(57)【要約】【課題】熱抵抗を低減しうる沸騰冷却装置を提供する。【解決手段】沸騰冷却装置１は、外部からの熱を受ける中空状受熱部３、外部に熱を放出する中空状放熱部４、および受熱部３内と放熱部４内とを通じさせる冷媒流通部５を有する冷媒封入体２と、冷媒封入体２内に封入されて受熱部３に貯留されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒６とを備えている。冷媒６は、パーフルオロポリエーテルとｎ−ペンタンとの混合液からなる。前記混合液におけるｎ−ペンタンンの含有量は４０〜６０質量％である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの熱を受ける中空状受熱部、外部に熱を放出する中空状放熱部、および受熱部内と放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、冷媒が、パーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液からなり、前記混合液におけるハイドロカーボンの含有量が４０〜６０質量％である沸騰冷却装置。
【請求項２】
前記ハイドロカーボンがｎ−ペンタンからなる請求項１記載の沸騰冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷媒の相変化を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば、半導体素子や、半導体素子およびその制御回路が一体化されたパワー半導体モジュールを冷却する冷却装置として、冷媒の相変化を利用して発熱体を冷却する沸騰冷却装置を用いることが考えられている。
【０００３】
この種の沸騰冷却装置として、外部からの熱を受ける中空状受熱部、外部に熱を放出する中空状放熱部、および受熱部内と放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えており、冷媒が、水とエタノールとの混合液からなる沸騰冷却装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
特許文献１記載の沸騰冷却装置によれば、冷媒が、水とエタノールとの混合液からなるので、冷媒の凝固点が氷点下となり、氷点下となる環境下でも使用可能になる。
【０００５】
しかしながら、水とエタノールとの混合液からなる冷媒を用いた沸騰冷却装置の場合、熱抵抗、すなわち冷媒封入体の壁から冷媒、および冷媒から冷媒封入体の壁に熱が伝わる際の抵抗が水に比べて高くなるので、水を用いた沸騰冷却装置に比べて冷却効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−１９６９１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、上記問題を解決し、熱抵抗を低減しうる沸騰冷却装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために以下の態様からなる。
【０００９】
1)外部からの熱を受ける中空状受熱部、外部に熱を放出する中空状放熱部、および受熱部内と放熱部内とを通じさせる冷媒流通部を有する冷媒封入体と、冷媒封入体内に封入されかつ潜熱として熱を輸送する冷媒とを備えた沸騰冷却装置において、冷媒が、パーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液からなり、前記混合液におけるハイドロカーボンの含有量が４０〜６０質量％である沸騰冷却装置。
【００１０】
2)前記ハイドロカーボンがｎ−ペンタンからなる上記1)記載の沸騰冷却装置。
【発明の効果】
【００１１】
上記1)および2)の沸騰冷却装置によれば、冷媒が、パーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液からなり、前記混合液におけるハイドロカーボンの含有量が４０〜６０質量％であるから、特許文献１記載の水とエタノールとの混合液からなる冷媒を用いた沸騰冷却装置に比べて、熱交換量が増加しても熱抵抗が低くなる。しかも、冷媒の凝固点が氷点下になるので、氷点下となる環境下でも使用可能である。
【００１２】
さらに、各種存在するパーフルオロカーボンの中でパーフルオロポリエーテルを用いているので、次の効果を奏する。すなわち、一般に沸騰現象は沸騰曲線で表され、受熱する熱流束の増加とともに熱伝達率が上昇する核沸騰状態となる。熱流束が最大値である臨界熱流束を超えると沸騰状態が核沸騰から膜沸騰に遷移し、沸騰面（冷媒封入体の受熱部内面）が気泡で覆われて沸騰面温度は急激に上昇し、熱抵抗が上昇する。そして、パーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液からなり、前記混合液におけるハイドロカーボンの含有量が４０〜６０質量％である冷媒を用いると、核沸騰が起こりやすくなって熱交換量が少ない場合であっても熱抵抗は低く、しかも膜沸騰への遷移が、熱交換量が比較的多くなるまで起こりにくい。したがって、沸騰現象を利用した沸騰冷却装置において、安全な使用範囲を広くとることができる。また、安全な使用範囲を最小に設計することにより設計マージンを抑制することができ、コストの削減を図ることができる。
【００１３】
上記2)の沸騰冷却装置によれば、上記1)で述べた効果が一層顕著になる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の沸騰冷却装置を概略的に示す垂直断面図である。
【図２】冷媒を構成するパーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液中のハイドロカーボンの含有量決めるために行った実験結果を示すグラフである。
【図３】冷媒を構成するパーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液中のハイドロカーボンの含有量決めるために行った図２とは異なる実験結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施形態を、図面を参照して説明する。
【００１６】
以下の説明において、「アルミニウム」という用語には、純アルミニウムの他にアルミニウム合金を含むものとする。
【００１７】
図１はこの発明の沸騰冷却装置の全体構成を概略的に示す。
【００１８】
図１において、沸騰冷却装置(1)は、外部からの熱を受ける中空状受熱部(3)、外部に熱を放出する中空状放熱部(4)、および受熱部(3)内と放熱部(4)内とを通じさせる冷媒流通部(5)を有するアルミニウム製の冷媒封入体(2)と、冷媒封入体(2)内に封入されて受熱部(3)に貯留されておりかつ潜熱として熱を輸送する冷媒(6)とを備えている。冷媒(6)は、冷媒封入体(2)内を真空状態として封入されている。冷媒封入体(2)は、受熱部(3)、放熱部(4)および冷媒流通部(5)を含めて全体がアルミニウムにより形成されている。
【００１９】
冷媒封入体(2)の受熱部(3)の外面に、たとえば半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールなどからなる発熱体(7)が、図示しない熱伝導性グリスを介して取り付けられるようになっており、発熱体(7)から発せられる熱が冷媒封入体(2)の壁を経て受熱部(3)内の冷媒(6)に伝わる。
【００２０】
冷媒封入体(2)の放熱部(4)内には、冷却液を冷媒封入体(2)の外部から供給するとともに冷媒封入体(2)の外部に戻す冷却液循環管(8)が配置されている。そして、冷媒(6)により受熱部(3)から輸送されてきた熱を、冷却液循環管(8)内を流れる冷却液を介して冷媒封入体(2)の外部に放熱するようになっている。
【００２１】
冷媒(6)は、パーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液からなる。前記混合液におけるハイドロカーボンの含有量は４０〜６０質量％の範囲内で選択すべきである。なお、前記混合液におけるパーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの合計量は１００質量％である。前記パーフルオロポリエーテルとしては、たとえばソルベイソレクシス（Ｓｏｌｖａｙ Ｓｏｌｅｘｉｓ）社製のガルデンＨＴ−５５を用いることが好ましい。また、前記ハイドロカーボンとしては、ｎ−ペンタンを用いることが好ましい。
【００２２】
ここで、冷媒(6)を構成するパーフルオロポリエーテルとハイドロカーボンとの混合液におけるハイドロカーボンの含有量を４０〜６０質量％としたのは、次のような実験を行った結果、図２および図３に示すような結果が得られたからである。
【００２３】
すなわち、図１に示す沸騰冷却装置(1)を使用して、水、ガルデンＨＴ−５５(A)、ｎ−ペンタン(B)、水とエタノールとの混合液(C)（混合液中のエタノール含有量は５０質量％）、パーフルオロケトン（住友スリーエム社製、Ｎｏｖｅｃ６４９）とｎ−ペンタンとの混合液(D)（混合液中のｎ−ペンタンの含有量は５０質量％）、ガルデンＨＴ−５５とｎ−ペンタンとの混合液(E)（混合液中のｎ−ペンタンの含有量は５０質量％）の熱抵抗を求めた。
【００２４】
熱抵抗は、発熱体(7)からの発熱量をＱ(W)、発熱体(7)の温度をＴｈ（℃）、冷却液循環管(8)内に送り込まれる冷却液の温度をＴｃ（℃）として、（Ｔｈ−Ｔｃ）／Ｑ（℃／Ｗ）という式により求めた。その結果を図２に示す。なお、図２においては、水の熱抵抗を１００％とした場合の各物質の熱抵抗を示す。
【００２５】
また、ガルデンＨＴ−５５とｎ−ペンタンとの混合液中のｎ−ペンタンの含有量を種々変更し、ｎ−ペンタンの含有量が９５質量％の混合液(F)、ｎ−ペンタンの含有量が６０質量％の混合液(G)、ｎ−ペンタンの含有量が５０質量％の混合液(H)、ｎ−ペンタンの含有量が３７質量％の混合液(I)を用いて、上述し方法により熱抵抗を求めた。その結果を図３に示す。なお、図３においては、水の熱抵抗を１００％とした場合のｎ−ペンタンの含有量が異なっている種々の混合液の熱抵抗を示す。
【００２６】
図２に示す結果から、ガルデンＨＴ−５５とｎ−ペンタンとの混合液(E)の熱抵抗は、ガルデンＨＴ−５５(A)、ｎ−ペンタン(B)、および水とエタノールとの混合液(C)の熱抵抗よりも低くなり、パーフルオロケトンとｎ−ペンタンとの混合液(D)と同様であることが分かる。また、ガルデンＨＴ−５５とｎ−ペンタンとの混合液(E)と、パーフルオロケトンとｎ−ペンタンとの混合液(D)とを比較すると、混合液(E)の方がより広範な熱交換量において熱抵抗が低くなっていることが分かる。さらに、図３に示す結果から、ガルデンＨＴ−５５とｎ−ペンタンとの混合液におけるｎ−ペンタンの含有量が４０〜６０質量％の場合に、熱交換量が比較的多くなるまで、熱抵抗の上昇が起こりにくいことが分かる。そして、図２および図３に示す結果から、ガルデンＨＴ−５５とハイドロカーボンとの混合液におけるハイドロカーボンの含有量が、４０〜６０質量％に決められたのである。
【００２７】
上述した沸騰冷却装置(1)において、発熱体(7)から発せられる熱が冷媒封入体(2)の壁を経て受熱部(3)内の冷媒(6)に伝わると、冷媒封入体(2)の受熱部(3)内に溜まっている冷媒(6)が加熱されて蒸発する。ガス状冷媒(6)は、冷媒流通部(5)を通って放熱部(4)に流れ、冷却液循環管(8)内を流れる冷却液に放熱して再液化し、再液化した冷媒(6)が冷媒流通部(5)を通って受熱部(3)に戻る。このような動作を繰り返すことによって、発熱体(7)から発せられる熱が、冷媒(6)により潜熱として放熱部(4)に輸送され、放熱部(4)から冷媒封入体(2)の外部に放熱される。
【産業上の利用可能性】
【００２８】
この発明による沸騰冷却装置は、たとえば半導体素子からなるパワーデバイスを備えたパワーモジュールなどからなる発熱体を冷却するのに好適に用いられる。
【符号の説明】
【００２９】
(1)：沸騰冷却装置
(2)：冷媒封入体
(3)：受熱部
(4)：放熱部
(5)：冷媒流通部
(6)：冷媒
【図１】
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【図２】
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【図３】
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