JP3068209B2

JP3068209B2 - 発熱体の水蒸発式冷却装置

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Publication number: JP3068209B2
Application number: JP10541394A
Authority: JP
Inventors: 哲雄森口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 2000-07-24
Anticipated expiration: 2017-06-23
Also published as: WO1998059202A1; US6176098B1

Description

【発明の詳細な説明】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
式冷却装置に関するものである。

背景技術従来、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。

図13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ガーボ
ン（C₆F₁₄）等のハロゲン系の溶媒が用いられる。

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。

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。

発明の開示この発明は、上記のような課題を解決するためになさ
れたものであって、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発熱体
の水蒸発式冷却装置を得ることを目的とする。

この発明による発熱体の水蒸発式冷却装置は、空気が
封入され、かつ、発熱体が収納される密閉空間と、この
密閉空間に設けられて水を貯液する水溜部と、上記発熱
体の表面に形成される防水層と、この防水層の表面に形
成され、上記発熱体が上記密閉空間内部に収納された時
にその一端が上記水溜部に貯液されている水に浸漬され
る含水層と、両端をこの密閉空間に連結されて該密閉空
間と共同して空気が循環される閉ループを構成する空気
循環路と、この空気循環路中に配設され、上記閉ループ
中を空気を循環させて上記含水層の表面に沿って空気を
流通させる空気循環手段と、上記空気循環路中に配設さ
れ、上記含水層の表面に沿って流通した空気中に含まれ
る水分を凝縮分離して回収する減湿手段と、この減湿手
段により回収された水分を上記水溜部に返水する返水手
段とを備え、上記含水層の表面に沿って空気を流通させ
ることにより上記含水層に含浸されている水を蒸発さ
せ、水の蒸発潜熱により上記発熱体を冷却するようにし
たものである。

図面の簡単な説明図１はこの発明の実施例１に係る水蒸発式冷却装置を
示すシステム構成図、図２はこの発明の実施例１に係る水蒸発式冷却装置に
おける発熱体表面に形成された放熱部を示す断面図、図３はこの発明の実施例１に係る水蒸発式冷却装置に
おける発熱体表面に形成された放熱部の他の例を示す要
部拡大断面図、図４はこの発明の実施例１に係る水蒸発式冷却装置に
適用される減湿装置を冷媒圧縮式空気冷却機で構成した
場合のシステム構成図、図５はこの発明に係る水蒸発式冷却装置の冷却原理を
説明する図、図６はこの発明に係る水蒸発式冷却装置の冷却効果を
説明する図、図７はこの発明の実施例１に係る水蒸発式冷却装置に
適用される発熱体の他の例を示す配列図、図８はこの発明の実施例２に係る水蒸発式冷却装置を
示すシステム構成図、図９はこの発明の実施例２に係る水蒸発式冷却装置に
用いられる水蒸気交換モジュールを構成する固体電解素
子の基本構造を示す断面図、図10はこの発明の実施例２に係る水蒸発式冷却装置に
用いられる水蒸気交換モジュールの構造を説明する斜視
図、図11はこの発明の実施例３に係る水蒸発式冷却装置を
示すシステム構成図、図12はこの発明の実施例４に係る水蒸発式冷却装置を
示すシステム構成図、図13は従来の伝熱装置を示す構成図である。

発明を実施するための最良の形態以下、この発明の好適な実施の形態について図面を参
照して説明する。

実施例1. 図１はこの発明の実施例１に係る水蒸発式冷却装置を
示すシステム構成図、図２はこの発明の実施例１に係る
水蒸発式冷却装置における発熱体表面に形成された放熱
部を示す断面図である。

図１において、発熱体50は例えば図２に示されるよう
に電子基板51上にLSI、抵抗体等の電子部品52が実装さ
れたもので、その表面に防水層53と含水層54とが形成さ
れている。この防水層53は例えばエポキシ樹脂塗料等の
誘電率が低く、透水性がなく、かつ、電気絶縁性の良好
な材料を塗布して形成されている。そして、防水層53は
水の浸透を防止できる最小膜厚に成膜されて、熱抵抗を
高めないように構成されている。

なお、防水層53は、水の浸透を防止するために、図３
に示されるように、薄い電気絶縁塗膜53aを形成し、そ
の上に熱良導性塗膜53bを形成した２重塗膜構造として
もよい。あるいはさらにその上に金属層55を成膜した多
重膜構造としてもよい。また、電気絶縁塗膜53aの上に
金属層55を成膜してもよい。また、防水層53の最外層に
撥水性の材料を塗布し、防水層53の表面を撥水処理する
ようにしてもよい。

含水層54は毛細管現象で水を吸い上げる効果の高い不
織布、布状体、多孔質材、網状体等を防水層53上に敷設
して形成されている。そして、この含水層54は、図３に
示されるように、発熱体の凹凸面でも均等に覆うように
形成されている。

缶体60は密閉空間56を構成し、その底部の水溜部60a
に水40が貯液されている。そして、このように構成され
た発熱体50が、含水層54の端部を水40に浸漬するように
缶体60内に収納されている。この缶体60と減湿手段とし
ての減湿装置58とが空気循環路としての管路59により連
結され、閉ループを構成している。そして、空気循環手
段としての空気循環機57が管路59に配設され、循環空気
が閉ループ内を循環するように構成されている。さら
に、減湿装置58の底部と缶体60の底部とが返水手段とし
ての返水管61で連結され、減湿装置58の底部に溜まった
水が返水管61を介して缶体60の水溜部60aに返水される
ように構成されている。

ここで、減湿装置58を冷媒圧縮式空気冷却機で構成し
た場合のシステム構成を図４に示す。

減湿装置58は、冷媒圧縮機62、冷媒凝縮器63、膨張弁
64、蒸発器65、空気加熱器66およびこれらの機器を連結
して閉ループを形成する管路67から構成されている。そ
して、空気循環機57によって循環される循環空気が蒸発
器65と空気加熱器66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、この蒸
発器65内の冷媒は、冷媒圧縮機62で圧縮され、空気加熱
器66を通って冷媒凝縮器63に送り込まれる。圧縮された
冷媒は、冷媒凝縮器63で系外に熱QHを放熱して凝縮さ
れ、その後膨張弁64で断熱自由膨張される。断熱自由膨
張された冷媒は蒸発器65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QLによって、２次
側を流れる空気が露点以下に冷却される。

つぎに、実施例１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57が駆動されると、循環空気が図１中矢印
Ａで示されるように閉ループ内を循環する。そこで、乾
燥空気が含水層54の表面を矢印Ａに沿って流れると、含
水層54に含まれる水は露点温度にむかって温度降下を起
こす。例えば、図５に示す線図上で、入り口空気が温度
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、乾燥空気中
に水分が蒸発し吸湿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、含水層54が冷却され、この
含水層54に熱的に連結されている発熱体50から熱を吸熱
し、発熱体50を露点温度に向かって冷却する。

含水層54の一端が缶体60の水溜部60aに貯液されてい
る水40に浸漬されているので、水40が毛細管現象の作用
により含水層54の全面に吸い上げられ、含水層54の表面
から蒸発された水分の補給が行われる。

含水層54の表面に沿って流れた空気は、含水層54から
蒸発した水分を吸湿して加湿され、缶体60から減湿装置
58を構成する蒸発器65の２次側に流れ込む。蒸発器65の
２次側に流れ込んだ空気は、膨張弁64で断熱自由膨張す
る過程で発生する冷却作用による吸熱QLにより、露点以
下に冷却される。これによって、空気中の水分が凝縮さ
れ、凝縮水となって蒸発器65の底部に貯液される。この
蒸発器65の底部に貯液された凝縮水は返水管61を通って
缶体60の底部に逐次回収される。蒸発器65で水分を除去
された空気は空気加熱器66に送り込まれ、常温まで昇温
されて乾燥空気となって缶体60に供給される。

この実施例１では、冷媒として水を用い、その蒸発に
よって発熱体50を冷却している。ここで、液体中に投入
される熱流束と沸騰熱伝達との関係を図６に示す。図６
から、水の沸騰熱伝達が他の流体に比べて大きいことが
わかる。従って、単位面積当たりの発熱量が大きい発熱
体の冷却に対しては、水が最も有効な冷媒といえる。

また、この実施例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。
水の蒸発潜熱は、590Kcal/kgと大きく、少ない冷媒循環
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、複数の基板を同時に冷却するよ
うな場合にも、大きな通気路を形成する必要がなく、図
７に示すように基板を密着した状態に配列しても、基板
間を空気が抜けるだけで十分な冷却効果が得られる。

このように、この実施例１によれば、含水層54を発熱
体50の表面に形成し、乾燥空気を含水層54の表面に沿っ
て流し、含水層54内の水を蒸発させて、水分蒸発時の蒸
発潜熱を奪うことによって水の温度を低下させているの
で、含水層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、冷媒として空気を用いているので、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57や大きな通気路が
必要とならず、冷却装置の小型化が図られる。

また、防水層53は、透水性がなく、電気絶縁性の良好
な材料を塗布して形成されているので、発熱体50の表面
状態に拘わらず発熱体50表面に簡易に成膜することがで
きる。そこで、冷却に寄与する水が防水層53により発熱
体50に達することが確実に防止でき、発熱体50の安定し
た動作を保証することができる。

また、含水層54を防水層53を介して発熱体50の表面に
設けることができるので、接触熱抵抗が小さくなり、優
れた冷却特性が得られる。

実施例2. 図８はこの発明の実施例２に係る水蒸発式冷却装置を
示すシステム構成図である。

図において、水蒸気交換モジュール70が第１の閉空間
42と第２の閉空間43とに画成するように空気が封入され
た缶体41に配設されている。そして、仕切り部材として
の仕切り壁76が第１の閉空間42を２つの閉空間42a、42b
に分離するように配設されている。この仕切り板76は上
下に開口が設けられ、２つの閉空間42a、42bが上下で互
いに連通するように構成されている。そこで、閉空間42
aは発熱体50が収納される密閉空間に相当し、閉空間42b
はこの閉空間42aと共同して閉ループを構成する空気循
環路に相当する。

発熱体50は含水層54の一端が水溜部74に貯液されてい
る水40に浸漬されるように閉空間42a内に収納される。
そして、空気循環手段としてのファン71、72が閉空間42
bおよび第２の閉空間43のそれぞれの上部側に配設され
ている。また、水凝縮器68が第２の閉空間43を構成する
缶体41の端部に配設されている。また、水溜部73が缶体
41の第２の閉空間43の底部に設けられ、返水管61により
水溜部74に連結されている。また、水凝縮器68の外気に
面する側には、冷却ファン69が配設されており、水凝縮
器68の表面を冷却し、外気に水の凝縮熱QHを放熱するよ
うになっている。さらに、水蒸気交換モジュール70に電
力を供給する直流電源75が設けられている。

水蒸気交換モジュール70に適用される固体電解素子77
の基本構造は、図９に示されるように、水素イオン（プ
ロトン）を選択的に通過させる固体高分子電解質78を挟
持するように電解反応を促進する触媒層79を介して陽極
80および陰極82を配置し、それらを熱圧接して複合膜状
に形成されている。固体高分子電解質膜78としては、例
えばナフィオン（Du Pont社登録商標）膜などが用いら
れる。また、陽極80および陰極81の電極材としては、白
金メッキが施されたエキスパンドメタルが用いられる。
なお、陰極81の電極材として、炭素繊維の不織布を用い
ることもできる。

ここで、水蒸気交換モジュール70の構造について図10
を参照しつつ説明する。

枠体82は、導体84がコの字状に成形された絶縁支持枠
83の開口部を挟む両片にそれぞれ配設されて構成されて
いる。そして、固体電解素子77は、陽極80と陰極81とが
帯状の固体高分子電解質膜78を挟んで互いに相対するよ
うに、かつ、固体高分子電解質膜78の長さ方向に所定間
隔毎に配置されている。そして、陽極80は、固体高分子
電解質膜78の幅方向の一側に延出され、一方陰極81は固
体高分子電解質膜78の幅方向の他側に延出されている。

そして固体電解素子77は、開口部が上下に交互に向く
ように配列された各枠体82の開口部と相対する辺の外周
で折り返され、隣り合う枠体82で挟持されてコルゲート
状に、即ち立体状に成形されている。また、各陽極80は
隣り合う枠体82の一側の導体84に電気的に接続され、各
陰極81は隣り合う枠体82の他側の導体84に電気的に接続
されている。そして、一対の給電母線85が枠体82の積層
体の両側に配設され、導体84を介して固体電解素子77に
給電できるようになっている。

このように構成された水蒸気交換モジュール70は、陽
極側の開口部が閉空間42bに面し、陰極側の開口部が第
２の閉空間43に面するように缶体41の中央部に配設され
ている。

つぎに、実施例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。

ファン71が駆動されると、閉空間42a内の空気が閉空
間42b内に吸入され、ファン71の排気側から水蒸気交換
モジュール70の陽極側の電解反応面に向かって排気され
る。そして、空気は水蒸気交換モジュール70の陽極側の
電解反応面に沿って下降する。この水蒸気交換モジュー
ル70の陽極側の電解反応面に沿って下降した空気の一部
は、図８中矢印Ｃで示すように、閉空間42a内に送り込
まれ、含水層54の表面に沿って上昇し、その後閉空間42
bに流入し、ファン71の吸気側に吸入される。また、水
蒸気交換モジュール70の陽極側の電解反応面に沿って下
降した空気の残部は、図８中矢印Ｂで示すように、仕切
り壁76に沿って閉空間42b内を上昇し、ファン71の吸気
側に吸入される。

ここで、直流電流75から水蒸気交換モジュール70の陽
極80と陰極81との間に電力が供給される。水蒸気交換モ
ジュール70の陽極側の電解反応面では、空気中に含まれ
る水が電気分解されて、式（１）に示す反応により、水
分子が分解されて酸素が発生される。

陽極側： H₂O→O₂＋4H⁺＋4e^- 式（１）さらに、水素イオンに同伴して１〜３分子の複数の水
分子が陽極側から固体高分子電解質膜78を通って陰極側
に移動する。そこで、陽極側では水分子が消費され、さ
らに水素イオンに同伴して水分子が陰極側に移動するた
め、水蒸気交換モジュール70の陽極側の電解反応面に沿
って下降した空気は除湿されて乾燥空気となる。この乾
燥空気の一部が閉空間42aに送り込まれ、含水層54の表
面に沿って流れ、含水層54の表面から水分を蒸発させ
る。この乾燥空気は含水層54の表面から蒸発した水蒸気
を含み、加湿されて閉空間42bに戻される。含水層54
は、水の蒸発の過程で冷却され、含水層54と熱的に接続
されている発熱体50が冷却される。

上述の水の電気分解で生成された水素イオン（H⁺）は
固体高分子電解質膜78を通って陰極81に達する。一方、
水の電気分解で生成された電子（e^-）は外部回路を通っ
て陰極81に達する。そして、式（２）に示す反応によ
り、陰極側では、酸素が消費されて水が生成される。

陰極側： O₂＋4H⁺＋4e^-→H₂O 式（２）これによって、第２の閉空間43内の空気は加湿され、
飽和空気となる。そして、ファン72が駆動されると、空
気は、図８中矢印Ｄで示されるように、第２の閉空間43
内を循環する。そして、飽和空気は、水凝縮器68の冷却
面で冷却ファン69の作用により外気に熱QHを放熱するこ
とによって冷却されて、該空気中に含まれる水蒸気は凝
縮されて凝縮水となって水溜部73に滴下し貯液される。
水溜部73に貯液された水は返水管61を介して逐次水溜部
74に戻され、含水層54から蒸発した水の補給に供され
る。

上記実施例１では、冷媒圧縮機62、冷媒凝縮器63、膨
張弁64、蒸発器65および加熱器66と、これらの機器を連
結して閉ループを形成する管路67等からなる減湿装置58
を減湿手段に用いている。そこで、上記実施例１では装
置が大型化してしまい、熱負荷が数百ワット以上の大型
電子機器の冷却に適用できるものの、発熱量が数十ワッ
ト以下の小型の機器に対しては適用できなかった。しか
しながら、この実施例２によれば、陽極80および陰極81
が水素イオン導電性の固体高分子電解質膜78の両面に触
媒層79を介して形成されて固体電解素子77からなる水蒸
気交換モジュール70を減湿手段に用いているので、発熱
量が数十ワット以下の機器に対して適用できる小型の減
湿手段が得られる。

また、水蒸気交換モジュール70は、固体電解素子77を
立体状に成形しているので、単位面積当たりの電解反応
面積が大きくなり、冷却効率を向上させることができる
とともに、小型化を図ることができる。

また、仕切り壁76が第１の閉空間42を第１の閉空間42
を上下で互いに連通する２つの閉空間42a、42bに分離す
るように配設されているので、水蒸気交換モジュール70
の陽極側の電解反応面に沿って下降した空気の一部は、
図８中矢印Ｃで示すように、閉空間42a内に送り込ま
れ、含水層54の表面に沿って上昇し、その後閉空間42b
に流入して、陽極側の電解反応面に供せられ、該空気の
残部は、図８中矢印Ｂで示すように、仕切り壁76に沿っ
て閉空間42b内を上昇して、陽極側の電解反応面に供せ
られる。そこで、水蒸気交換モジュール70の陽極側の電
解反応面を流れる空気流は、乱流域に維持されて大きく
なる。その結果、水蒸気交換モジュール70の電解反応面
に沿って流れる空気の流速が速くなり、水蒸気交換モジ
ュール70の電解反応速度を速くすることができる。一
方、含水層54の表面に沿って流れる空気の流量は少なく
なるが、含水層54の表面に沿って流れる空気は蒸発した
水蒸気の搬送媒体としてのみ作用することから、発熱体
50の冷却性能に影響を及ぼすことはない。また、水蒸気
交換モジュール70内でジュール熱が発生し、循環空気が
温度上昇するが、閉空間42aに流れ込む空気の流量が少
なくなるので、含水層54の表面に侵入するジュール熱の
量が低減され、冷却効率の向上が図られる。

実施例3. この実施例３では、図11に示されるように、冷却フィ
ン86が閉空間42bの閉空間42aへの空気流出側に配設さ
れ、冷却フィン86に一部が缶体41の外部に突出されて放
熱フィン87を構成している。ここで、冷却フィン86およ
び放熱フィン87が空気冷却器を構成している。なお、他
の構成は上記実施例２と同様に構成されている。

この実施例３によれば、水蒸気交換モジュール70内で
ジュール熱が発生し、循環空気が温度上昇するが、閉空
間42aに流れ込む空気の熱は、冷却フィン86および放熱
フィン87を介して外気に放熱される。そこで、冷却され
た空気が含水層54の表面に沿って流れることになり、冷
却効率が一層向上される。

実施例4. この実施例４では、図12に示されるように、冷却フィ
ン86が閉空間42bの閉空間42aへの空気流出側に配設さ
れ、放熱フィン87が閉空間42bの閉空間42aからの空気流
入側に配設され、冷却フィン86と放熱フィン87とがヒー
トパイプ88により熱的に連結されている。ここで、冷却
フィン86、放熱フィン87およびヒートパイプ88が空気冷
却器を構成している。なお、他の構成は上記実施例２と
同様に構成されている。

この実施例４によれば、閉空間42aに流れ込む空気
は、冷却フィン86、ヒートパイプ88および放熱フィン87
を介して、含水層54の表面に沿って流れた後閉空間42b
に流れ込む冷たい空気により冷却される。そこで、この
実施例４においても、上記実施例３と同様の効果が得ら
れる。

なお、上記各実施例では、発熱体50は電子基板51上に
LSI、抵抗体等の電子部品52が実装されたものとしてい
るが、発熱体50はこれに限定されるものではなく、例え
ば電子機器を内蔵した筐体でもよい。

このように、この発明によれば、空気が封入され、か
つ、発熱体が収納される密閉空間と、この密閉空間に設
けられて水を貯液する水溜部と、上記発熱体の表面に形
成される防水層と、この防水層の表面に形成され、上記
発熱体が上記密閉空間内に収納された時にその一端が上
記水溜部に貯液されている水に浸漬される含水層と、両
端をこの密閉空間に連結されて該密閉空間と共同して空
気が循環される閉ループを構成する空気循環路と、この
空気循環路中に配設され、上記閉ループ中を空気を循環
させて上記含水層の表面に沿って空気を流通させる空気
循環手段と、上記空気循環路中に配設され、上記含水層
の表面に沿って流通した空気中に含まれる水分を凝縮分
離して回収する減湿手段と、この減湿手段により回収さ
れた水分を上記水溜部に返水する返水手段とを備え、上
記含水層の表面に沿って空気を流通させることにより上
記含水層に含浸されている水を蒸発させ、水の蒸発潜熱
により上記発熱体を冷却するようにしているので、発熱
体を外周温度以下に冷却することができ、使用環境の制
限のない水蒸発式冷却装置が得られる。また、含水層が
発熱体に密接されるので、接触熱抵抗が小さくなり、優
れた冷却特性が得られる。また、冷媒として水が使用さ
れているので、冷媒による環境汚損がなく、環境保全に
適した冷却装置が得られる。

また、上記防水層は、透水性のない絶縁性樹脂を上記
発熱体の表面に塗布して形成された電気絶縁塗膜で構成
されているので、発熱体の表面状態に拘わらず簡易に発
熱体表面を絶縁保護できる。

また、上記防水層は、表面に金属被膜が形成されてい
るので、発熱体表面への水の浸透を確実に阻止できると
ともに、含水層と発熱体との熱抵抗を小さくすることが
できる。

また、上記防水層は、熱良導性樹脂をこの電気絶縁塗
膜の表面に塗布して形成された熱良導塗膜を有するの
で、含水層と発熱体との熱抵抗を小さくすることができ
る。

また、上記減湿手段は、電極が水素イオン導電性の固
体高分子電解質膜の両面にそれぞれ設けられ、さらに触
媒層を該固体高分子電解質の両面にそれぞれ設けられて
電解反応面が構成された固体電解素子を立体状に成形し
てなり、上記含水層の表面に沿って流通した空気が一方
の電解反応面に沿って流通するように配設された水蒸気
交換モジュールと、この水蒸気交換モジュールの他方の
電解反応面側に配設された水凝縮器と、上記一方の電解
反応面側の電極が陽極となるように上記電極を介して上
記固体電解素子に電圧を供給する直流電源とを備えてい
るので、冷却負荷が数十ワット以下の小規模発熱体の冷
却に適用することができる。

また、上記水蒸気交換モジュールが上記一方の電解反
応面に面する第１の閉空間と上記他方の電解反応面に面
する第２の閉空間とを構成するように缶体内に配設さ
れ、上記水凝縮器が上記第２の閉空間内に配設され、仕
切り部材が上記発熱体を収納する上記密閉空間と上記一
方の電解反応面に沿った上記空気循環路とを構成するよ
うに上記第１の閉空間内に配設されているので、密閉空
間への熱侵入を抑えることができ、冷却効率を向上させ
ることができる。

また、空気冷却器が上記空気循環路の上記密閉空間へ
の流出側に配設され、上記含水層の表面に沿って流れる
空気を予め冷却できるようにしたので、密閉空間への熱
侵入を更に抑えることができ、冷却効率を更に向上させ
ることができる。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】空気が封入され、かつ、発熱体が収納され
る密閉空間と、この密閉空間に設けられて水を貯液する
水溜部と、上記発熱体の表面に形成される防水層と、こ
の防水層の表面に形成され、上記発熱体が上記密閉空間
内に収納された時にその一端が上記水溜部に貯液されて
いる水に浸漬される含水層と、両端をこの密閉空間に連
結されて該密閉空間と共同して空気が循環される閉ルー
プを構成する空気循環路と、この空気循環路中に配設さ
れ、上記閉ループ中を空気を循環させて上記含水層の表
面に沿って空気を流通させる空気循環手段と、上記空気
循環路中に配設され、上記含水層の表面に沿って流通し
た空気中に含まれる水分を凝縮分離して回収する減湿手
段と、この減湿手段により回収された水分を上記水溜部
に返水する返水手段とを備え、上記含水層の表面に沿っ
て空気を流通させることにより上記含水層に含浸されて
いる水を蒸発させ、水の蒸発潜熱により上記発熱体を冷
却するようにしたことを特徴とする発熱体の水蒸発式冷
却装置。
【請求項２】上記防水層は、透水性のない絶縁性樹脂を
上記発熱体の表面に塗布して形成された電気絶縁塗膜で
あることを特徴とする請求項１記載の発熱体の水蒸発式
冷却装置。
【請求項３】上記防水層は、表面に金属被膜が形成され
ていることを特徴とする請求項２記載の発熱体の水蒸発
式冷却装置。
【請求項４】上記防水層は、熱良導性樹脂をこの電気絶
縁塗膜の表面に塗布して形成された熱良導塗膜を有する
ことを特徴とする請求項２記載の発熱体の水蒸発式冷却
装置。
【請求項５】上記防水層は、表面に金属被膜が形成され
ていることを特徴とする請求項４記載の発熱体の水蒸発
式冷却装置。
【請求項６】上記減湿手段は、電極が水素イオン導電性
の固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ設けられ、さら
に触媒層を該固体高分子電解質の両面にそれぞれ設けら
れて電解反応面が構成された固体電解素子を立体状に成
形してなり、上記含水層の表面に沿って流通した空気が
一方の電解反応面に沿って流通するように配設された水
蒸気交換モジュールと、この水蒸気交換モジュールの他
方の電解反応面側に配設された水凝縮器と、上記一方の
電解反応面側の電極が陽極となるように上記電極を介し
て上記固体電解素子に電圧を供給する直流電源とを備え
たことを特徴とする請求項記載１の発熱体の水蒸発式冷
却装置。
【請求項７】上記水蒸気交換モジュールが上記一方の電
解反応面に面する第１の閉空間と上記他方の電解反応面
に面する第２の閉空間とを構成するように缶体内に配設
され、上記水凝縮器が上記第２の閉空間内に配設され、
仕切り部材が上記発熱体を収納する上記密閉空間と上記
一方の電解反応面に沿った上記空気循環路とを構成する
ように上記第１の閉空間内に配設されていることを特徴
とする請求項６記載の発熱体の水蒸発式冷却装置。
【請求項８】空気冷却器が上記空気循環路の上記密閉空
間への流出側に配設され、上記含水層の表面に沿って流
れる空気を予め冷却できるようにしたことを特徴とする
請求項７記載の発熱体の水蒸発式冷却装置。