JP4269060B2 - 除熱方法及び除熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、除熱方法及び除熱装置に関する。

除熱対象物に隣接する流路に液状の冷媒を流し、除熱対象物と冷媒との間の熱交換により除熱対象物を冷却する技術が知られている。当該技術は、電子機器の発熱密度の飛躍的増大、電力変換用の大型半導体の普及などにより、一層、大面積からの高熱流束での除熱が要求されている。

図１４は、従来の除熱用流路５０１について、大面積からの除熱を行うために流路を長くした場合等に生じる問題を説明する図である。図１４では、平面図を紙面左側に示し、平面図のｙ５０１〜ｙ５０４の位置における断面図を、ｙ５０１〜ｙ５０４の位置の紙面右側に示している。

除熱用流路５０１は、図１４の紙面左側の平面図に示すように、ｙ方向へ延び、矢印Ａ５０１で示すように、端部５０１ａから液状の冷媒ＲＬが流し込まれる。除熱対象物（不図示）は、例えば除熱用流路５０１のｚ方向の負側に配置され、図１４の紙面右側の断面図の矢印Ａ５０２で示すように、除熱用流路５０１の底面５０１ｂを加熱している。換言すれば、除熱用流路５０１は底面５０１ｂにより除熱対象物を除熱している。

ｙ５０１の位置では、液状の冷媒ＲＬは除熱用流路５０１を満たしている。ｙ５０２の位置では、液状の冷媒ＲＬのうち一部が蒸発し、気体状の冷媒ＲＧにより気泡が生じている。なお、気泡は、除熱用流路５０１のうち、加熱されている底面５０１ｂ側に生じる。ｙ５０３の位置では気泡が拡大、結合しており、底面５０１ｂ側における液状の冷媒ＲＬは少量になっている。そして、ｙ５０４の位置では、底面５０１ｂ側には気体状の冷媒ＲＧのみが存在し、底面５０１ｂの対向面である上面５０１ｃのみに液状の冷媒ＲＬが液膜状に存在している。

すなわち、除熱用流路５０１を長くすると、ｙ５０４の位置において示すように、いわゆるバーンアウト現象が生じ、除熱対象物は液状の冷媒ＲＬと熱交換を十分に行うことができず、冷却能力が著しく低下する。従って、図１４に示す除熱用流路５０１では、除熱用流路５０１の上流側から下流側に亘って液状の冷媒ＲＬが満たされるようにすることが前提とされている。

特許文献１では、除熱用流路としての主流路よりも除熱対象物から離れた位置に、主流路に沿って延びる副流路を設け、主流路と副流路とを連通する複数の連通孔を介して副流路から主流路へ液状の冷媒を供給することにより、主流路の上流側から下流側までの液状の冷媒の温度の均一化を図る技術が開示されている。また、特許文献１では、主流路に生じた気泡を破砕するための破砕装置を設けてバーンアウト現象を防止している。
特開２００５−７９３３７号公報

図１４に示した従来技術や特許文献１の技術は、除熱用流路（主流路）に満たされた液状の冷媒を流すことを基本としていることから、種々の問題を生じるおそれがある。例えば、除熱に潜熱が利用される冷媒は、主流路を流れる冷媒のうちごく一部に限られる。このため、熱流束は小さくならざるを得ない。除熱対象物から所要の熱量を除熱するためには除熱面積に対して大量の冷媒を流さなければならず、除熱装置が大型化したり、必要なポンプ動力が増大する。また仮にそうしても下流方向に伸びた大面積からの除熱では下流において図１４のｙ５０４の位置のようなバーンアウトに至ることも十分に予測される。これらの理由から大面積からの除熱が困難になる等の問題が生じるおそれがある。この他にも、副流路の冷媒の流れが主流路の冷媒の流れに合流することから、主流路の流れに圧力損失や脈動が生じる、主流路に生じた気泡を破砕するための部材や装置を設けなければならない等の問題が生じるおそれもある。

大面積からの高熱流束での除熱が可能な除熱方法及び除熱装置が提供されることが望ましい。

本発明の第１の観点の除熱方法は、除熱対象物に隣接して設けられた除熱用流路の所定方向の複数位置において前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記除熱用流路の内周面に前記複数位置に亘って前記冷媒の液膜を形成し、当該液膜を前記除熱対象物からの熱により蒸発させ、蒸発させた前記冷媒を前記除熱用流路から排出することにより、前記除熱対象物を除熱する。

好適には、前記所定方向は前記除熱用流路の流路方向である。

本発明の第２の観点の除熱方法は、除熱対象物に隣接して設けられた除熱用流路の流路方向の所定範囲において前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記除熱用流路の内周面に前記所定範囲に亘って前記冷媒の液膜を形成し、当該液膜を前記除熱対象物からの熱により蒸発させ、蒸発させた前記冷媒を前記除熱用流路から排出することにより、前記除熱対象物を除熱する。

本発明の第３の観点の除熱装置は、除熱対象物に隣接して設けられる除熱用流路と、前記除熱用流路の所定方向の複数位置において前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記除熱用流路の内周面に前記複数位置に亘って前記冷媒の液膜を形成するように構成された液体供給部と、を備える。

好適には、前記所定方向は前記除熱用流路の流路方向である。

好適には、前記液体供給部は、前記除熱用流路に隣接し、液状の前記冷媒が流れる液体供給用流路を備え、前記除熱用流路と前記液体供給用流路とを隔てる壁部には、前記液体供給用流路から前記除熱用流路への液状の前記冷媒の通過を許容するように構成された冷媒通過部が前記複数位置に設けられている。

好適には、前記除熱用流路は、流路方向において複数の区画に仕切られ、当該複数の区画には、気体状の前記冷媒を排出する排出口がそれぞれ設けられている。

好適には、前記除熱用流路は、流路方向の両端に前記冷媒の排出口が設けられている。

好適には、前記除熱用流路の内周面には、溝部が設けられている。

好適には、前記除熱用流路の内周面には、当該除熱用流路を横切る方向に延びる溝部が設けられている。

好適には、前記除熱用流路の内周面には、当該除熱用流路に沿う方向に延びる溝部が設けられている。

好適には、前記除熱用流路の内周面には、前記液状の冷媒が浸透するシートが張られている。

好適には、前記除熱用流路の内周面は、粗面加工されている。

本発明によれば、大面積から高熱流束で除熱ができる。

本発明の実施形態の除熱装置の全体構成を示す図。 図１の除熱装置の除熱部の構成例を模式的に示す図。 図２Ａ〜図２Ｃの除熱部の構造例における除熱方法を説明する図。 図１の除熱装置の効果を別の観点から捉えて説明する図。 加熱長さの観点から除熱用流路への液体供給方法の変形例を説明する図。 除熱用流路への液体の供給方法の変形例を示す断面図。 液体供給用流路及び除熱用流路における流れのパターンを説明する図。 液体供給用流路及び除熱用流路における流れのパターンを３次元的に拡張した変形例を示す図。 除熱用流路と液体供給用流路とを仕切る壁部や連通孔の変形例を示す斜視図。 除熱用流路の内周面のパターン例を説明する図。 除熱用流路を流路の幅方向へ拡大した変形例を示す図。 除熱用流路を流路方向へ拡大した変形例を示す図。 除熱装置の全体構成の変形例を示す図。 従来の除熱用流路を示す図。 液体供給用流路から除熱用流路への液状の冷媒の供給量を説明する図。 冷媒通過部の流動抵抗を液体供給用流路の上流部で小さく、下流部で大きくした例を示す図。 本発明の応用例を示す図。 本発明の他の応用例を示す図。 本発明の効果を説明する図。

符号の説明

１…除熱装置、１２…除熱部、３１…除熱用流路、３２…液体供給用流路、３８…連通孔、ＨＯ…除熱対象物。

図１は、本発明の実施形態に係る除熱装置１の全体構成を示す図である。除熱装置１は、液状の冷媒ＲＬを貯留する貯液槽３と、貯液槽３等の冷媒を送出するポンプ５と、ポンプ５から送出された冷媒により除熱対象物ＨＯ（図２Ａ〜図２Ｃ参照）を除熱する除熱部１２と、除熱部１２から流出した気体状の冷媒を凝縮する凝縮部１４と、凝縮部１４から流出した冷媒を気体状の冷媒と液状の冷媒とに分離する気液分相器１９と、気液分相器１９から流出した冷媒をポンプ５のキャビテーション防止のために過冷却する過冷却部２１とを備える。過冷却部２１により過冷却された冷媒は、ポンプ５により送出され、あるいは、貯液槽３に貯留される。

貯液槽３は、例えばアキュムレータにより構成されており、除熱装置１の循環系の圧力を所定の圧力に保つほか、負荷変動に応じた流体温度微調整にも用いられる。ポンプ５は、モータ６により駆動され、モータ６の動作は制御器７により制御される。凝縮部１４は、例えば空冷式であり、冷媒と熱交換を行う空気がファン１５により送り込まれる。ファン１５はモータ１６により駆動され、モータ１６の動作は制御器１７により制御される。過冷却部２１は、例えば空冷式であり、冷媒と熱交換を行う空気がファン２２により送り込まれる。ファン２２はモータ２３により駆動され、モータ２３の動作は制御器２４により制御される。

ポンプ５と除熱部１２との間には、除熱部１２に流入する液状の冷媒ＲＬの流量を検出する流量センサ９と、除熱部１２に流入する液状の冷媒ＲＬの温度を検出する温度センサ１０とが設けられている。制御器７は流量センサ９の検出結果に基づいてモータ６の動作を制御し、制御器１７は温度センサ１０の検出結果に基づいてモータ１６の動作を制御し、制御器２４は温度センサ１０の検出結果に基づいてモータ２３の動作を制御する。

除熱部１２では、除熱対象物ＨＯから熱量Ｑの熱を冷媒に吸収させて除熱が行われ、凝縮部１４及び過冷却部２１では、冷媒により吸収された熱量Ｑ１及びＱ２の熱がそれぞれ放出される。なお、配管からの熱損失がないとすれば、Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２である。

図２Ａ〜図２Ｃは、除熱部１２の構成を模式的に示す図であり、図２Ａは一部透視して示す斜視図、図２Ｂは図２ＡのＩＩｂ−ＩＩｂ線矢視方向における断面図、図２Ｃは図２Ａにおいて実線で囲んだ領域Ｅを拡大して示すｘ方向から見た断面図である。なお、便宜上、ｚ方向を上下方向として表現する場合があるが、除熱部１２は、その大きさ等の種々の条件によっては、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向のいずれが上下方向になっても一定の除熱効果を発揮できるものである。

除熱部１２は、除熱対象物ＨＯに隣接して設けられる除熱用流路３１と、除熱用流路３１に液状の冷媒を供給する液体供給用流路３２とを備えている。なお、液体供給用流路３２は、あるいは、液体供給用流路３２に加え、ポンプ５等を含む冷媒送出系は、本発明の液体供給部の一例である。

除熱用流路３１は、例えば除熱対象物ＨＯに当接して設けられた第１板状部３４と、第１板状部３４に対向配置される第２板状部３５と、第１板状部３４及び第２板状部３５の間に配置され、除熱用流路３１の流路方向（冷媒の流れ方向、流路の長さ方向、ｙ方向）に互いに平行に延びる２本のパイプ３６とにより、これらの部材に囲まれた領域に形成されている。なお、第１板状部３４側だけでなく、第２板状部３５側にも除熱対象物を配置してもよい。また、パイプ３６に代えて、矩形ダクト等、適宜な断面形状の中空体を用いてよい。除熱用流路３１のうち、流路方向の一端（ｙ方向の正側）は開口しており、凝縮部１４に接続されている。流路方向の他端は、不図示の壁部によって塞がれている。

第１板状部３４、第２板状部３５、パイプ３６は、金属や樹脂などの適宜な材料により形成してよい。第１板状部３４及び第２板状部３５と、パイプ３６とは、接着剤や半田を用いて接合したり、溶接や融着により接合するなど、適宜に接合してよい。

液体供給用流路３２は、パイプ３６により、パイプ３６の内部に形成されている。液体供給用流路３２の位置は、ｚ方向に見て除熱対象物ＨＯに重なる位置でも重ならない位置でもよい。パイプ３６の一方の端部３６ｂは開口しており流入口３７が形成されている。端部３６ｂはポンプ５に接続されている。なお、パイプ３６の他方の端部３６ｃは塞がれている。また、パイプ３６のうち、除熱用流路３１と液体供給用流路３２とを隔てる壁部３６ａには、除熱用流路３１の流路方向（ｙ方向）の複数位置に、除熱用流路３１と液体供給用流路３２とを連通する連通孔３８が設けられている。連通孔３８は本発明の冷媒通過部の一例である。複数の連通孔３８は、例えば、互いに同じ径であり、また、等間隔で設けられている。

第１板状部３４には、除熱用流路３１の内周面を形成する面に、除熱用流路３１の流路方向に直交する方向（幅方向、ｘ方向）に延びる溝部４０が形成されている。溝部４０は、除熱用流路３１の流路方向に複数設けられており、例えば、複数の連通孔３８と同位置に複数の連通孔３８と同数設けられている。

図３は、除熱部１２における除熱方法を説明する図である。図３では、平面図を紙面左側に示し、平面図のｙ１〜ｙ３の位置における断面図を、ｙ１〜ｙ３の位置の紙面右側に示している。

除熱部１２では、図２Ａにおいて矢印Ａ１で示すように、ポンプ５により送出された液状の冷媒ＲＬが流入口３７から液体供給用流路３２に流し込まれる。液体供給用流路３２に流し込まれた液状の冷媒ＲＬは、図２Ａの矢印Ａ２及び図３の矢印Ａ５で示すように、連通孔３８から除熱用流路３１に流れ込む。

除熱用流路３１に流れ込んだ液状の冷媒ＲＬは、図３の紙面右側の断面図に示すように、除熱用流路３１の第１板状部３４側の内周面に液膜を形成する。連通孔３８が除熱用流路３１の流路方向の複数位置に設けられていることから、冷媒ＲＬの液膜は、除熱用流路３１の上流側から下流側まで、流路方向の全体に亘って形成される。

そして、図３の紙面右側の断面図において矢印Ａ６で示すように、第１板状部３４には除熱対象物ＨＯからの熱が伝達され、冷媒ＲＬの液膜は蒸発して気体状の冷媒ＲＧとなる。換言すれば、冷媒は略潜熱相当分の熱を除熱対象物ＨＯから吸収する。

除熱用流路３１の気体状の冷媒ＲＧは、図２Ａの矢印Ａ３で示すように、開口端部から流出して凝縮部１４に流れ込む。なお、気体状の冷媒ＲＧを排気するファン等の排気手段を流路内に設けてもよい。

除熱用流路３１において液膜が形成されるようにするためには、以下のように各種パラメータの設定や制御を行えばよい。

除熱用流路３１においては、以下の（１）式が成立する。
ρ_ｌ×ｄＶ／ｄｔ×（Ｃ_ｐｌ×（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｉｎ）＋ｈ_ｆｇ×Ｘ_ｏｕｔ）＝Ｑ …（１）
ここで、
Ｑ：単位時間当たりの除熱量（Ｗ）
ρ_ｌ：液状の冷媒の密度（ｋｇ／ｍ^３）
ｄＶ／ｄｔ：液状の冷媒の単位時間当たりの除熱用流路への供給量（ｍ^３／ｓ）
Ｃ_ｐｌ：液状の冷媒の定圧比熱（Ｊ／ｋｇＫ）
Ｔ_ｓ：除熱用流路における冷媒の飽和温度（Ｋ）
Ｔ_ｉｎ：液状の冷媒の除熱用流路への供給時における温度（Ｋ）
ｈ_ｆｇ：冷媒の蒸発潜熱（Ｊ／ｋｇ）
Ｘ_ｏｕｔ：除熱用流路の冷媒の全流量に対する蒸発流量の質量割合
である。
（１）式より、下記の（２）式が得られる。
Ｘ_ｏｕｔ＝（（Ｑ／（ρ_ｌ×ｄＶ／ｄｔ）−Ｃ_ｐｌ×（Ｔ_ｓ−Ｔ_ｉｎ））／ｈ_ｆｇ …（２）

従って、除熱装置１では、Ｘ_ｏｕｔが所定値になるように各種パラメータを設定すれば、除熱用流路３１に液膜を形成することができる。好適に液膜が形成されるＸ_ｏｕｔの範囲の一例を示せば、０．２以上かつ１以下である。

Ｑは、除熱対象物ＨＯにおいて必要とされる除熱量によって決定される。ρ_ｌ、Ｃ_ｐｌ、ｈ_ｆｇは、冷媒の構成成分の選択や作動圧力の選択により調整できる。ｄＶ／ｄｔ、Ｔ_ｉｎ、Ｔ_ｓは、除熱装置１の設計時において各種手段の構造的態様により調整でき、また、除熱装置１の稼動時において各種手段の動作により調整できる。

除熱装置１の稼動時におけるＸ_ｏｕｔの制御は、例えば、以下のように行われる。

ｄＶ／ｄｔは流量センサ９により検出される。制御器７は、流量センサ９の検出値に基づいて、ｄＶ／ｄｔが所定の目標値に近づくように、モータ６を介してポンプ５の動作を制御する。すなわち、制御器７によりｄＶ／ｄｔのフィードバック制御が行われ、ひいてはＸ_ｏｕｔの制御が行われる。

Ｔ_ｉｎは、温度センサ１０により検出される。制御器１７は温度センサ１０の検出値に基づいて、Ｔ_ｉｎが所定の目標値に近づくように、モータ１６の動作を制御する。また、制御器２４も温度センサ１０の検出値に基づいて、Ｔ_ｉｎが所定の目標値に近づくように、モータ２３の動作を制御する。すなわち、制御器１７及び制御器２４により、Ｔ_ｉｎはフィードバック制御され、ひいてはＸ_ｏｕｔの制御が行われる。

なお、制御器１７（凝縮部１４）と、制御器２４（過冷却部２１）とは、Ｔ_ｉｎの制御において適宜に役割分担してよい。例えば、稼動開始時には、凝縮部１４においてＴ_ｉｎのフィードバック制御を行うとともに過冷却部２１における冷却は停止することとし、冷媒の温度が所定の温度以上に上昇したときには、凝縮部１４においてモータ１６の回転を一定として冷却効率を一定とするとともに過冷却部２１においてＴ_ｉｎのフィードバック制御を行うようにする。

Ｔ_ｓは除熱用流路３１における圧力により決定される。従って、Ｔ_ｓはファン１５、２２による放熱量の影響を強く受ける。しかし、ｄＶ／ｄｔの調整によって凝縮部１４や過冷却部２１での熱伝達を変化させれば、冷媒の膨張率等を制御し、間接的にＴ_ｓを制御することができる。また、例えば除熱用流路３１に圧力センサを設けるとともに凝縮部１４への流路に圧力調整弁を設け、圧力センサの検出結果に基づいて圧力調整弁の動作を制御するようにしてもよい。

以上の実施形態によれば、除熱対象物ＨＯに隣接して設けられた除熱用流路３１の流路方向の複数位置に液状の冷媒ＲＬを供給し、除熱用流路３１の内周面に複数位置に亘って冷媒ＲＬの液膜を形成することから、除熱用流路３１の上流から下流に亘る広い範囲において液状の冷媒ＲＬを枯渇させることなく、かつ、効率的に冷媒を蒸発させることができる。従って、従来に比較して、顕熱による除熱量に対する潜熱による除熱量の割合が大幅に増加し、大面積からの高熱流束での除熱ができる。冷媒の流量（質量）も低減でき、除熱装置１や除熱用流路３１の小型化も図られる。流量が低く抑えられ、また主流路が蒸気で貫通することにより圧損が特許文献１よりも小さく、両者の積で与えられるポンプ能力は大きく低減される。液状の冷媒ＲＬは潜熱により除熱することから、従来のように顕熱や沸騰により除熱する場合に比較して、非常に熱伝達が良く、冷媒ＲＬの温度は、除熱対象物ＨＯの許容温度（除熱後の目標温度）に対して、さほど低くなくてもよい。このため、凝縮部１４や過冷却部２１に要求される冷却能力を下げることができ、かつ、凝縮部１４や過冷却部２１においては、その内部を流れる冷媒と外気との温度差が大きくなり、効率的に冷媒の冷却を行うことができるようになることから、凝縮部１４や過冷却部２１の小型化が図られる。除熱用流路３１に気体状の冷媒を流すことを基本としていることから、除熱用流路に液状の冷媒を流す場合に生じる種々の問題も生じない。例えば、特許文献１のように、主流路に副流路の流れが合流して主流路の流れが不安定になるということがない。主流路に生じた気泡を破砕するための部材や装置を設ける必要もない。

除熱装置１は、除熱用流路３１に沿って延び、液状の冷媒ＲＬが流れる液体供給用流路３２を備え、除熱用流路３１と液体供給用流路３２とを隔てる壁部３６ａに、除熱用流路３１と液体供給用流路３２とを連通する連通孔３８が除熱用流路３１の流路方向の複数位置に設けられていることから、構成が簡素でありながら、除熱用流路３１の流路方向の複数位置に冷媒を供給して液膜を形成することができる。

除熱用流路３１の内周面には、除熱用流路３１に直交する方向に延びる溝部４０が設けられていることから、除熱用流路３１に直交する方向において液膜が広がり易く、液体供給用流路３２から離れた位置、すなわち、除熱用流路３１の中央側位置における冷媒の枯渇が抑制される。なお、溝部４０により液状の冷媒が広がる原理は以下のとおりである。液状の冷媒ＲＬは表面張力によって溝部４０の側面（傾斜面）に張り付き、溝部４０内の液状の冷媒ＲＬの表面は凹状になる。冷媒ＲＬの表面と溝部４０の側面との接触角は、除熱用流路３１の中央側と側部側（液体供給用流路３２側）とで同等であるのに対し、中央側ほど枯渇して冷媒ＲＬの量が少ないから、中央側ほど凹状の表面の曲率は大きくなる。このため、中央側ほど冷媒ＲＬが縮まろうとする力が強くなり、高い気圧とバランスする状態となる。しかし、冷媒ＲＬの表面へかかる気体状の冷媒ＲＧの大きさは、中央側と側部側とで同等である。このため、液体の冷媒ＲＧは、側部側から中央側にかけて負の圧力勾配が生じるので中央側へ自動的に流れる。

図４Ａ〜Ｃは、本実施形態の除熱装置１の効果を、別の観点から捉えて説明する図である。

図４Ａは従来の除熱用流路５０１における冷媒の様子を示している。従来の除熱用流路５０１では、液状の冷媒ＲＬは、除熱用流路５０１の一端から流し込まれ（矢印７Ａ）、他端に向かって流れる。従って、除熱用流路５０１の流路方向の長さＬ５０１が、冷媒が加熱される加熱長さとなる。長さＬ５０１が一定の長さを超えると、液状の冷媒ＲＬは蒸発して気体状の冷媒ＲＧになり除熱用流路５０１の下流側から排出される（矢印Ａ８）。すなわち、除熱用流路５０１の下流側においては、ドライアウト現象が生じて内周面は枯渇し、冷却能力が著しく低下する。

しかし、図４Ｂに示すように、本実施形態の除熱用流路３１では、除熱用流路３１の両側から流路方向に直交する方向に液状の冷媒ＲＬが供給されることから、加熱長さは除熱用流路３１の幅の半分の長さＬ１となる。従って、長さＬ１を流れる間だけ液状の冷媒ＲＬが枯渇しない量で冷媒ＲＬを供給すれば、除熱用流路３１の全面に亘って冷却能力を発揮させることができる。換言すれば、除熱用流路３１の流路方向の長さが冷媒ＲＬの枯渇に及ぼす影響は著しく低減され、流路方向の長さの設定の自由度が向上する。

なお、図４Ｃに示すように、本実施形態の除熱用流路３１においても、除熱用流路３１の幅が大きくなり、液状の冷媒ＲＬの供給量に対して加熱長さ（Ｌ２）が長くなれば、除熱用流路３１の中央側において液状の冷媒ＲＬが枯渇することになる。従って、除熱用流路３１の幅と液状の冷媒ＲＬの供給量は適宜に設定する必要がある。

図５Ａ〜図５Ｄは、図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明した加熱長さの観点から、除熱用流路への液体供給方法の変形例を説明する図である。なお、図５Ａ〜図５Ｄでは、図５Ａの矢印Ａ９で示すように、除熱用流路が紙面上下方向の両面（除熱用流路３１の第１板状部３４側及び第２板状部３５側に相当）から加熱される場合について例示する。

図５Ａは、断面矩形の除熱用流路４１において、矢印Ａ１０で示すように、矩形の両側から液体の冷媒が供給される変形例を示している。この変形例では、加熱長さは除熱用流路４１の幅の半分の長さＬ４となる。

図５Ｂは、断面円形の除熱用流路４２において、二股の矢印Ａ１１で示すように、円形の対向する２点から液体の冷媒が供給される変形例を示している。この変形例では、加熱長さは除熱用流路４２の円周の１／４の長さＬ５となる。

図５Ｃは、断面円形の除熱用流路４３において、二股の矢印Ａ１２で示すように、円形の１点から液体の冷媒が供給される変形例を示している。この変形例では、加熱長さは除熱用流路４３の円周の１／２の長さＬ６となる。

図５Ｄは、断面円形の除熱用流路４４において、二股の矢印Ａ１３で示すように、円周上に均等に配置された４点から液体の冷媒が供給される変形例を示している。この変形例では、加熱長さは除熱用流路４３の円周の１／８の長さＬ７となる。

図５Ａ〜図５Ｄに示したように、液体の供給口を増加させれば加熱長さは短くなり、冷媒の枯渇防止に有利である。ただし、供給口が増加すれば、部品点数や製造工程が増大するおそれがある。従って、除熱用流路の断面形状、液状の冷媒の供給口の位置及び数は、冷媒の飽和温度、除熱対象物の大きさや発熱量等の種々の条件を考慮して設定されることが好ましい。なお、図５Ａ〜図５Ｄは、除熱用流路の断面形状、供給口の位置や数の組み合わせの例示であり、これ以外にも種々変形してよい。

図６Ａ〜図６Ｄは、除熱用流路への液体の供給方法の変形例を示す断面図である。なお、図６Ａ〜図６Ｄにおいて、除熱対象物は、流路のｚ方向の正側及び負側のうち少なくとも一方側に設けられ、また、除熱用流路の流路方向はｙ方向である。

図６Ａは、断面矩形状の流路に壁部４７を設け、当該流路を除熱用流路４５と、液体供給用流路４６とに分割した変形例を示している。壁部４７には除熱用流路４５の流路方向（ｙ方向）の複数位置に不図示の連通孔が設けられ、矢印Ａ１５で示すように、液体供給用流路４６から連通孔を介して除熱用流路４５に液状の冷媒が供給される。なお、この変形例では、壁部４７を設けることにより、簡単に除熱用流路４５及び液体供給用流路４６を構成することができる。

図６Ｂは、除熱用流路４９の両側にノズル５０を設けた変形例を示している。ノズル５０は、除熱用流路４９の流路方向（ｙ方向）の複数位置に設けられている。液状の冷媒は、矢印Ａ１７で示すように、ノズル５０により除熱用流路４９に供給される。この変形例では、ノズル５０の向きの調整により液体の供給方向を調整でき、ノズル５０の先端５０ａの位置を、除熱用流路４９の流路方向に直交する方向（ｘ方向）において調整することにより液体の供給位置を調整できる。複数のノズル５０の向き、位置、流量を互いに異なる設定にすることもできる。従って、除熱装置の使用環境等に応じた設定変更が容易である。

図６Ｃは、矩形の流路の内部両端にパイプ５１を設け、パイプ５１の外側に除熱用流路５２を、パイプ５１の内部に液体供給用流路５３を形成した変形例を示している。この変形例では、図２Ａに示した実施形態と同様に、パイプ５１に形成された複数の連通孔から除熱用流路５２に液体の冷媒が供給される（矢印Ａ１９）。この変形例では、パイプ５１を、矩形の流路に挿通するだけで除熱用流路５２及び液体供給用流路５３を構成することができる。また、パイプ５１は矩形の流路の構造的な強度の補強に寄与している。

図６Ｄは、矩形の流路に多孔質体からなる壁部５５を設け、除熱用流路５６、液体供給用流路５７を形成した変形例を示している。多孔質体については後述する。

図６Ｅは、除熱用流路５９と同等の幅を有する液体供給用流路６０を、除熱用流路５９に重ねて並走させた変形例を示している。なお、図６Ｅの変形例において、除熱対象物は除熱用流路５９の紙面下方側に配置されている。除熱用流路５９及び液体供給用流路６０は、互いに連通する不図示の連通孔が流路両側に形成されている。連通孔は除熱用流路５９の流路方向（ｙ方向）に複数設けられている。液体供給用流路６０の液状の冷媒は、矢印Ａ２１で示すように、当該連通孔を介して除熱用流路５９に供給される。この変形例では、除熱用流路５９と液体供給用流路６０を積層することから、幅の縮小、液体供給用流路６０の流量確保、除熱用流路５９と液体供給用流路６０との温度差の縮小が図られる。

図６Ｆは、図６Ｂの変形例に加え、除熱用流路４９の中央において除熱用流路４９内へ突出するノズル６２を設けた変形例を示している。この変形例において、除熱対象物は除熱用流路４９の紙面下方側に設けられ、ノズル６２は除熱用流路４９の紙面上方側から除熱用流路４９内へ突出している。ノズル５０からの液状の冷媒は幅方向中央に到達するまでに枯渇する可能性がある。そこで、この変形例では、ノズル６２により除熱用流路４９の中央に液状の冷媒を供給することにより、除熱用流路４９の幅方向中央の枯渇を防止している。また、中央への液状の冷媒の供給をノズル６２により行っていることから、ノズル６２の先端位置を除熱対象物に加熱されている側の面（紙面下方側の面）に近づけることにより、当該面へ確実に液膜を形成することができる。

図６Ｇは、図６Ｅに示した変形例において、両側の連通孔に代えて、除熱用流路５９の幅方向の複数位置に、液体供給用流路６０から除熱用流路５９内へ突出するノズル６５を設けた変形例を示している。液体供給用流路６０の液状の冷媒は、ノズル６５を介して除熱用流路５９へ供給される。この変形例では、加熱長さはノズル６５間の距離になる。従って、加熱長さを除熱用流路５９の幅よりも更に短くして液状の冷媒の枯渇を防止できる。換言すれば、除熱用流路５９の幅方向への拡張が可能である。また、ノズル６５の先端位置を除熱対象物に加熱されている側の面（紙面下方側の面）に近づけることにより、当該面へ確実に液膜を形成することができる。

図７Ａ〜図７Ｄは、液体供給用流路及び除熱用流路における流れのパターンを説明する図である。図７Ａ〜図７Ｄにおいて、実線の矢印は液状の冷媒の流れ方向を示し、点線の矢印は気体状の冷媒の流れ方向を示している。

液体供給用流路は、図７Ａの液体供給用流路７４のように、除熱用流路７３の流路方向（ｙ方向）の一端７４ａから液状の冷媒が流入し、他端７４ｂから液状の冷媒が流出してもよいし、図７Ｂの液体供給用流路６８や図７Ｃの液体供給用流路７１のように、他端６８ｂ、７１ｂは塞がれており、液状の冷媒の流出口として、除熱用流路６７、７０との連通孔（不図示）のみが設けられていてもよい。さらに、図７Ｄに示すように、除熱用流路７６の流路方向の中途の適宜な位置に流入口７７ａが設けられ、当該流路方向の一端７７ｂ及び他端７７ｃに向かって液状の冷媒が流れるものでもよい。この場合、図７Ｄに示すように、液体供給用流路７７の一端７７ｂ及び他端７７ｃが塞がれて、冷媒の流出口として、除熱用流路７６との連通孔のみが設けられてもよいし、一端７７ｂ及び他端７７ｃの一方から冷媒が流出してもよい。また、図７Ａのように液体供給用流路の両端が開口している場合には、双方を流入口としてもよい。

除熱用流路は、図７Ａの除熱用流路７３のように、一端７３ａから液状の流体が供給されてもよいし、図７Ｂ〜図７Ｄの除熱用流路のように、液体供給用流路からのみ液状の冷媒が供給されてもよい。また、除熱用流路は、図７Ｂの除熱用流路６７のように、流路方向の一端側からのみ気体状の冷媒を流出させるものであってもよいし、図７Ｃの除熱用流路７０及び図７Ｄの除熱用流路７６のように流路方向の両側に気体状の冷媒を流出させるものでもよい。

図７Ｃ及び図７Ｄに示したように、除熱用流路の流路方向の両端側から冷媒を排出できるのは、除熱用流路に形成された液膜の蒸発により除熱し、除熱用流路からは気体状の冷媒が排出されるように構成したことによるものである。すなわち、従来のように、基本的に液状の冷媒の顕熱や通常の沸騰により除熱する技術では、除熱用流路に大量の液状の冷媒を流す必要があり、その結果、図１４に示したように、除熱用流路の一端から他端へ液状の冷媒を流す構造が採用される。仮に、従来技術において図７Ｃのように冷媒の流路を設定したとすれば、除熱用流路に十分な流量での流れを形成することができず、十分な除熱効果を得ることができない。しかし、本実施形態では、液膜を形成するのに十分な量の冷媒を供給すればよいだけであるので、除熱用流路の一端を液状の冷媒の流入口とする必要はなく、除熱用流路の両端を冷媒の流出口として利用できる。なお、両端を流出口とすることにより、除熱用流路からの排気が迅速になされ、また、排気速度の過度の増大を抑えることができる。

また、図７Ｄに示したように、液体供給用流路の流入口を適宜な位置に設け、液状の冷媒を流路方向（ｙ方向）の両側へ向かわせることができるのも、除熱用流路に形成された液膜の蒸発により除熱し、除熱用流路からは気体状の冷媒が排出されるように構成したことによるものである。すなわち、従来は、液状の冷媒の流れを主流路と副流路に分流し、その後、合流させる構成であったことから、主流路の流れと副流路の流れとは同一方向にならざるを得なかった。しかし、本実施形態では、除熱用流路では気体状の冷媒が、液体供給用流路では液体状の冷媒が流れるものであることから、互いの流路方向は自由に設定することができる。

従って、本実施形態では、図７Ａ〜図７Ｄに示したような種々の流れのパターンが可能であり、設計の自由度が向上する。なお、図７Ａ〜図７Ｄは例示であり、その他にも種々のパターンで液状の冷媒及び気体状の冷媒を流してよい。

図７Ａ〜図７Ｄにおいて説明したような、除熱用流路や液体供給用流路の設計の自由度の向上は、液体供給用流路及び除熱用流路における流れのパターンを３次元的に拡張することも可能とする。図８Ａ〜図８Ｆは、液体供給用流路及び除熱用流路における流れのパターンを３次元的に拡張した変形例を示す図である。図８Ａ〜図８Ｆにおいて、実線の矢印は液状の冷媒の流路方向を示し、点線の矢印は気体状の冷媒の流路方向を示している。

図８Ａは、図７Ｄに示した変形例に加え、除熱対象物に直交する方向（ｚ方向）において液状の冷媒が供給される変形例を示す平面図であり、図８Ｂは図８Ａの紙面下方から見た断面図である。この変形例では、図８Ｂの紙面下方側に除熱対象物が設けられている。除熱用流路７６の幅方向中央の位置には、除熱用流路７６の流路方向に沿って延びる液体供給用流路７９が設けられている。液体供給用流路７９は、例えば液体供給用流路７７と同様の形状で若干小さいものであり、紙面上方側に、液状の冷媒が供給される流入口７９ａが設けられるとともに、紙面下方側に、液状の冷媒を除熱用流路７６に供給するための複数の連通孔（不図示）が除熱用流路７６に沿って設けられている。当該変形例は、図６Ｆに示した変形例と同様に、除熱用流路７６の中央の枯渇防止に有効である。

図８Ｃは、図８Ａに示した液体供給用流路７９を、除熱用流路８１の幅方向に複数配列した変形例であり、図８Ｄは、図８Ｃの紙面下方側から見た断面図である。この変形例では、図６Ｇに示した変形例と同様に、除熱用流路８１の幅方向への拡張を可能とするものである。なお、図８Ｃから明らかなように、本発明の除熱用流路は、流路方向が長手方向でなくてもよい。

図８Ｅは、除熱用流路８３の長手方向及び幅方向に直交する方向に気体状の冷媒を排出する排出口８３ａを設けた変形例であり、図８Ｆは、図８Ｅの紙面下方側から見た断面図である。この変形例において、除熱対象物は図８Ｆの紙面下方側に設けられ、排出口８３ａは、除熱用流路８３の内周面のうち除熱対象物とは反対側に開口している。なお、除熱用流路８３は、長手方向（液体供給用流路８４の流れ方向）の両端が塞がれており、気体状の冷媒の流出口は、排出口８３ａのみである。排出口８３ａは、例えば液体供給用流路８４の流れ方向に沿って複数設けられている。この変形例では、蒸発した冷媒を、除熱対象物に沿う面の他の領域へ流すことなく、即座に排出できる。なお、図８Ｅでは、流路の端面が除熱対象物に沿うように配置されているといえる。換言すれば、本発明の除熱用流路は、除熱対象物に沿う方向（ｙ方向）に気体状の冷媒が流れるものでなくてもよい。排出口８３ａから排出された気体状の冷媒は、例えばパイプや矩形ダクトに流れ込んで凝縮部や過冷却部へ流れる。

図９Ａ〜図９Ｅは、除熱用流路と液体供給用流路とを仕切る壁部（図６Ａの壁部４７や図６Ｄの壁部５５等を参照）や連通孔の変形例を示す斜視図である。

図９Ａの変形例では、平板状の壁部８５に複数の連通孔８６が形成されている。例えば、金属板や樹脂板に打ち抜き加工を施すことにより形成されている。この変形例では、連通孔を有する壁部を簡単に形成でき、また、連通孔は、位置（例えば複数の連通孔の間隔）、大きさ、形状の設計変更が容易である。

図９Ｂの変形例では、多孔質体によって壁部８８が形成されている。多孔質体は、例えば焼結金属である。多孔質体の濾過径は、除熱用流路への供給量等により適宜に設定してよいが、例えば、１μから２００μである。なお、従来の除熱用流路に液状の冷媒を流す技術では、多孔質体によって主流路と副流路とを仕切っても、副流路から主流路へ十分な量の液状の冷媒を供給することはできない。なお、多孔質体の孔部は、本発明の冷媒通過部の一例である。

図９Ｃの変形例では、壁部８９の長手方向に沿って延びる一のスリット９０が設けられている。この変形例では、スリット９０により除熱用流路の流路方向の所定範囲において除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、当該所定範囲に亘って液膜を形成することにより、複数位置に液状の冷媒を供給する場合と同様の効果を得られる。

図９Ａに示すように、打ち抜き加工等により連通孔を配置する場合には、連通孔の大きさ、形状、配置位置は適宜に変更してよい。例えば、連通孔の大きさ、形状、位置は不均一、不均等としてよい。連通孔と、除熱用流路の内周面に形成される流路直交方向の溝とは、同位置や同数でなくてもよい。図９Ｄに示す変形例では、液体供給用流路９１は、液状の冷媒が流し込まれる一端９１ａから他端９１ｂへ複数の連通孔９２が設けられており、連通孔９２は、他端９１ｂ側ほど径が大きくなるように形成されている。これにより、液体供給用流路９１の上流側から下流側までの全体に亘って、一様な流量で除熱用流路に液状の冷媒を供給できる場合がある。

また、図９Ｅに示す変形例では、液体供給用流路９４の端部９４ａ及び端部９４ｂ側ほど連通孔９５のピッチが小さくなるように、連通孔９５が形成されている。これにより、液体供給用流路９４の上流側から下流側までの全体に亘って、一様な流量で除熱用流路に液状の冷媒を供給できる場合がある。

図１５Ａ及び図１５Ｂは、液体供給用流路から除熱用流路への液状の冷媒の供給量を説明する図である。

図１５Ａの上方側の図は、図２Ａ〜図２Ｃ、図７Ａ、図７Ｂに示した除熱用流路３１、７３、６７を一般化した平面図である。図１５Ａの下方側の図は、図１５Ａの上方側の図における、流路方向の各位置における液体供給用流路の圧力Ｐ１及び除熱用流路の圧力Ｐ２を示す図である。図１５Ｂの上方側の図は、図７Ｄに示した除熱用流路７６を一般化した平面図である。図１５Ｂの下方側の図は、図１５Ｂの上方側の図における、流路方向の各位置における液体供給用流路の圧力Ｐ１及び除熱用流路の圧力Ｐ２を示す図である。

液体供給用流路（３２、７７等）から除熱用流路（３１、７６等）への液状の冷媒の供給は、両者を連通する流路（冷媒通過部。例えば、連通孔（８６、図９Ａ）、焼結金属等の多孔質体により構成された壁部（８８、図９Ｂ）の孔部、スリット（９０、図９Ｃ）、ノズル（６５、図６Ｇ）など）の流動抵抗が除熱用流路に沿って一様であると仮定すれば、液体供給用流路と除熱用流路との２つの流路間の圧力差ΔＰにより、冷媒通過部を流れる液体供給量が定まる。すなわち、液体供給用流路から除熱用流路へ液体が流入するためには、液体供給用流路の圧力が除熱用流路の圧力よりも高いことが必須であり、また、液体供給用流路から除熱用流路への流量の分布は、液体供給用流路及び除熱用流路それぞれの圧力分布によって決定される。

液体供給用流路（３２、７７等）における圧力勾配は、除熱用流路（３１、７６等）への液体流入により、液体供給用流路における流量が減ってゆくので、徐々に低下する。一方、除熱用流路では、流量は増加の一途を辿るうえに、加熱により液単相から気液二相へと変化するので、圧力勾配は逆に増加してゆく。

従って、液体供給用流路（３２、７７等）及び除熱用流路（３１、７６等）の圧力差ΔＰは、並行流路を想定した場合、除熱用流路の上流部で小さく、下流部で大きくなるため、上流部での液体供給用流路から除熱用流路への供給量が小さくなって、上流部でドライアウトが発生りやすくなることもある。

これを解消するためには、液体供給用流路（３２、７７等）及び除熱用流路（３１、７６等）を連通する流路（冷媒通過部）の流動抵抗に関して、開口部の寸法やピッチなどを変化させて、除熱用流路の上流部で小さく、下流部で大きくして、除熱用流路への液体供給量を一様にすることが考えられる。

図１６Ａ〜図１６Ｆは、上記のように、液体供給用流路と除熱用流路との境界に位置する冷媒通過部の流動抵抗を除熱用流路の上流部で小さく、下流部で大きくした例を示している。

図１６Ａは、図１５Ａの液体供給用流路と除熱用流路とを連通孔１３１により連通した場合を示している。連通孔１３１は、液体供給用流路及び除熱用流路の上流側（紙面右側）ほど径が大きく設定されており、上流側ほど流動抵抗が小さくなっている。

図１６Ｂは、図１５Ａの液体供給用流路と除熱用流路とを連通孔１３３により連通した場合を示している。連通孔１３３は、液体供給用流路及び除熱用流路の上流側（紙面右側）ほどピッチが小さく設定されており、上流側ほど流動抵抗が小さくなっている。

図１６Ｃは、図１５Ａの液体供給用流路と除熱用流路とをスリット１３５により連通した場合を示している。スリット１３５は、液体供給用流路及び除熱用流路の上流側（紙面右側）ほど幅が大きく設定されており、上流側ほど流動抵抗が小さくなっている。

図１６Ｄは、図１５Ｂの液体供給用流路と除熱用流路とを連通孔１３７により連通した場合を示している。連通孔１３７は、液体供給用流路及び除熱用流路の上流側（液体供給用流路７７の中央側）ほど径が大きく設定されており、上流側ほど流動抵抗が小さくなっている。

図１６Ｅは、図１５Ｂの液体供給用流路と除熱用流路とを連通孔１３９により連通した場合を示している。連通孔１３９は、液体供給用流路及び除熱用流路の上流側（液体供給用流路７７の中央側）ほどピッチが小さく設定されており、上流側ほど流動抵抗が小さくなっている。

図１６Ｆは、図１５Ｂの液体供給用流路と除熱用流路とをスリット１４１により連通した場合を示している。スリット１４１は、液体供給用流路及び除熱用流路の上流側（液体供給用流路７７の中央側）ほど幅が大きく設定されており、上流側ほど流動抵抗が小さくなっている。ただし、流入液体の衝突により局所的に液体供給用流路の圧力が高くなる中央部は流動抵抗を相対的にやや大きくしている。

なお、発生蒸気の通過量が多い下流部でドライアウトを発生する場合もある。この場合には、図９Ｄや図９Ｅに示したような、下流部での流量を増大させる方法が有効になる。

図１０Ａ〜図１０Ｆは、除熱用流路の内周面のパターンを説明する図である。図１０Ａ〜図１０Ｄにおいては、液状の冷媒は、液体供給用流路等から紙面左右方向（ｘ方向）へ供給される。なお、図１０Ａは、図２Ａ〜図２Ｃに示した実施形態に対応する図である。

図１０Ｂの変形例では、溝部４０に加えて、溝部４０に直交する方向に延びる溝部９６が複数設けられている。溝部９６により、液状の冷媒は溝部９６の延びる方向にも広がり易くなり、液膜が除熱用流路の全体に亘って形成されやすくなる。特に、液体供給用流路に形成された連通孔から液状の冷媒が供給される場合など、液状の冷媒の供給位置が互いに離間している場合には、供給位置間が枯渇しやすいが、溝部９６により当該供給位置間にも液状の冷媒が広がるから、枯渇が防止される。

なお、溝部４０を設けずに溝部９６のみを設けてもよいし、流路方向に斜めに延びる溝部を設け、当該溝部により流路方向及び流路に直交する方向の双方に液状の冷媒を広げてもよい。ジグザグに蛇行する溝部を設けてもよい。なお、溝部４０や流路に斜めに延びる溝部は、流路を横切る溝部の一例である。流路を横切る溝部は、流路の一方の側方端から他方の側方端まで延びるものでもよいし、側方端間の中途の適宜な範囲において延びるものであってもよい。

図１０Ｃの変形例では、網状のシート９８が除熱用流路の内周面に張られる。シート９８は、本発明の液状の冷媒が浸透するシートの一例である。シート９８は例えば金属、セラミック、樹脂、繊維等により形成されている。メッシュの大きさや編み込み形式は冷媒の種類等に応じて適宜に選択してよい。この変形例では、冷媒はシート９８に吸い込まれて除熱用流路の内周面に広がる。これにより内周面全体に満遍なく液膜が形成される。

図１０Ｄの変形例では、多孔質体により形成されたシート１００が除熱用流路の内周面に張られる。シート１００は、本発明の液状の冷媒が浸透するシートの一例である。シート１００は、例えば焼結金属により構成される。シート１００においても、シート９８と同様の効果が得られる。

シート１００の配置に代えて、除熱用流路の内周面にコーティングや研磨等の粗面加工を施すことにより、内周面を粗状とし、液膜保持機能を持たせてもよい。

図１０Ｅ及び図１０Ｆは、溝部４０や溝部９６の断面形状の例を示している。図１０Ｅに示す溝部１０２は断面Ｖ字であり、図１０Ｆに示す溝部１０３は断面矩形である。図１０Ｅ及び図１０Ｆは例示であり、溝部４０や溝部９６はＵ字等の種々の形状にしてよい。

図１１Ａ〜図１１Ｃは、除熱用流路を流路の幅方向へ拡大した変形例を示しており、図１１Ａは除熱部１０５の外観斜視図、図１１Ｂは図１１ＡのＸＩｂ−ＸＩｂ線矢視方向の断面図、図１１Ｃは図１１ＡのＸＩｃ−ＸＩｃ線矢視方向の断面図である。

図１１Ａ〜図１１Ｃの除熱部１０５は、断面矩形の中空体１０６の両側部及び中央に、分岐部を有するパイプ１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ（以下、単に「パイプ１０７」といい、これらを区別しないことがある。）が挿通されて区画され、２つの除熱用流路１０９Ａ、１０９Ｂ（以下、単に「除熱用流路１０９」といい、両者を区別しないことがある。）が形成されている。また、パイプ１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃには、それぞれ内部に液体供給用流路１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃ（以下、単に「液体供給用流路１１０」といい、これらを区別しないことがある。）が形成されている。パイプ１０７には、除熱用流路１０９と、液体供給用流路１１０とを連通する不図示の連通孔が除熱用流路１０９の流路方向に沿って複数設けられている。

各除熱用流路１０９においては、図２Ａ等に示した除熱用流路と同様に、その両側に配置された液体供給用流路１１０から、不図示の連通孔を介して液状の冷媒が供給され、冷媒の液膜が形成される。ただし、中央の液体供給用流路１１０Ｂは、その両側の除熱用流路１０９Ａ及び１０９Ｂの双方に液状の冷媒を供給する。各除熱用流路１０９において蒸発した気体状の冷媒は、各除熱用流路１０９から排出された後に合流する。

図１１Ａ〜図１１Ｃの変形例では、除熱用流路が流路の幅方向において複数の除熱用流路１０９に分割されることになるから、幅方向の加熱長さが短くなり、液状の冷媒の枯渇が防止される。換言すれば、除熱用流路を幅方向に拡張することが可能になる。二つの除熱用流路１０９Ａ及び１０９Ｂにおいて液体供給用流路１１０Ｂが共用されており、部品点数の削減が図られる。二つの除熱用流路１０９Ａ及び１０９Ｂは液体供給用流路１１０Ｂに隔てられており、除熱用流路１０９Ａ及び１０９Ｂの相互影響が緩和される。

図１２Ａ〜図１２Ｃは、除熱用流路を流路方向へ拡大した変形例を示しており、図１２Ａは除熱部１１２の外観斜視図、図１２Ｂは図１２ＡのＸＩＩｂ−ＸＩＩｂ線矢視方向の断面図、図１２Ｃは図１２ＡのＸＩＩｃ−ＸＩＩｃ線矢視方向の断面図である。

図１２Ａ〜図１２Ｃの除熱部１１２は、断面矩形の中空体１１４の両側部及び中央に、複数の分岐部を有するパイプ１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ（以下、単に「パイプ１１５」といい、これらを区別しないことがある。）が挿通されて区画され、２つの除熱用流路１１６Ａ、１１６Ｂ（以下、単に「除熱用流路１１６」といい、両者を区別しないことがある。）が形成されている。また、パイプ１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃには、それぞれ内部に液体供給用流路１１７Ａ、１１７Ｂ、１１７Ｃ（以下、単に「液体供給用流路１１７」といい、これらを区別しないことがある。）が形成されている。パイプ１１５には、除熱用流路１１６と、液体供給用流路１１７とを連通する不図示の連通孔が除熱用流路１１６の流路方向に沿って複数設けられている。

除熱用流路１１６は、流路方向（ｙ方向）において、複数の区画Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３に仕切られている。複数の区画Ｄ１〜Ｄ３には、流路側方、例えば、除熱対象物ＨＯの反対側へ開口して気体状の前記冷媒を排出する排出口１１９Ａ、１１９Ｂ、１１９Ｃがそれぞれ設けられている。各区画においては、液体供給路１１７から供給された冷媒により液膜が形成され、蒸発した冷媒は排出口１１９Ａ〜１１９Ｃから排出される。なお、液体供給路１１７は、図１２Ｂに示すように、液体供給路１１７は全区画Ｄ１〜Ｄ３に亘って連通していてもよいし、除熱用流路１１６と同様に複数に仕切られていてもよい。

この変形例では、除熱用流路１１６を流路方向において区画することにより、蒸発した冷媒を早期に排出可能として各区画Ｄ１〜Ｄ３の除熱効率を高めるとともに区画同士の相互影響を緩和できる。換言すれば、除熱用流路すなわち除熱面を限りなく長くすることができる。しかも、液体供給用流路１１７は区画Ｄ１〜Ｄ３に合わせて仕切る必要はなく、設計変更を要しない。なお、従来のように液状の冷媒を流す技術では、除熱用流路を流路方向において区画すると圧力損失が大きく、ポンプの負担が増大し、冷却効率の低下をも生じることから、流路方向への拡張が困難であった。

図１３は、除熱装置の全体構成の変形例を示す図である。なお、図１の除熱装置１と共通部分については同一符号を付している。図１３の除熱装置では、気液分相器１９及び過冷却部２１が省略されている。従って、蒸発冷媒は完全に凝縮部１４内部で液体に戻り、除熱対象物からの熱量Ｑは、全て凝縮部１４において大気へ放出されることになる。

図１７は、本発明の応用例を示す図である。

自動車１５１は、除熱対象物としてのパワーコントローラ１５３と、除熱装置１５５とを有している。

除熱装置１５５は、上述した除熱装置１と類似した構成を有している。具体的には、除熱装置１５５は、液状の冷媒を貯留する補助液体タンク１５７（貯液槽３に対応）と、液状の冷媒を送出するポンプ１５９（ポンプ５に対応）と、ポンプ１５９により送出された液状の冷媒によりパワーコントローラ１５３を除熱する除熱部１６１（除熱部１２に対応）と、除熱部１６１から流出した気体状の冷媒を凝縮するラジエータ１６３（凝縮部１４に対応）と、ラジエータ１６３から流出した冷媒を気体状の冷媒と液状の冷媒とに分離する気液分相器１６５（気液分相器１９に対応）とを有している。気液分相器１６５により分離された液状の冷媒は、ポンプ１５９により送出される。ポンプ１５９により送出された液状の冷媒は、流量コントロールユニット１６０により、補助液体タンク１５７や除熱部１６１への流量が制御される。

除熱部１６１は、特に図示しないが、除熱部１２と同様に、パワーコントローラ１５３に隣接して設けられた除熱用流路を有している。除熱用流路の所定方向の複数位置（所定範囲）において除熱用流路内に液状の冷媒が供給され、除熱用流路の内周面には複数位置（所定範囲）に亘って冷媒の液膜が形成される。液膜の蒸発により、パワーコントローラ１５３は冷却される。

自動車への適用に際し、パワーコントローラの許容温度（１００°Ｃ程度）と廃熱を放出する外気温度（３０°Ｃ程度）の間の温度差が小さく、液膜蒸発により除熱部の所要温度差を通常の沸騰冷却よりも小さく抑えることができるので、冷却システム全体の除熱能力を高めることができる。

図１８は、本発明の他の応用例を示す図である。

電力変換システム１７１は、例えば、発電所や工場などに設けられ、電圧等を変換するシステムである。電力変換システム１７１は、除熱対象物としての複数のパワー素子１７３と、除熱装置１７５とを有している。

除熱装置１７５は、上述した除熱装置１２１と類似した構成を有している。具体的には、除熱装置１７５は、液状の冷媒を送出するポンプ１７７（ポンプ５に対応）と、ポンプ１７７により送出された液状の冷媒により複数のパワー素子１７３を除熱する複数の除熱部１７９（除熱部１２に対応）と、除熱部１７９から流出した気体状の冷媒を凝縮する空冷ユニット１８１（凝縮部１４に対応）とを有している。空冷ユニット１８１から流出した冷媒は、ポンプ１７７により送出される。

複数のパワー素子１７３及び複数の除熱部１７９は、１つの除熱部１７９及び２つのパワー素子１７３が交互に積層されることにより、パワー素子冷却列１８３を構成している。パワー素子冷却列１８３は、複数列設けられている。各パワー素子冷却列１８３では、１つの除熱部１７９の両側にパワー素子１７３が配置され、１つの除熱部１７９により２つのパワー素子１７３を除熱可能となっている。

複数のパワー素子冷却列１８３及び各パワー素子冷却列１８３内の複数の除熱部１７９は、互いに並列に接続されている。すなわち、ポンプ１７７から送出された液状の冷媒は、分流して各パワー素子冷却列１８３に流入し、さらに、各パワー素子冷却列１８３において分流して各除熱部１７９に流入するように構成されている。

各除熱部１７９は、特に図示しないが、除熱部１２と同様に、パワー素子１７３に隣接して設けられた除熱用流路を有している。除熱用流路の所定方向の複数位置（所定範囲）において除熱用流路内に液状の冷媒が供給され、除熱用流路の内周面には複数位置（所定範囲）に亘って冷媒の液膜が形成される。液膜の蒸発により、パワー素子１７３は冷却される。

図１９Ａ及び図１９Ｂは、本発明の効果を説明する図である。図１９Ａは、本発明の一例の除熱装置における、実験により得られた熱伝達特性を示す図である。図１９Ｂは、図１９Ａの熱伝達特性を、従来技術における熱伝達特性と比較して示す図である。図１９Ａ及び図１９Ｂにおいて、横軸は、除熱対象物の除熱対象面（除熱用流路を構成する一つの面）と除熱用流路に流入する液状の冷媒との温度差ΔＴ（Ｋ）を、縦軸は、除熱対象物の除熱対象面における熱流束ｑ（Ｗ／ｃｍ^２）を示している。また、図中には、熱伝達率ａ（Ｗ／ｍ^２Ｋ）が示されている。

図１９Ａ及び図１９Ｂにおいて、円形のマークＭ１は、本発明の一例の除熱装置における、除熱用流路の流路方向の上流且つ幅方向の中央の位置における値を、矩形のマークＭ２は、本発明の一例の除熱装置における、除熱用流路の流路方向の中央且つ幅方向の中央の位置における値を、三角形のマークＭ３は、本発明の一例の除熱装置における、除熱用流路の流路方向の下流且つ幅方向の中央の位置における値を示している。

本発明の一例の除熱装置の除熱用流路は、内周面に溝が形成されているものである。また、ヒートスプレッダは設けられていない。除熱用流路入口における液体の過冷度（飽和温度からの差）は、１５Ｋである。液体冷媒の体積流量は、４．５リットル／分である。液体供給用流路の片側は、閉じられている。除熱用流路の間隙幅（除熱対象面と対向する断熱面との間隙）は、５ｍｍである。除熱対象面の幅×長さ（流路方向）は、３０ｍｍ×１５０ｍｍである。

図１９Ａ及び図１９Ｂから理解されるように、本発明の一例の除熱装置では、ヒートスプレッダが設けられていない場合であっても、ヒートスプレッダ付きの水冷方式よりも１オーダ高い熱流束での冷却を実現している。しかも、冷却可能な発熱面積は２オーダ大きく、液膜蒸発により高い熱伝達率が得られるので、除熱対象面と流体との温度差は十分に小さい。

本発明は以上の実施形態や変形例に限定されず、種々の態様で実施してよい。

除熱対象物は、冷媒の飽和温度よりも高温であればよく、パワー素子、モータ、バッテリ等の熱を放出する発熱物であってもよいし、ヒートスプレッダ等の発熱物の熱を伝達する伝熱物であってもよい。気体、液体、固体のいずれであるかも問わない。

除熱用流路は、除熱対象物に隣接して設けられれば、適宜な材質、形状、寸法で形成してよい。いずれにせよ、除熱用流路は、除熱対象物に隣接していれば、除熱対象物から熱が伝達されるから、除熱対象物に熱的に接続されることになる。

除熱用流路への液状の冷媒の供給がなされる複数位置は、流路方向に配列されたものに限定されない。複数位置に液状の冷媒が供給され、当該複数位置に亘って液膜が形成されれば、流路に直交する方向などでもよい。なお、複数位置に亘る範囲には、枯渇する箇所が生じないことが望ましいが、一部に枯渇する箇所が生じたとしても、複数位置に液体の冷媒が供給されており、かつ、従来の液状の冷媒を流す技術のように、複数位置に亘る範囲に液状の冷媒が充填されている（液状の冷媒が除熱用流路に満たされている）状態となっていなければ、複数位置に亘って液膜が形成されているといえる。

Claims (18)

1. 除熱対象物に沿って延びるように設けられた、前記除熱対象物に沿う面の幅よりも流路長さが大きい除熱用流路の流路方向の所定範囲において、前記除熱用流路の前記除熱対象物に沿う面を構成するとともに前記除熱対象物に当接する板状部の側方の、前記除熱用流路の側壁において前記除熱用流路内へ開口する開口部から、前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記板状部の内側面に前記所定範囲に亘って前記冷媒の液膜を形成し、当該液膜を前記除熱対象物からの熱により蒸発させ、蒸発させた前記冷媒を前記除熱用流路から排出することにより、前記除熱対象物を除熱する除熱方法。
2. 前記所定範囲に亘る複数位置において前記液状の冷媒を供給する
   請求項１に記載の除熱方法。
3. 除熱対象物に隣接して設けられた除熱用流路の流路方向の所定範囲において前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記除熱用流路を形成するとともに前記除熱対象物に当接する板状部の内側面に前記所定範囲に亘って前記冷媒の液膜を形成し、当該液膜を前記除熱対象物からの熱により蒸発させ、蒸発させた前記冷媒を前記除熱用流路から排出することにより、前記除熱対象物を除熱し、
   前記除熱用流路内への液状の冷媒の供給を、前記除熱用流路に沿って延び、外周面が前記板状部に向かって前記除熱用流路内に突出する液体供給用流路の、前記外周面に形成された前記板状部の内側面に向かって開口する開口部から行う
   除熱方法。
4. 除熱対象物に沿って延びるように設けられる、前記除熱対象物に沿う面の幅よりも流路長さが大きい除熱用流路と、
   前記除熱用流路の流路方向の所定範囲において、前記除熱用流路の前記除熱対象物に沿う面を構成するとともに前記除熱対象物に当接する板状部の側方の、前記除熱用流路の側壁において前記除熱用流路内へ開口する開口部から、前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記板状部の内側面に前記所定範囲に亘って前記冷媒の液膜を形成するように構成された液体供給部と、
   を備える除熱装置。
5. 前記開口部は、前記除熱用流路の前記板状部に対向する面に対してよりも、前記板状部に対して、近い位置にて開口している
   請求項４に記載の除熱装置。
6. 前記開口部は、互いに対向する２つの前記側壁にそれぞれ設けられており、
   前記液体供給部は、前記２つの側壁の間において、前記除熱用流路の前記板状部に対向する面から、前記板状部に向かって突出する突出部の、前記板状部に向かって開口する第２の開口部からも液状の冷媒を供給可能である
   請求項４に記載の除熱装置。
7. 前記除熱用流路における前記冷媒の全流量に対する蒸発させた前記冷媒の流量の質量割合が０．２以上である
   請求項４に記載の除熱装置。
8. 前記除熱用流路への液状の冷媒の供給量を、前記質量割合が０．２以上となるように設定された目標値に近づくように制御する制御器を備える
   請求項７に記載の除熱装置。
9. 前記液体供給部は、前記所定範囲に亘る複数位置において前記液状の冷媒を供給する
   請求項４に記載の除熱装置。
10. 前記液体供給部は、前記板状部の側方において前記除熱用流路に沿って延び、前記側壁によって隔てられた液体供給用流路を有し、前記開口部は、前記液体供給用流路から前記除熱用流路への液状の前記冷媒の通過を許容するように構成されている
    請求項４に記載の除熱装置。
11. 前記除熱用流路は、流路方向において複数の区画に仕切られ、当該複数の区画には、気体状の前記冷媒を排出する排出口がそれぞれ設けられている
    請求項４に記載の除熱装置。
12. 前記除熱用流路は、流路方向の両端に前記冷媒の排出口が設けられている
    請求項４に記載の除熱装置。
13. 前記板状部の内側面には、前記液状の冷媒を表面張力により張り付かせて前記冷媒の液膜を前記内側面に広げる溝部が設けられている
    請求項４に記載の除熱装置。
14. 前記溝部は前記除熱用流路を横切る方向に延びる
    請求項１３に記載の除熱装置。
15. 前記溝部は前記除熱用流路に沿う方向に延びる
    請求項１３に記載の除熱装置。
16. 前記板状部の内側面には、液状の前記冷媒を浸透させて前記冷媒の液膜を前記内側面に広げるシートが張られている
    請求項４に記載の除熱装置。
17. 前記板状部の内側面は、粗面加工されている
    請求項４に記載の除熱装置。
18. 除熱対象物に隣接して設けられる除熱用流路と、
    前記除熱用流路の流路方向の所定範囲において前記除熱用流路内に液状の冷媒を供給し、前記除熱用流路を形成するとともに前記除熱対象物に当接する板状部の内側面に前記所定範囲に亘って前記冷媒の液膜を形成するように構成された液体供給部と、
    を備え、
    前記液体供給部は、前記除熱用流路に沿って延び、外周面が前記板状部に向かって前記除熱用流路内に突出し、前記外周面に前記板状部に向かって開口する開口部が形成され、前記開口部から前記除熱用流路に液状の前記冷媒を供給する液体供給用流路を有する
    除熱装置。

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