(57)【要約】【課題】液相冷媒の供給量の増加、多孔質部材内部への熱拡散の促進、沸騰を生じやすくさせること、気相冷媒の排出性の向上によって、冷却装置の冷却性能を向上させる。【解決手段】冷媒槽１１０を構成する壁部１１１の内面１１４のうち、発熱体１０に対応する領域内に、突起部１１５を設ける。そして、冷媒槽に多孔質部材を固定する際に、多孔質部材１３０のうち、突起部１１５に対向する部位１３１を、突起部１１５で圧縮させることにより、他の領域よりも空隙率を小さくする。これにより、突起部１１５に対向する部位１３１での有効熱伝導率を他の領域よりも大きくでき、発熱体１０から多孔質材部材１３０内部への熱拡散を促進できる。また、これによれば、相対的に空隙率が小さな領域と大きな領域とを設けることが可能となるので、さらに、液相冷媒の沸騰の促進と、気相冷媒の排出性の向上と、液相冷媒の供給量の増大とが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、壁部（１１１）の外面に発熱体（１０）が設置され、前記壁部（１１１）の内面（１１４）に多数の気孔を有する網目構造の多孔質部材（１３０）が設置されており、前記多孔質部材（１３０）の毛細管力によって、前記発熱体（１０）に対応する領域に液相の冷媒を輸送する冷媒槽（１１０）と、
前記発熱体（１０）の熱によって気化した冷媒を、液化させた後に前記冷媒槽（１１０）に戻す放熱部（１２０）とを備える冷却装置（１００）において、
前記冷媒槽（１１０）は、前記壁部（１１１）の内面（１１４）のうち前記発熱体（１０）に対応する領域内で、前記多孔質部材（１３０）に向かって突出する突起部（１１５）を有することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記突起部（１１５）は、前記壁部の内面（１１４）からの高さ（ｔ１）が前記多孔質部材（１３０）の厚み（ｔ２）よりも小さくなっており、
前記多孔質部材（１３０）は、前記突起部（１１５）の突出方向で前記突起部（１１５）に対向する部位が前記突起部によって圧縮されることで、前記突起部（１１５）に対向していない部位よりも空隙率が小さくなっている領域（１３１）を有す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】
内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、壁部（１１１）の外面に発熱体（１０）が設置され、前記壁部（１１１）の内面（１１４）に多数の気孔を有する網目構造の多孔質部材（１３０）が設置されており、前記多孔質部材（１３０）の毛細管力によって、前記発熱体（１０）に対応する領域に液相の冷媒を輸送する冷媒槽（１１０）と、
前記発熱体（１０）の熱によって気化した冷媒を、液化させた後に前記冷媒槽（１１０）に戻す放熱部（１２０）とを備える冷却装置（１００）において、
前記多孔質部材（１３０）は、前記多孔質部材のうち前記発熱体（１０）に対応する領域で、前記壁部（１１１）側の表面（１３２）での空隙率が、前記表面（１３２）を除く前記多孔質部材（１３０）の内部での空隙率よりも小さくなっていることを特徴とする冷却装置。
【請求項４】
内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、壁部（１１１）の外面に発熱体（１０）が設置され、前記壁部（１１１）の内面（１１４）に多数の気孔を有する網目構造の多孔質部材（１３０）が設置されており、前記多孔質部材（１３０）の毛細管力によって、前記発熱体（１０）に対応する領域に液相の冷媒を輸送する冷媒槽（１１０）と、
前記発熱体（１０）の熱によって気化した冷媒を、液化させた後に前記冷媒槽（１１０）に戻す放熱部（１２０）とを備える冷却装置（１００）において、
前記多孔質部材（１３０）は、前記発熱体（１０）に対応する領域およびそれよりも上側の領域に至る範囲内に、部分的に除去されることによって形成された空間であって、他の領域に存在する前記気孔よりも大きな前記空間を構成する空間部（１３４、１３５）を有していることを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
前記空間部は、前記多孔質部材（１３０）を部分的に除去した領域の深さ（ｔ５）が前記多孔質部材（１３０）の厚み（ｔ４）と同じ切り込み（１３４）であることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記空間部は、前記多孔質部材（１３０）の前記壁部（１１１）に接する面とは反対側の表面（１３７）から部分的に前記多孔質部材を除去した部分であって、その除去した部分の深さ（ｔ６）が前記多孔質部材（１３０）の厚み（ｔ４）よりも小さい溝（１３５）であることを特徴とする請求項４または５に記載の冷却装置。
【請求項７】
内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、壁部（１１１）の外面に発熱体（１０）が設置され、前記壁部（１１１）の内面（１１４）に多数の気孔を有する網目構造の多孔質部材（１３０）が設置されており、前記多孔質部材（１３０）の毛細管力によって、前記発熱体（１０）に対応する領域に液相の冷媒を輸送する冷媒槽（１１０）と、
前記発熱体（１０）の熱によって気化した冷媒を、液化させた後に前記冷媒槽（１１０）に戻す放熱部（２２０）とを備える冷却装置（１００）において、
前記放熱部（２２０）と、前記冷媒槽（１１０）内の前記多孔質部材（１３０）のうち前記発熱体（１０）に対応する領域とを連通する冷媒通路（２２３）を備え、
前記冷媒通路（２２３）の一端（２２３ｂ）が、前記多孔質部材（１３０）のうち前記発熱体（１０）に対応する領域に接しており、前記冷媒通路（２２３）の他端（２２３ａ）が、前記放熱部（２２０）の内部に位置しており、
前記放熱部（２２０）で凝縮した冷媒の一部が、前記冷媒通路（２２３）を介して、前記多孔質部材（１３０）のうち前記発熱体（１０）に対応する領域に供給されるようになっていることを特徴とする冷却装置。
【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ものである。
【背景技術】
【０００２】
冷媒の気化と液化による潜熱移動によって発熱体を冷却する冷却装置としては、例えば、特許文献１に、内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、壁部の外面に発熱体が設置され、壁部の内面に多数の気孔を有する網目構造の多孔質部材が設置され、多孔質部材の毛細管力によって、発熱体に対応する領域に液相の冷媒を輸送する冷媒槽と、発熱体の熱によって気化した冷媒を、液化させた後に冷媒槽に戻す放熱部とを備える構成のものが示されている。
【０００３】
また、特許文献２では、このような構成において、多孔質部材の毛細管力を向上させることによって、冷媒の沸騰を促進するために、多孔質部材として、気孔径が１００μｍ以下で、空隙率が８０％以上である多孔質金属を用いる構造が提案されている。
【特許文献１】特開２００５−２６８６５８号公報
【特許文献２】特開２００６−１７７５８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に示されている構成の冷却装置は、多孔質部材の内部で液相冷媒が気化、特に沸騰する際の潜熱により、発熱体から除熱する冷却方式のものであり、この冷却方式では、液相冷媒の沸騰が冷却性能に大きく影響する。ここで、多孔質部材の内部での液相冷媒の沸騰には、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域への液相冷媒の供給量、発熱体から多孔質部材内部への熱の伝わりやすさ、沸騰の生じやすさ、発熱体の熱によって気化した冷媒の多孔質部材の内部からの排出量が影響することから、冷却装置の冷却能力を向上させるには、液相冷媒の供給量を増加させること、多孔質部材内部への熱拡散を促進させること、沸騰を生じやすくさせること、気相冷媒の排出性を向上させることのいずれかを満たせばよい。
【０００５】
また、これらを同時に満たすときに、冷却装置の冷却性能を最も向上させることができるが、それぞれを満たそうとするときに要求される多孔質部材の厚さ、気孔径、空隙率等の特性が異なるため、多孔質部材全体の特性を一律に規定するだけでは、これらを同時に満たすことは困難である。
【０００６】
すなわち、多孔質部材の厚みと気孔径については、多孔質部材の液相冷媒の供給量を増加させるには、特許文献２のように、気孔径を小さくして毛細管力を増加させたり、多孔質部材の厚みを増すことで、多孔質部材内を移動する液相冷媒の絶対量を増加させたりする必要があるのに対して、多孔質部材からの気相冷媒の排出性を向上させるには、気相冷媒が排出されやすいように、気孔径を大きくしたり、多孔質部材を薄くする必要がある。また、沸騰を生じやすくさせるためには、沸騰開始の芽となる発泡核の量が増加するように、厚みを増して、多孔質部材の表面積を増加させる必要がある。
【０００７】
多孔質部材の空隙率については、多孔質部材内部への熱拡散を促進するには、多孔質部材での金属の割合を大きくする、すなわち、空隙率を小さくする必要があるのに対して、液相冷媒の供給量の増大と気相冷媒の排出性の向上とのためには、冷媒の移動量を多くするため、多孔質部材内部の気孔の割合を大きくする、すなわち、空隙率を大きくする必要がある。また、沸騰を生じやすくさせるためには、沸騰開始の芽となる発泡核の量が増加するように、空隙率を大きくして、多孔質部材の表面積を増加させる必要がある。  
【０００８】
本発明は、上記点に鑑み、液相冷媒の供給量の増加、多孔質部材内部への熱拡散の促進、沸騰を生じやすくさせること、気相冷媒の排出性の向上によって、冷却装置の冷却性能を向上させることが可能な構成の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】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明は、冷媒槽（１１０）が、壁部（１１１）の内面（１１４）のうち発熱体（１０）に対応する領域内で、多孔質部材（１３０）に向かって突出する突起部（１１５）を有することを第１の特徴とする。
【００１０】
これによれば、発熱体の熱が、冷媒槽の内面に設けた突起部を経由して、多孔質部材に伝達することとなるので、突起部が無い場合と比較して、発熱体から多孔質部材内への熱拡散を促進できる。この結果、多孔質部材の内部に熱が拡散することにより、多孔質部材内部で沸騰が発生する領域が拡大するので、冷却装置の冷却性能が向上する。
【００１１】
第１の特徴に関しては、さらに、突起部（１１５）は、壁部の内面（１１４）からの高さ（ｔ１）が多孔質部材（１３０）の厚み（ｔ２）よりも小さくなっており、多孔質部材（１３０）は、突起部（１１５）の突出方向で突起部（１１５）に対向する部位が突起部によって圧縮されることで、突起部（１１５）に対向していない部位よりも空隙率が小さくなっている領域（１３１）を有している構成とすることができる。
【００１２】
これによれば、突起部によって圧縮することで形成された空隙率が小さい領域を、多孔質部材に設けているので、その領域では多孔質材の有効熱伝導率を他の領域よりも大きくできる。このため、多孔質部材のうち、この空隙率が小さな領域からその周囲の領域への熱拡散を促進でき、この結果、発熱体から多孔質材部材内部への熱拡散を促進できる。したがって、この多孔質部材内部への熱拡散の促進により、沸騰が発生する領域を拡大させることができるので、冷却装置の冷却性能を向上できる。
【００１３】
また、これらのような構成を採用することで、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域において、相対的に空隙率が小さな領域と、空隙率が大きな領域とを設けることが可能となるので、多孔質部材内部への熱拡散の促進と、液相冷媒の沸騰の促進と、気相冷媒の排出性の向上とを同時に満たすことが可能となる。また、この構成では、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域に液相冷媒を輸送する領域に、突起部および空隙率が小さな領域を設けないので、液相冷媒の供給量が低下することはなく、この領域の空隙率を大きくすることで、液相冷媒の供給量を増大させることも可能となる。
【００１４】
また、本発明では、多孔質部材（１３０）は、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域で、壁部側の表面（１３２）での空隙率が、その表面（１３２）を除く多孔質部材（１３０）の内部での空隙率よりも小さくなっていることを第２の特徴としている。
【００１５】
これによれば、多孔質部材の壁部側の表面（１３２）での空隙率を、表面（１３２）を除く多孔質部材（１３０）の内部での空隙率よりも小さくしているので、これとは反対に空隙率を小さい部分を設けず空隙率が多孔質部材全体で均一な場合と比較して、その表面における多孔質部材の母材の存在割合を大きくでき、冷媒槽の壁部に接する多孔質部材の接合面積を増大させることができる。この結果、多孔質部材と冷媒槽の接合性を向上でき、発熱体から多孔質部材内への熱の拡散を促進できるため、冷却装置の冷却性能を向上できる。
【００１６】
また、この構成を採用することで、多孔質部材内部では空隙率を相対的に大きくし、多孔質部材の壁部側の表面での空隙率を相対的に小さくできるので、多孔質部材内部への熱拡散の促進と、液相冷媒の沸騰の促進と、気相冷媒の排出性の向上とを同時に満たすことが可能となる。また、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域で、壁部側の表面（１３２）での空隙率を小さくし、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域以外の領域では空隙率を相対的に大きくすることで、液相冷媒の供給量を増大させることも可能となる。
【００１７】
また、本発明では、多孔質部材（１３０）は、発熱体（１０）に対応する領域およびそれよりも上側の領域に至る範囲内に、部分的に除去されることによって形成された空間であって、他の領域に存在する気孔よりも大きな空間を構成する空間部（１３４、１３５）を有していることを第３の特徴としている。
【００１８】
この場合、空間部を、例えば、多孔質部材（１３０）を部分的に除去した領域の深さ（ｔ５）が多孔質部材（１３０）の厚み（ｔ４）と同じ切り込み（１３４）で構成でき、また、多孔質部材（１３０）の壁部（１１１）に接する面とは反対側の表面（１３７）から部分的に多孔質部材を除去した部分であって、その除去した部分の深さ（ｔ６）が多孔質部材（１３０）の厚み（ｔ４）よりも小さい溝（１３５）で構成できる。
【００１９】
これらによれば、多孔質部材（１３０）のうち、発熱体（１０）に対応する領域およびそれよりも上側の領域に至る範囲内に、他の領域に存在する気孔よりも大きな空間を設けているので、発熱体の熱によって多孔質部材の内部で気化した気相冷媒の排出を促進できる。この結果、沸騰が発生する頻度が増加するので、冷却装置の冷却性能が向上する。
【００２０】
また、このような構成を採用することで、多孔質部材からの気相冷媒の排出性を悪化させることなく、多孔質部材の厚さを増大させることが可能となる。そして、多孔質部材の厚さを増大させることで、多孔質部材の内部の表面積を増大させることができるので、発熱体の発熱量が少ない場合にも、沸騰を発生させることが可能になり、この場合における冷却装置の冷却性能の向上が可能となる。
【００２１】
また、このような構成を採用することで、多孔質部材からの気相冷媒の排出性を悪化させることなく、多孔質部材の厚さを増大させたり、多孔質部材の気孔径を小さくしたりすることができ、多孔質材内部への冷媒吸上げ量を増加させることが可能になる。したがって、発熱体の発熱量が多い場合でも、発熱体の近傍へ十分な量の液相冷媒を供給することができるので、この場合での冷却装置の冷却性能の向上が可能となる。  
【００２２】
また、本発明では、放熱部（２２０）と、冷媒槽（１１０）内の多孔質部材（１３０）のうち発熱体（１０）に対応する領域とを連通する冷媒通路（２２３）を備え、冷媒通路（２２３）の一端（２２３ｂ）は多孔質部材（１３０）のうち発熱体（１０）に対応する領域に接しているとともに、冷媒通路（２２３）の他端（２２３ａ）は放熱部（２２０）の内部に位置しており、放熱部（２２０）で凝縮した冷媒の一部が、冷媒通路（２２３）を介して、多孔質部材（１３０）のうち発熱体（１０）に対応する領域に供給されるようになっていることを第４の特徴としている。
【００２３】
これによれば、放熱部で凝縮した冷媒の一部を、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域に、直に、供給できるので、多孔質部材の毛細管力によって発熱体に対応する領域に液相の冷媒を輸送する場合と比較して、液相冷媒の移動距離を短くでき、液相冷媒の多孔質部材への供給速度を増加させることができる。この結果、発熱体の発熱量が急増した場合であっても、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域に十分な量の液相冷媒を供給でき、十分に発熱体を冷却することができる。すなわち、冷却装置の応答性を向上できる。
【００２４】
また、これによれば、多孔質部材の厚さを増したり、気孔径を小さくしたりしなくても、多孔質部材のうち発熱体に対応する領域への液相冷媒の供給量を増大できるので、液相冷媒の供給量の増大と、気相冷媒の排出性の向上との両立が可能となる。
【００２５】
なお、特許請求の範囲およびこの欄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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
（第１実施形態）
まず、本実施形態の冷却装置の全体構成およびその製造方法の概略について説明する。      
【００２７】
図１に、本発明の第１実施形態における冷却装置の断面図を示す。なお、図の上下方向が冷却装置１００の天地方向である。
【００２８】
冷却装置１００は、半導体素子等の発熱体１０を冷却するものであり、図１に示すように、内部に液相の冷媒が貯留されるとともに、外面に発熱体１０が設置される冷媒槽１１０と、発熱体１０の熱によって気化した冷媒を、液化させた後に冷媒槽１１０に戻す放熱部１２０とを備えている。
【００２９】
冷媒槽１１０は、例えば、扁平箱状の容器であり、第１壁部としての受熱壁１１１と、第１壁部に対向して配置された第２壁部としての放熱壁１１２とを有している。受熱壁１１１、放熱壁１１２は、例えば、銅もしくは銅系合金で構成されている。また、受熱壁１１１、放熱壁１１２は、平板状であり、鉛直方向に平行に配置されている。
【００３０】
そして、受熱壁１１１の外面１１３に発熱体１０が設置されており、受熱壁１１１の内面１１４に多数の気孔を有する多孔質部材１３０が設置されている。発熱体１０は、例えば、図示しないボルト等の締め付けにより固定され、多孔質部材１３０は、例えば、拡散接合、ろう付け等により固定されている。
【００３１】
また、本実施形態では、受熱壁１１の内面１１４のうち、発熱体１０に対応する領域、すなわち、設置されている発熱体１０と同じ高さの領域に、多孔質部材１３０に向かって突出する複数の突起部１１５が設けられている。なお、この突起部１１５の詳細については、後述する。
【００３２】
多孔質部材１３０は、毛細管力によって、発熱体１０に対応する領域まで液相の冷媒を輸送するものであり、３次元的な網目構造となっている。本実施形態では、多孔質部材１３０として、連続泡を有する銅製の発泡金属体を用いており、多孔質部材１３０の上端部の高さは発熱体１０の上端部の高さと同等以上となっている。
【００３３】
また、多孔質部材１３０の気孔は、例えば、球状であり、多孔質部材１３０の気孔径は、１５０μｍ以下であり、多孔質部材１３０の厚みは、０．４ｍｍ以上１ｍｍ以下である。なお、多孔質部材１３０の厚み、気孔径としては、これらが最適であるが、本発明の効果が得られる範囲であれば、他の大きさとしてもかまわない。
【００３４】
放熱部１２０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１２０は、水平方向に延びており、放熱壁１１２に直交して配置されている第１、第２ヘッダ１２１、１２２と、第１、第２ヘッダ１２１、１２２の間に配置され、第１、第２ヘッダ１２１、１２２に連通し、鉛直方向に延びる複数本の放熱チューブ１２３と、各放熱チューブ１２３間に介在される放熱フィン１２４とを備えている。
【００３５】
第１、第２ヘッダ１２１、１２２は、それぞれ冷媒槽１１０の両端側、すなわち、図１中の上側と下側で、放熱壁１１２に取り付けられており、冷媒槽１１０の内部空間と連通している。放熱フィン１２４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。第１、第２ヘッダ１２１、１２２、放熱チューブ１２３および放熱フィン１２４は、例えば、銅もしくは銅系合金により構成されている。
【００３６】
そして、真空引きされた冷却装置１００の内部空間には、液相冷媒の液面が発熱体１０の設置位置よりも低い位置となるように、所定量の冷媒が封入されている。本実施形態では、冷媒槽１１０の底部を液相冷媒が満たす程度、すなわち、放熱部１２０の第２ヘッダ１２２を液相冷媒が満たす程度の冷媒が封入されている。
【００３７】
冷媒としては、例えば、水、アルコール、フロロカーボン、フロン等が採用される。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１００内を真空引きしているため、沸点は３０〜４０℃となる。
【００３８】
このような構成の冷却装置１００は、例えば、次のようにして製造される。
【００３９】
受熱壁１１１の内面１１４に多孔質部材１３０を拡散接合により固定した後、受熱壁１１１に対向させて放熱壁１１２を配置して、冷媒槽１１０を組み付ける。
【００４０】
一方、第１、第２ヘッダ１２１、１２２、放熱チューブ１２３および放熱フィン１２４を用意して、放熱部１２０を組み付ける。
【００４１】
そして、冷媒槽１１０の放熱壁１１２の外面に、放熱部１２０の第１、第２ヘッダ１２１、１２２を取り付けることにより、冷却装置１００全体を組み付ける。
【００４２】
その後、各部材間で接合される部位に施されたろう材によって、各部材間を一体ろう付けすることで、冷却装置１００が製造される。
【００４３】
なお、受熱壁１１１の内面に多孔質部材１３０を拡散接合する代わりに、多孔質部材１３０と受熱壁１１１の間にろう材を配置して仮固定し、一体ろう付け時に、受熱壁１１１と多孔質部材１３０とをろう付けによって、固定するようにしても良い。  
【００４４】
上記した構成の冷却装置の内部での以下で説明する機構により、冷媒や発熱体の熱が移動することで、発熱体１０の冷却が可能となる。
【００４５】
冷媒槽１１０の底部に溜まっている液相冷媒は、多孔質部材１３０の毛細管力によって吸い上げられ、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域に供給される。
【００４６】
一方、発熱体１０から発せされた熱は、受熱壁１１１を経由して多孔質部材１３０に伝達する。このため、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域およびその近傍の温度が上昇する。
【００４７】
したがって、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域に冷媒が供給されると、多孔質部材１３０の内部で冷媒の沸騰や蒸発が生じ、その際の潜熱により、発熱体１０の熱が除熱される。このとき、気化した冷媒、すなわち、気相冷媒は、図１中の破線矢印のように、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域から排出され、冷媒槽１１０を上昇して、第１ヘッダ１２１内に流れ込み、第１ヘッダ１２１から各放熱チューブ１２３に分散して流れる。
【００４８】
放熱チューブ１２３内へ流入した気相冷媒は、この放熱チューブ１２３内を流れる際に、例えば、図示しない送風手段から供給される冷却風を受けて冷却されて液化された後、液相冷媒が、図１中の実線矢印のように、第２ヘッダ１２２から冷媒槽１１０へと還流する。
【００４９】
このように、発熱体１０から発生した熱が液相冷媒に伝達されて気相冷媒となり、気相冷媒が放熱部１２０へ輸送され、この放熱部１２０で冷媒が凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、放熱フィン１２４を介して外気に放熱される。すなわち、発熱体１０から発生した熱が冷媒に伝達されて、放熱部１２０で外気に放出されることで発熱体１０が冷却される。
【００５０】
次に、突起部１１５について説明する。図２に、図１中の冷媒槽１１０の受熱壁１１１を矢印Ａの方向で見たときの受熱壁１１１の正面図を示す。また、図３（ａ）、（ｂ）に固定前後の多孔質部材１３０および冷媒槽１１０の断面図を示す。
【００５１】
本実施形態では、図２に示すように、例えば、図２中の破線で示される発熱体１０に対応する領域の四隅と中央の５カ所に、突起部１１５を配置している。なお、本実施形態では、突起部１１５を５つ設けているが、突起部１１５の数については、１以上の範囲で任意に変更可能である。
【００５２】
この突起部１１５は、多孔質部材１３０を部分的に押し潰すためのものである。すなわち、上記した冷媒槽１１０の組み付けの際に、図３（ａ）に示すように、内面１１４に高さｔ１の突起部１１５が設けられた受熱壁１１１と、全域が均一の厚みｔ２である多孔質部材１３０とを用意し、図３（ｂ）に示すように、受熱壁１１１の内面１１４に多孔質部材１３０を固定する。これにより、多孔質部材１３０は、その厚み方向で突起部１１５によって押し潰されて空隙率が小さくなった領域１３１を有する構造となっている。
【００５３】
突起部１１５の高さｔ１は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、多孔質部材１３０の厚みｔ２よりも小さく、例えば、多孔質部材１３０の厚みｔ２の１／３〜１／２の範囲が好適である。この範囲より、高さｔ２が低くなると、多孔質部材１３０の押し潰し量が小さくなり、この範囲より、突起部１１５の高さｔ１が高くなると、多孔質部材１３０の網目構造が破壊されてしまうからである。
【００５４】
また、本実施形態では、突起部１１５によって多孔質部材１３０を押し潰した時に、多孔質部材の網目構造が破損することを防止するため、図１、２に示すように、突起部１１５を円柱形状とし、突起部１１５の横断面形状を円形状としている。なお、突起部１１５の形状については、横断面形状を楕円形状としたり、突起部１１５の形状を円錐形状としたり、あるいは、縦断面が台形であって内面１１４から突起部の先端に向けて円錐状に直径が次第に減少するテーパ形状としてもよい。
【００５５】
また、突起部１１５は、受熱壁１１１の一部が突出したものであり、受熱壁１１１と同じ材質で構成されている。
【００５６】
本実施形態では、このように突起部１１５を設けたことにより、突起部１１５を設けていない場合と比較して、発熱体１０を設置した領域での受熱壁１１１と多孔質部材１３０との接触面積を増加させることができる。また、突起部１１５は、受熱壁１１１と同じ材質であるため、熱伝導率も同じであり、多孔質ではないので、多孔質部材１３０よりも熱拡散し易くなっている。
【００５７】
したがって、突起部１１５の存在により、突起部１１５を設けていない場合と比較して、発熱体１０が発熱したときに受熱壁１１１から多孔質部材１３０への熱の拡散を促進できる。
【００５８】
また、本実施形態では、受熱壁１１１の内面１１４に多孔質部材１３０を固定する際に、受熱壁１１１に設けた突起部１１５により多孔質部材１３０を押し潰して、多孔質部材１３０をその厚み方向に圧縮することで、多孔質部材１３０のうち突起部１１５の突出方向で突起部１１５に対面する領域に、圧縮されていない領域と比較して空隙率が小さな領域１３１を形成している。なお、突起部１１５の突出方向は、多孔質部材１３０の厚みｔ２方向と同じ方向である。
【００５９】
この空隙率が小さな領域１３１では、多孔質部材１３０の母材金属の割合が増加するため、圧縮されていない領域と比較して、多孔質部材１３０の有効熱伝導率が増加している。このため、空隙率が小さな領域１３１からその周囲の領域への熱拡散が促進される。
【００６０】
このように、本実施形態によれば、突起部１１５と多孔質部材１３０の空隙率が小さな領域１３１によって、発熱体１０から受熱壁１１１、突起部１１５および多孔質部材１３０の空隙率が小さな領域１３１を経由しての多孔質部材１３０内部への熱拡散を促進させることができる。
【００６１】
この結果、多孔質部材１３０の内部で沸騰が発生する領域を拡大させることができ、冷却装置１００の冷却性能を向上できる。
【００６２】
なお、本実施形態では、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域に対向する位置に、突起部１１５を設けており、多孔質部材１３０のうち冷媒を吸い上げる領域、すなわち、発熱体１０に対応する領域よりも下側の領域に対向する位置に、突起部１１５を設けていないので、突起部１１５の存在による液相冷媒の吸上げ性は悪化しない。また、突起部１１５により多孔質部材１３０が押し潰される領域１３１の総面積は、発熱体１０の面積より小さくなっている。したがって、突起部１１５を設けても、多孔質部材１３０の内部からの気相冷媒の排出性は悪化しない。
【００６３】
また、本実施形態では、突起部１１５および空隙率が小さな領域１３１の両方による熱の促進効果を得るために、突起部１１５の高さｔ１を、多孔質部材１３０の厚みｔ２よりも小さくしていたが、突起部１１５による熱の促進効果を得るという観点では、突起部１１５の高さｔ１を多孔質部材１３０の厚みｔ２よりも大きくしても良い。
【００６４】
また、突起部１１５を受熱壁１１１と同一の材質で構成していたが、受熱壁１１１と異なる材質で構成しても良い。ただし、この場合、受熱壁１１１から多孔質部材１３０への熱の促進の観点より、受熱壁１１１と同等以上の熱伝導率を有する材料で構成することが好ましい。
【００６５】
（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態における冷却装置の断面図を示す。また、図５に、図４中の領域２００の部分拡大図を示す。なお、図４では、図１中の冷却装置と同様の構成部に同一の符号を付している。
【００６６】
本実施形態の冷却装置１００は、第１実施形態で説明した冷却装置１００と基本的な構成が同一のものであり、以下では、第１実施形態と異なる点について説明する。
【００６７】
図５に示すように、本実施形態の多孔質部材１３０は、発熱体１０に対応する領域において、受熱壁１１１側の表面１３２、すなわち、受熱壁１１１との接合面１３２と、多孔質部材１３０の内部を表面１３２と平行に切断したときの切断面とを比較したとき、受熱壁１１１側の表面１３２に存在する気孔１３３の数が、多孔質部材１３０の内部に存在する気孔１３３の数よりも少なくなっている。このため、多孔質部材１３０の受熱壁１１１側の表面１３２での空隙率が、表面１３２を除く多孔質部材１３０の全体での空隙率よりも小さくなっている。
【００６８】
具体的には、多孔質部材１３０は、厚みｔ３が０．５ｍｍであり、気孔１３３の直径が１５０μｍ前後であり、表面１３２を除く多孔質部材１３０の全体の空隙率が９０％であり、受熱壁１１１側の表面１３２での空隙率が３５％である。
【００６９】
このような構造の多孔質部材１３０は、以下の方法により、製造可能である。例えば、全体の空隙率が９０％である多孔質部材１３０を用意し、その多孔質部材１３０の表面１３２側を加熱して、多孔質部材１３０の表面１３２側のみを溶かして、気孔を埋めることで、多孔質部材１３０の受熱壁１１１側の表面１３２での空隙率を、他の領域よりも下げることができる。この場合、多孔質部材１３０の母材によって、気孔を埋めることとなるが、その他にも、多孔質部材１３０と受熱壁１１１とを接合するための接合材を、多孔質部材１３０の表面１３２に塗布し、接合材を気孔に充填することで、多孔質部材１３０の表面１３２の空隙率を、他の領域よりも下げることもできる。
【００７０】
このように、多孔質部材１３０の受熱壁１１１側の表面１３２での空隙率を、多孔質部材１３０の全体での空隙率よりも小さくすることにより、表面１３２に対する多孔質部材１３０の母材の存在割合を大きくできるので、空隙率が多孔質部材１３０の全体で均一の場合と比較して、多孔質部材１３０と冷媒槽１１０の内面１１４との接合面の面積を増大させることができる。
【００７１】
その結果、両者の接合性を向上できるので、図５中の矢印で示される発熱体１０から受熱壁１１１を介しての多孔質部材１３０への熱拡散を促進することが可能となる。多孔質部材１３０内での熱拡散が促進されると、多孔質部材１３０の内部で沸騰が生じる領域が拡大するので、冷却装置１００の冷却性能が向上する。
【００７２】
ここで、図６に、多孔質部材１３０の表面１３２の空隙率が冷媒槽１１０の熱抵抗に及ぼす影響の調査結果を示す。調査した多孔質部材１３０の厚みｔ３は０．５ｍｍ、空隙率は９０％であり、多孔質部材１３０内部の気孔径は１５０μｍ前後である。多孔質表面の気孔径を１３０μｍ、２００μｍとすることにより、表面１３２の気孔１３３の面積割合、すなわち、表面の空隙率を３５％、９０％と変化させた。図６からわかるように、表面１３２の空隙率を３５％としたとき、９０％としたときと比較して、熱抵抗を大幅に低減できる。なお、本実施形態では、表面１３２を除く多孔質部材１３０の全体の空隙率を９０％、受熱壁１１１側の表面１３２での空隙率を３５％としたが、多孔質部材１３０の表面１３２での空隙率が、表面１３２を除く多孔質部材１３０の全体での空隙率よりも小さくなっていれば、空隙率を他の大きさとしても良い。ただし、表面１３２を除く多孔質部材１３０の全体の空隙率を８０％以上とし、受熱壁１１１側の表面１３２での空隙率を４０％以下とすることが好適である。
【００７３】
図７に、多孔質部材１３０の厚みｔ３が熱抵抗に及ぼす影響の調査結果を示す。図７は、多孔質部材１３０の空隙率を９０％、多孔質部材１３０の表面１３２の気孔径を１１０±２０μｍとしたときの調査結果である。また、図７の横軸は多孔質部材１３０の厚みｔ３を示しており、横軸の左側ほど、厚みｔ３が薄くなり、気相冷媒の排出性が向上する。横軸の右側ほど、厚みｔ３が厚くなり、液相冷媒の吸上げ量が増加するとともに、多孔質部材１３０内の表面積が増加し、沸騰開始の芽となる発泡核の量が増加する。厚みを増すと特性が改善される因子と、悪化する因子があるため、熱抵抗はある厚みで最小値をもつ。このため、気相冷媒の排出性と液相冷媒の吸上げ性との両立を図る観点より、多孔質部材１３０の厚みｔ３としては、図７に示すように、熱抵抗の比が１．５以下となるように、０．４ｍｍ以上、１ｍｍ以下とすることが好適である。
【００７４】
なお、図７の結果については、本実施形態に限らず、第１、第３〜第６および他の実施形態においても、同様のことが言える。
【００７５】
（第３実施形態）
図８に、本発明の第３実施形態における冷却装置の断面図を示す。図８では、図１中の冷却装置と同様の構成部に同一の符号を付している。また、図９に、図８中の多孔質部材１３０を矢印Ｂ方向から見たときの多孔質部材１３０および受熱部１１１の正面図を示し、図１０に、図９中のＣ−Ｃ線断面図を示す。
【００７６】
本実施形態では、多孔質部材１３０に複数の切り込み１３４を設けている。切り込み１３４とは、図１０に示すように、多孔質部材１３０の厚みｔ４方向に  完全に多孔質部材を除去した領域のことであり、除去した領域の深さｔ５が多孔質部材１３０の厚みｔ４と同じ領域のことである。したがって、切り込み１３４は、他の領域に存在する気孔と比較して、大きな空間を構成する空間部となっており、気相冷媒が移動しやすくなっている。
【００７７】
また、切り込み１３４は、図８、９に示すように、発熱体１０に対応する領域の上部およびそれよりも上側の領域にまたがって配置されている。発熱体１０に対応する領域が、基本的に、多孔質部材の内部で沸騰が生じる領域であるため、このような位置に切り込み１３４を設けることで、沸騰によって生じた気相冷媒の排出性を向上できる。
【００７８】
この結果、冷却装置１００全体でのサイクル、すなわち、多孔質部材１３０の液相冷媒の吸上げ、多孔質部材１３０の内部での冷媒の気化、多孔質部材１３０からの気相冷媒の排出、放熱部１２０での冷媒の液化により、発熱体１０の熱を冷却装置１００の外部に移動させるというサイクルを活発化させることができ、冷媒の沸騰が発生する頻度が増加するので、冷却装置１００の冷却性能が向上する。
【００７９】
切り込み１３４を設ける領域は、気相冷媒の移動方向を考慮すると、沸騰が生じる領域および沸騰が生じる領域よりも上部の領域に至る範囲内とすることが好適である。なお、沸騰が生じる領域および沸騰が生じる領域よりも上部の領域に至る範囲内には、多孔質部材１３０のうち沸騰が生じる領域内のみや、沸騰が生じる領域よりも上部の領域内のみが含まれる。
【００８０】
また、切り込み１３４の幅１３４ａは多孔質部材の厚みｔ４の１〜４倍程度が好適である。幅１３４ａを多孔質部材１３０の厚みｔ４より小さくすると、気相冷媒の排出促進効果が小さくなってしまい、幅１３４ａを多孔質部材１３０の厚みｔ４の４倍以上とすると、多孔質部材１３０の内部で沸騰が発生する領域の面積が減少し、冷却性能が低下してしまうからである。
【００８１】
また、本実施形態によれば、以下の効果が得られる。
【００８２】
発熱体１０の発熱量に比例して、気相冷媒の発生量は増加する。しかし、液相冷媒の吸上げ量より、気相冷媒の発生量が多くなると、多孔質部材１３０の内部のうち発熱体１０近傍では多孔質部材１３０の内部に冷媒が存在しない領域が生じてしまうため、冷媒の潜熱を利用して、発熱体１０から除熱することが不可能になり、発熱体１０の温度が急上昇してしまう。
【００８３】
この対策としては、多孔質部材１３０の厚さを増す、もしくは、気孔径を小さくすることによって、冷媒の吸上げ量を増大させることが考えられるが、この場合、逆に、気相冷媒の排出性が悪化し、沸騰の発生頻度が低下してしまうという問題が生じる。
【００８４】
これに対して、本実施形態のように、切り込み１３４を設けることにより、気相冷媒の排出性を悪化させることなく、多孔質部材１３０の厚みｔ４を増すことや、気孔径を小径化することが可能になる。厚みｔ４を増した場合は、多孔質部材１３０を水平方向に平行な面で切断したときの断面積が増加し、気孔径を小径化した場合は、毛細管力が増加する。その結果、液相冷媒の吸上げ量を増加させることが可能になる。液相冷媒の吸上げ量を増加させることにより、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域等の発熱体１０の発熱量が増加する領域においても、多孔質部材１３０の内部に十分な量の冷媒を供給することが可能になる。したがって、本実施形態によれば、発熱体１０の発熱量が多い場合における冷却装置１００の冷却性能の向上が可能となる。
【００８５】
また、多孔質部材１３０の内部で液相冷媒の沸騰を発生させるためには、その内部に蒸気が存在する、空洞や微小な傷（以下、発泡核）が伝熱面上に必要になる。そして、伝熱面の面積が増加するほど、発泡核が存在する確率やその量は増加することから、多孔質部材１３０の厚さを増大させれば、多孔質部材内の表面積を増加させることができ、発泡核の存在量を増加させることができる。その結果、発熱体１０の発熱量が少ない場合においても、沸騰を発生させやすくできる。
【００８６】
しかしながら、多孔質部材１３０の厚さを増大させるほど、気相冷媒の排出性は悪化してしまう。
【００８７】
これに対して、本実施形態のように、切り込み１３４を設けることにより、蒸気の排出性を悪化させることなく、多孔質部材１３０の厚みｔ４を増大させることができ、多孔質部材１３０内の表面積を増加させることが可能になる。表面積が増加すると、沸騰開始の芽となる発泡核が多孔質部材内に存在する量が増加する。発泡核の量が増加すると、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域の周辺領域等の発熱量が少ない領域においても、沸騰が生じやすくなる。その結果、発熱体１０の発熱量が少ない場合においても、潜熱を利用した高い冷却性能を維持することが可能になる。
【００８８】
（第４実施形態）
図１１に、本発明の第４実施形態における冷却装置の断面図を示す。図１１は、図１０に対応する図であり、図１０と同様の構成部には図１０と同一の符号を付している。
【００８９】
本実施形態では、第３実施形態で説明した切り込み１３４の代わりに、溝１３５を、多孔質部材１３０の受熱壁１１１との接合面１３６とは反対側の表面１３７に複数設けている。ここで、溝１３５とは、多孔質部材１３０の表面１３７から部分的に多孔質部材を除去し、除去した深さｔ６が多孔質部材１３０の厚みｔ４よりも小さいものを意味する。
【００９０】
溝１３５を形成する手段としては、切削加工により多孔質部材を部分的に削除する手段、あるいは多孔質部材を部分的に圧縮する手段を採用することができる。また、溝１３５の幅１３５ａは、切り込み１３４の幅１３４ａと同様に、多孔質部材の厚みｔ４の１〜４倍程度が好適である。
【００９１】
本実施形態においても、溝１３５は、多孔質部材１３０が有する気孔よりも、空隙が大きな領域であり、気相冷媒が移動しやすくなっているので、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００９２】
（第５実施形態）
図１２に、本発明の第５実施形態における冷却装置の断面図を示す。図１２は、図１０、１１に対応する図であり、図１０、１１と同様の構成部には図１０、１１と同一の符号を付している。
【００９３】
本実施形態は、第３実施形態と第４実施形態の組み合わせである。すなわち、本実施形態では、多孔質部材１３０に、切り込み１３４と溝１３５の両方を混在させている。このようにしても、第３実施形態と同様の効果が得られる。
【００９４】
（第６実施形態）
図１３に、本発明の第６実施形態における冷却装置の斜視図を示す。また、図１４に、図１３中の放熱部のＤ矢視図を示し、図１５に、図１３中のＥ−Ｅ線断面図を示す。
【００９５】
本実施形態の冷却装置１００は、図１３に示すように、外面に発熱体１０が固定された冷媒槽１１０と放熱部２２０とを備えている。
【００９６】
放熱部２２０は、図１４に示すように、放熱フィン２２１と凝縮管２２２とが交互に積層された構成である。
【００９７】
冷媒槽１１０は、図１５に示すように、第１実施形態と同様に、受熱壁１１１と放熱壁１１２とによって構成されており、受熱壁１１１の内面に多孔質部材１３０が設置されている。
【００９８】
さらに、冷却装置１００は、冷媒槽１１０と放熱部２２０とを連通する冷媒通路として、上側流路２２３と下側流路２２４とを備えている。
【００９９】
上側流路２２３は、凝縮管２２２の上部と多孔質部材１３０のうち沸騰が生じる領域、すなわち、発熱体１０に対応する領域とを結ぶ流路である。放熱部２２０の上部は、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域の下端よりも上側に位置する部分である。上側流路２２３の放熱部２２０側の端部が上端２２３ａとなり、上側流路２２３の冷媒槽１１０側の端部が下端２２３ｂとなり、上端２２３ａから下端２２３ｂに向けて液相冷媒の流れが生じるように傾斜している。また、上側流路２２３の上端２２３ａは、凝縮館２２１の内部に位置しており、上側流路２２３の下端２２３ｂは、多孔質部材１３０に接している。
【０１００】
これにより、本実施形態では、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域で気化した気相冷媒は、図１５中の破線矢印のように、上側流路２２３を介して、放熱部２２０に流れ、放熱部２２０の上方で凝縮した液相冷媒の一部が、図１５中の実線矢印のように、上側流路２２３を介して、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域に流れ込むようになっている。
【０１０１】
また、下側流路２２４は、冷媒槽１１０の下部と放熱部２２０の下部とを結ぶ流路であり、この下側流路２２４を介して、放熱部２２０から冷媒槽１１０に液相冷媒が移動する。
【０１０２】
このように、本実施形態では、放熱部２２０の凝縮管２２２の上部で凝縮した冷媒の一部を、上側流路２２３を経由させて、多孔質部材１３０の内部で沸騰が生じる領域に直に供給するようになっている。
【０１０３】
これにより、放熱部２２０で凝縮した液相冷媒が下側流路２２４から、冷媒槽１１０の底部を経由して、多孔質部材１３０によって吸い上げられて、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域に、液相冷媒が供給される場合と比較して、液相冷媒の移動距離を短くできる。その結果、多孔質部材１３０の内部への液相冷媒の供給速度を増加させることができ、発熱体１０の発熱量が急増した場合に、多孔質部材１３０のうち発熱体１０に対応する領域に十分な量の冷媒を供給することが可能になる、すなわち、冷却装置１００の応答性を向上させることが可能になる。
【０１０４】
なお、図示しないが、上側流路２２３の内部に多孔質部材を設けることで、この多孔質部材の毛細管力により、液相冷媒の供給速度をさらに増加させることが可能になる。このとき、上側流路２２３の内部に設ける多孔質部材は、冷媒槽１１０に設けられた多孔質部材１３０とは別のものである。
【０１０５】
（他の実施形態）
（１）第３〜第５実施形態では、多孔質部材１３０に切り込み１３４や溝１３５を設けていたが、これらの代わりに、局所的に気孔径が大きな領域を部分的に設けてもよい。
【０１０６】
（２）第１〜第５実施形態では、受熱壁１１１、放熱壁１１２を鉛直方向に平行にして、冷媒槽１１０を配置していたが、放熱部１２０が上を向くように冷媒槽１１０の受熱壁１１１、放熱壁１１２を水平方向にして、冷媒槽１１０の底面となる受熱壁１１１の外面に、発熱体１０を設置した状態で、冷却装置１００を使用することも可能である。
【０１０７】
（３）第１〜第５実施形態における冷却装置１００において、放熱部１２０の構成は任意に変更可能である。
【０１０８】
（４）上記した各実施形態では、多孔質部材１３０として銅製の発泡金属体を用いていたが、多孔質部材１３０としては、他の金属からなる発泡金属体を用いても良く、また、焼結金属、金網、金属製フェルト等を採用しても良い。
【０１０９】
また、上記した各実施形態では、多孔質部材１３０は、例えば、図１に示すように、受熱壁１１１と同じ大きさであったが、少なくとも、液相冷媒が接する領域から発熱体１０に対応する領域に至る範囲の大きさであれば、多孔質部材１３０の大きさは任意に変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の第１実施形態における冷却装置の断面図である。
【図２】図１中の冷媒槽１１０の受熱壁１１１を矢印Ａの方向で見たときの受熱壁１１１の正面図である。
【図３】（ａ）、（ｂ）は、固定前後の多孔質部材１３０および冷媒槽１１０の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態における冷却装置の断面図である。
【図５】図４中の領域２００の部分拡大図である。
【図６】多孔質部材１３０の表面１３２の空隙率が冷媒槽１１０の熱抵抗に及ぼす影響の調査結果を示すグラフである。
【図７】多孔質部材１３０の厚みｔ３が熱抵抗に及ぼす影響の調査結果を示すグラフである。
【図８】本発明の第３実施形態における冷却装置の断面図である。
【図９】図８中の多孔質部材１３０を矢印Ｂ方向から見たときの多孔質部材１３０および受熱部１１１の正面図である。
【図１０】図９中のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態における冷却装置の断面図である。
【図１２】本発明の第５実施形態における冷却装置の断面図である。
【図１３】本発明の第６実施形態における冷却装置の断面図である。
【図１４】図１３中の放熱部のＤ矢視図である。
【図１５】図１３中のＥ−Ｅ線断面図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１０… 発熱体、１００…冷却装置、１１０…冷媒槽、１１１…受熱壁、
１１２…放熱壁、１２０、２２０…放熱部、
１２１…第１ヘッダ、１２２…第２ヘッダ、１２３…放熱チューブ、
１２４…放熱フィン、１３０…多孔質部材。
【図１】
2008281253.tif 000003
【図２】
2008281253.tif 000004
【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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【図１１】
2008281253.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
2008281253.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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