(57)【要約】【課題】安価に構成可能で高効率に熱を吸収・拡散するとともに、小型化を図ること。【解決手段】冷却装置１は、素地面３ａ，３ｂそれぞれがナノピラー２を有するナノグラス構造１１ａ，１１ｂからなるナノグラス構造体５ａ，５ｂと、これらをナノグラス構造１１ａ，１１ｂ同士が所定間隔で対向配置されるように連結し内部空間７を密閉する絶縁スペーサ６と、内部空間７に封入された冷媒８と、ナノグラス構造体５ａ，５ｂ間に直流電圧を印加する電源９とを備える。冷媒８は、内部空間７において、親水性および超撥水性の特性となったナノグラス構造１１ａ，１１ｂ間で気体および液体の循環サイクルを繰り返し、発熱体１０からの熱を効率よく放熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を冷却するための冷却装置であって、
通常の状態で疎水性を示し、電圧が印加された状態で親水性を示すナノグラス構造がそれぞれの一方の面に形成され、導電性素材からなる一対の板状のナノグラス構造体と、
それぞれの一方の面を対向させて前記一対のナノグラス構造体を配置させて、前記一対のナノグラス構造体の間に密閉された内部空間を形成するように前記一対のナノグラス構造体を連結する絶縁体と、
前記内部空間に封入された冷媒と、
前記一対のナノグラス構造体の一方から他方に向けて直流電圧を印加する電源とを備えた
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記印加側のナノグラス構造体のナノグラス構造を有しない他方の面に発熱体を接続することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記印加側のナノグラス構造体のナノグラス構造を有しない他方の面に冷却補助部材をさらに接続することを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記発熱体は、半導体素子であることを特徴とする請求項２又は３記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷媒は、前記印加されていない状態において、前記一対のナノグラス構造体のナノグラス構造の先端いずれとも接する状態で前記内部空間に封入されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の冷却装置。
【請求項６】
発熱体を冷却するための冷却構造であって、
通常の状態で疎水性を示し、電圧が印加された状態で親水性を示すナノグラス構造がそれぞれの一方の面に形成され、導電性素材からなる一対の板状のナノグラス構造体と、
それぞれの一方の面を対向させて前記一対のナノグラス構造体を配置させて、前記一対のナノグラス構造体の間に密閉された内部空間を形成するように前記一対のナノグラス構造体を連結する絶縁体と、
前記内部空間に封入された冷媒と、
前記一対のナノグラス構造体の一方から他方に向けて直流電圧を印加する電源とを備えた冷却装置の前記一対のナノグラス構造体のうちの前記印加側のナノグラス構造体の前記一方の面と反対側の他方の面に発熱体を接続し、
前記電源によって直流電圧を印加することで前記印加側のナノグラス構造体の前記一方の面の特性を超撥水性から親水性に変化させるとともに、前記電圧の接地側のナノグラス構造体の前記一方の面の特性を超撥水性のまま保持させ、
前記発熱体からの熱を前記内部空間における前記冷媒の気化及び液化の循環サイクルによって前記発熱体が接続された前記印加側のナノグラス構造体から前記接地側のナノグラス構造体へ熱伝導して外部に放熱し当該発熱体を冷却することを特徴とする冷却構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱を発生する発熱体を冷却する冷却装置及び冷却構造に関し、特にナノグラス構造を利用して冷却性能を向上させることができる冷却装置及び冷却構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、半導体レーザダイオードやＩＣチップなど熱を発する発熱体を冷却する構造として、例えば銅やダイヤモンドなどの熱伝導率が高い材料を用いたヒートスプレッダ構造を実現するマイクロチャネル構造やその組立方法、さらには半導体接合によるその構成方法などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−１３７１７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、上述した特許文献１に記載されている従来技術では、冷却に用いる冷媒の循環に際して、例えば高圧のポンプ装置や噴霧装置などが必要となり、全体として高価な構造となってしまうおそれがあるという問題がある。
【０００５】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、安価に構成可能で高効率に熱を吸収・拡散することができるとともに、小型化を図ることができる冷却装置及び冷却構造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】
本発明に係る冷却装置は、発熱体を冷却するための冷却装置であって、通常の状態で疎水性を示し、電圧が印加された状態で親水性を示すナノグラス構造がそれぞれの一方の面に形成され、導電性素材からなる一対の板状のナノグラス構造体と、それぞれの一方の面を対向させて前記一対のナノグラス構造体を配置させて、前記一対のナノグラス構造体の間に密閉された内部空間を形成するように前記一対のナノグラス構造体を連結する絶縁体と、前記内部空間に封入された冷媒と、前記一対のナノグラス構造体の一方から他方に向けて直流電圧を印加する電源とを備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、印加側のナノグラス構造体のナノグラス構造を有しない他方の面に発熱体を接続する構成とされていてもよい。また、印加側のナノグラス構造体のナノグラス構造を有しない他方の面に冷却補助部材をさらに接続する構成とされていてもよい。さらに、発熱体は、半導体素子であるとよい。
【０００８】
本発明に係る冷却構造は、発熱体を冷却するための冷却構造であって、通常の状態で疎水性を示し、電圧が印加された状態で親水性を示すナノグラス構造がそれぞれの一方の面に形成され、導電性素材からなる一対の板状のナノグラス構造体と、それぞれの一方の面を対向させて前記一対のナノグラス構造体を配置させて、前記一対のナノグラス構造体の間に密閉された内部空間を形成するように前記一対のナノグラス構造体を連結する絶縁体と、前記内部空間に封入された冷媒と、前記一対のナノグラス構造体の一方から他方に向けて直流電圧を印加する電源とを備えた冷却装置の前記一対のナノグラス構造体のうちの前記印加側のナノグラス構造体の前記一方の面と反対側の他方の面に発熱体を接続し、前記電源によって直流電圧を印加することで前記印加側のナノグラス構造体の前記一方の面の特性を超撥水性から親水性に変化させるとともに、前記電圧の接地側のナノグラス構造体の前記一方の面の特性を超撥水性のまま保持させ、前記発熱体からの熱を前記内部空間における前記冷媒の気化及び液化の循環サイクルによって前記発熱体が接続された前記印加側のナノグラス構造体から前記接地側のナノグラス構造体へ熱伝導して外部に放熱し当該発熱体を冷却することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、安価に構成可能で高効率に熱を吸収・拡散することができるとともに、小型化を図ることができる冷却装置及び冷却構造を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、添付の図面を参照して、本発明の一実施形態に係る冷却装置及び冷却構造について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る冷却装置の構造を示す断面図である。また、図２および図３は、同冷却装置における熱伝導の様子を示す説明図である。図１および図２に示すように、冷却装置１は、一方の素地面３ａ，３ｂ上の領域それぞれが通常の状態で疎水性を示し、電圧が印加された状態で親水性を示すナノグラス構造１１ａ，１１ｂを有する一対のナノグラス構造体５ａ，５ｂと、これらナノグラス構造体５ａ，５ｂを、ナノグラス構造１１ａ，１１ｂが所定の間隔を空けて対向配置されるとともにナノグラス構造体５ａ，５ｂ間が密閉状態となるように連結する絶縁スペーサ６と、ナノグラス構造体５ａ，５ｂ間の密閉された内部空間７に封入された流体などからなる冷媒８と、ナノグラス構造体５ａからナノグラス構造体５ｂに向けて直流電圧を印加するための電源９とを備えている。
【００１２】
ナノグラス構造１１ａ，１１ｂは、ここでは例えば直径数十ｎｍの微細な柱状体（毛状体）であるナノピラー２が素地面３ａ，３ｂの面方向に沿って複数立設された構造からなる。また、冷却装置１のナノグラス構造体５ａ，５ｂのうちの電源９による直流電圧印加側のナノグラス構造体５ａにおいては、ナノグラス構造１１ａと板厚方向に反対側の他方の表面４ａに、発熱体１０が図示しない熱伝導性接着剤を介して接続されている。
【００１３】
ナノグラス構造体５ａ，５ｂは、例えば導電性を有する導電性金属素材の銅やステンレス、あるいは半導体素材のシリコン結晶などの導電性素材からなり、絶縁スペーサ６は、例えば絶縁性の樹脂成形部材などからなる。また、冷媒８は、水、アルコール、フロンなどからなり、発熱体１０は、半導体レーザダイオード（ＬＤ）やＩＣチップなどの熱を発する半導体素子などの部材によって構成される。また、この発熱体１０をナノグラス構造体５ａの表面４ａに接続する熱伝導性接着剤は、熱伝導性の高い半田や伝熱グリースなどからなる。
【００１４】
なお、図示は省略するが、発熱体１０は、ナノグラス構造体５ａの表面４ａ上に複数接続されていてもよい。また、ナノグラス構造体５ａ，５ｂのうちの電源９による直流電圧接地側のナノグラス構造体５ｂにおいては、ナノグラス構造１１ｂと板厚方向に反対側の他方の表面４ｂに、冷却装置１の冷却効果を増加させるための冷却補助部材であるヒートシンクや冷却ファン装置が接続されていてもよい。
【００１５】
本例において、冷媒８は、直流電圧が印加されていない状態において、一対のナノグラス構造体５ａ，５ｂのナノグラス構造１１ａ、１１ｂにおけるナノピラー２の先端いずれとも接する状態で内部空間７に封入されている。したがって、冷却装置１は、電源９による直流電圧の印加前においては、内部空間７における液状の冷媒８が図２（ａ）に示すような状態となっている。すなわち、図２（ａ）に示すように、冷媒８は、その重力によってナノグラス構造体５ａのナノピラー２の先端を若干浸すが、直流電圧印加前の状態において、ナノグラス構造体５ａ，５ｂのナノグラス構造１１ａ，１１ｂは、疎水性（超撥水性）を有するので、冷媒８は、ナノピラー２の先端側によってはじかれあるいは若干浸された状態で、且つ素地面３ａ，３ｂそのものとは接触しない状態で内部空間７内に封止されている。
【００１６】
このような状態のときに、ナノグラス構造体５ａからナノグラス構造体５ｂに向けて電源９からの直流電圧を印加すると、内部空間７における冷媒８は図２（ｂ）に示すような状態となる。すなわち、図２（ｂ）に示すように、直流電圧印加側のナノグラス構造体５ａのナノグラス構造１１ａは、超撥水性から親水性にいわゆる濡れ特性が変化するため、ナノピラー２の先端側で保持していた冷媒８がナノピラー２の間に浸透するとともに素地面３ａと接触する状態となる。
【００１７】
ここで、ナノグラス構造体５ａは、上述したように発熱体１０と熱伝導性接着剤を介して表面４ａ（図示せず）側で接続されているため、発熱体１０から発せられた熱は熱伝導性接着剤を通って表面４ａ側からナノグラス構造体５ａに伝わり、このナノグラス構造体５ａの内部を通って素地面３ａやナノピラー２へ伝わる（すなわち、ナノグラス構造１１ａ側へ伝わる）こととなる。そして、ナノグラス構造１１ａ側へ伝わった熱は、ナノピラー２や素地面３ａと接触している冷媒８に吸収される。
【００１８】
発熱体１０からの熱を吸収した冷媒８は、図３に示すように、熱吸収による温度が自己の沸点を超えたときに内部空間７において蒸発（気化）し、ナノグラス構造体５ｂ側へ移動する。このとき、ナノグラス構造体５ｂは、電源９からの直流電圧接地側となっているため、ナノグラス構造１１ｂは超撥水性の特性のままの状態を保持することとなる。このため、蒸発した冷媒８ａはナノグラス構造１１ｂに接して熱を放出するときに、ナノピラー２の間に浸透して素地面３ｂと接触するいわゆる膜状凝縮することなく、ナノピラー２の先端側で素地面３ｂと接触しないようにはじかれてナノピラー２に熱を伝え、液球状（滴状）凝縮する。
【００１９】
そして、液球状凝縮した冷媒８ａからナノピラー２および素地面３ｂを通って伝わった熱は、ナノグラス構造体５ｂの内部を通って表面４ｂ側から外部に放出される。このとき、表面４ｂにヒートシンクや冷却ファンなどの冷却補助部材を接続しておけば、さらに効率よく熱を放出することが可能となる。なお、図示は省略するが、冷媒８ａの液球状凝縮が進行すると、液状の冷媒８となってナノグラス構造１１ｂ側からナノグラス構造１１ａ側に移動して上記サイクルを繰り返す。このように、蒸発した冷媒８ａがナノグラス構造１１ｂ側で液球状凝縮するため、ナノグラス構造１１ｂの素地面３ｂそのものが常時露出した状態となり、上述した膜状凝縮の場合と比べて数十倍の熱伝導率を実現することが可能となる。
【００２０】
このため、この冷却装置１によれば、ナノグラス構造１１ａ側から熱を吸収した冷媒８が効果的に気化し、気化した冷媒８ａがナノグラス構造１１ｂ側において高効率に液球状凝縮する構造を実現する。これにより、高効率に発熱体１０からの熱を吸収して拡散（放熱）することができる。また、冷媒８が内部空間７において気化及び液化のサイクルを自動的に繰り返すことによって、冷媒８を循環させるためのポンプやラジエターなどの他の装置が不要となり、冷却装置１全体の小型化を図ることができる。
【００２１】
なお、冷媒８は、直流電圧が印加されていない状態において、一対のナノグラス構造体５ａ，５ｂのナノグラス構造１１ａ，１１ｂのナノピラー２の先端いずれとも接する状態で内部空間７に封入されているので、本例の冷却装置１は、直流電圧が印加される熱源側のナノグラス構造体５ａが傾いていたり、図４に示すように、ナノグラス構造体５ａとナノグラス構造体５ｂとの上下位置が反転していたりした場合においても、冷却機能を発揮することができる。すなわち、上下位置が反転し、直流電圧印加後の状態においては、上側に配置されたナノグラス構造体５ａのナノグラス構造１１ａが親水性を示すが、下側に配置されたナノグラス構造体５ｂのナノグラス構造１１ｂが疎水性を示すので、冷媒８は、内部空間７にてナノグラス構造体５ａのナノピラー２の先端を浸した状態となる。そして、ナノグラス構造体５ａ側のナノピラー２から熱が冷媒８に伝わると、冷媒８の蒸気は、ナノグラス構造体５ｂ側に移動してナノグラス構造体１１ｂに熱を放出した後、ナノピラー２にはじかれて上昇し、上記循環サイクルを繰り返す。このような反転または傾斜した状態であっても、熱伝導性能にはほとんど影響がなく、高効率な冷却を実現することが可能となる。
【００２２】
したがって、この冷却装置１は、従来のものでは適用が難しかった移動や振動を伴うモバイル機器（例えば、携帯電話機）や車載機器などにも適用することができる。また、内部空間７が密閉されているため、無重力状態においても熱伝導性能を発揮することができ、例えば宇宙空間などにおいても用いることができる。
【００２３】
以上述べたように、本発明によれば、冷却装置１の内部空間７において、冷媒８が、直流電圧により親水性および超撥水性の特性に変化したナノグラス構造１１ａ，１１ｂ間で気化および液化の循環サイクルを繰り返すため、高効率に発熱体１０からの熱を吸収して放熱することができるとともに、冷媒８の循環のための他の装置などが不要となるため、安価構成して小型化を図ることが可能となる。
【００２４】
なお、上述した実施の形態に係る冷却装置１は、発熱体１０として半導体素子が接続された場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば発熱体１０の大きさなどの規模や種類などの相違にかかわらず、熱を発する発熱体を効率よく冷却する場合に用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明によれば、発熱体を冷却するのにコストを増大させることなく、小規模な構成で効率よく冷却を行うのに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係る冷却装置の構造を示す断面図である。
【図２】同冷却装置における熱伝導の様子を示す説明図である。
【図３】同冷却装置における熱伝導の様子を示す説明図である。
【図４】同冷却装置のナノグラス構造体の上下位置を変更した様子を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２７】
１…冷却装置、２…ナノピラー、３ａ，３ｂ…素地面、４ａ，４ｂ…表面、５ａ，５ｂ…ナノグラス構造体、６…絶縁スペーサ、７…内部空間、８，８ａ…冷媒、９…電源、１０…発熱体、１１ａ，１１ｂ…ナノグラス構造。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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