JP3908705B2

JP3908705B2 - 液冷装置及び液冷システム

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Publication number: JP3908705B2
Application number: JP2003307688A
Authority: JP
Inventors: 秀夫岩崎; 勝美久野; 伴直高松; 治彦大田; 康一鈴木; 洋河村; 宜之阿部
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: JP2005079337A

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。

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）。

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。

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。
特開２００２−３１４２８１号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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／（ｍ^２Ｋ）であるのに対して、沸騰においては２０００〜６０００Ｗ／（ｍ^２Ｋ）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／（ｍ^２Ｋ）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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１の実施の形態に係る液冷システムの構成を示す図。同液冷システムに組み込まれた液冷装置の要部を示す縦断面図。同液冷装置の作用を示す縦断面図。同液冷装置の第１変形例を示す縦断面図。同液冷装置の第２変形例を示す縦断面図。同液冷装置の第３変形例を示す縦断面図。本発明の第２の実施の形態に係る液冷システムに組み込まれた液冷装置を示す横断面図。同液冷装置の縦断面図。同液冷装置の第１変形例を示す横断面図。同液冷装置の縦断面図。同液冷装置に組み込まれた平行フィンの要部を示す模式図。同液冷装置の第２変形例を示す横断面図。同液冷装置を図１２における１２Ａ−１２Ａ線で切断して矢印方向に見た縦断面図。同液冷装置を図１２における１２Ｂ−１２Ｂ線で切断して矢印方向に見た縦断面図。同液冷装置の第３変形例の原理を示す説明図。同液冷装置の要部を図１５における１５Ａ−１５Ａ線で切断して矢印方向に見た断面図。同液冷装置の要部を図１５における１５Ｂ−１５Ｂ線で切断して矢印方向に見た断面図。同液冷装置の第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。同液冷装置を図１８における１８Ａ−１８Ａ線で切断して矢印方向に見た断面図。同液冷装置の第５変形例の要部を示す縦断面図。同液冷装置の動作原理を示す説明図。同液冷装置の第６変形例の要部を示す横断面図。同液冷装置の要部を示す縦断面図。本発明の第３の実施の形態に係る液冷装置の要部を示す平面図。同液冷装置を示す斜視図。同液冷装置の第１変形例の要部を示す平面図。同液冷装置の第２変形例の要部を示す斜視図。同液冷装置の第３変形例の要部を示す斜視図。同液冷装置の第４変形例の要部を示す斜視図。本発明の第４の実施の形態に係る液冷装置の要部を示す縦断面図。同液冷装置の要部を示す横断面図。同液冷装置の第１変形例の要部を示す断面図。同液冷装置に組み込まれた羽根車の一例を示す正面図。同液冷装置に組み込まれた羽根車の別の例を示す正面図。同液冷装置の第２変形例の要部を示す縦断面図。本発明の第５の実施の形態に係る液冷システムの構成を示す図。液冷システムの一例を示す図。同液冷システムに組み込まれた液冷装置を示す縦断面図。

符号の説明

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。

Claims

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ことを特徴とする液冷装置。
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請求項１に記載の液冷装置。
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請求項１に記載の液冷装置。
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液冷システム。
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液冷システム。