(57)【要約】  発熱体に取り付けられ、流れる冷媒によって発熱体から熱を奪う受熱器と、流入した冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げて放出する熱交換器と、受熱器から熱交換器に冷媒を送る第１の流路と、熱交換器から受熱器に冷媒を送る第２の流路及び冷媒を移動させるポンプとを備える冷却装置であり、冷媒として、純水又はナノ粒子を含む不純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を使用した混合作動液を用い、凍結耐性を向上させた冷却装置である。
2015083256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げる熱交換器と、前記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備える冷却装置であって、
前記冷媒として、純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項２】
冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げる熱交換器と、前記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備える冷却装置であって、
前記冷媒として、添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記添加剤がナノ粒子である混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項４】
請求項３に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記ナノ粒子は、ＳｉＯ2，ＴｉＯ2，ＡＬ2Ｏ3などのセラミックスのナノ粒子、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔｉなどの金属のナノ粒子、グラフェン，フラーレン，カーボンナノチューブのナノ粒子の何れかである混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項５】
請求項１から４の何れか１項に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記第２の流路に前記混合作動液を移動させるポンプが設けられている混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項６】
請求項１から５の何れか１項に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記冷却装置の前記混合作動液を流れる流路には、前記混合作動液が減圧状態の飽和蒸気圧で封入されている混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項７】
請求項６に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記混合作動液が−６０ｋＰａ以上−１００ｋＰａ未満の減圧状態の飽和蒸気圧で封入されている混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項８】
プリント配線基板上に実装された発熱体を冷却する電子装置の冷却装置であって、
前記冷却装置が、前記発熱体に取り付けられ、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、
前記プリント配線基板上に配置された熱交換器と、
前記熱交換器を冷却風によって冷却するファンと、
前記記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、
前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備え、
前記冷媒として、純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項９】
プリント配線基板上に実装された発熱体を冷却する電子装置の冷却装置であって、
前記冷却装置が、前記発熱体に取り付けられ、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、
前記プリント配線基板上に配置された熱交換器と、
前記熱交換器を冷却風によって冷却するファンと、
前記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、
前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備え、
前記冷媒として、添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子装置の冷却装置であって、
前記添加剤がナノ粒子である混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の電子装置の冷却装置であって、
前記ナノ粒子は、ＳｉＯ2，ＴｉＯ2，ＡＬ2Ｏ3などのセラミックスのナノ粒子、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔｉなどの金属のナノ粒子、グラフェン，フラーレン，カーボンナノチューブのナノ粒子の何れかである混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項１２】
請求項８から１１の何れか１項に記載の電子装置の冷却装置であって、
前記第２の流路に前記混合作動液を移動させるポンプが設けられている混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項１３】
請求項８から１２の何れか１項に記載の電子装置の冷却装置であって、
前記冷却装置の前記混合作動液を流れる流路には、前記混合作動液が減圧状態の飽和蒸気圧で封入されている混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項１４】
請求項１３に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記混合作動液が−６０ｋＰａ以上−１００ｋＰａ未満の減圧状態の飽和蒸気圧で封入されている混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は混合作動液を用いた冷却装置及び電子装置の冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置に搭載された電子部品を、冷媒（作動液、作動流体）を用いて冷却する冷却装置、例えば、ヒートパイプが知られている。そして、冷媒には、地球温暖化に影響せず、高い冷却特性を備えた水を主体とした物質が使用されることが多い。水を主体として汎用ヒートパイプの熱輸送特性を向上させることができる、ヒートパイプ用の水ベース作動流体については特許文献１に開示がある。特許文献１には、純水に炭素数が３以上のアルコール（０．０１％〜２０％）とナノ粒子を加えた作動液が開示されている。【０００３】
しかし、水を主体とした冷媒は、寒冷環境での輸送、保管時において、水の凍結に伴って体積膨張するので、冷却装置が凍結破壊する虞がある。よって、特許文献１に開示の作動液は、熱輸送特性の向上は図れるが、凍結耐性はなく、寒冷環境での輸送、保管が行われるヒートパイプ用の作動流体としては適さない。【０００４】
そこで、冷却装置の凍結破壊防止のために、冷媒として水にエタノールを添加した混合作動液を作り、これを冷却装置に封入して凝固点降下させ、凍結耐性を向上させた冷却装置が提案されている。例えば、特許文献２には、水にエタノールやエチレングリコールを含む添加剤を混入させた冷媒を用いたスターリング冷凍機が開示されている。また、特許文献３には、作動流体として、トリフルオロエタノールを用いた熱移動装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２２４７７０号公報
【０００６】
【特許文献２】特開２００５−４２９４９号公報
【０００７】
【特許文献３】特公昭６３−１２５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献２に開示のスターリング冷凍機では、水にエタノールやエチレングリコールを含む添加剤を混入させ、添加剤混入後のエタノールまたはエチレングリコールの冷媒に占める割合を２０ｗｔパーセント以下にすることが記載されている。しかしながら、エタノールまたはエチレングリコールの冷媒に占める割合が２０ｗｔパーセントに近い混合作動液を用いると、水に比べて潜熱の低下が大きく、熱輸送量が低下して冷却装置では冷却性能が低下するという課題があった。また、特許文献３に記載のトリフルオロエタノール水溶液は暖房機用の作動流体であり、冷却装置用の作動流体ではない。【０００９】
１つの側面では、本出願は、冷媒の凍結耐性を向上させると共に、冷却性能を低下させない適切なエタノール濃度の冷媒を使用した混合作動液を使用した冷却装置及び電子装置の冷却装置を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１の形態によれば、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げる熱交換器と、受熱器から熱交換器に冷媒を送る第１の流路と、熱交換器から受熱器に冷媒を送る第２の流路とを備える冷却装置であって、冷媒として、純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた冷却装置が提供される。【００１１】
また、第２の形態によれば、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げる熱交換器と、受熱器から熱交換器に冷媒を送る第１の流路と、熱交換器から受熱器に冷媒を送る第２の流路とを備える冷却装置であって、冷媒として、添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた冷却装置が提供される。【００１２】
第３の形態によれば、プリント配線基板上に実装された発熱体を冷却する電子装置の冷却装置であって、冷却装置が、発熱体に取り付けられ、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、プリント配線基板上に配置された熱交換器と、熱交換器を冷却風によって冷却するファンと、受熱器から熱交換器に冷媒を送る第１の流路と、熱交換器から受熱器に冷媒を送る第２の流路とを備え、冷媒として、純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた電子装置の冷却装置が提供される。【００１３】
また、第４の形態によれば、プリント配線基板上に実装された発熱体を冷却する電子装置の冷却装置であって、冷却装置が、発熱体に取り付けられ、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、プリント配線基板上に配置された熱交換器と、熱交換器を冷却風によって冷却するファンと、受熱器から熱交換器に冷媒を送る第１の流路と、熱交換器から受熱器に冷媒を送る第２の流路とを備え、冷媒として、添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた電子装置の混合作動液を用いた冷却装置が提供される。
【発明の効果】
【００１４】
開示の冷却装置及び電子装置の冷却装置では、純水または添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を冷媒として封入しているので、混合作動液の凍結耐性が向上すると共に、冷却装置及び電子装置の冷却装置の冷却性能も低下しないという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は本出願の混合作動液を用いた冷却装置の構成を示す構成図である。
【図２】図２は水にエタノールを混合したエタノール水溶液の混合割合と温度に対する凝固の状態を示す平衡状態図である。
【図３】図３は冷却装置の冷却性能の測定系の構成を示す図である。
【図４】図４は純水にエタノールを混合したエタノール水溶液の濃度と冷却損失の関係を示す状態図である。
【図５Ａ】図５Ａは図３に示した却装置に純水を大気圧で封入した場合と減圧状態で封入した場合のエンタルピを比較する図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは図３に示した冷却装置のヒータを５００Ｗとし、冷却ファンからの風速を５ｍ／ｓにした時の、純水を減圧した圧力（ゲージ圧）の大きさと、冷却ユニット性能（熱抵抗）の測定結果を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは図５Ｂに示す純水を減圧した圧力（ゲージ圧）に対応する冷却性能比を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは本出願の冷却装置が適用されたＣＰＵモジュールの構造を示す斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは図６ＡのＣＰＵモジュールが複数搭載された電子装置を示す斜視図である。
【図７Ａ】図７Ａは純水に添加剤が含まれる水溶液にエタノールを混合したエタノール水溶液の濃度と冷却損失の関係を示す状態図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは図３に示した冷却装置のヒータ３５を５００Ｗとし、冷却ファンからの風速を５ｍ／ｓにし、環境温度を２１°Ｃにした状態での純水を使用した時と不純水を使用した時の冷却ユニット性能の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付図面を用いて本出願に係る混合作動液を用いた冷却装置及び電子装置の冷却装置の実施の形態を、具体的な実施例に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
図１は本出願の混合作動液を用いた冷却装置１０の一実施例の構成を示すものである。冷却装置１０は、冷媒である混合作動液を流すことによって、半導体パッケージ等の発熱体（被冷却体）８から熱を奪うヒートシンク(受熱器)１と、熱を奪って暖められた混合作動液から熱を放熱するラジエータ(熱交換器)３とを備えている。受熱器１において暖められた混合作動液は、受熱器１から熱交換器３に、送り流路（第１の流路）２によって送られる。また、熱交換器３において温度が下げられた混合作動液は、戻り流路（第２の流路）４によって熱交換器３から受熱器１に送られる。
【００１８】
更に、この実施例では、戻り流路４の途中に、混合作動液を移動させるポンプ５が設けられている。なお、受熱器１と熱交換器３との上下配置における高度差と、気体（ガス冷媒）と液体（液冷媒）との比重差を利用した自然循環を得ることができれば、ポンプ５などの外部動力を不要としても良い。このような構成を採用すると、電子装置の発熱量が増大した場合においても、受熱器１を混合作動液で強制的にかつ積極的に冷却することができるので、空冷で受熱器１を冷却していた場合に比べて、大幅に冷却性能を高めることができる。
【００１９】
ポンプ５により、混合作動液は、受熱器１、送り流路２、熱交換器３及び戻り流路４で形成される閉ループ流路内を循環する。本実施例では、熱交換器３に複数の放熱フィン６が設けられており、放熱フィン６は送風ファン７からの冷却風によって冷却され、熱交換器３内を流れる混合作動液の温度を低下させる。また、発熱体８と受熱器１との間には、発熱体８で発生した熱を効率良く受熱器１に伝達する熱伝導材料９が設けられている。
【００２０】
以上のような構造の冷却装置１０に封入する混合作動液には、純水にエタノールを加えることにより、エタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いる。純水は脱ガス処理した蒸留水１００質量％の水であり、この純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を作る。この混合作動液は、冷却装置の循環冷却水回路中に、真空度−１００ｋＰａ（ゲージ圧）にて真空注入して封止した。ここで、本出願の実施例では、混合作動液として、エタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を使用する理由について説明する。
【００２１】
図２は、純水にエタノールを混合したエタノール水溶液の混合割合と、温度を低下させて凍結実験した時の凝固の状態を示す平衡状態図である。横軸が純水とエタノールの質量混合割合（Ｗｔ．％）を示しており、横軸の右端が純水１００％の状態であり、横軸の左端がエタノール１００％の状態を示している。また、縦軸が温度を示しており、左側に温度を華氏（°Ｋ）で表示してあり、右側に温度を摂氏（°Ｃ）で表示してある。なお、以下の説明では、エタノール水溶液を単にエタノール水と記載することがある。
【００２２】
エタノール濃度が高くなるにつれて凝固点の温度が下がり、固相線と交差する−１２０°Ｃでアルコール水溶液が完全に凝固する。また、液相線と交差するエタノール３０質量％では凝固点が−２１°Ｃ、エタノール２０質量％では凝固点が−１１°Ｃ、エタノール１０質量％では凝固点が−４．５°Ｃであった。そして、エタノール５質量％の水溶液は、−３０°Ｃの氷点下環境では、水成分が凝固しても液体のアルコール成分により、混合作動液はシャーベット状体（氷ゲル）で柔軟性があり、安定して存在することが分った。このことは、−３０°Ｃの氷点下環境でも、混合作動液が凝固によって体積膨張しても、応力分散が働き、凍結破壊の防止が図れることを示している。
【００２３】
更に、エタノールの質量％が低いエタノール水溶液の凍結状態を調べるために、６本の試験管に純水と濃度の異なる５種類のエタノール水溶液をそれぞれ３ｃｍ3入れ、−３０°Ｃに保持した恒温槽内に放置した。５種類のエタノール水溶液は、エタノール０．１質量％の水溶液、エタノール０．５質量％の水溶液、エタノール１質量％の水溶液、エタノール５質量％の水溶液、及びエタノール１０質量％の水溶液である。この結果、純水を入れた試験管のみにクラックが生じ、底部破裂による沈降が見られた。この実験から、エタノール０．１質量％〜５質量％のエタノール水溶液は、−３０°Ｃで体積膨張による凍結破壊が起こらないことが確認できた。
【００２４】
次に、図３に示すような冷却装置２０の冷却性能の測定系を作成し、混合作動液の冷却性能について調べた。冷却装置２０は、蒸発器１１、蒸気管１２、ラジエータ１３、液管１４、循環ポンプ１５を備え、これらの内部を作動流体が循環する。蒸発器１１は、５００Ｗ級の発熱モジュール３０を製作して、この発熱モジュール３０の上に取り付けた。なお、ラジエータ１３は、図１に示した冷却装置１０が送風ファン７からの冷却風によって冷却されるように、送風ファンからの冷却風によって冷却されるが、図３に示す冷却装置２０には送風ファンの図示は省略してある。
【００２５】
発熱モジュール３０は、ベース３１の上にスペーサ３２を介して取り付けたリッド３３の上面に放熱グリース（伝熱材）３４を介して取り付けた。そしてリッド３３の下面には発熱体としてヒータ３５を取り付けた。リッド３３はヒータ３５の熱を拡散させるヒートスプレッダである。リッド３３は一辺が６３ｍｍの矩形状の板であり、板厚は２ｍｍ程度である。ベース３１の高さは２０ｍｍ程度であり、スペーサ３２の高さは５ｍｍ程度である。なお、作動流体（エタノール水溶液）との腐食耐性が必要であるので、ラジエータ１３には銅又はステンレスを使用し、内部の負圧を保つために、気密封止構造を採用している。
【００２６】
この測定系では、第１温度センサ２１で周囲温度を測定し、第２温度センサ２２で蒸発器１１の裏面温度を測定し、第３温度センサ２３でリッド３３の表面温度を測定し、第４温度センサ２４でヒータ３５の上面温度を測定して冷却装置２０の冷却性能を調べた。第２から第４温度センサには、熱電対を使用することができる。冷却装置２０の冷却性能は、冷却装置の熱抵抗によって算出することができ、冷却装置の熱抵抗は、例えば、（蒸発器裏面温度−周囲温度）÷（発熱量）によって算出することができる。
【００２７】
図４は、図３に示した測定系に、水にエタノールを混合したエタノール水溶液の濃度を変えて、水を１とした時の冷却性能比と冷却損失を測定したものである。この測定から、０．１〜５質量％の低アルコール濃度のエタノール水は、冷却損失が５Ｗ以下であり、冷却性能への影響が殆どないことが分った。これにより、０．１〜５質量％の低アルコール濃度のエタノール水を用いると、冷却性能を損なわずに凍結耐性を維持可能である。即ち、０．１〜５質量％の低アルコール濃度のエタノール水は冷却効率に影響がない。なお、実用的には、１〜２質量％の低アルコール濃度のエタノール水が取扱い容易であり、冷却損失も１Ｗ以下である。
【００２８】
次に、図３に示した冷却装置２０の冷却性能の測定系において、純水を減圧して飽和蒸気圧で封入して、温度に対する比エンタルピを調べた。図５Ａは温度に対する比エンタルピの関係を大気圧状態と減圧状態とを比較して示すものである。図５Ａでは、破線が大気圧状態を示しており、実線が減圧状態を示している。水は大気圧では１００°Ｃで沸騰するが、減圧して沸点を５０°Ｃ〜６０°Ｃに下げると、高発熱のＣＰＵに適用できる水冷比５倍の高い輸送能力の冷却が可能になる。
【００２９】
また、図５Ｂは図３に示した冷却装置２０のヒータ３５を５００Ｗとし、冷却ファンからの風速を５ｍ／ｓにした時に、純水を減圧した圧力（ゲージ圧）の大きさと、冷却ユニット性能（熱抵抗）を測定したものである。更に、図５Ｃは図５Ｂに示す純水を減圧した圧力（ゲージ圧）に対応する冷却性能比を示すものである。
【００３０】
図５Ｃから分かるように、純水を減圧した圧力（ゲージ圧）が大きいほど冷却性能比が良いが、−６０ｋＰａに変曲点があり、−６０ｋＰａから−１００ｋＰａ未満が有効範囲であると言える。そこで、実施例では、一例として、減圧状態を−８０ｋＰａとした。ここで、０°Ｃの水を加熱して水が水蒸気に変化する状態を、図５Ａを用いて大気圧状態と減圧状態で比較する。大気圧状態では、水が水蒸気に変化するためには、４１９ｋＪ／ｋｇの顕熱と２２５７ｋＪ／ｋｇの蒸発潜熱が必要である。これに対して、減圧状態では破線で示すように減圧沸騰が発生して５０〜６０°Ｃで水が水蒸気に変化する。このため、減圧によって沸点が低下した蒸発潜熱を利用することにより、大気圧状態よりも大きな熱輸送が可能になる。
【００３１】
そして、エタノールの蒸発潜熱は８３８ｋＪ／ｋｇと水の蒸発潜熱に比べると低いが、５質量％程度のエタノール水であれば、蒸発潜熱は水と殆ど変らないので、５質量％程度のエタノール水を使用した冷却装置であっても減圧効果は得られる。なお、エタノール水自体は、大気圧での使用、即ち、一般での水冷など、液冷でも条件が合えば減圧せずに使用される可能性がある。
【００３２】
図６Ａは図１で説明した本出願の冷却装置１０が適用されたＣＰＵモジュール４０の構造を示すものである。ＣＰＵモジュール４０のプリント配線板４１の上にはパッケージＣＰＵ４２やメモリであるＤＩＭＭ４３等の発熱部品が実装されており、冷却装置１０はこれらの発熱部品の冷却のためにプリント配線板４１の上に配置される。受熱器１は２つあるパッケージＣＰＵ４２の上にそれぞれ取り付けられており、プリント配線板４１のパッケージＣＰＵ４２の実装位置と反対側に熱交換器３と送風ファン７が２つずつ設けられている。そして、受熱器１と熱交換器３が送り流路２と戻り流路４で接続され、内部に減圧状態で封入された０．１〜５質量％の低アルコール濃度のエタノール水が循環している。このような構造を備えるＣＰＵモジュール４０は、図６Ｂに示すようにラック架台４４に複数台収納されて電子装置５０、例えば、サーバシステム５０が形成される。
【００３３】
以上説明した実施例では、混合作動液として、純水に０．１〜５質量％のエタノールが混入された低アルコール濃度のエタノール水が使用されている。一方、混合作動液として、純水ではなく、純水に添加物を混入した水（不純水）を使用することができる。添加物としては、例えば、ＳｉＯ2，ＴｉＯ2，ＡＬ2Ｏ3等のセラミックスのナノ粒子、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ｔｉ等の金属のナノ粒子、及びグラフェン，フラーレン，カーボンナノチューブ等のナノ粒子がある。
【００３４】
そこで、次に、不純水に０．１〜５質量％のエタノールが混入された低アルコール濃度のエタノール水を混合作動液として用いた実施例について説明する。不純水を用いた混合作動液についても、純水に０．１〜５質量％のエタノールが混入された低アルコール濃度のエタノール水を混合作動液として用いた実施例と同様の測定を行った。
【００３５】
まず、添加物が混入された不純水にエタノールを混合したエタノール水溶液の混合割合と、温度を低下させて凍結実験を行った。この実験では、図２で説明した、純水にエタノールを混合したエタノール水溶液の混合割合と、温度を低下させて凍結実験とほぼ同様の結果が得られた。即ち、不純水にエタノール５質量％を混入した水溶液は、−３０°Ｃの氷点下環境では、水成分が凝固しても液体のアルコール成分により、混合作動液はシャーベット状体（氷ゲル）で柔軟性があり、安定して存在することが分った。このことは、不純水を用いても−３０°Ｃの氷点下環境でも、混合作動液が凝固によって体積膨張しても、応力分散が働き、凍結破壊の防止が図れることを示している。
【００３６】
更に、純水と不純水の、エタノール０．１質量％のエタノール水溶液の凍結状態を比較する実験を行った。２本の試験管に純水と不純水のエタノール０．１質量％の水溶液をそれぞれ３ｃｍ3入れ、−３０°Ｃに保持した恒温槽内に放置した。この結果、両方の試験管ともクラックは生じず、底部破裂による沈降も見られなかった。この実験から、不純水を用いたエタノール０．１質量％のエタノール水溶液も、−３０°Ｃで体積膨張による凍結破壊が起こらないことが確認できた。
【００３７】
次に、図３で説明した冷却装置２０の冷却性能の測定系を用いて、不純水を用いた混合作動液の冷却性能について調べた。図７Ａは、図３に示した測定系に、不純水にエタノールを混合したエタノール水溶液の濃度を変えて、水を１とした時の冷却性能比と冷却損失を測定したものである。
【００３８】
また、図３に示した冷却装置２０のヒータ３５を５００Ｗとし、冷却ファンからの風速を５ｍ／ｓにし、環境温度を２１°Ｃにした時に、純水を使用した時と、不純水を使用した時の冷却ユニット性能（熱抵抗）を測定した結果を、図７Ｂに示す。この時のリッド（クーリングプレート）３３の寸法は４０ｍｍ×１０ｍｍとした。図７Ｂに記載の「エタノール水」は、純水に０．１〜５質量％のエタノールを加えた作動液であり、「不純水」は、純水に０．１〜５質量％のエタノールと添加物を凝固核となるように加えた混合作動液である。
【００３９】
図７Ａ、図７Ｂから、「不純水」は、冷却損失が５Ｗ以下であり、冷却性能［（クーリングプレート温度−環境温度）÷（発熱量）］は「エタノール水」よりも向上していることが分る。これにより、「不純水」を用いた方が「エタノール水」より冷却性能が良く、凍結耐性を向上させることが可能である。即ち、「不純水」は、冷却損失には影響がなく、冷却性能が「エタノール水」より良い。このように、「不純水」の方が冷却性能が良い理由は、液相から気相への変化を伴う蒸発熱を利用したいわゆる沸騰冷却では、添加物である微粒子（凝固核）が沸騰核となり、伝熱促進効果が得られるためである。なお、実用的には、１〜２質量％の低アルコール濃度の「不純水」が取扱い容易であり、冷却損失も１Ｗ以下である。
【００４０】
更に、図３に示した冷却装置２０の冷却性能の測定系において、「不純水」を減圧して封入して、温度に対する比エンタルピを調べたが、図５Ａに示した結果と同じ結果が得られた。従って、「不純水」を用いても、減圧によって沸点が低下した蒸発潜熱を利用することにより、大気圧状態よりも大きな熱輸送が可能になる。以上のことから、０．１〜５質量％の低アルコール濃度の「不純水」は、図６Ａに示したＣＰＵモジュール４０にも使用できる。
【００４１】
なお、前述の特許文献１に記載のヒートパイプ用作動流体には、純水に炭素数が３以上のアルコール０．０１〜２０質量％を加え、本願の凝固核に相当するナノ粒子を加えた作動液が開示されているが、この作動液は本願の「不純水」とは組成が異なる。これは、特許文献１に開示の作動液が、アルコールを炭素数３以上に限定してマランゴニ対流を熱輸送に有効に活用するためであり、熱輸送性能の向上を図る組成であって、凍結耐性を得るための組成ではないからである。炭素数が大きなアルコールは水に溶け難く、不凍性が得られないことからも明らかである。これに対して、本願の「不純水」は、水に溶けやすい炭素数が２のエタノールを使用するものであり、不凍性を得るための組成であるので、凍結耐性があり、特許文献１に開示の作動液とは大きく異なるものである。
【００４２】
以上説明したように、本出願の０．１〜５質量％の低アルコール濃度の「エタノール水」または「不純水」を混合作動液として封入した冷却装置によれば、混合作動液の凍結性能が向上すると共に、冷却装置の冷却性能も低下しないという効果がある。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年5月13日(2016.5.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げる熱交換器と、前記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備える冷却装置であって、
前記冷媒として、純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項２】
冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、冷媒から熱を放熱して冷媒温度を下げる熱交換器と、前記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備える冷却装置であって、
前記冷媒として、添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項３】
請求項２に記載の混合作動液を用いた冷却装置であって、
前記添加剤がナノ粒子である混合作動液を用いた冷却装置。
【請求項４】
プリント配線基板上に実装された発熱体を冷却する電子装置の冷却装置であって、
前記冷却装置が、前記発熱体に取り付けられ、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、
前記プリント配線基板上に配置された熱交換器と、
前記熱交換器を冷却風によって冷却するファンと、
前記記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、
前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備え、
前記冷媒として、純水にエタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【請求項５】
プリント配線基板上に実装された発熱体を冷却する電子装置の冷却装置であって、
前記冷却装置が、前記発熱体に取り付けられ、冷媒を流して発熱体から熱を奪う受熱器と、
前記プリント配線基板上に配置された熱交換器と、
前記熱交換器を冷却風によって冷却するファンと、
前記受熱器から前記熱交換器に前記冷媒を送る第１の流路と、
前記熱交換器から前記受熱器に前記冷媒を送る第２の流路とを備え、
前記冷媒として、添加剤を含む水溶液に、エタノールを加えてエタノール０．１質量％から５質量％のアルコール濃度を備えた混合作動液を用いた電子装置の冷却装置。
【国際調査報告】
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