(57)【要約】【課題】本発明は、吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、インクジエットノズル方式を用いた液量制御機能を持つ蒸発器、インクジエットノズル方式を用いた微細化された液滴噴射による蒸気吸収促進機能を持つ吸収器及び凝縮器表面がマイクロ構造体を持つ凝縮器を備えることにより、一平方センチメートル当たり数１００ワット近くの除熱を得ることができる吸収式小型冷却及び冷凍装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから冷媒を被冷却部材に向けて噴射するようにしてなる蒸発器及びピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより微細化された液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから吸収溶液を冷媒蒸気の存する空間に向けて噴射する吸収器を備えてなることを特徴とする。【選択図】    図６
2006275433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから冷媒を被冷却部材に向けて噴射する蒸発器を備えたことを特徴とする吸収式小型冷却及び冷凍装置。
【請求項２】
噴射ノズルから噴射する液滴の量を制御することにより被冷却部材の表面に生成される液膜の厚さを所定の値に維持するようにしたことを特徴とする請求項１記載の吸収式小型冷却及び冷凍装置。
【請求項３】
被冷却部材の表面に生成される液膜の厚さが１００マイクロメートル以下であることを特徴する請求項２記載の吸収式小型冷却及び冷凍装置。
【請求項４】
吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより微細化された液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから吸収溶液を冷媒蒸気の存する空間に向けて噴射する吸収器を備えてなることを特徴とする吸収式小型冷却及び冷凍装置。
【請求項５】
吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから冷媒を被冷却部材に向けて噴射する蒸発器及びピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより微細化された液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから吸収溶液を冷媒蒸気の存する空間に向けて噴射する吸収器を備えてなることを特徴とする吸収式小型冷却及び冷凍装置。
【請求項６】
凝縮面に細かい溝が形成された凝縮器を備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の吸収式小型冷却及び冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸収式冷凍機の基本サイクルを利用した小型冷却及び冷凍装置に関するもので、特に、高性能、高機能半導体などの局所的な熱発生量の大きいデバイスの熱除去及び温度制御に適した小型冷却及び冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
局所的な発熱体からの熱除去法にはペルチェ素子を用いる方法があるが、この方法は１平方センチメートルあたり数１０Ｗという高機能半導体の発熱量に十分見合う除熱量を持っていない。このレベルの除熱は物理的には冷凍システムを組み込んだ蒸発熱伝達を用いる必要がある。冷凍機には冷媒を膨張・圧縮して冷凍する機能を持たせる圧縮式冷凍システムと臭化リチウム溶液の濃度差を利用することで冷凍機能を持たせる吸収式冷凍システムがある。圧縮式冷凍機は圧縮機が必要であることから、小型冷凍機としての選択肢となり得ない。
【０００３】
図１は、吸収式冷凍機の基本サイクルを示したものであり、吸収式冷凍機は、蒸発器、吸収器、再生器、凝縮器からなり、冷媒として臭化リチウム水溶液を用いる。蒸発器において冷熱源（例えば冷水）から得た熱で発生した水蒸気を吸収器内で濃臭化リチウム水溶液に吸収させる。薄くなった臭化リチウム水溶液は再生器に戻され、加熱してもとの臭化リチウム水溶液にする。追い出された水蒸気は凝縮器で冷やされて凝縮し、また蒸発器に戻される。このように吸収式冷凍サイクルは圧縮機を必要としないことから、小型化に適している。
しかしながら、従来の吸収式冷凍機は家庭用のエアコンへの応用など、半導体デバイスと比較して一桁以上規模が大きく、また、１００Ｗ程度の機器はない（例えば特許文献１、２参照。）。
【特許文献１】特開２００３−７５０１４号公報
【特許文献２】特開２００４−２２５９８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これからの高機能半導体では一平方センチメートル当たり数十ワット程度の局所的な発熱量があると考えられる。このレベルの局所熱を除去するためには従来のヒートパイプや空冷システムでは到底追いつかない。一方、ペルチェ素子等を用いても一桁近く除熱量が小さい。吸収式冷凍機は、唯一このレベルの局所熱を除去できる蒸発熱伝達を備え、さらに冷凍機システムも附随していることから、ヒートパイプと比べて外部への熱廃棄量を圧倒的に多くすることができる。
【０００５】
本発明は、吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、インクジエットノズル方式（本明細書においては、ピエゾ素子等の電歪素子を用いて液体を加圧してノズルから液滴として間欠的に噴射する方式を「インクジエットノズル方式」という。）を用いた液量制御機能を持つ蒸発器、インクジエットノズル方式を用いた微細化された液滴噴射による蒸気吸収促進機能を持つ吸収器及び凝縮器表面がマイクロ構造体を持つ凝縮器を備えることにより、一平方センチメートル当たり数１００ワット近くの除熱を得ることができる吸収式小型冷却及び冷凍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】
（１）上記目的を達成するため本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから冷媒を被冷却部材に向けて噴射する蒸発器を備えたことを特徴とする。
（２）また、本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、上記（１）において、噴射ノズルから噴射する液滴の量を制御することにより被冷却部材の表面に生成される液膜の厚さを所定の値に維持するようにしたことを特徴とする。
（３）また、本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、上記（２）において、被冷却部材の表面に生成される液膜の厚さが１００マイクロメートル以下であることを特徴する。
（４）また、本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより微細化された液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから吸収溶液を冷媒蒸気の存する空間に向けて噴射する吸収器を備えてなることを特徴とする。
（５）また、本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、吸収式冷凍機サイクルを用いた冷却器及び冷凍機において、ピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから冷媒を被冷却部材に向けて噴射するようにしてなる蒸発器及びピエゾ素子等の電歪素子を駆動制御することにより微細化された液滴を間欠的に噴射する噴射ノズルから吸収溶液を冷媒蒸気の存する空間に向けて噴射する吸収器を備えてなることを特徴とする。
（６）また、本発明の吸収式小型冷却及び冷凍装置は、上記（１）乃至（５）のいずれかにおいて、凝縮面に細かい溝が形成された凝縮器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）蒸発器、吸収器または凝縮器の小型・効率化を図ることにより、ヒートパイプあるいは従来の吸収式冷凍機に比べて局所熱除去量を数倍大きくすることができるため、吸収式冷却及び冷凍装置の小型化を図ることができる。
（２）被冷却部材の加熱面上に液体の膜を生成しない、あるいはできるだけ薄くすることにより、従来の吸収式冷凍に比べて蒸発速度を数倍高くすることができるため、冷媒の量および蒸発面積を減らすことができ、装置の小型化を図ることができる。
（３）蒸気の吸収面積を多く取ることができ、かつ液滴の噴射速度の増加により単位面積あたりの吸収速度も増加させることができるため、吸収速度を従来よりも大幅に上昇することができ、これにより装置の小型化を図ることができる。
（４）凝縮器の凝縮面に形成される液膜をできるだけ薄くすることにより、凝縮速度が促進され、これにより装置の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明に係る吸収式小型冷却及び冷凍装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。  
【実施例】
【０００９】
図２は、インクジエットノズル方式を用いた液量制御機能を持つ蒸発器を説明するための概念図である。
液体の蒸発速度には限界があり、それを限界熱流束と呼んでいる。この限界熱流束はおおよそ加熱面上で蒸発した蒸気が、その上部にある重たい液体を押し退ける速度に限界があることから生じる。したがって、理論上加熱面上に液体の膜が存在しなければ、その限界熱流束も高い値となる。加熱面上に液体の膜を生成しない、あるいはできるだけ薄く（好ましくは１００マイクロメートル以下）するようにするためには、加熱面に供給する液体の量を十分制御する必要がある。噴霧用のノズル等では、噴霧量の制御性が難しいことから、液膜を１００マイクロメートル以下に維持することは困難である。一方、インクジェットノズル方式では多数のノズルよりそれぞれが一滴ずつ液を供給することから、加熱面上の温度等の情報を用いて液膜厚さの制御が容易となる。
図２において、１はピエゾ素子を備えた噴射ノズルであり、複数個が並列に設けられ、図示しない電源によりピエゾ素子に電圧が印加されることにより、それぞれの噴射ノズル１から液滴２が図に示すように間欠的に噴射される。この際、各噴射ノズル１からの噴射量は、ピエゾ素子を駆動する電圧を制御することにより、精密に制御することができる。
【００１０】
噴射ノズル１から噴射された液滴２は、被冷却対象である加熱された半導体チップ３の加熱面４に向かい、その近傍において蒸発するか、または、加熱面４に付着する。液滴の噴射により生成される液膜５は１００マイクロメートル以下に維持されることが望ましく、このため、加熱面４の温度を検知して加熱面の温度に基づいてピエゾ素子の駆動を制御して液膜５の厚さが一定範囲内にあるように制御する。
以下に、液膜５の厚さを制御する具体例を説明する。
今、被冷却体の熱負荷をＷ、加熱面４に形成される液膜５の上下の温度差をΔＴ、噴射ノズル１からの液供給量をＱ、液膜５の厚さをδとする。
液供給量Ｑ、熱負荷Ｗ、液膜厚さδ及び加熱面に形成される液膜５の上下の温度差ΔＴの間には次の関係がある。
Ｗ＝ρｈｆｇＱ＝ＡλΔＴ／δ                                         （１）
ただし、ρは液体の密度、ｈｆｇは蒸発潜熱、Ａは液膜が形成される面積、λは液体の熱伝導率を表す。
上記（１）式から、例えば、液膜厚さδを１０μｍ〜１００μｍの範囲内の所定の値に設定し、液膜５の上下の温度差ΔＴを計測すれば、液供給量Ｑが求まる。液供給量Ｑが求まれば、噴射ノズル１の径、数量に応じて制御パラメータであるピエゾ発信周波数（液滴個数）及びピエゾ振幅（液滴速度）を制御し、必要とされる液供給量Ｑを噴射ノズル１から加熱面４に液滴を供給することにより、液膜厚さδを所定の値に制御することができる。
【００１１】
図３は、インクジエットノズル方式を用いた微細化された液滴噴射による蒸気吸収促進機能を持つ吸収器を説明するための概念図である。
蒸発器２０で発生した蒸気は速やかに濃い臭化リチウム水溶液に凝縮（吸収）させる必要がある。従来の吸収冷凍機で使用されている液膜式吸収器では凝縮（吸収）面積を多く取ることができないことから、小型化に適用できない。一方、インクジェットノズル方式を用いた場合には細かな液滴として濃臭化リチウム水溶液を噴射することから，蒸気の凝縮（吸収）面積を多く取ることができ、かつ液滴の噴射速度の増加により単位面積あたりの吸収速度も増加させることができることから、全体の吸収速度は従来よりも大幅に上昇する。これにより小型化を図ることができる。
【００１２】
図３において、蒸発器で発生した蒸気６は、ピエゾ素子を備えた臭化リチウム濃水溶液噴射ノズル７を複数並列に設けた吸収器３０に導かれ、そこで噴射ノズル７から噴射される微細な臭化リチウム液滴８に吸収される。蒸気６を吸収した臭化リチウム液滴８は、フィン９により冷却された吸収器３０の底面１０に接触して液溜まりを形成し、臭化リチウムを４５％程度含有する臭化リチウム希水溶液となり、再生器に送られる。噴射ノズル７のピエゾ素子の駆動を制御して液滴の噴射速度を制御することにより、単位面積あたりの吸収速度を制御することができる。
【００１３】
図４は、凝縮器表面がマイクロ構造体を持つ凝縮促進機能を有する凝縮器を説明するための概念図である。
蒸気を吸収して濃度が薄くなった臭化リチウム水溶液を加熱し、再び濃い臭化リチウム水溶液に再生すると同時に蒸気が発生する。この蒸気は凝縮して再び蒸発器に供給される。冷却器全体を小型化するためには、凝縮器も小さくする必要がある。凝縮も蒸発と同様に液膜を生成することから、凝縮速度を促進するためには、できるだけ凝縮した液体を凝縮器内よりすばやく排除して、液膜を薄くする必要がある。液体は表面張力を持つことから、細い流路や濡れ性の異なる表面上を流れたり、大きな液滴を生成したりする性質を持っている。この性質を利用し、凝縮表面上に細い流路等の構造体を施してすばやく水を排除したり、大きな液滴を生成して周囲の流体を一部に集めることで周囲の液膜の厚さを薄くする。
【００１４】
図４において、凝縮器４０の天井に位置し、フィン１３により冷却されている凝縮面１１には、細かい溝１２が形成されている。この溝１２が形成されることにより、凝縮面１１に凝縮した液体のうち、溝１２の間に凝縮した液体には溝１２内の液体から表面張力による引っ張り応力を受け、細い流路である溝１２を伝わって凝縮面から素早く排除され、凝縮面１１に生成される液膜の厚さが薄くなる。
図５は、表面改質を利用した流れ制御による凝縮促進機能を有する凝縮器を説明するための概念図である。
図５において、凝縮面１１には、濡れ性の大きな面１４と濡れ性の小さな面１５を形成する。濡れ性の大な面１４に存在する液体は表面張力による引っ張り応力の作用により、濡れ性の小さな面１５に存在する液体に引き寄せられ、液体の排除機能が上昇されるものである。
【００１５】
図６は、本発明の実施の形態にかかる上記した蒸発器２０、吸収器３０、凝縮器４０を備えた吸収式小型冷却及び冷凍装置の全体構成を説明するための正面図である。
本例では、冷媒として水（Ｈ２Ｏ）、吸収溶液として臭化リチウム（ＬｉＢｒ）を用いている。
蒸発器２０において、ピエゾ素子を備えたノズル１から噴射された液滴２は、被冷却対象である加熱された半導体チップ３の加熱面４に向かい、そこで蒸発する。蒸発した冷媒蒸気は、蒸発器２０の両側に配置された吸収器３０、３０において、ピエゾ素子を備えた噴射ノズル７から噴射される微細な臭化リチウム液滴８に吸収される。蒸気６を吸収した臭化リチウム液滴８は、フィン９により冷却された吸収器３０の底面１０に接触して液溜まりを形成し、臭化リチウムを４５％程度含有する臭化リチウム希水溶液となり、溶液ポンプ１６によって加圧されて再生器５０、５０に送られる。その際、希水溶液は再生器５０からの濃水溶液と熱交換し、再生器５０に入る。
【００１６】
希水溶液は再生器５０で外部からの燃焼熱によって加熱され、沸騰し、吸収した冷媒を再生器５０内で分離し、その濃度を高める。一方、濃水溶液は吸収器５０からの低温溶液に熱を与え、再び吸収器５０の噴射ノズル７から噴射され、蒸発器２０からの冷媒蒸気を吸収する。
他方、再生器５０で溶液から分離した冷媒蒸気は凝縮器４０に入り、フィン１３により冷却されている凝縮面１１に触れて凝縮する。凝縮面１１の凝縮液は、溝１２内の液体から表面張力による引っ張り応力を受け、細い流路である溝１２を伝わって凝縮面から素早く排除され、凝縮面に生成される液膜の厚さは薄くなる。
この液化した冷媒は圧力を下げて蒸発器２０のノズル１から噴射される。
【００１７】
上記したように本実施の形態における吸収式小型冷却及び冷凍装置の蒸発器は、インクジェットノズル方式により多数のノズルよりそれぞれ一滴ずつ冷媒を供給することから、加熱面上の温度等の情報を用いて各ノズル１からの噴射量をピエゾ素子を駆動する電圧を制御することにより精密に制御することができるため、液膜厚さの制御が容易となり、効率化、小型化が可能となる。
また、吸収器も蒸発器と同様にインクジェットノズル方式により細かな液滴として吸収溶液を噴射することから，冷媒蒸気の吸収面積を多く取ることができ、かつ液滴の噴射速度の増加により単位面積あたりの吸収速度も増加させることができることから、全体の吸収速度は従来よりも大幅に上昇する。これにより小型化を図ることができる。
さらに、凝縮器表面がマイクロ構造体を持つ凝縮促進機能を有する凝縮器の採用により、凝縮面に生成される液膜の厚さを薄くでき、凝縮作用の効率化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】吸収式冷凍機の基本サイクルを示したものである。
【図２】本発明の実施の形態に係るインクジエットノズル方式を用いた液量制御機能を持つ蒸発器を説明するための概念図である。
【図３】本発明の実施の形態に係るインクジエットノズル方式を用いた微細化された液滴噴射による蒸気吸収促進機能を持つ吸収器を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る凝縮器表面がマイクロ構造体を持つ凝縮促進機能を有する凝縮器を説明するための概念図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る表面改質を利用した流れ制御による凝縮促進機能を有する凝縮器を説明するための概念図である。
【図６】本発明の実施の形態にかかる上記した蒸発器、吸収器、凝縮器を備えた吸収式小型冷却及び冷凍装置の全体構成を説明するための正面図である。
【符号の説明】
【００１９】
１      噴射ノズル
２      冷媒液滴
３      半導体チップ
４      加熱面
５      液膜
６      蒸気
７      ノズル
８      臭化リチウム液滴  
９      フィン
１０    吸収器の底面
１１    凝縮面
１２    溝
１３    フィン
１４    濡れ性の大な面
１５    濡れ性の小さな面
１６    溶液ポンプ
２０    蒸発器
３０    吸収器
４０    凝縮器
５０    再生器
【図１】
2006275433.tif 000003
【図２】
2006275433.tif 000004
【図３】
2006275433.tif 000005
【図４】
2006275433.tif 000006
【図５】
2006275433.tif 000007
【図６】
2006275433.tif 000008