(57)【要約】【課題】温度境界層の発達を抑制して伝熱性能の向上を可能とする沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】外部に発熱体１０が装着され、内部に冷媒が封入される冷媒槽１１０を有し、発熱体１０の熱によって沸騰気化した冷媒が、凝縮液化する際に冷媒槽１１０の外部に放熱することで、発熱体１０を冷却する沸騰冷却装置において、冷媒槽１１０内において発熱体１０の近傍となる領域に、冷媒の沸騰蒸気および自身の自重によって浮沈する粒子状部材１４０と、粒子状部材１４０を内部に収容する粒子保持手段１１３、１１４、１５０とを設ける。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部に発熱体（１０）が装着され、内部に冷媒が封入される冷媒槽（１１０）を有し、
前記発熱体（１０）の熱によって沸騰気化した前記冷媒が、凝縮液化する際に前記冷媒槽（１１０）の外部に放熱することで、前記発熱体（１０）を冷却する沸騰冷却装置において、
前記冷媒槽（１１０）内において前記発熱体（１０）の近傍となる領域には、前記冷媒の沸騰蒸気および自身の自重によって浮沈する粒子状部材（１４０）と、前記粒子状部材（１４０）を内部に収容する粒子保持手段（１１３、１１４、１５０）とが設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記粒子状部材（１４０）は、高熱伝導率を有する金属材から成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】
前記冷媒槽（１１０）は、下面に前記発熱体（１０）が取付けられる下側の受熱プレート（１１１）およびその上側に配置される放熱プレート（１１２）間に、複数の開口部（１１３ａ、１１４ａ）を有する複数の中間プレート（１１３、１１４）が積層されて形成されるものであり、
前記粒子保持手段（１１３、１１４）は、前記粒子状部材（１４０）の大きさ（Ｄ）に対する前記中間プレート（１１３、１１４）の板厚（ｔ）および前記開口部（１１３ａ、１１４ａ）の大きさ（Ｗ）が調整されて形成されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷媒の沸騰熱伝達により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。
【０００２】
【従来の技術】
図６は本発明者が試作検討している沸騰冷却装置１００であり、この沸騰冷却装置１００は、内部に冷媒が貯留される冷媒槽１１０、複数の放熱チューブ１２０およびヘッダ１３０から成り、冷媒槽１１０の下側の受熱面１１０ａに発熱体１０が取付けられる。
【０００３】
放熱チューブ１２０は冷媒槽１１０の放熱面１１０ｂに対して略直立して配置され、冷媒槽１１０とヘッダ１３０とを互いに連通させるようにしている。
【０００４】
冷媒槽１１０に貯留された冷媒は、発熱体１０の熱を受けて沸騰気化し、主に発熱体１０近傍の放熱チューブ１２０からヘッダ１３０内に流れ込み、更には、発熱体１０の領域外の放熱チューブ１２０内に流れ込み、放熱チューブ１２０の一方から送風される冷却風との熱交換により凝縮し、凝縮液となってヘッダ１３０から冷媒槽１１０に還流する。これにより、発熱体１０から発生した熱が冷媒に伝達されて、放熱チューブ１２０で外気に放出されることで発熱体１０が冷却される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、発熱体１０の発熱量は増加傾向にあり、沸騰冷却装置１００に対する冷却性能向上のニーズが高まっている。しかしながら、発熱体１０から冷媒への熱伝達によって熱移動がなされるこの沸騰冷却装置１００においては、発熱体１０近傍に対応する冷媒槽１１０内の底面および冷媒間に形成される温度境界層が性能向上を図るうえでの妨げとなっていた。従来、この種の沸騰冷却装置１００において、この温度境界層に着目して性能向上に繋げた例は見られない。
【０００６】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、温度境界層の発達を抑制して伝熱性能の向上を可能とする沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、以下の技術的手段を採用する。
【０００８】
請求項１に記載の発明では、外部に発熱体（１０）が装着され、内部に冷媒が封入される冷媒槽（１１０）を有し、発熱体（１０）の熱によって沸騰気化した冷媒が、凝縮液化する際に冷媒槽（１１０）の外部に放熱することで、発熱体（１０）を冷却する沸騰冷却装置において、冷媒槽（１１０）内において発熱体（１０）の近傍となる領域に、冷媒の沸騰蒸気および自身の自重によって浮沈する粒子状部材（１４０）と、粒子状部材（１４０）を内部に収容する粒子保持手段（１１３、１１４、１５０）とを設けたことを特徴としている。
【０００９】
これにより、粒子保持手段（１１２、１１３、１１４）内の冷媒は粒子状部材（１４０）によって撹拌され、冷媒槽（１１０）底部と冷媒との間に形成される温度境界層の発達を抑制できるので、伝熱性能を向上することができる。
【００１０】
請求項２に記載の発明では、粒子状部材（１４０）は、高熱伝導率を有する金属材から成ることを特徴としている。
【００１１】
これにより、粒子状部材（１４０）自身が発熱体（１０）から吸熱して、冷媒への熱伝達を促進させることができるので、更に伝熱性能を向上することができる。
【００１２】
請求項３に記載の発明では、冷媒槽（１１０）は、下面に発熱体（１０）が取付けられる下側の受熱プレート（１１１）およびその上側に配置される放熱プレート（１１２）間に、複数の開口部（１１３ａ、１１４ａ）を有する複数の中間プレート（１１３、１１４）が積層されて形成されるものであり、粒子保持手段（１１３、１１４）は、粒子状部材（１４０）の大きさ（Ｄ）に対する中間プレート（１１３、１１４）の板厚（ｔ）および開口部（１１３ａ、１１４ａ）の大きさが調整されて形成されることを特徴としている。
【００１３】
これにより、冷媒槽（１１０）の積層構造を活用して、開口部（１１３ａ、１１４ａ）によって形成される内部空間を粒子状部材（１４０）を収容する粒子保持手段（１１３、１１４）として容易に形成することができる。
【００１４】
尚、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
本発明の沸騰冷却装置１００の第１実施形態を図１、図２に基づいて説明する。この沸騰冷却装置１００は、例えば半導体素子等の発熱体１０を冷却するもので、冷媒槽１１０、複数の放熱チューブ１２０、ヘッダ１３０から構成されており、以下説明する各部材は、アルミニウムあるいはアルミニウム合金より成り、各部材間で接合される部位に施されたろう材により一体でろう付けされている。
【００１６】
図１は沸騰冷却装置１００の断面図（外観形状は上記従来の技術の項で説明した図６に準ずる。）、図２は図１のＡ方向から見た冷媒槽１１０の中間プレート１１３、１１４の矢視図である。
【００１７】
冷媒槽１１０は、下面を形成する受熱プレート１１１と上面を形成する放熱プレート１１２、および受熱プレート１１１と放熱プレート１１２との間に積層される複数の中間プレート１１３、１１４より構成され、全体が一体ろう付けされている。内部には所定量の冷媒が封入されており、この冷媒としては、ここではフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を用いている。尚、その他の冷媒として、水、アルコール、フロロカーボン等を用いても良い。
【００１８】
受熱プレート１１１は、その下面に発熱体１０が取付けられる長方形の平板部材である。放熱プレート１１２は、上記受熱プレート１１２と同様の長方形の平板部材であり、放熱チューブ１２０の一方の端部が挿入されるチューブ孔１１２ａが複数設けられている。
【００１９】
中間プレート１１３は、図２に示すように、長方形の平板部材にスリット状の開口部１１３ａが部材の縦方向（図２中の上下方向）に沿って複数本形成されている。また、隣り合う開口部１１３ａ間においては肉厚部１１３ｂが形成されている。
【００２０】
中間プレート１１４は、上記中間プレート１１３に対して複数の開口部１１４ａの形成される方向を９０度回転させて横方向（図２中の左右方向）にしたものであり、開口部１１４ａ間には肉厚部１１４ｂが形成されている。尚、中間プレート１１３、１１４の各開口部１１３ａ、１１４は、切削加工、プレス加工、エッチング加工等により形成されている。
【００２１】
そして、図１に示す様に、中間プレート１１３、１１４が受熱プレート１１１と放熱プレート１１２との間に積層されて、冷媒槽１１０として形成されることになり、各開口部１１３ａ、１１４ａが交差する位置で互いに連通して内部空間が形成される。
【００２２】
冷媒槽１１０の下側の受熱面１１０ａの中央には、発熱体１０が配置され、図示しないボルト等の締め付けにより固定されている。尚、発熱体１０と受熱面１１０ａとの間の接触熱抵抗を小さくするために、両者間に熱伝導グリースを介在させても良い。
【００２３】
放熱チューブ１２０は、押し出し加工により形成され、断面が扁平状を成し、内部には複数の流通路１２１を有する多孔チューブとしており、扁平状断面の短辺方向に複数配置されている（図６）。そして、放熱プレート１１２のチューブ孔１１２ａに放熱チューブ１２０の一方の端部が挿入、ろう付けされ、冷媒槽１１０の上側に直立するように設けられている。尚、放熱チューブ１２０の各流通路１２１が開口する大きさは、後述する粒子状部材１４０の外径Ｄよりも小さくなるようにして、粒子状部材１４０が放熱チューブ１２０内に流入しないようにしている。
【００２４】
ヘッダ１３０は、冷媒槽１１０と同様にアッパプレート１３１、ロウアプレート１３２、中間プレート１３３、１３４が積層されて成るもので、上記冷媒槽１１０の天地を逆にした形状を成している。ロウアプレート１３２にはチューブ孔１３２ａが複数設けられ、上記放熱チューブ１２０の他方の端部が挿入、ろう付けされている。そして、放熱チューブ１２０によって冷媒槽１１０とヘッダ１３０の内部同士が連通される。
【００２５】
尚、放熱チューブ１２１の端部は、冷媒流通時の流通抵抗低減、冷媒槽１１０、ヘッダ１３０の小型化、ヘッダ１３０内での冷媒の滞留防止のために、冷媒槽１１０およびヘッダ１３０の内部空間に突出しないように、位置決めされている。
【００２６】
そして、この沸騰冷却装置１００を作動させる際には、熱交換を促進させるために、図示しない送風装置等により複数の放熱チューブ１２０の一方（図１中の左側）から放熱チューブ１２０を通過するように冷却風が供給されるようにしている。
【００２７】
次に、本発明の要部について説明する。本発明では、冷媒槽１１０内に複数の粒子状部材１４０を配置している。粒子状部材１４０は、外径Ｄが略５ｍｍ程度の球状を成すもので、中間プレート１１３、１１４によって形成される内部空間のうち、発熱体１０の近傍となる領域に配置されている。そして、粒子状部材１４０の比重量は、冷媒（フロンの比重量１．２ｇ／ｃｍ３）よりも大きくし、更に高熱伝導率を有する金属材から成るものとしており、具体的にはアルミニウム材から成るものとしている。
【００２８】
そして、冷媒槽１１０を形成する中間プレート１１３、１１４の開口部１１３ａ、１１４ａの幅寸法Ｗを粒子状部材１４０の外径Ｄよりも大きくし、且つ、中間プレート１１４の板厚ｔを粒子状部材１４０の外径Ｄよりも小さくして、粒子状部材１４０が開口部１１３ａ、１１４ａによって形成される内部空間内で移動可能としている。このように本実施形態では、中間プレート１１３、１１４が粒子状部材１４０を内部に収容する粒子保持手段となっている。
【００２９】
以上のように構成される沸騰冷却装置１００においては、冷媒槽１１０の受熱プレート１１１に取付けられた発熱体１０の熱を受けて沸騰気化した冷媒が、一部の放熱チューブ１２０からヘッダ１３０を経て、他の放熱チューブ１２０から冷媒槽１１０にもどる際に、複数の放熱チューブ１２０の一方から送風される冷却風によって凝縮液化されて、この時の凝縮潜熱を冷却風に放出することで発熱体１０を冷却する。
【００３０】
本発明においては、冷媒槽１１０（粒子保持手段）内の粒子状部材１４０は、冷媒沸騰時の蒸気泡の浮力と自重とのバランスにより浮沈を繰り返すように作動する。これにより、冷媒は粒子状部材１４０によって撹拌され、冷媒槽１１０底部と冷媒との間に形成される温度境界層の発達を抑制できるので、伝熱性能を向上することができる。
【００３１】
また、粒子状部材１４０は、高熱伝導率を有する金属材から成るものとしているので、粒子状部材１４０自身が発熱体１０から吸熱して、冷媒への熱伝達を促進させることができ、更に伝熱性能を向上することができる。
【００３２】
そして、冷媒槽１１０の積層構造を活用して、中間プレート１１３、１１４の開口部１１３ａ、１１４ａの幅（開口部）寸法Ｗや、中間プレート１１４の板厚ｔを調整することで、この開口部１１３ａ、１１４ａによって形成される内部空間を粒子状部材１４０を収容する粒子保持手段として容易に形成することができる。
【００３３】
尚、粒子状部材１４０の外観形状は、上記の球状に限らず、図３に示すように、扁平円柱や立法体や多孔質状等としても良い。特に、扁平円柱や立法体のものにおいては、蒸気泡を溜めて浮力を効果的に活用可能とする凹部１４１を設けると良い。また、粒子状部材１４０の材質もアルミニウム材に代えて銅材としても良い。
【００３４】
また、上記実施形態では冷媒槽１１０の中間プレート１１３、１１４は２枚の設定のものとして説明したが、これに限らず多数の組み合わせとしても良い。更に、放熱チューブ１２０の間には放熱面積を増大して放熱性能を向上させるために放熱フィンを介在させても良い。
【００３５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図４、図５に示す。第２実施形態は、扁平直方体状の冷媒槽１１０内に、粒子状部材１４０の外径よりも小さく開口する複数の開口孔１５１を有する箱状の粒子保持手段１５０を設け、この中に粒子状部材１４０を配設したものとしている。ここでは粒子保持手段１５０は、薄肉の平板部材から折り曲げ加工あるいはプレス加工によって形成されるものとしている。
【００３６】
これにより、上記第１実施形態と同様に温度境界層の発達を抑制し、また粒子状部材１４０による熱伝達促進の効果が得られる。
【００３７】
（その他の実施形態）
上記第１、第２実施形態では沸騰冷却装置１００は冷媒槽１１０に放熱チューブ１２０およびヘッダ１３０が設けられたものとして説明したが、放熱チューブ１２０、ヘッダ１３０に代えて複数の放熱フィンを設け、冷媒槽１１０内で冷媒の沸騰気化および凝縮液化が行なわれるものとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図２】図１におけるＡ方向からみた中間プレートを示す矢視図である。
【図３】その他の粒子状部材の（ａ）は変形例１、（ｂ）は変形例２、（ｃ）は変形例３を示す外観斜視図である。
【図４】本発明の第２実施形態の沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図５】図４における粒子保持手段を示す外観斜視図である。
【図６】沸騰冷却装置の試作品を示す外観斜視図である。
【符号の説明】
１０　発熱体
１００　沸騰冷却装置
１１０　冷媒槽
１１１　受熱プレート
１１２　放熱プレート
１１３、１１４　中間プレート（粒子保持手段）
１１３ａ、１１４ａ　開口部
１４０　粒子状部材
１５０　粒子保持手段
【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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