JP2006229102A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 サイドヒート姿勢時においても、冷媒流路内での冷媒の滞留を抑制し、放熱部の放熱性能の低下を防止することができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】 発熱体７が取り付けられる第１の冷媒槽４、冷媒循環を形成する第２の冷媒槽５及び両冷媒槽間を連通する複数の偏平チューブ３とこれら偏平チューブ間に介在する放熱フィン２からなる方熱部から構成され、その内部に所定量の冷媒が封入されている沸騰冷却装置１が、各偏平チューブを、偏平チューブの長手方向面ＬＰが水平ＨＰに対し、所定角度θ傾くように両冷媒槽間に配設している。この場合、偏平チューブの管軸心は水平である。これによって、偏平チューブ内への冷媒凝縮液の滞留を抑制できる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関し、特にコンピュータチップ（ＣＰＵ）等の電子機器の冷却装置に好適なものである。

近年、ＣＰＵ等の発熱素子は、その発熱量が益々増加し、素子の温度を最適に保つには冷媒を使用した高性能冷却装置のニーズが高まっている。筐体設計自由度を確保するため、冷却装置はボトムヒート（冷却装置底面に発熱素子を密着）およびサイドヒート（冷却装置底面に発熱素子を密着させた状態で、さらに９０度回転）での共用設計が必須となっており、部品点数の低減および放熱部体格の有効活用の面から、これまで発熱体が取り付けられる冷媒槽から冷媒流路を垂直方向に形成する構造の冷却装置を提案してきた（例えば、特許文献１を参照）

しかしながら、この従来の冷却装置においては、サイドヒート姿勢時には放熱部の冷媒流路が重力方向に対し水平となる。ここで、冷媒流路には扁平管を用いているため冷媒が流路内に滞留し、流路を塞いで冷媒の循環不良を発生し、放熱性能が不安定になったり、冷媒不足となったりすることがある。

このような冷媒流路の冷媒による閉塞の問題を解決するものとして、特許文献２に示されるように、２つのヘッダ間に接続されるチューブの両端部間で高低差を有するように、チューブをヘッダ間に配設したものが知られている。

しかしながら、この特許文献２に示される冷却装置においては、チューブの軸方向に沿って傾けているため、広い無駄な空間が生じてしまい装置の大型化が避けられないという問題がある。また、部品点数増加によりコストが高くなってしまう。

特開２００３−２８５８４号公報 特開２００２−２０６８８０号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ボトムヒート及びサイドヒートでの共用化が可能であると共に、サイドヒート姿勢時においても、冷媒流路内での冷媒の滞留を抑制し、放熱部の放熱性能の低下を防止することができる沸騰冷却装置を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲の各請求項に記載の沸騰冷却装置を提供する。
請求項１に記載の沸騰冷却装置は、第１の冷媒槽４、第２の冷媒槽５及び両冷媒槽４，５間を連通する複数の冷媒流路３と各冷媒流路間に介在する放熱フィン２よりなる放熱部とから構成され、その内部に所定量の冷媒が封入されているものであって、冷媒流路３が偏平チューブ３であり、偏平チューブの長手方向面ＬＰが水平ＨＰに対し所定角度θ傾いているように偏平チューブを配置したものであり、これにより、サイドヒート姿勢時においても、冷媒が偏平チューブ（冷媒流路）３内に滞留する量を減らすことができ、偏平チューブが冷媒によって閉塞されることがなく、放熱部の放熱性能を安定して維持することができる。

請求項２の沸騰冷却装置は、放熱フィンがコルゲートフィンであって、このコルゲートフィンもまた偏平チューブと同様に所定角度傾けて配置したものである。即ち、偏平チューブとコルゲートフィンとを交互に重ね合わせて構成された放熱部が、偏平チューブの長手方向面が水平に対し所定角度θ傾くように、両冷媒槽間に配設されている。
請求項３記載の発明によれば、偏平チューブ３の偏平面ＬＰが水平面ＨＰに対して所定角度傾斜しているので、沸騰冷却装置が、発熱体が取付けられる面が側面となるように配されるサイドヒート姿勢時であっても液冷媒によって偏平チューブ内が閉塞されることを抑制することができる。
また、冷却媒体は冷媒と熱交換することにより、冷却媒体の流れ方向下流側となるにつれて昇温する。請求項４記載の発明によれば、偏平チューブは、外部流体の流れ方向上流側が上方となるように傾斜しているので、偏平チューブ内において気冷媒が通過する部位と低温の外部流体とを熱交換させることができる。

以下、図面に従って本発明の実施の形態の沸騰冷却装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態の沸騰冷却装置の断面図であり、図２は、図１のＡ−Ａ断面における（ａ）本発明の場合と（ｂ）従来技術との比較を説明する図であり、図３の（ａ）は本発明の冷媒通路の斜視図で、（ｂ）は従来技術の冷媒通路の斜視図である。沸騰冷却装置１は、冷媒の沸騰熱伝達によって発熱体７を冷却するものであり、一対の冷媒槽４，５と放熱部とで構成され、一体ろう付けにより製造される。発熱体７は、主にコンピュータチップ（ＣＰＵ）等の電子機器であり、受熱側である第１の冷媒槽４の外壁面略中央部に密着して取り付けられる。なお、本発明の沸騰冷却装置１は、図１に示すようにサイドヒートの姿勢で使用するのに好適なものであるが、受熱側の第１の冷媒槽４を下側にしたボトムヒートの姿勢でも当然利用できるものである。

沸騰冷却装置１は、発熱体７が取り付けられる受熱側である第１の冷媒槽４、冷媒循環を形成する第２の冷媒槽５及びこれら第１、第２の冷媒槽４，５間に介在する放熱部とを備えていて、この内部に所定量の冷媒が封入されている一種の密閉容器を形成しており、その内部を冷媒の気化と凝縮とが繰り返される冷媒循環系を形成している。

放熱部は、第１、第２の両冷媒槽４，５間を連通する複数の冷媒流路３と、各冷媒流路３間に介在し、放熱面積を増大するための放熱フィン２と、このフィン２を保護するために放熱部の両側部に設けられるフィン抑え部材６とから構成されている。図１では、放熱フィン２はコルゲートフィン（波形フィン）となっているが、これに限定されるものではない。なお、符号８は、第１の冷媒槽４内部の受熱側に設けられた毛管部材である。
沸騰冷却装置１を構成するこれらの部材（冷媒槽４，５、冷媒流路３、放熱フィン２及びフィン抑え部材６）は、好ましくは伝熱性に優れた金属材料（例えば、銅、アルミニウム等）により形成される。

次に本発明の特徴について説明する。本発明においては、各冷媒流路３は偏平チューブ３よりなる。従来技術においては、図２（ｂ）及び図３（ｂ）に示すように冷媒流路（偏平チューブ）３は、その偏平チューブ３の長手方向面が水平になるように両冷媒槽４，５間に配設されていたが、この場合は、冷媒が偏平チューブ３内に滞留し、その表面張力によって偏平チューブ３内を閉塞してしまう恐れがあったが、本発明では、図２（ａ）及び図３（ａ）に示すように、偏平チューブ３は、その偏平チューブ３の長手方向面（偏平面）ＬＰが水平ＨＰに対して所定角度θ傾くようにして両冷媒槽４，５間に管軸心Ｃを水平にして配設されている。なお偏平チューブ３は、冷媒と熱交換する外部流体（冷却風）の流れ方向上流側が上方となるように傾斜している。また、フィン２がコルゲートフィンの場合は、このフィン２もまた偏平チューブ３の傾き角度θに沿うように所定角度θだけ傾けて設置している。このようにして、偏平チューブ３とフィン２とよりなる放熱部が、外部流体の流れ方向に沿って所定角度θだけ傾けて設置される。

このように、偏平チューブ３を傾けて配設することにより、冷媒凝縮液を保持するところが１隅部の下面しかないために、ある程度凝縮液が滞留すると、偏平チューブ３の両サイドから流れ落ちるので、偏平チューブ３内に滞留する冷媒凝縮液の量を減らすことができ、偏平チューブ３が閉塞されることがない。

上記構成よりなる沸騰冷却装置１の作動について説明する。
沸騰冷却装置１内部に所定量封入された冷媒が、第１の冷媒槽４にて発熱体７より受熱し、沸騰・気化し、偏平チューブ（冷媒流路）３に流入する。放熱部を図２（ａ）中右方から左方へと外部流体が通過することにより、沸騰気化した冷媒蒸気は、偏平チューブ３→放熱フィン２→外部流体へと熱伝達して放熱し、凝縮・液化し、第２の冷媒槽５からＵターンして第１の冷媒槽４へと還流する。

本実施形態では、偏平チューブ３の管軸心Ｃは水平に保つ一方で、長手方向面ＬＰが水平ＨＰに対して傾くように、偏平チューブ３を両冷媒槽４，５間に配設しているので、冷媒凝縮液が偏平チューブ３内に滞留することが抑制され、偏平チューブ３が閉塞されることが防止でき、安定した放熱性能を維持することができる。特に、外部流体の流れ方向上流側が上方となるように偏平チューブ３を傾斜させているので、偏平チューブ３内部において気体冷媒が通過する部位と低温の外部流体とを熱交換させることができる。

なお、本実施形態の沸騰冷却装置１は、ボトムヒートの姿勢でも使用することができる。また、沸騰冷却装置以外の他の熱交換器においても、本発明の概念は適用可能である。

本発明の実施の形態における沸騰冷却装置の断面図である。 図２（ａ）は本発明の実施形態における図１のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｂ）は従来技術における沸騰冷却装置の断面図である。 図３（ａ）は本発明の実施形態における冷媒通路の斜視図であり、図３（ｂ）は従来技術における冷媒通路の斜視図である。

符号の説明

１ 沸騰冷却装置
２ 伝熱フィン
３ 冷媒通路（偏平チューブ）
４，５ 冷媒槽
６ フィン抑え部材
７ 発熱体
ＬＰ 長手方向面
ＨＰ 水平
θ 所定角度
Ｃ 管軸心

Claims (4)

1. 発熱体（７）が取り付けられる第１の冷媒槽（４）と、
   冷媒循環を形成する第２の冷媒槽（５）と、
   前記両冷媒槽（４，５）間を連通する複数の冷媒流路（３）及びこの冷媒流路間に介在する放熱フィン（２）からなる方熱部と、
   から構成され、その内部に所定量の冷媒が封入されている沸騰冷却装置（１）において、
   前記冷媒流路（３）が偏平チューブであって、前記偏平チューブの長手方向面ＬＰが水平ＨＰに対し、所定角度θ傾いて前記偏平チューブが配置されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
2. 前記放熱フィン（２）が、コルゲートフィンであって、前記コルゲートフィンもまた前記偏平チューブと同様に所定角度θ傾いて配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. 発熱体（７）が装着され、内部に冷媒が封入される第１の冷媒槽（４）と、前記第１の冷媒槽（４）の反発熱体側に配置される第２の冷媒槽（５）と、積層され、前記第１の冷媒槽（４）と前記第２の冷媒槽（５）とを連通させる複数本の偏平チューブ（３）とを有し、
   前記発熱体（７）の熱によって沸騰気化した前記冷媒が前記偏平チューブを通過する際に外部流体と熱交換して凝縮液化することにより前記発熱体（７）を冷却する沸騰冷却装置において、
   前記偏平チューブ（３）の偏平面ＬＰが水平面ＨＰに対して所定角度傾斜していることを特徴とする沸騰冷却装置。
4. 前記偏平チューブは、外部流体の流れ方向上流側が上方となるように傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の沸騰冷却装置。

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