(57)【要約】【課題】バーンアウトの発生や、大量の気泡発生による熱伝達の阻害を抑制することにより、冷却性能の向上を図ることが可能な沸騰冷却器を提供すること。【解決手段】冷却対象である素子５１との接触部を有する冷却器本体１０と、冷却器本体１０に収容される液体冷媒２０とを備え、液体冷媒２０は、非イオン系のフッ素系界面活性剤が０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加された液体である。この液体冷媒２０により、バーンアウトの発生を抑止して、さらに沸騰時に発生する気泡を微細化することが可能となるため、熱伝達をより効率よく行うことが可能となり、冷却性能を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象である発熱体との接触部を有する容器と、
前記容器に収容される液体冷媒とを備え、
前記液体冷媒は、非イオン系のフッ素系界面活性剤が０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加された液体であることを特徴とする沸騰冷却器。
【請求項２】
前記液体冷媒は、エタノール水溶液に前記フッ素系界面活性剤が０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加された液体であることを特徴とする請求項１に記載の沸騰冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体冷媒が沸騰する際に生ずる潜熱移動により発熱体を冷却する沸騰冷却器に関する。
【背景技術】
【０００２】
沸騰冷却器は、液体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。沸騰冷却器は、発熱体を冷却させる液体冷媒と、発熱体を液体冷媒に接触させる接触部を有する収容部と、収容部の上方に設けられ気化した液体冷媒を液体に凝縮する凝縮部とを備える。特許文献１には、液体冷媒を内部に収容する収容部を備えた車両搭載用の沸騰冷却器が開示されている。特許文献１の沸騰冷却器で用いられている液体冷媒は、水とエタノールの混合液体である。また、混合液体のエタノール濃度は、４０ｗｔ％以上になっている。
【０００３】
また、特許文献２には、熱搬送回路と冷媒回路とを備えた沸騰冷却器が開示されている。特許文献２の熱搬送回路には、水とＨＦＣ１３４ａとからなる液体冷媒が充填されている。液体冷媒は、イオン系のフッ素系界面活性剤が０．００１ｗｔ％〜３０ｗｔ％添加された液体である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１２１７９１号公報
【特許文献２】特開２００２−２４３２０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示された沸騰冷却器においては、液体冷媒として水とエタノールの混合液体を用いている。このため、水と他のアルコールとの混合液体と比較した場合には、限界熱流束を高くすることができるので、その分バーンアウトの発生を抑制することができる。しかし、エタノールの限界熱流束は、水の限界熱流束より小さいため、依然としてバーンアウトの発生が懸念される。
【０００６】
また、この種の沸騰冷却器では、液体冷媒を容器等に溜めて利用している。このとき、プール沸騰に伴う大量の気泡が発生すると、伝熱面が気泡に覆われてしまい、熱伝達が阻害されることがある。
【０００７】
特に、エタノールの潜熱は８５５ｋＪ／ｋＧであり、水の潜熱は２２５７ｋＪ／ｋＧである。このように、エタノールの潜熱は、水の潜熱よりも小さい。よって、水とエタノールとの混合液体を液体冷媒として用いた場合、その潜熱の低下に伴う冷却性能の低下が生じる。このため、潜熱の減少に伴う冷却性能の低下を補うことが求められる。
【０００８】
他方、特許文献２に記載された技術では、熱搬送媒体にイオン系のフッ素系界面活性剤が添加されている。よって、クラスレートの生成速度を向上させることができる。しかし、冷却性能の向上にはほとんど寄与していないものであった。
【０００９】
そこで、本発明は、バーンアウトの発生や、大量の気泡発生による熱伝達の阻害を抑制することにより、冷却性能の向上を図ることが可能な沸騰冷却器を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る沸騰冷却器は、冷却対象である発熱体との接触部を有する容器と容器に収容される液体冷媒とを備え、液体冷媒は、非イオン系のフッ素系界面活性剤が０．２５〜０．７５ｗｔ％添加された液体である。
【００１１】
この発明によれば、液体冷媒にフッ素系界面活性剤が微量添加されたことにより、限界熱流束が大幅に向上する。このため、バーンアウトの発生を防止することができる。そして、フッ素系界面活性剤が微量添加されたことにより、気泡の微細化が促進される。したがって、伝熱面が気泡によって覆われる問題を回避でき、熱伝達の阻害を抑制することができる。よって、冷却性能の向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る沸騰冷却器において、液体冷媒は、エタノール水溶液にフッ素系界面活性剤が０．２５〜０．７５ｗｔ％添加された液体であることが好ましい。
【００１３】
この発明によれば、液体冷媒としてエタノールが含まれているため、液体冷媒の凝固点を低下させることができる。よって、液体冷媒の凍結を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、混合液体を液体冷媒として用いる場合に、バーンアウトの発生や、大量の気泡発生による熱伝達の阻害を抑制することにより、冷却性能の向上を図ることが可能な沸騰冷却器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る沸騰冷却器の概略構成図である。
【図２】液体冷媒の熱伝達率と過熱度との関係を界面活性剤の濃度ごとに示したグラフである。
【図３】界面活性剤濃度と冷却性能指数との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しながら本発明の沸騰冷却器の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は、本発明の実施形態に係る沸騰冷却器１の概略構成図である。
【００１８】
本実施形態に係る沸騰冷却器１は、空冷凝縮を行ういわゆるプール式沸騰冷却器である。沸騰冷却器１は、図１に示すように、冷却器本体１０と、冷却器本体１０に収容される液体冷媒２０とを備える。
【００１９】
冷却器本体１０は、略直方体形状を有する中空容器である。冷却器本体１０は、凝縮部１１と、蒸発部１２と、ベースプレート１３とを備える。凝縮部１１は、蒸発部１２に対して上方に設けられる。凝縮部１１は、放熱フィン１１ａを複数備える。蒸発部１２は、液体冷媒２０を収容する容器である。蒸発部１２には、ベースプレート１３を嵌め込むための開口部が形成されている。ベースプレート１３は、冷却対象の発熱体と液体冷媒２０との接触部としての機能を有する。ベースプレート１３は、蒸発部１２の開口部に嵌め込まれる。ベースプレート１３は、伝熱面１３ａを有する。伝熱面１３ａは、蒸発部１２の内側に露出する。このため、伝熱面１３ａは、液体冷媒２０に直接接触した状態になっている。なお、ベースプレート１３は、熱伝導率が高い材料により形成される。
【００２０】
液体冷媒２０は、蒸発部１２の内部に収容される。液体冷媒２０は、エタノール水溶液に非イオン系のフッ素系界面活性剤が０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加された液体である。
【００２１】
冷却対象の発熱体としては、例えば、パワー半導体素子である素子５１と、素子５１を複数搭載するパワーモジュール５２とからなる発熱体５０が挙げられる。素子５１は、ベースプレート１３を介して蒸発部１２に図示しないボルトにより締結される。
【００２２】
以上のように構成される沸騰冷却器１の作用について説明する。まず、素子５１は、その機能を発揮させている状態では、その温度が上昇する。素子５１の熱は、ベースプレート１３から伝熱面１３ａを介して液体冷媒２０に伝達される。そして、液体冷媒２０は、この熱により伝熱面１３ａ上で沸騰し冷媒蒸気となり、この液体から気体への相変化により伝熱面１３ａを冷却する。
【００２３】
蒸発した冷媒蒸気は、液体冷媒２０内において、伝熱面１３ａから浮力により上昇する。そして、液体冷媒２０の液面に達した後、冷却器本体１０内をさらに上昇し、冷却器本体１０の上方に設置されている凝縮部１１へと到達する。その後、冷媒蒸気は、凝縮部１１の放熱フィン１１ａを介して大気または水等の２次冷却媒体と熱交換し、再び凝縮して液体冷媒２０となる。凝縮した液体冷媒２０は、重力により下降し蒸発部１２の液体冷媒２０に合流する。
【００２４】
以上のように、本実施形態の沸騰冷却器１では、伝熱面１３ａ近傍の液体冷媒２０の相変化により、伝熱面１３ａを介してパワーモジュール５２に搭載された素子５１を冷却させることができる。
【００２５】
ところで、本実施形態における液体冷媒２０は、エタノール水溶液に非イオン系のフッ素系界面活性剤（以下、単に「界面活性剤」と称する）が０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加された液体である。このように、本実施形態では、エタノール水溶液に界面活性剤が微量添加されているため、液体冷媒２０の発泡と、その気泡の微細化とが促進される。よって、伝熱面１３ａが気泡によって覆われる問題を回避でき、伝熱面１３ａにおける乾きを抑止することができる。また、界面活性剤を添加することにより、界面活性剤を添加しない場合と比較して限界熱流束が大幅に向上するため、バーンアウトの発生を防止することができる。したがって、大量の気泡発生による熱伝達の阻害や、バーンアウトの発生が抑止されるため、冷却性能の向上を図ることができる。
【００２６】
さらに、界面活性剤が微量添加された液体冷媒２０によれば、液体冷媒２０の表面張力が低減されることにより、伝熱面１３ａに形成される気泡が分解されやすくなり、よって、気泡のサイズがより微細化される。したがって、伝熱面１３ａ全体が気泡に覆われる問題を回避でき、伝熱面１３ａにおける乾きの発生を抑止することができる。そして、素子５１と液体冷媒２０との接触性を良好に維持し、冷却性能を向上させることができる。
【００２７】
以下で、図２を用いて沸騰冷却器１が奏する効果について説明する。図２は、界面活性剤を含む液体冷媒２０と、界面活性剤を含まない液体冷媒との、熱伝達率（Ｗ／ｍ2Ｋ）と過熱度（℃）との関係を示すグラフである。図２に示すグラフでは、縦軸が熱伝達率、横軸が過熱度である。なお、過熱度は、伝熱面１３ａの温度と液体冷媒の沸点との差であり、過熱度が高いほど液体冷媒が沸騰しにくいことを示す。図２において、黒丸の点は界面活性剤の濃度が０．０ｗｔ％であり界面活性剤が添加されていない場合を示す。白抜きの四角形の点は界面活性剤の濃度が０．２５ｗｔ％の場合を示す。白抜きのひし形の点は界面活性剤の濃度が０．５ｗｔ％の場合を示す。白抜きの三角形の点は界面活性剤の濃度が０．７５ｗｔ％の場合を示す。
【００２８】
図２において、界面活性剤を添加しない黒丸を結ぶ線と比較して、界面活性剤を０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加した白抜きの図形を結ぶ線の方が、左側に位置しているのがわかる。すなわち、界面活性剤を微量添加した場合は、過熱度が抑えられ、かつ熱伝達率が高くなっている。
【００２９】
したがって、例えば液体冷媒２０中のエタノール濃度を５０ｗｔ％とした場合、表面張力が７２ｄｙｎ／ｃｍ2である水と比較して約６０％小さい。このように、表面張力が小さい場合、沸騰冷却器１の停止時における気泡核が減少する脱気状態と呼ばれる事象が発生する。この脱気状態が発生した状態で沸騰冷却器１を再起動した場合、脱気状態が発生していない場合と比較して沸騰開始温度が上昇し過熱度が高くなる傾向がある。しかし、上述したように、界面活性剤を０．２５ｗｔ％〜０．７５ｗｔ％添加させた場合は、過熱度が抑えられ、かつ熱伝達率が高くなるため、伝熱面１３ａの温度を上昇させずに沸騰を促進させることができる。したがって、冷却性能を上げることが可能である。
【００３０】
また、図３は、液体冷媒が界面活性剤を含まないエタノールである場合を基準とした、界面活性剤の濃度と冷却性能指数との関係を示すグラフである。図３のグラフに示すように、界面活性剤の濃度が０から高くなるにつれて冷却性能指数が基準値である１００から増加し、界面活性剤の濃度が０．２５ｗｔ％のときに冷却性能指数が最大値の１１５程度となる。そして、界面活性剤の濃度が０．２５ｗｔ％から０．７５ｗｔ％まで、冷却性能指数は最大値の１１５程度を維持する。さらに、界面活性剤の濃度が０．７５ｗｔ％より高くなると、冷却性能指数は徐々に低下する。このように、界面活性剤の添加濃度が０．２５〜０．７５ｗｔ％程度のときに、最も高い冷却性能を発揮することがわかる。
【００３１】
以上のように、本実施形態に係る沸騰冷却器１によれば、冷却対象である素子５１との接触部を有する冷却器本体１０と蒸発部１２に収容される液体冷媒２０とを備え、液体冷媒２０は、非イオン系のフッ素系界面活性剤が０．２５〜０．７５ｗｔ％添加された液体である。したがって、液体冷媒の潜熱の低下、沸騰開始温度の上昇または熱伝達の阻害といった事象を回避することができ、冷却性能を向上させることができる。また、非イオン系のフッ素系界面活性剤は、水に溶けることがないため、混入する際に相性が良い。
【００３２】
また、液体冷媒２０は、エタノール水溶液に界面活性剤が添加された液体である。したがって、水より凝固点が低いエタノールを基準となる液体としているため、液体冷媒２０の凝固点を下げ、液体冷媒２０の凍結を防止する効果が得られる。
【００３３】
なお、上述した実施形態は、本発明に係る沸騰冷却器の実施形態を説明したものであり、本発明に係る沸騰冷却器は、本実施形態に記載されたものに限定されない。本発明に係る沸騰冷却器は、本実施形態に係る沸騰冷却器を変形し、または他のものに適用したものであってもよい。
【００３４】
例えば、上述した実施形態では、プール式沸騰冷却器である沸騰冷却器１を挙げて説明したが、必ずしもプール式沸騰冷却器でなければならないわけではない。すなわち、沸騰冷却器が水冷式凝縮器、流動沸騰式またはヒートパイプであっても、プール式沸騰冷却器である沸騰冷却器１の場合と同様、冷却性能の低下が防止できるという効果を奏する。
【００３５】
また、上述した実施形態では、液体冷媒２０として、エタノール水溶液に界面活性剤を添加させた液体を用いた例について説明したが、液体冷媒２０は、エタノール水溶液でなくてもよい。例えば、メタノール水溶液または純水を液体冷媒２０として用いてもよい。ただし、メタノールは、メタノール等他のアルコールと比較して凝固点が低いため、少量でもより顕著に凝固点を低下させることができる。よって、液体冷媒の凍結を防止することが可能となる。
【００３６】
また、上述した実施形態では、伝熱面１３ａが液体冷媒２０に直接接触した例について説明したが、伝熱面１３ａは、液体冷媒２０に間接的に接触していてもよい。例えば、伝熱面１３ａと液体冷媒２０との間に熱伝導率が高い材料からなる板部材を設けることにより、伝熱面１３ａから液体冷媒２０へ間接的に熱伝達させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１…沸騰冷却器、１０…冷却器本体、１１…凝縮部、１１ａ…放熱フィン、１２…蒸発部、１３…ベースプレート、１３ａ…伝熱面、２０…液体冷媒、５０…発熱体、５１…素子、５２…パワーモジュール。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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