JP7220434B2

JP7220434B2 - 沸騰冷却構造

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Publication number: JP7220434B2
Application number: JP2021109983A
Authority: JP
Inventors: 和久結城; 理沙子木伏; 徳幸海野; 拓哉井手; 哲朗大串; 政明村上
Original assignee: LOTUS THERMAL SOLUTION INC.; SANYO-ONODA CITY PUBLIC UNIVERSITY CORPORATION
Current assignee: LOTUS THERMAL SOLUTION INC.; SANYO-ONODA CITY PUBLIC UNIVERSITY CORPORATION
Priority date: 2017-06-06
Filing date: 2021-07-01
Publication date: 2023-02-10
Anticipated expiration: 2037-06-06
Also published as: JP2021165628A; JP2018204882A; JP7022402B2

Description

本発明は、冷媒を用いた沸騰冷却装置の沸騰冷却構造に関する。

沸騰冷却装置は、冷媒の液体から気体への相変化を利用して発熱体を冷却する装置であり、具体的には、互いに連通した内部空間を備える受熱部と放熱部とを備え、内部に冷媒が封入されるとともに受熱部の外壁面に発熱体が取り付けられ、受熱部の内部に液相状態で貯留された前記冷媒が、相変化により潜熱として放熱部に熱を輸送するものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。冷媒の相変化は、受熱部の冷媒に接する内面のうち、主に発熱体の取り付け位置に対応する内面を伝熱面として発泡が生じる沸騰・蒸発により生じる。この沸騰・蒸発が伝熱面（伝熱壁部）において効率よく生じることで、熱伝達率、すなわち発熱体の冷却効率が向上する。

この伝熱壁部に多数の穴を形成し、凹凸粗面にすることで沸騰・蒸発を促進することも提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）。しかしながら、近年は電子機器の小型化と高性能化に伴い、電子機器の発熱密度が急激に上昇しており、より高い冷却効率を有するものが求められている。例えば、現行ハイブリッド車のインバータでは最大発熱密度が３００Ｗ／ｃｍ^２を超え、循環ポンプを用いた強制流動による冷却方式が採用されている。しかしながらハイブリッド車や電気自動車の電費を下げるためには、本来、モータ以外での電力消費は望ましくなく、もし沸騰冷却装置で対応することができれば、より電費を下げることに貢献できる。

特開２０１０－１９６９１２号公報特開２０１２－１３３９６号公報特開２０１７－１５２６９号公報

そこで、本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、優れた冷却性能を備え、近年の電子機器や電気自動車又はハイブリッド車のインバータの冷却にも十分に対応できる沸騰冷却装置を提供する点にある。

本発明は、以下の発明を包含する。
（１）発熱体が取り付けられる受熱部と、放熱部とを備え、内部に封入される冷媒が相変化により潜熱として放熱部に熱を輸送する沸騰冷却装置における、沸騰冷却構造であって、前記受熱部の前記発熱体の位置に対応する伝熱壁部に、
複数の凹条を有する凹凸面と、該凹凸面に対し、該凹凸面の前記凹条の少なくとも一部が内部空間に開放された状態で重ねるように取り付けられる金属製多孔体であり、一方向に延びる複数の貫通孔が形成され、該貫通孔の一方の開口が前記凹凸面に対面し、他方の開口が内部空間に開放されるように取り付けられる金属製多孔体とが設けられ、
前記凹凸面および前記金属製多孔体が、液相状態の冷媒から露出せずに完全浸漬されていることを特徴とする沸騰冷却構造。

（２）前記凹凸面が、平行或いは格子状に延びる複数の前記凹条より構成されており、各凹条の両端部が前記内部空間に開放された状態に、前記金属製多孔体が取り付けられる請求項１記載の沸騰冷却構造。

（３）前記金属製多孔体が、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体である請求項１又は２記載の沸騰冷却構造。

以上にしてなる本願発明に係る沸騰冷却構造によれば、金属製多孔体と凹凸面の凹条の寸法設計によって、金属製多孔体からの沸騰、蒸発の促進、或いは凹凸面の凹条からの沸騰、蒸発の促進の何れかが生じることになる。金属製多孔体からの沸騰、蒸発が促進される場合は、金属製多孔体の上部（或いは凹条の開放部）から蒸気が排出されるとともに、凹凸面の凹条（或いは金属製多孔体）を通じて冷媒液が自発的に金属製多孔体へ供給され、当該金属製多孔体からの沸騰、蒸発が持続的に促進される。また、凹条からの沸騰、蒸発が促進される場合は、当該凹条の開放部（或いは金属製多孔体）から蒸気が排出されるとともに、金属製多孔体の貫通孔（或いは凹条の開放部）を通じて冷却液が自発的に凹条へ供給され、当該凹条からの沸騰、蒸発が持続的に促進される。

このように、いずれの場合にも、従来よりも伝熱壁部における沸騰・蒸発が促進され、冷却性能が著しく向上する。その具体的な冷却性能は、大気圧環境の沸騰冷却限界である１１０Ｗ／ｃｍ^２を大きく超え、約２８０Ｗ／ｃｍ^２を達成したことを確認している。したがって、近年の電子機器や、電気自動車又はハイブリッド車のインバータの冷却にも十分に対応できる沸騰冷却装置を提供することができる。特にインバータの冷却に対応することで、従来の冷却用循環ポンプや配管系を排除した自立型の超小型冷却デバイスとして提供することができ、次世代電気自動車、ハイブリッド車の走行マイレージの向上と低電費化へ大きく貢献できる。

また、前記凹凸面が、平行或いは格子状に延びる複数の前記凹条より構成されており、各凹条の両端部が前記内部空間に開放された状態に、前記金属製多孔体が取り付けられるものでは、凹条の両端が開放されることで冷媒がよりスムーズに供給され（或いは蒸気排出がスムーズに行われ）、冷却効率がより向上する。

また、前記金属製多孔体が、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工したものからなり、前記貫通孔が前記切断により分断された前記気孔であるものでは、ドリル加工等で各貫通孔を機械加工することに比べ、より低コスト且つ容易に製作できる。さらに、このような金属製多孔体は、周端部に前記成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン領域が形成される。したがって、当該端面において多孔体同士を接合面積が確保された状態で容易に接合することができ、このように端面同士で複数の当該成形体を接合することにより一つの多孔体を構成することも容易となり、接合部分での伝熱性の低下も防止できる。

本発明の代表的実施形態にかかる沸騰冷却装置（沸騰冷却構造）を示す凹条の延びる方向にみた断面図。図１の方向に対して直交する方向にみた、同じく沸騰冷却装置の断面図。（ａ），（ｂ）は同じく沸騰冷却装置の伝熱壁部における作用を示す説明図。変形例を示す説明図。（ａ），（ｂ）は実験装置を示す説明図。実験結果の沸騰曲線を示すグラフ。

次に、本発明の実施形態を添付図面に基づき詳細に説明する。

本発明の沸騰冷却装置１（沸騰冷却構造）は、図１に示すように、互いに連通した内部空間を備える受熱部２と放熱部３とを備え、内部に冷媒４が封入されるとともに受熱部２の外壁面２１に発熱体９が取り付けられ、受熱部２の内部に液相状態で貯留された前記冷媒４が、相変化により潜熱として放熱部３に熱を輸送する。

特に、受熱部２の前記発熱体９の位置に対応する伝熱壁部２２は、受熱部２の内壁面に沿って延びる複数の凹条５０を有する凹凸面５と、該凹凸面５に対し、該凹凸面５の前記凹条５０の少なくとも一部が内部空間に開放された状態で重ねるように取り付けられる金属製多孔体６であり、一方向に延びる複数の貫通孔６０が形成され、該貫通孔６０の一方の開口６０ａが前記凹凸面５に対面し、他方の開口６０ｂが内部空間に開放されるように取り付けられる金属製多孔体６とより構成されている。

受熱部２と放熱部３とは、一つの収納容器７より構成されているが、互いに連通した内部空間を備えたものであれば、各部を構成する各容器が配管等で連結されたものでもよく、その場合は、受熱部２から放熱部３に向けて気化した冷媒が通る流路と放熱部３で液体に戻った冷媒が受熱部２に還流する流路の２流路で連通したものでもよく、その他、従来から公知の沸騰冷却装置の連通形態を広く適用できる。

放熱部３は、本例では内部に冷却水が流れる凝縮パイプ８が設けられ、気化した冷媒がこの凝縮パイプ８に接して熱を奪われ、液化するように構成されている。ただし、本発明はこのような放熱形態に何ら限定されず、放熱部の外壁に送風等で放熱される放熱フィンを設け、内壁を通じて冷媒から熱を吸熱するものなど、従来から公知の沸騰冷却装置の放熱形態を広く採用できる。また、冷媒４についても、受熱部２や放熱部３の容器の素材等に応じて、水、アルコール、炭化フッ素系冷媒など、従来から公知の冷媒を適宜用いることができる。

金属製多孔体６とともに伝熱壁部２２を構成する凹凸面５は、本例では良熱伝導性材料よりなる容器の底壁の内面（底面）に凹条５０を直接形成して構成されているが、容器とは別に良熱伝導性材料よりなる伝熱部材として構成したものでもよい。凹凸面５の凹凸面５は、平行に延びる複数の凹条５０より構成されている。

金属製多孔体６は、この凹凸面５の上に重着されており、各凹条５０の両端部が、収納容器７の内部空間に開放されるように、凹凸面５より小さい寸法に設定されている。この凹条５０端部の内部空間に開放された開放部５１を通じて、冷媒がよりスムーズに供給され、或いは蒸気がスムーズに排出される。本例では互いに独立した凹条５０を所定間隔をおいて平行に形成した例を示しているが、これに限らず、例えば凹条を縦横に格子状に形成することも好ましい。

金属製多孔体６と凹凸面５の凹条５０の寸法設計によって、金属製多孔体６からの沸騰、蒸発の促進、或いは沸騰、蒸発の促進の何れかが生じることになる。発生する蒸気は、図３（ａ）の図中矢印に示すように、金属製多孔体６の上部の貫通孔開口６０ｂから排出されるか、或いは図３（ｂ）に示すように凹条開放部５１から排出される。そして、貫通孔開口６０ｂから排出される場合は、凹条５０の開放部５１から凹条５０を通じて冷媒４の液が自発的に金属製多孔体６の下面側へ供給され、沸騰、蒸発が持続的に促進されるし、凹条の開放部５１から蒸気が排出される場合は、金属製多孔体６の上部の貫通孔開口６０ｂを通じて冷媒４の液が自発的に金属製多孔体６内部に供給され、沸騰、蒸発が持続的に促進される。

金属製多孔体６は、凹凸面５に対して凹条５０の両端を解放させた状態でその他の部位をすべて覆うように一つのみ設けられているが、図４に示すように、隙間をあけて複数並設したものでもよい。これにより、凹条５０の開放部を両端のみでなく途中にも設けることができ、冷却効率をより高めることが可能となる。

金属製多孔体に用いる材料としては、アルミニウムや鉄、銅など従来の熱交換器の配管やフィンに使用される良熱伝導性の金属材料を広く適用できる。一方向に延びる貫通孔は、ドリル加工やレーザ加工など公知の方法で形成することができるが、本例では、貫通孔を有する金属製多孔体は、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体を、気孔の伸びる方向に交差する方向に切断加工してなる多孔材で構成されている。

このようなロータス型ポーラス金属成形体は、高圧ガス法（Pressurized Gas Method）（例えば特許第４２３５８１３号公報開示の方法）や、熱分解法（Thermal Decomposition Method）など、公知の方法で成形することができる。このようにロータス型ポーラス金属成形体から切り出した多孔材よりなる金属製多孔体６の周端部には、成形に用いられる型内壁によって前記気孔の存在しないスキン領域が形成されている。貫通孔６０は、前記切断により分断された前記気孔である。

このようにロータス型ポーラス金属成形体から切り出した多孔材を用いることで、一方向に延びる多数の貫通孔を有する金属製多孔体６を低コスト且つ容易に得ることができ、しかもその周囲にスキン領域が形成されることから、複数の多孔材の端面同士をろう付け等で接合して金属製多孔体６を構成する場合に接合強度を十分に維持できるとともにろう付け等の作業も容易であり、且つ、互いの間の熱伝導も良好に維持できる。

ロータス型ポーラス金属成形体から切り出した金属製多孔体６には、貫通孔６０以外に貫通していない有底の孔も存在するが、このような有底の孔も表面積を増大させる効果があり、冷媒の蒸発を促進する効果がある。金属製多孔体６の形状は、貫通孔６０の延びている方向の寸法が比較的小さい扁平な板状とされているが、その他の種々の形状に構成しても勿論よい。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこうした実施例に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

次に、凹凸面上に金属製多孔体を載置した本発明に係る伝熱壁部（実施例１）、凹条が存在しない平面に金属製多孔体を載置した伝熱壁部（比較例１）、比較例１から金属製多孔体を省略し、凹条が存在しない平面のみとした伝熱壁部（比較例２）について、冷却効果を確認するための沸騰冷却実験を行った結果について説明する。

（実験装置）
実験装置を図５（ａ）に示す。実験装置は、内径６３ｍｍの沸騰容器の底面に、銅ブロックを上面が冷却面（１０ｍｍ角）として容器内部空間に露出した状態に取り付けた。銅ブロックの底面には、ヒータを内装した加熱ブロックを接触状態で取り付けた。沸騰容器の上面には、気体蒸気になった冷媒蒸気を冷却水と熱交換させて凝縮液化させるコンデンサ（熱交換器）を設けた。沸騰容器内の冷媒は水（蒸留水）とし、沸騰容器の周囲に巻き付けたヒータにより飽和温度（１００℃）に維持した。図５（ｂ）は冷却面を構成する銅ブロックの拡大図であり、冷却面から３ｍｍ、７ｍｍ、１１ｍｍ、１５ｍｍ離れた位置にそれぞれ熱電対を設置した。

（電熱壁部）
実施例１は、冷却面に複数の平行な凹条を直接形成し、凹凸面としたうえ、金属製多孔体を載置した。凹条は、深さ０．４ｍｍ、幅０．４ｍｍ、ピッチ１ｍｍとした。金属製多孔体は、ロータス型ポーラス金属成形体から切り出した銅製の多孔体であり、１０ｍｍ角、厚さ２ｍｍの板材とした。厚さ方向に多数の貫通孔が設けられ、その平均気孔（貫通孔）直径は０．２６ｍｍ、気孔数は３５５であった。凹条の端面は容器内部に開放された状態とした。比較例１は、上記のとおりフラットのままの冷却面に、上記金属製多孔体を取り付けたものであり、比較例２は、フラットの冷却面のみとした。

（実験方法）
上記実験装置を用いて、実施例１、比較例１、２の各伝熱壁部を冷却面上に構成し、各場合について、それぞれ加熱ブロックをヒータで加熱するとともに、コンデンサを作動させ、伝熱壁部を冷媒で沸騰冷却しつつ、銅ブロック内の４箇所に設置した上記熱電対で各部の温度を測定した。そして、温度測定結果から公知のフーリエ則を用いて各場合の熱流束を算出し、沸騰曲線を得た。実施例１は、再現性を確認するために２度（Ｒｕｎ１，Ｒｕｎ２）実験を行った。図６は、各場合について実験の結果得られた沸騰曲線である。

図６の結果から分かるように、本発明に係る実施例１の冷却壁部によれば、フラットな面の場合（比較例２）に比べて最大性能が約１４０Ｗ／ｃｍ^２上昇し、フラットな面に金属製多孔体を取り付けた場合（比較例１）と比較しても、最大性能が約５０Ｗ／ｃｍ^２上昇し、優れた冷却性能を有している。実施例１の最大性能は２７６Ｗ／ｃｍ^２であったが、実験時の加熱の限界が原因であり、沸騰冷却限界としては、これ以上の可能性がある。

１沸騰冷却装置
２受熱部
３放熱部
４冷媒
５凹凸面
６金属製多孔体
７収納容器
８凝縮パイプ
９発熱体
２１外壁面
２２伝熱壁部
５０凹条
５１開放部
６０貫通孔
６０ａ、６０ｂ開口

Claims

発熱体が取り付けられる受熱部と、放熱部とを備え、内部に封入される冷媒が相変化により潜熱として放熱部に熱を輸送する沸騰冷却装置における、沸騰冷却構造であって、
前記受熱部の前記発熱体の位置に対応する伝熱壁部に、
複数の凹条を有する凹凸面と、
該凹凸面に対し、該凹凸面の前記凹条の少なくとも一部が内部空間に開放された状態で重ねるように取り付けられる金属製多孔体であり、一方向に延びる複数の貫通孔が形成され、該貫通孔の一方の開口が前記凹凸面に対面し、他方の開口が内部空間に開放されるように取り付けられる金属製多孔体とが設けられ、
前記凹凸面および前記金属製多孔体が、液相状態の冷媒から露出せずに完全浸漬されていることを特徴とする沸騰冷却構造。
前記凹凸面が、平行或いは格子状に延びる複数の前記凹条より構成されており、各凹条の両端部が前記内部空間に開放された状態に、前記金属製多孔体が取り付けられる請求項１記載の沸騰冷却構造。
前記金属製多孔体が、金属凝固法で成形された一方向に伸びた複数の気孔を有するロータス型ポーラス金属成形体である請求項１又は２記載の沸騰冷却構造。