JP2022134971A - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能の低下を抑制することができる沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】沸騰冷却装置１は、冷媒ＲＥを収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部１０と、受熱部１０からの熱を放熱する放熱部２０と、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部２０に輸送する第１流路Ｓ１を形成する第１内壁面３１０を有する第１管部３１と、放熱部２０で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部１０に輸送する第２流路Ｓ２を形成する第２内壁面３２０を有する第２管部３２と、を備える。第２管部３２は、受熱部１０に向けて開口する第１開口縁３２１と、放熱部２０に向けて開口する第２開口縁と、を有する。第１開口縁３２１の長さは、第２管部３２の長手方向の中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。【選択図】図３

Description

本発明は、沸騰冷却装置に関する。

冷媒の沸騰に伴う潜熱による熱輸送を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置が知られている。

特許文献１に記載の冷却装置は、受熱部と、放熱部と、これらを連結する２つの連結部と、を有する。受熱部は、冷媒を貯蔵するチャンバーを有し、冷却対象物からの熱を受け、当該熱により冷媒を気化させる。放熱部は、冷媒から放熱することで冷媒を凝縮液化させる。２つの連結部のうちの一方は、受熱部で気化した冷媒を放熱部に輸送する蒸気管である。他方は、放熱部で凝縮液化した冷媒を受熱部に輸送する液管である。

国際公開第２０１５／１４６１１０号

特許文献１に記載の液管の断面積は一定であるため、液管の断面積が小さくなると、液管の受熱部側の開口面積も小さくなってしまう。このため、液管の断面積によっては、液管から受熱部に露出する冷媒の液滴が表面張力により液管から離脱し難くなる。この結果、液体が循環し難くなり、よって、冷却性能が低下してしまうという課題がある。

以上の課題を解決するために、本発明の一態様に係る沸騰冷却装置は、冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送する第１流路を形成する第１内壁面を有する第１管部と、前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する第２流路を形成する第２内壁面を有する第２管部と、を備え、前記第２内壁面は、前記受熱部に向けて開口する第１開口縁と、前記放熱部に向けて開口する第２開口縁と、を有し、前記第１開口縁の長さは、前記第２管部の長手方向の中心における内周の長さよりも長い。

第１実施形態に係る沸騰冷却装置の概略構成を示す斜視図である。 図１に示す沸騰冷却装置の平面図である。 図１に示す熱輸送部の一部を示す縦断面図である。 図１に示す熱輸送部をＺ１方向にみた図である。 熱輸送限界の条件を説明するための図である。 図４に示す第２管部から露出する液滴を示す図である。 第２実施形態の熱輸送部の一部を示す縦断面図である。 図７に示す第２管部から露出する液滴を示す図である。 第３実施形態の熱輸送部の一部を示す縦断面図である。 第１変形例の第２管部の一部を示す断面図である。 第２変形例の第２管部の一部を示す断面図である。 第３変形例の第２管部を示す縦断面図である。 図１２の第２管部の他の例を示す縦断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法または縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

１．第１実施形態
１－１．沸騰冷却装置１の概略
図１は、第１実施形態に係る沸騰冷却装置１の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示す沸騰冷却装置１の平面図である。なお、図１は、図２中のＢ－Ｂ線断面である。また、以下では、説明の便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて説明する。また、Ｘ軸に沿う一方向をＸ１方向とし、Ｘ１方向とは反対の方向をＸ２方向とする。Ｙ軸に沿う一方向をＹ１方向とし、Ｙ１方向とは反対の方向をＹ２方向とする。Ｚ軸に沿う一方向をＺ１方向とし、Ｚ１方向とは反対の方向をＺ２方向とする。また、Ｚ１方向またはＺ２方向でみることを平面視とする。また、Ｘ軸とＹ軸とを含むＸ-Ｙ平面は水平面に相当する。Ｚ軸は鉛直方向に沿う軸線であり、Ｚ１方向は鉛直方向の上方に相当し、Ｚ２方向は鉛直方向の下方に相当する。

図１および図２に示す沸騰冷却装置１は、例えば、鉄道車両、自動車または家庭用電気機械等に搭載されるインバーターまたは整流器等のパワーエレクトロニクス製品における冷却に用いられる。パワーエレクトロニクス製品は、例えば、ダイオードまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有する。当該パワー半導体素子は、沸騰冷却装置１における冷却の対象物である発熱体の一例である。

沸騰冷却装置１は、気化した冷媒ＲＥと液化した冷媒ＲＥとの密度差を利用したループ型サーモサイフォンの冷却器である。図１に示す沸騰冷却装置１は、受熱部１０と放熱部２０と熱輸送部３０とを有する。以下、各部について説明する。

１－１ａ．受熱部１０
図１に示す受熱部１０は、収容室Ｓ１０を有し、図示しない発熱体からの熱を受ける構造体である。収容室Ｓ１０は、液状の冷媒ＲＥを収容する空間である。受熱部１０では、図示しない発熱体の熱によって冷媒ＲＥが気化されることにより気相冷媒が生成される。

図１に示す例では、受熱部１０は、収容室Ｓ１０を形成する箱状をなす。受熱部１０は、底板１１と天板１２と側壁１３とを有する。底板１１および天板１２のそれぞれは、Ｚ軸に直交する方向に広がる平板である。側壁１３は、底板１１と天板１２との間に位置し、底板１１および天板１２の外周同士を全周にわたって連結する。底板１１と天板１２と側壁１３とで囲まれた空間が、収容室Ｓ１０である。また、天板１２は、熱輸送部３０が有する後述の第１管部３１が挿入される孔と、熱輸送部３０が有する第２管部３２が挿入される孔とを有する。

受熱部１０は、熱伝導性に優れる材料で構成される。受熱部１０が有する各要素の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。なお、底板１１、天板１２および側壁１３の材料は、互いに同じであっても異なってもよい。また、底板１１、天板１２および側壁１３のそれぞれは別部材で構成されてもよいし、底板１１、天板１２および側壁１３は、一体で構成されてもよい。かかる受熱部１０は、図示しない発熱体に熱的に接続される。

ここで、「熱的に接続」とは、次の条件ａ、ｂまたはｃのいずれかを満たすことをいう。条件ａ：２つの部材が物理的に直接に接する。条件ｂ：２つの部材が５０μｍ以下の間隙を介して配置される。条件ｃ：２つの部材が１０Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１以上の熱伝導率の他の部材を介して物理的に接続される。なお、各条件における２つの部材間には、伝熱グリースおよび接着剤等が存在してもよい。この場合、接着剤は、熱伝導性を高める観点から、熱伝導性のフィラー等を含むことが好ましい。

冷媒ＲＥとしては、特に限定されないが、例えば、水等の水系冷媒、メタノール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒、エチレングリコール等のグリコール系冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、およびブタン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。なお、冷媒ＲＥには、必要に応じて、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤または炭化水素系界面活性剤等の界面活性剤等が添加されてもよい。また、冷媒ＲＥは、前述の冷媒の２種以上を組み合わせてもよい。

１－１ｂ．放熱部２０
図１に示す放熱部２０は、受熱部１０からの熱を放熱する構造体である。放熱部２０は、冷媒ＲＥを気化した状態から凝縮液化させる空間である複数の凝縮室Ｓ２０を有する。放熱部２０では、受熱部１０で生成された気相冷媒が凝縮されることにより液相冷媒が生成される。具体的には、放熱部２０は、各凝縮室Ｓ２０で冷媒ＲＥを外部の流体との熱交換により受熱部１０からの熱を外部へ放熱することにより気相冷媒を凝縮液化する。当該外部の流体は、特に限定されず、液体でも気体でもよいが、典型的には、例えば空気である。

図１に示す例では、放熱部２０は、複数の放熱容器２１と、複数の放熱フィン２２とを有する。各放熱容器２１は、凝縮室Ｓ２０を形成する箱状の部材である。各放熱容器２１は、底板２１１と天板２１２と筒部２１３とを有する。底板２１１および天板２１２は、互いに平行に配置される。底板２１１および天板２１２のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面に広がる平板である。筒部２１３は、底板２１１と天板２１２との間に位置し、底板２１１および天板２１２の外周同士を全周にわたって連結する。底板２１１と天板２１２と筒部２１３とで囲まれた空間が、凝縮室Ｓ２０である。また、底板２１１は、熱輸送部３０が有する後述の第１管部３１が挿入される孔と、熱輸送部３０が有する第２管部３２が挿入される孔とを有する。

本実施形態では、凝縮室Ｓ２０の形状は、円柱状であるが、例えば角柱状でもよい。また、図２に示すように、凝縮室Ｓ２０の平面視形状は、円形であるが、例えば多角形でもよい。図２に示す例では、複数の放熱容器２１は、平面視で千鳥状に配置される。なお、放熱容器２１の配置は、千鳥配置に限定されず、例えば行列配置等の他の規則的な配置でもよいし、不規則な配置でもよい。また、放熱容器２１の数は、図２に示す例に示す数に限定されず、任意である。また、複数の凝縮室Ｓ２０の容積は互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。また、放熱容器２１は、熱伝導性に優れる材料で構成される。放熱容器２１の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。

図１に示す各放熱フィン２２は、放熱容器２１に熱的に接続される。各放熱フィン２２は、平板状の部材である。複数の放熱フィン２２は、互いに厚さ方向に間隔を隔てて配置される。本実施形態の各放熱フィン２２は、平面視で受熱部１０のほぼ全範囲にわたり重なるように配置される。また、各放熱フィン２２は、複数の放熱容器２１を挿入するための複数の孔を有する。各放熱フィン２２は、熱伝導性に優れる材料で構成される。放熱フィン２２の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。また、例えば、放熱フィン２２は、放熱容器２１に拡管、圧入、接着剤、ネジ止めまたは溶接等により固定される。

なお、放熱フィン２２の形状は、図１に示す例に限定されず、任意である。また、放熱フィン２２は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。ただし、放熱部２０が複数の放熱フィン２２を有することで、冷媒ＲＥの気体を効率的に凝縮液化させることができる。

１－１ｃ．熱輸送部３０
図１に示す熱輸送部３０は、冷媒ＲＥの移動を用いて受熱部１０から放熱部２０へと熱を輸送する構造体である。図１に示す例では、熱輸送部３０は、複数の第１管部３１と複数の第２管部３２とを有する。なお、前述の受熱部１０が有する天板１２は、熱輸送部３０の一部を兼ねてもよい。

各第１管部３１は、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部２０に輸送する。本実施形態では、各第１管部３１は、Ｚ軸に沿って直線状に延びる管で構成される。なお、図示の例では、各第１管部３１は、屈曲していない直線状の管であるが、各第１管部３１は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。また、各第１管部３１は、受熱部１０および放熱部２０に接続される。複数の第１管部３１は、複数の放熱容器２１に１対１で設けられる。

各第２管部３２は、放熱部２０で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部１０に輸送する。本実施形態では、各第２管部３２は、Ｚ軸に沿って直線状に延びる管で構成される。なお、図示の例では、各第２管部３２は、屈曲していない直線状の管であるが、各第２管部３２は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。また、各第２管部３２は、受熱部１０および放熱部２０に接続される。複数の第２管部３２は、複数の放熱容器２１に１対１で設けられる。また、図２に示すように、第１管部３１と第２管部３２とは、放熱容器２１ごとにＸ軸に沿う方向に並ぶ。

第１管部３１および第２管部３２は、熱伝導性に優れる材料で構成される。第１管部３１および第２管部３２の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。また、第１管部３１および第２管部３２は、天板１２に対してロウ付け等により固定される。なお、第１管部３１および第２管部３２は、互いに同じ材料で構成されてもよいし、互いに異なる材料で構成されてもよい。また、複数の第１管部３１の形状または材料は、互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。同様に、複数の第２管部３２の形状または材料は、互いに同じであってもおいし、互いに異なっていてもよい。

以上の概略構成を有する沸騰冷却装置１は、前述のようにサーモサイフォンの冷却器である。沸騰冷却装置１では、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒が、気体と液体との密度差により第１管部３１から放熱部２０へ導入される。当該気相冷媒は放熱部２０で凝縮液化されることにより、液相冷媒が生成される。当該液相冷媒は、重力により第２管部３２から受熱部１０へ導入される。そして、液相冷媒が再び気化されることにより気相冷媒になる。このように冷媒ＲＥの相変化を伴う循環流の形成により、受熱部１０から放熱部２０へ潜熱による熱輸送が行われる。このようにサーモサイフォンの冷却器によれば、ポンプを用いずに冷媒ＲＥを循環させることができる。

１－２．第１管部３１および第２管部３２
図３は、図１に示す熱輸送部３０の一部を示す縦断面図である。図４は、図１に示す熱輸送部３０をＺ１方向にみた図である。また、図４は、天板１２をＺ１方向にみた図でもある。図３および図４を参照しつつ熱輸送部３０が有する第１管部３１および第２管部３２の詳細な構成について説明する。

図３に示すように、第１管部３１は、受熱部１０と放熱部２０とのそれぞれに接続されており、収容室Ｓ１０および凝縮室Ｓ２０のそれぞれに開口している。第１管部３１の一部は、放熱部２０内に位置する。第１管部３１は、第１流路Ｓ１を形成する第１内壁面３１０を有する。第１流路Ｓ１は、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部２０に輸送する空間である。第１流路Ｓ１を介して各凝縮室Ｓ２０は受熱部１０の収容室Ｓ１０に連通する。

また、図示の例では、第１管部３１の厚さは、一定である。第１管部３１の第１内壁面３１０は、第１流路Ｓ１の中心軸Ａ１に平行な円筒状の面である。第１内壁面３１０の内径は、一定である。したがって、第１流路Ｓ１の断面積は、一定である。

第１内壁面３１０は、受熱部１０に向けて開口する第３開口縁３１１と、放熱部２０に向けて開口する第４開口縁３１２とを有する。

第３開口縁３１１は、収容室Ｓ１０に露出している。第３開口縁３１１の平面視での形状は、円形である。第３開口縁３１１は、第１流路Ｓ１を収容室Ｓ１０に向けて開放する開口を形成する。なお、第３開口縁３１１のＺ１方向での位置は、天板１２の下面のＺ１方向での位置と同じである。ただし、第３開口縁３１１は、例えば、天板１２の下面に対して下方に位置してもよい。また、第３開口縁３１１は、収容室Ｓ１０内に存在する冷媒ＲＥの液面ＲＥ０に対して上方に位置する。別の言い方をすると、第３開口縁３１１は、液面ＲＥ０と放熱部２０との間に位置する。したがって、第３開口縁３１１は、液面ＲＥ０に接触していない。

第４開口縁３１２は、凝縮室Ｓ２０内に位置する。第４開口縁３１２の平面視での形状は、円形である。第４開口縁３１２は、第１流路Ｓ１を凝縮室Ｓ２０に向けて開放する開口を形成する。第４開口縁３１２は、放熱容器２１の底板２１１に対して上方に位置する。ただし、第４開口縁３１２のＺ１方向での位置は、例えば、底板２１１の上面のＺ１方向での位置と同じでもよい。

図３に示すように、第２管部３２は、受熱部１０と放熱部２０とのそれぞれに接続されており、収容室Ｓ１０および凝縮室Ｓ２０のそれぞれに開口している。各第２管部３２は、第２流路Ｓ２を形成する第２内壁面３２０を有する。第２流路Ｓ２は、放熱部２０で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部１０に輸送する空間である。第２流路Ｓ２を介して各放熱容器２１の凝縮室Ｓ２０は受熱部１０の収容室Ｓ１０に連通する。また、第２流路Ｓ２の平均断面積は、前述の第１流路Ｓ１の平均断面積よりも小さい。

第２内壁面３２０は、円筒面３２５と傾斜面３２６とを有する。円筒面３２５と傾斜面３２６とは、連続的に繋がっている。円筒面３２５は、第２流路Ｓ２の中心軸Ａ２に平行な円筒状の面である。円筒面３２５の内径は、一定である。したがって、第２流路Ｓ２の円筒面３２５に対応する部分の断面積は、一定である。

傾斜面３２６は、円筒面３２５の下方に位置するテーパー面である。傾斜面３２６は、受熱部１０に向けて第２流路Ｓ２の断面積を漸次大きくするように中心軸Ａ２に対して傾斜する。第２流路Ｓ２のうち傾斜面３２６に対応する部分は、Ｚ２方向に向かって広がるテーパー状の空間である。傾斜面３２６は、中心軸Ａ２に対して傾斜角度θ１で傾斜している。図示の例では、傾斜角度θ１は、Ｚ２方向において傾斜面３２６の全域で一定である。

第２内壁面３２０は、受熱部１０に向けて開口する第１開口縁３２１と、放熱部２０に向けて開口する第２開口縁３２２とを有する。具体的には、前述の傾斜面３２６が第１開口縁３２１を有し、前述の円筒面３２５が第２開口縁３２２を有する。

第１開口縁３２１は、収容室Ｓ１０に露出している。第１開口縁３２１の平面視での形状は、円形である。第１開口縁３２１は、第２流路Ｓ２を収容室Ｓ１０に向けて開放する開口を有する。なお、第１開口縁３２１のＺ１方向での位置は、天板１２の下面のＺ１方向での位置と同じである。また、第１開口縁３２１は、収容室Ｓ１０内に存在する冷媒ＲＥの液面ＲＥ０に対して上方に位置する。別の言い方をすると、第１開口縁３２１は、液面ＲＥ０と放熱部２０との間に位置する。したがって、第１開口縁３２１は、液面ＲＥ０に接触していない。

第２開口縁３２２は、凝縮室Ｓ２０に露出している。第２開口縁３２２の平面視での形状は、円形である。第２開口縁３２２は、第２流路Ｓ２を凝縮室Ｓ２０に向けて開放する開口を形成する。なお、第２開口縁３２２のＺ１方向での位置は、底板２１１の上面のＺ１方向での位置と同じである。ただし、第２開口縁３２２は、例えば、底板２１１の上面に対して上方に位置してもよい。

図４に示すように、第１開口縁３２１の長さは、第２開口縁３２２の長さよりも長い。また、第１開口縁３２１の長さは、図３に示す第２管部３２の長手方向の中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。なお、第２開口縁３２２の長さと、内周３２０ｘの長さとは、互いに等しい。

以上説明した沸騰冷却装置１は、前述のように、サーモサイフォンの冷却器である。具体的には、沸騰冷却装置１は、受熱部１０と放熱部２０と第１管部３１と第２管部３２とを備える。そして、第１流路Ｓ１は気相冷媒の流路であり、第２流路Ｓ２は液相冷媒の流路である。このようなサーモサイフォンの沸騰冷却装置１では、前述の第２管部３２を有することで、冷媒ＲＥが還流できなくなる熱輸送限界に達することを抑制することができる。

図５は、熱輸送限界の条件を説明するための図である。図６は、図４に示す第２管部３２から露出する液滴Ｄｒを示す図である。

図５に示すように、第２管部３２の第１開口縁３２１が液面ＲＥ０と放熱部２０との間に位置する場合、第１開口縁３２１は、収容室Ｓ１０の上方の気相域に接続される。よって、第２流路Ｓ２と収容室Ｓ１０との間には、液滴Ｄｒの表面による気液界面が形成される。当該気液界面が受ける表面張力σの影響が大きすぎる場合、冷媒ＲＥを循環させる循環駆動力が低下するおそれがある。この結果、冷媒ＲＥが還流できなくなる熱輸送限界に達するおそれがある。

熱輸送限界の条件は、下記の式（１）で表される。式（１）を満たす場合、冷媒ＲＥが還流できなくなる。
（ρｇｈ－ΔＰ）＜（ΔＰｇ＋ΔＰｌ） ・・・（１）

式（１）中の（ρｇｈ－ΔＰ）は、循環駆動力を示す。ρｇｈは、液相冷媒の位置差圧を示す。図５に示すように、位置差圧ρｇｈは、液滴Ｄｒの気液界面と凝縮室Ｓ２０内の液相冷媒の上面Ｒ０との水頭圧差である。ΔＰは、液滴Ｄｒの気液界面の気相と液相との圧力差を示す。例えば、ΔＰは、（４σ／Ｄｉ）で表される。σは、表面張力を示す。Ｄｉは、図６に示す第１開口縁３２１の内幅すなわち内径を示す。また、式（１）中の（ΔＰｇ＋ΔＰｌ）は、冷媒ＲＥの循環経路での流動抵抗を示す。ΔＰｇは、第１管部３１における圧力損失を示す。ΔＰｌは、第２管部３２における圧力損失を示す。

本実施形態では、前述のように第２管部３２が傾斜面３２６を有することにより、内径Ｄｉの大径化を図ることができる。このため、本実施形態では、第２管部３２の第１開口縁３２１の長さが第２管部３２の長手方向での中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。このように内径Ｄｉの大径化を図ることにより、前述の（４σ／Ｄｉ）で表される圧力差ΔＰを小さくすることができる。この結果、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）が従来に比べて大きくなるので、熱輸送限界に達し難くすることができる。なお、図６に示す液滴Ｄｒの曲率半径Ｒｅｘは、内径Ｄｉが大きくなるほど大きくなるので、従来の液滴Ｄｒ０の曲率半径Ｒｉよりも大きい。

このように、サーモサイフォンの沸騰冷却装置１において、第１開口縁３２１が液面ＲＥ０と放熱部２０との間に位置する場合、第１開口縁３２１の長さを内周３２０ｘの長さよりも長くすることにより、冷媒ＲＥの還流が阻害され難くなる。この結果、冷却性能の低下を抑制することができる。

また、本実施形態では、第１開口縁３２１の開口面積、すなわち第１開口縁３２１により形成される開口の面積は、第２流路Ｓ２の長手方向の中心Ｏ２での断面積よりも大きい。このため、第１開口縁３２１の開口面積が第２流路Ｓ２の長手方向の中心Ｏ２での断面積以下である場合に比べ、第１開口縁３２１の内径を表面張力σに対して大きくし易くなる。よって、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）を大きくすることができるので、熱輸送限界に達するおそれが抑制される。なお、上記「断面積」とは、図４中において、中心軸Ａ２に直交する軸を含む平面で切断したときの切断面の面積をいう。

また、前述のように、第２内壁面３２０は、第２流路Ｓ２の中心軸Ａ２に対して傾斜する傾斜面３２６を有する。傾斜面３２６は、第１開口縁３２１に向かって漸次大きくなるテーパー面である。このため、簡単な構成で、第１開口縁３２１の開口面積を第２流路Ｓ２の長手方向の中心での断面積よりも大きくすることができる。よって、第２内壁面３２０が傾斜面３２６を有することで、第２内壁面３２０の全域が中心軸Ａ２に平行である場合に比べ、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）を大きくすることができる。したがって、熱輸送限界に達するおそれが抑制される。

なお、傾斜面３２６の傾斜角度θ１は、特に限定されず、０°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さければよく、この場合、第２内壁面３２０の全域が中心軸Ａ２に平行である場合に比べ、熱輸送限界に達するおそれが抑制される。

ここで、第２管部３２の傾斜面３２６を省略し、第２管部３２の内径を全域で大きくすることで、圧力差ΔＰを位置差圧ρｇｈに対して小さくする方法が考えられる。つまり、第２管部３２の内径を第１管部３１の内径と同様の大きさに設定する方法が考えられる。しかし、第２管部３２の内径が全域で大きくなると、第１流路Ｓ１に加えて第２流路Ｓ２に気相冷媒が流入し易くなるおそれがある。このため、冷媒ＲＥの液循環が円滑に行われないおそれがある。したがって、第１流路Ｓ１の平均断面積は、第２流路Ｓ２の平均断面積よりも大きいことが好ましい。このように第１流路Ｓ１の平均断面積を第２流路Ｓ２の平均断面積よりも大きくすることで、第２流路Ｓ２よりも第１流路Ｓ１に気相冷媒が流入し易くなる。このため、第１流路Ｓ１の平均断面積が第２流路Ｓ２の平均断面積以下である場合に比べ、冷媒ＲＥを円滑に循環させることができる。

また、前述のように、第１流路Ｓ１のＺ軸に沿った長さは、第２流路Ｓ２のＺ軸に沿った長さよりも長い。そして、第１管部３１の一部は、放熱部２０に存在する。このため、第１管部３１の一部が放熱部２０に存在しない場合に比べ、第４開口縁３１２から液相冷媒が流入し難くなる。よって、第１管部３１の一部が放熱部２０に存在することで、放熱部２０に存在しない場合に比べ、冷媒ＲＥを円滑に循環させることができる。

また、前述のように、放熱部２０は、複数の凝縮室Ｓ２０を有する。そして、第１管部３１および第２管部３２は、複数の凝縮室Ｓ２０のそれぞれに設けられる。放熱フィン２２に複数の凝縮室Ｓ２０が設けられることで放熱フィン２２全体を有効に利用でき、冷却性能の向上を図ることができる。

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図７は、第２実施形態の熱輸送部３０Ａの一部を示す縦断面図である。図８は、図７に示す第２管部３２Ａから露出する液滴Ｄｒを示す図である。図７に示す熱輸送部３０Ａは、第１実施形態の第２管部３２の代わりに第２管部３２Ａを有すること以外、第１実施形態の熱輸送部３０と同じである。以下では、第２管部３２Ａについて第２管部３２との相違点を説明し、第２管部３２と同じ事項の説明は省略する。

図７に示すように、第２管部３２Ａが有する第２内壁面３２０Ａは、中心軸Ａ２に平行な円筒状の面である。第２内壁面３２０Ａの内径は、一定である。したがって、第２流路Ｓ２Ａの断面積は、一定である。

第２管部３２Ａの一部は、収容室Ｓ１０内に位置する。第１開口縁３２１Ａは、天板１２に対して下方に位置する。また、第１開口縁３２１Ａを含む平面が中心軸Ａ２の直交平面に対して傾斜する平面に沿うよう第２管部３２Ａは切り欠かれている。図８に示すように、第１開口縁３２１Ａを含む平面は、第２流路Ｓ２の中心軸Ａ２の直交平面に対して傾斜角度θ２で傾斜している。すなわち、第１開口縁３２１Ａを含む平面は、Ｘ－Ｙ平面に対して傾斜角度θ２で傾斜している。

詳細な図示はしないが、第１開口縁３２１Ａの長さは、第２開口縁３２２の長さよりも長い。また、第１開口縁３２１Ａの長さは、内周３２０ｘの長さよりも長い。

本実施形態においても第１実施形態と同じように、第１開口縁３２１Ａの長さは、第２管部３２Ａの長手方向での中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。このため、図８に示す第１開口縁３２１の内径Ｄｉが従来よりも大きい。このような本実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）を大きくすることができ、この結果、冷却性能の低下を抑制することができる。

また、前述のように、本実施形態では、第１開口縁３２１Ａは、第２管部３２Ａの中心軸Ａ２の直交平面に対して傾斜する平面に沿う。このため、直管の先端部分を切り欠くことで、第２管部３２Ａを製造することができる。それゆえ、簡単な構成で、第１開口縁３２１Ａの開口面積を第２流路Ｓ２の長手方向の中心Ｏ２での断面積よりも大きくすることができる。よって、第２内壁面３２０Ａの全域が円筒状である場合、第１開口縁３２１Ａを含む平面がＸ－Ｙ平面に対して傾斜していることで、第１開口縁３２１Ａを含む平面がＸ－Ｙ平面に対して平行である場合に比べ、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）を大きくすることができる。

なお、第１開口縁３２１Ａを含む平面のＸ－Ｙ平面に対する傾斜角度θ２は、特に限定されず、０°よりも大きく、かつ、９０°よりも小さければ、第２内壁面３２０の全域が中心軸Ａ２に平行である場合に比べ、熱輸送限界に達するおそれが抑制される。

以上の第２実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

３．第３実施形態
以下、本発明の第３実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図９は、第３実施形態における熱輸送部３０Ｂの一部を示す断面図である。本実施形態では、第１実施形態の天板１２および熱輸送部３０の代わりに、天板１２Ｂおよび熱輸送部３０Ｂが設けられること以外、第１実施形態と同じである。以下では、天板１２Ｂおよび熱輸送部３０Ｂについて天板１２および熱輸送部３０との相違点を説明し、熱輸送部３０と同じ事項の説明は省略する。

図９に示すように、熱輸送部３０Ｂは、第１管部３１Ｂと第２管部３２Ｂとを有する。第１管部３１Ｂは、天板１２Ｂの一部と管体３３とで構成される。

天板１２Ｂは、貫通孔を形成する内壁面１２０を有する。内壁面１２０は、中心軸Ａ１に対して傾斜角度θ３で傾斜しているテーパー面である。内壁面１２０は、Ｚ２方向に向かって広がるテーパー状の貫通孔を形成する。なお、図示の例では、傾斜角度θ３は、Ｚ２方向において内壁面１２０の全域で一定である。

管体３３は、Ｚ軸に沿って直線状に延びる管である。管体３３の一部は、天板１２Ｂの貫通孔に位置する。管体３３は、貫通孔を形成する内壁面３３０を有する。管体３３の内壁面３３０と天板１２Ｂの内壁面１２０とは、連続的に繋がっている。管体３３の内壁面３３０と天板１２Ｂの内壁面１２０とで、第２管部３２Ｂの第１内壁面３１０Ｂが構成される。また、管体３３の貫通孔と天板１２Ｂの貫通孔とで、第１管部３１Ｂの第１流路Ｓ１Ｂが構成される。

また、第２管部３２Ｂの第２内壁面３２０Ｂは、円筒面３２５と第１傾斜面３２６Ｂと第２傾斜面３２７とを有する。第１傾斜面３２６Ｂは、第１実施形態の傾斜面３２６と同じである。第１傾斜面３２６Ｂと円筒面３２５と第２傾斜面３２７とは連続的に繋がっている。

第２傾斜面３２７は、円筒面３２５に対して上方に位置する。第２傾斜面３２７は、第２内壁面３２０Ｂが有する第２開口縁３２２Ｂに向かって漸次大きくなる部分である。すなわち、第２傾斜面３２７は、放熱部２０に向けて第２流路Ｓ２Ｂの断面積を漸次大きくするように中心軸Ａ２に対して傾斜するテーパー面である。第２傾斜面３２７は、中心軸Ａ２に対して傾斜角度θ４で傾斜している。図示の例では、傾斜角度θ４は、Ｚ２方向において第２傾斜面３２７の全域で一定である。第２管部３２Ｂのうち第２傾斜面３２７に対応する部分は、Ｚ１方向に向かって広がるテーパー状の空間である。

また、詳細な図示はしないが、第２開口縁３２２Ｂの長さは、第２管部３２Ｂの長手方向の中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。

前述のように、第２内壁面３２０Ｂは、第２流路Ｓ２の中心軸Ａ２に対して傾斜する第２傾斜面３２７を有する。第２傾斜面３２７は、第２開口縁３２２Ｂに向かって漸次大きくなる部分である。第２内壁面３２０Ｂが第２傾斜面３２７を有することで、第２傾斜面３２７を有さない場合に比べ、放熱部２０で液化した冷媒ＲＥを第２流路Ｓ２に導き易くなる。

以上の第３実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

４．変形例
以上に例示した実施形態は多様に変形され得る。前述の実施形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。また、第１実施形態に関する以下の変形例は、矛盾しない範囲で第２または第３実施形態に適宜併合され得る。

４－１．第１変形例
図１０は、第１変形例の第２管部３２Ｃの一部を示す断面図である。前述の第１実施形態では、第２管部３２が有する第１開口縁３２１を含む平面は平坦面であるが、図１０に示す例のように、第２管部３２Ｃが有する第１開口縁３２１Ｃを含む平面は、凹凸面を有してもよい。

第１開口縁３２１Ｃに凹凸を設けることにより、第１開口縁３２１Ｃの長さは、第２管部３２の長手方向での中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。このため、圧力差ΔＰを小さくすることができる。したがって、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）を大きくすることができるので、式（１）の条件を満たすおそれ、すなわち熱輸送限界に達するおそれが抑制される。この結果、液滴Ｄｒの収容室Ｓ１０への滴下が阻害されることが抑制される。したがって、冷媒ＲＥの還流が阻害され難くなる。よって、第２内壁面３２０の全域が円筒状である場合、第１開口縁３２１Ｃが凹凸を有することで、有さない場合に比べ、循環駆動力（ρｇｈ－ΔＰ）を大きくすることができる。

４－２．第２変形例
図１１は、第２変形例の第２管部３２Ｄの一部を示す縦断面図である。前述の第１実施形態では、傾斜角度θ１がＺ２方向において傾斜面３２６の全域で一定であるが、一定でなくてもよい。図１１に示す例では、第２管部３２Ｄの第２内壁面３２０Ｄが有する傾斜面３２６Ｄは、受熱部１０に向かうほど中心軸Ａ２に対する傾斜角度が大きくなる。したがって、第２流路Ｓ２の断面積は、受熱部１０に向かうほど大きくなる。このため、第１実施形態の第１開口縁３２１に比べて、第２変形例の第１開口縁３２１Ｄの長さを大きくし易くなる。よって、冷媒ＲＥの還流がより阻害され難くなる。

４－３．第３変形例
図１２は、第３変形例の第２管部３２Ｅを示す縦断面図である。図１２に示す例では、第２管部３２Ｅは、天板１２Ｅの一部と管体３４とで構成される。天板１２Ｅは、Ｚ２方向に向かって広がるテーパー状の貫通孔を形成する内壁面１２５を有する。内壁面１２５は、中心軸Ａ２に対して傾斜角度θ５で傾斜している面である。なお、図示の例では、傾斜角度θ５は、Ｚ２方向において内壁面１２５の全域で一定である。

管体３４は、Ｚ軸に沿って直線状に延びる管である。管体３４は、天板１２Ｅの上面に接触する。管体３４は、例えば、天板１２Ｅに突き当て溶接されている。管体３４は、貫通孔を形成する内壁面３４０を有する。内壁面３４０は、中心軸Ａ２に平行な円筒状の面である。よって、内壁面３４０の内径は、一定である。また、管体３４の内壁面３４０と天板１２Ｅの内壁面１２５とで、第２管部３２Ｅの第２内壁面３２０Ｂが構成される。また、管体３４の貫通孔と天板１２Ｅの貫通孔とで、第２管部３２Ｅの第２流路Ｓ２Ｅが構成される。

また、天板１２Ｅの内壁面１２５が有する下側開口端１２１は、「第１開口縁」に相当する。下側開口端１２１は、第２管部３２Ｂの長手方向の中心Ｏ２における内周３２０ｘの長さよりも長い。したがって、天板１２Ｅが内壁面１２５を有することで、熱輸送限界に達するおそれが抑制される。

図１３は、図１２の第２管部３２Ｅの他の例を示す縦断面図である。図１３に示す例では、管体３４の一部は、天板１２Ｅの貫通孔に位置する。図１３に示す例では、管体３４は、例えば、天板１２Ｅに差込み溶接されている。この場合であっても、第２管部３２Ｅは、天板１２Ｅの一部と管体３４とで構成される。

前述の第１実施形態では、受熱部１０は、１つの収容室Ｓ１０を有するが、複数の収容室Ｓ１０を有してもよい。受熱部１０が複数の収容室Ｓ１０を有する場合、受熱部１０は、収容室Ｓ１０を形成する複数の容器を有してもよい。また、前述の第１実施形態では、放熱部２０は、複数の放熱容器２１を有するが、放熱部２０は１つの放熱容器２１のみを有してもよい。また、前述の第１実施形態では、熱輸送部３０は、複数の第１管部３１および複数の第２管部３２を有するが、１つの第１管部３１および１つの第２管部３２のみを有してもよい。

前述の第１実施形態では、１つの受熱部１０に、複数の第１管部３１および複数の第２管部３２が接続されている。しかし、１つの受熱部１０に、１つの第１管部３１および１つの第２管部３２のみが接続されてもよい。この場合、１つの収容室Ｓ１０を有する受熱部１０は、１つの第１管部３１および１つの第２管部３２を介して１つの凝縮室Ｓ２０を有する放熱部２０に接続されてもよい。すなわち、１つの収容室Ｓ１０は、１つの第１流路Ｓ１および１つの第２流路Ｓ２を介して１つの凝縮室Ｓ２０に連通してもよい。

以上、好適な各実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明は前述の実施形態に限定されない。前述した各実施形態の任意の構成同士を組み合わせてもよい。例えば、本発明は、第１実施形態の第２管部３２および第３実施形態の第１管部３１Ｂおよび天板１２Ｂを組み合わせた形態であってもよい。また、本発明の各部の構成は、前述の実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成に置換でき、また、任意の構成を付加できる。

１…沸騰冷却装置、１０…受熱部、１１…底板、１２…天板、１２Ｂ…天板、１２Ｅ…天板、１３…側壁、２０…放熱部、２１…放熱容器、２２…放熱フィン、３０…熱輸送部、３０Ａ…熱輸送部、３０Ｂ…熱輸送部、３１…第１管部、３１Ｂ…第１管部、３２…第２管部、３２Ａ…第２管部、３２Ｂ…第２管部、３２Ｃ…第２管部、３２Ｄ…第２管部、３２Ｅ…第２管部、１２０…内壁面、１２１…下側開口端、１２５…内壁面、２１１…底板、２１２…天板、２１３…筒部、３１０…第１内壁面、３１１…第３開口縁、３１２…第４開口縁、３２０…第２内壁面、３２０Ａ…第２内壁面、３２０Ｂ…第２内壁面、３２０Ｄ…第２内壁面、３２０ｘ…内周、３２１…第１開口縁、３２１Ａ…第１開口縁、３２１Ｃ…第１開口縁、３２１Ｄ…第１開口縁、３２２…第２開口縁、３２２Ｂ…第２開口縁、３２５…円筒面、３２６…傾斜面、３２６Ｂ…第１傾斜面、３２６Ｄ…傾斜面、３２７…第２傾斜面、３３…管体、３３０…内壁面、３４…管体、３４０…内壁面、Ａ１…中心軸、Ａ２…中心軸、Ｄｉ…内径、Ｄｒ…液滴、Ｄｒ０…液滴、Ｏ２…中心、Ｒ０…上面、ＲＥ…冷媒、ＲＥ０…液面、Ｒｅｘ…曲率半径、Ｒｉ…曲率半径、Ｓ１…第１流路、Ｓ１Ｂ…第１流路Ｓ１０…収容室、Ｓ２…第２流路、Ｓ２０…凝縮室、Ｓ２１…収容室、Ｓ２Ａ…第２流路、Ｓ２Ｂ…第２流路、Ｓ２Ｅ…第２流路、Ｓ３…貫通孔、Ｓ４…貫通孔、θ１…傾斜角度、θ２…傾斜角度、θ３…傾斜角度、θ４…傾斜角度、θ５…傾斜角度。

Claims (8)

1. 冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、
   前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、
   前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送する第１流路を形成する第１内壁面を有する第１管部と、
   前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する第２流路を形成する第２内壁面を有する第２管部と、を備え、
   前記第２内壁面は、前記受熱部に向けて開口する第１開口縁と、前記放熱部に向けて開口する第２開口縁と、を有し、
   前記第１開口縁の長さは、前記第２管部の長手方向の中心における内周の長さよりも長い、
   沸騰冷却装置。
2. 前記第１開口縁の開口面積は、前記第２流路の長手方向の中心での断面積よりも大きい、
   請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記第２内壁面は、前記第２流路の中心軸に対して傾斜する傾斜面を有し、
   前記傾斜面は、前記第１開口縁に向かって漸次大きくなる、
   請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記第１開口縁は、前記第２管部の中心軸の直交平面に対して傾斜する平面に沿う、
   請求項１に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記第１流路の平均断面積は、前記第２流路の平均断面積よりも大きい、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
6. 前記第１管部の一部は、前記放熱部に存在する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
7. 前記放熱部は、複数の凝縮室を有し、
   前記第１管部は、前記複数の凝縮室のそれぞれに設けられ、
   前記第２管部は、前記複数の凝縮室のそれぞれに設けられる、
   請求項１から６のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
8. 前記第２内壁面は、前記第２開口縁に向かって漸次大きくなる部分を有する、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。

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