JP2016066772A - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、冷却性能の高い冷却装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】冷媒の相変化によって冷却する冷却装置１において、受熱部３は、垂直方向に設置され、前面に発熱体Ａ２８を設置する受熱板Ａ１５、後面に発熱体Ｂ２９を設置する受熱板Ｂ１６を備え、上部に放熱内部経路２４と、下部に帰還内部経路２５と、これらをつなぐフィン部とを備え、フィン部２には受熱板Ａ１５、受熱板Ｂ１６から内部に突出する複数の平板状のフィンＡ２２、フィンＢ２３とを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、隣接するフィンＡ２２の隙間に、フィンＢ２３が周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、隣接するフィンＢ２３の隙間に、フィンＡ２３が周囲にわずかな隙間を残して突出して配置されることを特徴とする冷却装置とした。【選択図】図３

Description

本発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード等の電子部品を搭載した電子機器の冷却装置およびこれを搭載した電子機器に関するものである。

従来、この種の冷却装置は、以下のような構成となっていた。

すなわち、図７に示すように、筐体１１２の管路部１３０に、発熱体であるインバータ１０８の熱によって冷媒が沸騰する蒸発器部３２と、管路部１３０において蒸発器部３２に隣接して設けられ、冷媒が流入口１１４から直接流出口１１６に向かって流通する流通部１３４とを備える。蒸発器部１３２には、底壁部１２０から流通部１３４の側に向かって突出する複数のフィン１４０が設けられ、複数のフィン１４０の間の隙間を冷媒が流通する構成となっていた（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−０１６５８９号公報

特許文献１に示された冷却装置は、発熱体であるインバータ１０８が水平に設置されているため、筐体１１２の底壁部１２０は冷媒で満たされ、底壁部１２０から流通部１３４の側に向かって突出した複数のフィン１４０の間の隙間を冷媒が流通する。

このような構成の筐体（冷却装置）を垂直に設置した場合、すなわち発熱体であるインバータ１０８が垂直に設置され、筐体（冷却装置）が、流入口１１４を下方に流出口１１６を上方にしてフィン１４０を垂直方向に設置した場合には、底壁部１２０は冷媒で満たされず、流入口１１４側の側面（底面）が冷媒で満たされ、底壁部１２０は下方のみが冷媒で満たされる。

流入口１１４側の側面（底面）に満たされた液相の冷媒がフィン１４０から受熱して気相の冷媒に相変化し、気泡となって上昇する。そして気泡の表面を覆う液相の冷媒とともに、気相と液相の二相の冷媒が、フィン１４０の間の隙間を下方から上方に向かい流通する。流通する二相の冷媒のうち、気相の冷媒がより上方に流通しやすく、液相の冷媒は、気泡が破裂すると重力のため下方に落下しやすく、上方に流通する量が少なくなる。

ここで、液相の冷媒がインバータ１０８から発生した熱をフィン１４０から受熱して気相の冷媒に相変化する潜熱交換は、気相の冷媒がフィン１４０から受熱して、より高温の気相の冷媒となる顕熱交換より、より多くの熱量が交換される。従って、インバータ１０８からより多くの熱をフィン１４０から受熱する、すなわち、冷却性能を上げるためには、フィン１４０上においてより多くの潜熱交換が行われることが好ましい。

すなわち、冷却性能を上げるためには、より多くの液相冷媒をフィン１４０の間の隙間を下方から上方に向かい流通させる必要がある。

そこで本発明は、フィンの間の隙間をフィン上方まで効率よく液相冷媒を搬送すること
により、冷却性能の高い冷却装置を提供することを目的とする。

そして、この目的を達成するために、本発明は、冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記受熱部は、前面および後面が最大面積の直方体形状で、前記前面および前記後面が垂直方向に設置され、
前記前面に発熱体Ａを設置する受熱板Ａを備え、前記後面に発熱体Ｂを設置する受熱板Ｂを備え、前記受熱部の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路とをつなぐフィン部とを備え、前記帰還内部経路には帰還経路接続口、前記放熱内部経路には放熱経路接続口を有し、前記フィン部には前記受熱板Ａから内部に突出する複数の平板状のフィンＡと、前記受熱板Ｂから内部に突出する複数の平板状のフィンＢとを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、隣接する前記フィンＡの隙間に、前記フィンＢが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、隣接する前記フィンＢの隙間に、前記フィンＡが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置されることを特徴とする冷却装置であり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記受熱部は、前面および後面が最大面積の直方体形状で、前記前面および前記後面が垂直方向に設置され、
前記前面に発熱体Ａを設置する受熱板Ａを備え、前記後面に発熱体Ｂを設置する受熱板Ｂを備え、前記受熱部の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路とをつなぐフィン部とを備え、前記帰還内部経路には帰還経路接続口、前記放熱内部経路には放熱経路接続口を有し、前記フィン部には前記受熱板Ａから内部に突出する複数の平板状のフィンＡと、前記受熱板Ｂから内部に突出する複数の平板状のフィンＢとを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、隣接する前記フィンＡの隙間に、前記フィンＢが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、隣接する前記フィンＢの隙間に、前記フィンＡが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置されることを特徴とする冷却装置であり、フィンの間の隙間をフィン上方まで効率よく液相冷媒を搬送することにより、冷却性能の高い冷却装置を提供することができるものである。

すなわち、前記フィン部には前記受熱板Ａから内部に突出する複数の平板状のフィンＡと、前記受熱板Ｂから内部に突出する複数の平板状のフィンＢとを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、隣接するフィンＡの隙間に、フィンＢが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、隣接するフィンＢの隙間に、フィンＡが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置される。フィンＡとフィンＢは、わずかな隙間を残してかみ合っている。このフィンＢの周囲のわずかな隙間およびフィンＡの周囲のわずかな隙間が冷媒の流路となる。一方、フィンＡまたはフィンＢのいずれか一方のみを有する場合は、フィンＡと隣接するフィンＡの隙間およびフィンＢと隣接するフィンＢの隙間が冷媒の流路となる。フィンＡとフィンＢがわずかな隙間を残してかみ合っていると、フィンＡまたはフィンＢのいずれか一方のみを有する場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路の断面積を小さくすることができる。冷媒の流路断面積を小さくすることにより、流路断面積が大きい場合と比較して、冷媒の流路を流れる二相の冷媒の流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通するので、液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。

その結果、フィンの間の隙間をフィン上方まで効率よく液相冷媒を搬送することにより、フィンＡおよびフィンＢにおいてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が
行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図 同冷却装置の受熱部の外観を示す図 同冷却装置の受熱部の分解斜視図 同冷却装置の受熱部の分解斜視図 （ａ）同冷却装置の受熱部のＸ−Ｘ´断面を示す図、（ｂ）同冷却装置の受熱部の領域Ａの拡大図 （ａ）同冷却装置の受熱部のＸ−Ｘ´断面を示す図、（ｂ）同冷却装置の受熱部の領域Ａの拡大図 従来の冷却装置を示す概略図

本発明の一実施形態に係る冷却装置は、冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記受熱部は、前面および後面が最大面積の直方体形状で、前記前面および前記後面が垂直方向に設置され、
前記前面に発熱体Ａを設置する受熱板Ａを備え、前記後面に発熱体Ｂを設置する受熱板Ｂを備え、前記受熱部の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路とをつなぐフィン部とを備え、前記帰還内部経路には帰還経路接続口、前記放熱内部経路には放熱経路接続口を有し、前記フィン部には前記受熱板Ａから内部に突出する複数の平板状のフィンＡと、前記受熱板Ｂから内部に突出する複数の平板状のフィンＢとを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、隣接する前記フィンＡの隙間に、前記フィンＢが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、隣接する前記フィンＢの隙間に、前記フィンＡが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置されることを特徴とする冷却装置とすることにより、フィンの間の隙間をフィン上方まで効率よく液相冷媒を搬送することにより、冷却性能の高い冷却装置を提供することができるものである。

すなわち、前記フィン部には前記受熱板Ａから内部に突出する複数の平板状のフィンＡと、前記受熱板Ｂから内部に突出する複数の平板状のフィンＢとを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、隣接するフィンＡの隙間に、フィンＢが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、隣接するフィンＢの隙間に、フィンＡが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置される。フィンＡとフィンＢは、わずかな隙間を残してかみ合っている。このフィンＢの周囲のわずかな隙間およびフィンＡの周囲のわずかな隙間が冷媒の流路となる。一方、フィンＡまたはフィンＢのいずれか一方のみを有する場合は、フィンＡと隣接するフィンＡの隙間およびフィンＢと隣接するフィンＢの隙間が冷媒の流路となる。フィンＡとフィンＢがわずかな隙間を残してかみ合っていると、フィンＡまたはフィンＢのいずれか一方のみを有する場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路の断面積を小さくすることができる。冷媒の流路断面積を小さくすることにより、流路断面積が大きい場合と比較して、冷媒の流路を流れる二相の冷媒の流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通するので、液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。

その結果、フィン上方まで効率よく液相冷媒を搬送することにより、フィンＡおよびフィンＢにおいてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

また、前記帰還経路接続口と前記放熱経路接続口とは、前記受熱部の同一の側面に設けられる構成にしてもよい。帰還経路接続口より受熱部に流入する液相冷媒は、放熱部の作用により、受熱板Ａおよび受熱板Ｂの温度よりも低い温度で流入することとなる。本発明の冷却装置は、冷媒が相変化する際の蒸発潜熱を利用した冷却装置であり、冷媒の相変化は、冷媒周囲の蒸気圧力に依存する。また、帰還経路接続口近傍の液相冷媒は温度が低く、帰還経路接続口が設けられている側面に対向するもう一方の側面に近づくにつれ、受熱板Ａおよび受熱板Ｂから受熱し、液相冷媒の温度は上昇する。すなわち、液相冷媒の温度が低い帰還経路接続口近傍の液相冷媒は沸騰し難く、帰還経路接続口が設けられている側面に対向するもう一方の側面に近づくにつれ液相冷媒は沸騰し易くなる。一方、放熱経路接続口に向かう蒸気流通経路は、放熱経路接続口が設けられている側面に対向するもう一方の側面に近づくにつれ長くなり、経路の圧力損失が増大することとなり、蒸気をフィン上方に移動させる推進力が小さくなる。すなわち、帰還経路接続口と放熱経路接続口が設けられた側面側では、受熱部下部にて沸騰し難いが、放熱経路接続口近傍の蒸気をフィン上方に移動させる推進力が大きくなる。それに対し、もう一方の側面側では、受熱部下部にて沸騰し易いが、蒸気をフィン上方に移動させる推進力が小さくなる。よって、帰還経路接続口と放熱経路接続口とが、受熱部の同一の側面に設けられることにより、受熱部内の冷媒流れを略均一にすることができ、受熱板Ａと受熱板Ｂとから略均一に受熱することができるため、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

また、前記フィンＡの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ａを設け、前記フィンＢの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ｂを設け、前記フィンＡに設けた前記凸部Ａの先端と、この凸部Ａに対向する前記フィンＢに設けた前記凸部Ｂの先端とは、前記受熱板Ａと前記受熱板Ｂから略等距離の位置に設けられるとともに、わずかな隙間を置いて対向することにより、比較的高温である受熱板ＡとフィンＡの根元付近で受熱した冷媒が、受熱板ＡとフィンＡの根元付近からフィンＡの短手方向の端部の方向に拡散するのを凸部Ａと凸部Ｂにより遮断する。受熱板Ｂにおいても同様である。これにより、受熱板Ａに接触させた発熱体Ａと、受熱板Ｂに接触させた発熱体Ｂの発熱量が異なる場合であっても、他方の発熱体の発熱量の影響を受けにくい。他方の発熱体の影響について詳しく説明すると、受熱板Ａ側に設けられた発熱体Ａの発熱量が受熱板Ｂ側に設けられた発熱量よりも大きい場合、受熱板Ａ側にて蒸発する冷媒量が受熱板Ｂ側にて蒸発する冷媒量よりも多くなる。そのため、受熱板Ａ側にて蒸発した気相冷媒の流れは、フィンに沿って上方に流れるだけではなく、冷媒の蒸発量が少ない受熱板Ｂ側に流れる。そのため、受熱板Ａ側（フィンＡの根元付近）の蒸気速度が低下し、蒸気の流れによって受熱部下部から搬送される液相冷媒が低下するため、発熱量が大きい側のフィン上部に液相冷媒が供給できずドライアウト状態となり、冷却性能が低下することとなる。それが、他方の発熱体の影響である。 それでは、フィンＡおよびフィンＢの短手方向の根元と反対側の半分、すなわち、フィンＡおよびフィンＢの冷媒が流通しない側の半分をなくさず残しておく理由は、フィンＡおよびフィンＢの冷媒が流通しない側の半分は、隣接するフィンＡまたはフィンＢの隙間に突出して配置されることにより、冷媒の流路断面積を小さくすることに寄与するためである。これにより、流路断面積が大きい場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路を流れる二相の冷媒の流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通しているので、液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。その結果、液相冷媒がフィンの間の隙間を下方から上方に流通しやすくなり、フィンＡおよびフィンＢにおいてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

また、前記フィンＡの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ａを設け、前記フィンＢの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ｂを設け、前記フィンＡに設けた前記凸部Ａの側面と、この凸部Ａの側面に対向する前記フィンＢに設けた前記凸部Ｂの側面とは、前記受熱板Ａと前記受熱板Ｂから略等距離の位置に設けられるとともに、わずかな隙間を置いて対向することにより、比較的高温である受熱板ＡとフィンＡの根元付近で受熱した冷媒が、受熱板ＡとフィンＡの根元付近からフィンＡの短手方向の端部の方向に拡散するのを凸部Ａと凸部Ｂにより遮断する。受熱板Ｂにおいても同様である。これにより、受熱板Ａに接触させた発熱体Ａと、受熱板Ｂに接触させた発熱体Ｂの発熱量が異なる場合であっても、他方の発熱体の発熱量の影響を受けにくい。他方の発熱体の影響について詳しく説明すると、受熱板Ａ側に設けられた発熱体Ａの発熱量が受熱板Ｂ側に設けられた発熱量よりも大きい場合、受熱板Ａ側にて蒸発する冷媒量が受熱板Ｂ側にて蒸発する冷媒量よりも多くなる。そのため、受熱板Ａ側にて蒸発した気相冷媒の流れは、フィンに沿って上方に流れるだけではなく、冷媒の蒸発量が少ない受熱板Ｂ側に流れる。そのため、受熱板Ａ側（フィンＡの根元付近）の蒸気速度が低下し、蒸気の流れによって受熱部下部から搬送される液相冷媒が低下するため、発熱量が大きい側のフィン上部に液相冷媒が供給できずドライアウト状態となり、冷却性能が低下することとなる。それが、他方の発熱体の影響である。

それでは、フィンＡおよびフィンＢの短手方向の根元と反対側の半分、すなわち、フィンＡおよびフィンＢの冷媒が流通しない側の半分をなくさず残しておく理由は、フィンＡおよびフィンＢの冷媒が流通しない側の半分は、隣接するフィンＡまたはフィンＢの隙間に突出して配置されることにより、冷媒の流路断面積を小さくすることに寄与するためである。これにより、流路断面積が大きい場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路を流れる二相の冷媒の流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通しているので、液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。その結果、液相冷媒がフィンの間の隙間を下方から上方に流通しやすくなり、フィンＡおよびフィンＢにおいてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。

さらに、フィンＡとフィンＢの凸部の先端ではなく、凸部の側面が、わずかな隙間を置いて対向する方が、製造上の誤差により、対向する凸部どうしが接触することにより受熱板Ａと受熱板Ｂを一体化する際の、受熱板Ａと受熱板Ｂとの接触面の隙間ができるリスクが少ないという効果がある。

また、前記放熱経路接続口の径は、前記帰還経路接続口の径より大きいことを特徴とする構成にしてもよい。帰還経路接続口には液相冷媒が流通し、放熱経路接続口には、液相と気相の二相の冷媒が流通することとなるが、帰還経路接続口から受熱部に流入した液相冷媒が、フィンＡまたはフィンＢから受熱して、液相から気相の冷媒に変化するとき、冷媒の体積が膨張する。従って、放熱経路接続口およびこれに続く放熱経路の径を大きくすることにより、圧損を下げて二相の冷媒が放熱経路接続口およびこれに続く放熱経路に二相の冷媒が流入しやすくすることができる。その結果、冷媒の循環するスピードが速くなり、冷却装置の冷却性能を向上することができる。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図である。

図１に示すように、電子機器５０は、ケース５１内に発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９となる２つの電力用半導体素子と冷却装置１とが備えられている。

冷却装置１は、発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９を冷却するための受熱部３と、放熱部４を備えており、放熱経路５と帰還経路６とにより受熱部３と放熱部４が連結されている。この構成により、冷却装置１は内部が密閉空間となり、図１では図示していないが、冷却装置１内は、減圧した上で、冷媒が封入されている。冷媒としては、フロン類、フッ素系溶剤類などが用いられるが、これらに限られない。受熱部３、放熱部４および後述するフィンＡ２２、フィンＢ２３の材質は、アルミニウムが適しているが、これらに限られない。

帰還経路６には、冷媒の逆流を防止する逆流防止部８を備えている。

また、冷却装置１は、放熱部４に冷媒により輸送した熱を冷却するための冷却ファン７を備えている。本実施の形態では、冷却ファン７による空冷式としたが、水冷式、その他の方式であってもよい。

次に、上記構成における冷却装置１の基本的な仕組みについて説明する。

冷却装置１は、内部を減圧した後に冷媒を封入したものであり、冷却装置１内は、冷媒の作用により外部温度に応じた冷媒の飽和圧力となる。発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９の熱は受熱部３を介して冷媒に伝わり、冷媒が液相から気相へと変化することで、発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９が冷却される。受熱部３内にて気化した冷媒は、未沸騰の液相の冷媒との気液二相の混相流となって、受熱部３から放熱経路５を通り放熱部４へと移動し、冷却ファン７により冷やされ再び液化し液相の冷媒となり帰還経路６および逆流防止部８を経て受熱部に戻る。

逆流防止部８は、帰還経路６中に設けられたものであって、放熱経路５よりも冷媒の流通抵抗を増大させたものであるため、受熱部３内にて気化した冷媒が帰還経路６へ逆流することを防止する。よって、受熱部３内にて冷媒が気化し、気化した冷媒が放熱経路５を通過し放熱部４にて液化し、液化した冷媒が帰還経路６を通過し再び受熱部３内に供給されるサイクルが繰り返されることで、発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９を冷却している。

次に、本実施の形態における特徴的な構成について説明する。

図２、図３、図４に示すように、受熱部３は、前面および後面が最大面積の直方体形状とする。 なお、発熱体、受熱板、フィン、凸部他をそれぞれＡ，Ｂに分けているが、これは、各々が２つあることを意味し、特に記載がないかぎりＡ，Ｂに違いはない。
受熱部３は、前面および後面が垂直方向となるように設置する。
前面には、発熱体Ａを設置する受熱板Ａを設け、後面には、発熱体Ｂを設置する受熱板Ｂを設ける。
２つの発熱体Ａ２８と発熱体Ｂ２９（図１に記載）を、受熱板Ａ１５に発熱体Ａ２８を、受熱板Ｂ１６に発熱体Ｂ２９を接触させて熱的に接続する。受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６には、発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９を固定するための固定用ネジ孔を適宜設けて、受熱板Ａ１５に発熱体Ａ２８を、受熱板Ｂ１６に発熱体Ｂ２９をネジで固定する。２つの発熱体Ａ２８と発熱体Ｂ２９との間に、受熱部３が挟まれるように垂直方向に設置する。
直方体形状である受熱部３の上部には放熱内部経路２４として空間を設け、下部には帰還内部経路２５として空間を設ける。
放熱内部経路２４と前記帰還内部経路２５とをつなぐ中央部をフィン部２とする。
帰還内部経路２５には帰還経路接続口２１、放熱内部経路２４には放熱経路接続口２０を設ける。
フィン部２には受熱板Ａ１５から、受熱部３の内部に突出する複数の平板状のフィンＡ２２を平行に並べて設け、受熱板Ｂ１６から、受熱部３の内部に突出する複数の平板状のフィンＢ２３を並行に並べて設ける。フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるようにフィンＡ２２およびフィンＢ２３を配置する。すなわち、フィンＡ２２の各々のフィン間の隙間が上下方向に配置する。フィンＢ２３も同様に配置する。

フィンＡ２２と隣接するフィンＡ２２の隙間に、フィンＢ２３を周囲にわずかな隙間を
残して突出して配置する。すなわち、フィンＡ２２の隣接するフィンとフィンの隙間に、フィンＢ２３のフィンをフィンの先端が受熱板Ａ１５の表面とわずかな隙間を残す位置まで挿入する。フィンＢ２３のフィンの両方の表面とフィンＡ２２のフィンとフィンとのあいだにわずかな隙間を残す。

フィンＡ２２のフィンとフィンとの間隔は、フィンＢ２３のフィンの厚さよりわずかに小さく、フィンの短辺は、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６の距離よりわずかに小さい。このわずかな隙間が冷媒の流路となる。

フィンＢ２３も同様に、フィンＢ２３と隣接するフィンＢ２３の隙間に、フィンＡ２２を周囲にわずかな隙間を残して突出して配置する。すなわち、フィンＢ２３の隣接するフィンとフィンの隙間に、フィンＡ２２のフィンをフィンの先端が受熱板Ｂ１６の表面とわずかな隙間を残す位置まで挿入する。フィンＡ２２のフィンの両方の表面とフィンＢ２３のフィンとフィンとのあいだにわずかな隙間を残す。

フィンＢ２３のフィンとフィンとの間隔は、フィンＡ２２のフィンの厚さよりわずかに小さく、フィンの短辺は、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６の距離よりわずかに小さい。このわずかな隙間が冷媒の流路となる。

これにより、フィンＡ２２またはフィンＢ２３のいずれか一方のみを有する場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路断面積を小さくすることができる。

その理由を説明する。フィンはアルミニウム材を押出し成型または切削することにより作成するが、押出し成型では、押し出す型の強度の制約からフィンとフィンの間隔をある程度（例えばフィン高さが１０ｍｍ程度であればフィン間隔は４ｍｍ程度以上）あけなければならない。また、切削加工においてはフィン間隔を１ｍｍ程度と小さくすることは可能であるが、産業上の量産工法としては、フィン間隔を小さくするとコストが極めて高くなり、フィン間隔を小さくすることが困難である。フィンＡ２２を設けた受熱板Ａ１５とフィンＢ２３を設けた受熱板Ｂ１６とをフィンＡ２２とフィンＢ２３とを向かい合わせ、一方のフィンの隙間に他方のフィンを挿入してフィンどうしをわずかな隙間を残してかみ合わせることにより、かみ合わせたフィンＡ２２とフィンＢ２３の隙間は、フィンＡ２２のフィン間の隙間、およびフィンＢ２３のフィン間の隙間より小さくなる。このフィンＡ２２とフィンＢ２３の隙間が冷媒の流路となる。

冷媒の流路断面積を小さくすることにより、流路断面積が大きい場合と比較して、冷媒が流路を流れる流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通しているので、流通している液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。また、本発明の冷却装置１は、フィンＡ２２とフィンＢ２３の表面全体を液相冷媒で濡れた状態を保ち、液相冷媒がより速い速度で流れるとともに、液相冷媒の厚みを薄くすることができる。

その結果、フィンＡ２２とフィンＢ２３の間の隙間をフィン上方まで効率よく液相冷媒を搬送することにより、フィンＡ２２およびフィンＢ２３においてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができる。

また、帰還経路接続口２１と放熱経路接続口２０とは、受熱部３の同一の側面に設けられる構成にしてもよい。帰還経路接続口２１より受熱部３に流入する液相冷媒は、放熱部４の作用により、受熱板Ａ１５および受熱板Ｂ１６の温度よりも低い温度で流入することとなる。本発明の冷却装置１は、冷媒が相変化する際の蒸発線熱を利用した冷却装置１であり、冷媒の相変化は、冷媒周囲の蒸気圧力に依存する。また、帰還経路接続口２１近傍の液相冷媒は温度が低く、帰還経路接続口２１が設けられている側面に対向するもう一方の側面に近づくにつれ、受熱板Ａ１５および受熱板Ｂ１６から受熱し、液相冷媒の温度は上昇する。すなわち、液相冷媒の温度が低くい帰還経路接続口２１近傍の液相冷媒は沸騰し難く、帰還経路接続口２１が設けられている側面に対向するもう一方の側面に近づくにつれ液相冷媒は沸騰し易くなる。一方、放熱経路接続口２０に向かう蒸気流通経路は、放熱経路接続口２０が設けられている側面に対向するもう一方の側面に近づくにつれ長くなり、経路の圧力損失が増大することとなり、蒸気をフィンＡ２２およびフィンＢ２３上方に移動させる推進力が小さくなる。すなわち、帰還経路接続口２１と放熱経路接続口２０が設けられた側面側では、受熱部３下部にて沸騰し難いが、放熱経路接続口２０近傍の蒸気をフィンＡ２２およびフィンＢ２３上方に移動させる推進力が大きくなる。それに対し、もう一方の側面側では、受熱部３下部にて沸騰し易いが、蒸気をフィンＡ２２およびフィンＢ２３上方に移動させる推進力が小さくなる。よって、帰還経路接続口２１と放熱経路接続口２０とが、受熱部３の同一の側面に設けられることにより、受熱部３内の冷媒流れを略均一にすることができ、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６とから略均一に受熱することができるため、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができる。

図５（ａ）は、同冷却装置の受熱部のＸ−Ｘ´断面を示す図であり、図５（ｂ）は、同冷却装置の受熱部の領域Ａの拡大図である。

図５に示すように、フィンＡ２２の両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ａ２６を設け、フィンＢ２３の両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ｂ２７を設け、フィンＡ２２に設けた凸部Ａ２６の先端と、この凸部Ａ２６に対向するフィンＢ２３に設けた凸部Ｂ２７の先端とは、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６から略等距離の位置に設けられるとともに、わずかな隙間を置いて対向することにより、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の短手方向の端部から半分と根元から半分とが、この凸部Ａ２６、凸部Ｂ２７に遮られることにより冷媒の流れが分断される。これにより、受熱板Ａ１５、受熱板Ｂ１６に各々接触させた発熱体Ａ２８、発熱体Ｂ２９の発熱量が受熱板Ａ１５側と受熱板Ｂ１６側とで異なる場合、他面側の発熱体Ａ２８または発熱体Ｂ２９の発熱量の影響を受けにくい。受熱板Ａ１５側と受熱板Ｂ１６側とで発熱量が異なる場合に、発熱体Ａ２８または発熱対Ｂ２９の影響について詳しく説明すると、受熱板Ａ１５側に設けられた発熱体Ａ２８の発熱量が受熱板Ｂ１６側に設けられた発熱体Ｂ２９の発熱量よりも大きい場合、受熱板Ａ１５側にて蒸発する冷媒量が受熱板Ｂ１６側にて蒸発する冷媒量よりも多くなる。そのため、受熱板Ａ１５側にて蒸発した気相冷媒の流れは、フィンＡ２２に沿って上方に流れるだけではなく、冷媒の蒸発量が少ない受熱板Ｂ１６側に流れる。そのため、受熱板Ａ１５側（フィンＡ２２の根元付近）の蒸気速度が低下し、蒸気の流れによって受熱部３下部から搬送される液相冷媒が低下するため、発熱量が大きい側のフィンＡ２２上部に液相冷媒が供給できずドライアウト状態となり、冷却性能が低下することとなる。それが、他方の発熱体の影響である。

それでは、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の短手方向の根元と反対側の半分、すなわち、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の冷媒が流通しない側の半分をなくさず残しておく理由は、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の冷媒が流通しない側の半分は、隣接するフィンＡ２２またはフィンＢ２３の隙間に突出して配置されることにより、冷媒の流路断面積を小さくすることに寄与するためである。これにより、流路断面積が大きい場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路を流れる二相の冷媒の流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通しているので、液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。その結果、液相冷媒がフィンの間の隙間を下方から上方に流通しやすくなり、フィンＡ２２およびフィンＢ２３においてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置１を提
供することができる。

図６（ａ）は、同冷却装置の受熱部のＸ−Ｘ´断面を示す図であり、図５（ｂ）は、同冷却装置の受熱部の領域Ａの拡大図である。

図６に示すように、フィンＡ２２の両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ａ２６を設け、フィンＢ２３の両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ｂ２７を設け、フィンＡ２２に設けた凸部Ａ２６の側面と、この凸部Ａ２６の側面に対向するフィンＢ２３に設けた凸部Ｂ２７の側面とは、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６から略等距離の位置に設けられるとともに、わずかな隙間を置いて対向することにより、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の短手方向の端部から半分と根元から半分とが、この凸部Ａ２６または凸部Ｂ２７に遮られることにより冷媒の流れが分断される。これにより、受熱板Ａ１５に接触させた発熱体Ａ２８と受熱板Ｂ１６に接触させた発熱体Ｂ２９の発熱量が前面側（受熱板Ａ１５側）と後面側（受熱板Ｂ１６側）で異なる場合、他面側の発熱体の発熱量の影響を受けにくい。

それでは、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の短手方向の根元と反対側の半分、すなわち、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の冷媒が流通しない側の半分をなくさず残しておく理由は、フィンＡ２２およびフィンＢ２３の冷媒が流通しない側の半分は、隣接するフィンＡ２２またはフィンＢ２３の隙間に突出して配置されることにより、冷媒の流路断面積を小さくすることに寄与するためである。これにより、流路断面積が大きい場合と比較して、フィン間の隙間、すなわち、冷媒の流路を流れる二相の冷媒の流速が上がる。冷媒は下方から上方に向かって流通しているので、液相の冷媒にこの上方向の力がかかるため、液相の冷媒が下方に落下しにくくなる。その結果、液相冷媒がフィンの間の隙間を下方から上方に流通しやすくなり、フィンＡ２２およびフィンＢ２３においてより多くの液相冷媒が気相冷媒に変化する潜熱交換が行われることとなり、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができる。

さらに、凸部Ａ２６、凸部Ｂ２７の先端ではなく、凸部Ａ２６の側面と、凸部Ｂ２７の側面とが、わずかな隙間を置いて対向する方が、凸部Ａ２６、凸部Ｂ２７の大きさの製造上の誤差により、対向する凸部どうしが接触することにより受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６を一体化する際の、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６との接触面の隙間ができるリスクが少ない。すなわち、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６との接触面の隙間ができた際の、内部流路と外の空間がミクロのわずかな隙間で連結されることによってできる冷媒漏れまたは、空気の混入による冷却性能の低下を招くリスクが少ない。

また、図２に示すように、放熱経路接続口２０の径は、帰還経路接続口２１の径より大きいことを特徴とする構成にしてもよい。帰還経路接続口２１には液相冷媒が流通し、放熱経路接続口２０には、液相と気相の二相の冷媒が流通することとなるが、帰還経路接続口２１から受熱部３に流入した液相冷媒が、フィンＡ２２またはフィンＢ２３から受熱して、液相から気相の冷媒に変化するとき、冷媒の体積が膨張する。従って、放熱経路接続口２０およびこれに続く放熱経路１３の径を大きくすることにより、圧損を下げて二相の冷媒が放熱経路接続口２０およびこれに続く放熱経路１３に二相の冷媒が流入しやすくすることができる。その結果、冷媒の循環するスピードが速くなり、冷却装置１の冷却性能を向上することができる。

次に、本実施例の特徴となる冷却装置１の受熱部３の製造方法の一例を説明する。

受熱部３は、前面および後面が最大面積の扁平な直方体形状であり、前面および後面を垂直方向に設置する。直方体形状の受熱部３の天面と底面には、細長い四角形状の平板で
ある受熱蓋Ａ１７、受熱蓋Ｂ１８を各々設ける。これらの受熱部３のパーツの材料は、アルミニウムである。

受熱部３の側面は、前面、後面と、前面と後面をつなぐ２つの面で成り立っている。前面と後面は、外郭に接触面Ａ９を有する受熱板Ａ１５と外郭に接触面Ｂ１０を有する受熱板Ｂ１６であり、受熱板Ａ１５または受熱板Ｂ１６のいずれか一方に前面と後面をつなぐ２つの面が一体成型されている。

本実施例では、受熱板Ｂに前面と後面をつなぐ２つの面が一体成型することとする。そして、この前面と後面をつなぐ２つの面のいずれか一方の上部に、放熱経路接続口２０、下部に帰還経路接続口２１として円形の開口部を設ける。放熱経路接続口２０の径は、帰還経路接続口２１の径より大きい。

受熱板Ａ１５には、一方の面に並列に並ぶ複数の板状のフィンＡ２２を、他方の面に接触面Ａ９を一体で設ける。

同様に、受熱板Ｂ１６には、一方の面に並列に並ぶ複数の板状のフィンＢ２３を、他方の面に接触面Ｂ１０を一体で設ける。

受熱板Ａ１５と、受熱板Ｂ１６は、アルミニウムを押出し成型し、その後切削、ロウづけして作成する。

押出し成型をしただけでは、フィンＡ２２とフィンＢ２３は、受熱板Ａ１５および受熱板Ｂ１６の上端から下端まで設けられていて、放熱内部経路２４と帰還内部経路２５となる空間はない状態である。押出し成型であるので、押出す上流から下流まで連続的に同じ形状となり、中央部にのみフィンＡ２２とフィンＢ２３を設けることはできないからである。

受熱板Ａ１５と、受熱板Ｂ１６を押出し成型した後で、受熱板Ａ１５と、受熱板Ｂ１６の上部に放熱内部経路２４、下部に帰還内部経路２５となる空間を設けるために、受熱板Ａ１５と、受熱板Ｂ１６の上部と下部のフィンＡ２２とフィンＢ２３を切削する。切削する深さは、フィンＡ２２とフィンＢ２３の根元よりさらに深くまで、外郭となる接触面Ａ９および接触面Ｂ１０の厚みを残して削る。

受熱板Ｂ１６の上部に、放熱経路接続口２０、下部に帰還経路接続口２１として円形の開口部を切削して設ける。

押出し成型した後に、受熱板Ｂに設けた主面をつなぐ面のいずれか一方の上部に、放熱経路接続口２０、下部に帰還経路接続口２１として円形の開口部を切削して設ける。
受熱板Ａ１５と、受熱板Ｂ１６の上部、下部に各々複数の固定用ネジ孔１９も切削して設ける。

そして、切削した後に、受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６をフィンがかみ合うように対向させ、天面に受熱蓋Ａ１７、底面に受熱蓋Ｂ１８を炉中ロウづけで接合する。

受熱板Ｂ１６の放熱経路接続口２０には、放熱経路接続部材１１を介して放熱経路１３の配管を通常のロウづけで接合し、帰還経路接続口２１には、帰還経路接続部材１２を介して帰還経路１４の配管を通常のロウづけで接合する。

なお、上記の製造方法は一例であり、これに限られるものではない。

以上のように本発明にかかる冷却装置は、冷却性能が高いので、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、ダイオード等の電子部品を搭載した電子機器等の冷却装置として有用である。

１ 冷却装置
２ フィン部
３ 受熱部
４ 放熱部
５ 放熱経路
６ 帰還経路
７ 冷却ファン
８ 逆流防止部
９ 接触面Ａ
１０ 接触面Ｂ
１１ 放熱経路接続部材
１２ 帰還経路接続部材
１３ 放熱経路
１４ 帰還経路
１５ 受熱板Ａ
１６ 受熱板Ｂ
１７ 受熱蓋Ａ
１８ 受熱蓋Ｂ
１９ 固定用ネジ孔
２０ 放熱経路接続口
２１ 帰還経路接続口
２２ フィンＡ
２３ フィンＢ
２４ 放熱内部経路
２５ 帰還内部経路
２６ 凸部Ａ
２７ 凸部Ｂ
２８ 発熱体Ａ
２９ 発熱体Ｂ
５０ 電子機器
５１ ケース

Claims (7)

1. 冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、
   受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、
   前記受熱部は、
   前面および後面が最大面積の直方体形状で、
   前記前面および前記後面が垂直方向に設置され、
   前記前面に発熱体Ａを設置する受熱板Ａを備え、
   前記後面に発熱体Ｂを設置する受熱板Ｂを備え、
   前記受熱部の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路とをつなぐフィン部とを備え、
   前記帰還内部経路には帰還経路接続口、前記放熱内部経路には放熱経路接続口を有し、
   前記フィン部には前記受熱板Ａから内部に突出する複数の平板状のフィンＡと、
   前記受熱板Ｂから内部に突出する複数の平板状のフィンＢとを、フィン間の冷媒の流路が垂直方向となるように設け、
   隣接する前記フィンＡの隙間に、前記フィンＢが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置され、
   隣接する前記フィンＢの隙間に、前記フィンＡが周囲にわずかな隙間を残して突出して配置されることを特徴とする冷却装置。
2. 前記帰還経路接続口と前記放熱経路接続口とは、前記受熱部の同一の側面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記フィンＡの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ａを設け、前記フィンＢの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ｂを設け、前記フィンＡに設けた前記凸部Ａの先端と、この凸部Ａに対向する前記フィンＢに設けた前記凸部Ｂの先端とは、前記受熱板Ａと前記受熱板Ｂから略等距離の位置に設けられるとともに、わずかな隙間を置いて対向する請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記フィンＡの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ａを設け、前記フィンＢの両側の表面に、長手方向の上端から下短まで凸部Ｂを設け、前記フィンＡに設けた前記凸部Ａの側面と、この凸部Ａの側面に対向する前記フィンＢに設けた前記凸部Ｂの側面とは、前記受熱板Ａと前記受熱板Ｂから略等距離の位置に設けられるとともに、わずかな隙間を置いて対向する請求項１または２に記載の冷却装置。
5. 前記放熱経路接続口の径は、前記帰還経路接続口の径より大きいことを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載の冷却装置。
6. 前記帰還経路には、前記放熱経路よりも冷媒の流通抵抗を増大させる逆流防止部を設けたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の冷却装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載した電子機器。

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