(57)【要約】【課題】ペルチェモジュールとは異なる機構による、制御が容易でＣＯＰも向上させることのできる冷却装置の提供。【解決手段】冷却装置１は、熱移動機器１０と、電気熱量効果膜２０と、熱移動機器３０と、ヒートシンク４０とを順次積層して構成されている。電気熱量効果膜２０の上下に配設された一対の電極２１に電圧を印加後、電圧の印加を中断すると、その電気熱量効果膜２０の温度は降下し、発熱素子９９より低温となる。この温度差のため、電気熱量効果膜２０は吸熱し、その吸熱の効果は熱移動機器１０を介して発熱素子９９にも及び、発熱素子９９を冷却することができる。一方、電気熱量効果膜２０へ電圧を印加すると、電気熱量効果膜２０の温度は上昇するが、ヒートパイプからなる熱移動機器１０は熱輸送方向が一方向（上向きのみ）であるため、その熱は熱移動機器１０を介して発熱素子９９に及ぶことが抑制され、ヒートシンク４０を介して放熱される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱素子に一方の側が熱的に接続され、熱輸送方向が前記一方の側から他方の側に向かう一方向に制限された第１熱輸送手段と、
前記第１熱輸送手段の前記他方の側に熱的に接続され、電気熱量効果を有する電気熱量効果膜と、
前記電気熱量効果膜に電圧を印加する電極と、
前記電気熱量効果膜に熱的に接続された放熱手段と、
を備えたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記第１熱輸送手段は、作動液が封入され、前記一方の側に前記作動液の蒸発部が設けられ、前記他方の側に前記作動液の凝縮部が設けられ、前記一方の側を前記他方の側よりも下方に配置して使用される熱ダイオード型のヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記電気熱量効果膜と前記放熱手段との間には、前記電気熱量効果膜に一方の側が熱的に接続され、前記放熱手段に他方の側が熱的に接続され、熱輸送方向が前記一方の側から前記他方の側に向かう一方向に制限された第２熱輸送手段を、
更に備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記電極は、隣接する電極間にそれぞれ前記電気熱量効果膜が配設されるように３つ以上平行に配設され、隣接する電極間に電圧が印加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱素子を冷却する冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、発熱素子（例えば基板上に実装されたトランジスタ等のように発熱する電子部品）は、その発熱素子を利用した処理の速度が向上するに伴って発熱量も増加する傾向にある。そこで、このような発熱素子を冷却するための冷却装置が、種々提案されている。
【０００３】
例えば、発熱素子をベーパチャンバと呼ばれる平面型のヒートパイプを介してペルチェモジュールの吸熱側に熱的に接続し、そのペルチェモジュールの放熱側にヒートシンクを熱的に接続した装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−７１９６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１では、ペルチェモジュールの最大吸熱量等を適切に設定することによる効率（成績係数：ＣＯＰ）の向上を図っているが、発熱素子の温度を１０℃低下させる場合でＣＯＰ＝２とするのが限界とされている。これは、ペルチェモジュールは電流を流されることによって一方の側から他方の側へ空間的に熱を移動させるものであるため、電流を流すことによるジュール熱の発生や、ペルチェモジュール自身に熱伝導による熱の逆流が発生することが原因と考えられる。また、特許文献１の装置では、ＣＯＰが０．７５以上となるように電流を制御しなければ、ペルチェモジュール及びベーパチャンバを備えずにヒートシンクのみを使用した場合よりも発熱素子の温度が高くなってしまうため、複雑な制御機構が必要となる。
【０００６】
そこで、本発明は、ペルチェモジュールとは異なる機構を利用することにより、制御が容易でＣＯＰも良好に向上させることのできる効率のよい冷却装置を提供することを目的としてなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達するためになされた本発明の冷却装置では、発熱素子に一方の側が熱的に接続された第１熱輸送手段は、熱輸送方向が前記一方の側から他方の側に向かう一方向に制限されている。この第１熱輸送手段の前記他方の側には、電気熱量効果を有する電気熱量効果膜が熱的に接続されている。更に、その電気熱量効果膜には、放熱手段が熱的に接続されている。
【０００８】
このため、電極を介して前記電気熱量効果膜に電圧を印加後、電圧の印加を中断すると、その電気熱量効果膜の温度は降下し、発熱素子より低温となる。その結果、電気熱量効果膜は、第１熱輸送手段を介して発熱素子の熱を吸収し、発熱素子を冷却することができる。一方、電気熱量効果膜へ電圧を印加すると、その電気熱量効果膜の温度は上昇するが、第１熱輸送手段は熱輸送方向が一方向であるため、その熱は第１熱輸送手段を介して発熱素子に及ぶことが抑制され、放熱手段を介して放熱される。
【０００９】
したがって、本発明では、電気熱量効果膜への電圧の印加／印加中断を繰り返すことによって発熱素子を冷却することができる。このため、制御が容易になるばかりでなく、冷却に際して電気熱量効果膜に電流も流れないのでジュール熱の発生も抑制され、良好にＣＯＰを向上させることができ効率的に冷却を行うことができる。また、本発明では、ペルチェモジュールの両面間に生じる空間的な温度差を利用するのではなく、同一の電気熱量効果膜における時間的な温度差を利用しているので、熱の逆流も抑制することができる。
【００１０】
なお、前記第１熱搬送手段としては、種々の形態が考えられるが、例えば、前記第１熱輸送手段は、作動液が封入され、前記一方の側に前記作動液の蒸発部が設けられ、前記他方の側に前記作動液の凝縮部が設けられ、前記一方の側を前記他方の側よりも下方に配置して使用される熱ダイオード型のヒートパイプであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した冷却装置を表す要部構成図である。
【図２】その冷却装置の変形例を表す要部構成図である。
【図３】その冷却装置の他の変形例を表す要部構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［実施形態の構成］
次に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。図１に示すように、本実施形態の冷却装置１は、熱移動機器１０と、電気熱量効果膜２０と、熱移動機器３０と、ヒートシンク４０とを順次積層して構成されている。
【００１３】
熱移動機器１０は、ベーパチャンバと呼ばれる平面型のヒートパイプにて構成されている。この熱移動機器１０は、内部に作動液（例えば純水）が封入されているものの下面１３と上面１５とを直接結ぶウィックを有さないため、熱輸送方向が蒸発部としての下面１３から凝縮部としての上面１５に向かう一方向に制限されている。この熱移動機器１０の下面１３は熱伝導性グリース（ゲル材）１１を介して発熱素子９９の上面に熱的に接続されている。
【００１４】
下面１３及び上面１５は、それぞれ発熱素子９９の上面よりも大きい伝熱面積を有して、発熱素子９９の熱を拡散する構成をなしている。また、下面１３よりも上面１５の方が大きい伝熱面積を有し、その上面１５には、電気熱量効果膜２０が電極２１を介して積層されている。電気熱量効果膜２０は、その水平断面（上下面形状）が熱移動機器１０の上面１５と同一形状で、その水平断面と同一形状の一対の平板状の電極２１に上下から挟まれている。そして、その一対の電極２１の間には、電源２３から電圧を印加可能に構成されている。一対の電極２１に印加される電圧に応じて、電気熱量効果膜２０は相変化を起こし、エントロピの変化によりその電気熱量効果膜２０の温度が上昇，降下する。この電気熱量効果膜２０の下面は、下側の電極２１を介して熱移動機器１０の上面１５に熱的に接続されている。
【００１５】
上側の電極２１の上面には、熱移動機器１０と同じくベーパチャンバと呼ばれる平面型のヒートパイプにて構成された熱移動機器３０の下面３１が熱的に接続されている。熱移動機器３０の下面３１及び上面３２は、いずれも熱移動機器１０の上面１５同一形状で、上面３２はヒートシンク４０のベース４１の下面に熱的に接続されている。この熱移動機器３０も、熱輸送方向が下面３１から上面３２に向かう一方向に制限されている。ヒートシンク４０は、平面型のベース４１の上にフィン４３を立設した一般的な形状を有している。
【００１６】
このため、一対の電極２１を介して電気熱量効果膜２０に電圧を印加後、電圧の印加を中断すると、その電気熱量効果膜２０の温度は降下し、発熱素子９９より低温となる。この温度差のため、電気熱量効果膜２０は吸熱し、その吸熱の効果は熱移動機器１０を介して発熱素子９９にも及び、発熱素子９９を冷却することができる。一方、電気熱量効果膜２０へ電圧を印加すると、電気熱量効果膜２０の温度は上昇するが、熱移動機器１０は熱輸送方向が一方向であるため、その熱は熱移動機器１０を介して発熱素子９９に及ぶことが抑制され、ヒートシンク４０を介して放熱される。
【００１７】
電気熱量効果膜２０の材料としては、フッ化ビニリデントリフルオロエチレンコポリマなどが考えられる。成膜方法としては、メチルエチルケトン等の溶剤に溶解した後に、キャスト法で作る方法などが考えられる。電気熱量効果膜２０に電圧を印加するための電極２１としては、蒸着法で作製したアルミニウムなどが考えられる。また、アルミニウム表面が熱移動機器１０と電気的にショートしないようにするため、アルミニウム表面を陽極酸化して、絶縁性の酸化アルミニウムを形成してもよい。
【００１８】
［実施形態の効果］
次に、冷却装置１を具体的に設計してその効果を検証した。電気熱量効果膜２０は、１２℃以上の大きな温度変化することが知られているフッ化ビニリデントリフルオロエチレンコポリマで検討した。電気熱量効果膜２０の寸法は、７０ｍｍ×７０ｍｍ×０．１ｍｍとした。また、本実施形態では、ヒートシンク４０のフィン４３の上にシステムファン７０を設けて、送風冷却する構成とした。
【００１９】
発熱素子９９の上面は１０ｍｍ×１０ｍｍとし、発熱素子９９を形成するＣＰＵの最大消費電力は３０Ｗとした。このため、発熱素子９９の発熱密度は３０Ｗ／ｃｍ2 となる。熱伝導性グリース１１の熱抵抗率は１℃／Ｗで厚さは１００μｍとした。ヒートシンク４０は、特許文献１と同様、ベース４１の大きさを７０ｍｍ×７０ｍｍ×６．５ｍｍとし、フィン４３は、高さ３０ｍｍ厚さ０．６ｍｍのものを２４枚（図１では一部の図示を省略）配列した。また、ヒートシンク４０はアルミニウム製で、アルミニウムの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・Ｋとした。熱移動機器１０は、上面１５を７０ｍｍ×７０ｍｍとし、下面１３はその約８０％の面積として、厚さ５ｍｍの銅製容器とした。
【００２０】
環境温度４０℃で、システムファン７０から２．６ｍ／ｓの風を送る場合、ヒートシンク４０を直接、熱伝導性グリース１１を介して発熱素子９９に装着した第１比較例では、発熱素子９９が８６℃に達することが分かった。電気熱量効果膜２０の代わりにペルチェモジュールを用いて特許文献１と同様に構成した第２比較例では、ペルチェモジュールの上下面の温度差が１５℃でＣＯＰが２となるように電流値を制御すると、発熱素子９９は７２℃に維持でき、１２℃の冷却効果があることが分かった。このときの消費電力は１５Ｗであった。
【００２１】
これに対して、本実施形態では、０．１ｓの電圧印加と０．９ｓの印加中断とを繰り返すことで、３Ｗの消費電力で、第２比較例と同等の７２℃に発熱素子９９を維持することができ、１２℃の冷却効果があることが分かった。
【００２２】
このように、本実施形態の冷却装置１では、電気熱量効果膜２０への電圧の印加／印加中断を繰り返すことによって発熱素子９９を冷却することができる。このため、電圧値は固定でよく制御が容易になるばかりでなく、冷却に際して電気熱量効果膜２０に電流も流れないのでジュール熱の発生も抑制され、良好にＣＯＰを向上させることができる。また、本実施形態の冷却装置１では、ペルチェモジュールの両面間に生じる空間的な温度差を利用するのではなく、同一の電気熱量効果膜２０における時間的な温度差を利用しているので、熱の逆流も抑制することができる。このように、本実施形態の冷却装置１は、必要な投入エネルギが少なく、良好な冷却能力を有している。
【００２３】
［本発明の他の実施形態］
なお、前記実施形態において、熱移動機器１０が第１熱輸送手段に、熱移動機器３０が第２熱輸送手段に、ヒートシンク４０が放熱手段に、それぞれ相当する。また、本発明は前記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の形態で実施することができる。例えば、放熱手段は携帯電話の筐体等であってもよく、冷水ジャケット等、水冷またはその他の冷媒を使用したものであってもよい。
【００２４】
また、図２に示す冷却装置１０１のように、熱移動機器３０は省略されてもよい。ただし、熱移動機器３０があった方が、効率的に発熱素子９９の冷却を行えることはいうまでもない。すなわち、本発明において、前記電気熱量効果膜と前記放熱手段との間には、前記電気熱量効果膜に一方の側が熱的に接続され、前記放熱手段に他方の側が熱的に接続され、熱輸送方向が前記一方の側から前記他方の側に向かう一方向に制限された第２熱輸送手段（３０）を、更に備えてもよい。その場合、発熱素子（９９）を一層効率的に冷却することができる。
【００２５】
また、図３に示す冷却装置２０１のように、電源２３の各電極から複数の平板状の電極２２１を分岐させて交互に平行に積層配置し、上下に隣接する各電極２２１の間に電気熱量効果膜２２０の層を配設してもよい。
【００２６】
電気熱量効果膜は、発熱素子９９から除去が必要な熱量に応じて必要な体積（特に厚さ）が決定される。しかしながら、冷却装置１のように電気熱量効果膜２０の上下に一対の電極２１を配設しただけの場合、電気熱量効果膜２０の厚さが増大すると一対の電極２１の間に高い電圧を印加する必要が生じ、電気熱量効果膜２０に絶縁破壊が生じる場合がある。すると、冷却装置１の耐久性が低下してしまう。
【００２７】
これに対して、冷却装置２０１のように３つ以上の電極を平行に積層配置した場合、隣接する電極２２１間に印加される電圧は低くても、全体として大きな厚さを有する電気熱量効果膜２２０の厚さ方向全体に亘って良好に吸熱，発熱を起こさせることができる。したがって、冷却装置２０１では、比較的低い電圧を印加することによって発熱素子９９から比較的大量の熱量を除去することができる。なお、この実施形態においても、熱移動機器３０は省略されてもよい。
【００２８】
すなわち、本発明において、前記電極は、隣接する電極間にそれぞれ前記電気熱量効果膜が配設されるように３つ以上平行に配設され、隣接する電極間に電圧が印加されてもよい。その場合、比較的低い電圧の印加により発熱素子から比較的大量の熱量を除去することができる。
【００２９】
また更に、本発明は、必ずしも発熱素子と第１熱搬送手段と電気熱量効果膜とが鉛直方向に積層されるものに限定されるものではなく、多少斜めに傾いていてもよく、特開平６−１２９７８７号公報に記載のように第１熱搬送手段が横方向にも熱を伝達してもよい。更に、電極も、電気熱量効果膜の絶縁破壊が生じない範囲で水平方向に対向配置されてもよく、電気熱量効果膜は前記以外の他の材料で製造されてもよい。また、前記各実施形態において、第１熱輸送手段，第２熱輸送手段としては、前述のようなヒートパイプタイプの熱移動機器１０，３０以外にも、種々のタイプのものを適用することができる。
【符号の説明】
【００３０】
１，１０１，２０１…冷却装置        １０，３０…熱移動機器
２０，２２０…電気熱量効果膜        ２１，２２１…電極
２３…電源                          ４０…ヒートシンク
７０…システムファン                ９９…発熱素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2015094552.tif 000005