JP2017015269A - 沸騰伝熱部材およびこれを用いた沸騰冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体の冷却効率を向上しうる沸騰伝熱部材およびこれを用いた沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】沸騰伝熱部材１には、全体が金属材料により一体に形成されており、金属材料表面に予め決められた大きさを有する複数の照射範囲４が設定されるとともに、設定範囲４内にレーザビームが照射されることによって、相変化により熱を輸送する液相冷媒中に浸漬される沸騰伝熱面３が設けられている。沸騰伝熱面３は、各照射範囲４に形成されかつ内周面が粗面となっている複数の穴５、および各穴５の開口の周囲に形成された環状隆起部６を有する。環状隆起部６は、レーザービームが照射されることにより発生した溶融金属の液滴が飛散して穴５の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することにより形成されており、表面が粗面となっている。
【選択図】図２

Description

この発明は、沸騰伝熱部材、およびこれを用いるとともに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、底壁外面または側壁外面に発熱体取付部が設けられかつ外部からの熱を受ける中空状受熱部、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て受熱部に液相状態で貯留されており、かつ相変化により潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置が知られている（特許文献１参照）。

ところで、特許文献１記載の沸騰冷却装置において、受熱部の発熱体取付部が設けられた壁の内面に、受熱部内方を向いた種々の形式の沸騰伝熱面を有する沸騰伝熱部材を設けることが考えられている。

当該沸騰伝熱部材の１つとして、板状金属素材の片面に高エネルギービームを照射することにより多数の穴を形成する方法によって製造され、かつ片面に多数の穴を有する沸騰伝熱面が設けられた板状沸騰伝熱部材が知られている(特許文献２参照)。特許文献２記載の沸騰伝熱部材は、高エネルギービームの１度の照射で１つの穴が形成されている。

しかしながら、最近では発熱体からの発熱密度が高くなっており、特許文献２記載の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置においても、発熱体の冷却効率が不足するおそれがある。

特開２０１０−１９６９１２号公報 特開２０１２−１３３９６号公報

この発明の目的は、上記問題を解決し、発熱体の冷却効率を向上しうる沸騰伝熱部材およびこれを用いた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)全体が金属材料により一体に形成されており、金属材料表面に予め決められた大きさを有する複数の照射範囲が設定されるとともに、当該設定範囲内にレーザビームが照射されることによって、金属材料表面に、相変化により熱を輸送する液相冷媒中に浸漬される沸騰伝熱面が設けられ、沸騰伝熱面が、各照射範囲に形成されかつ内周面が粗面となっている複数の穴、および各穴の開口の周囲に形成された環状隆起部を有し、環状隆起部が、レーザービームが照射されることにより発生した溶融金属の液滴が飛散して穴の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することにより形成されており、環状隆起部の表面が粗面となっている沸騰伝熱部材。

2)少なくとも一部の照射範囲において、少なくとも一部の穴どうしが連通部により通じさせられている上記1)記載の沸騰伝熱部材。

3)環状隆起部の隆起高さが、穴の深さの１０％以上である上記1)または2)記載の沸騰伝熱部材。

4)沸騰伝熱面が、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなる冷媒中に浸漬されるようになっており、近接した２つの照射範囲の中心間の間隔であるピッチが３００〜８００μｍであり、照射範囲に形成された穴が底から開口に向かって徐々に大きくなり、当該穴の開口部の径である穴径、および近接した２つの穴の中心間の間隔であるピッチが、それぞれ５０〜１５０μｍであり、前記穴の深さが、前記穴径の０．５〜２倍である上記1)〜3)のうちのいずれかに記載の沸騰伝熱部材。

5)金属材料表面の沸騰伝熱面における隣り合う照射範囲間の部分が平坦面となっている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の沸騰伝熱部材。

6)金属材料表面の沸騰伝熱面における照射範囲の周囲に、大環状隆起部が設けられており、近接した照射範囲の大環状隆起部が部分的に連結され、大環状隆起部が、レーザービームが照射されることにより発生した溶融金属の液滴が飛散して照射範囲の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することにより形成されており、大環状隆起部の表面が粗面となっている上記1)〜4)のうちのいずれかに記載の沸騰伝熱部材。

7)照射範囲における大環状隆起部に囲まれた部分に凹陷部が形成され、凹陷部の底面に、内周面が粗面となっている複数の穴が形成されるとともに、各穴の周囲に環状隆起部が形成されている上記6)記載の沸騰伝熱部材。

8)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て受熱部に液相状態で貯留されており、かつ相変化により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、受熱部の底壁または側壁における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を受ける部分に、上記1)〜7)のうちのいずれかに記載された沸騰伝熱部材が、沸騰伝熱面が受熱部内方を向きかつ受熱部内の液相冷媒中に浸漬されるように配置されている沸騰冷却装置。

9)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8)記載の沸騰冷却装置。

上記1)〜7)の沸騰伝熱部材によれば、全体が金属材料により一体に形成されており、金属材料表面に予め決められた大きさを有する複数の照射範囲が設定されるとともに、当該設定範囲内にレーザビームが照射されることによって、金属材料表面に、相変化により熱を輸送する液相冷媒中に浸漬される沸騰伝熱面が設けられ、沸騰伝熱面が、各照射範囲に形成されかつ内周面が粗面となっている複数の穴、および各穴の開口の周囲に形成された環状隆起部を有し、環状隆起部が、レーザービームが照射されることにより発生した溶融金属の液滴が飛散して穴の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することにより形成されており、環状隆起部の表面が粗面となっているので、伝熱面積が増大するとともに、穴の内周面および環状隆起部の表面において沸騰が起こり、気泡の発生率が向上する。しかも、環状隆起部の働きによって、沸騰伝熱面の表面が蒸気膜で覆われにくくなるので、バーンアウトの発生を遅らせることができる。したがって、沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置における発熱体の冷却効率が向上する。

上記2)の沸騰伝熱部材によれば、次の効果を奏する。すなわち、照射範囲の各穴に生じる気泡核により各照射範囲に１つの気泡が発生し、当該気泡が一定、たとえば４００μｍ程度の大きさに成長した後に沸騰伝熱面から離脱する。そして、少なくとも一部の穴どうしが連通部により通じさせられていると、通じさせられている複数の穴のうちの１つの穴に気泡核が生じた場合、気泡核が生じた穴に通じている穴においても気泡核が生じやすくなり、照射範囲において一定の大きさの気泡が効率よく発生する。

上記3)の沸騰伝熱部材によれば、環状隆起部の表面における沸騰が効果的に起こり、気泡の発生率が向上するとともに、バーンアウトの発生を効果的に遅らせることができる。

上記4)の沸騰伝熱部材によれば、沸騰伝熱面に形成された穴が底から開口に向かって徐々に大きくなっているので、穴内で発生した気泡の穴内からの排出が効果的に行われ、冷却効率が向上する。特に、沸騰伝熱面が、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなる冷媒中に浸漬されるようになっている場合、沸騰伝熱面に形成された穴が底から開口に向かって徐々に大きくなっており、しかも近接した２つの照射範囲の中心間の間隔であるピッチが３００〜８００μｍであり、前記穴の開口部の径である穴径、および近接した２つの穴の中心間の間隔であるピッチが、それぞれ５０〜１５０μｍであり、前記穴の深さが、前記穴径の０．５〜２倍であると、気泡の発生率が向上し、冷却効率が向上する。特に、近接した２つの照射範囲の中心間の間隔であるピッチが３００〜８００μｍであることが好ましいのは、次の理由による。すなわち、沸騰伝熱面の照射範囲に生成する気泡は、４００μｍ程度の大きさに成長した後に沸騰伝熱面から離脱する。しかしながら、近接した２つの照射範囲の中心間の間隔であるピッチが３００μｍ未満では、隣り合う照射範囲で発生した気泡どうしが干渉して離脱しにくくなり、８００μｍを超えると伝熱面積が減少するとともに、各照射範囲毎に気泡が成長して離脱するので、気泡の発生率が低下するおそれがある。

上記6)および7)の沸騰伝熱部材によれば、沸騰伝熱面の伝熱面積が増大するとともに、穴の内周面および環状隆起部に加えて大環状隆起部の表面において沸騰が起こり、気泡の発生率が向上する。しかも、環状隆起部および大環状隆起部の働きによって、沸騰伝熱面の表面が蒸気膜で覆われにくくなるので、バーンアウトの発生を遅らせることができる。したがって、沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置における発熱体の冷却効率が向上する。

上記8)および9)の沸騰冷却装置によれば、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沸騰伝熱部材に伝わり、沸騰伝熱面において液相冷媒が沸騰気化してガス状になって気泡が発生し、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。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。

この発明の実施形態の沸騰伝熱部材における沸騰伝熱面の一部を模式的に示す平面図である。 図１のＡ−Ａ線拡大図である。 図１の沸騰伝熱部材の沸騰伝熱面の一部を示す平面から見た写真である。 図１の沸騰伝熱部材の沸騰伝熱面に形成された穴および環状突起を拡大して示す沸騰伝熱部材の厚み方向に切断した写真である。 この発明の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置を概略的に示す垂直断面図である。 この発明の他の実施形態の沸騰伝熱部材における沸騰伝熱面の一部を模式的に示す平面図である。 図６のＢ−Ｂ線拡大図である。 図１の沸騰伝熱部材における沸騰伝熱面の一部を示す平面から見た写真である。 図１の沸騰伝熱部材の沸騰伝熱面の照射範囲に形成された穴および環状突起を拡大して示す沸騰伝熱部材の厚み方向に切断した写真である。 実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の結果を示すグラフである。 この発明の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置の変形例を概略的に示す垂直断面図である。

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、以下の説明において、「銅」という用語には、純銅の他に銅合金を含むものとする。

なお、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。

図１および図２はこの発明の沸騰伝熱部材の実施形態を模式的に示す。図３および図４は沸騰伝熱部材を具体的に示す写真である。また、図５はこの発明の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置の全体構成を概略的に示す。

図１〜図４において、沸騰伝熱部材(1)は全体がJIS Ａ１１００、JIS Ａ３００３などのアルミニウム、銅(銅合金を含む)などの金属材料により一体に形成された板状であり、板状本体(2)の片面にレーザビームが照射されることによって、相変化により熱を輸送する液相冷媒中に浸漬される沸騰伝熱面(3)が設けられている。沸騰伝熱面(3)は、板状本体(2)の片面に、行列状に縦横に並ぶように設定された複数の円形の照射範囲(4)(図１に鎖線で示す部分)内にレーザビームが照射されることによって設けられている。図３に示すように、レーザビーム照射後の照射範囲(4)は、厳密には円形ではなくなっているが、レーザビームが照射された照射範囲(4)は判別可能である。沸騰伝熱面(3)における隣り合う照射範囲(4)間の部分は平坦面となっている。

沸騰伝熱面(3)の各照射範囲(4)には、複数の穴(5)および各穴(5)の開口の周囲に形成された環状隆起部(6)が行列状に縦横に並んで設けられている。複数の穴(5)および各穴(5)の開口の周囲に形成された環状隆起部(6)は千鳥配置状に並んで設けられていてもよい。各穴(5)は、底(下端部)から開口(上端部)に向かって徐々に大きくなっており、穴(5)の内周面は粗面となっていて微細な凹凸が存在している（図４参照）。また、少なくとも一部の照射範囲(4)において、少なくとも一部の近接した穴(5)どうしが通じさせられている（図３参照）。

沸騰伝熱面(3)が、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなる冷媒中に浸漬されるようになっている場合、近接した２つの照射範囲(4)の中心間の間隔であるピッチ(P)およびレーザビーム照射後の照射範囲(4)の大きさ(D)は、それぞれ３００〜８００μｍであることが好ましい。ここで、レーザビーム照射後の照射範囲(4)の大きさ(D)とは、周囲の最も離れた任意の２点間の間隔を意味するものとする。

また、沸騰伝熱面(3)が、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなる冷媒中に浸漬されるようになっている場合、照射範囲(4)に形成された穴(5)の開口部の径である穴径、および近接した２つの穴(5)の中心間の間隔であるピッチ(P1)が、それぞれ５０〜１５０μｍであることが好ましい。なお、全穴(5)の穴径は、全穴(5)の穴径の平均値に対して±１０％の範囲内にあることが好ましい。また、穴(5)の深さ(d)は、前記穴径の０．５〜２倍であることが好ましい。ここで、穴(5)の開口は円形でないことが多いので、「穴径」という語は、穴(5)の開口部の面積を、この面積と等しい円の直径で表した円相当径を意味するものとする。

環状隆起部(6)は、アルミニウム製板状素材に高エネルギービームを照射することにより発生した溶融アルミニウムの液滴が飛散して穴(5)の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することによって形成されており、その表面が粗面となっていて微細な凹凸が存在している（図３および図４参照）。環状隆起部(6)の隆起高さ(h)は、穴(5)の深さ(d)の１０％以上であることが好ましい。

図３および図４においては、近接した２つの照射範囲(4)の中心間の間隔であるピッチ(P)は８００μｍ、レーザビーム照射後の照射範囲(4)の大きさ(D)は５００μｍ、穴(5)の穴径は１００μｍ、穴(5)の深さ(d)は２００μｍである。

図５は沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置の全体構成を概略的に示す。

図５において、沸騰冷却装置(10)は、外部からの熱を受ける中空状受熱部(12)、外部に熱を放出する中空状放熱部(13)、および受熱部(12)内と放熱部(13)内とを通じさせる冷媒流通部(14)を有するアルミニウム製の冷媒封入体(11)と、冷媒封入体(11)内に封入されて受熱部(12)に液相状態で貯留されており、かつ相変化により潜熱として熱を輸送する冷媒(15)とを備えている。冷媒(15)は、たとえばハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなり、冷媒封入体(11)内を真空状態にして封入されている。

冷媒封入体(11)の受熱部(12)、放熱部(13)および冷媒流通部(14)は、全体がアルミニウム製ケーシングに設けられており、冷媒封入体(11)の受熱部(12)の底壁(12a)外面に発熱体取付部(16)が設けられている。すなわち、受熱部(12)の底壁(12a)に開口(17)が形成され、沸騰伝熱面(3)が開口(17)を通して受熱部(12)内に臨むとともに開口(17)を液密状に塞ぐように、沸騰伝熱部材(1)が受熱部(12)の底壁(12a)に固定されており、沸騰伝熱部材(1)の外面が発熱体取付部(16)となっている。発熱体取付部(16)に銅製(銅合金製も含む)のヒートスプレッダ(18)が図示しない熱伝導性グリスを介して取り付けられ、ヒートスプレッダ(19)の下面に、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(T)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(11)の放熱部(13)内に、液相または気相の冷却流体を冷媒封入体(11)の外部から供給するとともに冷媒封入体(11)の外部に戻す冷却流体循環管(19)が配置されている。

上記実施形態においては、沸騰伝熱部材(1)が用いられる沸騰冷却装置(1)の冷媒封入体(11)は、受熱部(12)、放熱部(13)および冷媒流通部(14)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。

上述した沸騰冷却装置(10)において、発熱体(T)から発せられる熱が、ヒートスプレッダ(18)および沸騰伝熱部材(1)を経て受熱部(12)内の冷媒に伝わり、沸騰伝熱部材(1)の板状本体(2)の沸騰伝熱面(3)に触れている部分において、液相冷媒が沸騰気化してガス状になり、沸騰伝熱面(3)に気泡が発生して液相冷媒(15)中に放出される。液相冷媒(15)中に放出されたガス状冷媒からなる気泡は液相冷媒(15)中を上昇し、冷媒封入体(11)の冷媒流通部(14)を経て放熱部(13)に至り、放熱部(13)において冷却流体循環管(19)内を流れる冷却流体に放熱して再液化し、冷媒流通部(13)を経て受熱部(12)に戻る。このような動作を繰り返すことによって、発熱体(T)から発せられる熱が、冷媒により潜熱として放熱部(13)に輸送され、放熱部(13)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６〜図９はこの発明の沸騰伝熱部材の他の実施形態を示す。

図６および図７はこの発明の沸騰伝熱部材の他の実施形態を模式的に示す。図８および図９は沸騰伝熱部材を具体的に示す写真である。

図６〜図９に示す沸騰伝熱部材(20)の板状本体(2)の片面に形成された沸騰伝熱面(3)は、板状本体(2)の片面に、行列状に縦横に並ぶように設定された複数の円形の照射範囲(4)内にレーザビームが照射されることによって設けられている。図８に示すように、レーザビーム照射後の照射範囲(4)は、厳密には円形ではなくなっているが、レーザビームが照射された照射範囲(4)は判別可能である。

沸騰伝熱面(3)における照射範囲(4)の周囲に、大環状隆起部(21)が設けられており、近接した照射範囲(4)の大環状隆起部(21)どうしが部分的に連結されている。大環状隆起部(21)は、アルミニウム製板状素材に高エネルギービームを照射することにより発生した溶融アルミニウムの液滴が飛散して照射範囲(4)の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することによって形成されており、その表面が粗面となっていて微細な凹凸が存在している。

沸騰伝熱面(3)の照射範囲(4)における大環状隆起部(21)に囲まれた部分に、凹陷部(22)が形成されている。凹陷部(22)の底面には、上述した沸騰伝熱部材(1)と同様に、複数の穴(5)および各穴(5)の開口の周囲に形成された環状隆起部(6)が行列状に縦横に並んで設けられている。複数の穴(5)および各穴(5)の開口の周囲に形成された小環状隆起部(6)は千鳥配置状に並んで設けられていてもよい。

沸騰伝熱面(3)が、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなる冷媒中に浸漬されるようになっている場合、近接した２つの照射範囲(4)、すなわち近接した２つの凹陷部(22)の中心間の間隔であるピッチ(P)、レーザビーム照射後の凹陷部(22)（照射範囲(4)）の大きさ(D)、穴(5)の開口部の径である穴径、近接した２つの穴(5)の中心間の間隔であるピッチ(P1)、穴(5)の深さ(d)、および小環状隆起部(6)の隆起高さ(h)は、それぞれ上述した沸騰伝熱部材(1)と同様である。

図８および図９においては、近接した２つの照射範囲(4)の中心間の間隔であるピッチは８００μｍ、レーザビーム照射後の凹陷部(22)（照射範囲(4)）の大きさは７００μｍ、凹陷部(22)の深さは１００μm、穴(5)の穴径は１００μｍ、穴(5)の深さ(d)は１００μｍである。

図６〜図９に示す沸騰伝熱部材(20)は、図１〜図４に示す沸騰伝熱部材と同様にして、図５に示す沸騰伝熱装置に用いられる。

上述した２つの実施形態の沸騰伝熱部材(1)(20)は全体が板状であるが、全体が板状のものに限るものではなく、たとえばベース板の片面に複数の放熱フィンが並列状に一体に形成されたヒートシンクのような形状のものでもよい。この場合、放熱フィンの表面に沸騰伝熱面(3)が形成される。

次に、上述した２つの沸騰伝熱部材(1)(20)を備えた沸騰冷却装置(10)を用いて行った実施例について、比較例とともに説明する。
実施例１
長さ８０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚み２ｍｍのJIS Ａ１１００製アルミニウム板の片面に、直径５００μｍの円形照射範囲(4)を行列状に縦横に並ぶように複数設定し、円形の照射範囲(4)内にレーザビームを照射することによって、照射範囲(4)内に複数の穴(5)および各穴(5)の開口の周囲に形成された環状隆起部(6)が行列状に縦横に並んで設けられている沸騰伝熱面(3)を備えた沸騰伝熱部材(1)をつくった。ここで、レーザビーム照射前の近接した２つの照射範囲(4)の中心間の距離であるピッチは８００μｍであり、レーザビーム照射条件は、レーザビームの出力電流２８Ａ、周波数５０ｋＨｚ、スピード３００ｍｍ／ｓとし、照射範囲(4)(R)に２０μｍのピッチで縦横に格子状に照射するという操作を３回繰り返すことによって、複数の穴(5)および環状隆起部(6)を形成した。
実施例２
長さ８０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚み２ｍｍのJIS Ａ１１００製アルミニウム板の片面に、直径７００μｍの円形照射範囲(4)を行列状に縦横に並ぶように複数設定し、板状金属材料をホットプレート上に載せて加熱しつつ、円形の照射範囲(4)内にレーザビームを照射することによって、照射範囲(4)の周囲に大環状隆起部(21)が設けられるとともに、大環状隆起部(21)に囲まれた部分に凹陷部(22)が形成され、凹陷部(22)の底面に複数の穴(5)および各穴(5)の開口の周囲に形成された環状隆起部(6)が行列状に縦横に並んで設けられており、かつ近接した照射範囲(4)の大環状隆起部(21)が部分的に連結されている沸騰伝熱面(3)を備えた沸騰伝熱部材(1)をつくった。ここで、レーザビーム照射前の近接した２つの照射範囲(4)の中心間の距離であるピッチは８００μｍであり、レーザビーム照射条件は、レーザビームの出力電流２８Ａ、周波数５０ｋＨｚ、スピード３００ｍｍ／ｓとし、照射範囲(4)に２０μｍのピッチで縦横に格子状に照射するという操作を３回繰り返すことによって、大環状隆起部(21)、凹陷部(22)、複数の穴(5)および環状隆起部(6)を形成した。
比較例１
実施例１と同様にして複数の穴(5)および環状隆起部(6)を形成した後、環状隆起部(6)を取り去って沸騰伝熱部材をつくった。
比較例２
穴(5)も環状隆起部(6)も形成されていない長さ８０ｍｍ、幅４０ｍｍ、厚み２ｍｍのJIS Ａ１１００製アルミニウム板を沸騰伝熱部材とした。
評価試験
実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の沸騰伝熱部材を、図５に示す沸騰冷却装置(10)の受熱部(12)の底壁(12a)外面に、開口(16)を液密状に閉鎖するように取り付けた。また、冷媒(15)としてハイドロフルオロエーテル（３Ｍ社製、Ｎｏｖｅｃ７０００）を封入した。さらに、沸騰伝熱部材(1)の下面に熱伝導性グリースを介して１辺４０ｍｍ、厚み３ｍｍの正方形状ヒートスプレッダ(16)を配置し、その下面に熱伝導性グリースを介して１辺２５ｍｍのヒータを取り付けた。

そして、ヒータから発熱させながらヒータの発熱量とヒータの温度との関係を求めた。

実施例１、実施例２、比較例１および比較例２の結果を図１０に示す。

図１０から明らかなように、実施例１および実施例２の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置によれば、比較例１および比較例２の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置に比べて熱伝達率が優れており、その結果冷却効率が向上していることが分かる。

図１１はこの発明の沸騰伝熱部材を用いた沸騰冷却装置の変形例を示す。

図１１に示す沸騰冷却装置(30)の場合、冷媒封入体(11)の受熱部(12)の側壁(12b)外面に発熱体取付部(16)が設けられている。すなわち、受熱部(12)の側壁(12b)に開口(17)が形成され、沸騰伝熱面(3)が開口(17)を通して受熱部(12)内に臨むとともに開口(17)を液状に塞ぐように、沸騰伝熱部材(1)が受熱部(12)の側壁(12b)に固定されており、沸騰伝熱部材(1)の外面が発熱体取付部(16)となっている。

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)(20)：沸騰伝熱部材
(3)：沸騰伝熱面
(4)：照射範囲
(5)：穴
(6)：環状隆起部
(10)：沸騰冷却装置
(11)：冷媒封入体
(12)：受熱部
(12a)：底壁
(12b)：側壁
(13)：放熱部
(14)：冷媒流通部
(15)：冷媒
(16)：発熱体取付部
(21)：大環状隆起部
(22)：凹陷部

Claims (9)

1. 全体が金属材料により一体に形成されており、金属材料表面に予め決められた大きさを有する複数の照射範囲が設定されるとともに、当該設定範囲内にレーザビームが照射されることによって、金属材料表面に、相変化により熱を輸送する液相冷媒中に浸漬される沸騰伝熱面が設けられ、沸騰伝熱面が、各照射範囲に形成されかつ内周面が粗面となっている複数の穴、および各穴の開口の周囲に形成された環状隆起部を有し、環状隆起部が、レーザービームが照射されることにより発生した溶融金属の液滴が飛散して穴の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することにより形成されており、環状隆起部の表面が粗面となっている沸騰伝熱部材。
2. 少なくとも一部の照射範囲において、少なくとも一部の穴どうしが連通部により通じさせられている請求項１記載の沸騰伝熱部材。
3. 環状隆起部の隆起高さが、穴の深さの１０％以上である請求項１または２記載の沸騰伝熱部材。
4. 沸騰伝熱面が、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロエーテルおよびハイドロフルオロオレフィンのうちの１種からなる冷媒中に浸漬されるようになっており、近接した２つの照射範囲の中心間の間隔であるピッチが３００〜８００μｍであり、照射範囲に形成された穴が底から開口に向かって徐々に大きくなり、当該穴の開口部の径である穴径、および近接した２つの穴の中心間の間隔であるピッチが、それぞれ５０〜１５０μｍであり、前記穴の深さが、前記穴径の０．５〜２倍である請求項１〜３のうちのいずれかに記載の沸騰伝熱部材。
5. 金属材料表面の沸騰伝熱面における隣り合う照射範囲間の部分が平坦面となっている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の沸騰伝熱部材。
6. 金属材料表面の沸騰伝熱面における照射範囲の周囲に、大環状隆起部が設けられており、近接した照射範囲の大環状隆起部どうしが部分的に連結され、大環状隆起部が、レーザービームが照射されることにより発生した溶融金属の液滴が飛散して照射範囲の周囲に付着し、これが凝固するとともに堆積することにより形成されており、大環状隆起部の表面が粗面となっている請求項１〜４のうちのいずれかに記載の沸騰伝熱部材。
7. 照射範囲における大環状隆起部に囲まれた部分に凹陷部が形成され、凹陷部の底面に、内周面が粗面となっている複数の穴が形成されるとともに、各穴の周囲に環状隆起部が形成されている請求項６記載の沸騰伝熱部材。
8. 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て受熱部に液相状態で貯留されており、かつ相変化により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、受熱部の底壁または側壁における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を受ける部分に、請求項１〜７のうちのいずれかに記載された沸騰伝熱部材が、沸騰伝熱面が受熱部内方を向きかつ受熱部内の液相冷媒中に浸漬されるように配置されている沸騰冷却装置。
9. 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請求項８記載の沸騰冷却装置。