JP3804185B2 - 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、冷媒の沸騰及び凝縮作用により発熱体の熱を外部流体へ放出して発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来技術として、例えば特開平8−78589号公報に記載された沸騰冷却装置がある。この沸騰冷却装置は、液冷媒を溜める冷媒槽と、この冷媒槽の上部に設けられた凝縮器とを備え、この凝縮器が冷媒槽に対して略90度傾いた状態で取り付けられている。その凝縮器は、放熱チューブとフィンとを交互に複数配置されて、各放熱チューブの両端開口部にそれぞれヘッダが接続され、このヘッダを通じて各放熱チューブが相互に連通されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来装置は、冷媒槽の上端開口部が一方のヘッダに接続されているが、この一方のヘッダに対して放熱チューブと90度異なる方向から挿入されているため、一方のヘッダの体格が大きくなり、装置全体の体格に対する放熱面積の割合が小さくなってしまう。
また、冷媒槽に対して凝縮器を略90度傾けて取り付けているため、一方向から組み付けることが困難となり、組み付け性が悪いといった問題があった。
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、装置全体の体格に対して凝縮部の放熱面積を大きく取ることができ、且つ組み付け性の良い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)
冷媒槽及び放熱チューブは、それぞれ押し出し材によって両端が開口する中空形状に設けられ、且つ冷媒槽と放熱チューブが同一方向を向いて略平行に配置されている。また、連通部材は、冷媒槽と放熱チューブの各一方側の開口端部が共に組み付けられる一方の連通部材と、冷媒槽と放熱チューブの各他方側の開口端部が共に組み付けられる他方の連通部材とから成り、それぞれ2枚のプレス成型品を貼り合わせて構成されている。
【0005】
本発明によれば、冷媒槽と放熱チューブに押し出し材を用いているため、型費を安くできる。また、押し出し材を用いることにより、冷媒槽においては、発熱体が取り付けられる取り付け面の平面度が得られやすく、放熱チューブでは、厚みを薄くして放熱面積を大きく確保することが容易である。更に、連通部材を2枚のプレス成型品を貼り合わせて構成しているため、厚みを薄くすることができる。その結果、連通部材の体格を小さくできるため、装置全体の体格に対して放熱面積を大きく取ることができる。
また、冷媒槽と放熱チューブの両端開口部に一方の連通部材と他方の連通部材を組み付けるだけの簡単な構成であるため、製造における組み付けが容易である。
【0006】
(請求項2の手段)
冷媒槽は、内部に複数の冷媒流路が設けられている。この場合、各冷媒流路の断面積を小さくする(例えば流路幅0.5〜1.0mm)ことにより、沸騰冷却装置を垂直に設置して使用した場合に、沸騰した蒸気冷媒(気泡)が各冷媒流路を上昇する際に、気泡に釣られて液冷媒も上昇して沸騰面(発熱体の取り付け部位)を濡らすことができる。これにより、冷媒封入量を減らして放熱チューブ内の液面を低くできるため、液冷媒に覆われる放熱チューブの凝縮面積を少なくすることができ、必要な放熱性能を確保できる。なお、複数の冷媒流路は、押し出し成型により冷媒槽内に複数のリブを設けて形成しても良いし、冷媒槽内にフィンピッチの細かいインナフィンを挿入して形成しても良い。
【0007】
(請求項3の手段)
冷媒槽の一方の開口端部に蒸気冷媒の流出を阻止する冷媒流制御板を設けている。この場合、発熱体の熱を受けて沸騰した蒸気冷媒が必然的に冷媒槽の他方の開口端部より流出し、凝縮部で凝縮液化された凝縮液が冷媒槽の一方の開口端部より冷媒槽内へ戻ることができる。つまり、冷媒槽で沸騰した蒸気冷媒と凝縮部で凝縮液化された凝縮液との干渉を防止でき、冷媒を一方向に自然循環させることができるため冷却性能を向上できる。
【0008】
(請求項4の手段)
凝縮部が複数設けられ、各凝縮部が冷媒槽に対して横幅方向に一定の間隔を空けて並設されている。この場合、冷媒槽に対して発熱体を取り付け螺子とナットの締め付けによって容易に固定することができる。つまり、発熱体に設けられた取り付け螺子(雄螺子)を冷媒槽に形成された貫通穴に通し、発熱体と反対側で取り付け螺子の端部にナットを締め付けることにより発熱体を冷媒槽に固定することができる。この時、ナットの締め付け作業を隣り合う凝縮部間に確保されるスペースを利用して行うことができるため、凝縮部に邪魔されることなく、容易に発熱体を冷媒槽へ固定することができる。
【0009】
(請求項5の手段)
凝縮部は、冷媒槽に対して横幅方向の片側にオフセット配置されている。この場合も、請求項4と同様に、冷媒槽に対して発熱体を取り付け螺子とナットの締め付けによって容易に固定することができる。つまり、凝縮部がオフセット配置されているため、凝縮部に邪魔されることなく、ナットの締め付け作業を行うことができる。
また、本発明では、沸騰冷却装置を垂直に設置する場合に、凝縮部を冷媒槽の上部側に配置することにより、放熱チューブが液冷媒に満たされることがないため、必要な放熱性能を確保できる。
【0010】
(請求項6の手段)
凝縮部は、複数の放熱チューブから成り、各放熱チューブが一定の間隔を空けて並設されている。従来の沸騰冷却装置では、放熱チューブの表面にフィン(波形のコルゲートフィンを使用する場合が多い)を配置する場合が一般的であるが、この場合フィンが通風抵抗となり、フィンによる圧力損失が大きいため、冷却ファンと凝縮部との距離が大きい場合には、冷却ファンから凝縮部まで冷却風を導入するダクトを用いる必要があった。これに対し、発熱体の発熱量が比較的小さい場合には、放熱面積もそれ程大きくは必要ないため、フィンを廃止しても必要な冷却性能を確保することができる。また、フィンを無くすことで圧力損失を低減できるため、冷却ファンを凝縮部から離れた場所に設置した場合に、ダクトを使用しなくても十分な冷却風を凝縮部に導入することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の沸騰冷却装置を図面に基づいて説明する。
(第1実施例)
図1は沸騰冷却装置1の斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置1は、冷媒の沸騰及び凝縮作用によって発熱体2を冷却するもので、液冷媒を溜める冷媒槽3、放熱チューブ4と放熱フィン5とを交互に複数段重ねて構成された凝縮部、冷媒槽3と各放熱チューブ4とを連通する2個のヘッダ6(一方のヘッダ6A、他方のヘッダ6B)を有する。
【0012】
冷媒槽3は、熱伝導性に優れるアルミニウムの押し出し材によって両端が開口する中空形状に形成されている。発熱体2が固定される冷媒槽3の一表面は、発熱体2の取り付け面としての平面度が確保されている。また、冷媒槽3の内部には、図4に示す様に複数のリブ3aが設けられ、各リブ3aによって複数の冷媒流路3bが形成されている。この場合、冷媒槽3にリブ3aを設けることにより、冷媒圧力に対する強度を確保できるとともに、沸騰面積を増大できる効果がある。なお、リブ3aを設ける代わりに、図5に示す様に、冷媒槽3内に波形のインナフィン7(所謂コルゲートフィン)を挿入しても良い。このインナフィン7を使用する場合は、図6に示す様に、フィン壁面に多数のスリット7aを形成することで、冷媒の移動がインナフィン7によって規制されることなく、冷媒槽3内を容易に移動できる様に構成できる。
【0013】
放熱チューブ4は、冷媒槽3と同様にアルミニウムの押し出し材によって両端が開口する偏平な中空形状に形成され、冷媒槽3と長さが同一に設けられている。各放熱チューブ4は、それぞれ冷媒槽3と同一方向を向いて冷媒槽3と略平行に配置されている。なお、放熱チューブ4の内部には、図7に示す様に、リブ4aによって区画された複数の通路4bを形成しても良い。この場合、リブ4aを設けることで冷媒圧力に対する強度を確保できるとともに、凝縮面積を増大できる効果がある。また、リブ4aを設ける代わりに、図8に示す様に、放熱チューブ4内にインナフィン8を挿入しても良い。
放熱フィン5は、例えばアルミニウム等の薄い金属板を交互に折り曲げて波状に成形したもので、各放熱チューブ4間に介在されている。
この放熱チューブ4と放熱フィン5とで構成される凝縮部には、図示しない冷却ファンにより冷却風が供給される。
【0014】
ヘッダ6は、冷媒槽3と各放熱チューブ4の各一方側の開口端部が共に組み付けられる一方のヘッダ6Aと、冷媒槽3と各放熱チューブ4の各他方側の開口端部が共に組み付けられる他方のヘッダ6Bとから成る。
各ヘッダ6は、それぞれ略矩形状にプレス成型された2枚のプレート部材6a、6bを周囲のみ接合して偏平な中空形状に形成され、片方のプレート部材6bに冷媒槽3及び各放熱チューブ4の開口端部が挿入される開口部が形成されている(図2参照)。
【0015】
発熱体2は、例えばパソコン等に使用されるCPUであり、冷媒槽3の底面中央部に密着して固定されている。
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、他方のヘッダ6Bに取り付けられた注入パイプ9を通じて冷媒槽3内に注入される。なお、冷媒は、冷媒槽3の上壁面より低い位置で、冷媒液面の上部に空間が残される程度まで注入されている(図2参照)。
この沸騰冷却装置1は、冷媒槽3、凝縮部(放熱チューブ4と放熱フィン5)、ヘッダ6を組み合わせて全体形状を組み立てた後、一体ろう付けによって製造される。
【0016】
次に、本実施例の作動を説明する。
a)図2に示す様に沸騰冷却装置1を水平に設置した場合。
発熱体2より発生した熱を受けて沸騰した冷媒は、液面上部の空間を通って両側のヘッダ6A、6Bへ流入し、両ヘッダ6A、6Bよりそれぞれ各放熱チューブ4へ分配される。放熱チューブ4を流れる蒸気冷媒は、放熱チューブ4の内壁面に凝縮して液滴となり、蒸気冷媒の流れに押されながら放熱チューブ4内を移動し、両ヘッダ6A、6Bより冷媒槽3内へ還流して、再び上記サイクル(沸騰−凝縮−液化)を繰り返す。
一方、発熱体2より冷媒に伝達された熱は、放熱チューブ4内で蒸気冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、放熱チューブ4の壁面より放熱フィン5を通じて外気に放出される。
【0017】
b)図3に示す様に沸騰冷却装置1を垂直に設置した場合。
発熱体2より発生した熱を受けて沸騰した冷媒は、冷媒槽3内の上部空間より上部側に位置する他方のヘッダ6Bへ流入し、そのヘッダ6Bより各放熱チューブ4へ分配される。放熱チューブ4を流れる蒸気冷媒は、放熱チューブ4の内壁面に凝縮して液滴となり、自重により放熱チューブ4の内壁面を伝いながら下方へ移動して液冷媒に戻る。各放熱チューブ4内の液冷媒は、下部側に位置する一方のヘッダ6Aを通って冷媒槽3内へ供給され、再び上記サイクル(沸騰−凝縮−液化)を繰り返す。
一方、発熱体2より冷媒に伝達された熱は、放熱チューブ4内で蒸気冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、放熱チューブ4の壁面より放熱フィン5を通じて外気に放出される。
【0018】
(第1実施例の効果)
本実施例によれば、冷媒槽3と放熱チューブ4に押し出し材を用いているため、冷媒槽3においては、発熱体2が取り付けられる取り付け面の平面度が得られやすく、放熱チューブ4では、厚みを薄くして放熱面積を大きく確保することが容易である。
また、ヘッダ6を2枚のプレス成型品(プレート部材6a、6b)を貼り合わせて構成しているため、ヘッダ6の厚みを薄くすることができる。その結果、ヘッダ6の体格を小さくできるため、装置全体の体格に対して放熱面積を大きく取ることができる。
更には、冷媒槽3と放熱チューブ4の両端開口部に一方のヘッダ6Aと他方のヘッダ6Bを組み付けるだけの簡単な構成であるため、製造における組み付けが容易である。
【0019】
(第2実施例)
図9は沸騰冷却装置1の断面図である。
本実施例は、冷媒槽3の内部に断面積の小さい(例えば流路幅が0.5〜1.0mm)複数の冷媒流路3bを形成した場合を示す。具体的には、図10に示す様に、各リブ3aの間隔を小さくしたり、図11に示す様に、冷媒流路3bを2列に構成することにより各冷媒流路3bの断面積を小さくすることができる。あるいは、図12に示す様に、冷媒槽3内に挿入されるインナフィン7のフィンピッチを細かくすることで冷媒流路3bの断面積を小さくすることもできる。
この場合、図9に示す様に沸騰冷却装置1を垂直に設置すると、蒸気冷媒(気泡)が各冷媒流路3bを上昇する際に、その気泡の上昇に釣られて液冷媒も上昇し、沸騰面(発熱体2の取り付け部位)を濡らすことができる。つまり、気泡径が冷媒流路3bの径より若干大きいため、液冷媒が気泡と壁面により閉じ込められて、気泡の上昇に伴い一緒に上昇する。従って、図9に示す様に、真の液面に対して見かけの液面を高くできるため、冷媒封入量を減らして液冷媒に覆われる放熱チューブ4の凝縮面積を少なくすることができる(液面より上方に現れる凝縮面積を大きく確保できる)。その結果、沸騰冷却装置1を垂直に設置した場合でも必要な冷却性能を維持することができる。
【0020】
(第3実施例)
図13は沸騰冷却装置1の断面図である。
本実施例では、冷媒槽3の一方の開口端部に蒸気冷媒の流出を阻止する冷媒流制御板10を設けている。言い換えれば、冷媒槽3の一方の開口端部を液冷媒のみ流通できる様に、開口端部の上部側を冷媒流制御板10によって閉塞している。従って、冷媒流制御板10の下部には、一方のヘッダ6Aと冷媒槽3とを液冷媒が流通できる流通口11が確保されている。
これにより、発熱体2の熱を受けて沸騰した蒸気冷媒は、図13に矢印で示す様に、必然的に冷媒槽3内の上部空間を他方の開口端部側(右側)へ流れて他方のヘッダ6Bへ流入し、凝縮部で凝縮液化されて凝縮液となった後、一方のヘッダ6Aを通って流通口11より冷媒槽3内へ戻ることができる。この様に、冷媒槽3で沸騰した蒸気冷媒と凝縮部で凝縮液化された凝縮液との干渉がなく、冷媒を一方向に自然循環させることができるため、冷却性能を向上できる。
【0021】
(第4実施例)
図14は沸騰冷却装置1の断面図である。
本実施例は、凝縮部を複数の放熱チューブ4のみで構成した一例を示すものである。つまり、発熱体2の発熱量が比較的小さい場合は、放熱面積もそれ程大きくは必要ないため、放熱フィン5を廃止しても必要な冷却性能を確保できる。
また、波形の放熱フィン5(コルゲートフィン)を設ける場合、放熱フィン5が送風抵抗となって圧力損失が大きくなるため、冷却ファンを凝縮部より離れた場所に設置する場合には、冷却ファンから凝縮部まで冷却風を導くダクト(図示しない)を設ける必要がある。しかし、放熱フィン5を廃止して放熱チューブ4だけで凝縮部を構成すれば、放熱フィン5による送風抵抗が無く、圧力損失を小さくできるため、ダクトを使用しなくても十分な冷却風を導入することが可能となる。
【0022】
(第5実施例)
図15は沸騰冷却装置1の斜視図である。
本実施例は、一つの冷媒槽3に対して複数の凝縮部(図15では2組)を設けた場合の一例を示すものである。各凝縮部は、冷媒槽3に対して横幅方向に所定の間隔を空けて並設されている。
本実施例の構成によれば、発熱体2を取り付け螺子12(雄螺子)とナット13の締結によって容易に冷媒槽3へ固定することができる。つまり、図16に示す様に、予め発熱体2に設けられた取り付け螺子12を冷媒槽3の略中央部に形成された貫通穴3cに通し、取り付け螺子12の端部よりナット13を締め付けることで発熱体2を冷媒槽3に固定することができる。この場合、2組の凝縮部が所定の間隔を空けて並設されているため、そのスペースを利用してナット13の締め付け作業を行うことができる。また、冷媒槽3は、押し出し材で形成されているため、貫通穴3cを設けることも簡単である。
なお、本実施例で説明した複数の凝縮部は、第1実施例に記載した凝縮部を複数に分割したものと考えることもできる。
【0023】
(第6実施例)
図17は沸騰冷却装置1の斜視図である。
本実施例は、図17に示す様に、凝縮部の体格を小型化するとともに、その凝縮部を冷媒槽3に対して横幅方向の片側にオフセット配置したものである。
これにより、発熱体2の取り付け螺子12に対してナット13の締め付け作業を容易に行うことができる。
また、沸騰冷却装置1を垂直に設置する場合、図18に示す様に、凝縮部を上部側に配置することにより、放熱チューブ4が液冷媒によって満たされないため、凝縮部の体格を小さくしても必要な冷却性能を確保できる。この場合、第3実施例の場合と同様に、冷媒槽3の一方の開口端部(図18の左側開口端部)に冷媒流制御板10を設けることにより、図18に矢印で示す様に、冷媒を一方向に自然循環させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】沸騰冷却装置の斜視図である(第1実施例)。
【図2】沸騰冷却装置(水平に設置した場合)の断面図である。
【図3】沸騰冷却装置(垂直に設置した場合)の断面図である。
【図4】冷媒槽の断面図である。
【図5】冷媒槽の断面図である。
【図6】インナフィンの斜視図である。
【図7】放熱チューブの断面図である。
【図8】放熱チューブの断面図である。
【図9】沸騰冷却装置の断面図である(第2実施例)。
【図10】冷媒槽の断面図である。
【図11】冷媒槽の断面図である。
【図12】冷媒槽の断面図である。
【図13】沸騰冷却装置の断面図である(第3実施例)。
【図14】沸騰冷却装置の断面図である(第4実施例)。
【図15】沸騰冷却装置の斜視図である(第5実施例)。
【図16】沸騰冷却装置の断面図である(第5実施例)。
【図17】沸騰冷却装置の斜視図である(第6実施例)。
【図18】沸騰冷却装置の断面図である(第6実施例)。
【符号の説明】
1 沸騰冷却装置
2 発熱体
3 冷媒槽
3b 冷媒流路
4 放熱チューブ
6 ヘッダ(連通部材)
6A 一方のヘッダ(一方の連通部材)
6B 他方のヘッダ(他方の連通部材)
10 冷媒流制御板
Claims (6)
- 冷媒の沸騰及び凝縮作用によって発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
液冷媒を溜める冷媒槽と、
前記発熱体の熱で沸騰した蒸気冷媒が流入する放熱チューブを有し、この放熱チューブを流れる蒸気冷媒を凝縮させる凝縮部と、
前記冷媒槽と前記放熱チューブとを連通する一組の連通部材とを備え、
前記冷媒槽及び前記放熱チューブは、それぞれ押し出し材によって両端が開口する中空形状に設けられ、且つ前記冷媒槽と前記放熱チューブが同一方向を向いて略平行に配置され、
前記一組の連通部材は、前記冷媒槽と前記放熱チューブの各一方側の開口端部が共に組み付けられる一方の連通部材と、前記冷媒槽と前記放熱チューブの各他方側の開口端部が共に組み付けられる他方の連通部材とから成り、それぞれ2枚のプレス成型品を貼り合わせて構成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 前記冷媒槽の内部に断面積の小さい複数の冷媒流路が設けられていることを特徴とする請求項1に記載した沸騰冷却装置。
- 前記冷媒槽の一方の開口端部に蒸気冷媒の流出を阻止する冷媒流制御板を設けたことを特徴とする請求項1または2に記載した沸騰冷却装置。
- 前記凝縮部が複数設けられ、各凝縮部が前記冷媒槽に対して横幅方向に一定の間隔を空けて並設されていることを特徴とする請求項1〜3に記載した何れかの沸騰冷却装置。
- 前記凝縮部は、前記冷媒槽に対して横幅方向の片側にオフセット配置されていることを特徴とする請求項1〜3に記載した何れかの沸騰冷却装置。
- 前記凝縮部は、複数の前記放熱チューブから成り、各放熱チューブが一定の間隔を空けて並設されていることを特徴とする請求項1〜5に記載した何れかの沸騰冷却装置。
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