特開 2024-162527 冷却器及び冷却装置

(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】P2024162527

(43)【公開日】2024-11-21

(54)【発明の名称】冷却器及び冷却装置

(51)【国際特許分類】

   F28D 15/02 20060101AFI20241114BHJP

【ＦＩ】

F28D15/02 101G

F28D15/02 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023078108

(22)【出願日】2023-05-10

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「ＮＥＤＯ先導研究プログラム／エネルギー・環境新技術先導研究プログラム／相界面制御による熱・物質移動促進プロセス技術開発」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(71)【出願人】

【識別番号】592129486

【氏名又は名称】株式会社長峰製作所

(74)【代理人】

【識別番号】110000523

【氏名又は名称】アクシス国際弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】森 昌司

(72)【発明者】

【氏名】有村 聡

(72)【発明者】

【氏名】川口 久志

(72)【発明者】

【氏名】井上 拓

(57)【要約】

【課題】濡れ性の高い作動流体を用いても、沸騰開始点の上昇を抑えて低い過熱度で沸騰を生起させることが可能な冷却器及び冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱体を冷却するための沸騰方式による冷却器であって、作動流体を収容する容器と、容器内において、発熱体の表面に対向するように設けられ、ハニカム構造を有する多孔質体で構成された冷却部材と、を備え、多孔質体の細孔径が５～１２μｍであり、空隙率が１０～５０％である冷却器。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

発熱体を冷却するための沸騰方式による冷却器であって、
作動流体を収容する容器と、
前記容器内において、前記発熱体の表面に対向するように設けられ、ハニカム構造を有する多孔質体で構成された冷却部材と、
を備え、
前記多孔質体の細孔径が５～１２μｍであり、空隙率が１０～５０％である冷却器。

【請求項2】

前記多孔質体の表面において、０．１μｍ径以上のキャビティを２．８×１０⁹個／ｍｍ²以上有している請求項１に記載の冷却器。

【請求項3】

前記キャビティは、リエントラント構造を有する請求項２に記載の冷却器。

【請求項4】

前記作動流体の表面張力が２０ｍＮ／ｍ以下である請求項１に記載の冷却器。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか一項に記載の冷却器と、
前記冷却器の前記容器に接続され、蒸発した作動流体を液化するコンデンサと、
を備えた冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、冷却器及び冷却装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

発熱体を外部から水等の作動流体で冷却する沸騰方式を用いた冷却器が知られている。沸騰方式には、プール沸騰方式と、強制流動沸騰方式がある。このうち、プール沸騰方式による発熱体の冷却機構について説明する。従来のプール沸騰方式による冷却器は、一般に、容器と、容器内に収容された作動流体とを備え、容器は、冷却対象である発熱体との接触部を有する。発熱体において熱が発生し、接触部を通して作動流体に熱が伝わると、接触部の近傍に存在する作動流体が沸騰する。沸騰により蒸気が生じると気液の密度差により接触部に作動流体が供給される。こうして新たに供給された作動流体がさらに蒸発し、発熱体から熱を除去する。プール沸騰方式による冷却器は、強制流動沸騰方式のような液体を循環させるための外部動力源が不要であるため、コンパクト性および省エネルギー性に有利である。

【0003】

しかしながら、接触部に大きな熱流束が加えられると、作動流体の蒸発量が増加し、接触部が蒸気に覆われ始める。接触部が完全に蒸気に覆われて乾燥状態となり、接触部へ作動流体が供給されなくなると、冷却器の冷却能力は著しく劣化する。この状態の熱流束を「限界熱流束（ＣＨＦ：Critical Heat Flux）」という。

【0004】

このような問題に対し、特許文献１では、所定形状の多孔質体を発熱体と冷却容器内の水との間に設けて、多孔質体の毛細管現象により水を発熱体へ供給しつつ、それにより発生した蒸気を容器内の水中へ排出する構造とすることで、簡易な構造で従来の限界熱流束を飛躍的に向上させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２００９－１３９００５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、冷却器が、多孔質体を発熱体と冷却容器内の作動流体との間に設けた構成を有していても、発熱体の表面付近に沸騰の核が無いと、沸騰がスムーズに生起されず、図１の沸騰曲線で示すように、発熱体の表面上に沸騰が生じ始める温度、すなわち沸騰開始点（ＯＮＢ：Onset of Nucleate Boiling）が飛躍的に上昇してしまう。このような場合、沸騰開始の過熱度（ΔＴ_sat）が高くなり、発熱体の種類によっては破損や故障などの問題が生じる。なお、過熱度とは壁温と飽和温度との差を示す。

【0007】

電子素子の高集積化や小型化による電子機器の発熱密度の増加は、今後さらに進むと予測されている。プール沸騰方式による冷却器で電子素子を冷却する場合、作動流体としては、電子素子の許容温度（約８０℃）の観点から低沸点で絶縁性のフロリナート：ＦＣ－７２（スリーエムジャパン株式会社製、沸点５５．７℃）やノベック：ＮＯＶＥＣ７１００（スリーエムジャパン株式会社製、沸点５９．８℃）、およびアサヒクリン（登録商標）：ＡＥ３０００（ＡＧＣ株式会社製、沸点５６．０℃）が検討されている。しかしながら、これらの作動流体は濡れ性が高く、発熱体の表面において沸騰の核となるべき冷却部材の細孔を全て濡らしてしまうおそれがある。その結果、発熱体の表面付近に沸騰の核発泡が起こり難くなり、沸点を過ぎでも沸騰が起こらない過熱状態になってしまう問題がある。

【0008】

本発明は、このような問題を解決すべく、濡れ性の高い作動流体を用いても、沸騰開始点の上昇を抑えて低い過熱度で沸騰を生起させることが可能な冷却器及び冷却装置を提供することを課題とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明者らは研究を重ねたところ、多孔質体で構成された冷却部材を発熱体の表面に対向するように設け、多孔質体の細孔径及び空隙率を制御することにより、上記課題を解決することができることを見出した。

【0010】

上記課題は、以下のように特定される本発明によって解決される。
（１）発熱体を冷却するための沸騰方式による冷却器であって、
作動流体を収容する容器と、
前記容器内において、前記発熱体の表面に対向するように設けられ、ハニカム構造を有する多孔質体で構成された冷却部材と、
を備え、
前記多孔質体の細孔径が５～１２μｍであり、空隙率が１０～５０％である冷却器。
（２）前記多孔質体の表面において、０．１μｍ径以上のキャビティを２．８×１０⁹個／ｍｍ²以上有している（１）に記載の冷却器。
（３）前記キャビティは、リエントラント構造を有する（２）に記載の冷却器。
（４）前記作動流体の表面張力が２０ｍＮ／ｍ以下である（１）～（３）のいずれかに記載の冷却器。
（５）（１）～（４）のいずれかに記載の冷却器と、
前記冷却器の前記容器に接続され、蒸発した作動流体を液化するコンデンサと、
を備えた冷却装置。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、濡れ性の高い作動流体を用いても、沸騰開始点の上昇を抑えて低い過熱度で沸騰を生起させることが可能な冷却器及び冷却装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】従来の冷却器の沸騰曲線を示すグラフである。

【図2】本発明の実施形態に係る沸騰方式による冷却器１０の模式図である。

【図3】ハニカム構造を有する多孔質体の平面図である。

【図4】リエントラント（re-entrant）構造の一例を示す模式図である。

【図5】リエントラント（re-entrant）構造の別の一例を示す

【図6】本発明の実施形態に係る冷却器を備えた冷却装置の模式図である。

【図7】試験例に係るプール沸騰実験装置の模式図である。

【図8】試験例に係るＩＴＯ膜（発熱体）のデザインを示す模式図である。

【図9】（Ａ）はハニカム多孔質体（２）の表面のＳＥＭ写真である。（Ｂ）はハニカム多孔質体（４）の表面のＳＥＭ写真である。（Ｃ）はハニカム多孔質体（６）の表面のＳＥＭ写真である。

【図10】試験例に係る沸騰曲線を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、適宜設計の変更、改良等が加えられることが理解されるべきである。

【0014】

＜冷却器＞
図２は、本発明の実施形態に係る沸騰方式による冷却器１０の模式図である。冷却器１０は、作動流体１１を収容する容器１２と、容器１２内において、作動流体１１と接するように且つ発熱体１３の表面に対向するように設けられた冷却部材１４とを備える。なお、本実施形態では図２に示すように作動流体１１が容器１２に収容された構成、すなわち、冷却部材１４が作動流体１１に浸漬されたプール沸騰方式に係る構成としているが、これに限られない。例えば、発熱体１３の表面に対向するように設けられた冷却部材１４の、発熱体１３とは反対側の表面に、作動流体１１を少量ずつ垂らすように供給する構成としてもよい。このような構成は、作動流体１１の量を減らすことができ、コスト削減の観点や、冷却器１０をコンパクトに設計することができ、設置位置の制限が緩和される等の観点からより好ましい。

【0015】

冷却部材１４は図３に示すようなハニカム構造を有する多孔質体で構成されている。冷却部材１４が多孔質体で構成されていることにより、毛細管現象により発熱体１３の表面に作動流体１１を供給することができる。また、多孔質体の細孔が発熱体１３の表面付近における沸騰の核となり得る。

【0016】

冷却部材１４の多孔質体は、図３の平面図に示すようにハニカム構造を有しており、多孔質体の細穴の毛細管現象により作動流体１１を発熱体１３の表面に供給する作動流体供給部１６と、発熱体１３の表面で発生した蒸気を作動流体側へ排出する蒸気排出部１７とを備えている。

【0017】

作動流体供給部１６は、毛細管現象により発熱体１３の表面に作動流体１１を供給する。蒸気排出部１７は、発熱体１３からの熱により発生した蒸気を、発熱体１３の表面から作動流体１１側へ排出する。本実施形態では、多孔質体のハニカム構造が有する矩形状のセル１９の周囲の格子状の多孔質層部分が細穴の毛細管現象により発熱体１３の表面に作動流体１１を供給する作動流体供給部１６として機能し、ハニカム構造が有する矩形状のセル１９が発熱体１３の表面で発生した蒸気を作動流体側へ排出する蒸気排出部１７として機能する。

【0018】

ここで、何らかの原因で沸騰の核が生じない場合があると、沸騰がスムーズに生起されず、沸騰開始点（ＯＮＢ）が飛躍的に上昇する。例えば、近年、大幅な需要増加が見込まれるデータセンターは、消費エネルギーが極めて大きいことから、その省エネ化のインパクトは極めて大きいが、発熱密度も大幅に増加しており、このようなＯＮＢの大幅な上昇が懸念される。また、特に電子素子を沸騰方式の冷却器で冷却する場合、電気絶縁性流体を作動流体として用いることがあるが、濡れ性の高い電気絶縁性流体を用いると、沸騰の核となる多孔質体の細孔までも全て濡らしてしまう。このような場合、発熱体１３の表面付近に沸騰の核が無く、沸騰がスムーズに生起されなくなり、ＯＮＢが飛躍的に上昇してしまう。電子素子の安全な動作を担保する動作上限温度としては、例えば、ＣＰＵまたはＦＰＧＡであれば８５～１０５℃、Ｓｉパワーデバイスであれば１５０℃程度、ＳｉＣパワーデバイスであれば３００～４００℃であることが知られているが、ＯＮＢがこのように上昇してしまうと、起動直後に動作上限温度を超えてしまい、電子素子に破損や故障などの問題が生じる。

【0019】

このような問題に対し、本発明の実施形態に係る冷却器１０は、冷却部材１４がハニカム構造を有する多孔質体で構成されており、多孔質体の細孔が発熱体１３からの熱による発泡を促進し、沸騰の核（気泡）を種付けすることができる。発熱体１３の表面付近に沸騰の核があると、沸騰がスムーズに生起される。さらに、冷却部材１４がハニカム構造における蒸気排出部１７からの気泡の離脱を促進させることができ、その結果、低い過熱度で沸騰を生起させ、ＯＮＢの上昇を抑制することができる。

【0020】

本発明の実施形態に係る冷却器１０は、冷却部材１４の多孔質体の細孔径が５～１２μｍに制御されている。冷却部材１４の多孔質体の細孔径が５～１２μｍであると、発熱体１３の表面に生じる沸騰の核（気泡）の大きさを良好に担保することができる。冷却部材１４の多孔質体の細孔径は、０．１～１００μｍであることが好ましく、５～１２μｍであることがより好ましい。多孔質体の細孔径は、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）、Ｘ線ＣＴなどにより測定することができる。

【0021】

本発明の実施形態に係る冷却器１０は、冷却部材１４の多孔質体の空隙率が１０～５０％に制御されている。冷却部材１４の多孔質体の空隙率が１０％以上であると、確率的に活性する沸騰核の数を担保することができる。冷却部材１４の多孔質体の空隙率が５０％以下であると、さらに沸騰の核が多く担保でき、かつ強度的に沸騰に耐えうる構造とすることができる。冷却部材１４の多孔質体の空隙率は、１０～４０％であってもよく、１０～３０％であってもよく、１０～２８％であってもよく、１０～２５％であってもよい。なお、冷却部材１４の多孔質体の空隙率は、ハニカム構造におけるセル１９部分を除いた多孔質層における空隙率である。多孔質体の空隙率は、水銀圧入法等の公知の方法により測定することができる。

【0022】

また、本発明の実施形態に係る冷却器１０は、上述のように、冷却部材１４の多孔質体の細孔径が５～１２μｍに制御され、且つ、空隙率が１０～５０％に制御されている。このような冷却部材１４の多孔質体の細孔径と空隙率との数値範囲の組み合わせにより、詳細は実施例で示すが、従来のプール沸騰方式による冷却器に対して、沸騰開始の過熱度（Ｋ）を低下させ、熱伝達率（Ｗ／（ｃｍ²・Ｋ））を約６倍と飛躍的に向上させることができる。これは、沸騰のキャビティとして働く、有効な細孔径の範囲が５～１２μｍにあり、かつ空隙率が高い方が有効な細孔径のキャビティ数が多く存在することにより沸騰開始の過熱度（ＯＮＢ）を低下させることができ、ハニカム状にすることで発生した蒸気が排出しやすくなり、熱伝達率を大幅に向上させることができるためである。

【0023】

本発明の実施形態に係る冷却器１０は、冷却部材１４の多孔質体の表面において、０．１μｍ径以上のキャビティ１８を２．８×１０⁹個／ｍｍ²以上有しているのが好ましい。冷却部材１４の多孔質体の表面において観察される当該キャビティ１８は、１μｍ径以上の大きさを有している。このようなキャビティ１８は、多孔質体の原料の粒子間の隙間などの多孔質体が元々備えている孔であってもよく、多孔質体に形成した孔であってもよい。冷却部材１４の多孔質体の表面におけるキャビティ１８の形状は、多孔質体の表面を平面視したときに略円形状、略楕円形状等、種々の形状とすることが可能であるが、キャビティ１８の径は、そのような種々の孔形状における外接円の直径を示す。また、０．１～１００μｍ径以上のキャビティ１８を２×１０⁹～２×１０¹⁰個／ｍｍ²有しているのがより好ましく、５～１２μｍ径以上のキャビティ１８を２×１０⁹～２×１０¹⁰個／ｍｍ²有しているのが更により好ましい。冷却部材１４の多孔質体の表面におけるキャビティ１８の径及び個数密度は、ＳＥＭ、Ｘ線ＣＴなどによって測定することができる。

【0024】

本発明の実施形態に係る冷却器１０は、冷却部材１４の多孔質体の表面のキャビティ１８がリエントラント構造を有することが好ましい。リエントラント（re-entrant）構造は図４に示すような深さ方向に末広がりになる構造である。多孔質体の表面のキャビティ１８がリエントラント構造を有すると、周囲の温度が低下しても常に気泡核（沸騰の核）を保有することができるために、安定した沸騰が可能となる。その結果、安定して低い過熱度で沸騰を生起させ、ＯＮＢの上昇を抑制することができる。キャビティ１８のリエントラント構造は、図４に示すように内壁が球状の一部を構成する形状でなくてもよく、図５に示すように内壁が三角錐、四角錐、または円錐の一部を構成する形状であってもよく、その他、多孔質体の表面から深さ方向に末広がりになるものであればどのような形状であってもよい。冷却部材１４の多孔質体の表面のリエントラント構造を有するキャビティ１８は、安定して気泡核（沸騰の核）を保有するために、１～１×１０⁶μｍ³の体積を有していることが好ましく、１２５～１７３０μｍ³の体積を有していることがより好ましい。冷却部材１４の孔質体の表面のキャビティ１８がリエントラント構造を有することは、孔質体の表面付近の断面をＳＥＭ、Ｘ線ＣＴ等で観察することで確認することができる。

【0025】

冷却部材１４のハニカム構造を有する多孔質体の外形は、特に限定されないが、端面が円形の柱状（円柱形状）、端面がオーバル形状の柱状、端面が多角形（四角形、五角形、六角形、七角形、八角形等）の柱状等の形状とすることができる。また、当該ハニカム構造を有する多孔質体の大きさは、特に限定されないが、中心軸方向長さが１～５０ｍｍが好ましい。また、例えば、ハニカム構造を有する多孔質体の外形が円筒状の場合、その端面の半径が５～５０ｍｍであることが好ましい。

【0026】

冷却部材１４のハニカム構造を有する多孔質体のセル１９の形状は特に限定されないが、ハニカム構造を有する多孔質体の中心軸に直交する断面において、三角形、四角形、五角形、六角形、八角形等の多角形、円形、又は楕円形であることが好ましく、その他不定形であってもよい。

【0027】

多孔質体は、例えばコージェライト、ムライト、ジルコン、チタン酸アルミニウム、炭化珪素、珪素－炭化珪素複合材、窒化珪素、ジルコニア、スピネル、インディアライト、サフィリン、コランダム、及びチタニア等のセラミックス、焼結金属、または、電解析出金属等で形成することができる。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。また、多孔質体の形態は特に限定されず、例えば、多孔質体が多孔質粒子の集合体で構成されていてもよい。また、多孔質体が多孔質層で構成されていてもよい。

【0028】

また、本発明の別の態様としては、発熱体１３全体を作動流体１１中に浸漬する、または発熱体１３の一部を作動流体１１の液面から一部浸漬して冷却を行うこともできる。この場合には、発熱体１３は浮遊した状態、容器１２底面に載置された状態など場合により種々の形態をとるが、要は作動流体１１に浸漬されている部分に多孔質体で構成された冷却部材１４を取り付けることにより、前記例と同様にして冷却を行うことができる。

【0029】

作動流体１１としては、例えば水、低温流体、冷媒、有機溶媒等の表面張力を有する液体を用いることができる。また、近年の電子素子等の発熱体の発熱密度の増加に対応するため、フッ化炭素（ＦＣ）、フロン（ＣＦＣ）、代替フロン（ＨＣＦＣ又はＨＦＣなど）、純水、超純水等の一般的な電気絶縁性流体を用いることができる。

【0030】

また、作動流体１１としては、電子素子の許容温度（約８０℃）の観点から低沸点で絶縁性を有するフロリナート：ＦＣ－７２（スリーエムジャパン株式会社製、沸点５５．７℃）やノベック：ＮＯＶＥＣ７１００（スリーエムジャパン株式会社製、沸点５９．８℃）、およびアサヒクリン（登録商標）：ＡＥ－３０００（ＡＧＣ株式会社製、沸点５６．０℃）等を用いることができる。これらの作動流体は濡れ性が高く、従来、発熱体の表面において沸騰の核となるべき冷却部材１４の細孔を全て濡らしてしまう。その結果、発熱体の表面付近に沸騰の核発泡が起こり難くなり、沸点を過ぎでも沸騰が起こらない過熱状態になってしまう。これに対し、本発明の実施形態に係る冷却器１０では、上述のように冷却部材１４の多孔質体の細孔径及び空隙率が制御されており、濡れ性の高い作動流体１１、具体的には、表面張力が２０ｍＮ／ｍ以下である作動流体１１を用いても、沸騰開始点の上昇を抑えて低い過熱度で沸騰を生起させることができる。作動流体１１の表面張力は１６ｍＮ／ｍ以下であってもよく、１４ｍＮ／ｍ以下であってもよく、１２ｍＮ／ｍ以下であってもよく、１ｍＮ／ｍ以下であってもよい。

【0031】

本実施形態に係る冷却部材１４は以下のようにして作製することができる。
本実施形態に係る冷却部材１４の製造方法は、ハニカム成形体を作製する成形工程と、ハニカム乾燥体を作製する乾燥工程と、ハニカム焼成体を作製する焼成工程と、を備える。

【0032】

（成形工程）
成形工程では、まず、セラミックス等の多孔質体の原料を含有する成形原料を準備する。成形原料は、セラミックス等の多孔質体の原料以外に、バインダ、界面活性剤、造孔材、水等を添加して作製する。

【0033】

バインダとしては、メチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等が挙げられる。バインダの含有量は、セラミックス等の多孔質体の原料の合計質量を１００質量部としたときに、２．０～３０．０質量部であることが好ましい。

【0034】

水の含有量は、セラミックス等の多孔質体の原料の合計質量を１００質量部としたときに、２０～６０質量部であることが好ましい。

【0035】

界面活性剤としては、エチレングリコール、デキストリン、脂肪酸石鹸、ポリアルコール等を用いることができる。界面活性剤の含有量は、セラミックス等の多孔質体の原料の合計質量を１００質量部としたときに、０．１～２．０質量部であることが好ましい。

【0036】

造孔材は、平均粒子径５～２０μｍであって、焼成後に多孔質体の気孔となる材料を用いる。このような造孔材としては、樹脂製のビーズ等を挙げることができる。なお、上述の多孔質体の表面のリエントラント構造は、当該造孔材が多孔質体の表面から一部突出した状態で焼成されることで形成されるものである。当該ビーズの形状は特に限定されず、球状、直方体、角柱、角錐、円錐などの形状であってもよい。当該造孔材の含有量は、セラミックス等の多孔質体の原料の合計質量を１００質量部としたときに、５～３０質量部であることが好ましい。

【0037】

次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製する。

【0038】

（乾燥工程）
次に、得られたハニカム成形体を乾燥してハニカム乾燥体を作製する。乾燥方法は特に限定されず、例えば、マイクロ波加熱乾燥、高周波誘電加熱乾燥等の電磁波加熱方式と、熱風乾燥、過熱水蒸気乾燥等の外部加熱方式とを挙げることができる。乾燥温度は、５０～１２０℃とすることが好ましい。

【0039】

（焼成工程）
次に、ハニカム乾燥体を焼成してハニカム焼成体を作製する。焼成条件としては、造孔材を焼き飛ばすことが可能な温度である必要がある。焼成条件は、例えば、大気雰囲気において、１４００～１６００℃で、１～２０時間加熱することが好ましい。
このようにして、本実施形態に係るハニカム構造を有する多孔質体で構成された冷却部材１４が得られる。

【0040】

＜冷却装置＞
図６は、本発明の実施形態に係る冷却器１０を備えた冷却装置２０の模式図を示している。冷却装置２０は、冷却器１０と、容器１２に接続されたコンデンサ２１とを備える。コンデンサ２１において、蒸発した作動流体１１が液化されて、容器１２に戻る。冷却装置２０は、ポンプなどの外部動力源を必要とせず、装置全体としてのコンパクト性および省エネルギー性が優れている。

【0041】

＜用途＞
本発明の冷却器１０及び冷却装置２０は、種々の電子機器、その他の高発熱密度を有する熱機器全般に適用可能であり、特に濡れ性の高い作動流体を用いた電子機器に用いることが好ましい。例えば、キャピラリーポンプループの高性能化、半導体レーザ、データセンターのサーバの冷却、フロン冷却式チョッパ制御装置、パワー電子機器等が考えられる。または、大型ごみ焼却炉等の耐火壁を外部から冷却して損傷を軽減するための、耐火壁側部や耐火壁底部に設置する水冷ジャケットに適用可能である。

【実施例0042】

以下に本発明を実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

【0043】

＜試験例１＞
・実験装置
実験装置として、図７に示す構成のプール沸騰実験装置を準備した。図７に示すプール沸騰実験装置は、冷却器の容器としてホウケイ酸ガラス管、作動流体として電気絶縁性流体であるＡＥ３０００（ＡＧＣ株式会社製、沸点５６．０℃）、発熱体として矩形状のＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜を用いた。ＩＴＯ膜（発熱体）は、当該冷却器の容器の底に位置し、且つ、その表面に容器内の作動流体が接触するように設置した。

【0044】

より具体的には、まず、テフロン（登録商標）製のフランジの上にシリコンシート、ＩＴＯ膜を載せ、上から押さえつけることでシールした。また、後述のＩＴＯ膜（発熱体）のデザインに記載されているＩＴＯ膜の電極に導線をはんだ付けすることで回路を組み、スタビトロン方式直流電源（日本スタビライザー工業株式会社製ＳＣＩＺ－２Ｂ１５）を用いて加熱を行った。内径８７ｍｍのホウケイ酸ガラス管を両端よりフランジによって固定しプール容器とした。作動流体は予備ヒーターによって飽和温度に保ち、温度校正をした熱電対を用いて温度を測定した。作動流体の液高さは１００ｍｍであり、プール容器上部には凝縮器を取り付け沸騰によってプール内の液量が変化しないようにした。のダイクロイックミラー（シグマ光機株式会社製ＤＩＭ－Ｄ５０．８×２ｔ）を介して赤外線カメラ（ＦＬＩＲ製Ａ６７５１ｓｃ）でＩＴＯ膜の底部の温度を測定した。

【0045】

・ＩＴＯ膜（発熱体）のデザイン
図８にＩＴＯ膜のデザインの詳細を示す。サファイア基板（縦×横＝４０ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）に電極として両端にＣｒ（３０ｎｍ）とＡｕ（２００ｎｍ）が、発熱体として中央の領域：２０ｍｍ×１０ｍｍにＩｎｄｉｕｍ－Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ膜（２５０ｎｍ）、ＴｉＯ₂（１００ｎｍ）が蒸着されている。ここでＩＴＯ膜は通電加熱する際の抵抗のため、ＴｉＯ₂は濡れ性を良くするためにＩＴＯ膜の上部に成膜されている。ＩＴＯ膜は可視光に対して透明で波長３～５μｍの赤外線に対しては不透明な導電膜である。またサファイアは可視光、波長３～５μｍの赤外線に対してともに透明である。よってこのＩＴＯ膜が波長３～５μｍの赤外線に対して不透明であり、サファイアは透明であることを利用し、ＩＴＯ膜底部の温度を測定することができる。

【0046】

・ハニカム構造を有する多孔質体
冷却部材を構成するハニカム構造を有する多孔質体として、表１に記載のハニカム多孔質体（１）～（６）を準備した。
ハニカム多孔質体（１）及び（２）は、自動車の排気ガス処理に用いられる市販品のハニカム多孔質体のＮＡハニカム（ＮＡ－１８０ＣＲ）である。多孔質体の成分はカルシウムアルミネート（ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）：３０～５０質量％、溶融シリカ（ＦｕｓｅｄＳｉＯ₂）：４０～６０質量％、及び二酸化チタン（ＴｉＯ₂）：５～２０質量％で、有効熱伝導率は４Ｗ／（ｍ・Ｋ）であった。
ハニカム多孔質（３）は以下のようにして製造した。
まず、セラミックス等の多孔質体の原料を含有する成形原料を準備した。成形原料は、Ａｌ₂Ｏ₃、バインダ（メチルセルロース）、界面活性剤（エチレングリコール）、平均粒子径５～１０μｍの造孔材（球状の樹脂ビーズ）、水を添加して作製した。バインダの含有量は、Ａｌ₂Ｏ₃の合計質量を１００質量部としたときに、５～２０質量部とした。水の含有量はＡｌ₂Ｏ₃の合計質量を１００質量部としたときに、２０～３０質量部とした。界面活性剤の含有量はＡｌ₂Ｏ₃の合計質量を１００質量部としたときに、０．１質量部とした。造孔材の含有量はＡｌ₂Ｏ₃の合計質量を１００質量部としたときに、５～１０質量部とした。
次に、得られた成形原料を混練して坏土を形成した後、坏土を押出成形してハニカム成形体を作製した。
次に、得られたハニカム成形体を乾燥してハニカム乾燥体を作製した。乾燥はマイクロ波加熱乾燥で行い、乾燥温度は１００℃とした。
次に、ハニカム乾燥体を大気雰囲気下、１６００℃で２時間焼成してハニカム焼成体である、Ａｌ₂Ｏ₃：９９．９質量％を含むハニカム多孔質体（３）を作製した。

【0047】

ハニカム多孔質体（４）～（６）については、造孔材の平均粒子径、造孔材の質量部、Ａｌ₂Ｏ₃の質量部、水の質量部、及び、バインダの質量部について、それぞれ目標とする細孔径及び空隙率（表１に記載の細孔径及び空隙率）に基づき、適宜数値を調整した以外は、上述のハニカム多孔質（３）の製造方法と同様にして製造した。

【0048】

ハニカム多孔質体（１）～（６）について、全自動細孔分布測定装置（Ｑｕａｎｔａ Ｃｈｒｏｍｅ社製、Ｐｏｒｅ Ｍａｓｔｅｒ ６０－ＧＴ）を用い、水銀圧入法、ＳＥＭによる空隙率、細孔径測定を行った。
ハニカム多孔質体（１）～（６）の製造条件及び評価結果を表１に示す。

【0049】

【表1】

【0050】

ハニカム多孔質体（２）、（４）及び（６）について、それぞれその表面を、ＳＥＭにより観察した。図９（Ａ）はハニカム多孔質体（２）の表面のＳＥＭ写真である。図９（Ｂ）はハニカム多孔質体（４）の表面のＳＥＭ写真である。図９（Ｃ）はハニカム多孔質体（６）の表面のＳＥＭ写真である。
図９（Ａ）に示されるように、ハニカム多孔質体（２）の表面には５μｍ径以上のキャビティが観察されなかった。一方、図９（Ｂ）、（Ｃ）に示されるように、ハニカム多孔質体（４）及び（６）の表面には５μｍ径以上の略円形のキャビティが多数観察された。また、ハニカム多孔質体（４）の表面のキャビティは２．８×１０⁹個／ｍｍ²以上計測され、ハニカム多孔質体（６）の表面のキャビティは６．３×１０⁹個／ｍｍ²以上計測された。

【0051】

図９（Ｂ）、（Ｃ）に示されるように、ハニカム多孔質体（４）及び（６）の表面のキャビティは表面から観察すると略円形に形成されている。これは製造方法において、適宜調整した平均粒子径の造孔材（球状の樹脂ビーズ）を原料に混入させており、これが焼成によって焼き飛ばされて無くなることで生じたためである。また、同様の理由から、ハニカム多孔質体（４）及び（６）の表面のキャビティは図４に示すように内壁が球状の一部を構成する形状となっている。

【0052】

・実験
ハニカム多孔質体（１）～（６）をそれぞれ２本の直径０．３ｍｍのステンレス製ワイヤーで上記プール沸騰実験装置の発熱体の表面に対し鉛直方向下向きに均等な力で引っ張ることにより、発熱体の表面上に固定した。
ハニカム多孔質体（１）～（６）を設けた上記プール沸騰実験装置に対し、それぞれ、作動流体を予備ヒーターで１時間沸騰させ、脱気を行った。次に、大気圧下、飽和温度（５６℃）で、ＩＴＯ膜を直流電源から通電加熱して発熱させた。通電加熱の際は、電圧を上げてから１分後を定常状態として再び電圧を上げることを繰り返し、０．５Ｖごとに測定を行った。このとき、発熱体の表面が膜沸騰状態になって破損することを防ぐために、２０Ｖに達した時点で実験終了とした。また、別途、ハニカム多孔質体を何も設置しない場合についても、上記プール沸騰実験装置によって同様に当該実験を行った（以下、（０）裸面とも呼ぶ）。
このような実験によって、ハニカム多孔質体（１）～（６）の実験対象についてそれぞれ得られた沸騰曲線を図１０に示す。

【0053】

図１０によれば、ハニカム多孔質体（１）を用いた場合、ＯＮＢ時の過熱度は約１６Ｋであり、ハニカム多孔質体（２）を設けた場合、ＯＮＢ時の過熱度は約２５Ｋであり、ハニカム多孔質体（３）を設けた場合、ＯＮＢ時の過熱度は約１０．５Ｋであり、ハニカム多孔質体（４）を用いた場合、ＯＮＢ時の過熱度はそれぞれ約１０Ｋであった。

【0054】

これに対し、ハニカム多孔質体（５）及び（６）を設けた場合は、ＯＮＢ時の過熱度が約３Ｋであり、ハニカム多孔質体（１）～（４）と比較して、低い過熱度で沸騰を開始させることができた。これは、ハニカム多孔質体（５）及び（６）は、細孔径を５～１２μｍに制御し、かつ空隙率を１０％から５０％と増加させることで、有効なキャビティ数が増加したものと考えられる。
また、ハニカム多孔質体（５）及び（６）を設けた場合は、（０）裸面（ハニカム多孔質体を何も設置しない場合）の場合に比べて熱伝達率（Ｗ／（ｃｍ²・Ｋ））を約６倍と飛躍的に向上させることができた。

【0055】

なお、上述の試験例は、最もハニカム多孔質体の細孔を濡らしやすい作動流体（ＡＥ３０００）で検討を行っているため、その他の全ての作動流体でも同様に有効と考えられる。

【符号の説明】

【0056】

１０ 冷却器
１１ 作動流体
１２ 容器
１３ 発熱体
１４ 冷却部材
１６ 作動流体供給部
１７ 蒸気排出部
１８ キャビティ
１９ セル
２０ 冷却装置
２１ コンデンサ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】