(57)【要約】      （修正有）【課題】液体表面に相対湿度が低い気体を供給することで、冷媒である液体が気化することを促進させることで放熱性能を向上させることを可能とした冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】発熱体１と、発熱体１に接続された受熱ブロック２と、受熱ブロック２内に形成された気体流路３と、受熱ブロック２内に形成され、気体流路中の発熱体に対向する伝熱面８に液体を供給するための液体供給路４と、気体流路内の伝熱面８に対して上流位置に形成された放熱フィン５とを具備することを特徴とする冷却装置。【選択図】図２
2007329185.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体と、
前記発熱体に接続された受熱ブロックと、
前記受熱ブロック内に形成された気体流路と、
前記受熱ブロック内に形成され、前記気体流路中の前記発熱体に対向する伝熱面に液体を供給するための液体供給路と、
前記気体流路内の前記伝熱面に対して上流位置に形成された放熱フィンとを具備することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記気体流路は、気体の入口から前記伝熱面、出口にかけて曲がっており、前記気体は前記伝熱面上に形成された液体膜の表面に吹き付けられることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記気体流路内の前記伝熱面に対して下流位置に形成された前記伝熱面に供給された液体を収容する窪みからなる液体トラップとをさらに具備することを特徴とする請求項１或いは請求項２に記載の冷却装置。
【請求項４】
前記伝熱面は親水性であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項５】
前記伝熱ブロックに形成され、前記伝熱面上に液体を塗り広げるブラシを具備することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の冷却装置。
【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ための冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、大型コンピュータなどで、配線基板上に搭載した半導体デバイスを冷却する電子機器の液冷式冷却装置がある。この液冷式冷却装置は、各半導体デバイスの放熱面と向かい合わせに冷却ノズルを個別に配置し、半導体デバイスの放熱面に水などの冷媒を噴射することで冷却している（特許文献１）。
【特許文献１】特開平５−３１５４８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような従来の冷却装置では、冷却ノズルから液体冷媒を半導体デバイスに向けて吹き付けているので、外囲器の内部では、相対湿度が高くなり、冷媒の液相から気相への相変化による放熱を妨げるという問題がある。
【０００４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、液体表面に相対湿度が低い気体を供給することで、冷媒である液体が気化することを促進させることで放熱性能を向上させることを可能とした冷却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】
【０００５】
上記問題を解決するために、本発明は、発熱体と、
前記発熱体に接続された受熱ブロックと、
前記受熱ブロック内に形成された気体流路と、
前記受熱ブロック内に形成され、前記気体流路中の前記発熱体に対向する伝熱面に液体を供給するための液体供給路と、
前記気体流路内の前記伝熱面に対して上流位置に形成された放熱フィンとを具備することを特徴とする冷却装置を提供する。
【０００６】
このとき、前記気体流路は、気体の入口から前記伝熱面、出口にかけて曲がっており、前記気体は前記伝熱面上に形成された液体膜の表面に吹き付けられることが好ましい。
【０００７】
また、前記気体流路内の前記伝熱面に対して下流位置に形成された前記伝熱面に供給された液体を収容する窪みからなる液体トラップとをさらに具備してもよい。
【０００８】
また、前記伝熱面は親水性であることが好ましい。
【０００９】
また、前記伝熱ブロックに形成され、前記伝熱面上に液体を塗り広げるブラシを具備してもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、気体流路内の伝熱面に対して上流位置に放熱フィンを形成し、伝熱面に形成された液体面に吹き付けるための気体を予め発熱体からの熱によって温めることによって気体の相対湿度を低下させる。こうすることによって、伝熱面に形成された液体面からの気化量を増加させることができ、冷却能力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して発明の詳細な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されることはなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々工夫して用いることができる。
【００１２】
実施形態１：
図１に本発明の実施形態にかかる冷却装置のブロック図を示す。
【００１３】
図１に示すようにこの冷却装置は、外部から空気などの気体を取り込むための送風機１４と、この送風機１４から取り込まれた気体からゴミなどを除去するためのフィルタ２２と、このフィルタ２２を通った気体と熱交換をするための受熱ブロック２とを有する気体流路が形成されている。また、水などの液体冷媒を供給するための冷媒ポンプ１５と、この冷媒ポンプ１５から供給された液体冷媒からゴミなどを除去するためのフィルタ２３と、このフィルタ２３を通った液体冷媒と熱交換するための受熱ブロック２と、この受熱ブロック２から冷媒戻り流路１８を通った液体冷媒を一時的に溜める冷媒タンク１９とを有する液体冷媒流路が形成されている。また、半導体デバイスなどの発熱体１は、受熱ブロック２に発熱部が接触するように配置され放熱するよう設計されている。
【００１４】
このように設計された冷却装置は、発熱体１で発熱した熱を受熱ブロック２に移動させる。そして気体流路から空気が供給され、液体冷媒流路からは水が供給されて受熱ブロック２と熱交換することで排熱されることになる。
【００１５】
図１に示した循環システムは、外部環境から送風機１４により吸入された空気は、受熱ブロック２内の主流路を通過し、受熱ブロック２と熱交換することによって温度・湿度共に上昇しそのまま外部環境に放出される。また、液体冷媒流路では、冷媒戻り流路１８を経由して過剰な水は冷媒タンク１９に戻される。
【００１６】
送風機１４は湿度の高い空気に接することのないように、水などの液体冷媒が気化する受熱ブロック２よりも上流側に位置するように設計する。このとき送風機１４が高い湿度にさらされても動作に不具合が発生し、また寿命が著しく短くならないよう湿度に耐えられる構造であるときにはこの設計は必要ない。
【００１７】
次に、本発明の冷却装置の発熱体１及び受熱ブロック２について、図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図２は、本発明の実施形態に係る冷却装置の発熱体１及び受熱ブロック２の断面図である。
【００１９】
図２に示すように、発熱体１の発熱面に受熱ブロック２が取り付けられている。受熱ブロック２の内部には、空気６などの気体が流れるための気体流路の一部として主流路３が形成されている。この主流路３は、入り口から発熱体１に対して対向する伝熱面８、そして出口に向けてカーブを描くように形成され、空気の流れが図中矢印６に示すように上流側から下流側に曲げられるように設計されている。
【００２０】
そして受熱ブロック２の内部には、伝熱面８の手前で主流路３に合流するように、水２０などが流れる液体冷媒流路の一部として冷媒注入路４が形成されている。冷媒注入路４から供給された水２０などの液体冷媒は、主流路３の上流側から供給された空気６などの気体が伝熱面８に向かって吹き付けられるように供給されることによって、伝熱面８上に塗り広げられる。伝熱面８上に塗り広げられた液体は、気化することで伝熱面８から潜熱として熱を奪って空気の流れ６によって放出される。
【００２１】
また、冷媒注入路４が主流路３と合流する位置よりも上流側の主流路３内には、放熱フィン５が設けられている。放熱フィン５は主流路３の発熱体１側の壁面に設けられ、発熱体１から受熱ブロック２内を伝わってくる熱により熱せられている。こうして放熱フィン５は、主流路３を通過する空気を加熱する。加熱された空気は相対湿度が低くなり、伝熱面８での気化作用を促進させることができる。
【００２２】
放熱フィン５の形状は、図示しているようなピン形状でも、板状でもよい。また、主流路３の通路形状は、伝熱ブロック２内で発熱体１に対向する位置にある伝熱面８の形状が凹形状であり、伝熱面８よりも上流側の主流路３は断面積が小さく、伝熱面８よりも下流側は上流側よりも断面積が大きくなるように設計している。こうすることで空気の流れがよりスムーズになり、また効果的に液体冷媒が気化することを向上させることができる。
【００２３】
冷媒注入路４を通って主流路３内に注入された水２０などの液体冷媒は、伝熱面８の表面に塗り広げられ、そのときの液膜の厚さは、主流路３が伝熱面３に向けて曲線を描いているために、空気により下流側に広げられながら薄く保たれる。
【００２４】
また、伝熱面３が凹形状に形成されているため、これに沿って流れる流体には遠心力がはたらき、受熱ブロック２の姿勢に関わらず、水２０を伝熱面１側に押し付けることができる。また、受熱ブロック２の中央付近で発熱体１と伝熱面８の距離が短くなるように設計している。
【００２５】
次に、液体冷媒が伝熱面８にて、気化することで発熱体１から潜熱奪う現象について以下に数式を用いて説明する。
【００２６】
先ず、液膜から気相に変化した水が周辺の湿り空気雰囲気に拡散するときの質量流束ｎは次式であらわされる．
n = hm(ρw - ρ∞)/(1 - ωw)
ただし、
n : 水の質量流束 kg/(m2 s)
ρ: 水の質量濃度 kg/m3
ω: 湿り空気に対する水の質量分率
hm : 物質伝達率 m/s
添字
w : 液膜表面近傍
∞: 雰囲気
である。
【００２７】
理想気体の状態方程式が適用できると仮定すると、質量流束は以下のように表される。
【００２８】
n = hm pw(1/Tw - (p∞/pw)/T∞)/((1 - pw/P)R)
ただし、
p : 水の分圧 Pa
P : 湿り空気の全圧力 Pa
R : 水の気体定数 J/(kg K)
T : 温度 K
熱流束は質量流束と蒸発潜熱の積として求められる。
【００２９】
q = n Δh
q: 熱流束 W/m2
Δh: 蒸発潜熱 J/kg
熱流束を増加させるため、すなわち伝熱を促進するためには質量流束が大きくなればよい。熱伝達と物質伝達のアナロジーと、多くの場合ヌッセルト数がプラントル数の３分の１乗に比例することから、物質伝達率がシュミット数の３分の１乗に比例すると仮定することができる。このとき、質量流束は次式のように変形できる。
【００３０】
n/X = D(2/3) pw(1/Tw - (p∞/pw)/T∞)/((1 - pw/P)R)
ただし、
D : 拡散係数 m2/s
X : 係数
係数Xは流路の形状や空気の流速などに影響される。液膜表面近傍では相対湿度１００％と見なされるため、pwの値は飽和空気の水蒸気分圧とすることができる。拡散係数、飽和空気の水蒸気分圧は温度の関数である。空気の絶対湿度Haを一定として温度の質量流束に対する影響を計算すると、図３に示すグラフが得られる。
【００３１】
図３において、横軸は雰囲気の温度T∞、縦軸はTw、T∞共に300K、絶対湿度Haが0ｋｇ／ｋｇ（絶対湿度の単位ｋｇ／ｋｇは乾燥した空気の質量に対する水の質量の比である。）であるときのn/Xを1.0としたときの比である。
【００３２】
図３によれば、雰囲気温度が高いほうが、質量流束が大きいことがわかる。すなわち雰囲気温度が高いほうが、放熱が促進されることがわかる。特に、絶対湿度が０でない場合には、雰囲気温度を上昇させる効果が顕著に現れる。
【００３３】
このような考察から、図２に示す冷却装置では、主流路３を通る空気を放熱フィン５で加熱することにより雰囲気温度を上昇させるようにしている。こうすることで、空気の相対湿度を低下し、さらに拡散係数を増加することにより放熱を促進させる効果が向上する。
【００３４】
次に、本発明に係る冷却装置の別の実施形態について説明する。
【００３５】
図４は、本発明の別の実施形態に係る冷却装置の発熱体１と受熱ブロック２の断面図である。図２で説明したものと同一部分は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００３６】
図４に示すように、この冷却装置には、伝熱面８に対して下流側の主流路３に、水２０などの液体冷媒を一時的に溜めておくためのトラップ７が形成されている。このトラップ７には、受熱ブロック２の外部に余分な液体冷媒を排水し回収するための冷媒回収路９が形成されている。
【００３７】
伝熱面８を構成する金属に比較して水は熱伝導率が低いため、伝熱面８の表面に比較的厚い液膜を形成してしまうと、液膜表面温度を低下させ放熱の障害となる。そこで、本実施形態に係る冷却装置では、薄い液膜を保つため、主流路３の伝熱面８に対して下流側にはトラップ７と冷媒回収路９が設けられている。こうすることで、供給された水などの液体冷媒の量が過剰である場合にはトラップ７に液体冷媒が溜まり、冷媒回収路９から排出されることにより、伝熱面８の表面に形成される液膜を常に薄く保つことができる。
【００３８】
図４に示すように、主流路３の下流側に形成されたトラップ７は、窪みとして設けられていてもよいし、多数の微細な溝により毛細管力で液を保持する構成としてもよい。
【００３９】
次に、本発明に係る冷却装置の別の実施形態について説明する。
【００４０】
図５は、本発明の別の実施形態に係る冷却装置の発熱体１と受熱ブロック２の断面図である。図２で説明したものと同一部分は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４１】
図５に示すように、この冷却装置には、伝熱面８に対向する位置に照明用窓１０を介して光が照射されるように光源２１が形成されている。また、伝熱面８の表面には光触媒である酸化チタンにより表面処理がなされている。酸化チタンは光触媒としての作用を有し、光が照射されると親水性を強く示す作用を有している。こうすることで、伝熱面８の表面に供給される水２０などの液体冷媒の液膜をより薄く保ち、また、広く均一に塗り広げることができる。
【００４２】
また、酸化チタンによる親水性処理では、光触媒作用により光が当たっている状態で親水性が得られ、光が当たらない状態で親水性が劣化する。このため図４に示すように照明用窓１０を設け、蛍光管、ＬＥＤなどの光源２１を配置することによって、発熱体１の温度や発熱量に応じて光源２１をオン・オフ或いは明るさを調整することにより、親水性の度合いを変化させて液膜の広がりや厚さを制御することができる。ここで親水性とは壁面に液体が接触するときの角度が９０°よりも小さいことを指し、親水性処理とはこの角度を処理前の状態に比較して小さくすることを意味する。
【００４３】
たとえば、発熱体１の温度が低下したときに、光源２１から光を出し発熱体１の温度が上昇したときに光源を切ることにより、伝熱面８の表面に塗り広げられる液体冷媒の塗り広がり方や膜厚を調整することで気化の度合いを調整することができ、発熱体１の温度を一定に保つことができる。
【００４４】
また、発熱体１として複数の半導体素子を備える電子機器の場合、半導体素子の特性を一定に保つ必要があるが発熱体１の発熱量の変動による温度変化を、本発明のように光源２１のオン・オフや光量調整を行うことで抑制するようにしてもよい。この場合従来から用いられているようなファンやポンプの制御により水や空気の流量を変化させて温度調整をする方法に比較して、機械的に動く部品を制御する必要がないので時間遅れの小さい制御をすることができる。
【００４５】
また、図５では、光源２１は受熱ブロック２の窪みに配置されているが、個別の受熱ブロックにそれぞれ光源を設ける必要はなく受熱ブロックに照明用窓のみ設け光源は外部に配置してもよい。
【００４６】
また、伝熱面８の親水性処理として、酸化アルミニウム、親水性シリカ、親水性ポリマーなど光触媒作用を有しない処理や、伝熱面８の表面に微細な凹凸や溝を設けることにより水を広げてもよい。
【００４７】
次に、本発明に係る冷却装置の別の実施形態について説明する。
【００４８】
図６は、本発明の別の実施形態に係る冷却装置の発熱体１と受熱ブロック２の断面図である。図２で説明したものと同一部分は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００４９】
図６に示すように、この冷却装置は、伝熱面８に対向する位置に設けられた冷媒注入路４から水、或いは水と空気の混合流体が噴出され、伝熱面８に細かな水の粒として散布される。また、その他の構成は図２と同様であり、伝熱面８には主流路３を経由した空気６が供給され、伝熱面８表面付近に湿度の上昇を抑制し放熱を促進する。
【００５０】
次に、本発明に係る冷却装置の別の実施形態について説明する。
【００５１】
図７は、本発明の別の実施形態に係る冷却装置の発熱体１と受熱ブロック２の断面図である。図２で説明したものと同一部分は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００５２】
図７に示したように、この冷却装置は、発熱体１に取り付けられた伝熱ブロック２内部には主流路３が設けられている。主流路３には図示左側から右側に空気６が流され、冷媒注入路４よりも空気の流れの上流側にフィン６が設けられている。
【００５３】
伝熱面８にほぼ垂直な軸により支えられたＴ字形の回転ブラシ１１はモーター１２により回転し、冷媒注入路４から伝熱面８上に供給された水を塗り広げる。こうして伝熱面８の表面に薄い液膜を形成する。
【００５４】
また、回転ブラシ１１は図示のように回転軸から２方向に腕が出ているが、回転軸からでる腕の数がひとつでも３以上でもよい。また、回転ブラシ１１の先端は、多数の毛で構成されるものでもよいし、多孔質体や、ゴムや樹脂などを用いたへら状であってもよい。
【００５５】
以上、主流路に空気を流し、冷媒注入路から水を注入する場合について説明したが、空気と水の変わりに、空気と炭化水素、空気とアルコール、窒素ガスとアルコールなど、を用いてもよい。あるいは、水とフロロカーボン、水と水銀など、主流路に流す液体よりも密度の高い液体を冷媒として注入してもよい。
【００５６】
次に、本発明に係る冷却装置の別の実施形態について説明する。
【００５７】
図８は、本発明の別の実施形態に係る冷却装置の気体流路と液体冷媒流路の組み合わせを示したブロック図である。図１で説明したものと同一部分は同一符号を付してその詳しい説明は省略する。
【００５８】
図８に示すように、この冷却装置では、気体流路が、送風機１４、フィルタ２２、受熱ブロック２熱交換器１６、ファン１７と循環する構成になっている。また、液体冷媒流路は、冷媒ポンプ１５、フィルタ２３、受熱ブロック２、熱交換器１６、ファン１７、冷媒戻り流路１８、冷媒タンク１９と循環する構成になっている。熱交換器１６では、ファン１７にて冷却することによって気化された冷媒が再び液体になって、余分な液体と共に冷媒戻り流路１８を通って冷媒タンク１９に戻る。
【００５９】
このような構成により、冷媒の沸点より低い温度の伝熱面から相変化によって効果的に除熱を行うことができる。また、気相に変化していない冷媒を回収することにより、冷媒として水を用いた場合にはそのまま環境に放出しても水が直接に排気口から噴出することを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図
【図２】本発明の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックと発熱体の断面図
【図３】本発明実施の形態に係る冷却装置の冷媒の流れる向きと熱の流れる向きの関係を示したグラフ
【図４】本発明の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックと発熱体の断面図
【図５】本発明の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックと発熱体の断面図
【図６】本発明の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックと発熱体の断面図
【図７】本発明の実施形態に係る冷却装置の受熱ブロックと発熱体の断面図
【図８】本発明の実施形態に係る冷却装置のブロック図
【符号の説明】
【００６１】
１…発熱体
２…受熱ブロック
３…主流路
４…冷媒注入路
５…放熱フィン
６…空気の流れ
７…トラップ
８…伝熱面
９…冷媒回収路
１０…照明用窓
１１…回転ブラシ
１２…モーター
１３…液膜
１４…送風機
１５…冷媒ポンプ
１６…熱交換器
１７…ファン
１８…冷媒戻り流路
１９…冷媒タンク
２０…水
２１…光源
２２、２３…フィルタ
【図１】
2007329185.tif 000003
【図２】
2007329185.tif 000004
【図３】
2007329185.tif 000005
【図４】
2007329185.tif 000006
【図５】
2007329185.tif 000007
【図６】
2007329185.tif 000008
【図７】
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【図８】
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