JP2002107023A - 冷却剤を蒸発させるフィンを用いた冷板 - Google Patents

冷却剤を蒸発させるフィンを用いた冷板

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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】増加する熱線密度で熱の多量の放散が要求され
ている場合に、電気的要素または電子的要素が装着され
る表面から熱を除去する改良された方法の提案。 【解決手段】改良された冷板冷却装置１２は、非常に低
い渦流電力消費でかつ非常に高い熱伝達率で電気的要素
および電子的要素の表面から冷却を行う。冷却されるべ
き要素は、冷板１４に熱接触する。フィン材料は冷板に
挿入され、また、冷却剤がフィンを循環され、液体冷却
剤が要素によって発生された熱によって少なくとも部分
的に蒸発されるときに、冷板およびフィンが電気的要素
または電子的要素から熱を伝達させるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電気的要素および
電子的要素の冷却に関し、さらに詳しく言えば、電気的
要素および電子的要素を冷却するために冷却剤を蒸発さ
せるフィン形成体を用いた冷板に関するものである。
【０００２】本願は、２０００年４月１９日に出願され
た予備出願第６０／１９８，４２４号にもとづく正規の
出願である。
【０００３】
【従来の技術】電気的要素および電子的要素（例えば、
マイクロプロセッサ、ＩＧＢＴ、出力半導体等）が、要
素の信頼できる動作および長い寿命を得るために取り除
かれねばならない熱を発生する。この熱を除去する１つ
の方法は、冷板上に要素を乗せることである。要素は冷
板を通って流れる流体によって冷却される。冷板は、電
気的要素または電子的要素が装着される表面から熱を除
去するように管、またはずれたストリップ・フィンもし
くは巻込みフィンを流れる液体を用いる。冷板を流れる
液体は、相変化を伴わずに、感知できる温度の増加によ
って熱を除去している。管またはフィンは、要素がネ
ジ、ボルト、またはクリップによって装着される平らな
表面に熱接触する。熱境界材料は、要素と冷板表面との
間の一定抵抗を低下させるように通常用いられる。多く
の形式の冷板設計がある。そのうちのいくつかは、流体
を運ぶために管に代えて機械加工された溝を採り入れて
いる。しかし、すべての冷板設計は、熱を取り除くため
に流体の感知しうる加熱を用いることによって同様に動
作する。加熱された流体は、それがポンプまで戻り、サ
イクルを再び開始するまで、周囲空気が流体を冷却する
遠隔配置空冷コイルへ流れる。
【０００４】近代の電気的要素および電子的要素は、増
加熱線密度ごとに大量の熱を放散することを要求され
る。したがって、感知しうる冷却のみによってこれらの
要素を冷却することは、非常に困難である。熱放散のワ
ットごとについて、冷却流体は温度を増加しなければな
らない。あるいは、温度上昇が固定の場合には、流体の
流量が増加しなければならない。これは、大流体流量も
しくは大温度差、または両方を生じる。流体流量が増加
するに従って、ポンプ動力が増加し、要求ポンプのサイ
ズが増加する。これは、許容できない渦電力消費を生
じ、装備の梱包を困難にし、高速流体による冷板通路の
腐食さえも生じる。冷却流体の温度上昇が増加するに従
って、装置または要素の許容温度が時々超過されて、早
期故障を発生する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題および手段】特に増加す
る熱線密度で熱の大量の放散が要求されている場合に、
電気的要素または電子的要素が装着される表面から熱を
除去する改良された方法の継続した要請があることがわ
かる。
【０００６】この要請は、冷板の一部として構成された
多数形状のフィンを用いる本発明によって満たされる。
フィンは、高い表面積ずれストリップ・フィン、無地巻
込みフィン、またはその他のフィン形成体でもよい。本
発明の冷板は、その表面に装着された要素または装置か
ら効率的に熱を除去するように、フィン形成体を通過す
る流体媒体として蒸発可能冷却剤を用いる。
【０００７】本発明の一観点によれば、改良された冷板
冷却装置は、非常に低い渦電力消費でかつ非常に高い熱
伝達率で電気的要素および電子的要素の表面から冷却を
行う。冷却されるべき要素が、冷板と熱接触する。フィ
ン材料が冷板に挿入され、冷却剤がフィンを循環され
て、液体冷却剤が要素によって発生された熱によって少
なくとも部分的に蒸発されるとき、冷板およびフィンが
電気的要素または電子的要素から熱を伝達する。
【０００８】したがって、本発明の目的は、電気的要素
および電子的要素に冷却を与えることにある。本発明の
別の目的は、大表面積にわたって冷却を与えることにあ
る。本発明のさらに別の目的は、電気的要素および電子
的要素にほぼ等温冷却を与えることにある。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明は、冷板内にフィンを用
い、冷板の表面に装着された電気的要素および電子的要
素から熱を除去するように蒸発可能冷却剤をフィンに通
過させることを提案する。冷却剤は、例えば、Ｒ１３４
aのような任意の適当な蒸発可能な冷却剤でもよい。作
動液として循環する冷却装置は、ここに全体的に参考と
して組み込まれている共通に譲渡された出願番号第＿＿
＿号（代理人書類ＴＦＦ００１ＰＡ）に記載され、請求
されている。
【００１０】本発明は、鑞付け等によって冷板にフィン
を挿入すること、さもなければ冷板にフィンを関連させ
ることを提案する。冷板／フィン冷却装置は、冷板に熱
接触させて要素または装置から熱を除去するようにフィ
ンを通る流体媒体として蒸発可能冷却剤を用いる。冷板
は蒸発器として作用し、冷却剤が蒸発し、要素が装着さ
れている表面から熱を奪う。冷板に一体に装着されたフ
ィン形成体は、より効率的に熱を伝達し、蒸発する冷却
剤に熱を移動することを助ける。フィン形成体は、例え
ば、突込みおよびずれ巻込みフィンを示す図１のフィン
１０ａ、無地巻込みフィンを示す図２のフィン１０ｂ、
ひだ付き巻込みフィンを示す図３のフィン１０ｃ、また
はオハイオ州ケントンにあるＲｏｂｉｎｓｏｎ Ｆｉｎ
Ｍａｃｈｉｎｅｓ会社から製造販売されているその他
の適当なフィン形成体のような任意の適当なフィン形成
体でもよい。Ｒｏｂｉｎｓｏｎ Ｆｉｎ Ｍａｃｈｉｎ
ｅｓによって製造されかつ本発明の冷板設計の用途に適
したフィンは、任意の製造可能なずれまたはとさかをも
った無地、ひだ付き、巻込みフィンを含んでもよい。フ
ィンは、銅またはアルミニューウムのような熱伝達用途
に適した種種の材料から入手できる。各用途についての
格別なフィン形成体は、許容圧力降下および格別の冷却
装置の要求された二相熱伝達率にもとづいて選択され
る。
【００１１】本発明によれば、図４−８に示すように、
冷却装置１２は、効率的に熱を伝達するために、冷板１
４を構成する多数の形状のフィン１０ａ、１０ｂ、また
は１０ｃのようなフィン１０を使用する。冷却装置１２
は、冷板１４の表面２０に装着または熱接触状態で要素
または装置１８から熱を奪う流体媒体として矢印１６の
方向に装置１２を通して向けられる蒸発可能冷却剤を使
用する。
【００１２】図４、５に示すように、冷却剤は冷却剤入
口２２において装置１２に入り、冷却剤出口２４におい
て装置１２から出る。冷却剤は、それが冷板を通過する
さいに、蒸発しつつある。図４は、完全冷板１４の集合
体を示す。説明の目的のためにのみ、そして本発明の範
囲を制限するものとして考えられるべきではなく、熱発
生電気的要素または電子的要素１８が冷板１４の表面２
０の平坦領域２６に装着されるように示される。しか
し、要素１８を冷板１４に装着または取付けをするため
の手段が熱伝導接着剤、ボルト、クリップ、クランプま
たはその他の機械的手段、およびはんだ等には限定され
ないが、冷板１４と熱接触状態に要素１８を置く適当な
手段でもよい。
【００１３】図５において、図４における冷板１４の集
合体の部分的分解図が示される。図５において、冷却剤
入口２２および冷却剤出口２４が、液体冷却剤分配手段
２８のみならず、示されている。液体冷却剤分配手段２
８は、集合体１２の部材３２内に形成された複数の溝ま
たは通路３０からなる。流通路３０の構成は、流体媒体
をフィン形成体に分配することを促進するように意図さ
れている。したがって、その構成は、使用されるフィン
のサイズおよび形式、ならびに格別の装置の熱伝達要求
にもとづいて変わりうる。
【００１４】図６は、見えるようにしたフィン１０を備
えた冷板１４の分解図を示す。本発明の好適実施例にお
いては、集合体１２は鑞付けされるように設計されてい
るので、フィン１０は頂板１４ａおよび底板１４ｂと一
体になってそれらの一部となっている。フィン１０は、
両板１４ａおよび１４ｂと緊密な熱伝達接触状態にあ
る。部材３４は、板１４ａおよび１４ｂを一緒に保持す
るように用いられて、フィン１０を板と熱伝達接触状態
に維持する。
【００１５】図７は、液体分配手段２８と、底板１４ｂ
に乗るフィン１０とを示す切欠図である。図４、５の出
口２４をかいして冷却剤が冷板から出るように流通路３
０から管形式の構造への変移をも示す。フィンを備えた
冷板は、図６、７に示すように、流通路３０への液体冷
却剤の分配がフィン形成体１０をかいして液体を分布さ
せる。これは、冷却過程中に熱点および圧力スパイクの
生成を防止する。液体冷却剤を流通路３０からフィン１
０へ誘導することは、フィンを通る流体媒体の効率的分
布を許し、液体冷却剤が要素１８から熱を吸収し（それ
が沸騰したとき）蒸気に変わるとき、発生する煮沸分離
を制御するようにフィンが用いられるようにする。した
がって、ある液体冷却剤は、フィン１０を通って連続的
に動いている。ここに図示した構成によって、本発明は
熱を発散させるために冷却流体の温度を上げる必要はな
い。むしろ、要素１８によって発生された熱は吸収さ
れ、冷却剤を沸騰させ、冷却剤を液体から気体に変え
る。
【００１６】図８において、冷板集合体１２の一端が示
されている。フィン１０はそれぞれ頂板１４ａと底板１
４ｂとの間に挿入され、部材３４が頂板１４ａと底板１
４ｂとを保持する。部材３２は、冷却剤がフィン１０へ
流れた直後に流通路３０を集合体１２へ誘導する。最後
に、部材３６は、流通路３０と流体関係に入口２２と出
口２４とを保持する。本発明の好適実施例においては、
部分または部材３２、３４、３６はＯリング３８によっ
て密封され、外部接続がなされる。
【００１７】本発明の好適実施例においては、冷板集合
体１２は、過フッ化炭化水素冷却剤、Ｒ−１３４ａを使
用するように設計されている。過フッ化炭化水素冷却剤
は、毒性がなく、蒸発潜熱、蒸発圧力、構造の共通材料
との両立等の冷却用途に特に適した熱物理特性を有して
いる。しかし、その他の多くの冷却剤が、装置の特別の
熱的要求にもとづいて用いられうることは、当業者であ
れば明白である。これらは、Ｒ−１２、Ｒ−２２、Ｒ−
４０１ａ、Ｒ−４０１ｃ、Ｒ−４１０ａ、Ｒ−５０８
ａ、ＨＰ−８０、ＭＰ−３９を含むことができるが、こ
れらには限られない。本発明は、既存の装置では従来実
現できなかった利点を達成するように冷板に一体に関連
した蒸発可能冷却剤を導入する。冷却剤は、冷却剤が冷
板を流れるさいに発生される装置の熱負荷にもとづいて
完全にまたは部分的に蒸発可能でもよい。熱伝達機構
は、要素または装置が装着されている表面から熱を除去
する冷却剤の蒸発である。
【００１８】本発明の改良された冷板冷却装置は、した
がって、熱を発生しつつありかつ冷却されることを要求
されている少なくとも１つの要素からなる。冷板は、要
素と熱接触状態にある。冷板は、それと一体になったフ
ィン形成体を有する。フィン形成体は、全体の所望の領
域にわたって冷却する。蒸発可能冷却剤は、フィン形成
体をかいして冷板に循環される。それにより、冷板は蒸
発器として作用し、蒸発可能冷却剤が少なくとも部分的
に蒸発し、冷板の表面から要素によって発生された熱を
除去する。本発明によれば、フィン形成体は、蒸発可能
冷却剤の液体―気体二相流を制御するように配置され
る。
【００１９】本発明の好適実施例においては、冷却剤入
口および冷却剤出口が冷板およびフィン形成体と関連さ
れる。蒸発可能冷却剤の液状形体は、入口から冷却装置
に入り、フィン形成体を通過して、熱が要素から除去さ
れるさいに蒸気に変わり、液体と蒸気との混合体として
残る。フィン形成体と組み合わせた状態で蒸発可能冷却
剤を用いることによって、従来の冷板よりも優れたいく
つかの主な改良が実現される。まず、冷却剤の蒸発潜熱
が通常の流体の感知できる熱容量よりもずっと高いの
で、所定の冷却量に要する質量流量が従来の冷却装置に
おけるよりもずっと少なくなる。ポンピング動力が減少
され、流域にそうライン・サイズも減少され、その結
果、より費用効率のよい装置となる。冷却剤が蒸発する
に従って、潜熱が任意の単相蒸発過程によって一定温度
に加えられる。このことは、冷板が熱をほぼ等温に除去
できるようにし、従来装置において可能である以上に要
素および装置を低温に維持する。さらに、冷板内の冷却
剤の蒸発が従来の冷板よりもずっと高い熱線密度を許
す。これは、従来技術の単相強制対流係数に比べてより
高い沸騰熱伝達係数による。小シリコン・ダイおよび高
熱線密度をもった高性能マイクロプロセッサが、本発明
の冷却装置によって効率的に冷却されうる。
【００２０】本発明にもとづいて構成された冷却装置に
おいては、蒸発表面としてのずれストリップ・フィンま
たは巻込みフィンの使用が、熱拡散が考慮される平面に
装着された管をもつ冷板とは相違して、冷板を全表面に
わたって均等に冷却されるようにする。本発明において
示唆したように、冷板蒸発器にフィンを使用すること
は、冷板のほぼ全表面が均等に冷却されるので、冷板の
ほぼ任意の箇所に要素を配置できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】突込みおよびずれのフィン形成体を示す斜視図
である。
【図２】無地のフィン形成体を示す斜視図である。
【図３】ひだ付きのフィン形成体を示す斜視図である。
【図４】図１−３に示すフィン形成体を用いた本発明に
もとづいて構成された冷板集合体の斜視図である。
【図５】図１−３に示すフィン形成体を用いた本発明に
もとづいて構成された冷板集合体の分解斜視図である。
【図６】図１−３に示すフィン形成体を用いた本発明に
もとづいて構成された冷板集合体の冷板本体の分解斜視
図である。
【図７】図１−３に示すフィン形成体を用いた本発明に
もとづいて構成された冷板集合体の冷板本体の切除分解
斜視図である。
【図８】図１−３に示すフィン形成体を用いた本発明に
もとづいて構成された冷板集合体の冷板端部の切除分解
斜視図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｈ０５Ｋ 7/20 Ｑ Ｈ０１Ｌ 23/46 Ａ Ｆターム(参考） 2F078 GB16 3L044 AA04 BA01 CA13 DB02 DD03 EA04 5E322 AA01 AA11 DB06 DB12 EA06 FA04 5F036 AA01 BA08 BB05 BB41

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】熱を発生しかつ冷却されるべきことを要求
    された少なくとも１つの要素と、冷却されるべき前記少
    なくとも１つの要素に熱接触する冷板と、前記冷板と一
    体になったフィン形成体と、前記フィン形成体をかいし
    て前記冷板に循環される蒸発可能冷却剤とからなり、前
    記冷板が、前記蒸発可能冷却剤を少なくとも部分的に蒸
    発させかつ前記冷板の表面から前記少なくとも１つの要
    素によって発生された熱を除去させる蒸発器として作用
    する改良された冷板冷却装置。
  2. 【請求項２】前記冷板およびフィン形成体に関連された
    冷却剤入口および冷却剤出口からさらになり、液体の蒸
    発可能冷却剤が前記入口から前記冷却装置に入り、前記
    フィン形成体を通過し、熱が前記要素から除去されると
    き蒸気に変わり、蒸気または液体と蒸気との混合物とし
    て残る、請求項１に記載の改良された冷板冷却装置。
  3. 【請求項３】前記フィン形成体への前記蒸発可能冷却剤
    の流れに直接に影響を及ぼす複数の流れ溝からさらにな
    る、請求項２に記載の改良された冷板冷却装置。
  4. 【請求項４】前記フィン形成体が、液体―気体二相の前
    記蒸発可能冷却剤を制御するように配置された、請求項
    １に記載の改良された冷板冷却装置。
  5. 【請求項５】前記フィン形成体が、全体の所望の領域に
    わたって冷却する、請求項１に記載の改良された冷板冷
    却装置。
  6. 【請求項６】熱を発生しかつ冷却されるべきことを要求
    された１またはそれを超える電気的要素または電子的要
    素を冷却し、該要素が冷板に関連されている冷却方法で
    あって、前記冷板を前記１またはそれを超える電気的要
    素または電子的要素に熱接触状態に配置すること、フィ
    ン形成体を前記冷板と一体にすること、蒸発可能冷却剤
    を、前記フィン形成体を通して前記冷板に循環させるこ
    とからなり、前記冷板が、前記蒸発可能冷却剤を少なく
    とも部分的に蒸発させかつ前記冷板の表面から前記少な
    くとも１つの要素によって発生された熱を除去させる蒸
    発器として作用する、冷却方法。
  7. 【請求項７】前記冷板およびフィン形成体に関連された
    冷却剤入口を設けること、および前記冷板およびフィン
    形成体に関連された冷却剤出口を設けることからさらに
    なり、液体の蒸発可能冷却剤が前記入口から入り、前記
    フィン形成体を通過し、熱が前記要素から除去されると
    き蒸気に変わり、蒸気または液体と蒸気との混合物とし
    て残る、請求項６に記載の方法。
  8. 【請求項８】前記フィン形成体への前記蒸発可能冷却剤
    の流れに直接に影響を及ぼす複数の流れ溝を設けること
    からさらになる、請求項７に記載の方法。
  9. 【請求項９】前記フィン形成体が、液体―気体二相の前
    記蒸発可能冷却剤を制御するように配置された、請求項
    ７に記載の方法。
  10. 【請求項１０】前記フィン形成体が、全体の所望の領域
    にわたって冷却する、請求項６に記載の方法。
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