WO2014157147A1

WO2014157147A1 - 冷却装置

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Publication number: WO2014157147A1
Application number: PCT/JP2014/058197
Authority: WO
Inventors: 聡濱川
Original assignee: 古河電気工業株式会社
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2014-10-02
Also published as: TW201447215A; CN205092233U; US20160014931A1; JPWO2014157147A1

Abstract

　ヒートパイプの放熱部と凝縮部の間の温度差の大小にかかわらず、安定した作動液の移動を行うことが可能な、ヒートパイプを有する液冷式の冷却装置を提供する。　冷却装置のヒートシンク１０は、ヒートパイプ１１と受熱部材１２と放熱部材１３を備えている。ヒートパイプ１１は、コンテナ４１内にウィック４２が配置されており、蒸発部２１におけるウィック（蒸発部ウィック）４２ａの毛細管力が、凝縮部２２におけるウィック（凝縮部ウィック）４２ｂの毛細管力よりも大きい構造になっている。

Description

冷却装置

　本発明は、冷却装置に関する。特に、電子計算機、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等の電子機器内に用いられる種々の電子パッケージ等の被冷却部品を冷却するための液冷式の冷却装置に関する。

　近年、電子計算機、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等の筐体内の基板等に配置された半導体素子（ＣＰＵ、ＧＰＵ等）等の熱が発生する電子部品（被冷却部品）を効率よく冷却するための小型化、薄型化された冷却技術が強く望まれている。被冷却部品を冷却する技術の１つとして、従来から良く用いられているものに空冷式のヒートシンクがある。

　従来の空冷式のヒートシンクは、受熱部と放熱フィンとからなり、放熱フィンに空気を送り込んで冷却するものである。また、ヒートシンク全体への熱の拡散を目的として、受熱部及び放熱フィンにヒートパイプを組み込んだものもある。ヒートパイプは、真空脱気した密閉金属管などの容器（コンテナ）の内部に、凝縮性の流体を作動液として封入したものであり、温度差が生じることにより自動的に動作し、高温部（蒸発部）で蒸発した作動液が低温部（凝縮部）に流動して放熱・凝縮することにより、作動液の潜熱として熱輸送する。

　しかしながら、半導体素子等の被冷却部品の高性能化による発熱量の増大に伴い、従来の空冷式のヒートシンクでは十分な放熱性能が得られず、被冷却部品の温度を十分に下げることができなくなってきた。そのため、放熱フィンの表面積を大きくすることによって放熱性能を向上させる空冷式のヒートシンクや、空冷式のヒートシンクに冷却ファンを設けることによって、放熱フィンへの風量を上げて、放熱性能を向上させる冷却システム等が提案されている。

　しかし、放熱性能を向上させるために放熱フィンの表面積を大きくすると膨大なスペースを占有してしまうという問題が発生し、また、冷却ファンの回転数を大きくして風量を増加させて放熱性能を向上させようとすると、送風による騒音が増大してしまうという問題や消費電力が増大してしまうという問題が発生していた。

　そこで、上述したような従来の空冷式のヒートシンクによる問題を解決する代替手段として液冷（水冷）式の冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１，２，３）。液冷式の冷却装置の一例として、コールドプレートとヒートシンクとを備えた液冷式の冷却装置がある。コールドプレートは、温度調節機能付き循環装置などにより温度管理された水を主体とした液体の熱輸送媒体を、該コールドプレートの内部に取り込むことによって温度管理されている放熱用の部材である。従来の液冷式の冷却装置は、ヒートパイプの一方の端部が被冷却部品に熱的に接続し該ヒートパイプの他方の端部がコールドプレートに熱的に接続する構成となっているヒートシンクを介して、被冷却部品からの熱をコールドプレートに伝達して放熱する構成である。

　即ち、ヒートパイプの内部には作動液の流路となる空間が設けられ、その空間に収容された作動液が、蒸発、凝縮等の相変化や移動をすることによって、熱の移動が行われる。ヒートパイプの蒸発部において、ヒートパイプを構成する容器の材質中を熱伝導して伝わってきた被冷却部品が発する熱により、作動液が蒸発し、その蒸気がヒートパイプの凝縮部に移動する。凝縮部において、作動液の蒸気は、コールドプレートにより冷却されたヒートパイプ壁面によって凝縮し、再び液相状態に戻る。この作動液の凝縮の際に潜熱が放出される。このように液相状態に戻った作動液は、ヒートパイプの内部に設けられた毛細管力を発生するウィックによって再び蒸発部に移動（還流）する。このような作動液の相変態や移動によって熱の移動が行われる。

特開平５－２５６５８８号公報実開平６－５０３５６号公報実用新案登録第３１５３９０６号公報

　しかしながら、従来の液冷式の冷却装置では、ヒートパイプの凝縮部をコールドプレートにより強制冷却するために、蒸発部と凝縮部の間に常に一定の温度差が生じてしまっていた。そのため、凝縮部及び凝縮部近傍では従来型の空冷式のヒートシンクに比べて作動液の粘性が大きくなってしまい、液化した作動液が蒸発部に戻りにくくなっていた。その結果、蒸発部では作動液の蒸発量に対して液化した作動液の毛細管力による再供給量が不足し、作動液の枯渇現象（ドライアウト）が発生するという問題があった。

　そこで、本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたもので、ヒートパイプの放熱部と凝縮部の間の温度差の大小にかかわらず、安定した作動液の移動を行うことが可能な、ヒートパイプを有する液冷式の冷却装置を提供することを目的とする。

　上述した従来の問題点を解決すべく下記の発明を提供する。
　本発明の第１の態様にかかる冷却装置は、
　コールドプレートとヒートシンクとを備えた冷却装置であって、
　前記ヒートシンクは、
　被冷却部品に対して熱的に接続される受熱部材と、
　放熱用の部材に対して熱的に接続される放熱部材と、
　内部に空洞部を形成したコンテナと、前記コンテナ内に格納され毛細管力を発生するウィックと、前記コンテナ内の前記空洞部に封入された作動液と、を有するヒートパイプと、
　を備え、
　前記ヒートパイプは、前記受熱部材が取り付けられる蒸発部と前記放熱部材が取り付けられる凝縮部とを有し、
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記蒸発部における前記コンテナ内の蒸発部ウィックの毛細管力が、前記凝縮部における前記コンテナ内の凝縮部ウィックの毛細管力よりも大きい構造になっており、
　前記ヒートシンクの前記放熱部材と前記コールドプレートとが熱的に接続されていることを特徴とする。

　この構成によれば、受熱部材を介して被冷却部品に熱的に接続するヒートパイプの蒸発部及び蒸発部近傍におけるウィック（蒸発部ウィック）の毛細管力を大きくすることによって、蒸発部及び蒸発部近傍において作動液が停滞し易くなる。即ち、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の保水性が大きくなる。その結果、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。

　また、放熱部材を介してコールドプレートに熱的に接続するヒートパイプの凝縮部及び凝縮部近傍におけるウィック（凝縮部ウィック）の毛細管力を小さくすることによって、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。

　本発明の第２の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第１の態様にかかる冷却装置において、前記コンテナ内の前記ウィックは、前記蒸発部ウィックの方が、前記凝縮部ウィックよりも、ウィックの量が多い構造になっていることを特徴とする。

　本発明の第３の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第１の態様にかかる冷却装置において、前記蒸発部ウィックの構造と前記凝縮部ウィックの構造とが同じ種類のウィックの構造である場合、
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記蒸発部ウィックの面積の方が、前記凝縮部ウィックの面積よりも大きい構造になっていることを特徴とする。

　ここで、同じ種類のウィックの構造とは、蒸発部ウィックの構造と凝縮部ウィックの構造が、共に、同じ構造体（溝構造、焼結金属、網状金属等）であったり、あるいは、それらの構造体を複数組み合わせた同じ複合体であったりすることを意味する。

　本発明の第４の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第１の態様にかかる冷却装置において、前記蒸発部ウィックの構造と前記凝縮部ウィックの構造とが同じ種類のウィックの構造であり、かつ、該同じ種類のウィックの構造の中に焼結金属または網状金属を有している場合、
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記コンテナの長手方向に垂直な断面における焼結金属の空隙または網状金属の網目が、前記凝縮部ウィックよりも前記蒸発部ウィックの方が細かい構造になっていることを特徴とする。

　上述した本発明の第２乃至４の態様にかかる冷却装置のような構成によれば、受熱部材を介して被冷却部品に熱的に接続するヒートパイプの蒸発部と、放熱部材を介してコールドプレートに熱的に接続するヒートパイプの凝縮部との間の温度差が大きい場合であっても、蒸発部ウィックによる毛細管力が凝縮部ウィックによる毛細管力よりも大きくなるため、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の高い保水性と、凝縮部及び凝縮部近傍における低温化により粘性が大きくなった作動液の蒸発部への高い移動性とによって、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。その結果、蒸発部と凝縮部との間の作動液の移動を安定して行なうことができる。

　本発明の第５の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第１乃至４のいずれか１つの態様にかかる冷却装置において、前記ウィックが、前記コンテナの内壁に設けられ、
　前記コンテナは、当該コンテナの断面中央部に、前記ウィックの無い空間部が設けられていることを特徴とする。

　この構成によれば、コンテナの内部に形成された空間部が、蒸発した作動液の流路（蒸気流路）となり、蒸気流を速やかに、ヒートパイプの蒸発部からヒートパイプの凝縮部へ移動させることができる。即ち、最大熱輸送量を向上させることができる。

　本発明の第６の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第１乃至５のいずれか１つの態様にかかる冷却装置において、前記ウィックの構造が、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の１つの構造体、または、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の異なる構造体を複数組み合わせた複合体であることを特徴とする。

　本発明の第７の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第６の態様にかかる冷却装置において、前記コンテナの内壁に溝構造が設けられており、
　前記蒸発部ウィックの構造のみが、前記コンテナの内壁の前記溝構造と焼結金属とを組み合わせた複合体、または、前記コンテナの内壁の前記溝構造と網状金属とを組み合わせた複合体であることを特徴とする。

　この構成によれば、凝縮部ウィックの構造が毛細管力の低い溝構造となり、蒸発部ウィックの構造が、溝構造と毛細管力の高い焼結金属とを組み合わせた複合体、または、溝構造と毛細管力の高い網状金属とを組み合わせた複合体となる。従って、蒸発部ウィックの毛細管力を凝縮部ウィックの毛細管力よりも大きくなると共に、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止するのに十分な蒸発部ウィックの毛細管力と凝縮部ウィックの毛細管力の差を確保することができる。その結果、蒸発部と凝縮部との間の作動液の移動をより安定して行なうことができる。

　本発明の第８の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第６の態様にかかる冷却装置において、前記コンテナの内壁に溝構造が設けられており、
　前記コンテナ内の前記凝縮部ウィックを除いた部分の前記ウィックの構造が、前記コンテナの内壁の前記溝構造と焼結金属とを組み合わせた複合体、または、前記コンテナの内壁の前記溝構造と網状金属とを組み合わせた複合体であることを特徴とする。

　この構成によれば、凝縮部ウィックの構造が毛細管力の低い溝構造となり、コンテナ内の凝縮部ウィックを除いた部分のウィックの構造が、溝構造と毛細管力の高い焼結金属とを組み合わせた複合体、または、溝構造と毛細管力の高い網状金属とを組み合わせた複合体となる。従って、蒸発部ウィックの毛細管力を凝縮部ウィックの毛細管力よりも大きくなると共に、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止するのに十分な蒸発部ウィックの毛細管力と凝縮部ウィックの毛細管力の差を確保することができる。その結果、蒸発部と凝縮部との間の作動液の移動をより安定して行なうことができる。

　本発明の第９の態様にかかる冷却装置は、上述した本発明の第１乃至８のいずれか１つの態様にかかる冷却装置において、前記ヒートパイプの前記蒸発部及び前記凝縮部における前記コンテナの断面形状がＤ型形状であることを特徴とする。

　この構成によれば、ヒートパイプの蒸発部と受熱部材の接触面積、及び、ヒートパイプの凝縮部と放熱部材の接触面積を、大きくすることができると共に、ヒートパイプ内の蒸気流路を大きく確保することができる。その結果、最大熱輸送量を向上させることができる。

　本発明にかかる冷却装置は、受熱部材を介して被冷却部品に熱的に接続するヒートパイプの蒸発部及び蒸発部近傍におけるウィック（蒸発部ウィック）の毛細管力を大きくすることによって、蒸発部及び蒸発部近傍において作動液が停滞し易くなる。即ち、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の保水性が大きくなる。その結果、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。

　また、本発明にかかる冷却装置は、受熱部材を介して被冷却部品に熱的に接続するヒートパイプの蒸発部と、放熱部材を介してコールドプレートに熱的に接続するヒートパイプの凝縮部との間の温度差が大きい場合であっても、ヒートパイプのコンテナ内のウィックを、蒸発部ウィックによる毛細管力を凝縮部ウィックによる毛細管力よりも大きくなるような構造にすることにより、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の高い保水性と凝縮部及び凝縮部近傍における低温化により粘性が大きくなった作動液の蒸発部への高い移動性とによって、蒸発部及び蒸発部近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。その結果、蒸発部と凝縮部との間の作動液の移動を安定して行なうことができる。

　また、本発明にかかる冷却装置は、電子計算機、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等の筐体内の基板等に配置された半導体素子等の被冷却部品の直近まで、液体の熱輸送媒体を循環させることなく、該被冷却部品から離れた場所に配置されるコールドプレートによって、放熱部材を介して該コールドプレートに熱的に接続されるヒートパイプを冷却し、受熱部材を介して該ヒートパイプに熱的に接続される被冷却部品を冷却することができる。その結果、液体の熱輸送媒体の循環経路を簡略化することができると共に、漏水によるリスクを軽減することができる。

本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０の概略斜視図である。ヒートシンク１１と被冷却部品と放熱用の部材との接続状態を説明するための図で、（ａ）は、ヒートシンク１１と被冷却部品と放熱用の部材との接続状態の概略斜視図であり、（ｂ）は、ヒートシンク１１と被冷却部品と放熱用の部材との接続状態の分解斜視図である。本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートパイプ１１の内部構造を説明するための図で、（ａ）は、ヒートパイプ１１の一例であるヒートパイプ１１ａの長手方向の概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ａのＡ－Ａ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ａのＣ－Ｃ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ａのＢ－Ｂ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図である。本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートパイプ１１の内部構造を説明するための図で、（ａ）は、ヒートパイプ１１の別の一例であるヒートパイプ１１ｂの長手方向の概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ｂのＡ－Ａ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ｂのＣ－Ｃ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ｂのＢ－Ｂ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図である。本発明の実施形態にかかる冷却装置の一例である冷却装置１００の概略斜視図である。

　以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、本実施の形態における記述は、本発明にかかる冷却装置の一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態におけるヒートシンク及び冷却装置の細部構成等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

　まず、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例について説明する。図１は、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０の概略斜視図である。図２は、ヒートシンク１１と被冷却部品と放熱用の部材との接続状態を説明するための図で、（ａ）は、ヒートシンク１１と被冷却部品と放熱用の部材との接続状態の概略斜視図であり、（ｂ）は、ヒートシンク１１と被冷却部品と放熱用の部材との接続状態の分解斜視図である。

　図３は、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートパイプ１１の内部構造を説明するための図で、（ａ）は、ヒートパイプの一例であるヒートパイプ１１ａの長手方向の概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ａのＡ－Ａ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ａのＣ－Ｃ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ａのＢ－Ｂ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図である。

　また、図４は、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートパイプ１１の内部構造を説明するための図で、（ａ）は、ヒートパイプの別の一例であるヒートパイプ１１ｂの長手方向の概略断面図であり、（ｂ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ｂのＡ－Ａ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｃ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ｂのＣ－Ｃ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図であり、（ｄ）は、（ａ）に記載のヒートパイプ１１ｂのＢ－Ｂ線における長手方向に垂直な断面の概略断面図である。

　図１、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０は、ヒートパイプ１１と受熱部材１２と放熱部材１３を備えており、受熱部材１２が、ヒートパイプ１１の一方の端部近傍の蒸発部２１に熱的に接続され、放熱部材１３が、ヒートパイプ１１の他方の端部近傍の凝縮部２２に熱的に接続されている。

　受熱部材１２は、電子計算機、ワークステーション、パーソナルコンピュータ等の筐体内の基板３１上に配置された被冷却部品３１ａに熱的に接続される部材であり、例えば、金属板等によって形成されている。

　受熱部材１２とヒートパイプ１１と被冷却部品３１ａの接続構成は、受熱部材１２とヒートパイプ１１の蒸発部２１とが熱的に接続さるようにヒートパイプ１１の蒸発部２１が、受熱部材１２の一方の面（図２（ａ）及び（ｂ）では、上面）に配置され、受熱部材１２と被冷却部品３１ａとが熱的に接続されるように被冷却部品３１ａが、受熱部材１２の他方の面（図２（ａ）及び（ｂ）では、下面）に配置され、被冷却部品３１ａの発する熱が、受熱部材１２を介して、ヒートパイプ１１の蒸発部２１に熱伝導する構成になっている。

　放熱部材１３は、温度調節機能付き循環装置などにより温度管理された水を主体とした液体の熱輸送媒体を、内部に取り込むことによって温度管理されるコールドプレート等の放熱用の部材３２に熱的に接続される部材であり、例えば、金属板等によって形成されている。

　放熱部材１３とヒートパイプ１１と放熱用の部材３２の接続構成は、放熱部材１３とヒートパイプ１１の凝縮部２２とが熱的に接続さるようにヒートパイプ１１の凝縮部２２が、放熱部材１３の一方の面（図２（ａ）及び（ｂ）では、上面）に配置され、放熱部材１３と放熱用の部材３２とが熱的に接続されるように放熱用の部材３２が、放熱部材１３の他方の面（図２（ａ）及び（ｂ）では、下面）に配置され、放熱用の部材３２が、放熱部材１３を介して、ヒートパイプ１１の凝縮部２２を冷却する構成になっている。

　図３（ａ）乃至（ｄ）及び図４（ａ）乃至（ｄ）に示すように、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートパイプ１１（１１ａ，１１ｂ）は、内部に空洞部５５を形成したコンテナ４１と、コンテナ４１内に格納配置された毛細管力を発生するウィック４２（４２ａ，４２ｂ，４２ｃ，４２ｃ´）と、コンテナ４１内の空洞部５５に封入された作動液（図示せず）と、を備えている。ヒートパイプ１１は、コンテナ４１内にウィック４２を作動液と共に封入し、空気を抜いた後、コンテナ４１を密閉封止することによって形成される。

　図３（ａ）乃至（ｄ）及び図４（ａ）乃至（ｄ）に示すように、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられたヒートパイプの一例であるヒートパイプ１１（１１ａ，１１ｂ）は、コンテナ４１内にウィック４２が配置されている。ウィック４２は、蒸発部２１におけるウィック（蒸発部ウィック）４２ａの毛細管力と、凝縮部２２におけるウィック（凝縮部ウィック）４２ｂの毛細管力とが異なった構造になっている。

　尚、図３（ａ）乃至（ｄ）に示すヒートパイプ１１ａと、図４（ａ）乃至（ｄ）に示すヒートパイプ１１ｂとの相違点は、ヒートパイプ１１ａの中間部ウィック４２ｃとヒートパイプ１１ｂの中間部ウィック４２ｃ´の構造が異なっている点であり、詳細については後述する。また、ヒートパイプ１１（１１ａ，１１ｂ）において、蒸発部２１と凝縮部２２の間の部分を中間部２３と呼び、中間部２３におけるウィックを中間部ウィック４２ｃ，４２´と呼ぶ。

　また、図３（ａ）乃至（ｄ）に示すヒートパイプ１１ａと、図４（ａ）乃至（ｄ）に示すヒートパイプ１１ｂでは、蒸発部ウィック４２ａは、蒸発部２１におけるウィックであり、凝縮部ウィック４２ｂは、凝縮部２２におけるウィックであるように記載されているが、蒸発部ウィック４２ａは、蒸発部２１だけでなく、蒸発部２１の近傍も含む、蒸発部２１と蒸発部２１の近傍からなる領域におけるウィックであっても良く、凝縮部ウィック４２ｂは、凝縮部２２だけでなく、凝縮部２２の近傍も含む、凝縮部２２と凝縮部２２の近傍からなる領域におけるウィックであっても良い。この場合、中間部ウィック４２ｃ，４２´は、蒸発部ウィック４２ａと凝縮部ウィック４２ｂとの間の部分のウィック４２になる。

　ここで、ウィックとは、金網、焼結金属、金属フェルトなどをヒートパイプ管内に設けたものである。ウィックに接触した作動液に毛細管現象を引き起こすことができる。これにより作動液の還流を行うことができる。また、ウィック４２の構造は、どのような構造であっても良く、例えば、溝構造、焼結金属及び網状金属（金属細線を編み込んだ網状の金属）の中の１つの構造体、あるいは、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の異なる構造体を複数組み合わせた複合体等が挙げられる。更に、蒸発部ウィック４２ａの構造及び凝縮部ウィック４２ｂの構造は、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力と凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力とが異なる構造であれば良く、蒸発部ウィック４２ａの構造と凝縮部ウィック４２ｂの構造とが異なる構造であっても良く、また、同じ構造であっても良い。

　ここでは、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の異なる構造体を複数組み合わせたものを複合体とし、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の同じ構造体を複数組み合わせたものは、単に構造体と呼ぶ。例えば、網状金属を複数組み合わせたものは、単に網状金属と呼ぶ。また、蒸発部ウィック４２ａの構造と凝縮部ウィック４２ｂの構造が異なりかつ毛細管力が異なる場合とは、例えば、蒸発部ウィック４２ａの構造が焼結金属であり、凝縮部ウィック４２ｂの構造が網状金属である場合が挙げられる。また、蒸発部ウィック４２ａの構造と凝縮部ウィック４２ｂの構造とが同じでかつ毛細管力が異なる場合とは、例えば、蒸発部ウィック４２ａの構造と凝縮部ウィック４２ｂの構造が、共に網状金属であって、コンテナ４１の長手方向に垂直な断面における蒸発部ウィック４２ａの面積と凝縮部ウィック４２ｂの面積が異なる場合や、蒸発部ウィック４２ａの網目の細かさと凝縮部ウィック４２ｂの網目の細かさが異なる場合等が挙げられる。

　図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、ヒートシンク１０は、ヒートシンク１０の発熱部材１２を介して熱伝導してきた被冷却部品３１ａが発する熱により、ヒートパイプ１１の蒸発部２１において、作動液が蒸発し、その蒸気がヒートパイプ１１の凝縮部２２に移動する。また、凝縮部２２において、作動液の蒸気は、ヒートシンク１１の放熱部材１３を介して放熱用の部材（コールドプレート等）３２により冷却されたヒートパイプ１１の壁面によって凝縮し、再び液相状態に戻る。この作動液の凝縮の際に潜熱が放出される。このように液相状態に戻った作動液は、ヒートパイプ１１の内部に設けられた毛細管力を発生するウィック４２によって再び蒸発部に移動（還流）する。このような作動液の相変態や移動によって熱の移動が行われる。

　本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０は、受熱部材１２を介して被冷却部品３１ａに熱的に接続する、ヒートパイプ１１の蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）における蒸発部ウィック４２ａの毛細管力を大きくすることによって、蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）において作動液が停滞し易くなる。即ち、蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）における作動液の保水性が大きくなる。その結果、蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）における作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。

　また、放熱部材１３を介して放熱用の部材（コールドプレート等）３２に熱的に接続する、ヒートパイプ１１の凝縮部２２（及び凝縮部２２近傍）における凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力を小さくすることによって、蒸発部２１及び蒸発部２１近傍における作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。

　本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０は、更に、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きい構成になっていることが好ましい。受熱部材１２を介して被冷却部品３１ａに熱的に接続するヒートパイプ１１の蒸発部２１と、放熱部材１３を介して放熱用の部材（コールドプレート等）３２に熱的に接続するヒートパイプ１１の凝縮部２２との間の温度差が大きい場合であっても、ヒートパイプ１１のコンテナ４１内のウィック４２を、蒸発部ウィック４２ａによる毛細管力を凝縮部ウィック４２ｂによる毛細管力よりも大きくすることにより、蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）における作動液の高い保水性と凝縮部２２（及び凝縮部２２近傍）における低温化により粘性が大きくなった作動液の蒸発部２１への高い移動性とによって、蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。その結果、蒸発部２１と凝縮部２２との間の作動液の移動を安定して行なうことができる。

　また、本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０は、ヒートパイプ１１のコンテナ４１の断面中央部分に、蒸発した作動液の流路（蒸気流路）となるウィック４２の無い空間部が形成されていることが好ましい。コンテナ４１の内部に形成された空間部によって、蒸気流を速やかに蒸発部２１から凝縮部２２へ移動させることができる。即ち、最大熱輸送量を向上させることができる。

　蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きい構成としては、図３（ａ）乃至（ｄ）に示すような、凝縮部ウィック４２ｂ及び中間部ウィック４２ｃの構造を、溝構造にし、蒸発部ウィック４２ａの構造のみを、溝構造と焼結金属とを組み合わせた複合体にする例や、図４（ａ）乃至（ｄ）に示すような、凝縮部ウィック４２ｂの構造を、溝構造にし、蒸発部ウィック４２ａ及び中間部ウィック４２ｃ´の構造を、溝構造と焼結金属とを組み合わせた複合体にする例が挙げられる。

　また、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きい構成の１つとしては、蒸発部ウィック４２ａの方が、凝縮部ウィック４２ｂよりも、ウィックの量が多い例が挙げられる。

　また、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きい構成のその他の例として、具体的には、蒸発部ウィック４２ａの構造（構造１）と、凝縮部ウィック４２ｂの構造（構造２）が、以下に示すような組み合わせになる例（（例１）乃至（例５））等が、挙げられる。

　（例１）（構造１）と（構造２）の両方ともが、コンテナ４１の内部にウィックとして溝構造を有した構造であり、かつ、コンテナ４１の長手方向に垂直な断面における溝構造を有する部分の面積が、（構造２）よりも（構造１）の方が大きくなっている。

　（例２）（構造１）と（構造２）の両方ともが、コンテナ４１の内部にウィックとして溝構造を有した構造であり、かつ、コンテナ４１の長手方向に垂直な断面における溝構造の溝の高さが、（構造２）よりも（構造１）の方が高くなっている。

　（例３）（構造１）と（構造２）の両方ともが、コンテナ４１の内部にウィックとして焼結金属または網状金属を有した構造であり、かつ、コンテナ４１の長手方向に垂直な断面における焼結金属または網状金属を有する部分の面積が、（構造２）よりも（構造１）の方が大きくなっている。

　（例４）（構造１）と（構造２）の両方ともが、コンテナ４１の内部にウィックとして焼結金属または網状金属を有した構造であり、かつ、コンテナ４１の長手方向に垂直な断面における焼結金属の空隙または網状金属の網目が、（構造２）よりも（構造１）の方が細かくなっている。

　（例５）（構造１）が、コンテナ４１の内部にウィックとして溝構造を有した構造に加え焼結金属を有した構造であり、（構造２）が、コンテナ４１の内部にウィックとして溝構造を有している。（構造１）と（構造２）に設けられている溝構想は同一形状である。（構造１）に焼結金属を有することで、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きくなっている。

　図３（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１の一例であるヒートパイプ１１ａの内部構造は、ヒートパイプ１１ａのコンテナ４１の内壁の全体に溝構造を設けると共に、蒸発部２１（及び蒸発部２１近傍）のコンテナ４１の内壁の溝構造部分に焼結金属のウィックが設けられている。即ち、凝縮部ウィック４２ｂと中間部ウィック４２ｃの構造を、毛細管力の低い溝構造のウィック５１にして、蒸発部ウィック４２ａの構造を、溝構造のウィック５１と毛細管力の高い焼結金属のウィック５２とを組み合わせた複合体にしている。このようなヒートパイプ１１ａの内部構造によって、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きくなると共に、蒸発部２１及び蒸発部２１近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止するのに十分な、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力と凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力の差を確保することができる。その結果、蒸発部２１と凝縮部２２との間の作動液の移動をより安定して行なうことができる。

　図４（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１の一例であるヒートパイプ１１ｂの内部構造は、ヒートパイプ１１ｂのコンテナ４１の内壁の全体に溝構造を設けると共に、凝縮部２２（及び凝縮部２２近傍）を除いたコンテナ４１の内壁の溝構造部分に焼結金属のウィックが設けられている。即ち、凝縮部ウィック４２ｂの構造を、毛細管力の低い溝構造のウィック５１にして、蒸発部ウィック４２ａと中間部ウィック４２ｃ´の構造を、溝構造のウィック５１と毛細管力の高い焼結金属のウィック５２とを組み合わせた複合体にしている。このようなヒートパイプ１１ｂの内部構造によって、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力が凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きくなると共に、蒸発部２１及び蒸発部２１近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止するのに十分な、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力と凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力の差を確保することができる。その結果、蒸発部２１と凝縮部２２との間の作動液の移動をより安定して行なうことができる。

　また、図３（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１ａ及び図４（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１ｂでは、蒸発部ウィック４２ａ、凝縮部ウィック４２ｂ及び中間部ウィック４２ｃ，４２ｃ´は、ヒートパイプ１１ａ及びヒートパイプ１１ｂのコンテナ４１の内壁側に設けられており、コンテナ４１の断面中央部分には、蒸発した作動液の流路（蒸気流路）となるウィックの無い空間部５５が形成されている。空間部５５が、蒸発した作動液の流路（蒸気流路）となるため、蒸気流を速やかに、ヒートパイプの蒸発部からヒートパイプの凝縮部へ移動させることができる。即ち、最大熱輸送量を向上させることができる。

　上述した図３（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１ａのコンテナ４１内のウィック４２の構造は、例えば、コンテナ４１の内壁全体に溝構造のウィック５１を設けた後、ヒートパイプ１１ａの蒸発部２１の溝構造のウィック５１の上に金属粉末を焼結させて焼結金属を形成することにより構成することができる。また、上述した図４（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１ｂのコンテナ４１内のウィック４２の構造は、例えば、コンテナ４１の内壁全体に溝構造のウィック５１を設けた後、ヒートパイプ１１ｂの蒸発部２１及び中間部２３の溝構造のウィック５１の上に金属粉末を焼結させて焼結金属を形成することにより構成することができる。

　図３（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１ａ及び図４（ａ）乃至（ｄ）に示したヒートパイプ１１ｂの内部構造では、蒸発部ウィック４２ａの構造が、溝構造のウィック５１と焼結金属のウィック５２とを組み合わせた複合体であり、凝縮部ウィック４２ｂの構造が、溝構造のウィック５１であったが、これに限定されることはない。例えば、蒸発部ウィック４２ａの構造を、溝構造のウィックと毛細管力の高い網状金属のウィックとを組み合わせた複合体にして、凝縮部ウィック４２ｂの構造を、溝構造のウィックにしても、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力を凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力よりも大きくなると共に、蒸発部２１及び蒸発部２１近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止するのに十分な、蒸発部ウィック４２ａの毛細管力を凝縮部ウィック４２ｂの毛細管力の差を確保することができる。

　図３（ａ）乃至（ｄ）及び図４（ａ）乃至（ｄ）に示した本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートシンクの一例であるヒートシンク１０に備えられるヒートパイプ１１（１１ａ及び１１ｂ）のコンテナ４１の断面形状は、長手方向に略同じ径の丸型形状であるが、この形状に限定されることはなく、受熱部材１２及び放熱部材１３に対して熱的に接続する形状であれば良く、好ましくは、蒸発部２１及び凝縮部２２における断面形状が、受熱部材１２及び放熱部材１３に対して接触する部分が扁平したＤ型形状である。このように、蒸発部２１及び凝縮部２２におけるコンテナ４１の長手方向に垂直な断面における断面形状をＤ型形状にすることにより、ヒートパイプ１１の蒸発部２１と受熱部材１２の接触面積、及び、ヒートパイプ１１の凝縮部２２と放熱部材１３の接触面積を大きくすることができる。更に、ヒートパイプ１１内の蒸気流路を大きく確保することができる。その結果、最大熱輸送量を向上させることができる。

　なお、上述した本発明の実施形態にかかる冷却装置に備えられるヒートパイプ１１のコンテナ４１は、熱伝導性材料からなり、好ましくは、アルミニウム系材料や銅系材料からなる。また、作動液としては、水やフロンなどが好ましい。コンテナの端部の溶接については一般的な接合技術を用いればよいが、レーザ溶接、ろう付け溶接、拡散接合が好ましい。

　次に、ヒートシンクとコールドプレートとを備えた、本発明の実施形態にかかる冷却装置の一例について説明する。図５は、本発明の実施形態にかかる冷却装置の一例である冷却装置１００の概略斜視図である。図５に示すように、本発明の実施形態にかかる冷却装置の一例である冷却装置１００は、図１乃至４において説明したヒートシンク１１と、コールドプレート３２とを備え、ヒートシンク１１の放熱部材１３とコールドプレート３２とが熱的に接続された構成になっている。

　図５に示すように、コールドプレート３２は、温度管理された冷却用の水を主体とした液体の熱輸送媒体を、吸水口６１から銅ブロック等の熱伝導性材料からなる本体部６３の内部に取り込み、ヒートパイプ１１の冷却に伴って放出される作動液の凝縮の際の潜熱が液体の熱輸送媒体に移動し、潜熱によって温度上昇した液体の熱輸送媒体を排水口６２から本体部６３の外部に放出することにより、本体部６３の温度管理を行う構造になっている。

　なお、冷却装置１００は、筐体１１０内に配置されており、コールドプレート３２の液体の熱輸送媒体は、矢印７１に示すように、本体部６３の吸水口６１を一端とする吸水ノズル６１ａを介して、筐体１１０の外部から本体部６３の内部に取り込まれる。また、コールドプレート３２の液体の熱輸送媒体は、矢印７２に示すように、本体部６３の排水口６２を一端とする排水ノズル６２ａを介して、本体部６３の内部から筐体１１０の外部に放出される。なお、冷却装置１００は、筐体１１０内に配置されている例を記載したが、冷却装置１００を筐体１１０の外部に配置してもよい。冷却水を筐体１１０の内部に導入すること無く、冷却装置を動作させることができ、これにより、冷却水の漏洩による被冷却部品の搭載されているシステム損傷の恐れを低減することができる。

　冷却装置１００は、ヒートシンク１０の発熱部材１２を介して熱伝導してきた被冷却部品３１ａが発する熱により、ヒートパイプ１１の蒸発部２１において、作動液が蒸発し、その蒸気がヒートパイプ１１の凝縮部２２に移動する。また、凝縮部２２において、作動液の蒸気は、ヒートシンク１１の放熱部材１３を介してコールドプレート３２により冷却されたヒートパイプ１１の壁面によって凝縮し、再び液相状態に戻る。この作動液の凝縮の際に潜熱が放出される。放出された潜熱は、放熱部材１３を介してコールドプレート３２内の液体の熱輸送媒体に移動し、コールドプレート３２の外部に放出される。液相状態に戻った作動液は、ヒートパイプ１１の内部に設けられた毛細管力を発生するウィック４２によって再び蒸発部に移動（還流）する。このような作動液の相変態や移動によって熱の移動が行われる。

　上述したように、本発明の実施形態にかかる冷却装置の一例である冷却装置１００は、筐体１１０内の基板３１上に配置された被冷却部品３１ａの直近まで、液体の熱輸送媒体を循環させることなく、該被冷却部品３１ａから離れた場所に配置されるコールドプレート３２によって、放熱部材１３を介して該コールドプレート３２に熱的に接続されるヒートパイプ１１を冷却し、受熱部材１２を介して該ヒートパイプ１１に熱的に接続される被冷却部品３１ａを冷却することができる。そのため、液体の熱輸送媒体の循環経路を簡略化することができると共に、漏水によるリスクを軽減することができる。

　また、受熱部材１２を介して被冷却部品３１ａに熱的に接続するヒートパイプ１１の蒸発部２１と、放熱部材１３を介してコールドプレート３２に熱的に接続するヒートパイプ１１の凝縮部２２との間の温度差が大きい場合であっても、ヒートパイプ１１のコンテナ４１内のウィック４２を、蒸発部ウィック４２ａによる毛細管力を凝縮部ウィック４２ｂによる毛細管力よりも大きくなるような構造にしているため、蒸発部２１及び蒸発部２１近傍における作動液の高い保水性と凝縮部２２（及び凝縮部２２近傍）における低温化により粘性が大きくなった作動液の蒸発部２１への高い移動性とによって、蒸発部２１及び蒸発部２１近傍における作動液の再供給量不足による作動液の枯渇現象（ドライアウト）の発生を防止することができる。その結果、蒸発部２１と凝縮部２２との間の作動液の移動を安定して行なうことができる。

　１０　：　ヒートシンク
　１１，１１ａ，１１ｂ　：　ヒートパイプ
　１２　：　受熱部材
　１３　：　放熱部材
　２１　：　蒸発部
　２２　：　凝縮部
　２３　：　中間部
　３１　：　基板
　３１ａ　：　被冷却部品
　３２　：　コールドプレート（放熱用の部材）
　４１　：　コンテナ
　４２　：　ウィック
　４２ａ　：　蒸発部ウィック
　４２ｂ　：　凝縮部ウィック
　４２ｃ，４２ｃ´　：　中間部ウィック
　５１　：　溝構造のウィック
　５２　：　焼結金属のウィック
　５５　：　空間部
　１００　：　冷却装置

Claims

　コールドプレートとヒートシンクとを備えた冷却装置であって、
　前記ヒートシンクは、
　被冷却部品に対して熱的に接続される受熱部材と、
　放熱用の部材に対して熱的に接続される放熱部材と、
　内部に空洞部を形成したコンテナと、前記コンテナ内に格納され毛細管力を発生するウィックと、前記コンテナ内の前記空洞部に封入された作動液と、を有するヒートパイプと、
を備え、
　前記ヒートパイプは、前記受熱部材が取り付けられる蒸発部と前記放熱部材が取り付けられる凝縮部とを有し、
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記蒸発部における前記コンテナ内の蒸発部ウィックの毛細管力が、前記凝縮部における前記コンテナ内の凝縮部ウィックの毛細管力よりも大きい構造になっており、
　前記ヒートシンクの前記放熱部材と前記コールドプレートとが熱的に接続されていることを特徴とする冷却装置。
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記蒸発部ウィックの方が、前記凝縮部ウィックよりも、ウィックの量が多い構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
　前記蒸発部ウィックの構造と前記凝縮部ウィックの構造とが同じ種類のウィックの構造である場合、
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記コンテナの長手方向に垂直な断面において、前記蒸発部ウィックの面積の方が、前記凝縮部ウィックの面積よりも大きい構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
　前記蒸発部ウィックの構造と前記凝縮部ウィックの構造とが同じ種類のウィックの構造であり、かつ、該同じ種類のウィックの構造の中に焼結金属または網状金属を有している場合、
　前記コンテナ内の前記ウィックは、前記コンテナの長手方向に垂直な断面における焼結金属の空隙または網状金属の網目が、前記凝縮部ウィックよりも前記蒸発部ウィックの方が細かい構造になっていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
　前記ウィックは、前記コンテナの内壁に設けられ、
　前記コンテナは、当該コンテナの断面中央部に、前記ウィックの無い空間部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
　前記ウィックの構造は、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の１つの構造体、または、溝構造、焼結金属及び網状金属の中の異なる構造体を複数組み合わせた複合体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷却装置。
　前記コンテナの内壁に溝構造が設けられており、
　前記蒸発部ウィックの構造のみが、前記コンテナの内壁の前記溝構造と焼結金属とを組み合わせた複合体、または、前記コンテナの内壁の前記溝構造と網状金属とを組み合わせた複合体であることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
　前記コンテナの内壁に溝構造が設けられており、
　前記コンテナ内の前記凝縮部ウィックを除いた部分の前記ウィックの構造が、前記コンテナの内壁の前記溝構造と焼結金属とを組み合わせた複合体、または、前記コンテナの内壁の前記溝構造と網状金属とを組み合わせた複合体であることを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
　前記ヒートパイプは、前記蒸発部及び前記凝縮部における前記コンテナの断面形状がＤ型形状であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の冷却装置。