JP2001068611A

JP2001068611A - 沸騰冷却器

Info

Publication number: JP2001068611A
Application number: JP24446099A
Authority: JP
Inventors: Eitaro Tanaka; 田中　　栄太郎; Masayoshi Terao; 公良寺尾; Koji Tanaka; 公司田中; Takahide Oohara; 貴英大原
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 1999-08-31
Filing date: 1999-08-31
Publication date: 2001-03-16

Abstract

(57)【要約】【課題】蒸気発生量が増加した時でも、沸騰面のドラ
イアウトを防止できる沸騰冷却器を提供すること。【解決手段】冷媒槽は、箱状の薄型容器と、この薄型
容器の開口面を塞ぐ外壁板２Ｂとから成り、外形が薄型
の直方体に設けられている。外壁板２Ｂには、押し出し
成形によって複数のリブ１０が一体に設けられている。
但し、各リブ１０の長さは、冷媒室の沸騰面の上下幅よ
り若干長く設けられている。また、リブ１０によって形
成される冷媒通路６ａの通路幅ｄは、ラプラス長さの２
倍以下（望ましくは１_mm以下）に設定される。これによ
り、冷媒室の液冷媒がＣＰＵの熱を受けて沸騰気化し、
気泡となって各冷媒通路６ａを上昇する際に、気泡の外
径が通路幅ｄより大きくなるため、気泡によって液冷媒
が持ち上げられて、各冷媒通路６ａの液面が上昇する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、例えば電子機器等の発熱体を
冷却するための沸騰冷却器がある。この沸騰冷却器は、
液冷媒を貯留する冷媒槽と、この冷媒槽で発熱体の熱を
受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流体と熱交換させて放熱
する放熱部とで構成され、特にコスト低減の要求等か
ら、高価な冷媒の封入量を減らすために冷媒槽を薄型化
したものが公知である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、冷媒槽を薄
型化する程、冷媒槽内の蒸気発生量が増加した時（発熱
密度が大きい場合等）に、冷媒槽内の沸騰面における液
冷媒の割合が減少して液面が低下し、沸騰面の温度が急
上昇する所謂ドライアウトを生じやすくなると言った問
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、蒸気発生量が増加した時でも、沸騰
面のドライアウトを防止できる沸騰冷却器を提供するこ
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
槽は、少なくとも冷媒室の沸騰面（発熱体の熱を受けて
冷媒が沸騰する面）を上下方向に連続して延びる複数の
通路部が形成され、この通路部の通路幅がラプラス長さ
の２倍以下に設定されている。この構成によれば、冷媒
室で発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気の気泡の大き
さが通路部の通路幅より大きくなるため、通路部を気泡
が上昇する際に液冷媒を持ち上げる作用を生じる。これ
により、蒸気発生量が増加した時でも、液面の低下を抑
制でき、冷媒室の沸騰面に液冷媒を供給することが可能
である。

【０００５】（請求項２の手段）複数の通路部は、上下
方向の長さが発熱体の長さと同じ、もしくはそれ以上で
ある。この場合、気泡の上昇に伴って沸騰面の上部まで
液冷媒を供給することができるので、沸騰面の上部でも
ドライアウトすることがない。

【０００６】（請求項３の手段）冷媒槽は、一方側の表
面または他方側の表面を形成する外壁部を有し、この外
壁部の内側面に、隣合う通路部同士の間を区画する複数
のリブが一体に設けられている。この構成では、リブに
よって沸騰面の伝熱面積を拡大でき、且つ冷媒槽の耐圧
強度を向上できる。

【０００７】（請求項４の手段）複数のリブを有する外
壁部は、押し出し材で製作されている。この場合、押し
出し材によって容易にリブを形成することができ、例え
ば切削によってリブを形成する方法、あるいはリブを別
体で形成して外壁部に接合する方法等と比較してコスト
を低く抑えることができる。

【０００８】（請求項５の手段）請求項１〜４に記載し
た沸騰冷却器は、発熱体としてプリント基板に配置され
たコンピュータチップ（例えばＣＰＵ）を冷却するもの
である。この場合、放熱部を冷媒槽の他方側の表面上に
設けているので、放熱部がプリント基板と干渉すること
はない。

【０００９】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施例を図面に基
づいて説明する。（第１実施例）図２は沸騰冷却器１の斜視図である。本
実施例の沸騰冷却器１は、図２に示すように、内部に液
冷媒（例えば、水、アルコール、フロロカーボン、フロ
ン等）を貯留する冷媒槽２と、この冷媒槽２で発熱体の
熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流体（例えば外気）
との熱交換によって液化する放熱部３とから構成され、
一体ろう付けによって製造される。

【００１０】ａ）冷媒槽２は、箱状の薄型容器２Ａと、
この薄型容器２Ａの開口面を塞ぐ外壁板２Ｂとから成
り、外形が薄型の直方体に設けられている。薄型容器２
Ａと外壁板２Ｂは、共に熱伝導性に優れる金属材料（例
えばアルミニウム）で構成されている。この冷媒槽２
は、図３に示すように、略直立した姿勢で使用され、厚
み方向の一方側の表面が発熱体であるＣＰＵ４の放熱面
に接触して、そのＣＰＵ４が設置されているプリント基
板５にボルト等によって固定される。

【００１１】冷媒槽２の内部には、図４に示すように、
冷媒室６、一組のヘッダ接続口７、液戻り通路８、及び
冷媒注入部９等が形成されている。冷媒室６は、ＣＰＵ
４の取付け部位に対応して液冷媒を貯留する空間で、外
壁板２Ｂに設けられた複数のリブ１０によって溝状に形
成されたグルーブ構造Ｇ（図１参照）を有している。な
お、リブ１０の高さ方向の先端面は、薄型容器２Ａの内
側面に接触して接合されることにより、隣合うリブ１０
同士の間に冷媒通路６ａが形成される。ヘッダ接続口７
は、後述のヘッダを組み付けるためのスペースで、冷媒
室６の上部両側に設けられ、冷媒槽２の他方側表面２ａ
に開口している。なお、図４に示されている一方のヘッ
ダ接続口７は、冷媒室６（各冷媒通路６ａ）の上部側に
通じており、他方のヘッダ接続口（図示しない）は液戻
り通路８を介して冷媒室６（各冷媒通路６ａ）の下部側
に通じている。

【００１２】液戻り通路８は、放熱部３で液化した凝縮
液を冷媒室６へ戻すための通路で、冷媒室６の片側に隣
接して設けられ、他方のヘッダ接続口から下方へ通路状
に延びて冷媒室６（各冷媒通路６ａ）の下部に通じてい
る。冷媒注入部９は、注入パイプ１１が接続される接続
口であり、一方のヘッダ接続口７の下方に設けられて冷
媒室６に連通している。なお、冷媒は、冷媒室６の略上
端位置（ヘッダ接続口７より下側）まで注入されてい
る。

【００１３】ここで、上記のグルーブ構造Ｇについて説
明する。外壁板２Ｂは、図５に示すように、押し出し成
形によって複数の柱部１０Ａが一定の間隔を保って一体
に設けられ、その後、各柱部１０Ａの長手方向の両端部
を所定の長さだけ削除して前記のリブ１０が形成されて
いる。なお、図５（ａ）は外壁板２Ｂの斜視図、（ｂ）
は外壁板２Ｂの平面図である。但し、各リブ１０の長さ
は、図１に破線で示す沸騰面の上下幅（本実施例では発
熱体の長さと同等）より若干長く設けられている。

【００１４】また、リブ１０によって形成される冷媒通
路６ａの通路幅ｄ（図１参照）は、次式で定義されるラ
プラス長さの２倍以下（望ましくは１_mm以下）に設定さ
れている。ラプラス長さ＝√｛σ／ｇ（ρ₁−ρ₂）｝ σ：液冷媒の表面張力、ρ₁：液冷媒の密度、ρ₂：蒸
気冷媒の密度、ｇ：重力加速度なお、冷却器１の作動温度（冷媒温度）が異なると、上
記のσ、ρ₁、ρ₂の各値が変動するため、ラプラス長
さは、図６に示すように、作動温度が高くなる程、小さ
く設定される。

【００１５】ｂ）放熱部３は、一組のヘッダ１２と放熱
コア（放熱チューブ１３と放熱フィン１４）とで構成さ
れ、冷媒槽２の他方側表面２ａ上に組み付けられて、冷
却器１の作動時にダクト１５（図３参照）を介して外部
流体が導入される。なお、放熱部３に導入される外部流
体は、図示しない冷却ファンによって図２の下方から上
方へ向かって流されるものとする。一組のヘッダ１２
は、冷媒槽２でＣＰＵ４の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気
が流入する蒸気側ヘッダ１２Ａと、放熱コアの各放熱チ
ューブ１３で液化した凝縮液が流入する液側ヘッダ１２
Ｂであり、それぞれ長手方向の一端部が冷媒槽２の他方
側表面２ａに開口するヘッダ接続口７より冷媒槽２の内
部へ差し込まれ、冷媒槽２に対して略垂直方向に組み付
けられている。

【００１６】放熱コアは、複数本の放熱チューブ１３
と、各放熱チューブ１３の間に介在される放熱フィン１
４とで構成される。放熱チューブ１３は、熱伝導性に優
れる金属材料（例えばアルミニウム）で形成され、放熱
フィン１４が接触する外表面の幅に対して厚みが薄い偏
平管形状に設けられている。各放熱チューブ１３は、一
端が蒸気側ヘッダ１２Ａに接続されて、他端が液側ヘッ
ダ１２Ｂに接続され、その蒸気側ヘッダ１２Ａと液側ヘ
ッダ１２Ｂとの間で互いに一定の間隔を開けて並設され
ている。放熱フィン１４は、熱伝導性に優れる薄い金属
板（例えばアルミニウム板）を交互に折り曲げて波状に
成形したもので、放熱チューブ１３の外表面にろう付け
されている。

【００１７】次に、本実施例の作動を説明する。冷媒室
６に貯留されている液冷媒は、ＣＰＵ４の熱を受けて沸
騰気化し、気泡となって冷媒室６の各冷媒通路６ａを上
昇する。この時、リブ１０によって区画される各冷媒通
路６ａの通路幅ｄをラプラス長さの２倍以下に設定して
いるため、気泡の外径が通路幅ｄより大きくなる。この
結果、冷媒通路６ａが気泡によって塞がれるため、冷媒
通路６ａを気泡が上昇する際に、気泡によって液冷媒が
持ち上げられることにより、各冷媒通路６ａの液面が上
昇する（図７参照）。

【００１８】各冷媒通路６ａを上昇して冷媒室６から蒸
気側ヘッダ１２Ａへ進入した冷媒蒸気は、蒸気側ヘッダ
１２Ａから各放熱チューブ１３へ流れ、放熱チューブ１
３を流れる際に外部流体によって冷却され、放熱チュー
ブ１３の内部で凝縮する。凝縮した冷媒は、液滴となっ
て液側ヘッダ１２Ｂへ押し流され、更に液側ヘッダ１２
Ｂより冷媒槽２内の液戻り通路８を通って冷媒室６へ還
流する。この作動における冷媒の流れを図４に矢印で示
す。

【００１９】（第１実施例の効果）本実施例の沸騰冷却
器１は、冷媒室６の沸騰面にグルーブ構造Ｇを設け、そ
のグルーブ構造Ｇの通路幅ｄをラプラス長さの２倍以下
としたことにより、各冷媒通路６ａを上昇する気泡の大
きさが通路幅ｄより大きくなる。その結果、気泡の上昇
に伴って液冷媒が持ち上げられるため、図７に示すよう
に、各冷媒通路６ａの液面を各リブ１０の略上端まで上
昇させることができる。これにより、蒸気発生量が増加
した時でも、液面の低下を抑制でき、冷媒室６の沸騰面
に液冷媒を供給することができるため、沸騰面のドライ
アウトを防止できる。また、各冷媒通路６ａを形成する
リブ１０を外壁板２Ｂと一体に設けているため、冷媒室
６の伝熱面積が拡大され、冷却器１の性能向上を図るこ
とができる。更に、リブ１０を設けることで、圧力容器
である冷媒槽２の耐圧強度を確保することができる。

【００２０】なお、本発明のグルーブ構造Ｇは、各冷媒
通路６ａが上下方向に連続して形成されていることが重
要である。例えば、図８に示すように、各リブ１０が上
下方向において複数に分割されていると、沸騰面の下部
で発生した気泡が冷媒通路６ａを上昇する際に、リブ１
０が途切れた所から気泡が分散するため、液冷媒を沸騰
面の上方まで持ち上げることができなくなり、沸騰面の
上部でドライアウトする可能性がある。これに対し、本
発明では、リブ１０が分割されることなく、連続して設
けられているため、各冷媒通路６ａが上下方向に連続し
て形成され、上記の効果を得ることができる。

【００２１】（第２実施例）図９はリブ１０側から見た
外壁板２Ｂの平面図である。本実施例では、冷媒室６の
沸騰面に設けられた長いグルーブ構造Ｇの上部及び下部
にも短いグルーブ構造Ｇ₁、Ｇ₂を設けた場合の第１の
例である。なお、上部及び下部の短いグルーブ構造
Ｇ₁、Ｇ₂は、押し出し成形によって外壁板２Ｂに柱部
１０Ａ（図５参照）を設けた後、柱部１０Ａの上部と下
部を加工して形成することができる。この場合、上部及
び下部の短いグルーブ構造Ｇ₁、Ｇ₂を設けることで、
冷媒室６の伝熱面積を更に拡大でき、且つ耐圧強度を向
上できる効果がある。

【００２２】（第３実施例）図１０はリブ１０側から見
た外壁板２Ｂの平面図である。本実施例は、冷媒室６の
沸騰面に設けられた長いグルーブ構造Ｇの上部及び下部
にも短いグルーブ構造Ｇ₁、Ｇ₂を設けた場合の第２の
例である。上部の短いグルーブ構造Ｇ₁は、各リブ１０
が蒸気流出口である一方のヘッダ接続口７側へ傾斜して
設けられ、下部の短いグルーブ構造Ｇは、液戻り通路８
の出口側へ傾斜して設けられている。これにより、長い
グルーブ構造Ｇを上昇した冷媒蒸気が、上部の短いグル
ーブ構造Ｇ₁によって蒸気流出口（一方のヘッダ接続口
７）へ効果的に流れることができ、また、放熱部３で液
化されて液戻り通路８に流入した凝縮液が下部の短いグ
ルーブ構造Ｇ₂によって効果的に長いグルーブ構造Ｇに
供給される。この結果、冷媒槽２の内部で冷媒の循環が
促進されて、性能向上を図ることができる。

【００２３】（第４実施例）図１１はリブ１０側から見
た外壁板２Ｂの平面図である。本実施例は、冷媒室６の
沸騰面に設けられた長いグルーブ構造Ｇの上部及び下部
にも短いグルーブ構造Ｇ₁、Ｇ₂を設けた場合の第３の
例である。この場合、上部及び下部のグルーブ構造
Ｇ₁、Ｇ₂における各リブ１０の形状が第３実施例とは
異なるが、第３実施例と同様の効果を得ることができ
る。

【００２４】（変形例）本実施例の沸騰冷却器１は、冷
媒槽２が直立した姿勢（図２に示す状態）で使用してい
るが、冷媒槽２を横に倒した状態（但し、放熱部３が冷
媒槽２の上方に直立した状態）で使用することもでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】リブ側から見た外壁板の平面図である（第１実
施例）。

【図２】沸騰冷却器の斜視図である。

【図３】沸騰冷却器の使用状態を示す斜視図である。

【図４】沸騰冷却器の内部構造を示す斜視図である。

【図５】外壁板の斜視図（ａ）と平面図（ｂ）である。

【図６】ラプラス長さと冷却器の作動温度との関係を示
すグラフである。

【図７】グルーブ構造の作用を説明する図面である。

【図８】グルーブ構造を短くした場合の作用を説明する
図面である。

【図９】リブ側から見た外壁板の平面図である（第２実
施例）。

【図１０】リブ側から見た外壁板の平面図である（第３
実施例）。

【図１１】リブ側から見た外壁板の平面図である（第４
実施例）。

【符号の説明】

１沸騰冷却器２冷媒槽２Ｂ外壁板（外壁部）２ａ冷媒槽の他方側の表面３放熱部４ＣＰＵ（コンピュータチップ／発熱体）５プリント基板６冷媒室６ａ冷媒通路１０リブ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中公司愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者大原貴英愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 5E322 AA01 AB11 BB03 DB02 DB06 FA01 5F036 AA01 BA08 BA10 BA23 BA28 BB44

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に液冷媒を貯留する冷媒室を形成し、
この冷媒室を介して対向する二面のうち一方側の表面に
発熱体が取り付けられる冷媒槽と、前記冷媒槽の他方側の表面上に設けられ、前記冷媒室で
前記発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流体と
熱交換させて放熱する放熱部とを備えた沸騰冷却器であ
って、前記冷媒槽は、少なくとも前記冷媒室の沸騰面を上下方
向に連続して延びる複数の通路部が形成され、この通路
部の通路幅がラプラス長さの２倍以下に設定されている
ことを特徴とする沸騰冷却器。
【請求項２】前記複数の通路部は、上下方向の長さが前
記発熱体の長さと同じ、もしくはそれ以上であることを
特徴とする請求項１に記載した沸騰冷却器。
【請求項３】前記冷媒槽は、前記一方側の表面または他
方側の表面を形成する外壁部を有し、この外壁部の内側
面に、隣合う前記通路部同士の間を区画する複数のリブ
が一体に設けられていることを特徴とする請求項１及び
２に記載した沸騰冷却器。
【請求項４】前記複数のリブを有する前記外壁部は、押
し出し材で製作されていることを特徴とする請求項３に
記載した沸騰冷却器。
【請求項５】前記発熱体としてプリント基板に設置され
たコンピュータチップを冷却することを特徴とする請求
項１〜４に記載した沸騰冷却器。