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WO2024090236A1 - 伝熱部材、および伝熱部材の製造方法 - Google Patents

伝熱部材、および伝熱部材の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2024090236A1
WO2024090236A1 PCT/JP2023/037151 JP2023037151W WO2024090236A1 WO 2024090236 A1 WO2024090236 A1 WO 2024090236A1 JP 2023037151 W JP2023037151 W JP 2023037151W WO 2024090236 A1 WO2024090236 A1 WO 2024090236A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
refrigerant
heat transfer
transfer member
boiling
cooled
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/037151
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
上仁 柴田
公和 小原
陽一郎 河本
Original Assignee
株式会社デンソー
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社デンソー filed Critical 株式会社デンソー
Publication of WO2024090236A1 publication Critical patent/WO2024090236A1/ja

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating

Definitions

  • This disclosure relates to a heat transfer member that is applied to a boiling cooling type cooling device.
  • Patent Document 1 discloses a conventional boiling cooling type cooling device that cools objects to be cooled, such as electronic components that generate heat during operation, while immersed in a liquid-phase refrigerant (in other words, refrigerant liquid).
  • refrigerant liquid In a boiling cooling type cooling device, the refrigerant liquid is boiled using heat generated by the object to be cooled, and the latent heat of vaporization when the refrigerant liquid vaporizes is used to cool the object to be cooled.
  • the cooling device of Patent Document 1 includes a heat transfer member that promotes heat transfer from the object to be cooled to the refrigerant, and a circulation pump that pumps the refrigerant liquid toward the heat transfer member.
  • the heat transfer member of Patent Document 1 has a fin portion that forms multiple fins to increase the contact area between the heat transfer member and the refrigerant liquid.
  • the cooling device of Patent Document 1 the refrigerant liquid pumped from the circulation pump is forced to collide with the heat transfer member, pushing out the gas phase refrigerant particles (in other words, air bubbles) that have formed in the grooves formed between adjacent fins from within the grooves.
  • the cooling device of Patent Document 1 aims to promote boiling of the refrigerant near the heat transfer member and improve the cooling performance of the object to be cooled.
  • the cooling device of Patent Document 1 if the operating conditions change, for example, causing a change in the flow speed or flow direction of the refrigerant liquid pumped from the circulation pump, the refrigerant liquid pumped from the circulation pump may no longer be able to effectively push out the air bubbles in the grooves. In other words, in the cooling device of Patent Document 1, if the operating conditions change, the heat transfer performance of the heat transfer member may decrease, and the cooling performance of the cooling device may decrease.
  • the present disclosure aims to provide a heat transfer member that can exhibit high heat transfer performance regardless of the operating conditions of the cooling device to which it is applied.
  • Another object of the present disclosure is to provide a method for manufacturing a heat transfer member that can exhibit high heat transfer performance regardless of the operating conditions of the cooling device to which it is applied.
  • a heat transfer member is applied to a cooling device that cools an object to be cooled while immersed in a liquid-phase refrigerant, and is a heat transfer member that promotes heat transfer from the object to be cooled to the refrigerant.
  • the object to be cooled is an electronic device.
  • the refrigerant is a fluorine-based insulating refrigerant with a boiling point of 100°C or less.
  • the refrigerant is open to the atmosphere.
  • the refrigerant in a boiling curve with the horizontal axis representing the superheat degree dT of the refrigerant and the vertical axis representing the heat flux q, is a heat transfer member in which the superheat degree dT is 10K and the heat flux q is 300kW/ m2 .
  • the degree of superheat dT is the temperature of the heat transfer member Tw minus the saturation temperature Ts of the refrigerant.
  • the heat flux q is the amount of heat transferred per unit area from the heat transfer section to the refrigerant.
  • the applied cooling device when the degree of superheat dT becomes 10 K in the boiling curve, the heat flux q becomes 300 kW/ m2 , so that the applied cooling device can exhibit high heat transfer performance regardless of the operating conditions. In turn, the applied cooling device can exhibit stable high cooling performance.
  • the heat transfer member according to one aspect of the present disclosure is applied to a cooling device that cools an object to be cooled while immersed in a liquid-phase refrigerant, and is a heat transfer member that promotes heat transfer from the object to be cooled to the refrigerant. Furthermore, a boiling promotion surface that promotes boiling of the refrigerant is formed on the side of the refrigerant that comes into contact with the refrigerant.
  • the area formed between adjacent peaks is defined as a hole.
  • the distance between adjacent peaks is defined as the hole width Gw.
  • the distance between the line connecting adjacent peaks and the bottom between adjacent peaks is defined as the hole depth Gd.
  • the value obtained by dividing the hole depth Gd by the hole width Gw is defined as the hole aspect ratio Gd/Gw.
  • the number of holes on the refrigerant side with a hole aspect ratio Gd/Gw of 0.01 or more is 9 or more per mm, so that, as will be described in the embodiment below, high heat transfer performance can be achieved regardless of the operating conditions of the applied cooling device.
  • the applied cooling device can be made to exhibit stable high cooling performance.
  • the method for manufacturing a heat transfer member according to one aspect of the present disclosure is applied to a cooling device that cools an object to be cooled while immersed in a liquid-phase refrigerant, and is a method for manufacturing a heat transfer member that promotes heat transfer from the object to be cooled to the refrigerant.
  • the method includes a boiling promotion surface forming process in which a boiling promotion surface that promotes boiling of the refrigerant is formed by shot blasting on at least a portion of the refrigerant side surface that comes into contact with the refrigerant.
  • FIG. 1 is a schematic overall configuration diagram of a cooling device according to an embodiment
  • 2 is a cross-sectional view taken along line II-II of FIG. 1, and is a schematic cross-sectional view of a cooling part according to one embodiment
  • 3 is a cross-sectional view taken along line III-III of FIG. 2, showing a schematic enlarged cross-sectional view of the heat transfer member of the embodiment.
  • FIG. 2 is an external perspective view of a heat transfer member according to an embodiment.
  • 5 is an enlarged view taken in the direction of the arrow V in FIG. 4 .
  • FIG. 4 is an explanatory diagram for explaining holes in a boiling promotion surface according to an embodiment. 4 is a boiling curve for a heat transfer member according to one embodiment.
  • FIG. 11 is a graph showing a relationship between a hole aspect ratio and an integrated value of the number of holes Ng in one embodiment. 1 is a graph showing the relationship between hole width and hole aspect ratio in one embodiment.
  • FIG. 11 is an external perspective view of a heat transfer member according to another embodiment.
  • a heat transfer member 80 according to the present disclosure is applied to the cooling section 30 of a cooling device 100.
  • the cooling device 100 of this embodiment is a boiling cooling type cooling device that cools a heating element 70, which is an object to be cooled, while immersed in a refrigerant liquid 40, which is a liquid-phase refrigerant.
  • the cooling device 100 comprises a circulation pump 10, a heat dissipation section 20, and a cooling section 30. More specifically, the cooling device 100 is formed by arranging the circulation pump 10, the heat dissipation section 20, and the cooling section 30 in a circulation circuit 50 that circulates the refrigerant liquid 40.
  • the up and down arrows in Figures 1 and 2 indicate the vertical upward and downward directions of the properly arranged cooling section 30, respectively.
  • the circulation pump 10 is a pumping unit that sucks in and pumps the refrigerant liquid 40 that flows out from the circulation outlet 31 of the cooling unit 30.
  • the circulation pump 10 is an electric liquid pump that operates when power is supplied.
  • the circulation pump 10 can be a magnet pump or a canned pump in which at least a portion of the electric motor, which is the driving unit, is sealed from the refrigerant liquid 40.
  • a fluorine-based insulating refrigerant with a boiling point of 100°C or less is used as the refrigerant.
  • Fluorine-based insulating refrigerants are refrigerants that have excellent insulation properties, heat transfer properties, and stability. More specifically, in this embodiment, Novec (a product name and registered trademark of 3M) having a hydrofluoroether (HFE) structure is used as the refrigerant.
  • HFE hydrofluoroether
  • other refrigerants include, for example, Opteon (a product name and registered trademark of Mitsui-Chemours), Galden (a product name and registered trademark of Solvay), Asahiklin (a product name and registered trademark of AGC), and Soluble (a product name of Solvex).
  • the refrigerant inlet side of the heat dissipation section 20 is connected to the discharge port of the circulation pump 10.
  • the heat dissipation section 20 is a heat exchange section for dissipating heat by exchanging heat between the refrigerant liquid 40 and the atmosphere, and dissipating the heat contained in the refrigerant liquid 40 to the atmosphere.
  • the heat dissipation section 20 suppresses the rise in temperature of the refrigerant liquid 40 circulating through the circulation circuit 50, and maintains the refrigerant liquid 40 in a subcooled state.
  • the refrigerant outlet of the heat dissipation section 20 is connected to the circulation inlet section 32 side of the cooling section 30.
  • the cooling section 30 cools the heating element 70, which is the object to be cooled.
  • the cooling section 30 has a cooling tank section 33, a liquid storage tank section 34, and a partition member 35.
  • the cooling tank section 33, the liquid storage tank section 34, and the partition member 35 can be formed from a resin material or a metal material.
  • the cooling tank section 33 is formed in the shape of a rectangular parallelepiped container with an open top side. Inside the cooling tank section 33, a storage space 331 is formed for storing the lower portion of the electronic board 60.
  • the cooling tank section 33 is formed with a circulation inlet section 32 that allows the refrigerant liquid 40 flowing out from the heat dissipation section 20 to flow in, and a circulation outlet section 31 that allows the refrigerant liquid 40 to flow out to the suction port side of the circulation pump 10. Therefore, the refrigerant liquid 40 is stored in the storage space 331.
  • the electronic board 60 is an electric board section formed of a so-called rigid printed circuit board.
  • a number of electronic devices, including a heat generating element 70, are attached to the electronic board 60.
  • the portion of the electronic board 60 to which the multiple electronic devices, including the heat generating element 70, are attached becomes the portion that is immersed in the refrigerant liquid 40 when the electronic board 60 is accommodated in the accommodation space 331. Therefore, the heat generating element 70 is accommodated in the internal space of the cooling tank section 33 while being immersed in the refrigerant liquid 40.
  • the heat generating element 70 is an electronic device known as a large-scale integrated circuit, and more specifically, is the central processing unit of a computer.
  • the heat generating element 70 generates heat when in operation.
  • its performance such as its computing power, tends to decrease. Therefore, the cooling device 100 of this embodiment cools the heat generating element 70 to prevent the performance decrease.
  • the heating element 70 is formed in a rectangular flat plate shape.
  • the heating element 70 is joined to the electronic board 60 by soldering.
  • a heat transfer member 80 is attached to the surface of the heating element 70 opposite to the surface joined to the electronic board 60.
  • the heat transfer member 80 is a heat transfer section that promotes the transfer of heat from the heating element 70 to the refrigerant. The detailed configuration of the heat transfer member 80 will be described later.
  • the boiling point of the refrigerant liquid 40 is set to a value lower than the heat generation temperature reached when the heating element 70 generates heat. Therefore, in the cooling unit 30, the refrigerant liquid 40 is boiled by the heat generated by the heating element 70, and boiling cooling is performed by cooling the heating element 70 using the latent heat of vaporization when the refrigerant liquid 40 vaporizes.
  • the refrigerant liquid 40 in the area away from the heating element 70 is a subcooled liquid with a temperature lower than the boiling point, and the refrigerant liquid 40 in contact with the heat transfer member 80 attached to the heating element 70 boils, resulting in so-called subcooled boiling.
  • the refrigerant gas bubbles generated by the boiling of the refrigerant liquid 40 in contact with the heat transfer member 80 are cooled and condensed in the subcooled liquid.
  • the bubbles that cannot condense in the subcooled liquid are stored in the upper part of the storage space 331 and form a refrigerant gas layer 332.
  • the refrigerant gas layer 332 contains not only the refrigerant in the gas phase, but also the dissolved gas (specifically, air) that was dissolved in the refrigerant liquid 40. Of course, when all the bubbles have condensed, the volume of the refrigerant gas layer 332 becomes zero.
  • the liquid storage tank section 34 is formed in the shape of a rectangular parallelepiped container with an open bottom side.
  • the liquid storage tank section 34 is disposed above the cooling tank section 33.
  • the upper opening of the cooling tank section 33 and the lower opening of the liquid storage tank section 34 are formed in shapes that fit each other.
  • the cooling tank section 33 and the liquid storage tank section 34 are integrated by means of bolting or the like with their openings overlapping each other.
  • a sealing member such as a gasket (not shown) is interposed between the opening of the cooling tank section 33 and the opening of the liquid storage tank section 34. This prevents the refrigerant in the cooling section 30 from leaking out to the outside through the gap between the opening of the cooling tank section 33 and the opening of the liquid storage tank section 34.
  • a storage space 341 is formed inside the liquid storage tank section 34 to store the refrigerant liquid 40.
  • An opening 342 that penetrates the inside and outside of the liquid storage tank section 34 is formed on the upper surface of the liquid storage tank section 34. Therefore, the atmosphere can flow into the storage space 341 through the opening 342. In other words, in the cooling section 30, the refrigerant is open to the atmosphere.
  • the storage space 341 contains an upper portion of the electronic board 60.
  • a connector 61 is disposed in the upper portion of the electronic board 60.
  • the connector 61 is an electrical connection part to which electrical wiring 62 is connected.
  • the electrical wiring 62 includes a power line that serves as a transmission path for power, and a signal line that serves as a transmission path for electrical signals.
  • the electrical wiring 62 connected to the connector 61 is taken out to the outside of the cooling section 30 through the opening 342.
  • the partition member 35 separates the accommodation space 331 of the cooling tank section 33 from the storage space 341 of the liquid storage tank section 34.
  • the partition member 35 is formed in a generally flat plate shape.
  • the outer edge of the partition member 35 is formed in a shape that fits the opening of the cooling tank section 33.
  • the partition member 35 is fixed to the opening of the cooling tank section 33 by means of bolting, press fitting, adhesive, or other means.
  • the part of the partition member 35 that extends horizontally forms the bottom surface of the storage space 341.
  • a slit hole is formed in the center of the partition member 35, into which the electronic board 60 is inserted.
  • Support parts 351 that protrude toward the storage space 331 are formed around the slit hole.
  • the electronic board 60 is sandwiched between the support parts 351 and supported so as not to touch the inner wall surface of the cooling tank part 33.
  • the support parts 351 also function as a gas layer holder that holds the refrigerant gas layer 332 formed in the storage space 331.
  • a communication section 352 is formed between the partition member 35 and the electronic board 60.
  • the communication section 352 is a refrigerant passage that connects the accommodation space 331 of the cooling tank section 33 and the storage space 341 of the liquid storage tank section 34.
  • the liquid storage tank section 34 has an opening 342, so atmospheric pressure acts on the refrigerant in the storage space 341. Therefore, when the volume of the refrigerant in the cooling tank section 33 changes due to boiling or condensation of the refrigerant in the storage space 331, the refrigerant liquid 40 moves between the storage space 331 and the storage space 341 via the communication section 352.
  • the refrigerant liquid 40 moves between the accommodation space 331 and the storage space 341 via the communication portion 352, so that the cooling tank portion 33 is constantly supplied with the refrigerant liquid 40 for immersing the heating element 70.
  • the heat transfer member 80 is formed in a flat plate shape from a material with excellent heat transfer properties.
  • the heat transfer member 80 is formed from a metal such as aluminum or copper.
  • the outer surface of the heat transfer member 80 is broadly divided into a heating element side 81 and a refrigerant side 82.
  • the heating element side 81 is a flat surface of the outer circumferential surface of the heat transfer member 80 that contacts the heating element 70.
  • the heating element side 81 corresponds to the contact surface.
  • the heating element side 81 is joined by soldering or the like to the flat surface of the heating element 70 opposite the surface joined to the electronic board 60.
  • the heating element 70 and electronic board 60 are joined by reflow soldering, in which paste solder is printed on at least one of the joining surfaces of the heating element 70 and the electronic board 60, and the printed solder is heated and melted in a reflow furnace. This allows the heating element 70 and electronic board 60 to be joined over the entire joining surface.
  • the refrigerant side 82 is the surface that comes into contact with the refrigerant liquid 40. Therefore, the refrigerant side 82 is the surface of the outer circumferential surface of the heat transfer member 80 excluding the heating element side 81. In other words, the refrigerant side 82 includes not only the surface of the outer circumferential surface of the heat transfer member 80 that faces the heating element side 81, but also the surface that intersects with the heating element side 81.
  • a fin portion 83 is formed on the refrigerant side surface 82 that faces the heating element side surface 81.
  • the fin portion 83 is an area enlargement portion that enlarges the area of the refrigerant side surface 82 to promote heat transfer from the heating element 70 to the refrigerant.
  • the fin portion 83 is formed on the refrigerant side surface 82 that faces the heating element side surface 81 of the outer circumferential surface of the heat transfer member 80.
  • the fin portion 83 of this embodiment is formed by multiple grooves with a rectangular cross section provided on the refrigerant side surface 82 facing the heating element side surface 81.
  • the multiple grooves are formed to extend parallel to each other in the vertical direction. Therefore, the fin portion 83 of this embodiment forms a so-called straight fin.
  • each fin height dimension from the bottom surface of each fin groove formed between adjacent grooves is defined as the fin height hf.
  • the thickness dimension of each fin corresponding to the distance between adjacent grooves is defined as the fin thickness tf.
  • the value obtained by dividing the fin height hf by the fin thickness tf is defined as the fin aspect ratio hf/tf.
  • the distance between adjacent fins is defined as the fin spacing wf.
  • the fin aspect ratio hf/tf is set to 1.3 or more.
  • the heat transfer member 80 of this embodiment has an area of the refrigerant side surface 82 that is 1.8 times larger than that of a heat transfer member that does not have a fin portion 83.
  • the fin spacing wf is set to 0.2 mm or more. This prevents bubbles of the refrigerant gas boiling in the fin portion 83 from remaining in the groove portion.
  • a boiling promotion surface 84 is formed on at least a portion of the refrigerant side surface 82.
  • the boiling promotion surface 84 is a surface of the refrigerant side surface 82 that has been roughened to promote boiling of the refrigerant liquid 40. More specifically, as shown in FIG. 5, the boiling promotion surface 84 is formed on the surface that forms the top of the fin portion 83 of the refrigerant side surface 82, the opposing side surfaces of adjacent fins, the surface that forms the bottom of the groove portion, and the side surface of the outer circumferential surface of the heat transfer member 80.
  • the boiling promotion surface 84 has an area larger than the area of the heating element side surface 81, and is desirably formed over 50% or more of the area of the refrigerant side surface 82.
  • the boiling promotion surface 84 may be formed over the entire area of the refrigerant side surface 82. In addition, it is desirably formed over 50% or more of the fin portion 83.
  • the boiling promotion surface 84 is a surface that has been roughened on the refrigerant side surface 82.
  • the heat transfer member 80 by roughening the refrigerant side surface 82, a portion that serves as the boiling starting point when the refrigerant liquid 40 boils is formed. This makes it possible to promote boiling.
  • the boiling promotion surface 84 is roughened so that the surface roughness Rz satisfies the following formula F1.
  • the surface roughness Rz in this embodiment is an index called ten-point average roughness.
  • the surface roughness Rz is calculated by extracting a reference length from the roughness curve in a specified direction, and then calculating the sum of the average absolute value of the elevations of the five highest peaks in the extracted portion and the average absolute value of the elevations of the five lowest valley bases, expressed in micrometers ( ⁇ m).
  • the roughness curve is a curve obtained by removing wavelength components of a predetermined length or more from the cross-sectional curve drawn by the flat surface on a cross section perpendicular to the flat surface.
  • the thick line in this embodiment indicates the roughness curve Lrz on the boiling promotion surface 84.
  • the recesses formed between adjacent apexes 84a in the roughness curve of the boiling promotion surface 84 are defined as holes 84c.
  • the distance between adjacent apexes 84a is defined as hole width Gw.
  • the distance between the line connecting adjacent apexes 84a and the valley bottom 84b between adjacent apexes 84a is defined as hole depth Gd.
  • the value obtained by dividing hole depth Gd by hole width Gw is defined as hole aspect ratio Gd/Gw.
  • the number of holes 84c per unit length (1 mm in this embodiment) is defined as hole number Ng.
  • the boiling promotion surface 84 is roughened so that the number of holes Ng of the holes 84c that satisfies the following formula F2 satisfies the following formula F3, so that effective boiling promotion can be achieved.
  • the boiling promotion surface 84 of the present embodiment is roughened so that the number Ng of the holes 84c having a hole aspect ratio Gd/Gw of 0.01 or more is 9 or more per mm.
  • the hole aspect ratio Gd/Gw may be 0.4 or less.
  • hole width Gw should be determined so as to satisfy the following formula F4.
  • the degree of superheat dT is 10 K and the heat flux q is 300 kW/ m2 .
  • the degree of superheat dT is a value obtained by subtracting the saturation temperature Ts of the refrigerant liquid 40 from the temperature Tw of the heat transfer member 80.
  • the heat flux q is the amount of heat transferred from the heat transfer member 80 to the refrigerant liquid 40 per unit time.
  • FIG. 7 also shows, as a comparative example, the boiling curve of a heat transfer member that does not have a boiling promotion surface 84 formed thereon, i.e., a heat transfer member that has not been subjected to a roughening treatment.
  • a method for manufacturing the heat transfer member 80 of this embodiment will be described.
  • a material for the heat transfer member 80 on which the above-mentioned fin portion 83 is formed is prepared.
  • a material is prepared in which the fin portion 83 is formed by pressing or cutting a flat plate material such as aluminum or copper.
  • a boiling promotion surface 84 is formed on the material prepared in the material preparation process.
  • the boiling promotion surface 84 is formed by shot blasting. Shot blasting is a processing method in which fine alumina blasting material is sprayed and collided against the material, forming small holes in the surface of the material and roughening the surface.
  • the blasting material can be made of iron, stainless steel, zinc, ceramics, resin, etc.
  • the blast material is sprayed onto the fin portion 83 from a direction perpendicular to the heating element side surface 81.
  • the surface forming the top of the fin portion 83 on the refrigerant side surface 82 and the surface forming the bottom of the groove portion become the boiling promotion surface 84.
  • the blast material is sprayed onto the heating element side surface 81 from four horizontal directions.
  • the side surface of the outer circumferential surface of the heat transfer member 80 becomes the boiling promotion surface 84.
  • the entire surface of the fin portion 83 can be roughened. As a result, the entire surface of the fin portion 83 becomes the boiling promotion surface 84.
  • the circulation pump 10 sucks in and pumps out the refrigerant liquid 40 that flows out from the circulation outlet 31 of the cooling section 30.
  • the refrigerant liquid 40 pumped out from the circulation pump 10 flows into the heat dissipation section 20.
  • the refrigerant liquid 40 that flows into the heat dissipation section 20 is cooled by heat exchange with the atmosphere. This allows the refrigerant liquid 40 to be maintained in a subcooled state in the cooling device 100.
  • the refrigerant liquid 40 that flows out of the heat dissipation section 20 flows into the storage space 331 of the cooling section 30 via the circulation inlet section 32 of the cooling section 30.
  • the heat generated by the heating element 70 is transferred to the refrigerant liquid 40 via the heat transfer member 80. This causes the refrigerant liquid 40 near the heat transfer member 80 to boil, generating refrigerant gas bubbles. At this time, the heat generated by the heating element 70 is taken away as latent heat of vaporization of the refrigerant liquid 40, and the heating element 70 is cooled.
  • the refrigerant gas bubbles rise inside the cooling tank section 33 and are held below the partition member 35, forming a refrigerant gas layer 332. As mentioned above, if all the bubbles are cooled and condensed into the subcooled liquid, the refrigerant gas layer 332 is not formed.
  • the cooling device 100 of this embodiment can cool the heating element 70, which is the object to be cooled, by utilizing the latent heat of vaporization of the refrigerant liquid 40. Furthermore, since the cooling device 100 of this embodiment employs the heat transfer member 80, it can provide stable and high cooling performance even when the operating conditions change.
  • the cooling device 100 of the present embodiment employs the heat transfer member 80 in which the heat flux q is 300 kW/ m2 when the degree of superheat dT is 10 K in the boiling curve, as described with reference to Fig. 7. This allows the heat transfer member 80 to exhibit high heat transfer performance regardless of the operating conditions of the cooling device 100. As a result, the cooling device 100 can stably exhibit high cooling performance.
  • the inventors have also confirmed that by performing a roughening process, i.e., by forming a boiling promotion surface 84, it is possible to form a heat transfer member 80 that exhibits high heat transfer performance, as explained with reference to FIG. 7.
  • the integrated value of the number of holes Ng in FIG. 8 is the integrated value of the number of holes Ng for holes 84c where the hole aspect ratio Gd/Gw is 0.01 or more and is equal to or less than the upper limit of the hole aspect ratio Gd/Gw.
  • a heat transfer member 80 with a hole aspect ratio Gd/Gw of 0.01 or more and a number of holes Ng of 9 or more will be a heat transfer member 80 that exhibits high heat transfer performance.
  • the upper limit value of the hole aspect ratio Gd/Gw is greater than 0.4, the integrated value of the number of holes Ng does not change, so the upper limit value of the hole aspect ratio Gd/Gw may be set to 0.4 or less.
  • the inventors also investigated the distribution of hole width Gw of six types of heat transfer members 80 that exhibit the above-mentioned high heat transfer performance by forming a boiling promotion surface 84.
  • a heat transfer member 80 that exhibits high heat transfer performance can be obtained by setting the hole width Gw to 1.7 ⁇ m or more and 315 ⁇ m or less. This makes it possible to more reliably form a boiling promotion surface 84 that can improve heat transfer performance.
  • the heat transfer member 80 of this embodiment has a fin portion 83 that is an area enlarged portion, so that it is possible to promote heat transfer from the heating element 70 to the refrigerant. Furthermore, since the boiling promotion surface 84 is formed on a surface parallel to the heating element side surface 81, even if the heat transfer member 80 has a fin portion 83, the boiling promotion surface 84 can be formed.
  • the manufacturing method of the heat transfer member 80 in this embodiment also includes a boiling promotion surface forming process in which the boiling promotion surface 84 is formed by shot blasting.
  • the projection material is sprayed from a direction perpendicular to the heating element side surface 81, so that the boiling promotion surface 84 can be easily formed not only on the surface that forms the top of the fin portion 83 on the refrigerant side surface 82, but also on the surface that forms the bottom of the groove portion.
  • cooling device 100 was used to cool the heat generating element 70, which is an electronic device, but the object to be cooled is not limited to electronic devices.
  • the cooling device 100 equipped with the heat transfer member 80 of this embodiment can be applied to a wide range of objects to be cooled that require cooling.
  • the cooling device 100 is not limited to the configuration disclosed in the above embodiment.
  • the circulation circuit 50, the circulation pump 10, and the heat dissipation unit 20 may be eliminated.
  • the heat transfer member 80 is not limited to the configuration disclosed in the above embodiment.
  • the heat transfer member 80 is fixed to the heating element 70 by soldering, but the manner in which the heat transfer member 80 is fixed is not limited to this.
  • the heat transfer member 80 may be fixed to the heating element 70 by fastening means such as bolts, with a sheet-like or grease-like thermally conductive material that is electrically insulating and has high thermal conductivity being interposed in the gap between the heat transfer member 80 and the heating element 70.
  • the fin portion 83 is formed by a plurality of grooves extending in the vertical direction, but this is not limited to this.
  • the fin portion 83 may be formed by a plurality of grooves extending in the vertical direction and a plurality of grooves extending in the horizontal direction.
  • the fin portion 83 may form so-called pin fins.
  • the fin portion 83 is formed by a plurality of grooves having a rectangular cross section, but this is not limiting.
  • the fin portion 83 may be formed by a plurality of grooves having a triangular or trapezoidal cross section. This makes it easier to form a boiling promotion surface 84 on the side surface formed between adjacent fins.
  • cooling tank section 33 and the liquid storage tank section 34 were configured as separate bodies (i.e., separate members) in the cooling section 30, but this is not limiting.
  • the cooling tank section 33 and the liquid storage tank section 34 may be formed integrally.

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Abstract

冷却対象物（７０）を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置（１００）に適用されて、冷却対象物（７０）から冷媒への熱移動を促進する伝熱部材である。さらに、冷却対象物（７０）は、電子機器である。冷媒は、沸点が１００℃以下のフッ素系絶縁冷媒である。冷媒は、大気に開放されている。そして、横軸を冷媒の過熱度ｄＴとし、縦軸を熱流束ｑとした沸騰曲線において、過熱度ｄＴが１０Ｋで、熱流束ｑが３００ｋＷ／ｍ2となる伝熱部材である。但し、過熱度ｄＴは、伝熱部材の温度Ｔｗから冷媒の飽和温度Ｔｓを減算した値である。また、熱流束ｑは、伝熱部から冷媒へ単位面積に伝えられる熱量である。

Description

伝熱部材、および伝熱部材の製造方法 関連出願の相互参照
　本出願は、２０２２年１０月２８日に出願された日本特許出願２０２２－１７３２８９号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、沸騰冷却式の冷却装置に適用される伝熱部材に関する。
　従来、特許文献１に、作動時に発熱する電子部品等の冷却対象物を液相の冷媒（換言すると、冷媒液）に浸漬させた状態で冷却する沸騰冷却式の冷却装置が開示されている。沸騰冷却式の冷却装置では、冷却対象物が発生させた熱によって冷媒液を沸騰させ、冷媒液が気化する際の気化潜熱を利用して冷却対象物を冷却する。
　さらに、特許文献１の冷却装置は、冷却対象物から冷媒への熱移動を促進する伝熱部材と、伝熱部材へ向けて冷媒液を圧送する循環ポンプと、を備える。特許文献１の伝熱部材は、伝熱部材と冷媒液との接触面積を拡大させるための複数のフィンを形成するフィン部を有している。
　そして、特許文献１の冷却装置では、循環ポンプから圧送された冷媒液を伝熱部材へ衝突させることによって、隣り合うフィン同士の間に形成された溝部内に発生した気相冷媒の粒（換言すると、気泡）を、溝部内から押し出している。これにより、特許文献１の冷却装置では、伝熱部材の近傍の冷媒の沸騰を促進させて、冷却対象物の冷却性能を向上させようとしている。
特開２０１５－２２０３６３号公報
　ところが、特許文献１の冷却装置では、溝部内の気泡を有効に押し出すために、循環ポンプから圧送された冷媒液の流速や流れ方向、並びに、伝熱部材の各フィンの深さ寸法や幅寸法が決定されている。
　このため、特許文献１の冷却装置では、運転条件が変化して、例えば、循環ポンプから圧送された冷媒液の流速や流れ方向が変化してしまうと、循環ポンプから圧送された冷媒液によって溝部内の気泡を有効に押し出せなくなってしまう可能性がある。つまり、特許文献１の冷却装置では、運転条件が変化してしまうと、伝熱部材の伝熱性能が低下して、冷却装置の冷却性能が低下してしまう可能性がある。
　本開示は、上記点に鑑み、適用された冷却装置の運転条件によらず高い伝熱性能を発揮可能な伝熱部材を提供することを目的とする。
　また、本開示は、適用された冷却装置の運転条件によらず高い伝熱性能を発揮可能な伝熱部材の製造方法を提供することを別の目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示の一態様に係る伝熱部材は、冷却対象物を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置に適用されて、冷却対象物から冷媒への熱移動を促進する伝熱部材である。
　さらに、冷却対象物は、電子機器である。冷媒は、沸点が１００℃以下のフッ素系絶縁冷媒である。冷媒は、大気に開放されている。そして、横軸を冷媒の過熱度ｄＴとし、縦軸を熱流束ｑとした沸騰曲線において、過熱度ｄＴが１０Ｋで、熱流束ｑが３００ｋＷ／ｍ2となる伝熱部材である。
　但し、過熱度ｄＴは、伝熱部材の温度Ｔｗから冷媒の飽和温度Ｔｓを減算した値である。また、熱流束ｑは、伝熱部から冷媒へ単位面積に伝えられる熱量である。
　これによれば、沸騰曲線において、過熱度ｄＴが１０Ｋとなった際に、熱流束ｑが３００ｋＷ／ｍ2となるので、適用された冷却装置の運転条件によらず高い伝熱性能を発揮させることができる。延いては、適用された冷却装置に、安定的に高い冷却性能を発揮させることができる。
　また、本開示の一態様に係る伝熱部材は、冷却対象物を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置に適用されて、冷却対象物から冷媒への熱移動を促進する伝熱部材である。さらに、冷媒に接触する冷媒側面には、冷媒の沸騰を促進する沸騰促進面が形成されている。
　沸騰促進面の粗さ曲線において、隣り合う頂部の間に形成される部位を穴部と定義する。また、隣り合う頂部間の距離を穴部幅Ｇｗと定義する。また、隣り合う頂部間を結ぶ線と隣り合う頂部間における底部との距離を穴部深さＧｄと定義する。また、穴部深さＧｄを穴部幅Ｇｗで除した値を穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗと定義する。また、単位長さあたりの底部の数を穴部数Ｎｇと定義したときに、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが０．０１以上となる穴部の穴部数が、１ｍｍあたり９個以上になっている。
　これによれば、冷媒側面に、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが０．０１以上となる穴部の穴部数が、１ｍｍあたり９個以上になっているので、後述の実施形態に説明するように、適用された冷却装置の運転条件によらず高い伝熱性能を発揮させることができる。延いては、適用された冷却装置に、安定的に高い冷却性能を発揮させることができる。
　また、本開示の一態様に係る伝熱部材の製造方法は、冷却対象物を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置に適用されて、冷却対象物から冷媒への熱移動を促進する伝熱部材の製造方法である。
　さらに、冷媒に接触する冷媒側面の少なくとも一部に、ショットブラスト加工によって、冷媒の沸騰を促進する沸騰促進面を形成する沸騰促進面形成工程を有する。
　これによれば、伝熱部材に、沸騰促進面を形成することができる。従って、適用された冷却装置の運転条件によらず高い伝熱性能を発揮する伝熱部材の製造方法を提供することができる。
一実施形態の冷却装置の模式的な全体構成図である。 図１のＩＩ－ＩＩ断面であって、一実施形態の冷却部の模式的な断面図である。 図２のＩＩＩ－ＩＩＩ断面であって、一実施形態の伝熱部材の模式的な拡大断面図である。 一実施形態の伝熱部材の外観斜視図である。 図４のＶ方向からみた拡大矢視図である。 一実施形態の沸騰促進面の穴部を説明するための説明図である。 一実施形態の伝熱部材における沸騰曲線である。 一実施形態の穴部アスペクト比と穴部数Ｎｇの積算値との関係を示すグラフである。 一実施形態の穴部幅と穴部アスペクト比との関係を示すグラフである。 他の実施形態の伝熱部材の外観斜視図である。
　図１～図９を用いて、本開示の一実施形態を説明する。本実施形態では、本開示に係る伝熱部材８０を、冷却装置１００の冷却部３０に適用している。本実施形態の冷却装置１００は、冷却対象物である発熱素子７０を、液相の冷媒である冷媒液４０に浸漬させた状態で冷却する沸騰冷却式の冷却装置である。
　冷却装置１００は、図１、図２に示すように、循環ポンプ１０と、放熱部２０と、冷却部３０と、を備えている。より詳細には、冷却装置１００は、冷媒液４０を循環させる循環回路５０に、循環ポンプ１０、放熱部２０、冷却部３０を配置することによって形成されている。図１、図２の上下の各矢印は、それぞれ適正に配置された冷却部３０における鉛直方向上方および下方を示している。
　まず、循環ポンプ１０は、冷却部３０の循環出口部３１から流出した冷媒液４０を吸入して圧送する圧送部である。循環ポンプ１０は、電力を供給されることによって作動する電動式の液体ポンプである。循環ポンプ１０としては、駆動部である電動モータの少なくとも一部が、冷媒液４０に対して密閉された構造になっているマグネットポンプや、キャンドポンプ等を採用することができる。
　本実施形態では、冷媒として、沸点が１００℃以下のフッ素系絶縁冷媒を採用している。フッ素系絶縁冷媒は、絶縁性、伝熱特性、安定性に優れる冷媒である。より具体的には、本実施形態では、冷媒として、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）構造を有するノベック（３Ｍ社の商品名、登録商標）を採用している。なお、冷媒として、例えば、オプテオン（三井・ケマーズ社の商品名、登録商標）、ガルデン（ソルベイ社の商品名、登録商標）、アサヒクリン（ＡＧＣ社の商品名、登録商標）、ソルブル（ソルベックス社の商品名）等を採用してもよい。
　循環ポンプ１０の吐出口には、放熱部２０の冷媒入口側が接続されている。放熱部２０は、冷媒液４０と大気とを熱交換させて、冷媒液４０の有する熱を大気に放熱させる放熱用の熱交換部である。放熱部２０は、冷媒液４０の有する熱を大気に放熱させることによって、循環回路５０を循環する冷媒液４０の温度上昇を抑制して、冷媒液４０のサブクール状態を維持する。
　放熱部２０の冷媒出口には、冷却部３０の循環入口部３２側が接続されている。冷却部３０は、冷却対象物である発熱素子７０を冷却する。冷却部３０は、図２の断面図に示すように、冷却槽部３３、貯液槽部３４、および仕切部材３５を有している。冷却槽部３３、貯液槽部３４、および仕切部材３５は、樹脂材料あるいは金属材料によって形成することができる。
　冷却槽部３３は、直方体形状の上面側が開口した容器状に形成されている。冷却槽部３３の内部には、電子基板６０の下方側の部位を収容するための収容空間３３１が形成されている。冷却槽部３３には、放熱部２０から流出した冷媒液４０を流入させる循環入口部３２、および冷媒液４０を循環ポンプ１０の吸入口側へ流出させる循環出口部３１が形成されている。このため、収容空間３３１には、冷媒液４０が貯蔵される。
　電子基板６０は、いわゆる硬質プリント基板で形成された電気基板部である。電子基板６０には、発熱素子７０を含む複数の電子機器が取り付けられている。電子基板６０のうち、発熱素子７０を含む複数の電子機器が取り付けられた部位は、電子基板６０が収容空間３３１内に収容された際に、冷媒液４０に浸漬する部位となる。従って、発熱素子７０は、冷媒液４０に浸漬した状態で、冷却槽部３３の内部空間に収容される。
　発熱素子７０は、大規模集積回路と呼ばれる電子機器であって、具体的には、コンピュータの中央演算処理装置である。発熱素子７０は、作動時に発熱する。発熱素子７０は、高温になると演算能力等の性能が低下してしまいやすい。そこで、本実施形態の冷却装置１００では、性能低下を抑制するために発熱素子７０を冷却している。
　発熱素子７０は、矩形の平板状に形成されている。発熱素子７０は、はんだ付けによって電子基板６０に接合されている。さらに、発熱素子７０の電子基板６０に接合された面の反対側の面には、伝熱部材８０が取り付けられている。伝熱部材８０は、発熱素子７０から冷媒への熱移動を促進する伝熱部である。伝熱部材８０の詳細構成については後述する。
　ここで、本実施形態の冷媒液４０の沸点は、発熱素子７０が発熱した際に到達する発熱温度よりも低い値に設定されている。このため、冷却部３０では、発熱素子７０が発生させた熱によって冷媒液４０を沸騰させ、冷媒液４０が気化する際の気化潜熱を利用して発熱素子７０を冷却する沸騰冷却が行われる。
　さらに、本実施形態の冷却部３０では、発熱素子７０から離れた部位の冷媒液４０が沸点よりも低温のサブクール液となっている状態で、発熱素子７０に取り付けられた伝熱部材８０に接触する冷媒液４０が沸騰する、いわゆるサブクール沸騰が行われる。
　伝熱部材８０に接触する冷媒液４０が沸騰して発生した冷媒ガスの気泡は、サブクール液中で冷却されて凝縮する。サブクール液中で凝縮できなかった気泡は、収容空間３３１内の上部に貯留されて冷媒ガス層３３２を形成する。冷媒ガス層３３２には、気相の冷媒だけでなく、冷媒液４０に溶存していた溶存ガス（具体的には、空気）も含まれている。もちろん、全ての気泡が凝縮した際には、冷媒ガス層３３２の体積はゼロとなる。
　次に、貯液槽部３４は、直方体形状の底面側が開口した容器状に形成されている。貯液槽部３４は、冷却槽部３３の上方側に配置されている。冷却槽部３３の上方側の開口部と貯液槽部３４の下方側の開口部は、互いに適合する形状に形成されている。
　冷却槽部３３と貯液槽部３４は、互いの開口部を重合させた状態でボルト締め等の手段で一体化されている。冷却槽部３３の開口部と貯液槽部３４の開口部との間には、図示しないガスケット等のシール部材が介在されている。このため、冷却部３０内の冷媒が、冷媒が冷却槽部３３の開口部と貯液槽部３４の開口部との隙間から外部へ漏れ出てしまうことはない。
　貯液槽部３４の内部には、冷媒液４０を貯留する貯留空間３４１が形成されている。貯液槽部３４の上方側の面には、貯液槽部３４の内外を貫通する開口部３４２が形成されている。このため、大気は、開口部３４２を介して、貯留空間３４１へ流入することができる。つまり、冷却部３０では、冷媒は大気に開放されている。
　貯留空間３４１には、電子基板６０の上方側の部位が収容されている。電子基板６０の上方側の部位には、コネクタ６１が配置されている。コネクタ６１は、電気配線６２が接続される電気接続部である。電気配線６２には、電力の伝送路となる電力線、および電気信号の伝送路となる信号線が含まれる。コネクタ６１に接続された電気配線６２は、開口部３４２から冷却部３０の外部へ取り出されている。
　仕切部材３５は、冷却槽部３３の収容空間３３１と貯液槽部３４の貯留空間３４１とを仕切っている。仕切部材３５は、略平板状に形成されている。仕切部材３５の外縁部は、冷却槽部３３の開口部に適合する形状に形成されている。仕切部材３５は、冷却槽部３３の開口部にボルト締め、圧入や接着等の手段で固定されている。仕切部材３５の水平方向に広がる部位は、貯留空間３４１の底面となる。
　また、仕切部材３５の中央部には、電子基板６０が嵌挿されるスリット穴が形成されている。スリット穴の周囲には、収容空間３３１側へ突出する形状の支持部３５１が形成されている。電子基板６０は、支持部３５１に狭持されて、冷却槽部３３の内壁面に触れないように支持されている。支持部３５１は、収容空間３３１内に形成された冷媒ガス層３３２を保持するガス層保持部としての機能も兼ね備えている。
　さらに、仕切部材３５と電子基板６０との間には、連通部３５２が形成されている。連通部３５２は、冷却槽部３３の収容空間３３１と貯液槽部３４の貯留空間３４１とを連通させる冷媒通路である。
　前述の如く、貯液槽部３４には開口部３４２が形成されているので、貯留空間３４１内の冷媒には大気圧が作用している。このため、収容空間３３１内の冷媒の沸騰や凝縮によって、冷却槽部３３内の冷媒の体積が変動した際には、冷媒液４０が連通部３５２を介して収容空間３３１と貯留空間３４１との間を移動する。
　このように、冷媒液４０が連通部３５２を介して収容空間３３１と貯留空間３４１との間を移動することで、冷却槽部３３には、発熱素子７０を浸漬させるための冷媒液４０が常に供給される。
　次に、図３～図５を用いて、伝熱部材８０について説明する。伝熱部材８０は、伝熱性に優れる材料によって、平板状に形成されている。本実施形態の伝熱部材８０は、アルミニウムや銅等の金属で形成されている。伝熱部材８０の外表面は、発熱体側面８１と、冷媒側面８２と、に大別される。
　発熱体側面８１は、伝熱部材８０の外周面のうち、発熱素子７０に接触する平坦面である。発熱体側面８１は、接触面に相当する。発熱体側面８１は、発熱素子７０の電子基板６０に接合された面の反対側の平坦面に、はんだ付け等によって接合されている。
　より具体的には、本実施形態の発熱素子７０と電子基板６０は、発熱素子７０および電子基板６０の少なくとも一方の接合面にペーストはんだを印刷し、印刷されたはんだをリフロー炉にて加熱溶融するリフローはんだ付けによって接合されている。これによれば、接合面の全域に亘って、発熱素子７０と電子基板６０とを接合することができる。
　冷媒側面８２は、冷媒液４０に接触する面である。従って、冷媒側面８２は、伝熱部材８０の外周面のうち、発熱体側面８１を除く面である。つまり、冷媒側面８２には、伝熱部材８０の外周面のうち、発熱体側面８１に対抗する面だけでなく、発熱体側面８１に交差する面も含まれる。
　冷媒側面８２のうち、発熱体側面８１に対向する面には、フィン部８３が形成されている。フィン部８３は、冷媒側面８２の面積を拡大させて、発熱素子７０から冷媒への伝熱を促進する面積拡大部である。本実施形態のフィン部８３は、伝熱部材８０の外周面のうち、発熱体側面８１に対向する冷媒側面８２に形成されている。
　本実施形態のフィン部８３は、発熱体側面８１に対向する冷媒側面８２に設けられた断面矩形状の複数の溝部によって形成されている。複数の溝部は、互いに平行に上下方向に伸びるように形成されている。従って、本実施形態のフィン部８３は、いわゆるストレートフィンを形成している。
　ここで、隣り合う溝部同士に間に形成される各フィンの溝部の底面からの高さ寸法をフィン高さｈｆと定義する。また、隣り合う溝部同士の距離に対応する各フィンの厚み寸法をフィン厚みｔｆと定義する。また、フィン高さｈｆをフィン厚みｔｆで除した値をフィンアスペクト比ｈｆ／ｔｆと定義する。また、隣り合うフィン同士の距離をフィン間隔ｗｆと定義する。
　本実施形態では、フィンアスペクト比ｈｆ／ｔｆを１．３以上に設定している。これにより、本実施形態の伝熱部材８０は、フィン部８３が形成されていない伝熱部材に対して、冷媒側面８２の面積を、１．８倍以上に拡大している。また、本実施形態では、フィン間隔ｗｆを０．２ｍｍ以上に設定している。これにより、フィン部８３で沸騰した冷媒ガスの気泡が溝部内に滞留してしまうことを抑制している。
　さらに、本実施形態の冷媒側面８２の少なくとも一部には、沸騰促進面８４が形成されている。沸騰促進面８４は、冷媒液４０の沸騰を促進するために、冷媒側面８２に粗面化処理を施した面である。より具体的には、沸騰促進面８４は、図５に示すように、冷媒側面８２のフィン部８３の頂部を形成する面、隣り合うフィン同士の対向する側面、溝部の底部を形成する面、並びに、伝熱部材８０の外周面の側面に形成されている。
　沸騰促進面８４は、発熱体側面８１の面積よりも大きい面積であって、冷媒側面８２の面積の５０％以上形成されていることが望ましい。もちろん、沸騰促進面８４は、冷媒側面８２の全域に形成されていてもよい。また、沸騰促進面８４は、フィン部８３の５０％以上に形成されていることが望ましい。
　次に、沸騰促進面８４の詳細構成について説明する。前述の如く、沸騰促進面８４は、冷媒側面８２に粗面化処理を施した面である。伝熱部材８０では、冷媒側面８２に粗面化処理が施されることによって、冷媒液４０が沸騰する際の沸騰起点となる部位が形成される。これにより、沸騰を促進することができる。
　そこで、本実施形態の沸騰促進面８４では、面粗度Ｒｚが、以下数式Ｆ１を満足するように、粗面化処理がなされている。
　１≦Ｒｚ≦１５０　…（Ｆ１）
　本実施形態の面粗度Ｒｚは、十点平均粗さと呼ばれる指標である。
　より詳細には、面粗度Ｒｚは、粗さ曲線から所定の方向に基準長さだけを抜き取り、抜き取った部分における最も高い山頂部から５番目までの山頂部の標高の絶対値の平均値と、最も低い谷底部から５番目までの谷底部の標高の絶対値の平均値との和を求め、マイクロメートル（μｍ）で表したものである。
　粗さ曲線は、平坦面に垂直な断面上に平坦面が描く断面曲線から所定の長さ以上の波長成分を除去した曲線である。図６は、本実施形態の太線は、沸騰促進面８４における粗さ曲線Ｌｒｚを示している。
　さらに、本実施形態では、図６に示すように、沸騰促進面８４の粗さ曲線において、隣り合う頂部８４ａ間に形成される凹み部を穴部８４ｃと定義する。また、隣り合う頂部８４ａ間の距離を穴部幅Ｇｗと定義する。また、隣り合う頂部８４ａ同士を結ぶ線と隣り合う頂部８４ａ間の谷底部８４ｂとの距離を穴部深さＧｄと定義する。また、穴部深さＧｄを穴部幅Ｇｗで除した値を穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗと定義する。また、単位長さ（本実施形態では、１ｍｍ）あたりの穴部８４ｃの数量を穴部数Ｎｇと定義する。
　そして、本実施形態の沸騰促進面８４では、有効な沸騰促進が行われるように、以下数式Ｆ２を満たす穴部８４ｃの穴部数Ｎｇが以下数式Ｆ３を満たすように、粗面化処理がなされている。
　Ｇｄ／Ｇｗ≧０．０１　…（Ｆ２）
　Ｎｇ≧９　　…（Ｆ３）
　すなわち、本実施形態の沸騰促進面８４では、粗面化処理がなされることによって、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが０．０１以上となる穴部８４ｃの穴部数Ｎｇが、１ｍｍあたり、９個以上となるように粗面化処理がなされている。また、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗは、０．４以下としてもよい。
　さらに、穴部幅Ｇｗは、以下数式Ｆ４を満たすように決定すればよい。
　３１５μｍ≧Ｇｗ≧１．７μｍ　 …（Ｆ４）
　本実施形態の伝熱部材８０は、上述の粗面化処理がなされていることによって、図７に示すように、横軸を前記冷媒の過熱度ｄＴとし、縦軸を熱流束ｑとした沸騰曲線において、過熱度ｄＴが１０Ｋで、熱流束ｑが３００ｋＷ／ｍ2となる。過熱度ｄＴは、伝熱部材８０の温度Ｔｗから冷媒液４０の飽和温度Ｔｓを減算した値である。熱流束ｑは、伝熱部材８０から冷媒液４０へ単位時間に伝えられる熱量である。
　また、図７では、比較例として、沸騰促進面８４が形成されていない伝熱部材、すなわち粗面化処理がなされていない伝熱部材の沸騰曲線も示している。
　次に、本実施形態の伝熱部材８０の製造方法について説明する。まず、素材準備工程では、前述したフィン部８３が形成された伝熱部材８０の素材を用意する。素材準備工程では、アルミニウムや銅等の平板素材に、プレス加工や切削加工によってフィン部８３を形成した素材を用意すればよい。
　沸騰促進面形成工程では、素材準備工程で用意された素材に沸騰促進面８４を形成する。沸騰促進面形成工程では、ショットブラスト加工によって、沸騰促進面８４を形成する。ショットブラスト加工は、素材に対して、細かなアルミナ製の投射材を吹き付けて衝突させることによって、素材の表面に小さな穴部を形成して表面を粗面化する加工法である。なお、投射材の材料としては、鉄、ステンレス、亜鉛、セラミックス、樹脂等を採用することができる。
　本実施形態の沸騰促進面形成工程では、フィン部８３に対して、発熱体側面８１に垂直な方向から投射材を吹き付ける。これにより、冷媒側面８２のフィン部８３の頂部を形成する面、および溝部の底部を形成する面が沸騰促進面８４となる。また、発熱体側面８１に水平な４つ方向から投射材を吹き付ける。これにより、伝熱部材８０の外周面の側面が沸騰促進面８４となる。なお、フィン部８３に対して、種々の方向からフィン間隔ｗｆよりも十分に小さい投射材を吹き付けることにより、フィン部８３の全面を粗面化できる。これにより、フィン部８３の全面が沸騰促進面８４となる。
　次に、本実施形態の冷却装置１００の作動について説明する。まず、循環ポンプ１０を作動させると、循環ポンプ１０は、冷却部３０の循環出口部３１から流出した冷媒液４０を吸入して圧送する。循環ポンプ１０から圧送された冷媒液４０は、放熱部２０へ流入する。
　放熱部２０へ流入した冷媒液４０は、大気と熱交換して冷却される。これにより、冷却装置１００では、冷媒液４０のサブクール状態が維持される。放熱部２０から流出した冷媒液４０は、冷却部３０の循環入口部３２を介して冷却部３０の収容空間３３１へ流入する。
　冷却部３０では、発熱素子７０の発生させた熱が、伝熱部材８０を介して、冷媒液４０へ伝熱される。これにより、伝熱部材８０近傍の冷媒液４０が沸騰して、冷媒ガスの気泡が発生する。この際、発熱素子７０の発生させた熱が、冷媒液４０の気化潜熱として奪われ、発熱素子７０が冷却される。
　冷媒ガスの気泡は、冷却槽部３３の内部を上昇し、仕切部材３５の下方側に保持されて、冷媒ガス層３３２を形成する。前述の如く、全ての気泡がサブクール液に冷却された凝縮した場合は、冷媒ガス層３３２は形成されない。
　以上の如く、本実施形態の冷却装置１００では、冷媒液４０の気化潜熱を利用して冷却対象物である発熱素子７０を冷却することができる。さらに、本実施形態の冷却装置１００では、伝熱部材８０を採用しているので、運転条件が変化しても安定的に高い冷却性能を発揮させることができる。
　より詳細には、本実施形態の冷却装置１００では、図７を用いて説明したように、沸騰曲線において、過熱度ｄＴが１０Ｋとなった際に、熱流束ｑが３００ｋＷ／ｍ2となる伝熱部材８０を採用している。これによれば、冷却装置１００の運転条件によらず、伝熱部材８０に高い伝熱性能を発揮させることができる。その結果、冷却装置１００に安定的に高い冷却性能を発揮させることができる。
　また、本発明者らは、粗面化処理を行うことによって、すなわち沸騰促進面８４を形成することによって、図７を用いて説明したように、高い伝熱性能を発揮する伝熱部材８０を形成できることを確認している。
　具体的には、本発明者らは、粗面化処理によって高い伝熱性能を発揮する６種類の伝熱部材８０の穴部アスペクト比の上限値と穴部数Ｎｇの積算値との関係を調査した。図８の穴部数Ｎｇの積算値とは、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが、０．０１以上となり、かつ、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗの上限値以下となる穴部８４ｃについて穴部数Ｎｇを積算した値である。
　その結果、図８に示すように、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが０．０１以上であって、穴部数Ｎｇが９個以上の伝熱部材８０であれば、高い伝熱性能を発揮する伝熱部材８０となることを確認している。さらに、図８に示すように、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗの上限値が０．４より大きくなると、穴部数Ｎｇの積算値が変化しなくなることから、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗの上限値を０．４以下に設定してもよい。
　また、本発明者らは、沸騰促進面８４を形成することによって、上述した高い伝熱性能を発揮する６種類の伝熱部材８０の穴部幅Ｇｗの分布を調査した。その結果、図９に示すように、穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが０．０１以上の場合は、穴部幅Ｇｗを１．７μｍ以上、かつ、３１５μｍ以下とすれば、高い伝熱性能を発揮する伝熱部材８０となることを確認している。これによれば、より一層確実に、伝熱性能を向上可能な沸騰促進面８４を形成することができる。
　また、本実施形態の伝熱部材８０では、面積拡大部であるフィン部８３を有しているので、発熱素子７０から冷媒への伝熱を促進することができる。さらに、沸騰促進面８４は、発熱体側面８１に平行な面に形成されているので、フィン部８３を有していても、沸騰促進面８４を形成することができる。
　また、本実施形態の伝熱部材８０の製造方法では、ショットブラスト加工によって沸騰促進面８４を形成する沸騰促進面形成工程を有している。
　これによれば、極めて容易に沸騰促進面８４を形成することができる。さらに、沸騰促進面形成工程では、発熱体側面８１に垂直な方向から投射材を吹き付けるので、冷媒側面８２のフィン部８３の頂部を形成する面だけでなく、溝部の底部を形成する面にも、容易に沸騰促進面８４を形成することができる。
　本開示は上述の実施形態に限定されることなく、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。
　（１）上述の実施形態では、冷却装置１００を電子機器である発熱素子７０を冷却するために用いた例を説明したが、冷却対象物は電子機器に限定されない。本実施形態の伝熱部材８０を備える冷却装置１００は、冷却を必要とする幅広い冷却対象物に適用可能である。
　（２）冷却装置１００は、上述の実施形態に開示された構成に限定されない。例えば、収容空間３３１内の発熱素子７０から離れた部位の冷媒液４０をサブクール液に維持できれば、循環回路５０、循環ポンプ１０、および放熱部２０を廃止してもよい。
　（３）伝熱部材８０は、上述の実施形態に開示された構成に限定されない。
　例えば、上述の実施形態では、はんだ付けによって、伝熱部材８０を発熱素子７０に固定した例を説明したが、伝熱部材８０の固定態様は、これに限定されない。例えば、伝熱部材８０と発熱素子７０との隙間に、電気絶縁性と高い熱伝導性とを備えるシート状あるいはグリス状の熱伝導材を介在させた状態で、ボルト締め等の締結手段によって、伝熱部材８０を発熱素子７０に固定してもよい。
　また、上述の実施形態では、上下方向に伸びる複数の溝部によってフィン部８３を形成した例を説明したが、これに限定されない。例えば、フィン部８３は、図１０に示すように、上下方向に伸びる複数の溝部および水平方向に伸びる複数の溝部によって形成されていてもよい。換言すると、フィン部８３は、いわゆるピンフィンを形成していてもよい。
　また、上述の実施形態では、断面矩形状の複数の溝部によってフィン部８３を形成した例を説明したが、これに限定されない。例えば、断面三角形状や断面台形状の複数の溝部によってフィン部８３を形成してもよい。これによれば、隣り合うフィンの間に形成される側面にも沸騰促進面８４を形成しやすい。
　（４）上述の実施形態の沸騰促進面形成工程では、沸騰促進面８４を形成するために、ショットブラスト加工を採用した例を説明したが、これに限定されない。上述の実施形態と同様の沸騰促進面８４を形成できれば、レーザ加工、グラインダーやサンダー等による機械加工、エッチング等を採用してもよい。
　（５）上述の実施形態では、冷却部３０において、冷却槽部３３および貯液槽部３４を別体（すなわち別部材）として構成した例を説明したが、これに限定されない。例えば、冷却槽部３３および貯液槽部３４を一体に形成してもよい。
　本開示は、実施例に準拠して記述されたが、本開示は当該実施例や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (5)

  1. 　冷却対象物（７０）を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置（１００）に適用されて、前記冷却対象物から前記冷媒への熱移動を促進する伝熱部材であって、
    　前記冷却対象物は、電子機器であり、
    　前記冷媒は、沸点が１００℃以下のフッ素系絶縁冷媒であり、
    　前記冷媒は、大気に開放されており、
    　横軸を前記冷媒の過熱度ｄＴとし、縦軸を熱流束ｑとした沸騰曲線において、前記過熱度が１０Ｋで、前記熱流束ｑが３００ｋＷ／ｍ2以上となる伝熱部材。
  2. 　冷却対象物（７０）を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置（１００）に適用されて、前記冷却対象物から前記冷媒への熱移動を促進する伝熱部材であって、
    　前記冷媒に接触する冷媒側面（８２）には、前記冷媒の沸騰を促進する沸騰促進面（８４）が形成されており、
    　前記沸騰促進面の粗さ曲線において、隣り合う頂部の間に形成される部位を穴部（８４ｃ）と定義し、隣り合う前記頂部間の距離を穴部幅Ｇｗと定義し、隣り合う前記頂部間を結ぶ線と隣り合う前記頂部間の底部との距離を穴部深さＧｄと定義し、前記穴部深さＧｄを前記穴部幅Ｇｗで除した値を穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗと定義し、単位長さあたりの前記穴部の数を穴部数Ｎｇと定義したときに、
    　前記穴部アスペクト比Ｇｄ／Ｇｗが０．０１以上となる前記穴部の前記穴部数Ｎｇが、１ｍｍあたり９個以上となっている伝熱部材。
  3. 　さらに、
    　３１５μｍ≧Ｇｗ≧１．７μｍ
    　となっている請求項２に記載の伝熱部材。
  4. 　前記冷却対象物に接触する接触面（８１）と、
    　前記冷媒側面の面積を拡大させる面積拡大部（８３）と、を有し、
    　前記沸騰促進面は、前記面積拡大部の５０％以上に形成されている請求項２または３に記載の伝熱部材。
  5. 　冷却対象物（７０）を液相の冷媒に浸漬させた状態で冷却する冷却装置（１００）に適用されて、前記冷却対象物から前記冷媒への熱移動を促進する伝熱部材の製造方法であって、
    　前記冷媒に接触する冷媒側面（８２）の少なくとも一部に、ショットブラスト加工によって、前記冷媒の沸騰を促進する沸騰促進面（８４）を形成する沸騰促進面形成工程を有する伝熱部材の製造方法。
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