WO2007102498A1 - 沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品 - Google Patents

沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品 Download PDF

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WO2007102498A1
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cooling
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tubular
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Koichi Suzuki
Yosuke Goto
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Tokyo University Of Science Educational Foundation Administrative Organization
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Definitions

  • Boiling cooling method Boiling cooling method, boil cooling apparatus, flow path structure and application product thereof
  • the present invention relates to a boiling cooling method, a boiling cooling device for carrying out the boiling cooling method, a flow path structure used in the boiling cooling device, and an applied product to which these are applied.
  • Boiling cooling is called “boiling cooling", and various types of boiling cooling devices have conventionally been proposed.
  • the boiling phenomenon generally takes the following course.
  • the “heat transfer surface” is the “surface in contact with the above liquid” of the heating block, and the temperature is the “heat transfer surface temperature”.
  • the heat transfer surface temperature rises to a certain extent, “small bubbles (primary bubbles) with a size of about lmm or less” are generated on the heat transfer surface of the heating block.
  • This state is “a state where the liquid layer portion in contact with the heat transfer surface, which is the surface of the heating block, reaches the saturation temperature and boiling occurs in the heat transfer surface portion”.
  • Heat flux is a physical quantity that represents the effect of cooling by boiling of a liquid.
  • the heat flux is "the amount of heat transferred to the liquid per unit time through the unit area of the surface (the above-mentioned” heat transfer surface ") in contact with the liquid in the heating block. It is expressed in the unit of WZcm 2 or WZm 2, and the larger the heat flux, the larger the heat removal and the larger the cooling effect.
  • the “rate of increase in heat flux” increases, and when heating of the heating block is further continued, the amount of primary bubbles generated on the heat transfer surface is also increased.
  • the surface of the heating block becomes covered with “large bubbles” although it grows, separates from the heat transfer surface, and unites and grows together.
  • the critical heat flux is expressed by the heat flux (WZcm 2 or WZm 2 ) transferred per unit time.
  • the critical heat flux is called "Critical Heat Flux” in English, and its initial acronym “CH Fj is widely used in the field of boiling heat transfer!
  • the heat transfer surface When the heating block is heated even after the heat flux reaches the critical heat flux, the heat transfer surface begins to dry at the contact portion between the large air bubble and the heat transfer surface, and the heat flux increases with the rapid increase of the heat transfer surface temperature. The cooling effect is reduced rapidly. As heating continues further, the part covered with large air bubbles The heat transfer surface is completely dried, and this part becomes "thin and covered with a vapor film".
  • the heat energy of the heating block is transferred to the liquid as radiant heat, and the heat flux turns to increase again, but the heat transfer surface temperature becomes high because the heat transfer surface is not in contact with the liquid. If the temperature exceeds the melting point of the heating block, the heat transfer surface "burns out” (also called burnout).
  • the boiling form until the heat flux reaches the critical heat flux from the state where micro bubbles start to be generated on the heat transfer surface of the heating block is called “nucleate boiling", and the heat flux decreases from the critical heat flux state.
  • the boiling mode until the heat flux turns to increase again is “transition boiling”, and after the heat flux change turns to increase again when the heat transfer surface is covered with a thin vapor film and dried, the boiling mode is after Each is called “film boiling”.
  • Non-Patent Document 1 When boiling cooling is performed while circulating the cooling fluid along the surface to be cooled (heat transfer surface) of the object to be cooled, the cooling fluid is subcooled in advance to a temperature lower than the saturation temperature to be cooled. When it is supplied to the core, the boiling point is maintained to a fairly high temperature range without causing “transition to transition boiling” in the range of the flow path from the end of the cooled surface where cooling starts to a certain extent. It has been reported that it can realize (Non-Patent Document 1).
  • bubble collapse / one liquid feed / one boiling start / one bubble growth / limit heat flux / one bubble collapse It can be repeated in a short time (e.g., 20 to 90 times per second), and as a result, heat can be removed with a high heat flux exceeding the normal critical heat flux.
  • FIG. 1 (A) is a conceptual diagram comparing the boiling curve including bubble refining boiling and the heat removal limit for the boiling cooling described above.
  • the horizontal axis represents the degree of superheat of the surface to be cooled (heat transfer surface) (difference between the saturated temperature of the coolant and the heat transfer surface temperature), and the vertical axis represents the heat flux.
  • the degree of superheat of the surface to be cooled temperature of the surface to be cooled
  • the heat of the surface to be cooled is consumed initially to raise the temperature of the coolant in the "No Boiling Region (Nob)”.
  • (Nb) ′ ′ the boiling point of the coolant rapidly increases the heat flux and reaches the critical heat flux (CHF, point C).
  • the critical heat flux is exceeded by performing “bubble refinement boiling (MEB)” after the critical heat flux by “breaking the grown united bubbles into fine bubbles” using the subcool liquid.
  • the heat flux can be further increased.
  • the coalesced bubble that has grown largely at the critical heat flux (CHF) condenses and collapses into fine bubbles in the transition boiling region, and the heat flux increases beyond the CHF.
  • CHF critical heat flux
  • FIG. 1 (B) (a) shows a state in which coalesced bubbles LB grown largely by coalescence adhere to the heat transfer surface HSF
  • FIG. 1 (B) (b) shows the flow of subcool liquid SL
  • the figure shows that the coalesced bubble LB collapsed into a group of fine bubbles SB.
  • cooling utilizing bubble refining boiling is referred to as "bubble refining boiling cooling”.
  • FIG. 2 is a diagram showing the contents of FIG. 1 (A) easily and in detail.
  • the elongated horizontal ones represent the surface to be cooled, and the lower circular ones represent the heating source, so that the image can be easily grasped. Show the s schematically.
  • the symbol S1 represents the conventional safety margin indicated by the difference between the normal heat removal limit HF1 and the critical heat flux CHF
  • the S2 represents the difference between the heat removal limit HF2 of the bubble refining boiling and the critical heat flux CHF.
  • the bubble refinement boiling safety margin indicated by, MHF indicates the maximum zj of heat flux after reaching the critical heat flux
  • Ke indicates Kutateladze's equation, respectively.
  • a cooling device uses a nozzle to quickly eliminate boiling bubbles to achieve high cooling efficiency (eg, Patent Document 2).
  • Patent Document 2 discloses a cooling device mainly for "cooling a semiconductor device", which uses two types of nozzles and directs low-temperature refrigerant liquid from a first nozzle to a heating element.
  • the gas is jetted to generate boiling bubbles by the heat of the heating element to form “gas-liquid two-phase high temperature refrigerant liquid”, and the same low temperature refrigerant liquid is injected from the second nozzle toward the high temperature refrigerant liquid for quenching. It cools by condensing and eliminating boiling bubbles.
  • a sub flow path is formed via the partition wall, and the refrigerant is also communicated to the sub flow path.
  • the refrigerant is replenished from the side of the sub-flow channel through this to lower the temperature of the refrigerant that has risen in temperature to condense and collapse "the bubbles that are in the process of growing" and "divide bubbles" to obtain high heat flux.
  • bubble refining boiling cooling refers to combined air that covers the surface to be cooled and contacts the surface to be cooled. It is characterized in that bubbles are condensed and collapsed with subcool liquid, but the cooling method described in Patent Document 3 has left the surface to be cooled! The weir collapses the non-contact coalesced bubbles on the surface to be cooled, which is different from the "bubble refining boiling” where the boiling cooling effect disappears.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-54654
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-136305
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2005-79337
  • Patent Document 4 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-329406
  • Non-Patent Document 1 "Subcooled Flow Boiling with Bubble Refinement” (The 41st Nippon Heat Transfer Symposium (Jun. 2004) Vol. 1, pp. 19-20)
  • Another object of the present invention is to reduce the decrease in the cooling effect associated with the temperature rise of the coolant downstream of the coolant flow in the bubble refining boiling cooling.
  • the present inventors diligently study to solve the above problems, and observe noise and vibration states. Vibration or pressure surge periodically and immediately after the collapse of the coalesced air bubbles, and when the whole air bubble collapses at one time, it generates high air pressure and causes noise 'vibration. As a result of repeated experiments, it was confirmed that providing a group of rigid needles on the inner wall of the tubular flow channel can reduce the air pressure generated without collapsing the combined gas bubbles at once, and create the present invention. It reached.
  • a small recess in the contact part with the cavity ⁇ A recess is formed to increase the surface area of the air bubble, ie, the contact area with the coolant is increased to create a larger state of collapse possibility, and then the recess or recess As the collapse start point, collapse of coalesced air bubbles starts at the depression and recess of the rigid needle cooled to almost the coolant temperature, and the collapse of the parts not in contact with the rigid needle is chained, and each rigid needle is air bubble It is speculated that it has the same function as the disintegration and separation means, and causes disintegration of the coalesced bubble to be divided not once but as a result, it reduces the generated air pressure.
  • the instantaneous pressure generated at the time of the bubble collapse is smaller, because the bubble cluster is broken into small bubble clusters and collapsed at once rather than the bubble clusters without needle clusters collapse at one time.
  • the present invention is not limited to a group of rigid needles, but the wettability to "liquid (here, subcool liquid)" which can enter into a coalesced bubble to form a liquid film. It is considered to be sufficient if it is a "convex member having". Therefore, the needle of the hard needle group is one form of the convex member. That is, according to the boiling cooling method of the present invention, the surface of the object to be cooled or the surface of the heat transfer member in close contact with the surface is a surface to be cooled, and the surface to be cooled is provided in the tubular flow channel.
  • Subcooled coolant is caused to flow along the flow path, and bubbles generated by boiling of the coolant on the heated surface to be grown grow to a critical heat flux and are formed in contact on the surface to be cooled
  • the present invention is a boiling cooling method for condensing and collapsing the combined air bubbles with a cooling liquid to achieve high heat flux heat removal, comprising at least one of a small diameter hard needle group fixedly provided in the tubular flow channel. The pressure generated at the time of the collapse of the combined bubble is reduced by bringing the part into the combined bubble.
  • “at least a part of the group of rigid needles” does not include only one needle in the group of rigid needles, and means only a plurality of needles (same below).
  • the surface of the object to be cooled or the surface of the heat transfer member in close contact with the surface is a surface to be cooled, and the surface to be cooled is provided in the tubular flow path.
  • Subcooled coolant is caused to flow along the flow path, and bubbles generated by boiling of the coolant on the heated surface to be grown grow to a critical heat flux so as to be in contact with the surface to be cooled.
  • the present invention is a boiling cooling method for condensing and collapsing the combined air bubbles with a cooling liquid to achieve high heat flux heat removal, wherein at least a part of the plurality of convex members fixedly provided in the tubular flow path are removed.
  • At least a part of a convex member does not include a part of only one of a plurality of convex members, and means a plurality of a part of a plurality of (a whole) to the last (below) ,the same).
  • the surface of the object to be cooled or the surface of the heat transfer member in close contact with the surface is a surface to be cooled, and the subcooled cooling fluid is circulated and the surface to be cooled is provided.
  • the subcooled coolant which has a tubular flow path and is circulated, causes bubbles generated by boiling on the heated surface to be grown to grow to a critical heat flux, and is brought into contact with the surface to be cooled.
  • the surface of the object to be cooled or the surface of the heat transfer member in close contact with the surface is a surface to be cooled, and the subcooled cooling fluid is circulated and the surface to be cooled is provided.
  • the subcooled coolant which has a tubular flow path and is circulated, causes bubbles generated by boiling on the heated surface to be grown to grow to a critical heat flux, and is brought into contact with the surface to be cooled.
  • a boiling cooling device for condensing and collapsing the formed combined bubbles with the cooling fluid to remove heat with high heat flux, wherein at least a part of the tubular flow path is fixedly provided in the tubular flow path. Is a flow path structure having a plurality of convex members which enter into the combined air bubbles.
  • the surface to be cooled and the inner wall of the tubular flow channel opposite thereto are parallel to each other. It is preferable to use a flow path structure in which the group of rigid needles are fixed to an inner wall facing the surface to be cooled and protruded toward the surface to be cooled.
  • a flow path structure in which the group of rigid needles are provided in at least one row in the flow direction of the tubular flow path.
  • the boiling cooling method and the boiling cooling apparatus of the present invention it is preferable to use a flow path structure in which the length of the surface to be cooled in the flow direction of the cooling fluid is 1 to 5 cm. .
  • the lower limit of the average flow velocity of the cooling fluid flowing in the tubular flow channel is preferably 0.2 mZ seconds, and the upper limit is 1. OmZ seconds. It is preferable that
  • the subcooling degree at 1 atmospheric pressure is 20 K or more, preferably 30 to 40 K.
  • the cooling liquid is water or alcohol, or a mixed liquid of water and alcohol, or a fluorine-based inert liquid.
  • the cooling fluid is preferably an antifreeze fluid.
  • the amount of air in the tubular flow channel is 0 to 20%. It is preferable to adjust and distribute the coolant as U ,.
  • a partition wall is separated from the tubular flow path through which the cooling fluid is circulated to form a tubular sub-flow path Using a plurality of tubular supply parts for supplying the cooling fluid from the sub-flow path into the tubular flow path through the partition wall, and the tubular flow path and the sub-flow path of the flow path structure.
  • the cooling fluid is supplied to and circulated through the flow passage, and the cooling fluid is supplied from the side of the sub-flow passage into the tubular flow passage and is cooled together with the cooling fluid of the tubular flow passage which is the main flow passage. It can also be done.
  • the boil cooling apparatus may include a coolant supply / circulation means for supplying and circulating the coolant to the tubular flow channel.
  • the cooling surface is at least a part of the inner wall of the tubular flow channel.
  • the cooling liquid supply / flowing means has a cooling liquid container for storing the cooling liquid.
  • the cooling fluid be stored in the cooling fluid container.
  • the coolant supply / circulation means has a convection type heat dissipation means, and the heat dissipation means is circulated through the flow path structure to cool the surface to be cooled. It is preferable to perform cooling of the coolant that has contributed to the reduction.
  • the convection type heat dissipation means is preferably an air cooling type radiator.
  • the arrangement of the rigid needle group of the flow path structure is regular and lattice-like.
  • the surface to be cooled and the tube wall opposed thereto are parallel to each other, and the hard needle group projects the tube wall force opposite to the surface to be cooled. It is preferable to use a flow path structure in which the tip end portions are formed close to the surface to be cooled with an interval of 0.5 mm or less.
  • the cross-sectional shape of the tubular flow channel is substantially rectangular. It is preferable to use a flow path structure.
  • the boiling cooling device of the present invention it is preferable to use a flow path structure in which the cross-sectional shape of the tubular flow path is circular or elliptical, or semicircular or semielliptical.
  • the boiling cooling apparatus of the present invention it is preferable to use a flow path structure in which the material constituting at least the surface of the heat transfer member in contact with the object to be cooled or the object to be cooled is superhydrophilic.
  • the partition is separated from the tubular flow channel through which the cooling fluid is circulated to form a tubular sub flow channel, and from the sub flow channel, it passes through the partition into the tubular flow channel. It is preferable to use a flow path structure having a plurality of supply units for supplying a coolant.
  • the surface of the object to be cooled or the surface of the heat transfer member in close contact with the surface is the surface to be cooled, and the surface to be cooled
  • cooling fluid subcooled along the tubular flow path, and bubbles generated by boiling the cooling fluid on the heated surface to be grown are grown to a critical heat flux, and the cooling surface is cooled.
  • the flow path structure in the present invention refers to a structure in which a small diameter hard needle group is provided in a tubular flow path which constitutes a part of a boiling cooling device and which circulates a subcooled cooling fluid.
  • the "tubular channel” includes two types of force, which are channels through which the subcooled coolant flows.
  • the first type is a single-layered structure consisting of a tubular body provided with a surface to be cooled and a group of rigid needles on the inner wall.
  • the second type is a double structure comprising a tubular body 50 and a columnar body 51 fixedly installed along the central axis inside the tubular body 50.
  • a surface to be cooled is provided on one of the inner wall portion 50A and the columnar body surface 51A, and a group of rigid needles is provided on the other. Therefore, the “inner wall portion of the tubular flow channel” in the present invention also means the surface portion of the columnar body which is not only the inner wall portion of the tubular body.
  • the second type is used in the case of boiling cooling through a cooling pipe into a heat spreader, such as a high heat density power IC, but the normal cooling device is a tubular flow of the first type. Since a channel is used, the following description will focus on the first type of tubular channel.
  • the “object to be cooled” is to be cooled.
  • the heat transfer member in close contact with the surface of the object to be cooled is, for example, a heat conductive “like a metal plate closely attached to the heat generating element of the object to be cooled” such as a heat spreader. It is a member etc. which has the function to spread "flow”.
  • Coupled surface is the surface of the object to be cooled itself or the surface of a heat transfer member, also referred to as a heat transfer surface.
  • the surface to be cooled may be a smooth surface, but for example, if it is an irregular surface such as a ring, spiral, narrow groove or rough surface, the area of the surface to be cooled is increased and it is preferable to obtain high heat flux. Yes.
  • the object to be cooled is a part of the structure of the channel structure.
  • the heat transfer member forms a part of the structure of the flow path structure”.
  • Subcool means that the temperature of the cooling fluid is “a temperature lower than the saturation temperature at which the cooling fluid boils at the contact portion with the surface to be cooled”.
  • the temperature difference between the temperature at which boiling occurs in the tubular channel and the subcooled coolant is referred to as “subcool degree” and is expressed as "K”, and the subcooled coolant is referred to as "subcool liquid”.
  • the "subcool degree” in the present invention is not particularly limited, but in consideration of the heat radiation of the cooling fluid after cooling the cooled surface by stable bubble fine boiling and cooling by the radiator, etc., it is in the tubular channel “The subcool degree at the upstream end of the surface to be cooled” is suitably 20 ⁇ or more, more preferably in the range of 30 ⁇ to 60 ⁇ ⁇ ⁇ , and further preferably in the range of 40 to 50 ⁇ . preferable.
  • the “subcool degree range” is applicable not only to the case where water is used as the cooling liquid, but also to the case of a mixed liquid of water and alcohol as described later.
  • the "stiff needle group" used in the present invention is composed of a plurality of hard needles fixedly provided on the inner wall of the tubular flow channel, and serves as a bubble collapsing / dividing means to reduce the air pressure generated at the time of collapsing. It has a function to
  • a convex member for example, a thin plate (condensed disintegration accelerating plate) having a thickness of 0.5 to 0.5 mm and a length of 5 to 5 mm can be used. The same quality as that of a rigid needle described later is used.
  • the thin plate group may be arranged to protrude toward the surface to be cooled in the flow channel, as in the case of the hard needle group, but in this case, the number of thin plates is considered in particular in consideration of flow resistance. It is necessary to select the arrangement method etc.
  • the rigid needle group is fixed to the inner wall opposite to the surface to be cooled of the tubular flow path, and can be provided toward the surface to be cooled. You can also In the latter case, the base part that fixes the rigid needle to the surface to be cooled is a foaming point and bubbles are likely to occur! /, Therefore, the former is much preferred U ,.
  • the “rigid needle” used in the present invention includes various rod-like bodies which are not limited to “needle-like bodies”, and the shape of the rod-like body may be one having a circular or rectangular cross section. In the present invention, in the present invention, these are collectively referred to as “hard needles”.
  • the rigid needle group is fixed to the inner wall facing the surface to be cooled of the tubular channel, and when it is provided projecting toward the surface to be cooled, the individual rigid The needle " Make an appropriate angle to the tube wall.
  • This "appropriate angle” may be any one that can fulfill the function of a rigid needle group, for example, when the surface to be cooled is provided on a tubular channel and the cross-sectional shape of the tubular channel is rectangular. Is an angle orthogonal to the tube wall or an angle close to the orthogonal, etc.
  • small needle diameter refers to a rigid needle having a circular cross section, and in a state where it protrudes into the flow path as a group of rigid needles, and
  • the thickness can be optimized according to the cross-sectional area of the tubular channel, the number of rigid needles forming the rigid needle group, and the flow rate of the coolant.
  • the diameter is about 0.1 mm to about L mm.
  • the rigidity required to perform the function of the rigid needle group is the rigidity to prevent the flow of the coolant from becoming stagnant or deformed by the flow of the coolant, and in this case, too, the flow rate of the coolant (flow velocity) It can be optimized according to etc.
  • each rigid needle is not particularly limited, but it has “necessary rigidity”, and it is preferable to use “a material with high heat conductivity” which has heat resistance and fender resistance.
  • water-wettable liquid for example, stainless steel, metal such as aluminum, synthetic resin having high softening point such as Teflon (registered trademark), etc.
  • the arrangement of the rigid needle group in the high density that is, the arrangement of the individual rigid needles may be used regularly or randomly.
  • the regular arrangement is an orderly arrangement such as a matrix arrangement or a zigzag arrangement
  • the random arrangement is an arrangement having no regularity but the number of rigid needles per unit area. Is an array that does not vary greatly.
  • a regularly arranged group of rigid needles is effective, and this is four rigid members adjacent to each other at equal intervals.
  • the needles form a lattice and are formed in the four contacts with these coalesced bubbles.
  • the arrangement density of the rigid needle group may be constant along the flow direction of the tubular flow channel, but Higher density can be achieved downstream of the circulating coolant.
  • the regular arrangement of the rigid needle groups in the flow direction depends on the size of the width of the tubular flow channel which is not limited by the number of rows, and even if it is narrow, one row may be used. In order to obtain the effect as described above, it is preferable to use four to eight rows, in which two or more rows are preferred, in order to form a grid of individual rigid needles.
  • the distance between the rigid needles is 2 to 3 mm, preferably 2 to 5 mm.
  • the plurality of rigid needles constituting the group of rigid needles are provided from the tube wall facing the surface to be cooled toward the surface to be cooled, they are regularly arranged in a lattice on the tube wall. It is also preferable to place the tip of the rigid needle close to the surface to be cooled in a non-contact manner with a slight gap.
  • the bubbles that are united and grown on the surface to be cooled come into contact with the rigid needles so that they can be penetrated by the rigid needles arranged in a grid, It is considered that depressions and depressions that are formed may be a factor that causes the combined bubbles to be divided into fine cells and cells. Therefore, when the bubbles are broken by the fine cell boiling, the bubbles present in each cell are individually It is also speculated that it has collapsed.
  • the instantaneous pressure at the time of collapse is related to the size of the air bubble, it may be considered that if the density of the rigid needle is increased and the size of the cell is decreased, the instantaneous pressure generated may be reduced.
  • the thickness and the arrangement density of the hard needles should be appropriately selected according to the conditions such as the length of the surface to be cooled and the width.
  • a hole may be made in the wall of the tube and one end of the hard needle may be embedded and fixed with an adhesive or the like. If one end of the rigid needle is fixed to the surface of the tube wall by brazing or the like without holes in the wall, or if the tube wall is heat-resistant resin plate, heat one end of the rigid needle to make the resin plate Cool and fix after pressing or molding Force that integrally forms the tubular flow path and the rigid needle by etc.
  • high durability in a high heat environment is required so that the fixed rigid needle does not come off.
  • each hard needle constituting the hard needle group is In the case of a flow path structure in which the pipe wall portion is opposed to the surface to be cooled, the other end portion of the flow path structure penetrates the pipe wall portion and projects onto the outer wall surface of the tubular flow path.
  • the rigid needle portion on the outer wall surface is designed to be fixed by a wall, heat is dissipated by natural convection from the air to the atmosphere, and further, the rigid needle portion on the outer wall surface is blown or ducted by a blower.
  • a cooling means may be provided to cool the rigid needle group, such as forced convection heat radiation.
  • the rigid needle While the structure in which the rigid needle is embedded in the surface to be cooled has the effect of increasing the cooling area, the contact portion between the surface to be cooled and the hard needle becomes a foaming point and the contact portion covered by the air bubbles becomes hot. In some cases, there is a risk of partial progress to "burnout", so it is preferable. On the other hand, if the rigid needle is a "high thermal conductivity material", it will form the tube wall of the tubular channel.
  • the small diameter hard needles are integrated with the surface to be cooled, so that the surface area of the surface to be cooled becomes large and contact with the coolant It is preferable because the area is increased and the heat transfer efficiency to the coolant is effectively improved.
  • the cross-sectional shape of the tubular flow channel is substantially “rectangular”. “The surface to be cooled and the inner wall of the tube facing this are parallel to each other Then, the group of rigid needles protrudes to the surface to be cooled and Z or to the wall surface facing the surface to be cooled, and the tip is the opposite surface “The tube wall to be cooled or the surface to be cooled Can be configured to be close or abutting.
  • the rigid needle group When the tip of the rigid needle group is "abutted against the tube wall or the surface to be cooled opposite to the surface to be cooled", the rigid needle itself provides a cooling effect as a radiation fin. As such a radiation fin, it is preferable to use a thermally conductive material as the material of the rigid needle.
  • the distance between the tip and the tube wall to be in proximity is preferably at most 0.1 mm or less.
  • the contact portion becomes a foaming point, and as a result, the contact portion covered with air bubbles becomes hot and partially burns out Since it is conceivable to proceed to “bar out”, it is preferable to make them approach without touching, even if the distance is less than 0.1 mm.
  • the surface to be cooled and the tube wall opposite to it are parallel to each other is not only the case where these surfaces are flat and parallel to each other, these surfaces are respectively cylindrical. It is a surface etc., and also includes the case where it mutually faces in parallel. That is, the surface to be cooled and the tube wall opposite to the surface may be flat or curved.
  • the cross-sectional shape of the tubular flow channel in addition to the above-mentioned “rectangular shape”, “circular shape or elliptical shape” or “semicircular shape or semielliptical shape” it can.
  • the “cylindrical or elliptical cylindrical surface surface is formed in the object to be cooled or the heat transfer member. Therefore, the cylindrical surface or elliptic cylindrical surface is used as the surface to be cooled, and the cooling fluid is circulated in the tubular flow path having the surface as the pipe wall to carry out the bubble refining and boiling cooling. be able to.
  • the flow path structure of the present invention is widely applicable to various products that generate heat during operation and has a means for cooling the heat as a component, and flows a cooling fluid.
  • the length of the surface to be cooled varies depending on the product.
  • the channel structure of the present invention When the channel structure of the present invention is used alone, lcm to 5 cm is appropriate as the "length of the surface to be cooled through which the coolant flows" in order to sufficiently exert the desired bubble refining boiling effect.
  • the length of the surface to be cooled which is preferably about 5 cm at the longest is larger, it is preferable to use a plurality of the channel structures of the present invention in combination in series. Also, when an electronic package requiring a long surface to be cooled is required, the length of the surface to be cooled can be
  • the flow channel structure of the present invention can be configured as “having a plurality of tubular flow channels close to each other in series or in parallel”.
  • the flow direction of the coolant in the plurality of tubular flow channels may be the same direction or, of the tubular flow channels, opposite to other tubular flow channels. There may be more than one coolant flowing in the direction.
  • the tubular subchannel is formed by separating the partition wall from the tubular channel through which the cooling fluid flows.
  • the sub flow channel may be formed at a position away from the surface to be cooled via the tubular flow channel, or may be formed laterally along the flow channel direction of the tubular flow channel.
  • the "supply portion” may be formed as a "through hole” in the partition with the tubular flow channel, or the partition itself may be formed as “porous", and from the partition to the tubular flow channel side Let it project in the shape of a nozzle so that the tip end approaches the surface to be cooled.
  • the “flow direction of the coolant” in the tubular flow channel and the sub flow channel of the flow channel structure may be the same in the tubular flow channel and the sub flow channel, or in the opposite direction.
  • the coolant that is circulated in the sub-channel is, of course, a "subcool liquid”.
  • the channel structure of the present invention has good thermal conductivity !, and should be made of a material.
  • gold, silver and aluminum have high thermal conductivity, and particularly, silver is suitable as a material of the flow path structure in terms of high thermal conductivity, and aluminum is preferable in terms of cost and surface force.
  • the boiling cooling device of the present invention is a "device for performing bubble refinement boiling cooling", and a flow channel structure and
  • the “flow path structure” has a surface to be cooled or a surface of a heat transfer member in close contact with the surface as a surface to be cooled, a surface to be cooled as a tube wall, and a subcooled coolant being circulated. It has a flow path, and has a structure in which small diameter hard needle groups are projected into the flow path from the tube wall of the tubular flow path. Specifically, the one described above is used.
  • the “coolant supply / circulation means” is a means for supplying the coolant flowing through the tubular channel or the tubular channel of the channel structure and the sub-channel to the channel structure and circulating it.
  • the above-mentioned “coolant supply / circulation means” can circulate the coolant between the coolant container for storing the coolant and the flow path structure, and in this case, “cooling in the coolant container” It includes the condition in which the fluid is stored.
  • the “convection type heat dissipation means” effectively dissipates heat transferred to the flow path structure from the surface to be cooled to the coolant, and enables more efficient boiling cooling.
  • the heat dissipating means may be a system for convecting air or a system for convecting liquids such as water, but an air-cooled radiator is one of the preferred ones.
  • the cooling liquid in the boiling cooling apparatus of the present invention may be used without particular limitation as long as it has “an appropriate saturation temperature with respect to the surface temperature to be cooled”, but the availability is easy.
  • Water or alcohol, or a mixture of water and an alcohol, or a fluorine-based inert liquid is particularly preferable in view of low cost, easy handling, safety, chemical 'physical stability, etc. .
  • liquid mixture of water and alcohol a cooling liquid obtained by mixing ethyl alcohol and propyl alcohol as alcohol with a ratio of 5 to 15% with respect to water is preferable. Also, as described above, in the case of using a “liquid mixture of water and alcohol”, as in the case of water, when the degree of subcooling is preferably 20 K or more, the bubble refining boiling occurs when it is less than 20 K. The thing is confirmed.
  • a mixed solution of water and alcohol is disintegrated compared to the case of using a “water-only coolant”.
  • the subsequent micro bubbles are clearly smaller, and it is possible to further reduce the pressure oscillation at the time of combined cell collapse by about 50%, and to obtain a heat flux as high as about 30%.
  • the reason why the pressure oscillation can be reduced is considered to be that when the water and the alcohol are mixed, the surface tension becomes smaller than that of the water alone, and the bubble collapse becomes easy.
  • the reason why high heat flux can be obtained is that the difference in alcohol concentration between the area near the air bubble adhering point and the mixture due to “low boiling point, alcohol evaporates first” at boiling, As a result of the difference in surface tension in the bubbles, the mixed liquid is pulled by the “large surface tension of the low temperature portion above the bubbles” at the air-liquid interface, and a force flow (Marango 2 flow) occurs at the top of the bubbles. It is surmised that the low temperature coolant is supplied toward the air bubble adhering surface of the heat transfer surface and the air-liquid exchange force M is advanced.
  • the boiling cooling apparatus of the present invention When the boiling cooling apparatus of the present invention is used in a cold area or a low temperature atmosphere, there is a possibility that the cooling liquid can not function as a cooling apparatus due to freezing. As a countermeasure against this, the coolant can be used as an antifreeze liquid as a means for preventing freezing of the coolant.
  • the antifreeze liquid can be appropriately selected and used according to the product type to which the boiling cooling device of the present invention is mounted, and commercially available ones are also applicable.
  • one containing ethylene glycol as a main component may be used.
  • Power that can be used instead of ethylene glycol, alcohol such as methyl alcohol and ethyl alcohol and water can be adjusted in concentration and used as antifreeze.
  • the solidification points (° of the mixture of water and ethylene glycol (mixture 1), the mixture of water and methyl alcohol (mixture 2), and the mixture of water and ethyl alcohol (mixture 3) C) changes according to the concentration (%) of components such as ethylene glycol mixed with water, as shown in Table 1 below.
  • the heat transfer surface is a film (hydrophilic film or super-hydrophilic film) which is also a hydrophilic material
  • the heat transfer surface is improved in wettability by the cooling liquid to promote air bubble detachment, and a hard needle is used. Combined with the bubble refining effect, the critical heat flux can be improved.
  • hydrophilic materials include, for example, Japanese Patent No. 3340149, Japanese Patent No. 3147251, Japanese Patent No. 2 59931, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-55066, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-062069, and Japanese Patent Laid-open No. 2001-1336890.
  • Those disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 2000-144052 and 2000-103645 can be appropriately applied according to the product using the flow path structure of the present invention.
  • ceramic hydrophilic film formed at 500 to 600 ° C.” increases the limit heat flux by 10 to 20%, and in particular, has the effect of promoting bubble separation in a microgravity environment. It was confirmed that Takamine.
  • Fig. 4 (A) and Fig. 4 (B) are cross-sectional schematic views of the flow path structure of the present invention, and the flow path structure also allows the tube wall KH force to be directed to the surface HBS to be cooled.
  • ⁇ 2 ⁇ ⁇ * * Ni are projected, and a group of rigid needles fixed in a row on the tube wall KH is fixed, and a row shown in the width direction of the tube wall KH (not shown but perpendicular to the paper surface) The same group of rigid needles is fixed as a second row, alongside the group of rigid needles.
  • Fig. 4 (B) shows the state in which the micro bubbles SB grow into coalesced bubbles LB
  • Fig. 4 (A) shows the coalesced bubbles LB in each lattice formed by the adjacent four rigid needles of two rows of rigid needle groups. But part of the cooled surface It shows a state in which it is attached to the surface to be cooled HBS so as to cover it.
  • the microbubbles SB gradually grow into coalesced bubbles, but the coalesced bubbles are gradually stuck in the coalesced bubbles LB!
  • a depression-a recess is drawn such that it is drawn to the coalesced bubble side and raised to the cooling liquid side by surface tension.
  • the surface of the coalesced bubble LB is formed in a state of being divided into a plurality of convex curved surfaces LB1, LB2, ⁇ 'LBi' ⁇ according to the distribution of the rigid needles.
  • the grid formed by the group of rigid needles in this way creates a "dent, recess” or “convex surface” state in the coalesced air bubbles and does not collapse the coalesced air bubbles at one time, causing high instantaneous pressure that causes vibration and noise. Is considered to have an effect of preventing the occurrence of
  • FIG. 1 (B) (a) in contrast to the “combined bubble LB having a single surface” formed when the rigid needle group is not used, the combination is performed as described above.
  • the state in which the surface of the air bubble is composed of "plurality of convex curved surfaces” is an unstable state where the surface energy is large, and "disruption of the subcooled liquid into fine air bubbles" in this state is It is thought that multiple convex surfaces LB1, LB2, ⁇ 'LBi' ⁇ ⁇ ⁇ collapse will occur in a moment that collapse will not occur instantaneously.
  • FIG. 4 (B) shows a state where the collapse into the micro bubble SB occurs in the convex curved surface portion excluding the convex curved surfaces LB1 and LB3.
  • the boiling cooling method of the present invention is a cooling method using the boiling cooling device described above.
  • the flow velocity of the cooling fluid to be circulated in the tubular channel of the flow channel structure constituting the boiling cooling device is not particularly limited, but 0.2 mZ seconds or more is preferable. Furthermore, 0.4 mZ seconds or more are preferable. In less than 0.2 mZ seconds, it may occur that the flow of the cooling fluid "does not remove air bubbles on the heat transfer surface".
  • the upper limit of the flow rate of the coolant is preferably 1. OmZ seconds, and more preferably 0.6 mZ seconds or less. 1. If OmZ seconds are exceeded, the flow resistance of the piping system for coolant circulation will increase, and the driving force for coolant circulation will tend to increase.
  • the reason for circulating the coolant in the tubular flow channel is the right in Figs. 4 (A) and 4 (B).
  • the pressure on the coolant inflow side on the upstream side is adjusted to a pressure slightly higher than 1 atm, for example, 1. 02 to: L 15 atm, and the pressure on the outlet side is adjusted to 1 atm together with the above flow rate. Is preferred.
  • ultrasonic waves are applied from the outer surface of the tubular flow channel to the inner wall portion to which the rigid needle group is fixed to promote miniaturization and more stable air bubbles. It is possible to carry out microboiling and install an ultrasonic generator as a boiling cooling system.
  • a heat dissipation means such as a radiator is used to restore the original degree of subcooling. For example, it takes only a long time to use a force of 20 K, which would require a considerable amount of time for the boiling liquid to return to the original subcooling degree of 40 K.
  • the subcool degree of the cooling fluid is 20K
  • the bubble refining boiling is lowered compared to 40K.
  • an ultrasonic wave of about 20 kHz is applied and the 2OK cooling fluid is used. It has been verified that when using heat treatment, heat removal heat fluxes of twice or more can be obtained as compared with the case without ultrasonic waves.
  • the cooling fluid supply / flowing means can be supplied and circulated through the tubular flow passage and the sub flow passage, and cooling can be performed while supplying the cooling fluid from the side of the sub flow passage into the tubular flow passage.
  • the cooling fluid may be supplied from the sub-flow channel to the tubular flow channel in a "forced” manner by making the pressure in the sub-flow channel higher than the pressure in the tubular flow channel.
  • the coolant in the sub-flow path exudes into the tubular flow path by utilizing the “dynamic pressure difference” and the capillary phenomenon of the coolant flowing in the path and the coolant flowing in the sub-flow path.
  • the boiling cooling device “generates heat during operation, and the means for cooling the heat is a component.
  • It can be a power conversion control device of a hybrid vehicle, an electric vehicle, a fuel cell vehicle, a fuel cell power plant, or a power conversion control device of a power system for a train or an aircraft.
  • IGBTs using a Si substrate which are widely used at present, tend to have an increase in heat generation density as the output increases, and the cooling device / cooling method of the present invention is extremely effective as cooling for such semiconductor devices. It is valid.
  • the flow path structure of the present invention will be described with reference to the above-described modified example of the first type tubular body provided with the surface to be cooled and the hard needle group on the inner wall portion.
  • the subcooled coolant flows from the left side to the right side of the figure and forms a part of the tubular flow path.
  • This is an example in which the arrangement density of the hard needle groups ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ ⁇ which protrudes into the flow path of the pipe member 12B of the path member 12B increases toward the downstream side of the cooling fluid. It is preferable that the parts be fixed so as to be close to each other without abutting on the opposite pipe wall.
  • the coalesced bubbles are minute bubbles generated by nucleate boiling are gradually coalesced with the flow of the coolant and grow and adhere to the surface to be cooled. It becomes large and easily adheres to the surface to be cooled. Therefore, by increasing the density of the “group of rigid needles in which the combined air bubbles are broken into small portions and broken down” on the downstream side, the number of divided combined air cells (the number of convex curved surfaces LBi in FIG. 4 ( ⁇ )) increases. The effect of the hard needle group is more effectively exhibited.
  • FIG. 5 (B) is an example in the case where the cross-sectional shape of the tubular channel is “circular”. is there.
  • tubular flow paths 31A, 31B, and 31C holes having a circular cross-section are bored in the inside of the object to be cooled 30 to form tubular flow paths 31A, 31B, and 31C.
  • the entire surface of the tubular flow channels 31A, 31B, and 31C is a surface to be cooled, and the cooling fluid can be circulated through the tubular flow channels in the direction perpendicular to the drawing to perform bubble refinement boiling cooling.
  • the rigid needle groups Ni, Nj, Nk project into the tubular channel at an angle orthogonal to the tube wall of the tubular channel.
  • FIG. 5 (B) also has a configuration in which a plurality of tubular flow channels 31A, 31B, 31C are in close proximity to one another and in parallel.
  • FIG. 5 (C) is an example in which the cross-sectional shape of the tubular flow channel is semicircular.
  • a channel member 34 having a semi-cylindrical tube wall having an arched cross-sectional shape is provided above the surface 32A to be cooled of the object 32 to be cooled, and integrated with the object 32 to form a tubular channel. It is formed. From the side of the surface to be cooled 32A forming a part of the tube wall of this tubular flow channel, at an angle perpendicular to the surface to be cooled 32A, the rigid needle group Nl, N2, ⁇ 'Ni' force It is preferable to be provided so as to protrude and to fix the tip of each rigid needle so as to be close to each other without abutting on the opposite tube wall.
  • the length of the hard needle Ni differs depending on the semicircular cross-sectional shape of the tubular channel.
  • a combination of the surface 33A to be cooled of the object to be cooled 33 and the flow path member 35 has a rectangular cross section and parallel tubular flow paths 37A, 37B, This is an example in which 37C is formed in close proximity.
  • the individual tubular channels 37A, 37B, 37C are provided with rigid needle groups as shown. It is preferable that the tip of each rigid needle be fixed so as not to abut on the opposite tube wall but in proximity.
  • the partition wall is separated to form a tubular sub flow channel 44, and from the sub flow channel 44 through the partition wall It is an example which has several supply part 42A, 42B which supplies a cooling fluid in the tubular flow path 42. As shown in FIG. 5 (E), with respect to the tubular flow channel 42 through which the coolant flows, the partition wall is separated to form a tubular sub flow channel 44, and from the sub flow channel 44 through the partition wall It is an example which has several supply part 42A, 42B which supplies a cooling fluid in the tubular flow path 42. As shown in FIG.
  • the tubular flow channel 42 is composed of flow channel members 421 and 422 with the cooled surface 40A of the object to be cooled 40 as a part of the pipe wall, and the rigid needle group by Oka IJ needle Nl, "Ni ⁇ ⁇ ⁇ is a flow channel member
  • the side force of 422 is also orthogonal to the tube wall of flow passage member 422 It projects into the tubular channel 42 at an angle which makes its tip close to the surface 40A to be cooled.
  • the flow path member 422 is also a partition that separates the tubular flow path 42 from the sub flow path 44, and the sub flow path 44 is formed by the flow path member 422 and the sub flow path member 441 forming this partition. It is formed.
  • the cross-sectional shape of the tubular flow channel 42 and the sub flow channel 44 is rectangular, the cross-sectional shape is not limited to this, and may be other cross-sectional shapes such as circular or semicircular.
  • the cooling fluid subcooled on the tubular flow channel 42 and the sub flow channel 44 (indicated by the arrow in the figure) is in the same direction (the left force in the figure is also directed to the right). The flowing force is not limited to this, and the flow direction of the coolant may be reversed between the tubular flow channel 42 and the sub flow channel 44.
  • the supply parts 42A, 42B, etc. are protruded in the form of a nozzle from the partition wall 422 to the tubular flow path side, and the tip end part is brought close to the surface to be cooled 40A.
  • the temperature of the cooling fluid flowing through the tubular flow path is effectively reduced by the supply of subcool liquid from the side of the sub flow path in addition to the effect by the group of rigid needles. It is possible to promote the "bubble reduction and collapse effect" that the gel liquid has.
  • the pressure in the side flow path 44 may be “forced” by making the pressure in the side flow path 44 higher than the pressure in the tubular flow path 42. It is preferable to use the “dynamic pressure difference” of the coolant flowing in the tubular flow passage 42 and the coolant flowing in the sub flow passage 44 and the capillary fluid in the tubular flow passage 42 using the “dynamic pressure difference” of the cooling fluid. Do you let it ooze?
  • FIG. 6 is a view for explaining one embodiment of the boiling cooling device.
  • reference numeral 500 denotes an object to be cooled, which has heating parts 501, 502, 503.
  • a heat spreader 510 is provided as a "heat transfer member" in contact with the heat generating parts 501, 502, 503, and in the figure, the upper surface of the heat spreader 510 is a smooth flat surface to be cooled 51 OA.
  • Reference numeral 512 denotes a flow path member, which constitutes a “tubular flow path” together with the heat spreader 510.
  • a part of the tube wall of the tubular flow channel 514 is the surface to be cooled 510 A of the heat spreader 510, and in the tubular flow channel 514, a group of rigid needles by the rigid needles Ni is protruded.
  • the individual hard needles Ni also project at an angle orthogonal to the tube wall at the upper side of the figure in the tubular channel 514, the tip of which is close to the surface 510 to be cooled. That is, in the heat spreader 510 and the flow path member 512 having a group of hard needles, the surface of the heat transfer member 510 in close contact with the surface of the object 500 is the cooled surface 510 A, and the cooled surface 510 A is the tube wall.
  • a flow channel structure having a tubular flow channel 514 formed as sub-coolant and through which the subcooled coolant flows, and having a structure in which small diameter hard needles are projected into the flow channel from the pipe wall of the tubular flow channel 514. It is.
  • Reference numeral 520 in FIG. 6 denotes a “coolant container”, and reference numeral 522 denotes a “coolant”. Further, reference numeral 532 indicates a “flow path pump”, reference numerals 530 and 540 indicate a “coolant pipe”, and reference numeral 550 indicates a “condensing means”.
  • the flow path pump 532 and the condensing means 550 are controlled by “control means” described later.
  • the coolant 522 is stored in the coolant container 520.
  • the cooling liquid 522 water, alcohol, a mixed solution of water and alcohol, or a fluorine-based inert liquid can be suitably used.
  • pure water described in the above embodiment, or “Coolant mixed with ethyl alcohol and propyl alcohol in a ratio of 5 to 15% with respect to water” is suitable.
  • an antifreeze liquid can be used as the cooling liquid.
  • the coolant 522 in the coolant container 520 is pumped up by the channel pump 532 and supplied to the tubular channel 514 of the channel structure through the coolant channel 530.
  • the cooling fluid 522 supplied to the tubular flow passage flows in the tubular flow passage to perform bubble refinement boiling cooling of the surface to be cooled 510A.
  • pressure fluctuations in the tubular channel are effectively reduced by the action of the rigid needle group projecting into the tubular channel, and both noise and pressure are effectively reduced.
  • the cooling fluid 522 having passed through the tubular flow channel 514 flows in the cooling fluid pipeline 540 and is returned into the cooling fluid reservoir 520, and is condensed by the condensing means 550 on the way.
  • Condensing means 550 is composed of a condenser 551 incorporated in the cooling liquid pipe 540 and a fan 552 for blowing a cooling air 553 to the condenser 551.
  • the condenser 551 takes a long flow path, and the cooling liquid 522 is cooled by the cooling air 553 while flowing in this part, condenses, and is returned to the cooling liquid container 520.
  • the cooling liquid container 520, the cooling liquid pipelines 530 and 540, the flow path pump 532 and the condensing means 550 form the cooling liquid 520 flowing in the tubular flow path 514 as a flow path structure. It constitutes a “coolant supply and distribution means” that supplies and distributes. Accordingly, the “coolant supply / flow means” of the boiling cooling apparatus whose embodiment is shown in FIG. 6 is one in which the coolant 522 is allowed to flow between the flow path structures 510, 512 and the coolant container 520. It is.
  • the boiling cooling method of the present invention is implemented.
  • the flow path structure in the boiling cooling apparatus of FIG. 6 one having the sub flow path shown in FIG. 5 (E) is used, and the tubular flow of the flow path structure is
  • the boiling cooling method according to the present invention is carried out by supplying cooling fluid to the passage and the sub-flow passage * performing flow while supplying cooling fluid from the side of the sub-flow passage into the tubular flow passage. It goes without saying that you can do it.
  • FIG. 7 briefly shows the state of control by the control means 70 as an explanatory diagram.
  • Control means 70 is a "microcomputer”. Although the force is not described above, various sensors are used for the boiling cooling device shown in FIG. 6, and “surface temperature to be cooled”, “flow passage inlet temperature of the tubular flow passage, flow passage inlet pressure, flow passage Inlet flow rate ⁇ Flow path outlet temperature ⁇ Flow path outlet pressure ",” Condensing section outlet temperature ⁇ Coolant container temperature ⁇ Coolant container pressure "is detected.
  • thermocouples detection of various temperatures is performed by “temperature sensors such as thermocouples”
  • pressure gauges such as semiconductor pressure sensors
  • detection of various flow rates is performed by “floater area type It is performed by a flow meter such as a flow meter.
  • the detection results of these various temperatures, flow rates, pressures, etc. are input to the control means 70, and the control means 70 drives the pump 532 according to the input information, the strength of the driving force of the fan 552 of the condensing means 550, Control “flow path pressure relief valve, cooling vessel pressure relief valve” so that the cooling operation is not interrupted.
  • the control means 70 drives the pump 532 according to the input information, the strength of the driving force of the fan 552 of the condensing means 550, Control “flow path pressure relief valve, cooling vessel pressure relief valve” so that the cooling operation is not interrupted.
  • the power of the object to be cooled is shut off.
  • the cooling limit of the conventional “boiling cooling utilizing a nucleate boiling region” can be greatly improved by bubble refining and boiling cooling, and quiet cooling with less noise and vibration can be realized.
  • the boiling cooling device of the present invention can be said to be an environmentally friendly and energy-saving technology that is applicable to heat transfer members in a wide technical field.
  • the technology 'product field (hereinafter referred to as a product) in which the boiling cooling device of the present invention is used is "if it has as a component a cooling means that generates heat and cools the heat during operation". , Especially It is not limited to.
  • an electronic device having a heating element such as a personal computer or a fuel cell having a heating element, an electronic device having a high heat generation density, a hybrid car, an electric car, a fuel cell car, a power conversion inverter of a fuel cell power generation facility or
  • a boiling cooling system according to the present invention is mounted with an electronic device mainly composed of a power conversion inverter of a power system of a railway train or aircraft, a plurality of electronic elements including electronic packages for power control and a heat transfer member (for example, a heat spreader).
  • the surface of the heat transfer member can be integrally formed as “the tube wall of the tubular flow passage of the flow passage structure” to make a product.
  • IGBTs using a Si substrate which are widely used, tend to have an increase in heat generation density as the output increases, and the cooling device / cooling method of the present invention is extremely effective as cooling for such semiconductor devices. It is valid.
  • the boiling cooling apparatus of the present invention integrally forms the main flow path of the flow path structure and the surface of the heating element.
  • the product can be made into the composition formed in
  • high heat density electronic devices are generally used, and for example, high power such as 50 kW or more is used, so the amount of heat generated per unit area is large.
  • the density can be 100 WZ cm 2 or more, and even 300 W Z cm 2
  • the boiling cooling method 'apparatus of the present invention is suitable for cooling such electronic devices.
  • the flow path structure of the present invention and the boiling cooling device provided with the flow path structure as a component can also be treated as a single product.
  • the flow path structure When the flow path structure is treated as a single product, when it is installed as a component of the boiling cooling apparatus, the size of the object to be cooled, the optimum mounting position of the radiator, the space allowance, and the space margin The length, etc. can be adjusted, but since there is no coolant, it is necessary to inject the coolant so that air does not enter when the cooling system including the radiator, liquid pump etc. is assembled. It is.
  • the product when the boiling cooling device is treated as a single product, the product may be a product having a configuration in which the cooling fluid is preliminarily stored in the cooling fluid container or a configuration having no storage.
  • the configuration in which the cooling fluid is stored in advance in the cooling fluid container Since the coolant can be handled in a sealed state, the coolant injection and the air removing operation can be omitted.
  • the present invention it is possible to provide an unprecedented boiling cooling method and apparatus, a flow path structure, and an applied product.
  • the boiling cooling method according to the present invention since the bubble refining boiling cooling is performed, good boiling cooling can be realized even in the "instable region where transition boiling occurs with the conventional boiling cooling method", and the bubble refining can be achieved.
  • the vibration and noise specific to boiling cooling can be extremely effectively reduced, so that the vibration and noise of the boiling cooling device and the application products equipped with it can be effectively reduced, and can be reduced by 60% or more.
  • the decrease in heat flux downstream of the coolant can be effectively reduced or prevented.
  • FIG. 1 is a view for explaining bubble refining boiling cooling.
  • FIG. 2 A diagram for explaining the concept shown in FIG. 1 (A) in detail with ease of labor.
  • FIG. 3 is a view for explaining a characterizing portion in one embodiment of the flow channel structure.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining the principle of the invention.
  • FIG. 5 is a view for explaining a characteristic part of a modification of the flow channel structure.
  • FIG. 6 is a view for explaining one embodiment of a boiling cooling device.
  • FIG. 7 is a view for explaining a control system in the device example of FIG. 6;
  • FIG. 8 is a conceptual view of the experimental apparatus.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the flow path structure used in the experimental device.
  • FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of the flow channel structure.
  • FIG. 11 is a graph for comparing the heat removal heat flux and the instantaneous pressure fluctuation showing the results of Experimental Example 1.
  • FIG. 12 is a diagram in which the heat flux and the degree of superheat at the upstream end of the coolant channel are plotted.
  • FIG. 13 is a diagram in which the heat flux and the degree of superheat at the downstream end of the coolant channel are plotted.
  • FIG. 14 A diagram showing fluctuation of pressure in the case where the arrangement of rigid needle groups is not used in the flow path structure used in the experimental device.
  • FIG. 15 is a view showing pressure fluctuation in the case of using an arrangement of hard needle groups in the flow path structure used in the experimental device.
  • Fig. 16 This is a high-speed photograph of bubble collapse.
  • FIG. 17 is a graph for comparing the heat removal heat flux and the instantaneous pressure fluctuation due to the difference in the average flow velocity of the coolant.
  • FIG. 18 is a graph for comparing the heat removal heat flux and the instantaneous pressure fluctuation due to the difference in the degree of subcooling of the coolant.
  • FIG. 19 is a schematic cross-sectional view showing one embodiment of the flow channel structure.
  • FIG. 8 is a conceptual view of the experimental apparatus.
  • reference numeral 21 denotes a constant temperature bath
  • 22 denotes an automatic temperature controller
  • 23 denotes a pump
  • 24 denotes a flow control valve
  • 25 denotes a flow meter
  • 26 denotes a filter
  • 27 denotes a pressure sensor
  • 28 denotes Test part
  • 30 manometer
  • 31 electric furnace
  • 32 high-speed video camera
  • 33 electric furnace controller
  • 34 data recording PC
  • 35 pressure sensor 36 shows a DC amplifier
  • 36 shows an AD change, respectively.
  • reference numeral 29A denotes a thermocouple tap
  • 18A, 18B and 18C denote heat insulators, respectively.
  • the arrows in FIG. 10 indicate the coolant, and the direction of the coolant indicates the flow direction of the coolant.
  • FIGS. 9 and 10 are cross-sectional schematic views of the flow channel structure of the present invention, and the inventors of the present invention have made the flow channel structure based on this schematic diagram, and vibration due to the hard needle group is generated. ⁇ Verified the noise suppression effect.
  • the experiment using this flow path structure is based on the determination of the heat transfer surface temperature and the heat removal heat flux from the temperature distribution and temperature gradient of the thermocouple embedded in the long pair of the heat transfer block. is there.
  • symbol 10 shows the high heat generating body which is a "object to be cooled.”
  • the high heat generating body 10 is made of copper and is cut out in one step from the peripheral portion of the flat portion on the upper surface, the heat insulating material 11A and the heat resistant silicon 11B are provided in this portion, and the remaining portion is a cooled surface It was 10A.
  • the size of the surface to be cooled 10A is 50 mm in the horizontal direction of the drawing, which is the flow direction of the coolant, and 20 mm in the width direction, which is the direction orthogonal to the drawing.
  • the specific configuration of the high heat generating body 10 is as shown in FIG. 10, and the reference numeral 15A indicates a copper block, and 15B indicates a cartridge heater (heating element).
  • the member 12 constituting the tubular flow passage is stainless steel, and the “cross-sectional shape orthogonal to the flow direction of the coolant” of the tubular flow passage 16 has a height of 5 mm in the vertical direction of the figure, It has a rectangular shape with a width of 24 mm, and the length in the circulation direction is 500 mm.
  • the lower portion of the flow path member 12 was cut out, and the upper portion of the high heat generating body 10 was inserted into the cut out portion so that the surface of the cooled surface 10A and the pipe wall of the tubular flow path 16 were flush.
  • the “portion facing the surface to be cooled” in the upper portion of the flow path member 12 was cut out, and the transparent acrylic plate 14 was fitted into this portion to form a “viewing window”.
  • the inner surface of the acrylic plate 14 constitutes a part of the tube wall of the tubular flow channel, and as shown in the figure, a rigid needle group represented by rigid needles ⁇ 1, ⁇ 2, ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ .
  • individual hard needles Ni a stainless steel needle-shaped body having a circular cross-sectional shape of diameter 1. Omm and a length of 5 mm or more is used as the individual hard needle Ni, and the tip of the hard needle Ni is heated to After it is pushed into the flow path side (tube wall) and then cooled, the protruding tip is brought into contact with the surface 10A to be cooled without a gap, and the length of the protrusion protruding into the flow path It was fixed so as to be less than 5 mm.
  • the rigid needles Ni are arranged in a straight line 11 of 5 mm intervals in the flow direction, and this is one row, and the number of rows arranged in the width direction is changed from one row to seven rows. A total of eight flow path structure samples were prepared in combination with those without needle groups.
  • the arrangement of the rigid needle groups in the channel width direction is such that the spacing between the rows is unified to 3.3 mm for all six samples except for the sample having only one rigid needle group row. Also, for samples with one row, three rows, five rows, and seven rows of rigid needle groups, the center row of rigid needle groups should be aligned with the center line of the surface 10A in the flow direction. For the samples in rows 4, 4 and 6, the center line is evenly divided and installed.
  • cooling As “coolant”, “pure water” is subcooled to a subcool degree of 40 K (liquid temperature: 60 ° C.), the pressure on the inflow side (left side in FIG. 9) is about 1.1 atmosphere, the outlet The side pressure was adjusted to about 1 atm, and the average flow velocity was adjusted to 0.5 mZ seconds.
  • the number of arranged hard needles is changed as a parameter, and the upstream end (5 mm from the end) of the coolant flow in the surface to be cooled 10 A, and the center
  • the “heat flux” at three locations, the downstream end (at a point of 5 mm in the end force), and the maximum instantaneous pressure and the average pressure in the pressure fluctuation in the tubular channel were examined. The results are shown in FIG.
  • the left vertical axis in Fig. 11 represents “heat flux”, the right vertical axis represents “pressure”, and the horizontal axis represents the number of arranged hard needles.
  • Graph line FU represents the heat flux at the “upstream end in the flow direction of the coolant” in the surface to be cooled 10 A
  • the graph line FC represents the center in the flow direction of the coolant at the surface to be cooled 10 A
  • the heat flux in “” is shown
  • the graph line FD represents the heat flux at “the downstream end in the flow direction of the coolant” in the surface to be cooled 10A.
  • the heat flux obtained is maintained at 400 to 500 WZ cm 2 (4 to 5 MW (megawatts) Zm 2 ), and the coolant flow on the surface to be cooled
  • the number of arrangement of the rigid needles constituting the group of rigid needles formed in the flow path is variable depending on the road position. It can be seen that the above heat flux is obtained without substantially affecting the heat flux, regardless of the presence or absence of the hard needle group.
  • the graph line P in FIG. 11 indicates the “maximum instantaneous pressure of pressure fluctuation” in the tubular channel 16
  • the graph line MP indicates the “average pressure of pressure fluctuation” in the tubular channel 16. Is represented.
  • the maximum instantaneous pressure and the average pressure both decrease rapidly as the number of arrangement of the rigid needles constituting the rigid needle group increases.
  • Average pressure is the average of fluctuating instantaneous pressure.
  • Fig. 11 shows that "the momentary pressure that fluctuates” is higher as the number of hard needles is smaller.
  • Noise ⁇ The cause of vibration is “instantaneous pressure”, and the decrease in average pressure means that the fluctuating instantaneous pressure is decreasing.
  • the maximum instantaneous pressure: P is substantially equal to that when the rigid needle groups are not provided.
  • the average pressure MP is reduced to about 45% of about 51 OkP a when M is in the range of 2 to 4, compared with about 51 OkPa when the rigid needle group is not provided, and in the range of 5 to 7 of M Compared to the case without needle group, it decreased to about 35% or less.
  • thermocouples were installed below the surface to be cooled 10 A of the above-mentioned experimental apparatus, and the heat flux and the degree of superheat were calculated from the temperature gradient measured by these thermocouples.
  • FIG. 12 is a diagram in which the heat flux and the degree of superheat are plotted for the upstream end of the coolant channel and FIG. 13 is the downstream end for the coolant channel.
  • the “Superheat AT” on the horizontal axis in these figures is the “superheat degree”, and the “heat flux” on the vertical axis.
  • the above subcool degree is The coolant flow rate is 0.5 mZ seconds at 40 K.
  • FIG. 14 shows the “temporal change of pressure” in the case where the rigid needle group is not provided. As shown in Fig.14, large pressure is repeatedly generated in "indefinite cycle" of less than 1 second, and the maximum pressure exceeds 8 OOkPa.
  • FIG. 15 shows the “temporal change in pressure” in the case where 77 rigid needle groups are provided.
  • Fig. 15 Force As is apparent, it can be seen that a large pressure does not exceed 200 kPa at the maximum force which appears repeatedly in an indefinite cycle of 0.1 seconds or less.
  • the condition of the cooling liquid in the partial window of the observation window 14 shown in FIG. 9 was photographed by a high-speed photographing CCD camera and observed.
  • the bubble growth is a hard needle It is observed as if it were divided into each lattice of the group, and this means that the bubble is broken down in each lattice, so the maximum instantaneous pressure generated when the bubble collapses is not It is considered to be extremely small compared to the maximum instantaneous pressure generated when the large bubble collapses in the case.
  • Fig. 16 is a high-speed photograph (7000 frames Z seconds) showing the change in air bubbles from the generation of air bubbles to the collapse with and without the rigid needle.
  • (a) indicates boiling bubble generation (0 msec)
  • (e) indicates the state of supply of coolant (56.4 msec)
  • the arrow indicates the flow direction of the coolant.
  • FIG. 16 (B) when 77 rows of rigid needle groups are installed, it appears that the combined bubbles are broken up into fine bubbles and broken down by the rigid needle groups. Shown in)
  • the rigid needle group is provided, large coalesced bubbles are observed to collapse at one time.
  • the maximum heat flux maintained a value in the range of about 350 to 450 WZ cm 2 and did not change depending on the number of rigid needles, even if the number of rigid needle rows increased.
  • the collapsing pressure of the coalesced air bubble decreases as the rigid needle row increases, and the maximum instantaneous pressure P is provided with one row of rigid needle groups for approximately 400 kPa when the rigid needle groups are not provided.
  • substantially to 310kPa (77 0/0) [this reduction, 3 ⁇ U stands 270kPa (67 0/0), sequentially reduced to approximately 210kPa (52 0/0) in 5 ⁇ U, group of rigid needles 7 columns It was reduced to approximately 160 kPa (40%), and it was found that the pressure suppression effect was approximately 60%.
  • the average pressure MP was reduced to about 70 kPa (56%) when the hard needle group was in seven rows, as opposed to about 125 kPa in the case where the hard needle group was not provided.
  • Fig. 17 shows the case where the average flow velocity is set to 0.3 mZ seconds for the heat removal heat flux and the instantaneous pressure (B) and the case where the average flow velocity is set to 0.5 mZ seconds (A) [same as FIG. ] And are shown for comparison.
  • the maximum heat flux maintained a value in the range of approximately 300 to 400 WZ cm 2 and did not change depending on the number of rigid needles, even if the number of rigid needle rows increased.
  • the maximum instantaneous pressure P is a field where no rigid needle group is provided. Compared to approximately 380kPa, when one group of rigid needle groups is provided, it is reduced to approximately 190kPa (50%), and is approximately 160kPa (47%) for three lines and five-ply IJ. It was reduced to about 160 kPa (40%), and it was found that the pressure suppression effect was about 60%.
  • the average pressure MP was reduced to about 45 kPa (33%) when the rigid needle group was in seven rows, as opposed to about 135 kPa in the case where the rigid needle group was not provided.
  • FIG. 18 shows the heat removal heat flux and the instantaneous pressure for comparison between the case where the subcool degree is 20 K (B) and the case where the subcool degree power is OK (A) [same as FIG. 11]. It is a thing.
  • This flow path structure is obtained by cutting out the “portion facing the surface to be cooled” of the upper portion of the flow path member 12 of the flow path structure shown in FIG. 9 used in Experimental Example 1 and transparent in this portion. It is the same as the part except that the part for acrylic board 14 was inserted and it made the part for "observation window” was not provided with "notch for observation” without performing a notch and fixed the rigid needle group by brazing. .
  • the arrows in FIG. 19 indicate the coolant, and the direction of the coolant indicates the flow direction of the coolant.

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Abstract

　気泡微細化沸騰冷却に伴う騒音・振動を有効に軽減し、効率のよい沸騰冷却を実現することのできる沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品を提供する。 　被冷却物１０の表面を被冷却面１０Ａとして、被冷却面１０Ａを管壁として形成され、サブクールされた冷却液を流通される管状流路１６を有し、管状流路の管壁から細径の剛針群Ｎ１、Ｎ２、・・Ｎｉ・・を管状流路１６内に突出させた構造をもつ流路構造体に、サブクールされた冷却液を流通させて気泡微細化沸騰冷却を行う。

Description

明 細 書
沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品 技術分野
[0001] この発明は、沸騰冷却方法、当該沸騰冷却方法を実施する沸騰冷却装置、および この沸騰冷却装置に使用される流路構造体、並びにこれらが適用された応用製品に 関する。
背景技術
[0002] 液体を加熱していくと次第に液温が上昇し、やがて液温がそれ以上に上昇しない「 飽和温度」に達する。さらに加熱すると液体内部で「液体の気化」が発生する。この状 態が沸騰であり、上記飽和温度は沸騰点と呼ばれる。
[0003] 沸騰状態では液温は上昇せず、加熱により液体に加えられるエネルギーは「液体 内部で液体を気化する」のに消費される。この熱エネルギーは「潜熱」と呼ばれる。潜 熱は、液体を温度上昇させる熱エネルギーに比して極めて大きい。したがって、液体 の沸騰を利用することにより高温物体力 大量の熱を取り去り大きな冷却効果をあげ ることができる。 これは、喩えて言えば、 1kg (1リットル）の水を 1気圧の下で o°cから 飽和温度の 100°Cまで加熱する場合には 420kJの熱を必要とするが、 1気圧、 100 °Cで全部蒸気にする場合には 2256kJ (潜熱）を必要とすることから、理解できる。
[0004] 沸騰を利用した冷却は「沸騰冷却」と呼ばれ、従来力 種々の沸騰冷却装置が提 案されている。
[0005] 例えば、冷却用液体を収容する容器と該冷却用液体内を通るパイプを有し、被冷 却物としての半導体素子を冷却用液体に浸漬し、前記パイプ内に「冷却用液体よりも 沸点の低 、液体」を循環させるようにした、浸漬方式の沸騰冷却装置が提案されて いる（例えば、特許文献 1)。
沸騰現象は一般に以下の如き経過を迪る。
液体中に例えば金属等による「加熱ブロック」を浸漬し、加熱ブロックを加熱してそ の伝熱面温度を上昇させる。「伝熱面」は、加熱ブロックの「上記液体に接している表 面」であり、その温度が「伝熱面温度」である。 伝熱面温度がある程度まで高くなると、加熱ブロックの伝熱面に「大きさが lmm程 度以下の微小な気泡（一次気泡）」が発生する。この状態は「加熱ブロック表面である 伝熱面に接する液層部分が飽和温度に達し、伝熱面部分で沸騰が生じて!/、る状態」 である。
[0006] 液体の沸騰による冷却の効果を表す物理量として「熱流束」がある。説明中の例に 喩えて言えば、熱流束とは「加熱ブロックの液体に接して 、る表面（上記「伝熱面」 ) の単位面積を通して単位時間あたりに液体に移る熱量」であり、一般に、 WZcm2ま たは WZm2の単位で表され、熱流束が大きいほど除熱量が大きく冷却効果が大き い。
[0007] 加熱ブロックの伝熱面に微小な気泡が発生するようになると「熱流束の増加率」が 増大し、加熱ブロックの加熱をさらに続けると、伝熱面で発生する一次気泡の量も増 大し、伝熱面から離脱、互いに合体成長を繰り返すが、加熱ブロック表面が「大きな 気泡」で覆われた状態になる。
[0008] 即ち、伝熱面での微小な気泡の発生量が増大すると、発生した気泡同士が合体成 長して、伝熱熱面の大きさにもよるが、差し渡し数 cmにもなる「大きな気泡」に成長す る。このように大きく成長した気泡は「押し潰されたような厚みの薄い気泡」であり、こ のような大きな気泡が加熱ブロック表面に付着して 、ると、付着部では加熱ブロックと 液体が直接に接触しないため沸騰が阻害され、熱流束の増加はなくなり最大になる 換言すれば、小さな気泡が合体し徐々に生長して大きくなつた気泡（以下、「合体 気泡」とも言う）は、やがて固体の表面を覆って液の浸入を妨げて沸騰を阻害すること になるが、被冷却面力 液へ伝達される熱は最大になり、このときの熱流束を「限界 熱流束」と言 ヽ、単位時間当たりに伝達される熱流束 (WZcm2又は WZm2 )で表わ す。限界熱流束は英語で「Critical Heat Flux」と呼ばれその頭文字をとつて「CH Fjが沸騰熱伝達の分野で広く使われて！/ヽる。
[0009] 熱流束が限界熱流束に達した後も加熱ブロックを加熱すると、大きな気泡と伝熱面 の接触部分で伝熱面が乾き始めて伝熱面温度の急激な上昇に伴って熱流束は減 少し、冷却効果が急速に低下する。加熱がさらに続くと、大きな気泡に覆われた部分 で伝熱面は完全に乾き、この部分は「薄 、蒸気膜で覆われた状態」となる。
そして、この乾燥した部分では、加熱ブロックの熱エネルギーが輻射熱として液体 へ伝えられ、熱流束は再び増加に転ずるが、伝熱面は液体に接していないため伝熱 面温度は高温になり、この温度が加熱ブロックの融点を超えれば伝熱面は「焼損」（ 焼き切れ (バーンアウト）とも言う）する。
[0010] 加熱ブロックの伝熱面に微小な気泡が発生し始める状態から、熱流束が限界熱流 束に達するまでの沸騰形態は「核沸騰」と呼ばれ、限界熱流束状態から熱流束が減 少し、熱流束が再度増加に転ずるまでの沸騰形態は「遷移沸騰」、伝熱面が薄い蒸 気膜に覆われて乾いた状態で熱流束の変化が再度増加に転じた以後の沸騰形態 は「膜沸騰」とそれぞれ呼ばれる。
即ち、液体中に浸漬した加熱ブロックを加熱しつづけると、核沸騰、遷移沸騰、膜 沸騰の沸騰形態が順次に現れ、ついには加熱ブロックの焼損に至る。
[0011] 通常、限界熱流束以後の「遷移沸騰力も膜沸騰を経て焼損に至るプロセス」は極め て迅速に生じ、制御が著しく困難であるところから（図 2において破線の矢印で示す） 、電子機器の冷却には核沸騰冷却の例もあるが、殆ど用いられていな力つた。
電子機器の冷却には、従来空気や冷却液の単相の自然対流及び強制対流が主と して用いられあるいはその除熱限界は 1 OOWZcm2 ( 1 MW/m2 )程度と言われて いる。
[0012] 冷却液を被冷却物の被冷却面 (伝熱面）に沿わせて流通させつつ沸騰冷却を行う 場合に、冷却液を予め「飽和温度より低い温度」にサブクールして被冷却面に供給 すると、冷却が開始する被冷却面端部からある程度の流路の範囲では「遷移沸騰へ の移行」を生ずることなく、相当の高温度領域まで核沸騰形態を維持して良好な沸騰 冷却を実現できることが報告されて ヽる (非特許文献 1)。
[0013] 冷却液を被冷却面に沿わせて流通させつつ沸騰冷却を行う場合、冷却液がサブク ールされていると、被冷却面からの熱は、被冷却面に接する冷却液の温度を飽和温 度まで急速に昇温させたのち沸騰を生じさせ、生じる微小な気泡が互いに合体して 成長し、被冷却面を覆う状態となる力 「合体気泡」の外側の領域にはサブクール状 態、即ち、飽和温度よりも温度の低い冷却液 (このようにサブクールされた冷却液を「 サブクーノレ液」と言う。 )が流通して 、る。
[0014] このような「成長した合体気泡の外側を流れるサブクール液」は、合体気泡の温度 を低下させて「微細な気泡に崩壊」、すなわち凝縮崩壊させる。このように合体気泡 が崩壊すると、気泡に覆われていた伝熱面に再び冷却液が供給されるので、遷移沸 騰に移行することなく再び核沸騰による冷却が行われ、これが 1秒間の間に繰り返さ れるので、熱流束を「通常の限界熱流束より高める」ことができる。
伝熱面温度は液が供給され固液接触が生じた瞬間に低下するが、測定上温度変 化は短時間に追従しな 、ので見かけ上この現象は「遷移沸騰」で発生し、この現象 は「気泡微細化沸騰」と言われる（これは気泡微細化沸騰のメカニズムの一つの形で あって詳細は未だ明らかにされて ヽな 、)。
[0015] このように、サブクール液を用いる気泡微細化沸騰を利用することにより、伝熱面か ら「より多くの熱」を冷却液に伝えることができ、限界熱流束より高い熱流束を得ること ができる。
「気泡微細化沸騰」が起こる沸騰形態の過程を纏めて言うと、通常合体気泡で覆わ れた被冷却面の温度が上がり渴き始めて遷移沸騰域に移るが、サブクール液中に生 長した気泡が凝縮崩壊し、液が再び供給されて沸騰が開始し、「気泡崩壊一液供給 一沸騰開始一気泡生長一限界熱流束一気泡崩壊」が、本発明者等の実験結果によ れば、短時間に繰り返され (例えば 1秒間に 20回〜 90回）、その結果として、通常の 限界熱流束を超えた高い熱流束で除熱することができる。
[0016] 図 1 (A)は、上に説明した沸騰冷却について、気泡微細化沸騰を含む沸騰曲線と 除熱限界を比較した概念図である。
横軸は被冷却面 (伝熱面)の過熱度 (冷却液の飽和温度と伝熱面温度との差)、縦 軸は熱流束を表している。被冷却面の過熱度 (被冷却面の温度）が上昇すると、当初 「非沸騰領域 (Nob)」では被冷却面の熱が冷却液の温度を上げるのに消費されるが 、「核沸騰領域 (Nb)」では冷却液の沸騰により熱流束が急激に増大して限界熱流束 (CHF,点 C)に達する。
例えば、 1気圧で 40Kのサブクール水を 0. 5mZ秒で流した場合、 300WZcm2 ( 3MWZm2 )程度の限界熱流束に至る。 通常の沸騰では、限界熱流束に達した核沸騰領域の後に、破線で示す「遷移沸騰 領域 (Tb)」が続き、熱流束は急速に減少して「膜沸騰領域 (Fb)」に移行し、熱流束 は再び増大するが終には「被冷却面の焼損（BO,点 E)」に至る。
一方、サブクール液を用いて「成長した合体気泡を微細な気泡に崩壊させる」こと により、限界熱流束以後に「気泡微細化沸騰 (MEB)」を行うことにより、限界熱流束（ CHF)を超えてさらに熱流束を増大させることができる。
すなわち、気泡微細化沸騰によって、限界熱流束 (CHF)で大きく成長した合体気 泡が遷移沸騰域で微細な気泡群に凝縮崩壊し、熱流束が CHFを超えて増加するこ とになる。
[0017] 図 1 (B) (a)は、合体により大きく成長した合体気泡 LBが伝熱面 HSFに付着してい る状態を示し、図 1 (B) (b)は、サブクール液 SLの流れにより合体気泡 LBが微細な 気泡 SBの群れに崩壊した状態を示している。このように、気泡微細化沸騰を利用す る冷却を「気泡微細化沸騰冷却」と呼ぶ。
図 2は、図 1 (A)の内容を分力り易くかつ詳細に示した図である。図 2中、横に細長 い形状のものは被冷却面を、その下の略円形状のものは加熱源を表し、イメージを 把握し易 、ように、被冷却面上に各段階での気泡を模式的に示して 、る。
また、図 2中、符号 S1は常用除熱限界 HF1と限界熱流束 CHFとの差で示される従 来安全余裕を、 S2は気泡微細化沸騰の除熱限界 HF2と限界熱流束 CHFとの差で 示される気泡微細化沸騰安全余裕を、 MHFは限界熱流束に達した後の熱流束の 最 zj、値を、 Keは Kutateladze' s equationを、それぞれ、示している。
[0018] 従って、例えば、サブクール液の流れ方向の長さが 5cm程度あるいはそれ以下の 短い被冷却面について、 1気圧で 40Kのサブクール水を 0. 5mZ秒で流して「成長 した合体気泡を微細な気泡に崩壊させる」と、 400W/cm2 (4MWZm2 )以上、特 に 450〜： LOOOWZcm2程度の熱流束 (気泡微細化沸騰の除熱限界 HF2)を得るこ とができ、被冷却面の長さが短ければ短い程 lOOOWZcm2に近づく。なお、常用除 熱限界 HF1は lOOWZcm2程度である。
し力しながら、サブクールされた冷却液を用いて気泡微細化沸騰冷却を行う場合、 冷却液が被冷却面に沿って流れるに伴い、冷却液の温度が次第に上昇し、流路の 下流側に行くほどサブクールによる効果が減じてしまう問題がある。
さらに、サブクール液による気泡微細化沸騰冷却における別の大きな問題として、 大きく成長した合体気泡の崩壊に伴う高 、圧力変動による、高 、「騒音 ·振動」が発 生する問題がある。
[0019] 即ち、サブクール液を冷却流路に流して気泡微細化沸騰冷却を行うと、冷却液の 流路部分に大きな振動と騒音が繰り返し発生し、気泡微細化沸騰冷却の実用化に 対する阻害要因の一つとなっている。
[0020] 高い熱流束を得るための試みは種々提案がなされている力 何れの提案において も「騒音 ·振動」の防止につ 、ては検討がなされて 、な 、。
例えば、ノズルを用い、沸騰気泡を速やかに消滅させて高い冷却効率を狙う冷却 装置が提案されている (例えば、特許文献 2)。
特許文献 2に開示されているのは、主として「半導体デバイスを冷却対象」とする冷 却装置であって、 2種類のノズルを用い、第 1のノズルから低温冷媒液を発熱体に向 けて噴射し、発熱体の熱によって沸騰気泡を発生させて「気液 2相状態の高温冷媒 液」とし、第 2のノズルから同じ低温冷媒液を該高温冷媒液に向けて噴射させて急冷 し、沸騰気泡を凝縮 ·消滅させて冷却を行うものである。
この冷却方式では「120°C程度の温度領域で 200WZcm2程度の熱流束」が得ら れると考えられ、半導体デバイスのような短!、伝熱面の冷却を狙!、とするものである 力 「騒音や振動」に関してなんら記載がなく従ってその対策についての言及はない
[0021] また、沸騰冷却方法として、冷媒 (冷却液)が流通される流路に対し、隔壁を介して 副流路を形成し、副流路にも冷媒を通じ、「隔壁に設けた補給孔」を通して副流路の 側から冷媒を補給し、温度上昇した冷媒の温度を下げることにより「成長途上にある 気泡」を凝縮崩壊させ、「気泡の分割」を行って高 、熱流束を得ることを狙 ヽとする方 法が提案されている (例えば、特許文献 3)。
この方法の場合にも、大きく成長した合体気泡の凝縮崩壊に伴い、カゝなり大きな騒 音 ·振動が発生すると考えられるが、同文献中に、騒音，振動に関する言及はない。 なお、「気泡微細化沸騰冷却」は、被冷却面上を覆い被冷却面に接触する合体気 泡をサブクール液で凝縮崩壊させて行うことを特徴とするものであるが、特許文献 3 に記載の冷却方法は、被冷却面を離脱したある！ヽは被冷却面に非接触の合体気泡 を崩壊させるものであり、これは沸騰冷却効果はなぐ「気泡微細化沸騰」とは異なる ものである。
以上述べたように、従来力 提案されている沸騰冷却方法において、合体気泡の 崩壊に伴う騒音 ·振動に対する有効な解決策は未だ提案されて!ヽな ヽ。
[0022] 一方、「沸騰冷却」の分野ではな!/ヽが、電気温水器にお!ヽて電気ヒータで缶水を加 熱すると、該電気ヒータの周辺で缶水が沸騰して水蒸気の気泡になり、この気泡が成 長し崩壊する際に騒音となるので、この騒音を軽減させるために、電気ヒータ自体の 表面に凹凸や溝、突起等を設けることにより「発生する気泡を小さな状態に留めて、 騒音を軽減させる方法」が提案されて ヽる (例えば、特許文献 4)。
[0023] しかし、核沸騰領域のように熱流束が小さい領域では、気泡の成長を有効に抑える ことはできても、高熱流束冷却を行う気泡微細化沸騰冷却では「合体気泡が発生す る領域で、合体気泡を崩壊させることにより大きな熱流束を実現する」のであるから、 特許文献 4の提案は、気泡微細化沸騰冷却における合体気泡の崩壊に伴う騒音'振 動軽減へ転用することはできない。
[0024] 特許文献 1：特開昭 61— 54654号公報
特許文献 2：特開平 5— 136305号公報
特許文献 3：特開 2005 - 79337号公報
特許文献 4：特開 2000 - 329406号公報
非特許文献 1 :「気泡微細化を伴うサブクール流動沸騰」（第 41回日本伝熱シンポジ ゥム講演論文集（2004年 6月） Vol. 1、第 19〜20頁）
発明の開示
[0025] 本発明は、上述したところに鑑み、高熱流束冷却を行う気泡微細化沸騰冷却に伴う 騒音 ·振動を有効に軽減し、効率のよ ヽ沸騰冷却を実現することを課題とする。
本発明はまた、気泡微細化沸騰冷却における冷却液流下流側での冷却液の温度 上昇に伴う冷却効果の低下を低減することを課題とする。
[0026] 本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討し、騒音 ·振動状態を観察す ると、振動あるいは圧力の急上昇が周期的に、かつ合体気泡の崩壊直後に生じ、合 体気泡全体が一度に崩壊すると、高い空気圧を発生させて騒音 '振動の原因になつ ていることを確認し、実験を重ねた結果、管状流路内壁に剛針群を設けると、合体気 泡を一度に崩壊させずに、発生する空気圧を減少させることができることを確認し、 本発明を創出するに至った。 この理由は明確ではないが、気泡が限界熱流束まで 成長して合体気泡を形成し、合体気泡が該剛針群を構成する各剛針に接触すると、 表面張力によって個々の剛針と合体気泡との接触部に小さな窪み ·凹部を形成して 、気泡の表面積を拡大し、すなわち、冷却液との接触面積を増加させて崩壊可能性 のより大きな状態をつくり、その後、該窪み，凹部が崩壊開始点となって、ほぼ冷却液 温度に冷却された剛針の該窪み ·凹部で合体気泡の崩壊が開始し、剛針に接触して いない部分の崩壊を連鎖し、各剛針が気泡崩壊分割手段のような、同じ機能をして、 合体気泡の崩壊を一度ではなく分割させ、その結果、発生する空気圧を減少させる 効果をもたらすものと推察される。
また、本発明の合体気泡の崩壊メカニズムを別の観点カゝら推察すると、針の接触面 ではサブクール液が合体気泡の中に入り込んで液膜を作る。この場合、合体気泡の 内部の圧力で液を押上げようとする力と接触面の下向きに働く表面張力が釣り合つ ていると考えられる。
合体気泡の熱は気液界面から液体に伝わるよりも、最初に熱伝導性の良 ヽ液膜を 通してサブクール液と同じ温度あるいはそれより低い温度の金属針に伝えられる。そ の結果、金属針群との接触部から凝縮崩壊が始まり (崩壊開始点)、気泡微細化沸 騰に至るものと考えられる。
その結果、針群のない気泡塊が一度に崩壊するよりも、針群で小さい気泡塊に分 割されて崩壊するために、気泡崩壊時に発生する瞬間圧力は小さ 、ものと考えられ る。
従って、このように考えることができれば、本発明は、剛針群に限定されるものでは なぐ合体気泡内に入り込んで液膜を作ることが可能な「液体 (ここではサブクール液 )に対するぬれ性を有する凸部材」であればよいと考えられる。よって、剛針群の針は 、凸部材の一形態である。 [0028] すなわち、本発明の沸騰冷却方法は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する 伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状 流路に沿ってサブクールされた冷却液を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却 液が沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触 状態に形成された合体気泡を、冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う 沸騰冷却方法であって、前記管状流路内に固定して設けられた細径の剛針群の少 なくとも一部を前記合体気泡内に入り込む状態とすることによって、前記合体気泡の 崩壊時に発生する圧力を低減させることを特徴とする。
ここで、「剛針群の少なくとも一部」とは、剛針群のなかの一本のみの針は含まず、 あくまでも複数本の針を意味する (以下、同じ)。
[0029] また、本発明の沸騰冷却方法は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱 部材の表面を被冷却面とし、管状流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状流路 に沿ってサブクールされた冷却液を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却液が 沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態 に形成された合体気泡を、冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰 冷却方法であって、前記管状流路内に固定して設けられた複数の凸部材の少なくと も一部を前記合体気泡内に入り込む状態とすることによって、前記合体気泡の崩壊 時に発生する圧力を低減させることを特徴とする。 ここで、「凸部材の少なくとも一部 」とは、複数の凸部材のなかの一本のみの一部は含まず、あくまでも複数本 (全体)の なかの一部の複数本を意味する（以下、同じ)。
[0030] また、本発明の沸騰冷却装置は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱 部材の表面を被冷却面とし、サブクールされた冷却液を流通しかつ該被冷却面が設 けられた管状流路を有し、流通させるサブクールされた冷却液が、加熱した前記被 冷却面で沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に 接触状態に形成された合体気泡を、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束 除熱を行う沸騰冷却装置であって、前記管状流路が、該管状流路内に固定して設け られた少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む細径の剛針群を有する流路構造 体であることを特徴とする。 [0031] また、本発明の沸騰冷却装置は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱 部材の表面を被冷却面とし、サブクールされた冷却液を流通しかつ該被冷却面が設 けられた管状流路を有し、流通させるサブクールされた冷却液が、加熱した前記被 冷却面で沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に 接触状態に形成された合体気泡を、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束 除熱を行う沸騰冷却装置であって、前記管状流路が、該管状流路内に固定して設け られた少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む複数の凸部材を有する流路構造 体であることを特徴とする。
[0032] 本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置においては、被冷却面とこれに 対向する前記管状流路の管内壁 (以下、単に「管壁」とも 、う）が互 、に平行的であり 、前記剛針群が前記被冷却面に相対する内壁部に固定し前記被冷却面に向けて突 出させて設けられた流路構造体を用いることが好ま 、。
[0033] 本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置にお!、ては、前記剛針群が前記 管状流路の流れ方向に少なくとも 1列設けられた流路構造体を用いることが好ましい
[0034] 本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置にお!、ては、前記冷却液の流れ 方向の前記被冷却面の長さが l〜5cmである流路構造体を用いることが好ましい。
[0035] 本発明の前記沸騰冷却方法においては、管状流路内を流通する前記冷却液の平 均流速は、下限が 0. 2mZ秒であることが好ましぐ一方、上限が 1. OmZ秒である ことが好ましい。
[0036] 本発明の前記沸騰冷却方法においては、 1気圧におけるサブクール度が 20K以上 であることが好ましぐ 30〜40Kであることがより好ましい。
[0037] 本発明の前記沸騰冷却方法にお!、ては、前記冷却液が水あるいはアルコール、も しくは、水とアルコールとの混合液、または、フッ素系不活性液体であることが好まし い。
[0038] 本発明の前記沸騰冷却方法においては、前記冷却液が不凍液であることが好まし い。
[0039] 本発明の前記沸騰冷却方法においては、管状流路内の空気量が 0〜20%になる ように前記冷却液を調整し流通させることが好ま U、。
[0040] 本発明の前記沸騰冷却方法および沸騰冷却装置にお!、ては、流路構造体として、 前記冷却液を流通される前記管状流路に対し隔壁を隔して管状の副流路が形成さ れ、前記副流路から前記隔壁を通して前記管状流路内に前記冷却液を供給する細 管供給部を複数個有するものを用い、前記流路構造体の前記管状流路と前記副流 路とに前記冷却液を供給，流通させ、前記副流路の側から前記管状流路内へ前記 冷却液を供給しつつ主流路である前記管状流路の冷却液と併せて冷却を行うことも できる。
[0041] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液を前記管状流路に供給して 流通させる冷却液供給 ·流通手段を備えることができる。
[0042] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却面が管状流路の内壁の少なく とも一部をなすものであることが好まし 、。
[0043] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液供給 ·流通手段が、前記冷 却液を貯留させる冷却液容器を有することが好ま Uヽ。
[0044] 本発明の前記沸騰冷却装置にお!ヽては、前記冷却液容器に前記冷却液が貯留さ れていることが好ましい。
[0045] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、前記冷却液供給 ·流通手段が、対流式 の放熱手段を有し、この放熱手段が、上記流路構造体に流通されて被冷却面の冷 却に寄与した冷却液の冷却を行うものであることが好ましい。
[0046] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、対流式の放熱手段が、空冷式のラジェ ータであることが好ましい。
[0047] 本発明の前記沸騰冷却装置にお!、ては、流路構造体の剛針群の配列が規則的で 格子状であることが好ま 、。
[0048] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、被冷却面とこれに対向する管壁が互い に平行的であり、剛針群が、上記被冷却面に対向する管壁力 突出して、その先端 部が被冷却面に 0. 5mm以下の間隔を設けて近接するように形成された流路構造体 を用いることが好ましい。
[0049] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、管状流路の断面形状が略矩形形状であ る流路構造体を用いることが好ま 、。
[0050] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、管状流路の断面形状が円形状もしくは 楕円形状、または、半円形状もしくは半楕円形状である流路構造体を用いることが好 ましい。
[0051] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、被冷却物もしくは被冷却物に密接する伝 熱部材の少なくとも表面を構成する材料が超親水性である流路構造体を用いること が好ましい。
[0052] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、冷却液を流通される管状流路に対し隔 壁を隔して管状の副流路が形成され、副流路から隔壁を通して管状流路内に冷却 液を供給する供給部を複数個有する流路構造体を用いることが好まし ヽ。
[0053] 本発明の前記沸騰冷却装置においては、流路構造体を複数個、互いに近接して 平行に有することが好まし 、。
[0054] 本発明の気泡微細化沸騰冷却方法は、上述のように、被冷却物の表面もしくは該 表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状流路内に該被冷却面が設け られ、前記管状流路に沿ってサブクールされた冷却液を流通させ、加熱した前記被 冷却面で該冷却液が沸騰して発生する気泡を限界熱流束まで成長させて、前記被 冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、冷却液によって凝縮崩壊させて高 熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管状流路内に固定して設けられた細 径の剛針群の少なくとも一部が前記合体気泡内に入り込む状態とすることによって、 前記合体気泡の崩壊時に発生する圧力を低減させることを特徴とするものである。
[0055] 本発明における流路構造体とは、沸騰冷却装置の一部を構成し、サブクールされ た冷却液を流通させる管状流路に細径の剛針群が設けられたものを言い、この「流 路構造体」が本発明の要であり、「流路構造体」を構成要素とする沸騰冷却方法及び 沸騰冷却装置によって、本発明の上記課題を解決することができる。
[0056] 該「管状流路」とは、サブクールされた冷却液を流通する流路である力 2つのタイ プを包含する。
第一のタイプは、内壁部に被冷却面と剛針群が設けられた管状体からなる一重構 造体である。 一方、第二のタイプは、図 3に示すように、管状体 50とその内部に中心軸に沿って 固定設置された柱状体 51とからなる二重構造体であって、該管状体 50の内壁部 50 Aと柱状体表面 51Aの、一方に被冷却面、他方に剛針群が設けられたものである。 従って、本発明における「管状流路の内壁部」とは、管状体の内壁部だけではなぐ 柱状体の表面部をも意味するものである。
高発熱密度のパワー ICのような、ヒートスプレッダの中に冷却管を通して沸騰冷却 を行うような場合には、第二のタイプが用いられるが、通常の冷却装置は、第一のタ イブの管状流路が用いられるので、以後、第一のタイプの管状流路を中心に説明す る。
[0057] 「被冷却物」は冷却対象となるものである。
「被冷却物の表面に密接する伝熱部材」とは、例えば、ヒートスプレッダの如き「被 冷却物の発熱体に密着させた金属板」のように、熱伝導性で「発熱体からの熱の流 れ」を広げる機能を有する部材等である。
[0058] 「被冷却面」は、被冷却物自体の表面もしくは伝熱部材の表面であり伝熱面とも言う
。 該被冷却面は、平滑面としても良いが、例えば環状、螺旋状、細溝のような凹凸 面あるいは粗面にすると、被冷却面の面積が増大し、高い熱流束を得るのに好まし い。
[0059] 上記第一のタイプの「管状流路」にお 、ては、被冷却物の表面を被冷却面とする場 合には「被冷却物は流路構造体の構造の一部」をなし、伝熱部材の表面を被冷却面 とする場合には「伝熱部材は流路構造体の構造の一部」をなす。
[0060] 「サブクール」とは、冷却液の温度を「被冷却面との接触部で冷却液に沸騰が生じ る飽和温度よりも低い温度」にすることを意味し、冷却液の飽和温度 (管状流路内で 沸騰が生じる温度）とサブクールされた冷却液との温度差を「サブクール度」と言い『 K』で表わし、サブクールされた冷却液を「サブクール液」と言う。
本発明における「サブクール度」に特に制限はないが、被冷却面を安定した気泡微 細化沸騰により冷却し、かつ、冷却した後の冷却液のラジェータ等による放熱を考慮 すると、管状流路における「被冷却面上流側端部におけるサブクール度」は、 20Κ以 上が適当であり、 30Κ〜60Κの範囲がより好ましぐさらに 40〜50Κの範囲が一層 好ましい。
この「サブクール度の範囲」は、冷却液として水を用いる場合のみならず、後述する ような、水とアルコール等との混合液の場合にも適用可能である。
[0061] 本発明で用いられる「剛針群」とは、管状流路の内壁部に固定し設けられた複数の 剛針からなり、気泡崩壊分割手段となって、崩壊時に発生する空気圧を減少させる 機能を有するものである。
また、本発明においては、前述したように、合体気泡内に入り込んで液膜を作ること が可能な「液体 (ここではサブクール液）に対するぬれ性を有する凸部材」を用いるこ とが可能と考えられ、該凸部材としては、剛針ばかりでなぐ例えば、厚さが 0. 1〜0. 5mm,長さが 5〜： LOmm程度の薄板 (凝縮崩壊促進板)を用いることができ、その材 質として後述する剛針と同じものが用いられる。
この薄板群を、剛針群と同様に、流路内で被冷却面に向けて突出するように、配列 した構成とすることができるが、この場合、特に、流動抵抗を考慮し、薄板数と配列方 法等を選択する必要がある。
以下、剛針群を用いた管状流路を中心に説明する。
該剛針群は、管状流路の被冷却面に相対する内壁部に固定し、該被冷却面に向 けて設けることができる力 被冷却面に固定し相対する内壁部に向けて設けることも できる。後者の場合には、剛針を被冷却面に固定する付け根部分が発泡点となって 気泡が発生しやす!/、ため、前者の方がはるかに好ま U、。
しカゝしながら、後者の場合にも、付け根部分の形状を弧を描くようなスムージングす れば、気泡発生を制御でき、剛針群がフィン機能を発揮して冷却効果を高めることが 期待できる。
[0062] 本発明で用いられる「剛針」とは、「針状体」に限られるものではなぐ各種棒状体を 含み、該棒状体の形状として、断面が円形のものも四角形のものも使用することがで き、気泡崩壊分割手段として機能を果たすのに必要な剛性を有するもので、本発明 にお ヽてはこれらを総称して「剛針」と言う。
第一のタイプの「管状流路」においては、剛針群を管状流路の被冷却面に相対す る内壁部に固定し、該被冷却面に向けて突出させて設ける場合、個々の剛針は、「 管壁に対して適当な角」をなす。
この「適当な角」は、剛針群の機能を果たしうるものであればよぐ例えば、該被冷 却面が管状流路上に設けられ、かつ管状流路の断面形状が矩形である場合には、 管壁に対して直交する角、あるいは、直交に近い角等である。
[0063] 「剛針が細径」であるとは、断面が円形状の剛針の場合であって、剛針群として流 路内に突出した状態にお!、て「冷却液の流れに対して大きな抵抗とならな 、」ような 太さを言い、管状流路の断面積や、剛針群をなす剛針の数、さらには冷却液の流量 等に応じて最適化することができるが、 1例を挙げれば直径が 0. 1mm〜： Lmm程度 である。
「剛針群の機能を果たすのに必要な剛性」は、冷却液の流れにより大きく橈んだり、 変形したりしないための剛性であり、従って、この場合にも、冷却液の流量 (流速)等 に応じて最適化することができる。
また、各剛針の材質としては、特に限定的ではないが、「必要な剛性」があって、ま た、耐熱性かつ防鲭性を有し、さらに「熱伝導率の高い材質」が好ましぐその上、「 冷却液に対して濡れ性のよいもの」が好ましぐ例えば、ステンレス、アルミニウムのよ うな金属、テフロン (登録商標）のような軟ィ匕点の高い合成樹脂などが用いられる。
[0064] 高密度内における剛針群の配列、即ち、個々の剛針の配列としては、規則的であ つても、ランダムであっても使用することができる。
規則的な配列とは、マトリックス状配列や千鳥状配列のような、整然とした配列であ り、ランダムな配列とは、一定の規則性を持たない配列であるが、単位面積あたりの 剛針数は大きく変動しな 、配列である。
本発明者等の観察によると、合体気泡の崩壊によって生じる空気圧の抑制に、特 に、規則的に配列された剛針群が有効であり、これは相互に等間隔に隣接する 4個 の剛針が格子を形成し、これらの合体気泡との 4つの接触部に形成される 4つの窪み •凹部が同等の崩壊力を有することによることが考えられる。
[0065] 上記「規則的な配列」の場合も「ランダムな配列」の場合も、剛針群の配列密度は、 管状流路の流路方向に沿って一定としてもよいが、配列密度を「流通される冷却液 の下流側でより高密度」とすることができる。 流路方向の剛針群の規則的な配列は、その列数の限定はなぐ管状流路の幅の 大きさに依り、狭い場合には 1列でも可能であるが、等間隔に隣接する 4個の剛針が 格子を形成して、前記のような効果を得るために、 2列以上が好ましぐ 4〜8列がより 好ましい。
また、剛針群の流路方向に対する幅方向（流れ方向と直交する方向）の剛針の配 列密度を高くすることが効果的であるが、配列密度が高すぎると、冷却液の流通の抵 抗になるため、その剛針の間隔は、 2〜5mmが好ましぐ特に、 2〜3mmであること が好ましい。
さらに、剛針の配列に関し、幅方向の密度を高くした方が、管状流路の上流側より 下流側を高密度にする上記のやり方に比べてはるかに有効である。
[0066] 剛針群を構成する複数の剛針は、被冷却面に相対する管壁部から被冷却面に向 けて設ける場合には、管壁部上に格子状に規則的に配置することが好ましぐまた、 剛針の先端部を被冷却面とわずかな間隔を空けて非接触に近接させて設置すること が好ましい。
このように 2列以上規則的に剛針群を設けることによって、被冷却面に合体成長し た気泡が格子状に配置した剛針により貫かれるように該剛針と接触し、表面張力によ り形成される窪み ·凹部が、合体気泡を細力 、セルに分割する要因になることが考え られ、従って、気泡微細化沸騰で気泡が崩壊する時に、各セル毎に存在する気泡が 個別に崩壊していることも推察される。
この場合、崩壊時の瞬間圧力は気泡の大きさに関係するので、剛針の密度を増や しセルの大きさを小さくすれば、発生する瞬間圧力が低下することにはなると考えら れるが、反面、サブクール液の流動抵抗が増加することになるので、剛針の太さと配 列密度については被冷却面の長さと幅の大きさ等の条件に応じて適宜選択する必 要がある。
[0067] 流路内に突出するように管状流路の管壁上に剛針を設ける方法として、管壁に穴 を空けて剛針の一端部を埋め込んで接着剤等で固定するか、管壁に穴を空けずに 剛針の一端部を管壁表面に蝌付け等で固定するか、管壁が耐熱性榭脂板性の場合 に、剛針の一端部を加熱し榭脂板に押し込んだ後冷却し固定するか、あるいは成形 等によって管状流路と剛針とを一体に形成する等がある力 いずれにせよ、固定した 剛針がはずれないような、高熱環境における高い耐久性が必要である。
例えば、「熱伝導率の高い材質」による剛針を、管状流路の管壁をなす被冷却面に 植え込んだり接着したりして流路内に突出させると、細径の剛針群が被冷却面と一体 化したことにより被冷却面の表面積が大きくなり、冷却液との接触面積が増大し、冷 却液への伝熱効率が有効に向上する。
また、凝縮崩壊への効果をさらに大きくするために、剛針の温度を冷却液の温度よ りも低く保持することが考えられ、そのために、剛針群を構成する各剛針の一端部を 、被冷却面に相対する管壁部力 被冷却面に向け突出させる流路構造体の場合に は、他端部を管壁部を貫通させ管状流路の外壁表面上に突出するように管壁部で 固定する構成にして、外壁表面上の該剛針部から大気への自然対流により放熱させ 、さらに、外壁表面上の該剛針部を送風機よつて送風するとかダクトをつけて送風し 強制対流放熱させるような、冷却手段を設けて剛針群を冷却することができる。
[0068] 剛針を被冷却面に埋め込む構造は、冷却面積を増加させる効果はあるものの、被 冷却面と剛針の接触部分が発泡点になって気泡に覆われた接触部分が高温になる 場合があり、部分的に「焼き切れ (バーンアウト）」まで進む虞があるので好ましくな ヽ 一方、剛針が「熱伝導率の高い材質」の場合には、管状流路の管壁をなす被冷却 面に植え込んだり接着したりして流路内に突出させると、細径の剛針群が被冷却面と 一体ィヒしたことにより被冷却面の表面積が大きくなり、冷却液との接触面積が増大し 、冷却液への伝熱効率を有効に向上させるので、好ましい。
[0069] また、本発明の流路構造体において、管状流路の断面形状が略「矩形形状」であ ることが好ましぐ「被冷却面とこれに対向する管内壁」が互いに平行的で、剛針群が 、被冷却面および Zまたは被冷却面に対向する管壁力 突出して、その先端部が反 対側の面である「被冷却面に対向する管壁もしくは被冷却面に、近接もしくは当接」 するよう〖こ構成することがでさる。
剛針群の先端部を「被冷却面に対向する管壁もしくは被冷却面に当接」させる場合 には、剛針自体が放熱フィンとして冷却効果をもたらす。このような放熱フィンとしての 機能を効果的に果たさせるためには、剛針の材質として熱伝導性のものを用いること が好ましい。また、剛針群の先端部を「被冷却面に対向する管壁もしくは被冷却面に 近接」させる場合、近接させる管壁との間隔は高々 0. 1mmかそれ以下であることが 好ましい。
し力しながら、剛針の先端部を被冷却面に当接し接触すると、接触部分が発泡点 になり、その結果、気泡に覆われた接触部分が高温になって部分的に「焼き切れ (バ ーンアウト）」に進むことが考えられるので、間隔が 0. 1mm以下であっても、当接させ ず近接させた方が好ましい。
[0070] 上記「被冷却面とこれに対向する管壁が互いに平行的」であるとは、これらの面が 平面であって互いに平行して対向する場合のみならず、これらの面がそれぞれ円筒 面等であって、互いに平行的に対向する場合も含む。即ち、被冷却面とこれに対向 する管壁とは、平面である場合も曲面である場合もある。
[0071] また、本発明の流路構造体において、管状流路の断面形状としては、前述の「矩形 形状」以外に、「円形状もしくは楕円形状」または「半円形状または半楕円形状」にで きる。 例えば、被冷却物または伝熱部材の内部に「断面形状が円形状もしくは楕円 形状の孔」を穿設すると、被冷却物または伝熱部材の内部に「円筒面状もしくは楕円 筒面状の表面」が形成されるので、この円筒面状もしくは楕円筒面状の表面を被冷 却面とし、この表面を管壁とする管状流路に冷却液を流通させて気泡微細化沸騰冷 却を行うことができる。
この場合には、管状流路の管壁はすべて「被冷却物もしくは伝熱部材の、円筒面 状もしくは楕円筒面状の表面」になる。
[0072] 本発明の流路構造体は、後述するように、稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を 構成要素とする多種の製品に幅広く適用可能なものであり、冷却液を流す被冷却面 の長さは、製品によって様々である。
本発明の流路構造体を単体で用いる場合に、所期の気泡微細化沸騰効果を十分 発揮するためには、その「冷却液を流す被冷却面の長さ」として、 lcm〜5cmが適当 であり、長くて 5cm程度であることが好ましぐ被冷却面の長さがより大きい場合には 、本発明の流路構造体を複数個、直列に組合せて用いることが好ましい。 また、被冷却面が長い電子パッケイジが必要な場合は、被冷却面の長さを、例えば
5cmとする複数のパッケイジに分割し、本冷却装置をサンドイッチ状に配置すること により、よりコンパクトになり高熱流束冷却を行うことができる。
すなわち、本発明の流路構造体は「管状流路を複数個、互いに近接して直列的も しくは並列的に有する」構成とすることができる。複数個の管状流路を並列的に組合 せる場合、複数の管状流路における冷却液の流通の向きは、同一方向としてもよい し、管状流路のうちに、他の管状流路とは逆向きに冷却液を流通されるものが 1以上 あってもよい。このように複数の管状流路を併設することにより、流路の並列的な配列 方向における冷却領域を増大することができる。
[0073] また、本発明の流路構造体は「冷却液を流通される管状流路に対し、隔壁を隔して 管状の副流路が形成され、副流路から隔壁を通して管状流路内に冷却液を供給す る供給部を複数個有する」構成とすることができる。
副流路は、管状流路を介して被冷却面から離れる位置に形成されてもよいし、管状 流路の流路方向に沿う側方に形成されてもよい。
[0074] また「供給部」は、管状流路との隔壁に「貫通孔」として形成されてもよいし、隔壁自 体を「多孔質」として形成してもよく、隔壁から管状流路側へノズル状に突設させて、 先端部を被冷却面に近接させるようにしてもょ 、。
[0075] この場合、流路構造体の管状流路と副流路における「冷却液の流通の向き」は、管 状流路と副流路とで同じ向きでもよいし、互いに逆の向きでもよい。副流路に流通さ れる冷却液は勿論「サブクール液」である。
[0076] 本発明の流路構造体は、熱伝導性の良!、材料で構成するのがよ!、。例えば、金や 銀やアルミニウムは大きな熱伝導率を持ち、特に、銀は熱伝導率の高さの点で流路 構造体の材料として適している力 コストの面力もするとアルミニウムが好適である。 さらに、流路構造体の材料として、熱伝導性の良いものば力りでなぐ安定した耐鲭 性、耐腐食性、耐熱性の高いものを使用することが好ましぐ例えば、耐鲭性処理を 施したアルミニウム、ステンレス、セラミックス、アクリル榭脂等を好適に使用できる。
[0077] 本発明の沸騰冷却装置は「気泡微細化沸騰冷却を行う装置」であり、流路構造体と
、冷却液供給'流通手段とを少なくとも有する。 「流路構造体」は、被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被 冷却面とし、被冷却面を管壁として形成され、サブクールされた冷却液を流通される 管状流路を有し、管状流路の管壁から細径の剛針群を流路内に突出させた構造を もち、具体的には上述したものが用いられる。
[0078] 「冷却液供給 ·流通手段」は、流路構造体の管状流路もしくは管状流路と副流路に 流通される冷却液を流路構造体に供給して流通させる手段である。
[0079] 上記「冷却液供給，流通手段」は、冷却液を貯留させる冷却液容器と流路構造体と の間に、冷却液を流通させることができ、この場合において「冷却液容器に冷却液が 貯留された状態」が含まれる。
[0080] また、上記「冷却液供給'流通手段」の構成要素として、対流式の放熱手段を有す ることがでさる。
「対流式の放熱手段」は、流路構造体に流通されて被冷却面から冷却液に移され た熱を有効に放熱し、より効率良い沸騰冷却を可能とするものである。この放熱手段 は、空気を対流させる方式のものでも、水などの液体を対流させる方式のものでも良 いが、空冷式のラジェータは好適なものの 1つである。
[0081] 本発明の沸騰冷却装置における冷却液としては「被冷却面温度に対して適当な飽 和温度を持つもの」であれば、特に制限無く使用することができるが、入手の容易性 、低コスト性、取り扱いの容易性、安全性、化学的'物理的安定性等の観点から、水 あるいはアルコール、もしくは、水とアルコールの混合液、または、フッ素系不活性液 体が特に好適である。
[0082] 「水」は、環境保全の面力も言えば、冷却液として特に好適なものである。フッ素系 不活性液体は「フロリナート (登録商標 住友スリーェム社)」が市販されて!、る。
「水とアルコールの混合液」としては、アルコールとしてエチルアルコール、プロピル アルコールそれぞれを、水に対し 5〜 15%の割合で混合した冷却液が好適である。 また、先述のように、「水とアルコールの混合液」を用いる場合には、水の場合と同 様に、サブクール度は 20K以上が好ましぐ 20K未満になると気泡微細化沸騰が起 こりにく 、ことが確認されて 、る。
「水とアルコールの混合液」は、「水のみによる冷却液」を用いる場合に比して、崩壊 後の微細気泡が明らかに小さぐまた、合体気泡崩壊時の圧力振動を 50%程度さら に低減することを可能とし、 30%程度高 、熱流束を得ることを可能とする。
圧力振動を低減できる理由は、水とアルコールとを混合すると、表面張力が水単独 の場合よりも小さくなり、気泡の崩壊が容易になるためと考えられる。また、高い熱流 束が得られる理由は、沸騰時に「沸点の低 、アルコールが先に蒸発」することにより、 伝熱面の「気泡付着箇所近傍と混合液の間に生じるアルコール濃度差」が、気泡に おける表面張力の差をもたらし、気液界面の「気泡上部における温度の低い部分の 大きな表面張力」に混合液が引張られ、気泡上部に向力う流れ (マランゴ二流れ)が 生じ、「伝熱面の気泡付着面」に向かって温度の低い冷却液が供給されて気液交換 力 M足進されること〖こよるちのと推察される。
[0083] 本発明の沸騰冷却装置が、寒冷地又は低温雰囲気中で使用される場合、冷却液 の凍結により冷却装置として機能が果たせなくなる虞がある。この対策として、冷却液 の凍結を防ぐ「防結手段」として冷却液を不凍液とすることができる。
不凍液は、本発明の沸騰冷却装置を搭載する製品種に応じて適宜選択使用する ことができ、市販されているものも適用可能であり、例えば、エチレングリコールを主 成分とするものを用いることができる力 エチレングリコールに代えて、メチルアルコー ルゃエチルアルコールのようなアルコール類と水とを濃度調整して不凍液として使用 することができる。
例えば、水とエチレングリコールとの混合液（混合液 1)、水とメチルアルコールとの 混合液 (混合液 2)、水とエチルアルコールとの混合液 (混合液 3)のそれぞれの凝固 点 (°C)は、水と混合するエチレングリコールなどの成分の濃度（％)によって変化し、 次表 1のようになる。
[0084] [表 1]
濃 度 （％) 1 0 2 0 3 0 4 0 混合液 1 - 3 t: - 8 ¾ - 1 5 . 5 X, - 2 5 "C 混合液 2 一 5 °C - 1 2 °C - 2 1 ° 一 3 3で 混合液 3 — 2 . 5 °C - 7 ° 一 1 3 ¾ 一 2 2で [0085] また、この発明の流路構造体の被冷却面を構成する「被冷却物もしくは被冷却物に 密接にする伝熱部材」の、少なくともその表面を構成する材料として、先述の金属板 のように、熱伝導で「発熱体からの熱の流れ」を広げる機能を有する部材ばかりでなく 「超親水性材料」を用いることができる。
[0086] 伝熱面を親水性材料力もなる膜 (親水性膜あるいは超親水性膜)とすることにより、 伝熱面が冷却液による濡れ性が向上して気泡離脱が促進し、剛針による気泡微細 化効果と相俟って、限界熱流束を向上させることができる。
[0087] 親水性材料としては、例えば、特許第 3340149号、特許第 3147251号、特許第 2 59931号、特開 2005— 55066号公報、特開 2002— 062069号公報、特開 2001 — 1336890号公報、特開 2000— 144052号公報、特開 2000— 103645号公報 等に挙げられているものを、この発明の流路構造体を用いる製品に応じて適宜適用 可能である。
発明者等の実験によると「500〜600°Cで形成されたセラミック親水性膜」は、限界 熱流束を 10〜20%増加させ、また特に、微小重力環境下では気泡離脱を促進する 効果が高 ヽことが確認された。
[0088] 本発明を図面を用いて説明する。
図 4 (A)および図 4 (B)は、本発明の流路構造体の断面模式図であり、該流路構造 体は、管壁 KH力も被冷却面 HBSに向けて、剛針 Ν1、 Ν2、 · · *Niを突出させ、管壁 KH上に一列に並べた剛針群が固定され、管壁 KHの幅方向（図示していないが紙 面と直角方向）に、図示された一列の前記剛針群に並んで、同じ剛針群が 2列目とし て固定されている。
図 4 (A)および図 4 (B)は共に、サブクールされた冷却液（図において矢印で示す） が流路構造体の管壁 KH側に沿って、右方から左方に流れている状態を表わし、図 4 (A)は、図 4 (B)よりも冷却液を流し始めて力も経過した時間が長ぐ被冷却面 HB Sと接触時間が長くなるに従い、被冷却面 HBS表面で発生した微小気泡 SBが流れ と共に次第に合体し成長して 、く状態が示されて 、る。
図 4 (B)は微小気泡 SBが合体気泡 LBに成長する状態を、図 4 (A)は、 2列の剛針 群の隣接する 4本の剛針が形成する各格子内に合体気泡 LBが、被冷却面の一部を 覆うように被冷却面 HBSに付着して形成された状態を示している。
[0089] 微小気泡 SBは徐々に合体気泡に成長していくが、成長するに従って合体気泡は、 剛針 Niが合体気泡 LBに「突き刺さった状態」ある!/、は合体気泡 LB内に入り込んだ 状態となると共に、 2列の剛針群の隣接する 4本の剛針に接触し、この 4つの接触部 では表面張力によって、合体気泡側に引っ込み冷却液側に盛り上げるような、窪み- 凹部が形成され、合体気泡 LBの表面は、剛針の分布に従って、複数の凸曲面 LB1 、 LB2、 · 'LBi' ·に分かれたような状態を形成する。
このように剛針群によって形成される格子が、合体気泡に「窪み ·凹部」とか「凸曲面 」状態をつくって、合体気泡を一度に崩壊させないで、振動，騒音の原因となる高い 瞬間圧力の発生防止効果をもたらすものと考えられる。
[0090] また、図 1 (B) (a)のような、剛針群を用いない場合に形成される「単一の表面を持 つ合体気泡 LB」に比して、上記のように合体気泡の表面が「複数の凸曲面」で構成 された状態は、表面エネルギーが大きぐ不安定な状態であり、この状態における「サ ブクール液による微細気泡への崩壊」は、合体気泡 LB全体として瞬時に崩壊が生じ るのではなぐ複数の凸曲面 LB1、 LB2、 · 'LBi' ·毎の崩壊になるものと考えられる。
[0091] 即ち、凸曲面 LB1、 LB2、 · 'LBi' ·のうちの「もっとも崩壊しやすい部分」で崩壊が 生じ、これが引き金となって他の凸曲面部分での崩壊が誘発され、全体の崩壊へと 進むと推察される。図 4 (B)は、凸曲面 LB1、 LB3を除く凸曲面部分で微小気泡 SB への崩壊が生じた状態を示して 、る。
[0092] 本発明の沸騰冷却方法は、上に説明した沸騰冷却装置を用いた冷却方法である。
本発明の沸騰冷却方法にお!ヽて、沸騰冷却装置を構成する流路構造体の管状流 路内に流通させる冷却液の流速には特に制限はないが、 0. 2mZ秒以上が好ましく 、さらに、 0. 4mZ秒以上が好ましい。 0. 2mZ秒未満では、冷却液の流れによる「 伝熱面上の気泡の除去されな 、」ことが起きる場合がある。
また、冷却液の流速は 1. OmZ秒程度を上限とすることが好ましぐさらに、 0. 6m Z秒以下が好ましい。 1. OmZ秒を超えると、冷却液流通のための配管系の流動抵 抗が増加し、冷却液を流通させるための駆動力が増加する傾向がある。
[0093] また、冷却液を管状流路内を流通させるのは、図 4 (A)および図 4 (B)で言えば右 側上流の、冷却液流入側の圧力を 1気圧より多少高目の、例えば 1. 02〜： L 15気 圧に、出口側圧力を 1気圧に、上記の流速と合わせて調整して流通することが好まし い。
[0094] また、本発明の沸騰冷却方法においては、前記剛針群が固定された内壁部に相 対する前記管状流路の外部表面から超音波を当てて、微細化を促進しより安定した 気泡微細化沸騰を行うことができ、沸騰冷却装置として超音波発生装置を取り付け たちのとすることがでさる。
管状流路を流通し、一旦被冷却面の冷却に供した冷却液は温度が上昇しサブクー ル度が低下するため、元のサブクール度に戻すのにラジェータのような放熱手段が 用いられる。例えば、沸騰して高温になっている冷却液を、元のサブクール度 40Kに 戻すにはかなりの時間を要することになる力 20Kにするとなるとさほど時間をかけな いで済む。
し力しながら、冷却液のサブクール度が 20Kでは 40Kに比べて、気泡微細化沸騰 を低めることになるが、このような場合に、例えば、 20kHz程度の超音波をあてかつ 2 OKの冷却液を用いて行うと、超音波をあてないで行う場合に比べて、 2倍以上の除 熱熱流束が得られることが検証された。
[0095] 本発明の沸騰冷却方法によって、 300W/cm2以上の、特に 500WZcm2程度の 熱流束を容易に得ることができ、振動'騒音を有効に低減化でき、 60%以上低減さ せることができる。
[0096] さらに、本発明の沸騰冷却方法において、沸騰冷却装置に用いられる流路構造体 として、副流路を有するものを用いる場合には、冷却液供給'流通手段により、流路 構造体の管状流路と副流路とに冷却液を供給'流通させ、副流路の側から管状流路 内へ冷却液を供給しつつ冷却を行うことができる。
[0097] この場合、副流路から管状流路への冷却液供給は、副流路内の圧力を管状流路 内の圧力より高くして「強制的」に行ってもよいし、管状流路に流通する冷却液と副流 路に流通する冷却液の「動圧差」や毛管現象を利用して、副流路内の冷却液が管状 流路内に滲出するようにしてもょ 、。
本発明の沸騰冷却装置は「稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を構成要素とす る製品」に適用可能であり、例えば、発熱体を有し、沸騰冷却装置を構成する流路構 造体の管壁の少なくとも一部が発熱体の表面となる電子素子または燃料電池である ことができる。
[0098] この製品としては、例えば、電子素子と伝熱部材とを主構成要素とする高発熱密度 電子機器が搭載された、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料 電池発電設備の電力変換制御装置、又はコンピュータもしくはスーパーコンピュータ 、又は鉄道電車あるいは航空機用の電力システムの電力変換制御装置であって、沸 騰冷却装置を構成する流路構造体の管状流路が伝熱部材を管壁として形成された ことを特徴とするハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電 設備の電力変換制御装置又は鉄道電車あるいは航空機用の電力システムの電力変 換制御装置であることができる。
[0099] 現在広く用いられている、 Si基板を用いる IGBTは、高出力化に伴い発熱密度が 増加する傾向にあり、このような半導体デバイスに対する冷却として、この発明の冷却 装置 ·冷却方法は極めて有効である。
[0100] 次に本発明の流路構造体について、先述した、内壁部に被冷却面と剛針群が設け られた第一のタイプ管状体の変形例を挙げて説明する。図 5に、 5つの変形例を示す 図 5 (A)に示す実施の形態では、サブクールされた冷却液は、図の左方から右方 へ向かって流れ、管状流路の一部をなす流路部材 12Bの管壁力 流路内へ突出す る剛針群 Ν1、 Ν2、 · ·Μ· ·の配列密度が冷却液の下流側ほど高くなつている例であ り、各剛針の先端部が相対する管壁に当接させずに近接するように固定することが 好ましい。
[0101] 前述した如ぐ合体気泡は、核沸騰で生じた微小な気泡が、冷却液の流れと共に 次第に合体して成長して被冷却面に付着するものであるために、冷却液の下流側で 大きくなつて被冷却面に付着し易い。従って、合体気泡を「小分けにして崩壊させる 剛針群」の密度を下流側で大きくすることにより、合体気泡の小分けされる数（図 4 (Α )における凸曲面 LBiの数)が大きくなり、剛針群による効果がより有効に発揮される。
[0102] 図 5 (B)に示す実施の形態は、管状流路の断面形状が「円形状」である場合の例で ある。
即ち、この例では、被冷却物 30の内部に、断面円形状の孔が穿設されて、管状流 路 31A、 31B、 31Cとなっている。これら管状流路 31A、 31B、 31Cは、全面が被冷 却面であり、これらの管状流路に冷却液を、図面に直交する方向へ流通させて気泡 微細化沸騰冷却を行うことができる。
剛針群を構成する Ni、 Nj、 Nkは、管状流路の管壁に直交する角度で管状流路内に 突出している。し力しながら、剛針群を管状流路の管壁に固定する場合、結合部が 発泡点になりやすいため、結合部を弧を描くようなスムージングすることが好ましい。
[0103] 図 5 (B)の例はまた、複数個の管状流路 31A、 31B、 31Cを互いに近接して平行 に有する構成である。
[0104] 図 5 (C)に示す実施の形態は、管状流路の断面形状を半円形とした例である。
被冷却物 32の被冷却面 32Aの上方に、アーチ型の断面形状を持つ半円筒状の 管壁が形成された流路部材 34が設けられ、被冷却物 32と一体化して管状流路を形 成している。この管状流路の管壁の一部をなす被冷却面 32Aの側から、被冷却面 3 2Aに直交する角度を持って剛針群 Nl、 N2、 · 'Ni' ·力 管状流路内に突出するよう に設けられ、各剛針の先端部が相対する管壁に当接させずに近接するように固定す ることが好ましい。管状流路の断面形状が半円形状であることに応じて剛針 Niの長さ が異なる。
[0105] 図 5 (D)に示す実施の形態は、被冷却物 33の被冷却面 33Aと流路部材 35とを組 合せて、断面形状が矩形形状で互いに平行管状流路 37A、 37B、 37Cが近接して 形成された例である。個々の管状流路 37A、 37B、 37Cには、図の如く剛針群が設 けられている。各剛針の先端部が相対する管壁に当接させずに近接するように固定 することが好ましい。
[0106] 図 5 (E)に示す実施の形態は、冷却液が流通される管状流路 42に対し、隔壁を隔 して管状の副流路 44が形成され、副流路 44から隔壁を通して管状流路 42内に冷却 液を供給する複数個の供給部 42A、 42Bを有する例である。管状流路 42は被冷却 物 40の被冷却面 40Aを管壁の一部として、流路部材 421、 422により構成され、岡 IJ 針 Nl、 "Ni、 · ·による剛針群は流路部材 422の側力も流路部材 422の管壁に直交 する角度をもって管状流路 42内に突出し、それらの先端部は被冷却面 40Aに近接 している。
[0107] 流路部材 422はまた、副流路 44に対して管状流路 42を隔する隔壁であり、この隔 壁をなす流路部材 422と副流路部材 441とにより副流路 44が形成されている。管状 流路 42、副流路 44の断面形状は矩形形状であるが、これに限らず円形状や半円形 状当の他の断面形状でもよい。また、図 5 (E)の例では、管状流路 42と副流路 44と をサブクールされた冷却液（図において矢印で示す)が同じ向き（図の左方力も右方 へ向かう向き）に流通している力 これに限らず、管状流路 42と副流路 44とで冷却液 の流れの向きを逆にしてもよい。
[0108] 供給部 42A、 42B等は、隔壁 422から管状流路側へノズル状に突設させて、先端 部を被冷却面 40Aに近接させて 、る。
[0109] このような流路構造体を用いると、剛針群による効果に加え、副流路側からのサブ クール液の供給により、管状流路を流れる冷却液の温度を有効に低下させ、サブク ール液のもつ「気泡微細化崩壊効果」を助長することができる。
[0110] 前述の如ぐ副流路 44から管状流路 42への冷却液供給は、副流路 44内の圧力を 管状流路 42内の圧力より高くして「強制的」に行ってもよいし、管状流路 42に流通す る冷却液と副流路 44に流通する冷却液の「動圧差」や毛管現象を利用して副流路 4 4内の冷却液が管状流路 42内に滲出するようにしてもょ 、。
[0111] 図 6は、沸騰冷却装置の実施の 1形態を説明するための図である。
[0112] 図 6において、符号 500は被冷却物で、発熱部 501、 502、 503を有する。これら発 熱部 501、 502、 503に接してヒートスプレッダ 510が「伝熱部材」として設けられ、図 においてヒートスプレッダ 510の上側の表面力 平滑な平面状の被冷却面 51 OAとな つている。
[0113] 符号 512は流路部材を示し、ヒートスプレッダ 510とともに「管状流路」を構成する。
即ち、管状流路 514の管壁の一部はヒートスプレッダ 510の被冷却面 510Aであり、 管状流路 514内には、剛針 Niによる剛針群が突出している。個々の剛針 Niは、管状 流路 514における図の上側の管壁力も管壁に対して直交する角度で突出し、その先 端部は被冷却面 510に近接して 、る。 [0114] 即ち、ヒートスプレッダ 510と、剛針群を有する流路部材 512とは、被冷却物 500の 表面に密接する伝熱部材 510の表面を被冷却面 510Aとし、被冷却面 510Aを管壁 として形成され、サブクールされた冷却液を流通される管状流路 514を有し、管状流 路 514の管壁から細径の剛針群を流路内に突出させた構造をもつ流路構造体であ る。
[0115] 図 6における符号 520は「冷却液容器」、符号 522は「冷却液」を夫々示す。また、 符号 532は「流路用ポンプ」、符号 530、 540は「冷却液用管路」、符号 550は「凝縮 手段」を示している。
[0116] 流路用ポンプ 532、凝縮手段 550は後述する「制御手段」により制御される。
冷却液容器 520には冷却液 522が貯留されている。冷却液 522としては、水あるい はアルコールもしくは、水とアルコールの混合液、またはフッ素系不活性液体を好適 に用いることができ、特に、先の実施の形態で説明した「純水」や、「ェチルアルコー ルとプロピルアルコールを、水に対し 5〜 15%の割合で混合した冷却液」は好適であ る。また、冷却液として不凍液を用いることができることは言うまでもない。
[0117] 冷却を行うときには、冷却液容器 520内の冷却液 522を流路用ポンプ 532により汲 み上げ、冷却液用管路 530を通して流路構造体の管状流路 514に供給する。管状 流路に供給された冷却液 522は管状流路内を流れつつ被冷却面 510Aの気泡微細 化沸騰冷却を行う。その際、管状流路内に突出する剛針群の作用により、管状流路 内における圧力変動が有効に軽減され、騒音'圧力共に有効に軽減される。
[0118] 管状流路 514を通過した冷却液 522は、冷却液用管路 540内を流れて冷却液容 器 520内に戻されるが、その途上に於いて凝縮手段 550に依り凝縮される。
凝縮手段 550は冷却液用管路 540内に組み込まれた凝縮部 551と、この凝縮部 5 51に冷却風 553を吹き付けるファン 552とにより構成される。凝縮部 551は流路を長 く取り、冷却液 522はこの部分を流れる間に冷却風 553により冷却され、凝縮して冷 却液容器 520に戻される。
[0119] 即ち、冷却液容器 520と、冷却液用管路 530、 540と、流路用ポンプ 532と、凝縮 手段 550は、管状流路 514に流通される冷却液 520を流路構造体に供給して流通さ せる「冷却液供給'流通手段」を構成する。 [0120] 従って、図 6に実施の形態を示す沸騰冷却装置の「冷却液供給'流通手段」は、流 路構造体 510、 512と冷却液容器 520との間に冷却液 522を流通させるものである。
[0121] 従って、図 6の沸騰冷却装置によれば、本発明の沸騰冷却方法が実施される。
[0122] なお、図 6の沸騰冷却装置における流路構造体として、図 5 (E)に示した副流路を 有するものを用い、冷却液供給'流通手段により「流路構造体の管状流路と副流路と に冷却液を供給 *流通させ、副流路の側から管状流路内へ冷却液を供給」しつつ冷 却を行うようにして、本発明の沸騰冷却方法を実施することができることは言うまでも ない。
[0123] 図 7は制御手段 70による制御の様子を説明図として簡単に示している。
制御手段 70は「マイクロコンピュータ」である。上には説明しな力つたが、図 6に示し た沸騰冷却装置には各種センサが用いられ、「被冷却面温度」、「管状流路の流路 入口温度 ·流路入口圧力 ·流路入口流量 ·流路出口温度 ·流路出口圧力」、「凝縮部 出口温度 ·冷却液容器温度 ·冷却液容器圧力」が検出される。
[0124] これらのうち、各種温度の検出は「熱電対等の温度センサ」により行われ、各種圧力 の検出は「半導体圧力センサ等の圧力計」により行われ、各種流量の検出は「浮子 面積式流量計等の流量計」により行われる。
[0125] これら各種温度、流量、圧力等の検出結果は制御手段 70に入力され、制御手段 7 0は入力情報に応じてポンプ 532の駆動、凝縮手段 550のファン 552の駆動力の強 弱、「流路圧力安全弁、冷却容器圧力安全弁」を制御して、冷却動作に支障がでな いようにする。また、被冷却面温度が急激に上昇した場合 (被冷却面温度が上昇し すぎて被冷却面の焼損が生じた場合が考えられる。）には被冷却物の電源を遮断す る。
[0126] この発明は、従来の「核沸騰領域を利用した沸騰冷却」の冷却限界を、気泡微細化 沸騰冷却により大幅に向上させることができ、騒音，振動の少ない静かな冷却を実現 できる。 またこの発明の沸騰冷却装置は、広い技術分野における伝熱部材の適用 可能な、対環境性、対省エネ性の発展性ある技術と言うことができる。
[0127] この発明の沸騰冷却装置が用いられる技術'製品分野 (以下、製品と称する）は「稼 動中に熱が発生しその熱を冷却する冷却手段を構成要素とするもの」であれば、特 に限定されない。
[0128] 例えば、パソコンのような発熱体を有する電子機器または発熱体を有する燃料電池 、高発熱密度の電子機器、ハイブリッドカー、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電 池発電設備の電力変換インバータ又は鉄道電車あるいは航空機の電力システムの 電力変換インバータ、電力制御の電子パッケイジを含む複数の電子素子および伝熱 部材 (例えば、ヒートスプレッダ)を主構成要素とする電子機器が搭載され、この発明 の沸騰冷却装置は、伝熱部材の表面を「流路構造体の管状流路の管壁」として一体 的に形成した構成とし、製品とすることができる。
[0129] 現在広く用いられている、 Si基板を用いる IGBTは、高出力化に伴い発熱密度が 増加する傾向にあり、このような半導体デバイスに対する冷却として、この発明の冷却 装置 ·冷却方法は極めて有効である。
[0130] すなわち、パソコンのような発熱体を有する電子機器または発熱体を有する燃料電 池では、この発明の沸騰冷却装置は、流路構造体の主流路と発熱体の表面とを一 体的に形成した構成とし、製品とすることができる。
[0131] このような電子機器としては、一般的に高発熱密度電子機器が用いられており、例 えば 50kW以上のような高 、電力が扱われるので、単位面積当たりの発熱量が多く、 発熱密度が lOOWZcm2以上、さらには 300WZcm2にもなることも考えられるが、こ のような電子機器の冷却に対しても、この発明の沸騰冷却方法'装置は好適である。
[0132] 一方、この発明の流路構造体およびこの流路構造体を構成要素として備えた沸騰 冷却装置は、それぞれ単独の製品として扱うこともできる。
[0133] 流路構造体を単独の製品として扱う場合には、沸騰冷却装置の構成要素として設 置する際に、被冷却物の大きさ、放熱器の最適取り付け場所、空間余裕によって配 管の長さ等を調節することができるが、冷却液が入っていないため、放熱器、送液ポ ンプ等を含む冷却系を組み上げた時に空気が入らな 、ように冷却液を注入すること が必要である。
[0134] また、沸騰冷却装置を単独の製品として扱う場合には、冷却液容器に冷却液が予 め貯留された構成のものであっても、貯蔵されていない構成のものであっても製品と することができるが、冷却液容器に冷却液が予め貯留された構成のものの場合には 、予め冷却液を封入した状態で扱うことができるので、冷却液注入と空気抜き作業を 省略できる。
[0135] 以上に説明したように、この発明によれば、従来にない沸騰冷却方法および装置、 流路構造体および応用製品を提供できる。この発明の沸騰冷却方法では気泡微細 化沸騰冷却を行うので「従来の沸騰冷却方法であれば遷移沸騰となるような不安定 領域」においても、良好な沸騰冷却を実現可能であり、気泡微細化沸騰冷却に特有 の振動 ·騒音を極めて効果的に軽減できるので、沸騰冷却装置やこれを備える応用 製品の振動 ·騒音を有効に低減ィ匕でき、 60%以上低減させることができる。また、冷 却液下流側における熱流束の低下も有効に軽減もしくは防止される。
図面の簡単な説明
[0136] [図 1]気泡微細化沸騰冷却を説明するための図である。
[図 2]図 1 (A)で示した概念を分力り易く詳細に説明した図である。
[図 3]流路構造体の実施の 1形態における特徴部分を説明するための図である。
[図 4]発明の原理を説明するための図である。
[図 5]流路構造体の変形例の特徴部分を説明するための図である。
[図 6]沸騰冷却装置の実施の 1形態を説明するための図である。
[図 7]図 6の装置例おける制御系統を説明するための図である。
[図 8]実験装置の概念図である。
[図 9]実験装置に用いる流路構造体の実施の 1形態を示す断面模式図である。
[図 10]流路構造体の実施の 1形態を示す断面模式図である。
[図 11]実験例 1の結果を示す除熱熱流束および瞬間圧力変動を比較するためのグ ラフである。
[図 12]冷却液流路の上流側端部における熱流束と過熱度をプロットした図である。
[図 13]冷却液流路の下流側端部における熱流束と過熱度をプロットした図である。
[図 14]実験装置に用いる流路構造体において剛針群の配列を用いない場合の圧力 の変動を示す図である。
[図 15]実験装置に用いる流路構造体において剛針群の配列を用いる場合の圧力の 変動を示す図である。 [図 16]気泡崩壊状態を捉えた高速度写真である。
[図 17]冷却液の平均流速の違いによる除熱熱流束および瞬間圧力変動を比較する ためのグラフである。
[図 18]冷却液のサブクール度の違いによる除熱熱流束および瞬間圧力変動を比較 するためのグラフである。
[図 19]流路構造体の実施の 1形態を示す断面模式図である。
符号の説明
[0137] 10 被冷却物
10A 被冷却面 (伝熱面）
12A 流路構造体の一部を構成する流路部材
16 管状流路
Ni 剛針群を構成する剛針
発明を実施するための最良の形態
[0138] <実験装置の説明 >
図 8は、実験装置の概念図である。
本発明の流路構造体の効果を検証するために、図 8に示す実験装置を準備し、試 験部 28に図 10に示される流路構造体（図 9と実質同じであって、高発熱体の構成例 が具体的に示されたものである）を取り付けて実験を行った。
該実験装置を構成する各部品は以下のとおりであるが、それぞれの機能について は、説明を省略する。
図 8において、符号 21は恒温槽を、 22は自動温度調節器を、 23はポンプを、 24は 流量調節弁を、 25は流量計を、 26はフィルタを、 27は圧力センサを、 28は試験部を 、 29は熱電対を、 30はマノメータを、 31は電気炉を、 32は高速度ビデオカメラを、 3 3は電気炉制御器を、 34はデータ記録 PCを、 35は圧力センサ用直流増幅器を、 36 は AD変 を、それぞれ示している。
また、図 10において、符号 29Aは熱伝対タップを、 18A, 18Bおよび 18Cは断熱 材を、それぞれ示している。また、図 10中の矢印は冷却液であり、その向きにより冷 却液の流れ方向を示して 、る。 [0139] <実験例 1 >
図 9及び図 10は、本発明の流路構造体の断面模式図であるが、本発明者等はこの 模式図に基づ!、た流路構造体を作製して、剛針群による振動 ·騒音抑制効果を検証 した。
この流路構造体を用いた実験は、伝熱ブロックの長方対に埋め込まれた熱電対の 温度分布および温度勾配から、伝熱面温度および除熱熱流束を求めることを基本と するものである。
[0140] 先ず、この流路構造体につ!、て説明する。
図 9において、符号 10は「被冷却物」である高発熱体を示す。高発熱体 10は銅製 で、その上面の平面状部分の周辺部分を一段切り欠き、この部分に断熱材 11Aと耐 熱シリコン 11Bとを設け、残りの部分を被冷却面 (伝熱面とも言う） 10Aとした。被冷却 面 10Aのサイズは冷却液の流通方向である図の左右方向において 50mm、図面に 直交する方向である幅方向に 20mmである。
この高発熱体 10の具体的な構成は、図 10に示す通りであり、符号 15Aは銅ブロッ クを、 15Bはカートリッジヒーター（発熱体）を、それぞれ示している。
[0141] 管状流路を構成する部材 12はステンレスで、管状流路 16の「冷却液の流通方向に 直交する断面形状」は、図の上下方向の高さが 5mm、図面に直交する方向の幅が 2 4mmの矩形形状で、流通方向の長さは 500mmである。
流路部材 12の下方部分を切り欠き、切り欠いた部分に高発熱体 10の上部をぴっ たりと嵌め込み、被冷却面 10Aと管状流路 16の管壁が同一面となるようにした。
[0142] 一方、流路部材 12の上部の「被冷却面に対向する部分」を切り欠き、この部分に透 明なアクリル板 14を嵌め込んで「観察用窓」とした。該アクリル板 14の内側の面は、 管状流路の管壁の一部を構成し、図の如く剛針 Ν1、Ν2、 · 'Μ· ·で表される剛針群 が予め設けられている。
[0143] 個々の剛針 Niとして、断面形状が直径 1. Ommの円形状で長さ 5mm強のステンレ ス製の針状体を用い、剛針 Niの先端部を加熱し、アクリル板 14の流路側面 (管壁） に押し込んだ後冷却し、突出した先端部を被冷却面 10Aに当接させずわず力な隙 間が空くように近接し、流路内に突出する長さが 5mm弱となるように固定した。 [0144] 剛針 Niは、流通方向へ 5mm間隔で 11本を直線状に配列し、これを 1列として、幅 方向に配置する列の数を 1列から 7列まで変えたものと、剛針群がないものと合わせ て合計 8つの流路構造体試料を準備した。
なお、流路幅方向（図面に直交する方向）の剛針群の配列は、剛針群列が 1つだけ の試料を除いて、 6つの試料すべてについて列同士の間隔を 3. 3mmに統一し、ま た、剛針群が 1列、 3列、 5列及び 7列の試料については、中央の剛針群列が被冷却 面 10Aの流路方向の中央線と一致するように、 2列、 4列及び 6列の試料については 、前記中央線をベースに均等に分けて、設置される。
[0145] 「冷却液」としては「純水」をサブクール度 40K (液温： 60°C)にサブクールして用い 、流入側（図 9の左方)の圧力を 1. 1気圧程度、出口側圧力を 1気圧程度として、平 均流速 0. 5mZ秒に調整した。
[0146] 上記の 7つの流路構造体試料を用いて、剛針の配列数をパラメータとして変化させ 、被冷却面 10Aにおける冷却液流通の上流側端部 (端から 5mmの箇所）と、中央部 と、下流側端部 (端力 5mmの箇所)の 3箇所における「熱流束」と、管状流路内の圧 力変動における最大瞬間圧力と平均圧力とを調べた。結果を図 11に示す。
[0147] 図 11における左側の縦軸は「熱流束」、右側の縦軸は「圧力」を、また横軸は配列 された剛針の数を表す。
M= l (l l本）、 M = 2 (22本）、 M = 3 (33本）、 M=4 (44本）、 M = 5 (55本）およ び M = 7 (77本）の剛針群配列の各々の試料（Mは剛針の列数を表す）にっき、熱流 束及び最大瞬間圧力と平均圧力を測定した (圧力計として、豊田ェ機製の半導体圧 力変換機を用いた)。
[0148] グラフ線 FUは被冷却面 10Aにおける「冷却液の流通方向における上流側端部」に おける熱流束を表し、グラフ線 FCは被冷却面 10Aにおける「冷却液の流通方向に おける中央部」における熱流束を表し、グラフ線 FDは被冷却面 10Aにおける「冷却 液の流通方向における下流側端部」における熱流束を表している。
[0149] これらのグラフ線 FU、 FC、 FDの様子から明らかなように、得られる熱流束は 400 〜500WZcm2 (4〜5MW (メガワット） Zm2 )を維持し、被冷却面の冷却液流路位 置によって変わりがなぐまた、流路に形成された剛針群を構成する剛針の配列数は 、熱流束に実質的に影響せず、剛針群の存在の有無に拘わらず、上記の熱流束が 得られていることが分かる。
[0150] 一方、図 11におけるグラフ線 Pは、管状流路 16内における「圧力変動の最大瞬間 圧力」を、グラフ線 MPは、管状流路 16内における「圧力変動の平均圧力」をそれぞ れ表わしている。グラフ線 P、 MPから明らかなように、剛針群を構成する剛針の配列 数が増加するに伴い、最大瞬間圧力と平均圧力は共に急激に減少している。
「平均圧力」は、変動する瞬間圧力を平均したものである。図 11は、剛針が少ない ほど「変動する瞬間圧力」が高 、ことを表して 、る。騒音 ·振動の原因は「瞬間圧力」 であり、平均圧力の減少は変動する瞬間圧力が低下していることを意味する。
[0151] 例えば、剛針群の列が 1つ（上記 M= 1、剛針の数が 11本)の場合でも、剛針群を 設けない場合に比べて、最大瞬間圧力： Pが略その 80%程度まで低減され、剛針の 配列数が 22本（上記 M = 2の場合）〜44本 (M=4)の範囲では、最大瞬間圧力 Pは 、剛針群を設けない場合の略 800kPaに対し、略その 60%程度まで低減され、配列 数 55本（M = 5)〜77本（M = 7)の範囲では、最大瞬間圧力は 250kPa以下（剛針 群を設けない場合に対し、略その 30%以下)まで減少し、約 70%以上の圧力抑制 効果があることが分力つた。
また、平均圧力 MPは、 Mが 2〜4の範囲では、剛針群を設けない場合の略 51 OkP aに対し、略その 45%程度まで低減され、 Mが 5〜7の範囲では、剛針群を設けない 場合に対し、略その 35%以下まで減少している。
[0152] 次に、上記実験装置の被冷却面 10Aの下に 3本の熱電対を設置し、これらの熱電 対によって測定した温度の勾配から、熱流束と過熱度を算出した。
通常、過熱度は、（過熱度 =被冷却面の温度一液の飽和温度)で表され、飽和温 度の異なる液も共通に表現される。
図 12は冷却液流路の上流側端部につ 、て、図 13は冷却液流路の下流側端部に ついて、熱流束と過熱度をプロットした図である。
これらの図における横軸の「Superheat AT 」は「過熱度」、縦軸の「Heat flux
sat
q」は「熱流束」を表し、図中における「0needl〜77needles」は、剛針群の針数： 0〜 77 (上記のM = 0 (剛針群なし）〜M = 7)を表してぃる。上記の如ぐサブクール度は 40K、冷却液流速は 0. 5mZ秒である。
図 12、図 13から、冷却液流路の上流側端部 '下流側端部とも「熱流束が剛針群の 針数に無関係である」ことが明らかである。
[0153] 図 14は、剛針群を設けない場合における「圧力の時間的変化」を示している。図 14 の如ぐ 1秒以下の「不定周期」で大きな圧力が繰り返し発生しており、最大圧力は 8 OOkPaを超える。
図 15は、 77本の剛針群を設けた場合の「圧力の時間的変ィヒ」を示している。図 15 力 明らかなように、大きな圧力は 0. 1秒以下の不定周期で繰り返し現れる力 その 最大のものでも 200kPaを超えないことが判る。
[0154] 図 9に示される、観察窓 14の部分カゝら冷却液の様子を高速撮影 CCDカメラで撮影 して観察した。
その結果、剛針群を設けない場合、気泡は次第に成長し、その後合体した大きな 合体気泡は上流側力も崩壊始め、やがて全く見えなくなるが、 77本の剛針群を設け た場合には、気泡は成長するが、合体した気泡はかなり小さいものに留まっているこ とが観察された。
さらに、本発明の気泡微細化沸騰において、気泡の崩壊が極めて高い速度で起こ るためにその状態を精確に確認するのは困難であるが、上記 CCDカメラによれば、 気泡の成長が剛針群のそれぞれの格子内に分割されているかのように観察され、こ のことは気泡が各格子内で崩壊するため、その気泡の崩壊時に発生する最大瞬間 圧力は、剛針群を設けな ヽ場合の大きな気泡の崩壊時に発生する最大瞬間圧力に 比べて極めて小さいものになると考えられる。
[0155] 図 16は、剛針を設けた場合と設けない場合について、気泡が発生してから崩壊す るまでの気泡の変化を、捉えた高速度写真（7000コマ Z秒)である。図 16において 、（a)は沸騰気泡発生時 (0msec)、（b)は気泡成長，合体時（14. 1msec)、（c)は 気泡崩壊直前時（28. 2msec)、（d)は気泡崩壊時 (42. 3msec)、（e)は冷却液の 供給時（56. 4msec)の状態を示し、また、矢印は冷却液の流れ方向を示している。 図 16 (B)に示すように、剛針群を 7列の 77本設置した場合には、剛針群によって 合体気泡が細かい気泡に分断されて崩壊する様子が観られるが、図 16 (A)に示す ように、剛針なしの被冷却面の場合には、剛針群を設けた場合と異なり、大きな合体 気泡が一度に崩壊する様子が観られる。
[0156] <実験例 2>
実験例 1において、平均流速を 0. 3mZ秒に変更し、同じ流路構造体で、剛針群 がない流路構造体と、剛針群の列数 (M)が、 1つ、 3つ、 5つ、 7つの 5つの流路構造 体を用いる以外、同じ条件で気泡微細化沸騰実験を行った。
その結果、剛針列が増加しても、最大熱流束は略 350〜450WZcm2の範囲の値 を維持し、剛針数によって変化しな 、ことが確認された。
一方、合体気泡の崩壊圧力については、剛針列が増加するに従がつて低減し、最 大瞬間圧力 Pは、剛針群を設けない場合が略 400kPaに対し、剛針群を 1列設けると 略 310kPa (770/0)【こ低減し、 3歹 Uで略 270kPa (670/0)、 5歹 Uで略 210kPa (520/0)に 順次低減し、剛針群が 7列になると、略 160kPa (40%)に低減し、約 60%の圧力抑 制効果があることが分力つた。
[0157] また、平均圧力 MPは、剛針群を設けない場合の略 125kPaに対し、剛針群が 7列 になると、略 70kPa (56%)に低減した。
し力しながら、実験例 1と比較すると、冷却液の平均流速が遅くなるに伴って、針群 力 い場合にも除熱熱流束および瞬間圧力が共に低くなるが、針群の列数 (針の数 )の増加に伴う流路内圧力減少率も減少することが、図 17から明確である。
すなわち、図 17は、除熱熱流束および瞬間圧力について、平均流速を 0. 3mZ秒 に設定した場合 (B)と、平均流速を 0. 5mZ秒に設定した場合 (A) [図 11と同じ]と を比較のために示したものである。
[0158] <実験例 3 >
実験例 1において、サブクール度が 20Kの冷却液に変更し、同じ流路構造体で、 剛針群がない流路構造体と、剛針群の列数（M)が、 1つ、 3つ、 5つ、 7つの 4つの流 路構造体を用いる以外、同じ条件で気泡微細化沸騰実験を行った。
その結果、剛針列が増加しても、最大熱流束は略 300〜400WZcm2の範囲の値 を維持し、剛針数によって変化しな 、ことが確認された。
一方、合体気泡の崩壊圧力については、最大瞬間圧力 Pは、剛針群を設けない場 合が略 380kPaに対し、剛針群を 1列設けると略 190kPa (50%)に低減し、 3列と 5 歹 IJでは略 160kPa (47%)となり、岡 IJ金†群力 ^7歹 IJになると、略 160kPa (40%)に低減し 、約 60%の圧力抑制効果があることが分力つた。
[0159] また、平均圧力 MPは、剛針群を設けない場合の略 135kPaに対し、剛針群が 7列 になると、略 45kPa (33%)に低減した。
し力しながら、実験例 1と比較すると、冷却液のサブクール度が減少すると、針群が ない場合にも除熱熱流束および瞬間圧力が共に大きく低下するが、針群の列数 (針 の数)の増加に伴う流路内圧力減少率も低くなり、騒音，振動抑制効果が大きくかつ 冷却効率の高い安定な沸騰冷却が得られにくくなる。
[0160] 図 18は、除熱熱流束および瞬間圧力について、サブクール度が 20Kの場合 (B)と 、サブクール度力 OKの場合 (A) [図 11と同じ]とを比較のために示したものである。
[0161] <実験例 4>
実験例 4は、図 19に示される流路構造体を用 ヽて行われた。
この流路構造体は、実験例 1で用いた図 9に示される流路構造体の、流路部材 12 の上部の「被冷却面に対向する部分」を切り欠いて、この部分に透明なアクリル板 14 を嵌め込んで「観察用窓」とした部分を、切り欠きを行わずに「観察用窓」を設けず、 かつ、剛針群を蠟付けにより固定した以外は、同じものである。また、図 19中の矢印 は冷却液であり、その向きにより冷却液の流れ方向を示している。
この流路構造体を用い、実験例 1と同じ条件で気泡微細化沸騰実験を行い、その 結果、略 400〜500WZcm2の範囲の最大熱流束を維持し、一方、最大瞬間圧力 P は、剛針群を設けない場合の 800kPa以上に対し、剛針を 7列設けた場合には、圧 力最大値 250kPa以下まで減少し (剛針群を設けない場合に対し、その略 30%)、 略 70%の圧力抑制効果があり、振動 ·騒音は「全く気にならな 、レベル」であった。

Claims

請求の範囲
[1] 被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状 流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状流路に沿ってサブクールされた冷却液 を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却液が沸騰して発生する気泡を限界熱 流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、前記 冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管 状流路内に固定して設けられた細径の剛針群の少なくとも一部が前記合体気泡内 に入り込む状態とすることによって、前記合体気泡の崩壊時に発生する圧力を低減 させることを特徴とする沸騰冷却方法。
[2] 前記管状流路内を流通する前記冷却液の平均流速が、 0. 2〜1. OmZ秒であるこ とを特徴とする請求項 1に記載の沸騰冷却方法。
[3] 前記冷却液の、 1気圧におけるサブクール度が 20K以上であることを特徴とする請 求項 1又は 2に記載の沸騰冷却方法。
[4] 前記冷却液が水あるいはアルコール、もしくは、水とアルコールとの混合液、または
、フッ素系不活性液体であることを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか 1に記載の 沸騰冷却方法。
[5] 前記冷却液が不凍液であることを特徴とする請求項 1乃至 3の 、ずれか 1に記載の 沸騰冷却方法。
[6] 前記管状流路内の空気量が 0〜20%になるように前記冷却液を調整し流通させる ことを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれか 1に記載の沸騰冷却方法。
[7] 前記剛針群が固定された内壁部に相対する前記管状流路の外部から超音波をか けることを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれ力 1に記載の沸騰冷却方法。
[8] 流路構造体として、前記冷却液が流通される前記管状流路に対し隔壁を隔して管 状の副流路が形成され、前記副流路から前記隔壁を通して前記管状流路内に前記 冷却液を供給する細管供給部を複数個有するものを用い、前記流路構造体の前記 管状流路と前記副流路とに前記冷却液を供給，流通させ、前記副流路の側から前記 管状流路内へ前記冷却液を供給しつつ主流路である前記管状流路の冷却液と併せ て冷却を行うことを特徴とする請求項 1乃至 7のいずれか 1に記載の沸騰冷却方法。
[9] 被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、サブ クールされた冷却液を流通しかつ該被冷却面が設けられた管状流路を有し、流通さ せるサブクールされた冷却液が、加熱した前記被冷却面で沸騰して発生する気泡を 限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を 、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却装置であって、 前記管状流路が、該管状流路内に固定して設けられた少なくとも一部が前記合体気 泡内に入り込む細径の剛針群を有する流路構造体であることを特徴とする沸騰冷却 装置。
[10] 被冷却面とこれに対向する前記管状流路の管内壁が互いに平行的であり、前記剛 針群が前記被冷却面に相対する内壁部に固定し前記被冷却面に向けて突出させて 設けられた流路構造体を用いることを特徴とする請求項 9に記載の沸騰冷却装置。
[11] 前記剛針群が前記管状流路の流れ方向に少なくとも 1列設けられた流路構造体を 用いることを特徴とする請求項 9又は 10に記載の沸騰冷却装置。
[12] 前記剛針群が少なくとも 2列設けられ、流れ方向と直交する幅方向の剛針の間隔が
2〜5mmであることを特徴とする請求項 11に記載の沸騰冷却装置。
[13] 前記管状流路の流れ方向の前記被冷却面の長さが l〜5cmである流路構造体を 用いることを特徴とする請求項 9乃至 12の ヽずれか 1に記載の沸騰冷却装置。
[14] 前記被冷却面が前記管状流路の管内壁の一部を構成する流路構造体を用いるこ とを特徴とする請求項 9乃至 13のいずれか 1に記載の沸騰冷却装置。
[15] 前記剛針の先端部が前記被冷却面に 0. 5mm以下の間隔を設けて近接するように 形成された流路構造体を用いることを特徴とする請求項 9乃至 14のいずれ力 1に記 載の沸騰冷却装置。
[16] 前記被冷却物もしくは前記被冷却物に密接する伝熱部材の少なくとも表面を構成 する材料が超親水性である流路構造体を用いることを特徴とする請求項 9乃至 15の V、ずれか 1に記載の沸騰冷却装置。
[17] 前記冷却液を流通される前記管状流路に対し隔壁を隔して管状の副流路が形成さ れ、前記副流路から前記隔壁を通して前記管状流路内に前記冷却液を供給する供 給部を複数個有する流路構造体を用いることを特徴とする請求項 9乃至 16のいずれ 力 1に記載の沸騰冷却装置。
[18] 前記流路構造体が複数個、互いに近接して平行に設けられたことを特徴とする請 求項 9乃至 17の ヽずれか 1に記載の沸騰冷却装置。
[19] 前記冷却液を前記管状流路に供給して流通させる冷却液供給 ·流通手段を備える ことを特徴とする請求項 9乃至 18のいずれか 1に記載の沸騰冷却装置。
[20] 前記冷却液供給 ·流通手段が、前記冷却液を貯留させる冷却液容器を有すること を特徴とする請求項 19に記載の沸騰冷却装置。
[21] 前記冷却液容器に前記冷却液が貯留されて 、ることを特徴とする請求項 20に記載 の沸騰冷却装置。
[22] 前記冷却液供給'流通手段が、対流式の放熱手段を有し、この放熱手段が、前記 流路構造体に流通されて前記被冷却面の冷却に寄与した冷却液の冷却を行うもの であることを特徴とする請求項 19乃至 21のいずれか 1に記載の沸騰冷却装置。
[23] 前記対流式の放熱手段が、空冷式のラジェータであることを特徴とする請求項 22 に記載の沸騰冷却装置。
[24] 請求項 9乃至 23の 、ずれか 1に記載の沸騰冷却装置に用いられる流路構造体。
[25] 稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を構成要素とする製品であって、請求項 9乃 至 23の ヽずれか 1に記載の沸騰冷却装置を前記冷却手段とすることを特徴とする製
P
PPo
[26] 発熱体を有し、前記沸騰冷却装置を構成する前記流路構造体の前記管状流路が 、前記発熱体の表面を管内壁として一体的に形成された電子素子パッケイジである ことを特徴とする請求項 25に記載の製品。
[27] 電子素子と伝熱部材とを主構成要素とする高発熱密度電子機器が搭載された、ハ イブリツド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備の電力変換制 御装置、又はコンピュータもしくはスーパーコンピュータ、又は、鉄道電車あるいは航 空機用の電力システムの電力変換制御装置であって、前記沸騰冷却装置を構成す る前記流路構造体の前記管状流路が前記伝熱部材の表面を管内壁として形成され たことを特徴とするハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発 電設備の電力変換制御装置又は鉄道電車あるいは航空機用の電力システムの電力 変換制御装置であることを特徴とする請求項 25に記載の製品。
[28] 被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、管状 流路内に該被冷却面が設けられ、前記管状流路に沿ってサブクールされた冷却液 を流通させ、加熱した前記被冷却面で該冷却液が沸騰して発生する気泡を限界熱 流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を、前記 冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却方法であって、前記管 状流路内に固定して設けられた複数の凸部材をその少なくとも一部が前記合体気泡 内に入り込む状態とすることによって、前記合体気泡の崩壊時に発生する圧力を低 減させることを特徴とする沸騰冷却方法。
[29] 被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を被冷却面とし、サブ クールされた冷却液を流通しかつ該被冷却面が設けられた管状流路を有し、流通さ せるサブクールされた冷却液が、加熱した前記被冷却面で沸騰して発生する気泡を 限界熱流束まで成長させて、前記被冷却面上に接触状態に形成された合体気泡を 、前記冷却液によって凝縮崩壊させて高熱流束除熱を行う沸騰冷却装置であって、 前記管状流路が、該管状流路内に固定して設けられた少なくとも一部が前記合体気 泡内に入り込む複数の凸部材を有する流路構造体であることを特徴とする沸騰冷却 装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105451503A (zh) * 2014-07-21 2016-03-30 联想(北京)有限公司 一种电子设备

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPWO2012060461A1 (ja) * 2010-11-02 2014-05-12 日本電気株式会社 冷却装置及びその製造方法
JP6526422B2 (ja) * 2015-01-20 2019-06-05 ジャパン・ニュー・エナジー株式会社 地熱発電装置及び地熱発電方法
US10462935B2 (en) 2015-06-23 2019-10-29 Google Llc Cooling electronic devices in a data center
CA2956668A1 (en) * 2016-01-29 2017-07-29 Systemex Energies International Inc. Apparatus and methods for cooling of an integrated circuit
CN110487095B (zh) * 2019-07-31 2020-06-12 四川大学 一种利用气泡微细化沸腾的超声强化传热池式冷却装置
JP2021069993A (ja) * 2019-10-31 2021-05-06 キヤノン株式会社 ウルトラファインバブル生成装置およびその制御方法
JP7118320B2 (ja) * 2020-05-26 2022-08-15 三菱電機株式会社 冷却装置
DE102022108022A1 (de) * 2022-04-04 2023-10-05 TRUMPF Hüttinger GmbH + Co. KG Stromversorgung und Verfahren zum Betrieb einer Stromversorgung

Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6154654A (ja) 1984-08-27 1986-03-18 Fujitsu Ltd 液冷装置
JPH0387177U (ja) * 1989-12-22 1991-09-04
JPH05136305A (ja) 1991-11-08 1993-06-01 Hitachi Ltd 発熱体の冷却装置
JPH1038481A (ja) * 1996-07-25 1998-02-13 Matsushita Electric Works Ltd 熱交換装置
JP2000103645A (ja) 1998-07-28 2000-04-11 Central Glass Co Ltd 親水性酸化物被膜を形成した基材およびその製造方法
JP2000144052A (ja) 1998-11-10 2000-05-26 Central Glass Co Ltd 親水性被膜
JP2000329406A (ja) 1999-05-14 2000-11-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 電気温水器
JP3147251B2 (ja) 1992-04-28 2001-03-19 セントラル硝子株式会社 親水性被膜ならびにその被膜の形成方法
JP2001336890A (ja) 2000-05-26 2001-12-07 Natl Inst Of Advanced Industrial Science & Technology Meti 伝熱装置
JP3259931B2 (ja) 1992-04-17 2002-02-25 シャープ株式会社 半導体発光素子および半導体表示装置
JP2002062069A (ja) 2000-08-18 2002-02-28 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 熱伝導体並びに熱交換器
JP3340149B2 (ja) 1992-04-28 2002-11-05 セントラル硝子株式会社 親水性被膜ならびにその被膜の形成方法
WO2004106822A1 (en) * 2003-05-31 2004-12-09 Icurie Lab Holdings Limited Cooling device of thin plate type for preventing dry-out
JP2005055066A (ja) 2003-08-04 2005-03-03 Honda Motor Co Ltd 熱交換器
JP2005079337A (ja) 2003-08-29 2005-03-24 Toshiba Corp 液冷装置及び液冷システム

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4205966A (en) * 1978-11-02 1980-06-03 Fuji Photo Film Co., Ltd. System for ultrasonic wave type bubble removal
JPS6254507A (ja) * 1985-05-02 1987-03-10 Nippon Steel Corp 熱鋼板の冷却方法
JPH0659215B2 (ja) * 1989-08-31 1994-08-10 花王株式会社 アルカリプルラナーゼｚ―１、これを生産する微生物及びアルカリプルラナーゼｚ―１の製造法
JPH04226057A (ja) * 1990-05-11 1992-08-14 Fujitsu Ltd 浸漬液冷用冷媒及びこれを用いた沸騰液冷式電子機器
JPH06104358A (ja) * 1992-09-04 1994-04-15 Hitachi Ltd 液体により冷却される電子装置
JP4201962B2 (ja) * 2000-07-07 2008-12-24 財団法人電力中央研究所 微細化沸騰を利用した冷却方法
AU2001286515A1 (en) * 2000-08-17 2002-02-25 Robert L. Campbell Heat exchange element with hydrophilic evaporator surface
JP3946018B2 (ja) * 2001-09-18 2007-07-18 株式会社日立製作所 液冷却式回路装置
US20030132095A1 (en) * 2002-01-15 2003-07-17 Brian Kenet Device and method for distilling water
JP2003222435A (ja) * 2002-02-01 2003-08-08 Sangaku Renkei Kiko Kyushu:Kk 再生器およびこれを用いた吸収ヒートポンプ並びに再生器の解結晶運転方法
TW593954B (en) * 2002-12-09 2004-06-21 Chr-Chang Chen Micro heat-pipe with nano-particle fluid
JP2005277138A (ja) * 2004-03-25 2005-10-06 Matsushita Electric Ind Co Ltd 熱拡散装置とそれを用いた電子部品の冷却装置
US20060060331A1 (en) * 2004-08-20 2006-03-23 Ari Glezer Apparatus and method for enhanced heat transfer

Patent Citations (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6154654A (ja) 1984-08-27 1986-03-18 Fujitsu Ltd 液冷装置
JPH0387177U (ja) * 1989-12-22 1991-09-04
JPH05136305A (ja) 1991-11-08 1993-06-01 Hitachi Ltd 発熱体の冷却装置
JP3259931B2 (ja) 1992-04-17 2002-02-25 シャープ株式会社 半導体発光素子および半導体表示装置
JP3147251B2 (ja) 1992-04-28 2001-03-19 セントラル硝子株式会社 親水性被膜ならびにその被膜の形成方法
JP3340149B2 (ja) 1992-04-28 2002-11-05 セントラル硝子株式会社 親水性被膜ならびにその被膜の形成方法
JPH1038481A (ja) * 1996-07-25 1998-02-13 Matsushita Electric Works Ltd 熱交換装置
JP2000103645A (ja) 1998-07-28 2000-04-11 Central Glass Co Ltd 親水性酸化物被膜を形成した基材およびその製造方法
JP2000144052A (ja) 1998-11-10 2000-05-26 Central Glass Co Ltd 親水性被膜
JP2000329406A (ja) 1999-05-14 2000-11-30 Kansai Electric Power Co Inc:The 電気温水器
JP2001336890A (ja) 2000-05-26 2001-12-07 Natl Inst Of Advanced Industrial Science & Technology Meti 伝熱装置
JP2002062069A (ja) 2000-08-18 2002-02-28 Sumitomo Precision Prod Co Ltd 熱伝導体並びに熱交換器
WO2004106822A1 (en) * 2003-05-31 2004-12-09 Icurie Lab Holdings Limited Cooling device of thin plate type for preventing dry-out
JP2005055066A (ja) 2003-08-04 2005-03-03 Honda Motor Co Ltd 熱交換器
JP2005079337A (ja) 2003-08-29 2005-03-24 Toshiba Corp 液冷装置及び液冷システム

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Subcooled Flow Boiling Accompanied by Microbubble Emission", PROCEEDINGS OF THE 41TH NATIONAL HEAT TRANSFER SYMPOSIUM, vol. 1, June 2004 (2004-06-01), pages 19 - 20
See also references of EP2003944A4

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105451503A (zh) * 2014-07-21 2016-03-30 联想(北京)有限公司 一种电子设备
CN105451503B (zh) * 2014-07-21 2019-03-08 联想(北京)有限公司 一种电子设备

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