(57)【要約】【課題】本発明は、冷却装置と、それを用いた電子機器に関するもので、冷却効率を高めることを目的とする。【解決手段】一面側に発熱体７に当接する受熱部８、他面側で、受熱部８に対応する部分に、気化部１６を有する受熱板１７と、受熱板１７の気化部１６側に受熱カバー１８とを備え、受熱板１７と受熱カバー１８で受熱空間１９を形成し、受熱カバー１８は、受熱空間１９内に、受熱板１７側に突出する突出部２０を有し、突出部２０は、受熱板１７の気化促進溝凹部１７ａに近接配置されることで受熱空間１９を上部受熱空間１９ａと下部受熱空間１９ｂに２分し、この上部受熱空間１９ａ内部に冷媒分配器５０を配する構成としている。さらに、受熱空間１９の上部に冷媒入口２１、受熱空間１９の下部に冷媒出口２２を設け、突出部２０の受熱板１７への最接近部２０ａは、気化促進溝凹部１７ａの面に平行でかつ冷媒の流れ方向に略垂直の配置となっている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面側に受熱面、前記受熱面の他面側に気化部を有する受熱板と、この受熱板の前記気化部側に配置された受熱カバーとを備え、
前記受熱板と前記受熱カバーで受熱部の受熱空間を形成し、
前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱空間の下面に冷媒出口を設け、
前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液相冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気相冷媒が流出する構成にするとともに、
前記受熱板の前記気化部側には上下方向に複数の凹部を設け、
前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部先端は、受熱板と接触または僅かな隙間をもって配されたることで前記受熱空間を冷媒入口側と冷媒出口側に２分した構成を有し、
前記冷媒入口側の受熱空間内に複数の冷媒流出口を有する冷媒分配器を受熱板または受熱カバーに接触する形で配したことを特徴とする受熱部。
【請求項２】
一面側に受熱面、前記受熱面の他面側に気化部を有する受熱板と、この受熱板の前記気化部側に配置された受熱カバーとを備え、
前記受熱板と前記受熱カバーで受熱部の受熱空間を形成し、
前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱空間の下面に冷媒出口を設け、
前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液相冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気相冷媒が流出する構成にするとともに、
前記受熱板の前記気化部側には上下方向に複数の凸部を設け、
前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部先端は、受熱板と接触または僅かな隙間をもって配されたることで前記受熱空間を冷媒入口側と冷媒出口側に２分した構成を有し、
前記冷媒入口側の受熱空間内に複数の冷媒流出口を有する冷媒分配器を受熱板または受熱カバーに接触する形で配したことを特徴とする受熱部。
【請求項３】
前記冷媒分配器は、前記受熱板または、前記受熱板に対向する前記受熱カバーのどちらかに接触して配されていることを特徴とする請求項１または２に記載の受熱部。
【請求項４】
前記冷媒分配器の冷媒流出口形状は、円形、矩形、楔形のいずれかであることを特徴とする請求項１、２、３のいずれか一つに記載の受熱部。
【請求項５】
請求項１から４いずれか一つに記載の受熱部における気化部の冷媒出口に、第１の管路を介して放熱器を接続し、この放熱器に第２の管路を介して逆止弁を接続し、この逆止弁に前記受熱部における気化部の冷媒入口を順に接続して循環経路を構成するとともに、この循環経路内を減圧状態として冷媒を封入した冷却装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷却装置の受熱部を構成する受熱板に、発熱体を当接させた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、サーバなどの電子機器を冷却するための冷却装置と、この冷却装置を構成する受熱部に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、サーバでは、その処理能力の向上（高速処理化）につれて、ＣＰＵなどの半導体素子が極めて大きな発熱を伴うようになって来ており、その半導体素子を冷却するための冷却装置が，システム全体の動作安定性を確保する上で必要不可欠なものとなっている。
【０００３】
この種の冷却装置は、これまで以下のような構成となっていた。
【０００４】
すなわち、受熱部と、この受熱部の排出口と放熱経路を介して接続した放熱部と、この放熱部と前記受熱部の流入口とを接続する帰還経路とを備え、前記受熱部は、発熱体に接触させて熱を吸収する受熱板と、この受熱板の表面を覆うとともに表面に流れ込んだ冷媒を蒸発させる受熱空間を形成する受熱カバーを備え、前記帰還経路には、前記流入口に凝縮して停留した前記冷媒の水頭圧と前記受熱空間内の圧力バランスによって開動する逆止弁と、前記流入口の上流側には、凝縮した前記冷媒を前記逆止弁の上流側に停留させる流入管を備え、前記受熱空間において、前記受熱板は、中心に冷媒流入部と、この冷媒流入部の外周に向けて放射状の溝を設けた気化部を備え、前記流入口から前記冷媒流入部に向けて延設し、凝縮した冷媒を流入させる導入管を備え、前記受熱部の受熱板は、略鉛直方向に配置され、前記導入管は、前記受熱板に対して略垂直方向に配置される構成となっていた（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−８８１２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来例における課題は、冷却装置の受熱部が略鉛直配置され且つ受熱部サイズが大型化した場合に冷却性能が低下することであった。
【０００７】
すなわち、上記従来例の冷却装置において、導入管から冷媒流入部に流れ込んだ冷媒は、一部が冷媒流入部に接触して受熱板より熱を受けて沸騰気化し、この際の急激な体積膨張によって、未沸騰の液相の冷媒とともに、気化部上に高速な混相流（気相と液相）として拡散する。初期沸騰の後、未沸騰の液相の冷媒は、この気化部の表面に薄い膜状で広がることになる。そして、発熱体からの継続的な加熱により、一瞬にして加熱され気化することによって、受熱板から継続的に気化熱を奪い冷却する。
【０００８】
しかし、略鉛直方向に配置された受熱部において、略水平方向に配置された導入管から、凝縮した冷媒を供給するため、導入管先端近傍で発生した初期沸騰で拡散する前記混相流冷媒も周辺へ均等拡散するのではなく、重力により下方向に流れやすくなる。そのため、導入管の上側には十分な混相流冷媒が供給され難くなる領域が発生する場合があり、結果として、受熱板の上部の熱を十分に奪うことができず冷却性能が低下するという課題があった。また、鉛直配置の受熱板の面積が、数１００ｍｍ2以下の比較的に小さいサイズの場合には、この影響を抑制する方法が例として特許文献にも記載されてはいるが、受熱板の面積が数１００ｍｍ2を越え、特に１０００ｍｍ2以上に及ぶような大面積の場合には、略垂直配置の受熱板全面には十分な冷媒が供給できない部分が発生することが多く、この様な構成では冷却装置の性能低下だけでなく、冷却装置の動作安定性の確保も困難となることが大きな問題となっていた。
【０００９】
そこで本発明は、略鉛直方向に配置された大面積の受熱板を用いる冷却装置の冷却性能の向上と動作安定性の確保を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そして、この目的を達成するために本発明の受熱部は、一面側に熱源から熱を受けて冷媒を気化させる気化部を有する受熱板、他面側に、前記受熱板の前記気化部を覆うように配置された受熱カバーを備え、前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、前記受熱空間の上部側に冷媒入口、前記受熱空間の下部側に冷媒出口を設け、前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液相冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気体または気液混相状態の冷媒が流出する構成にするとともに、前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凹部を設け、前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の前記凹部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が、前記複数の凹部の天面と接触または僅かな隙間をもって配されることで前記受熱空間を上下に上部受熱空間と下部受熱空間に２分する構成にしている。さらに前記最接近部上方に位置する上部受熱空間内部の前記冷媒入口側に冷媒分配器を配置し、これにより所期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明の受熱部は、一面側に熱源から熱を受けて冷媒を気化させる気化部を有する受熱板、他面側に、前記受熱板の前記気化部を覆うように配置された受熱カバーを備え、前記受熱板と前記受熱カバーで受熱空間を形成し、前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱空間の下面に冷媒出口を設け、前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液相冷媒が供給され、前記冷媒出口からは気体または混相状態の冷媒が流出する構成にするとともに、前記受熱板の前記気化部側には上下方向に延設した複数の凹部を設け、前記受熱カバーは、前記気化部に対応する部分に、前記受熱板側に突出する突出部を有し、この突出部は前記受熱板の複数の凹部内に突出または前記突出部の前記受熱板への最接近部が前記複数の凹部の天面と接触または僅かな隙間をもった構成とし、これにより、前記受熱空間は、前記受熱カバーの前記突出部により上部受熱空間と下部受熱空間に２分される構造となる。前記最接近部上方に位置する上部受熱空間内部の前記冷媒入口側に冷媒分配器を配置し、受熱板前面の幅方向への冷媒供給を安定化し、冷却効率を高めることができる。
【００１２】
すなわち、本発明においては逆止弁を介して冷媒入口側から受熱空間へ供給された液相冷媒は、まず前記冷媒入口側の上部受熱空間内の冷媒分配器へ一定量停留した後、各分配口から受熱板幅方向にほぼ均等に流出し、冷媒分配器側面の凹部導入路を伝わって受熱板側へ導かれ受熱板との間に再度、停留する。そして、次に受熱板と接触している冷媒は、発熱体からの熱により気化しながら下方へ移動する。さらに受熱カバーの突出部先端は、受熱板と接触または僅かな隙間をもって配されているため、突出部の先端における液相冷媒および気化冷媒の通過面積は小さく、受熱板に接触して気化しながら下方へ移動する冷媒速度は速くなる。その結果として、受熱板表面で気化する冷媒の熱伝達係数が向上し本発明の受熱部は、大面積で且つ高い冷却性能を実現することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１の電子機器の斜視図
【図２】（ａ）同電子機器の冷却部分を示す正面図、（ｂ）同電子機器の冷却部分を示す側面図
【図３】（ａ）同電子機器の冷却装置を示す平面図、（ｂ）同電子機器の冷却装置を示す正面図と側面図
【図４】（ａ）同電子機器の冷却装置を示す正面図、（ｂ）同冷却装置の受熱部全体を示す斜視図、（ｃ）同冷却装置の受熱部のカバーを外した状態の斜視図
【図５】（ａ）同電子機器の冷却装置の受熱部を示す平面図、（ｂ）同受熱部Ａ−Ａ断面を示す断面図、（ｃ）同受熱部Ｂ−Ｂ断面を示す断面図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態１の冷却装置受熱部内部の冷媒分配器の斜視図、（ｂ）同冷媒分配器の正面図、（ｃ）同冷媒分配器の側面図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２の冷却装置受熱部内部の冷媒分配器の斜視図、（ｂ）同冷媒分配器の正面図、（ｃ）同冷媒分配器の側面図
【図８】（ａ）本発明の実施の形態２の冷却装置受熱部内部の冷媒分配器の出口形状をくさび状に斜視図、（ｂ）同冷媒分配器の正面図、（ｃ）同冷媒分配器の側面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の例として、ラック型のサーバ２を複数台納めたデータセンター１の概略図を示す。
【００１６】
ラック型のサーバ２は、前面側と背面側に開口を設けたラック筐体を有し、そのラック筐体内部にユニット状に複数の電子機器３を、前面側に操作パネルや表示部を向けて備えられている。そして、背面側に電子機器３同士、あるいは、外部機器との接続を行う配線類、電源線類が設けられている場合が多い。また、このラック型のサーバ２は、データセンター１内に複数台設置されて、一般的には、全体として電子計算機室、あるいはサーバールームなどと呼ばれている。
【００１７】
ラック型のサーバ２は、図２に示すようにラック４の筐体の各段に、半導体素子などの発熱体７を有するボード５が垂直に立てた状態で、横方向に所定間隔で配置された状態となっている。
【００１８】
そして、図３に示すように各ボード５には発熱体７が、それぞれ冷却装置６に当接した状態で配置されている。
【００１９】
つまり、各ボード５には、図３に示すごとく、発熱体７が実装されており、これを冷却装置６で冷却する構成となっている。
【００２０】
具体的には、各冷却装置６は図３に示すごとく、発熱体７に当接させた受熱部８と、受熱部８に、気管９を介して接続した放熱器１０と、この放熱器１０に液管１１を介して接続した逆止弁１２とを備えている。
【００２１】
そして、逆止弁１２を受熱部８に接続することで、受熱部８、気管９、放熱器１０、液管１１、逆止弁１２、受熱部８となる循環経路を形成し、この循環経路内を減圧状態とし、冷媒の一例として水を封入した構成となっている。また、逆止弁１２から受熱部８内へ流入した冷媒は、受熱部８の内部に配した冷媒分配器５０に一旦、停留した後、受熱部幅方向に設けられた複数の冷媒流出口５１から受熱部内に均等に分配される構成となっている。
【００２２】
また、複数の冷却装置６の放熱器１０は、図２に示すように熱交換器１３に対して、熱交換可能な状態で設置され、この熱交換器１３にポンプ１４を介して外部冷却塔１５から冷却水を循環させることで、各放熱器１０を冷却している。
【００２３】
次に、図４を用いて本実施形態で使用する受熱部８の内部構造について説明する。受熱部８は、図４（ｂ）に示すように、発熱体７と当接して徐熱を行う受熱板１７と、この受熱板１７の発熱体７に当接する面の対面側で冷媒が気化して受熱板１７から熱を奪う気化部１６があり、さらに、この気化部１６を覆う形で受熱空間１９を形成する受熱カバー１８が配された構成となっている。ここで、受熱板１７の気化部１６の表面には、表面積を増加させることで効率的な気化を促進するための複数の溝部である気化促進溝凹部１７ａを設けている。
【００２４】
また、受熱カバー１８には、前記受熱空間１９内で、受熱板１７側に突出する突出部２０を形成することで、受熱空間１９を上下に上部受熱空間１９ａ、下部受熱空間１９ｂに分割する構成となっている。前記冷媒分配器５０は、この上部受熱空間１９ａの内部に受熱板１７と近接する形で配されている。この突出部２０は、受熱板１７の複数の気化促進溝凹部１７ａ内に突出させるか、または受熱板１７の気化部１６側の表面と接触、または僅かな隙間をもって配した構成とし、上部受熱空間１９ａの側面に冷媒入口２１、下部受熱空間１９ｂの側面に冷媒出口２２を設けた構成となっている。
【００２５】
次に、図５を用いて受熱部８内での徐熱機能と上部受熱空間内に搭載した冷媒分配器５０について冷媒の流れを追いながら説明する。
【００２６】
図５（ａ）、（ｂ）に示す様に、受熱部８へ供給された液相冷媒は、冷媒入口２１から、逆止弁１２を介して上部受熱空間１９ａ内の冷媒分配器５０へ流入する。この時、冷媒分配器５０は、一定量の冷媒を保持する機能があるため、一旦、冷媒は、図５（ｂ）に示す１次停留液５３として停留する。そして、その後、各冷媒流出口５１から受熱板幅方向にほぼ均等に流出する。流出した冷媒は、冷媒をスムーズに下方へ導くために前記冷媒分配器５０側面に設けた凹部導入路５２を伝わって受熱板１７の気化部１６側へ導かれ、受熱カバー１８の突出部２０の斜面と受熱板１７の隙間に再度、２次停留液５４として停留する。その後、受熱板１７の気化部１６に接触している冷媒は、発熱体からの熱を受けて沸騰気化するため、冷媒の体積膨張により上部受熱空間１９ａ内の圧力が高まり、未沸騰冷媒を伴った高速の混相流となって気化促進溝凹部１７ａを通って下方の気化部１６全体へと薄膜状の冷媒として拡散する状態を作り出すことになる。この混相の高速冷媒は、気化時の伝達係数が増大するため効果的な冷媒気化が促進され、結果的に極めて高い徐熱性能を発揮する受熱部８を実現することが可能となる。次に、この部分では、循環冷媒の多くが気化した後、冷媒出口２２から気管９を通って放熱器１０に至り、ここで冷されて凝縮熱を熱交換器１３へ放出することで液化する。そして液化後、液管１１を介して再び逆止弁１２の上流側へと戻って来る。以上のような一連のサイクルを繰り返すことで継続的な冷却が行われることになる。
【００２７】
ここでの受熱板１７と受熱カバー１８の材料は、ともに熱伝導性の高い金属であり。例えば銅などによって形成されることが望ましい。
【００２８】
次に、図６を用いて図４、図５で記した冷媒分配器５０の冷媒分配機能についてもう少し詳しく説明することにする。図６は、冷媒が逆止弁１２を通過後、矢印の方向から冷媒分配器５０に流入し、冷媒流出口５１の高さまで１次停留液５３として定量容積分の冷媒が溜まった状態を示しものである。そして、この１次停留液５３へ更に冷媒が供給されると、供給された冷媒と同量の冷媒が、冷媒分配器５０の幅方向の各冷媒流出口５１から流出冷媒５５として凹部導入路５２を伝って均等に流出する構造となっている。この冷媒分配の構造により流出した冷媒は、図５（ｂ）の２次停留液５４の様に、上部受熱空間の受熱カバーと受熱板に挟まれた隙間に停留し、受熱板１７の幅方向に冷媒を均一に供給する構成を実現している。これにより、幅広で大面積の発熱体７であっても均一な冷媒供給が可能な高性能な受熱部を実現することが可能となる。
【００２９】
（実施の形態２）
本発明の実施形態２における冷却装置の冷媒分配器５０について図７を用いて説明する。図７は、図６で示した筒状の冷媒分配器５０の上部をカットした構造を採用した他の実施例である。図６の場合とほぼ同等の冷媒分配機能を維持しており、特に冷媒流出口５１の出口形状が水平で停留液面と平行となるため、冷媒分配の均一性を維持しやすい構成となっている。また、この構造とすることで、通常の板金工法を採用することができるため製作することが容易となり、工数削減による低コスト化にも大きく寄与することができる。
【００３０】
（実施の形態３）
本発明の実施形態３における冷却装置の冷媒分配器５０について図８を用いて説明する。図８は、図７の場合とほぼ同様の構造を採用した他の実施例である。図７の場合とほぼ同等の冷媒分配機能を維持しつつ、特に冷媒流出口５１の出口形状が楔状であり、この構造により冷媒表面張力による流出量の変動を抑制し、冷媒分配の均一性を維持しやすい構成となっている。また、この場合も製作の容易性や、低コスト化についても図７と同等の利点を有している。
【００３１】
（実施の形態４）
本発明の実施形態４における冷却装置の気化部１６の表面形状について図４（ｃ）を用いて説明する。図４（ｃ）の気化部１６の形状は、これまで、前記気化促進溝凹部１７ａとして記載してきたが、必ずしも基板面から凹んでいる必要はなく、凸出した形状である気化促進凸部１７ｂ（フィン形状）であっても、ほぼ同様の冷却性能を確保することは可能である。（図示せず）
【産業上の利用可能性】
【００３２】
以上のように本発明の受熱部は、一面側に受熱面、他面側で前記受熱部に対応する部分に気化部、を有する受熱板と、この受熱板の前記受熱部側に配置された受熱カバーとを備え、前記受熱板と前記受熱カバーで受熱部の受熱空間を形成し、前記受熱空間の上面に冷媒入口、前記受熱空間の下面に冷媒出口を設け、前記冷媒入口には、逆止弁を介して前記受熱空間内に液相冷媒が供給される。次に冷媒入口側から上部受熱空間内へ供給された液相冷媒は、まず上部受熱空間内の冷媒分配器へ一定量停留した後、各分配口から受熱板幅方向にほぼ均等に流出し、冷媒分配器側面の凹部導入路を伝わって受熱板側へ導かれ受熱板との間に再度、停留する。そして、次に受熱板と接触している冷媒は、発熱体からの熱により気化しながら下方へ移動する。さらに受熱カバーの突出部先端は、受熱板と接触または僅かな隙間をもって配されているため、突出部の先端における液相冷媒および気化冷媒の通過面積は小さく、受熱板に接触して気化しながら下方へ移動する冷媒速度は速くなる。その結果として、受熱板表面で気化する冷媒の熱伝達係数が向上し本発明の受熱部は、大面積で且つ高い冷却性能を実現することができるのである。
【００３３】
したがって、各種電子機器の冷却装置として活用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  データセンター
２  サーバ
３  電子機器
４  ラック
５  ボード
６  冷却装置
７  発熱体
８  受熱部
９  気管
１０  放熱器
１１  液管
１２  逆止弁
１３  熱交換器
１４  ポンプ
１５  外部冷却塔
１６  気化部
１７  受熱板
１７ａ  気化促進溝凹部
１７ｂ  気化促進凸部
１８  受熱カバー
１９  受熱空間
１９ａ  上部受熱空間
１９ｂ  下部受熱空間
２０  突出部
２０ａ  突出部の受熱板１７への最接近部
２１  冷媒入口
２２  冷媒出口
５０  冷媒分配器
５１  冷媒流出口
５２  凹部導入路
５３  １次停留液
５４  ２次停留液
５５  流出冷媒
【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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