JP2021162195A - Ebullient cooling working fluid, ebullient cooling device using the same, and ebullient cooling method - Google Patents

Ebullient cooling working fluid, ebullient cooling device using the same, and ebullient cooling method Download PDF

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Abstract

To provide an ebullient cooling working fluid that can dramatically improve CHF while maintaining low heat resistance for a long term.SOLUTION: An ebullient cooling working fluid includes: a cooling medium; and calcium carbonate particles which are dispersed in the cooling medium with concentration of 1 wt.% or less and have an average particle size of less than 5 μm.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、沸騰冷却用作動液、それを用いた沸騰冷却装置および沸騰冷却方法に関する。 The present invention relates to a boiling cooling hydraulic fluid, a boiling cooling device using the working fluid, and a boiling cooling method.

高発熱密度の高温物体を低コストで効率的に冷却する次世代技術として、沸騰冷却技術が期待されている。沸騰冷却技術においては、発熱体(被冷却部)の伝熱面と作動流体とを接触させて液体から気体へ相変化するときの潜熱を利用する。温度変化の生じる顕熱に比べて、より多くの熱エネルギーを小さな温度差で輸送することができるため、沸騰冷却技術を使用した相変化型冷却器は、国内外問わず開発が進められている。 Boiling cooling technology is expected as a next-generation technology for efficiently cooling high-temperature objects with high heat generation density at low cost. In the boiling cooling technology, the latent heat when the heat transfer surface of the heating element (cooled portion) is brought into contact with the working fluid to change the phase from a liquid to a gas is used. Since more heat energy can be transported with a small temperature difference than the sensible heat that causes temperature changes, phase change type coolers using boiling cooling technology are being developed both in Japan and overseas. ..

ENHANCING THERMAL CONDUCTIVITYOF FLUIDS WITH NANOPARTICLES(Stephen U. S. Choi and J. A. Eastman)ENHANCING THERMAL CONDUCTIVITYOF FLUIDS WITH NANOPARTICLES (Stephen U.S. Choi and J.A. Eastman) Effect of nanoparticles on criticalheat flux of water in pool boiling heat transfer(S. M. You, J. H. Kim, and K.H. Kim APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 83, NUMBER 16, 2003)Effect of nanoparticles on critical heat flux of water in pool boiling heat transfer (S.M.You, J.H.Kim, and K.H.Kim APPLIED PHYSICS LETTERS VOLUME 83, NUMBER 16, 2003)

しかしながら、沸騰冷却技術には、限界熱流束(Critical Heat Flux:CHF)という問題がある。これは伝熱面にCHF以上の大きな熱流束負荷が加えられると、沸騰方式による冷却が困難になるというものである。熱流束が増大すると、作動流体の蒸発量が増加して伝熱面上で孤立発生していた沸騰気泡が合体し、図1に示すように一つの大きな合体気泡10が発熱体16の伝熱面18を覆い始める。伝熱面18が合体気泡10で完全に覆われると、伝熱面18と作動流体14とが接触せず潜熱による熱輸送は不可能となる。冷却能力が著しく低下するこの状態への遷移は、ドライアウトもしくはバーンアウトなどと称される。この状態に遷移する熱流束がCHFである。 However, the boiling cooling technique has a problem of critical heat flux (CHF). This means that when a heat flux load larger than CHF is applied to the heat transfer surface, cooling by the boiling method becomes difficult. When the heat flux increases, the amount of evaporation of the working fluid increases and the boiling bubbles that have been isolated and generated on the heat transfer surface are united, and as shown in FIG. 1, one large united bubble 10 is the heat transfer of the heating element 16. Start covering surface 18. When the heat transfer surface 18 is completely covered with the coalesced bubbles 10, the heat transfer surface 18 and the working fluid 14 do not come into contact with each other, and heat transfer by latent heat becomes impossible. The transition to this state where the cooling capacity is significantly reduced is called dryout or burnout. The heat flux that transitions to this state is CHF.

沸騰冷却中にドライアウトが生じると、冷却能力の低下により伝熱面の温度が急上昇するため、半導体デバイスであれば熱による故障に至る。また、発熱物体であれば、融点を超えて溶融に至って火災などの危険な状態に陥るおそれがある。これに対応するために、沸騰冷却装置のCHFを高める試みが行われており、作動液に添加物を加えることが提案されている。作動液にナノ粒子を添加する手法は、ポンプなど機械要素へのダメージが少なく単相冷却時に強制対流させることができる(非特許文献1)。ナノ粒子を沸騰冷却に用いる冷媒に添加した場合には、CHFが200%程度向上することが報告されている(非特許文献2)。 If dryout occurs during boiling cooling, the temperature of the heat transfer surface rises sharply due to a decrease in cooling capacity, which leads to heat failure in semiconductor devices. Further, if it is a heat-generating object, it may exceed the melting point and melt, resulting in a dangerous state such as a fire. In order to cope with this, attempts have been made to increase the CHF of the boiling cooling device, and it has been proposed to add an additive to the hydraulic fluid. The method of adding nanoparticles to the hydraulic fluid causes less damage to mechanical elements such as pumps and allows forced convection during single-phase cooling (Non-Patent Document 1). It has been reported that CHF is improved by about 200% when nanoparticles are added to a refrigerant used for boiling cooling (Non-Patent Document 2).

伝熱面との接触により作動液が沸騰してナノ粒子が濃縮され、伝熱面表面にナノ粒子が堆積する。そのナノ粒子堆積面のぬれ限界温度が、本来の伝熱面のぬれ限界温度より高くなることによって、CHF改善の効果が得られるものと考えられている。ぬれ限界温度とは、物体に対して作動液がぬれ広がり得る最大温度をさす。ぬれ限界温度以上になると、沸騰により乾いた伝熱面を作動液が再び濡らすことができず、ドライアウトへ遷移が始まる。ぬれ限界温度が高いほど、ドライアウトへ遷移し難くなる。 Upon contact with the heat transfer surface, the working fluid boils, the nanoparticles are concentrated, and the nanoparticles are deposited on the surface of the heat transfer surface. It is considered that the effect of improving CHF can be obtained by making the wetting limit temperature of the nanoparticle deposition surface higher than the wetting limit temperature of the original heat transfer surface. The wetting limit temperature refers to the maximum temperature at which the hydraulic fluid can wet and spread with respect to an object. When the temperature exceeds the wetting limit temperature, the hydraulic fluid cannot wet the heat transfer surface that has been dried by boiling again, and the transition to dryout begins. The higher the wetting limit temperature, the more difficult it is to transition to dryout.

ナノ粒子を含有する沸騰冷却用作動液を長時間使用すると、伝熱面に堆積し続けるナノ粒子層が熱抵抗層となって沸騰冷却時の伝熱面の温度が上昇し、熱抵抗を上昇させてしまう。熱抵抗は電子機器向け冷却装置の性能指標の一つであり、ある2点間における熱(W)の移動に際して生じる温度差(K)、すなわち熱の伝わり難さを表す値である。熱抵抗は冷却装置の設計上重要な要素であるので、沸騰冷却装置においても低減が求められる。電子機器向け沸騰冷却装置の場合は特に、動作時温度が冷却対象とする電子機器の製品寿命に直結するため、熱抵抗および伝熱面温度を長時間低く維持する必要がある。 When a boiling cooling hydraulic solution containing nanoparticles is used for a long time, the nanoparticle layer that continues to accumulate on the heat transfer surface becomes a heat resistance layer, and the temperature of the heat transfer surface during boiling cooling rises, increasing the heat resistance. I will let you. Thermal resistance is one of the performance indexes of a cooling device for electronic devices, and is a value indicating a temperature difference (K) generated when heat (W) is transferred between two points, that is, heat transfer difficulty. Since thermal resistance is an important factor in the design of the cooling device, reduction is also required in the boiling cooling device. Especially in the case of a boiling cooling device for electronic devices, it is necessary to keep the thermal resistance and the heat transfer surface temperature low for a long time because the operating temperature is directly linked to the product life of the electronic device to be cooled.

そこで本発明は、沸騰冷却時に問題となる上記の2つの課題、すなわち、長期にわたって低い熱抵抗を維持しつつ、CHFを大幅に改善することが可能な沸騰冷却用作動液、沸騰冷却装置、および沸騰冷却方法を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention presents the above two problems that are problematic during boiling cooling, that is, a boiling cooling hydraulic solution, a boiling cooling device, and a boiling cooling device that can significantly improve CHF while maintaining low thermal resistance for a long period of time. It is an object of the present invention to provide a boiling cooling method.

本発明に係る沸騰冷却用作動液は、冷媒と、前記冷媒中に1重量%以下の濃度で分散した平均粒子径5μm未満の炭酸カルシウム粒子とを含有することを特徴とする。 The boiling cooling hydraulic solution according to the present invention is characterized by containing a refrigerant and calcium carbonate particles having an average particle diameter of less than 5 μm dispersed in the refrigerant at a concentration of 1% by weight or less.

本発明に係る沸騰冷却装置は、被冷却部と、前記被冷却部に接触可能な作動流体とを備え、前記被冷却部の熱による前記作動流体の沸騰蒸発によって、前記被冷却部が冷却される沸騰冷却装置であって、前記作動流体として前述の沸騰冷却用作動液を用いることを特徴とする。 The boiling cooling device according to the present invention includes a portion to be cooled and a working fluid that can come into contact with the portion to be cooled, and the portion to be cooled is cooled by boiling evaporation of the working fluid due to the heat of the portion to be cooled. The boiling cooling device is characterized in that the above-mentioned working fluid for boiling cooling is used as the working fluid.

本発明に係る沸騰冷却方法は、被冷却部に作動流体が接し、前記被冷却部の熱により前記作動流体が沸騰蒸発することで、前記被冷却部を冷却する沸騰冷却方法であって、前記作動流体として前述の沸騰冷却用作動液を用いることを特徴とする。 The boiling cooling method according to the present invention is a boiling cooling method for cooling the cooled portion by contacting the working fluid with the cooled portion and boiling and evaporating the working fluid by the heat of the cooled portion. It is characterized in that the above-mentioned hydraulic fluid for boiling and cooling is used as the hydraulic fluid.

本発明によれば、長期にわたって低い熱抵抗を維持しつつ、CHFを大幅に改善することが可能な沸騰冷却用作動液、沸騰冷却装置、および沸騰冷却方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a boiling cooling hydraulic fluid, a boiling cooling device, and a boiling cooling method capable of significantly improving CHF while maintaining low thermal resistance for a long period of time.

限界熱流束を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the critical heat flux. 本発明の沸騰冷却装置の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the boiling cooling apparatus of this invention. 本発明の沸騰冷却装置の他の例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows another example of the boiling cooling apparatus of this invention. 沸騰冷却用作動液の評価に用いた伝熱実験システムを示す概略図である。It is the schematic which shows the heat transfer experiment system used for the evaluation of the hydraulic fluid for boiling cooling. 伝熱面からの距離と温度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the distance from a heat transfer surface and a temperature. 本発明の沸騰冷却装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the boiling cooling apparatus of this invention. 本発明の沸騰冷却装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the boiling cooling apparatus of this invention. 本発明の沸騰冷却装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the boiling cooling apparatus of this invention. 本発明の沸騰冷却装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the boiling cooling apparatus of this invention. 本発明の沸騰冷却装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the boiling cooling apparatus of this invention. 本発明の沸騰冷却装置の他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of the boiling cooling apparatus of this invention.

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
本発明の沸騰冷却用作動液(以下、単に作動液とも称する)は、平均粒子径が5μm未満の炭酸カルシウム粒子が冷媒に分散された分散液である。冷媒としては、水が好ましく、不純物元素の少ない純水およびイオン交換水などがより好ましい。アンモニア、アルコール類、炭化水素類、またはフルオロカーボン類等を冷媒として用いてもよい。アルコール類としては、例えばエタノール等が挙げられ、炭化水素類としては、例えばヘプタン等が挙げられ、フルオロカーボン類としては、例えばフレオン−11等が挙げられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
The boiling cooling hydraulic solution of the present invention (hereinafter, also simply referred to as a hydraulic solution) is a dispersion in which calcium carbonate particles having an average particle diameter of less than 5 μm are dispersed in a refrigerant. As the refrigerant, water is preferable, and pure water having less impurity elements, ion-exchanged water, and the like are more preferable. Ammonia, alcohols, hydrocarbons, fluorocarbons and the like may be used as the refrigerant. Examples of alcohols include ethanol and the like, examples of hydrocarbons include, for example, heptane, and examples of fluorocarbons include Freon-11 and the like.

こうした冷媒は、1種を単独で用いても、2種以上を混合して用いてもよい。混合する場合には、均一に互いに溶解する種類、混合割合とすることが望まれる。冷媒は、炭酸カルシウムが溶解可能であることが好ましい。さらに、冷媒は炭酸カルシウムの溶解度において負の温度特性を有することが好ましい。溶解した炭酸カルシウムは、温度の高い伝熱面近傍に選択的に再析出する。これによって、伝熱面の炭酸カルシウム堆積層中の粒子間の接触熱抵抗、および伝熱面と粒子との間の接触熱抵抗が低下し、全体の熱抵抗が低減されるためである。 Such a refrigerant may be used alone or in combination of two or more. When mixing, it is desirable to use a type and mixing ratio that uniformly dissolve each other. As the refrigerant, it is preferable that calcium carbonate can be dissolved. Further, the refrigerant preferably has a negative temperature characteristic in the solubility of calcium carbonate. The dissolved calcium carbonate is selectively reprecipitated in the vicinity of the heat transfer surface having a high temperature. This is because the contact thermal resistance between the particles in the calcium carbonate deposit layer on the heat transfer surface and the contact thermal resistance between the heat transfer surface and the particles are reduced, and the overall thermal resistance is reduced.

伝熱面から離れた領域にあり温度が相対的に低い作動液、および低熱負荷時・装置停止時の作動液においては、炭酸カルシウムが溶解する。その結果、炭酸カルシウム堆積層の剥離が促されることによって、長期間の安定した熱抵抗が得られる。また、水と相溶性のあるアルコール(エタノール、メタノール等)は、水と同様に炭酸カルシウムが溶解するため好ましい。 Calcium carbonate dissolves in the hydraulic fluid located in a region away from the heat transfer surface and having a relatively low temperature, and in the hydraulic fluid when the heat load is low or the device is stopped. As a result, long-term stable thermal resistance can be obtained by promoting the exfoliation of the calcium carbonate deposit layer. Alcohols compatible with water (ethanol, methanol, etc.) are preferable because calcium carbonate dissolves in the same manner as water.

炭酸カルシウム粒子は、平均粒子径が5μm未満に規定される。なお、本明細書における平均粒子径とは、電子顕微鏡などの顕微鏡観察により求めた平均粒子径をさす。炭酸カルシウム粒子の平均粒子径は、1μm以下であることが好ましく、0.5μm以下がより好ましい。炭酸カルシウム粒子の形状は特に限定されず、任意の形状とすることができる。 Calcium carbonate particles are defined to have an average particle size of less than 5 μm. The average particle size in the present specification refers to the average particle size obtained by microscopic observation such as an electron microscope. The average particle size of the calcium carbonate particles is preferably 1 μm or less, more preferably 0.5 μm or less. The shape of the calcium carbonate particles is not particularly limited and may be any shape.

具体的には、炭酸カルシウム粒子の形状は、球状、粒状、板状、直方体状、立方体状または針状であっても良い。真球状の炭酸カルシウム粒子の場合には、直径が5μm未満に規定され、非真球状の炭酸カルシウム粒子の場合には、長径が5μm未満に規定される。粒状、板状および直方体状のカルシウム粒子の場合には、長手方向の長さが5μm未満に規定され、立方体状のカルシウム粒子の場合には、一辺の長さが5μm未満に規定される。針状の炭酸カルシウム粒子の場合には、長手方向の長さが5μm未満に規定される。 Specifically, the shape of the calcium carbonate particles may be spherical, granular, plate-shaped, rectangular parallelepiped, cubic or needle-shaped. In the case of spherical calcium carbonate particles, the diameter is defined as less than 5 μm, and in the case of non-spherical calcium carbonate particles, the major axis is defined as less than 5 μm. In the case of granular, plate-shaped and rectangular parallelepiped-shaped calcium particles, the length in the longitudinal direction is specified to be less than 5 μm, and in the case of cubic-shaped calcium particles, the length of one side is specified to be less than 5 μm. In the case of needle-shaped calcium carbonate particles, the length in the longitudinal direction is defined as less than 5 μm.

炭酸カルシウム粒子は、例えば、水酸化カルシウム懸濁液に二酸化炭素ガスを吹き込んで合成することができる。水酸化カルシウム懸濁液は、酸化カルシウムを十分な量の水と反応させて得られる。炭酸カルシウム粒子の平均粒子径は、例えば反応時間により制御することができる。平均粒子径が5μm以上の炭酸カルシウム粒子の場合には、例えば篩分け等により平均粒子径が5μm未満に調整すればよい。
あるいは、平均粒子径が5μm未満の市販の炭酸カルシウム粒子を用いて、本発明の作動液を調製することもできる。使用し得る炭酸カルシウム粒子としては、例えば宇部マテリアルズ製超高純度炭酸カルシウム(CS)等が挙げられる。
Calcium carbonate particles can be synthesized, for example, by blowing carbon dioxide gas into a calcium hydroxide suspension. The calcium hydroxide suspension is obtained by reacting calcium oxide with a sufficient amount of water. The average particle size of the calcium carbonate particles can be controlled, for example, by the reaction time. In the case of calcium carbonate particles having an average particle size of 5 μm or more, the average particle size may be adjusted to less than 5 μm by, for example, sieving.
Alternatively, the working fluid of the present invention can be prepared using commercially available calcium carbonate particles having an average particle diameter of less than 5 μm. Examples of the calcium carbonate particles that can be used include ultra-high purity calcium carbonate (CS) manufactured by Ube Material Industries Ltd.

炭酸カルシウムの純度は特に限定されないが、冷媒に微量溶解することを考慮すると高純度である方が好ましい。純度の低い炭酸カルシウムが冷媒に溶解した場合には、炭酸カルシウム中の不純物元素が作動液に溶出して、沸騰冷却装置内の腐食などの問題を引き起こすおそれがある。 The purity of calcium carbonate is not particularly limited, but high purity is preferable in consideration of its small amount of dissolution in the refrigerant. When low-purity calcium carbonate is dissolved in the refrigerant, impurity elements in calcium carbonate may elute into the working fluid, causing problems such as corrosion in the boiling cooling device.

炭酸カルシウム粒子は、1重量%以下の濃度で冷媒中に分散させて、本発明の作動液が得られる。作動液中における炭酸カルシウム粒子の濃度は、0.5重量%以下であることが好ましく、0.1重量%以下であることがより好ましい。なお、本発明の効果が発揮されるためには、炭酸カルシウム粒子の濃度は、0.001重量%以上であることが望まれる。 The calcium carbonate particles are dispersed in the refrigerant at a concentration of 1% by weight or less to obtain the hydraulic fluid of the present invention. The concentration of calcium carbonate particles in the working fluid is preferably 0.5% by weight or less, more preferably 0.1% by weight or less. In order for the effects of the present invention to be exhibited, the concentration of calcium carbonate particles is desired to be 0.001% by weight or more.

炭酸カルシウム粒子は、例えば振とう、撹拌や低出力の超音波バスによる超音波の付与などにより冷媒中に分散させることができる。分散の方法は特に限定されないが、炭酸カルシウム粒子が均一に、かつ凝集が少なくなる方法が好ましく、さらに工業的に実用性の高い方法が好適である。 The calcium carbonate particles can be dispersed in the refrigerant by, for example, shaking, stirring, or applying ultrasonic waves with a low-power ultrasonic bath. The method of dispersion is not particularly limited, but a method in which calcium carbonate particles are uniform and agglutination is reduced is preferable, and a method having high industrial practicality is preferable.

本発明の効果を損なわない範囲であれば、炭酸カルシウム粒子を分散させるために分散剤を用いてもよい。分散剤としては、例えばポリカルボン酸もしくはその無水物またはその塩からなるポリマーを含むポリカルボン酸系分散剤等が挙げられる。ポリカルボン酸系分散剤としては、Naを含まないポリカルボン酸アンモニウム塩や、カチオンで中和されていない酸性タイプのものが好ましい。分散剤の量は特に限定されないが、炭酸カルシウム100質量部に対して0.1〜10質量部程度が一般的である。分散剤は、炭酸カルシウム粒子の表面に付着させてもよい。 A dispersant may be used to disperse the calcium carbonate particles as long as the effects of the present invention are not impaired. Examples of the dispersant include a polycarboxylic acid-based dispersant containing a polymer composed of a polycarboxylic acid or an anhydride thereof or a salt thereof. As the polycarboxylic acid-based dispersant, Na-free polycarboxylic acid ammonium salts and acidic types that are not neutralized with cations are preferable. The amount of the dispersant is not particularly limited, but is generally about 0.1 to 10 parts by mass with respect to 100 parts by mass of calcium carbonate. The dispersant may be attached to the surface of the calcium carbonate particles.

本発明の作動液は、平均粒子径が5μm未満の炭酸カルシウム粒子が1重量%以下の濃度で含有されているので、本発明の作動液を用いることで、熱抵抗が低く伝熱特性に優れた沸騰冷却を行うことができる。具体的には、水のみを作動液として用いた従来の場合の200〜500%程度と大きなCHFを達成することができる。また、本発明の作動液を用いることによって、伝熱面における伝熱効率の経時変化が抑制されるという効果も得られる。 Since the hydraulic fluid of the present invention contains calcium carbonate particles having an average particle diameter of less than 5 μm at a concentration of 1% by weight or less, the hydraulic fluid of the present invention has low thermal resistance and excellent heat transfer characteristics. Boil cooling can be performed. Specifically, it is possible to achieve a large CHF of about 200 to 500% in the conventional case where only water is used as the hydraulic fluid. Further, by using the hydraulic fluid of the present invention, it is possible to obtain the effect of suppressing the time-dependent change in the heat transfer efficiency on the heat transfer surface.

本発明の沸騰冷却装置の一例を、図2に示す。沸騰冷却装置20は、作動流体24を収容する容器22を備えている。容器22の底部の一部には被冷却部26が接しているので、作動流体24は容器22を介して被冷却部26に接することができる。被冷却部26としては、例えば、半導体デバイス(ICチップ)等の発熱部材が挙げられる。被冷却部26の種類によっては、作動流体24に直接接していてもよい。 An example of the boiling cooling device of the present invention is shown in FIG. The boiling cooling device 20 includes a container 22 that houses the working fluid 24. Since the cooled portion 26 is in contact with a part of the bottom of the container 22, the working fluid 24 can be in contact with the cooled portion 26 via the container 22. Examples of the cooled portion 26 include a heat generating member such as a semiconductor device (IC chip). Depending on the type of the part to be cooled 26, it may be in direct contact with the working fluid 24.

容器22、被冷却部26は、任意の形状とすることができる。また、容器22のサイズや縦横比、作動流体24の容量も特に限定されず、適宜選択することができる。容器22内に収容された作動流体24が沸騰して蒸発した後、凝縮できる構成であれば本発明の目的を達成することができる。容器22内の圧力は、大気圧、加圧環境、減圧環境のいずれでもよい。 The container 22 and the cooled portion 26 can have any shape. Further, the size and aspect ratio of the container 22 and the capacity of the working fluid 24 are not particularly limited and can be appropriately selected. The object of the present invention can be achieved if the working fluid 24 contained in the container 22 can be condensed after boiling and evaporating. The pressure in the container 22 may be atmospheric pressure, a pressurized environment, or a reduced pressure environment.

被冷却部26の熱により沸騰蒸発した作動流体24は、矢印a方向に上昇し、冷却器としてのコンデンサー32において液化される。この際、矢印bで示されるように熱は放出されて、液化した作動流体24は、矢印cで示されるように容器22に戻る。なお、コンデンサー32は、任意の形状、タイプのものを用いることができる。 The working fluid 24 that has boiled and evaporated due to the heat of the portion 26 to be cooled rises in the direction of arrow a and is liquefied in the condenser 32 as a cooler. At this time, heat is released as shown by the arrow b, and the liquefied working fluid 24 returns to the container 22 as shown by the arrow c. As the capacitor 32, any shape and type can be used.

図示するような構成の沸騰冷却装置は、ポンプなどの外部動力源を必要とせず、装置全体としてコンパクトで省エネルギー性にも優れている。本発明の沸騰冷却装置20は、上述したような沸騰冷却用作動液を作動流体24として用いるので、高いCHFを繰り返し再現性よく得ることができる。しかも、伝熱面における伝熱効率の経時変化を抑制することができる。また、伝熱面へのコーティング等、特別な処理は何ら必要とされないので、安価に作製することができる。 The boiling cooling device having the configuration shown in the figure does not require an external power source such as a pump, and the device as a whole is compact and excellent in energy saving. Since the boiling cooling device 20 of the present invention uses the boiling cooling hydraulic fluid as described above as the working fluid 24, high CHF can be repeatedly obtained with good reproducibility. Moreover, it is possible to suppress the time-dependent change in heat transfer efficiency on the heat transfer surface. Moreover, since no special treatment such as coating on the heat transfer surface is required, it can be produced at low cost.

図3には、本発明の沸騰冷却装置の他の例を示す。沸騰冷却装置30は、作動流体24を収容し、被冷却部26と接している容器22を備えている。沸騰冷却装置30においては、容器22とコンデンサー42との間に2系統の配管が設けられている。被冷却部26の熱により沸騰蒸発した作動液は、一方の配管内を矢印a方向に上昇し、コンデンサー42において液化される。 FIG. 3 shows another example of the boiling cooling device of the present invention. The boiling cooling device 30 includes a container 22 that houses the working fluid 24 and is in contact with the cooled portion 26. In the boiling cooling device 30, two systems of piping are provided between the container 22 and the condenser 42. The working liquid that has boiled and evaporated due to the heat of the part to be cooled 26 rises in the direction of arrow a in one of the pipes and is liquefied in the condenser 42.

図2に示した沸騰冷却装置20の場合と同様、沸騰冷却装置30においても、コンデンサー42での液化により、矢印bで示されるように熱は放出される。液化した作動流体24は、他方の配管内を矢印cで示されるように通過して容器22に戻る。このように配管が別途設けられているので、沸騰冷却装置30では、図2に示した沸騰冷却装置20より効率よく冷却が行われることになる。 Similar to the case of the boiling cooling device 20 shown in FIG. 2, in the boiling cooling device 30, heat is released as shown by the arrow b due to the liquefaction in the condenser 42. The liquefied working fluid 24 passes through the other pipe as indicated by an arrow c and returns to the container 22. Since the piping is separately provided in this way, the boiling cooling device 30 is cooled more efficiently than the boiling cooling device 20 shown in FIG.

上述したように、本発明の沸騰冷却方法においては、沸騰冷却を必要とする被冷却部に作動流体が接し、該被冷却部の熱により作動流体が沸騰蒸発することで該被冷却部が冷却される。こうした機構で被冷却部が冷却される方法であれば、本発明の範囲内となる。 As described above, in the boiling cooling method of the present invention, the working fluid comes into contact with the cooled portion that requires boiling cooling, and the working fluid boils and evaporates due to the heat of the cooled portion, so that the cooled portion is cooled. Will be done. Any method in which the cooled portion is cooled by such a mechanism is within the scope of the present invention.

以下に本発明の具体例を示すが、これらは本発明を限定するものではない。 Specific examples of the present invention will be shown below, but these are not limited to the present invention.

冷媒として純水を用い、下記表1に示す処方で実施例1〜5、比較例1〜5の沸騰冷却用作動液を調製した。 Pure water was used as the refrigerant, and the hydraulic fluids for boiling and cooling of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 to 5 were prepared according to the formulations shown in Table 1 below.

Figure 2021162195
Figure 2021162195

実施例および比較例の沸騰冷却作動液は、具体的には、以下のような手法により調製した。 Specifically, the boiling cooling hydraulic fluids of Examples and Comparative Examples were prepared by the following methods.

[実施例1]
冷却装置を備えた反応容器に酸化カルシウムおよび純水を投入して、濃度7.5wt%の水酸化カルシウム懸濁液を2L調製した。この懸濁液を16℃に冷却し、攪拌しつつ二酸化炭素ガスを導入して炭酸化反応を行った。二酸化炭素ガスは、その導入速度が水酸化カルシウム1kgに対して5L/分となるように導入した。こうして、炭酸カルシウム粒子を含む懸濁液が得られた。
[Example 1]
Calcium oxide and pure water were put into a reaction vessel equipped with a cooling device to prepare 2 L of a calcium hydroxide suspension having a concentration of 7.5 wt%. This suspension was cooled to 16 ° C., and carbon dioxide gas was introduced while stirring to carry out a carbonation reaction. Carbon dioxide gas was introduced so that the introduction rate was 5 L / min with respect to 1 kg of calcium hydroxide. Thus, a suspension containing calcium carbonate particles was obtained.

炭酸カルシウム粒子を含む懸濁液には、8gのアクリル酸アンモニウム共重合体を分散剤として添加した。本懸濁液を炭酸カルシウム濃度が0.001wt%となるよう純水で希釈し、超音波バスにより超音波を付与して分散処理を行って実施例1の作動液を得た。炭酸カルシウム粒子を電子顕微鏡で観察して求めた平均粒子径は、0.07μmであった。 To the suspension containing calcium carbonate particles, 8 g of ammonium acrylate copolymer was added as a dispersant. This suspension was diluted with pure water so that the calcium carbonate concentration was 0.001 wt%, and ultrasonic waves were applied by an ultrasonic bath to carry out dispersion treatment to obtain a working solution of Example 1. The average particle size obtained by observing the calcium carbonate particles with an electron microscope was 0.07 μm.

[実施例2、3]
作動液の炭酸カルシウム濃度をそれぞれ0.01wt%、0.1wt%となるように変更した以外は、実施例1と同様の方法により実施例2,3の作動液を得た。
[Examples 2 and 3]
The hydraulic fluids of Examples 2 and 3 were obtained by the same method as in Example 1 except that the calcium carbonate concentrations of the hydraulic fluids were changed to 0.01 wt% and 0.1 wt%, respectively.

[実施例4]
炭酸カルシウム粒子(宇部マテリアルズ(株)製 超高純度炭酸カルシウムCS3N−A、平均粒子径<0.5μm、純度99.9%)を純水に加え、ポリエチレン製の容器中で振とうし、濃度10wt%の懸濁液を調製した。本懸濁液を炭酸カルシウム濃度が0.1wt%となるよう純水で希釈し、超音波バスにより超音波を付与して分散処理を行って、実施例4の作動液を得た。
[Example 4]
Calcium carbonate particles (ultra-high purity calcium carbonate CS3N-A manufactured by Ube Material Industries Ltd., average particle diameter <0.5 μm, purity 99.9%) are added to pure water and shaken in a polyethylene container. A suspension having a concentration of 10 wt% was prepared. This suspension was diluted with pure water so that the calcium carbonate concentration was 0.1 wt%, and ultrasonic waves were applied by an ultrasonic bath to carry out dispersion treatment to obtain a working solution of Example 4.

[実施例5]
作動液の炭酸カルシウム濃度を1wt%となるように変更した以外は、実施例4と同様の方法により実施例5の作動液を得た。
[Example 5]
The working fluid of Example 5 was obtained by the same method as in Example 4 except that the calcium carbonate concentration of the working fluid was changed to 1 wt%.

[比較例2]
炭酸カルシウム粒子(富士フィルム和光(株)製、純度99.9% 平均粒子径5μm)を純水に加え、ポリエチレン製の容器中で振とうし、濃度10wt%の懸濁液を調製した。本懸濁液を炭酸カルシウム濃度が0.001wt%となるよう純水で希釈し、超音波バスにより超音波を付与して分散処理を行って、比較例2の作動液を得た。
[Comparative Example 2]
Calcium carbonate particles (manufactured by Fuji Film Wako Co., Ltd., purity 99.9%, average particle diameter 5 μm) were added to pure water and shaken in a polyethylene container to prepare a suspension having a concentration of 10 wt%. This suspension was diluted with pure water so that the calcium carbonate concentration was 0.001 wt%, and ultrasonic waves were applied by an ultrasonic bath to carry out dispersion treatment to obtain a working solution of Comparative Example 2.

[比較例3、4]
作動液の炭酸カルシウム濃度をそれぞれ0.01wt%、0.1wt%となるように変更した以外は、比較例2と同様の方法で比較例3,4の作動液を得た。
[Comparative Examples 3 and 4]
The hydraulic fluids of Comparative Examples 3 and 4 were obtained in the same manner as in Comparative Example 2 except that the calcium carbonate concentrations of the working fluids were changed to 0.01 wt% and 0.1 wt%, respectively.

[比較例5]
酸化アルミニウム分散液(CIKナノテック(株)製ALW 10wt%、平均粒子径0.02μm)を酸化アルミニウム濃度が0.001wt%となるよう純水で希釈し、超音波バスにより超音波を付与して分散処理を行って、比較例5の作動液を得た。
[Comparative Example 5]
Aluminum oxide dispersion (ALW 10 wt% manufactured by CIK Nanotech Co., Ltd., average particle size 0.02 μm) is diluted with pure water so that the aluminum oxide concentration becomes 0.001 wt%, and ultrasonic waves are applied by an ultrasonic bath. The dispersion treatment was carried out to obtain the working fluid of Comparative Example 5.

実施例および比較例の作動液は、ベーパーチャンバー沸騰冷却装置を模した伝熱実験システムを用いて評価した。伝熱実験システムの概略を、図4に示す。システム50は、作動流体54を収容する容器51を備えている。容器51は、SUS304製の枠52と、ガスケット53を介して枠52の上に設けられた無酸素銅製の上板56と、ガスケット55を介して枠52の下に設けられたSUS304製の底板57とを含む。 The hydraulic fluids of Examples and Comparative Examples were evaluated using a heat transfer experimental system imitating a vapor chamber boiling cooling device. The outline of the heat transfer experiment system is shown in FIG. The system 50 includes a container 51 that houses the working fluid 54. The container 51 has a frame 52 made of SUS304, an oxygen-free copper upper plate 56 provided on the frame 52 via a gasket 53, and a bottom plate made of SUS304 provided under the frame 52 via a gasket 55. Includes 57 and.

上板56、ガスケット53、枠52、ガスケット55および底板57は、ボルト(図示せず)で一体に圧着固定され、これによって、作動流体54を収容する空間59が気密性を保たれた状態で形成されている。なお、ガスケットとしては、シリコンゴムシートが用いられる。本実施例においては、空間59の容積は、60mm×60mm×22mmとした。 The upper plate 56, the gasket 53, the frame 52, the gasket 55, and the bottom plate 57 are integrally crimped and fixed with bolts (not shown), whereby the space 59 accommodating the working fluid 54 is kept airtight. It is formed. A silicon rubber sheet is used as the gasket. In this embodiment, the volume of the space 59 is 60 mm × 60 mm × 22 mm.

上板56の上面には、冷却部としての水冷ヒートシンク58が設けられている。水冷ヒートシンク58は、冷却水(例えば25℃の水)を循環させることができる。空間59内の圧力は、バルブ64を介して接続された真空ポンプ(図示せず)により調整し、圧力計66により確認することができる。底板57の一部には、加熱ヒーター62で加熱可能な試験片ブロック60の端面が露出している。試験片ブロック60は、無酸素銅製の円柱(直径9mm)であり、露出している上端面が伝熱面68となる。 A water-cooled heat sink 58 as a cooling unit is provided on the upper surface of the upper plate 56. The water-cooled heat sink 58 can circulate cooling water (for example, water at 25 ° C.). The pressure in the space 59 is adjusted by a vacuum pump (not shown) connected via the valve 64 and can be confirmed by the pressure gauge 66. The end face of the test piece block 60 that can be heated by the heater 62 is exposed on a part of the bottom plate 57. The test piece block 60 is a cylinder made of oxygen-free copper (diameter 9 mm), and the exposed upper end surface serves as a heat transfer surface 68.

伝熱面68から所定距離(3mm、6mm、9mm)には、K型シース熱電対63(Class1、直径0.5mm)が、試験片ブロック60の側面から中心まで半径方向に挿入されている。これら熱電対63およびデータロガー(図示せず)によって、試験片ブロック60の所定の位置の温度を測定することができる。加熱ヒーター62の印加電圧を変圧器(図示せず)により変化させることで、試験片ブロック60の伝熱面68を通過する熱流束を制御可能である。 A K-shaped sheath thermocouple 63 (Class 1, diameter 0.5 mm) is inserted radially from the side surface to the center of the test piece block 60 at a predetermined distance (3 mm, 6 mm, 9 mm) from the heat transfer surface 68. With these thermocouples 63 and a data logger (not shown), the temperature at a predetermined position of the test piece block 60 can be measured. By changing the applied voltage of the heater 62 with a transformer (not shown), the heat flux passing through the heat transfer surface 68 of the test piece block 60 can be controlled.

作動液の評価試験に先立って、試験片ブロック60の伝熱面68の状態を調整しておく。具体的には、伝熱面68を研磨紙で一方向に研磨した後、生じた研磨粉などの汚れを洗浄する。実施例および比較例の作動液を、作動流体54として伝熱実験システムの空間59内に容積の30%になるよう充填し、真空雰囲気下(試験開始時圧力−95kPa以下)で熱量を投入して試験を行った。 Prior to the evaluation test of the hydraulic fluid, the state of the heat transfer surface 68 of the test piece block 60 is adjusted. Specifically, after the heat transfer surface 68 is polished in one direction with polishing paper, dirt such as polishing powder generated is cleaned. The working fluids of Examples and Comparative Examples were filled into the space 59 of the heat transfer experimental system as the working fluid 54 so as to be 30% of the volume, and the amount of heat was applied under a vacuum atmosphere (pressure at the start of the test-95 kPa or less). The test was conducted.

その際の伝熱面温度、熱流束および熱抵抗を求めた。それぞれの求め方は、以下のとおりである。
加熱ヒーター62の印加電圧を調整して定常状態になった後、試験片ブロック60の伝熱面68から所定距離(3mm、6mm、9mm)の温度を熱電対63で1分間測定し、それぞれの距離について平均値を得た。これを伝熱面68からの所定距離にある各位置の測定値として、図5のグラフにプロットした。図5に示される3点の温度分布の回帰直線を外挿し、伝熱面温度Tw(℃)を求めた。
The heat transfer surface temperature, heat flux, and thermal resistance at that time were determined. Each method is as follows.
After adjusting the applied voltage of the heater 62 to a steady state, the temperature at a predetermined distance (3 mm, 6 mm, 9 mm) from the heat transfer surface 68 of the test piece block 60 was measured with a thermocouple 63 for 1 minute, and each of them was measured. An average value was obtained for the distance. This was plotted in the graph of FIG. 5 as a measured value at each position at a predetermined distance from the heat transfer surface 68. The regression line of the temperature distribution at the three points shown in FIG. 5 was extrapolated to obtain the heat transfer surface temperature Tw (° C.).

また、回帰直線の傾きΔT/Δxを温度変化の傾きdT/dxとみなして、熱伝導率k(W/m・K)を用いて、下記数式(1)のフーリエの法則より熱流束q(W/cm2)を求めた。
q=−k(dT/dx) …数式(1)
Further, the slope of the regression line ΔT / Δx is regarded as the slope of the temperature change dT / dx, and the thermal conductivity k (W / m · K) is used to obtain the heat flux q (from the Fourier law of the following equation (1)). W / cm 2 ) was calculated.
q = -k (dT / dx) ... Formula (1)

ここで、印加電圧を2V以下のステップで上昇させながら、ドライアウトに遷移する直前の印加電圧における定常状態の熱流束をCHFとした。ドライアウトの定義は、熱電対63により測定された3点の温度がそれまでの状態に比べて急上昇し、ほぼ同等の温度になった状態をいう。
また、水冷ヒートシンク58と上板56の中心温度をTc(℃)として、下記数式(2)により熱抵抗R(K/W)を算出した。熱抵抗Rが小さいほど、伝熱性能が優れることを表す。
R=(Tw−Tc)/(q×伝熱面面積) …数式(2)
Here, the heat flux in the steady state at the applied voltage immediately before the transition to the dryout was defined as CHF while increasing the applied voltage in steps of 2 V or less. The definition of dryout is a state in which the temperatures of the three points measured by the thermocouple 63 have risen sharply compared to the previous states and have reached almost the same temperature.
Further, the thermal resistance R (K / W) was calculated by the following mathematical formula (2), where the center temperature of the water-cooled heat sink 58 and the upper plate 56 was Tc (° C.). The smaller the thermal resistance R, the better the heat transfer performance.
R = (Tw-Tc) / (q × heat transfer surface area) ... Formula (2)

実施例および比較例の各作動液について3回の試験を行って評価し、熱抵抗およびCHFについて平均を求めた。下記表2には、実施例および比較例の作動液を用いた際のCHF時の熱抵抗の測定値及び平均をまとめる。 Each of the working fluids of Examples and Comparative Examples was evaluated by performing three tests, and the thermal resistance and CHF were averaged. Table 2 below summarizes the measured values and averages of thermal resistance during CHF when the hydraulic fluids of Examples and Comparative Examples were used.

Figure 2021162195
Figure 2021162195

粒子が含有されない作動液(比較例1)の熱抵抗は1.41(K/W)であるのに対し、実施例の作動液の熱抵抗は、最大でも1.30(K/W)以下であることから、実施例の作動液は伝熱性能に優れていることがわかる。
平均粒子径が5μmの炭酸カルシウム粒子が含有された場合には、熱抵抗は最大で2.32(K/W)にも達している(比較例3)。その熱抵抗は、平均粒子径が0.07μmの炭酸カルシウム粒子を同じ濃度(0.01wt%)で含有する実施例2の3倍以上と大きい。
The thermal resistance of the working fluid containing no particles (Comparative Example 1) is 1.41 (K / W), whereas the thermal resistance of the working fluid of the examples is 1.30 (K / W) or less at the maximum. Therefore, it can be seen that the hydraulic fluid of the example is excellent in heat transfer performance.
When calcium carbonate particles having an average particle size of 5 μm are contained, the thermal resistance reaches 2.32 (K / W) at the maximum (Comparative Example 3). Its thermal resistance is as large as three times or more that of Example 2 containing calcium carbonate particles having an average particle diameter of 0.07 μm at the same concentration (0.01 wt%).

下記表3には、実施例および比較例の作動液を用いた際の限界熱流束(CHF)の測定値及び平均を示す。さらに、作動液として水のみを用いた場合(比較例1)の平均CHFを100%として、相対CHFを求め、その結果を、下記表3に合わせて示す。 Table 3 below shows the measured values and averages of the critical heat flux (CHF) when the hydraulic fluids of Examples and Comparative Examples were used. Further, the relative CHF was obtained with the average CHF as 100% when only water was used as the hydraulic fluid (Comparative Example 1), and the results are shown in Table 3 below.

Figure 2021162195
Figure 2021162195

実施例の作動液を用いた場合には、200%以上の相対CHFが得られており、実施例の作動液によって、高いCHFを繰り返し再現性よく得られることが確認された。
平均粒子径が5μmの炭酸カルシウム粒子が含有された場合には、CHFは低下してしまう(比較例2〜4)。平均粒子径が0.02μmの粒子であっても酸化アルミニウムの場合には、相対CHFはたかだか157%であり(比較例5)、炭酸カルシウム粒子を含有した実施例には及ばないことがわかる。
なお、本発明の沸騰冷却装置は、上述の構成に限定されるものではない。本発明の沸騰冷却用作動液は、図6〜11に示すような種々の構成の沸騰冷却装置に用いることができる。
When the hydraulic fluid of the example was used, a relative CHF of 200% or more was obtained, and it was confirmed that a high CHF could be repeatedly obtained with good reproducibility by the hydraulic fluid of the example.
When calcium carbonate particles having an average particle size of 5 μm are contained, CHF is lowered (Comparative Examples 2 to 4). Even if the particles have an average particle size of 0.02 μm, in the case of aluminum oxide, the relative CHF is at most 157% (Comparative Example 5), which is not as good as that of the examples containing calcium carbonate particles.
The boiling cooling device of the present invention is not limited to the above configuration. The boiling cooling hydraulic fluid of the present invention can be used in boiling cooling devices having various configurations as shown in FIGS. 6 to 11.

図6に示す沸騰冷却装置70においては、内面にウイック73が配置された容器72が用いられる。作動流体78を収容する容器72は、底面で発熱体74に接し、上面で冷却部76に接している。発熱体74の熱により沸騰蒸発した作動流体78は、矢印e方向に上昇し、冷却部76により液化される。液化した作動流体78は、毛細管現象にてウイック73内を矢印rで示されるように移動する。平均粒子径の小さな炭酸カルシウム粒子を用いることで、ウイックを目詰まりさせることなく冷却が可能である。容器72の形状、発熱体74および冷却部76の設置位置や形状等は、特に限定されず、適宜選択することができる。 In the boiling cooling device 70 shown in FIG. 6, a container 72 in which the wick 73 is arranged on the inner surface is used. The container 72 containing the working fluid 78 is in contact with the heating element 74 on the bottom surface and in contact with the cooling unit 76 on the top surface. The working fluid 78 that has boiled and evaporated due to the heat of the heating element 74 rises in the direction of arrow e and is liquefied by the cooling unit 76. The liquefied working fluid 78 moves in the wick 73 by the capillary phenomenon as indicated by the arrow r. By using calcium carbonate particles having a small average particle size, cooling is possible without clogging the wick. The shape of the container 72, the installation position and shape of the heating element 74 and the cooling unit 76, and the like are not particularly limited and can be appropriately selected.

沸騰冷却装置は、図7に示すような流動型とすることもできる。図7に示す流動沸騰冷却型の沸騰冷却装置80においては、作動流体88は配管流路82内に収容される。配管流路82の途中には、作動流体88を輸送するためのポンプ83、および冷却用のラジエーター86が設けられている。配管流路82内の圧力は、特に限定されず、大気圧、加圧環境、減圧環境のいずれとしてもよい。
配管流路82内の作動流体88は、ポンプ83により矢印方向に移動する。発熱体84は、配管流路82の一部に接しているが、作動流体88に直接接触して設けることもできる。本発明の沸騰冷却用作動液に含有されている粒子は、平均粒子径が5μm未満の微小粒子であるので、ポンプ83における軸受けなどへの影響は最小限となる。平均粒子径は小さいほどポンプ軸受けなど可動部への影響は小さくなる。
The boiling cooling device can also be a flow type as shown in FIG. In the flow boiling cooling type boiling cooling device 80 shown in FIG. 7, the working fluid 88 is housed in the piping flow path 82. A pump 83 for transporting the working fluid 88 and a radiator 86 for cooling are provided in the middle of the piping flow path 82. The pressure in the pipe flow path 82 is not particularly limited, and may be any of atmospheric pressure, pressurized environment, and reduced pressure environment.
The working fluid 88 in the pipe flow path 82 is moved in the direction of the arrow by the pump 83. Although the heating element 84 is in contact with a part of the piping flow path 82, it can also be provided in direct contact with the working fluid 88. Since the particles contained in the boiling cooling hydraulic fluid of the present invention are fine particles having an average particle diameter of less than 5 μm, the influence on the bearings and the like in the pump 83 is minimized. The smaller the average particle size, the smaller the effect on moving parts such as pump bearings.

冷却部は、作動流体とともに容器内に収容することもできる。図8には、プール沸騰冷却型の沸騰冷却装置90の構成を示す。図示する装置90では、作動流体98を収容する容器92の内部に、冷却部としての凝縮部96が設けられている。容器92内の圧力は特に限定されず、大気圧、加圧環境、減圧環境のいずれとしてもよい。発熱体94は、容器92の底面に接しているが、作動流体98に直接接触して設けることもできる。容器92、発熱体94、および凝縮部96の形状は特に限定されず、適宜選択することができる。 The cooling unit can also be housed in the container together with the working fluid. FIG. 8 shows the configuration of the pool boiling cooling type boiling cooling device 90. In the illustrated device 90, a condensing unit 96 as a cooling unit is provided inside the container 92 that houses the working fluid 98. The pressure in the container 92 is not particularly limited, and may be any of atmospheric pressure, pressurized environment, and reduced pressure environment. Although the heating element 94 is in contact with the bottom surface of the container 92, it can also be provided in direct contact with the working fluid 98. The shapes of the container 92, the heating element 94, and the condensing portion 96 are not particularly limited and can be appropriately selected.

作動流体は、必ずしも容器内に収容する必要はなく、発熱体に向けてスプレーすることで発熱体と接触させることもできる。図9には、ミスト冷却型の沸騰冷却装置100の構成を示す。図示する装置100では、底面で発熱体104に接した板102が用いられ、作動流体108は、スプレーノズル106により板102に向けてスプレーされる。この場合には、作動流体108は、板102を介して発熱体104に接することになるが、作動流体108を、発熱体104に直接スプレーしてもうよい。 The working fluid does not necessarily have to be contained in the container and can be brought into contact with the heating element by spraying it toward the heating element. FIG. 9 shows the configuration of the mist cooling type boiling cooling device 100. In the illustrated device 100, a plate 102 in contact with the heating element 104 on the bottom surface is used, and the working fluid 108 is sprayed toward the plate 102 by the spray nozzle 106. In this case, the working fluid 108 comes into contact with the heating element 104 via the plate 102, but the working fluid 108 may be sprayed directly onto the heating element 104.

スプレーノズル106からの液滴の噴霧速度、スプレーノズル106と伝熱面との間の距離等、パラメータは特に制限されず、適宜選択することができる。本発明の沸騰冷却用作動液に含有されている粒子は、平均粒子径が5μm未満の微小粒子であるので、スプレーノズル106に詰まりが生じるおそれは少なく、飛散するミストの中にも粒子が分散して存在できる。平均粒子径は小さいほど、スプレーノズルへの悪影響は低減される。 Parameters such as the spray rate of droplets from the spray nozzle 106 and the distance between the spray nozzle 106 and the heat transfer surface are not particularly limited and can be appropriately selected. Since the particles contained in the boiling cooling hydraulic solution of the present invention are fine particles having an average particle diameter of less than 5 μm, there is little possibility that the spray nozzle 106 will be clogged, and the particles will be dispersed even in the scattered mist. Can exist. The smaller the average particle size, the less adverse effects on the spray nozzle.

図10には、衝突噴流沸騰冷却型の沸騰冷却装置110の構成を示す。図示する装置110は、ノズルスプレーを噴流ノズル112に変更した以外は、ミスト冷却型の装置100と同様の構成である。作動流体118は、噴流ノズル112により板102に向けて衝突させるが、発熱体104に直接衝突させてもよい。噴流ノズル112からの液滴の噴流、噴流ノズル112と伝熱面との間の距離等、パラメータは特に制限されず、適宜選択することができる。本発明の沸騰冷却用作動液に含有されている粒子は、平均粒子径が5μm未満の微小粒子であるので、圧送ポンプ軸受けやノズルなどへの影響は最小限となる。 FIG. 10 shows the configuration of the collision jet boiling cooling type boiling cooling device 110. The device 110 shown has the same configuration as the mist cooling type device 100 except that the nozzle spray is changed to the jet nozzle 112. The working fluid 118 collides with the plate 102 by the jet nozzle 112, but may directly collide with the heating element 104. Parameters such as the jet of droplets from the jet nozzle 112 and the distance between the jet nozzle 112 and the heat transfer surface are not particularly limited and can be appropriately selected. Since the particles contained in the boiling cooling hydraulic fluid of the present invention are fine particles having an average particle diameter of less than 5 μm, the influence on the pump bearing, the nozzle, and the like is minimized.

図11には、液浸漬冷却型の沸騰冷却装置120の構成を示す。図示する装置120では、作動流体128を収容する容器122内に発熱体124が設けられている。容器122および発熱体124の形状や、容器122内における作動流体128の水位等は特に限定されず、適宜選択することができる。コンデンサーがないので、蒸発した冷媒は外部に流出するが、作動液の入れ替え、あるいは追加だけで冷却を継続することができる。このため、冷却システム全体の小型化・軽量化に有利である。 FIG. 11 shows the configuration of the liquid immersion cooling type boiling cooling device 120. In the illustrated device 120, a heating element 124 is provided in a container 122 that houses the working fluid 128. The shapes of the container 122 and the heating element 124, the water level of the working fluid 128 in the container 122, and the like are not particularly limited and can be appropriately selected. Since there is no condenser, the evaporated refrigerant flows out, but cooling can be continued simply by replacing or adding the hydraulic fluid. Therefore, it is advantageous for reducing the size and weight of the entire cooling system.

上述のいずれも、被冷却部と、前記被冷却部に接触可能な作動流体とを備え、前記被冷却部の熱による前記作動流体の沸騰蒸発によって、前記被冷却部が冷却される沸騰冷却装置であるので、本発明の沸騰冷却用作動液を作動流体として用いることで所望の効果が得られる。 In any of the above, a boiling cooling device including a portion to be cooled and a working fluid that can come into contact with the portion to be cooled, and the portion to be cooled is cooled by boiling evaporation of the working fluid due to the heat of the portion to be cooled. Therefore, a desired effect can be obtained by using the boiling cooling hydraulic fluid of the present invention as a working fluid.

10…合体気泡 14…作動流体 16…被冷却部(発熱体) 18…伝熱面
30…沸騰冷却装置 32…コンデンサー 40…沸騰冷却装置
42…コンデンサー 50…伝熱実験システム 51…容器 52…枠
53…ガスケット 54…作動流体 55…ガスケット 56…上板
57…底板 58…水冷ヒートシンク 59…空間 60…試験片ブロック
62…加熱ヒーター 64…バルブ 66…圧力計
10 ... Combined air bubbles 14 ... Working fluid 16 ... Heat transfer part (heat generator) 18 ... Heat transfer surface 30 ... Boiling cooling device 32 ... Condenser 40 ... Boiling cooling device 42 ... Condenser 50 ... Heat transfer experiment system 51 ... Container 52 ... Frame 53 ... Gasket 54 ... Working fluid 55 ... Gasket 56 ... Top plate 57 ... Bottom plate 58 ... Water-cooled heat sink 59 ... Space 60 ... Test piece block 62 ... Heater 64 ... Valve 66 ... Pressure gauge

Claims (4)

冷媒と、前記冷媒中に1重量%以下の濃度で分散した平均粒子径5μm未満の炭酸カルシウム粒子とを含有することを特徴とする沸騰冷却用作動液。 A working liquid for boiling cooling, which contains a refrigerant and calcium carbonate particles having an average particle diameter of less than 5 μm dispersed in the refrigerant at a concentration of 1% by weight or less. 前記炭酸カルシウム粒子は、平均粒子径が1μm以下である請求項1記載の沸騰冷却用作動液。 The working fluid for boiling and cooling according to claim 1, wherein the calcium carbonate particles have an average particle diameter of 1 μm or less. 被冷却部と、前記被冷却部に接触可能な作動流体とを備え、前記被冷却部の熱による前記作動流体の沸騰蒸発によって、前記被冷却部が冷却される沸騰冷却装置であって、
前記作動流体として、請求項1または2に記載の沸騰冷却用作動液を用いることを特徴とする沸騰冷却装置。
A boiling-cooling device that includes a portion to be cooled and a working fluid that can come into contact with the portion to be cooled, and the portion to be cooled is cooled by boiling evaporation of the working fluid due to the heat of the portion to be cooled.
A boiling cooling device according to claim 1 or 2, wherein the boiling cooling hydraulic fluid is used as the working fluid.
被冷却部に作動流体が接し、前記被冷却部の熱により前記作動流体が沸騰蒸発することで、前記被冷却部を冷却する沸騰冷却方法であって、
前記作動流体として、請求項1または2に記載の沸騰冷却用作動液を用いることを特徴とする沸騰冷却方法。
A boiling cooling method in which a working fluid comes into contact with a cooled portion and the working fluid boils and evaporates due to the heat of the cooled portion to cool the cooled portion.
A boiling cooling method comprising using the boiling cooling hydraulic fluid according to claim 1 or 2 as the working fluid.
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