特開 2024-126263 沸騰冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126263

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】沸騰冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/427 20060101AFI20240912BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20240912BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 A

F28D15/02 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023034537

(22)【出願日】2023-03-07

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003177

【氏名又は名称】弁理士法人旺知国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中村 淳

(72)【発明者】

【氏名】田中 孝典

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136AA10

5F136BA03

5F136CC35

5F136CC37

5F136CC40

5F136DA27

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】

【課題】凍結破損を防止することができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】沸騰冷却装置は、冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、受熱部冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部に輸送し、放熱部で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部に輸送する熱輸送管部と、を備え、受熱部は、受熱本体を有し、受熱本体には、鉛直線に沿って延び、互いに離間する複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔よりも鉛直下方に配置され、複数の貫通孔に連通する第１空間と、が設けられており、複数の貫通孔および第１空間には、冷媒が収容されており、第１空間は、複数の貫通孔のそれぞれよりも狭い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、
前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、
前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送し、前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する熱輸送管部と、を備え、
前記受熱部は、受熱本体を有し、
前記受熱本体には、鉛直線に沿って延び、互いに離間する複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔よりも鉛直下方に配置され、前記複数の貫通孔に連通する第１空間と、が設けられており、
前記複数の貫通孔および前記第１空間には、前記冷媒が収容されており、
前記第１空間は、前記複数の貫通孔のそれぞれよりも狭い、
ことを特徴とする沸騰冷却装置。

【請求項2】

前記第１空間の内壁面の間の距離の最小値は、前記複数の貫通孔のそれぞれの内壁面の間の距離の最小値よりも小さい、
請求項１に記載の沸騰冷却装置。

【請求項3】

前記第１空間の前記鉛直線に沿った第１長さは、前記複数の貫通孔のそれぞれの前記鉛直線に直交する方向の第２長さよりも短い、
請求項１に記載の沸騰冷却装置。

【請求項4】

前記第２長さは、前記第１空間に向かって縮小しており、
前記第１長さは、前記第２長さの最小値よりも小さい、
請求項３に記載の沸騰冷却装置。

【請求項5】

前記受熱本体には、前記複数の貫通孔と前記熱輸送管部との間に配置され、前記複数の貫通孔に連通する第２空間が、さらに設けられ、
前記第２空間の前記鉛直線に沿った第３長さは、前記第１空間の前記鉛直線に沿った第１長さよも長い、
請求項１に記載の沸騰冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、沸騰冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

冷媒の沸騰に伴う潜熱による熱輸送を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置が知られている。当該沸騰冷却装置として、特許文献１に冷却装置が知られている。

【0003】

特許文献１に記載の冷却装置は、受熱器と熱交換器と第１の流路と第２の流路とを備える。受熱器は、冷媒を収容し、発熱体からの熱を奪う。熱交換器は、冷媒の熱を放熱する。第１の流路は、受熱器から熱交換器に冷媒を送る。第２の流路は、熱交換器から受熱器に冷媒を送る。

【0004】

寒冷環境での輸送および保管時において、冷媒の凍結に伴って冷媒が体積膨張し、冷却装置が凍結破損するおそれがある。特許文献１に記載の冷却装置では、凍結破損の防止のために、純水にエタノールを０．１質量％から５質量％で加えた混合作動液を冷媒として用いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０１５－８３２５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかし、当該文献に記載のように、冷媒に不純物を添加して凍結破損を防止する方法では、凍結破損を充分に防止することが難しい。また、冷媒に不純物を添加すると、冷却装置の冷却性能が低下する場合や、受熱器の構成材料および冷媒の種類によっては受熱器が腐食する場合がある。このため、沸騰冷却装置の凍結破損を防止する他の方法が望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0007】

以上の課題を解決するために、本開示の好適な態様に係る沸騰冷却装置は、冷媒を収容し、発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送し、前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する熱輸送管部と、を備え、前記受熱部は、受熱本体を有し、前記受熱本体には、鉛直線に沿って延び、互いに離間する複数の貫通孔と、前記複数の貫通孔よりも鉛直下方に配置され、前記複数の貫通孔に連通する第１空間と、が設けられており、前記複数の貫通孔および前記第１空間には、前記冷媒が収容されており、前記第１空間は、前記複数の貫通孔のそれぞれよりも狭い。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】第１実施形態に係る沸騰冷却装置の概略構成を示す斜視図である。

【図2】図１に示す沸騰冷却装置の断面図である。

【図3】図２中のＡ－Ａ線断面図である。

【図4】図２に示す受熱本体における冷媒の凍結を説明するための図である。

【図5】比較例の受熱本体における冷媒の凍結を説明するための図である。

【図6】第２実施形態に係る沸騰冷却装置の断面図である

【図7】図６に示す受熱本体における冷媒の凍結を説明するための図である。

【図8】沸騰冷却装置の応用例を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法および縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

【0010】

１．第１実施形態
１－１．沸騰冷却装置１の概要
図１は、第１実施形態に係る沸騰冷却装置１の概略構成を示す斜視図である。以下の説明は、便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、以下では、Ｘ軸に沿う一方向がＸ１方向であり、Ｘ１方向とは反対の方向がＸ２方向である。Ｙ軸に沿う一方向がＹ１方向であり、Ｙ１方向とは反対の方向がＹ２方向である。Ｚ軸に沿う一方向がＺ１方向であり、Ｚ１方向とは反対の方向がＺ２方向である。

【0011】

典型的には、Ｚ軸が鉛直線であり、Ｚ１方向が鉛直上方に相当し、Ｚ２方向が鉛直下方に相当する。なお、実空間でのＺ軸の向きは、沸騰冷却装置１の設置姿勢に応じて決められる。Ｚ軸は、鉛直線に対して４５°以下の範囲内で傾斜してもよい。また、以下では、単に「上方」とは、鉛直線に沿う方向での位置を示しており、鉛直上方および鉛直斜め上方の双方を概念として含む。同様に、単に「下方」とは、鉛直線に沿う方向での位置を示しており、鉛直下方および鉛直斜め下方の双方を概念として含む。

【0012】

図１に示すように、沸騰冷却装置１は、２個の発熱体９を冷却する。各発熱体９は、例えば、ダイオードまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子である。パワー半導体素子は、例えば、鉄道車両、自動車または家庭用電気機械等に搭載されるインバーターまたは整流器等のパワーエレクトロニクス製品に搭載される。

【0013】

図１に示す例では、各発熱体９がＸＺ平面に沿う扁平形状をなす。２個の発熱体９は、沸騰冷却装置１を挟むように、Ｙ軸に沿う方向に並んで配置される。なお、図１では、発熱体９の外形が概略的に示される。発熱体９の形状は、図１に示す例に限定されず、任意である。また、２個の発熱体９のうちの一方が省略されてもよい。また、発熱体９は、パワー半導体素子に限定されず、冷却を必要とするのであれば、駆動または通電等により発熱する他の電気部品または電子部品でもよい。

【0014】

沸騰冷却装置１は、気化した冷媒ＲＥと液化した冷媒ＲＥとの密度差を利用したループ型サーモサイフォンの冷却器である。沸騰冷却装置１は、受熱部１０と放熱部２０と熱輸送管部３０とを有する。熱輸送管部３０は、第１管部４０と第２管部５０で構成される。

【0015】

受熱部１０では、冷媒ＲＥが発熱体９からの熱により加熱され、冷媒ＲＥが気化されることにより、気相冷媒が生成される。当該気相冷媒は、密度の減少により第１管部４０を通じて上昇し、放熱部２０に輸送される。放熱部２０では、当該気相冷媒が放熱により冷却され、当該気相冷媒が凝縮されることにより、液相冷媒が生成される。当該液相冷媒は、密度の増大により第２管部５０を通じて下降することにより受熱部１０に輸送される。このように、受熱部１０からの冷媒ＲＥが、第１管部４０、放熱部２０、第２管部５０および受熱部１０の順に循環することで、発熱体９は冷却される。

【0016】

かかる沸騰冷却装置１では、発熱体９の非駆動時における凍結による受熱部１０の破損を抑制するよう、受熱部１０の構成が工夫されている。特に、発熱体９の非駆動時に沸騰冷却装置１が冬季または寒冷環境において保管等される場合であっても、沸騰冷却装置１によれば受熱部１０の凍結による破損を防止することができる。

【0017】

１－２．沸騰冷却装置１の各部
図２は、図１に示す沸騰冷却装置１の断面図である。図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。なお、図２では、沸騰冷却装置１をＸ軸およびＺ軸を含む平面で切断した断面が示される。また、図３では、受熱部１０をＸ軸およびＹ軸を含む平面で切断した断面が示される。

【0018】

１－２ａ．受熱部１０
図２に示す受熱部１０は、液状の冷媒ＲＥを収容し、発熱体９からの熱を受ける。受熱部１０では、発熱体９の熱によって冷媒ＲＥが気化されることにより気相冷媒が生成される。

【0019】

冷媒ＲＥとしては、特に限定されないが、例えば、水等の水系冷媒、メタノール等のアルコール系冷媒、アセトン等のケトン系冷媒、エチレングリコール等のグリコール系冷媒、フロリナート等のフッ化炭素系冷媒、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、およびブタン等の炭化水素系冷媒等が挙げられる。なお、冷媒ＲＥには、必要に応じて、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤または炭化水素系界面活性剤等の界面活性剤等が添加されてもよい。また、冷媒ＲＥは、前述の冷媒の２種以上を組み合わせてもよい。

【0020】

受熱部１０は、受熱本体１１を有する。受熱本体１１は、収容室Ｓ１０を有する。収容室Ｓ１０は、液状の冷媒ＲＥを収容する空間である。収容室Ｓ１０は、第１空間Ｓ１１と複数の貫通孔Ｓ１と第２空間Ｓ１２と有する。複数の貫通孔Ｓ１は、第１空間Ｓ１１と第２空間Ｓ１２との間に設けられ、これらを接続する。

【0021】

図３に示すように、第１空間Ｓ１１は、Ｘ－Ｙ平面に広がる平板状の空間である。図示の例では、第１空間Ｓ１１の平面形状、すなわち鉛直線に沿った方向から見たときの形状は、四角形であるが、これ以外の形状でもよい。

【0022】

図２に示すように、第１空間Ｓ１１は、第１長さＬ１１を有する。第１長さＬ１１は、第１空間Ｓ１１の鉛直線に沿った方向の長さである。第１長さＬ１１は、第１空間Ｓ１１のＸ軸に沿った方向の長さ、およびＹ軸に沿った方向の長さのそれぞれよりも短い。また、図示の例では、第１長さＬ１１は、一定である。

【0023】

図２に示すように、複数の貫通孔Ｓ１は、第１空間Ｓ１１の鉛直上方に配置される。図示の例では、複数の貫通孔Ｓ１として５つの貫通孔Ｓ１が設けられる。各貫通孔Ｓ１は、鉛直線に沿って直線状に延在する。複数の貫通孔Ｓ１は、互いに離間し、等間隔でＸ軸に沿った方向に並ぶ。複数の貫通孔Ｓ１の鉛直線に沿った長さは、互いに等しい。

【0024】

図３に示すように、各貫通孔Ｓ１の横断面形状は、円形である。各貫通孔Ｓ１の横断面積は、第１空間Ｓ１１の平面積よりも小さい。各貫通孔Ｓ１は、平面視で第１空間Ｓ１１に重なる。

【0025】

図２に示すように、各貫通孔Ｓ１は、第２長さＬ１を有する。第２長さＬ１とは、各貫通孔Ｓ１の幅であり、各貫通孔Ｓ１の鉛直線に直交する方向での長さである。本実施形態では、各貫通孔Ｓ１の横断面形状は円形であるため、第２長さＬ１は、各貫通孔Ｓ１の直径である。また、第２長さＬ１は、前述の第１長さＬ１１よりも長い。また、第２長さＬ１は、一定である。

【0026】

なお、貫通孔Ｓ１の数は、５に限定されず、２、３、４および６以上でもよい。また、複数の貫通孔Ｓ１は、等間隔に並んでおらず、不規則に並んでいてもよい。ただし、複数の貫通孔Ｓ１が等間隔に並んでいることで、側面１１３における冷却性能の均一化を図り易い。冷却性の均一化の観点から、複数の貫通孔Ｓ１は、例えば、千鳥状または行列状等に規則的に配置されてもよい。また、各貫通孔Ｓ１の横断面の形状は、四角形等の多角形、楕円形等でもよい。各貫通孔Ｓ１は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。また、複数の貫通孔Ｓ１の鉛直線に沿った長さは、互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。複数の貫通孔Ｓ１の第２長さＬ１は、互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。

【0027】

また、各貫通孔Ｓ１の内壁面Ｗ１は、伝熱面として機能する。内壁面Ｗ１のそれぞれは、冷媒ＲＥと接触する。内壁面Ｗ１の各近傍の冷媒ＲＥが沸点以上の温度に過熱されることにより、内壁面Ｗ１のそれぞれに複数の気泡が発生する。発生した気泡は、浮力により内壁面Ｗ１から離脱した後、冷媒ＲＥの液面ＲＥ０よりも上方で気相冷媒となる。

【0028】

なお、各貫通孔Ｓ１の内壁面Ｗ１は平坦であってもよいし、粗面であってもよい。内壁面Ｗ１が粗面であることで、内壁面Ｗ１の表面積を増大させることができる。このため、内壁面Ｗ１で生じる冷媒ＲＥの核沸騰による気泡量を増やすことができる。よって、冷却性能を高めることができる。

【0029】

図２に示すように、第２空間Ｓ１２は、複数の貫通孔Ｓ１の鉛直上方に配置され、貫通孔Ｓ１と熱輸送管部３０との間に配置される。平面図は省略するが、第２空間Ｓ１２は、Ｘ－Ｙ平面に広がる平板状の空間である。第２空間Ｓ１２の平面形状、すなわち鉛直線に沿った方向から見たときの形状は、四角形であるが、これ以外の形状でもよい。第２空間Ｓ１２の平面形状は、第１空間Ｓ１１の平面形状と同じである。第２空間Ｓ１２の平面積は、第１空間Ｓ１１の平面積と等しい。第２空間Ｓ１２は、平面視で第１空間Ｓ１１に重なる。なお、第２空間Ｓ１２の平面形状は、第１空間Ｓ１１と平面形状と異なっていてもよく、第２空間Ｓ１２は、第１空間Ｓ１１と重なっていない部分を有してもよい。また、第２空間Ｓ１２は、平面視で複数の貫通孔Ｓ１と重なる。

【0030】

第２空間Ｓ１２は、第３長さＬ１２を含む。第３長さＬ１２は、第２空間Ｓ１２の鉛直線に沿った方向の長さである。第３長さＬ１２は、第１長さＳ２、および第２長さＬ１のそれぞれよりも長い。また、第２空間Ｓ１２の体積は、第１空間Ｓ１１の体積、および各貫通孔Ｓ１の体積よりも大きい。

【0031】

かかる収容室Ｓ１０において、冷媒ＲＥは、主に、第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１に設けられる。したがって、第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１は、冷媒ＲＥの液面ＲＥ０よりも下方に配置される。

【0032】

受熱本体１１の外表面は、上面１１１と下面１１２と側面１１３とを含む。上面１１１および下面１１２のそれぞれは、鉛直線に直交する平面であるＸ－Ｙ平面に広がる面である。側面１１３は、上面１１１と下面１１２とを接続する。側面１１３には、２個の発熱体９が熱的に接続される。「熱的に接続」とは、次の条件ａ、ｂまたはｃのいずれかを満たすことをいう。条件ａ：２つの部材が物理的に直接に接する。条件ｂ：２つの部材が５０μｍ以下の間隙を介して配置される。条件ｃ：２つの部材が１０Ｗ・ｍ^－１・Ｋ^－１以上の熱伝導率の他の部材を介して物理的に接続される。なお、各条件における２つの部材間には、伝熱グリースおよび接着剤等が存在してもよい。この場合、接着剤は、熱伝導性を高める観点から、熱伝導性のフィラー等を含むことが好ましい。

【0033】

また、受熱本体１１は、天板１１０を有する。天板１１０は、上面１１１を含む。天板１１０には、第１管部４０および第２管部５０との接続のための２つの孔が設けられる。

【0034】

受熱本体１１は、熱伝導性に優れる材料で構成される。受熱部１０の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。なお、受熱本体１１は、均一材料で構成されていてもよいし、異なる材料の組み合わせで構成されてもよい。ただし、受熱本体１１は、製造の容易性の観点から、好ましくは均一材料で構成される。

【0035】

１－２ｂ．放熱部２０
放熱部２０は、凝縮室Ｓ２０を有する構造体であり、受熱部１０からの熱を放熱する。凝縮室Ｓ２０は、冷媒ＲＥを気化した状態から凝縮液化させる空間である。放熱部２０では、受熱部１０で生成された気相冷媒が凝縮されることにより液相冷媒が生成される。放熱部２０は、凝縮室Ｓ２０の気相冷媒を外部の流体との熱交換により放熱することにより凝縮液化させる。当該外部の流体は、凝縮室Ｓ２０の外部を流動する流体であればよく、特に限定されず、液体でも気体でもよいが、典型的には、例えば空気である。

【0036】

図２に示す例では、放熱部２０は、容器２１と複数の放熱フィン２２とを有する。容器２１は、凝縮室Ｓ２０を内部空間として有する。容器２１は、底板２１１と天板２１２と側壁２１３とを有する。これらで囲まれた空間が凝縮室Ｓ２０である。底板２１１および天板２１２のそれぞれは、Ｚ軸に交差する方向に広がる平板である。底板２１１は、天板２１２に対してＺ２方向に設けられる。底板２１１には、第１管部４０および第２管部５０との接続のための２つ孔が設けられる。底板２１１および天板２１２は、互いに平行となるように配置されており、これらの間には、側壁２１３が配置される。側壁２１３は、底板２１１および天板２１２の外周同士を全周にわたって連結する。

【0037】

本実施形態では、側壁２１３が円筒状であり、凝縮室Ｓ２０が円柱状である。なお、凝縮室Ｓ２０の形状は、円柱状に限定されず、例えば、角柱状でもよい。また、側壁２１３の内周面および外周面の形状は、互いに異なってもよい。また、容器２１は、熱伝導性に優れる材料で構成される。容器２１の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。

【0038】

各放熱フィン２２は、容器２１に熱的に接続される。各放熱フィン２２は、平板状の部材である。複数の放熱フィン２２は、互いに厚さ方向に間隔を隔てて配置される。各放熱フィン２２は、熱伝導性に優れる材料で構成される。放熱フィン２２の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。各放熱フィン２２には、容器２１を挿入するための孔が設けられる。放熱フィン２２は、例えば、容器２１に対して拡管、圧入、接着剤、ネジ止め、ロウ付けまたは溶接等により固定される。なお、放熱フィン２２の形状は、図２に示す例に限定されず、任意である。また、放熱フィン２２は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。ただし、放熱部２０が複数の放熱フィン２２を有することにより、気相冷媒を効率的に凝縮液化させることができる。

【0039】

１－２ｃ．第１管部４０
第１管部４０は、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部２０に輸送する。第１管部４０は、蒸気管４１で構成される。蒸気管４１は、Ｚ軸に沿って直線状に延在する。蒸気管４１は、第１流路Ｓ４０を内部空間として有する管である。

【0040】

蒸気管４１は、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料で構成される。また、蒸気管４１は、受熱本体１１および容器２１のそれぞれに接続される。具体的には、蒸気管４１は、天板１１０および底板２１１に対してロウ付け等により固定される。なお、蒸気管４１の構成材料は、金属材料に限定されず、例えば、セラミックス材料または樹脂材料等でもよい。

【0041】

蒸気管４１は、開口４１ａと開口４１ｂとを含む。開口４１ａは、受熱本体１１に向けて開口する。開口４１ｂは、容器２１に向けて開口する。開口４１ａは、第１管部４０の内周面４１ｃのＺ２方向での端縁で囲まれる空間である。開口４１ｂは、第１管部４０の内周面４１ｃのＺ１方向での端縁で囲まれる空間である。開口４１ａは、天板１１０のＺ２方向を向く面と同一平面上に位置する。また、第１管部４０の一部は、底板２１１よりもＺ１方向に突出する。したがって、開口４１ｂは、底板２１１よりもＺ１方向に位置する。なお、第１流路Ｓ４０は、蒸気管４１と天板１１０の一部とにより形成されてもよい。この場合、開口４１ａは、天板１１０に設けられる孔により形成される。

【0042】

第１流路Ｓ４０は、第１管部４０の内周面４１ｃで囲まれる空間である。第１流路Ｓ４０は、開口４１ａを介して収容室Ｓ１０に連通するとともに、開口４１ｂを介して凝縮室Ｓ２０に連通する。図２に示す例では、第１流路Ｓ４０の幅は、一定である。また、第１流路Ｓ４０の断面積は、一定である。第１流路Ｓ４０の横断面の形状は、円形であるが、四角形等の多角形、楕円形等でもよい。また、第１流路Ｓ４０は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。

【0043】

１－２ｄ．第２管部５０
第２管部５０は、放熱部２０で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部１０に輸送する。第２管部５０は、液管５１で構成される。液管５１は、Ｚ軸に沿って直線状に延在する。液管５１は、第２流路Ｓ５０を内部空間として有する管である。

【0044】

液管５１は、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料で構成される。また液管５１は、受熱本体１１および放熱部２０のそれぞれに接続される。液管５１は、天板１１０および底板２１１に対してロウ付け等により固定される。なお、液管５１の構成材料は、金属材料に限定されず、例えば、セラミックス材料または樹脂材料等でもよい。また、液管５１の構成材料は、蒸気管４１の構成材料と同一であってもよいし異なってもよい。

【0045】

第２管部５０は、開口５１ａと開口５１ｂとを含む。開口５１ａは、受熱部１０に向けて開口する。開口５１ｂは、放熱部２０に向けて開口する。開口５１ａは、第２管部５０の内周面５１ｃのＺ２方向での端縁で囲まれる空間である。開口５１ｂは、第２管部５０の内周面５１ｃのＺ１方向での端縁で囲まれる空間である。また、第２管部５０の一部は、受熱部１０の天板１１０よりもＺ２方向に突出する。したがって、開口５１ａは、天板１１０よりもＺ２方向に位置し、収容室Ｓ１０に配置される。なお、開口５１ａは、収容室Ｓ１０の第２空間Ｓ１２に位置するが、いずれかの貫通孔Ｓ１に位置してもよい。また、開口５１ｂは、底板２１１のＺ１方向を向く面と同一平面上に位置する。なお、第２流路Ｓ５０は、液管５１と底板２１１の一部とにより形成されてもよい。この場合、開口５１ｂは、底板２１１に設けられる孔により形成される。

【0046】

第２流路Ｓ５０は、第２管部５０の内周面５１ｃで囲まれる空間である。第２流路Ｓ５０は、開口５１ａを介して収容室Ｓ１０に連通するとともに、開口５１ｂを介して凝縮室Ｓ２０に連通する。図２に示す例では、第２流路Ｓ５０の幅は、一定である。また、第２流路Ｓ５０の断面積は、一定である。第２流路Ｓ５０の横断面の形状は、円形であるが、四角形等の多角形、楕円形等でもよい。また、第２流路Ｓ５０は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。

【0047】

また、前述の第１流路Ｓ４０の断面積は、第２流路Ｓ５０の断面積よりも大きい。このため、第１流路Ｓ４０の断面積が第２流路Ｓ５０の断面積以下である構成に比べて、第１流路Ｓ４０での気相冷媒の輸送を円滑に行うことができる。なお、第２流路Ｓ５０の断面積は、第１流路Ｓ４０の断面積に等しくてもよい。

【0048】

１－３．受熱部１０の凍結防止の作用
前述のように、受熱部１０は、受熱本体１１の凍結破損を防止するよう構成されている。発熱体９の駆動時では、受熱本体１１の内部の冷媒ＲＥは、発熱体９からの熱を受け取って液体となる。一方、発熱体９の駆動していない非駆動時では、冬季または寒冷環境において、受熱本体１１の内部の冷媒ＲＥが凍結するおそれがある。かかる冷媒ＲＥの凍結による受熱本体１１の破損を抑制するよう、受熱本体１１は構成される。

【0049】

図４は、図２に示す受熱本体１１における冷媒ＲＥの凍結を説明するための図である。前述のように、受熱本体１１は、第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１を有する。そして、第１空間Ｓ１１は、各貫通孔Ｓ１よりも狭い。冷媒ＲＥは、受熱本体１１の内表面の近くから凍結していく。

【0050】

冷媒ＲＥは、主に第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１に収容される。このため、第１空間Ｓ１１および各貫通孔Ｓ１に冷媒ＲＥの凍結した部分である凍結部Ｆ０が生じる。そして、狭い空間ほど優先的に凍結により閉塞する。第１空間Ｓ１１は各貫通孔Ｓ１よりも狭いため、第１空間Ｓ１１は、各貫通孔Ｓ１よりも先に閉塞する。つまり、受熱本体１１に各貫通孔Ｓ１よりも狭い第１空間Ｓ１１を設けることで、第１空間Ｓ１１を各貫通孔Ｓ１よりも優先的に凍結閉塞させることができる。このため、第１空間Ｓ１１における冷媒ＲＥの凍結による体積膨張を各貫通孔Ｓ１、さらには第２空間Ｓ１２へと逃がすことができる。この結果、受熱本体１１が破損するおそれを抑制することができる。よって、冬季または寒冷環境における沸騰冷却装置１の凍結破損を抑制することができる。

【0051】

図５は、比較例の受熱本体１１ｘにおける冷媒ＲＥの凍結を説明するための図である。図５に示す比較例の受熱本体１１ｘが有する第１空間Ｓ１１ｘは、各貫通孔Ｓ１よりも広い。このため、各貫通孔Ｓ１は、第１空間Ｓ１１ｘよりも先に凍結により閉塞する。第１空間Ｓ１１ｘでは、冷媒ＲＥの残留液ＲＥ１の凍結時の体積膨張により、内圧が上昇してしまう。この結果、受熱本体１１ｘの第１空間Ｓ１１近傍に破損が生じてしまう。一方、図４に示す本実施形態の受熱本体１１では、第１空間Ｓ１１は、各貫通孔Ｓ１よりも狭い。このため、前述のように凍結破損を抑制することができる。

【0052】

また、例えば、受熱本体１１よりも伝熱性能に優れる他の部材を受熱本体１１に部分的に接合することにより、当該他の部材の近傍から冷媒ＲＥを優先的に凍結させる方法が考えられる。本実施形態によれば、そのような他の部材を別途設けず、かつ受熱本体１１が均一材料であっても、受熱本体１１の凍結破損を抑制することができる。すなわち、複数の貫通孔Ｓ１よりも狭い第１空間Ｓ１１を設けるという簡単な構成で、受熱本体１１の凍結破損を抑制することができる。なお、受熱本体１１よりも伝熱性能に優れる他の部材を受熱本体１１の下面１１２に接合してもよい。

【0053】

また、本実施形態の受熱本体１１によれば、凍結防止のために冷媒ＲＥの種類を限定する必要がない。よって、冷媒ＲＥの種類を受熱本体１１の材料に応じて選択することができるので、受熱本体１１に腐食が生じるおそれを抑制することができる。さらに、冷媒ＲＥの種類が限定されないため、冷却性能に優れる冷媒ＲＥを用いることができる。よって、凍結破損を抑制し、かつ冷却性能に優れる沸騰冷却装置１を提供することができる。

【0054】

また、第１空間Ｓ１１が有する内壁面Ｗ１１の間の距離の最小値は、各貫通孔Ｓ１が有する内壁面Ｗ１の間の距離の最小値よりも小さい。図３に示す例では、内壁面Ｗ１１の間の距離の最小値は、第１長さＬ１１に相当する。また、内壁面Ｗ１の間の距離の最小値は、第２長さＬ１に相当する。したがって、図３に示す例では、第１空間Ｓ１１の第１長さＬ１１は、各貫通孔Ｓ１の第２長さＬ１よりも小さい。

【0055】

第１長さＬ１１が第２長さＬ１よりも小さいことで、前述のように、寒冷環境で冷媒ＲＥが凍結する場合、各貫通孔Ｓ１よりも先に第１空間Ｓ１１を閉塞させることができる。よって、冬季または寒冷環境において受熱部１０が破損するおそれを抑制することができる。なお、図３に示す例では、第１長さＬ１１は一定であるが、第１長さＬ１１が第２長さＬ１よりも短ければ、第１長さＬ１１は一定でなくてもよい。

【0056】

また、図２に示すように、複数の貫通孔Ｓ１は、第１空間Ｓ１１と第２空間Ｓ１２との間に配置される。別の見方をすると、第１空間Ｓ１１は、複数の貫通孔Ｓ１よりも鉛直下方に配置される。このため、第１空間Ｓ１１の冷媒ＲＥの凍結による体積膨張を、各貫通孔Ｓ１およびこれよりも鉛直上方へと逃すことができる。よって、第１空間Ｓ１１の冷媒ＲＥの凍結による体積膨張により、第１空間Ｓ１１の内圧が上昇して受熱本体１１が破損するおそれを特に効果的に抑制することができる。

【0057】

また、図２に示すように、受熱本体１１には、第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１に加え、第２空間Ｓ１２が設けられる。第２空間Ｓ１２は、複数の貫通孔Ｓ１と第１管部４０との間に配置され、複数の貫通孔Ｓ１に連通する。そして、第２空間Ｓ１２の第３長さＬ１２は、第１空間Ｓ１１の第１長さＬ１１よりも長い。かかる第２空間Ｓ１２が設けられることで、第１空間Ｓ１１の冷媒ＲＥの凍結による体積膨張を、各貫通孔Ｓ１だけでなく、各貫通孔Ｓ１よりも鉛直上方の第２空間Ｓ１２へと逃すことができる。

【0058】

また、冷媒ＲＥは、非凍結時において、主に第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１に収容される。冷媒ＲＥが第１空間Ｓ１１および複数の貫通孔Ｓ１において凍結し始めると、体積膨張により、未凍結の冷媒ＲＥが第２空間Ｓ１２へと移動する。当該未凍結の冷媒ＲＥで第２空間Ｓ１２が埋め尽くされると、寒冷環境下の温度によっては、当該未凍結の冷媒ＲＥが凍結して第２空間Ｓ１２が閉塞するおそれがある。さらには、第１管部４０および第２管部５０に未凍結の冷媒ＲＥが移動して凍結すると、第１管部４０の一部および第２管部５０の一部が閉塞するおそれがある。この結果、第１管部４０および第２管部５０に破損が生じるおそれがある。

【0059】

第２空間Ｓ１２等が閉塞するおそれを回避するため、第２空間Ｓ１２の体積は、冷媒ＲＥの凍結による体積膨張分を考慮した体積であることが好ましい。つまり、冷媒ＲＥが全て凍結した場合の体積は、収容室Ｓ１０の体積以下であることが好ましい。また、冷媒ＲＥを封入した量、換言すると非凍結時の冷媒ＲＥの体積をＶｌ、密度をρｌ、凍結時の体積をＶｓ、凍結時の密度をρｓとすると、体積膨張ΔＶ（＝Ｖｓ－Ｖｌ）はΔＶ＝Ｖｌ×（ρｌ/ρｓ-１）となる。なお、冷媒ＲＥが水の場合、凍結時とは０°のときである。したがって、冷媒ＲＥの凍結により少なくとも第２空間Ｓ１２が閉塞しないためには、第２空間Ｓ１２の平面積をＡとした場合に非凍結時の液面と受熱本体１１の上面１１１との距離δをΔ＞ΔＶ/Ａ＝Ｖｌ×（ρｌ/ρｓ-１）/Ａとする必要がある。

【0060】

以上の沸騰冷却装置１によれば、発熱体９の非駆動時における凍結破損を簡単な構成で防止することができる。

【0061】

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が前述の実施形態と同様である要素については、前述の実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

【0062】

図６は、第２実施形態に係る沸騰冷却装置１Ａの断面図である。図７は、図６に示す受熱本体１１Ａにおける冷媒ＲＥの凍結を説明するための図である。

【0063】

沸騰冷却装置１Ａは、受熱部１０に代えて受熱部１０Ａを有すること以外は、前述の第１実施形態の沸騰冷却装置１と同様である。受熱部１０Ａは、複数の貫通孔Ｓ１の代わりに複数の貫通孔Ｓ１Ａを有すること以外は、前述の第１実施形態の受熱部１０と同様である。

【0064】

図６に示す受熱部１０Ａが有する受熱本体１１Ａは、複数の貫通孔Ｓ１Ａを有する。なお、複数の貫通孔Ｓ１Ａについて、第１実施形態の複数の貫通孔Ｓ１と同様の内容は適宜省略する。

【0065】

図６に示す例では、複数の貫通孔Ｓ１Ａは、第２空間Ｓ１２から第１空間Ｓ１１に向かって徐々に狭くなる。したがって、各貫通孔Ｓ１の断面積は、一定ではなく、第２空間Ｓ１２から第１空間Ｓ１１に向かって徐々に小さくなる。別の見方をすれば、各貫通孔Ｓ１の第２長さＬ１は、一定ではなく、第２空間Ｓ１２から第１空間Ｓ１１に向かって縮小している。そして、第１長さＬ１１は、第２長さＬ１の最小値Ｌ０よりも小さい。このため、本実施形態においても第１実施形態と同様に、第１空間Ｓ１１を各貫通孔Ｓ１Ａよりも優先的に凍結閉塞させることができる。よって、第１空間Ｓ１１における冷媒ＲＥの凍結による体積膨張を各貫通孔Ｓ１Ａおよび第２空間Ｓ１２へと逃がすことができる。この結果、受熱本体１１Ａが破損するおそれを抑制することができる。よって、冬季または寒冷環境における沸騰冷却装置１Ａの凍結破損を簡単な構成で抑制することができる。

【0066】

また、前述のように、各貫通孔Ｓ１の第２長さＬ１は、第２空間Ｓ１２から第１空間Ｓ１１に向かって縮小している。このため、図７に示すように、各貫通孔Ｓ１において、冷媒ＲＥは、第１空間Ｓ１１から第２空間Ｓ１２に向かって凍結閉塞していく。このため、第１実施形態に比べ、冷媒ＲＥの凍結による体積膨張を鉛直上方へと効率良く逃すことができる。よって、第１空間Ｓ１１の冷媒ＲＥの凍結による体積膨張により、第１空間Ｓ１１および各貫通孔Ｓ１Ａの内圧が上昇して受熱本体１１が破損するおそれを特に効果的に抑制することができる。

【0067】

なお、本実施形態では、複数の貫通孔Ｓ１の最小値Ｌ０は、互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。

【0068】

３．応用例
図８は、沸騰冷却装置１の応用例を示す斜視図である。図８では、複数の沸騰冷却装置１により複数の発熱体９を冷却する場合の例が示される。

【0069】

図８に示す例では、複数の沸騰冷却装置１と複数の発熱体９とがＹ軸に沿う方向に交互に配置される。ここで、複数の沸騰冷却装置１および複数の発熱体９は、図示しない固定具により、互いに隣り合う沸騰冷却装置１と発熱体９とが密着するよう固定される。以上の構成により、複数の沸騰冷却装置１により複数の発熱体９を冷却することができる。

【0070】

なお、互いに隣り合う２つの沸騰冷却装置１の放熱フィン２２が一体で構成されてもよい。また、沸騰冷却装置１の数は、冷却すべき発熱体９の数に応じて決められ、図８に示す例に限定されず、５個以下または７個以上でもよい。また、図８に示す例は、沸騰冷却装置１を用いるが、複数の沸騰冷却装置１のうちの少なくとも１つに代えて、前述の沸騰冷却装置１Ａを用いてもよいし、沸騰冷却装置１および１Ａを適宜に組み合わせてもよい。

【0071】

以上、本発明について図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。

【符号の説明】

【0072】

１…沸騰冷却装置、１Ａ…沸騰冷却装置、９…発熱体、１０…受熱部、１０Ａ…受熱部、１１…受熱本体、１１Ａ…受熱本体、１１ｘ…受熱本体、２０…放熱部、２１…容器、２２…放熱フィン、３０…熱輸送管部、４０…第１管部、４１…蒸気管、４１ａ…開口、４１ｂ…開口、４１ｃ…内周面、５０…第２管部、５１…液管、５１ａ…開口、５１ｂ…開口、５１ｃ…内周面、１１０…天板、１１１…上面、１１２…下面、１１３…側面、２１１…底板、２１２…天板、２１３…側壁、Ｌ０…最小値、Ｆ０…凍結部、ＲＥ…冷媒、ＲＥ０…液面、ＲＥ１…残留液、Ｓ１…貫通孔、Ｓ１０…収容室、Ｓ１１…第１空間、Ｓ１１ｘ…第１空間、Ｓ１２…第２空間、Ｓ１Ａ…貫通孔、Ｓ２０…凝縮室、Ｓ４０…第１流路、Ｓ５０…第２流路、Ｗ１…内壁面、Ｗ１１…内壁面、Ｌ１…第１長さ、Ｌ２…第２長さ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】