(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受熱壁および放熱壁を備えた容器内に冷媒が封入された沸騰冷却装置であって、
前記容器の内部には、少なくとも前記放熱壁と熱的に結合する凝縮フィンが設けられるとともに、この凝縮フィンの間隔が、必要な凝縮面積が確保できる最大の凝縮フィンの間隔以下で、かつ、冷媒が沸騰気化して前記容器の内壁を脱離する際の気化直径の平均値以上に設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記容器内には、蒸気冷媒が流れる蒸気通路を備え、
前記凝縮フィンは、前記蒸気通路に向かってフィン長が短く設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項３】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記凝縮フィンは、長手方向に複数に分割して設けられ、フィン端はフィンの高さが連続的に低く設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項４】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記凝縮フィンは、長手方向に複数に分割して設けられ、その分割部分はフィンの高さが連続的に変化して設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項５】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記凝縮フィンは、長手方向に複数に分割して設けられ、フィン端はフィンの厚さがテーパ状に薄く設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項６】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記凝縮フィンの側面には、前記凝縮フィンから前記放熱壁にかかる傾斜面が設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項７】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記放熱壁もしくは前記凝縮フィンの少なくとも一方には、前記容器内で液化した液冷媒の排水を促進させる補助ウイックが配置されたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項８】
請求項７の沸騰冷却装置において、
前記補助ウイックは、多孔焼結金属体、金属繊維、金網、あるいは金属以外の繊維であることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項９】
請求項７の沸騰冷却装置において、
前記補助ウイックは、前記容器内下部の液冷媒を前記受熱壁へ運搬する主ウイックに接触することを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項１０】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記放熱壁もしくは前記凝縮フィンの少なくとも一方は、表面に微細溝加工が施されたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項１１】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記放熱壁もしくは前記凝縮フィンの少なくとも一方は、表面に親水処理加工が施されたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項１２】
請求項１の沸騰冷却装置において、
前記容器の内部には、蒸気冷媒の流れを制御する制御通路が設けられたことを特徴とする沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器内において冷媒の蒸発と凝縮の循環ループを形成して発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関するもので、ＣＰＵなどの半導体集積回路の冷却に用いて好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、ＣＰＵの冷却装置として好適な小型の沸騰冷却装置を出願した（特願平９−９９５０号、特願平９−２９９８７号および特願平９−２４６２９７号）。この沸騰冷却装置は、偏平な箱型を成す密閉容器の対向する一方の壁面（受熱壁）に発熱体（ＣＰＵ）が固定され、他方の壁面（放熱壁）に放熱フィンが取り付けられ、容器の内部に所定量の冷媒が封入されるものである。ＣＰＵの熱は受熱壁を介して内部の冷媒に伝達されて冷媒を沸騰させ、沸騰した蒸気冷媒が放熱面に凝縮する際に凝縮潜熱として放出され、その凝縮潜熱が放熱壁より放熱フィンを介して大気に放出される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
沸騰冷却装置の更なる性能アップが望まれる。冷却能力を向上する１つの手段として、凝縮壁の熱放出量を増大させ、凝縮壁の過冷度を低下させることが考えられる。凝縮壁の面積を増大させると容器が大型化して適切でないため、凝縮壁に凝縮フィンを設けて放熱能力を増大させることが一般に行われる。
しかし、本願発明者らは、凝縮フィンを多く設けても、作動中に凝縮フィンと隣接する凝縮フィンとの間に凝縮液がブリッジして放熱能力が低下し、十分な性能アップ効果が得られないことを見出した。
【０００４】
【発明の目的】
本発明は、上記の事情に基づいて成されたもので、その目的は、最適な凝縮フィンの間隔設定を可能にすることによって、高い冷却性能を得ることのできる沸騰冷却装置の提供にある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
〔請求項１の手段〕
凝縮フィンの間隔がラプラス長さ（冷媒が沸騰気化して容器の内壁から脱離する際の気化直径）以上に設けられているため、沸騰冷却装置の作動中に凝縮フィンと隣接する凝縮フィンとの間に凝縮液がブリッジする不具合がない。このため、ブリッジした凝縮液によって凝縮フィンの放熱能力が低下する不具合が生じず、凝縮フィンによって効率的に放熱させることができ、結果的に沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【０００６】
〔請求項２の手段〕
凝縮フィンのフィン長を蒸気通路に向かって短く設けることで、発熱体の熱を受けて蒸気通路内で発生した蒸気を容器内に広く行き渡らせることができる。
【０００７】
〔請求項３の手段〕
凝縮フィンが分割して設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、凝縮フィンの端の高さが連続的に低くなることによって、凝縮フィンに付着した凝縮液が円滑に排水される。
このように、凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【０００８】
〔請求項４の手段〕
凝縮フィンが分割して設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、分割された凝縮フィンと凝縮フィンとの間が連続的に高さ変化することによって、凝縮フィンに付着した凝縮液が円滑に下方の凝縮フィンへ排水される。
このように、凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【０００９】
〔請求項５の手段〕
凝縮フィンが分割して設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、フィン端がテーパ状に設けられたことによって、さらに凝縮フィンに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。
このように、凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【００１０】
〔請求項６の手段〕
凝縮フィンが分割して設けられたことにより、凝縮フィンに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、凝縮フィンの側面に傾斜面を設けたことによって、さらに凝縮フィンに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。このように、凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【００１１】
〔請求項７、８の手段〕
放熱壁もしくは凝縮フィンに付着した液冷媒の排水が、補助ウイックによって促進されるため、放熱壁もしくは凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【００１２】
〔請求項９の手段〕
放熱壁もしくは凝縮フィンで液化した液冷媒が補助ウイックから主ウイックに直接供給される。つまり、凝縮した液冷媒は、容器の下部で溜まることなく再び受熱壁に導かれる。このように、液冷媒の流れ経路が短くなることによって液冷媒の循環効率が向上し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【００１３】
〔請求項１０、１１の手段〕
放熱壁もしくは凝縮フィンの表面に施された微細溝加工あるいは親水処理加工によって、表面に付着した液冷媒の排水が促進されるため、放熱壁もしくは凝縮フィンの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【００１４】
〔請求項１２の手段〕
請求項１２を採用することによって、制御通路により蒸気冷媒を効率的に拡散できる。つまり、制御通路によって効率的に凝縮フィンや放熱壁を使用でき、沸騰冷却装置の冷却能力を高めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
〔第１実施形態〕
第１実施形態を図１〜図４を用いて説明する。なお、図１は凝縮フィンの配置を示す放熱壁の内面図、図２は沸騰冷却装置の正面図と断面図、図３は沸騰冷却装置の使用例を示す斜視図、図４は作動温度に対するラプラス長さ、表面張力、液・蒸気密度の関係を示すグラフである。
【００１６】
沸騰冷却装置１は、図３に示すように、例えばコンピュータに搭載されたＣＰＵ２（発熱体の一例）を冷却するものであり、基板３に取り付けられたＣＰＵ２と放熱フィン４との間に介在されて使用される。
沸騰冷却装置１は、ＣＰＵ２が取り付けられる発熱体取付部７ａを備えた容器５と、この容器５内に配置された主ウイック６と、容器５内に所定量封入された冷媒（図示しない）とからなる。
【００１７】
容器５は、熱伝導性に優れる金属（例えば、銅、ニッケル、アルミニウム等）により製造され、図２に示すように、横寸法ａおよび縦寸法ｂに対して厚さ寸法ｈが小さい偏平な箱型に形成されている。
また、容器５は、図３に示すように、基板３に配置されたスロット３ａ等によって容器５の配置に制約を受けるため、受熱壁７の中央部にＣＰＵ２を配置できない。そこで、発熱体取付部７ａは、受熱壁７の中心からオフセットして設けられている。なお、受熱壁７の中心とは、受熱壁７の重心、即ち受熱壁７の対角線の交差付近である。
【００１８】
容器５内に封入される冷媒は、ＣＰＵ２の熱によって蒸発し、空冷によって凝縮するもので、水、アルコール、アセトン、その他の有機溶剤などから、作動温度域や、沸騰冷却装置１の構成材料との適合性等に基づいて選定される。なお、一般的には、銅−水系の冷媒が用いられる。
【００１９】
沸騰冷却装置１は、あらゆる姿勢での使用に対応するものであり、主ウイック６は、どのような姿勢においても容器５内の下部に溜まった液冷媒を発熱体取付部近傍６ａ（発熱体取付部７ａから受熱して冷媒を蒸発させる部分）に輸送するものである。
主ウイック６は、下部に溜まった液冷媒を毛細管現象によって発熱体取付部近傍６ａに運搬するもので、本実施形態では有孔金属焼結体を採用している。この有孔金属焼結体は、熱伝導性に優れる金属（例えば、銅、ニッケル、アルミニウム等）により製造された多孔質材料で、沸騰冷却装置１の熱抵抗を低減するために、容器５と接合することが望ましく、例えばろう付け、ハンダ付け等の接合技術で容器５に接合される。
なお、本実施形態では主ウイック６として有孔金属焼結体を採用しているが、金網や金属繊維、金属以外の繊維（例えば、カーボンファイバー、グラスファイバー等）など、他のウイックを用いても良い。
【００２０】
受熱壁７に対向する放熱壁８の内面には、図１に示す凝縮フィン８ａが設けられている。なお、図１（ａ）〜（ｆ）はそれぞれ異なった放熱壁８の内面を示すものであり、フィン列端部の位置を略山型配置した例、中央の蒸気通路に向けてフィン長を短く設けた例を種々示すものである。
図１（ａ）は、各列の凝縮フィン８ａを分割しない例である。
図１（ｂ）、（ｃ）は、各列の凝縮フィン８ａを分割するとともに、中央の蒸気通路に向けてフィン長を短く設けた例である。
図１（ｄ）は、発熱体取付部近傍６ａの凝縮フィン８ａの分割数を増した例である。
図１（ｅ）は、凝縮フィン８ａを斜めに配置した例である。
図１（ｆ）は、凝縮フィン８ａの間隔を不等ピッチに配置した例である。
【００２１】
凝縮フィン８ａは、放熱壁８と熱的に結合するもので、凝縮フィン８ａのフィン間隔は、過冷度低減のための必要凝縮面積を確保し、かつ作動温度域で凝縮フィン８ａと隣接する凝縮フィン８ａとの間に凝縮液がブリッジしないラプラス長さ以上に設けられている。水冷媒を用いた場合の作動温度に対するラプラス長さ、表面張力、液・蒸気密度の関係を、図４のグラフに示す。
【００２２】
ラプラス長さは、次式で定義されるものである。
【数１】
0003900702.tif 000002
なお、上記式中、ａ：冷媒によって異なる係数（水冷媒の場合ａ＝０．８〜１．５、フロン系冷媒の場合ａ＝０．５〜１．０）、σ：液冷媒の表面張力、ρ1 ：液冷媒の密度、ρ2 ：蒸気冷媒の密度、ｇ：重力加速度を示す。
【００２３】
沸騰冷却装置１の作動を説明する。
ＣＰＵ２の熱は、発熱体取付部７ａから容器５内の発熱体取付部近傍６ａに伝達され、その発熱体取付部近傍６ａに運搬された液冷媒を沸騰させる。発生した蒸気冷媒は、放熱フィン４によって温度が低く抑えられる放熱壁８および凝縮フィン８ａに凝縮潜熱を放出して凝縮液化し、液滴となって下部に溜まる液冷媒に還流する。放熱壁８に放出された熱は、放熱壁８に取り付けられた放熱フィン４を介して大気に放出される。
【００２４】
〔実施形態の効果〕
沸騰冷却装置１は、凝縮フィン８ａの間隔がラプラス長さ以上に設けられているため、沸騰冷却装置１の作動中に凝縮フィン８ａと隣接する凝縮フィン８ａとの間に凝縮液がブリッジする不具合がない。
このため、ブリッジした凝縮液によって凝縮フィン８ａの放熱能力が低下する不具合が生じず、凝縮フィン８ａによって効率的に放熱させることができ、結果的に沸騰冷却装置１の冷却能力を高めることができる。
【００２５】
本実施形態における沸騰冷却装置１は、容器５の下部に溜まった冷媒が、主ウイック６の毛細管現象によって発熱体取付部近傍６ａに運搬されるため、発熱体取付部７ａが受熱壁７の中心からオフセットされ、且つ、図２に示すようなサイドヒート時においても、容器５内の冷媒を確実に発熱体取付部近傍６ａに導くことができる。そして、発熱体取付部近傍６ａという広い範囲において冷媒を沸騰させることができるため、沸騰量が増えて、発熱体取付部７ａの過熱度を低減できる。
【００２６】
容器５の下部に溜まった冷媒が毛細管現象によって発熱体取付部近傍６ａに運搬するため、容器５内の冷媒量が少なくて済む。このため、容器５を立てて使用するサイドヒート時において、冷媒に漬かる放熱壁８の面積が少なくなり、実際的に蒸気冷媒を凝縮させる凝縮面積が多くなる。この結果、凝縮量が増えて過冷度も低減できる。このように、発熱体取付部７ａの過熱度を低減し、放熱壁８の過冷度も低減でき、結果的に沸騰冷却装置１の冷却性能を向上できる。
【００２７】
沸騰冷却装置１は、容器５、主ウイック６および冷媒のみで構成される。つまり、沸騰冷却装置１は、大変シンプルで済み、沸騰冷却装置１の生産性が向上し、コストを低く抑えることができる。
【００２８】
〔第２実施形態〕
第２実施形態を図５を用いて説明する。なお、図５（ａ）は放熱壁８の内面を示し、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図を示す。
この第２実施形態は、凝縮フィン８ａのフィン端の高さを連続的に低く設けるとともに、複数に分割されたフィン分割部分においてもフィンの高さを連続的に変化させたものであり、この実施形態ではフィン端の高さを図５（ｂ）に示すように円弧状に変化させた例を示す。
凝縮フィン８ａが分割して設けられたことにより、凝縮フィン８ａに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、凝縮フィン８ａの端の高さが連続的に変化することによって、凝縮フィン８ａに付着した凝縮液が円滑に排水される。このように、凝縮フィン８ａに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィン８ａの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置１の冷却能力を高めることができる。
【００２９】
〔第３実施形態〕
第３実施形態を図６を用いて説明する。なお、図６（ａ）は放熱壁８の内面を示し、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図を示す。
この第３実施形態は、分割された各凝縮フィン８ａの側面に、凝縮フィン８ａから放熱壁８にかかる傾斜面を設けたので、この実施形態では傾斜面を図６（ｂ）に示すように円弧状に設けた例を示す。この実施形態は、押出し成形、引抜き成形、冷間鍛造等の成形技術を用いて放熱壁８と凝縮フィン８ａを一体成形することで容易に実施できる。
凝縮フィン８ａが分割して設けられたことにより、凝縮フィン８ａに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、凝縮フィン８ａの側面に放熱壁８にかかる傾斜面を設けたことによって、さらに凝縮フィン８ａに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。このように、凝縮フィン８ａに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィン８ａの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置１の冷却能力を高めることができる。
【００３０】
〔第４実施形態〕
第４実施形態を図７を用いて説明する。なお、図７は放熱壁８の内面を示す。この第４実施形態は、分割された各凝縮フィン８ａのフィン端の厚さをテーパ状に薄くして尖らせた例を示す。
凝縮フィン８ａが分割して設けられたことにより、凝縮フィン８ａに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられるとともに、フィン端を尖らせたことによって、さらに凝縮フィン８ａに付着した液滴あるいは液膜の成長が抑えられる。このように、凝縮フィン８ａに付着した液冷媒の排水が促進されるため、凝縮フィン８ａの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置１の冷却能力を高めることができる。
【００３１】
〔第５実施形態〕
第５実施形態を図８を用いて説明する。なお、図８（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ異なった沸騰冷却装置１の断面図を示す。
この第５実施形態は、放熱壁８もしくは凝縮フィン８ａの少なくとも一方に液冷媒の伝達性に優れた補助ウイック９を設け、凝縮した液滴の排水を促進させて放熱壁８の過冷度を低減させるものである。
【００３２】
図８（ａ）は、補助ウィック９として多孔質材料を用いたもので、例えば有孔焼結金属を用いたものである。
図８（ｂ）は、補助ウィック９として金属繊維や金網を用いたものである。
図８（ｃ）は、補助ウィック９としてカーボンファイバ、グラスファイバ等の繊維を用いたものである。
図８（ｄ）は、補助ウィック９として金属ワイヤを用いたものである。
【００３３】
なお、補助ウイック９を主ウイック６に接触させることにより、補助ウイック９で運搬される液冷媒が直接主ウイック９に供給されるため、液冷媒の流れ経路が短くなる。これによって液冷媒の循環効率が向上し、沸騰冷却装置１の冷却能力を高めることができる。
【００３４】
〔第６実施形態〕
第６実施形態を図９を用いて説明する。なお、図９（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ異なった放熱壁８の内面を示す。
この第６実施形態は、凝縮フィン８ａの形状を一部変更し、蒸気冷媒の流れを制御する制御通路１０を設けたものである。この制御通路１０によって、蒸気冷媒の流れを沸騰冷却装置１内（つまり、主ウイック６と放熱壁８の間の空間）全体に蒸気を拡散して凝縮フィン８ａや放熱壁８を有効に使うことで、放熱壁８の過冷度を低減させるものである。
【００３５】
図９（ａ）は、発熱体取付部近傍６ａで発生した蒸気を制御通路１０によって下方へ導くものである。
図９（ｂ）は、発熱体取付部近傍６ａで発生した蒸気を制御通路１０によって一端下方へ導き、その後両側へ拡散させるものである。
図９（ｃ）は、発熱体取付部近傍６ａの上部で発生した蒸気を両側から下方へ導くとともに、発熱体取付部近傍６ａの下部で発生した蒸気を下方へ導くものである。
図９（ｄ）は、凝縮フィン８ａと制御通路１０とを組み合わせたものである。
【００３６】
〔他の実施形態〕
放熱壁８もしくは凝縮フィン８ａの少なくとも一方の表面に親水性皮膜を形成するなどの親水処理を施したり、放熱壁８もしくは凝縮フィン８ａの少なくとも一方の表面に微細溝を形成するなどの微細溝加工を施しても良い。なお、微細溝の溝幅は２００μｍ以下が望ましく、溝幅に対する深さの比は１以上であることが望ましい。
放熱壁８もしくは凝縮フィン８ａの表面に施された親水性皮膜や微細溝によって、表面に付着した液冷媒の排水が促進される。このため、放熱壁８もしくは凝縮フィン８ａの熱抵抗が減少し、沸騰冷却装置１の冷却能力を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】凝縮フィンの配置を示す放熱壁の内面図である（第１実施形態）。
【図２】（ａ）は沸騰冷却装置の正面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である（第１実施形態）。
【図３】沸騰冷却装置の使用例を示す斜視図である（第１実施形態）。
【図４】水冷媒を用いた場合における作動温度に対するラプラス長さ（ａ＝１）、表面張力、液・蒸気密度の関係を示すグラフである（第１実施形態）。
【図５】（ａ）は放熱壁の内面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である（第２実施形態）。
【図６】（ａ）は放熱壁の内面図、（ｂ）はＡ−Ａ線に沿う断面図である（第３実施形態）。
【図７】放熱壁の内面図である（第４実施形態）。
【図８】（ａ）〜（ｄ）は沸騰冷却装置の断面図である（第５実施形態）。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は放熱壁の内面図である（第６実施形態）。
【符号の説明】
１    沸騰冷却装置
２    ＣＰＵ（発熱体）
５    容器
６    主ウイック
７    受熱壁
８    放熱壁
８ａ  凝縮フィン
９    補助ウイック
１０    制御通路
【図１】
0003900702.tif 000003
【図２】
0003900702.tif 000004
【図３】
0003900702.tif 000005
【図４】
0003900702.tif 000006
【図５】
0003900702.tif 000007
【図６】
0003900702.tif 000008
【図７】
0003900702.tif 000009
【図８】
0003900702.tif 000010
【図９】
0003900702.tif 000011