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公開番号2025018854
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-06
出願番号2023132170
出願日2023-07-25
発明の名称冷却装置
出願人JSCテクノロジー株式会社,国立大学法人熊本大学
代理人個人
主分類F28D 15/02 20060101AFI20250130BHJP(熱交換一般)
要約【課題】貯溜部に十分な量の熱媒体を貯留し、逆止弁に熱媒体から適切な圧力が加わるようにして、熱媒体が逆止弁を開いて受熱部に流入でき、熱媒体の循環に基づく冷却状態を維持可能な、冷却装置を提供する。
【解決手段】受熱部11に熱媒体80を向かわせる帰還流路14に貯溜部17を設け、帰還流路14のみの場合より多い液相熱媒体を貯溜部17に一時的に貯溜可能とし、貯溜部17に溜まった液相熱媒体の重量に基づく圧力を逆止弁16に加えられることから、受熱部11への入熱量増大に伴う受熱部内部圧力の上昇に対しても、熱媒体80からの圧力で逆止弁16を開いて熱媒体80を受熱部11に流入させられ、熱媒体80の循環を確保して、発熱体に対する冷却を維持できる。また、装置全体を上下に大きくして帰還流路14の液相熱媒体から逆止弁16に加わる圧力を確保する必要はなく、装置全体をコンパクト化できる。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
相変化を伴って循環する熱媒体により高温熱源から低温熱源への熱移動を継続的に生じさせる、ループ型サーモサイフォン方式の冷却装置において、
前記高温熱源としての所定の発熱体からの熱を内部の熱媒体に伝える中空の受熱部と、
当該受熱部より上に位置して内部の熱媒体の熱を前記低温熱源としての所定の外部流体に放出する中空の放熱部と、
前記受熱部の熱媒体出口を前記放熱部の熱媒体入口に連通させる管状の放熱流路と、
前記放熱部の熱媒体出口を前記受熱部の熱媒体入口に連通させる管状の帰還流路と、
当該帰還流路における前記受熱部の熱媒体入口側に設けられ、熱媒体の受熱部から帰還流路側への移動を制限する逆止弁とを備え、
前記帰還流路における所定箇所で帰還流路と連通して、又は帰還流路の一部をなして、所定量の熱媒体を貯溜可能とされる貯溜部が設けられ、
当該貯溜部が、前記逆止弁を開放する圧力を逆止弁に付加可能となる重量の熱媒体を少なくとも貯溜することを
特徴とする冷却装置。
続きを表示（約 460 文字）【請求項２】
前記請求項１に記載の冷却装置において、
前記貯溜部が、前記発熱体で発生する単位時間あたりの熱量の値と前記貯溜部に貯留される熱媒体の重量下限値との相互の関係性に基づいて、前記熱量の値から導かれる熱媒体の重量下限値以上となる、所定重量の熱媒体を貯留することを
特徴とする冷却装置。
【請求項３】
前記請求項２に記載の冷却装置において、
前記熱量の値と熱媒体の重量下限値との関係性として、熱媒体の重量下限値が前記熱量の値を変数とする自然指数関数で示され、
前記貯溜部が、前記熱量の値を変数とする自然指数関数から導き出される熱媒体の重量下限値以上となる、所定重量の熱媒体を貯溜することを
特徴とする冷却装置。
【請求項４】
前記請求項１に記載の冷却装置において、
前記貯溜部が、前記帰還流路における前記放熱部の熱媒体出口との連通部分をなし、且つ、放熱部の下側に重なるようにして設けられることを
特徴とする冷却装置。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体素子等の発熱体を冷却する冷却装置に関する。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
パワー半導体やマイクロプロセッサ等の半導体部品は、作動するとそれに伴って熱が発生し、温度を上昇させる。大きな発熱を伴う半導体部品の場合、温度が上昇しすぎると、熱保護機能による処理能力低下に留まらず、作動不具合や破壊に繋がるおそれがある。このため、半導体部品が過度に温度上昇しないように、冷却することが以前から行われていた。
【０００３】
半導体部品の冷却には、主に空冷式や水冷式の冷却装置が使用される。ただし、こうした従来の冷却装置は、半導体部品の発熱量が大きくなると、十分に冷却できないおそれがあり、冷却能力のより高い冷却装置が求められていた。
【０００４】
冷却能力の高い冷却装置として、近年、作動流体を循環させてその液相と気相の相変化によって冷却するループ型の冷却装置が提案されている。
この冷却装置は、発熱体が配置された外壁から内壁に熱を伝えて、作動流体の蒸気を得る箱型の受熱部（受熱ユニット）と、受熱部に作動流体を注入する導入管と、受熱部の作動流体の蒸気を排出する導出管と、導出管を経由した作動流体の蒸気の熱を放出する放熱器と、導入管の開口部側に設けた逆止弁とを備える構成である。
【０００５】
この冷却装置では、作動流体の循環方向は逆止弁以降の出口側圧力上昇によって決定される。そして、放熱器で液化した作動流体を逆止弁を介して受熱部に帰すこととなる。受熱部の内壁においては、導入管の開口部の外周で囲まれる面の内側から外側へスリットが設けられ、外壁側の発熱体の熱で、導入管内部の圧力が上昇することで、気泡と未蒸発の作動流体が混相流となって導出管側へ排出される。これにより、ポンプを必要とせず、吸熱性能に優れた冷却装置となっている。
このような従来の冷却装置の一例として、特許第４９７８４０１号公報に記載されるものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
特許第４９７８４０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記特許文献に記載の従来の冷却装置では、放熱部を出た作動流体を導入管や受熱部に到達させ、作動流体の循環を継続させることが欠かせない。そのためには、逆止弁における、逆流防止状態の維持のために弁を閉じようとする付勢力に抗って、作動流体が逆止弁を押し開く力が必要である。通常、この逆止弁を開ける力は、逆止弁の上流側に存在する液相の作動流体の重量に基づく圧力となっている。
【０００８】
こうした従来の冷却装置では、発熱体における発熱量が増加すると、受熱部への入熱量が多くなるため、作動流体の単位時間あたり蒸発量も増加し、その分、受熱部の内圧が高くなる傾向にある。こうして受熱部の内圧が高くなると、受熱部に作動流体が逆止弁を経て導入管に達する逆流防止状態の維持のために、弁を閉じようとする力に抗って上から逆止弁を押し開く力が余計に必要となる。このため、逆止弁の上流側管路で逆止弁の上側に存在する液相の作動流体の量を増やし、その重量に基づく圧力を大きくしなければならない。
【０００９】
逆止弁の上流側管路における液相の作動流体の量を増やすためには、例えば冷却装置全体をより高くして、管路を上下に大きくし、この管路に存在可能な液相の作動流体の量を増やすようにすることが考えられる。しかしながら、冷却装置全体の高さを大きくすることは、設置スペースの増大を招くことから、設置できる対象が限定されてしまう。すなわち、従来の冷却装置では、小型化と大発熱量処理の両方に対応することは難しかった。
【００１０】
本発明は前記課題を解消するためになされたもので、貯溜部に十分な量の熱媒体を貯留し、逆止弁に熱媒体から適切な圧力が加わるようにして、熱媒体が逆止弁を開いて受熱部に流入でき、熱媒体の循環に基づく冷却状態を維持可能な、冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
（【００１１】以降は省略されています）

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