WO2012060461A1

WO2012060461A1 - 冷却装置及びその製造方法

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Publication number: WO2012060461A1
Application number: PCT/JP2011/075531
Authority: WO
Inventors: 正樹千葉; 吉川　実; 坂本　仁; 賢一稲葉; 有仁松永
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2010-11-02
Filing date: 2011-10-31
Publication date: 2012-05-10
Also published as: US20130219954A1; JPWO2012060461A1

Abstract

沸騰冷却方式を用いた冷却装置においては、蒸発部に対流熱伝達を促進する突起部を備え、内壁面に気泡核を形成した構成とすると、かえって冷却性能が低下するため、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、蒸発部と凝縮部を連結する連結部、を有し、蒸発部は、冷却対象物と熱的に接する基底部と、容器部を備え、基底部は、冷媒と接触する内壁側の面である沸騰面上に複数の突起部を備え、突起部は、沸騰面に平行な平面で切断したときの断面積の大きさが、突起部の先端において沸騰面上におけるよりも小さく構成され、沸騰面および突起部の表面からなる冷媒接触面の一部にのみ気泡核形成面を備える。

Description

冷却装置及びその製造方法

　本発明は、半導体装置や電子機器などの冷却装置に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置及びその製造方法に関する。

　近年、半導体装置や電子機器などの高性能化、高機能化に伴い、それらの発熱量も増大している。一方、携帯機器の普及等により半導体装置や電子機器などの小型化が進んでいる。このような背景から、高効率で小型の冷却装置が求められている。冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置は、ポンプなどの駆動部を必要としないため、半導体装置や電子機器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。特許文献１に記載された沸騰冷却装置は、液相冷媒を貯留する蒸発部と、この蒸発部で被冷却体からの熱を受けて蒸発した冷媒蒸気を凝縮液化させて放熱を行う凝縮部とを有する。蒸発部は液相冷媒と接触する内壁側の沸騰面に、沸騰面と同一部材からなる直方体凸部を備える。そして、この凸部の上面及び側面、凸部以外の平面のいずれの部分にも満遍なく研磨材を用いてブラスト加工処理を施した構成としている。
　図８に示すように、特許文献１に記載された関連する沸騰冷却装置を構成する蒸発部３１０では、ブラスト処理を行うことによって沸騰面３１３および凸部３１４の全面が粗面化され、気泡の発生核となる気泡核３１５が全面に形成されている。そのため、内壁３１６面上における気泡の生成が頻繁になり、効率のよい沸騰が連続的に発生するとしている。さらに、凸部３１４が突起部としてフィンの役割を果たし伝熱促進の効果が得られるだけでなく、凸部（突起部）３１４を有することで、ブラスト処理面積が増加し気泡核が増加する効果が得られるとしている。これらのことから、特許文献１の沸騰冷却装置によれば、沸騰熱伝達率が向上するため、冷却性能に優れた沸騰冷却装置が得られることとしている。
特開２００３−１３９４７６号公報（段落「００２３」~「００４９」）

　上述したように、関連する沸騰冷却装置では、蒸発部３１０の沸騰面３１３および凸部（突起部）３１４の全面に気泡核３１５が形成されている。しかし、凸部（突起部）３１４の側面で発生した気泡は沸騰面３１３で発生した気泡の移動を阻害することになり、冷却性能がかえって低下してしまう。
　このように、関連する沸騰冷却装置においては、蒸発部に対流熱伝達を促進する突起部を備え、内壁面に気泡核を形成した構成とすると、かえって冷却性能が低下する、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、蒸発部に対流熱伝達を促進する突起部を備え、内壁面に気泡核を形成した構成とすると、かえって冷却性能が低下する、という課題を解決する冷却装置及びその製造方法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、蒸発部と凝縮部を連結する連結部、を有し、蒸発部は、冷却対象物と熱的に接する基底部と、容器部を備え、基底部は、冷媒と接触する内壁側の面である沸騰面上に複数の突起部を備え、突起部は、沸騰面に平行な平面で切断したときの断面積の大きさが、突起部の先端において沸騰面上におけるよりも小さく構成され、沸騰面および突起部の表面からなる冷媒接触面の一部にのみ気泡核形成面を備える。
　本発明の冷却装置の製造方法は、冷媒を貯蔵する蒸発部を構成する基底部の、冷媒と接触する内壁側の面である沸騰面上に複数の突起部を形成し、突起部の形成は、沸騰面に平行な平面で切断したときの突起部の断面積の大きさが、突起部の先端において沸騰面上におけるよりも小さく形成することを含み、沸騰面および突起部の表面からなる冷媒接触面の一部にのみ気泡核形成面を形成し、基底部と容器部を接合して蒸発部を形成し、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を連結する。

　本発明の冷却装置によれば、冷却性能が向上した沸騰冷却方式の冷却装置が得られる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。
図２は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。
図３は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の基底部の構成を示す平面図である。
図４は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の製造方法を説明するための断面図である。
図５Ａ、５Ｂ、５Ｃは本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の製造方法を説明するための工程図である。
図６は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の別の製造方法を説明するための断面図である。
図７は本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の別の製造方法によって形成した突起部の構成を示す側面図である。
図８は関連する沸騰冷却装置の構成を示す断面図である。

　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の構成を示す断面図である。本実施形態による冷却装置１００は、冷媒を貯蔵する蒸発部１１０、蒸発部１１０で気化した気相状態の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を連結する連結部１３０を有する。
　蒸発部１１０は、冷却対象物１４０と熱的に接する基底部１１１と、容器部１１２を備える。基底部１１１と容器部１１２は溶接またはロウ付け等により接合されて密閉構造を形成し、内部に冷媒を貯蔵する。容器部１１２には連結部１３０が接続され、連結部１３０を通して蒸発部１１０と凝縮部１２０の間で、気体または液体の状態で冷媒が循環する。
　蒸発部１１０に冷媒を封入した後に、蒸発部１１０を真空排気する。これにより蒸発部１１０の内部は常に冷媒の飽和蒸気圧に維持され、冷媒の沸点は常温となる。そのため冷却対象物１４０が発熱して、その熱量が基底部１１１を介して冷媒に伝搬すると冷媒が気化し気泡が発生する。このとき、冷却対象物１４０からの熱量は気化熱として冷媒に奪われるため、冷却対象物１４０の温度上昇を抑制することができる。気化した冷媒は連結部１３０を通過し、凝縮部１２０において冷却されて凝縮し、液体状態で再び連結部１３０を通って蒸発部１１０へ流入する。冷却装置１００では、このような冷媒の循環によりポンプなどの駆動部を用いることなく、冷却対象物１４０の冷却を行うことができる。
　基底部１１１は冷媒と接触する内壁側の面である沸騰面１１３上に複数の突起部１１４を有する。突起部１１４は例えばフィン形状とすることができ、沸騰面１１３で発生した冷媒の気泡が通過する際における対流熱伝達を促進する効果を有する。したがって、これらの突起部１１４は気泡の対流熱伝達が最大となる間隔で配置することが望ましい。ここで基底部１１１および突起部１１４の材料には、熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウムなどを用いることができる。
　さらに、本実施形態による突起部１１４は、沸騰面１１３に平行な平面で切断したときの断面積の大きさが、突起部１１４の先端において沸騰面１１３上におけるよりも小さく構成されている。すなわち複数の突起部１１４の間隔が、突起部１１４の先端部においては沸騰面１１３上におけるよりも拡大している。図１には一例として、突起部１１４の断面が台形状である場合を示す。
　また、本実施形態の蒸発部１１０は、沸騰面１１３および突起部１１４の表面からなる冷媒接触面の一部にのみ気泡核形成面１１５を備える。気泡核形成面１１５には冷媒の気泡の発生核となる複数の気泡核が形成されており、それぞれの気泡核は突起や窪みからなる凹凸形状を有する。この凹凸形状の大きさは冷媒の表面張力などの物性値から最適な値が定められる。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を冷媒として用いる場合、最適な気泡核の大きさは中心線平均粗さでサブミクロンから数１０μｍの範囲になる。そのため、砥粒やサンドブラストなどを用いた機械加工や、めっきなどの化学処理を行うことにより気泡核を形成することができる。なお、図１では、突起部１１４の沸騰面１１３に近接する領域の表面と沸騰面１１３にのみ気泡核形成面１１５を備えた場合を示す。
　このように、本実施形態による冷却装置１００においては、突起部１１４は沸騰面１１３に平行な平面で切断したときの断面積の大きさが、突起部１１４の先端において沸騰面１１３上におけるよりも小さく構成されている。この構成により、沸騰面１１３上で発生した気泡が蒸発部１１０の上部に離脱することが容易になるため、冷却装置１００の冷却性能が向上する。
　また、本実施形態による冷却装置１００においては、蒸発部１１０を構成する基底部１１１の沸騰面１１３に気泡核形成面１１５を備えている。そのため、沸騰面１１３における気泡の発生が活発化し、冷却効果が増大する。
　さらに、本実施形態の蒸発部１１０では、気泡核形成面１１５は突起部１１４の表面の一部にのみ配置される。そのため、突起部１１４の表面から発生する気泡は減少する。その結果、突起部１１４で発生する気泡が沸騰面１１３で発生した気泡の移動を阻害する現象を抑制することができる。
　ここで、背景技術で説明した関連する沸騰冷却装置のように、気泡核の数を増大させるために突起部１１４の表面全体に気泡核形成面を形成した場合を考える。突起部１１４の温度は、沸騰面１１３から遠ざかる上部にいくほど急激に低下するため、突起部１１４の上部に配置された気泡核形成面は気泡の発生にはほとんど寄与しない。すなわち、気泡核の数が増加することによる冷却性能に対する寄与は小さい。したがって、気泡核形成面１１５が突起部１１４の表面の一部にのみ配置された構成としても、気泡核の全体数の減少による影響は少ない。
　以上より、本実施形態による冷却装置１００によれば、冷却性能が向上した沸騰冷却方式の冷却装置を得ることができる。
　上述したように、突起部１１４は気泡の発生にはほとんど寄与せず、突起部１１４を設けたことによる冷却効果は、沸騰面１１３で発生した気泡の対流による効果が支配的になる。したがって、冷却対象物１４０の発熱量に依存する気泡の発生量および発生速度から気泡の対流熱伝達が最大になるように、突起部１１４の間隔を決めることができる。例えば、発熱量が約１００Ｗ程度の範囲では、突起部１１４の間隔が約０．１ｍｍから約２ｍｍの範囲で良好な冷却性能が得られる。
　上述したように、突起部１１４で気泡が発生してしまうと、沸騰面１１３で発生した気泡の流れが阻害される。気泡の流れが阻害されると蒸発部１１０の内圧が上昇し、飽和蒸気圧を保持している冷媒の沸点が上昇するため、冷却性能が悪化してしまう。しかし、本実施形態の蒸発部１１０では、突起部１１４の表面の一部にのみ気泡核形成面１１５が配置されているため、突起部１１４における気泡の発生は抑制される。したがって、本実施形態によれば上述した冷却性能の悪化を回避することができる。
　〔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の実施形態に係る冷却装置２００の構成を示す断面図である。本発明の冷却装置２００は、冷媒を貯蔵する蒸発部２１０、蒸発部２１０で気化した気相状態の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２１０と凝縮部１２０を連結する連結部１３０を有する。
　本発明の冷却装置２００は、蒸発部２１０に配置される突起部２１４および気泡核形成面２１５の構成が第１の実施形態による冷却装置１００と異なる。すなわち、本実施形態の蒸発部２１０では図２に示すように、突起部２１４は沸騰面２１３に接して配置された第１の突起構成部２２４と、第１の突起構成部２２４の上に配置された第２の突起構成部２３４を備える。ここで、突起部２１４は長方形状の平板が直立した長方形板、例えばフィン形状板から構成される。そして本実施形態では、突起部２１４を構成する長方形板の長手方向に垂直な平面で切断した断面は、第１の突起構成部２２４においては長方形状と、第２の突起構成部２３４においては三角形状とした。そして、沸騰面２１３および第１の突起構成部２２４の側面にのみ気泡核形成面２１５を備えた構成とした。他の構成は第１の実施形態における場合と同様であるので説明を省略する。
　このように、本実施形態による冷却装置２００においては、沸騰面２１３に接して配置された第１の突起構成部２２４の断面は長方形状であり、その上に配置された第２の突起構成部２３４の断面は三角形状に構成されている。そのため突起部２１４の間隔は、沸騰面２１３上におけるよりも、突起部２１４の上部（第２の突起構成部２３４）における方が大きくなる。この構成により、沸騰面２１３上で発生した気泡が蒸発部２１０の上部に離脱することが容易になるため、冷却装置２００の冷却性能が向上する。
　また、本実施形態の蒸発部２１０においては、基底部２１１の沸騰面２１３に気泡核形成面２１５を備えている。そのため、沸騰面２１３における気泡の発生が活発化し、冷却効果が増大する。
　さらに、本実施形態の蒸発部２１０では、気泡核形成面２１５は沸騰面２１３に接して配置された第１の突起構成部２２４の側面にのみ配置される。そのため、突起部２１４の表面全体から発生する気泡は減少する。その結果、突起部２１４で発生する気泡が沸騰面２１３で発生した気泡の移動を阻害する現象を抑制することができる。以上より、本実施形態による冷却装置２００によれば、冷却性能が向上した沸騰冷却方式の冷却装置を得ることができる。
　このように本実施形態の冷却装置２００では、突起部２１４の上部（第２の突起構成部２３４）の断面が三角形状に構成されている。そして、沸騰面２１３に近接し、冷却対象物１４０からの熱が伝導しやすい第１の突起構成部２２４の側面と、沸騰面２１３にのみ気泡核形成面２１５を備える。このような構成を採用することにより、沸騰面２１３近傍における気泡の発生を活発化することができる。さらに、発生した気泡が沸騰面２１３の近傍から蒸発部２１０の上部に離脱するのを促進することができる。以上より、冷却装置２００の冷却性能の向上を図ることができる。
　次に、本実施形態による冷却装置２００の製造方法について説明する。図３は、本実施形態による冷却装置２００の蒸発部２１０を構成する基底部２１１の平面図である。基底部２１１は冷媒の流入方向（図中の矢印）に沿ってフィン形状の突起部２１４を備える。突起部２１４を冷媒の流れる方向に沿って配置することにより、流入した冷媒は流れを妨げられずに対流熱伝達の効果を用いて突起部２１４から熱を奪うことができる。この効果を増大させるため、突起部２１４は板状のフィン（プレートフィン）の構成とすることが望ましい。
　本実施形態の冷却装置の製造方法においては、以下で説明するように突起部２１４と気泡核形成面の形成を連続した一の工程で行うことができる。まず、金型を用いた押し出し加工法によって、フィン形状の突起部２１４を備えた基底部２１１を形成する。
　続いて図４に示すように、金型２５０から押し出された基底部２１１に対して回転加工部２６０を用いて気泡核形成面を形成する。回転加工部２６０は円筒形状であり、円筒の側面にダイヤモンド微粒子（ダイヤモンドスラリー）などの砥粒２６２が形成されている。図５Ａに示すように、回転加工部２６０は側面に突起部２１４の幅および高さに対応する溝部２６４をさらに備える。そして、溝部２６４の内側面の一部、すなわち、少なくとも第１の突起構成部２２４の側面と接触する領域にも砥粒２６２が形成されている。
　次に、蒸発部の突起部２１４を回転加工部２６０の溝部２６４に挿入し、回転加工部２６０の側面に形成された砥粒２６２が、突起部２１４に挟まれた基底部２１１の表面に接するように配置する（図５Ａ）。このとき、回転加工部２６０の溝部２６４の内側面に形成された砥粒２６２は、第１の突起構成部２２４の側面と接触する。その後、図５Ｂに示すように、回転加工部２６０を回転させることにより、基底部２１１の表面と第１の突起構成部２２４の側面にのみに砥粒２６２の形状に対応した凹凸形状を形成する。このとき、第１の突起構成部２２４の側面には、回転加工部２６０が回転することから円弧状の凹凸形状が形成される。
　ここで、凹凸形状のサイズ、形状、分布などは、砥粒２６２の大きさ及び形状などを規定することによって任意に決めることができる。そこで、この凹凸形状を冷媒の表面張力などの特性から定まる気泡核の形状とすることにより、基底部２１１の表面、すなわち沸騰面と第１の突起構成部２２４の側面にのみ気泡核形成面２１５を形成することが可能となる（図５Ｃ）。特に、第１の突起構成部２２４の側面には、気泡核が複数の円弧状に配置した気泡核形成面を形成することができる。また、用いる冷媒の種類が異なる場合であっても、冷媒の特性に合わせて砥粒２６２の大きさ及び形状などを変更することによって、使用する冷媒に適した気泡核からなる気泡核形成面２１５を形成することができる。
　この後に、基底部２１１と容器部１１２を溶接またはロウ付け等により接合して蒸発部２１０を形成する。最後に、蒸発部２１０と凝縮部１２０とを連結部１３０を介して連結することにより本実施形態による冷却装置２００が完成する。
　上述した冷却装置の製造方法においては、一の回転加工部２６０を用いて気泡核形成面２１５を形成することとした。しかし、これに限らず、図６に示すように、直径の異なる第２の回転加工部２７０を追加し、回転加工部２６０と連動して回転させながら気泡核形成面２１５を形成することとしてもよい。この場合、第１の突起構成部２２４の側面には図７に示すように、円弧がずれながら幾重にも重なった形状に気泡核が配置した気泡核形成面２１５が形成される。
　背景技術で説明した関連する沸騰冷却装置においては、蒸発部の内壁側の全面に対してブラスト処理による粗面化処理を行うこととしている。しかし、凸部（突起部）を形成した後にマスキングなどを施して、エッチングやめっき、サンドブラストなどの粗面処理を行うと、製造工程が増えるため製造コストが増大してしまう。
　それに対して本実施形態による冷却装置の製造方法によれば、突起部の形成と連続した一の工程で粗面化処理、すなわち気泡核形成面２１５の形成を行うことができるので、製造コストの増大を抑制することができる。
　本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許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、２０１０年１１月２日に出願された日本出願特願２０１０−２４６１８７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　　冷却装置
　１１０、２１０　　蒸発部
　１１１、２１１　　基底部
　１１２　　容器部
　１１３、２１３　　沸騰面
　１１４、２１４　　突起部
　１１５、２１５　　気泡核形成面
　１２０　　凝縮部
　１３０　　連結部
　１４０　　冷却対象物
　２２４　　第１の突起構成部
　２３４　　第２の突起構成部
　２５０　　金型
　２６０　　回転加工部
　２６２　　砥粒
　２６４　　溝部
　２７０　　第２の回転加工部
　３１０　　蒸発部
　３１３　　沸騰面
　３１４　　凸部
　３１５　　気泡核
　３１６　　内壁

Claims

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連結する連結部、を有し、
　前記蒸発部は、冷却対象物と熱的に接する基底部と、容器部を備え、
　前記基底部は、前記冷媒と接触する内壁側の面である沸騰面上に複数の突起部を備え、
　前記突起部は、前記沸騰面に平行な平面で切断したときの断面積の大きさが、前記突起部の先端において前記沸騰面上におけるよりも小さく構成され、
　前記沸騰面および前記突起部の表面からなる冷媒接触面の一部にのみ気泡核形成面を備える
　冷却装置。
請求項１に記載した冷却装置において、
　前記気泡核形成面は、前記沸騰面と、前記突起部の前記沸騰面に近接する領域の表面にのみ配置されている冷却装置。
請求項１または２に記載した冷却装置において、
　前記気泡核形成面は、前記冷媒の気泡の発生核となる複数の気泡核を備え、前記気泡核は、前記冷媒の特性から定まる大きさの凹凸形状を有する冷却装置。
請求項３に記載した冷却装置において、
　前記突起部は、長方形状の平板が直立した長方形板であり、第１の突起構成部と第２の突起構成部を有し、
　前記第１の突起構成部は前記沸騰面に接して配置しており、
　前記長方形板の長手方向に垂直な平面で切断した断面が、前記第１の突起構成部においては長方形状であり、前記第２の突起構成部においては三角形状である冷却装置。
請求項４に記載した冷却装置において、
　前記沸騰面および前記第１の突起構成部の側面にのみ前記気泡核形成面を備えた冷却装置。
請求項５に記載した冷却装置において、
　前記第１の突起構成部の側面に配置された前記気泡核形成面は、前記気泡核が複数の円弧状に配置した構成を備える冷却装置。
請求項１から６のいずれか一項に記載した冷却装置において、
　前記複数の突起部は、前記冷媒の気泡の対流熱伝達が最大となる間隔で配置されている冷却装置。
冷媒を貯蔵する蒸発部を構成する基底部の、前記冷媒と接触する内壁側の面である沸騰面上に複数の突起部を形成し、
　前記突起部の形成は、前記沸騰面に平行な平面で切断したときの前記突起部の断面積の大きさが、前記突起部の先端において前記沸騰面上におけるよりも小さく形成することを含み、
　前記沸騰面および前記突起部の表面からなる冷媒接触面の一部にのみ気泡核形成面を形成し、
　前記基底部と容器部を接合して前記蒸発部を形成し、
　前記蒸発部と、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を連結する
　冷却装置の製造方法。
請求項８に記載した冷却装置の製造方法において、
　前記気泡核形成面を、前記沸騰面と、前記突起部の前記沸騰面に近接する領域の表面にのみ形成する冷却装置の製造方法。
請求項９に記載した冷却装置の製造方法において、
　前記突起部の形成は押し出し加工法を用いて行い、
　前記気泡核形成面の形成は回転加工部を用いて行い、
　前記回転加工部は、前記突起部の幅および高さに対応した溝部を円筒形状の側面に備え、前記側面および前記溝部の内側面の一部に砥粒が形成されており、
　前記回転加工部を、前記突起部に挟まれた前記基底部の表面および前記突起部の側面に前記砥粒が接するように配置し、
　前記回転加工部を回転させることにより、前記基底部の表面および前記突起部の側面に砥粒の形状に対応した凹凸形状からなる前記気泡核形成面を形成し、
　前記突起部の形成と前記気泡核形成面の形成を連続して行う
　冷却装置の製造方法。