特開 2024-140211 沸騰冷却器

(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】P2024140211

(43)【公開日】2024-10-10

(54)【発明の名称】沸騰冷却器

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/427 20060101AFI20241003BHJP

   F28F 1/40 20060101ALI20241003BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 A

F28F1/40 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023051243

(22)【出願日】2023-03-28

(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】田中 孝典

【テーマコード（参考）】

5F136

【Ｆターム（参考）】

5F136CC35

5F136DA27

5F136FA02

5F136FA03

(57)【要約】      （修正有）

【課題】伝熱特性の低下を抑制することができる沸騰冷却器を提供する。
【解決手段】沸騰冷却器は、冷媒ＲＥが流れる内部空間Ｓ１を形成する内壁面１００を含み、発熱体９からの熱を受ける受熱部１０と、受熱部１０からの熱を放熱する放熱部と、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部に輸送する第１管部と、放熱部で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部１０に輸送する第２管部と、を備える。内壁面１００は、発熱体９からの熱により冷媒ＲＥを沸騰させる伝熱面１１０を有する。伝熱面１１０は、第１領域１１１と、第１領域１１１よりも流入口Ｏ１１の近くに設けられ、かつ、第１領域１１１よりも狭い第２領域１１２と、を有する。第２領域１１２には、伝熱面１１０から突出する凸部８が設けられる。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

冷媒が流れる内部空間を形成する内壁面を含み、発熱体からの熱を受ける受熱部と、
前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、
前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送する第１管部と、
前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する第２管部と、を備え、
前記内壁面は、前記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し、
前記伝熱面は、第１領域と、前記第１領域よりも前記第２管部の近くに設けられ、かつ、前記第１領域よりも狭い第２領域と、を有し、
前記第２領域には、前記伝熱面から突出する凸部が設けられる、
ことを特徴とする沸騰冷却器。

【請求項2】

前記凸部を含み、互いに離間する複数の凸部を備える、
請求項１に記載の沸騰冷却器。

【請求項3】

前記凸部の高さは、平面での前記冷媒の沸騰により生じる気泡の離脱気泡径よりも大きく、かつ、前記内部空間の幅の０．２５倍よりも小さい、
請求項１に記載の沸騰冷却器。

【請求項4】

前記複数の凸部の離間距離は、前記複数の凸部のそれぞれの高さの１倍以上であり、２倍以下である、
請求項２に記載の沸騰冷却器。

【請求項5】

前記複数の凸部のそれぞれは、前記冷媒の流れる方向と交差する方向に延在し、
前記複数の凸部は、互いに平行に配列される、
請求項２に記載の沸騰冷却器。

【請求項6】

前記凸部の幅は、前記凸部の高さよりも小さい、
請求項１に記載の沸騰冷却器。

【請求項7】

前記複数の凸部のそれぞれは、底部および先端部を有し、
前記複数の凸部のそれぞれは、前記底部から前記先端部に向かって先細りの形状を有する、
請求項２に記載の沸騰冷却器。

【請求項8】

前記受熱部は、前記第１管部から前記冷媒が流入する流入口と、前記第２管部に前記冷媒を流出する流出口と、を有し、
前記凸部は、前記流入口に面する第１面と、前記流出口に面する第２面とを有し、
前記伝熱面と前記第１面とのなす角度は、前記伝熱面と前記第２面とのなす角度よりも大きい、
請求項７に記載の沸騰冷却器。

【請求項9】

前記第２管部には、前記受熱部に前記液相冷媒を送るための送液ポンプが設けられる、
請求項１に記載の沸騰冷却器。

【請求項10】

前記冷媒には、活性界面剤が添加されている、
請求項１に記載の沸騰冷却器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、沸騰冷却器に関する。

【背景技術】

【0002】

直流電力を交流電力に変換する電力変換装置等の半導体装置が知られている。当該半導体装置には、発熱体の熱を放散させるための冷却器が搭載されている。冷却器の例として、特許文献１に記載の冷却装置が挙げられる。

【0003】

当該文献に記載の冷却装置は、吸熱器と、放熱器と、第１冷媒移送管と、冷媒ポンプとを備える。吸熱器は、半導体装置に熱結合される。放熱器は、吸熱器から導入された冷媒液を冷却する。第１冷媒移送管は、放熱器にて冷却された冷媒液を吸熱液に移送する。冷媒ポンプは、第１冷媒移送管に設けられる。

【0004】

かかる冷却装置では、半導体装置と密着された吸熱器が有する伝熱面に、吸熱促進用の溝が設けられている。当該溝により、吸熱器の冷媒入口から流入する冷媒液を拡散させるとともに、伝熱面積を増大させて半導体装置からの熱を効果的に冷媒液で吸収して蒸発させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特願２００５－１９９０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

冷媒液は吸熱器内部を通過する間に蒸発し、吸熱器の冷媒出口に向けて次第に冷媒液の液量が減少する。そのため、吸熱器の冷媒出口付近では、冷媒液が全て蒸発してしまう可能性がある。冷媒液が全て蒸発した場合は、吸熱器の冷媒出口付近が気相冷媒で充満するため、伝熱面が乾いてしまう。よって、伝熱面のうち伝熱に寄与する領域の割合が小さくなってしまう。この結果、伝熱特性が低下するおそれがある。

【0007】

伝熱面の冷媒出口付近が乾いた領域で覆われることを解消するためには、吸熱器に流入する冷媒液の流速を速める方法が考えられる。冷媒液の流速を速めることで、冷媒出口付近が乾いた領域で覆われることが抑制される。しかし、流速を速めると、吸熱器の冷媒入口付近では、過熱液相が流れ易くなってしまう。このため、過熱液相の厚さが薄くなってしまい、気泡が形成され難くなってしまう。よって、当該方法では、伝熱面のうち冷媒入口付近の領域は伝熱に寄与しなくなってしまう。このため、当該方法によっても、伝熱面のうち伝熱に寄与する領域の割合が小さくなってしまう。この結果、伝熱特性が低下するおそれがある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

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器は、冷媒が流れる内部空間を形成する内壁面を含み、発熱体からの熱を受ける受熱部と、前記受熱部からの熱を放熱する放熱部と、前記受熱部で前記冷媒が気化されることにより生成された気相冷媒を前記放熱部に輸送する第１管部と、前記放熱部で前記気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を前記受熱部に輸送する第２管部と、を備え、前記内壁面は、前記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し、前記伝熱面は、第１領域と、前記第１領域よりも前記第２管部の近くに設けられ、かつ、前記第１領域よりも狭い第２領域と、を有し、前記第２領域には、前記伝熱面から突出する凸部が設けられる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係る沸騰冷却器の概略図である。

【図2】図１に示す受熱部を示す平面図である。

【図3】図１に示す受熱部を示す断面図である。

【図4】気泡の成長を説明するための図である。

【図5】気泡の成長が促進される例を示す図である。

【図6】気泡の成長が促進され難い例を示す図である。

【図7】図３に示す複数の凸部による作用を説明するための図である。

【図8】図３に示す受熱部における第１領域および第２領域を示す図である。

【図9】複数の凸部が設けられていない場合の受熱部における第１領域および第２領域を示す図である。

【図10】図３の複数の凸部の平面図である。

【図11】図３の複数の凸部の断面図である。

【図12】気泡の発生を説明するための図である。

【図13】気泡の成長を説明するための図である。

【図14】気泡の離脱を説明するための図である。

【図15】第１変形例の複数の凸部の断面図である。

【図16】第２変形例の複数の凸部の断面図である。

【図17】第３変形例の複数の凸部の断面図である。

【図18】第４変形例の複数の凸部の断面図である。

【図19】第５変形例の複数の凸部の断面図である。

【図20】第６変形例の複数の凸部の断面図である。

【図21】第７変形例の複数の凸部の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態を説明する。なお、図面において各部の寸法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、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの形態に限られない。

【0011】

１．実施形態
１－１．沸騰冷却器１の概要
図１は、実施形態に係る沸騰冷却器１の概略図である。図１に示す沸騰冷却器１は、例えば、鉄道車両、自動車または家庭用電気機械等に搭載されるインバーターまたは整流器等のパワーエレクトロニクス製品における冷却に用いられる。パワーエレクトロニクス製品は、例えば、ダイオードまたはＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子を有する。当該パワー半導体素子は、沸騰冷却器１における冷却の対象物である発熱体９の一例である。また、発熱体９は、パワー半導体素子に限定されず、冷却を必要とするのであれば、駆動または通電等により発熱する他の電気部品または電子部品でもよい。

【0012】

沸騰冷却器１は、冷媒ＲＥの沸騰に伴う潜熱による熱輸送を利用して、発熱体９を冷却する冷却器であって、強制対流方式である。沸騰冷却器１は、受熱部１０と放熱部２０と第１管部３０と第２管部４０と冷媒貯留部５０と冷却部６０と送液ポンプ７０とを有する。

【0013】

受熱部１０は、複数の発熱体９からの熱を受ける。受熱部１０は、容器１０１を有する。容器１０１は、内部空間Ｓ１を有する。内部空間Ｓ１には、液状の冷媒ＲＥが流れる。なお、受熱部１０は冷媒ＲＥを収容しているとも捉えられる。受熱部１０では、複数の発熱体９の熱によって冷媒ＲＥが気化されることにより気相冷媒が生成される。

【0014】

冷媒ＲＥは、常温で液状となる媒体であり、例えば、純水等の水、または、水とアルコールとの混合液を含む。当該アルコールは、例えば、エタノールまたはメタノールである。なお、冷媒ＲＥの種類は、上記の種類以外の種類であってもよい。また、冷媒ＲＥには、界面活性剤が添加されることが好ましい。界面活性剤は、非イオン性界面活性剤でもよいし、陰イオン界面活性剤または陽イオン界面活性剤等のイオン性界面活性剤でもよい。界面活性剤の具体例としては、フッ素系界面活性剤、シリコーン系界面活性剤、および炭化水素系界面活性剤等が挙げられる。冷媒が水である場合、溶解性に優れる炭化水素系界面活性剤を用いることが好ましい。

【0015】

図１に示す例では、複数の発熱体９として２個の発熱体９が、受熱部１０に熱的に接続される。「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。なお、発熱体９の数は、１でもよいし、３以上でもよい。

【0016】

容器１０１は、熱伝導性に優れる材料を含む。具体的には、容器１０１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を含む。

【0017】

放熱部２０は、受熱部１０からの熱を放熱する。放熱部２０は、冷媒ＲＥを気化した状態から凝縮液化させる空間である凝縮空間Ｓ２を有する。放熱部２０は、凝縮空間Ｓ２で冷媒ＲＥを外部の流体との熱交換により受熱部１０からの熱を外部へ放熱することにより冷媒を気体の状態から凝縮液化する。当該外部の流体は、特に限定されず、液体でも気体でもよい。

【0018】

第１管部３０は、受熱部１０と放熱部２０とに接続される。第１管部３０は、受熱部１０で冷媒ＲＥが気化されることにより生成された気相冷媒を放熱部２０に輸送する。第１管部３０は、気相冷媒が流れる流路を有する蒸気管を含む。

【0019】

第２管部４０は、受熱部１０と放熱部２０とに接続される。第２管部４０は、放熱部２０で気相冷媒が凝縮されることにより生成された液相冷媒を受熱部１０に輸送する。第２管部４０の途中には、冷媒貯留部５０と冷却部６０と送液ポンプ７０とが設けられる。第２管部は、複数の液管４１、４２、４３および４４を含む。液管４１は、放熱部２０と冷媒貯留部５０とを接続し、放熱部２０から冷媒貯留部５０に液相冷媒を輸送する。液管４２は、冷媒貯留部５０と冷却部６０とを接続し、冷媒貯留部５０から冷却部６０に液相冷媒を輸送する。液管４３は、冷却部６０と送液ポンプ７０とを接続し、冷却部６０から送液ポンプ７０に液相冷媒を輸送する。

【0020】

冷媒貯留部５０は、液管４１および４２に接続された貯留空間Ｓ５を有する容器を含み、液相冷媒を貯留する。冷却部６０は、液管４１および４２に接続された液相冷媒が流れる冷却空間Ｓ６を含み、液相冷媒を冷却する。冷却部６０は、例えば、放熱部２０で冷却しきれなかった液相冷媒の余熱を放熱するために設けられる。また、冷却部６０は、例えば、液相冷媒を過冷却してもよい。冷却部６０は、冷却空間Ｓ６で液相冷媒を外部の流体との熱交換により冷却する。当該外部の流体は、特に限定されず、液体でも気体でもよい。送液ポンプ７０は、液管４３および４４に接続された流路Ｓ７を有し、液管４４を介して受熱部１０に供給される液相冷媒の流量を調整する。送液ポンプ７０の構造は、特に限定されず、例えば、プランジャーポンプ、またはダイヤフラプポンプでもよい。

【0021】

１－２．受熱部１０の構成
図２は、図１に示す受熱部１０を示す平面図である。図３は、図１に示す受熱部１０を示す断面図である。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。なお、実空間でのＺ軸の向きは、沸騰冷却器１の設置姿勢に応じて決められる。また、Ｚ１方向またはＺ２方向から見ることを「平面視」とする。

【0022】

図２および図３に示す受熱部１０は、扁平形状ある。なお、受熱部１０の形状は、例えば円筒状を有してもよい。また、受熱部１０の平面形状は、特に限定されず、四角形等の多角形でもよいし、円形でもよい。

【0023】

図２および図３に示すように、受熱部１０は、第１部分１１と２つの第２部分１２とを含む。第１部分１１は、発熱体９に接触する部分を含み、発熱体９からの熱を受ける部分である。２つの第２部分１２は、第１部分１１の両側に位置し、発熱体９に接触していない部分である。よって、各第２部分１２は、非受熱部分である。なお、第２部分１２は、第１部分１１の両側に位置する必要は無く、どちらか片側のみでも良いし、存在しなくても良い。

【0024】

受熱部１０は、流入口Ｏ１１と流出口Ｏ１２とを含む。流入口Ｏ１１および流出口Ｏ１２のそれぞれは、受熱部１０に形成された孔であり、内部空間Ｓ１に連通する。流入口Ｏ１１は、前述の第２管部４０が有する流路に接続される。流出口Ｏ１２は、前述の第１管部３０が有する流路に接続される。流入口Ｏ１１と流出口Ｏ１２とは、互いに対向する。流入口Ｏ１１は、受熱部１０のＸ１方向に位置し、流出口Ｏ１２は、受熱部１０のＸ２方向に位置する。冷媒ＲＥは、流入口Ｏ１１から流出口Ｏ１２に向かって流れる。内部空間Ｓ１での冷媒ＲＥの流れる方向は、Ｘ２方向と一致する。

【0025】

また、受熱部１０は、内壁面１００を含む。内壁面１００は、内部空間Ｓ１を形成する。内部空間Ｓ１には流入口Ｏ１１から液状の冷媒ＲＥが流入し、冷媒ＲＥは内部空間Ｓ１で気化されることにより気相冷媒となり、当該気相冷媒は流出口Ｏ１２から流出する。

【0026】

図３に示すように、内壁面１００は、２つの伝熱面１１０を含む。２つの伝熱面１１０は、２つの発熱体９に対応する。各伝熱面１１０は、各発熱体９からの熱により冷媒ＲＥを沸騰させる。各伝熱面１１０は、平面視で熱的に接続される発熱体９と重なる。各伝熱面１１０は、内壁面１００のうち当該発熱体９の熱を受ける部分である。各伝熱面１１０を介して当該発熱体９の熱が冷媒ＲＥに伝わることにより、冷媒ＲＥが各伝熱面１１０上で沸騰する。この結果、各伝熱面１１０には、気泡Ｂが発生する。発生した気泡Ｂは、表面張力等により各伝熱面１１０から離脱し、気相冷媒として第１管部３０から流出する。

【0027】

各伝熱面１１０は、第１領域１１１と第２領域１１２とを含む。第２領域１１２は、第１領域１１１に対してＸ１方向に位置する。すなわち、第２領域１１２は、流入口Ｏ１１側に位置する。したがって、第２領域１１２は、第１領域１１１よりも第２管部４０の近くに設けられる。また、第２領域１１２は、第１領域１１１よりも狭い。したがって、各伝熱面１１０における第１領域１１１の割合は、第２領域１１２の割合よりも広い。

【0028】

また、第２領域１１２は、複数の凸部８が設けられる。本実施形態では、各凸部８は、伝熱面１１０の第２領域１１２からＺ軸に沿って突出する突起である。なお、各凸部８は、容器１０１と一体に形成されてもよいし、別体に形成されて接合されてもよい。

【0029】

第１領域１１１上は発熱体９により過熱されており、よって、第１領域１１１上の冷媒は、対流熱伝達、または熱伝導により過熱されている。このため、第１領域１１１上は過熱液層Ｈ１で満たされている。過熱液層Ｈ１は、冷媒ＲＥの飽和温度より高く過熱された液体の層である。過熱液層Ｈ１が充分に形成されると、気泡Ｂが発生し、過熱液層Ｈ１で囲まれた状態で気泡Ｂが拡大成長する。そして、気泡Ｂは、表面張力等によって伝熱面１１０から離脱する。したがって、第１領域１１１は、伝熱面１１０のうち気泡Ｂが発生する領域である。すなわち、第１領域１１１は、伝熱面１１０のうち伝熱に寄与する領域である。

【0030】

一方、第２領域１１２は、流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥの影響を受ける。流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥは、飽和温度よりも低い。このため、第２領域１１２は、第１領域１１１よりも気泡Ｂが発生および成長し難く、伝熱に寄与し難い領域である。

【0031】

伝熱面１１０のうち第２領域１１２の割合を小さくすることで、すなわち第１領域１１１の割合を大きくすることで、伝熱に寄与する領域が広くなる。伝熱に寄与する領域が広くなることで、伝熱特性を向上させることができる。本実施形態では、第１領域１１１の割合を大きくするために、第２領域１１２に複数の凸部８を設けている。

【0032】

図４は、気泡Ｂの成長を説明するための図である。図４の実線で示す気泡Ｂが破線で示す気泡Ｂに成長するためには、気泡Ｂの周囲の液体温度Ｔｂが、当該液体温度Ｔｂよりも気泡Ｂに対して遠方の液体温度Ｔｗよりも高くなければならない。気泡Ｂが成長、すなわち拡大するための条件を以下の式［１］に示す。

【数1】

【0033】

式［１］中のＰ（Ｔｂ）は、気泡界面を気泡Ｂの内側から押す力を示す。式［１］中のＰ（Ｔｗ）は、気泡界面を気泡Ｂの外側から押す力を示す。式［１］中のＲは、気泡Ｂの曲率半径である。式［１］中のσは、気泡界面にかかる表面張力である。

【0034】

気泡Ｂの周囲の液体温度Ｔｂを高くするためには、過熱液層Ｈ１の形成が重要である。そして、気泡Ｂの成長のためには、過熱液層Ｈ１が充分な厚さまで形成されている必要がある。

【0035】

図５は、気泡Ｂの成長が促進される例を示す図である。図５に示すように、伝熱面１１０の発熱量が大きい場合、または冷媒ＲＥの流入口Ｏ１１からの流量もしくは流速が小さい場合、過熱液層Ｈ１の厚さは充分に厚くなる。この場合、過熱液層Ｈ１は、気泡Ｂが伝熱面１１０から離脱可能な大きさまで成長可能な厚さδを有する。別の見方とすると、この場合、流入口Ｏ１１近傍で、過熱液層Ｈ１が厚さδに達する可能性がある。

【0036】

図６は、気泡Ｂの成長が促進され難い例を示す図である。図６に示すように、伝熱面１１０の発熱量が小さい場合、または冷媒ＲＥの流入口Ｏ１１からの流量もしくは流速が大きい場合、過熱液層Ｈ１の厚さは薄くなる。この場合、過熱液層Ｈ１は、気泡Ｂが伝熱面１１０から離脱可能な大きさまで成長可能な厚さδを有さない。別の見方をすると、流量または流速が大きい場合、流出口Ｏ１２近傍で、過熱液層Ｈ１が厚さδに達するおそれがある。なお、図６中の二点鎖線は、伝熱面１１０から離脱可能な程度に成長した気泡Ｂを示している。

【0037】

流量または流速が小さい場合、流量または流速が大きい場合に比べ、過熱液層Ｈ１は、流入口Ｏ１１近傍で厚さδに達する。このため、流量または流速を小さくすることで、第１領域１１１の割合を大きくすることができる。しかし、流量または流速を小さくすると、流出口Ｏ１２付近に伝熱に寄与しない乾いた領域が発生するおそれがある。このため、伝熱面１１０における伝熱に寄与する領域が減ってしまう。かかる問題を考慮し、複数の凸部８が設けられている。

【0038】

図７は、図３に示す複数の凸部８による作用を説明するための図である。図７に示すように、第２領域１１２には複数の凸部８が設けられている。

【0039】

第２領域１１２に複数の凸部８が設けられることで、流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥは、複数の凸部８に衝突する。この衝突により、各凸部８の近傍には乱流渦Ｖ０が生じる。乱流渦Ｖ０が生じることで、冷媒ＲＥが攪拌される。このため、各凸部８の近傍では、過熱液層Ｈ１と、過熱液層Ｈ１の温度よりも低い温度である流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥとが、混ざり合う。この冷媒ＲＥの乱流化により熱伝達率が上昇する。よって、伝熱面１１０から、流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥに移動する熱エネルギーが増加する。この結果、複数の凸部８が設けられることで、複数の凸部８が設けられない場合に比べ、過熱液層Ｈ１が充分に厚くなる状態を流入口Ｏ１１近傍に近づけることができる。よって、第１領域１１１の割合を大きくすることができる。それゆえ、伝熱面１１０のうち伝熱に寄与する領域を増加させることができる。このため、伝熱特性の向上を図ることができる。

【0040】

なお、図７中の二点鎖線は、複数の凸部８が設けられていない場合の過熱液層Ｈ１の表面を示している。複数の凸部８が設けられていない場合、流入口Ｏ１１近傍で過熱液層Ｈ１が充分に厚くなる状態を形成され難い。よって、気泡Ｂの成長できない領域、すなわち第１領域１１１の割合が狭くなってしまう。

【0041】

図８は、図３に示す受熱部１０における第１領域１１１および第２領域１１２を示す図である。図９は、複数の凸部８が設けられていない場合の受熱部１０ｘにおける第１領域１１１および第２領域１１２を示す図である。

【0042】

前述のように、複数の凸部８が設けられることで、乱流渦Ｖ０を生じさせることができる。このため、図８に示す受熱部１０では、図９に示すように複数の凸部８が設けられていない受熱部１０ｘに比べ、過熱液層Ｈ１で満たされている領域を広くすることができる。よって、図８に示す受熱部１０では、図９に示す受熱部１０ｘに比べ、伝熱面１１０における第１領域１１１の割合を大きくすることができる。すなわち、複数の凸部８が設けられることで、複数の凸部８が設けられていない場合に比べ、伝熱面１１０のうち伝熱に寄与する領域を広くすることができる。よって、複数の凸部８が設けられていることで、伝熱特性の向上を図ることができる。

【0043】

なお、冷媒ＲＥの流量または流速によって、図８に示す受熱部１０の流出口Ｏ１２付近に乾いた領域が形成されるおそれがある。これは、受熱部１０の構成に応じて、流量または流速を送液ポンプ７０によって調整すればよい。ただし、複数の凸部８が設けられることで伝熱に寄与する第１領域１１１が従来よりも広くなる。このため、乾いた領域の形成を抑制するために、流量または流速を大きくしたとしても、複数の凸部８が設けられることで伝熱に寄与する第１領域１１１が従来よりも広くなる。よって、冷媒ＲＥの流量または流速によらず、複数の凸部８を設けることで、設けられていない場合に比べ、伝熱特性の向上を図ることができる。

【0044】

また、本実施形態では、第２領域１１２には、１つの凸部８ではなく、互いに離間する複数の凸部８が設けられる。複数の凸部８が設けられることで、１つの凸部８が設けられる場合に比べ、乱流渦Ｖ０により冷媒ＲＥがより効率良く攪拌される。このため、第１領域１１１の割合をより大きくすることができる。それゆえ、伝熱面１１０のうち伝熱に寄与する領域をより増加させることができる。

【0045】

また、第１領域１１１には、複数の凸部８が設けられていないことが好ましい。第１領域１１１に複数の凸部８が設けられてないことで、過熱液層Ｈ１が充分に過熱した状態が安定して維持される。ただし、伝熱面１１０には、複数の凸部８の高さＨよりも低い高さを有する複数の突起が設けられてもよい。伝熱面１１０の特に第１領域１１１に当該複数の突起が設けられることで、第１領域１１１の表面積を大きくすることができる。よって、伝熱特性をさらに向上させることができる。したがって、第１領域１１１に複数の突起が設けられる場合、当該複数の突起の各高さは、複数の凸部８の高さＨよりも低いことが好ましい。

【0046】

図１０は、図３の複数の凸部８の平面図である。図１１は、図３の複数の凸部８の断面図である。図１０に示すように、各凸部８の平面視での形状は、Ｙ１方向に沿った長手形状である。また、図１１に示すように、各凸部８の断面形状は、四角形である。

【0047】

図１１に示すように、各凸部８は、底部８０１と先端部８０２とを含む。底部８０１は、第２領域１１２との接続部分であり、かつ境界部分である。先端部８０２は、底部８０１と反対の部分である。図示の例では、先端部８０２は、Ｘ―Ｙ平面に平行な平坦面である。

【0048】

図１０および図１１に示すように、各凸部８は、第１面８１と第２面８２とを含む。第１面８１および第２面８２のそれぞれは、各凸部８の側面の一部である。第１面８１は流入口Ｏ１１に面する。第２面８２は流入口Ｏ１１に面する。第１面８１および第２面８２は、互いに平行であり、Ｙ－Ｚ面に平行な平坦面である。

【0049】

前述のように、各凸部８は、Ｙ１方向に沿って延在する。したがって、各凸部８は、冷媒ＲＥの流れる方向であるＸ１方向と交差する方向に延在する。また、複数の凸部８は、互いに平行で、Ｘ２方向に並ぶ。

【0050】

各凸部８が冷媒ＲＥの流れる方向と交差する方向に沿って延在することで、乱流渦Ｖ０を生じさせ易い。このため、過熱液層Ｈ１と、過熱液層Ｈ１の温度よりも低い温度である流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥとを効果的に混ざり合わせることができる。よって、各凸部８が冷媒ＲＥの流れる方向と交差する方向に沿って延在することで、各凸部８が冷媒ＲＥの流れる方向に沿って延在する場合に比べ、第１領域１１１の割合を大きくすることができる。

【0051】

なお、各凸部８は、冷媒ＲＥの流れる方向に沿って延在してもよいし、冷媒ＲＥの流れる方向に対して所定の角度θで傾斜した方向に延在してもよい。特に、各凸部８は、冷媒ＲＥの流れる方向に対して直交する方向に延在していることが好ましい。すなわち、凸部８は、冷媒ＲＥの流れる方向に対してθ＝９０°に近い範囲で傾斜した方向に延在していることが好ましい。また、複数の凸部８は互いに平行でなくてもよい。

【0052】

図１１に示すように、各凸部８の平均の幅Ｗは、各凸部８の平均の高さＨよりも小さい。幅Ｗは、冷媒ＲＥの流れる方向に沿った長さであって、Ｘ１方向に沿った長さである。高さＨは、各凸部８の伝熱面１１０からの突出方向の長さであって、Ｚ軸に沿った方向の長さである。また、本実施形態では、複数の凸部８の高さＨは、互いに等しい。また、複数の凸部８の幅Ｗは、互いに等しい、

【0053】

幅Ｗが高さＨよりも小さいことで、高さＨよりも大きい場合に比べ、伝熱面１１０のうちの狭い領域により多くの凸部８を設けることができる。このため、冷媒ＲＥの乱流化を図り易い。それゆえ、伝熱面１１０のうち伝熱に寄与する領域を増加させることができる。なお、高さＨは、幅Ｗ以上でもよい。

【0054】

また、図１１に示すように、各凸部８の平均の高さＨは、特に限定されないが、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Ｄｄよりも大きく、かつ、内部空間Ｓ１の平均の幅Ｗ１の０．２５倍よりも小さいことが好ましい。幅Ｗ１は、図８に示すように、冷媒ＲＥの流れる方向と交差する方向に沿った長さであって、Ｚ軸に沿った方向の長さである。

【0055】

高さＨが離脱気泡径Ｄｄよりも大きいことで、離脱気泡径Ｄｄ以下である場合に比べ、過熱液層Ｈ１の厚さを充分に厚くすることができる。また、高さＨが幅Ｗ１の０．２５倍よりも小さいことで、０．２５以上である場合に比べ、冷媒ＲＥの流れが複数の凸部８で阻害されるおそれを低減することができる。このため、流出口Ｏ１２の近傍に伝熱に寄与しない乾き領域が形成されるおそれを抑制することができる。このようなことから、高さＨが離脱気泡径Ｄｄよりも大きく、かつ幅Ｗ１の０．２５倍よりも小さいことで、離脱気泡径Ｄｄ以下、かつ幅Ｗ１の０．２５倍以上である場合に比べ、伝熱に寄与する領域である第２領域１１２を広げることができる。よって、伝熱特性の向上を効果的に図ることができる。

【0056】

なお、離脱気泡径Ｄｄ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。また、離脱気泡径Ｄｄは、例えば、カメラ等の撮像装置を用いて計測してもよい。この場合、離脱気泡径Ｄｄは、冷媒ＲＥに強制対流が生じていない状態で計測される。

【0057】

図１１に示すように、複数の凸部８の離間距離Ｌは、特に限定されないが、複数の凸部８のそれぞれの高さの１倍以上であり、２倍以下であることが好ましい。離間距離Ｌがかかる範囲であることで、範囲外である場合に比べ、凸部８ごとに乱流渦Ｖ０を生じさせ易く、かつ伝熱面１１０のうちの狭い領域により多くの凸部８を設けることができる。このため、冷媒ＲＥの乱流化を図り易い。それゆえ、伝熱面１１０のうち伝熱に寄与する領域である第２領域１１２を増加させることができる。なお、離間距離Ｌは、１つの凸部８と他の凸部８との間の距離の平均値である。

【0058】

また、前述のように、図１に示す第２管部４０には、送液ポンプ７０が設けられる。送液ポンプ７０が設けられる形態において、複数の凸部８を設けることは特に有効である。送液ポンプ７０により輸送された冷媒ＲＥが各凸部８に衝突することにより乱流渦Ｖ０を発生させ易い。よって、送液ポンプ７０が設けられる形態において、複数の凸部８を設けることで、伝熱特性の向上を特に効果的に図ることができる。また、送液ポンプ７０によって冷媒ＲＥの流量または流速を調整することで、流出口Ｏ１２近傍に乾いた領域が生じるそれを低減することができる。

【0059】

また、前述のように、冷媒ＲＥには、活性界面剤が添加されていることが好ましい。冷媒ＲＥに界面活性剤が添加されていることで、表面張力を小さくできるので、気泡Ｂの内外の圧力差を小さくすることができる。このため、気泡Ｂを成長させ易くなる。さらに、界面活性剤を含むことで、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１１０が覆われることが抑制される。すなわち、隣接する気泡Ｂ同士の合体により形成された乾き領域が生じるおそれが抑制される。

【0060】

図１２は、気泡Ｂの発生を説明するための図である。図１２では、例えば、３つの気泡Ｂａ、Ｂｂ、およびＢｃが図示されている。冷媒ＲＥに界面活性剤が添加されていることで、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。

【0061】

図１３は、気泡Ｂの成長を説明するための図である。図１３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１１０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、Ｚ軸に沿った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。

【0062】

図１４は、気泡Ｂの離脱を説明するための図である。図１４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１１０から離脱する。このとき、図１４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１１０から離脱する。気泡Ｂａ２は、残留気泡として伝熱面１１０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。

【0063】

このように、気泡Ｂａが伝熱面１１０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１１０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、沸騰冷却器１の冷却性能を向上させることができる。

【0064】

以上、本実施形態によれば、伝熱に寄与する領域の割合を広くすることができるので、伝熱特性の低下を抑制することができる。

【0065】

２．変形例
本発明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。

【0066】

図１５は、第１変形例の複数の凸部８Ａの断面図である。図１５に示す例では、各凸部８Ａは、底部８０１から先端部８０２に向かって先細りの形状を有する。各凸部８Ａの断面形状は、三角形である。第１面８１および第２面８２が互いに平行ではない。第１面８１および第２面８２のそれぞれは、各凸部８Ａの突出方向であるＺ軸に沿った方向に対して傾斜している。また、第１面８１および第２面８２は、凸部８Ａの頂点で接続されている。当該頂点が、先端部８０２である。

【0067】

各凸部８Ａが先細りの形状を有することで、実施形態の各凸部８に比べ、冷媒ＲＥが乱流化し易い。また、各凸部８Ａが先細りの形状を有することで、頂点における離間距離が広くなる。このため、底部８０１における離間距離を小さくすることができるので、第２領域１１２を狭くし易い。

【0068】

図１６は、第２変形例の複数の凸部８Ｂの断面図である。図１６に示す例では、各凸部８Ｂは、底部８０１から先端部８０２に向かって先細りの形状を有する。各凸部８Ｂの断面形状は、台形である。第１面８１および第２面８２が互いに平行ではない。第１面８１および第２面８２のそれぞれは、各凸部８Ｂの突出方向であるＺ軸に沿った方向に対して傾斜している。

【0069】

各凸部８Ｂが先細りの形状を有することで、実施形態の各凸部８に比べ、冷媒ＲＥが乱流化し易い。また、各凸部８Ｂが先細りの形状を有することで、先端部８０２における離間距離が広くなる。このため、底部８０１における離間距離を小さくすることができるので、第２領域１１２を狭くし易い。

【0070】

図１７は、第３変形例の複数の凸部８Ｃの断面図である。図１７に示す例では、各凸部８Ｃは、底部８０１から先端部８０２に向かって先細りの形状を有する。各凸部８Ｃの断面形状は、直角三角形である。第１面８１および第２面８２が互いに平行ではない。第１面８１は、各凸部８Ｂの突出方向であるＺ軸に沿った方向に平行である。第２面８２は、Ｚ軸に沿った方向に対して傾斜している。また、第１面８１および第２面８２は、凸部８Ｃの頂点で接続されている。当該頂点が、先端部８０２である。

【0071】

各凸部８Ｃが先細りの形状を有することで、実施形態の各凸部８に比べ、冷媒ＲＥが乱流化し易い。また、各凸部８Ｃが先細りの形状を有することで、先端部８０２における離間距離が広くなる。このため、底部８０１における離間距離を小さくすることができるので、第２領域１１２を狭くし易い。

【0072】

さらに、伝熱面１１０と第１面８１とのなす角度θ１は、伝熱面１１０と第２面８２とのなす角度θ２よりも大きい。図示の例では、第１面８１の角度θ１は、９０°である。

【0073】

角度θ１が角度θ２よりも大きいことで、冷媒ＲＥが第１面８１に衝突して乱流渦Ｖ０を発生させ易くなるとともに、第２面８２と伝熱面１１０との接続部分において冷媒ＲＥの攪拌が生じ難くなることが抑制される。各凸部８Ｃが設けられることで、実施形態の各凸部８が設けられる場合に比べ、乱流化を図り易くなる。

【0074】

図１８は、第４変形例の複数の凸部８の断面図である。図１８に示す例では、実施形態と同平面積の領域内に配置される複数の凸部８の数が多い。凸部８の数が多いことで、冷媒ＲＥが乱流化し易い。

【0075】

図１９は、第５変形例の複数の凸部８の断面図である。図１９に示す各凸部８の幅Ｗは、実施形態の各凸部８の幅Ｗよりも小さい。幅Ｗが小さいことで、離間距離Ｌを広くし易い。このため、複数の凸部８の間に冷媒ＲＥが入り易く、よって、乱流化を図り易い。

【0076】

図２０は、第６変形例の複数の凸部８の断面図である。図２０に示す複数の凸部８は、互いに高さＨが異なる。複数の凸部８の高さＨは、流入口Ｏ１１から流出口Ｏ１２に向かって高くなる。複数の凸部８の高さＨが互いに異なることで、高さＨが互いに等しい場合に比べ、乱流化を図ることができる。特に、流入口Ｏ１１から流出口Ｏ１２に向かって高くなることで、低くなっていく場合に比べ、過熱液層Ｈ１と、流入口Ｏ１１から流入した冷媒ＲＥとを効率良く攪拌させることができる。

【0077】

図２１は、第７変形例の複数の凸部８の断面図である。図２１に示す複数の凸部８は、互いに高さＨが異なる。例えば、図中の最も左に位置する凸部８の高さＨは、図中の左から数えて２番目に位置する凸部８の高さＨに比べて低い。また、例えば、図中の左から数えて３番目に位置する凸部８の高さＨは、図中の左から数えて４番目に位置する凸部８の高さＨに比べて低い。高さＨが異なる凸部８が設けられることで、全ての高さＨが互いに等しい場合に比べ、乱流化を図ることができる。

【0078】

また、前述の実施形態では、各凸部８の平面形状は、長手形状であるが、各凸部８の平面形状は、長手形状でなくてもよい。例えば、各凸部８の平面形状は、円形、または三角形等の多角形でもよい。また、複数の凸部８の形状は互いに等しくなくてもよい。また、複数の凸部８は、点在していてもよい。

【0079】

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

【符号の説明】

【0080】

１…沸騰冷却器、８…凸部、８Ａ…凸部、８Ｂ…凸部、８Ｃ…凸部、９…発熱体、１０…受熱部、１０ｘ…受熱部、１１…第１部分、１２…第２部分、２０…放熱部、３０…第１管部、４０…第２管部、４１…液管、４２…液管、４３…液管、４４…液管、５０…冷媒貯留部、６０…冷却部、７０…送液ポンプ、８１…第１面、８２…第２面、１００…内壁面、１０１…容器、１１０…伝熱面、１１１…第１領域、１１２…第２領域、８０１…底部、８０２…先端部、Ｂ…気泡、Ｂａ…気泡、Ｂａ１…気泡、Ｂａ２…気泡、Ｂｂ…気泡、Ｂｃ…気泡、Ｄｄ…離脱気泡径、Ｈ…高さ、Ｈ１…過熱液層、Ｌ…離間距離、Ｏ１１…流入口、Ｏ１２…流出口、ＲＥ…冷媒、Ｓ１…内部空間、Ｓ２…凝縮空間、Ｓ５…貯留空間、Ｓ６…冷却空間、Ｓ７…流路、Ｔｂ…液体温度、Ｔｗ…液体温度、Ｖ０…乱流渦、δ…厚さ、θ１…角度、θ２…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】

【図19】

【図20】

【図21】