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沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品 新技術説明会

国内特許コード P10A015627
掲載日 2010年8月13日
出願番号 特願2005-370107
公開番号 特開2007-150216
登録番号 特許第4464914号
出願日 平成17年12月22日(2005.12.22)
公開日 平成19年6月14日(2007.6.14)
登録日 平成22年2月26日(2010.2.26)
優先権データ
  • 特願2004-372227 (2004.12.22) JP
  • 特願2005-310164 (2005.10.25) JP
発明者
  • 鈴木 康一
  • 河村 洋
  • 大田 治彦
  • 阿部 宣之
出願人
  • 学校法人東京理科大学
発明の名称 沸騰冷却方法、沸騰冷却装置および流路構造体並びにその応用製品 新技術説明会
発明の概要 【課題】沸騰現象のプロセスにおいて、遷移沸騰の生じうる温度領域における核沸騰による沸騰冷却をより大きな冷却面積に対して可能ならしめる。
【解決手段】被冷却物obの表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を冷却面として、冷却液用の主流路10Aおよび副流路10Bを、冷却面の側から上記順序に形成し、副流路10Bと主流路10Aを隔てる隔壁10Cを貫通して主流路10A内に突出する複数のノズルNZを主流路の流路方向に配列し、個々のノズルNZの先端部を冷却面に近接もしくは接触させ、主流路10Aと副流路10Bとに、冷却液21を流通させ、主流路10Aを流れる冷却液の沸騰により冷却面を冷却するとともに、副流路10Bの側から各ノズルNZを介して副流路10B側の冷却液を冷却面近傍に供給し、主流路内の冷却液を冷却する。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


液体を加熱していくと次第に液温が上昇し、やがて液温がそれ以上に上昇しない「飽和温度」に達する。さらに加熱すると、液体内部で「液体の気化」が発生する。この状態が沸騰であり、上記飽和温度は沸騰点と呼ばれる。



沸騰状態では、液温は上昇せず、加熱により液体に加えられるエネルギーは「液体内部で液体を気化」するのに消費される。この熱エネルギーは「潜熱」と呼ばれている。潜熱は、液体を温度上昇させる熱エネルギーに比して極めて大きい。したがって、液体の沸騰を利用することにより大きな冷却効果をあげることができる。



沸騰を利用した冷却は「沸騰冷却」と呼ばれ、従来から種々の沸騰冷却装置が提案されている。



例えば、冷却用液体を収容する容器と該冷却用液体内を通るパイプとからなり、被冷却体としての半導体素子を冷却用液体に浸漬して行ない、前記パイプ内に前記冷却用液体よりも沸点の低い液体を循環させるようにした、浸漬方式の沸騰冷却装置が提案されている(例えば、特許文献1)。
沸騰現象は一般に以下の如き経過を辿る。
液体中に例えば金属等による「加熱ブロック」の表面を浸漬し、加熱ブロックを加熱してその伝熱面温度を上昇させる。伝熱面温度がある程度まで高くなると、加熱ブロックの伝熱面に「大きさが1mm程度以下の微少な気泡」が発生する。この状態は「加熱ブロックの表面に接する液層部分の温度が飽和温度に達し、上記表面部分で沸騰が生じている状態」である。



液体の沸騰による冷却の効果を表す物理量として「熱流束」がある。説明中の例に喩えて言えば、熱流束とは「加熱ブロックの表面(液体に接している表面、上記「伝熱面」)の単位面積から単位時間あたりに液体に移る熱量」であり、熱流束が大きいほど冷却効果が大きい。



加熱ブロックの伝熱面に微少な気泡が発生するようになると「熱流束の増加率」が増大し、加熱ブロックの加熱をさらに続けると、加熱ブロックの伝熱面で発生する気泡の量も増大し、熱流束も大きな増加率をもって増大しつづけるが、やがて飽和する。
このように「熱流束が飽和した状態」は、加熱ブロック表面が「大きな気泡」で覆われた状態となっている。



即ち、伝熱面での微少な気泡の発生量が増大すると、発生した気泡同士が合体して、伝熱面の大きさにもよるが数cmにもなる「大きな気泡」に成長する。このように大きく成長した気泡は「押し潰されたような厚みの薄い気泡」であり、このような大きな気泡が加熱ブロック表面に付着していると、付着部では加熱ブロックと液体が直接に接触しないため沸騰が阻害され、熱流束が飽和するのである。このときの熱流束は「限界熱流束」と呼ばれている。



熱流束が限界熱流束に達した後も加熱ブロックを加熱すると、大きな気泡の部分で伝熱面が乾き始めて伝熱面温度の急激な上昇に伴って熱流束は急激に減少し、冷却効果が急速に低下する。加熱がさらに続くと、大きな気泡に覆われた部分で伝熱面は完全に乾き、この部分は「薄い蒸気膜で覆われた状態」となる。そして、この乾燥した部分では、加熱ブロックの熱エネルギーが輻射熱として液体へ伝えられ、熱流束は再び増加に転ずるが、伝熱面は液体に接していないため加熱ブロックの温度も上昇し、この温度が加熱ブロックの融点を越えれば伝熱面は「焼損」する。



加熱ブロックの伝熱面に微少な気泡が発生し始める状態から、熱流束が限界熱流束に達するまでの沸騰形態は「核沸騰」と呼ばれ、限界熱流束状態から熱流束が減少し、熱流束が再度増加に転ずるまでの沸騰形態は「遷移沸騰」、熱流束の変化が再度増加に転じた以後の沸騰形態は「膜沸騰」とそれぞれ呼ばれる。



即ち、液体中に浸漬した加熱ブロックを加熱しつづけると、核沸騰、遷移沸騰、膜沸騰の沸騰形態が順次に現れ、ついには加熱ブロックの焼損に至るのである。通常、限界熱流束以後「遷移沸騰から膜沸騰を経て焼損に至るプロセス」は極めて迅速に生じ、制御が著しく困難であるところから、沸騰冷却は従来、一般に「限界熱流束以下の核沸騰の領域」で行われていた。即ち、従来の沸騰冷却方法では、例えば、長さ1~2cmの伝熱面に対してせいぜい100W/cm程度の熱流束(約100℃)しか得られないのが一般的であった。



一方、高い熱流束を得るために種々の試みがなされており、例えば、ノズルを用い、沸騰気泡を速やかに消滅させて高い冷却効率を狙う冷却装置が提案されている(例えば、特許文献2)。
特許文献2に開示されているのは、主として半導体デバイスを発熱体とする冷却装置であって、2種類のノズルを用い、第1のノズルから低温冷媒液を発熱体に向けて噴射し、発熱体の熱によって沸騰気泡を発生させて「気液2相状態の高温冷媒液」とし、第2のノズルから同じ低温冷媒液を該高温冷媒液に向けて噴射させて急冷し、沸騰気泡を凝縮・消滅させて冷却を行うものである。この冷却方式では「120℃程度の温度領域で200W/cm程度の熱流束」が得られると考えられ、半導体デバイスのような短い伝熱面の冷却には適するが、より大きな伝熱面の冷却は困難と考えられる。



ところで、冷却液を被冷却体の冷却面に沿わせて流通させつつ沸騰冷却を行う場合に、冷却液を予め「飽和温度より低い温度」にサブクールして冷却面に供給すると、冷却の開始からある程度の時間範囲では「遷移沸騰への移行」を生ずることなく、相当の高温度領域まで核沸騰形態を維持して良好な沸騰冷却を実現できることが報告されている(非特許文献1)。



冷却液を冷却面に沿わせて流通させつつ沸騰冷却を行う場合、冷却液がサブクールされていると、冷却面からの熱は、冷却面に接する冷却液の温度を、急速に飽和温度まで昇温させ、そののち沸騰を生じさせる。このとき昇温して沸騰を生じるのは「冷却面近傍の薄い層状の部分」であり、この層状部分の外側の領域には、サブクール状態、即ち、飽和温度よりも温度の低い冷却液が存在していると考えられる。



このような沸騰の生じている層状領域の外側の「飽和温度よりも温度の低い冷却液」は、沸騰状態にある「層状領域の冷却液の温度」を低下させる。この温度低下により「沸騰状態の冷却液中の気泡は、収縮し、あるいは崩壊」する。



このように、サブクールされた冷却液を用いると、伝熱面から「より多くの熱」を冷却液に伝えることができ、限界熱流束を高めることができる。



冷却液として「サブクール度の大きな液」を用いると、遷移沸騰領域において生長した合体気泡と液体との気液界面の温度を低下させ、気泡を凝縮(沸騰現象と逆の現象)によって微細な気泡に崩壊させ、伝熱面に液体を供給できるので、膜沸騰に移行することなく再び沸騰による冷却が行われ、熱流束を「通常の限界熱流束より高める」ことができる。この現象は「気泡微細化沸騰」と呼ばれている。



しかしながら、サブクールした冷却液を用いて沸騰冷却を行う場合でも、冷却液が冷却面に沿って流れる時間の経過と共に、冷却液全体の温度が次第に上昇し、サブクールによる効果は不可避的に減じていくため、相当の高温度領域で、かつ「遷移沸騰を起こすことなく大きな冷却面積に対して実施」することには限度がある。



近年、電力変換用のインバータに用いられる「高発熱密度電子デバイス」のICパッケイジでは伝熱面長さが通常10~30cmあるが、このような伝熱面の長い被冷却面の冷却を可能とする冷却方法が望まれている。また、例えば、電気自動車における急加速あるいは異常運転によって発熱が急上昇する場合のような「巾広い熱負荷変動」にも対応可能な冷却方法が求められており、今後、300W/cm程度以上の熱流束が得られる冷却方法が必要になるものと予想されるが、従来の冷却方法でこの要求に応じることは極めて困難であると考えられ、これらの要望に対応可能な沸騰冷却方式の出現が望まれている。



【特許文献1】
特開昭61-54654号公報
【特許文献2】
特開平5-136305号公報
【非特許文献1】
「気泡微細化を伴うサブクール流動沸騰」(第41回日本伝熱シンポジウム講演論文集(2004年6月)Vol.1、第19~20頁)

産業上の利用分野


この発明は、沸騰冷却方法、当該沸騰冷却方法を実施する沸騰冷却装置、およびこの沸騰冷却装置に使用される流路構造体、並びにこれらが適用された応用製品に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を冷却面として、冷却液用の主流路および副流路を、上記冷却面の側から上記順序に形成し、
上記副流路と主流路を隔てる隔壁を貫通して上記主流路内に突出する複数のノズルを主流路の流路方向に配列し、個々のノズルの先端部を上記冷却面に近接もしくは当接させ、
上記主流路と副流路とに冷却液を流通させ、上記主流路を流れる冷却液の沸騰により上記冷却面を冷却するとともに、上記副流路側から各ノズルを介して副流路側の冷却液を冷却面近傍に滲み出るように供給する沸騰冷却方法において、
上記冷却面は、主流路の流路面の一部をなす単一面であり、
上記主流路に流通される冷却液を、上記主流路を通して一方向へ流し、
上記副流路に流通される冷却液を、上記副流路を通して、上記主流路を流れる冷却液と逆向きに一方向へ流すことを特徴とするパッシブ冷却方法

【請求項2】
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を冷却面として、冷却液用の主流路および副流路を、上記冷却面の側から上記順序に形成し、
上記副流路と主流路を隔てる隔壁を貫通して上記主流路内に突出する複数のノズルを主流路の流路方向に配列し、個々のノズルの先端部を上記冷却面に近接もしくは当接させ、
上記主流路と副流路とに、予め所定の温度にサブクールした冷却液を、副流路における圧力を主流路における圧力より高めて流通させ、上記主流路を流れる冷却液の沸騰により上記冷却面を冷却するとともに、上記副流路側から各ノズルを介して、副流路側の冷却液を上記主流路と副流路の冷却液の圧力差によって強制的に冷却面近傍に噴出させて供給することを特徴とする沸騰冷却方法において、
上記冷却面は、主流路の流路面の一部をなす単一面であり、
上記主流路に流通される冷却液を、上記主流路を通して一方向へ流し、
上記副流路に流通される冷却液を、上記副流路を通して、上記主流路を流れる冷却液と逆向きに一方向へ流すことを特徴とするアクティブ冷却方法

【請求項3】
請求項2記載の沸騰冷却方法において、
冷却面の下流側端部でサブクール度が20K以上となるように、冷却液のサブクール度、流量、主流路と副流路の冷却液の圧力差を設定することを特徴とする沸騰冷却方法。

【請求項4】
請求項1記載のパッシブ冷却方法と、請求項2または3記載のアクティブ冷却方法とを、冷却条件により、主流路に流通させる冷却液および副流路に流通させる冷却液の圧力差を切り替えることを特徴とする沸騰冷却方法。

【請求項5】
請求項1~4の任意の1に記載の沸騰冷却方法において、
ノズルの配列密度を、主流路の下流側ほど密になるようにし、副流路からの冷却液の供給量を、主流路の下流側ほど増大させることを特徴とする沸騰冷却方法。

【請求項6】
請求項1~5の任意の1に記載の沸騰冷却方法において、
冷却液が、水あるいはアルコール、もしくは、水とアルコールの混合液、または、フッ素系不活性液体であることを特徴とする沸騰冷却方法。

【請求項7】
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を単一の冷却面として、上記冷却面に一体的に形成されて冷却液を一方向へ流通させる主流路およびこの主流路に重なるように隔壁を介して一体的に形成されて上記主流路に流通される冷却液と逆向きに一方向へ冷却液を流通される副流路と、上記副流路側から上記隔壁を貫通して上記主流路内に突設し、先端部が上記冷却面に近接もしくは当接するように形成された複数のノズルとを有する流路構造体。

【請求項8】
請求項7記載の流路構造体において、
複数のノズルの先端部に対向する冷却面が平滑面であり、上記複数のノズルの先端部が、上記平滑面に、上記ノズル先端部の外径に比して小さい間隙を隔して近接していることを特徴とする流路構造体。

【請求項9】
請求項7記載の流路構造体において、
複数のノズルの先端部に対向する冷却面の表面が平滑または、上記ノズルの先端部の大きさに比して微細な凹凸構造を有し、上記複数のノズルの先端部が、上記平滑面に近接もしくは微細な凹凸構造に当接していることを特徴とする流路構造体。

【請求項10】
請求項9記載の流路構造体において、
冷却面の表面の微細な凹凸構造が、粗面構造であることを特徴とする流路構造体。

【請求項11】
請求項9記載の流路構造体において、
冷却面の表面の微細な凹凸構造が、環状もしくは螺旋状または主流路に沿って形成された細溝の集合であることを特徴とする流路構造体。

【請求項12】
請求項7~11の任意の1に記載の流路構造体において、
各ノズルの先端部に、上記先端部の大きさに比して微少な、貫通孔、スリット、切欠きの1種以上を、1以上有することを特徴とする流路構造体。

【請求項13】
請求項7~12の任意の1に記載の流路構造体において、
主流路が、冷却面に沿って、冷却液の流れの方向に直交する方向へ、1以上の分離隔壁により分離されていることを特徴とする流路構造体

【請求項14】
請求項7~12の任意の1に記載の流路構造体において、
副流路が、主流路との隔壁に沿って、冷却液の流れの方向に直交する方向へ、1以上の分離隔壁により分離されていることを特徴とする流路構造体。

【請求項15】
請求項13または14記載の流路構造体において、
主流路と副流路とが、同数の分離隔壁により整合格子状に分離されていることを特徴とする流路構造体

【請求項16】
請求項7~15の任意の1に記載の流路構造体において、
ノズルの配列密度を、主流路の下流側ほど密になるように構成したことを特徴とする流路構造体

【請求項17】
被冷却物の表面もしくは該表面に密接する伝熱部材の表面を単一の冷却面として、上記冷却面に一体的に形成されて冷却液を一方向へ流通させる主流路およびこの主流路に重なるように隔壁を介して一体的に形成されて上記主流路に流通される冷却液と逆向きに一方向へ冷却液を流通される副流路と、上記副流路側から上記隔壁を貫通し、先端部が上記冷却面に近接もしくは当接するように形成された複数のノズルをと有する流路構造体と、
この流路構造体の上記主流路と副流路とに流通される冷却液を上記流路構造体に供給し、上記主流路と副流路とに互いに逆向きに流通させる冷却液供給・流通手段とを有し、
流路構造体として、請求項7~16の任意の1に記載のものを用いることを特徴とする沸騰冷却装置

【請求項18】
請求項17記載の沸騰冷却装置において、
流路構造体が、請求項14記載のものであり、隣接する流路における冷却液の流れが互いに逆向きに設定されていることを特徴とする沸騰冷却装置

【請求項19】
請求項17または18記載の沸騰冷却装置において、
冷却液供給・流通手段が、冷却液を貯留させる冷却液容器と、主流路を通して上記冷却液容器内の冷却液を一方向へ導液する主流路用管路と、上記冷却液を上記主流路用管路により主流路に流通させる主流路用ポンプと、副流路を通して上記冷却液容器内の冷却液を上記主流路におけると逆向きに一方向へ導液する副流路用管路と、上記冷却液を上記副流路用管路により副流路に流通させる副流路用ポンプと、上記主流路を通過し、上記主流路用管路を通って上記冷却液容器に戻る冷却液を凝集させる凝集手段とを有し、パッシブ冷却方法を実施するための沸騰冷却装置

【請求項20】
請求項17または18記載の沸騰冷却装置において、
冷却液供給・流通手段が、冷却液を貯留させる冷却液容器と、主流路を通して上記冷却液容器内の冷却液を一方向へ導液する主流路用管路と、上記冷却液を上記主流路用管路により主流路に流通させる主流路用ポンプと、副流路を通して上記冷却液容器内の冷却液を上記主流路におけると逆向きに一方向へ導液する副流路用管路と、上記冷却液を上記副流路用管路により副流路に流通させる副流路用ポンプと、上記主流路を通過し、上記主流路用管路を通って上記冷却液容器に戻る冷却液を冷却して凝集させる凝集手段と、
上記主流路用ポンプと副流路用ポンプとにより上記主流路と副流路に供給される冷却液を、所定のサブクール度にサブクールするサブクール手段と、
上記副流路に流通される冷却液の圧力を、上記主流路に流通される冷却液の圧力より高くする高圧化手段とを有し、アクティブ冷却方法を実施することを特徴とする沸騰冷却装置

【請求項21】
請求項20記載の沸騰冷却装置において、
高圧化手段による、副流路に流通される冷却液の圧力と主流路に流通される冷却液の圧力差を切り替える圧力切り替え手段を有し、
パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法とを、冷却条件により切り替え可能としたことを特徴とする沸騰冷却装置

【請求項22】
請求項19~21の任意の1に記載の沸騰冷却装置において、
冷却液容器に冷却液が貯留されていることを特徴とする沸騰冷却装置

【請求項23】
請求項19~22の任意の1に記載の沸騰冷却装置において、
冷却液を、水あるいはアルコール、もしくは、水とアルコールとの混合液、または、フ
ッ素系不活性液体としたことを特徴とする沸騰冷却装置

【請求項24】
稼動中に熱を発生し該熱の冷却手段を構成要素とする製品であって、請求項17~23の任意の1に記載の沸騰冷却装置を冷却手段とすることを特徴とする製品

【請求項25】
請求項24に記載の製品が、発熱体を有する電子素子または発熱体を有する燃料電池であって、沸騰冷却装置を構成する流路構造体の主流路が発熱体の表面に一体的に形成されたことを特徴とする電子素子または燃料電池

【請求項26】
請求項24に記載の製品が、電子素子と伝熱部材とを主構成要素とする高発熱密度電子機器が搭載された、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備の電力変換制御装置、又は、鉄道電車あるいは航空機用の電力システムの電力変換制御装置であって、沸騰冷却装置を構成する流路構造体の主流路が伝熱部材との表面に一体的に形成されたことを特徴とするハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車、燃料電池発電設備の電力変換制御装置又は鉄道電車あるいは航空機用の電力システムの電力変換制御装置
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2005370107thum.jpg
出願権利状態 登録
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