JPS63192253A

JPS63192253A - 沸騰冷却用伝熱体

Info

Publication number: JPS63192253A
Application number: JP2402387A
Authority: JP
Inventors: Tadakatsu Nakajima; 忠克中島; Hisashi Nakayama; 中山　恒; Heikichi Kuwabara; 桑原　平吉; Shigeo Ohashi; 繁男大橋; Motohiro Sato; 佐藤　元宏
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-02-04
Filing date: 1987-02-04
Publication date: 1988-08-09
Anticipated expiration: 2010-06-28
Also published as: JPH0760875B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
の蒸発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
熱斌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、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
体を形成したことを特徴とする。

また、前記突起体を多孔質母材により形成することが好
適である。

［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懸回学的な形
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、一般に蒸気膜厚は
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１１が存
在するとその蒸気膜１２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２
０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
１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１通常、伝熱体２ｏ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１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２
６．２７の出口から冷媒液中に噴き出すため、伝熱体２
０の外表面を包み込もうとする蒸発膜を攪乱し、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■〜■の相剰作用により、特に■〜■の相剰的な
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１■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、熱伝達率が向上するという効果がある。

〔発明の効果〕

以」−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・とじたことから、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。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）外表面に開口された多数の通流孔を有してなり、
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において、当該外表面に多
数の突起体を形成したことを特徴とする沸騰冷却用伝熱
体。
（２）前記突起体を多孔質母材により形成したことを特
徴とする特許請求の範囲の第１項記載の沸騰冷却用伝熱
体。