(57)【要約】【課題】  沸騰冷却器においては、冷却効率をさらに向上させるために、蒸発面から発生した気泡を可能な限り速やかに蒸発面から排除することが求められていた。【解決手段】  本発明の沸騰冷却器は、液相冷媒を貯留し、外部から熱を受けて前記液相冷媒を液体から蒸気に相変化させる蒸発部を有する冷却装置において、冷却対象物と熱的に接する基底部を有し、上端部に切り欠きをもつ複数のフィンを冷媒と接する面の反対側の面に有し、フィンは、水平から傾いた面を持つ軒部と、基底部から直立する側壁部を有し、一つのフィンの軒部がその隣のフィンの側壁部と接触し、フィンの軒部の一部に開口部を有する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液相冷媒を貯留し、外部から熱を受けて前記液相冷媒を液体から蒸気に相変化させる蒸発部を有する冷却装置において、
前記蒸発部は、冷却対象物と熱的に接する基底部を有し、
前記基底部は、第一のフィン及び第二のフィンを冷媒と接する面の反対側の面に有し、
前記第一のフィン及び前記第二のフィンは、傾いた面を有する軒部と、基底部から直立する側壁部とを有し、
前記第一のフィンの前記軒部が前記第二のフィンの前記側壁部と接触し、
前記第一のフィンの前記軒部の水平から傾いた面の一部に傾いた開口部を有する、
冷却装置。
【請求項２】
前記第一のフィン及び前記第二のフィンで形成される構造が、一方向に一つ以上繰り返された構造を有する、請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記第一のフィンの前記軒部上に、前記開口部を複数有する、請求項1〜2に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記第一のフィンの前記軒部上に、複数の前記開口部が等間隔に並ぶ、請求項3に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記開口部の大きさは、数μｍから１００μｍの孔径である、請求項1〜4に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記軒部が、基底部上方に凸形状となる構造を有する、請求項1〜5に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記軒部が、基底部上方に凹形状となる構造を有する、請求項1〜5に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記軒部が、平面である、請求項１〜５に記載の冷却装置。
【請求項９】
一つの前記蒸発部において、複数の前記第一のフィンが、複数の高さまたは複数の間隔で構成される、請求項１〜８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、半導体装置や電子機器などの冷却装置に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体装置や電子機器などの高性能化と小型化に伴い、それらの発熱密度も増大している。このため高効率で小型の冷却装置が求められており、冷媒の気化と凝縮サイクルを用いて熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置は、ポンプなどの駆動部を必要としないため、半導体装置や電子機器などの冷却装置として期待されている。
【０００３】
沸騰冷却方式においては、液体の自由表面よりも下の面が加熱を受けて沸騰する。この現象はプール沸騰（Pool boiling）と呼ばれている。
【０００４】
このような沸騰冷却方式を用いた冷却器（以下、「沸騰冷却器」と言う）は、発熱量に応じて蒸気が発生するため、最大発熱量に応じて決定される冷媒量をあらかじめ封入して使用する。
【０００５】
沸騰冷却器を用いた冷却方法においては、液相冷媒が蒸気へ気化する瞬間が最も伝熱効率が高い。そのため、冷媒が気化する状況を多く作り出すことで、冷却器としての冷却性能が向上する。
【０００６】
冷却性能向上の一つの方法として、多数の気泡を発生しやすくするための気泡核を蒸発面へ形成するとよいことがわかっている。その一例が特許文献１および特許文献２に記載されている。
【０００７】
特許文献１に記載された沸騰冷却器は、発熱体の発熱により冷媒が液相から気相に変化する面である、蒸発面に金属小片のコーティングにより粗くすることで気泡核を形成する方法が記載されている。特許文献２には、エッチングにより蒸発面を粗くする方法が記載されている。
【０００８】
さらに、蒸発面から発生した気泡を速やかに除去し、次々と気泡を発生させることでも性能向上が期待できる。その一例が特許文献３に記載されている。
【０００９】
特許文献３に記載された沸騰冷却器は、図１０に示すように制限開口２０６の下部に空洞２０５を設け、冷媒を液面２０９で示されるような高さまで入れ、制限開口２０６を冷媒で覆う構成としている。このようにすることで、液相の冷媒が制限開口２０６から浸入した後、熱交換壁２０４から熱エネルギーを受け取って直ちに蒸発し、蒸気泡２０７を成長させ、気泡２０８として離脱した後に、再び液相冷媒が浸入するというサイクルを高速で行えるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００９−５１８４６１
【特許文献２】特開２００７−１０９６９５
【特許文献３】特公昭６３−２１１１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献３の沸騰冷却器においては、冷却効率をさらに向上させるために、蒸発面から発生した気泡を可能な限り速やかに蒸発面から排除することが求められていた。
【００１２】
［発明の目的］
本発明の目的は、上述した課題である沸騰冷却器において、蒸発面から発生した気泡を可能な限り速やかに蒸発面から排除するという課題を解決する沸騰冷却器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の沸騰冷却器は、液相冷媒を貯留し、外部から熱を受けて前記液相冷媒を液体から蒸気に相変化させる蒸発部を有する冷却装置において、冷却対象物と熱的に接する基底部を有し、複数のフィンを冷媒と接する面の反対側の面に有し、フィンは、水平から傾いた面を持つ軒部と、基底部から直立する側壁部を有し、一つのフィンの軒部がその隣のフィンの側壁部と接触し、フィンの軒部の水平から傾いた面の一部に水平から傾いた開口部を有する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の効果は、空洞からの気泡の離脱が容易となることである。
【００１５】
本発明の蒸発構造では、水平から傾いた面上に開口が設けられる。これにより気泡と液相冷媒の出入りがよくなると予想される。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
次に、発明を実施するための最良の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る沸騰冷却器の蒸発部１００の構成を示す透視図である。
【００１８】
本発明の沸騰冷却器の蒸発部１００は、基底部１０１と容器部１１０を備える。
【００１９】
基底部１０１にはさらに、フィン１０２を複数備える。
【００２０】
沸騰冷却器全体としては、この蒸発部１００の他に凝縮部があり、さらに蒸発部と凝縮部とは配管でつながれている。
【００２１】
蒸発部では、液相冷媒が貯留され、また、外部からの熱エネルギーを受けとり液相冷媒が蒸気に相変化する。蒸発部で発生した蒸気は、配管を通って凝縮部に移動する。
【００２２】
凝縮部では蒸気が熱エネルギーを放出し、蒸気から液相へと凝縮する。凝縮部で発生した液相冷媒は先程とは別の配管を通り、蒸発部へと流れこむ。
【００２３】
このように、沸騰冷却器においては冷媒が相変化しながら内部を循環して熱エネルギーを運ぶ。
【００２４】
冷媒は例えば、低沸点で、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が選択される。
【００２５】
基底部１０１と容器部１１０は溶接やろう付け等により接合されて密閉構造を形成し、内部に冷媒が注入される。
【００２６】
冷媒注入後に沸騰冷却器内は真空脱気される。このため蒸発部１００の内部の圧力は冷媒の飽和蒸気圧に等しい。
【００２７】
沸騰冷却器動作中は、冷却対象物の発熱量に応じて内部の温度が上昇する。このとき冷媒の飽和蒸気圧は内部の温度上昇に対応して高くなる。
【００２８】
基底部１０１は熱伝導性の良い、例えばアルミニウムや銅などの金属で形成され、その裏面はＣＰＵなどの冷却対象物と放熱シートや放熱グリースなどの熱伝導性の良い部材を介して熱的に接続される。
【００２９】
このようにすることで、冷却対象物の熱エネルギーが基底部１０１を通じて冷媒へと移動する。このため冷却対象物の温度上昇は抑制される。
【００３０】
移動した熱エネルギーは、主に、気化熱として冷媒の液体から気体への相変化に費やされる。
【００３１】
図２は、図１に示す複数のフィンのうち３つのみを拡大して示した図である。基底部１０１には、冷媒と接する面側、つまり冷却対象物と接する面の反対側に、フィン（１０２A,１０２B,１０２C）を設ける。
【００３２】
フィン（１０２A,１０２B,１０２C）は、基底部１０１に直立する側壁部１１２と、蒸発部上方に凸形状となるように湾曲した軒部１１３とで構成される。そのため軒部１１３は水平から傾いた面をもつ。
【００３３】
軒部１１３の先端の一部には、予め切欠き１０４を一定間隔で複数箇所に設ける。
【００３４】
フィン１０２Aの軒部１１３の先端は、その隣にあるフィン１０２Bの側壁部１１２と接触する。
【００３５】
これにより軒部１１３の下に空洞１１１を形成する。さらに、軒部１１３の水平から傾いた面上には一定間隔の複数の開口部１０３を形成する。
【００３６】
図３に示すように、フィン１０２は上端部に等間隔に複数設けられた切欠き１０４を有するものを曲げた形状である。
【００３７】
フィン１０２は、プレス加工などにより上面が凸形状となるように曲げられながら基底部より切り起こされる。この時、切欠き１０４はその先端が隣に設ける別のフィン１０２と接触することにより閉じられる。
【００３８】
一枚の板から蒸発構造を形成することのできる製造方法であるため、空洞部を持つ部材と開口部をもつ部材とを別個に製造する手間を省くことができる。また、この製造方法であれば、開口部と空洞部との位置合わせは不要である。
【００３９】
図２において、開口部１０３の大きさは、冷媒の表面張力などの物性特性から最適な寸法が決定される。上述の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を冷媒に選定した場合は、開口部１０３を円形と考えた時の直径で数μｍから１００μｍ程度とするのがよい。
【００４０】
数μｍから１００μｍの開口孔をドリルなどの機械加工で形成することは非常に困難であるが、上述の製造方法であれば、その作製条件を変えることで微細な開口部を形成することが比較的容易である。
【００４１】
図４に示すように、開口部１０３の大きさを変える方法として、例えばフィン１０２の間隔を、図4(a)のように広い間隔から、図4（b）のように狭い間隔へと変えてもよい。フィン１０２の間隔を変える他、フィン１０２の高さを変えることによっても、開口部の大きさを変えることが可能である。
【００４２】
開口部の間隔は開口部の大きさと同程度であることが望ましい。
【００４３】
図５に示すように、開口部１０３を有する凸形状のフィン１０２を形成した後は、フィン１０２の表面に対し、サンドブラストなどの機械加工やメッキなどの化学処理を行い、粗面１０５を形成してもよい。
【００４４】
こうすることにより、粗面の凹凸に気泡核が形成されるようになるので、主として蒸発部の温度が高い状態すなわち高発熱領域での冷却性能を向上させることができる。
【００４５】
粗面の最適な寸法は冷媒の物性値によって決定されるが、上述の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冷媒の場合は、平均表面粗さが１μｍから１０μｍ程度の粗面とするのがよい。
【００４６】
次に、図６を参照して第１の実施形態の動作について詳細に説明する。
【００４７】
本発明では以下の１，２，３の事象が繰り返し生じる事により、気泡が発生し、冷却対象物を冷却する。
【００４８】
１  図６のフィン１０２A内で示すように、液相冷媒は、冷却対象物と熱的に接続されているフィン１０２Aから、熱エネルギーを受けとって空洞１１１内で気化し、気泡１０７Aへと成長する。
【００４９】
２  図６のフィン１０２B内で示すように、成長した気泡１０７は、気泡１０７Bのような形状で空洞から離脱する。液相冷媒が開口部１０３から空洞１１１へ、図中矢印のように入り込む。
【００５０】
３  図６のフィン１０２C内で示すように、空洞１１１に入り込んだ液相冷媒は表面張力により薄膜を形成する。さらにフィン１０２Cから熱エネルギーを受けとって素早く蒸気となり、気泡１０７Cとして成長していく。
【００５１】
本発明はさらに、軒部１１３の水平から傾いた面の一部に開口部１０３が形成された構成とする。これにより開口部１０３の周りに液溜り部１０６が形成される。
【００５２】
この構成において、沸騰面が乾かない状態を維持するためには、液溜り部１０６内に、最低限として開口部１０３の高さまで、常に液が満たされていれば足りる。
【００５３】
水平から傾いた面上に開口が設けられることにより、気泡と液相冷媒の出入りがよくなると予想される。
【００５４】
水平から傾いた面上に開口が設けられるための構成としては、最小限として、フィンは2つあれば足り、また開口部１０３は各フィンに１つあれば足りる。
【００５５】
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。
【００５６】
図７に示すように、フィン１０２の高さや間隔を変更し、一つの蒸発部に複数の異なる大きさの開口部１０３が形成された構成とする。
【００５７】
このような構成とすることで、様々な表面張力などの特性を持つ複数種の冷媒それぞれに対して、沸騰冷却器動作の上で最適な開口径を持つ蒸発部を製造することができる。
【００５８】
この構成は、汎用性を持たせることができる点で有用である。
【００５９】
この構成で十分な冷却性能が得られる場合には、使用する冷媒毎に最適な蒸発部を用意する必要がなくなる。
【００６０】
また、図８に示すように、本発明の第３の実施形態として、軒部１１３の形状を凹形状とし、その底部に開口部１０３を設けても同様の効果が得られる。
【００６１】
さらに、図９に示すように、本発明の第４の実施形態として、軒部１１３は曲面でなく、ある角度を持たせて折り曲げた平面であっても同様の効果が得られる。
【００６２】
また、上記実施例は可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、コンピュータ等の電子機器におけるＣＰＵなどのように、負荷によって発熱量が変動するデバイスを、電子機器の筐体内という限られたスペースで高性能に冷却する用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明を実施するための第１の実施形態を示す蒸発部の透視斜視図である。
【図２】第１の実施形態を示す蒸発部基底部の斜視図である。
【図３】第１の実施形態の開口部の形成方法を示した図である。
【図４】第１の実施形態の開口部の形成を示した図である。
【図５】第１の実施形態において、フィン部表面の、微細凹凸を設ける部分を示した図である。
【図６】第１の実施形態の動作を示す蒸発部基底部の断面図である。
【図７】第２の実施形態の蒸発部基底部の断面図である。
【図８】第３の実施形態の蒸発部基底部の断面図である
【図９】第４の実施形態の蒸発部基底部の断面図である
【図１０】関連技術の動作を示す蒸発部基底部の断面図である。
【符号の説明】
【００６５】
１００    蒸発部
１０１    基底部
１０２、１０２A、１０２B、１０２C    フィン
１０３    開口部
１０４    切欠き
１０５    粗面
１０６    液溜り部
１０７、１０７A、１０７B、１０７C    気泡
１１０    容器部
１１１    空洞
１１２    側壁部
１１３    軒部
２０４    熱交換壁
２０５    空洞
２０６    制限開口
２０７    蒸気泡
２０８    気泡
２０９    液面
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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