JP3274075B2 - 機能膜を用いた水蒸発式冷却装置 - Google Patents

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などの冷却装置に関
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温度範囲に
保存させることができる水蒸発式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
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９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、小型の機能膜を用いた水蒸発式冷却
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】この発明に係る機能膜を
用いた水蒸発式冷却装置は、気体中の水蒸気を選択的に
透過する機能を有する機能膜で構成され、閉空間を第１
および第２の閉空間に分割するように配設された選択的
水蒸気透過モジュールと、気体と水とを直接接触させる
気液接触器の両端部側と上記第１の閉空間の上記選択的
水蒸気透過モジュールの両端部側とをそれぞれ配管を介
して連通させて構成された循環回路と、気体を上記循環
回路内を強制的に循環させる気体循環手段と、熱を系外
に放熱して水蒸気を凝縮させる凝縮器と上記第２の閉空
間とを配管を介して連通させて構成された凝縮回路と、
上記第２の閉空間内の気体を上記凝縮器内に吸引する気
体吸引手段と、上記凝縮器内で凝縮された水蒸気の凝縮
水を上記気液接触器に返送する返送回路とを備えたもの
である。

【０００８】また、返送回路は、さらに機能膜を通過し
てきた不凝縮ガスを気液接触器に返送する機能を備えて
いるものである。

【０００９】また、気体中の水蒸気を選択的に透過する
機能を有する機能膜は気体に対する水蒸気の透過比率が
少なくとも１００倍以上の値を有する水蒸気選択透過膜
とするものである。

【００１０】また、気液接触器は、底部に水が貯液され
た缶体と、缶体内を強制的に流通される気体の流通方向
に沿って缶体の内壁面に配設され、かつ、その一部が缶
体に貯液されている水に浸漬されて毛細管現象により湿
潤状態に維持された含水層とから構成され、該缶体の含
水層が配設された部位の外壁面を被冷却体と熱的に連結
するようにしたものである。

【００１１】また、気液接触器は、底部に水が貯液され
た缶体と、缶体の底部と頂部側とを連通する給水配管
と、缶体の底部に貯液されている水を汲み上げて該給水
配管を介して缶体の頂部側から散水する散水手段と、該
缶体内を上下に区画するように充填され、頂部側から散
水された水と缶体内を強制的に流通される気体とを直接
接触させる充填層とから構成され、気液接触した水を被
冷却体に給水するようにしたものである。

【００１２】また、水蒸気選択透過膜は、コルゲート状
に成形されているものである。

【００１３】また、水蒸気選択透過膜の第２の閉空間に
面する側のコルゲート状の凹部に厚み方向には変形せ
ず、かつ、３次元的に通気自在な補強部材を介在させる
ようにしたものである。

【００１４】また、缶体の底部に貯液された水は、水の
氷点効果を引き起こす化学物質を氷結を回避できる濃度
に溶解させたものである。

【００１５】また、水の氷点効果を引き起こす化学物質
はエチレングリコールである。

【００１６】

【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に係る機
能膜を用いた水蒸発式冷却装置を示すシステム構成図、
図２はこの発明の実施の形態１に係る水蒸発式冷却装置
における選択的水蒸気透過モジュールを示す立体構成図
である。図１および図２において、選択的水蒸気透過モ
ジュール５０は気中の水蒸気を選択的に透過する機能を
有する機能膜である水蒸気選択透過膜５０ａをコルゲー
ト状に成形して、立体的流路を構成するようにモジュー
ル化したものである。そして、水蒸気セパレータ５２は
この選択的水蒸気透過モジュール５０が閉空間としての
筐体５１を第１の閉空間５１ａと第２の閉空間５１ｂと
に区画するように筐体５１内に収容されて構成されてい
る。また、筐体５１には、選択的水蒸気透過モジュール
５０の両端部側にそれぞれ第１の閉空間５１ａに気体を
流入させるための第１閉空間側流入口５３ａおよび第１
の閉空間５１ａから気体を流出させるための第１閉空間
側流出口５３ｂが設けられている。さらに、筐体５１に
は、第２の閉空間５１ｂから気体を吸引し取り出すため
の排気口５４が設けられている。ここで、選択的水蒸気
透過モジュール５０は、コルゲート状に成形された水蒸
気選択透過膜５０ａの波の頂（波の谷）方向が気体の流
れ方向と一致するように筐体５１内に収容されている。
また、筐体５１内に充填される気体として、空気が用い
られている。

【００１７】また、気液接触器５５は濡れ特性の良い保
水性を有する繊維状布体、多孔性シートあるいは網状体
からなる含水層５６が缶体５７の内壁面に形成され、含
水層５６の下端が缶体５７の底部に貯水されている水５
８に浸積されて構成されている。そして、含水層５６が
形成されている部位の缶体５７の外壁面５７ａが被冷却
体５９と熱的に連結され、被冷却体５９より熱を吸収し
て含水層５６から水分を蒸発させるように機能する。こ
の気液接触器５５は、その流入口６０および排出口６１
が筐体５１の第１の閉空間５１ａの第１閉空間側流出口
５３ｂおよび第１閉空間側流入口５３ａに各々配管６２
ａ、６２ｂを介して接続されている。そして、気体循環
手段としての送風機６３が配管６２ａの経路中に配置さ
れ、筐体５１の第１の閉空間５１ａおよび気液接触器５
５内の空気を強制的に循環できるようになっている。

【００１８】一方、凝縮器６７は放熱フィン６８が缶体
６９の外壁面に形成されて構成され、内部を流れる気体
が有する熱を放熱フィン６８を介して外部に放熱し、空
気に含まれる水蒸気を凝縮滴下させるように機能する。
この凝縮器６７は、その吸気口７０が筐体５１の排気口
５４に配管７１を介して接続されている。そして、気体
吸引手段としての吸引ポンプ７２が配管７１の経路中に
配設され、筐体５１の第２の閉空間５１ｂ内の空気を強
制的に排気し、凝縮器６７内に送り込むようになってい
る。また、気液接触器５５の底部と凝縮器６７の底部と
は連通管７４で連結されて返送回路を構成している。な
お、第１の閉空間５１ａ、気液接触器５５および配管６
２ａ，６２ｂから循環回路が構成され、第２の閉空間５
１ｂ、凝縮器６７および配管７１から凝縮回路が構成さ
れている。

【００１９】次に、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説明する。送風機６３が駆動さ
れ、第１の閉空間５１ａ内の低湿度の空気は、第１の閉
空間５１ａの底部から第１閉空間側流出口５３ｂ、配管
６２ａおよび流入口６０を通って気液接触器５５内に送
り込まれる。そして、気液接触器５５内に送り込まれた
空気は缶体５７の内壁面に形成された含水層５６の表面
に沿って強制的に上昇され、含水層５６に沿った強制上
昇気流となる。この強制上昇気流により、含水層５６の
表面からの水分の蒸発が加速され、高湿度となった空気
が気液接触器５５の頂部から排出口６１、配管６２ｂ、
および第１閉空間側流入口５３ａを通って第１の閉空間
５１ａに送り込まれる。そして、第１の閉空間５１ａ内
に送り込まれた高湿度の空気は、選択的水蒸気透過モジ
ュール５０の一方の面、即ち第１の閉空間５１ａに臨む
面に沿って下方に流れ、送風機６３の吸気側に返流され
て、第１閉空間側循環回路を循環する。

【００２０】この時、第１の閉空間５１ａ内に送り込ま
れた高湿度の空気は選択的水蒸気透過モジュール５０の
一方の面に沿って下方に流れる過程で、水蒸気選択透過
膜５０ａの作用によって空気中の水蒸気が選択的に第２
の閉空間５１ｂ側に吸引される。これによって、空気は
減湿されて低湿度になって、気液接触器５５に送り込ま
れる。また、強制上昇気流が含水層５６の表面に沿って
流れると、含水層５６に含浸している水の温度は空気の
湿球温度まで下がり、含水層５６が形成された缶体５７
の壁面すなわち冷却面５７ａが冷却される。そこで、冷
却面５７ａに熱的に連結されている被冷却体５９が冷却
される。この時、含水層５６はその端部が缶体５７の底
部に貯水されている水５８に浸積されているので、含水
層５６の表面から水分が蒸発すると毛細管現象により水
５８が含水層５６に吸水され、含水層５６の湿潤状態が
維持される。

【００２１】一方、第２の閉空間５１ｂは吸引ポンプ７
２の作用によって減圧される。そのため、第１の閉空間
５１ａと第２の閉空間５１ｂとの間に圧力差が生じ、こ
れによって水蒸気が効率的に第１の閉空間５１ａから第
２の閉空間５１ｂに流れ込み、さらに吸引ポンプ７２の
作用によって流れ込んだ水蒸気は配管７１を介して凝縮
器６７内に送り込まれる。そして、凝縮器６７に送り込
まれた水蒸気は、熱が放熱フィン６８を介して外部に放
熱されて冷却され、水蒸気が凝縮され筐体６９の底部に
滴下される。筐体６９の底部に集水された凝縮水７３は
逐次連結管７４を介して気液接触器５５の底部に返水さ
れて、気液接触器５５の底部に貯水される水５８の貯水
量が確保される。

【００２２】ついで、本願発明による冷却装置の構成が
被冷却体を冷却できる原理について説明する。図３は水
と気体が接触している状態において、気体の水分含有
量、すなわち相対湿度に対する乾球温度と湿球温度との
関係を示したものである。乾球温度は循環している気体
の温度であり、気体に接している水の温度は湿球温度に
限りなく近ずくように温度降下する。例えば、図３中破
線で示されるように、温度３０℃、相対湿度２０％の気
体の湿球温度は点Ｑの値（１６℃）である。そこで、こ
れに接している水の温度は１６℃に向けて温度降下する
ことになる。従って、低湿度の気体に接する水と被冷却
体５９とを熱的に連結しておけば、被冷却体５９を周囲
温度以下に冷却することができることになり、使用環境
の制限がなくなる。また、この冷却方式は冷却媒体に水
を使用しているので、フロン等を使用する従来の冷却装
置の様な環境保全対策が不必要となる。

【００２３】ここで、本願発明に用いられる水蒸気選択
透過膜５０ａについて述べる。この水蒸気選択透過膜５
０ａ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。この水蒸気選
択透過膜５０ａとしては、例えば特開平１−１９４９２
７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又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又は含浸させることにより、
少なくとも厚さ方向において無孔質体となり、空気、窒
素、メタンガス等の炭化水素系気体等は実質的に透過で
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。

【００２４】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
塩基含有フッ素系共重合体を厚さ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
された水蒸気選択透過膜５０ａを用いている。そして、
この水蒸気選択透過膜５０ａをコルゲート状に折り曲げ
て第１および第２の閉空間５１ａ，５１ｂに区画するよ
うに筐体５１内の組み付けている。このように作製され
た水蒸気選択透過膜５０ａにおける水蒸気と酸素、窒
素、水素、メタンガスの気体透過速度および速度比は表
１に示される。この表１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、水蒸気のみを透過させ得
ることが分かる。従って、この水蒸気選択透過膜５０ａ
を使えば水蒸気を選択的に透過させるモジュールを作製
することができる。

【００２５】

【表１】

【００２６】ここで、水蒸気に混入して選択的水蒸気透
過モジュール５０を通過してくる空気成分、すなわち凝
縮器６７内で凝縮しない不凝縮ガス成分が凝縮熱伝達率
の低下に及ぼす影響の一例を図４に示す。これは日本機
械学会編の伝熱工学資料に記載されているものである
が、例えば実線の○印の曲線Ａ，Ｂ，Ｃは不凝縮ガス濃
度１００、２３０、４００ｐｐｍに対して不凝縮ガスが
混入していない場合に対する熱伝達比率と熱流束の関係
を示している。これらの曲線は、不凝縮ガス濃度が大き
くなるにつれ、凝縮熱伝達率が低下することを示してい
る。この凝縮熱伝達率は凝縮器６７の大きさを決めるも
っとも重要な要素であるため、不凝縮ガスの混入を出来
るだけ小さくすることが好ましい。このことから、選択
的水蒸気透過モジュール５０を構成する機能膜（水蒸気
選択透過膜５０ａ）の空気に対する水蒸気の透過比率が
少なくとも１００倍以上で、望む値としては１０，００
０以上の値のものを使用して不凝縮ガス成分濃度を１０
０ｐｐｍ以下にして凝縮器６７を小さく構成できるよう
にしている。

【００２７】このように、この実施の形態１では、筐体
５１内を第１の閉空間５１ａおよび第２の閉空間５１ｂ
に区画するように選択的水蒸気透過モジュール５０を配
置し、第１の閉空間５１ａに配管６２ａ，６２ｂを介し
て気液接触器５５を連結し、配管６２ａに経路中に送風
機６３を配置し、第２の閉空間５１ｂに配管７１を介し
て凝縮器６７を連結し、配管７１の経路中に吸引ポンプ
７２を配置し、さらに気液接触器５７の底部と凝縮器６
７の底部とを連通管７４で連結している。そこで、第１
の閉空間５１ａ側の空気は、水蒸気が第２の閉空間５１
ｂ側に吸引されて乾燥空気となって気液接触器５５に導
かれて水と接触され、水の蒸発潜熱によって周囲温度以
下に冷却される。従って、環境保全上問題となるフロン
を使用することなく、放熱部の外部温度以下に冷却で
き、かつ、小型の水蒸発式冷却装置が得られる。

【００２８】また、水蒸気選択透過膜５０ａの空気に対
する水蒸気の透過比率を少なくとも１００倍以上とした
ので、水蒸気選択透過膜５０ａを介して第１の閉空間５
１ａから第２の閉空間５１ｂに透過してくる不凝縮ガス
量を極めて少なくなり、凝縮熱伝達率の低下が抑えら
れ、凝縮器６７の小型化を図ることができる。また、気
液接触器５５が、含水層５６を缶体５７の内壁面に配設
し、含水層５６の下端を缶体５７の底部に貯水されてい
る水５８に浸漬させ、含水層５６が配設された部位の缶
体５７の外壁面を被冷却体５９と連結するように構成さ
れているので、第１の閉空間５１ａから送り込まれた乾
燥空気が湿潤状態に維持された含水層５６に沿って強制
的に流通され、含水層５６に含浸されている水が効率的
に冷却される。そこで、気液接触器５５の小型化が図ら
れると共に、被冷却体５９の効果的な冷却が可能とな
る。また、水蒸気選択透過膜５０ａがコルゲート状に成
形されているので、立体的な流路が構成され、空気との
接触面積が拡大される。そこで、水蒸気の透過量を増大
できるとともに、選択的水蒸気透過モジュール５０の小
型化が図られる。

【００２９】実施の形態２．この実施の形態２では、図
５に示すように、水蒸気透過膜５０ａの第２の閉空間５
１ｂ側のコルゲート状の凹部に補強部材５０ｂを介在さ
せている。この補強部材５０ｂは、例えばポリプロピレ
ン等の樹脂あるいは金属を厚み方向には変形せず、３次
元的に通気自在に構成して作製されている。なお、他の
構成は、上記実施の形態１と同様に構成されている。こ
の水蒸発式冷却装置においては、動作原理上、第２の閉
空間５１ｂ側が減圧されて、第１および第２の閉空間５
１ａ，５１ｂ間に圧力差が生じる。そして、この圧力差
に起因して応力が水蒸気選択透過膜５０ａを変形させる
ように作用する。この実施の形態２によれば、補強部材
５０ｂが水蒸気選択透過膜５０ａを変形させる応力を受
け止め、水蒸気選択透過膜５０ａの破損事故の発生を抑
え、長期的に安定した動作を達成できる。

【００３０】実施の形態３．この実施の形態３では、図
６に示すように、凝縮器６７の吸気口７０と第２の閉空
間５１ｂの排気口５４とを配管７１で連結すると共に、
吸引ポンプ７２を凝縮器６７の出口側に連結してその排
気を気液接触器５５の気相側に排気するようにしてい
る。なお、他の構成は、上記実施の形態１と同様に構成
されている。この実施の形態３では、凝縮器６７で水蒸
気が凝縮されるとその体積は極端に小さくなるため圧力
は減少し、凝縮回路の系統内は減圧される。これによっ
て第２の閉空間５１ｂの減圧操作が確保される。この場
合、凝縮器６７が気体吸入手段としても機能することに
なり、構成の簡素化が図られる。そして、水蒸気選択透
過膜５０ａを透過して凝縮回路内に混入してくる微量の
不凝縮ガス成分は吸引ポンプ７２によって第１の閉空間
５１ａに返送される。また、吸入ポンプ７２の作用によ
り、凝縮器６７内の空気が排気され、これによっても第
２の閉空間５１ｂの減圧操作が確保される。

【００３１】吸引ポンプ７２は、吸引空気中に水蒸気を
含んでいるとポンプ容量を大きくする必要がある。しか
しながら、この実施の形態３では、吸引ポンプ７２を凝
縮器６７の出口側に連結してその排気を気液接触器５５
の気相側に排気するように配設しているでの、吸引ポン
プ７２は、凝縮器６７で水蒸気が凝縮除去された空気を
吸引することになる。そこで、ポンプ容量を小さくで
き、吸引ポンプ７２の小型化が図られる。また、水蒸気
選択透過膜５０ａを透過してきた空気が凝縮回路内に蓄
積されると、凝縮回路内の圧力が上昇し、一方循環回路
内の圧力が低下して、最悪の場合には、水蒸気選択透過
膜５０ａの駆動力としての第１および第２の閉空間５１
ａ，５１ｂ間の圧力差が得られなくなるという不具合が
発生してしまう。この実施の形態３では、水蒸気選択透
過膜５０ａを透過して凝縮回路内に混入してくる微量の
不凝縮ガス成分、即ち空気は吸引ポンプ７２によって第
１の閉空間５１ａ側に速やかに返送される。そこで、水
蒸気選択透過膜５０ａの駆動力としての第１および第２
の閉空間５１ａ，５１ｂ間の圧力差が得られなくなると
いう不具合を未然に防止することができ、長期的に正常
な動作を確保することができる。

【００３２】実施の形態４．この実施の形態４では、図
７に示すように、含水層５６が形成されている部位の缶
体５７の外壁面、すなわち冷却面５７ａを被冷却体５９
の凹凸面に応じた凹凸面に予め成型して気液接触器５５
が構成されている。なお、他の構成は上記実施の形態１
と同様に構成されている。この実施の形態４は、例えば
電子基板６４上に複数実装された発熱体であるＬＳＩ等
の電子部品６５を冷却する場合に適用されるものであ
る。そして、電子基板６４の表面は複数の電子部品６５
の実装状態に応じた凹凸面となっている。そこで、気液
接触器５５の含水層５６が形成されている部位の缶体５
７の外壁面すなわち冷却面５７ａを被冷却体５９の凹凸
面に応じた凹凸面に予め成型しているので、熱伝導の良
い樹脂などによる固定剤６６を塗布するなどして、各々
の凹凸面を嵌合し固定することによって被冷却体５９を
気液接触器５５の冷却面５７ａに熱的に連結している。
従って、電子基板６４上に複数実装された電子部品６５
に対しても、効果的に冷却することができる。

【００３３】実施の形態５．この実施の形態５では、図
８に示すように、缶体５７の胴体内部にラシヒリング等
の充填材を充填して缶体５７を上下に区画する充填層７
５を形成している。そして、缶体５７の底部と頂部とを
給水配管７６で連通し、この給水配管７６の経路中に散
水手段としての循環ポンプ７７を配設している。さら
に、給水配管７６の経路中に被冷却体５９を配置し、水
５８が被冷却体５９内に設けられた通水穴を流通するよ
うにしている。図中、矢印Ａは空気の流れを示し、矢印
Ｂは水の流れを示している。なお、他の構成は上記実施
の形態１と同様に構成されている。この実施の形態５で
は、循環ポンプ７７が駆動され、缶体５７の底部に貯水
されている水５８が汲み上げられ、給水配管７６を通っ
て缶体５７の頂部から充填層７５に向かって散水され
る。そして、散水された水は充填層７５中で第１の閉空
間５１ａから送り込まれた乾燥空気と対向流に接触さ
れ、冷却されて、底部に集水される。この気液接触し、
冷却された水は給水配管７６を通って缶体５７の頂部に
汲み上げられる際に、被冷却体５９の通水穴を流通して
熱を奪い、被冷却体５９は冷却される。従って、被冷却
体５９と放熱系を任意の場所に配置でき、機器のレイア
ウトに自由度を持たせることができる。

【００３４】なお、上記実施の形態５において、図６に
示すように吸引ポンプ７２を凝縮器６７の出口側に配置
してその排気を気液接触器５５の気相側に排気するよう
にしても良い。また、上記実施の形態５では、１つの被
冷却体５９を冷却するものとしているが、被冷却体５９
が複数ある場合でも、複数の被冷却体５９を給水配管７
６の経路中にシリーズに配設すればよい。また、上記実
施の形態５では、充填層７５に対して空気を上下方向に
流通させて水と空気とを対向流的に接触させるものとし
ているが、充填層７５に対して空気を水平方向に流通さ
せて水と空気とを直交流的に接触させてもよい。

【００３５】実施の形態６．上記実施の形態１では、缶
体５７の底部に水５８を貯水するものとしているが、こ
の実施の形態６では、水５８にエチレングレコールを水
の氷結を回避できる濃度に溶解させるものとしている。
なお、他の構成は上記実施の形態１と同様に構成されて
いる。この実施の形態６によれば、水の氷点効果を引き
起こす化学物質であるエチレングレコールが水５８に溶
解されているので、冬季に外気温度が氷点下になっても
氷結することがなく、正常な動作を確保することができ
る。また、エチレングレコールは金属に対する腐食性が
ないので、長期信頼性を確保することができる。

【００３６】実施の形態７．上記実施の形態５では、缶
体５７の底部に水５８を貯水するものとしているが、こ
の実施の形態７では、水５８にエチレングレコールを水
の氷結を回避できる濃度に溶解させるものとしている。
なお、他の構成は上記実施の形態５と同様に構成されて
いる。この実施の形態７では、水に溶解する化学物質と
してエチレングレコールを用いているので、冷媒が電気
的に絶縁液となり、電位差のある複数の被冷却体５９の
冷却に有効である。つまり、給水配管７６を塩ビ等の絶
縁材で作製し、複数の被冷却体５９を給水配管７６の経
路中にシリーズに配設して、気液接触し、冷却された水
を給水配管７６を介して各被冷却体５９の通水穴を流通
させるような冷却水の循環経路を構成すればよい。そこ
で、各被冷却体７６は通水穴を流通する冷水に熱を奪わ
れ、冷却される。この時、水はエテレングリコールが溶
解されて絶縁液となり、給水配管７６は絶縁材で作製さ
れているので、被冷却体５９は互いに電気的に絶縁状態
が確保される。

【００３７】なお、上記各実施の形態では、筐体５１内
に封入する気体として空気を用いるものとしているが、
該気体は空気に限定されるものではなく、水蒸気選択透
過膜５０ａを透過しにくいものであればよく、例えば窒
素ガスでもよい。

【００３８】

【発明の効果】この発明によれば、気体中の水蒸気を選
択的に透過する機能を有する機能膜で構成され、閉空間
を第１および第２の閉空間に分割するように配設された
選択的水蒸気透過モジュールと、気体と水とを直接接触
させる気液接触器の両端部側と上記第１の閉空間の上記
選択的水蒸気透過モジュールの両端部側とをそれぞれ配
管を介して連通させて構成された循環回路と、気体を上
記循環回路内を強制的に循環させる気体循環手段と、熱
を系外に放熱して水蒸気を凝縮させる凝縮器と上記第２
の閉空間とを配管を介して連通させて構成された凝縮回
路と、上記第２の閉空間内の気体を上記凝縮器内に吸引
する気体吸引手段と、上記凝縮器内で凝縮された水蒸気
の凝縮水を上記気液接触器に返送する返送回路とを備え
ているので、大気保全上問題となるフロンを使わずに、
電子基板等を対象とした小型の冷却装置を実現できる。

【００３９】また、返送回路は、さらに機能膜を通過し
てきた不凝縮ガスを気液接触器に返送する機能を備えて
いるので、不凝縮ガスの蓄積による凝縮回路内の圧力上
昇が回避され、長期的に安定した動作を確保できる。

【００４０】また、気体中の水蒸気を選択的に透過する
機能を有する機能膜は気体に対する水蒸気の透過比率が
少なくとも１００倍以上の値を有する水蒸気選択透過膜
としているので、不凝縮ガスの混入しない凝縮器が可能
となり、不凝縮ガスが混入した場合の様に凝縮熱伝達率
の低下を引き起こすことがないため凝縮器をコンパクト
に構成できる。

【００４１】また、気液接触器は、底部に水が貯液され
た缶体と、缶体内を強制的に流通される気体の流通方向
に沿って缶体の内壁面に配設され、かつ、その一部が缶
体に貯液されている水に浸漬されて毛細管現象により湿
潤状態に維持された含水層とから構成され、該缶体の含
水層が配設された部位の外壁面を被冷却体と熱的に連結
するようにしたので、コンパクトで効果的な冷却を可能
にしている。

【００４２】また、気液接触器は、底部に水が貯液され
た缶体と、缶体の底部と頂部側とを連通する給水配管
と、缶体の底部に貯液されている水を汲み上げて該給水
配管を介して缶体の頂部側から散水する散水手段と、該
缶体内を上下に区画するように充填され、頂部側から散
水された水と缶体内を強制的に流通される気体とを直接
接触させる充填層とから構成され、気液接触した水を被
冷却体に給水するようにしたので、被冷却体と放熱系を
任意の場所に配置できるため機器のレイアウトに自由度
を持たせることができる。

【００４３】また、水蒸気選択透過膜は、コルゲート状
に成形されているので、コンパクトな水蒸気透過モジュ
ールを構成できる。

【００４４】また、水蒸気選択透過膜の第２の閉空間に
面する側のコルゲート状の凹部に厚み方向には変形せ
ず、かつ、３次元的に通気自在な補強部材を介在させる
ようにしたので、第２の閉空間側を減圧しても水蒸気透
過モジュールの形状および動作を正常に維持できる。

【００４５】また、缶体の底部に貯液された水は、水の
氷点効果を引き起こす化学物質を氷結を回避できる濃度
に溶解させたので、冬期に外気温度が氷点下になっても
正常な動作を確保できる。

【００４６】また、水の氷点効果を引き起こす化学物質
はエチレングリコールであるので、電気的に絶縁液で冷
却できるため、複数の電気部品で電位差がある状態でも
支障なく冷却水の循環系路を構成でき、さらにエチレン
グリコールは金属に対する腐食性が無いため長期信頼性
も確保できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１に係る機能膜を用い
た水蒸発式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に係る水蒸発式冷却
装置における選択的水蒸気透過モジュールを示す立体構
成図である。

【図３】 この発明の実施の形態１に係る機能膜を用い
た水蒸発式冷却装置における冷却原理説明図である。

【図４】 この発明の実施の形態１に係る機能膜を用い
た水蒸発式冷却装置における不凝縮期待の影響を説明す
る図である。

【図５】 この発明の実施の形態２に係る水蒸発式冷却
装置における選択的水蒸気透過モジュールを示す立体構
成図である。

【図６】 この発明の実施の形態３に係る機能膜を用い
た水蒸発式冷却装置を示すシステム構成図である。

【図７】 この発明の実施の形態４に係る水蒸発式冷却
装置における凝縮器の構成を示す立断面図である。

【図８】 この発明の実施の形態５に係る機能膜を用い
た水蒸発式冷却装置を示すシステム構成図である。

【図９】 従来の伝熱装置を示す構成図である。

【符号の説明】

５０ 選択的水蒸気透過モジュール、５０ａ 水蒸気選
択透過膜（機能膜）、５０ｂ 補強部材、５１ 筐体
（閉空間）、５１ａ 第１の閉空間（循環回路）、５１
ｂ 第２の閉空間（凝縮回路）、５５ 気液接触器（循
環回路）、５６含水層、５７ 缶体、５７ａ 冷却面、
５８ 水、５９ 被冷却体、６２ａ、６２ｂ 配管（循
環回路）、６３ 送風機（気体循環手段）、６５ 電子
部品（被冷却体）、６７ 凝縮器（凝縮回路）、６９
缶体、７１ 配管（凝縮回路）、７２ 吸引ポンプ（気
体吸引手段）、７４ 連通管（返送回路）、７５ 充填
層、７６ 給水配管、７７ 循環ポンプ（散水手段）。

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体中の水蒸気を選択的に透過する機能
   を有する機能膜で構成され、閉空間を第１および第２の
   閉空間に分割するように配設された選択的水蒸気透過モ
   ジュールと、 気体と水とを直接接触させる気液接触器の両端部側と上
   記第１の閉空間の上記選択的水蒸気透過モジュールの両
   端部側とをそれぞれ配管を介して連通させて構成された
   循環回路と、 気体を上記循環回路内を強制的に循環させる気体循環手
   段と、 熱を系外に放熱して水蒸気を凝縮させる凝縮器と上記第
   ２の閉空間とを配管を介して連通させて構成された凝縮
   回路と、 上記第２の閉空間内の気体を上記凝縮器内に吸引する気
   体吸引手段と、 上記凝縮器内で凝縮された水蒸気の凝縮水を上記気液接
   触器に返送する返送回路とを備えたことを特徴とする機
   能膜を用いた水蒸発式冷却装置。
2. 【請求項２】 返送回路は、さらに機能膜を通過してき
   た不凝縮ガスを気液接触器に返送する機能を備えている
   ことを特徴とする請求項１記載の機能膜を用いた水蒸発
   式冷却装置。
3. 【請求項３】 気体中の水蒸気を選択的に透過する機能
   を有する機能膜は気体に対する水蒸気の透過比率が少な
   くとも１００倍以上の値を有する水蒸気選択透過膜であ
   ることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の機能膜
   を用いた水蒸発式冷却装置。
4. 【請求項４】 気液接触器は、底部に水が貯液された缶
   体と、缶体内を強制的に流通される気体の流通方向に沿
   って缶体の内壁面に配設され、かつ、その一部が缶体に
   貯液されている水に浸漬されて毛細管現象により湿潤状
   態に維持された含水層とから構成され、該缶体の含水層
   が配設された部位の外壁面を被冷却体と熱的に連結する
   ようにしたことを特徴とする請求項３記載の機能膜を用
   いた水蒸発式冷却装置。
5. 【請求項５】 気液接触器は、底部に水が貯液された缶
   体と、缶体の底部と頂部側とを連通する給水配管と、缶
   体の底部に貯液されている水を汲み上げて該給水配管を
   介して缶体の頂部側から散水する散水手段と、該缶体内
   を上下に区画するように充填され、頂部側から散水され
   た水と缶体内を強制的に流通される気体とを直接接触さ
   せる充填層とから構成され、気液接触した水を被冷却体
   に給水するようにしたことを特徴とする請求項３記載の
   機能膜を用いた水蒸発式冷却装置。
6. 【請求項６】 水蒸気選択透過膜は、コルゲート状に成
   形されていることを特徴とする請求項３記載の機能膜を
   用いた水蒸発式冷却装置。
7. 【請求項７】 水蒸気選択透過膜の第２の閉空間に面す
   る側のコルゲート状の凹部に厚み方向には変形せず、か
   つ、３次元的に通気自在な補強部材を介在させるように
   したことを特徴とする請求項６記載の機能膜を用いた水
   蒸発式冷却装置。
8. 【請求項８】 缶体の底部に貯液された水は、水の氷点
   効果を引き起こす化学物質を氷結を回避できる濃度に溶
   解させたものであることを特徴とする請求項４又は請求
   項５記載の機能膜を用いた水蒸発式冷却装置。
9. 【請求項９】 水の氷点効果を引き起こす化学物質はエ
   チレングリコールであることを特徴とする請求項８記載
   の機能膜を用いた水蒸発式冷却装置。