(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に発熱体が取り付けられ、内部に前記発熱体の熱を受けて沸騰する液冷媒を貯留する冷媒槽と、
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って液化するコア部、及びこのコア部の両側に設けられる一組のヘッダを有する放熱器とを備えた沸騰冷却装置において、
前記ヘッダは、外部流体の流れ方向に対向する側壁面が、幅方向の両端部から前記外部流体の流れ方向に対して前記コア部側に向かって傾いて設けられ、前記側壁面に当たる外部流体の大部分が前記コア部側へ流れるように構成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
内部に貯留する液冷媒が発熱体の熱を受けて沸騰する沸騰空間を形成し、その沸騰空間を介して対向する二面が略直立した姿勢で使用されるとともに、その対向する一方の壁面に前記発熱体が取り付けられ、他方の壁面に前記沸騰空間に連通する一方のヘッダ接続部と他方のヘッダ接続部とが開口する冷媒槽と、
前記一方のヘッダ接続部に接続されて前記冷媒槽の他方の壁面に対し略垂直方向に延びる蒸気側ヘッダと、
前記他方のヘッダ接続部に接続されて前記冷媒槽の他方の壁面に対し略垂直方向に延びる液側ヘッダと、前記蒸気側ヘッダと前記液側ヘッダとの間に設けられ、前記冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気を外部流体との熱交換によって液化するコア部と
を備える沸騰冷却装置であって、
前記蒸気側ヘッダと前記液側ヘッダは、外部流体の流れ方向に対向する側壁面が、幅方向の両端部から前記外部流体の流れ方向に対して前記コア部側に向かって傾いて設けられ、前記側壁面に当たる外部流体の大部分が前記コア部側へ流れるように構成されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記コア部へ外部流体を導入するためのダクトを有し、このダクトが前記ヘッダの外側壁面に沿って配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】
請求項２または３に記載した沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽内へ冷媒を注入するための注入パイプを有し、この注入パイプが前記冷媒槽の他方の壁面上に設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項５】
請求項４に記載した沸騰冷却装置において、
前記注入パイプは、前記冷媒槽の他方の壁面上で前記ヘッダを外部流体の導入方向に投影した領域内、あるいはその近傍に設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【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】
従来周知の沸騰冷却装置は、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の熱交換により液化する放熱器とを備えている。この沸騰冷却装置に使用される放熱器の一般的な構造としては、例えば図８に示すように、放熱チューブ１００とフィン１１０を組み合わせて構成されるコア部と、このコア部の両側に配置される一組のヘッダ１２０を有している。また、外部流体を効率良くコア部へ導入するため、放熱器を囲むようにダクト１３０を設ける場合がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の放熱器は、図９に示すように、送風方向に対向するヘッダ１２０の側壁面１２１が外側（ダクト１３０側）で大きく湾曲しているため、ヘッダ１２０部分に当たった外部流体がヘッダ１２０の外側（ダクト１３０側）へ流れる。つまり、外部流体の一部がコア部へ導入されないため、コア部への外部流体の供給ロスが生じる。また、ヘッダ１２０の外側にダクト１３０を設置する場合は、ヘッダ１２０の側壁面１２１（湾曲面）とダクト１３０との間に無駄なスペースが生じるという問題もあった。
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、コア部へ導入される外部流体の供給ロスを低減できる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及び２の手段）
ヘッダは、外部流体の流れ方向に対向する側壁面が、その側壁面に当たる外部流体の大部分がコア部側へ流れるように構成されている。これにより、ヘッダの側壁面に当たった外部流体をコア部へ供給できるので、従来の場合と比較してコア部への外部流体の供給ロスを低減でき、コア部での放熱性能を向上できる。
【０００５】
また、ヘッダは、側壁面が、幅方向の両端部から外部流体の流れ方向に対してコア部側に向かって傾いて設けられている。この場合、ヘッダの側壁面に当たった外部流体が側壁面に沿ってコア部側へ流れるので、コア部での放熱性能を向上できる。
【０００６】
（請求項３の手段）
コア部へ外部流体を導入するためのダクトを有し、このダクトがヘッダの外側壁面に沿って配されている。この場合、ダクトによって外部流体を効率良くコア部へ導入することができ、且つヘッダに当たる外部流体をコア部へ供給できるので、ダクトを用いる効果（外部流体を効率良くコア部へ導入できること）を高めることができる。また、ヘッダの側壁面に当たった外部流体をコア部側へ流れるように構成することで、ヘッダの側壁面とダクトとの間に生じる空間（無駄なスペース）を小さくできるので、ダクト内のスペースを有効利用できる効果がある。
【０００７】
（請求項４の手段）
請求項２または３に記載した沸騰冷却装置において、冷媒槽内へ冷媒を注入するための注入パイプを有し、この注入パイプが冷媒槽の他方の壁面上に設けられている。請求項２に記載した沸騰冷却装置は、冷媒槽に対して一組のヘッダを略垂直方向に組付けてコア部を構成しているので、ヘッダとコア部を冷媒槽の外形内に収めることができる。この沸騰冷却装置において、注入パイプを冷媒槽の他方の壁面上に設ければ、その注入パイプが冷媒槽の外形からはみ出ることはなく、冷媒槽全体の最大外形寸法が大きくなることを防止できる。
【０００８】
（請求項５の手段）
請求項４に記載した沸騰冷却装置において、注入パイプは、冷媒槽の他方の壁面上でヘッダを外部流体の導入方向に投影した領域内、あるいはその近傍に設けられている。この場合、コア部を外部流体の導入方向に投影した領域から注入パイプが外れているので、冷媒槽の他方の壁面上に注入パイプを設置しても大きな流路抵抗とはならない。つまり、冷媒槽の他方の壁面上でヘッダを外部流体の導入方向に投影した領域内、あるいはその近傍であれば、冷媒槽全体の最大外形寸法が大きくならず、且つ流路抵抗の増大を招くこともなく、注入パイプを設置することができる。
【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。
図１は蒸気側ヘッダの斜視図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、図２に示すように、例えばプリント基板に設置されたコンピュータチップ等の発熱体２（図３参照）を冷却するもので、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３と、この冷媒槽３で発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気を外部流体（例えば空気）との熱交換によって液化する放熱器４とを備える。この冷媒槽３と放熱器４は、ろう付けにより一体成型される。
【００１０】
Ａ）冷媒槽３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５と蓋プレート６から構成され、直立した状態で使用される。
ａ）薄型容器５は、図４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４の裏側）が平坦面で発熱体２の取付け面として使用され、他方側には下述する沸騰空間７、一組のヘッダ接続部８、９、液戻り通路１０、及び冷媒注入部１１が設けられている。また、薄型容器５の外周部には、薄型容器５を厚み方向に貫通する複数の孔１２が設けられている。
【００１１】
沸騰空間７は、発熱体２の熱を受けて液冷媒が沸騰する空間を形成するもので、薄型容器５の中央部全体に設けられている。この沸騰空間７には、多数の角柱１３が一定の間隔を開けて格子状に配置され、沸騰空間７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７に設けられた多数の角柱１３は、冷媒槽３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８、９は、放熱器４のヘッダ１９、２０（下述する）を接続する部分で、各ヘッダ１９、２０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８は、沸騰空間７の上部右側に隣接して設けられ、蒸気流出口１４を通じて沸騰空間７と連通している。
他方のヘッダ接続部９は、沸騰空間７の上部左側に設けられ、液戻り通路１０を通じて沸騰空間７に連通している。
【００１２】
液戻り通路１０は、放熱器４で液化された凝縮液を沸騰空間７へ戻すための通路で、他方のヘッダ接続部９の下部から下方へ延びて設けられ、沸騰空間７の最下部に通じている。
冷媒注入部１１は、冷媒槽３の内部（沸騰空間７）へ冷媒を注入する時の注入通路であり、例えば一方のヘッダ接続部８の下方に設けられて、沸騰空間７に通じている。
なお、沸騰空間７、ヘッダ接続部８、９、液戻り通路１０、及び冷媒注入部１１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。
孔１２は、図示しない固定部材によって薄型容器５の表面（平坦面）に発熱体２を固定するために設けられている。
【００１３】
ｂ）蓋プレート６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５の他方側を全面的に塞いで、薄型容器５に設けられた沸騰空間７及び液戻り通路１０の開口面を閉じている。但し、蓋プレート６の上部両側には、ヘッダ１９、２０を差し込むための差込み口１５、１６（図３参照）が開けられ、この差込み口１５、１６がそれぞれヘッダ接続部８、９に通じている。また、蓋プレート６には、薄型容器５に設けられた冷媒注入部１１に通じる丸孔１７が一方の差込み口１５の下部に開けられ、この丸孔１７に注入パイプ１８が接続される。
【００１４】
注入パイプ１８は、冷媒槽３内へ冷媒を注入する時の注入口であり、注入パイプ１８を通じて冷媒槽３内へ所定量の冷媒を注入した後、注入パイプ１８の先端開口部が封じられる。この注入パイプ１８は、図５に示すように、蓋プレート６上でヘッダ１９、２０を外部流体の導入方向に投影した領域内（図５にハッチングを施した領域）に設けることが望ましい。本実施例では、蒸気側ヘッダ１９を外部流体の導入方向に投影した領域内に設置している。
【００１５】
Ｂ）放熱器４は、一組のヘッダ（蒸気側ヘッダ１９と液側ヘッダ２０）とコア部（放熱チューブ２１と放熱フィン２２）を備え、そのコア部にダクト２３（図２参照）を介して外部流体が供給される。
ａ）一組のヘッダは、冷媒槽３で発熱体２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１９と、コア部で液化した凝縮液が流入する液側ヘッダ２０であり、それぞれヘッダプレート１９ａ、１９ｂとヘッダプレート２０ａ、２０ｂとから成る（図３参照）。
【００１６】
各ヘッダ１９、２０のコア部側に配されるヘッダプレート１９ａ、２０ａは、図１（但し、図１は蒸気側ヘッダ１９を示す）に示すように、幅方向（図１の上下方向）の両側部が、それぞれ外側（ヘッダプレート１９ｂ、２０ｂ側）へ湾曲する曲面で構成され、且つその曲面が外部流体の流れ方向に対しコア部側に傾いている。また、反コア部側に配されるヘッダプレート１９ｂ、２０ｂは、その外側壁面が平面で構成されている。
【００１７】
蒸気側ヘッダ１９は、長手方向の一端側が蓋プレート６の一方の差込み口１５より冷媒槽３の内部（一方のヘッダ接続部８）へ差し込まれ、蓋プレート６に対して略垂直方向に延びた状態で配置される。この蒸気側ヘッダ１９には、図３に示すように、冷媒槽３の内部へ差し込まれるヘッダプレート１９ａの端部に冷媒槽３内の蒸気流出口１４に通じる連通口２４（蒸気流出口１４と略同じ大きさ）が開けられている。また、ヘッダプレート１９ａには、放熱チューブ２１の一方の端部を挿入するための長孔が上下二段にそれぞれ複数個ずつ等間隔に開けられている。
【００１８】
液側ヘッダ２０は、長手方向の一端側が蓋プレート６の他方の差込み口１６より冷媒槽３の内部（他方のヘッダ接続部９）へ差し込まれ、蓋プレート６に対して略垂直方向に延びた状態（蒸気側ヘッダ１９と平行）で配置される。この液側ヘッダ２０には、冷媒槽３の内部へ差し込まれる端部の下側壁面に液戻り通路１０に通じる連通口が開けられている。また、ヘッダプレート２０ａには、放熱チューブ２１の他方の端部を挿入するための長孔が上下二段にそれぞれ複数個ずつ等間隔に開けられている。
【００１９】
ｂ）コア部は、発熱体２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であり、複数本の放熱チューブ２１と、各放熱チューブ２１の間に介在される放熱フィン２２とから成る。
放熱チューブ２１は、放熱フィン２２が接触する外壁面の幅に対して厚みが薄い偏平形状に設けられ、蒸気側ヘッダ１９と液側ヘッダ２０との間で上下二段に配置され、且つ各段でそれぞれ放熱フィン２２を介して複数の放熱チューブ２１が並設されている。この放熱チューブ２１は、一方の端部が蒸気側ヘッダ１９のヘッダプレート１９ａに開けられた長孔に差し込まれ（図１参照）、他方の端部が液側ヘッダ２０のヘッダプレート２０ａに開けられた長孔に差し込まれて、蒸気側ヘッダ１９と液側ヘッダ２０とを連通している。
放熱フィン２２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２１の外壁面に熱的に接合されている。
【００２０】
ダクト２３は、図２に示すように、両ヘッダ１９、２０の外側を通って放熱器４を囲むように設置されている。なお、ダクト２３は、各ヘッダ１９、２０の外側壁面（ヘッダプレート１９ｂ、２０ｂの外面）との間に大きな隙間が生じない程度に、あるいは各ヘッダ１９、２０の外側壁面と略接触した状態で、各ヘッダ１９、２０の外側壁面に沿って配されている。ダクト２３を通じてコア部へ導入される外部流体は、図２の下方から上方へ向かって流れている。
【００２１】
次に、本実施例の作動を説明する。
冷媒槽３内の液冷媒は、発熱体２の熱を受けて沸騰した後、沸騰空間７から蒸気流出口１４を通って蒸気側ヘッダ１９へ進入し、蒸気側ヘッダ１９から各放熱チューブ２１へ流れる。放熱チューブ２１を流れる冷媒蒸気は、ダクト２３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２１内で凝縮する。凝縮した冷媒は、液滴となって液側ヘッダ２０へ押し流され、更に液側ヘッダ２０より液戻り通路１０を落下して冷媒槽３内の沸騰空間７へ還流する。この作動における冷媒の流れを図６に矢印で示す。
【００２２】
（本実施例の効果）
本実施例の沸騰冷却装置１は、外部流体の流れ方向に対向する各ヘッダ１９、２０の側壁面が、各ヘッダプレート１９ａ、２０ａの外側へ湾曲した曲面で構成され、その曲面が外部流体の流れ方向に対しコア部側へ傾いて設けられている。これにより、各ヘッダ１９、２０の側壁面（湾曲面）に当たった外部流体は、図７に示すように、その湾曲面に沿ってコア部側へ流れる。その結果、図９に示した従来の場合と比較してコア部への外部流体の供給ロスを低減でき、コア部での放熱性能を向上できる。
また、各ヘッダ１９、２０の側壁面に当たった外部流体をコア部側へ流れるように構成することで、各ヘッダ１９、２０の側壁面とダクト２３との間に生じる空間（無駄なスペース）を小さくできるので、ダクト２３内のスペースを有効利用できる効果も生じる。
【００２３】
本実施例の沸騰冷却装置１は、冷媒槽３に対して一組のヘッダ１９、２０を略垂直方向に組付けてコア部を構成しているので、放熱器４全体を冷媒槽３の外形内に収めることができ（図２参照）、且つ冷媒槽３の発熱体取付け面側へ放熱器４が突出することもない。従って、プリント基板に設置されるコンピュータチップ等の発熱体２にも容易に適用できる。また、冷媒槽３の蓋プレート６上でヘッダ１９、２０を外部流体の導入方向に投影した領域内に注入パイプ１８を設置している、言い換えれば、コア部を外部流体の導入方向に投影した領域から注入パイプ１８の位置が外れているので、蓋プレート６上に注入パイプ１８を設置しても大きな流路抵抗とはならない。つまり、蓋プレート６上において、ヘッダ１９、２０を外部流体の導入方向に投影した領域内あるいはその近傍であれば、冷媒槽全体の最大外形寸法が大きくならず、且つ流路抵抗の増大を招くこともなく、注入パイプ１８を設置することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】蒸気側ヘッダの斜視図である。
【図２】沸騰冷却装置の斜視図である。
【図３】沸騰冷却装置の分解斜視図である。
【図４】薄型容器の平面図である。
【図５】沸騰冷却装置の正面図である。
【図６】冷媒の流れを示す沸騰冷却装置の斜視図である。
【図７】ヘッダに当たる外部流体の流れ示す図面である。
【図８】放熱器の構造を示す図面である（従来例）。
【図９】ヘッダに当たる外部流体の流れ示す図面である（従来例）。
【符号の説明】
１  沸騰冷却装置
２  発熱体
３  冷媒槽
４  放熱器
７  沸騰空間
８  一方のヘッダ接続部
９  他方のヘッダ接続部
１４  蒸気流出口
１８  注入パイプ
１９  蒸気側ヘッダ
２０  液側ヘッダ
２１  放熱チューブ
２３  ダクト
【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】
0004029370.tif 000008
【図８】
0004029370.tif 000009
【図９】
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