TW201408980A

TW201408980A - 沸騰冷卻裝置

Info

Publication number: TW201408980A
Application number: TW102124307A
Authority: TW
Inventors: 大田治彥; 小林寬幸; 大谷伸生
Original assignee: 國立大學法人九州大學
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2013-07-05
Publication date: 2014-03-01
Also published as: JP6285356B2; JPWO2014007354A1; WO2014007354A1

Abstract

本發明提供一種臨界熱通量較高，可在高壓且低溫下進行動作之沸騰冷卻裝置。本發明提供之沸騰冷卻裝置係於下部包含傳遞來自熱源3之熱之加熱部11，且具有於內部封入了冷媒之密閉腔室10，並藉由自加熱部11向冷媒傳遞熱而對熱源3進行冷卻者；且密閉腔室10中封入有第一冷媒、及與上述第一冷媒互不溶解之第二冷媒；在熱源3產生熱之前之狀態下，密閉腔室10內存在有液體之第一冷媒21、液體之第二冷媒22、及包含氣體之第一冷媒與氣體之第二冷媒之混合蒸汽23。

Description

沸騰冷卻裝置

本發明係關於利用沸騰現象對機器加以冷卻之沸騰冷卻裝置。

隨著近年來半導體技術之發展，半導體元件之發熱密度急劇增加。因而謀求冷卻性能較高之冷卻裝置。因此，由例如專利文獻1等已知有使冷媒沸騰，而利用沸騰現象輸送熱之沸騰冷卻裝置。沸騰冷卻裝置因伴隨冷媒之相變化所致之蒸發熱輸送，而具有較高冷卻性能。

〔先前技術文獻〕

〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本國專利特開2011-21789號公報

若熱源將過大之熱通量賦予如上所述之沸騰冷卻裝置之加熱部，則會引起冷媒之膜沸騰，致使加熱部燒毀。將發生此燒毀之熱通量稱為臨界熱通量。沸騰冷卻裝置係在將該臨界熱通量以下之熱通量傳遞至加熱部之環境下使用。

一般而言，雖然於沸騰冷卻裝置中已進行提高該臨界熱通量之嘗試，但因長期使用之經時變化仍成為問題，而為缺乏可靠性者。因此，難以用於發熱量較大之熱源之冷卻。

此外，在使用純水作為沸騰冷卻裝置之冷媒之情形時，因純水之沸點於大氣壓下為100℃，且為避免因混入空氣而阻礙冷卻系統之散熱而至少於大氣壓以上使沸騰冷卻裝置作動，故沸騰冷卻裝置係利用加熱部在100℃以上之溫度之沸騰現象進行冷卻。如此，作動溫度為100℃以上之沸騰冷卻裝置無法用於例如熱源為具有未達100℃之耐熱溫度之半導體元件之冷卻。因此，為了亦能夠對耐熱溫度較低之熱源進行冷卻，而謀求一面保持於大氣壓以上，一面可以較低溫度發揮原本之冷卻性能之沸騰冷卻裝置。

是以本發明之目的在於提供一種臨界熱通量較高，且可於高壓力或低溫度下進行動作之沸騰冷卻裝置。

根據本發明，可提供一種沸騰冷卻裝置，其係於下部具備傳遞來自熱源之熱之加熱部，且具有於內部封入有冷媒之密閉腔室，並藉由自上述加熱部向上述冷媒傳遞熱而對熱源進行冷卻之沸騰冷卻裝置；且上述密閉腔室中封入有第一冷媒、及與上述第一冷媒互不溶解之第二冷媒；在熱源產生熱之前之狀態下，上述密閉腔室內，存在有液體的上述第一冷媒、液體的上述第二冷媒、及包含氣體的上述第一冷媒與氣體的上述第二冷媒之混合蒸汽。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述第二冷媒具有較上述第一冷媒更高之沸點及更低之密度；且在熱源產生熱之前之狀態下，液體的上述第一冷媒之體積可較液體的上述第二冷媒之體積小。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中在熱源產生熱之前之狀態下，上述加熱部至液體的上述第一冷媒之液面之厚度可為10mm以下。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述密閉腔室可具有隔離壁，其係在上述密閉腔室內之溫度低於上述第一冷媒之沸點之狀態下，於上述加熱部之上方維持一定量之液體的上述第一冷媒。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述第二冷媒可具有較上述第一冷媒更高之沸點及更高之密度。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述第二冷媒可為水。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述密閉腔室可具有凝結部，其係與散熱部熱連接，且使氣體的上述第一冷媒及氣體的上述第二冷媒凝結回液體。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述密閉腔室可具有：氣體輸送路徑，其係將被上述加熱部加熱而由液體汽化成氣體之上述第一冷媒及上述第二冷媒輸送至上述凝結部；及液體回送路徑，其係將於上述凝結部由氣體凝結回液體之上述第一冷媒及上述第二冷媒送回上述加熱部。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中可具備：冷卻部，其係經由輸送路徑而與上述密閉腔室連接，且將上述第一冷媒及上述第二冷媒之熱散熱至外部；及泵，其係將冷卻後之上述第一冷媒及上述第二冷媒送回上述密閉腔室。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述密閉腔室可具有氣泡捕集器，其係朝向下方開口，且在發熱體之加熱前後，於其內部保持一定量之氣體的上述第一冷媒及氣體的上述第二冷媒。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中被上述冷卻部冷卻之第一冷媒及第二冷媒可不通過氣液分離器而被送入泵。

如上述本發明之沸騰冷卻裝置，其中上述加熱部之上表面可以朝向作用於熱源之加速方向之相反側而變高之方式予以傾斜。

本發明之沸騰冷卻裝置中，因第一冷媒與第二冷媒彼此不溶解，故包含氣體的第一冷媒與氣體的第二冷媒之混合蒸汽之壓力作用於液體的第一冷媒與液體的第二冷媒。即，若著眼於第一冷媒或第二冷媒之一者，則除了對於密閉腔室內之溫度之一冷媒之飽和蒸汽壓以外，亦作用另一冷媒之飽和蒸汽壓。因此，在成為第一冷媒與第二冷媒之飽和蒸汽壓之和的密閉腔室內之壓力下，於該密閉腔室之內部之平衡溫度，第一冷媒及第二冷媒皆成為各自之飽和溫度以下，且第一冷媒及第二冷媒均為過冷狀態。由於過冷度越大，臨界熱通量變得越高，故可獲得臨界熱通量較高之沸騰冷卻裝置。

又，由於對第一冷媒及第二冷媒作用有其各自之飽和蒸汽壓以上之壓力，故第一冷媒之分壓及第二冷媒之分壓均比密閉腔室之總壓要低，且該等分壓加算後等於總壓。因此，與僅以第一冷媒或第二冷媒之一者之冷媒填充密閉腔室之情形相比，且若認為腔室內壓力固定，則第一冷媒或第二冷媒可於更低溫度沸騰。藉此，冷媒或發熱部可於更低溫度下之原本冷卻性能使沸騰冷卻裝置作動。此外，由於同時固定冷媒溫度之情形時，可以更高之壓力進行動作，故不會發生因大氣混入而使產生之蒸汽凝結時之阻礙，從而可提升冷卻系統之長時間動作之可靠性。

1‧‧‧沸騰冷卻裝置

2‧‧‧電路基板

3‧‧‧熱源

4‧‧‧散熱器

10‧‧‧密閉腔室

11‧‧‧加熱部

12‧‧‧凝結部

13‧‧‧側壁

14‧‧‧氣體輸送路徑

15‧‧‧液體回送路徑

16‧‧‧氣泡捕集器

17‧‧‧隔離壁

21‧‧‧液體之第一冷媒

22‧‧‧液體之第二冷媒

23‧‧‧氣相

24‧‧‧第一冷媒之氣泡

25‧‧‧第二冷媒之氣泡

26‧‧‧第一冷媒之液滴

30‧‧‧散熱器

40‧‧‧氣液分離裝置

50‧‧‧泵

60‧‧‧導管

P1‧‧‧飽和蒸汽壓

P2‧‧‧飽和蒸汽壓

Pt‧‧‧總壓

q‧‧‧熱通量

S‧‧‧密閉空間

T1‧‧‧溫度

T2‧‧‧溫度

Tt‧‧‧溫度

Tw‧‧‧溫度

圖1係本發明之實施形態之沸騰冷卻裝置之剖視圖。

圖2係說明冷媒處於壓縮狀態下之圖。

圖3係說明冷媒處於過冷狀態下之圖。

圖4(a)-(d)係顯示圖1所示之沸騰冷卻裝置中，使加熱部之溫度上升時之第一冷媒及第二冷媒之行為變化之圖。

圖5係顯示熱源之溫度Tw與熱通量q之關係之模式圖。

圖6係說明過衝現象之模式圖。

圖7係顯示加熱部與介質之溫度差△Tb與熱通量q之關係。

圖8係顯示熱源之溫度Tw與熱通量q之關係。

圖9係顯示將本實施形態之沸騰冷卻裝置應用於蒸汽室之例之模式圖。

圖10係顯示將本實施形態之沸騰冷卻裝置應用於熱管之例之模式圖。

圖11係顯示對作用有加速度之熱源應用本實施形態之沸騰冷卻裝置之例之模式圖。

圖12係顯示包含泵之沸騰冷卻裝置之模式圖。

圖13係顯示如圖12所示之沸騰冷卻裝置之變化例之模式圖。

圖14係顯示如圖12所示之沸騰冷卻裝置之變化例之模式圖。

以下，一面參照圖式一面對本發明之沸騰冷卻裝置之實施形態之例進行說明。

<沸騰冷卻裝置之構造>

圖1係本實施形態之沸騰冷卻裝置1之剖視圖。沸騰冷卻裝置1係搭載於熱源3上。圖示之例中，熱源3係搭載於電路基板2上之半導體元件。沸騰冷卻裝置1藉由自熱源3奪取熱，最終高效地將熱量散發至大氣中，從而冷卻熱源3。

沸騰冷卻裝置1包含密閉腔室10。密閉腔室10可由不鏽鋼或鋁等之金屬材料形成。密閉腔室10包含：加熱部11，其設置於底面；凝結部12，其設置於上面；及側壁13，其連接加熱部11與凝結部12。

加熱部11以與熱源3連接之方式而設置，且將來自熱源3之熱傳遞至密閉腔室10之下部。凝結部12係與設置在密閉腔室10之上部之散熱器4連接，且與散熱器4熱連接。作為散熱器4，除圖示之散熱片外，亦可採用包含空氣冷卻風扇者或水冷式者。

於密閉腔室10之內部設置有密閉空間S。該密閉空間S內封入有第一冷媒與第二冷媒。在熱源3發熱前之狀態下，於密閉空間S內，存在有：第一液層21，其包含液體的第一冷媒；第二液層22，其包含液體的第二冷媒；及氣層23，其包含含有氣體的第一冷媒與氣體的第二冷媒之混合蒸汽。第一冷媒與第二冷媒係適當選擇於沸騰冷卻裝置1之動作溫度範圍內彼此不溶解之物質。以下說明中，尤其在不對第一冷媒與第二冷媒進行區別稱呼之情形時，亦將第一冷媒與第二冷媒稱為冷媒。

本實施形態中，作為一例之第一冷媒，係使用低沸點高密度介質之全氟碳FLUORINERT FC72(沸點：56[℃]、密度：1.68[g/mm³])，且做為第二冷媒係使用高沸點低密度介質之純水(沸點：100[℃]、密度：1.00[g/mm³])。又，第一冷媒之封入量，係對於高度100mm之密閉空間S，以使密閉空間S之底面至第一液層21之液面之距離(第一液層21之層厚度)為5mm之方式予以設定。第二冷媒之封入量係以使第一液層21之液面至第二液層22之液面之距離(第二液層22之厚度)為95mm之方式予以設定。

<自壓縮及過冷狀態>

為便於理解以上述方式構成之沸騰冷卻裝置1之動作原理，首先對自壓縮及過冷度之概念進行說明。圖2係說明第一冷媒及第二冷媒處於壓縮狀態下之圖。圖3係說明第一冷媒及第二冷媒處於過冷狀態下之圖。圖2、3中，橫軸為密閉空間S內之溫度，縱軸為密閉空間S內之壓力。又，圖2、3中之A係表示第一冷媒之飽和蒸汽壓曲線，B係表示第二冷媒之飽和蒸汽壓曲線。又，圖中之黑圓圈係表示密閉空間S內之某狀態下之壓力與溫度。

在熱源3產生熱前之狀態下，密閉腔室10之內部成大致相同之一定溫度(平衡溫度)。該狀態中，第一冷媒之一部分及第二冷媒之一部分蒸發，且於第一液層21及第二液層22之上方形成氣層23。於密閉空間S之內部，於第一液層21、第二液層22及氣層23之間成熱平衡狀態。亦即如圖2所示，於該溫度(平衡溫度)Tt，第一冷媒之飽和蒸汽壓P1與第二冷媒之飽和蒸汽壓P2之和為密閉空間S內之總壓Pt=P1+P2。另，第一冷媒與第二冷媒各自之分壓P1、P2之和成為密閉空間S內之總壓Pt。

這意味著在著眼於第一冷媒之情形時，密閉空間S內之第一冷媒上，除第一冷媒之飽和蒸汽壓P1外，還作用有第二冷媒之飽和蒸汽壓P2。同樣若著眼於第二冷媒，則密閉空間S內之第二冷媒上，除第二冷媒之飽和蒸汽壓P2外，還作用有第一冷媒之飽和蒸汽壓P1。即，密閉空間S內之第一冷媒及第二冷媒均作用有較對於平衡溫度Tt之各飽和蒸汽壓P1、P2更高之壓力Pt，且可以說第一冷媒及第二冷媒處於壓縮狀態。將此種藉由於密閉空間S內封入彼此不溶解之兩種冷媒，從而對各者之冷媒作用有較密閉空間S之溫度所對應之飽和蒸汽壓更高之壓力之情形稱為自壓縮。

又若依據不同之見解，則如圖3所示，與密閉空間S內之總壓Pt所對應之第一冷媒之飽和溫度T1相比，密閉空間S內之第一冷媒之溫度Tt變得更低。同樣，與密閉空間S內之總壓Pt所對應之第二冷媒之飽和溫度T2相比，密閉空間S內之第二冷媒之溫度Tt變得更低。如此，第一冷媒及第二冷媒處於過冷狀態(Subcool)。

將此處總壓Pt所對應之第一冷媒之溫度T1與密閉空間S內之溫度Tt之差(T1-Tt)、及此處總壓Pt所對應之第二冷媒之溫度T2與密閉空間S內之溫度Tt之差(T2-Tt)稱為過冷度[K]。過冷度表示該冷媒之過冷狀態之程度大小之指標。如圖3所示，具有較第一冷媒之沸點更高之沸點之第二冷媒係設定有較大之過冷度。

<沸騰冷卻裝置之動作>

繼而使用圖4及圖5，對圖1所示之沸騰冷卻裝置1之動作進行說明。

沸騰冷卻裝置1係藉由將熱源3所產生之熱經由第一冷媒及第二冷媒傳遞至散熱器4側，從而冷卻熱源3。更詳言之，如圖4(a)至(d)所示，依據熱通量，熱量之傳遞方式發生變化。

圖4係顯示在圖1所示之沸騰冷卻裝置1中，來自熱源3之熱通量上升時之第一冷媒及第二冷媒之行為變化之圖。

圖5係顯示熱源3之溫度Tw〔K〕與沸騰冷卻裝置之傳遞熱通量q〔W/mm²〕之關係之模式圖。另圖5之A係顯示本實施形態之沸騰冷卻裝置1之熱通量q與熱源之溫度Tw之關係。圖5之B係顯示僅將FC72封入密閉空間之沸騰冷卻裝置之熱通量q與熱源之溫度Tw之關係。圖5之C係顯示僅將純水封入密閉空間之沸騰冷卻裝置之熱通量q與熱源之溫度Tw之關係。

(加熱部之溫度未達第一冷媒之沸點)

圖4(a)係顯示熱通量較小且加熱部11之溫度未達第一冷媒之沸點之狀態。

來自熱源3之熱經由加熱部11傳遞至第一冷媒之第一液層21。於第一液層21之內部產生對流，且將熱量傳遞至第二液層22。再者藉由第二液層22所產生之對流，將熱傳遞至氣層23，進而由凝結部12將熱傳遞至散熱器4。另，第一冷媒與第二冷媒之密度接近之情形時，亦會使第一冷媒與第二冷媒一面混合一面發生對流。

如此於如圖4(a)所示之狀態，藉由第一冷媒及第二冷媒產生對流，沸騰冷卻裝置1冷卻熱源3。圖5之區間(a)相當於圖4之(a)所示之狀態。

(熱通量在第一冷媒之沸騰開始熱通量以上，但未達第一冷媒之臨界熱通量)

圖4之(b)係顯示加熱部11之溫度在第一冷媒之沸點以上，但未達第一冷媒之膜沸騰溫度之狀態。

於該狀態，藉由來自加熱部11之熱，於第一液層21發生沸騰。沸騰且汽化為氣體之第一冷媒24係通過第二液層22到達氣層23，進而於凝結部12冷卻成液滴26，並回到液相。於凝結部12凝結成液體之第一冷媒之液滴26朝向加熱部11滴落，或由側壁13傳遞至加熱部11側，並匯入第一液層21。

如此於如圖4(b)所示之狀態，藉由令第一冷媒一面伴隨著液體與氣體之相變化一面於密閉空間S內循環，而使沸騰冷卻裝置1對熱源3進行冷卻。圖5之區間(b)相當於圖4(b)所示之狀態。

如此，在本實施形態之沸騰冷卻裝置1中，若於密閉腔室10之下部加熱且汽化之第一冷媒24移動至上方，則到達設置於密閉腔室10之上部之凝結部12。而後，被凝結部12液化之第一冷媒藉由重力再度移動至下方之加熱部11。因此，不必設置泵等之使冷媒流動之裝置。

(熱通量在第一冷媒之臨界熱通量以上，但未達第二冷媒之沸騰開始熱通量)

圖4(c)顯示熱通量在第一冷媒之臨界熱通量以上，但未達第二冷媒之沸騰開始熱通量之狀態。

若因來自加熱部11之熱使第一冷媒產生膜沸騰，則第一液層21消失。而後，包含第二冷媒之第二液層22下降至第一液層21所占之空間，且第二液層22接觸加熱部11。藉由來自加熱部11之熱，於第二液層22發生對流。熱由第二液層22傳遞至氣層23，氣層23係利用對流熱傳遞而將熱傳遞至凝結部12。

如此於如圖4(c)所示之狀態，藉由第二液層22之對流熱傳遞、氣層23之對流、及凝結熱傳遞，而使沸騰冷卻裝置1對熱源3進行冷卻。另，第一冷媒為氣體之狀態，且存於氣層23中，但藉由凝結而成為液滴26，並下降至第二冷媒中。圖5之區間(c)相當於圖4(c)所示之狀態。又，將此種僅燒毀第一冷媒之狀態稱為中間燒毀。

又，若此時將第一液層21之層厚度設為10mm程度以下，則因第一液層21燒毀時，可使第二液層22確實地接觸加熱部，故較佳。更好係將第一液層21之層厚度設為5mm程度以下。

(熱通量為第二冷媒之沸騰開始熱通量以上，但未達第二冷媒之臨界熱通量)

圖4之(d)係顯示熱通量為第二冷媒之沸騰開始熱通量以上，但未達第二冷媒之臨界熱通量之狀態。

於該狀態下，藉由來自加熱部11之熱而於第二液層22發生沸騰。沸騰且汽化之第二冷媒25上升，且被凝結部12冷卻並再度凝結回液體。於凝結部12中成液體之第二冷媒滴落至加熱部11，或由凝結部12傳遞經側壁13匯入加熱部11。

如此於如圖4(d)所示之狀態，藉由令第二冷媒伴隨著相變化而循環，而使沸騰冷卻裝置1對熱源3進行冷卻。另第一冷媒為氣體之狀態，且存在於氣層23中。圖5之區間(d)相當於圖4(d)所示之狀態。

若熱通量在第二冷媒之臨界熱通量以上，則因第二冷媒產生膜沸騰，故無法穩定地冷卻熱源3。因而，本實施形態之沸騰冷卻裝置1係可穩定地冷卻熱源3直至第二冷媒中產生膜沸騰之熱通量。

<臨界熱通量>

一般而言，可應用沸騰冷卻裝置之熱通量之上限係由臨界熱通量決定。臨界熱通量係為使冷媒引起膜沸騰，於加熱部發生燒毀之熱通量。因而，臨界熱通量亦被稱作燒毀熱通量。

在圖1所示之沸騰冷卻裝置1中，以使用圖3說明之方式令第一冷媒及第二冷媒均於過冷狀態下沸騰(亦稱為過冷沸騰)。因此，可應用沸騰冷卻裝置1之熱通量之上限係由過冷沸騰時之臨界熱通量決定。一般而言，過冷沸騰時之臨界熱通量係使用飽和沸騰時之臨界熱通量，以下述公式(1)予以表示。

q_sub=(1+C△T_sub)q_sat 公式(1)

此處，q_sub為過冷沸騰時之臨界熱通量〔W/m²〕，C為常數〔1/K〕，△T_sub為過冷度〔K〕，q_sat為飽和沸騰時之臨界熱通量〔W/m²〕。

如此過冷沸騰時之臨界熱通量係冷媒之過冷度越大則變得越大。如圖3所示，因第一冷媒及第二冷媒均具有過冷度，故第一冷媒之臨界熱通量係與密閉空間S僅被第一冷媒填滿之情形相比變得較大。此外，第二冷媒之臨界熱通量係與密閉空間S僅被第二冷媒填滿之情形相比變得較大。

因此，本實施形態之沸騰冷卻裝置1即使對具有較大熱通量之熱源加以應用，亦可穩定進行動作。

首先，本實施形態之沸騰冷卻裝置1係可以較第二冷媒發生膜沸騰之熱通量更低之熱通量持續進行動作。因該狀態之熱通量較第一冷媒之臨界熱通量要大，故與僅將第一冷媒封入密閉空間S之沸騰冷卻裝置相比，本實施形態之沸騰冷卻裝置可應用於產生較大熱通量之熱源。

此外，如上所述之第二冷媒係成過冷狀態，且低沸點冷媒即第一冷媒產生之高蒸汽壓作用於第二冷媒，從而令第二冷媒之過冷度變大。因此，與僅將第二冷媒封入密閉空間S之沸騰冷卻裝置相比，臨界熱通量較大，本實施形態之沸騰冷卻裝置可應用於產生較大熱通量之熱源。

<密閉空間內之壓力與溫度>

如上所述，於密閉腔室10內封入彼此不溶解之第一冷媒與第二冷媒，且雙方成壓縮狀態。但因高沸點冷媒即第二冷媒之蒸汽壓較低，故低沸點冷媒即第一冷媒之過冷度保持為較小之值。因而，第一冷媒以較第二冷媒更高之密度在沸騰開始前之狀態下接觸熱源之狀態，與僅將第一冷媒封入密閉腔室之狀態(即，第一冷媒為飽和狀態之狀態)相比，幾乎未改變。

例如，密閉空間內僅封入純水之情形時，在將密閉空間之壓力設定成大氣壓之情形下，純水於100℃沸騰。因此，此種沸騰冷卻裝置之動作溫度在100℃附近，熱源之溫度在其以上。

另一方面，若考慮對懼熱，且耐熱溫度未達100℃之半導體元件等之冷卻使用沸騰冷卻裝置時，則必須將沸騰冷卻裝置之密閉空間之壓力設定在大氣壓以下。

但若密閉空間之壓力未達大氣壓，則有伴隨時間流逝，大氣侵入密閉空間之顧慮。若大氣侵入密閉空間內，則因大氣係作為不凝結氣體發揮作用，故凝結部12附近，第一冷媒及第二冷媒之分壓快速下降，且平衡溫度急遽下降。而後，因冷媒之溫度與密閉腔室10之外部之最終冷卻介質即大氣等之溫度差下降，故引起顯著之凝結阻礙。其結果致使密閉腔室10內之溫度升高，加熱部10與冷媒之溫度之差變小，從而變得無法冷卻。即，密閉空間之壓力升高，且沸騰冷卻裝置之動作溫度變高。

如此於密閉空間內僅封入純水等一種冷媒之情形時，要同時實現防止經時劣化、及減低動作溫度較為困難。

相對於此，依據將互不溶解之第一冷媒(例如FC72)與第二冷媒(例如純水)封入密閉腔室10之本實施形態之沸騰冷卻裝置，則即使在將密閉腔室10內部之壓力設定為大氣壓之情形時，亦如圖2所說明，純水之分壓未達到大氣壓。因此，在熱通量較高之情形下，可以未達 100℃之溫度使純水沸騰，且可將沸騰冷卻裝置1之動作溫度設在100℃以下。

實際上，由於自FC72沸騰之溫度開始，沸騰冷卻裝置1動作，且FC72之沸點亦同樣未達56℃，故該動作溫度變為約52℃。因此，即使將密閉腔室10之內部設定在大氣壓以上，亦可於熱通量之較廣範圍內，將沸騰冷卻裝置1之動作溫度或熱源3之溫度抑制為未達100℃。

如此，根據本實施形態之沸騰冷卻裝置1，可將密閉空間S之壓力設在大氣壓以上，且一面防止經時劣化，一面降低沸騰冷卻裝置1之動作溫度，從而可對懼熱之熱源之冷卻應用沸騰冷卻裝置1。

另，上述說明中，例舉了將純水用做第二冷媒之例且予以說明，然而在將有機溶劑或醇類用作冷媒之情形時，亦可一面將密閉空間S之壓力設在大氣壓以上，一面將沸騰冷卻裝置1之動作溫度設定地較低。此外，針對近年提案之有耐熱性之GaN或SiC等之半導體之冷卻，亦可更提高壓力之設定，且將沸騰冷卻裝置1之動作溫度設定為100℃以上之溫度。

<熱源溫度之過衝現象>

圖6係顯示一般熱源之溫度與熱通量之關係之模式圖。一般於沸騰前後，熱源之溫度與熱通量之間係存在如圖6所示之滯後。

若使來自熱源之熱通量增加，則即使超過冷媒之沸點數十度以上，亦不會發生沸騰(圖6之a)。例如在冷媒成過冷狀態之情形、加熱部極其平滑之情形、低壓力下沸騰之情形、及傳遞熱源之熱的面積極小之情形等中，冷媒難以沸騰。如此，若冷媒未沸騰，則因冷卻能力較低之對流進行由熱源將熱傳遞至冷媒，故會造成熱源溫度暫時性變高。

另，與之相反，在減少熱源通往冷媒之熱通量之情形時，係按序消除沸騰氣泡，且由沸騰熱傳遞之狀態快速進行至對流熱傳遞之狀態。因此，熱源溫度連續性下降(圖6之b)。

如此，在使熱通量增大之情形與使之減少之情形時，熱源溫度與熱通量之間有滯後產生。熱通量增大時之熱源之溫度之暫時性激增被稱為熱源溫度之過衝現象。

此種過衝現象係常在第二冷媒之純水等之高沸點介質中被觀察到。相反，第一冷媒之FC72等之FLORINERT或氟利昂等之低沸點介質係因1個氣泡所含蒸發熱較小等之理由而易於沸騰，故難以產生過衝現象。

本實施形態之沸騰冷卻裝置1中，在如圖4(b)所示第一冷媒之密度較高並直接接觸熱源3而開始沸騰時，因第一冷媒為FC72等之低沸點介質，故過衝現象得以緩解。

又因如圖4之(d)所示，在第二冷媒沸騰時，熱通量亦較高，故存於第二冷媒中之第一冷媒之氣泡容易使第二冷媒開始沸騰。因此，在第二冷媒之沸騰開始時，不會產生過衝。

如此，本實施形態之沸騰冷卻裝置1中，難以產生過衝現象。例如如電動汽車之馬達或蓄電池等供給電力之電源半導體(逆變器)，將本實施形態之沸騰冷卻裝置應用於突然發動時發熱量變動較大之熱源之冷卻時，電源半導體不會暫時性處於高溫，從而可穩定地持續進行動作。由於汽車之逆變器係在汽車發動時，重複出現來自熱源之發熱量激增之狀況，故沸騰冷卻裝置1亦適用於該汽車之逆變器之冷卻。

<第一冷媒之層厚度>

其次，製作本實施形態之實施例之沸騰冷卻裝置1、及比較例1，2之沸騰冷卻裝置，且評估其特性。於密閉空間S之高度為200mm左右之密閉腔室10中，以下述比例封入冷媒。其中密閉空間之高度並非重要之數值。

(實施例)

以將作為第一冷媒之FC72之層厚度設為5mm、及作為第二冷媒之純水之層厚度設為95mm之方式封入密閉腔室10中。

(比較例1)

僅將層厚度為100mm之純水封入密閉腔室10中。

(比較例2)

僅將層厚度為100mm之FC72封入密閉腔室10中。

圖7係顯示加熱部11與密閉空間S之溫度差△Tb〔K〕、與沸騰冷卻裝置1之熱通量q〔W/m²〕之關係。圖8係顯示熱源3之溫度Tw〔K〕與沸騰冷卻裝置1之熱通量q〔W/m²〕之關係。

圖7之水平虛線表示臨界熱通量值。如圖7所示，僅封入FC72之比較例2之臨界熱通量為僅封入純水之比較例1之臨界熱通量之1/4左右。第一冷媒即FC72加熱前之層厚度為5mm之情形時，實施例之臨界熱通量亦變得比比較例1之臨界熱通量要高。另，受限於實驗裝置，無法將熱通量設定成圖示之1.8×10⁶〔W/m²〕以上之值，但實施例之沸騰冷卻裝置之臨界熱通量確實為2×10⁶〔W/m²〕以上之值。即，根據本實施形態之沸騰冷卻裝置，確認可取得較高之臨界熱通量。此處重要的是加熱前之層厚度為5mm之情形下，於沸騰開始後至低熱通量時，第一冷媒發生沸騰，而於高熱通量時，自動變化至第二冷媒沸騰。

即，沸騰開始階段中，難以產生熱源溫度之過衝的第一冷媒發生沸騰。

再者，因第一冷媒之臨界熱通量較低，故若第一冷媒大半被蒸發，則自動切換成利用第二冷媒之對流熱傳遞。此種切換係基於原本臨界熱通量較低之第一冷媒之燒毀，且命名成中間燒毀。另，即使發生此種中間燒毀，沸騰冷卻裝置之冷卻作用亦未受任何負面影響。

該情形時，為了自第一冷媒之沸騰自動順利切換成第二冷媒之沸騰，較好將第一冷媒之層厚度設定得較小。另，中間燒毀時之熱通量與比較例2之臨界熱通量相比，有些許降低。若熱通量變大，則第二冷媒發生沸騰。因第二冷媒過冷度較大，故臨界熱通量與比較例1相比，有極大地提高。

另，第一冷媒與第二冷媒相比密度較高之情形時，若第一液層21之厚度過大，則有由第一冷媒之沸騰變為第二冷媒之沸騰之切換無法順利進行之情形。例如，第一冷媒即FC72之液層之加熱前之厚度為10mm之情形時，該臨界熱通量為4×10⁵〔W/m²〕，與比較例1之臨界熱通量相比要小得多。該係由於加熱前之FC72之層厚度過大，且於第二冷媒之純水中大量混入有臨界熱通量較低之第一冷媒之FC72。

最佳之第一冷媒之層厚度係與冷媒雙方之物性或沸騰特性相關，將第一液層21之厚度設定為5mm前後較佳之結論係可由此後進行之多種液體組合而得以明確。無論何種冷媒之組合，第一冷媒為高密度之情形時，第一液層21之厚度均較好設定在10mm以下。

如圖8所示，實施例中之中間燒毀後之熱源之溫度Tw係變得較比較例1之溫度Tw要低。亦即熱源產生高熱通量之情形時，利用本實施形態之沸騰冷卻裝置，確認亦可將熱源維持在較低之溫度。

<冷媒之變化例>

上述說明中，雖對作為第二冷媒，採用具有較第一冷媒沸點更高且密度更低之冷媒之例進行說明，但本發明並非限定於此。例如，作為第二冷媒，亦可採用具有較第一冷媒沸點更高且密度更高之冷媒。

該情形時，因加熱前，第二冷媒位於第一冷媒之下方，故將熱源配置於下方之情形時，第二冷媒接觸加熱部11。因此，未產生如圖4(c)所示之中間燒毀。然而，由於第一冷媒及第二冷媒進行自壓縮，且依據第一冷媒之高蒸汽壓，第二冷媒之過冷度被設定得較大，故可提供一種即使臨界熱通量較大且密閉空間之壓力較高，亦能於低溫下進行動作之沸騰冷卻裝置。

又，上述例中雖對作為第一冷媒採用FC72且第二冷媒採用純水之例進行說明，但本發明並未限定於此。例如，採用Novec7100(註冊商標)(沸點61℃、密度1.52〔g/mm³〕)作為第一冷媒，且採用純水作為第二冷媒、或採用Novec649(註冊商標)(沸點49℃、密度1.60〔g/mm³〕)作為第一冷媒，且採用純水作為第二冷媒亦可。又或採用FC72作為第一冷媒，且採用醇類作為第二冷媒亦可。

可用於第一冷媒與第二冷媒之物質若為沸騰冷卻裝置之動作溫度之範圍內彼此不溶解之物質，則無特別限定。其中無關密度大小，將第一冷媒作為低沸點成分，將第二冷媒作為高沸點成分。但若第二冷媒使用純水，則因可以低成本實現沸騰冷卻裝置，故而較佳，且可期待高臨界熱通量(除熱能力)。

此外，雖對將2種冷媒封入密閉腔室10內之例進行說明，但封入3種以上之冷媒亦可，該情形時，若至少兩種冷媒彼此不溶解，則有獲得與上述相同效果之可能性。

<冷媒之封入量>

另，為了使封入至密閉腔室10內之冷媒成為自壓縮狀態及過冷狀態，必須在熱源3產生熱量前之狀態中，藉由彼此不溶解之至少兩種彼此不溶解之冷媒來形成氣層23。雖然此通常於冷媒之封入時予以達成，但因沸騰開始時亦會達成，故斷然不會出現實現困難之狀況。形成氣層23之狀態中，下述公式(2)係成立。

v”=h_fg/(T_sat×(dP/dT))+v’ 公式(2)

此處，v”為蒸發之冷媒之比容積〔m³/kg〕、v’為液體狀態之冷媒之比容積〔m³/kg〕、 h_fg為蒸發潛熱〔J/kg〕、T_sat為飽和溫度〔K〕、dP/dT為蒸汽壓曲線之梯度〔N/m²K〕。

由於液體之冷媒之比容積比蒸發之冷媒之比容積小得多，故公式(2)可視為下述公式(3)。

v”≒h_fg/(T_sat×(dP/dT)) 公式(3)

公式(2)及公式(3)係可藉由使用平衡溫度中各者之物性，而適用於第一冷媒或第二冷媒。

另一方面，第一冷媒之比容積v₁係以下述公式(4)獲得。

v₁=(V₁+V₀)/m₁ 公式(4)

此處，m₁為第一冷媒之封入重量〔kg〕、V₁為熱源3發熱前之溫度下之液體的第一冷媒之體積〔m³〕、V₀係熱源3發熱前之溫度下之氣體的第一冷媒與氣體的第二冷媒之體積〔m³〕。

如此，使用公式(3)與公式(4)，第一冷媒之封入重量m₁滿足下述公式(5)，係對第二冷媒賦予最大之過冷度而使臨界熱通量增大所期望。但就算未滿足，本實施方法之沸騰熱傳遞特性於定性上亦相同。根據v₁<v₁”得出m₁>(V₁+V₀)×T_sat,1×(dP/dT)₁/h_fg,1 公式(5)

附字1表示第一冷媒。

此處將第一冷媒作為低沸點成分，且將第二冷媒作為高沸點成分而予以處理，但對於臨界熱通量之增大，較為有效的是對第二冷媒賦予較大之過冷度。

第一冷媒與第二冷媒各自之單成分之臨界熱通量不存在較大之差，且第一冷媒之密度高於第二冷媒之密度之情形時，將對第一冷媒賦予較大之過冷度，從而提升臨界熱通量之方法亦有效。該情形時，期望滿足公式(6)以替代公式(5)。

m₂>(V₂+V₀)×T_sat,2×(dP/dT)₂/h_fg,2 公式(6)

附字2表示第二冷媒。

此處，m₂為第二冷媒之封入重量〔kg〕、V₂為熱源3發熱前之溫度下之液體的第二冷媒之體積〔m³〕、V₀係熱源3發熱前之溫度下之氣體的第一冷媒與氣體的第二冷媒之體積〔m³〕。

該方法中，第一冷媒之液層厚度必須足夠大，且第二冷媒之層厚度為了滿足公式(5)之關係而期望以不設置得極小之方式，對第一冷媒賦予最大限之過冷度。

<具體應用>

以上所說明之沸騰冷卻裝置可應用於例如圖9所示之蒸汽室。

(蒸汽室)

圖9所示之蒸汽室係在對具有較大發熱量之較小熱源進行冷卻時較為合適之裝置。蒸汽室之密閉腔室10之上面及底面係形成為比熱源3之上面更大。蒸汽室可藉由將熱傳遞至對於較小熱源3為較大之散熱器4，而擴大散熱面積，從而有效地冷卻熱源。

蒸汽室之密閉腔室10具有：氣體輸送路徑14、及液體回送路徑15。

設置於密閉空間S內部之氣體輸送路徑係以自熱源正上方沿左右方向擴展之方式而形成。由加熱部11所汽化之冷媒通過氣體輸送路徑14，移動至密閉腔室10之上面。此時，因氣體輸送路徑14係形成至比加熱部11於左右方向之更外側，故汽化之冷媒可移動至非位於熱源3正上方之部位之密閉腔室10之上面。

熱於蒸汽室內移動時，於氣體輸送路徑14中並無必要有溫度差之方面為蒸汽室之一大特徵。在蒸汽室內部設置為相同溫度，且與本發明不同，將單成分或共溶性之混合冷媒填充至蒸汽室內之情形時，蒸汽室內部變為飽和溫度。然而，因本實施例中使用非共溶性之混合冷媒，故蒸汽室內部成為平衡溫度，且各冷媒一起處於過冷狀態，從而獲得已敘述之為數眾多之優異熱傳遞特性。

液體回送路徑15設置於密閉空間S之底面之全域。液體回送路徑15係將被非位於熱源3正上方之部位所液化之冷媒回送往加熱部11之路徑。液體回送路徑15例如可設為毛細結構芯(毛細管結構)。

利用此種構成，蒸汽室可藉由將來自較小之熱源3之熱傳遞至大面積之散熱器4，而有效地冷卻較小之熱源。

(熱管)

圖10係顯示應用本發明之熱管之一例之模式圖。熱管係將來自固定於熱源3之下部之熱傳遞至固定於散熱器4之上部。熱管亦具有：管狀之密閉腔室10；氣體回收路徑14，其係沿縱方向延伸至密閉腔室之中央部；及液體回送路徑15，其係沿密閉腔室10之內壁而設置於上下間。

根據此種構成，藉由熱源3而汽化之冷媒係經由氣體回送路徑14移動至上方。到達密閉腔室10之上部之冷媒藉由散熱器4凝結且化為液體。液化之冷媒藉由液體回送路徑15移動至下方。如此，熱管可高效地將來自熱源3之熱傳遞至散熱器4。

(作用有加速度之熱源之冷卻裝置)

本發明之沸騰冷卻裝置可用於藉由例如對供給至電動汽車之馬達或蓄電池等之電力進行控制之大型半導體等而構成之逆變器之冷卻。該逆變器係於加速時供給較大電力，且行進中亦頻繁地改變供給之電力量。此種發熱量變化較大之逆變器之冷卻亦較好使用如上所述之難以產生動作溫度之過衝現象之本發明之沸騰冷卻裝置。

此外，該情形下，在電動汽車之加速時發熱量達到最大。因此，以圖11所示針對車輛之行進方向而使後方變高之方式，令加熱部11形成於相對於水平面傾斜之面上亦可。圖11係顯示對作用有加速度之熱源應用本實施形態之沸騰冷卻裝置之例之模式圖。如圖所示，加熱部11之上表面較好以對於加速之方向之相反側變高之方式傾斜。藉此，如圖11所示，即使在車輛加速時，亦可使冷媒持續接觸加熱部11。

<對伴隨強制流動之沸騰冷卻裝置之應用>

又，上述實施形態中，雖對未使冷媒主動流動之裝置加以說明，但本發明亦可應用於使冷媒強制性流動之冷卻裝置。圖12係顯示對具備使冷媒流動之泵之冷卻裝置應用本發明之例之模式圖。

如圖12所示之沸騰冷卻裝置係具備：密閉腔室10，其搭載於熱源3上；散熱器30；氣液分離裝置40；泵50；及導管60，其係連接該等。冷媒利用泵50而驅動，於密閉腔室10、散熱器30、氣液分離裝置40、泵50內循環。

於密閉腔室10之上部設置有出口，該出口經由導管60連接於散熱器30。散熱器30係對經由導管60而輸送之冷媒進行冷卻。氣液分離裝置40係將由散熱器30冷卻之冷媒分離成氣體與液體，且僅將液體送往泵50。

此種構成之沸騰冷卻裝置中，於密閉腔室10之內部，封入有與上述相同之彼此不溶解之第一冷媒與第二冷媒。以下說明中，對與上述實施形態相同使用FC72作為第一冷媒，且使用純水作為第二冷媒之例進行說明。

若自熱源3傳遞熱，則FC72與純水一起沸騰。此時，高沸點介質即純水之過冷度較大，低沸點介質即FC72之過冷度較小。因此，沸騰且汽化之純水因周圍過冷度較大之純水而快速液化，但FC72以氣體狀態，經由設置於密閉腔室10之上部之出口而移動至散熱器30。散熱器30對FC72進行冷卻。

由散熱器30所液化之FC72及未被液化之FC72一起流入氣液分離裝置40。於氣液分離裝置40將FC72分離成氣體與液體。接著僅液體之FC72經由泵50再次被送入密閉腔室10。

藉由如此使FC72循環，使沸騰冷卻裝置對熱源3進行冷卻。

藉由如此利用泵50使冷媒流動，可將散熱器30設置於遠離密閉腔室10之位置，即使在未直接將散熱器30設置於密閉腔室10之上部之情形時，亦可應用本發明。此外，因藉由泵50使冷媒流動，故氣泡不易積存於加熱部11上，且可抑制膜沸騰發生，並進而可提高臨界熱通量。

另，因第二冷媒設定為較大之過冷度，故該氣泡25(蒸汽)發生後容易立即於第一液層21或第二液層22中凝結而消失。相對與此，由於第一冷媒過冷度設定為較小，故該氣泡24(蒸汽)因凝結僅縮小若干體積，且被運往下游，並於散熱器30再次被凝結。

然而，依據第一冷媒與第二冷媒之選擇，兩種冷媒可同時設定為特定以上之過冷度。該情形時，可令兩種冷媒所發生之蒸汽24、25均於密閉腔室10之內部予以凝結。此種情形下，若設置如圖13所示之氣泡捕集器16，則容易藉由自壓縮確保兩種冷媒之過冷度。

圖13係為了維持密閉腔室10內之壓縮狀態，而於密閉腔室10內設置氣泡捕集器16之例。氣泡捕集器16係於密閉空間S內形成朝下方開口之空間。

藉由氣泡捕集器16，於密閉腔室10內產生之蒸汽24、25係立即凝結，從而可避免密閉腔室10內之壓力升高、或冷媒過冷度減少致使臨界熱通量之增大效果降低。氣泡捕集器16之隔板期望為有隔熱性者，較好係不使蒸汽24、25於氣泡捕集器16內輕易凝結。

如此，若採用在本實施形態之沸騰冷卻裝置之作動壓力下飽和蒸汽壓曲線所示之飽和溫度附近之第一冷媒及第二冷媒，則加熱部11附近產生之兩種冷媒之氣泡24，25一起被周圍之冷媒冷卻而再次液化。藉此，散熱器30內同時流入有液體的第一冷媒及第二冷媒。由於散熱器30時常流出液體的第一冷媒及液體的第二冷媒，故不必於泵50上游側設置氣液分離裝置40，從而可省略圖13所示之氣液分離裝置40。

若如此選擇好第一冷媒及第二冷媒，且同樣對兩種冷卻液體施加特定以上之過冷度，則加熱部11產生之兩種冷媒之氣泡(蒸汽)立即凝結且停留於密閉腔室10內部，從而亦可廢置氣液分離器40，並使圖12所示之冷媒循環之環路，除密閉腔室10之內部構造以外，可應用與現在廣泛使用之液體冷卻相同者。

然而，如圖13所示之冷卻裝置係使用既有之單相冷媒之強制對流冷卻裝置之構成者。即，若設法進行第一冷媒與第二冷媒之選擇，則可挪用既有之強制對流冷卻裝置而構成。其係可顯著地使利用強制流動系統之沸騰冷卻之應用變得容易，且挪用既有之裝置，可以低成本之改良來飛躍性地提高冷卻性能。再者，由於伴隨循環流量之降低，泵動力之降低係變得可能，而可推進節能化，故而極為有用。

此外，連接泵50與密閉腔室10之導管較好以使冷媒朝向加熱部11之方式安裝於密閉腔室10之下部。藉此，因可強制排除發生氣泡，故可抑制膜沸騰發生，且可進而提高臨界熱通量。

又，在密閉腔室並非係如圖12或圖13所示之縱長者，而是為橫長者之情形時，為防止因泵50而產生之流動使第一冷媒自加熱部11之終端流過，亦可如圖14所示，自密閉腔室10之底面沿垂直方向設置隔離壁17。圖14係顯示具備橫長之密閉腔室10之沸騰冷卻裝置之模式圖。藉由隔離壁17，於加熱部11之正上方保持有特定量之第一液層。

以上，雖參照特定之實施態樣對本發明加以詳細說明，但，熟知本技藝者當明瞭在未脫離本發明之精神與範圍內可進行多種變更或修正。

本申請案基於2012年7月6日申請之美國臨時專利申請61/668733，其內容係作為參照而援用於此。

〔產業上之可利用性〕

根據本發明之一態樣，提供一種臨界熱通量較高，可在高壓且低溫下進行動作之沸騰冷卻裝置。