JPH0760875B2 - 沸騰冷却用伝熱体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、沸騰冷却用伝熱体に係り、具体的には冷媒液
の蒸着潜熱を利用して高発熱密度の発熱体を冷却すると
きに、冷媒液と発熱体間の熱伝達を効率的に行わせるた
め、その発熱体と熱的に係合させて沸騰性の冷媒液中に
浸漬して用いるものに関する。

〔従来の技術〕

半導体素子などの高発熱密度の発熱体に第６図に示すよ
うな多孔性を有するフィン状伝熱体を装着し、該フィン
状伝熱体を沸騰性の冷媒液中に浸漬し、冷媒液を沸騰さ
せて高発熱密度物体の熱を効果的に除去する方法が特開
昭60−229353号公報に開示されている。

すなわち、同図（Ａ）に示すように、基板１に取付けら
れた発熱体２の頂部面に伝熱体３を熱的に結合したもの
となっている。伝熱体３は良熱伝導性を有する母材から
なり、同図（Ｂ）に示すように発熱体２との接合面の接
線方向に延在させて多数の垂直トンネル４と水平トンネ
ル５が形成され、さらに接合面の法線方向に多層状に積
層して形成されている。各層の垂直トンネル４と水平ト
ンネル５は連通孔６を介して互いに連通されている。し
かして、第６図に示された伝熱体３によれば、一定の発
熱密度以下の場合には垂直、水平トンネル４、５内にお
ける沸騰核の確保が良好になされるため、高い核沸騰熱
伝達率が得られる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上記従来の技術において、発熱体２の発
熱量が高い高発熱密度物体の場合には伝熱体３の伝熱面
における沸騰が活発になり、ついには伝熱面が沸騰気泡
により覆われてしまい、核沸騰から膜沸騰に遷移してし
まういわゆるバーンアウトに至ることがある。このよう
な状態になると、伝熱体３の伝熱面が蒸気の膜により覆
われるので熱伝達が阻害され、冷却能率が極端に低下し
てしまうという問題がある。

すなわち、上記従来の技術によって、安定で良好な熱伝
達がなされる核沸騰状態を維持するには、熱流束をある
一定の限界熱流束以下に抑えなければならず、高発熱密
度の発熱体には適用することができないという問題があ
った。

本発明の目的は、伝熱体と冷媒液の界面に発生する蒸気
膜を破断して、バーンアウトする限界熱流束を高くする
ことができ、これによって高発熱密度の発熱体を安定に
冷却することができる沸騰冷却用伝熱体を提供すること
にある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、発熱体に熱的に
結合されて沸騰性の冷媒液中に浸漬して用いられる沸騰
冷却用伝熱体であって、前記伝熱体はフィン付多孔板を
多重積層して形成されてなり、前記フィン付多孔板は中
実母材又は多孔質母材からなる平板で、その裏面と表面
には互いに直交させて多数の縦溝と横溝が形成され、か
つその外周縁部に多数のフィン状突起体が形成されてな
ることを特徴とする。

〔作用〕

このような構成とすることにより、まず発熱体から沸騰
が開始する熱流束以上の熱が伝熱体に入熱されると、伝
熱体の通流孔内面及び外部表面にて冷媒液の蒸発、沸騰
が生じ、この蒸発潜熱により伝熱体を介して発熱体が冷
却される。伝熱体への入熱量が増加するにつれ伝熱体表
面から発生する気泡が増え、ついには核沸騰から膜沸騰
状態に至り、蒸気膜が伝熱体表面を覆うようになる。し
かし、この蒸気膜は伝熱体外表面の突起の幾可学的な形
状効果により破断され、核沸騰伝熱が確保されることに
なる。

すなわち、蒸気膜が伝熱体の表面を全部覆うような膜沸
騰になると、伝熱体と冷媒液との界面における熱伝達が
極端に低下することになる。しかし、一般に蒸気膜厚が
10〜数10μｍ程度の薄い膜であるから、その蒸気膜が伝
熱体表面に存在する突起を包み込もうとしても、外乱を
受けて蒸気膜と冷媒液との界面は波を打ち、第３図に示
すようにこの波動の高さよりも高い突起体10が存在する
とその蒸気膜11は破断されることになる。なお、上記外
乱としては、沸騰による気泡の発生や、気液の流動など
がある。

また、突起体の角部に形成される蒸気膜は、その蒸気膜
と冷媒液との界面の曲率がその角部の曲率に従って小さ
なものとなり、液の表面張力と蒸気、冷媒液両部の圧力
差の関係から、蒸気膜が安定に存在し得なくなり、蒸気
膜は破断されることになる。

つまり、突起の先端部には蒸気膜が発生しにくくなると
ともに、突起の側面に位置された蒸気膜と冷媒液の界面
は、液の表面張力により突起基部方向へ向う動きが期待
できることから、蒸気膜は安定に存在し得ないのであ
る。

このようにして、蒸気膜の一部が破断されると、そこか
ら冷媒液が伝熱体表面に直接接触することになり、バー
ンアウトを抑制して核沸騰状態を維持することができる
ようになる。

また、突起体を多孔質のものにすると、突起体に直接接
触した冷媒液が多孔質の毛細管力により、突起体全体ひ
いては伝熱体全体に冷媒液が供給されることになるか
ら、突起体部における熱流束密度が低減されるので、膜
沸騰遷移すなわちバーンアウトを一層抑制することがで
きる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第１図に本発明の一実施例の部分斜視断面図を示す。図
示のように、伝熱体20は第２図に示したようなフィン付
多孔板21を多数積層して形成されている。フィン付多孔
板21は中実母材又は多孔質母材からなる平板の表と裏
に、互いに直交させて多数の縦溝22、横溝23を形成する
とともに、平板の外周端部に多数のフィン状突起体24を
有するものとされている。このように形成されたフィン
付多孔板21を積層し、例えば拡散接合法などにより互い
に隣接するフィン付多孔板21相互を接合することによ
り、伝熱体20が形成されている。しかして、縦溝22は伝
熱体20の垂直トンネル26となり、横溝23は水平トンネル
27となる。

このように構成された伝熱体20を、垂直、水平トンネル
26、27が熱流方向Ｑに対して層をなすように図示してい
ない発熱体に熱的に結合し、沸騰性の冷媒中に浸漬して
用いる。これにより、発熱体により発生された熱は、熱
流方向Ｑにに沿って伝熱体20内に伝えられ、伝熱体20の
通流孔としてのトンネル26、27の内面及び伝熱体20の外
表面で、冷媒液の蒸発、沸騰が生じ、伝熱体20の熱は冷
媒液に伝達され、発熱体が冷却される。

発熱体の発熱量が極めて高くなり、膜沸騰状態に至るよ
うな高熱流束域になると、通常、伝熱体20と冷媒液との
界面に蒸気膜が形成されることになるが、本実施例によ
れば、次に述べるように、フィン状突起体24の作用、又
はトンネル26、27の作用により、蒸気膜の発生が阻止さ
れ、核沸騰冷却による高い熱伝達率が維持される。すな
わち、 冷媒液中に突き出しているフィン状突起体24は第３
図で説明したように、蒸気膜を突き破って安定な存在を
阻止し、これによってフィン状突起体24の表面が直接冷
媒液に接触した状態で熱伝達がなされる。

上記作用によりフィン状突起体24相互間に形成され
た空間部に冷媒液が侵入することから、その毛細管力に
より冷媒液を伝熱体20内に形成されたトンネル26、27に
導き、さらにトンネル26、27の毛細管力により冷媒液を
伝熱体20の内部全域に広げるように作用するため、一層
蒸気膜の安定な存在を阻止する。

毛細管力によりトンネル26、27内に引き込まれた冷
媒液がトンネル内で蒸発し、その蒸気がトンネル26、27
の出口から冷媒液中に噴き出すため、伝熱体20の外表面
を包み込もうとする蒸発膜を撹乱し、蒸気膜の安定な存
在を阻止するように作用する。

フィン状突起体24を設けたことにより、実質的に伝
熱体20の伝熱面積が拡大され、冷却効果が向上する。

これら〜の相乗作用により、特に〜の相乗的な
組合せ作用により、本実施例によれば、通常では膜沸騰
状態に遷移してしまうような高熱流束域においても核沸
騰状態を維持することができるという効果がある。

なお、トンネル26、27の大きさおよびフィン状突起体24
との間隔は、冷媒液の物性、毛細管力による液浸透作
用、蒸気の圧力損失等を考慮して定めるものであるが、
例えば1mm以下が望ましい。

また、本実施例では、予めフィン状突起体24が設けられ
たフィン付多孔板21を積層接合するものについて示した
が、フィン状突起体24が設けられていない多孔板を積層
接合した後、例えばワイヤーカットなどを用いて伝熱体
20の外表面にフィン加工を施しても同一の作用効果を奏
することは言うまでもない。また本実施例においては４
層の場合について示したが、発熱体の発熱量、伝熱体の
許容占有空間の大小に応じて最適な層数を選べばよい。

第４図に本発明の他の実施例を示す。第１図実施例と異
なる点は、フィン状突起体24の表面に縦溝24a、横溝24b
を設けたことにある。このようにすることによって、第
１図実施例よりも大きな毛細管力が得られることから、
冷媒液の広がり作用（前記作用）が促進されるので、
第１実施例の効果に加えて、一層高い熱流束においても
核沸騰状態を維持することができるという効果がある。

なお、本実施例はフィン状突起体24によって形成される
空間部の毛細管現象を促進することを主眼とするもので
あることから、その作用を奏することができるものであ
れば、溝24a、24bに限られるものではなく、フィン状突
起体24を焼結粒子又は結晶析出法による針状繊維を用い
て形成したものであっても同一の作用、効果を奏するこ
とができる。

第５図に本発明のさらに他の実施例を示す。第１図実施
例とは異なる点は、伝熱体20の内部を通流孔としてのト
ンネルを有さない中実部28を形成したことにある。この
ように構成することにより、伝熱体20内部の熱伝導が良
好となるので、第１図、第４図実施例の場合よりも、伝
熱体20の外表面部の温度がほぼ発熱体の温度と同じにな
り、熱伝導率が向上するという効果がある。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、外表面に開口さ
れた多数の通流孔を有する伝熱体の外表面に、多数の突
起体を形成したものとしたことから、熱伝達を阻害する
膜沸騰の安定な存在を阻止することができ、これによっ
て限界熱流束が高くなり、高発熱密度の発熱体を安定に
冷却することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の部分断面斜視図、第２図は
第１図実施例を構成するフィン付多孔板の斜視図、第３
図は本発明の蒸気膜破断作用を説明する図、第４図と第
５図はそれぞれ本発明の他の実施例の部分断面斜視図，
第６図（Ａ）、（Ｂ）は従来例の斜視図である。 ２……発熱体、 20……伝熱体、 21……フィン付多孔板、 24……フィン状突起体、 24a……縦溝、 24b……横溝、 26……垂直トンネル、 27……水平トンネル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大橋 繁男 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 佐藤 元宏 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (56)参考文献 特開 昭60−136353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−229353（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−168790（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】発熱体に熱的に結合されて沸騰性の冷媒液
   中に浸漬して用いられる沸騰冷却用伝熱体であって、 前記伝熱体はフィン付多孔板を多重積層して形成されて
   なり、 前記フィン付多孔板は中実母材又は多孔質母材からなる
   平板で、その裏面と表面には互いに直交させて多数の縦
   溝と横溝が形成され、かつその外周縁部に多数のフィン
   状突起体が形成されてなることを特徴とする沸騰冷却用
   伝熱体。