JPWO2010050129A1 - 冷却構造及び電子機器並びに冷却方法 - Google Patents

Abstract

冷媒を循環させる動力を必要とすることなく、沸騰面に発生する気泡を浮力以外の作用で持ち去ることにより、沸騰面における熱交換（熱伝達）を効果的に行わせるようにして、効率のよい冷却と共に、小型化・低消費電力化を可能にするメンテナンスフリーの冷却構造を提供すること。気相状態の冷媒Ｖを液相状態の冷媒Ｌに相変化させる凝縮室に蒸気管と液戻り管を介して連結されて、ベース板２１の沸騰面２１ａや板状フィン３１に接触する液相状態の冷媒を気相状態の冷媒に相変化させる蒸発室１１を備えており、蒸発室は、蒸気管の蒸気口２５が天井面２２ａにおける円筒板２３の内周面２３ａに沿う隣接位置に開口する一方、液戻り管の液戻り口２６はその反対側の内周面における沸騰面に沿う端縁の隣接位置に形成されて液相状態の冷媒の流入方向が沸騰面と平行になるように形成されている。

Description

この発明は、冷却構造及び冷却方法に係り、詳しくは、蒸発室と凝縮室とを別個に備えて冷媒の相変化による熱交換で目的の被冷却部材を冷却する冷却構造及び冷却方法に関する。

稼動にともなる発熱の生じる各種機器は、その発熱箇所から発する熱の影響を隣接部品などが受けることから冷却装置を搭載する場合がある。例えば、コンピュータ等の電子機器に使用されるＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）やＩＣ（Integrated Circuit）は、世代毎に集積度が加速度的に増加しており、これに伴って、発熱量も増加する傾向にある。このＬＳＩやＩＣが高速かつ安定的に動作するためには、動作温度を一定温度以下に制御する必要があることから、そのＬＳＩやＩＣの発熱量に見合った冷却方式が採られる。ところが近年では、コンピュータの速度向上には、ＬＳＩ内部の演算速度よりも、ＬＳＩとメモリーなどの周辺部との間での信号伝達速度の高速化の方がその高速化に寄与する割合が大きくなってきている。この信号伝達速度の高速化は、配線長距離の縮小化が有利であるが、ＬＳＩの発熱量に見合った大きさの冷却器を実装することができなくなることから、十分な配線長の縮小化、言い換えると、信号伝達速度の高速化を実現することが難しい。

このため、ＬＳＩの冷却方式としては、そのＬＳＩパッケージの上に小さな冷却部を実装するとともに、その冷却部内の冷媒を広い場所の放熱部へとポンプで循環することにより、その冷却部の熱を放熱部へと熱輸送してから周囲空気などに放熱する液冷方式がある。また、冷媒を液体から気体に相変化させて循環させることで、体積膨張による圧力差を利用して凝縮室（放熱部）に熱を輸送するヒートパイプなども実用化されている。この冷媒を相変化させる冷却方式では、ポンプにより冷却水を循環させる冷却方式よりも冷却効率が高い。

特に、ヒートパイプは、ポンプなどの動力を使用しないために、メンテナンスや寿命による交換の必要がなく広く利用されている。このヒートパイプでは、蒸発室内で液相状態の冷媒が蒸発した後に凝縮室で冷却されて熱を放熱することにより、再度、気体から液体に相変化してその蒸発室内へと戻る。なお、この冷媒の循環時に、気体から相変化させた液相状態の冷媒を重力の作用で蒸発室に戻す方法は、熱サイフォン式ヒートパイプや沸騰冷却器と呼ばれている。

その一例としては、特許文献１の図１、特許文献２の図４、特許文献３の図１に記載されている。これら特許文献１〜３に記載の冷却構造では、図１２に模式図として図示するように、冷却装置１００の蒸発室１０１内に収容する液相状態の冷媒（以下では、単に液相冷媒ともいう）Ｌが沸騰面１０１ａに接触して蒸発することにより、気相状態の冷媒（以下では、単に気相冷媒ともいう）Ｖが発生するとともにその沸騰面１０１ａを冷却する。蒸発室１０１で発生した気相冷媒Ｖは、図中に矢印で示すように、浮力によって上昇して、この蒸発室１０１の上に設けられた蒸気管（蒸気流路）１０２の中を通って凝縮室１０５へと移動して冷却されることにより液相冷媒Ｌに戻る。凝縮室１０５で放熱して液体に戻った液相冷媒Ｌは、図中に矢印で示すように、重力で、蒸発室１０１の上に設けられた液戻り管（液戻り流路）１０３の中を通って蒸発室１０１へと還流して循環する。

しかるに、特許文献１〜３に記載の冷却構造では、発熱量の大きなＬＳＩやＩＣの冷却には冷却能力が不足する。というのは、この冷却構造における冷媒の循環時には、蒸気管１０２の蒸気口１０２ａと液戻り管１０３の液戻り口１０３ａが蒸発室１０１の同一方向に存在するために、上方へ向かう蒸気の気相冷媒Ｖと、滴り落ちる液体の液相冷媒Ｌとがぶつかり合うことになる。すなわち、浮力の作用により上昇する気相冷媒Ｖと、重力の作用により下方に降下する液相冷媒Ｌは、反対方向に移動するために、互いにその移動を妨げることになって、気相冷媒Ｖが凝縮室１０５に抜け難くなって蒸発室１０１の内部圧力を上昇させる。この蒸発室１０１の内部圧力の上昇は、冷媒の飽和蒸気圧を上げて沸点を上げることになる。この結果、冷却能力が低下することになる。

また、特許文献４の図１には、蒸気管や液戻り管を使用せずに蒸発室と凝縮室を一体化させている冷却構造が記載されている。この冷却構造では、蒸発室内で液相冷媒と気相冷媒とを仕切りで分けていることから、液相冷媒が気相冷媒とぶつかることがなく、結果として、上記の冷却能力の低下要因を回避することができる。

また、特許文献５の図２、図５、図８には、蒸発室と凝縮室を一体化させるとともに、その蒸発室と凝縮室の間に仕切りを設けることにより、上記の冷却能力の低下要因を回避しつつ冷媒を循環させる冷却構造が記載されている。この冷却構造では、蒸発室から蒸気管を介して凝縮室に気相冷媒を送って液相冷媒に相変化させるとともに、その蒸発室の上部側に形成されている凝縮室から蒸発室にその液相冷媒を戻すようになっている。

また、特許文献６の図２、特許文献７の図１、図２には、凝縮室からの液戻り管の液戻り口を蒸発室の液相冷媒内に開口させることにより、上記の冷却能力の低下要因を回避しつつ冷媒を循環させる冷却構造が記載されている。この冷却構造では、蒸発室で蒸発する気相冷媒と接触することなく、凝縮室で冷却された液相冷媒をその蒸発室内に戻すようになっている。この特許文献７の図３には、蒸発室での蒸発効率（冷却効率）向上させるために、冷却フィンを立設することが記載されている。

なお、特許文献４には、蒸発室の沸騰面に接触する液相冷媒が蒸発する際に、その沸騰面の表面に小さな気泡の気相冷媒の核（キャビティ）が形成されることが示唆されている。また、この気相冷媒の核の形成については、特許文献８の図４と図５に一例が記載されている。通常、核沸騰における気泡の発生は、不均一な核生成によるものであり、伝熱面である沸騰面の表面に傷や窪みなどを形成すると、そこに気泡が発生するきっかけとなり、より多くの気泡が発生するために液体から気体への相変化が活発となる。

特開２００４−０８８０４８号公報（図１） 特許第３９６４５８０号公報（図４） 特開２００２−１６８５４７号公報（図１） 特開２００２−０２６２１０号公報（図１） 特開昭５６−１３７０８６号公報（図２、図５、図８） 特開昭６１−２５５０４２号公報（図２） 特開昭５９−２１７３４６号公報（図１、図２） 特開２００４−０５６１２１号公報（図４、図５）

しかしながら、このような冷却構造にあっては、気相冷媒の気泡を発生させる核を沸騰面に形成するだけでは、効率よく熱伝達が促進されない、という問題がある。すなわち、液体が蒸発して気体へと相変化する際には、熱エネルギーが必要となる。このため、沸騰面に気泡を発生させる核をたくさん作れば、それだけ多くの熱エネルギーを気泡発生に使用できるため、冷却性能の向上に有効である。ところが、気泡がその核の形成位置に留まると、新たな気泡が生成されるのを阻害してしまう。

つまり、この気泡の剥離・浮上は、気泡自身の浮力を利用していることから、沸騰面から剥離・上昇する浮力を生じるだけの成長が気泡に必要となって、この結果、気泡が沸騰面に長期に亘って留まることになり、冷却能力の向上が阻害されることになる。

ところで、発熱量が低い場合には、沸騰面に核を形成することが冷却能力の向上に有効であるが、発熱量が大きくなっていくと、核以外の面からも気泡が発生するため、冷却能力の向上に作用する寄与率が小さくなることが、この発明の発明者の研究で判明している。すなわち、発熱量が大きな場合には、沸騰面における核の形成が沸騰型の熱伝達を促進するよりも、その核で形成された沸騰面に留まる影響の方が大きい、ということである。

これに対して、特許文献１〜８のいずれに記載の冷却構造においても、蒸発室の沸騰面に接触する液相冷媒や気相冷媒の流動が考慮されておらず、その沸騰面に留まる気相冷媒の気泡を積極的に除去することができていない。例えば、特許文献５に記載の冷却構造では、蒸発室内に戻る液相冷媒の流動を利用することができず、その液相冷媒は単に蒸発室内に滞留して沸騰面に接触しているだけである。また、特許文献６、７に記載の冷却構造では、蒸発室内に液相冷媒を流入させる液戻り口が沸騰面から離隔していることから、その下部に液相冷媒の滞留が生じ易く、液相冷媒の流入速度を低下させてしまう。また、この特許文献６、７に記載の冷却構造では、蒸発室内の気相冷媒を凝縮室に導く蒸気口が沸騰面中央の上部に開口していることから、液相冷媒と気相冷媒のいずれも液戻り口の反対側に滞留し易く、また、液相冷媒の流れを利用して気相冷媒を凝縮室に案内する流れを促進することができない。このため、これら特許文献に記載の冷却構造では、蒸発室の沸騰面の小面積化を図りつつ冷却能力を向上させることができず、例えば、ＬＳＩの周囲の配線長を十分に縮小することができない、という課題があった。

この発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、冷媒を循環させる動力を必要とすることなく、沸騰面に発生する気泡を浮力以外の作用で持ち去ることにより、沸騰面における熱交換（熱伝達）を効果的に行わせるようにして、発熱量の大きな被冷却部材に対する効率のよい冷却と共に、小型化・低消費電力化を可能にするメンテナンスフリーの冷却構造及び冷却方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明の構成は、液相状態の冷媒は、被冷却部材から受熱する蒸発室の沸騰面の端縁の隣接位置に開口する液戻り口から該沸騰面と平行方向に流動して該蒸発室内に流入することにより、当該沸騰面の端から接触するとともに流動方向を維持しつつ、該液戻り口の該沸騰面を挟んで反対側に開口する蒸気口に向って流動する一方、気相状態の冷媒は、前記沸騰面に前記液相状態の冷媒が接触することにより相変化して気化し該沸騰面に気泡として付着するとともに、当該沸騰面と平行に流動する該液相状態の冷媒の流動負荷を受けて剥離浮上することを特徴としている。

この発明の構成によれば、液相状態の冷媒は、蒸気口と液戻り口の間で滞留することなく、液戻り口から流入して蒸発室内の沸騰面上をなぞるように反対側の蒸気口方向に流動する。このため、沸騰面に液相状態の冷媒が接触して蒸発することにより発生する気相状態の冷媒の気泡は、直ちに、その沸騰面と平行に流動する液相状態の冷媒の流動負荷により移動されて（持ち去られて）自身の浮力により上昇（浮上）することができる。この気相状態の冷媒は、液戻り口の反対側に配設されて、その流動・浮上の先に開口する蒸気口にスムーズに流入させることができ、凝縮室で液相状態の冷媒に相変化させた後に蒸発室内に流入させることができる。したがって、沸騰面に気相状態の冷媒の気泡が留まって冷却能力を低下させてしまうことなく、また、蒸発室内に液相状態の冷媒の滞留箇所を形成することなく、その液相状態の冷媒を沸騰面に効果的に接触させて被冷却部材を効率よく冷却することができる。この結果、沸騰面の小面積化と共に冷却能力の向上を図ることができる。

この発明の第１実施形態である冷却構造の蒸発室を備える冷却装置の概略構成を示す概念接続図である。 同実施形態の蒸発室の内部構造を示す縦断面斜視図である。 同実施形態の蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。 同実施形態のベース板の構造を示す斜視図である。 同実施形態のベース板に一体形成する板状フィンの構成を示す縦断面図である。 この発明の第２実施形態である冷却構造の蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。 この発明の第３実施形態である冷却構造の蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。 この発明の第４実施形態である冷却構造の蒸発室の内部構造を示す縦断面斜視図である。 同実施形態の蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。 この発明の第５実施形態である冷却構造の蒸発室の内部構造を示す横断面図である。 この発明の第６実施形態である冷却構造の蒸発室の構成を示す一部拡大断面図である。 関連技術の冷却構造の蒸発室を備える冷却装置の概略構成を示す一部断面接続図である。

液相状態の冷媒は、被冷却部材から受熱する蒸発室の沸騰面の端縁の隣接位置に開口する液戻り口から該沸騰面と平行方向に流動して該蒸発室内に流入することにより、当該沸騰面の端から接触するとともに流動方向を維持しつつ、該液戻り口の該沸騰面を挟んで反対側に開口する蒸気口に向って流動する一方、気相状態の冷媒は、前記沸騰面に前記液相状態の冷媒が接触することにより相変化して気化し該沸騰面に気泡として付着するとともに、当該沸騰面と平行に流動する該液相状態の冷媒の流動負荷を受けて剥離浮上するように、前記蒸気口は、前記蒸発室の側壁面に沿う上部あるいは該側壁面内の上部に形成される一方、前記液戻り口は、前記蒸発室の側壁面内における前記沸騰面を挟んで前記蒸気口の反対側の該沸騰面の端縁に隣接する位置に形成されているとともに、該液戻り口と凝縮室とを連通させる液戻り流路は、当該液戻り口から前記蒸発室内に流入する前記液相状態の冷媒の流入方向が前記沸騰面と平行になるように形成されており、前記沸騰面には、複数枚の板状フィンが対面間隔以上の板厚に設定されて前記液相冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行になるように立設されている。

以下、図面を参照して、この発明の実施形態について詳細に説明する。

実施形態１

図１乃至図５はこの発明に係る冷却構造の第１実施形態を示す図である。図１は同冷却構造を採用する冷却装置の概略全体構成を示す概念図、図２は同冷却装置における蒸発室の内部構造を示す縦断面斜視図、図３は同蒸発室の内部構造を示す縦断面図、図４は同冷却装置における沸騰面の構造を示す斜視図、図５は同沸騰面の板状フィンの構成を示す縦断面図である。ここで、以下で説明する各部は、これら図面と姿勢の上下方向が一致するように図示している。

図１において、冷却装置１０は、データを伝送するネットワークを構築するサーバやクライアント、あるいは、パーソナルコンピュータなどの電子機器等に搭載されて稼動時に発熱するＬＳＩパッケージ１１０（被冷却部材）の上面に、伝熱効率に優れる熱伝導層１１１を介して蒸発室１１が接する状態に取り付けられている。蒸発室１１は、水平の姿勢でＬＳＩパッケージ１１０に設置されており、上方に位置する凝縮室１２に蒸気管（蒸気流路）１３と液戻り管（液戻り流路）１４とを介して接続されている。なお、熱伝導層１１１としては、シリコーングリスや放熱シートを用いることができる。

冷却装置１０は、蒸発室１１内に収容する液相状態の冷媒ＬをＬＳＩパッケージ１１０に間接的に接触させて沸騰・蒸発させることにより気相状態の冷媒Ｖに相変化（気化）させてそのＬＳＩパッケージ１１０を潜熱で冷却する。一方、気相冷媒Ｖは、液相冷媒Ｌに対する比重に応じた浮力（体積膨張による圧力差）で上昇して、その体積膨張により蒸発室１１内の圧力を上昇させる。すると、気相冷媒Ｖは、圧力の低い、言い換えると、温度の低い凝縮室１２に移動しようと、蒸発室１１から蒸気管１３を介して凝縮室１２に導入されて液相冷媒Ｌに相変化（液化）される。一方、液相冷媒Ｌは、気相冷媒Ｖなどの気体に対する比重に応じた重力の作用により降下して液戻り管１４を介して蒸発室１１内に還流・循環する。すなわち、冷却装置１０は、このような冷媒の流動による冷却方法を採用することにより、冷媒を循環させる動力を必要とすることのない（電力消費のない）、原則、メンテナンスフリーで利用することができる。

ここで、冷却装置１０の凝縮室１２は、一般的な構造に作製されている。簡単に説明すると、凝縮室１２は、気相冷媒Ｖを収容する空間を有しており、その外面には表面積を拡張する不図示の放熱フィンが複数形成されているとともに、その放熱フィンにはファン１２ａの送風が吹き付けられて放熱を促進させている。凝縮室１２では、内部に導入されてきた気相冷媒Ｖの熱を外気中などに放熱（排熱）して冷却することにより、その気相冷媒Ｖを凝縮して相変化させ液相冷媒Ｌに戻す。

一方、蒸発室１１は、図２及び図３に示すように、ＬＳＩパッケージ１１０に熱伝導層１１１を介して接することにより収容する液相冷媒Ｌを沸騰面２１ａに接触させて熱交換（冷却）する円盤形状のベース板２１と、このベース板２１と同一径の円盤形状に形成されている天井板２２と、ベース板２１と天井板２２の半径よりも低い高さの円筒形状に形成されてその双方の外周縁に気密に固設されている円筒板２３とにより液相冷媒Ｌの収容空間（チャンバー）を形成している。なお、ベース板２１は熱伝導率の高い銅やアルミニウムなどの金属材料で作製するのが好ましく、天井板２２や円筒板２３は金属以外の樹脂材料等で作製してもよいが、強度等の観点からすると、金属材料で作製するのが好適である。

この蒸発室１１は、蒸気管１３を連結する蒸気口２５が天井板２２の下面の天井面（内壁面）２２ａに開口しており、蒸気口２５は、円筒板２３の内周面２３ａに沿う隣接位置に形成されている。蒸気口２５は、上方に向って蒸気管１３と連通させるように形成されており、蒸気管１３の延長方向を気相冷媒Ｖの上昇方向と一致させている。また、液戻り管１４を連結する液戻り口２６は、側壁板（内壁面）２３に開口しており、蒸発室１１の内部空間の中央を中心にして蒸気口２５の反対側に位置するとともにベース板２１の沸騰面２１ａに沿ってその端縁の隣接位置に形成されている。液戻り口２６は、円筒板２３の法線方向である側方に向って液戻り管１４と連通するように形成されており、その液戻り管１４から流入する液相冷媒Ｌの流入方向がベース板２１の沸騰面２１ａと平行になるように形成されている。すなわち、蒸気口２５と液戻り口２６は、沸騰面２１ａを挟んで反対側に位置するように開口しており、液戻り口２６は、その沸騰面２１ａの端縁に直近する位置関係で開口している。

これにより、蒸発室１１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、液相冷媒Ｌは、液戻り口２６の直後から沸騰面２１ａに沿うように平行方向から流入してその沸騰面２１ａをなぞるように流動し反対側の蒸気口２５に向う。このとき、液戻り口２６が下方の沸騰面２１ａの周縁部に開口するとともに、蒸気口２５は上方の天井面２２ａの周縁部に開口していることから、液相冷媒Ｌは、円筒板２３の内周面２３ａ付近で滞留してしまうことなく、沸騰面２１ａの全面を有効活用するように接触しつつ蒸発室１１内を流動する。このため、流入する液相冷媒Ｌは、滞留する液相冷媒Ｌが接触干渉してその流入速度を低下させてしまうことなく、沸騰面２１ａとの接触位置を平行方向に変化させつつスムーズに流動する。このことから、ベース板２１への伝熱により沸騰面２１ａに接触して蒸発する気相冷媒Ｖは、気泡の状態でその沸騰面２１ａの表面に留まることなく、図３中に一点鎖線の矢印で図示するように、流動する液相冷媒Ｌの流動負荷を受けることにより引き剥がされて移動され（持ち去られ）、自身の浮力で沸騰面２１ａから浮上する場合よりも遥かに迅速に小さな気泡の状態で上昇する。また、液相冷媒Ｌも同様に、沸騰面２１に接触して温度上昇することから、気相冷媒Ｖと同じ動きをして蒸発室１１内でスムーズに循環することになる。したがって、蒸発した気相冷媒Ｖの気泡がベース板２１の沸騰面２１ａの表面に留まって拡大することにより、そのベース板２１の冷却能力を低下させてしまうことなく、流動する液相冷媒Ｌがベース板２１への伝熱を受け取って蒸発・気化して気泡になることを効果的に繰り返して熱交換（冷却）することができる。

また、ベース板２１は、図４にも図示するように、液戻り口２６から蒸気口２５に向う液相冷媒Ｌの流動方向と平行になるように並列されている複数枚の板状フィン３１が沸騰面２１ａに立設されている。板状フィン３１は、円筒板２３よりも低めの高さに設定されており、天井板２２の天井面２２ａとの間に多少の空間を形成するように作製されている。

この板状フィン３１は、図５に示すように、その板厚ｔが側面３１ａの対面間隔ｐ以上になるように形成されており、ここでは、その板厚ｔと対面間隔ｐが同一寸法になるように作製されている。なお、この板状フィン３１は、切削切り出し、押し出し成型、あるいは、鍛造などで作製すればよい。

これにより、蒸発室１１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、蒸発室１１内に流入する液相冷媒Ｌは、ベース板２１の沸騰面２１ａと共に板状フィン３１の側面３１ａなどの表面にも接触して、冷却効率を向上される。また、液相冷媒Ｌは、液戻り口２６から戻る際の流入圧力はそのままで板状フィン３１の間の狭められた流路内を流動することになり、その流動速度を上昇させて蒸気口２５に向って流動する。このため、ベース板２１の沸騰面２１ａや板状フィン３１の側面３１ａなどに気泡の状態で発生する気相冷媒Ｖは、高速で流動する液相冷媒Ｌと共に移動させて浮力により上昇させることができ、液相冷媒Ｌの冷却能力を向上させることができる。ここで、板状フィン３１の板厚ｔは、冷却装置１０における蒸発室１１や凝縮室１２のレイアウトと共に、蒸気管１３や液戻り管１４の断面開口面積（流路抵抗）などに応じて対面間隔ｔに対する比率をｐ／ｔ≦１に決定すればよい。なお、板状フィン３１は、その厚さｔを対面間隔ｐ以上とすることにより、板状フィン３１が存在しない場合と比較して、液相冷媒Ｌの流動速度を２倍以上にすることができる。また、その一方で、ベース板２１は、板状フィン３１の形成により沸騰面２１ａの表面積が１／２以下程度に減少するが、板状フィン３１の表面積も沸騰面として機能するので、冷却能力が低下することはなく、逆に、液相冷媒Ｌの流動速度の向上で冷却能力は向上する。

この蒸発室１１内に収容する冷媒としては、ＬＳＩパッケージ１１０の動作保証温度を考慮して、その種類や内装圧力を選択設定すればよい。例えば、冷媒としては、数十℃の環境内での飽和蒸気圧が大気圧以下、あるいは大気圧付近である、フルオロカーボンやハイドロフロロエーテルのような低沸点のものを選択して減圧状態で内部に収容することにより、圧力のリークによるリスクを低減することが可能となる。また、その冷媒の収容量は冷却対象となるＬＳＩパッケージ１１０の発熱量に合わせて、ベース板２１の沸騰面２１ａがドライアウトしないように満たせばよい。このため、蒸発室１１におけるベース板２１や天井板２２と円筒板２３との間の接合は、Ｏリングなどのシール材とネジ止めの併用でも、接着やろう付けなどでもよい。ただし、収容する冷媒の沸点温度を常圧環境のときよりも下げるために、内部を真空引きして利用するので、少なくとも０．１ＭＰａ以上の圧力差において、ピンホールなどによるリークが生じない接合の方法を採用する。

一方、この蒸発室１１の蒸気管１３と液戻り管１４は、その流路形状を自在に変形可能で管内を減圧環境にすることのできる、断熱機能を備えていない冷媒用のホース（チューブ材料）を採用して蒸気口２５と液戻り口２６にそれぞれ連結接続されている。このため、蒸発室１１と凝縮室１２は、自由な位置関係にレイアウトすることができ、また、蒸気管１３と液戻り管１４においても外気との間で熱交換を行って放熱させることもできる。

また、この蒸発室１１は、液戻り口２６の開口面積ｉと蒸気口２５の開口面積ｏとの関係がｉ／ｏ＝１／２になるように作製されている。ここで、蒸発室１１では、蒸気口２５から気相冷媒Ｖが内圧に応じた流量で流出する一方、液戻り口２６からは液相冷媒Ｌが凝縮室１２のレイアウトや液戻り管１４の断面開口面積などに応じた圧力で流入する。このことから、蒸発室１１では、一般的には、液相冷媒Ｌがベース板２１と効果的に熱交換することにより気相冷媒Ｖの発生量が増大すると内圧が上昇し、その気相冷媒Ｖの蒸気口２５からの流出圧力が液相冷媒Ｌの液戻り口２６からの流入圧力に勝ると、気相冷媒Ｖが液戻り口２６から流出しようとする。

しかるに、液戻り口２６は、その開口面積ｉが蒸気口２５の開口面積ｏの１／２に作製されていることから、その開口量（流入量）を絞って液相冷媒Ｌの流入圧力を高くすることができる。このため、蒸発室１１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、液戻り口２６から流入する液相冷媒Ｌの流入圧力が、蒸気口２５から流出する気相冷媒Ｖの流出圧力よりも余裕のある圧力差を持って高くなり、気相冷媒Ｖの流出圧力が勝って液戻り口２６から流出（逆流）しようとすることを未然に回避しつつ、冷媒を蒸発室１１と凝縮室１２の間で循環させることができる。なお、蒸気口２５の開口面積ｏや液戻り口２６の開口面積ｉの調整は、蒸気管１３と液戻り管１４の縦断面積（パイプ径）や、蒸気口２５と液戻り口２６での管継手の口径によって調整すればよい。

このように、この実施形態によれば、蒸発室１１内の円筒板２３付近に液相冷媒Ｖの滞留箇所を形成させることなく、液戻り口２６から蒸気口２５に向うように液相冷媒Ｌをスムーズに流動させることができる。このため、蒸発室１１内のベース板２１の沸騰面２１ａや板状フィン３１の表面に気相冷媒Ｖの気泡が留まって冷却能力を低下させてしまうことなく、液相冷媒Ｌを効果的に接触させて熱交換（冷却）させることができる。したがって、この冷却装置１０では、ベース板２１での冷却効率（熱伝達率）が大きいことからその占有面積を小さくすることができ、発熱量の大きなＬＳＩパッケージ１１０などであっても効果的に冷却することができる。この結果、ＬＳＩパッケージ１１０からの配線長を短くしてメモリなどを配設することができ、ポンプなどの電力を必要とすることなく、コンピュータの動作速度の向上を図ることができる。

実施形態２

次に、図６はこの発明に係る冷却構造の第２実施形態を示す図である。図６は同冷却構造を採用する冷却装置における蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。ここで、この実施形態は、上述の第１実施形態と略同様に構成されていることから、同様な構成には同一の符号を付して特徴部分を説明する（以下で説明する他の実施形態においても同様）。

図６において、冷却装置１０の蒸発室４１は、ベース板２１の沸騰面２１ａが鉛直になる姿勢でＬＳＩパッケージ１１０に熱伝導層１１１を介して接する状態に取り付けられており、天井板２２もベース板２１に対面する姿勢になって、それぞれの周縁に円筒板２３が気密に固設されている。

蒸気管１３を連結する蒸気口４５は、上述の第１実施形態における蒸気口２５に代えて、液戻り口２６の反対側で天井板２２の天井面２２ａに隣接する位置の円筒板２３に開口するように形成されている。

そして、蒸発室４１は、蒸気口４５が最上部に位置する一方、液戻り口２６が最下部に位置する姿勢で取り付けられている。すなわち、ベース板２１、天井板２２及び円筒板２３で形成される液相冷媒Ｌの収容空間（チャンバー）は、下方の延長方向に連続するように液戻り管１４が液戻り口２６に連結される一方、上方の延長方向に連続するように蒸気管１３が蒸気口４５に連結されている。

これにより、蒸発室４１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、ベース板２１に隣接する液戻り口２６と天井板２２側に隣接する蒸気口４５は、略鉛直方向に対向する位置関係であることから、気相冷媒Ｖは、図中に一点鎖線の矢印で図示するように、スムーズに略鉛直方向に上昇して、蒸気口４５内に導入されて凝縮室１２に案内することができる。また、収容されている液相冷媒Ｌは、蒸発室４１が鉛直姿勢で取り付けられることから、液戻り口２６からの流入方向に一致する鉛直方向に、その温度に応じた対流を生じさせて流動することができる。

このように、この実施形態によれば、上述の第１実施形態の作用効果に加えて、気相冷媒Ｖをよりスムーズに流動させることができ、また、液相冷媒Ｌも対流を同一方向に生じさせて流動させることができる。したがって、ベース板２１での冷却効率をより向上させることができる。

ここで、この実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、蒸発室４１を上述の第１実施形態の蒸発室１１と同様に水平姿勢で取り付けてもよく、また、その蒸発室１１をこの実施形態と同様に鉛直姿勢で取り付けてもよい。この場合にも、略同等の作用効果を得ることができるが、それぞれ気相冷媒Ｖがよりスムーズに上昇することができるように、それぞれの実施形態の姿勢で取り付けて使用するのが好ましい。

実施形態３

次に、図７はこの発明に係る冷却構造の第３実施形態を示す図である。図７は同冷却構造を採用する冷却装置における蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。

図７において、冷却装置１０の蒸発室５１は、上述の第２実施形態と同様に、ＬＳＩパッケージ１１０にベース板２１と天井板２２が鉛直姿勢になるように取り付けられている。ベース板２１と天井板２２のそれぞれの周縁には、上述の第２実施形態における円筒板２３に代えて、板状フィン３１と同等の高さに作製されている円筒板５３が気密に固設されている。

そして、蒸気管１３を連結する蒸気口５５は、上述の第２実施形態における蒸気口４５に代えて、液戻り口２６と同様に、液戻り口２６の反対側でベース板２１の沸騰面２１ａに隣接する位置の円筒板５３に開口するように形成されている。

これにより、蒸発室５１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、蒸気口５５は、液戻り口２６と同様に、ベース板２１側で開口していることから、気相冷媒Ｖは、図中に一点鎖線の矢印で図示するように、真直な鉛直方向に上昇して、上述の第２実施形態における蒸気口４５よりもスムーズに蒸気口４５内に導入させて凝縮室１２に案内することができる。また、蒸発室５１内で対流する液相冷媒Ｌは、上述の実施形態のように板状フィン３１と天井板２２の間で対流することなく、板状フィン３１の間で高速に流動させることができる。

このように、この実施形態によれば、上述の第１、第２実施形態の作用効果に加えて、気相冷媒Ｖをよりスムーズに流動させることができるとともに、液相冷媒Ｌを板状フィン３１間でより高速に流動させることができる。したがって、ベース板２１での冷却効率をより向上させることができる。

ここで、この実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、上述の第１実施形態における蒸発室１１内の液相冷媒Ｌの収容容量を板状フィン３１の上部が露出する程度にしても同様の作用効果を得ることができる。

実施形態４

次に、図８及び図９はこの発明に係る冷却構造の第４実施形態を示す図である。図８は同冷却構造を採用する冷却装置における蒸発室の内部構造を示す縦断面斜視図、図９は同冷却装置における蒸発室の内部構造を示す縦断面図である。

図８及び図９において、冷却装置１０の蒸発室６１は、上述の第１実施形態と同様に、ＬＳＩパッケージ１１０にベース板２１が水平姿勢で取り付けられている。このベース板２１の周縁には、円筒板２３の一端側周縁が気密に固設される一方、その円筒板２３の他端側周縁には、上述の第１実施形態における天井板２２に代えて、天井板６２が気密に固設されている。

天井板６２は、円筒板２３に固設する周縁側が開口縁になって蒸気口２５を最下の流出口とする、所謂、変形の漏斗形状に形成されており、その上下を反転させた姿勢で円筒板２３に固設されている。すなわち、天井板６２は、ベース板２１の沸騰面２１ａからの天井面６２ａの離隔間隔が液戻り口２６側から蒸気口２５に向うほど拡大するテーパ形状に形成されている。

これにより、蒸発室６１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、天井板６２の天井面６２ａは、液戻り口２６側から蒸気口２５に収束するテーパ形状に形成されていることから、液戻り口２６から離隔するほど、ベース板２１の沸騰面２１ａや板状フィン３１の上方の空間が確保されている。ところで、液相冷媒Ｌが沸騰面２１ａや板状フィン３１に接触することにより相変化した気相冷媒Ｖは、液戻り口２６から離隔するほど、大量の気泡の状態になって蒸気口２５に向って液相冷媒Ｌと共に流動することになる。そうなると、流動する冷媒は、蒸気口２５側ほど液体の状態よりも気体の状態に相変化済みの割合が多くなって、その相変化量が少なくなることにより沸騰面２１ａや板状フィン３１での冷却効率が低下する。しかるに、この蒸発室６１では、液相冷媒Ｌが沸騰面２１ａや板状フィン３１に接触して相変化した気相冷媒Ｖの気泡は上昇して天井面６２ａとの間に確保されている空間内に逃げることができる。そして、その気泡になって上昇する気相冷媒Ｖは、液戻り口２６側からでも、図中に二点鎖線の矢印で図示するように、滞留することなく、その天井面６２ａで蒸気口２５に向うようにスムーズに案内させて凝縮室１２に導入することができる。したがって、蒸発室６１は、蒸気口２５側ほど液相冷媒Ｌ内の気相冷媒Ｖの混在率が多くなって冷却効率が低下することはなく、蒸気口２５側の沸騰面２１ａや板状フィン３１でも効率よく液相冷媒Ｌを気相冷媒Ｖに相変化させて効果的に熱交換（冷却）することができる。

このように、この実施形態によれば、上述の第１実施形態の作用効果に加えて、相変化した気相冷媒Ｖが液相冷媒Ｌ内に混在してしまうことなく、また、天井面付近で滞留してしまうことなく、よりスムーズに蒸気口２５に案内して導入することができる。したがって、冷却装置１０の冷却効率が低下してしまうことなく、効果的にＬＳＩパッケージ１１０を冷却することができる。

ここで、この実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、上述の第１実施形態における天井面２２ａと液体冷媒Ｌの表面との間に、気相冷媒Ｖの発生量に応じた空間容積を確保するようにしてもよい。この場合にも、略同様の作用効果を得ることができるが、天井板６２のテーパ形状の天井面２２ａが気相冷媒Ｖを滞留させることなく蒸気口２５側上方に案内してその流動を促進するため、この実施形態の構成を採用するのが好ましい。

実施形態５

次に、図１０はこの発明に係る冷却構造の第５実施形態を示す図である。図１０は同冷却構造を採用する冷却装置における蒸発室の内部構造を示す横断面図である。

図１０において、冷却装置１０の蒸発室７１は、ベース板２１と天井板２２の周縁に円筒板７３が気密に固設されている。この円筒板７３には、ベース板２１の沸騰面２１ａに立設されている複数枚の板状フィン３１の間の間隙の延長方向に対応するように、その並列方向に分岐させた液戻り口７６が複数開口している。

これにより、蒸発室７１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、液戻り口７６は、板状フィン３１間の間隙のそれぞれに対応するように開口していることから、液相冷媒Ｌは、その板状フィン３１間の間隙にスムーズに流入することができ、その間でより高速に流動させることができる。

このように、この実施形態によれば、上述の実施形態の作用効果に加えて、液相冷媒Ｌをよりスムーズに板状フィン３１間に流入させて高速に流動させることができる。したがって、ベース板２１での冷却効率をより向上させることができる。

ここで、この実施形態の他の態様としては、図示することは省略するが、液戻り口７６のように分岐させるのではなく、板状フィン３１の並列方向に延在する幅の狭い長穴形状で開口する液戻り口を形成してもよい。しかしながら、液戻り口は、蒸気口２５よりも小さな面積で開口させる必要があることから、この実施形態のように構成する方が設計・作製の観点からすると有利である。

実施形態６

次に、図１１はこの発明に係る冷却構造の第６実施形態を示す図である。図１１は同冷却構造を採用する冷却装置における蒸発室の構成を示す一部拡大断面図である。

図１１において、冷却装置１０の蒸発室１１を構成するベース板２１は、円筒板２３の外部まで延長させた延長部８２に小電力で駆動する超音波振動子８３が固設されており、その超音波振動子８３の駆動で発生する超音波振動が蒸発室１１内の沸騰面２１ａや板状フィン３１の表面まで伝播するようになっている。

これにより、蒸発室１１内では、次のような冷媒の流動による冷却方法が実施される。すなわち、沸騰面２１ａと板状フィン３１の表面にも超音波振動が発生して、その表面に付着する気相媒体Ｖの気泡は、液相冷媒Ｌの流動抵抗による負荷と共にその超音波振動による負荷も加えられて、沸騰面２１ａと板状フィン３１の表面から剥離される。

このように、この実施形態によれば、上述の実施形態の作用効果に加えて、液相冷媒Ｌの流動負荷に加えて、超音波振動による負荷でも沸騰面２１ａや板状フィン３１の表面に付着する気相媒体Ｖの気泡を剥離浮上させることができる。したがって、ベース板２１での冷却効率をより向上させることができる。

以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、異なる形式で凝縮室を蒸発室に接続する冷却装置にも適用することができ、また、その蒸発室も円形のチャンバーに限るものではない。

この発明は、パーソナルコンピュータなどの電子機器内の発熱部を冷却する冷却装置に適用するだけでなく、他の冷却装置にも適用することができ、例えば、サーバールームなどの空調関係設備などにも適用することができる。

１０ 冷却装置
１１、４１、５１、６１ 蒸発室
１２ 凝縮室
１３ 蒸気管（蒸気流路）
１４ 液戻り管（液戻り流路）
２１ ベース板
２１ａ 沸騰面
２２、６２ 天井板
２２ａ、６２ａ 天井面（内壁面）
２３、５３、７３ 円筒板
２３ａ 内周面（内壁面）
２５、４５、５５ 蒸気口
２６、７６ 液戻り口
３１ 板状フィン
３１ａ 側面
８３ 超音波振動子
１１０ ＬＳＩパッケージ（被冷却部材）
Ｌ 液相冷媒
ｐ 対面間隔
ｔ 板厚
Ｖ 気相冷媒

Claims (21)

1. 液相状態の冷媒は、被冷却部材から受熱する蒸発室の沸騰面の端縁の隣接位置に開口する液戻り口から該沸騰面と平行方向に流動して該蒸発室内に流入することにより、当該沸騰面の端から接触するとともに流動方向を維持しつつ、該液戻り口の該沸騰面を挟んで反対側に開口する蒸気口に向って流動する一方、
   気相状態の冷媒は、前記沸騰面に前記液相状態の冷媒が接触することにより相変化して気化し該沸騰面に気泡として付着するとともに、当該沸騰面と平行に流動する該液相状態の冷媒の流動負荷を受けて剥離浮上することを特徴とする冷却構造。
2. 前記蒸気口は、前記蒸発室の側壁面に沿う上部あるいは該側壁面内の上部に形成される一方、
   前記液戻り口は、前記蒸発室の側壁面内における前記沸騰面を挟んで前記蒸気口の反対側の該沸騰面の端縁に隣接する位置に形成されているとともに、
   該液戻り口と凝縮室とを連通させる液戻り流路は、当該液戻り口から前記蒸発室内に流入する前記液相状態の冷媒の流入方向が前記沸騰面と平行になるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却構造。
3. 前記沸騰面には、前記液相状態の冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行に複数枚の板状フィンが立設されており、
   該板状フィンは、当該板状フィンの対面間隔以上の板厚に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却構造。
4. 前記沸騰面には、前記液相状態の冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行に複数枚の板状フィンが立設されており、
   前記液戻り口は、該板状フィン間の間隙の並列方向に対応するように開口していることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の冷却構造。
5. 前記蒸発室は、前記沸騰面が鉛直姿勢になるように前記被冷却部材に設置されて、前記蒸気口が最上部に位置するとともに、前記液戻り口が最下部に位置することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一に記載の冷却構造。
6. 前記蒸気口は、前記沸騰面に対向する上部側の天井面に開口しており、
   該天井面は、前記沸騰面から離隔する間隔が前記液戻り口側から前記蒸気口に向って拡大するテーパ状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一に記載の冷却構造。
7. 前記液戻り口の開口面積は、前記蒸気口の開口面積の１／２以下に設定されていることを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか一に記載の冷却構造。
8. 前記沸騰面には、前記液相状態の冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行に複数枚の板状フィンが立設されており、
   該液相状態の冷媒は、少なくとも前記被冷却部材に接する領域の背面側の前記沸騰面に接触するとともに前記板状フィンを浸漬させる程度の容量で前記蒸発室内に収容されていることを特徴とする請求項１乃至７のうち何れか一に記載の冷却構造。
9. 前記蒸発室の少なくとも前記沸騰面に超音波振動を伝播する超音波振動子が配設されていることを特徴とする請求項１乃至８のうち何れか一に記載の冷却構造。
10. 前記蒸発室は、数十℃で飽和蒸気圧が大気圧付近となる冷媒を収容して内部を減圧状態にしていることを特徴とする請求項１乃至９のうち何れか一に記載の冷却構造。
11. 前記液戻り口及び凝縮室を連通させる液戻り流路と、前記蒸気口及び該凝縮室を連通させる蒸気流路との一方あるいは双方は、流路形状を自在に変形可能なホースなどのチューブ材料で作製されていることを特徴とする請求項１乃至１０のうち何れか一に記載の冷却構造。
12. 請求項１乃至１１のうち何れか一に記載の冷却構造を採用する沸騰型冷却器を冷却の必要な部材に設置したことを特徴とする電子機器。
13. 液相状態の冷媒は、被冷却部材から受熱する蒸発室の沸騰面の端縁の隣接位置に開口する液戻り口から該沸騰面と平行方向に流動して該蒸発室内に流入した後に、当該沸騰面の端から接触するとともに流動方向を維持しつつ、該液戻り口の該沸騰面を挟んで反対側に開口する蒸気口に向って流動する一方、
    気相状態の冷媒は、前記沸騰面に前記液相状態の冷媒が接触することにより相変化して気化し該沸騰面に気泡として付着するとともに、当該沸騰面と平行に流動する該液相状態の冷媒の流動負荷を受けて剥離浮上することを特徴とする冷却方法。
14. 前記沸騰面には、前記液相状態の冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行に複数枚の板状フィンが立設されており、
    該板状フィンは、当該板状フィンの対面間隔以上の板厚に設定されることにより、前記沸騰面と平行に流動する前記液相状態の冷媒の流動速度を向上させることを特徴とする請求項１３記載の冷却方法。
15. 前記沸騰面には、前記液相状態の冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行に複数枚の板状フィンが立設されており、
    該液相状態の冷媒は、該板状フィン間の間隙の並列方向に対応するように開口している前記液戻り口から前記蒸発室内に流入して当該板状フィン間を流動することを特徴とする請求項１３又は１４記載の冷却方法。
16. 前記蒸発室は、前記沸騰面が鉛直姿勢になるように前記被冷却部材に設置されて、前記蒸気口が最上部に位置するとともに、前記液戻り口が最下部に位置することにより、
    前記沸騰面と平行に流動する前記液相状態の冷媒は鉛直方向に流動することを特徴とする請求項１３、１４又は１５記載の冷却方法。
17. 前記蒸発口は、前記沸騰面に対向する上部側の天井面に開口して、該天井面は、前記沸騰面から離隔する間隔が前記液戻り口側から前記蒸気口に向って拡大するテーパ状に形成されることにより、
    前記気相状態の冷媒は、前記液相状態の冷媒内から離脱した後には、当該テーパ状の前記天井面によって前記蒸気口に案内されることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか一に記載の冷却方法。
18. 前記液戻り口の開口面積は、前記蒸気口の開口面積の１／２以下に設定されることにより、
    前記気相状態の冷媒の流入する前記蒸気口と前記液相状態の冷媒の流出する前記液戻り口の間の圧力差で当該冷媒を所定の方向に流動させることを特徴とする請求項１３乃至１７のうち何れか一に記載の冷却方法。
19. 前記蒸発室の少なくとも前記沸騰面に超音波振動を伝播する超音波振動子が配設されており、
    前記沸騰面に付着する前記気相状態の冷媒の気泡は、当該超音波振動でも該沸騰面から剥離することを特徴とする請求項１３乃至１８のうち何れか一に記載の冷却方法。
20. 前記沸騰面には、前記液相状態の冷媒の前記液戻り口からの流入方向と平行に複数枚の板状フィンが立設されており、
    該液相状態の冷媒は、少なくとも前記被冷却部材に接する領域の背面側の前記沸騰面に接触するとともに前記板状フィンを浸漬させる程度の容量で前記蒸発室内に収容することを特徴とする請求項１３乃至１９のうち何れか一に記載の冷却方法。
21. 前記蒸発室は、数十℃で飽和蒸気圧が大気圧付近となる冷媒を収容して内部を減圧状態にすることを特徴とする請求項１３乃至２０のうち何れか一に記載の冷却方法。

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