JPWO2018043442A1 - 冷却装置、およびそれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部（４）と、放熱経路（６）を介して受熱部（４）と接続した放熱部と、放熱部と受熱部（４）とを接続する帰還経路（７）と、を備え、受熱部（４）、放熱経路（６）、放熱部、帰還経路（７）の順で冷媒が気液二相変化を伴って循環し、発熱体の冷却を行う冷却装置において、受熱部（４）は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板（１１）と、受熱板（１１）の表面を覆い受熱空間（１３）を形成する受熱カバー（１４）と、を備える。そして、帰還経路（７）と受熱部（４）との間に帰還経路（７）の圧力が受熱空間（１３）内の圧力よりも大きい場合に開動する逆止弁（１８）が設けられ、受熱板（１１）の表面に設けた凹部（２４）に親水性の表面処理膜（２２）が形成されている。

Description

本発明は、冷却装置、およびそれを用いた電子機器に関するものである。

例えば、サーバでは、その処理能力の向上（高速処理化）につれて、ＣＰＵなどの電子素子が極めて大きな発熱を伴うようになっている。そのため、その電子素子を冷却するための冷却装置が、システム全体の動作安定性を確保する上で必要不可欠なものとなっている。

例えばサーバなどの電子機器を冷却するための冷却装置は、これまで以下のような構成となっていた。

すなわち、受熱部と、この受熱部の排出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備える。そして、受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーを備える。また、受熱空間において、受熱板は、中央近傍に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝部を設けた気化部を備え、導入管は、受熱板に対して略垂直方向に配置される構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−８８１２７号公報

梅本翔平他著「超親水沸騰面と冷媒を用いる自然循環式相変化型電子機器冷却」、第５３回伝熱シンポジウム講演論文集（２０１６−５）、Ｃ１３４

上記特許文献１における冷却装置では受熱部に接触して発熱する電子素子の発熱量が小さい場合に冷却性能が低下する場合がある。

すなわち、上記従来例の冷却装置において、導入管から冷媒流入部に流れ込んだ冷媒は、一部が受熱板より熱を受けて沸騰気化する。この際、沸騰気化した冷媒は、急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒とともに、受熱板上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。この時、未沸騰の液相の冷媒も受熱板全体の表面に薄い膜状で広がることになる。そして、発熱体からの継続的な加熱により、未沸騰の液相の冷媒が一瞬にして加熱され気化することによって、受熱板全体から効率的に気化熱を奪い冷却する構成となっている。

しかし、従来の冷却装置は、受熱部が電子素子から受ける熱量が大きい場合は非常に良好な性能を示すが、熱量が小さい場合には、上記の通り受熱部内の導入管先端近傍の受熱板上で発生する冷媒の初期沸騰の蒸発量も少なくなり、冷却性能が低下する。これは、冷媒の蒸発量が少なくなったために、冷媒が十分な体積膨張の速度を得られないことに起因する。言い換えれば、冷媒の体積膨張の速度が遅いため、受熱板上に形成される液相の冷媒の膜厚も薄くすることができなくなり、結果的に冷却性能の低下を招くことになっていた。この冷媒の蒸発量の低下は、電子素子の低発熱量により冷媒からの気泡の発生量が著しく低下することが原因である。そのため、電子素子の発熱量が大きい場合は、他方式（空冷や水冷など）の冷却装置に対する優位性は大きいが、電子素子の発熱量が小さい場合には、受熱部の温度上昇は相対的に低くなり、他方式の冷却方法に対する優位性が大幅に薄れてしまう。

そこで、電子素子の発熱量が小さい場合でも冷媒から多くの気泡を発生させる一つの手段として非特許文献１に記載のレーザー加工法により、受熱板表面に親水性の表面処理膜を形成することが提案されている。受熱板表面に親水性の表面処理膜を形成することで、電子素子の発熱量が小さい場合でも冷媒からの気泡発生が促進され、結果的に冷媒の蒸発量が増加するため効率的な冷却が可能であるという報告がなされている。

しかし、この受熱板表面に形成された親水性の表面処理膜は、非常に薄い膜である。加えて、冷媒や装置内に微細な異物が混入している場合がある。そのため、表面処理膜が、冷媒の沸騰時に膜表面で発生している高速の冷媒流とともに流れる微細な異物によって物理的な損傷を受ける可能性が高い。よって、冷却装置の冷却性能の向上と長期動作安定性を両立させるには、膜の長期耐久性の確保が課題となっていた。

そこで本発明は、受熱板の表面処理膜の損傷を防止し、冷却装置の冷却性能の向上と動作安定性の確保を目的とするものである。

そして、この目的を達成するために、本発明は、発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、放熱経路を介して受熱部と接続した放熱部と、放熱部と受熱部とを接続する帰還経路と、を備え、受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路の順で冷媒が気液二相変化を伴って循環し、発熱体の冷却を行う冷却装置において、受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、受熱板の表面を覆い受熱空間を形成する受熱カバーと、を備える。そして、帰還経路と受熱部との間に帰還経路の圧力が受熱空間内の圧力よりも大きい場合に開動する逆止弁が設けられ、受熱板の表面に設けた凹部に親水性の表面処理膜が形成されることにより、所期の目的を達成するものである。

本発明によれば、受熱板の表面処理膜の損傷を防止し、低発熱量時の冷却装置の冷却性能の向上と動作安定性を確保することが出来る。

すなわち、本発明においては、受熱板の表面に設けた凹部に親水性の表面処理膜を形成することで、受熱板上に滴下された作動流体からの気泡発生が促進され、結果的に作動流体の蒸発量が増加する。そのため、本発明に係る冷却装置は、低発熱量時でも効率的に作動流体の沸騰が行われるため高い冷却効果が得られる。また、凹部内の表面処理膜には高速で流れる作動流体である混相流が直接当たりにくく、作動流体に混入した異物の衝突による損傷を受けることを防止することができる。その結果、低発熱量時の冷却性能の向上と動作安定性を確保することが出来ることになる。

図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置を備えた電子機器の斜視図である。 図２は、同冷却装置の全体構成図である。 図３は、同冷却装置の放熱部の斜視図である。 図４は、同冷却装置の受熱部の斜視図である。 図５Ａは、同冷却装置の受熱部の垂直断面図である。 図５Ｂは、図５Ａの５Ｂ−５Ｂ線断面図である。 図５Ｃは、図５Ｂの５Ｃ−５Ｃ線断面図である。 図６Ａは、同冷却装置の放射状溝の底部の平面図である。 図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線断面図である。 図６Ｃは、同冷却装置の放射状溝の底部に形成された表面処理膜の損傷が進行した場合の平面図である。 図６Ｄは、図６Ｃの６Ｄ−６Ｄ線断面図である。 図７Ａは、同冷却装置の放射状溝の底部の他の凹部の形状を示し、２連円形列の凹部の形状を示す図である。 図７Ｂは、微小円の凹部の形状を示す図である。 図７Ｃは、微小三角の凹部の形状を示す図である。 図７Ｄは、微小四角の凹部の形状を示す図である。 図８Ａは、本発明の実施の形態２に係る冷却装置の受熱部の垂直断面図である。 図８Ｂは、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ断面図である。 図９Ａは、同冷却装置の放射状溝の底面の部分拡大図である。 図９Ｂは、図９Ａの９Ｂ−９Ｂ線断面図である。 図９Ｃは、同冷却装置の凹部の変形例を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するために例示するものであって、本発明を以下のものに特定しない。また、請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施の形態において説明された内容は、他の実施の形態等に利用可能なものもある。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る冷却装置を備えた電子機器の斜視図である。図１では、冷却装置３をＰＣ１（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）などの電子機器の筐体内に配置した場合の実施例を示している。図１に示すように、ＰＣ１は、電源ユニット３０、マザーボード３１などのＰＣ部品と共に本発明の冷却装置３を備えている。

図１を用いて、もう少し詳しく本発明の冷却装置３の動作について説明することにする。ＰＣ１の機器内に配置された回路基板２には、発熱体である電子素子１０が搭載されている。また、ＰＣ１内には、動作時の電子素子１０を冷却するため、冷却装置３が設置されている。冷却装置３は、発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部４と、放熱経路６を介して受熱部４と接続した放熱部５と、受熱部４と放熱部５とを接続する帰還経路７とを備える。図１に示すように、受熱部４は箱型であり、ＣＰＵ基板などの回路基板２に搭載された電子素子１０と接触している。また、放熱部５は、ファン８により冷却される構成となっている。そして、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４の順で冷媒である作動流体１２（例えば水）が気液二相変化を伴って循環する循環経路を構成している。

つまり、この循環経路においては、作動流体１２が、気体（蒸気）や液体の状態で、受熱部４、放熱経路６、放熱部５、帰還経路７、受熱部４と一方向に、循環するようになっている。

次に、冷却装置３の構成について説明する。

図２は、実施の形態１に係る冷却装置の全体構成図である。冷却装置３は、受熱部４と、放熱部５と、放熱経路６と、帰還経路７とを備える。

受熱部４は、発熱体である電子素子１０の熱を冷媒である作動流体１２に伝える。受熱部４は、図２に示すように、受熱板１１と、受熱板カバー１４とを備える。受熱板１１は、電子素子１０に接触させて熱を吸収する。受熱板カバー１４は、この受熱板１１の表面を覆い、流れ込んだ作動流体１２を蒸発させる受熱空間１３を形成する。さらに、受熱板カバー１４には、受熱空間１３に液化した作動流体１２を流し込む流入口１５と、受熱空間１３から作動流体１２を気体にして排出する排出口１６が設けられている。本実施の形態では、受熱板１１は、熱伝導率の高い銅製とすることで冷却性能の向上を図っているが、銅以外の熱伝導率の高い材質を用いてもよい。

放熱部５は、放熱部５の表面にファン８から外気を送風することで受熱部４から排出された作動流体１２の熱を放熱させている。図３は、実施の形態１に係る冷却装置の放熱部の斜視図である。放熱部５は、図３に示すように、アルミニウムを短冊状に薄く形成したフィンを所定の間隔をあけて積層させて構成されている。また、放熱部５には、放熱経路６と帰還経路７とが接続されている。そして、この放熱部５の表面にファン８から外気を送風することで、放熱部５内を流れる作動流体１２を放熱させている。

放熱経路６は、受熱部４と放熱部５とに接続されている。受熱部４で電子素子１０の熱を吸収した作動流体１２は、放熱経路６を介して放熱部５に流れる。

帰還経路７は、受熱部４と放熱部５とに接続されている。放熱部５で放熱された作動流体１２は、帰還経路７を介して受熱部４に流れる。

次に、受熱部４の詳細について説明する。図２においては、受熱部４を模式的に示したが、具体的には図４、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すような構造となっている。図４は、実施の形態１に係る冷却装置の受熱部の斜視図である。図５Ａは、実施の形態１に係る冷却装置の受熱部の垂直断面図である。図５Ｂは、図５Ａの５Ｂ−５Ｂ線断面図である。図５Ｃは、図５Ｂの５Ｃ−５Ｃ線断面図である。すなわち、図４に示すように、受熱板カバー１４の上面に、流入口１５と排出口１６が設けられている。流入口１５には帰還経路７が接続され、また排出口１６には放熱経路６が接続されている。

さらに、図５Ａに示すように、帰還経路７の受熱部４側には、受熱部４内に作動流体１２を供給する導入管１７が設けられている。導入管１７は、受熱部４の受熱空間１３内に突出させた状態で帰還経路７の受熱部４側に接続している。また、逆止弁１８が受熱部４の流入口１５と、導入管１７の接続部に設けられている。逆止弁１８は、帰還経路７の圧力が受熱空間１３の圧力より大きい場合に開動する。本実施の形態では、逆止弁１８の上部に凝縮して溜まった作動流体１２の水頭圧と受熱空間１３内の圧力バランスによって開動する。

また、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示すように、受熱空間１３において、受熱板１１の表面の中央近傍には、冷媒流入部２０が設けられている。また、放射状溝２１が、冷媒流入部２０を中心として放射状に設けられている。そして、凹部２４が、たとえばレーザー加工によって受熱板１１の表面、つまり放射状溝２１の底面に形成されている。本実施の形態では、凹部２４は円形である。円形である凹部２４の直径は、受熱板１１の外縁に近づくに従い大きくなっている。また、放射状溝２１内で隣接する凹部２４同士は連通していない。そして、受熱板１１には、親水性の表面処理膜２２が形成されているが、詳細については後述する。

次に、このような構成による冷却装置３の作用について説明することにする。

上記構成において、電子素子１０が動作を開始すると、ＰＣ１は、動きだすこととなる。このとき、電子素子１０に大電流が流れることにより、電力の多くが熱損失となって電子素子１０は大きく発熱する。

一方で、電子素子１０から受熱板１１へ伝わった熱は、受熱空間１３の受熱板１１上に供給された液相の作動流体１２を加熱する。加熱された作動流体１２は、気泡を発生し、瞬時に気化する。作動流体１２は、気化する際に受熱板１１から気化潜熱を奪うことで、受熱板１１、つまり電子素子１０を冷却している。受熱板１１から気化潜熱を奪って気相となった作動流体１２は、排出口１６から放熱経路６へと流れ、放熱部５で凝縮されることで熱を外気に放出する。ここで、作動流体１２からの気泡発生量が十分であれば作動流体１２が十分に受熱板１１の熱を気化潜熱として奪っている、つまり、電子素子１０を適切に冷却できているといえる。

放熱部５の作用によって熱を放出した作動流体１２は、凝縮により液化して帰還経路７へと流れ、流入口１５の逆止弁１８上に溜まることとなる。液化した作動流体１２は、徐々に帰還経路７内で増加し、その水頭による圧力によって逆止弁１８を押し下げると、再び受熱空間１３内の受熱板１１上に導入管１７から供給される。

このようにして作動流体１２が気液二相変化を伴って冷却装置３内を循環することで、電子素子１０の冷却を行なっている。

ここで、受熱空間１３内の冷却のメカニズムについて図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを用いて更に説明を加える。

図５Ａに示すように、受熱空間１３内では、帰還経路７からの作動流体１２は、導入管１７を介して受熱板１１上に液滴となって滴下される。滴下した作動流体１２は、その一部が気化し体積膨張することで導入管１７の端部開口（導入管１７の先端部分）と受熱板１１の隙間から受熱板１１の外周部へ高速で拡散される。この際、作動流体１２は、気相と液相からなる混相流２３となっている。また、気化しなかった作動流体１２は、受熱板１１の中央近傍に設けられた冷媒流入部２０に滴下した後、気化した作動流体１２の体積膨張の影響を受けて冷媒流入部２０の外周に向けて放射状に形成された放射状溝２１の内壁面に薄い膜として広がる。薄い膜として広がった作動流体１２は、高熱の受熱板１１の熱を受けて一瞬にして気化し、受熱板１１から熱を奪い、電子素子１０を冷却する。上記メカニズムにより、冷却装置３は、高い除熱性能を発揮する。

なお、冷媒流入部２０は、滴下した作動流体１２が放射状溝２１に沿って拡散しやすくするために、受熱板１１の中央近傍に設けることが好ましいが、受熱板１１の内側であれば、正確に中央に配置しなくても中央近傍であれば作用効果は変わらない。

だだ、このような冷却装置にも不向きな動作領域が存在する。それは、電子素子１０からの発熱量が低い場合である。ここでいう発熱量が低い場合とは、例えば、電子素子１０の発熱量が１０Ｗ／ＣＭ^２以下の場合である。電子素子１０の発熱量が特に低い場合、作動流体１２からの気泡発生量が極端に低下するため混相流２３は、相対的に低速となり熱伝達係数の大幅な低下は避けられない。つまり、電子素子１０の発熱量が低い場合、受熱空間１３に滴下された作動流体１２の初期の蒸発量が少なくなるため、気相の作動流体１２の体積膨張速度が遅くなる。なお、ここでいう初期の蒸発量とは、液相の作動流体１２が受熱空間１３に滴下された時に蒸発する量のことである。作動流体１２は、受熱空間１３内では気相と液相の混相流２３となっており、液相の作動流体１２は、気相の作動流体１２の体積膨張にともなって、放射状溝２１の内壁面に広がる。電子素子１０の発熱量が十分であれば、気相の作動流体１２の体積膨張速度が速いため、液相の作動流体１２は、放射状溝２１の内壁面にすばやく薄く広がる。そのため、液相の作動流体１２から十分な気泡が発生し、液相の作動流体１２は、すばやく気化する。しかしながら、電子素子１０の発熱量が低い場合では、気相の作動流体１２の体積膨張速度が遅くなるため、液相の作動流体１２が薄く広がらない。その結果、液相の作動流体１２から十分な気泡が発生せず、気化する速度も遅くなる。液相の作動流体１２の気化する速度が遅くなることは、電子素子１０と受熱板１１間の熱伝達係数の低下を意味する。そのため、本実施の形態では、前述したレーザー加工により、受熱板１１に親水性の表面処理膜２２を形成している。具体的には、表面処理膜２２は、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃに示す様に、放射状に配置された放射状溝２１の底面に設けた凹部２４に形成されている。言い換えると、表面処理膜２２は、受熱板１１の表面に設けた凹部２４に形成されている。

この表面処理膜２２を作動流体１２の沸騰面である放射状溝２１の底面に設けた凹部２４に形成することで、低発熱量時でも液相の作動流体１２が放射状溝２１上に薄く広がり、気泡発生が促進され低発熱量時でも多くの気泡発生量を確保することができる。これにより、電子素子１０の発熱量が低い場合でも十分な気相の作動流体１２を得ることができる。そのため、冷却装置３は、高速の混相流２３を発生させることが可能となり高い冷却性能を維持することが可能となる。また、本実施の形態では、表面処理膜２２を平面である受熱板１１の底面に形成するのではなく、受熱板１１の底面に設けた凹部２４に形成している。これにより 、何らかの物理的な接触で凹部２４に形成された表面処理膜２２が損傷を受けることを構造的に防止することが可能である。詳細については以下で説明する。

次に、表面処理膜２２を凹部２４に形成する効果について説明する。

通常、装置内や装置内に封入された作動流体１２には、何らかの微細な異物（コンタミネーション）が含まれていることが多い。また、表面処理膜２２は、非常に薄い膜である。そして、受熱空間１３内では、作動流体１２が混相流２３として高速で流れている。

ここで、表面処理膜２２が、放射状溝２１や凹部２４がない受熱板１１に形成された場合を考える。この場合、表面処理膜２２は、受熱板１１上でむき出しになっている。そのため、異物を含んだ混相流２３が表面処理膜２２の近傍を流れた場合、混相流２３は、簡単に表面処理膜２２に接触することができる。よって、表面処理膜２２が、異物を含んだ混相流２３によって損傷を受け、剥離してしまう危険性がある。

一方、表面処理膜２２を、受熱板１１の放射状溝２１の底面に設けた凹部２４に形成した場合を考える。この場合、表面処理膜２２は、受熱板１１上でむき出しになっていない。そのため、異物を含んだ混相流２３が表面処理膜２２の近傍を流れた場合、混相流２３は、簡単に表面処理膜２２に接触することできない。そのため、表面処理膜２２が、異物を含んだ混相流２３によって損傷を受け、剥離してしまう危険性が低減する。また、図５Ｃに示すように、放射状溝２１内で隣接する凹部２４同士は受熱板１１によって隔てられており、連通していない。このため、受熱板１１は、表面処理膜２２が損傷を受けることを構造的に防止することができる。

この構造によれば、冷却装置３は、受熱板１１に形成された表面処理膜２２が損傷を受けることを防止できるため、電子素子１０の発熱量が小さい場合でも適切に電子機器の冷却を行うことができることに加え、長期にわたる動作安定性を確保できる。

上記では、凹部２４のみに表面処理膜２２を形成した場合について説明したがこれに限定されない。例えば、表面処理膜２２は、凹部２４を含む放射状溝２１の底面全体に形成されていてもよい。これについて図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃおよび図６Ｄを用いて追加説明をおこなうことにする。

図６Ａは、実施の形態１に係る冷却装置の放射状溝の底部の平面図である。図６Ｂは、図６Ａの６Ｂ−６Ｂ線断面図である。図６Ｃは、実施の形態１に係る冷却装置の放射状溝の底部に形成された表面処理膜の損傷が進行した場合の平面図である。図６Ｄは、図６Ｃの６Ｄ−６Ｄ線断面図である。通常、表面処理膜２２の形成初期では、図６Ａ、図６Ｂに示す様に、表面処理膜２２は、凹部２４を含む放射状溝２１の底面全面に存在する。しかし、作動流体１２に微細な異物が混入した状態では、異物を含んだ高速の混相流２３が底面の表面処理膜２２上を流れた場合、図６Ｃ、図６Ｄに示すように、混相流２３が直接当たる表面近傍の表面処理膜２２だけが損傷を受けて剥離する。一方、混相流２３が直接当たりにくい凹部２４に形成された表面処理膜２２は、損傷を受けずに残留できる可能性が高まる。このように放射状溝２１の底面に設けた凹部２４に表面処理膜２２を形成することにより、表面処理膜２２の損傷を防止し、低発熱量時でも高い冷却性能を長期間にわたって確保することができるのである。

なお、本実施の形態では、凹部２４の形状は、円形である。また、円形である凹部２４の直径は、受熱板１１の外縁に近づくに従い大きくなる構成としたが、これに限定されない。図７Ａ〜図７Ｄは、実施の形態１に係る冷却装置における凹部の形状の変形例を示す図である。図７Ａは、２連円系列の凹部の形状を示す図である。図７Ｂは、微小円の凹部の形状を示す図である。図７Ｃは、微小三角の凹部の形状を示す図である。図７Ｄは、微小四角の凹部の形状を示す図である。つまり、凹部２４の形状は、多角形であってもよい。表面処理膜２２の損傷防止については、これらの場合も同様の効果を得ることが可能である。

（実施の形態２）
次に実施の形態２に係る冷却装置３について説明する。実施の形態１と同一の構成要件については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図８Ａは、実施の形態２に係る冷却装置の受熱部の垂直断面図である。図８Ｂは、図８Ａの８Ｂ−８Ｂ線断面図である。図８Ａ、図８Ｂに示す実施の形態２に係る冷却装置３を構成する各構成要素は、凹部２２４ａを除いて略同様であるため、説明を省略する。

図９Ａは、実施の形態２に係る冷却装置の放射状溝の底面の部分拡大図である。図９Ｂは、図９Ａの９Ｂ−９Ｂ線断面図である。図９Ａに示すように、受熱板１１に設けられた放射状溝２１の底面に、凹部２２４ａが所定の距離をあけて設けてられている。本実施の形態では、凹部２２４ａは、例えばレーザー光３３によって、上下方向にΔＹ間隔、左右方向にΔＸ間隔で形成されている。つまり、凹部２２４ａは、所定の間隔をあけて一列に配された複数の凹部２２４ａからなる凹部列を複数並列に配置した構成としている。この様に、この複数の凹部２２４ａを放射状溝２１の底面に形成することで、気泡の発生起点が増加するため、気泡の発生が促進される。よって、低発熱量時でも多くの気泡発生量を確保することができる。そのため、高速の混相流２３を発生させることが可能となり高い冷却性能を維持することが可能となる。

また、本実施の形態では、受熱板１１の放射状溝２１の底面に、均一な所定の間隔をあけて一列に配された複数の凹部２２４ａの列を複数並列に配置している。この構成によれば、受熱板１１の表面において、均一な気泡の発生を促進することが可能であり、受熱板１１の表面における作動流体１２の温度のばらつきを低減できるという効果を備える。

図９Ｂは、図９Ａの９Ｂ−９Ｂ線断面図である。図９Ｂに示すように、凹部２２４ａに親水性の表面処理膜２２が形成されている。表面処理膜２２の効果については実施の形態１で既に述べているため、説明は省略する。また、表面処理膜２２は、実施の形態１と同様、凹部２２４ａを含む放射状溝２１の底面全体に形成されている。この構成によれば、凹部２２４ａに形成された表面処理膜２２は、受熱板１１で隔てられるので、表面処理膜２２が何らかの物理的な接触で損傷を受けることを構造的に防止することが可能である。

図９Ｂに示す凹部２２４ａは、円錐形であり、レーザー光３３を用いて形成することができる。例えば、レーザー光３３を約５ミリ秒〜１０ミリ秒照射することで、入り口径ｄが約８０μｍ〜１００μｍ、深さＬ_０が約１３０μｍ〜１５０μｍの凹部２２４ａを形成することができる。なお本実施の形態においても、銅製の受熱板１１を用いた場合の例を示している。

図９Ｂに示すように円錐形である凹部２２４ａの断面形状は、頂点が鋭角を成す円錐形状に形成されている。円錐形である凹部２２４ａは、頂点が鋭角を成す円錐形状であるため、円錐の頂点付近の体積が小さい。そのため、凹部２２４ａに流れ込んだ作動流体１２は、円錐の頂点付近の体積が小さい作動流体１２が発熱体から受熱するため、低温度であっても作動流体の気泡発生を促すことが可能となる。

本実施の形態では、凹部２２４ａが円錐形である場合について説明したが、これに限定されない。図９Ｃを用いて、凹部２２４ａが円錐形以外の場合について説明する。

図９Ｃは、実施の形態２に係る冷却装置の凹部の変形例を説明するための図である。図９Ｃに示すように、凹部２２４ｂは、砲弾形である。レーザー光３３による照射時間を短くすることで形成できる。例として、レーザー光３３を約３ミリ秒〜５ミリ秒照射することで、入り口径ｄが約８０μｍ〜１００μｍ、深さＬ_１が約１００μｍ〜１３０μｍの砲弾形の凹部２２４ｂを形成することができる。本実施の形態では、焦点深度よりも浅い加工深さＬ_１の砲弾形の凹部２２４ｂが形成される。そして、図６Ｃの砲弾形の凹部２２４ｂの構成は、図９Ｂの円錐形の凹部２２４ａの構成と比べ、凹部の最深部の形状は多少異なる。しかし、図９Ｂに示す円錐形の凹部２２４ａの場合と同様、砲弾形の凹部２２４ｂの先端近傍の体積は小さいため、発熱体から受ける熱が低温度であっても作動流体１２の気泡発生を促すことが可能となる。また、同じ気泡発生効果を維持しつつ、凹部の深さを浅くしたことでレーザー加工の時間を短縮することができる。

またこの場合も、表面処理膜２２が凹部２２４ｂを含む放射状溝２１の底面全体に形成されている。そのため。表面処理膜２２の物理的な損傷を防止しつつ、気泡発生効果を維持することが可能となり、低発熱量時でも高い冷却性能を長期間にわたって確保することが可能である。

本発明にかかる冷却装置は、低発熱量から高発熱量までの広範囲の動作領域で高い冷却効果を安定して実現することが出来る。

このため、発熱量が低出力から高出力まで大きく変化するＣＰＵやパワー半導体などの電子素子の冷却に有用である。

１ ＰＣ
２ 回路基板
３ 冷却装置
４ 受熱部
５ 放熱部
６ 放熱経路
７ 帰還経路
８ ファン
１０ 電子素子
１１ 受熱板
１２ 作動流体
１３ 受熱空間
１４ 受熱板カバー
１５ 流入口
１６ 排出口
１７ 導入管
１８ 逆止弁
２０ 冷媒流入部
２１ 放射状溝
２２ 表面処理膜
２３ 混相流
２４，２２４ａ，２２４ｂ 凹部
３０ 電源ユニット
３１ マザーボード

Claims (6)

1. 発熱体からの熱を冷媒に伝える受熱部と、
   放熱経路を介して前記受熱部と接続した放熱部と、
   前記放熱部と前記受熱部とを接続する帰還経路とを備え、
   前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路の順で冷媒が気液二相変化を伴って循環し、前記発熱体の冷却を行う冷却装置において、
   前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、前記受熱板の表面を覆い受熱空間を形成する受熱カバーと、を備え、
   前記帰還経路と前記受熱部との間に、前記帰還経路の圧力が前記受熱空間内の圧力よりも大きい場合に開動する逆止弁が設けられ、
   前記受熱板の表面に設けた凹部に親水性の表面処理膜が形成されていることを特徴とする冷却装置。
2. 前記受熱板は、前記受熱空間において、前記受熱板の中央近傍に冷媒流入部と、前記冷媒流入部を中心に放射状に設けられた放射状溝と、を備え、
   前記凹部は、前記放射状溝の底面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記凹部の形状が円形または多角形であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記凹部は、所定の間隔で一列に配置された凹部列を構成し、前記凹部列は複数並列に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
5. 前記凹部の内壁面が円錐形または砲弾形であることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
6. 請求項１に記載の冷却装置を備えた電子機器。

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