特許 7558760 冷却デバイスおよび電子部品の冷却構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-20

(45)【発行日】2024-10-01

(54)【発明の名称】冷却デバイスおよび電子部品の冷却構造

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/427 20060101AFI20240924BHJP

   F28D 15/02 20060101ALI20240924BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20240924BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 A

H01L23/46 B

F28D15/02 M

F28D15/02 101H

H05K7/20 Q

H05K7/20 R

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2020185888

(22)【出願日】2020-11-06

(65)【公開番号】P2022075228

(43)【公開日】2022-05-18

【審査請求日】2023-07-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000005290

【氏名又は名称】古河電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114292

【弁理士】

【氏名又は名称】来間 清志

(74)【代理人】

【識別番号】100205659

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 拓也

(72)【発明者】

【氏名】虎谷 智明

(72)【発明者】

【氏名】反町 真人

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１１／０２２８４８２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００４／０２１７４６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００２－１６４６８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１１５０７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８０４５３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ２３／４２７

Ｆ２８Ｄ １５／０２

Ｈ０５Ｋ ７／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部空間に第１作動流体を有し、外面の取付位置で発熱体と熱的に接続可能な容器を備える冷却デバイスであって、
前記容器は、前記外面における前記取付位置を含む部分に凸曲面部を有し、
前記冷却デバイスは、前記凸曲面部と同一部材の前記容器における、前記凸曲面部と対向する内面に設けられ、前記凸曲面部の外形よりも大きい伝熱部材をさらに備えることを特徴とする冷却デバイス。

【請求項2】

前記凸曲面部の形状は、頂部を通り前記容器の前記外面に直交する中心軸に対して、回転対称である、請求項１に記載の冷却デバイス。

【請求項3】

前記凸曲面部の頂部の高さは５μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１または２に記載の冷却デバイス。

【請求項4】

前記容器は、前記外面における前記取付位置を含む部分に窪み部を有し、前記窪み部は、前記凸曲面部を収容する、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却デバイス。

【請求項5】

前記容器の前記凸曲面部以外に設けられ、前記容器を前記発熱体に向かって付勢する弾性部材をさらに備える、請求項１～４のいずれか１項に記載の冷却デバイス。

【請求項6】

前記容器の上部で前記容器を貫通して延在し、第２作動流体が内部を流通する凝縮管をさらに備え、
沸騰冷却装置として用いられる、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却デバイス。

【請求項7】

前記容器は、ベーパーチャンバとして用いられる、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却デバイス。

【請求項8】

前記容器は、ヒートパイプとして用いられる、請求項１～５のいずれか１項に記載の冷却デバイス。

【請求項9】

前記容器の外面と前記発熱体とが非平行な状態で取り付けられている、請求項１～８のいずれか１項に記載の冷却デバイス。

【請求項10】

請求項１～９のいずれか１項に記載の冷却デバイスと、前記冷却デバイスの前記取付位置に取り付けられる発熱体と、を備えることを特徴とする電子部品の冷却構造。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、冷却デバイスおよび電子部品の冷却構造に関する。

【背景技術】

【0002】

近年の電子機器の高機能化に伴い、電子機器の内部には、電気・電子部品などの発熱体が高密度に搭載され、また、発熱体の発熱量が増大する傾向にある。発熱体の温度が所定の許容温度を超えると、発熱体の誤作動を引き起こす原因となることから、発熱体の温度は常に許容温度以下に維持し続けることが求められている。通常、電子機器の内部には、発熱体を冷却するための冷却デバイスが搭載されている。

【0003】

例えば、特許文献１には、外表面の一部が発熱体を実装したモジュールに当接するための外殻を有し、外殻の内部に冷却媒体の流路が形成される冷却板が記載されている。この冷却板は、外殻の弾性力によって、モジュールに付勢されて当接される。また、特許文献１には、この冷却板と、発熱体が実装され、冷却板に付勢されて当接するように配置されたモジュールとを備える電子機器が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２００３－１１００７１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１の電子機器では、冷却板と接触しているモジュールの表面は起伏などがなく平坦（フラット）である。モジュールと冷却板とが互いに平行な状態で接触すると、モジュールに実装される発熱体から発生する熱は冷却板の全面に均一に伝わるものの、互いに平行な状態でモジュールと冷却板とを接触（いわゆる面接触）設置することは容易ではない。一般的には、モジュールと冷却板とが互いに非平行な状態で接触する。そうすると、冷却板の端部しかモジュールに接触しなくなる。この場合、モジュールから冷却板に伝わる熱は、モジュールに接触している冷却板の端部に局所的に集中する。このように、発熱体の熱は冷却板の端部に集中することから、冷却板は発熱体を効率的には冷却できず、冷却板の設計マージンを大きく取る必要がある。さらに、冷却板への熱の伝達はモジュールと冷却板との接触状態に大きく依存し、モジュールと冷却板との接触状態はモジュールの冷却効率に影響を及ぼす。

【0006】

本開示の目的は、小型で容易に製造でき、安定して優れた冷却効率を有する冷却デバイスおよび電子部品の冷却構造を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

［１］ 内部空間に第１作動流体を有し、外面の取付位置で発熱体と熱的に接続可能な容器を備える冷却デバイスであって、前記容器は、前記外面における前記取付位置を含む部分に凸曲面部を有することを特徴とする冷却デバイス。
［２］ 前記凸曲面部の形状は、頂部を通り前記容器の前記外面に直交する中心軸に対して、回転対称である、上記［１］に記載の冷却デバイス。
［３］ 前記凸曲面部の頂部の高さは５μｍ以上１００μｍ以下である、上記［１］または［２］に記載の冷却デバイス。
［４］ 前記容器は、前記外面における前記取付位置を含む部分に窪み部を有し、前記窪み部は、前記凸曲面部を収容する、上記［１］～［３］のいずれか１つに記載の冷却デバイス。
［５］ 前記容器の前記凸曲面部以外に設けられ、前記容器を前記発熱体に向かって付勢する弾性部材をさらに備える、上記［１］～［４］のいずれか１つに記載の冷却デバイス。
［６］ 前記容器の内面における、前記取付位置の背面に設けられる伝熱部材をさらに備え、前記凸曲面部の外形は、前記伝熱部材の外形よりも小さい、上記［１］～［５］のいずれか１つに記載の冷却デバイス。
［７］ 前記容器の上部で前記容器を貫通して延在し、第２作動流体が内部を流通する凝縮管をさらに備え、沸騰冷却装置として用いられる、上記［１］～［６］のいずれか１つに記載の冷却デバイス。
［８］ 前記容器は、ベーパーチャンバとして用いられる、上記［１］～［６］のいずれか１つに記載の冷却デバイス。
［９］ 前記容器は、ヒートパイプとして用いられる、上記［１］～［６］のいずれか１つに記載の冷却デバイス。
［１０］ 上記［１］～［９］のいずれか１つに記載の冷却デバイスと、前記冷却デバイスの前記取付位置に取り付けられる発熱体と、を備えることを特徴とする電子部品の冷却構造。

【発明の効果】

【0008】

本開示によれば、小型で容易に製造でき、安定して優れた冷却効率を有する冷却デバイスおよび電子部品の冷却構造を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施形態の冷却デバイスの一例を示す斜視図である。

【図2】図２は、実施形態の冷却デバイスの一例を示す底部側の拡大断面図である。

【図3】図３は、実施形態の冷却デバイスの他の例を示す底部側の拡大断面図である。

【図4】図４は、実施形態の冷却デバイスの他の例を示す底部側の拡大断面図である。

【図5】図５は、実施形態の冷却デバイスに設けられる弾性部材の一例を示す拡大断面図である。

【図6】図６は、実施形態の冷却デバイスがベーパーチャンバである容器の一例を示す上面透過図である。

【図7】図７は、実施形態の冷却デバイスがベーパーチャンバである一例を示す縦断面図である。

【図8】図８は、実施形態の冷却デバイスがヒートパイプである一例を示す縦断面図である。

【図9】図９は、実施形態の電子部品の冷却構造の一例を示す底部側の拡大断面図である。

【図10】図１０は、実施例１および比較例１で製造した冷却デバイスの熱密度と熱抵抗との関係を示すグラフである。

【図11】図１１は、従来の冷却デバイスの一例を示す底部側の拡大断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態に基づき詳細に説明する。

【0011】

図１は、実施形態の冷却デバイスの一例を示す斜視図である。図２は、冷却デバイスの一例を示す底部側の拡大断面図である。図３は、冷却デバイスの他の例を示す底部側の拡大断面図である。なお、図１では、便宜上、冷却デバイスの容器の内部構造がわかるように部分的に透過した状態を示している。

【0012】

図１、２に示すように、実施形態の冷却デバイス１は、内部空間Ｓに第１作動流体Ｆ１を有し、外面１０ａの取付位置１１で発熱体７０と熱的に接続可能な容器１０を備える冷却デバイスである。冷却デバイス１において、容器１０は、外面１０ａにおける取付位置１１を含む部分に凸曲面部２０を有する。冷却デバイス１は、第１作動流体Ｆ１を液相から気相に相変化させることによる潜熱を利用したものである。ここでは、冷却デバイス１が沸騰冷却装置である例を示す。

【0013】

冷却デバイス１は、内部空間Ｓに第１作動流体Ｆ１を封入する容器１０を備える。内部に内部空間Ｓを有する容器１０は、外面１０ａに配置される取付位置１１で、発熱体７０と熱的に接続可能である。例えば、発熱体７０は、基板８０の表面に設けられる。

【0014】

沸騰冷却装置として用いられる冷却デバイス１では、容器１０の底部１２の外面１０ａに配置される取付位置１１で、容器１０は発熱体７０と熱的に接続される。容器１０の底部１２の内面１０ｂには、伝熱部材３０が取り付けられている。伝熱部材３０は、容器１０の内面１０ｂにおける、取付位置１１の背面に設けられる。

【0015】

冷却デバイス１の冷却効率を向上する観点から、容器１０を形成する材料は、高い熱伝導性を有することが好ましく、その中でも、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、ステンレス鋼のような鉄合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、またはマグネシウム合金であることがより好ましい。

【0016】

また、冷却デバイス１の冷却効率を向上する観点から、伝熱部材３０を形成する材料は、高い熱伝導性を有することが好ましく、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、チタン、チタン合金、鉄、または鉄合金であることがより好ましい。

【0017】

液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）は、容器１０の下部に存在し、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）は、容器１０の上部に存在する。容器１０の底部１２に固着される伝熱部材３０の全体は、液相の作動流体Ｆ１（Ｌ）に浸漬している。

【0018】

また、冷却デバイス１は、容器１０の上部で容器１０を貫通して延在し、第２作動流体Ｆ２が内部を流通する凝縮管４０をさらに備る。凝縮管４０は、液相の第１作動流体Ｆ（Ｌ）の液面よりも上方の容器１０の側壁を貫通する貫通穴１３を挿通し、容器１０の内部および外部に亘って延在する。例えば、第１作動流体Ｆ１の循環経路は容器１０の内部空間Ｓであり、第２作動流体Ｆ２の循環経路は凝縮管４０であるため、第１作動流体Ｆ１と第２作動流体Ｆ２とは混ざり合わない。

【0019】

凝縮管４０は、液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）の液面よりも上方の内部空間Ｓ内に配設される。例えば、凝縮管４０に設けられる不図示の循環ポンプによって、第２作動流体Ｆ２は凝縮管４０内を循環している。

【0020】

容器１０の上部に配設される凝縮管４０は、凝縮管４０内を流れる第２作動流体Ｆ２によって、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）から熱を吸収し、冷却された気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）を凝縮させて液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に相変化させる。冷却デバイス１の冷却効率を高めるために、凝縮管４０の外面には、外面の表面積を増大させる不図示の凹凸部位を設けてもよい。同様に、冷却デバイス１の冷却効率を高めるために、凝縮管４０の内面には、内面の表面積を増大させる不図示の凹凸部位を設けてもよい。

【0021】

また、冷却デバイス１である沸騰冷却装置は、図１に示すように凝縮管４０が複数で構成される凝縮管群４１を備える構成を示しているが、これに限定されるものではない。例えば、冷却デバイス１は、凝縮管４０の代わりに、不図示の冷却フィンなどの冷却機構を有してもよい。

【0022】

冷却デバイス１の冷却効率を向上する観点から、凝縮管４０を形成する材料は、高い熱伝導性を有することが好ましく、その中でも、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、鉄、鉄合金、チタン、チタン合金、マグネシウム、またはマグネシウム合金であることがより好ましい。

【0023】

冷却デバイス１の冷却効率の向上や第１作動流体Ｆ１の電気絶縁性の観点から、第１作動流体Ｆ１は、高い電気絶縁性を有することが好ましく、その中でも、水、アルコール、アンモニア、フルオロカーボン類、シクロペンタン、エチレングリコール、またはこれらの混合物であることが好ましく、フルオロカーボン類、シクロペンタン、エチレングリコールであることがより好ましく、フルオロカーボン類であることがさらに好ましい。

【0024】

第２作動流体Ｆ２には、水、主成分としてエチレングリコールなどを含む不凍液が用いられる。容器１０の内部を流れる第２作動流体Ｆ２の温度は、第２作動流体Ｆ２によって気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）から液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に凝縮可能な温度以下に保持されている。

【0025】

容器１０は、容器１０の外面１０ａにおける取付位置１１を含む部分に、凸曲面部２０を有する。凸曲面部２０は、容器の外面１０ａから突き出ている。例えば、凸曲面部２０は、グリスなどの潤滑剤９０を介して、発熱体７０に取り付けられる。

【0026】

凸曲面部２０は、底部１２に配置される取付位置１１を含む外面１０ａに設けられる。容器１０の外面１０ａにおいて、凸曲面部２０は、取付位置１１よりも大きい。すなわち、取付位置１１は、凸曲面部２０内に配置される。例えば、凸曲面部２０は、容器１０の外面１０ａの一部分に設けられる。

【0027】

凸曲面部２０の表面形状は、半楕円体や半球体のような連続する楕円弧状や円弧状などの曲面である。凸曲面部２０の表面には、凹部や角部は設けられない。

【0028】

このような凸曲面部２０を備える容器１０は、発熱体７０に対して以下のように作用する。

【0029】

凸曲面部２０を外面１０ａに備える容器１０が、例えば潤滑剤９０を介して、発熱体７０に取り付けられ、図２に示すような容器１０の外面１０ａと発熱体７０とが互いに平行な状態で熱的に接続される場合には、凸曲面部２０の頂部２１が発熱体７０に最も近い部分になる。発熱体７０から容器１０に伝わる熱は、凸曲面部２０の頂部２１に集中し、発熱体７０の熱は、頂部２１から容器１０に伝わる。凸曲面部２０の背面に配置される伝熱部材３０は、頂部２１から容器１０に伝達された熱を効率的に吸収する。このように、伝熱部材３０を頂部２１の背面に設置することで、発熱体７０を効率的に冷却できる。そのため、伝熱部材３０の配置場所のマージンを大きく取ることが不要になる。

【0030】

また、図３に示すような容器１０の外面１０ａと発熱体７０とが非平行な状態で熱的に接続される場合、凸曲面部２０における頂部２１と端部２２との間の位置が発熱体７０に最も近い部分になる。すなわち、凸曲面部２０における端部２２よりも内側の部分が発熱体７０に最も近い。発熱体７０から容器１０に伝わる熱は、凸曲面部２０における端部２２よりも内側部分に集中し、発熱体７０の熱は、内側部分から伝熱部材３０に伝わる。伝熱部材３０を凸曲面部２０の背面に設置することで、発熱体７０を効率的に冷却できる。そのため、伝熱部材３０の配置場所のマージンを大きく取ることが不要になる。

【0031】

このように、容器１０の外面１０ａと発熱体７０とが非平行な状態で取り付けられる場合であっても、伝熱部材３０の配置場所のマージンを大きく取ることが不要になる。そのため、冷却デバイス１を小型化できる。

【0032】

さらに、容器１０の外面１０ａと発熱体７０とが非平行な状態で取り付けられる場合であっても、伝熱部材３０を凸曲面部２０の背面に設置することによって、発熱体７０を効率的に冷却できる。容器１０の外面１０ａおよび発熱体７０の接触角度が発熱体７０の冷却効率に与える影響は、大きく低下する。そのため、冷却デバイス１は、安定して優れた冷却効率を有する。

【0033】

さらに、容器１０の外面１０ａと発熱体７０とが非平行な状態で取り付けられる場合であっても、上記のような冷却デバイス１の小型化や優れた冷却効率の安定化が発揮される。すなわち、容器１０の外面１０ａと発熱体７０とを平行な状態で取り付けなくても、冷却デバイス１は上記効果を発揮できる。そのため、冷却デバイス１を容易に製造できる。

【0034】

仮に図１１に示す従来の冷却デバイスのように、凸曲面部２０を具備しない容器１０の外面１０ａと発熱体７０とが非平行な状態で取り付けられる場合、発熱体７０から容器１０に伝わる熱は、発熱体７０の端部７１に近い容器１０の部分に集中する。容器１０に伝達された熱は、伝熱部材３０と接触していない内面１０ｂの部分にも伝わり、伝熱部材３０が発熱体７０の熱を吸収する効率は低下する。そのため、伝熱部材３０の設計マージンを大きく取ることが必要である。また、容器１０と発熱体７０との接触状態は、発熱体７０の冷却効率に大きな影響を及ぼすため、容器１０の外面１０ａは、発熱体７０に対して、非平行ではなく、平行に取り付けることが求められる。このように、容器１０の外面１０ａを発熱体７０に対して平行に取り付けることは容易ではない。

【0035】

また、凸曲面部２０の形状は、頂部２１を通り容器１０の外面１０ａに直交する中心軸２３に対して、回転対称であることが好ましい。凸曲面部２０の形状が中心軸２３を中心として回転対称であると、発熱体７０から凸曲面部２０への熱の伝達効率が向上するため、冷却デバイス１の冷却効率はさらに向上する。また、外面１０ａの凸曲面部２０を発熱体７０に容易に取り付けできるため、冷却デバイス１をさらに容易に製造できる。さらには、冷却デバイス１をさらに小型化できる。

【0036】

また、凸曲面部２０の頂部２１の高さｈは、好ましくは５μｍ以上１００μｍ以下である。頂部２１の高さｈが５μｍ以上であると、凸曲面部２０を容易に形成できる。頂部２１の高さｈが１００μｍ以下であると、発熱体７０から凸曲面部２０への熱の伝達効率が向上するため、冷却デバイス１の冷却効率はさらに向上する。また、外面１０ａの凸曲面部２０を発熱体７０に容易に取り付けできるため、冷却デバイス１をさらに容易に製造できる。さらには、冷却デバイス１をさらに小型化できる。

【0037】

また、図４に示すように、容器１０は、外面１０ａにおける取付位置１１を含む部分に窪み部１４を有することが好ましい。また、窪み部１４は、凸曲面部２０を収容することが好ましい。窪み部１４は、取付位置１１を有する容器１０の底部１２の外面１０ａに設けられ、外面１０ａから内面１０ｂに向かって窪んでいる。容器１０の外面１０ａにおいて、窪み部１４は、凸曲面部２０よりも大きい。凸曲面部２０は、窪み部１４の底部に設けられる。窪み部１４の底部の形状は、凸曲面部２０の形状に応じて、適宜選択される。

【0038】

容器１０が窪み部１４を有し、窪み部１４が凸曲面部２０を収容すると、発熱体７０は、窪み部１４内に収容される凸曲面部２０内の取付位置１１に取り付けられることから、冷却デバイス１の厚さを低減することができる。そのため、冷却デバイス１をさらに小型化できる。

【0039】

また、図２などに示すように、凸曲面部２０の外形２０ｄは、伝熱部材３０の外形３０ｄよりも小さいことが好ましい。外面１０ａに沿った凸曲面部２０の外形２０ｄが内面１０ｂに沿った伝熱部材３０の外形３０ｄよりも小さいため、小さい凸曲面部２０によって、上述した冷却デバイス１の優れた冷却効率や製造の容易化を効率的に達成できる。

【0040】

また、図５に示すように、冷却デバイス１は、容器１０の凸曲面部２０以外に設けられ、容器１０を発熱体７０に向かって付勢する弾性部材５０をさらに備えてもよい。すなわち、弾性部材５０は、凸曲面部２０には設けられない。弾性部材５０は、例えば図１に示すように、容器１０の外側に設けられる。

【0041】

弾性部材５０は、例えば、バネ部５１およびナット部５２を有する。また、容器１０の底部１２には、外面１０ａから内面１０ｂに貫通する貫通穴１５が設けられる。貫通穴１５の内径は、バネ部５１の外形よりも小さい。基板８０の表面に立設する支持部８１には、容器１０の貫通穴１５を挿通している状態で、容器１０の内面１０ｂ側からバネ部５１が挿通される。支持部８１の先端部に設けられるネジ部８１ａには、バネ部５１側から、ナット部５２が螺合される。ナット部５２がネジ部８１ａに締め込まれながら容器１０の内面１０ｂに近づくにつれて、弾性力がバネ部５１に付与される。バネ部５１の弾性力が容器１０に付与されることによって、容器１０は発熱体７０に向かって付勢される。支持部８１に対するナット部５２の締め込み度合いに応じて、容器１０を発熱体７０に付勢する力を調整できる。

【0042】

このような冷却デバイス１は、主に以下の冷却経路によって、発熱体７０を冷却する。

【0043】

沸騰冷却装置である冷却デバイス１では、発熱体７０の熱は、凸曲面部２０内の取付位置１１を介して、容器１０から伝熱部材３０に伝達される。伝熱部材３０に伝達された熱は、液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）を蒸発させて気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）に相変化させることによって、冷却デバイス１は、発熱体７０からの熱を潜熱として吸収する。気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）は、容器１０の内部空間Ｓを上方へ移動し、凝縮管４０などの冷却機構と熱的に接触する。冷却機構として凝縮管４０を用いる場合、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）は、凝縮管４０を介して、内部を流通する第２の作動流体Ｆ２と熱交換することによって、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）は、液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に相変化する。気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）から液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）への相変化の際に、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）から放出される潜熱は、凝縮管４０内を流通する第２作動流体Ｆ２に伝達される。相変化した液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）は、重力の作用により、容器１０の内部空間Ｓを下部へ還流する。第１作動流体Ｆ１は、密閉された内部空間Ｓで、液相から気相への相変化、および気相から液相への相変化を繰り返す。気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）から熱を吸収した第２作動流体Ｆ２は、凝縮管４０に沿って冷却デバイス１の内部から外部へ流通することで、発熱体７０の熱を冷却デバイス１の外部に輸送される。

【0044】

上記では、冷却デバイス１が沸騰冷却装置に用いられる例について説明したが、冷却デバイスは、ベーパーチャンバとして用いられることも好ましい。

【0045】

図６は、実施形態の冷却デバイスがベーパーチャンバである容器の一例を示す上面透過図である。図７は、実施形態の冷却デバイスがベーパーチャンバである一例を示す縦断面図である。

【0046】

図６、７では、冷却デバイス１ａはベーパーチャンバとして用いられる。冷却デバイス１ａの容器１０は、例えば、板状容器であり、２つの金属板１６を接合して形成される。冷却デバイス１ａの容器１０の内部空間Ｓは、外部環境に対して密閉された空間であり、脱気処理により減圧されている。

【0047】

容器１０には、発熱体７０からの熱を液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に伝え、液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）を蒸発させて気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）に相変化させる蒸発部６０と、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）を凝縮させて液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に相変化させる凝縮部６１とを設ける。

【0048】

容器１０の外面１０ａに設けられる凸曲面部２０には、発熱体７０が取り付けられる。例えば、図６、７に示す冷却デバイス１ａでは、凸曲面部２０は容器１０の一端側部分に設けられる。蒸発部６０は、凸曲面部２０側の内部空間に形成される。蒸発部６０は、凸曲面部２０内の取付位置１１と熱的に接続された発熱体７０から伝達される熱を吸収する機能を有する。蒸発部６０は、発熱体７０から伝達された熱によって、内部空間Ｓに封入された液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）を蒸発させて気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）に相変化させることで、冷却デバイス１ａは、蒸発潜熱として発熱体７０の熱を吸収する。

【0049】

凝縮部６１は、蒸発部６０から離れた位置に配設される。例えば、容器１０の他端側部分に配設される。凝縮部６１は、蒸発部６０で相変化した気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）を放熱する機能を有している。具体的には、凝縮部６１は、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）を凝縮させて液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に相変化させ、それにより凝縮潜熱として流通する作動流体Ｆ１（Ｇ）の熱を容器１０の外部に放出する。

【0050】

例えば、蒸発部６０から凝縮部６１への気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）の流通は、内部空間Ｓの主に上方で行われる。凝縮部６１から蒸発部６０への液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）の流通は、内部空間Ｓの主に下方で行われる。これにより、蒸発部６０と凝縮部６１との間で第１作動流体Ｆ１が循環される。

【0051】

また、冷却デバイスは、ヒートパイプとして用いられることも好ましい。

【0052】

図８は、実施形態の冷却デバイスがヒートパイプである一例を示す縦断面図である。

【0053】

図８では、冷却デバイス１ｂはヒートパイプとして用いられる。冷却デバイス１ｂの容器１０は、例えば管状容器である。上記の冷却デバイス１ａと基本的に同様の動作原理によって動作するヒートパイプとしての冷却デバイス１ｂでは、ベーパーチャンバに比べて容器１０の内部空間Ｓが広い。

【0054】

容器１０の外面１０ａに設けられる凸曲面部２０には、発熱体７０が取り付けられる。例えば、図８に示す冷却デバイス１ｂでは、凸曲面部２０は容器１０の一端側部分に設けられる。

【0055】

容器１０には、液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）を蒸発させて気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）に相変化させる蒸発部６０と、蒸発部６０から離れた位置に配設され、気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）を凝縮させて液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に相変化させる凝縮部６１とを設ける。

【0056】

例えば、蒸発部６０から凝縮部６１への気相の第１作動流体Ｆ１（Ｇ）の流通は、容器１０の内部空間Ｓに沿って行われる。凝縮部６１から蒸発部６０への液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）の流通は、蒸発部６０から凝縮部６１に連続して延在する、液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）に対して毛細管力を発揮する液相流路１７に沿って行われる。凝縮部６１で凝縮した液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）は、液相流路１７の毛細管力によって蒸発部６０に運ばれるため、蒸発部６０および凝縮部６１の高さ位置の関係によらず、冷却デバイス１ｂを動作させることができる。また、凝縮部６１から蒸発部６０への液相の第１作動流体Ｆ１（Ｌ）の流通は、容器１０の底面に沿って行われてもよい。

【0057】

図９は、実施形態の電子部品の冷却構造２の一例を示す底部側の拡大断面図である。電子部品の冷却構造２は、上記の冷却デバイス１、１ａ、１ｂと、冷却デバイス１、１ａ、１ｂの取付位置１１に取り付けられる発熱体７０と、を備える。

【0058】

凸曲面部２０を具備する冷却デバイス１、１ａ、１ｂで発熱体７０を冷却する電子部品の冷却構造２は、冷却デバイス１、１ａ、１ｂと同様に、小型で容易に製造でき、安定して優れた冷却効率を有する。

【0059】

以上説明した実施形態によれば、内部空間に作動流体を収容する容器の外面構造に着目し、容器外面における取付位置を含む部分に凸曲面部を設けることによって、安定して優れた冷却効率を有する小型化の冷却デバイスを容易に製造できる。

【0060】

以上、実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の概念および特許請求の範囲に含まれるあらゆる態様を含み、本開示の範囲内で種々に改変することができる。

【実施例】

【0061】

次に、実施例および比較例について説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。

【0062】

（実施例１）
図１～２に示す構成を有する沸騰冷却装置である冷却デバイスを製造した。凸曲面部は曲率Ｒが２５００、半径が１０ｍｍ、頂部の高さが２０μｍ、中心軸に対して回転対称であった。

【0063】

（比較例１）
図１１に示す構成を有する沸騰冷却装置である冷却デバイスを製造した。すなわち、比較例１の冷却デバイスは凸曲面部を具備せず、容器の外面１０ａが平坦であった。

【0064】

実施例１および比較例１で製造した冷却デバイスについて、熱密度と熱抵抗とを測定した。熱密度は、発熱体と容器との接触面積に対する発熱体の発熱量の比（発熱体の発熱量／発熱体の接触面積）から算出した。熱抵抗は、容器に流入する直前の作動流体の温度ｔ１と容器から流出した直線の作動流体の温度ｔ２とを熱電対で測定し、発熱体の発熱量に対する上記温度の差の比（ｔ１－ｔ２／発熱体の発熱量）から算出した。図１０は、熱密度と熱抵抗との関係を示すグラフである。

【0065】

図１０に示すように、凸曲面部を有する容器を備えた実施例１の冷却デバイスは、比較例１の冷却デバイスに比べて、熱抵抗を低減できた。このとき、実施例１では、容器と発熱体とを平行な状態で取り付けなくても、冷却デバイスの冷却効率を安定化できたことから、冷却デバイスの製造が容易になった。そのため、実施例１の冷却デバイスは、安定して優れた冷却効率を有することができた。また、上述のように、凸曲面部を有する実施例１の冷却デバイスは、小型化を図ることができる。

【符号の説明】

【0066】

１、１ａ、１ｂ 冷却デバイス
２ 電子部品の冷却構造
１０ 容器
１０ａ 容器の外面
１０ｂ 容器の内面
１１ 取付位置
１２ 容器の底部
１３ 貫通穴
１４ 窪み部
１５ 貫通穴
１６ 金属板
１７ 液相流路
２０ 凸曲面部
２１ 凸曲面部の頂部
２２ 凸曲面部の端部
２３ 凸曲面部の中心軸
３０ 伝熱部材
４０ 凝縮管
４１ 凝縮管群
５０ 弾性部材
５１ バネ部
５２ ナット部
６０ 蒸発部
６１ 凝縮部
７０ 発熱体
７１ 発熱体の端部
８０ 基板
８１ 支持部
８１ａ ネジ部
９０ 潤滑剤
Ｓ 内部空間
Ｆ１ 第１作動流体
Ｆ１（Ｌ） 液相の第１作動流体
Ｆ１（Ｇ） 気相の第１作動流体
Ｆ２ 第２作動流体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】