JPWO2014045714A1 - 冷却装置、それに使用される受熱部、沸騰部、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
発熱体が低発熱量時でも、大きな冷却性能を維持するために、相変化冷却装置の受熱部の沸騰部は、櫛型形状構造体と、その櫛型形状構造体のフィン間の底部に設けられた多孔質層とから成る。このような沸騰部により、強制的に液層冷媒の液膜を薄くして、気相冷媒の温度と受熱面の温度差が小さくても、液相冷媒を気相冷媒に相変化させる。
Description
本発明は、電子部品などの発熱体を冷却するための冷却装置に関し、特に液相冷媒を沸騰させて液相冷媒を気相冷媒に相変化させる沸騰部、それを含む受熱部、それを備えた相変化冷却装置、および沸騰部の製造方法に関する。
近年、多くデータを収集し処理することが求められており、限られたスペースで多くの情報を処理するために、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）などの電子部品の発熱密度は増加している。電子部品は冷却されなければ、その効果（能力）を有効に発揮することはできない。場合によっては、電子部品が故障し、多くの問題をきたすことにつながる。この高発熱密度の電子部品を冷却する手段として、冷媒の相変化を利用して、熱を輸送、拡散、冷却する冷却装置（以下、「相変化冷却装置」と呼ぶ）が考えられている。
次に、簡単に相変化冷却装置の動作について説明する。相変化冷却装置は、ＣＰＵなどの電子部品から成る発熱体の熱を受ける受熱部と、冷媒の相変化を利用して輸送された熱を放熱する放熱部と、それらをつなぐ配管とによって構成されている。
受熱部は、発熱体と熱伝導グリースなどによって熱的に接続されている。放熱部には外部に設けられた冷却ファンなどの冷却器が設けられ、放熱部より空気中への放熱を促進する。
発熱体の熱を受ける受熱部の内部では、熱伝導された発熱体からの熱によって、内部の液相冷媒を沸騰させ、液相冷媒を気相冷媒に相変化させる。液相冷媒が気相冷媒に相変化するとき、熱を潜熱として、冷媒中に吸収する。気相冷媒は、その密度が液相冷媒より小さいため、その浮力により上昇し、気相配管を通り放熱部に移動する。浮力を利用して放熱部に気相冷媒を移動させるため、放熱部は受熱部より鉛直上方にある必要がある。
放熱部に移動した気相冷媒は、外部に設けられた冷却ファンから送られた冷却風によって、その熱を空気中に放熱し、液相冷媒に相変化する。液相冷媒は気相冷媒より密度が大きいため、重力により降下し、液相配管を通り、受熱部に還流される。還流された液相冷媒は、熱を受けることで冷媒の循環に再び利用される。
このように相変化冷却装置は冷媒の相変化を利用することで、ポンプを使わずに冷媒を循環させることができる。また単位質量あたりの、相変化によって輸送できる熱量は、水冷などの冷媒の温度上昇によって熱を輸送する方式と比較して、数１００倍と大きいため、高発熱量の熱輸送・冷却に適している。
このように、高発熱量の熱輸送・冷却に適した相変化冷却装置ではあるが、近年の電子機器の高密度化のため、さらなる高性能化が求められている。相変化冷却装置を高密度化された電子機器に利用するには、電子機器内の冷却装置に取れる領域も限られているので、相変化冷却装置全体が大きくならないことが望ましい。そのため、放熱面積に大きく依存する放熱部以上に、受熱部を高性能化することが求められる。受熱部の性能を上げるには、発熱体からの熱を受けて液相冷媒を気相冷媒に沸騰させる沸騰部と、気相冷媒との間の温度差を大きくせずに、多くの液相冷媒を沸騰させることが重要となる。
この小さな温度差で沸騰させる手段は、従来から種々提案されている。
例えば、特許文献１では、その図１２（ｂ）において、一部開口の開いた球状の沸騰部構造がとられている。この構造は、沸騰に有効な楔型形状を設けることで、気泡核形成に有効な凹凸を形成し、気泡発生数を増加させることで向上させる。一般的には、気泡核を形成するためには、この楔型形状に気泡をトラップし、気泡が液膜を楔形形状の内壁面に押さえつけることで、液膜を薄くする。薄くなった液膜は、小さな温度差で、速やかに沸騰するため、気泡がトラップされた楔形形状は、気泡核発生部として機能することになる。
また、特許文献２は、その図５において、フィン状のグルーブ構造表面に電気めっきなどによって、グルーブ表面を薄い多孔質体で覆い、グルーブ表面の摩擦を増すことで、気泡をトラップし、その気泡よって液相冷媒をグルーブ壁面に押し付け、薄い液膜を形成する。グルーブ表面の薄い液膜によって、発熱体の熱を加えると、すぐに液相冷媒が沸騰することができ、冷却性能向上につながる。
次に、簡単に相変化冷却装置の動作について説明する。相変化冷却装置は、ＣＰＵなどの電子部品から成る発熱体の熱を受ける受熱部と、冷媒の相変化を利用して輸送された熱を放熱する放熱部と、それらをつなぐ配管とによって構成されている。
受熱部は、発熱体と熱伝導グリースなどによって熱的に接続されている。放熱部には外部に設けられた冷却ファンなどの冷却器が設けられ、放熱部より空気中への放熱を促進する。
発熱体の熱を受ける受熱部の内部では、熱伝導された発熱体からの熱によって、内部の液相冷媒を沸騰させ、液相冷媒を気相冷媒に相変化させる。液相冷媒が気相冷媒に相変化するとき、熱を潜熱として、冷媒中に吸収する。気相冷媒は、その密度が液相冷媒より小さいため、その浮力により上昇し、気相配管を通り放熱部に移動する。浮力を利用して放熱部に気相冷媒を移動させるため、放熱部は受熱部より鉛直上方にある必要がある。
放熱部に移動した気相冷媒は、外部に設けられた冷却ファンから送られた冷却風によって、その熱を空気中に放熱し、液相冷媒に相変化する。液相冷媒は気相冷媒より密度が大きいため、重力により降下し、液相配管を通り、受熱部に還流される。還流された液相冷媒は、熱を受けることで冷媒の循環に再び利用される。
このように相変化冷却装置は冷媒の相変化を利用することで、ポンプを使わずに冷媒を循環させることができる。また単位質量あたりの、相変化によって輸送できる熱量は、水冷などの冷媒の温度上昇によって熱を輸送する方式と比較して、数１００倍と大きいため、高発熱量の熱輸送・冷却に適している。
このように、高発熱量の熱輸送・冷却に適した相変化冷却装置ではあるが、近年の電子機器の高密度化のため、さらなる高性能化が求められている。相変化冷却装置を高密度化された電子機器に利用するには、電子機器内の冷却装置に取れる領域も限られているので、相変化冷却装置全体が大きくならないことが望ましい。そのため、放熱面積に大きく依存する放熱部以上に、受熱部を高性能化することが求められる。受熱部の性能を上げるには、発熱体からの熱を受けて液相冷媒を気相冷媒に沸騰させる沸騰部と、気相冷媒との間の温度差を大きくせずに、多くの液相冷媒を沸騰させることが重要となる。
この小さな温度差で沸騰させる手段は、従来から種々提案されている。
例えば、特許文献１では、その図１２（ｂ）において、一部開口の開いた球状の沸騰部構造がとられている。この構造は、沸騰に有効な楔型形状を設けることで、気泡核形成に有効な凹凸を形成し、気泡発生数を増加させることで向上させる。一般的には、気泡核を形成するためには、この楔型形状に気泡をトラップし、気泡が液膜を楔形形状の内壁面に押さえつけることで、液膜を薄くする。薄くなった液膜は、小さな温度差で、速やかに沸騰するため、気泡がトラップされた楔形形状は、気泡核発生部として機能することになる。
また、特許文献２は、その図５において、フィン状のグルーブ構造表面に電気めっきなどによって、グルーブ表面を薄い多孔質体で覆い、グルーブ表面の摩擦を増すことで、気泡をトラップし、その気泡よって液相冷媒をグルーブ壁面に押し付け、薄い液膜を形成する。グルーブ表面の薄い液膜によって、発熱体の熱を加えると、すぐに液相冷媒が沸騰することができ、冷却性能向上につながる。
ＣＰＵなどの発熱体は、処理すべき情報量によって、その発熱量を変化させる。処理すべき情報量が小さくなり、発熱量が小さくなった場合、それに応じて外部の冷却ファンによる冷却風量を小さくすることで、電力消費を抑えることが求められる。
しかしながら、上記の構造の場合、発熱量が変化すると、発生する気泡の大きさが変化する。そのため、特許文献１の図１２（ｂ）の楔型形状や、特許文献２の図５の薄い多孔質層を持ったグルーブ内に、気泡をトラップさせることができず、冷却性能を低下させてしまう。その結果、発熱体の発熱量が小さくなった場合でも、冷却ファン等に必要な冷却電力を小さくすることができない。そのため、電子機器が常に大きな冷却電力を必要とするという課題がある。
［発明の目的］
本発明の目的は、相変化冷却装置において、発熱体が低発熱量時でも、大きな冷却性能を維持することにある。
しかしながら、上記の構造の場合、発熱量が変化すると、発生する気泡の大きさが変化する。そのため、特許文献１の図１２（ｂ）の楔型形状や、特許文献２の図５の薄い多孔質層を持ったグルーブ内に、気泡をトラップさせることができず、冷却性能を低下させてしまう。その結果、発熱体の発熱量が小さくなった場合でも、冷却ファン等に必要な冷却電力を小さくすることができない。そのため、電子機器が常に大きな冷却電力を必要とするという課題がある。
［発明の目的］
本発明の目的は、相変化冷却装置において、発熱体が低発熱量時でも、大きな冷却性能を維持することにある。
本発明の相変化冷却装置の沸騰部は、フィン状の櫛型形状構造体と、そのフィン間の底部に設けた多孔質層とを有する。
第１の効果は、多孔質層による薄い液膜化によって、冷却能力を向上させることができることである。
第２の効果は、低発熱量時でも、多孔質層内の液膜は厚くなることがないので、冷却能力を維持することができることである。
第２の効果は、低発熱量時でも、多孔質層内の液膜は厚くなることがないので、冷却能力を維持することができることである。
図１は本発明の第１の実施の形態に係る冷却装置の構成を示す図である。
図２は図１に示した冷却装置に使用される沸騰部の断面図である。
図３は図２に示した沸騰部の多孔質層の詳細を示す断面図である。
図４は図２に示した沸騰部の多孔質層の沸騰時の動作を説明するための断面図である。
図５は本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置に使用される沸騰部の断面図である。
図６は図５に示した沸騰部の高発熱時の動作を説明するための断面図である。
図２は図１に示した冷却装置に使用される沸騰部の断面図である。
図３は図２に示した沸騰部の多孔質層の詳細を示す断面図である。
図４は図２に示した沸騰部の多孔質層の沸騰時の動作を説明するための断面図である。
図５は本発明の第２の実施の形態に係る冷却装置に使用される沸騰部の断面図である。
図６は図５に示した沸騰部の高発熱時の動作を説明するための断面図である。
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相変化冷却装置１０の構成を示す一部を断面とした図である。図２は図１に示した相変化冷却装置１０に使用される沸騰部１００の断面図である。
最初に図１を参照して、簡単に相変化冷却装置１０の構成および動作について説明する。相変化冷却装置１０は、発熱体２０の熱を受ける受熱部３０と、冷媒の相変化を利用して輸送された熱を放熱する放熱部４０と、それらをつなぐ気相配管５０、液相配管６０によって構成されている。
図示の例では、発熱体２０は、ＣＰＵなどの電子部品からなる。また、発熱体２０の表面（上面）２０ｕは、水平方向へ延在している。したがって、受熱部３０の受熱面３０ａも、この発熱体２０の表面（上面）２０ｕと熱的に接続（接触）するように、水平方向へ延在している。
受熱部３０の受熱面３０ａは、発熱体２０の表面（上面）２０ｕと熱伝導グリースなどによって熱的に接続されている。放熱部４０には外部に設けられた冷却ファン７０などの冷却器が設けられ、放熱部４０より空気中への放熱を促進する。
発熱体２０の熱を受ける受熱部３０は、その内部で、熱伝導された発熱体２０からの熱によって、内部の液相冷媒８０を沸騰させ、液相冷媒８０を気相冷媒９０に相変化させる沸騰部１００を含む。沸騰部１００の構成については、後で、図２をも参照して詳細に説明する。
液相冷媒８０が気相冷媒９０に相変化するとき、熱を潜熱として、冷媒中に吸収する。気相冷媒９０は、その密度が液相冷媒８０より小さいため、その浮力により上昇し、気相配管５０を通り、図１の矢印Ａで示されるように、放熱部４０に移動する。浮力を利用して、放熱部４０に気相冷媒９０を移動させるため、放熱部４０は受熱部３０より鉛直上方にある必要がある。
放熱部４０に移動した気相冷媒９０は、外部に設けられた冷却ファン７０から送られた冷却風によって、空気中にその熱を放熱し、液相冷媒８０に相変化する。液相冷媒８０は、気相冷媒９０より密度が大きいため、その重力により降下し、液相配管６０を通り、図１の矢印Ｂで示されるように、受熱部３０に還流される。還流された液相冷媒８０は、発熱体２０から熱を受けることで冷媒の循環に再び利用される。
このように相変化冷却装置１０は、冷媒の相変化を利用することで、ポンプを使わずに冷媒８０、９０を循環させることができる。また単位質量あたりの、相変化によって輸送できる熱量は、水冷などの冷媒の温度上昇によって熱を輸送する方式と比較して、数１００倍と大きいため、高発熱量の熱輸送・冷却に適している。
図２を参照すると、沸騰部１００は、櫛型形状構造体１２０と、多孔質層１４０とによって構成される。櫛型形状構造体１２０は、実質的に水平方向に延存する底部１２２と、この底部１２２から実質的に鉛直上方へ立設する多数のフィン１２４とから構成される。多孔質層１４０は、櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間の底部１２２に形成されている。
櫛型形状構造体１２０の底部１２２の外底面１２２ａは、受熱部３０の受熱面３０ａを構成している。
次に、沸騰部１００の作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態による沸騰部１００は、受熱部３０内に、受熱部３０に収められ使用される。受熱部３０の内部は十分な液相冷媒８０で満たされている。多孔質層１４０に液相冷媒８０が触れると、液相冷媒８０の表面張力による毛細管力並びに、液相冷媒８０の自重により、液相冷媒８０が多孔質層１４０に浸透する。液相冷媒８０は、多孔質層１４０の開空間（孔）１４２ａ（図３参照）に浸透する。多孔質層１４０は、その開空間（孔）１４２ａが、非常に狭いため、液相冷媒８０は、強制的に薄い液膜化する。
また、低発熱量時は、多孔質層１４０は多数の開口（孔）１４２ａを有しているため、熱伝導性が悪く、低発熱量時は、十分な熱を多孔質層１４０内の液相冷媒８０に伝えることができない。そのため、本発明の第１の実施の形態のように、櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間に多孔質層１４０を形成することで、櫛型形状構造体１２０の底部１２２の内底面１２２ｂだけでなく、フィン１２４の側壁面１２４ａからも多孔質層１４０に熱を伝えることが可能となり、低発熱量領域での沸騰を促進することができる。
櫛型形状構造体１２０は、アルミや銅などの熱伝導性のよい金属材料で作れられることが望ましいが、その限りではない。この櫛型形状構造体１２０は、金属ブロックをマシニングなどにより、削りだすことや、プレス等を使用して多数のフィン１２４を切り起すことなどによって製造される。
尚、フィン１２４の側壁面１２４ａは、底部１２２の内底面１２２ｂに対して垂直である必要はなく、フィン１２４が湾曲していても、フィン１２４間の底部１２２が、傾斜していても構わない。
後述するように、フィン１２４間の底部１２２の多孔質層１４０に効率的に熱を伝えるため、フィン１２４の厚さは、多孔質層１４０の孔の直径以上にする必要がある。また、櫛型形状構造体１２０の全フィン１２４間が触れる多孔質層１４０の面積が、発熱体２０が櫛型形状構造体１２０の底部１２２の外底面１２２ａ（受熱面３０ａ）と接触する面積以上となるように、フィン１２４の厚さを決める必要がある。具体的に述べると、フィン１２４の厚さは、０．０５ｍｍ〜２ｍｍ程度がのぞましい。
隣接するフィン１２４の間隔は、櫛型形状構造体１２０が多孔質層１４０に触れる面積が、発熱体２０が櫛型形状構造体１２０の底部１２２の外底面１２２ａ（受熱面３０ａ）と接触する面積以上となるように、設ける。具体的に述べると、隣接するフィン１２４の間隔は、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度が望ましい。
図３に示されるように、多孔質層１４０は、多数の微粒子１４２が敷き詰められ、その微粒子１４２間に多数の孔１４２ａを有する形状となっている。この微粒子１４２同士は、熱的に接続され、沸騰部１００の櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間の底部１２２並びに、フィン１２４の側壁面１２４ａからの熱を伝導し、微粒子１４２間に浸透した液相冷媒８０に熱を伝える。そのため、微粒子１４２は熱伝導性のよい銅やアルミが望ましいが、多孔質を形成できるのであれば、それらに限らない。
この多孔質層１４０は、微粒子１４２をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成し、その混合物を櫛型形状構造体１２０の底部１２２にそれらを盛り付け、焼結することで形成する。その際、拡散用の液体が揮発することで、多数の孔１４２ａをもつ多孔質層１４０を形成することができる。
また、上記混合物を焼結して形成された多孔質体を、櫛型形状構造体１２０と別に形成して、多孔質体を櫛型形状構造体１２０の底部１２２にそれらを盛り付けて、櫛型形状構造体１２０の底部１２２に多孔質層１４０を形成しても構わない。その場合、多孔質体は、個別に大量に生産できるため、量産効果を生みやすく、コストにメリットがある。
多孔質層１４０の厚みは、液相冷媒８０を薄い膜状にし、冷却性能を向上させるように、設定する必要がある。多孔質層１４０の厚みが薄すぎる場合は、薄い液膜を十分に形成する前に、液相冷媒８０を気相冷媒９０に相変化しなくてはならず、冷却性能が向上しない。反対に多孔質層１４０の厚みが厚すぎると、液相冷媒８０が多孔質層１４０中に浸透するのに時間がかかり、受熱面３０ａに近い場所で熱を受けられないため、また、多孔質層１４０で生じた気相冷媒９０が多孔質層１４０を離脱するのに時間がかかるため、冷却性能が向上しない。したがって、所望の機能を発揮するためには、多孔質層１４０の厚みは、多孔質層１４０の孔１４２ａの直径以上、フィン１２４の長さ以下にしなくてはならない。最適な大きさを具体的に述べると、多孔質層１４０の厚みは、０．００５ｍｍ〜２ｍｍ程度が望ましい。
多孔質層１４０の孔１４２ａは、液相冷媒８０の分子が浸透できる大きさで、薄い液膜を形成する大きさにする必要がある。所望の機能を発揮するためには、多孔質層１４０の孔１４２ａの径は、冷媒分子以上で、隣接するフィン１２４間の間隔以下にする必要がある。最適な大きさを具体的に述べると、多孔質層１４０の孔１４２ａの径は、１μｍ〜１．５ｍｍ程度が望ましい。
このような構造の沸騰部１００は、図１に示すように、カバー３２を取り付けて受熱部３０を形成する。そして、その受熱部３０を外部の放熱部４０と気相配管５０、液相配管６０で接続する。
受熱部３０の沸騰部１００とカバー３２は、冷媒の漏れがないように、溶接やろう付けで接着し、密閉される。また、シリコーンなどで作られたガスケットを沸騰部１００とカバー３２間に介在させ、ねじなどで押さえつけて、密閉してもよい。この際、沸騰部１００などの修理等が簡便にできるメリットがある。
この受熱部３０には、放熱部４０と気相配管５０、液相配管６０により接続するための２つのノズル３４、３６を設ける。鉛直方向上方にあるノズル３４は、受熱部３０で発生した気相冷媒９０を放熱部４０に移動させる気相配管５０を取り付けるノズルである。もう一方の鉛直方向下方にあるノズル３６は、放熱部４０で生じた液相冷媒８０を受熱部３０に還流する液相配管６０を取り付けるノズルである。受熱部３０の下面の受熱面３０ａには発熱体２０が、熱伝導グリースなどによって熱的に接続されている。なお、熱を速やかに冷媒に伝え輸送するため、沸騰部１００はこの受熱面３０ａの直上に設けられる。
放熱部４０は、気相配管５０、液相配管６０を接続するノズル４２ａ、４４ａがついた両端のヘッダー４２、４４と、ヘッダー４２、４４間に連通する開口を持つ複数の放熱チューブ（図示せず）と、放熱チューブ間に設けた多数の放熱フィン４８によって構成される。
後述するが、相変化冷却装置１０は重力を利用して、冷媒を循環し、冷却するシステムのため、放熱部４０は受熱部３０より、鉛直方向上方にあることが求められる。
受熱部３０と放熱部４０とを連通する気相配管５０、液相配管６０であるが、信頼性を確保するためには内部を密閉し、冷媒の漏れをなくす必要があるため、金属配管であることが望ましい。金属配管の場合、受熱部３０・放熱部４０のノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと、溶接・ろう付け等によって接続すると、信頼性の高い接続構造を設けることができる。また、Ｏリングを受熱部３０・放熱部４０のノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと気相配管５０、液相配管６０の間に設け、密閉してもよい。Ｏリングを設けるほうが、製造上簡単である。
また、受熱部３０・放熱部４０のノズル３４、３６、４２ａ、４４ａを気相配管５０、液相配管６０に挿入し、気相配管５０、液相配管６０の一部またはノズル３４、３６、４２ａ、４４ａの一部をリング状の部品を使用して、塑性変形させ、ノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと気相配管５０、液相配管６０を密着させることも考えられる。こうすることで、Ｏリングなしで、ノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと気相配管５０、液相配管６０を密着させることが可能となるため、コストの観点で有利である。また、Ｏリングを使用しないため、内部に有機冷媒を使用する場合、冷媒の劣化等を抑えられる。
ただし、受熱部３０に十分な冷媒がある場合、受熱部３０がタンクとしても動作するため、気相配管５０、液相配管６０としてゴムチューブを使うことも考えられる。この場合、気相配管５０、液相配管６０に柔軟性があるため、気相配管５０、液相配管６０の曲げが容易であり、実装上有利である。ノズル３４、３６、４２ａ、４４ａの接続も、クランプ等だけで可能なため、製造上のメリットも有する。
放熱部４０の外部には、冷却ファン７０等が配置されており、冷却風を放熱部４０の放熱フィン４８に当てることで、受熱部３０より輸送された気相冷媒９０の熱を空気中に放出する。
このように構成された相変化冷却装置１０であるが、使用する冷媒は、電子機器に使用する場合は、絶縁性冷媒が望ましい。万が一、内部の冷媒が漏れても、他部品に与える影響を小さくすることが可能となる。この絶縁性冷媒は、前記のように構成された相変化冷却装置１０に注入口（図示せず）より注入し、真空引き後、バルブ等を閉めることによって、密閉する。このとき、注入口をかしめや溶接することによって密閉してもよい。
次に、本発明の第１の実施の形態に係る相変化冷却装置１０の動作について詳細に説明をする。
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る相変化冷却装置１０の沸騰部１００での沸騰時の動作図を示している。
本発明の第１の実施の形態に係る相変化冷却装置１０の沸騰部１００は、前記したように、櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間の底部１２２に設けた多孔質層１４０によって構成されている。沸騰部１００のある受熱部３０には、液相冷媒８０が充填されているため、沸騰部１００も液相冷媒８０に浸されることになる。多孔質層１４０に触れた液相冷媒８０は、冷媒が持つ表面張力による毛細管力とその自重によって、多孔質層１４０の内部まで浸透する。多孔質層１４０内は小さな孔１４２ａが多数設けられた構造のため、浸透した冷媒は強制的に薄い液膜状となる。
また、多孔質層１４０はフィン２４の間に設けられているため、受熱面３０ａにより受けた熱を、底部１２２の内底面１２２ｂとフィン１４２の側壁面１２４ａ周囲から、多孔質層１４０に供給することができる。これによって、多孔質層１４０における、孔１４２ａが多数配置されていることによる熱伝導性の悪化を、低減することが可能となる。熱を受けた多孔質層１４０は、その内部で強制的に薄い液膜状になった液相冷媒８０に伝えられる。
薄い液膜状の液相冷媒８０は、気相冷媒９０の温度と壁面温度との差が小さくても、速やかに沸点まで上昇し、沸騰し、気相冷媒９０に相変化する。相変化した気相冷媒９０は、密度が小さいため浮力により多孔質層１４０より離脱し、気相配管５０を通り、放熱部４０に移動する。多孔質層１４０の気相冷媒９０が離脱した領域には、液相冷媒８０が、毛細管力・自重により速やかに進入し、再び熱を受けることで、気相冷媒９０に相変化する。発熱体２０の熱は、冷媒の相変化に使用され、冷媒が移動することで輸送される。
気相配管５０を通り、放熱部４０に移動した気相冷媒９０は、ヘッダー４２を通り、拡散し、放熱部４０の各放熱チューブへ流入する。この放熱チューブに流入した気相冷媒９０は、外部の冷却ファン７０からの冷却風によって、熱を奪われ、液相冷媒８０に相変化する。相変化した液相冷媒８０は、その自重により、降下し、液相配管６０を通り、受熱部３０に還流される。
熱を冷媒の相変化を利用して、拡散することで、大きな冷却能力を得ることが可能となる。また、ポンプを使用せずに、冷媒を循環させることが可能なため、同様に冷媒を循環させる水冷方式と比較しても、冷却電力に関して有利である。
［第２の実施の形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る相変化冷却装置に使用される沸騰部１００Ａについて説明する。
図５に示されるように、第２の実施の形態の沸騰部１００Ａは、第１の実施の形態の沸騰部１００と比較し、櫛型形状構造体１２０Ａのフィン１２４Ａがフィン１２４よりも伸びた構造となっている。
このように、櫛型形状構造体１２０Ａのフィン１２４Ａを長く伸ばすことにより、高発熱領域時に冷却能力を向上させることができる。
高発熱量時では、多孔質層１４０から発生する気相冷媒９０も増加する。しかしながら、多孔質層１４０は気相冷媒９０から見ると流路抵抗になるので、多くの気相冷媒９０が発生する場合は、返って冷却性能の低下を招くことになる。
そのため、図５に示すように、櫛型形状構造体１２０Ａのフィン１２４Ａを伸ばすことで、冷却能力を低下させずに、冷却能力を向上させることができる。
次に、図６を用いて、高発熱量時の動作について詳細に説明する。高発熱量時になると、上記に説明したように多数の気相冷媒９０が多孔質層１４０から発生するため、多孔質層１４０の上方にある液相冷媒８０ａを伴って上昇する。気相冷媒９０によって、上昇した液相冷媒８０ａは、その自重に降下することになるが、その際にフィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａにいくらか付着する。付着した液相冷媒８０ｂは、側壁面１２４Ａａを伝い降下するため、フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａにも薄い液膜を形成することができる。フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａを伝う液体冷媒８０ｂの降下を妨げないため、側壁面１２４Ａａには多孔質層１４０を設けない。この薄い液膜状の液相冷媒８０ｂに、受熱面３０ａよりフィン１２４Ａを伝導した熱を受けることで、液相冷媒８０ｂは、速やかに熱を奪い、気相冷媒９０ａに相変化する。相変化した気相冷媒９０ａは、浮力により上昇し、気相配管５０を通り、放熱部４０に移動する。
このように、フィン１２４Ａを伸ばすことで、高発熱量時に発生する多数の気相冷媒９０が起す、液相冷媒８０ａの巻上げを利用して、さらに、熱を効率よく冷媒の相変化に利用することが可能となり、冷却性能を損なわず、上昇させることが可能となる。
このフィン１２４Ａの長さは、短すぎれば、フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａを流れ落ちる液相冷媒８０ｂの液膜化はできず、長すぎると、気相冷媒９０の流動を妨げる。最適な大きさを具体的に述べると、フィン１２４Ａの長さは、２ｍｍ〜１５ｍｍ程度が望ましい。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る相変化冷却装置に使用される沸騰部について説明する。
第３の実施の形態に係る沸騰部では、図５に示した第２の実施の形態の沸騰部１００Ａの伸ばしたフィン１２４Ａに、サンドブラストなどによって表面を粗くしている。
多孔質層１４０をフィン１２４Ａの壁面１２４Ａａに設けると、その流路抵抗により、フィン１２４Ａの壁面１２４Ａａを伝う液体冷媒８０ｂの降下を阻害し、フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａから気相冷媒９０ａを効率よく発生させることが難しくなる。
そこで、第３の実施の形態では、サンドブラストなどによって、微小の凹凸をフィン１２４Ａの表面１２４Ａａに付けている。これにより、液相冷媒８０ｂの降下を妨げることなく、凹凸によるフィン１２４Ａの表面積を増加することができる。そのため、フィン１２４Ａの表面１２４Ａａの液相冷媒８０ｂから気相冷媒９０ａの相変化を促進することが可能となり、冷却性能の向上につながる。この微小凹凸は、数１００μｍの凹凸であることが望ましい。
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本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。例えば、上述した実施の形態では、発熱体がＣＰＵ等の電子部品である場合を例に挙げて説明しているが、発熱体は電子部品に限定されないのは勿論である。また、沸騰部を含む受熱部を備えた冷却装置は、上述した実施の形態の構造のものに限定されず、種々の冷却装置に適用可能である。
上記の実施形態（実施例）の一部又は全部は、以下のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１） 発熱体からの熱で液相冷媒を沸騰させて、前記液相冷媒を気相冷媒に相変化させる沸騰部において、
前記発熱体と熱的に接続する底部と、該底部から立設する複数のフィンとを持つ櫛型形状構造体と、
前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に設けられ、小さな開口を多数有する多孔質層と、
を有することを特徴とする沸騰部。
（付記２） 前記櫛型形状構造体の底部は実質的に水平方向へ延在し、
前記複数のフィンの各々は実質的に鉛直上方へ立設している、
付記１に記載の沸騰部。
（付記３） 前記櫛型形状構造体は金属材料で作られている、付記１又は２に記載の沸騰部。
（付記４） 前記多孔質層が多数の微粒子で構成されている、付記１乃至３のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記５） 前記複数のフィンの各々の長さは前記多孔質層の厚さより長くなっている、付記１乃至４のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記６） 前記複数のフィンの各々の側壁面が粗い表面をもつ、付記５に記載の沸騰部。
（付記７） 前記フィンの厚さは前記多孔質層の孔の直径以上である、付記１乃至６のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記８） 隣接するフィンの間隔は、前記櫛型形状構造体が前記多孔質層に触れる面積が、前記発熱体が前記底部の受熱面と接触する面積以上となるように、設定されている、付記１乃至７のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記９） 前記多孔質層の厚みは、前記多孔質層の孔の直径以上で、前記フィンの長さ以下である、付記１乃至８のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記１０） 前記多孔質層の孔径は、冷媒分子の径以上で、隣接するフィン間の間隔以下である、付記１乃至９のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記１１） 付記１乃至１０のいずれか１つに記載の沸騰部を含む受熱部。
（付記１２） 付記１１に記載の受熱部と、前記気相冷媒の熱を奪い、前記気相冷媒を前記液相冷媒へ相変化させる放熱部と、前記受熱部内の前記気相冷媒を前記放熱部へ移送する気相配管と、前記放熱部内の前記液相冷媒を前記受熱部へ移送する液相配管と、を備えた冷却装置。
（付記１３） 前記放熱部は前記受熱部よりも鉛直上方にある、付記１２に記載の冷却装置。
（付記１４） 付記１２又は１３に記載の冷却装置を搭載してなる、電子機器。
（付記１５） 前記発熱体はＣＰＵから成る、付記１４に記載の電子機器。
（付記１６） 金属ブロックを準備する工程と、
前記金属ブロックから複数のフィンを切り起こして、櫛型形状構造体を製造する工程と、
微粒子をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成する工程と、
前記混合物を、前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に盛り付ける工程と、
前記混合物を焼結して、前記櫛型形状構造体の底部に多孔質層を形成する工程と、
を含む沸騰部の製造方法。
（付記１７） 金属ブロックを準備する工程と、
前記金属ブロックから複数のフィンを切り起こして、櫛型形状構造体を製造する工程と、
微粒子をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成する工程と、
前記混合物を焼結して多孔質体を得る工程と、
前記多孔質体を前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に盛り付けて、前記櫛型形状構造体の底部に多孔質層を形成する工程と、
を含む沸騰部の製造方法。
［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相変化冷却装置１０の構成を示す一部を断面とした図である。図２は図１に示した相変化冷却装置１０に使用される沸騰部１００の断面図である。
最初に図１を参照して、簡単に相変化冷却装置１０の構成および動作について説明する。相変化冷却装置１０は、発熱体２０の熱を受ける受熱部３０と、冷媒の相変化を利用して輸送された熱を放熱する放熱部４０と、それらをつなぐ気相配管５０、液相配管６０によって構成されている。
図示の例では、発熱体２０は、ＣＰＵなどの電子部品からなる。また、発熱体２０の表面（上面）２０ｕは、水平方向へ延在している。したがって、受熱部３０の受熱面３０ａも、この発熱体２０の表面（上面）２０ｕと熱的に接続（接触）するように、水平方向へ延在している。
受熱部３０の受熱面３０ａは、発熱体２０の表面（上面）２０ｕと熱伝導グリースなどによって熱的に接続されている。放熱部４０には外部に設けられた冷却ファン７０などの冷却器が設けられ、放熱部４０より空気中への放熱を促進する。
発熱体２０の熱を受ける受熱部３０は、その内部で、熱伝導された発熱体２０からの熱によって、内部の液相冷媒８０を沸騰させ、液相冷媒８０を気相冷媒９０に相変化させる沸騰部１００を含む。沸騰部１００の構成については、後で、図２をも参照して詳細に説明する。
液相冷媒８０が気相冷媒９０に相変化するとき、熱を潜熱として、冷媒中に吸収する。気相冷媒９０は、その密度が液相冷媒８０より小さいため、その浮力により上昇し、気相配管５０を通り、図１の矢印Ａで示されるように、放熱部４０に移動する。浮力を利用して、放熱部４０に気相冷媒９０を移動させるため、放熱部４０は受熱部３０より鉛直上方にある必要がある。
放熱部４０に移動した気相冷媒９０は、外部に設けられた冷却ファン７０から送られた冷却風によって、空気中にその熱を放熱し、液相冷媒８０に相変化する。液相冷媒８０は、気相冷媒９０より密度が大きいため、その重力により降下し、液相配管６０を通り、図１の矢印Ｂで示されるように、受熱部３０に還流される。還流された液相冷媒８０は、発熱体２０から熱を受けることで冷媒の循環に再び利用される。
このように相変化冷却装置１０は、冷媒の相変化を利用することで、ポンプを使わずに冷媒８０、９０を循環させることができる。また単位質量あたりの、相変化によって輸送できる熱量は、水冷などの冷媒の温度上昇によって熱を輸送する方式と比較して、数１００倍と大きいため、高発熱量の熱輸送・冷却に適している。
図２を参照すると、沸騰部１００は、櫛型形状構造体１２０と、多孔質層１４０とによって構成される。櫛型形状構造体１２０は、実質的に水平方向に延存する底部１２２と、この底部１２２から実質的に鉛直上方へ立設する多数のフィン１２４とから構成される。多孔質層１４０は、櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間の底部１２２に形成されている。
櫛型形状構造体１２０の底部１２２の外底面１２２ａは、受熱部３０の受熱面３０ａを構成している。
次に、沸騰部１００の作用について説明する。
本発明の第１の実施の形態による沸騰部１００は、受熱部３０内に、受熱部３０に収められ使用される。受熱部３０の内部は十分な液相冷媒８０で満たされている。多孔質層１４０に液相冷媒８０が触れると、液相冷媒８０の表面張力による毛細管力並びに、液相冷媒８０の自重により、液相冷媒８０が多孔質層１４０に浸透する。液相冷媒８０は、多孔質層１４０の開空間（孔）１４２ａ（図３参照）に浸透する。多孔質層１４０は、その開空間（孔）１４２ａが、非常に狭いため、液相冷媒８０は、強制的に薄い液膜化する。
また、低発熱量時は、多孔質層１４０は多数の開口（孔）１４２ａを有しているため、熱伝導性が悪く、低発熱量時は、十分な熱を多孔質層１４０内の液相冷媒８０に伝えることができない。そのため、本発明の第１の実施の形態のように、櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間に多孔質層１４０を形成することで、櫛型形状構造体１２０の底部１２２の内底面１２２ｂだけでなく、フィン１２４の側壁面１２４ａからも多孔質層１４０に熱を伝えることが可能となり、低発熱量領域での沸騰を促進することができる。
櫛型形状構造体１２０は、アルミや銅などの熱伝導性のよい金属材料で作れられることが望ましいが、その限りではない。この櫛型形状構造体１２０は、金属ブロックをマシニングなどにより、削りだすことや、プレス等を使用して多数のフィン１２４を切り起すことなどによって製造される。
尚、フィン１２４の側壁面１２４ａは、底部１２２の内底面１２２ｂに対して垂直である必要はなく、フィン１２４が湾曲していても、フィン１２４間の底部１２２が、傾斜していても構わない。
後述するように、フィン１２４間の底部１２２の多孔質層１４０に効率的に熱を伝えるため、フィン１２４の厚さは、多孔質層１４０の孔の直径以上にする必要がある。また、櫛型形状構造体１２０の全フィン１２４間が触れる多孔質層１４０の面積が、発熱体２０が櫛型形状構造体１２０の底部１２２の外底面１２２ａ（受熱面３０ａ）と接触する面積以上となるように、フィン１２４の厚さを決める必要がある。具体的に述べると、フィン１２４の厚さは、０．０５ｍｍ〜２ｍｍ程度がのぞましい。
隣接するフィン１２４の間隔は、櫛型形状構造体１２０が多孔質層１４０に触れる面積が、発熱体２０が櫛型形状構造体１２０の底部１２２の外底面１２２ａ（受熱面３０ａ）と接触する面積以上となるように、設ける。具体的に述べると、隣接するフィン１２４の間隔は、０．１ｍｍ〜２ｍｍ程度が望ましい。
図３に示されるように、多孔質層１４０は、多数の微粒子１４２が敷き詰められ、その微粒子１４２間に多数の孔１４２ａを有する形状となっている。この微粒子１４２同士は、熱的に接続され、沸騰部１００の櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間の底部１２２並びに、フィン１２４の側壁面１２４ａからの熱を伝導し、微粒子１４２間に浸透した液相冷媒８０に熱を伝える。そのため、微粒子１４２は熱伝導性のよい銅やアルミが望ましいが、多孔質を形成できるのであれば、それらに限らない。
この多孔質層１４０は、微粒子１４２をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成し、その混合物を櫛型形状構造体１２０の底部１２２にそれらを盛り付け、焼結することで形成する。その際、拡散用の液体が揮発することで、多数の孔１４２ａをもつ多孔質層１４０を形成することができる。
また、上記混合物を焼結して形成された多孔質体を、櫛型形状構造体１２０と別に形成して、多孔質体を櫛型形状構造体１２０の底部１２２にそれらを盛り付けて、櫛型形状構造体１２０の底部１２２に多孔質層１４０を形成しても構わない。その場合、多孔質体は、個別に大量に生産できるため、量産効果を生みやすく、コストにメリットがある。
多孔質層１４０の厚みは、液相冷媒８０を薄い膜状にし、冷却性能を向上させるように、設定する必要がある。多孔質層１４０の厚みが薄すぎる場合は、薄い液膜を十分に形成する前に、液相冷媒８０を気相冷媒９０に相変化しなくてはならず、冷却性能が向上しない。反対に多孔質層１４０の厚みが厚すぎると、液相冷媒８０が多孔質層１４０中に浸透するのに時間がかかり、受熱面３０ａに近い場所で熱を受けられないため、また、多孔質層１４０で生じた気相冷媒９０が多孔質層１４０を離脱するのに時間がかかるため、冷却性能が向上しない。したがって、所望の機能を発揮するためには、多孔質層１４０の厚みは、多孔質層１４０の孔１４２ａの直径以上、フィン１２４の長さ以下にしなくてはならない。最適な大きさを具体的に述べると、多孔質層１４０の厚みは、０．００５ｍｍ〜２ｍｍ程度が望ましい。
多孔質層１４０の孔１４２ａは、液相冷媒８０の分子が浸透できる大きさで、薄い液膜を形成する大きさにする必要がある。所望の機能を発揮するためには、多孔質層１４０の孔１４２ａの径は、冷媒分子以上で、隣接するフィン１２４間の間隔以下にする必要がある。最適な大きさを具体的に述べると、多孔質層１４０の孔１４２ａの径は、１μｍ〜１．５ｍｍ程度が望ましい。
このような構造の沸騰部１００は、図１に示すように、カバー３２を取り付けて受熱部３０を形成する。そして、その受熱部３０を外部の放熱部４０と気相配管５０、液相配管６０で接続する。
受熱部３０の沸騰部１００とカバー３２は、冷媒の漏れがないように、溶接やろう付けで接着し、密閉される。また、シリコーンなどで作られたガスケットを沸騰部１００とカバー３２間に介在させ、ねじなどで押さえつけて、密閉してもよい。この際、沸騰部１００などの修理等が簡便にできるメリットがある。
この受熱部３０には、放熱部４０と気相配管５０、液相配管６０により接続するための２つのノズル３４、３６を設ける。鉛直方向上方にあるノズル３４は、受熱部３０で発生した気相冷媒９０を放熱部４０に移動させる気相配管５０を取り付けるノズルである。もう一方の鉛直方向下方にあるノズル３６は、放熱部４０で生じた液相冷媒８０を受熱部３０に還流する液相配管６０を取り付けるノズルである。受熱部３０の下面の受熱面３０ａには発熱体２０が、熱伝導グリースなどによって熱的に接続されている。なお、熱を速やかに冷媒に伝え輸送するため、沸騰部１００はこの受熱面３０ａの直上に設けられる。
放熱部４０は、気相配管５０、液相配管６０を接続するノズル４２ａ、４４ａがついた両端のヘッダー４２、４４と、ヘッダー４２、４４間に連通する開口を持つ複数の放熱チューブ（図示せず）と、放熱チューブ間に設けた多数の放熱フィン４８によって構成される。
後述するが、相変化冷却装置１０は重力を利用して、冷媒を循環し、冷却するシステムのため、放熱部４０は受熱部３０より、鉛直方向上方にあることが求められる。
受熱部３０と放熱部４０とを連通する気相配管５０、液相配管６０であるが、信頼性を確保するためには内部を密閉し、冷媒の漏れをなくす必要があるため、金属配管であることが望ましい。金属配管の場合、受熱部３０・放熱部４０のノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと、溶接・ろう付け等によって接続すると、信頼性の高い接続構造を設けることができる。また、Ｏリングを受熱部３０・放熱部４０のノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと気相配管５０、液相配管６０の間に設け、密閉してもよい。Ｏリングを設けるほうが、製造上簡単である。
また、受熱部３０・放熱部４０のノズル３４、３６、４２ａ、４４ａを気相配管５０、液相配管６０に挿入し、気相配管５０、液相配管６０の一部またはノズル３４、３６、４２ａ、４４ａの一部をリング状の部品を使用して、塑性変形させ、ノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと気相配管５０、液相配管６０を密着させることも考えられる。こうすることで、Ｏリングなしで、ノズル３４、３６、４２ａ、４４ａと気相配管５０、液相配管６０を密着させることが可能となるため、コストの観点で有利である。また、Ｏリングを使用しないため、内部に有機冷媒を使用する場合、冷媒の劣化等を抑えられる。
ただし、受熱部３０に十分な冷媒がある場合、受熱部３０がタンクとしても動作するため、気相配管５０、液相配管６０としてゴムチューブを使うことも考えられる。この場合、気相配管５０、液相配管６０に柔軟性があるため、気相配管５０、液相配管６０の曲げが容易であり、実装上有利である。ノズル３４、３６、４２ａ、４４ａの接続も、クランプ等だけで可能なため、製造上のメリットも有する。
放熱部４０の外部には、冷却ファン７０等が配置されており、冷却風を放熱部４０の放熱フィン４８に当てることで、受熱部３０より輸送された気相冷媒９０の熱を空気中に放出する。
このように構成された相変化冷却装置１０であるが、使用する冷媒は、電子機器に使用する場合は、絶縁性冷媒が望ましい。万が一、内部の冷媒が漏れても、他部品に与える影響を小さくすることが可能となる。この絶縁性冷媒は、前記のように構成された相変化冷却装置１０に注入口（図示せず）より注入し、真空引き後、バルブ等を閉めることによって、密閉する。このとき、注入口をかしめや溶接することによって密閉してもよい。
次に、本発明の第１の実施の形態に係る相変化冷却装置１０の動作について詳細に説明をする。
図４は、本発明の第１の実施の形態に係る相変化冷却装置１０の沸騰部１００での沸騰時の動作図を示している。
本発明の第１の実施の形態に係る相変化冷却装置１０の沸騰部１００は、前記したように、櫛型形状構造体１２０のフィン１２４間の底部１２２に設けた多孔質層１４０によって構成されている。沸騰部１００のある受熱部３０には、液相冷媒８０が充填されているため、沸騰部１００も液相冷媒８０に浸されることになる。多孔質層１４０に触れた液相冷媒８０は、冷媒が持つ表面張力による毛細管力とその自重によって、多孔質層１４０の内部まで浸透する。多孔質層１４０内は小さな孔１４２ａが多数設けられた構造のため、浸透した冷媒は強制的に薄い液膜状となる。
また、多孔質層１４０はフィン２４の間に設けられているため、受熱面３０ａにより受けた熱を、底部１２２の内底面１２２ｂとフィン１４２の側壁面１２４ａ周囲から、多孔質層１４０に供給することができる。これによって、多孔質層１４０における、孔１４２ａが多数配置されていることによる熱伝導性の悪化を、低減することが可能となる。熱を受けた多孔質層１４０は、その内部で強制的に薄い液膜状になった液相冷媒８０に伝えられる。
薄い液膜状の液相冷媒８０は、気相冷媒９０の温度と壁面温度との差が小さくても、速やかに沸点まで上昇し、沸騰し、気相冷媒９０に相変化する。相変化した気相冷媒９０は、密度が小さいため浮力により多孔質層１４０より離脱し、気相配管５０を通り、放熱部４０に移動する。多孔質層１４０の気相冷媒９０が離脱した領域には、液相冷媒８０が、毛細管力・自重により速やかに進入し、再び熱を受けることで、気相冷媒９０に相変化する。発熱体２０の熱は、冷媒の相変化に使用され、冷媒が移動することで輸送される。
気相配管５０を通り、放熱部４０に移動した気相冷媒９０は、ヘッダー４２を通り、拡散し、放熱部４０の各放熱チューブへ流入する。この放熱チューブに流入した気相冷媒９０は、外部の冷却ファン７０からの冷却風によって、熱を奪われ、液相冷媒８０に相変化する。相変化した液相冷媒８０は、その自重により、降下し、液相配管６０を通り、受熱部３０に還流される。
熱を冷媒の相変化を利用して、拡散することで、大きな冷却能力を得ることが可能となる。また、ポンプを使用せずに、冷媒を循環させることが可能なため、同様に冷媒を循環させる水冷方式と比較しても、冷却電力に関して有利である。
［第２の実施の形態］
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施の形態に係る相変化冷却装置に使用される沸騰部１００Ａについて説明する。
図５に示されるように、第２の実施の形態の沸騰部１００Ａは、第１の実施の形態の沸騰部１００と比較し、櫛型形状構造体１２０Ａのフィン１２４Ａがフィン１２４よりも伸びた構造となっている。
このように、櫛型形状構造体１２０Ａのフィン１２４Ａを長く伸ばすことにより、高発熱領域時に冷却能力を向上させることができる。
高発熱量時では、多孔質層１４０から発生する気相冷媒９０も増加する。しかしながら、多孔質層１４０は気相冷媒９０から見ると流路抵抗になるので、多くの気相冷媒９０が発生する場合は、返って冷却性能の低下を招くことになる。
そのため、図５に示すように、櫛型形状構造体１２０Ａのフィン１２４Ａを伸ばすことで、冷却能力を低下させずに、冷却能力を向上させることができる。
次に、図６を用いて、高発熱量時の動作について詳細に説明する。高発熱量時になると、上記に説明したように多数の気相冷媒９０が多孔質層１４０から発生するため、多孔質層１４０の上方にある液相冷媒８０ａを伴って上昇する。気相冷媒９０によって、上昇した液相冷媒８０ａは、その自重に降下することになるが、その際にフィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａにいくらか付着する。付着した液相冷媒８０ｂは、側壁面１２４Ａａを伝い降下するため、フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａにも薄い液膜を形成することができる。フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａを伝う液体冷媒８０ｂの降下を妨げないため、側壁面１２４Ａａには多孔質層１４０を設けない。この薄い液膜状の液相冷媒８０ｂに、受熱面３０ａよりフィン１２４Ａを伝導した熱を受けることで、液相冷媒８０ｂは、速やかに熱を奪い、気相冷媒９０ａに相変化する。相変化した気相冷媒９０ａは、浮力により上昇し、気相配管５０を通り、放熱部４０に移動する。
このように、フィン１２４Ａを伸ばすことで、高発熱量時に発生する多数の気相冷媒９０が起す、液相冷媒８０ａの巻上げを利用して、さらに、熱を効率よく冷媒の相変化に利用することが可能となり、冷却性能を損なわず、上昇させることが可能となる。
このフィン１２４Ａの長さは、短すぎれば、フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａを流れ落ちる液相冷媒８０ｂの液膜化はできず、長すぎると、気相冷媒９０の流動を妨げる。最適な大きさを具体的に述べると、フィン１２４Ａの長さは、２ｍｍ〜１５ｍｍ程度が望ましい。
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態に係る相変化冷却装置に使用される沸騰部について説明する。
第３の実施の形態に係る沸騰部では、図５に示した第２の実施の形態の沸騰部１００Ａの伸ばしたフィン１２４Ａに、サンドブラストなどによって表面を粗くしている。
多孔質層１４０をフィン１２４Ａの壁面１２４Ａａに設けると、その流路抵抗により、フィン１２４Ａの壁面１２４Ａａを伝う液体冷媒８０ｂの降下を阻害し、フィン１２４Ａの側壁面１２４Ａａから気相冷媒９０ａを効率よく発生させることが難しくなる。
そこで、第３の実施の形態では、サンドブラストなどによって、微小の凹凸をフィン１２４Ａの表面１２４Ａａに付けている。これにより、液相冷媒８０ｂの降下を妨げることなく、凹凸によるフィン１２４Ａの表面積を増加することができる。そのため、フィン１２４Ａの表面１２４Ａａの液相冷媒８０ｂから気相冷媒９０ａの相変化を促進することが可能となり、冷却性能の向上につながる。この微小凹凸は、数１００μｍの凹凸であることが望ましい。
以上、実施の形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本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。例えば、上述した実施の形態では、発熱体がＣＰＵ等の電子部品である場合を例に挙げて説明しているが、発熱体は電子部品に限定されないのは勿論である。また、沸騰部を含む受熱部を備えた冷却装置は、上述した実施の形態の構造のものに限定されず、種々の冷却装置に適用可能である。
上記の実施形態（実施例）の一部又は全部は、以下のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１） 発熱体からの熱で液相冷媒を沸騰させて、前記液相冷媒を気相冷媒に相変化させる沸騰部において、
前記発熱体と熱的に接続する底部と、該底部から立設する複数のフィンとを持つ櫛型形状構造体と、
前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に設けられ、小さな開口を多数有する多孔質層と、
を有することを特徴とする沸騰部。
（付記２） 前記櫛型形状構造体の底部は実質的に水平方向へ延在し、
前記複数のフィンの各々は実質的に鉛直上方へ立設している、
付記１に記載の沸騰部。
（付記３） 前記櫛型形状構造体は金属材料で作られている、付記１又は２に記載の沸騰部。
（付記４） 前記多孔質層が多数の微粒子で構成されている、付記１乃至３のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記５） 前記複数のフィンの各々の長さは前記多孔質層の厚さより長くなっている、付記１乃至４のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記６） 前記複数のフィンの各々の側壁面が粗い表面をもつ、付記５に記載の沸騰部。
（付記７） 前記フィンの厚さは前記多孔質層の孔の直径以上である、付記１乃至６のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記８） 隣接するフィンの間隔は、前記櫛型形状構造体が前記多孔質層に触れる面積が、前記発熱体が前記底部の受熱面と接触する面積以上となるように、設定されている、付記１乃至７のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記９） 前記多孔質層の厚みは、前記多孔質層の孔の直径以上で、前記フィンの長さ以下である、付記１乃至８のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記１０） 前記多孔質層の孔径は、冷媒分子の径以上で、隣接するフィン間の間隔以下である、付記１乃至９のいずれか１つに記載の沸騰部。
（付記１１） 付記１乃至１０のいずれか１つに記載の沸騰部を含む受熱部。
（付記１２） 付記１１に記載の受熱部と、前記気相冷媒の熱を奪い、前記気相冷媒を前記液相冷媒へ相変化させる放熱部と、前記受熱部内の前記気相冷媒を前記放熱部へ移送する気相配管と、前記放熱部内の前記液相冷媒を前記受熱部へ移送する液相配管と、を備えた冷却装置。
（付記１３） 前記放熱部は前記受熱部よりも鉛直上方にある、付記１２に記載の冷却装置。
（付記１４） 付記１２又は１３に記載の冷却装置を搭載してなる、電子機器。
（付記１５） 前記発熱体はＣＰＵから成る、付記１４に記載の電子機器。
（付記１６） 金属ブロックを準備する工程と、
前記金属ブロックから複数のフィンを切り起こして、櫛型形状構造体を製造する工程と、
微粒子をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成する工程と、
前記混合物を、前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に盛り付ける工程と、
前記混合物を焼結して、前記櫛型形状構造体の底部に多孔質層を形成する工程と、
を含む沸騰部の製造方法。
（付記１７） 金属ブロックを準備する工程と、
前記金属ブロックから複数のフィンを切り起こして、櫛型形状構造体を製造する工程と、
微粒子をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成する工程と、
前記混合物を焼結して多孔質体を得る工程と、
前記多孔質体を前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に盛り付けて、前記櫛型形状構造体の底部に多孔質層を形成する工程と、
を含む沸騰部の製造方法。
１０ 相変化冷却装置
２０ 発熱体
２０ｕ 表面（上面）
３０ 受熱部
３０ａ 受熱面
３２ カバー
３４、３６ ノズル
４０ 放熱部
４２、４４ ヘッダー
４２ａ、４４ａ ノズル
４８ 放熱フィン
５０ 気相配管
６０ 液相配管
７０ 冷却ファン
８０、８０ａ、８０ｂ 液相冷媒
９０、９０ａ 気相冷媒
１００、１００Ａ 沸騰部
１２０、１２０Ａ 櫛型形状構造体
１２２ 底部
１２２ａ 外底面
１２２ｂ 内底面
１２４、１２４Ａ フィン
１２４ａ、１２４Ａａ 側壁面
１４０ 多孔質層
１４２ 微粒子
１４２ａ 孔
この出願は、２０１２年９月１９日に出願された、日本特許出願第２０１２−２０５８０１号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。
２０ 発熱体
２０ｕ 表面（上面）
３０ 受熱部
３０ａ 受熱面
３２ カバー
３４、３６ ノズル
４０ 放熱部
４２、４４ ヘッダー
４２ａ、４４ａ ノズル
４８ 放熱フィン
５０ 気相配管
６０ 液相配管
７０ 冷却ファン
８０、８０ａ、８０ｂ 液相冷媒
９０、９０ａ 気相冷媒
１００、１００Ａ 沸騰部
１２０、１２０Ａ 櫛型形状構造体
１２２ 底部
１２２ａ 外底面
１２２ｂ 内底面
１２４、１２４Ａ フィン
１２４ａ、１２４Ａａ 側壁面
１４０ 多孔質層
１４２ 微粒子
１４２ａ 孔
この出願は、２０１２年９月１９日に出願された、日本特許出願第２０１２−２０５８０１号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。
Claims (10)
- 発熱体からの熱で液相冷媒を沸騰させて、前記液相冷媒を気相冷媒に相変化させる沸騰部において、
前記発熱体と熱的に接続する底部と、該底部から立設する複数のフィンとを持つ櫛型形状構造体と、
前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に設けられ、小さな開口を多数有する多孔質層と、
を有することを特徴とする沸騰部。 - 前記多孔質層が多数の微粒子で構成されている、請求項１に記載の沸騰部。
- 前記複数のフィンの各々の長さは前記多孔質層の厚さより長くなっている、請求項１又は２に記載の沸騰部。
- 前記複数のフィンの各々の側壁面が粗い表面をもつ、請求項３に記載の沸騰部。
- 請求項１乃至４のいずれか１つに記載の沸騰部を含む受熱部。
- 請求項５に記載の受熱部と、前記気相冷媒の熱を奪い、前記気相冷媒を前記液相冷媒へ相変化させる放熱部と、前記受熱部内の前記気相冷媒を前記放熱部へ移送する気相配管と、前記放熱部内の前記液相冷媒を前記受熱部へ移送する液相配管と、を備えた冷却装置。
- 前記放熱部は前記受熱部よりも鉛直上方にある、請求項６に記載の冷却装置。
- 請求項６又は７に記載の冷却装置を搭載してなる、電子機器。
- 金属ブロックを準備する工程と、
前記金属ブロックから複数のフィンを切り起こして、櫛型形状構造体を製造する工程と、
微粒子をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成する工程と、
前記混合物を、前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に盛り付ける工程と、
前記混合物を焼結して、前記櫛型形状構造体の底部に多孔質層を形成する工程と、
を含む沸騰部の製造方法。 - 金属ブロックを準備する工程と、
前記金属ブロックから複数のフィンを切り起こして、櫛型形状構造体を製造する工程と、
微粒子をバインダに混ぜ合わせて混合物を形成する工程と、
前記混合物を焼結して多孔質体を得る工程と、
前記多孔質体を前記櫛型形状構造体のフィン間の底部に盛り付けて、前記櫛型形状構造体の底部に多孔質層を形成する工程と、
を含む沸騰部の製造方法。
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