(57)【要約】【課題】  沸騰伝熱面にキャビティを形成することにより、気泡の排出性を促進させることにより、発熱体の熱拡散を促進することができる沸騰冷却器の沸騰伝熱面を提供する。【解決手段】  沸騰冷却器の沸騰伝熱面１は、外面に固定された発熱体１４の熱を受けて内部の液相冷媒を沸騰させる沸騰部１１と、沸騰部１１で沸騰した蒸気を凝縮させる凝縮部１３とを備える沸騰冷却器であって、沸騰部１１の発熱体１４と対応する内部の部位には、液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面１が形成され、沸騰伝熱面１には、金属材２から起立させ、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィン３が設けられ、フィン３の屈曲した先端部が隣接する他のフィンの背面に接合され、頂部には液相冷媒の沸騰によって発生する気泡１５を通過させるための小孔４が複数個形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に固定された発熱体の熱を受けて内部の液相冷媒を沸騰させる沸騰部と、前記沸騰部で沸騰した蒸気を凝縮させる凝縮部とを備える沸騰冷却器であって、
前記沸騰部の前記発熱体と対応する内部の部位には、前記液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面が形成され、
前記沸騰伝熱面は、金属材から起立させ、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィンが設けられ、
前記フィンの屈曲した先端部が隣接する他のフィンの背面に接合され、頂部には前記液相冷媒の沸騰によって発生する気泡を通過させるための小孔が複数個形成されていることを特徴とする沸騰冷却器の沸騰伝熱面。
【請求項２】
沸騰伝熱面は熱伝導率が良好な金属材からなり、この金属材自体を切り起こすことによって起立させた板状のフィンが所定の間隔で複数条形成され、前記フィンの屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合することにより、液相冷媒を沸騰させて気泡を発生させるためのキャビティを形成した請求項１に記載の沸騰冷却器の沸騰伝熱面。
【請求項３】
金属材自体を掘り起こすことによって起立させた板状のフィンは、このフィンの基端の一方側と金属材の表面との間の角度を鋭角に形成した請求項１及び２に記載の沸騰冷却器の沸騰伝熱面。
【請求項４】
所定の間隔で凹溝が複数条形成された、熱伝導率が良好であり切削加工が可能な金属材と、
先端側に刃部が形成された切削工具と、
前記切削工具を前記表面と所定角度傾斜させた切り起こす方向に移動させて上記刃部により上記金属材の表面から前記凹溝よりも深く切り起こすことにより板状のフィンをカーリングさせながら起立形成し、前記フィンの先端側に前記凹溝によって形成された複数個の切り溝条の小孔を形成し、
上記刃部が所定の深さに達する前に前記フィンの先端側を円弧状に屈曲形成させて、前記フィンの屈曲した先端部が事前に形成されていた前方の他のフィンの背面に当接させた後、上記刃部が所定の深さに達し、しかも、前方の他の前記フィンと所定の間隔になるまで移動させて、前記フィンの先端側を前記切削工具により前方の他の前記フィンの背面に圧接状態で接合させ、
以後、切削工具により、前記フィンを切り起こした後、前記フィンの先端側を前方の他の前記フィンの背面に接合させる工程を順次繰り返して
上記ワークに所定の深さと面積を有する凹所を形成することを特徴とする沸騰伝熱面の形成方法。
【請求項５】
金属材の表面に所定の間隔で複数条形成される凹溝は、前記切削工具の刃部によって起立形成されるフィンの頂部に小孔が形成されるような深さに形成される請求項４に記載の沸騰伝熱面の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、例えば電子部品等の発熱体から生ずる熱を効率的に冷却するための沸騰冷却器に関し、詳しくは、沸騰冷却器の液相冷媒を沸騰させる沸騰部における沸騰伝熱面に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来、沸騰伝熱面の伝熱面積を拡大させるために沸騰伝熱面にフィンを設けた冷却装置として、種々の構成が提案されている。例えば、冷媒として環境にやさしい水を採用するとともに、冷却装置の材質に銅を用い、沸騰伝熱面にフィンを設け、発泡密度を高めたものがある（例えば、特許文献１参照）。【０００３】  また、沸騰伝熱面に複数のピラミッド状のフィンを設け、フィン階段部のコーナー部を沸騰核の形成サイトとして作用させ、冷媒の沸騰を促進させたものがある（例えば、特許文献２参照）。【０００４】
【特許文献１】特開２０００−９１４８２号公報
【特許文献２】特開２００４−５６１２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  例えば、半導体素子用の冷却装置では、冷却対象である素子をその耐熱温度以下に保つことをその目的としている。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。【０００６】  沸騰開始時の気泡径は冷却装置内の圧力に反比例して大きくなる。減圧状態での沸騰では沸騰開始時の気泡径が大きいため、沸騰伝熱面から離脱する気泡の径（以下、離脱気泡径という）が大きくなる。したがって、内部を減圧状態とする冷却装置では、気泡の排出性を悪化させない構造とする必要がある。このため、沸騰伝熱面にフィンを設けた上記特許文献１、２に記載の冷却装置においては、騰開始時の気泡径が大きいために、フィンの間隔を大きくするか、フィンの高さを低くする必要がある。しかしながら、気泡径が大きい場合には、沸騰伝熱面が大きな気泡に覆われるため、冷却効果が損なわれる。【０００７】  沸騰冷却器の沸騰伝熱面においては、伝熱面の温度上昇に伴い、気泡が発生、成長して沸騰を開始するが、気泡の核は、伝熱面上のキャビティに発生し易い。このため、上記特許文献１、２に記載の冷却装置のようなフィンは、キャビティが形成されていないので、気泡の発生、成長が少ない。【０００８】  そこで、本発明の課題は、沸騰伝熱面にキャビティを形成することにより、気泡の排出性を促進させることにより、発熱体の熱拡散を促進することができる沸騰冷却器の沸騰伝熱面を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】  上記の課題を解決するために、本発明にかかる沸騰冷却器の沸騰伝熱面は、外面に固定された発熱体の熱を受けて内部の液相冷媒を沸騰させる沸騰部と、前記沸騰部で沸騰した蒸気を凝縮させる凝縮部とを備える沸騰冷却器であって、前記沸騰部の前記発熱体と対応する内部の部位には、前記液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面が形成され、前記沸騰伝熱面には、金属材から起立させ、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィンが設けられ、前記フィンの屈曲した先端部が隣接する他のフィンの背面に接合され、頂部には前記液相冷媒の沸騰によって発生する気泡を通過させるための小孔が複数個形成されている。【００１０】  また、沸騰伝熱面は熱伝導率が良好な金属材からなり、この金属材自体を切り起こすことによって起立させた板状のフィンが所定の間隔で複数条形成され、前記フィンの屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合することにより、液相冷媒を沸騰させて気泡を発生させるためのキャビティを形成している。【００１１】  さらに、金属材自体を掘り起こすことによって起立させた板状のフィンは、このフィンの基端の一方側と金属材の表面との間の角度を鋭角に形成することが望ましい。【００１２】  本発明にかかる沸騰冷却器の沸騰伝熱面の形成方法は、熱伝導率が良好で切削加工が可能であり、沸騰伝熱面を形成する表面には、所定の間隔で凹溝が複数条形成された金属材と、先端側に刃部が形成された切削工具と、前記切削工具を前記表面と所定角度傾斜させた切り起こす方向に移動させて上記刃部により上記金属材の表面から前記凹溝よりも深く切り起こすことにより板状のフィンをカーリングさせながら起立形成し、前記フィンの先端側に前記凹溝によって形成された複数個の切り溝条の小孔を形成し、上記刃部が所定の深さに達する前に前記フィンの先端側を円弧状に屈曲形成させて、前記フィンの屈曲した先端部が事前に形成されていた前方の他のフィンの背面に当接させた後、上記刃部が所定の深さに達し、しかも、前方の他の前記フィンと所定の間隔になるまで移動させて、前記フィンの先端側を前記切削工具により前方の他の前記フィンの背面に圧接状態で接合させ、以後、切削工具により、前記フィンを切り起こした後、前記フィンの先端側を前方の他の前記フィンの背面に接合させる工程を順次繰り返すことにより、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィンが設けられた沸騰伝熱面が形成される。【００１３】  また、沸騰伝熱面を形成する金属材の表面に所定の間隔で複数条形成される凹溝は、前記切削工具の刃部によって起立形成されるフィンの頂部に小孔が形成されるような深さに形成している。
【発明の効果】
【００１４】  本発明にかかる沸騰冷却器の沸騰伝熱面によれば、沸騰伝熱面に、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィンの先端部を隣接する他のフィンの背面に接合し、頂部に気泡を通過させるための小孔を複数個形成しているので、隣接するフィンの間にはキャビティが形成さることから、伝熱面の温度上昇に伴い、キャビティ内に気泡の核が発生し易くなり、小さな気泡が多数発生して沸騰を開始させることができる。この小さな気泡は、キャビティ内で成長し、頂部の小孔から順次沸騰冷却器内に放出するので、電子部品等の発熱体から生ずる熱を効率的に冷却することができる。【００１５】  また、金属材自体を掘り起こすことによって起立させた板状のフィンの基端の一方側と金属材の表面との間の角度を鋭角に形成することにより、鋭角に形成された角部分が気泡の核になり、発泡現象を加速させることが可能となる。【００１６】  一方、本発明にかかる沸騰伝熱面の形成方法によれば、先端側に刃部が形成された切削工具により、先端側を円弧状に屈曲形成させたフィンを切り起こし形成するとき、フィンの先端側を切削工具によって前方の他のフィンの背面に圧接状態で接合させることができるので、頂部に小孔が形成されたキャビティを容易に形成することができる。【００１７】  また、頂部に形成される小孔が、沸騰伝熱面を形成する金属材の表面に予め形成した複数条の凹溝によって、フィンを起立形成する工程内で形成されるので、製造工程を簡略にすることができる。このとき、凹溝の深さを調整することにより、頂部に形成する小孔の大きさを調整することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明にかかる沸騰伝熱面の一例を示す斜視図である。
【図２】図１に示す沸騰伝熱面を示す側断面図である。
【図３】図１における発沸騰伝熱面の反対側から見た斜視図である。
【図４】沸騰冷却器における沸騰部の動作を示す説明図である。
【図５】沸騰冷却器の構成の概要を示す構成図である。
【図６】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）（Ｄ）は、沸騰伝熱面の形成工程を示す工程図である。
【図７】（Ａ）（Ｂ）は、凹溝の変形例を示す要部側面図である。
【図８】沸騰伝熱面の変形例を示す側断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】  沸騰冷却器の沸騰伝熱面は、外面に固定された発熱体の熱を受けて内部の液相冷媒を沸騰させる沸騰部と、前記沸騰部で沸騰した蒸気を凝縮させる凝縮部とを備える沸騰冷却器であって、前記沸騰部の前記発熱体と対応する内部の部位には、前記液相冷媒の沸騰を促進する沸騰伝熱面が形成され、前記沸騰伝熱面には、この沸騰伝熱面から起立させ、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィンが設けられ、前記フィンの屈曲した先端部が隣接する他のフィンの背面に接合され、頂部には前記液相冷媒の沸騰によって発生する気泡を通過させるための小孔が複数個形成されている。【００２０】  沸騰伝熱面は熱伝導率が良好な金属材からなり、この金属材自体を切り起こすことによって起立させた板状のフィンが所定の間隔で複数条形成され、前記フィンの屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合することにより、液相冷媒を沸騰させて気泡を発生させるためのキャビティを形成している。【００２１】  また、沸騰伝熱面の形成方法は、熱伝導率が良好な金属材からなる沸騰伝熱面を形成する表面には、所定の間隔で凹溝が複数条形成された、切削加工が可能な金属材と、先端側に刃部が形成された切削工具と、前記切削工具を前記表面と所定角度傾斜させた切り起こす方向に移動させて上記刃部により上記金属材の表面から前記凹溝よりも深く切り起こすことにより板状のフィンをカーリングさせながら起立形成し、前記フィンの先端側に前記凹溝によって形成された複数個の切り溝条の小孔を形成し、上記刃部が所定の深さに達する前に前記フィンの先端側を円弧状に屈曲形成させて、前記フィンの屈曲した先端部が事前に形成されていた前方の他のフィンの背面に当接させた後、上記刃部が所定の深さに達し、しかも、前方の他の前記フィンと所定の間隔になるまで移動させて、前記フィンの先端側を前記切削工具により前方の他の前記フィンの背面に圧接状態で接合させ、以後、切削工具により、前記フィンを切り起こした後、前記フィンの先端側を前方の他の前記フィンの背面に接合させる工程を順次繰り返すことにより、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィンが設けられた沸騰伝熱面が形成される。
【実施例】
【００２２】  次に、図面を参照して、本発明にかかる沸騰冷却器の沸騰伝熱面について詳細に説明する。【００２３】  図１は、本発明による沸騰伝熱面の一例を示す斜視図である。沸騰伝熱面１は、熱伝導率が良好であり、切削可能な、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅合金あるいはステンレス鋼等の金属材２によって形成される。金属材２の沸騰伝熱面１を形成する表面には、金属材２から起立させ、先端側を円弧状に屈曲形成した複数条の板状のフィン３が設けられている。また、複数条の各フィン３の屈曲した先端部は、隣接する他のフィンの背面に接合され、頂部には、後述する液相冷媒の沸騰によって発生する気泡を通過させるための小孔４が複数個形成されている。【００２４】  このように、複数条の各フィン３の屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合することにより、隣接する各フィン３の間には、トンネル状のキャビティ５が各々形成される。このキャビティ５は、頂部に形成された複数個の小孔４に連通している。【００２５】  上述した小孔４は、図２、図３に示すように、当初、フィン３の先端から頂部に至る間に切り溝３ａになっている。これは、後述する形成方法によって詳述するが、沸騰伝熱面１を形成する金属材２に予め形成された凹溝２ａによって形成される。切り溝３ａは、各フィン３の屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合することにより、接合個所が閉塞される。この結果、各フィン３の頂部のみが開口して小孔４が形成される。【００２６】  また、図１乃至図３に示すように、板状の各フィン３は、このフィン３の基端の一方側と金属材の表面との間の角度を鋭角に形成した角部６が形成されている。この角部６は、金属材２自体を掘り起こすことによって起立させるときに形成することができる。このように、フィン３の基端の一方側に鋭角に形成した角部６を形成することにより、後述するように、この鋭角な角部６に気泡の核が発生し易くなり、発泡現象を加速させることが可能となる。なお、フィン３を挟んだ基端の反対側は、金属材の表面との間の角度が比較的鈍角に形成されている。【００２７】  以上の構成からなる沸騰伝熱面１を用いた沸騰冷却器について、図４、図５によって説明する。図５は、半導体素子用の沸騰冷却器を示している。沸騰冷却器は、水やアルコール或いは、温暖化係数やオゾン層破壊係数が小さなフッ素系冷媒やハイドロフルオロエーテル系の冷媒等の液相冷媒１０が封入された沸騰部１１と、液相冷媒１０の蒸気１２で満される凝縮部１３からなる密閉容器である。半導体素子からなる発熱体１４は、沸騰部１１の外壁面であり、沸騰伝熱面１と対応する部位に取付けられる。半導体素子からなる発熱体１４の発熱損失は、矢示のように、沸騰部１１内の沸騰伝熱面１まで熱伝導により伝わる。【００２８】  沸騰伝熱面１と、これに接する液相冷媒１０の温度が、蒸気相を形成するのに十分な条件に達したとき、図４に示すように、沸騰伝熱面１のキャビティ５内の発泡点より気泡核が発生し、気泡１５に成長する。この気泡の核は、特に角部６に発生し易い。気泡核はキャビティ５内で気泡１５成長し、浮力を増して沸騰伝熱面１の小孔４を通過することにより、液相冷媒１０に発熱損失が伝わる���【００２９】  液相冷媒１０に達した気泡１５は、浮力により水面に上昇し、発熱損失は凝縮部１３に運ばれる。液相冷媒１０の水面から離脱した気泡は蒸気１５に変態した発熱損失となり、凝縮部１３に運ばれた発熱損失は、凝縮部１３に設けられたフィン１３ａなどの間を通る冷却風により放熱される。一方、蒸気は冷却され凝縮して液化し、沸騰部１１に戻るサイクルを繰り返す。以上のようにして半導体素子等の発熱体１４は冷却される。【００３０】  次に、沸騰伝熱面１の形成方法について、図６を参照しながら説明する。
沸騰伝熱面１は、熱伝導率が良好であり、切削可能な、例えば、アルミニウムやアルミニウム合金、銅合金あるいはステンレス鋼等の金属材２によって形成される。素材となる金属材２は、図６（Ａ）に示すように、平板状であり、沸騰伝熱面１が形成される一方面には、凹溝２ａが形成されている。図６（Ａ）に示す凹溝２ａは、例えば、切削加工やフライス加工等によってＶ字状の溝が形成される。【００３１】  金属材２の一方面には、切削工具２０によって板状の各フィン３が形成される。切削工具２０は、先端に移動方向と直角な刃部２０ａが形成されている。また、この切削工具２０は、金属材２の一方面に対して後端側が高くなるように所定の角度で傾斜した状態で図示しない駆動装置に取り付けられる。この傾斜角度は、フィン３の高さ、板厚、或いは、金属材２の材質等によって適宜に設定されるが、概ね５度から５０度に設定している。なお、切削工具２０のフィン３が接触する先端面の上方は、フィン３を起立形成するとき、先端側を円弧状に屈曲形成するため、カーリングした形状にすることが望ましい。【００３２】  そして、切削工具２０の刃部２０ａを金属材２の一方面に当接させた後、切削工具２０を駆動装置により所定の角度で矢示の方向に挿入させると、切削工具２０の刃部２０ａを金属材２の一方面に食い込ませ、さらに所定の深さに達するまで移動させることにより、所定の高さを有する板状の最初のフィンが起立形成される。この最初のフィンは、図６（Ｃ）において、切削工具２０により起立形成した状態では、先端側が大きな円弧を描くように屈曲形成される。【００３３】  次いで、切削工具２０を図示右方の上流側の位置に移動すると共に、切削工具２０の刃部２０ａを金属材２の一方面に当接させた後に移動させると、図６（Ｂ）に示すように、次の板状のフィン３の起立形成が行われる。そして、切削工具２０の刃部２０ａを所定の深さに向けて移動させると、図６（Ｃ）に示すように、先端側が大きな円弧を描くように屈曲形成されたフィン３が起立形成される。このときのフィン３の位置は、フィン３の所定の間隔Ｐ１よりも大きな間隔Ｐ２になっている。【００３４】  その後、切削工具２０の刃部２０ａを続けて移動させ、刃部２０ａが所定の深さ達するとともに、所定の間隔Ｐ２に達するまで移動させると、図６（Ｄ）に示すように、フィン３の先端側が、予め起立形成されている隣接する他のフィン３の背面に圧接状態で接合して、先端側の円弧が楕円状に潰される。このように、起立形成するフィン３の先端側を隣接する他のフィン３の背面に接合することにより、隣接する板状のフィン３の間には、トンネル条のキャビティ５が形成される。以後、切削工具２０を上流側に移動して当接せた後、切削工具２０の移動によりフィン３を起立形成する工程を順次繰り返すことにより、板状の複数のフィン３を起立形成した沸騰伝熱面１の形成される。【００３５】  このような図６に示す形成工程において、金属材２の一方面には、前述したように、複数条の凹溝２ａが形成されている。この凹溝２ａは、図６（Ｂ）に示すように、金属材２の板厚ｔよりも小さな寸法の深さｄに設定されている。この金属材２の一方面を、上述したフィン起立形成工程によってフ��ン３を形成すると、切削工具２０の刃部２０ａが凹溝２ａの深さｄに達するまでは、フィン３の先端側に、図２、図３に示したような、複数の切り溝３ａが形成される。さらに切削工具２０を移動させると、刃部２０ａが凹溝２ａの深さｄよりも深くなっているので、切り溝３ａは形成されない。【００３６】  この切り溝３ａは、各フィン３の屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合することにより、接合個所が閉塞される。この結果、各フィン３の頂部のみが開口して小孔４が形成される。このように、小孔４は金属材２の一方面に形成された複数条の凹溝２ａから形成されるので、凹溝２ａの幅、深さを適宜に設定することにより、小孔４の大きさを調整することができる。【００３７】  図７は、金属材２の一方面に形成される凹溝２ａの変形例を示している。図７（Ａ）に示す凹溝２ａは、矩形状に形成している。また、図７（Ｂ）に示す凹溝２ａは、Ｕ溝に形成している。この凹溝２ａの形状によって小孔４の形状が変化するので、沸騰伝熱面１の性能を評価したうえで、任意の形状に設定することが望ましい。【００３８】  図８は、沸騰伝熱面１に形成されるフィンの変形例を示している。図８に示すフィン３は、先端部を略円形状に形成している。この例においても、各フィン３の屈曲した先端部を隣接する他のフィンの背面に接合し、隣接する板状のフィン３の間には、トンネル条のキャビティ５が形成されること、及び、各フィン３の頂部に小孔４が形成されることは前述した実施例と同様である。【００３９】  以上、本発明を実施例に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変更可能であることは言うまでもない。例えば、上述した沸騰伝熱面の形状は、沸騰冷却器の構成に合わせて適宜に変形しても良い。
【符号の説明】
【００４０】１      沸騰伝熱面
２      金属材
２ａ    凹溝
３      フィン
３ａ    切り溝
４      小孔
５      キャビティ
１０    冷媒
１１    沸騰部
１３    凝縮部
１４    発熱体
１５    気泡
【図１】
2014075563.tif 000003
【図２】
2014075563.tif 000004
【図３】
2014075563.tif 000005
【図４】
2014075563.tif 000006
【図５】
2014075563.tif 000007
【図６】
2014075563.tif 000008
【図７】
2014075563.tif 000009
【図８】
2014075563.tif 000010