(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液冷媒を貯留し、その液冷媒が発熱体の熱を受けて沸騰する冷媒槽と、
この冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気を外部流体との熱交換により液化する放熱部とを備え、
前記冷媒槽は、前記発熱体を前記冷媒槽に固定するための取付けステーを有し、この取付けステーが前記冷媒槽を構成する部品の一部と一体化して設けられている沸騰冷却装置であって、
前記発熱体は、プリント基板上に設置されたコンピュータチップであり、このコンピュータチップを前記冷媒槽の一方の表面に接触させた状態となるように取り付けられ、
前記取付けステーが一体化して設けられた部品は、前記冷媒槽の他方の表面を形成し、
前記取付けステーは、前記冷媒槽の他方の表面を形成する部品の一部が前記冷媒槽の外形より外側へ延びて設けられ、
前記取付けステーと前記プリント基板とを固定することで、前記発熱体を前記冷媒槽に固定することを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記取付けステーは、弾性を有し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。
【請求項３】
前記取付けステーが一体化して設けられた部品は、前記放熱部へ外部流体を導入する通路と一体化して構成されている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。
【請求項４】
前記放熱部は、前記冷媒槽の他方の表面上に組付けられ、前記取付けステーが一体化して設けられた部品は、前記冷媒槽の他方の表面を形成し、且つ前記放熱部へ外部流体を導入する通路と一体化して構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載した沸騰冷却装置。
【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装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来装置として、産業用のパワーユニットクーラ（沸騰冷却器）がある。この冷却器は、冷媒を貯留する冷媒槽の受熱面にＩＧＢＴ等の発熱体を接触させ、その発熱体から発生する熱を冷媒に伝達して放熱部へ輸送し、放熱部で外部流体（例えば空気）に放熱する装置である。ここで、発熱体であるＩＧＢＴは、単独でパッケージされているため、冷却器に対し比較的自由に取り付けることができる。しかし、発熱体がプリント基板上に設置されたコンピュータチップである場合、コンピュータチップと接触する冷媒槽の受熱面側または冷媒槽の周囲に突起部があると、その突起部がプリント基板上の部品またはプリント基板自体と干渉する可能性がある。従って、冷却器としては、冷媒槽の受熱面側または冷媒槽の周囲に突起部のない構造であることが望まれる。
【０００３】
そこで、本出願人は、特願平１０−３３０９８６号において、図１０に示す沸騰冷却装置を提案した。この装置は、平板状の冷媒槽１００を備え、この冷媒槽１００の一方の平面側に放熱部１１０を設けて、冷媒槽１００の他方の面（受熱面）に発熱体（例えばコンピュータチップ）を取り付ける構造である。放熱部１１０は、冷媒槽１００に対し略垂直方向に一組のヘッダタンク１２０を差し込み、両ヘッダタンク１２０間に放熱チューブ１３０と放熱フィン１４０とを配置して構成されている。これにより、冷媒槽１００の外形内で一方の平面側に放熱部１１０を収めることができるので、冷媒槽１００の受熱面側及び冷媒槽１００の周囲に突起部のない沸騰冷却装置を構成できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願の沸騰冷却装置では、プリント基板を固定するための貫通孔１５０を冷媒槽１００に設けているため、冷媒槽１００内部の容積が減少して冷媒封入量が低減する。このため、必要な冷媒封入量を確保するために冷媒槽１００内部の容積を増大すれば、必然的に冷媒槽１００が大型化し、且つ重量も増大する。また、冷媒槽１００に貫通孔１５０を開けているため、内部に封入されている冷媒が漏れる可能性がある。
更に、図１１に示すように、接続部品１６０によって冷媒槽１００に固定されるプリント基板１７０と冷媒槽１００の取付け部とが対向しているため、プリント基板１７０上でコンピュータチップ１８０の周辺に配置される部品が冷媒槽１００の取付け部と干渉する可能性がある。この場合、プリント基板１７０上の部品の配置を見直すか、冷媒槽１００の形状を見直す必要が生じる。
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、冷媒槽の内容積を減少させることなく、冷媒槽を小型化できる沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
冷媒槽は、発熱体を冷媒槽に固定するための取付けステーを有し、この取付けステーが冷媒槽を構成する部品の一部と一体化して設けられている。この構成によれば、冷媒槽に発熱体を固定するための孔等を設ける必要がない（孔は取付けステーに設けることができる）ので、冷媒槽の内容積を減少させることなく、冷媒槽を小型化できる。また、冷媒槽に孔を設けていないので、冷媒槽に封入されている冷媒が孔を通じて漏れ出る恐れもない。
また、発熱体は、プリント基板上に設置されたコンピュータチップであり、このコンピュータチップを冷媒槽の一方の表面に接触させた状態となるように取付けステーを用いて固定される。この場合、冷媒槽の小型化により、取付けステーとプリント基板との間に冷媒槽が介在していないので、コンピュータチップの周辺でプリント基板上に設置されている部品と冷媒槽との干渉を防止できる。
【０００６】
（請求項２の手段）
取付けステーは、弾性を有している。この取付けステーの弾性力を利用して発熱体を固定することにより、冷媒槽と発熱体との接触状態を良好に保つことができる。
【０００８】
（請求項３の手段）
取付けステーが一体化して設けられた部品は、放熱部へ外部流体を導入する通路と一体化して構成されている。これにより、冷却装置と通路との接続部を無くす（あるいは減らす）ことができるので、接合部で生じる外部流体の漏れを無くす（あるいは低減する）ことができる。また、冷却装置と通路との接続部が無くなる（あるいは減る）ことにより、接続部での外部流体の乱れを無くす（あるいは少なくする）ことができ、その結果、流入及び流出抵抗を低減できる。
【０００９】
（請求項４の手段）
放熱部は、冷媒槽の他方の表面上に組付けられ、取付けステーが一体化して設けられた部品は、冷媒槽の他方の表面を形成し、且つ放熱部へ外部流体を導入する通路と一体化して構成されている。この場合、放熱部が組付けられる冷媒槽の他方の表面を通路と一体化するため、効率良く外部流体を放熱部へ導入できる。
【００１０】
【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１は沸騰冷却装置の斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、例えばプリント基板２（図４参照）に設置されたコンピュータチップ３（以下チップ３と略す）に適用されるもので、図１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４と、この冷媒槽４でチップ３の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気の熱を外部流体に放出する放熱部５とを備え、一体ろう付けにより製造されている。
【００１１】
Ａ）冷媒槽４は、熱伝導性に優れる金属材料（例えばアルミニウム）で形成された薄型容器６とプレート状の蓋部品７から構成され、図１に示すように、直立した状態で使用される。
薄型容器６は、図２に示すように、平面形状が縦長の長方形であり、厚み方向の一方側（図２の裏側）が平坦面でチップ３の取付け面（受熱面）として使用され、他方側には下述する沸騰空間８、一組のヘッダ接続部９、１０、液戻り通路１１、及び冷媒注入部１２が設けられている。
【００１２】
沸騰空間８は、チップ３の熱を受けて液冷媒が沸騰する空間で、薄型容器６の中央部全体に設けられている。この沸騰空間８には、多数の角柱１３が一定の間隔をおいて格子状に配置され、沸騰空間８全体が碁盤の目のように区画された冷媒通路を形成している。なお、沸騰空間８に設けられた多数の角柱１３は、冷媒槽４の強度を確保するための補強リブとしても機能している。
ヘッダ接続部９、１０は、放熱部５のヘッダタンク１７（下述する）を接続する部分で、ヘッダタンク１７の断面形状に対応したスペースが設けられている。
一方のヘッダ接続部９は、沸騰空間８の上部右側に隣接して設けられ、沸騰空間８と連通している。
他方のヘッダ接続部１０は、沸騰空間８の上部左側に設けられ、液戻り通路１１を介して沸騰空間８に連通している。
【００１３】
液戻り通路１１は、放熱部５で液化された凝縮液を沸騰空間８へ戻すための通路で、他方のヘッダ接続部１０の下部から下方へ延びて設けられ、沸騰空間８の最下部に通じている。
冷媒注入部１２は、冷媒槽４の内部（沸騰空間８）へ冷媒を注入する時の注入通路であり、一方のヘッダ接続部９の下方に設けられて、沸騰空間８に通じている。
上記の沸騰空間８、ヘッダ接続部９、１０、液戻り通路１１、及び冷媒注入部１２等は、切削、放電加工、鍛造、鋳造等によって形成することができる。
【００１４】
蓋部品７は、例えば、表面にろう材を一体成型したクラッド材から成り、薄型容器６の他方側を全面的に塞いで、薄型容器６に設けられた沸騰空間８及び液戻り通路１１の開口面を閉じている。但し、蓋部品７の上部両側には、ヘッダタンク１７の端部を差し込むための差込み口（図示しない）が開けられ、この差込み口がそれぞれ薄型容器６のヘッダ接続部９、１０に通じている。また、蓋部品７には、薄型容器６に設けられた冷媒注入部１２に通じる接続孔（図示しない）が一方の差込み口の下部に開けられ、この接続孔に冷媒を注入するための注入パイプ１４が接続される。なお、注入パイプ１４は、冷媒槽４内へ所定量の冷媒を注入した後、先端開口部が封じられる。
【００１５】
更に、この蓋部品７は、その外周が薄型容器６の外形より外側（特に上下両側）へ拡大して設けられ、その拡大された上下両側部分が取付けステー１５として用いられる。つまり蓋部品７に取付けステー１５が一体化して設けられている。
取付けステー１５は、図３に示すように、例えばボルト等の接続部品１６を介してプリント基板２を固定するために設けられ、接続部品１６を通すための丸孔１５ａ（図１参照）が開けられている。
【００１６】
Ｂ）放熱部５は、一組のヘッダタンク１７（１７Ａ、１７Ｂ）とコア部（下述する）を備え、図１に示すように、冷媒槽４に対し略垂直に組付けられている。
一組のヘッダタンク１７は、冷媒槽４の沸騰空間８でチップ３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タンク１７Ａと、コア部で液化した凝縮液が流入する液側ヘッダタンク１７Ｂである。
蒸気側ヘッダタンク１７Ａは、長手方向の一端部が蓋部品７の一方の差込み口より冷媒槽４の内部（一方のヘッダ接続部９）へ差し込まれ、蓋部品７に対して略垂直方向に延びた状態で配置される。
液側ヘッダタンク１７Ｂは、長手方向の一端部が蓋部品７の他方の差込み口より冷媒槽４の内部（他方のヘッダ接続部１０）へ差し込まれ、蓋部品７に対して略垂直方向に延びた状態で配置される。
【００１７】
コア部は、複数本の放熱チューブ１８と、各放熱チューブ１８の間に介在される放熱フィン１９とから成り、例えば図４に示すように、ダクト２０を通って外部流体（例えば空気）が供給される。
放熱チューブ１８は、放熱フィン１９が接触する表面の幅に対して厚みが薄い偏平形状に設けられ、両ヘッダタンク１７Ａ、１７Ｂ間に複数本並設されて、それぞれ両ヘッダタンク１７Ａ、１７Ｂに連通している。
放熱フィン１９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形成したもので、放熱チューブ１８の表面に熱的に接合されている。
【００１８】
ダクト２０は、両ヘッダタンク１７Ａ、１７Ｂの外側を通って放熱部５を囲むように設置され、図３に示すように、前述の接続部品１６で取付けステー１５に固定されている。ダクト２０を通ってコア部へ導入される外部流体は、図４に矢印で示すように、下方から上方へ向かって流れている。
【００１９】
次に、本実施例の作動を説明する。
冷媒槽４内の液冷媒は、チップ３の熱を受けて沸騰し、沸騰空間８より蒸気側ヘッダタンク１７Ａへ進入し、蒸気側ヘッダタンク１７Ａから各放熱チューブ１８へ流れる。放熱チューブ１８を流れる冷媒蒸気は、ダクト２０を通ってコア部に導入される外部流体によって冷却され、放熱チューブ１８内で凝縮する。凝縮した冷媒は、液滴となって液側ヘッダタンク１７Ｂへ進入し、更に液側ヘッダタンク１７Ｂより冷媒槽４内の液戻り通路１１を通って沸騰空間８へ還流する。この作動における冷媒の流れを図５に示す。
【００２０】
（本実施例の効果）
本実施例では、取付けステー１５が冷媒槽４を構成する蓋部品７と一体化して設けられている。この構成によれば、図３に示したように、取付けステー１５に設けた丸孔１５ａに接続部品１６を通してプリント基板を固定することができる。これにより、冷媒槽４自体にプリント基板２を固定するための貫通孔を開ける必要がないので、冷媒槽４の内容積を減少させることなく、冷媒槽４の小型化及び軽量化を達成できる。また、冷媒槽４に貫通孔を設けていないので、冷媒槽４に封入されている冷媒が貫通孔を通じて漏れ出る恐れもない。
更に、冷媒槽４を小型化できるので、取付けステー１５とプリント基板２との間に冷媒槽４が介在することなく（図３参照）、チップ３の周辺でプリント基板２上に設置されている部品（図示しない）と冷媒槽４との干渉を防止できる。
【００２１】
取付けステー１５は、蓋部品７の外周を薄型容器６の外形より外側へ拡大して設けられているので、取付けステー１５に弾性を持たせることができる。この場合、取付けステー１５の弾性力を利用してプリント基板２を固定することにより、チップ３と冷媒槽４との接触状態を良好に保つことができる。
更には、図６に示すように、接続部品１６にゴムやスプリング等の弾性体２１を用いても良い。この場合、取付けステー１５の弾性力に加えて弾性体２１の弾性力を利用できるので、発熱により膨張するチップ３と冷媒槽４との接触状態を良好に保つことができる。
【００２２】
（第２実施例）
図７は沸騰冷却装置の使用状態を示す斜視図である。
本実施例は、取付けステー１５が一体化された冷媒槽４の蓋部品７をダクト２０と一体化した一例である。
ダクト２０は、図７に示すように、蓋部品７と、両ヘッダタンク１７の外側を覆う側壁面２０ａとで構成されている。
この場合、蓋部品７と側壁面２０ａとの接続部を無くすことができるので、その接続部で生じる外部流体の漏れを無くすことができる。また、接続部を無くすことにより、接続部での外部流体の乱れを無くすことができる。その結果、ダクト２０を流れる外部流体の流入及び流出抵抗を低減でき、外部流体を供給する装置の出力ロスを低減できる。
【００２３】
（第３実施例）
図８は沸騰冷却装置の使用状態を示す斜視図である。
本実施例は、取付けステー１５が一体化された冷媒槽４の蓋部品７をダクト２０と一体化した他の例である。
本実施例のダクト２０は、図８に示すように、蓋部品７と側壁面２０ａの他に、放熱部５を介して蓋部品７と対向する壁面２０ｂを有している。
この場合でも、第２実施例と同様の効果を得ることができ、且つダクト２０が放熱部５の周囲を全て覆っているので、外部流体を放熱部５へ効率良く供給できる。
【００２４】
（第４実施例）
図９は沸騰冷却装置の斜視図である。
本実施例は、冷媒槽４の蓋部品７と一体化された取付けステーの形状を変更した一例である。
取付けステー１５は、図９に示すように、上下両側部分だけに限定して設けることができる。特に、蓋部品７をダクト２０と一体化しない場合は、上下の中央部を取り除いても何ら問題は生じない。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の斜視図である。
【図２】薄型容器の平面図である。
【図３】チップの取付け状態を示す断面図である。
【図４】沸騰冷却装置の使用状態を示す斜視図である。
【図５】冷媒の流れを示す沸騰冷却装置の斜視図である。
【図６】チップの取付け状態を示す断面図である。
【図７】沸騰冷却装置の使用状態を示す斜視図である（第２実施例）。
【図８】沸騰冷却装置の使用状態を示す斜視図である（第３実施例）。
【図９】沸騰冷却装置の斜視図である（第４実施例）。
【図１０】沸騰冷却装置の斜視図である（先願技術）。
【図１１】チップの取付け状態を示す断面図である（先願技術）。
【符号の説明】
１  沸騰冷却装置
２  プリント基板
３  コンピュータチップ（発熱体）
４  冷媒槽
５  放熱部
７  蓋部品（冷媒槽を構成する部品の一部）
１５  取付けステー
２０  ダクト（放熱部へ外部流体を導入する通路）
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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