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JST(独）科学技術振興機構 東京理科大学新技術説明会2010年10月5日 JSTホール（東京・市ヶ谷）

気泡微細化沸騰を用いる高発熱密度機器気泡微細化沸騰を用いる高発熱密度機器の高熱流束冷却技術の高熱流束冷却技術

High Heat Flux Cooling Technology for High Thermal Emission Device using Microbubble Emission Boiling

平成12年 NEDO 国際共同研究プログラム平成14～16年 NEDO エネルギー利用合理化技術戦略的開発プログラム平成14～16年 JSPS 科学研究費補助金平成18年 JST シーズ発掘プログラム

山口東京理科大学工学部機械工学科 鈴木康一（山口県山陽小野田市）

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目次

講演者の紹介

技術開発の背景

沸騰冷却と気泡微細化沸騰

長もの冷却面の高熱流束冷却

冷却デバイスのモデル：CHCD, PHCDとプール沸騰型超音波デバイス

実用化に向けて：用途，従来技術との比較，製品化にむけて

問合せ先など

Key wordsKey words除熱除熱熱輸送熱輸送地域産業地域産業省エネ省エネ地球環境地球環境

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経歴

1967東京理科大学理学部応用物理学科

1968~1986 東京理科大学理工学部機械工学科 助手;燃焼工学の研究

1987 工学博士（東京理科大学）；旋回乱流拡散火炎に関する研究

1987~ 沸騰熱伝達の研究

1988 東京理科大学理工学部 講師

1998 東京理科大学理工学部 助教授

2002 東京理科大学理工学部 教授

2009 山口東京理科大学 教授 , 2010 同大学院基礎工学研究科 教授

高発熱密度電子機器の高熱流束沸騰冷却技術の開発高発熱密度電子機器の高熱流束沸騰冷却技術の開発 (NEDO,JST,JSPS)(NEDO,JST,JSPS)

微小重力環境における沸騰熱伝達(JSF・JAXA)

マイクロチャンネルの熱と物質移動

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Microsoft clip art

技術開発の背景

化石燃料の大量消費 化石燃料の枯渇

大気汚染・環境汚染

過剰CO2・地球温暖化

インバータ（ICパック）の発熱密度 ≈ 300W/cm2

電子素子の性能向上、微小化による電子素子の性能向上、微小化による発熱密度の増加発熱密度の増加 …… ＞＞100W/cm100W/cm22

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Thermal Emission from Electronic Devices presented by Prof. S. Nishio

Advanced Cooling Technology

0.01

0.1

1

10

100

1000

10000

100000

0 500 1000 1500 2000 2500 300010

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-2

-1

0

1

2

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Temperature [K]

Hea

t flu

x [W

/cm

2 ]

Air conditioning

Solar heating

Nuclear reactor

Cooling limit, Conventional

LSI, IGBT

Power IC, SiC

FCV, EV, FC-Plant Rocket Nozzle

CPU

Kitchen hot plate

単相流冷却空冷 / 液冷

沸騰冷却 ・核沸騰

新冷却技術？

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高発熱密度電子機器の冷却

自然対流で冷却 （空冷） ： 携帯電話 ～ 5W/cm2

強制対流で冷却 （空冷） ： PC (Note, Desk Top)サーバー ～10W/cm2

強制対流で冷却 （液冷） ： PC, サーバー大型コンピュータ ～ 80W/cm2

処理する情報量の増大→消費電力の増大処理する情報量の増大→消費電力の増大 そして・・・・・そして・・・・・電子機器のますます小型軽量化電子機器のますます小型軽量化 （ミニチア化，マイクロ化）（ミニチア化，マイクロ化）放熱面積が小さくなる→発熱密度放熱面積が小さくなる→発熱密度 Watt/cmWatt/cm22の増大の増大

100W/cm100W/cm22を超えるものは？を超えるものは？ その冷却技術は？その冷却技術は？パワーエレクトロニクスパワーエレクトロニクスサーバーサーバーstationstation

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水の飽和蒸気表 １気圧（0.1013MPa）

0 ℃ 1 リットル（1kg） 100 ℃ 100 ℃1(kg)×4.2(kJ/kgK)×(100-0)(K)=420kJ

潜熱輸送潜熱輸送 ＝顕熱輸送の数倍＝顕熱輸送の数倍 ！！

2256.94(kJ/kg)×1(kg)=2256.94kJ

沸騰冷却と気泡微細化沸騰 沸騰熱伝達（相変化）は大量の熱を輸送

なぜエレクトロニクスに沸騰冷却が使われないのか？

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沸騰冷却 冷却限界の向上

Superheat ΔTsat [K]

Hea

t Flu

x q

[W/m

2 ]

Burnout

沸騰曲線

限界熱流束

気泡微細化沸騰ここまで使える

常用除熱限界

従来安全余裕

気泡微細化沸騰安全余裕

現象が速く制御不能

焼切れ・焼損

100W/cm2

核沸騰 遷移沸騰 膜沸騰

冷却面が急速に乾く

従来技術の限界

熱流束

[W/c

m2 ]

伝熱過熱度＝壁面温度ー液飽和温度[K]

新技術

400~

1000

W/c

m2

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Fundamentals; Fundamentals; What is Microbubble What is Microbubble Emission Boiling ?Emission Boiling ?

Water

Ethanol , 10mass%

Propanol , 7.5mass%

Subcooled quasi-pool boilingLiquid subcooling = 40KHeating surface = 10mm dia, Cu

CHF → Transition Boiling → Burn-outVery difficult to control !

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長ものの冷却（ＩＣパッケージ）： 伝熱面下流が冷えない！冷えない！

冷却液 冷える 下流が乾く

高温

単一流路では伝熱面の長さは5cmが限界！

最大除熱熱流束液温60℃

伝熱面長さが5cm ~ 30cm ; Passive-Active Cooling Device

Heating surface

Impinging jetsSub-channel Main-channel

主流路＋副流路

副流路から冷却液をノズルを介して吹き付ける

最大500W/cm2

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小型高熱流束冷却デバイス(Compact High flux Cooling Device;CHCD)

105

106

107

1 10 100 1000

Up stream sectionCenterDown stream section

Hea

t flu

x q

[W/m

2 ]

Superheat Tsat [K]

MEB Max 500W/cm2

冷却液入 冷却液出

単一流路では伝熱面の長さは 5cmが限界！

沸騰振動の低減 800 kPa → 200kPa

コンポ型で高発熱に対応高熱流束、低振動、低騒音

最大500W/cm2

熱伝達率 ～６００００Ｗ／ｍ２Ｋ

公開番号JP2008-244495, PCT2007/102496 A1

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CHCD(小型高熱流束沸冷却器)流体ループ

冷却液流路

ポンプ

気液分離器

液タンク

凝縮熱交換機

発熱体

排熱利用排熱利用

気泡微細化沸騰によるポンプ動力の軽減 → 省エネルギー

高熱流束除熱による高熱流束除熱による冷却面積の縮小冷却面積の縮小→省スペイス→省スペイス

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Passive-Active Cooling Device for Power ElectronicsＰＨＣＤ

特許第4464914号 H22.2.26PCT:WO2006/075493 A1

１CH寸法：伝熱面（冷却面）長さ10~30cm、幅1~2cm

熱熱流束：500W/cm2 （伝熱面温度140~150℃ 水,0.5m/s）

Needle nozzle 1mm Dia.

Slits

NEDO作品（H14-H16)：鈴木康一（東京理大），河村 洋（東京理大）大田治彦（九州大）， 阿部宜之（産総研）

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10cmL×2cmW×5CH×6 Units

Passive-Active Cooling Device 300kW級の模型（平成18年度JSTプログラム）

EV, FCVのインバータを想定した冷却性能

熱伝達率（max)= 60000~70000W/m2K

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新聞発表と雑誌で紹介

日経ものづくり

この図間違い

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超音波により合体気泡が微細気泡崩壊して気泡微細化沸騰が促進される

超音波加振式プール沸騰型高熱流束冷却機概念

送液ループ不要・密閉型

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新技術の特徴・従来（競合）技術との比較

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高速昇降機

サーバーステーション

自家発電溶接機 燃料電池電源

電力制御用電子機器（インバーター）

高熱流束冷却

省スペイス省エネルギー

気泡微細化沸騰冷却の用途の例

ハイブリッド自動車電気自動車

電気鉄道車両

航空機・船舶の電力制御

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市場性：どのような分野に有効か

自動車関連自動車関連 ： 石油燃料の内燃機関に代わって電気動力の自動車の普及が加速される．小型軽量・省スペースの電力制御用電子機（インバータ，etc.）の高熱流束冷却装置が用いられる．・・・・大きな需要大きな需要

建造物関連 ： 都市部では高層ビル，超高層ビルの建設がすすみ，高速昇降機が設置される．搭載用小型軽量・省スペースの電力制御用電子機（インバータ，etc.）の高熱流束冷却装置が用いられる. 従来設置されている高速昇降機の架け替え，改造にも利用度が高い．

航空宇宙関連：大型航空機の電気・電子システムの冷却．従来の強制空冷方式に

比してはるかに省スペース生が高く，コックピット周りの騒音低減が省スペース生が高く，コックピット周りの騒音低減が改善改善．扱うエネルギー量が増加する宇宙施設の熱輸送に必須の技術．

分散型電源分散型電源 ： 小規模施設，家庭用の電力供給は，電力会社から供給される方式に代わり，燃料電池＋太陽電池の個別分散方式に進んでゆく燃料電池＋太陽電池の個別分散方式に進んでゆくと予想される．このような個別電源の電力制御用電子機器の冷却に用いられる．

大型サーバーシステム・大型コンピュータ関連 : 沸騰冷却により，スペースをはるかスペースをはるか

に小さくするに小さくすることができ，冷却のための電力，騒音を低減電力，騒音を低減することができる．排熱は周辺構造物の環境制御に利用可能

その他，鉄道関連，電源装置．自家発電式溶接機など電力設備，機械の小型軽量化に有効

高除熱密度→省スペース，省エネルギー，環境負荷の低減高除熱密度→省スペース，省エネルギー，環境負荷の低減

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本技術に関する知的財産権

“Passive-active High heat flux Cooling Device ; PHCD”・ 特許第4464914号 平成22年2月26日・ＰＣＴ国際公開番号 ： ＷＯ２００６／０７５４９３ Ａ１・発明者 ： 鈴木康一(理科大）、 河村洋(理科大）、

大田治彦(九州大）、 阿部宣之(産総研）

“Compact High heat flux Cooling Device : CHCD”・ＰＣＴ国際公開番号 ： ＷＯ２００７／１０２４９８ Ａ１（日本出願公開番号 ： ２００８－２４４４９５ ）

・発明者 ： 鈴木康一(理科大）、 後藤洋介（デンソー）

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グリーンエネルギー総合開発プロジェクト熱エネルギー輸送・有効利用技術総合研究開発

材料分野適正材料熱変形対策

都市・建築・環境分野産・官・学

電気・電子分野パワエレ

加工分野低コスト加工MEMS

市場情報開発産・官・学

熱流体分野基礎研究基本技術開発

知財管理TLO

製品化・システムDelv.

地域企業 地域産業活性

世界に向けて技術を世の中技術を世の中に出す構想に出す構想

AllAll理科大＋企業＋官（地・国）理科大＋企業＋官（地・国）

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NEXT STEP

冷却液流路

ポンプ

気液分離器

液タンク

凝縮熱交換機

発熱体

冷却液流路

ポンプ

気液分離器

液タンク

凝縮熱交換機

発熱体

CHCD(小型高熱流束沸冷却器)流体ループ

排熱利用排熱利用

気泡微細化沸騰によるポンプ動力の軽減　→　省エネルギー

高熱流束除熱による高熱流束除熱による冷却面積の縮小冷却面積の縮小→省スペイス→省スペイス

冷却部開発東京理科大学冷却液開発協力企業募集中協力企業募集中熱交換器開発協力企業募集中協力企業募集中ポンプ開発協力企業募集中協力企業募集中装置の小型化協力企業募集中協力企業募集中

プロトタイプ開発プロジェクトプロトタイプ開発プロジェクト

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お問い合わせ先東京理科大学科学技術交流センター（承認ＴＬＯ）

住所： 〒162-8601東京都新宿区神楽坂１丁目３番地ＴＥＬ ： ０３（５２２５）１３６５

ＦＡＸ ： ０３（５２２８）７９２４

受付時間： 平日９：３０～１８：００

E-mail： tlo@admin.tus.ac.jp

コーディネーター： 田丸 威（たまる たけし）

E-mail : tamaru_takeshi@admin.tus.ac.jp