(57)【要約】【課題】  受熱部と放熱部とが略水平方向に位置して冷媒管も水平に配される熱サイフォン型熱移動体において、冷媒管の冷媒通路を循環する冷媒の流動を大幅に活発化させて冷却効率の向上を図る。【解決手段】  水平の位置に配される放熱部１と受熱部２とを備え、放熱部１は、扁平な複数の冷媒管１０と、冷媒管１０の一端および他端に接合される受熱側ヘッダーブロック２０Ａおよび放熱側ヘッダーブロック２０Ｂを有する。放熱部１の冷媒管１０を、全体が水平で、幅方向が鉛直方向に沿った「水平−鉛直」の姿勢に設定し、冷媒管１０に形成された複数の冷媒通路Ｘを連通させる各ヘッダーブロック２０Ａ，２０Ｂの冷媒通路Ｚを上下方向に延在させ、この冷媒通路Ｚを循環する冷媒の流動を促進させる。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を長手方向に流動させる複数の冷媒通路が幅方向に並列して設けられた扁平な冷媒管、および、この冷媒管の一端および他端に接合され、前記複数の冷媒通路を互いに連通させる連通路がそれぞれ設けられた放熱側熱伝導体および受熱側熱伝導体を備えた放熱部と、
この放熱部における前記受熱側熱伝導体に接合される受熱部とを備え、
前記受熱部と前記放熱部とが、略水平方向に位置し、かつ、前記冷媒管が略水平に配される状態に設置される熱サイフォン型熱移動体であって、
前記放熱部の前記冷媒管は、少なくとも、前記放熱側熱伝導体への接合端部の幅方向が、鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態に設定され、これに応じて、この接合端部の前記各冷媒通路を連通させる放熱側熱伝導体の前記連通路が、鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態に設定されていることを特徴とする熱サイフォン型熱移動体。
【請求項２】
前記冷媒管は、扁平面が一定に平坦であり、全体が略水平に配され、かつ幅方向が鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の熱サイフォン型熱移動体。
【請求項３】
前記冷媒管に放熱用のフィンが接合されていることを特徴とする請求項１または２に記載の熱サイフォン型熱移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体素子、あるいは各種産業機器の操作盤等の筐体内を冷却させる冷却デバイスとして好適な熱サイフォン型熱移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体素子の冷却デバイスとしては、従来より、アルミ押し出し材からなるヒートシンクのような金属の熱伝導を利用する冷却器や、封入した冷媒の動きに伴う潜熱を利用するヒートパイプもしくは熱サイフォン等が知られている。また、工作機械の制御盤等の比較的大型の筐体内を冷却する場合にも、これらの冷却デバイスが応用されている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、熱サイフォンによる筐体用の冷却装置が開示されている。この冷却装置は、縦置きされる複数の沸騰冷却管の両端に連通管が接合されてなる槽の内部に冷媒が封入され、沸騰冷却管の中間部に流体隔離板が接合され、さらに隣り合う沸騰冷却管にフィンが接合された構成であり、流体隔離板を境として、下側が筐体内に配されて高温流体に接触する冷媒槽、上側が筐体外に配されて低温流体に接触する凝縮部とされる。この冷却装置によれば、冷媒槽が高温流体によって加熱されると冷媒が沸騰気化し、冷媒蒸気が凝縮部の沸騰冷却管の内壁面に凝縮液化し、その凝縮潜熱が低温流体に伝達して放熱される。凝縮部で凝縮液化した冷媒は自重により沸騰冷却管の内壁面を伝って冷媒槽に滴下し、再び高温流体に加熱されて沸騰気化する。このような冷媒の沸騰気化・凝縮液化の繰り返しがなされることにより、高温流体の熱を低温流体に移動させて筐体内を冷却することができるとされている。
【０００４】
上記のような冷却装置は、冷媒通路が鉛直方向に沿っており、下端側が受熱部、上端側が放熱部に設定されるいわゆるボトムヒート型である。このボトムヒート型では、冷媒通路が鉛直方向に沿っていることから、冷媒の沸騰気化・凝縮液化の循環がきわめてダイナミックに進行するため、優れた冷却効率を発揮するものである。ところが、設置する機器によっては、受熱部と放熱部とが水平あるいはそれに近い位置関係に配置しなければならない場合があり、これに対応する冷却装置が、例えば特許文献２等で提案されており、同文献では、放熱部の冷媒管を水平な状態に配することができるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３４０１８９号公報
【特許文献２】特開２００２−２４６７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
冷媒管が水平に配されると、その内部の水平に延びる冷媒通路を循環する冷媒は、全体としては水平移動となり、鉛直方向の冷媒の流動経路は冷媒通路の径といったきわめて短い距離である。このため、受熱部と放熱部との間の冷媒の循環速度は、上記ボトムヒート型と比べると格段に遅く、また、停滞も生じやすいものであり、冷却効率の低下を招いていた。
【０００７】
よって本発明は、受熱部と放熱部とが略水平方向に位置して冷媒管も略水平に配される熱サイフォン型熱移動体において、冷媒管の冷媒通路を循環する冷媒の流動を大幅に活発化させて冷却効率の向上を図ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、冷媒を長手方向に流動させる複数の冷媒通路が幅方向に並列して設けられた扁平な冷媒管、および、この冷媒管の一端および他端に接合され、複数の冷媒通路を互いに連通させる連通路がそれぞれ設けられた放熱側熱伝導体および受熱側熱伝導体を備えた放熱部と、この放熱部における受熱側熱伝導体に接合される受熱部とを備え、受熱部と放熱部とが、略水平方向に位置し、かつ、冷媒管が略水平に配される状態に設置される熱サイフォン型熱移動体であって、放熱部の冷媒管は、少なくとも、放熱側熱伝導体への接合端部の幅方向が、鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態に設定され、これに応じて、この接合端部の各冷媒通路を連通させる放熱側熱伝導体の連通路が、鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態に設定されていることを特徴としている。
【０００９】
本発明では、放熱部を構成する扁平な冷媒管の、少なくとも放熱側熱伝導体に接合される端部の幅方向が、鉛直方向に傾斜するか、または鉛直方向に沿っており、したがって、この端部の幅方向に並列する冷媒管の冷媒通路は同方向に並列するとともに、この端部に接合される放熱側熱伝導体の連通路も同方向に延びている。したがって、少なくとも放熱側熱伝導体の連通路においては、冷媒の上下方向への循環、すなわち冷媒の沸騰気化による上昇と、凝縮液化による滴下の作用が活発になる。本発明によれば、このように、冷媒管が水平に配されていても冷媒の循環を活発にさせる部分を設定したので、冷媒の循環速度が上昇し、その結果、冷却効率の向上が図られる。
【００１０】
本発明の冷媒管は、扁平面が一定な単なる平板状であり、全体が略水平に配され、かつ幅方向が鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態で、その両端に放熱側および受熱側の各熱伝導体が接合される形態が、比較的容易に採用される。この形態では、冷媒管の幅方向は一様に傾斜するか、または鉛直方向に沿っており、各熱伝導体への冷媒管の端部の接合状態は同様となる。また、冷媒管に放熱用のフィンを接合すれば、さらなる冷却効率の向上を図ることができるので好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、受熱部と放熱部とが略水平方向に位置して冷媒管も略水平に配される熱サイフォン型熱移動体において、冷媒管の少なくとも放熱側の端部の幅方向を鉛直方向に対して傾斜するか、または鉛直方向に沿った状態に設定し、この部分における冷媒の循環方向を上下方向に向けたことから、冷媒管の冷媒通路を循環する冷媒の流動を大幅に活発化させて冷却効率の向上を図ることができるといった効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の一実施形態を説明する。
図１は、一実施形態に係る熱サイフォン型熱移動体（以下、熱移動体と略称する）Ｐの平面図、図２は側面図である。この熱移動体Ｐは、放熱部１と受熱部２とを有しており、熱移動体Ｐは、放熱部１と受熱部２が水平方向に位置する状態で使用される。以下、放熱部１と受熱部２を説明する。
【００１３】
（１）放熱部
図３、図４、図５は、それぞれ放熱部１の斜視図、一部断面側面図、一部断面平面図である。この放熱部１は、等間隔をおいて互いに平行に配された複数の冷媒管１０と、これら冷媒管１０の一端および他端に接合されて互いに平行をなす一対のヘッダーブロック２０（受熱側ヘッダーブロック２０Ａ：受熱側熱伝導体および放熱側ヘッダーブロック２０Ｂ：放熱側熱伝導体）と、隣り合う冷媒管１０に接合されたコルゲートフィン３０とから構成されている。冷媒管１０、ヘッダーブロック２０およびコルゲートフィン３０は、いずれもアルミニウム製である。
【００１４】
図１、図３、図５の各図では冷媒管１０の数が異なるが、これは冷媒管１０が仕様に応じて任意の数で良いことを示しているからであり、構造的な相違はない。各ヘッダーブロックに対する各冷媒管１０の接合、および各冷媒管１０に対する各コルゲートフィン３０の接合は、ろう付けによりなされている。
【００１５】
冷媒管１０は、図６に示すように、断面が扁平な楕円状の扁平管で、内部には、長手方向に延びる複数（図６では６つ）の冷媒通路（Ｘ方向冷媒通路）Ｘが、隔壁１１によって幅方向に一列の状態で形成されている。冷媒管１０は、中実なアルミニウムの押し出し加工によって成形された素材を所定長さに切断したものである。冷媒通路Ｘは押し出し加工時に形成され、その寸法は、冷媒管１０の厚さや幅等の寸法、押し出し成形性、冷媒通路Ｘを流れる冷媒の流動性等の諸条件を勘案して適宜に設定される。
【００１６】
ヘッダーブロック２０は、図７に示すように、断面が長方形状で、一定厚さの長尺なバー状を呈しており、内部には、長手方向に延び、両端面に開口する複数（この場合３つ）の断面円形状の冷媒通路（Ｙ方向冷媒通路）Ｙが等間隔をおいて形成されている。ヘッダーブロック２０は、中実なアルミニウムの押し出し加工によって成形された素材を所定長さに切断したもので、冷媒通路Ｙは押し出し加工時に形成される。また、ヘッダーブロック２０の片面には、幅方向（冷媒通路Ｙに直交する方向）に延びる複数の凹所２１が等間隔をおいて形成されている。これら凹所２１の数は冷媒管１０の数に対応している。図７に示すように、凹所２１は各冷媒通路Ｙを横断しており、その深さはヘッダーブロック２０の厚さの半分よりやや浅い。これら凹所２１に冷媒管１０の端部が嵌合され、冷媒管１０は受熱側および放熱側の各ヘッダーブロック２０Ａ，２０Ｂにろう付けによって気密的に接合されている。冷媒管１０はそれらヘッダーブロック２０Ａ，２０Ｂに直交して接合され、その状態で、図８に示すように、ヘッダーブロック２０の１つの冷媒通路Ｙに対して２つの冷媒通路Ｘが連通している。
【００１７】
また、図７に示すように、ヘッダーブロック２０には、長手方向に間隔をおいて複数（この場合３つ）の冷媒通路（Ｚ方向冷媒通路：連通路）Ｚが形成されている。これら冷媒通路Ｚは、ヘッダーブロック２０の一方の側面からの孔空け加工によって形成されており、３つの冷媒通路Ｙを貫通することによってこれら冷媒通路Ｙに連通している。各冷媒通路Ｚは、近隣する凹所２１と連通せぬよう凹所２１の間に配されており、その開口は、ろう付けされたプラグ２２で気密的に閉塞されている。また、図５に示すように、放熱側ヘッダーブロック２０Ｂの各冷媒通路Ｙの両端面の開口のうち、中央の冷媒通路Ｙの一方の開口が冷媒充填口２３とされる。この冷媒充填口２３は、冷媒充填後に、最終的にろう付けされるネジ式キャップ２４で封止され、他の開口は、冷媒通路Ｚと同様にろう付けされたプラグ２２で気密的に閉塞されている。冷媒はフロン等の冷媒液が用いられ、冷媒充填口２３から適量が充填され、その後、冷媒充填口２３はキャップ２４で封止される。
【００１８】
なお、ヘッダーブロック２０の厚さ、幅、長さ、冷媒通路Ｙ，Ｚの径や数、凹所２１の寸法等は、所要冷却能力、当該熱移動体Ｐの設置スペース、冷媒管１０の寸法および冷媒の種類等を勘案して適宜に設定される。
【００１９】
ヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｙ，Ｚは互いに連通し、さらに、各冷媒管１０の冷媒通路Ｘはヘッダーブロック２０の冷媒通路Ｙに連通している。すなわち、冷媒通路Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに連通している。これら冷媒通路Ｘ，Ｙ，Ｚは互いに直交する方向に延びており、図１および図２に示す使用状態で、冷媒通路Ｘは三次元方向におけるＸ方向、冷媒通路ＹはＹ方向、冷媒通路ＺはＺ方向に延びることになる。
【００２０】
（２）受熱部
図１および図２に示すように、受熱部２は、放熱部１の受熱側ヘッダーブロック２０Ａの端面に一端が接合される複数の扁平板４０と、これら扁平板４０の他端を連結する連結板４１と、全ての扁平板４０の上に載せられ、これら扁平板４０と連結板４１に接合される矩形状の受熱板４２とを有している。各扁平板４０は、扁平面が放熱部１の冷媒管１０の扁平面と平行で、隣り合うものどうしが等間隔をおいて配列され、全体としては受熱側ヘッダーブロック２０Ａの中央部に接合されている。連結板４１は、ヘッダーブロック２０よりもやや短い長さで、両側の扁平板４０からのはみ出し長さが等しくなる状態に、各扁平板４０の他端に接合されている。受熱板４２は、連結板４１の長さに応じた幅を有し、扁平板４０および連結板４１に接合された状態で、受熱側ヘッダーブロック２０Ａとの間に所定の空間が空いている。各扁平板４０の間の連結板４１側の隙間には、扁平板４０、連結板４１および受熱板４２に接合される受熱ブロック４３が挟まれている。
【００２１】
各扁平板４０、連結板４１、受熱板４２および受熱ブロック４３は、熱伝導性に優れたアルミニウム等から成形され、接合部の接合はろう付けによりなされている。なお、扁平板４０は、上記放熱部１を構成する冷媒管１０と同じ材料を、また、連結板４１は、ヘッダーブロック２０と同じ材料を、それぞれ適宜な長さに切断して流用することができる。
【００２２】
次に、上記熱移動体Ｐの使用方法ならびに作用を説明する。
本実施形態の熱移動体Ｐは、図１および図２に示すように、放熱部１と受熱部２とが水平方向に位置し、扁平な冷媒管１０は、幅方向が鉛直方向に沿った状態で水平に配され、受熱部２の任意の箇所に、半導体素子等の発熱体５０を接触させて、その発熱体５０の冷却を行う。図１および図２では、発熱体５０Ａを受熱板４２の上面に、発熱体５０Ｂを連結板４１の端面に接触させている例を示している。
【００２３】
発熱体５０で発生する熱は、受熱部２の扁平板４０から放熱部１の受熱側ヘッダーブロック２０Ａの厚さ、熱容量、熱伝導度に依存する熱拡散効果により、受熱側ヘッダーブロック２０Ａ全体に拡散する。すると、受熱側ヘッダーブロック２０Ａ内の各冷媒通路Ｙ，Ｚ中の冷媒（冷媒液）が受熱側ヘッダーブロック２０Ａにより加熱されて沸騰気化し、沸騰気化した冷媒蒸気は、各冷媒管１０の冷媒通路Ｘに分配され、放熱側ヘッダーブロック２０Ｂに向かう。冷媒通路Ｘ内では、冷媒蒸気とともに冷媒液も放熱側ヘッダーブロック２０Ｂの方向に移動していき、その冷媒液の一部はさらに沸騰気化する。各冷媒管１０を移動する冷媒蒸気の熱は、冷媒管１０からコルゲートフィン３０を経て外気（冷却空気）に伝熱される。この時、冷媒蒸気は凝縮液化し冷媒液に変わり、その凝縮潜熱が外気に放熱される。
【００２４】
一方、放熱側ヘッダーブロック２０Ｂでは、冷媒通路Ｙ，Ｚに冷媒管１０の冷媒通路Ｘから冷媒液およびまたは冷媒蒸気が流入し、これらは再び冷媒管１０の冷媒通路Ｘに分配される。上記のように凝縮液化した冷媒液および放熱側ヘッダーブロック２０Ｂから冷媒管１０の冷媒通路Ｘに流入した冷媒液は、受熱側ヘッダーブロック２０Ａ内（冷媒通路ＹまたはＺ）に戻り、再び発熱体５０に加熱されて沸騰気化する。このような冷媒の沸騰気化・凝縮液化の繰り返しがなされることにより、発熱体５０は継続して冷却される。
【００２５】
上記実施形態の熱移動体Ｐによれば、放熱部１の水平に配される扁平な冷媒管１０が、その幅方向が鉛直方向に沿った状態で配されているので、冷媒管１０の幅方向に並列する冷媒通路Ｘは上下方向に並列するとともに、端部に接合される受熱側および放熱側の各ヘッダーブロック２０Ａ，２０Ｂの冷媒通路Ｚも上下方向に延在している。したがって、これらヘッダーブロック２０Ａ，２０Ｂの冷媒通路Ｚにおいては、冷媒の上下方向への循環、すなわち冷媒の沸騰気化による上昇と、凝縮液化による滴下の作用が活発になり、特に、放熱側のヘッダーブロック２０Ｂではその作用が顕著である。このため、扁平な冷媒管１０が水平に配されていても、冷媒の循環が活発となって冷媒の循環速度が上昇し、その結果、冷却効率の向上が図られる。
【００２６】
また、ヘッダーブロック２０Ａ，２０Ｂの冷媒通路Ｙ，Ｚと、冷媒管１０の冷媒通路Ｘとが連通しているので、冷媒は三次元方向に循環可能である。このため、冷媒が局所的に停滞するといったことが起こりにくく、流速あるいは流量等を要素とする冷媒の流動性の均一化が図られ、さらに、冷媒温度の均一化が図られる。
【００２７】
なお、上記実施形態では、放熱部１の各冷媒管１０の幅方向を鉛直方向に沿った状態としているが、その幅方向を鉛直方向に対してある程度傾斜させても良い。また、冷媒管１０の受熱側ヘッダーブロック２０Ａへの接合端部の幅方向を水平もしくはそれに近い状態とし、そこから放熱側ヘッダーブロック２０Ｂに向かうにしたがって捻れ、放熱側ヘッダーブロック２０Ｂへの接合端部の幅方向が鉛直またはそれに近い状態に設定しても良い。
【００２８】
また、扁平板４０として上記放熱部１を構成する冷媒管１０と同じ材料を流用し、連結板４１としてヘッダーブロック２０と同じ材料を流用することができると上述したが、これはすなわち、扁平板４０が冷媒管１０となり、連結板４１はヘッダーブロック２０となる。この場合には、上記実施形態のように、冷媒管１０（扁平板４０の代わり）を、内部の冷媒通路Ｘが、上記受熱側ヘッダーブロック２０Ａとヘッダーブロック２０（連結板４１の代わり）の各冷媒通路Ｙ，Ｚに連通するように接合させ、受熱部２内においても冷媒が流動するような構成とすることができる。この構成では、受熱部２（扁平板４０に代えた冷媒管１０および連結板４１に代えたヘッダーブロック２０）と放熱部１との間を冷媒が循環し、冷媒の沸騰気化は受熱部２の内部全体でも起こる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施形態の熱移動体の平面図である。
【図２】同側面図である。
【図３】一実施形態の熱移動体の放熱部の斜視図である。
【図４】放熱部の一部断面側面図である。
【図５】放熱部の一部断面平面図である。
【図６】放熱部の冷媒管の一部斜視図である。
【図７】放熱部のヘッダーブロックの（ａ）一部断面側面図、（ｂ）平面図、（ｃ）端面図である。
【図８】放熱部のヘッダーブロックへの冷媒管の接合構造を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１…放熱部
２…受熱部
１０…冷媒管
２０（２０Ａ）…受熱側ヘッダーブロック（受熱側熱伝導体）
２０（２０Ｂ）…放熱側ヘッダーブロック（放熱側熱伝導体）
３０…コルゲートフィン
Ｐ…熱サイフォン型熱移動体
Ｘ…冷媒管の冷媒通路
Ｙ，Ｚ…ヘッダーブロックの冷媒通路（連通路）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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