WO2006075493A1

WO2006075493A1 - 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

Info

Publication number: WO2006075493A1
Application number: PCT/JP2005/023520
Authority: WO
Inventors: Koichi Suzuki; Hiroshi Kawamura; Haruhiko Ohta; Yoshiyuki Abe
Original assignee: Tokyo University Of Science Educational Foundation Administrative Organization
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2006-07-20
Also published as: US8061414B2; EP1837612A1; US20080104970A1

Abstract

　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。　本発明の沸騰冷却方法は、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。

Description

明細書

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技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。

[0003] 沸騰状態では、液温は上昇せず、加熱により液体にカ卩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!/、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、被冷却物としての半導体素子を冷却用液体に浸漬して行な!/、、前記パイプ内に前記冷却用液体よりも沸点の低、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 1参照。 ) o

[0004] 沸騰現象は一般に以下の如き経過を迪る。

液体中に例えば金属等よりなる「加熱ブロック」の表面を浸漬し、加熱ブロックをカロ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、加熱ブロックの表面に「大きさが lmm程度以下の微小な気泡」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。

[0005] 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）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!/、ほど冷却効果が大きい。

[0006] 加熱ブロックの表面に微小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、加熱ブロックの表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。

[0007] 即ち、伝熱面での微小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!、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、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。

[0008] 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力伝熱面は液体に接して、な、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。

[0009] 加熱ブロックの表面に微小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。

[0010] 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「遷移沸騰力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!/、た。

すなわち、従来の沸騰冷却方法では、例えば、長さ l〜2cmの伝熱面に対してせ Vヽぜぃ lOOWZcm²程度の熱流束 (約 100°C)しか得られな、のが一般的であった。

[0011] 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ヽ冷却効率を狙ヽとした冷却装置が提案されている（例えば、特許文献 2参照。 )₀

この提案は、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、二種類のノズルを用い、第一のノズル力低温冷媒液を発熱体に向けて噴射すると共に、第二のノズルから同じ低温冷媒液を、発熱体の熱によって沸騰気泡が発生して気液二相状態の高温冷媒液となる第一のノズルから噴射された冷媒液に向けて噴射させて急冷し、沸騰気泡を凝縮、消滅させて行なう冷却方法を実施するものである。

この提案によると、 120°C程度の温度領域で 200WZcm²程度の熱流束が得られるものと想定される力半導体デバイスのような短い伝熱面の冷却にし力適用できないものと考えられる。

[0012] 一方、冷却液を被冷却物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、冷却の開始力ある程度の時間範囲では「遷移沸騰への移行」を生ずることなぐ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 1参照。 ) o

[0013] 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。

[0014] このような沸騰の生じて、る層状領域の外側の「飽和温度よりも温度の低、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、収縮したり崩壊したり」する。伝熱面力熱をさらに液体に伝えるため、サブクール液を用いると、限界熱流束を高めることはでさる。

冷却液としてサブクール度の大きな液を用いると、遷移沸騰領域にぉ、て生長した合体気泡と液体との気液界面の温度が低下し、気泡は凝縮 (沸騰現象と逆の現象）によって微細な気泡に崩壊されて、伝熱面に液体が供給されることとなるので、遷移沸騰力も膜沸騰に移行させることなく冷却を行うことができ、限界熱流束を通常の場合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。

[0015] し力しながら、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パッケイジの伝熱面長さは通常 10〜30cmである力このような伝熱面の長い被冷却面の冷却が可能な冷却方法、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、幅広い熱負荷変動にも対応可能な冷却方法が求められている。

そして、今後、 300WZcm²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力従来の冷却方法ではこれらの要求に応じることはできず、これらの要求に対応可能な沸騰冷却方法の出現が望まれている。

[0016] 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ゥム講演論文集（2004年 6月） Vol. 1、第 19〜20頁）

発明の開示

[0017] 本発明は、上述したところに鑑み、沸騰現象のプロセスにおいて、遷移沸騰の生じ得る高い温度領域において、核沸騰による沸騰冷却を、より大きな冷却流路長に対して可能ならしめる沸騰冷却方法とその装置を提供することを課題とする。

また、本発明は、伝熱面の発熱が低温領域から従来にない高温領域まで、幅広い熱負荷変動にも連続的に対応できる沸騰冷却方法とその装置を提供することを課題とする。

さらにまた、本発明は、小型軽量化と省エネルギー化を図ることのできる実用的な沸騰冷却方法とその装置を提供することを課題とする。

[0018] 本発明者等は、鋭意検討を重ねた結果、冷却対象となる被冷却物の冷却面に隣接させて、冷却液の流路となる主流路と副流路とを順次設置し、かつ該主流路と該副流路間の隔壁を貫通し先端部が該冷却面に近接又は当接するように、該副流路力も複数のノズルを突設させた冷却装置が、上記課題を解決するのに効果的であることを確認し、本発明を創出するに至った。

すなわち、本発明の沸騰冷却装置は、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（以後、伝熱面とも言う。）として、冷却液用の主流路および副流路を冷却面の側から順次形成し、副流路と主流路を隔てる隔壁を貫通して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冷却面に近接もしくは当接させたものであることを特徴とするものである。

なお、表面に密接する伝熱部材の表面とは、例えば、ヒートスプレッダのような発熱体に密着させた金属板のように、熱伝導で熱の流れを広げる機能を有する表面等を挙げることができる。

[0019] ノズルの先端の開口部は冷却面に対応設置していることが特に重要であり、またノズルは冷却面にほぼ垂直に設けられることが特に好ましぐ冷却効果を高めるのに有効である。

後述するように、ノズルとしては、管状体で、開口部に切り欠き構造を有するものと有さな、ものとの!/、ずれのものも用いることができる力切り欠き構造を有するノズルの場合には開口部を冷却面に当接させて設置することが好ましぐ切り欠き構造を有さな、ノズルの場合には開口部を冷却面に近接させて設置することが好ま U、。本発明に用いる該ノズルは、ノズル力排出される冷却液によって気泡を微細化し本発明の冷却効果を発揮させるために、冷却面に対して突設させてノズルの先端部を冷却面に近接あるいは当接させている力さらに、主流路内にノズルが突設されているために、その表面は必然的に、主流路内で冷却面を冷却することにより昇温した液体から熱を吸収する放熱フィン効果を有し、そのために、ノズルを構成する材料は熱伝導性を有し、さらにノズルの配列形態や配列密度等を適宜選択し設定することが好ましい。

[0020] 請求項 1記載の沸騰冷却方法は、以下の如き特徴を有する。

主流路と副流路とには冷却液を流通させ、主流路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、副流路の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ことを特徴とする。この請求項 1記載の沸騰冷却方法を「パッシブ冷却方法」と呼ぶ。

このように滲み出るように供給された冷却液が、沸騰により主流路内に発生した気泡の近傍あるいは底部に入るようにして、冷却面力気泡を離脱させて、気泡による冷却低減現象を排除し冷却に寄与させることを狙ヽとしてヽる。

主流路において冷却面に lmm程度の大きさの微小な気泡が発生し、この気泡が成長して数 mm程度になって、冷却面に近接したノズル開口部に付着すると、ほとんど流れのな、副流路内の冷却液がノズルに移動し、この部分でノズル内の冷却液が主流路内に「滲み出す」ように供給される。「副流路内から主流路内に供給される冷却液」は、ノズル開口部の近傍にある気泡を効果的に除去すると同時に冷却液を供給する。

冷却面に当接あるいは近接したノズルの滲みだし効果により、成長し大きくなつた気泡の底部及び周辺に冷却液が供給されて、気泡が除去される。

「パッシブ冷却方法」における主流路の流速は極めて小さいことが好ましぐ例えば、 0. 03〜0. 06mZ秒程度の流速にして、 60〜70WZcm²程度までの熱流束の除熱を可能とするものである。

従って、該「パッシブ冷却方法」は、冷却液を主流路内で低流速で流しかつ副流路を通りノズル力滲み出し状態にして、上記の限界熱流束を達成可能としているため、省エネルギー化および小型軽量ィ匕に適した極めて実用的な沸騰冷却方法である。

[0021] 請求項 2記載の記載の沸騰冷却方法は、上記「気泡微細化沸騰現象」を用いたものであり、以下の如き特徴を有する。

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、冷却面の側から上記順序に形成する。副流路と主流路を隔てる隔壁を貫通して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る。

[0022] 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、主流路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、副流路の側から各ノズルを介して、副流路側の冷却液を、主流路と副流路の冷却液の圧力差により、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。この請求項 2記載の沸騰冷却方法を「アクティブ冷却方法」と呼ぶ。

主流路内に当初から流す冷却液は冷却面を冷却するが、その後上記沸騰現象によって主流路内の冷却面に生じ冷却の障害となる沸騰気泡を、強制的に冷却面近傍に噴出状態でノズル力も供給される冷却液 (サブクール液)が、微小な気泡に崩壊させて障害を排除して、冷却面を冷却することとなり、合わせて、ノズル力も供給される冷却液は主流路内を流れる冷却液を冷却する効果をもたらす。

「アクティブ冷却方法」における冷却液の流速は、主流路内では 0. 3〜0. 6mZ秒に、また副流路内では 0. 5〜1. OmZ秒に、それぞれ調整することが好ましい。

[0023] また、本発明の沸騰冷却装置にお!、ては、例えばノズルの先端部が冷却面に近接するように突設される場合には、ノズルの先端部と冷却面との間隔は、ノズルが有する、供給する冷却液による気泡微細化機能と放熱フィン機能とが発揮されさえすれば、特に限定的ではない。例えば「パッシブ冷却方法」のみを実施する装置の場合、及び「パッシブ冷却方法」と「アクティブ冷却方法」との両方を実施する併用装置の場合には、例えば 0. l〜lmm程度が効果的であり、一方、「アクティブ冷却方法」のみを実施する装置の場合には、冷却液の噴射圧力レベルに応じて設定することができ、例えば該間隔をより広くすることができる。

[0024] 後述するように、アクティブ冷却方法では、冷却流路内に微小な気泡が生じても、これら微小な気泡は瞬時に 0. 1mm以下程度の「極めて微細な気泡」に崩壊され、大きな気泡に成長する余地がなぐ高熱流束沸騰冷却を長い伝熱面で実現することができ、また、大きく気泡が成長しないために、気泡崩壊時の振動も小さぐ低振動、低騒音の高熱流束沸騰冷却が可能となる。

[0025] 上記の如く「冷却面」は、冷却の対象となる被冷却物自体の表面もしくは、伝熱部材の表面である。伝熱部材が用いられる場合には、伝熱部材は被冷却物の表面に密接して設けられ、伝熱部材を介して被冷却物の沸騰冷却が行われる。

冷却面の表面形状は、主流路および副流路の形成が可能な形状であればよぐ平面であってもよいしシリンダ面等の曲面であってもよい。勿論、被冷却面が平面である場合には、主流路および副流路の形成が容易である。

冷却対象となる被冷却物としては、例えば、高発熱密度の電子機器、ハイブリッド力一、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インバータ、鉄道や航空機の電力システムの電力変換インバータ等を構成する、あるいはこれら〖こ装着される伝熱部材を挙げることができる。

[0026] 「サブクール」とは、冷却液の温度を「被冷却面との接触部で冷却液に沸騰が生じる飽和温度よりも低い温度」にすることを意味する。冷却液の飽和温度（主流路内で沸騰が生じる温度）とサブクールされた冷却液との温度差を「サブクール度」と呼ぶ。

[0027] 上記請求項 2記載のアクティブ冷却方法は、主流路における「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、主流路と副流路との冷却液の圧力差を設定することが好ま Uゝ (請求項 3)。

[0028] 請求項 1記載のパッシブ冷却方法と、請求項 2または請求項 3記載のアクティブ冷却方法とを「冷却条件により切り替える」ことができる (請求項 4)。即ち、被冷却面の温度がさほど高くなぐ被冷却面で生じた気泡の成長が比較的緩慢である場合には、ノズルを通じて「副流路側から主流路側へ滲み出す冷却液」により気泡を微細化させるのみでも、沸騰形態が「核沸騰形態から遷移沸騰に移行」することを有効に抑えることができ、遷移沸騰による熱流束の低下なしに、高い冷却効果を実現できる。なお、主流路を流れる冷却液の流速を大きくし、冷却面への単位時間あたりの冷却液供給量を大きくすることにより、パッシブ冷却方法でもかなりの高温領域まで沸騰冷却形態を維持することが可能である。

パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法との「冷却条件による切り替え」は、主流路と副流路の冷却液の圧力差を、徐々に変化させるかあるいは急激に変化させるか、状況に応じて行なうことができ、従って、パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法とを切り替える方法を採用する場合には、アクティブ冷却方法における冷却液の供給方法のように、必ずしも冷却液を強制的に噴出させて供給することは必要とされな、。

[0029] 冷却面の温度がより高くなりパッシブ冷却方法では「遷移沸騰への移行」を抑えきれない状況においては、アクティブ冷却方法により微小な気泡を崩壊させることにより、遷移沸騰への移行を有効に防止することができ、「主流路のみへの冷却液供給では遷移沸騰が生じるような温度領域」においても良好な沸騰冷却を実現することができる。

[0030] 従って、本発明の沸騰冷却方法は、低熱流束域ではパッシブ冷却方法が用いられ、高熱流束域ではアクティブ冷却方法が用いられ、パッシブ冷却方法およびァクティブ冷却方法の、ずれか一方を実施する単独の冷却装置に適用しても、パッシブ冷却方法およびアクティブ冷却方法の両方を実施する併用の冷却装置に適用することちでさる。

被冷却物の冷却を行うに際して、単独の冷却装置を用いるか併用の冷却装置を用いるかの選択は、発熱体の熱流束の大小に依る。

併用の冷却装置に適用すると、実用面では、熱流束が低熱流束域から高熱流束域まで変化するような、熱負荷変動の大きな発熱体の冷却に対応可能であり、このことは、本発明の最大の特徴の 1つである。

本発明者等の実験によれば、目安として、発熱密度が約 60〜70WZcm²程度未満の低熱流束域では「パッシブ冷却方法」を、発熱密度が 70〜： LOOWZcm²では主流路の流速を 0. 5m/秒に増加することにより、またそれ以上の 500WZcm²程度までの高熱流束域では「アクティブ冷却方法」を用いることが、実用上、好ましいことを確認した。

また、「パッシブ冷却方法」から「アクティブ冷却方法」へ、または逆の切り替えは、例えば、冷却面に設置された熱流束センサの信号に基づいて、主流路および副流路の冷却液の流量を制御することにより容易に行なうことができる。

また、併用の冷却装置の場合には、例えば、流体ループで主流路系と副流路系にそれぞれポンプをつけて流量を制御する方法と、ポンプーつで流量調整弁によって流量を制御する方法の、ずれの方法が用いられてもよ、。

本発明の沸騰冷却方法は、パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法を用いることにより、装置の構造を変えることなしに従来より用いられている併用の冷却装置によって、長い伝熱面に対して、低熱流束域力高熱流束域までの除熱を連続的に行うことを可能にしたものである。

これは、例えば、電気自動車のインバータなどの、運用上発熱負荷が変化する高発熱密度機器の冷却に対応できるものである。

[0031] 上記請求項 1〜請求項 4の任意の 1に記載の沸騰冷却方法にお!、ては「ノズルの配列形態及び Z又は配列密度を、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」ことが好まヽ（請求項 5) 冷却液の流れの向きは「主流路と副流路とで同じ向き」としてもよいし、「主流路と副流路における流れの向きを互いに逆向き」にしてもよい。冷却液の流れの向きを「主流路と副流路とで互いに逆」にすると、主流路の下流側ほど副流路では上流側となる。アクティブ冷却方法では、サブクールされた冷却液がノズルから主流路へ供給される力主流路では下流側ほど冷却液の温度が飽和温度に近づいているので、上記の如ぐ主流路および副流路で冷却液の流れの向きを逆にし、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、主流路の下流側ほど副流路からの（サブクール度の大きい)冷却液の供給量を増大させることにより、主流路内の冷却液の温度を有効に低下させ、気泡崩壊の効果を維持することが容易になる。

この「ノズルの配列形態及び Z又は配列密度」は、先述したノズルの放熱フィン効果を左右することにもなり、主流路内の冷却液の特性とその流速等を考慮に入れて、調整することが好ましい。

[0032] 請求項 1〜請求項 5の任意の 1に記載の沸騰冷却方法にお!、て用いられる冷却液は、上記「ノズル力滲み出る冷却液や、ノズル力噴出される冷却液により、気泡を、微細化あるいは崩壊させることのできるもの」であれば、特に制限無く使用することができるが、入手容易性、低コスト性、取り扱いの容易性、安全性、化学的'物理的安定性等の観点から、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が好適である（請求項 6)。「水」は、環境保全の面から言えば、冷却液として特に好適なものである。フッ素系不活性液体としては、例えば「フ口リナート (登録商標）」（住友スリーェム社)が市販されて!、る。

[0033] 本発明のアクティブ冷却方法は、気泡が大きく成長する前に当該気泡を微細化あるいは崩壊させるために、振動あるいは騒音が少ない利点があることは上述したとおりであるが、本発明者等は、冷却液として上記混合液を用いると、振動あるいは騒音の低減効果をさらに向上させることができ、かつより高い熱流束が得られることを確認した。

すなわち、本発明者等は、アルコールとしてエチルアルコール、プロピルアルコールそれぞれを水に対し 5〜15%の割合で混合した液を冷却液として用いて、本発明のアクティブ冷却方法による沸騰冷却を行なったところ、 Vヽずれの混合液とも冷却液が水だけの場合に比して、崩壊時の圧力振動が 50%程度軽減するば力りでなぐ 3 0〜50%程度高、熱流束を得ることができた。

このように圧力振動を軽減できる理由は、混合液の表面張力が水よりも小さぐ気泡が崩壊しやすぐ崩壊時の圧力振動も水だけの場合に比して小さいためであると考えられる。

さら〖こ、高い熱流束を得ることができる理由は、水とアルコールの混合液の沸騰では、高温の伝熱面近傍で沸点の低いアルコール分が先に蒸発し、伝熱面の気泡付着箇所の近傍と混合液の間で濃度の差が生じ、この濃度差が気泡と混合液の界面に表面張力の差を生じさせて、気液界面の気泡上部の温度の低!、大きな表面張力に混合液が弓 Iつ張られて、気泡上部に向かう流れ (マタンゴ-対流と、う）が生じて!ヽるものと想定される。

このため、冷却液体側力補うように気泡と伝熱面の付着面に向力つて冷却液が供給され、気液交換が促進されて、気泡微細化沸騰において水だけの場合よりも高い熱流束が得られるものと考えられる。

[0034] 本発明における冷却の対象物、即ち、前記「被冷却物」には特に制限はないが、実用的な見地力すると、原子炉の炉心部分や、車両用インバータ等の各種半導体デバイスの冷却につきこの発明による沸騰冷却は有効である。例えば、現在広く用いられている、 Si基板を用いる IGBTは、高出力化に伴い発熱密度が増加する傾向にあり、このような半導体デバイスに対する冷却を行うに際して、この発明の冷却方法は極めて有効である。

[0035] また、近来「高温作動が可能な SiC半導体デバイス」の実用化が意図されて、るが、 SiCはまだ高価なため、現在の Siベースのパワーデバイス（IGBT)がしばらくは優勢であろうが、本発明は高温作動、高発熱密度の Si素子の冷却にも好適である。また、現在の Siベースのパワーデバイス (IGBT)の高負荷使用にも十分対応可能である。

[0036] 本発明の流路構造体は、上に説明した沸騰冷却方法の実施に用いられるものであつて、以下の如き特徴を有する（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冷却面として、冷却面に一体的に形成され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る副流路と、副流路側力隔壁を貫通し、先端部が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有する。

[0037] このように、主流路および副流路は一体構造であり、主流路は冷却面に一体化されるから、冷却面は「流路構造体の構成要素」である。そして、冷却面は被冷却物の表面もしくは伝熱部材の表面である。したがって、被冷却物の表面を冷却面とする場合には「冷却面の実体をなす被冷却物自体も流路構造体の一部を構成する」ことになる。

[0038] 即ち、流路構造体は、被冷却物を構成要素の一部として、被冷却物と一体的に構成することができる。また、伝熱部材の表面を冷却面とする場合には、伝熱部材にー体化して主流路および副流路を形成して「被冷却物とは別体の流路構造体」となし、その伝熱部材を被冷却物の表面に密接させて配置することにより、被冷却物の冷却を行うようにすることができる。流路構造体は熱伝導性の良い材料で構成される。例えば、金や銀やアルミニウムは大きな熱伝導率を持ち、特に、銀は熱伝導率の高さの点で流路構造体の材料として適している力コストの面力するとアルミニウムが好適である。特に、熱伝導率の高い材料カゝら構成されるノズルは、先述した放熱フィン効果をもたらすのに有効である。

さらに、流路構造体の材料として、熱伝導性の良いものば力りでなぐ安定した耐鲭性、耐腐食性、耐熱性の高いものを使用することが好ましぐ例えば、耐鲭性処理を施したアルミニウム、ステンレス、さらにセラミックス等が適用可能である。

[0039] 請求項 7記載の流路構造体においては、複数のノズルの先端部に対向する冷却面の表面が平滑面であり、上記複数のノズルの先端部が、上記平滑面に微小な間隙を隔して近接した構成とすることができる（請求項 8)。

[0040] また、請求項 7記載の流路構造体にぉ、て、複数のノズルの先端部に対向する冷却面の表面が微細な凹凸構造を有するようにし、複数のノズルの先端部が上記微細な凹凸構造に当接する構成とすることもできる (請求項 9)。この場合、冷却面の表面の微細な凹凸構造は「粗面構造」としてもよ、し (請求項 10)、「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」とすることもできる（請求項 11)。

[0041] 請求項 9〜請求項 11記載の流路構造体のように、冷却面の表面を「微細な凹凸構造」とすると、冷却面の表面積が広がり、冷却液への熱の移動量を大きくすることができるとともに、ノズル先端部を冷却面に当接させることができ、ノズル先端部と冷却面の間隙が有効に小さくなつて「冷却液の滲み出し」が有効に促進される。また、複数のノズルを「流路構造体の強度を高める手段」として使用することが可能となる。

[0042] 請求項 7〜請求項 11の任意の 1に記載の流路構造体においては、各ノズルの先端部に「微小な貫通孔および Zまたは微細なスリットおよび Zまたは切欠き」を 1以上有するように構成できる（請求項 12)。

このような微小な貫通孔、スリット、切欠きを有するノズルを使用すると、副流路から流れる冷却液を分散して主流路内に供給し、より効果的に気泡崩壊を行なうことになるので、好ましい。

ノズルが、先端部に上記微小な貫通孔、スリット、切欠き等を有する場合には「冷却面が平滑面の場合」であっても、ノズルの先端部を冷却面に当接させることができる。

[0043] また、請求項 7〜請求項 12の任意の 1に記載の流路構造体においては、「副流路の流路断面積を主流路の流路断面積より大きくし、これら断面積の差により副流路の圧力が高くなるように動圧差を生じさせる構成」とすることができる（請求項 13)。

[0044] 請求項 7〜請求項 12の任意の 1に記載の流路構造体においては、主流路を「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した構成とすることができる (請求項 14)。また、副流路を「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した構成とすることもできる (請求項 15)。

[0045] 請求項 14または請求項 15記載の流路構造体は、「主流路と副流路とを、同数の分離隔壁により整合格子状に分離した構成」とすることができる (請求項 16)。「整合格子状」とは、主流路の分離隔壁と副流路の分離隔壁とが互いに整合的に対応し、これら分離隔壁により分離された主流路部分および副流路部分の配列形態力 ^冷却液の流れの方向に直交する配列方向にぉ、て互いにずれて!/、な!/、」状態を！、う。

[0046] 請求項 7〜請求項 16の任意の 1に記載の流路構造体は、「ノズルの配列密度が、主流路の下流側ほど密になるように構成」とすることが好まヽ（請求項 17)。

[0047] この発明の沸騰冷却装置は、流路構造体と、冷却液供給流通手段とを有する（請求項 18)。

「流路構造体」は、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、冷却面に一体的に形成され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る副流路と、副流路側から上記隔壁を貫通し、先端部が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ものであり、前記請求項 7〜請求項 17の任意の 1に記載のものが用いられる。

[0048] 「冷却液供給流通手段」は、流路構造体の主流路と副流路とに流通され、冷却面の冷却に供される液体である冷却液を流路構造体に供給し、主流路と副流路とに流通させる手段である。冷却液の流通の向きは、主流路と副流路とで同じ向きでもよいし、互いに逆の向きでもよい。

[0049] 請求項 18記載の沸騰冷却装置は、流路構造体として請求項 16記載のものを用いる場合には、「隣接する流路（上記流路部分）における冷却液の流れを互いに逆向きに設定」することができる（請求項 19)。このように「隣接する流路における冷却液の流れを互いに逆向きに設定する」ことも「冷却液を主流路と副流路とに互いに逆向きに流通」させる態様の一つである。

[0050] 請求項 18または請求項 19記載の沸騰冷却装置は、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、主流路を通して冷却液容器内の冷却液を導液する「主流路用管路」と、冷却液を主流路用管路により主流路に流通させる「主流路用ボンプ」と、副流路を通して冷却液容器内の冷却液を導液する「副流路用管路」と、冷却液を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、主流路を通過して主流路用管路を通って冷却液容器に戻る冷却液を凝集させる「凝集手段」とを有する構成とし、ノ^シブ冷却方法を実施するための沸騰冷却装置とすることができる（請求項 20)。

[0051] パッシブ冷却方法を行う場合、主流路および副流路に供給する冷却液をサブクールする必要は必ずしもないが、このことは、ノッシブ冷却方法の実施に際して「サブクールを行うことを排除する」ことを意味するものではな、。ノッシブ冷却方法を行う場合にも「冷却液をサブクールする」ことは有効である。例えば、冷却面における主流路の下流側端部で 10K程度のサブクール度が得られるようにサブクールを行うことは、パッシブ冷却方法においても極めて有効である。

一方、パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法との併用装置の場合には、ァクティブ冷却方法がサブクール液を使用することが必要とされることから、必然的にサブクール液が使用される。

[0052] 請求項 18または請求項 19記載の沸騰冷却装置は、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、主流路を通して冷却液容器内の冷却液を導液する「主流路用管路」と、冷却液を主流路用管路により主流路に流通させる「主流路用ボンプ」と、副流路を通して冷却液容器内の冷却液を導液する「副流路用管路」と、冷却液を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、主流路を通過して主流路用管路を通って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、主流路用ポンプと副流路用ポンプとにより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、「副流路に流通される冷却液の圧力を、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」とを有する構成とし、アクティブ冷却方法を実施するための沸騰冷却装置とすることができる（請求項 21)。請求項 20または請求項 21記載の沸騰冷却装置における「凝集手段」は、サブクール手段もしくは「サブクール手段の一部」としての機能を有することができる。

[0053] この請求項 21記載の沸騰冷却装置は、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との圧力差」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するように構成することができる（請求項 22)。この場合、「サブクール手段をオン ·オフするサブクール手段オン ·オフ手段」を設け、冷却条件に応じてサブクール手段をオン ·オフするようにしてもょ、。

[0054] 「副流路に流通される冷却液の圧力を、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」は、副流路用ポンプの圧力を副流路用ポンプの圧力より高くする機能を持つ手段であってもよいし、副流路の入口側および Zまたは出口側の流量をコントロールするバルブを調整して、副流路内の冷却液の圧力を高めたり、主流路の入口側および Zまたは出口側の流量をコントロールするバルブを調整して、主流路内の冷却液の圧力を主流路内の圧力に相対的に低くしたりする機能を持つ手段でもよい。

[0055] 例えば「少なくとも副流路用ポンプの圧力を高低切り替える圧力切り替え手段」を有するように構成し、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するように構成することができる。

[0056] 請求項 20〜請求項 22の任意の 1に記載の沸騰冷却装置においては、冷却液容器に冷却液が貯留された構成とすることができる（請求項 23)。

請求項 20〜請求項 23の任意の 1に記載の沸騰冷却装置にお!、て用いられる冷却液は、請求項 6の発明に係る冷却液と同様「ノズル力滲み出る冷却液や、ノズル力ら噴出される冷却液により、気泡を微細化あるいは崩壊させることのできるもの」であれば特に制限無く使用することができ、入手容易性、低コスト性、取り扱いの容易性、安全性、化学的'物理的安定性等の観点から、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が好適である（請求項 24)。

[0057] また、請求項 18〜請求項 24の沸騰冷却装置による「冷却の対象物」である被冷却物についても特に制限はないが、前述のように実用的な見地からして、原子炉の炉心部分や、各種の半導体デバイス (例えば、車載用インバータゃ Si— IGBTインバータ等、 Si基板や SiC基板を用いる半導体デバイス)の冷却に対して、この発明の沸騰冷却装置による沸騰冷却は極めて有効である。

上記請求項 20記載の沸騰冷却装置においてパッシブ冷却方法を実施する場合には、例えば、主流路用ポンプと副流路用ポンプの圧力は同じであってもよぐこのような場合には、主流路用ポンプと副流路用のポンプを「同一のポンプとして共用」することもできる。また、ノッシブ冷却方法ではサブクールを必ずしも必要としないので、凝集手段 (アクティブ冷却方法ではサブクール手段の少なくとも一部をなす。 )の能力を小さくできる。また、パッシブ冷却方法を実施する場合、振動や騒音が少ないというメリットがある。

[0058] 請求項 21記載の沸騰冷却装置において実施されるアクティブ冷却方法では、極めて大きな熱流束による高い冷却効果を実現できる。また、副流路から主流路側へ噴出させる冷却液量を増大させることにより、緊急時の冷却にも容易且つ確実に対応できる。後述するように、アクティブ冷却方法の場合も極めて静かである。

[0059] 請求項 22記載の沸騰冷却装置のように、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て実施するようにすれば、冷却条件に適した冷却方法により、上記パッシブ冷却方法およびアクティブ冷却方法の両方の利点を生かした冷却を行うことができる。

[0060] 以上のように、請求項 18〜請求項 24の任意の 1に記載の沸騰冷却装置は、稼動中に熱を発生する製品の冷却手段として用いることができる（請求項 25)。

具体的には、例えば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に適用することができ、このような電子素子または燃料電池は、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構成とすることができる (請求項 26)。また、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措置また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に適用することができ、このような装置は、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の表面に一体的に形成された構成とすることができる (請求項 27)。

[0061] 以上に説明したように、本発明によれば、従来にない沸騰冷却方法および沸騰冷却装置、流路構造体を提供できる。沸騰冷却による微小な気泡は、冷却面の極く近傍で発生する力本発明によれば、副流路を流れる冷却液がノズルを通して「冷却面に近接した開口部」から供給されるので、冷却面近傍で発生した微小な気泡を効率的に微細化もしくは崩壊させ、遷移沸騰領域への「沸騰形態の移行」を有効に抑制でき、「従来の沸騰冷却方法であれば遷移沸騰となるような高温領域」においても、核沸騰による良好な沸騰冷却を実現することが可能である。

図面の簡単な説明

[0062] [図 1]沸騰冷却装置の実施の 1形態を説明するための図である。

[図 2]ノズルの形態を 3例示す図である。

[図 3]主流路および副流路の断面形態の 2例と冷却液の流れの向きの例を説明するための図である。

[図 4]冷却面の形態を 3例説明するための図である。

[図 5]ノズル配列形態の 1例を説明するための図である。

[図 6]パッシブ冷却方法における気泡の崩壊を説明するための図である。

[図 7]発明の実施の形態における制御系統を説明するための図である。

符号の説明

[0063] ob 被冷却物

10 流路構造体部分 (被冷却物 obと一体化されて流路構造体をなす。 )

10A 主流路

10B 副流路

NZ ノズル

21 冷却液

30 主流路用ポンプ

40 副流路用ポンプ

発明を実施するための最良の形態 [0064] 以下、実施の形態を説明する。

図 1 (a)は、請求項 22記載の沸騰冷却装置の実施の 1形態を要部のみ、説明図として略示している。

図 1 (a)において、符号 obは「被冷却物」を示している。被冷却物 obは、例えばインバータ等の半導体デバイスであって発熱源 Hl、 H2、 H3等を有し、これら発熱源に接して「放熱手段」であるヒートスプレッダ SPが形成されている。即ち、ヒートスプレツダ SPは被冷却物 obの構成部分であり、ヒートスプレッダ SPの外側表面が「冷却面」である。

[0065] 符号 10は「流路構造体部分」を示す。流路構造体部分 10は、この実施の形態においてはヒートスプレッダ SPの表面を冷却面として、冷却液用の主流路 1 OAおよび副流路 10B力冷却面（ヒートスプレッダ SPの表面）の側力も上記順序に形成されている。

[0066] 即ち、流路構造体部分 10は「被冷却物 obの構成要素であるヒートスプレッダ SP」に一体化されるから、被冷却物 obと共に「流路構造体 (請求項 7)」を構成する。流路構造体部分 10は、例えばアルミニウム等の熱伝導性の良、材料で構成される。

[0067] 図 1 (b)は、流路構造体部分 10の内部構造を説明図として示している。主流路 10 Aは、被冷却物であるヒートスプレッダ SPの表面が「冷却面」として形成されており、副流路 10Bは、隔壁 10Cにより主流路 10Aと分離されている。そして、副流路 10Bの側から隔壁 10Cを貫通し、先端部が冷却面 (ヒートスプレッダ SPの表面）に近接するように複数のノズル NZが形成されて!、る。

[0068] 主流路 10A、副流路 10Bの、図 1 (b)上下方向における大きさは数 mn！〜 10数 m mの範囲である。ノズル NZは図 1 (c)に示すように「中空シリンダ状」で、内径が 1〜2 mm程度、外径が 2. 5〜4mm程度であり、先端部は、冷却面の表面に 0. 1〜： Lmm 程度の間隙を介して近接する。この実施の形態においては「冷却面は平滑面で、ノズル NZと冷却面との間に間隙を隔している」が、後述する図 2 (a)、（b)及び (c)の例にあるようなノズルを用いる場合には、ノズル先端部を冷却面に当接させることもできる。

[0069] 即ち「流路構造体部分 10と被冷却物 obとで構成される流路構造体」は、被冷却物 obの表面（ヒートスプレッダ SPの表面）を冷却面として、冷却面に一体的に形成される主流路 10Aおよびこの主流路に重なるように隔壁 10Cを介して一体的に形成される副流路 10Bと、副流路 10B側力隔壁 10Cを貫通し、先端部が冷却面に近接するように形成された複数のノズル NZとを有する流路構造体 (請求項 7)である。また、複数のノズル NZの先端部に対向する冷却面は平滑面であり、複数のノズル NZの先端部は、平滑面に、微小な間隙を隔して近接している（請求項 8)。

[0070] 図 1 (a)に戻ると、符号 20は「冷却液容器」、符号 21は「冷却液」を夫々示す。また、符号 30は主流路用ポンプ、 40は副流路用ポンプ、符号 31A、 31Bは「主流路用管路」、符号 41A、 41Bは「副流路用管路」を示し、符号 50は「凝縮手段」を示している

[0071] 主流路用ポンプ 30、副流路用ポンプ 40および凝集手段 50は、「図示されない制御手段」により制御される。制御手段による制御については後述する。冷却液 21としては、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を好適に用いることができる（請求項 24)。

[0072] 冷却を行うときには、冷却液容器 20内の冷却液 21を主流路用ポンプ 30により汲み上げ、主流路用管路 31Aを通して流路構造体部分 10の主流路 10Aに供給する。主流路 10Aに供給された冷却液 21は主流路 10Aを流れつつ被冷却物 obの沸騰冷却を行う。主流路 10Aを通過した冷却液 21は、主流路用管路 31B内を流れて冷却液容器 20内に戻されるが、その途上に於いて凝集手段 50に依り凝集される。

[0073] 凝集手段 50は主流路用管路 31B内に組み込まれた凝集部 51と、この凝集部 50 に冷却風 53を吹き付けるファン 52とにより構成される。凝集部 50は流路を長く取つており、冷却液 21はこの部分を流れる間に冷却風 53により冷却され、凝集して冷却液容器 20に戻される。

[0074] 一方、副流路用ポンプ 40は冷却液容器 20内の冷却液 21を汲み上げ、副流路用管路 41Aを通して流路構造体部分 10の副流路 10Bに供給する。副流路 10Bに供給された冷却液 21は副流路 10Bを流れつつ、その一部をノズル NZにより主流路 10 Aへ供給し、副流路 10Bを通過すると、副流路用管路 41B内を流れて冷却液容器 2 0内に戻される。 [0075] 図 1に示す沸騰冷却装置では、冷却液容器 20に収容される同じ冷却液 21が主流路 1 OAと副流路 1 OBに供給されるが、副流路 1 OBに冷却液としてサブクール液を供給する場合には、冷却液容器 20から副流路 10Bに至る箇所にサブクール手段を設けることができる。

また、冷却液容器を 2つ設けて、そこ力も主流路 10Aと副流路 10Bそれぞれに冷却液を供給する沸騰冷却装置とすることができ、さらに必要に応じて、副流路 10Bに供給する冷却液をサブクール液にするためのサブクール手段を設けることができる。

[0076] 即ち、図 1に実施の形態を示す沸騰冷却装置は、被冷却物 obの表面を冷却面として、冷却面に一体的に形成される主流路 10Aおよびこの主流路 10Aに重なるよう〖こ隔壁 10Cを介して一体的に形成される副流路 10Bと、副流路 10B側から隔壁 10Cを貫通し、先端部が冷却面に近接するように形成された複数のノズル NZとを有する流路構造体と、この流路構造体の主流路 10Aと副流路 10Bとに流通される冷却液 21と、この冷却液 21を流路構造体に供給し、主流路 10Aと副流路 10Bとに流通させる冷却液供給流通手段（30、 31A、 31B、 40、 41A、 41B)とを有し、流路構造体として請求項 7または請求項 8記載のものが用いられて、る（請求項 18)。

[0077] ここで、流路構造体部分 10における可能な構成例を説明する。

図 1に示す実施の形態において、ノズル NZは、図 1 (c)に示すように「中空シリンダ状」で、冷却面の表面に近接する先端部も開口部の周囲は平滑な面となっている。図 2に示すのは「ノズルの形態の別例」である。

図 2に示す 3つのタイプのノズル NZa、 NZb、 NZcは、何れも中空シリンダ状である力冷却面に近接する部分に特徴があり、ノズル NZaでは、冷却面に近接する先端部に 1以上の微小な貫通孔 Κ1、 Κ2、 Κ3 · ·を有し、ノズル NZbでは、冷却面に近接するノズル先端部に微細な切欠き KR1、 KR2、 KR3 ' ·を有し、ノズル NZcでは、冷却面に近接するノズル先端部に微細なスリット SL1、 SL2、 SL3 "を形成されている（請求項 12)。

[0078] これら貫通孔、切欠き、スリットの形成位置および個数は特に制限されないが、 3〜 6個程度を略等間隔に形成するのが実用的である。ノズルの形態は上記の如きものに限らず「冷却面に向力つて縮径する形状」等、種々の形態が許容される。 [0079] 図 3は、流路構造体部分の内部の形態を例示する図であり、流路構造体内部を流れる冷却液の流れ方向に直交する仮想的断面で切断した端面の状態を示してヽる図 3 (a)に例示する、流路構造体部分 12では、内部は主流路 12Aと副流路 12Bとに分離されており、主流路および副流路とも「単一流路」である。符号 12aは主流路 1 OAに冷却液を通ずる主流路用管路の「主流路 12Aへの連結部」を示す。符号 12b は副流路 1 OBに冷却液を通ずる副流路用管路の「副流路 12Bへの連結部」を示す。図 3 (b)に例示する、流路構造体部分 13では、内部は主流路 13Aと副流路 13Bとに分離されている。主流路 13Aは、冷却面に沿って冷却液の流れの方向に直交する方向（図の左右方向）へ、 1以上の分離隔壁により n個の主流路部分 13Α1、 - · 13 Ai、 · ' 13Αηに分離されており（請求項 14)、副流路 13Bも、主流路 13Aとの隔壁に沿って冷却液の流れの方向に直交する方向（図の左右方向）へ、 1以上の分離隔壁により η個の副流路部分 13Β1、 - · 13Βί, · · 13Βηに分離されている（請求項 15)。

[0080] 即ち、主流路 13Aと副流路 13Bとは同数の分離隔壁により分離されている。主流路 13Aの分離隔壁と副流路 13Bの分離隔壁とは、図の如く互いに整合的に対応し、これら分離隔壁により分離された主流路部分 13Aiおよび副流路部分 13Biの配列形態は、冷却液の流れの方向に直交する配列方向（図の左右方向）において互いにずれていない。

即ち、主流路 13Aと副流路 13Bとは同数の分離隔壁により「整合格子状」に分離されている（請求項 16)。

[0081] なお、図 3 (b)において、各主流路部分の内部に描かれた破線の円は、主流路 13 Aの各主流路部分 13Aiに冷却液を通ずる主流路用管路の「各主流路部分への連結部」を示し、各副流路部分の内部に描かれた破線の円は、副流路 13Bに冷却液を通ずる副流路用管路の「各副流路部分への連結部」を示す。

[0082] また、図 3 (b)に示す流路構造体部分 13では、副流路 13Bを構成する各副流路部分 13Biの流路断面積が、主流路 13Aを構成する各主流路部分 13Aiの流路断面積より大きぐこれら断面積の差により「副流路の圧力が高くなるように動圧差を生じさせる構成」である（請求項 13)。このような動圧差により副流路の圧力を高めることにより「副流路から主流路への冷却液の滲み出しによる供給」を有効に助長できる。

[0083] 図 1に示した実施の形態においては「主流路 1 OAを流れる冷却液と副流路 1 OBを流れる冷却液の流れの向きが互いに逆」である。図 3 (b)に示す流路構造体部分 13 のように「主流路および副流路が整合格子状に分離」されて、る場合には、主流路 1 3Aを構成する全ての主流路部分 13Aiにおける冷却液の流れの向きを「同じ向き」とし、副流路 13Bを構成する全ての副流路部分 13Biにおける冷却液の流れの向きを「同じ向き（主流路における流れの向きと、同じ向きもしくは逆の向き）」としてもよいが、図 3 (c)に示すように、隣接する流路部分における冷却液の流れを「互いに逆向き（各流路部分内の「三角印」は図面の表から裏へ向かう流れ、「 X印」は図面の裏から表へ向かう流れを表す。）」に設定することもできる（請求項 19)。

[0084] 図 4に、冷却面の形態の例を示す。

図 4 (a)に示したのは、図 1 (b)、（c)に即して説明した場合の例であり、各ノズル NZ の先端部が微小な間隙を介して近接する冷却面 RSは平滑面である。

図 4 (b)、 (c)に例示するのは、複数のノズルの先端部に対向する冷却面の表面が「微細な凹凸構造」を有し、複数のノズルの先端部が「微細な凹凸構造に当接」する場合 (請求項 9)である。

図 4 (b)、（c)に示す例では、冷却面 RSb、 RScの表面の微細な凹凸構造は、主流路（図面に直交する方向）に沿って形成された細溝の集合である (請求項 11)。

[0085] 溝の形状は、図 4 (b)に示すように「V字溝」でもよいし、図 4 (c)に示す「断面矩形形状の溝」でもよぐさらには「U字溝」や「断面が半円形状や半楕円形状の溝」等、種々の形態の溝が許容される。溝幅は、ノズル先端部の断面径の「数分の 1」程度が良い。また、溝の形成状態も「主流路に沿って形成」する場合の他、環状もしくは螺旋状に形成することもできる。また、溝を形成する変わりに「冷却面を粗し処理」して粗面構造としてもょ、 (請求項 10)。

パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法とを別装置とする場合には、被冷却物の冷却面として、ノッシブ冷却方法の場合には溝付きのもの力アクティブ冷却方法の場合には平滑のものを用いることが効果的である。

[0086] 図 4にお!/、ては、ノズルとして、図 1 (b)、（c)に即して説明したノズル NZを例示した力図 2に即して説明したノズル NZa、 NZb、 NZc等を用い得ることは言うまでもない。前述の如ぐ図 2のノズル NZbや NZcを用いる場合には、ノズル先端を平滑面 RS に当接させても良い。

[0087] 図 1に示す実施の形態においては、同図（b)に示すように、ノズル NZは「主流路における冷却液の流れの方向へ等間隔」に形成されているが、図 5に示す変形例のように、ノズル NZ (図 2に示すノズル NZa、 NZb、 NZc等の場合も同様である。）の配列密度を「主流路の下流側（図 5にお、て図の右方）ほど密になる」ようにしてもょヽ (請求項 17)。

[0088] さて、図 1に示した実施の形態においてパッシブ冷却方法を実施する場合を説明する。前述した如ぐパッシブ冷却方法を実施する場合には、冷却液 21をサブクールする必要は必ずしもない。図 1の実施の形態においては、冷却液容器 20の上部は開放しているので、主流路および副流路に流通される冷却液の圧力は 1気圧に近い状態であり、ポンプ 30、 40による加圧もさほど大きくはない。従って、冷却液 21の飽和温度は 100°C近傍の温度であり、冷却液 21は実質的に 100°Cとしておいてもよい

[0089] しかし、図 1の実施の形態の沸騰冷却装置は「パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法とを切り替えて実施」するものであるので、ノッシブ冷却方法力もアクティブ冷却方法に切り替えた場合に「直ちにアクティブ冷却方法を実施できる」ように、パッシブ冷却方法を実施する場合においても冷却液をサブクールする。

[0090] サブクール度は、冷却液 21の流量や、アクティブ冷却方法を実施する場合の主流路と副流路の冷却液の圧力差等に応じて、冷却面における主流路の下流側端部でサブクール度が 20K以上となるように設定する。サブクールは、冷却液容器 20内の冷却液 21の温度、主流路出口温度、副流路出口温度等に基づき、凝縮手段 50におけるファン 52による冷却風 53の風量制御により、冷却液容器 20内の冷却液 21の温度に「所定のサブクール度」を持たせるように行われる。

[0091] 図 1の実施の形態により「パッシブ冷却方法」を行うときは、主流路用ポンプ 30、副流路用ポンプ 40を作動させて、冷却液 21を主流路 10A、副流路 10Bに夫々供給する。このとき、主流路用ポンプ 30および副流路用ポンプ 40による冷却液 21の供給量は同じでよい。従って、パッシブ冷却方法のみを実施する沸騰冷却装置の場合であれば、主流路用ポンプ 30と副流路用ポンプ 40とを同一のポンプとし、冷却液容器 20 力ポンプまでの主流路用管路および副流路用管路を共通化することもできる。

[0092] 上記の如ぐ主流路 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 (ヒートスプレッダ SPの表面）を冷却するとともに、副流路 10Bの側力も各ノズル NZを介して、副流路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（請求項 1)。

[0093] 図 6は、パッシブ冷却方法による沸騰冷却中における「主流路内の状態」を説明図的に示している。冷却液 21は主流路内を冷却面に接しつつ、図の左方へ向かう矢印の向きに流れる。このとき核沸騰が生じ、冷却面力も微小な気泡 BLが発生する。発生した気泡 BLは冷却液 21と共に、冷却面に沿って流れつつ、若干成長して気泡の大きさが増す。

[0094] このように大きさを増した気泡 BLGが、図示の如ぐノズル NZの開口部に掛かると、図の如ぐノズル開口部に「メニスカス面」が形成され、メニスカス面の外側（気泡の外側）が低圧となって毛管現象を生じ、副流路側の冷却液 21が主流路内に供給される。供給された冷却液は「若干成長した気泡 BLG」を微細化する。このようにして、若干成長した気泡 BLGは「微細な気泡」に微細化される。

[0095] 気泡 BLGは、大き!/、と!/、つても高々数 mm程度の大きさであり「熱流束を飽和させて沸騰形態を遷移沸騰形態に移行させるほどの大きさ」ではない。従って、ノ^シブ冷却方法による冷却が可能な発熱領域では、冷却液が主流路を流れる間において「気泡の微細化が繰り返される」ため、気泡が「沸騰形態を遷移沸騰形態に移行させるほどの大きさ」に成長することはなぐ核沸騰状態を良好に維持して良好な沸騰冷却を実現できる。

[0096] 即ち、図 1に実施の形態を示す沸騰冷却装置は、パッシブ冷却方法を実施する場合には、冷却液供給流通手段が、冷却液 21を貯留させる冷却液容器 20と、主流路 10Aを通して冷却液容器 20の冷却液 21を導液する主流路用管路 31A、 31Bと、冷却液 21を主流路用管路 31A、 31Bにより主流路 10Aに流通させる主流路用ポンプ 30と、副流路 1 OBを通して冷却液容器 20の冷却液 21を導液する副流路用管路 41 A、 41Bと、冷却液 21を副流路用管路 41A、 41Bにより副流路 10Bに流通させる副流路用ポンプ 40と、主流路 10Aを通過し、主流路用管路 41Bを通って冷却液容器 2 0に戻る冷却液 21を凝集させる凝集手段 50とを有するものである（請求項 20)。

[0097] 上に説明した毛管現象による冷却液 21の供給は「副流路側から主流路側へ冷却液を滲み出させる要因」の代表的なものである。冷却液 21を滲み出させる他の要因としては、例えば、請求項 13記載の「動圧差」を挙げることができる。

[0098] 図 1に実施の形態を示す沸騰冷却装置にお!ヽて「アクティブ冷却方法」を実施する場合には、主流路 10Aと副流路 10Bとに、予め所定の温度にサブクールした冷却液 21を、副流路 10Bにおける圧力を「主流路 10Aにおける圧力」より高めて流通させ、主流路 10Aを流れる冷却液 21の沸騰により冷却面を冷却するとともに、副流路 10B の側力ゝら各ノズル NZを介して、副流路 10B側の冷却液を「主流路 10Aと副流路 10B の冷却液の圧力差」により強制的に冷却面近傍に噴出させて供給することにより、主流路内 10Aの冷却液を冷却し「沸騰により主流路 10A内の冷却液に生じた微細な気泡」を崩壊させつつ冷却面の冷却を行う（請求項 2)。

[0099] 即ち、アクティブ冷却方法を実施する場合には、冷却液 21は「所定の温度にサブクール」され、副流路 10Bにおける冷却液 21の圧力を主流路 10Aにおける冷却液 21 の圧力より高めて流通させるために、主流路用ポンプ 40の圧力を副流路用ポンプ 3 0の圧力よりも高くする。

[0100] 冷却液容器 20内の冷却液 21の温度は、前述の如ぐ冷却液 21の流量や、上記「主流路 1 OAと副流路 1 OBの冷却液の圧力差」等に応じて、冷却面の下流側端部でサブクール度が 20K以上となるように設定する（請求項 3)。

[0101] アクティブ冷却方法の場合には、副流路側から主流路側へ、サブクールされた冷却液が強制的に供給されるので、核沸騰により生じた微小な気泡は殆ど成長する間もなく 0. 1mm程度以下の「極微細な気泡」に崩壊し、消滅させられる。従って、パッシブ冷却方法では「遷移沸騰が生じてしまうような高温度領域」の冷却面に対しても、核沸騰による良好な沸騰冷却を実現することができる。

[0102] 即ち、図 1に実施の形態を示す沸騰冷却装置は、アクティブ冷却方法を実施する装置としては、冷却液供給流通手段が、冷却液 21を貯留させる冷却液容器 20と、主流路 1 OAを通して冷却液容器 20内の冷却液 21を導液する主流路用管路 31 A、 31 Bと、冷却液 21を主流路用管路 31A、 31Bにより主流路 10Aに流通させる主流路用ポンプ 30と、副流路 10Bを通して冷却液容器 20内の冷却液 21を導液する副流路用管路 41A、 41Bと、冷却液 21を副流路用管路 41A、 41Bにより副流路 10Bに流通させる副流路用ポンプ 40と、主流路 10Aを通過し、主流路用管路 31Bを通って冷却液容器 20に戻る冷却液を冷却して凝集させる凝集手段 50と、主流路用ポンプ 30と副流路用ポンプ 40とにより主流路 1 OAと副流路 10Bに供給される冷却液 21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（図示せず）とを有し、副流路 10 Bに流通される冷却液 21の圧力を、主流路 10Aに流通される冷却液 21の圧力より高くする高圧化手段の働きにより、副流路用ポンプ 40が主流路用ポンプ 30よりも高圧とされる (請求項 21)。

[0103] また、図 1に実施の形態を説明した沸騰冷却装置は、上に説明したように、パッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法とを、冷却条件 (被冷却物 obの発熱量の多寡）により切り替える沸騰冷却方法 (請求項 4)を実施する装置である。

[0104] 図 1の実施の形態において、流路構造体部分 10の構成として、図 2〜図 5に即して説明したものを適宜に用いることができることは言うまでもない。特に、図 5に示した「ノズル NZの配列密度を、主流路の下流側ほど密になる」ようにした流路構造体部分を用い、主流路の下流側ほど副流路からの冷却液の供給量を増大させるようにして良好な沸騰冷却を実現することができる (請求項 5)。また、上に説明した沸騰冷却装置の実施の形態においては、冷却液 21として「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」が用いられる（請求項 6、請求項 2 4)。

[0105] 先に述べたように、図 1に示す実施の形態では「制御手段」による制御が行われる。

図 7は制御手段 70による制御の様子を説明図として簡単に示している。制御手段 70は「マイクロコンピュータ」である。上には説明しな力つたが、図 1に示した実施の形態では各種のセンサが用いられ、「冷却面温度」、「主流路入口温度'主流路入口圧力 ·主流路入口流量 ·主流路出口温度 ·主流路出口圧力」、「副流路入口圧力 ·副流路入口流量 ·副流路出口温度 ·副流路出口圧力 ·副流路出口流量」、「凝縮部出口温度 ·冷却液容器温度 ·冷却液容器圧力」が検出される。

[0106] これらのうち、各種温度の検出は「サーミスタ等の温度センサ」により行われ、各種圧力の検出は「ピトー管等の圧力計」により行われ、各種流量の検出は「ベンチユリ管等の流量計」により行われる。

[0107] これら各種温度、流量、圧力等の検出結果は制御手段 70に入力され、制御手段 7 0は入力情報に応じて主流路用ポンプ 30および副流路用ポンプ 40の駆動、凝集手段 50のファン 52の駆動力の強弱、「主流路圧力安全弁、副流路圧力安全弁、冷却容器圧力安全弁」を制御して、冷却動作に支障がでないようにする。また、冷却面温度が急激に上昇した場合 (冷却面温度が上昇しすぎて冷却面の焼損が生じた場合が考えられる。）には、被冷却物の電源を遮断する。

[0108] 制御手段 70はまた、冷却面温度の高低に応じて、主流路用ポンプ 30および副流路用ポンプ 40の駆動力を切り替え、この切り替えにより「パッシブ冷却方法とァクティブ冷却方法との切り替え」を行う。

[0109] 即ち、図 1に実施の形態を示した沸騰冷却装置は「主流路用ポンプの圧力を高低切り替える圧力切り替え手段として制御手段 70を有し、パッシブ冷却方法とァクティブ冷却方法とが冷却条件により切り替え可能」である（請求項 22)。

[0110] また、制御手段 70により主流路 10Aおよび副流路 10Bの安全弁 (バルブ)を制御することにより、アクティブ冷却方法による冷却の際の「副流路 10Bに流通される冷却液 21の圧力を、主流路 10Aに流通される冷却液 21の圧力より高く」するようにしてもよぐこの場合には、主流路 10Aおよび副流路 10Bの安全弁 (バルブ）が「高圧化手段」、これを制御する制御手段が「圧力切り替え手段」を構成する。

実施例

[0111] 以下に、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。

[0112] く実施例 1 >

実施例装置の構成は、図 1に即して説明した実施の形態を示したのと同様ものである。被冷却物として半導体デバイスであるインバータを用いる場合を想定し、インバータのヒートスプレッダとして、幅が 100mm、長さが 150mmのものを想定した。

[0113] ヒートスプレッダ上に、ヒートスプレッダ表面を冷却面として、図 1に即して説明した如き流路構造体部分を、上記スプレッダの長さ方向を流路方向としてアルミニウムにより構成し、この流路構造体部分とインバータとを一体として「流路構造体」とし、主流路および副流路を共に、図 3 (b)に示すタイプのものの如ぐ冷却液の流れの方向に直交し、且つ、冷却面に平行な方向へ、隔壁により「整合格子状」に分割する場合を想定した。上記のように分割された各主流路部分および副流路部分を「チャンネル」と呼ぶ。

[0114] また、主流路および副流路は、 V、ずれも 5チャンネルで、各チャンネルの形状を主流路および副流路ともに同じとし、幅 (冷却液の流れの方向に直交し、且つ、冷却面に平行な方向の長さ）が 20mm、長さが 100mm、高さが 5mmを想定した。

[0115] 上記の如き想定に基づき、想定上の 1チャンネルの 1Z2のモデル、即ち、幅が 10 mm、長さが 100mm、高さが 5mmの実験用チャンネルを持つ実験用流路構造体を構成し、副流路と主流路を隔てる隔壁を貫通して主流路内に突出するノズルは、実験用チャンネルの幅方向中央部に 10mm間隔で、 9本のノズルを直線的に配列させて配置した。個々のノズルは図 1 (c)に示したタイプのものであり、内径が lmm、外径力 S3mmで、冷却面に対して lmmの間隙をあけて近接させた。冷却面は平滑面である。

[0116] 上記実験用流路構造体を用い、冷却液としてサブクール度力 OKの蒸留水を、主流路に流速 0. 5mZ秒で供給し、副流路には流速 0. 3mZ秒で供給して「ァクティブ冷却方法」を実施したところ、 lcm²当たり 300W以上、最大 450Wの熱流束による良好な沸騰冷却を実現でき、被冷却物の焼損は発生しな力つた。

この結果、本発明の沸騰冷却方法力 450WZcm²の除熱熱流束が得られる程の 155°C程度の高い温度領域において、 100mmの冷却流路長（主流路内冷却液の流れ方向）の被冷却物に対して適用可能であることを立証するものである。

[0117] く実施例 2 >

図 2 (c)の切り欠きタイプのノズルと流路構造体の材質としてステンレスを用いたこと以外は、流路構造体の構成が実施例 1に記載のものと同様のものを用いて、ノッシブ冷却方法とアクティブ冷却方法を行なった。

冷却液として蒸留水を用い、サブクール度が 40K、主流路に流速 0. 05mZ秒の条件で、ニードルノズル力冷却液を冷却面に向けて滲み出す状態で供給して、「パッシブ冷却方法」を実施したところ、 60W/cm²の除熱熱流束が得られた。

その後、冷却面に設置された温度センサによって、冷却面の温度と熱流束を検知し、冷却面の発熱量が増加するに従って、冷却液の流量を変化させて、主流路の流速を増加させ、発熱密度が lOOWZcm²当たりから、主流路に流速 0. 55m/秒で、副流路には流速 0. 3〜0. 9mZ秒の間で発熱量に応じて変化させて、ノズル力冷却面へのサブクール液の供給を噴射状態に切り替えて「アクティブ冷却方法」を実施したところ、振動も騒音もほとんど発生せずに、最大 500WZcm²の除熱熱流束が得られた。

この結果、本発明の沸騰冷却方法力 500WZcm²の除熱熱流束が得られる程の 160°C程度の高い温度領域において、長さ 10cmの大きな冷却流路長の被冷却物に対して適用可能であり、し力も、幅広い熱負荷変動にも連続的に対応可能なものであることを立証するものである。

本発明のパッシブ冷却方法は、主流路内の流速を極めて低くすることにより冷却液駆動力を極めて小さくし、これにより省エネ型冷却を実現したものであり、パーソナルな実用的な製品分野、例えば、家庭用の小規模の燃料電池用発電装置に適用可能なものである。一方、本発明のアクティブ冷却方法では、副流路の冷却液が連続して強制的に主流路へ供給され、上記の如ぐ冷却面で発生する微小な気泡は瞬時に「極微細な気泡」に崩壊される。

このように、本発明のアクティブ冷却方法によると気泡が実質的に成長せず、微小な気泡は瞬時に崩壊されるので、極めて静かな運転状態で冷却を行うことができ、高熱流束冷却を安定して維持することができる。

換言すれば伝熱面上に形成される気泡を大きくなる前に微細化して除熱限界を高め、その結果、伝熱部材の焼損を発生させずにより高温領域での冷却を、かつ伝熱面の長さがより長いのものの冷却を可能としたものである。

これに対して、気泡が大きくなつて力も崩壊させる方法では、気泡の成長と崩壊が繰り返し生じることになつて、本発明のような高熱流束冷却を得ることが出来なくなるばかりか、「かなり大きな騒音」が発生する。また、本発明におけるパッシブ冷却方法およびアクティブ冷却方法は、冷却対象である伝熱部材等、必要に応じて、いずれか一方の冷却方法を実施する装置に適用することもできるが、パッシブ冷却方法およびアクティブ冷却方法の両方を実施する併用装置に適用して、圧力調整によって冷却液の供給状態を変化させ、低発熱時には滲み出し状態で行ない、発熱量が高い場合には噴射状態にし、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には最大の噴射状態にして行なうことにより、 500W/cm²以上の高発熱まで連続的に対応することがでさるちのである。

[0119] 本発明は、従来技術の沸騰冷却の冷却限界を大幅に向上させることができ、かつ幅の広い熱負荷変動に対応可能にしたことが最もめざましい特徴および効果を有するものである。

本発明の沸騰冷却装置が適用される技術分野または製品分野 (以下、製品と称する）としては、稼動中に熱が発生しその熱を冷却する冷却手段を構成要素とするものであれば、特に限定されない。

例えば、パソコンのような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、ハイブリッドカー、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インバータ又は鉄道電車あるいは航空機の電力システムの電力変換インバータ等を挙げることができる。

[0120] すなわち、例えばパソコンのような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については、本発明の沸騰冷却装置を構成する流路構造体の主流路を発熱体の表面と一体的に形成した構成とすることにより、製品とすることができる。また、ハイブリッド自動車、電気自動車、燃料電池自動車並びに燃料電池発電装置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については、このような装置には、電力変換のためのインバータ、電力制御の電子パッケージを含む複数の電子素子および伝熱部材 (例えば、ヒートスプレッダ一)を主構成要素とする電子機器が搭載されており、本発明の沸騰冷却装置を構成する流路構造体の主流路を電子機器を構成する伝熱部材の表面に取り付けて一体的に形成した構成とすることにより、製品とすることができる。このような電子機器としては、一般的に高発熱密度電子機器が用いられており、例えば 50kW以上のような高、電力が扱われるので、単位面積当たりの発熱量が多く、発熱密度が lOOWZcm²以上、さらには 300WZcm²にもなることも考えられるが、このような電子機器の冷却に対しても、本発明は好適である。

一方、本発明の流路構造体およびこの流路構造体を構成要素として備えた沸騰冷却装置は、それぞれ単独の製品として扱うこともできる。

流路構造体を単独の製品として扱う場合には、沸騰冷却装置の構成要素として設置する際に、被冷却物の大きさ、放熱器の最適取り付け場所、空間余裕によって配管の長さ等を調節することができるが、冷却液が入っていないため、放熱器、送液ポンプ等を含む冷却系を組み上げた時に，空気が入らな、ように冷却液を注入することが必要とされる。

また、沸騰冷却装置を単独の製品として扱う場合には、冷却液容器に冷却液が予め貯留された構成のものであっても、貯蔵されていない構成のものであっても、いずれのものも製品とすることができるが、冷却液容器に冷却液が予め貯留された構成のものの場合には、予め冷却液を封入した状態で扱うことができるので、冷却液液注入と空気抜き作業を省略することができる。

以上のように、本発明の沸騰冷却装置が広、技術分野における伝熱部材 (加熱ブロック）の適用可能な、対環境性、対省エネルギー性に対して発展性のある技術と言うことができる。

Claims

請求の範囲

[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ことを特徴とする沸騰冷却方法。

[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、上記副流路側カも各ノズルを介して、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。

[3] 請求項 2記載の沸騰冷却方法にお、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。

[4] 請求項 1記載の沸騰冷却方法 (以下、パッシブ冷却方法と!/ヽぅ。 )と、請求項 2または請求項 3記載の沸騰冷却方法 (以下、アクティブ冷却方法という。）とを、冷却条件により切り替えることを特徴とする沸騰冷却方法。

[5] 請求項 1〜請求項 4の任意の 1に記載の沸騰冷却方法にぉ、て、

ノズルの配列形態及び Z又は配列密度を、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。

[6] 請求項 1〜請求項 5の任意の 1に記載の沸騰冷却方法にぉ、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。

[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冷却面として、上記冷却面に一体的に形成され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とを有する流路構造体

[8] 請求項 7記載の流路構造体にお、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、微小な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。

[9] 請求項 7記載の流路構造体にぉ、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、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。

[10] 請求項 9記載の流路構造体にぉ、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

[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。

[12] 請求項 7〜請求項 11の任意の 1に記載の流路構造体にぉ、て、

各ノズルの先端部に、微小な貫通孔および Zまたは微細なスリットおよび Zまたは切欠きを 1以上有することを特徴とする流路構造体。

[13] 請求項 7〜請求項 12の任意の 1に記載の流路構造体において、副流路の流路断面積が、主流路の流路断面積より大きぐこれら断面積の差により副流路の圧力が高くなるように動圧差を生じさせる構成であることを特徴とする流路構造体。

[14] 請求項 7〜請求項 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。

[15] 請求項 7〜請求項 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。

[16] 請求項 14または請求項 15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。

[17] 請求項 7〜請求項 16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。

[18] 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、上記冷却面に一体的に形成され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とを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〜請求項 17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。

[19] 請求項 18記載の沸騰冷却装置において、

流路構造体が、請求項 16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。

[20] 請求項 18または請求項 19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つ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ことを特徴とする沸騰冷却装置。

[21] 請求項 18または請求項 19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つ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。

[22] 請求項 21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。

[23] 請求項 20〜請求項 22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。

[24] 請求項 20〜請求項 23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。

[25] 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 18〜24の任意の 1に記載の沸騰冷却装置を冷却手段として備えていることを特徴とする製品。

[26] 請求項 25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てなることを特徴とする電子素子または燃料電池。

[27] 請求項 25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の表面に一体的に形成されてなる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。