JP4284853B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体素子等の発熱体を冷却するために好適な沸騰冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
本出願人が発明した従来技術として、特願2000−280490に開示した沸騰冷却装置がある。この沸騰冷却装置は、図14に示す様に、冷媒が封入される密閉容器100の外側に密閉容器100内と連通するチューブ110を設け、そのチューブ110と密閉容器100の放熱壁120との間に放熱フィン130が介在されている。
この構成によれば、密閉容器100内の冷媒がチューブ110を通って再び密閉容器100内へ還流する冷媒循環流路を形成できるので、冷媒循環がスムーズに行われる様になる。また、密閉容器100の放熱壁120とチューブ110との間に放熱フィン130が介在されているので、チューブ110内を流れる冷媒の熱が放熱フィン130を通じて外気に放出されるだけでなく、密閉容器100の放熱壁120からも放熱フィン130に熱伝達されるため、フィン効率が向上して放熱性能を向上できる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
上記の先願では、放熱フィン130として、自動車用の熱交換器(例えばラジエータ、コンデンサ)等で使用されているコルゲートフィンが用いられる。このコルゲートタイプの放熱フィン130は、高い放熱性能を薄幅にて対応することができるが、その分やや圧損が高くなる傾向を有している。従って、図14に示す様に、冷却器の奥行き方向を長くした場合等では、放熱フィン130の圧損が極端に大きくなり、却って放熱性能の低下を招く恐れがあった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、放熱面積の増大と共に低圧損化を図ることで、冷却性能を向上できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【0004】
【課題を解決するための手段】
(請求項1の手段)
所定の間隔を保って対向する受熱壁と放熱壁とを有し、この受熱壁及び放熱壁と共に閉空間を形成して、その閉空間に所定量の冷媒が封入され、受熱壁の表面に発熱体が取り付けられる冷媒槽と、閉空間と環状に連通する冷媒通路を形成し、且つ放熱壁との間に冷却風を通す通風空間を確保して放熱壁の表面上に配置される放熱チューブ、及び通風空間に配されて放熱壁及び放熱チューブと熱的に結合し、放熱壁及び放熱チューブから伝わる熱を外気に放出する放熱フィンを有する放熱部とを備え、
この放熱部は、冷却風が流入する方向に対し、放熱チューブ及び放熱フィンが、放熱壁の表面上で斜めに配置されていることを特徴とする。
【0005】
この構成によれば、冷媒槽の幅を大きくしなくても、放熱フィンの幅方向の長さを大きくできるので、冷却風が流入する放熱フィンの前面面積を増やすことが可能となる。その結果、放熱フィンの奥行き方向の長さを低減して低圧損化を図り、且つ放熱フィンの幅方向の長さを大きくすることで放熱面積の増大が可能となり、放熱性能の向上に寄与できる。
【0006】
また、放熱部へ流入する冷却風を放熱フィンへ導く冷却風制御板を具備している。
冷却風が流入する方向に対し放熱チューブ及び放熱フィンを斜めに配置すると、放熱フィンが配置された通風空間を通過する冷却風の風速分布に偏りが生じる。そこで、冷却風制御板によって放熱部へ流入する冷却風を効果的に放熱フィンへ導くことにより、冷却風の風速分布の偏りを低減することが可能となり、放熱フィンを有効に活用できる。
【0007】
冷却風制御板は、放熱壁の表面に接触して設置され、放熱性の高い伝熱部材によって構成されている。この場合、放熱部の放熱フィン以外にも冷却風制御板(伝熱部材)を通じて、放熱壁から伝わる熱を外気に放出できるので、放熱面積を増大でき、放熱性能の向上を図ることができる。
【0008】
(請求項2の手段)
請求項1に記載した沸騰冷却装置において、
冷却風制御板は、放熱チューブと放熱フィンを斜めに配置したことで放熱壁の表面上に生じるスペースを利用して設置されている。
この場合、冷却風制御板は、放熱チューブと放熱フィンを斜めに配置したことで放熱壁の表面上に生じるスペースを有効利用して設置することができる。
【0009】
(請求項3の手段)
受熱壁及び放熱壁が略直立した状態で冷媒槽を配置する時に、
放熱部は、流入する冷却風の流れ方向に対し、下流側の端部の方が上流側の端部より、上下方向にて上側に位置する様に配置されている。
上記の様に冷媒槽を立てて使用する場合には、発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が冷媒液面の上部に充満するため、放熱部を配置する放熱壁の表面温度は、上下方向において下部より上部の方が高くなる。即ち、沸騰冷却装置の上部の方が下部より放熱性能への寄与度が高いことが分かっている。
従って、放熱部は、放熱壁の表面温度が高い上部側に冷却風がより流れやすくなる様に配置した方が良い。即ち、冷却風の流れ方向に対し、放熱部の下流側端部の方が上流側端部より上側に位置する様に配置することが望ましい。
(請求項4の手段)
請求項3に記載した沸騰冷却装置において、
放熱部へ流入する冷却風を放熱フィンへ導く冷却風制御板を具備している。
(請求項5の手段)
請求項4に記載した沸騰冷却装置において、
冷却風制御板は、放熱チューブと放熱フィンを斜めに配置したことで放熱壁の表面上に生じるスペースを利用して設置されている。
(請求項6の手段)
請求項4または5に記載した沸騰冷却装置において、
冷却風制御板は、放熱壁の表面に接触して設置され、放熱性の高い伝熱部材によって構成されている。
【0010】
(請求項7の手段)
請求項1〜6に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
流入する冷却風の流れ方向に対し、下流側となる放熱部の端部より外側を冷却風が通過することを阻止するための冷却風仕切り板を具備している。
放熱部に送風される冷却風の一部が放熱部の外側を通過すれば、放熱性能が低下することは言うまでもない。そこで、冷却風仕切り板を設置して冷却風の漏れを防止することにより、放熱性能の低下を防止できる。
【0011】
(請求項8の手段)
請求項7に記載した沸騰冷却装置において、
冷媒槽の両側面に沿って設置される冷却風導入用のダクトを備え、
冷却風仕切り板は、ダクトを通って導入される冷却風の流れ方向に対し、下流側となる放熱部の端部とダクトとの隙間を塞ぐ様に配置されている。
この場合、冷却風仕切り板によって、ダクトと放熱部の端部との隙間を冷却風が通り抜けることを防止できるので、放熱性能の低下を防止できる。
【0012】
(請求項9の手段)
請求項1〜8に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
冷媒槽は、閉空間にて受熱壁と放熱壁とを熱的に連結する伝熱部を具備している。この場合、閉空間に伝熱部を設けることで放熱面積を増大でき、且つ受熱壁から伝熱部を通じて放熱壁へ熱伝達できるので、放熱性能を向上できる。
【0013】
(請求項10の手段)
請求項1〜9に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
放熱チューブは、押出し材が使用され、その押出し材の両端側が略L字状または湾曲状に曲げ加工されている。押出し材を使用することで、安価に且つ容易に放熱チューブを製造できる。
【0014】
(請求項11の手段)
請求項1〜10に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
放熱フィンは、一定の幅を有する薄い金属板を交互に折り曲げて波状に加工したコルゲートタイプのフィンである。
このコルゲートフィンを放熱チューブと組み合わせて放熱部を構成し、その放熱部を流入する冷却風の流れ方向に対し斜めに配置することにより、低圧損(低騒音)で且つ高性能な沸騰冷却装置を実現できる。なお、コルゲートフィンの表面にルーバを設けても良い。
【0015】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の沸騰冷却装置の参考例および実施形態を図面に基づいて説明する。
(第1参考例)
図1は沸騰冷却装置の外観斜視図である。
この沸騰冷却装置1は、例えば半導体素子等の発熱体2(図3参照)を冷却するもので、以下に詳述する冷媒槽3と放熱部4とで構成される。
冷媒槽3は、その平面形状(図2に示す形状)が長方形で、厚み幅の小さい偏平な直方体形状を有する。具体的には、図3(沸騰冷却装置1の断面図)に示す様に、冷媒槽3の下側壁面を形成する受熱プレート5、冷媒槽3の上側壁面を形成する放熱プレート6、及び受熱プレート5と放熱プレート6との間に積層されて冷媒槽3の側壁面を形成する外枠部材7から構成され、内部に閉空間8を形成している。
【0016】
受熱プレート5と放熱プレート6及び外枠部材7は、例えばアルミニウム等の熱伝導性の高い金属板の表面にろう材層を有するクラッド材が使用され、一体ろう付けによって接合される。
冷媒槽3の内部(閉空間8)には、放熱プレート6(または受熱プレート5)に取り付けられる注入パイプ9を通じて所定量の冷媒(例えば水、アルコール、フロン、フロロカーボン等)が封入されている。なお、注入パイプ9は、冷媒を注入した後、先端を封じ切って密閉される。
発熱体2は、受熱プレート5の表面に図示しないボルト等で固定されている。
【0017】
放熱部4は、放熱チューブ10と放熱フィン11とで構成される。
放熱チューブ10は、内部に複数の管状通路(冷媒通路)が並列に形成された多孔偏平管で、例えばアルミニウムの押出し材が使用され、両端部がそれぞれL字状(または湾曲状)に曲げ加工されている。この放熱チューブ10は、図2に示す様に、長手方向(通路方向)が、放熱プレート6の表面上で対角線上に配置され、自身の両端部が予め放熱プレート6の対角線角部に開けられている長孔(図示しない)に挿通されて、冷媒槽3の閉空間8と環状に連通している。但し、放熱チューブ10の長手部分(両端部の間)は、放熱プレート6の表面から浮き上がった状態で支持され、その長手部分と放熱プレート6との間に冷却風を通すための通風空間が確保されている。
【0018】
放熱フィン11は、例えばアルミニウム等の熱伝導性の高い金属製の薄板を交互に折り曲げて波状に加工したコルゲートフィンであり、前記の通風空間に配されて、放熱プレート6の表面及び放熱チューブ10の表面にろう付けされている。なお、放熱フィン11の表面にルーバを設けても良い。
上記構成の沸騰冷却装置1は、図2に示す様に、冷媒槽3の長手方向(図2の左右方向)に冷却風が流通して放熱部4に送風される。従って、放熱部4は、冷却風が流入する方向に対し、放熱チューブ10及び放熱フィン11が斜めに配置されている。なお、前記の注入パイプ9は、冷却風の流れ方向に対し、放熱部4より下流側に配置されることは言うまでもない(図1及び図2参照)。
【0019】
次に、本参考例の作動を説明する。
発熱体2から発生した熱は、受熱プレート5から冷媒槽3内の冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させる。沸騰によって蒸発した蒸気冷媒は、主に放熱チューブ10の各冷媒通路を流れる際に、冷媒通路の内壁面に凝縮して液化し、その後、放熱チューブ10から冷媒槽3内に還流する。
蒸気冷媒が凝縮する際に放出される凝縮潜熱は、放熱プレート6及び放熱チューブ10から放熱フィン11に伝達され、放熱フィン11を通じて冷却風に放出される。
上記サイクル(沸騰−凝縮−液化)を繰り返すことにより、発熱体2の熱が順次外気に放出されて、発熱体2の冷却が行われる。
【0020】
(本参考例の効果)
本参考例に記載した沸騰冷却装置1は、冷却風が流入する方向に対し、放熱プレート6の表面上で放熱部4(放熱チューブ10及び放熱フィン11)が斜めに配置されている。この構成によれば、冷媒槽3の幅(図2の上下方向の長さ)を大きくしなくても、放熱プレート6の対角線方向に沿った放熱フィン11の幅方向の長さを大きくできるので、冷却風が流入する放熱フィン11の前面面積を増やすことが可能となる。つまり、冷却風が流入する方向に対し、放熱部4を直交して配置した場合は、放熱フィン11の前面面積が冷媒槽3の幅によって限定されるが、上記の構成によれば、放熱フィン11の幅方向の長さを冷媒槽3の幅より大きくできるので、その分、放熱フィン11の前面面積を増大することができる。
【0021】
これにより、放熱フィン11の前面面積を増大して放熱面積を増大できるので、その分、放熱フィン11の奥行き方向の長さを低減して低圧損化を図ることが可能となり、その結果、放熱性能の向上に寄与できる。
なお、冷媒槽3は、閉空間8にて受熱プレート5と放熱プレート6とを熱的に連結する伝熱部を設けても良い。この場合、伝熱部によって冷媒槽3の放熱面積を増大でき、且つ受熱プレート5から伝熱部を通じて放熱プレート6へ熱伝達できるので、放熱性能の向上が可能である。この伝熱部は、例えば外枠部材7に設けても良いし、外枠部材7と別体に設けても良い。
また、本参考例では、冷媒槽3を積層構造として閉空間8を形成しているが、箱型の密閉容器を使用しても良い。
【0022】
(第2参考例)
図4は沸騰冷却装置1の平面図(上面図)である。
本実施形態の沸騰冷却装置1は、放熱部4の外側を冷却風が通過することを阻止するための冷却風仕切り板12を具備している。
放熱部4に対し効果的に冷却風を導入するため、図5に示す様に、ダクト13を設置する場合がある。しかし、第1参考例で説明した様に、冷却風が流入する方向に対し、放熱部4(放熱チューブ10及び放熱フィン11)を斜めに配置すると、ダクト13と放熱チューブ10との間に隙間が生じ易くなる。この場合、特に冷却風の流れ方向で下流側となる放熱チューブ10の角部とダクト13との間に隙間が生じると、その隙間から冷却風が漏れるため、冷却性能が大きく悪化することが分かっている。
【0023】
そこで、本参考例では、図4に示す様に、ダクト13と放熱チューブ10との間に生じる隙間を冷却風仕切り板12によって塞ぐことにより、冷却風の漏れを防止している。この場合、冷却風仕切り板12は、ゴムパッキン等の弾性を有する材質を採用することで、より気密性を高めることが可能となり、風漏れの防止効果を向上できる。
なお、冷却風仕切り板12は、図6に示す様に、放熱プレート6の外縁に沿って設置しても良い。この場合、ダクト13との隙間を塞いでいる訳ではないが、放熱部4の外側へ漏れ出る冷却風を低減できる効果がある。また、この方法は、ダクト13を使用しない場合にも適用できる。
【0024】
(第1実施形態)
図7は沸騰冷却装置1の外観斜視図である。
本実施形態の沸騰冷却装置1は、放熱部4へ導入される冷却風を効果的に放熱フィン11へ導くための冷却風制御板14を具備している。
冷却風が流入する方向に対し、放熱部4(放熱チューブ10及び放熱フィン11)を斜めに配置すると、放熱フィン11前面の風速分布が偏り易くなる。つまり、図7において、冷却風の流れ方向に対し、放熱部4の上流側(高風量域)より下流側(低風量域)の方へより冷却風が流れやすくなる。この風速分布の偏りが冷却性能に悪影響を及ぼすことになる。
【0025】
そこで、放熱プレート6の表面上で放熱部4の前方に冷却風制御板14を設置し、この冷却風制御板14によって放熱部4の低風量域側へも冷却風を効果的に流すことができ、放熱フィン11前面の風速分布の偏りを低減できる。なお、この冷却風制御板14は、放熱フィン11前面の風速分布がより均一化される様に、放熱フィン11に対する向き(角度)を適切に調節して設置されることは言うまでもない。
また、この冷却風制御板14は、放熱部4を斜めに配置したことで放熱プレート6の表面上に生じるスペースを有効利用して設置することができる。
【0026】
上記の冷却風制御板14は、放熱性の高い伝熱部材を用いても良い。その一例として、例えば図8に示す様に、フィン部材15を用いることができる。この場合、放熱部4の放熱フィン11以外にもフィン部材15を通じて放熱プレート6から伝わる熱を外気に放出できるので、放熱フィン11前面の風速分布を均一化できる効果に加えて、更に放熱面積を増大できる分、放熱性能の向上に寄与できる。あるいは、図9に示す様に、放熱チューブ10と同様に、冷媒槽3内の閉空間8と連通するチューブ16を冷却風制御板14として配置しても良い。この場合も、フィン部材15と同様に、風速分布の均一化に加えて、放熱性能の向上にも寄与できる。
【0027】
(第2実施形態)
図10は沸騰冷却装置1の側面図である。
本実施形態の沸騰冷却装置1は、図10に示す様に、受熱プレート5及び放熱プレート6が略直立する様に、冷媒槽3を立てた状態で使用する。
この場合、放熱部4は、流入する冷却風の流れ方向に対し、図10または図11の配置が考えられる。しかし、冷媒槽3を立てて使用する場合は、発熱体2の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が冷媒液面の上部に充満するため、放熱プレート6の表面温度は、上下方向において下部より上部の方が高くなる。即ち、沸騰冷却装置1の上部の方が下部より放熱性能への寄与度が高いことが分かっている。
【0028】
従って、放熱部4は、放熱プレート6の表面温度が高い上部側に冷却風がより流れやすくなる様に配置した方が良い。即ち、図10に示す様に、冷却風の流れ方向に対し、放熱部4の下流側端部の方が上流側端部より上下方向の上側に位置する様に配置することが望ましい。
また、図12に示す様に、冷却風が上下方向に流通する送風系においても、上記と同じ理由により、下から上へ冷却風を流す方が良いことが分かる。
【0029】
(第3参考例)
図13は沸騰冷却装置1の断面図である。
本参考例の沸騰冷却装置1は、図13に示す様に、放熱チューブ10を多段に構成した場合の一例である。つまり、放熱部4は、冷媒槽3の放熱プレート6上に立設された2本のヘッダ17、この2本のヘッダ17を連通する複数本の放熱チューブ10、及び通風空間に配される放熱フィン11によって構成されている。2本のヘッダ17は、放熱プレート6の対角線上の両側に設けられ、冷媒槽3の閉空間8と連通している。
【0030】
放熱チューブ10は、2本のヘッダ17間で上下方向に間隔(通風空間)を開けて並設され、2本のヘッダ17を通じて相互に連通している。
放熱フィン11は、放熱プレート6と一番下側の放熱チューブ10との間、及び上下に隣合う放熱チューブ10間にそれぞれ介在されている。
この放熱部4は、第1参考例と同様に、冷却風が流入する方向に対し、放熱プレート6の表面上で斜めに配置されている。従って、放熱フィン11の幅方向の長さを冷媒槽3の幅より大きくできるので、その分、放熱フィン11の前面面積を増大することができる。その結果、低圧損化を図ることができ、且つ放熱性能の向上に寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 沸騰冷却装置の外観斜視図である(第1参考例)。
【図2】 沸騰冷却装置の平面図(上面図)である(第1参考例)。
【図3】 沸騰冷却装置の断面図である(第1参考例)。
【図4】 沸騰冷却装置の平面図(上面図)である(第2参考例)。
【図5】 沸騰冷却装置の平面図(上面図)である(第2参考例)。
【図6】 沸騰冷却装置の外観斜視図である(第2参考例)。
【図7】 沸騰冷却装置の外観斜視図である(第1実施形態)。
【図8】 沸騰冷却装置の外観斜視図である(第1実施形態)。
【図9】 沸騰冷却装置の外観斜視図である(第1実施形態)。
【図10】 沸騰冷却装置の側面図である(第2実施形態)。
【図11】 沸騰冷却装置の側面図である(第2実施形態)。
【図12】 沸騰冷却装置の側面図である(第2実施形態)。
【図13】 沸騰冷却装置の断面図である(第3参考例)。
【図14】 沸騰冷却装置の外観斜視図である(先願例)。
【符号の説明】
1 沸騰冷却装置
2 発熱体
3 冷媒槽
4 放熱部
5 受熱プレート(受熱壁)
6 放熱プレート(放熱壁)
8 閉空間
10 放熱チューブ
11 放熱フィン
12 冷却風仕切り板
13 ダクト
14 冷却風制御板
15 フィン部材(伝熱部材)
16 チューブ(伝熱部材)
Claims (11)
- 所定の間隔を保って対向する受熱壁と放熱壁とを有し、この受熱壁及び放熱壁と共に閉空間を形成して、その閉空間に所定量の冷媒が封入され、前記受熱壁の表面に発熱体が取り付けられる冷媒槽と、
前記閉空間と環状に連通する冷媒通路を形成し、且つ前記放熱壁との間に冷却風を通す通風空間を確保して前記放熱壁の表面上に配置される放熱チューブ、及び前記通風空間に配されて前記放熱壁及び放熱チューブと熱的に結合し、前記放熱壁及び放熱チューブから伝わる熱を外気に放出する放熱フィンを有する放熱部と、
この放熱部へ流入する冷却風を前記放熱フィンへ導く冷却風制御板とを備え、
前記放熱部は、冷却風が流入する方向に対し、前記放熱チューブ及び放熱フィンが、前記放熱壁の表面上で斜めに配置され、
前記冷却風制御板は、前記放熱壁の表面に接触して設置され、放熱性の高い伝熱部材によって構成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項1に記載した沸騰冷却装置において、
前記冷却風制御板は、前記放熱チューブと放熱フィンを斜めに配置したことで前記放熱壁の表面上に生じるスペースを利用して設置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 所定の間隔を保って対向する受熱壁と放熱壁とを有し、この受熱壁及び放熱壁と共に閉空間を形成して、その閉空間に所定量の冷媒が封入され、前記受熱壁の表面に発熱体が取り付けられる冷媒槽と、
前記閉空間と環状に連通する冷媒通路を形成し、且つ前記放熱壁との間に冷却風を通す通風空間を確保して前記放熱壁の表面上に配置される放熱チューブ、及び前記通風空間に配されて前記放熱壁及び放熱チューブと熱的に結合し、前記放熱壁及び放熱チューブから伝わる熱を外気に放出する放熱フィンを有する放熱部とを備え、
この放熱部は、冷却風が流入する方向に対し、前記放熱チューブ及び放熱フィンが、前記放熱壁の表面上で斜めに配置されており、
前記受熱壁及び放熱壁が略直立した状態で前記冷媒槽を配置する時に、
前記放熱部は、流入する冷却風の流れ方向に対し、下流側の端部の方が上流側の端部より、上下方向にて上側に位置する様に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項3に記載した沸騰冷却装置において、
前記放熱部へ流入する冷却風を前記放熱フィンへ導く冷却風制御板を具備していることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項4に記載した沸騰冷却装置において
前記冷却風制御板は、前記放熱チューブと放熱フィンを斜めに配置したことで前記放熱壁の表面上に生じるスペースを利用して設置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項4または5に記載した沸騰冷却装置において、
前記冷却風制御板は、前記放熱壁の表面に接触して設置され、放熱性の高い伝熱部材によって構成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項1〜6に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
流入する冷却風の流れ方向に対し、下流側となる前記放熱部の端部より外側を冷却風が通過することを阻止するための冷却風仕切り板を具備していることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項7に記載した沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽の両側面に沿って設置される冷却風導入用のダクトを備え、
前記冷却風仕切り板は、前記ダクトを通って導入される冷却風の流れ方向に対し、下流側となる前記放熱部の端部と前記ダクトとの隙間を塞ぐ様に配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項1〜8に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽は、前記閉空間にて前記受熱壁と放熱壁とを熱的に連結する伝熱部を具備していることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項1〜9に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
前記放熱チューブは、押出し材が使用され、その押出し材の両端側が略L字状または湾曲状に曲げ加工されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 請求項1〜10に記載した何れか1項の沸騰冷却装置において、
前記放熱フィンは、一定の幅を有する薄い金属板を交互に折り曲げて波状に加工したコルゲートタイプのフィンであることを特徴とする沸騰冷却装置。
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