(57)【要約】【課題】伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することにより、強力なポンプを用いずとも全体としても冷却効率をより高くすることができ、これにより、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能な冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】１０は発熱電子部品４と接触させるベース板、１１はベース板１０に一体に複数設けられる伝熱フィン、１２は外部の配管８から冷媒が流入する流入口、１３は冷媒が外部の配管に出て行くための流出口である。伝熱フィン１１は、冷媒の流入口１２側の上部角部が円弧状に切り欠かれた切り欠き部１１ａを有しており、これにより、伝熱に対する寄与が少ない部分が削除されるので、伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することができる。【選択図】図２
2007081375.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を循環する閉配管に冷媒ポンプと放熱器と熱交換器とが設けられ、前記熱交換器は電子部品の熱を受熱し、前記冷媒ポンプで循環する冷媒で前記放熱器に伝熱し、前記放熱装器から放熱を行う冷却装置であって、前記熱交換器は冷媒の流入口と流出口を有する筐体に複数の伝熱フィンを内包し、前記伝熱フィンは冷媒の流入口側の高さが冷媒の流出口側の高さよりも低くなるように形成されていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記伝熱フィンの冷媒の流入口側部は、前記流入口側端より中央部にかけて所定の長さ、連続的に高さが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記伝熱フィンの冷媒の流れ方向の断面積は、冷媒の流れに沿う側部の伝熱フィンより中央部の伝熱フィンにかけて、前記伝熱フィンの所定の幅に含まれる伝熱フィンが連続的に断面積が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記伝熱フィンの冷媒の流れ方向の断面積は、冷媒の流れに沿う側部の伝熱フィンより中央部の伝熱フィンにかけて、前記伝熱フィンの所定の幅に含まれる伝熱フィンが連続的に断面積が広くなるように形成されるとともに、各々の伝熱フィンは伝熱フィンの冷媒の流入口側端より中央部にかけて連続的に高さが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項５】
前記熱交換器は、冷媒が相変化して熱交換を行なうことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パーソナルコンピュータ等に使われるマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵと略す）等の発熱する半導体、またはその他の発熱部を有する電子部品を冷媒の循環もしくは、相変化による吸熱作用により冷却する冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器においては半導体等の電子部品の高集積化、動作クロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電子部品の正常動作の為に、それぞれの電子部品の接点温度を動作温度範囲内に如何に保つかが大きな問題となってきている。このため、従来のようにヒートシンクで空冷するだけでは能力不足で、より高効率の冷却装置が不可欠になっている。そこでこのような冷却装置として、本出願人は、発熱した電子部品を冷媒の循環により高効率に冷却する冷却装置を提案した（特許文献１）。
【０００３】
以下、このような、冷媒を循環させて冷却する従来の冷却装置および冷媒の相変化による吸熱作用を用いた冷却装置について説明する。
【０００４】
図１０の従来の冷却装置を備えた電子機器の構成図において、１０１は冷却装置を搭載した電子機器としてのパーソナルコンピュータの筐体、１０３は冷却装置を構成するため発熱体に接触して熱交換する熱交換手段、１０４はＭＰＵ等の発熱電子部品である。１０５は発熱電子部品１０４を実装した基板、１０７は筐体１０１の内部側面に設けられ発熱電子部品１０４から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、１０８は熱交換手段１０３と放熱器１０７とを接続して冷媒を循環するための閉じた配管である。１０９は冷媒を圧送循環させる加圧ポンプである。
【０００５】
発熱電子部品１０４と熱交換手段１０３との接触面には熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されており、前記接触面での接触熱抵抗を低減させている。
【０００６】
配管１０８内を循環する冷媒としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液が適当であり、さらに後述するように熱交換手段１０３の内部部品の材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。
【０００７】
放熱器１０７は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。また、放熱器１０７に強制的に空気を当てて冷やし冷却効果を増やすためファンを設けてもよい。
【０００８】
配管１０８は、配管レイアウトの自由度を確保するため、フレキシブルでガス透過性の少ないゴム、例えばブチルゴムなどのゴムチューブで構成されている。
【０００９】
熱交換手段１０３は熱伝導性に優れるアルミニウム、銅などの金属部品と冷媒を外部に漏らさず、かつ、外部から与えられる固定応力に耐える強度をもつ樹脂部品などで構成される。
【００１０】
図１１に従来の冷却装置の熱交換手段断面図を示す。１１０は発熱電子部品１０４と接触させるベース板、１３１はベース板１１０に一体に複数設けられる伝熱フィン、１１２は外部の配管１０８から冷媒が流入する流入口、１１３は冷媒が外部の配管１０８に出て行くための流出口である。１１４は図示しない部材により外部から与える適当な力でベース板１１０を発熱電子部品１０４に対し押圧するケースである。なお、この図では表現されていないがベース板１１０には任意の間隔をもって複数の伝熱フィン１３１が一体に設けられている。
【００１１】
さて、加圧ポンプ１０９により加圧された冷媒は流入口１１２から入って来る時点で下向きのベクトルを持っているが、そのベクトルはベース板１１０および伝熱フィン１３１の存在により水平方向に偏向させられ、冷媒は複数並んだ伝熱フィン１３１の隙間に導かれることとなる。一方、発熱電子部品１０４の界面から伝熱された熱によりベース板１１０の温度は上昇しそれとともに伝熱フィン１３１の表面温度も上昇する。ベース板１１０と伝熱フィン１３１に接する冷媒はそれらとの温度差に比例した熱量を受け取りながら伝熱フィン１３１の間を流れ、下流に位置する流出口１１３に導かれ、外部の配管１０８に流出する。その後、配管１０８により冷媒は放熱器１０７に導かれ、ここで受け取った熱量を系の外部の空気へ放出する。
【００１２】
図１２に従来の冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視図を示す。
【００１３】
図１２において、元々一体の銅を代表とする金属塊からワイヤ放電加工により隙間を入れることにより複数の伝熱フィン１３１が形成されている。この方式では、ベース板１１０と伝熱フィン１３１の間には隙間および他の熱伝導に不利となる部材は介在しないため熱交換特性の劣化を防ぐことができる反面、量産性は良好とは言えない。
【００１４】
そこで、このような加工によらず、プレス加工などにより得られた薄板を適当な隙間を隔てて並べ、その状態で、銀ロウなどでベース板１１０に固定するというより量産に適した方法、および、刃物状の工具により、ベース板１１０の表面を切り起こして伝熱フィン１３１を形成する方法などもある。
【００１５】
以上が従来の冷却装置についての説明であるが、さらに管路、受熱部、放熱部に銅などの金属を用いて外部に対し十分な気密を保ちうる構造とし、内部を脱気した上で冷媒に水もしくはＨＦＣ−１３４ａなどの代替フロンなどを一定量封入して、その冷媒の相変化による熱移送を応用した冷却システムも提案されている。この冷却装置は内部圧力を常圧に対し低く保つ、もしくは沸点の低い冷媒を用いるという点以外の構成は前記の従来の冷却装置と大略同じである。この冷却装置は気密容器内に相変化可能な液体を封入し相変化により熱移送を行なうのはヒートパイプと同じであるが、冷媒をポンプにより強制的に循環させることにより循環量の増加を図って熱交換性能を増大させるこの冷却装置を強制循環型ヒートパイプという。この冷却装置は内部の圧力が低いので低温で内部の冷媒が蒸発しやすい状態である。そのため、前記の冷却装置と異なり、熱交換手段に導かれた冷媒はそこで全部もしくは一部蒸発し気化熱を奪うことで伝熱フィンから熱を受け取る。蒸発して蒸気となった冷媒は熱交換手段から配管に流出、その後、配管により放熱器に導かれ、低温の放熱器内壁に触れ凝縮する。このときに受け取った熱量を凝縮熱として放出する。この熱は放熱器を通じて系外部の空気へ放出されるのは前記の冷却装置と同様である。
【特許文献１】特開２００５−３２７７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
一般的な伝熱学により考察すると、発熱電子部品１０４の熱をより高効率に冷媒に伝えるには、前述のように伝熱量は温度差に比例するので冷媒と接触するベース板１１０に設けられた伝熱フィン１３１の表面温度をできるだけ発熱電子部品１０４に近づけ高温に保つ、言い換えると、冷媒と伝熱フィン１３１との温度差を大きく保つとともに、冷媒と接触する伝熱フィン１３１の表面積を大きく確保する必要がある。
【００１７】
ここで従来の冷却装置の伝熱フィン１３１を検証してみる。ベース板１１０に発熱電子部品１０４から熱が伝達する面となる伝熱面は発熱電子部品１０４との接触面のみである。よって、ベース板１１０と伝熱フィン１３１の表面温度は上記接触面からの伝熱距離に比例した分布をもつ。
【００１８】
図１３は熱流体シミュレーションによって得られた従来のベース板１００と伝熱フィン１３１の温度分布図である。図１３で、冷媒の流れは左から右の方向であり、この温度分布は、前記接触面の中心を通り接触面に垂直でかつ冷媒の流れに平行な面で２分割されたシミュレーションモデルの中央断面を示している。図中、白抜きで示される領域が熱源に近いため温度が高く、それ以外の領域は図中の凡例に示されるように、それに隣接する薄い網掛け，濃い網掛けの順に温度は低くなる。さらにフィン上部に位置する斜線部は本シミュレーション結果では流入してくる冷媒温度に対して温度差が２℃以内の領域を示している。
【００１９】
下半分はベース板１１０底部の一部を中心とした同心円状の温度分布となっており、ベース板１１０底部の伝熱面を反映した温度分布になっていることがわかる。上半分は冷媒の流れにより、冷媒の流れに対して伝熱フィン１３１の前縁上端を中心とする４分円状に低温部が存在している。前記のようにこの低温部は流入してくる冷媒の温度とほぼ等しい。つまり、この部分は熱交換には寄与せず、この面内での伝熱はその他の部分で行なわれることとなる。伝熱フィン１３１の表面では伝熱領域はこのように限られているが、このような分布は図の垂直方向でも同様であり、ベース板１１０底部の伝熱面から離れると急激に温度は低下する。つまり、熱交換可能な領域は伝熱面を中心とする放射面内の領域なので、この領域内で伝熱面積を大きくすることを主眼とし、伝熱フィン１３１の厚さおよびフィン間隔を極限まで小さくすればよいこととなる。
【００２０】
しかし、実際には、伝熱フィン１３１の間を通過する冷媒に対して伝熱フィン１３１の表面では、その粘性に起因するせん断応力により流体抵抗が発生する。このせん断応力による流体抵抗が圧損といわれるもので、同一のポンプでは発生圧力とそのときの流量は一義的に決まるため、この圧損が大きくなれば流量が減少することとなる。そして、前記の伝熱フィン１３１の厚さおよび伝熱フィン１３１の間隔を極限まで小さくした状態、換言すれば冷媒の流れ方向に垂直な断面において伝熱フィン１３１の占める領域に対する冷媒の占める領域の比が小さくなると、この圧損は大きくなる。また、冷媒の流れ方向に平行な断面において伝熱フィン１３１の長さが長くなる、換言すれば伝熱フィン１３１の冷媒に接触する面積が大きくなると、圧損は比例して増加し、フィン間を通過する冷媒の流量は減少することとなる。そして、この流量と伝熱効率はこの伝熱部分だけでなく放熱部分でも一般に比例の関係であり、システムを高性能化するためには、圧損に打ち勝ち多くの冷媒を流す強力なポンプの確保が必要となる。しかし、このことはポンプの大型化を招き、装置の低コスト化および低騒音化の要求に反することとなり、実現が困難となりつつある。
【００２１】
同様に相変化を伴う熱の移送を行う強制循環型ヒートパイプを応用した冷却装置においても、蒸発により液相から気相に変化する冷媒が一部分であれば、大部分の冷媒は液相のまま伝熱フィンの間を通過する。このため、前記の冷却装置と同様、ここには伝熱フィン１３１の冷媒に接触する面積に比例して増加する圧損が生じ、フィン間を通過する冷媒の流量は減少するという課題が生じる。
【００２２】
本発明は上記の課題を解決するもので、伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することにより、強力なポンプを用いずとも全体としても冷却効率をより高くすることができ、これにより、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能な冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
本発明の冷却装置は、冷媒を循環するための閉配管に冷媒ポンプと放熱装置と熱交換手段とが設けられ、前記熱交換手段を発熱電子部品に接触させて前記閉配管内部の冷媒との熱交換作用で前記発熱電子部品から熱を奪い、前記放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、前記熱交換手段は、複数の伝熱フィンを内包し、該伝熱フィンは、冷媒流入側の高さが冷媒流出側の高さよりも低くなるように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の冷却装置によれば、伝熱フィンの高さを、冷媒流出側よりも冷媒流入側が低くなるように形成することにより、熱交換手段における熱交換性能を落とすことなく圧損を小さくできるため、全体としても冷却効率が高まり、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本願の第１の発明は、冷媒を循環する閉配管に冷媒ポンプと放熱器と熱交換器とが設けられ、熱交換器は電子部品の熱を受熱し、冷媒ポンプで循環する冷媒で放熱器に伝熱し、放熱装器から放熱を行う冷却装置であって、熱交換器は冷媒の流入口と流出口を有する筐体に複数の伝熱フィンを内包し、伝熱フィンは冷媒の流入口側の高さが冷媒の流出口側の高さよりも低くなるように形成されていることを特徴とする冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流入側に生じる伝熱に対する寄与が少ない部分を少なくすることができ、これにより、熱交換部分の圧損を低減することができる。
【００２６】
本願の第２の発明は、伝熱フィンの冷媒の流入口側部は、流入口側端より中央部にかけて所定の長さ、連続的に高さが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒の粘性に起因する流体抵抗の発生を防ぐとともに、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。なお、有効伝熱面積とは、伝熱フィンの表面積のうち、冷媒と接触して熱を交換することが可能な領域を示すものである。
【００２７】
本願の第３の発明は、伝熱フィンの冷媒の流れ方向の断面積は、冷媒の流れに沿う側部の伝熱フィンより中央部の伝熱フィンにかけて、伝熱フィンの所定の幅に含まれる伝熱フィンが連続的に断面積が広くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流路内には、最も圧損が少なくなるような形状にそれぞれ形成された伝熱フィンが配置されるので、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。
【００２８】
本願の第４の発明は、伝熱フィンの冷媒の流れ方向の断面積は、冷媒の流れに沿う側部の伝熱フィンより中央部の伝熱フィンにかけて、伝熱フィンの所定の幅に含まれる伝熱フィンが連続的に断面積が広くなるように形成されるとともに、各々の伝熱フィンは伝熱フィンの冷媒の流入口側端より中央部にかけて連続的に高さが高くなるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流路内には、最も圧損が少なくなるような形状にそれぞれ形成された伝熱フィンが配置されるので、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。
【００２９】
本願の第５の発明は、熱交換器は、冷媒が相変化して熱交換を行なうことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１に記載の冷却装置であり、このような構成としたことで、冷媒流路内には、最も圧損が少なくなるような形状にそれぞれ形成された伝熱フィンが配置されるので、有効伝熱面積を減ずることなく熱交換部分の圧損を低減することができる。
【００３０】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における冷却装置の熱交換手段について説明する。
【００３１】
図１は本発明の実施の形態１における冷却装置を備えた電子機器の構成図、図２は本発明の実施の形態１における冷却装置の熱交換手段の断面図、図３は本発明の実施の形態１における冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視断面図、図４は熱流体シミュレーションによって得られた本発明の実施の形態１における冷却装置のベース板と伝熱フィンの温度分布図である。
【００３２】
図１において、１は冷却装置を搭載した電子機器としてのパーソナルコンピュータの筐体、３は冷却装置を構成するため発熱体に接触して熱交換する熱交換手段、４はＭＰＵ等の発熱電子部品である。５は発熱電子部品４を実装した基板、７は筐体１の内部側面に設けられ発熱電子部品４から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、８は熱交換手段３と放熱器７とを接続して冷媒を循環するための閉じた配管である。９は冷媒を圧送循環させる加圧ポンプである。
【００３３】
発熱電子部品４と熱交換手段３との接触面には熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されており、前記接触面での接触熱抵抗を低減させている。
【００３４】
配管８内を循環する冷媒としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液が適当であり、さらに後述するように熱交換手段３の内部部品の材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。
【００３５】
放熱器７は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。また、放熱器７に強制的に空気を当てて冷やし冷却効果を増やすためファンを設けてもよい。
【００３６】
配管８は、配管レイアウトの自由度を確保するため、フレキシブルでガス透過性の少ないゴム、例えばブチルゴムなどのゴムチューブで構成されている。
【００３７】
熱交換手段３は熱伝導性に優れるアルミニウム、銅などの金属部品と冷媒を外部に漏らさずかつ、外部から与えられる固定応力に耐える強度をもつ樹脂部品などで構成される。
【００３８】
次に、図２に基づいて熱交換手段３の内部構成について説明する。
【００３９】
本断面図は図１におけるＡ−Ａ’断面におけるもので、図中の白抜きの矢印は冷媒の流れの方向を表すものである。
【００４０】
１０は発熱電子部品４と接触させるベース板、１１はベース板１０に一体に複数設けられる伝熱フィン、１２は外部の配管８から冷媒が流入する流入口、１３は冷媒が外部の配管８に出て行くための流出口である。１４は図示しない部材により外部から与える適当な力でベース板１０を発熱電子部品４に対し押圧するケースである。なお、この図では表現されていないがベース板１０には任意の間隔をもって複数の伝熱フィン１１が一体に設けられている。
【００４１】
ケース１４は実際の形状が複雑であることとある程度の耐熱性が要求されることから、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）等の樹脂成形での製作が好適である。これら樹脂部品の熱伝導率は一般的な金属に比べ非常に小さい。そのため、この部品を通じての外部への熱伝達は無視できる程少ない。つまり、発熱電子部品４からの熱の移動はベース板１０、伝熱フィン１１、冷媒の順である。実際はそのままでは発熱電子部品４とベース板１０の間にはそれぞれの面粗度により微小な隙間が生じるので、例えばシリコン系の基剤に熱伝導性に優れたアルミニウムなどの微粉体を混入した熱伝導性グリースを薄く塗布することが望ましい。
【００４２】
図３において、発熱電子部品４と接触するベース板１０は、平面視矩形状の板であり、高熱伝導率で放熱性のよい銅、アルミニウム等の金属材料で、鋳造、鍛造、機械加工やこれらの組み合わせの加工方法により構成される。
【００４３】
伝熱フィン１１は、冷媒の流入口１２側の上部角部が円弧状に切り欠かれた切り欠き部１１ａを有する板であり、同じ形状の伝熱フィン１１が複数枚、わずかに隙間を開けた状態でベース板１０に垂直となるように固定されている。伝熱フィン１１は、高熱伝導率で放熱性のよい銅、アルミニウム等の金属材料で作られる。伝熱フィン１１のベース板１０に対する固定法としては、ロウ付け、半田付け、溶接などが考えられるが、理想的には図２または図３のように一体の金属塊からワイヤ放電加工になどに代表される削りだしに準じた加工でベース板１０と一体に形成するほうが、熱抵抗が最小となるので好ましい。この場合まず、伝熱フィン１１の外形をフライス加工などにより形成し、その後、ワイヤ放電加工を行い、複数枚の伝熱フィン１１を形成する。
【００４４】
図４において、前記の図１３と同様、白抜きで示される領域が熱源に近いため温度が高く、それ以外の領域に図中の凡例に示されるように、それに隣接する薄い網掛け、濃い網掛けの順に温度は低くなる。さらにフィン上部に位置する斜線部は本シミュレーション結果では流入してくる冷媒温度に対して温度差が２℃以内の領域を示している。
【００４５】
さて、図２において熱交換手段３外部に設けられた加圧ポンプ９により加圧された冷媒は、流入口１２と流出口１３の圧力差により伝熱フィン１１の間の隙間を白抜き矢印方向へ流れ抜ける。このとき、冷媒は、ベース板１０と伝熱フィン１１の冷媒接液面から熱を奪うことになる。前述したように、熱交換面積を拡大するため伝熱フィン１１の間の隙間を狭くすれば圧損が大きくなり、同じ加圧ポンプ９を用いる限り熱交換効率はかえって低下する。本実施の形態では、伝熱フィン１１の流入側の上部角部に円弧状の切り欠き部１１ａを設けており、この切り欠き部１１ａがあることにより、冷媒が伝熱フィン１１と接触する接液面積が削減される。この切り欠き部１１ａの形状は前述の図１３に示された従来の伝熱フィン１３１における低温部が占める部分とほぼ一致している。この低温部は、流入口１２から流入してくる冷媒が最初に伝熱フィン３１と接触する部分であり、ここでの接触面温度は冷媒とほぼ同じであり、かつ熱源からの距離があるので、フィンを伝わってくる熱量も少ない。つまり、この部分では、冷媒と伝熱フィン３１との温度差がないため熱の授受はおこらず、冷媒と伝熱フィン３１表面との間で流体摩擦がおき圧損が生じているのみである。これに対し、本実施の形態における伝熱フィン１１は、上述したように、流体摩擦がおき圧損が生じる部分となる、冷媒の流入口１２側の上部角部を切り欠いて切り欠き部１１ａとしたことにより、伝熱量の減少を最小限に抑えつつも圧損を削減することが可能となる。図４と図１３を比較すれば、従来の低温部にあたる部分がほぼ無くなったことで本実施例では下流まで低温部が広がっていることが分る。これはフィン上部の圧損が減少することでフィン上部の流速が上がって熱交換率が向上し、結果として低温となっていることを示している。なお、図４もしくは図１３に示すように、熱交換効率の良い高温部は発熱電子部品４からの伝熱面上に放射面上に広がり、冷媒の流れにより下流側に拡がって分布するので、加圧ポンプ９の能力を抑えて低騒音化する、もしくは絶対的に圧送能力が不足しているなどの理由により、より一層の低圧損化が求められる場合、例えば図１２の等温線に沿った形で所要の圧損になるまで伝熱フィン１１の切り欠き部１１ａの面積を大きくすれば伝熱性能の劣化を最小に抑えた冷却装置を得ることができる。
【００４６】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における冷却装置の熱交換手段３について説明する。
【００４７】
図５は従来の伝熱フィン１３１での熱流体シミュレーションによる温度分布斜視図である。図６および図７は本発明の実施の形態２における冷却装置のベース板１０と伝熱フィン１１の概観斜視断面図である。
【００４８】
図５において、図中、白抜きで示される領域が熱源である。図５のように、冷媒とほぼ温度の等しい領域は冷媒の流路の流れに平行な中央断面付近でもっとも狭く、端に寄るに従い広くなるような分布となっている。これは、前述したように、発熱電子部品４からの熱がその伝熱面を中心とする放射面状の等温面を保ちながら拡大することなどに起因している。このように温度分布が３次元的な構造を持っているので、これに合わせて複数の伝熱フィン２１からなる直方体全体の形状を３次元的に変化させる、つまり、冷媒流路内に配置される位置によりそれぞれ伝熱フィン２１を異なる形状に形成すれば有効な伝熱面積の減少を最小限に留めつつ低圧損化を実現できる。
【００４９】
図６は伝熱フィン２１を一つの金属塊から前述のワイヤ放電加工などによりベース板１０と一体に形成した例である。加工はまず、従来のフィン形状に準じた直方体がベース板１０に一体となった状態の外形を形成し、それを、ボールエンドミルなどを使用し図６中Ａ部の曲面を形成、その後図６中Ｂ部をエンドミル等で加工、それからワイヤ放電加工により伝熱フィン２１間の隙間となる部分を加工して、それぞれ一枚ずつの伝熱フィン２１を形成する。ワイヤ放電加工前の形状は、アルミを素材とする場合には鋳造、銅を素材とする場合には鍛造によることで比較的安価に得ることができる。なお、さらに安価に形成するにはフィン形状に準じた直方体に上記のエンドミル加工により得る平面部を掘り込んだ形状の材料ブロックを鋳造もしくは鋳造加工により外形を形成し、それをワイヤ放電加工しフィン形状を得るようにしてもよい。
【００５０】
図７は伝熱フィン２１を一つの金属塊から前述のワイヤ放電加工などによりベース板１０と一体に形成した例である。加工はまず、従来のフィン形状に準じた直方体がベース板１０に一体となった状態の外形を形成し、それを、ボールエンドミルなどを使用し図７中Ａ部の曲面を形成、その後図７中Ｂ部をエンドミル等で加工、それからワイヤ放電加工により伝熱フィン２１間の隙間となる部分を加工して、それぞれ１枚ずつの伝熱フィン２１を形成する。ワイヤ放電加工前の形状は、アルミ素材とする場合には鋳造、銅を素材とする場合には鍛造によることで比較的安価に得ることができる。なお、さらに安価に形成するにはフィン形状を中央部から端部にかけて任意の数の部分に分け、それぞれの部分の平均的な形状を決定、個の形状をプレス加工で伝熱フィン２１を作成、銀ロウ付けなどによりベース板１０に一枚ずつ固定してもよい。
【００５１】
（実施の形態３）
以上は低温の冷媒が伝熱フィン表面など高温の伝熱面に接触しそこで熱を受け取り冷媒温度が上昇して熱を持ち去るという冷却装置についての説明であった。これ以外に前記のように冷媒の液相から気相への相変化にともなう気化熱を利用しより熱密度の高い熱源からの熱移送を効率的に行う冷却装置も提案されている。例えば冷媒に水を用いた場合、相変化を利用して熱の移送を行うためには所要とされる伝熱フィン表面温度で冷媒が蒸発するようにその伝熱部での圧力を低く保つようにする。そのため、外部の大気圧に対し永続して気密を保つため、配管はもとより冷媒が接する部材はすべて銅などの金属製とし部品間の接合にも溶接など特別に配慮する必要がある。また部材についても配慮が必要で、例えば冷媒が水の場合アルミニウムなど、冷媒と化学的に反応して非凝縮性のガスを生じるような金属や有機物は接液する部品の素材とすることができない。ただ、受熱部分には熱伝導率の良い材料を用い、接液面積も確保するべきであるのはいうまでもない。よって、ここでは一番安価と思われる水を冷媒とすれば必然的に銅が最良の構成材料となるので前述の冷却装置の基本構成はもとより、伝熱フィンの製法その他もそのままあてはまる。冷媒の相変化による伝熱は、放熱器により沸点以下に冷却された冷媒が伝熱フィンに接触、沸点以上に熱せられた部分が沸騰、蒸発しそのときの気化熱により多くの熱量が伝熱フィンより奪われる。発生した蒸気は気泡の状態で液相のままの冷媒中を漂いながら浮力に従い上方に移動する。しかしこのとき、気泡が伝熱フィン間に滞留するとドライアウト状態になる可能性がある。ドライアウト状態とは液相の冷媒が高温部に供給されない状態で、ここでの熱の授受はほとんど行なわれない。この気泡の滞留を防ぐため、フィン間の冷媒を流動させる必要がある。このように冷媒流動をポンプで行なわせる。強制循環型ヒートパイプのうち冷媒循環量の一部のみを相変化させるものがあり、このタイプの強制循環型ヒートパイプにおいても前記と同じく、気泡が混在する冷媒の流れを発生させるときに圧損が生じてポンプの能力が不足するなどの課題が生じる。つまり、前記と同じ手段を講じることで、流動に対する圧損を低減できるのでこの課題を解決することができる。また、冷媒循環量のすべてを相変化させる強制循環型ヒートパイプにおいても伝熱フィンの高温部分に効率よく冷媒を接触させることができるので伝熱効率の向上が期待できる。
【実施例】
【００５２】
本発明の実施の形態１と実施の形態２における効果を、従来例を基に熱流体シミュレーション結果で比較してみる。図８は本発明における各実施例での伝熱量比較のグラフを示している。また、図９は本発明における各実施例での圧損比較のグラフである。図８に明らかなように、各流量において従来例の伝熱量を１００％とすると、実施の形態１と実施の形態２はともに、２％程度の減少しか見られない。また、図９に示すように、実施の形態１では各流量を通して従来例と比較すると、７％から１０％の圧損低減効果が見られる。また、実施の形態２では各流量で１０％以上の圧損低減効果が見られる。なお、実施の形態３においても、相変化に至るまでの冷媒もしくは冷媒の一部が相変化し混相化した冷媒による圧損低減に同様の効果が期待される。また、冷媒が伝熱フィンの高温部分に効率よく冷媒を接触させることができるので伝熱効率の向上が期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、伝熱性能を大きく損なうことなく圧損を軽減することにより、強力なポンプを用いずとも全体としても冷却効率をより高くすることができるので、発熱電子部品を冷媒の循環により冷却する電子部品の冷却装置として好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置を備えた電子機器の構成図
【図２】本発明の実施の形態１における冷却装置の熱交換手段の断面図
【図３】本発明の実施の形態１における冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視断面図
【図４】熱流体シミュレーションによって得られた本発明の実施の形態１における冷却装置のベース板と伝熱フィンの温度分布図
【図５】従来の伝熱フィンでの熱流体シミュレーションによる温度分布斜視図
【図６】本発明の実施の形態２における冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視断面図
【図７】本発明の実施の形態３における冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視図
【図８】本発明における各実施例での伝熱量比較のグラフ
【図９】本発明における各実施例での圧損比較のグラフ
【図１０】従来の冷却装置を備えた電子機器の構成図
【図１１】従来の冷却装置の熱交換手段の断面図
【図１２】従来の冷却装置のベース板と伝熱フィンの概観斜視図
【図１３】熱流体シミュレーションによって得られた従来のベース板と伝熱フィンの温度分布図
【符号の説明】
【００５５】
１    筐体
３    熱交換手段
４    発熱電子部品
５    基板
７    放熱器
８    配管
９    加圧ポンプ
１０    ベース板
１１，２１，３１    伝熱フィン
１１ａ    切り欠き部
１２    流入口
１３    流出口
１４    ケース
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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