JP3908705B2 - Liquid cooling device and liquid cooling system - Google Patents
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Description
半導体素子等の発熱体を冷媒により冷却する液冷装置及び液冷システムに関し、特に発熱体から冷媒への熱伝達を促進することで、発熱体を均等に冷却できると同時に冷媒の流量を低減できるものに関する。 The present invention relates to a liquid cooling device and a liquid cooling system for cooling a heating element such as a semiconductor element with a refrigerant, and in particular, by promoting heat transfer from the heating element to the refrigerant, the heating element can be cooled uniformly and at the same time the flow rate of the refrigerant can be reduced. About things.
IGBT等の高発熱パワー素子(発熱体)を備えた電気装置の水冷構造が従来より知られている(例えば特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, a water-cooling structure for an electric device provided with a high heat-generating power element (heating element) such as an IGBT is known (see, for example, Patent Document 1).
図37は上述したような水冷構造が組み込まれた液冷システム10の一例を示す構成図、図38はこの液冷システム10に組み込まれた液冷装置30を示す縦断面図である。液冷システム10は、液相の冷媒Lを貯溜する冷媒溜11と、この冷媒溜11に配管12を介して接続され冷媒Lを送り出すポンプ13と、このポンプ13及び冷媒溜11にそれぞれ配管14,15を介して接続された流量調整装置16と、この流量調整装置16に配管17を介して接続された液冷装置30と、この液冷装置30に配管18を介して接続された熱交換器19と、この熱交換器19と冷媒溜11とを接続する配管20とを備えている。なお、冷媒溜11には圧力調整装置21が設けられている。流量調整装置16は、所定の流量の冷媒Lが液冷装置30に供給されるように調整する機能を有している。
FIG. 37 is a configuration diagram showing an example of the
液冷装置30は、銅材製の内部に冷却流路32が形成された筐体31を備え、筐体31の外壁面には高発熱パワー素子(発熱体)P等の半導体素子が搭載された基板Sが取付けられている。なお、高発熱パワー素子Pは、基板Sにはんだを用いて取り付けられており、基板Sは高発熱パワー素子Pを基板Sに取り付けるはんだよりも融点の低いはんだを用いて接続される。また、冷却流路32には冷媒Lとして純水等が通流する。
上述した液冷システムであると次のような問題があった。すなわち、液冷装置30では冷却流路32の下流にいくにつれて冷媒Lの温度が上昇するとともに、高発熱パワー素子Pで発生した熱を冷媒Lに伝達する流路壁面(伝熱面H)の温度境界層が厚くなって熱伝達率が低下する。このため冷却流路32の下流側に実装された高発熱パワー素子Pほど温度が高くなるという問題がある。
The liquid cooling system described above has the following problems. That is, in the
特に大容量のパワーデバイス等の半導体素子ではモジュールサイズが大きいため、冷却流路の上流側に位置する半導体素子と下流側に位置する半導体素子とではその温度差が大きくなるという傾向がある。 In particular, since a module size is large in a semiconductor element such as a large-capacity power device, there is a tendency that the temperature difference between the semiconductor element located on the upstream side of the cooling flow path and the semiconductor element located on the downstream side becomes large.
パワーデバイスでは電気的な導通抵抗は素子温度に影響を受けるため、複数の素子を用いる、あるいは単一のウエハを使用する形態のように1つの素子の面積が広いとき、温度分布によりデバイスの性能を十分に引き出すことができなくなる虞がある。一般にはモジュール内の複数の素子あるいは単一のウエハ内での温度差は概ね5℃以下に制御することが好ましいとされている。また、温度分布はモジュール内部での熱膨張の差を発生させるためはんだ接合面等の信頼性に対しても悪影響を及ぼす可能性もある。 In a power device, the electrical conduction resistance is affected by the element temperature. Therefore, when the area of one element is large as in the case of using a plurality of elements or using a single wafer, the device performance depends on the temperature distribution. May not be able to be fully extracted. Generally, it is preferable to control the temperature difference within a plurality of elements in a module or within a single wafer to about 5 ° C. or less. In addition, since the temperature distribution generates a difference in thermal expansion inside the module, there is a possibility of adversely affecting the reliability of the solder joint surface and the like.
一方、このような温度分布がもたらす問題を回避するために、冷媒の流量を増やして冷媒Lの温度上昇を小さくするという方法が考えられるが、この方法ではポンプ動カが増大し、冷却のために費やすエネルギが増加するという問題が新たに生ずる。 On the other hand, in order to avoid such a problem caused by the temperature distribution, a method of increasing the flow rate of the refrigerant to reduce the temperature rise of the refrigerant L can be considered. A new problem arises in that the energy consumed in the process increases.
そこで本発明は、発熱体を均一に冷却することにより、発熱体の電気的特性及び機械的信頼性等を向上させると同時に、少ない冷媒流量で高い冷却特性が得られ、冷却に消費されるエネルギの低減を図ることが可能な液冷装置及び液冷システムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention uniformly improves the electrical characteristics and mechanical reliability of the heating element by cooling the heating element uniformly, and at the same time obtains high cooling characteristics with a small refrigerant flow rate, and energy consumed for cooling. An object of the present invention is to provide a liquid cooling device and a liquid cooling system capable of reducing the above.
上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の液冷装置及び液冷システムは次のように構成されている。 In order to solve the above problems and achieve the object, the liquid cooling apparatus and the liquid cooling system of the present invention are configured as follows.
(1)発熱体を冷媒により冷却する液冷装置において、上記冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記冷媒が通流する副流路とを備え、上記主流路と上記副流路との間には上記冷媒を通流させる連通流路が設けられている。 (1) In a liquid cooling apparatus that cools a heating element with a refrigerant, a main flow path through which the refrigerant flows and is thermally connected to the heating element, and a position further away from the heating element than the main flow path And a sub-flow path through which the refrigerant flows, and a communication flow path through which the refrigerant flows is provided between the main flow path and the sub-flow path.
(2)上記(1)に記載された液冷装置であって、上記主流路の上流側に比べて下流側に多く又は大口径の連通流路が設けられていることを特徴とする。 (2) The liquid cooling apparatus according to (1), wherein a communication channel having a larger or larger diameter is provided on the downstream side than the upstream side of the main channel.
(3)上記(1)に記載された液冷装置であって、上記主流路内の上記冷媒の通流方向と上記副流路内の上記冷媒の通流方向とが逆方向であることを特徴とする。 (3) In the liquid cooling device described in (1) above, the flow direction of the refrigerant in the main flow path and the flow direction of the refrigerant in the sub flow path are opposite to each other. Features.
(4)発熱体を冷媒により冷却する液冷システムにおいて、上記発熱体に設けられた液冷装置と、この液冷装置に冷媒を送るポンプと、このポンプにより送られた冷媒を分流して上記液冷装置に供給する分岐装置と、上記液冷装置から排出された冷媒を冷却する熱交換器とを備え、上記液冷装置は、上記冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記冷媒が通流する副流路とを備え、上記主流路と上記副流路との間には上記冷媒を通流させる連通流路が設けられていることを特徴とする。 ( 4 ) In a liquid cooling system for cooling a heating element with a refrigerant, a liquid cooling device provided in the heating element, a pump that sends the refrigerant to the liquid cooling device, and a refrigerant sent by the pump is divided to The liquid cooling device includes a branch device that supplies the liquid cooling device and a heat exchanger that cools the refrigerant discharged from the liquid cooling device, and the liquid cooling device is thermally connected to the heating element while allowing the refrigerant to flow therethrough. And a sub-flow path that is provided at a position farther from the heating element than the main flow path and through which the refrigerant flows. The refrigerant is provided between the main flow path and the sub-flow path. A communication flow path for allowing flow is provided.
(5)発熱体を冷媒により冷却する液冷システムにおいて、上記発熱体に設けられた液冷装置と、この液冷装置に上記冷媒を送る主流路用ポンプと、上記液冷装置に上記冷媒を送る副流路用ポンプと、上記液冷装置から排出された冷媒を冷却する熱交換器とを備え、上記液冷装置は、上記主流路用ポンプから供給された上記冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記副流路用ポンプから供給された上記冷媒が通流する副流路とを備え、上記主流路と上記副流路との間には上記冷媒を通流させる連通流路が設けられていることを特徴とする。 ( 5 ) In a liquid cooling system for cooling a heating element with a refrigerant, a liquid cooling device provided in the heating element, a main channel pump for sending the refrigerant to the liquid cooling device, and the refrigerant in the liquid cooling device. A sub-flow channel pump to be sent and a heat exchanger for cooling the refrigerant discharged from the liquid cooling device, and the liquid cooling device allows the refrigerant supplied from the main flow channel pump to flow and A main channel thermally connected to the heating element, and a sub channel provided at a position farther from the heating element than the main channel and through which the refrigerant supplied from the sub channel pump flows. And a communication channel for allowing the refrigerant to flow between the main channel and the sub channel.
本発明によれば、発熱体を均一に冷却することができるため、発熱体の電気的特性及び機械的信頼性等を向上させると同時に、少ない冷媒流量で高い冷却特性が得られるため冷却に消費されるエネルギの低減を図ることが可能となる。 According to the present invention, since the heating element can be uniformly cooled, the electrical characteristics and mechanical reliability of the heating element are improved, and at the same time, high cooling characteristics can be obtained with a small refrigerant flow rate. Energy can be reduced.
パワー素子(発熱体)Pを冷媒Lにより冷却する液冷装置において、冷媒Lが通流するとともにパワー素子Pに熱的に接続された主流路と、この主流路よりもパワー素子Pから離間した位置に設けられ、冷媒Lが通流する副流路とを備え、主流路と副流路との間には冷媒Lを通流させる連通流路が設けられている。 In the liquid cooling device that cools the power element (heating element) P with the refrigerant L, the main flow path through which the refrigerant L flows and is thermally connected to the power element P is further separated from the power element P than the main flow path. And a sub-flow path through which the refrigerant L flows, and a communication flow path through which the refrigerant L flows is provided between the main flow path and the sub-flow path.
図1は本発明の第1の実施の形態に係る液冷システム100を示す図である。液冷システム100は、液相の冷媒Lを貯溜する冷媒溜101と、この冷媒溜101に配管102を介して接続され冷媒Lを送り出すポンプ103と、このポンプ103及び冷媒溜101にそれぞれ配管104,105を介して接続された流量調整装置106と、この流量調整装置106に配管107を介して接続された分岐装置108と、この分岐装置108と主流路配管109と副流路配管110とを介して接続された液冷装置200と、この液冷装置200に配管111を介して接続された熱交換器112と、この熱交換器112と冷媒溜101とを接続する配管113とを備えている。なお、冷媒溜101には圧力調整装置114が設けられている。
FIG. 1 is a diagram showing a
流量調整装置106は、所定の流量の冷媒Lが液冷装置200に供給されるように調整する機能を有しており、流量センサ(不図示)からの検出値に基づいて流路をバルブで絞る、又は、ポンプ103ヘの電カの供給を制御する。なお、ポンプ103の安定した運転に適した領域よりも流量を低くするときには冷媒溜101に一部の冷媒Lを戻すようにしている。分岐装置108は、バルブや絞り機構等により構成されている。
The flow
液冷装置200は、図2に示すように、筐体201と、この筐体201に設けられ、冷媒Lが通流する主流路210と、この主流路210に隔壁220により隔てられて設けられた副流路230とを備えている。隔壁220の材質は、副流路230内の液相の冷媒Lが主流路210内の液体冷媒との熱交換により温度上昇しないように、例えばSUS304のように銅よりも熱伝導性の低い金属や耐熱プラスチック等が望ましい。
As shown in FIG. 2, the
筐体201の主流路210側の外壁には、パワー素子(発熱体)Pを搭載した基板Sが取付けられている。主流路210は前述した主流路配管109に接続され、副流路230は前述した副流路配管110に接続されている。隔壁220には、主流路210と副流路230とを連通する連通流路221が設けられている。
A substrate S on which a power element (heating element) P is mounted is attached to the outer wall of the
このように構成された液冷システム100においては、次のようにしてパワー素子Pの冷却が行われる。すなわち、冷媒溜101内の液相の冷媒Lはポンプ103によって汲み上げられ、流量調整装置106内に導入される。流量調整装置106では冷媒Lの流量が調整され、過剰分の冷媒Lが配管105を介して冷媒溜101内に戻される。さらに、所定の流量の冷媒Lは分岐装置108に導入され、分岐装置108では所定の割合で主流路210と副流路230に冷媒Lを分流して液冷装置200に供給する。
In the
液冷装置200に供給された冷媒Lは後述するようにして、パワー素子Pにより加熱され、液冷装置200から排出される。液冷装置200から排出された冷媒Lは熱交換器112にて所定温度まで冷却され、冷媒溜101に戻される。
The refrigerant L supplied to the
ここで、液冷装置200における熱移動について説明する。パワー素子Pからの熱は基板Sを経由して主流路210内を流れる冷媒Lに放熱される。一方、副流路230内に供給された冷媒Lは、連通流路221を介して主流路210内に流入する。隔壁220の下流側に連通流路221が配置されていることから、主流路210内の冷媒Lは下流においても温度上昇が抑えられ、さらに伝熱面Hに向かって副流路230冷媒Lが噴出されることにより温度境界層を薄くして熱伝達率を向上させることが可能となる。この結果、複数のパワー素子Pを均一に冷却することができる。
Here, heat transfer in the
上述したように、本第1の実施の形態に係る液冷システム100によれば、パワー素子P等の発熱体を均一に冷却することができるため、パワー素子Pの電気的特性及び機械的信頼性等を向上させると同時に、少ない冷媒流量で高い冷却特性が得られるため冷却に消費されるエネルギの低減を図ることが可能となる。
As described above, according to the
したがって、比較的大きな伝熱面Hであっても均一に冷却することが可能であり、特に高発熱のパワーデバイス等の冷却に適している。なお、パーソナルコンピュータ等の小型電子機器にも適用可能なのはもちろんである。 Therefore, even a relatively large heat transfer surface H can be uniformly cooled, and is particularly suitable for cooling a power device having a high heat generation. Of course, the present invention can also be applied to small electronic devices such as personal computers.
なお、分岐装置108と流量調整装置106とは一体の装置としてポンプ103の下流に配置するようにしてもよい。
The branching
図3は液冷装置200において沸騰冷却を行う場合を示す縦断面図である。パワー素子Pの発熱量がより大きい場合、あるいは冷媒Lの流量が少ない場合には、沸騰現象を利用した液冷装置として作動する。すなわち、沸騰は冷媒が液相から気相へ相変化する現象であり、非常に高い熱伝達性能を得ることができる。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing a case where boiling cooling is performed in the
例えば、冷媒Lとしてフロロカーボンを使用する場合、強制対流による典型的な熱伝達率が200〜2000W/(m2K)であるのに対して、沸騰においては2000〜6000W/(m2K)といった高い熱伝達率が得られる(香山晋監訳,マイクロエレクトロニクスパッケージングハンドブック,日経BP社,1991,p.138)。さらに、平滑面による水の沸騰熱伝達において熱伝達率は10万W/(m2K)以上に達し、通常の強制対流熱伝達に対して桁違いの熱伝達性能が期待できる。また、熱の輸送は潜熱により行われるため顕熱に比較して非常に高い熱輸送性能が得られ、冷媒流量を小さくすることができる。 For example, when using a fluorocarbon as a refrigerant L, whereas a typical heat transfer rate by forced convection is 200~2000W / (m 2 K), in boiling such 2000~6000W / (m 2 K) A high heat transfer coefficient can be obtained (translated by Kayama Kaoru, Microelectronics Packaging Handbook, Nikkei Business Publications, 1991, p.138). Furthermore, in the boiling heat transfer of water by a smooth surface, the heat transfer coefficient reaches 100,000 W / (m 2 K) or more, and an order of magnitude heat transfer performance can be expected for normal forced convection heat transfer. Moreover, since heat is transported by latent heat, a very high heat transport performance can be obtained compared to sensible heat, and the refrigerant flow rate can be reduced.
したがって、沸騰現象の利用は、省エネルギ及び機器の小型化に極めて有効である。しかるに、冷媒Lとして水を使用する場合には、大気圧での沸点は100℃となるため半導体素子の温度は通常のSiを用いた半導体素子の許容温度よりも高くなることが多く、SiC等、高温動作が可能な半導体素子の冷却に適している。 Therefore, the use of the boiling phenomenon is extremely effective for energy saving and equipment miniaturization. However, when water is used as the refrigerant L, the boiling point at atmospheric pressure is 100 ° C., so the temperature of the semiconductor element is often higher than the allowable temperature of a semiconductor element using ordinary Si, such as SiC. It is suitable for cooling a semiconductor element capable of operating at a high temperature.
例えば、SiC素子を用いてモジュールを構成し、水をほぼ大気圧で沸騰させることにより冷却を行なうと、液冷装置の下流において約100℃の高温の水を得られる。環境温度との差が大きい冷媒が排出されるほど排熱利用には適しており、液冷装置という範囲での省エネルギにとどまらず、半導体素子が損失するエネルギの回収ということでもSiC素子と水の沸騰という組合せは優れている。 For example, when a module is formed using SiC elements and cooling is performed by boiling water at approximately atmospheric pressure, high-temperature water of about 100 ° C. can be obtained downstream of the liquid cooling device. The more the refrigerant with a large difference from the ambient temperature is discharged, the more suitable it is for exhaust heat utilization. It is not only energy saving in the range of liquid cooling devices, but also the recovery of energy lost by semiconductor elements, SiC elements and water. The combination of boiling is excellent.
一方、冷媒の沸騰熱伝達を用いる場合には、主流路210内で冷媒Lの蒸気泡Mが発生する。蒸気泡Mは下流にいくにつれて他の蒸気泡Mと合体し、大きな蒸気泡Mとなる。やがて主流路210内で蒸気充満状態となり、伝熱面Hが液相の冷媒Lで濡れていない状態となる。このような状態においては、放熱が阻害され、バーンアウト現象に陥る危険がある。バーンアウト現象が発生すると伝熱面温度は急激に上昇して1000℃以上に達することもあり、機器の損傷は避け難い。したがって、バーンアウト現象は機器の信頼性と安全の上から回避する必要がある。
On the other hand, when the boiling heat transfer of the refrigerant is used, the vapor bubbles M of the refrigerant L are generated in the
液冷装置200によれば、副流路230から主流路210に過冷状態の冷媒Lを合体した蒸気泡Mに注入することにより、蒸気泡Mを凝縮崩壊させることが可能であり、バーンアウト現象を回避することができる。また過冷度の小さくなっている冷媒Lの主流路210の下流側に過冷度の大きい冷媒Lを供給することにより主流路210内の冷媒Lの過冷度をほぼ均一に制御することが可能となり、その結果、複数の素子をほぼ均一に冷却することが可能となる。
According to the
図4は上述した液冷装置200の第1変形例を示す縦断面図である。なお、この図において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
FIG. 4 is a longitudinal sectional view showing a first modification of the
本変形例においては、連通流路221の分布が図2のものとは異なっている。すなわち、主流路210の上流から下流にいくにしたがい、連通流路221の設置密度が増えている。この構成により主流路210内の冷媒Lの温度をきめ細かく制御することができ、複数のパワー素子Pをより均一な温度に冷却することができる。
In this modification, the distribution of the
なお、設置密度を増やす代わりに、主流路210の上流から下流にいくにしたがい、連通流路221の内径を拡大するようにしてもよい。
Instead of increasing the installation density, the inner diameter of the
図5は上述した液冷装置200の第2変形例を示す縦断面図である。なお、この図において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、主流路210と副流路230で冷媒Lの流れる向きが対向している。すなわち、隔壁220に熱伝導性の低い材料を用いても熱を完全に遮ることはできないため、主流路210と副流路230の流れが同じ方向であるよりも、本変形例のように逆方向に対向して流れているほうが、主流路210の下流に供給される液相の冷媒Lの過冷度を大きくすることができ、液相の冷媒Lの注入による蒸気泡Mの凝縮崩壊をより効果的に行なうことができる。
FIG. 5 is a longitudinal sectional view showing a second modification of the
図6は上述した液冷装置200の第3変形例を示す縦断面図である。なお、この図において図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、主流路210中に副流路230を挿入し、主流路210の両側にパワー素子Pを配置することにより、一組の主流路210と副流路230で2つの伝熱面Hを冷却することが可能となる。複数のパワー素子Pを搭載したモジュールを2組を冷却する場合において、各モジュールにそれぞれ液冷装置200を取り付けた場合には、冷媒Lの入出力配管の接続箇所が4ケ所となる。一方、本変形例の液冷装置200においては、液冷装置200への冷媒Lの入出力配管の接続箇所が2箇所となる。このため、入出力配管の接続箇所を減らすことができ、構造上の信頼性を高めることができる。
FIG. 6 is a longitudinal sectional view showing a third modification of the
図7は本発明の第2の実施の形態に係る液冷システム100に組み込まれた液冷装置300を示す横断面図、図8は縦断面図である。
FIG. 7 is a transverse sectional view showing a
液冷装置300は、筐体301と、この筐体301に設けられ、冷媒Lが通流する主流路310と、この主流路310に隔壁320により隔てられて設けられた副流路330とを備えている。
The
筐体301の主流路310側の外壁には、パワー素子(発熱体)Pを搭載した基板Sが取付けられている。なお、図8中302は蓋体を示している。主流路310は前述した主流路配管109に接続され、副流路330は前述した副流路配管110に接続されている。
A substrate S on which a power element (heating element) P is mounted is attached to the outer wall of the
主流路310内の最上流側に孔部311が配置されるとともに、後述するノズル321の上流側に気泡破砕部材312が設けられている。気泡破砕部材312は後述するように気泡破砕部材を有している。気泡破砕部材312は、主流路310の伝熱面Hから突設された第1の板群313と、隔壁322側の対向面Fから突設された第2の板群314とから構成されている。第1の板群313と第2の板群314は冷媒Lの流れに対して異なる角度を持って取り付けられている。隔壁320には、主流路310と副流路330とを連通するノズル(連通流路)321が設けられている。
A
このように構成された液冷装置300によれば、上述した液冷装置200と同様にしてパワー素子Pで発生した熱が主流路310内を通流する冷媒Lに伝達され、冷媒Lは伝熱面Hで沸騰し、蒸気泡Mを発生する。過冷状態の冷媒Lは副流路330によりノズル位置321まで供給される。
According to the
蒸気泡Mは気泡破砕部材312に導入され、第1の板群313と第2の板群314の隙間よりも寸法が大きくなると分断される。第1の板群313と第2の板群314の隙間の流路は、下流側へ次第に幅が広がる流路315と、下流側へ次第に幅が狭まる流路316とが隣り合っているため、分断された蒸気泡Mが気泡破砕部材312を抜け出したときには隣接する流路間の出口の流速の差により流れ方向の蒸気泡Mの位置がずれる。このため、下流で広がる流路315では蒸気泡Mが第1の板群313と第2の板群314から離れやすくなり、気泡破砕部材312入口で分断された蒸気泡Mが気泡破砕部材312出口で合体しにくくなる。すなわち、大型の蒸気泡Mが形成されてにくい。さらに、気泡破砕部材312の下流側には過冷状態の冷媒Lがノズル321から供給されるため、破砕されて表面積が大きくなった蒸気泡Mと過冷状態の冷媒Lが混合し、蒸気泡Mが消滅あるいは減容する。このため、バーンアウト現象の発生を抑制することが可能となる。
The vapor bubble M is introduced into the
なお、気泡破砕部材312の形成方法としては、伝熱面Hと対向面Fそれぞれに同一の方向を持つ板群を設ければよく、切削等の機械加工や複数の板を並べて蝋付やカシメにより取り付けるときには、片方の面に角度の異なる板を交互に取り付けるよりも製造が容易になる。また、金属材料を用いたダイカストや鋳造あるいは樹脂の射出成型など、金型に材料を流し込む方法で製作してもよいし、伝熱面Hあるいは対向面Fのいずれかに向きの異なる板をすべてまとめて取り付けてもよい。さらに、枠で板群を保持した構造物を主流路310内に挿入する形式でもよい。
As a method for forming the
切削による加工では、例えばC1100のような熱伝導性の高い銅材料を採用できるものは製造コストが高く、鋳造あるいはダイカストに適した材料は熱伝導性が低くなる。このため、製造方法と板を伝熱面Hに付けるか対向面Fに取り付けるか、あるいは伝熱面Hと対向面Fのどちらに取り付けるかは、要求される放熱性能とコスト、信頼性に依存する。例えば対向面F側を樹脂製とし、気泡破砕部材を対向面Fと一体に樹脂の射出成型で製造すればコストは低いが金属材料よりも信頼性は低下し、対向面Fは主要な放熱経路とはならないものの放熱性能も低下する。 In the processing by cutting, for example, a material that can adopt a copper material having high thermal conductivity such as C1100 has a high manufacturing cost, and a material suitable for casting or die casting has low thermal conductivity. For this reason, whether the manufacturing method and the plate are attached to the heat transfer surface H, the attachment surface F, or the heat transfer surface H or the attachment surface F depends on the required heat radiation performance, cost, and reliability. To do. For example, if the opposing surface F side is made of resin and the bubble crushing member is manufactured by injection molding of resin integrally with the opposing surface F, the cost is low but the reliability is lower than that of a metal material. Although this is not the case, the heat dissipation performance is also reduced.
図9は上述した液冷装置300の第1変形例を示す横断面図、図10は縦断面図である。なお、これらの図において図7及び図8と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例における気泡破砕部材312では、第1の板群313と第2の板群314を構成する板が途中で折曲している。直線的な形状では板間隔と気泡破砕部材312の流れ方向の長さは独立した設計パラメータとして扱うことができないが、曲線にすることにより、これらのパラメータを独立して自由に変更することができる。例えば、熱流束が高い場合には蒸気泡Mの寸法が大きくなる傾向にあるが、冷媒Lの流速が大きい場合にも蒸気泡Mが流れ方向に伸びた扁平形状になるため、気泡破砕部材312の主流方向の長さLをある程度長くしなければならない。
FIG. 9 is a transverse sectional view showing a first modification of the
図11は液冷装置300に組み込まれた平行フィンの要部を示す模式図である。本変形例における気泡破砕部材312では、第1の板群313と第2の板群314を構成する板が互いに平行に配置され、第1の板群313の図中下側の面は凹凸が形成されており、第2の板群314の図中上側の面は凹凸が形成されている。
FIG. 11 is a schematic diagram showing the main part of the parallel fins incorporated in the
このため、板により仕切られた隣り合う流路315,316間の流体抵抗は凹凸により差異が生じ、冷媒Lの流速に差が発生する。このため、蒸気泡Mが気泡破砕部材312により分断された後、気泡破砕部材312の出口側に蒸気泡Mが排出される時間がずれるため、蒸気泡Mが再合体しにくい。
For this reason, the fluid resistance between the
図12は上述した液冷装置300の第2変形例を示す横断面図、図13は図12における12A−12A線で切断して矢印方向に見た縦断面図、図14は図12における12B−12B線で切断して矢印方向に見た縦断面図である。なお、これらの図において図7及び図8と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
12 is a transverse sectional view showing a second modification of the
主流路310内には気泡破砕部材340が形成されている。気泡破砕部材340は、主流路310の流路高さの約半分の高さをもつ突起群341と、対向面Fに設けられた同様な突起群342とを備えている。気泡破砕部材340の入口側で破砕された蒸気泡Mの一部は伝熱面Hに近い位置に、残りは対向面Fに近い位置に放出される。
A
一方、ノズル321から過冷状態の冷媒Lが噴き出すが、気泡破砕部材340の出口で対向面Fの近くに吐き出された蒸気泡Mは対向面Fから同じ高さに吐き出される他の蒸気泡Mとの間の隙間に冷媒Lが噴出されることになるため、他の気泡と合体しにくくなる。このため、バーンアウト現象の発生を抑制することが可能となる。
On the other hand, although the supercooled refrigerant L is ejected from the
なお、ノズル321は、突起群342の下流に配置しても良いし、突起群342の伝熱面Hに近い位置や、突起群342の側面に配置しても良い。
The
図15は上述した液冷装置300の第3変形例の原理を示す説明図、図16は図15における15A−15A線で切断して矢印方向に見た断面図、図17は図15における15B−15B線で切断して矢印方向に見た断面図である。
15 is an explanatory view showing the principle of the third modification of the
本変形例では気泡破砕部材350が設けられている。気泡破砕部材350は、複数の管状部材351〜353とを備えている。気泡破砕部材350に導入された蒸気泡Mは、入口で破砕される。これら分離された蒸気泡Mは気泡破砕部材350の出口では、冷媒Lの通流方向に直交する断面において、入口とは異なる位置に排出される。このため、蒸気泡Mが再合体にしにくい。なお、管状部材351〜353の長さを異ならせる、内壁面に凹凸を形成する等してさらに蒸気泡Mの再合体を確実に防止するようにしてもよい。
In this modification, a
図18は上述した液冷装置300の第4変形例を示す図であって、図19における19A−19A線で切断して矢印方向に見た断面図、図19は図18における18A−18A線で切断して矢印方向に見た断面図である。なお、これらの図において図7及び図8と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
18 is a view showing a fourth modification of the
気泡破砕部材360は、伝熱面Hに設けられた第1の板群361と対向面Fに設けられた第2の板群362とを備えている。第1の板群361及び第2の板群362はいずれも主流路310の流路高さの約半分の高さを有し、冷媒Lの通流方向に対する傾斜角度が異なって取り付けられている。主流路310は板群の傾斜に沿って、気泡破砕部材360の下流側で主流路310の上半分と下半分で異なる方向に曲げられている。気泡破砕部材360の下流には副流路330から主流路310に冷媒Lを供給するためのノズル321が設けられている。
The
気泡破砕部材360に到達して分割された蒸気泡Mの上半分と下半分とは異なる方向へ排出されるため、再び合体しにくい。なお、第1の板群361及び第2の板群362はほぼ同じ高さであるが、例えば第1の板群361の高さを高くして第2の板群362の高さを低くしたり、その逆であってもよい。
Since the upper half and the lower half of the vapor bubbles M that have reached the
図20は上述した液冷装置300の第5変形例の要部を示す縦断面図、図21は動作原理を示す説明図である。なお、これらの図において図7及び図8と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例では主流路310内に気泡破砕部材370が突設されている。
FIG. 20 is a longitudinal sectional view showing an essential part of a fifth modification of the
気泡破砕部材370は、対向面Fに上流側が細く、下流側が太くなった突起状に形成されている。また、ノズル321が気泡破砕部材370の下流側端面に設けられている。気泡破砕部材370により分断された蒸気泡Mは気泡破砕部材370の出口で互いに過冷状態の冷媒Lにより仕切られるため、蒸気泡Mが再合体しにくくなると同時に、蒸気泡Mと冷媒Lとの熱交換も促進され、蒸気泡Mの消滅あるいは減容を効果的に行なうことができる。
The
図22は上述した液冷装置300の第6変形例の要部を示す横断面図、図23は要部を示す縦断面図である。これらの図において、図7及び図8と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
FIG. 22 is a cross-sectional view showing the main part of a sixth modification of the
本変形例では、主流路310の一部であって上述した気泡破砕部材312の上流側直前に凹部380を設け、冷媒Lの通流方向に直交する方向の断面積を拡大するようにしている。
In this modification, a recess 380 is provided in part of the
一般的に、放熱性能を高めるために主流路310の流速を大きくし、蒸気泡Mが通流方向に伸長し細長形状となった場合には気泡破砕部材312による分割数が少なくなる虞がある。このため、気泡破砕部材312を通過しても蒸気泡Mが比較的大きい状態で残る可能性がある。一方、気泡を小さく分割するためには気泡破砕部材の板間の隙間を小さくしなければならなくなる。これは流体抵抗を上昇させ、また製造も困難となる。
In general, when the flow velocity of the
本変形例によれば、気泡破砕部材312の上流で主流路310を流れる冷媒Lの流速が低下し、細長形状の蒸気泡Mが一旦偏平形状となる。このため、蒸気泡Mの分割数を増やすことができるとともに、圧力損失が小さく、かつ、気泡破砕部材312も容易に製造が可能となる。
According to this modification, the flow rate of the refrigerant L flowing through the
図24は本発明の第3の実施の形態に係る液冷装置400の要部を示す平面図、図25は斜視図である。これらの図において、図2と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
FIG. 24 is a plan view showing the main part of a
液冷装置400は、筐体401と、この筐体401に設けられ、冷媒Lが通流する主流路410と、この主流路410の両側に隔壁420により隔てられて設けられた一対の副流路430とを備えている。
The
筐体401の主流路410側の外壁には、パワー素子(不図示)を搭載した基板Sが取付けられている。主流路410は前述した主流路配管109に接続され、副流路430は前述した副流路配管110に接続されている。
A substrate S on which a power element (not shown) is mounted is attached to the outer wall of the
一対の副流路430間には管状路431が設けられている。管状路431には、冷媒Lが通流する連通流路432が設けられている。
A
このように構成された液冷装置400によれば、上述した液冷装置200と同様にしてパワー素子Pで発生した熱が主流路410内を通流する冷媒Lに伝達され、冷媒Lは伝熱面Hで沸騰し、蒸気泡Mを発生する。過冷状態の冷媒Lは副流路430により管状路431を介して連通流路432まで供給される。冷媒Lが連通流路432を通して主流路310に噴出する。
According to the
液冷装置400によれば、上述した液冷装置200と同様の効果を得ることができる。また、管状路431は図示のとおりほぼ均等に配置されていもよいし、主流路410の下流側ほど本数を増やしたり、下流側のみに配置するようにしてもよい。また、必ずしも管状路431は流れと直交していなくてもよいし、管状路431の断面積や管状路431に設けられた連通流路432の形状は各連通流路432からの噴出量を制御するため場所により変化させてもよい。また、管状路431の材質は噴出される冷媒Lの温度と主流路410内の冷媒Lの温度との差ができる限り大きくなるように、熱伝導率の低い材質を用いることが望ましい。副流路430に流す冷媒Lは伝熱面H前方にて主流路410から分流された冷媒Lではなく、主流路410に冷媒Lを供給するものとは別系統の循環経路による冷媒Lを流してもよい。
According to the
図26は上述した液冷装置400の第1変形例の要部を示す平面図である。この図において、図24と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例では、副流路430が主流路410の片側にのみ設けられている。なお、管状路431の主流路410の反対側の壁面付近、すなわち副流路430から最も離れた先端部は閉じられていても良いし、連通流路432と同様の穴が開けられていてもよい。
FIG. 26 is a plan view showing a main part of a first modification of the
図27は上述した液冷装置400の第2変形例の要部を示す斜視図である。この図において、図24と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、管状路431の外形が円形となっている。
FIG. 27 is a perspective view showing a main part of a second modification of the
図28は上述した液冷装置の第3変形例の要部を示す斜視図である。この図において、図24と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、管状路431の外形が楕円形となっている。このため、主流路410内を通流する冷媒Lの流体抵抗を軽減できる。
FIG. 28 is a perspective view showing an essential part of a third modification of the liquid cooling apparatus described above. In this figure, the same functional parts as those in FIG. 24 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In this modification, the outer shape of the
図29は上述した液冷装置の第4変形例の要部を示す斜視図である。この図において、図24と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、管状路431の外形が楕円形であり、かつ、気泡破砕部材433が取付けられている。
FIG. 29 is a perspective view showing a main part of a fourth modification of the liquid cooling apparatus described above. In this figure, the same functional parts as those in FIG. 24 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted. In this modification, the outer shape of the
図30は本発明の第4の実施の形態に係る液冷装置500の要部を示す縦断面図、図31は横断面図である。これらの図において、図7及び図8と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
FIG. 30 is a longitudinal sectional view showing a main part of a
液冷装置500は、筐体501と、この筐体501に設けられ、冷媒Lが通流する主流路510と、この主流路510の凹部511の近傍に配置された羽根車520を備えている。筐体501の外壁には、パワー素子Pを搭載した基板Sが取付けられている。主流路510は前述した主流路配管109に接続されている。
The
羽根車520の回転軸521は、主流路510の中心から所定だけずれた位置に配置されており、この回転軸521の周囲に羽根522が取付けられており、羽根522の先端が伝熱面Hに非常に近い場所を通過するようになっている。なお、回転軸521には、モータ等の駆動手段は取付けられていない。
The
このように構成された液冷装置500においては、主流路510を通流する冷媒Lの流れによって羽根車520が回転する。羽根車520の回転に伴って伝熱面H近傍の冷媒Lが攪拌される。このため、伝熱面H近傍に形成された温度境界層を破壊し熱伝達を促進することができる。また、沸騰により蒸気泡Mが発生している場合には、羽根522により蒸気泡Wが破砕され、伝熱面Hに付着した蒸気泡Mが強制的に引き剥がされ、バーンアウト現象の発生を防止することができる。
In the
なお、回転軸521が主流路510の中心からずれているために羽根車522の円周の一部分は主流路510の側壁を膨らませた凹部511に入る構造となっているが、この凹部511に副流路530からの過冷状態の冷媒Lを連通流路531を介して送ることで、伝熱面Hに効果的に冷媒Lを供給することもできる。また、冷媒Lを供給する連通流路531の向きを調整することにより、冷媒Lが噴出す力を羽根車520を回転させる動力として用いても良い。
Since the
なお、羽根車520の羽根522の高さは主流路510の流路高さとほぼ等しいが、主流路510の流れあるいは副流路530から供給される冷媒Lの流れにより羽根車520を回転させる動力に不足がなければ羽根高さを低くすることができる。この場合、回転する羽根522は伝熱面H近くのみに存在するため、主流路510を流れる冷媒Lの流体抵抗が羽根高さが高い場合に比較して小さくなる。
The height of the
図32は上述した液冷装置500の第1変形例の要部を示す断面図、図33は羽根車の一例を示す正面図、図34は羽根車の別の例を示す正面図。これらの図において、図30及び図31と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
32 is a cross-sectional view showing the main part of the first modification of the
本変形例では、主流路510内に軸流の羽根車540が配置されている。この羽根車540の回転軸541は冷媒Lの通流方向に平行である。羽根車540は主流路510内に1つ配置されていてもよいし、複数配置されていてもよい。羽根車540の回転軸541には複数の羽根542が設けられており、羽根542の先端部と伝熱面Hとの間隙は狭くなるように設定されている。
In this modification, an
図35は上述した液冷装置500の第2変形例の要部を示す縦断面図である。この図において、図30及び図31と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。本変形例においては、冷媒Lの通流方向に複数の羽根車540が配置されている。主流路510内の冷媒流速が大きいとき、沸騰により発生した蒸気泡Mは通流方向に伸びた形状となるが、このような羽根車540の配置とすることにより、通流方向に長い蒸気泡Mを分断することもできる。
FIG. 35 is a longitudinal sectional view showing a main part of a second modification of the
図36は本発明の第5の実施の形態に係る液冷システム600の構成を示す図である。なお、図36において図1と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
FIG. 36 is a diagram showing a configuration of a
液冷システム600においては、1つのポンプと1つの分岐装置の組み合わせではなく、2組のポンプを設けるようにしたものである。液冷システム600は、液相の冷媒Lを貯溜する冷媒溜601と、液冷装置200の主流路210に冷媒Lを供給する冷媒主供給部610と、液冷装置200の副流路230に冷媒Lを供給する冷媒副供給部620と、液冷装置200と、この液冷装置200に配管630を介して接続された熱交換器631と、この熱交換器631と冷媒溜601とを接続する配管632とを備えている。なお、冷媒溜601には圧力調整装置602が設けられている。
In the
冷媒主供給部610は、冷媒溜601に配管611を介して接続され冷媒Lを送り出すポンプ612と、このポンプ612及び冷媒溜601にそれぞれ配管613,614を介して接続された流量調整装置615とを備えている。なお、流量調整装置615は配管616を介して主流路210に接続されている。
The refrigerant
流量調整装置615は、所定の流量の冷媒Lが主流路210に供給されるように調整する機能を有しており、流量センサ(不図示)からの検出値に基づいて流路をバルブで絞る、又は、ポンプ612ヘの電カの供給を制御する。なお、ポンプ621の安定した運転に適した領域よりも流量を低くするときには冷媒溜601に一部の冷媒Lを戻すようにしている。
The flow
冷媒副供給部620は、冷媒溜601に配管621を介して接続され冷媒Lを送り出すポンプ622と、このポンプ622及び冷媒溜601にそれぞれ配管623,624を介して接続された流量調整装置625とを備えている。なお、流量調整装置625は配管626を介して主流路230に接続されている。
The refrigerant
流量調整装置625は、所定の流量の冷媒Lが副流路230に供給されるように調整する機能を有しており、流量センサ(不図示)からの検出値に基づいて流路をバルブで絞る、又は、ポンプ622ヘの電カの供給を制御する。なお、ポンプ622の安定した運転に適した領域よりも流量を低くするときには冷媒溜601に一部の冷媒Lを戻すようにしている。
The flow
このように主流路210に導入される冷媒Lと副流路230主流路に導入される冷媒Lとが別系統によるもの場合、それぞれの冷媒Lのモジュール入口での温度を別個に制御可能であり、副流路230に供給する冷媒Lの温度を主流路210に供給する冷媒Lの温度よりも低くできる。このとき、主流路210と副流路230に供給する冷媒温度は同一の場合よりも副流路230に供給する冷媒流量は小さくても同じ効果を期待できる。
In this way, when the refrigerant L introduced into the
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
本発明によれば、発熱体から冷媒への熱伝達を促進することで、発熱体を均等に冷却できると同時に冷媒の流量を低減できる液冷装置及び液冷システムが得られる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the liquid cooling apparatus and liquid cooling system which can reduce the flow volume of a refrigerant | coolant while being able to cool a heat generating body uniformly by promoting the heat transfer from a heat generating body to a refrigerant | coolant are obtained.
100,600…液冷システム、200,300,400,500…液冷装置、P…パワー素子(発熱体)、L…冷媒。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100,600 ... Liquid cooling system, 200,300,400,500 ... Liquid cooling device, P ... Power element (heating element), L ... Refrigerant.
Claims (5)
上記冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、
この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記冷媒が通流する副流路とを備え、
上記主流路と上記副流路との間には上記冷媒を通流させる連通流路が設けられていることを特徴とする液冷装置。 In a liquid cooling device that cools a heating element with a refrigerant,
A main flow path through which the refrigerant flows and is thermally connected to the heating element;
Provided in a position farther from the heating element than the main flow path, and a sub flow path through which the refrigerant flows,
A liquid cooling apparatus, wherein a communication channel for allowing the refrigerant to flow therethrough is provided between the main channel and the sub channel.
上記発熱体に設けられた液冷装置と、
この液冷装置に冷媒を送るポンプと、
このポンプにより送られた冷媒を分流して上記液冷装置に供給する分岐装置と、
上記液冷装置から排出された冷媒を冷却する熱交換器とを備え、
上記液冷装置は、上記冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、
この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記冷媒が通流する副流路とを備え、
上記主流路と上記副流路との間には上記冷媒を通流させる連通流路が設けられていることを特徴とする液冷システム。 In a liquid cooling system that cools a heating element with a refrigerant,
A liquid cooling device provided in the heating element;
A pump for sending refrigerant to the liquid cooling device;
A branch device for diverting the refrigerant sent by the pump and supplying the refrigerant to the liquid cooling device;
A heat exchanger for cooling the refrigerant discharged from the liquid cooling device,
The liquid cooling device includes a main flow path through which the refrigerant flows and is thermally connected to the heating element;
Provided in a position farther from the heating element than the main flow path, and a sub flow path through which the refrigerant flows,
A liquid cooling system, wherein a communication channel for allowing the refrigerant to flow is provided between the main channel and the sub channel.
上記発熱体に設けられた液冷装置と、
この液冷装置に上記冷媒を送る主流路用ポンプと、
上記液冷装置に上記冷媒を送る副流路用ポンプと、
上記液冷装置から排出された冷媒を冷却する熱交換器とを備え、
上記液冷装置は、上記主流路用ポンプから供給された上記冷媒が通流するとともに上記発熱体に熱的に接続された主流路と、
この主流路よりも上記発熱体から離間した位置に設けられ、上記副流路用ポンプから供給された上記冷媒が通流する副流路とを備え、
上記主流路と上記副流路との間には上記冷媒を通流させる連通流路が設けられていることを特徴とする液冷システム。 In a liquid cooling system that cools a heating element with a refrigerant,
A liquid cooling device provided in the heating element;
A main channel pump for sending the refrigerant to the liquid cooling device;
A sub-channel pump for sending the refrigerant to the liquid cooling device;
A heat exchanger for cooling the refrigerant discharged from the liquid cooling device,
The liquid cooling device includes a main flow path through which the refrigerant supplied from the main flow path pump flows and is thermally connected to the heating element;
Provided in a position farther from the heating element than the main flow path, and a sub flow path through which the refrigerant supplied from the sub flow path pump flows,
A liquid cooling system, wherein a communication channel for allowing the refrigerant to flow is provided between the main channel and the sub channel.
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