環により冷却する電子部品の冷却装置として好適に用いられる。 The present invention reduces the pressure loss without significantly impairing the heat transfer performance, so that the cooling efficiency can be increased as a whole without using a powerful pump. Therefore, the heat generating electronic components are cooled by circulating the refrigerant. It is suitably used as a cooling device for electronic components.
1 筐体
3 熱交換手段
4 発熱電子部品
5 基板
7 放熱器
8 配管
9 加圧ポンプ
10 ベース板
11,21,31 伝熱フィン
11a 切り欠き部
12 流入口
13 流出口
14 ケース
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Housing | casing 3 Heat exchange means 4 Exothermic
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JP2010123881A (en) * | 2008-11-21 | 2010-06-03 | Fujikura Ltd | Cold plate |
WO2013157467A1 (en) | 2012-04-16 | 2013-10-24 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device and cooler for semiconductor device |
JP2015050287A (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-16 | 株式会社フジクラ | Cold plate |
US20190080984A1 (en) * | 2017-09-14 | 2019-03-14 | Keihin Thermal Technology Corporation | Liquid-cooled type cooling device |
-
2006
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010123881A (en) * | 2008-11-21 | 2010-06-03 | Fujikura Ltd | Cold plate |
WO2013157467A1 (en) | 2012-04-16 | 2013-10-24 | 富士電機株式会社 | Semiconductor device and cooler for semiconductor device |
US9472488B2 (en) | 2012-04-16 | 2016-10-18 | Fuji Electric Co., Ltd. | Semiconductor device and cooler thereof |
JP2015050287A (en) * | 2013-08-30 | 2015-03-16 | 株式会社フジクラ | Cold plate |
US20190080984A1 (en) * | 2017-09-14 | 2019-03-14 | Keihin Thermal Technology Corporation | Liquid-cooled type cooling device |
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