WO2011145618A1

WO2011145618A1 - 沸騰冷却器

Info

Publication number: WO2011145618A1
Application number: PCT/JP2011/061320
Authority: WO
Inventors: 有仁松永; 吉川　実; 坂本　仁
Original assignee: 日本電気株式会社
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2011-05-17
Publication date: 2011-11-24
Also published as: JPWO2011145618A1; US20130056178A1; CN102869943A

Abstract

　本発明の沸騰冷却器は、チャンバーとヒートシンクと受熱部材と放熱部材とを備える。チャンバーは、発熱体が外側の面に設けられた熱伝導板、および前記熱伝導板の内側に設けられ、液体と気体との間で相変化する冷媒が充填された密閉空間を有する。ヒートシンクは、前記熱伝導板の外側の面に設けられている。受熱部材は、前記熱伝導板を挟んで前記発熱体と対向するように前記熱伝導板の内側の面に設けられ、前記発熱体で発生した熱を冷媒に伝達する。放熱部材は、前記熱伝導板の内側の面に設けられ、前記冷媒により伝達された熱を受け入れて前記ヒートシンクに放熱する。前記受熱部材及び前記放熱部材は、前記熱伝導板の面方向に互いに離間して配置されている。前記受熱部材が液体の前記冷媒に浸漬されている。

Description

沸騰冷却器

　本発明は、ＬＳＩやＩＣを搭載した電子機器において、特に、ＬＳＩやＩＣの発熱を、沸騰・液化といった冷媒の相変化現象を利用することで抑制する沸騰冷却器に関する。

　コンピュータなどの電子機器に利用されるＬＳＩやＩＣは、世代ごとに集積度が加速的に増加している。さらに、近年では機器の小型化や薄型化への要求が高まっている。このため、今後ＬＳＩやＩＣの発熱密度はさらに増加していく傾向にある。これらＬＳＩやＩＣを高速かつ安定に動作させるためには動作温度を一定温度以下に制御する必要がある。これらＬＳＩやＩＣの発熱量に見合った冷却方式がとられている。ところが、機器の小型化や薄型化を図ると、ＬＳＩやＩＣの上に実装されるヒートシンクなどの冷却器は、その発熱量に見合った大きさを確保できないのが現状である。

　そこで、図１１に示すような、受熱板３と熱伝達手段４とヒートシンク５とを備える沸騰冷却器が提案されている。この小さな受熱板３は、基板１上に設置されたＬＳＩ、ＩＣ等の発熱体２上に配置され、その発熱体２の熱を吸収する。受熱板３が吸収した熱は、熱伝達手段４を経由して、発熱体２より広い基板１の箇所に実装したヒートシンク５まで輸送される。

　上記熱伝達手段４としては、アルミニウムや銅などの高い熱伝導率を有する金属を使用しても良い。しかしながら、熱伝達手段４として、より熱伝達性能に優れたヒートパイプ６を使用することが好ましい。このヒートパイプ６は、発熱体２に接する受熱板３にて冷媒が気化し、この気化した冷媒がヒートシンク５の下部に設けられた放熱板７で液化するという相変化現象を利用する。ヒートパイプ６は、この相変化現象を利用して、ＬＳＩ、ＩＣ等の発熱体２にて発生した熱を、ヒートシンク５に移送する。

　図１２の断面模式図を参照してヒートパイプ６の構造について説明する。このヒートパイプ６は、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い金属からなる中空状の管状容器８と、その容器８内に封入された冷媒とで構成される。ヒートパイプ６の一端部には、ＬＳＩ、ＩＣ等の発熱体２に接する受熱板３が連結されている。ヒートパイプ６の他端部には、冷却器となるヒートシンク５に接する放熱板７が連結されている。

　受熱板３では冷媒が液体から気体に相変化する一方、放熱板７では冷媒が気体から液体に相変化する。このため、このようなヒートパイプ６では、受熱板３側の圧力が高くなって受熱板３で生じた気化した冷媒は放熱板７側に移動する。また、放熱板７側で生じた液体の冷媒は、ヒートパイプ６の内面に取り付けられているウイック９と呼ばれる細かなメッシュを通過することで受熱板３に還流する。メッシュの隙間は非常に狭小に形成されている。液体の冷媒の表面張力を利用することで、その冷媒がメッシュの隙間を通過して受熱板３側に還流される。これらの現象を繰り返すことで、ヒートパイプ６による熱輸送が可能とされている。このように冷媒の相変化を利用することで、ヒートパイプ６は、熱伝導率の高いアルミニウムや銅のような金属に比べて、遥かに高い熱伝導を実現できる。

　しかしながら、ヒートパイプ６では、放熱板７で生じた液化した冷媒を受熱板３に還流する際に、細かなメッシュ状のウイック９を経由するため、熱輸送量を大きくすることができない。したがって、熱量の大きな発熱体２を冷却することは困難である。

　このため、特許文献１においては、受熱板で冷媒を沸騰させ、放熱板で生じた液体を重力により還流する方式の沸騰冷却器が提案されている。この沸騰を利用した熱輸送では、ヒートパイプより多くの冷媒を使用し重力により還流するため熱輸送能力が大きい特徴がある。特許文献１では、ループ状の流路を平板に形成している。この構成により、気体の冷媒が通る流路と放熱板で生じた液体の冷媒が還流するため流路を分離し、両者が衝突することによる圧力損失を低減し等価熱伝導率を高めている。

　特許文献２では、受熱板に沸騰促進構造物を置くことで受熱板が冷媒に触れる面積を大きくし、発熱部から冷媒に伝える熱伝達率を向上させることで沸騰を促進し、等価熱伝導率を高めている。

　特許文献３では、放熱壁に、部分的に切欠きを有するフィンを設ける構造とし、凝縮を行う表面積を大きくし凝縮効果を高めることにより等価熱伝導率を高めている。

　特許文献４では、高さの低い波形フィンを二段（又は、三段以上）に配置し、各波形フィンを、相互に熱伝達できる様に折り曲げ部同士の位置を合わせて接合する構成が示されている。

　特許文献５では、受熱プレートと放熱プレートのそれぞれ内側に山型の第１のフィンが配置され、その第１のフィンの内側に金網等の支持部材を介して山型の第２のフィンが配された構成が示されている。

日本国特開２００６－３４４６３６号公報日本国特開平０７－１６１８８８号公報日本国特開２０００－７４５３６号公報日本国特開平０１－２０９３５６号公報日本国特開平１１－３１７６８号公報

　しかしながら、特許文献１に示すように、平板の沸騰冷却器の等価熱伝導率を向上させる方式として沸騰冷却の気体、液体の冷媒の流路を分ける構造を採用すると、沸騰冷却を使用した平板の設計が複雑になってしまうという問題がある。即ち、流路を分けようとすると、機器毎に流路を細かく調整する必要があり、汎用性が損なわれてしまう。

　また、特許文献２～５に示すように、受熱板や放熱板にてフィンを介して冷媒に触れる面積を大きくする方式では、その面積を大きくした分だけしか沸騰凝縮の発生領域を増加させることができず、大きな等価熱伝導率の向上を見込むことができない。
　さらに、このような特許文献２～５に示される技術では、受熱板や放熱板に設置されるフィン（受熱部材、放熱部材）が互いに干渉し合う位置関係にある。これによって冷媒の沸騰・凝縮の効率が低下してしまうという問題があった。

　この発明は、上述した事情に鑑みてなされた。本発明の目的の一例は、簡易な構成によって効率よく放熱を行うことができ、発熱量の大きなＬＳＩやＩＣに対応することが可能な沸騰冷却器を提供することである。

　上記課題を解決するために、本発明の沸騰冷却器は、チャンバーとヒートシンクと受熱部材と放熱部材とを備える。チャンバーは、発熱体が外側の面に設けられた熱伝導板、および前記熱伝導板の内側に設けられ、液体と気体との間で相変化する冷媒が充填された密閉空間を有する。ヒートシンクは、前記熱伝導板の外側の面に設けられている。受熱部材は、前記熱伝導板を挟んで前記発熱体と対向するように前記熱伝導板の内側の面に設けられ、前記発熱体で発生した熱を冷媒に伝達する。放熱部材は、前記熱伝導板の内側の面に設けられ、前記冷媒により伝達された熱を受け入れて前記ヒートシンクに放熱する。前記受熱部材及び前記放熱部材は、前記熱伝導板の面方向に互いに離間して配置されている。前記受熱部材が液体の前記冷媒に浸漬されている。

　本発明によれば、チャンバーの密閉空間内に封入された冷媒を、受熱部材及び放熱部材気体との間で液体・気体に相変化させることにより、発熱体で発生した熱をヒートシンクに輸送することができる。また、受熱部材と放熱部材とが、熱伝導板の面方向に離間して配置されている。即ち、受熱部材と放熱部材とが、互いに対向しない位置関係に配置されている。そのため、受熱部材において気体となる冷媒の移動が阻害されることがなく、熱伝導効率を高く維持することができる。したがって、簡易な構成によって効率よく放熱を行うことができ、発熱量の大きなＬＳＩやＩＣに対応することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る沸騰冷却器の分解斜視図である。図１に示す沸騰冷却器を裏側から見た分解斜視図である。本発明の第１実施形態に係る沸騰冷却器の縦断面図である。本発明の第２実施形態に係る沸騰冷却器の分解斜視図である。本発明の第３実施形態に係る沸騰冷却器の分解斜視図である。本発明の第４実施形態に係る沸騰冷却器の縦断面図である。本発明の第５実施形態に係る沸騰冷却器の縦断面図である。本発明の第６実施形態に係る沸騰冷却器の斜視図である。本発明の第６実施形態に係る沸騰冷却器の縦断面図である。本発明の第６実施形態に係る沸騰冷却器における冷媒の流れを説明する透過正面図である。従来の沸騰冷却器の斜視図である。ヒートパイプの内部構造を示す切断図である。

（第１の実施形態）
　本発明の第１の実施形態について図１～図３を参照して説明する。
　図１～図３には、本発明の第１の実施形態による沸騰冷却器２０が示されている。沸騰冷却器２０には、例えば、ＬＳＩ、ＩＣ等である発熱体１０が接合されている。より具体的には、発熱体１０は、熱伝導性グリース又は熱伝導性シートなどにより、沸騰冷却器２０の受熱板２２に接合される。この際、発熱体１０を半田により溶着しても良い。

　沸騰冷却器２０は、平板型をなす中空状のチャンバー２４を有している。このチャンバー２４は、四角形枠状に形成された側壁部２１と、側壁部２１の上部開口２１Ａを覆う受熱板（熱伝導板）２２と、側壁部２１の下部開口２１Ｂを覆う放熱板（熱伝導板）２３とを有している。

　受熱板２２及び放熱板２３は、熱伝導率の高い銅やアルミニウムなどの金属で形成されている。受熱板２２及び放熱板２３は、チャンバー２４の厚み方向に互いに対向して配置されている。側壁部２１の上部開口２１Ａと下部開口２１Ｂが受熱板２２及び放熱板２３によって閉塞されることで側壁部２１内部には密閉空間が形成される。この密閉空間には、冷媒Ｃが充填されている。この冷媒Ｃとして、密閉空間内において液体の冷媒Ｃ１と気体の冷媒Ｃ２とが共存している。冷媒Ｃは、液体・気体に相変化可能である。

　チャンバー２４の側壁部２１には、密閉空間内に冷媒Ｃを注入するための冷媒注入口２１Ｃが設けられている。
　チャンバー２４は、側壁部２１、受熱板２２、放熱板２３を別々に作製した後にこれらをろう付け等により接合することで形成しても良い。あるいは、チャンバー２４は、受熱板２２又は放熱板２３のいずれかを側壁部２１と一体成型しても良い。側壁部２１の上部開口２１Ａ周囲及び下部開口２１Ｂ周囲にＯリング２５を配置してもよい。このＯリング２５を介して放熱板２３及び受熱板２２によって上部開口２１Ａ及び下部開口２１Ｂを閉塞し、さらに、放熱板２３及び受熱板２２をねじ等によって側壁部２１に取り付けてもよい。このように、Ｏリング２５を使用した場合、受熱板２２、放熱板２３の取り外しが容易となる。その結果、後述する発熱体２２及びヒートシンク２８を搭載する際の作業性を向上させることができる。

　受熱板２２における密閉空間の外側の面には、熱源となるＬＳＩ、ＩＣ等の発熱体１０が配置されている。受熱板２２における発熱体１０が配置された箇所の内側の面には、受熱部材２６が固定されている。受熱部材２６は、発熱体１０で発生した熱を冷媒Ｃに伝達する。

　受熱部材２６は、受熱板２２の内側の面に一定の間隔で配列され固定される複数のフィンで構成されている。この複数のフィン（本実施形態ではピンフィン）は、沸騰を促進するため表面を粗面とした直方体の矩形型フィン、又は、ピンフィン等からなる。

　受熱板２２の外側の面に複数の発熱体１０を設置する場合は、その発熱体１０と一致した箇所又はその近傍に受熱部材２６を配置する。この受熱部材２６は、熱抵抗を低減するために切削や鍛造等により受熱板２２と一体成形することが望ましい。一方で、生産性の観点からは、受熱部材２６を構成する複数のフィンを別に作製し、これらを放熱板２３にろう付けすることが好ましい。

　ピンフィンからなる受熱部材２６では、気化した冷媒Ｃ１と液化して還流される冷媒Ｃ２の流れを可能な限り阻害しないように、複数のピンフィンをマトリックス状に配置する。受熱部材２６で沸騰時に発生する気泡の離脱が邪魔されないように、ピンフィンの隙間は１ｍｍから数ｍｍ確保することが好ましい。直方体部材からなる矩形型フィンを使用する場合、表面積を増やす観点からは厚みを薄くしてより多くのフィンを設置することも考えられる。一方で、フィンが薄い場合にはフィンの熱容量が小さくなるため、冷却効率の観点からは好ましくない。さらに、フィンが薄い場合には加工が困難となる。よって、少なくともフィンには１ｍｍから数ｍｍの厚さを持たせることが望ましい。

　フィンの高さ、即ち、受熱部材２６における受熱板２２の内側の面からの高さは、チャンバー２４の厚み、即ち、受熱板２２と放熱板２３との対向距離（受熱板２２と放熱板２３との間の距離）の略２分の１の寸法に設定することが好ましい。これは、受熱部材２６全体を液体の冷媒Ｃ１に浸漬させてフィンの表面全体を沸騰に生かすためである。

　受熱部材２６の各フィンには、表面粗さ１μｍ～１００μｍの範囲の粗面化加工が施されていることが好ましい。これにより、受熱部材２６の表面に、冷媒Ｃ１の受熱により気泡が発生する際の核となる鋭角な形状を多数形成することができる。その結果、受熱部材２６の表面における液体の冷媒Ｃの沸騰を促進することができる。

　放熱板２３の内側には、気化した冷媒Ｃ２から熱を奪うための放熱部材２７が設けられている。この放熱部材２７は、受熱部材２６に対して受熱板２２及び放熱板２３の面方向（すなわち、受熱板２２及び放熱板２３の厚み方向に対して垂直方向）に互いに離間して配置されている。即ち、放熱部材２７は、受熱部材２６と互いに対向しないように配置されている。放熱板２３における放熱部材２７が配置された箇所の外側の面には、冷却器としてのヒートシンク２８が設けられている。

　このヒートシンク２８は、切削や鍛造などにより放熱板２３と一体成型しても良い。あるいは、ヒートシンク２８は、放熱板２３と別々に作製した後に両者を熱伝導性グリースや熱伝導性シートなどにより接続しても良い。

　放熱部材２７は、一定の間隔で配列された複数のフィンで構成される。複数のピンは、気体となった冷媒Ｃ２の凝縮を促進するために表面に粗面化加工が施された複数の直方体部材又はピンフィン（本実施形態ではピンフィン）からなる。このピンフィンからなる受熱部材２６では、冷媒Ｃの流動性を高めるために複数のピンフィンをマトリックス状に配置することが好ましい。

　チャンバー２４内に充填する冷媒Ｃは、入手しやすい水でも良い。電子機器等で使用する場合には、冷媒Ｃとして、絶縁性を備えた有機冷媒を使用することが好ましい。これは、冷媒Ｃが漏れてしまった場合などに、冷媒Ｃが電子部品や基板に触れてしまった際、その電子部品や基板に与える影響がなくなり再利用が可能となるためである。さらに、有機冷媒は、表面張力が水に比べ小さく、水よりも沸点が小さいものが多い。このため、発熱体１０を水の沸点より小さな温度に抑えることが可能である。

　チャンバー２４に冷媒Ｃを注入した後、チャンバー２４内を真空引きすることで、沸点をより小さくすることができる。その結果、発熱体の温度をさらに低温度に維持することが可能となる。チャンバー２４内を真空引きした後には、冷媒注入口２１Ｃをかしめて密封する。または、冷媒注入口２１Ｃの取り付け栓で閉塞して、内部を密閉しても良い。

　受熱部材２６と放熱部材２７の配置関係について、上述したように、受熱部材２６と放熱部材２７を受熱板２２及び放熱板２３の面方向に離間させて設置している。すなわち、放熱部材２７は、受熱部材２６の直上に設けていない。その理由は、受熱部材２６と放熱部材２７とが近接していると、受熱部材２６で発生した気体が直ちに放熱板により熱を奪われ液滴が発生することになるため、これが圧力損失となってしまい受熱部材２６で発生する気体の移動を阻害してしまうからである。受熱部材２６と放熱部材２７との離間距離は、少なくとも発熱体１０の幅寸法以上であることが望ましい。
　受熱部材２６の高さは、冷媒Ｃへの熱伝達効率を考慮して対向位置にある放熱板２３の対面から１ｍｍ以上離れるように設定することが好ましい。同様に、放熱部材２７の高さは、冷媒Ｃへの熱伝達効率を考慮して対向位置にある受熱板２２の対面から１ｍｍ以上離れるように設定することが好ましい。

　次に、本実施形態の沸騰冷却器２０の作用について詳細に説明する。
　チャンバー２４に封入された冷媒Ｃは、真空引きが施されることで飽和蒸気圧となり、常温環境下にて沸点となる。飽和蒸気圧とは、例えば水のような物質のみが存在する密閉空間において、ある温度で空間に生じる最大圧力のことである。これにより、チャンバー２４内の密閉空間には、液体の冷媒Ｃ１と気体の冷媒Ｃ２とが共存する。液体の冷媒Ｃ１は密閉空間の下部に存在し、気体の冷媒Ｃ２は密閉空間の上部に存在する。

　ＬＳＩ、ＩＣ等の発熱体１０が発熱すると、熱が受熱板２２を経由してチャンバー２４内の受熱部材２６に到達し、該受熱部材２６の周囲の液体の冷媒Ｃ１に熱を与える。熱せられた冷媒Ｃ１が沸点に到達すると、鋭角な形状を核として気泡が形成される。

　受熱部材２６から液体の冷媒Ｃ１にさらに熱が与えられると、気泡が発達する。気泡がある程度の大きさになると、気泡の浮力が、表面張力による受熱部材２６表面の吸引力より大きくなる。その結果、気泡が離脱する。この際、気泡が存在していた領域の空間が開放されるために、そこに周囲の液体の冷媒Ｃ１が流れ込み新たな沸騰が起こり始める。

　上述したように、受熱部材２６の表面には粗面化加工が施されていることにより多数の鋭角な形状が存在するため、受熱部材２６におけるフィン表面全体で沸騰が起こる。この沸騰によって、液体の冷媒Ｃ１が気体の冷媒Ｃ２に相変化する。この際、冷媒Ｃの体積は数百倍となるため、チャンバー２４内の密閉空間の圧力が上昇する。これにより上方の放熱部材２７側に気体の冷媒Ｃ２が移動する。このように、放熱部材２７に移動した気体の冷媒Ｃ２は、放熱部材２７のフィンに接触することで熱が奪われて凝縮する。これによって、フィンの表面に形成された鋭角な形状にて核を中心とした液滴が発生する。

　液滴が成長して、その液滴の重力が放熱部材２７の表面張力による吸着力より大きくなった際に、液滴が放熱部材２７から下方に向かって離脱する。この離脱により、液滴が付着していた領域が開放されるために、気体の冷媒Ｃが放熱部材２７のフィン表面に接触し新たな凝縮が起こる。放熱部材２７を構成しているフィン表面には粗面化処理が施されることで多数の鋭角な形状が存在するために、放熱部材２７のフィン全体で凝縮が起こる。

　放熱部材２７で凝縮により生じた液滴は、放熱部材２７の下部に存在する液体の冷媒Ｃ１に還流され、さらに受熱部材２６に輸送されることで、液体の冷媒Ｃ１が再び気体の冷媒Ｃ２へと相変化する。一方、放熱部材２７にて気体冷媒Ｃ１から奪われた熱は、チャンバー２４外面に取り付けられているヒートシンク２８を経由して空気中などに放熱される。

　このように、冷媒Ｃの相変化及び体積変化を利用して、受熱部材２６と放熱部材２７とに圧力差を生じさせながら冷媒Ｃを移動させることで、熱伝導率の良い金属である銅に比べ数倍から数十倍もの熱輸送能力を得ることができる。

　また、これら受熱部材２６及び放熱部材２７が、受熱板２２及び放熱板２３の面方向に互いに離間して配置されており、即ち、互いに対向しない位置関係にある。このため、受熱部材２６及び放熱部材２７が互いの影響を受けることなく、最適かつ自由な冷媒との接触位置及び接触面積の設定が可能となる。

　受熱部材２６と放熱部材２７が近い位置にある場合に、受熱部材２６で発生した気体が、すぐ付近に存在している放熱部材２７により熱を奪われ、液滴が発生することがある。
　一方で、本実施形態の沸騰冷却器２０では、これら受熱部材２６と放熱部材２７が互いに対向しない位置関係に配置されている。このため、受熱部材２６で発生する気体の移動を阻害することがなく、結果として熱伝導効率の低下を防止することができる。

　以上詳細に説明したように本実施形態に示される沸騰冷却器２０では、チャンバー２４の密閉空間内に封入された冷媒Ｃを、受熱部材２６及び放熱部材２７との間で液体・気体に相変化させている。これにより、発熱体１０で発生した熱をヒートシンク２８に効率良く輸送することができる。また、受熱部材２６と放熱部材２７とが、受熱板２２及び放熱板２３の面方向に離間して配置されている。即ち、受熱部材２６と放熱部材２７とが、互いに対向しない位置関係に配置されている。この構成により、受熱部材２６において気体となる冷媒Ｃ１の移動が阻害されることがなく、熱伝導効率の高く維持することができる。したがって、簡易な構成によって効率よく放熱を行うことができ、発熱量の大きな発熱体１０に対応することが可能となる。

　また、受熱板２２及び放熱板２３が互いに対向して配置されるとともに、受熱板２２に発熱体１０及び受熱部材２６を設け、放熱板２３に放熱部材２７及びヒートシンク２８を設けている。この構成により、冷媒Ｃを受熱部材２２及び放熱部材２３との間で確実に液体・気体に相変化させることができる。

　高発熱密度に実装されたＬＳＩ、ＩＣなどの発熱体１０は、発生した熱をすぐに熱輸送しなければ、高温となり誤動作が生じ、場合によっては動作しなくなる原因となってしまう。この点、本実施形態においては、等価熱伝導率を向上させることにより、発熱体１０で発生した熱を迅速に輸送することができる。よって、発熱体１０を高発熱密度に実装しても、その熱が特定の場所に留まることなく効率良く拡散し、発熱体１０の温度を下げることができる。

　また、受熱板２２と放熱板２３との間で相変化が行われる冷媒Ｃ１の流路を分ける必要がない。即ち、受熱板２２から放熱板２３に向かっての冷媒移動経路と、放熱板２３から受熱板２２への冷媒移動経路を考慮する必要がない。このような冷媒移動流路を考慮した場合、設計が変更される毎に細かい微調整が必要となるが、本実施形態においては、受熱板２２、放熱板２３の配置さえ考慮すればよい。したがって、設計上の困難は生じず、全体構成を簡素化することができる。

　また、上記沸騰冷却器２０では、平板上の熱輸送器を使用することにより、複数の発熱体１０から同時に熱輸送が可能となる。このため熱を輸送するための複数の部品が不要となる。さらに、複数必要であったヒートシンクなどの冷却器を１つに統合することも可能となり、ヒートシンク、ファンの削減をすることができる。これにより装置全体の小型化、薄型化が可能となる。

　（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態について図４を参照して説明する。
　上記第１の実施形態の沸騰冷却器２０では、発熱体１０が配置される受熱板２２に設けられた、表面を粗面とした複数の柱状ピンフィンにより受熱部材２６を構成した。図４に示すように複数の直方体部材を一定間隔で配置した矩形型フィン３０により受熱部材２６を構成しても良い。
　この矩形型のフィンにより構成した受熱部材２６では、表面を粗面とした直方体部材により構成され、全体がくし型に形成されている。

　受熱部材２６は冷媒Ｃに触れる表面積が大きい方が良いが、必ずしも、液体の冷媒Ｃに触れる表面積と沸騰の性能とは比例しない。第１の実施形態のピンフィンを矩形型フィン３０にすると冷媒Ｃに触れる表面積は減るが、沸騰性能は大幅に減らないことが確認されている。また、生産性の面では、ピンフィンより矩形型フィン３０の方が有利である。この矩形型フィン３０は、受熱板２２と一体で切削や鍛造などにより作成しても良い。あるいは、矩形型フィン３０の直方体部材を別に製作した後に受熱板２２にろう付け等により溶着し、その後、表面を約１μｍから数１００μｍに荒らす処理を行っても良い。このような矩形型フィン３０は、ヒートシンク２８に接続される放熱部材２７にも適用しても良い。

（第３の実施形態）
　次に、本発明の第３の実施形態について図５を参照して説明する。
　上記第１の実施形態の沸騰冷却器２０では、発熱体１０が配置される受熱板２２に、表面を粗面とした複数の柱状ピンフィンを受熱部材２６とした。図５に示すように受熱部材２６を、表面を粗面とした直方体状の放熱ブロック３１で構成しても良い。

　この受熱部材２６をブロック型に形成しても大幅に沸騰性能が落ちることはない。
　生産性を考えるとブロック型の形状は、ピンフィンや矩形型フィンよりも製造し易く、製造上有利である。この受熱部材２６は、受熱板２２と一体で切削や鍛造などにより作成しても良い。あるいは、別に作製したブロックをろう付け等により受熱板２２に溶着し、その後、表面を１μｍから１００μｍに荒らす処理を行っても良い。
　このような放熱ブロック３１は、ヒートシンク２８に接続される放熱部材２７にも適用しても良い。

（第４の実施形態）
　次に、本発明の第４の実施形態について図６を参照して説明する。
　上記第１の実施形態の沸騰冷却器２０では、チャンバー２４が水平となるように配置したが、これに限定されない。沸騰冷却器２０は、図６に示すように縦型に配置しても良い。即ち、受熱部材２６、放熱部材２７の法線が、鉛直方向の受熱板２２及び放熱板２３に対して直交する位置関係となるように、受熱部材２６及び放熱部材２７を位置させても良い。この場合も、受熱部材２６と放熱部材２７とのうち、少なくとも受熱部材２６は液体の冷媒Ｃ１に浸漬される。このような構成とすることで、設計の自由度を高めることができる。

　図６に示す沸騰冷却器２０の例においては、発熱体１０に接続された受熱部材２６を、ヒートシンク２８と接続する放熱部材２７より鉛直方向下方に設けている。このような構成により、発熱体１０の熱を受けた受熱部材２６は、液状の冷媒Ｃ１に熱を伝えることでその冷媒Ｃ１を相変化させて気泡を発生させる。ここで発生した気泡は浮力により鉛直方向上方に移動して、冷却器となるヒートシンク２８と接続した放熱部材２７に接触して熱が奪われる。これにより、気体の冷媒Ｃ２は凝縮し液滴となる。

　受熱部材２６及び放熱部材２７の位置関係は、受熱部材２６に対して放熱部材２７が下方、又は受熱部材２６に対して放熱部材２７が上方のいずれであってもよい。
　しかしながら、少なくとも、受熱部材２６の高さまで冷媒Ｃを注入し、受熱部材２６を液体の冷媒Ｃ１に浸漬させるようにする必要がある。これにより、いずれの位置関係であったとしても発熱体１０を搭載する受熱部材２６が液体の冷媒Ｃに浸る。受熱部材２６により沸騰が起こって相変化を利用した循環が起こり、熱がチャンバー２４が全体に伝えられヒートシンク２８により放熱される。

（第５の実施形態）
　次に、本発明の第５の実施形態について図７を参照して説明する。
　上記第１の実施形態の沸騰冷却器２０では、チャンバー２４を構成している受熱板２２に受熱部材２６を配置し、受熱板２２に対向する放熱板２３に放熱部材２７を配置している。この第５の実施形態では、図７に示すように、受熱部材２６と放熱部材２７とを、一枚の熱伝導板３２に配置しても良い。

　この熱伝導板３２を採用することで、部材が共通化されることにより、全体の部品数を減少させて生産性を向上させることができる。この熱伝導板３２は例えば金属により構成されている。発熱体１０の熱が、その金属を伝熱することにより受熱部材２６から放熱部材２７へ移動し、冷媒Ｃを介した熱輸送と合わせた相乗効果を発揮できる。

　この受熱放熱部材３２は、切削や鍛造により作製しても良い。あるいは、別々に作製した受熱部材２６と放熱部材２７のフィンをろう付けにより取り付けても良い。熱伝導板３２と対向するように配置された密閉板３３は、熱伝導性の良いアルミニウムや銅で作製しても良いし、生産性を考えアクリル等の樹脂により作製しても良い。

（第６の実施形態）
　次に、本発明の第６の実施形態について図８～図１０を参照して説明する。
　上記第１の実施形態の沸騰冷却器２０では、チャンバー２４が水平となるように配置したが、これに限定されない。図８～図１０に示すように、第６の実施形態においては、沸騰冷却器１０を図９及び図１０に示すように縦型に配置して、その上部位置にバッファタンク４０を配置しても良い。

　即ち、ヒートシンク２８の鉛直方向上端付近に発熱体１０を設置した場合、発熱体１０に接続される受熱部材２６を液体の冷媒Ｃ１に浸漬させなければならない。これによってチャンバー２４の内部の大部分を液体の冷媒Ｃ１が占有することになる。しかし、チャンバー２４内の内部空間にて、液体の冷媒Ｃ１が大部分占めるようになると、受熱部材２６にて相変化により液体の冷媒Ｃ１が気体の冷媒Ｃ２に気化することでその体積が大きくなる。これによって冷媒Ｃが収容できるスペースが無くなり、チャンバー２４内の圧力が必要以上に上昇することになる。この場合、冷媒Ｃの沸点が上昇するため、発熱体１０を既定の温度に冷却することができなくなるおそれがある。

　このような内圧上昇を抑えるために、気体の冷媒Ｃ２の避難場所となるのが図８～図１０に示されるバッファタンク４０である。このバッファタンク４０は、放熱板２３の上部に突出するように配置される。バッファタンク４０の内部に気体の冷媒Ｃ２を収容するためのバッファ空間が形成される。このバッファタンク４０は、放熱板２３の鉛直方向上部でありかつヒートシンク２８の上方位置に配置される。一方、発熱体１０に接続される受熱部材２６は、バッファタンク４０の対向位置に配置される。

　このときの冷媒Ｃの動作図を図１０に示す。発熱体１０に接続される受熱部材２６では、液体の冷媒Ｃ１が沸騰して気泡が発生する。その気泡が受熱部材２６から離脱するとき、気泡（気体の冷媒Ｃ１）が占有する空間が開放され、その空間に液体の冷媒Ｃ２が流れ込むことにより循環が生じる。これにより発熱体１０の熱が、チャンバー２４全体に拡散され、鉛直方向下部の放熱部材２７に搭載されたヒートシンク２８により空気中により放熱される。

　このとき、放熱板２３の上部に設置されたバッファタンク４０の内部空間に、受熱部材２６で発生した気体を収められる。その結果、チャンバー２４内の内圧上昇を抑え、チャンバー２４の上部に設置した発熱体１０に対しても冷却効果を引き出すことができる。また、発熱体１０の熱量が大きい場合には、沸騰する液体の冷媒Ｃ２の量が多いため受熱部材２６付近に多くの液体の冷媒Ｃ２が存在することが必要となる。その場合、バッファタンク４０の一部に冷媒Ｃを貯蔵することにより、不足する冷媒Ｃを補うことで、大きな発熱量の発熱体１０にも対応することができる。

　以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

　この出願は、２０１０年５月１９日に出願された日本出願特願２０１０－１１５５３９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。

本発明は、沸騰冷却器に適用することができる。この沸騰冷却器によれば、ＬＳＩやＩＣの発熱を、沸騰・液化といった冷媒の相変化現象を利用することで抑制することができる。

１０      発熱体
２０   沸騰冷却器　
２１   側板部　
２２   受熱板　
２３   放熱板　
２４   チャンバー　
２６   受熱部材　
２７   放熱部材　
２８   ヒートシンク　
３２   熱伝導板　
Ｃ１（Ｃ）    液体の冷媒　
Ｃ２（Ｃ）    気体の冷媒

Claims

　発熱体が外側の面に設けられた熱伝導板、および前記熱伝導板の内側に設けられ、液体と気体との間で相変化する冷媒が充填された密閉空間を有するチャンバーと、
　前記熱伝導板の外側の面に設けられたヒートシンクと、
　前記熱伝導板を挟んで前記発熱体と対向するように前記熱伝導板の内側の面に設けられ、前記発熱体で発生した熱を冷媒に伝達する受熱部材と、
　前記熱伝導板の内側の面に設けられ、前記冷媒により伝達された熱を受け入れて前記ヒートシンクに放熱する放熱部材とを備え、
　前記受熱部材及び前記放熱部材は、前記熱伝導板の面方向に互いに離間して配置されており、
　前記受熱部材が液体の前記冷媒に浸漬されている沸騰冷却器。
　前記熱伝導板は、前記密閉空間を挟んで互いに対向して配置された受熱板及び放熱板であって、
　前記発熱体及び前記受熱部材が、前記受熱板に設けられ、
　前記ヒートシンク及び前記放熱部材が、前記放熱板に設けられている請求項１に記載の沸騰冷却器。
　前記受熱部材の前記受熱板からの高さ及び前記放熱部材の前記放熱板からの高さが、それぞれ前記受熱板と前記放熱板との間の距離の略２分の１の寸法に設定されている請求項２に記載の沸騰冷却器。
　前記受熱部材は、前記放熱板の内側の面から少なくとも１ｍｍ以上離間され、
　前記放熱部材は、前記受熱板の内側の面から少なくとも１ｍｍ以上離間されている請求項２又は３に記載の沸騰冷却器。
　前記受熱部材及び前記放熱部材は、前記熱伝導板の内側の面に立設された複数のフィンからなる請求項１から４のいずれか一項に記載の沸騰冷却器。
　前記受熱部材及び前記放熱部材は、前記熱伝導板の内側の面に固定された直方体状をなすブロックである請求項１から４のいずれか一項に記載の沸騰冷却器。
　前記受熱部材及び前記放熱部材の表面に、表面粗さ１μｍ～１００μｍの範囲の粗面化加工が施されている請求項１から６のいずれか一項に記載の沸騰冷却器。
　前記チャンバーが、気体の前記冷媒が入り込むバッファタンクを備える請求項１から７のいずれか一項に記載の沸騰冷却器。
　前記受熱部材及び前記放熱部材が液体の前記冷媒に浸漬されている請求項１に記載の沸騰冷却器。