(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流（２８）側に設けられて水は通さないが水蒸気は透過する板状又はシート状の透過部材（１９）と、その透過部材（１９）の空気流（２８）の反対側に設けた供給路（２４）と、その供給路（２４）に対して透過部材（１９）の反対側に設けられた流体が透過不能な板状又はシート状の不透過部材（２０）と、前記供給路（２４）に水を供給する配水手段（２１）とよりなり、被冷却体（２６）が熱的に密着される冷却器において、前記供給路（２４）は吸水能力の大きい布状の吸水部材（３１）が設けられて毛細管現象により水が流過可能であり、該供給路（２４）は前記透過部材（１９）と不透過部材（２０）との間に形成され、そして透過部材（１９）と不透過部材（２０）を一定間隔で固着させる結合手段（２３）を設け、該供給路（２４）はその全域に水蒸発冷却に必要な給水が行われ、全体的に厚みの薄い板状体に形成されたことを特徴とする冷却器。
【請求項２】
前記吸入部材（３１）は不透過部材（２０）に固着されていることを特徴とする請求項１記載の冷却器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、たとえば電子基板上のＬＳＩ等の電子部品など、高発熱密度の被冷却体を冷却する冷却器に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、例えば特開平６−２１２７９号公報に記載された従来の冷却器を示す構成図である。図１３において、保護用の金属容器１はその底部に開口部２が設けられている。そして、冷媒バッグ３が金属容器１内に収められている。この冷媒バッグ３はポリエチレン等の軟質プラスチック材よりなる円筒状のものの両端を、熱融着等の手段でシールした構成を有し、その内部に作動液４が充填され、上部空間にはガスが充満している。
【０００３】
この冷媒バッグ３が金属容器１内に収められると開口部２から冷媒バッグ３の一部が突き出し、ＬＳＩ等の被冷却体５と接触する接触部６が形成される。さらに、伝熱管７が冷媒バッグ３に包み込まれる様にして金属容器１内に収納され、金属容器１から外部に突き出した伝熱管７の一端には放熱フィン８が取り付けられている。なお作動液４としては、フロンや弗素−炭素系の冷媒が用いられる。
【０００４】
次に、従来の伝熱装置の動作について説明する。まず、ＬＳＩ等の被冷却体５に接触部６が接触する様に伝熱装置を設置する。そして、被冷却体５が発生する熱が接触部６から作動液４に伝達される。作動液４は接触部６から伝達された熱によって蒸発する。そしてこの蒸気は冷媒バッグ３の上部空間内を上昇し、伝熱管７に接触している部位に達するとそこで伝熱管７に熱を吸収されて凝縮し、液化して落下する。この潜熱のやり取りを通して熱が伝熱管７に吸収される。その後、熱は伝熱管７の一端に設けられた放熱フィン８から放熱される。この様な熱交換を繰り返すことにより被冷却体５が冷却される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冷却器は以上の様に構成されているので、冷媒バッグ３を収納した金属容器１から冷媒バッグ３に包み込まれた伝熱管７を突き出させ、伝熱管７にフィン８が取り付けられているため、構造が複雑で小型化を図るのが困難であるという問題点があった。
【０００６】
この発明は、構造を簡素化すると共に、効果の向上を図ることが出来る冷却器を提供することを目的とするものである。
【０００７】
本発明によれば、空気流（２８）側に設けられて水は通さないが水蒸気は透過する板状又はシート状の透過部材（１９）と、その透過部材（１９）の空気流（２８）の反対側に設けた供給路（２４）と、その供給路（２４）に対して透過部材（１９）の反対側に設けられた流体が透過不能な板状又はシート状の不透過部材（２０）と、前記供給路（２４）に水を供給する配水手段（２１）とよりなり、被冷却体（２６）が熱的に密着される冷却器において、前記供給路（２４）は吸水能力の大きい布状の吸水部材（３１）が設けられて毛細管現象により水が流過可能であり、該供給路（２４）は前記透過部材（１９）と不透過部材（２０）との間に形成され、そして透過部材（１９）と不透過部材（２０）を一定間隔で固着させる結合手段（２３）を設け、該供給路（２４）はその全域に水蒸発冷却に必要な給水が行われ、全体的に厚みの薄い板状体に形成さている。
【０００８】
また本発明によれば、前記吸水部材（３１）は不透過部材（２０）に固着されている。
【０００９】
本発明の第３の発明に関する冷却器は、吸水部材を透過部材または不透過部材の何れかに固着させたものである。
【００１０】
本発明の第４の発明に関する冷却システムは、第１から第３の発明に係わるいずれかの冷却器の不透過部材を被冷却体側に配置し、透過部材側に空気を流して供給路内の水を蒸発させ、透過部材を通過した水蒸気を除去するようにしたものである。
【００１１】
本発明の第５の発明に関する冷却器は、所定の間隔で対抗配置して相互間に水の供給路を形成した水は通さないが水蒸気は透過自在なシート状の一対の透過部材と、上記供給路に配置された毛細管現象を生ずる吸水部材とで冷却器を構成したものである。
【００１２】
本発明の第６の発明に関する冷却システムは第５の発明に係わる冷却器の、少なくとも一方の透過部材の外側に空気を流して供給路内の水を蒸発させ、透過部材を通過した水蒸気を除去するようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１は本発明に係わる冷却原理を示す説明図である。図１において、９は水を通さないが水蒸気は透過自在なシート状の透過部材、１０は毛細管現象により水が流通可能な供給路、１１は透過部材９と対向して配置されて流体が透過不能な板状もしくはシート状で被冷却体側に配置される熱伝導性を有する不透過部材、１２は供給路に送給された水である。１３は被冷却体、１４は不透過部材１１を被冷却体１３に取り付ける時に、熱抵抗を低減するために塗布される熱セメントである。１５は透過部材９の外面に添って形成された空気流、１６は水１２が蒸発した時の水蒸気流で、透過部材９を透過して空気流１５に合流している。１７は熱流で、被冷却体１３から熱セメント１４および不透過部材１１を介して供給路１０に給水された水１２に吸収されている。
【００１４】
図２は特開平１−１９４９２７に示された透過部材９の水蒸気透過特性を示す説明図である。図２において、水蒸気の透過速度Ｑｖと空気成分各々の透過速度Ｑｇ、および水蒸気の空気成分に対する透過速度比Ｑｖ／Ｑｇが比較されている。
この技術は、水など液体は勿論、空気成分も透過させず水蒸気のみを透過させることを目的にして発明されているため、水蒸気と他の空気成分の透過比率が比較されている。これから膜構成によって水蒸気成分だけを選択的に透過する膜が形成できることを示している。
【００１５】
次に本発明に係わる冷却原理を説明する。図１において、被冷却体１３から発生した熱流１７は熱セメント１４、および不透過部材１１を通って水１２の層に流れ込んで吸収され、水１２を加熱して水蒸気流１６を生成する。生成された水蒸気流１６は、透過部材９を透過して空気流１５に合流する。これによって被冷却体１３からの熱流１７は水蒸発によって系外に放散されることになり、水蒸発による冷却が実行される。
【００１６】
図１に示す冷却原理の説明図において、被冷却体１３が熱源であって被冷却体１３を冷却する場合について説明した。この時、熱流１７は被冷却体１３から水１２に向かって流れる。
逆に、太陽光などの熱照射を透過部材９の外面に受け、被冷却体１３を熱遮蔽する様な場合は熱流が透過部材９から水１２に流れ込む。この場合でも水１２が蒸発し、水蒸気流１６となって空気流１５に吸収され系外に放散されるので透過部材９の外面からの熱照射に対する被冷却体１３の熱遮蔽が可能となる。
【００１７】
次に水蒸発による冷却法の冷却特性について述べる。水蒸発など相変化を伴う熱伝達は、強制空冷など顕熱変化だけの熱伝達に比べると非常に大きいことは周知の通りであるが、本発明による冷却は水蒸発を利用しているためその熱伝達特性は大きく、冷却能力も優れたものになる。
図３は本発明に係る冷却能力の説明図である。図３は被冷却体１３の表面温度を１００℃、空気流１５の温度を３０℃前後、熱セメント１４および不透過部材１１の熱抵抗は十分小さいとした時に、自然対流、強制対流、水蒸発を用いて冷却した場合について冷却能力Ｒを試算し、比較した結果を示している。これから水蒸発を用いた冷却方式は、自然対流による冷却に対して約２５倍、強制対流による強制空冷に比べて２．５倍の冷却能力を有していることがわかる。
【００１８】
図４は実施の形態１に係わる冷却器の外観斜視図である。図４において、１８は冷却器で以下の１９〜２３で構成されている。１９は水を通さないが水蒸気は透過自在なシート状の透過部材、２０は透過部材１９と対向して配置された流体を透過しない板状、もしくはシート状の熱伝導性の良い不透過部材である。２１は外部から冷却器１８の内部に水を送給する時の配水手段、２２は給水口で配水手段２１の一端に配置し、送給されてくる水を取り込んでいる。２３は透過部材１９と不透過部材２０を一定間隔で機械的、化学的、もしくは熱融合的に固着させる結合手段である。
冷却器１８の全周は水が漏れない様に透過部材１９と不透過部材２０、および配水手段２１が接着などの手段で固着され水封されている。
【００１９】
図５は冷却器１８の縦断面を示したもので、図４のＶ−Ｖ矢視図である。図５において、２４は透過部材１９と不透過部材２０の間に形成された毛細管現象により水が流通可能な供給路で、配水手段２１と流路的に連結されている。
図６は冷却器１８の部分横断面を示したもので、図５のＶＩ−ＶＩ矢視図である。図６において、結合手段２３は供給路２４の厚みを毛細管現象により水が流通可能な限り薄くなる様に、一定間隔で透過部材１９を不透過部材２０に接合し固定している。
【００２０】
図７は冷却器１８を使用した冷却システムを示す一部破断した斜視図である。図７において、２５は配水手段２１から供給路２４に送給された水、２６は冷却の対象となる被冷却体、２７は冷却器１８を被冷却体の表面に熱的に密着させる熱セメントである。被冷却体２６は熱セメント２７を介して冷却器１８の不透過部材２０が被冷却体２６側、透過部材１９が外側になるように取り付けられる。
【００２１】
次に動作について説明する。図５から図７において、２８は透過部材１９の外面に添って形成された空気流、２９は水２５の層から蒸発し、透過部材１９を透過して形成される水蒸気流である。
被冷却体２６の表面に冷却器１８を取り付けて、供給路２４に水２５を給水し、透過部材１９の外面に添って空気流２８を形成することによって冷却が行われる。この時、被冷却体２６で発生した熱は熱セメント２７、および不透過部材２０を通って水２５の層に流れ込んで吸収され、水２５を加熱して水蒸気流２９を生成する。生成された水蒸気流２９は透過部材１９を透過して空気流２８に合流する。これによって被冷却体２６からの熱は水蒸発によって系外に放散され、被冷却体２６は水蒸発によって冷却される。
【００２２】
冷却器１８の冷却能力は構成部材の熱抵抗、および水２５の層の厚みによって決まる。水２５の層の熱伝導性はその厚みに反比例するため、冷却効果を上げるためにはその厚みを出来る限り薄くする必要がある。従って水２５の層を形成する供給路２４の厚みは毛細管現象により水が流通可能な範囲で薄くなる（数ｍｍ以下、望むらくは１ｍｍ以下）様にしている。
【００２３】
以上の様に水蒸気を選択的に透過する透過部材１９と、流体を透過させない不透過部材２０を相対して配置させ、その間隙を水の供給路２４にすることによって冷却器１８を構成して被冷却体２６に接合し、水蒸発によって冷却を行っているため、高発熱密度の被冷却体に対しても小さな冷却面積で冷却が可能となり、簡素でコンパクトな構造で高効率の冷却が可能となる。
【００２４】
実施の形態１では配水手段２１を供給路２４の上端に配置した場合について説明したが、配水手段２１を供給路２４の側部に配置しても良く、また供給部２４に水が供給できれば、端部の何れかの一部に配置する様にしても同様の効果を期待することが出来る。
また、被冷却体２６が電子基板の様な場合には取り付け面が凹凸面となるが、その様な場合には冷却器１８に可撓性を持たせるか、あるいは予め冷却器１８を成形して凹凸面に添わせる様にしてもよい。
また、図２に透過部材９の気体の透過特性として空気成分の透過速度が小さいものについて述べたが、冷却器の使用目的に応じて水が透過しなければ水蒸気と同様に空気成分の透過速度が大きいものを使用しても良い。
【００２５】
実施の形態２
図８は実施の形態２による冷却器の一部破断した斜視図である。図９は実施の形態２の冷却器を使用した冷却システムを示す一部破断した斜視図である。図８および図９において、１９〜２９は実施の形態１のものと同様である。３０は冷却器、３１は冷却器３０の供給路２４内に配置された吸水部材で、毛細管現象による吸水能力の大きい例えば植物性繊維を布状にしたものである。
【００２６】
供給路２４の中に吸水部材３１を配置する方法としては、例えば不透過部材２０の表面に接着、熱圧接などの手段で吸水部材３１を固着させ、予め不透過部材２０と一体化して組み込んでいる。
【００２７】
次に冷却器３０の動作について説明する。図８および図９において、被冷却体２６の表面に熱セメント２７を塗布して冷却器３０を取り付ける。取り付ける時は不透過部材２０が被冷却体２６側、透過部材１９側が外側になる様にする。また透過部材１９の外面に添って空気流２８を形成する。また水２５を配水手段２１から供給路２４に給水する。この時、供給路２４には吸水部材３１が配置されており、毛細管現象による強制的な吸水力が作用して供給路２４全域に水蒸発冷却に必要な給水が行われる。
【００２８】
以上の様に毛細管現象による強制的な吸水作用の働きにより供給路２４の全体に均等な水供給が可能となるため、安定した高効率の高密度冷却を実現できる。また吸水部材３１を透過部材１９または不透過部材２０の何れかに固着させて一体化することにより、冷却器３０の製作工程を簡素化できる。
【００２９】
実施の形態２では不透過部材２０の面に吸水部材３１を固着させる場合について説明したが、透過部材１９の内面に吸水部材３１を部分接着、熱圧接、あるいは繊維を植毛する、等によって一体化しても同様の効果を期待することが出来る。
【００３０】
なお実施の形態１および実施の形態２において、被冷却体２６に一つの冷却器を連結して冷却する場合について説明したが、複数の冷却器３０を使って冷却する場合がある。図１０は複数の冷却器３０を並列に連結して使用する場合の送水管路の構成図を示したものである。図１０において、３０は実施の形態２で述べた冷却器と同様のものである。３２は貯水器で、冷却器３０に送給する水を貯えるもので、３３は貯水器３２に貯えられた水である。３４は送水管路で、貯水器３２と冷却器３０を流路的に連結している。３５は毛細管現象による吸水動作を有する管路部材で、送水管路の全長に亙って配置されている。
【００３１】
貯水器３２に貯水された水３３は補給水として逐次、送水管路３４を介して冷却器３０に送水されている。貯水器３２に貯水される水３３は外部から導入しても良く、また例えば冷却器３０の外面に通気された空気から水蒸気を凝縮し、水を回収して再使用するようにしても良い。
送水管路３４内には図１０に示すように毛細管現象による吸水機能を有する管路部材３５が配置されており、その強制的な吸水機能によって貯水器３２に貯水された水３３を冷却器３０に強制的に送水している。
毛細管現象による水の送水能力は一分あたり十数グラムから数十グラムのレベルで大きくはないが、被冷却体として電子基板を例にとると、基板一枚当たりの総発熱量は一般的には十数ワットから数十ワット程度であり、これを水蒸発で冷却する場合に必要とする水量は一分当たり数グラム程度となり、毛細管現象による水の送水能力に相当するものとなる。
【００３２】
実施の形態３
図１１は実施の形態３による冷却器の一部破断した斜視図である。図１１において、３６は冷却器で以下の３７〜４３で構成されている。３７は透過部材で実施の形態１および実施の形態２と同様の水蒸気を選択的に透過する材質をシート状にしたものを一対にして周辺を水封構造で封着している。３８は一対の透過部材３７を一定間隔で機械的、化学的、もしくは熱融合的に固着させる結合手段、３９は外部から冷却器３６の内部に水を送給する時の配水手段、４０は給水口で配水手段３９の一端に配置されている。４１は水で給水口４０から配水手段３９に送給されている。４２は一対の透過部材３７の間に形成された水が流通可能な供給路で、配水手段３９と流路的に連結されている。４３は供給路４２内に配置された吸水部材で、毛細管現象による吸水能力の大きい例えば植物性繊維を布状にしたものである。
【００３３】
次に動作について説明する。図１２は冷却器３６を使用した冷却システムを示す一部破断した斜視図である。図１１および図１２において、被冷却体４４の表面に添わせて冷却器３６を配置する。これは例えば太陽光など、外部から熱照射４５を受けて被冷却体４４が温度上昇することを防止する熱遮蔽手段として冷却器３６を用いる場合を示している。
冷却器３６の外面に熱照射４５を受けた時、冷却器３６の外面に添って空気流４６を形成すると、供給路４２内では配水手段３９から給水された水４１が加熱されて蒸発し、透過部材３７を通して水蒸気流４７が生成され、空気流４６に吸収されて系外に放散される。
供給路４２には毛細管現象による吸水力が作用する吸水部材４３が配置されており、毛細管現象による吸水作用によって供給路４２全域に蒸発により減少した水の補給が行われる。
また、冷却器３６を被冷却体４４の表面に添わせる時、冷却器３６と被冷却体４４の間に空気の流通が可能な間隔を形成し、この間隙にも空気流４８を形成すると冷却器３６の両面から水蒸気の蒸発が誘引され、熱放散はさらに効果的となる。
【００３４】
以上の様に一対の透過部材３７の少なくとも一方の外面に空気を通気して供給路４２内の水４１を蒸発させ、透過部材３７を通過した水蒸気流４７を空気流４６に吸収させることによって熱放散すれば、外部からの熱照射に対して被冷却体４４を熱遮蔽することが出来る。
また、冷却器３６の両面に空気流４６および空気流４８を形成し、水蒸気の蒸発を誘引することによって熱放散効果をさらに高めることが出来る。
【００３５】
【発明の効果】
この発明によれば、水蒸気を選択的に透過する透過部材と、流体を透過させない不透過部材の間隙に水の層を形成することによって冷却器を構成し、被冷却体に取り付けて水蒸発による冷却を行っているため熱伝達特性に優れ、高発熱密度の被冷却体に対しても小さな冷却面積で冷却できるため簡単でコンパクトな構造で、高効率の冷却が可能となる。
【００３６】
さらに、水は通さないが水蒸気は透過自在なシート状の透過部材と、この透過部材と所定の間隔で対向配置して透過部材との間に水の供給路を形成し、流体が透過不能な板状もしくはシート状で被冷却体側に配置される熱伝導性を有する不透過部材と、毛細管現象を生ずる吸水部材を供給路に配置したため、小さな間隙の空間にも均等な水供給が可能となり、安定した高効率高密度冷却を実現できる。
【００３７】
また、吸水部材は透過部材または不透過部材の何れかに固着して一体化することにより、冷却器の製作工程を簡素化できる。
【００３８】
また、冷却器の不透過部材を被冷却体側に配置し、透過部材側に空気を流して供給路内の水を蒸発させ、透過部材を通過した水蒸気を除去するようにしたので熱伝達特性に優れた水蒸発による冷却が可能となり、コンパクトで高効率の冷却が可能となる。
【００３９】
また、所定の間隔で対抗配置して相互間に水の供給路を形成した水は通さないが水蒸気は透過自在なシート状の一対の透過部材と、供給路に配置された毛細管現象を生ずる吸水部材とで冷却器を構成したので冷却器の構成を簡素化できる。
【００４０】
また、一対の透過部材の少なくとも一方の透過部材の外側に空気を通気して供給路の水を蒸発させ、透過部材を通過した水蒸気を除去することにより、外部からの熱照射に対して被冷却体を熱遮蔽することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明に係る冷却原理を示す説明図である。
【図２】  この発明を構成する透過部材の水蒸気透過特性の説明図である。
【図３】  この発明に係る冷却能力の説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態１に係わる冷却器の外観斜視図である。
【図５】  図４のＶ−Ｖ断面図である。
【図６】  図５のＶＩ−ＶＩ断面図である。
【図７】  この発明の実施の形態１に関する冷却システムを示す一部破断した斜視図である。
【図８】  この発明の実施の形態２に関する冷却器の一部破断した斜視図である。
【図９】  この発明の実施の形態２に関する冷却システムを示す一部破断した斜視図である。
【図１０】  この発明に関する送水管路の構成図である。
【図１１】  この発明の実施の形態３に関する冷却器の一部破断した斜視図である。
【図１２】  この発明の実施の形態３に関する冷却システムを示す一部破断した斜視図である。
【図１３】  従来の冷却器の構成図である。
【符号の説明】
９，１９，３７  透過部材、１０，２４，４２  供給路、
１１，２０  不透過部材、１２，２５，４１  水、１３，２６，４４  被冷却体、２１，３９  配水手段、１５，２８，４６，４８  空気流、
１６，２９，４７  水蒸気流、１８，３０，３６  冷却器、
３１、４３  吸水部材。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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