WO2020235217A1 - 冷却装置における冷却液の熱を取り出す熱交換構造、及び該熱交換構造を備える冷却装置 - Google Patents

冷却装置における冷却液の熱を取り出す熱交換構造、及び該熱交換構造を備える冷却装置 Download PDF

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plate
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heat exchange
exchange structure
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拓哉 井手
大串 哲朗
村上 政明
沼田 富行
和久 結城
徳幸 海野
理沙子 木伏
Original Assignee
株式会社ロータス・サーマル・ソリューション
公立大学法人山陽小野田市立山口東京理科大学
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28DHEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes

Definitions

  • the present invention relates to a heat exchange structure for extracting heat from a coolant in a cooling device for cooling an object to be cooled having a high heat generation density such as an electronic device, and a cooling device having the heat exchange structure.
  • a cooling device using a cooling liquid exemplified for such a boiling cooling device not only the efficiency of receiving heat from the heating element by the cooling liquid is ensured, but also the heat received by the cooling liquid is dissipated to the outside of the container. is important.
  • the heat dissipation performance of the coolant is mainly determined by the performance of heat transfer from the coolant and heat dissipation to the outside, but it is generally considered difficult to efficiently extract heat from the liquid.
  • the structure is such that the vapor vaporized by the coolant is transported to a large radiator outside the container, heat is taken out by the large radiator, heat is dissipated to the outside by heat exchange, and then the coolant is returned to the inside of the container.
  • a large radiator and the required heat-resistant piping increase the cost and hinder the weight reduction and compactness of the device.
  • a cooling device capable of efficiently cooling a heating element having a high heat generation density, reducing the cost, and making it lightweight and compact, particularly heat dissipation of the coolant.
  • the point is to provide the structure.
  • the present inventors generate natural convection due to buoyancy drive in the cooling water when cooling a heat generating part such as an electronic device, or convection due to bubble drive when boiling occurs. Focusing on this, it was found that heat can be efficiently extracted from the cooling water by installing the fins for heat absorption in the naturally induced flow of the cooling water, and the present invention has been completed.
  • the present invention includes the following inventions.
  • a base portion made of a good heat conductive material dissipated by the radiator and a good heat that protrudes inward from the base portion and is at least partially immersed in the coolant.
  • a heat exchange structure characterized in that a plurality of plate-shaped fins made of a conductive material are provided.
  • the coolant that receives the heat of the object to be cooled and generates natural convection driven by buoyancy or convection driven by boiling bubbles is immersed in the coolant. It circulates between a plurality of plate-shaped fins, and in the process, heat is efficiently taken out to the surface of the plate-shaped fins, and the heat is transferred to the base portion and dissipated by the radiator.
  • heat can be efficiently extracted from the coolant through the plate-shaped fins, and the vapor of the coolant is transported to a large radiator outside the container as in the conventional case, and the large size is provided. It is possible to omit a large-scale structure that takes out the heat of the coolant with a radiator, dissipates heat to the outside by heat exchange, and then returns the coolant to the inside of the container again, resulting in a significant cost reduction and weight reduction and compactness of the device. It will be feasible.
  • the heat transfer area of the plate surface when the convective coolant passes between the plate-shaped fins is expanded.
  • the cooling liquid passes not only between the fins but also through the through holes, so that the heat of the cooling liquid is taken out more efficiently through the plate-shaped fins, and the heat conversion efficiency can be further improved. it can.
  • the plate-shaped fin is made of a plate material formed by cutting a lotus-type porous metal molded body having a plurality of unidirectionally extending pores formed by a metal solidification method in a direction intersecting the extending directions of the pores. If the pores divided by the cutting become the through holes of the plate-shaped fins, the through holes of the plate-shaped fins can be manufactured more easily and at a lower cost than by machining each through hole of the plate-shaped fins by drilling or the like. it can.
  • the explanatory view which shows the cooling apparatus which concerns on the typical embodiment of this invention.
  • Explanatory drawing which shows the plate-shaped fin which is also used for the heat exchange structure of a cooling device.
  • the perspective view which shows the base part and the plate-shaped fin which also constitute a heat exchange structure.
  • an explanatory view of the base portion and the plate-shaped fins as viewed from the fin protruding side Similarly, an explanatory view showing a modified example of the arrangement form of the plate-shaped fins.
  • FIGS. (A) and (B) are explanatory views showing still another modification of the arrangement form of the plate-shaped fins.
  • explanatory view which shows the modification of the arrangement form of a base part and a plate-shaped fin.
  • Explanatory drawing which shows the experimental apparatus. A graph showing the experimental results. A graph showing the experimental results as well. A photograph of the boiling aspect inside the container. Explanatory drawing which shows the relationship between a heating surface and a plate-shaped fin.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of the cooling device S including the heat exchange structure 1 according to the present invention.
  • the cooling device S has a radiator 4 that accommodates the cooling liquid 3 that absorbs the heat of the object to be cooled 9 and dissipates the heat of the cooling liquid 3 in the container 2.
  • the coolant 3 water and other liquids conventionally used as a coolant for the immersion type boiling cooling device can be widely adopted.
  • various known radiators such as a water cooling system, an air cooling system, and a heat pipe heat transport system can be widely adopted according to the amount of heat radiated. As shown in FIG.
  • a plate-shaped fin 11 may be projected to the outside of the base portion 10 which also serves as a container wall portion in a penetrating state, and the plate-shaped fin 11 protruding to the outside may be cooled by air cooling or the like as a radiator 4. .. In this case as well, various methods such as water cooling can be used in addition to air cooling.
  • the upper portion 2a of the container 2 has a base portion 10 made of a good heat conductive material dissipated by the radiator 4 and the base portion 10.
  • the bottom 2b of the container is provided with a holding hole 21 for holding the object 9 to be heated so as to penetrate inside, and the upper surface of the object 9 exposed to the coolant 3 serves as a heat generating surface 30 and functions as a bubble generating surface.
  • heat may be transferred via another member (such as the bottom wall of the container).
  • the temperature of the heating surface 30 rises, the difference between the temperature of the coolant 3 in the bottom region and the temperature of the coolant 3 in the other region that touches the temperature increases, and natural convection driven by buoyancy occurs.
  • the temperature of the heat generating surface 30 becomes higher than the boiling point of the coolant 3
  • boiling bubbles are generated from the heat generating surface in the coolant 3 in the bottom region, and strong convection driven by the bubbles is generated.
  • the coolant that has generated convection in this way circulates between the plurality of plate-shaped fins 11, ..., And in the process, heat is efficiently taken out to the surface of the plate-shaped fins, and the heat is further transferred to the base portion 10.
  • the radiator 4 efficiently dissipates heat.
  • the heat exchange structure 1 of the present invention can positively utilize the convection phenomenon naturally occurring in the coolant in a high heat generation density environment as described above, and dramatically improves the heat exchange performance.
  • the heat of the coolant can be efficiently taken out to the base portion 10 through the plate-shaped fins 11 and dissipated by the radiator 4 provided there without sending the coolant or its vapor to the external radiator. It is possible to eliminate a large-scale structure, reduce costs, and reduce the weight and size of the device.
  • a metal material having good thermal conductivity such as aluminum, iron, and copper, which is conventionally used for heat sinks and the like, can be widely adopted. Both may be integrally formed (for example, aluminum die-cast molding or the like), or may be assembled by joining the separately formed ones by soldering or brazing.
  • the plate-shaped fin 11 is formed with a plurality of through holes 110 that open on the plate surface. Even if it is a bottomed recess instead of the through hole 110, the heat transfer area of the plate surface when the convected coolant passes between the plate-shaped fins 11 is expanded, and the heat exchange efficiency is improved. In particular, in the case of the through hole 110, the coolant passes not only between the fins but also through the through hole 110, so that the heat of the coolant is taken out more efficiently through the plate-shaped fin 11. Become.
  • Such a through hole 110 may be a through hole processed by a drill, a laser, or the like, but in this example, a lotus type porous metal molded body having a plurality of pores extending in one direction formed by a metal solidification method.
  • the pores are made of a plate material (lotus fin 5) formed by cutting in a direction intersecting the extending direction of the pores, and the pores divided by the cutting are combined with the through hole 110 of the plate-shaped fin 11 (lotus fin 5).
  • a lotus type porous metal molded body is molded by a known method such as a high pressure gas method (Pressurized Gas Method) (for example, a method disclosed in Japanese Patent No. 4235813) or a thermal decomposition method (Thermal Decomposition Method). can do.
  • each plate-shaped fin 11 is rectangular, but the shape is not limited to this, and of course, a shape other than a rectangle such as a polygon or a semicircle can be used.
  • the plate-shaped fins 11 of this example project from the lower surface of the base portion 10 in a direction perpendicular to (directly below), and are arranged in parallel with each other at a predetermined interval, but they do not have to be at right angles and have an angle. It may be in the direction of holding, or may be bent or curved (for example, wavy fins). This makes it possible to promote the flow through the fins. In addition, various arrangements are possible with respect to each other's arrangement relationship.
  • a large number of relatively short plate-shaped fins 11 are arranged in a staggered pattern, or as shown in FIG. 6, arranged in multiple directions, as shown in FIG. 7 (a).
  • a plurality of concentrically arranged plate-shaped fins that are bent into a circular shape (cylindrical shape), and plate-shaped fins 11 that are curved as shown in FIG. 7B are arranged intermittently with a gap along the circumferential direction. It is also preferable to provide a plurality of concentric circles.
  • the plate-shaped fins 11 are provided with a plurality of through holes 110 as in this example, and the plate-shaped fins 11 curved as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b) are concentrically formed.
  • the plate-shaped fins 11 curved as shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b) are concentrically formed.
  • Cooling liquid flows from the plate-shaped fins 11 forming a circle toward the plate-shaped fins 11 forming an outer circle through the through holes 110, and promotes the flow of the cooling liquid through the through holes 110 of each plate-shaped fin 11. It is preferable in that the heat exchange performance can be further improved.
  • the base portion 10 also serves as the upper lid of the container 2, and the plate-shaped fins 11 are provided on the lower surface of the base portion 10, but the base portion constituting the side wall is provided on the upper portion of the side wall of the container.
  • a plate-shaped fin may be provided on the inner surface side of the base portion toward the container central axis.
  • the container A base portion 10 may be provided vertically on the side portion, and a plate-shaped fin 11 may be projected from the base portion 10 inward of the container.
  • FIG. 9 a form in which the plate-shaped fins 11 extending from the left and right base portions 10 are connected, that is, a structure in which both ends of one plate-shaped fin 11 are supported by the left and right base portions 10 is also preferable. ..
  • the base portion 10 is provided on the side portion of the container in this way, it can be configured to also serve as the side wall of the container 2.
  • the heat exchange performance by the heat exchange structure 1 includes the arrangement form of the plate-shaped fins 11, the form of the through holes 110 of each plate-shaped fin 11 (porous structure), the water level of the coolant, the height of the immersion portion of each plate-shaped fin 11, and the like. It can be adjusted arbitrarily with. Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these examples, and it goes without saying that the present invention can be implemented in various forms without departing from the gist of the present invention.
  • the device used is composed of a heated copper block 91, a polycarbonate container 2A, a plate-shaped plate 11, a base portion 10, and a radiator 4.
  • the upper end surface of the heated copper block 91 is a strip-shaped boiling heat transfer surface (10 mm ⁇ 80 mm), and the distilled water contained in the container is boiled.
  • the generated vapor bubbles 31 rise and are condensed by the immersion fins (plate-shaped fins 11) projecting from the plate-shaped base portion 10.
  • the radiator 4 provided on the upper part of the heat exchange plate (base portion 10) has a structure in which cooling water whose temperature is controlled by a chiller is circulated and cooled in a narrow flow path having a gap of 5 mm (set temperature is 60 degrees). ).
  • the heating block 91 is thermally designed so that a heat transfer test can be performed up to a heat flux of 300 W / cm 2 . This is because the pool boiling limit heat flux of water calculated from Zuber's CHF correlation formula is about 110 W / cm 2 , so that a boiling heat transfer test close to CHF is surely carried out.
  • Thermocouples 93 are loaded on the heated copper block 91 at positions 10 mm and 20 mm from the boiling heat transfer surface 30A at equal intervals of 5 rows in the lateral direction of the block, and the heat transfer surface temperature of 5 points is outside from these temperature data. It can be calculated by inserting it.
  • the thermal conductivity ⁇ (W / m / K) of copper is obtained from the average temperature T a ⁇ (° C.) of the heat transfer surface at these five points by the following equation (1), and the average heat flux q (W) is obtained from the Fourier law (2). / Cm 2 ) is evaluated.
  • the thermal resistance R SYS defined below is used to evaluate the heat transfer performance in this study.
  • T in is the cooling water temperature at the inlet of the cooler
  • T out is the cooling water temperature at the outlet of the cooler.
  • R boil , R cond , and R cool are the thermal resistance of the boiling surface, the thermal resistance of the condensed portion, and the thermal resistance of the heat radiating portion, respectively.
  • T l is the average temperature measured by two thermocouples installed in the glass container, and the saturation temperature is 100 ° C. in the high heat flux environment in the latter half of the experiment.
  • T fin is the surface temperature of the heat exchange plate, and is measured by attaching an ultrafine thermocouple.
  • the base portion 10 is a copper plate having a length x width of 140 x 140 mm and a thickness of 3 mm.
  • the plate-shaped fins 11 are copper plate fins without holes / lotus copper (lotus type porous copper molded body) lotus fins, and a total of eight plates are soldered to the lower surface of the base portion 10 at intervals of 10 mm.
  • the lotus copper used this time has an average pore diameter of 1.8 mm and a porosity of 39%.
  • the base portion 10 and the lotus fin 11 were brought into contact with each other so that the lotus fin 11 was parallel to or perpendicular to the boiling heat transfer surface, and a heat transfer test was performed.
  • Figure 12 (a), (b), the heat flux each case of 45W / cm 2, represents the thermal resistance of each part in the case of near CHF (110W / cm 2).
  • Copper fin1 and Lotus fin1 show the case where the direction of the copper plate fin is perpendicular to the heat transfer surface, and Copper fin2 and Lotus fin2 show the case where the heat transfer surface is parallel to the lotus fin.
  • the thermal resistance of the condensed part of the lotus fin is large, it can be seen that heat is not efficiently propagated from the coolant to the heat exchange plate. This is because the convection due to boiling is weak in the low heat flux, and the flow into the pores, which is expected to be utilized for lotus fins, is very weak, and as a result, the effective decrease in thermal conductivity of lotus fins becomes apparent. It is conceivable that.
  • the effective thermal conductivity of the lotus fin made of lotus copper used this time in the vertical direction of the pores is about 84 W / m / K from the model formula, which is about 25% of that of the pure copper material.
  • the ratio of each thermal resistance portion is 26 to 28% in the low heat flux region, whereas the copper fins are 26 to 28%. While lotus copper fins showed a high thermal resistance ratio of 47 to 50%, the ratio reversed near CHF, and while lotus copper fins showed a low thermal resistance ratio of 27 to 30%, copper fins 32 to 34%. It was. In particular, focusing only on the absolute value of the thermal resistance of the condensing part, although there is no significant difference between the two lotus fins, it is compared with the thermal resistance values of the copper plate fins (0.0176K / W and 0.0167K / W). It was confirmed that the thermal resistance was slightly reduced (0.0155 K / W / cm 2 and 0.0154 K / W).
  • FIG. 13 shows a change in the thermal resistance of the condensing part with respect to the heat flux
  • FIG. 14 shows a photograph of the boiling aspect in the container at that time.

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Abstract

【課題】発熱密度の高い発熱体を効率よく冷却でき、低コスト化、軽量・コンパクト化が可能な冷却装置、特にその冷却液の放熱構造を提供せんとする。 【解決手段】容器2内に冷却対象物9の熱を吸収する冷却液3を収容するとともに、該冷却液3の熱を放熱する放熱器4を有してなる冷却装置Sにおける、前記冷却液3の熱を取り出すための熱交換構造1であって、容器2内に、放熱器4により放熱される良熱伝導性材料よりなるベース部10と、該ベース部10から内方に突出し、少なくとも一部が前記冷却液3に浸漬される、良熱伝導性材料よりなる複数の板状フィン11とを設けた。

Description

冷却装置における冷却液の熱を取り出す熱交換構造、及び該熱交換構造を備える冷却装置
 本発明は、電子機器などの発熱密度の高い冷却対象物を冷却する冷却装置における、冷却液の熱を取り出す熱交換構造、及び該熱交換構造を備える冷却装置に関する。
 スーパーコンピュータやハイパフォーマンスコンピュータ(HPC)、データセンターなど、高度情報化社会への移行に伴い、関連電子機器の発熱密度はますます増大しており、より高性能な冷却装置が求められており、このような高性能な冷却装置の一つとして、容器内の冷却液に冷却対象物(発熱体)を浸漬して冷却する浸漬型の沸騰冷却装置が注目されている(たとえば、特許文献1参照。)。
 このような沸騰冷却装置に例示される冷却液を用いた冷却装置においては、冷却液による発熱体からの受熱の効率を確保するだけでなく、冷却液が受けた熱の容器外への放熱も重要である。冷却液の放熱性能は、主に冷却液からの熱の取出し及び外部への放熱の各熱伝達の性能により決まるが、一般に液体からの効率のよい熱の取出しが困難とされている。
 したがって、通常は、冷却液が気化した蒸気を容器外の大型ラジエータへ輸送し、該大型ラジエータで熱を取り出すとともに熱交換により外部へ放熱したのち、再び冷却液を容器内へ戻す構造とされている。このような大型ラジエータや必要となる耐熱配管などはコスト増大を招くとともに装置の軽量・コンパクト化を阻む要因となっている。
日本国 特表2010-58520号公報
 そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、発熱密度の高い発熱体を効率よく冷却でき、低コスト化、軽量・コンパクト化が可能な冷却装置、特にその冷却液の放熱構造を提供する点にある。
 本発明者らは、かかる現況に鑑み、鋭意検討した結果、電子機器などの発熱部を冷却する場合、冷却水に浮力駆動による自然対流、もしくは沸騰が生じる場合には気泡駆動による対流が発生することに着目し、この自然に誘起された冷却水の流れのなかに吸熱用のフィンを設置することで、冷却水から熱を効率よく取り出せることを見出し、本発明を完成するに至った。
 すなわち本発明は、以下の発明を包含する。
 (1) 容器内に冷却対象物の熱を吸収する冷却液を収容するとともに、該冷却液の熱を放熱する放熱器を有してなる冷却装置における、前記冷却液の熱を取り出すための熱交換構造であって、前記放熱器により放熱される良熱伝導性材料よりなるベース部と、該ベース部から前記容器の内方に突出し、少なくとも一部が前記冷却液に浸漬される、良熱伝導性材料よりなる複数の板状フィンとを設けてなることを特徴とする熱交換構造。
 (2) 前記板状フィンが、板面に開口する複数の貫通孔が形成されている、(1)記載の熱交換構造。
 (3) 前記板状フィンが、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる板材よりなり、前記切断により分断された前記気孔が、前記板状フィンの前記貫通孔となる、(2)記載の熱交換構造。
 (4) (1)~(3)の何れかに記載の熱交換構造を備える冷却装置。
 以上にしてなる本願発明に係る熱交換構造によれば、冷却対象物の熱を受けて浮力駆動による自然対流、又は沸騰気泡駆動による対流を生じた冷却液が、該冷却液に浸漬された前記複数の板状フィンの間を流通し、その過程で板状フィン表面に効率よく熱が取り出され、該熱はベース部に伝わり、放熱器で放熱されることになる。
 このように、本発明の熱交換構造によれば、冷却液から板状フィンを通じて効率よく熱を取り出すことができ、従来のように冷却液の蒸気を容器外の大型ラジエータへ輸送し、該大型ラジエータで冷却液の熱を取り出すとともに熱交換により外部へ放熱したのち、再び冷却液を容器内へ戻すといった大掛かりな構造を省略することが可能となり、大幅なコスト低減、装置の軽量・コンパクト化が実現可能となる。
 さらに、前記板状フィンが、板面に開口する複数の貫通孔が形成されているものでは、前記対流する冷却液が板状フィンの間を通過する際の板面の伝熱面積が拡大するとともに、冷却液がフィン間のみならず前記貫通孔をも通過することで、該板状フィンを通じた冷却液の熱の取り出しがより効率よく行われることになり、熱変換効率を更に高めることができる。
 とくに、前記板状フィンが、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる板材よりなり、前記切断により分断された前記気孔が、前記板状フィンの前記貫通孔となるものでは、ドリル加工等で板状フィンの各貫通孔を機械加工することに比べ、より低コスト且つ容易に製作できる。
本発明の代表的実施形態にかかる冷却装置を示す説明図。 同じく冷却装置の熱交換構造に用いられる板状フィンを示す説明図。 同じく熱交換構造を構成するベース部および板状フィンを示す斜視図。 同じくベース部および板状フィンをフィン突出側から見た説明図。 同じく板状フィンの配置形態の変形例を示す説明図。 同じく板状フィンの配置形態の他の変形例を示す説明図。 (a)、(b)は、同じく板状フィンの配置形態の更に他の変形例を示す説明図。 同じくベース部および板状フィンの配置形態の変形例を示す説明図。 同じく板状フィンの配置形態の他の変形例を示す説明図。 同じく放熱器の変形例を示す説明図。 実験装置を示す説明図。 実験結果を示すグラフ。 同じく実験結果を示すグラフ。 容器内の沸騰様相写真。 発熱面と板状フィンの関係を示す説明図。
 次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。
 図1は、本発明にかかる熱交換構造1を備える冷却装置Sの全体構成を示す概略図である。冷却装置Sは、容器2内に冷却対象物9の熱を吸収する冷却液3を収容するとともに、該冷却液3の熱を放熱する放熱器4を有している。冷却液3は、水その他、従来から浸漬型沸騰冷却装置の冷却液として使用されている液体を広く採用できる。また、放熱器4についても、放熱量に合わせて水冷方式、空冷方式、ヒートパイプ熱輸送方式などの各種方式の公知の放熱器を広く採用できる。図10に示すように容器壁部を兼ねるベース部10の外側にも板状フィン11を貫通状態に突出させ、当該外側に突出した板状フィン11を空冷等により冷却する放熱器4としてもよい。この場合も空冷以外に水冷など種々の方式が可能である。
 本発明では、冷却液3の熱を取り出すための熱交換構造1として、容器2の上部2aに、放熱器4により放熱される良熱伝導性材料よりなるベース部10と、該ベース部10に突設され、少なくとも一部が冷却液3に浸漬される、良熱伝導性材料よりなる複数の板状フィン11、…とが設けられている。容器底部2bには、加熱対象物9が内部に貫通させた状態に保持する保持穴21が設けられ、冷却液3に露出した加熱対象物9の上面が発熱面30となり、気泡発生面として機能する。なお、本実施形態では加熱対象物9が直接冷却液3に接液する例について説明するが、他部材(容器底壁など)を介して伝熱させるものでも勿論よい。
 発熱面30の温度が上昇するにつれ、これに触れている底側の領域の冷却液3の温度とその他の領域の冷却液3の温度との差が大きくなり、浮力駆動の自然対流が発生し、発熱面30の温度が冷却液3の沸点よりも高くなると、底側の領域の冷却液3には前記発熱面から沸騰気泡が発生し、気泡駆動の強い対流が生じる。このように対流を生じた冷却液は、前記複数の板状フィン11、…の間を流通し、その過程で板状フィン表面に効率よく熱が取り出され、さらに該熱はベース部10に伝わり、放熱器4で効率よく放熱される。
 このように本発明の熱交換構造1は、高発熱密度環境で冷却液に自然発生した対流現象を上記のようにポジティブに活用でき、熱交換性能を飛躍的に向上させるものである。これにより、外部のラジエータに冷却液やその蒸気を送ることなく、冷却液の熱を板状フィン11を通じてベース部10に効率よく取り出し、そこに設けた放熱器4で放熱することができるため、大掛かりな構造を省き、コスト低減、装置の軽量・コンパクト化が実現できるのである。
 ベース部10や板状フィン11の材料は、アルミニウムや鉄、銅など従来ヒートシンク等に使用される良熱伝導性の金属材料を広く採用できる。両者は一体的に形成(たとえばアルミダイキャスト成形等)されたものでもよいし、別体形成されたものを互いにはんだ付けやろう付けにより接合する等して組み付けて構成してもよい。
 板状フィン11は、板面に開口する複数の貫通孔110が形成されている。貫通孔110ではなく有底の凹部であっても、対流する冷却液が板状フィン11の間を通過する際の板面の伝熱面積が拡大し、熱交換効率が高められる。とくに貫通孔110の場合には、さらに冷却液がフィン間のみならず前記貫通孔110をも通過することで、該板状フィン11を通じた冷却液の熱の取り出しがより効率よく行われることになる。
 このような貫通孔110は、ドリルやレーザ等により貫通孔を加工したものでもよいが、本例では、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる板材(ロータスフィン5)よりなり、前記切断により分断された前記気孔が、前記板状フィン11(ロータスフィン5)の貫通孔110となる。このようなロータス型ポーラス金属成形体は、高圧ガス法(Pressurized Gas Method)(例えば、日本国特許第4235813号公報開示の方法)や、熱分解法(Thermal Decomposition Method)など、公知の方法で成形することができる。
 ロータス型ポーラス金属成形体から切り出した板材には、貫通孔110以外に貫通していない有底の孔も存在するが、上記のとおり、このような有底の凹部も対流する冷却液が板状フィン11の間を通過する際の板面の伝熱面積を拡大し、熱交換効率を高める効果がある。各板状フィン11の形状は長方形としたが、これに何ら限定されず、例えば多角形や半円形など、長方形以外の形状とすることも勿論できる。
 また、本例の板状フィン11は、ベース部10の下面に直角(真下)の方向に向けて突出し、互いに平行に所定間隔をあけて配置されているが、直角である必要はなく、角度を持った方向、あるいは屈曲又は湾曲状に突出したものでもよい(たとえば波状フィンなど)。これによりフィンを通過する流動を促進させることが可能である。また、互いの配置関係についても、種々の配置が可能である。
 たとえば図5に示すように、比較的短い板状フィン11を多数、千鳥状に配置したものや、図6に示すように多方向に向けて配置したもの、図7(a)に示すように円形(円筒形)に曲げて同心円状に複数配置したもの、図7(b)に示すように湾曲させた板状フィン11を円周方向に沿って隙間をあけて断続的に配置し、これを同心円状に複数設けたものなども好ましい。
 なかでも、板状フィン11が本例のように複数の貫通孔110を設けたものであり、かつ図7(a),(b)に示すように湾曲させた板状フィン11を同心円状に複数配置した、多重円筒状の配置にしたものでは、多くのケースで考えられる冷却液の流れ、すなわち容器の中心部分を上昇し、上部で外側に向けて流れる流れを考えた場合に、中心側の円を為す板状フィン11からその貫通孔110を通じて外側の円を為す板状フィン11に向けて冷却液が流れ、各板状フィン11の貫通孔110への冷却液の流通を促進させ、熱交換性能をより高めることができる点で好ましい。
 とくに、図7(b)に示すように断続的な円とすることで、内側と外側の板状フィンからなる円の間で圧力バランスが生じ、冷却液の流れが滞ってしまうことを防止できる点で、より好ましい例といえる。また、本例ではベース部10が容器2の上蓋を兼ね、該ベース部10の下面に板状フィン11を設けているが、容器側壁の上部に、該側壁を構成するベース部を設けて、該ベース部の内面側に板状フィンを容器中心軸に向けて突設してもよい。
 また、図1の代表例では、ベース部10を容器2の上部に設け、該ベース部10から下方に向けて板状フィン11を突設した例を説明したが、図8に示すように容器側部に縦にベース部10設け、該ベース部10から容器内方に板状フィン11を突設したものでもよい。また、この場合、図9に示すように左右のベース部10から延びる板状フィン11を連結した形態、すなわち一枚の板状フィン11の両端を左右のベース部10に支持させた構造も好ましい。このようにベース部10を容器側部に設ける場合、容器2の側壁を兼ねるように構成することができる。
 熱交換構造1による熱交換性能は、板状フィン11の配置形態、各板状フィン11の貫通孔110の形態(ポーラス構造)、冷却液の水位、各板状フィン11の浸漬部高さなどで任意に調整可能である。以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。
 以下、ロータスフィン浸漬冷却試験装置および実験概要について説明する。
 使用した装置は、図11に示すように、加熱銅ブロック91、ポリカ容器2A、板状プレート11、ベース部10、放熱器4で構成されている。加熱銅ブロック91の上端面は、短冊状の沸騰伝熱面(10 mm×80 mm)となっており、容器内に入れられた蒸留水を沸騰させる。発生した蒸気泡31は上昇し、板状のベース部10に突設された液浸フィン(板状フィン11)で凝縮する。熱交換プレート(ベース部10)上部に設けられた放熱器4は、間隙5mmの狭隘流路内にチラーで温度管理された冷却水を循環させて冷却する構造である(設定温度は60度。)。
 加熱銅ブロック91の底部には、定格500Wのカートリッジヒータ92が5本
装荷され、スライダックで加熱しながら定常実験を実施する。加熱ブロック91は、熱流束300W/cm2まで伝熱試験が実施できるよう熱設計されている。これはZuberのCHF相関式から算出される水のプール沸騰限界熱流束が約110W/cm2であることから、CHFに近い沸騰伝熱試験を確実に実施するためである。
 加熱銅ブロック91には沸騰伝熱面30Aから10mm、20mmの位置に、熱電対93がブロック横方向に5列等間隔で装荷されており、これらの温度データから伝熱面温度5点を外挿して算出することができる。この5点の伝熱面平均温度Taγ(℃)から以下の式(1)により銅の熱伝導率λ(W/m/K)を求め、フーリエ則(2)から平均熱流束q(W/cm2)を評価する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 
 
 本研究の伝熱性能評価には,以下に定義する熱抵抗RSYSを用いる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 
 
 RSYSは、浸漬冷却装置の加熱銅ブロック伝熱面温度Tbaseから冷却器内冷却水の平均温度Tc=(Tin+Tout)/2までの総熱抵抗である。ここで、Tinは冷却器入口の冷却水温度、Toutは冷却器出口の冷却水温度である。Rboil、Rcond、Rcoolは、それぞれ沸騰面熱抵抗、凝縮部熱抵抗、放熱部熱抵抗である。Tlは、ガラス容器内に設置された2本の熱電対で計測される平均温度であり,実験後半の高熱流束環境で飽和温度100℃となる。Tfinは、熱交換プレートの表面温度であり、極細熱電対を貼り付けて計測される。
 ベース部10は、縦×横が140×140mm、厚さ3mmの銅板である。板状フィン11は孔なしの銅板フィン/ロータス銅(ロータス型ポーラス銅成形体)のロータスフィンであり、ベース部10の下面に間隔10mmで計8枚をはんだで接合した。今回使用したロータス銅は、平均気孔径1.8mm、気孔率39%のものを使用している。このベース部10およびロータスフィン11を、図15に示すように、ロータスフィン11が沸騰伝熱面に対して平行、又は垂直になるように接液させ、伝熱試験を実施した。
 (実験結果及び考察)
 図12(a),(b)は、それぞれ熱流束が45W/cm2の場合、CHF(110W/cm2)付近の場合の各部位の熱抵抗を表している。Copper fin1,Lotus fin1は、銅板フィンの向きが伝熱面と垂直の場合、Copper fin2,Lotus fin2は、伝熱面がロータスフィンと平行の場合を示している。
 先ず、熱流束45W/cm2の低熱流束域では、銅板フィンとロータスフィンとの比較で、総熱抵抗にほとんど差がないことがわかる。また、熱交換プレートの設置方向では、銅フィン、ロータスフィンのどちらも伝熱面に対し平行の場合で凝縮部の熱抵抗割合が低いことが確認できる。
 さらに、ロータスフィンの凝縮部熱抵抗が大きいことから、冷却液から熱交換プレートへ熱が効率よく伝搬されていないことが伺える。これは、低熱流束では沸騰による対流が弱く、ロータスフィンの活用として期待している気孔内への流れが非常に弱く、結果としてロータスフィンの実効的な熱伝導性の低下が顕在化したものと考えられる。例えば、今回使用したロータス銅からなるロータスフィンの気孔鉛直方向に対する有効熱伝導率はモデル式から84W/m/K程度であり,純銅材の25%ほどの値である。
 一方、図12(b)の限界熱流束(CHF)付近の高熱流束域では、それぞれの熱抵抗部での割合について,低熱流束域では銅フィンが26~28%であるのに対し、ロータス銅フィンが47~50%と高い熱抵抗割合を示した一方、CHF付近では割合が逆転し,銅フィン32~34%に対し,ロータス銅フィンでは27~30%と低い熱抵抗割合を示した。特に、凝縮部の熱抵抗の絶対値のみに注目すると、二つのロータスフィンに大きな差は見られないものの、銅板フィンの熱抵抗値(0.0176K/Wと0.0167K/W)に比べて、若干ではあるが熱抵抗が減少(0.0155K/W/cmと0.0154K/W)していることが確認できた。
 以上のことから、ロータスフィンを液浸フィンとして用いることが、熱交換性能の向上と装置軽量化に貢献できることを実証できたと言える。凝縮部の熱抵抗割合が低下した理由として、高熱流束環境になったことにより沸騰が活発化し、ロータスフィンの気孔内を通過する流れが増え、冷却液からロータス銅への熱伝達が促進されたためと考えられる。このことは、熱交換プレートで測定された温度からも確認でき、銅フィンでは82~83℃に対し、ロータスフィンでは85℃以上となり2~3℃ほど高い温度を示したことから、ロータスフィンの熱抵抗が低いことの証明といえる。
 以上のことを実証するため、図13に熱流束に対する凝縮部熱抵抗の変化、図14にその時の容器内の沸騰様相写真を示す。先ず、図13から、熱流束45W/cm2以上の条件で凝縮部の熱抵抗が軽減されてきていることを確認できる。図14から、その辺りの熱流束条件で液体はサブクール状態から飽和状態へと遷移しており、発生した気泡のほとんどがフィンの内部に入っていく。このことがロータスフィンを通過する流れを誘起しているものと考えられる。このことから、本発明は激しく沸騰する系や飽和プール沸騰系に適した技術であると言える。
 1 熱交換構造
 2 容器
 2a 上部
 2b 底部
 3 冷却液
 4 放熱器
 5 ロータスフィン
 9 冷却対象物
 10 ベース部
 11 板状フィン
 21 保持穴
 30 発熱面
 30A 伝熱面
 31 蒸気泡
 39 気孔率
 91 加熱銅ブロック
 91 加熱ブロック
 91 加熱銅ブロック
 92 カートリッジヒータ
 93 熱電対
 110 貫通孔
 S 冷却装置

Claims (4)

  1.  容器内に冷却対象物の熱を吸収する冷却液を収容するとともに、該冷却液の熱を放熱する放熱器を有してなる冷却装置における、前記冷却液の熱を取り出すための熱交換構造であって、
     前記放熱器により放熱される良熱伝導性材料よりなるベース部と、該ベース部から前記容器の内方に突出し、少なくとも一部が前記冷却液に浸漬される、良熱伝導性材料よりなる複数の板状フィンとを設けてなることを特徴とする熱交換構造。
  2.  前記板状フィンが、板面に開口する複数の貫通孔が形成されている、
     請求項1記載の熱交換構造。
  3.  前記板状フィンが、金属凝固法で成形された一方向に延びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる板材よりなり、
     前記切断により分断された前記気孔が、前記板状フィンの前記貫通孔となる、請求項2記載の熱交換構造。
  4.  請求項1~3の何れか1項に記載の熱交換構造を備える冷却装置。
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