JP6283410B2 - 冷却器及びそれを用いた冷却装置、並びに、発熱体の冷却方法 - Google Patents
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Description
本発明は、冷却器及びそれを用いた冷却装置、並びに、発熱体の冷却方法に関し、より詳細には沸騰方式による冷却器及びそれを用いた冷却装置、並びに、発熱体の冷却方法に関するものである。
近年、図１に示すような軽水炉の圧力容器において、燃料棒が溶融事故を起こしても、原子炉圧力容器底部を外部から水で冷却してメルトスルーを生じさせない冷却機構が求められており、そのような冷却機構として、沸騰冷却方式によるものが知られている。
沸騰冷却方式には、プール沸騰方式と、強制流動沸騰方式がある。ここでは、プール沸騰方式による発熱体の一般的な冷却機構について説明する。図２は、従来のプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器は、容器と、容器内に収容された作動流体とを備え、容器は、冷却対象である発熱体との接触部を有する。発熱体において熱が発生し、接触部を通して作動流体に熱が伝わると、接触部の近傍に存在する作動流体が沸騰する。沸騰により蒸気が生じると気液の密度差により接触部に作動流体が供給される。こうして新たに供給された作動流体がさらに蒸発し、発熱体から熱を除去する。プール沸騰方式による冷却器は、強制流動沸騰方式のような液体を循環させるための外部動力源が不要であるため、コンパクト性および省エネルギー性に有利である。
S. G. Kandlikar, M. Shoji, and V. K. Dhir, "Handbook of Phase Change: Boiling and Condensation," Taylor & Francis, 1999
しかしながら、接触部に大きな熱流束が加えられると、従来のプール沸騰方式による冷却器では問題がある。図３にその様子を示す。熱流束が大きくなるにつれて、作動流体の蒸発量が増加し、接触部が蒸気に覆われ始める。接触部が完全に蒸気に覆われて乾燥状態となり、接触部へ作動流体が供給されなくなると、冷却器の冷却能力は著しく劣化する。この状態の熱流束を「限界熱流束」という。
従来のプール沸騰方式による冷却器の限界熱流束は、飽和状態において大気圧・水の条件下の場合１０００ｋＷ／ｍ2程度であるのに対し（非特許文献１参照）、上記のような軽水炉の原子炉圧力容器底部のメルトスルーを防止するためには、冷却器に少なくとも２０００ｋＷ／ｍ2程度以上の限界熱流束が求められる。
これに対し、本発明者は、特開２００９−１３９００５号公報（特許文献１）において多孔質体を発熱体と冷却容器内の水との間に設けて、多孔質体の毛細管現象により水を発熱体へ供給しつつ、それにより発生した蒸気を容器内の水中へ排出する構造とすることで、簡易な構造で従来の限界熱流束を飛躍的に向上させている。しかしながら、より安全に原子炉圧力容器底部のメルトスルーを防止するためには、冷却効果をさらに高めた冷却器の開発が望まれている。
本発明は、簡易な構造で且つ良好な冷却効果を安定して有する冷却器及びそれを用いた冷却装置、並びに、発熱体の冷却方法を提供することを課題とする。
本発明者は研究を重ねたところ、詳細は後述するが、特許文献１に開示された多孔質体を発熱体側に設けて、さらに、それに重ねるようにして、作動流体側に、作動流体を多孔質体に導く作動流体導入部を備える作動流体導入体を設けることで、冷却効果をさらに向上させた冷却器を提供することが可能となることを見出した。
すなわち、本発明の一態様は発熱体を冷却するための沸騰方式による冷却器であって、作動流体を収容する容器と、前記容器内において、前記作動流体と接するように且つ前記発熱体に対向するように設けられた冷却部材とを備え、前記冷却部材は、前記発熱体側に設けられた多孔質体と、前記作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成され、前記多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する蒸気排出部とを備え、前記作動流体導入体は、前記作動流体を前記多孔質体に導く作動流体導入部を備える冷却器である。
本発明の一実施形態に係る冷却器では、前記作動流体導入体は、それぞれ高さ方向に貫通する複数の孔を有し、前記複数の孔が前記作動流体導入部を構成する。
本発明の別の一実施形態に係る冷却器では、前記作動流体導入体の作動流体導入部を構成する複数の孔は、断面が円形状又は多角形状である。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記作動流体導入体と前記多孔質体との間に隙間領域が設けられている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記多孔質体が、多孔質粒子の集合体で構成されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記多孔質体が、多孔質層で構成されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記多孔質体は、前記発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、前記作動流体導入体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成され、前記第１の多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する第１の作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、前記第２の多孔質体は、前記作動流体導入体によって導入された作動流体を前記第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、前記第１の多孔質体から排出された蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記第２の多孔質体は、孔半径を前記第１の多孔質体の孔半径より大きくすることで、及び／又は、空隙率を前記第１の多孔質体の空隙率より大きくすることで、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率を大きくされている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記第１の多孔質体及び前記第２の多孔質体のいずれか一方が多孔質粒子の集合体で構成されており、他方が多孔質層で構成されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記第１の多孔質体が多孔質ナノ粒子の集合体で構成されており、前記第２の多孔質体がメッシュ構造を有する多孔質層で構成されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記第１の多孔質体が多孔質層で構成されており、前記第１の蒸気排出部が、前記多孔質層を貫通する孔である。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記作動流体導入体が金属で形成されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記金属で形成された作動流体導入体の端部が前記発熱体に溶接により固定されている。
本発明の更に別の一実施形態に係る冷却器では、前記発熱体に放熱フィンが溶接されており、前記放熱フィンに前記作動流体導入体が溶接により固定されている。
本発明は別の一態様は、本発明の冷却器と、前記冷却器の容器に接続され、蒸発した作動流体を液化するコンデンサとを備えた冷却装置である。
本発明は更に別の一態様は、作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却する沸騰方式による冷却方法において、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、前記発熱体側に設けられた多孔質体と、前記作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成された冷却部材を装着する発熱体の冷却方法であり、前記多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する蒸気排出部とを備え、前記作動流体導入体は、前記作動流体を前記多孔質体に導く作動流体導入部を備える発熱体の冷却方法である。
本発明の一実施形態に係る発熱体の冷却方法では、前記多孔質体は、前記発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、前記作動流体導入体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成され、前記第１の多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する第１の作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、前記第２の多孔質体は、前記作動流体導入体によって導入された作動流体を前記第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、前記第１の多孔質体から排出された蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている。
本発明の別の一実施形態に係る発熱体の冷却方法では、前記作動流体中にナノ粒子を分散させておき、且つ、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、メッシュ構造を有する多孔質層で構成された前記第２の多孔質体及び前記作動流体導入体をこの順で設けておき、発熱体からの熱によって、前記作動流体中のナノ粒子が沸騰する発熱体の伝熱面上で析出して多孔質ナノ粒子の集合体を構成することで前記第１の多孔質体を前記発熱体と前記第２の多孔質体との間に形成することで、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に前記冷却部材を装着する。
本発明の冷却器及びそれを用いた冷却装置、並びに、発熱体の冷却方法は、少なくとも以下の効果を有する：
（１）原子炉圧力容器底部のメルトスルーを防止するために必要な２０００ｋＷ／ｍ2程度、さらにはそれを超えて２５００ｋＷ／ｍ2程度以上の限界熱流束を実現できる。
（２）多孔質体の作動流体供給部と接触部で蒸気が発生すると毛細管現象により強制的に液体が接触部に供給されるので、プール沸騰冷却方式とする場合には水等の作動流体を収容する容器（水槽）は、水の流路やポンプ等を設ける必要が無く、単なる水溜を用いることができ、簡易な構造とすることができ、設置コストやランニングコストが安価となる。
（３）発熱体との接触部に設ける多孔質体の厚さは、毛管限界メカニズムの観点からは薄いほうがよいが、薄すぎると合体泡が多孔質体上部で滞留している間に多孔質体内部で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなる。そこで、本発明では発熱体との接触部に設ける多孔質体の上に（作動流体側に）、作動流体を多孔質体に導く作動流体導入部を備える作動流体導入体を設けている。このような構成によれば、多孔質体とその上方の蒸気塊との間に、作動流体を多孔質体に向かって潤沢に液体を供給し、液体を保水することができる作動流体導入体が存在するため、多孔質体の厚さを薄くしても、液枯れの発生が抑制され、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。
（１）原子炉圧力容器底部のメルトスルーを防止するために必要な２０００ｋＷ／ｍ2程度、さらにはそれを超えて２５００ｋＷ／ｍ2程度以上の限界熱流束を実現できる。
（２）多孔質体の作動流体供給部と接触部で蒸気が発生すると毛細管現象により強制的に液体が接触部に供給されるので、プール沸騰冷却方式とする場合には水等の作動流体を収容する容器（水槽）は、水の流路やポンプ等を設ける必要が無く、単なる水溜を用いることができ、簡易な構造とすることができ、設置コストやランニングコストが安価となる。
（３）発熱体との接触部に設ける多孔質体の厚さは、毛管限界メカニズムの観点からは薄いほうがよいが、薄すぎると合体泡が多孔質体上部で滞留している間に多孔質体内部で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなる。そこで、本発明では発熱体との接触部に設ける多孔質体の上に（作動流体側に）、作動流体を多孔質体に導く作動流体導入部を備える作動流体導入体を設けている。このような構成によれば、多孔質体とその上方の蒸気塊との間に、作動流体を多孔質体に向かって潤沢に液体を供給し、液体を保水することができる作動流体導入体が存在するため、多孔質体の厚さを薄くしても、液枯れの発生が抑制され、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図４は、実施形態１に係るプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器は、作動流体を収容する容器と、容器内において、作動流体と接するように且つ発熱体に対向して接するように設けられた冷却部材とを備える。冷却部材は、発熱体側に設けられた多孔質体と、作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成されている。
（実施形態１）
図４は、実施形態１に係るプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器は、作動流体を収容する容器と、容器内において、作動流体と接するように且つ発熱体に対向して接するように設けられた冷却部材とを備える。冷却部材は、発熱体側に設けられた多孔質体と、作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成されている。
図５は、本実施形態に係る冷却部材を接触部に設けた状態における断面図である。図６は多孔質体の平面図である。多孔質体は、作動流体供給部と蒸気排出部とを備える。作動流体供給部は、毛細管現象により発熱体との接触部に作動流体を供給する。蒸気排出部は、発熱体からの熱により発生した蒸気を、接触部から作動流体導入体側へ排出する。本実施形態では、多孔質体は多孔質層で構成されており、例えば、多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造を有し、矩形状の孔の周囲の格子状の多孔質層部分が毛細管現象により接触部に作動流体を供給する作動流体供給部として機能し、矩形状の孔が接触部で発生した蒸気を作動流体導入体側へ排出する蒸気排出部として機能する。このように作動流体の供給と蒸気の排出を別個の経路を用いて行うことにより、図３を参照して説明したように、蒸気が接触部を覆ってしまい限界熱流束が制限されるという問題の発生を抑制することができる。また作動流体導入体は、作動流体を多孔質体に導く作動流体導入部を備えており、当該作動流体導入部が多孔質体に作動流体を供給する機能及び作動流体を保持する機能を有し、作動流体導入体上部で合体気泡が滞留する間にも、速やかに多孔質体への作動流体の供給が行われるように機能する。
作動流体は、たとえば水、低温流体、冷媒、有機溶媒等の表面張力を有する液体とすることができる。
多孔質体が有する孔半径は、各多孔質体が元々備えている孔の半径であってもよいし、各多孔質体に形成した孔の半径であってもよい。ここで、多孔質体の孔の形状は、多角形状、円形状、楕円形状等、種々の形状とすることが可能であるが、本発明の「孔半径」は、そのような種々の孔形状における外接円の半径を示す。
多孔質体の形状としては、多孔質体の接触部への接触面積が大きくなるため接触部で発生した蒸気を水中へ逃がすための孔の大きさは小さいほうがよく、例えば、孔半径１００〜２０００μｍとすることができる。また、多孔質底部を通過する場合の圧力損失を小さくできるため、接触部で発生した蒸気を水中へ逃がすための孔と孔の間隔は小さい方がよく、例えば、１００〜１０００μｍとすることができる。
多孔質体における作動流体供給部を構成する多孔質は、たとえばコーディライト等のセラミックスまたは焼結金属とすることができる。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。
多孔質体は、作動流体供給部において、液体の蒸発が起これば毛細管現象により接触部に作動流体を供給するが、毛管力による液体供給の限界メカニズムを考慮すれば、毛細管の長さ（すなわち、多孔質体の厚さ）は薄いほうがよりその限界、すなわち「限界熱流束」を高くすることができる。一方、図３において、高熱流束条件下の接触部上で蒸気塊が形成される様子を示したが、その蒸気塊の体積は時間と共に増大し、やがて接触部から切断離脱する。この蒸気塊と接触部近傍をより詳細に説明すれば、蒸気塊と接触部の間（すなわち蒸気塊の底部）には、有限厚さの液膜（一般に、マクロ液膜と呼ばれる）が存在する。このような高熱流束条件下においては、蒸気塊がマクロ液膜上に滞留している間に蒸気塊底部のマクロ液膜が蒸発消耗し尽くすときにバーンアウトが発生する。このときの熱流束が「限界熱流束」と呼ばれる。多孔質体の厚さは、上述の通り毛管力による液体供給の限界メカニズム（毛管限界メカニズム）から薄いほうがよいが、薄過ぎてマクロ液膜の厚さと同程度であると、第１多孔質体の接触部近傍で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなる。
このように、発熱体との接触部に設ける多孔質体の厚さは、毛管限界メカニズムの観点からは薄いほうがよいが、マクロ液膜の厚さより薄いと多孔質体内部で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなるという問題がある。そこで、本発明では、発熱体との接触部に設ける多孔質体の上に（作動流体側に）、作動流体を多孔質体に導く作動流体導入部を備えた作動流体導入体を設けている。このような構成によれば、多孔質体とその上方の蒸気塊との間に、作動流体を多孔質体に向かって潤沢に供給し且つ作動流体を多孔質体の上方で保持する作動流体導入体が存在するため、多孔質体の厚さを薄くしても、液枯れの発生が抑制され、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。また、作動流体導入体の液供給量は多いほど好ましいため、作動流体導入体の厚みも大きくするのが好ましい。具体的には、例えば、多孔質体の厚さを１００μｍ程度と薄くする場合、作動流体導入体の厚さは１ｍｍ以上程度とするのが好ましい。
なお、図５には多孔質体が円形であり、蒸気排出部が格子状である形態を示したが、このような形態に限定する意図はない。蒸気排出部は、例えばハニカム状としてもよい。また図５には作動流体供給部及び蒸気排出部が下方の接触部及び上方の作動流体導入体側に直交するように図示してあるが、作動流体供給部及び蒸気排出部は、接触部に接する面と作動流体導入体に接する面との間の経路をそれぞれ与えるものであれば、直交せずに、例えば、湾曲した経路や折れ曲がった経路となるように構成されていてもよい。また、本実施形態では、上述のように、各多孔質体が有する矩形状の孔が蒸気排出部として機能するが、当該孔の形状は特に限定されず、その他の多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。また、当該孔は各多孔質体が元々備えている孔であってもよいし、各多孔質体に形成した孔であってもよい。
また、多孔質体の形態は特に限定されず、例えば、多孔質体が多孔質粒子の集合体で構成されていてもよい。また、多孔質体が多孔質層で構成されていてもよい。
作動流体導入体は、それぞれ高さ方向に貫通する複数の孔を有し、複数の孔が作動流体導入部を構成してもよい。また、作動流体導入体の作動流体導入部を構成する複数の孔は、断面が円形状又は多角形状であってもよい。このような構成の作動流体導入体の例を挙げる。図７は種々の形態の作動流体導入体の外観写真である。図７（Ａ）は、断面が正六角形状に形成された貫通孔を複数有する作動流体導入体の外観写真である。図７（Ｂ）は、断面が真円状に形成された貫通孔を複数有する作動流体導入体の外観写真である。図７（Ｃ）は、断面が正四角形状に形成された貫通孔を複数有する作動流体導入体の外観写真である。図７（Ｄ）は、断面が正三角形状に形成された貫通孔を複数有する作動流体導入体の外観写真である。作動流体導入体の複数の貫通孔の断面形状はこれらに限定されず、楕円形状、五角形状、七角形状及びそれ以上の多角形状等に形成されていてもよい。
作動流体導入体を構成する材料は、孔質材であってもよく、非孔質材であってもよい。作動流体導入体を構成する材料としては、ステンレス、テフロン（登録商標）等の金属や樹脂等を用いて形成することができる。特に、作動流体導入体を金属で形成することで、作動流体導入体の濡れ性が向上し、親水性が良好となるため、作動流体をより多く取り込んで伝熱面へ供給することが可能となる。
作動流体導入体は、貫通孔における孔の大きさ（水力直径）を適切に設定することで、作動流体を多孔質体の上部に供給することができる。ここで、水力直径：Ｄｅは、Ｄｅ＝４×（貫通孔断面積／貫通孔断面の全周長）で示される。当該適切な孔の大きさ（水力直径）は、具体的には、テーラ不安定波長の半分、すなわち、（２π（σ／ｇ（ρＬ−ρＧ））0.5）／２〔式中、σは表面張力を示し、ｇは重力加速度を示し、ρは作動流体の密度を示し、Ｌは液相を示し、Ｇは気相を示す。〕である。作動流体導入体は、伝熱面に単独で載せるより、本発明のように伝熱面との間に多孔質体を設ける構成とすることで、より冷却器の限界熱流束が向上する。また、作動流体導入体の貫通孔における孔の大きさ（水力直径）は、発熱体側に設けられた多孔質体の孔の大きさに対して、５〜４０倍に設定することで、より蒸気の排出効率が良好となり、冷却効果が向上する。
冷却部材の作動流体導入体と多孔質体との間に隙間領域が設けられているのが好ましい。このような構成によれば、蒸気泡が離脱するとその部分が負圧になるため隣接する流路から液体が供給されるという効果が得られる。当該隙間領域は、作動流体導入体と多孔質体とを完全に離間させて連続的に設けてもよく、部分的に離間させて非連続的に設けてもよい。当該隙間領域の構成としては、特に限定されないが、完全に離間させて連続的な隙間領域を設ける場合は、ワイヤー等の所定の手段によって作動流体導入体を多孔質体から離間させた状態で固定する構成としてもよい。また、作動流体導入体を多孔質体から部分的に離間させて当該隙間領域を非連続的に設ける場合は、作動流体導入体の多孔質体と接触する側の末端に、部分的な欠損部を形成する構成としてもよい。また、当該隙間領域の高さは０．１ｍｍ〜１ｍｍとするのが好ましい。
さらに、冷却部材の多孔質体と、発熱体との接触部に隙間領域が形成されているのが好ましい。多孔質体の作動流体供給部の底面で生じた蒸気は、作動流体供給部の底面に沿って進むことで蒸気排出部へ出て、蒸気排出部から上方へ向かって排出される。ここで、冷却部材の多孔質体と、発熱体との接触部に隙間領域が形成されていると、当該隙間領域が多孔質体の底面で生じた蒸気の通路となり、蒸気の排出が促進され、限界熱流束が向上する。当該隙間領域は、接触部表面をあえて粗面に加工してもよいが、蒸気の排出に必要な隙間領域はごく僅かであるため、単に多孔質体を接触部に接触させるだけで、はじめから有する接触部の表面の粗さで十分な隙間領域が形成される。なお、隙間領域が無くなるため蒸気の排出性は下がるが、多孔質体は接着剤で接触部に固定してあってもよい。
また、本発明の別の態様としては、発熱体全体を作動流体中に浸漬する、または発熱体の一部を作動流体の液面から一部浸漬して冷却を行うこともできる。この場合には、発熱体は浮遊した状態、容器底面に載置された状態など場合により種々の形態をとるが、要は作動流体に浸漬されている部分に多孔質体と作動流体導入体とを備えた積層構造を有する冷却部材を取り付けることにより、前記例と同様にして冷却を行うことができる。
本発明によれば、多孔質体の作動流体供給部と接触部で蒸気が発生すると毛細管現象により強制的に液体が接触部に供給されるので、水等の作動流体を収容する容器（水槽）は、プール沸騰冷却方式とする場合には水の流路等を設ける必要が無く、単なる水溜を用いることができ、さらにはポンプが不要となり、簡易な構造とすることができ、設置コストやランニングコストが安価となる。また、本発明では発熱体との接触部に設ける多孔質体の上に（作動流体側に）、作動流体を多孔質体に導く作動流体導入部を備える作動流体導入体を設けている。このような構成により、多孔質体とその上方の蒸気塊との間に、作動流体を多孔質体に向かって潤沢に液体を供給し且つ作動流体を保持する作動流体導入体が存在するため、多孔質体の厚さを薄くしても、液枯れの発生が抑制され、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。なお、設置コスト、ランニングコストはプール沸騰冷却方式に比してかかるが、流路を設け、ポンプで作動流体を循環させる強制流動沸騰冷却の場合にも、同様な方法で限界熱流束の低下を防ぐことができる。
（実施形態２）
図８は、実施形態２に係るプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器は、作動流体を収容する容器と、容器内において、作動流体と接するように且つ発熱体に対向して接するように設けられた冷却部材とを備える。冷却部材は、発熱体側に設けられた第１及び第２の多孔質体と、作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成されている。
図８は、実施形態２に係るプール沸騰方式による冷却器を示している。冷却器は、作動流体を収容する容器と、容器内において、作動流体と接するように且つ発熱体に対向して接するように設けられた冷却部材とを備える。冷却部材は、発熱体側に設けられた第１及び第２の多孔質体と、作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成されている。
図９は、本実施形態に係る冷却部材を接触部に設けた状態における断面図である。図１０は第１及び第２の多孔質体の平面図である。第１の多孔質体は、図１０（Ａ）に示したように、第１の作動流体供給部と第１の蒸気排出部とを備える。第１の作動流体供給部は、毛細管現象により発熱体との接触部に作動流体を供給する。第１の蒸気排出部は、発熱体からの熱により発生した蒸気を、接触部から第２の多孔質体側へ排出する。本実施形態では、第１の多孔質体は多孔質層で構成されており、例えば、多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造を有し、矩形状の孔の周囲の格子状の多孔質層部分が毛細管現象により接触部に作動流体を供給する第１の作動流体供給部として機能し、矩形状の孔が接触部で発生した蒸気を第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部として機能する。このように作動流体の供給と蒸気の排出を別個の経路を用いて行うことにより、図３を参照して説明したように、蒸気が接触部を覆ってしまい限界熱流束が制限されるという問題の発生を抑制することができる。また第２の多孔質体は、図１０（Ｂ）に示すように、第１の多孔質体と同様に、多孔質層で構成されており、例えば、多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造を有し、矩形状の孔の周囲の格子状の多孔質層部分が第１の多孔質体に作動流体を供給する第２の作動流体供給部として機能し、矩形状の孔が第１の多孔質体から排出された蒸気を作動流体導入体側へ排出する第２の蒸気排出部として機能する。そして、第２の多孔質体は、第１の多孔質体に比べて作動流体の透過率が大きく、作動流体を保持する機能を有し、第２の多孔質体上部で合体気泡が滞留する間にも、速やかに第１の多孔質体への作動流体の供給が行われるように機能する。
第２の多孔質体は、多孔質体が有する孔半径を第１の多孔質体の孔半径より大きくして作動流体を通しやすくすることで、第１の多孔質体の透過率よりも作動流体の透過率を大きくすることができる。ここで、多孔質体が有する孔半径は、各多孔質体が元々備えている孔の半径であってもよいし、各多孔質体に形成した孔の半径であってもよい。ここで、多孔質体の孔の形状は、多角形状、円形状、楕円形状等、種々の形状とすることが可能であるが、本発明の「孔半径」は、そのような種々の孔形状における外接円の半径を示す。さらに、第２の多孔質体は、多孔質体の空隙率を第１の多孔質体の空隙率より大きくして作動流体を通しやすくすることで、第１の多孔質体の透過率よりも作動流体の透過率を大きくすることができる。多孔質体の空隙率は、例えば、多孔質体の製造工程において金属粉末と混合させるバインダーの粒径・量などを調整することによって大きくすることができる。
第１の多孔質体の形状としては、多孔質体の接触部への接触面積が大きくなるため接触部で発生した蒸気を水中へ逃がすための孔の大きさは小さいほうがよく、例えば、孔半径１００〜２０００μｍとすることができる。また、多孔質底部を通過する場合の圧力損失を小さくできるため、接触部で発生した蒸気を水中へ逃がすための孔と孔の間隔は小さい方がよく、例えば、１００〜１０００μｍとすることができる。
第１の多孔質体における第１の作動流体供給部を構成する多孔質は、たとえばコーディライト等のセラミックスまたは焼結金属とすることができる。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。
第１の多孔質体は、第１の作動流体供給部において、液体の蒸発が起これば毛細管現象により接触部に作動流体を供給するが、毛管力による液体供給の限界メカニズムを考慮すれば、毛細管の長さ（すなわち、第１の多孔質体の厚さ）は薄いほうがよりその限界、すなわち「限界熱流束」を高くすることができる。一方、図３において、高熱流束条件下の接触部上で蒸気塊が形成される様子を示したが、その蒸気塊の体積は時間と共に増大し、やがて接触部から切断離脱する。この蒸気塊と接触部近傍をより詳細に説明すれば、蒸気塊と接触部の間（すなわち蒸気塊の底部）には、有限厚さの液膜（一般に、マクロ液膜と呼ばれる）が存在する。このような高熱流束条件下においては、蒸気塊がマクロ液膜上に滞留している間に蒸気塊底部のマクロ液膜が蒸発消耗し尽くすときにバーンアウトが発生する。このときの熱流束が「限界熱流束」と呼ばれる。第１の多孔質体の厚さは、上述の通り毛管力による液体供給の限界メカニズム（毛管限界メカニズム）から薄いほうがよいが、薄過ぎてマクロ液膜の厚さと同程度であると、第１多孔質体の接触部近傍で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなる。
このように、発熱体との接触部に設ける多孔質体の厚さは、毛管限界メカニズムの観点からは薄いほうがよいが、マクロ液膜の厚さより薄いと多孔質体内部で液枯れが生じやすく、限界熱流束が小さくなるという問題がある。そこで、本発明では、発熱体との接触部に設ける多孔質体を第１の多孔質体とし、その上に（作動流体側に）、第１の多孔質体よりも作動流体の透過率が大きい第２の多孔質体を設けている。このような構成によれば、第１の多孔質体とその上方の蒸気塊との間に、作動流体を第１の多孔質体に向かって潤沢に液体を供給する第２の多孔質体が存在するため、第１の多孔質体の厚さを薄くしても、液枯れの発生が抑制され、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。また、第２の多孔質体の液供給量は多いほど好ましいため、第２の多孔質体の厚みも大きくするのが好ましい。具体的には、例えば、第１の多孔質体の厚さを１００μｍ程度と薄くする場合、第２の多孔質体の厚さは１〜２ｍｍ以上程度とするのが好ましい。
第２の多孔質体は、コーディライト等のセラミックスで形成してもよいが、特に加工性や強度の点から金属で形成するのが好ましい。特に酸化物等の濡れ性の良い多孔質体、または、プラズマ照射等の濡れ性が向上する加工が施された多孔質体で構成されるのが望ましい。
なお、図１０には第１の多孔質体及び第２の多孔質体がいずれもが円形であり、第１及び第２の蒸気排出部がいずれも格子状である形態を示したが、このような形態に限定する意図はない。第１及び第２の蒸気排出部は、例えばハニカム状としてもよい。また図１０には第１及び第２の作動流体供給部及び蒸気排出部が下方の接触部及び上方の作動流体導入体側に直交するように図示してあるが、第１及び第２の作動流体供給部及び蒸気排出部は、接触部に接する面と作動流体導入体に接する面との間の経路をそれぞれ与えるものであれば、直交せずに、例えば、湾曲した経路や折れ曲がった経路となるように構成されていてもよい。また、本実施形態では、上述のように、各多孔質体が有する矩形状の孔が蒸気排出部として機能するが、当該孔の形状は特に限定されず、その他の多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。また、当該孔は各多孔質体が元々備えている孔であってもよいし、各多孔質体に形成した孔であってもよい。
また、第１の多孔質体と第２の多孔質体との形態は特に限定されず、例えば、第１の多孔質体及び第２の多孔質体が、いずれも多孔質粒子の集合体で構成されていてもよい。また、第１の多孔質体及び第２の多孔質体が、いずれも多孔質層で構成されていてもよい。さらに、第１の多孔質体及び第２の多孔質体のいずれか一方が多孔質粒子の集合体で構成されており、他方が多孔質層で構成されていてもよい。第１の多孔質体、第２の多孔質体が、多孔質粒子の集合体で構成されている場合、例えば複数の多孔質粒子間の隙間が蒸気排出部としての機能を有し、当該隙間の周囲の部材が作動流体供給部として機能する構成とすることができる。
また、冷却部材の多孔質体は、第１の多孔質体と、第２の多孔質体とで構成されたものに限定されず、第２の多孔質体の作動流体側にさらに第３の多孔質体を設けて、全体で３層としてもよい。この場合、第３の多孔質体は、作動流体を第２の多孔質体に供給する作動流体供給部と、第２の多孔質体から排出された蒸気を作動流体導入体側へ排出する蒸気排出部とを備えている。同様に、多孔質体は、第２の多孔質体の作動流体側に複数の多孔質体を積層させて全体で４層以上の構成としてもよい。
（実施形態３）
図１１に、実施形態３に係る軽水炉の原子炉圧力容器底部の冷却器の模式図を示す。原子炉の側方から周方向に原子炉を囲むように支持リングが取り付けられ、支持リングに支持されたハニカム装着ネット（金属メッシュ）が取り付けられている。ハニカム装着ネットは、金属製でなくてもよく、耐熱樹脂で形成してもよい。原子炉圧力容器底部の冷却器の取り付け方法としては、まず、ハニカム状の多孔質体及び作動流体導入体の積層構造を有する冷却部材を、原子炉圧力容器底部を覆うように設け、仮止めする。次に、支持リングからハニカム装着ネットを下ろして原子炉圧力容器底部を覆った後に、支持リング近傍でハニカム装着ネットを引き寄せてハニカム装着ネットを原子炉圧力容器底部に接触させる。こうすることで、簡便に原子炉圧力容器底部に冷却器を取り付けることができる。冷却部材は、上記ハニカム装着ネットによって下から保持される構造となっている。ハニカム装着ネットはメッシュでなくてもよく、施工がより簡便であるため複数のテープを用いて形成してもよい。また、原子炉圧力容器底部の最深部を含む一部が水を収容した容器内に浸漬されている。冷却部材の多孔質体及び作動流体導入体は、実施形態１で述べたものと同様の構造を有しており、良好な限界熱流束を実現し、原子炉圧力容器底部のメルトスルーを防止するために必要な２０００ｋＷ／ｍ2程度、さらにはそれを超えて２５００ｋＷ／ｍ2程度以上の限界熱流束を実現できる。このように、本発明に係る冷却器は、特に原子炉事故時の原子炉圧力容器の底部の冷却に好適である。また、図１１では、冷却部材を原子炉圧力容器底部の一部を覆っているが、原子炉圧力容器底部の、水を収容した容器内に浸漬された部分の全てを覆うように設けてもよい。
図１１に、実施形態３に係る軽水炉の原子炉圧力容器底部の冷却器の模式図を示す。原子炉の側方から周方向に原子炉を囲むように支持リングが取り付けられ、支持リングに支持されたハニカム装着ネット（金属メッシュ）が取り付けられている。ハニカム装着ネットは、金属製でなくてもよく、耐熱樹脂で形成してもよい。原子炉圧力容器底部の冷却器の取り付け方法としては、まず、ハニカム状の多孔質体及び作動流体導入体の積層構造を有する冷却部材を、原子炉圧力容器底部を覆うように設け、仮止めする。次に、支持リングからハニカム装着ネットを下ろして原子炉圧力容器底部を覆った後に、支持リング近傍でハニカム装着ネットを引き寄せてハニカム装着ネットを原子炉圧力容器底部に接触させる。こうすることで、簡便に原子炉圧力容器底部に冷却器を取り付けることができる。冷却部材は、上記ハニカム装着ネットによって下から保持される構造となっている。ハニカム装着ネットはメッシュでなくてもよく、施工がより簡便であるため複数のテープを用いて形成してもよい。また、原子炉圧力容器底部の最深部を含む一部が水を収容した容器内に浸漬されている。冷却部材の多孔質体及び作動流体導入体は、実施形態１で述べたものと同様の構造を有しており、良好な限界熱流束を実現し、原子炉圧力容器底部のメルトスルーを防止するために必要な２０００ｋＷ／ｍ2程度、さらにはそれを超えて２５００ｋＷ／ｍ2程度以上の限界熱流束を実現できる。このように、本発明に係る冷却器は、特に原子炉事故時の原子炉圧力容器の底部の冷却に好適である。また、図１１では、冷却部材を原子炉圧力容器底部の一部を覆っているが、原子炉圧力容器底部の、水を収容した容器内に浸漬された部分の全てを覆うように設けてもよい。
実施形態３の原子炉圧力容器底部を覆うようにハニカム状の多孔質体及び作動流体導入体を備えた冷却部材は、ハニカム装着ネットを用いないで支持されてもよい。例えば、図１２に示すように、作動流体導入体を金属で形成し、その端部を発熱体である原子炉圧力容器底部に溶接により固定することで、多孔質体及び作動流体導入体が支持されてもよい。溶接は、作業が容易であって十分な支持力が得られるため、スポット溶接であるのが好ましい。また、発熱体に放熱フィンが溶接されており、放熱フィンに作動流体導入体が溶接により固定されていてもよい。このような構成によれば、発熱体からの熱が放熱フィンから放出されることで、より良好に発熱体の冷却を行うことができる。
また、多孔質体が第１及び第２の多孔質体で構成されている場合、図１３（Ａ）に示すように第１の多孔質体及び第２の多孔質体が、いずれも多孔質粒子の集合体で構成されていてもよい。また、図１３（Ｂ）に示すように第１の多孔質体及び第２の多孔質体が、いずれも多孔質層で構成されていてもよい。さらに、図１３（Ｃ）に示すように第１の多孔質体及び第２の多孔質体のいずれか一方が多孔質粒子の集合体で構成されており、他方が多孔質層で構成されていてもよい。図１３において、多孔質体が多孔質粒子の集合体で構成されている場合、多孔質粒子の集合体は、当該粒子が通り抜けられない程度の目の細かいメッシュ材で包まれている。当該メッシュ材としては、特に限定しないが、例えば、金属製、或いは耐熱樹脂製のハニカム装着ネット等で形成することができる。なお、図１３において、第２の多孔質体上に積層される作動流体導入体の図示は省略されている。
（実施形態４）
図１４は、実施形態４に係る冷却装置を示している。冷却装置は、実施形態１に係る冷却器と、容器に接続されたコンデンサとを備える。コンデンサにおいて、蒸発した作動流体が液化されて、容器に戻る。冷却装置は、ポンプなどの外部動力源を必要とせず、装置全体としてのコンパクト性および省エネルギー性が優れている。図１５は、実施形態４に係る冷却装置の変形形態を示している。なお、図１４および１５の構成を実施形態３の冷却器とともに用いることもできる。
図１４は、実施形態４に係る冷却装置を示している。冷却装置は、実施形態１に係る冷却器と、容器に接続されたコンデンサとを備える。コンデンサにおいて、蒸発した作動流体が液化されて、容器に戻る。冷却装置は、ポンプなどの外部動力源を必要とせず、装置全体としてのコンパクト性および省エネルギー性が優れている。図１５は、実施形態４に係る冷却装置の変形形態を示している。なお、図１４および１５の構成を実施形態３の冷却器とともに用いることもできる。
（実施形態５）
本発明の冷却装置は、実施形態５として、冷却部材の多孔質体を構成する第１の多孔質体から第２の多孔質体までを、孔径が小さい多孔質体から、徐々に孔径が大きい多孔質体が段階的に積層されるように構成してもよい。また、このときバルクの液体に直接接する側の多孔質体の細孔径を水等の作動流体中に多く存在するゴミ等の微粒子の直径と異なるように、好ましくは大きく異なるように形成するのが好ましい。例えば、バルクの液体に直接接する側の多孔質体の細孔径を当該微粒子の直径より十分大きく、又は、十分小さく形成するのが好ましい。このような構成によれば、作動流体中に存在する微粒子が多孔質体内の深部にまで入り込んで発生する目詰まり現象を抑制する効果が期待でき、多孔質体による伝熱面への液体供給効果を長時間維持する効果が得られる。原理的には、例えば、孔径が小さい多孔質体から、徐々に孔径が大きい多孔質体が段階的に積層されるように構成され、且つ、多孔質体の最も外側の細孔径が、作動流体中のゴミの粒子径がより十分大きい又は十分小さいと、流入してきたゴミの粒子は、すぐに多孔質体内部の深部まで侵入せずに、多孔質体内に入ってすぐの部位に形成される澱み等の影響で、多孔質体の入口付近から溜まっていく。従って、多孔質体の最も外側の３００μｍの細孔から目詰まりすることとなり、微粒子が多孔質体内部の深部まで侵入して多孔質体内部にまで目詰まりを形成することが良好に抑制される。
本発明の冷却装置は、実施形態５として、冷却部材の多孔質体を構成する第１の多孔質体から第２の多孔質体までを、孔径が小さい多孔質体から、徐々に孔径が大きい多孔質体が段階的に積層されるように構成してもよい。また、このときバルクの液体に直接接する側の多孔質体の細孔径を水等の作動流体中に多く存在するゴミ等の微粒子の直径と異なるように、好ましくは大きく異なるように形成するのが好ましい。例えば、バルクの液体に直接接する側の多孔質体の細孔径を当該微粒子の直径より十分大きく、又は、十分小さく形成するのが好ましい。このような構成によれば、作動流体中に存在する微粒子が多孔質体内の深部にまで入り込んで発生する目詰まり現象を抑制する効果が期待でき、多孔質体による伝熱面への液体供給効果を長時間維持する効果が得られる。原理的には、例えば、孔径が小さい多孔質体から、徐々に孔径が大きい多孔質体が段階的に積層されるように構成され、且つ、多孔質体の最も外側の細孔径が、作動流体中のゴミの粒子径がより十分大きい又は十分小さいと、流入してきたゴミの粒子は、すぐに多孔質体内部の深部まで侵入せずに、多孔質体内に入ってすぐの部位に形成される澱み等の影響で、多孔質体の入口付近から溜まっていく。従って、多孔質体の最も外側の３００μｍの細孔から目詰まりすることとなり、微粒子が多孔質体内部の深部まで侵入して多孔質体内部にまで目詰まりを形成することが良好に抑制される。
（実施形態６）
図１６は、実施形態６に係る冷却装置を示している。図１６に示すように、第１の多孔質体が多孔質ナノ粒子の集合体で構成されており、第２の多孔質体がメッシュ構造を有する多孔質層で構成されていてもよい。図１６（Ａ）は多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造の多孔質層で構成された第２の多孔質体の平面図であり、図１６（Ｂ）は、冷却部材を接触部に設けた状態における断面図である。第１の多孔質体は、平均粒径１０〜５０ｎｍのナノ粒子の集合体で構成されている。ナノ粒子としては、例えば金属、合金、酸化物、窒化物、炭化物、炭素等を用いることができる。
図１６は、実施形態６に係る冷却装置を示している。図１６に示すように、第１の多孔質体が多孔質ナノ粒子の集合体で構成されており、第２の多孔質体がメッシュ構造を有する多孔質層で構成されていてもよい。図１６（Ａ）は多数の矩形状の孔を有するメッシュ構造の多孔質層で構成された第２の多孔質体の平面図であり、図１６（Ｂ）は、冷却部材を接触部に設けた状態における断面図である。第１の多孔質体は、平均粒径１０〜５０ｎｍのナノ粒子の集合体で構成されている。ナノ粒子としては、例えば金属、合金、酸化物、窒化物、炭化物、炭素等を用いることができる。
実施形態６に係る冷却部材の設置方法としては、例えば、ナノ粒子を拡散させた水溶液を、第１の多孔質体を形成させたい位置である伝熱面上に所定の手段で設け、その状態を保ちながら伝熱面上で加熱により沸騰させる。このようにして多孔質ナノ粒子が沸騰する伝熱面上で析出して集合体を構成し、これが第１の多孔質体となる。次に、当該多孔質ナノ粒子の集合体上にメッシュ構造を有する多孔質層で構成した第２の多孔質体及び作動流体導入体をこの順で設ける。これにより、多孔質ナノ粒子の集合体で構成された第１の多孔質体と、メッシュ構造を有する多孔質層で構成された第２の多孔質体及び作動流体導入体とで構成された冷却部材を設けることができる。また、当該冷却部材を設ける方法としては、発熱体の表面に第２の多孔質体及び作動流体導入体を設けておき、続いて、発熱体の表面と第２の多孔質体との間に第１の多孔質体を設けてもよい。このような構成としては、例えば、作動流体中にナノ粒子を分散させておき、且つ、発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、メッシュ構造を有する多孔質層で構成された第２の多孔質体及び作動流体導入体をこの順で設けておき、発熱体からの熱によって、作動流体中のナノ粒子が沸騰する発熱体の伝熱面上で析出して多孔質ナノ粒子の集合体を構成することで第１の多孔質体を発熱体と第２の多孔質体との間に形成することで、発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に冷却部材を装着する。具体的には、例えば、原子炉の圧力容器にハニカム多孔質体（第２の多孔質体）及び作動流体導入体を予め設けておき、事故発生時に作動流体にナノ粒子を供給して分散させる。続いて、圧力容器の作動流体側表面（伝熱面）でナノ粒子を含んだ作動流体が沸騰することで、伝熱面表面と第２の多孔質体との間に多孔質ナノ粒子の集合体で構成された第１の多孔質体が形成される。
実施形態６において、第１の多孔質体を構成するナノ粒子の集合体が、粒子間或いは粒子内の多数の細孔が、第１の作動流体供給部又は第１の蒸気排出部を構成している。本実施形態でも、第１の多孔質体が、作動流体の供給と蒸気の排出を別個の経路を用いて行うことにより、図３を参照して説明したように、蒸気が接触部を覆ってしまい限界熱流束が制限されるという問題の発生を抑制することができる。また第２の多孔質体は、矩形状の孔の周囲の格子状の多孔質層部分が第１の多孔質体に作動流体を供給する第２の作動流体供給部として機能し、矩形状の孔が第１の多孔質体から排出された蒸気を作動流体中へ排出する第２の蒸気排出部として機能する。そして、第２の多孔質体は、第１の多孔質体に比べて作動流体の透過率が大きく、作動流体を保持する機能を有し、第２の多孔質体上部で合体気泡が滞留する間にも、速やかに第１の多孔質体への作動流体の供給が行われるように機能する。また、実施形態６では、第１の多孔質体が多孔質ナノ粒子の集合体で構成されているため、伝熱面の濡れ性が良好となり、メッシュ構造を有する多孔質層で構成した第２の多孔質体を用いて、より伝熱面への作動流体の供給性が良好となる。これにより、伝熱面の乾燥領域が生じ難くなり、限界熱流束が小さくなることを防ぐことができる。
本発明は、原子炉圧力容器の冷却の他、種々の電子機器、その他の高発熱密度を有する熱機器全般に適用可能である。たとえば、核融合炉のダイバータ冷却、キャピラリーポンプループの高性能化、半導体レーザ、データセンターのサーバの冷却、フロン冷却式チョッパ制御装置、パワー電子機器等が考えられる。または、ガラスやアルミの溶融炉の側部や底部から周囲環境へ放散する熱を節減して、高温作業環境を改善する水冷ジャケットに適用可能である。さらに、大型ごみ焼却炉等の耐火壁を外部から冷却して損傷を軽減するための、耐火壁側部や耐火壁底部に設置する水冷ジャケットに適用可能である。
以下に本発明を実施例でさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（試験例１）
図１７に実験装置の概略図を示す。図１７（Ａ）には実験装置の概略模式図を示し、図１７（Ｂ）には当該実験装置の銅円柱上の伝熱面に設けた冷却部材（サンプル）の構造の一例を示す。実験装置の作動流体と接する接触部の直径を５０ｍｍとした。発熱体として、カートリッジヒータが埋め込まれた銅円柱を用いた。カートリッジヒータに印加する電圧を可変単巻変圧器でコントロールすることで加熱量を制御した。接触部からそれぞれ１０ｍｍ、１５ｍｍ及び２０ｍｍの銅円柱中心軸上に設置した３つのφ０．５Ｋ型シース熱電対からの出力を用いて外挿して接触部の過熱度を、指示温度差と設定距離及び熱伝導率からフーリエの式で熱流束を求めた。容器はパイレックス（登録商標）チューブとし、内部沸騰の様相を観察できるようにした。作動液体は、蒸留水を深さが１７０ｍｍとなるようにし、ヒータで加熱して飽和温度に維持した。発生した蒸気は、パイレックス（登録商標）チューブの上端に設けたコンデンサで凝縮させて容器内に戻した。
図１７に実験装置の概略図を示す。図１７（Ａ）には実験装置の概略模式図を示し、図１７（Ｂ）には当該実験装置の銅円柱上の伝熱面に設けた冷却部材（サンプル）の構造の一例を示す。実験装置の作動流体と接する接触部の直径を５０ｍｍとした。発熱体として、カートリッジヒータが埋め込まれた銅円柱を用いた。カートリッジヒータに印加する電圧を可変単巻変圧器でコントロールすることで加熱量を制御した。接触部からそれぞれ１０ｍｍ、１５ｍｍ及び２０ｍｍの銅円柱中心軸上に設置した３つのφ０．５Ｋ型シース熱電対からの出力を用いて外挿して接触部の過熱度を、指示温度差と設定距離及び熱伝導率からフーリエの式で熱流束を求めた。容器はパイレックス（登録商標）チューブとし、内部沸騰の様相を観察できるようにした。作動液体は、蒸留水を深さが１７０ｍｍとなるようにし、ヒータで加熱して飽和温度に維持した。発生した蒸気は、パイレックス（登録商標）チューブの上端に設けたコンデンサで凝縮させて容器内に戻した。
冷却部材の多孔質体として、組成が酢酸セルロースと硝酸セルロースの混合物の円板（商品名：ＭＦ−ミリポア）を使用した。多孔質体の円板の直径は５０ｍｍ、蒸気排出部（丸形）の排出口径は１．９ｍｍ、孔半径は０．８μｍ、空隙率は８０％、板厚は０．１５ｍｍであった。冷却部材の作動流体導入体として、表１に示すＮｏ．１〜１２のステンレス製の種々の形態の構造体を準備した。表１において、構造体のｈは高さを示し、ｌは構造体の各孔（六角形、三角形又は四角形）の辺の長さを示し、Ｄは構造体の各孔の直径を示し、δwは構造体の各孔を仕切る壁部の厚みを示す。
実験は、大気圧（０．１ＭＰａ）のもとで、カードリッジヒータの電圧を５Ｖずつ上げながら加熱を行い、十分定常状態になったのを確認して、熱電対の出力電圧を記録した。ここで定常状態か否かは、２０分間の温度変化が１Ｋ以下であるか否かにより判断した。この操作を定常状態が保てなくなるまで繰り返した。
（試験ａ）作動流体導入体の構造体の孔形状と、限界熱流束との関係
作動流体導入体の構造体の孔形状と、限界熱流束との関係を検討するために、上記多孔質体上に、Ｎｏ．１〜４の作動流体導入体のいずれかを設けたものを冷却部材として、上記実験を行った。また、冷却部材を設けないものをＮｏ．０とした。図１８に実験で得られた沸騰曲線を示す。沸騰曲線とは、沸騰伝熱の特性を表し、縦軸に熱流束、横軸に発熱体温度と液体の飽和温度との差、すなわち接触部の過熱度ΔＴsat［Ｋ］をとるものである。また、図１９に、図１８に示すデータを作動流体導入体の形態（孔の形状：Cell geometryと表記）について整理した結果を示す。図１８〜１９から、どのような形状であっても、作動流体導入体を冷却部材に設けたものは、何も設けないものに対して限界熱流束が高いことがわかった。
作動流体導入体の構造体の孔形状と、限界熱流束との関係を検討するために、上記多孔質体上に、Ｎｏ．１〜４の作動流体導入体のいずれかを設けたものを冷却部材として、上記実験を行った。また、冷却部材を設けないものをＮｏ．０とした。図１８に実験で得られた沸騰曲線を示す。沸騰曲線とは、沸騰伝熱の特性を表し、縦軸に熱流束、横軸に発熱体温度と液体の飽和温度との差、すなわち接触部の過熱度ΔＴsat［Ｋ］をとるものである。また、図１９に、図１８に示すデータを作動流体導入体の形態（孔の形状：Cell geometryと表記）について整理した結果を示す。図１８〜１９から、どのような形状であっても、作動流体導入体を冷却部材に設けたものは、何も設けないものに対して限界熱流束が高いことがわかった。
（試験ｂ）作動流体導入体の構造体の高さと、限界熱流束との関係
作動流体導入体の構造体の高さと、限界熱流束との関係を検討するために、上記多孔質体上に、Ｎｏ．３、５〜８の作動流体導入体のいずれかを設けたものを冷却部材として、上記実験を行った。図２０に実験で得られた沸騰曲線を示す。また、図２１に、図２０に示すデータ（Ｎｏ．５〜８）を作動流体導入体の構造体の高さ（structure heightと表記）について整理した結果を示す。図２０〜２１から、作動流体導入体の構造体の高さによって、限界熱流束が異なることがわかった。
作動流体導入体の構造体の高さと、限界熱流束との関係を検討するために、上記多孔質体上に、Ｎｏ．３、５〜８の作動流体導入体のいずれかを設けたものを冷却部材として、上記実験を行った。図２０に実験で得られた沸騰曲線を示す。また、図２１に、図２０に示すデータ（Ｎｏ．５〜８）を作動流体導入体の構造体の高さ（structure heightと表記）について整理した結果を示す。図２０〜２１から、作動流体導入体の構造体の高さによって、限界熱流束が異なることがわかった。
（試験ｃ）作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚みと、限界熱流束との関係
作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚みと、限界熱流束との関係を検討するために、上記多孔質体上に、Ｎｏ．３、９〜１２の作動流体導入体のいずれかを設けたものを冷却部材として、上記実験を行った。図２２に実験で得られた沸騰曲線を示す。また、図２３に、図２２に示すデータを作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚み（cell sizeと表記）について整理した結果を示す。図２２〜２３から、作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚みによって、限界熱流束が異なることがわかった。
作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚みと、限界熱流束との関係を検討するために、上記多孔質体上に、Ｎｏ．３、９〜１２の作動流体導入体のいずれかを設けたものを冷却部材として、上記実験を行った。図２２に実験で得られた沸騰曲線を示す。また、図２３に、図２２に示すデータを作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚み（cell sizeと表記）について整理した結果を示す。図２２〜２３から、作動流体導入体の構造体の各孔を仕切る壁部の厚みによって、限界熱流束が異なることがわかった。
（試験ｄ）作動流体導入体を用いた場合の限界熱流束に与える影響
作動流体導入体を用いた場合の限界熱流束に与える影響を検討するために、上記多孔質体上にＮｏ．３の作動流体導入体を設けて冷却部材としたもの、Ｎｏ．３のみを冷却部材としたもの、及び、上記多孔質体のみを冷却部材としたものをそれぞれ準備して、上記実験を行った。図２４に実験で得られた沸騰曲線を示す。図２４から、冷却部材として、多孔質体上に作動流体導入体を設けたものが最も限界熱流束が大きくなることがわかった。
作動流体導入体を用いた場合の限界熱流束に与える影響を検討するために、上記多孔質体上にＮｏ．３の作動流体導入体を設けて冷却部材としたもの、Ｎｏ．３のみを冷却部材としたもの、及び、上記多孔質体のみを冷却部材としたものをそれぞれ準備して、上記実験を行った。図２４に実験で得られた沸騰曲線を示す。図２４から、冷却部材として、多孔質体上に作動流体導入体を設けたものが最も限界熱流束が大きくなることがわかった。
（試験例２）
冷却部材の層状構造と、限界熱流束との関係を検討するために以下の実験を行った。実験には、図１７（Ａ）に示す実験装置を用いた。また、当該実験装置の銅円柱上の伝熱面にナノ粒子（ＴｉＯ2）をコーティングすることで多孔質層（ＮＰ）を設けた。また、作動流体導入体として一辺が１１．２６ｍｍの正方形のセル（蒸気排出部）を有し、高さが２５ｍｍであるステンレス製の格子状構造物（ＭＳ）を準備した。また、一辺が１．４ｍｍの正方形のセル（孔）を有し、板厚が１．０ｍｍである組成が酢酸セルロースと硝酸セルロースの混合物の円板であるハニカム多孔質体（ＨＰ）を準備した。
次に、伝熱面に設ける冷却部材以外は、試験例１と同様の方法にて、熱流束を測定した。なお、実験は、伝熱面に冷却部材を設けないもの（ＢＳ）、伝熱面にナノ粒子の多孔質層（ＮＰ）のみ設けたもの、伝熱面に格子状構造物（ＭＳ）のみ設けたもの、伝熱面にハニカム多孔質体（ＨＰ）のみ設けたもの、伝熱面にナノ粒子の多孔質層を設け、さらにその上にハニカム多孔質体を設けたもの（ＮＰ＋ＨＰ）、及び、伝熱面にナノ粒子の多孔質層を設け、さらにその上にハニカム多孔質体を設け、さらにその上に格子状構造物を設けたもの（ＮＰ＋ＨＰ＋ＭＳ）についてそれぞれ行った。得られた限界熱流束の実験結果を図２５に示す。
図２５によれば、伝熱面にナノ粒子の多孔質層を設け、さらにその上にハニカム多孔質体を設け、さらにその上に格子状構造物を設けたもの（ＮＰ＋ＨＰ＋ＭＳ）が最も限界熱流束が大きくなることがわかった。
冷却部材の層状構造と、限界熱流束との関係を検討するために以下の実験を行った。実験には、図１７（Ａ）に示す実験装置を用いた。また、当該実験装置の銅円柱上の伝熱面にナノ粒子（ＴｉＯ2）をコーティングすることで多孔質層（ＮＰ）を設けた。また、作動流体導入体として一辺が１１．２６ｍｍの正方形のセル（蒸気排出部）を有し、高さが２５ｍｍであるステンレス製の格子状構造物（ＭＳ）を準備した。また、一辺が１．４ｍｍの正方形のセル（孔）を有し、板厚が１．０ｍｍである組成が酢酸セルロースと硝酸セルロースの混合物の円板であるハニカム多孔質体（ＨＰ）を準備した。
次に、伝熱面に設ける冷却部材以外は、試験例１と同様の方法にて、熱流束を測定した。なお、実験は、伝熱面に冷却部材を設けないもの（ＢＳ）、伝熱面にナノ粒子の多孔質層（ＮＰ）のみ設けたもの、伝熱面に格子状構造物（ＭＳ）のみ設けたもの、伝熱面にハニカム多孔質体（ＨＰ）のみ設けたもの、伝熱面にナノ粒子の多孔質層を設け、さらにその上にハニカム多孔質体を設けたもの（ＮＰ＋ＨＰ）、及び、伝熱面にナノ粒子の多孔質層を設け、さらにその上にハニカム多孔質体を設け、さらにその上に格子状構造物を設けたもの（ＮＰ＋ＨＰ＋ＭＳ）についてそれぞれ行った。得られた限界熱流束の実験結果を図２５に示す。
図２５によれば、伝熱面にナノ粒子の多孔質層を設け、さらにその上にハニカム多孔質体を設け、さらにその上に格子状構造物を設けたもの（ＮＰ＋ＨＰ＋ＭＳ）が最も限界熱流束が大きくなることがわかった。
Claims (18)
- 発熱体を冷却するための沸騰方式による冷却器であって、
作動流体を収容する容器と、
前記容器内において、前記作動流体と接するように且つ前記発熱体に対向するように設けられた冷却部材と
を備え、
前記冷却部材は、前記発熱体側に設けられた多孔質体と、前記作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成され、
前記多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する蒸気排出部とを備え、
前記作動流体導入体は、前記作動流体を前記多孔質体に導く作動流体導入部を備える冷却器。 - 前記作動流体導入体は、それぞれ高さ方向に貫通する複数の孔を有し、前記複数の孔が前記作動流体導入部を構成する請求項１に記載の冷却器。
- 前記作動流体導入体の作動流体導入部を構成する複数の孔は、断面が円形状又は多角形状である請求項２に記載の冷却器。
- 前記作動流体導入体と前記多孔質体との間に隙間領域が設けられている請求項１〜３のいずれか一項に記載の冷却器。
- 前記多孔質体が、多孔質粒子の集合体で構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却器。
- 前記多孔質体が、多孔質層で構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却器。
- 前記多孔質体は、前記発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、前記作動流体導入体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成され、
前記第１の多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する第１の作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、
前記第２の多孔質体は、前記作動流体導入体によって導入された作動流体を前記第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、前記第１の多孔質体から排出された蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の冷却器。 - 前記第２の多孔質体は、孔半径を前記第１の多孔質体の孔半径より大きくすることで、及び／又は、空隙率を前記第１の多孔質体の空隙率より大きくすることで、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率を大きくした請求項７に記載の冷却器。
- 前記第１の多孔質体及び前記第２の多孔質体のいずれか一方が多孔質粒子の集合体で構成されており、他方が多孔質層で構成されている請求項７又は８に記載の冷却器。
- 前記第１の多孔質体が多孔質ナノ粒子の集合体で構成されており、前記第２の多孔質体がメッシュ構造を有する多孔質層で構成されている請求項９に記載の冷却器。
- 前記第１の多孔質体が多孔質層で構成されており、前記第１の蒸気排出部が、前記多孔質層を貫通する孔である請求項９に記載の冷却器。
- 前記作動流体導入体が金属で形成されている請求項１〜１１のいずれか一項に記載の冷却器。
- 前記金属で形成された作動流体導入体の端部が前記発熱体に溶接により固定されている請求項１２に記載の冷却器。
- 前記発熱体に放熱フィンが溶接されており、前記放熱フィンに前記作動流体導入体が溶接により固定されている請求項１３に記載の冷却器。
- 請求項１〜１４のいずれか一項に記載の冷却器と、
前記冷却器の容器に接続され、蒸発した作動流体を液化するコンデンサと
を備えた冷却装置。 - 作動流体を収容した容器の作動流体中に、発熱体を少なくとも部分的に浸漬して発熱体を冷却する沸騰方式による冷却方法において、
前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、前記発熱体側に設けられた多孔質体と、前記作動流体側に設けられた作動流体導入体とを備えた積層構造に構成された冷却部材を装着する発熱体の冷却方法であり、
前記多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する蒸気排出部とを備え、
前記作動流体導入体は、前記作動流体を前記多孔質体に導く作動流体導入部を備える発熱体の冷却方法。 - 前記多孔質体は、前記発熱体側に設けられた第１の多孔質体と、前記作動流体導入体側に設けられた第２の多孔質体とを備えた積層構造に構成され、
前記第１の多孔質体は、毛細管現象により前記作動流体を前記発熱体との接触部に供給する第１の作動流体供給部と、前記接触部で発生した蒸気を前記第２の多孔質体側へ排出する第１の蒸気排出部とを備え、
前記第２の多孔質体は、前記作動流体導入体によって導入された作動流体を前記第１の多孔質体に供給する第２の作動流体供給部と、前記第１の多孔質体から排出された蒸気を前記作動流体導入体側へ排出する第２の蒸気排出部とを備え、前記第１の多孔質体よりも前記作動流体の透過率が大きい多孔質体で形成されている請求項１６に記載の発熱体の冷却方法。 - 前記作動流体中にナノ粒子を分散させておき、且つ、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に、メッシュ構造を有する多孔質層で構成された前記第２の多孔質体及び前記作動流体導入体をこの順で設けておき、
発熱体からの熱によって、前記作動流体中のナノ粒子が沸騰する発熱体の伝熱面上で析出して多孔質ナノ粒子の集合体を構成することで前記第１の多孔質体を前記発熱体と前記第２の多孔質体との間に形成することで、前記発熱体の作動液体に浸漬された部分の表面に前記冷却部材を装着する請求項１７に記載の発熱体の冷却方法。
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