(57)【要約】【課題】沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることができる冷却装置を提供する。【解決手段】冷媒槽３の底壁３１の内面３３における発熱体固定面３２０と対応する部位を、液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面３４にし、沸騰伝熱面３４に、沸騰伝熱面３４から立ち上がっているとともに頂面３５０を有し、沸騰伝熱面３４の伝熱面積を増大するフィン３５を設け、フィン３５における沸騰伝熱面３４からの高さが最も高い面である頂面３５０に、頂面３５０での液相冷媒の沸騰を促進する溝３６を設ける。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底壁（３１）の外面（３２）の一部が、発熱体（２）が固定される発熱体固定面（３２０）になっているとともに、前記発熱体（２）の熱を受けて沸騰する液相冷媒を貯留する冷媒槽（３）と、
前記冷媒槽（３）で沸騰した冷媒蒸気が流れ込み、前記冷媒蒸気と外部流体との間で熱交換を行って前記冷媒蒸気を凝縮させる放熱部（４）とを備える冷却装置であって、
前記冷媒槽（３）の前記底壁（３１）の内面（３３）における前記発熱体固定面（３２０）と対応する部位は、前記液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面（３４）になっており、
前記沸騰伝熱面（３４）には、前記沸騰伝熱面（３４）から立ち上がっているとともに頂面（３５０）を有し、前記沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）が設けられており、
前記フィン（３５）の前記頂面（３５０）には、前記頂面（３５０）での前記液相冷媒の沸騰を促進する沸騰促進手段（３６、３７）が設けられていることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記フィン（３５）の側面（３５２）と前記沸騰伝熱面（３４）とにより形成される角部（３５１）と、前記沸騰促進手段（３６、３７）とは、前記発熱体固定面（３２０）からの高さが異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。
【請求項３】
前記頂面（３５０）には、前記沸騰伝熱面（３４）から離れる方向に突出する突起部（３７）が設けられており、
前記突起部（３７）の前記頂面（３５０）に近い側の断面積は、前記突起部（３７）における前記沸騰伝熱面（３４）からの高さが最も高い面（３７０）の断面積より小さくなっており、
前記頂面（３５０）が前記沸騰促進手段を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記頂面（３５０）には、溝（３６）が設けられており、
前記溝（３６）は、互いに連通する第１溝部（３６１）および第２溝部（３６２）から構成されており、
前記第１溝部（３６１）は、前記第２溝部（３６２）より前記沸騰伝熱面（３４）から遠い側に配置されているとともに、前記頂面（３５０）側の開口部を形成しており、
前記第１溝部（３６１）の溝幅は、前記第２溝部（３６２）の溝幅より小さくなっており、
前記溝（３６）が前記沸騰促進手段を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記フィン（３５）は、薄板（３８）を当該薄板（３８）の板厚方向に複数枚積層することにより構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の冷却装置。
【請求項６】
前記頂面（３５０）には、断面略矩形状の溝（３６）が形成されているとともに、板厚方向に貫通した開口部（７１）を有する板状部材（７０）が、前記溝（３６）と前記開口部（７１）とが連通するように配設されており、
前記開口部（７１）の開口幅は、前記溝（３６）の溝幅より小さくなっており、
前記溝（３６）が前記沸騰促進手段を構成していることを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記フィン（３５）における前記沸騰伝熱面（３４）から遠い側には、前記フィン（３５）で沸騰した前記冷媒蒸気の排出を促進させる蒸気排出促進手段（８０）が設けられており、
前記蒸気排出促進手段（８０）は、前記冷媒蒸気が通過する蒸気通路（８００）を形成する外枠部（８１）と、前記蒸気通路（８００）を複数の細通路（８０１、８０２）に仕切る仕切部材（８２）とを有しており、
前記外枠部（８１）および前記仕切部材（８２）は、前記沸騰伝熱面（３４）から離れる側に向かって前記細通路（８０１、８０２）の通路断面積が大きくなるように形成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の気化と液化による潜熱移動によって半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、この種の冷却装置の冷却性能を向上させるには、発熱体から発生する熱量が少ない状態においても沸騰を発生させる必要がある。このためには、伝熱面上に沸騰開始の芽となる発泡核を供給することが重要である。
【０００３】
伝熱面上に発泡核を供給するために、例えば、特許文献１に、伝熱面上へ多孔質層を形成するとともに、多孔質層の一部をローラで押し潰して溝を設ける方法が示されている。これによれば、多孔質材の押し潰しにより形成された溝では、空隙率が小さな小開孔部が生じ、溝周囲の領域では小開孔部より大きな大開孔部が生じる。大開孔は気泡成長開孔となり、小開孔は多孔質内に液相冷媒を供給する液供給開孔となる。そして、気泡成長開孔と液供給開孔がある一定の比率で規則的に伝熱面上に配置された結果、気泡の成長と液の供給が安定化し、沸騰伝熱面の性能を向上させることが可能となる。
【０００４】
また、特許文献２では、伝熱管の外周面下に設けた空洞部と、空洞部と外周部を接続する複数の開口部と、伝熱管から外側に突出して設けられたフィンとを有する沸騰用伝熱管が示されている。これによれば、沸騰により生じた気泡の一部を空洞内に残留させることができる。また、空洞内から離脱した蒸気に対応する量の液相冷媒が空洞部に流入するが、この液相冷媒はフィンから放出される熱により加熱されているので、空洞内の残留気泡を核として、少ない熱量で沸騰を生じさせることが可能となる。
【特許文献１】特公平２−５３７１７号公報
【特許文献２】特開平６−３２３７７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、冷却装置に用いる冷媒の種類や素子の耐熱温度によっては、冷却装置の内部を減圧状態とし、冷媒の沸点を下げる場合がある。この場合、加熱量が同一の条件で比較すると、減圧下での沸騰開始には、大気圧下の場合に比べて、より大きな過熱度、すなわち伝熱面の壁温と冷媒の温度差が必要となる。その結果、沸騰開始時の初期気泡の大きさや気泡の成長速度は大気圧下より大きくなる。このため、液相冷媒中で気泡は巨大化し、気泡が伝熱面から離脱する離脱気泡径は大気圧下より大きくなる。
【０００６】
上記特許文献１に記載の方法において、冷却装置の内部を減圧状態とした場合に、多孔質材内部からの巨大化した気泡の排出性を向上させるには、多孔質材の厚さを薄くし、気孔径を大きくする必要がある。しかしながら、気泡の排出性が良好な気孔径の大きな多孔質材は、その内部に発泡核となる気泡を保持することが困難であるため、沸騰促進効果が小さくなる。
【０００７】
また、発熱体の熱量が増加するほど、気泡の発生量が増加するため、熱量が増加するにつれ、多孔質材からの気泡の排出、多孔質材内への液相冷媒の供給が困難となる。その結果、多孔質材全体が蒸気膜に埋没してしまい、沸騰伝熱面の性能は低下する。すなわち、多孔質材を接合した伝熱面では、沸騰の促進と巨大化した気泡の排出性向上を両立することが困難になる。
【０００８】
また、上記特許文献２に記載の沸騰用伝熱管においても、伝熱管の内部を減圧状態とした場合に、発熱体の熱量が増加すると、沸騰促進用の空洞部全体が気泡中に埋没してしまい、沸騰促進効果が消失してしまう。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑み、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることができる冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、冷媒槽（３）の底壁（３１）の内面（３３）における発熱体固定面（３２０）と対応する部位は、液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面（３４）になっており、沸騰伝熱面（３４）には、沸騰伝熱面（３４）から立ち上がっているとともに頂面（３５０）を有し、沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）が設けられており、フィン（３５）の頂面（３５０）には、頂面（３５０）での液相冷媒の沸騰を促進する沸騰促進手段（３６、３７）が設けられていることを特徴としている。
【００１１】
このように、沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）を設けることで、冷媒の沸騰を促進することができる。さらに、フィン（３５）の頂面（３５０）に沸騰促進手段（３６、３７）を設けることで、フィン（３５）の頂面（３５０）においても冷媒を沸騰させることができるので、フィン（３５）における沸騰が生じる領域を拡大させることができる。これにより、フィン（３５）における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができるため、沸騰した冷媒の気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００１２】
また、請求項２に記載の発明では、フィン（３５）の側面（３５２）と沸騰伝熱面（３４）とにより形成される角部（３５１）と、沸騰促進手段（３６、３７）とは、発熱体固定面（３２０）からの高さが異なっていることを特徴としている。
【００１３】
このように、角部（３５１）および沸騰促進手段（３６、３７）の発熱体固定面（３２０）からの高さを変えることにより、角部（３５１）から排出される冷媒の気泡と、沸騰促進手段（３６、３７）から排出される冷媒の気泡とが干渉することを防止できる。これにより、気泡の排出性をより向上させることが可能となる。
【００１４】
また、請求項３に記載の発明では、頂面（３５０）には、沸騰伝熱面（３４）から離れる方向に突出する突起部（３７）が設けられており、突起部（３７）の頂面（３５０）に近い側の断面積は、突起部（３７）における沸騰伝熱面（３４）からの高さが最も高い面（３７０）の断面積より小さくなっており、頂面（３５０）が沸騰促進手段を構成していることを特徴としている。
【００１５】
このように、沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）を設けることで、冷媒の沸騰を促進することができる。また、フィン（３５）の頂面（３５０）に、沸騰伝熱面（３４）から離れる方向に突出する突起部（３７）を設けることで、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン（３５）における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。これにより、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００１６】
また、請求項４に記載の発明では、頂面（３５０）には、溝（３６）が設けられており、溝（３６）は、互いに連通する第１溝部（３６１）および第２溝部（３６２）から構成されており、第１溝部（３６１）は、第２溝部（３６２）より沸騰伝熱面（３４）から遠い側に配置されているとともに、頂面（３５０）側の開口部を形成しており、第１溝部（３６１）の溝幅は、第２溝部（３６２）の溝幅より小さくなっており、溝（３６）が沸騰促進手段を構成していることを特徴としている。
【００１７】
このように、沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）を設けることで、冷媒の沸騰を促進することができる。また、フィン（３５）の頂面（３５０）に溝（３６）を設けることで、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン（３５）における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。これにより、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、第１溝部（３６１）の溝幅を第２溝部（３６２）の溝幅より小さくすることで、第２溝部（３６２）の内部に発泡核となる気泡を保持することができるので、冷媒の沸騰をより促進することが可能となる。
【００１９】
なお、本発明における「第１溝部（３６１）の溝幅」とは、第１溝部（３６１）の溝幅が高さ方向で一定ではない場合には、第１溝部（３６１）の平均溝幅を意味するものである。同様に、本発明における「第２溝部（３６２）の溝幅」とは、第２溝部（３６２）の溝幅が高さ方向で一定ではない場合には、第２溝部（３６２）の平均溝幅を意味するものである。
【００２０】
また、請求項５に記載の発明では、フィン（３５）は、薄板（３８）を当該薄板（３８）の板厚方向に複数枚積層することにより構成されていることを特徴としている。これによれば、フィン（３５）を容易に製造することが可能となる。
【００２１】
また、請求項６に記載の発明では、頂面（３５０）には、断面略矩形状の溝（３６）が形成されているとともに、板厚方向に貫通した開口部（７１）を有する板状部材（７０）が、溝（３６）と開口部（７１）とが連通するように配設されており、開口部（７１）の開口幅は、溝（３６）の溝幅より小さくなっており、溝（３６）が沸騰促進手段を構成していることを特徴としている。
【００２２】
このように、沸騰伝熱面（３４）の伝熱面積を増大するフィン（３５）を設けることで、冷媒の沸騰を促進することができる。また、フィン（３５）の頂面（３５０）に溝（３６）を設けることで、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン（３５）における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。これにより、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００２３】
また、開口部（７１）の開口幅を溝（３６）の溝幅より小さくすることで、溝（３６）の内部に発泡核となる気泡を保持することができるので、冷媒の沸騰をより促進することが可能となる。なお、本発明における「開口部（７１）の開口幅」とは、開口部（７１）における溝（３６）の溝幅方向と平行な方向の寸法を意味するものである。
【００２４】
また、請求項７に記載の発明では、フィン（３５）における沸騰伝熱面（３４）から遠い側には、フィン３５（３５）で沸騰した冷媒蒸気の排出を促進させる蒸気排出促進手段（８０）が設けられており、蒸気排出促進手段（８０）は、冷媒蒸気が通過する蒸気通路（８００）を形成する外枠部（８１）と、蒸気通路（８００）を複数の細通路（８０１、８０２）に仕切る仕切部材（８２）とを有しており、外枠部（８１）および仕切部材（８２）は、沸騰伝熱面（３４）から離れる側に向かって細通路（８０１、８０２）の通路断面積が大きくなるように形成されていることを特徴としている。
【００２５】
これによれば、発熱体（２）の中心部が他の部位より高温となり、フィン（３５）における発熱体（２）の中心部に対応する部位からの気泡の発生量が増加した場合でも、フィン（３５）から排出された気泡をスムーズに流動させることができる。このため、液相冷媒中からの気泡の排出性を向上させるとともに、放熱部（４）に液相冷媒が流入することを防止することが可能となる。
【００２６】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、図中、同一符号を付してある。
【００２８】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１〜図６に基づいて説明する。図１は本第１実施形態に係る冷却装置１を示す斜視図で、図２は本第１実施形態に係る冷却装置１を示す断面図である。なお、図１および図２の上下方向が冷却装置１の天地方向である。
【００２９】
図１および図２に示すように、冷却装置１は、半導体素子等の発熱体２を冷却するものであり、内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、外部に発熱体２が設置される冷媒槽３と、冷媒槽３の内部と連通するとともに、冷媒槽３の上部に取り付けられ、発熱体２の熱によって気化した冷媒を液化させた後に冷媒槽３に戻す放熱部４とを備えている。
【００３０】
冷媒槽３における、底壁３１の外面３２の一部は、発熱体２が固定される発熱体固定面３２０になっている。そして、発熱体２は、例えば図示しないボルト等の締め付けにより底壁３１の発熱体固定面３２０に固定されている。また、底壁３１の内面３３のうち、発熱体固定面３２０に対応する領域には、冷媒の沸騰を促進するための沸騰伝熱面３４が設けられている。本実施形態では、沸騰伝熱面３４は、底壁３１の内面３３と一体に形成されている。なお、この沸騰伝熱面３４の詳細については、後述する。
【００３１】
放熱部４は、気相冷媒の熱を外部空気に放熱することにより、冷媒を液化させるものである。本実施形態では、放熱部４は、冷媒槽３の沸騰伝熱面３４の上方側に配設され、発熱体２の熱を受けて沸騰した冷媒蒸気が通過する蒸気通路４１と、蒸気通路４１の上端部と連通するとともに、水平方向に延びるヘッダ部４２と、ヘッダ部４２と連通するとともに、鉛直方向に延びる複数本の放熱チューブ４３と、各放熱チューブ４３間に介在される放熱フィン４４とを備えている。
【００３２】
複数本の放熱チューブ４３の下端部は、それぞれ冷媒槽３の内部空間と連通している。放熱フィン４４は、周知のコルゲートフィンであり、放熱面積を増大させるために使用される。また、放熱フィン４４には、図２の紙面垂直方向に外部流体としての冷却風が通過するようになっている。以下、冷却風の流れ方向を冷却風流れ方向という。
【００３３】
そして、真空引きされた冷却装置１の内部空間には、所定量の冷媒が封入されている。
【００３４】
冷却装置１は、例えば、銅もしくはアルミニウムにより構成されている。冷却装置１が銅により構成されている場合、冷媒として水やアルコールを採用することができる。また、冷却装置１がアルミニウムにより構成されている場合、冷媒としてアルコールや、分子構造中に塩素を含まず、温暖化係数やオゾン層破壊係数が小さな冷媒、具体的にはフッ素系冷媒やハイドロフルオロエーテル系の冷媒を採用することができる。なお、冷媒として水を用いた場合では、水の沸点は、１気圧で１００℃であるが、冷却装置１内を真空引きしているため、沸点は３０〜４０℃となる。
【００３５】
図３は、本第１実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。図３に示すように、沸騰伝熱面３４は、伝熱面積を拡大し、熱拡散を促進するための複数のフィン３５が設けられている。フィン３５は、沸騰伝熱面３４から上方側、すなわち放熱部４側に向かって突出するとともに、冷却風の流れ方向に平行に延びる略直方体状に形成されている。複数のフィン３５は、冷却風の流れ方向と直交する方向に所定間隔を隔てて並列に配置されている。
【００３６】
以下、フィン３５の長手方向をフィン長手方向といい、複数のフィン３５の配置方向をフィン配置方向という。フィン長手方向は、冷却風の流れ方向に平行になっている。また、フィン配置方向は、フィン長手方向、すなわち冷却風の流れ方向に対して直交している。
【００３７】
フィン３５の上面、すなわち沸騰伝熱面３４から最も離れている面（以下、頂面３５０という）には、当該頂面３５０での冷媒の沸騰を促進する沸騰促進手段としての溝３６が形成されている。溝３６は、互いに連通する第１溝部３６１および第２溝部３６２から構成されている。第１溝部３６１は、第２溝部３６２より沸騰伝熱面３４から遠い側に配置されており、頂面３５０の開口部を形成している。本実施形態では、第１溝部３６１はフィン長手方向から見た断面が矩形状になっており、第２溝部３６２はフィン長手方向から見た断面が円形状になっている。
【００３８】
本実施形態の第１溝部３６１は断面矩形状に形成されているので、第１溝部３６１の溝幅はフィン高さ方向にわたって一定になっている。また、本実施形態の第２溝部３６２は断面円形状に形成されているので、第２溝部３６２の溝幅はフィン高さ方向で変化している。また、第１溝部３６１の溝幅は、第２溝部３６２の平均溝幅より小さくなっている。したがって、第２溝３６２の内部に沸騰開始の芽となる発泡核を保持させることができる。
【００３９】
ところで、フィン３５の頂面３５０の温度は、フィン３５の根元部３５１、すなわちフィン３５の側面３５２と沸騰伝熱面３４とにより形成される角部より低下する。すなわち、フィン３５の頂面３５０の過熱度は、フィン３５の根元部３５１より小さくなる。また、沸騰可能な気泡、すなわち成長できる気泡の径は、過熱度が小さくなるほど大きくなる。そこで、本実施形態では、溝３６の断面形状を、その内部に過熱度が小さなフィン３５０の頂面３５０で沸騰が可能となるサイズの気泡径の気泡を保持できるような形状としている。
【００４０】
また、溝３６は、フィン３５の根元部３５１より発熱体固定面３２０からの高さが高くなっている。すなわち、フィン３５の根元部３５１と溝３６とは、発熱体固定面３２０からの高さが互いに異なっている。
【００４１】
次に、本第１実施形態における冷却装置１の作動について説明する。
【００４２】
図２に示すように、発熱体２の熱により沸騰伝熱面３４上で沸騰が生じ、液相冷媒から気泡１００が発生する。そして、気泡１００に作用する浮力により、気泡１００は沸騰伝熱面３４から離脱し、液相冷媒から排出される。気泡１００は、蒸気の流れ２００として冷却装置１の内部を移動する。そして、蒸気の流れ２００の熱を放熱フィン４４を介して空気側に放熱することにより、放熱部４では蒸気の液化が生じ、液化した冷媒３００は、沸騰伝熱面３４上で再度、沸騰する。
【００４３】
図４は比較例におけるフィン３５を示す拡大断面図で、図５は本第１実施形態におけるフィン３５を示す拡大断面図である。なお、図４（ａ）は発熱体２の発熱量が少ない場合を示しており、図４（ｂ）は発熱体２の発熱量が多い場合を示している。
【００４４】
図４に示す比較例のフィン３５は、図３に示す本実施形態のフィン３５と同様に、沸騰伝熱面３４から上方側に向かって突出するとともに、冷却風流れ方向に平行に延びる略直方体状に形成されている。複数のフィン３５は、冷却風流れ方向と直交する方向に所定間隔を隔てて並列に配置されている。また、比較例のフィン３５は、その頂面３５０に溝が形成されていない。
【００４５】
発熱体２の発熱量が少ない場合、比較例のフィン３５では、図４（ａ）に示すように、液相冷媒の沸騰開始はフィン３５の根元部３５１の角部にある発泡核４００から生じる。そして、発熱体２の発熱量が増加すると、沸騰領域はフィン３５の側面３５２を上方に向かって移動する。このとき、対向するフィン３５の側面３５２においても液相冷媒の沸騰が生じるため、発熱体２の発熱量が増加すると、気泡１００の排出性が低下してしまう。この問題を解決するため、隣接するフィン３５同士の間隔を大きくすることが考えられるが、伝熱面積が減少するため冷却性能が低下してしまう。
【００４６】
また、発熱体２の発熱量が多い場合、比較例のフィン３５では、図４（ｂ）に示すように、液相冷媒はフィン３５の側面３５２で沸騰する。
【００４７】
したがって、発熱体２の発熱は、発熱量が少ない時にはフィン３５の根元部３５１へ図４（ａ）中の矢印Ｙ１のように流れ、発熱量が多い時にはフィン３５の側面３５２へ図４（ｂ）中の矢印Ｙ２のように流れる。すなわち、フィン３５の頂面３５０は有効に利用されておらず、フィン３５の伝熱面積の拡大効果が小さくなる。その結果、比較例のフィン３５では、発熱量の多い発熱体２を冷却するための冷却装置１への適用が困難になる。
【００４８】
これに対し、本第１実施形態のフィン３５は、図５に示すように、フィン３５の頂面３５０に溝３６を設けているので、溝３６の内部に沸騰開始の芽となる発泡核を保持し、フィン３５の頂面３５０での沸騰を誘起することができる。これにより、沸騰領域はフィン３５の根元部３５１、側面３５２、そして頂面３５０まで拡大し、発熱体２の発熱は、図５中の矢印Ｙ３のように、根元部３５１、側面３５２、そして頂面３５０に流れる。その結果、伝熱面積の拡大効果が大きくなり、発熱体２の温度を低い温度に保つことが可能となる。また、沸騰領域をフィン３５の根元部３５１、側面３５２、そして頂面３５０まで拡大させることにより、単位面積当りでの気泡発生量が減少し、気泡の排出性が向上する。その結果、冷却装置１の除熱限界が向上する。
【００４９】
図６は、本第１実施形態のフィン３５における加熱量と過熱度との関係を示す特性図である。なお、図６の縦軸は比較例のフィン３５の過熱度に対する本実施形態のフィン３５の過熱度の比を示している。
【００５０】
図６に示すように、本実施形態のフィン３５は、発熱量が少ない領域においても、多い領域においても、比較例のフィン３５より過熱度が低減している。したがって、本実施形態のフィン３５では、比較例のフィン３５と比較して、冷媒沸騰時における熱抵抗を低減することができるので、冷却装置１全体の冷却性能を向上させることができる。
【００５１】
以上説明したように、沸騰伝熱面３４に伝熱面積を増大するフィン３５を設けることで、冷媒の沸騰を促進することができる。また、フィン３５の頂面３５０に溝３６を設けることで、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン３５における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。また、フィン３５の根元部３５１と溝３６との発熱体固定面３２０からの高さを互いに異ならせることで、フィン３５の根元部３５１から排出される気泡と、溝３６から排出される気泡とが干渉することを防止できる。これらの効果により、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００５２】
さらに、フィン３５上での沸騰発生領域を拡大させることにより、沸騰伝熱面３４の温度、すなわち、発熱体２の温度を低減させることが可能となる。また、第１溝部３６１の溝幅を第２溝部３６２の平均溝幅より小さくすることで、第２溝部３６２の内部に発泡核となる気泡を保持することができるので、冷媒の沸騰をより促進することが可能となる。
【００５３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について図７に基づいて説明する。図７は、本第２実施形態におけるフィン３５を示す拡大斜視図である。
【００５４】
図７に示すように、本実施形態のフィン３５における第２溝部３６２は、フィン長手方向から見た断面が矩形状になっている。このため、第２溝部３６２の溝幅は、フィン高さ方向で一定となっている。本実施形態では、第１溝部３６１の溝幅は、第２溝部３６２の溝幅より小さくなっている。
【００５５】
これによれば、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン３５における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。さらに、フィン３５の根元部３５１から排出される気泡と、溝３６から排出される気泡とが干渉することを防止できる。これらの効果により、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００５６】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について図８に基づいて説明する。図８は、本第３実施形態におけるフィン３５を示す拡大斜視図である。
【００５７】
図８に示すように、本実施形態のフィン３５の頂面３５０には、当該頂面３５０での冷媒の沸騰を促進する突起部３７が設けられている。突起部３７は、頂面３５０から上方側、すなわち沸騰伝熱面３４に対して遠ざかる方向に向かって突出している。本実施形態では、突起部３７は、フィン３５と一体に形成されている。突起部３７における沸騰伝熱面３４から最も離れている面（以下、上面３７０という）は、フィン３５の頂面３５０と平行になっている。
【００５８】
突起部３７は、フィン長手方向から見た断面形状が略Ｔ字状になっている。より詳細には、突起部３７におけるフィン３５の頂面３５０に近い側の部位の断面積が、突起部３７におけるフィン３５の頂面３５０から遠い側の部位、すなわち上面３７０を構成する部位の断面積より小さくなっている。
【００５９】
また、突起部３７は、フィン３５の根元部３５１より発熱体固定面３２０からの高さが高くなっている。すなわち、フィン３５の根元部３５１と突起部３７とは、発熱体固定面３２０からの高さが互いに異なっている。
【００６０】
このように、フィン３５の頂面３５０に、沸騰伝熱面３４から離れる方向に突出する突起部３７を設けることで、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン３５における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。また、フィン３５の根元部３５１と突起部３７との発熱体固定面３２０からの高さを互いに異ならせることで、フィン３５の根元部３５１から排出される気泡と、突起部３７から排出される気泡とが干渉することを防止できる。これらの効果により、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００６１】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態について図９および図１０に基づいて説明する。図９は、本第４実施形態におけるフィン３５を示す拡大斜視図である。
【００６２】
図９に示すように、フィン３５の長手方向における略中央部には、フィン配置方向に延びて複数のフィン３５を接続する接続部３５５が設けられている。接続部３５５は、複数のフィン３５と一体に形成されている。ここで、隣り合うフィン３５の側面３５１同士の距離、すなわちフィン配置方向の長さを、フィンピッチという。
【００６３】
また、本第４実施形態のフィン３５は、所定の形状に成形された薄板としてのプレート３８を、その板厚方向に４枚積層することにより構成されている。４枚のプレート３８は、例えばアルミニウム板やステンレス板等からプレス型により打ち抜かれたプレス材である。
【００６４】
４枚のプレート３８は、沸騰伝熱面３４に近い側に配置される２枚の下側プレート３８１と、２枚の下側プレート３８１の上方側に配置される１枚の中間プレート３８２と、中間プレート３８２の上方側、すなわち沸騰伝熱面３４から最も離れた位置に配置される１枚の上側プレート３８３とからなる。
【００６５】
図１０は本第４実施形態におけるフィン３５を形成するプレート３８を示す平面図で、（ａ）が上側プレート３８３、（ｂ）が中間プレート３８２、（ｃ）が下側プレート３８１を示している。なお、図１０（ａ）〜（ｃ）中の破線は、発熱体２の配置部位を示している。
【００６６】
図１０（ｃ）に示すように、下側プレート３８１には、フィン長手方向両端部からフィン長手方向中央部に向かってスリット状の第１切り欠き部３９１が複数設けられている。これにより、フィン配置方向に隣接する第１切り欠き部３９１間にフィン３５が形成されるとともに、フィン長手方向に隣接する第１切り欠き部３９１間に接続部３５５が形成される。第１切り欠き部３９１の幅Ｗ１、すなわちフィン配置方向の長さは、フィンピッチと等しくなっている。
【００６７】
図１０（ｂ）に示すように、中間プレート３８２には、下側プレート３８１と同様に複数の第１切り欠き部３９１が設けられている。さらに、中間プレート３８２におけるフィン配置方向に隣接する第１切り欠き部３９１間の部位には、フィン長手方向両端部からフィン長手方向中央部に向かってスリット状の第２切り欠き部３９２が設けられている。第２切り欠き部３９２の幅Ｗ２、すなわちフィン配置方向の長さは、第１切り欠き部３９１の幅Ｗ１より小さくなっている。また、第２切り欠き部３９２の長さ、すなわちフィン長手方向の長さは、第１切り欠き部３９１の長さと等しくなっている。
【００６８】
図１０（ａ）に示すように、上側プレート３８３には、下側プレート３８１および中間プレート３８２と同様に、複数の第１切り欠き部３９１が設けられている。さらに、下側プレート３８３におけるフィン配置方向に隣接する第１切り欠き部３９１間の部位には、フィン長手方向両端部からフィン長手方向中央部に向かってスリット状の第３切り欠き部３９３が設けられている。第３切り欠き部３９３の幅Ｗ３、すなわちフィン配置方向の長さは、第２切り欠き部３９２の幅Ｗ２より小さくなっている。また、第３切り欠き部３９３の長さ、すなわちフィン長手方向の長さは、第１、第２切り欠き部３９１、３９２の長さと等しくなっている。
【００６９】
このように形成された複数のプレート３８１〜３８３を、図９に示すように、沸騰伝熱面３４に近い側から２枚の下側プレート３８１、中間プレート３８２、上側プレート３８３の順に積層して、沸騰伝熱面３４および各プレート３８１〜３８３をろう付けもしくは溶接等により熱的に接続することで、フィン３５が形成される。
【００７０】
このとき、中間プレート３８２の第２切り欠き部３９２と上側プレート３８３の第３切り欠き部３９３とが連通して、溝３６が形成されている。より詳細には、上側プレート３８３の第３切り欠き部３９３により第１溝部３６１が形成され、中間プレート３８２の第２切り欠き部３９２により第２溝部３６２が形成されている。
【００７１】
以上説明したように、フィン３５に溝３６を設けることで、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン３５における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。さらに、フィン３５の根元部３５１から排出される気泡と、溝３６から排出される気泡とが干渉することを防止できる。これらの効果により、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００７２】
さらに、４枚のプレート３８を積層するだけでフィン３５を形成することができるので、フィン３５を容易に製造することが可能となる。
【００７３】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態について図１１および図１２に基づいて説明する。図１１は本第５実施形態におけるフィン３５を示す分解斜視図で、図１２は図１１のＡ−Ａ断面図である。
【００７４】
図１１および図１２に示すように、本実施形態のフィン３５は、フィン部材３５Ａと板状部材７０とから構成されている。フィン部材３５Ａは、沸騰伝熱面３４から上方側、すなわち放熱部４側に向かって突出するとともに、冷却風の流れ方向に平行に延びる略直方体状に形成されている。複数のフィン部材３５Ａは、冷却風の流れ方向と直交する方向に所定間隔を隔てて並列に配置されている。
【００７５】
フィン部材３５Ａの頂面３５０Ａ、すなわち沸騰伝熱面３４からの高さが最も高い面には、フィン長手方向に延びる溝３６が形成されている。溝３６は、フィン長手方向から見た断面が矩形状になっている。
【００７６】
フィン部材３５Ａの上方側には、板厚方向に貫通した複数の第１、第２開口部７１、７２を有する板状部材７０が、頂面３５０Ａと接触するように配設されている。第１、第２開口部７１、７２は、それぞれフィン長手方向に延びるスリット状になっており、フィン配置方向に交互に配置されている。
【００７７】
第１開口部７１は、板状部材７０をフィン部材３５Ａの上方側に配設した際に、溝３６と連通するように形成されている。第２開口部７２は、フィン板状部材７０をフィン部材３５Ａの上方側に配設した際に、第２開口部７２の内周面のうちフィン長手方向に平行な面７２０がフィン部材３５Ａの側面３５２Ａと面一となるように形成されている。第１開口部７１の開口幅、すなわちフィン配置方向の長さは、溝３６の溝幅より小さくなっている。また、板状部材７０の上面が、フィン３５の頂面３５０Ａを構成している。
【００７８】
なお、板状部材７０はフィン部材３５Ａと熱的に接続する必要はないが、本実施形態では、流動する気泡により板状部材７０が動いてしまうことを防止するため、板状部材７０はフィン部材３５Ａに固定されている。
【００７９】
本実施形態によれば、沸騰が生じる領域を拡大させることができるので、フィン３５における単位面積当たりの蒸気発生量を少なくすることができる。さらに、フィン３５の根元部３５１から排出される気泡と、溝３６から排出される気泡とが干渉することを防止できる。これらの効果により、気泡の排出性を向上させることができる。したがって、沸騰した冷媒の気泡が巨大化する減圧沸騰の条件下においても、沸騰促進効果を得つつ、気泡の伝熱面および液相冷媒からの排出性を向上させることが可能となる。
【００８０】
さらに、第１開口部７１の開口幅を溝３６の溝幅より小さくすることで、溝３６の内部に発泡核となる気泡を保持することができるので、冷媒の沸騰をより促進することが可能となる。
【００８１】
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態について図１３および図１４に基づいて説明する。上記第５実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。
【００８２】
図１３は本第６実施形態におけるフィン３５を示す分解斜視図で、図１４は図１３のＢ−Ｂ断面図である。図１３および図１４に示すように、板状部材７０の上方側には、フィン３５で沸騰した冷媒蒸気の排出を促進する蒸気排出促進手段としてのガイド８０が配設されている。
【００８３】
ガイド８０は、冷媒蒸気が通過する蒸気通路８００を形成する略矩形枠状の外枠部８１と、フィン長手方向に延びて蒸気通路８００をフィン配置方向に仕切る仕切部材８２とを有している。
【００８４】
外枠部８１は、上方側に向かって蒸気通路８００の通路断面積が大きくなるように形成されている。具体的には、外枠部８１を構成する４つの壁部のうち、フィン長手方向に略平行に配置される２つの壁部８１ａは、上方側に向かうにつれてフィン配置方向における外側に向かうように、上下方向に対して傾斜している。また、外枠部８１を構成する４つの壁部のうち、フィン配置方向に略平行に配置される２つの壁部８１ｂは、上方側に向かうにつれてフィン長手方向における外側に向かうように、上下方向に対して傾斜している。
【００８５】
仕切部材８２は、沸騰伝熱面３４に配置される複数のフィン３５より１つ少ない数だけ（本実施形態では５つ）設けられている。これにより、ガイド８内に形成される蒸気通路８００は、６つの細通路８０１、８０２に仕切られている。また、５つの仕切部材８２は、それぞれの下端部が、ガイド８０を板状部材７０の上方側に配設した際に、隣接する２つのフィン３５間に形成される空間に対向するように配置されている。
【００８６】
５つの仕切部材８２のうち、フィン配置方向における中央部に配置される仕切部材（以下、中央仕切部材８２ａという）は、フィン長手方向に対して平行、かつ、フィン配置方向に対して直交するように配置されている。また、５つの仕切部材８２のうち中央仕切部材８２ａを除く４つの仕切部材（以下、一般仕切部材８２ｂという）は、上方側に向かうにつれてフィン配置方向における外側に向かうように、上下方向に対して傾斜している。このため、ガイド８０内に形成される６つの細通路８０１、８０２の全てにおいて、上方側に向かって細通路８０１、８０２の通路断面積が大きくなっている。
【００８７】
ここで、６つの細通路８０１、８０２のうち、フィン配置方向における内側に配置される２つの細通路を内側蒸気通路８０１といい、フィン配置方向における外側に配置される２つの細通路を外側蒸気通路８０２という。内側蒸気通路８０１の上端部におけるフィン配置方向の長さＷ１１は、外側蒸気通路８０２の上端部におけるフィン配置方向の長さＷ１２より長くなっている。
【００８８】
ところで、発熱体２の中心部が他の部位より高温となる場合、気泡の発生量も発熱体２の中心部に対応する部位において最も多くなる。その結果、発熱体２の中心部に対応する部位において、冷媒が沸騰したときの液相冷媒の液面が、沸騰していないときの液相冷媒の液面より盛り上がってしまう。これにより、冷媒の気泡が液相冷媒から排出され難くなるという問題がある。また、冷媒槽３の高さによっては、放熱部４に液相冷媒が直接流入してしまい、放熱部４において冷媒の相変化が期待できず、潜熱の輸送ができないという問題がある。また、放熱部４に液相冷媒が流入すると、液相冷媒が蒸気通路４１を閉塞してしまうという問題がある。
【００８９】
これに対し、本実施形態のように、蒸気通路８００を形成する外枠部８１と、蒸気通路８００を複数の細通路８０１、８０２に仕切る仕切部材８２とを有するガイド８０をフィン３５の上方側に配設し、外枠部８１および仕切部材８２を上方側に向かって細通路８０１、８０２の通路断面積が大きくなるように形成することで、発熱体２の中心部が他の部位より高温となった場合でも、フィン３５から排出された気泡をスムーズに流動させることができる。このため、液相冷媒中からの気泡の排出性を向上させるとともに、放熱部４に液相冷媒が流入することを防止することが可能となる。
【００９０】
（他の実施形態）
なお、上記した各実施形態は、可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。例えば、上記第６実施形態におけるガイド８０を、上記第１実施形態のフィン３５の上方側に配設してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】第１実施形態に係る冷却装置１を示す斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る冷却装置１を示す断面図である。
【図３】第１実施形態における沸騰伝熱面３４を示す拡大斜視図である。
【図４】比較例におけるフィン３５を示す拡大断面図である。
【図５】第１実施形態におけるフィン３５を示す拡大断面図である。
【図６】第１実施形態のフィン３５における加熱量と過熱度との関係を示す特性図である。
【図７】第２実施形態におけるフィン３５を示す拡大斜視図である。
【図８】第３実施形態におけるフィン３５を示す拡大斜視図である。
【図９】第４実施形態におけるフィン３５を示す拡大斜視図である。
【図１０】第４実施形態におけるフィン３５を形成するプレート３８を示す平面図で、（ａ）が上側プレート３８３、（ｂ）が中間プレート３８２、（ｃ）が下側プレート３８１を示している。
【図１１】第５実施形態におけるフィン３５を示す分解斜視図である。
【図１２】図１１のＡ−Ａ断面図である。
【図１３】第６実施形態におけるフィン３５を示す分解斜視図である。
【図１４】図１３のＢ−Ｂ断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
２      発熱体
３      冷媒槽
４      放熱部
３１    底壁
３４    沸騰伝熱面
３５    フィン
３６    溝（沸騰促進手段）
３７    突起部（沸騰促進手段）
３８    薄板
７０    板状部材
８０    ガイド（蒸気排出促進手段）
８１    外枠部
８２    仕切部材
３２０  発熱体固定面
３５０  頂面
【図１】
2010040958.tif 000003
【図２】
2010040958.tif 000004
【図３】
2010040958.tif 000005
【図４】
2010040958.tif 000006
【図５】
2010040958.tif 000007
【図６】
2010040958.tif 000008
【図７】
2010040958.tif 000009
【図８】
2010040958.tif 000010
【図９】
2010040958.tif 000011
【図１０】
2010040958.tif 000012
【図１１】
2010040958.tif 000013
【図１２】
2010040958.tif 000014
【図１３】
2010040958.tif 000015
【図１４】
2010040958.tif 000016