JP6353682B2 - 沸騰冷却装置 - Google Patents

Description

この発明は、冷媒の相変化を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。

たとえば、半導体素子や、半導体素子およびその制御回路が一体化されたパワー半導体モジュールを冷却する冷却装置として、冷媒の相変化を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置を用いることが考えられている。

この種の沸騰冷却装置として、箱状のケーシングの１つの側壁外面の上部に発熱体取付部が設けられ、ケーシングにおける発熱体取付部が設けられた側壁と対向する側壁が放熱壁とされ、ケーシングにおける発熱体取付部が設けられた側壁内面に金属多孔質体が形成され、ケーシング内に潜熱として熱を輸送する冷媒が所定量封入されており、金属多孔質体が、ケーシングの前記側壁のほぼ全高にわたって設けられたものが知られている（特許文献１参照）。

特許文献１記載の沸騰冷却装置によれば、ケーシングの下部に貯まった液相冷媒が、金属多孔質体の毛細管現象により発熱体取付部の近傍に運搬され、発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱により沸騰させられ、気相冷媒の有する熱がケーシングの放熱壁から凝縮潜熱を放熱して凝縮し、ケーシングの下部に還流するようになっている。

しかしながら、特許文献１記載の沸騰冷却装置によれば、相変化を伴う冷媒の循環がスムーズに行われず、十分な冷却効果が得られないという問題がある。

特開２０００−４９２６６号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、特許文献１記載の沸騰冷却装置に比較して冷却効果を向上しうる沸騰冷却装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。

1)外部からの熱を受ける中空状受熱部、受熱部の上方に設けられ、かつ外部に熱を放出する中空状放熱部、および受熱部内と放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、
受熱部の底壁外面または側壁外面に発熱体取付部が設けられ、受熱部の発熱体取付部が設けられた壁の内面に、金属多孔質体が、前記壁の内面から受熱部内方に突出し、かつ全体が冷媒中に浸漬されるように一体に形成され、金属多孔質体の表面が気泡放出面となるとともに、金属多孔質体の気泡放出面に沿うように気泡上昇部が設けられ、金属多孔質体に、突出端面から発熱体取付部側にのび、かつ毛細管力により液相冷媒を金属多孔質体の突出端面から発熱体取付部側に導く液相冷媒通路が形成され、液相冷媒通路内の液相冷媒が、金属多孔質体における液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が気泡放出面に至るようになされている沸騰冷却装置。

2)受熱部の底壁外面に発熱体取付部が設けられ、金属多孔質体が、受熱部の底壁内面に、底壁内面から上方に突出するように一体に形成され、金属多孔質体に、突出端面である上端面から発熱体取付部側にのびる液相冷媒通路が形成されている上記1)記載の沸騰冷却装置。

3)液相冷媒通路が、金属多孔質体の上端面から発熱体取付部側端部に至っている上記2)記載の沸騰冷却装置。

4)金属多孔質体がブロック状であって、上端面から下方にのびる複数の空間が形成されており、当該空間の内周面および金属多孔質体の外周面が気泡放出面となり、前記空間内および金属多孔質体の周りの部分が、金属多孔質体の気泡放出面に沿う気泡上昇部となっている上記2)または3)記載の沸騰冷却装置。

5)金属多孔質体の空間が水平断面方形である上記4)記載の沸騰冷却装置。

6)金属多孔質体の空間が水平断面六角形である上記4)記載の沸騰冷却装置。

7)金属多孔質体の空間が水平断面円形である上記4)記載の沸騰冷却装置。

8)金属多孔質体の内部における前記空間を囲繞する壁部分に、受熱部の底壁と一体に形成されて上方にのびる熱拡散部が、液相冷媒通路を避けるように設けられており、熱拡散部の空孔率が、金属多孔質体における熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている上記4)〜7)のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。

9)熱拡散部が板状であって、金属多孔質体における空間を囲繞する壁部分に、当該壁部分の厚み方向に間隔をおいて形成されており、両熱拡散部間に液相冷媒通路が形成されている上記8)記載の沸騰冷却装置。

10)前記空間が、金属多孔質体の上端面から発熱体取付部側端部に至っている上記4)〜9)のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。

11)受熱部の底壁内面における前記空間に臨む部分に、金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている上記10)記載の沸騰冷却装置。

12)金属多孔質体が上下方向にのびるピン状であって、互いに間隔をおいて複数設けられており、金属多孔質体の外周面が気泡放出面となり、金属多孔質体の周りの部分が、金属多孔質体の気泡放出面に沿う気泡上昇部となっている上記2)または3)記載の沸騰冷却装置。

13)金属多孔質体の内部に、受熱部の底壁と一体に形成されて上方にのびる熱拡散部が、液相冷媒通路を避けるように設けられており、熱拡散部の空孔率が、金属多孔質体における熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている上記12)記載の沸騰冷却装置。

14)受熱部の底壁内面における金属多孔質体間に臨む部分に、金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている上記12)または13)記載の沸騰冷却装置。

15)受熱部の側壁外面に発熱体取付部が設けられ、金属多孔質体が、受熱部の側壁内面に、側壁内面から当該側壁と直角をなす方向に突出するように一体に形成され、金属多孔質体に、突出端面から発熱体取付部側にのびる液相冷媒通路が形成されている上記1)記載の沸騰冷却装置。

16)液相冷媒通路が、金属多孔質体の突出端面から発熱体取付部側端部に至っている上記15)記載の沸騰冷却装置。

17)金属多孔質体が、長手方向を上下方向に向けた垂直板状であって、受熱部の側壁の幅方向に間隔をおいて複数設けられており、金属多孔質体の両側面が気泡放出面となり、金属多孔質体の両側部分が、金属多孔質体の気泡放出面に沿う気泡上昇部となっている上記15)または16)記載の沸騰冷却装置。

18)金属多孔質体の内部に、受熱部の側壁と一体に形成されて金属多孔質体と平行な方向に突出した熱拡散部が、液相冷媒通路を避けるように設けられており、熱拡散部の空孔率が、金属多孔質体における熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている上記17)記載の沸騰冷却装置。

19)熱拡散部が板状であって、金属多孔質体に、上下方向および厚み方向に間隔をおいて形成されており、金属多孔質体の厚み方向に間隔をおいて形成された両熱拡散部間に液相冷媒通路が形成されている上記18)記載の沸騰冷却装置。

20)受熱部の側壁内面における隣り合う金属多孔質体間の部分に、金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている上記17)〜19)のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。

21)金属多孔質体が横方向にのびるピン状であって、互いに間隔をおいて複数設けられており、金属多孔質体の外周面が気泡放出面となり、金属多孔質体の周りの部分が、金属多孔質体の気泡放出面に沿う気泡上昇部となっていいる上記15)または16)記載の沸騰冷却装置。

22)金属多孔質体の内部に、受熱部の側壁と一体に形成されて金属多孔質体と平行な方向に突出した熱拡散部が、液相冷媒通路を避けるように設けられており、熱拡散部の空孔率が、金属多孔質体における熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている上記21)記載の沸騰冷却装置。

23)受熱部の側壁内面における隣り合う金属多孔質体間の部分に、金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている上記21)または22)記載の沸騰冷却装置。

24)金属多孔質体の表面に、他の部分の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられており、発泡起点層の表面が気泡放出面となっている上記1)〜23)のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。

25)冷媒封入体が、受熱部、放熱部および冷媒流通部を含めて全体が一体に設けられており、放熱部内に、冷却流体を冷媒封入体の外部から供給するとともに冷媒封入体の外部に戻す冷却流体循環管が配置されている上記1)〜24)のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。

上記1)〜25)の沸騰冷却装置によれば、受熱部の底壁外面または側壁外面に発熱体取付部が設けられ、受熱部の発熱体取付部が設けられた壁の内面に、金属多孔質体が、前記壁の内面から受熱部内方に突出し、かつ全体が冷媒中に浸漬されるように一体に形成され、金属多孔質体の表面が気泡放出面となるとともに、金属多孔質体の気泡放出面に沿うように気泡上昇部が設けられ、金属多孔質体に、突出端面から発熱体取付部側にのび、かつ毛細管力により液相冷媒を金属多孔質体の突出端面から発熱体取付部側に導く液相冷媒通路が形成され、液相冷媒通路内の液相冷媒が、金属多孔質体における液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が気泡放出面に至るようになされているので、冷媒封入体の受熱部の発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱が、受熱部の発熱体取付部が設けられた壁を経て金属多孔質体に伝わり、金属多孔質体内における液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に存在する冷媒が、当該囲繞部において沸騰気化してガス状になるとともに、生成した気泡が気泡放出面に至り、液相冷媒中に放出される。液相冷媒中に放出されたガス状冷媒からなる気泡は気泡上昇部に沿って液相冷媒中を上昇し、冷媒封入体の冷媒流通部を経て放熱部に至り、放熱部において放熱して再液化し、冷媒流通部を経て受熱部に戻る。受熱部に溜められている液相冷媒は、金属多孔質体に設けられている液相冷媒通路を通って金属多孔質体の囲繞部に戻る。このような動作を繰り返すことによって、発熱体から発せられる熱が、冷媒により潜熱として放熱部に輸送され、放熱部から放熱される。したがって、 相変化を伴う冷媒の循環がスムーズに行われることになり、冷却効果が向上する。

上記8)の沸騰冷却装置によれば、発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱が、熱拡散部を通って速やかに金属多孔質体に伝えられる。

上記18)の沸騰冷却装置によれば、発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱が、熱拡散部を通って速やかに金属多孔質体に伝えられる。

上記22)の沸騰冷却装置によれば、発熱体取付部に取り付けられた発熱体から発せられる熱が、熱拡散部を通って速やかに金属多孔質体に伝えられる。

この発明の実施形態１の沸騰冷却装置を概略的に示す垂直断面図である。 図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体を示す斜視図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 図３の部分拡大図である。 図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第１の変形例を示す図４相当の図である。 図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第２の変形例を示す図３相当の図である。 図６の部分拡大図である。 図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第３の変形例を示す図７相当の図である。 図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第４の変形例を示す図３相当の図である。 図９の部分拡大図である。 図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第５の変形例を示す図１０相当の図である。 図２〜図１１に示される金属多孔質体が用いられる沸騰冷却装置の変形例を示す図１相当の図である。 この発明の実施形態２の沸騰冷却装置を概略的に示す垂直断面図である。 図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体を示す斜視図である。 図１４のＢ−Ｂ線断面図である。 図１５の部分拡大図である。 図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第１の変形例を示す図１６相当の図である。 図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第２の変形例を示す図１５相当の図である。 図１８の部分拡大図である。 図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第３の変形例を示す図１９相当の図である。 図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第４の変形例を示す図１５相当の図である。 図２１の部分拡大図である。 図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の第５の変形例を示す図２２相当の図である。

以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。

以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。

また、全図面を通じて同一物および同一部分には同一符号を付す。

実施形態１
この実施形態は図１〜図４に示すものである。

図１はこの発明の実施形態１の沸騰冷却装置の全体構成を概略的に示し、図２〜図４は図１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体を示す。

図１において、沸騰冷却装置(1)は、外部からの熱を受ける中空状受熱部(3)、外部に熱を放出する中空状放熱部(4)、および受熱部(3)内と放熱部(4)内とを通じさせる冷媒流通部(5)を有するアルミニウム製の冷媒封入体(2)と、冷媒封入体(2)内に封入されて受熱部(3)に貯留されておりかつ潜熱として熱を輸送する冷媒(6)とを備えている。冷媒(6)は、たとえばハイドロフルオロエーテルからなり、冷媒封入体(2)内を真空状態として封入されている。

冷媒封入体(2)は、受熱部(3)、放熱部(4)および冷媒流通部(5)を含めて全体がアルミニウムにより直方体状に形成されており、冷媒封入体(2)の受熱部(3)の底壁(3a)外面に発熱体取付部(7)が設けられている。発熱体取付部(7)に、たとえば半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールなどからなる発熱体(P)が、図示しない熱伝導性グリスを介して取り付けられるようになっている。また、冷媒封入体(2)の受熱部(3)の底壁(3a)内面における発熱体取付部(7)と合致した位置に、アルミニウム製金属多孔質体(8)が、底壁(3a)内面から受熱部(3)内方（上方）に突出し、かつ全体が冷媒(6)中に浸漬されるように一体に形成されている。冷媒封入体(2)の放熱部(4)内に、冷却流体を冷媒封入体(2)の外部から供給するとともに冷媒封入体(2)の外部に戻す冷却流体循環管(9)が配置されている。

図２〜図４に示すように、金属多孔質体(8)はブロック状であって、上端面から下方（発熱体取付部(7)側）にのびる水平断面方形の空間(14)が縦横に並んで複数形成されている。また、金属多孔質体(8)の周面には、上下方向にのびる角溝(11)が、空間(14)と並ぶように形成されている。ここでは、空間(14)および角溝(11)は、金属多孔質体(8)の上端面から下端まで至っているが、これに限定されるものではなく、金属多孔質体(8)の上端面から高さ方向の下部、たとえば下端寄りの部分までのびていればよい。

金属多孔質体(8)の上端面、金属多孔質体(8)の空間(14)の内周面、金属多孔質体(8)の角溝(11)の内周面、および金属多孔質体(8)の外周面の隣り合う角溝(11)間の部分における表面から一定の深さの範囲には、他の部分の空孔率および空孔径よりも大きい空孔率および空孔径を有する発泡起点層(12)が設けられており、金属多孔質体(8)の表面、すなわち発泡起点層(12)の表面が気泡放出面(12a)となっている。また、金属多孔質体(8)の空間(14)内、および角溝(11)を含む金属多孔質体(8)の周りの部分が、気泡放出面(12a)に沿う気泡上昇部(13)となっている。

金属多孔質体(8)に、突出端面（上端面）から発熱体取付部(7)側端部（下端部）に至り、かつ毛細管力により液相冷媒を金属多孔質体(8)の突出端面から発熱体取付部(7)側に導く複数の液相冷媒通路(16)が形成されている。液相冷媒通路(16)は、金属多孔質体(8)の内部における空間(14)および角溝(11)を囲繞する部分に形成されており、毛細管力により液相冷媒(6)を金属多孔質体(8)の上端面から発熱体取付部(7)側に導くようになっている。すなわち、液相冷媒通路(16)は、水平断面において、金属多孔質体(8)における空間(14)の辺となる部分、空間(14)の辺となる部分どうしの交差部、ならびに角溝(11)の底壁および側壁となる部分に形成されている。液相冷媒通路(16)の断面積を、この面積と等しい円の直径で表した円相当径は、使用する液相冷媒(6)の毛細管距離が１０以上となるような大きさとすることが好ましい。たとえば、液相冷媒(6)としてハイドロフルオロエーテルの用いる場合、上述した円相当径は、１００μｍ以下であることが好ましい。そして、液相冷媒通路(16)内の液相冷媒が、金属多孔質体(8)における液相冷媒通路(16)を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が気泡放出面(12a)に至るようになされている。

上記において、液相冷媒通路(16)は、金属多孔質体(8)の上端面から発熱体取付部(7)側端部に至っているが、これに限定されるものではなく、金属多孔質体(8)の上端面から高さ方向の中間部、たとえば下端部近傍までのびていればよい。

金属多孔質体(8)は、発泡起点層(12)を含んだ全体が、たとえばアルミニウム粉末を用いて３次元造型機、たとえば３Ｄプリンタにより受熱部(3)の底壁(3a)と一体に形成される。

上述した沸騰冷却装置(1)において、発熱体(P)から発せられる熱が冷媒封入体(2)の受熱部(3)の底壁(3a)を経て金属多孔質体(8)に伝わり、金属多孔質体(8)内における液相冷媒通路(16)を囲繞する囲繞部に存在する冷媒が、当該囲繞部において沸騰気化してガス状になるとともに、生成した気泡が気泡放出面(12a)に至り、液相冷媒(6)中に放出される。液相冷媒(6)中に放出されたガス状冷媒からなる気泡は気泡上昇部(13)に沿って液相冷媒(6)中を上昇し、冷媒封入体(2)の冷媒流通部(5)を経て放熱部(4)に至り、放熱部(4)において冷却流体循環管(9)内を流れる冷却流体に放熱して再液化し、冷媒流通部(4)を経て受熱部(3)に戻る。受熱部(3)に溜められている液相冷媒(6)は、毛細管力により液相冷媒通路(16)を通って金属多孔質体(8)の上端面から下端側に導かれ、金属多孔質体(8)に戻る。このような動作を繰り返すことによって、発熱体(P)から発せられる熱が、冷媒により潜熱として放熱部(4)に輸送され、放熱部(4)から放熱される。したがって、 相変化を伴う冷媒の循環がスムーズに行われることになり、冷却効果が向上する。

図５〜図１１は実施形態１の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の変形例を示す。

図５に示す金属多孔質体(20)の場合、金属多孔質体(20)における空間(14)を囲繞する部分、ならびに角溝(11)の底壁および側壁となる部分の内部に、受熱部(3)の底壁(3a)と一体に形成されて上方にのびる板状の熱拡散部(21)が、液相冷媒通路(16)を避けるように設けられており、熱拡散部(21)の空孔率および空孔径が、金属多孔質体(20)における熱拡散部(21)の周りの部分の空孔率および空孔径よりも小さくなっている。なお、熱拡散部(21)の空孔率は０であってもよい。

熱拡散部(21)は、水平断面において、金属多孔質体(8)の空間(14)の辺となる部分、ならびに角溝(11)の底壁および側壁においては、そのの厚み方向に間隔をおくとともに、縦横の同一位置に来るように２つ設けられている。

その他の構成は、図２〜図４に示す金属多孔質体(8)と同様である。

図５に示す金属多孔質体(20)を用いた場合、発熱体取付部(7)に取り付けられた発熱体(P)から発せられる熱が、熱拡散部(21)を通って速やかに金属多孔質体(8)の全体に伝えられることになり、発熱体(P)の冷却効果が向上する。

図６および図７において、受熱部(3)の底壁(3a)内面における発熱体取付部(7)と合致した位置に上方突出状に一体に形成された金属多孔質体(22)はブロック状であって、上端面から下方にのびる水平断面六角形の空間(23)が、金属多孔質体(22)全体がハニカム状となるように複数形成されている。また、金属多孔質体(22)の周面には、上下方向にのびる水平断面台形状の複数の台形溝(24)が形成されている。空間(23)および台形溝(24)は、金属多孔質体(22)の上端面から下端まで至っていてもよく、あるいは上端面から高さ方向の下部、たとえば下端寄りの部分までのびていてもよい。

金属多孔質体(22)の内部における空間(23)および台形溝(24)を囲繞する部分に液相冷媒通路(16)が形成されている。また、金属多孔質体(22)の上端面、金属多孔質体(22)の空間(23)の内周面、金属多孔質体(22)の台形溝(24)の内周面、および金属多孔質体(22)の外周面の隣り合う台形溝(24)間の部分における表面から一定の深さの範囲に、表面が気泡放出面(12a)となる発泡起点層(12)が設けられている。また、金属多孔質体(22)の空間(23)内、および台形溝(24)を含む金属多孔質体(22)の周りの部分が、気泡放出面(12a)に沿う気泡上昇部(13)となっている。

図８に示す金属多孔質体(25)の場合、空間(23)を囲繞する部分、ならびに台形溝(24)の底壁および側壁となる部分の内部に、受熱部(3)の底壁(3a)と一体に形成されて上方にのびる板状の熱拡散部(21)が、液相冷媒通路(16)を避け、かつ２つの熱拡散部(21)が互いに間隔をおいて対をなすように設けられている。

その他の構成は、図６および図７に示す金属多孔質体(22)と同様である。

図９および図１０において、受熱部(3)の底壁(3a)内面における発熱体取付部(7)と合致した位置に上方突出状に一体に形成された金属多孔質体(26)はブロック状であって、上端面から下方にのびる水平断面円形の空間(27)が複数形成されている。また、金属多孔質体(26)の周面には、上下方向にのびる水平断面半円形の複数の円弧溝(28)が形成されている。空間(27)および円弧溝(28)は、金属多孔質体(26)の上端面から下端まで至っていてもよく、あるいは上端面から高さ方向の下部、たとえば下端寄りの部分までのびていてもよい。

金属多孔質体(26)における空間(27)および円弧溝(28)を囲繞する部分に液相冷媒通路(16)が形成されている。また、金属多孔質体(26)の上端面、金属多孔質体(26)の空間(27)の内周面、金属多孔質体(26)の円弧溝(28)の内周面、および金属多孔質体(26)の外周面の隣り合う円弧溝(28)間の部分における表面から一定の深さの範囲に、表面が気泡放出面(12a)となる発泡起点層(12)が設けられている。また、金属多孔質体(26)の空間(227)内、および円弧溝(28)を含む金属多孔質体(26)の周りの部分が、気泡放出面(12a)に沿う気泡上昇部(13)となっている。

図１１に示す金属多孔質体(29)の場合、空間(27)を囲繞する部分、および円弧溝(28)の周壁となる部分の内部に、受熱部(3)の底壁(3a)と一体に形成されて上方にのびる板状の熱拡散部(21)が、液相冷媒通路(16)を避け、かつ２つの熱拡散部(21)が互いに間隔をおいて対をなすように設けられている。

その他の構成は、図９および図１０に示す金属多孔質体(26)と同様である。

上述した金属多孔質体(8)(20)(22)(25)(26)(29)を用いる場合、図１２に示すように、受熱部(3)の底壁(3a)内面における空間(14)(23)(27)および溝(11)(24)(28)に臨む部分に、金属多孔質体(8)(20)(22)(25)(26)(29)の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層(12)が設けられていてもよい。

図６、図７、図９および図１０に示す金属多孔質体(22)(26)は、発泡起点層(12)を含んだ全体が、たとえばアルミニウム粉末を用いて３次元造型機により受熱部(3)の底壁(3a)と一体に形成される。

また、図５、図８および図１１に示す金属多孔質体(20)(25)(29)は、発泡起点層(12)および熱拡散部(21)を含んだ全体が、たとえばアルミニウム粉末を用いて３次元造型機により受熱部(3)の底壁(3a)と一体に形成される。

実施形態２
この実施形態は図１３〜図１６に示すものである。

図１３はこの発明の実施形態２の沸騰冷却装置の全体構成を概略的に示し、図１４〜図１６は図１３の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体を示す。

図１３において、沸騰冷却装置(30)の冷媒封入体(2)の受熱部(3)における１つの側壁(3b)外面の下部に発熱体取付部(31)が設けられており、発熱体取付部(31)に、たとえば半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールなどからなる発熱体(P)が、図示しない熱伝導性グリスを介して取り付けられるようになっている。また、冷媒封入体(2)の受熱部(3)の側壁(3b)内面における発熱体取付部(31)と合致した位置に、アルミニウム製金属多孔質体(32)が、側壁(3b)内面から当該側壁(3b)と直角をなす方向に受熱部(3)内側方に突出し、かつ全体が冷媒(6)中に浸漬されるように一体に形成されている。

図１４〜図１６に示すように、金属多孔質体(32)は長手方向を上下方向に向けた垂直板状であり、受熱部(3)の側壁(3b)の幅方向に間隔をおいて複数設けられている。金属多孔質体(32)の上下両端面および両側面における表面から一定の深さの範囲には、他の部分の空孔率および空孔径よりも大きい空孔率および空孔径を有する発泡起点層(12)が設けられており、金属多孔質体(32)の表面、すなわち発泡起点層(12)の表面が気泡放出面(12a)となっている。また、金属多孔質体(32)の両側面、すなわち隣り合う金属多孔質体(32)どうしの間の空間(36A)および両端の垂直壁(34)の外側の空間(36B)が、気泡放出面(12a)に沿う気泡上昇部(34)となっている。

金属多孔質体(32)に、突出端面から発熱体取付部(31)側端部に至り、かつ毛細管力により液相冷媒を金属多孔質体(32)の突出端面から発熱体取付部(31)側に導く複数の液相冷媒通路(35)が形成されている。液相冷媒通路(35)の断面積を、この面積と等しい円の直径で表した円相当径は、使用する液相冷媒(6)の毛細管距離が１０以上となるような大きさとすることが好ましい。たとえば、液相冷媒(6)としてハイドロフルオロエーテルの用いる場合、上述した円相当径は、１００μｍ以下であることが好ましい。そして、液相冷媒通路(35)内の液相冷媒が、金属多孔質体(32)における液相冷媒通路(35)を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が気泡放出面(12a)に至るようになされている。

上記において、液相冷媒通路(35)は、金属多孔質体(32)の突出端面から発熱体取付部(31)側端部に至っているが、これに限定されるものではなく、金属多孔質体(32)の突出端面から突出高さ方向の中間部、たとえば基端部近傍までのびていればよい。

金属多孔質体(32)は、発泡起点層(12)を含んだ全体が、たとえばアルミニウム粉末を用いて３次元造型機により受熱部(3)の側壁(3b)と一体に形成される。

上述した沸騰冷却装置(30)において、発熱体(P)から発せられる熱が冷媒封入体(2)の受熱部(3)の側壁(3b)を経て金属多孔質体(32)に伝わり、金属多孔質体(32)内における液相冷媒通路(35)を囲繞する囲繞部に存在する冷媒が、当該囲繞部において沸騰気化してガス状になるとともに、生成した気泡が気泡放出面(12a)に至り、液相冷媒(6)中に放出される。液相冷媒(6)中に放出されたガス状冷媒からなる気泡は気泡上昇部(34)に沿って液相冷媒(6)中を上昇し、冷媒流通部(5)を経て放熱部(4)に至り、放熱部(4)において冷却流体循環管(9)内を流れる冷却流体に放熱して再液化し、冷媒流通部(4)を経て受熱部(3)に戻る。受熱部(3)に溜められている液相冷媒(6)は、毛細管力により液相冷媒通路(35)を通って金属多孔質体(32)の突出端面から側壁(3b)側に導かれて垂直壁(33)に戻る。このような動作を繰り返すことによって、発熱体(P)から発せられる熱が、冷媒により潜熱として放熱部(4)に輸送され、放熱部(4)から放熱される。したがって、 相変化を伴う冷媒の循環がスムーズに行われることになり、冷却効果が向上する。

図１７〜図２０は実施形態２の沸騰冷却装置に用いられる金属多孔質体の変形例を示す。

図１７に示す金属多孔質体(40)の場合、金属多孔質体(40)の内部に、受熱部(3)の側壁(3b)内面から当該側壁(3b)と直角をなす方向に受熱部(3)内側方に突出した板状の熱拡散部(41)が一体に設けられており、熱拡散部(41)の空孔率および空孔径が、金属多孔質体(40)における熱拡散部(41)の周りの部分の空孔率および空孔径よりも小さくなっている。なお、熱拡散部(41)の空孔率は０であってもよい。

熱拡散部(41)は、金属多孔質体(40)の厚み方向に間隔をおくとともに、上下方向に間隔をおいて設けられており、液相冷媒通路(35)は、各金属多孔質体(40)の厚み方向に間隔をおいた両熱拡散部(41)どうしの間に設けられている。なお、各金属多孔質体(40)の厚み方向に間隔をおいて設けられた２つの熱拡散部(41)は、各金属多孔質体(40)の上下方向の同一位置にある。

その他の構成は、図１４〜図１６に示す金属多孔質体(32)と同様である。

図１８および図１９において、受熱部(3)の側壁(3b)内面における発熱体取付部(31)と合致した位置に内向きに突出するように一体に形成された金属多孔質体(43)は横断面円形の水平なピン状であって、千鳥配置状に複数設けられている。

金属多孔質体(43)に、突出端面から発熱体取付部(31)側端部に至り、かつ毛細管力により液相冷媒を金属多孔質体(32)の突出端面から発熱体取付部(31)側に導く複数の液相冷媒通路(35)が形成されている。金属多孔質体(43)の先端面および外周面における表面から一定の深さの範囲には、他の部分の空孔率および空孔径よりも大きい空孔率および空孔径を有する発泡起点層(12)が設けられており、金属多孔質体(43)の表面、すなわち発泡起点層(12)の表面が気泡放出面(12a)となっている。また、隣り合う金属多孔質体(43)どうしの間の空間(44)が、気泡放出面に沿う気泡上昇部(34)となっている。

図２０に示す金属多孔質体(45)の場合、金属多孔質体(45)の内部に、受熱部(3)の側壁(3b)と一体に形成されて側方にのびる板状の熱拡散部(41)が、液相冷媒通路(35)を避け、かつ周方向に等角度間隔をおいて設けられている。

その他の構成は、図１８および図１９に示す金属多孔質体(43)と同様である。

図２１および図２２において、受熱部(3)の側壁(3b)内面における発熱体取付部(31)と合致した位置に、内向きに突出するように一体に形成された金属多孔質体(47)は横断面方形の水平なピン状であって、千鳥配置状に複数設けられている。

その他の構成は図１８および図１９の金属多孔質体(43)と同様である。

図２３に示す金属多孔質体(48)の場合、金属多孔質体(48)の内部に、受熱部の側壁(3b)と一体に形成されて側方にのびる複数の板状熱拡散部(41)が、液相冷媒通路(35)を避けて設けられている。

その他の構成は図２１および図２２の金属多孔質体(43)と同様である。

上述した金属多孔質体(32)(40)(43)(45)(47)(48)を用いる場合、受熱部(3)の側壁(3b)内面の発熱体取付部(31)に対応する部分における金属多孔質体(32)(40)(43)(45)(47)(48)を避けた部分に、金属多孔質体(32)(40)(43)(45)(47)(48)の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層(12)が設けられていてもよい。

図１８、図１９、図２１および図２２に示す複数の金属多孔質体(43)(47)は、発泡起点層(12)を含んだ全体が、たとえばアルミニウム粉末を用いて３次元造型機により受熱部(3)の側壁(3b)と一体に形成される。

図２０および図２３に示す複数の金属多孔質体(45)(48)は、発泡起点層(12)および熱拡散部(41)を含んだ全体が、たとえばアルミニウム粉末を用いて３次元造型機により受熱部(3)の側壁(3b)と一体に形成される。

上述した金属多孔質体(32)(40)(43)(45)(47)(48)において、液相冷媒通路(35)は、金属多孔質体(32)(40)(45)(47)(48)の突出端面から発熱体取付部(31)側端部まで至っているが、これに限定されるものではなく、金属多孔質体(32)(40)(43)(45)(47)(48)の突出端面から突出高さ方向の中間部、たとえば基端部近傍までのびていればよい。

また、図１８〜図２３に示す金属多孔質体(43)(45)(47)(48)は、実施形態１の沸騰冷却装置の場合と同様に、受熱部(3)の底壁(3a)内面における発熱体取付部(7)と合致した位置に上方突出状に一体に形成されて用いられる場合もある。

上記２つの実施形態においては、冷媒封入体(2)は、受熱部(3)、放熱部(4)および冷媒流通部(5)を含めて全体がアルミニウムにより直方体状に形成されているが、これに限定されるものではなく、別個に設けられた受熱部と放熱部とが冷媒流通部によって通じさせられることによって冷媒封入体が形成されていてもよい。

この発明による沸騰冷却装置は、たとえば半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールなどからなる発熱体を冷却するのに好適に用いられる。

(1)(30)：沸騰冷却装置
(2)：冷媒封入体
(3)：受熱部
(3a)：底壁
(3b)：側壁
(4)：放熱部
(5)：冷媒流通部
(6)：冷媒
(7)(31)：発熱体取付部
(8)(20)(22)(25)(26)(29)(32)(40)(43)(45)(47)(48)：金属多孔質体
(9)：冷媒循環管
(12)：発泡起点層
(12a)：気泡放出面
(13)(34)：気泡上昇部
(14)(23)(27)：空間
(11)(24)(28)：溝
(16)(35)：液相冷媒通路
(21)(41)：熱拡散部

Claims (20)

1. 外部からの熱を受ける中空状受熱部、前記受熱部の上方に設けられ、かつ外部に熱を放出する中空状放熱部、および前記受熱部内と前記放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、前記冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、
   前記受熱部の底壁外面に発熱体取付部が設けられ、前記受熱部の底壁内面に、金属多孔質体が、前記底壁内面から前記受熱部内の上方に突出し、かつ全体が冷媒中に浸漬されるように一体に形成され、前記金属多孔質体の表面が気泡放出面となるとともに、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿うように気泡上昇部が設けられ、前記金属多孔質体に、上端面から前記発熱体取付部側にのび、かつ毛細管力により液相冷媒を前記金属多孔質体の上端面から前記発熱体取付部側に導く液相冷媒通路が形成され、前記液相冷媒通路内の液相冷媒が、前記金属多孔質体における前記液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が前記気泡放出面に至るようになされており、
   前記金属多孔質体がブロック状であって、上端面から下方にのびる複数の空間が形成されており、当該空間の内周面および前記金属多孔質体の外周面が前記気泡放出面となり、前記空間内および前記金属多孔質体の周りの部分が、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿う前記気泡上昇部となっており、
   前記金属多孔質体の内部における前記空間を囲繞する壁部分に、前記受熱部の前記底壁と一体に形成されて上方にのびる熱拡散部が、前記液相冷媒通路を避けるように設けられており、前記熱拡散部の空孔率が、前記金属多孔質体における前記熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている沸騰冷却装置。
2. 前記液相冷媒通路が、前記金属多孔質体の上端面から発熱体取付部側端部に至っている請求項１記載の沸騰冷却装置。
3. 前記熱拡散部が板状であって、前記金属多孔質体における前記空間を囲繞する壁部分に、当該壁部分の厚み方向に間隔をおいて形成されており、前記両熱拡散部間に前記液相冷媒通路が形成されている請求項１または２記載の沸騰冷却装置。
4. 前記金属多孔質体の前記空間が水平断面方形である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
5. 前記金属多孔質体の前記空間が水平断面六角形である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
6. 前記金属多孔質体の前記空間が水平断面円形である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
7. 前記空間が、前記金属多孔質体の上端面から発熱体取付部側端部に至っている請求項１〜６のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
8. 前記受熱部の前記底壁内面における前記空間に臨む部分に、前記金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている請求項７記載の沸騰冷却装置。
9. 外部からの熱を受ける中空状受熱部、前記受熱部の上方に設けられ、かつ外部に熱を放出する中空状放熱部、および前記受熱部内と前記放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、前記冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、
   前記受熱部の底壁外面に発熱体取付部が設けられ、前記受熱部の底壁内面に、金属多孔質体が、前記底壁内面から前記受熱部内の上方に突出し、かつ全体が冷媒中に浸漬されるように一体に形成され、前記金属多孔質体の表面が気泡放出面となるとともに、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿うように気泡上昇部が設けられ、前記金属多孔質体に、上端面から前記発熱体取付部側にのび、かつ毛細管力により液相冷媒を前記金属多孔質体の上端面から前記発熱体取付部側に導く液相冷媒通路が形成され、前記液相冷媒通路内の液相冷媒が、前記金属多孔質体における前記液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が前記気泡放出面に至るようになされており、
   前記金属多孔質体が上下方向にのびるピン状であって、互いに間隔をおいて複数設けられており、前記金属多孔質体の外周面が前記気泡放出面となり、前記金属多孔質体の周りの部分が、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿う前記気泡上昇部となっており、
   前記金属多孔質体の内部に、前記受熱部の前記底壁と一体に形成されて上方にのびる熱拡散部が、前記液相冷媒通路を避けるように設けられており、前記熱拡散部の空孔率が、前記金属多孔質体における前記熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている沸騰冷却装置。
10. 前記液相冷媒通路が、前記金属多孔質体の上端面から発熱体取付部側端部に至っている請求項９記載の沸騰冷却装置。
11. 前記受熱部の前記底壁内面における前記金属多孔質体間に臨む部分に、前記金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている請求項９または１０記載の沸騰冷却装置。
12. 外部からの熱を受ける中空状受熱部、前記受熱部の上方に設けられ、かつ外部に熱を放出する中空状放熱部、および前記受熱部内と前記放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、前記冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、
    前記受熱部の側壁外面に発熱体取付部が設けられ、前記受熱部の側壁内面に、金属多孔質体が、前記側壁内面から前記側壁と直角をなす前記受熱部内の側方に突出し、かつ全体が冷媒中に浸漬されるように一体に形成され、前記金属多孔質体の表面が気泡放出面となるとともに、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿うように気泡上昇部が設けられ、前記金属多孔質体に、突出端面から前記発熱体取付部側にのび、かつ毛細管力により液相冷媒を前記金属多孔質体の突出端面から前記発熱体取付部側に導く液相冷媒通路が形成され、前記液相冷媒通路内の液相冷媒が、前記金属多孔質体における前記液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が前記気泡放出面に至るようになされており、
    前記金属多孔質体が、長手方向を上下方向に向けた垂直板状であって、前記受熱部の前記側壁の幅方向に間隔をおいて複数設けられており、前記金属多孔質体の両側面が前記気泡放出面となり、前記金属多孔質体の両側部分が、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿う前記気泡上昇部となっており、
    前記金属多孔質体の内部に、前記受熱部の前記側壁と一体に形成されて前記金属多孔質体と平行な方向に突出した熱拡散部が、前記液相冷媒通路を避けるように設けられており、前記熱拡散部の空孔率が、前記金属多孔質体における前記熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている沸騰冷却装置。
13. 前記液相冷媒通路が、前記金属多孔質体の突出端面から発熱体取付部側端部に至っている請求項１２記載の沸騰冷却装置。
14. 前記熱拡散部が板状であって、前記金属多孔質体に、上下方向および厚み方向に間隔をおいて形成されており、前記金属多孔質体の厚み方向に間隔をおいて形成された前記両熱拡散部間に前記液相冷媒通路が形成されている請求項１２または１３記載の沸騰冷却装置。
15. 前記受熱部の前記側壁内面における隣り合う前記金属多孔質体間の部分に、前記金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている請求項１２〜１４のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
16. 外部からの熱を受ける中空状受熱部、前記受熱部の上方に設けられ、かつ外部に熱を放出する中空状放熱部、および前記受熱部内と前記放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、前記冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、
    前記受熱部の側壁外面に発熱体取付部が設けられ、前記受熱部の側壁内面に、金属多孔質体が、前記側壁内面から前記側壁と直角をなす前記受熱部内の側方に突出し、かつ全体が冷媒中に浸漬されるように一体に形成され、前記金属多孔質体の表面が気泡放出面となるとともに、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿うように気泡上昇部が設けられ、前記金属多孔質体に、突出端面から前記発熱体取付部側にのび、かつ毛細管力により液相冷媒を前記金属多孔質体の突出端面から前記発熱体取付部側に導く液相冷媒通路が形成され、前記液相冷媒通路内の液相冷媒が、前記金属多孔質体における前記液相冷媒通路を囲繞する囲繞部に流入して沸騰気化するとともに、生成した気泡が前記気泡放出面に至るようになされており、
    前記金属多孔質体が横方向にのびるピン状であって、互いに間隔をおいて複数設けられており、前記金属多孔質体の外周面が前記気泡放出面となり、前記金属多孔質体の周りの部分が、前記金属多孔質体の前記気泡放出面に沿う前記気泡上昇部となっており、
    前記金属多孔質体の内部に、前記受熱部の前記側壁と一体に形成されて前記金属多孔質体と平行な方向に突出した熱拡散部が、前記液相冷媒通路を避けるように設けられており、前記熱拡散部の空孔率が、前記金属多孔質体における前記熱拡散部の周りの部分の空孔率よりも小さくなっている沸騰冷却装置。
17. 前記液相冷媒通路が、前記金属多孔質体の突出端面から発熱体取付部側端部に至っている請求項１６記載の沸騰冷却装置。
18. 前記受熱部の前記側壁内面における隣り合う前記金属多孔質体間の部分に、前記金属多孔質体の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられている請求項１６または１７記載の沸騰冷却装置。
19. 前記金属多孔質体の表面に、他の部分の空孔率および空孔径よりも大きな空孔率および空孔径を有する発泡起点層が設けられており、前記発泡起点層の表面が前記気泡放出面となっている請求項１〜１８のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
20. 前記冷媒封入体が、前記受熱部、前記放熱部および前記冷媒流通部を含めて全体が一体に設けられており、前記放熱部内に、冷却流体を前記冷媒封入体の外部から供給するとともに前記冷媒封入体の外部に戻す冷却流体循環管が配置されている請求項１〜１９のうちのいずれかに記載の沸騰冷却装置。
    

Images