JP3876490B2 - 沸騰冷却装置及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却するための沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末等の需要により、あらゆる姿勢での使用に対応できる沸騰冷却装置が要求されている。そこで、本出願人は、図２８に示す様に、密閉容器１１０内に伝熱部材１２０を備えた沸騰冷却装置１００を出願した（特願平８−３１３５３６号参照）。この沸騰冷却装置１００は、発熱体１３０が取り付けられる受熱壁１４０と、この受熱壁１４０と対向する放熱壁１５０との間に熱伝導性に優れた伝熱部材１２０を介在させて、この伝熱部材１２０により両壁面（受熱壁１４０と放熱壁１５０）を熱的に連結している。これによれば、図２８に示す様に受熱壁１４０が放熱壁１５０より上方側に位置する使用状態の時でも、発熱体１３０から放出された熱を受熱壁１４０から伝熱部材１２０を通じて放熱壁１５０へ伝達できるとともに、伝熱部材１２０を通じて冷媒Ｒにも熱伝達できるため、冷媒Ｒが受熱壁１４０に接触していなくても十分に発熱体１３０を冷却することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願の沸騰冷却装置では、伝熱部材１２０を密閉容器１１０と一体に切削によって加工しているため、伝熱部材１２０の形状、寸法精度、及び加工限界等の制約が生じる。その結果、コストが高く、且つ量産性に乏しいという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、コストを低くでき、且つ量産性の高い沸騰冷却装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の手段によれば、伝熱部が開口部を有する１枚以上の平板部材によって形成され、その平板部材が受熱壁及び放熱壁とともに積層されて密閉容器を形成している。この様に積層構造とすることにより、伝熱部を具備する密閉容器を容易に製造できるため、コストダウンが可能となり、且つ量産性も向上する。また、平板部材に形成される開口部は、その大きさ、形状、数等を適宜変更することができるため、密閉容器の設計自由度が向上する。なお、伝熱部は１枚の平板部材で形成することもできるが、複数枚の平板部材を積層して形成しても良い。
また、伝熱部は、発熱体の取付け部位に対応する領域の少なくとも中央部に設けられている。この場合、発熱体が密閉容器の上側に配置されても、発熱体から発生した熱が受熱壁から伝熱部を通じて放熱壁へ伝達されるとともに、伝熱部に接触する液冷媒にも熱伝達されるため、密閉容器内の液冷媒が直接受熱壁に接触していなくても発熱体の冷却が可能である。なお、伝熱部を有していない密閉容器の場合は、発熱体を密閉容器の下側に配置して使用すると、発熱体が取り付けられた領域全体で冷媒の沸騰が行われるため、液冷媒の供給が冷媒の沸騰により妨げられて領域の中央部まで液冷媒が十分に戻ることができない。従って、領域の中央部に伝熱部を設けても冷媒の沸騰面積が減少する分は少なく、それよりも伝熱面積を確保できるメリットの方が大きいと言える。仮に、密閉容器から冷媒が抜け出てしまった場合でも、受熱壁から伝熱部を通じて放熱壁へ熱伝達できることから、ある程度の冷却性能を確保できるメリットもある。
さらに、伝熱部の周囲において液冷媒が接触する開口部の開口面積（開口部の周壁面の表面積）が他の部位より大きく設けられているため、冷媒の沸騰可能な表面積が増加する。その結果、領域の少なくとも中央部に伝熱部を設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができるため、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。なお、開口部の開口面積を他の部位より大きくする手段として、伝熱部の周囲のみ開口部を密に設ける。または開口部の周壁面に細かい凹凸を形成する。更には、積層された上下の平板部材で開口部の幅が異なる様に配置する等の方法が考えられる。
【０００５】
請求項２の手段によれば、平板部材には、開口部がスリット状に複数形成され、領域の少なくとも中央部に設けられる伝熱部の周囲のみ、スリット状の開口部に細かい凹凸を形成したことを特徴とする。
請求項３の手段によれば、密閉容器は、受熱壁と放熱壁との間に複数枚の平板部材を積層して形成され、各平板部材には、それぞれ開口部がスリット状に複数形成されると共に、領域の少なくとも中央部に設けられる伝熱部の周囲のみ、開口部のスリット幅が積層方向で異なる様に、伝熱部の周囲にスリット幅の大きい開口部が形成された平板部材と、伝熱部の周囲にスリット幅の小さい開口部が形成された平板部材とが交互に重ね合わされていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の手段によれば、複数枚の平板部材を積層して伝熱部を形成し、且つ平板部材の開口部同士が連通して密閉空間を形成し、この密閉空間が、発熱体の取付け部位を中心として受熱壁側から放熱壁側へ向かって次第に広くなる形状に形成されている。これにより、沸騰した冷媒蒸気が容器内壁面に凝縮して液化した後、その凝縮液が発熱体の取付け部位上方に形成される密閉空間に戻る時の冷媒戻りが促進されるため、冷却性能が向上する。また、密閉空間を受熱壁側から放熱壁側へ向かって次第に広くすることで必要な冷媒量を少なくできるため、その分コストダウンを図ることができる。
【０００９】
請求項５の手段によれば、複数枚の平板部材を積層して伝熱部を形成し、且つ密閉容器内に発熱体の取付け部位を中心として放射状に伸びた開口部が形成される。これにより、発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が開口部を放射状に流れるため、冷媒蒸気がスムーズに開口部全体に拡散される。その結果、放熱性能が向上して効率良く発熱体を冷却できる。
【００１０】
請求項６の手段によれば、複数枚の平板部材を積層して伝熱部を形成し、且つ平板部材の開口部同士が連通して密閉空間を形成し、この密閉空間を流れる冷媒の主流方向が受熱壁側から放熱壁側へ向かって次第に縦方向（各部材の積層方向）から横方向（積層方向と直交する方向）へ変化している。これにより、発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が受熱壁側では早く上昇し、放熱壁側ではスムーズに横方向へ拡散できる。その結果、熱の移動が受熱壁から放熱壁へ効果的に行われるため放熱性能が向上する。
【００１１】
請求項７の手段によれば、密閉容器内に冷媒を注入するための注入口が積層された複数枚の平板部材と一体に形成されている。これにより、冷媒を注入するための注入パイプを新たに設ける必要がないため、部品点数を削減して組付け工数を減らすことができる。
【００１２】
請求項８の手段によれば、平板部材は、開口部がプレス、切削、あるいはエッチングの何れかの加工方法により形成されている。この場合、プレス加工またはエッチング加工を用いて開口部を形成すれば、切削加工より低コストであるとともに、寸法精度を高くすることが可能である。特に、エッチング加工を用いた場合は、平板部材の板厚と同程度の開口部幅まで形成できるため、隣接する伝熱部同士の間隔を微小幅に形成することも可能である。また、切削加工の場合でも、従来の様に容器と一体に伝熱部を切削する場合より加工が容易である。
【００１３】
請求項９の手段によれば、密閉容器は、一体ろう付けによって製造されている。密閉容器を積層構造として一体ろう付けすることにより容易に製造できる。この場合、密閉容器を構成する各部材（受熱壁、平板部材、及び放熱壁）は、ろう付け可能な金属材料（例えばアルミニウム）で構成されることは言うまでもない。例えば、母材となるアルミニウム板の表面にろう材層が形成されたクラッド材を使用することもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の沸騰冷却装置を図面に基づいて説明する。
図１は沸騰冷却装置１の断面図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、例えば、携帯端末に使用される半導体素子を具備した発熱体２を冷却するもので、密閉容器３と放熱フィン４を備える。
密閉容器３は、下側壁面を形成する受熱壁５と上側壁面を形成する放熱壁６、及び受熱壁５と放熱壁６との間に積層される第１の平板部材７と第２の平板部材８より構成され、全体が一体ろう付けにより製造されている。
【００１６】
受熱壁５、放熱壁６、及び各平板部材７、８は、それぞれろう付けが可能で、熱伝導性に優れる金属板（例えばアルミニウム板）から成り、それぞれ平面形状が同一面積の長方形に形成されている。具体的には、母材となるアルミニウム板の表面にろう材層が形成されたクラッド材を使用している。
受熱壁５と放熱壁６は、所要の強度を確保するために各平板部材７、８より板厚が厚く形成されている（図１参照）。但し、図３では、便宜上、受熱壁５と放熱壁６の板厚を各平板部材７、８と略同一寸法に示している。
【００１７】
平板部材７は、図２に示す様に、スリット状の開口部７ａが部材の縦方向（図２の上下方向）に沿って複数本形成されている。
平板部材８は、図３に示す様に、スリット状の開口部８ａが部材の横方向（図３の左右方向）に沿って複数本形成されている。
平板部材７の開口部７ａと平板部材８の開口部８ａは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成され、そのスリット幅Ａ（図２及び図３参照）が略同一に設けられている。
【００１８】
密閉容器３は、図４に示す様に、平板部材７と平板部材８とが受熱壁５と放熱壁６との間に交互に積層されて、平板部材７の開口部７ａと平板部材８の開口部８ａとが交差する位置で互いの開口部７ａ、８ａ同士が連通して密閉空間が形成され、その密閉空間に注入パイプ９を通じて所定量の冷媒が注入され、注入後、注入パイプ９の先端を封じ切って密閉される。なお、注入パイプ９は、放熱壁６（または受熱壁５）を貫通して密閉空間に通じる貫通穴（図示しない）に差し込まれてろう付けされている。また、各平板部材７、８には、必要に応じて冷媒注入用の穴を設けても良い。
この密閉容器３には、各平板部材７、８のそれぞれ隣合う開口部７ａ、７ａ間及び開口部８ａ、８ａ間に形成される板厚部７ｂ、８ｂ同士が上下方向（積層方向）に交差して柱状の伝熱部１０が形成されている。この伝熱部１０は、各平板部材７、８の板厚部７ｂ、８ｂ同士が交差する位置毎に設けられて、それぞれ下端面が受熱壁５と接触し、上端面が放熱壁６と接触して、受熱壁５と放熱壁６とを熱的に連結している。
【００１９】
発熱体２は、密閉容器３の受熱壁５の略中央部に配されて、図示しないボルト等の締め付けにより受熱壁５に固定されている。なお、発熱体２と受熱壁５との間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。
放熱フィン４は、熱伝導性に優れるアルミニウム等の金属製で、図１に示す様に、放熱壁６に対して直立して設けられている。なお、この放熱フィン４は、放熱壁６と一体に形成されている。
【００２０】
次に、本実施例の作動を説明する。
ａ）発熱体２が密閉容器３の下側に配置される使用状態（受熱壁５が放熱壁６の下方側に位置する／図１に示す状態）の時。
発熱体２から発生した熱は、受熱壁５を通じて密閉容器３内に封入された冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させるとともに、受熱壁５から各伝熱部１０を通じて放熱壁６へ伝達される。なお、発熱体２から受熱壁５へ伝わる熱は、発熱体２の取付け部位から遠くなる程低くなるため、密閉容器３内の冷媒は、主に発熱体２の取付け部位に対応する領域（以下、沸騰領域と言う）で沸騰する。この沸騰領域で沸騰した冷媒蒸気は、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａを通って密閉容器３内の密閉空間（各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａ同士が連通する空間）全体に拡がり、密閉空間の沸騰領域から外れた領域（以下、凝縮領域と言う）で密閉容器３の内壁面（主に放熱壁６の内面及び伝熱部１０の壁面）に凝縮して液化する。
液化した冷媒は、凝縮領域から再び沸騰領域に供給されて、上記サイクル（沸騰−凝縮−液化）を繰り返す。発熱体２から冷媒に伝達された熱は、冷媒蒸気が密閉容器３の内壁面に凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱が密閉容器３の放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気へ放出される。一方、受熱壁５から伝熱部１０を通じて放熱壁６に伝達された熱も、放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気に放出される。
【００２１】
ｂ）発熱体２が密閉容器３の上側に配置される使用状態（受熱壁５が放熱壁６の上方側に位置する）の時。
発熱体２から発生した熱は、受熱壁５から各伝熱部１０を通じて放熱壁６へ伝達されるとともに、各伝熱部１０に接触する冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させる。なお、発熱体２の取付け部位から遠くなる程、伝熱部１０の温度も低くなるため、密閉容器３内の冷媒は主に沸騰領域で沸騰する。この沸騰領域で沸騰した冷媒蒸気は、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａを通って密閉容器３内の密閉空間全体に拡がり、密閉空間の沸騰領域から外れた凝縮領域で密閉容器３の内壁面（主に受熱壁５の内面、密閉容器側壁面、伝熱部１０の壁面等）に凝縮して液化する。
液化した冷媒は、凝縮領域から再び沸騰領域に供給されて、上記サイクル（沸騰−凝縮−液化）を繰り返す。発熱体２から冷媒に伝達された熱は、冷媒蒸気が密閉容器３の内壁面に凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱が密閉容器３の放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気へ放出される。一方、受熱壁５から伝熱部１０を通じて放熱壁６に伝達された熱も、放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気に放出される。
【００２２】
（本実施例の効果）
本実施例では、密閉容器３内に複数本の伝熱部１０を設けたことにより、その伝熱部１０によって沸騰領域では放熱面積が増大し、凝縮領域では凝縮面積が増大する。その結果、放熱面積及び凝縮面積の増大した分、放熱性能を向上させることができる。また、発熱体２が密閉容器３の上壁面に配置される使用状態の時でも、各伝熱部１０によって発熱体２の熱を冷媒に伝達できるため、発熱体２を冷却できるだけの十分な冷却性能を確保できる。
この伝熱部１０を具備する密閉容器３を、受熱壁５と放熱壁６との間に各平板部材７、８を積層するだけで簡単に構成でき、一体ろう付けによって製造できるため、先願と比較しても極めて製造が容易であり、量産性が向上するとともに、コストを低く抑えることができる。
【００２３】
更に、柱状の伝熱部１０を積層された複数枚の平板部材７、８によって形成することから、各平板部材７、８に設けられる開口部７ａ、８ａの形状に応じて伝熱部１０の形状、寸法等を適宜変更できるため、設計自由度が向上する。
また、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａをエッチング加工によって形成すれば、部材の板厚と同程度のスリット幅Ａを形成することができる（例えば、板厚０．６mmの金属板にスリット幅０．６mmの開口部７ａ、８ａを形成できる）ため、隣接する伝熱部１０間の寸法を容易に小さくできる。
【００２４】
（第２実施例）
図５は密閉容器３の断面図である。
本実施例では、発熱体２の取付け部位に対応する領域に伝熱部１０を密に配置した一例を示すものである。この場合、各平板部材７、８の隣接する開口部７ａ同士および開口部８ａ同士の間隔を部材中央部で小さく、部材周辺部で大きく設定するとともに、開口部７ａ、８ａのスリット幅Ａを部材中央部で小さく、部材周辺部で大きく形成している（なお、図５には平板部材８の開口部８ａは図示されない）。そして、この各平板部材７、８を交互に積層することにより、図５に示す様に、発熱体２の取付け部位に対応する領域で伝熱部１０を密に配置することができる。これにより、発熱体２の取付け部位に対応する領域（熱流束の大きな部位）で伝熱性が向上するため、放熱性能を向上できる。特に、発熱体２を取り付けた受熱壁５が放熱壁６の上方側に配置される不利な姿勢での使用時でも性能の低下を防ぐことができる。
【００２５】
（第３実施例）
図６は密閉容器３の断面図である。
本実施例では、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａによって形成される密閉空間が、受熱壁５側で狭く、放熱壁６側で広くなるすり鉢状に形成されている（なお、図６には平板部材８の開口部８ａは図示されない）。この場合、最も放熱壁６側に配される平板部材７または平板部材８には部材周辺部まで開口部７ａまたは開口部８ａを形成し、最も受熱壁５側に配される平板部材７または平板部材８には部材中央部のみ開口部７ａまたは開口部８ａを形成して、その間に積層される平板部材７、８には、放熱壁６側から受熱壁５側へ向かって順次部材周辺部の開口部７ａ、８ａを減らしている。この各平板部材７、８を積層することにより、図６に示す様に、すり鉢状の密閉空間が形成される。
これにより、沸騰領域への凝縮液の戻りが促進されるため、冷却性能が向上する。また、密閉空間をすり鉢状としたことで、冷媒量を減らすことができ、その分コストダウンを図ることも可能である。
【００２６】
（第４実施例）
図７は密閉容器３の断面図である。
本実施例は、密閉容器３内の密閉空間を冷媒が移動し易くして放熱性の向上を図った一例を示すものである。この密閉容器３は、図２及び図３に示した各平板部材７、８を受熱壁５上に１枚ずつ交互に積層し、積層途中から各平板部材７、８を２枚以上連続して（図７では２枚）積層した後、最後に放熱壁６を積層して構成されている。
この場合、密閉空間を流れる冷媒の主流方向が受熱壁５近傍では縦方向（積層方向）となり、放熱壁６近傍では横方向（積層方向と直交する方向）となる。これにより、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が受熱壁５側では早く上昇し、放熱壁６側ではスムーズに横方向へ拡散できるため、熱の移動が受熱壁５から放熱壁６へ効果的に行われて放熱性能が向上する。
なお、受熱壁５側で２枚以上連続して積層されている部分のみ、その積層された各平板部材７、８の厚さに相当する１枚の平板部材で構成することも可能であるが、この場合、開口部のスリット幅が大きくなってしまう（最小でも板厚と同程度）ため、隣接する伝熱部１０間の距離を最小スリット幅Ａに抑えることができない。従って、隣接する伝熱部１０間の距離を小さくするためには、開口部７ａ、８ａのスリット幅を小さくできる板厚の薄い平板部材７、８を連続して積層する方法が望ましい（なお、図７には平板部材８の開口部８ａは図示されない）。
【００２７】
（第５実施例）
図８は平板部材１１の斜視図である。
本実施例は、密閉容器３内の密閉空間を放射状に伸びた形状とした一例である。
この場合、１枚の平板部材１１に図８に示す様な放射状の開口部１１ａを形成し、その平板部材１１を受熱壁５と放熱壁６とで挟み込んで密閉容器３を構成している。これによれば、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が発熱体２の取付け部位を中心として密閉空間（開口部１１ａ）を放射状に流れるため、冷媒蒸気がスムーズに密閉空間全体に拡散される。その結果、放熱性能が向上して効率良く発熱体２を冷却できる。なお、本実施例の場合、伝熱部１０は、開口部１１ａの外周壁部によって形成されている。
【００２８】
（第６実施例）
図９（ａ）、（ｂ）は平板部材１２、１３の平面図である。
本実施例は、開口部の形状が異なる２種類以上（図９では２種類）の平板部材１２、１３を積層して密閉空間を放射状に伸びた形状とした一例である。
この場合、図９（ａ）に示す様に放射状の開口部１２ａが形成された一方の平板部材１２と、図９（ｂ）に示す様に円弧状の開口部１３ａが形成された他方の平板部材１３とを重ね合わせて受熱壁５及び放熱壁６とともに積層して密閉容器３を構成している。これにより、第５実施例と同様に放射状に伸びた密閉空間（開口部１２ａ、１３ａ）を形成できるため、冷媒蒸気がスムーズに密閉空間全体に拡散されて効率良く発熱体２を冷却できる。
【００２９】
（第７実施例）
図１０は密閉容器３の分解斜視図、図１１は密閉容器３の側面図である。
本実施例は、冷媒を注入するための注入口１４を各平板部材７、８と一体に形成した一例を示すものである。図１０に示す様に、各平板部材７、８の一側辺中央部に外側へ突出する突辺部７Ａ、８Ａを形成し、更に各突辺部７Ａ、８Ａのうち間に挟まれる１枚以上の突辺部７Ａまたは突辺部８Ａに注入用通路７ｇまたは注入用通路８ｇを形成して、各平板部材７、８を積層することにより、図１１に示す様に冷媒注入口１４を一体に形成することができる。この場合、図１に示した様な注入パイプ９を新たに設ける必要がないため、部品点数を削減して組付け工数を減らすことができる。
【００３０】
（第８実施例）
図１２は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、放熱フィン４を密閉容器３の放熱壁６と別体で設けて、螺子１５等で密閉容器３に固定した一例を示すものである。
この場合、放熱フィン４を放熱壁６と別体とすることにより、装置全体のレイアウト等からユーザーの要求に合致した性能、形態、大きさの放熱フィン４を選定できる。なお、放熱フィン４の固定方法は、熱伝導を損なわない方法であれば、接着、かしめ等の方法でも良い。
【００３１】
（第９実施例）
図１３は密閉容器３を構成する各部材の斜視図、図１５は密閉容器３の斜視図である。なお、発熱体２の取付け位置を図１３〜図１６に二点鎖線で示す。
本実施例では、伝熱部１０（図１６参照）が冷媒の沸騰領域（発熱体２の取付け部位に対応する領域）の少なくとも中央部に大きく設けられ、且つその伝熱部１０の周囲において各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａが細かく形成されている。
平板部材７は、図１４（ａ）に示す様に、スリット状に形成された複数本の開口部７ａが等間隔に設けられ、部材の略中央部には矩形状の板厚部７ｃを有している。また、板厚部７ｃの周囲では、開口部７ａが複数本に枝分かれして形成されている。
平板部材８は、図１４（ｂ）に示す様に、スリット状に形成された複数本の開口部８ａが等間隔に設けられ、部材の略中央部には矩形状の板厚部８ｃを有している。また、板厚部８ｃの周囲では、開口部８ａが複数本に枝分かれして形成されている。
各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成することができる。
【００３２】
密閉容器３は、図１６に示す様に、平板部材７と平板部材８とが受熱壁５と放熱壁６との間に交互に積層され、平板部材７の開口部７ａと平板部材８の開口部８ａとが交差する位置で互いの開口部７ａ、８ａ同士が連通して密閉空間を形成している。また、この密閉容器３には、各平板部材７、８のそれぞれ隣合う開口部７ａ、７ａ間に形成される板厚部７ｂと開口部８ａ、８ａ間に形成される板厚部８ｂ及び前記板厚部７ｃ、８ｃ同士が上下方向（積層方向）に重なって柱状の伝熱部１０（以下、沸騰領域の中央部に形成される伝熱部を１０ａとする）が形成されている。
【００３３】
この沸騰冷却装置によれば、発熱体２が密閉容器３の上側に配置される使用状態の時でも、発熱体２から発生した熱が受熱壁５から沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部１０ａを通じて放熱壁６へ伝達されるため、密閉容器３内の液冷媒が直接受熱壁５に接触していなくても発熱体２の冷却が可能である。
また、伝熱部１０ａに接触する液冷媒にも熱伝達されて冷媒を沸騰させることができるが、伝熱部１０ａの周囲で開口部７ａ、８ａが枝分かれして細かく形成されているため、液冷媒が接触する伝熱部１０ａの面積（開口部７ａ、８ａの周壁面の表面積）が増加して冷媒の沸騰可能な表面積が増加する。その結果、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部１０ａを大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができるため、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【００３４】
但し、伝熱部１０（１０ａを含む）を有していない密閉容器３の場合は、発熱体２を密閉容器３の下側に配置して使用すると、発熱体２が取り付けられた領域全体で冷媒の沸騰が行われるため、液冷媒の供給が冷媒の沸騰により妨げられて沸騰領域の中央部まで液冷媒が十分に戻ることができない。従って、沸騰領域の中央部に伝熱部１０ａを設けても、冷媒の沸騰可能な表面積の減少分は少なく、それより発熱体２を上側に配置した場合の伝熱面積を確保できるメリットの方が大きいと言える。
また、本実施例では、仮に密閉容器３から冷媒が抜け出てしまった場合でも、受熱壁５から伝熱部１０（１０ａを含む）を通じて放熱壁６へ熱伝達できることから、ある程度の冷却性能を確保できるメリットもある。
【００３５】
（第１０実施例）
図１７は密閉容器３を構成する各部材の斜視図、図１９は密閉容器３の斜視図である。なお、発熱体２の取付け位置を図１７〜図２０に二点鎖線で示す。
本実施例は、冷媒沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部１０ａを大きく設けた場合の他の例である。
各平板部材は、図１８（ａ）、（ｂ）に示す様に、部材の略中央部に矩形状の板厚部７ｃ、８ｃを残して、それぞれスリット状の開口部７ａ、８ａが複数本形成されている。従って、密閉容器３には、各平板部材７、８のそれぞれ隣合う開口部７ａ、７ａ間に形成される板厚部７ｂと開口部８ａ、８ａ間に形成される板厚部８ｂ及び前記板厚部７ｃ、８ｃ同士が上下方向（積層方向）に重なって柱状の伝熱部１０（１０ａを含む）が形成されている（図２０参照）。
本実施例においても、第９実施例と同様に、発熱体２が密閉容器３の上側に配置される使用状態の時（図２０に示す状態）でも、発熱体２から発生した熱が受熱壁５から沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部１０ａを通じて放熱壁６へ伝達されるため、密閉容器３内の液冷媒が直接受熱壁５に接触していなくても発熱体２の冷却が可能である。
【００３６】
（第１１実施例）
図２１（ａ）、（ｂ）は平板部材７、８の平面図（発熱体２の取付け位置を二点鎖線で示す）である。
本実施例は、平板部材７、８に形成された複数本の開口部７ａ、８ａのうち、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部（図示せず）を挟んで対向する開口部７ａ、８ａに楔状のテーパ面７ｄ、８ｄが形成されている。この場合、テーパ面７ｄ、８ｄで発生した気泡が成長すると、テーパ面７ｄ、８ｄの拘束によりテーパの広がった方向へ気泡が押し出されるため、気泡の抜けが良くなって放熱性能の向上に寄与できる。
【００３７】
（第１２実施例）
図２２（ａ）、（ｂ）及び図２３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平板部材７、８の平面図（発熱体２の取付け位置を二点鎖線で示す）である。
本実施例は、各平板部材７、８において、スリット幅の大きい開口部７ａ、８ａとスリット幅の小さい開口部７ｅ、８ｅとを組み合わせて形成した例を示すものである。
図２２では、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部（図示せず）の周囲のみスリット幅の小さい開口部７ｅ、８ｅが形成され、且つ隣合う開口部７ｅ、７ｅ同士間、及び開口部８ｅ、８ｅ同士間のピッチも小さく設定されている。図２３では、スリット幅の小さい開口部７ｅ、８ｅを長手方向へ延長して形成したもので、図２２の場合より開口部７ａ、７ｅ、８ａ、８ｅの数を少なくできる。
これらの場合、沸騰領域において液冷媒が接触する伝熱部の面積（開口部７ｅ、８ｅ周壁面の表面積）が増加して冷媒の沸騰可能な表面積が増加するため、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部を大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができ、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【００３８】
（第１３実施例）
図２４（ａ）、（ｂ）は平板部材７、８の平面図（発熱体２の取付け位置を二点鎖線で示す）である。
本実施例は、各平板部材７、８において、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部（図示せず）の周囲のみ開口部７ａ、８ａに細かい凹凸７ｆ、８ｆを形成したものである。
本実施例でも、第１２実施例と同様に、沸騰領域において液冷媒が接触する伝熱部の面積（開口部７ａ、８ａ周壁面の表面積）が増加して冷媒の沸騰可能な表面積が増加するため、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部を大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができ、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【００３９】
（第１４実施例）
図２５は密閉容器３を構成する各部材の斜視図、図２６は密閉容器３の斜視図である。なお、発熱体２の取付け位置を図２５〜図２７に二点鎖線で示す。
本実施例は、平板部材７の開口部７ａ、７ｅと平板部材８の開口部８ａとでスリット幅が異なる場合の一例を示すものである。
平板部材７は、図２５に示す様に、部材中央部に形成される開口部７ｅのみ他の開口部７ａよりスリット幅が小さく設定されている。
平板部材８に形成された開口部８ａは、平板部材７の他の開口部７ａと同様のスリット幅に設定されている。
これにより、各平板部材７、８を積層すると、図２７に示す様に、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部１０ａの周囲のみ、各平板部材７、８の積層方向で開口部７ｅ、８ａの幅が大きくなったり小さくなったりする。その結果、開口部７ａ、８ａの幅が同一の場合と比較して、冷媒の沸騰可能な表面積が増加するため、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部１０ａを大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができ、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の斜視図である（第１実施例）。
【図２】平板部材の平面図である（第１実施例）。
【図３】平板部材の平面図である（第１実施例）。
【図４】密閉容器の断面図である（第１実施例）。
【図５】密閉容器の断面図である（第２実施例）。
【図６】密閉容器の断面図である（第３実施例）。
【図７】密閉容器の断面図である（第４実施例）。
【図８】平板部材の斜視図である（第５実施例）。
【図９】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第６実施例）。
【図１０】密閉容器の分解斜視図である（第７実施例）。
【図１１】密閉容器の側面図である（第７実施例）。
【図１２】沸騰冷却装置の斜視図である（第８実施例）。
【図１３】密閉容器を構成する各部材の斜視図である（第９実施例）。
【図１４】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第９実施例）。
【図１５】密閉容器の斜視図である（第９実施例）。
【図１６】密閉容器の断面図である（第９実施例）。
【図１７】密閉容器を構成する各部材の斜視図である（第１０実施例）。
【図１８】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１０実施例）。
【図１９】密閉容器の斜視図である（第１０実施例）。
【図２０】密閉容器の断面図である（第１０実施例）。
【図２１】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１１実施例）。
【図２２】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１２実施例）。
【図２３】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１２実施例）。
【図２４】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１３実施例）。
【図２５】密閉容器を構成する各部材の斜視図である（第１４実施例）。
【図２６】密閉容器の斜視図である（第１４実施例）。
【図２７】密閉容器の断面図である（先願例）。
【図２８】沸騰冷却装置の断面図である（先願例）。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置
２ 発熱体
３ 密閉容器
５ 受熱壁
６ 放熱壁
７ 平板部材
７ａ 開口部
７ｂ 板厚部（連結板部）
８ 平板部材
８ａ 開口部
８ｂ 板厚部（連結板部）
１０ 伝熱部
１０ａ 沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部
１１ 平板部材（第５実施例）
１２ 平板部材（第６実施例）
１３ 平板部材（第６実施例）
１４ 注入口
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却するための沸騰冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、携帯端末等の需要により、あらゆる姿勢での使用に対応できる沸騰冷却装置が要求されている。そこで、本出願人は、図２８に示す様に、密閉容器１１０内に伝熱部材１２０を備えた沸騰冷却装置１００を出願した（特願平８−３１３５３６号参照）。この沸騰冷却装置１００は、発熱体１３０が取り付けられる受熱壁１４０と、この受熱壁１４０と対向する放熱壁１５０との間に熱伝導性に優れた伝熱部材１２０を介在させて、この伝熱部材１２０により両壁面（受熱壁１４０と放熱壁１５０）を熱的に連結している。これによれば、図２８に示す様に受熱壁１４０が放熱壁１５０より上方側に位置する使用状態の時でも、発熱体１３０から放出された熱を受熱壁１４０から伝熱部材１２０を通じて放熱壁１５０へ伝達できるとともに、伝熱部材１２０を通じて冷媒Ｒにも熱伝達できるため、冷媒Ｒが受熱壁１４０に接触していなくても十分に発熱体１３０を冷却することが可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、先願の沸騰冷却装置では、伝熱部材１２０を密閉容器１１０と一体に切削によって加工しているため、伝熱部材１２０の形状、寸法精度、及び加工限界等の制約が生じる。その結果、コストが高く、且つ量産性に乏しいという問題があった。
本発明は、上記事情に基づいて成されたもので、その目的は、コストを低くでき、且つ量産性の高い沸騰冷却装置及びその製造方法を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
請求項１の手段によれば、伝熱部が開口部を有する１枚以上の平板部材によって形成され、その平板部材が受熱壁及び放熱壁とともに積層されて密閉容器を形成している。この様に積層構造とすることにより、伝熱部を具備する密閉容器を容易に製造できるため、コストダウンが可能となり、且つ量産性も向上する。また、平板部材に形成される開口部は、その大きさ、形状、数等を適宜変更することができるため、密閉容器の設計自由度が向上する。なお、伝熱部は１枚の平板部材で形成することもできるが、複数枚の平板部材を積層して形成しても良い。
また、伝熱部は、発熱体の取付け部位に対応する領域の少なくとも中央部に設けられている。この場合、発熱体が密閉容器の上側に配置されても、発熱体から発生した熱が受熱壁から伝熱部を通じて放熱壁へ伝達されるとともに、伝熱部に接触する液冷媒にも熱伝達されるため、密閉容器内の液冷媒が直接受熱壁に接触していなくても発熱体の冷却が可能である。なお、伝熱部を有していない密閉容器の場合は、発熱体を密閉容器の下側に配置して使用すると、発熱体が取り付けられた領域全体で冷媒の沸騰が行われるため、液冷媒の供給が冷媒の沸騰により妨げられて領域の中央部まで液冷媒が十分に戻ることができない。従って、領域の中央部に伝熱部を設けても冷媒の沸騰面積が減少する分は少なく、それよりも伝熱面積を確保できるメリットの方が大きいと言える。仮に、密閉容器から冷媒が抜け出てしまった場合でも、受熱壁から伝熱部を通じて放熱壁へ熱伝達できることから、ある程度の冷却性能を確保できるメリットもある。
さらに、伝熱部の周囲において液冷媒が接触する開口部の開口面積（開口部の周壁面の表面積）が他の部位より大きく設けられているため、冷媒の沸騰可能な表面積が増加する。その結果、領域の少なくとも中央部に伝熱部を設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができるため、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。なお、開口部の開口面積を他の部位より大きくする手段として、伝熱部の周囲のみ開口部を密に設ける。または開口部の周壁面に細かい凹凸を形成する。更には、積層された上下の平板部材で開口部の幅が異なる様に配置する等の方法が考えられる。
【０００５】
請求項２の手段によれば、平板部材には、開口部がスリット状に複数形成され、領域の少なくとも中央部に設けられる伝熱部の周囲のみ、スリット状の開口部に細かい凹凸を形成したことを特徴とする。
請求項３の手段によれば、密閉容器は、受熱壁と放熱壁との間に複数枚の平板部材を積層して形成され、各平板部材には、それぞれ開口部がスリット状に複数形成されると共に、領域の少なくとも中央部に設けられる伝熱部の周囲のみ、開口部のスリット幅が積層方向で異なる様に、伝熱部の周囲にスリット幅の大きい開口部が形成された平板部材と、伝熱部の周囲にスリット幅の小さい開口部が形成された平板部材とが交互に重ね合わされていることを特徴とする。
【０００８】
請求項４の手段によれば、複数枚の平板部材を積層して伝熱部を形成し、且つ平板部材の開口部同士が連通して密閉空間を形成し、この密閉空間が、発熱体の取付け部位を中心として受熱壁側から放熱壁側へ向かって次第に広くなる形状に形成されている。これにより、沸騰した冷媒蒸気が容器内壁面に凝縮して液化した後、その凝縮液が発熱体の取付け部位上方に形成される密閉空間に戻る時の冷媒戻りが促進されるため、冷却性能が向上する。また、密閉空間を受熱壁側から放熱壁側へ向かって次第に広くすることで必要な冷媒量を少なくできるため、その分コストダウンを図ることができる。
【０００９】
請求項５の手段によれば、複数枚の平板部材を積層して伝熱部を形成し、且つ密閉容器内に発熱体の取付け部位を中心として放射状に伸びた開口部が形成される。これにより、発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が開口部を放射状に流れるため、冷媒蒸気がスムーズに開口部全体に拡散される。その結果、放熱性能が向上して効率良く発熱体を冷却できる。
【００１０】
請求項６の手段によれば、複数枚の平板部材を積層して伝熱部を形成し、且つ平板部材の開口部同士が連通して密閉空間を形成し、この密閉空間を流れる冷媒の主流方向が受熱壁側から放熱壁側へ向かって次第に縦方向（各部材の積層方向）から横方向（積層方向と直交する方向）へ変化している。これにより、発熱体の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が受熱壁側では早く上昇し、放熱壁側ではスムーズに横方向へ拡散できる。その結果、熱の移動が受熱壁から放熱壁へ効果的に行われるため放熱性能が向上する。
【００１１】
請求項７の手段によれば、密閉容器内に冷媒を注入するための注入口が積層された複数枚の平板部材と一体に形成されている。これにより、冷媒を注入するための注入パイプを新たに設ける必要がないため、部品点数を削減して組付け工数を減らすことができる。
【００１２】
請求項８の手段によれば、平板部材は、開口部がプレス、切削、あるいはエッチングの何れかの加工方法により形成されている。この場合、プレス加工またはエッチング加工を用いて開口部を形成すれば、切削加工より低コストであるとともに、寸法精度を高くすることが可能である。特に、エッチング加工を用いた場合は、平板部材の板厚と同程度の開口部幅まで形成できるため、隣接する伝熱部同士の間隔を微小幅に形成することも可能である。また、切削加工の場合でも、従来の様に容器と一体に伝熱部を切削する場合より加工が容易である。
【００１３】
請求項９の手段によれば、密閉容器は、一体ろう付けによって製造されている。密閉容器を積層構造として一体ろう付けすることにより容易に製造できる。この場合、密閉容器を構成する各部材（受熱壁、平板部材、及び放熱壁）は、ろう付け可能な金属材料（例えばアルミニウム）で構成されることは言うまでもない。例えば、母材となるアルミニウム板の表面にろう材層が形成されたクラッド材を使用することもできる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の沸騰冷却装置を図面に基づいて説明する。
図１は沸騰冷却装置１の断面図である。
本実施例の沸騰冷却装置１は、例えば、携帯端末に使用される半導体素子を具備した発熱体２を冷却するもので、密閉容器３と放熱フィン４を備える。
密閉容器３は、下側壁面を形成する受熱壁５と上側壁面を形成する放熱壁６、及び受熱壁５と放熱壁６との間に積層される第１の平板部材７と第２の平板部材８より構成され、全体が一体ろう付けにより製造されている。
【００１６】
受熱壁５、放熱壁６、及び各平板部材７、８は、それぞれろう付けが可能で、熱伝導性に優れる金属板（例えばアルミニウム板）から成り、それぞれ平面形状が同一面積の長方形に形成されている。具体的には、母材となるアルミニウム板の表面にろう材層が形成されたクラッド材を使用している。
受熱壁５と放熱壁６は、所要の強度を確保するために各平板部材７、８より板厚が厚く形成されている（図１参照）。但し、図３では、便宜上、受熱壁５と放熱壁６の板厚を各平板部材７、８と略同一寸法に示している。
【００１７】
平板部材７は、図２に示す様に、スリット状の開口部７ａが部材の縦方向（図２の上下方向）に沿って複数本形成されている。
平板部材８は、図３に示す様に、スリット状の開口部８ａが部材の横方向（図３の左右方向）に沿って複数本形成されている。
平板部材７の開口部７ａと平板部材８の開口部８ａは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成され、そのスリット幅Ａ（図２及び図３参照）が略同一に設けられている。
【００１８】
密閉容器３は、図４に示す様に、平板部材７と平板部材８とが受熱壁５と放熱壁６との間に交互に積層されて、平板部材７の開口部７ａと平板部材８の開口部８ａとが交差する位置で互いの開口部７ａ、８ａ同士が連通して密閉空間が形成され、その密閉空間に注入パイプ９を通じて所定量の冷媒が注入され、注入後、注入パイプ９の先端を封じ切って密閉される。なお、注入パイプ９は、放熱壁６（または受熱壁５）を貫通して密閉空間に通じる貫通穴（図示しない）に差し込まれてろう付けされている。また、各平板部材７、８には、必要に応じて冷媒注入用の穴を設けても良い。
この密閉容器３には、各平板部材７、８のそれぞれ隣合う開口部７ａ、７ａ間及び開口部８ａ、８ａ間に形成される板厚部７ｂ、８ｂ同士が上下方向（積層方向）に交差して柱状の伝熱部１０が形成されている。この伝熱部１０は、各平板部材７、８の板厚部７ｂ、８ｂ同士が交差する位置毎に設けられて、それぞれ下端面が受熱壁５と接触し、上端面が放熱壁６と接触して、受熱壁５と放熱壁６とを熱的に連結している。
【００１９】
発熱体２は、密閉容器３の受熱壁５の略中央部に配されて、図示しないボルト等の締め付けにより受熱壁５に固定されている。なお、発熱体２と受熱壁５との間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。
放熱フィン４は、熱伝導性に優れるアルミニウム等の金属製で、図１に示す様に、放熱壁６に対して直立して設けられている。なお、この放熱フィン４は、放熱壁６と一体に形成されている。
【００２０】
次に、本実施例の作動を説明する。
ａ）発熱体２が密閉容器３の下側に配置される使用状態（受熱壁５が放熱壁６の下方側に位置する／図１に示す状態）の時。
発熱体２から発生した熱は、受熱壁５を通じて密閉容器３内に封入された冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させるとともに、受熱壁５から各伝熱部１０を通じて放熱壁６へ伝達される。なお、発熱体２から受熱壁５へ伝わる熱は、発熱体２の取付け部位から遠くなる程低くなるため、密閉容器３内の冷媒は、主に発熱体２の取付け部位に対応する領域（以下、沸騰領域と言う）で沸騰する。この沸騰領域で沸騰した冷媒蒸気は、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａを通って密閉容器３内の密閉空間（各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａ同士が連通する空間）全体に拡がり、密閉空間の沸騰領域から外れた領域（以下、凝縮領域と言う）で密閉容器３の内壁面（主に放熱壁６の内面及び伝熱部１０の壁面）に凝縮して液化する。
液化した冷媒は、凝縮領域から再び沸騰領域に供給されて、上記サイクル（沸騰−凝縮−液化）を繰り返す。発熱体２から冷媒に伝達された熱は、冷媒蒸気が密閉容器３の内壁面に凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱が密閉容器３の放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気へ放出される。一方、受熱壁５から伝熱部１０を通じて放熱壁６に伝達された熱も、放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気に放出される。
【００２１】
ｂ）発熱体２が密閉容器３の上側に配置される使用状態（受熱壁５が放熱壁６の上方側に位置する）の時。
発熱体２から発生した熱は、受熱壁５から各伝熱部１０を通じて放熱壁６へ伝達されるとともに、各伝熱部１０に接触する冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させる。なお、発熱体２の取付け部位から遠くなる程、伝熱部１０の温度も低くなるため、密閉容器３内の冷媒は主に沸騰領域で沸騰する。この沸騰領域で沸騰した冷媒蒸気は、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａを通って密閉容器３内の密閉空間全体に拡がり、密閉空間の沸騰領域から外れた凝縮領域で密閉容器３の内壁面（主に受熱壁５の内面、密閉容器側壁面、伝熱部１０の壁面等）に凝縮して液化する。
液化した冷媒は、凝縮領域から再び沸騰領域に供給されて、上記サイクル（沸騰−凝縮−液化）を繰り返す。発熱体２から冷媒に伝達された熱は、冷媒蒸気が密閉容器３の内壁面に凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱が密閉容器３の放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気へ放出される。一方、受熱壁５から伝熱部１０を通じて放熱壁６に伝達された熱も、放熱壁６から放熱フィン４を通じて大気に放出される。
【００２２】
（本実施例の効果）
本実施例では、密閉容器３内に複数本の伝熱部１０を設けたことにより、その伝熱部１０によって沸騰領域では放熱面積が増大し、凝縮領域では凝縮面積が増大する。その結果、放熱面積及び凝縮面積の増大した分、放熱性能を向上させることができる。また、発熱体２が密閉容器３の上壁面に配置される使用状態の時でも、各伝熱部１０によって発熱体２の熱を冷媒に伝達できるため、発熱体２を冷却できるだけの十分な冷却性能を確保できる。
この伝熱部１０を具備する密閉容器３を、受熱壁５と放熱壁６との間に各平板部材７、８を積層するだけで簡単に構成でき、一体ろう付けによって製造できるため、先願と比較しても極めて製造が容易であり、量産性が向上するとともに、コストを低く抑えることができる。
【００２３】
更に、柱状の伝熱部１０を積層された複数枚の平板部材７、８によって形成することから、各平板部材７、８に設けられる開口部７ａ、８ａの形状に応じて伝熱部１０の形状、寸法等を適宜変更できるため、設計自由度が向上する。
また、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａをエッチング加工によって形成すれば、部材の板厚と同程度のスリット幅Ａを形成することができる（例えば、板厚０．６mmの金属板にスリット幅０．６mmの開口部７ａ、８ａを形成できる）ため、隣接する伝熱部１０間の寸法を容易に小さくできる。
【００２４】
（第２実施例）
図５は密閉容器３の断面図である。
本実施例では、発熱体２の取付け部位に対応する領域に伝熱部１０を密に配置した一例を示すものである。この場合、各平板部材７、８の隣接する開口部７ａ同士および開口部８ａ同士の間隔を部材中央部で小さく、部材周辺部で大きく設定するとともに、開口部７ａ、８ａのスリット幅Ａを部材中央部で小さく、部材周辺部で大きく形成している（なお、図５には平板部材８の開口部８ａは図示されない）。そして、この各平板部材７、８を交互に積層することにより、図５に示す様に、発熱体２の取付け部位に対応する領域で伝熱部１０を密に配置することができる。これにより、発熱体２の取付け部位に対応する領域（熱流束の大きな部位）で伝熱性が向上するため、放熱性能を向上できる。特に、発熱体２を取り付けた受熱壁５が放熱壁６の上方側に配置される不利な姿勢での使用時でも性能の低下を防ぐことができる。
【００２５】
（第３実施例）
図６は密閉容器３の断面図である。
本実施例では、各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａによって形成される密閉空間が、受熱壁５側で狭く、放熱壁６側で広くなるすり鉢状に形成されている（なお、図６には平板部材８の開口部８ａは図示されない）。この場合、最も放熱壁６側に配される平板部材７または平板部材８には部材周辺部まで開口部７ａまたは開口部８ａを形成し、最も受熱壁５側に配される平板部材７または平板部材８には部材中央部のみ開口部７ａまたは開口部８ａを形成して、その間に積層される平板部材７、８には、放熱壁６側から受熱壁５側へ向かって順次部材周辺部の開口部７ａ、８ａを減らしている。この各平板部材７、８を積層することにより、図６に示す様に、すり鉢状の密閉空間が形成される。
これにより、沸騰領域への凝縮液の戻りが促進されるため、冷却性能が向上する。また、密閉空間をすり鉢状としたことで、冷媒量を減らすことができ、その分コストダウンを図ることも可能である。
【００２６】
（第４実施例）
図７は密閉容器３の断面図である。
本実施例は、密閉容器３内の密閉空間を冷媒が移動し易くして放熱性の向上を図った一例を示すものである。この密閉容器３は、図２及び図３に示した各平板部材７、８を受熱壁５上に１枚ずつ交互に積層し、積層途中から各平板部材７、８を２枚以上連続して（図７では２枚）積層した後、最後に放熱壁６を積層して構成されている。
この場合、密閉空間を流れる冷媒の主流方向が受熱壁５近傍では縦方向（積層方向）となり、放熱壁６近傍では横方向（積層方向と直交する方向）となる。これにより、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が受熱壁５側では早く上昇し、放熱壁６側ではスムーズに横方向へ拡散できるため、熱の移動が受熱壁５から放熱壁６へ効果的に行われて放熱性能が向上する。
なお、受熱壁５側で２枚以上連続して積層されている部分のみ、その積層された各平板部材７、８の厚さに相当する１枚の平板部材で構成することも可能であるが、この場合、開口部のスリット幅が大きくなってしまう（最小でも板厚と同程度）ため、隣接する伝熱部１０間の距離を最小スリット幅Ａに抑えることができない。従って、隣接する伝熱部１０間の距離を小さくするためには、開口部７ａ、８ａのスリット幅を小さくできる板厚の薄い平板部材７、８を連続して積層する方法が望ましい（なお、図７には平板部材８の開口部８ａは図示されない）。
【００２７】
（第５実施例）
図８は平板部材１１の斜視図である。
本実施例は、密閉容器３内の密閉空間を放射状に伸びた形状とした一例である。
この場合、１枚の平板部材１１に図８に示す様な放射状の開口部１１ａを形成し、その平板部材１１を受熱壁５と放熱壁６とで挟み込んで密閉容器３を構成している。これによれば、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が発熱体２の取付け部位を中心として密閉空間（開口部１１ａ）を放射状に流れるため、冷媒蒸気がスムーズに密閉空間全体に拡散される。その結果、放熱性能が向上して効率良く発熱体２を冷却できる。なお、本実施例の場合、伝熱部１０は、開口部１１ａの外周壁部によって形成されている。
【００２８】
（第６実施例）
図９（ａ）、（ｂ）は平板部材１２、１３の平面図である。
本実施例は、開口部の形状が異なる２種類以上（図９では２種類）の平板部材１２、１３を積層して密閉空間を放射状に伸びた形状とした一例である。
この場合、図９（ａ）に示す様に放射状の開口部１２ａが形成された一方の平板部材１２と、図９（ｂ）に示す様に円弧状の開口部１３ａが形成された他方の平板部材１３とを重ね合わせて受熱壁５及び放熱壁６とともに積層して密閉容器３を構成している。これにより、第５実施例と同様に放射状に伸びた密閉空間（開口部１２ａ、１３ａ）を形成できるため、冷媒蒸気がスムーズに密閉空間全体に拡散されて効率良く発熱体２を冷却できる。
【００２９】
（第７実施例）
図１０は密閉容器３の分解斜視図、図１１は密閉容器３の側面図である。
本実施例は、冷媒を注入するための注入口１４を各平板部材７、８と一体に形成した一例を示すものである。図１０に示す様に、各平板部材７、８の一側辺中央部に外側へ突出する突辺部７Ａ、８Ａを形成し、更に各突辺部７Ａ、８Ａのうち間に挟まれる１枚以上の突辺部７Ａまたは突辺部８Ａに注入用通路７ｇまたは注入用通路８ｇを形成して、各平板部材７、８を積層することにより、図１１に示す様に冷媒注入口１４を一体に形成することができる。この場合、図１に示した様な注入パイプ９を新たに設ける必要がないため、部品点数を削減して組付け工数を減らすことができる。
【００３０】
（第８実施例）
図１２は沸騰冷却装置１の斜視図である。
本実施例は、放熱フィン４を密閉容器３の放熱壁６と別体で設けて、螺子１５等で密閉容器３に固定した一例を示すものである。
この場合、放熱フィン４を放熱壁６と別体とすることにより、装置全体のレイアウト等からユーザーの要求に合致した性能、形態、大きさの放熱フィン４を選定できる。なお、放熱フィン４の固定方法は、熱伝導を損なわない方法であれば、接着、かしめ等の方法でも良い。
【００３１】
（第９実施例）
図１３は密閉容器３を構成する各部材の斜視図、図１５は密閉容器３の斜視図である。なお、発熱体２の取付け位置を図１３〜図１６に二点鎖線で示す。
本実施例では、伝熱部１０（図１６参照）が冷媒の沸騰領域（発熱体２の取付け部位に対応する領域）の少なくとも中央部に大きく設けられ、且つその伝熱部１０の周囲において各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａが細かく形成されている。
平板部材７は、図１４（ａ）に示す様に、スリット状に形成された複数本の開口部７ａが等間隔に設けられ、部材の略中央部には矩形状の板厚部７ｃを有している。また、板厚部７ｃの周囲では、開口部７ａが複数本に枝分かれして形成されている。
平板部材８は、図１４（ｂ）に示す様に、スリット状に形成された複数本の開口部８ａが等間隔に設けられ、部材の略中央部には矩形状の板厚部８ｃを有している。また、板厚部８ｃの周囲では、開口部８ａが複数本に枝分かれして形成されている。
各平板部材７、８の開口部７ａ、８ａは、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成することができる。
【００３２】
密閉容器３は、図１６に示す様に、平板部材７と平板部材８とが受熱壁５と放熱壁６との間に交互に積層され、平板部材７の開口部７ａと平板部材８の開口部８ａとが交差する位置で互いの開口部７ａ、８ａ同士が連通して密閉空間を形成している。また、この密閉容器３には、各平板部材７、８のそれぞれ隣合う開口部７ａ、７ａ間に形成される板厚部７ｂと開口部８ａ、８ａ間に形成される板厚部８ｂ及び前記板厚部７ｃ、８ｃ同士が上下方向（積層方向）に重なって柱状の伝熱部１０（以下、沸騰領域の中央部に形成される伝熱部を１０ａとする）が形成されている。
【００３３】
この沸騰冷却装置によれば、発熱体２が密閉容器３の上側に配置される使用状態の時でも、発熱体２から発生した熱が受熱壁５から沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部１０ａを通じて放熱壁６へ伝達されるため、密閉容器３内の液冷媒が直接受熱壁５に接触していなくても発熱体２の冷却が可能である。
また、伝熱部１０ａに接触する液冷媒にも熱伝達されて冷媒を沸騰させることができるが、伝熱部１０ａの周囲で開口部７ａ、８ａが枝分かれして細かく形成されているため、液冷媒が接触する伝熱部１０ａの面積（開口部７ａ、８ａの周壁面の表面積）が増加して冷媒の沸騰可能な表面積が増加する。その結果、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部１０ａを大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができるため、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【００３４】
但し、伝熱部１０（１０ａを含む）を有していない密閉容器３の場合は、発熱体２を密閉容器３の下側に配置して使用すると、発熱体２が取り付けられた領域全体で冷媒の沸騰が行われるため、液冷媒の供給が冷媒の沸騰により妨げられて沸騰領域の中央部まで液冷媒が十分に戻ることができない。従って、沸騰領域の中央部に伝熱部１０ａを設けても、冷媒の沸騰可能な表面積の減少分は少なく、それより発熱体２を上側に配置した場合の伝熱面積を確保できるメリットの方が大きいと言える。
また、本実施例では、仮に密閉容器３から冷媒が抜け出てしまった場合でも、受熱壁５から伝熱部１０（１０ａを含む）を通じて放熱壁６へ熱伝達できることから、ある程度の冷却性能を確保できるメリットもある。
【００３５】
（第１０実施例）
図１７は密閉容器３を構成する各部材の斜視図、図１９は密閉容器３の斜視図である。なお、発熱体２の取付け位置を図１７〜図２０に二点鎖線で示す。
本実施例は、冷媒沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部１０ａを大きく設けた場合の他の例である。
各平板部材は、図１８（ａ）、（ｂ）に示す様に、部材の略中央部に矩形状の板厚部７ｃ、８ｃを残して、それぞれスリット状の開口部７ａ、８ａが複数本形成されている。従って、密閉容器３には、各平板部材７、８のそれぞれ隣合う開口部７ａ、７ａ間に形成される板厚部７ｂと開口部８ａ、８ａ間に形成される板厚部８ｂ及び前記板厚部７ｃ、８ｃ同士が上下方向（積層方向）に重なって柱状の伝熱部１０（１０ａを含む）が形成されている（図２０参照）。
本実施例においても、第９実施例と同様に、発熱体２が密閉容器３の上側に配置される使用状態の時（図２０に示す状態）でも、発熱体２から発生した熱が受熱壁５から沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部１０ａを通じて放熱壁６へ伝達されるため、密閉容器３内の液冷媒が直接受熱壁５に接触していなくても発熱体２の冷却が可能である。
【００３６】
（第１１実施例）
図２１（ａ）、（ｂ）は平板部材７、８の平面図（発熱体２の取付け位置を二点鎖線で示す）である。
本実施例は、平板部材７、８に形成された複数本の開口部７ａ、８ａのうち、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部（図示せず）を挟んで対向する開口部７ａ、８ａに楔状のテーパ面７ｄ、８ｄが形成されている。この場合、テーパ面７ｄ、８ｄで発生した気泡が成長すると、テーパ面７ｄ、８ｄの拘束によりテーパの広がった方向へ気泡が押し出されるため、気泡の抜けが良くなって放熱性能の向上に寄与できる。
【００３７】
（第１２実施例）
図２２（ａ）、（ｂ）及び図２３（ａ）、（ｂ）はそれぞれ平板部材７、８の平面図（発熱体２の取付け位置を二点鎖線で示す）である。
本実施例は、各平板部材７、８において、スリット幅の大きい開口部７ａ、８ａとスリット幅の小さい開口部７ｅ、８ｅとを組み合わせて形成した例を示すものである。
図２２では、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部（図示せず）の周囲のみスリット幅の小さい開口部７ｅ、８ｅが形成され、且つ隣合う開口部７ｅ、７ｅ同士間、及び開口部８ｅ、８ｅ同士間のピッチも小さく設定されている。図２３では、スリット幅の小さい開口部７ｅ、８ｅを長手方向へ延長して形成したもので、図２２の場合より開口部７ａ、７ｅ、８ａ、８ｅの数を少なくできる。
これらの場合、沸騰領域において液冷媒が接触する伝熱部の面積（開口部７ｅ、８ｅ周壁面の表面積）が増加して冷媒の沸騰可能な表面積が増加するため、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部を大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができ、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【００３８】
（第１３実施例）
図２４（ａ）、（ｂ）は平板部材７、８の平面図（発熱体２の取付け位置を二点鎖線で示す）である。
本実施例は、各平板部材７、８において、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部（図示せず）の周囲のみ開口部７ａ、８ａに細かい凹凸７ｆ、８ｆを形成したものである。
本実施例でも、第１２実施例と同様に、沸騰領域において液冷媒が接触する伝熱部の面積（開口部７ａ、８ａ周壁面の表面積）が増加して冷媒の沸騰可能な表面積が増加するため、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部を大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができ、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【００３９】
（第１４実施例）
図２５は密閉容器３を構成する各部材の斜視図、図２６は密閉容器３の斜視図である。なお、発熱体２の取付け位置を図２５〜図２７に二点鎖線で示す。
本実施例は、平板部材７の開口部７ａ、７ｅと平板部材８の開口部８ａとでスリット幅が異なる場合の一例を示すものである。
平板部材７は、図２５に示す様に、部材中央部に形成される開口部７ｅのみ他の開口部７ａよりスリット幅が小さく設定されている。
平板部材８に形成された開口部８ａは、平板部材７の他の開口部７ａと同様のスリット幅に設定されている。
これにより、各平板部材７、８を積層すると、図２７に示す様に、冷媒沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部１０ａの周囲のみ、各平板部材７、８の積層方向で開口部７ｅ、８ａの幅が大きくなったり小さくなったりする。その結果、開口部７ａ、８ａの幅が同一の場合と比較して、冷媒の沸騰可能な表面積が増加するため、沸騰領域の少なくとも中央部に伝熱部１０ａを大きく設けたことによる沸騰面積の減少分を補うことができ、冷媒の沸騰による熱伝達率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】沸騰冷却装置の斜視図である（第１実施例）。
【図２】平板部材の平面図である（第１実施例）。
【図３】平板部材の平面図である（第１実施例）。
【図４】密閉容器の断面図である（第１実施例）。
【図５】密閉容器の断面図である（第２実施例）。
【図６】密閉容器の断面図である（第３実施例）。
【図７】密閉容器の断面図である（第４実施例）。
【図８】平板部材の斜視図である（第５実施例）。
【図９】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第６実施例）。
【図１０】密閉容器の分解斜視図である（第７実施例）。
【図１１】密閉容器の側面図である（第７実施例）。
【図１２】沸騰冷却装置の斜視図である（第８実施例）。
【図１３】密閉容器を構成する各部材の斜視図である（第９実施例）。
【図１４】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第９実施例）。
【図１５】密閉容器の斜視図である（第９実施例）。
【図１６】密閉容器の断面図である（第９実施例）。
【図１７】密閉容器を構成する各部材の斜視図である（第１０実施例）。
【図１８】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１０実施例）。
【図１９】密閉容器の斜視図である（第１０実施例）。
【図２０】密閉容器の断面図である（第１０実施例）。
【図２１】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１１実施例）。
【図２２】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１２実施例）。
【図２３】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１２実施例）。
【図２４】第１の平板部材の平面図（ａ）と第２の平板部材の平面図（ｂ）である（第１３実施例）。
【図２５】密閉容器を構成する各部材の斜視図である（第１４実施例）。
【図２６】密閉容器の斜視図である（第１４実施例）。
【図２７】密閉容器の断面図である（先願例）。
【図２８】沸騰冷却装置の断面図である（先願例）。
【符号の説明】
１ 沸騰冷却装置
２ 発熱体
３ 密閉容器
５ 受熱壁
６ 放熱壁
７ 平板部材
７ａ 開口部
７ｂ 板厚部（連結板部）
８ 平板部材
８ａ 開口部
８ｂ 板厚部（連結板部）
１０ 伝熱部
１０ａ 沸騰領域の略中央部に設けられた伝熱部
１１ 平板部材（第５実施例）
１２ 平板部材（第６実施例）
１３ 平板部材（第６実施例）
１４ 注入口
Claims (9)
- 密閉容器に封入される冷媒の沸騰と凝縮の繰り返しによる熱伝達を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置であって、
前記密閉容器は、
表面に前記発熱体が取り付けられる板状の受熱壁と、
この受熱壁と所定の間隔をおいて対向する板状の放熱壁と、
前記受熱壁と前記放熱壁との間に介在されて、前記受熱壁と前記放熱壁とを熱的に連結する伝熱部とを具備し、
この伝熱部が開口部を有する１枚以上の平板部材によって形成され、前記受熱壁及び前記放熱壁とともに積層されて前記密閉容器を形成し、
前記発熱体の取付け部位に対応する領域の少なくとも中央部に前記伝熱部が設けられると共に、その伝熱部の周囲において、冷媒が接触する前記開口部の開口面積が他の部位より大きく設けられていることを特徴とする沸騰冷却装置。 - 前記平板部材には、前記開口部がスリット状に複数形成され、
前記領域の少なくとも中央部に設けられる前記伝熱部の周囲のみ、前記スリット状の開口部に凹凸を形成したことを特徴とする請求項１に記載した沸騰冷却装置。 - 前記密閉容器は、前記受熱壁と前記放熱壁との間に複数枚の前記平板部材を積層して形成され、各平板部材には、それぞれ前記開口部がスリット状に複数形成されると共に、前記領域の少なくとも中央部に設けられる前記伝熱部の周囲のみ、前記開口部のスリット幅が積層方向で異なる様に、前記伝熱部の周囲にスリット幅の大きい前記開口部が形成された前記平板部材と、前記伝熱部の周囲にスリット幅の小さい前記開口部が形成された前記平板部材とが交互に重ね合わされていることを特徴とする請求項１に記載した沸騰冷却装置。
- 複数枚の前記平板部材を積層して前記伝熱部を形成し、且つ前記平板部材の開口部同士が連通して密閉空間を形成し、この密閉空間が、前記発熱体の取付け部位を中心として前記受熱壁側から前記放熱壁側へ向かって次第に広くなる形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷却装置。
- 複数枚の前記平板部材を積層して前記伝熱部を形成し、且つ前記密閉容器内に前記発熱体の取付け部位を中心として放射状に伸びた前記開口部が形成されることを特徴とする請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷却装置。
- 複数枚の前記平板部材を積層して前記伝熱部を形成し、且つ前記平板部材の開口部同士が連通して密閉空間を形成し、この密閉空間を流れる冷媒の主流方向が前記受熱壁側から前記放熱壁側へ向かって次第に縦方向から横方向へ変化していることを特徴とする請求項１〜３に記載した何れかの沸騰冷却装置。
- 前記密閉容器内に冷媒を注入するための注入口が積層された複数枚の前記平板部材と一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜６に記載した何れかの沸騰冷却装置。
- 請求項１〜７に記載した何れかの沸騰冷却装置を製造する方法であって、
前記平板部材は、前記開口部がプレス、切削、あるいはエッチングの何れかの加工方法により形成されていることを特徴とする沸騰冷却装置の製造方法。 - 請求項１〜８に記載した何れかの沸騰冷却装置を製造する方法であって、
前記密閉容器は、一体ろう付けによって製造されていることを特徴とする沸騰冷却装置の製造方法。
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