JP6024665B2 - 平板型冷却装置及びその使用方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体装置や電子機器などの冷却装置に関し、特に、冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた平板型冷却装置及びその使用方法に関する。

近年、半導体装置や電子機器などの高性能化、高機能化に伴い、それらの発熱量も増大している。一方、携帯機器の普及等により半導体装置や電子機器などの小型化が進んでいる。このような背景から、高効率で小型の冷却装置が求められている。冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた冷却装置は、ポンプなどの駆動部を必要としない。そのため小型化に適していることから、半導体装置や電子機器などの冷却装置として期待されている。
このような沸騰冷却方式を用いた冷却装置（以下では、「沸騰冷却装置」とも言う）の一例が特許文献１に記載されている。図９Ａ、９Ｂは、特許文献１に記載された関連する沸騰冷却装置５００の構成を示す断面図である。関連する沸騰冷却装置５００は冷媒槽５１０と放熱部５２０とから構成され、半導体素子等の発熱体５３０、５３１を冷却する。冷媒槽５１０は扁平箱状をベースとする冷媒容器であり、外表面としての受熱面５１１と放熱面５１２とが対向するように設けられている。そして、この受熱面５１１および放熱面５１２の略中央に発熱体５３０、５３１がそれぞれ固定されている。
放熱部５２０は、２本のヘッダを連通する複数本の放熱チューブと、各放熱チューブ間に介在される放熱フィンとから構成される。２本のヘッダは、それぞれ冷媒槽５１０の一端側で放熱面５１２から略直立して組付けられ、冷媒槽５１０の内部空間と連通して設けられている。
冷媒槽５１０には、水位調整部としてのタンク部５１３が設けられている。タンク部５１３は、冷媒槽５１０の他端側で放熱面５１２から放熱部５２０と同じ側に突出して配置されている。そして、冷媒槽５１０の内部空間には所定量の冷媒が封入されている。ここで冷媒の水位は、図９Ａに示すように、放熱部５２０を上側にして受熱面５１１および放熱面５１２を垂直方向に向けた場合（垂直方向姿勢）、発熱体５３０、５３１と放熱部５２０との間になるように設定される。また、図９Ｂに示すように、放熱部５２０が上を向くようにして受熱面５１１および放熱面５１２を水平方向に向けた場合（水平方向姿勢）、タンク部５１３を除く冷媒槽５１０内が冷媒によって満たされるように設定される。すなわち、冷媒槽５１０の配置姿勢を変えた場合でも、タンク部５１３によって冷媒は発熱体５３０、５３１の取付けられる領域近傍の冷媒槽５１０の内壁に接触しつつ、放熱部５２０には流入しない構成としている。
このような構成を採用したことにより、関連する沸騰冷却装置５００では、冷媒槽５１０の配置姿勢（垂直方向姿勢または水平方向姿勢）を変えた場合であっても、発熱体５３０、５３１の熱を確実に冷媒に伝達でき、冷却が可能となる、としている。
特開２００４−３４９６５２号公報（段落「００１７」〜「００２７」）

上述したように、関連する沸騰冷却装置５００では、電子機器へ搭載する際の配置の自由度を向上させるために、冷媒槽５１０に水位調整部としてのタンク部５１３を突出して配置した構成としている。そのため、冷却装置が大型化する、という問題があった。また、垂直方向姿勢で上下を反転させた配置とすると、放熱部５２０が沸騰冷却装置５００の鉛直下方に位置することになる。この場合は、冷媒の還流が促進されず冷却性能が著しく低下するので、このような配置では冷却装置として使用できない、という問題があった。
このように、関連する沸騰冷却装置においては、電子機器へ搭載する際の配置の自由度を向上させると装置が大型化し、しかも、充分な配置の自由度が得られない、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、沸騰冷却方式を用いた冷却装置においては、電子機器へ搭載する際の配置の自由度を向上させると装置が大型化し、しかも、充分な配置の自由度が得られない、という課題を解決する平板型冷却装置及びその使用方法を提供することにある。

本発明の平板型冷却装置は、第１の平板と、第１の平板に対向する第２の平板とを備えた平板状容器と、平板状容器に封入された冷媒と、第１の平板と第２の平板を接続し、平板状容器内の冷媒の流動を制御する導壁部、とを有し、平板状容器は、第１の平板および第２の平板の少なくとも一方に配置される発熱体と熱的に接続する受熱領域を備え、導壁部は一対の導壁からなり、導壁は受熱領域を挟んで配置される。
本発明の平板型冷却装置の使用方法は、本発明の平板型冷却装置を、平板状容器の長手方向の一辺に平行な直線が、鉛直方向と平行である第１の配置状態と、第１の配置状態と鉛直方向に対して上下反転して配置した第２の配置状態、との間で切り換えて使用する。

本発明の平板型冷却装置によれば、電子機器へ搭載する際における配置の自由度が向上した、小型の沸騰冷却方式の平板型冷却装置が得られる。

図１は本発明の第１の実施形態に係る平板型冷却装置の使用状態を模式的に示す斜視図である。
図２は本発明の第１の実施形態に係る平板型冷却装置の構成を示す分解斜視図である。
図３は本発明の第１の実施形態に係る平板型冷却装置の構成を示す平面断面図である。
図４は本発明の第１の実施形態に係る平板型冷却装置の動作を説明するための平面断面図である。
図５は本発明の第１の実施形態に係る平板型冷却装置の別の使用状態を模式的に示す斜視図である。
図６は本発明の第２の実施形態に係る平板型冷却装置の構成を示す平面断面図である。
図７は本発明の第２の実施形態に係る平板型冷却装置の動作を説明するための平面断面図である。
図８Ａは本発明の第２の実施形態に係る平板型冷却装置の配置状態を説明するための平面断面図である。
図８Ｂは本発明の第２の実施形態に係る平板型冷却装置の配置状態を説明するための平面断面図である。
図８Ｃは本発明の第２の実施形態に係る平板型冷却装置の配置状態を説明するための平面断面図である。
図８Ｄは本発明の第２の実施形態に係る平板型冷却装置の配置状態を説明するための平面断面図である。
図９Ａは関連する沸騰冷却装置の構成を示す断面図である。
図９Ｂは関連する沸騰冷却装置の構成を示す断面図である。

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の実施形態に係る平板型冷却装置１００の使用状態を模式的に示す斜視図である。平板型冷却装置１００は冷媒が封入された平板状容器を有する。冷媒に低沸点の材料を用い、平板状容器に冷媒を注入した後に真空排気することにより、平板状容器の内部を常に冷媒の飽和蒸気圧に維持することができる。
平板型冷却装置１００を構成する平板状容器の外面に、半導体装置などの発熱体３００を熱的に接続して使用する。発熱体３００からの熱量が平板状容器を介して冷媒に伝達され、冷媒が気化する。このとき、発熱体３００からの熱量は気化熱として冷媒に奪われるため、発熱体３００の温度上昇が抑制される。気化した冷媒は平板状容器内で放熱し、凝縮液化する。このように、平板型冷却装置１００は冷媒の気化と凝縮のサイクルによって熱の輸送・放熱を行う沸騰冷却方式を用いた構成である。
平板型冷却装置１００の構成について、図２および図３を用いてさらに詳細に説明する。図２は平板型冷却装置１００の分解斜視図、図３は平面断面図である。平板型冷却装置１００は、第１の平板１１１と、第１の平板１１１に対向する第２の平板１１２とを備えた平板状容器１１０と、平板状容器１１０に封入された冷媒１２０を有する。そして第１の平板１１１と第２の平板１１２を接続し、平板状容器１１０内の冷媒１２０の流動を制御する導壁部１３０を備える。平板状容器１１０は、第１の平板および第２の平板の少なくとも一方に配置される発熱体３００と熱的に接続する受熱領域１４０を備える。そして、導壁部１３０は一対の導壁１３１、１３２からなり、導壁１３１、１３２は受熱領域１４０を挟んで配置される。
図３中、平板状容器１１０内のハッチング部分は液相状態の冷媒を示し、ハッチング部分の点線は液相状態の冷媒（液相冷媒）と気相状態の冷媒（気相冷媒）の界面（以下では、「冷媒の気液界面」と言う）を示す。冷媒としては例えば、絶縁性を有し不活性な材料であるハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどを用いることができる。
本実施形態の平板型冷却装置１００によれば、導壁部１３０によって配置状態によらず冷媒の流路が制限されるので、電子機器へ搭載する際における配置の自由度が向上した、小型の沸騰冷却方式の平板型冷却装置が得られる。
次に、本実施形態による平板型冷却装置１００の製造方法について説明する。平板状容器１１０は図２に示すように、第１の平板１１１と第２の平板１１２が、例えば側面枠部１１３を介して対向して配置した構造である。そして、平板状容器１１０内には導壁部１３０が第１の平板１１１と第２の平板１１２を接続するように配置される。これらを構成する材料には、熱伝導特性に優れた金属、例えばアルミニウム、銅などを用いることができる。平板状容器１１０および導壁部１３０は、例えば銀合金などのロウ材料を用いて互いに接合することにより製造する。このとき、導壁部１３０および平板状容器１１０を構成する金属とロウ材料を張り合わせたクラッド材料を使用することができる。この場合には、一回の加熱処理によって同時に接合処理を行うことができるので、製造コストを低減することができる。
なお、これに限らず、側面枠部１１３と第１の平板１１１および第２の平板１１２を、オーリング（Ｏリング）などのシール部材を用いてネジなどで固定することとしてもよい。また、第１の平板１１１または第２の平板１１２の一部と側面枠部１１３を切削加工またはプレス加工などにより、一体として製造することもできる。
平板状容器１１０および導壁部１３０を製造した後に、冷媒１２０を平板状容器１１０に注入する。このとき、例えば、側面枠部１１３に注入口を形成して冷媒１２０を注入し、注入口を通して真空排気した後に注入口を密閉することにより、平板状容器１１０の内部を冷媒１２０の飽和蒸気圧に維持することができる。
次に、本実施形態による平板型冷却装置１００の動作について説明する。平板型冷却装置１００において冷媒１２０が流動する経路を図４中の矢印で示す。受熱領域１４０に存在する液相状態の冷媒は発熱体３００から熱量を奪って気化し、気泡冷媒１２１となって浮力により冷媒の気液界面に向かって上昇する。気相状態となった冷媒は平板状容器１１０内を圧力差により拡散し、放熱して凝縮液化する。液相状態となった冷媒は重力により鉛直下方へ還流し、再び発熱体３００の熱輸送に利用される。
本実施形態による平板型冷却装置１００によれば、導壁部１３０を構成する一対の導壁１３１、１３２が受熱領域１４０を挟んで配置されている。本実施形態では図４に示すように、導壁１３１、１３２は平板状容器１１０の長辺方向の一辺と平行に延伸して配置した構成とした。このとき、一対の導壁１３１、１３２の間隔は、受熱領域１４０の幅の１倍以上、かつ受熱領域１４０の外周の長さ以下とすることができる。このような構成とすることにより、冷媒の気液二相流を効率よく発生させることができ、冷媒の循環を促進することができる。ここで気液二相流とは、気相と液相の二相が混在した状態で流れることを言う。
すなわち、一対の導壁１３１、１３２の間隔が受熱領域１４０の幅よりも狭い（１倍未満）と、導壁１３１、１３２の外側でも気泡冷媒１２１が発生するが、これらの気泡冷媒は液相状態の冷媒中を拡散するので、気液二相流の発生には寄与しない。逆に、導壁１３１、１３２の間隔が受熱領域１４０の幅よりも広いと、受熱領域１４０の全ての外周境界を通って気相冷媒が流出し、液相冷媒が流入することになるので、気液二相流の発生が抑制される。したがって、導壁１３１、１３２の間隔は、受熱領域１４０の外周の長さ以下とすることが望ましい。
このように、本実施形態の平板型冷却装置１００では、液体冷媒を相変化させて気相冷媒とすることによって熱を輸送、拡散することとしている。このとき、気体冷媒が平板状容器１１０内で占める空間が広いほど熱が拡散し、その結果、冷却性能の向上が図れる。一方、発熱体３００から受熱するため液体冷媒は受熱領域１４０と熱的に接触している必要がある。そのため、液体冷媒の量を増大させることが考えられるが、そうすると気体冷媒が平板状容器１１０内で占める体積が減少する。この場合、気体冷媒は多くの熱を輸送する能力を有するので、冷却性能の向上が困難となる。
しかしながら、本実施形態の平板型冷却装置１００は導壁部１３０を構成する一対の導壁１３１、１３２が受熱領域１４０を挟んで配置された構成としているので、かかる問題を回避することができる。その理由は以下の通りである。発熱体３００の熱を受けて相変化することにより発生する気泡冷媒１２１は、導壁１３１、１３２によって拡散が制限され、浮力により導壁部１３０を鉛直上方にまとまって移動する。このとき冷媒は気液二相流となり、気体冷媒が液体冷媒を巻き込みながら上昇する。そのため、冷媒の気液界面より鉛直上部に位置する受熱領域１４０にも液体冷媒が達することが可能となる。したがって、冷媒の気液界面は、鉛直方向における受熱領域１４０の下限よりも上方に位置していればよいことになる。その結果、液体冷媒の量を減らすことができ、気体冷媒が占める空間の体積を増大させることが可能となる。それにより、気体冷媒の拡散、放熱が促進されるので、平板型冷却装置１００の冷却性能の向上を図ることができる。
また、気泡冷媒１２１が受熱領域１４０から離脱すると、液体冷媒が受熱領域１４０に流入する。このとき、液体冷媒は導壁部１３０の外側を回って受熱領域１４０に流入する。すなわち、導壁部１３０によって液体冷媒の流路が長距離化する。それによって、液体冷媒の放熱も促進されるので、平板型冷却装置１００の冷却性能のさらなる向上が可能となる。
上述したように、本実施形態の平板型冷却装置１００によれば、導壁部１３０によって冷媒の流路が制限されるので、平板型冷却装置１００を鉛直方向に対して上下反転して配置した状態でも使用することができる。すなわち、平板型冷却装置１００を、平板状容器１１０の長手方向の一辺に平行な直線が鉛直方向と平行である第１の配置状態と、第１の配置状態と鉛直方向に対して上下反転して配置した第２の配置状態、との間で切り換えて使用することが可能となる。このとき、受熱領域１４０が平板状容器１１０の長辺方向の一辺の略中央に配置された構成とすることによって、上下反転した二通りの配置状態で使用する場合における、液体冷媒の量を最小にすることができる。
なお、平板状容器１１０の内面に粗面領域を設けることとしてもよい。粗面領域は凹凸構造を有し、この凹凸構造が受熱領域１４０では冷媒の気泡の発生核となり、気相冷媒が存在する領域においては気相冷媒の凝縮核となる。そのため、冷媒の相変化が活発化し、冷却性能をさらに増大させることができる。
この凹凸構造の大きさは、冷媒の表面張力などの物性値と発熱体の発熱量によって最適な値が定められる。例えば、絶縁性を有し不活性な材料であるハイドロフロロカーボンやハイドロフロロエーテルなどを冷媒として用いる場合、最適な気泡核の大きさは中心線平均粗さでサブミクロンから約１００μｍ程度の範囲になる。そのため、砥粒やサンドブラストなどを用いた機械加工や、めっきなどの化学処理を行うことにより同程度の大きさの凹凸構造を形成することができる。
また、図５に示すように、平板型冷却装置１００を構成する平板状容器１１０の外面に、放熱フィンなどからなる放熱部４００を熱的に接続して使用することとしてもよい。このとき、平板状容器１１０は、第１の平板１１１および第２の平板１１２の少なくとも一方に配置される放熱部４００と熱的に接続する放熱領域を備え、放熱領域が平板状容器１１０内に均一に配置した構成とすることができる。この場合、放熱領域によって平板状容器１１０内の気相冷媒の凝縮液化が促進されるので、平板型冷却装置１００の冷却効率をさらに向上させることができる。また、放熱領域は平板状容器１１０内に均一に配置されているので、平板型冷却装置１００の配置状態によらず上述の効果が得られる。
〔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６は、本発明の第２の実施形態による平板型冷却装置２００の構成を示す平面断面図である。平板型冷却装置２００は、第１の平板１１１と、第１の平板１１１に対向する第２の平板１１２とを備えた平板状容器１１０と、平板状容器１１０に封入された冷媒１２０を有する。そして第１の平板１１１と第２の平板１１２を接続し、平板状容器１１０内の冷媒１２０の流動を制御する導壁部２３０を備える。平板状容器１１０は、第１の平板および第２の平板の少なくとも一方に配置される発熱体３００と熱的に接続する受熱領域１４０を備える。そして、導壁部２３０は一対の導壁２３１、２３２からなり、導壁２３１、２３２は受熱領域１４０を挟んで配置される。
本実施形態による平板型冷却装置２００は、導壁部２３０の構成が第１の実施形態の平板型冷却装置１００と異なる。すなわち、導壁部２３０を構成する導壁２３１、２３２は図６に示すように、平板状容器１１０の長辺方向の一辺に平行な直線に対して傾斜して配置している。このとき、一対の導壁２３１、２３２は、平板状容器１１０の長辺方向の一辺に平行な直線に対して対称に配置した構成としてもよい。
本実施形態の平板型冷却装置２００によれば、導壁部２３０によって配置状態によらず冷媒の流路が制限されるので、電子機器へ搭載する際における配置の自由度が向上した、小型の沸騰冷却方式の平板型冷却装置が得られる。すなわち、図７に示すように、平板状容器１１０の長手方向の一辺に平行な直線が、鉛直方向と垂直である配置状態であっても、平板型冷却装置２００を使用することが可能となる。これは、受熱領域１４０で発生した気泡冷媒２２１は導壁２３１に沿って流動するので、この場合にも冷媒の流路が形成されるからである。したがって本実施形態によれば、平板型冷却装置２００を、平板状容器１１０の長手方向の一辺に平行な直線が、鉛直方向と平行である第１の配置状態と、鉛直方向と垂直である第３の配置状態との間で切り換えて使用することができる。
また、第１の実施形態と同様に、平板型冷却装置２００を鉛直方向に対して上下反転して配置した状態でも使用することができる。すなわち、図８Ａ−８Ｄに示すように、本実施形態の平板型冷却装置２００によれば、第１の配置状態（図８Ａ）と第１の配置状態を上下反転させた第２の配置状態（図８Ｂ）においても使用することが可能である。また、図７で説明したように、第１の配置状態を９０度回転させた第３の配置状態（図８Ｃ）でも使用可能であり、同様に、第３の配置状態を上下反転させた第４の配置状態（図８Ｄ）においても使用することができる。したがって、本実施形態によれば、電子機器へ搭載する際における配置の自由度がさらに向上した、小型の沸騰冷却方式の平板型冷却装置が得られる。
本発明は上記実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。
この出願は、２０１１年１０月４日に出願された日本出願特願２０１１−２１９８８７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。

１００、２００ 平板型冷却装置
１１０ 平板状容器
１１１ 第１の平板
１１２ 第２の平板
１１３ 側面枠部
１２０ 冷媒
１２１、２２１ 気泡冷媒
１３０、２３０ 導壁部
１３１、１３２、２３１、２３２ 導壁
１４０ 受熱領域
３００ 発熱体
４００ 放熱部
５００ 関連する沸騰冷却装置
５１０ 冷媒槽
５１１ 受熱面
５１２ 放熱面
５１３ タンク部
５２０ 放熱部
５３０、５３１ 発熱体

Claims (9)

1. 第１の平板と、前記第１の平板に対向する第２の平板とを備えた平板状容器と、
   前記平板状容器に封入された冷媒と、
   前記第１の平板と前記第２の平板を接続し、前記平板状容器内の前記冷媒の流動を制御する導壁部、とを有し、
   前記平板状容器は、前記第１の平板および前記第２の平板の少なくとも一方に配置される発熱体と熱的に接続する受熱領域を備え、
   前記導壁部は一対の導壁からなり、前記導壁は前記受熱領域を挟んで配置され、
   前記冷媒の気液界面は、鉛直方向における前記受熱領域の下限よりも上方に位置する
   平板型冷却装置。
2. 請求項１に記載した平板型冷却装置において、
   前記一対の導壁の間隔は、前記受熱領域の幅の１倍以上、かつ前記受熱領域の外周の長さ以下である
   平板型冷却装置。
3. 請求項１または２に記載した平板型冷却装置において、
   前記導壁は、前記平板状容器の長辺方向の一辺と平行に延伸して配置している
   平板型冷却装置。
4. 請求項１または２に記載した平板型冷却装置において、
   前記導壁は、前記平板状容器の長辺方向の一辺に平行な直線に対して傾斜して配置している
   平板型冷却装置。
5. 請求項４に記載した平板型冷却装置において、
   前記一対の導壁は、前記平板状容器の長辺方向の一辺に平行な直線に対して対称に配置している
   平板型冷却装置。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載した平板型冷却装置において、
   前記受熱領域は、前記平板状容器の長辺方向の一辺の略中央に配置している
   平板型冷却装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載した平板型冷却装置において、
   前記平板状容器は、前記第１の平板および前記第２の平板の少なくとも一方に配置される放熱部と熱的に接続する放熱領域を備え、
   前記放熱領域は、前記平板状容器内に均一に配置している
   平板型冷却装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載した平板型冷却装置を、
   前記平板状容器の長手方向の一辺に平行な直線が、鉛直方向と平行である第１の配置状態と、
   前記第１の配置状態と鉛直方向に対して上下反転して配置した第２の配置状態、との間で切り換えて使用する
   平板型冷却装置の使用方法。
9. 請求項４または５に記載した平板型冷却装置を、
   前記平板状容器の長手方向の一辺に平行な直線が、鉛直方向と平行である第１の配置状態と、
   前記平板状容器の長手方向の一辺に平行な直線が、鉛直方向と垂直である第３の配置状態、との間で切り換えて使用する
   平板型冷却装置の使用方法。

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