JP2021025667A - 沸騰伝熱部材、沸騰伝熱部材を備えた冷却器及び沸騰伝熱部材を備えた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液相の冷媒が接する面に形成された凹部の寸法を制御することで、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる沸騰伝熱部材を提供する。【解決手段】液相の冷媒と接し、表面に凹部３０を有する冷却面１０と、被冷却体が表面に熱的に接続される、前記冷却面１０と対向した加熱面２０とを有する、金属またはセラミックで形成された沸騰伝熱部材１であって、前記凹部３０の深さ方向に対し平行方向における前記凹部３０の断面が、底部３２の一端から冷却面１０方向へ延在した第１側壁部３３と、該底部３２の他端から冷却面１０方向へ延在した第２側壁部３４とを有する。【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒の相変化による潜熱を利用して電気・電子部品等を冷却する冷却機器に用いる沸騰伝熱部材に関し、特に、液相の冷媒を円滑に沸騰させることで冷却機器の冷却性能を向上させることができる沸騰伝熱部材に関するものである。

電子機器の高機能化に伴い、電子機器内部には、電気・電子部品等の発熱体の発熱量が増大化されている。電気・電子部品等の発熱体の温度が所定の許容温度よりも上昇してしまうと、電気・電子部品等が誤作動等を起こす原因となるので、電気・電子部品等の発熱体の温度を許容温度以下に維持することが重要である。そこで、電気・電子部品等を冷却するための冷却機器が、電子機器内部に搭載されている。上記冷却機器としては、例えば、冷媒の相変化による潜熱を利用した冷却機器が用いられている。

上記の通り、発熱体の発熱量が増大化されていることから、冷却機器の冷却性能のさらなる向上が要求されている。冷却機器の冷却性能のさらなる向上のために、冷媒の相変化を円滑化すること、特に、液相から気相への冷媒の相変化、すなわち、冷媒の沸騰を円滑化することが求められている。

そこで、金属材料表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が設けられており、沸騰伝熱面が、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、表面が粗面となっている沸騰伝熱部材（特許文献１）が提案されている。

特許文献１では、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ことで、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というものである。

しかしながら、特許文献１の沸騰伝熱部材では、沸騰伝熱面に設けられた穴の内周面を粗面とし、沸騰伝熱面の表面を粗面とする定性的な構成にとどまり、沸騰伝熱面の穴の態様を制御していないことから、液相の冷媒の気泡発生率に改善の余地があった。

特開２０１６−１１４３０４号公報

上記事情に鑑み、本発明は、沸騰伝熱部材のうち、液相の冷媒が接する面に形成された凹部の寸法を制御することで、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる沸騰伝熱部材を提供することを目的とする。

本発明の沸騰伝熱部材、該沸騰伝熱部材を用いた冷却器及び該沸騰伝熱部材を用いた冷却装置の構成の要旨は、以下の通りである。
［１］液相の冷媒と接し、表面に凹部を有する冷却面と、被冷却体が表面に熱的に接続される、前記冷却面と対向した加熱面と、を有する、金属またはセラミックで形成された沸騰伝熱部材であって、
前記凹部の深さ方向に対し平行方向における前記凹部の断面が、底部と該底部の一端から冷却面方向へ延在した第１側壁部と、該底部の他端から冷却面方向へ延在した第２側壁部とを有し、
前記加熱面または前記冷却面に対して平行な仮想線と前記第１側壁部及び／または前記第２側壁部とのなす角をθ（単位：°）、前記第１側壁部及び／または前記第２側壁部と液相の前記冷媒との接触角をβ（単位：°）、前記仮想線と前記第１側壁部との交点と前記仮想線と前記第２側壁部との交点との距離をｄ（単位：ｍｍ）としたとき、前記凹部の断面の少なくとも一部分が、下記式（１）
ｄ＜−３．７ｅ^−６×（β−θ）^３−０．０００１×（β−θ）^２＋０．１０４１×（β−θ） （１）
の寸法を満たす沸騰伝熱部材。
［２］前記第１側壁部と前記第２側壁部が、撥水処理されている［１］に記載の沸騰伝熱部材。
［３］前記βが、９１°以上である［１］または［２］に記載の沸騰伝熱部材。
［４］前記第１側壁部と前記第２側壁部との間隔が、前記冷却面に近いほど狭く、前記第１側壁部と前記第２側壁部との間隔が最小である前記凹部の開口部にて、前記式（１）の寸法を満たす［１］乃至［３］のいずれか１つに記載の沸騰伝熱部材。
［５］前記金属が、銅、アルミニウム、ステンレス、鉄、チタン及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも１種である［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の沸騰伝熱部材。
［６］前記撥水処理が、フッ素コート、ポリテトラフルオロエチレンコート及び／またはシリコンコートである［２］に記載の沸騰伝熱部材。
［７］前記βが９５°以上、前記θが６０°以下であり、前記凹部の断面の少なくとも一部分が、下記式（２）
７０μｍ＜ｄ＜４００μｍ （２）
の寸法を満たす［１］乃至［６］のいずれか１つに記載の沸騰伝熱部材。
［８］前記冷却面と前記加熱面が、別部材である［１］乃至［７］のいずれか１つに記載の沸騰伝熱部材。
［９］［１］乃至［８］のいずれか１つに記載の沸騰伝熱部材をコンテナに備えた冷却器であり、
前記被冷却体が熱的に接続される前記コンテナと、前記コンテナ内部に封入された前記冷媒と、を備えた冷却器。
［１０］前記冷媒が、水、フルオロカーボン類、エタノール、アセトン及びアンモニアからなる群から選択される少なくとも１種である［９］に記載の冷却器。
［１１］［１］乃至［８］のいずれか１つに記載の沸騰伝熱部材をコンテナに備えた冷却装置であり、
前記被冷却体が熱的に接続される前記コンテナと、前記コンテナ内部に封入された前記冷媒である一次冷媒と、前記コンテナ内部の気相部を貫通した、二次冷媒が流通する凝縮管と、を備えた冷却装置。
［１２］前記一次冷媒が、水、フルオロカーボン類、エタノール、アセトン及びアンモニアからなる群から選択される少なくとも１種である［１１］に記載の冷却装置。

上記［１］の沸騰伝熱部材の態様では、少なくとも一部分で式（１）の寸法を満たす凹部が形成された冷却面が沸騰伝熱面として機能する。式（１）の寸法を満たす凹部は冷却面にて開口した穴となっている。また、式（１）の寸法を満たす凹部が、冷媒の沸騰起点として機能する。被冷却体から受熱する加熱面が、沸騰伝熱部材の受熱面として機能する。沸騰伝熱部材の加熱面が冷却対象である被冷却体から受熱すると、被冷却体からの熱は沸騰伝熱部材を加熱面から冷却面の方向へ伝達される。冷却面へ伝達された熱によって、冷却面に接した液相の冷媒が沸騰して液相から気相へ相変化する。気相に相変化した冷媒は、沸騰伝熱部材を備えた冷却器、沸騰伝熱部材を備えた冷却装置の放熱部へ移動し、該放熱部にて気相から液相へ相変化して潜熱を放出することで、被冷却体からの熱が外部環境へ輸送されて、結果、被冷却体が冷却される。

上記［４］の沸騰伝熱部材の態様では、凹部の前記断面の幅は、冷却面に近いほど幅狭、すなわち、加熱面に近いほど幅広となっている。

本発明の沸騰伝熱部材の態様によれば、冷却面に形成された凹部の断面の少なくとも一部分が、下記式（１）
ｄ＜−３．７ｅ^−６×（β−θ）^３−０．０００１×（β−θ）^２＋０．１０４１×（β−θ） （１）
の寸法を満たすことにより、冷媒の沸騰起点としての凹部の機能が向上して、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる。

本発明の沸騰伝熱部材の態様によれば、第１側壁部と第２側壁部が撥水処理されていることにより、接触角βがさらに大きくなって、冷媒の沸騰起点としての凹部の機能がさらに向上する。

本発明の沸騰伝熱部材の態様によれば、接触角βが９１°以上であることにより、冷媒の沸騰起点としての凹部の機能がより確実に向上する。

本発明の沸騰伝熱部材の態様によれば、第１側壁部と第２側壁部との間隔が冷却面に近いほど狭く、凹部の開口部にて式（１）の寸法を満たすことにより、冷媒の沸騰起点としての凹部の機能がより確実に向上する。

本発明の沸騰伝熱部材の態様によれば、接触角βが９５°以上、なす角θが６０°以下であり、凹部の断面の少なくとも一部分が、下記式（２）
７０μｍ＜ｄ＜４００μｍ （２）
の寸法を満たすことにより、冷却効率が向上する。

本発明の沸騰伝熱部材の態様によれば、冷却面と加熱面が別部材であることにより、凹部の前記断面が、冷却面における第１側壁部と第２側壁部との間隔が底部の長さよりも小さい形状であっても、凹部を容易に形成できる。

本発明の冷却器の態様によれば、コンテナ内部に封入された冷媒の沸騰起点としての凹部の機能が向上して冷媒を円滑に沸騰させることができる沸騰伝熱部材を備えるので、冷却器の熱抵抗が低下且つ熱流束が増大して、被冷却体に対する冷却性能が向上した冷却器とすることができる。

本発明の冷却装置の態様によれば、コンテナ内部に封入された一次冷媒の沸騰起点としての凹部の機能が向上して一次冷媒を円滑に沸騰させることができる沸騰伝熱部材を備えるので、冷却装置の熱抵抗が低下且つ熱流束が増大して、被冷却体に対する冷却性能が向上した冷却装置とすることができる。

本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材の概要を説明する斜視図である。 （ａ）図は、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図であり、（ｂ）図は、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の平面図である。 本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材をコンテナに備えた冷却装置の説明図である。 本発明の第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図である。 本発明の第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図である。 本発明の第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図である。 （ａ）図は、本発明の第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の平面図であり、（ｂ）図は、本発明の第６実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の平面図である。

以下に、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材について、図面を用いながら説明する。図１は、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材の概要を説明する斜視図である。図２の（ａ）図は、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図であり、（ｂ）図は、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の平面図である。

図１に示すように、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１は、第１の主表面である冷却面１０と、冷却面１０と対向した、第２の主表面である加熱面２０と、を有する板状部材である。冷却面１０は、液相の冷媒（図示せず）と接する部位であり、液相の冷媒に浸漬されている。加熱面２０は、被冷却体（図示せず）が熱的に接続される部位である。また、沸騰伝熱部材１では、加熱面２０は、平坦面となっている。

冷却面１０には、複数の凹部３０、３０、３０・・・が設けられている。凹部３０の開口部３１が冷却面１０の表面に形成されている。沸騰伝熱部材１では、冷却面１０は、加熱面２０に対して平行な平面であり、該平面に、複数の凹部３０、３０、３０・・・が形成されている。また、複数の凹部３０、３０、３０・・・は、それぞれ、相互に独立した凹部３０であり、それぞれの凹部３０は、相互に連通していない態様となっている。沸騰伝熱部材１では、複数の凹部３０、３０、３０・・・は、沸騰伝熱部材１の幅方向Ｘに所定の間隔で並列配置され、沸騰伝熱部材１の長さ方向Ｙにも所定の間隔で並列配置されている。従って、冷却面１０は、凹部３０と凹部３０の存在しない凸部１１とを有した、粗面となっている。凹部３０が、冷媒の沸騰起点として機能し、結果、冷却面１０が沸騰伝熱部材１の沸騰伝熱面として機能する。

図１、図２（ａ）に示すように、沸騰伝熱部材１の凹部３０は、開口部３１から加熱面２０方向へ向かうにつれて幅広となっており、従って、凹部３０の開口部３１が最も幅狭となっている。図２（ａ）に示すように、凹部３０の深さ方向Ｈに対し平行方向における凹部３０の断面（以下、単に、「凹部３０の断面」ということがある。）は、底部３２と底部３２の一端から冷却面１０方向へ延在した第１側壁部３３と、底部３２の他端から冷却面１０方向へ延在した第２側壁部３４とを有している。沸騰伝熱部材１では、底部３２、第１側壁部３３、第２側壁部３４は、いずれも直線状となっている。底部３２と第１側壁部３３とのなす角θ１、底部３２と第２側壁部３４とのなす角θ２は、同じでも、異なっていてもよいが、図２（ａ）では、なす角θ１はなす角θ２と略同じとなっている。

沸騰伝熱部材１では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔が、冷却面１０に近いほど狭く、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、凹部３０の開口部３１にて最小、底部３２にて最大となっている。図２（ａ）では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部３２から開口部３１へ向かうに従って、略同じ割合で狭くなっていく態様となっている。

凹部３０の平面視（冷却面１０に対向した方向から視認した状態）の形状は、特に限定されないが、沸騰伝熱部材１では、図２（ｂ）に示すように、円形状となっている。

沸騰伝熱部材１では、凹部３０の断面の少なくとも一部分が、加熱面２０または冷却面１０に対して平行な仮想線Ｌと第１側壁部３３及び第２側壁部３４とのなす角をθ（単位：°）、第１側壁部３３及び第２側壁部３４と液相の冷媒との接触角をβ（単位：°）、仮想線Ｌと第１側壁部３３との交点３５と仮想線Ｌと第２側壁部３４との交点３６との距離をｄ（単位：ｍｍ）としたとき、下記式（１）
ｄ＜−３．７ｅ^−６×（β−θ）^３−０．０００１×（β−θ）^２＋０．１０４１×（β−θ） （１）
の寸法を満たしている。

凹部３０の断面のうち、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域の、いずれかの部位で、式（１）の寸法を満たしていればよい。なお、沸騰伝熱部材１では、凹部３０の開口部３１にて、式（１）の寸法を満たしているだけでなく、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域全体で、式（１）の寸法を満たしている。

また、沸騰伝熱部材１では、なす角θは、底部３２と第１側壁部３３とのなす角θ１及び底部３２と第２側壁部３４とのなす角θ２に対応している。なす角θの範囲は、特に限定されないが、沸騰伝熱部材１では、例えば、６０°以下が好ましく、４５°以上６０°以下が特に好ましい。また、ｄの値としては、例えば、０．０６０ｍｍ以上０．７０ｍｍ以下が好ましく、０．０６０ｍｍ以上０．３０ｍｍ以下が特に好ましい。

凹部３０の断面が式（１）の寸法を満たしていることにより、（１）冷媒の気泡が凹部３０から離脱する際の気泡離脱径、（２）冷媒の気泡が凹部３０から離脱する際の気泡離脱頻度、（３）凹部３０にて冷媒の気泡が成長を開始する際の圧力（気泡成長開始圧）、（４）凹部３０における液相の冷媒の浸入力、（５）冷却面１０の単位面積あたりに生じる冷媒の気泡数が、バランスよく調整される。上記（１）〜（５）の条件がバランスよく調整されることにより、沸騰伝熱部材１の冷却面１０が優れた沸騰伝熱面として機能し、また、沸騰伝熱部材１の使用条件が変更されても、沸騰伝熱面としての機能が維持される。上記から、凹部３０の断面が式（１）の寸法を満たすことにより、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能が向上して、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる。また、少なくとも凹部３０の開口部３１にて式（１）の寸法を満たすことにより、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能がより確実に向上する。さらには、上記（１）〜（５）の条件がバランスよく調整されることにより、沸騰伝熱部材１が冷却器や冷却装置に搭載されると、冷却器や冷却装置の熱抵抗が低減され、冷却器や冷却装置の熱流束（熱輸送量）、すなわち冷却効率が向上する。

式（１）は、凹部３０に液相の冷媒（水）が浸入しようとする力よりも、液相の冷媒（水）の表面張力による反発力が勝っているという条件から導き出される。

第１側壁部３３と第２側壁部３４は、撥水処理されていてもよい。第１側壁部３３と第２側壁部３４が撥水処理されていることにより、接触角βがさらに大きくなって、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能がさらに向上する。接触角βは大きいほど好ましく、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能がより確実に向上する点から、接触角βは９１°以上がより好ましく、９５°以上が特に好ましい。

撥水処理としては、特に限定されないが、例えば、フッ素コート、ポリテトラフルオロエチレンコート、シリコンコート等が挙げられる。

凹部３０の断面が式（１）の寸法を満たすことに加え、さらに、接触角βが９５°以上、なす角θが６０°以下であり、凹部３０の断面の少なくとも一部分が、下記式（２）
７０μｍ＜ｄ＜４００μｍ （２）
の寸法を満たすことが好ましい。さらに、接触角βが９５°以上、なす角θが６０°以下であり、凹部３０の断面の少なくとも一部分が、上記式（２）の寸法を満たすことにより、冷却効率が向上する。

式（２）は、蒸気泡による熱輸送量が４００Ｗ以上かつ冷媒の沸騰開始に必要な冷媒温度が４５℃以下という条件から導かれる。

加熱面２０は被冷却体（図示せず）が熱的に接続される部位であり、加熱面２０が被冷却体から受熱することで、沸騰伝熱部材１の受熱面として機能する。例えば、加熱面２０に被冷却体を直接取り付けることで、加熱面２０に被冷却体が熱的に接続される。加熱面２０には、凹部は設けられておらず、平滑な平面となっている。

図２（ａ）に示すように、沸騰伝熱部材１では、冷却面１０と加熱面２０が、別部材である。冷却面１０及び凹部３０を有する第１部材１２と加熱面２０を有する平板状の第２部材２２とから、沸騰伝熱部材１が形成されている。第２部材２２のうち、加熱面２０と対向する平面２１が、凹部３０の底部３２となるように、第２部材２２の平面２１上に第１部材１２を重ね、第１部材１２と第２部材２２を接合することで、沸騰伝熱部材１が形成されている。

冷却面１０と加熱面２０が別部材であることで、沸騰伝熱部材１のように、凹部３０の断面が、冷却面１０における第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔が底部３２の長さよりも小さい形状であっても、凹部３０を容易に形成できる。

沸騰伝熱部材１の材質としては、例えば、金属、セラミック等を挙げることができる。また、金属としては、例えば、銅、アルミニウム、ステンレス、鉄、チタン、マグネシウム等を挙げることができる。

次に、第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１をコンテナに備えた冷却装置１００について説明する。なお、図３は、本発明の第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材をコンテナに備えた冷却装置の説明図である。

図３に示すように、沸騰伝熱部材１をコンテナ１１０に備えた冷却装置１００は、被冷却体２００が熱的に接続されるコンテナ１１０と、コンテナ１１０内部に封入された冷媒である一次冷媒１２０と、コンテナ１１０内部の気相部１１１を貫通した、二次冷媒１３０が流通する凝縮管１４０と、を備えている。コンテナ１１０の外面１１２に冷却対象である被冷却体２００が熱的に接続されることで、被冷却体２００が冷却される。

コンテナ１１０内部には、中空の空洞部１１３が形成されている。空洞部１１３は、外部環境に対して密閉された空間であり、脱気処理により減圧されている。コンテナ１１０の形状は、特に限定されないが、例えば、直方体である。また、空洞部１１３には、所定量の液相の一次冷媒１２０が収納されている。液相の一次冷媒１２０は、コンテナ１１０内部に気相部１１１が形成できる体積量にて収納されている。空洞部１１３の重力方向下方側に、液相の一次冷媒１２０が存在し、空洞部１１３の重力方向上方側に、液相の一次冷媒１２０が収納されていない気相部１１１が形成されている。沸騰伝熱部材１は、コンテナ１１０のうち、液相の一次冷媒１２０が存在している部位に、液相の一次冷媒１２０に冷却面１０が浸漬した状態で設けられている。冷却装置１００では、コンテナ１１０の底部１１５に沸騰伝熱部材１が設けられている。

被冷却体２００の接続位置は、特に限定されないが、冷却装置１００では、コンテナ１１０の外面１１２のうち、沸騰伝熱部材１及び液相の一次冷媒１２０が存在する部位に、被冷却体２００が熱的に接続されている。より具体的には、沸騰伝熱部材１の加熱面２０に、被冷却体２００が熱的に接続されている。被冷却体２００のコンテナ１１０への接続位置を上記部位とすることで、被冷却体２００から液相の一次冷媒１２０への熱伝達が円滑化されて、被冷却体２００から一次冷媒１２０への熱抵抗を低減できる。

凝縮管１４０は、管状部材であり、コンテナ１１０内部の気相部１１１を貫通している。凝縮管１４０は、被冷却体２００が熱的に接続される部位におけるコンテナ１１０の内面よりも重力方向上方に位置している。凝縮管１４０の内部空間は、コンテナ１１０の内部（空洞部１１３）とは連通していない。すなわち、凝縮管１４０の内部空間は、気相部１１１とは連通していない、気相部１１１から独立した空間となっている。また、凝縮管１４０は、重力方向下方側に収納された液相の一次冷媒１２０とは接触していない。すなわち、液相の一次冷媒１２０は、二次冷媒１３０が収納された凝縮管１４０とは接触していない。

コンテナ１１０のうち、気相部１１１に対応する部位に貫通孔（図示せず）が形成されており、該貫通孔に凝縮管１４０が嵌挿されることで、空洞部１１３の密閉状態を維持したまま、凝縮管１４０がコンテナ１１０に取り付けられている。凝縮管１４０の本数は、特に限定されず、冷却装置１００では、凝縮管１４０が２つ取り付けられている。凝縮管１４０の径方向の断面形状は、特に限定されないが、冷却装置１００では、略円形となっている。

凝縮管１４０には、液相の二次冷媒１３０が凝縮管１４０の延在方向に沿って一定方向に流通している。従って、二次冷媒１３０は、凝縮管１４０の壁面を介して、気相部１１１を貫通するように流通する。二次冷媒１３０は、例えば、被冷却体２００の許容最高温度よりも低温の液温まで冷却されている。

コンテナ１１０の材料としては、特に限定されず、広汎な材料が使用でき、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス、チタン、チタン合金等を挙げることができる。凝縮管１４０の材料としては、特に限定されず、例えば、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、ステンレス、チタン、チタン合金等を挙げることができる。一次冷媒１２０としては、特に限定されず、広汎な材料が使用でき、例えば、電気絶縁性の冷媒を挙げることができる。具体例としては、例えば、水、フルオロカーボン類、エタノール、アセトン、アンモニア、これらの混合物等を挙げることができる。二次冷媒としては、特に限定されず、例えば、水、不凍液（主成分は、例えば、エチレングリコール）等を挙げることができる。

次に、冷却装置１００の動作について説明する。コンテナ１１０の空洞部１１３に収納された液相の一次冷媒１２０が被冷却体２００からの熱を受けることで、液相から気相へ相変化し、被冷却体２００からの熱を潜熱として吸収する。気相へ相変化した一次冷媒は、コンテナ１１０の内部空間を重力方向上方へ移動し、コンテナ１１０の気相部１１１へ流入する。一方で、気相部１１１を貫通した凝縮管１４０には、低温の二次冷媒１３０が流通している。凝縮管１４０に低温の二次冷媒１３０が流通していることで、気相部１１１に配置された凝縮管１４０は、熱交換作用を発揮する。気相に相変化した一次冷媒は、凝縮管１４０の外面に接触または接近することで、凝縮管１４０の熱交換作用により、潜熱を放出し、気相から液相へ相変化する。気相から液相への相変化の際に一次冷媒から放出される潜熱が、凝縮管１４０を流通する二次冷媒１３０へ伝達される。また、液相へ相変化した一次冷媒は、重力作用により、気相部１１１から重力方向下方へ液相の一次冷媒１２０として還流する。上記から、一次冷媒１２０は、コンテナ１１０の内部空間にて、液相から気相へ及び気相から液相への相変化を繰り返す。一次冷媒から熱を受けた二次冷媒１３０は、凝縮管１４０の延在方向に沿って冷却装置１００の内部から外部へ流通することで、被冷却体２００の熱が冷却装置１００の外部へ輸送される。

沸騰伝熱部材１をコンテナ１１０に備えた冷却装置１００の態様によれば、コンテナ１１０内部に封入された液相の一次冷媒２０の沸騰起点としての凹部３０の機能が向上して液相の一次冷媒２０を円滑に沸騰させることができる沸騰伝熱部材１を備えるので、冷却装置１００の熱抵抗が低下且つ熱流束が増大して、被冷却体２００に対する冷却性能が向上した冷却装置１００とすることができる。

また、上記した冷却装置に代えて、上記した冷却装置に凝縮管が設けられていない態様である冷却器のコンテナに、第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１を備えてもよい。すなわち、被冷却体が熱的に接続されるコンテナと、コンテナ内部に封入された冷媒と、を備えた冷却器のコンテナに、沸騰伝熱部材１を備えてもよい。冷却器に用いる冷媒としては、上記した冷却装置に用いる一次冷媒と同じく、水、フルオロカーボン類、エタノール、アセトン、アンモニア、これらの混合物等を挙げることができる。

次に、本発明の第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材について、図面を用いながら説明する。第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材は、主要部が第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材と共通しているので、第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図４は、本発明の第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図である。

第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は凹部３０の開口部３１にて最小、底部３２にて最大であり、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部３２から開口部３１へ向かうに従って、略同じ割合で狭くなっていく態様であった。これに代えて、図４に示すように、第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材２では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、凹部３０の開口部３１と底部３２との間であって底部近傍４０または底部３２の位置にて最大である。また、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部近傍４０または底部３２から開口部３１へ向かうに従って、異なる割合で狭くなっていく態様である。沸騰伝熱部材２では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部近傍４０または底部３２から開口部３１へ向かうに従って、大きな割合で狭くなっている。

凹部３０の断面のうち、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域の、いずれかの部位で、上記式（１）の寸法を満たしていれば、沸騰伝熱部材２でも、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能が向上して、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる。

次に、本発明の第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材について、図面を用いながら説明する。第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材は、主要部が第１、第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材と共通しているので、第１、第２実施形態例に係る沸騰伝熱部材と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図５は、本発明の第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図である。

第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は凹部３０の開口部３１にて最小、底部３２にて最大であり、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部３２から開口部３１へ向かうに従って、略同じ割合で狭くなっていく態様であった。これに代えて、図５に示すように、第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材３では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は凹部３０の開口部３１にて最大、底部３２にて最小であり、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部３２から開口部３１へ向かうに従って、略同じ割合で広くなっている。

また、沸騰伝熱部材１では、冷却面１０と加熱面２０が別部材であったが、これに代えて、図５に示すように、第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材３では、冷却面１０と加熱面２０が、同じ部材、すなわち、一体の部材となっている。沸騰伝熱部材３では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部３２から開口部３１へ向かうに従って広くなっているので、冷却面１０と加熱面２０が同じ部材でも、容易に凹部３０を形成できる。

凹部３０の断面のうち、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域の、いずれかの部位で、上記式（１）の寸法を満たしていれば、沸騰伝熱部材３でも、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能が向上して、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる。

次に、本発明の第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材について、図面を用いながら説明する。第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材は、主要部が第１〜第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材と共通しているので、第１〜第３実施形態例に係る沸騰伝熱部材と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図６は、本発明の第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の深さ方向に対し平行方向における、凹部の断面図である。

第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は凹部３０の開口部３１にて最小、底部３２にて最大であり、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部３２から開口部３１へ向かうに従って、略同じ割合で狭くなっていく態様であった。これに代えて、図６に示すように、第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材４では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、凹部３０の開口部３１と底部３２との間であって底部近傍４０または底部３２の位置にて最大である。また、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部近傍４０または底部３２から開口部３１へ向かうに従って、異なる割合で狭くなっていく態様である。沸騰伝熱部材４では、第１側壁部３３と第２側壁部３４との間隔は、底部近傍４０または底部３２から開口部３１へ向かうに従って、小さな割合で狭くなっている。

凹部３０の断面のうち、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域の、いずれかの部位で、上記式（１）の寸法を満たしていれば、沸騰伝熱部材４でも、冷媒の沸騰起点としての凹部３０の機能が向上して、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができる。

上記の通り、凹部３０の断面のうち、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域の、いずれかの部位で、上記式（１）の寸法を満たしていれば、凹部３０の断面形状は、特に限定されない。

次に、本発明の第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材について、図面を用いながら説明する。第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材は、主要部が第１〜第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材と共通しているので、第１〜第４実施形態例に係る沸騰伝熱部材と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図７の（ａ）図は、本発明の第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の平面図である。

第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１では、凹部３０の平面視の形状は、円形状となっていたが、これに代えて、図７（ａ）に示すように、第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材５では、凹部３０の平面視の形状、すなわち、開口部３１の形状は、多角形状となっている。図７（ａ）では、具体的には、凹部３０の平面視の形状は、四角形状（正方形）となっている。

次に、本発明の第６実施形態例に係る沸騰伝熱部材について、図面を用いながら説明する。第６実施形態例に係る沸騰伝熱部材は、主要部が第１〜第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材と共通しているので、第１〜第５実施形態例に係る沸騰伝熱部材と同じ構成要素については、同じ符号を用いて説明する。なお、図７の（ｂ）図は、本発明の第６実施形態例に係る沸騰伝熱部材に設けられた凹部の平面図である。

第１実施形態例に係る沸騰伝熱部材１では、凹部３０の平面視の形状は、円形状となっていたが、これに代えて、図７（ｂ）図に示すように、第６実施形態例に係る沸騰伝熱部材６では、凹部３０の平面視の形状は、星形となっている。

上記の通り、凹部３０の断面のうち、凹部３０の開口部３１から底部３２までの領域の、いずれかの部位で、上記式（１）の寸法を満たしていれば、凹部３０の平面視の形状は、特に限定されない。

次に、本発明の沸騰伝熱部材の他の実施形態例について説明する。上記各実施形態例では、複数の凹部は、それぞれ、空間的に相互に独立した凹部であり、それぞれの凹部は、相互に連通していない態様であったが、これに代えて、それぞれの凹部が連通した態様としてもよい。それぞれの凹部が連通した態様としては、例えば、それぞれの凹部の底部が、冷却面に形成された溝部を介して連通した態様が挙げられる。それぞれの凹部が連通した態様とすることで、複数の凹部のうち、一部の凹部が液相の冷媒で埋まって沸騰起点としての機能を喪失しても、液相の冷媒で埋まっていない他の凹部から液相の冷媒で埋まってしまった凹部へ空気が供給されて液相の冷媒が凹部から除去される。従って、液相の冷媒で一部の凹部が埋まって該凹部が沸騰起点としての機能を喪失しても、速やかに該凹部は沸騰起点としての機能を回復することができる。

本発明の沸騰伝熱部材は、液相の冷媒を円滑に沸騰させることができるので、広汎な分野で利用可能であり、例えば、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等、発熱量の大きい電子部品を冷却する分野で利用価値が高い。

１、２、３、４、５、６ 沸騰伝熱部材
１０ 冷却面
２０ 加熱面
３０ 凹部
３１ 開口部
３２ 底部
３３ 第１側壁部
３４ 第２側壁部
１００ 冷却装置

Claims (12)

1. 液相の冷媒と接し、表面に凹部を有する冷却面と、被冷却体が表面に熱的に接続される、前記冷却面と対向した加熱面と、を有する、金属またはセラミックで形成された沸騰伝熱部材であって、
   前記凹部の深さ方向に対し平行方向における前記凹部の断面が、底部と該底部の一端から冷却面方向へ延在した第１側壁部と、該底部の他端から冷却面方向へ延在した第２側壁部とを有し、
   前記加熱面または前記冷却面に対して平行な仮想線と前記第１側壁部及び／または前記第２側壁部とのなす角をθ（単位：°）、前記第１側壁部及び／または前記第２側壁部と液相の前記冷媒との接触角をβ（単位：°）、前記仮想線と前記第１側壁部との交点と前記仮想線と前記第２側壁部との交点との距離をｄ（単位：ｍｍ）としたとき、前記凹部の断面の少なくとも一部分が、下記式（１）
   ｄ＜−３．７ｅ^−６×（β−θ）^３−０．０００１×（β−θ）^２＋０．１０４１×（β−θ） （１）
   の寸法を満たす沸騰伝熱部材。
2. 前記第１側壁部と前記第２側壁部が、撥水処理されている請求項１に記載の沸騰伝熱部材。
3. 前記βが、９１°以上である請求項１または２に記載の沸騰伝熱部材。
4. 前記第１側壁部と前記第２側壁部との間隔が、前記冷却面に近いほど狭く、前記第１側壁部と前記第２側壁部との間隔が最小である前記凹部の開口部にて、前記式（１）の寸法を満たす請求項１乃至３のいずれか１項に記載の沸騰伝熱部材。
5. 前記金属が、銅、アルミニウム、ステンレス、鉄、チタン及びマグネシウムからなる群から選択される少なくとも１種である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の沸騰伝熱部材。
6. 前記撥水処理が、フッ素コート、ポリテトラフルオロエチレンコート及び／またはシリコンコートである請求項２に記載の沸騰伝熱部材。
7. 前記βが９５°以上、前記θが６０°以下であり、前記凹部の断面の少なくとも一部分が、下記式（２）
   ７０μｍ＜ｄ＜４００μｍ （２）
   の寸法を満たす請求項１乃至６のいずれか１項に記載の沸騰伝熱部材。
8. 前記冷却面と前記加熱面が、別部材である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の沸騰伝熱部材。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の沸騰伝熱部材をコンテナに備えた冷却器であり、
   前記被冷却体が熱的に接続される前記コンテナと、前記コンテナ内部に封入された前記冷媒と、を備えた冷却器。
10. 前記冷媒が、水、フルオロカーボン類、エタノール、アセトン及びアンモニアからなる群から選択される少なくとも１種である請求項９に記載の冷却器。
11. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の沸騰伝熱部材をコンテナに備えた冷却装置であり、
    前記被冷却体が熱的に接続される前記コンテナと、前記コンテナ内部に封入された前記冷媒である一次冷媒と、前記コンテナ内部の気相部を貫通した、二次冷媒が流通する凝縮管と、を備えた冷却装置。
12. 前記一次冷媒が、水、フルオロカーボン類、エタノール、アセトン及びアンモニアからなる群から選択される少なくとも１種である請求項１１に記載の冷却装置。

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