JP2004063684A

JP2004063684A - 沸騰冷却装置

Info

Publication number: JP2004063684A
Application number: JP2002218615A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Morihira; 森平　晋一
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-26
Filing date: 2002-07-26
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】平板部材が積層されて密閉容器が形成されるものにおいて、受熱壁に対する発熱体の占める割合が大きい場合でも、冷媒のスムーズな循環を形成できる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】密閉容器１１０内に、中間プレート１４０ａ〜１４０ｈにおける複数の開口部１４１ａ〜１４１ｅ間の板厚部１４２が積層されることで複数の壁部１１５を形成し、且つ、受熱プレート１２０と複数の壁部１１５との間、および上側プレート１３０と複数の壁部１１５との間に隙間部１１１、１１２を形成し、複数の壁部１１５のうち、最外方に位置する最外方壁部１１５ａは、開口部１４１ａ〜１４１ｅの開口面積を調整して、発熱体１０の外周部近傍に対応する位置から、上側プレート１３０の中心側に向けて傾斜するように形成する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により半導体素子等の発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の沸騰冷却装置として、特開平１０−３０８４８６号公報に示されるものが知られている。即ち、冷媒が封入される密閉容器は、発熱体が取り付けられる受熱壁と、この受熱壁に対して間隔を置いて対向する放熱壁と、受熱壁および放熱壁の間に介在されて両壁を熱的に連結する伝熱部とから構成されている。そして、この伝熱部は、開口部を有する１枚以上の平板部材が受熱壁と放熱壁との間に積層されて、開口部間の板厚部が連なることで形成されるようにしている。
【０００３】
これにより、開口部を有する平板部材を積層することで伝熱部を容易に形成でき、低コストで、量産性の高い沸騰冷却装置を提供できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この沸騰冷却装置においては、発熱体に対して受熱壁を大きく取ることによって、発熱体の取付け部位に対応する領域（沸騰領域）で内部の冷媒が沸騰上昇し、沸騰領域から外れた領域（凝縮領域）で外部に放熱した冷媒が凝縮下降し、自然発生的に冷媒の循環が形成されるようにしているので、受熱壁に対する発熱体の占める割合が大きく設定されると、凝縮領域が減少され、冷媒の沸騰上昇および凝縮下降が同一領域内で生じ、スムーズな冷媒の循環が形成できなくなる。即ち、冷却性能が低下することになる。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、平板部材が積層されて密閉容器が形成されるものにおいて、受熱壁に対する発熱体の占める割合が大きい場合でも、冷媒のスムーズな循環を形成できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、下側面に発熱体（１０）が取り付けられる受熱プレート（１２０）と、受熱プレート（１２０）の上側に配置される上側プレート（１３０）と、複数の開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）を有し、受熱プレート（１２０）および上側プレート（１３０）間に積層される複数の中間プレート（１４０ａ〜１４０ｈ）とから成る密閉容器（１１０）を有し、密閉容器（１１０）内に封入される冷媒が発熱体（１０）の熱を受けて沸騰気化し、凝縮液化する際に外部に放熱することで発熱体（１０）を冷却する沸騰冷却装置において、密閉容器（１１０）内には、中間プレート（１４０ａ〜１４０ｈ）における複数の開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）間の板厚部（１４２）が積層方向に重なることで複数の壁部（１１５）が形成され、且つ、受熱プレート（１２０）と複数の壁部（１１５）との間、および上側プレート（１３０）と複数の壁部（１１５）との間には隙間部（１１１、１１２）が形成されており、複数の壁部（１１５）のうち、最外方に位置する最外方壁部（１１５ａ）は、開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）の開口面積が調整されることによって、発熱体（１０）の外周部近傍に対応する位置から、上側プレート１３０の中心側に向けて傾斜して形成されたことを特徴としている。
【０００８】
これにより、発熱体（１０）の大きさに応じて設定された最外方壁部（１１５ａ）によって沸騰領域を区画することができるので、沸騰気化した冷媒を最外方壁部（１１５ａ）間で上昇させることができる。また、上側プレート（１３０）近傍においては、最外方壁部（１１５ａ）の傾斜によってその外方が広く開口するように形成されるので、凝縮液化した冷媒が流入しやすくなり、上昇後の冷媒を連続的に下降させることができる。このように受熱プレート（１２０）に対する発熱体（１０）の占める割合が大きくなっても、発熱体（１０）の領域外に対応する密閉容器（１１０）を大きくすること無く、沸騰気化により冷媒が上昇する領域と凝縮後に下降する領域とを明確に区分けして冷媒のスムーズな流れが形成できる。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、受熱プレート（１２０）および最外方壁部（１１５ａ）間の隙間部（１１１）は、発熱体（１０）によって沸騰気化した冷媒の流通を抑制するように小さく形成されたことを特徴としている。
【００１０】
これにより、沸騰気化した冷媒が直接、下降する側の領域に流入することが抑えられるので、更にスムーズな冷媒流れを形成できる。
【００１１】
請求項３に記載の発明では、受熱プレート（１２０）の発熱体（１０）が取り付けられる領域は、発熱体（１０）側に膨出するように形成されたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、膨出部（１２１）の内周壁（１２１ａ）が沸騰気化した冷媒が上昇する際のガイドとなり、積極的な冷媒上昇および下降領域側への流入抑制を図ることができ、スムーズな冷媒流れを形成できる。
【００１３】
尚、請求項４に記載の発明のように、壁部（１１５）内には、冷却水が流通する冷却水通路（１１６）が形成されており、発熱体（１０）によって沸騰気化した冷媒は、冷却水によって凝縮液化するようにした水冷式の沸騰冷却装置（１００）に適用して好適であり、空冷のような放熱フィンを不要として、沸騰冷却装置（１００）全体の体積を小さくできる。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明のように、上記請求項１に記載の発明に対して、複数の壁部（１１５）のうち、最外方に位置する最外方壁部（１１５ａ）は、発熱体（１０）の外周部近傍に対応する位置に配置され、且つ、受熱プレート（１２０）側に延ばされて受熱プレート（１２０）および最外方壁部（１１５ａ）間の隙間部（１１１）が発熱体（１０）によって沸騰気化した冷媒の流通を抑制するように小さく形成されるようにしても良い。
【００１５】
これにより、最外方壁部（１１５ａ）間に発熱体（１０）の大きさに応じた沸騰領域を形成し、またその外側に凝縮液化した冷媒が下降する下降領域を形成できる。更には、沸騰気化した冷媒が直接、下降領域側に流入することが抑えられるので、受熱プレート（１２０）に対する発熱体（１０）の占める割合が大きくなっても、発熱体（１０）の領域外に対応する密閉容器（１１０）を大きくすること無く、沸騰領域と下降領域とを明確に区分けして冷媒のスムーズな流れが形成できる。
【００１６】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
次に、本発明の沸騰冷却装置の第１実施形態を図１〜図６に基づいて説明する。沸騰冷却装置１００は、例えば半導体素子等の発熱体１０の熱によって内部に封入される冷媒が沸騰気化し、外部から供給される冷却水によって冷媒が凝縮液化する際にその凝縮潜熱を冷却水に放出することで発熱体１０を冷却する水冷式の沸騰冷却装置としている。
【００１８】
沸騰冷却装置１００は、下側の受熱プレート１２０と上側に配置される上側プレート１３０との間に、それぞれ複数の開口部１４１ａ〜１４１ｅを有する中間プレート１４０ａ〜１４０ｈが複数積層されて形成される密閉容器１１０を有している。そして、この密閉容器１１０には入口パイプ１５０、出口パイプ１６０、冷媒封入パイプ１７０が設けられている。尚、上記各部材は、熱伝導性に優れるアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、これら部材が一体でろう付けされることによって沸騰冷却装置１００は形成される。
【００１９】
密閉容器１１０内には、以下説明する中間プレート１４０ａ〜１４０ｈの組み合わせによって、受熱プレート１２０側に沸騰部１１１、上側プレート１３０側に拡散部１１２、そして沸騰部１１１と拡散部１１２との間に熱交換部１１３が形成されている。
【００２０】
沸騰部１１１は、図４中（ａ）に示す長方形の受熱プレート１２０の上側に中間プレート１４０ａ、１４０ｂが交互に積層されて形成されている。中間プレート１４０ａは図４中（ｃ）に示すように縦方向に延びるの開口部１４１ａが複数形成されており、また中間プレート１４０ｂは図４中（ｄ）に示すように横方向に延びるの開口部１４１ｂが複数形成されており、互いの開口部１４１ａ、１４１ｂが交差する位置で連通して空間（隙間部）を形成している。尚、中間プレート１４０ａ、１４０ｂの開口部１４１ａ、１４１ｂは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成されている。また、以下説明する中間プレート１４０ｃ〜１４０ｈの開口部１４１ｃ〜１４１ｅ、冷却水開口部１４３も同様の加工により形成される。
【００２１】
拡散部１１２は、上記沸騰部１１１と同様に、図４（ｂ）に示す長方形の上側プレート１３０の下側に中間プレート１４０ａ、１４０ｂ（図４（ｃ）、（ｄ））が交互に積層されて、互いの開口部１４１ａ、１４１ｂが連通して空間（隙間部）を形成している。尚、上側プレート１３０の図４（ｂ）中の右上側には、冷媒孔１３１が設けられており、拡散部１１２内の空間と連通するように冷媒封入パイプ１７０が接続されている。
【００２２】
熱交換部１１３は、図５、図６に示す中間プレート１４０ｃ〜１４０ｈが沸騰部１１１側から順次拡散部１１２側に向けて積層されて形成されている。中間プレート１４０ｃ〜１４０ｈにはそれぞれ縦方向を基本とする開口部１４１ｃ〜１４１ｅが設けられており、これら開口部１４１ｃ〜１４１ｅの間には板厚部１４２が形成されている。
【００２３】
中間プレート１４０ｃにおいては、板厚部１４２のうち、最外方に位置する板厚部１４２の内側端部１４２ａは、発熱体１０の外周位置に対応するように配置されている。そして、最外方の開口部１４１ｃの幅寸法ｃ１は、凝縮液化した冷媒が流通可能となる最小の値に設定し、また、内側端部１４２ａを共有する開口部１４１ｄの幅寸法ｄ１は、開口部１４１ａの幅寸法ｃ１よりも大きく設定している。
【００２４】
そして、中間プレート１４０ｄ〜１４０ｈにおいては、開口部１４１ｃの幅寸法ｃ１が順次大きくなるように、且つ開口部１４１ｄの幅寸法ｄ１が順次小さくなるように設定している。
【００２５】
尚、中間プレート１４０ｄ〜１４０ｇの板厚部１４２においては、更に冷却水が流通するための冷却水開口部１４３が複数設けられている。また、中間プレート１４０ｈの左右の対角線上には入口孔１４４、出口孔１４５が設けられ、それぞれに入口パイプ１５０、出口パイプ１６０が接続されている。
【００２６】
これらの中間プレート１４０ｃ〜１４０ｈが積層されることにより、図３に示すように、板厚部１４２によって複数の壁部１１５が形成され、開口部１４１ｃ〜１４１ｅによって複数の冷媒通路１１３ａ、１１３ｂが形成される。そして、この冷媒通路１１３ａ、１１３ｂは、沸騰部１１１、拡散部１１２の空間と連通する。また、壁部１１５の内部には冷却水開口部１４３が互いに連通して、冷却水通路１１６が形成されることになる。尚、冷却水通路１１６は、入口パイプ１５０および出口パイプ１６０と連通する。
【００２７】
そして、壁部１１５のうち、最外方の壁部１１５ａは、受熱プレート１２０側において、発熱体１０の外周部近傍に対応する位置から上側プレート１３０の中心側に向けて傾斜した壁部として形成されることになる。
【００２８】
このように形成された密閉容器１１０には、冷媒封入パイプ１７０から所定量の冷媒が封入され、その後、冷媒封入パイプ１７０は先端開口部が溶接等により封止される。冷媒は、水、アルコール、フロロカーボン、フロン等が用いられる。また、受熱プレート１２０の下側の面には、発熱体１０がボルト等により締結されて固定される。尚、ここでは発熱体１０は、受熱プレート１２０に占める割合が大きなものとして設定されている。
【００２９】
次に、本実施形態の作動および作用効果に付いて説明する。沸騰部１１１における冷媒は、発熱体１０の熱を受けて沸騰気化し、熱交換部１１３側に上昇する。そして、壁部１１５内の冷却水通路１１６を流通する冷却水によって冷却されて凝縮液化していく。上昇した冷媒は、拡散部１１２で外方に拡散し、冷媒通路１１３ｂ側に流入していき、自重によって下降し液化冷媒として再び沸騰部１１１に戻る。このように、沸騰冷却装置１００は、発熱体１０の熱を沸騰気化により輸送し、凝縮液化時の凝縮潜熱を冷却水側に放出することで発熱体１０を冷却する。
【００３０】
本発明においては、発熱体１０の大きさに応じて設定された最外方壁部１１５ａによって沸騰領域を区画することができるので、沸騰気化した冷媒を冷媒通路１１３ａ側に上昇させることができる。また、上側プレート１３０近傍においては、最外方壁部１１５ａの傾斜によって冷媒通路１１３ｂが広く開口するように形成されるので、凝縮液化した冷媒が流入しやすくなり、上昇後の冷媒を連続的に下降させることができる。このように受熱プレート１２０に対する発熱体１０の占める割合が大きくなっても、発熱体１０の領域外に対応する密閉容器１１０を大きくすること無く、沸騰気化により冷媒が上昇する領域と凝縮後に下降する領域とを明確に区分けして冷媒のスムーズな流れが形成できる。
【００３１】
尚、本実施形態では、沸騰気化した冷媒を冷却水によって凝縮液化する水冷式の沸騰冷却装置１００としているので、空冷のような放熱フィンを不要として、沸騰冷却装置１００全体の体積を小さくできる。
【００３２】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図７に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、受熱プレート１２０および最外方壁部１１５ａ間の隙間（沸騰部１１１のスペース）を更に小さくして、発熱体１０によって沸騰気化した冷媒が直接、冷媒通路１１３ｂ側に流入するのを抑制するようにしたものである。具体的には、沸騰部１１１の中間プレート１４０ｂの最外方壁部１１５ａに対応する位置に板厚部１４２を追加し、最下段の中間プレート１４０ａにおいては最外方の開口部１４１ａを広げて、冷媒通路１１３ｂと１１３ａを連通させるようにしている。
【００３３】
これにより、沸騰気化した冷媒が直接、冷媒通路１１３ｂ側に流入することが抑えられるので、更にスムーズな冷媒流れを形成できる。
【００３４】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図８に示す。第３実施形態は、上記第２実施形態に対して、受熱プレート１２０の発熱体１０が取り付けられる領域に、発熱体１０側に膨出する膨出部１２１を設けたものである。
【００３５】
これにより、膨出部１２１の内周壁１２１ａが沸騰気化した冷媒が上昇する際のガイドとなり、積極的な冷媒上昇および冷媒通路１１３ｂへの流入抑制を図ることができ、スムーズな冷媒流れを形成できる。
【００３６】
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図９に示す。第４実施形態は、第１実施形態に対して、最外方壁部１１５ａの傾斜を廃止し、受熱プレート１２０との隙間を小さく設定したものである。
【００３７】
これにより、最外方壁部１１５ａ間に発熱体１０の大きさに応じた沸騰領域（冷媒流路１１３ａ）を形成し、またその外方に凝縮液化した冷媒が下降する下降領域（冷媒通路１１３ｂ）を形成できる。更には、沸騰気化した冷媒が直接、冷媒通路１１３ｂ側に流入することが抑えられるので、受熱プレート１２０に対する発熱体１０の占める割合が大きくなっても、発熱体１０の領域外に対応する密閉容器１１０を大きくすること無く、沸騰領域と下降領域とを明確に区分けして冷媒のスムーズな流れが形成できる。
【００３８】
（その他の実施形態）
上記第１〜第４実施形態では、壁部１１５内に冷却水通路１１６を設けて、冷媒を冷却水によって凝縮液化するものとして説明したが、冷却水通路１１６を廃止し、例えば上側プレート１３０に放熱フィンを設けた空冷式の沸騰冷却装置１００としても良い。
【００３９】
更には、上側プレート１３０の上側にチューブとヘッダとを設け、チューブによって冷媒通路１１３ａとヘッダとを連通させ、ヘッダと冷媒通路１１３ｂとを連通させたものとしても良い。この時、チューブ間には放熱フィンを設けるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の沸騰冷却装置の外観を示す正面図である。
【図２】図１におけるＡ方向からの矢視図である。
【図３】第１実施形態における図１のＢ−Ｂ部を示す断面図である。
【図４】図３における密閉容器の沸騰部および拡散部を形成するプレートを示す平面図である。
【図５】図３における密閉容器の熱交換部を形成する中間プレートを示す平面図である。
【図６】図３における密閉容器の熱交換部を形成する中間プレートを示す平面図である。
【図７】第２実施形態における図１のＢ−Ｂ部を示す断面図である。
【図８】第３実施形態における図１のＢ−Ｂ部を示す断面図である。
【図９】第４実施形態における図１のＢ−Ｂ部を示す断面図である。
【符号の説明】
１０　発熱体
１００　沸騰冷却装置
１１０　密閉容器
１１１　沸騰部（隙間部）
１１２　拡散部（隙間部）
１１５　壁部
１１５ａ　最外方壁部
１１６　冷却水壁部
１２０　受熱プレート
１３０　上側プレート
１４０ａ〜１４０ｈ　中間プレート
１４１ａ〜１４１ｅ　開口部
１４２　板厚部

Claims

下側面に発熱体（１０）が取り付けられる受熱プレート（１２０）と、
前記受熱プレート（１２０）の上側に配置される上側プレート（１３０）と、
複数の開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）を有し、前記受熱プレート（１２０）および前記上側プレート（１３０）間に積層される複数の中間プレート（１４０ａ〜１４０ｈ）とから成る密閉容器（１１０）を有し、
前記密閉容器（１１０）内に封入される冷媒が前記発熱体（１０）の熱を受けて沸騰気化し、凝縮液化する際に外部に放熱することで前記発熱体（１０）を冷却する沸騰冷却装置において、
前記密閉容器（１１０）内には、前記中間プレート（１４０ａ〜１４０ｈ）における前記複数の開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）間の板厚部（１４２）が積層方向に重なることで複数の壁部（１１５）が形成され、
且つ、前記受熱プレート（１２０）と前記複数の壁部（１１５）との間、および前記上側プレート（１３０）と前記複数の壁部（１１５）との間には隙間部（１１１、１１２）が形成されており、
前記複数の壁部（１１５）のうち、最外方に位置する最外方壁部（１１５ａ）は、前記開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）の開口面積が調整されることによって、前記発熱体（１０）の外周部近傍に対応する位置から、前記上側プレート（１３０）の中心側に向けて傾斜して形成されたことを特徴とする沸騰冷却装置。
前記受熱プレート（１２０）および前記最外方壁部（１１５ａ）間の前記隙間部（１１１）は、前記発熱体（１０）によって沸騰気化した冷媒の流通を抑制するように小さく形成されたことを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
前記受熱プレート（１２０）の前記発熱体（１０）が取り付けられる領域は、前記発熱体（１０）側に膨出するように形成されたことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の沸騰冷却装置。
前記壁部（１１５）内には、冷却水が流通する冷却水通路（１１６）が形成されており、
前記発熱体（１０）によって沸騰気化した冷媒は、前記冷却水によって凝縮液化するようにしたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の沸騰冷却装置。
下側面に発熱体（１０）が取り付けられる受熱プレート（１２０）と、
前記受熱プレート（１２０）の上側に配置される上側プレート（１３０）と、
複数の開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）を有し、前記受熱プレート（１２０）および前記上側プレート（１３０）間に積層される複数の中間プレート（１４０ａ〜１４０ｈ）とから成る密閉容器（１１０）を有し、
前記密閉容器（１１０）内に封入される冷媒が前記発熱体（１０）の熱を受けて沸騰気化し、凝縮液化する際に外部に放熱することで前記発熱体（１０）を冷却する沸騰冷却装置において、
前記密閉容器（１１０）内には、前記中間プレート（１４０ａ〜１４０ｈ）における前記複数の開口部（１４１ａ〜１４１ｅ）間の板厚部（１４２）が積層方向に重なることで複数の壁部（１１５）が形成され、
且つ、前記受熱プレート（１２０）と前記複数の壁部（１１５）との間、および前記上側プレート（１３０）と前記複数の壁部（１１５）との間には隙間部（１１１、１１２）が形成されており、
前記複数の壁部（１１５）のうち、最外方に位置する最外方壁部（１１５ａ）は、前記発熱体（１０）の外周部近傍に対応する位置に配置され、且つ、前記受熱プレート（１２０）側に延ばされて前記受熱プレート（１２０）および前記最外方壁部（１１５ａ）間の前記隙間部（１１１）が前記発熱体（１０）によって沸騰気化した冷媒の流通を抑制するように小さく形成されたことを特徴とする沸騰冷却装置。