(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023183770
(43)【公開日】2023-12-28
(54)【発明の名称】沸騰冷却装置
(51)【国際特許分類】
H01L 23/427 20060101AFI20231221BHJP
F28F 13/02 20060101ALI20231221BHJP
【ＦＩ】
H01L23/46 A
F28F13/02 Z
F28F13/02 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022097466
(22)【出願日】2022-06-16
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り １：令和３年１０月２日 日本機械学会熱工学コンファレンス２０２１予稿集（ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｊｓｍｅ．ｏｒ．ｊｐ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ／ｔｅｄｃｏｎｆ２１／ｏｎｌｉｎｅ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ） ２：令和３年１１月２日 日本機械学会第１２回マイクロ・ナノ工学シンポジウム予稿集（ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｓｈｕｎｋｏｓｈａ１．ｓａｋｕｒａ．ｎｅ．ｊｐ／ｍｎｍ２０２１／） ３：令和４年３月１２日 Ｔｈｅ ３２ｎｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ予稿集（ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｉｓｔｐ３２．ｓｃｉｍｅｅｔｉｎｇ．ｃｎ／ｅｎ／ｗｅｂ／ｊｕｍｐ／１７０３？ｍｉｄ＝１３８２２３＆ｎｉｄ＝５０７３０） ４：令和４年５月１１日 第５９回日本伝熱シンポジウム予稿集（ＵＲＬ：ｈｔｔｐｓ：／／ｈｔｓｊ－ｃｏｎｆ．ｏｒｇ／ｓｙｍｐ２０２２／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／）
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003177
【氏名又は名称】弁理士法人旺知国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】柴田 修平
(72)【発明者】
【氏名】村上 幸平
(72)【発明者】
【氏名】岩崎 正道
(72)【発明者】
【氏名】中村 淳
【テーマコード（参考）】
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F136CC34
5F136DA27
(57)【要約】
【課題】長期間安定的に冷却性能の低下を抑制することができる沸騰冷却装置を提供すること。
【解決手段】沸騰冷却装置１は、液状の冷媒ＲＥと、冷媒ＲＥを収容し、発熱体１００からの熱により冷媒ＲＥを沸騰させる伝熱面ＦＴを有する容器１１と、を備える。冷媒ＲＥは、純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、冷媒ＲＥのｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、を含む。また、非イオン性界面活性剤は、親水基と疎水基とを有し、親水基は、ポリグリセリンであることが好ましい。また、親水基は、糖類であることが好ましい。
【選択図】図１
【解決手段】沸騰冷却装置１は、液状の冷媒ＲＥと、冷媒ＲＥを収容し、発熱体１００からの熱により冷媒ＲＥを沸騰させる伝熱面ＦＴを有する容器１１と、を備える。冷媒ＲＥは、純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、冷媒ＲＥのｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、を含む。また、非イオン性界面活性剤は、親水基と疎水基とを有し、親水基は、ポリグリセリンであることが好ましい。また、親水基は、糖類であることが好ましい。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
液状の冷媒と、
前記冷媒を収容し、発熱体からの熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する容器と、を備え、
前記冷媒は、純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、前記冷媒のｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、
を含むことを特徴とする沸騰冷却装置。
前記冷媒を収容し、発熱体からの熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する容器と、を備え、
前記冷媒は、純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、前記冷媒のｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、
を含むことを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項2】
前記添加物は、ｐＨを８以上１０以下に保つ緩衝作用を有する、
請求項１に記載の沸騰冷却装置。
請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項3】
前記添加物は、四ほう酸ナトリウムである、
請求項２に記載の沸騰冷却装置。
請求項２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項4】
前記非イオン性界面活性剤は、親水基と疎水基とを有し、
前記親水基は、ポリグリセリンである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
前記親水基は、ポリグリセリンである、
請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項5】
前記非イオン性界面活性剤は、親水基と疎水基とを有し、
前記親水基は、糖類である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
前記親水基は、糖類である、
請求項１から３のいずれか１項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項6】
前記疎水基は、アルキル基であり、
前記アルキル基の炭素数は、８以上１４以下である、
請求項４に記載の沸騰冷却装置。
前記アルキル基の炭素数は、８以上１４以下である、
請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【請求項7】
前記疎水基は、アルキル基であり、
前記アルキル基の炭素数は、８以上１４以下である、
請求項５に記載の沸騰冷却装置。
前記アルキル基の炭素数は、８以上１４以下である、
請求項５に記載の沸騰冷却装置。
【請求項8】
前記非イオン性界面活性剤は、ポリグリセリル－４ラウリルエーテルである、
請求項４に記載の沸騰冷却装置。
請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【請求項9】
前記非イオン性界面活性剤は、ｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドである、
請求項５に記載の沸騰冷却装置。
請求項５に記載の沸騰冷却装置。
【請求項10】
前記冷媒は、
前記非イオン性界面活性剤としてのポリグリセリル－４ラウリルエーテルを０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、
前記添加物としての四ほう酸ナトリウムを０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、を含む、
請求項８に記載の沸騰冷却装置。
前記非イオン性界面活性剤としてのポリグリセリル－４ラウリルエーテルを０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、
前記添加物としての四ほう酸ナトリウムを０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、を含む、
請求項８に記載の沸騰冷却装置。
【請求項11】
前記冷媒は、
前記非イオン性界面活性剤としてのｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドを０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、
前記添加物としての四ほう酸ナトリウムを０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、を含む、
請求項９に記載の沸騰冷却装置。
前記非イオン性界面活性剤としてのｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドを０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、
前記添加物としての四ほう酸ナトリウムを０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、を含む、
請求項９に記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、沸騰冷却装置に関する。
【背景技術】
【0002】
冷媒の沸騰に伴う潜熱による熱輸送を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置が知られている。
【0003】
特許文献１に記載の沸騰冷却装置は、発熱体と接触する容器と、容器に収容される液体冷媒とを備える。当該容器は、液体冷媒に接触する伝熱面を有しており、当該伝熱面を介して発熱体の熱が液体冷媒に伝達されることにより、液体冷媒は沸騰する。
【0004】
かかる沸騰冷却装置で用いられる液体冷媒は、エタノール水溶液と非イオン系のフッ素系界面活性剤とを含む。界面活性剤を用いることで、伝熱面が気泡で覆われることによる熱伝達の阻害が抑制される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１３－２４４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献１に記載の液体冷媒を含む沸騰冷却装置は、高温環境で長期間使用することが難しい。従来の沸騰冷却装置を高温で長期間使用すると、容器が金属製である場合、液体冷媒のｐＨの低下により金属腐食が生じるおそれがある。この結果、容器が破損し、液体冷媒の漏洩を引き起こすおそれがある。また、従来の沸騰冷却装置を高温環境で長期間使用すると、界面活性剤の分解が生じるおそれがある。界面活性剤の分解が生じると、界面活性剤による沸騰伝熱性能向上効果の低下、および分解生成物による金属腐食の助長を発生させるという問題がある。したがって、従来の沸騰冷却装置では、界面活性剤を用いることでの沸騰伝熱性能の向上と、液体冷媒のｐＨの低下により金属腐食および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を図ることが難しい。
【課題を解決するための手段】
【0007】
以上の課題を解決するために、本開示の好適な態様に係る沸騰冷却装置は、液状の冷媒と、前記冷媒を収容し、発熱体からの熱により前記冷媒を沸騰させる伝熱面を有する容器と、を備え、前記冷媒は、純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、前記冷媒のｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】第１実施形態に係る沸騰冷却装置の概略図である。
【図2】気泡の発生を説明するための図である。
【図3】気泡の成長を説明するための図である。
【図4】気泡の離脱を説明するための図である。
【図5】第２実施形態に係る伝熱部材の斜視図である。
【図7】気泡の発生を説明するための図である。
【図8】気泡の成長を説明するための図である。
【図9】気泡の離脱を説明するための図である。
【図11】第３実施形態に係る沸騰冷却装置の概略構成を示す斜視図である。
【図15】気泡の離脱を説明するための図である。
【図16】変形例１に係る沸騰冷却装置の概略図である。
【図17】変形例２に係る沸騰冷却装置の伝熱面を説明するための図である。
【図18】変形例３に係る沸騰冷却装置の伝熱部材を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、添付図面を参照しながら本開示に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法および縮尺は実際と適宜に異なり、理解を容易にするために模式的に示している部分もある。また、本開示の範囲は、以下の説明において特に本開示を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。
【0010】
１．第１実施形態
１－１．沸騰冷却装置の概要
図１は、第１実施形態に係る沸騰冷却装置１の概略図である。以下の説明は、便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、以下では、Ｘ軸に沿う一方向がＸ１方向であり、Ｘ１方向とは反対の方向がＸ２方向である。Ｙ軸に沿う一方向がＹ１方向であり、Ｙ１方向とは反対の方向がＹ２方向である。Ｚ軸に沿う一方向がＺ１方向であり、Ｚ１方向とは反対の方向がＺ２方向である。
１－１．沸騰冷却装置の概要
図１は、第１実施形態に係る沸騰冷却装置１の概略図である。以下の説明は、便宜上、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸を適宜に用いて行う。また、以下では、Ｘ軸に沿う一方向がＸ１方向であり、Ｘ１方向とは反対の方向がＸ２方向である。Ｙ軸に沿う一方向がＹ１方向であり、Ｙ１方向とは反対の方向がＹ２方向である。Ｚ軸に沿う一方向がＺ１方向であり、Ｚ１方向とは反対の方向がＺ２方向である。
【0011】
ここで、典型的には、Ｚ軸が鉛直線であり、Ｚ１方向が鉛直上方に相当し、Ｚ２方向が鉛直下方に相当する。なお、実空間でのＺ軸の向きは、沸騰冷却装置１の設置姿勢に応じて決められる。Ｚ軸は、鉛直線に対して４５°以下の範囲内で傾斜してもよい。また、以下では、単に「上方」とは、鉛直線に沿う方向での位置を示しており、鉛直上方および鉛直斜め上方の双方を概念的に含む。同様に、単に「下方」とは、鉛直線に沿う方向での位置を示しており、鉛直下方および鉛直斜め下方の双方を概念的に含む。
【0012】
図１に示す沸騰冷却装置１は、発熱体１００を冷却する装置である。発熱体１００は、例えば、ダイオード、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子である。パワー半導体素子は、例えば、鉄道車両、自動車、および家庭用電気機械等に用いられるインバーターおよび整流器等のパワーエレクトロニクス製品に搭載される。
【0013】
沸騰冷却装置１は、冷媒ＲＥの沸騰で生じる潜熱を利用する冷却器である。当該潜熱を利用した冷却は、一般に、沸騰冷却と称される。冷媒ＲＥは、後に詳述するが、発熱体１００を冷却させるための熱輸送に用いる媒体であり、沸騰冷却装置１内の圧力のもと常温で液状をなす。図１に示す例では、沸騰冷却装置１は、冷媒ＲＥの自然対流を利用したプール沸騰式である。
【0014】
沸騰冷却装置１は、冷媒ＲＥと、冷媒ＲＥを収容する容器１１を有する受熱部１０とを備える。さらに、沸騰冷却装置１は、凝縮部２０と蒸気輸送部３０と液輸送部４０とを備える。
【0015】
受熱部１０は、発熱体１００からの熱を受ける。受熱部１０が有する容器１１は、伝熱部材１２を有する。伝熱部材１２は、発熱体１００で生じた熱を冷媒ＲＥに伝える。図１に示す例では、伝熱部材１２は、容器１１の底部を構成する平板状の部材である。伝熱部材１２は、受熱面ＦＲと伝熱面ＦＴとを有する。受熱面ＦＲは、発熱体１００に熱的に接続される。伝熱面ＦＴは、容器１１の内壁面を構成するように容器１１の内部に露出しており、冷媒ＲＥと接触する。伝熱面ＦＴは、発熱体１００からの熱により冷媒ＲＥを沸騰させる。図１に示す例では、伝熱面ＦＴは、平坦面である。具体的には、伝熱面ＦＴは、Ｚ軸に直交する平面である。発熱体１００からの熱が伝熱面ＦＴを介して冷媒ＲＥに伝わり、伝熱面ＦＴの近傍の冷媒ＲＥが沸点以上の温度に過熱される。冷媒ＲＥが過熱されることにより、伝熱面ＦＴに複数の気泡Ｂが発生する。
【0016】
なお、「熱的に接続」とは、次の条件ａ、ｂまたはｃのいずれかを満たすことをいう。条件ａ：２つの部材が物理的に直接に接する。条件ｂ：２つの部材が５０μｍ以下の間隙を介して配置される。条件ｃ：２つの部材が１０Ｗ・ｍ－１・Ｋ－１以上の熱伝導率の他の部材を介して物理的に接続される。なお、各条件における２つの部材間には、伝熱グリースおよび接着剤等が存在してもよい。この場合、接着剤は、熱伝導性を高める観点から、熱伝導性のフィラー等を含むことが好ましい。
【0017】
伝熱部材１２は、熱伝導性に優れる材料で構成される。伝熱部材１２の具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属が挙げられる。また、容器１１の伝熱部材１２以外の部分の具体的な構成材料としては、特に限定されないが、伝熱部材１２の構成材料と同様、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属が挙げられる。なお、伝熱部材１２は、容器１１の伝熱部材１２以外の部分と一体的に形成されてもよく、別部材で形成されてもよい。さらに、伝熱部材１２は、１つの部材で構成されてもよいし、複数の部材で構成されてもよい。
【0018】
凝縮部２０は、受熱部１０に対して鉛直方向での上方に配置される。凝縮部２０は、気化した冷媒ＲＥを凝縮する。このため、凝縮部２０では、気化した冷媒ＲＥが液状の冷媒ＲＥに戻される。凝縮部２０は、筐体２１と冷却部材２２とを有する。筐体２１は、気化した冷媒ＲＥを液化させる空間を形成する構造体である。筐体２１の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属が挙げられる。冷却部材２２は、筐体２１内の気化した冷媒ＲＥを冷却する構造体である。冷却部材２２は、例えば、冷却された流体が流れる冷却管である。
【0019】
蒸気輸送部３０および液輸送部４０のそれぞれは、受熱部１０および凝縮部２０のそれぞれに接続される管体であり、受熱部１０内の空間と凝縮部２０内の空間とを連通させる。ただし、蒸気輸送部３０は、気化した冷媒ＲＥを受熱部１０から凝縮部２０に流すよう構成される。一方、液輸送部４０は、液化した冷媒ＲＥを凝縮部２０から受熱部１０に流すよう構成される。蒸気輸送部３０および液輸送部４０の各構成材料としては、特に限定されないが、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属が挙げられる。
【0020】
以上の構成の沸騰冷却装置１では、発熱体１００の熱が伝熱部材１２を介して容器１１内の冷媒ＲＥに伝わることにより、冷媒ＲＥが伝熱面ＦＴ近傍で沸騰する。この結果、伝熱面ＦＴには、気泡Ｂが発生する。発生した気泡Ｂは、浮力により伝熱面ＦＴから離脱した後、冷媒ＲＥの液面よりも上方で気体状の冷媒ＲＥとなる。当該気体状の冷媒ＲＥは、受熱部１０から蒸気輸送部３０を介して凝縮部２０に輸送される。凝縮部２０に輸送された気体状の冷媒ＲＥは、凝縮部２０で凝縮されることにより液状の冷媒ＲＥに戻る。当該液状の冷媒ＲＥは、凝縮部２０から液輸送部４０を介して受熱部１０に輸送される。
【0021】
このように、沸騰冷却装置１では、伝熱面ＦＴ近傍の冷媒ＲＥの相変化により、伝熱部材１２を介して発熱体１００を冷却させることができる。また、冷媒ＲＥの受熱部１０での気化と凝縮部２０での液化とが繰り返されることにより、発熱体１００を継続的かつ安定的に冷却することができる。
【0022】
なお、沸騰冷却装置１は、図１に示す構成に限定されず、例えば、受熱部１０、凝縮部２０、蒸気輸送部３０および液輸送部４０が一体で構成されるサーモサイフォンであってもよい。また、沸騰冷却装置１は、プール沸騰式に限定されず、冷媒ＲＥの流れを強制的に生じさせる強制対流沸騰式であってもよい。この場合、例えば、蒸気輸送部３０に、図示しないポンプが接続される。
【0023】
１－２．冷媒ＲＥ
冷媒ＲＥは、溶媒である純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、冷媒ＲＥのｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、を含む。冷媒ＲＥがこれらを含むことにより、沸騰伝熱性能の向上と、冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現することができる。したがって、沸騰冷却装置１を高温環境で長期間安定して用いることができる。以下、冷媒ＲＥを用いることでの気泡Ｂの挙動と、冷媒ＲＥの具体的な構成とについて説明する。
冷媒ＲＥは、溶媒である純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、冷媒ＲＥのｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、を含む。冷媒ＲＥがこれらを含むことにより、沸騰伝熱性能の向上と、冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現することができる。したがって、沸騰冷却装置１を高温環境で長期間安定して用いることができる。以下、冷媒ＲＥを用いることでの気泡Ｂの挙動と、冷媒ＲＥの具体的な構成とについて説明する。
【0024】
１－２ａ．純水
純水は、溶媒であり、冷媒ＲＥの主成分である。溶媒が純水であることで、溶媒が例えばエタノール水溶液である場合に比べ、高温環境での使用に適した沸騰冷却装置１を提供することができる。なお、本明細書において、純水とは、ＲＯ水、蒸留水、および超純水を含む。
純水は、溶媒であり、冷媒ＲＥの主成分である。溶媒が純水であることで、溶媒が例えばエタノール水溶液である場合に比べ、高温環境での使用に適した沸騰冷却装置１を提供することができる。なお、本明細書において、純水とは、ＲＯ水、蒸留水、および超純水を含む。
【0025】
１－２ｂ．界面活性剤
界面活性剤は、分子内に疎水基と親水基とを有する。界面活性剤を含むことで、微細な気泡Ｂを多数発生させることができ、沸騰伝熱性能を向上させることができる。
界面活性剤は、分子内に疎水基と親水基とを有する。界面活性剤を含むことで、微細な気泡Ｂを多数発生させることができ、沸騰伝熱性能を向上させることができる。
【0026】
液状の冷媒ＲＥ中で気泡Ｂが発生および成長するためには、気泡Ｂ内部の蒸気圧ｐＶが気泡Ｂ周囲の液状の冷媒ＲＥの圧力ｐＬよりも冷媒ＲＥの表面張力γに打ち勝つだけ高くなければならない。気泡Ｂの内外の圧力差Δｐ（＝ｐＶ－ｐＬ）は、冷媒ＲＥの表面張力γ、気泡Ｂの曲率半径Ｒを用いて、以下の式（１）で表される。
Δｐ＝（２γ／Ｒ） ・・・（１）
Δｐ＝（２γ／Ｒ） ・・・（１）
【0027】
圧力差Δｐに対応する過熱度ΔＴは、気泡Ｂを構成する気体の密度である蒸気密度ρＶ、冷媒ＲＥの液密度ρＬ、飽和温度Ｔｓａｔ、圧力差Δｐ、蒸発潜熱ｈｆｇを用いて、以下の式（２）で表される。
ΔＴ＝（ρＬ－ρＶ）×Ｔｓａｔ×Δｐ／（ｈｆｇ×ρＬ×ρＶ） ・・・（２）
ΔＴ＝（ρＬ－ρＶ）×Ｔｓａｔ×Δｐ／（ｈｆｇ×ρＬ×ρＶ） ・・・（２）
【0028】
冷媒ＲＥが界面活性剤を含むことで、冷媒ＲＥの表面張力γを低下させることができる。このため、気泡Ｂの内外の圧力差Δｐおよび過熱度ΔＴを小さくすることができる。この結果、気泡Ｂが発生および成長しやすくなる。
【0029】
また、冷媒ＲＥが界面活性剤を含むことで、冷媒ＲＥの表面張力γが低下するので、伝熱面ＦＴに対する気泡Ｂの付着力ＦＣが小さくなる。このため、気泡Ｂが伝熱面ＦＴから離脱するための浮力ＦＢが小さくて済むので、伝熱面ＦＴからの離脱時の気泡Ｂの体積を小さくすることができる。したがって、伝熱面ＦＴから離脱する際における気泡Ｂの直径、すなわち離脱気泡径Ｄｂａｓｅを小さくすることができる。
【0030】
浮力ＦＢは、以下の式（３）で表される。
ＦＢ＝Ｖ（ρＬ－ρＶ）ｇ ・・・・・（３）
Ｖは気泡Ｂの体積、ｇは、重力加速度である。
ＦＢ＝Ｖ（ρＬ－ρＶ）ｇ ・・・・・（３）
Ｖは気泡Ｂの体積、ｇは、重力加速度である。
【0031】
離脱気泡径Ｄｂａｓｅと表面張力γとの関係は、以下の式（４）で表される。
ＦＣ＝πＤｂａｓｅγｓｉｎθ ・・・・・（４）
θは、伝熱面ＦＴに対する気泡Ｂの接触角である。ＦＣは、伝熱面ＦＴに対する気泡Ｂの付着力である。離脱気泡径Ｄｂａｓｅは、平面から離脱する際における気泡Ｂの直径である。
ＦＣ＝πＤｂａｓｅγｓｉｎθ ・・・・・（４）
θは、伝熱面ＦＴに対する気泡Ｂの接触角である。ＦＣは、伝熱面ＦＴに対する気泡Ｂの付着力である。離脱気泡径Ｄｂａｓｅは、平面から離脱する際における気泡Ｂの直径である。
【0032】
ここで、合体により大型化した気泡Ｂは、合体していない小型な気泡に比べ、１個当たりの気泡Ｂが伝熱面ＦＴを覆う面積が大きい。そのため、伝熱面ＦＴのうち大型な気泡Ｂが離脱した部分は、小型な気泡Ｂが離脱した部分に比べ、過熱され冷媒ＲＥが流れ込み難い。そのため、大型な気泡Ｂが離脱した部分では、小型な気泡Ｂが離脱した部分に比べ、次の気泡Ｂが発生するまでにかかる時間が長くなり易い。その結果、気泡Ｂの発生周期が長期化するという弊害が生じる。したがって、単位時間あたりの気泡Ｂの発生数を多くするためには、隣接する気泡Ｂ同士の合体を抑制することが好ましい。
【0033】
前述のように、冷媒ＲＥは界面活性剤を含むため、クーロン力等により隣接する気泡Ｂ同士の合体を抑制することができる。この結果、合体した気泡Ｂにより伝熱面ＦＴが覆われることによる前述の弊害を抑制することができる。
【0034】
図２は、伝熱面ＦＴでの気泡Ｂの発生を説明するための図である。図２では、例えば、３つの気泡Ｂａ、Ｂｂ、およびＢｃが図示されている。前述のように、冷媒ＲＥには界面活性剤が含まれているので、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれは発生し易い。また、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃは、界面活性剤の作用により互いの合体が抑制されつつ、成長する。
【0035】
図３は、伝熱面ＦＴでの気泡Ｂの成長を説明するための図である。図３に示すように、
気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれの成長が進行すると、伝熱面ＦＴに沿う方向すなわちＸ－Ｙ平面に沿う方向での気泡Ｂａの成長は、気泡ＢｂおよびＢｃにより制限される。この結果、気泡Ｂａは、Ｚ１方向に成長し易くなる。これは、界面活性剤の作用により気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれとの合体が抑制されるからである。また、気泡Ｂａは、その成長に伴って、気泡Ｂｂと気泡Ｂｃとの間に挟まれた状態で浮力が作用する。当該作用により、気泡Ｂａは、くびれた形状に変形していく。
気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれの成長が進行すると、伝熱面ＦＴに沿う方向すなわちＸ－Ｙ平面に沿う方向での気泡Ｂａの成長は、気泡ＢｂおよびＢｃにより制限される。この結果、気泡Ｂａは、Ｚ１方向に成長し易くなる。これは、界面活性剤の作用により気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれとの合体が抑制されるからである。また、気泡Ｂａは、その成長に伴って、気泡Ｂｂと気泡Ｂｃとの間に挟まれた状態で浮力が作用する。当該作用により、気泡Ｂａは、くびれた形状に変形していく。
【0036】
図４は、伝熱面ＦＴからの気泡Ｂの離脱を説明するための図である。図４に示すように、気泡Ｂａ、ＢｂおよびＢｃのそれぞれの成長がさらに進行すると、気泡Ｂａが伝熱面ＦＴから離脱する。このとき、図４に示すように、気泡Ｂａは、気泡Ｂａ１と気泡Ｂａ２とに分離する。気泡Ｂａ１は、伝熱面ＦＴから離脱する。気泡Ｂａ２は、残留気泡として伝熱面ＦＴ上に残る。その後、気泡Ｂａ２は、新たな気泡Ｂの発生のための核として機能する。このように、気泡Ｂａが伝熱面ＦＴ上に残ることにより、気泡Ｂの発生周期を短くすることができる。このため、単位時間あたりに離脱する気泡数を増加させることができる。よって、沸騰伝熱性能を高めることができる。また、界面活性剤分子の反発によって隣り合う気泡Ｂ同士の合体が抑制されることで、大型な気泡Ｂの形成が抑制される。このため、大型な気泡Ｂにより伝熱面ＦＴが覆われることによる前述の弊害を抑制することができる。以上のように、冷媒ＲＥが界面活性剤を含むことで、沸騰伝熱性能を高めるので、沸騰冷却装置１の冷却性能を向上させることができる。
【0037】
また、冷媒ＲＥに含まれる界面活性剤は、非イオン性界面活性剤である。非イオン性界面活性剤を用いることで、界面活性剤分子の立体障害によって、隣り合う気泡Ｂ同士の合体が抑制される。非イオン性界面活性剤は純水中でイオンに解離する基を有さないため、金属腐食が生じ難い。
【0038】
非イオン性界面活性剤は、エーテル型である。エーテル型は、例えばエステル型に比べて、高温環境で加水分解し難い。このため、エーテル型の非イオン性界面活性剤を用いることで、分解生成物による金属腐食が助長されるおそれが低減される。
【0039】
界面活性剤の親水基としては、例えば、糖類、ポリオキシエチレン、およびポリグリセリンが挙げられる。これらの中でも親水基は、糖類またはポリグリセリンであることが好ましい。親水基がポリグリセリンであることで、水溶性を確保することができ、また、高温環境であっても分解し難い。また、親水基が糖類であることで、水溶性を確保することができ、また、高温環境であっても分解し難い。
【0040】
ここで、非イオン性界面活性剤は曇点以上で水溶性が失われ、その結果、冷媒ＲＥは白濁する。非イオン性界面活性剤の水溶性が失われると、前述の界面活性剤による効果を得難い。このため、非イオン性界面活性剤の曇点は、沸騰冷却装置１の使用温度よりも高いことが好ましい。非イオン性界面活性剤の親水基がポリグリセリンまたは糖類であることで、冷媒ＲＥの曇点を特に高くすることができる。このため、高温環境で沸騰冷却装置１を安定的に使用することができる。
【0041】
また、界面活性剤の疎水基は一般的に炭化水素を主体とするものであり、その中でもアルキル基であることが好ましい。疎水基がアルキル基であることで、低い分子量で疎水基の疎水性を確保でき、界面活性剤分子の易動度を高めることができる。また、界面活性剤は、親水基がポリグリセリンまたは糖類であり、かつ、疎水基がアルキル基であることで、高温環境で沸騰冷却装置１を特に安定的に使用することができ、かつ沸騰伝熱性能を特に高めることができる。なお、疎水基としては、アルキルフェニル基等でもよい。
【0042】
さらに、疎水基がアルキル基である場合、アルキル基の炭素数は、特に限定されないが、例えば、６以上１８以下であることが好ましい。炭素数が少ない場合、界面活性が弱くなり、表面張力を下げる効果が弱くなってしまう。炭素数が多すぎると、界面活性剤分子の冷媒ＲＥ中での易動度が低下してしまう。また、親水基がポリグリセリンである場合、アルキル基の炭素数は、８以上１８以下であることがより好ましく、８以上１０以下であることがさらに好ましい。また、親水基が糖類である場合、アルキル基の炭素数は、６以上１０以下であることがより好ましく、８以上１０以下であることがさらに好ましい
【0043】
エーテル型の非イオン性界面活性剤の具体例としては、例えば、ポリオキシエチレンアルキルエーテル、アルキルグリコシド、およびポリグリセリルアルキルエーテルが挙げられる。アルキルグリコシドおよびポリグリセリルアルキルエーテルは、他の非イオン性界面活性剤に比べ水溶性かつ高温環境での安定性に優れる。
【0044】
さらに、ポリグリセリルアルキルエーテルの中でも、ポリグリセリル－４ラウリルエーテルが好ましい。ポリグリセリル－４ラウリルエーテルは、水溶性に優れ、かつ、加水分解し難い。このため、ポリグリセリル－４ラウリルエーテルを用いることで、金属腐食が特に生じ難くなる。さらに、ポリグリセリル－４ラウリルエーテルは、沸騰伝熱性能を向上させる効果が大きい。このため、ポリグリセリル－４ラウリルエーテルを用いることで、冷却性能に優れる沸騰冷却装置１を高温環境で特に長期間安定的に使用することができる。
【0045】
また、アルキルグリコシドとしては、例えば、ｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシド、およびｎ-デシル-β-Ｄ-グルコシドが挙げられる。アルキルグリコシドの中でも、ｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドが好ましい。ｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドを用いることで、冷却性能に優れる沸騰冷却装置１を高温環境で特に長期間安定的に使用することができる。
【0046】
なお、エーテル型の非イオン性界面活性剤の具体例としては、ポリオキシエチレンアルキルフェニルエーテル等でもよい。
【0047】
界面活性剤の含有率は、例えば、０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。界面活性剤の含有率が低すぎると、界面活性剤による前述の作用が不足するおそれがある。一方、界面活性剤の含有率が高すぎると、界面活性剤の水溶性が低下するおそれがある。
【0048】
１－２ｃ．添加物
添加物は、前述のように、冷媒ＲＥのｐＨを保つ緩衝作用を有する。当該添加物が含まれることで、冷媒ＲＥのｐＨを長期間一定の範囲に保つことができる。界面活性剤を高温環境で長期間安定的に使用するためには、冷媒ＲＥのｐＨを長期間一定の範囲に保つ必要がある。例えば、高温環境での長期間の使用により冷媒ＲＥのｐＨを低下させる要因が生じた場合、加水分解し難い界面活性剤を使用しても、界面活性剤の分解が促進されるおそれがある。このため、分解生成物による金属腐食、および更なるｐＨの低下が懸念される。そこで、純水およびエーテル型の非イオン性界面活性剤を含む冷媒ＲＥに、ｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する成分を添加することにより、界面活性剤の分解および金属腐食を抑制することができる。
添加物は、前述のように、冷媒ＲＥのｐＨを保つ緩衝作用を有する。当該添加物が含まれることで、冷媒ＲＥのｐＨを長期間一定の範囲に保つことができる。界面活性剤を高温環境で長期間安定的に使用するためには、冷媒ＲＥのｐＨを長期間一定の範囲に保つ必要がある。例えば、高温環境での長期間の使用により冷媒ＲＥのｐＨを低下させる要因が生じた場合、加水分解し難い界面活性剤を使用しても、界面活性剤の分解が促進されるおそれがある。このため、分解生成物による金属腐食、および更なるｐＨの低下が懸念される。そこで、純水およびエーテル型の非イオン性界面活性剤を含む冷媒ＲＥに、ｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する成分を添加することにより、界面活性剤の分解および金属腐食を抑制することができる。
【0049】
添加物は、ｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有すればよいが、ｐＨを８以上１０以下に保つ緩衝作用を有することがより好ましい。ｐＨを上記範囲内に保つことで、沸騰冷却装置１お高温環境で過度に長期間使用した場合であっても、金属製の容器１１の腐食速度を充分に低下させることができる。
【0050】
添加物の具体例としては、例えば、リン酸二水素カリウム、リン酸水素二ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸ナトリウム、および四ほう酸ナトリウムのうちの１種または２種以上の組み合わせが挙げられる。これらの中でも、四ほう酸ナトリウムがより好ましい。添加物が四ほう酸ナトリウムであることで、何らかの要因により冷媒ＲＥ内で水素イオンが生じるような反応が発生した場合においても、冷媒ＲＥのｐＨを８以上１０以下に長期間保つことができる。
【0051】
添加物の含有率は、例えば、０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下であることが好ましい。添加物の含有率が低すぎると、沸騰冷却装置１の使用環境によってはｐＨを所望の範囲に保つ効果が弱まるおそれがある。一方、添加物の含有率が高すぎると、水に溶解できない分が析出するおそれがある。
【0052】
以上のように、冷媒ＲＥは、溶媒である純水と、エーテル型の非イオン性界面活性剤と、ｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物と、を含む。前述のように、冷媒ＲＥが純水を溶媒として含むことで、エタノール水溶液を冷媒として含む場合に比べ高温環境での使用に適した沸騰冷却装置１を提供できる。また、エーテル型の非イオン性界面活性剤を用いることで、加水分解を抑制することにより分解生成物による金属腐食の助長を抑制しつつ、微細な気泡Ｂを多数発生させることができる。さらに、ｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物を用いることで、純水およびエーテル型の非イオン性界面活性剤を含む冷媒ＲＥにおいて、界面活性剤の分解および金属腐食を抑制することができる。したがって、冷媒ＲＥを用いることで、沸騰伝熱性能の向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現できる。このため、高温環境で長期間使用される沸騰冷却装置１において、沸騰冷却装置１の破損、および沸騰冷却性能の低下を防止することができる。したがって、高温環境で長期間安定的に冷却性能の低下を抑制することができる沸騰冷却装置１を提供することができる。
【0053】
さらに、前述のように、界面活性剤の親水基がポリグリセリンまたは糖類であることで、界面活性剤の水溶性を高めることができるので、高温環境で沸騰冷却装置１をより安定的に使用することができる。また、疎水基がアルキル基であることで、隣り合う気泡Ｂ同士の合体を効果的に抑制することができるので、沸騰伝熱性能の更なる向上を図ることができる。
【0054】
特に、界面活性剤がポリグリセリル－４ラウリルエーテルであり、かつ、添加物が四ほう酸ナトリウムであることで、沸騰伝熱性能の向上を図ることができるとともに、冷媒ＲＥのｐＨを８以上１０以下に長期間保つことができる。よって、沸騰冷却装置１を高温環境で特に長期間安定的に用いることができる。
【0055】
さらに、冷媒ＲＥは、ポリグリセリル－４ラウリルエーテルを０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、四ほう酸ナトリウムを０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、を含むことが好ましい。上記成分を上記含有率で含むことにより、沸騰伝熱性能の向上を図ることができるとともに、冷媒ＲＥのｐＨを８以上１０以下により長期間安定的に保つことができる。高温環境でより長期間安定的に用いることができる沸騰冷却装置１を提供することができる。
【0056】
また、特に、界面活性剤がｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドであり、かつ、添加物が四ほう酸ナトリウムであることで、沸騰伝熱性能の向上を図ることができるとともに、冷媒ＲＥのｐＨを８以上１０以下に長期間保つことができる。よって、沸騰冷却装置１を高温環境で特に長期間安定的に用いることができる。
【0057】
さらに、冷媒ＲＥは、ｎ-オクチル-β-Ｄ-グルコシドを０．０２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、四ほう酸ナトリウムを０．２ｗｔ％以上２ｗｔ％以下と、を含むことが好ましい。上記成分を上記含有率で含むことにより、沸騰伝熱性能の向上を図ることができるとともに、冷媒ＲＥのｐＨを８以上１０以下により長期間安定的に保つことができる。高温環境でより長期間安定的に用いることができる沸騰冷却装置１を提供することができる。
【0058】
なお、冷媒ＲＥは、純水、エーテル型の非イオン性界面活性剤、およびｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物以外の物質を含んでもよい。ただし、この場合、当該物質は、冷媒ＲＥの作用に悪影響を与えない範囲内の含有率で冷媒ＲＥに含まれる。また、エーテル型の非イオン性界面活性剤、およびｐＨを７以上に保つ緩衝作用を有する添加物は、２種以上含まれてもよい。
【0059】
２．第２実施形態
以下、本開示の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が前述の第１実施形態と同様である要素については、前述の第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
以下、本開示の第２実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が前述の第１実施形態と同様である要素については、前述の第１実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【0060】
２－１．伝熱部材１２Ａの構成
図５は、第２実施形態に係る伝熱部材１２Ａの斜視図である。図６は、図５に示す伝熱部材１２Ａの部分断面図である。図６では、伝熱部材１２Ａの一部をＹ軸に直交する平面で切断した断面が示される。
図５は、第２実施形態に係る伝熱部材１２Ａの斜視図である。図６は、図５に示す伝熱部材１２Ａの部分断面図である。図６では、伝熱部材１２Ａの一部をＹ軸に直交する平面で切断した断面が示される。
【0061】
伝熱部材１２Ａが有する伝熱面ＦＴＡは、Ｚ軸に直交する平面に沿って配置される。すなわち、伝熱面ＦＴＡは、Ｘ軸およびＹ軸の両方に平行な平面に沿って配置される。伝熱面ＦＴＡは、複数の凹部１２ａを有する。図５に示す例では、各凹部１２ａは、Ｙ軸に平行に延びる溝である。ここで、複数の凹部１２ａは、Ｘ軸に沿う方向に並んでおり、互いに平行に等ピッチで配置される。このような伝熱面ＦＴＡには、複数の凹部１２ａのうち隣り合う２つの凹部１２ａの間に凸部１２ｂが設けられる。すなわち、伝熱面ＦＴＡには、凹部１２ａおよび凸部１２ｂがＸ軸に沿う方向に交互に並んで複数組設けられる。このような伝熱面ＦＴＡは、例えば、切削加工等の機械加工により形成される。
【0062】
図６に示すように、各凹部１２ａは、底部に向かうに従って幅の縮小する形状をなす。図６に示す例では、各凹部１２ａの断面形状がＶ字形状であり、各凹部１２ａの幅が底部に向かうに従って連続的に縮小する。なお、凹部１２ａの断面形状は、図６に示す例に限定されない。この点については、後述の変形例で説明する。
【0063】
凹部１２ａの幅Ｗは、隣り合う凹部１２ａ同士の中心間距離Ｐ以下である。図６に示す例では、幅Ｗが中心間距離Ｐに等しい。ここで、中心間距離Ｐは、平面での冷媒ＲＥの沸騰により生じる気泡Ｂの離脱気泡径Ｄｂａｓｅよりも小さい。このため、前述の界面活性剤による気泡Ｂの合体を抑制する効果と相まって、凹部１２ａで生じた気泡Ｂを隣り合う気泡Ｂの影響により上方に向かって成長させ易くすることができる。
【0064】
中心間距離Ｐは、離脱気泡径Ｄｂａｓｅよりも小さければよいが、前述の伝熱面ＦＴＡの複数の凹部１２ａによる効果を好適に得る観点から、離脱気泡径Ｄｂａｓｅに対して、０．１倍以上０．５倍以下であることが好ましく、０．１倍以上０．４倍以下であることがより好ましい。
【0065】
また、複数の凹部１２ａのそれぞれの深さＤは、複数の凹部１２ａのそれぞれの幅Ｗに対して、０．５倍以上であることが好ましく、０．８倍以上３．０倍以下であることがより好ましく、２．０倍以上３．０倍以下であることがさらに好ましい。この場合、比較的低コストで、伝熱面ＦＴＡの複数の凹部１２ａによる効果を得ることができる。これに対し、各凹部１２ａの深さが浅すぎると、凹部１２ａの形状等によっては、伝熱面ＦＴＡから離脱する際に気泡Ｂの一部を凹部１２ａの底部に残存させる作用を好適に得ることが難しい。一方、各凹部１２ａの深さが深すぎると、凹部１２ａの形状が複雑化したり、凹部１２ａの加工コストが極端に高くなったりする傾向がある。
【0066】
１－４．気泡Ｂの挙動
図７は、伝熱面ＦＴＡでの気泡Ｂの発生を説明するための図である。以下では、複数の凹部１２ａのうちの任意の１個の凹部１２ａが凹部１２ａ＿１であり、凹部１２ａ＿１に対して隣り合う２つの凹部１２ａのうち、一方の凹部１２ａが凹部１２ａ＿２であり、他方の凹部１２ａが凹部１２ａ＿３である。また、凹部１２ａ＿１に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿１であり、凹部１２ａ＿２に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿２であり、凹部１２ａ＿３に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿３である。
図７は、伝熱面ＦＴＡでの気泡Ｂの発生を説明するための図である。以下では、複数の凹部１２ａのうちの任意の１個の凹部１２ａが凹部１２ａ＿１であり、凹部１２ａ＿１に対して隣り合う２つの凹部１２ａのうち、一方の凹部１２ａが凹部１２ａ＿２であり、他方の凹部１２ａが凹部１２ａ＿３である。また、凹部１２ａ＿１に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿１であり、凹部１２ａ＿２に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿２であり、凹部１２ａ＿３に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿３である。
【0067】
図７では、気泡Ｂ＿１の発生タイミングと気泡Ｂ＿２、Ｂ＿３の発生タイミングとがずれた場合の各気泡Ｂの状態が示される。ここで、各気泡Ｂは、例えば、凹部１２ａの最深位置を起点として発生する。そして、凹部１２ａの内壁面により伝熱面ＦＴＡに沿う方向（図７では、ＸＹ平面に沿う方向）での各気泡Ｂの成長が制限される。このため、各気泡Ｂが伝熱面ＦＴから離れる方向（図７では、Ｚ１方向）に成長しやすい。なお、凹部１２ａの内壁面により凹部１２ａの幅方向での各気泡Ｂが制限されることにより、その影響を受けて、凹部１２ａの延びる方向での各気泡Ｂの成長も制限される。
【0068】
図８は、伝熱面ＦＴＡでの気泡Ｂの成長を説明するための図である。図８に示すように、気泡Ｂ＿１、Ｂ＿２、Ｂ＿３のそれぞれの成長が進行すると、伝熱面ＦＴＡに沿う方向での気泡Ｂ＿１の成長が気泡Ｂ＿２、Ｂ＿３により制限される。これは、前述のように、界面活性剤の作用により気泡Ｂ＿１と気泡Ｂ＿２および気泡Ｂ＿２のそれぞれとの合体が抑制されるからである。このように、伝熱面ＦＴＡに沿う方向での気泡Ｂ＿１の成長が制限されることにより、気泡Ｂ＿１がＺ１方向に成長しやすくなる。以上のように、気泡Ｂ＿１は、界面活性剤による効果と凹部１２ａによる効果との相乗効果により、Ｚ１方向に成長しやすくなる。
【0069】
気泡Ｂ＿１は、その成長に伴って、気泡Ｂ＿２と気泡Ｂ＿３との間に挟まれた状態で浮力が作用する。ここで、前述のように凹部１２ａの中心間距離Ｐが平面での冷媒ＲＥの沸騰により生じる気泡Ｂの離脱気泡径Ｄｂａｓｅよりも小さい。このため、図８に示すように、気泡Ｂ＿１は、くびれた形状に変形していく。
【0070】
図９は、伝熱面ＦＴＡからの気泡Ｂの離脱を説明するための図である。図９に示すように、気泡Ｂ＿１、Ｂ＿２、Ｂ＿３のそれぞれの成長がさらに進行すると、気泡Ｂ＿１が伝熱面ＦＴＡから離脱する。このとき、図９に示すように、気泡Ｂ＿１は、気泡Ｂａと気泡Ｂｂとに分離する。気泡Ｂａは、伝熱面ＦＴＡから離脱する。気泡Ｂｂは、気泡Ｂ＿１の一部が凹部１２ａ＿１内に残留する残留気泡として伝熱面ＦＴＡ上に残る。その後、気泡Ｂｂは、新たな気泡Ｂ＿１の発生のための核として機能する。このように、気泡Ｂｂが伝熱面ＦＴ上に残ることにより、気泡Ｂの発生周期を短くすることができる。この結果、単位時間あたりに離脱する気泡数を増加させることができる。
【0071】
ここで、平面での冷媒ＲＥの沸騰により生じる気泡Ｂの離脱気泡径Ｄｂａｓｅは、例えば、減圧場での純水に対するCole and Rohsenowの式を用いた計算により求められる。当該式は、以下の式（５）で表される。
Ｄｂａｓｅ＝１．５×１０－４√（σ／ｇ（ρＬ－ρＶ））×Ｊａ５／４ ・・・（５）
ここで、Ｊａ＝ρＬｃＰＬＴｓａｔ／ρＶｈｆｇ
Ｔｓａｔは飽和温度であり、σは表面張力であり、ρＬは液密度であり、ρＶは蒸気密度であり、ｃＰＬは液比熱であり、ｈｆｇは蒸発腺熱であり、ｇは重力加速度である。
Ｄｂａｓｅ＝１．５×１０－４√（σ／ｇ（ρＬ－ρＶ））×Ｊａ５／４ ・・・（５）
ここで、Ｊａ＝ρＬｃＰＬＴｓａｔ／ρＶｈｆｇ
Ｔｓａｔは飽和温度であり、σは表面張力であり、ρＬは液密度であり、ρＶは蒸気密度であり、ｃＰＬは液比熱であり、ｈｆｇは蒸発腺熱であり、ｇは重力加速度である。
【0072】
例えば、圧力５０ｋＰａでの純水の離脱気泡径Ｄｂａｓｅを求める場合、
飽和温度Ｔｓａｔ：３５５［Ｋ］
表面張力σ：６２．４［ｍＮ／ｍ］
液密度ρＬ：９７１［ｋｇ／ｍ３］
蒸気密度ρＶ：０．３０９［ｋｇ／ｍ３］
液比熱ｃＰＬ：４．２０［ｋＪ／ｋｇ・Ｋ］
蒸発潜熱ｈｆｇ：２３０５［ｋＪ／ｋｇ］
重力加速度ｇ＝９．８１［ｍ／ｓ２］
であり、式（５）を用いて計算すると、離脱気泡径Ｄｂａｓｅは、５．２４［ｍｍ］である。
飽和温度Ｔｓａｔ：３５５［Ｋ］
表面張力σ：６２．４［ｍＮ／ｍ］
液密度ρＬ：９７１［ｋｇ／ｍ３］
蒸気密度ρＶ：０．３０９［ｋｇ／ｍ３］
液比熱ｃＰＬ：４．２０［ｋＪ／ｋｇ・Ｋ］
蒸発潜熱ｈｆｇ：２３０５［ｋＪ／ｋｇ］
重力加速度ｇ＝９．８１［ｍ／ｓ２］
であり、式（５）を用いて計算すると、離脱気泡径Ｄｂａｓｅは、５．２４［ｍｍ］である。
【0073】
ここで、冷媒ＲＥへの界面活性剤の添加により冷媒ＲＥの表面張力が低下するため、例えば、表面張力σを２６．５［ｍＮ／ｍ］とすると、離脱気泡径Ｄｂａｓｅは、３．４１［ｍｍ］となる。
【0074】
図１０は、伝熱面ＦＴＡの凹部１２ａによる効果を説明するための図である。図１０では、前述のように離脱気泡径Ｄｂａｓｅが３．４１［ｍｍ］である場合、伝熱面ＦＴＡが平面である構成と凹部１２ａの中心間距離Ｐが１．３ｍｍである構成と凹部１２ａの中心間距離Ｐが０．５ｍｍである構成とのそれぞれについて、熱伝達率を測定した結果が沸騰伝熱性能として示される。なお、図１０に示す結果は、伝熱面ＦＴＡが平面である場合の沸騰伝熱性能の結果を１として規格化された結果である。また、中心間距離Ｐが１．３ｍｍである構成と中心間距離Ｐが０．５ｍｍである構成とについては、いずれも、凹部１２ａの深さＤが１．２ｍｍである。
【0075】
図１０に示すように、凹部１２ａを有する構成では、伝熱面ＦＴＡが平面である構成に比べて、沸騰伝熱性能を向上させることができる。ここで、中心間距離Ｐが１．３ｍｍである構成は、伝熱面ＦＴＡが平面である構成に比べて約１．５倍の沸騰伝熱性能を有する。中心間距離Ｐが０．５ｍｍである構成は、伝熱面ＦＴＡが平面である構成に比べて約１．８倍の沸騰伝熱性能を有する。このように、中心間距離Ｐが０．５ｍｍである構成は、中心間距離Ｐが１．３ｍｍである構成に比べて、優れた沸騰伝熱性能を有する。
【0076】
前述のように、中心間距離Ｐは、離脱気泡径Ｄｂａｓｅに対して、０．１倍以上０．５倍以下であることが好ましく、０．１倍以上０．４倍以下であることがより好ましい。したがって、冷媒ＲＥを用いる場合、前述のように離脱気泡径Ｄｂａｓｅが３．４１［ｍｍ］であることから、中心間距離Ｐは、０．３４ｍｍ以上１．７ｍｍ以下であることが好ましく、０．３４ｍｍ以上１．４ｍｍ以下であることがより好ましい。
【0077】
以上のように、伝熱面ＦＴＡは、底部に向かうに従って幅の縮小する複数の凹部１２ａを有する。そして、複数の凹部１２ａのうち隣り合う２つの凹部１２ａの中心間距離Ｐは、平面での冷媒ＲＥの沸騰により生じる気泡Ｂの離脱気泡径Ｄｂａｓｅよりも小さい。このため、伝熱面ＦＴＡに沿う方向での気泡Ｂの成長が抑制されるので、気泡Ｂの合体が第１実施形態に比べてさらに抑制される。しかも、複数の凹部１２ａのうち隣り合う２つの凹部１２ａの中心間距離Ｐが平面での冷媒ＲＥの離脱気泡径Ｄｂａｓｅよりも小さいことにより、前述の界面活性剤による気泡Ｂの合体を抑制する効果と相まって、凹部１２ａで生じた気泡Ｂが隣り合う気泡Ｂの影響により上方に向かって成長しやすい。また、各凹部１２ａの幅が底部に向かうに従って縮小することにより、気泡Ｂが伝熱面ＦＴＡから離脱する際、後続する気泡Ｂの発生のための核として気泡Ｂの一部を凹部１２ａの底部に残存させることができる。このため、気泡Ｂの離脱後の伝熱面ＦＴＡでの後続する気泡Ｂの発生および成長の速度を速くすることができる。この結果、気泡Ｂの発生周期をさらに短くすることができる。
【0078】
したがって、複数の凹部１２ａを有する伝熱面ＦＴＡを有する容器１１と、第１実施形態で説明した冷媒ＲＥとを備えることで、沸騰伝熱性能の更なる向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現できる。よって、高温環境で長期間安定的に冷却性能の低下を抑制することができる沸騰冷却装置１Ｂを提供することができる。
【0079】
また、各凹部１２ａの幅が底部に向かうに従って縮小することにより、各凹部１２ａの幅が底部に向かうに従って拡大する構成、または、各凹部１２ａの幅が一定である構成に比べて、凹部１２ａ内に異物が入り込んでしまっても、当該異物が除去されやすい。この結果、沸騰冷却装置１を長期にわたり使用しても、沸騰冷却装置１の冷却性能の低下を防止することができる。
【0080】
前述のように、複数の凹部１２ａは、互いに平行に配列される複数の溝である。このような複数の凹部１２ａは、機械加工等により容易に形成可能である。このため、沸騰冷却装置１の製造コストを低減することができる。また、凹部１２ａ内に異物が入り込んでしまっても、凹部１２ａに沿って当該異物が移動しやすいので、当該異物が除去されやすい。なお、「平行」とは、厳密に平行である場合だけでなく、製造誤差等の範囲内において平行とみなすことが可能である場合をも概念的に含む。
【0081】
また、前述のように、複数の凹部１２ａは、水平面に沿って配置される。したがって、複数の凹部１２ａのそれぞれの延びる方向と水平面とのなす角度が４５°以下である。このため、凹部１２ａに沿った方向での気泡Ｂの移動を抑制することができる。ここで、当該角度が小さいほど、凹部１２ａに沿った方向での気泡Ｂの移動が抑制しやすい。当該角度が０°である場合、凹部１２ａに沿った方向での気泡Ｂの移動を最も抑制することができる。
【0082】
さらに、前述のように、複数の凹部１２ａのそれぞれの幅Ｗは、底部に向かうに従って連続的に縮小する。このため、仮に各凹部１２ａの幅が底部に向かうに従って段階的に縮小する構成に比べて、伝熱面ＦＴＡに沿う方向での気泡Ｂの成長が好適に抑制される。また、凹部１２ａの形成も容易である。
【0083】
また、前述のように、複数の凹部１２ａは、等ピッチで配列される。このため、伝熱面ＦＴでの気泡Ｂの発生分布を均一化することができる。また、複数の溝が等ピッチでない構成に比べて、溝の形成も容易である。なお、「等ピッチ」とは、厳密に等ピッチである場合だけでなく、製造誤差等の範囲内において等ピッチとみなすことが可能である場合をも概念的に含む。
【0084】
さらに、前述のように、各凹部１２ａの幅Ｗは、中心間距離Ｐに等しい。したがって、複数の凹部１２ａのそれぞれの幅Ｗは、中心間距離Ｐに対して０．９倍以上１倍以下である。このため、冷媒ＲＥに添加された界面活性剤による効果と伝熱面ＦＴＡの複数の凹部１２ａによる効果との両立を図りやすいという利点がある。
【0085】
３．第３実施形態
以下、本開示の第３実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が前述の第２実施形態と同様である要素については、前述の第２実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
以下、本開示の第３実施形態について説明する。以下に例示する形態において作用や機能が前述の第２実施形態と同様である要素については、前述の第２実施形態の説明で使用した符号を流用して各々の詳細な説明を適宜に省略する。
【0086】
３－１．沸騰冷却装置の概要
図１１は、第３実施形態に係る沸騰冷却装置１Ｂの概略構成を示す斜視図である。沸騰冷却装置１Ｂは、図１１中に二点鎖線で示す２個の発熱体１００を冷却する。図１１に示す例では、各発熱体１００がＸＺ平面に沿う扁平形状をなす。ここで、２個の発熱体１００は、沸騰冷却装置１Ｂを挟むように、Ｙ軸に沿う方向に並んで配置される。なお、図１１では、発熱体１００の外形が概略的に示される。発熱体１００の形状は、図１１に示す例に限定されず、任意である。また、２個の発熱体１００のうちの一方が省略されてもよい。
図１１は、第３実施形態に係る沸騰冷却装置１Ｂの概略構成を示す斜視図である。沸騰冷却装置１Ｂは、図１１中に二点鎖線で示す２個の発熱体１００を冷却する。図１１に示す例では、各発熱体１００がＸＺ平面に沿う扁平形状をなす。ここで、２個の発熱体１００は、沸騰冷却装置１Ｂを挟むように、Ｙ軸に沿う方向に並んで配置される。なお、図１１では、発熱体１００の外形が概略的に示される。発熱体１００の形状は、図１１に示す例に限定されず、任意である。また、２個の発熱体１００のうちの一方が省略されてもよい。
【0087】
沸騰冷却装置１Ｂは、気化した冷媒ＲＥと液化した冷媒ＲＥとの密度差を利用したループ型サーモサイフォンの冷却器である。沸騰冷却装置１Ｂは、受熱部１０Ｂと凝縮部２０Ｂと蒸気輸送部３０Ｂと液輸送部４０Ｂとを有する。
【0088】
図１２は、図１１に示す沸騰冷却装置１Ｂの断面図である。図１３は、図１２中のＡ－Ａ線断面図である。なお、図１２では、沸騰冷却装置１ＢをＸ軸およびＺ軸を含む平面で切断した断面が示される。また、図１３では、受熱部１０ＢをＸ軸およびＹ軸を含む平面で切断した断面が示される。
【0089】
受熱部１０Ｂは、液状の冷媒ＲＥを収容する収容室Ｓ１０を有する構造体であり、発熱体１００からの熱を受ける。受熱部１０Ｂでは、発熱体１００の熱によって冷媒ＲＥが気化されることにより気体状の冷媒ＲＥが生成される。受熱部１０Ｂは、容器１１Ｂを有する。容器１１Ｂは、伝熱部材１２Ｂを有する。
【0090】
容器１１Ｂは、収容室Ｓ１０を内部空間として有する。図１２および図１３に示す例では、容器１１Ｂの外形は、ＸＺ平面に沿う扁平形状をなす。ここで、容器１１ＢのＹ１方向およびＹ２方向を向くそれぞれの外壁面は、発熱体１００に熱的に接続される受熱面ＦＲＢである。なお、容器１１Ｂの形状は、図１２および図１３に示す例に限定されず、任意である。
【0091】
伝熱部材１２Ｂは、収容室Ｓ１０を上下に二分するように配置される。ここで、伝熱部材１２Ｂは、冷媒ＲＥの液面ＲＥ０よりも下方に配置される。
【0092】
伝熱部材１２Ｂは、Ｚ軸に直交する面に沿って広がる板状またはブロック状をなしており、Ｚ２方向を向く第１面Ｆ１と、Ｚ１方向を向く第２面Ｆ２と、Ｚ軸に沿う方向に貫通する複数の貫通孔１２ｃと、を有する。各貫通孔１２ｃは、第１面Ｆ１および第２面Ｆ２のそれぞれに開口する空間である。このため、収容室Ｓ１０では、伝熱部材１２ＢよりもＺ１方向に位置する空間とＺ２方向に位置する空間とが各貫通孔１２ｃを介して連通する。
【0093】
図１２および図１３に示す例では、伝熱部材１２Ｂに設けられる貫通孔１２ｃの数は、３個である。また、複数の貫通孔１２ｃは、互いに同一形状をなす。さらに、各貫通孔１２ｃの幅は、一定である。ここで、各貫通孔１２ｃの横断面は、円形をなす。このような形状の貫通孔１２ｃは、例えば、切削等により形成される。
【0094】
なお、複数の貫通孔１２ｃの形状は、互いに異なってもよい。また、各貫通孔１２ｃの幅は、一定でなくてもよい。さらに、各貫通孔１２ｃの横断面形状は、円形に限定されず、例えば、四角形等の多角形、楕円形等でもよい。ただし、後述のように、各貫通孔１２ｃの内壁面にネジ溝を設ける観点から、各貫通孔１２ｃの幅が一定であり、かつ、各貫通孔１２ｃの横断面形状が円形であることが好ましい。また、伝熱部材１２Ｂに設けられる貫通孔１２ｃの数は、３個に限定されず、２個以下または４個以上でもよい。また、伝熱部材１２Ａに設けられる複数の貫通孔１２ｃは、Ｘ軸に沿う方向に並ぶ態様に限定されず、例えば、Ｚ軸に直交する平面に沿って、千鳥状または行列状等に規則的に配置されてもよいし、不規則に配置されてもよい。
【0095】
【0096】
以上の受熱部１０Ｂの容器１１Ｂは、熱伝導性に優れる材料で構成される。容器１１Ｂの具体的な構成材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属が挙げられる。なお、伝熱部材１２Ｂは、容器１１Ｂの伝熱部材１２Ｂ以外の部分と一体的に形成されてもよく、別部材で形成されてもよい。さらに、伝熱部材１２Ｂは、１つの部材で構成されてもよいし、複数の部材で構成されてもよい。
【0097】
凝縮部２０Ｂは、冷媒ＲＥを気化した状態から凝縮液化させる凝縮室Ｓ２０を有する構造体であり、受熱部１０Ｂからの熱を放熱する。凝縮部２０Ｂでは、受熱部１０Ｂで生成された気体状の冷媒ＲＥが凝縮されることにより液状の冷媒ＲＥが生成される。凝縮部２０Ｂは、筐体２１Ｂと複数の放熱フィン２３とを有する。
【0098】
筐体２１Ｂは、凝縮室Ｓ２０を内部空間として有する。筐体２１Ｂは、熱伝導性に優れる材料で構成される。筐体２１Ｂの具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属が挙げられる。図１２および図１３に示す例では、筐体２１Ｂは、Ｚ軸に沿う方向に延びており、有底の円筒状をなす。なお、筐体２１Ｂの形状は、図１２および図１３に示す例に限定されず、任意である。
【0099】
各放熱フィン２３は、筐体２１Ｂの外部の流体との熱交換により凝縮室Ｓ２０の気体状の冷媒ＲＥを放熱するための板状の部材であり、筐体２１Ｂに熱的に接続される。当該外部の流体は、凝縮室Ｓ２０の外部を流動する流体であればよく、特に限定されず、液体でも気体でもよいが、典型的には、例えば空気である。
【0100】
複数の放熱フィン２３は、互いに厚さ方向に間隔を隔てて配置される。各放熱フィン２３は、熱伝導性に優れる材料で構成される。放熱フィン２３の具体的な材料としては、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属材料が挙げられる。各放熱フィン２３には、筐体２１Ａを挿入するための孔が設けられる。放熱フィン２３は、例えば、筐体２１Ｂに対して拡管、圧入、接着剤、ネジ止め、ロウ付けまたは溶接等により固定される。
【0101】
なお、放熱フィン２３の形状は、図１２に示す例に限定されず、任意である。また、放熱フィン２３は、必要に応じて設ければよく、省略してもよい。ただし、凝縮部２０Ｂが複数の放熱フィン２３を有することにより、凝縮室Ｓ２０の気体状の冷媒ＲＥを効率的に凝縮させることができる。
【0102】
蒸気輸送部３０Ｂは、受熱部１０Ｂで生成された気体状の冷媒ＲＥを凝縮部２０Ｂに輸送する第１流路Ｓ３０を有する。蒸気輸送部３０Ｂは、第１流路Ｓ３０を内部空間として有する蒸気管３１で構成される。図１２に示す例では、蒸気管３１は、Ｚ軸に沿って直線状に延びる管である。なお、蒸気輸送部３０Ｂを構成する蒸気管３１の数は、１個に限定されず、複数であってもよく、例えば、後述の貫通孔１２ｃの数に対応して３個でもよい。
【0103】
第１流路Ｓ３０の幅は、一定である。また、第１流路Ｓ３０の横断面の形状は、円形である。なお、第１流路Ｓ３０の横断面の形状は、円形に限定されず、例えば、四角形等の多角形、楕円形等でもよい。また、第１流路Ｓ３０は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。
【0104】
蒸気管３１は、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属で構成される。また、蒸気管３１は、容器１１Ｂおよび筐体２１Ｂのそれぞれに対してロウ付け等により固定される。なお、蒸気管３１の構成材料は、金属に限定されず、例えば、セラミックスまたは樹脂等でもよい。
【0105】
蒸気管３１は、収容室Ｓ１０に向けて開口するとともに、凝縮室Ｓ２０に向けて開口する。これにより、収容室Ｓ１０および凝縮室Ｓ２０が第１流路Ｓ３０を介して互いに連通する。図１２に示す例では、蒸気管３１が容器１１Ｂの天板を貫通しており、蒸気管３１のＺ２方向での端が当該天板の内壁面と同一平面上に位置する。また、蒸気管３１が筐体２１Ｂの底板を貫通しており、蒸気管３１のＺ１方向での端が当該底板よりも上方に位置する。なお、蒸気管３１のＺ２方向での端の位置は、収容室Ｓ１０内で液状の冷媒ＲＥの液面ＲＥ０よりも上方の位置であればよく、例えば、容器１１Ｂの天板から突出した位置でもよい。
【0106】
液輸送部４０Ｂは、凝縮部２０Ｂで生成された液状の冷媒ＲＥを受熱部１０Ｂに輸送する第２流路Ｓ４０を有する。液輸送部４０Ｂは、第２流路Ｓ４０を内部空間として有する液管４１で構成される。液管４１は、Ｚ軸に沿って直線状に延びる管である。なお、液輸送部４０Ｂを構成する液管４１の数は、１個に限定されず、複数であってもよく、例えば、後述の貫通孔１２ｃの数に対応して３個でもよい。
【0107】
第２流路Ｓ４０の断面積は、前述の第１流路Ｓ３０の断面積よりも小さい。すなわち、第１流路Ｓ３０の断面積は、第２流路Ｓ４０の断面積よりも大きい。このため、第１流路Ｓ３０の断面積が第２流路Ｓ４０の断面積以下である構成に比べて、収容室Ｓ１０から第１流路Ｓ３０を介して凝縮室Ｓ２０に気体状の冷媒ＲＥを円滑に輸送することができる。また、第２流路Ｓ４０の幅は、一定である。さらに、第２流路Ｓ４０の横断面の形状は、円形である。なお、第２流路Ｓ４０の横断面の形状は、円形に限定されず、例えば、四角形等の多角形、楕円形等でもよい。また、第２流路Ｓ４０は、屈曲または湾曲する部分を有してもよい。さらに、第２流路Ｓ４０の断面積は、第１流路Ｓ３０の断面積に等しくてもよい。
【0108】
液管４１は、例えば、銅、アルミニウムまたはこれらのいずれかの合金等の金属で構成される。また、液管４１は、容器１１Ｂおよび筐体２１Ｂのそれぞれに対してロウ付け等により固定される。なお、液管４１の構成材料は、金属に限定されず、例えば、セラミックスまたは樹脂等でもよい。また、液管４１の構成材料は、蒸気管３１の構成材料と同一であってもよいし異なってもよい。
【0109】
液輸送部４０Ｂは、収容室Ｓ１０に向けて開口するとともに、凝縮室Ｓ２０に向けて開口する。これにより、収容室Ｓ１０および凝縮室Ｓ２０が第２流路Ｓ４０を介して互いに連通する。図１２に示す例では、液管４１が容器１１Ｂの天板および前述の貫通孔１２ｃを貫通しており、液管４１のＺ２方向での端が伝熱部材１２Ｂよりも下方に位置する。また、液管４１が筐体２１Ｂの底板を貫通しており、液管４１のＺ１方向での端が当該底板の内壁面と同一平面上に位置する。
【0110】
なお、液管４１のＺ１方向での端の位置は、液管４１が凝縮室Ｓ２０内の液状の冷媒ＲＥを回収し得る位置であればよく、例えば、液管４１が容器１１Ｂの側板の内壁面に開口する位置でもよい。液管４１のＺ２方向での端の位置は、収容室Ｓ１０内の液状の冷媒ＲＥの液面ＲＥ０よりも下方の位置であればよく、例えば、貫通孔１２ｃ内の位置でもよい。ただし、液管４１への気泡Ｂの混入を防止する観点から、液管４１のＺ２方向での端が伝熱部材１２Ｂよりも下方に位置することが好ましい。
【0111】
図１４は、図１３中のＢ－Ｂ線断面図である。図１４に示すように、伝熱面ＦＴＢは、貫通孔１２ｃの内周面であり、Ｚ軸に沿って配置される。すなわち、伝熱面ＦＴＢは、鉛直軸に沿って配置される。伝熱面ＦＴＢは、複数の凹部１２ｄを有する。図１４に示す例では、各凹部１２ｄは、貫通孔１２ｃの周方向に沿って延びる溝である。ここで、複数の凹部１２ｄは、Ｚ軸に沿う方向に並んでおり、互いに平行に等ピッチで配置される。このような伝熱面ＦＴＢには、複数の凹部１２ｄのうち隣り合う２つの凹部１２ｄの間に凸部１２ｅが設けられる。すなわち、伝熱面ＦＴＢには、凹部１２ｄおよび凸部１２ｅがＺ軸に沿う方向に交互に並んで設けられる。
【0112】
ここで、凹部１２ｄは、ネジ溝のように貫通孔１２ｃの内周面に沿って、らせん状をなす。このため、凹部１２ｄは、水平面Ｆ０に対して傾斜する方向に延びる。このような伝熱面ＦＴＡは、例えば、ネジ切加工等の機械加工により形成される。なお、凹部１２ｄおよび凸部１２ｅがＺ軸に沿う方向に交互に並んで複数組設けられてもよい。
【0113】
各凹部１２ｄは、前述の第２実施形態の凹部１２ａと同様、底部に向かうに従って幅の縮小する形状をなす。また、凹部１２ｄの幅Ｗは、隣り合う凹部１２ｄ同士の中心間距離Ｐ以下である。ここで、中心間距離Ｐは、離脱気泡径Ｄｂａｓｅよりも小さい。このため、前述の界面活性剤による気泡Ｂの合体を抑制する効果と相まって、凹部１２ｄで生じた気泡Ｂを隣り合う気泡Ｂの影響により上方に向かって成長させやすくすることができる。
【0114】
図１５は、伝熱面ＦＴＢからの気泡Ｂの離脱を説明するための図である。なお、図１５では、複数の凹部１２ｄのうちの任意の１個の凹部１２ｄが凹部１２ｄ＿１であり、凹部１２ｄ＿１に対して隣り合う２つの凹部１２ｄのうち、一方の凹部１２ｄが凹部１２ｄ＿２であり、他方の凹部１２ｄが凹部１２ｄ＿３である。また、凹部１２ｄ＿１に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿１であり、凹部１２ｄ＿２に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿２であり、凹部１２ｄ＿３に発生する気泡Ｂが気泡Ｂ＿３である。
【0115】
伝熱面ＦＴＢでは、前述の第２実施形態の伝熱面ＦＴと同様、気泡Ｂ＿１、Ｂ＿２、Ｂ＿３が発生した後に成長する。図１５に示すように、気泡Ｂ＿１、Ｂ＿２、Ｂ＿３のそれぞれの成長が進行すると、気泡Ｂ＿１が伝熱面ＦＴＢから離脱する。このとき、気泡Ｂ＿１は、伝熱面ＦＴＢから離脱する気泡Ｂａと、凹部１２ｄ＿１内に残る気泡Ｂｂと、に分離する。このように、気泡Ｂｂが伝熱面ＦＴＢ上に残ることにより、気泡Ｂの発生周期を短くすることができる。この結果、単位時間あたりに離脱する気泡数を増加させることができる。
【0116】
以上の第３実施形態によっても、前述の第２実施形態と同様、伝熱面ＦＴＢを有する容器１１と、第１実施形態で説明した冷媒ＲＥとを備えることで、沸騰伝熱性能の更なる向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現できる。よって、高温環境で長期間安定的に冷却性能の低下を抑制することができる沸騰冷却装置１Ｂを提供することができる。
【0117】
また、本実施形態では、前述のように、複数の凹部１２ｄのそれぞれの延びる方向と水平面Ｆ０とのなす角度θが４５°以下である。このため、凹部１２ｄに沿った方向での気泡Ｂの移動を抑制することができる。ここで、当該角度θが０°よりも大きいので、凹部１２ｄ内に異物が入り込んでしまっても、凹部１２ｄに沿って当該異物が移動しやすいので、当該異物が除去されやすい。
【0118】
また、前述のように、伝熱面ＦＴＢは、鉛直軸に沿って配置される。このため、気泡Ｂに対して伝熱面ＦＴＢに沿う方向に浮力が作用する。したがって、前述の伝熱面ＦＴＢの複数の凹部１２ｄによる気泡Ｂの合体を抑制する効果が顕著に得られる。
【0119】
さらに、前述のように、伝熱部材１２Ｂには、伝熱面ＦＴＢを内壁面とする孔である貫通孔１２ｃが設けられる。このような伝熱面ＦＴＢは、ネジ切加工等の機械加工により簡単かつ精度よく形成可能である。
【0120】
４．変形例
本開示は前述の各実施形態に限定されるものではなく、以下に述べる各種の変形が可能である。また、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせてもよい。
本開示は前述の各実施形態に限定されるものではなく、以下に述べる各種の変形が可能である。また、各実施形態及び各変形例を適宜組み合わせてもよい。
【0121】
４－１．変形例１
前述の第１実施形態では、伝熱面ＦＴが水平面に沿って配置される構成が例示されるが、伝熱面ＦＴの配置は、当該構成に限定されない。すなわち、伝熱面ＦＴは水平面に沿って配置されなくてもよい。前述の第２実施形態についても同様である。また、前述の第３実施形態では、伝熱面ＦＴＢが鉛直軸に沿って配置される構成が例示されるが、伝熱面ＦＴＢの配置は、当該構成に限定されない。
前述の第１実施形態では、伝熱面ＦＴが水平面に沿って配置される構成が例示されるが、伝熱面ＦＴの配置は、当該構成に限定されない。すなわち、伝熱面ＦＴは水平面に沿って配置されなくてもよい。前述の第２実施形態についても同様である。また、前述の第３実施形態では、伝熱面ＦＴＢが鉛直軸に沿って配置される構成が例示されるが、伝熱面ＦＴＢの配置は、当該構成に限定されない。
【0122】
図１６は、変形例１に係る沸騰冷却装置１Ｃの概略図である。沸騰冷却装置１Ｃは、実空間での設置姿勢が異なる以外は、前述の第２実施形態の沸騰冷却装置１と同様に構成される。なお、図１６では、凝縮部２０の図示が省略される。
【0123】
沸騰冷却装置１Ｃは、Ｙ軸まわりに傾斜した姿勢で設置される。これに伴い、伝熱面ＦＴＡは、水平面Ｆ０に対して傾斜して配置される。ここで、各凹部１２ａは、水平面Ｆ０に対して平行に延びる。このように、沸騰冷却装置１Ｃが傾斜した姿勢で設置される場合でも、前述の伝熱面ＦＴの複数の凹部１２ａによる効果が顕著に得られる。
【0124】
４－２．変形例２
前述の第２実施形態では、幅Ｗが中心間距離Ｐに等しい構成が例示されるが、当該構成に限定されず、幅Ｗが中心間距離Ｐよりも小さい構成でもよい。
前述の第２実施形態では、幅Ｗが中心間距離Ｐに等しい構成が例示されるが、当該構成に限定されず、幅Ｗが中心間距離Ｐよりも小さい構成でもよい。
【0125】
図１７は、変形例２に係る沸騰冷却装置の伝熱面ＦＴＣを説明するための図である。伝熱面ＦＴＣは、断面形状が異なる以外は、前述の第２実施形態の伝熱面ＦＴＡと同様に構成される。伝熱面ＦＴＣは、複数の凹部１２ｆを有する。また、伝熱面ＦＴＣには、複数の凹部１２ｆのうち隣り合う２つの凹部１２ｆの間に凸部１２ｇが設けられる。
【0126】
各凹部１２ｆの幅Ｗは、中心間距離Ｐよりも小さい。このため、隣り合う凹部１２ｆの外縁同士が平坦面１２ｇ１を介して接続される。平坦面１２ｇ１は、隣り合う凹部１２ｆの間に設けられる凸部１２ｇの頂部である。ここで、平坦面１２ｇ１の幅ＷＴは、できる限り小さいことが好ましいが、具体的には、凹部１２ｆによる効果を好適に発揮させる観点から、幅Ｗが中心間距離Ｐに対して０．９倍以上となるような幅であることが好ましい。
【0127】
各凹部１２ｆは、底部に向かうに従って幅の連続的に縮小する形状をなす。図１７に示す例では、凹部１２ｆの底部１２ｆ１が平坦面で構成される。当該平坦面は、例えば、製造上不可避的に形成される面である。当該平坦面の幅ＷＢは、凹部１２ｆの深さＤに残留気泡を好適に生じさせる観点から、できる限り小さいことが好ましい。
【0128】
以上の変形例２によっても、前述の第２実施形態と同様、沸騰冷却装置１の冷却性能を向上させることができる。また、以上の変形例２によっても、前述の第２実施形態と同様、沸騰伝熱性能の更なる向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現することができる。
【0129】
４－３．変形例３
第２実施形態では、伝熱面ＦＴＡに設けられる凹部が溝である構成が例示されるが、当該構成に限定されない。
第２実施形態では、伝熱面ＦＴＡに設けられる凹部が溝である構成が例示されるが、当該構成に限定されない。
【0130】
図１８は、変形例３に係る沸騰冷却装置の伝熱部材１２Ｄを説明するための図である。伝熱部材１２Ｄは、伝熱面ＦＴＤを有する。伝熱面ＦＴＤは、行列状に配列される複数の凹部１２ｈを有する。以上の変形例３によっても、前述の第２実施形態と同様、沸騰冷却装置１の冷却性能を向上させることができる。また、前述の第２実施形態と同様、沸騰伝熱性能の更なる向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現することができる。なお、複数の凹部１２ｈの配置は、行列状の配置に限定されず、例えば、千鳥配置でもよい。
【0131】
なお、第２実施形態の伝熱面ＦＴＡに設けられる凹部１２ａは、底部に向かうに従って連続的に幅が縮小するが、底部に向かうに従って段階的に幅が縮小してもよい。また、第２実施形態では、伝熱面ＦＴＡに設けられる凹部１２ａの内壁面が平坦面であるが、凹部１２ａの内壁面は湾曲または屈曲した面でもよい。さらに、第２実施形態では、凹部１２ａの断面形状が幅方向に対称であるが、凹部１２ａの断面形状が幅方向に非対称であってよい。
【0132】
なお、前述の第２実施形態に関する変形例は、第３実施形態および他の変形例に矛盾の無い範囲で適用され得る。
【0133】
４－４．変形例４
第３実施形態では、伝熱面ＦＴＢは複数の凹部１２ｄおよび複数の凸部１２ｅを有するが、伝熱面ＦＴＢは複数の凹部１２ｄおよび複数の凸部１２ｅを有さない平坦面でもよい。つまり、貫通孔１２ｃの内壁面は、平坦面であってもよい。平坦面であっても、冷媒ＲＥを用いているため、沸騰伝熱性能の向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現することができる。
第３実施形態では、伝熱面ＦＴＢは複数の凹部１２ｄおよび複数の凸部１２ｅを有するが、伝熱面ＦＴＢは複数の凹部１２ｄおよび複数の凸部１２ｅを有さない平坦面でもよい。つまり、貫通孔１２ｃの内壁面は、平坦面であってもよい。平坦面であっても、冷媒ＲＥを用いているため、沸騰伝熱性能の向上と、高温環境での冷媒ＲＥのｐＨの低下による金属腐食、および界面活性剤の分解による問題の解決と、の両立を実現することができる。
【0134】
また、本願の「伝熱面」の形状は、前述の実施形態で示す形状に限定されず、任意である。したがって、「伝熱面」は、平坦面でなくてもよく、第２実施形態に示す凹凸形状以外の凹凸形状であってもよい。例えば、「伝熱面」の形状は、山形、曲面、または粗面でよい。また、「伝熱面」は、例えば、放熱用フィンの放熱面であってもよい。
【符号の説明】
【0135】
１…沸騰冷却装置、１Ｂ…沸騰冷却装置、１Ｃ…沸騰冷却装置、１０…受熱部、１０Ｂ…受熱部、１１…容器、１１Ｂ…容器、１２…伝熱部材、１２Ａ…伝熱部材、１２Ｂ…伝熱部材、１２Ｄ…伝熱部材、１２ａ…凹部、１２ａ＿１…凹部、１２ａ＿２…凹部、１２ａ＿３…凹部、１２ｂ…凸部、１２ｃ…貫通孔、１２ｄ…凹部、１２ｄ＿１…凹部、１２ｄ＿２…凹部、１２ｄ＿３…凹部、１２ｅ…凸部、１２ｆ…凹部、１２ｆ１…底部、１２ｇ…凸部、１２ｇ１…平坦面、１２ｈ…凹部、２０…凝縮部、２０Ｂ…凝縮部、２１…筐体、２１Ａ…筐体、２１Ｂ…筐体、２２…冷却部材、２３…放熱フィン、３０…蒸気輸送部、３０Ｂ…蒸気輸送部、３１…蒸気管、４０…液輸送部、４０Ｂ…液輸送部、４１…液管、１００…発熱体、Ｂ…気泡、Ｂ＿１…気泡、Ｂ＿２…気泡、Ｂ＿３…気泡、Ｂａ…気泡、Ｂａ１…気泡、Ｂａ２…気泡、Ｂｂ…気泡、Ｂｃ…気泡、Ｆ０…水平面、Ｆ１…第１面、Ｆ２…第２面、ＦＲ…受熱面、ＦＲＢ…受熱面、ＦＴ…伝熱面、ＦＴＡ…伝熱面、ＦＴＢ…伝熱面、ＦＴＣ…伝熱面、ＦＴＤ…伝熱面、Ｐ…中心間距離、Ｒ…曲率半径、ＲＥ…冷媒、ＲＥ０…液面、Ｓ１０…収容室、Ｓ２０…凝縮室、Ｓ３０…第１流路、Ｓ４０…第２流路、θ…角度。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】