JP6327406B2 - 沸騰冷却装置および沸騰冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、沸騰現象を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置および沸騰冷却システムに関するものである。

従来の沸騰冷却装置は、例えば沸騰用伝熱管の外表面部に凸部と凹部によって微細な溝が螺旋状に形成されたものなどが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６４１２６号公報

このような沸騰冷却装置にあっては、例えば冷媒に不純物が混ざっていた場合、沸騰により不純物が濃縮され、装置を継続して使用すると、伝熱面の表面に不純物が析出する場合があった。すると、微細な溝等を有する伝熱面の表面を不純物が覆ってしまい、沸騰の発生を阻害し、冷却能力の低下を招くという問題点があった。

本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、沸騰の発生を促進し、冷却能力の低下を抑制することができる沸騰冷却装置および沸騰冷却システムを提供することを目的とする。

本発明に係る沸騰冷却装置は、冷媒を循環させるポンプと、マイクロバブルを発生させ、ポンプから吐出された冷媒にマイクロバブルを含ませるマイクロバブル発生器と、マイクロバブルを含む冷媒が供給され、冷媒が沸騰する沸騰冷却器と、冷媒の沸騰後であってポンプによる吸入前に、冷媒が冷却される放熱器と、冷媒の沸騰後であってポンプによる吸入前に、循環する冷媒から気体を分離する気液分離器とを備えたものである。

また、本発明に係る沸騰冷却システムは、冷媒を循環させるポンプ、マイクロバブルを発生させ、ポンプから吐出された冷媒にマイクロバブルを含ませるマイクロバブル発生器、マイクロバブルを含む冷媒が供給され、冷媒が沸騰する沸騰冷却器、冷媒の沸騰後であってポンプによる吸入前に、冷媒が冷却される放熱器、冷媒の沸騰後であってポンプによる吸入前に、および循環する冷媒から気体を分離する気液分離器と、沸騰冷却器に設けられ、冷却される発熱体とを備えたものである。

本発明に係る沸騰冷却装置および沸騰冷却システムによれば、沸騰の発生を促進し、冷却能力の低下を抑制することができる。

本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システムの概略図である。 エジェクター式のマイクロバブル発生器の模式図である。 旋回液流式のマイクロバブル発生器の模式図である。 沸騰冷却器の伝熱面の温度推移を表す模式図である。 本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システムの概略図である。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１および沸騰冷却装置２を図１〜図４により説明する。図において、同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであり、このことは、明細書の全文において共通することである。

図１は本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１の概略図である。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１は、ポンプ１１、マイクロバブル発生器１２、沸騰冷却器１３、放熱器１４、および気液分離器１５を主に有する。また、沸騰冷却システム１の各構成機器は、冷媒配管１６を介してそれぞれ連結されている。

一般的な冷却システムとして、例えば家電または車両などに搭載される電子機器などの発熱体を冷却するために、ポンプ、発熱体を冷却する冷却器、および放熱器が順に接続されているものが存在する。係る冷却システムでは、ポンプにより冷媒（例えば水）が循環し、冷却器において熱的に接触した発熱体からの熱を冷媒が受熱し、放熱器から冷媒の熱を放熱することで発熱体を冷却する。

本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１は、特に、冷却器において冷媒が沸騰する現象を利用する。冷却器において冷媒が沸騰することで、冷媒が沸騰しない場合に比べより多くの熱を冷媒が受熱し、発熱体３の冷却を促進することができる。なお、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１では、冷却器において沸騰現象を利用するため、冷却器を特に沸騰冷却器１３と呼ぶこととする。

ここで、沸騰現象とは、液体から蒸気（気体）への相変化により蒸気泡が発生する現象であるが、液体から蒸気への相変化には大きなエネルギー（例えば、沸騰冷却器１３の伝熱面と冷媒間の大きな温度差、または大きな圧力波など）が必要である。つまり、冷媒に単に熱エネルギーが加われば蒸気泡が発生するものではない。

通常、伝熱面の表面には、キズなどの窪み（キャビティ）にわずかながらガス（発泡核）が残留している。発泡核は、小さなガスの気泡であって、空気または蒸気を有するガスである。沸騰現象は、通常、発泡核を蒸気泡の種（起点）とすることで生じる。発泡核において、液体（冷媒）とガスとの気液界面で液体が蒸気に相変化する量（Ａ）と、蒸気から液体に相変化する量（Ｂ）のつり合いが崩れ、Ａ＞Ｂになった場合、発泡核の容積が大きくなり（成長し）、蒸気泡が成長する。このように、発泡核が存在することで、液体から蒸気への相変化が容易となる。本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１では、マイクロバブル発生器１２でマイクロバブルを沸騰冷却器１３に供給し、マイクロバブルを発泡核とすることで沸騰を促進させる。

以下、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１の特徴を説明するために、沸騰現象および沸騰冷却システム１の各構成を具体的に説明していく。本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１は、沸騰冷却器１３における冷媒の沸騰を促進するため、沸騰冷却器１３の上流側にマイクロバブル発生器１２を有している。さらに、沸騰冷却器１３における冷媒の沸騰後（沸騰冷却器１３よりも下流側）であって、ポンプ１１による冷媒の吸入前に、循環する冷媒から気体を分離する気液分離器１５を設けている。

ポンプ１１は、沸騰冷却システム１内の冷媒（液単相および気液二相の状態の冷媒）を循環させる。ただし、ポンプ１１においては、気液分離器１５で循環する冷媒から気体を分離しているため、冷媒は液冷媒の状態である。ポンプ１１は、例えば容積式、往復式、または回転式等のポンプ１１である。また、ポンプ１１の選定にあたっては、沸騰冷却システム１において必要な流量の冷媒を循環させることができる揚程を発生させる（昇圧能力がある）ものを選定する。

冷媒は、発熱体３を冷却するのに適した温度域にて沸騰する液体であれば良く、例えば不凍液（水とエチレングリコールとを混合した液など）または水などである。

マイクロバブル発生器１２は、マイクロバブルを発生させ、ポンプ１１から吐出された冷媒にマイクロバブルを含ませる。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、マイクロバブル発生器１２は、上流側をポンプ１１および下流側を沸騰冷却器１３にそれぞれ冷媒配管１６を介して接続されている。

マイクロバブル発生器１２で生成したマイクロバブルは、沸騰冷却器１３内で上述のとおり発泡核として機能する。また、マイクロバブルは、不純物の吸着効果またはマイクバブルの崩壊の際生じる圧力波により、汚れを洗浄する機能も有し、後述する沸騰冷却器１３の内側の伝熱面表面にスケールとして付着する不純物の付着層を洗浄することもできる。マイクロバブルは、例えばマイクロオーダの直径の気泡であれば良く、好ましくは３μｍ〜８０μｍの直径の気泡であることが望ましい。マイクロバブルの直径が３μｍ未満であると、表面張力の影響で気泡が適切に成長せず、沸騰を促進する効果が十分に得られない恐れがある。また、直径が８０μｍを超えると、マイクロバブルによる洗浄効果が低下するおそれがある。

マイクロバブル発生器１２は、液体流動の力を利用しないものと、液体流動の力を利用するものがある。例えば液体流動の力を利用しないマイクロバブル発生器１２の形態として、超音波式、電気分解式、蒸気凝縮式、細孔式、または回転式などがある。一方、液体流動の力を利用したマイクロバブル発生器１２の形態として、旋回液流式、エジェクター式、またはキャビテーション式等がある。液体流動の力を利用した形態のマイクロバブル発生器１２は、電力を消費せずまたは僅かな電力の消費でマイクロバブルを発生させることができる。

本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１では、マイクロバブル発生器１２として旋回液流式およびエジェクター式のマイクロバブル発生器１２を例示し、具体的に説明する。ここで、冷媒の流れにより気体を吸気するマイクロバブル発生器１２を流体流動式マイクロバブル発生器と呼ぶこととする。旋回液流式およびエジェクター式のマイクロバブル発生器１２は、流体流動式マイクロバブル発生器の一種である。

ただし、マイクロバブル発生器１２は、流体流動式マイクロバブル発生器に限られるものではなく、流体流動の力を利用しないマイクロバブル発生器１２であっても本発明に適用することができる。一方で、流体流動式マイクロバブル発生器は、電力を必要とせず省エネ性が高く、また可動部や配線、さらに電気的スイッチング制御などが無いため信頼性が高い。さらに、流体流動式マイクロバブル発生器は、配管構造を工夫することでマイクロバブルを発生させため、マイクロバブルを発生させるために耐熱性に注意が必要な電子部品を搭載する必要がない。それゆえ、流体流動式マイクロバブル発生器は、耐熱性が良く、高温の冷媒を通流させることができる。また、流体流動式マイクロバブル発生器は、流量が増加するほどマイクロバブルをより多く生成することができ、より多くの発泡核を沸騰冷却器１３に供給することができる。

図２はエジェクター式のマイクロバブル発生器２２の模式図である。エジェクター式は、アスピレータとも呼ばれている。図２に示すように、エジェクター式は、冷媒の進行方向２２ａにおいて、冷媒流路の一部が狭窄された狭窄部２２ｂを有している。図２の紙面左側から右側にかけて冷媒が流れているが、配管の狭窄部２２ｂでは他の部分に比べ流速が大きくなり、ベンチュリ効果によって圧力（静圧）が低下する。静圧が低下する狭窄部２２ｂにガス吸気ポート２２ｃが設けられており、ガス吸気ポート２２ｃに外気吸入管２２ｄが接続されている。マイクロバブル発生器２２は、周囲の気体（例えば空気などの外気２２ｅ）について外気吸入管２２ｄを介して吸い込み、冷媒と外気２２ｅとを混合して、マイクロバブルを生成する。そして、冷媒はマイクロバブルを含む二相流体となる。

なお、狭窄部２２ｂにおいて、例えばポンプ１１が停止するなどして、冷媒の流れる速度が停止状態または通常より低速状態にある場合、静圧値が十分に低下しない。係る場合、外気吸入管２２ｄを介して冷媒が逆流する（マイクロバブル発生器２２から沸騰冷却システム１の外部に冷媒が漏れる）可能性がある。そこで、外気吸入管２２ｄの途中に逆止弁などのバルブ２２ｆを設け、冷媒の逆流の発生を抑制できる構成とすることが好ましい。

図３は旋回液流式のマイクロバブル発生器３２の模式図である。図３に示す、旋回液流式のマイクロバブル発生器３２は、マイクロバブル発生器３２内で強い旋回流を発生させる。それえゆえ、マイクロバブル発生器３２において、冷媒は、冷媒の流出方向３２ｇに対し、ほぼ直角の冷媒の流入方向３２ａから流入する。流入した冷媒は、図３に示すように冷媒の流出方向３２ｇを軸として、冷媒の旋回方向３２ｂに旋回する。冷媒は、冷媒の旋回方向３２ｂに旋回することで、点線で示した旋回流の中心部３２ｃにおいて圧力（静圧）が低下する。

ガス吸気ポート３２ｄは、静圧が低下している旋回流の中心部３２ｃと対応する箇所に設けられている。外気吸入管３２ｅは、エジェクター式のマイクロバブル発生器３２と同様に、ガス吸気ポート３２ｄに設けられ、外気吸入管３２ｅを介して周囲の気体（外気３２ｆ）がマイクロバブル発生器３２内に吸い込まれる。そして、冷媒と吸い込まれた周囲の気体とが混合され、冷媒はマイクロバブルを含む二相流体となり、冷媒の流出方向３２ｇに向かって流出する。また、エジェクター式のマイクロバブル発生器２２と同様に、外気吸入管３２ｅの途中時に逆止弁などのバルブ３２ｈを設け、冷媒の逆流を抑制することが好ましい。

沸騰冷却器１３は、マイクロバブル発生器１２で発生させたマイクロバブルを含む冷媒が供給される。また、沸騰冷却器１３は、発熱体３により外部から加熱され、内部を流れる冷媒が受熱し、沸騰する。沸騰冷却器１３は、冷媒が隙間などから漏れない密閉容器であり、他の機器と連結するため、図示しない流入ポートと送出ポートとを有する。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、沸騰冷却器１３は、上流側をマイクロバブル発生器１２および下流側を放熱器１４にそれぞれ冷媒配管１６を介して接続されている。上流側の冷媒配管１６は流入ポートと接続し、下流側の冷媒配管１６は流出ポートと接続する。流入ポート側からはマイクロバブルを含む冷媒が流入し、送出ポート側には沸騰冷却器１３で加熱され沸騰した冷媒が流出する。

ここで、発熱体３は、例えばＳｉＣ等のパワーモジュール、制御回路、駆動回路、コンデンサ、ステップダウンコンバータ、またはリアクトルなどの電子機器である。また、沸騰冷却システム１は、例えば、車載用の電気自動車またはハイブリッド自動車などに搭載され、上記の発熱体３を有するインバータ装置またはＤＣ−ＤＣコンバータ装置などの電力変換装置である。さらに、発熱体３は、例えば沸騰冷却システム１とは異なる排熱側の熱交換器であってもよく、これらに限られるものではない。

発熱体３は、所望の機能を発揮する動作をした場合に、エネルギーロスとして熱を発生させる。発熱体３は、沸騰冷却器１３の壁面の外側に設けられ、壁面を介して冷媒を加熱する。なお、沸騰冷却器１３の壁面の内側には、発熱体３から冷媒への熱の伝わりを促進するため、放熱フィンを設けてもよい。また、マイクロバブルを発泡核として沸騰を促進させるため、発熱体３が設けられた伝熱面にマイクロバブルが付着し易い配置とすることが望ましい。例えば、マイクロバブルの浮力を利用し、伝熱面にマイクロバブルが付着し易いよう、沸騰冷却器１３の上方に発熱体３を設けるようにしてもよい。係る場合、例えば沸騰冷却器１３の伝熱面を水平に対し傾けるなどして、沸騰した気泡を沸騰冷却器１３から排出し易くするようにしてもよい。

放熱器１４は、発熱体３により加熱され沸騰冷却器１３で沸騰した冷媒を冷却する。放熱器１４は、冷媒の沸騰後であってポンプ１１による冷媒の吸入前に、冷媒を冷却するため配置される。図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、放熱器１４は、上流側を沸騰冷却器１３および下流側を気液分離器１５にそれぞれ冷媒配管１６を介して接続されている。

放熱器１４は、例えば、自然空冷タイプまたは強制空冷タイプであって、周囲空気に放熱するヒートシンクまたは放熱フィンを高集積化したラジエータなどでも良い。また、放熱器１４にヒートパイプまたは熱交換器を接続し、放熱器１４から離れた場所に冷媒の熱を輸送し、放熱するようにしてもよい。

気液分離器１５は、循環する冷媒から気体と液体とを分離する。空気などの気体は、不凝縮性ガスであるため、放熱器１４で冷却されても凝縮しない。そこで、気液分離器１５は、冷媒の沸騰後であってポンプ１１による冷媒の吸入前に、冷媒から気体を分離し、ポンプ１１に液冷媒を供給するために配置される。気体を含む冷媒がポンプ１１に流れると、ポンプ１１の能力が低下し、沸騰冷却システム１において適切に冷媒が循環しないおそれ、またはポンプ１１に損傷を与えるおそれがあるためである。

また、気液分離器１５は、冷媒および冷媒から分離された気体を収容する容器であり、特に分離した気体を収容する部分は、ガス収容部１５ａと呼ばれている。気液分離器１５には、図示しない流入ポート、流出ポート、および排気ポートが設けられている。流入ポートおよび流出ポートは、それぞれに冷媒配管１６が接続され、接続された冷媒配管１６を介して気液分離器１５は他の機器と接続している。また、排出ポートは、排出配管１７が接続され、接続された排出配管１７を介して気液分離器１５は外部と接続している。本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１では、図１に示すように、気液分離器１５は、上流側で冷媒配管１６を介して放熱器１４と接続され、下流側で冷媒配管１６を介してポンプ１１と接続されている。

また、本発明の実施の形態１に係る気液分離器１５では、放熱器１４で冷媒が凝縮するが、マイクロバブル由来の不凝縮性ガスは凝縮しない。それゆえ、気液分離器１５の流入ポートからは、二相流状態である冷媒（マイクロバブルを有する冷媒）が冷媒配管１６を介し上流側から流入する。また、気液分離器１５の流出ポートからは、二相流状態である冷媒から、気体を分離した冷媒（液冷媒）が冷媒配管１６を介して下流側に送出される。

また、排気ポートは、冷媒から分離された気体を排気するポートであり、排出配管１７が接続されている。さらに、排気ポートに接続された排出配管１７には、リリーフ弁１５ｂが設けられている。リリーフ弁１５ｂを開閉することで、マイクロバブル発生器１２で吸気した空気などの気体を排気ポートから外部に排出することができる。また、温度変化により冷媒の体積が変化し、気液分離器１５内の圧力が変化した場合においても、リリーフ弁１５ｂを用いることで、圧力の変動に対応することができる。なお、気液分離器１５はリザーバの機能を兼ねていてもよい。また別途、冷媒を注入するポートを有していても良い。

冷媒配管１６は、直管、ベンド、Ｔ字管、またはそれらの組み合わせなどであって、気密性があり、金属、ゴム、または樹脂などで形成される。冷媒配管１６の内部は、液状体の冷媒または気液二相の状態の冷媒が流れる。

次に、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１の動作を説明する。図１に示す矢印は、冷媒が循環する方向を示す矢印２０である。本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、冷媒は、ポンプ１１、マイクロバブル発生器１２、沸騰冷却器１３、放熱器１４、および気液分離器１５の順に冷媒配管１６を介して循環する。

沸騰冷却システム１における冷媒の循環について説明する。冷媒は、ポンプ１１において昇圧され、マイクロバブル発生器１２に吐出される。マイクロバブル発生器１２に流入した冷媒は、マイクロバブルが加えられ、沸騰冷却器１３に送られる。沸騰冷却器１３に流入した冷媒は、沸騰冷却器１３に設けられた発熱体３から受熱し、沸騰する。沸騰した冷媒は、放熱器１４に流入し、冷媒が凝縮し放熱する。そして、冷媒は放熱器１４から気液分離器１５へと流入し、気体（不凝縮性ガス）と液体とに分離される。そして、液体部分が冷媒として再度ポンプ１１に送り込まれ、冷媒は沸騰冷却システム１内を循環する。

ここで、沸騰冷却器１３において冷媒の温度が沸点未満の場合、発熱体３からの熱は、顕熱として冷媒の温度上昇に費やされる。一方、沸騰冷却器１３において冷媒の温度が沸点以上の場合、発熱体３からの熱は、通常、潜熱として冷媒の相変化に費やされる。冷媒は、沸点まで温度上昇した後に、さらに発熱体３から受熱することで、液体から気体へ相変化する沸騰現象が生じ、蒸気泡が発生する。

ここで、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、マイクロバブル発生器１２によりマイクロバブルが加えられた冷媒は、沸騰冷却器１３内の伝熱面にマイクロバブルが付着する。マイクロバブルは、蒸気泡の発生の起点となる発泡核の役割を果たし、蒸気泡の発生を活発化、すなわち沸騰を促進させることができる。そして、沸騰した冷媒は、放熱器１４に送出され、放熱器１４で凝縮し、外部に放熱する。また、気液分離器１５において、マイクロバブル由来の不凝縮性ガスを気体として分離し、液体の冷媒をポンプ１１に還流させる。

ここで、沸騰現象におけるオーバーシュートについて説明する。図４は、沸騰冷却器１３の伝熱面の温度推移を表す模式図である。縦軸は発熱体３が設けられた沸騰冷却器１３の伝熱面温度（壁面温度）、横軸は時刻を示す。また、図中の点線で表すグラフ４０は、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、マイクロバブル発生器１２からマイクロバブルを発生させた場合の伝熱面温度の推移を示す。一方、実線で表すグラフ４１は、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１において、マイクロバブル発生器１２からマイクロバブルを発生させない場合の伝熱面温度の推移を示す。

図４に示す時刻ｔ１は発熱体３の加熱を開始した時刻であり、Ｔ１は時刻ｔ１での伝熱面温度である。また、Ｔ２は、冷媒が継続して沸騰する過熱度を得ることができる伝熱面温度であり、冷媒の沸点（飽和温度）より高い温度である。時刻ｔ２以降は、沸騰冷却システム１が定常状態にあり、伝熱面温度はＴ２となる。

時刻ｔ１で、発熱体３による加熱が開始すると、図中の実線で表すグラフ４１および点線で表すグラフ４０の温度が上昇していく。そして、実線で表すグラフ４１および点線で表すグラフ４０は、伝熱面温度がＴ２に達したとしても温度上昇が継続し、オーバーシュートする。これは、伝熱面温度がＴ２に達しても、沸騰が始まらずに液相の状態が保たれる過熱の状態にあるためである。そして、しばらくすると沸騰が十分に促進され、伝熱面温度が低下し再びＴ２となり、継続して沸騰する。

ここで、実線で表すグラフ４１と点線で表すグラフ４０とを比較する。実線で表すグラフ４１の伝熱面温度において、最大値とＴ２との温度差（オーバーシュートした大きさ）をＸ１とし、点線で表すグラフ４０の伝熱面温度において、最大値とＴ２との温度差（オーバーシュートした大きさ）をＸ２とする。上述のとおり、マイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給することで、マイクロバブルが発泡核の役割を担い、沸騰を促進することができる。それゆえ、Ｘ１とＸ２とを比べると、マイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給したグラフ４０が示すＸ２の方がＸ１より小さい値となる。

ゆえに、マイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給する方が、マイクロバブルを有しない冷媒を沸騰冷却器１３に供給する場合よりオーバーシュートの大きさが小さくなる。よって、オーバーシュートの大きさを小さくできるため、発熱体３を適切に冷却でき、許容温度以下に保つことが容易となる。

なお、本発明の実施の形態１に係る沸騰冷却システム１は、例えば自動車、電車、新幹線、またはＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ）機器などに搭載されている発熱体３に適用することができ、適用対象はこれらに限られない。

ここで、従来の沸騰を促進させる技術について説明する。従来、沸騰を促進させるために、例えば特許文献１の記載のように、沸騰冷却器１３の伝熱面にキャビティ（例えば、リエントラント型キャビティ）を設けたものがある。キャビティは、伝熱面表面に形成された複数の微細な凹凸を有する空間であって、空気などの気体を保持する。従来は、冷媒が加熱され、キャビティに捉えられた空気などの気体が発泡核の役割を果たし、蒸気泡の成長を促進させていた。

また、キャビティを有する多孔質層を伝熱面表面に形成させる加工技術も数多く提案されている。例えば、キャビティを有する多孔質層を伝熱面表面に形成させる加工技術として、金属製の粉体を焼き固めて焼結金属を作成する方法または溶射による表面処理加工を行う方法などがある。

また、沸騰に伴う不純物の析出現象について説明する。沸騰現象において生じる蒸気泡は、内部の気体と外部の液体との間に大きな密度差が生じる。それゆえ、蒸気泡には、浮力による上昇する力が働く。浮力による上昇する力は、加熱により蒸気泡の体積が大きくなるに従い大きくなる。そして、蒸気泡は、上方に向かって伝熱面から離脱し、液体中を上昇する。この蒸気泡の離脱時に、伝熱面表面にわずかながらガス（蒸気泡の一部）が残留することができれば、伝熱面から発泡核が失われず存在することになる。そして、再び残存した伝熱面の発泡核が成長し、大きな蒸気泡となる。蒸気泡の成長が連続して発生することにより、活発な沸騰が生じることになる。

しかし、沸騰する冷媒の成分等の管理が不十分または管理不可能の場合がある。例えば冷媒として通常の水道水を使用した場合、水にカルキ等の不純物が混入している。すると、蒸気泡が成長する際に、蒸気泡の気液界面において、不純物が混入した冷却水（冷媒）中の水成分のみが蒸気へと相変化する。それゆえ、不純物の濃縮現象が生じる。不純物の量が希薄であったとしても、濃縮現象が生じると不純物の濃度が高まり、伝熱面表面に不純物が析出してしまう恐れがある。

そして、不純物の析出により伝熱面のキャビティが塞がり、さらに、伝熱面表面にスケールとして不純物の付着層を形成する。すると、沸騰が生じにくくなり、さらに伝熱面表面に形成される付着層は熱の伝わりが悪いため、放熱特性が悪化する。それゆえ、従来は発熱体３の冷却が不十分になる場合があり、適切に冷却できないという問題があった。加えて、析出した不純物は、沸騰冷却器１３の伝熱面の表面材料と強く結合する場合があり、伝熱面の材料などによっては、伝熱面を腐食させるという問題があった。

以上のとおり、本発明の実施の形態１における沸騰冷却装置２では、冷媒を循環させるポンプ１１と、マイクロバブルを発生させ、ポンプ１１から吐出された冷媒にマイクロバブルを含ませるマイクロバブル発生器１２と、マイクロバブルを含む冷媒が供給され、冷媒が沸騰する沸騰冷却器１３と、冷媒の沸騰後であってポンプ１１による吸入前に、冷媒が冷却される放熱器１４と、冷媒の沸騰後であってポンプ１１による吸入前に、循環する冷媒から気体を分離する気液分離器１５とを備える。

また、本発明の実施の形態１における沸騰冷却システム１では、冷媒を循環させるポンプ１１、マイクロバブルを発生させ、ポンプ１１から吐出された冷媒にマイクロバブルを含ませるマイクロバブル発生器１２、マイクロバブルを含む冷媒が供給され、冷媒が沸騰する沸騰冷却器１３、冷媒の沸騰後であってポンプ１１による吸入前に、冷媒が冷却される放熱器１４、および冷媒の沸騰後であってポンプ１１による吸入前に、循環する冷媒から気体を分離する気液分離器１５と、沸騰冷却器１３に設けられ、冷却される発熱体３とを備える。

このような構成によれば、マイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給することにより、マイクロバブルが発泡核となって沸騰を促進させることができる。また、マイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給することで、冷媒の温度が沸点以上であっても沸騰が始まらずに液相の状態が保たれる過熱状態となることを抑制できる。これにより、発熱体３を適切に冷却でき、発熱体３を許容温度以下に保つことができる。

加えて、マイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給して沸騰を促進させるため、従来のように伝熱面の表面にキャビティを形成するための加工を施す必要がない。また、伝熱面に形成したキャビティは、長期間の使用により不純物が析出し、塞がる恐れがある。しかし、伝熱面のキャビティが不純物により塞がったとしても、マイクロバブルが発泡核となって沸騰を促進させるため、沸騰冷却システム１の性能低下を抑制することができる。さらに、マイクバブルは、洗浄効果を有しているため、沸騰冷却器１３の伝熱面を洗浄することで不純物を除去することができ、伝熱特性の劣化を抑制することができる。ゆえに、沸騰冷却システム１の冷却性能の低下を抑制し、長期間の使用を可能とすることができる。

また、本発明の実施の形態１における沸騰冷却装置２では、マイクロバブル発生器１２は、流体流動式マイクロバブル発生器である構成とすることもできる。

このような構成によれば、配管構造の工夫によりマイクロバブルを発生させることができ、可動部または電気的スイッチング制御などを必要としない。それゆえ、電力消費量を抑制でき、また、可動部または電気的スイッチング制御などを必要としないため、故障の可能性を低減し、装置の信頼性を高めることができる。さらに、配管構造の工夫によりマイクロバブルを発生させるため、マイクロバブルを発生させるために耐熱性に注意が必要な電子部品（耐熱性の低い電子部品）を搭載する必要がない。それゆえ、流体流動式マイクロバブル発生器を用いた沸騰冷却装置２は、従来より耐熱性が向上し、マイクロバブル発生器１２に高温の冷媒を通流させることができる。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａおよび沸騰冷却装置２ａを図５により説明する。なお、実施の形態１に係る沸騰冷却システム１においては、気液分離器１５を放熱器１４より下流側に設けた。本発明の実施の形態２では、気液分離器２５を沸騰冷却器１３より下流側であって放熱器１４より上流側に設けた変形例について説明する。以下に実施の形態１と異なる点を中心に説明し、同一または対応する部分についての説明は適宜省略する。

図５は本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａの概略図である。図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａでは、気液分離器２５が沸騰冷却器１３より下流側であって放熱器１４より上流側に設けられている。また、気液分離器２５における分離した気体を収容するガス収容部２５ａとマイクロバブル発生器４２とが、連結配管３４を介して連結されている。連結配管３４は、実施の形態１で説明した冷媒配管１６と同様の素材等で形成されており、一方が気液分離器２５の排気ポートに接続され、他方がマイクロバブル発生器４２のガス吸気ポートに接続される。

次に、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａの動作を説明する。図５に示す矢印は、冷媒が循環する方向を示す矢印３０である。図５に示すように、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａにおいて、冷媒は、ポンプから吐出され、マイクロバブル発生器４２、沸騰冷却器１３、気液分離器２５、および放熱器１４の順に冷媒配管１６を介して流れ、そして再びポンプに吸入され循環する。

沸騰冷却器１３では、マイクロバブルを有する冷媒が加熱され沸騰し、気液分離器２５に沸騰した冷媒が流入する。気液分離器２５で冷媒は、気体と液体とに分離される。ここで、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａでは、マイクロバブル発生器４２として流体流動式マイクロバブル発生器を用いる。例えば、本発明の実施の形態１で説明したように、旋回液流式またはエジェクター式の流体流動式マイクロバブル発生器を用いると、流体流動式マイクロバブル発生器のガス吸気ポート２２ｃ、３２ｄでは、気液分離器２５の排気ポートより静圧値が低下する。そのため、気液分離器２５で分離された気体は、気液分離器２５からマイクロバブル発生器４２に向かって流れ（図５に示すガス吸入方向を示す矢印３１）、ポンプ１１から吐出された冷媒と混合され、マイクロバブルを有する冷媒となって沸騰冷却器１３に供給される。

なお、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａでは、マイクロバブルを発生させるために外部の気体を利用せず、気液分離器２５で分離された気体を用いる。本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａでは、気液分離器２５のガス収容部２５ａの排気ポートとマイクロバブル発生器４２のガス吸気ポートとが連結配管３４を介して連結されている。それゆえ、冷媒の循環経路は、外部に対し密閉された構造である。よって、冷媒が外部に漏れるおそれがなく、加えて冷媒に外部からの不純物が混ざる恐れもない。

ここで、マイクロバブルは、不凝縮性ガス（例えば、窒素若しくは二酸化炭素、又は空気などであって、沸騰冷却システム１ａの作動温度帯では凝縮しないガス）であることが好ましい。マイクロバブルが冷媒蒸気の気泡である場合、沸騰冷却器１３に供給されるまでに一部が凝縮し、消滅するおそれがある。それゆえ、マイクロバブルは、冷媒蒸気である場合より不凝縮性ガスである場合の方が、より確実にマイクロバブルを沸騰冷却器１３に供給することができる。また、不凝縮性ガスであるマイクロバブルの組成は、不凝縮性ガスのみで構成されている必要はなく、冷媒蒸気を含有していてもよい。

なお、沸騰冷却システム１ａに冷媒を封入する場合において、特別な処置（例えば真空引きなど）を行わない限り、冷媒中に空気が混入する。つまり、別途マイクロバブルの元になるガスを沸騰冷却システム１ａに注入しなくとも、ガスを封入することができる。一方で、冷媒の循環経路の一部に外部と連通可能なバイパス配管（図示せず）を設け、半密閉の構造としてもよい。係る構造を取ることで、外部からマイクロバブルの元になるガスを沸騰冷却システム１ａに容易に供給することもできる。

なお、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａでは、冷媒として、実施の形態１に記載したものに加え、Ｒ４１０、Ｒ４０７、アンモニア、エタノール、フロンまたは二酸化炭素などの冷媒を用いることもできる。

また、マイクロバブル発生器４２のガス吸気ポートと気液分離器２５において分離した気体を収容するガス収容部２５ａの排気ポートとを連結する連結配管３４は、連結配管３４内を流れる気体の流量を調整するバルブ３３を有していてもよい。係るバルブ３３の開度を調整することにより、気液分離器２５からマイクロバブル発生器４２へと流れる気体の量を調整することができる。つまり、バルブ３３の開度を調整することにより、マイクロバブルの発生量を調整できる。

また、気液分離器２５は、上流側の流入ポートが冷媒配管１６を介して放熱器１４と接続され、下流側の流出ポートが冷媒配管１６を介してポンプ１１と接続される構成としてもよい。すなわち、気液分離器２５は、図１に示す気液分離器１５の排出配管１７を連結配管としてマイクロバブル発生器４２のガス吸気ポートに接続する構成としてもよい。

以上のとおり、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａによると、マイクロバブル発生器４２のガス吸気ポートと気液分離器２５において分離した気体を収容するガス収容部２５ａの排気ポートとを連結する連結配管３４を備えることを特徴としている。

このような構成によれば、マイクロバブル発生器４２でマイクロバブルを発生させるための気体について、気液分離器２５で分離された気体を利用するため、外部から気体を取り入れる必要がない。それゆえ、冷媒の循環流路は、密閉構造を取ることができる。よって、冷媒が外部に漏れる可能性を著しく低減し、加えて異物などの外部からの不純物が冷媒に混ざる可能性を著しく低減できる。また、周囲からの空気を吸入することによる、不純物が冷媒に混入することを抑制できるため、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａについて長期間の使用を行ったとしても沸騰冷却器１３の伝熱面に不純物が析出することを抑制できる。ゆえに、沸騰冷却器１３の伝熱面へのスケールの付着を低減することができ、沸騰冷却システム１ａの長寿命化を図ることができる。

さらに、本発明の実施の形態２に係る沸騰冷却システム１ａでは、沸騰冷却器１３で沸騰した冷媒が、放熱器１４に通流する前に気液分離器２５に流入する。すると、沸騰した冷媒は、気液分離器２５で気体と液体とに分離され、分離された気体がマイクロバブル発生器４２に吸引される。マイクロバブル発生器４２に吸引される気体は、放熱器１４で冷却されておらず、沸騰冷却システム１ａの外部の気体より高温である。それゆえ、マイクロバブル発生器４２において、高温の気体を用いて生成したマイクロバブルを有する冷媒を沸騰冷却器１３に供給するため、沸騰冷却器１３での沸騰をさらに促進することができる。

また、本発明の実施の形態２における沸騰冷却システム１ａでは、マイクロバブルは、不凝縮性ガスである構成とすることもできる。

このような構成によれば、マイクロバブルは不凝縮性ガスであることから凝縮せず、マイクロバブルが冷媒蒸気の気泡である場合に比べ、より多くのマイクロバブルを沸騰冷却器１３に供給することができる。

さらに、沸騰冷却器１３で沸騰した冷媒が、放熱器１４を通流する前に気液分離器２５に流入するため、放熱器１４でマイクロバブル由来の不凝縮性ガスが停滞することを抑制することができる。それゆえ、不凝縮性ガスが放熱器１４において停滞することによる放熱または流動の阻害を抑制でき、より安定した沸騰冷却システム１ａを提供することができる。

また、本発明の実施の形態２における沸騰冷却システム１ａでは、連結配管３４は、流量を調整するバルブ３３を備えてもよい。

このような構成によれば、マイクロバブルの発生量を調整することができ、用途や条件に合わせて沸騰冷却システム１ａの放熱特性を変化させることができ、冷却効率を向上することができる。

なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１ 沸騰冷却システム、２ 沸騰冷却装置、３ 発熱体、１１ ポンプ、１２、２２、３２、４２ マイクロバブル発生器、１３ 沸騰冷却器、１４ 放熱器、１５、２５ 気液分離器、１５ａ、２５ａ ガス収容部、１６ 冷媒配管、２２ｃ、３２ｄ ガス吸気ポート、３３ バルブ、３４ 連結配管

Claims (6)

1. 冷媒を循環させるポンプと、
   マイクロバブルを発生させ、前記ポンプから吐出された前記冷媒に前記マイクロバブルを含ませるマイクロバブル発生器と、
   前記マイクロバブルを含む前記冷媒が供給され、前記冷媒が沸騰する沸騰冷却器と、
   前記冷媒の沸騰後であって前記ポンプによる吸入前に、前記冷媒が冷却される放熱器と、
   前記冷媒の沸騰後であって前記ポンプによる吸入前に、循環する前記冷媒から気体を分離する気液分離器と
   を備える沸騰冷却装置。
2. 前記マイクロバブル発生器は、流体流動式マイクロバブル発生器である
   請求項１に記載の沸騰冷却装置。
3. 前記マイクロバブルは、不凝縮性ガスである請求項１に記載の沸騰冷却装置。
4. 前記マイクロバブル発生器のガス吸気ポートと前記気液分離器において分離した気体を収容するガス収容部の排気ポートとを連結する連結配管
   を備える請求項２に記載の沸騰冷却装置。
5. 前記連結配管は、流量を調整するバルブ
   を備える請求項４に記載の沸騰冷却装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の沸騰冷却装置と、
   前記沸騰冷却器に設けられ、冷却される発熱体と
   を備える沸騰冷却システム。

Images