JP2009139005A - 冷却器及びその冷却器を備える冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コンパクト性および省エネルギー性を保ちつつ、限界熱流束の改善されたプール沸騰方式による冷却器及びその冷却器を備える冷却装置を提供すること。
【解決手段】実施形態１に係るプール沸騰方式による冷却器３００は、容器３０１と、容器３０１に収容された作動流体３０２とを備え、容器３０１は、冷却対象である発熱体１１０との接触部３０３を有する。加えて、冷却器３００は、接触部３０３の作動流体３０２と接する表面上に多孔質体３０４をさらに備える。言い換えると、容器３０１の内側に多孔質体３０４を設け、多孔質体３０４が、接触部３０３を挟んで発熱体１１０と対向するようにしている。多孔質体３０４は、毛細管現象により作動流体３０２を接触部３０３に供給する作動流体供給部４０１と、接触部３０３で発生した蒸気を作動流体３０２中へ排出する蒸気排出部４０２とを備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷却器及びその冷却器を備える冷却装置に関し、より詳細には、プール沸騰方式による冷却器及びその冷却器を備える冷却装置に関する。

近年、電子機器の小型化や高集積化に伴い電子機器を構成する素子の発熱密度が急増しており、高性能な熱除去技術の開発が急務となっている。特にＬＳＩでは、低温度において非常に大きな熱流束（単位面積当たりの熱移動速度をいう。）が必要であるという特長がある。ＬＳＩ等の電子機器の冷却には冷却能力、コンパクト性、省エネルギー性が同時に要求されるが、急速に増大する発熱密度に対応することは難しい現状になりつつある。

従来の熱除去技術あるいは冷却技術には、ポンプなどの外部動力源によって液体を循環させる「強制流動沸騰」や、液体を満たした容器内に冷却対象の伝熱面を沈める場合のように、液体の循環が熱除去に伴い発生した気泡の浮力によって生じる「プール沸騰」等がある。

強制流動沸騰方式は、その冷却能力が外部動力源に依存し、高い冷却能力を得るためには大流量が求められる。その場合、ポンプなどの外部動力源が高性能である必要があり、また流体を循環させるためにループを構成する必要があるので、必然的に大型化しコンパクト性に欠ける。また、ランニングコストや導入コストも高価となる。

図１は、従来のプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器１００は、容器１０１と、容器１０１内に収容された作動流体１０２とを備え、容器１０１は、冷却対象である発熱体１１０との接触部１０３を有する。発熱体１１０において熱が発生し、接触部１０３を通して作動流体１０２に熱が伝わると、接触部１０３の近傍に存在する作動流体１０２が沸騰する。沸騰により蒸気が生じると気液の密度差により接触部１０３に作動流体１０２が供給される。こうして新たに供給された作動流体１０２がさらに蒸発し、発熱体１１０から熱を除去する。

プール沸騰方式による冷却器は、強制流動沸騰方式のような液体を循環させるための外部動力源が不要であるため、コンパクト性および省エネルギー性に有利である。

S. G. Kandlikar, M. Shoji, and V. K. Dhir, "Handbook of Phase Change: Boiling and Condensation," Taylor & Francis, 1999

しかしながら、ＬＳＩ等の電子機器の冷却に必要な大きな熱流束を得ようとすると、従来のプール沸騰方式による冷却器では問題がある。図２にその様子を示す。熱流束が大きくなるにつれて、作動流体１０２の蒸発量が増加し、接触部１０３が蒸気に覆われ始める。接触部１０３が完全に蒸気に覆われてしまい、接触部１０３への作動流体１０２の供給ができなくなると、冷却器１００の冷却能力は著しく劣化する。この状態の熱流束を「限界熱流束」という。従来のプール沸騰方式による冷却器の限界熱流束は、飽和温度の水の場合８０Ｗ／ｃｍ²程度である（非特許文献１参照）。ＬＳＩ等の電子機器の冷却には、１００Ｗ／ｃｍ²程度以上の限界熱流束が求められる。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンパクト性および省エネルギー性を保ちつつ、限界熱流束の改善されたプール沸騰方式による冷却器及びその冷却器を備える冷却装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、プール沸騰方式による冷却器において、発熱体との接触部を有する容器と、前記容器に収容された作動流体と、
前記作動流体と接する前記接触部の表面上の冷却部とを備え、前記冷却部は、毛細管現象により前記作動流体を前記接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備えることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記冷却部は、毛細管現象により吸水性を示す材料で構成された層であり、前記蒸気排出部は、前記層を貫通する間隙であることを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記作動流体供給部は、格子状であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２または３において、前記材料は、多孔質であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１において、前記接触部は、円柱状または角柱状であり、前記作動流体供給部は、毛細管現象により吸水性を示すひも状の材料を前記接触部に螺旋状に巻き付けて形成され、前記蒸気排出部は、前記作動流体供給部の間隙であることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から５のいずれかに記載の冷却器と、前記冷却器の容器に接続され、蒸発した作動流体を液化するコンデンサとを備えることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６において、外部動力源を有しないことを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却するプール沸騰方式による冷却方法において、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、毛細管現象により前記作動流体を前記接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備えた部材を装着することを特徴とする。

本発明によれば、毛細管現象により作動流体を接触部に供給する作動流体供給部と、接触部で発生した蒸気を作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備える冷却部を、作動液体と発熱体との間に配置することにより、コンパクト性および省エネルギー性を保ちつつ、限界熱流束の改善されたプール沸騰方式による冷却器及びその冷却器を備える冷却装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図３は、実施形態１に係るプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器３００は、容器３０１と、容器３０１に収容された作動流体３０２とを備え、容器３０１は、冷却対象である発熱体１１０との接触部３０３を有する。加えて、冷却器３００は、作動流体３０２と接する接触部３０３の表面上に多孔質体３０４をさらに備える。言い換えると、容器３０１の内側に多孔質体３０４を設け、多孔質体３０４が、接触部３０３を挟んで発熱体１１０と対向するようにしている。

図４は、本実施形態に係る多孔質体を示している。図４（Ａ）は、多孔質体の平面図であり、図４（Ｂ）は、多孔質体を接触部に設けた状態における４−４断面図である。多孔質体３０４は、図４（Ａ）に示したように、作動流体供給部４０１と蒸気排出部４０２とを備える。作動流体供給部４０１は、毛細管現象により接触部３０３に作動流体３０２を供給する。蒸気排出部４０２は、発熱体１１０からの熱により発生した蒸気を、接触部３０３から作動流体３０２中へと排出する。このように作動流体の供給と蒸気の排出を別個の経路を用いて行うことにより、図２を参照して説明したように、蒸気が接触部を覆ってしまい限界熱流束が制限されるという問題を回避することができる。本実施形態に係る冷却器３００は、プール沸騰であることからコンパクト性および省エネルギー性に優れ、かつ後述の実施例から理解されるように従来と比較して限界熱流束を大幅に改善する。また、多孔質体３０４は安価に入手、作製可能であり、その接触部３０３への設置に複雑な面もないため、低コストで冷却器３００を作製することができる。加えて、必要に応じて多孔質体３０４を並置していけばよいので、その設置面積すなわち冷却面積は原理的に無限大にまで広げられる。

なお、図４（Ａ）には多孔質体３０４が円形であり、作動流体供給部４０１が格子状である形態を示したが、このような形態に限定する意図はない。作動流体供給部４０１は、たとえばハニカム状としてもよい。多孔質体は、毛細管現象により作動流体を接触部に供給する作動流体供給部と、接触部で発生した蒸気を作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備えていればよい。さらに、このような作動流体供給部および蒸気排出部を備える冷却部は、多孔質を用いて構成する必要もなく、毛細管現象により吸水性を示す材料であればよい。また、図４（Ｂ）には作動流体供給部４０１および蒸気排出部４０２が接触部３０３に直交するように図示してあるが、作動流体供給部４０１および蒸気排出部４０２は、多孔質体３０４の接触部３０３と接する面と作動流体３０２と接する面との間の経路をそれぞれ与えるものであればよい。また、多孔質体３０４は、図３に示したように接触部３０３または発熱体１１０と同じ幅を有する必要はないことに留意されたい。所望の限界熱流束に応じて幅を調整すればよい。多孔質体３０４の厚さは、０．２〜５ｍｍ程度とすることができる。

作動流体供給部４０１を構成する多孔質は、たとえばコーディライト等のセラミックスまたは焼結金属とすることができる。

また、作動流体３０２は、たとえば水、低温流体、冷媒、有機溶媒等の表面張力を有する液体とすることができる。

また、本発明の別の態様としては、発熱体１１０全体を作動流体中に浸漬する、または発熱体１１０の一部を作動流体３０２の液面から一部浸漬して冷却を行うこともできる。この場合には、発熱体１１０は浮遊した状態、容器底面に載置された状態など場合により種々の形態をとるが、要は作動流体３０２に浸漬されている部分に前記多孔質体３０４を取り付けることにより、前記例と同様にして冷却を行うことができる。

本発明は、電子機器にとどまらず、その他の高発熱密度を有する熱機器全般に適用可能である。たとえば、核融合炉のダイバータ冷却、キャピラリーポンプループの高性能化、原子炉事故時の冷却、半導体レーザの冷却等が考えられる。

実施例
図５に実験装置の概略図を示す。作動流体と接する接触部の直径３０ｍｍをとした。発熱体として、カートリッジヒータが埋め込まれた銅円柱を用いた。カートリッジヒータに印可する電圧を可変単巻変圧器でコントロールすることで加熱量を制御した。接触部からそれぞれ５．４ｍｍ、１１．４ｍｍの銅円柱中心軸上に設置した２つのφ０．５Ｋ型シース熱電対からの出力を用いて外挿して接触部の過熱度を、指示温度差と設定距離及び熱伝導率からフーリエの式で熱流束を求めた。容器は、内径８７ｍｍ、外形１００ｍｍのパイレックス（登録商標）チューブとし、内部沸騰の様相を観察できるようにした。作動液体は、蒸留水を深さが６０ｍｍとなるようにし、ヒータで過熱して飽和温度に維持した。発生した蒸気は、パイレックス（登録商標）チューブの上端に設けたコンデンサで凝縮させて容器内に戻した。

多孔質体としては、組成がカルシウムアルミネート（CaO・Al₂O₃）,溶融シリカ（Fused SiO₂，二酸化チタン(TiO₂）（商品名:NAハニカム）である円板を三種類使用した。外径３０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍであり、幅０．４ｍｍの格子状作動流体供給部、一辺１．８ｍｍの正方形状蒸気排出部を備えるもの（以下「実施例１」という。）、外径３０ｍｍ、厚さ１．０ｍｍであり、幅０．４ｍｍの格子状作動流体供給部、一辺１．８ｍｍの正方形状蒸気排出部を備えるもの（以下「実施例２」という。）、および外径３０ｍｍ、厚さ５．０ｍｍであり、蒸気排出部を有しないもの（以下「比較例」という。）である。

実験は、大気圧（０．１ＭＰａ）のもとで、カードリッジヒータの電圧を５Ｖずつ上げながら加熱を行い、十分定常状態になったのを確認して、熱電対の出力電圧を記録した。ここで定常状態か否かは、２０分間の温度変化が１Ｋ以下であるか否かにより判断した。この操作を定常状態が保てなくなるまで繰り返した。上述した三種類の多孔質体を設置した場合に加えて、多孔質体を設置しない場合についても比較のため実験を行った。

図６に実験により得られた沸騰曲線を示す。沸騰曲線とは、沸騰伝熱の特性を表し、縦軸に熱流束、横軸に発熱体温度と液体の飽和温度との差、すなわち接触部の過熱度ΔＴ_satをとるものである。図中の矢印は、冷却能力が著しく劣化し接触部の温度が急上昇する点であるバーンアウト発生点を示し、その時の限界熱流束の値を図中に示してある。図６から、比較例では多孔質体を設けない場合より限界熱流束が下がり、実施例１および２の場合、特に厚さが薄く１ｍｍである実施例２の場合には、多孔質体を設けない場合と比較して３倍弱にまで上昇するという興味深い結果が得られた。

なお、比較例の場合に多孔質体を設けない場合よりも限界熱流束が低下したが、この理由は、図７に示すように、接触部７０３において発生した蒸気が多孔質体７０４内に滞留し、接触部７０３への作動液体７０２の供給を阻害するためであると考えられる。多孔質体７０４を設置して毛細管現象による作動流体７０２の供給能力を向上させるだけでは、本発明にみられる顕著な限界熱流束の改善を実現することができないことが分かる。

（実施形態２）
図８は、実施形態２に係るプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器８００は、容器８０１と、容器８０１に収容された作動流体８０２とを備え、容器８０１は、冷却対象である発熱体８１０との接触部８０３を有する。本実施形態では、円柱状の発熱体８１０が、円柱状の接触部８０３の内部に配置されている。加えて、冷却器８００は、接触部８０３に毛細管現象により吸水性を示すひも状の材料を巻き付けて形成された作動流体供給部８０４をさらに備える。作動流体供給部８０４は、密に巻かれているのではなく、間隙８０５を空けながら螺旋状に巻かれている。本実施形態は、作動流体供給部８０４が作動流体供給部４０１に、間隙８０５が蒸気排出部４０２に対応する形で、実施形態１に係る冷却器と同様の原理で動作する。換言すると、作動流体供給部８０４と間隙８０５が実施形態１の多孔質体３０４と同様に機能する冷却部を構成する。

作動流体供給部８０４を構成する吸水性材料としては、不織布や凧糸等の毛管力を有し、かつ柔軟性および耐熱性のあるものを用いることができる。また、接触部８０３は、円柱状であるとして説明したが、角柱状でもよい。本明細書で使用する「円柱状」という用語は、断面が円または楕円であるものに限らず、閉じた曲線である任意のものを包含する。

（実施形態３）
図９は、実施形態３に係る冷却装置を示している。冷却装置９００は、実施形態１に係る冷却器３００と、容器３０１に接続されたコンデンサ９０１とを備える。コンデンサ９０１において、蒸発した作動流体３０２が液化されて、容器３０１に戻る。冷却装置９００は、ポンプなどの外部動力源を必要とせず、装置全体としてのコンパクト性および省エネルギー性が優れている。図１０は、実施形態３に係る冷却装置の変形形態を示している。なお、図９および１０の構成を実施形態２の冷却器８００とともに用いることもできる。

従来のプール沸騰方式による冷却器を示す図である。 従来のプール沸騰方式による冷却器の限界熱流束を説明するための図である。 実施形態１に係るプール沸騰方式による冷却器を示す図である。 実施形態１に係る多孔質体を示す図である。 実験装置の概略図を示す図である。 実験により得られた沸騰曲線を示す図である。 比較例に係る多孔質体を示す図である。 実施形態２に係るプール沸騰方式による冷却器を示す図である。 実施形態３に係る冷却装置を示す図である。 実施形態３に係る冷却装置の変形形態を示す図である。

符号の説明

１００ 冷却器
１０１ 容器
１０２ 作動流体
１０３ 接触部
１１０ 発熱体
３００、８００ 冷却器
３０１、８０１ 容器
３０２、８０２ 作動流体
３０３、８０３ 接触部
３０４ 多孔質体（冷却部に対応）
４０１ 作動流体供給部
４０２ 蒸気排出部
８０４ 作動流体供給部
８０５ 間隙（蒸気排出部に対応）
８１０ 発熱体
９００、１０００ 冷却装置
９０１、１００１ コンデンサ

Claims (8)

1. プール沸騰方式による冷却器において、
   発熱体との接触部を有する容器と、
   前記容器に収容された作動流体と、
   前記作動流体と接する前記接触部の表面上の冷却部と
   を備え、
   前記冷却部は、
   毛細管現象により前記作動流体を前記接触部に供給する作動流体供給部と、
   前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体中へ排出する蒸気排出部と
   を備えることを特徴とする冷却器。
2. 前記冷却部は、毛細管現象により吸水性を示す材料で構成された層であり、
   前記蒸気排出部は、前記層を貫通する間隙であることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
3. 前記作動流体供給部は、格子状であることを特徴とする請求項２に記載の冷却器。
4. 前記材料は、多孔質であることを特徴とする請求項２または３に記載の冷却器。
5. 前記接触部は、円柱状または角柱状であり、
   前記作動流体供給部は、毛細管現象により吸水性を示すひも状の材料を前記接触部に螺旋状に巻き付けて形成され、
   前記蒸気排出部は、前記作動流体供給部の間隙であることを特徴とする請求項１に記載の冷却器。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の冷却器と、
   前記冷却器の容器に接続され、蒸発した作動流体を液化するコンデンサと
   を備えることを特徴とする冷却装置。
7. 外部動力源を有しないことを特徴とする請求項６に記載の冷却装置。
8. 作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却するプール沸騰方式による冷却方法において、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、毛細管現象により前記作動流体を前記接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体中へ排出する蒸気排出部とを備えた部材を装着することを特徴とする冷却方法。

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