JP7461777B2

JP7461777B2 - 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

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Publication number: JP7461777B2
Application number: JP2020062115A
Authority: JP
Inventors: 里花野北; 誠司野口; 真樹田中; 敦志三谷; ▲徳▼幸海野; 和久結城; 理沙子木伏
Original assignee: Ube Material Industries Ltd
Current assignee: Ube Material Industries Ltd
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2024-04-04
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP2021162195A

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。

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。

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)

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

限界熱流束を説明するための図である。本発明の沸騰冷却装置の一例を示す模式図である。本発明の沸騰冷却装置の他の例を示す模式図である。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。伝熱面からの距離と温度との関係を示すグラフである。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。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。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。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。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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

［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。

［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。

［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。

［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。

［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。

[比較例５]
酸化アルミニウム分散液（ＣＩＫナノテック（株）製ＡＬＷ１０ｗｔ％、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）

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）

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims

冷媒と、前記冷媒中に０．００１重量％以上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。
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。
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。
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。