(57)【要約】【課題】発熱体２０が液相冷媒に浸漬された自然循環式の沸騰冷却装置において、液相冷媒に接し、熱を液相冷媒に伝える発熱体２０の一面２２ａが重力方向に略平行となるように、発熱体２０を配置するとき、気泡の排出性の悪化を抑制しつつ、沸騰熱伝達率を向上させる。【解決手段】重力方向に沿った方向での発熱体２０の一面２２ａの長さをｙとし、発熱体２０の一面２２ａ上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さをｘとしたとき、下記の数式（１）を満たすように、液相冷媒層の厚さｘを設定する。【数１】2014022478.tif 000006【選択図】図１
2014022478.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液相冷媒（１２）を貯留する貯留部（１０）と、
前記貯留部の内部の液相冷媒に浸漬された発熱体（２０）と、
前記貯留部で沸騰気化した気相冷媒を冷却して凝縮させ、液相冷媒を前記貯留部に戻す凝縮部（３０）とを備える自然循環式の沸騰冷却装置において、
前記発熱体は、液相冷媒に接し、熱を液相冷媒に伝える一面（２２ａ、２３ａ）を有し、前記一面が重力方向に略平行となるように配置されており、
重力方向に沿った方向での前記一面の長さをｙとし、前記一面上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さをｘとしたとき、下記の数式（１）を満たすように、前記一面の長さに応じて、前記液相冷媒層の厚さが設定されていることを特徴とする沸騰冷却装置。
【数１】
2014022478.tif 000005
【請求項２】
前記発熱体は、隣り合う前記発熱体の一面同士を対向させるとともに、対向する前記一面同士の間に液相冷媒が介在するように、複数配置されており、
対向する前記一面同士の間に存在する液相冷媒層の水平方向厚さを２ｘとして、対向する前記一面同士の間に存在する液相冷媒層の水平方向厚さが、前記数式（１）を満たすように、設定されていることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記発熱体の熱流束が３０Ｗ/ｃｍ２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の沸騰と凝縮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沸騰冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、内部に液相冷媒を貯留する貯留部と、貯留部の内部の液相冷媒に浸漬された発熱体と、発熱体の熱によって沸騰気化した気相冷媒を冷却して凝縮させ、液相冷媒を貯留部に戻す凝縮部とを備え、気相冷媒の上昇と液相冷媒の自重等を利用して、貯留部と凝縮部との間で冷媒を循環させる自然循環式の沸騰冷却装置がある（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８７６５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述の自然循環式の沸騰冷却装置において、発熱体の液相冷媒に接する一面（伝熱面）が重力方向に略平行となるように、発熱体を液相冷媒中に配置した場合、沸騰熱伝達率の向上のためには、発熱体の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向厚さを小さくすれば良い。
【０００５】
なお、発熱体の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向厚さとは、例えば、発熱体の一面と貯留部の側壁とが対向している場合、発熱体の一面とそれに対向する貯留部の側壁（対向面）との間に存在する液相冷媒の水平方向長さ、すなわち、発熱体の一面とその対向面との離間距離である。
【０００６】
しかし、重力方向に対して略平行に発熱体の一面が配置された自然循環方式の沸騰冷却装置では、発熱体の一面と対向面との離間距離が小さすぎると、発熱体の一面で発生した気泡が、発熱体の一面と対向面の両方に接触した状態となり、気泡の排出性が悪化する。
【０００７】
この状態の気泡は、１つの気泡に限らず、発熱体の一面と対向面との間に並ぶ連続した複数の気泡のときもある。この状態の気泡は、浮力が重力等とつり合って気泡が上昇しないため、この状態の気泡が抵抗となって、発熱体の一面から次々に発生する気泡の排出が遅れてしまう。
【０００８】
この結果、発熱体の一面への液相冷媒の供給が困難となり、沸騰熱伝達率が向上するのではなく、沸騰熱伝達率が低下してしまう。
【０００９】
本発明は上記点に鑑みて、発熱体が液相冷媒に浸漬され、発熱体の少なくとも一面が重力方向に略平行となるように設置された自然循環式の沸騰冷却装置であって、気泡の排出性の悪化を抑制しつつ、沸騰熱伝達率の向上が可能な沸騰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、
発熱体は、液相冷媒に接し、熱を液相冷媒に伝える一面（２２ａ、２３ａ）を有し、一面が重力方向に略平行となるように配置されており、
重力方向に沿った方向での一面の長さをｙとし、一面上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さをｘとしたとき、下記の数式（１）を満たすように、一面の長さに応じて、液相冷媒層の厚さが設定されていることを特徴としている。
【００１１】
【数１】
2014022478.tif 000003
ここで、数式（１）は、気泡の排出性が良好となるときの一面の長さｙと液相冷媒層の厚さｘとの関係を、本発明者が実験から求めたものである。
【００１２】
このため、沸騰熱伝達率の向上のために液相冷媒層の厚さを小さく設定する際に、数式１を満たすように、液相冷媒層の厚さを設定することで、発熱体の一面から発生した気泡が、発熱体の一面と対向面の両方に接触した状態となることを抑制できる。
【００１３】
よって、本発明によれば、気泡の排出性の悪化を抑制しつつ、沸騰熱伝達率の向上が可能となる。
【００１４】
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一例である。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】第１実施形態における沸騰冷却装置の断面構成を示す図である。
【図２】図１中の第１放熱板２２の外面２２ａとその対向面との離間距離ｘと過熱度ΔＴｓａｔとの関係を示すグラフである。
【図３】数式（１）を満たす領域を示すグラフである。
【図４】第２実施形態における沸騰冷却装置の断面構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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、同一符号を付して説明を行う。
【００１７】
（第１実施形態）
本実施形態の沸騰冷却装置１は、貯留部１０と、発熱体２０と、凝縮部３０とを備えており、冷媒が重力や浮力によって貯留部１０と凝縮部３０との間を循環する自然循環式のものである。
【００１８】
貯留部１０は、内部に液相冷媒１２を貯留するものであり、本実施形態では銅製もしくはアルミニウム製のハウジング１１によって構成されている。ハウジング１１は、上壁１１ａと、底壁１１ｂと、側壁１１ｃ、１１ｄとを有しており、側壁１１ｃ、１１ｄの内壁面は重力方向に平行である。冷媒としては、例えば、ハイドロフルオロエーテル系、ハイドロフルオロカーボン系、ハイドロフルオロケトン系等の絶縁性のフッ素系冷媒が用いられる。また、冷媒は、減圧した状態で封入される。
【００１９】
凝縮部３０は、貯留部１０で沸騰気化した気相冷媒を冷却して凝縮させ、液相冷媒１２を貯留部１０に戻すものである。本実施形態では、凝縮部３０は、貯留部１０の上方に配置されており、内部に冷媒の流路を形成する複数本のチューブ３１と、隣り合うチューブ３１間に設けられ、放熱面積を拡大するフィン３２とを備える熱交換器として構成されている。チューブ３１およびフィン３２は銅製もしくはアルミニウム製である。チューブ３１内の気相冷媒と隣り合うチューブ３１間を流れる外部流体としての冷却風との熱交換により、気相冷媒の熱が放出され、気相冷媒が凝縮（液化）する。
【００２０】
凝縮部３０と貯留部１０とは、気相冷媒が流れる気相冷媒配管４１と、液相冷媒１２が流れる液相冷媒配管４２とによって接続されている。具体的には、気相冷媒配管４１の一端４１ａがハウジング１１の上部と連通し、気相冷媒配管４１の他端４１ｂがチューブ３１の上端側と連通しており、液相冷媒配管４２の一端４２ａがハウジング１１の下部と連通し、液相冷媒配管４２の他端４２ｂがチューブ３１の下端側と連通している。
【００２１】
発熱体２０は、貯留部１０の内部に配置されており、貯留部１０の内部の液相冷媒１２に浸漬されている。本実施形態の発熱体２０は、発熱部２１としての半導体素子と、発熱部２１の一面２１ａに接合された第１放熱板２２と、発熱部２１の一面２１ａとは反対側の他面２１ｂに接合された第２放熱板２３と、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａを露出しつつ、発熱部２１、第１、第２放熱板２２、２３を封止しているモールド樹脂２４とを備えている。第１、第２放熱板２２、２３は銅製である。
【００２２】
本実施形態では、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａの全域が液相冷媒１２に浸漬されており、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａが、それぞれ、液相冷媒１２に接し、熱を液相冷媒１２に伝える発熱体２０の一面（伝熱面）を構成している。なお、第１放熱板２２の外面２２ａが発熱体２０の一面を構成し、第２放熱板２３の外面２３ａが発熱体２０の他面を構成し、もしくは、第２放熱板２３の外面２３ａが発熱体２０の一面を構成し、第１放熱板２２の外面２２ａが発熱体２０の他面を構成しているとも言える。
【００２３】
そして、発熱体２０は、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａが重力方向に略平行となるように配置され、ハウジング１１の上壁１１ａと底壁１１ｂにモールド樹脂２４の一端２４ａと他端２４ｂとが挿入されて固定されている。モールド樹脂２４の一端２４ａでは、第１放熱板２２から延びた接続端子２５がモールド樹脂２４から露出しており、モールド樹脂２４の他端２４ｂでは、半導体素子２１に電気的に接続されたリードフレーム２６がモールド樹脂２４から露出しており、ハウジング１１の外側で接続端子２５とリードフレーム２６とが外部電極と電気的に接続される。
【００２４】
貯留部１０では、沸騰熱伝達率の向上のために、発熱体２０の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さｘが小さく設定されている。さらに、重力方向に沿った方向での発熱体２０の一面の長さをｙとし、発熱体２０の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さをｘとしたとき、下記の数式（１）を満たすように、発熱体２０の一面の長さｙに応じて、液相冷媒層の厚さｘが設定されている。
【００２５】
【数２】
2014022478.tif 000004
発熱体２０の一面上に存在する液相冷媒層とは、発熱体２０の一面に接する液相冷媒１２であって、発生した気泡１３が上昇する流路となる部分のことである。本実施形態において、重力方向に沿った方向での発熱体２０の一面の長さｙは、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａの重力方向長さであり、発熱体２０の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さｘは、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａとそれに対向するハウジング１１の内壁面（対向面）との水平方向での離間距離である。例えば、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａの重力方向長さが４７ｍｍのとき、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａ上に存在する液相冷媒層の厚さが６ｍｍ以上に設定されている。
【００２６】
ここで、数式（１）について説明する。
【００２７】
本発明者は、図１に示す構成の沸騰冷却装置１において、第１放熱板２２の外面２２ａ上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さ、すなわち、第１放熱板２２の外面２２ａとその対向面との離間距離ｘを各値に設定して過熱度ΔＴｓａｔを測定した。過熱度ΔＴｓａｔは、下記式で示され、Ｔｒ、Ｔｗの測定結果より算出される。
ΔＴｓａｔ＝Ｔｒ−Ｔｗ
Ｔｒ：気泡が発生しているときの冷媒温度（液体の飽和温度）、Ｔｗ：発熱体の表面温度
また、このときの測定条件は次の通りである。発熱体の第１放熱板２２の外面（伝熱面）２２ａの大きさは、重力方向（縦方向）長さｙが４７ｍｍであり、横方向長さが２１ｍｍである。用いた冷媒はハイドロフルオロエーテル系である。冷媒は、沸騰冷却装置１の内部に減圧状態に封入されており、具体的には、外気温２０℃のとき、沸騰冷却装置１の内部圧力（飽和蒸気圧）が約２０ｋＰaとなるように封入されている。沸騰冷却装置１の内部が減圧状態の場合、大気圧の場合と比較して、発生する気泡が巨大化するので、発熱体の一面と対向面の両方に接触した状態となりやすく、気泡の排出性の悪化が顕著となる。
【００２８】
図２に示すように、発熱体２０（発熱部２１）の熱流束ｑが３０Ｗ／ｃｍ２以下の場合では、ｘ≧６のとき、過熱度ΔＴｓａｔの値が一定となり、ｘ＝∞のときのΔＴｓａｔと同一となっていた。この結果より、第１放熱板２２の外面２２ａの重力方向長さが４７ｍｍのとき、第１放熱板２２の外面２２ａとその対向面との離間距離ｘを６ｍｍ以上に設定することで、気泡の排出性の悪化を抑制しつつ、沸騰熱伝達率の向上が可能となる。
【００２９】
そして、発熱体２０の一面の重力方向長さが４７ｍｍ以外の場合でも、このときと同様の関係が成立すると仮定し、発熱体２０の一面の重力方向長さをｙとしたときの一般式が数式（１）である。
【００３０】
ここで、図３に示すように、縦軸が発熱体の一面の重力方向長さｙであり、横軸が発熱体の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向厚さｘであるグラフにおいて、ｘ＝（６／４７）ｙの直線よりも下側の斜線領域が数式（１）を満たす領域である。なお、図３中の直線は、原点と（ｘ、ｙ）＝（６、４７）の２点を通る直線である。
【００３１】
さらに、図３には、発熱体の一面の重力方向長さｙが４７ｍｍ以外の場合において、図２の測定と同様に、ΔＴｓａｔを測定した結果を示している。ｘ＝∞と仮定したときのΔＴｓａｔと比較して、ΔＴｓａｔの差が１Ｋ以上の場合を×、ΔＴｓａｔの差が１Ｋ未満の場合を○とした。なお、ｘ＝∞と仮定したときとは、気泡が発熱体の一面と対向面の両方に接触しないことが明らかな程十分に大きな距離としたときを意味する。図３に示すように、数式（１）を満たす斜線領域内に○が示され、数式（１）を満たさない斜線領域外に×が示されていることから、数式（１）が適切であることがわかる。
【００３２】
なお、図２、図３に示す実験結果は、ハイドロフルオロエーテル系の冷媒を用いた場合のものであるが、ハイドロフルオロエーテル系の冷媒と物性値が類似している他のフッ素系冷媒においても、同様の結果が得られることが推測される。
【００３３】
次に、本実施形態の沸騰冷却装置１の作用効果について説明する。
【００３４】
貯留部１０において、発熱体２０の発熱部２１が作動して発熱すると、発熱部２１の熱が第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａから液相冷媒１２に伝達されることにより、液相冷媒１２が沸騰気化（蒸発）する。このとき、液相冷媒１２が蒸発することによる蒸発潜熱により第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａが冷却される。
【００３５】
貯留部１０で沸騰気化した気相冷媒は、貯留部１０の上部から上昇して、気相冷媒配管４１の内部を通って凝縮部３０に流入し、冷却されて凝縮し、液相冷媒１２となる。液相冷媒１２は、自重によって、凝縮部３０の下部から下降し、液相冷媒配管４２を通って、貯留部１０に戻る。このようにして、冷媒の沸騰と凝縮による潜熱移動によって発熱体２０が冷却される。
【００３６】
本実施形態では、上述の通り、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａとその対向面との水平方向での離間距離ｘが、沸騰熱伝達率の向上のためにできるだけ小さく、かつ、数式（１）を満たすように設定されている。このため、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａから気泡１３が発生したときに、第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａとその対向面との両方に気泡１３が接触した状態となることなく、発生した気泡１３を上昇させることができる。
【００３７】
よって、本実施形態によれば、気泡１３の排出性の悪化を抑制しつつ、沸騰熱伝達率の向上が可能となる。
【００３８】
（第２実施形態）
本実施形態の沸騰冷却装置１は、図４に示すように、貯留部１０の内部に発熱体２０が複数配置されている点が第１実施形態と異なり、その他の構成については、第１実施形態と同様である。なお、図４では、凝縮部３０、気相冷媒配管４１、液相冷媒配管４２を省略している。
【００３９】
複数の発熱体２０は、貯留部１０の内部で液相冷媒１２に浸漬されており、隣り合う発熱体２０の一面同士を対向させるとともに、対向する一面同士の間に液相冷媒１２が介在するように配置されている。具体的には、同じ構造の３つの発熱体２０がハウジング１１の内部に配置されており、例えば、図４中の左から１番目の発熱体２０の第２放熱板２３の外面２３ａと左から２番目の発熱体２０の第１放熱板２２の外面２２ａとが対向し、両外面２３ａと２２ａとの間に液相冷媒が介在している。
【００４０】
本実施形態においても、第１実施形態と同様に、図４中の左から１番目の発熱体２０の第１放熱板２２の外面２２ａと対向するハウジング１１の内壁面（対向面）との水平方向での離間距離ｘが、数式（１）を満たすように設定されている。図４中の左から３番目の発熱体２０も同様である。
【００４１】
さらに、本実施形態では、図４に示すように、隣り合う発熱体２０の一面同士の間に存在する液相冷媒層を水平方向で２つの領域に分け、一方の発熱体２０の一面（例えば、図４中の左から１番目の発熱体２０の第２放熱板２３の外面２３ａ）上に存在する液相冷媒層の厚さｘと、他方の発熱体２０の一面（例えば、図４中の左から２番目の発熱体２０の第１放熱板２２の外面２２ａ）上に存在する液相冷媒層の厚さｘとが、それぞれ、数式（１）を満たすように設定されている。
【００４２】
すなわち、対向する発熱体２０の一面同士の間に存在する液相冷媒層の水平方向厚さを２ｘとして、この液相冷媒層の水平方向厚さが、数式（１）を満たすように、設定されている。具体的には、図４中の左から１番目の発熱体２０の第２放熱板２３の外面２３ａと左から２番目の発熱体２０の第１放熱板２２の外面２２ａとの離間距離２ｘが、数式（１）を満たすように、設定されている。
【００４３】
本実施形態においても、複数の発熱体２０のすべてにおいて、発熱体２０の第１、第２放熱板２２の外面２２ａ、２３ａ上に存在する液相冷媒層の水平方向厚さｘが、数式（１）を満たすように設定されているので、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００４４】
（他の実施形態）
（１）上述の各実施形態では、第１、第２放熱板２２、２３を設け、発熱体２０の両面を冷却していたが、第１、第２放熱板２２、２３の一方のみを設け、発熱体２０の片面を冷却する場合においても本発明の適用が可能である。
【００４５】
（２）上述の各実施形態において、発熱体２０の第１、第２放熱板２２、２３を省略し、発熱部２１の一面２１ａおよび他面２１ｂが液相冷媒１２に接するようにしても良い。この場合、発熱部２１の一面２１ａが発熱体の一面に相当する。
【００４６】
（３）上述の各実施形態において、発熱体２０の第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａに、多孔質層を設けても良い。この場合、多孔質層の外面（受熱面とは反対側の面）が、発熱体２０の一面に相当するため、数式（１）を満たすように、多孔質層の外面上に存在する液相冷媒層の水平方向での厚さを設定すれば良い。
【００４７】
（４）上述の各実施形態において、発熱体２０の第１、第２放熱板２２、２３の外面２２ａ、２３ａに、複数本の柱状のピンを備えるピンフィンを設けても良い。この場合、ピンフィンの先端の位置からの液相冷媒層の厚さをｘとして、ｘが数式（１）を満たすように設定する。このように液相冷媒層が複数の厚さを有する場合、液相冷媒層の厚さが最小となる位置での液相冷媒層の厚さをｘとする。すなわち、発熱体の一面上のどの位置においても、発熱体の一面上に存在する液相冷媒層の水平方向厚さが、数式（１）を満たすように設定する。
【００４８】
（５）上述の各実施形態では、発熱体の一面とその対向面とが平行であったが、完全に平行でない場合であっても本発明の適用が可能である。例えば、ハウジング１１の側壁１１ｃ、１１ｄが、上側ほど発熱体２０の一面との離間距離が大きくなるように、傾斜している場合、発熱体２０の一面の下端では液相冷媒層の水平方向厚さが最小となり、上端では液相冷媒層の水平方向厚さが最大となる。この場合では、液相冷媒層の最小厚さが、数式（１）を満たすように設定すれば良い。
【００４９】
（６）上述の各実施形態を実施可能な範囲で組み合わせても良い。
【符号の説明】
【００５０】
１      沸騰冷却装置
１０    貯留部
１２    液相冷媒
２０    発熱体
２２ａ  第１放熱板の外面（発熱体の一面）
２３ａ  第２放熱板の外面（発熱体の一面）
３０    凝縮部
【図１】
2014022478.tif 000007
【図２】
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【図３】
2014022478.tif 000009
【図４】
2014022478.tif 000010