(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に収容された冷媒を外面に取り付けられている発熱素子から発せられた熱により沸騰させる沸騰部と、沸騰部から流入した冷媒蒸気を外部流体との熱交換により凝縮させる凝縮部とが、ほぼ水平な１つの流路部によって連通させられており、流路部内を冷媒蒸気および冷媒凝縮液が対向して流通させられる発熱素子用沸騰冷却器であって、
沸騰部の底壁を構成する底プレートと、
沸騰部の周壁を構成する筒状枠と、
一端側に筒状枠の上端との接続孔を有し、他端側に凝縮部の底壁を構成する部分を有し、かつ長さ中間に流路部の底壁を構成する部分を有する中間プレートと、
一端側に沸騰部の頂壁を構成する部分を有し、他端側に凝縮部の頂壁を構成する部分を有し、かつ長さ中間に流路部の頂壁を構成する部分を有する上プレートとを備えており、
中間プレートおよび上プレートのうち少なくともいずれか一方が、同他方に凹面を向けた皿状に成形されており、
底プレート、筒状枠、中間プレートおよび上プレートが上下に重ねられて一括ろう付けされることにより、沸騰部、凝縮部および流路部が形成されている、発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項２】
中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面に、アウターフィンがろう付けされている、請求項１記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項３】
上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の上面に、アウターフィンがろう付けされている、請求項１記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項４】
中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面、および上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の上面に、それぞれアウターフィンがろう付けされている、請求項１記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項５】
中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の上面と、上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の下面との間に、インナーフィンが介在され、これらの面にインナーフィンがろう付けされている、請求項１〜４のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項６】
底プレートの下面が発熱素子取付面となされ、底プレートの上面に沸騰促進構造を有する沸騰伝熱面が形成されている、請求項１〜５のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項７】
中間プレートにおける流路部の底壁を構成する部分の上面に、冷媒凝縮液を毛細管力によって凝縮部から沸騰部に向かって流通させうる溝が形成されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項８】
中間プレートにおける流路部の底壁を構成する部分の上面に、冷媒凝縮液を重力によって凝縮部から沸騰部に向かって流通させうる勾配が付けられている、請求項１〜７のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項９】
筒状枠の外面の上端縁近傍にほぼ水平な上向きの環状段差が形成され、環状段差よりも上方部分が中間プレートの接続孔に嵌め入れられる嵌入縁部となされており、嵌入縁部における流路部に臨んでいる部分は、冷媒凝縮液を沸騰部に流下させるために、全体または一部が切り欠かれている、請求項１〜８のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項１０】
沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部とＴ字状に交差するように左右方向にのびている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項１１】
沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部とＬ字状に交差するように左右方向にのびている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項１２】
沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部と直列をなすように前後方向にのびている、請求項１〜９のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【請求項１３】
流路部内の高さが５〜１５ｍｍである、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えばサーバ等の電子機器に搭載されるＣＰＵ等の発熱素子を冷却するための沸騰冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば各種の電子機器に搭載されるＣＰＵ等の半導体デバイスは、小型化や高集積化が進み、それによって発熱量がさらに増大する傾向にある。
一般的に、これらの半導体デバイスの場合、発熱により所定の温度を越えると、動作不良や破損が生じるおそれがあるため、温度管理が不可欠であり、その効果的な冷却システムが求められている。
【０００３】
従来、発熱素子の冷却システムには、空冷方式が多く用いられてきたが、発熱素子の高性能化に伴う高い冷却性能の要求に応えるのは限界に近づいている。
また、冷却システムとして、冷媒循環方式も知られているが、ポンプやリザーブタンクを組み込む必要があるため、システムが大規模化するという問題がある。
その他の発熱素子用冷却システムとして、熱サイフォンを用いた沸騰冷却方式がある。この沸騰冷却方式は、空冷方式と比べて放熱性能に優れており、また、システムが大規模化する冷媒循環方式よりもコスト面で有利であるため、有用なアイテムとして期待されている。
【０００４】
従来の発熱素子用沸騰冷却器として、特許文献１記載のものが知られている。この沸騰冷却器は、内部に収容された冷媒を外面に取り付けられている発熱素子から発せられた熱により沸騰させる沸騰部と、沸騰部の上方に配されかつ沸騰部から流入した冷媒蒸気を外部流体との熱交換により凝縮させる凝縮部との間に、連通管が介在されてなる。連通管の内周面には、長さ方向に伸びかつ冷媒凝縮液を表面張力の作用によって流下させ得る大きさを有する複数の溝が設けられていて、連通管内における前記溝よりも内側部分を冷媒蒸気が流通させられるようになっている。凝縮部は、水平なヘッダタンクと、ヘッダタンクに接続された複数の垂直な熱交換管と、隣り合う熱交換管どうしの間に介在された放熱フィンとを備えている。
【０００５】
ここで、例えばサーバ等に代表される水平置きタイプの薄型機器にあっては、発熱素子の冷却手段を設置するための上下方向のスペースに制限がある。
特許文献１記載の沸騰冷却器の場合、凝縮部が連通管を介して沸騰部の上方に配置される構成であるため、上述のような薄型機器に組み込むのは困難であった。
【０００６】
また、従来のその他の発熱素子用沸騰冷却器として、特許文献２および特許文献３記載のものも提案されている。これらの沸騰冷却器は、水平方向に間隔をおいて配置された沸騰部と凝縮部との間に、沸騰部から凝縮部に向かって冷媒蒸気を流通させる第１接続管、および凝縮部から沸騰部から凝縮部に向かって冷媒凝縮液を流通させる第２接続管が介在されたものである。
上記の沸騰冷却器によれば、全体の高さを抑えることができるので、サーバ等の薄型機器への組み込みは、特許文献１記載の沸騰冷却器と比べて、容易になる。
【０００７】
しかしながら、特許文献２，３記載の沸騰冷却器の場合、沸騰部と凝縮部との間で冷媒を流通させる流路部が、第１接続管および第２接続管によって構成されているため、製作工程が複雑となり、また、部品点数も増えるため、コストが増大するという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特許第３９２４６７４号公報
【特許文献２】特許第５２１０９９７号公報
【特許文献３】特開２０１３−３３８０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
この発明の目的は、サーバ等の薄型機器のように上下方向の設置スペースが小さい場合でも設置して使用することが可能であり、かつ製作工程を簡素化してコストを抑えることができる単純な構造の発熱素子用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】
【００１０】
この発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【００１１】
1)内部に収容された冷媒を外面に取り付けられている発熱素子から発せられた熱により沸騰させる沸騰部と、沸騰部から流入した冷媒蒸気を外部流体との熱交換により凝縮させる凝縮部とが、ほぼ水平な１つの流路部によって連通させられており、流路部内を冷媒蒸気および冷媒凝縮液が対向して流通させられる、発熱素子用沸騰冷却器。
【００１２】
2)沸騰部の底壁を構成する底プレートと、
沸騰部の周壁を構成する筒状枠と、
一端側に筒状枠の上端との接続孔を有し、他端側に凝縮部の底壁を構成する部分を有し、かつ長さ中間に流路部の底壁を構成する部分を有する中間プレートと、
一端側に沸騰部の頂壁を構成する部分を有し、他端側に凝縮部の頂壁を構成する部分を有し、かつ長さ中間に流路部の頂壁を構成する部分を有する上プレートとを備えており、
中間プレートおよび上プレートのうち少なくともいずれか一方が、同他方に凹面を向けた皿状に成形されており、
底プレート、筒状枠、中間プレートおよび上プレートが上下に重ねられて一括ろう付けされることにより、沸騰部、凝縮部および流路部が形成されている、上記1)記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１３】
3)中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面に、アウターフィンがろう付けされている、上記2)記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１４】
4)上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の上面に、アウターフィンがろう付けされている、上記2)記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１５】
5)中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面、および上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の上面に、それぞれアウターフィンがろう付けされている、上記2)２記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１６】
6)中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の上面と、上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の下面との間に、インナーフィンが介在され、これらの面にインナーフィンがろう付けされている、上記2)〜5)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１７】
7)底プレートの下面が発熱素子取付面となされ、底プレートの上面に沸騰促進構造を有する沸騰伝熱面が形成されている、上記2)〜6)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１８】
8)中間プレートにおける流路部の底壁を構成する部分の上面に、冷媒凝縮液を毛細管力によって凝縮部から沸騰部に向かって流通させうる溝が形成されている、上記2)〜7)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００１９】
9)中間プレートにおける流路部の底壁を構成する部分の上面に、冷媒凝縮液を重力によって凝縮部から沸騰部に向かって流通させうる勾配が付けられている、上記2)〜8)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００２０】
10)筒状枠の外面の上端縁近傍にほぼ水平な上向きの環状段差が形成され、環状段差よりも上方部分が中間プレートの接続孔に嵌め入れられる嵌入縁部となされており、嵌入縁部における流路部に臨んでいる部分は、冷媒凝縮液を沸騰部に流下させるために、全体または一部が切り欠かれている、上記2)〜9)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００２１】
11)沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部とＴ字状に交差するように左右方向にのびている、上記1)〜10)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００２２】
12)沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部とＬ字状に交差するように左右方向にのびている、上記1)〜10)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００２３】
13)沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部と直列をなすように前後方向にのびている、請求項1)〜10)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【００２４】
14)流路部内の高さが５〜１５ｍｍである、上記1)〜13)のいずれか１つに記載の発熱素子用沸騰冷却器。
【発明の効果】
【００２５】
上記1)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、沸騰部と凝縮部がほぼ水平な１つの流路部によって連通させられているので、全体の高さをコンパクトにすることができ、例えばサーバ等の薄型機器内に設置して使用することが可能である。また、上記1)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、流路部が１つであって、その内部を冷媒蒸気および冷媒凝縮液が対向して流通させられるので、構造が単純化され、製作工程を簡素化することができ、また、コストを抑えることができる。
【００２６】
上記2)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、底プレート、筒状枠、中間プレートおよび上プレートが上下に重ねられて一括ろう付けされることにより、沸騰部、凝縮部および流路部が形成されているので、その製作が容易であって、製造不良が生じ難く、量産に適している。また、上記2)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、ろう付け時に底プレート等の構成部品を単一方向の荷重によって拘束することができるので、使用する治具の構造を単純化することができ、また、ろう付けの安定性も得られる。
【００２７】
上記3)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンによって、凝縮部における冷媒蒸気と外部流体との熱交換効率が向上し、発熱素子の冷却性能が高められる。また、上記3)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンが、中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面にろう付けされているので、ろう付け時の拘束のための荷重方向が他の構成部品と同一となり、共通の治具を用いて容易に拘束することができる。さらに、上記3)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンが、中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面にろう付けされているので、凝縮部の底壁部分の放熱性能が、他の部分と比べて優れたものとなり、したがって、冷媒蒸気の凝縮が凝縮部下方に向かって促進され、冷媒凝縮液の還流がスムーズに行われる。
【００２８】
上記4)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンによって、凝縮部における冷媒蒸気と外部流体との熱交換効率が向上し、発熱素子の冷却性能が高められる。また、上記4)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンが、上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の上面にろう付けされているので、ろう付け時の拘束のための荷重方向が他の構成部品と同一となり、共通の治具を用いて容易に拘束することができる。さらに、上記4)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、例えば電子機器内において凝縮部の下方に十分なスペースがない場合であっても、アウターフィンを備えた発熱素子用沸騰冷却器を設置することが可能となる。
【００２９】
上記5)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンによって、凝縮部における冷媒蒸気と外部流体との熱交換効率が向上し、発熱素子の冷却性能が高められる。また、上記5)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、アウターフィンが、中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の下面、および上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の上面にろう付けされているので、ろう付け時の拘束のための荷重方向が他の構成部品と同一となり、共通の治具を用いて容易に拘束することができる。さらに、上記5)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、凝縮部の上下両側のうちいずれか一方のみにアウターフィンを設置する場合と比べて、放熱面積が増大し、冷媒蒸気の凝縮が促進される。
【００３０】
上記6)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、インナーフィンによって、凝縮部における冷媒蒸気と外部流体との熱交換効率が向上し、発熱素子の冷却性能が高められる。また、上記6)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、インナーフィンが、中間プレートにおける凝縮部の底壁を構成する部分の上面および上プレートにおける凝縮部の頂壁を構成する部分の下面にろう付けされているので、ろう付け時の拘束のための荷重方向が他の構成部品と同一となり、共通の治具を用いて容易に拘束することができる。
【００３１】
上記7)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、底プレートの下面が発熱素子取付面となされているので、冷媒封入量を必要最小限に抑えることができる上、底プレートの上面に沸騰促進構造を有する沸騰伝熱面が形成されているので、冷媒の沸騰が促進され、発熱素子の冷却性能が向上する。
【００３２】
上記8)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、冷媒凝縮液が、中間プレートにおける流路部の底壁を構成する部分の上面に形成された溝に案内されて、毛細管力により凝縮部から沸騰部に向かって流通させられるため、冷媒凝縮液の沸騰部への還流が促進される。
【００３３】
上記9)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、冷媒凝縮液が、中間プレートにおける流路部の底壁を構成する部分の上面に付けられた勾配によって、重力作用により凝縮部から沸騰部に向かって流通させられるため、冷媒凝縮液の沸騰部への還流が促進される。
【００３４】
上記10)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、筒状枠の嵌入縁部を中間プレートの接続孔に嵌め入れることによって、筒状枠と中間プレートの位置決めを容易に行うことができる上、嵌入縁部における流路部に臨んでいる部分の全体または一部が切り欠かれているため、冷媒凝縮液を沸騰部にスムーズに流下させることができる。
【００３５】
上記11)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部とＴ字状に交差するように左右方向にのびているので、例えば空気等の外部流体が前後方向に流通させられる場合に、凝縮部内の冷媒蒸気と外部流体との熱交換を効率よく行うことができる。
【００３６】
上記12)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部とＬ字状に交差するように左右方向にのびているので、例えば空気等の外部流体が前後方向に流通させられる場合に、凝縮部内の冷媒蒸気と外部流体との熱交換を効率よく行うことができる上、発熱素子の左右いずれか一方の側に十分なスペースがない場合でも、設置して使用することが可能になる。
【００３７】
上記13)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、沸騰部および流路部が平面より見て前後方向に並んでおり、凝縮部が平面より見て流路部と直列をなすように前後方向にのびているので、例えば空気等の外部流体が左右方向に流通させられる場合に、凝縮部内の冷媒蒸気と外部流体との熱交換を効率よく行うことができる。
【００３８】
上記14)の発熱素子用沸騰冷却器によれば、流路部内の高さが５〜１５ｍｍであるので、以下のような問題点を回避することができる。すなわち、流路部内の高さが５ｍｍ未満であると、冷媒蒸気の流速が速くなり、その抵抗によって冷媒凝縮液の沸騰部への還流が阻害される。また、流路部内の高さが１５ｍｍを超えると、例えばサーバ等の薄型機器内のスペースの制限された高さ寸法の範囲で、空気等の外部流体側の伝熱領域が相対的に小さくなるため、凝縮部において冷媒蒸気が凝縮し難くなる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】この発明の第１の実施形態に係る発熱素子用沸騰冷却器の斜視図である。
【図２】同沸騰冷却器の垂直縦断面図である。
【図３】同沸騰冷却器の水平断面図である。
【図４】同沸騰冷却器の分解斜視図である。
【図５】同沸騰冷却器の流路部に付加される冷媒凝縮液の流通促進手段を示すものであって、（ａ）は流路部の垂直横断面図、（ｂ）は沸騰冷却器の垂直縦断面図である。
【図６】アウターフィンの取付位置のバリエーションを示す沸騰冷却器の側面図である。
【図７】この発明の第２の実施形態に係る発熱素子用沸騰冷却器の部分切欠き斜視図である。
【図８】この発明の第３の実施形態に係る発熱素子用沸騰冷却器の部分切欠き斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、この発明の実施形態を、図１〜図８を参照して説明する。
なお、以下の説明において、各図（図５（ａ）を除く）の左側を「前」、同右側を「後」といい、また「左右」は前から見た場合の左右をいうものとする。
【００４１】
図１〜図４は、この発明の第１の実施形態に係る発熱素子用沸騰冷却器を示すものである。
図１〜図４に示す発熱素子用沸騰冷却器(10A)は、内部に収容された冷媒(C)を外面に取り付けられている発熱素子(E)から発せられた熱により沸騰させる沸騰部(11)と、沸騰部(11)から流入した冷媒蒸気(C1)を空気との熱交換により凝縮させる凝縮部(12)と、沸騰部(11)と凝縮部(12)とを連通させるようにほぼ水平に設けられかつ内部を冷媒蒸気(C1)および冷媒凝縮液(C2)が対向して流通させられる流路部(13)とを備えている。
沸騰部(11)および流路部(13)は、平面より見て前後方向に並んでいる。凝縮部(12)は、平面より見て流路部(13)とＴ字状に交差するように左右方向にのびている。
冷媒(C)としては、例えば、フルオロカーボンとハイドロカーボンとの混合液が用いられる。冷媒(C)は、沸騰冷却器(10A)内を真空状態として封入されている。
【００４２】
この沸騰冷却器(10A)は、底プレート(2)、筒状枠(3)、中間プレート(4)、上プレート(5)、アウターフィン(6)およびインナーフィン(7)が上下に重ねられ、これらが治具（図示略）で拘束されながら一括ろう付けされることにより、形成されている。
上記各構成部品(2)(3)(4)(5)(6)(7)の材質は、通常、アルミニウム合金であるが、その他のろう付け可能な金属材料であってもよい。
【００４３】
底プレート(2)は、沸騰部(11)の底壁を構成するものであって、平面よりみて略方形をしている。
底プレート(2)の下面は、ＣＰＵ等の発熱素子(E)を取り付けるための発熱素子取付面(21)となされている。
そして、底プレート(2)の上面が、沸騰伝熱面(22)となされている。詳しい図示は省略したが、沸騰伝熱面(22)は、例えば底プレート(2)上面に機械加工、粉末ろう付けまたは発泡メタルのろう付けを行うことによって微細凹凸が形成された沸騰伝熱促進構造を有している。上記の沸騰伝熱促進構造により、沸騰伝熱面(22)の伝熱面積が拡大するとともに、核気泡の離脱が促進されるため、冷媒(C)の沸騰が促進され、放熱性能が向上する。
【００４４】
筒状枠(3)は、沸騰部(11)の周壁を構成するものであって、横断面略方形をしている。
筒状枠(3)の下端縁には、水平外向き環状のフランジ部(31)が形成されている。このフランジ部(31)が、底プレート(2)上面の周縁部に重ねられて、ろう付けされている。
筒状枠(3)外面の上端縁近傍に、ほぼ水平な上向きの環状段差(32)が形成されている。そして、筒状枠(3)のうち環状段差(32)よりも上方部分が、後述する中間プレート(4)の接続孔(40)に嵌め入れられる嵌入縁部(33)となされている。
嵌入縁部(33)のうち流路部(13)に臨んでいる後縁部分は、冷媒凝縮液(C2)を沸騰部(11)に流下させるために、ほぼ全体が切り欠かれている。切欠き(34)の下端縁のレベルは、中間プレート(4)の上面レベルとほぼ一致させられている（図２参照）。
筒状枠(3)の前側面に貫通孔(35)があけられており、この貫通孔(35)に冷媒導入パイプ(8)の一端部が挿入固定されている。冷媒導入パイプ(8)の他端部は、同パイプ(8)を通じて沸騰部(3)内に冷媒(C)が導入されかつ内部が減圧された後で、圧潰されることにより、閉鎖されている。
【００４５】
中間プレート(4)は、その前端側に筒状枠(3)の上端との接続孔(40)を有し、後端側に凝縮部(12)の底壁を構成する部分を有し、長さ中間に流路部(13)の底壁を構成する部分を有している。
方形状の接続孔(40)を有する前端側部分(41)と、流路部(13)の底壁を構成する長さ中間部分(43)とは、互いに連続して前後方向にのびている。凝縮部(12)の底壁を構成する後端側部分(42)は、左右方向にのびており、長さ中間部分(43)とＴ字状に交差している。以上の構成により、中間プレート(4)は、平面よりみて略Ｔ字形のものとなされている。
【００４６】
下方に凹面を向けた皿状の上プレート(5)は、その前端側に沸騰部(11)の頂壁を構成する部分を有し、後端側に凝縮部(12)の頂壁を構成する部分を有し、長さ中間に流路部(13)の頂壁を構成する部分を有している。
沸騰部(11)の頂壁を構成する前端側部分(51)と、流路部(13)の頂壁を構成する長さ中間部分(53)とは、互いに連続して前後方向にのびている。凝縮部(12)の頂壁を構成する後端側部分(52)は、左右方向にのびており、長さ中間部分(53)とＴ字状に交差している。以上の構成により、上プレート(5)は、中間プレート(4)と同様に、平面よりみて略Ｔ字形のものとなされている。
上プレート(5)の周縁部には、水平外向きのフランジ部(54)が形成されている。このフランジ部(54)が、中間プレート(4)上面の周縁部に重ねられて、ろう付けされている。
上プレート(5)の垂下状周壁部(55)の高さは、５〜１５ｍｍである。従って、流路部(13)内の高さ(H)も、５〜１５ｍｍとなる。
なお、図示の沸騰冷却器(10A)では、冷媒導入パイプ(8)が筒状枠(3)の一側面に接続されているが、これに限らず、例えば、上プレート(5)に冷媒導入パイプを接続することも可能である。上プレート(5)に冷媒導入パイプを接続する場合、沸騰部(11)に対応する前端側部分(51)に限らず、凝縮部(12)に対応する後端側部分(52)や、流路部(13)に対応する長さ中間部分(53)に接続してもよい。
【００４７】
アウターフィン(6)は、上下に交互に蛇行しながら左右方向にのびたコルゲートフィンよりなり、その頂部が、中間プレート(4)の後端側部分(42)下面にろう付けされている。
アウターフィン(6)の形状は、図示のようなストレート型のコルゲートフィンに限らず、ルーバ付きコルゲートフィンや、プレートフィンなどであってもよい。
アウターフィン(6)の下には、板状のフィンカバー(9)が配されており、フィンカバー(9)の上面にアウターフィン(6)の底部がろう付けされている。フィンカバー(9)の左右両端部は上方に折り曲げられている。このフィンカバー(9)により、アウターフィン(6)の損傷が防止され、また、一括ろう付けの際の治具によるアウターフィン(6)の拘束が容易となる。なお、フィンカバーは、省略しても構わない。
アウターフィン(6)には、冷媒蒸気(C1)との間で熱交換を行う空気が、図示しないファン等の送風手段(図示略)によって、図１，２中に矢印(A)で示す方向、すなわち、後方から前方に向かって流通させられる。
【００４８】
インナーフィン(7)は、中間プレート(4)における凝縮部(12)の底壁を構成する後端側部分(42)の上面と、上プレート(5)における凝縮部(12)の頂壁を構成する後端側部分(52)の下面との間に介在されている。
インナーフィン(7)は、左右２つに分割されて、凝縮部(12)内に設置されている。
各インナーフィン(7)は、上下に交互に蛇行しながら前後方向にのびたコルゲートフィンよりなり、その底部が、中間プレート(4)の後端側部分(42)上面にろう付けされ、その頂部が、上プレート(5)の後端側部分(52)下面にろう付けされている。
なお、インナーフィン(7)は、図示のようなコルゲートフィンに限らず、押出形材製フィン、オフセットフィン、ピンフィンなどであってもよい。
左右のインナーフィン(7)は、両インナーフィン(7)どうしの間に流路部(13)に連通する間隙部(S)が形成されるように、所定間隔をおいて配置されている。インナーフィン(7)の上記分割構成により、流路部(13)から凝縮部(12)に流入した冷媒蒸気(C1)が、間隙部(S)を通じて、凝縮部(13)の全体に行き渡り易くなっている。
【００４９】
次に、図２を参照して、上記の沸騰冷却器(1)の作動原理を説明する。
サーバ等の電子機器の作動中にＣＰＵ等の発熱素子(E)から大量の熱が発せられると、その熱が沸騰部(11)に伝わり、沸騰部(11)内の冷媒(C)が沸騰させられる。この際、沸騰部(11)の底壁上面、即ち、底プレート(2)上面に形成された沸騰促進構造を有する沸騰伝熱面(22)により冷媒(C)の沸騰が促進され、発熱素子(E)の放熱が効率良く行われる。
冷媒(C)の沸騰により生じた冷媒蒸気(C1)は、沸騰部(11)の上部から流路部(13)に流入し、流路部(13)の上部を後方に向かって流通する。次いで、冷媒蒸気(C1)は、凝縮部(12)の長さ中央部分に流入し、間隙部(S)から凝縮部(12)の左右両端部に向かって分岐流通する。冷媒蒸気(C1)は、凝縮部(12)を流通する間に、後方から前方に向かってアウターフィン(6)の空隙部分を流通させられる空気との間で、インナーフィン(7)、中間プレート(4)およびアウターフィン(6)を介して熱交換され、凝縮する。なお、冷媒蒸気(C1)と空気との間の熱交換は、インナーフィン(6)および上プレート(5)を介しても行われる。
凝縮部(12)で生じた冷媒凝縮液(C2)は、凝縮部(12)の下部に溜まった後、流路部(13)に流出し、流路部(13)の下部を前方に向かって流通する。特に、この実施形態の沸騰冷却器(1)の場合、アウターフィン(6)が、中間プレート(4)における凝縮部(12)の底壁を構成する後端側部分(42)の下面にろう付けされているので、凝縮部(12)の底壁部分の放熱性能が、他の部分と比べて優れたものとなっている。したがって、冷媒蒸気(C1)の凝縮が凝縮部(12)下方に向かって促進され、冷媒凝縮液(C2)の還流がスムーズに行われる。次いで、冷媒凝縮液(C2)は、筒状枠(3)における嵌入縁部(33)の切欠き(34)を通じて、沸騰部(11)に流下し、ここで再度沸騰させられる。
以上のような冷媒(C)の相変化が繰り返されることにより、発熱素子(E)の冷却が継続的に行われる。
【００５０】
図５は、上記沸騰冷却器(10A)の流路部(13)に付加される冷媒凝縮液(C1)の流通促進手段を例示したものである。
図５（ａ）では、流路部(13)の底壁を構成している中間プレート(4)の長さ中間部分(43)の上面に、前後方向にのびる複数の溝(44)が形成されている。各溝(44)は、横断面Ｖ形に形成されているが、その他の横断面形状であってもよい。溝(44)の幅およびピッチは、冷媒凝縮液(C2)の流通を毛細管力によって促進させうるように適宜設定される。
また、図５（ｂ）の場合、流路部(13)の底壁を構成している中間プレート(4)の長さ中間部分(43)が、その上面に後端側（凝縮部側）から前端側（沸騰部側）に向かって下り勾配が付けられるように、中間プレート(4)の前端側部分(41)および後端側部分(42)に対して斜めに形成されている。流路部(13)の底壁を構成している上プレート(5)の長さ中間部分(53)も、中間プレート(4)の長さ中間部分(43)と平行になるように、上プレート(5)の前端側部分(51)および後端側部分(52)に対して斜めに形成されている。なお、中間プレート(4)の長さ中間部分(43)上面の勾配は、上記以外の構造によって付けても構わない。
中間プレート(4)の長さ中間部分(43)上面に付加された上記の溝(44)または勾配により、冷媒凝縮液(C2)の沸騰部(11)への還流が促進される。また、凝縮部(12)が沸騰部(11)よりもやや下方に位置するように沸騰冷却器(10A)が設置された状態では、上記溝(44)または勾配が、冷媒凝縮液(C2)の沸騰部(11)への還流をバックアップする機能を奏する。
【００５１】
図６は、アウターフィンの取付位置のバリエーションを示したものである。
図６（ａ）の沸騰冷却器(10A)においては、凝縮部(12)の底壁を構成する中間プレート(4)の後端側部分(42)の下面側に加えて、凝縮部(12)の頂壁を構成する上プレート(5)の後端側部分(52)の上面側にも、アウターフィン(6)が設けられている。
上側のアウターフィン(6)も、下側のアウターフィン(6)と同様に、コルゲートフィン等によって構成されている。上側のアウターフィン(6)の底部は、上プレート(5)の後端側部分(52)上面にろう付けされている。上側のアウターフィン(6)の上には、板状のフィンカバー(9)が配されており、フィンカバー(9)の下面にアウターフィン(6)の頂部がろう付けされている。フィンカバー(9)の左右両端部は下方に折り曲げられている。
凝縮部(12)の上下に十分なスペースがある場合、上記のように凝縮部(12)の上下両側にアウターフィン(6)を設置することで、放熱面積が増大し、冷媒蒸気(C2)の凝縮が促進される。
また、図６（ｂ）の沸騰冷却器(10A)では、凝縮部(12)の頂壁を構成する上プレート(5)の後端側部分(52)の上面側のみに、アウターフィン(6)が設けられている。
上述したアウターフィン(6)の幾つかの取付位置は、電子機器内の設置スペースや要求される冷却性能等に応じて適宜選択することが可能である。
【００５２】
図７は、この発明の第２の実施形態に係る発熱素子用沸騰冷却器を示したものである。
図７の沸騰冷却器(10B)は、沸騰部(11)および流路部(13)が平面より見て前後方向に並んでいるとともに、凝縮部(12)が平面より見て流路部(13)とＬ字状に交差するように左右方向にのびているものである。
凝縮部(12)の底壁を構成する中間プレート(4X)の後端側部分(42X)は、長さ中間部分(43)の後端から右方に向かってのびている。同様に、凝縮部(12)の頂壁を構成する上プレート(5X)の後端側部分(52X)も、長さ中間部分(53)の後端から右方に向かってのびている。以上の構成により、中間プレート(4X)および上プレート(5X)は、平面よりみて略Ｌ字形のものとなされている。
アウターフィン(6)には、冷媒蒸気(C1)との間で熱交換を行う空気が、図示しないファン等によって、図７中に矢印(A)で示す方向、すなわち前方から後方に向かって（あるいは、その逆方向に）流通させられる。
凝縮部(12)内に配置されたインナーフィン(7X)は、図１〜４に示す第１の実施形態のように左右２つに分割されておらず、単一のものである。但し、流路部(13)から凝縮部(12)の左端部分に流入した冷媒蒸気(C1)が、凝縮部(12)の右端部分まで行き渡り易くするように、例えば、インナーフィン(7X)の左端部(71)を斜めにカットしておくのが好ましい。
上記の沸騰冷却器(10B)は、例えば、サーバ等の電子機器内において、ＣＰＵ等の発熱素子(E)の左側部分に十分な設置スペースがない場合や、発熱素子(E)の左側部分に冷却用の空気を送ることができない場合に好適に用いられる。
なお、凝縮部(12)は、図７に示すものと反対の方向、すなわち流路部(13)の後端から左方に向かってのびるように形成することも勿論可能である。
【００５３】
図８は、この発明の第３の実施形態に係る発熱素子用沸騰冷却器を示したものである。
図８の沸騰冷却器(10C)は、沸騰部(11)および流路部(13)が平面より見て前後方向に並んでいるとともに、凝縮部(12)が平面より見て流路部(13)と直列をなすように前後方向にのびているものである。
凝縮部(12)の底壁を構成する中間プレート(4Y)の後端側部分(42Y)は、長さ中間部分(43)の後端から、後方に向かって延長状にのびている。同様に、凝縮部(12)の頂壁を構成する上プレート(5Y)の後端側部分(52Y)も、長さ中間部分(53)の後端から、後方に向かって延長状にのびている。以上の構成により、中間プレート(4Y)および上プレート(5Y)は、平面よりみて略Ｉ字形のものとなされている。
凝縮部(12)の下方に配置されたアウターフィン(6)は、上下に交互に蛇行しながら前後方向にのびるコルゲートフィン等よりなる。アウターフィン(6)には、冷媒蒸気(C1)との間で熱交換を行う空気が、図示しないファン等によって、図８中に矢印(A)で示す方向、すなわち右方から左方に向かって（あるいは、その逆方向に）流通させられる。
インナーフィン(7)は、上下に交互に蛇行しながら前後方向にのびる単一のコルゲートフィン等よりなる。
上記の沸騰冷却器(10C)は、例えば、サーバ等の電子機器内において、アウターフィン(6)に空気を送るためのファン等の送風手段が、アウターフィン(6)の右側または左側に設置されている場合に、好適に用いられる。
【００５４】
上記３つの実施形態で例示したように、この発明の発熱素子用沸騰冷却器は、サーバ等の電子機器内における発熱素子や送風手段との取り合いに応じて、適宜の形態にすることができるので、適用範囲が広い。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
この発明による発熱素子用沸騰冷却器は、サーバ等の電子機器に搭載されるＣＰＵを冷却するのに好適に用いられる他、パワーコンディショナにおける制御基板の発熱体（ＩＰＭ）、ＬＥＤ照明器具、リチウムイオン電池等の冷却にも適用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
(10A)(10B)(10C)：発熱素子用沸騰冷却器
(11)：沸騰部
(12)：凝縮部
(13)：流路部
(2)：底プレート
(21)：発熱素子取付面
(22)：沸騰伝熱面
(3)：筒状枠
(32)：環状段差
(33)：嵌入縁部
(34)：切欠き
(4)(4X)(4Y)：中間プレート
(40)：接続孔
(42)(42X)(42Y)：後端側部分（凝縮部の底壁を構成する部分）
(43)：長さ中間部分（流路部の底壁を構成する部分）
(44)：溝
(5)(5X)(5Y)：上プレート
(51)：前端側部分（沸騰部の頂壁を構成する部分）
(52)(52X)(52Y)：後端側部分（凝縮部の頂壁を構成する部分）
(53)：長さ中間部分（流路部の頂壁を構成する部分）
(6)：アウターフィン
(7)(7X)：インナーフィン
(E)：発熱素子
(C)：冷媒
(C1)：冷媒蒸気
(C2)：冷媒凝縮液
(H)：流路部内の高さ
【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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