WO2015146110A1

WO2015146110A1 - 相変化冷却器および相変化冷却方法

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Inventors: 坂本　仁; 吉川　実; 真弘蜂矢
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Abstract

　相変化冷却器においては、複数の発熱体を冷却しようとすると冷却器が大型化し構造が複雑になるため、本発明の相変化冷却器は、冷却対象物と熱的に接続する熱伝導板と、冷媒を貯蔵し、熱伝導板を介して冷却対象物の熱を受容する受熱部と、受熱部において冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う放熱部と、受熱部と放熱部を連結する連結部、とを有する。

Description

相変化冷却器および相変化冷却方法

　本発明は、半導体装置や電子機器などの冷却器および冷却方法に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う相変化方式を用いた相変化冷却器および相変化冷却方法に関する。

　半導体装置や電子機器で発生する大量の熱を輸送するために、半導体装置などの外部に受熱部を設置し、受熱部の内部に冷媒を流動させることにより高い冷却性能を得ようとする冷却方法が開発されている。特に、受熱部で液相冷媒を沸騰させることによって、より高い冷却効果が得られる相変化方式の冷却方法が開発されている。

　一般に、冷媒が奪った熱を外部に放出するために、冷媒を受熱部と放熱部のあいだで循環させる必要がある。このために、通常はポンプが用いられている。それに対して、相変化方式を用いた冷却器（以下では、「相変化冷却器」と言う）においては、冷却器の下部に受熱部を、上部に放熱部を配置することによりポンプが不要となる。このような相変化方式の冷却構造は、発生する気相冷媒と液相冷媒の密度差により、気相冷媒が鉛直上方に集積する原理を利用している。

　このような相変化冷却器の一例が特許文献１に記載されている。特許文献１に記載された沸騰冷却装置は、発熱体の熱を受けて沸騰する冷媒を貯留する冷媒槽と、この冷媒槽で沸騰した冷媒蒸気を外部流体との熱交換によって液化する放熱部とを備える。この冷媒槽は、受熱面の内側に形成された沸騰空間から放熱部へ冷媒蒸気が流れる蒸気通路と、放熱部で液化した凝縮液を沸騰空間へ戻す液戻り通路とを有する。そして、蒸気通路の外側面の発熱体に近い面と液戻り通路の外側面の発熱体に近い面とが受熱面に対して発熱体側とは反対に後退して設けられた構成としている。

　上述した冷却器は、電子機器内に消費電力の主要な部分を占める素子がある場合に、そのような素子を冷却するために特に有効である。しかしながら、複数の発熱素子がある場合には、これらの冷却器が複数個だけ必要となる。

　複数個の冷却器を用いた電子装置の一例が特許文献２に記載されている。特許文献２に記載された電子装置は、発熱源である複数のＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ：中央処理装置）にサーモサイフォンを利用した冷却システムを設けた構成としている。具体的には、冷却システムを構成する凝縮器が、冷却ファンによって外部から供給される空気（冷却風）の通路に沿って並んで配置された構成としている。

　上述の電子装置では、筐体内に組み込まれる他の装置の冷却手段である冷却ファンを、サーモサイフォンを利用した冷却システムを構成する凝縮器の冷却手段（ラジエータ）として利用している。これにより、筐体内の発熱源であるＣＰＵを、専用の冷却ファンを持つことなく、比較的簡単で安価であり、かつ、液駆動のためのポンプ動力も不要で省エネにも優れた冷却システムによって、効率的かつ確実に冷却することが可能となる、としている。

　また、関連技術としては、特許文献３および４に記載された技術がある。

特開２０００－１８３２５９号公報特開２０１１－０４７６１６号公報特開２００９－１９３４６３号公報特開２０１１－２２３０１９号公報

　上述したような関連する相変化冷却器は伝熱効率が高いので、冷却器の小型化が可能である。しかしながら、小型で発熱量の大きい発熱素子を冷却する場合、受熱部と放熱部が分離された構成としても、受熱部だけは大型化してしまうという問題があった。

　また、複数の発熱素子を冷却する場合、特許文献２に記載された冷却器のように複数個の凝縮器を並べて配置した構成とすると、横方向の配置スペースが必要となる。そのため、発熱素子あたりの発熱量が大きくなるほど横方向の配置スペースが必要となる、という問題があった。一方、一個の相変化冷却器を用いて複数の発熱素子を冷却しようとすると、受熱部の内部における冷媒の流れが増大するだけでなく複雑になるので、冷却器の構造が複雑になる、という問題があった。

　このように、関連する相変化冷却器においては、複数の発熱体を冷却しようとすると冷却器が大型化し構造が複雑になる、という問題があった。

　本発明の目的は、上述した課題である、相変化冷却器においては、複数の発熱体を冷却しようとすると冷却器が大型化し構造が複雑になる、という課題を解決する相変化冷却器および相変化冷却方法を提供することにある。

　本発明の相変化冷却器は、冷却対象物と熱的に接続する熱伝導板と、冷媒を貯蔵し、熱伝導板を介して冷却対象物の熱を受容する受熱部と、受熱部において冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う放熱部と、受熱部と放熱部を連結する連結部、とを有する。

　本発明の相変化冷却方法は、冷却対象物の熱を受容し、熱を拡散させた後に、冷媒に伝達し、冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う。

　本発明の相変化冷却器および相変化冷却方法によれば、複数の発熱体を冷却することができる小型かつ簡易な構成の相変化冷却器を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却器の構成を示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却器の実装状態を示す斜視図である。本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部が備えるフィンの構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の熱伝導プレートの別の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の別の構成を示す上面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の別の構成を示す断面図である。本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍のさらに別の構成を示す断面図である。本発明の第４の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の構成を示す断面図である。本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の構成を示す上面図である。本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍の別の構成を示す上面図である。本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍のさらに別の構成を示す上面図である。本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部近傍のさらに別の構成を示す上面図である。

　以下に、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

　〔第１の実施形態〕
　図１は、本発明の第１の実施形態に係る相変化冷却器１０の構成を示す断面図である。本実施形態の相変化冷却器１０は、冷却対象物２０と熱的に接続する熱伝導板１１、受熱部１２、放熱部１３、および受熱部１２と放熱部１３を連結する連結部１４とを有する。

　受熱部１２は、冷媒を貯蔵し、熱伝導板１１を介して冷却対象物２０の熱を受容する。放熱部１３は、受熱部１２において冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う。

　次に、本実施形態による相変化冷却器１０の動作について説明する。冷却対象物２０の一例としての小面積な発熱体からの高密度な熱は、熱的に接続している熱伝導板（熱伝導プレート）１１に移動し、拡散して広がりながら厚み方向に伝搬し受熱部に到達する。発熱体と受熱部１２が熱伝導板（熱伝導プレート）１１を介して配置していることにより、発熱体の熱は拡散したうえで受熱部１２へ伝達する。受熱部１２に貯蔵された冷媒は、この熱を気化熱として気化して大量の気相冷媒となり、連結部１４を通って放熱部１３に達する。気相冷媒は放熱部１３において凝縮液化して放熱を行う。凝縮液化した液相冷媒は連結部１４を通って受熱部１２に還流する。相変化冷却器１０では、このような冷媒の循環によりポンプなどの駆動部を用いることなく、冷却対象物２０の冷却を行うことができる。

　上述したように、本実施形態の相変化冷却器１０によれば、発熱体などの冷却対象物２０からの熱を熱伝導板１１において拡散させたうえで、受熱部１２に貯蔵された冷媒に伝達することができる。そのため、複数の発熱体から受熱する場合であっても、熱を受熱部１２に貯蔵された冷媒に効率よく移動させることができる。その結果、本実施形態の相変化冷却器１０によれば、複数の発熱体を冷却することができる小型かつ簡易な構成の相変化冷却器を得ることができる。

　次に、本実施形態による相変化冷却方法について説明する。本実施形態の相変化冷却方法では、まず、冷却対象物の熱を受容し、この熱を拡散させる。その後に、この熱を冷媒に伝達する。このとき冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う。本実施形態の相変化冷却方法によれば、冷却対象物の熱を拡散させた後に冷媒に伝達するので、複数の発熱体から受熱する場合であっても、熱を冷媒に効率よく移動させることができる。その結果、効率よく複数の発熱体を冷却することができる。

　〔第２の実施形態〕
　次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却器１００の実装状態を示す斜視図である。また、図３は本発明の第２の実施形態に係る相変化冷却器１００の受熱部近傍の構成を示す断面図である。

　電子機器には、発熱が集中する中央処理装置（ＣＰＵ）や電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）などの電子デバイスが搭載される。以下の実施形態では、冷却対象物としてこのような電子デバイスを例として説明する。

　電子デバイスからなる小型で発熱量が大きい発熱素子１０１は、熱伝導板としての熱伝導プレート１０２に固定具２０１などを介して固定される。熱伝導プレート１０２の面のうち、発熱素子１０１が設置される面の反対側に、相変化冷却器１００を構成する受熱部１０３が配置される。受熱部１０３と熱伝導プレート１０２はネジ等の固定具１０７を用いて固定する。

　熱伝導プレート１０２は、発熱素子１０１からの熱を面内方向に拡散させながら厚み方向に伝搬し、受熱部１０３に伝達する。熱伝導プレート１０２は、一例として、厚さが略３ミリメートル以上かつ略１０ミリメートル以下とすることができる。

　発熱素子１０１と熱伝導プレート１０２の接触面、および熱伝導プレート１０２と受熱部１０３の接触面には、熱を効率よく伝える熱伝導部材２０２を配置することが好ましい。熱伝導部材２０２には、熱伝導性が高い材料、例えば液体状のグリース、固体状のシート、インジウムやインジウム合金を含む金属製のシート、グラファイトを用いたシートなどを用いることができる。

　また本実施形態では、受熱部１０３と熱伝導プレート１０２を、固定具１０７としてのネジと熱伝導プレート１０２上のメネジ２０３によって固定する構成とした。この場合、熱的な接続を維持するために、約１００キロパスカル（ｋＰａ）から５００キロパスカル（ｋＰａ）程度の圧力により、受熱部１０３を熱伝導プレート１０２に押し付けることが好ましい。押し付けることによって、受熱部１０３と熱伝導プレート１０２が密着し、熱伝導プレート１０２から受熱部１０３へ移動する熱の熱抵抗を小さくすることができるからである。

　受熱部１０３と放熱部１０４は、第１の連結部としての蒸気管１０５と、第２の連結部としての液管１０６により連結される。蒸気管１０５は冷媒蒸気を受熱部１０３から放熱部１０４に輸送する。液管１０６は放熱部１０４で凝縮液化した液相冷媒を放熱部１０４から受熱部１０３に輸送する。すなわち、受熱部１０３で発生した冷媒蒸気は、蒸気管１０５を通じて放熱部１０４へ移動する。放熱部１０４で放熱して液相に戻った液相冷媒は液管１０６を通じて、受熱部１０３へ還流する。

　受熱部１０３は、熱伝導性の良い銅やアルミニウムなどの金属で作られた中空のチャンバーなどの容器を備える。容器の側面には、蒸気管１０５と接続する第１の接続部としての蒸気流出口と、液管１０６と接続する第２の接続部としての液流入口を備える。また、受熱部１０３は、冷媒と接触する容器の内壁側の底面である受熱部底面上に配置された複数の突起部、例えばフィン３０１を備えた構成とすることができる。このフィン３０１により冷媒への伝熱性を向上させることができる。さらに、液相冷媒や気相冷媒の流れを制御するための流路を形成することとしてもよい。

　受熱部１０３を構成するチャンバーの内側表面を、サンドブラストなどで数１０マイクロメートル（μｍ）から１００マイクロメートル（μｍ）のレベルで粗面化した構成としてもよい。これにより、冷媒の気泡が発生する際の核の数が増えるからである。より多くの気泡が発生することにより、チャンバーの内側表面からの熱の移動が促され、冷却性能がさらに向上する。

　上述したように、本実施形態の相変化冷却器１００によれば、発熱素子１０１からの熱を熱伝導板１０２において拡散させたうえで、受熱部１０３に貯蔵された冷媒に伝達することができる。そのため、複数の発熱体から受熱する場合であっても、熱を受熱部１０３に貯蔵された冷媒に効率よく移動させることができる。その結果、本実施形態の相変化冷却器１００によれば、複数の発熱体を冷却することができる小型かつ簡易な構成の相変化冷却器を得ることができる。

　〔第３の実施形態〕
　次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図４は、本発明の第３の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部１０３近傍の構成を示す断面図である。図４では、二個の発熱素子１０１を実装した状態を示す。

　熱伝導プレート１０２の一面に配置された発熱素子１０１からの熱は、熱伝導プレート１０２を介して、相変化冷却器を構成する受熱部１０３へ移動する。熱は受熱部１０３内部の突起部としてのフィン３０１を介して冷媒に伝わる。この熱を受けて冷媒は沸騰し気化する。各フィン３０１間の間隔Ｃ１が広いと、液相冷媒や発生した冷媒の気泡の流れはよくなるが、広すぎるとフィン３０１の枚数が少なくなるので、冷媒が気化する効率が低下し冷却効率が下がってしまう。そのため、フィン３０１間の間隔Ｃ１は、概ね０．５ミリメートル（ｍｍ）から数ミリメートル（ｍｍ）とするのが望ましい。

　図４に示すように本実施形態では、複数のフィン（突起部）３０１が、受熱部１０３の底面上の発熱素子１０１と対向する位置を略中心とするフィン領域（突起部領域）に配置している構成とした。すなわち図４の場合、２個の発熱素子のそれぞれに対してフィン領域が形成されている。フィン領域とフィン領域の間に空間Ｃ２を設けることにより、冷媒の流れを阻害しないようにすることが好ましい。ただし、発熱素子１０１の発熱量が小さい場合はこの限りではない。発熱素子１０１の発熱量に応じて、フィン領域間の空間Ｃ２を、フィン３０１間の間隔Ｃ１とフィン領域の全長Ｄの間に設定することができる。すなわち、複数のフィン（突起部）３０１が複数のフィン領域（突起部領域）に配置しており、複数のフィン領域（突起部領域）の間の距離は複数のフィン（突起部）３０１の間の距離以上である構成とすることができる。

　フィン領域の全長Ｄは、発熱素子１０１からの熱を放熱するために必要な放熱面積から定まるが、典型的には約２０ミリメートル（ｍｍ）から５０ミリメートル（ｍｍ）程度である。フィンの高さＥも同様に、放熱面積を確保するために必要な長さから定まるが、長すぎるとフィン内での熱伝導による温度低下の影響により、冷媒が気化する効率が低下する。そのため、フィンの高さＥは典型的には約５ミリメートル（ｍｍ）から２０ミリメートル（ｍｍ）程度である。

　また、フィン３０１の上端と受熱部１０３を構成する容器の上面との間にも空間Ｆを設けることにより、発生した冷媒蒸気を円滑に蒸気管１０５に向けて流動させることができる。空間Ｆの距離は、フィン間の間隔Ｃ１の２倍程度からフィン高さＥの２倍程度とすることができる。空間Ｆの距離が約５ミリメートル（ｍｍ）以下である場合、発生する冷媒蒸気が受熱部１０３から放熱部１０４に向けて流動しにくくなり、受熱部１０３の圧力が高くなってしまう。受熱部１０３内部の圧力が高くなると、液相の冷媒が蒸発しにくくなるので、冷却性能が低下する要因となる。また、冷媒蒸気が流動しにくいと熱の移動が阻害されることになり、冷却性能が低下する。ただし、空間Ｆの距離を２０ミリメートル（ｍｍ）以上としても、冷媒蒸気の流動しやすさ、および受熱部内部の圧力増大を抑制する効果はそれほど改善されない。

　蒸気管１０５の接続位置は、図３に示すように、フィン３０１の上端と受熱部１０３を構成する容器の上面との間に配置するのが好ましい。この領域には各フィン間から発生した冷媒蒸気が集まっているので、この領域に蒸気管１０５を配置することにより、冷媒蒸気を受熱部１０３から効率よく排出することができる。また、蒸気管１０５が受熱部１０３の上部から突出することがないので、相変化冷却の小型化を図ることができる。

　発熱素子１０１からの熱を受熱部１０３内のフィン３０１を介して効率よく冷媒へ伝達するために、受熱部１０３内のフィン３０１と発熱素子１０１は熱伝導プレート１０２を介して相対する位置に中心位置を合わせて配置した構成とすることが好ましい。また、フィン領域（突起部領域）は、図５に示すように、発熱素子１０１の表面の中心線を通り、熱伝導プレート１０２の法線と約４５度をなす２平面に挟まれた領域とすることが望ましい。つまり、発熱素子１０１はフィン３０１の端部を通り、熱伝導プレート１０２の法線と約４５度をなす平面で規定される領域に配置されることが好ましい。これは、熱伝導プレート１０２面と４５度をなす直線上では、熱の垂直方向の拡散距離と水平方向の拡散距離が等しくなるので、この直線に挟まれた領域にフィン３０１を設けることが望ましいからである。

　上述したように、熱伝導プレート１０２は、小面積の発熱素子１０１からの熱を受熱部１０３の底面全体に広げる効果を有する。これにより、発熱素子１０１からの熱は広がりつつ伝わるので、発熱素子１０１のサイズに比べてより広い面積にわたってフィン３０１を設けることが好ましい。このとき、フィン３０１を受熱部１０３の底面の面積と同じ面積の領域に設けることとしてもよい。また、発熱素子１０１からの熱が、熱が伝達する方向に対して４５度の角度で広がるとして、受熱部１０３の底面の面積やフィン３０１の設置面積を決めることとしてもよい。このような考えに基づいてフィン領域の全長Ｄを設定することとしてもよく、これによればフィン領域の全長Ｄは約２０ミリメートル（ｍｍ）から５０ミリメートル（ｍｍ）程度となる。熱伝導プレート１０２の厚さＢを厚くしすぎると熱伝導による温度低下の影響により、冷媒が気化する効率が低下するため、熱伝導プレート１０２の厚さＢは、約３ミリメートル（ｍｍ）から１０ミリメートル（ｍｍ）程度とすることが好ましい。

　熱伝導プレート（熱伝導板）１０２は、図６に示すように、冷却対象物としての発熱素子１０１と対向する面に、発熱素子１０１の形状に対応した凹部２０４を備えた構成としてもよい。すなわち、熱伝導プレート１０２に凹部２０４を設けて発熱素子１０１を配置することができる。凹部２０４を設けた場合であっても、受熱部１０３が備えるフィン３０１の端部を通り、熱伝導プレート１０２の法線と約４５度をなす平面で規定される領域に発熱素子１０１が配置される構成とすることが好ましい。発熱量がより小さな発熱素子を冷却する場合は、受熱部１０３が備えるフィン３０１の数が少なくても充分に冷却することが可能である。そのため、熱伝導プレート１０２において熱を広く拡散させる必要がないので、凹部２０４を設けることができる。このように、凹部２０４によって、それぞれの発熱素子１０１の発熱量に応じて熱拡散の効果を最適化することが可能になる。

　図７Ａおよび７Ｂを用いて、フィン３０１の配列の別の構成を説明する。図７Ａは本実施形態の相変化冷却器が備える受熱部の近傍の構成を示す上面図、図７Ｂは断面図である。

　図７Ａに示すように、フィン（突起部）３０１は一方向に延伸した板状形状であり、板状形状の延伸方向と略垂直な配列方向に複数個配置している。ここで、熱伝導プレート（熱伝導板）１０２は、冷却対象物としての発熱素子１０１の長手方向がこの配列方向と略平行となる配置において、発熱素子１０１と熱的に接続する。すなわち、発熱素子１０１の長手方向が、受熱部１０３の内部に配置されたフィン３０１の配列方向と一致するように発熱素子１０１を配置した状態で、本実施形態の相変化冷却器を使用することができる。このとき、発熱素子１０１からの熱は熱伝導プレート１０２において拡散し、受熱部１０３に伝達した熱はより均等に複数のフィン３０１に伝わることになる。このような構成とすることにより、それぞれのフィン３０１を効率的に用いることができるので、フィン３０１の面積や個数を最小限にすることが可能となる。その結果、より小型の相変化冷却器を得ることができる。なお、発熱素子１０１は、図７Ａに示すように、受熱部底面のうちフィン列が設置されたフィン領域を投影した面のほぼ中央に配置されることが好ましい。フィン列が設置されている面の縦の長さＧと横の長さＨの比（Ｇ／Ｈ）は、発熱素子１０１の縦の長さＪと横の長さＫの比（Ｊ／Ｋ）とほぼ等しいことが好ましい。

　上述の説明では、２個の発熱素子１０１を相変化冷却器に実装した構成を例として用いたが、発熱素子１０１の個数はこれに限られない。図８に示すように、３個の発熱素子１０１を冷却対象物として実装し、それらを冷却するための相変化冷却器が備える受熱部１０３が熱伝導プレート１０２を介して配置された構成としてもよい。

　この場合においても、それぞれの発熱素子１０１と対向する位置に、受熱部１０３および受熱部１０３が内部に備えるフィン３０１を配置することが好ましい。すなわち、複数個の発熱素子１０１を冷却する受熱部１０３の内部には、複数のフィン領域を備えることが望ましい。この場合、隣り合うフィン領域の間にはフィン３０１が配置されていない領域が存在し、この領域には液相状態と気相状態の冷媒が存在する。フィン領域の間にフィン３０１が存在しないことにより、液相冷媒が円滑に供給される。さらに、フィン３０１が存在しない領域が存在することにより、受熱部１０３の容器内の空間が増大するので、気化した冷媒蒸気が占めることになるバッファ空間を確保できるという効果がある。バッファ空間が存在することにより、冷媒が気化することによって発生する大量の冷媒蒸気が受熱部１０３の容器内に充満することになっても、受熱部１０３の容器内部の圧力上昇を抑制することが可能となる。容器内部の圧力上昇は冷媒の沸点の上昇をもたらし、沸点の上昇は冷却温度の上昇となるため、容器内部の圧力上昇を抑制することは発熱素子を効率的に冷却するために好ましいことである。

　〔第４の実施形態〕
　次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図９は、本発明の第４の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部１０３近傍の構成を示す断面図である。

　本実施形態による相変化冷却器が備える受熱部１０３には、放熱部から還流してくる凝縮液化した冷媒が流入する液管１０６と、放熱部へと気化した冷媒蒸気を送出する蒸気管１０５が接続している。

　ここで、蒸気管１０５（第１の連結部）の口径は、液管１０６（第２の連結部）の口径よりも大きく構成することが望ましい。その理由は、以下の通りである。相変化冷却器の全体が定常状態にあるとき、冷媒の質量ベースの流量はどこでも同じであるが、体積ベースの流量は大きく異なる。これは、液体と気体では密度が大きく変化するからである。また、受熱部に向かって冷媒が流動する液管の口径を小さく構成することには、冷媒蒸気の混入を防止するという効果もある。その結果、冷媒の逆流を防止し、もしくは逆流が生じてもその影響を最低限に抑制することができる冷媒の循環系を、逆止弁を用いることなく実現することができる。冷媒が逆流する可能性がない場合は、液管１０６の口径を蒸気管１０５の口径と等しくすることができ、この場合は液相冷媒の流動性が高まるので冷却効果が増大する。

　また、受熱部１０３の容器には、蒸気管１０５と接続する第１の接続部と、液管１０６と接続する第２の接続部が設けられている。そして、蒸気管１０５と接続する第１の接続部が、液管１０６と接続する第２の接続部よりも鉛直上方に配置している構成とすることができる。このような構成とすることにより、冷媒蒸気が液管１０６を通って放熱部に流出する逆流現象を防止することが可能となる。また、受熱部１０３の内部で液相冷媒が沸騰し冷媒蒸気が発生する。発生した冷媒蒸気は液相冷媒に比べて比重が小さいので、鉛直上方に配置した蒸気管１０５への排出口（第１の接続部）に向かって流動する。ここで上述したように、受熱部１０３の内部に配置したフィン３０１の上端と受熱部１０３を構成する容器の上面との間に空間を設けた構成とすることができる。フィン領域で発生した冷媒蒸気は、この空間を通って蒸気管１０５に向かって流動する。フィン３０１の上端と受熱部１０３を構成する容器の上面との間の距離を、フィン間の間隔の２倍程度からフィンの高さと同程度の距離とすることが好ましい。

　〔第５の実施形態〕
　次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１０は、本発明の第５の実施形態に係る相変化冷却器の受熱部１０３近傍の構成を示す上面図である。

　本実施形態の相変化冷却器が備える受熱部１０３は、蒸気管１０５と接続する第１の接続部と、液管１０６と接続する第２の接続部が、受熱部１０３の容器の同一の側面にそれぞれ配置している。そして、受熱部１０３の底面上に配置されたフィン３０１（突起部）は板状形状であり、第２の接続部に流入する液相冷媒の流入方向と略平行に延伸している構成とした。なお、図１０中の実線矢印は液相冷媒の流路を、破線矢印は気相冷媒の流路をそれぞれ示す。

　ここで、液管１０６は受熱部１０３の内部に設けられたフィン領域の中央付近に配置していることが好ましい。液管１０６から流入する液相冷媒は、液管１０６が配置されている容器の内壁面とフィン領域端部との間の隙間を通って、各フィン３０１の間に流入する。このとき、複数のフィン領域は、液管１０６が接続された壁面にそれぞれの端部が対向するように並置されていることが好ましい。ここで、受熱部１０３の容器の側面と複数のフィン３０１の端部との距離が、複数のフィン３０１の間の距離の略２倍以上かつ略１０倍以下とすることができる。

　フィン３０１の間に流入した液相冷媒は、フィン３０１を冷却しながら気化し、気化した気相冷媒はフィン領域の上部の空間を通って蒸気管１０５に向けて流動する。なお、蒸気管１０５は、液管１０６の近傍に配置されたフィン領域とは異なるフィン領域の近傍に配置されていることが好ましい。液管１０６と蒸気管１０５が離間した位置に配置されることにより、液管１０６から蒸気管１０５に向かって冷媒が一方向に流動しながら受熱部１０３の内部全体を冷却することが可能となる。

　図１１に、本実施形態による相変化冷却器の受熱部１０３近傍の別の構成を示す。この場合、受熱部１０３は、蒸気管１０５と接続する第１の接続部および液管１０６と接続する第２の接続部が、受熱部１０３の容器の対向する側面にそれぞれ配置している。そして、　フィン３０１（突起部）は板状形状であり、第２の接続部に流入する液相冷媒の流入方向と略平行に延伸している構成とすることができる。

　液管１０６から流入する液相冷媒は、液管１０６が配置されている容器の内壁面とフィン領域端部との間の隙間を通って、各フィン３０１の間に流入する。このとき、複数のフィン領域は、液管１０６が接続された壁面にそれぞれの端部が対向するように並置されていることが好ましい。フィン３０１の間に流入した液相冷媒は、フィン３０１を冷却しながら気化し、気化した気相冷媒はフィン領域の上部の空間を通って蒸気管１０５に向けて流動する。なお、蒸気管１０５は、液管１０６の近傍に配置されたフィン領域とは異なるフィン領域の近傍に配置されていることが好ましい。液管１０６と蒸気管１０５が離間した位置に配置されることにより、液管１０６から蒸気管１０５に向かって冷媒が一方向に流動しながら受熱部１０３の内部全体を冷却することが可能となる。

　図１０、図１１に示した実施形態では、フィン３０１は、液管１０６と接続する第２の接続部に流入する液相冷媒の流入方向と略平行に延伸している構成とした。しかしこれに限らず、図１２に示すように、受熱部１０３の底面上に配置されたフィン３０１（突起部）は板状形状であり、第２の接続部に流入する液相冷媒の流入方向と略垂直に延伸している構成としてもよい。

　図１２には、蒸気管１０５と接続する第１の接続部および液管１０６と接続する第２の接続部が、受熱部１０３の容器の同一の側面にそれぞれ配置している構成を示す。この場合、蒸気管１０５および液管１０６の接続部を、受熱部１０３の容器の両端部近傍にそれぞれ設けることは好ましい。液管１０６から受熱部１０３に流入する液相冷媒は、受熱部１０３の容器の内壁面とフィン領域端部との間の隙間を通って、各フィン３０１の間に流入する。また、フィン領域の長手方向の側面と受熱部１０３の容器の内壁面との隙間を通って、液管１０６の接続部から離間した位置にあるフィン領域に向かって液相冷媒が流動するので、複数のフィン領域に液相冷媒を供給することが可能となる。フィン３０１の間に流入した液相冷媒は、フィン３０１を冷却しながら気化し、気化した気相冷媒はフィン領域の上部の空間を通って蒸気管１０５に向けて流動する。

　また、図１３には、蒸気管１０５と接続する第１の接続部および液管１０６と接続する第２の接続部が、受熱部１０３の容器の側面のうち互いに略直交する二の側面にそれぞれ配置している構成を示す。すなわち、蒸気管１０５と液管１０６は略直交する方向にそれぞれ配置されている。ここで、フィン３０１は板状形状であり、第２の接続部に流入する液相冷媒の流入方向と略平行に延伸した構成とすることにより、フィン領域への液相冷媒の流入を容易にすることができる。また、フィン領域の中央付近に液管１０６との接続部（第２の接続部）が配置されていることが好ましい。このような構成とすることにより、フィン領域の長手方向の側面と受熱部１０３の容器の内壁面との隙間を通って、液管１０６の接続部から離間した位置にあるフィン領域に向かって液相冷媒が流動するので、複数のフィン領域に液相冷媒を供給することが可能となる。

　フィン３０１の間に流入した液相冷媒は、フィン３０１を冷却しながら気化し、気化した気相冷媒はフィン領域の上部の空間を通って蒸気管１０５に向けて流動する。発生した気相冷媒はフィン３０１の上部を通って蒸気管１０５に向けて流動するので、蒸気管１０５の接続の向きとフィン領域の長手方向の向きは、図１３に示したように異なる方向であってもよい。

　なお、蒸気管１０５は、液管１０６の近傍に配置されたフィン領域とは異なるフィン領域の近傍に配置されていることが好ましい。液管１０６と蒸気管１０５が離間した位置に配置されることにより、液管１０６から蒸気管１０５に向かって冷媒が一方向に流動しながら受熱部１０３の内部全体を冷却することが可能となる。

　上述した第２の実施形態から第５の実施形態においては、蒸気管１０５と接続する第１の接続部が、受熱部１０３の容器の側面に配置された構成を例として説明した。しかしこれに限らず、蒸気管１０５と接続する第１の接続部が、受熱部１０３の容器の上面に配置された構成としてもよい。フィン３０１の間で発生する冷媒蒸気は、浮力によってフィン領域の上部に向かって流動するからである。このとき、複数のフィン領域において発生した冷媒蒸気が集合するように、フィン３０１の上端と受熱部１０３の容器の上面との距離は、フィン３０１間の間隔の約２倍からフィン３０１の高さの約２倍程度とすることが好ましい。

　以上、上述した実施形態を模範的な例として本発明を説明した。しかしながら、本発明は、上述した実施形態には限定されない。即ち、本発明は、本発明のスコープ内において、当業者が理解し得る様々な態様を適用することができる。

　この出願は、２０１４年３月２６日に出願された日本出願特願２０１４－０６３６２２を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

　１０、１００　　相変化冷却器
　１１　　熱伝導板
　１２、１０３　　受熱部
　１３、１０４　　放熱部
　１４　　連結部
　２０　　冷却対象物
　１０１　　発熱素子
　１０２　　熱伝導プレート
　１０５　　蒸気管
　１０６　　液管
　１０７、２０１　　固定具
　２０２　　熱伝導部材
　２０３　　メネジ
　２０４　　凹部
　３０１　　フィン

Claims

冷却対象物と熱的に接続する熱伝導板と、
　冷媒を貯蔵し、前記熱伝導板を介して前記冷却対象物の熱を受容する受熱手段と、
　前記受熱手段において前記冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う放熱手段と、
　前記受熱手段と前記放熱手段を連結する連結手段、とを有する
　相変化冷却器。
請求項１に記載した相変化冷却器において、
　前記熱伝導板は、前記冷却対象物と対向する面に、前記冷却対象物の形状に対応した凹部を備える
　相変化冷却器。
請求項１または２に記載した相変化冷却器において、
　前記熱伝導板は、厚さが略３ミリメートル以上かつ略１０ミリメートル以下である
　相変化冷却器。
請求項１から３のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記受熱手段は、容器を備え、前記冷媒と接触する前記容器の内壁側の底面である受熱手段底面上に配置された複数の突起部を備える
　相変化冷却器。
請求項４に記載した相変化冷却器において、
　前記突起部の上端と前記容器の上面との距離が、前記複数の突起部の間の距離の略２倍以上かつ前記突起部の高さの略２倍以下である
　相変化冷却器。
請求項４または５に記載した相変化冷却器において、
　前記突起部は、一方向に延伸した板状形状であり、前記板状形状の延伸方向と略垂直な配列方向に複数個配置しており、
　前記熱伝導板は、前記冷却対象物の長手方向が前記配列方向と略平行となる配置において、前記冷却対象物と熱的に接続する
　相変化冷却器。
請求項４から６のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記複数の突起部は、前記受熱手段底面上の前記冷却対象物と対向する位置を略中心とする突起部領域に配置している
　相変化冷却器。
請求項７に記載した相変化冷却器において、
　前記突起部領域は、前記熱伝導板の法線と略４５度をなす直線に挟まれた領域である
　相変化冷却器。
請求項７または８に記載した相変化冷却器において、
　前記複数の突起部は、複数の前記突起部領域に配置しており、前記複数の前記突起部領域の間の距離は、前記複数の突起部の間の距離以上である
　相変化冷却器。
請求項４から９のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記連結手段は、前記気相冷媒を前記受熱手段から前記放熱手段に輸送する第１の連結手段と、前記放熱手段で凝縮液化した液相冷媒を前記放熱手段から前記受熱手段に輸送する第２の連結手段を備え、
　前記受熱手段は、前記容器の側面に、前記第１の連結手段と接続する第１の接続手段と、前記第２の連結手段と接続する第２の接続手段を備え、
　前記第１の接続手段は、前記突起部の上端と前記容器の上面との間に配置している
　相変化冷却器。
請求項１０に記載した相変化冷却器において、
　前記第１の連結手段の口径は、前記第２の連結手段の口径よりも大きい
　相変化冷却器。
請求項１０または１１に記載した相変化冷却器において、
　前記第１の接続手段は、前記第２の接続手段よりも鉛直上方に配置している
　相変化冷却器。
請求項１０から１２のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記第１の接続手段および前記第２の接続手段は、前記容器の同一の側面にそれぞれ配置しており、
　前記突起部は、板状形状であり、前記第２の接続手段に流入する前記液相冷媒の流入方向と略平行に延伸している
　相変化冷却器。
請求項１０から１２のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記第１の接続手段および前記第２の接続手段は、前記容器の対向する側面にそれぞれ配置しており、
　前記突起部は、板状形状であり、前記第２の接続手段に流入する前記液相冷媒の流入方向と略平行に延伸している
　相変化冷却器。
請求項１０から１２のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記第１の接続手段および前記第２の接続手段は、前記容器の同一の側面にそれぞれ配置しており、
　前記突起部は、板状形状であり、前記第２の接続手段に流入する前記液相冷媒の流入方向と略垂直に延伸している
　相変化冷却器。
請求項１０から１２のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記第１の接続手段および前記第２の接続手段は、前記容器の側面のうち互いに略直交する二の側面にそれぞれ配置しており、
　前記突起部は、板状形状であり、前記第２の接続手段に流入する前記液相冷媒の流入方向と略平行に延伸している
　相変化冷却器。
請求項１３から１６のいずれか一項に記載した相変化冷却器において、
　前記容器の側面と前記複数の突起部の端部との距離が、前記複数の突起部の間の距離の略２倍以上かつ略１０倍以下である
　相変化冷却器。
冷却対象物の熱を受容し、
　前記熱を拡散させた後に、冷媒に伝達し、
　前記冷媒が気化することによって発生する気相冷媒を、凝縮液化させて放熱を行う
　相変化冷却方法。