沸騰冷却装置
【課題】液体冷媒の凍結を防止でき、且つ、バーンアウトの発生を抑制することができる沸騰冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明の沸騰冷却装置１は、発熱体Ｚの熱を受ける液体冷媒を内部に収容する収容部２を備え、液体冷媒は、沸点の異なる少なくとも２種類の液体からなる混合液であり、収容部２は、発熱体Ｚの熱を液体冷媒に伝える伝熱壁部２１ａと、液体冷媒を介して伝熱壁部２１ａに対向する対向壁部２３ａと、を有し、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの離間距離は、３ｍｍ以下であることを特徴とする。
【解決手段】本発明の沸騰冷却装置１は、発熱体Ｚの熱を受ける液体冷媒を内部に収容する収容部２を備え、液体冷媒は、沸点の異なる少なくとも２種類の液体からなる混合液であり、収容部２は、発熱体Ｚの熱を液体冷媒に伝える伝熱壁部２１ａと、液体冷媒を介して伝熱壁部２１ａに対向する対向壁部２３ａと、を有し、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの離間距離は、３ｍｍ以下であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を用いた沸騰冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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る。ここで、密封系の沸騰冷却装置において、発熱体から受熱する液体冷媒はアルコール類であることが多い。例えば、特開平４−２５７６９３号公報（特許文献１）では、水（１００）と低級アルコール（５〜１２）の混合液が記載されている。ここでの冷媒は、主に室内用機器の冷却に用いられるヒートパイプを対象とし、−１０℃程度で凍結せずかつ不燃性となっている。
【０００３】
また、実開昭６２−８５７１号公報（特許文献２）では、水とアルコールの混合液が記載されている。ここでは、水とアルコールの混合比率を変えることで、冷媒の凍結を防止している。
【０００４】
一方、沸騰冷却装置において、上記のような液体冷媒を収容する部位と、発熱体の熱を液体冷媒に伝える部位の空間構成により、熱伝達特性などがどうなるかなどの研究も行われている。例えば、第２２回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９８５−５）Ａ１１２「狭い間隙における核沸騰熱伝達」では、伝熱面とそれに対向する面との離間距離と、熱伝達特性との関係が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−２５７６９３号公報
【特許文献２】実開昭６２−８５７１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】第２２回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９８５−５）Ａ１１２「狭い間隙における核沸騰熱伝達」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
沸騰冷却装置においては、高熱流束を生じさせる発熱体に対して、バーンアウト（膜沸騰）が生じる可能性がある。バーンアウトが生じた領域では、熱伝達が行われず、冷却性能は低下してしまう。そこで、従来からバーンアウトの発生を抑制することが求められている。最近では、発熱体である電子機器等が小型化、高集積化され、熱流束（発熱密度）が高くなり（例えば１ＭＷ／ｍ２程度）、バーンアウトが生じやすくなっている。
【０００８】
また、液体冷媒として、水を用いた場合、液体冷媒がもつ限界熱流束は大きくなり、バーンアウトが生じにくくなる。しかし、水は融点が高く、容易に凍結してしまうため、車両への搭載には不向きとなってしまう。一方、液体冷媒として、アルコールを用いた場合、融点が低く、凍結しにくくなる。しかし、アルコールは、水に比べて限界熱流束が小さく、バーンアウトの抑制の面で問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、液体冷媒の凍結の抑制が可能であり、バーンアウトの発生を抑制することができる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の沸騰冷却装置は、発熱体の熱を受ける液体冷媒を内部に収容する収容部を備え、液体冷媒は、沸点の違う少なくとも２種類の液体からなる混合液であり、収容部は、発熱体の熱を液体冷媒に伝える伝熱壁部と、液体冷媒を介して伝熱壁部に対向する対向壁部と、を有し、伝熱壁部と対向壁部との離間距離は、３ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
液体冷媒として、混合液を用いることにより、求められる仕様に合わせて融点を調整でき、液体冷媒の凍結防止が可能となる。そして、伝熱壁部と対向壁部との離間距離を３ｍｍ以下とすることで、熱伝達が良好になり、バーンアウトの発生は抑制される。
【００１２】
ここで、伝熱壁部と対向壁部との離間距離は、２ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、さらに熱伝達が良好になり、バーンアウトの発生は抑制される。さらに、伝熱壁部と対向壁部との離間距離は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、より熱伝達が良好になり、バーンアウトの発生は抑制される。
【００１３】
ここで、液体冷媒は、水とエタノールの混合液であることが好ましい。エタノールは、他のアルコール類に比べて融点が低く、水との混合液において融点を下げやすい。つまり、混合液が目標融点温度に達するために必要なエタノール量は、他のアルコールを混ぜるよりも少なくてよい。従って、他のアルコールに比べ、混合液における水の割合を大きくすることができ、混合液の限界熱流束を大きくできる。
【００１４】
また、エタノールは、他のアルコール類と比較して、蒸発熱（潜熱）が大きい。従って、エタノールを用いることでより限界熱流束が大きくなる。さらに、エタノールは、比較的沸点が低く、熱循環効率がよくなり、沸騰冷却の冷媒として有効である。また、エタノールは、沸点が低すぎないため、一般に凝縮部で凝縮に用いられる冷媒（例えば冷却水）の温度（例えば６５℃程度）よりも沸点が大きく、より沸騰冷却に適している。特に、当該狭い間隙に、気泡上昇速度の大きい上記混合液を用いることで、熱伝達性能は大きく向上する。以上より、水とエタノールの混合液を用いることで、凍結が防止され、且つ、バーンアウトの発生も抑制される。
【００１５】
さらに、上記混合液のエタノール濃度は、４５質量％以上５５質量％以下であることが好ましい。これにより、融点が−３０℃未満となり、車両搭載に一般的に要求される仕様（例えば−３０℃で凍らない）を確実にクリアすることができる。また、混合液に水が含まれている分、アルコール単成分よりも、液体冷媒の限界熱流束は大きくなる。これにより、バーンアウトの発生は抑制される。
【００１６】
なお、本発明の沸騰冷却装置は、収容部に連なり、発熱体の熱によって沸騰した液体冷媒を凝縮させる凝縮部をさらに備え、密封系の沸騰冷却装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の沸騰冷却装置によれば、バーンアウトの発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】沸騰冷却装置１を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】各アルコールの特性を示す図である。
【図４】エタノール−水混合液のエタノール濃度と限界熱流束との関係を示す図である。
【図５】離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。
【図６】戻り離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。
【図７】エタノール−水混合液のエタノール濃度と熱伝達率との関係を示す図である。
【図８】膜沸騰の説明のための模式図である。
【図９】エタノール−水混合液のエタノール濃度と素子温度の関係を示す図である。
【図１０】実験の簡単な構成を示す模式図である。
【図１１】実験における発熱体の出力と熱電対の測定温度の関係を示す図である。
【図１２】沸騰冷却装置１００を示すＡ−Ａ断面図に相当する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
本実施形態の沸騰冷却装置について図１〜図９を参照して説明する。図１は、沸騰冷却装置１を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、各アルコールの特性を示す図である。図４は、エタノール−水混合液のエタノール濃度と限界熱流束との関係を示す図である。図５は、離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。図６は、戻り離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。図７は、エタノール−水混合液のエタノール濃度と熱伝達率との関係を示す図である。図８は、膜沸騰の説明のための模式図である。図９は、エタノール−水混合液のエタノール濃度と素子温度の関係を示す図である。なお、図４は、「Ｍａｔｏｒｉｒ，Ａ．Ｓ．，Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｏｖｉｅｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，５−１（１９７３），８５〜８９」から引用している。
【００２１】
沸騰冷却装置１は、図１および図２に示すように、仕切板２３で内部空間が仕切られた容器Ｙからなっており、収容部２と、凝縮部３を備えている。
【００２２】
収容部２は、断面が直方体形状の金属製の容器であり、内部に液体冷媒が貯留されている。収容部２は受熱通路２１と、供給通路２２と、仕切板２３とを備えている。受熱通路２１は、収容部２の発熱体Ｚが取り付けられる伝熱壁部２１ａを含む側壁面と、当該側壁面に対向する仕切板２３と、容器Ｙの前側と後側（図２における紙面の奥側と手前側）の側壁面を含む４面で囲まれた部位である。仕切板２３は、受熱通路２１の側面および供給通路２２の側面を形成し、収容部２の内部空間を受熱通路２１と供給通路２２とに仕切っている。発熱体Ｚは、例えば半導体素子等である。
【００２３】
受熱通路２１は、略直方体形状であって、上方が開口して凝縮部３に連なり、下方が開口して供給通路２２に連なっている。伝熱壁部２１ａと仕切板２３とは平行であり、仕切板２３のうち伝熱壁部２１ａに対向する部分を対向壁部２３ａとする。本実施形態において、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの離間距離は、およそ１ｍｍとなっている。
【００２４】
受熱通路２１は、液体冷媒により満たされている。受熱通路２１の伝熱壁部２１ａは、発熱体Ｚの熱を液体冷媒に伝える部位である。受熱通路２１内の液体冷媒は、発熱体Ｚの熱を受けて沸騰し、気泡となった液体冷媒が液体冷媒内を上昇する。供給通路２２については、後述する。
【００２５】
凝縮部３は、収容部２の上方に位置し、下方が開口して受熱通路２１および供給通路２２に連なっている。凝縮部３には、凝縮パイプ３１が設けられている。凝縮パイプ３１には、冷却水が流れている。凝縮部３は、受熱通路２１から上昇してくる蒸気を冷却し、凝縮させる。
【００２６】
供給通路２２は、受熱通路２１と並列し、収容部２内が仕切板５で受熱通路２１と仕切られたもう一方側の部位である。供給通路２２は、上方が開口して凝縮部３に連なり、下方が開口して受熱通路２１に連なっている。凝縮部３で凝縮された液体冷媒は、液滴となって液体冷媒の液面に滴下する。供給通路２２は、凝縮部３から滴下する液体冷媒を受け、圧力差により下方から受熱通路２１に液体冷媒を供給する。なお、沸騰冷却装置１は、完全に密封状態となっている。液体冷媒は、真空状態の容器（沸騰冷却装置１）に封入される。
【００２７】
ここで、収容部２に収容される液体冷媒について説明する。液体冷媒は、水とエタノールの混合液である。本実施形態において、この混合液のエタノール濃度は、およそ５０質量％（ｗｔ％）である。エタノールは、沸点は比較的低く７８．６℃である。エタノールは、沸騰温度が低く沸騰冷却装置の冷媒として有効である。また、本実施形態では、凝縮パイプ３１におよそ６５℃の冷却水を流している。このため、沸点は６５℃より適度に高いほうがよい。この点においても、混合液にエタノールを用いることは有効である。
【００２８】
さらに、エタノールは、蒸発熱（潜熱）が８５５［ｋＪ／ｋｇ］であり、他のアルコール類と比べて蒸発熱が大きい。このため、エタノールは、限界熱流束が大きい。つまり、他のアルコール類を用いるより、水とエタノールの混合液は限界熱流束（ＭＷ／ｍ２）を大きくすることができる。熱流速が限界熱流束を超えるとバーンアウトを起こすため、限界熱流束の大きいほうが有利である。なお、水の蒸発熱は、エタノールよりも大きい。
【００２９】
さらに、エタノールは、図３に示すように、他のアルコール類に比べて、融点が低い（−１１４．１℃）。このため、他のアルコール類よりも、混合液を目標となる融点温度（ここでは−３０℃未満）にするために必要な混合量は少なくてよい。水の蒸発熱は、アルコール類よりも大きく、混合液の限界熱流束は、水成分が多いほうが大きくなる。エタノールは、比較的少量でも融点を下げることができ、結果、水成分を多くし限界熱流束を大きくできる。このように、本実施形態において、水との混合はエタノールが最適である。
【００３０】
例えば、水との混合にＨＦＥ−７２００を用いた場合を考える。図３に示すように、ＨＦＥ−７２００は、エタノールよりも融点が低く混合液の融点を下げるには有効である。しかしながら、蒸発熱がエタノールに比べてかなり小さいため、混合後に適切な蒸発熱を確保することが困難である。つまり、バーンアウトの発生を抑制することが困難となる。
【００３１】
また、例えば、水との混合に２−プロパノールを用いた場合を考える。２−プロパノールは、蒸発熱が比較的大きく、バーンアウトの発生抑制に対しては有効である。しかしながら、２−プロパノールは、エタノールよりも融点が高いため、エタノールよりも多い量で混合しないと、水−エタノール混合液と同じ融点が得られない。結局、融点を低くするために、水に対する２−プロパノールの混合比を増やす必要があり、蒸発熱は低下してしまう。さらには、２−プロパノールの蒸発熱は、エタノールよりも小さい。以上のように、凍結防止効果とバーンアウト発生抑制効果の両方を発揮させるには、水−エタノール混合が最適である。
【００３２】
ここで、エタノール濃度について説明する。図４に示すように、水とエタノールの混合液においてエタノール濃度が異なると限界熱流束が異なることがわかる。図４に示すように、エタノール濃度がおよそ７５質量％以下において、限界熱流束は大きくなっている。つまり、上述したように、限界熱流束が大きい方がバーンアウトを抑制するのに有利であることから、バーンアウトの抑制には、エタノール濃度がおよそ７５質量％以下の混合液を用いることが好ましい。
【００３３】
ただし、エタノール濃度が低くなるほど、融点が高くなり、凍り易くなってしまう。特に車両に搭載される沸騰冷却装置に用いられる液体冷媒であるため、液体冷媒は、一般におよそ−３０℃において凍結しないものが要求される。そこで、エタノール濃度が４０質量％の混合液の凍結実験を行った。その結果、当該混合液は、−３５℃雰囲気中において、凍結しないことが確認された。つまり、混合液は、エタノール濃度が４０質量％以上であれば、融点がそれ以下となり、−３０℃でも凍結することはない。車両搭載への要求仕様はクリアできる。また、上記のとおり、混合液には、限界熱流束が大きい水成分が含まれるため、限界熱流束はエタノール単成分よりも大きくなる。
【００３４】
このように、車両の沸騰冷却装置に用いられる液体冷媒は、エタノール濃度が４０質量％以上７５質量％以下である混合液（水＋エタノール）が好ましい。これによれば、凍結が防がれ、且つ、バーンアウトが抑制される。
【００３５】
また、さらに確実に凍結を防ぐために、エタノール濃度は４５質量％以上であることが好ましい。例えば、エタノール濃度が５０質量％程度であると、融点が−４０℃より小さくなり、寒冷地の要求仕様（−４０℃で凍らない）もクリアできる。つまり、エタノール濃度が４５〜７５質量％の混合液を用いることで、凍結をより確実に防止でき、かつ、限界熱流束を大きくしてバーンアウトを抑制することができる。
【００３６】
ここで、本実施形態では、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの離間距離がおよそ１ｍｍとなっている。非特許文献１には、上記離間距離（伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの間隙）を小さくするとプール沸騰に比べて熱伝達は促進されることが記載されている。なお、プールとは、離間距離が１０ｍｍ以上の十分な距離がある場合である。例えば、離間距離が２ｍｍ、１ｍｍ、０．６ｍｍの場合、低熱流束域で熱伝達が著しく促進されている。熱伝達率が大きいほど、冷却性能は良好なものとなる。
【００３７】
本実施形態と同構成において、上記離間距離を変更して熱伝達率の違いを実験した。この実験では、エタノール濃度６０質量％の混合液を用いている。発熱体の熱流束は１〜２（ＭＷ／ｍ２）である。図５に示すように、離間距離が２ｍｍ以下で熱伝達率が上昇している。ただし、水とエタノールの混合液の限界気泡径がおよそ１．５ｍｍであり、最大でその倍にあたる３ｍｍまでは良好な熱伝達が行われると考えられる。つまり、離間距離は３ｍｍ以下であれば、熱伝達の面で有利な効果が得られる。そして、好ましくは、離間距離が２ｍｍ以下である。さらに好ましい離間距離は、１ｍｍを中心とした０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。
【００３８】
また、仕切板２３と供給通路２２側の壁部２２ａとの離間距離（以下、戻り離間距離と称する）についても同様の実験を行った。図６に示すように、戻り離間距離が１ｍｍから２ｍｍに向けて熱伝達率は急激に向上するが、２ｍｍ以降は熱伝達率の向上はあまりなくなる。戻り離間距離を大きくすると装置が大型化してしまうというデメリットも考慮すると、装置の大型化を抑制しつつ熱伝達率を向上させるために、戻り離間距離は２ｍｍ付近が適していることがわかる。本実施形態の戻り離間距離は、２ｍｍとなっている。
【００３９】
続いて、本実施形態では、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａの離間距離を１ｍｍとして、混合液のエタノール濃度を変えて熱伝達率の実験を行った。図７に示すように、エタノール濃度が５０質量％で高い熱伝達率（およそ７．８×１０４［Ｗ／ｍ２・Ｋ］）となることがわかる。また、６０質量％および７０質量％でも高い熱伝達率（６０質量％：およそ６．５×１０４［Ｗ／ｍ２・Ｋ］、７０質量％：およそ６．３×１０４［Ｗ／ｍ２・Ｋ］）となることがわかる。
【００４０】
限界熱流束に関しては、図４に示すように、７５質量％から３０質量％に向けて徐々に大きくなっている。バーンアウト抑制（７５質量％以下）、凍結防止（４０質量％以上）、および、上記熱伝達率の観点から、エタノール濃度は、高い熱伝達率の５０〜７０質量％を中心としたおよそ４５質量％以上７５質量％以下が車両搭載に適しているといえる。さらに、好ましくは、最も高い熱伝達率の５０質量％を中心とした４５質量％以上５５質量％以下となる。本実施形態では、離間距離が１ｍｍであり、混合液のエタノール濃度が５０質量％である。上記のとおり、これによれば、液体冷媒の凍結が防止でき、且つ、バーンアウトの発生が抑制される。
【００４１】
なお、バーンアウトは、特に膜沸騰は、図８（上図）に示すように、発熱体Ｚの中心部分（最も高温となる部分）に対応する伝熱壁部２１ａの内面付近で発生する。膜沸騰が発生すると、その発生した領域（膜沸騰領域）では、液体冷媒が伝熱壁部２１ａに接触できず、熱伝達が行われない。これによれば、冷却性能は低下してしまう。また、熱の伝わりは、膜沸騰領域を避けて周囲に拡大される。つまり、熱伝導距離が長くなってしまう。これにより、伝熱壁部２１ａを伝わる熱に対して熱抵抗が大きくなり、伝熱性能も低下してしまう。例えば、発熱体Ｚの発熱密度が１ＭＷ／ｍ２を超えるものである場合、エタノール単成分の液体冷媒では膜沸騰を生じる虞がある。
【００４２】
しかしながら、上記した好ましい混合液を液体冷媒として用いることで、膜沸騰の発生を抑制することができる。膜沸騰が抑制されることで、図８（下図）に示すように、伝熱壁部２１ａ内面に液体冷媒が接触し、且つ、伝熱の際の熱の拡大が防止される。熱伝導距離も短くなり、冷却性能および伝熱性能は向上する。
【００４３】
また、図９に示すように、密封系の沸騰冷却装置における発熱体Ｚの発熱密度とエタノール濃度との関係においては、発熱密度に関わらず、エタノール濃度が８０〜１００質量％で素子温度が若干高くなっているが、エタノール濃度が変わってもおおよそ素子温度の差は見られない。これは、開放系であればエタノール濃度が少なくなるにつれて沸点が高くなることから、開放系ではエタノール濃度が少なくなるにつれて伝熱性能が低下して素子温度が上昇すると予測されるが、密封系では沸点は圧力に依存し、圧力は凝縮能力に依存するため、密封系において凝縮能力が一定であることによりエタノール濃度によらず混合冷媒の沸点の差がほとんどなくなったと推測される。そのため、密封系であれば、混合冷媒においてエタノール濃度を少なくしたことによる沸点の低下、およびそれに伴う伝熱性能の低下が起こらないため、混合冷媒を使用する場合においては密封系とした方が良いことが分かる。また、エタノール濃度が８０〜１００質量％で素子温度が若干高くなっていることから、エタノール濃度は８０質量％以下がよいことがわかる。この結果からも、エタノール濃度は４０〜７５質量％が有効であることがわかる。
【００４４】
ここで、さらに、上記離間距離と素子温度との関係について実験した。図１０は、実験の簡単な構成を示す模式図である。図１１は、実験における発熱体の出力と熱電対の測定温度の関係を示す図である。図１１において、横軸は発熱体の出力（Ｗ）で、縦軸は温度（℃）である。
【００４５】
実験では、基本構成は上記実施形態と同様であるが、図１０に示すように、伝熱壁部２１ａと発熱体（ヒータ）との間に熱電対を配置し、温度を測定した。液体冷媒は、水とエタノールの混合液である。伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａの離間距離をｈとする。熱電対の測定温度が素子温度（発熱体温度）に相当する。実験は、エタノール濃度が５０質量％の液体冷媒に対してｈが１ｍｍと無限、および、エタノール濃度が１００質量％の液体冷媒に対してｈが１ｍｍと無限について行った。ここでの無限とは、ｈ＝１０ｍｍ以上の十分な長さとした場合について実験した結果であって、プールを意味する。
【００４６】
実験結果では、図１１に示すように、エタノール濃度が５０質量％でｈ＝１ｍｍの場合が最も素子温度が低くなることが分かる。つまり、エタノール濃度５０質量％の混合液を液体冷媒とし、ｈ＝１ｍｍとした場合に、最も冷却性能が高いこととなる。例えば、同じエタノール濃度５０質量％の液体冷媒を用いた場合でも、ｈが無限であるより、ｈ＝１ｍｍであるほうが素子温度は常に小さくなる。
【００４７】
また、エタノール濃度が１００質量％の場合、素子の出力が小さい時にはｈ＝１の方がｈが無限である場合より素子温度が低くなるが、素子の出力が大きい時にはｈ＝１の方がｈが無限である場合より素子温度が高くなる。すなわち、エタノール１００質量％の場合には、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａの離間距離ｈを小さくしても、その効果が無いか、もしくはあったとしても効果が小さいことが分かる。
【００４８】
従来の論文より、狭い間隙において流路下部で発生した蒸気が流路上部の蒸気を押しのけることで熱伝達率が向上することが分かっている。そして、水とエタノールの混合冷媒の蒸気の密度はエタノール単成分の蒸気の密度に比べ小さいため気泡上昇速度が速い。そのため、狭い間隙における伝熱性能の向上は、エタノール単成分冷媒に比べ水とエタノールの混合成分冷媒の方が大きくなると推測される。
【００４９】
なお、本実施形態では、最適な形態として、離間距離が１ｍｍでエタノール濃度が５０質量％としたが、これらの数値は誤差を除くものではない。数値に多少のずれがあっても、上記効果は発揮される。つまり、本実施形態における数値は多少の幅をもち、誤差等による若干のずれは、本実施形態に含まれる。例えば、エタノール濃度が５０質量％について、下限が４９〜４８質量％で、上限が５１〜５２質量％の範囲内であればよい。同様に、離間距離１ｍｍについても、０．９〜１．１ｍｍであればよい。
【００５０】
ここで、本実施形態の変形態様として、沸騰冷却装置は、図１２に示す構成であってもよい。図１２は、沸騰冷却装置１００を示すＡ−Ａ断面図に相当する図である。図１２に示すように、沸騰冷却装置１００は、凝縮部３０と、２つの仕切板５１、５２で内部が仕切られた収容部２０とからなっている。収容部２０は、第一受熱通路２０１と、第二受熱通路２０２と、供給通路２０３と、仕切板５１、５２とを備えている。
【００５１】
第一受熱通路２０１は、略直方体であり、およそ、左側の仕切板５１と、発熱体Ｚ１、Ｚ２が取り付けられた伝熱壁部２０１ａ、２０１ｂを含む側壁面と、を含む側壁面で囲まれた部位である。第二受熱通路２０２は、略直方体であり、およそ、右側の仕切板５２と、発熱体Ｚ３、Ｚ４が取り付けられた伝熱壁部２０２ａ、２０２ｂを含む側壁面と、を含む側壁面で囲まれた部位である。
【００５２】
受熱通路２０１、２０２は、上方が開口して凝縮部３０に連なり、下方が開口して供給通路２０３に連なっている。受熱通路２０１、２０２は、内部に上記した液体冷媒が収容されている。伝熱壁部２０１ａ、２０１ｂを含む側壁面と仕切板５１（対向壁部に相当する）との離間距離は、３ｍｍ以下（ここでは、およそ１ｍｍ）となっている。伝熱壁部２０２ａ、２０２ｂを含む側壁面と仕切板５２（対向壁部に相当する）との離間距離も、３ｍｍ以下（ここでは、およそ１ｍｍ）となっている。
【００５３】
供給通路２０３は、略直方体であり、仕切板５１と仕切板５２に挟まれた部位であり、上方が開口して凝縮部３０に連なり、下方が開口して受熱通路２０１、２０２に連なっている。仕切板５１と仕切板５２の離間距離（戻り離間距離）は、およそ２ｍｍとなっている。
【００５４】
凝縮部３０は、受熱通路２０１、２０２および供給通路２０３の上方に位置している。凝縮部３０には、内部に冷却水が流れる凝縮パイプ３０１、３０２が設けられている。受熱通路２０１、２０２に収容された本実施形態の液体冷媒（混合液）は、それぞれ発熱体Ｚ１〜Ｚ４から熱を受け、沸騰する。上昇した蒸気は、凝縮部３０で凝縮される。凝縮された液体冷媒は、主に供給通路２０３に滴下する。供給通路２０３は、凝縮部３から滴下する液体冷媒を受け、圧力差により下方から受熱通路２０１、２０２に液体冷媒を供給する（図１２矢印参照）。これによっても、上記混合液が用いられることで、本実施形態同様の効果が発揮される。
【００５５】
本発明の沸騰冷却装置は、発熱体が基板と基板の上に設けられた発熱素子から構成され、収容部の側壁に穴を形成するとともにその穴を閉塞するように基板を配置して、基板が冷媒に直接接するような構造であってもよい。その場合、基板は収容部の一部とみなされ、基板が伝熱壁部に該当する。また、発熱体が収容部内に配置されて、冷媒に漬かる構造であってもよい。また、熱交換器については、冷媒が有底容器内に溜まっている熱交換器に限定されず、冷媒が溜まらずに流れているような構造の熱交換器であってもよい。以上、本発明によれば、これらの構造であっても、上記同様の効果が発揮される。
【符号の説明】
【００５６】
１、１００：沸騰冷却装置、
２、２０：収容部、
２１：受熱通路、 ２０１：第一受熱通路、 ２０２：第二受熱通路
２２、２０３：供給通路、
２１ａ、２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂ：伝熱壁部、 ２３ａ：対向壁部、
３、３０：凝縮部、 ３１、３０１、３０２：凝縮パイプ、
２３、５１、５２：仕切板
Ｚ、Ｚ１〜Ｚ４：発熱体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒を用いた沸騰冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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る。ここで、密封系の沸騰冷却装置において、発熱体から受熱する液体冷媒はアルコール類であることが多い。例えば、特開平４−２５７６９３号公報（特許文献１）では、水（１００）と低級アルコール（５〜１２）の混合液が記載されている。ここでの冷媒は、主に室内用機器の冷却に用いられるヒートパイプを対象とし、−１０℃程度で凍結せずかつ不燃性となっている。
【０００３】
また、実開昭６２−８５７１号公報（特許文献２）では、水とアルコールの混合液が記載されている。ここでは、水とアルコールの混合比率を変えることで、冷媒の凍結を防止している。
【０００４】
一方、沸騰冷却装置において、上記のような液体冷媒を収容する部位と、発熱体の熱を液体冷媒に伝える部位の空間構成により、熱伝達特性などがどうなるかなどの研究も行われている。例えば、第２２回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９８５−５）Ａ１１２「狭い間隙における核沸騰熱伝達」では、伝熱面とそれに対向する面との離間距離と、熱伝達特性との関係が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平４−２５７６９３号公報
【特許文献２】実開昭６２−８５７１号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】第２２回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９８５−５）Ａ１１２「狭い間隙における核沸騰熱伝達」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
沸騰冷却装置においては、高熱流束を生じさせる発熱体に対して、バーンアウト（膜沸騰）が生じる可能性がある。バーンアウトが生じた領域では、熱伝達が行われず、冷却性能は低下してしまう。そこで、従来からバーンアウトの発生を抑制することが求められている。最近では、発熱体である電子機器等が小型化、高集積化され、熱流束（発熱密度）が高くなり（例えば１ＭＷ／ｍ２程度）、バーンアウトが生じやすくなっている。
【０００８】
また、液体冷媒として、水を用いた場合、液体冷媒がもつ限界熱流束は大きくなり、バーンアウトが生じにくくなる。しかし、水は融点が高く、容易に凍結してしまうため、車両への搭載には不向きとなってしまう。一方、液体冷媒として、アルコールを用いた場合、融点が低く、凍結しにくくなる。しかし、アルコールは、水に比べて限界熱流束が小さく、バーンアウトの抑制の面で問題がある。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、液体冷媒の凍結の抑制が可能であり、バーンアウトの発生を抑制することができる沸騰冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の沸騰冷却装置は、発熱体の熱を受ける液体冷媒を内部に収容する収容部を備え、液体冷媒は、沸点の違う少なくとも２種類の液体からなる混合液であり、収容部は、発熱体の熱を液体冷媒に伝える伝熱壁部と、液体冷媒を介して伝熱壁部に対向する対向壁部と、を有し、伝熱壁部と対向壁部との離間距離は、３ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
液体冷媒として、混合液を用いることにより、求められる仕様に合わせて融点を調整でき、液体冷媒の凍結防止が可能となる。そして、伝熱壁部と対向壁部との離間距離を３ｍｍ以下とすることで、熱伝達が良好になり、バーンアウトの発生は抑制される。
【００１２】
ここで、伝熱壁部と対向壁部との離間距離は、２ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、さらに熱伝達が良好になり、バーンアウトの発生は抑制される。さらに、伝熱壁部と対向壁部との離間距離は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、より熱伝達が良好になり、バーンアウトの発生は抑制される。
【００１３】
ここで、液体冷媒は、水とエタノールの混合液であることが好ましい。エタノールは、他のアルコール類に比べて融点が低く、水との混合液において融点を下げやすい。つまり、混合液が目標融点温度に達するために必要なエタノール量は、他のアルコールを混ぜるよりも少なくてよい。従って、他のアルコールに比べ、混合液における水の割合を大きくすることができ、混合液の限界熱流束を大きくできる。
【００１４】
また、エタノールは、他のアルコール類と比較して、蒸発熱（潜熱）が大きい。従って、エタノールを用いることでより限界熱流束が大きくなる。さらに、エタノールは、比較的沸点が低く、熱循環効率がよくなり、沸騰冷却の冷媒として有効である。また、エタノールは、沸点が低すぎないため、一般に凝縮部で凝縮に用いられる冷媒（例えば冷却水）の温度（例えば６５℃程度）よりも沸点が大きく、より沸騰冷却に適している。特に、当該狭い間隙に、気泡上昇速度の大きい上記混合液を用いることで、熱伝達性能は大きく向上する。以上より、水とエタノールの混合液を用いることで、凍結が防止され、且つ、バーンアウトの発生も抑制される。
【００１５】
さらに、上記混合液のエタノール濃度は、４５質量％以上５５質量％以下であることが好ましい。これにより、融点が−３０℃未満となり、車両搭載に一般的に要求される仕様（例えば−３０℃で凍らない）を確実にクリアすることができる。また、混合液に水が含まれている分、アルコール単成分よりも、液体冷媒の限界熱流束は大きくなる。これにより、バーンアウトの発生は抑制される。
【００１６】
なお、本発明の沸騰冷却装置は、収容部に連なり、発熱体の熱によって沸騰した液体冷媒を凝縮させる凝縮部をさらに備え、密封系の沸騰冷却装置であってもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の沸騰冷却装置によれば、バーンアウトの発生が抑制される。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】沸騰冷却装置１を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】各アルコールの特性を示す図である。
【図４】エタノール−水混合液のエタノール濃度と限界熱流束との関係を示す図である。
【図５】離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。
【図６】戻り離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。
【図７】エタノール−水混合液のエタノール濃度と熱伝達率との関係を示す図である。
【図８】膜沸騰の説明のための模式図である。
【図９】エタノール−水混合液のエタノール濃度と素子温度の関係を示す図である。
【図１０】実験の簡単な構成を示す模式図である。
【図１１】実験における発熱体の出力と熱電対の測定温度の関係を示す図である。
【図１２】沸騰冷却装置１００を示すＡ−Ａ断面図に相当する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
本実施形態の沸騰冷却装置について図１〜図９を参照して説明する。図１は、沸騰冷却装置１を示す斜視図である。図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。図３は、各アルコールの特性を示す図である。図４は、エタノール−水混合液のエタノール濃度と限界熱流束との関係を示す図である。図５は、離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。図６は、戻り離間距離と熱伝達率の関係を示す図である。図７は、エタノール−水混合液のエタノール濃度と熱伝達率との関係を示す図である。図８は、膜沸騰の説明のための模式図である。図９は、エタノール−水混合液のエタノール濃度と素子温度の関係を示す図である。なお、図４は、「Ｍａｔｏｒｉｒ，Ａ．Ｓ．，Ｈｅａｔ ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｓｏｖｉｅｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，５−１（１９７３），８５〜８９」から引用している。
【００２１】
沸騰冷却装置１は、図１および図２に示すように、仕切板２３で内部空間が仕切られた容器Ｙからなっており、収容部２と、凝縮部３を備えている。
【００２２】
収容部２は、断面が直方体形状の金属製の容器であり、内部に液体冷媒が貯留されている。収容部２は受熱通路２１と、供給通路２２と、仕切板２３とを備えている。受熱通路２１は、収容部２の発熱体Ｚが取り付けられる伝熱壁部２１ａを含む側壁面と、当該側壁面に対向する仕切板２３と、容器Ｙの前側と後側（図２における紙面の奥側と手前側）の側壁面を含む４面で囲まれた部位である。仕切板２３は、受熱通路２１の側面および供給通路２２の側面を形成し、収容部２の内部空間を受熱通路２１と供給通路２２とに仕切っている。発熱体Ｚは、例えば半導体素子等である。
【００２３】
受熱通路２１は、略直方体形状であって、上方が開口して凝縮部３に連なり、下方が開口して供給通路２２に連なっている。伝熱壁部２１ａと仕切板２３とは平行であり、仕切板２３のうち伝熱壁部２１ａに対向する部分を対向壁部２３ａとする。本実施形態において、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの離間距離は、およそ１ｍｍとなっている。
【００２４】
受熱通路２１は、液体冷媒により満たされている。受熱通路２１の伝熱壁部２１ａは、発熱体Ｚの熱を液体冷媒に伝える部位である。受熱通路２１内の液体冷媒は、発熱体Ｚの熱を受けて沸騰し、気泡となった液体冷媒が液体冷媒内を上昇する。供給通路２２については、後述する。
【００２５】
凝縮部３は、収容部２の上方に位置し、下方が開口して受熱通路２１および供給通路２２に連なっている。凝縮部３には、凝縮パイプ３１が設けられている。凝縮パイプ３１には、冷却水が流れている。凝縮部３は、受熱通路２１から上昇してくる蒸気を冷却し、凝縮させる。
【００２６】
供給通路２２は、受熱通路２１と並列し、収容部２内が仕切板５で受熱通路２１と仕切られたもう一方側の部位である。供給通路２２は、上方が開口して凝縮部３に連なり、下方が開口して受熱通路２１に連なっている。凝縮部３で凝縮された液体冷媒は、液滴となって液体冷媒の液面に滴下する。供給通路２２は、凝縮部３から滴下する液体冷媒を受け、圧力差により下方から受熱通路２１に液体冷媒を供給する。なお、沸騰冷却装置１は、完全に密封状態となっている。液体冷媒は、真空状態の容器（沸騰冷却装置１）に封入される。
【００２７】
ここで、収容部２に収容される液体冷媒について説明する。液体冷媒は、水とエタノールの混合液である。本実施形態において、この混合液のエタノール濃度は、およそ５０質量％（ｗｔ％）である。エタノールは、沸点は比較的低く７８．６℃である。エタノールは、沸騰温度が低く沸騰冷却装置の冷媒として有効である。また、本実施形態では、凝縮パイプ３１におよそ６５℃の冷却水を流している。このため、沸点は６５℃より適度に高いほうがよい。この点においても、混合液にエタノールを用いることは有効である。
【００２８】
さらに、エタノールは、蒸発熱（潜熱）が８５５［ｋＪ／ｋｇ］であり、他のアルコール類と比べて蒸発熱が大きい。このため、エタノールは、限界熱流束が大きい。つまり、他のアルコール類を用いるより、水とエタノールの混合液は限界熱流束（ＭＷ／ｍ２）を大きくすることができる。熱流速が限界熱流束を超えるとバーンアウトを起こすため、限界熱流束の大きいほうが有利である。なお、水の蒸発熱は、エタノールよりも大きい。
【００２９】
さらに、エタノールは、図３に示すように、他のアルコール類に比べて、融点が低い（−１１４．１℃）。このため、他のアルコール類よりも、混合液を目標となる融点温度（ここでは−３０℃未満）にするために必要な混合量は少なくてよい。水の蒸発熱は、アルコール類よりも大きく、混合液の限界熱流束は、水成分が多いほうが大きくなる。エタノールは、比較的少量でも融点を下げることができ、結果、水成分を多くし限界熱流束を大きくできる。このように、本実施形態において、水との混合はエタノールが最適である。
【００３０】
例えば、水との混合にＨＦＥ−７２００を用いた場合を考える。図３に示すように、ＨＦＥ−７２００は、エタノールよりも融点が低く混合液の融点を下げるには有効である。しかしながら、蒸発熱がエタノールに比べてかなり小さいため、混合後に適切な蒸発熱を確保することが困難である。つまり、バーンアウトの発生を抑制することが困難となる。
【００３１】
また、例えば、水との混合に２−プロパノールを用いた場合を考える。２−プロパノールは、蒸発熱が比較的大きく、バーンアウトの発生抑制に対しては有効である。しかしながら、２−プロパノールは、エタノールよりも融点が高いため、エタノールよりも多い量で混合しないと、水−エタノール混合液と同じ融点が得られない。結局、融点を低くするために、水に対する２−プロパノールの混合比を増やす必要があり、蒸発熱は低下してしまう。さらには、２−プロパノールの蒸発熱は、エタノールよりも小さい。以上のように、凍結防止効果とバーンアウト発生抑制効果の両方を発揮させるには、水−エタノール混合が最適である。
【００３２】
ここで、エタノール濃度について説明する。図４に示すように、水とエタノールの混合液においてエタノール濃度が異なると限界熱流束が異なることがわかる。図４に示すように、エタノール濃度がおよそ７５質量％以下において、限界熱流束は大きくなっている。つまり、上述したように、限界熱流束が大きい方がバーンアウトを抑制するのに有利であることから、バーンアウトの抑制には、エタノール濃度がおよそ７５質量％以下の混合液を用いることが好ましい。
【００３３】
ただし、エタノール濃度が低くなるほど、融点が高くなり、凍り易くなってしまう。特に車両に搭載される沸騰冷却装置に用いられる液体冷媒であるため、液体冷媒は、一般におよそ−３０℃において凍結しないものが要求される。そこで、エタノール濃度が４０質量％の混合液の凍結実験を行った。その結果、当該混合液は、−３５℃雰囲気中において、凍結しないことが確認された。つまり、混合液は、エタノール濃度が４０質量％以上であれば、融点がそれ以下となり、−３０℃でも凍結することはない。車両搭載への要求仕様はクリアできる。また、上記のとおり、混合液には、限界熱流束が大きい水成分が含まれるため、限界熱流束はエタノール単成分よりも大きくなる。
【００３４】
このように、車両の沸騰冷却装置に用いられる液体冷媒は、エタノール濃度が４０質量％以上７５質量％以下である混合液（水＋エタノール）が好ましい。これによれば、凍結が防がれ、且つ、バーンアウトが抑制される。
【００３５】
また、さらに確実に凍結を防ぐために、エタノール濃度は４５質量％以上であることが好ましい。例えば、エタノール濃度が５０質量％程度であると、融点が−４０℃より小さくなり、寒冷地の要求仕様（−４０℃で凍らない）もクリアできる。つまり、エタノール濃度が４５〜７５質量％の混合液を用いることで、凍結をより確実に防止でき、かつ、限界熱流束を大きくしてバーンアウトを抑制することができる。
【００３６】
ここで、本実施形態では、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの離間距離がおよそ１ｍｍとなっている。非特許文献１には、上記離間距離（伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａとの間隙）を小さくするとプール沸騰に比べて熱伝達は促進されることが記載されている。なお、プールとは、離間距離が１０ｍｍ以上の十分な距離がある場合である。例えば、離間距離が２ｍｍ、１ｍｍ、０．６ｍｍの場合、低熱流束域で熱伝達が著しく促進されている。熱伝達率が大きいほど、冷却性能は良好なものとなる。
【００３７】
本実施形態と同構成において、上記離間距離を変更して熱伝達率の違いを実験した。この実験では、エタノール濃度６０質量％の混合液を用いている。発熱体の熱流束は１〜２（ＭＷ／ｍ２）である。図５に示すように、離間距離が２ｍｍ以下で熱伝達率が上昇している。ただし、水とエタノールの混合液の限界気泡径がおよそ１．５ｍｍであり、最大でその倍にあたる３ｍｍまでは良好な熱伝達が行われると考えられる。つまり、離間距離は３ｍｍ以下であれば、熱伝達の面で有利な効果が得られる。そして、好ましくは、離間距離が２ｍｍ以下である。さらに好ましい離間距離は、１ｍｍを中心とした０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。
【００３８】
また、仕切板２３と供給通路２２側の壁部２２ａとの離間距離（以下、戻り離間距離と称する）についても同様の実験を行った。図６に示すように、戻り離間距離が１ｍｍから２ｍｍに向けて熱伝達率は急激に向上するが、２ｍｍ以降は熱伝達率の向上はあまりなくなる。戻り離間距離を大きくすると装置が大型化してしまうというデメリットも考慮すると、装置の大型化を抑制しつつ熱伝達率を向上させるために、戻り離間距離は２ｍｍ付近が適していることがわかる。本実施形態の戻り離間距離は、２ｍｍとなっている。
【００３９】
続いて、本実施形態では、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａの離間距離を１ｍｍとして、混合液のエタノール濃度を変えて熱伝達率の実験を行った。図７に示すように、エタノール濃度が５０質量％で高い熱伝達率（およそ７．８×１０４［Ｗ／ｍ２・Ｋ］）となることがわかる。また、６０質量％および７０質量％でも高い熱伝達率（６０質量％：およそ６．５×１０４［Ｗ／ｍ２・Ｋ］、７０質量％：およそ６．３×１０４［Ｗ／ｍ２・Ｋ］）となることがわかる。
【００４０】
限界熱流束に関しては、図４に示すように、７５質量％から３０質量％に向けて徐々に大きくなっている。バーンアウト抑制（７５質量％以下）、凍結防止（４０質量％以上）、および、上記熱伝達率の観点から、エタノール濃度は、高い熱伝達率の５０〜７０質量％を中心としたおよそ４５質量％以上７５質量％以下が車両搭載に適しているといえる。さらに、好ましくは、最も高い熱伝達率の５０質量％を中心とした４５質量％以上５５質量％以下となる。本実施形態では、離間距離が１ｍｍであり、混合液のエタノール濃度が５０質量％である。上記のとおり、これによれば、液体冷媒の凍結が防止でき、且つ、バーンアウトの発生が抑制される。
【００４１】
なお、バーンアウトは、特に膜沸騰は、図８（上図）に示すように、発熱体Ｚの中心部分（最も高温となる部分）に対応する伝熱壁部２１ａの内面付近で発生する。膜沸騰が発生すると、その発生した領域（膜沸騰領域）では、液体冷媒が伝熱壁部２１ａに接触できず、熱伝達が行われない。これによれば、冷却性能は低下してしまう。また、熱の伝わりは、膜沸騰領域を避けて周囲に拡大される。つまり、熱伝導距離が長くなってしまう。これにより、伝熱壁部２１ａを伝わる熱に対して熱抵抗が大きくなり、伝熱性能も低下してしまう。例えば、発熱体Ｚの発熱密度が１ＭＷ／ｍ２を超えるものである場合、エタノール単成分の液体冷媒では膜沸騰を生じる虞がある。
【００４２】
しかしながら、上記した好ましい混合液を液体冷媒として用いることで、膜沸騰の発生を抑制することができる。膜沸騰が抑制されることで、図８（下図）に示すように、伝熱壁部２１ａ内面に液体冷媒が接触し、且つ、伝熱の際の熱の拡大が防止される。熱伝導距離も短くなり、冷却性能および伝熱性能は向上する。
【００４３】
また、図９に示すように、密封系の沸騰冷却装置における発熱体Ｚの発熱密度とエタノール濃度との関係においては、発熱密度に関わらず、エタノール濃度が８０〜１００質量％で素子温度が若干高くなっているが、エタノール濃度が変わってもおおよそ素子温度の差は見られない。これは、開放系であればエタノール濃度が少なくなるにつれて沸点が高くなることから、開放系ではエタノール濃度が少なくなるにつれて伝熱性能が低下して素子温度が上昇すると予測されるが、密封系では沸点は圧力に依存し、圧力は凝縮能力に依存するため、密封系において凝縮能力が一定であることによりエタノール濃度によらず混合冷媒の沸点の差がほとんどなくなったと推測される。そのため、密封系であれば、混合冷媒においてエタノール濃度を少なくしたことによる沸点の低下、およびそれに伴う伝熱性能の低下が起こらないため、混合冷媒を使用する場合においては密封系とした方が良いことが分かる。また、エタノール濃度が８０〜１００質量％で素子温度が若干高くなっていることから、エタノール濃度は８０質量％以下がよいことがわかる。この結果からも、エタノール濃度は４０〜７５質量％が有効であることがわかる。
【００４４】
ここで、さらに、上記離間距離と素子温度との関係について実験した。図１０は、実験の簡単な構成を示す模式図である。図１１は、実験における発熱体の出力と熱電対の測定温度の関係を示す図である。図１１において、横軸は発熱体の出力（Ｗ）で、縦軸は温度（℃）である。
【００４５】
実験では、基本構成は上記実施形態と同様であるが、図１０に示すように、伝熱壁部２１ａと発熱体（ヒータ）との間に熱電対を配置し、温度を測定した。液体冷媒は、水とエタノールの混合液である。伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａの離間距離をｈとする。熱電対の測定温度が素子温度（発熱体温度）に相当する。実験は、エタノール濃度が５０質量％の液体冷媒に対してｈが１ｍｍと無限、および、エタノール濃度が１００質量％の液体冷媒に対してｈが１ｍｍと無限について行った。ここでの無限とは、ｈ＝１０ｍｍ以上の十分な長さとした場合について実験した結果であって、プールを意味する。
【００４６】
実験結果では、図１１に示すように、エタノール濃度が５０質量％でｈ＝１ｍｍの場合が最も素子温度が低くなることが分かる。つまり、エタノール濃度５０質量％の混合液を液体冷媒とし、ｈ＝１ｍｍとした場合に、最も冷却性能が高いこととなる。例えば、同じエタノール濃度５０質量％の液体冷媒を用いた場合でも、ｈが無限であるより、ｈ＝１ｍｍであるほうが素子温度は常に小さくなる。
【００４７】
また、エタノール濃度が１００質量％の場合、素子の出力が小さい時にはｈ＝１の方がｈが無限である場合より素子温度が低くなるが、素子の出力が大きい時にはｈ＝１の方がｈが無限である場合より素子温度が高くなる。すなわち、エタノール１００質量％の場合には、伝熱壁部２１ａと対向壁部２３ａの離間距離ｈを小さくしても、その効果が無いか、もしくはあったとしても効果が小さいことが分かる。
【００４８】
従来の論文より、狭い間隙において流路下部で発生した蒸気が流路上部の蒸気を押しのけることで熱伝達率が向上することが分かっている。そして、水とエタノールの混合冷媒の蒸気の密度はエタノール単成分の蒸気の密度に比べ小さいため気泡上昇速度が速い。そのため、狭い間隙における伝熱性能の向上は、エタノール単成分冷媒に比べ水とエタノールの混合成分冷媒の方が大きくなると推測される。
【００４９】
なお、本実施形態では、最適な形態として、離間距離が１ｍｍでエタノール濃度が５０質量％としたが、これらの数値は誤差を除くものではない。数値に多少のずれがあっても、上記効果は発揮される。つまり、本実施形態における数値は多少の幅をもち、誤差等による若干のずれは、本実施形態に含まれる。例えば、エタノール濃度が５０質量％について、下限が４９〜４８質量％で、上限が５１〜５２質量％の範囲内であればよい。同様に、離間距離１ｍｍについても、０．９〜１．１ｍｍであればよい。
【００５０】
ここで、本実施形態の変形態様として、沸騰冷却装置は、図１２に示す構成であってもよい。図１２は、沸騰冷却装置１００を示すＡ−Ａ断面図に相当する図である。図１２に示すように、沸騰冷却装置１００は、凝縮部３０と、２つの仕切板５１、５２で内部が仕切られた収容部２０とからなっている。収容部２０は、第一受熱通路２０１と、第二受熱通路２０２と、供給通路２０３と、仕切板５１、５２とを備えている。
【００５１】
第一受熱通路２０１は、略直方体であり、およそ、左側の仕切板５１と、発熱体Ｚ１、Ｚ２が取り付けられた伝熱壁部２０１ａ、２０１ｂを含む側壁面と、を含む側壁面で囲まれた部位である。第二受熱通路２０２は、略直方体であり、およそ、右側の仕切板５２と、発熱体Ｚ３、Ｚ４が取り付けられた伝熱壁部２０２ａ、２０２ｂを含む側壁面と、を含む側壁面で囲まれた部位である。
【００５２】
受熱通路２０１、２０２は、上方が開口して凝縮部３０に連なり、下方が開口して供給通路２０３に連なっている。受熱通路２０１、２０２は、内部に上記した液体冷媒が収容されている。伝熱壁部２０１ａ、２０１ｂを含む側壁面と仕切板５１（対向壁部に相当する）との離間距離は、３ｍｍ以下（ここでは、およそ１ｍｍ）となっている。伝熱壁部２０２ａ、２０２ｂを含む側壁面と仕切板５２（対向壁部に相当する）との離間距離も、３ｍｍ以下（ここでは、およそ１ｍｍ）となっている。
【００５３】
供給通路２０３は、略直方体であり、仕切板５１と仕切板５２に挟まれた部位であり、上方が開口して凝縮部３０に連なり、下方が開口して受熱通路２０１、２０２に連なっている。仕切板５１と仕切板５２の離間距離（戻り離間距離）は、およそ２ｍｍとなっている。
【００５４】
凝縮部３０は、受熱通路２０１、２０２および供給通路２０３の上方に位置している。凝縮部３０には、内部に冷却水が流れる凝縮パイプ３０１、３０２が設けられている。受熱通路２０１、２０２に収容された本実施形態の液体冷媒（混合液）は、それぞれ発熱体Ｚ１〜Ｚ４から熱を受け、沸騰する。上昇した蒸気は、凝縮部３０で凝縮される。凝縮された液体冷媒は、主に供給通路２０３に滴下する。供給通路２０３は、凝縮部３から滴下する液体冷媒を受け、圧力差により下方から受熱通路２０１、２０２に液体冷媒を供給する（図１２矢印参照）。これによっても、上記混合液が用いられることで、本実施形態同様の効果が発揮される。
【００５５】
本発明の沸騰冷却装置は、発熱体が基板と基板の上に設けられた発熱素子から構成され、収容部の側壁に穴を形成するとともにその穴を閉塞するように基板を配置して、基板が冷媒に直接接するような構造であってもよい。その場合、基板は収容部の一部とみなされ、基板が伝熱壁部に該当する。また、発熱体が収容部内に配置されて、冷媒に漬かる構造であってもよい。また、熱交換器については、冷媒が有底容器内に溜まっている熱交換器に限定されず、冷媒が溜まらずに流れているような構造の熱交換器であってもよい。以上、本発明によれば、これらの構造であっても、上記同様の効果が発揮される。
【符号の説明】
【００５６】
１、１００：沸騰冷却装置、
２、２０：収容部、
２１：受熱通路、 ２０１：第一受熱通路、 ２０２：第二受熱通路
２２、２０３：供給通路、
２１ａ、２０１ａ、２０１ｂ、２０２ａ、２０２ｂ：伝熱壁部、 ２３ａ：対向壁部、
３、３０：凝縮部、 ３１、３０１、３０２：凝縮パイプ、
２３、５１、５２：仕切板
Ｚ、Ｚ１〜Ｚ４：発熱体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体の熱を受ける液体冷媒を内部に収容する収容部を備え、
前記液体冷媒は、沸点の異なる少なくとも２種類の液体からなる混合液であり、
前記収容部は、前記発熱体の熱を前記液体冷媒に伝える伝熱壁部と、前記液体冷媒を介して前記伝熱壁部に対向する対向壁部と、を有し、
前記伝熱壁部と前記対向壁部との離間距離は、３ｍｍ以下であることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記伝熱壁部と前記対向壁部との離間距離は、２ｍｍ以下である請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記伝熱壁部と前記対向壁部との離間距離は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である請求項２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
前記液体冷媒は、水とエタノールの混合液である請求項１〜３の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記混合液のエタノール濃度は、４５質量％以上５５質量％以下である請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【請求項１】
発熱体の熱を受ける液体冷媒を内部に収容する収容部を備え、
前記液体冷媒は、沸点の異なる少なくとも２種類の液体からなる混合液であり、
前記収容部は、前記発熱体の熱を前記液体冷媒に伝える伝熱壁部と、前記液体冷媒を介して前記伝熱壁部に対向する対向壁部と、を有し、
前記伝熱壁部と前記対向壁部との離間距離は、３ｍｍ以下であることを特徴とする沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記伝熱壁部と前記対向壁部との離間距離は、２ｍｍ以下である請求項１に記載の沸騰冷却装置。
【請求項３】
前記伝熱壁部と前記対向壁部との離間距離は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である請求項２に記載の沸騰冷却装置。
【請求項４】
前記液体冷媒は、水とエタノールの混合液である請求項１〜３の何れか一項に記載の沸騰冷却装置。
【請求項５】
前記混合液のエタノール濃度は、４５質量％以上５５質量％以下である請求項４に記載の沸騰冷却装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−１９６９１２（Ｐ２０１０−１９６９１２Ａ）
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−３９２４９（Ｐ２００９−３９２４９）
【出願日】平成２１年２月２３日（２００９．２．２３）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月９日（２０１０．９．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月２３日（２００９．２．２３）
【出願人】（０００００３２１８）株式会社豊田自動織機 (4,162)
【Ｆターム（参考）】
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