JP2012032146A - 冷却装置と、該冷却装置を備えた冷却システムと、該冷却システムを用いている照明装置 - Google Patents

冷却装置と、該冷却装置を備えた冷却システムと、該冷却システムを用いている照明装置 Download PDF

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佳真 廖
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俊賢 巫
Hsien-Chun Meng
憲▲ゆい▼ 孟
Xuan Meng
軒 孟
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Abstract

【課題】放熱対象の構造により重力の方向と不一致する方向に向かって液体を噴射する場合においても、放熱効果が上下均一であり冷却装置の提供。
【解決手段】正面及び背面を有し、前記正面で放熱対象と接触する伝熱プレート３１０と、前記伝熱プレート３１０の前記背面に対して液体を噴射する複数の液体射出口３２０が形成されている噴液手段３２とを有する冷却装置３であって、前記複数の液体射出口３２０は、上から下へと前記伝熱プレート３１０の前記背面から段々離れるように並んでいることを特徴とする冷却装置を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は冷却装置と、該冷却装置を備えた冷却システムと、該冷却システムを用いている照明装置に関し、特に放熱対象が水平面でない場合に適用する冷却装置と、該冷却装置を備えた冷却システムと、該冷却システムを用いている照明装置に関する。
液体の蒸発熱を放熱に利用する放熱装置として、例えば特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載されている従来の放熱装置は、上方から下方にある放熱対象へ液体を噴霧するように構成されており、霧状の液体を放熱対象との接触により蒸発させて放熱対象から熱を吸収することができる。
米国特許第７０８２７７８Ｂ２号明細書
しかし、上記従来の放熱装置は、重力の方向に従って、上方から下方にある放熱対象へ液体を噴霧することを前提として設計されたものであるので、放熱対象の構造により重力の方向と一致しない方向に向かって液体を噴霧しなければならない場合では、液体の進行方向が重力の影響で下方寄りになるので、放熱対象に対する放熱効果が上下不均一になりやすい。
また、上記従来の放熱装置は、加熱された電極で液体を霧化させる構成であり、霧化された液体が放熱対象と接触する前にすでにある程度加熱されたので、その放熱効果も影響を受けている。
本発明は上記問題点に鑑みて、放熱対象の構造により重力の方向と不一致する方向に向かって液体を噴射する場合においても、放熱効果が上下均一であり、且つ液体が放熱対象と接触する前の温度が比較的に低くなる冷却装置と、該冷却装置を備えた冷却システムと、該冷却システムを用いている照明装置の提供を目的とする。
上記目的を達成すべく、本発明は正面及び背面を有し、前記正面で放熱対象と接触する伝熱プレートと、前記伝熱プレートの前記背面に対して液体を噴射する複数の液体射出口が形成されている噴液手段とを有する冷却装置であって、前記複数の液体射出口は、上から下へと前記伝熱プレートの前記背面から段々離れるように並んでいることを特徴とする冷却装置を提供する。
上記冷却装置の実施形態として、互いに間をあけて配置されている前壁と後壁と、前記前壁及び前記後壁とを繋ぐように形成されている側壁とにより構成されたハウジングの中に、複数の液体射出口が上から下へと並んでいる板状の噴液手段が前記前壁と前記後壁との間に配置されている冷却装置であって、前記前壁は、前記ハウジングの外側に面する正面及び前記噴射手段に面する背面を有し、且つ、前記正面で放熱対象と接触して伝熱プレートとして使用されるように構成されており、また、前記噴射手段は、前記複数の液体射出口が上から下へと前記伝熱プレートの前記背面から段々離れるよう、前記前壁と所定角度αを成すように配置構成される上、前記ハウジングは、前記前壁及び前記前壁の背面における周縁に沿いながら突出する上、突出先端に開口を形成している第１の壁板を有する第１の箱体と、前記後壁及び前記後壁の前記前壁と対面している面における周縁に沿いながら突出する上、突出先端に開口を形成している第２壁板を有する第２の箱体とにより、前記第１及び第２の壁板の開口が互いに向かい合うように組み合わせられた中空箱状体であり、前記噴液手段は、前記第１及び第２の壁板の間に挟まれていることが好ましい。
上記実施形態の冷却装置において、前記所定角度αは、０°を超えて且つ１０°以下の範囲内にあることが好ましい。
上記実施形態の冷却装置において、前記ハウジングに液体注入口と蒸気排出口とが形成されていることが好ましい。
また、本発明は上記冷却装置と、前記冷却装置から蒸気を受け取って液体に凝縮させる凝縮装置と、を備えている冷却システムをも提供する。
上記冷却システムにおいて、前記凝縮装置から液体を受け取って前記冷却装置に送るポンプ装置を更に備えることが好ましい。
更に、本発明は水平面と０°を超えて且つ９０°以下である所定角度βを成すように配置構成されている放熱面を有し、且つ照明機能を備えている照明手段と、請求項５に記載の冷却システムとを備え、前記伝熱プレートの前記正面で前記放熱面と接触し、前記複数の液体射出口で前記伝熱プレート対して液体を噴射し、前記伝熱プレートを介して前記照明手段と熱交換を行って冷却させるように構成されている照明装置をも提供する。
上記照明装置において、前記所定角度βは、１０°以上で６０°以下の範囲内にあることが更に好ましい。
上記構成により、本発明の冷却装置は、液体射出口と伝熱プレートとの間の距離が上から下へと段々広がるようになっているので、放熱対象の構造により重力の方向と直交する方向に向かって液体を噴射する場合においても放熱効果が上下均一であり、そして加熱された電極を使用しないため、液体が放熱対象と接触する前の温度が比較的に低くなる冷却装置を提供することができる。
本発明の照明装置の構成が簡略的に示されている説明図である。 本発明の照明装置のもう一つの構成例が簡略的に示されている説明図である。 本発明の冷却システムの構成が簡略的に示されている説明図である。 本発明の冷却装置の第１の実施形態の構成が簡略的に示されている分解図である。 本発明の冷却装置の第１の実施形態の作動方法が簡略的に示されている断面説明図である。 本発明の冷却装置の第１の実施形態に使用される噴液手段の構成が示されている説明図である。 本発明の冷却装置の第２の実施形態の構成が簡略的に示されている分解図である。 本発明の冷却装置の第２の実施形態の作動方法が簡略的に示されている断面説明図である。
図１は本発明の照明装置の構成が簡略的に示されている説明図であり、図３は該照明装置に使用される冷却システムの構成が簡略的に示されている説明図である。
図１及び図２に示されているように、本発明の照明装置１００は照明ユニット１を有するものであり、該照明ユニット１はケース１１と、ケース１１内において水平面と所定角度βを成すように配置構成されている放熱面１０と、放熱面１０と熱交換を行って冷却させる冷却システム２とを備えている。
この実施形態において、照明装置１００は自動車のヘッドライトであり、照明ユニット１は発光ダイオードモジュールを照明手段として自動車の前方に向かって投光するものであるので、放熱面１０と水平面とが成す前記所定角度βは９０°になっているが、これに限らず、放熱面１０と水平面とが成す前記所定角度βが０°を超えて且つ９０°以下の範囲内で、水平面と不一致で斜めに配置されているのであれば、本発明を適用することができる。例えば、図２は所定角度βが３０°である場合の実施形態である照明装置１００’が示されている。本発明において、所定角度βが９０°ではない場合は、１０°以上で６０°以下の範囲内に入ることがより好ましく、そして１５°を以上で４５°以下の範囲内に入ることが更に好ましい。
冷却システム２は、放熱面１０と接触するように配置されている冷却装置３と、蒸気輸送管４を経由して冷却装置３から蒸気を受け取って液体に凝縮させる凝縮装置６と、凝縮装置６から液体を受け取って冷却装置３に送るポンプ装置５と、冷却装置３と凝縮装置６とポンプ装置５とを制御すると共に、作動に必要する電力を供給することができる制御・電源装置７とを主とする構成として備えている。
なお、本発明において冷却に使用される液体として３Ｍ社、Ｆｌｏｕｒｉｎｅｒｔ、Ｎｏｖｅｃシリーズの製品を用いるが、特に制限はなく、例えば水或いはアルコールなどを使用することもできる。
図４は本発明の冷却装置の第１の実施形態の構成が簡略的に示されている分解図であり、図５は本発明の冷却装置の第１の実施形態の作動方法が簡略的に示されている断面説明図であり、図６は本発明の冷却装置の第１の実施形態に使用される噴液手段の構成が示されている説明図である。
図４〜図６に示されているように、本発明の冷却装置３は、正面及び背面を有し、正面で放熱面１０と接触する伝熱プレート３１０と、伝熱プレート３１０の背面に対して液体を噴射する複数の液体射出口３２０が形成されている噴液手段３２とを有するものであり、また、複数の液体射出口３２０は、上から下へと（図１参照）伝熱プレート３１０の背面から段々離れるように並んでいる。
この冷却装置３は、図示のように、互いに間をあけて平行に配置されている前壁３１と後壁３３と、前壁３１及び後壁３３とを繋ぐように形成されている側壁３４とにより構成されたハウジング３０の中に、複数の液体射出口３２０が上から下へと複数の列となって並んでいる板状の噴液手段３２が前壁３１と後壁３３との間に配置構成されている。
ハウジング３０は第１及び第２の箱体３１５，３１６により構成されている中空箱状体であり、第１の箱体３１５は、前壁３１及び前壁３１の背面における周縁に沿いながら突出する上、突出先端に開口を形成している第１の壁板３１５１を有するものであり、第２の箱体３１６は、後壁３３及び後壁３３の前壁３１と対面している面における周縁に沿いながら突出する上、突出先端に開口を形成している第２の壁板３１６１を有するものである。第１の箱体３１５と第２の箱体３１６は、第１及び第２の壁板３１５１，３１６１の開口が互いに向かい合うように組み合わせられてハウジング３０となっている。
板状の噴液手段３２は第１及び第２の箱体３１５，３１６の間に挟まれていると共に、複数の液体射出口３２０が上から下へと伝熱プレート３１０の背面から段々離れるよう、前壁３１と所定角度αを成すように配置構成されている。
即ち、板状の噴液手段３２の上端縁３２３から伝熱プレート３１０までの最短距離が噴液手段３２の下端縁３２４から伝熱プレート３１０までの最短距離よりも短くなるよう、第１の壁板３１５１の上下方向に沿う周縁３１５２及び第２の壁板３１６１の上下方向に沿う周縁３１６２は、前壁３１と所定角度αを成すように形成されている。この角度αは、０°を超えて且つ１０°以下の範囲内にあることが好ましい。
例えば、噴液手段３２の上端縁３２３から伝熱プレート３１０までの最短距離ｄ１を０を超えて且つ５.０ｍｍ以下の範囲内に設定し、噴液手段３２の下端縁３２４から伝熱プレート３１０までの最短距離ｄ２をｄ１より遠いと共に２.０ｍｍを超えて且つ１５.０ｍｍ以下の範囲内に設定することができる。
この実施形態において、噴液手段３２は厚みが２０〜３００μｍの範囲内になるように形成することが好ましい。複数の液体射出口３２０は、互いに５〜２０００μｍの距離を離れ、噴液手段３２においてマトリックス状に配列されるように設けられている。また、各液体射出口３２０は孔径が均一的になるように形成されていると共に、５〜１０００μｍの範囲内にあることが好ましく、特に５〜５００μｍの範囲内にあることが好ましく、更に１０〜２００μｍの範囲内にあることが最も好ましい。
図６に示されているように、各液体射出口３２０はそれぞれ液体進入端３２１と液体射出端３２２とを有しており、液体進入端３２１から液体射出端３２２へ縮径するように形成されることが望ましい。液体射出口３２０は、液体進入端３２１から液体射出端３２２へ縮径するように形成されることにより、液体射出口３２０に流れ込んだ液体が微細な液柱として射出されるようになると共に、射出される液体を霧化する効果もある。
噴液手段３２は、例えば電鋳加工、レーザー加工、ホットプレス加工または射出成形のいずれかの加工法によりつくられる。詳しい製造方法として、例えば、物理気相成長（ＰＶＤ）或いは化学気相蒸着（ＣＶＤ）等の成長法を用いてガラス或いはケイ素などの基材本体の表面に、蒸着金属層を形成し、更に回転塗布法或いは浸漬法を用いてフォトレジスト層を形成する。次いで、リソグラフィー技術を用いてフォトマスクを介してフォトレジスト層を露光させた後、その露光されたレジスト層を除去し蒸着金属層を選択的に露出させる。そして、エッチングにより露出した蒸着金属層を除去した後、全てのフォトレジストを除去する。以上により、基材本体の表面に貫通孔を複数形成した蒸着金属層が形成される。この貫通孔は、噴液手段３２の液体射出口３２０となるものであり、それぞれの孔径は形成予定の液体射出口３２０よりも大きくなっている。
次いで、電鋳工程にて蒸着金属層の表面上に電鋳金属層を形成した後、離型して電鋳金属層を蒸着金属層及び基材本体から分離させる。これにより、図６に示される噴液手段３２が得られる。
更に、本発明ではハウジング３０に液体注入口と蒸気排出口とが形成されていることが好ましい。
例えば、この実施形態において、後壁３３にはポンプ装置５と連通している液体注入口３１４が形成され、第１の箱体３１５における第１の壁板３１５１の下端側には蒸気排出口３１３が形成されている。また、冷却装置３は温度センサー３５を備えている。蒸気排出口３１３を第１の壁板３１５１の下端側に形成することによって、伝熱プレート３１０との熱交換により生成された蒸気を排出することができる上、蒸発できずにハウジング３０の下端側に溜まりやすい液体を排出することもできる。
上記のように作成された噴液手段３２の液体射出口３２０は、孔径が調整することができるものであり、更に、図５に示されているように、各液体射出口３２０に流れ込んだ液体は、各液体進入端３２１と液体射出端３２２との間にある孔径の変化の影響により、複数の微細な液柱或いは小さな液滴になって伝熱プレート３１０へ射出され、伝熱プレート３１０の背面に非常に薄い液体層を形成するようになる。該液体層は伝熱プレート３１０と熱交換することにより気化すると共に、伝熱プレート３１０の背面に発生した気泡９の内側に一旦蓄積するようになるが、液体射出口３２０から更に射出される液柱或いは液滴によってその気泡９が破れると、蒸気排出口３１３を経由して蒸気輸送管４に進入する。
上記構成により、本発明の冷却装置３は、噴液手段３２から射出される液体が重力の影響を受けて下方に落ちる前に伝熱プレート３１０まで到達させて伝熱プレート３１０と熱交換を行わせることができるので、放熱対象に対する放熱効果が上下不均一になる問題を解決して従来より上下均一な放熱効果を提供することができる。
蒸気輸送管４は、例えば高分子材料またはステンレス材料を用いてつくられるが、特に制限はなく、本発明において使用される液体の輸送に適する材料であればよい。この実施形態において、蒸気輸送管４の内面に凹凸などの微細構造を有することが好ましい。この微細構造は蒸気輸送管４の内面の表面積を増大することにより凝縮効果を向上させることができる。
凝縮装置６は、中空貯蔵槽６１と中空放熱フィン６２とを有しており、中空貯蔵槽６１と中空放熱フィン６２との内部空間は互いに連通して凝縮チャンバー６０２となると共に、蒸気輸送管４と連通している蒸気入口６０１と、ポンプ装置５と連通している液体出口６０３とを有している。更に、凝縮装置６には温度センサー６３と、圧力センサー６４とを備えている。
ポンプ装置５は、ポンプ本体５０と、ポンプ本体５０と液体注入口３１４と連通している輸送パイプ５１と、輸送パイプ５１に取り付けられていて輸送パイプ５１の輸送量を制御するバルブ５３とを備えている。
制御・電源装置７は冷却装置３と凝縮装置６とポンプ装置５とに作動に必要する電力を供給する上、冷却装置３にある温度センサー３５と、凝縮装置６にある温度センサー６３及び圧力センサー６４との計測結果に従って、冷却装置３と凝縮装置６とポンプ装置５とを制御するように構成されている。
また、図７及び図８では本発明の冷却装置の第２の実施形態の構成及び作動方法が示されており、図示のように、本発明の冷却装置の第２の実施形態は第１の実施形態と類似する構成を有しているが、ハウジング３０の形状が異なっている。
詳しく説明すると、本発明の冷却装置の第１の実施形態においては、前壁３１と後壁３３は互いに平行するように配置されているが、噴液手段３２は前壁３１及び後壁３３に対して斜めに配置されている。一方、本発明の冷却装置の第２の実施形態においては、後壁３３と噴液手段３２は互いに平行するように配置しているが、前壁３１は噴液手段３２及び後壁３３に対して斜めに配置されている。
つまり、本発明においてハウジング３０の形状は特に制限されておらず、重要なのは噴液手段３２に形成されている液体射出口３２０は、上下方向に沿いながら、伝熱プレート３１０の背面から段々離れるように並んであれば本発明の目的を達成することができる。
上記構成により、本発明の冷却装置は、液体射出口と伝熱プレートとの間の距離が段々広がるようになっているので、放熱対象の構造により重力の方向と直交する方向に向かって液体を噴射する場合においても放熱効果が上下均一であり、そして加熱された電極を使用しないため、液体が放熱対象と接触する前の温度が比較的に低くなっている冷却装置を提供することができる。そして本発明は該冷却装置を応用する冷却システムと、該冷却システムを用いる照明装置をも提供している。
したがって、本発明の冷却装置は電気装置を素早く放熱することができ、特に放熱を重要視する発光ダイオードモジュールを使用する照明装置に適用することができる。
１…照明ユニット １０…放熱面
１００…照明装置 １００’…照明装置
１１…ケース ２…冷却システム
３…冷却装置 ３０…ハウジング
３１…前壁 ３１０…伝熱プレート
３１３…蒸気排出口 ３１４…液体注入口
３１５…第１の箱体 ３１５１…第１の壁板
３１６…第２の箱体 ３１６１…第２の壁板
３２…噴液手段 ３２０…液体射出口
３２１…液体進入端 ３２２…液体射出端
３２３…上端縁 ３２４…下端縁
３３…後壁 ３４…側壁
３５…温度センサー ４…蒸気輸送管
５…ポンプ装置 ５０…ポンプ本体
５１…輸送パイプ ５３…バルブ
６…凝縮装置 ６０１…蒸気入口
６０２…凝縮チャンバー ６０３…液体出口
６１…中空貯蔵槽 ６２…中空放熱フィン
６３…温度センサー ６４…圧力センサー
７…制御・電源装置 ９…気泡
α…所定角度 β…所定角度

Claims (8)

  1. 正面及び背面を有し、前記正面で放熱対象と接触する伝熱プレートと、
    前記伝熱プレートの前記背面に対して液体を噴射する複数の液体射出口が形成されている噴液手段とを有する冷却装置であって、
    前記複数の液体射出口は、上から下へ前記伝熱プレートの前記背面から段々離れるように並んでいることを特徴とする冷却装置。
  2. 互いに間をあけて配置されている前壁と後壁と、前記前壁及び前記後壁とを繋ぐように形成されている側壁により構成されたハウジングの中に、複数の液体射出口が上から下へと並んでいる板状の噴液手段が前記前壁と前記後壁との間に配置されている冷却装置であって、
    前記前壁は、前記ハウジングの外側に面する正面及び前記噴液手段に面する背面を有し、且つ、前記正面で放熱対象と接触して伝熱プレートとして使用されるように構成されており、
    また、前記噴液手段は、前記複数の液体射出口が上から下へと前記伝熱プレートの前記背面から段々離れるよう、前記前壁と所定角度αを成すように配置構成されており、
    前記ハウジングは、前記前壁及び前記前壁の背面における周縁に沿いながら突出する上、突出先端に開口を形成している第１の壁板を有する第１の箱体と、前記後壁及び前記後壁の前記前壁と対面している面における周縁に沿いながら突出する上、突出先端に開口を形成している第２壁板を有する第２の箱体とにより、前記第１及び第２の壁板の開口が互いに向かい合うように組み合わせられた中空箱状体であり、
    前記噴液手段は、前記第１及び第２の壁板の間に挟まれていることを特徴とする冷却装置。
  3. 前記所定角度αは、０°を超えて且つ１０°以下であることを特徴とする請求項２に記載の冷却装置。
  4. 前記ハウジングに液体注入口と、蒸気排出口とが形成されていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の冷却装置。
  5. 請求項１〜請求項４におけるいずれか一項に記載の冷却装置と、
    前記冷却装置から蒸気を受け取って液体に凝縮させる凝縮装置と、備えていることを特徴とする冷却システム。
  6. 前記凝縮装置から液体を受け取って前記冷却装置に送るポンプ装置を更に備えることを特徴とする請求項５に記載の冷却システム。
  7. 水平面と０°を超えて且つ９０°以下である所定角度βを成すように配置構成されている放熱面を有し、且つ照明機能を備えている照明手段と、
    請求項５または請求項６に記載の冷却システムとを備え、
    前記伝熱プレートの前記正面で前記放熱面と接触し、前記複数の液体射出口で前記伝熱プレート対して液体を噴射し、前記伝熱プレートを介して前記照明手段と熱交換を行って冷却させるように構成されている照明装置。
  8. 前記所定角度βは、１０°以上で６０°以下であることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
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