JP7291983B2 - 熱交換器用部材、熱交換器、冷却システム - Google Patents
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Description
そのため、冷却システム設置の自由度や消費エネルギーの低減のために、液化効率や気化効率や圧力損失低減に関する技術が検討されている。このような技術は、例えば特許文献1に開示されている。
以下に、本発明の実施形態について、図1~図9に基づいて説明する。
図1は、半導体冷却システム100を示す模式図である。半導体冷却システム100は、冷却部(熱交換器)110、放熱部(熱交換器)120、圧縮機130、膨張弁140等からなる。
図2及び図2のa-a断面図である図3は、本発明の熱交換器用部材の具体的例である熱交換器121を構成する管を示す図である。図3に示すように、管を形成する主要材料(アルミニウム、ステンレス、銅等)からなる金属素地121A上に微細突起121Bが設けられた結晶質炭素含有酸化膜121Cを備えている。この微細突起121Bを有する結晶質炭素含有酸化膜121Cは、結晶質炭素が含有された金属酸化膜であり、熱交換器121において気体となっている冷媒と接触する管内面と冷媒の濡れ性を高めると共に、含有された結晶質炭素の高い熱伝導率により、冷媒を冷却する効率を向上する機能を付与する。
さらに、この微細突起121Bは、より高い冷媒との濡れ性を付与するため、微細突起121Bの隣接する頂点の平均間隔が25nm以上65nm以下で、突起の頂点の高さの平均値が15nm以上55nm以下であって、且つ前記平均高さを平均間隔で割った値であるアスペクト比が0.83未満であることがより好ましい。
ここで、放熱部における熱交換器に求められている特性について説明する。放熱部における熱交換器は、冷却部で気化し、圧縮機で高温高圧となったガス状態の冷媒から熱を奪って外部へ放熱することで冷媒を液化させる。その時、システム内を冷媒が循環できるようにすべて液化する必要がある。そのため、熱交換器の冷媒が接触する単位面積当たりの液化効率が悪ければ、当然熱交換器のサイズが大きなものとなってしまい、冷却システムの設置を制限すると共に、コストが大きく増加する。
以下に、本発明の実施形態について、図10~図17に基づいて説明する。
図1は、半導体冷却システム100を示す模式図である。半導体冷却システム100は、冷却部110、放熱部120、圧縮機130、膨張弁140等からなる。
図10及び図10のa-a断面図である図11は、本発明の熱交換器用部材の具体的例である熱交換器111を構成する管を示す図である。図11に示すように、管を形成する主要材料(銅、アルミニウム、ステンレス等)からなる金属素地111A上に微細突起111Bが設けられた結晶質炭素含有酸化膜111Cを備えている。この微細突起111Bを有する結晶質炭素含有酸化膜111Cは、結晶質炭素が含有された金属酸化膜であり、熱交換器111において、液体となっている冷媒と接触する管内面と冷媒の濡れ性を高め、冷却時に冷媒の気化が生じ始めても、冷媒との接触面積を増加させ、更に含有された高い熱伝導率を有する結晶質炭素が熱伝導率を向上させるので、冷媒に対して、半導体150から熱交換器111を通して伝わる熱を伝達する効率(気化効率)を向上する機能を付与する。
さらに、この微細突起111Bは、より高い冷媒との濡れ性を付与するため、微細突起111Bの隣接する頂点の平均間隔が25nm以上65nm以下で、突起の頂点の高さの平均値が15nm以上55nm以下であって、且つ前記平均高さを平均間隔で割った値であるアスペクト比が0.83未満であることがより好ましい。
ここで、冷却部における熱交換器に求められている特性について説明する。冷却部における熱交換器は、放熱部で液化し、膨張弁を通って低温低圧となった液体状態の冷媒が冷却する対象の半導体から発生する熱を受けて気化することで冷却する。その時、半導体で発生する熱を効率的に奪えないと半導体の温度が上昇し、ついには破壊される。一方、半導体は近年益々高集積化が進んでおり、そのため、作動時に発生する熱量はますます増加している。そのため、冷媒を気化させ熱を奪う効率(以降、気化効率という)を高めるシステム内を冷媒が循環できるようにすべて液化する必要がある。そのため、熱交換器の冷媒が接触する単位面積当たりの液化効率が悪ければ、当然熱交換器のサイズが大きなものとなってしまい、冷却システムの設置を制限すると共に、コストが大きく増加する。
そのため、冷却部の熱交換器では、冷媒を気化させ熱を奪う効率(気化効率)、すなわち冷媒への熱伝達率を高めることが求められていた。
また、より高集積化が進むと半導体で発生する熱により、冷媒が半導体の直前で気化してしまい冷媒をいくら流しても冷却が不可となるバーンアウトが発生するため、半導体の集積化に限界を生じさせる要因となっていた。このため、熱伝達率と共にバーンアウトが生じる限界熱流束を高めることが求められていた。
121…熱交換器(放熱部)
121A…金属素地
121B…微細突起
121C…結晶質炭素含有酸化膜(金属酸化膜)
300…浴槽
400…電気回路
Claims (5)
- 金属からなる金属素地と、前記金属素地上に設けられ、結晶質炭素が含有された金属酸化膜と、を備えており、熱交換器に用いられる熱交換器用部材であって、
前記金属酸化膜は、前記熱交換器が稼働する際に冷媒に接触する面に突起部が設けられており、
上記突起部の頂点の平均間隔が20nm以上80nm以下であり、
隣接する突起部の頂点の高さの平均値が10nm以上70nm以下であって、
且つ前記平均高さを平均間隔で割った値であるアスペクト比が1未満であり、
前記金属素地に対する冷媒の濡れ性よりも、前記突起部が設けられた前記金属酸化膜に対する冷媒の濡れ性が高いことを特徴とする熱交換器用部材。 - 前記金属酸化膜の表面から3~5nmの範囲に含有されている結晶質炭素の含有比率が20at%以上40at%以下あることを特徴とする請求項1に記載の熱交換器用部材。
- 上記金属酸化膜の厚さが100nm以上300nm以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の熱交換器用部材。
- 請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱交換器用部材が設けられていることを特徴とする熱交換器。
- 請求項4の熱交換器が設けられていることを特徴とする冷却システム。
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