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公開番号2024162527
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-11-21
出願番号2023078108
出願日2023-05-10
発明の名称冷却器及び冷却装置
出願人国立大学法人九州大学,株式会社長峰製作所
代理人アクシス国際弁理士法人
主分類F28D 15/02 20060101AFI20241114BHJP(熱交換一般)
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。
続きを表示（約 290 文字）【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２．８×１０
9
個／ｍｍ
2
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。
続きを表示（約 2,100 文字）【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２．８×１０
9
個／ｍｍ
2
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】以降は省略されています）

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