JP2014116398A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】近年の電子機器の高性能化、高密度化に伴い、必要とされている高効率でコンパクトな冷却装置を提供すること。
【解決手段】本実施形態に係る冷却装置は、気体中への放熱を行う部位の表面に設けられる誘電体４と、誘電体４上に設けられる第１の電極５と、誘電体４を介して第１の電極５と対向する第２の電極１４と、第１の電極５と第２の電極との間に交番電圧を印加する電圧印加手段としての電源９を具備し、第１の電極５と第２の電極１４との間で生じる放電により該部位の表面上に気流３を発生させるものである。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、電子機器などを冷却するための冷却装置に関する。

近年の電子機器の高性能化、高密度化に伴い、現状のヒートシンクやファンを用いた冷却能力のさらなる向上と、冷却機構のコンパクト化が必要とされている。

流体の一部をプラズマ化することにより、流れを制御することができる現象について、プラズマの作用により気流を発生させる気流発生装置が提案されている（例えば、特許文献１，２を参照）。

この気流発生装置によれば、平板上に非常に薄い層状の流れを、適宜制御しながら発生させることが可能となり、流れの境界層の速度分布を変化させたり、層流から乱流への遷移を強制的に引き起こしたり、渦を発生消滅させたりする、などの気流制御を実現することができ、種々の産業機器の革新的要素技術として利用できる。

特開２００７−３１７６５６号公報 特開２００８−１３５４号公報

従来の気体中への放熱を行う部位を備える冷却装置は、たとえばファンによる強制対流によって放熱を促進する場合、表面上に形成される境界層によって熱伝達が阻害されるため、放熱量を増すためには、放熱部の大型化やファン出力の向上が必要であった。しかしこれらの施策は近年の電子機器の高性能化、高密度化に伴って要求される高効率でコンパクトな冷却装置には適さないものであった。

本実施形態の目的は、高効率でコンパクトな冷却装置を提供することにある。

本実施形態に係る冷却装置は、気体中への放熱を行う部位の表面に設けられる誘電体と、前記誘電体上に設けられる第１の電極と、前記誘電体を介して前記第１の電極と対向する第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に交番電圧を印加する電圧印加手段とを具備し、前記第１の電極と前記第２の電極との間で生じる放電により該部位の表面上に気流を発生させるものである。

第１実施形態に係る冷却装置を示す模式図。 発生する気流の高さ方向の分布図。 第２実施形態に係る冷却装置の模式図。 第３実施形態に係る冷却装置の模式図。 第４実施形態に係る冷却装置の模式図。 印加する交番電圧の波形を示す図。 電力と気流の速さの関係図。 電力と周波数およびｄｕｔｙの関係図。 第５実施形態に係る冷却装置の模式図。 第６実施形態に係る冷却装置の断面図。

以下、図面を参照しながら本実施形態に係る冷却装置を説明する。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態に係る冷却装置の構成を示す。冷却装置２は、電子機器等の発熱体１（気体中への放熱を行う部位）の表面に設けられる誘電体４と、誘電体４上に設けられる露出電極５と、誘電体４内に設けられ、誘電体４を介して露出電極５と対向する第２の電極１４と、露出電極５と第２の電極１４との間に交番電圧を印加する電圧印加手段としての電源９とを有する。冷却装置２は、発熱体１における熱伝達率を向上させるため、誘電体４を介して露出電極５と発熱体１との間に沿面放電を発生させ、発熱体１の表面上の非常に薄い領域に気流３を発生させる。

図２に、ある電源条件で実測した気流の速さの高さ方向の分布を示す。図１の構成によれば、発熱体１の表面から約２ｍｍ以下のところに速度の速い気流を発生させることができ、この気流３が熱伝達率を非常に効果的に向上させる。

したがって、第１実施形態によれば、近年の電子機器の高性能化、高密度化に伴い、必要とされている高効率でコンパクトな冷却装置を提供することができる。
なお、発熱体１が金属であり接地電位を持つのであれば、この発熱体１を上記した第２の電極１４に代えて用いることができる。

（第２実施形態）
図３に、第２実施形態に係る冷却装置の構成を示す。冷却装置２Ａは、第１実施形態の冷却装置２の片側に絶縁体１３を付加し、一方向のみに気流３を発生させるようにしたものである。外部の風の流れに沿った方向（順方向）に沿面放電の方向と、それによって引き起こされる気流の方向を揃えることで、外部の風によってできた温度境界層内に気流が発生し、境界層を破壊することによって、発熱体１の熱伝達が向上する。

（第３実施形態）
図４に、第３実施形態に係る冷却装置の構成を示す。気体中への放熱を行う部位が複数のフィン７を有するヒートシンク６である場合、各フィン７には０〜複数個の気流発生装置２が適宜取り付けられ、各気流発生装置２はフィン７の表面上の非常に薄い領域に気流を発生させ、熱伝達率を非常に効果的に向上させることができる。

（第４実施形態）
図５に、第４実施形態に係る冷却装置の構成を示す。冷却装置２の周辺環境およびその周辺機器の少なくとも１つの情報（例えば冷却の対象となっている発熱部分の消費電力、気体中への放熱を行う部位の表面温度など）を取得し、その情報に応じて気流発生装置２から発生する気流３の速度を変更することによって、より効果的で、省エネルギー、長寿命な冷却装置を構成することが出来る。

ここでは、図５を用いて、センサ８の信号により、気流３の速度を変更にする例を説明する。図５において、導電性材料からなる気体中への放熱を行う部位（発熱体）１を第２の電極として使用し、導電性材料からなる露出電極５との間に印加する交番電圧の波形の一例を図６に示す。デューティ比とは、図６に示すように電圧を断続的に印加する場合の１周期の時間ｔ２に対する電圧を印加している時間ｔ１の割合をいう。

気流３の速度を可変にするために、図６に示された基本周波数ｆ、デューティ比Ｄｕｔｙ、電圧Ｖを電源９で変化させ、電力Ｐと気流の速さとの関係を測定すると、図７のような特性が得られる。また、周波数と電力の関係は図８（ａ）、ｄｕｔｙと電力の関係は図８（ｂ）の様にそれぞれ得られる。したがって、センサ８により発熱が大きく、大きな冷却能力が必要とされる場合には、周波数ｆ，デューティ比ｄｕｔｙ，電圧Ｖを適宜制御することにより、気体中への放熱を行う部位１における熱伝達率をより大きく向上させることが出来る。

（第５実施形態）
図９に、第５実施形態に係る冷却装置の構成を示す。冷却装置２Ｂの露出電極５の形状を放電開始電圧が低下するように非直線状、典型的には複数の角をもった形状の露出電極形状にする。これにより、同じ印加電圧Ｖに対して先端部分の電界強度を強め、放電を開始する電圧を低下させることによって、交番電圧印加機構をより小型化することが可能となる。なお、図９では、露出電極５の片側の形状をジグザグ形状に形成したが、露出電極５の両側の形状をジグザグ形状にしてもよい。

（第６実施形態）
図１０は、第６実施形態に係る冷却装置の構成を示す断面図である。冷却装置２Ｃは、第２の電極として使用する発熱体１の凹部分に、誘電体４を介して露出電極５を配置したものである。このようにしても、発熱体１の表面上の非常に薄い領域に気流３を発生させることができる。また、図１０の冷却装置２Ｃの構成では、発熱体１の表面に出っ張り部分が無いため、図４のようなフィン７に取り付ける場合に好適である。

なお、いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…発熱体（気体中への放熱を行う部位）、２…気流発生装置、３…気流、４…誘電体、５…露出電極、６…ヒートシンク、７…フィン、８…センサ、９…電源、１０…境界層、１１…境界層１０に比べ部位１の表面上の気体が加速された状態、１２…ジグザグ形状の露出電極、１３…絶縁体、１４…第２の電極。

Claims (6)

1. 気体中への放熱を行う部位の表面に設けられる誘電体と、
   前記誘電体上に設けられる第１の電極と、
   前記誘電体を介して前記第１の電極と対向する第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に交番電圧を印加する電圧印加手段と
   を具備し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間で生じる放電により該部位の表面上に気流を発生させることを特徴とする冷却装置。
2. 前記第１の電極の片側に絶縁体を付加することにより、前記気流の方向を一方向にすることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記気体中への放熱を行う部位が複数のフィンを有する形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 周辺環境又は周辺機器の少なくとも１つの情報を取得し、前記情報に応じて前記電圧印加手段に供給する電力を変更することにより、前記気流の速さを可変にすることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷却装置。
5. 前記第１の電極の片側又は両側が非直線状に形成してなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷却装置。
6. 気体中への放熱を行う部位の凹部に設けられる第１の電極と、
   誘電体を介して前記第１の電極と対向する第２の電極と、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間に交番電圧を印加する電圧印加手段と
   を具備し、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間で生じる放電により該部位の表面上に気流を発生させることを特徴とする冷却装置。

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