WO2013102973A1

WO2013102973A1 - 冷却装置及びそれを用いた電子機器

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Publication number: WO2013102973A1
Application number: PCT/JP2012/007941
Authority: WO
Inventors: 正樹千葉; 吉川　実; 坂本　仁; 暁小路口; 賢一稲葉; 有仁松永
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-12-12
Publication date: 2013-07-11
Also published as: CN104040278A; EP2801780A4; US20140331709A1; EP2801780B1; JP6015675B2; EP2801780A1; JPWO2013102973A1

Abstract

　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ばかりでなく、電子機器全体の冷却効率が低下するため、本発明の冷却装置は、蒸発部と、凝縮部と、蒸発部と凝縮部を接続する配管と、凝縮部を通過する空気の流動方向を制御する整流部、とを有し、蒸発部と凝縮部は鉛直方向に対して略同一高さに位置し、蒸発部は冷媒を仕切る隔壁部を備え、隔壁部の高さは冷媒の気液界面の高さ以上かつ蒸発容器の高さ未満であり、凝縮部は、凝縮部を構成する凝縮容器の鉛直方向の高さである凝縮部高さが異なる第１の凝縮部と第２の凝縮部を含み、第１の凝縮部の凝縮部高さは第２の凝縮部の凝縮部高さよりも高く、第１の凝縮部は、第２の凝縮部の凝縮部高さよりも鉛直上方の位置に蒸気管と接続する蒸気管接続部を備え、整流部は第２の凝縮部の上部に配置している。

Description

冷却装置及びそれを用いた電子機器

　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ので、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１３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。

特開２０１１－０４７６１６号公報（段落「００２３」～「００４９」、図１）

　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。

　また、関連する沸騰冷却装置では、冷却ファン５４０などによって送風される空気（ＡＩＲ）により凝縮部５２０を冷却することとしている。しかし、関連する沸騰冷却装置を薄型の電子機器に搭載すると冷却ファンからの送風経路が制限され、凝縮部５２０において吸熱した暖気が電子機器内を流動することになる。そのため、電子機器全体の冷却効率が低下してしまうという問題があった。

　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ばかりでなく、電子機器全体の冷却効率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、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ばかりでなく、電子機器全体の冷却効率が低下する、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手段と、蒸発手段で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮手段と、蒸発手段と凝縮手段を接続する配管と、凝縮手段を通過する空気の流動方向を制御する整流手段、とを有し、蒸発手段と凝縮手段は、鉛直方向に対して略同一高さに位置し、蒸発手段は、蒸発容器と、蒸発容器内に配置された冷媒を仕切る隔壁手段とを備え、隔壁手段の高さは、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、配管は、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、凝縮手段は、凝縮手段を構成する凝縮容器の鉛直方向の高さである凝縮手段高さが異なる第１の凝縮手段と第２の凝縮手段を含み、第１の凝縮手段の凝縮手段高さは、第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも高く、第１の凝縮手段は、第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも鉛直上方の位置に、蒸気管と接続する蒸気管接続部を備え、整流手段は、第２の凝縮手段の上部に配置している。

　本発明の電子機器は、冷却装置と、発熱体と、放熱手段を有し、冷却装置は、冷媒を貯蔵する蒸発手段と、蒸発手段で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮手段と、蒸発手段と凝縮手段を接続する配管と、凝縮手段を通過する空気の流動方向を制御する整流手段、とを有し、蒸発手段と凝縮手段は、鉛直方向に対して略同一高さに位置し、蒸発手段は、蒸発容器と、蒸発容器内に配置された冷媒を仕切る隔壁手段とを備え、隔壁手段の高さは、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、配管は、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、凝縮手段は、凝縮手段を構成する凝縮容器の鉛直方向の高さである凝縮手段高さが異なる第１の凝縮手段と第２の凝縮手段を含み、第１の凝縮手段の凝縮手段高さは、第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも高く、第１の凝縮手段は、第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも鉛直上方の位置に、蒸気管と接続する蒸気管接続手段を備え、整流手段は、第２の凝縮手段の上部に配置しており、蒸発手段は、発熱体の上部に熱的に接続して配置しており、凝縮手段は、放熱手段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れば、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し、しかも電子機器全体の冷却効率の低下を回避することができる沸騰冷却方式の冷却装置が得られる。

本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す側面断面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図であり、図１中のII－II線断面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の凝縮部近傍の構成を示す透視斜視図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の構成を示す上面図である。本発明の第１の実施形態に係る冷却装置の別の構成を示す上面図である。本発明の第２の実施形態に係る冷却装置の構成を示す側面断面図である。本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す側面断面図である。本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の構成を示す図であり、図７中のVIII－VIII線断面図である。本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の凝縮部近傍の構成を示す透視分解斜視図である。本発明の第３の実施形態に係る冷却装置の別の構成を示す図であり、図７中のVIII－VIII線断面図である。本発明の第４の実施形態に係る電子機器の構成を示す側面断面図である。本発明の第４の実施形態に係る電子機器の別の構成を示す側面断面図である。関連する沸騰冷却装置の構成を示す側面断面図である。

　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。したがって、凝縮部１２０は、蒸発部１１０と熱的に接続する発熱体１６０と離間して配置することができる。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。これにより、装置の高さが制限される薄型の電子機器に搭載することが可能となる。

　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とを備える。ここで、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。ここで、冷媒の気液界面とは、液相状態の冷媒と気相状態の冷媒の界面を言う。なお、配管１４０には、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が含まれる。

　冷媒１３０に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１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冷媒１３０の気液界面を示す。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、凝縮部１２０近傍の構成についてさら詳細に説明する。図２は、図１中のII－II線断面図である。凝縮部１２０は、凝縮部１２０を構成する凝縮容器１２１の鉛直方向の高さである凝縮部高さが異なる第１の凝縮部１２２と第２の凝縮部１２３を含んでいる。ここで第１の凝縮部１２２の凝縮部高さは、第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも高く構成されている。そして、第１の凝縮部１２２は、第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも鉛直上方の位置に、蒸気管１４１と接続する蒸気管接続部１２４を備えている。さらに本実施形態の冷却装置１００は、第２の凝縮部１２３の上面部に配置された整流部１５０を備える。整流部１５０は凝縮部１２０を通過する空気の流動方向を制御する。このような構成により、冷却装置１００によれば、凝縮部１２０における気相状態の冷媒（冷媒蒸気）が占める容積を確保しつつ、凝縮部高さの増大を招くことなく整流部１５０を配置することが可能となる。

　整流部１５０の具体的な構成の一例を図３、図４に示す。図３は、本実施形態による冷却装置１００の凝縮部１２０近傍の構成を示す透視斜視図である。また、図４は本実施形態による冷却装置１００の構成を示す上面図である。図３、図４に示すように、整流部１５０は長方形状の薄板が立設した複数の整流薄板１５２を含む構成とすることができる。このとき、凝縮部に流入する空気（冷却風１７０）の一部は、整流薄板１５２に沿って流動する。冷却風１７０は例えば、冷却装置１００が搭載される電子機器を冷却するための冷却ファンが送出する構成とすることができる。

　図４に示すように、整流薄板１５２の延伸方向は、凝縮部１２０に流入する空気（冷却風１７０）の流入方向に対して傾斜して配置することができる。これにより、冷却風の流動方向を、凝縮部１２０に流入する方向から所望の方向に変更することが可能になる。図４の例では、冷却風の流動方向を冷却装置１００の斜め下流方向に配置された発熱部品１８０に向かう方向（図４中の破線矢印）に変更している。これにより、冷却風１７０の一部は凝縮部１２０を通過して吸熱し、暖気となって流動するが、整流部１５０を通過する冷却風１７０の一部は冷気のまま発熱部品１８０に到達する。したがって、電子機器を構成する発熱部品１８０をも効率よく冷却することができる。発熱部品１８０としては例えば、許容温度範囲（温度マージン）が小さいＣＰＵ周辺素子（チップセット）などがある。

　以上説明したように、本実施形態による冷却装置１００によれば、蒸発部１１０と熱的に接続する発熱体１６０は、凝縮部１２０において放熱することにより冷却される。同時に、電子機器に実装された他の発熱部品１８０は、整流部１５０によって流動方向を制御された冷却風により冷却することが可能になる。すなわち、本実施形態の冷却装置１００によれば、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し、しかも電子機器全体の冷却効率の低下を回避することができる。

　なお、整流部１５０の構成は図４に示したものに限らず、発熱部品１８０が配置された方向に冷却風が流動するように整流薄板１５２を構成することができる。このとき図５に示すように、第１の凝縮部１２２と第２の凝縮部１２３の境界部における凝縮容器１２１の側面が、凝縮部１２０に流入する空気の流入方向に対して傾斜した構成としてもよい。これにより、発熱部品が配置された方向への冷却風の流動をさらに促進することができる。

　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。図１に示すように、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１６０を配置し、蒸発部１１０と熱的に接続して使用する。蒸発部１１０と発熱体１６０をグリース等の熱伝導部材を介して実装することにより、良好な熱的接続を得ることができる。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１６０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とすることができる。

　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。

　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、液相冷媒が液管１４２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は上述したように、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を含む構成としている。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と接続する構成とすることが望ましい。また液管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および凝縮容器１２１とそれぞれ接続する構成とすることが望ましい。このような構成とすることにより、冷媒の循環を促進することができる。

　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６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。なお、配管１４０には、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が含まれる。

　凝縮部２２０は、凝縮部２２０を構成する凝縮容器１２１の鉛直方向の高さである凝縮部高さが異なる第１の凝縮部１２２と第２の凝縮部１２３を含んでいる。ここで第１の凝縮部１２２の凝縮部高さは、第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも高く構成されている。そして、第１の凝縮部１２２は、第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも鉛直上方の位置に、蒸気管１４１と接続する蒸気管接続部１２４を備えている。さらに本実施形態の冷却装置２００は、第２の凝縮部１２３の上面部に配置された整流部１５０を備える。整流部１５０は凝縮部２２０を通過する空気の流動方向を制御する。

　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２２５を備える。この凝縮板部２２５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。

　蒸発部１１０で発生した冷媒蒸気を凝縮板部２２５において効率よく凝縮液化するために、凝縮板部２２５の表面積は大きい方が望ましい。そこで、凝縮板部２２５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。また、第１の凝縮部１２２に限らず第２の凝縮部１２３にも凝縮板部２２５を配置するために、凝縮板部２２５の高さは第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも低い構成とすることが望ましい。

　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２２５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、冷却性能のさらなる向上を図ることができる。同時に、電子機器に実装された他の発熱部品１８０は、整流部１５０によって流動方向を制御された冷却風により冷却することが可能になる。すなわち、本実施形態の冷却装置２００によれば、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し、しかも電子機器全体の冷却効率の低下を回避することができる。

　〔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７は、本発明の第３の実施形態による冷却装置３００の構成を示す側面断面図である。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２２５を備える構成とした。なお、配管１４０には、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が含まれる。

　次に、凝縮部２２０近傍の構成についてさら詳細に説明する。図８は、図７中のVIII－VIII線断面図である。また図９は、本実施形態による冷却装置３００の凝縮部２２０近傍の構成を示す透視分解斜視図である。

　凝縮部２２０は、凝縮部２２０を構成する凝縮容器１２１の鉛直方向の高さである凝縮部高さが異なる第１の凝縮部１２２と第２の凝縮部１２３を含んでいる。ここで第１の凝縮部１２２の凝縮部高さは、第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも高く構成されている。そして、第１の凝縮部１２２は、第２の凝縮部１２３の凝縮部高さよりも鉛直上方の位置に、蒸気管１４１と接続する蒸気管接続部１２４を備えている。さらに、冷却装置３００は第２の凝縮部１２３の上面部に配置された整流部１５０を備える。整流部１５０は長方形状の薄板が立設した複数の整流薄板１５２を含み、凝縮部２２０を通過する空気の流動方向を制御する。また本実施形態では、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２２５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をさらに備える点で第２の実施形態の冷却装置２００と異なる。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。図８、図９に示すように、放熱部３１０は凝縮部２２０の下部に配置しており、長方形状の薄板が立設した複数の放熱薄板３１２を含んだ構成とすることができる。放熱薄板３１２は典型的にはフィン形状であり、熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウム、銅などを用いて形成することができる。放熱部３１０と凝縮板部２２５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。

　ここで、本実施形態の冷却装置３００において、整流薄板１５２の間隔は放熱薄板３１２の間隔よりも大きい構成とすることができる。この構成により、整流薄板１５２は凝縮部２２０を通過する空気の流動方向を制御し、放熱薄板３１２は凝縮部２２０における冷媒蒸気の冷却を促進する、というそれぞれの機能がより有効に発揮される。それぞれの間隔は具体的には例えば、整流薄板１５２の間隔は約７ｍｍ程度、放熱薄板３１２の間隔は約２ｍｍ程度とすることができる。

　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の冷却性能のさらなる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１６０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。

　なお図８では、放熱部３１０の構成として、放熱薄板３１２が凝縮部２２０の下部の全領域に配置している場合を示した。しかし、これに限らず、放熱薄板３１２が配置されていない送風領域３１４を含む構成としてもよい。例えば、図１０に示すように、液管１４２が接続される近傍の領域には放熱薄板３１２が配置されない送風領域３１４を有する構成とすることができる。送風領域３１４では、冷却風１７０が放熱薄板３１２から受熱することなく冷気のまま放熱部３１０近傍を通過する。そのため、冷却風の流入方向の延長にある発熱部品も冷却することが可能になる。すなわち、冷却風の流入方向の延長にある発熱部品は、整流部１５０によって流動方向を制御された冷却風によっては冷却されないが、送風領域３１４を通過する冷却風１７０の一部によって冷却されることになる。

　以上述べたように、本実施形態による冷却装置３００によれば、凝縮部２２０と熱的に接続した放熱部３１０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、冷却性能のさらなる向上を図ることができる。同時に、電子機器に実装された他の発熱部品は、整流部１５０によって流動方向を制御された冷却風により冷却することが可能になる。すなわち、本実施形態の冷却装置３００によれば、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し、しかも電子機器全体の冷却効率の低下を回避することができる。

　〔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１６０、および放熱部３１０を有する。冷却装置は第１の実施形態による冷却装置１００の構成と同様である。つまり冷却装置は、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、蒸発部１１０と凝縮部１２０を接続する配管１４０、および凝縮部１２０を通過する空気の流動方向を制御する整流部１５０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。なお配管１４０には、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が含まれる。

　凝縮部１２０は、凝縮部１２０を構成する凝縮容器の鉛直方向の高さである凝縮部高さが異なる第１の凝縮部と第２の凝縮部を含み、第１の凝縮部の凝縮部高さは、第２の凝縮部の凝縮部高さよりも高く構成されている。そして、第１の凝縮部は、第２の凝縮部の凝縮部高さよりも鉛直上方の位置に、蒸気管と接続する蒸気管接続部を備えている。ここで、整流部１５０は第２の凝縮部の上部に配置している。

　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１６０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１６０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１６０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１６０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１６０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１６０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１６０が冷却される。同時に、電子機器に実装された他の発熱部品は、整流部１５０によって流動方向を制御された冷却風により冷却することが可能になる。

　図１１では、凝縮部１２０と放熱部３１０が略同一幅を有する構成について示した。しかし、電子機器４００の構成はこれに限らず、例えば図１２に示すように、凝縮部１２０の幅が蒸発部１１０に向かう方向に延伸した構成としてもよい。これにより、凝縮部１２０の容積が増大するので気相冷媒が占める体積も増大する。その結果、冷却装置１００の内圧の増大による冷媒の沸点上昇が緩和されるので、蒸発部１１０における液相冷媒の気化が抑制されるのを回避することができる。そのため、冷却装置１００の冷却性能をさらに向上させることが可能となる。

　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。さらに、電子機器全体の冷却効率の低下を回避することができる。

　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、２０１２年１月４日に出願された日本出願特願２０１２－００００３９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
　１２２　　第１の凝縮部
　１２３　　第２の凝縮部
　１２４　　蒸気管接続部
　１３０　　冷媒
　１４０　　配管
　１４１　　蒸気管
　１４２　　液管
　１５０　　整流部
　１５２　　整流薄板
　１６０　　発熱体
　１７０　　冷却風
　１８０　　発熱部品
　２２５　　凝縮板部
　３１０　　放熱部
　３１２　　放熱薄板
　３１４　　送風領域
　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

冷媒を貯蔵する蒸発手段と、
　前記蒸発手段で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮手段と、
　前記蒸発手段と前記凝縮手段を接続する配管と、
　前記凝縮手段を通過する空気の流動方向を制御する整流手段、とを有し、
　前記蒸発手段と前記凝縮手段は、鉛直方向に対して略同一高さに位置し、
　前記蒸発手段は、蒸発容器と、前記蒸発容器内に配置された前記冷媒を仕切る隔壁手段とを備え、
　前記隔壁手段の高さは、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、
　前記凝縮手段は、前記凝縮手段を構成する凝縮容器の鉛直方向の高さである凝縮手段高さが異なる第１の凝縮手段と第２の凝縮手段を含み、前記第１の凝縮手段の凝縮手段高さは、前記第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも高く、
　　前記第１の凝縮手段は、前記第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも鉛直上方の位置に、前記蒸気管と接続する蒸気管接続部を備え、
　前記整流手段は、前記第２の凝縮手段の上部に配置している
　冷却装置。
請求項１に記載した冷却装置において、
　前記整流手段は、長方形状の薄板が立設した複数の整流薄板を含み、
　前記整流薄板の延伸方向は、前記凝縮手段に流入する空気の流入方向に対して傾斜している
　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、
　前記蒸気管は、前記隔壁手段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
　冷却装置。
請求項１から３のいずれか一項に記載した冷却装置において、
　前記隔壁手段は、長方形状の薄板が立設した複数の隔壁薄板を含む
　冷却装置。
請求項１から４のいずれか一項に記載した冷却装置において、
　前記凝縮手段は、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手段を備え、
　前記凝縮板手段は、長方形状の薄板が立設した複数の凝縮薄板を含み、
　前記凝縮板手段の高さが、前記第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも低い
　冷却装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載した冷却装置において、
　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
　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、
　前記凝縮手段と熱的に接続する放熱手段をさらに有し、
　前記放熱手段は、前記凝縮手段の下部に配置している
　冷却装置。
請求項７に記載した冷却装置において、
　前記整流手段は、長方形状の薄板が立設した複数の整流薄板を含み、
　前記放熱手段は、長方形状の薄板が立設した複数の放熱薄板を含み、
　前記整流薄板の間隔が、前記放熱薄板の間隔よりも大きい
　冷却装置。
請求項１から８のいずれか一項に記載した冷却装置において、
　前記第１の凝縮手段と前記第２の凝縮手段の境界部における前記凝縮容器の側面が、前記凝縮手段に流入する空気の流入方向に対して傾斜している
　冷却装置。
冷却装置と、発熱体と、放熱手段を有し、
　前記冷却装置は、
　　冷媒を貯蔵する蒸発手段と、
　　前記蒸発手段で気化した気相冷媒を凝縮液化させて放熱を行う凝縮手段と、
　　前記蒸発手段と前記凝縮手段を接続する配管と、
　　前記凝縮手段を通過する空気の流動方向を制御する整流手段、とを有し、
　　前記蒸発手段と前記凝縮手段は、鉛直方向に対して略同一高さに位置し、
　　前記蒸発手段は、蒸発容器と、前記蒸発容器内に配置された前記冷媒を仕切る隔壁手段とを備え、
　　前記隔壁手段の高さは、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、
　　前記凝縮手段は、前記凝縮手段を構成する凝縮容器の鉛直方向の高さである凝縮手段高さが異なる第１の凝縮手段と第２の凝縮手段を含み、前記第１の凝縮手段の凝縮手段高さは、前記第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも高く、
　　　前記第１の凝縮手段は、前記第２の凝縮手段の凝縮手段高さよりも鉛直上方の位置に、前記蒸気管と接続する蒸気管接続手段を備え、
　　前記整流手段は、前記第２の凝縮手段の上部に配置しており、
　前記蒸発手段は、前記発熱体の上部に熱的に接続して配置しており、
　前記凝縮手段は、前記放熱手段の上部に熱的に接続して配置している
　電子機器。