JP7456185B2

JP7456185B2 - 沸騰冷却器

Info

Publication number: JP7456185B2
Application number: JP2020027635A
Authority: JP
Inventors: 修平柴田; 正道岩崎; 淳中村
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-12-18
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2024-03-27
Anticipated expiration: 2040-02-21
Also published as: JP2021097199A

Description

本発明は、沸騰冷却器に関する。

冷媒の沸騰で生じる潜熱を利用する沸騰冷却器が冷却器の一種として知られている。当該沸騰冷却器は、パワーエレクトロニクス製品等の発熱体を冷却するために用いられる。

特許文献１に記載の沸騰冷却器は、冷媒に浸漬される沸騰伝熱面を有する沸騰伝熱部材を備える。当該沸騰冷却器では、発熱体から沸騰伝熱部材を介して冷媒に伝わる熱により、沸騰伝熱面に気泡が発生する。また、特許文献１に記載の沸騰伝熱面は、内周面が粗面である複数の穴を有する。穴の内周面が粗面であることで、沸騰伝熱面の伝熱面積が増大する。そのため、気泡の発生率が向上する。

特開２０１７－１５２６９号公報

特許文献１に記載の沸騰伝熱面では、気泡の発生率を向上させることができるが、隣接する気泡同士の合体を抑制することが難しい。沸騰伝熱面のうち合体により大型化した気泡が離脱した部分では、合体していない小型な気泡が離脱した部分に比べ、過熱された冷媒が流れ込み難い。そのため、気泡が大型化すると、気泡の離脱から発生までの周期が長くなってしまう。したがって、特許文献１に記載の沸騰冷却器では、沸騰面の伝熱効率の促進を図ることが難しく、よって、冷却性能の更なる向上を図ることが難しい。

本発明は、冷却性能の向上を図ることができる沸騰冷却器を提供することを解決課題の１つとする。

本発明の一態様に係る沸騰冷却器は、界面活性剤が添加された冷媒と、発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、前記伝熱面は、第１部分と、前記第１部分によって囲われた複数の第２部分とを、有し、前記伝熱面において、前記複数の第２部分の投影面積の合計は、前記第１部分の投影面積よりも大きい。

本発明の一態様に係る沸騰冷却器は、界面活性剤が添加された冷媒と、発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、前記伝熱面は、複数の第１部分と、前記複数の第１部分によって断続的に区切られた複数の第２部分とを、有し、前記伝熱面において、前記複数の第２部分の投影面積の合計は、前記複数の第１部分の投影面積の合計よりも大きい。

本発明の一態様に係る沸騰冷却器は、界面活性剤が添加された冷媒と、発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、前記伝熱面は、少なくとも１つの第１部分と、複数の第２部分とを有し、前記第１部分は、前記複数の第２部分の周囲に沿って配置され、前記複数の第２部分のそれぞれよりも突出しており、前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、隣接する前記第１部分の幅よりも大きい。

本発明の一態様に係る沸騰冷却器は、界面活性剤が添加された冷媒と、発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、前記伝熱面は、少なくとも１つの第１部分と、複数の第２部分とを有し、前記第１部分は、前記複数の第２部分の周囲に沿って配置され、前記複数の第２部分のそれぞれよりも突出しており、前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、隣接する前記第１部分の高さよりも大きい。

本発明によれば、冷却性能の向上を図ることができる沸騰冷却器を提供することができる。

第１実施形態に係る沸騰冷却器の概略図である。第１実施形態に係る沸騰冷却器が有する伝熱部材の平面図である。図２中のＡ－Ａ線断面図である。図２中の第１部分の一部を説明するための図である。気泡の発生を説明するための図である。気泡の成長を説明するための図である。気泡の離脱を説明するための図である。第２実施形態における伝熱部材の断面図である。第３実施形態における伝熱部材の断面図である。第３実施形態における第１部分の一部を説明するための図である。第４実施形態における伝熱部材の断面図である。第５実施形態における伝熱部材が有する伝熱面の斜視図である。図１２に示す伝熱部材の断面図である。平坦面で構成される場合の伝熱面に発生した気泡を示す図である。界面活性剤が添加されていない冷媒を用いた場合での図１４中の領域Ａを示す図である。界面活性剤が添加されていない冷媒中で発生した気泡を底部からみた図である。界面活性剤が添加された冷媒を用いた場合での図１４中の領域Ａを示す図である。界面活性剤が添加された冷媒中で発生した気泡を底部からみた図である。図１２に示す伝熱面で発生するミクロ液膜を説明するための図である。第６実施形態における伝熱部材の平面図である。図２０に示す伝熱面の斜視図である。図２０に示す第２部分を説明するための図である。変形例における伝熱面の平面図である。変形例における伝熱面の平面図である。参考例における伝熱面の平面図である。図２５中のＢ－Ｂ線断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法または縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

１．第１実施形態
１－１．沸騰冷却器１００の構成
図１は、第１実施形態に係る沸騰冷却器１００の概略図である。なお、以下では、説明の便宜上、互いに直交する「Ｘ軸」、「Ｙ軸」および「Ｚ軸」を適宜に用いて説明する。
また、Ｘ軸に沿う一方向を「Ｘ１方向」といい、Ｘ１方向とは反対の方向を「Ｘ２方向」という。同様に、Ｙ軸に沿う一方向を「Ｙ１方向」といい、Ｙ１方向とは反対の方向を「Ｙ２方向」という。Ｚ軸に沿う一方向を「Ｚ１方向」といい、Ｚ１方向とは反対の方向を「Ｚ２方向」という。また、Ｚ１方向またはＺ２方向からみることを「平面視」という。なお、Ｚ軸は、鉛直方向に沿う軸であり、Ｚ１方向は鉛直方向の上方に相当し、Ｚ２方向は鉛直方向の下方に相当する。

図１に示す沸騰冷却器１００は、発熱体９を冷却する装置である。発熱体９としては、発熱する物体であればよく、特に限定されないが、例えば、インバーターおよび整流器等のパワーエレクトロニクス製品が挙げられる。例えば、パワーエレクトロニクス製品は、ダイオード、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有する。当該発熱体９および沸騰冷却器１００は、例えば、鉄道車両、自動車、および家庭用電気機械等に搭載される。

沸騰冷却器１００は、熱輸送媒体Ｍ１の沸騰で生じる潜熱を利用する冷却器である。当該潜熱を利用した冷却は、沸騰冷却と称される。沸騰冷却器１００は、蒸発部１と、凝縮部２と、蒸気通路３と、液体通路４と、熱輸送媒体Ｍ１とを有する。熱輸送媒体Ｍ１は、後に詳述するが、発熱体９を冷却させるための熱輸送に用いる液状の媒体である。図１に示す例では、沸騰冷却器１００は、熱輸送媒体Ｍ１の自然対流を利用したプール沸騰式である。

蒸発部１は、発熱体９からの熱を受ける。蒸発部１は、容器１０と伝熱部材５とを有する。容器１０は、熱輸送媒体Ｍ１を収容する。例えば、容器１０の底部には、伝熱部材５が設けられる。伝熱部材５は、発熱体９で生じる熱を熱輸送媒体Ｍ１に伝える。伝熱部材５は、取付面５９と伝熱面５０とを有する。取付面５９は、発熱体９を取り付け可能に構成される。伝熱面５０は、容器１０の内部に露出しており、熱輸送媒体Ｍ１と接触している。伝熱面５０には、発熱体９から伝熱部材５を介して熱輸送媒体Ｍ１に熱が伝わり、伝熱面５０の近傍の熱輸送媒体Ｍ１の温度が沸点以上に過熱される。このため、伝熱面５０では、当該熱により、複数の気泡Ｂが発生する。

伝熱部材５は、熱伝導率に優れる材料により形成される。具体的には、伝熱部材５の材料は、例えば、アルミニウムおよび銅等の金属、または当該金属を含む合金等である。また、容器１０の材料は、特に限定されないが、伝熱部材５の材料と同様に、例えば、アルミニウムおよび銅等の金属、または当該金属を含む合金等である。なお、容器１０と伝熱部材５とは、一体で形成されてもよい。また、伝熱部材５は、１部材で構成されてもよいし、複数の部材で構成されてもよい。

凝縮部２は、蒸発部１に対して鉛直方向での上方に配置される。凝縮部２は、気化した熱輸送媒体Ｍ１を凝縮することにより、気化した熱輸送媒体Ｍ１を液体に戻す。凝縮部２は、冷却部材２１とケース２０とを有する。冷却部材２１は、気化した熱輸送媒体Ｍ１を冷却する構造体である。冷却部材２１は、例えば、冷却された流体が流れる冷却管である。また、ケース２０は、気化した熱輸送媒体Ｍ１を液化する空間を形成する。ケース２０の材料は、特に限定されないが、例えば、アルミニウムおよび銅等の金属、または当該金属を含む合金等である。

蒸気通路３は、蒸発部１および凝縮部２のそれぞれに接続される配管等である。同様に、液体通路４は、蒸発部１および凝縮部２のそれぞれに接続される配管等である。蒸気通路３よび液体通路４のそれぞれは、蒸発部１内の空間と凝縮部２内の空間とを連通させる。蒸気通路３は、気化した熱輸送媒体Ｍ１を蒸発部１から凝縮部２に流すよう構成される。一方、液体通路４は、液化した熱輸送媒体Ｍ１を凝縮部２から蒸発部１に流すよう構成される。蒸気通路３および液体通路４の各材料は、特に限定されないが、例えば、アルミニウムおよび銅等の金属、または当該金属を含む合金等である。

以上の構成の沸騰冷却器１００では、発熱体９の熱が伝熱部材５を介して熱輸送媒体Ｍ１に伝わることにより、熱輸送媒体Ｍ１のうち伝熱面５０近傍の部分が沸騰する。その結果、伝熱面５０に気泡Ｂが発生する。また、発生した気泡Ｂは浮力により伝熱面５０から離脱し、離脱した気泡Ｂは熱輸送媒体Ｍ１の液面に到達する。その後、気泡Ｂは蒸気となり、当該蒸気は蒸発部１から蒸気通路３を介して凝縮部２に到達する。当該蒸気は、凝縮部２で凝縮されることにより液体となる。そして、当該液体は、重力により液体通路４を下降し、蒸発部１に戻る。

沸騰冷却器１００では、伝熱面５０近傍の熱輸送媒体Ｍ１の相変化により、伝熱部材５を介して発熱体９を冷却させることができる。また、熱輸送媒体Ｍ１から蒸気が発生し、当該蒸気が凝縮されることにより液化するという動作が繰り返される。当該動作が繰り返し行われることで、発熱体９を継続的かつ安定的に冷却することができる。

なお、沸騰冷却器１００は、図１に示す構成に限定されず、例えば、蒸発部１、凝縮部２、蒸気通路３および液体通路４が一体で構成されるサーモサイフォンであってもよい。また、沸騰冷却器１００は、プール沸騰式に限定されず、熱輸送媒体Ｍ１の流れを強制的に生じさせる強制対流沸騰式であってもよい。この場合、例えば、蒸気通路３に、図示しないポンプが接続される。

１－２．熱輸送媒体Ｍ１
熱輸送媒体Ｍ１は、冷媒と、界面活性剤とを含む。冷媒は、常温で液状となる媒体であり、例えば、純水等の水、または、水とアルコールとの混合液を含む。当該アルコールは、例えば、エタノールまたはメタノールである。なお、冷媒の種類は、上記の種類以外の種類であってもよい。

液体中で気泡が発生・成長するためには、気泡内部の蒸気圧ｐＶが周囲液体の圧力ｐＬよりも表面張力に打ち勝つだけ高くなければならない。気泡Ｂの内外の圧力差Δｐ（＝ｐＶ－ｐＬ）は、表面張力γ、気泡の曲率半径Ｒを用いて以下の式（１）で、圧力差Δｐに対応する過熱度ΔＴは、気泡を構成する気体の密度ρＶ、熱輸送媒体Ｍ１の液密度ρＬ、飽和温度Ｔｓａｔ、圧力差Δｐ、蒸発潜熱ｈｆｇを用いて以下の式（２）で表される。
Δｐ＝（２γ／Ｒ）・・・（１）
ΔＴ＝（ρＬ－ρＶ）×Ｔｓａｔ×Δｐ／（ｈｆｇ×ρＬ×ρＶ）・・・（２）
熱輸送媒体Ｍ１は、界面活性剤を含むことにより表面張力を小さくできるので、気泡Ｂの内外の圧力差Δｐならびに過熱度ΔＴを小さくすることができる。その結果、気泡Ｂを成長させ易くなる。

また、界面活性剤が存在することで表面張力が小さくなるので、気泡Ｂの伝熱面５０への付着力ＦＣが小さくなる。そのため、気泡Ｂが離脱するための浮力ＦＢが小さくて済み、気泡Ｂの伝熱面５０からの離脱時の体積が小さくなる。このように、各気泡Ｂが小さな気泡のまま離脱し易くなる。

浮力ＦＢ［Ｎ］は以下の式（３）で表される。また、離脱直径Ｄｂａｓｅと表面張力との関係は、以下の式（４）で表される。
ＦＢ＝Ｖ（ρＬ－ρＶ）ｇ・・・・・（３）
ＦＣ＝πＤｂａｓｅγｓｉｎθ ・・・・・（４）
Ｖは気泡Ｂの体積、ｇは、重力加速度である。θは、気泡Ｂの伝熱面５０に対する接触角である。ＦＣは、気泡Ｂの付着力である。離脱直径Ｄｂａｓｅは、伝熱面５０から離脱する際における気泡Ｂの径である。

ここで、合体により大型化した気泡Ｂは、合体していない小型な気泡に比べ、１個当たりの気泡が伝熱面５０を覆う面積が大きい。そのため、伝熱面５０のうち大型な気泡Ｂが離脱した部分は、小型な気泡Ｂが離脱した部分に比べ、過熱された熱輸送媒体Ｍ１が流れ込み難い。そのため、大型な気泡Ｂが離脱した部分では、小型な気泡Ｂが離脱した部分に比べ、次の気泡Ｂが発生するまでにかかる時間が長くなり易い。その結果、気泡Ｂの発生周期が長期化するという弊害が生じる。したがって、単位時間あたりの気泡Ｂの発生数を多くするためには、隣接する気泡Ｂ同士の合体を抑制することが好ましい。

前述のように、熱輸送媒体Ｍ１は、界面活性剤を含む。そのため、クーロン力等により、隣接する気泡Ｂ同士の合体を抑制することができる。その結果、合体した気泡Ｂにより伝熱面５０が覆われることによる前述の弊害を抑制することができる。

界面活性剤は、非イオン性界面活性剤でもよいし、陰イオン界面活性剤または陽イオン界面活性剤等のイオン性界面活性剤でもよい。陰イオン界面活性剤または陽イオン界面活性剤を用いると、例えばクーロン力によって、隣接する気泡Ｂ同士の合体が抑制される。また、非イオン性界面活性剤を用いると、例えば非イオン性界面活性剤の立体障害によって、隣接する気泡Ｂ同士の合体が抑制される。

界面活性剤の具体例としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、および炭化水素系界面活性剤等が挙げられる。冷媒が水である場合、溶解性に優れる炭化水素系界面活性剤を用いることが好ましい。より具体的には、界面活性剤としては、ＨＦＣ系冷媒、ＨＦＯ系冷媒、およびＣＯ_２冷媒等が挙げられる。

なお、熱輸送媒体Ｍ１は、冷媒および界面活性剤以外の材料を含んでいてもよい。ただし、この場合、当該材料は、熱輸送媒体Ｍ１の作用に悪影響を与えない範囲内の含有率で熱輸送媒体Ｍ１に含まれる。

１－３．伝熱部材５の構成
図２は、第１実施形態に係る沸騰冷却器１００が有する伝熱部材５の平面図である。図２には、伝熱部材５の伝熱面５０が示される。図２に示すように、伝熱面５０は、第１部分５２と、第１部分５２によって囲まれた複数の第２部分５１と、を有する。伝熱面５０は、第１部分５２によって複数の第２部分５１に区切られている。つまり、伝熱面５０は、第１部分５２によって複数の第２部分５１に細分化されている。

複数の第２部分５１は、複数の六角形を並べた所謂ハニカム構造を構成する。別の見方をすれば、第１部分５２は、ハニカム構造を構成するよう伝熱面５０を区切っている。ここで、各第２部分５１の平面視での形状は、六角形である。各第２部分５１からは気泡Ｂが発生し、かつ、離脱する。各第２部分５１の平面視での面積は、各第２部分５１から１個の気泡Ｂを離脱させ易い程度の大きさである。また、複数の第２部分５１の平面視での面積は、互いに等しい。複数の第２部分５１は、規則的に配置される。

第１部分５２は、伝熱面５０に存在する凹部である。当該凹部は、伝熱面５０に形成される窪みである。当該凹部は、Ｘ－Ｙ平面に沿って延びる溝である。つまり、第１部分５２は、伝熱面５０を複数の第２部分５１に区切る溝である。第１部分５２は、平面視で各第２部分５１の外縁に沿って全周にわたり、途切れずに、連続的に繋がっている。第１部分５２は、例えば、切削加工またはレーザー加工により形成される。また、本実施形態では、伝熱面５０の表面粗さは、一様である。

複数の第２部分５１の投影面積の合計は、第１部分５２の投影面積よりも大きい。よって、伝熱面５０の面積に対する複数の第２部分５１の投影面積の合計の割合は、伝熱面５０における第１部分５２の投影面積の割合よりも大きい。別の見方をすると、平面視での伝熱面５０における複数の第２部分５１の面積占有率は、第１部分５２の面積占有率よりも高い。また、投影面積は、伝熱面５０に対する法線に沿って光を照射した場合にできる影の面積である。

本実施形態では、複数の第２部分５１の表面積の合計は、第１部分５２の表面積よりも大きい。よって、伝熱面５０における複数の第２部分５１の表面積の合計の割合は、伝熱面５０における第１部分５２の表面積の割合よりも大きい。

図３は、図２中のＡ－Ａ線断面図である。図３に示す例では、各第２部分５１は、ＸＹ平面に沿った面である。複数の第２部分５１の幅Ｗ１は、互いに等しい。幅Ｗ１は最大幅である。また、別の見方をすると、幅Ｗ１は、隣り合う２つの第２部分５１同士の間の最大距離である。図示では、複数の第２部分５１は、同一平面上に位置する。なお、各第２部分５１の幅Ｗ１は異なっていてもよい。また、複数の第２部分５１のＺ１方向での位置は互いに異なっていてもよく、例えば、複数の第２部分５１が曲面に沿って配置されてもよい。

第１部分５２は、底面５２１と、複数の側面５２２とを有する。底面５２１は、Ｘ－Ｙ平面に沿った面である。底面５２１のＺ１方向での位置は、各第２部分５１のＺ１方向での位置と異なり、各第２部分５１よりもＺ２方向に位置する。また、底面５２１は、平面視で各第２部分５１の外縁に沿って全周にわたり、連続的に繋がる面である。

各側面５２２は、Ｚ軸に沿った面である。複数の側面５２２は、複数の第２部分５１に１対１で対応する。各側面５２２は、平面視で、対応する第２部分５１を囲む。また、各側面５２２は、対応する第２部分５１と底面５２１とを接続する。前述のように、底面５２１のＺ１方向での位置は、各第２部分５１のＺ１方向での位置と異なる。そのため、各側面５２２は、底面５２１と、対応する第２部分５１との間の段差面を構成する。

また、各側面５２２は、第２部分５１で発生する気泡Ｂが第１部分５２に向かう方向に成長することを制限する「制限部」である。したがって、第１部分５２は、複数の「制限部」を有する。当該第１部分５２に向かう方向とは、図示の例では、Ｘ－Ｙ平面に沿って各第２部分５１の内側から外側へ向かう方向である。ここで、各側面５２２は、前述のように段差面であるため、気泡Ｂの成長に対して立体的な障壁となる。そのため、気泡ＢがＸ－Ｙ平面に沿って広がる方向に成長することが制限される。このように気泡Ｂの成長を制限することで、隣接する第２部分５１で発生する気泡Ｂ同士の合体が抑制される。

なお、各側面５２２は、段差面を構成していればよく、Ｚ軸に対して傾いていてもよい。各第２部分５１および底面５２１のそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面に対して傾いていてもよい。また、各第２部分５１、底面５２１および各側面５２２は、平坦面でなくてもよく、湾曲していてもよい。

第１部分５２の幅Ｗ２は、前述の各第２部分５１の幅Ｗ１よりも小さい。そのため、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも小さい場合に比べ、複数の第２部分５１の配置密度を高めることができる。なお、幅Ｗ２は、第１部分５２の最大幅である。

なお、本実施形態では、第１部分５２の幅Ｗ２は一定であるが、一定でなくてもよい。また、図示では、底面５２１の幅は、各側面５２２の高さＴ２以下である。また、図示では、底面５２１の幅は、第１部分５２の幅Ｗ２と一致する。また、図示では、Ｚ軸に沿う各側面５２２の長さである高さＴ２は、底面５２１から第２部分５１までの側面５２２の長さに等しい。ただし、底面５２１の幅は、高さＴ２よりも大きくてもよい。

図４は、図２中の第１部分５２の一部を説明するための図である。図４では、複数の第２部分５１のうちの任意の１個の第２部分５１を「第２部分５１ａ」とする。任意の１個の第２部分５１は、「一の第２部分」に相当する。図４に示すように、第２部分５１ａの投影面積は、第１部分５２のうちの第２部分５１ａを囲む部分５２０の投影面積よりも大きい。部分５２０は、図４中の太線で示す側面５２２と、図４中のグレースケールで示す底部５２１０とで構成される。当該側面５２２は、第１部分５２と第２部分５１ａとの境界を形成する面である。底部５２１０は、図３に示す底面５２１のうちの当該１個の第２部分５１を囲む部分である。底部５２１０の平面視での外縁の形状と、側面５２２の平面視での形状とは、相似である。

また、第２部分５１ａの表面積は、部分５２０の表面積よりも大きい。よって、第２部分５１ａの表面積は、部分５２０が有する側面５２２の表面積よりも大きい。

１－４．気泡Ｂの挙動
図５は、気泡Ｂの発生を説明するための図である。なお、以下では、複数の第２部分５１のうちの任意の１個の第２部分５１を「第２部分５１ａ」とし、第２部分５１ａに隣接する第２部分５１を「第２部分５１ｂ」とする。また、第２部分５１ａに隣接し、かつ第２部分５１ｂとは異なる第２部分５１を「第２部分５１ｃ」とする。また、平面視で、第２部分５１ｂと第２部分５１ｃとの間に第２部分５１ａが存在する。また、第２部分５１ａ上の気泡Ｂを「気泡Ｂａ」とし、第２部分５１ｂ上の気泡Ｂを「気泡Ｂｂ」とし、第２部分５１ｃ上の気泡Ｂを「気泡Ｂｃ」とする。

第２部分５１ａ上の気泡Ｂａと、第２部分５１ｂ上の気泡Ｂｂと、第２部分５１ｃ上の気泡Ｂｃとが同時に発生する場合を例に説明する。前述のように熱輸送媒体Ｍ１は界面活性剤を含むため、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれは発生し易い。また、図５に示すように、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃは、界面活性剤の作用により互いの合体が抑制されつつ、成長する。

図６は、気泡Ｂの成長を説明するための図である。図６に示すように、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれの成長が進行すると、気泡Ｂａは、気泡ＢｂおよびＢｃによりＸＹ平面に沿う方向での成長が制限される結果、Ｚ１方向に成長し易くなる。ここで、前述のように、気泡Ｂａは、界面活性剤の作用により気泡Ｂｂおよび気泡Ｂｃのそれぞれとの合体が抑制される。その上、気泡Ｂａは、側面５２２の存在によりＸ－Ｙ平面に沿う方向での成長が制限される。さらに、第２部分５１ａの投影面積が第１部分５２の部分５２０の投影面積よりも大きい。第２部分５１ｂおよび第２部分５１ｃのそれぞれの投影面積についても同様である。そのため、気泡Ｂａは、気泡ＢｂおよびＢｃによってＸ－Ｙ平面に沿う方向での成長が制限される。このようなことから、気泡Ｂａは、Ｚ１方向に成長し易くなる。以上のように、気泡Ｂａは、界面活性剤の作用と第１部分５２の存在との相乗効果により、Ｚ１方向に成長し易くなる。また、複数の第２部分５１の投影面積の合計が第１部分５２の投影面積よりも大きいため、気泡Ｂａは、成長に伴って、気泡Ｂｂおよび気泡Ｂｃに挟まれた状態で浮力が作用する。当該作用により、気泡Ｂａは、くびれた形状に変形していく。

図７は、気泡Ｂの離脱を説明するための図である。図７に示すように、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれの成長がさらに進行すると、気泡Ｂａが伝熱面５０から離脱する。このとき、図７に示すように、気泡Ｂａは、気泡Ｂａ１と気泡Ｂａ２とに分離し得る。気泡Ｂａ１は伝熱面５０から離脱する。気泡Ｂａ１は、界面活性剤の作用により、界面活性剤が存在しない場合に比べて離脱し易い。また、気泡Ｂａ２は、伝熱面５０上に残る。つまり、気泡Ｂａの一部が残存気泡となる。その後、気泡Ｂａ２が核となり、新たな気泡の成長が始まる。このように、伝熱面５０からの離脱時に気泡Ｂａが分離することにより、伝熱面５０上に、気泡Ｂａの一部である残存気泡を存在させることができる。その結果、気泡Ｂの発生周期を短くすることができる。よって、単位時間あたりに離脱する気泡数を増加させることができる。

以上の説明のように、熱輸送媒体Ｍ１は、界面活性剤を含む。そのため、表面張力を小さくできるので、気泡Ｂの発生、成長および離脱を促進させることができる。さらに、側面５２２の存在により、気泡Ｂが第１部分５２に向かう方向に成長することが制限される。その上、第２部分５１ａの投影面積は、第１部分５２のうちの部分５２０の投影面積よりも大きい。第２部分５１ｂおよび第２部分５１ｃのそれぞれの投影面積についても同様である。そして、複数の第２部分５１の投影面積の合計が第１部分５２の投影面積よりも大きい。そのため、気泡Ｂは、隣接する気泡Ｂの影響により、伝熱面５０から上方に向かって成長し易く、かつ伝熱面５０から離脱し易くなる。したがって、界面活性剤の作用と第１部分５２の存在との相乗効果により、隣接する気泡Ｂ同士の合体が抑制される。よって、気泡Ｂの大型化が抑制される。その結果、多くの気泡Ｂを伝熱面５０から効率良く離脱させることができる。そのため、蒸発部１から蒸気が発生し、当該蒸気が凝縮されることにより液化するというサイクルが効率良く行われる。よって、沸騰冷却器１００の冷却性能の向上を図ることができる。

さらに、気泡Ｂの大型化が抑制されるので、伝熱面５０のうち熱輸送媒体Ｍ１が接触せずに伝熱に寄与しない乾いた領域が拡大することが抑制される。また、気泡Ｂの大型化が抑制されるので、過熱された熱輸送媒体Ｍ１が伝熱面５０の近傍に存在し易い状態となる。そのため、伝熱面５０のうち気泡Ｂが離脱した部分に、過熱された熱輸送媒体Ｍ１が流れ込み易くなる。よって、次の気泡Ｂを発生させ易くなる。さらに、前述のように、気泡Ｂが、それに隣接する気泡Ｂの影響により分離することで、後続する気泡Ｂの発生の核となる残存気泡を伝熱面５０上に残し易くなる。このようなことから、次の気泡Ｂを発生させ易い。そのため、気泡Ｂの離脱から発生までの周期を短くすることができる。したがって、沸騰冷却器１００の冷却性能の更なる向上を図ることができる。

また、前述のように、第２部分５１ａの表面積は、第１部分５２の部分５２０の表面積よりも大きい。第２部分５１ｂおよび第２部分５１ｃのそれぞれの表面積についても同様である。第２部分５１ａの表面積が部分５２０の表面積よりも大きいことで、小さい場合に比べ、気泡Ｂは、隣接する気泡Ｂの影響によりＺ１方向に成長し易くなる。また、複数の第２部分５１の表面積の合計が第１部分５２の表面積よりも大きいことで、複数の気泡Ｂのそれぞれが隣接する気泡Ｂの影響によりＺ１方向に成長し易くなる。よって、多くの気泡Ｂを伝熱面５０から効率良く離脱させることができ、その結果、沸騰冷却器１００の冷却性能の更なる向上を図ることができる。なお、複数の第２部分５１の表面積の合計が、第１部分５２の表面積以下となるようにしてもよい。

また、前述のように、第１部分５２は凹部である。熱輸送媒体Ｍ１のうち凹部内に位置する部分は過熱され易い。そのため、第１部分５２が凸部である場合に比べ、第２部分５１の近傍に過熱された熱輸送媒体Ｍ１が存在し易い。よって、第２部分５１から気泡Ｂが離脱した後、当該第２部分５１に過熱された熱輸送媒体Ｍ１が供給され易い。そのため、気泡Ｂの離脱から発生までの周期をより短くすることができる。

特に、本実施形態では、当該凹部は、複数の第２部分５１の各外縁に沿って設けられる溝である。本実施形態では、第１部分５２は、底面５２１の幅が各側面５２２の高さＴ２以下の溝である。そのため、底面５２１の幅が各側面５２２の高さよりも大きい場合に比べ、凹部内で熱輸送媒体Ｍ１が過熱され易い。よって、気泡Ｂの離脱から発生までの周期をさらに短くすることができる。

また、第１部分５２が凹部であることで、第１部分５２が各第２部分５１に対して凸となる場合に比べて、各第２部分５１に異物が留まることが抑制される。そのため、当該異物の影響により、各第２部分５１での気泡Ｂの発生が阻害されるおそれを抑制することができる。また、第１部分５２が凹部であることで、多孔質形状等の他の構造を形成する場合に比べて、伝熱面５０に第１部分５２を簡単に形成することができる。そのため、伝熱面５０を簡単な加工で細分化することができる。したがって、伝熱面５０を複雑な構成にせずとも、気泡ＢのＸ－Ｙ平面に広がる方向の成長を制限することができる。特に、底面５２１の幅が各側面５２２の高さよりも大きい場合に比べ、複数の第２部分５１の配置密度を高めることができる。そのため、伝熱面５０で発生する気泡数を増大させることができる。

また、各第２部分５１の幅Ｗ１の具体的な値は、特に限定されないが、各第２部分５１の幅Ｗ１は、第２部分５１で離脱する気泡Ｂの離脱直径Ｄｂａｓｅよりも小さいことが好ましい。さらに、各第２部分５１の平面視での面積は、離脱直径Ｄｂａｓｅから算出される気泡Ｂの断面積よりも小さいことが好ましい。当該面積が当該断面積よりも小さいことで、当該面積が当該断面積よりも大きい場合に比べて、各第２部分５１で発生した気泡Ｂが側面５２２による成長の制限を受け易く、その結果、各第２部分５１から気泡Ｂを離脱させ易い。

離脱直径Ｄｂａｓｅは、例えば、カメラ等の撮像装置を用いて計測される。離脱直径Ｄｂａｓｅは、熱輸送媒体Ｍ１に強制対流が生じていない状態で計測される。また、離脱直径Ｄｂａｓｅの計測には、伝熱部材５の第２部分５１と同一の材料および表面粗さの部材上で生成した気泡が用いられる。

また、本実施形態では、複数の第２部分５１の幅Ｗ１は、互いに等しいが、互いに異なっていてもよい。ただし、複数の第２部分５１の幅Ｗ１が互いに等しいことで、複数の気泡Ｂ間で体積のバラつきが抑制される。

また、伝熱面５０が第１部分５２によって複数の第２部分５１に区切られているため、伝熱面５０の一部に気泡Ｂが偏って発生することが抑制される。そのため、伝熱面５０における冷却に関わる作用の面内バラつきが抑制される。よって、品質に優れる沸騰冷却器１００を提供することができる。また、例えば、各第２部分５１を所望の面積に設定することで、所望の径の気泡Ｂを形成させ易くなる。したがって、第１部分５２の各側面５２２は、対応する第２部分５１で発生する気泡Ｂの径を設定する設定部としても機能する。

複数の第２部分５１は、規則的に配置される。そのため、伝熱面５０内での場所による気泡Ｂの離脱のし易さにバラつきが生じることを抑制することができる。そのため、伝熱面５０での沸騰冷却のバラつきが抑制される。また、各第２部分５１は、六角形であることで、各第２部分５１が例えば四角形である場合に比べ、複数の気泡Ｂの配置密度を高めることができる。このような観点から、当該配置密度を高めるためには、各第２部分５１は正六角形であることがより好ましい。なお、複数の第２部分５１は、本実施形態では規則的に配置されるが、不規則に配置されてもよい。

２．第２実施形態
以下、本発明の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図８は、第２実施形態における伝熱部材５Ａの断面図である。なお、以下の説明では、第２実施形態の伝熱部材５Ａの説明は第１実施形態の伝熱部材５との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

図８に示す伝熱部材５Ａは、伝熱面５０Ａを有する。伝熱面５０Ａは、複数の第２部分５１Ａと、第１部分５２Ａとを有する。第１部分５２Ａは、底面５２１Ａおよび複数の側面５２２Ａを有する。以下、伝熱面５０Ａについて、第１実施形態における伝熱面５０との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。また、複数の第２部分５１Ａについて、第１実施形態における複数の第２部分５１との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。同様に、第１部分５２Ａについて、第１実施形態における第１部分５２との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。底面５２１Ａについて、第１実施形態における複数の底面５２１との相違点を説明し、同じ事項の説明は省略する。複数の側面５２２Ａについて、第１実施形態における複数の側面５２２との相違点を説明し、同じ事
項の説明は適宜省略する。

第１部分５２Ａの表面粗さは、複数の第２部分５１Ａのそれぞれの表面粗さよりも小さい。つまり、第１部分５２Ａは、各第２部分５１Ａよりも平滑性が高い。したがって、底面５２１Ａおよび複数の側面５２２Ａのそれぞれの表面粗さは、各第２部分５１Ａの表面粗さよりも小さい。表面粗さは、例えば算術平均粗Ｒａである。例えば、各第２部分５１Ａには、ブラスト加工が施される。また、例えば、第１部分５２Ａが研磨処理により平滑化されてもよい。

各側面５２２Ａの表面粗さが各第２部分５１Ａの表面粗さよりも小さいことで、大きい場合に比べ、側面５２２Ａの「制限部」としての機能が顕著に発揮される。気泡Ｂ同士の合体を特に効果的に抑制することができる。よって、単位時間あたりに離脱する気泡数を特に増加させることができる。一方、各第２部分５１Ａの表面粗さが各側面５２２Ａの表面粗さよりも大きいことで、小さい場合に比べ、各第２部分５１Ａで気泡Ｂを発生させ易くなる。そのため、単位時間あたりに離脱する気泡数をより増加させることができる。

また、底面５２１Ａの表面粗さが各第２部分５１Ａの表面粗さよりも小さいことで、底面５２１Ａは、各第２部分５１Ａよりも気泡が発生し難い。そのため、熱輸送媒体Ｍ１のうち第１部分５２Ａ内に位置する部分が過熱され易くなる。よって、底面５２１Ａの表面粗さが各第２部分５１Ａの表面粗さよりも大きい場合に比べ、第２部分５１Ａに過熱された熱輸送媒体Ｍ１が供給され易くなる。その結果、気泡Ｂの離脱から発生までの周期をさらに短くすることができる。

以上の第２実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

３．第３実施形態
以下、本発明の第３実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図９は、第３実施形態における伝熱部材５Ｂの断面図である。図１０は、第３実施形態における第１部分５２Ｂの一部を説明するための図である。なお、以下の説明では、第３実施形態の伝熱部材５Ｂの説明は第１実施形態の伝熱部材５との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

図９に示す伝熱部材５Ｂは、伝熱面５０Ｂを有する。伝熱面５０Ｂは、複数の第２部分５１Ｂと、第１部分５２Ｂとを有する。以下、伝熱面５０Ｂについて、第１実施形態における伝熱面５０との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。また、複数の第２部分５１Ｂについて、第１実施形態における複数の第２部分５１との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。同様に、第１部分５２Ｂについて、第１実施形態における複数の第１部分５２との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

伝熱面５０Ｂは、段差の無い連続的な面である。ただし、伝熱面５０Ｂの表面粗さは、一様でない。第１部分５２Ｂの表面粗さは、各第２部分５１Ｂの表面粗さよりも小さい。つまり、第１部分５２Ｂは、各第２部分５１Ｂよりも平滑性が高い。表面粗さは、例えば算術平均粗Ｒａである。例えば、各第２部分５１Ｂには、ブラスト加工が施される。また、例えば、第１部分５２Ｂが研磨処理により平滑化されてもよい。

また、第１部分５２Ｂは、各第２部分５１Ｂとの接続部分５２３を有する。各接続部分５２３は、対応する第２部分５１Ｂと第１部分５２Ｂとの境界を形成する。当該境界では、伝熱面５０Ｂの表面粗さが変化する。つまり、当該境界で伝熱面５０Ｂの表面状態が変化する。したがって、当該表面状態が変化する部分である接続部分５２３は、「制限部」として機能する。また、第１部分５２Ｂ全体は各第２部分５１Ｂよりも平坦性が高いので、第１部分５２Ｂ全体が「制限部」として機能しているとも捉えられる。かかる第１部分５２Ｂの存在により、気泡Ｂが第１部分５２Ｂに向かう方向に成長すること制限される。

図１０では、複数の第２部分５１Ｂのうちの任意の１個の第２部分５１Ｂを「第２部分５１Ｂａ」とする。第２部分５１Ｂａの投影面積は、第１部分５２Ｂのうちの第２部分５１Ｂａを囲む部分５２０Ｂの投影面積よりも大きい。部分５２０Ｂは、図１０中のドットパターンが付される部分である。部分５２０Ｂの平面視での外縁の形状と、第２部分５１Ｂの平面視での外縁の形状とは、相似である。また、第２部分５１Ｂａの表面積は、部分５２０Ｂの表面積よりも大きい。また、第１実施形態と同様に、複数の第２部分５１Ｂの投影面積の合計は、第１部分５２Ｂの投影面積よりも大きい。また、第１実施形態と同様に、複数の第２部分５１Ｂの表面積の合計は、第１部分５２Ｂの表面積よりも大きい。

複数の第２部分５１の投影面積の合計が第１部分５２Ｂの投影面積よりも大きいことで、気泡Ｂは、隣接する気泡Ｂの影響により、伝熱面５０Ｂから上方に向かって成長し易く、かつ伝熱面５０Ｂから離脱し易くなる。よって、多くの気泡Ｂを伝熱面５０Ｂから効率良く離脱させることができる。その結果、単位時間あたりに離脱する気泡数を増加させることができる。

以上の第３実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

４．第４実施形態
以下、本発明の第４実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１１は、第４実施形態における伝熱部材５Ｃの断面図である。なお、以下の説明では、第４実施形態の伝熱部材５Ｃについて、第１実施形態の伝熱部材５との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

図１１に示す伝熱部材５Ｃは、板状の本体部５６と、本体部５６の上面に配置される撥液膜５７とを有する。本体部５６は、第１実施形態の伝熱部材５と同じ材料で形成される。撥液膜５７は、冷媒に界面活性剤が添加された熱輸送媒体Ｍ１に対する撥液性を有する。撥液膜５７は、例えば、本体部５６に撥液材を塗布することにより形成される塗膜である。

伝熱部材５Ｃは、伝熱面５０Ｃを有する。伝熱面５０Ｃは、複数の第２部分５１Ｃと、第１部分５２Ｃとを有する。以下、伝熱面５０Ｃについて、第１実施形態における伝熱面５０との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。また、複数の第２部分５１Ｃについて、第１実施形態における複数の第２部分５１との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。同様に、第１部分５２Ｃについて、第１実施形態における複数の第１部分５２との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

伝熱面５０Ｃは、撥液膜５７の上面と、本体部５６の上面のうちの撥液膜５７が存在しない複数の部分とで構成される。当該複数の部分のそれぞれは、第２部分５１Ｃである。また、撥液膜５７の上面は、第１部分５２Ｃである。したがって、第１部分５２Ｃは、各第２部分５１Ｃに比べて熱輸送媒体Ｍ１に対する撥液性に優れる。

また、第１部分５２Ｃは、各第２部分５１Ｃとの接続部分５２４を有する。本実施形態では、接続部分５２４は、「制限部」である。各接続部分５２４は、対応する第２部分５１Ｃと第１部分５２Ｃとの境界を形成する。当該境界で伝熱面５０Ｂの熱輸送媒体Ｍ１に対する撥液性が変化する。つまり、当該境界で伝熱面５０Ｂの表面状態が変化する。したがって、当該表面状態が変化する部分である接続部分５２４は、「制限部」として機能する。また、第１部分５２Ｃ全体は各第２部分５１Ｃよりも撥液性に優れるため、第１部分５２Ｃ全体が「制限部」として機能しているとも捉えられる。かかる第１部分５２Ｃの存在により、気泡Ｂが第１部分５２Ｃに向かう方向に成長することが制限される。

また、第１部分５２Ｃは、任意の１個の第２部分５１Ｃを囲む部分５２０Ｃを有する。部分５２０Ｃの形状は、第３実施形態における部分５２０Ｂと同様である。１個の第２部分５１Ｃの投影面積は、部分５２０Ｃの投影面積よりも大きい。また、当該１個の第２部分５１Ｃの表面積は、部分５２０Ｃの表面積よりも大きい。また、第１実施形態と同様に、複数の第２部分５１Ｃの投影面積の合計は、第１部分５２Ｃの投影面積よりも大きい。また、第１実施形態と同様に、複数の第２部分５１Ｃの表面積の合計は、第１部分５２Ｃの表面積よりも大きい。

複数の第２部分５１Ｃの投影面積の合計が第１部分５２Ｃの投影面積よりも大きいことで、気泡Ｂは、隣接する気泡Ｂの影響により、伝熱面５０Ｃから上方に向かって成長し易く、かつ伝熱面５０Ｃから離脱し易くなる。よって、多くの気泡Ｂを伝熱面５０Ｃから効率良く離脱させることができる。その結果、単位時間あたりに離脱する気泡数を増加させることができる。

以上の第４実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

５．第５実施形態
以下、本発明の第５実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図１２は、第５実施形態における伝熱部材５Ｈが有する伝熱面５０Ｈの斜視図である。なお、以下の説明では、第１実施形態の伝熱部材５との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。第５実施形態における伝熱部材５Ｈは、第１部分５２Ｈが第２部分５１から突出していることが、第１実施形態における伝熱部材５と異なる。

図１２に示すように、第１部分５２Ｈは、伝熱面５０Ｈに存在する凸部である。第１部分５２Ｈは、第２部分５１からＺ１方向に突出する。第１部分５２Ｈは、各第２部分５１の周囲に沿って配置され、伝熱面５０Ｈを複数の第２部分５１に区切る。第１部分５２Ｈは、平面視で各第２部分５１の外縁に沿って全周にわたり、途切れずに、連続的に繋がっている。また、本実施形態では、伝熱面５０の表面粗さは、一様である。また、複数の第２部分５１の投影面積の合計は、第１実施形態と同様に、第１部分５２の投影面積よりも大きい。

図１３は、図１２に示す伝熱部材５Ｈの断面図である。図１３に示すように、第１部分５２Ｈは、上面５２１Ｈと、複数の側面５２２Ｈとを有する。上面５２１Ｈは、Ｘ－Ｙ平面に沿った面である。上面５２１ＨのＺ１方向での位置は、各第２部分５１よりもＺ１方向に位置する。上面５２１Ｈは、平面視で各第２部分５１の外縁に沿って全周にわたり、連続的に繋がる面である。

各側面５２２Ｈは、Ｚ軸に沿った面である。複数の側面５２２Ｈは、複数の第２部分５１に１対１で対応する。各側面５２２Ｈは、平面視で、対応する第２部分５１を囲む。また、各側面５２２Ｈは、対応する第２部分５１と、上面５２１Ｈとを接続する。各側面５２２Ｈは、対応する第２部分５１と上面５２１Ｈとの間の段差面を構成する。各側面５２２Ｈは、第１実施形態における側面５２２と同様に、第２部分５１で発生する気泡Ｂが第１部分５２Ｈに向かう方向に成長することを制限する「制限部」として機能する。そのため、気泡ＢがＸ－Ｙ平面に沿って広がる方向に成長することが制限される。このように気泡Ｂの成長を制限することで、隣接する第２部分５１で発生する気泡Ｂ同士の合体が抑制される。

前述のように、第１部分５２Ｈは、途切れずに、連続的に繋がっている。各第２部分５１は、第１部分５２Ｈによって囲まれている。このため、各第２部分５１が第１部分５２Ｈによって囲まれていない場合に比べ、隣接する第２部分５１で発生する気泡Ｂ同士が合体することを効果的に抑制することができる。

図１４は、平坦面で構成される場合の伝熱面５０ｘに発生し、成長過程にある気泡Ｂを示す図である。図１４に示す伝熱部材５ｘが有する伝熱面５０ｘは、例えば平坦な面である。

図１５は、界面活性剤が添加されていない冷媒を用いた場合での図１４中の領域Ａを示す図である。図１６は、界面活性剤が添加されていない冷媒中で発生した気泡Ｂを底部(下方)からみた図である。なお、便宜上、ミクロ液膜Ｂ０にドットパターンを付す。図１５および図１６に示すように、伝熱面５０ｘ上に気泡Ｂが発生すると、気泡底部（気泡Ｂと伝熱面５０ｘとの間）に、ミクロ液膜Ｂ０が形成される。ミクロ液膜Ｂ０の厚さδは、一般的に、１μｍ以上１０μｍ以下である。また、気泡Ｂの成長に伴ってミクロ液膜Ｂ０は蒸発損耗し、伝熱面５０ｘ上にドライパッチと呼ばれる乾き部５８が形成され、時間経過とともに拡大していく。

ミクロ液膜Ｂ０は、薄い液膜の厚さδの両端に大きな温度差（伝熱面温度と飽和温度との差）がつくために、高い除熱性能を有する。一方で、乾き部５８では、伝熱面５０ｘ（固相）と気泡Ｂ（気相）間での熱伝達となるため、乾き部５８での伝熱は、ミクロ液膜Ｂ０の表面での伝熱よりも悪い。このように、ミクロ液膜Ｂ０が存在することで、存在しない場合に比べ、伝熱効率の促進を図ることができる。

図１７は、界面活性剤が添加された冷媒を用いた場合での図１４中の領域Ａを示す図である。図１８は、界面活性剤が添加された冷媒中で発生した気泡Ｂを底部からみた図である。図１７および図１８に示すように、熱輸送媒体Ｍ１が界面活性剤を含む場合、ミクロ液膜Ｂ０が減少または消失し、かつ、乾き部５８の割合が増大している。これは、界面活性剤の添加による表面張力の低下と、濡れ性が変化したことによると考えられる。よって、界面活性剤の添加により、気泡Ｂの１個あたりの冷却性能が低下するおそれがある。

図１９は、図１２に示す伝熱面５０Ｈで発生するミクロ液膜Ｂ０を説明するための図である。図１９に示すように、伝熱面５０Ｈが第１部分５２Ｈを有することで、気泡ＢがＸ－Ｙ平面に沿って広がる方向に成長することが制限される。その結果、気泡Ｂの底部にくびれが形成される。このため、冷媒に界面活性剤が添加されていても、気泡Ｂと伝熱面５０Ｈとの間にミクロ液膜Ｂ０が形成され、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失による気泡Ｂの１個あたりの冷却性能の低下を抑制することができる。

伝熱面５０Ｈが幅Ｗ１よりも小さい幅Ｗ２の第１部分５２Ｈを有することで、冷媒に界面活性剤が添加されていても、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を抑制することができる。したがって、界面活性剤の添加によって微細な気泡Ｂを多数発生させることができるとともに、気泡Ｂの１個あたりの冷却性能の低下を抑制することができる。このため、沸騰冷却器１００の冷却性能を特に効果的に向上させることができる。

また、各第２部分５１の幅Ｗ１は隣接する第１部分５２Ｈの幅Ｗ２よりも大きいが、さらに、図１３に示す例では、各第２部分５１の幅Ｗ１は、隣接する第１部分５２Ｈの幅Ｗ２の２倍以上である。この場合、幅Ｗ１が幅Ｗ２よりも小さい場合に比べ、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を効果的に抑制することができる。さらに、各幅Ｗ１は、幅Ｗ２に対して３倍以上３０倍以下であることが好ましく、幅Ｗ２に対して５倍以上２０倍以下であることがより好ましい。幅Ｗ１が前述の範囲内にあることで、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を効果的に抑制することができ、かつ、伝熱面５０Ｈでの複数の第２部分５１の配置密度を高めることができるので気泡Ｂをより多く発生させることができる。そのため、沸騰冷却器１００の冷却性能をより効果的に向上させることができる。

具体的には、第１部分５２Ｈの幅Ｗ２としては、特に限定されないが、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、ミクロ液膜Ｂ０の消失を特に効果的に抑制することができる。さらに、幅Ｗ２は、０．００１ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下であることがより好ましく、０．００１ｍｍ以上０．０１ｍｍ以下であることがさらに好ましい。幅Ｗ２がかかる範囲内であることで、界面活性剤および冷媒のそれぞれの種類の選択の幅が広がり、かつ、ミクロ液膜Ｂ０の消失の効果をより顕著に発揮することができる。

各第２部分５１の幅Ｗ１としては、特に限定されないが、第２部分５１で離脱する気泡Ｂの離脱直径Ｄｂａｓｅよりも小さいことが好ましい。これにより、各第２部分５１で発生した気泡Ｂが側面５２２による成長の制限を受け易く、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を抑制するという効果を顕著に発揮することができる。

具体的には、幅Ｗ１は、特に限定されないが、１０．０ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以上４．０ｍｍ以下であることがより好ましく、０．１ｍｍ以上１．０ｍｍ以下であることがさらに好ましい。幅Ｗ１がかかる範囲内であることで、界面活性剤および冷媒のそれぞれの種類の選択の幅が広がり、かつ、微細な気泡Ｂを多数発生させることができる。

また、図１３に示すように、第２部分５１の幅Ｗ１は、隣接する第１部分５２Ｈの高さＴ２よりも大きい。そのため、冷媒に界面活性剤が添加されていても、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を抑制することができる。したがって、界面活性剤の添加によって微細な気泡Ｂを多数発生させることができるとともに、気泡Ｂの１個あたりの冷却性能の低下を抑制することができる。このため、沸騰冷却器１００の冷却性能を特に効果的に向上させることができる。

また、図１３に示す例では、各第２部分５１の幅Ｗ１は、隣接する第１部分５２Ｈの高さＴ２の２倍以上である。この場合、幅Ｗ１が高さＴ２よりも小さい場合に比べ、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を効果的に抑制することができる。さらに、各幅Ｗ１は、高さＴ２の３倍以上３０倍以下であることが好ましく、高さＴ２の５倍以上２０倍以下であることより好ましい。幅Ｗ１が前述の範囲内にあることで、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を効果的に抑制することができ、かつ、伝熱面５０Ｈでの複数の第２部分５１の配置密度を高めることができるので気泡Ｂをより多く発生させることができる。そのため、沸騰冷却器１００の冷却性能をより効果的に向上させることができる。

図１３に示す例では、第１部分５２Ｈの幅Ｗ２は、同一部位における第１部分５２Ｈの高さＴ２以下であることが好ましい。この場合、界面活性剤および冷媒のそれぞれの種類の選択の幅を広げることができ、かつ、ミクロ液膜Ｂ０の消失を効果的に抑制することができる。また、高さＴ２は、幅Ｗ２の１．１倍以上３．０倍以下であることが好ましく、幅Ｗ２の１．２倍以上２．０倍以下であることがより好ましい。前述の範囲を満足することで、ミクロ液膜Ｂ０の減少または消失を効果的に抑制することができる。特に、冷却性能の向上を最も高めるためには、幅Ｗ１と幅Ｗ２と高さＴ２との関係が、Ｗ２≦Ｔ２＜Ｗ１を満足することが好ましい。

具体的には、第１部分５２Ｈの高さＴ２としては、特に限定されないが、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、ミクロ液膜Ｂ０の消失を特に効果的に抑制することができる。さらに、高さＴ２は、０．００１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であることがより好ましく、０．００１ｍｍ以上０．０２ｍｍ以下であることがさらに好ましい。高さＴ２がかかる範囲内であることで、界面活性剤および冷媒のそれぞれの種類の選択の幅が広がり、かつ、ミクロ液膜Ｂ０の消失の効果をより顕著に発揮することができる。

なお、幅Ｗ２は、高さＴ２を超えてもよい。また、本実施形態では、第１部分５２Ｈの幅Ｗ２は一定であるが、一定でなくてもよい。同様に、第１部分５２Ｈの高さＴ２は一定であるが、一定でなくてもよい。第１部分５２Ｈ内で、幅Ｗ２および高さＴ２が一定でない場合は、第１部分５２Ｈ全体において、幅Ｗ２が高さＴ２よりも小さい領域の方が、幅Ｗ２が高さＴ２よりも大きい領域よりも多くの割合を占めることが望ましい。また、各側面５２２Ｈは、段差面を構成していればよく、Ｚ軸に対して傾いていてもよい。各第２部分５１および上面５２１Ｈのそれぞれは、Ｘ－Ｙ平面に対して傾いていてもよい。また、各第２部分５１、上面５２１Ｈおよび各側面５２２Ｈは、平坦面でなくてもよく、湾曲していてもよい。

以上の第５実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

６．第６実施形態
以下、本発明の第６実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が第１実施形態と同様である要素については、第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。

図２０は、第６実施形態における伝熱部材５Ｆの平面図である。図２１は、図２０に示す伝熱面５０Ｆの斜視図である。図２２は、図２０に示す第２部分５１Ｆを説明するための図である。なお、以下の説明では、第６実施形態の伝熱部材５Ｆについて、第１実施形態の伝熱部材５との相違点を説明し、同じ事項の説明は適宜省略する。

図２０に示す伝熱部材５Ｆの伝熱面５０Ｆは、複数の第１部分５２Ｆと、複数の第２部分５１Ｆと、複数の流路部５３と、を有する。複数の第１部分５２Ｆは、連続的に繋がっておらず、互いに離間する。複数の第２部分５１Ｆは、複数の第１部分５２Ｆによって断続的に区切られている。

図２１に示すように、各第１部分５２Ｆは、伝熱面５０Ｆに形成される凸部である。各第１部分５２Ｆは、各第２部分５１Ｆに対して突出する。各第１部分５２Ｆは、上面５２１Ｆと、側面５２２Ｆとを有する。図示の例では、上面５２１Ｆの形状は、四角形である。上面５２１Ｆは、Ｘ－Ｙ平面に沿った面である。上面５２１ＦのＺ１方向での位置は、各第２部分５１のＺ１方向での位置と異なり、各第２部分５１ＦよりもＺ１方向に位置する。図示の例では、側面５２２Ｆは、４個の面で構成される。４個の面のそれぞれは、上面５２１Ｆと第１部分５２Ｆとに接続される。４個の面のそれぞれは、上面５２１Ｆと第２部分５１Ｆとの間の段差面である。

図２２に示すように、１個の第２部分５１Ｆに対して、６個の第１部分５２Ｆが配置される。図２２では、複数の第２部分５１Ｆのうちの任意の１個の第２部分５１Ｆを「第２部分５１Ｆａ」とする。また、複数の第１部分５２Ｆのうち第２部分５１Ｆａを囲む６個の第１部分５２Ｆのそれぞれを「第１部分５２Ｆａ」とする。６個の第１部分５２Ｆａは、第２部分５１Ｆａの周囲に沿って例えば等間隔で並ぶ。第１部分５２Ｆａは、６個の第１部分５２Ｆａの並ぶ方向に沿って形成される閉じられた領域である。

本実施形態では、各第１部分５２Ｆは、図２２中の破線で示される六角形である。各第１部分５２Ｆは、６個の第１部分５２Ｆの内側に位置する。また、図２２の例では、六角形の第１部分５２Ｆの角に、流路部５３が存在する。複数の第１部分５２Ｆは互いに離間していることで、複数の第１部分５２Ｆ同士の間には、流路部５３が存在する。流路部５３は、直線Ｌ１を避ける位置に存在する。直線Ｌ１は、隣り合う２個の第１部分５２Ｆの中心Ｏ１同士を結ぶ線である。流路部５３が存在することで、過熱された熱輸送媒体Ｍ１が複数の第２部分５１Ｆに供給され易くなる。一方、第１部分５２Ｆは、直線Ｌ１上に存在する。そのため、第１部分５２Ｆが直線Ｌ１上に存在しない場合に比べ、隣接する気泡Ｂ同士の合体を効果的に抑制することができる。

また、第２部分５１Ｆａの投影面積は、６個の第１部分５２Ｆａの投影面積の合計よりも大きい。また、複数の第２部分５１Ｆの投影面積の合計は、複数の第１部分５２Ｆの投影面積の合計よりも大きい。また、全ての第２部分５１Ｆの表面積の合計は、全ての第１部分５２の表面積の合計よりも大きい。

複数の第２部分５１Ｆの投影面積の合計が複数の第１部分５２Ｆの投影面積の合計よりも大きいことで、気泡Ｂは、隣接する気泡Ｂの影響により、伝熱面５０Ｃから上方に向かって成長し易く、かつ伝熱面５０Ｃから離脱し易くなる。

なお、図示の例では、１個の第２部分５１Ｆａに対応する第１部分５２Ｆａの数は、６であるが、当該数は、１以上であればよい。そのため、当該数は、１～５、または７以上であってもよい。

以上の第６実施形態によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

第６実施形態における各第１部分５２Ｆは、各第２部分５１Ｆに対して吐出している凸部であるが、各第１部分５２Ｆは、各第２部分５１Ｆとほぼ同一平面上に位置していてもよい。その場合、例えば、各第１部分５２Ｆの表面粗さは、各第２部分５１Ｆの表面粗さよりも小さいことが好ましい。これにより、第３実施形態と同様に、隣接する気泡Ｂ同士の合体を効果的に抑制することができる。また、例えば、各第１部分５２Ｆは、界面活性剤で添加された冷媒に対する撥液性を有することが好ましい。これにより、第４実施形態と同様に、隣接する気泡Ｂ同士の合体を効果的に抑制することができる。以上の各構成によっても、前述の第１実施形態と同様に、冷却性能の向上を図ることができる。

７．変形例
以上に例示した各形態は多様に変形され得る。前述の各形態に適用され得る具体的な変形の態様を以下に例示する。以下の例示から任意に選択された２以上の態様は、相互に矛盾しない範囲で適宜に併合され得る。以下の第１実施形態の各変形の態様は、第２～６実施形態のそれぞれに適用可能である。

前述の第１実施形態では、各第２部分５１の平面視での形状は、六角形であるが、当該形状は六角形に限定されない。各第２部分５１の平面視での形状は、六角形以外の多角形であってもよいし、円形等であってもよい。また、各第２部分５１の平面視での形状は、互いに同一であるが、互いに異なっていてもよい。ただし、当該各形状が、互いに同一であることで、異なる場合に比べ、複数の第２部分５１の配置効率を高めることができる。また、前述の第１実施形態では、複数の第２部分５１の配置は、行列状であるが、当該配置は行列状に限定されない。例えば、複数の第２部分５１の配置は、千鳥状であってもよい。

例えば、図２３に示す例が挙げられる。図２３は、変形例における伝熱面５０Ｄの平面図である。図２３に示す伝熱面５０Ｄは、複数の第２部分５１Ｄと、第１部分５２Ｄとを有する。各第２部分５１Ｄの平面視での形状は円形である。複数の第２部分５１Ｄは、千鳥状に配置される。各第２部分５１Ｄの平面視での形状が円形である場合、千鳥状であることで、行列状である場合に比べ、複数の第２部分５１Ｄの配置効率を向上させることができる。

例えば、図２４に示す例が挙げられる。図２４は、変形例における伝熱面５０Ｇの平面図である。図２４に示す伝熱面５０Ｇは、複数の第２部分５１Ｇａおよび複数の第２部分５１Ｇｂと、第１部分５２Ｇとを有する。各第２部分５１Ｇａの平面視での形状は五角形である。各第２部分５１Ｇｂの平面視での形状は六角形である。このように、互いに形状の異なる第２部分５１Ｇａおよび第２部分５１Ｇｂが存在していてもよい。

また、前述した各実施形態の任意の構成同士が組み合わされてもよい。例えば、第１実施形態における第１部分５２が、撥液性を有してもよい。また、第２実施形態における第１部分５２Ｂが、撥液性を有してもよい。また、第３実施形態における第１部分５２Ｃが、撥液性を有してもよい。また、第４実施形態における撥液膜５７の上面の表面粗さが、第２部分５１Ｄの表面粗さよりも小さくてもよい。また、第５実施形態における第１部分５２Ｈが、撥液性を有してもよい。第５実施形態における第１部分５２Ｈの表面粗さが、第２部分５１の表面の粗さよりも小さくてもよい。また、第６実施形態における第１部分５２Ｆが、撥液性を有してもよい。第６実施形態における第１部分５２Ｆの表面粗さが、第２部分５１Ｆの表面の粗さよりも小さくてもよい。

８．参考例
図２５は、参考例における伝熱面５０Ｅの平面図である。伝熱面５０Ｅは、複数の第２部分５１Ｅと、複数の第１部分５２Ｅとを有する。図２５では、説明の便宜上、複数の第２部分５１Ｅがグレースケールで示される。複数の第２部分５１Ｅおよび複数の第１部分５２Ｅのそれぞれの平面視での形状は、四角形である。複数の第２部分５１Ｅは、千鳥状に配置される。同様に、複数の第１部分５２Ｅは、複数の第２部分５１Ｅの間を埋めるように、千鳥状に配置される。このような複数の第１部分５２Ｅによって、伝熱面５０Ｅは、複数の第２部分５１Ｅに区分けされてもよい。

また、前述した図３で示す例では、第１部分５２の幅Ｗ２は、第２部分５１の幅Ｗ１と等しいが、幅Ｗ２は、幅Ｗ１より大きくてもよい。

図２６は、図２５中のＢ－Ｂ線断面図である。複数の第１部分５２Ｅは、底面５２５１と、側面５２５２と、を有する。側面５２５２は、「制限部」として機能する。例えば、複数の第２部分５１Ｅおよび複数の底面５２５１のそれぞれから、気泡Ｂが発生する。

以上、本発明の沸騰伝熱器について図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これらに限定されるものではない。また、本発明の各部の構成は、前述した実施形態の同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。

１…蒸発部、２…凝縮部、３…蒸気通路、４…液体通路、５…伝熱部材、９…発熱体、１
０…容器、２０…ケース、２１…冷却部材、５０…伝熱面、５１…第２部分、５２…第１
部分、５６…本体部、５７…撥液膜、５９…取付面、１００…沸騰冷却器、５２１…底面
、５２１Ａ…底面、５２２…側面、５２２Ａ…側面、５２３…接続部分、５２４…接続部
分、５２５…部分、Ｂ…気泡、Ｍ１…熱輸送媒体。

Claims

界面活性剤が添加された冷媒と、
発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱面は、第１部分と、前記第１部分によって囲われた複数の第２部分とを、有し、
前記伝熱面において、前記複数の第２部分の投影面積の合計は、前記第１部分の投影面積よりも大きく、
前記第２部分の幅は、前記第２部分で離脱する気泡の離脱直径Ｄｂａｓｅよりも小さいことを特徴とする沸騰冷却器。
界面活性剤が添加された冷媒と、
発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱面は、第１部分と、前記第１部分によって囲われた複数の第２部分とを、有し、
前記伝熱面において、前記複数の第２部分の投影面積の合計は、前記第１部分の投影面積よりも大きく、
前記第１部分は、前記伝熱面に存在する凸部である、
ことを特徴とする沸騰冷却器。
前記複数の第２部分の表面積の合計は、前記第１部分の表面積よりも大きい請求項１または２に記載の沸騰冷却器。
前記第１部分の表面粗さは、前記複数の第２部分のそれぞれの表面粗さよりも小さい請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
前記第１部分は、前記界面活性剤で添加された前記冷媒に対する撥液性を有する請求項１から４のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
界面活性剤が添加された冷媒と、
発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱面は、複数の第１部分と、前記複数の第１部分によって断続的に区切られた複数の第２部分とを、有し、
前記伝熱面において、前記複数の第２部分の投影面積の合計は、前記複数の第１部分の投影面積の合計よりも大きく、
前記第２部分の幅は、前記第２部分で離脱する気泡の離脱直径Ｄｂａｓｅよりも小さいことを特徴とする沸騰冷却器。
界面活性剤が添加された冷媒と、
発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱面は、複数の第１部分と、前記複数の第１部分によって断続的に区切られた複数の第２部分とを、有し、
前記伝熱面において、前記複数の第２部分の投影面積の合計は、前記複数の第１部分の投影面積の合計よりも大きく、
前記第１部分は、前記伝熱面に存在する凸部である、
ことを特徴とする沸騰冷却器。
前記複数の第１部分のそれぞれの表面粗さは、前記複数の第２部分のそれぞれの表面粗
さよりも小さい請求項６または７に記載の沸騰冷却器。
前記複数の第１部分のそれぞれは、前記界面活性剤で添加された前記冷媒に対する撥液
性を有する請求項８に記載の沸騰冷却器。
前記複数の第２部分は、規則的に配置される請求項１から９のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。
界面活性剤が添加された冷媒と、
発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱面は、少なくとも１つの第１部分と、複数の第２部分とを有し、
前記第１部分は、前記複数の第２部分の周囲に沿って配置され、前記複数の第２部分のそれぞれよりも突出しており、
前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、隣接する前記第１部分の幅よりも大きいことを特徴とする沸騰冷却器。
前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、隣接する前記第１部分の幅の２倍以上であることを特徴とする請求項１１に記載の沸騰冷却器。
界面活性剤が添加された冷媒と、
発熱体の熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する伝熱部材と、を備え、
前記伝熱面は、少なくとも１つの第１部分と、複数の第２部分とを有し、
前記第１部分は、前記複数の第２部分の周囲に沿って配置され、前記複数の第２部分のそれぞれよりも突出しており、
前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、隣接する前記第１部分の高さよりも大きいことを特徴とする沸騰冷却器。
前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、隣接する前記第１部分の高さの２倍以上であることを特徴とする請求項１３に記載の沸騰冷却器。
前記第１部分の幅は、同一部位における前記第１部分の高さ以下である請求項１１から１４のいずれかに記載の沸騰冷却器。
前記複数の第２部分のそれぞれの幅は、１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１１から１５のいずれかに記載の沸騰冷却器。
前記第１部分は、連続して形成されており、
前記複数の第２部分のそれぞれは、前記第１部分によって囲まれる請求項１１から１６のいずれかに記載の沸騰冷却器。
前記第１部分は、互いに離間して複数配置される請求項１１から１６のいずれかに記載の沸騰冷却器。
前記複数の第２部分は、規則的に配置される請求項１１から１８のいずれか１項に記載の沸騰冷却器。