JP7002384B2 - 冷却装置及びそれを備える電気機器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置及びそれを備える電気機器に関する。

電子デバイス、ハイパワーデバイス等の電気機器は、半導体チップ、電極等の電子部品を備える。電子部品への電流の通流により電子部品は発熱する。従って、電子部品の安定性及び耐久性を向上させる観点から、電子部品は十分に冷却されることが好ましい。特に、電子部品に通流される電流の大電流化等に起因して、電子部品の発熱密度が大きくなる傾向にある。そこで、十分な冷却性能を有する冷却装置により、電子部品を十分に冷却することが好ましい。

電気機器の冷却に関する技術として、特許文献１に記載の技術が知られている。特許文献１には、発熱体（半導体）を冷却するための冷却装置が記載される（特に段落００１５参照）。この冷却装置では、発熱密度大（発熱量大）の部分を中心として、その周囲に向かって徐々に発熱密度が小さくなる部分が形成された発熱体を対象として、当該発熱体の冷却が行われる（特に段落００１７、図８参照）。具体的には、発熱体の下方に、冷媒を往復させる流路が複数形成され、それぞれの流路を通じて冷媒を往復流させることで、発熱体の冷却が行われる（特に、段落００１５、００１６、図１参照）。

特開２００８－３００４４７号公報

特許文献１に記載の技術では、上記のように、最も発熱密度の大きな部分が中心に存在する発熱体の冷却が行われる。しかし、発熱体の種類によっては、発熱密度大の部分が複数存在することがある。この場合、発熱密度大の部分が１つのみの発熱体を冷却しようとする上記特許文献１の技術では、流路が著しく複雑化したり、圧力損失が著しく大きくなったりして、対応することが難しい。

本発明は上記課題に鑑みて為されたものであり、本発明の少なくとも一実施形態は、冷却対象となる複数の被冷却部位の各々を冷媒によって十分に冷却可能な冷却装置及びそれを備える電気機器を提供することを目的とする。

（１）本発明の一実施形態に係る冷却装置は、支持面上における複数の被冷却部位を冷媒によって冷却するための冷却装置であって、前記支持面から離間して配置される面部であって、冷媒入口から流入した前記冷媒を冷媒出口に向かって通流させるための冷媒流路を前記支持面との間に形成するための面部と、前記冷媒入口と連通する第１流路と前記冷媒出口と連通する第２流路との２つの流路に前記冷媒流路を区画するとともに、前記複数の被冷却部位の各々を連続的に繋ぐように延在する壁部と、を含む流路形成部材を備え、前記壁部には、通過する前記冷媒によって前記複数の被冷却部位の各々を冷却するように形成される複数の凹みが形成されたことを特徴とする。

上記（１）の構成によれば、流路断面積が狭くなる凹みに冷媒が流れるため、凹みでの冷媒速度を速めることができる。これにより、各々の被冷却部位を十分に冷却できる。また、流路断面積が狭い凹みに向かう冷媒流れが生じることで、被冷却部位での温度境界層を薄くし、前縁効果により各々の被冷却部位を十分に冷却できる。さらには、被冷却部位の各々を連続的に繋ぐように壁部が形成されるため、壁部の凹みを通過した冷媒が、再度別の凹みに流入することが抑制される。これにより、圧力損失の増大を抑制でき、少ないエネルギで各々の被冷却部位を冷却できる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記壁部の下端部は前記被冷却部位に対向していることを特徴とする。

上記（２）の構成によれば、凹み内部では最も流速が速いため、最も流速が速い部分に被冷却部位が配置され、これにより、被冷却部位をより十分に冷却できる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（２）の構成において、前記被冷却部位に対向する前記壁部は、前記冷媒の流れ方向に向かって前記被冷却部位に向かう傾斜を有することを特徴とする。

上記（３）の構成によれば、傾斜を有する壁部に沿って被冷却部位に向かう噴流を形成でき、被冷却部位の発熱密度が大きな場合であっても、被冷却部位を十分に冷却できる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記被冷却部位は、冷媒流れ上流端が前記凹みにおける前記壁部の流れ方向中心部と下流端との間に位置し、冷媒流れ下流端が前記凹みにおける前記壁部の流れ方向下流端よりもさらに下流側に位置するように配置されたことを特徴とする。

上記（４）の構成によれば、被冷却部位の熱により冷媒がサブクール沸騰して気泡を生じた場合でも、生じた気泡を、凹み下流側の第２流路に流し易くできる。これにより、気泡の存在に起因する凹み内部での冷却不十分性を抑止し、被冷却部位を十分に冷却できる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、前記壁部は、前記被冷却部位の冷媒流れ下流側に形成されるとともに前記面部から立設する第１壁部と、前記被冷却部位の冷媒流れ上流側に形成されるとともに前記支持面から立設する第２壁部と、を含むことを特徴とする。

上記（５）の構成によれば、第１壁部と第２壁部との間に形成される鉛直方向流路を冷媒が流れることで、被冷却部位に向かう噴流を形成でき、被冷却部位の発熱密度が大きな場合であっても、被冷却部位を十分に冷却できる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）～（５）の何れか１の構成において、前記第１流路における流路断面積、及び、前記第２流路における流路断面積は、いずれも、前記凹みの流路断面積よりも大きくなっていることを特徴とする。

上記（６）の構成によれば、第１流路及び第２流路のそれぞれにおいて局所的に狭くなる部分の存在を抑制して、各々の凹みに対して第１流路から満遍なく冷媒を流し易くできる。これにより、被冷却部位の各々を満遍なく冷却できる。また、各々の凹みから冷媒を第２流路に流し易くできる。これにより、凹み内部における冷媒速度を速くでき、被冷却部位を十分に冷却できる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）～（６）の何れか１の構成において、前記被冷却部位にはフィンが配置されることを特徴とする。

上記（７）の構成によれば、例えばフロン等の限界熱流束が小さな冷媒を使用する場合に、フィンにより伝熱面積を増大させて、沸騰を抑制できる。これにより、気泡の発生を抑制でき、気泡の存在に起因する冷却不十分性を抑止することができる。この結果、被冷却部位をより十分に冷却できる。また、伝熱面積が大きいため、圧力損失及び浸食の抑制の観点から冷媒速度を遅くした場合であっても、上記の沸騰を抑制でき、被冷却部位を十分に冷却できる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）～（７）の何れか１の構成において、前記冷媒入口は、前記複数の被冷却部位とは異なる第２被冷却部位に面するように、前記面部に形成されたことを特徴とする。

上記（８）の構成によれば、面部に形成された冷媒入口を通じて第１流路に冷媒が導入されるため、冷媒入口に面する第２被冷却部位への冷媒の噴流を生じさせることができる。これにより、上記被冷却部位の熱流束（単位面積単位時間あたりの発熱量）とは異なる熱流束の第２被冷却部位が存在する場合に、圧力損失を過度に生じさせること無く、第２被冷却部位を独立して冷却できる。

（９）幾つかの実施形態では、上記（１）～（８）の何れか１の構成において、前記冷媒流路に面する前記支持面上には絶縁皮膜が形成されることを特徴とする。

上記（９）の構成によれば、絶縁皮膜が伝熱を行うヒートスプレッダとして機能するため、冷媒への伝熱面積を増やすことができる。これにより、放熱速度を速めることができる。

（１０）本発明の一実施形態に係る電気機器は、前記支持面を有する基板と、上記（１）～（９）の何れか１に記載の冷却装置と、を備えることを特徴とする。

上記（１０）の構成によれば、基板に含まれる支持面上の被冷却部位を上記冷却装置によって冷却できる。これにより、電気機器を安定して運転できる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、冷却対象となる複数の被冷却部位の各々を冷媒によって十分に冷却可能な冷却装置及びそれを備える電気機器を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る冷却装置の外観斜視図である。 本発明の一実施形態に係る冷却装置の分解斜視図である。 図２のＡ－Ａ線断面図であり、凹みを含むように壁部を切断して下方を視たときの断面図である。 図２のＢ－Ｂ線断面図である。 本発明の二実施形態に係る冷却装置の壁部に形成された凹み近傍の断面図である。 本発明の三実施形態に係る冷却装置の壁部に形成された凹み近傍の断面図である。 本発明の四実施形態に係る冷却装置の壁部に形成された凹み近傍の断面図である。 本発明の五実施形態に係る冷却装置の壁部に形成された凹み近傍の斜視図である。 本発明の六実施形態に係る冷却装置の外観斜視図である。 本発明の六実施形態に係る冷却装置の断面図であり、凹みを含むように壁部を切断して下方を視たときの断面図である。 本発明の七実施形態に係る冷却装置の壁部に形成された凹み近傍の断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、以下に実施形態として記載されている内容又は図面に記載されている内容は、あくまでも例示に過ぎず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で、任意に変更して実施することができる。また、各実施形態は、２つ以上を任意に組み合わせて実施することができる。さらに、各実施形態において、共通する部材については同じ符号を付すものとし、説明の簡略化のために重複する説明は省略する。

また、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る冷却装置１００の外観斜視図である。冷却装置１００は、支持面１０上における複数の被冷却部位１２（図３参照、図１では図示しない）を冷媒によって冷却するためのものである。なお、ここでいう「支持面１０上」とは、以下で説明するような被冷却部位１２が支持面１０の一部として構成される構造のほか、支持面１０の表面に別体の被冷却部位１２が設置された構造等を含む。即ち、支持面１０は、被冷却部位１２を支持面１０に支持できる構造であれば、どのような構造であってもよい。

支持面１０は、例えば半導体チップ、電極等である。支持面１０は、図示しない基板の表面に支持される。そして、被冷却部位１２は、例えば、半導体チップ、電極等のうち、局所的に熱くなる部位（高発熱部位）として構成される。また、被冷却部位１２を冷却するための冷媒は、例えば、水、フロン、二酸化炭素等である。ただし、冷媒としての導電性を有する冷媒（水等）を使用する場合には、支持面１０の表面に絶縁皮膜６０（図１１を参照しながら後記する）を形成することが好ましい。さらに、冷却装置１００において使用する冷媒の温度（後記する冷媒入口１での冷媒温度）は、飽和温度以下であることが好ましい。

冷却装置１００は、支持面１０との間に冷媒流路５を形成するための流路形成部材２０を備える。具体的には、流路形成部材２０は、支持面１０から離間して配置される面部２１であって、冷媒入口１から流入した冷媒を冷媒出口２に向かって通流させるための冷媒流路５を支持面１０との間に形成するための面部２１を含む。

なお、冷媒入口１と冷媒出口２とは、図１に示すように対面に形成される必要はなく、隣接する面、同一面等に形成されてもよい。具体的には例えば、冷媒入口１及び冷媒出口２が隣接する面に形成される場合とは、冷媒入口１が例えば左面に形成されているとともに冷媒出口２が例えば背面に形成されており、冷媒が上面視でＬ字に通流する場合である。また、例えば、冷媒入口１及び冷媒出口２が同一面に形成される場合とは、冷媒入口１と冷媒出口２とがいずれも例えば左面に隣接して形成されており、冷媒が上面視で往復流する場合である。

また、流路形成部材２０は、図１では矩形状に形成された支持面１０における対向する両辺（正面側の辺及び背面側の辺）の各縁から立設した縁壁部２２，２２を備える。そして、上記の面部２１は縁壁部２２，２２の上面に配置され、上記の冷媒流路５は、支持面１０と面部２１と縁壁部２２，２２とにより囲まれる空間に形成される。

冷媒流路５の高さ（支持面１０と面部２１との間の長さ）は、被冷却部位１２での発熱密度、冷媒の種類によっても異なるため一概にはいえないが、例えば数ｍｍとすることができる。

図２は、本発明の一実施形態に係る冷却装置１００の分解斜視図である。図２において、上記の面部２１は二点鎖線で示している。冷媒流路５には、冷媒入口１と連通する第１流路３と冷媒出口２と連通する第２流路４との２つの流路に冷媒流路５を区画するとともに、複数の被冷却部位１２の各々を連続的に繋ぐように延在する壁部２３が設置される。ここでいう「連続的に繋ぐ」の意味については、図３を参照しながら後記する。なお、流路形成部材２０は壁部２３を含む。

壁部２３には、第１流路３から第２流路４に冷媒を流すための複数の凹み２４が形成されている。凹み２４の流路断面積は、第１流路３及び第２流路４の各流路断面積よりもずっと小さなものである。そして、それぞれの凹み２４の内部であって支持面１０上には、被冷却部位１２が含まれる。従って、冷媒が凹み２４の内部を流れる際に、冷媒は被冷却部位１２と接触する。従って、複数の凹み２４は、通過する冷媒によって複数の被冷却部位１２の各々を冷却するように形成される。

図３は、図２のＡ－Ａ線断面図であり、凹み２４を含むように壁部２３を切断して下方を視たときの断面図である。冷却装置１００では、第１流路３における流路断面積は、凹み２４の流路断面積よりも大きくなっている。より具体的には、第１流路３における流路断面積（幅Ｗ１と第１流路３の高さ（図示しない）との積）は、凹み２４の流路断面積（幅Ｗ２と凹み２４の高さ（図示しない）との積）よりも大きくなっている。従って、第１流路３では、その全域において、流路断面積が、凹み２４の流路断面積よりも大きくなっている。

また、冷却装置１００では、第２流路４における流路断面積は、凹み２４の流路断面積よりも大きくなっている。より具体的には、第２流路４における流路断面積（幅Ｗ３と第２流路４の高さ（図示しない）との積）は、凹み２４の流路断面積（幅Ｗ２と凹み２４の高さ（図示しない）との積）よりも大きくなっている。従って、第２流路４では、その全域において、流路断面積が、凹み２４の流路断面積よりも大きくなっている。

これらのように第１流路３及び第２流路４を形成することで、第１流路３及び第２流路４のそれぞれにおいて局所的に狭くなる部分の存在を抑制して、各々の凹み２４に対して第１流路３から満遍なく冷媒を流し易くできる。これにより、被冷却部位１２の各々を満遍なく冷却できる。また、各々の凹み２４から冷媒を第２流路４に流し易くできる。これにより、凹み２４内部における冷媒速度を速くでき、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

上記のように、壁部２３は、冷媒流路５を第１流路３と第２流路４とに区画する。そのため、図３において太実線矢印で示すように、第１流路３から凹み２４に流入した冷媒は、第１流路３とは区画された第２流路４に流れる。このとき、第１流路３から第２流路４への流れが形成されているため、第２流路４に流れた冷媒が再度別の凹み２４に流入することが抑制される。従って、冷媒入口１から冷媒流路５に流入した冷媒は、凹み２４を一度のみ（１つの凹み２４のみ）を通過して、冷媒出口２から排出される。

特に、壁部２３は、上記のように複数の被冷却部位１２の各々を連続的に繋ぐように延在する。そのため、壁部２３の凹み２４を通じて第２流路４に流入した冷媒は、別の凹み２４に流入する等の大きな圧力損失を生じることなく、冷媒出口２から排出される。この結果、圧力損失の増大を抑制でき、少ないエネルギで各々の被冷却部位１２を冷却できる。

なお、本明細書における「被冷却部位１２の各々を連続的に繋ぐ壁部２３」について、「連続的」とは、上面視で全ての被冷却部位１２を繋ぐように壁部２３を所謂「一筆書き」で形成可能な構造を表す。また、「繋ぐ」には、図２及び図３に示すように、被冷却部位１２と壁部２３とが対向する（図４も併せて参照）ような構造のほか、以下のような構造も含むものとする。具体的には、例えば後記する図６及び図７に示すような、壁部２３の下端部２３ａと被冷却部位１２とが上面視で接する構造、及びこれらが重なる構造も含む。

具体的には、例えば図６に示す例では、壁部２３の下端部２３ａの下流端２３ｂと、被冷却部位１２の上流端１２ａとが、冷媒流れ方向において同じ位置に配置される。即ち、上記の上面視において、被冷却部位１２と壁部２３とが接する。さらには、図７に示す例では、壁部２３の下端部２３ａの上流端２３ｃと、被冷却部位１２の下流端１２ｂとが、冷媒流れ方向において同じ位置に配置される。即ち、上記の上面視において、被冷却部位１２と壁部２３とが接する。また、図示はしないが、例えば被冷却部位１２の一部が壁部２３の下端部２３ａに対向し、残部が第１流路３又は第２流路４のうちの少なくとも一方の流路に面するような構造でもよい。この場合、上記の上面視において、被冷却部位１２と壁部２３とが重なる。
そしてこれらの構造も上記の「被冷却部位１２の各々を連続的に繋ぐ壁部２３」に含まれるものとする。

なお、全ての被冷却部位１２を連続的に繋ぐように壁部２３が形成されていれば、壁部２３の途中から別の壁部が分岐していてもよい。即ち、全ての被冷却部位１２が壁部２３により連続的に繋がっていれば、被冷却部位１２に繋がらない別の壁部が形成されていてもよい。

また、全ての被冷却部位１２を繋ぐように壁部２３を連続的に形成する際、具体的な構造は図示の例に何ら限られるものではない。従って、全ての被冷却部位１２が繋がるように連続的に壁部２３が形成されていれば、壁部２３はどのような構造であってもよい。ただし、上記のように、第１流路３における流路断面積を凹み２４の流路断面積よりも大きくすることが好ましい。また、第２流路４における流路断面積を凹み２４の流路断面積よりも大きくすることが好ましい。

図４は、図２のＢ－Ｂ線断面図である。図４に示すように、壁部２３の下端部２３ａは被冷却部位１２に対向している。特に、凹み２４の内部では最も冷媒速度が速い。このため、下端部２３ａを被冷却部位１２に対向させることで、最も冷媒速度が速い部分に被冷却部位１２が配置され、被冷却部位１２をより十分に冷却できる。また、第１流路３を通流する冷媒は、図４において太実線矢印で示すように、流路断面積が小さな凹み２４に向かって流れる。これにより、被冷却部位１２での温度境界層を薄くできる。この結果、前縁効果により、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

また、図４に示す例では、被冷却部位１２の長さ（図４における左右方向長さ）と、壁部２３の下端部２３ａの長さ（図４における左右方向長さ）とは同じになっている。これにより、凹み２４の内部であって最も冷媒速度が速い部分の全域に被冷却部位１２が配置され、これにより、被冷却部位１２を満遍なく冷却できる。

凹み２４の高さｈ１としては、被冷却部位１２での発熱密度、冷媒の種類によっても異なるため一概にはいえないが、例えば、冷媒流路５の高さの数分の一（例えば１／５程度）とすることができる。ただし、凹み２４の高さｈ１は、この値に限られるものではない。

以上のような冷却装置１００によれば、流路断面積が狭くなる凹み２４に冷媒が流れるため、凹み２４での冷媒速度を速めることができる。これにより、各々の被冷却部位１２を十分に冷却できる。また、流路断面積が狭い凹み２４に向かう冷媒流れが生じることで、被冷却部位１２での温度境界層を薄くし、前縁効果により各々の被冷却部位１２を十分に冷却できる。さらには、被冷却部位１２の各々を連続的に繋ぐように壁部２３が形成されるため、壁部２３の凹み２４を通過した冷媒が、再度別の凹み２４に流入することが抑制される。これにより、圧力損失の増大を抑制でき、少ないエネルギで各々の被冷却部位１２を冷却できる。

上記の冷却装置１００は、例えば任意の電気機器に適用できる。具体的には、上記の支持面１０を有する基板（図示しない）と、上記の冷却装置１００とを備える電気機器（図示しない）とすることができる。このような電気機器によれば、基板に含まれる支持面１０上の被冷却部位１２を上記冷却装置１００によって冷却できる。これにより、電気機器を安定して運転できる。

図５は、本発明の二実施形態に係る冷却装置１００Ｂの壁部２３に形成された凹み４２近傍の断面図である。図５に示す例においても、上記の図４に示す例と同様に、壁部２３の下端部２３ａは被冷却部位１２に対向している。

しかし、図５に示す例では、被冷却部位１２に対向する壁部２３は、冷媒流れ方向に向かって被冷却部位１２に向かう傾斜を有する。即ち、壁部２３は、被冷却部位に向かって下るような傾斜であるテーパ状になっている。壁部２３の形状をこのようにすることで、図５において太実線矢印で示すように、傾斜を有する壁部２３に沿って被冷却部位１２に向かう噴流を形成できる。これにより、被冷却部位１２の発熱密度が大きな場合であっても、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

図６は、本発明の三実施形態に係る冷却装置１００Ｃの壁部２３に形成された凹み４２近傍の断面図である。図６に示す例においても、図示はしないが、全ての被冷却部位１２を繋ぐように壁部２３が連続的に形成されている。しかし、壁部２３と被冷却部位１２とは対向しておらず、図３を参照しながら説明した上面視で、被冷却部位１２と壁部２３とが接している。

具体的には、被冷却部位１２は、冷媒流れの上流端１２ａが、凹み２４における壁部２３の流れ方向中心部２３ｄと下流端２３ｂとの間に位置する。ただし、図６に示す例では、冷媒流れの上流端１２ａの位置は、壁部２３の下流端２３ｂと一致する。また、冷媒流れの下流端１２ｂが、凹み２４における壁部２３の下流端２３ｂよりもさらに下流側に位置する。

被冷却部位１２の発熱密度が大きな場合、被冷却部位１２と冷媒との接触部分において冷媒がサブクール沸騰し、気泡２８が発生する可能性がある。特に、限界熱流束が小さな冷媒（水、フロン等）の場合に、気泡２８が発生し易くなる。そこで、発生した気泡２８を被冷却部位１２の下流側、即ち、第２流路４の内部に流し易くするため、被冷却部位１２が壁部２３の下流側に配置されている。

被冷却部位１２をこのように配置することで、被冷却部位１２の熱により冷媒がサブクール沸騰して気泡２８を生じた場合でも、生じた気泡２８を、凹み２４下流側の第２流路４に流し易くできる。特に、第２流路４では、凹み２４よりも流路断面積（高さ方向及び幅方向の双方）が大きいため、気泡２８が速やかに被冷却部位１２から遠ざかる。これにより、気泡２８の存在に起因する凹み２４内部での冷却不十分性を抑止し、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

図７は、本発明の四実施形態に係る冷却装置１００Ｄの壁部に形成された凹み２４近傍の断面図である。図７に示す例では、面部２１から下方に向かって延びる壁部２３のほか、支持面１０から上方に向かって伸びる第２壁部２５が形成される。なお、第２壁部２５は、上記の壁部２３に含まれるものである。従って、図７に示す冷却装置１００Ｄにおいて、上記の壁部２３には、被冷却部位１２の冷媒流れ下流側に形成されるとともに面部２１から立設する壁部２３（第１壁部）のほか、被冷却部位１２の冷媒流れ上流側に形成されるとともに支持面１０から立設する第２壁部２５とが含まれる。

この図７に示す例では、第２壁部２５の下流端２５ａと、被冷却部位１２の上流端１２ａとが、冷媒流れ方向において同じ位置に配置される。即ち、上記の図３を参照しながら説明した上面視において、被冷却部位１２と第２壁部２５とが接する。また、壁部２３（第１壁部）の上流端２３ｃと、被冷却部位１２の下流端１２ｂとが、冷媒流れ方向において同じ位置に配置される。即ち、上記の図３を参照しながら説明した上面視において、被冷却部位１２と壁部２３とが接する。そして、壁部２３と第２壁部２５との間に、被冷却部位１２に向かう鉛直方向流路２９が形成される。

第２壁部２５の上方に形成された凹み２４から鉛直方向流路２９に流入した冷媒は、鉛直方向流路２９を流れることで流れ方向を下方向に変えて、被冷却部位１２に向かう。これにより、被冷却部位１２では噴流が生じる。そして、被冷却部位１２に衝突した冷媒は、壁部２３の下方に形成された凹み２４を通じて、第２流路４に流出する。

このように、壁部２３（第１壁部）と第２壁部２５との間に形成される鉛直方向流路２９を冷媒が流れることで、被冷却部位１２に向かう噴流を形成できる。これにより、被冷却部位１２の発熱密度が大きな場合であっても、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

図８は、本発明の五実施形態に係る冷却装置１００Ｅの壁部２３に形成された凹み２４近傍の斜視図である。図８に示す例では、被冷却部位１２には、フィン４０が配置される。フィン４０は、複数の単位金属板４０ａにより構成されており、被冷却部位１２に立設される。単位金属板４０ａは高伝熱性金属（例えばアルミニウム、銅、銀等）により構成される。

また、フィン４０は、凹み２４の内部に配置され、フィン４０を構成する隣接する単位金属板４０ａの間には隙間が形成される。この隙間は、被冷却部位１２での発熱密度、冷媒の種類によっても異なるため一概にはいえないが、例えば、５μｍ～５０μｍ程度であるが、この範囲に限られるものではない。また、単位金属板４０ａの高さは、凹み２４の高さ以下であり、具体的には例えば数百μｍ程度であるが、この値に限られるものではない。なお、フィン４０の冷媒流れ方向の長さは、被冷却部位１２の冷媒流れ方向の長さと一致する。

凹み２４に流入した第１流路３（図８では図示しない）の冷媒は、隣接する単位金属板４０ａの上記隙間を通り、第２流路４に流出する。そして、冷媒が凹み２４を通流する際、冷媒と単位金属板４０ａとが接触する。ここで、単位金属板４０ａ（即ちフィン４０）は被冷却部位１２に立設するため、被冷却部位１２の熱は単位金属板４０ａに伝達する。これにより、被冷却部位１２の熱が、単位金属板４０ａを介して冷媒に放熱される。この結果、被冷却部位１２の冷却が促される。

このように、フィン４０により、冷媒への伝熱面積が増大する。そのため、例えばフロン等の限界熱流束が特に小さな冷媒を使用する場合に、フィン４０により伝熱面積を増大させることで、沸騰を抑制できる。これにより、気泡２８（図８では図示しない）の発生を抑制でき、気泡２８の存在に起因する冷却不十分性を抑止することができる。この結果、被冷却部位１２を十分に冷却できる。また、伝熱面積が大きいため、圧力損失及び浸食の抑制の観点から冷媒速度を遅くした場合であっても、上記の沸騰を抑制でき、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

図９は、本発明の六実施形態に係る冷却装置１００Ｆの外観斜視図である。上記の図１に示した冷却装置１００では、正面側及び背面側の各縁に縁壁部２２，２２が備えられ、冷媒入口１が左側面に形成されていた。しかし、図９に示す例では、正面側及び背面側の各縁に備えられる縁壁部２２，２２のほか、左側の縁（図９では図示しない。図１０参照）においても縁壁部２２（図９では図示しない。図１０参照）が備えられる。そして、冷媒は、面部２１に形成された冷媒入口１を通じて、冷却装置１００Ｆの冷媒流路５に流入するようになっている。

図１０は、本発明の六実施形態に係る冷却装置１００Ｆの断面図であり、凹み２４を含むように壁部２３を切断して下方を視たときの断面図である。図１０に示す例では、支持面１０上に、上記の被冷却部位１２のほか、被冷却部位１２よりも小さな熱流束を有する第２被冷却部位５０が形成される。そして、第２被冷却部位５０の上方に、図１０において二点鎖線で示す冷媒入口１が形成される。即ち、図１０に示す例では、冷媒入口１は、複数の被冷却部位１２とは異なる第２被冷却部位５０に面するように、面部２１（図１０では図示しない、図９参照）に形成される。

冷媒入口１がこの位置に形成されることで、面部２１に形成された冷媒入口１を通じて第１流路３に冷媒が導入されるため、冷媒入口１に面する第２被冷却部位５０への冷媒の噴流を生じさせることができる。これにより、上記被冷却部位１２の熱流束（単位面積単位時間あたりの発熱量）とは異なる熱流束の第２被冷却部位５０が存在する場合に、圧力損失を過度に生じさせること無く、第２被冷却部位５０を独立して冷却できる。特に、上記のように第２被冷却部位５０の熱流束が被冷却部位１２の熱流速よりも小さい場合に、簡易な構成で第２被冷却部位５０を冷却できる。

図１１は、本発明の七実施形態に係る冷却装置１００Ｇの壁部２３に形成された凹み２４近傍の断面図である。図１１に示す例では、冷媒流路５に面する支持面１０の表面には絶縁皮膜６０が形成される。絶縁皮膜６０は例えばダイヤモンドにより構成される。絶縁皮膜６０が形成されることで、例えば水等の導電性を有する冷媒が冷媒流路５を流れるときであっても、半導体チップ、電極等により構成される支持面１０での短絡が抑制される。

絶縁皮膜６０は、上記のように支持面１０の表面に形成される。そのため、支持面１０上に形成された被冷却部位１２と絶縁皮膜６０とは接触する。このため、絶縁皮膜６０はヒートスプレッダとして機能し、被冷却部位１２から発せられた熱は、図１１において破線Ｓ１で示すように冷媒流路５に向かって拡散する。即ち、これにより、冷媒への伝熱面積を増やすことができ、放熱速度を速めることができる。

そして、冷却装置１００Ｇでは、壁部２３の下端部２３ａの冷媒流れ方向長さは、拡散した部分の冷媒流れ方向長さと同じ長さになっている。これにより、拡散した部分の全体において冷媒の流速を速めることができ、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

また、凹み２４の内部における冷媒流路５の高さも、上記の冷却装置１００とは異なっている。具体的には、図１１に示す冷媒流路５の高さｈ２（壁部２３の下端部２３ａから絶縁皮膜６０までの距離）は、図４に示す冷媒流路５の高さｈ１（壁部２３の下端部２３ａから支持面１０までの距離）よりも短くなっている。これにより、上記の冷却装置１００と比べて、冷媒速度を速めることができる。この結果、冷媒は、拡散により広がった部分を冷却装置１００の場合と比べて速やかに通過できる。これにより、冷媒の沸騰を抑制しつつ、被冷却部位１２を十分に冷却できる。

１ 冷媒入口
２ 冷媒出口
３ 第１流路
４ 第２流路
５ 冷媒流路
１０ 支持面
１２ 被冷却部位
１２ａ，２３ｃ 上流端
１２ｂ，２３ｂ，２５ａ 下流端
２０ 流路形成部材
２１ 面部
２２ 縁壁部
２３ 壁部
２３ａ 下端部
２５ 第２壁部
２８ 気泡
２９ 鉛直方向流路
４０ フィン
４０ａ 単位金属板
５０ 第２被冷却部位
６０ 絶縁皮膜
１００，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ，１００Ｆ，１００Ｇ 冷却装置

Claims (10)

1. 支持面上における複数の被冷却部位を冷媒によって冷却するための冷却装置であって、
   前記支持面から離間して配置される面部であって、冷媒入口から流入した前記冷媒を冷媒出口に向かって通流させるための冷媒流路を前記支持面との間に形成するための面部と、
   前記冷媒入口と連通する第１流路と前記冷媒出口と連通する第２流路との２つの流路に前記冷媒流路を区画するとともに、前記複数の被冷却部位の各々を連続的に繋ぐように延在する壁部と、を含む流路形成部材を備え、
   前記壁部には、通過する前記冷媒によって前記複数の被冷却部位の各々を冷却するように形成される複数の凹みが形成された
   ことを特徴とする、冷却装置。
2. 前記壁部の下端部は前記被冷却部位に対向している
   ことを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記被冷却部位に対向する前記壁部は、前記冷媒の流れ方向に向かって前記被冷却部位に向かう傾斜を有する
   ことを特徴とする、請求項２に記載の冷却装置。
4. 前記被冷却部位は、冷媒流れ上流端が前記凹みにおける前記壁部の流れ方向中心部と下流端との間に位置し、冷媒流れ下流端が前記凹みにおける前記壁部の流れ方向下流端よりもさらに下流側に位置するように配置された
   ことを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記壁部は、前記被冷却部位の冷媒流れ下流側に形成されるとともに前記面部から立設する第１壁部と、前記被冷却部位の冷媒流れ上流側に形成されるとともに前記支持面から立設する第２壁部と、を含む
   ことを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
6. 前記第１流路における流路断面積、及び、前記第２流路における流路断面積は、いずれも、前記凹みの流路断面積よりも大きくなっている
   ことを特徴とする、請求項１～５の何れか１項に記載の冷却装置。
7. 前記被冷却部位にはフィンが配置される
   ことを特徴とする、請求項１～６の何れか１項に記載の冷却装置。
8. 前記冷媒入口は、前記複数の被冷却部位とは異なる第２被冷却部位に面するように、前記面部に形成された
   ことを特徴とする、請求項１～７の何れか１項に記載の冷却装置。
9. 前記冷媒流路に面する前記支持面上には絶縁皮膜が形成される
   ことを特徴とする、請求項１～８の何れか１項に記載の冷却装置。
10. 前記支持面を有する基板と、
    請求項１～９の何れか１項に記載の冷却装置と、を備える
    ことを特徴とする、電気機器。

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