(57)【要約】【課題】上側の面に発熱体を装着する場合にも、この発熱体の冷却を可能とする沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】上側プレート１１０および下側プレート１２０の間に複数の中間プレート１３０Ａ〜１３０Ｅが積層され、中間プレート１３０Ａ〜１３０Ｅに設けられた複数の開口部１３１〜１３４によって、冷媒が封入される第１空間１４０と、この第１空間１４０に近接して外部冷却流体が流通する第２空間１５０とが形成され、上側プレート１１０、下側プレート１２０のうち、少なくとも下側プレート１２０の外側面に装着される発熱体１０の熱によって沸騰する冷媒および外部冷却流体の間で熱交換を行う沸騰冷却装置において、第２空間１５０の上側部１５０Ａを上側プレート１１０の内側面に近接するように形成する。【選択図】        図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上側プレート（１１０）および下側プレート（１２０）の間に複数の中間プレート（１３０Ａ〜１３０Ｅ）が積層され、
前記中間プレート（１３０Ａ〜１３０Ｅ）に設けられた複数の開口部（１３１〜１３４）によって、冷媒が封入される第１空間（１４０）と、この第１空間（１４０）に近接して外部冷却流体が流通する第２空間（１５０）とが形成され、
前記上側プレート（１１０）、前記下側プレート（１２０）のうち、少なくとも前記下側プレート（１２０）の外側面に装着される発熱体（１０）の熱によって沸騰する前記冷媒および前記外部冷却流体の間で熱交換を行う沸騰冷却装置において、
前記第２空間（１５０）の上側部（１５０Ａ）は、前記上側プレート（１１０）の内側面に近接するように形成されたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記第２空間（１５０）の上側部（１５０Ａ）が前記上側プレート（１１０）の内側面に近接する領域は、前記上側プレート（１１０）にも前記発熱体（１０）が装着される際のその発熱体領域に対応するようにした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】
前記第２空間（１５０）の下側部（１５０Ｂ）は、前記下側プレート（１２０）の内側面に近接するように形成された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。
【請求項４】
前記第１空間（１４０）は、互いに連通し合う複数の第１小空間（１４１）から成り、
前記第２空間（１５０）は、互いに連通し合う複数の第２小空間（１５１）から成り、
前記第１小空間（１４１）および前記第２小空間（１５１）は、互いに混在するように配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記発熱体（１０）は、その内部に熱源となる複数の熱源部（１１）を有しており、
前記下側プレート（１２０）に装着される前記発熱体（１０）の前記熱源部（１１）は、前記第１小空間（１４１）の位置に対応するように配置されたことを特徴とする請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【請求項６】
前記発熱体（１０）は、その内部に熱源となる複数の熱源部（１１）を有しており、
前記上側プレート（１１０）に装着される際の前記発熱体（１０）の前記熱源部（１１）は、前記第２小空間（１５１）の位置に対応するように配置されたことを特徴とする請求項４または請求項５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】
本出願人は、先に特願２００２−１７４３４０において、図１１に示すような沸騰冷却装置１００を提案している。この沸騰冷却装置１００は、複数の開口部を有する板状部材を複数積層する構造としており、冷媒槽部１０１、熱交換部１０２、冷媒拡散部１０３が形成されるようにしている。そして、冷媒流路１０４は冷媒槽部１０１、熱交換部１０２、冷媒拡散部１０３間で連通するようにしており、また、冷却水流路１０５が熱交換部１０２に形成されるようにしている。冷媒槽部１０１の下側面には発熱体１０が装着され、この発熱体１０によって冷媒槽部１０１内の冷媒は沸騰気化し、熱交換部１０２を上昇して、冷媒拡散部１０３で拡散された後、再び熱交換部１０２を下降する際に冷却水によって凝縮液化され、冷媒槽部１０１に戻る。このように、発熱体１０の熱は冷媒から冷却水に移動され、発熱体１０が冷却されることになる。
【０００３】
これにより、以前より放熱部１０２を構成していたチューブやフィンを廃止でき、チューブを冷媒槽部１０１に差し込んで組み立てる必要が無くなる。よって、部品の厳しい寸法管理が不要となり、部品生産が容易となる。また、積層構造を採用することで一方向からの組付けが可能となり、組立て工程の自動化にも容易に対応できる。更に、以前までのチューブを廃止できることにより、冷媒槽部１０１にチューブの差込み量を規制するための構造を不要として、沸騰冷却装置１００の全体に占める冷媒槽部１０１の占有体積を削減でき、放熱面積が拡大されて放熱性能を向上できるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この沸騰冷却装置１００においては、発熱体１０の搭載性やスペースの有効活用から、冷媒拡散部１０３の上側面にも発熱体を装着した場合、冷媒拡散部１０３内の蒸気冷媒が熱抵抗となり、冷媒槽部１０１内の液冷媒を沸騰させるには至らず、上側面に装着した発熱体を冷却することができない。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題に鑑み、上側の面に発熱体を装着する場合にも、この発熱体の冷却を可能とする沸騰冷却装置を提供することにある。
【０００６】
【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。
【０００７】
請求項１に記載の発明では、上側プレート（１１０）および下側プレート（１２０）の間に複数の中間プレート（１３０Ａ〜１３０Ｅ）が積層され、中間プレート（１３０Ａ〜１３０Ｅ）に設けられた複数の開口部（１３１〜１３４）によって、冷媒が封入される第１空間（１４０）と、この第１空間（１４０）に近接して外部冷却流体が流通する第２空間（１５０）とが形成され、上側プレート（１１０）、下側プレート（１２０）のうち、少なくとも下側プレート（１２０）の外側面に装着される発熱体（１０）の熱によって沸騰する冷媒および外部冷却流体の間で熱交換を行う沸騰冷却装置において、第２空間（１５０）の上側部（１５０Ａ）は、上側プレート（１１０）の内側面に近接するように形成されたことを特徴としている。
【０００８】
この沸騰冷却装置（１００）においては、下側プレート（１２０）の外側面に装着される発熱体（１０ａ）は、その熱が第１空間（１４０）内の冷媒に伝達され、更に近接する第２空間（１５０）内の外部冷却流体と熱交換されることにより冷却される。そして、実装密度の向上やスペースの有効活用等のために発熱体（１０ｂ）を上側プレート（１１０）の外側面に装着した場合にも、近接する第２空間（１５０）内の外部冷却流体によって冷却することが可能となる。
【０００９】
そして、請求項２に記載の発明のように、第２空間（１５０）の上側部（１５０Ａ）が上側プレート（１１０）の内側面に近接する領域は、上側プレート（１１０）にも発熱体（１０ｂ）が装着される際のその発熱体領域に対応するようにしてやれば、上側プレート（１１０）に装着される発熱体（１０ｂ）を更に効果的に冷却することができる。
【００１０】
また、請求項３に記載の発明のように、第２空間（１５０）の下側部（１５０Ｂ）は、下側プレート（１２０）の内側面に近接するように形成しても良く、これにより、下側プレート（１２０）に装着される発熱体（１０ａ）を、第２空間（１５０）内の外部冷却流体によっても冷却することができるので、第１空間（１４０）内に封入する冷媒量を低減することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、第１空間（１４０）は、互いに連通し合う複数の第１小空間（１４１）から成り、第２空間（１５０）は、互いに連通し合う複数の第２小空間（１５１）から成り、第１小空間（１４１）および第２小空間（１５１）は、互いに混在するように配置されたことを特徴としている。
【００１２】
これにより、第１空間（１４０）内で沸騰気化した冷媒と第２空間（１５０）内の外部冷却流体とが近接する面積を増大させて、熱交換効率を向上させることができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、発熱体（１０）の内部に熱源となる複数の熱源部（１１）を有している場合に、下側プレート（１２０）に装着される発熱体（１０ａ）の熱源部（１１）は、第１小空間（１４１）の位置に対応するように配置されるのが良い。
【００１４】
これにより、第１空間（１４０）内の冷媒が沸騰気化されやすくなり、第２空間（１５０）内の外部冷却流体との熱交換が促進され、冷却性能を向上させることができる。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明のように、上側プレート（１１０）に装着される際の発熱体（１０ｂ）の熱源部（１１）は、第２小空間（１５１）の位置に対応するように配置されるのが良い。
【００１６】
これにより、発熱体（１０ｂ）の熱源部（１１）と第２空間（１５０）内の外部冷却流体間の熱抵抗を低減できるので、冷却性能を向上させることができる。
【００１７】
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。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
次に、本発明の沸騰冷却装置の第１実施形態を図１〜図７に基づいて説明する。沸騰冷却装置１００は、例えば半導体素子（ＩＧＢＴ）等の発熱体１０の熱によって内部に封入される冷媒が沸騰気化し、外部から供給される外部冷却流体によって気化冷媒が凝縮液化する際にその凝縮潜熱を外部冷却流体に放出することで発熱体１０を冷却するものとしている。
【００１９】
全体のシステムとしては、図１に示すように、ラジエータ１と沸騰冷却装置１００（入口パイプ１６０、出口パイプ１７０）とが配管３によって接続され、また、ラジエータ１と沸騰冷却装置１００との間にはモータ２１によって駆動するポンプ２が備えられており、ラジエータ１の冷却水が沸騰冷却装置１００内を循環するようにしている。尚、ラジエータ１の冷却水は、本発明における外部冷却流体に対応しており、本沸騰冷却装置１００は、水冷式沸騰冷却装置となっている。
【００２０】
以下説明する図面のうち、図２は沸騰冷却装置１００の正面図、図３は沸騰冷却装置１００の平面図、図４は図３のＡ−Ａ部における断面図、図５〜図７は各プレート１１０、１３０Ａ〜１３０Ｅ、１２０の平面図である。
【００２１】
沸騰冷却装置１００は、図２に示すように、上側プレート１１０と、この上側プレート１１０の下側に配置される下側プレート１２０との間に、それぞれ複数の開口部１３１〜１３４（図５〜図７）を有する中間プレート１３０Ａ〜１３０Ｅが複数積層され、入口パイプ１６０、出口パイプ１７０、冷媒封入パイプ１８０が設けられたものである。尚、上記各部材は、熱伝導性に優れるアルミニウムあるいはアルミニウム合金から成り、これら部材が一体でろう付けされることによって沸騰冷却装置１００は形成される。
【００２２】
上側プレート１１０は、図５（ａ）に示すように、略正方形を成す平板部材であり、図中の右下に入口パイプ穴１１１、左上に出口パイプ穴１１２、左下側に冷媒パイプ穴１１３が設けられている。そして、各穴１１１、１１２、１１３にはそれぞれ、入口パイプ１６０、出口パイプ１７０、冷媒封入パイプ１８０が図２〜図４に示すように接続されている。
【００２３】
中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃは、それぞれ図５（ｂ）、図５（ｃ）、図６（ａ）に示すように、上側プレート１１０と外形を同一とする平板部材としており、複数の冷媒開口部１３１が設けられている。冷媒開口部１３１は、図中の上下方向に延びる長円形の穴であり、上下方向および左右方向に複数配列され、中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂ、１３０Ｃが積層された時に、互いに重なり合う（連通し合う）ようにしている。
【００２４】
また、中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂには、上記の冷媒開口部１３１に加えて、冷却水開口部１３２が設けられている。冷却水開口部１３２は、図中の左右方向に延びて櫛状を成す入口側開口部１３２ａ、出口側開口部１３２ｂおよび図中の上下方向に延びる長円形の中間開口部１３２ｃとから成る。中間開口部１３２ｃは、図中の左右方向において上記の冷媒開口部１３１の間に挟まれるように配置されている。また入口側開口部１３２ａおよび出口側開口部１３２ｂの櫛歯に相当する部位は、中間開口部１３２ｃの位置に対応するようになっている。そして、中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂのそれぞれの冷却水開口部１３２（１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ）は、互いにずれた位置に設けられており、中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂを交互に積層した際に冷却水開口部１３２（１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ）全体が連通するようにしている。
【００２５】
中間プレート１３０Ｄ、１３０Ｅは、図６（ｂ）、図６（ｃ）に示すように、中間プレート１３０Ａ〜１３０Ｃの冷媒開口部１３１が配置される領域に相当する外形を有する長方形の平板部材としている。中間プレート１３０Ｄ、１３０Ｅには、それぞれ図中の上下方向あるいは左右方向に１つの長穴として形成される冷媒開口部１３３、１３４が複数設けられている。そして、冷媒開口部１３３は、冷媒開口部１３１の左右方向の配置に対応するように設けられている。
【００２６】
尚、各プレート１１０、１３０Ａ〜１３０Ｅの各穴１１１、１１２、１１３および各開口部１３１〜１３４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。
【００２７】
下側プレート１２０は、図７に示すように、中間プレート１３０Ｄ、１３０Ｅと外形を同一とする長方形の平板部材としている。
【００２８】
そして、図４に示すように、上側プレート１１０と下側プレート１２０との間に各中間プレート１３０Ａ〜１３０Ｅが積層されている。即ち、上側プレート１１０の下側に中間プレート１３０Ａと１３０Ｂとが交互に複数積層され、その下側に中間プレート１３０Ｃが設けられ、更に、中間プレート１３０Ｃの下側には中間プレート１３０Ｄと１３０Ｅが積層されている。尚、本実施形態では中間プレート１３０Ｄ、１３０Ｅは、各１枚ずつ、合計２枚の仕様としているが、３枚以上を組み合わせた積層構造としても良い。
【００２９】
中間プレート１３０Ａ〜１３０Ｃの間においては、冷媒開口部１３１が積層方向に連通することによって、複数の第１小空間としての冷媒流路１４１が形成される。また、中間プレート１３０Ｄ、１３０Ｅの間においては、冷媒開口部１３３、１３４が互いに交差する部位で連通して、冷媒槽部１０１が形成される。そしてこの冷媒流路１４１と冷媒槽部１０１とが更に連通することにより、第１空間としての冷媒空間１４０が形成される。
【００３０】
冷媒空間１４０に連通する冷媒封入パイプ１８０からは、所定量の冷媒が注入され、冷媒は主に冷媒槽部１０１を満たすように貯留される。冷媒としては、ここではフロン（ＨＦＣ１３４ａ）を用いている。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。尚、冷媒封入パイプ１８０の開口側は、冷媒注入後に溶接等により封止される。
【００３１】
更に、交互に複数積層された中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂの間においては、冷却水開口部１３２、即ち入口側開口部１３２ａ、出口側開口部１３２ｂ、中間開口部１３２ｃが積層方向およびプレートの面方向にそれぞれ連通することによって、第２空間としての冷却水空間１５０が形成される。そして、冷却水空間１５０のうち、ここでは中間開口部１３２ｃによって形成される空間が第２小空間としての冷却水流路１５１となっている。尚、冷却水空間１５０は、入口パイプ１６０および出口パイプ１７０と連通する。
【００３２】
このように本発明の特徴部として、上側プレート１１０の直下となる中間プレート１３０Ａ、１３０Ｂに冷却水開口部１３２を設けていることから、冷却水空間１５０（冷却水流路１５１）の上側部１５０Ａは、上側プレート１１０の内側面に近接するように形成されている。また、冷却水流路１５１は、中間開口部１３２ｃと冷媒開口部１３１との配置によって、上記の冷媒流路１４１と交互に混在する形となっている。
【００３３】
そして、下側プレート１２０の外側面に加えてここでは、上側プレート１１０の外側面にも発熱体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。以下、下側の発熱体を１０ａ、上側の発熱体を１０ｂとして区別することとする。尚、発熱体１０ａ、１０ｂと両プレート１１０、１２０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。
【００３４】
次に、本実施形態の作動および作用効果について説明する。冷媒槽部１０１における冷媒は、発熱体１０ａの熱を受けて沸騰気化し、各冷媒流路１４１側に上昇する。そして、冷却水通路１５１を流通する冷却水によって冷却されて主に壁面側で凝縮液化して、自重によって冷媒槽部１０１に還流する。このように、沸騰冷却装置１００は、発熱体１０ａの熱を沸騰気化により輸送し、凝縮液化時の凝縮潜熱を冷却水側に放出することで発熱体１０ａを冷却する。
【００３５】
一方、発熱体１０ｂの熱は、上側プレート１１０を介して近接する冷却水流路１５１の冷却水に放出され、発熱体１０ｂが冷却されることになる。
【００３６】
このように、本発明においては、実装密度の向上やスペースの有効活用等のために発熱体１０を上側プレート１１０の外側面に装着した場合にも、近接する冷却水流路１５１内の冷却水によって冷却することが可能となる。
【００３７】
また、冷媒流路１４１と冷却水流路１５１とを交互に混在するように配置しているので、発熱体１０ａによって沸騰気化した冷媒と冷却水とが近接する面積を増大させて、熱交換効率を向上させることができる。
【００３８】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図８に示す。第２実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷却水空間１５０（冷却水流路１５１）の上側部１５０Ａが上側プレート１１０の内側面に近接する領域を発熱体１０ｂの領域に対応するようにしたものである。
【００３９】
これにより、発熱体１０ｂの装着位置や大きさに応じて、この発熱体１０ｂを効果的に冷却することができる。更に、冷却水空間１５０の上側部１５０Ａを上側プレート１１０に近接させない領域においては、冷媒拡散部１０３を形成することができるので、発熱体１０ａによって沸騰気化した冷媒の還流を促進させることができ、発熱体１０ａの冷却性能を向上できる。
【００４０】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図９に示す。第３実施形態は、上記第１実施形態に対して、冷却水空間１５０の下側部１５０Ｂについても下側プレート１２０の内側面に近接させるようにしている。また、発熱体１０ａの内部に複数の熱源部としての素子チップ１１が設けられるものにおいて、この素子チップ１１を冷媒流路１４１の位置に対応するように配置させている。
【００４１】
これにより、発熱体１０ａを、冷却水空間１５０（冷却水流路１５１）内の冷却水によっても冷却することができるので、冷媒空間１４０内に封入する冷媒量を低減することができる。
【００４２】
また、冷媒空間１４０内の冷媒が沸騰気化されやすくなり、冷却水空間１５０内の冷却水との熱交換が促進され、冷却性能を向上させることができる。
【００４３】
（その他の実施形態）
上記第１実施形態に対して、発熱体１０ｂ内の各素子チップ１１においては、図１０に示すように、冷却水流路１５１の位置に対応するように配置するのが良く、これにより、素子チップ１１と冷却水との間の熱抵抗を低減でき、冷却性能を向上させることができる。
【００４４】
尚、本沸騰冷却装置１００においては、上側プレート１１０側に発熱体１０ｂを設けずに、下側プレート１２０側のみに発熱体１０ａを設ける場合でも、先に出願したものと同様に機能させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の沸騰冷却装置のシステム構成を示す模式図である。
【図２】第１実施形態の沸騰冷却装置の外観を示す正面図である。
【図３】第１実施形態の沸騰冷却装置の外観を示す平面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ部の断面図である。
【図５】（ａ）は上側プレート、（ｂ）（ｃ）は各中間プレートを示す平面図である。
【図６】（ａ）（ｂ）（ｃ）は各中間プレートを示す平面図である。
【図７】下側プレートを示す平面図である。
【図８】第２実施形態における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図９】第３実施形態における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図１０】その他の実施形態における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【図１１】先の出願における沸騰冷却装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１０  発熱体
１１  素子チップ（熱源部）
１００  沸騰冷却装置
１１０  上側プレート
１２０  下側プレート
１３０Ａ〜１３０Ｅ  中間プレート
１３１  冷媒開口部
１３２  冷却水開口部
１３３  冷媒開口部
１３４  冷媒開口部
１４０  冷媒空間（第１空間）
１４１  冷媒流路（第１小空間）
１５０  冷却水空間（第２空間）
１５０Ａ  上側部
１５０Ｂ  下側部
１５１  冷却水流路（第２小空間）
【図１】
2004228386.tif 000003
【図２】
2004228386.tif 000004
【図３】
2004228386.tif 000005
【図４】
2004228386.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
2004228386.tif 000009
【図８】
2004228386.tif 000010
【図９】
2004228386.tif 000011
【図１０】
2004228386.tif 000012
【図１１】
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