JP2008244495A

JP2008244495A - 沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品

Info

Publication number: JP2008244495A
Application number: JP2008148520A
Authority: JP
Inventors: Koichi Suzuki; 康一鈴木; Yosuke Goto; 洋介後藤
Original assignee: Tokyo University of Science
Current assignee: Tokyo University of Science
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2008-10-09
Also published as: EP2003944A9; JPWO2007102498A1; EP2003944A4; US20090260783A1; WO2007102498A1; EP2003944A2

Abstract

【課題】気泡微細化沸騰冷却に伴う騒音・振動を有効に軽減し、効率のよい沸騰冷却を実
現することを課題とする。
【解決手段】被冷却物１０の表面を被冷却面１０Ａとして、被冷却面１０Ａを管壁として
形成され、サブクールされた冷却液を流通される管状流路１６を有し、管状流路の管壁か
ら細径の剛針群Ｎ１、Ｎ２、・・Ｎｉ・・を流路１６内に突出させた構造をもつ流路構造
体に、サブクールされた冷却液を流通させて気泡微細化沸騰冷却を行う。
【選択図】図２

Description

この発明は、沸騰冷却方法、当該沸騰冷却方法を実施する沸騰冷却装置、およびこの沸
騰冷却装置に使用される流路構造体、並びにこれらが適用された応用製品に関する。

液体を加熱していくと次第に液温が上昇し、やがて液温がそれ以上に上昇しない「飽和
温度」に達する。さらに加熱すると液体内部で「液体の気化」が発生する。この状態が沸
騰であり、上記飽和温度は沸騰点と呼ばれる。

沸騰状態では液温は上昇せず、加熱により液体に加えられるエネルギーは「液体内部で
液体を気化する」のに消費される。この熱エネルギーは「潜熱」と呼ばれる。潜熱は、液
体を温度上昇させる熱エネルギーに比して極めて大きい。したがって、液体の沸騰を利用
することにより高温物体から大量の熱を取り去り大きな冷却効果をあげることができる。
これは、例えて言えば、１Ｋｇ（1リットル）の水を1気圧の下で０℃から飽和温度の１
００℃まで加熱する場合には４２０ＫＪの熱を必要とするが、1気圧、１００℃で全部蒸
気にする場合には２２５６ＫＪ（潜熱）を必要とすることから、理解できる。

沸騰を利用した冷却は「沸騰冷却」と呼ばれ、従来から種々の沸騰冷却装置が提案され
ている。

例えば、冷却用液体を収容する容器と該冷却用液体内を通るパイプを有し、被冷却物と
しての半導体素子を冷却用液体に浸漬し、前記パイプ内に「冷却用液体よりも沸点の低い
液体」を循環させるようにした、浸漬方式の沸騰冷却装置が提案されている（例えば、特
許文献１）。
沸騰現象は一般に以下の如き経過を辿る。
液体中に例えば金属等による「加熱ブロック」を浸漬し、加熱ブロックを加熱してその
伝熱面温度を上昇させる。「伝熱面」は、加熱ブロックの「上記液体に接している表面」
であり、その温度が「伝熱面温度」である。
伝熱面温度がある程度まで高くなると、加熱ブロックの伝熱面に「大きさが１ｍｍ程度
以下の微小な気泡（一次気泡）」が発生する。この状態は「加熱ブロック表面である伝熱
面に接する液層部分が飽和温度に達し、伝熱面部分で沸騰が生じている状態」である。

液体の沸騰による冷却の効果を表す物理量として「熱流束」がある。説明中の例に喩え
て言えば、熱流束とは「加熱ブロックの液体に接している表面（上記「伝熱面」）の単位
面積を通して単位時間あたりに液体に移る熱量」であり、一般に、Ｗ／ｃｍ^２またはＷ／
ｍ^２の単位で表され、熱流束が大きいほど除熱量が大きく冷却効果が大きい。

加熱ブロックの伝熱面に微小な気泡が発生するようになると「熱流束の増加率」が増大
し、加熱ブロックの加熱をさらに続けると、伝熱面で発生する一次気泡の量も増大し、伝
熱面から離脱、互いに合体成長を繰り返すが、加熱ブロック表面が「大きな気泡」で覆わ
れた状態になる。

即ち、伝熱面での微小な気泡の発生量が増大すると、発生した気泡同士が合体成長して
、伝熱熱面の大きさにもよるが、差し渡し数ｃｍにもなる「大きな気泡」に成長する。こ
のように大きく成長した気泡は「押し潰されたような厚みの薄い気泡」であり、このよう
な大きな気泡が加熱ブロック表面に付着していると、付着部では加熱ブロックと液体が直
接に接触しないため沸騰が阻害され、熱流束の増加はなくなり最大になる。
換言すれば、小さな気泡が合体し徐々に生長して大きくなった気泡（以下、「合体気泡
」とも言う）は、やがて固体の表面を覆って液の浸入を妨げて沸騰を阻害することになる
が、被冷却面から液へ伝達される熱は最大になり、このときの熱流束を「限界熱流束」と
言い、単位時間当たりに伝達される熱流束（Ｗ／ｃｍ^２又はＷ／ｍ^２）で表わす。限界熱
流束は英語で「Critical Heat Flux」と呼ばれその頭文字をとって「CHF」が沸騰熱伝達
の分野で広く使われている。

熱流束が限界熱流束に達した後も加熱ブロックを加熱すると、大きな気泡と伝熱面の接
触部分で伝熱面が乾き始めて伝熱面温度の急激な上昇に伴って熱流束は減少し、冷却効果
が急速に低下する。加熱がさらに続くと、大きな気泡に覆われた部分で伝熱面は完全に乾
き、この部分は「薄い蒸気膜で覆われた状態」となる。
そして、この乾燥した部分では、加熱ブロックの熱エネルギーが輻射熱として液体へ伝
えられ、熱流束は再び増加に転ずるが、伝熱面は液体に接していないため伝熱面温度は高
温になり、この温度が加熱ブロックの融点を超えれば伝熱面は「焼損」（焼き切れ（バー
ンアウト）とも言う）する。

加熱ブロックの伝熱面に微小な気泡が発生し始める状態から、熱流束が限界熱流束に達
するまでの沸騰形態は「核沸騰」と呼ばれ、限界熱流束状態から熱流束が減少し、熱流束
が再度増加に転ずるまでの沸騰形態は「遷移沸騰」、伝熱面が薄い蒸気膜に覆われて乾い
た状態で熱流束の変化が再度増加に転じた以後の沸騰形態は「膜沸騰」とそれぞれ呼ばれ
る。
即ち、液体中に浸漬した加熱ブロックを加熱しつづけると、核沸騰、遷移沸騰、膜沸騰
の沸騰形態が順次に現れ、ついには加熱ブロックの焼損に至る。

通常、限界熱流束以後の「遷移沸騰から膜沸騰を経て焼損に至るプロセス」は極めて迅
速に生じ、制御が著しく困難であるところから、電子機器の冷却には核沸騰冷却の例もあ
るが、殆ど用いられていなかった。
電子機器の冷却には、従来空気や冷却液の単相の自然対流及び強制対流が主として用い
られあるいはその除熱限界は１００Ｗ／ｃｍ^２（１ＭＷ／ｍ^２）程度と言われている。

冷却液を被冷却物の被冷却面（伝熱面）に沿わせて流通させつつ沸騰冷却を行う場合に
、冷却液を予め「飽和温度より低い温度」にサブクールして被冷却面に供給すると、冷却
が開始する被冷却面端部からある程度の流路の範囲では「遷移沸騰への移行」を生ずるこ
となく、相当の高温度領域まで核沸騰形態を維持して良好な沸騰冷却を実現できることが
報告されている（非特許文献１）。

冷却液を被冷却面に沿わせて流通させつつ沸騰冷却を行う場合、冷却液がサブクールさ
れていると、被冷却面からの熱は、被冷却面に接する冷却液の温度を飽和温度まで急速に
昇温させたのち沸騰を生じさせ、生じる微小な気泡が互いに合体して成長し、被冷却面を
覆う状態となるが、「合体気泡」の外側の領域にはサブクール状態、即ち、飽和温度より
も温度の低い冷却液（このようにサブクールされた冷却液を「サブクール液」と言う。）
が流通している。

このような「成長した合体気泡の外側を流れるサブクール液」は、合体気泡の温度を低
下させて「微細な気泡に崩壊」、すなわち凝縮崩壊させる。このように合体気泡が崩壊す
ると、気泡に覆われていた伝熱面に再び冷却液が供給されるので、遷移沸騰に移行するこ
となく再び核沸騰による冷却が行われ、これが1秒間の間に繰り返されるので、熱流束を
「通常の限界熱流束より高める」ことができる。
伝熱面温度は液が供給され固液接触が生じた瞬間に低下するが、測定上温度変化は短時
間に追従しないので見かけ上この現象は「遷移沸騰」で発生し、この現象は「気泡微細化
沸騰」と言われる（これは気泡微細化沸騰のメカニズムの一つの形であって詳細は未だ明
らかにされていない）。

このように、サブクール液を用いる気泡微細化沸騰を利用することにより、伝熱面から
「より多くの熱」を冷却液に伝えることができ、限界熱流束より高い熱流束を得ることが
できる。
「気泡微細化沸騰」が起こる沸騰形態の過程を纏めて言うと、通常合体気泡で覆われた
被冷却面の温度が上がり渇き始めて遷移沸騰域に移るが、サブクール液中に生長した気泡
が凝縮崩壊し、液が再び供給されて沸騰が開始し、「気泡崩壊―液供給―沸騰開始―気泡
生長―限界熱流束―気泡崩壊」が、本発明者等の実験結果によれば、短時間に繰り返され
（例えば1秒間に２０回〜９０回）、その結果として、通常の限界熱流束を超えた高い熱
流束で除熱することができる。

図６（ａ）は、上に説明した沸騰冷却について、気泡微細化沸騰を含む沸騰曲線と除熱
限界を比較した概念図である。
横軸は被冷却面（伝熱面）の過熱度（冷却液の飽和温度と伝熱面温度との差）、縦軸は
熱流束を表している。被冷却面の過熱度（被冷却面の温度）が上昇すると、当初「非沸騰
領域」では被冷却面の熱が冷却液の温度を上げるのに消費されるが、「核沸騰領域」では
冷却液の沸騰により熱流束が急激に増大して限界熱流束（ＣＨＦ）に達する。
例えば、１気圧で４０Ｋのサブクール水を０．５ｍ／ｓで流した場合、３００Ｗ／ｃｍ
^２（３ＭＷ／ｍ^２）程度の限界熱流束に至る。
通常の沸騰では、限界熱流束に達した核沸騰領域の後に、破線で示す「遷移沸騰領域」
が続き、熱流束は急速に減少して「膜沸騰領域」に移行し、熱流束は再び増大するが終に
は「被冷却面の焼損」に到る。
一方、サブクール液を用いて「成長した合体気泡を微細な気泡に崩壊させる」ことによ
り、限界熱流束以後に「気泡微細化沸騰（ＭＥＢ）」を行うことにより、限界熱流束（Ｃ
ＨＦ）を超えてさらに熱流束を増大させることができる。
すなわち、気泡微細化沸騰によって、限界熱流束（ＣＨＦ）で大きく成長した合体気泡
が遷移沸騰域で微細な気泡群に凝縮崩壊し，熱流束がＣＨＦを超えて増加することになる
。

図６（ｂ）の左図は、合体により大きく成長した合体気泡ＬＢが伝熱面ＨＳＦに付着し
ている状態を示し、右図は、サブクール液ＳＬの流れにより合体気泡ＬＢが微細な気泡Ｓ
Ｂの群れに崩壊した状態を示している。このように、気泡微細化沸騰を利用する冷却を「
気泡微細化沸騰冷却」と呼ぶ。
図１１は、図６（ａ）の内容を分かり易くかつ詳細に示した図である。図１１中、横に
細長い黒塗りの形状は被冷却面を、その下の黒塗りの略円形状は加熱源を表し、イメージ
を把握し易いように、被冷却面上に各段階での気泡を模式的に示している。

従がって、例えば、サブクール液の流れ方向の長さが５ｃｍ程度あるいはそれ以下の短
い被冷却面について、１気圧で４０Ｋのサブクール水を０．５ｍ／ｓで流して「成長した
合体気泡を微細な気泡に崩壊させる」と、４００Ｗ／ｃｍ^２（４ＭＷ／ｍ^２）以上、特に
４５０〜１０００Ｗ／ｃｍ^２程度の熱流束を得ることができ、被冷却面の長さが短ければ
短い程１０００Ｗ／ｃｍ^２に近づく。
しかしながら、サブクールされた冷却液を用いて気泡微細化沸騰冷却を行う場合、冷却
液が被冷却面に沿って流れるに伴い、冷却液の温度が次第に上昇し、流路の下流側に行く
ほどサブクールによる効果が減じてしまう問題がある。
さらに、サブクール液による気泡微細化沸騰冷却における別の大きな問題として、大き
く成長した合体気泡の崩壊に伴う高い圧力変動による、高い「騒音・振動」が発生する問
題がある。

即ち、サブクール液を冷却流路に流して気泡微細化沸騰冷却を行うと、冷却液の流路部
分に大きな振動と騒音が繰り返し発生し、気泡微細化沸騰冷却の実用化に対する阻害要因
の一つとなっている。

高い熱流束を得るための試みは種々提案がなされているが、何れの提案においても「騒
音・振動」の防止については検討がなされていない。
例えば、ノズルを用い、沸騰気泡を速やかに消滅させて高い冷却効率を狙う冷却装置が
提案されている（例えば、特許文献２）。
特許文献２に開示されているのは、主として「半導体デバイスを冷却対象」とする冷却
装置であって、２種類のノズルを用い、第１のノズルから低温冷媒液を発熱体に向けて噴
射し、発熱体の熱によって沸騰気泡を発生させて「気液２相状態の高温冷媒液」とし、第
２のノズルから同じ低温冷媒液を該高温冷媒液に向けて噴射させて急冷し、沸騰気泡を凝
縮・消滅させて冷却を行うものである。
この冷却方式では「１２０℃程度の温度領域で２００Ｗ／ｃｍ^２程度の熱流束」が得ら
れると考えられ、半導体デバイスのような短い伝熱面の冷却を狙いとするものであるが、
「騒音や振動」に関してなんら記載がなく従ってその対策についての言及はない。

また、沸騰冷却方法として、冷媒（冷却液）が流通される流路に対し、隔壁を介して副
流路を形成し、副流路にも冷媒を通じ、「隔壁に設けた補給孔」を通して副流路の側から
冷媒を補給し、温度上昇した冷媒の温度を下げることにより「成長途上にある気泡」を凝
縮崩壊させ、「気泡の分割」を行って高い熱流束を得ることを狙いとする方法が提案され
ている（例えば、特許文献３）。
この方法の場合にも、大きく成長した合体気泡の凝縮崩壊に伴い、かなり大きな騒音・
振動が発生すると考えられるが、同文献中に、騒音・振動に関する言及はない。
なお、「気泡微細化沸騰冷却」は、被冷却面上を覆い被冷却面に接触する合体気泡をサ
ブクール液で凝縮崩壊させて行うことを特徴とするものであるが、特許文献３に記載の冷
却方法は、被冷却面を離脱したあるいは被冷却面に非接触の合体気泡を崩壊させるもので
あり、これは沸騰冷却効果はなく、「気泡微細化沸騰」とは異なるものである。
以上述べたように、従来から提案されている沸騰冷却方法において、合体気泡の崩壊に
伴う騒音・振動に対する有効な解決策は未だ提案されていない。

一方、「沸騰冷却」の分野ではないが、電気温水器において電気ヒータで缶水を加熱す
ると、該電気ヒータの周辺で缶水が沸騰して水蒸気の気泡になり、この気泡が成長し崩壊
する際に騒音となるので、この騒音を軽減させるために、電気ヒータ自体の表面に凹凸や
溝、突起等を設けることにより「発生する気泡を小さな状態に留めて、騒音を軽減させる
方法」が提案されている（例えば、特許文献４）。

しかし、核沸騰領域のように熱流束が小さい領域では、気泡の成長を有効に抑えること
はできても、高熱流束冷却を行う気泡微細化沸騰冷却では「合体気泡が発生する領域で、
合体気泡を崩壊させることにより大きな熱流束を実現する」のであるから、特許文献４の
提案は、気泡微細化沸騰冷却における合体気泡の崩壊に伴う騒音・振動軽減へ転用するこ
とはできない。

特開昭６１−５４６５４号公報特開平５−１３６３０５号公報特開２００５−７９３３７公報特開２０００−３２９４０６公報「気泡微細化を伴うサブクール流動沸騰」（第４１回日本伝熱シンポジウム講演論文集（２００４年６月）Ｖｏｌ．１、第１９〜２０頁）

本発明は、上述したところに鑑み、高熱流束冷却を行う気泡微細化沸騰冷却に伴う騒音
・振動を有効に軽減し、効率のよい沸騰冷却を実現することを課題とする。
本発明はまた、気泡微細化沸騰冷却における冷却液流下流側での冷却液の温度上昇に伴
う冷却効果の低下を低減することを課題とする。

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討し、騒音・振動状態を観察すると、
振動あるいは圧力の急上昇が周期的に、かつ合体気泡の崩壊直後に生じ、合体気泡全体が
一度に崩壊すると、高い空気圧を発生させて騒音・振動の原因になっていることを確認し
、実験を重ねた結果、管状流路内壁に剛針群を設けると、合体気泡を一度に崩壊させずに
、発生する空気圧を減少させることができることを確認し、本発明を創出するに至った。
この理由は明確ではないが、気泡が限界熱流束まで成長して合体気泡を形成し、合体気
泡が該剛針群を構成する各剛針に接触すると、表面張力によって個々の剛針と合体気泡と
の接触部に小さな窪み・凹部を形成して、気泡の表面積を拡大し、すなわち、冷却液との
接触面積を増加させて崩壊可能性のより大きな状態をつくり、その後、該窪み・凹部が崩
壊開始点となって、ほぼ冷却液温度に冷却された剛針の該窪み・凹部で合体気泡の崩壊が
開始し、剛針に接触していない部分の崩壊を連鎖し、各剛針が気泡崩壊分割手段のような
、同じ機能をして、合体気泡の崩壊を一度ではなく分割させ、その結果、発生する空気圧
を減少させる効果をもたらすものと推察される。

また、本発明の合体気泡の崩壊メカニズムを別の観点から推察すると、針の接触面では
サブクール液が合体気泡の中に入り込んで液膜を作る。この場合、合体気泡の内部の圧力
で液を押上げようとする力と接触面の下向きに働く表面張力が釣り合っていると考えられ
る。
合体気泡の熱は気液界面から液体に伝わるよりも、最初に熱伝導性の良い液膜を通して
サブクール液と同じ温度あるいはそれより低い温度の金属針に伝えられる。その結果、金
属針群との接触部から凝縮崩壊が始まり（崩壊開始点）、気泡微細化沸騰に至るものと考
えられる。
その結果、針群のない気泡塊が一度に崩壊するよりも、針群で小さい気泡塊に分割され
て崩壊するために、気泡崩壊時に発生する瞬間圧力は小さいものと考えられる。
従って、本発明は、剛針群に限定されるものではなく、合体気泡内に入り込んで液膜を
作ることが可能な「液体（ここではサブクール液）に対するぬれ性を有する凸部材」であ
ればよいと考えられる。よって、剛針群の針は、凸部材の一形態である。

すなわち、本発明の沸騰冷却方法は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部
材の表面を被冷却面とし、管状流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状流路に沿ってサ
ブクールされた冷却液を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却液が沸騰して発生する
気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、
冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管状流路
内に固定して設けられた細径の剛針群の少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む状態
とすることによって、前記合体気泡の崩壊時に発生する圧力を低減させることを特徴とす
る。
ここで、「剛針群の少なくとも一部」とは、剛針群のなかの一本のみの針は含まず、あ
くまでも複数本の針を意味する（以下、同じ）。

また、本発明の沸騰冷却方法は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の
表面を被冷却面とし、管状流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状流路に沿ってサブク
ールされた冷却液を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却液が沸騰して発生する気泡
を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、冷却
液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管状流路内に
固定して設けられた複数の凸部材をその少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む状態
とすることによって、前記合体気泡の崩壊時に発生する圧力を低減させることを特徴とす
る。
ここで、「凸部材の少なくとも一部」とは、複数の凸部材のなかの一本のみの凸部材は
含まず、あくまでも複数本（全体）のなかの一部の複数本を意味する（以下、同じ）。

また、本発明の沸騰冷却装置は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の
表面を被冷却面とし、サブクールされた冷却液を流通しかつ該被冷却面が設けられた管状
流路を有し、流通させるサブクールされた冷却液が、加熱した前記被冷却面で沸騰して発
生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気
泡を、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却装置であって、前
記管状流路が、該管状流路内に固定して設けられ少なくとも一部が前記合体気泡内に入り
込む細径の剛針群を有する流路構造体であることを特徴とする。

また、本発明の沸騰冷却装置は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の
表面を被冷却面とし、サブクールされた冷却液を流通しかつ該被冷却面が設けられた管状
流路を有し、流通させるサブクールされた冷却液が、加熱した前記被冷却面で沸騰して発
生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気
泡を、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却装置であって、前
記管状流路が、該管状流路内に固定して設けられ少なくとも一部が前記合体気泡内に入り
込む複数の凸部材を有する流路構造体であることを特徴とする。

本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置においては、被冷却面とこれに対向する
前記管状流路の管内壁（以下、単に「管壁」ともいう）が互いに平行的であり、前記剛針
群が前記被冷却面に相対する内壁部に固定し前記被冷却面に向けて突出させて設けられた
流路構造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置においては、前記剛針群が前記管状流路
の流れ方向に少なくとも１列設けられた流路構造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置においては、前記冷却液の流れ方向の前
記被冷却面の長さが１〜５ｃｍである流路構造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法においては、管状流路内を流通する前記冷却液の平均流速は
、下限が０．２／秒であることが好ましく、一方、上限が１．０ｍ／秒であることが好ま
しい。

本発明の前記沸騰冷却方法においては、前記冷却液が水であって、１気圧におけるサブ
クール度が３０〜４０Ｋであることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法においては、前記冷却液が水あるいはアルコール、もしくは
、水とアルコールとの混合液、または、フッ素系不活性液体であることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法においては、前記冷却液が不凍液であることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法においては、管状流路内の空気量が０〜２０％になるように
前記冷却液を調整し流通させることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置においては、流路構造体として、前記冷
却液を流通される前記管状流路に対し隔壁を隔して管状の副流路が形成され、前記副流路
から前記隔壁を通して前記管状流路内に前記冷却液を供給する細管供給部を複数個有する
ものを用い、前記流路構造体の前記管状流路と前記副流路とに前記冷却液を供給・流通さ
せ、前記副流路の側から前記管状流路内へ前記冷却液を供給しつつ主流路である前記管状
流路の冷却液と併せて冷却を行うこともできる。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液を前記管状流路に供給して流通させ
る冷却液供給・流通手段を備えることができる。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却面が管状流路の内壁の少なくとも一部
をなすものであることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液供給・流通手段が、前記冷却液を貯
留させる冷却液容器を有することが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液容器に前記冷却液が貯留されている
ことが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液供給・流通手段が、対流式の放熱手
段を有し、この放熱手段が、上記流路構造体に流通されて被冷却面の冷却に寄与した冷却
液の冷却を行うものであることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、対流式の放熱手段が、空冷式のラジエータであ
ることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、流路構造体の剛針群の配列が規則的で格子状で
あることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、被冷却面とこれに対向する管壁が互いに平行的
であり、剛針群が、上記被冷却面に対向する管壁から突出して、その先端部が被冷却面に
０．５ｍｍ以下の間隔を設けて近接するように形成された流路構造体を用いることが好ま
しい。
本発明に係る図１（ａ）等では、図面上剛針の先端部を被冷却面に接触した状態で表示
しているが、実際には、図１３に示すように、０．５ｍｍ以下の間隔を設けて非接触状態
としている。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、管状流路の断面形状が略矩形形状である流路構
造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、管状流路の断面形状が円形状もしくは楕円形状
、または、半円形状もしくは半楕円形状である流路構造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、被冷却物もしくは被冷却物に密接する伝熱部材
の少なくとも表面を構成する材料が超親水性である流路構造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、冷却液を流通される管状流路に対し隔壁を隔し
て管状の副流路が形成され、副流路から隔壁を通して管状流路内に冷却液を供給する供給
部を複数個有する流路構造体を用いることが好ましい。

本発明の前記沸騰冷却装置においては、流路構造体を複数個、互いに近接して平行に有
することが好ましい。

本発明の気泡微細化沸騰冷却方法は、上述のように、被冷却物の表面もしくは該表面に
密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状
流路に沿ってサブクールされた冷却液を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却液が沸
騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成され
た合体気泡を、冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって
、前記管状流路内に固定して設けられた細径の剛針群の少なくとも一部が前記合体気泡内
に入り込む状態とすることによって、前記合体気泡の崩壊時に発生する圧力を低減させる
ことを特徴とするものである。

本発明における流路構造体とは、沸騰冷却装置の一部を構成し、サブクールされた冷却
液を流通させる管状流路に細径の剛針群が設けられたものを言い、この「流路構造体」が
本発明の要であり、「流路構造体」を構成要素とする沸騰冷却方法及び沸騰冷却装置によ
って、本発明の上記課題を解決することができる。

該「管状流路」とは、サブクールされた冷却液を流通する流路であるが、２つのタイプ
を包含する。
第一のタイプは、内壁部に被冷却面と剛針群が設けられた管状体からなる一重構造体で
ある。
一方、第二のタイプは、図３（ｆ）に示すように、管状体５０とその内部に中心軸に沿
って固定設置された柱状体５１とからなる二重構造体であって、該管状体５０の内壁部５
０Ａと柱状体表面５１Ａの、一方に被冷却面、他方に剛針群が設けられたものである。
従がって、本発明における「管状流路の内壁部」とは、管状体の内壁部だけではなく、
柱状体の表面部をも意味するものである。
高発熱密度のパワーＩＣのような、ヒートスプレッダの中に冷却管を通して沸騰冷却を
行うような場合には、第二のタイプが用いられるが、通常の冷却装置は、第一のタイプの
管状流路が用いられるので、以後、第一のタイプの管状流路を中心に説明する。

「被冷却物」は冷却対象となるものである。
「被冷却物の表面に密接する伝熱部材」とは、例えば、ヒ−トスプレッダの如き「被冷
却物の発熱体に密着させた金属板」のように、熱伝導性で「発熱体からの熱の流れ」を広
げる機能を有する部材等である。

「被冷却面」は、被冷却物自体の表面もしくは伝熱部材の表面であり伝熱面とも言う。
該被冷却面は、平滑面としても良いが、例えば環状、螺旋状、細溝のような凹凸面ある
いは粗面にすると、被冷却面の面積が増大し、高い熱流束を得るのに好ましい。

上記第一のタイプの「管状流路」においては、被冷却物の表面を被冷却面とする場合に
は「被冷却物は流路構造体の構造の一部」をなし、伝熱部材の表面を被冷却面とする場合
には「伝熱部材は流路構造体の構造の一部」をなす。

「サブクール」は、冷却液の温度を「被冷却面との接触部で冷却液に沸騰が生じる飽和
温度よりも低い温度」にすることを意味し、冷却液の飽和温度（管状流路内で沸騰が生じ
る温度）とサブクールされた冷却液との温度差を「サブクール度」と言い『Ｋ』で表わし
、サブクールされた冷却液を「サブクール液」と言う。
本発明における「サブクール度」に特に制限はないが、被冷却面を安定した気泡微細化
沸騰により冷却し、かつ、冷却した後の冷却液のラジエータ等による放熱を考慮すると、
管状流路における「被冷却面上流側端部におけるサブクール度」は、２０Ｋ以上が適当で
あり、３０Ｋ〜６０Ｋの範囲がより好ましく、さらに４０〜５０Ｋの範囲が一層好ましい
。
この「サブクール度の範囲」は、冷却液として水を用いる場合のみならず、後述するよ
うな、水とアルコール等との混合液の場合にも適用可能である。

本発明で用いられる「剛針群」とは、管状流路の内壁部に固定し設けられた複数の剛針
からなり、気泡崩壊分割手段となって、崩壊時に発生する空気圧を減少させる機能を有す
るものである。
また、本発明においては、前述したように、合体気泡内に入り込んで液膜を作ることが
可能な「液体（ここではサブクール液）に対するぬれ性を有する凸部材」を用いることが
可能と考えられ、該凸部材としては、剛針ばかりでなく、例えば、厚さが０．１〜０．５
ｍｍ、長さが５〜１０ｍｍ程度の薄板（凝縮崩壊促進板）を用いることができ、その材質
として後述する剛針と同じものが用いられる。
この薄板群を、剛針群と同様に、流路内で被冷却面に向けて突出するように、配列した構
成とすることができるが、この場合、特に、流動抵抗を考慮し、薄板数と配列方法等を選
択する必要がある。
以下、剛針群を用いた管状流路を中心に説明する。
該剛針群は、管状流路の被冷却面に相対する内壁部に固定し、該被冷却面に向けて設け
ることができるが、被冷却面に固定し相対する内壁部に向けて設けることもできる。後者
の場合には、剛針を被冷却面に固定する付け根部分が発泡点となって気泡が発生しやすい
ため、前者の方がはるかに好ましい。
しかしながら、後者の場合にも、付け根部分の形状を弧を描くようなスムージングすれ
ば、気泡発生を制御でき、剛針群がフィン機能を発揮して冷却効果を高めることが期待で
きる。

本発明で用いられる「剛針」とは、「針状体」に限られるものではなく、各種棒状体を
含み、該棒状体の形状として、断面が円形のものも四角形のものも使用することができ、
気泡崩壊分割手段として機能を果たすのに必要な剛性を有するもので、本発明においては
これらを総称して「剛針」と言う。
第一のタイプの「管状流路」においては、剛針群を管状流路の被冷却面に相対する内壁
部に固定し、該被冷却面に向けて突出させて設ける場合、個々の剛針は、「管壁に対して
適当な角」をなす。
この「適当な角」は、剛針群の機能を果たしうるものであればよく、例えば、該被冷却
面が管状流路上に設けられ、かつ管状流路の断面形状が矩形である場合には、管壁に対し
て直交する角、あるいは、直交に近い角等である。

「剛針が細径」であるとは、断面が円形状の剛針の場合であって、剛針群として流路内
に突出した状態において「冷却液の流れに対して大きな抵抗とならない」ような太さを言
い、管状流路の断面積や、剛針群をなす剛針の数、さらには冷却液の流量等に応じて最適
化することができるが、１例を挙げれば直径が０．１ｍｍ〜１ｍｍ程度である。
「剛針群の機能を果たすのに必要な剛性」は、冷却液の流れにより大きく撓んだり、変
形したりしないための剛性であり、従って、この場合にも、冷却液の流量（流速）等に応
じて最適化することができる。
また、各剛針の材質としては、特に限定的ではないが、「必要な剛性」があって、また
、耐熱性かつ防錆性を有し、さらに「熱伝導率の高い材質」が好ましく、その上、「冷却
液に対して濡れ性のよいもの」が好ましく、例えば、ステンレス、アルミニウムのような
金属、テフロン（登録商標）のような軟化点の高い合成樹脂などが用いられる。

高密度内における剛針群の配列、即ち、個々の剛針の配列としては、規則的であっても
、ランダムであっても使用することができる。
規則的な配列とは、マトリックス状配列や千鳥状配列のような、整然とした配列であり
、ランダムな配列とは、一定の規則性を持たない配列であるが、単位面積あたりの剛針数
は大きく変動しない配列である。
本発明者等の観察によると、合体気泡の崩壊によって生じる空気圧の抑制に、特に、規
則的に配列された剛針群が有効であり、これは相互に等間隔に隣接する４個の剛針が格子
を形成し、これらの合体気泡との４つの接触部に形成される４つの窪み・凹部が同等の崩
壊力を有することによることが考えられる。

上記「規則的な配列」の場合も「ランダムな配列」の場合も、剛針群の配列密度は、管
状流路の流路方向に沿って一定としてもよいが、配列密度を「流通される冷却液の下流側
でより高密度」とすることができる。
流路方向の剛針群の規則的な配列は、その列数の限定はなく、管状流路の幅の大きさに
依り、狭い場合には１列でも可能であるが、等間隔に隣接する４個の剛針が格子を形成し
て、前記のような効果を得るために、２列以上が好ましく、４〜８列がより好ましい。
また、剛針群の流路方向に対する幅方向（流れ方向と直交する方向）の剛針の配列密度
を高くすることが効果的であるが、配列密度が高すぎると、冷却液の流通の抵抗になるた
め、その剛針の間隔は、２〜５ｍｍが好ましく、特に、２〜３ｍｍであることが好ましい
。
さらに、剛針の配列に関し、幅方向の密度を高くした方が、管状流路の上流側より下流
側を高密度にする上記のやり方に比べてはるかに有効である。

剛針群を構成する複数の剛針は、被冷却面に相対する管壁部から被冷却面に向けて設け
る場合には、管壁部上に格子状に規則的に配置することが好ましく、また、剛針の先端部
を被冷却面とわずかな間隔を空けて非接触に近接させて設置することが好ましい。
このように２列以上規則的に剛針群を設けることによって、被冷却面に合体成長した気
泡が格子状に配置した剛針により貫かれるように該剛針と接触し、表面張力により形成さ
れる窪み・凹部が、合体気泡を細かいセルに分割する要因になることが考えられ、従がっ
て、気泡微細化沸騰で気泡が崩壊する時に、各セル毎に存在する気泡が個別に崩壊してい
ることも推察される。
この場合、崩壊時の瞬間圧力は気泡の大きさに関係するので、剛針の密度を増やしセル
の大きさを小さくすれば、発生する瞬間圧力が低下することにはなると考えられるが、反
面、サブクール液の流動抵抗が増加することになるので、剛針の太さと配列密度について
は被冷却面の長さと幅の大きさ等の条件に応じて適宜選択する必要がある。

流路内に突出するように管状流路の管壁上に剛針を設ける方法として、管壁に穴を空け
て剛針の一端部を埋め込んで接着剤等で固定するか、管壁に穴を空けずに剛針の一端部を
管壁表面に蝋付け等で固定するか、管壁が耐熱性樹脂板性の場合に、剛針の一端部を加熱
し樹脂板に押し込んだ後冷却し固定するか、あるいは成形等によって管状流路と剛針とを
一体に形成する等があるが、いずれにせよ、固定した剛針がはずれないような、高熱環境
における高い耐久性が必要である。
例えば、「熱伝導率の高い材質」による剛針を、管状流路の管壁をなす被冷却面に植え
込んだり接着したりして流路内に突出させると、細径の剛針群が被冷却面と一体化したこ
とにより被冷却面の表面積が大きくなり、冷却液との接触面積が増大し、冷却液への伝熱
効率が有効に向上する。
また、凝縮崩壊への効果をさらに大きくするために、剛針の温度を冷却液の温度よりも
低く保持することが考えられ、そのために、剛針群を構成する各剛針の一端部を、被冷却
面に相対する管壁部から被冷却面に向け突出させる流路構造体の場合には、他端部を管壁
部を貫通させ管状流路の外壁表面上に突出するように管壁部で固定する構成にして、外壁
表面上の該剛針部から大気への自然対流により放熱させ、さらに、外壁表面上の該剛針部
を送風機よって送風するとかダクトをつけて送風し強制対流放熱させるような、冷却手段
を設けて剛針群を冷却することができる。

剛針を被冷却面に埋め込む構造は、冷却面積を増加させる効果はあるものの、被冷却面
と剛針の接触部分が発泡点になって気泡に覆われた接触部分が高温になる場合があり、部
分的に「焼き切れ（バーンアウト）」まで進む恐れがあるので好ましくない。
一方、剛針が「熱伝導率の高い材質」の場合には、管状流路の管壁をなす被冷却面に植
え込んだり接着したりして流路内に突出させると、細径の剛針群が被冷却面と一体化した
ことにより被冷却面の表面積が大きくなり、冷却液との接触面積が増大し、冷却液への伝
熱効率を有効に向上させるので、好ましい。

また、本発明の流路構造体において、管状流路の断面形状が略「矩形形状」であること
が好ましく、「被冷却面とこれに対向する管内壁」が互いに平行的で、剛針群が、被冷却
面および／または被冷却面に対向する管壁から突出して、その先端部が反対側の面である
「被冷却面に対向する管壁もしくは被冷却面に、近接もしくは当接」するように構成する
ことができる。
剛針群の先端部を「被冷却面に対向する管壁もしくは被冷却面に当接」させる場合には
、剛針自体が放熱フィンとして冷却効果をもたらす。このような放熱フィンとしての機能
を効果的に果たさせるためには、剛針の材質として熱伝導性のものを用いることが好まし
い。また、剛針群の先端部を「被冷却面に対向する管壁もしくは被冷却面に近接」させる
場合、近接させる管壁との間隔は高々０．１ｍｍかそれ以下であることが好ましい。
しかしながら、剛針の先端部を被冷却面に当接し接触すると、接触部分が発泡点になり
、その結果、気泡に覆われた接触部分が高温になって部分的に「焼き切れ（バーンアウト
）」に進むことが考えられるので、間隔を０．１ｍｍ以下であっても、当接させず近接さ
せた方が好ましい。

上記「被冷却面とこれに対向する管壁が互いに平行的」であるとは、これらの面が平面
であって互いに平行して対向する場合のみならず、これらの面がそれぞれ円筒面等であっ
て、互いに平行的に対向する場合も含む。即ち、被冷却面とこれに対向する管壁とは、平
面である場合も曲面である場合もある。

また、本発明の流路構造体において、管状流路の断面形状としては、前述の「矩形形状
」以外に、「円形状もしくは楕円形状」または「半円形状または半楕円形状」にできる。
例えば、被冷却物または伝熱部材の内部に「断面形状が円形状もしくは楕円形状の孔」
を穿設すると、被冷却物または伝熱部材の内部に「円筒面状もしくは楕円筒面状の表面」
が形成されるので、この円筒面状もしくは楕円筒面状の表面を被冷却面とし、この表面を
管壁とする管状流路に冷却液を流通させて気泡微細化沸騰冷却を行うことができる。
この場合には、管状流路の管壁はすべて「被冷却物もしくは伝熱部材の、円筒面状もしく
は楕円筒面状の表面」になる。

本発明の流路構造体は、後述するように、稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を構成要
素とする多種の製品に幅広く適用可能なものであり、冷却液を流す被冷却面の長さは、製
品によって様々である。
本発明の流路構造体を単体で用いる場合に、所期の気泡微細化沸騰効果を十分発揮する
ためには、その「冷却液を流す被冷却面の長さ」として、１ｃｍ〜５ｃｍが適当であり、
長くて５ｃｍ程度であることが好ましく、被冷却面の長さがより大きい場合には、本発明
の流路構造体を複数個、直列に組合せて用いることが好ましい。
また、被冷却面が長い電子パッケイジが必要な場合は、被冷却面の長さを、例えば５ｃ
ｍとする複数のパッケイジに分割し、本冷却装置をサンドイッチ状に配置することにより
、よりコンパクトになり高熱流束冷却を行うことができる。
すなわち、本発明の流路構造体は「管状流路を複数個、互いに近接して直列的もしくは
並列的に有する」構成とすることができる。複数個の管状流路を並列的に組合せる場合、
複数の管状流路における冷却液の流通の向きは、同一方向としてもよいし、管状流路のう
ちに、他の管状流路とは逆向きに冷却液を流通されるものが１以上あってもよい。このよ
うに複数の管状流路を併設することにより、流路の並列的な配列方向における冷却領域を
増大することができる。

また、本発明の流路構造体は「冷却液を流通される管状流路に対し、隔壁を隔して管状
の副流路が形成され、副流路から隔壁を通して管状流路内に冷却液を供給する供給部を複
数個有する」構成とすることができる。
副流路は、管状流路を介して被冷却面から離れる位置に形成されてもよいし、管状流路
の流路方向に沿う側方に形成されてもよい。

また「供給部」は、管状流路との隔壁に「貫通孔」として形成されてもよいし、隔壁自
体を「多孔質」として形成してもよく、隔壁から管状流路側へノズル状に突設させて、先
端部を被冷却面に近接させるようにしてもよい。

この場合、流路構造体の管状流路と副流路における「冷却液の流通の向き」は、管状流
路と副流路とで同じ向きでもよいし、互いに逆の向きでもよい。副流路に流通される冷却
液は勿論「サブクール液」である。

本発明の流路構造体は、熱伝導性の良い材料で構成するのがよい。例えば、金や銀やア
ルミニウムは大きな熱伝導率を持ち、特に、銀は熱伝導率の高さの点で流路構造体の材料
として適しているが、コストの面からするとアルミニウムが好適である。
さらに、流路構造体の材料として、熱伝導性の良いものばかりでなく、安定した耐錆性
、耐腐食性、耐熱性の高いものを使用することが好ましく、例えば、耐錆性処理を施した
アルミニウム、ステンレス、セラミックス、アクリル樹脂等を好適に使用できる。

本発明の冷却装置は「気泡微細化沸騰冷却を行う装置」であり、流路構造体と、冷却液
供給・流通手段とを少なくとも有する。
「流路構造体」は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却
面とし、被冷却面を管壁として形成され、サブクールされた冷却液を流通される管状流路
を有し、管状流路の管壁から細径の剛針群を流路内に突出させた構造をもち、具体的には
上述したものが用いられる。

「冷却液供給・流通手段」は、流路構造体の管状流路もしくは管状流路と副流路に流通
される冷却液を流路構造体に供給して流通させる手段である。

上記「冷却液供給・流通手段」は、冷却液を貯留させる冷却液容器と流路構造体との間
に、冷却液を流通させることができ、この場合において「冷却液容器に冷却液が貯留され
た状態」が含まれる。

また、上記「冷却液供給・流通手段」の構成要素として、対流式の放熱手段を有するこ
とができる。
「対流式の放熱手段」は、流路構造体に流通されて被冷却面から冷却液に移された熱を
有効に放熱し、より効率良い沸騰冷却を可能とするものである。この放熱手段は、空気を
対流させる方式のものでも、水などの液体を対流させる方式のものでも良いが、空冷式の
ラジエータは好適なものの１つである。

本発明の沸騰冷却装置における冷却液としては「被冷却面温度に対して適当な飽和温度
を持つもの」であれば、特に制限無く使用することができるが、入手の容易性、低コスト
性、取り扱いの容易性、安全性、化学的・物理的安定性等の観点から、水あるいはアルコ
ール、もしくは、水とアルコールの混合液、または、フッ素系不活性液体が特に好適であ
る。

「水」は、環境保全の面から言えば、冷却液として特に好適なものである。フッ素系不
活性液体は「フロリナート（登録商標住友スリーエム社）」が市販されている。
「水とアルコールの混合液」としては、アルコールとしてエチルアルコール、プロピル
アルコールそれぞれを、水に対し５〜１５％の割合で混合した冷却液が好適である。
また、先述のように、「水とアルコールの混合液」を用いる場合には、水の場合と同様
に、サブクール度は２０Ｋ以上が好ましく、２０Ｋ未満
になると気泡微細化沸騰が起こりにくいことが確認されている。
「水とアルコールの混合液」は、「水のみによる冷却液」を用いる場合に比して、崩壊
後の微細気泡が明らかに小さく、また、合体気泡崩壊時の圧力振動を５０％程度さらに低
減することを可能とし、３０％程度高い熱流束を得ることを可能とする。
圧力振動を低減できる理由は、水とアルコールとを混合すると、表面張力が水単独の場
合よりも小さくなり、気泡の崩壊が容易になるためと考えられる。また、高い熱流束が得
られる理由は、沸騰時に「沸点の低いアルコールが先に蒸発」することにより、伝熱面の
「気泡付着箇所近傍と混合液の間に生じるアルコール濃度差」が、気泡における表面張力
の差をもたらし、気液界面の「気泡上部における温度の低い部分の大きな表面張力」に混
合液が引張られ、気泡上部に向かう流れ（マランゴニ流れ）が生じ、「伝熱面の気泡付着
面」に向かって温度の低い冷却液が供給されて気液交換が促進されることによるものと推
察される。

本発明の沸騰冷却装置が、寒冷地又は低温雰囲気中で使用される場合、冷却液の凍結に
より冷却装置として機能が果たせなくなる虞がある。この対策として、冷却液の凍結を防
ぐ「防結手段」として冷却液を不凍液とすることができる。
不凍液は、本発明の沸騰冷却装置を搭載する製品種に応じて適宜選択使用することがで
き、市販されているものも適用可能であり、例えば、エチレングリコールを主成分とする
ものを用いることができるが、エチレングリコールに代えて、メチルアルコールやエチル
アルコールのようなアルコール類と水とを濃度調整して不凍液として使用することができ
る。
例えば、水とエチレングリコールとの混合液（混合液１）、水とメチルアルコールとの
混合液（混合液２）、水とエチルアルコールとの混合液（混合液３）のそれぞれの凝固点
（℃）は、水と混合するエチレングリコールなどの成分の濃度（％）によって変化し、次
のようになる。
濃度（％）１０２０３０４０
混合液１ −３℃ −８℃ −１５．５℃ −２５℃
混合液２ −５℃ −１２℃ −２１℃ −３３℃
混合液３ −２．５℃ −７℃ −１３℃ −２２℃

また、この発明の流路構造体の被冷却面を構成する「被冷却物もしくは被冷却物に密接
にする伝熱部材」の、少なくともその表面を構成する材料として、先述の金属板のように
、熱伝導で「発熱体からの熱の流れ」を広げる機能を有する部材ばかりでなく「超親水性
材料」を用いることができる。

伝熱面を親水性材料からなる膜（親水性膜あるいは超親水性膜）とすることにより、伝
熱面が冷却液による濡れ性が向上して気泡離脱が促進し、剛針による気泡微細化効果と相
俟って、限界熱流束を向上させることができる。

親水性材料としては、例えば、特許第３３４０１４９号、特許第３１４７２５１号、特
許第２５９９３１号、特開２００５−５５０６６、特開２００２−０６２０６９、特開２
００１−１３３６８９０、特開２０００−１４４０５２、特開２０００−１０３６４５等
に挙げられているものを、この発明の流路構造体を用いる製品に応じて適宜適用可能であ
る。
発明者等の実験によると「５００〜６００℃で形成されたセラミック親水性膜」は、限
界熱流束を１０〜２０％増加させ、また特に、微小重力環境下では気泡離脱を促進する効
果が高いことが確認された。

本発明を図面を用いて説明する。
図１（ａ）の右図と左図は、本発明の流路構造体の断面模式図であり、該流路構造体は
、管壁ＫＨから被冷却面ＨＢＳに向けて、剛針Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｉを突出させ、管壁
ＫＨ上に一列に並べた剛針群が固定され、管壁ＫＨの幅方向（図示していないが紙面と直
角方向）に、図示された一列の前記剛針群に並んで、同じ剛針群が２列目として固定され
ている。
右図と左図は共に、サブクールされた冷却液が流路構造体の管壁ＫＨ側に沿って、右方
から左方に流れている状態を表わし、左図は、右図よりも冷却液を流し始めてから経過し
た時間が長く、被冷却面ＨＢＳと接触時間が長くなるに従い、被冷却面ＨＢＳ表面で発生
した微小気泡ＳＢが流れと共に次第に合体し成長していく状態が示されている。
右図は微小気泡ＳＢが合体気泡ＬＢに成長する状態を、左図は、２列の剛針群の隣接す
る４本の剛針が形成する各格子内に合体気泡ＬＢが、被冷却面の一部を覆うように被冷却
面ＨＢＳに付着して形成された状態を示している。

微小気泡ＳＢは徐々に合体気泡に成長していくが、成長するに従がって合体気泡は、剛
針Ｎｉが合体気泡ＬＢに「突き刺さった状態」あるいは合体気泡ＬＢ内に入り込んだ状態
となると共に、２列の剛針群の隣接する４本の剛針に接触し、この４つの接触部では表面
張力によって、合体気泡側に引っ込み冷却液側に盛り上げるような、窪み・凹部が形成さ
れ、合体気泡ＬＢの表面は、剛針の分布に従って、複数の凸曲面ＬＢ１、ＬＢ２、・・Ｌ
Ｂｉ・・に分かれたような状態を形成する。
このように剛針群によって形成される格子が、合体気泡に「窪み・凹部」とか「凸曲面
」状態をつくって、合体気泡を一度に崩壊させないで、振動・騒音の原因となる高い瞬間
圧力の発生防止効果をもたらすものと考えられる。

また、図６（ｂ）左図のような、剛針群を用いない場合に形成される「単一の表面を持
つ合体気泡ＬＢ」に比して、上記のように合体気泡の表面が「複数の凸曲面」で構成され
た状態は、表面エネルギーが大きく、不安定な状態であり、この状態における「サブクー
ル液による微細気泡への崩壊」は、合体気泡ＬＢ全体として瞬時に崩壊が生じるのではな
く、複数の凸曲面ＬＢ１、ＬＢ２、・・ＬＢｉ・・毎の崩壊になるものと考えられる。

即ち、凸曲面ＬＢ１、ＬＢ２、・・ＬＢｉ・・のうちの「もっとも崩壊しやすい部分」
で崩壊が生じ、これが引き金となって他の凸曲面部分での崩壊が誘発され、全体の崩壊へ
と進むと推察される。図１（ａ）の右図は、凸曲面ＬＢ１、ＬＢ３を除く凸曲面部分で微
小気泡ＳＢへの崩壊が生じた状態を示している。

本発明の沸騰冷却方法は、上に説明した沸騰冷却装置を用いた冷却方法である。
本発明の沸騰冷却方法において、沸騰冷却装置を構成する流路構造体の管状流路内に流
通させる冷却液の流速には特に制限はないが、０．２ｍ／秒以上が好ましく、さらに、０
．４ｍ／秒以上が好ましい。０．２ｍ／秒未満では、冷却液の流れによる「伝熱面上の気
泡の除去されない」ことが起きる場合がある。
また、冷却液の流速は１．０ｍ／秒程度を上限とすることが好ましく、さらに、０．６
ｍ／秒以下が好ましい。１．０ｍ／秒を超えると、冷却液流通のための配管系の流動抵抗
が増加し、冷却液を流通させるための駆動力が増加する傾向がある。

また、冷却液を管状流路内を流通させるのは、図１（ａ）で言えば右側上流の、冷却液
流入側の圧力を１気圧より多少高目の、例えば１．０２〜１．１５気圧に、出口側圧力を
１気圧に、上記の流速と合わせて調整して流通することが好ましい。

また、本発明の沸騰冷却方法においては、前記剛針群が固定された内壁部に相対する前
記管状流路の外部表面から超音波を当てて、微細化を促進しより安定した気泡微細化沸騰
を行うことができ、沸騰冷却装置として超音波発生装置を取り付けたものとすることがで
きる。
管状流路を流通し、一旦被冷却面の冷却に供した冷却液は温度が上昇しサブクール度が
低下するため、元のサブクール度に戻すのにラジエータのような放熱手段が用いられる。
例えば、沸騰して高温になっている冷却液を、元のサブクール度４０Ｋに戻すにはかなり
の時間を要することになるが、２０Ｋにするとなるとさほど時間をかけないで済む。
しかしながら、冷却液のサブクール度が２０Ｋでは４０Ｋに比べて、気泡微細化沸騰を
低めることになるが、このような場合に、例えば、２０ｋＨｚ程度の超音波をあてかつ２
０Ｋの冷却液を用いて行うと、超音波をあてないで行う場合に比べて、２倍以上の除熱熱
流束が得られることが検証された。

本発明の沸騰冷却方法によって、３００Ｗ／ｃｍ^２以上の、特に５００Ｗ／ｃｍ^２程度
の熱流束を容易に得ることができ、振動・騒音を有効に低減化でき、６０％以上低減させ
ることができる。

さらに、本発明の沸騰冷却方法において、沸騰冷却装置に用いられる流路構造体として
、副流路を有するものを用いる場合には、冷却液供給・流通手段により、流路構造体の管
状流路と副流路とに冷却液を供給・流通させ、副流路の側から管状流路内へ冷却液を供給
しつつ冷却を行うことができる。

この場合、副流路から管状流路への冷却液供給は、副流路内の圧力を管状流路内の圧力
より高くして「強制的」に行ってもよいし、管状流路に流通する冷却液と副流路に流通す
る冷却液の「動圧差」や毛管現象を利用して、副流路内の冷却液が管状流路内に滲出する
ようにしてもよい。
本発明の沸騰冷却装置は「稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を構成要素とする製品」
に適用可能であり、例えば、発熱体を有し、沸騰冷却装置を構成する流路構造体の管壁の
少なくとも一部が発熱体の表面となる電子素子または燃料電池であることができる。

この製品としては、例えば、電子素子と伝熱部材とを主構成要素とする高発熱密度電子
機器が搭載された、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設
備の電力変換制御装置、又はコンピュータもしくはスーパーコンピュータ、又は鉄道電車
あるいは航空機用の電力システムの電力変換制御装置であって、沸騰冷却装置を構成する
流路構造体の管状流路が伝熱部材を管壁として形成されたことを特徴とするハイブリッド
自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備の電力変換制御装置又は鉄道電
車あるいは航空機用の電力システムの電力変換制御装置であることができる。

現在広く用いられている、Ｓｉ基板を用いるＩＧＢＴは、高出力化に伴い発熱密度が増
加する傾向にあり、このような半導体デバイスに対する冷却として、この発明の冷却装置
・冷却方法は極めて有効である。

次に本発明の流路構造体について、先述した、内壁部に被冷却面と剛針群が設けられた
第一のタイプ管状体の変形例を挙げて説明する。図３に、５つの変形例を示す。
図３（ａ）に示す実施の形態では、サブクールされた冷却液は、図の左方から右方へ向
かって流れ、管状流路の一部をなす流路部材１２Ｂの管壁から流路内へ突出する剛針群Ｎ
１、Ｎ２、・・Ｎｉ・・の配列密度が冷却液の下流側ほど高くなっている例であり、各剛
針の先端部が相対する管壁に当接させずに近接するように固定することが好ましい。

前述した如く、合体気泡は、核沸騰で生じた微小な気泡が、冷却液の流れと共に次第に
合体して成長して被冷却面に付着するものであるために、冷却液の下流側で大きくなって
被冷却面に付着し易い。従って、合体気泡を「小分けにして崩壊させる剛針群」の密度を
下流側で大きくすることにより、合体気泡の小分けされる数（前記凸曲面ＬＢｉの数）が
大きくなり、剛針群による効果がより有効に発揮される。

図３（ｂ）に示す実施の形態は、管状流路の断面形状が「円形状」である場合の例であ
る。
即ち、この例では、被冷却物３０の内部に、断面円形状の孔が穿設されて、管状流路３
１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃとなっている。これら管状流路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは、全面が
被冷却面であり、これらの管状流路に冷却液を、図面に直交する方向へ流通させて気泡微
細化沸騰冷却を行うことができる。
剛針群を構成するＮｉ、Ｎｊ、Ｎｋは、管状流路の管壁に直交する角度で管状流路内に突
出している。しかしながら、剛針群を管状流路の管壁に固定する場合、結合部が発泡点に
なりやすいため、結合部を弧を描くようなスムージングすることが好ましい。

図３（ｂ）の例はまた、複数個の管状流路３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃを互いに近接して平
行に有する構成である。

図３（ｃ）に示す実施の形態は、管状流路の断面形状を半円形とした例である。
被冷却物３２の被冷却面３２Ａの上方に、アーチ型の断面形状を持つ半円筒状の管壁が
形成された流路部材３４が設けられ、被冷却物３２と一体化して管状流路を形成している
。この管状流路の管壁の一部をなす被冷却面３２Ａの側から、被冷却面３２Ａに直交する
角度を持って剛針群Ｎ１、Ｎ２、・・Ｎｉ・・が、管状流路内に突出するように設けられ
、各剛針の先端部が相対する管壁に当接させずに近接するように固定することが好ましい
。管状流路の断面形状が半円形状であることに応じて剛針Ｎｉの長さが異なる。

図３（ｄ）に示す実施の形態は、被冷却物３３の被冷却面３３Ａと流路部材３５とを組
合せて、断面形状が矩形形状で互いに平行管状流路３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃが近接して形
成された例である。個々の管状流路３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｃには、図の如く剛針群が設け
られている。各剛針の先端部が相対する管壁に当接させずに近接するように固定すること
が好ましい。

図３（ｅ）に示す実施の形態は、冷却液を流通される管状流路４２に対し、隔壁を隔し
て管状の副流路４４が形成され、副流路４４から隔壁を通して管状流路４２内に冷却液を
供給する複数個の供給部４２Ａ、４２Ｂを有する例である。管状流路４２は被冷却物４０
の被冷却面４０Ａを管壁の一部として、流路部材４２１、４２２により構成され、剛針Ｎ
１、・・Ｎｉ、・・による剛針群は流路部材４２２の側から流路部材４２２の管壁に直交
する角度をもって管状流路４２内に突出し、それらの先端部は被冷却面４０Ａに近接して
いる。

流路部材４２２はまた、副流路４４に対して管状流路４２を隔する隔壁であり、この隔
壁をなす流路部材４２２と副流路部材４４１とにより副流路４４が形成されている。管状
流路４２、副流路４４の断面形状は矩形形状であるが、これに限らず円形状や半円形状当
の他の断面形状でもよい。また、図３（ｅ）の例では、管状流路４２と副流路４４とをサ
ブクールされた冷却液が同じ向き（図の左方から右方へ向かう向き）に流通しているが、
これに限らず、管状流路４２と副流路４４とで冷却液の流れの向きを逆にしてもよい。

供給部４２Ａ、４２Ｂ等は、隔壁４２２から管状流路側へノズル状に突設させて、先端
部を被冷却面４０Ａに近接させている。

このような流路構造体を用いると、剛針群による効果に加え、副流路側からのサブクー
ル液の供給により、管状流路を流れる冷却液の温度を有効に低下させ、サブクール液のも
つ「気泡微細化崩壊効果」を助長することができる。

前述の如く、副流路４４から管状流路４２への冷却液供給は、副流路４４内の圧力を管
状流路４２内の圧力より高くして「強制的」に行ってもよいし、管状流路４２に流通する
冷却液と副流路４４に流通する冷却液の「動圧差」や毛管現象を利用して副流路４４内の
冷却液が管状流路４２内に滲出するようにしてもよい。

図４は、沸騰冷却装置の実施の１形態を説明するための図である。

図４において、符号５００は被冷却物で、発熱部５０１、５０２、５０３を有する。こ
れら発熱部５０１，５０２、５０３に接してヒートスプレッダ５１０が「伝熱部材」とし
て設けられ、図においてヒートスプレッダ５１０の上側の表面が、平滑な平面状の被冷却
面５１０Ａとなっている。

符号５１２は流路部材を示し、ヒートスプレッダ５１０とともに「管状流路」を構成す
る。即ち、管状流路５１４の管壁の一部はヒートスプレッダ５１０の被冷却面５１０Ａで
あり、管状流路５１４内には、剛針Ｎｉによる剛針群が突出している。個々の剛針Ｎｉは
、管状流路５１４における図の上側の管壁から管壁に対して直交する角度で突出し、その
先端部は被冷却面５１０に当接している。

即ち、ヒートスプレッダ５１０と、剛針群を有する流路部材５１２とは、被冷却物５０
０の表面に密接する伝熱部材５１０の表面を被冷却面５１０Ａとし、被冷却面５１０Ａを
管壁として形成され、サブクールされた冷却液を流通される管状流路５１４を有し、管状
流路５１４の管壁から細径の剛針群を流路内に突出させた構造をもつ流路構造体である。

図４における符号５２０は「冷却液容器」、符号５２２は「冷却液」を夫々示す。また
、符号５３２は「流路用ポンプ」、符号５３０、５４０は「冷却液用管路」、符号５５０
は「凝縮手段」を示している。

流路用ポンプ５３２、凝縮手段５５０は後述する「制御手段」により制御される。
冷却液容器５２０には冷却液５２２が貯留されている。冷却液５２２としては、水ある
いはアルコールもしくは、水とアルコールの混合液、またはフッ素系不活性液体を好適に
用いることができ、特に、先の実施の形態で説明した「純水」や、「エチルアルコールと
プロピルアルコールを、水に対し５〜１５％の割合で混合した冷却液」は好適である。ま
た、冷却液として不凍液を用いることができることは言うまでもない。

冷却を行うときには、冷却液容器５２０内の冷却液５２２を流路用ポンプ５３２により
汲み上げ、冷却液用管路５３０を通して流路構造体の管状流路５１４に供給する。管状流
路に供給された冷却液５２２は管状流路内を流れつつ被冷却面５１０Ａの気泡微細化沸騰
冷却を行う。その際、管状流路内に突出する剛針群の作用により、管状流路内における圧
力変動が有効に軽減され、騒音・圧力共に有効に軽減される。

管状流路５１４を通過した冷却液５２２は、冷却液用管路５４０内を流れて冷却液容器
５２０内に戻されるが、その途上に於いて凝縮手段５５０に依り凝縮される。
凝縮手段５５０は冷却液用管路５４０内に組み込まれた凝縮部５５１と、この凝縮部５
５１に冷却風５５３を吹き付けるファン５５２とにより構成される。凝縮部５５１は流路
を長く取り、冷却液５２２はこの部分を流れる間に冷却風５５３により冷却され、凝縮し
て冷却液容器５２０に戻される。

即ち、冷却液容器５２０と、冷却液用管路５３０、５４０と、流路用ポンプ５３２と、
凝縮手段５５０は、管状流路５１４に流通される冷却液５２０を流路構造体に供給して流
通させる「冷却液供給・流通手段」を構成する。

従って、図４に実施の形態を示す沸騰冷却装置の「冷却液供給・流通手段」は、流路構
造体５１０、５１２と冷却液容器５２０との間に冷却液５２２を流通させるものである。

従って、図４の沸騰冷却装置によれば、本発明の沸騰冷却方法が実施される。

なお、図４の沸騰冷却装置における流路構造体として、図３（ｅ）に示した副流路を有
するものを用い、冷却液供給・流通手段により「流路構造体の管状流路と副流路とに冷却
液を供給・流通させ、副流路の側から管状流路内へ冷却液を供給」しつつ冷却を行うよう
にして、本発明の沸騰冷却方法を実施することができることは言うまでもない。

図５は制御手段７０による制御の様子を説明図として簡単に示している。
制御手段７０は「マイクロコンピュータ」である。上には説明しなかったが、図４に示
した沸騰冷却装置には各種センサが用いられ、「被冷却面温度」、「管状流路の流路入口
温度・流路入口圧力・流路入口流量・流路出口温度・流路出口圧力」、「凝縮部出口温度
・冷却液容器温度・冷却液容器圧力」が検出される。

これらのうち、各種温度の検出は「熱電対等の温度センサ」により行われ、各種圧力の
検出は「半導体圧力センサ等の圧力計」により行われ、各種流量の検出は「浮子面積式流
量計等の流量計」により行われる。

これら各種温度、流量、圧力等の検出結果は制御手段７０に入力され、制御手段７０は
入力情報に応じてポンプ５３２の駆動、凝縮手段５５０のファン５５２の駆動力の強弱、
「流路圧力安全弁、冷却容器圧力安全弁」を制御して、冷却動作に支障がでないようにす
る。また、被冷却面温度が急激に上昇した場合（被冷却面温度が上昇しすぎて被冷却面の
焼損が生じた場合が考えられる。）には被冷却物の電源を遮断する。

この発明は、従来の「核沸騰領域を利用した沸騰冷却」の冷却限界を、気泡微細化沸騰
冷却により大幅に向上させることができ、騒音・振動の少ない静かな冷却を実現できる。
またこの発明の沸騰冷却装置は、広い技術分野における伝熱部材の適用可能な、対環境
性、対省エネ性の発展性ある技術と言うことができる。

この発明の沸騰冷却装置が用いられる技術・製品分野（以下、製品と称する）は「稼動
中に熱が発生しその熱を冷却する冷却手段を構成要素とするもの」であれば、特に限定さ
れない。

例えば、パソコンのような発熱体を有する電子機器または発熱体を有する燃料電池、高
発熱密度の電子機器、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設
備の電力変換インバータ又は鉄道電車あるいは航空機の電力システムの電力変換インバー
タ、電力制御の電子パッケイジを含む複数の電子素子および伝熱部材（例えば、ヒートス
プレッダ）を主構成要素とする電子機器が搭載され、この発明の沸騰冷却装置は、伝熱部
材の表面を「流路構造体の管状流路の管壁」として一体的に形成した構成とし、製品とす
ることができる。

すなわち、パソコンのような発熱体を有する電子機器または発熱体を有する燃料電池で
は、この発明の沸騰冷却装置は、流路構造体の主流路と発熱体の表面とを一体的に形成し
た構成とし、製品とすることができる。

このような電子機器としては、一般的に高発熱密度電子機器が用いられており、例えば
５０ｋＷ以上のような高い電力が扱われるので、単位面積当たりの発熱量が多く、発熱密
度が１００Ｗ／ｃｍ^２以上、さらには３００Ｗ／ｃｍ^２にもなることも考えられるが、こ
のような電子機器の冷却に対しても、この発明の沸騰冷却方法・装置は好適である。

一方、この発明の流路構造体およびこの流路構造体を構成要素として備えた沸騰冷却装
置は、それぞれ単独の製品として扱うこともできる。

流路構造体を単独の製品として扱う場合には、沸騰冷却装置の構成要素として設置する
際に、被冷却物の大きさ、放熱器の最適取り付け場所、空間余裕によって配管の長さ等を
調節することができるが、冷却液が入っていないため、放熱器、送液ポンプ等を含む冷却
系を組み上げた時に空気が入らないように冷却液を注入することが必要である。

また、沸騰冷却装置を単独の製品として扱う場合には、冷却液容器に冷却液が予め貯留
された構成のものであっても、貯蔵されていない構成のものであっても製品とすることが
できるが、冷却液容器に冷却液が予め貯留された構成のものの場合には、予め冷却液を封
入した状態で扱うことができるので、冷却液注入と空気抜き作業を省略できる。

以上に説明したように、この発明によれば、従来にない沸騰冷却方法および装置、流路
構造体および応用製品を提供できる。この発明の沸騰冷却方法では気泡微細化沸騰冷却を
行うので「従来の沸騰冷却方法であれば遷移沸騰となるような不安定領域」においても、
良好な沸騰冷却を実現可能であり、気泡微細化沸騰冷却に特有の振動・騒音を極めて効果
的に軽減できるので、沸騰冷却装置やこれを備える応用製品の振動・騒音を有効に低減化
でき、６０％以上低減させることができる。また、冷却液下流側における熱流束の低下も
有効に軽減もしくは防止される。

（実験装置の説明）
図１２は、実験装置の概念図である。
本発明の流路構造体の効果を検証するために、図１２に示す実験装置を準備し、試験部
２８に図１３に示される流路構造体（図１（ｂ）と実質同じ）を取り付けて実験を行った
。
該実験装置を構成する各部品は以下のとおりであるが、それぞれの機能については、説
明を省略する。
図１２において、符号２１は恒温槽を、２２は自動温度調節器を、２３はポンプを、２
４は流量調節弁を、２５は流量計を、２６はフィルタを、２７は圧力センサを、２８は試
験部を、２９は熱電対を、３０はマノメータを、３１は電気炉を、３２は高速度ビデオカ
メラを、３３は電気炉制御器を、３４はデータ記録ＰＣを、３５は圧力センサ用直流増幅
器を、３６はＡＤ変換器を、それぞれ示している。

（実験例１）
図１（ｂ）及び図１３は、本発明の流路構造体の断面模式図であるが、本発明者等はこ
の模式図に基づいた流路構造体を作製して、剛針郡による振動・騒音抑制効果を検証した
。
この流路構造体を用いた実験は、伝熱ブロックの長方対に埋め込まれた熱電対の温度分
布および温度勾配から，伝熱面温度および除熱熱流束を求めることを基本とするものであ
る。

先ず、この流路構造体について説明する。
図１（ｂ）において、符号１０は「被冷却物」である高発熱体を示す。高発熱体１０は
銅製で、その上面の平面状部分の周辺部分を一段切り欠き、この部分に断熱材１１Ａと耐
熱シリコン１１Ｂとを設け、残りの部分を被冷却面（伝熱面とも言う）１０Ａとした。被
冷却面１０Ａのサイズは冷却液の流通方向である図の左右方向において５０ｍｍ、図面に
直交する方向である幅方向に２０ｍｍである。

管状流路を構成する部材１２はステンレスで、管状流路１６の「冷却液の流通方向に直
交する断面形状」は、図の上下方向の高さが５ｍｍ、図面に直交する方向の幅が２４ｍｍ
の矩形形状で、流通方向の長さは５００ｍｍである。
流路部材１２の下方部分を切り欠き、切り欠いた部分に高発熱体１０の上部をぴったり
と嵌め込み、被冷却面１０Ａと管状流路１６の管壁が同一面となるようにした。

一方、流路部材１２の上部の「被冷却面に対向する部分」を切り欠き、この部分に透明
なアクリル板１４を嵌め込んで「観察用窓」とした。該アクリル板１４の内側の面は、管
状流路の管壁の一部を構成し、図の如く剛針Ｎ１、Ｎ２、・・Ｎｉ・・で表される剛針群
が予め設けられている。

個々の剛針Ｎｉとして、断面形状が直径１．０ｍｍの円形状で長さ５ｍｍ強のステンレ
ス製の針状体を用い、剛針Ｎｉの先端部を加熱し、アクリル板１４の流路側面（管壁）に
押し込んだ後冷却し、突出した先端部を被冷却面１０Ａに当接させずわずかな隙間が空く
ように近接し、流路内に突出する長さが５ｍｍ弱となるように固定した。

剛針Ｎｉは、流通方向へ５ｍｍ間隔で１１本を直線状に配列し、これを１列として、幅
方向に配置する列の数を１列から７列まで変えたものと、剛針群がないものと合わせて合
計８つの流路構造体試料を準備した。
なお、流路幅方向（図面に直交する方向）の剛針群の配列は、剛針郡列が１つだけの試
料を除いて、６つの試料すべてについて列同士の間隔を３．３ｍｍに統一し、また、剛針
郡が１列、３列、５列及び７列の試料については、中央の剛針郡列が被冷却面１０Ａの流
路方向の中央線と一致するように、２列、４列及び６列のについては、前記中央線をベー
スに均等に分けて、設置される。

「冷却液」としては「純水」をサブクール度４０Ｋ（液温：６０℃）にサブクールして
用い、流入側（図の左方）の圧力を１．１気圧程度、出口側圧力を１気圧程度として、平
均流速５００ｍｍ／秒に調整した。

上記の７つの流路構造体試料を用いて、剛針の配列数をパラメータとして変化させ、被
冷却面１０Ａにおける冷却液流通の上流側端部（端から５ｍｍの箇所）と、中央部と、下
流側端部（端から５ｍｍの箇所）の３箇所における「熱流束」と、管状流路内の圧力変動
における最大瞬間圧力と平均圧力とを調べた。結果を図１（ｃ）に示す。

図１（ｃ）における左側の縦軸は「熱流束」、右側の縦軸は「圧力」を、また横軸は配
列された剛針の数を表す。
Ｍ＝１（１１本）、Ｍ＝２（２２本）、Ｍ＝３（３３本）、Ｍ＝４（４４本）、Ｍ＝５
（５５本）およびＭ＝７（７７本）の剛針群配列の各々の試料（Ｍは剛針の列数を表す）
につき、熱流束及び最大瞬間圧力と平均圧力を測定した（圧力計として、豊田工機製の半
導体圧力変換機を用いた）。

グラフ線ＦＵは被冷却面１０Ａにおける「冷却液の流通方向における上流側端部」にお
ける熱流束を表し、グラフ線ＦＣは被冷却面１０Ａにおける「冷却液の流通方向における
中央部」における熱流束を表し、グラフ線ＦＤは被冷却面１０Ａにおける「冷却液の流通
方向における下流側端部」における熱流束を表している。

これらのグラフ線ＦＵ、ＦＣ、ＦＤの様子から明らかなように、得られる熱流束は４０
０〜５００Ｗ／ｃｍ２（４〜５ＭＷ（メガワット）／ｍ^２）を維持し、被冷却面の冷却液
流路位置によって変わりがなく、また、流路に形成された剛針群を構成する剛針の配列数
は、熱流束に実質的に影響せず、剛針群の存在の有無に拘わらず、上記の熱流束が得られ
ていることが分かる。

一方、図１（ｃ）におけるグラフ線Ｐは、管状流路１６内における「圧力変動の最大瞬
間圧力」を、グラフ線ＭＰは、管状流路１６内における「圧力変動の平均圧力」をそれ
ぞれ表わしている。グラフ線Ｐ、ＭＰから明らかなように、剛針群を構成する剛針の配列
数が増加するに伴い、最大瞬間圧力と平均圧力は共に急激に減少している。
「平均圧力」は、変動する瞬間圧力を平均したものである。図１（ｃ）は、剛針が少な
いほど「変動する瞬間圧力」が高いことを表している。騒音・振動の原因は「瞬間圧力」
であり、平均圧力の減少は変動する瞬間圧力が低下していることを意味する。

例えば、剛針群の列が１つ（上記Ｍ＝１、剛針の数が１１本）の場合でも、剛針群を設
けない場合に比べて、最大瞬間圧力：Ｐが略その８０％程度まで低減され、剛針の配列数
が２２本（上記Ｍ＝２の場合）〜４４本（Ｍ＝４）の範囲では、最大瞬間圧力Ｐは、剛針
群を設けない場合の略８００ｋＰａに対し、略その６０％程度まで低減され、配列数５５
本（Ｍ＝５）〜７７本（Ｍ＝７）の範囲では、最大瞬間圧力は２５０ｋＰａ以下（剛針群
を設けない場合に対し、略その３０％以下）まで減少し、約７０％以上の圧力抑制効果が
あることが分かった。
また、平均圧力ＭＰは、Ｍが２〜４の範囲では、剛針群を設けない場合の略５１０ｋＰ
ａに対し、略その４５％程度まで低減され、Ｍが５〜７の範囲では、剛針群を設けない場
合に対し、略その３５％以下まで減少している。

次に、上記実験装置の被冷却面１０Ａの下に３本の熱電対を設置し、これらの熱電対に
よって測定した温度の勾配から、熱流束と過熱度を算出した。
通常、過熱度は、（過熱度＝被冷却面の温度―液の飽和温度）で表され、飽和温度の異
なる液も共通に表現される。
図７は冷却液流路の上流側端部について、図８は冷却液流路の下流側端部について、熱
流束と過熱度をプロットした図である。
これらの図における横軸の「ＳｕｐｅｒｈｅａｔΔＴ_ｓａｔ」は「過熱度」、縦軸の「
Ｈｅａｔｆｌｕｘｑ」は「熱流束」を表し、図中における「０ｎｅｅｄｌ〜７７ｎｅ
ｅｄｌｅｓ」は、剛針群の針数：０〜７７（上記のＭ＝０（剛針群なし）〜Ｍ＝７）を表
している。上記の如く、サブクール度は４０Ｋ、冷却液流速は５００ｍｍ／秒である。
図７、図８から、冷却液流路の上流側端部・下流側端部とも「熱流束が剛針群の針数に
無関係である」ことが明らかである。

図９は、剛針群を設けない場合における「圧力の時間的変化」を示している。図９の如
く、１秒以下の「不定周期」で大きな圧力が繰り返し発生しており、最大圧力は８００ｋ
Ｐａを超える。
図１０は、７７本の剛針群を設けた場合の「圧力の時間的変化」を示している。図１０
から明らかなように、大きな圧力は０．１秒以下の不定周期で繰り返し現れるが、その最
大のものでも２００ｋＰａを超えないことが判る。

図１（ｂ）に示される、観察窓１４の部分から冷却液の様子を高速撮影ＣＣＤカメラで
撮影して観察した。
その結果、剛針群を設けない場合、気泡は次第に成長し、その後合体した大きな合体気
泡は上流側から崩壊始め、やがて全く見えなくなるが、７７本の剛針群を設けた場合には
、気泡は成長するが、合体した気泡はかなり小さいものに留まっていることが観察された
。
さらに、本発明の気泡微細化沸騰において、気泡の崩壊が極めて高い速度で起こるため
にその状態を精確に確認するのは困難であるが、上記ＣＣＤカメラによれば、気泡の成長
が剛針群のそれぞれの格子内に分割されているかのように観察され、このことは気泡が各
格子内で崩壊するため、その気泡の崩壊時に発生する最大瞬間圧力は、剛針群を設けない
場合の大きな気泡の崩壊時に発生する最大瞬間圧力に比べて極めて小さいものになると考
えられる。

図１４は、剛針を設けた場合と設けない場合について、気泡が発生してから崩壊するま
での気泡の変化を、捉えた高速度写真（７０００コマ／秒）である。
（ｂ）に示すように、剛針群を７列の７７本設置した場合には、剛針群によって合体気
泡が細かい気泡に分断されて崩壊する様子が観られるが、（ａ）に示すように、剛針なし
の被冷却面の場合には、剛針群を設けた場合と異なり、大きな合体気泡が一度に崩壊する
様子が観られる。

（実験例２）
実験例１において、平均流速を３００ｍｍ／秒に変更し、同じ流路構造体で、剛針群が
ない流路構造体と、剛針群の列数（Ｍ）が、１つ、３つ、５つ、７つの５つの流路構造体
を用いる以外、同じ条件で気泡微細化沸騰実験を行った。
その結果、剛針列が増加しても、最大熱流束は略３５０〜４５０Ｗ／ｃｍ^２の範囲の値
を維持し、剛針数によって変化しないことが確認された。
一方、合体気泡の崩壊圧力については、剛針列が増加するに従がって低減し、最大瞬間
圧力Ｐは、剛針群を設けない場合が略４００ｋＰａに対し、剛針群を１列設けると略３１
０ｋＰａ（７７％）に低減し、３列で略２７０ｋＰａ（６７％）、５列で略２１０ｋＰａ
（５２％）に順次低減し、剛針群が７列になると、略１６０ｋＰａ（４０％）に低減し、
約６０％の圧力抑制効果があることが分かった。

また、平均圧力ＭＰは、剛針群を設けない場合の略１２５ｋＰａに対し、剛針群が７列
になると、略７０ｋＰａ（５６％）に低減した。
しかしながら、実験例１と比較すると、冷却液の平均流速が遅くなるに伴って、針群がな
い場合にも除熱熱流束および瞬間圧力が共に低くなるが、針群の列数（針の数）の増加に
伴う流路内圧力減少率も減少することが、図１５から明確である。
すなわち、図１５は、除熱熱流束および瞬間圧力について、平均流速を３００ｍｍ／秒
に設定した場合（ｂ）と、平均流速を５００ｍｍ／秒に設定した場合（ａ）［図１（ｃ）
と同じ］とを比較のために示したものである。

（実験例３）
実験例１において、サブクール度が２０Ｋの冷却液に変更し、同じ流路構造体で、剛針
群がない流路構造体と、剛針群の列数（Ｍ）が、１つ、３つ、５つ、７つの４つの流路構
造体を用いる以外、同じ条件で気泡微細化沸騰実験を行った。
その結果、剛針列が増加しても、最大熱流束は略３００〜４００Ｗ／ｃｍ２の範囲の値
を維持し、剛針数によって変化しないことが確認された。
一方、合体気泡の崩壊圧力については、最大瞬間圧力Ｐは、剛針群を設けない場合が略
３８０ｋＰａに対し、剛針群を１列設けると略１９０ｋＰａ（５０％）に低減し、３列と
５列では略１６０ｋＰａ（４７％）となり、剛針群が７列になると、略１６０ｋＰａ（４
０％）に低減し、約６０％の圧力抑制効果があることが分かった。

また、平均圧力ＭＰは、剛針群を設けない場合の略１３５ｋＰａに対し、剛針群が７列
になると、略４５ｋＰａ（３３％）に低減した。
しかしながら、実験例１と比較すると、冷却液のサブクール度が減少すると、針群がな
い場合にも除熱熱流束および瞬間圧力が共に大きく低下するが、針群の列数（針の数）の
増加に伴う流路内圧力減少率も低くなり、騒音・振動抑制効果が大きくかつ冷却効率の高
い安定な沸騰冷却が得られにくくなる。

図１６は、除熱熱流束および瞬間圧力について、サブクール度が２０Ｋの場合（ｂ）と
、サブクール度が４０Ｋの場合（ａ）［図１（ｃ）と同じ］とを比較のために示したもの
である。

（実験例４）
実験例４は、図２に示される流路構造体を用いて行われた。
この流路構造体は、実験例１で用いた図１（ｂ）に示される流路構造体の、流路部材１
２の上部の「被冷却面に対向する部分」を切り欠いて、この部分に透明なアクリル板１４
を嵌め込んで「観察用窓」とした部分を、切り欠きを行わずに「観察用窓」を設けず、か
つ、剛針群を蝋付けにより固定した以外は、同じものである。
この流路構造体を用い、実験例１と同じ条件で気泡微細化沸騰実験を行い、その結果、
略４００〜５００Ｗ／ｃｍ２の範囲の最大熱流束を維持し、一方、最大瞬間圧力Ｐは、剛
針群を設けない場合の８００ｋＰａ以上に対し、剛針を７列設けた場合には、圧力最大値
２５０ｋＰａ以下まで減少し（剛針群を設けない場合に対し、その略３０％）、略７０％
の圧力抑制効果があり、振動・騒音は「全く気にならないレベル」であった。

発明の原理を説明するための図である。流路構造体の実施の１形態を示す断面模式図である。流路構造体の変形例の特徴部分を説明するための図である。沸騰冷却装置の実施の１形態を説明するための図である。図４の装置例おける制御系統を説明するための図である。気泡微細化沸騰冷却を説明するための図である。冷却液流路の上流側端部における熱流束と過熱度をプロットした図である。冷却液流路の下流側端部における熱流束と過熱度をプロットした図である。実験装置に用いる流路構造体において剛針群の配列を用いない場合の圧力の変動を示す図である。実験装置に用いる流路構造体において剛針群の配列を用いる場合の圧力の変動を示す図である。図６（ａ）で示した概念を分かり易く詳細に説明した図である。実験装置の概念図である。流路構造体の実施の１形態を示す断面模式図である。気泡崩壊状態を捉えた高速度写真である。冷却液の平均流速の違いによる除熱熱流束および瞬間圧力変動を比較するためのグラフである。冷却液のサブクール度の違いによる除熱熱流束および瞬間圧力変動を比較するためのグラフである。

符号の説明

１０被冷却物
１０Ａ被冷却面（伝熱面）
１２Ａ流路構造体の一部を構成する流路部材
１６管状流路
Ｎｉ剛針群を構成する剛針

Claims

被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状流路内
に該被冷却面が設けられ、前記管状流路に沿ってサブクールされた冷却液を流通させ、加
熱した前記被冷却面で該冷却液が沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前
記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高
熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管状流路内に固定して設けられた細径の剛
針群の少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む状態とすることによって、前記合体気
泡の崩壊時に発生する圧力を低減させることを特徴とする沸騰冷却方法。
前記管状流路内を流通する前記冷却液の平均流速が、０．２〜１．０ｍ／秒であること
を特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却方法。
前記冷却液の、１気圧におけるサブクール度が２０Ｋ以上であることを特徴とする請求
項１又は２に記載の沸騰冷却方法。
前記冷却液が水あるいはアルコール、もしくは、水とアルコールとの混合液、または、
フッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の沸騰冷
却方法。
前記冷却液が不凍液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の沸騰
冷却方法。
前記管状流路内の空気量が０〜２０％になるように前記冷却液を調整し流通させること
を特徴とする請求項乃至５のいずれか１に記載の沸騰冷却方法。
前記剛針群が固定された内壁部に相対する前記管状流路の外部から超音波をかけること
を特徴とする請求項１乃至６のいずれか１に記載の沸騰冷却方法。
流路構造体として、前記冷却液を流通される前記管状流路に対し隔壁を隔して管状の副
流路が形成され、前記副流路から前記隔壁を通して前記管状流路内に前記冷却液を供給す
る細管供給部を複数個有するものを用い、前記流路構造体の前記管状流路と前記副流路と
に前記冷却液を供給・流通させ、前記副流路の側から前記管状流路内へ前記冷却液を供給
しつつ主流路である前記管状流路の冷却液と併せて冷却を行うことを特徴とする請求項１
乃至７のいずれか１に記載の沸騰冷却方法。
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、サブクール
された冷却液を流通しかつ該被冷却面が設けられた管状流路を有し、流通させるサブクー
ルされた冷却液が、加熱した前記被冷却面で沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長
させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、前記冷却液によって凝縮崩
壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却装置であって、前記管状流路が、該管状流路内に固
定して設けられ少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む細径の剛針群を有する流路構
造体であることを特徴とする沸騰冷却装置。
被冷却面とこれに対向する前記管状流路の管内壁が互いに平行的であり、前記剛針群が
前記被冷却面に相対する内壁部に固定し前記被冷却面に向けて突出させて設けられた流路
構造体を用いることを特徴とする請求項９に記載の沸騰冷却装置。
前記剛針群が前記管状流路の流れ方向に少なくとも１列設けられた流路構造体を用いる
ことを特徴とする請求項９又は１０に記載の沸騰冷却装置。
前記剛針群が少なくとも２列設けられ、流れ方向と直交する幅方向の剛針の間隔が２〜
５ｍｍであることを特徴とする請求項１１に記載の沸騰冷却装置。
前記管状流路の流れ方向の前記被冷却面の長さが１〜５ｃｍである流路構造体を用いる
ことを特徴とする請求項９乃至１２のいずれか１に記載の沸騰冷却装置。
前記被冷却面が前記管状流路の管内壁の一部を構成する流路構造体を用いることを特徴
とする請求項９乃至１３のいずれか１に記載の沸騰冷却装置。
前記剛針の先端部が前記被冷却面に０．５ｍｍ以下の間隔を設けて近接するように形成
された流路構造体を用いることを特徴とする請求項９乃至１４のいずれか１に記載の沸騰
冷却装置。
前記被冷却物もしくは前記被冷却物に密接する伝熱部材の少なくとも表面を構成する材
料が超親水性である流路構造体を用いることを特徴とする請求項９乃至１５のいずれか１
に記載の沸騰冷却装置。
前記冷却液を流通される前記管状流路に対し隔壁を隔して管状の副流路が形成され、前
記副流路から前記隔壁を通して前記管状流路内に前記冷却液を供給する供給部を複数個有
する流路構造体を用いることを特徴とする請求項９乃至１６のいずれか１に記載の沸騰冷
却装置。
前記流路構造体が複数個、互いに近接して平行に設けられたことを特徴とする請求項９
乃至１７のいずれか１に記載の沸騰冷却装置。
前記冷却液を前記管状流路に供給して流通させる冷却液供給・流通手段を備えることを
特徴とする請求項９乃至１８のいずれか１に記載の沸騰冷却装置。
前記冷却液供給・流通手段が、前記冷却液を貯留させる冷却液容器を有することを特徴
とする請求項１９に記載の沸騰冷却装置。
前記冷却液容器に前記冷却液が貯留されていることを特徴とする請求項２０に記載の沸
騰冷却装置。
前記冷却液供給・流通手段が、対流式の放熱手段を有し、この放熱手段が、前記流路構
造体に流通されて前記被冷却面の冷却に寄与した冷却液の冷却を行うものであることを特
徴とする請求項９乃至２１のいずれか１に記載の沸騰冷却装置。
前記対流式の放熱手段が、空冷式のラジエータであることを特徴とする請求項２２に記
載の沸騰冷却装置。
請求項９乃至２３のいずれか１に記載の沸騰冷却装置に用いられる流路構造体。
稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を構成要素とする製品であって、請求項９乃至２３
のいずれか１に記載の沸騰冷却装置を前記冷却手段とすることを特徴とする製品。
発熱体を有し、前記沸騰冷却装置を構成する前記流路構造体の前記管状流路が、前記発
熱体の表面を管内壁として一体的に形成された電子素子パッケイジであることを特徴とす
る請求項２５に記載の製品。
電子素子と伝熱部材とを主構成要素とする高発熱密度電子機器が搭載された、ハイブリ
ッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備の電力変換制御装置、又は
コンピュータもしくはスーパーコンピュータ、又は、鉄道電車あるいは航空機用の電力シ
ステムの電力変換制御装置であって、前記沸騰冷却装置を構成する前記流路構造体の前記
管状流路が前記伝熱部材の表面を管内壁として形成されたことを特徴とするハイブリッド
自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備の電力変換制御装置又は鉄道電
車あるいは航空機用の電力システムの電力変換制御装置であることを特徴とする請求項２
５に記載の製品。
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状流路内
に該被冷却面が設けられ、前記管状流路に沿ってサブクールされた冷却液を流通させ、加
熱した前記被冷却面で該冷却液が沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前
記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高
熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管状流路内に固定して設けられた複数の凸
部材をその少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む状態とすることによって、前記合
体気泡の崩壊時に発生する圧力を低減させることを特徴とする沸騰冷却方法。
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、サブクール
された冷却液を流通しかつ該被冷却面が設けられた管状流路を有し、流通させるサブクー
ルされた冷却液が、加熱した前記被冷却面で沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長
させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、前記冷却液によって凝縮崩
壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却装置であって、前記管状流路が、該管状流路内に固
定して設けられ少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む複数の凸部材を有する流路構
造体であることを特徴とする沸騰冷却装置。