JP3083480B2

JP3083480B2 - 電解式水蒸発冷却装置

Info

Publication number: JP3083480B2
Application number: JP08140447A
Authority: JP
Inventors: 哲雄森口
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1996-06-03
Publication date: 2000-09-04
Anticipated expiration: 2016-06-03
Also published as: JPH09326581A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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、等に適用できる冷却
装置に関し、特に電子部品やコンピュータ記憶装置の最
高使用温度以上の環境下に設置しても正常動作できる電
解式水蒸発冷却装置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
など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４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
エチレンなどの軟質プラスチック材よりなる円筒状のも
のの両端を、熱融着など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。そして、この冷媒バッグ３が保護用金
属容器１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などの被冷却体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（Ｃ₆Ｆ₁₄）などの
ハロゲン系の冷媒が用いられる。

【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などの被冷却体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
発し、この蒸気は、冷媒バッグ３内の伝熱管６に接触し
ている部分で凝縮し、液化して落下する。この潜熱のや
りとりを通して、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
カーボンなどのハロゲン系の冷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小型
化できず、十分な対応ができ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、使用環境の制限がなく、環境保
全上の問題がなく、小型で、無音の電解式水蒸発冷却装
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】この第１の発明に係る電
解式水蒸発冷却装置は、気体が封入された第１の密閉缶
と、第１の密閉缶内を第１および第２の密閉空間に２分
割するように配設された固体電解質膜と、第１の密閉缶
の下方に貫通孔を介して連設されて、該貫通孔を介して
第１の密閉空間に連通する第３の密閉空間を構成する第
２の密閉缶と、第２の密閉缶の底部に貯水された水と、
下端が貯水された水に浸漬されて第２の密閉缶の内壁面
に沿って上下方向に延設された含水層と、第１の密閉缶
の第２の密閉空間側に設けられて第２の密閉空間内の水
蒸気を凝縮させる凝縮器と、第２の密閉空間の気相部と
第３の密閉空間の気相部とを連通する通気路と、凝縮器
で凝縮された水を第２の密閉空間から第３の密閉空間に
返水する通水路と、固体電解質膜に電力を供給する直流
電源とを備え、直流電源から固体電解質膜に第１の密閉
空間側が陽極、第２の密閉空間側が陰極となるように電
力を供給し、第１の密閉空間側の固体電解質膜の面で気
体が含む水蒸気の電気分解を生じさせ、該水の電気分解
で生成されたプロトンを固体電解質膜を介して第２の密
閉空間側の固体電解質膜の面に供給し、第２の密閉空間
側の固体電解質膜の面で水の生成反応を生じさせて、第
１および第３の密閉空間と第２の密閉空間との間に湿度
差を発生させ、第２の密閉缶の底部に貯水されている水
および含水層に含水される水の温度を低下させて、第２
の密閉缶の貯水部もしくは含水層に沿って形成された壁
面を冷却面とする電解式水蒸発冷却装置において、第２
の密閉缶の貫通孔近傍に通気可能に構成された充填層を
設け、第１の密閉空間から貫通孔を通って第３の密閉空
間に流入する気体と第３の密閉空間から貫通孔を通って
第１の密閉空間に流出する気体とを充填層で向流的に接
触させるようにしたものである。

【０００８】この第２の発明に係る電解式水蒸発冷却装
置は、上記第１の発明において、通水路が第２の密閉空
間の底部と第３の密閉空間の貯水部とを連通するように
設けられて、該第２の密閉空間と該第３の密閉空間との
間を水封構造とすると共に、該通水路の経路途中を充填
層と熱的に連結したものである。

【０００９】

【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に係る電
解反応による水蒸発式冷却装置の構成を模式的に示す一
部破断正面図、図２はこの発明の実施の形態１に係る電
解反応による水蒸発式冷却装置の構成を模式的に示す一
部破断側面図である。図において、５０は水分子を電気
分解する機能を有する固体電解質膜であり、この固体電
解質膜５０は第１の密閉缶４０を２つの密閉空間５１
ａ、５１ｂに分割するように配置され、さらに両面には
直流電源５２から直流電圧が印加されるようになってい
る。また、第２の密閉缶４１が第１の密閉缶４０の下方
に配設され、第２の密閉缶４１で構成される第３の密閉
空間５１ｃが貫通孔５３を介して第１の密閉空間５１ａ
に連通している。これらの第１および第２の密閉缶４
０，４１には、内部を減圧して酸素ガスと水蒸気とが封
入されている。そして、第３の密閉空間５１ｃを構成す
る第２の密閉缶４１の底部には水５６が貯水されてい
る。また、第２の密閉缶４１の壁面５４内部には、熱良
導性でかつ吸水性を有する多孔質板、網状板、膜状板な
どを固着して含水層５５が形成されている。そして、含
水層５５は、その下端が第２の密閉缶４１の底部の貯水
部に貯水されている水５６中に浸漬されて、その毛細管
現象により水５６を吸水して湿潤状態に維持されてい
る。この含水層５５に沿った壁面５４が冷却面として機
能し、被冷却体７０が壁面５４に熱的に連結される。

【００１０】第１の密閉空間５１ａは貫通孔５３を介し
て第３の密閉空間５１ｃの上部に配置され、第１の密閉
缶４０の第１の密閉空間５１ａを構成する壁面の一部に
は固体電解質膜５０に対向する位置に外部に熱を放熱す
るための放熱器５８が取り付けられている。また、第２
の密閉缶４１の第３の密閉空間５１ｃの含水層５５の上
部には、例えば金属繊維を綿状にしたもの、あるいは例
えばビーズ状の充填材を定められた厚みに層状に充填し
た充填層５７が形成されている。この充填層５７は第１
の密閉空間５１ａから貫通孔５３を通って第３の密閉空
間５１ｃに流入する気体と、第３の密閉空間５１ｃから
貫通孔５３を通って第１の密閉空間５１ａに流出する気
体とを向流的に接触させるように機能する。

【００１１】第２の密閉空間５１ｂは第１の密閉空間５
１ａと相隣る位置に固体電解質膜５０に隔てられて形成
され、第２の密閉空間５１ｂを構成する第１の密閉缶４
０の壁面の一部には固体電解質膜５０に対向する位置に
外部に熱を放熱するための放熱器５９が取り付けられ、
水蒸気を凝縮する凝縮器として機能させている。

【００１２】第２の密閉空間５１ｂの頂部には貴金属触
媒層６０が配設されている。貴金属触媒としては白金、
ルテニウム、パラジウムの微紛体、あるいはフェライ
ト、酸化チタニウム、等の金属酸化物を粒状体、ペレッ
ト、ハニカム状体に形成したものの表面に上記金属を担
持したもので構成し、触媒層内は通気可能に構成されて
いる。

【００１３】第２の密閉空間５１ｂの底部は第３の密閉
空間５１ｃの底部の貯水部と通水路６１で連結すると共
に、第２の密閉空間５１ｂの底部に水を貯水して第３の
密閉空間５１ｃと第３の密閉空間５１ｂとの間を水封構
造としている。また、通水路６１はその経路途中で充填
層５７に熱的に連結されている。なお、通水路６１はそ
の経路途中で充填層５７周りの第２の密閉缶４１の外壁
と熱的に連結されるようにしてもよい。また、第３の密
閉空間５１ｃの底部に形成された貯水面上部近傍と第２
の密閉空間５１ｂの頂部の貴金属触媒層６０とが通気路
６２で連結されて、通気可能な構造となっている。

【００１４】ここで、固体電解質膜５０は、その両面に
電解反応を促進する触媒を介して陽極および陰極が形成
されている。また、一対の給電体６４，６５が平行に配
置され、給電体６４には導電性のピン６４ａが所定ピッ
チで複数立設され、さらに給電体６５には導電性のピッ
チ６５ａが所定ピッチで複数立設されている。そして、
固体電解質膜５０は、ピン６４ａとピン６５ａとに交互
に掛け渡されてコルゲート状（波板状）に成形されて、
小さい密閉空間に大きな電解反応面を構成している。こ
の固体電解質膜５０の両面に形成された陽極および陰極
は、それぞれピン６４ａ，６５ａを介して給電体６４，
６５に電気的に接続され、さらに給電体６４，６５を介
して外部の直流電源５２に電気的に接続されている。

【００１５】ついで、固体電解質膜５０の作用について
図３を参照しつつ説明する。この固体電解質膜５０は、
プロトンを選択的に通過させる固体高分子電解質膜５０
ａを挟持するように電解反応を促進する触媒５０ｅを介
して陽極５０ｂおよび陰極５０ｃを配し、樹脂製のフレ
ーム５０ｄにより固体高分子電解質膜５０ａ、陽極５０
ｂおよび陰極５０ｃの端部を保持して、陽極５０ｂおよ
び陰極５０ｃが固体高分子電解質膜５０ａの両面に固定
されて構成されている。この固体高分子電解質膜５０ａ
としては、例えばナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）−１１７
（ＤｕＰｏｎｔ社登録商標）などのプロトン交換膜が
用いられる。また、陽極５０ｂおよび陰極５０ｃとして
は、白金メッキが施されたチタン、タンタルあるいはス
テンレスのメッシュ体、繊維を給電体とした金属メッキ
体、炭素繊維の不織布などの多孔質電極が用いられる。

【００１６】陽極５０ｂと陰極５０ｃとの間に直流電源
５２から直流電圧が印加されると、両電極面上で次式に
示される酸化／還元反応が起こる。この時、図３に示さ
れるように、陽極５０ｂでの水の電気分解で生成された
Ｈ⁺（プロトン）が固体高分子電解質膜５０ａ中を通過
して陰極５０ｃに供給され、水の生成に供せられる。そ
して、陽極５０ｂで水が電気分解され、陰極５０ｃで水
が生成される。そこで、見かけ上、陽極５０ｂ側の水蒸
気が陰極５０ｃ側に、陰極５０ｃ側の酸素が陽極５０ｂ
側に移送されることになる。すなわち、陽極５０ｂ側の
密閉空間が減湿され、陰極５０ｃ側の密閉空間が加湿さ
れる。陽極側：Ｈ₂Ｏ→２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^- 陰極側：２Ｈ⁺＋１／２Ｏ₂＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ全体：Ｈ₂Ｏ（陽極側）→Ｈ₂Ｏ（陰極側）Ｏ₂（陰極側）→Ｏ₂（陽極側）

【００１７】つぎに、この実施の形態１による電解式水
蒸発冷却装置の動作について説明する。固体電解質膜５
０は、その陽極面が第１の密閉空間５１ａ側に、陰極面
が第２の密閉空間５１ｂ側になるように直流電源５２と
電気的に接続されている。そして、第１および第３の密
閉空間５１ａ，５１ｃは上下方向に各々が配置され、貫
通孔５３によって連通している。ここで、第３の密閉空
間５１ｃを形成する第２の密閉缶４１の壁面５４の内部
には含水層５５が形成されており、低湿度の環境に保持
されているため、含水層５５の表面から水分の蒸発が加
速される。この含水層５５の表面からの水分の蒸発の加
速により、温度降下が誘引され、壁面５４が冷却され
る。この壁面５４には被冷却体７０が熱的に連結されて
いるため、被冷却体７０から壁面５４に熱の移動が起こ
り被冷却体７０が冷却される。この時、第３の密閉空間
５１ｃの底部に充填されている水５６が含水層５５の下
部を浸しているため、含水層５５には常時毛細管現象に
よって表面から蒸発する水が補給される。

【００１８】そして、含水層５５の表面から蒸発した水
蒸気は第３の密閉空間５１ｃから貫通孔５３を通って第
１の密閉空間５１ａに流出し、放熱器５８と接する。こ
こで、放熱器５８の外周温度が被冷却体７０を冷却保持
する上限温度以下の場合には、水蒸気は放熱器５８によ
って冷却されて凝縮され、重力によって貫通孔５３を通
って第３の密閉空間５１ｃ内に流入し含水層５５に吸水
される。この場合、第１および第３の密閉空間５１ａ、
５１ｃ、放熱器５８および含水層５５はヒートパイプを
構成し、動力を必要とせずに被冷却体７０から熱を放熱
器５８を経由して外部に放熱している。

【００１９】一方、放熱器５８の外周温度が被冷却体７
０を冷却保持するための上限温度以上、例えば被冷却体
７０の許容温度の上限が４０℃、外気温が５０℃以上で
あるような場合には、上述とは異なり水蒸気は放熱器５
８で凝縮されない。この場合には、固体電解質膜５０に
直流電源５２から通電して上述の化学式にもとづく電解
反応を起こさせる。そこで、含水層５５の表面から蒸発
した水蒸気は第３の密閉空間５１ｃから貫通孔５３を通
って密閉空間５１ａに流出し、該電解反応によって第２
の密閉空間５１ｂ側に移動される。そして、第２の密閉
空間５１ｂを飽和水蒸気状態近傍に維持することによっ
て凝縮器５９から外部に放熱して水蒸気を凝縮させる。
凝縮した水は通水路６１によって逐次第３の密閉空間５
１ｃの底部に貯水された水５６の中に返水される。この
時、第１の密閉空間５１ａ側が減湿され、第３の密閉空
間５１ｃも減湿されて、含水層５５の表面から水分の蒸
発が加速される。この含水層５５の表面からの水分の蒸
発の加速により、温度降下が誘引されて、含水層５５に
沿った壁面５４が冷却される。

【００２０】固体電解質膜５０の電解反応によって第１
の密閉空間５１ａには酸素ガスが発生するが、水蒸気に
比べて酸素ガスは比重量が大きいため、重力によって貫
通孔５３を通って第３の密閉空間５１ｃに移動する。こ
の場合、酸素ガスは固体電解質膜５０の通電過程で生じ
るジュール熱を受けて加熱される。そして、酸素ガスの
熱は放熱器５８から外部に放熱され、これによって酸素
ガスは冷却されて第３の密閉空間５１ｃに移動する。第
３の密閉空間５１ｃの底部に形成された水５６の水面上
は第２の密閉空間５１ｂの頂部と通気路６２によって連
通しているため、第１の密閉空間５１ａから流入してき
た酸素ガスは含水層５５表面に沿って第３の密閉空間５
１ｃ内を下方に移動し、通気路６２を経て第２の密閉空
間５１ｄの頂部に給気される。

【００２１】この場合、第１の密閉空間５１ａに発生し
た酸素ガスは水蒸気の凝縮温度に電解膜のジュール熱に
よる温度上昇を加算した高温状態で充填層５７の上部か
ら充填層５７内に流入する。一方、含水層５５から蒸発
した水蒸気は充填層５７の下部から上方に向かって充填
層５７内に流入し、上部から充填層５７内に流入した酸
素ガスと向流接触する。水蒸気の温度は水の蒸発温度と
等しく低温であるため充填層５７内で充填材を介して酸
素ガスと水蒸気とが熱交換し、酸素ガスは冷却されて低
温の第３の密閉空間５１ｃ内に流入される。

【００２２】第２の密閉空間５１ｂの底部は第３の密閉
空間５１ｃの底部の貯水部と通水路６１で連結され、第
２の密閉空間５１ｂの底部に水を貯水して第３の密閉空
間５１ｃと第２の密閉空間５１ｂとの間を水封構造とし
ている。また、第３の密閉空間５１ｃの底部の貯水面上
部近傍と第２の密閉空間５１ｂの頂部とを通気路６２で
連結し、両密閉空間の間を通気路６２を通して通気可能
な構造としている。そこで、第３の密閉空間５１ｃと第
２の密閉空間５１ｂとの間の水封構造により、第３の密
閉空間５１ｃ側の圧力が第２の密閉空間５１ｂ側より若
干高く保持される。そして、酸素ガスは比重量が大きい
ため位置的に低い所に滞留するが、両密閉空間の間の該
圧力差により、酸素ガスは通気路６２を通して上部に押
し上げられ、第２の密閉空間５１ｂに給気される。

【００２３】高温域の第２の密閉空間５１ｂで凝縮した
水は第３の密閉空間５１ｃの底部に通水路６１を介して
流入するが、通水路６１は充填層５７と熱的に連結され
ているため低温ガスと熱交換して低温状態にある充填層
５７に熱を吸収されて冷却され、低温に保持されている
第３の密閉空間５１ｃに流入する。

【００２４】固体電解質膜５０の電解反応によって固体
電解質膜５０の中を水素イオンが移動して陰極表面で酸
素と反応を起こし水蒸気を生成する。この時、微量なが
ら一部の水素イオンは酸素と反応せず水素ガスとなって
第２の密閉空間５１ｂの頂部に溜まる。第２の密閉空間
５１ｂ内は酸素ガスの雰囲気にあるため、発生した水素
ガスが蓄積されれば急激に酸素と反応を起こし危険な状
態となる。しかしながら、貴金属触媒層６０を第２の密
閉空間５１ｂの頂部に配置しているので、水素ガスは貴
金属触媒層６０に接触して水に変換され、速やかに消費
される。一般的に、白金属元素は水素、あるいは炭化水
素に対して触媒作用があり、これらを当量の酸素と反応
させて低温で分解する作用があるため、この性質を利用
して発生した水素ガスが微量な間に消費され、蓄積され
て酸素と反応を起こすことを未然に防止している。

【００２５】貴金属触媒層６０を形成する貴金属として
は白金、パラジウム、ルテニウム等の白金属元素および
その酸化物であり、卑金属酸化物、例えばフェライト、
酸化チタニウム、等を粒状、ペレット状、あるいはハニ
カム状に成形し、その表面に上記白金属元素を担持した
もので触媒層を形成している。これらの触媒は一般的に
水素、あるいは炭化水素をそれらの燃焼温度よりはるか
に低い温度で当量の酸素ガスのもとで分解する特性を有
しており、この特性を利用して発生した水素ガスを除去
している。

【００２６】このように、この実施の形態１によれば、
固体電解質膜５０が第１の密閉缶４０内第１および第２
の密閉空間５１ａ，５１ｂに２分割し、第２の密閉缶４
１が第１の密閉缶４０の下方に貫通孔５３を介して連設
されて、該貫通孔５３を介して第１の密閉空間５１ａに
連通する第３の密閉空間５１ｃを構成し、水５６が第２
の密閉缶４１の底部に貯水され、含水層５５がその下端
を水５６に浸漬されて第２の密閉缶４１の内壁面に沿っ
て上下方向に延設され、凝縮器５９が第１の密閉缶４０
の第２の密閉空間５１ｂ側に設けられ、通気路６２が第
２の密閉空間５１ｂの気相部と第３の密閉空間５１ｃの
気相部とを連通し、通水路６１が第２の密閉空間５１ｂ
の底部と第３の密閉空間５１ｃの底部とを連通し、直流
電源５２が固体電解質膜５０に第１の密閉空間５１ａ側
を陽極に第２の密閉空間５１ｂ側を陰極とするように電
力が供給されるようになっている。

【００２７】そこで、冷媒に水が用いられるので、冷媒
の回収も必要なく、環境保全上の問題がなく、さらに固
体電解質膜５０に電解反応を起こさせて、放熱部の外周
温度以下に被冷却体７０を冷却でき、使用環境の制限の
ない冷却装置が得られる。また、第１の密閉空間５１ａ
側から第２の密閉空間５１ｂ側に移送された水蒸気は凝
縮器５９で凝縮されて、通水路６１を介して第３の密閉
空間５１ｃに返水され、第２の密閉空間５１ｂ側から第
１の密閉空間５１ａ側に移送された酸素ガスは第３の密
閉空間５１ｃを経て通気路６２を介して第２の密閉空間
５１ｂに給気されるので、動力を必要とせずに水蒸気や
酸素ガスの循環ができ、小型化および無音化が達成され
る。

【００２８】また、固体電解質膜５０がコルゲート状に
成形されているので、小さい空間に大きな電解反応面を
形成でき、大容量化および小型化が図られる。また、第
３の密閉空間５１ｃが貫通孔５３を介して第１の密閉空
間５１ａの下方に設けられ、かつ、第１の密閉空間５１
ａの固体電解質膜５０に対向する第１の密閉缶４０の部
位に放熱器５８を設けているので、固体電解質膜５０の
ジュール熱により温度上昇した酸素ガスは放熱器５８に
より熱を外部に放熱され冷却されて貫通孔５３を通って
第３の密閉空間５１ｃに流入し、低温の第３の密閉空間
５１ｃへの熱侵入が抑えられ、冷却効率を向上できる。
また、第２の密閉缶４１の貫通孔５３近傍に充填層５７
を設けているので、第１の密閉空間５１ａから貫通孔５
３を通って第３の密閉空間５１ｂに流入する酸素ガスと
第３の密閉空間５１ｂから貫通孔５３を通って第１の密
閉空間５１ａに流出する水蒸気とが充填層５７内で向流
的に接触する。そこで、固体電解質膜５０のジュール熱
により温度上昇した酸素ガスは水蒸気と熱交換して冷却
されて第３の密閉空間５１ｃに流入し、低温の第３の密
閉空間５１ｃへの熱侵入が抑えられ、冷却効率を向上で
きる。また、通水路６１が第２の密閉空間５１ｂの底部
と第３の密閉空間５１ｃの貯水部とを連通するように設
けられているので、第２の密閉空間５１ｂと第３の密閉
空間５１ｃとの間が水封構造となり、第３の密閉空間５
１ｃ側の圧力が第２の密閉空間５１ｂ側より若干高く保
持される。そこで、その圧力差により、比重量が大きい
酸素ガスを通気路６２を通して第２の密閉空間５１ｂに
給気でき、酸素ガスを動力を用いることなくスムーズに
循環させることができる。さらに、通水路６１の経路途
中を充填層５７と熱的に連結しているので、放熱器５９
により凝縮されて第２の密閉空間５１ｂの底部に溜まっ
た高温の凝縮水は水蒸気と熱交換して低温状態にある充
填層５７に熱を吸収され冷却されて、第３の密閉空間５
１ｃに流入し、低温の第３の密閉空間５１ｃへの熱侵入
が抑えられ、冷却効率を向上できる。

【００２９】なお、上記実施の形態１では、第１の密閉
空間５１ａを構成する壁面の一部の固体電解質膜５０に
対向する位置に外部に熱を放熱するための放熱器５８を
取り付けるものとしているが、放熱器５８は必ずしも取
り付ける必要はない。例えば、放熱器５８の取り付け部
が高温の環境に曝される場合には放熱効果が無く、放熱
器５８は取り付けなくて良い。また、上記実施の形態１
では、含水層５５に沿った第２の密閉缶４１の壁面５４
を冷却面としているが、貯水部に沿った第２の密閉缶４
１の壁面を冷却面としても同様の効果が得られる。

【００３０】

【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。

【００３１】この発明の第１の発明によれば、気体が封
入された第１の密閉缶と、第１の密閉缶内を第１および
第２の密閉空間に２分割するように配設された固体電解
質膜と、第１の密閉缶の下方に貫通孔を介して連設され
て、該貫通孔を介して第１の密閉空間に連通する第３の
密閉空間を構成する第２の密閉缶と、第２の密閉缶の底
部に貯水された水と、下端が貯水された水に浸漬されて
第２の密閉缶の内壁面に沿って上下方向に延設された含
水層と、第１の密閉缶の第２の密閉空間側に設けられて
第２の密閉空間内の水蒸気を凝縮させる凝縮器と、第２
の密閉空間の気相部と第３の密閉空間の気相部とを連通
する通気路と、凝縮器で凝縮された水を第２の密閉空間
から第３の密閉空間に返水する通水路と、固体電解質膜
に電力を供給する直流電源とを備え、直流電源から固体
電解質膜に第１の密閉空間側が陽極、第２の密閉空間側
が陰極となるように電力を供給し、第１の密閉空間側の
固体電解質膜の面で気体が含む水蒸気の電気分解を生じ
させ、該水の電気分解で生成されたプロトンを固体電解
質膜を介して第２の密閉空間側の固体電解質膜の面に供
給し、第２の密閉空間側の固体電解質膜の面で水の生成
反応を生じさせて、第１および第３の密閉空間と第２の
密閉空間との間に湿度差を発生させ、第２の密閉缶の底
部に貯水されている水および含水層に含水される水の温
度を低下させて、第２の密閉缶の貯水部もしくは含水層
に沿って形成された壁面を冷却面とする電解式水蒸発冷
却装置において、第２の密閉缶の貫通孔近傍に通気可能
に構成された充填層を設け、第１の密閉空間から貫通孔
を通って第３の密閉空間に流入する気体と第３の密閉空
間から貫通孔を通って第１の密閉空間に流出する気体と
を充填層で向流的に接触させるようにした。そこで、動
力を必要とせずに水蒸気および気体の循環が可能とな
り、無音化および小型化でき、固体電解質膜の電解反応
を起こさせて被冷却体を冷却でき、使用環境の制限を無
くし、固体電解質膜の通電過程で生じるジュール熱を受
けて過熱される酸素ガスが充填層で低温の水蒸気と熱交
換して冷却され、低温の第３の密閉空間への熱侵入が抑
えられて冷却効率を向上でき、さらに冷媒を水にして、
環境保全上問題のない電解式水蒸発冷却装置が得られ
る。

【００３２】この第２の発明によれば、上記第１の発明
において、通水路が第２の密閉空間の底部と第３の密閉
空間の貯水部とを連通するように設けられて、該第２の
密閉空間と該第３の密閉空間との間を水封構造とすると
共に、該通水路の経路途中を充填層と熱的に連結したの
で、第２の密閉空間で凝縮された高温の凝縮水が熱を充
填層に吸収され冷却されて第３の密閉空間に返水され、
低温の第３の密閉空間への熱侵入が抑えられ、その分冷
却効率を向上できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１に係る電解反応によ
る水蒸発式冷却装置の構成を模式的に示す一部破断正面
図である。

【図２】この発明の実施の形態１に係る電解反応によ
る水蒸発式冷却装置の構成を模式的に示す一部破断側面
図である。

【図３】本発明に係わる固体電解質膜の作用を説明す
る図である。

【図４】従来の伝熱装置を示す構成図である。

【符号の説明】

４０第１の密閉缶、４１第２の密閉缶、５０固体
電解質膜、５１ａ第１の密閉空間、５１ｂ第２の密
閉空間、５１ｃ第３の密閉空間、５２直流電源、５
３貫通孔、５４壁面（冷却面）、５５含水層、５
６水、５７充填層、５９凝縮器、６１通水路、６
２通気路。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】気体が封入された第１の密閉缶と、前記
第１の密閉缶内を第１および第２の密閉空間に２分割す
るように配設された固体電解質膜と、前記第１の密閉缶
の下方に貫通孔を介して連設されて、該貫通孔を介して
前記第１の密閉空間に連通する第３の密閉空間を構成す
る第２の密閉缶と、前記第２の密閉缶の底部に貯水され
た水と、下端が前記貯水された水に浸漬されて前記第２
の密閉缶の内壁面に沿って上下方向に延設された含水層
と、前記第１の密閉缶の前記第２の密閉空間側に設けら
れて第２の密閉空間内の水蒸気を凝縮させる凝縮器と、
前記第２の密閉空間の気相部と前記第３の密閉空間の気
相部とを連通する通気路と、前記凝縮器で凝縮された水
を前記第２の密閉空間から前記第３の密閉空間に返水す
る通水路と、前記固体電解質膜に電力を供給する直流電
源とを備え、前記直流電源から前記固体電解質膜に前記
第１の密閉空間側が陽極、前記第２の密閉空間側が陰極
となるように電力を供給し、前記第１の密閉空間側の前
記固体電解質膜の面で気体が含む水蒸気の電気分解を生
じさせ、該水の電気分解で生成されたプロトンを前記固
体電解質膜を介して前記第２の密閉空間側の前記固体電
解質膜の面に供給し、前記第２の密閉空間側の前記固体
電解質膜の面で水の生成反応を生じさせて、前記第１お
よび第３の密閉空間と前記第２の密閉空間との間に湿度
差を発生させ、前記第２の密閉缶の底部に貯水されてい
る水および前記含水層に含水される水の温度を低下させ
て、前記第２の密閉缶の貯水部もしくは含水層に沿って
形成された壁面を冷却面とする電解反応による冷却装置
において、前記第２の密閉缶の前記貫通孔近傍に通気可能に構成さ
れた充填層を設け、前記第１の密閉空間から前記貫通孔
を通って前記第３の密閉空間に流入する気体と前記第３
の密閉空間から前記貫通孔を通って前記第１の密閉空間
に流出する気体とを前記充填層で向流的に接触させるよ
うにしたことを特徴とする電解式水蒸発冷却装置。
【請求項２】前記通水路が前記第２の密閉空間の底部
と前記第３の密閉空間の貯水部とを連通するように設け
られて、該第２の密閉空間と該第３の密閉空間との間を
水封構造とすると共に、該通水路の経路途中を前記充填
層と熱的に連結したことを特徴とする請求項１記載の電
解式水蒸発冷却装置。