JP5678662B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置および電子機器を冷却するための沸騰冷却装置に関し、特に気液間の相変化現象を利用して冷媒を循環させる沸騰冷却装置に関する。

半導体デバイスや電子機器で発生する大量の熱を放散させるために、これらの発熱デバイスに吸熱器を接触させ、その吸熱器内部に冷媒を流すことにより、高い冷却性能を得ようとする方法が開発されている。吸熱器で冷媒を沸騰させることで、より高い冷却効果を得ることができる。冷媒の吸熱部と放熱部との間の循環方式として、従前はポンプを用いる方式が一般的であった。沸騰冷却装置の場合、発生する蒸気と液体の密度差により、蒸気が重力方向に対して上部に集まる原理を利用して、冷却器下部に吸熱部、上部に放熱部を設置することで、ポンプを必要としない、サーマルサイフォン式冷却構造も提案されている（例えば、特許文献１〜５参照）。

特許文献１に記載された沸騰冷却装置は、内部に沸騰空間を備えた、平面形状が略台形状の薄型の冷媒槽を有する。冷媒槽の下面に発熱体（コンピュータチップ）との接触部が設けられ、冷媒槽の上面に、冷媒槽から垂直に延びる冷媒槽の内部空間と連なる蒸気側ヘッダタンクと液側ヘッダタンクとが設けられている。両ヘッダタンク間は、複数の放熱チューブで結ばれている。放熱チューブ間に放熱フィンが設置されている。この沸騰冷却装置において、冷媒槽の発熱体との接触部は、台形形状の上底に沿って設けられ、冷媒槽の蒸気側／液側ヘッダタンクとの接続部は、台形形状の下底の端部付近に設けられている。
特許文献２には、発熱体であるＣＰＵに接触する気化器から蒸気流路を介して冷媒蒸気を凝縮器へ導き、凝縮器において液化された冷媒を流体流路を介して気化器へ戻すＣＰＵ冷却装置が開示されている。この冷却装置において、凝縮器には放熱フィンに連設された、蛇行するパイプが設けられている。パイプの流入部から蒸気流路からの蒸気が流入し、パイプの流出部から流体流路への冷媒液が流出する。
特許文献３には、熱サイフォン型熱移動体が開示されている。それぞれＸ方向冷媒通路とＹ方向の冷媒通路が形成された吸熱側ヘッダーブロックと放熱側ヘッダーブロックとの間が複数の冷媒管によって接続されている。冷媒管間にコルゲートフィンが設置されている。この熱サイフォン型熱移動体では、吸熱側ヘッダーブロックを下側に、放熱側ヘッダーブロックを上側に配置し、吸熱側ヘッダーブロックの下面に半導体素子を密着させている。
特許文献４には、液冷システムが記載されている。熱交換用循環溶液とその蒸気とが収容された収納容器には、放熱器が設けられている。さらに、収納容器の溶液送出口と気液二相流体送入口とをその一部が収納容器内を通過するパイプにて連結されている。パイプは、溶液送出口に連結され収納容器に入る溶液送出パイプ部分と、収納容器内の溶器内パイプ部分と、収納容器内から出て気液二相流体送入口に連結される気液二相流体送入パイプ部分と、を有している。気液二相流体送入パイプ部分には、電子機器等の発熱体の放熱部となる加熱熱交換器が設置される。
特許文献５には、受熱部と放熱部とを同一筐体内に実装した一体型熱サイホンである冷却装置が開示されている。表面に複数のピラミッド型フィンが形成されたボイラプレート上に複数の復水器管が配置されている。復水器管とボイラプレート間に蒸気チャンバが構成されている。この冷却装置では、復水器管は放熱用の回旋フィンに挟まれている。蒸気チャンバにて発生した蒸気は、復水器管を上り、その壁面で液化される。

特開２０００-１８３２５９号公報 （図１〜図３） 特開２００２-１６８５４７号公報 （図１） 特開２００３-１６６７９３号公報 （図１〜図５） 特開２００５-１９５２２６号公報 （図１） 特開２００４-０５６１２１号公報 （図１〜図４）

特許文献１、２に記載された冷却装置では、薄型で天井が平坦な冷媒槽の天井にほぼ垂直に蒸気流路と液体流路が設置されている。このような構造では、冷媒槽で発生した蒸気の運動量を有効に利用して蒸気流路に集めることが困難で蒸気が冷媒槽内に滞留しやすく圧力損失が大きくなるという問題がある。また、蒸気が蒸気流路を鉛直上方に向かって流れるとき、途中で凝縮する液相冷媒は重力により蒸気流れに反して下方へ移動しようとする。その結果、蒸気流れにとって圧力損失が大きくなり、蒸気流路の上下間での圧力差が大きくなりそれに伴って蒸気流路の上下間での温度差が大きくなって冷却器の性能低下を招くこととなる。蒸気流路と液体流路とが冷媒槽の同一平面上に開口している構造では、換言すれば、液体流路が冷媒槽の蒸気空間上に開口している構造では、蒸気が液体流路側にも進行して液体流路内を流下する液体とは逆方向に進行することになり、冷却液の円滑な流通が妨げられる。

このような問題は、特許文献３に記載された、吸熱側ヘッダーブロックと放熱側ヘッダーブロックとの間を冷媒管で接続した冷却装置においても同様に起こる。特許文献３に記載された冷却装置では、ヘッダーブロックに直交する方向の冷媒通路を設けて各冷媒管に流入する蒸気の均等化を図っているが、蒸気と液体との分離のなされていない構造では根本的な解決にはなっていない。蒸気と冷媒液とが互いに逆方向に流れようとすることに起因する上記の問題は、蒸気と冷媒液との流通方向が同じである特許文献４の冷却装置では起こらないと考えられる。しかし、特許文献４の冷却装置では、冷媒液のみが流通するパイプ部分と蒸気を大量に含む冷媒液が通過するパイプ部分とが同一太さの管体で構成されており、冷媒の輸送能力がパイプの部分によって大きく異なっている。このため、結局蒸気の流通に抵抗が生じることになり、蒸気の円滑な流通が阻害される恐れがある。また、被冷却部品の多くは板状の形状をしているが、特許文献４の冷却装置では、吸熱部が管体である。このため、冷却装置の吸熱部と被冷却体との接触が面接触とならないため、その間の熱抵抗が大きくなって効率的な冷却を行なうことが困難になる。
上記した蒸気の圧力損失の問題は、特許文献５に記載された、蒸発部と凝縮部とを一体化した構造では起こらない。蒸発面直上に凝縮部をもつことにより、蒸発部と凝縮部間の冷媒の循環が効率的に行なわれる。しかし、一体構成とすることは、製作が困難で高価になる上に下記のように効率的な放熱の面で難点がある。

電子部品（発熱体）の冷却に使用される沸騰冷却装置が部品近傍で放熱できれば、冷媒の循環の観点から圧力損失を最小にできる可能性が高くなる。一方で、特許文献５に記載された沸騰冷却装置のように、吸熱部と放熱部とを近づける場合には、吸熱部と放熱部との熱的な分離が困難となり、放熱部から外部への放熱を効率よく行なうことが困難になる。
本発明の課題は、上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、装置外部への放熱性を最大限高めつつ、冷媒循環系の圧力損失を低く抑えるというこれまで二律背反として考えられてきた機能を両立させることができる沸騰冷却装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の第１の実施態様に係る沸騰冷却装置は、液化した冷媒を沸騰させて蒸気にするとともに、被冷却デバイスに接し前記被冷却デバイスを冷却する受熱部と、前記受熱部の上部に接続し、前記受熱部で発生する蒸気を搬送する蒸気管と、前記蒸気管から搬送された蒸気を凝縮して液化した冷媒にさせつつ雰囲気に対して放熱する放熱部と、前記放熱部で凝縮された液化した冷媒を前記受熱部に戻す液管とを有する沸騰冷却装置であって、前記受熱部内の蒸気の流路断面積の少なくとも一部が、前記受熱部の下部から前記受熱部の上部に向かってが徐々に小さくなっており、前記受熱部は、函状の本体部と、前記本体部を覆うカバー部とを有し、前記カバー部の外形は、円錐台または角錐台形状をなしている。

また、上記の目的を達成するため、本発明の第２の実施態様に係る沸騰冷却装置は、液化した冷媒を沸騰させて蒸気にするとともに、被冷却デバイスに接し前記被冷却デバイスを冷却する受熱部と、前記受熱部の上部に接続し、前記受熱部で発生する蒸気を搬送する蒸気管と、前記蒸気管から搬送された蒸気を凝縮して液化した冷媒にさせつつ雰囲気に対して放熱する放熱部と、前記放熱部で凝縮された液化した冷媒を前記受熱部に戻す液管とを有する沸騰冷却装置であって、前記受熱部内の蒸気の流路断面積の少なくとも一部が、前記受熱部の下部から前記受熱部の上部に向かってが徐々に小さくなっており、前記受熱部内の、前記受熱部の蒸気流出部と前記受熱部の本体部との接続部、および、前記受熱部の本体部と前記受熱部のカバー部との接続部の少なくとも一方が流線型に形成されている。

本発明の実施形態の第１の効果は、沸騰冷却器全体の循環系の圧力損失を最大限削減できることである。
本発明の実施形態の第２の効果は、受熱部と放熱部とを分離した分離型の沸騰冷却装置において、放熱部を受熱部から隔離して、冷却装置外部に対して直接的な放熱が可能な分離方式の利点を活かしつつ、凝縮冷媒の蒸気管内部での逆流を防止できることである。

本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却装置を示す概略図である。 本発明の第１の実施の形態の受熱部を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の放熱部を示す側面図である。 図３ＡにおけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。 一般的な、受熱部と放熱部とを接続する垂直型蒸気管を示す図である。 本発明の第１の実施形態における、受熱部と放熱部とを接続する水平移行型蒸気管を示す図である。 本発明の第２の実施の形態の受熱部を示す横断面図である。 本発明の第２の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。 本発明の第３の実施の形態の受熱部を示す横断面図である。 本発明の第３の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。 本発明の第４の実施の形態の受熱部を示す断面図である。 本発明の第４の実施の形態の受熱部において用いられる多孔質体の一例を示す図である。 本発明の第４の実施の形態の受熱部において用いられる多孔質体の別の一例を示す図である。 本発明の第５の実施の形態の受熱部を示す断面図である。 四角形形状を有する底板の平面図である。 図１１ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 円形状の底板の平面図である。 図１１ＣのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 四角形状の側壁部の平面図である。 図１２ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 円形状の側壁部の平面図である。 図１２ＣのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 円板状のカバー部の平面図である。 円板状のカバー部の断面図である。 円錐台状のカバー部の平面図である。 円錐台状のカバー部の断面図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態に係る沸騰冷却装置を示す概略図である。沸騰冷却装置は、受熱部１と、蒸気管２と、放熱部３と、液管４と、冷却ファン６と、冷媒注入口７とを有する。受熱部１の上部と放熱部３の上部とは蒸気管２で接続されている。放熱部３の下部から引き出された液管４は受熱部１の側面に接続されている。受熱部１のカバー部は角錐台の形状を有している。受熱部１の頂部から垂直に引き出された蒸気管２は、円弧状に曲げられて水平の状態で放熱部３に接続されている。すなわち、蒸気管２は、受熱部１と接続する第１の端部と、放熱部３と接続する第２の端部とを有する。蒸気管２の中心軸の向きは、第１の端部の近傍においては、重力方向に対して略平行である。蒸気管２の中心軸の向きは、第２の端部の近傍においては、重力方向に対して略垂直である。受熱部１の底面は平坦である。受熱部１の底面には、例えば半導体装置である発熱素子５が、密着して配置されている。初期の冷媒注入あるいは補充用の冷媒注入のために、放熱部３の上部には冷媒注入口７が設けられている。放熱部３を冷却するための冷却ファン６が、放熱部３の側部に設置されている。
発熱素子５に対峙する受熱部１内部で冷媒が沸騰し、これにより発生した蒸気は蒸気管２への出口へと向かう。受熱部１は、蒸気管２に向かって蒸気の流通路が徐々に狭まるように形成されている。蒸気管２は発熱素子５の真上の位置において開口している。この構造により、受熱部１にて発生した蒸気は、沸騰泡の流れの勢いが有効に利用されて、低抵抗にて蒸気管２へ導入される。蒸気管２は緩やかに角度を変えることで、矢印８に沿って放熱部３へ向けて蒸気を運ぶ。凝縮部３の上方側面に蒸気管２が接続されていることは、放熱部３の性能確保にとって良好な条件であると考えられる。放熱部３に導入された蒸気は放熱部３内部を上から下へと流れ、液に戻る。液に戻った冷媒は放熱部３下部に滞留し、液管４を矢印９方向に進行して受熱部１へと戻っていく。

図２は、受熱部１の断面図である。受熱部１は、本体部１ａと、蒸気流出部１ｃと、カバー部１ｂと、凝縮液流入部１ｄとを有する。本体部１ａは、函状であり、平面形状は四角形である。カバー部１ｂは、角錐台形状を有し、本体部１ａと蒸気流出部１ｃとの間に設けられている。凝縮液流入部１ｄは、本体部１ａの側面に形成されている。凝縮器（放熱部３）から戻ってくる液相冷媒１１が凝縮液流入部１ｄを介して受熱部１の側面より流入する。受熱部１の内部には冷媒液１２が滞留している。冷媒液１２は、受熱部１の下部に設置された電子デバイスなどの発熱素子５の熱により沸騰し、沸騰泡１３を生じる。発生した蒸気１０は上方の蒸気流出部１ｃより蒸気管２へと流出する。液相冷媒用の液管４と蒸気用の蒸気管２の管径を比較すると、蒸気管２の管径の方が大きく設定されている。冷却器全体が定常状態にあるとき、質量ベースの流量はどこも同じであるが、体積ベースの流量は大きく違う。これは、液体と気体では密度が大きく変化するためである。受熱部１に接続される液管４の径が小さいことは、蒸気の混入を防ぐ効果がある。したがって、本実施形態において、受熱部１は、図２に示されるように、受熱部１の側面に接続された径の小さな液管４と受熱部１の上部に接続された比較的径の大きな蒸気管２とに接続されている構造を有することが最も好ましい。この構造により、以下に説明する蒸気管２内での液相の逆流防止策にあわせて、逆流を防ぐ、もしくは逆流が生じてもその影響を最低限に抑えることができる系を、逆止弁なしに実現することができる。

図３Ａは、本実施の形態での放熱部３の構造を示す側面図である。図３Ｂは、図３ＡにおけるＡ−Ａ線に沿った断面図である。放熱部３は、放熱部ヘッダー３ａと、凝縮液滞留部３ｂと、蒸気・凝縮液筒３ｃと、蒸気・凝縮液流路３ｃ′と、冷却フィン３ｄと、蒸気流入口３ｅと、凝縮液出口３ｆと、枠体３ｇとを有する。放熱部ヘッダー３ａには、蒸気流入口３ｅが固着されている。凝縮液滞留部３ｂには、凝縮液出口３ｆが固着されている。放熱部ヘッダー３ａと凝縮液滞留部３ｂとは、蒸気・凝縮液筒３ｃにより接続されている。蒸気・凝縮液流路３ｃ′は、蒸気・凝縮液筒３ｃ内に形成され、蒸気とその凝縮液とが流れる。冷却フィン３ｄは、枠体３ｇと蒸気・凝縮液筒３ｃとの間、および、蒸気・凝縮液筒３ｃ間に設置されている。
蒸気管２から蒸気流入口３ｅを介して、放熱部ヘッダー３ａに流入した蒸気は、蒸気流入口３ｅが設けられた面の対抗面に当たり左右に（すなわち、図３Ｂにおける矢印方向に）拡散される。これによりヘッダー３ａ全体に蒸気をいきわたらせることができる。その後、蒸気は蒸気・凝縮液流路３ｃ′を通過しながら凝縮する。このとき、液化した冷媒は重力により、凝縮液滞留部３ｂへと向かう。蒸気・凝縮液筒３ｃは、放熱フィン３ｄに接しており、フィン３ｄ間を通過する空気により雰囲気に対して放熱される。凝縮は蒸気・凝縮液流路３ｃ′の内壁上で行われる。流路内壁を凝縮液膜に覆われにくいようにするとその動作を促進する効果がある。その方法の一つとしては、内壁面を撥水加工するなどの方法が考えられるが、濡れ性の高い冷媒に対してはその有効性が高くない。そのため、最良の方法の一つは冷媒流路を鉛直に近い状態に形成し、重力をもって冷媒を凝縮液滞留部３ｂへと排出することである。放熱部３には冷媒注入口７が設けられている。冷媒注入時には同時に沸騰冷却装置内部の不凝縮性ガスを排除する必要がある。ガスは冷媒液に比較して密度が低いために重力方向上部から吸引することが必要である。この冷媒注入口７をどこに設けるかが課題になる。冷媒注入口７は、沸騰冷却装置を封止した後に、冷媒の循環に影響の少ない位置に設置することが最適である。そこで、放熱部ヘッダー３ａのコーナー部に冷媒注入口７を設けると、不凝縮性のガスの排気を効果的にできるとともに、封止後は蒸気の流れに与える影響を少なくすることができる。

図４Ａおよび図４Ｂを参照して、本実施形態において用いられる蒸気管２が垂直方向に引き出された後水平方向に向かって曲げられていることによる作用・効果について説明する。図４Ａは、一般的に用いられている、受熱部１と放熱部３との間を垂直な蒸気管２で接続する方式である。図４Ａに示すように、蒸気管２全体が鉛直に配されているため蒸気の浮力を利用することで、放熱部３（凝縮部）まで蒸気を、蒸気流方向を示す矢印８沿って効率よく移動させることができると考えられている。また、蒸気管２が屈曲していないためにそれに起因する圧力損失が小さいことも魅力である。しかし、蒸気管２の内壁に接する蒸気は凝縮することがあり、そうした液化した冷媒は矢印９の方向に内壁を伝って落下を始め、受熱部１に戻ろうとする。このとき、蒸気の流れに対して反対方向に流れるため、蒸気と凝縮液の両方にとって抵抗となる。その結果、蒸気にとっての圧力損失が大きくなり、大きな圧力損失はより多くの凝縮を管内で誘引する恐れがある。したがって、高発熱状態の蒸気発生量が多い場合において系の流れが不安定になる恐れがある。次に、図４Ｂに示す、受熱部１と放熱部３との間を円弧状（水平移行型）の蒸気管２で接続する方式について考える。垂直型の蒸気管２の場合と比較するために、凝縮が起きない状態での圧力損失が同じになるよう蒸気管２の長さを等しくする場合を考えると、図４Ｂに示す水平移行型の蒸気管２の内部でも凝縮自体が発生する可能性はある。ただし、蒸気管２がその後半（蒸気管２の放熱部３側）が水平に近い状態で延伸している構造を有している。このため、蒸気管２の後半で蒸気の一部が凝縮した場合においても、液化した冷媒は矢印８方向に進行する蒸気流に押されて矢印９方向に凝縮部へと送られ、蒸発部へ戻ることはなくなる。凝縮は同じ温度下においては圧力が低いほうが生じやすい。蒸気管２の内部においては、流れにより圧力が受熱部１側の入り口から凝縮部３側の出口に向かって低下していくため、出口近くから凝縮が始まることが多い。そのため、蒸気管３の出口近傍で凝縮する液相の逆流を防ぐことが、系の安定運転により大きく寄与する。

［第２の実施の形態］
図５Ａは、本発明の第２の実施の形態の受熱部を示す横断面図である。図５Ｂは、本発明の第２の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図５Ａおよび図５Ｂに示す受熱部において、図２に示す第１の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、受熱部１の本体部１ａの内側底面に沸騰促進フィン（沸騰促進板、単に、フィンとも称する）１４が複数枚設置されている。これにより、沸騰面の液相への接触面積を増やすことができ、受熱の効率を高めることができる。矢印１６は、液流方向を示す。矢印１７は、蒸気流方向を示す。液相冷媒１１は、受熱部１に流入した後、その流れに沿って形成された沸騰促進フィン１４の間に矢印１６に示すように流入する。沸騰促進フィン１４が設けられていることで、沸騰促進フィン１４の間に冷媒の流れが形成される。また、沸騰泡の上昇時には沸騰促進フィン１４間を泡が勢いを持って流れることから、対流効果により伝熱が促進される。

［第３の実施の形態］
図６Ａは、本発明の第３の実施の形態の受熱部を示す横断面図である。図６Ｂは、本発明の第３の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図６Ａおよび図６Ｂに示す受熱部において、図５Ａおよび図５Ｂに示す第２の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、図６Ａに示すように、受熱部１の平面形状が楕円形である。受熱部１の本体部１ａが楕円形であるため、カバー部１ｂが楕円錐台の形状を有する。受熱部１が楕円形状を有することにより蒸気の流れがよりスムーズになる。受熱部１の平面形状は楕円形に代えて円形であってもよく、冷却すべき発熱素子５の形状に合わせて適宜形状を選択できる。

［第４の実施の形態］
図７は、本発明の第４の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図７の受熱部において、図５Ａおよび図５Ｂに示す第２の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。本実施の形態においては、冷媒の沸騰を促進する沸騰促進フィン１４が、多孔質の材料を用いて形成されている。多孔質のフィンを使用した場合、空孔からの発泡量が増え伝熱量も向上する。図８に多孔質材料の一例として、古河スカイ株式会社製のフルポーラス（商品名）の拡大図を示す。また、図９に別の一例として、神鋼鋼線工業株式会社製のアルポラス（商品名）の拡大図を示す。これらは、いずれもアルミニウム製の多孔質材である。これらの材料が沸騰促進フィン１４に好適に使用可能である。

［第５の実施の形態］
図１０は、本発明の第５の実施の形態の受熱部を示す縦断面図である。図１０の受熱部において、図５Ａおよび図５Ｂに示す第２の実施の形態の受熱部と同等の箇所には同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。図５Ａおよび図５Ｂに示す第２の実施の形態の受熱部の場合、受熱部の各部の接続部がある角度をもって急に曲げられている。この場合、角を回り込む流れは、急に角の形状に追随できないために圧力損失を生じる可能性がある。本実施の形態はこれに対処したもので、図１０に示すように、受熱部の本体部１ａとカバー部１ｂとの間、および、カバー部１ｂと蒸気流出部１ｃとの間の角部が滑らかな曲線を描くように結ばれている。すなわち、受熱部１内の、本体部１ａとカバー部１ｂとの接続部が流線型に形成されている。また、受熱部１内の、カバー部１ｂと蒸気流出部１ｃとの接続部が流線型に形成されている。このような形状をとることにより、流れの急変化が防止され、蒸気の流れがさらにスムーズとなって流れの圧力損失を最小化することができる。

［本発明の実施形態の作用］
本発明の実施態様に係る沸騰冷却装置によると、受熱部１においては、冷媒が蒸発し、沸騰により発生した蒸気が浮力により重力方向とは逆の上部へと流れる。受熱部１の上部には蒸気管２が接続されている。浮力により生じた蒸気の運動量を損なうことなく、蒸気管２を通り放熱部（熱交換部）３へと冷媒蒸気が送られる。放熱部３では冷媒から熱が奪われることにより、冷媒が液化・凝縮する。凝縮した液体冷媒は、放熱部３の下部より液管４を通じて受熱部（沸騰部）１の液体冷媒中へと戻る。
本発明の実施形態に係る沸騰冷却装置の受熱部１は、その外部底面が平面状で、かつ、その内部底面である沸騰面が平面状に形成されている。受熱部１は、半導体パッケージの表面全体を利用して沸騰受熱が可能である。従来のヒートパイプでは、円形もしくは楕円形のパイプの側面での受熱構造となっていたのに対して、本発明の実施形態の受熱構造は優位に熱を伝えることが可能である。また、パッケージからの熱を効率よく冷媒に伝えて、冷媒の気相変化を促す構造を構築する上でも、平面状の受熱構造が優位である。

平面状の沸騰面で生じた沸騰泡は、重力方向とは逆方向の上部へとある速度を持って流れていく。放熱部３へ接続される蒸気管（チューブ）２の断面積は沸騰面の面積に比べて小さいことで、沸騰冷却装置全体をコンパクトに作ることができる。発生する蒸気泡の流れを効率よく蒸気管２に流すために、受熱部１の上部の側壁は円錐台や四角錘台のように蒸気流路の断面積が徐々に小さくなっている。そのため、沸騰面から蒸気管２までの圧力損失を最小化できる。
さらに、蒸気管２は、受熱部１との接続部の直後から重力方向に対して横方向に曲げられ、放熱部（凝縮部）３へと送られる。放熱部３と受熱部１は重力方向に対して横方向に設置されている。仮に蒸気管２の内部で凝縮が生じた場合でも、液状冷媒は蒸気の流れに沿って放熱部３へと送られ（図４Ｂ参照）、蒸気管２内での滞留を抑止できる。
放熱部３は蒸気管２が曲げられて到達する部分をその上部入り口とし、凝縮された液相は放熱部３の下部より受熱部１へと還流する。その際、放熱部３からの液化した冷媒は、受熱部（沸騰部）１中の液化した冷媒内へ放出される。これにより、還流する液化した冷媒への蒸気の混入は防止される。放熱部３から受熱部１への液相の還流は重力による流れに依存する。本発明の実施形態の沸騰冷却装置においては、その高度差を小さくすることで、圧力差を小さく保っている。これにより圧力損失を一層小さくすることができる。図１および図２に示すように、放熱部３での底面の高さは受熱部１内での液化した冷媒の液面の高さより若干高くなっている。この高度差により、液化した冷媒の受熱部１への還流が可能になる。

[構造の補足説明と製造方法]
次に、本発明の上記の実施形態の沸騰冷却装置の望ましい構造についての補足説明と製造方法の概要説明を行なう。
図２、図５Ａから図７に示した受熱部について説明する。受熱部１の本体部１ａは、底板１ａ_１と側壁部１ａ_２によって構成される。図１１Ａは、底板が四角形である場合の底板１ａ_１の平面図である。図１１Ｂは、図１１ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１１Ｃは、底板が円形である場合の底板１ａ_１の平面図である。図１１Ｄは、図１１ＣのＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１２Ａは、側壁部が四角形である場合の側壁部１ａ_２の平面図である。図１２Ｂは、図１２ＡのＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１２Ｃは、側壁部が円形である場合の側壁部１ａ_２の平面図である。図１２Ｄは、図１２ＣのＡ−Ａ線に沿った断面図である。図１３Ａと図１３Ｂはそれぞれ、カバー部が円板状である場合のカバー部１ｂの平面図と断面図である。図１３Ｃと図１３Ｄはそれぞれ、カバー部の形状が円錐台状である場合のカバー部１ｂの平面図と断面図である。
受熱部１の底板１ａ_１は、発熱素子５に接するために熱伝導性の高い材料を用いることが望ましい。特に、底板１ａ_１の材料としては、銅やアルミニウムなどは高い熱伝導率を持つ汎用される金属が好ましい。これらの材料を用いて、発熱素子５に接する面（底板１ａ_１の下面）から、沸騰泡を発生させる沸騰促進フィン１４までを一体として形成することが望まれる。沸騰促進フィン１４においては、沸騰泡を発生させることが第一の目的であり、常に沸騰を続けるために必要な液体の供給を行いつつ、蒸気の排出を効率的に行う必要がある。有機系の冷媒を用いた場合、一般に水よりも表面張力が小さく、沸騰時に形成する泡の径が1.0mm前後である。このような場合には、沸騰促進フィン１４間の距離を極端に狭く泡の径以下にすることは望ましくなく、泡の径程度かそれ以上にすることが望ましい。一方で、沸騰促進フィン１４の表面積が広いほど放熱量も大きくできることを考えると、沸騰促進フィン１４の間の距離を大きくとりすぎると、形成できる沸騰促進フィン１４の数が限定されてしまう。さらに、沸騰促進フィン１４の内部を通過する熱量は、沸騰促進フィン１４の厚みに依存する。沸騰促進フィン１４が厚ければより多くの熱が流れるが、厚くしすぎると放熱面積が限定されてしまう。これらの点を踏まえると、フィン間距離1.0mm、フィン厚み1.0から2.0mm、フィンの高さ1.0から5.0mm程度が最良の沸騰促進フィン１４の構造である。これらミリスケールで、アスペクト比が１：５程度のフィン構造であれば、切削で製造することが良好な方法の一つである。受熱部１の内部の沸騰促進フィン１４と底板１ａ_１とを一体で形成すると、両者を別々に形成して合体する場合に比べてそれらの接続部に生じる熱抵抗を少なくすることができる。図１１Ａ〜１１Ｄは、沸騰促進フィン１４と底板１ａ_１とを一体として形成した場合の例を示す。
沸騰促進フィン１４を、図７に示す多孔質体を用いて形成する場合においては、底板１ａ_１の底面を平滑にして、その平滑にした底面上に多孔質体をロウ付けなどにより接合する方法が好ましい。図８や図９に例示している多孔質体はいずれもアルミニウム製であるが、この場合、底板１ａ_１も同じアルミニウムを用いることが好ましい。

図１２Ａ〜１２Ｄを用いて受熱部の作成方法を説明する。側面部１ａ_２を熱伝導性の高い材料（銅、アルミニウム）を用いて作成する。この側面部１ａ_２にネジ山の刻設された凝縮液流入部１ｄを螺着する。次に、底板１ａ_１と側面部１ａ_２とをロウ付けなどの手段により接合して受熱部１の本体部１ａを形成する。同じく熱伝導性の高い材料を用いて形成した図１３Ａ〜１３Ｄに示すカバー部１ｂを、本体部１ａとロウ付けなどの手段により接合して受熱部１を作成する。図１３Ａおよび図１３Ｂに示すように、カバー部１ｂには、予めネジ山の刻設された蒸気流出部１ｃを螺着しておく。または、図１３Ｃおよび図１３Ｄに示すように、カバー部１ｂは、予め蒸気流出部１ｃと一体に形成しておく。ロウ付けにて各部を接合することにより、沸騰時の圧力変動に耐えうる密閉構造の受熱部１を得ることができる。

放熱部３は、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、主として放熱部ヘッダー３ａ、凝縮液滞留部３ｂ、蒸気・凝縮液筒３ｃ、放熱フィン３ｄによって構成されている。この基本構造は自動車などに用いられているラジエーターに似ている。ただし、本発明の実施形態においては、放熱の外に冷媒蒸気の凝縮が行なわれるので、冷媒の凝縮に効率のよい放熱ができるようすることが肝要である。蒸気流入口３ｅは、図３Ｂの断面図に示すように、放熱部ヘッダー３ａの中央よりに直角に接続することが良好である。この結果、放熱部ヘッダー３ａに流入する蒸気は、放熱部ヘッダー３ａの背面側の壁に衝突し、放熱部ヘッダー３ａを充満するように拡散させることができる。これにより、放熱部ヘッダー３ａの内部の圧力を一定にすることができ、従って、各蒸気・凝縮液流路３ｃ′の流量を均一化することができる。
蒸気・凝縮液流筒３ｃは、放熱の観点からはなるべく細いほうが良好であるが、凝縮冷媒の流れの観点からすると、ある程度の太さが必要となる。本発明の実施形態において、凝縮は重力に依存した液相の排除能力に頼っている。理想的には、凝縮した冷媒が蒸気・凝縮液流筒３ｃの流路内壁に薄膜の液相を形成し、重力により凝縮液滞留部３ｂ側に排出される。まれに、凝縮した液相に蒸気が気泡となってトラップされることがあり、このような場合には、液相の排出に抵抗となる。このような事態を避けるためには、なるべく蒸気・凝縮液流筒３ｃの流路幅を最低限とする。有機冷媒を用いた場合には、蒸気・凝縮液流筒３ｃの流路内面の幅が0.3mm以上であり、放熱性の観点から同じく蒸気・凝縮液流筒３ｃの流路内面の幅が1.0mm以下であることが好ましい。

受熱部１と放熱部３の接続には、柔軟な配管材料を使うことが望ましい。高分子系の材料は柔軟性が高いが、透水性があり、冷媒が配管壁面を通じて漏出してしまう。柔軟な接続を実現するためには、高分子材料でもブチルゴムのように透水性の小さなものを用いること、金属薄膜が積層された高分子配管材料を用いること、また、蛇腹形状をもって柔軟性を保っている金属配管材料などの採用が良好である。
受熱部１と放熱部３に配管を接続する位置には、流入・流出ノズルを設け、配管材料を接続することが好ましい。接続部と配管材料の界面を通じても冷媒の漏出の恐れがあるために、接続部は接着材を用いて封止することが望ましい。

接続部の封止が完了したら、冷媒注入口７を通じて、冷媒の注入と、内包空気の排除を行う。空気を排除することにより、冷却器内部は冷媒の飽和蒸気圧となる。冷媒選定の一つの条件として、飽和蒸気圧はなるべく１気圧に近いものが好ましい。１気圧から大きく外れたものは、冷却器の強度を大きくする必要が生じるためである。例えば、フッ素系冷媒の一種である３M社製のNovecは大気圧での沸点が47℃で、常温での飽和蒸気圧が約40kPaである。電子機器の冷却を考えると、常温での大気圧との差がそれほど大きくなく、動作時においてもほぼ２気圧以下に保つことができるため、この冷媒は、本発明の実施形態に係る沸騰冷却装置において良好である。
以上、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ない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００８年１１月１８日に出願された日本出願特願２００８−２９４２８２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本発明は、沸騰冷却装置に適用することができる。この沸騰冷却装置によれば、
装置外部への放熱性を最大限高めつつ、冷媒循環系の圧力損失を低く抑える機能を両立させることができる。

１ 受熱部
１ａ 本体部
１ａ_１ 底板
１ａ_２ 側壁部
１ｂ カバー部
１ｃ 蒸気流出部
１ｄ 凝縮液流入部
２ 蒸気管
３ 放熱部
３ａ 放熱部ヘッダー
３ｂ 凝縮液滞留部
３ｃ 蒸気・凝縮液筒
３ｃ′ 蒸気・凝縮液流路
３ｄ 放熱フィン
３ｅ 蒸気流入口
３ｆ 凝縮液出口
３ｇ 枠体
４ 液管
５ 発熱素子
６ 冷却ファン
７ 冷媒注入口
８ 矢印（蒸気流方向）
９ 矢印（液流方向）
１０ 蒸気（気相冷媒）
１１ 液相冷媒
１２ 冷媒液
１３ 沸騰泡
１４ 沸騰促進フィン
１５ 蒸気流方向
１６ 矢印（液流方向）
１７ 矢印（蒸気流方向）

Claims (13)

1. 液化した冷媒を沸騰させて蒸気にするとともに、被冷却デバイスに接し前記被冷却デバイスを冷却する受熱部と、
   前記受熱部の上部に接続し、前記受熱部で発生する蒸気を搬送する蒸気管と、
   前記蒸気管から搬送された蒸気を凝縮して液化した冷媒にさせつつ雰囲気に対して放熱する放熱部と、
   前記放熱部で凝縮された液化した冷媒を前記受熱部に戻す液管とを有する沸騰冷却装置であって、
   前記受熱部内の蒸気の流路断面積の少なくとも一部が、前記受熱部の下部から前記受熱部の上部に向かってが徐々に小さくなっており、
   前記受熱部は、函状の本体部と、前記本体部を覆うカバー部とを有し、前記カバー部の外形は、円錐台または角錐台形状をなしている沸騰冷却装置。
2. 液化した冷媒を沸騰させて蒸気にするとともに、被冷却デバイスに接し前記被冷却デバイスを冷却する受熱部と、
   前記受熱部の上部に接続し、前記受熱部で発生する蒸気を搬送する蒸気管と、
   前記蒸気管から搬送された蒸気を凝縮して液化した冷媒にさせつつ雰囲気に対して放熱する放熱部と、
   前記放熱部で凝縮された液化した冷媒を前記受熱部に戻す液管とを有する沸騰冷却装置であって、
   前記受熱部内の蒸気の流路断面積の少なくとも一部が、前記受熱部の下部から前記受熱部の上部に向かってが徐々に小さくなっており、
   前記受熱部内の、前記受熱部の蒸気流出部と前記受熱部の本体部との接続部、および、前記受熱部の本体部と前記受熱部のカバー部との接続部の少なくとも一方が流線型に形成されている沸騰冷却装置。
3. 前記蒸気管は、前記受熱部側からは重力方向に対して平行方向に引き出され、前記放熱部に向かって水平方向に曲げられている請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記蒸気管は、前記受熱部との接続部の直後から曲がり始めている請求項１から３のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記受熱部と前記放熱部とは重力方向に対して横方向に設置されている請求項１から４のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
6. 液化した冷媒を沸騰させて蒸気にするとともに、被冷却デバイスに接し前記被冷却デバイスを冷却する受熱部と、
   前記受熱部で発生する蒸気を搬送する蒸気管と、
   前記蒸気管から搬送された蒸気を凝縮して液化した冷媒にさせつつ雰囲気に対して放熱する放熱部と、
   前記放熱部で凝縮された液化した冷媒を前記受熱部に戻す液管とを有する沸騰冷却装置であって、
   前記放熱部の底面の高さは、前記受熱部内での液化した冷媒の液面の高さより高く、
   前記受熱部は、函状の本体部と、前記本体部を覆うカバー部とを有し、前記カバー部の外形は、円錐台または角錐台形状をなしている沸騰冷却装置。
7. 液化した冷媒を沸騰させて蒸気にするとともに、被冷却デバイスに接し前記被冷却デバイスを冷却する受熱部と、
   前記受熱部で発生する蒸気を搬送する蒸気管と、
   前記蒸気管から搬送された蒸気を凝縮して液化した冷媒にさせつつ雰囲気に対して放熱する放熱部と、
   前記放熱部で凝縮された液化した冷媒を前記受熱部に戻す液管とを有する沸騰冷却装置であって、
   前記放熱部の底面の高さは、前記受熱部内での液化した冷媒の液面の高さより高く、
   前記受熱部内の、前記受熱部の蒸気流出部と前記受熱部の本体部との接続部、および、前記受熱部の本体部と前記受熱部のカバー部との接続部の少なくとも一方が流線型に形成されている沸騰冷却装置。
8. 前記液管は、前記放熱部下部から引き出され、前記液管を経由した液化した冷媒は前記受熱部内の液化した冷媒中に直接戻される請求項１から７のいずれか１項に沸騰冷却装置。
9. 前記被冷却デバイスは、前記受熱部の真下、中央部に配置され、前記蒸気管は、前記受熱部の上部中央に開口している請求項１から８のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
10. 前記受熱部内に、複数の沸騰促進板が設けられている請求項１から９のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
11. 前記沸騰促進板は、多孔質体からなる請求項１０に記載の沸騰冷却装置。
12. 前記放熱部には、その上側コーナー部に冷媒注入用のノズルが配備されている請求項１から１１のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
13. 前記蒸気管は、一端が前記受熱部の上部に接続され、他端が前記放熱部の上方側面に接続され、前記一端と前記他端との間が前記受熱部の上面及び前記放熱部の側面に対して凸形状を有する円弧状をなすように設けられている請求項１から１２のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置。

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