JP2000353774A - 水蒸発式発熱体冷却装置 - Google Patents

水蒸発式発熱体冷却装置

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JP2000353774A
JP2000353774A JP11165367A JP16536799A JP2000353774A JP 2000353774 A JP2000353774 A JP 2000353774A JP 11165367 A JP11165367 A JP 11165367A JP 16536799 A JP16536799 A JP 16536799A JP 2000353774 A JP2000353774 A JP 2000353774A
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water vapor
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Tetsuo Moriguchi
哲雄 森口
Kazuhiko Hara
一彦 原
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 この発明は、発熱体を外周温度以下に冷却で
き、使用環境の制限がなく、環境保全に適した小型の水
蒸発式発熱体冷却装置を得る。 【解決手段】 ヒートシンク51は、選択的水蒸気透過
膜53を筐体52の一部に設けられた開口部52aを塞
口するように気密に取り付け、水54を選択的水蒸気透
過膜53と筐体52とで形成される閉空間内に充満させ
て構成されている。そして、筐体52の壁面52bを発
熱体50のCPU50bに密接させ、かつ、乾燥空気5
5を選択的水蒸気透過膜53の外表面に沿って流すこと
により、発熱体50を冷却している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、電子機器や電力
機器に搭載されるLSIを中心とした電子部品を実装し
た電子基板やコンピュータ記憶装置等の冷却装置に関
し、特に電子部品やコンピュータ記憶装置からの発熱を
除去して温度上昇を抑制でき、さらには電子機器の最高
使用温度以上の環境下に設置しても正常動作できる小型
で冷却特性の優れた水蒸発式発熱体冷却装置に関するも
のである。
【0002】
【従来の技術】従来、電子機器や電力機器に搭載される
LSIを中心とした電子部品を冷却する方法として、例
えば特開平6−21279号公報に記載されているよう
に、冷媒バッグとヒートパイプとを組み合わせてLSI
等の発熱部材からの発熱を熱放散する方法が採られてい
た。
【0003】図7は例えば特開平6−21279号公報
に記載された従来の伝熱装置を示す構成図である。図に
おいて、保護用金属容器1はその底部に開孔部2が設け
られている。そして、冷媒バッグ3が保護用金属容器1
内の下部に収められている。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。この冷媒バッグ3が保護用金属容器1内に収
められると、開孔部2から冷媒バッグ3の一部が突き出
し、LSI等の被冷却体8と接触する接触部5が形成さ
れる。さらに、伝熱管6が冷媒バッグ3に包み込まれる
ようにして保護用金属容器1内に収納され、保護用金属
容器1から外部に突き出した伝熱管6の一端には放熱フ
ィン7が取り付けられている。なお、作動液4として
は、フロンやパーフロロカーボン(C614)等のハロ
ゲン系の溶媒が用いられる。
【0004】つぎに、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8に接触部5が接触
するように、伝熱装置を設置する。そして、被冷却体8
が発生する熱が、接触部5から作動液4に伝達される。
作動液4は、接触部5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6に接触している部位に達するとそこで伝
熱管6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6に吸収され
る。その後、熱は伝熱管6の一端に設けられた放熱フィ
ン7から放熱される。このような熱交換を繰り返すこと
により、被冷却体8が冷却される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】従来の伝熱装置は以上
のように構成されているので、放熱部の外周温度以下に
冷却することができないため、電子機器の最高使用温度
以上の環境では動作させることができず、使用環境が制
限されるという課題があった。また、作動液4としてフ
ロンやパーフロロカーボン等のハロゲン系の溶媒が用い
られているので、設備を廃却するときに、冷媒の回収が
環境保全上必要となるが、電子機器は一般に不特定多数
の市場を対象としているものが多く、その回収方法を解
決する必要があるという課題もあった。また、一般に電
子機器には小型化が必ず要求されるが、上述の伝熱装置
の構造では基板近傍での構成要素が多く、小型化という
課題に対しては解決を与えるものではなかった。また、
被冷却体8は冷媒バッグ3と機械的に接触する構造であ
るため、接触熱抵抗が大きくなり、ますます発熱密度が
大きくなってしまい、冷却特性の優れた冷却方法が要求
されるニーズに対しては十分な対応がとれないという課
題もあった。
【0006】この発明は、上記のような課題を解決する
ためになされたもので、発熱体を外周温度以下に冷却で
き、使用環境の制限がなく、環境保全に適した小型の水
蒸発式発熱体冷却装置を得ることを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】この発明に係る水蒸発式
発熱体冷却装置は、熱的良導体からなり、開口部を有す
る筐体と、上記開口部を塞口するように上記筐体に取り
付けられて該筐体と協働して閉空間を構成する選択的水
蒸気透過膜と、上記閉空間内に給水された水とを備え、
上記筐体を発熱体に熱的に連結させ、かつ、上記選択的
水蒸気透過膜の外表面に沿って乾燥空気を流通させるこ
とによって、該発熱体を冷却するようにしたものであ
る。
【0008】さらに、空気に含まれる水蒸気を凝縮して
水溜に分離回収するとともに低湿度の空気を得る減湿装
置と、この減湿装置で得られた低湿度の空気を上記選択
的水蒸気透過膜の外表面に沿って流通させた後減湿装置
に戻す空気循環回路と、上記減湿装置の水溜に回収され
た水を上記閉空間に返水する返水手段とを備えたもので
ある。
【0009】また、上記筐体は、上記発熱体に熱的に連
結される部位の外面が該発熱体の冷却面の形状に合わせ
た面形状に形成されているものである。
【0010】また、上記筐体が、可撓性材料で形成され
ているものである。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。 実施の形態1.図1はこの発明の実施の形態1係る水蒸
発式発熱体冷却装置を示すシステム構成図である。図2
はこの発明の実施の形態1係る水蒸発式冷却装置を示す
要部断面図である。図1および図2において、発熱体5
0は、電子部品、例えばコンピュータのCPU50bが
基板50a上に実装されて構成されている。ヒートシン
ク51は、良熱伝導材料で作製された筐体52と、筐体
52の一部に設けられた開口部52aを覆蓋するように
取り付けられた選択的水蒸気透過膜53とを有し、さら
に筐体52と選択的水蒸気透過膜53とが形成する空間
に水54を充満して構成されている。選択的水蒸気透過
膜53に相対する筐体52の壁面52bは、発熱体50
bに密着され熱的良導体の接着剤等によって熱的に接合
されている。選択的水蒸気透過膜53の外面には、矢印
Aで示す方向に乾燥空気55が通気されている。ヒート
シンク51は給水タンク56と管路57a、57bを介
して連結され、ヒートシンク51内に連続して水54が
補給されるようになっている。ここで、良熱伝導材料と
しては、熱伝導率の大きい材料であり、例えば銅、銀、
金、アルミニウム等の金属が用いられる。
【0012】つぎに、この実施の形態1による水蒸発式
冷却装置の動作について述べる。発熱体50で発熱した
熱は、これと熱的に接合されているヒートシンク51に
流れ込み、ヒートシンク内の水54を加熱する。これに
よって、水54と選択的水蒸気透過膜53との界面から
水蒸気が生成され、これが選択的水蒸気透過膜53を透
過してその外面に沿って流れる乾燥空気55に吸収され
る。そこで、発熱体50の熱が乾燥空気55に吸収され
ることになり、発熱体50が冷却されることになる。
【0013】ここで、本願発明に用いられる選択的水蒸
気透過膜53について説明する。この選択的水蒸気透過
膜53は、空気成分の透過速度に対して水蒸気の透過速
度が著しく大きい機能を有するものである。この選択的
水蒸気透過膜53としては、例えば特開平1−1949
27号公報に記載されるように、親水性官能基をもった
フッ素樹脂が多孔質支持体に積層または含浸されて構成
された機能膜を用いることができる。この機能膜は、多
孔質支持体にフッ素樹脂を積層または含浸させることに
より、少なくとも厚さ方向においては無孔質体となり、
空気、窒素、メタンガス等の炭化水素系気体は実質的に
透過できないものとなる。そして、水蒸気は親水性官能
基によってフッ素樹脂の膜面に吸着され、次いでフッ素
樹脂層中に拡散され、急速に透過する。この水蒸気を透
過させる駆動力は、膜を介しての蒸気の分圧差であり、
この分圧差が大きければ水蒸気透過速度は大きくなる。
なお、多孔質支持体としては、セルロース系、ポリオレ
フィン系、ポリエステル系、ポリサルホン系、フッソ系
等の多孔質膜、不織布、織布等が用いられ、耐熱性や耐
薬品性を有するフッソ系のものが望ましい。また、フッ
素樹脂に含有される親水性官能基としては、スルホン酸
基、スルホン酸塩基、硫酸基、硫酸塩基、カルボン酸
基、カルボン酸塩基等がある。
【0014】この実施の形態1では、ポリテトラフルオ
ロエチレン膜を延伸した多孔質膜(厚さ:40μm、空
孔率:75%、最大孔径:0.5μm)上にスルホン酸
塩基含有フッ素系重合体を厚さ10μmに成膜し、風乾
した後、さらに100℃で180分間乾燥させて作製さ
れた選択的水蒸気透過膜53を用いている。このように
作製された選択的水蒸気透過膜53における水蒸気、酸
素、窒素、水素およびメタンガスの気体透過速度および
速度比は図3に示される。この図3から、空気の成分で
ある酸素および窒素はほとんど透過されず、水蒸気のみ
を選択的に透過させることがわかる。また、この選択的
水蒸気透過膜53の機能を確認するために、容積15リ
ットルの密閉容器の壁面に50cm2の開口を穿設し、
該開口を塞ぐように選択的水蒸気透過膜53を取り付け
た測定装置を作製した。そして、該密閉容器内を加湿状
態として、選択的水蒸気透過膜53の外面に湿度20℃
の乾燥空気を流通させた時の密閉容器内の湿度を測定し
た結果を図4に示す。この図4から、選択的水蒸気透過
膜53の外面に乾燥空気を流通させることにより、密閉
容器内の水蒸気が引き出され、密閉容器内の湿度が低下
することがわかる。そして、選択的水蒸気透過膜53の
外面に乾燥空気を所定時間流通させることにより、密閉
容器内の湿度を乾燥空気の湿度と同程度に減湿できるこ
とがわかる。
【0015】つぎに、乾燥空気と水とを接触させること
により、水を空気温度以下に冷却できる原理について説
明する。図5に示す線図上で、乾燥空気が温度32℃、
湿度20%(図5中の点Pに相当)の空気とすると、こ
の空気に接する水の温度は図5中直線PQに沿って等エ
ンタルピックに変化し、湿球温度TW=17℃(図5中
の点Qに相当)まで温度降下する。これは、水が乾燥空
気中に蒸発し吸収されることに起因するものであり、こ
の水分蒸発時の蒸発潜熱を奪われることによって温度が
低下する。これによって、水が冷却され、この水に熱的
に連結されている発熱体50のCPU50bから熱を吸
熱し、CPU50bを冷却する。そこで、発熱体50が
高温の環境下に配置されても、ヒートシンク51はそれ
以下の温度に維持される。即ち、必要であれば、CPU
50bを周囲温度以下に冷却することができる。
【0016】この実施の形態1による冷却は、空気の顕
熱利用による冷却とは異なり、水の蒸発潜熱によるもの
である。そこで、水の蒸発潜熱は、590Kcal/k
gと大きく、少ない水循環量で大きな冷却効率が得られ
る。また、空気の循環は、水の蒸発した水蒸気を輸送す
る輸送媒体としてのみ作用しているので、風冷による空
気の比熱0.24Kcal/kg℃を利用した顕熱利用
による冷却方法に比べ、極端に風量が少なくてよい。従
って、大きな通気路を形成する必要がなく、小型化が可
能となる。
【0017】このように、この実施の形態1によれば、
ヒートシンク51を構成する筐体52の壁面の一部に設
けられた開口52aに選択的水蒸気透過膜53を取り付
け、選択的水蒸気透過膜53に相対する筐体52の壁面
52bを発熱体50に熱的に連結している。そして、乾
燥空気55を選択的水蒸気透過膜53の外表面に沿って
流すことによって、選択的水蒸気透過膜53と水54と
の界面から水を蒸発させて、水分蒸発時の蒸発潜熱を奪
い、水の温度を低下させているので、水54を外周温度
以下に冷却することができる。そこで、この水蒸発式冷
却装置では、電子機器の最高使用温度以上の環境でも動
作させることができ、使用環境が制限されることがな
い。また、筐体52の一部を構成している選択的水蒸気
透過膜53が水を透過させることがないので、ヒートシ
ンク51に水54を給水しても、外部に水が漏れ出すこ
とがない。そこで、基板50a上にヒートシンク51を
複数取り付けても、漏水による漏電事故の心配がなく、
安全でコンパクトな冷却が可能となる。また、冷却冷媒
として空気と水とを用いているので、フロンやパーフロ
ロカーボン等のハロゲン系の溶媒を用いた場合のよう
に、冷媒の回収が環境保全上必要とならず、環境保全上
問題のない冷却装置が得られる。また、冷却機構が水の
蒸発潜熱によるものであるので、少ない冷媒循環量で大
きな冷却効率が得られる。さらに、空気の循環が、蒸発
した水蒸気を輸送する輸送媒体としてのみ作用している
ので、極端に風量が少なくてよい。そこで、大容量の空
気循環機や大きな通気路が必要とならず、冷却の観点か
ら要求される機器構成の小型化が図られる。
【0018】実施の形態2.上記実施の形態1では、ヒ
ートシンク51と給水タンク56とを管路57a、57
bで連結し、給水タンク56に貯水されている水を管路
57a、57bを介してヒートシンク52に給水するこ
とによってヒートシンク51で蒸発した水を補給するよ
うにしている。この実施の形態2では、乾燥空気がヒー
トシンク51の外表面を流れる過程で水蒸気を吸収して
加湿されることに着目し、ヒートシンク51の外表面を
流れる過程で水蒸気を吸収して加湿された空気から水分
を回収して再使用するとともに、乾燥空気を得るように
したものである。
【0019】図6はこの発明の実施の形態2に係る発熱
体の水蒸発式冷却装置を示すシステム構成図である。図
6において、減湿装置65は、冷媒圧縮機71、冷媒凝
縮器72、膨張弁73、冷媒蒸発器74、空気加熱器7
5およびこれらの機器を連結して閉ループを形成する冷
媒管路76から構成されている。そして、空気循環機6
7によって循環される循環空気が冷媒蒸発器74と空気
加熱器75の2次側を流通するようになっている。冷媒
がこの閉ループを循環している。そして、この冷媒蒸発
器74内の冷媒は、冷媒圧縮機71で圧縮され、空気加
熱器75を通って冷媒凝縮器72に送り込まれれる。圧
縮された冷媒は、冷媒凝縮器72で系外に熱を放熱して
凝縮され、その後膨張弁73で断熱自由膨張される。断
熱自由膨張された冷媒は冷媒蒸発器74に送り込まれ、
断熱自由膨張する過程で発生する冷却作用による吸熱に
よって、2次側を流れる空気が露点以下に冷却される。
冷媒蒸発器74の底部には水溜としての貯水ピット78
が設けられ、2次側を流れる空気が冷却された時に、該
空気中に含まれる水分が凝縮されて得られる凝縮水が貯
水ピット78に貯水される。
【0020】発熱体50はヒートシンク1と熱的に接合
された状態で密閉空間58内に収納されている。密閉空
間58と減湿装置65とは空気配管77a、77bを介
して連結され、気体循環路としての空気循環の閉回路を
構成している。また、ファン等の気体循環手段としての
空気循環機67が空気配管77aの経路中に配設されて
いる。この空気循環機67の作動により、密閉空間58
内の空気は、空気配管77aを介して減湿装置65内に
送り込まれ、含まれる水蒸気が減湿装置65内で凝縮分
離されて乾燥空気55となり、空気配管77bを介して
密閉空間58に戻され、選択的水蒸気透過膜53に沿っ
て流れるように、図6中矢印Aで示されるように、該閉
回路を強制的に循環する。さらに、減湿装置65中の貯
水ピット78とヒートシンク51とが返水手段としての
管路57aにより連通され、減湿装置65で分離回収さ
れた水がヒートシンク51に返水されるように構成され
ている。
【0021】つぎに、この実施の形態2による水蒸発式
冷却装置の冷却動作について説明する。空気循環機67
が駆動されると、密閉空間58内の空気は、空気配管7
7aを介して減湿装置65内に送り込まれ、循環冷媒蒸
発器74と空気加熱器75の2次側を流通した後、空間
配管77bを介して密閉筐体58内に送り込まれる。そ
して、空気は、循環冷媒蒸発器74の2次側を流通する
際に、露点以下に冷却される。この時、空気中に含まれ
る水分が凝縮され、凝縮水として貯水ピット78に貯水
される。また、露点以下に冷却された空気は、空気加熱
器75の2次側を流通する際に、常温まで加熱され、空
気配管77bを介して乾燥空気として密閉筐体58に送
り込まれる。
【0022】密閉筐体58内に送り込まれた乾燥空気5
5は、図6中矢印Aで示されるように、選択的水蒸気透
過膜53の外面に沿って流通する。そして、ヒートシン
ク51内の水蒸気が選択的水蒸気透過膜53を介して密
閉協会58内に引き出され、密閉筐体58内を流通する
空気が加湿された状態となって空気配管77aを介して
減湿装置65に送り込まれる。一方、CPU50bで発
生した熱は、筐体52の壁面52bを介してヒートシン
ク51に伝達され、筐体52内の水が加熱されて蒸発す
る。このようにして生成された水蒸気は選択的水蒸気透
過膜53を透過して密閉筐体58内を流通する乾燥空気
55に吸収され、ヒートシンク51内の湿度が密閉筐体
58内を流通する乾燥空気と同程度の湿度となる。ま
た、密閉筐体58内に引き出された水蒸気は減湿装置6
5で凝縮回収され、凝縮水として注水ピット78に貯水
される。そして、この凝縮水は管路57aを介してヒー
トシンク51に逐次返水される。
【0023】従って、この実施の形態2においても、上
記実施の形態1と同様の効果が得られる。また、この実
施の形態2によれば、ヒートシンク51内で蒸発し、選
択的水蒸気透過膜53を透過して乾燥空気55に吸収さ
れた水蒸気が減湿装置65で凝縮水として回収されてヒ
ートシンク51に供給されるので、系外から水の補給が
不要となり、閉ループ内での発熱体50の冷却を可能と
することができる。
【0024】実施の形態3.この実施の形態3では、筐
体52の壁面50bの外面形状が発熱体50の冷却面の
形状に合うように成形されているものである。そこで、
筐体52の壁面50bを発熱体50の冷却面に沿わせて
密接状態に配置することが可能となり、筐体52と発熱
体50との接合面の熱抵抗を著しく小さくでき、発熱体
50を効果的に冷却することができる。
【0025】実施の形態4.上記実施の形態3では、筐
体52の壁面50bの外面形状を発熱体50の冷却面の
形状に合うように成形するものとしているが、この実施
の形態4では、筐体50を可撓性材料で作製するものと
し、同様の効果が得られる。ここで、筐体50を作製す
る可撓性材料としては、良熱伝導性のプラスチックと金
属フィルムとの積層フィルム、エンボス加工された金属
フィルム等が用いられる。
【0026】なお、上記各実施の形態では、CPU50
bが基板50a上に実装されてなる発熱体50を冷却す
るものとして説明しているが、本発明は、これに限定さ
れるものではなく、電力用半導体、サイリスタ、レーザ
関連機器等の冷却にも適用でき、特に放熱熱流束の大き
い冷却をする場合に有効である。
【0027】
【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。
【0028】この発明によれば、熱的良導体からなり、
開口部を有する筐体と、上記開口部を塞口するように上
記筐体に取り付けられて該筐体と協働して閉空間を構成
する選択的水蒸気透過膜と、上記閉空間内に給水された
水とを備え、上記筐体を発熱体に熱的に連結させ、か
つ、上記選択的水蒸気透過膜の外表面に沿って乾燥空気
を流通させることによって、該発熱体を冷却するように
したので、発熱体を外周温度以下に冷却でき、使用環境
の制限がなく、環境保全に適した小型の水蒸発式発熱体
冷却装置が得られる。
【0029】さらに、空気に含まれる水蒸気を凝縮して
水溜に分離回収するとともに低湿度の空気を得る減湿装
置と、この減湿装置で得られた低湿度の空気を上記選択
的水蒸気透過膜の外表面に沿って流通させた後減湿装置
に戻す空気循環回路と、上記減湿装置の水溜に回収され
た水を上記閉空間に返水する返水手段とを備えたので、
系外から水の補給が不要となり、閉ループ内で発熱体を
冷却することができる。
【0030】また、上記筐体は、上記発熱体に熱的に連
結される部位の外面が該発熱体の冷却面の形状に合わせ
た面形状に形成されているので、筐体と発熱体との接合
面の熱抵抗が低減され、高効率の冷却が可能となる。
【0031】また、上記筐体が、可撓性材料で形成され
ているので、筐体と発熱体との接合面の熱抵抗が低減さ
れ、高効率の冷却が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1係る水蒸発式発熱体
冷却装置を示すシステム構成図である。
【図2】 この発明の実施の形態1係る水蒸発式発熱体
冷却装置を示す要部断面図である。
【図3】 この発明の実施の形態1に係る水蒸発式発熱
体冷却装置に適用される選択的水蒸気透過膜における気
体透過速度および速度比を表す図である。
【図4】 この発明の実施の形態1に係る水蒸発式発熱
体冷却装置に適用される選択的水蒸気透過膜の機能を説
明する図である。
【図5】 この発明に係る水蒸発式発熱体冷却装置の冷
却原理を説明する図である。
【図6】 この発明の実施の形態2に係る水蒸発式発熱
体冷却装置を示すシステム構成図である。
【図7】 従来の伝熱装置を示す構成図である。
【符号の説明】 50 発熱体、52 筐体、52a 開口部、52b
壁面、53 選択的水蒸気透過膜、54 水、55 乾
燥空気、57a 管路(返水手段)、58 密閉空間
(空気循環回路)、65 減湿装置、77a、77b
空気配管(空気循環回路)、78 貯水ピット(水
溜)。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 熱的良導体からなり、開口部を有する筐
    体と、 上記開口部を塞口するように上記筐体に取り付けられて
    該筐体と協働して閉空間を構成する選択的水蒸気透過膜
    と、 上記閉空間内に給水された水とを備え、 上記筐体を発熱体に熱的に連結させ、かつ、上記選択的
    水蒸気透過膜の外表面に沿って乾燥空気を流通させるこ
    とによって、該発熱体を冷却するようにしたことを特徴
    とする水蒸発式発熱体冷却装置。
  2. 【請求項2】 空気に含まれる水蒸気を凝縮して水溜に
    分離回収するとともに低湿度の空気を得る減湿装置と、
    この減湿装置で得られた低湿度の空気を上記選択的水蒸
    気透過膜の外表面に沿って流通させた後減湿装置に戻す
    空気循環回路と、上記減湿装置の水溜に回収された水を
    上記閉空間に返水する返水手段とを備えたことを特徴と
    する請求項1記載の水蒸発式発熱体冷却装置。
  3. 【請求項3】 上記筐体は、上記発熱体に熱的に連結さ
    れる部位の外面が該発熱体の冷却面の形状に合わせた面
    形状に形成されていることを特徴とする請求項1記載の
    水蒸発式発熱体冷却装置。
  4. 【請求項4】 上記筐体が、可撓性材料で形成されてい
    ることを特徴とする請求項1記載の水蒸発式発熱体冷却
    装置。
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