JPWO2013018667A1 - 冷却装置及びそれを用いた電子機器 - Google Patents
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Abstract
冷却方式を用いた冷却装置においては、薄型の電子機器に実装すると充分な冷却性能が得られない。本発明の冷却装置は、冷媒を貯蔵する蒸発部と、蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、蒸発部と凝縮部を接続する配管、とを有し、蒸発部と凝縮部は、蒸発部は、蒸発容器と、蒸発容器内に配置され冷媒の流路を構成する隔壁部とを備え、隔壁部の高さが、冷媒の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器の高さ未満である。
Description
本発明は、半導体装置や電子装置などの冷却装置に関し、特に、冷媒の気化と凝縮の相変化サイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式による冷却装置及びそれを用いた電子機器に関する。
近年、半導体装置や電子装置などの高性能化、高機能化に伴い、それらの発熱量も増大している。そのため、毛細管力で作動液の循環を図るヒートパイプを用いた冷却装置では、作動液のドライアウトが起こり、冷却性能が低下してしまうという問題があった。それに対して、冷媒の気化と凝縮の相変化サイクルと重力による還流を使用して熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却（サーモサイフォン）方式を用いた冷却装置は、冷媒が気液二相流として移動するため、熱輸送能力を向上させることができる。そのため、発熱量の大きな半導体装置や電子装置などの冷却装置として期待されている。
このような沸騰冷却方式を用いた冷却装置（以下では、「沸騰冷却装置」とも言う）の一例が特許文献１に記載されている。図１２は、特許文献１に記載された関連する沸騰冷却装置５００の構成を示す側面断面図である。関連する沸騰冷却装置５００は、回路基板５０１に搭載されたＣＰＵなど発熱源としての半導体デバイス５０２を冷却するために用いられる。関連する沸騰冷却装置５００は、半導体デバイス５０２の表面に取り付けられた沸騰部５１０とラジエータを備えた凝縮部５２０を備え、これらの間に蒸気管５３１と液戻り管５３２からなる一対の配管が取り付けられている。ここで関連する沸騰冷却装置５００は、その内部を大気圧の略１／１０程度の減（低）圧状態に保たれ、液体冷媒である水の相変化により、電動ポンプなどの外部動力なしで冷媒液を循環することの出来るサーモサイフォンを構成している。
関連する沸騰冷却装置５００において、発熱源である半導体デバイス５０２で発生した熱は、沸騰部５１０へ伝達される。その結果、沸騰部５１０では、伝達された熱により液体冷媒である水（Ｗａ）が減圧下で沸騰して蒸発し、発生した蒸気（ＳＴ）は沸騰部５１０から蒸気管５３１を通って凝縮部５２０へ導かれる。そして、凝縮部５２０では、冷媒蒸気が冷却ファン５４０などによって送風される空気（ＡＩＲ）により冷却されて液体（水）となり、その後、重力により液戻り管５３２を通って再び沸騰部５１０へ還流する。
ここで、凝縮部５２０は複数の扁平管を備え、その内壁面に多数の微細な溝が形成されている。このような構成とすることにより、凝縮熱伝達率を向上することが可能となり、凝縮部５２０の性能を改善することが出来るので、発熱体からの発熱を低コストかつ効率よく冷却することができる、としている。
このような沸騰冷却方式を用いた冷却装置（以下では、「沸騰冷却装置」とも言う）の一例が特許文献１に記載されている。図１２は、特許文献１に記載された関連する沸騰冷却装置５００の構成を示す側面断面図である。関連する沸騰冷却装置５００は、回路基板５０１に搭載されたＣＰＵなど発熱源としての半導体デバイス５０２を冷却するために用いられる。関連する沸騰冷却装置５００は、半導体デバイス５０２の表面に取り付けられた沸騰部５１０とラジエータを備えた凝縮部５２０を備え、これらの間に蒸気管５３１と液戻り管５３２からなる一対の配管が取り付けられている。ここで関連する沸騰冷却装置５００は、その内部を大気圧の略１／１０程度の減（低）圧状態に保たれ、液体冷媒である水の相変化により、電動ポンプなどの外部動力なしで冷媒液を循環することの出来るサーモサイフォンを構成している。
関連する沸騰冷却装置５００において、発熱源である半導体デバイス５０２で発生した熱は、沸騰部５１０へ伝達される。その結果、沸騰部５１０では、伝達された熱により液体冷媒である水（Ｗａ）が減圧下で沸騰して蒸発し、発生した蒸気（ＳＴ）は沸騰部５１０から蒸気管５３１を通って凝縮部５２０へ導かれる。そして、凝縮部５２０では、冷媒蒸気が冷却ファン５４０などによって送風される空気（ＡＩＲ）により冷却されて液体（水）となり、その後、重力により液戻り管５３２を通って再び沸騰部５１０へ還流する。
ここで、凝縮部５２０は複数の扁平管を備え、その内壁面に多数の微細な溝が形成されている。このような構成とすることにより、凝縮熱伝達率を向上することが可能となり、凝縮部５２０の性能を改善することが出来るので、発熱体からの発熱を低コストかつ効率よく冷却することができる、としている。
近年、サーバなどの各種コンピュータを大量に使用するデータセンター等の普及に伴い、サーバ等の電子機器を収容するラックの薄型化が図られている。このラックの寸法に関し、米国電子工業会（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ Ａｌｌｉａｎｃｅ：ＥＩＡ）で規格が定められており、ラック高さの最小単位「１Ｕ（Ｕｎｉｔ）」は１．７５インチ（４４．４５ｍｍ）である。
ここで、サーバ等の電子機器では、中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）を保守交換するためのソケット等が基板上に実装される。そのため、高さが「１Ｕ」のラックに搭載されるサーバ（以下、「１Ｕサーバ」とも言う）等の薄型の電子機器では、ＣＰＵを冷却するための冷却装置に許容されるスペースは２５ｍｍ程度の高さに限られることになる。
一方、上述したように、関連する沸騰冷却装置では冷媒蒸気の浮力と液体冷媒の重力を利用するサーモサイフォン方式を採用しているため、凝縮部を沸騰部に対して鉛直上方に配置した構成とする必要がある。しかしながら、上述した２５ｍｍ程度の空間内に凝縮部と沸騰部とを配置すると、充分な高低差が得られず、冷媒の重力による還流が阻害されてしまう。そのため、充分な冷却性能を得ることが困難となる。
このように、関連する沸騰冷却装置においては、薄型の電子機器に実装すると充分な冷却性能が得られない、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、沸騰冷却方式を用いた冷却装置においては、薄型の電子機器に実装すると充分な冷却性能が得られない、という課題を解決する冷却装置及びそれを用いた電子機器を提供することにある。
ここで、サーバ等の電子機器では、中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）を保守交換するためのソケット等が基板上に実装される。そのため、高さが「１Ｕ」のラックに搭載されるサーバ（以下、「１Ｕサーバ」とも言う）等の薄型の電子機器では、ＣＰＵを冷却するための冷却装置に許容されるスペースは２５ｍｍ程度の高さに限られることになる。
一方、上述したように、関連する沸騰冷却装置では冷媒蒸気の浮力と液体冷媒の重力を利用するサーモサイフォン方式を採用しているため、凝縮部を沸騰部に対して鉛直上方に配置した構成とする必要がある。しかしながら、上述した２５ｍｍ程度の空間内に凝縮部と沸騰部とを配置すると、充分な高低差が得られず、冷媒の重力による還流が阻害されてしまう。そのため、充分な冷却性能を得ることが困難となる。
このように、関連する沸騰冷却装置においては、薄型の電子機器に実装すると充分な冷却性能が得られない、という問題があった。
本発明の目的は、上述した課題である、沸騰冷却方式を用いた冷却装置においては、薄型の電子機器に実装すると充分な冷却性能が得られない、という課題を解決する冷却装置及びそれを用いた電子機器を提供することにある。
本発明の冷却装置は、冷媒を貯蔵する蒸発部と、蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、蒸発部と凝縮部を接続する配管、とを有し、蒸発部は、蒸発容器と、蒸発容器内に配置され冷媒の流路を構成する隔壁部とを備え、隔壁部の高さが、冷媒の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器の高さ未満である。
本発明の電子機器は、冷却装置と、発熱体と、放熱部を有し、冷却装置は、冷媒を貯蔵する蒸発部と、蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、蒸発部と凝縮部を接続する配管、とを有し、蒸発部は、蒸発容器と、蒸発容器内に配置され冷媒の流路を構成する隔壁部とを備え、隔壁部の高さが、冷媒の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器の高さ未満であり、蒸発部は、発熱体の上部に熱的に接続して配置しており、凝縮部は、放熱部の上部に熱的に接続して配置している。
本発明の電子機器は、冷却装置と、発熱体と、放熱部を有し、冷却装置は、冷媒を貯蔵する蒸発部と、蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、蒸発部と凝縮部を接続する配管、とを有し、蒸発部は、蒸発容器と、蒸発容器内に配置され冷媒の流路を構成する隔壁部とを備え、隔壁部の高さが、冷媒の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器の高さ未満であり、蒸発部は、発熱体の上部に熱的に接続して配置しており、凝縮部は、放熱部の上部に熱的に接続して配置している。
本発明の冷却装置による効果の一例として、薄型の電子機器に実装した場合であっても、充分な冷却性能を有する沸騰冷却方式の冷却装置が得られる。
以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置１００の構成を示す側面断面図である。冷却装置１００は、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部１２０、および蒸発部１１０と凝縮部１２０を接続する配管１４０を有する。ここで蒸発部１１０と凝縮部１２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。
さらに詳しく説明すると、隔壁部１１２は、冷媒１３０の流動方向を制限し冷媒の流路を構成する。なお、隔壁部１１２は、冷媒１３０が蒸発容器１１１内で循環するように構成されている。図１の蒸発部１１０では、隔壁部１１２と蒸発容器１１１の側壁との間に空間が存在し、冷媒が流動するようになっている。もしくは、隔壁部１１２中に穴を設けるなどして流路が構成され、冷媒が循環するようになっていてもよい。
また、蒸発容器１１１の高さとは、蒸発容器１１１の内寸、すなわち内壁の天井面までの高さを指す。
さらに、蒸発容器１１１の形状は、図１３の蒸発部１１０の上面断面図に示すように立方体形状でもよいし、図１４の蒸発部１１０の上面断面図に示すように円柱形状であってもよい。
また、本実施形態では、蒸発部１１０と凝縮部１２０とを、鉛直方向に対して略同一高さに位置していることとしたが、本発明が動作するためにはこれに限らない。本発明が動作するためには、冷却装置として動作している状態で、二つの液管口のうち高い位置で接続している側の液管口の下面部ａより、凝縮容器１２１の液面が高ければ動作する。この状態を維持するためには、蒸発容器１１１と凝縮容器１２１の液面が、動作していない当初の状態で、二つの液管口のうち高い位置で接続している側の液管口の下面部ａと同じ高さかそれより高ければよい。これを満たすならば、図３３Ａ、Ｂの側面断面図に示すように、凝縮部１２０が蒸発部１１０より高い位置にあってもよいし、図３４Ａ、Ｂに示すように、凝縮部１２０が蒸発部１１０より低い位置にあってもよい。なお、図３３Ａと図３４Ａの溶媒の液面は、冷却装置として動作している状態での液面を示しており、図３３Ｂと図３４Ｂの溶媒の液面は、冷却装置として動作していない当初の状態を示している。動作していない状態では、冷媒の液面は蒸発容器１１１、凝縮容器１２１で同じ高さとなる。
冷媒１３０には低沸点の材料を用い、蒸発容器１１１に冷媒１３０を注入した後に真空排気することにより、蒸発容器１１１の内部は常に冷媒１３０の飽和蒸気圧に維持することができる。図中、蒸発部１１０および凝縮部１２０におけるハッチング部分は液相状態の冷媒を示し、ハッチング部分の点線は液相状態の冷媒と気相状態の冷媒の界面（以下では、「冷媒の気液界面」と言う。）を示す。冷媒１３０としては例えば、絶縁性を有し不活性な材料であるハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどの低沸点冷媒を用いることができる。また、蒸発部１１０および凝縮部１２０を構成する材料には、熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウム、銅などを用いることができる。
次に、本実施形態による冷却装置１００の動作について詳細に説明する。冷却装置１００は、蒸発部１１０の下部に例えば中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）などの発熱体１５０を配置し、蒸発部１１０と熱的に接続して使用する。発熱体からの熱量が蒸発部１１０の蒸発容器１１１を介して冷媒１３０に伝達され、冷媒１３０が気化する。このとき、発熱体からの熱量は気化熱として冷媒に奪われるため、発熱体の温度上昇が抑制される。
ここで冷媒１３０の注入量は、発熱体１５０の発熱量と冷媒の気化熱から算出される量以上であって、冷媒１３０の気液界面の高さが隔壁部１１２の高さ以下となるように定める。また隔壁部１１２の高さは、隔壁部１１２の上端と蒸発容器１１１の天板部分との間に約５〜１０ｍｍ程度の空間が配置される高さであることが望ましい。
蒸発部１１０において気化した冷媒蒸気は、液相から体積膨張し蒸発容器１１１内に充満するが、隔壁部１１２の存在により蒸発容器１１１内で圧力差が生じる。すなわち、隔壁部１１２の高さは冷媒１３０の気液界面の高さ以上であるため、隔壁部１１２の領域にも冷媒蒸気が存在する。ところが隔壁部１１２においては、冷媒蒸気は隔壁部１１２によって仕切られているため体積が制限される。そのため冷媒蒸気の圧力は、隔壁部１１２における方が、隔壁部１１２の上端と蒸発容器１１１の天板部分との間の領域におけるよりも大きくなる。ここで隔壁部１１２は、例えば長方形状の薄板が立設した複数の隔壁薄板（フィン）を含む構成とすることができる。このとき隔壁部１１２において冷媒蒸気が占める体積は、隔壁薄板（フィン）の間隔によって制限されることになる。
ここで、隔壁部１１２を構成する隔壁薄板（フィン）の形状について述べる。フィンの高さは、高いほどフィン面積が増えるため冷却性能を向上させることができる。１Ｕサーバに搭載することを考慮すると、１Ｕサーバの内寸の高さが４０ｍｍ程度、ＣＰＵの高さが１５ｍｍ程度であることから、蒸発部１１０の外寸の高さは２５ｍｍ程度、内寸の高さは２０ｍｍ程度となり、フィンの高さは１０〜１５ｍｍ程度が好ましい。また、フィンとフィンの間隔（フィンピッチ）は、狭い方がフィンの枚数が増えるため冷却性能を向上させることができる。一方、フィンの間隔が狭くなりすぎると蒸気が流れづらくなり逆に冷却性能が悪化するため、１〜２ｍｍ程度のピッチが好ましい。さらに、フィンの厚さは、フィンのピッチの半分程度、すなわち０．５〜１ｍｍ程度が好ましい。フィンの厚さは、薄すぎると熱がフィンの上端まで十分に伝導せず、また厚すぎると気泡が流れづらくなり、冷却性能が悪化してしまう。そこで、フィン間の蒸気の圧力が２倍となるようにフィンピッチの半分程度の厚さにすることで、冷却性能を向上させることができる。
また、フィンは、図１の冷却装置１００の側面断面図に示すように重力方向に直立していてもよいし、図１５の蒸発部１１０の側面断面図に示すように配管１４１、１４２が存在する側に傾斜をもって立設していてもよい。
さらに、フィンの形状は、図１の冷却装置１００の側面断面図に示すような長方形状の薄板に限らず、図１６、１７の蒸発部１１０の側面断面図に示すように断面が三角形状の薄板であってもよい。図１６はフィンの両側が斜面、図１７はフィンの片側が斜面となっている。これらのようにフィンに斜面を設けると、蒸気が上方に抜けやすく流路抵抗が減り沸点が下がるため、より冷却性能が向上する。さらには、図１８の蒸発部１１０の側面断面図に示すようにフィンの上端がテーパ形状になった薄板であってもよい。この場合、フィンをプレス工法で製作することができるので、コストを安くすることができる。
次に隔壁部１１２の配置について述べる。上面断面図で見た隔壁部１１２のフィンの延伸方向（長手方向）の配置は、図１９の上面、図２０の側面の蒸発部１１０の断面図に示すように、配管１４０の延伸方向と面するように配置してもよいし、図２１の上面、図２２の側面の蒸発部１１０の断面図に示すように、配管１４０の延伸方向と同じ方向になるように配置してもよい。さらに、図２３の上面、図２４の側面の蒸発部１１０の断面図に示すように、配管１４０の延伸方向と斜めになるように配置してもよい。なお、このときフィンの長手方向と蒸発容器１１１の側壁とは必ずしも平行になっていなくてもよい。
一方、凝縮部１２０においては、冷媒蒸気は凝縮容器１２１などに接触して冷却され、凝縮液化する。冷媒蒸気は液体へ相変化すると体積が急激に縮小するため、凝縮容器１２１内の気相冷媒による圧力は蒸発容器１１１におけるよりも低くなる。以上より、蒸発部１１０の隔壁部１１２、隔壁部１１２の上端と蒸発容器１１１の天板部分との間の領域、および凝縮容器１２１との間で、この順に冷媒蒸気の圧力勾配が生じる。したがって、本実施形態による冷却装置１００によれば、蒸発部１１０と凝縮部１２０が鉛直方向に対して略同一高さに位置するため、冷媒蒸気の浮力による循環を利用できない場合であっても、冷媒蒸気を蒸発部１１０から凝縮部１２０に輸送することが可能となる。
また、蒸発部１１０において液相の冷媒が気化し気泡となって離脱することにより、蒸発部１１０における冷媒の気液界面は低下する。しかし、蒸発部１１０と凝縮部１２０における冷媒の気液界面を一定に保つように、液相冷媒が配管１４０を通して凝縮部１２０から蒸発部１１０へ直ちに供給される。これにより、蒸発部１１０と凝縮部１２０が鉛直方向に対して略同一高さに位置し、重力による液相冷媒の循環を利用することができない場合であっても、液相冷媒を蒸発部１１０と凝縮部１２０との間で循環させることが可能となる。
ここで配管１４０は、気相冷媒が流動する蒸気管１４１と、凝縮液化した液相冷媒が流動する液管１４２を含む構成とすることができる。このとき、蒸気管１４１は隔壁部１１２の高さ以上の位置において蒸発容器１１１と接続し、液管１４２は冷媒の気液界面の高さ以下の位置において蒸発容器１１１と接続する構成とすることが望ましい。
また、蒸気管１４１と液管１４２は、重力方向に対して蒸気管１４１が上方、液管１４２が下方であれば、フィンの長手方向との位置によらず配置することができ、例えば、図２５の上面、図２６の側面の蒸発部１１０の断面図のように蒸気管１４１と液管１４２が蒸発容器１１１の異なる側壁に接続していてもよい。また、蒸気の流れの抵抗を少なくするために、図２７の上面、図２８の側面の凝縮部１１０の断面図に示すように蒸気管１４１と液管１４２が蒸発容器１１１の向かい合う側壁にそれぞれ接続されていてもよい。特にフィンの長手方向は、液管と蒸気管と同じ方向であることが好ましい。これは、蒸気の流れの抵抗は圧損となり沸点を上昇させるので、冷却性能を高くするために抵抗は小さい方がよいからである。このとき、蒸発部１１０と凝縮部１２０は、図３５に示すように液管および蒸気管が曲線状に接続されており、蒸発部１１０を斜めに配置することで液管の長さを短くすることができ、凝縮部との接続を容易にすることができる。また、液管１４２は、図２９の冷却装置の側面断面図に示すように、蒸発容器１１１の底面と接続していてもよい。このような構成とすることにより、冷媒の量を少なくすることができるとともに、より自由な配管設計が可能となる。
なお、蒸気管１４１の径は、冷媒の蒸発量、すなわち発熱体の発熱量によって決まり、蒸気が十分通過できるような径であればよい。
さらに、蒸気管１４１と隔壁部１１２を構成するフィンの関係について述べる。蒸発容器１１１内では蒸気管１４１に近いほど蒸気量が増えるので、蒸気が通りやすくするために図３０、図３１の蒸発部１１０の側面断面図に示すように蒸気管１４１に向かってフィンの高さを低くするように構成してもよい。もしくは、図３２の蒸発部１１０の上面断面図に示すように蒸気管１４１に向かってフィンの長さを短くするように構成してもよい。
以上述べたように、本実施形態による冷却装置１００によれば、蒸発部１１０と凝縮部１２０を鉛直方向に対して略同一高さに配置する必要がある場合、例えば、薄型の電子機器に実装した場合であっても、充分な冷却性能を有する沸騰冷却方式の冷却装置が得られる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態による冷却装置２００の構成を示す側面断面図、図３は平面断面図である。冷却装置２００は、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部２２０、および蒸発部１１０と凝縮部２２０を接続する配管１４０を有する。ここで蒸発部１１０と凝縮部２２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。
本実施形態による冷却装置２００は、凝縮部２２０の構成が第１の実施形態の冷却装置１００と異なり、他の構成は同様であるので詳細な説明は省略する。凝縮部２２０は凝縮容器１２１内に、気相冷媒の放熱を促進する凝縮板部２２２を備える。この凝縮板部２２２により凝縮部２２０における冷媒蒸気の冷却および凝縮液化が促進されるので、冷却装置２００の冷却性能の向上を図ることができる。
ここで配管１４０は、気相冷媒が流動する蒸気管１４１と、凝縮液化した液相冷媒が流動する液管１４２を含む構成とすることができる。このとき、蒸気管１４１は凝縮板部２２２の高さ以上の位置において凝縮容器１２１と接続し、液管１４２は、冷媒の気液界面の高さ以下の位置において凝縮容器１２１と接続する構成とすることが望ましい。
また、蒸発部１１０で発生した冷媒蒸気を凝縮板部２２２において凝縮液化するために、凝縮板部２２２の表面積は大きい方が望ましい。そこで、凝縮板部２２２は長方形状の薄板が立設した複数の凝縮薄板（フィン）を含む構成とすることができる。このとき、図３に示すように、凝縮薄板の長手方向の端部領域において配管１４０と凝縮容器１２１を接続する。例えば、凝縮薄板の長手方向の一端部で蒸気管１４１と凝縮容器１２１が接続し、他端部で液管１４２と凝縮容器１２１が接続した構成とすることが望ましい。これにより、蒸気管１４１から凝縮容器１２１に流入した冷媒蒸気は、凝縮薄板の長手方向に沿って液管１４２に向かって流動する。そのため、凝縮薄板（フィン）と接触する割合が増大し、凝縮液化の効率化により冷却性能の向上を図ることができる。
ここで、凝縮部２２０は図４に示すように、凝縮薄板の長手方向が鉛直方向と垂直な方向（図中の一点鎖線）に対して傾斜するように凝縮板部２２２を配置することとしてもよい。図４は、図３における矢印Ａ方向から見た断面図である。この構成により、凝縮容器１２１内で凝縮液化した液相冷媒は、重力の作用により速やかに液管１４２に移動することが可能となるため、冷却性能のさらなる向上を図ることができる。
なお図３では、蒸発部１１０においても、隔壁部１１２の隔壁薄板の長手方向の端部領域において配管１４０と蒸発容器１１１が接続する場合を示した。すなわち、隔壁薄板の長手方向の一端部で蒸気管１４１と蒸発容器１１１が接続し、他端部で液管１４２と蒸発容器１１１が接続した構成とした。この構成により、冷媒蒸気の対流効果が加わり蒸発部１１０の性能を上げることが可能となる。配管１４０の配置構成はこれに限らず、図５に示すように、隔壁薄板の長手方向の一端部の領域で蒸気管１４１および液管１４２と蒸発容器１１１を接続した構成としてもよい。
以上述べたように、本実施形態による冷却装置２００によれば、凝縮容器１２１内に配置した凝縮板部２２２によって冷媒蒸気の冷却および凝縮液化が促進されるので、冷却性能の向上を図ることができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６Ａ、Ｂは、本発明の第３の実施形態による冷却装置３００の構成を示す図であり、図６Ａは側面断面図、図６Ｂは図６Ａ中のｂ−ｂ線断面図である。冷却装置３００は、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部２２０、および蒸発部１１０と凝縮部２２０を接続する配管１４０を有する。ここで蒸発部１１０と凝縮部２２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。また、凝縮部２２０は凝縮容器１２１内に、気相冷媒の放熱を促進する凝縮板部２２２を備える構成とした。
本実施形態による冷却装置３００は、凝縮部２２０と熱的に接続する放熱部３１０をさらに有する。他の構成は第２の実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。放熱部３１０は熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウム、銅などを用いて構成され、図６Ｂに示すように複数の薄板からなるフィン状とすることができる。図７に、放熱部３１０と凝縮板部２２２の構成の一例を示す。放熱部３１０と凝縮板部２２２は一体として形成してもよいし、別個に形成した後に熱的に接続することとしても良い。
この放熱部３１０により凝縮部２２０における冷媒蒸気の冷却および凝縮液化が促進されるので、冷却装置３００の冷却性能の向上を図ることができる。さらに、本実施形態の冷却装置３００によれば、蒸発部１１０と凝縮部２２０が鉛直方向に対して略同一高さに位置している構成であっても冷媒の循環が可能である。そのため、放熱部３１０を発熱体１５０と同じ側である凝縮部２２０の下部に配置することができる。したがって、放熱部３１０を設置するために別の領域を確保する必要がないので、薄型の電子機器に実装することが可能となる。
放熱部３１０の構成は図６Ａ、Ｂに示したものに限らず、図８Ａ、Ｂ、Ｃに示すように、放熱部３１０を構成する薄板（フィン）の向きを、凝縮板部２２２を構成する凝縮薄板の方向と同一としてもよい。ここで図８Ａは側面断面図、図８Ｂは平面断面図、図８Ｃは図８Ｂ中のｃ−ｃ線断面図である。
また、放熱部３１０は図９に示すように、凝縮部２２０と熱的に接続する一の主面を有し、この主面の法線（図中の一点鎖線の矢印）が鉛直方向に対して傾斜している構成としてもよい。具体的には例えば、図９に示すように、放熱部３１０を構成する薄板（フィン）の高さを、液管１４２に近い側ほど低くした構成とすることができる。このような構成により、凝縮容器１２１内で凝縮液化した液相冷媒は、重力の作用により液管１４２への還流が促進されるので、冷媒の循環効率が増大し、冷却性能のさらなる向上を図ることができる。また、図１０に示すように、放熱部３１０の反対側の凝縮部２２０側にも薄板（フィン）３２０を配置することができる。この場合には、凝縮部２２０を冷却するためのファンの風速を低減することができる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第４の実施形態による電子機器４００の構成を示す側面断面図である。電子機器４００は、冷却装置、発熱体１５０、および放熱部３１０を有する。ここで冷却装置は第１の実施形態による冷却装置１００と同じ構成であり、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部１２０、および蒸発部１１０と凝縮部１２０を接続する配管１４０を備える。ここで蒸発部１１０と凝縮部１２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。
１Ｕサーバに配置する際には、１Ｕサーバの内寸の高さが４０ｍｍ程度、ＣＰＵの高さが１５ｍｍ程度であることから、蒸発部１１０の外寸の高さは２５ｍｍ程度が好ましい。一方、凝縮部１２０の外寸は、１Ｕサーバの内寸の高さに相当する４０ｍｍ程度まで許される。より好ましくは、凝縮部１２０の外寸の高さが蒸発部１１０の外寸の高さに相当する２５ｍｍ程度、放熱部３１０の外寸の高さが１５ｍｍ程度であることが望ましい。
本実施形態による電子機器４００においては、蒸発部１１０は発熱体１５０の上部に熱的に接続して配置しており、また凝縮部１２０は放熱部３１０の上部に熱的に接続して配置している。
電子機器４００は、例えば発熱体１５０としての中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）を備えたサーバ等であり、基板４１０に配置され筐体４２０に格納される。ＣＰＵなどの発熱体１５０はソケット４３０などに装着された状態で基板４１０上に実装される。発熱体１５０の上部には、例えばグリースなどの熱伝導部材を介して蒸発部１１０が実装される。一方、蒸発部１１０と配管１４０で接続された凝縮部１２０は、発熱体１５０とは離間した位置に放熱部３１０と共に配置される。そして発熱体１５０からの熱量は、冷媒１３０が気液二相流として移動することによって熱輸送され、その結果、発熱体１５０が冷却される。
以上述べたように、本実施形態の電子機器４００によれば、蒸発部１１０と凝縮部１２０を鉛直方向に対して略同一高さに配置した場合であっても、熱輸送能力に優れた沸騰冷却方式による冷却装置を用いることができる。そのため、例えばラックの高さが１Ｕ（４４．４５ｍｍ）である場合に対応した薄型の電子機器であっても、充分な冷却性能を得ることができる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１１年８月１日に出願された日本出願特願２０１１−１６８３９６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。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明の第１の実施形態に係る冷却装置１００の構成を示す側面断面図である。冷却装置１００は、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部１２０、および蒸発部１１０と凝縮部１２０を接続する配管１４０を有する。ここで蒸発部１１０と凝縮部１２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。
さらに詳しく説明すると、隔壁部１１２は、冷媒１３０の流動方向を制限し冷媒の流路を構成する。なお、隔壁部１１２は、冷媒１３０が蒸発容器１１１内で循環するように構成されている。図１の蒸発部１１０では、隔壁部１１２と蒸発容器１１１の側壁との間に空間が存在し、冷媒が流動するようになっている。もしくは、隔壁部１１２中に穴を設けるなどして流路が構成され、冷媒が循環するようになっていてもよい。
また、蒸発容器１１１の高さとは、蒸発容器１１１の内寸、すなわち内壁の天井面までの高さを指す。
さらに、蒸発容器１１１の形状は、図１３の蒸発部１１０の上面断面図に示すように立方体形状でもよいし、図１４の蒸発部１１０の上面断面図に示すように円柱形状であってもよい。
また、本実施形態では、蒸発部１１０と凝縮部１２０とを、鉛直方向に対して略同一高さに位置していることとしたが、本発明が動作するためにはこれに限らない。本発明が動作するためには、冷却装置として動作している状態で、二つの液管口のうち高い位置で接続している側の液管口の下面部ａより、凝縮容器１２１の液面が高ければ動作する。この状態を維持するためには、蒸発容器１１１と凝縮容器１２１の液面が、動作していない当初の状態で、二つの液管口のうち高い位置で接続している側の液管口の下面部ａと同じ高さかそれより高ければよい。これを満たすならば、図３３Ａ、Ｂの側面断面図に示すように、凝縮部１２０が蒸発部１１０より高い位置にあってもよいし、図３４Ａ、Ｂに示すように、凝縮部１２０が蒸発部１１０より低い位置にあってもよい。なお、図３３Ａと図３４Ａの溶媒の液面は、冷却装置として動作している状態での液面を示しており、図３３Ｂと図３４Ｂの溶媒の液面は、冷却装置として動作していない当初の状態を示している。動作していない状態では、冷媒の液面は蒸発容器１１１、凝縮容器１２１で同じ高さとなる。
冷媒１３０には低沸点の材料を用い、蒸発容器１１１に冷媒１３０を注入した後に真空排気することにより、蒸発容器１１１の内部は常に冷媒１３０の飽和蒸気圧に維持することができる。図中、蒸発部１１０および凝縮部１２０におけるハッチング部分は液相状態の冷媒を示し、ハッチング部分の点線は液相状態の冷媒と気相状態の冷媒の界面（以下では、「冷媒の気液界面」と言う。）を示す。冷媒１３０としては例えば、絶縁性を有し不活性な材料であるハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどの低沸点冷媒を用いることができる。また、蒸発部１１０および凝縮部１２０を構成する材料には、熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウム、銅などを用いることができる。
次に、本実施形態による冷却装置１００の動作について詳細に説明する。冷却装置１００は、蒸発部１１０の下部に例えば中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）などの発熱体１５０を配置し、蒸発部１１０と熱的に接続して使用する。発熱体からの熱量が蒸発部１１０の蒸発容器１１１を介して冷媒１３０に伝達され、冷媒１３０が気化する。このとき、発熱体からの熱量は気化熱として冷媒に奪われるため、発熱体の温度上昇が抑制される。
ここで冷媒１３０の注入量は、発熱体１５０の発熱量と冷媒の気化熱から算出される量以上であって、冷媒１３０の気液界面の高さが隔壁部１１２の高さ以下となるように定める。また隔壁部１１２の高さは、隔壁部１１２の上端と蒸発容器１１１の天板部分との間に約５〜１０ｍｍ程度の空間が配置される高さであることが望ましい。
蒸発部１１０において気化した冷媒蒸気は、液相から体積膨張し蒸発容器１１１内に充満するが、隔壁部１１２の存在により蒸発容器１１１内で圧力差が生じる。すなわち、隔壁部１１２の高さは冷媒１３０の気液界面の高さ以上であるため、隔壁部１１２の領域にも冷媒蒸気が存在する。ところが隔壁部１１２においては、冷媒蒸気は隔壁部１１２によって仕切られているため体積が制限される。そのため冷媒蒸気の圧力は、隔壁部１１２における方が、隔壁部１１２の上端と蒸発容器１１１の天板部分との間の領域におけるよりも大きくなる。ここで隔壁部１１２は、例えば長方形状の薄板が立設した複数の隔壁薄板（フィン）を含む構成とすることができる。このとき隔壁部１１２において冷媒蒸気が占める体積は、隔壁薄板（フィン）の間隔によって制限されることになる。
ここで、隔壁部１１２を構成する隔壁薄板（フィン）の形状について述べる。フィンの高さは、高いほどフィン面積が増えるため冷却性能を向上させることができる。１Ｕサーバに搭載することを考慮すると、１Ｕサーバの内寸の高さが４０ｍｍ程度、ＣＰＵの高さが１５ｍｍ程度であることから、蒸発部１１０の外寸の高さは２５ｍｍ程度、内寸の高さは２０ｍｍ程度となり、フィンの高さは１０〜１５ｍｍ程度が好ましい。また、フィンとフィンの間隔（フィンピッチ）は、狭い方がフィンの枚数が増えるため冷却性能を向上させることができる。一方、フィンの間隔が狭くなりすぎると蒸気が流れづらくなり逆に冷却性能が悪化するため、１〜２ｍｍ程度のピッチが好ましい。さらに、フィンの厚さは、フィンのピッチの半分程度、すなわち０．５〜１ｍｍ程度が好ましい。フィンの厚さは、薄すぎると熱がフィンの上端まで十分に伝導せず、また厚すぎると気泡が流れづらくなり、冷却性能が悪化してしまう。そこで、フィン間の蒸気の圧力が２倍となるようにフィンピッチの半分程度の厚さにすることで、冷却性能を向上させることができる。
また、フィンは、図１の冷却装置１００の側面断面図に示すように重力方向に直立していてもよいし、図１５の蒸発部１１０の側面断面図に示すように配管１４１、１４２が存在する側に傾斜をもって立設していてもよい。
さらに、フィンの形状は、図１の冷却装置１００の側面断面図に示すような長方形状の薄板に限らず、図１６、１７の蒸発部１１０の側面断面図に示すように断面が三角形状の薄板であってもよい。図１６はフィンの両側が斜面、図１７はフィンの片側が斜面となっている。これらのようにフィンに斜面を設けると、蒸気が上方に抜けやすく流路抵抗が減り沸点が下がるため、より冷却性能が向上する。さらには、図１８の蒸発部１１０の側面断面図に示すようにフィンの上端がテーパ形状になった薄板であってもよい。この場合、フィンをプレス工法で製作することができるので、コストを安くすることができる。
次に隔壁部１１２の配置について述べる。上面断面図で見た隔壁部１１２のフィンの延伸方向（長手方向）の配置は、図１９の上面、図２０の側面の蒸発部１１０の断面図に示すように、配管１４０の延伸方向と面するように配置してもよいし、図２１の上面、図２２の側面の蒸発部１１０の断面図に示すように、配管１４０の延伸方向と同じ方向になるように配置してもよい。さらに、図２３の上面、図２４の側面の蒸発部１１０の断面図に示すように、配管１４０の延伸方向と斜めになるように配置してもよい。なお、このときフィンの長手方向と蒸発容器１１１の側壁とは必ずしも平行になっていなくてもよい。
一方、凝縮部１２０においては、冷媒蒸気は凝縮容器１２１などに接触して冷却され、凝縮液化する。冷媒蒸気は液体へ相変化すると体積が急激に縮小するため、凝縮容器１２１内の気相冷媒による圧力は蒸発容器１１１におけるよりも低くなる。以上より、蒸発部１１０の隔壁部１１２、隔壁部１１２の上端と蒸発容器１１１の天板部分との間の領域、および凝縮容器１２１との間で、この順に冷媒蒸気の圧力勾配が生じる。したがって、本実施形態による冷却装置１００によれば、蒸発部１１０と凝縮部１２０が鉛直方向に対して略同一高さに位置するため、冷媒蒸気の浮力による循環を利用できない場合であっても、冷媒蒸気を蒸発部１１０から凝縮部１２０に輸送することが可能となる。
また、蒸発部１１０において液相の冷媒が気化し気泡となって離脱することにより、蒸発部１１０における冷媒の気液界面は低下する。しかし、蒸発部１１０と凝縮部１２０における冷媒の気液界面を一定に保つように、液相冷媒が配管１４０を通して凝縮部１２０から蒸発部１１０へ直ちに供給される。これにより、蒸発部１１０と凝縮部１２０が鉛直方向に対して略同一高さに位置し、重力による液相冷媒の循環を利用することができない場合であっても、液相冷媒を蒸発部１１０と凝縮部１２０との間で循環させることが可能となる。
ここで配管１４０は、気相冷媒が流動する蒸気管１４１と、凝縮液化した液相冷媒が流動する液管１４２を含む構成とすることができる。このとき、蒸気管１４１は隔壁部１１２の高さ以上の位置において蒸発容器１１１と接続し、液管１４２は冷媒の気液界面の高さ以下の位置において蒸発容器１１１と接続する構成とすることが望ましい。
また、蒸気管１４１と液管１４２は、重力方向に対して蒸気管１４１が上方、液管１４２が下方であれば、フィンの長手方向との位置によらず配置することができ、例えば、図２５の上面、図２６の側面の蒸発部１１０の断面図のように蒸気管１４１と液管１４２が蒸発容器１１１の異なる側壁に接続していてもよい。また、蒸気の流れの抵抗を少なくするために、図２７の上面、図２８の側面の凝縮部１１０の断面図に示すように蒸気管１４１と液管１４２が蒸発容器１１１の向かい合う側壁にそれぞれ接続されていてもよい。特にフィンの長手方向は、液管と蒸気管と同じ方向であることが好ましい。これは、蒸気の流れの抵抗は圧損となり沸点を上昇させるので、冷却性能を高くするために抵抗は小さい方がよいからである。このとき、蒸発部１１０と凝縮部１２０は、図３５に示すように液管および蒸気管が曲線状に接続されており、蒸発部１１０を斜めに配置することで液管の長さを短くすることができ、凝縮部との接続を容易にすることができる。また、液管１４２は、図２９の冷却装置の側面断面図に示すように、蒸発容器１１１の底面と接続していてもよい。このような構成とすることにより、冷媒の量を少なくすることができるとともに、より自由な配管設計が可能となる。
なお、蒸気管１４１の径は、冷媒の蒸発量、すなわち発熱体の発熱量によって決まり、蒸気が十分通過できるような径であればよい。
さらに、蒸気管１４１と隔壁部１１２を構成するフィンの関係について述べる。蒸発容器１１１内では蒸気管１４１に近いほど蒸気量が増えるので、蒸気が通りやすくするために図３０、図３１の蒸発部１１０の側面断面図に示すように蒸気管１４１に向かってフィンの高さを低くするように構成してもよい。もしくは、図３２の蒸発部１１０の上面断面図に示すように蒸気管１４１に向かってフィンの長さを短くするように構成してもよい。
以上述べたように、本実施形態による冷却装置１００によれば、蒸発部１１０と凝縮部１２０を鉛直方向に対して略同一高さに配置する必要がある場合、例えば、薄型の電子機器に実装した場合であっても、充分な冷却性能を有する沸騰冷却方式の冷却装置が得られる。
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態による冷却装置２００の構成を示す側面断面図、図３は平面断面図である。冷却装置２００は、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部２２０、および蒸発部１１０と凝縮部２２０を接続する配管１４０を有する。ここで蒸発部１１０と凝縮部２２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。
本実施形態による冷却装置２００は、凝縮部２２０の構成が第１の実施形態の冷却装置１００と異なり、他の構成は同様であるので詳細な説明は省略する。凝縮部２２０は凝縮容器１２１内に、気相冷媒の放熱を促進する凝縮板部２２２を備える。この凝縮板部２２２により凝縮部２２０における冷媒蒸気の冷却および凝縮液化が促進されるので、冷却装置２００の冷却性能の向上を図ることができる。
ここで配管１４０は、気相冷媒が流動する蒸気管１４１と、凝縮液化した液相冷媒が流動する液管１４２を含む構成とすることができる。このとき、蒸気管１４１は凝縮板部２２２の高さ以上の位置において凝縮容器１２１と接続し、液管１４２は、冷媒の気液界面の高さ以下の位置において凝縮容器１２１と接続する構成とすることが望ましい。
また、蒸発部１１０で発生した冷媒蒸気を凝縮板部２２２において凝縮液化するために、凝縮板部２２２の表面積は大きい方が望ましい。そこで、凝縮板部２２２は長方形状の薄板が立設した複数の凝縮薄板（フィン）を含む構成とすることができる。このとき、図３に示すように、凝縮薄板の長手方向の端部領域において配管１４０と凝縮容器１２１を接続する。例えば、凝縮薄板の長手方向の一端部で蒸気管１４１と凝縮容器１２１が接続し、他端部で液管１４２と凝縮容器１２１が接続した構成とすることが望ましい。これにより、蒸気管１４１から凝縮容器１２１に流入した冷媒蒸気は、凝縮薄板の長手方向に沿って液管１４２に向かって流動する。そのため、凝縮薄板（フィン）と接触する割合が増大し、凝縮液化の効率化により冷却性能の向上を図ることができる。
ここで、凝縮部２２０は図４に示すように、凝縮薄板の長手方向が鉛直方向と垂直な方向（図中の一点鎖線）に対して傾斜するように凝縮板部２２２を配置することとしてもよい。図４は、図３における矢印Ａ方向から見た断面図である。この構成により、凝縮容器１２１内で凝縮液化した液相冷媒は、重力の作用により速やかに液管１４２に移動することが可能となるため、冷却性能のさらなる向上を図ることができる。
なお図３では、蒸発部１１０においても、隔壁部１１２の隔壁薄板の長手方向の端部領域において配管１４０と蒸発容器１１１が接続する場合を示した。すなわち、隔壁薄板の長手方向の一端部で蒸気管１４１と蒸発容器１１１が接続し、他端部で液管１４２と蒸発容器１１１が接続した構成とした。この構成により、冷媒蒸気の対流効果が加わり蒸発部１１０の性能を上げることが可能となる。配管１４０の配置構成はこれに限らず、図５に示すように、隔壁薄板の長手方向の一端部の領域で蒸気管１４１および液管１４２と蒸発容器１１１を接続した構成としてもよい。
以上述べたように、本実施形態による冷却装置２００によれば、凝縮容器１２１内に配置した凝縮板部２２２によって冷媒蒸気の冷却および凝縮液化が促進されるので、冷却性能の向上を図ることができる。
〔第３の実施形態〕
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６Ａ、Ｂは、本発明の第３の実施形態による冷却装置３００の構成を示す図であり、図６Ａは側面断面図、図６Ｂは図６Ａ中のｂ−ｂ線断面図である。冷却装置３００は、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部２２０、および蒸発部１１０と凝縮部２２０を接続する配管１４０を有する。ここで蒸発部１１０と凝縮部２２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。また、凝縮部２２０は凝縮容器１２１内に、気相冷媒の放熱を促進する凝縮板部２２２を備える構成とした。
本実施形態による冷却装置３００は、凝縮部２２０と熱的に接続する放熱部３１０をさらに有する。他の構成は第２の実施形態と同様であるので詳細な説明は省略する。放熱部３１０は熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウム、銅などを用いて構成され、図６Ｂに示すように複数の薄板からなるフィン状とすることができる。図７に、放熱部３１０と凝縮板部２２２の構成の一例を示す。放熱部３１０と凝縮板部２２２は一体として形成してもよいし、別個に形成した後に熱的に接続することとしても良い。
この放熱部３１０により凝縮部２２０における冷媒蒸気の冷却および凝縮液化が促進されるので、冷却装置３００の冷却性能の向上を図ることができる。さらに、本実施形態の冷却装置３００によれば、蒸発部１１０と凝縮部２２０が鉛直方向に対して略同一高さに位置している構成であっても冷媒の循環が可能である。そのため、放熱部３１０を発熱体１５０と同じ側である凝縮部２２０の下部に配置することができる。したがって、放熱部３１０を設置するために別の領域を確保する必要がないので、薄型の電子機器に実装することが可能となる。
放熱部３１０の構成は図６Ａ、Ｂに示したものに限らず、図８Ａ、Ｂ、Ｃに示すように、放熱部３１０を構成する薄板（フィン）の向きを、凝縮板部２２２を構成する凝縮薄板の方向と同一としてもよい。ここで図８Ａは側面断面図、図８Ｂは平面断面図、図８Ｃは図８Ｂ中のｃ−ｃ線断面図である。
また、放熱部３１０は図９に示すように、凝縮部２２０と熱的に接続する一の主面を有し、この主面の法線（図中の一点鎖線の矢印）が鉛直方向に対して傾斜している構成としてもよい。具体的には例えば、図９に示すように、放熱部３１０を構成する薄板（フィン）の高さを、液管１４２に近い側ほど低くした構成とすることができる。このような構成により、凝縮容器１２１内で凝縮液化した液相冷媒は、重力の作用により液管１４２への還流が促進されるので、冷媒の循環効率が増大し、冷却性能のさらなる向上を図ることができる。また、図１０に示すように、放熱部３１０の反対側の凝縮部２２０側にも薄板（フィン）３２０を配置することができる。この場合には、凝縮部２２０を冷却するためのファンの風速を低減することができる。
〔第４の実施形態〕
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第４の実施形態による電子機器４００の構成を示す側面断面図である。電子機器４００は、冷却装置、発熱体１５０、および放熱部３１０を有する。ここで冷却装置は第１の実施形態による冷却装置１００と同じ構成であり、冷媒１３０を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部１２０、および蒸発部１１０と凝縮部１２０を接続する配管１４０を備える。ここで蒸発部１１０と凝縮部１２０は、鉛直方向に対して略同一高さに位置している。また蒸発部１１０は、蒸発容器１１１と蒸発容器１１１内に配置された冷媒１３０を仕切る隔壁部１１２とを備え、隔壁部１１２の高さは、冷媒１３０の気液界面の高さ以上であり、かつ蒸発容器１１１の高さ未満である。
１Ｕサーバに配置する際には、１Ｕサーバの内寸の高さが４０ｍｍ程度、ＣＰＵの高さが１５ｍｍ程度であることから、蒸発部１１０の外寸の高さは２５ｍｍ程度が好ましい。一方、凝縮部１２０の外寸は、１Ｕサーバの内寸の高さに相当する４０ｍｍ程度まで許される。より好ましくは、凝縮部１２０の外寸の高さが蒸発部１１０の外寸の高さに相当する２５ｍｍ程度、放熱部３１０の外寸の高さが１５ｍｍ程度であることが望ましい。
本実施形態による電子機器４００においては、蒸発部１１０は発熱体１５０の上部に熱的に接続して配置しており、また凝縮部１２０は放熱部３１０の上部に熱的に接続して配置している。
電子機器４００は、例えば発熱体１５０としての中央処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：ＣＰＵ）を備えたサーバ等であり、基板４１０に配置され筐体４２０に格納される。ＣＰＵなどの発熱体１５０はソケット４３０などに装着された状態で基板４１０上に実装される。発熱体１５０の上部には、例えばグリースなどの熱伝導部材を介して蒸発部１１０が実装される。一方、蒸発部１１０と配管１４０で接続された凝縮部１２０は、発熱体１５０とは離間した位置に放熱部３１０と共に配置される。そして発熱体１５０からの熱量は、冷媒１３０が気液二相流として移動することによって熱輸送され、その結果、発熱体１５０が冷却される。
以上述べたように、本実施形態の電子機器４００によれば、蒸発部１１０と凝縮部１２０を鉛直方向に対して略同一高さに配置した場合であっても、熱輸送能力に優れた沸騰冷却方式による冷却装置を用いることができる。そのため、例えばラックの高さが１Ｕ（４４．４５ｍｍ）である場合に対応した薄型の電子機器であっても、充分な冷却性能を得ることができる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１１年８月１日に出願された日本出願特願２０１１−１６８３９６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。
１００、２００、３００ 冷却装置
１１０ 蒸発部
１１１ 蒸発容器
１１２ 隔壁部
１２０、２２０ 凝縮部
１２１ 凝縮容器
１３０ 冷媒
１４０ 配管
１４１ 蒸気管
１４２ 液管
１５０ 発熱体
２２２ 凝縮板部
３１０ 放熱部
３２０ 薄板（フィン）
４００ 電子機器
４１０ 基板
４２０ 筐体
４３０ ソケット
５００ 関連する沸騰冷却装置
５０１ 回路基板
５０２ 半導体デバイス
５１０ 沸騰部
５２０ 凝縮部
５３１ 蒸気管
５３２ 液戻り管
５４０ 冷却ファン
１１０ 蒸発部
１１１ 蒸発容器
１１２ 隔壁部
１２０、２２０ 凝縮部
１２１ 凝縮容器
１３０ 冷媒
１４０ 配管
１４１ 蒸気管
１４２ 液管
１５０ 発熱体
２２２ 凝縮板部
３１０ 放熱部
３２０ 薄板（フィン）
４００ 電子機器
４１０ 基板
４２０ 筐体
４３０ ソケット
５００ 関連する沸騰冷却装置
５０１ 回路基板
５０２ 半導体デバイス
５１０ 沸騰部
５２０ 凝縮部
５３１ 蒸気管
５３２ 液戻り管
５４０ 冷却ファン
Claims (19)
- 冷媒を貯蔵する蒸発部と、
前記蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部を接続する配管、とを有し、
前記蒸発部は、蒸発容器と、前記蒸発容器内に配置され前記冷媒の流路を構成する隔壁部とを備え、
前記隔壁部の高さが、前記冷媒の気液界面の高さ以上であり、かつ前記蒸発容器の高さ未満である
冷却装置。 - 前記蒸発部と前記凝縮部は、鉛直方向に対して略同一高さに位置する請求項１に記載の冷却装置。
- 前記配管は、前記気相冷媒が流動する蒸気管と、凝縮液化した液相冷媒が流動する液管を含み、
前記蒸気管は、前記隔壁部の高さ以上の位置において前記蒸発容器と接続し、
前記液管は、前記冷媒の気液界面の高さ以下の位置において前記蒸発容器と接続する
請求項１もしくは２に記載した冷却装置。 - 前記液管は、前記蒸発容器の側面と接続し、
前記蒸気管は、前記蒸発容器の前記液管が接続した面と向かい合う面上に設けられた請求項３に記載の冷却装置。 - 前記液管は、前記蒸発容器の底面と接続している請求項３に記載の冷却装置。
- 請求項３から５のいずれか一項に記載の冷却装置であって、
前記冷媒は、前記冷却装置が動作していない状態で、二つの液管口のうち高い位置で接続している側の液管口の下面部と同じかそれ以上の高さまで満たされていることを特徴とする冷却装置。 - 前記隔壁部は、長方形状の薄板が立設した複数の隔壁薄板を含み、
前記配管は、前記隔壁薄板の長手方向の端部領域において前記蒸発容器と接続する
請求項１から６のいずれか一項に記載した冷却装置。 - 前記隔壁部は、側面断面が三角形状である薄板が立設した複数の隔壁薄板から成る請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記隔壁部は、上端がテーパ形状である薄板が立設した複数の隔壁薄板から成る請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記複数の隔壁薄板は、前記蒸気管に向かって高さが低くなるように構成されている請求項７から９のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記複数の隔壁薄板は、前記蒸気管に向かって長さが短くなるように構成されている請求項７から９のいずれか一項に記載の冷却装置。
- 前記蒸発容器は、円柱形状である請求項１から１１のいずれかに記載の冷却装置。
- 前記凝縮部は、凝縮容器と、前記凝縮容器内に配置された前記気相冷媒の放熱を促進する凝縮板部とを備える
請求項１から１２のいずれか一項に記載した冷却装置。 - 前記配管は、前記気相冷媒が流動する蒸気管と、凝縮液化した液相冷媒が流動する液管を含み、
前記蒸気管は、前記凝縮板部の高さ以上の位置において前記凝縮容器と接続し、
前記液管は、前記冷媒の気液界面の高さ以下の位置において前記凝縮容器と接続する
請求項１３に記載した冷却装置。 - 前記凝縮板部は、長方形状の薄板が立設した複数の凝縮薄板を含み、
前記蒸気管および前記液管は、前記凝縮薄板の長手方向の端部領域において前記凝縮容器と接続する
請求項１３または１４に記載した冷却装置。 - 前記凝縮板部は、前記凝縮薄板の長手方向が、鉛直方向と垂直な方向に対して傾斜して配置している
請求項１５に記載した冷却装置。 - 前記凝縮部と熱的に接続する放熱部をさらに有する
請求項１から１５のいずれか一項に記載した冷却装置。 - 前記放熱部は、前記凝縮部と熱的に接続する一の主面を有し、前記主面の法線は鉛直方向に対して傾斜している
請求項１７に記載の冷却装置。 - 冷却装置と、発熱体と、放熱部を有し、
前記冷却装置は、
冷媒を貯蔵する蒸発部と、
前記蒸発部で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部を接続する配管、とを有し、
前記蒸発部は、蒸発容器と、前記蒸発容器内に配置され前記冷媒の流路を構成する隔壁部とを備え、
前記隔壁部の高さが、前記冷媒の気液界面の高さ以上であり、かつ前記蒸発容器の高さ未満であり、
前記蒸発部は、前記発熱体の上部に熱的に接続して配置しており、
前記凝縮部は、前記放熱部の上部に熱的に接続して配置している
電子機器。
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