JPH0621279A

JPH0621279A - 伝熱装置

Info

Publication number: JPH0621279A
Application number: JP4200625A
Authority: JP
Inventors: Aritaka Tatsumi; 有孝辰巳
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 1992-07-03
Filing date: 1992-07-03
Publication date: 1994-01-28

Abstract

(57)【要約】【目的】熱伝導率及び熱抵抗に関する問題点を解消
し、ＬＳＩ等の電子素子及び熱伝導体の損傷を防止し
て、基板上の凹凸にかかわらず十分な熱伝達を可能とす
る。【構成】開孔部２を有する保護用金属容器１と、放熱
フィン１１を有する熱搬送部材９と、被冷却体１０と、
伝熱管９とを熱的に結合する冷媒バッグ３とからなる。
伝熱管１０と、冷媒バッグ３とは、保護用金属容器１に
収納され、保護用金属容器１の開孔部２と、冷媒バッグ
３とから接触部７が形成される。この接触部７が直接被
冷却体１０に触れ、冷却を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＬＳＩ等の電子素子冷
却用伝熱装置に関し、特に、一端に吸熱部を有するヒー
トパイプや水冷管等の熱搬送部材との間を、熱的に結合
する熱伝達手段を有する伝熱装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】パーソナルコンピューターに代表される
電子機器は、近年コンパクト化及び機能向上が急速に進
んでいる。これに伴い、これら電子機器に使用されるＬ
ＳＩ等の電子素子の発熱量が増大し、自然放冷や、電子
素子の周りに風を流すことによる強制空冷方式では対処
できなくなった。その手段として、ヒートパイプや水冷
管を用いることが考えられたが、ヒートパイプ等の剛性
度の高い熱搬送体と、電子素子とを熱的に結合すること
は困難であった。

【０００３】これに対処すべく、従来では、プラスチッ
クバッグ等の軟質容器内に、フロン、パーフロロカーボ
ン等の液状物質とからなる作動液を密封し、これらの液
の熱伝導を利用する方式のものが使用されていた。ま
た、特開昭６３−１４８０９１、同１４８０９２に見ら
れるように、前記と同様の構造で、封入液の相変化時の
潜熱を利用する方式のものも知られていた。なお、これ
らの伝熱装置において使用される作動液は、万一外部へ
漏洩したときの人体や機器に対する安全性（毒性、引火
性、腐食性等）や、その使用温度範囲における飽和蒸気
が容器の許容内圧を超えないこと等の制約条件から、フ
ロンやパーフロロカーボン等の一部に限定されていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
伝熱装置は、以下のような問題点があった。上述のよう
に、伝熱装置の作動液には安全性の面からフロンや、パ
ーフロロカーボン等が使用されていたが、これらは、そ
の熱伝導率が、概ね０．１から０．１２ｗ／ｍ℃程度と
極めて小さく、これに加えて熱伝導時の熱抵抗が大きい
という性質を有していた。このような性質は、伝熱装置
全体の効率にマイナスの影響を与えていた。

【０００５】次に、作動液の相変化を利用する熱伝達部
材において、作動液の飽和蒸気圧は図８に示すように温
度によって大幅に変化し、その温度係数はいずれも０．
０５ＭＰａ／１０℃前後であり、この場合の使用温度範
囲を例えば、２０℃から６０℃とすると、内圧が約０．
２ＭＰａ変化することになる。したがって、２０℃で相
変化（沸騰）を開始する液を封入した場合、６０℃にな
ったときの内圧は、０．３ＭＰａに達するため、容器で
ある軟質容器と、被冷却体である電子素子に加わる力が
大きくなる。

【０００６】また、従来の軟質容器は、高分子材料の単
体や複合体、無機物との複合体等からなっているため、
機械的強度が小さく、損傷を受け易かった。

【０００７】更に、複数のＬＳＩ等の電子素子が同一基
板上に取り付けられている場合、そのＬＳＩ等により、
基板表面には、ほんのわずかであっても必ず凹凸が存在
する。したがって、剛性の高い熱搬送部材と被冷却体で
あるＬＳＩ等を結合するには、この凹凸を何らかの方法
で吸収する必要があった。

【０００８】したがって、本発明の目的は、伝熱装置の
作動液にフロンや、パーフロロカーボン等を使用して
も、熱伝導率が小さく、かつ、熱抵抗が大きいという面
を十分にカバーすることができる伝熱装置を提供するこ
とにある。

【０００９】他の目的は、軟質容器に封入する作動液の
温度変化に基づく内圧の大幅な増大を抑え、軟質容器及
び被冷却体であるＬＳＩ等の電子素子の損傷を防止する
伝熱装置を提供することにある。

【００１０】また、他の目的は、軟質容器を、ＬＳＩ等
の被冷却体に接地させても、損傷を受けにくい伝熱装置
を提供することにある。

【００１１】更に、他の目的は、ＬＳＩ等による基板上
の凹凸にかかわらず熱伝達可能な伝熱装置を提供するこ
とにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、上述した課題
を解決するため、ＬＳＩ等の発熱部品を液状の冷媒によ
って、冷却する伝熱装置において、前記冷媒を収容し、
前記発熱部品の表面形状に順応して、直接的あるいは間
接的に接触する変形可能な冷媒バッグと、前記変形可能
な冷媒バッグに接触して吸収した熱を、放熱部へ伝熱す
る伝熱手段と、前記変形可能な冷媒バッグを収容して、
所定の形状に保持する容器より構成されることを特徴と
する伝熱装置を提供する。

【００１３】また、前記伝熱手段は、一端が前記変形可
能な冷媒バッグに接し、他端にラジエターを有する伝熱
管によって構成され、前記容器は、前記変形可能な冷媒
バッグと、前記発熱部品を接触させる開孔部を有する金
属容器によって構成される前記伝熱装置を提供する。

【００１４】前記変形可能な冷媒バッグは、使用温度範
囲における内圧を大気圧より大なる圧力に設定する封入
ガス及び冷媒を収容した構成の前記熱伝導体を提供す
る。

【００１５】

【作用】本発明の伝熱装置においては、まず、ＬＳＩ等
の被冷却体に、冷媒用変形可能バッグが接触するように
設置する。そして、被冷却体が発生する熱が、冷媒バッ
グ内の液体冷媒に伝達される。前記液体冷媒は、伝えら
れた熱によって蒸発する。この蒸気は、放熱部を有する
熱伝達手段によって吸収されて凝縮し、液化して落下す
る。この蒸発、吸収が繰り返されることにより、被冷却
体が冷却される。

【００１６】また、変形可能バッグの温度が上昇するに
したがい、内圧が上昇し、被冷却体との密着度が大きく
なり、冷却効果が大になる。

【００１７】

【実施例１】以下、本発明の実施例を図面を参照にしつ
つ詳細に説明する。図１には、第１実施例に係る伝熱装
置の構造が示され、図２には、図１のＡ−Ａ’断面が示
されている。この伝熱装置は、保護用金属容器１と、保
護用金属容器１内の下部に収められた冷媒バッグ３と、
冷媒バッグ３に包み込まれるようにして、保護用金属容
器１内に収められたヒートパイプや水冷管等の伝熱管９
とを有している。

【００１８】保護用金属容器１は、冷媒バッグ３が、被
冷却体と接触することができるように開孔部２が設けら
れている。

【００１９】図３は、冷媒バッグ３の構造を示し、図４
は、図３のＢ−Ｂ’断面を示している。冷媒バッグ３
は、ポリエチレン等の軟質プラスチック材よりなる円筒
状のものの両端を、熱融着等の手段でシールした構成を
有し、その内部に注入ノズル４を通して作動液５が注入
され、上部空間６にガスが充満している。再び、図１、
図２に戻ると、冷媒バッグ３は、伝熱管９の表面を包み
込みつつ、保護用金属容器１の内面に密着するような大
きさに形成されている。そして、保護用金属容器１に収
められると、開孔部２から冷媒バッグ３の一部が突出
し、ＬＳＩ等の被冷却体と接触する接触部７が形成され
る。

【００２０】冷媒バッグ３に封入される作動液５は、そ
の沸点が、被冷却体であるＬＳＩ等の作動温度範囲の上
限以下であるものとし、また、作動液３と、上部空間６
に封入されるガス成分との分圧の和は、大気圧より若干
高くなるようする。

【００２１】伝熱管９は、一端が、保護用金属容器１か
ら外部へ突き出すような大きさに形成され、その外部に
突き出した一端には、放熱フィン１１が、取りつけられ
ている。

【００２２】なお、保護用金属容器１内に、冷媒バッグ
３と伝熱管９とを収納する場合、冷媒バッグ３の柔軟性
を利用して、伝熱管９を包み込むようにし、保護用金属
容器１の内面にも密着させる。また、伝熱管９は、この
接触部７にできるだけ近づけて配置することが望まし
く、伝熱管９と作動液５の間である上部空間６には、必
ず空間を設けるようにする。使用に際しては、冷媒バッ
グ３の被冷却体１０への接触部７付近には、作動液５が
存在するようにする。

【００２３】以上説明した第１実施例に係る伝熱装置
は、以下のように動作する。まず、ＬＳＩ等の被冷却体
１０に、接触部８が接触するように、伝熱装置を設置す
る。そして、被冷却体１０が発生する熱が、接触部７か
ら作動液５へ伝達される。作動液５は、接触部７より伝
えられた熱によって蒸発し、この蒸気は、冷媒バッグ３
内の伝熱管９に接触している部分で凝縮し、液化して落
下する。この潜熱のやりとりを通して熱が伝熱管９に吸
収される。その後、熱は、伝熱管９の一端に設けられた
放熱フィン１１から、放熱される。このような熱交換を
繰り返すことにより、被冷却体１０が冷却される。

【００２４】冷媒バッグ３は、保護用金属容器１の内面
と、伝熱管９とに密着するように収納されているが、被
冷却体１０の発熱により、軟質ヒートパイプ３の温度が
上昇して、その内圧が高まると、更に密着度が高まる。

【００２５】また、冷媒バッグ３の上部空間６に、ガス
成分を封入するのは、冷媒バッグ３内の内圧を大気圧よ
りわずかに高くするためである。例えば、作動液３に飽
和蒸気圧が２０℃で０．０２５ＭＰａ、６０℃で０．１
１ＭＰａであるパーフロロカーボン（Ｃ₆Ｆ₁₄）を使用
し、これに、２０℃で０．０８５ＭＰａのガス成分を加
える。この場合、内圧は、大気圧よりわずかに高い０．
０１１ＭＰａとなり、冷媒バッグ３は、膨らんだ状態に
保たれる。更に、ガス成分を加えた場合、６０℃におけ
る内圧は、単一の作動液の場合に比べて約半分の０．２
１ＭＰａに抑えることができる（ゲージ圧力換算）。

【００２６】なお、ガス成分を上部空間６に封入した結
果、可変コンダクタンスヒートパイプと同一原理より、
冷媒バッグ３内の温度が上昇するにしたがって、ガス成
分が上部の空間部分に押しやられ、伝熱管９と蒸気の接
触面積が増大してより多くの熱が伝えられるようにな
る。

【００２７】以上のように、第１実施例に係る伝熱装置
によれば、冷媒バッグ３が、保護用金属容器１の内面に
密着するような大きさに形成されているため、伝熱管９
による放熱以外に、この保護用金属容器自体の外表面も
放熱体となり、熱交換に有利である。

【００２８】また、被冷却体１０に対する押しつけ力
は、内圧と接触部７の接触面積の積で求められるため、
予め押しつけ力を求めておけば、機械的強度の弱いＬＳ
Ｉ等の電子素子の損傷を防止することができる。

【００２９】

【実施例２】次に、本発明に係る第２実施例について説
明する。なお、以下に説明する第２実施例においては、
上記第１実施例と共通する構成及び作用の説明は省略
し、相違する点のみについて説明する。

【００３０】図５には、第２実施例に係る伝熱装置の構
造が示され、図６には、図５のＣ−Ｃ’断面が示されて
いる。この第２実施例は、上記第１実施例の構成に、ピ
ストン８が加えられている。このピストン８は、高熱伝
導性物質からなり、保護用金属容器１の開孔部２へ、図
６の実線矢印が示すように上下可能に取りつけられてい
る。

【００３１】この第２実施例に係る伝熱装置は、ピスト
ン８が、被冷却体１０に直接触れるように設置する。そ
して、熱は、ピストン８から作動液に伝えられ、上記第
１実施例と同様の作用を通じて、被冷却体１０が冷却さ
れる。

【００３２】以上のように、第２実施例に係る伝熱装置
によれば、ピストン８を被冷却体１０に接触させて冷却
を行うため、冷媒バッグ３が直接被冷却体１０に触れる
ことがなく、伝熱装置自体の損傷を防止することができ
る。

【００３３】なお、被冷却体１０に対する押しつけ力
は、内圧とピストン８の直径で決まり、直径は、許容熱
抵抗と押しつけ力とのバランスから決められる。したが
って、上記第１実施例と同様に、予め押しつけ力を決定
しておけば、ＬＳＩ等の損傷を防止することができる。

【００３４】

【実施例３】図５には、第３実施例に係る伝熱装置にお
ける冷媒バッグ３の断面が示されている。この第３実施
例は、上記第１第２実施例における冷媒バッグ３の内面
に、不織布等よりなるウィック１２が取り付けられてい
る。

【００３５】この第３実施例に係る伝熱装置は、ウィッ
ク１２が、冷媒バッグ３の内面全体に取り付けられてい
るため、毛管現象により、液面の高さにかかわらず、作
動液５がウィック１２に存在することになる。

【００３６】以上のように、第３実施例に係る伝熱装置
によれば、ウィック１２の存在により、接触部７やピス
トン８と被冷却体１０との相対的位置関係や、全体の設
置姿勢に無関係に作動可能な熱伝導体を得ることができ
る。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明に係る伝熱装
置によれば、以下の効果を奏する。（１）冷媒バッグは、被冷却体の温度が上昇し、内圧
が高まるとともに、伝熱管に対する密着度が高くなるた
め、熱抵抗が低下し、十分な冷却効果が得られる。

【００３８】（２）冷媒バッグ内の温度が上昇するに
伴い、気体成分が膨張して、冷媒バッグと、装置各部と
の接触面積が増大してより多くの熱が伝えられるように
なるため、温度が上昇する程熱伝達率が高くなり、十分
な冷却効果を得ることができる。したがって、各部材間
の温度変動を抑えることが可能となる。

【００３９】（３）冷媒バッグ内に気体成分を封入し
て、内圧を大気圧よりわずかに高くしたため、温度が低
く、内圧が上がらない状態であっても、冷媒バッグが常
に被冷却体に接触し、十分な冷却が可能である。

【００４０】（４）冷媒バッグの接触部が自由に動
き、かつ、変形し、しかもどの部分をとっても一定の押
しつけ力が得られるため、ＬＳＩ等による基板上の凹凸
にかかわらず熱伝達が可能となる。これに加えて、ＬＳ
Ｉ等の温度変化による膨張、収縮に対しても対応するこ
とができる。

【００４１】（５）冷媒バッグ内に気体成分を封入す
ることにより、温度上昇に伴う内圧の変化を、飽和蒸気
圧の制限により、約半分に抑えることが可能となり、冷
媒バッグび被冷却体であるＬＳＩ等の電子素子の損傷を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る伝熱装置の構成を示
す図である。

【図２】本発明の第１実施例に係る伝熱装置の構成を示
す図１のＡ−Ａ’断面図である。

【図３】本発明の第１、第２、第３実施例に係る伝熱装
置における冷媒バッグの構成を示す図である。

【図４】本発明の第１、第２、第３実施例に係る伝熱装
置における冷媒バッグの構成を示す図３のＢ−Ｂ’断面
図である。

【図５】本発明の第２実施例に係る伝熱装置の構成を示
す図である。

【図６】本発明の第２実施例に係る伝熱装置の構成を示
す図５のＣ−Ｃ’断面図である。

【図７】本発明の第３実施例に係る伝熱装置における冷
媒バッグの構成を示す断面図である。

【図８】本発明に係る伝熱装置に注入される作動液の飽
和蒸気圧特性を示す図である。

【符号の説明】

１保護用金属容器２開孔部３冷媒バッグ４注入ノズル５作動液６上部空間７接触部８ピストン９伝熱管１０被冷却体１１放熱フィン１２ウィック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＬＳＩ等の発熱部品を液状の冷媒によっ
て、冷却する伝熱装置において、前記冷媒を収容し、前記発熱部品の表面形状に順応し
て、直接的あるいは間接的に接触する変形可能な冷媒バ
ッグと、前記変形可能な冷媒バッグに接触して吸収した熱を、放
熱部へ伝熱する伝熱手段と、前記変形可能な冷媒バッグを収容して、所定の形状に保
持する容器より構成されることを特徴とする伝熱装置。
【請求項２】前記伝熱手段は、一端が前記変形可能な
冷媒バッグに接し、他端にラジエターを有する伝熱管に
よって構成され、前記容器は、前記変形可能な冷媒バッグと、前記発熱部
品を接触させる開孔部を有する金属容器によって構成さ
れる請求項第１記載の伝熱装置。
【請求項３】前記変形可能な冷媒バッグは、使用温度
範囲における内圧を大気圧より大なる圧力に設定する封
入ガス及び冷媒を収容した構成の請求項第１記載の熱伝
導体。