冷却装置
【課題】冷却性能の低下を抑制する冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明における冷却装置は、発熱体が接続される蒸発部と、放熱部が接続される凝縮部と、蒸発部で気化し凝縮部で凝縮する冷媒とを有し、凝縮部は放熱部と熱的に接続する面に凹凸構造を備えている。
【解決手段】本発明における冷却装置は、発熱体が接続される蒸発部と、放熱部が接続される凝縮部と、蒸発部で気化し凝縮部で凝縮する冷媒とを有し、凝縮部は放熱部と熱的に接続する面に凹凸構造を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の相変化により吸熱および放熱を行う冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱量の大きな半導体素子は、半導体素子のパッケージの上部にヒートシンクを設けて伝熱面を拡大させ、送風機などにより拡大した伝熱面に対して強制空冷を行うことで、半導体素子が発する熱の冷却を行っていた。
【０００３】
近年、実装技術の進展、プリント基板の多層化と共に電子機器の薄型化、小型化が図られている。そのため電子機器に用いられる半導体パッケージ上部にヒートシンクなどの冷却部品用のスペースを確保することが困難となっている。
【０００４】
そこで密閉空間を有する金属筺体の内部に冷媒を充填し、発熱体より発生した熱により冷媒を沸騰させることで気化し、気化した冷媒によって熱輸送を行う蒸発部と凝縮部とを備えた沸騰冷却器の研究が進んでいる。
【０００５】
沸騰冷却器において、発熱体の熱により蒸発した冷媒の蒸気は、気液の体積差と毛細現象や、気液密度の差による浮力などを利用することで筺体内を循環して凝縮部に移動する。そして外気と熱交換を行うことで凝縮部における冷媒は冷却され、蒸発した冷媒は気体から液体に凝縮し、発熱体で発生した熱を外気へ放熱する。
【０００６】
特許文献１には、平板型の冷却装置の具体的な構造について記載されている。シリコン基板で構成される筐体内部の密閉空間に流路構造を設けている。流路構造を構成する溝の幅を液相流路、蒸発流路、気相流路の順で広くなるように形成することによって、作動流体の循環を促進し、熱輸送の効率化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５３９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置では、冷却装置の凝縮部である凝縮流路において液化した冷媒が筐体の内壁面に付着して凝縮液の膜を形成する。冷媒の熱伝導率は、筺体を構成する金属の熱伝導率に比べて小さいので、筺体と冷媒との熱交換性能が悪くなり冷却性能が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決する冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明における冷却装置は、発熱体が接続される蒸発部と、放熱部が接続される凝縮部と、蒸発部で気化し凝縮部で凝縮する冷媒とを有し、凝縮部は放熱部と熱的に接続する面に凹凸構造を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明における冷却装置によれば、冷却性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における冷却装置の構成を示すブッロク図である。
【図２】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す斜視図である。
【図３】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す分解図である。
【図４】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図７】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図８】第３の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図９】第４の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
【００１４】
〔第１の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態における冷却装置１の構成を示すブロック図である。
【００１５】
〔構造の説明〕図１に示すように本実施形態における冷却装置１は、凝縮部２０と、蒸発部３０と、冷媒５と、凹凸構造形成部６０とを備えている。
【００１６】
凝縮部２０には、放熱部が接続されており、蒸発部３０には、発熱体が接続されている。凝縮部２０は、放熱部と熱的に接続している面に、凹凸構造形成部６０を備えている。なお蒸発部３０には、冷媒５が充填されている。
【００１７】
図１では、平板型の冷却装置１を示しているがこれに限定されず、凝縮部２０と蒸発部３０とを別々の装置に設け、配管などにより互いを接続することで冷媒５を循環させる構成としてもよい。
【００１８】
発熱体からの熱量によって蒸発部３０の冷媒５は沸騰し気化する。気化した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、凝縮部２０に運ばれる。凝縮部２０に運ばれた冷媒５の蒸気は、放熱部により冷却されることによって凝縮し液化する。凝縮した冷媒５は重力により降下し、還流する。
【００１９】
〔効果の説明〕本実施形態における冷却装置１は、凝縮部２０に凹凸構造形成部６０を備えている。凹凸構造形成部６０は凹部と凸部とを備えており、凹部は凸部と比べて放熱部との距離が短いため温度が低い。その結果、凹部に接する冷媒５は凝縮液膜が形成するが、凸部では冷媒５は凝縮するが凝縮液膜が形成されない。そのため凸部においては凝縮液膜の形成による冷却装置１の冷却性能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
〔第２の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態における冷却装置１の構成を示す斜視図であり、図３は分解斜視図であり、図４は、断面図である。
【００２１】
〔構造の説明〕図２、３に示すように、本実施形態における冷却装置１は、凝縮部２０と蒸発部３０とを収容する平板状容器２で構成される。冷却装置１は、凝縮部２０に放熱部３を、蒸発部３０に発熱体４をそれぞれ熱的に接続して使用する。
【００２２】
図２、３に示すように平板状容器２は、箱型の形状で内部に密閉空間を有している。平板状容器２は、図３にように２つの部材を組み立てることにより構成してもよいし、複数の部品を組み合わせて構成してもよいし、また一体成形してもよい。
【００２３】
平板状容器２を別々に作成した金属板などの部材を組み立てて構成する場合、金属板のつなぎ目などの接続は、外から水やほこりが入り込まないように、シリコーンゴムなどの樹脂により封止した密閉構造とする。なお平板状容器２の材質は、銅やアルミニウムなど熱伝導性が高い材質で構成される。
【００２４】
平板状容器２と発熱体４とは、熱伝導グリースなどの熱伝導性が高い接着剤を介して熱的に接続している。
【００２５】
図４に示すように、平板状容器２内部の密閉空間には、冷媒５が封入されている。冷媒５の具体的な例としてＨＦＣ（hydro fluorocarbon：ハイドロフルオロカーボン）や、ＨＦＥ（hydro fluorether：ハイドロフルオロエーテル）や、水などを用いることができるが、材料はこれに限定されない。
【００２６】
平板状容器２内部の密閉空間における冷媒５の分圧は、ポンプなどを用いて大気圧よりも減圧された状態で飽和蒸気圧を保っている。冷媒５は低沸点であるため、圧力を下げることで冷媒５の沸点を３０度程度まで低下させることができる。その結果、冷媒５は発熱体４が発生する熱によって沸騰することができる。
【００２７】
図５に示すように、平板状容器２は、凝縮部２０において外表面に放熱部３を設けている。なお図５は、断面図を示す。凝縮部２０は、蒸発部３０に対して鉛直上方向に設けられているため、放熱部３も発熱体４に対して鉛直上方向に設けられている。
【００２８】
また放熱部３が平板状容器２に設けられる面は、発熱体４が取り付けられている面と同じ面でもよいし、発熱体４が取り付けられている面とは対向する反対側の面でもよい。（図２，３では、発熱体４が取り付けられている面と同じ面に放熱部３が設けた場合を示す。）なお発熱体４を複数備え、平板状容器２の複数の面に設けてもよい。放熱部３は、例えばフィン形状であり表面積が大きく、銅やアルミなど熱伝導性が高い材質であれば特に限定されない。
【００２９】
図３、４に示すように平板状容器２は、放熱部３が配置された領域における内壁面の一部である凹凸構造形成部６０に凹凸構造６を備える。凹凸構造６は、凹部６aと凸部６ｂとで構成され、凹部６aは凸部６ｂや他の壁面に比べて厚さが薄い。（なお図示していないが、凸部６ｂを凹部６ａや他の壁面に比べて厚さを厚く形成してもよい。）凹部６aと凸部６ｂの数や、大きさや、深さは特に限定されない。
【００３０】
凹凸構造６は、少なくとも一部が放熱部３と熱的に接続している平板状容器２の内壁面に形成されており、放熱部３と凹凸構造６とは平板状容器２を介して、少なくとも一部が対向している。凹凸構造６における凹部６aは、他の部分と比べて膜厚が薄いため放熱部３との距離が短い。その結果、凹部６ａは放熱部３に対して熱を伝えやすく、他の平板状容器２の内壁と比べて温度が低くなる。
【００３１】
凹凸構造６は、図４に示すように、凹凸構造６の凹部６ａと凸部６ｂは、溝形状で所定の方向に延伸して設けられていてもよいし、図３に示すように凹部６ａや凸部６ｂは穴形状の穴部で構成され、点在して設けられていてもよい。
【００３２】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００３３】
平板状容器２は、例えば銅、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成されており、発熱体４と熱伝導性グリースを介して熱的に接続している。そのため発熱体４が発する熱は、平板状容器２を介して、平板状容器２の内部に設けられた冷媒５に伝わる。
【００３４】
平板状容器２内部の密閉空間に設けられている冷媒５の気液界面が、発熱体４が取り付けられている高さよりも高く、また放熱部３や凹凸構造６が配置されている高さよりも低い位置になるように冷媒５の量が調整されている。なお密閉空間の全てが冷媒５で満たされないように冷媒５の量は調整されている。
【００３５】
そして冷媒５は、発熱体４が発する熱を受熱することで沸騰する。平板状容器２の密閉空間に設けられた冷媒５が沸騰することで発生した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、平板状容器２の上部に運ばれる。
【００３６】
平板状容器２の上部に運ばれた冷媒５の蒸気は、平板状容器２を介して平板状容器２と熱的に接続した放熱部３により外気と熱交換を行う。放熱部３は、フィン形状とすることにより表面積を拡大でき、外気と効率よく熱交換を行うことが可能である。
【００３７】
放熱部３と熱的に接続している平板状容器２内部に設けられた冷媒５の蒸気は、冷却されて凝縮する。液化した冷媒５は、重力により平板状容器２内を下降し、冷媒５の気液界面へと還流する。そして冷媒５は、再び発熱体４が発する熱により沸騰することで、冷却サイクルが継続して行われる。
【００３８】
換言すると、平板状容器２の内部に設けられた冷媒５は、発熱体４が発する熱により液体から気体に変化し、そして放熱部３を介して冷却されることで気体から再び液体に凝縮する。つまり冷媒５は、液体から気体、そして気体から液体と相変化を繰り返すことで、発熱体４が発生した熱を、放熱部３を介して放熱を行う。
【００３９】
しかし、図６に示すように平板状容器２の内壁に凹凸構造６を有しない冷却装置１の場合、放熱部３により冷却されて凝縮した冷媒５は、表面張力により平板状容器２の内壁面に凝縮液膜１０を形成してしまう。平板状容器２の内壁面に表面張力により形成された凝縮液膜１０は、放熱部３により冷却された平板状容器２と冷媒５の蒸気とのあいだに存在するため、両者の熱交換率を低下させてしまう。
【００４０】
詳細に説明すると、図６に示すように放熱部３の冷却により平板状容器２の内壁に冷媒５の蒸気が凝縮して凝縮液膜１０が表面張力によって形成されると、冷却された平板状容器２と冷媒５の蒸気とが直接に接触することができない。そのため放熱部３により冷却された平板状容器２の大半に凝縮液膜１０が形成されると、冷媒５の蒸気は凝縮液膜１０を介して平板状容器２と熱交換を行う必要がある。
【００４１】
しかし冷媒５は、平板状容器２に比べると熱電導率が低いため、冷媒５の蒸気と平板状容器２との間に冷媒５の凝縮液膜１０が形成されると、冷媒５の蒸気と平板状容器２とのあいだの熱交換性能が低下し、冷却性能も低下する。その結果、冷媒５の蒸気を凝縮させて液化するという冷却サイクルを継続的に行うことが困難になる。
【００４２】
それに対して、本実施形態による冷却装置１では、放熱部３が設けられている平板状容器２の内壁面に、凹凸構造６を有している。図７に示すように、放熱部３により平板状容器２が冷却されると、冷媒５の蒸気は平板状容器２の内壁面において凝縮する。そして平板状容器２の内壁面に形成された凹凸構造６の凹部６aの底面に、凝縮膜１０が形成される。
【００４３】
詳細に説明すると、凹凸構造６の凹部６aは凸部６ｂを含めた周囲に比べ、放熱部３との間の距離が異なるため温度差が生じる。つまり凹部６ａは、凸部６ｂよりも放熱部３との距離が短いため温度が低くなる。そのため冷媒５の蒸気は凹部６a内で凝縮が起こると、凝縮液膜１０が形成される。
【００４４】
一方、凸部６ｂにおいて冷媒５の蒸気が凝縮しても、凹部６ａに比べて放熱部３との距離が長いため凹部６ａより温度が高いため、凝縮液膜１０が形成されにくい。凸部６ｂにおいて凝縮された場合であっても、凝縮液は重力により鉛直方向の下向きに降下し、凹部６ａに流入する。そのため、凸部６ｂには凝縮膜１０は形成されない。一方、凹部６ａでは、凸６ｂより温度が低いため凝縮液膜１０が形成される。
【００４５】
凹部６ａ内の凝縮液膜１０の厚さが凹部６aの深さを超えると、凝縮液は凹部６ａから溢れ凸部６ｂ上を流れて、鉛直方向下向きに配置されている凹部６aに流入する。そして凹部６ａにおいて凝縮液膜１０はさらに冷却されて、その後平板状容器２下部の気液界面に還流する。
【００４６】
つまり凸部６ｂにおいて冷媒５の蒸気が凝縮しても、凸部６ｂでは凝縮膜１０は形成されずに凹部６ａに凝縮液が流れ込む。そのため冷媒５の蒸気と、放熱部３により冷却された平板状容器２の凸部６ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。その結果、発熱体４が発する熱を受熱して沸騰した冷媒５の蒸気を、放熱部３を介して冷却することによって、再び凝縮液化するという、沸騰冷却方式の冷却サイクルを継続的に行うことができる。
【００４７】
〔第３の実施形態〕次に第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図８は、本実施形態における冷却装置１の断面図である。
【００４８】
〔構造の説明〕本実施形態における冷却装置１は、鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して形成された溝形状部７を備えている。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様であり平板状容器２と、蒸発部３０において発熱体４、凝縮部２０において放熱部３とを備えている。
【００４９】
溝形状部７は、平板状容器２の内壁に形成されており、溝型凹部７ａと溝型凸７ｂとを備えている。溝型凹部７ａは、溝型凸部７ｂや周囲の壁面に比べて膜厚が薄い形状である。つまり溝型凹部７ａは、溝型凸部７ｂよりも放熱部３との間の距離が短い。なお、溝形状部７は鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して形成されている。
【００５０】
また溝形状部７は、放熱部３と熱的に接続している平板状容器２の内壁面に設けられている。溝型凹部７aは、他の部分と比べて膜厚が薄いため、放熱部３との熱伝導の効率が他の部分に比べて高い。なお溝型凹部７a、溝型凸部７ｂの数や、大きさや、深さは特に限定されない。
【００５１】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００５２】
平板状容器２内に設けられた冷媒５は、発熱体４が発する熱を受熱することで沸騰する。冷媒５が沸騰することで発生した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、平板状容器２の上部に運ばれる。なお平板状容器２内部の密閉空間に設けられている冷媒５の気液界面は、発熱体４が取り付けられている高さよりも高く、また放熱部３や溝形状部７が配置されている高さよりも低い位置になるように冷媒５の量が調整されている。なお密閉空間の全てが冷媒５で満たされないように冷媒５の量は調整されている。
【００５３】
平板状容器２の上部に運ばれた冷媒５の蒸気は、平板状容器２を介して平板状容器２と熱的に接続した放熱部３により外気と熱交換を行う。放熱部３が冷却されると、平板状容器２内部の冷媒５の蒸気も冷却され、平板状容器２の内壁において凝縮する。
【００５４】
平板状容器２の内壁に形成された溝形状部７の溝型凹部７aは平板状容器２に溝型に形成された形状であるため、凸部に比べて平板状容器２の厚みが薄い。そのため溝型凹部７aは、放熱部３との距離が近く温度が低くなる。そして溝型凹部７a内で冷媒５の蒸気が凝縮すると、凝縮液膜１０が形成される。
【００５５】
一方、溝型凸部７ｂにおいて冷媒５蒸気の凝縮が起こると、溝型凹部７ａに比べて放熱部３との距離が長いため、溝型凹部７ａより温度が高く凝縮液膜１０が形成されにくい。そして溝型凸部７ｂにおいて凝縮された凝縮液は重力により鉛直方向の下向きに移動し溝型凹部７ａに流入し、溝型凸部７ｂより温度が低い溝型凹部７aにおいて凝縮液膜１０を形成する。つまり溝型凸部７ｂには、凝縮膜１０は形成されないため、冷媒５の蒸気と放熱部３により冷却された平板状容器２の溝型凸部７ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。
【００５６】
ここで例えば、溝形状部７が鉛直方向と平行な方向に延伸して形成されている場合を考える。溝形状部７が鉛直方向に延伸して形成されている場合、溝形状部７の溝型凹部７aにおいて形成された凝縮液を平板状容器２下部の気液界面に最短距離で循環させることができる。
【００５７】
しかし上記構成では、溝型凹部７aに形成される凝縮液と放熱部３とが対向している面積が少なく、また重力により平板状容器２の下部に直接凝縮液が降下するため、凝縮液が冷却される時間が短い。その結果、溝型凹部７a内に形成される凝縮液の温度を低く保つことが困難である。
【００５８】
一方、溝形状部７が鉛直方向と垂直な方向に延伸して形成されている場合を考える。この場合、溝形状部７が放熱部３と対向している部分を長く設けることができるため、凝縮液の温度を低く保つことができる。また溝型凹部７aに形成された凝縮液膜１０の厚さが溝型凹部７aを超えた場合、凝縮液は溝型凸部７ｂ上を流れて移動し鉛直方向に下向きに配置されている溝型凹部７ａ、または気液界面に還流する。
【００５９】
しかし上記構成の場合、溝型凹部７ａに形成された凝縮液膜１０が溝型凹部７ａから溢れた場合、凝縮液の一部は溝型凸部７ｂ上を流れるため、冷媒５の蒸気と平板状容器２との間に、凝縮液を設けてしまい、両者の熱交換率が低下することで冷却性能が低下してしまうおそれがある。
【００６０】
そこで本実施形態における冷却装置１の溝形状部７は鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して形成されている。そのため溝型凹部７ａに形成された凝縮液膜１０は、溝型凹部７ａ内を重力方向に傾いた方向に沿って流れる。
【００６１】
そして溝型凹部７ａの端部において、凝縮液は溝型凹部７ａから溢れでて、平板状容器２下部に設けられた気液界面に還流する。このため溝型凹部７ａに形成された凝縮液膜１０が、溝型凹部７ａの端部以外において溝型凹部７ａから溢れて溝型凸部７ｂを流れることを抑制することができる。そして鉛直方向に傾斜した方向に沿って溝型凹部７ａを凝縮液は移動し、平板状容器２の下部へ達する。
【００６２】
このように、溝形状部７は鉛直方向に対して傾いた方向に延伸して形成されているため、溝形状部７と放熱部３とが対向する部分を長く設けることができ、凝縮液の温度を低く保つことができる。その結果、溝型凸部７ｂで凝縮した冷媒５は、溝型凹部７ａを介して排出されるので、凝縮液膜１０が形成されにくい。
【００６３】
以上説明したように、冷媒５の蒸気と平板状容器２の溝型凸部７ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。その結果、発熱体４が発する熱を受熱して沸騰した冷媒５の蒸気を、放熱部３を介して冷却することによって、再び凝縮液化するという、沸騰冷却方式の冷却サイクルを継続的に行うことができる。
【００６４】
〔第４の実施形態〕次に第４の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図９は、本実施形態における冷却装置１の断面図である。
【００６５】
〔構造の説明〕本実施形態における冷却装置１は、溝形状部７が水平溝部８と鉛直溝部９とで構成されている。それ以外の構造は第１の実施形態と同様であり、平板状容器２を備え、蒸発部３０において発熱体４を、凝縮部２０において放熱部３をそれぞれ熱的に接続して使用する。
【００６６】
本実施形態における溝形状部７は、鉛直方向に対して垂直な方向、つまり水平方向に延伸して形成されている水平溝部８と、鉛直方向に対して平行方向に延伸して形成されている鉛直溝部９とで構成される。水平溝部８と鉛直溝部９は、それぞれ複数設けられており、平板状容器２の内壁に溝形状として形成されている。
【００６７】
水平溝部８は、複数の水平凹部８aと複数の水平凸部８ｂとで構成され、それぞれが鉛直方向に対して垂直方向に並んで配置されている。同様に鉛直溝部９は、複数の鉛直凹部９aと鉛直凸部９ｂとで構成され、それぞれ鉛直方向に対して平行方向に並んで配置されている。そして水平溝部８と鉛直溝部９とは、それぞれ互いに交差して接続している。
【００６８】
隣り合って配置された複数の水平溝部８は、鉛直溝部９を介して接続している。また同様に、隣り合って配置された複数の鉛直溝部９は、水平溝部８を介して接続している。なお水平溝部８と鉛直溝部９の数や、大きさや、深さは特に限定されない。
【００６９】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００７０】
平板状容器２内に設けられた冷媒５は、発熱体４が発する熱を受熱することで沸騰し、沸騰することで発生した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、平板状容器２の上部に運ばれる。なお平板状容器２内部の密閉空間に設けられている冷媒５の気液界面は、発熱体４が取り付けられている高さよりも高く、また放熱部３や水平溝部８、鉛直溝部９が配置されている高さよりも低い位置になるように冷媒５の量が調整されている。
【００７１】
平板状容器２の上部に運ばれた冷媒５の蒸気は、平板状容器２を介して平板状容器２と熱的に接続した放熱部３により外気と熱交換を行う。放熱部３が冷却されると、平板状容器２内部の冷媒５の蒸気も冷却され、平板状容器２の内壁において凝縮する。
【００７２】
平板状容器２の内壁に溝形状で形成された水平凹部８aと鉛直凹部９aは、水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂと比べて平板状筐体２の厚みが薄い。そのため水平凹部８aと鉛直凹部９aは、放熱部３との距離が短く温度が低くなりやすい。その結果、冷媒５の蒸気は、水平凹部８aと鉛直凹部９aにおいて凝縮液膜１０を形成する。
【００７３】
一方、水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂにおいて冷媒蒸気の凝縮が起こると、水平凹部８aと鉛直凹部９aに比べて放熱部３との距離が長いため、水平凹部８aと鉛直凹部９aより温度が高く凝縮液膜１０が形成されにくい。
【００７４】
そして水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂにおいて凝縮された凝縮液は重力により鉛直方向の下向きに移動し水平凹部８aと鉛直凹部９aに流れ込み、凸部６ｂより温度が低い凹部６ａにおいて凝縮液膜１０を形成する。つまり水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂには凝縮膜は形成されず、そのため冷媒５の蒸気と水平凸部８ｂ及び鉛直凸部９ｂは凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。
【００７５】
水平溝部８は、放熱部３と対向している部分が長いため、水平凹部８ａに形成された凝縮液は、水平方向に移動することで放熱部３を介して放熱することで凝縮液の温度を低くすることができる。なお、水平凹部８ａと鉛直凹部９ａは接続しているため、水平凹部８ａにおいて冷却された凝縮液は、鉛直凹部９aに流れる。
【００７６】
一方、鉛直溝部９は、放熱部３と対向している部分が短いが、鉛直方向に対して平行に形成されているため、鉛直凹部９ａに形成された凝縮液膜１０は、重力方向に沿って平板状容器２下部の冷媒５の気液界面に還流することができる。
【００７７】
そして鉛直凹部９ａの下端部において、凝縮液は鉛直凹部９ａから流出し、平板状容器２下部に設けられた気液界面に還流する。つまり鉛直凹部９ａに形成された凝縮液膜１０は、鉛直凹部９ａの端部以外において鉛直凹部９ａから溢れて鉛直凸部９ｂを流れることを抑制することができる。
【００７８】
上記構成により、冷媒５の蒸気と水平凸部８ｂ及び鉛直凸部９ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。その結果、発熱体４が発する熱を受熱して沸騰した冷媒５の蒸気を、放熱部３を介して冷却することにより、冷媒５を凝縮して再び液化するという、沸騰冷却方式の冷却サイクルを継続的に行うことができる。
【符号の説明】
【００７９】
１ 冷却装置
２ 平板状容器
３ 放熱部
４ 発熱体
５ 冷媒
６ 凹凸構造
６ａ 凹部
６ｂ 凸部
７ 溝形状部
７ａ 溝型凹部
７ｂ 溝型凸部
８ 水平溝部
８ａ 水平凹部
８ｂ 水平凸部
９ 鉛直溝部
９ａ 鉛直凹部
９ｂ 鉛直凸部
１０ 凝縮液膜
２０ 凝縮部
３０ 蒸発部
６０ 凹凸構造形成部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒の相変化により吸熱および放熱を行う冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱量の大きな半導体素子は、半導体素子のパッケージの上部にヒートシンクを設けて伝熱面を拡大させ、送風機などにより拡大した伝熱面に対して強制空冷を行うことで、半導体素子が発する熱の冷却を行っていた。
【０００３】
近年、実装技術の進展、プリント基板の多層化と共に電子機器の薄型化、小型化が図られている。そのため電子機器に用いられる半導体パッケージ上部にヒートシンクなどの冷却部品用のスペースを確保することが困難となっている。
【０００４】
そこで密閉空間を有する金属筺体の内部に冷媒を充填し、発熱体より発生した熱により冷媒を沸騰させることで気化し、気化した冷媒によって熱輸送を行う蒸発部と凝縮部とを備えた沸騰冷却器の研究が進んでいる。
【０００５】
沸騰冷却器において、発熱体の熱により蒸発した冷媒の蒸気は、気液の体積差と毛細現象や、気液密度の差による浮力などを利用することで筺体内を循環して凝縮部に移動する。そして外気と熱交換を行うことで凝縮部における冷媒は冷却され、蒸発した冷媒は気体から液体に凝縮し、発熱体で発生した熱を外気へ放熱する。
【０００６】
特許文献１には、平板型の冷却装置の具体的な構造について記載されている。シリコン基板で構成される筐体内部の密閉空間に流路構造を設けている。流路構造を構成する溝の幅を液相流路、蒸発流路、気相流路の順で広くなるように形成することによって、作動流体の循環を促進し、熱輸送の効率化を図っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３５３９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に記載の冷却装置では、冷却装置の凝縮部である凝縮流路において液化した冷媒が筐体の内壁面に付着して凝縮液の膜を形成する。冷媒の熱伝導率は、筺体を構成する金属の熱伝導率に比べて小さいので、筺体と冷媒との熱交換性能が悪くなり冷却性能が低下してしまうという問題点があった。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決する冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明における冷却装置は、発熱体が接続される蒸発部と、放熱部が接続される凝縮部と、蒸発部で気化し凝縮部で凝縮する冷媒とを有し、凝縮部は放熱部と熱的に接続する面に凹凸構造を備えている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明における冷却装置によれば、冷却性能の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施形態における冷却装置の構成を示すブッロク図である。
【図２】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す斜視図である。
【図３】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す分解図である。
【図４】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図５】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図７】第２の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図８】第３の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【図９】第４の実施形態における冷却装置の構成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
【００１４】
〔第１の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態における冷却装置１の構成を示すブロック図である。
【００１５】
〔構造の説明〕図１に示すように本実施形態における冷却装置１は、凝縮部２０と、蒸発部３０と、冷媒５と、凹凸構造形成部６０とを備えている。
【００１６】
凝縮部２０には、放熱部が接続されており、蒸発部３０には、発熱体が接続されている。凝縮部２０は、放熱部と熱的に接続している面に、凹凸構造形成部６０を備えている。なお蒸発部３０には、冷媒５が充填されている。
【００１７】
図１では、平板型の冷却装置１を示しているがこれに限定されず、凝縮部２０と蒸発部３０とを別々の装置に設け、配管などにより互いを接続することで冷媒５を循環させる構成としてもよい。
【００１８】
発熱体からの熱量によって蒸発部３０の冷媒５は沸騰し気化する。気化した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、凝縮部２０に運ばれる。凝縮部２０に運ばれた冷媒５の蒸気は、放熱部により冷却されることによって凝縮し液化する。凝縮した冷媒５は重力により降下し、還流する。
【００１９】
〔効果の説明〕本実施形態における冷却装置１は、凝縮部２０に凹凸構造形成部６０を備えている。凹凸構造形成部６０は凹部と凸部とを備えており、凹部は凸部と比べて放熱部との距離が短いため温度が低い。その結果、凹部に接する冷媒５は凝縮液膜が形成するが、凸部では冷媒５は凝縮するが凝縮液膜が形成されない。そのため凸部においては凝縮液膜の形成による冷却装置１の冷却性能の低下を防ぐことができる。
【００２０】
〔第２の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図２は、本実施形態における冷却装置１の構成を示す斜視図であり、図３は分解斜視図であり、図４は、断面図である。
【００２１】
〔構造の説明〕図２、３に示すように、本実施形態における冷却装置１は、凝縮部２０と蒸発部３０とを収容する平板状容器２で構成される。冷却装置１は、凝縮部２０に放熱部３を、蒸発部３０に発熱体４をそれぞれ熱的に接続して使用する。
【００２２】
図２、３に示すように平板状容器２は、箱型の形状で内部に密閉空間を有している。平板状容器２は、図３にように２つの部材を組み立てることにより構成してもよいし、複数の部品を組み合わせて構成してもよいし、また一体成形してもよい。
【００２３】
平板状容器２を別々に作成した金属板などの部材を組み立てて構成する場合、金属板のつなぎ目などの接続は、外から水やほこりが入り込まないように、シリコーンゴムなどの樹脂により封止した密閉構造とする。なお平板状容器２の材質は、銅やアルミニウムなど熱伝導性が高い材質で構成される。
【００２４】
平板状容器２と発熱体４とは、熱伝導グリースなどの熱伝導性が高い接着剤を介して熱的に接続している。
【００２５】
図４に示すように、平板状容器２内部の密閉空間には、冷媒５が封入されている。冷媒５の具体的な例としてＨＦＣ（hydro fluorocarbon：ハイドロフルオロカーボン）や、ＨＦＥ（hydro fluorether：ハイドロフルオロエーテル）や、水などを用いることができるが、材料はこれに限定されない。
【００２６】
平板状容器２内部の密閉空間における冷媒５の分圧は、ポンプなどを用いて大気圧よりも減圧された状態で飽和蒸気圧を保っている。冷媒５は低沸点であるため、圧力を下げることで冷媒５の沸点を３０度程度まで低下させることができる。その結果、冷媒５は発熱体４が発生する熱によって沸騰することができる。
【００２７】
図５に示すように、平板状容器２は、凝縮部２０において外表面に放熱部３を設けている。なお図５は、断面図を示す。凝縮部２０は、蒸発部３０に対して鉛直上方向に設けられているため、放熱部３も発熱体４に対して鉛直上方向に設けられている。
【００２８】
また放熱部３が平板状容器２に設けられる面は、発熱体４が取り付けられている面と同じ面でもよいし、発熱体４が取り付けられている面とは対向する反対側の面でもよい。（図２，３では、発熱体４が取り付けられている面と同じ面に放熱部３が設けた場合を示す。）なお発熱体４を複数備え、平板状容器２の複数の面に設けてもよい。放熱部３は、例えばフィン形状であり表面積が大きく、銅やアルミなど熱伝導性が高い材質であれば特に限定されない。
【００２９】
図３、４に示すように平板状容器２は、放熱部３が配置された領域における内壁面の一部である凹凸構造形成部６０に凹凸構造６を備える。凹凸構造６は、凹部６aと凸部６ｂとで構成され、凹部６aは凸部６ｂや他の壁面に比べて厚さが薄い。（なお図示していないが、凸部６ｂを凹部６ａや他の壁面に比べて厚さを厚く形成してもよい。）凹部６aと凸部６ｂの数や、大きさや、深さは特に限定されない。
【００３０】
凹凸構造６は、少なくとも一部が放熱部３と熱的に接続している平板状容器２の内壁面に形成されており、放熱部３と凹凸構造６とは平板状容器２を介して、少なくとも一部が対向している。凹凸構造６における凹部６aは、他の部分と比べて膜厚が薄いため放熱部３との距離が短い。その結果、凹部６ａは放熱部３に対して熱を伝えやすく、他の平板状容器２の内壁と比べて温度が低くなる。
【００３１】
凹凸構造６は、図４に示すように、凹凸構造６の凹部６ａと凸部６ｂは、溝形状で所定の方向に延伸して設けられていてもよいし、図３に示すように凹部６ａや凸部６ｂは穴形状の穴部で構成され、点在して設けられていてもよい。
【００３２】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００３３】
平板状容器２は、例えば銅、アルミニウムなどの熱伝導性の高い材料で構成されており、発熱体４と熱伝導性グリースを介して熱的に接続している。そのため発熱体４が発する熱は、平板状容器２を介して、平板状容器２の内部に設けられた冷媒５に伝わる。
【００３４】
平板状容器２内部の密閉空間に設けられている冷媒５の気液界面が、発熱体４が取り付けられている高さよりも高く、また放熱部３や凹凸構造６が配置されている高さよりも低い位置になるように冷媒５の量が調整されている。なお密閉空間の全てが冷媒５で満たされないように冷媒５の量は調整されている。
【００３５】
そして冷媒５は、発熱体４が発する熱を受熱することで沸騰する。平板状容器２の密閉空間に設けられた冷媒５が沸騰することで発生した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、平板状容器２の上部に運ばれる。
【００３６】
平板状容器２の上部に運ばれた冷媒５の蒸気は、平板状容器２を介して平板状容器２と熱的に接続した放熱部３により外気と熱交換を行う。放熱部３は、フィン形状とすることにより表面積を拡大でき、外気と効率よく熱交換を行うことが可能である。
【００３７】
放熱部３と熱的に接続している平板状容器２内部に設けられた冷媒５の蒸気は、冷却されて凝縮する。液化した冷媒５は、重力により平板状容器２内を下降し、冷媒５の気液界面へと還流する。そして冷媒５は、再び発熱体４が発する熱により沸騰することで、冷却サイクルが継続して行われる。
【００３８】
換言すると、平板状容器２の内部に設けられた冷媒５は、発熱体４が発する熱により液体から気体に変化し、そして放熱部３を介して冷却されることで気体から再び液体に凝縮する。つまり冷媒５は、液体から気体、そして気体から液体と相変化を繰り返すことで、発熱体４が発生した熱を、放熱部３を介して放熱を行う。
【００３９】
しかし、図６に示すように平板状容器２の内壁に凹凸構造６を有しない冷却装置１の場合、放熱部３により冷却されて凝縮した冷媒５は、表面張力により平板状容器２の内壁面に凝縮液膜１０を形成してしまう。平板状容器２の内壁面に表面張力により形成された凝縮液膜１０は、放熱部３により冷却された平板状容器２と冷媒５の蒸気とのあいだに存在するため、両者の熱交換率を低下させてしまう。
【００４０】
詳細に説明すると、図６に示すように放熱部３の冷却により平板状容器２の内壁に冷媒５の蒸気が凝縮して凝縮液膜１０が表面張力によって形成されると、冷却された平板状容器２と冷媒５の蒸気とが直接に接触することができない。そのため放熱部３により冷却された平板状容器２の大半に凝縮液膜１０が形成されると、冷媒５の蒸気は凝縮液膜１０を介して平板状容器２と熱交換を行う必要がある。
【００４１】
しかし冷媒５は、平板状容器２に比べると熱電導率が低いため、冷媒５の蒸気と平板状容器２との間に冷媒５の凝縮液膜１０が形成されると、冷媒５の蒸気と平板状容器２とのあいだの熱交換性能が低下し、冷却性能も低下する。その結果、冷媒５の蒸気を凝縮させて液化するという冷却サイクルを継続的に行うことが困難になる。
【００４２】
それに対して、本実施形態による冷却装置１では、放熱部３が設けられている平板状容器２の内壁面に、凹凸構造６を有している。図７に示すように、放熱部３により平板状容器２が冷却されると、冷媒５の蒸気は平板状容器２の内壁面において凝縮する。そして平板状容器２の内壁面に形成された凹凸構造６の凹部６aの底面に、凝縮膜１０が形成される。
【００４３】
詳細に説明すると、凹凸構造６の凹部６aは凸部６ｂを含めた周囲に比べ、放熱部３との間の距離が異なるため温度差が生じる。つまり凹部６ａは、凸部６ｂよりも放熱部３との距離が短いため温度が低くなる。そのため冷媒５の蒸気は凹部６a内で凝縮が起こると、凝縮液膜１０が形成される。
【００４４】
一方、凸部６ｂにおいて冷媒５の蒸気が凝縮しても、凹部６ａに比べて放熱部３との距離が長いため凹部６ａより温度が高いため、凝縮液膜１０が形成されにくい。凸部６ｂにおいて凝縮された場合であっても、凝縮液は重力により鉛直方向の下向きに降下し、凹部６ａに流入する。そのため、凸部６ｂには凝縮膜１０は形成されない。一方、凹部６ａでは、凸６ｂより温度が低いため凝縮液膜１０が形成される。
【００４５】
凹部６ａ内の凝縮液膜１０の厚さが凹部６aの深さを超えると、凝縮液は凹部６ａから溢れ凸部６ｂ上を流れて、鉛直方向下向きに配置されている凹部６aに流入する。そして凹部６ａにおいて凝縮液膜１０はさらに冷却されて、その後平板状容器２下部の気液界面に還流する。
【００４６】
つまり凸部６ｂにおいて冷媒５の蒸気が凝縮しても、凸部６ｂでは凝縮膜１０は形成されずに凹部６ａに凝縮液が流れ込む。そのため冷媒５の蒸気と、放熱部３により冷却された平板状容器２の凸部６ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。その結果、発熱体４が発する熱を受熱して沸騰した冷媒５の蒸気を、放熱部３を介して冷却することによって、再び凝縮液化するという、沸騰冷却方式の冷却サイクルを継続的に行うことができる。
【００４７】
〔第３の実施形態〕次に第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図８は、本実施形態における冷却装置１の断面図である。
【００４８】
〔構造の説明〕本実施形態における冷却装置１は、鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して形成された溝形状部７を備えている。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様であり平板状容器２と、蒸発部３０において発熱体４、凝縮部２０において放熱部３とを備えている。
【００４９】
溝形状部７は、平板状容器２の内壁に形成されており、溝型凹部７ａと溝型凸７ｂとを備えている。溝型凹部７ａは、溝型凸部７ｂや周囲の壁面に比べて膜厚が薄い形状である。つまり溝型凹部７ａは、溝型凸部７ｂよりも放熱部３との間の距離が短い。なお、溝形状部７は鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して形成されている。
【００５０】
また溝形状部７は、放熱部３と熱的に接続している平板状容器２の内壁面に設けられている。溝型凹部７aは、他の部分と比べて膜厚が薄いため、放熱部３との熱伝導の効率が他の部分に比べて高い。なお溝型凹部７a、溝型凸部７ｂの数や、大きさや、深さは特に限定されない。
【００５１】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００５２】
平板状容器２内に設けられた冷媒５は、発熱体４が発する熱を受熱することで沸騰する。冷媒５が沸騰することで発生した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、平板状容器２の上部に運ばれる。なお平板状容器２内部の密閉空間に設けられている冷媒５の気液界面は、発熱体４が取り付けられている高さよりも高く、また放熱部３や溝形状部７が配置されている高さよりも低い位置になるように冷媒５の量が調整されている。なお密閉空間の全てが冷媒５で満たされないように冷媒５の量は調整されている。
【００５３】
平板状容器２の上部に運ばれた冷媒５の蒸気は、平板状容器２を介して平板状容器２と熱的に接続した放熱部３により外気と熱交換を行う。放熱部３が冷却されると、平板状容器２内部の冷媒５の蒸気も冷却され、平板状容器２の内壁において凝縮する。
【００５４】
平板状容器２の内壁に形成された溝形状部７の溝型凹部７aは平板状容器２に溝型に形成された形状であるため、凸部に比べて平板状容器２の厚みが薄い。そのため溝型凹部７aは、放熱部３との距離が近く温度が低くなる。そして溝型凹部７a内で冷媒５の蒸気が凝縮すると、凝縮液膜１０が形成される。
【００５５】
一方、溝型凸部７ｂにおいて冷媒５蒸気の凝縮が起こると、溝型凹部７ａに比べて放熱部３との距離が長いため、溝型凹部７ａより温度が高く凝縮液膜１０が形成されにくい。そして溝型凸部７ｂにおいて凝縮された凝縮液は重力により鉛直方向の下向きに移動し溝型凹部７ａに流入し、溝型凸部７ｂより温度が低い溝型凹部７aにおいて凝縮液膜１０を形成する。つまり溝型凸部７ｂには、凝縮膜１０は形成されないため、冷媒５の蒸気と放熱部３により冷却された平板状容器２の溝型凸部７ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。
【００５６】
ここで例えば、溝形状部７が鉛直方向と平行な方向に延伸して形成されている場合を考える。溝形状部７が鉛直方向に延伸して形成されている場合、溝形状部７の溝型凹部７aにおいて形成された凝縮液を平板状容器２下部の気液界面に最短距離で循環させることができる。
【００５７】
しかし上記構成では、溝型凹部７aに形成される凝縮液と放熱部３とが対向している面積が少なく、また重力により平板状容器２の下部に直接凝縮液が降下するため、凝縮液が冷却される時間が短い。その結果、溝型凹部７a内に形成される凝縮液の温度を低く保つことが困難である。
【００５８】
一方、溝形状部７が鉛直方向と垂直な方向に延伸して形成されている場合を考える。この場合、溝形状部７が放熱部３と対向している部分を長く設けることができるため、凝縮液の温度を低く保つことができる。また溝型凹部７aに形成された凝縮液膜１０の厚さが溝型凹部７aを超えた場合、凝縮液は溝型凸部７ｂ上を流れて移動し鉛直方向に下向きに配置されている溝型凹部７ａ、または気液界面に還流する。
【００５９】
しかし上記構成の場合、溝型凹部７ａに形成された凝縮液膜１０が溝型凹部７ａから溢れた場合、凝縮液の一部は溝型凸部７ｂ上を流れるため、冷媒５の蒸気と平板状容器２との間に、凝縮液を設けてしまい、両者の熱交換率が低下することで冷却性能が低下してしまうおそれがある。
【００６０】
そこで本実施形態における冷却装置１の溝形状部７は鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して形成されている。そのため溝型凹部７ａに形成された凝縮液膜１０は、溝型凹部７ａ内を重力方向に傾いた方向に沿って流れる。
【００６１】
そして溝型凹部７ａの端部において、凝縮液は溝型凹部７ａから溢れでて、平板状容器２下部に設けられた気液界面に還流する。このため溝型凹部７ａに形成された凝縮液膜１０が、溝型凹部７ａの端部以外において溝型凹部７ａから溢れて溝型凸部７ｂを流れることを抑制することができる。そして鉛直方向に傾斜した方向に沿って溝型凹部７ａを凝縮液は移動し、平板状容器２の下部へ達する。
【００６２】
このように、溝形状部７は鉛直方向に対して傾いた方向に延伸して形成されているため、溝形状部７と放熱部３とが対向する部分を長く設けることができ、凝縮液の温度を低く保つことができる。その結果、溝型凸部７ｂで凝縮した冷媒５は、溝型凹部７ａを介して排出されるので、凝縮液膜１０が形成されにくい。
【００６３】
以上説明したように、冷媒５の蒸気と平板状容器２の溝型凸部７ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。その結果、発熱体４が発する熱を受熱して沸騰した冷媒５の蒸気を、放熱部３を介して冷却することによって、再び凝縮液化するという、沸騰冷却方式の冷却サイクルを継続的に行うことができる。
【００６４】
〔第４の実施形態〕次に第４の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図９は、本実施形態における冷却装置１の断面図である。
【００６５】
〔構造の説明〕本実施形態における冷却装置１は、溝形状部７が水平溝部８と鉛直溝部９とで構成されている。それ以外の構造は第１の実施形態と同様であり、平板状容器２を備え、蒸発部３０において発熱体４を、凝縮部２０において放熱部３をそれぞれ熱的に接続して使用する。
【００６６】
本実施形態における溝形状部７は、鉛直方向に対して垂直な方向、つまり水平方向に延伸して形成されている水平溝部８と、鉛直方向に対して平行方向に延伸して形成されている鉛直溝部９とで構成される。水平溝部８と鉛直溝部９は、それぞれ複数設けられており、平板状容器２の内壁に溝形状として形成されている。
【００６７】
水平溝部８は、複数の水平凹部８aと複数の水平凸部８ｂとで構成され、それぞれが鉛直方向に対して垂直方向に並んで配置されている。同様に鉛直溝部９は、複数の鉛直凹部９aと鉛直凸部９ｂとで構成され、それぞれ鉛直方向に対して平行方向に並んで配置されている。そして水平溝部８と鉛直溝部９とは、それぞれ互いに交差して接続している。
【００６８】
隣り合って配置された複数の水平溝部８は、鉛直溝部９を介して接続している。また同様に、隣り合って配置された複数の鉛直溝部９は、水平溝部８を介して接続している。なお水平溝部８と鉛直溝部９の数や、大きさや、深さは特に限定されない。
【００６９】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００７０】
平板状容器２内に設けられた冷媒５は、発熱体４が発する熱を受熱することで沸騰し、沸騰することで発生した冷媒５の蒸気は、気液密度の差による浮力により、平板状容器２の上部に運ばれる。なお平板状容器２内部の密閉空間に設けられている冷媒５の気液界面は、発熱体４が取り付けられている高さよりも高く、また放熱部３や水平溝部８、鉛直溝部９が配置されている高さよりも低い位置になるように冷媒５の量が調整されている。
【００７１】
平板状容器２の上部に運ばれた冷媒５の蒸気は、平板状容器２を介して平板状容器２と熱的に接続した放熱部３により外気と熱交換を行う。放熱部３が冷却されると、平板状容器２内部の冷媒５の蒸気も冷却され、平板状容器２の内壁において凝縮する。
【００７２】
平板状容器２の内壁に溝形状で形成された水平凹部８aと鉛直凹部９aは、水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂと比べて平板状筐体２の厚みが薄い。そのため水平凹部８aと鉛直凹部９aは、放熱部３との距離が短く温度が低くなりやすい。その結果、冷媒５の蒸気は、水平凹部８aと鉛直凹部９aにおいて凝縮液膜１０を形成する。
【００７３】
一方、水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂにおいて冷媒蒸気の凝縮が起こると、水平凹部８aと鉛直凹部９aに比べて放熱部３との距離が長いため、水平凹部８aと鉛直凹部９aより温度が高く凝縮液膜１０が形成されにくい。
【００７４】
そして水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂにおいて凝縮された凝縮液は重力により鉛直方向の下向きに移動し水平凹部８aと鉛直凹部９aに流れ込み、凸部６ｂより温度が低い凹部６ａにおいて凝縮液膜１０を形成する。つまり水平凸部８ｂや鉛直凸部９ｂには凝縮膜は形成されず、そのため冷媒５の蒸気と水平凸部８ｂ及び鉛直凸部９ｂは凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。
【００７５】
水平溝部８は、放熱部３と対向している部分が長いため、水平凹部８ａに形成された凝縮液は、水平方向に移動することで放熱部３を介して放熱することで凝縮液の温度を低くすることができる。なお、水平凹部８ａと鉛直凹部９ａは接続しているため、水平凹部８ａにおいて冷却された凝縮液は、鉛直凹部９aに流れる。
【００７６】
一方、鉛直溝部９は、放熱部３と対向している部分が短いが、鉛直方向に対して平行に形成されているため、鉛直凹部９ａに形成された凝縮液膜１０は、重力方向に沿って平板状容器２下部の冷媒５の気液界面に還流することができる。
【００７７】
そして鉛直凹部９ａの下端部において、凝縮液は鉛直凹部９ａから流出し、平板状容器２下部に設けられた気液界面に還流する。つまり鉛直凹部９ａに形成された凝縮液膜１０は、鉛直凹部９ａの端部以外において鉛直凹部９ａから溢れて鉛直凸部９ｂを流れることを抑制することができる。
【００７８】
上記構成により、冷媒５の蒸気と水平凸部８ｂ及び鉛直凸部９ｂは、凝縮液膜１０を介さずに直接に接することができる。その結果、発熱体４が発する熱を受熱して沸騰した冷媒５の蒸気を、放熱部３を介して冷却することにより、冷媒５を凝縮して再び液化するという、沸騰冷却方式の冷却サイクルを継続的に行うことができる。
【符号の説明】
【００７９】
１ 冷却装置
２ 平板状容器
３ 放熱部
４ 発熱体
５ 冷媒
６ 凹凸構造
６ａ 凹部
６ｂ 凸部
７ 溝形状部
７ａ 溝型凹部
７ｂ 溝型凸部
８ 水平溝部
８ａ 水平凹部
８ｂ 水平凸部
９ 鉛直溝部
９ａ 鉛直凹部
９ｂ 鉛直凸部
１０ 凝縮液膜
２０ 凝縮部
３０ 蒸発部
６０ 凹凸構造形成部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体が接続される蒸発部と、
放熱部が接続される凝縮部と、
前記蒸発部で気化し、凝縮部で凝縮する冷媒とを有し、
前記凝縮部は、前記放熱部と熱的に接続する面に凹凸構造を備えている冷却装置。
【請求項２】
前記凹凸構造は、前記凝縮部を構成する内壁面に設けられた溝形状部を含む請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記凹凸構造は、前記凝縮部を構成する内壁面に設けられた穴部を含む請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記溝形状部は、鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して配置されている請求項２に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記溝形状部は、
鉛直方向に対して垂直方向に延伸して形成されている水平溝部と、
鉛直方向に対して平行な方向に延伸して形成されている鉛直溝部とを備え、
前記垂直溝部と前記鉛直溝部は互いに接続していることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記蒸発部と前記凝縮部を収容する平板状容器を備え、
前記冷媒は、前記平板状容器の内部を循環する請求項１乃至５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記蒸発部と前記凝縮部を接続する配管を備え、前記冷媒は前記配管を通って循環する請求項１乃至５に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記凝縮部は、前記蒸発部に対して鉛直上方に配置されている請求項１乃至７に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記冷媒の気液界面が、前記蒸発部と前記凝縮部とのあいだに位置する請求項１乃至８に記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記冷媒の材質は、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、または水のいずれか１つを含む請求項１乃至９に記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記平板状容器の材質は、銅、もしくはアルミニウムのいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の冷却装置。
【請求項１２】
前記冷媒の分圧が、大気圧よりも小さい請求項１乃至１１に記載の冷却装置。
【請求項１】
発熱体が接続される蒸発部と、
放熱部が接続される凝縮部と、
前記蒸発部で気化し、凝縮部で凝縮する冷媒とを有し、
前記凝縮部は、前記放熱部と熱的に接続する面に凹凸構造を備えている冷却装置。
【請求項２】
前記凹凸構造は、前記凝縮部を構成する内壁面に設けられた溝形状部を含む請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記凹凸構造は、前記凝縮部を構成する内壁面に設けられた穴部を含む請求項１に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記溝形状部は、鉛直方向に対して傾斜した方向に延伸して配置されている請求項２に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記溝形状部は、
鉛直方向に対して垂直方向に延伸して形成されている水平溝部と、
鉛直方向に対して平行な方向に延伸して形成されている鉛直溝部とを備え、
前記垂直溝部と前記鉛直溝部は互いに接続していることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
【請求項６】
前記蒸発部と前記凝縮部を収容する平板状容器を備え、
前記冷媒は、前記平板状容器の内部を循環する請求項１乃至５に記載の冷却装置。
【請求項７】
前記蒸発部と前記凝縮部を接続する配管を備え、前記冷媒は前記配管を通って循環する請求項１乃至５に記載の冷却装置。
【請求項８】
前記凝縮部は、前記蒸発部に対して鉛直上方に配置されている請求項１乃至７に記載の冷却装置。
【請求項９】
前記冷媒の気液界面が、前記蒸発部と前記凝縮部とのあいだに位置する請求項１乃至８に記載の冷却装置。
【請求項１０】
前記冷媒の材質は、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテル、または水のいずれか１つを含む請求項１乃至９に記載の冷却装置。
【請求項１１】
前記平板状容器の材質は、銅、もしくはアルミニウムのいずれか１つであることを特徴とする請求項１乃至１０に記載の冷却装置。
【請求項１２】
前記冷媒の分圧が、大気圧よりも小さい請求項１乃至１１に記載の冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７５０１（Ｐ２０１３−７５０１Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８６６７（Ｐ２０１１−１３８６６７）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト（グリーンＩＴプロジェクト）／エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発／最適抜熱方式の検討とシステム構成の開発／集熱沸騰冷却システムの開発」共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の委託研究の成果に係る特許出願（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト（グリーンＩＴプロジェクト）／エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発／最適抜熱方式の検討とシステム構成の開発／集熱沸騰冷却システムの開発」共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【Ｆターム（参考）】
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