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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-11-08
(45)【発行日】2024-11-18
(54)【発明の名称】冷却システム
(51)【国際特許分類】
H01L 23/48 20060101AFI20241111BHJP
【ＦＩ】
H01L23/48 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021518374
(86)(22)【出願日】2020-04-30
(86)【国際出願番号】 JP2020018220
(87)【国際公開番号】W WO2020226115
(87)【国際公開日】2020-11-12
【審査請求日】2023-03-15
(31)【優先権主張番号】P 2019089090
(32)【優先日】2019-05-09
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【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）平成３０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／エクセルギー損失削減のための熱交換・熱制御技術／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
(73)【特許権者】
【識別番号】504145342
【氏名又は名称】国立大学法人九州大学
(73)【特許権者】
【識別番号】000107538
【氏名又は名称】株式会社ＵＡＣＪ
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】高田 保之
(72)【発明者】
【氏名】高橋 厚史
(72)【発明者】
【氏名】シェン ビャオ
(72)【発明者】
【氏名】布村 順司
(72)【発明者】
【氏名】戸次 洋一郎
(72)【発明者】
【氏名】深津 明弘
【審査官】庄司 一隆
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１７－０５８１０３（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０３９３７８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００４－０４４９１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１１－５３０１９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０５９６８３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０１Ｌ ２３／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
伝熱部材と、冷媒とを備えた冷却システムであって、前記伝熱部材は、アルコールを冷媒とする冷却システムに用いられることができるように構成されているとともに、
発熱体からの熱を受けることができるように構成された受熱面と、
前記受熱面において受けた熱を前記冷媒に放熱することができるように構成された放熱面と、を有し、
前記放熱面は、平均孔径が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複数の細孔を有しているとともに、
エタノールとの接触角が４０°以下である親冷媒部と、
前記親冷媒部に隣接して配置され、エタノールとの接触角が９０°以上である疎冷媒部を有しており、
前記冷却システムは、前記冷媒が沸騰し始める際の、前記放熱面上における前記冷媒の過熱度が２０Ｋ以下となるように構成されている、冷却システム。
【請求項2】
前記細孔の平均深さは０．０５μｍ以上１０μｍ以下である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項3】
前記放熱面は、複数の前記疎冷媒部を有している、請求項１または２に記載の冷却システム。
【請求項4】
前記冷媒はエタノールである、請求項１～３のいずれか１項に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、伝熱部材及び冷却システムに関する。
【背景技術】
【0002】
エアーコンディショナーやチラー、ボイラー、熱機関発電機等の発熱量の大きい機器には、沸騰冷却器などの冷媒の相変化を利用した冷却システムが組み込まれていることがある。近年では、この種の冷却システムが発熱密度の高い半導体部品やデータセンターに用いられる電子機器等の冷却に用いられることもある。冷却システムの冷却効率を向上させるためには、冷却システムが、その放熱面に接触した冷媒が沸騰を起こす温度領域で運転されることが望ましい。
【0003】
半導体部品や電子機器等を熱から保護するためには、半導体部品等の動作中の温度を低く保つことが求められる。そのため、沸騰伝熱を利用した半導体部品等の冷却システムには、水よりも低い沸点を備えたフッ化炭素が冷媒として用いられることが多い。しかし、フッ化炭素は、高い温暖化係数を有しているため、環境負荷の低減の観点から、フッ化炭素に代わる冷媒が求められている。
【0004】
かかる問題に対し、例えばエタノールのような、環境負荷が小さく、沸点の低い液体を冷媒として使用する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開２０１０－１６２７７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、エタノール等のアルコールはフッ化炭素と比べてやや沸点が高いので、アルコールを冷媒として用いた沸騰冷却システムには従来のフッ化炭素を用いた沸騰冷却システムと比較して更なる改善が求められている。
【0007】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたものであり、環境負荷の低い冷媒を用いて冷却効率を高めることができる伝熱部材及び冷却システムを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の一参考態様は、アルコールを冷媒とする冷却システムに用いることができるように構成された伝熱部材であって、
前記伝熱部材は、
発熱体からの熱を受けることができるように構成された受熱面と、
前記受熱面において受けた熱を前記冷媒に放熱することができるように構成された放熱面と、を有し、
前記放熱面は、平均孔径が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複数の細孔を有している、伝熱部材にある。
前記伝熱部材は、
発熱体からの熱を受けることができるように構成された受熱面と、
前記受熱面において受けた熱を前記冷媒に放熱することができるように構成された放熱面と、を有し、
前記放熱面は、平均孔径が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複数の細孔を有している、伝熱部材にある。
【0009】
本発明の他の態様は、前記の態様の伝熱部材と、前記冷媒とを備えた冷却システムであって、
前記伝熱部材の前記放熱面は、エタノールとの接触角が４０°以下である親冷媒部と、
前記親冷媒部に隣接して配置され、エタノールとの接触角が９０°以上である疎冷媒部を有しており、
前記冷却システムは、前記冷媒が沸騰し始める際の、前記放熱面上における前記冷媒の過熱度が２０Ｋ以下となるように構成されている、冷却システムにある。
にある。
前記伝熱部材の前記放熱面は、エタノールとの接触角が４０°以下である親冷媒部と、
前記親冷媒部に隣接して配置され、エタノールとの接触角が９０°以上である疎冷媒部を有しており、
前記冷却システムは、前記冷媒が沸騰し始める際の、前記放熱面上における前記冷媒の過熱度が２０Ｋ以下となるように構成されている、冷却システムにある。
にある。
【発明の効果】
【0010】
前記伝熱部材は、前記冷媒と熱交換を行う放熱面に、平均孔径が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複数の細孔を有している。このように、放熱面に細孔を設けることにより、伝熱部材と冷媒とが接触する面積を広くすることができる。
【0011】
特に、放熱面に設けられた細孔の平均孔径は、前記特定の冷媒に対して最適な範囲となっている。そのため、前記伝熱部材は、冷媒が過熱状態に置かれた際に、細孔内に多数の気泡を形成することができ、更には、細孔内で成長した気泡を早期に細孔から脱離させることができる。それ故、前記伝熱部材は、冷媒が沸騰した後すぐに、細孔から多数の微細な気泡を発生させることができる。その結果、放熱面における熱伝達率を向上させ、ひいては冷却性能を向上させることができる。
【0012】
以上のように、前記伝熱部材によれば、環境負荷の低い冷媒を用いて冷却効率を高めることができる伝熱部材及び冷却システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【発明を実施するための形態】
【0014】
前記伝熱部材は、例えば、ヒートパイプに用いられるパイプやヒートシンク等として構成することができる。伝熱部材の材質は特に限定されることはないが、冷却性能をより向上させる観点から、伝熱部材は、銅、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金等の熱伝導率の高い物質から構成されていることが好ましい。
【0015】
伝熱部材は、発熱体からの熱を受けることができるように構成された受熱面と、冷媒と接触し、受熱面において受けた熱を冷媒に放熱することができるように構成された放熱面と、を有している。また、放熱面には、前記特定の範囲の平均孔径を備えた複数の細孔が設けられている。細孔は、放熱面の全面に設けられていてもよいし、一部の領域にのみ設けられていてもよい。伝熱部材の冷却性能を向上させる観点から、放熱面は、受熱面の背面に配置されていることが好ましい。
【0016】
細孔の平均孔径は、５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。細孔の平均孔径を前記特定の範囲とすることにより、前記特定の冷媒が沸騰している間、細孔内において容易に気泡を形成することができる。更に、細孔の平均孔径を前記特定の範囲とすることにより、細孔内において発生した気泡が過度に成長することを抑制し、気泡の大きさが比較的小さい段階で細孔から気泡を脱離させることができる。
【0017】
そして、細孔内で形成された気泡を早期に脱離させることにより、細孔内に冷媒を供給し、次の気泡を形成することができる。これらの結果、細孔から多数の微細な気泡を発生させ、沸騰時の熱伝達率を向上させ、ひいては冷却性能を向上させることができる。
【0018】
かかる作用効果をより高める観点からは、細孔の平均孔径は１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以上７００ｎｍ以下であることがより好ましく、１０ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることがさらに好ましく、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることが特に好ましい。
【0019】
細孔の平均孔径は、以下の方法により算出することができる。まず、走査型電子顕微鏡（つまり、ＳＥＭ）を用いて放熱面を観察し、細孔のＳＥＭ像を取得する。ＳＥＭの倍率は特に限定されることはないが、視野内に複数の細孔が含まれるように設定することが好ましい。次に、得られたＳＥＭ像に存在する個々の細孔の円相当径を算出する。そして、これらの円相当径の算術平均値を細孔の平均孔径とすればよい。細孔の平均孔径を算出するために用いる細孔の数は特に限定されることはないが、例えば、１０個以上であればよい。
【0020】
細孔の形成方法は、特に限定されることはない。例えば、細孔は、フォトリソグラフィやイオンエッチング、ナノインプリントなどの技術を利用して形成することができる。また、例えば、伝熱部材がアルミニウムやアルミニウム合金から構成されている場合には、陽極酸化処理を行うことにより、伝熱部材の表面に容易に細孔を形成することができる。
【0021】
細孔の平均深さは０．０５μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。細孔の平均深さを０．０５μｍ以上とすることにより、細孔による気泡の形成を促進する効果をより高めることができる。また、細孔の平均深さを１０μｍ以下とすることにより、気泡が脱離した後に、冷媒を細孔内により迅速に供給することができる。これらの結果、細孔の深さを前記特定の範囲とすることにより、冷却性能をより向上させることができる。前述した作用効果をより高める観点からは、細孔の平均深さは０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましい。
【0022】
細孔の平均深さは、以下の方法により算出することができる。まず、伝熱部材における、放熱面と垂直な断面を露出させる。断面を露出させる方法は特に限定されることはない。例えば、伝熱部材をＶ字曲げすることによりクラックを入れて前記断面を露出させることができる。
【0023】
ＳＥＭを用いてこの断面を斜め方向から観察し、ＳＥＭ像を取得する。ＳＥＭの倍率は特に限定されることはないが、視野内に複数の細孔が含まれるように設定することが好ましい。次に、得られたＳＥＭ像に存在する個々の細孔の深さ、つまり、放熱面から細孔の底までの距離を算出する。そして、これらの細孔の距離の算術平均値を細孔の平均深さとすればよい。細孔の平均深さを算出するために用いる細孔の数は特に限定されることはないが、例えば、３個以上であればよい。
【0024】
前記放熱面は、エタノールとの接触角が４０°以下である親冷媒部を有している。そのため、冷媒としてのアルコールが親冷媒部に接触しやすくなるため、親冷媒部において冷媒をより効率よく加熱することができる。その結果、気泡の発生をより促進し、冷却効率を向上させることができる。
【0025】
放熱面における親冷媒部の配置の態様は、種々の態様をとり得る。例えば、放熱面の全面が親冷媒部であってもよいし、放熱面の一部が親冷媒部であってもよい。放熱面における親冷媒部の数は、１か所であってもよいし、２か所以上であってもよい。親冷媒部は、放熱面における細孔を有する部分に配置されていてもよいし、細孔を有しない部分に配置されていてもよい。気泡の発生を促進する効果を確実に奏する観点からは、親冷媒部は、放熱面における細孔を有する部分に配置されていることが好ましい。
【0026】
前記放熱面は、前記親冷媒部に隣接して配置され、エタノールとの接触角が親冷媒部よりも大きい疎冷媒部を更に有している。冷媒としてのアルコールが沸騰している場合、放熱面上には、液相のアルコールに接触している部分と、気泡、つまり、アルコールの蒸気に接触している部分とが存在している。アルコールは水酸基を有しているため、液相のアルコールは、疎冷媒部よりも親冷媒部に対する濡れ性が高い。
【0027】
それ故、放熱面に親冷媒部を設けることにより、前述したように液相のアルコールが親冷媒部に接触しやすくなり、親冷媒部における気泡の発生を促進する効果を期待することができる。
【0028】
一方、疎冷媒部は、親冷媒部に比べて液相のアルコールの濡れ性が低いため、親冷媒部において発生した気泡が疎冷媒部へ導かれやすくなる。それ故、放熱面に親冷媒部と疎冷媒部との両方を設けることにより、主に親冷媒部において気泡を発生させ、主に疎冷媒部において気泡を脱離させることができると考えられる。その結果、沸騰の開始温度を低下させ、低い過熱度でより伝熱効率が高い沸騰伝熱へ移行する効果が期待できる。
【0029】
更に、疎冷媒部から気泡が脱離すると、疎冷媒部上に、気泡の上昇に伴う液相の冷媒の流れを形成することができる。その結果、液相の冷媒の対流を促進し、放熱面に液相の冷媒を効率よく供給することが期待できる。
【0030】
このように、放熱面上に親冷媒部と疎冷媒部とを設けることにより、気泡の形成と脱離とをより効率よく行うと共に、冷媒の対流を促進する効果が期待できる。その結果、より低い過熱度で冷媒の沸騰を開始させ、冷却性能をより向上させることができると考えられる。
【0031】
前述した冷却性能の向上効果をより高める観点からは、疎冷媒部のエタノールとの接触角は９０°以上であることが好ましい。
【0032】
前記放熱面における疎冷媒部の配置の態様は、種々の態様をとり得る。例えば、放熱面における疎冷媒部の数は、１か所であってもよいし、２か所以上であってもよい。疎冷媒部は、放熱面における細孔を有する部分に配置されていてもよいし、細孔を有しない部分に配置されていてもよい。前述した作用効果を確実に奏する観点からは、放熱面は、複数の疎冷媒部を有していることが好ましい。また、前記放熱面は、１ｃｍ2当たり２か所以上の前記疎冷媒部を有していることが好ましい。更に、個々の前記疎冷媒部の面積は０．１ｍｍ2以上であることが好ましく、０．５ｍｍ2以上であることがより好ましい。
【0033】
前記伝熱部材の前記放熱面に冷媒を接触させることにより冷却システムを構成することができる。より具体的には、例えば前記伝熱部材がパイプである場合、伝熱部材の外表面を受熱面、内表面を放熱面とし、伝熱部材の管内に冷媒等を封入することにより、冷却システムとしてのヒートパイプを構成することができる。また、例えば前記伝熱部材がヒートシンクである場合、前記受熱面上に半導体素子等の発熱体を搭載し、前記放熱面を冷媒流路上に配置して冷媒を流すことにより、冷媒流路と、冷媒流路内を流れる冷媒と、放熱面において冷媒と接触する伝熱部材と、を備えた冷却システムを構成することができる。
【0034】
冷媒としては、エタノールやプロパノール、イソプロパノールなどのアルコールを使用することができる。冷媒としては、これらのアルコールのうち、沸点が１００℃未満であるアルコールを使用することが好ましく、エタノールを使用することが特に好ましい。この場合には、半導体素子や電子機器の温度が過度に上昇して動作不良となる前の段階で冷媒が沸騰し、半導体素子や電子機器の温度の更なる上昇を抑制することができる。それ故、エタノールを冷媒として使用することにより、半導体素子や電子機器の冷却に好適な冷却システムを得ることができる。
【0035】
冷却システムは、前記冷媒が沸騰し始める際の、前記放熱面上における前記冷媒の過熱度が２０Ｋ以下となるように構成されている。そのため、放熱面上の冷媒をより早期に沸騰させ、発熱体の温度が過度に上昇する前に効率よく冷却を行うことができる。
【0036】
特に、沸騰伝熱を用いた冷却システムにおいて、半導体等の電子デバイスを保護する上で、放熱面上に親冷媒部と疎冷媒部とを設けた伝熱部材を用いることにより、前記冷媒が沸騰し始める際の前記放熱面上の冷媒の過熱度を２０Ｋ以下にすることができると考えられる。これにより、水より沸点の低い冷媒を使用した明確な効果が得られる。
【実施例】
【0037】
（実施例１）
前記伝熱部材の実施例を、図１～図４を用いて説明する。本例の伝熱部材１は、図１に示すように、発熱体からの熱を受けることができるように構成された受熱面１１と、受熱面１１において受けた熱を冷媒に放熱することができるように構成された放熱面１２と、を有している。放熱面１２は、図２に示すように、平均孔径が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複数の細孔１２１を有している。
前記伝熱部材の実施例を、図１～図４を用いて説明する。本例の伝熱部材１は、図１に示すように、発熱体からの熱を受けることができるように構成された受熱面１１と、受熱面１１において受けた熱を冷媒に放熱することができるように構成された放熱面１２と、を有している。放熱面１２は、図２に示すように、平均孔径が５ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である複数の細孔１２１を有している。
【0038】
本例の伝熱部材１は、より具体的には、図１に示すように、円柱状を呈するロッド部１３と、ロッド部１３の一端から径方向外方に延出したフィン部１４と、を有している。受熱面１１は、ロッド部１３におけるフィン部１４を有しない側の端部１３１に配置されている。また、放熱面１２は、伝熱部材１におけるフィン部１４を有する側の端面、つまり、ロッド部１３の他方の端面１３２と、端面１３２の周囲に配置されたフィン部１４とから構成されている。伝熱部材１は、アルミニウム合金から構成されている。ロッド部１３の直径は３０ｍｍであり、フィン部１４の直径は５０ｍｍである。
【0039】
本例の伝熱部材１は、例えば以下の方法により作製することができる。まず、アルミニウム合金製の円柱を準備し、切削加工により、ロッド部１３及びフィン部１４を形成する。次いで、放熱面１２以外を保護材により被覆する。この状態で伝熱部材１に陽極酸化処理を行うことにより、放熱面１２に多数の細孔１２１を備えたアルマイト皮膜を形成する。以上により、伝熱部材１を得ることができる。
【0040】
本例における陽極酸化処理は、具体的には、リン酸直流アルマイト処理である。伝熱部材１の放熱面１２における細孔１２１の平均孔径は、２００ｎｍである。また、伝熱部材１の放熱面１２における細孔１２１の平均深さは、１０μｍである。なお、細孔１２１の平均孔径及び平均深さの算出方法は前述した通りである。
【0041】
伝熱部材１の冷却性能は、サブクールプール沸騰実験における熱伝達率に基づいて評価することができる。
【0042】
図３に示すように、サブクールプール沸騰実験に用いる実験装置２は、断熱材料からなり筒状を呈する断熱部２１と、断熱部２１の筒内に配置された冷媒プール２２と、冷媒プール２２内に配置され、伝熱部材１を加熱する熱源部２３と、冷媒プール２２内の冷媒Ｃを脱気するための真空ポンプ２４と、を有している。
【0043】
冷媒プール２２は、断熱部２１に対面して配置された側壁部２２１と、側壁部２２１の上端を閉鎖する頂壁部２２３と、側壁部２２１の下端を閉鎖する底壁部２２２と、を有しており、側壁部２２１、頂壁部２２３及び底壁部２２２によって囲まれる内部空間に冷媒Ｃを貯留することができるように構成されている。
【0044】
頂壁部２２３上には、凝縮器２２４が取り付けられている。凝縮器２２４は、冷媒プール２２内の冷媒Ｃの蒸気を凝縮させ、液相の冷媒Ｃとして冷媒プール２２内へ戻すことができるように構成されている。また、頂壁部２２３には、冷媒Ｃの温度を測定するための熱電対２２５が取り付けられている。熱電対２２５は、頂壁部２２３を貫通して配置されている。
【0045】
熱源部２３は、冷媒プール２２の底壁部２２２上に配置されている。熱源部２３は、ケース２３１と、ケース２３１内に配置されたヒーター２３２と、を有している。ヒーター２３２は、有底筒状を呈しており、伝熱部材１のロッド部１３を挿入することができるように構成されている。ケース２３１とヒーター２３２との間には、断熱材料２３３が介在している。また、断熱材料２３３は、伝熱部材１のロッド部１３がヒーター２３２内に挿入された状態において、ケース２３１とロッド部１３との間に介在するように配置されている。
【0046】
ケース２３１は、その頂面に開口２３４を有している。ケース２３１の開口２３４内には、伝熱部材１のフィン部１４が配置される。
【0047】
熱源部２３の周囲には、冷媒Ｃを加熱するための下部冷媒ヒーター２３５が配置されている。また、熱源部２３の上方には、冷媒Ｃを加熱するための上部冷媒ヒーター２３６と、冷媒Ｃを冷却するための冷媒クーラー２３７とが配置されている。下部冷媒ヒーター２３５、上部冷媒ヒーター２３６及び冷媒クーラー２３７は、図示しない温度調整装置に接続されており、冷媒Ｃの温度を調整することができるように構成されている。
【0048】
真空ポンプ２４は、冷媒プール２２の外部に配置されており、頂壁部２２３に取り付けられた配管２４１及び真空バルブ２４２を介して冷媒プール２２に接続されている。
【0049】
次に、サブクールプール沸騰実験の実験方法を説明する。まず、伝熱部材１を十分に乾燥させた後、ロッド部１３に、複数の熱電対２３８を上下方向に間隔をおいて取り付ける。これらの熱電対２３８は、図示しないデータ処理装置に接続される。データ処理装置は、熱電対２３８により測定されたロッド部１３の温度に基づき、放熱面１２の温度及び放熱面１２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束を算出するように構成されている。
【0050】
次に、フィン部１４の外周にステンレスリング（図示略）を取り付ける。そして、伝熱部材１のロッド部１３をヒーター２３２内に挿入し、放熱面１２がケース２３１の開口２３４から露出するように伝熱部材１を配置する。次いで、放熱面１２からの液面の高さが１２０ｍｍとなるように、冷媒プール２２内に冷媒Ｃ（エタノール、純度９９．５％）を注ぎ入れる。
【0051】
次に、以下の手順により、冷媒Ｃの脱気を行う。まず、下部冷媒ヒーター２３５、上部冷媒ヒーター２３６及び冷媒クーラー２３７により冷媒Ｃの温度を飽和温度となるように調節する。次いで、ヒーター２３２により伝熱部材１を加熱し、放熱面１２上において冷媒Ｃを沸騰させる。この状態を３０分間保持した後、ヒーター２３２による加熱を停止する。その後、真空ポンプ２４によって冷媒プール２２内を減圧し、冷媒Ｃを脱気する。そして、伝熱部材１に取り付けられた複数の熱電対２３８のうち最も放熱面１２に近い熱電対の温度が冷媒Ｃの飽和温度以下となった時点で冷媒Ｃの脱気を完了し、冷媒プール２２内を大気圧まで復圧する。
【0052】
以上のようにして測定の準備を行った後、下部冷媒ヒーター２３５、上部冷媒ヒーター２３６及び冷媒クーラー２３７により冷媒Ｃの温度を飽和温度となるように再度調節する。そして、ヒーター２３２により、受熱面１１への入熱量が段階的に増加するように伝熱部材１を加熱する。ヒーター２３２から受熱面１１への入熱量を増加させるタイミングは、放熱面１２及び冷媒Ｃの温度が定常状態に達してから２分後とする。
【0053】
図４に、伝熱部材１の沸騰曲線を示す。なお、図４における横軸は放熱面１２上の冷媒Ｃの過熱度、即ち、放熱面１２の温度から冷媒Ｃの沸点を差し引いた値である。また、図４における縦軸は、伝熱部材１及び冷媒Ｃの温度が定常状態に達した時点から２分間に放熱面１２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束の値の平均値である。なお、図４の縦軸及び横軸は、いずれも対数目盛で表示されている。また、符号Ｂが付された点は、後述するように未沸騰状態から沸騰状態へ遷移する点であるため、沸騰開始前後で伝熱部材１及び冷媒Ｃの温度が変化する。そのため、この点については、沸騰開始前の３０秒間の熱流束の平均値を示す。
【0054】
図４には、伝熱部材１の沸騰曲線との比較のため、Ｒｏｈｓｅｎｏｗの式（下記式（１））に基づいて予測した、放熱面１２を平滑面と仮定した場合における核沸騰の熱流束を実線Ｌで示す。なお、下記式（１）におけるＣpは定積比熱［Ｊ ｋｇ-1 Ｋ-1］であり、ΔＴは過熱度［Ｋ］であり、Ｌlvは蒸発潜熱［Ｊ ｋｇ-1］であり、ｑは熱流束［Ｊ ｋｇ-1］であり、μは動粘度［ｍ2 ｓ-1］であり、σは表面張力［Ｎ m-1］であり、ρは液相の冷媒の密度［ｋｇ-1 ｍ-1］であり、ρgは冷媒の蒸気の密度［ｋｇ-1 ｍ-1］であり、ｋは冷媒の熱伝導率［Ｗ ｍ-1 Ｋ-1］である。また、Ｃsf及びｎは、冷媒と伝熱部材の材質との組み合わせに依存するパラメータである。本例におけるＣsfの値は０．０００８とし、ｎの値は１．１８とした。これらの値は、文献（Ｉ．Ｌ．Ｐｉｏｒｏ ｅｔ ａｌ １９９９）から引用した値である。
【0055】
【数1】
【0056】
図４に示すように、本例の伝熱部材１を用いる場合、過熱度が約６Ｋとなるまでは冷媒Ｃが沸騰せず、過熱度の上昇とともに、熱流束の値が緩やかに増大する。そして、過熱度が約８Ｋとなった時点で放熱面１２上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、冷媒Ｃの気化熱によって放熱面１２の温度が低下するため、冷媒Ｃの過熱度が一旦低下すると同時に、冷媒Ｃの蒸発によって放熱面１２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束が増大する。その後、更に加熱を継続すると、過熱度の上昇とともに、熱流束の値が増大する。また、沸騰後における沸騰曲線の傾きは、沸騰前における沸騰曲線の傾きよりも大きい。
【0057】
図４に示すように、本例の伝熱部材１のように、放熱面１２に前記特定の範囲の平均孔径を備えた細孔１２１を設けることにより、平滑な放熱面に比べて熱流束を５倍以上大きくし、冷却性能を格段に向上させることができる。
【0058】
（実施例２）
本例は、放熱面１２の表面状態を変更した例である。なお、本例以降の例において用いる符号のうち、既出の例において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り既出の例における構成要素と同様の構成要素等を示す。
本例は、放熱面１２の表面状態を変更した例である。なお、本例以降の例において用いる符号のうち、既出の例において用いた符号と同一のものは、特に説明のない限り既出の例における構成要素と同様の構成要素等を示す。
【0059】
本例では、予め放熱面１２をエタノールで濡らした伝熱部材１を熱源部２３に取り付けた以外は、実施例１と同様の方法によりサブクールプール沸騰実験を行い、沸騰曲線を取得する。図５に、本例の沸騰曲線を示す。なお、図５における横軸は放熱面１２上の冷媒Ｃの過熱度である。また、図５における縦軸は、伝熱部材１及び冷媒Ｃの温度が定常状態に達した時点から２分間に放熱面１２から冷媒Ｃへ流れ出す熱流束の値の平均値である。符号Ｂが付されたプロット点は、後述するように未沸騰状態から沸騰状態へ遷移する点であるため、この点については、図４と同様に沸騰開始前の３０秒間の熱流束の平均値を示す。
【0060】
図５に示すように、本例の伝熱部材１を用いる場合、放熱面１２上の冷媒Ｃの過熱度が約５０Ｋとなるまでは冷媒Ｃが沸騰せず、過熱度の上昇とともに、熱流束の値が緩やかに増大する。そして、過熱度が約５０Ｋとなった時点で放熱面１２上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、実施例１と同様に、過熱度の上昇とともに熱流束の値が増大する。また、沸騰後における沸騰曲線の傾きは、沸騰前における沸騰曲線の傾きよりも大きい。更に、本例における沸騰後の沸騰曲線の傾きは、実施例１における沸騰後の沸騰曲線の傾きと同程度の値となる。
【0061】
本例の伝熱部材１は、放熱面１２がエタノールで濡れたまま冷媒プール２２内に配置されたため、放熱面１２の細孔１２１内にもエタノールが存在していると考えられる。そのため、実施例１に比べて細孔１２１内への沸騰の開始が大幅に遅れ、冷媒が沸騰し始める際の過熱度が過度に高くなるおそれがある。一方、一旦沸騰が開始した後は、実施例１と同様に、細孔１２１の効果により平滑な放熱面に比べて熱流束を大きくし、冷却性能を格段に向上させることができる。
【0062】
（実施例３）
本例は、放熱面１２に、親冷媒部１２２としてのアルマイト皮膜１２３と、疎冷媒部１２４としての塗膜１２５とを設けた伝熱部材１０３（図６参照）の例である。図には示さないが、本例の伝熱部材１０３は、実施例１の伝熱部材１と同一の形状を有している。伝熱部材１０３の放熱面１２は、ロッド部１３における受熱面（図示略）とは反対側の端面１３２と、端面１３２の周囲に配置されたフィン部１４とに設けられている。
本例は、放熱面１２に、親冷媒部１２２としてのアルマイト皮膜１２３と、疎冷媒部１２４としての塗膜１２５とを設けた伝熱部材１０３（図６参照）の例である。図には示さないが、本例の伝熱部材１０３は、実施例１の伝熱部材１と同一の形状を有している。伝熱部材１０３の放熱面１２は、ロッド部１３における受熱面（図示略）とは反対側の端面１３２と、端面１３２の周囲に配置されたフィン部１４とに設けられている。
【0063】
放熱面１２には、複数の細孔（図示略）を備えたアルマイト皮膜１２３が設けられている。アルマイト皮膜１２３における細孔の平均孔径は２００ｎｍであり、細孔の平均深さは１０μｍである。また、アルマイト皮膜１２３とエタノールとの接触角は１２°である。本例のアルマイト皮膜１２３は、リン酸直流アルマイト処理によって形成されている。本例におけるリン酸直流アルマイト処理の処理条件は、リン酸濃度０．３ｍｏｌ／ｄｍ3、電解液温度：２０℃、電流密度５ｍＡ／ｃｍ2、保持時間６０分である。
【0064】
アルマイト皮膜１２３上には、図６に示すように縦方向及び横方向に等間隔に並んだ複数の塗膜１２５が設けられている。塗膜１２５は直径２ｍｍの円形を呈しており、隣り合う塗膜１２５同士の間隔は３ｍｍである。また、塗膜１２５とエタノールとの接触角は９５°である。
【0065】
図７に、実施例２と同様に、予め放熱面１２を冷媒で濡らした伝熱部材１０３を用いてサブクールプール沸騰実験を行うことにより得られる沸騰曲線を示す。なお、本例におけるサブクールプール沸騰実験の実験条件は、実施例１と同様である。また、図７における縦軸、横軸、符号Ｂ及び直線Ｌの表示は、図４と同様である。
【0066】
図７に示すように、伝熱部材１０３を用いてサブクールプール沸騰実験を行うと、過熱度が約９Ｋとなった時点で放熱面１２上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、冷媒の気化熱によって放熱面１２の温度が低下するため、冷媒の過熱度が一旦低下すると同時に、冷媒の蒸発によって放熱面１２から冷媒へ流れ出す熱流束が増大する。沸騰を開始した後は、過熱度の上昇とともに熱流束の値が増大する。
【0067】
図７に示す沸騰曲線における沸騰後の部分は、直線Ｌよりも上方に位置している。沸騰後の沸騰曲線と直線Ｌとの比較から、伝熱部材１０３は、冷媒の沸騰後において、平滑な放熱面を有する伝熱部材に比べて過熱度が同一である場合の熱流束を大きくし、平滑な放熱面を有する伝熱部材よりも冷却性能を向上できることが理解できる。
【0068】
さらに、図５と図７との比較から、リン酸直流アルマイト処理によって形成されたアルマイト皮膜１２３上に塗膜１２５を設けた伝熱部材１０３は、予め冷媒で濡らした状態で使用する場合、塗膜１２５を有しない伝熱部材１に比べて沸騰開始時の過熱度を低くできることが理解できる。
【0069】
（実施例４）
本例は、放熱面に硫酸直流アルマイト処理によって形成したアルマイト皮膜を設けた伝熱部材（図示略）の例である。本例の伝熱部材の作製方法は、陽極酸化処理として、リン酸直流アルマイト処理に替えて硫酸直流アルマイト処理を行う以外は、実施例１と同様である。なお、硫酸直流アルマイト処理の処理条件は、硫酸濃度：１．５ｍｏｌ／ｄｍ3、電解液温度：２０℃、電流密度：１０ｍＡ／ｃｍ2、保持時間：３０分である。
本例は、放熱面に硫酸直流アルマイト処理によって形成したアルマイト皮膜を設けた伝熱部材（図示略）の例である。本例の伝熱部材の作製方法は、陽極酸化処理として、リン酸直流アルマイト処理に替えて硫酸直流アルマイト処理を行う以外は、実施例１と同様である。なお、硫酸直流アルマイト処理の処理条件は、硫酸濃度：１．５ｍｏｌ／ｄｍ3、電解液温度：２０℃、電流密度：１０ｍＡ／ｃｍ2、保持時間：３０分である。
【0070】
本例の伝熱部材の放熱面における細孔の平均孔径は１０ｎｍであり、細孔の平均深さは１０μｍである。なお、細孔の平均孔径及び平均深さの算出方法は前述した通りである。本例の伝熱部材におけるアルマイト皮膜とエタノールとの接触角は、エタノールがアルマイト皮膜上で液滴を形成せず、いわゆる拡張濡れの状態となるため測定することができない。
【0071】
図８に、実施例２と同様に、予め放熱面を冷媒で濡らした本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うことにより得られる沸騰曲線を示す。なお、本例におけるサブクールプール沸騰実験の実験条件は、実施例１と同様である。また、図８における縦軸、横軸、符号Ｂ及び直線Ｌの表示は、図４と同様である。
【0072】
図８に示すように、本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うと、過熱度が約５６Ｋとなるまでは冷媒が沸騰せず、過熱度の上昇とともに、熱流束の値が緩やかに増大する。そして、過熱度が約５６Ｋとなった時点で放熱面上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、冷媒の気化熱によって放熱面の温度が低下するため、冷媒の過熱度が一旦低下すると同時に、冷媒Ｃの蒸発によって放熱面から冷媒へ流れ出す熱流束が増大する。沸騰を開始した後は、過熱度の上昇とともに熱流束の値が増大する。また、沸騰後における沸騰曲線の傾きは、沸騰前における沸騰曲線の傾きよりも大きい。
【0073】
また、図８に示す沸騰曲線における沸騰後の部分は、直線Ｌよりも上方に位置している。沸騰後の沸騰曲線と直線Ｌとの比較から、本例の伝熱部材は、冷媒の沸騰後において、平滑な放熱面を有する伝熱部材に比べて過熱度が同一である場合の熱流束を大きくし、平滑な放熱面を有する伝熱部材よりも冷却性能を向上できることが理解できる。
【0074】
（実施例５）
本例は、実施例４の伝熱部材における放熱面に、疎冷媒部としての塗膜を設けた伝熱部材（図示略）の例である。本例においては、まず、実施例４と同様の方法により、ロッド部とフィン部とを有するとともに、放熱面に親冷媒部としてのアルマイト皮膜が設けられた伝熱部材を作製する。得られた伝熱部材のアルマイト皮膜上に、実施例３と同様に複数の塗膜を形成する。以上により、本例の伝熱部材を得ることができる。本例の伝熱部材における塗膜とエタノールとの接触角は１１０°である。
本例は、実施例４の伝熱部材における放熱面に、疎冷媒部としての塗膜を設けた伝熱部材（図示略）の例である。本例においては、まず、実施例４と同様の方法により、ロッド部とフィン部とを有するとともに、放熱面に親冷媒部としてのアルマイト皮膜が設けられた伝熱部材を作製する。得られた伝熱部材のアルマイト皮膜上に、実施例３と同様に複数の塗膜を形成する。以上により、本例の伝熱部材を得ることができる。本例の伝熱部材における塗膜とエタノールとの接触角は１１０°である。
【0075】
図８に、実施例２と同様に、予め放熱面を冷媒で濡らした本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うことにより得られる沸騰曲線を示す。なお、本例におけるサブクールプール沸騰実験の実験条件は、実施例１と同様である。また、図８における縦軸、横軸、符号Ｂ及び直線Ｌの表示は、図４と同様である。
【0076】
図８に示すように、本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うと、過熱度が約８Ｋとなった時点で放熱面上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、冷媒の気化熱によって放熱面の温度が低下するため、冷媒の過熱度が一旦低下すると同時に、冷媒の蒸発によって放熱面から冷媒へ流れ出す熱流束が増大する。沸騰を開始した後は、過熱度の上昇とともに熱流束の値が増大する。
【0077】
図８に示す沸騰曲線における沸騰後の部分は、直線Ｌよりも上方に位置している。沸騰後の沸騰曲線と直線Ｌとの比較から、本例の伝熱部材は、冷媒の沸騰後において、平滑な放熱面を有する伝熱部材に比べて過熱度が同一である場合の熱流束を大きくし、平滑な放熱面を有する伝熱部材よりも冷却性能を向上できることが理解できる。
【0078】
さらに、図８に示す実施例４の伝熱部材と実施例５の伝熱部材との比較から、硫酸直流アルマイト処理によって形成されたアルマイト皮膜上に塗膜を設けた伝熱部材（実施例５）は、予め冷媒で濡らした状態で使用する場合、塗膜を有しない伝熱部材（実施例４）に比べて沸騰開始時の過熱度を低くできることが理解できる。
【0079】
（実施例６）
本例は、放熱面に交流アルマイト処理によって形成したアルマイト皮膜を設けた伝熱部材の例である。本例の伝熱部材の作製方法は、陽極酸化処理として、リン酸直流アルマイト処理に替えてアルカリ電解液を用いた交流アルマイト処理を行う以外は、実施例１と同様である。なお、交流アルマイト処理の処理条件は、電解質：ピロリン酸ナトリウムを主成分とする水溶液、電解質濃度：０．１ｍｏｌ／ｄｍ3、電解液温度：６０℃、電流密度：６０ｍＡ／ｃｍ2、周波数：５０Ｈｚ、保持時間：３０秒である。
本例は、放熱面に交流アルマイト処理によって形成したアルマイト皮膜を設けた伝熱部材の例である。本例の伝熱部材の作製方法は、陽極酸化処理として、リン酸直流アルマイト処理に替えてアルカリ電解液を用いた交流アルマイト処理を行う以外は、実施例１と同様である。なお、交流アルマイト処理の処理条件は、電解質：ピロリン酸ナトリウムを主成分とする水溶液、電解質濃度：０．１ｍｏｌ／ｄｍ3、電解液温度：６０℃、電流密度：６０ｍＡ／ｃｍ2、周波数：５０Ｈｚ、保持時間：３０秒である。
【0080】
交流アルマイト処理に用いられる電解質としては、ピロリン酸ナトリウムの他に、例えば、リン酸ナトリウム、リン酸水素ナトリウム、ピロリン酸カリウムおよびメタリン酸ナトリウム等のリン酸塩；水酸化ナトリウムおよび水酸化カリウム等のアルカリ金属水酸化物；炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カリウム等の炭酸塩；水酸化アンモニウム等を使用することができる。これらの電解質は、単独で使用してもよいし、２種以上を併用してもよい。
【0081】
本例の伝熱部材の放熱面における細孔の平均孔径は、２０ｎｍであり、細孔の平均深さは０．２μｍである。なお、細孔の平均孔径及び平均深さの算出方法は前述した通りである。本例の伝熱部材におけるアルマイト皮膜とエタノールとの接触角は０°である。
【0082】
図９に、実施例２と同様に、予め放熱面を冷媒で濡らした本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うことにより得られる沸騰曲線を示す。なお、本例におけるサブクールプール沸騰実験の実験条件は、実施例１と同様である。また、図９における縦軸、横軸及び直線Ｌの表示は、図４と同様である。
【0083】
図９に示すように、本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うと、過熱度が約２７Ｋとなるまでは冷媒が沸騰せず、過熱度の上昇とともに、熱流束の値が緩やかに増大する。そして、過熱度が約２７Ｋとなった時点で放熱面上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、冷媒の気化熱によって放熱面の温度が低下するため、冷媒の過熱度が一旦低下すると同時に、冷媒の蒸発によって放熱面から冷媒へ流れ出す熱流束が増大する。沸騰を開始した後は、過熱度の上昇とともに熱流束の値が増大する。
【0084】
図９に示す沸騰曲線における沸騰後の部分は、直線Ｌよりも上方に位置している。沸騰後の沸騰曲線と直線Ｌとの比較から、本例の伝熱部材は、冷媒の沸騰後において、平滑な放熱面を有する伝熱部材に比べて過熱度が同一である場合の熱流束を大きくし、平滑な放熱面を有する伝熱部材よりも冷却性能を向上できることが理解できる。
【0085】
（実施例７）
本例は、実施例６の伝熱部材における放熱面に、疎冷媒部としての塗膜を設けた伝熱部材（図示略）の例である。本例においては、まず、実施例６と同様の方法により、ロッド部とフィン部とを有するとともに、放熱面に親冷媒部としてのアルマイト皮膜が設けられた伝熱部材を作製する。得られた伝熱部材のアルマイト皮膜上に、実施例３と同様に複数の塗膜を形成する。以上により、本例の伝熱部材を得ることができる。本例の伝熱部材における塗膜とエタノールとの接触角は１１０°である。
本例は、実施例６の伝熱部材における放熱面に、疎冷媒部としての塗膜を設けた伝熱部材（図示略）の例である。本例においては、まず、実施例６と同様の方法により、ロッド部とフィン部とを有するとともに、放熱面に親冷媒部としてのアルマイト皮膜が設けられた伝熱部材を作製する。得られた伝熱部材のアルマイト皮膜上に、実施例３と同様に複数の塗膜を形成する。以上により、本例の伝熱部材を得ることができる。本例の伝熱部材における塗膜とエタノールとの接触角は１１０°である。
【0086】
図９に、実施例２と同様に、予め放熱面を冷媒で濡らした本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うことにより得られる沸騰曲線を示す。なお、本例におけるサブクールプール沸騰実験の実験条件は、実施例１と同様である。また、図９における縦軸、横軸及び直線Ｌの表示は、図４と同様である。
【0087】
図９に示すように、本例の伝熱部材を用いてサブクールプール沸騰実験を行うと、過熱度が約８Ｋとなった時点で放熱面上の冷媒が沸騰し始める（符号Ｂ参照）。沸騰を開始した後は、過熱度の上昇とともに、放熱面上における冷媒が沸騰する領域が徐々に拡大する。これに伴い、熱流束の値が緩やかに増大する。そして、過熱度が約１０Ｋとなった時点で沸騰曲線の傾きが大きくなる。
【0088】
図９に示す沸騰曲線における沸騰後の部分は、直線Ｌよりも上方に位置している。沸騰後の沸騰曲線と直線Ｌとの比較から、本例の伝熱部材は、冷媒の沸騰後において、平滑な放熱面を有する伝熱部材に比べて過熱度が同一である場合の熱流束を大きくし、平滑な放熱面を有する伝熱部材よりも冷却性能を向上できることが理解できる。
【0089】
さらに、図９に示す実施例６と実施例７との比較から、交流アルマイト処理によって形成されたアルマイト皮膜上に塗膜を設けた伝熱部材（実施例７）は、予め冷媒で濡らした状態で使用する場合、塗膜を有しない伝熱部材（実施例６）に比べて沸騰開始時の過熱度を低くできることが理解できる。
【0090】
本発明に係る伝熱部材及び冷却システムの具体的な態様は、前述した実施例１～７に記載された態様に限定されるものではなく、本発明の趣旨を損なわない範囲で適宜構成を変更することができる。
【0091】
例えば、本例のように、疎冷媒部１２４を塗膜によって形成する場合、塗膜は細孔１２１を覆うように形成されていてもよいし、細孔１２１の内部まで塗膜が進入していてもよい。細孔１２１の内部まで塗膜が進入している場合には、塗膜と放熱面１２との密着性がより向上し、塗膜がより剥離しにくくなる。これにより、疎冷媒部１２４が形成された状態をより長期間にわたって維持し、優れた冷却性能をより長期間にわたって発揮させることができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】