JP2013197125A - 冷却構造およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
沸騰冷却方式を用いた冷却構造において、冷却構造を大きく傾斜して配置した場合には冷却性能が低下する。
【解決手段】
本発明の冷却構造１０は、冷媒２０、冷媒２０を貯蔵し、第１の接続口３５と第２の接続口３６を側面に備えた受熱容器３１を含む受熱部３０、受熱部３０の鉛直上方に配置した第１の凝縮部４１、受熱部３０の鉛直下方に配置した第２の凝縮部４２、第１の接続口３５と第１の凝縮部４１と第２の凝縮部４２とを接続する第１の接続管５１、第２の接続口３６と第１の凝縮部４１と第２の凝縮部４２とを接続する第２の接続管５２、を備える。ここで、第１の接続口３５と第２の接続口３６は水平方向に略対向し、第１の接続口３５は第２の接続口３６に対して鉛直上方に位置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、装置内で冷媒を循環させる冷却構造およびそれを用いた電子機器に関し、特に、冷媒の相変化を利用して発熱体を冷却する機能を備えた冷却構造およびそれを用いた電子機器に関する。

冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却器が電子機器等に用いられている。沸騰冷却器が搭載された電子機器は、用途に応じて電子機器を傾けて使用する場合がある。従って、沸騰冷却器には、傾いた状態においても動作することが求められる。

例えば、特許文献１には、冷却器が傾斜してもサイフォンとして機能する冷却システムが開示されている。特許文献１の冷却システムの断面図を図１１に示す。図１１において、特許文献１の冷却システム９００は、内部に液相状の冷媒が配置された受熱ジャケット９１０と、冷却ファン９６０によって冷却される凝縮器９２０と、受熱ジャケット９１０と凝縮器９２０とを接続する配管９３０、９４０とを備える。

このように構成された冷却システム９００は、発熱体で発生した熱が受熱ジャケット９１０に伝達され、内部の液相状の冷媒が気相状に相変化し、配管９３０内を上昇して凝縮器９２０内に導かれる。そして、気相状の冷媒は凝縮器９２０内で冷却されて液相状に相変化し、重力によって配管９４０内を降下し、再び受熱ジャケット９１０内に導かれる。発熱体で発生した熱が冷媒によって外部に放熱されることから、発熱体が冷却される。

ここで、特許文献１に係る冷却システム９００は、図１１に示すように、受熱ジャケット９１０の内部にＬ字状の気化促進板９５０が配置されている。Ｌ字状の気化促進板９５０を配置することにより、冷却システム９００が搭載されている電子機器が反時計回り方向に傾斜した場合でも、液相状の冷媒は気化促進板９５０の立ち上げ部分に接触することが可能となる。そのため、冷却システム９００が傾斜した場合であっても、発熱体で発生した熱は液相状の冷媒に効率よく伝達され、気相状に相変化した冷媒は配管９３０内を上昇して凝縮器９２０まで導かれる。

特開２０１１−０４７６１６号公報

しかし、特許文献１の冷却システム９００は、電子機器の傾斜が大きくなると、液相状の冷媒が受熱ジャケット９１０から流出してしまうため、冷却性能が低下する、という課題がある。

本発明の目的は、上述した、沸騰冷却方式を用いた冷却構造において、冷却構造を大きく傾斜して配置した場合には冷却性能が低下する、という課題を解決するために、冷却構造を大きく傾斜して配置した場合であっても、冷却性能の低下を抑制することができる冷却構造およびそれを用いた電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る冷却構造は、冷媒と、冷媒を貯蔵し、第１の接続口と第２の接続口を側面に備えた受熱容器を含む受熱部と、受熱部の鉛直上方に配置した第１の凝縮部と、受熱部の鉛直下方に配置した第２の凝縮部と、第１の接続口と第１の凝縮部と第２の凝縮部とを接続する第１の接続管と、第２の接続口と第１の凝縮部と第２の凝縮部とを接続する第２の接続管と、を備える。ここで、第１の接続口と第２の接続口は水平方向に略対向し、第１の接続口は第２の接続口に対して鉛直上方に位置する。

上記目的を達成するために本発明に係る電子機器は、上記の冷却構造と、受熱容器と熱的に接続する発熱体と、を備える。

本発明によれば、沸騰冷却方式を用いた冷却構造において、冷却構造を大きく傾斜して配置した場合であっても、冷却性能の低下を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却構造１０の、（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線で切断して下から見た時の断面図、（ｃ）側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却構造１０を回転させた時の正面図である。 本発明の第１の実施形態に係る冷却構造１０を傾倒させた時の側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る電子機器６０の側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る別の冷却構造１０Ｂの正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る沸騰冷却装置１００の、（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線で切断して下から見た時の断面図、（ｃ）側面図である。 本発明の第２の実施形態に係る沸騰冷却装置１００をＹ軸を中心に回転させた時の正面図である。 本発明の第２の実施形態に係る沸騰冷却装置１００をＸ軸を中心に回転させた時の側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る沸騰冷却装置１００Ｂの、（ａ）正面図、（ｂ）Ａ−Ａ線で切断して下から見た時の断面図、（ｃ）側面図である。 本発明の第３の実施形態に係る別の沸騰冷却装置１００Ｃの正面図である。 特許文献１の冷却システム９００の断面図である。

（第１の実施形態）
本発明に係る第１の実施形態について説明する。本実施形態に係る冷却構造の正面図を図１（ａ）に、図１（ａ）のＡ−Ａ線で切断して下から見た時の断面図を図１（ｂ）に、側面図を図１（ｃ）に示す。図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、本実施形態に係る冷却構造１０は、冷媒２０、受熱部３０、第１の凝縮部４１、第２の凝縮部４２、第１の接続管５１および第２の接続管５２を備える。

冷媒２０は、沸点が４０℃程度のハイドロフルオロエーテルやハイドロフルオロカーボンなどの媒質である。本実施形態において、冷媒２０の量は、冷媒２０の気液界面が後述する受熱部３０の第１の接続口３５の中心と第２の接続口３６の中心との間に位置するように設定されている。

受熱部３０は、第１の接続口３５および第２の接続口３６が水平方向に対向する位置に形成された受熱容器３１によって構成される。本実施形態において、受熱容器３１は、鉛直方向に伸びる平面３２、平面３２と対向する平面３３、および、対向位置に接続口３５、３６が形成された曲面３４を備えた円柱状に形成されている。本実施形態において、平面３２の外側に発熱体が配置され、受熱容器３１の内部に液相状および気相状の冷媒２０が配置される。そして、発熱体からの熱が受熱容器３１内部の液相状の冷媒２０に伝達されることにより、液相状の冷媒２０が気相状に相変化すると共に、発熱体が冷却される。

また、本実施形態において、曲面３４に形成された接続口３５と接続口３６とは、図１（ａ）、（ｃ）に示すように、鉛直方向（重力方向）にずれている。受熱容器３１内部で気相状に相変化した冷媒２０は、圧力増加に伴って、上方に位置する接続口３５から接続管５１へ流出する。なお、冷媒２０の気液界面が受熱部３０の第１の接続口３５の中心と第２の接続口３６の中心との間に位置し、第１の接続口３５の中心と第２の接続口３６の中心とが鉛直方向にずれていることから、下方に位置する第２の接続口３６は液相状の冷媒２０によってほぼ満たされる。この場合、気相状の冷媒２０がよりスムーズに上方に位置する第１の接続口３５から流出する。

ここで、冷媒の量は、冷却構造１０の使用条件（最大傾斜角度等）等によって適切に設定することができる。そして、接続口３５、３６は、冷媒の量に応じた基準高さから鉛直方向にずらして形成する。例えば、冷媒２０の量を、冷媒２０の気液界面が受熱容器３１の鉛直方向の略中間に位置するように設定した場合、第１の接続口３５の中心が受熱容器３１の鉛直方向高さの中間位置よりも所定の距離だけ上方に位置し、第２の接続口３６の中心が受熱容器３１の鉛直方向高さの中間位置よりも所定の距離だけ下方に位置するように、接続口３５、３６を形成すれば良い。

第１の凝縮部４１および第２の凝縮部４２は、受熱部３０の上方と下方とに配置され、図示しない冷却ファンによって空冷される。本実施形態では、図１に示すように、第１の凝縮部４１が受熱部３０の上方に配置され、第２の凝縮部４２が受熱部３０の下方に配置されている。受熱容器３１内部で気相状に相変化した冷媒２０は、第１の接続口３５および第１の接続管５１を経由して、受熱部３０の上方に配置された第１の凝縮部４１内に導かれる。第１の凝縮部４１内に導かれた気相状の冷媒２０は、第１の凝縮部４１を通過するのに伴って冷却されて凝縮し、気相状から液相状へ相変化する。液相状へ相変化した冷媒２０は反対側の第２の接続管５２に導かれ、重力によって第２の接続管５２内を下方に滴下する。

第１の接続管５１は、第１の接続口３５を、第１の凝縮部４１と第２の凝縮部４２とに連通させる。一方、第２の接続管５２は、第２の接続口３６を、第１の凝縮部４１と第２の凝縮部４２とに連通させる。本実施形態では、図１に示すように、接続管５１は中央領域が受熱部３０の上方に位置する第１の接続口３５に接続され、第２の接続管５２は中央領域が受熱部３０の下方に位置する第２の接続口３６に接続されている。また、接続管５１、５２はそれぞれ、上方端部が第１の凝縮部４１に、下方端部が第２の凝縮部４２に接続されている。

上記のように構成された冷却構造１０は、発熱体からの熱が受熱部３０内の液相状の冷媒２０に伝達され、液相状の冷媒２０が気相状に相変化すると共に発熱体が冷却される。気相状に相変化した冷媒２０は、上方に位置する第１の接続口３５から第１の接続管５１に流出し、第１の接続管５１内を上昇して受熱部３０の上方に配置された第１の凝縮部４１内に導かれる。

第１の凝縮部４１内に導かれた気相状の冷媒２０は、第１の凝縮部４１内を通過することによって冷却されて凝縮し、気相状から液相状に相変化する。そして、液相状に相変化した冷媒２０は、流入したのと反対側の第２の接続管５２へ流出し、重力によって下方に滴下する。従って、本実施形態に係る冷却構造１０は、液体ポンプなどを使用することなく冷媒が冷却構造１０内を循環し続け、発熱体で発生した熱を外気へ放熱し、発熱体を冷却する。

次に、冷却構造１０が傾斜した場合の冷却構造１０の動作について説明する。冷却構造１０を図１（ａ）の状態から反時計回りに回転させた時の正面図を図２（ａ）に、時計回りに回転させた時の正面図を図２（ｂ）に示す。また、冷却構造１０を図１（ａ）の状態から奥側に傾倒させた時の側面図を図３（ａ）に、手前側に傾倒させた時の側面図を図３（ｂ）に示す。なお、図２および図３において、気相状の冷媒２０の動きを斜線を施した矢印で、液相状の冷媒２０の動きを黒ベタの矢印で、液相状の冷媒２０の液面高さを一点鎖線で示す。

図２（ａ）において、冷却構造１０を図１（ａ）の状態から反時計回りに回転させた場合、受熱部３０内において気相状に相変化した冷媒２０は、斜線矢印で示すように、上方に位置する第１の接続口３５から第１の接続管５１に流出する。第１の接続管５１に流出した気相状の冷媒２０は、第１の接続管５１内を上昇し、そのまま流れに乗って第１の凝縮部４１内に導かれる。第１の凝縮部４１内に導かれた気相状の冷媒２０は、第１の凝縮部４１内を通過することによって冷却されて凝縮し、気相状から液相状に相変化する。そして、液相状に相変化した冷媒２０は、黒ベタ矢印で示すように、重力によって、流入したのと反対側の第２の接続管５２から下方に滴下する。

一方、図２（ｂ）において、冷却構造１０を図１（ａ）の状態から時計回りに回転させた場合、受熱部３０内において気相状に相変化した冷媒２０は、斜線矢印で示すように、上方に位置する第２の接続口３６から第２の接続管５２に流出し、第２の接続管５２から第１の凝縮部４１内に導かれる。第１の凝縮部４１内に導かれた気相状の冷媒２０は、冷却されて液相状に相変化し、黒ベタ矢印で示すように、重力によって、流入したのと反対側の第１の接続管５１から下方に滴下する。

さらに、冷却構造１０を時計回りまたは反時計回りに１８０°回転させて天地を反対にした場合、受熱部３０内において気相状に相変化した冷媒２０は、上方に位置する第２の接続口３６から第２の接続管５２に流出し、上方に位置する第２の凝縮部４２内に導かれる。第２の凝縮部４２内に導かれた気相状の冷媒２０は、冷却されて液相状に相変化し、重力によって、流入したのと反対側の第１の接続管５１から下方に滴下する。

次に、図３（ａ）において、冷却構造１０を図１（ａ）の状態から奥側に傾倒させた場合、受熱部３０内において気相状に相変化した冷媒２０は、斜線矢印で示すように、上方に位置する第１の接続口３５および第１の接続管５１を経由して第１の凝縮部４１内に導かれる。そして、第１の凝縮部４１内において冷却されて液相状に相変化した冷媒２０は、黒ベタ矢印で示すように、流入したのと反対側の第２の接続管５２側に流出し、重力によって下方に滴下する。

さらに、図３（ｂ）において、冷却構造１０を図１（ａ）の状態から手前側に傾倒させた場合、冷却構造１０は奥側に傾倒させた場合（図３（ａ））と同様に動作し、冷媒２０は冷却構造１０内を循環する。

さらに、冷却構造１０を手前にまたは奥に１８０°回転させて天地を反対にした場合、冷却構造１０を時計回りまたは反時計回りに１８０°回転させて天地を反対にした場合と同じ状態になり、冷媒２０は冷却構造１０内を循環する。

従って、本実施形態に係る冷却構造１０は、冷却構造１０をいかなる方向に大きく傾斜して配置した場合であっても、冷却性能が低下することを抑制することができる。

ここで、冷却構造１０の内部に、発熱体からの熱を液相状の冷媒２０に効率よく伝達するための拡大伝熱体を配置することが望ましい。拡大伝熱体としては、例えば、複数のピン状フィンや複数のプレート状フィンを適用することができる。本実施形態において、拡大伝熱体として、複数のピン状フィンを発熱体と接する平面３２に配置した。さらに、本実施形態において、このピン状フィンを平面３２と対向する面の近傍まで達する高さに設計した。拡大伝熱体を配置面から配置面と対向する面近傍まで配置することにより、冷却構造１０が回転または傾倒して、液相状の冷媒２０が発熱体が接している平面３２と離れて位置するようになっても、発熱体からの熱を拡大伝熱体を介して効率よく液相状の冷媒２０へ伝達することができる。

なお、上述の冷却構造１０は、動作時に発熱する発熱体を備えると共に大きく傾斜して使用される、プロジェクタ等の電子機器に配置することができる。一例として、冷却構造１０が配置された電子機器の側面図を図４に示す。図４において、本実施形態に係る電子機器６０は、冷却構造１０、ＣＰＵなどの発熱体６１が配置された基板６２および冷却ファン６３を備える。電子機器６０内において、発熱体６１の基板６２と反対側の面と、冷却構造１０の受熱容器３１の平面３２とが、熱的に接している。また、冷却ファン６３によって冷却構造１０の凝縮部４１、４２が空冷されている。

そして、発熱体６１から発せられた熱が平面３２を介して液相状の冷媒２０によって受熱されることにより、発熱体６１が冷却される。一方、発熱体からの熱により液相状から気相状に相変化して冷媒２０は、上方に位置する凝縮部に導かれ、凝縮部において冷却されて凝縮し、気相状から液相状に相変化する。

本実施形態に係る電子機器６０は、内部に配置した冷却構造１０において、受熱部３０の上方と下方とに凝縮部４１、４２が配置すると共に受熱部３０の側面に水平方向に対向させ、鉛直方向にずらして接続口３５、３６を形成したことから、電子機器６０がいかなる方向に傾斜しても、冷却構造１０が冷媒２０を効率よく循環させ、冷却構造１０による冷却性能が低下することを抑制することができる。

また、上述の冷却構造１０では、受熱部３０を構成する受熱容器３１を円柱状に形成したが、これに限定されない。例えば、受熱容器３１を直方体状に形成し、水平方向に対向する２つの辺にそれぞれ鉛直方向にずらして接続口３５、３６を形成することもできる。受熱容器３１を直方体状に形成する場合、発熱体を受熱容器３１の下面に配置することもできる。発熱体を受熱容器の下面に配置した冷却構造の正面図を図５に示す。

図５の冷却構造１０Ｂは、受熱部３０Ｂの上方と下方とに凝縮部４１Ｂ、４２Ｂを配置し、受熱部３０Ｂの水平方向に対向する２つの面にそれぞれ鉛直方向にずらして接続口３５Ｂ、３６Ｂを形成した。図５に示した冷却構造１０Ｂは、発熱体の上に受熱部３０Ｂを配置し、発熱体が搭載されている基板の上側と下側とに凝縮部４１Ｂ、４２Ｂを配置した。そして、基板に形成された貫通穴等に接続管５１Ｂ、５２Ｂを挿通し、接続管５１Ｂ、５２Ｂの中央領域を受熱部３０Ｂの接続口３５Ｂ、３６Ｂに接続し、両端をそれぞれ凝縮部４１Ｂ、４２Ｂに接続することにより、冷却構造１０Ｂが形成される。

上記のように形成した冷却構造１０Ｂも、受熱部３０Ｂの上方と下方とに凝縮部４１Ｂ、４２Ｂが配置されると共に接続口３５Ｂ、３６Ｂを鉛直方向にずらして形成したことから、前述の冷却構造１０と同様に動作する。しなわち、冷却構造１０Ｂをいかなる方向に傾斜させた場合でも冷媒２０Ｂを循環させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について説明する。本実施形態に係る沸騰冷却装置の正面図を図６（ａ）に、図６（ａ）のＡ−Ａ線で切断して下から見た時の断面図を図６（ｂ）に、側面図を図６（ｃ）に示す。図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００は、受熱部２００、２つの凝縮部３１０、３２０、２つの接続管４１０、４２０、２つのヘッダー５１０、５２０および図示しない冷媒を備える。

受熱部２００は、内部に複数のピン状のフィン２１０および図示しない冷媒が配置された、６つの面２０１〜２０６から成る箱体である。受熱部２００を形成する箱体において、面２０１に複数のピン状のフィン２１０が配置され、面２０１の外側に発熱体が接している。本実施形態において、複数のピン状のフィン２１０は、面２０１と対向する面２０６近傍まで達する高さに形成されている。そして、発熱体からの熱がフィン２１０を介して液相状の冷媒に伝達されることにより、発熱体が冷却されると共に冷媒が液相状から気相状に相変化する。

また、受熱部２００を形成する箱体において、発熱体と接する面２０１と水平位置に隣接する対向面２０２、２０４には、接続管４１０、４２０と接続するための接続用口２０２ａ、２０４ａが形成されている。本実施形態において、接続用口２０２ａと接続用口２０４ａとは、中央高さから所定の距離だけＺ軸方向に互いにずれている。接続用口２０２ａと接続用口２０４ａとがＺ軸方向にずれていることから、沸騰冷却装置１００をＹ軸またはＸ軸を中心に回転させた場合でも、接続用口２０２ａまたは接続用口２０４ａのどちらか一方が他方よりも上方に位置する。沸騰冷却装置１００をＹ軸またはＸ軸を中心に回転させた場合の動作については後述する。

さらに、本実施形態において、上方に位置する接続用口２０２ａを、発熱体が接している面２０１側に形成し、下方に位置する接続用口２０４ａを面２０１から離して（面２０６側に）形成した。液相状の冷媒は、発熱体が接している面２０１側でより活発に気相状に相変化することから、上方に位置する接続用口２０２ａを面２０１側に配置することにより、面２０１側で気相状に相変化した冷媒は速やかに接続用口２０２ａに導かれる。従って、冷媒の循環を促進することができる。

凝縮部３１０、３２０は受熱部２００の上方および下方に、Ｘ軸方向が長手方向になるように配置される。そして、凝縮部３１０、３２０の長手方向の両端には、ヘッダー５１０およびヘッダー５２０がそれぞれ接続されている。凝縮部３１０、３２０はそれぞれ、冷媒が通過するチューブ３１２、３２２の外側に複数のフィン３１１、３２１を配置することによって形成される。凝縮部３１０、３２０が図示しない冷却ファンによって空冷されていることから、気相状の冷媒がチューブ３１２、３２２の内部を通過することにより、熱がフィン３１１、３２１を介して外部空間に放熱され、冷媒が冷却されて凝縮し、気相状から液相状に相変化する。

接続管４１０、４２０はそれぞれ、一端が受熱部２００の接続用口２０２ａ、２０４ａに接続され、他端がヘッダー５１０、５２０に接続される。本実施形態において、接続用口２０２ａが接続用口２０４ａよりも上方に位置することから、接続管４１０の他端はヘッダー５１０の中間位置よりもやや高い位置でヘッダー５１０と接続され、接続管４２０の他端はヘッダー５２０の中間位置よりもやや低い位置でヘッダー５２０と接続される。

冷媒は、沸点が４０℃程度の、ハイドロフルオロエーテルやハイドロフルオロカーボンなどの媒質である。本実施形態において、冷媒の量は、沸騰冷却装置１００が動作している時に、受熱部２００の容積のほぼ半分を液相状の冷媒が占めるように設計されている。気相状の冷媒の容積のほぼ半分を液相状の冷媒が占めると共に、接続用口２０２ａと接続用口２０４ａとが中央高さからＺ軸方向に互いにずれていることから、下方に位置する接続用口が液相状の冷媒によって満たされる。従って、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、液相状の冷媒で満たされていない側の接続用口から凝縮部へスムーズに流出する。

そして、受熱部２００内に位置する液相状の冷媒は、発熱体からの熱がフィン２１０を介して伝熱されることによって液相状から気相状へと相変化する。気相状に相変化した冷媒は、受熱部２００内を上昇し、接続用口２０２ａ、２０４ａのうち気相状の冷媒を上方に導く接続用口から接続管へ流出する。接続管に流出した気相状の冷媒は、そのまま接続管内を上昇してヘッダーまで移動し、さらにヘッダー内を上昇して凝縮部まで導かれる。

凝縮部まで導かれた気相状の冷媒は、凝縮部の円筒部の内部を通過することによって冷却されて凝縮し、気相状から液相状へと相変化する。液相状に相変化した冷媒は、重力によって気相状の冷媒が流入するのと反対側のヘッダーから下方へ滴下する。

以上のように構成された沸騰冷却装置１００は、液体ポンプなどを使用することなく冷媒が沸騰冷却装置１００内を循環し続け、発熱体で発生した熱を外気へ放熱し、発熱体を冷却する。

次に、沸騰冷却装置１００をＹ軸またはＸ軸を中心に回転させた場合の沸騰冷却装置１００の動作について説明する。まず、沸騰冷却装置１００をＹ軸を中心に回転させた場合について説明する。沸騰冷却装置１００をＹ軸を中心に回転した場合の冷媒の動きを図７に示す。なお、図７（ａ）は沸騰冷却装置１００を標準の向きに配置した状態、図７（ｂ）は沸騰冷却装置１００を標準状態からＹ軸を中心に回転させ、沸騰冷却装置１００を斜めに配置した状態、図７（ｃ）は沸騰冷却装置１００を標準状態からＹ軸を中心に９０度回転させて配置した状態である。また、図７に、気相状の冷媒の動きを斜線を施した矢印で、液相状の冷媒の動きを黒ベタの矢印で、液相状の冷媒の液面高さを一点鎖線で示す。

図７（ａ）において、沸騰冷却装置１００を標準の向きに配置した場合、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、斜線矢印に示すように、上方に位置する接続用口２０２ａから接続管４１０へ流出し、ヘッダー５１０を介して凝縮部３１０へと導かれる。ここで、下方に位置する接続用口２０４ａは液相状の冷媒によりほぼ満たされている。

そして、凝縮部３１０へ導かれた気相状の冷媒は、凝縮部３１０のチューブ３１２の内部を通過することによって冷却されて凝縮し、気相状から液相状へと相変化し、黒ベタ矢印に示すように、反対側のヘッダー５２０に導かれ、重力によってヘッダー５２０から液相状の冷媒の中に滴下する。

次に、図７（ｂ）に示すように、沸騰冷却装置１００を標準状態からＹ軸を中心に回転させ、沸騰冷却装置１００を斜めの状態で配置した場合、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、斜線矢印に示すように、上方に位置する接続用口２０４ａから接続管４２０へ流出し、接続管４２０およびヘッダー５２０を経由して凝縮部３１０まで導かれる。ここで、下方に位置する接続用口２０２ａは液相状の冷媒により満たされている。

凝縮部３１０へ導かれた気相状の冷媒は、凝縮部３１０内で冷却されて凝縮し、気相状から液相状へと相変化する。液相状に相変化した冷媒は、黒ベタ矢印に示すように、反対側のヘッダー５１０に導かれ、重力によって液相状の冷媒の中に滴下する。

さらに、図７（ｃ）に示すように、沸騰冷却装置１００を標準状態からＹ軸を中心に９０度回転させて配置した場合、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は上方に位置する接続用口２０４ａから接続管４２０へ流出する。そして、ヘッダー５２０に到達した気相状の冷媒は、凝縮部３１０側流路と凝縮部３２０側流路との高さが略等しいことから、凝縮部３１０側と凝縮部３２０側とに分かれる。

そして、凝縮部３１０に導かれた気相状の冷媒は、凝縮部３１０内で冷却されて凝縮し、気相状から液相状へと相変化する。液相状に相変化した冷媒は、黒ベタ矢印に示すように、重力によってそのまま液相状の冷媒の中に滴下する。同様に、凝縮部３２０に導かれた気相状の冷媒は、凝縮部３２０内で冷却されて気相状から液相状へ相変化し、黒ベタ矢印に示すように、重力によってそのまま液相状の冷媒の中に滴下する。

従って、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００は、沸騰冷却装置１００をＹ軸中心に回転させて配置した場合でも、常に気相状の冷媒が一方向に流れ、冷媒が沸騰冷却装置１００内を循環し続ける。

次に、沸騰冷却装置１００をＸ軸を中心として回転させた場合について説明する。沸騰冷却装置１００をＸ軸を中心として回転させた場合の冷媒の動きを図８に示す。なお、図８（ａ）は沸騰冷却装置１００を標準の向きに配置した状態、図８（ｂ）は沸騰冷却装置１００を標準状態からＸ軸を中心に時計回りに回転し、図６（ａ）において沸騰冷却装置１００を奥側に傾けた状態、図８（ｃ）は沸騰冷却装置１００を標準状態からＸ軸を中心に反時計回りに回転し、図６（ａ）において沸騰冷却装置１００を手前側に傾けた状態である。また、図８に、気相状の冷媒の動きを斜線を施した矢印で、液相状の冷媒の動きを黒ベタの矢印で、液相状の冷媒の液面高さを一点鎖線で示す。

図８（ａ）において、沸騰冷却装置１００を標準状態で配置した場合、図７（ａ）で説明したのと同様に、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、接続用口２０２ａおよびヘッダー５１０を経由して凝縮部３１０へと導かれる。そして、気相状の冷媒は、凝縮部３１０内で冷却されて液相状に相変化し、重力によって反対側のヘッダー５２０から液相状の冷媒の中に滴下する。

次に、図８（ｂ）に示すように、沸騰冷却装置１００をＸ軸を中心に時計回りに回転して奥側に傾けた場合、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、斜線矢印で示すように、上方に位置する接続用口へと移動し、接続管およびヘッダーを経由して凝縮部３１０まで導かれる。そして、凝縮部３１０内において冷却されて液相状へ相変化した冷媒は、気相状の冷媒が通過しない反対側のヘッダーに導かれ、重力によって液相状の冷媒の中に滴下する。

さらに、図８（ｃ）に示すように、沸騰冷却装置１００をＸ軸を中心に反時計回りに回転して手前側に傾けた場合、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、上方に位置する接続用口２０２ａから接続管４１０へ移動し、接続管４１０およびヘッダー５１０を経由して、凝縮部３１０へ導かれる。そして、凝縮部３１０へ導かれた気相状の冷媒は、凝縮部３１０内で冷却されて凝縮し、液相状へ相変化して反対側のヘッダー５２０に導かれ、重力によって液相状の冷媒の中に滴下する。

なお、沸騰冷却装置１００を図８（ｃ）の状態からさらに反時計回りに回転して手前側に傾けた場合、液相状の冷媒が発熱体から離れた状態となる。本実施形態に係る沸騰冷却装置１００において、フィン２１０を面２０１と対向する面２０６近傍まで達する高さに形成したことから、液相状の冷媒が発熱体から離れた場合でも、発熱体から発せられた熱はフィン２１０を介して液相状の冷媒に伝達される。従って、液相状の冷媒が発熱体から離れた場合でも、発熱体を冷却することができる。

従って、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００は、沸騰冷却装置１００をＸ軸中心に回転させて配置した場合でも、常に気相状の冷媒が一方向に流れ、冷媒が沸騰冷却装置１００内を循環し続ける。

さらに、沸騰冷却装置１００を標準状態からＹ軸またはＸ軸を中心に１８０度回転させて天地を反対にした場合、冷媒の流れは、図７（ａ）および図８（ａ）の時の逆向きになる。すなわち、受熱部２００内において気相状に相変化した冷媒は、上方に位置する接続用口２０４ａから接続管４２０およびヘッダー５２０を経由して凝縮部３２０内に導かれ、凝縮部３２０内において冷却された液相状の冷媒は反対側のヘッダー５１０から液相状の冷媒の中へ滴下する。すなわち、沸騰冷却装置１００を標準状態からＹ軸またはＸ軸を中心に１８０度回転させて配置した場合でも、発熱体を冷却することができる。

以上のように、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００は、受熱部２００の上方と下方に凝縮部３１０、３２０をそれぞれ配置すると共に、受熱部２００の対向面に凝縮部３１０、３２０にそれぞれ連通する接続用口２０２ａ、２０４ａを鉛直方向にずらして形成した。２つの接続用口を鉛直方向にずらして形成することにより、沸騰冷却装置１００が標準状態および標準状態からＹ軸またはＸ軸を中心に回転させた状態においても、受熱部２００において気相状に相変化した冷媒は、その時に上方に位置する接続用口から凝縮部へ流出する。そして、受熱部２００の上方と下方とに凝縮部３１０、３２０を配置されていることから、その時に上方に位置する凝縮部で冷媒を冷却することができる。

従って、沸騰冷却装置１００の配置状態に関わらずに、冷媒に一方向の流れが生じ、液体ポンプなどを使用することなく冷媒が沸騰冷却装置１００内を循環し続け、発熱体から発せられた熱を放熱することができる。すなわち、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００は、沸騰冷却装置１００を大きく傾斜して配置した場合であっても、冷却性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態において、接続用口２０２ａ、２０４ａを中央高さ位置から所定の距離だけ鉛直方向にずらし、冷媒の量を受熱部２００の容積のほぼ半分を液相状の冷媒が占めるように設計した。この場合、下方に位置する接続用口が液相状の冷媒によって満たされ、気相状の冷媒は、液相状の冷媒で満たされていない側の接続用口側にスムーズに流出する。従って、冷媒の循環を促進することができる。

さらに、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００において、標準状態において上方に位置する接続用口２０２ａを、下方に位置する接続用口２０４ａよりも発熱体が接している面２０１側に形成した。上方に位置する接続用口を発熱体側に形成する場合、発熱体側でより速やかに気相状に相変化している冷媒を、そのまま接続用口２０２ａから凝縮部へ流出させることができる。従って、冷媒の循環をよりいっそう促進することができる。

さらに、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００において、フィン２１０の高さを反対側の面２０６の近傍まで達する高さに設計した。これにより、受熱部２００内において液相状の冷媒が発熱体の反対側に位置する場合でも、発熱体から発せられた熱をフィン２１０を介して液相状の冷媒に伝達することができる。従って、液相状の冷媒が発熱体の反対側に位置する場合でも、発熱体を冷却することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について説明する。本実施形態に係る沸騰冷却装置の正面図を図９（ａ）に、図９（ａ）のＡ−Ａ線で切断して下から見た時の断面図を図９（ｂ）に、側面図を図９（ｃ）に示す。図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００Ｂは、受熱部２００Ｂ、凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂ、接続管４１０Ｂ、４２０Ｂ、長尺ヘッダー６１０Ｂ、６２０Ｂ、短尺ヘッダー７１０Ｂ、７２０Ｂ、接続チューブ８１１Ｂ、８１２Ｂ、８２１Ｂ、８２２Ｂおよび図示しない冷媒を備える。以下、第２の実施形態に係る沸騰冷却装置１００と異なる部分を中心に説明する。

受熱部２００Ｂは、内部に複数のプレート状のフィン２２０Ｂおよび図示しない冷媒が配置された、６つの面２０１Ｂ〜２０６Ｂから成る箱体である。面２０１Ｂに複数のプレート状のフィン２２０Ｂが配置され、面２０１Ｂの外側に発熱体が接している。面２０１Ｂと隣接する対向する１組の面２０２Ｂ、２０４Ｂには、接続用口２０２ａＢ、２０４ａＢが形成され、この接続用口２０２ａＢ、２０４ａＢに受熱部側接続管２３１Ｂ、２３２Ｂが嵌入されている。

図９に示すように、接続用口２０２ａＢと接続用口２０４ａＢとは、互いにＺ軸方向にずれている。すなわち、受熱部側接続管２３１Ｂと受熱部側接続管２３２Ｂとは、互いにＺ軸方向にずれている。

凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂは受熱部２００Ｂの上方および下方に配置され、凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂの両端は長尺ヘッダーと短尺ヘッダーとにそれぞれ接続されている。凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂの内部を気相状の冷媒が通過することにより、冷媒が冷却されて凝縮し、気相状から液相状に相変化する。

凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂは受熱部２００Ｂの上方および下方に配置し、受熱部２００Ｂの接続用口２０２ａＢ、２０４ａＢを互いにＺ軸方向にずらしたことにより、沸騰冷却装置１００ＢをＹ軸またはＸ軸を中心に回転させた場合でも、常に気相状の冷媒が一方向に流れ、冷媒が沸騰冷却装置１００Ｂ内を循環し続ける。

接続管４１０Ｂ、４２０Ｂは、受熱部２００Ｂと長尺ヘッダー６１０Ｂ、６２０Ｂとをそれぞれ接続する。接続管４１０Ｂ、４２０Ｂは、冷媒との反応性が低い材料によって形成され、例えば、アルミニウム等の硬度の低い金属で形成される。本実施形態において、受熱部２００Ｂの受熱部側接続管２３１Ｂ、２３２Ｂの接続面と、長尺ヘッダー６１０Ｂ、６２０Ｂのヘッダー側接続管６１１Ｂ、６２１Ｂの接続面とをそれぞれ当接させ、この当接面の周りを接続管４１０Ｂ、４２０Ｂで覆うことにより、受熱部２００Ｂと長尺ヘッダー６１０Ｂ、６２０Ｂとがそれぞれ接続される。

長尺ヘッダー６１０Ｂ、６２０Ｂは、中空の長尺部材であり、側面の一端にはヘッダー側接続管６１１Ｂ、６２１Ｂを接続するための接続口が、同じ側面の他端には凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂを接続するための接続口が形成されている。さらに、長尺ヘッダー６１０Ｂ、６２０Ｂのヘッダー側接続管が接続される側の端面には、接続チューブを接続するための２つの接続口が形成されている。

短尺ヘッダー７１０Ｂ、７２０Ｂは、中空の短尺部材であり、凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂを接続するための接続口と、接続チューブを接続するための２つの接続口と、が形成されている。さらに、本実施形態において、短尺ヘッダー７１０Ｂ、７２０Ｂにはそれぞれ、冷媒の注入および脱泡等を行うための真空引きノズル７１１Ｂ、７２１Ｂが接続されている。

接続チューブ８１１Ｂ、８１２Ｂは、長尺ヘッダー６１０Ｂと短尺ヘッダー７２０Ｂとを接続する管状部材である。また、接続チューブ８２１Ｂ、８２２Ｂは、長尺ヘッダー６２０Ｂと短尺ヘッダー７１０Ｂとを接続する管状部材である。

冷媒は、第２の実施形態で説明したものと同様であるため、詳細な説明は省略する。すなわち、本実施形態においても、冷媒の量は、受熱部２００Ｂの容積のほぼ半分を液相状の冷媒が占めるように設定されている。

上記のように構成された沸騰冷却装置１００Ｂは、受熱部２００Ｂ内において発熱体からの熱がプレート状のフィン２２０Ｂを介して液相状の冷媒に伝熱されることにより、冷媒が液相状から気相状へ相変化し、上方に位置する接続用口および受熱部側接続管を介して一方の長尺ヘッダーへ導かれる。そして、気相状の冷媒は、長尺ヘッダー内を上昇して凝縮部とへ導かれ、凝縮部の円筒部を通過することによって冷却されて凝縮し、気相状から液相状へと相変化する。液相状に相変化した冷媒は、重力によって気相状の冷媒が流入するのと反対側のヘッダーから下方へ滴下する。

以上のように、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００Ｂは、液体ポンプなどを使用することなく冷媒が沸騰冷却装置１００Ｂ内を循環し続け、発熱体で発生した熱を外気へ放熱し、発熱体を冷却する。さらに、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００Ｂは、受熱部２００Ｂの上方と下方とに凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂを配置すると共に受熱部２００Ｂの対向面に凝縮部３１０Ｂ、３２０Ｂにそれぞれ連通する接続用口２０２ａＢ、２０４ａＢを互いにＺ方向にずらして形成したことから、沸騰冷却装置１００Ｂの天地を反転させた場合でも他方の凝縮部で冷媒を冷却することができると共に、沸騰冷却装置１００ＢをＹ軸またはＸ軸を中心に回転させた場合でも気相状の冷媒に一方向の流れを生じさせることができる。

また、本実施形態においても、冷媒の量を受熱部２００Ｂの容積のほぼ半分を液相状の冷媒が占めるように設計すると共に、接続用口２０２ａＢ、２０４ａＢを中心高さから所定の距離だけ鉛直方向にずらして形成した。この場合、下方に位置する接続用口は液相状の冷媒によって満たされ、気相状の冷媒は、液相状の冷媒で満たされていない側の接続用口側にスムーズに流出する。

すなわち、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００Ｂは、沸騰冷却装置１００Ｂを大きく傾斜して配置した場合であっても、冷却性能の低下を抑制することができる。

さらに、本実施形態に係る沸騰冷却装置１００Ｂにおいて、受熱部２００Ｂに受熱部側接続管２３１Ｂ、２３２Ｂを形成し、凝縮器３００Ｂにヘッダー側接続管６１１Ｂ、６２１Ｂを形成した。受熱部側接続管２３１Ｂ、２３２Ｂとヘッダー側接続管６１１Ｂ、６２１Ｂとの接続は、それぞれの接続面を当接させて周りを接続管４１０Ｂ、４２０Ｂで覆うだけで良く、受熱部２００Ｂと凝縮器３００Ｂとを容易且つ高気密に接続することができる。

ここで、本実施形態において、凝縮部、長尺ヘッダーおよび短尺ヘッダーを１組の凝縮器３００Ｂとして取り扱うことができる。凝縮部、長尺ヘッダーおよび短尺ヘッダーを１組の凝縮器３００Ｂとして取り扱える場合、受熱部２００Ｂの上方と下方にそれぞれ凝縮器３００Ｂを回転対称に配置して２つの凝縮器３００Ｂを接続チューブを用いて接続し、さらに、凝縮器のヘッダー側接続管と受熱部２００Ｂの受熱部側接続管とを、それぞれ接続管４１０Ｂ、４２０Ｂを用いて接続することにより、沸騰冷却装置１００Ｂを形成することができる。

従って、沸騰冷却装置１００Ｂの組み立てが容易になると共に部品点数を必要最小限に抑制することができ、沸騰冷却装置１００Ｂの製造コストを低減することができる。

なお、上述の実施形態では、長尺ヘッダーおよび短尺ヘッダーの対向する端面同士を２本の接続チューブによって接続したが、これに限定されない。例えば、長尺ヘッダーおよび短尺ヘッダーの互いに離れた端面側を長尺の接続チューブで接続することもできる。この場合の沸騰冷却装置の正面図を図１０に示す。図１０において、長尺ヘッダー６１０Ｃ、６２０Ｃ、および短尺ヘッダー７１０Ｃ、７２０Ｃは、互いに離れた端面側が、長尺の接続チューブ８１３Ｃ、８２３Ｃを用いてそれぞれ接続されている。図１０に示した沸騰冷却装置１００Ｃも、上述の沸騰冷却装置１００Ｂと同様に動作する。

なお、上述の沸騰冷却装置１００、１００Ｂ、１００Ｃは、ＣＰＵ等の発熱体が配置された基板および凝縮を冷却する電子機器等に配置することができる。また、上述の実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。

１０、１０Ｂ 冷却構造
２０、２０Ｂ 冷媒
３０、３０Ｂ 受熱部
３１ 受熱容器
３２、３３ 平面
３４ 曲面
３５、３６、３５Ｂ、３６Ｂ 接続口
４１、４２、４１Ｂ、４２Ｂ 凝縮部
５１、５２、５１Ｂ、５２Ｂ 接続管
６０ 電子機器
６１ 発熱体
６２ 基板
６３ 冷却ファン
１００、１００Ｂ、１００Ｃ 沸騰冷却装置
２００、２００Ｂ 受熱部
２０２ａ、２０４ａ、２０２ａＢ、２０４ａＢ 接続用口
２１０ フィン
２２０Ｂ フィン
２３１Ｂ、２３２Ｂ 受熱部側接続管
３００Ｂ 凝縮器
３１０、３２０、３１０Ｂ、３２０Ｂ 凝縮部
３１１、３２１、３１１Ｂ、３２１Ｂ フィン
３１２、３２２、３１２Ｂ、３２２Ｂ チューブ
４１０、４２０、４１０Ｂ、４２０Ｂ 接続管
５１０、５２０ ヘッダー
６１０Ｂ、６２０Ｂ、６１０Ｃ、６２０Ｃ 長尺ヘッダー
７１０Ｂ、７２０Ｂ、７１０Ｃ、７２０Ｃ 短尺ヘッダー
８１１Ｂ、８１２Ｂ、８２１Ｂ、８２２Ｂ、８１３Ｃ、８２３Ｃ 接続チューブ
９００ 冷却システム
９１０ 受熱ジャケット
９２０ 凝縮器
９３０、９４０ 配管
９５０ 気化促進板
９６０ 冷却ファン

Claims (13)

1. 冷媒と、
   前記冷媒を貯蔵し、第１の接続口と第２の接続口を側面に備えた受熱容器を含む受熱部と、
   前記受熱部の鉛直上方に配置した第１の凝縮部と、
   前記受熱部の鉛直下方に配置した第２の凝縮部と、
   前記第１の接続口と前記第１の凝縮部と前記第２の凝縮部とを接続する第１の接続管と、
   前記第２の接続口と前記第１の凝縮部と前記第２の凝縮部とを接続する第２の接続管と、
   を備え、
   前記第１の接続口と前記第２の接続口は水平方向に略対向し、前記第１の接続口は前記第２の接続口に対して鉛直上方に位置する、冷却構造。
2. 前記冷媒の気液界面は、前記第１の接続口の鉛直方向の中心位置と前記第２の接続口の鉛直方向の中心位置との間に位置する、請求項１記載の冷却構造。
3. 前記冷媒の気液界面は、前記受熱容器の鉛直方向高さの略中間位置に位置し、
   前記第１の接続口の中心は、前記受熱容器の鉛直方向高さの中間位置よりも所定の距離だけ上方に位置し、
   前記第２の接続口の中心は、前記受熱容器の鉛直方向高さの中間位置よりも所定の距離だけ下方に位置する、
   請求項２記載の冷却構造。
4. 前記受熱容器は鉛直方向に平行な第１の受熱面を備え、前記第１の受熱面は発熱体と熱的に接続する請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却構造。
5. 前記第１の接続口と前記第２の接続口は、前記第１の受熱面に垂直な方向の異なる位置に位置しており、前記第１の接続口と前記第１の受熱面の距離は、前第２の接続口と前記第１の受熱面の距離に比べて小さい、請求項４記載の冷却構造。
6. 前記受熱容器は鉛直方向に垂直な第２の受熱面を備え、前記第２の受熱面は発熱体と熱的に接続する請求項１乃至３のいずれか１項記載の冷却構造。
7. 前記第１または第２の受熱面の内側に、複数のフィンが配置されている、請求項４乃至６のいずれか１項記載の冷却構造。
8. 前記受熱容器は前記第１または第２の受熱面と対向する天面を備え、
   前記フィンは、前記第１または第２の受熱面から前記天面近傍まで達する高さに形成されている、
   請求項７記載の冷却構造。
9. 前記フィンはピン状およびプレート状のいずれかである請求項７または８記載の冷却構造。
10. 前記接続管は、水平方向に延伸し、前記第１および第２の接続口と第１および第２垂直接続管とをそれぞれ接続する第１および第２水平接続管と、鉛直方向に延伸し、前記第１および第２水平接続管と前記第１および第２の凝縮部とをそれぞれ接続する第１および第２の垂直接続管と、を備える、請求項１乃至９のいずれか１項記載の冷却構造。
11. 前記垂直接続管は、前記第１の凝縮部と接続される長尺ヘッダー、前記第２の凝縮部と接続される短尺ヘッダー、および、前記長尺ヘッダーと前記短尺ヘッダーとを連結する連結部材、を備える、請求項１０記載の冷却構造。
12. 前記凝縮部と、前記招集区部に接続された長尺ヘッダーおよび短尺ヘッダーとは、凝縮器を形成する、請求項１１記載の冷却構造。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項記載の冷却構造と、
    前記受熱容器と熱的に接続する発熱体と、
    を備える電子機器。

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