(57)【要約】  【課題】非常に優れた放熱効率を保持しながら、稼働部を持たずに、非常に静音で、かつ信頼性の高い放熱装置を提供することを目的とする。  【解決手段】二つの伝熱面を持ち電流を流すと一方が吸熱面１７としてまた他方が発熱面１６として働く熱ポンプとしての熱電変換デバイス１５と、吸熱面１７に熱的に接続され流体を冷却する冷却器１９と、発熱面１６に熱的に接続され流体を加熱する加熱器１８と、発熱体１１、１２に熱的に接続され流体が発熱体１１、１２から熱を奪う受熱器１３、１４と、流体が外部へ熱を放出する放熱器２０と、受熱器１３，１４、冷却器１９、放熱器２０、加熱器１８の順にこれらを連結し流体を循環させる回路２２とからなる放熱装置であり、熱電変換デバイス１５によって流体を加熱及び冷却することによって生じる流体の密度差を利用して流体を循環させることができる。【選択図】図１
2006023023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二つの伝熱面を持ち電流を流すと一方が吸熱面としてまた他方が発熱面として働く熱ポンプと、前記吸熱面と熱的に接続され流体を冷却する冷却器と、前記発熱面と熱的に接続され流体を加熱する加熱器と、発熱体と熱的に接続され前記流体が前記発熱体から熱を奪う受熱器と、前記流体の熱を外部熱と熱交換させる放熱器を環状に連結して循環回路を構成し、前記流体を前記循環回路内で循環させるようにした放熱装置。
【請求項２】
前記冷却器を、前記加熱器よりも上方に設置した請求項１に記載の放熱装置。
【請求項３】
前記放熱器を、前記受熱器よりも上方に設置した請求項１または２に記載の放熱装置。
【請求項４】
前記流体を、相変化する冷媒とし、前記加熱器で流体を気化し、前記冷却器で流体を液化させる請求項１乃至３のいずれかに記載の放熱装置。
【請求項５】
前記流体を、二酸化炭素とした請求項４に記載の放熱装置。
【請求項６】
前記熱ポンプに、ペルチェ効果を利用した熱電変換デバイスを使用した請求項１乃至５のいずれかに記載の放熱装置。
【請求項７】
前記受熱器を複数備えた請求項１乃至６のいずれかに記載の放熱装置。
【請求項８】
前記発熱体が発熱を開始するのとほぼ同時に前記熱ポンプへの電流供給を開始し、前記発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点で前記熱ポンプへの電流供給を停止する制御手段を具備した請求項１乃至７のいずれかに記載の放熱装置。
【請求項９】
前記発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点で、前記冷却器と前記加熱器の流体の温度差を利用して前記熱ポンプで発電させる発電手段を具備した請求項８に記載の放熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はコンピュータやプロジェクタ等の情報機器で半導体の熱を外部へ放出する放熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の放熱装置としては、ウォータージャケットとポンプと放熱パイプを組み合わせたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図４は、特許文献１に記載された従来の放熱装置を示すサイクル図である。図４に示すように、従来の放熱装置は、複数の発熱体１、２を冷却するウォータージャケット３、４と、前記ウォータージャケット３、４を冷やすための液体を流すパイプ５と、前記液体を流し込むためのポンプ６と、前記液体を冷却するための放熱パイプ７とからなり、複数のウォータージャケット３、４の熱を共通のポンプ６と共通の放熱パイプ７で冷却することで、効率よく放熱ができるとしている。
【特許文献１】特開２００２−３７２３６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、液体を循環させるポンプが必要であり、ポンプが稼働部を有することから、騒音が発生するばかりでなく、信頼性の面でも課題を有していた。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、優れた放熱効率を保持しながら、稼働部を持たずに、静音で、かつ信頼性の高い放熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記従来の課題を解決するために、本発明の放熱装置は、二つの伝熱面を持ち電流を流すと一方が吸熱面としてまた他方が発熱面として働く熱ポンプと、前記吸熱面に熱的に接続され流体を冷却する冷却器と、前記発熱面に熱的に接続され前記流体を加熱する加熱器と、発熱体に熱的に接続され前記流体が前記発熱体から熱を奪う受熱器と、前記流体の熱を外部へ放出する放熱器と、前記受熱器、前記冷却器、前記放熱器、前記加熱器の順にこれらを連結し流体を循環させる回路とから構成したものである。
【０００７】
かかる構成により、熱ポンプによって流体を加熱及び冷却することで、流体の密度差を生じ、流体を循環させることができる。
【０００８】
また、本発明は、前記発熱体が発熱を開始するのとほぼ同時に前記熱ポンプへの電流供給を開始し、前記発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点で前記熱ポンプへの電流供給を停止する制御手段を設けたものである。
【０００９】
かかる構成により、前記発熱体の発熱開始時には、前記熱ポンプによって流体を循環させることができ、また前記発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点では、前記発熱体自体の発熱によって流体を循環させることができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の放熱装置は、熱ポンプで流体を加熱及び冷却することによって生じる流体の密度差を利用して流体を循環させることができ、機械式のポンプのような稼働部を持たないので、非常に静音で、かつ信頼性を高めることができるとともに、低コスト化を図ることができる。
【００１１】
さらに、本発明は、発熱体の発熱開始時には熱ポンプによって流体を循環させることができ、また発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点では、発熱体自体の発熱によって流体を循環させることができるので、発熱体の発熱開始時には発熱体の致命傷ともなり得る急激な温度上昇を防ぐことができ、また発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点では、熱ポンプへ供給する分の消費電力量を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
請求項１に記載の発明は、二つの伝熱面を持ち電流を流すと一方が吸熱面としてまた他方が発熱面として働く熱ポンプと、前記吸熱面と熱的に接続され流体を冷却する冷却器と、前記発熱面と熱的に接続され流体を加熱する加熱器と、発熱体と熱的に接続され前記流体が前記発熱体から熱を奪う受熱器と、前記流体の熱を外部熱と熱交換させる放熱器を環状に連結して循環回路を構成し、前記流体を前記循環回路内で循環させるようにしたものである。
【００１３】
かかる構成とすることにより、流体の加熱及び冷却によって生じる流体自身の密度差を利用し、流体を熱ポンプによって循環させるため、機械式ポンプのような稼働部を持たないポンプ使用が可能となり、静音性に優れ、かつ信頼性を高めることができるとともに、低コスト化を図ることができる。
【００１４】
また、請求項２に記載の本発明は、前記冷却器を、前記加熱器よりも上方に設置したものである。
【００１５】
かかる構成とすることにより、下方の加熱器で流体は軽くなり、上方の冷却器で流体は重くなるため、これによって前記流体に自然対流現象が生じ、さらに、前記熱ポンプによる搬送作用も含めて流体を循環させる力が大きくなり、前記流体の循環量が多くなって放熱量を高めることができる。
【００１６】
さらに、請求項３に記載の本発明は、前記放熱器を、前記受熱器よりも上方に設置したものである。
【００１７】
かかる構成とすることにより、下方の受熱器で流体は軽くなり、上方の放熱器で流体は重くなるので、これによって前記流体に自然対流現象が生じ、さらに、前記発熱体自体の熱が前記流体の対流特性を助長することになり、その結果、前記流体を循環させる力が大きくなり、流体の循環量を多くして放熱量を高めることができる。
【００１８】
また、請求項４に記載の本発明は、前記流体を、相変化する冷媒とし、前記加熱器で流体を気化し、前記冷却器で流体を液化させるものである。
【００１９】
かかる構成とすることにより、前記加熱器の流体と冷却器の流体の密度差を非常に大きくすることができ、その結果、前記熱ポンプによる流体の循環させる力が大きくなり、流体の循環量を多くして放熱量を一層高めることができる。
【００２０】
さらに、請求項５に記載の本発明は、前記流体を、二酸化炭素としたものである。
【００２１】
かかる構成とすることにより、オゾン層の破壊や地球温暖化といった環境面に配慮することができる。
【００２２】
また、請求項６に記載の本発明は、前記熱ポンプに、ペルチェ効果を利用した熱電変換デバイスを使用したものである。
【００２３】
かかる構成とすることにより、熱ポンプを非常にコンパクトにでき、放熱装置の小型化が図れるものである。
【００２４】
さらに、請求項７に記載の本発明は、前記受熱器を複数備えた構成としたものである。
【００２５】
かかる構成とすることにより、複数の発熱体を一つの放熱装置で放熱することができ、放熱装置の構成の簡素化が図れるものである。
【００２６】
また、請求項８に記載の本発明は、前記発熱体が発熱を開始するのとほぼ同時に前記熱ポンプへの電流供給を開始し、前記発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点で前記熱ポンプへの電流供給を停止する制御手段を具備したものである。
【００２７】
かかる構成とすることにより、発熱体の発熱開始時には熱ポンプによって流体を循環させ、また発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点では、発熱体自体の発熱によって流体を循環させることができるので、前記発熱体の発熱開始時には発熱体の致命傷ともなりかねない急激な温度上昇を防ぐことができ、また発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点では、熱ポンプへ供給する分の消費電力量を抑えることができる。
【００２８】
さらに、請求項９に記載の本発明は、前記発熱体が発熱してから十分に時間が経過した時点で、前記冷却器と前記加熱器の流体の温度差を利用して前記熱ポンプで発電させる発電手段を具備したものである。
【００２９】
かかる構成とすることにより、前記発熱体の熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換回収することができる。
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
【００３１】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における放熱装置のサイクル図を示すものである。図２は、図１の受熱部１３が発熱体１１と接続されている構成を示す断面図である。図３は、図１の熱電変換デバイス１５と加熱器１８、冷却器１９が接続されている構成を示す断面図である。
【００３２】
図１において、放熱装置は、内部に流体流路を備えた複数の受熱器１３、１４と、内部を流体が流れる冷却器１９と、内部を流体が流れる放熱器２０と、内部を流体が流れる加熱器１８を具備し、これらを順次連結することにより、前記流体を循環させる回路２２が構成されている。前記流体は、相変化する冷媒であり、特に二酸化炭素が好ましい。
【００３３】
前記受熱器１３と前記受熱器１４は、電気ヒータ等からなる発熱体１１と発熱体１２の上面にそれぞれ直接もしくは熱伝達可能に接続されている。また、前記加熱器１８は、熱ポンプとしてのペルチェ効果を利用した熱電変換デバイス１５の発熱面１６に直接もしくは熱伝達可能に接続され、前記冷却器１９も同じ熱電変換デバイス１５の吸熱面１７に直接もしくは熱伝達可能に接続されている。そして、前記冷却器１９は、前記加熱器１８よりも上方に設置されている。
【００３４】
前記放熱器２０には、該放熱器２０に気流を送風するためのファン２１が取り付けられている。また前記放熱器２０は、前記受熱器１３と前記受熱器１４よりも上方に設置されている。
【００３５】
制御装置２３は、前記発熱体１１、１２および前記熱電変換デバイス１５、さらに前記ファン２１のそれぞれの通電を制御するものである。
【００３６】
図２において、前記加熱器１８は、背壁１８ａと、伝熱壁１８ｂと、前記背壁１８ａと伝熱壁１８ｂに挟まれた流路１８ｃと、該流路１８ｃに流体が流入する流入部１８ｄと、前記流路１８ｃから流体が流出する流出部１８ｅとから構成されている。そして、前記熱電変換デバイス１５は、極性が一定の接続関係にあるｐ型の半導体１５ａおよびｎ型の半導体１５ｂと、該半導体１５ａ、１５ｂを交互に接続し電気回路を構成する電極１５ｃと、該電極１５ｃを内表面に備える発熱面１６と吸熱面１７とから構成されている。さらに、前記発熱面１６は前記加熱器１８と、また前記吸熱面１７は前記冷却器１９とそれぞれ密着されている。また、前記冷却器１９は加熱器１８と同じ構造であり、前記半導体１５ａ、１５ｂとの接続面が異なるのみであって、ここでは具体的な説明を省略する。
【００３７】
図３において、前記受熱器１３は、背壁１３ａと、伝熱壁１３ｂと、背壁１３ａと伝熱壁１３ｂに挟まれた流路１３ｃと、該流路１３ｃに流体が流入する流入部１３ｄと、前記流路１３ｃから流体が流出する流出部１３ｅとから構成されている。そして、前記伝熱壁１３ｂは、前記発熱体１１と密着している。また、前記受熱器１４の構成及び前記発熱体１２と受熱器１４の接続構成は図３と同様であり、詳細な説明は省略する。
【００３８】
以上のように構成された放熱装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３９】
制御装置２３による通電作用等により、前記発熱体１１、１２が発熱を開始するのとほぼ同時に熱電変換デバイス１５への電流供給が開始されると、ペルチェ効果によって熱電変換デバイス１５の発熱面１６と吸熱面１７がそれぞれ発熱作用、吸熱作用を開始する。
【００４０】
その結果、前記加熱器１８では発熱面１６によって流体が加熱され、該流体の一部又は全部が気化する。また前記冷却器１９では吸熱面１７によって流体が冷却され、該流体の一部又は全部が液化される。
【００４１】
そして、前記加熱器１８と冷却器１９は、循環する回路２２で連結されているので、相対的に下方の加熱器１８内の蒸気と上方にある冷却器１９内の液の密度差と高低落差により、前記流体は循環することとなる。また、前記発熱体１１、１２が発熱する熱は、受熱器１３、１４で流体に伝わり、流体の熱は、放熱器２０においてファン２１による送風作用によって外部へ廃熱される。
【００４２】
また、前記発熱体１１、１２が発熱してから十分に時間が経過した時点で、熱電変換デバイス１５への電流供給は停止される。しかし、この時点になると、発熱体１１、１２の発熱によって流体は、受熱器１３、１４で加熱されており、また受熱器１３、１４よりも上方に位置する放熱器２０では、流体は冷却されている。このことから、前記受熱器１３、１４内の流体と前記放熱器２０内の流体の密度差と高低落差によって前記流体は循環し続けることとなり、前記発熱体１１、１２の熱を外部の気流へ効率良く廃熱し続けることができる。
【００４３】
また、前記冷却器１９に受熱部１３、１４で加熱された流体が流入し、一方、前記加熱器１８には前記放熱器２０で冷却された流体が流入するので、これらの温度差によって熱電変換デバイス１５の発熱面１６と吸熱面１７に温度差を生じる。したがって、この温度差によって前記熱電変換デバイス１５は発電することになり、発熱体１１、１２の熱のいくらかを電気に変換することができる。すなわち、前記熱変換デバイス１５は、発電手段も兼ねている。
【００４４】
以上のように、本実施の形態においては、二つの伝熱面を持ち電流を流すと一方が吸熱面１７として、また他方が発熱面１６として働く熱ポンプとしての熱電変換デバイス１５と、前記吸熱面１７に熱的に接続され流体を冷却する冷却器１９と、前記発熱面１６に熱的に接続され流体を加熱する加熱器１８と、前記発熱体１１、１２に熱的に接続され流体が該発熱体１１、１２から熱を奪う受熱器１３、１４と、流体が外部へ熱を放出する放熱器２０と、前記受熱器１３、１４、冷却器１９、放熱器２０、加熱器１８の順にこれらを連結することによって構成された回路２２とからなる放熱装置であり、前記熱電変換デバイス１５により、前記流体を加熱及び冷却することによって生じる流体の密度差を利用して流体を循環させるため、ポンプとして機械式ポンプのような稼働部を持たないポンプ作用が得られ、非常に静寂な運転となり、かつ故障等が少なく、信頼性を高めることができるとともに、低コスト化が図れるものである。
【００４５】
また、前記冷却器１９を加熱器１８よりも上方に設置することで、下方の加熱器１８で流体は軽くなり、上方の冷却器１９で流体は重くなるので、熱電変換デバイス１５によって流体を循環させる力が大きくなり、その結果、流体の循環量を多くすることができ、放熱量を高めることができる。
【００４６】
さらに、前記放熱器２０を受熱器１３、１４よりも上方に設置することで、下方の受熱器１３、１４で流体は軽くなり、上方の放熱器２０で流体は重くなるので、発熱体自体の熱によって流体を循環させる力が大きくなり、その結果、流体の循環量が多くなって放熱量を高めることができる。
【００４７】
また、前記流体を相変化する冷媒とし、加熱器１８で流体を気化し、冷却器１９で流体を液化させることで、加熱器１８の流体と冷却器１９の流体の密度差を非常に大きくすることができるので、熱電変換デバイス１５によって流体を循環させる力が非常に大きくなり、その結果、流体の循環量が非常に多くなり、放熱量を一層高めることができる。
【００４８】
さらに、前記流体を二酸化炭素とすることで、オゾン層の破壊や地球温暖化といった環境面に配慮することができる。
【００４９】
また、熱ポンプにペルチェ効果を利用した熱電変換デバイス１５を使用することで、熱ポンプを非常にコンパクトにできる。
【００５０】
さらに、前記受熱器１３、１４を複数備えることで、複数の発熱体１１、１２を一つの放熱装置で放熱することができる。
【００５１】
さらには、前記発熱体１１、１２が発熱を開始するのとほぼ同時に熱電変換デバイス１５への電流供給を開始し、前記発熱体１１が発熱してから十分に時間が経過した時点で、前記熱電変換デバイス１５への電流供給を停止する制御により、前記発熱体１１、１２の発熱開始時には熱電変換デバイス１５によって流体を循環させることができ、また発熱体１１、１２が発熱してから十分に時間が経過した時点では、発熱体１１、１２自体の発熱によって流体を循環させることができるので、発熱体１１、１２の発熱開始時には発熱体１１、１２の致命傷ともいえる急激な温度上昇を防ぐことができ、また発熱体１１、１２が発熱してから十分に時間が経過した時点では、熱電変換デバイス１５へ供給する分の消費電力量を抑えることができる。
【００５２】
また、前記発熱体１１、１２が発熱してから十分に時間が経過した時点で、冷却器１９と加熱器１８の流体の温度差を利用して熱電変換デバイス１５で発電させるものであり、発熱体１１、１２の熱エネルギーの一部を電気エネルギーに変換回収できる。
【００５３】
なお、本実施の形態１の熱電冷却デバイス１５は、ペルチェ効果を利用したものであるが、熱電冷却デバイス１５はこれに限らず、電子のトンネル効果を利用した冷却デバイスなどでも良い。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
以上のように、本発明にかかる放熱装置は、発熱体を所望の温度まで冷却できることが可能となるので、製造装置や理化学機器、家電機器等の放熱用途に広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の実施の形態１における放熱装置のサイクル図
【図２】同実施の形態における放熱装置の発熱体と受熱器の構成を示す断面図
【図３】同実施の形態における放熱装置の加熱器と冷却器、熱ポンプの構成を示す断面図
【図４】従来の放熱装置のサイクル図
【符号の説明】
【００５６】
１１  発熱体
１２  発熱体
１３  受熱部
１４  受熱部
１５  熱電変換デバイス
１６  発熱面
１７  吸熱面
１８  加熱器
１９  冷却器
２０  放熱器
２２  回路
２３  制御装置
【図１】
2006023023.tif 000003
【図２】
2006023023.tif 000004
【図３】
2006023023.tif 000005
【図４】
2006023023.tif 000006