JP4639850B2

JP4639850B2 - 冷却方法及び装置

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Publication number: JP4639850B2
Application number: JP2005057770A
Authority: JP
Inventors: 稔智太田; 千恵子徳永; 貴城塚本; 良二今井; 浩一藤田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2005-03-02
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: JP2006242455A

Description

本発明は、コイル等の電子部品、又は、マイクロマシン、集積回路、発光素子、パーソナルコンピュータやサーバー等の高性能電子計算機の電子機器、その他各種の冷却対象物より放出される熱を、該冷却対象物より離れた所要個所まで移動させて放熱させるために用いる冷却方法及び装置に関するものである。

近年、ＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品は、小型化、高性能化に伴い発熱量が増加する傾向にある。しかし、上記のような電子部品は、部品自体の発熱によって使用時の温度が所要温度を超えると性能が劣化することがある。更に、電子部品によっては、使用温度が低ければ低いほど性能的に有利なものとすることができる場合もある。そのため、上記のような電子部品を使用する場合は、冷却が重要となる。

この種の電子部品を冷却対象物として冷却を行うための手法の１つとしては、たとえば、冷却対象物としてのＣＰＵに、ヒートシンク及びファンを取り付けて、ＣＰＵの熱をヒートシンクへ伝えると共に、該ヒートシンクを上記ファンにより強制空冷するようにした冷却方式が、従来、広く一般的に行われている。

又、別の冷却手法としては、図９に示す如く、冷却対象物としてのＣＰＵ１に、ペルチェ素子２と、ファン４付きのヒートシンク３とを順に取り付けて、上記ＣＰＵ１の熱を、ペルチェ素子２にて吸熱させた後、該ペルチェ素子２の放熱部より放出される熱を上記ヒートシンク３へ伝え、該ヒートシンク３をファン４により強制空冷させるようにする冷却方式も採られるようになってきている（たとえば、特許文献１参照）。

更には、図１０に示す如く、冷却対象物としてのＣＰＵの発熱部５に、ベーパーチャンバーと云われる所謂平面型のヒートパイプである熱流束変換器６を取り付けると共に、該熱流束変換器６に、熱電冷却モジュール（ペルチェ素子）７と、ファン９付きのヒートシンク８とを順に取り付けて、上記ＣＰＵの発熱部５より放出される熱を、上記熱流束変換器６で拡散させた後、熱電冷却モジュール７により吸熱させ、更に、該熱電冷却モジュール７の放熱部の熱を、上記ヒートシンク８へ伝えてファン９により強制空冷させる冷却方式も従来、提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

しかし、上述した、冷却対象物に取り付けたヒートシンク及び空冷ファンによる冷却方式、冷却対象物に取り付けたペルチェ素子２とファン４付きのヒートシンク３による冷却方式（図９参照）、及び、冷却対象物に取り付けた平面型ヒートパイプである熱流束変換器６と熱電冷却モジュール７とファン９付きのヒートシンク８による冷却方式（図１０参照）では、いずれも、ＣＰＵのような冷却対象物と、放熱を行わせるためのヒートシンクが比較的接近して配置されているため、冷却対象物より回収した熱は、たとえば、冷却対象物としてのＣＰＵが収納されている筐体の内部雰囲気に対して放熱される等、該冷却対象物近傍の雰囲気中に放熱されることとなり、このために、筐体の内部温度が外気温に比して高くなる等、冷却対象物近傍の雰囲気の温度が上昇してしまい、雰囲気中に放散させた熱の影響を冷却対象物が受けるようになるため、放熱量をあまり大きくできないという問題が生じる。

そのため、上記ＣＰＵ等の冷却対象物の熱を、たとえば、筐体外部まで移動させた後、筐体の外部雰囲気（外気）等に対して放熱させる等、冷却対象物より離れた所要個所まで輸送して放熱させるようにすることにより、冷却効率の向上を図ることが考えられてきている。このように、冷却対象物より放出される熱を、上記冷却対象物より離れた所要個所まで移動させて放出するための手法としては、冷却対象物に、たとえば、グラファイトシートのような熱伝導性の高い材質により長尺状に形成した熱伝導用部材の一端部を取り付け、且つ該熱伝導用部材の他端側を筐体外部へ露出させた構成として、上記冷却対象物より放出される熱を、上記熱伝導用部材の一端側から他端側への熱伝導を介して筐体外部へ輸送させて排出させるようにすることも考えられるが、一般に、熱伝導では、物体の単位断面積当りの熱輸送量はあまり大きなものとすることはできない。したがって、熱の輸送量を増加させるためには上記熱伝導用部材の断面積を大きくとらなければならず、スペース的に不利なものとなる。

そこで、限られたスペースで多くの熱輸送を行うことが可能な熱輸送手段として、従来は、ヒートパイプが多く採用されてきている。

図１１は、ヒートパイプを熱輸送手段として、冷却対象物より放出される熱を該冷却対象物より離れた所要個所まで移動させて放出できるようにしてある冷却装置の一例の概略を示すもので、冷却対象物としての冷却負荷１０に、両スケルトン型の熱電モジュール（ペルチェ素子）１１の吸熱部１２を取り付け、且つ該熱電モジュール１１の各熱電半導体素子の通電方向中間部より放熱部１３寄りの部分を、該放熱部１３ごと一緒にケース１４により密閉できるように覆うようにしてある。又、該ケース１４の反冷却負荷１０側の側面（図上右面）には、貫通口１５を設けて、内部に毛細管構造を備えたヒートパイプ１６を連通するよう取り付けると共に、該ヒートパイプ１６における上記ケース１４と離隔する側の端部にフィン１７を設けた構成とし、更に、上記ケース１４とヒートパイプ１６の内部に、所定量の作動液（水、フロン等）１８を真空封入してなる構成の熱電モジュールユニット（冷却装置）が従来提案されている（たとえば、特許文献３参照）。

上記構成としてある熱電モジュールユニットによれば、冷却負荷１０の放出する熱を、上記熱電モジュール１１により吸熱し、該熱電モジュール１１の放熱部１３より放出される熱を、該放熱部１３を覆うケース１４内に封入されている作動液１８が蒸発するときの蒸発熱により吸収させることができる。この蒸発した作動液１８の蒸気はヒートパイプ１６の低温部（図上右側端部）へ高速移動した後、該ヒートパイプ１６の低温部にて、凝縮するときの凝縮熱として熱の放出を行わせることができ、該熱をヒートパイプ１６の管壁及びフィン１７を介して雰囲気中へ放熱させるようにしてある。その後、上記凝縮して液化した作動液は、ヒートパイプ１６内部の毛細管構造により上記ケース１４内に戻されるようにしてある。これにより、上記冷却負荷１０の放出する熱を、熱電モジュール１１とヒートパイプ１６により上記冷却負荷１０より離隔した上記ヒートパイプ１６の冷却部まで移動させて該冷却部の周囲の雰囲気中へ放熱させることができるようにしてある。

ところで、近年、伝熱の分野では構造を微細化すると伝熱特性が各段に向上するという点が着目されてきており、このため熱交換部に微細構造を備えた種々の熱交換装置が提案されてきている。

かかる考えに基づくものとして、本出願人は、先の出願（特願２００４−３２７４５５号）において、図１２乃至図１４に示す如く、発熱体１９に装着して作動液２７の蒸発熱により該発熱体１９を冷却するための蒸発器２０と、該蒸発器２０から導かれる作動液の蒸気２７ａの保有する熱を凝縮熱として外部に放出させて冷却することにより液化を行うための凝縮器２１と、該凝縮器２１より上記蒸発器２０へ再供給される作動液２７の圧力を調節する調圧器２２とを備えてなる冷却装置を提案している。その中で、上記蒸発器２０を、図１３及び図１４に示す如く、一側面が発熱体１９に接し且つ他側面が蒸気通路２４に接するようにしてある固体壁２３の蒸気通路２４側の面に、複数の狭幅、たとえば、溝幅１００μｍ以下の微細な蒸発溝（マイクロチャネル）２５を形成すると共に、該各蒸発溝２５の端部を液供給室２６に連通させ、更に、上記蒸発溝２５の液供給室２６側の端部に、液供給室２６の作動液２７を前記各蒸発溝２５に供給するための図示しない液導入装置を備えてなる構成として、蒸発器２０における作動液２７の蒸発熱によって発熱体１９より固体壁２３に伝えられる熱との熱交換を行わせる部分を、微細な蒸発溝２５とするようにした所謂マイクロチャネル蒸発器とすることを提案している。

なお、図１３及び図１４において、２８は上記固体壁２３上に積層して蒸発溝２５の上方に蒸気通路２４を形成させるための中間壁、２９は上記中間壁２８上に積層して上記蒸気通路２４に連通する開口３０を形成させるための上部壁、３１は上記上部壁２９の開口３０に取り付けて上記蒸気通路２４より開口３０を経て作動液の蒸気２７ａを取り出すための蒸気取出口、３２は上記中間壁２８と上部壁２９にそれぞれ上下方向に対応するよう設けてある液供給口３３に接続して、該各液供給口３３を経て上記固体壁２３の液供給室２６へ作動液２７を供給するための液供給管である。

更に、本出願人は、別の出願（特願２００４−１７０９０１号）において、図１５に示す如く、発熱する装置機器３４に取り付けるか又は発熱する装置機器３４の一部を構成するようにしてある廃熱高温部材３５を、下側の高温部材３５ａと上側の高温部材３５ｂとからなる上下二分割構造とし、下側高温部材３５ａに形成した溝流路３６の上側に、板状多孔質材３７を載置すると共に、その上側を上側高温部材３５ｂにて覆うことにより、上記溝流路３６と板状多孔質材３７により囲まれた、すなわち、周面の一部を上記板状多孔質材３７で形成してなる蒸気流路を形成し、更に、上記板状多孔質材３７に液体（作動液）３９を染み込ませて供給する液供給口３８を設けてなる構成として、上記液供給口３８より板状多孔質材３７へ供給する液体３９を、該板状多孔質材３７に染み込ませることにより拡散させた後、該板状多孔質材３７の表面より、上記溝流路３６と板状多孔質材３７により囲まれて形成されている蒸気流路内へ蒸発させて蒸気（過熱蒸気）３９ａを発生させることができるようにした蒸気発生装置（蒸発器）を提案しており、その中で、発熱する装置機器３４より廃熱高温部材３５へ伝えられる熱によって液体３９を蒸発させるための蒸発部として、上記板状多孔質材３７の微細な多孔質構造を利用する形式の所謂マイクロ蒸発器を提案している。

なお、図１５において、４０及び４１は下側高温部材３５ａの各溝流路３６の一端側及び他端側をそれぞれ連通させるヘッダ溝部、４２は上記蒸気流路にて発生させる蒸気（過熱蒸気）を一方のヘッダ溝部４０を経て取り出すための蒸気取出口（過熱蒸気取出口）である。

特開２００２−７６２１９号公報特開２００４−７１９６９号公報特開平１１−１２１８１６号公報

ところが、上記特許文献３に記載された熱電モジュールユニット（図１１参照）は、熱輸送手段としてヒートパイプ１６を用いているため、冷却対象物となる冷却負荷１０より放出される熱を、該冷却負荷１０より離れた所要個所まで比較的効率よく移動させて放出できるものであるが、近年のＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品の小型化、高性能化に伴う発熱量の増加に対しては、熱の輸送量が不十分になる虞が懸念される。

すなわち、一般に、ヒートパイプは、受熱部で作動液を蒸発させ、該作動液の蒸気を低温部となる冷却部で凝縮させ、この蒸発と凝縮のときの蒸発熱と凝縮熱の出入りにより熱を輸送すると共に、作動液及び該作動液の蒸気の流れが生じるものであるが、冷却部で凝縮した作動液は、毛細管現象等を利用して受動的に蒸気の流れる配管中を温度の高い方へ逆流させられて蒸発用の液体として受熱部へ供給されるようになっている。なお、凝縮した作動液の流れる配管が、蒸気の流れる配管と分かれた構造を有する形式のヒートパイプもあるが、上記凝縮した作動液は、受動的に受熱部へ供給されている。

そのため、上記ヒートパイプでは、冷却部から受熱部へ供給される作動液の駆動力が小さく、このため、受熱部へ供給される作動液の供給量には自ずから限界が生じるため、該ヒートパイプによる熱輸送を介した冷却対象物の冷却方式では、排熱量に限界があり、最大でも２０Ｗ／ｃｍ^２程度の排熱効率しか得られないため、排熱効率を更に高めることが可能な冷却装置が望まれている。

更に、特許文献３に示された上記熱電モジュールユニットは、ヒートパイプ１６を、熱電モジュール１１に発熱部１３を覆うよう取り付けたケース１４に一体に組み付けるようにしてあるため、構造が複雑であり、しかも、作動液を真空封入しなければならないため、製造に手間を要することが懸念される。

そこで、本発明は、本出願人が先の出願（特願２００４−３２７４５５号）にて提案している図１２乃至１４に示した如き冷却装置の蒸発器２０のようなマイクロチャネル式のマイクロ蒸発器や、別の出願（特願２００４−１７０９０１号）で提案している図１５に示した如き蒸発装置のようなマイクロ蒸発器を応用して、冷却対象物の熱を該冷却対象物より離れた所要個所まで効率よく輸送して放熱させることができると共に、ヒートパイプを熱輸送手段とする場合に比して、排熱量を増大させることができて、冷却効率の向上化を図ることができる冷却方法及び装置を提供しようとするものである。

本発明は、上記課題を解決するために、冷却対象物の熱をペルチェ素子の吸熱部にて吸熱させ、該ペルチェ素子の放熱部より放出される熱を、マイクロ蒸発器における作動液の蒸発熱として吸収させ、このとき、上記マイクロ蒸発器の温度を検出し、該検出したマイクロ蒸発器の温度に基づいて作動液供給配管上のポンプの運転を制御して、凝縮器で凝縮されて上記作動液供給配管を経て上記マイクロ蒸発器へ供給する作動液の供給量を制御し、上記マイクロ蒸発器の温度が、上記作動液の飽和温度以上の温度範囲に維持できるようにし、上記マイクロ蒸発器にて作動液の蒸発により発生する蒸気を、蒸気輸送配管を通して上記冷却対象物より離隔する上記凝縮器まで導いて、該凝縮器にて、上記作動液の蒸気の保有する熱を凝縮熱として放熱させる冷却方法とする。

又、冷却対象物の上面と下面に、吸熱部を取り付けることができるようにしてある各ペルチェ素子の放熱部に、マイクロ蒸発器をそれぞれ接合し、該各マイクロ蒸発器における蒸気取出口に、上記冷却対象物より離隔した個所に設けた凝縮器を蒸気輸送配管にてそれぞれ接続し、且つ上記各マイクロ蒸発器における液供給口に、上記凝縮器の液体出口を、ポンプを備えた作動液供給配管を介してそれぞれ接続し、更に、上記各マイクロ蒸発器の温度を検出するための蒸発器温度センサと、該蒸発器温度センサの検出信号を基に上記作動液供給配管上のポンプに指令を与えて上記各マイクロ蒸発器への作動液の供給量を制御する制御器を備えた冷却装置とする。

本発明によれば、冷却対象物の熱をペルチェ素子の吸熱部にて吸熱させ、該ペルチェ素子の放熱部より放出される熱を、マイクロ蒸発器における作動液の蒸発熱として吸収させ、このとき、上記マイクロ蒸発器の温度を検出し、該検出したマイクロ蒸発器の温度に基づいて作動液供給配管上のポンプの運転を制御して、凝縮器で凝縮されて上記作動液供給配管を経て上記マイクロ蒸発器へ供給する作動液の供給量を制御し、上記マイクロ蒸発器の温度が、上記作動液の飽和温度以上の温度範囲に維持できるようにし、上記マイクロ蒸発器にて作動液の蒸発により発生する蒸気を、蒸気輸送配管を通して上記冷却対象物より離隔する上記凝縮器まで導いて、該凝縮器にて、上記作動液の蒸気の保有する熱を凝縮熱として放熱させる冷却方法、及び、冷却対象物の上面と下面に、吸熱部を取り付けることができるようにしてある各ペルチェ素子の放熱部に、マイクロ蒸発器をそれぞれ接合し、該各マイクロ蒸発器における蒸気取出口に、上記冷却対象物より離隔した個所に設けた凝縮器を蒸気輸送配管にてそれぞれ接続し、且つ上記各マイクロ蒸発器における液供給口に、上記凝縮器の液体出口を、ポンプを備えた作動液供給配管を介してそれぞれ接続し、更に、上記各マイクロ蒸発器の温度を検出するための蒸発器温度センサと、該蒸発器温度センサの検出信号を基に上記作動液供給配管上のポンプに指令を与えて上記各マイクロ蒸発器への作動液の供給量を制御する制御器を備えた冷却装置としてあるので、以下の如き優れた効果を発揮する。
（１）冷却対象物より放出される熱を、ペルチェ素子、マイクロ蒸発器、蒸気輸送配管を経て凝縮器へ移動させて排熱できることから、排熱効率を高めることができて、上記冷却対象物を効率よく冷却することができる。
（２）更に、冷却対象物を比較的低い温度に保持する場合であっても、該ペルチェ素子の吸熱部にて上記冷却対象物の熱を吸熱する一方、該ペルチェ素子の放熱部の温度を、マイクロ蒸発器における作動液の飽和温度（蒸発温度）まで昇温させることができ、これにより、上記冷却対象物より吸収した熱を、マイクロ蒸発器へ伝えて、作動液の蒸発熱として大きな熱量を効率よく吸収させることができる。
（３）吸熱を作動液の蒸発によって行わせるようにしてある上記マイクロ蒸発器に対する作動液の供給は、作動液供給配管上のポンプによって強制駆動するようにしてあるため、蒸発部への作動液の供給を毛細管現象等により受動的に行わせるようにしてあるヒートパイプに比して、熱の輸送量を増大させることができ、これにより、排熱量を増大させることができる。したがって、排熱効率を大きなものとすることができて、大きな熱量の放熱が可能となるため、冷却対象物が熱流束の大きな高発熱体であるとしても、該冷却対象物を効率よく冷却することが可能となる。又、冷却対象物が狭い空間に設置されている場合であっても、該冷却対象物の放出する熱を、効率よく離れた個所に設けた凝縮器へ移動させることができるため、限られたスペースしかない場合であっても、上記冷却対象物の冷却を効率よく行わせることが可能となる。
（４）上記のように排熱量を増大できることに伴い、冷却対象物の冷却を速やかに行なうことができるようになるため、冷却対象物の温度変化に対する応答速度を高めることができる。又、熱容量を増加させることができて、冷却対象物の温度変化速度を緩和させることができる。
（５）マイクロ蒸発器の温度を、作動液の飽和温度以上の所要の温度範囲に維持できるよう、上記マイクロ蒸発器への作動液の供給量を制御するようにし、更に、該作動液の供給量の制御を、凝縮器にて凝縮させた作動液を上記マイクロ蒸発器へ蒸発用に供給する作動液供給配管上に設けてあるポンプの運転制御により行うようにしてあり、又、マイクロ蒸発器の温度を検出するための蒸発器温度センサと、該蒸発器温度センサの検出信号を基に作動液供給配管上のポンプへ指令を与える制御器を備えた構成としてあることにより、マイクロ蒸発器への作動液の供給量を、該マイクロ蒸発器の蒸発部に常時蒸発できるような状態に作動液を存在させるように制御できると共に、上記マイクロ蒸発器の温度を、作動液の蒸発温度以上の所要温度に保持できて、マイクロ蒸発器における熱吸収を効率よく行わせることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の冷却方法及び装置の実施の一形態を示すもので、冷却対象物として、たとえば、ＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品４３にペルチェ素子４４の吸熱部４５を取り付け、且つ該ペルチェ素子４４の放熱部４６に、図１２乃至図１４に示した蒸発器２０と同様に、作動液の蒸発部として、蒸気通路側に開口した複数の狭幅、たとえば、溝幅１００μｍ以下の微細な蒸発溝（図示せず）を備えてなる構成を有するマイクロ蒸発器としてのマイクロチャネル蒸発器４７を取り付ける。上記マイクロチャネル蒸発器４７における蒸気取出口４８には、上記電子部品４３と離れた所要個所、たとえば上記電子部品４３を収納している筐体（図示せず）の外部に設置してある凝縮器４９の蒸気入口５０を、蒸気輸送配管５１を介し接続する。更に、上記マイクロチャネル蒸発器４７における液供給口５２は、上記凝縮器４９における凝縮液体の出口５３に、途中にポンプ５５を備えた作動液供給配管５４を介し接続して、上記マイクロチャネル蒸発器４７、蒸気輸送配管５１、凝縮器４９、作動液供給配管５４を順に経て流体が循環できるよう流路を形成し、該流路内となる、たとえば、上記凝縮器４９内に所要量の作動液５６を収納させる。更に、上記凝縮器４９に、放熱器として、たとえば、ファン５８付きのヒートシンク５７を取り付けて本発明の冷却装置Ｉを構成する。なお、本明細書において、マイクロ蒸発器とは、作動液５６が強制的に供給されて蒸発させられるようにするための蒸発部（熱交換部）として、微細な蒸発溝（マイクロチャネル）や多孔質材の内部空間、所要空間に充填された粉体同士の間に形成される微細な隙間等、微細構造の蒸発部を有する蒸発器を意味するものとする。

上記作動液５６は、上記ペルチェ素子４４が吸熱部４５に取り付ける冷却対象物の熱を吸熱するときに該ペルチェ素子４４の放熱部４６が達する温度域に飽和温度（蒸発温度）を有する液体、たとえば、飽和温度が１００℃（１ａｔｍ）の水や、７８℃（１ａｔｍ）のエタノール、あるいは、アセトン等を適宜選択して用いるようにすればよい。

上記構成としてある本発明の冷却装置Ｉは、ＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品４３を冷却対象物とする場合には、該電子部品４３に、上記冷却装置Ｉにおけるペルチェ素子４４の吸熱部４５を、たとえば、ろう付けや低温はんだにより予め接合して取り付ける。このようにして形成した冷却装置Ｉ付きの電子部品４３は、基板となる高熱伝導率板５９上に設置してあるＣＰＵソケットの如きソケット６０へ装着させて該ソケット６０に上記電子部品４３を保持させるようにする。

上記本発明の冷却装置Ｉにより電子部品４３の冷却を行うときには、ペルチェ素子４４に対し、所要の電力供給を行なうことにより該ペルチェ素子４４における電子部品４３の取付面となっている吸熱部４５を冷却すると共に、上記作動液供給配管５４上のポンプ５５を運転して、該作動液供給配管５４を経て凝縮器４９より導かれる作動液５６を、マイクロチャネル蒸発器４７へ供給するようにし、更に、ヒートシンク５７に取り付けてあるファン５８を運転して、該ヒートシンク５７を強制的に空冷できるようにする。

これにより、上記電子部品４３より放出される熱を、ペルチェ素子４４の吸熱部４５より吸熱させることにより、上記電子部品４３の冷却を行うようにする。上記ペルチェ素子４４の吸熱部４５より吸収された熱は、該ペルチェ素子４４の放熱部４６よりマイクロチャネル蒸発器４７ヘ伝えて、該マイクロチャネル蒸発器４７にて蒸発する作動液５６の蒸発熱として吸収させる。上記マイクロチャネル蒸発器４７にて蒸発された作動液の蒸気５６ａは、蒸気輸送配管５１を通して凝縮器４９へ導き、該凝縮器４９にて冷却して液化させることにより凝縮熱を放熱させる。該凝縮器４９にて放熱される作動液５６の凝縮熱は、該凝縮器４９よりヒートシンク５７へ伝えた後、該ヒートシンク５７をファン５８により強制空冷することによって、雰囲気（大気）中へ排出させるようにする。

上記凝縮器４９にて液化された作動液５６は、ポンプ５５の運転により作動液供給配管５４を通して再びマイクロチャネル蒸発器４７へ供給して、該マイクロチャネル蒸発器４７における蒸発用の液体として再使用するようにする。

このように、本発明の冷却方法及び装置によれば、冷却対象物である電子部品４３の冷却を行うことができると共に、該電子部品４３より吸収した熱を、ペルチェ素子４４、マイクロチャネル蒸発器４７、蒸気輸送配管５１、凝縮器４９、放熱器としてのヒートシンク５７を経て、上記電子部品４３より離れた個所まで移動させて雰囲気中へ排出させることができることから、雰囲気中へ放散された熱が電子部品４３に影響する虞を未然に防止できて排熱効率を高めることができる。更に、上記電子部品４３とマイクロチャネル蒸発器４７との間に、ペルチェ素子４４を介在させて設けてあることから、上記電子部品４３を比較的低い温度、たとえば、５０℃〜８０℃程度に保持する場合であっても、該ペルチェ素子４４の吸熱部４５にて上記電子部品４３の熱を吸熱する一方、該ペルチェ素子４４の放熱部４６の温度を、マイクロチャネル蒸発器４７の作動液５６、たとえば、水の飽和温度（１００℃）まで昇温させることができて、上記電子部品４３より吸収した熱を、マイクロチャネル蒸発器４７へ伝えて作動液５６の蒸発熱として大きな熱量を効率よく吸収させることができる。

又、上記ペルチェ素子４４の放熱部４６からの吸熱を作動液５６の蒸発によって行わせるようにしてある上記マイクロチャネル蒸発器４７に対する作動液５６の供給は、作動液供給配管５４上のポンプ５５によって強制駆動するようにしてあるため、ヒートパイプに比して熱の輸送量を増大させることができて、排熱量を増大させることができる。たとえば、作動液５６として水を用いる場合には、１００Ｗ／ｃｍ^２以上の排熱量を確保することができることから、ヒートパイプに比して５倍以上の排熱量を確保でき、したがって、排熱効率を従来よりも大きなものとすることができて、大きな熱量の放熱が可能となるため、冷却対象物となる電子部品４３が、熱流束の大きな高発熱体であるとしても、該電子部品４３を効率よく冷却することが可能となる。又、冷却対象物である上記電子部品４３が狭い（小さい）空間に設置されている場合であっても、該電子部品４３の放出する熱を、効率よく筐体外部のような離れた個所へ移動させることができるため、限られたスペースしかない場合であっても、上記電子部品４３を効率よく冷却することが可能となる。

更に、上述したように、排熱量を増大できることに伴い、電子部品４３の冷却を速やかに行なうことができるようになるため、電子部品４３の温度変化に対する応答速度を高めることができる。又、上記電子部品４３に、ペルチェ素子４４とマイクロチャネル蒸発器４７とを一体に組み付けてあるため、熱容量を増加させることができて、電子部品４３の温度変化速度を緩和させることができる。

したがって、冷却対象物である電子部品４３の温度上昇を抑えることができることから、該電子部品４３の信頼性を向上させることができると共に、上記電子部品４３が、温度の過剰な上昇に伴って停止する虞を未然に防止できるようになり、サーバーや高速計算等を長時間高負荷運転する場合でも停止する虞を防止できるようになる。更に、冷却効率を大幅に高めることができるため、発熱量が増加するようなＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品４３の更なる小型化に対応することが可能となる。更には、冷却対象物である電子部品４３と共に、その周囲の他の部品やプラスチック部材等が高温になる虞を未然に防止して、劣化の防止を図ることもできる。

なお、上記図１において、本発明の冷却装置Ｉの構成要素となるペルチェ素子４４、マイクロチャネル蒸発器４７、上記輸送配管５１、凝縮器４９、作動液供給配管５４、ポンプ５５、及び、冷却対象物としての電子部品４３のサイズは、それぞれ図示するための便宜上のサイズであり、実際のサイズを反映するものではない。以下の実施の形態においても同様とする。

次に、図２は上記実施の形態の応用例を示すもので、図１に示したと同様の構成において、凝縮器４９に、放熱器としてファン５８付きのヒートシンク５７を取り付けた構成に代えて、凝縮器４９に、放熱器としての水冷チラー６１を取り付けてなる構成として、上記凝縮器４９にて作動液５６を凝縮させるときに放出される凝縮熱を、上記水冷チラー６１に流通させる冷却水６２との熱交換によって放散させることができるようにしたものである。

その他、図１に示したものと同一のものには同一符号が付してある。

本実施の形態によれば、冷却対象物としての電子部品４３より、ペルチェ素子４４を介してマイクロチャネル蒸発器４７における作動液５６の蒸発熱として吸熱させた熱を、作動液の蒸気５６ａを凝縮器４９へ導いて凝縮させることにより凝縮熱として放出させ、この凝縮器４９より放出される熱を、上記水冷チラー６１に流通させる冷却水６２との熱交換により放熱させることができることから、本実施の形態においても上記図１に示した実施の形態と同様の効果を得ることができる。

次いで、図３は本発明の実施の他の形態を示すもので、図１と同様の構成において、本発明の冷却装置Ｉを冷却対象物としての電子部品４３の図上上側となる片面のみに取り付けて、上記電子部品４３を片面側より冷却するようにした構成に代えて、本発明の冷却装置Ｉにより、冷却対象物としての電子部品４３を上下両面側より冷却できるようにしたものである。

すなわち、図１に示したと同様に、ペルチェ素子４４と、該ペルチェ素子４４の放熱部４６に取り付けたマイクロチャネル蒸発器４７と、該マイクロチャネル蒸発器４７より離れた所要個所に設けた凝縮器４９と、上記マイクロチャネル蒸発器４７の蒸気取出口４８と上記凝縮器４９の蒸気入口５０とを接続する蒸気輸送配管５１と、上記マイクロチャネル蒸発器４７の液供給口５２と上記凝縮器４９の液体出口５３とを接続するポンプ５５付きの作動液供給配管５４と、上記凝縮器４９に取り付けた放熱器としてのヒートシンク５７とからなる本発明の冷却装置Ｉを２基用意し、一方の冷却装置Ｉは、ペルチェ素子４４の吸熱部４５を、冷却対象物としての電子部品４３の上面に、ろう付けや低温はんだにより接合して取り付ける。又、他方の冷却装置Ｉは、予め、ペルチェ素子４４の吸熱部４５を、上記電子部品４３の取付用のソケット６０の下面に、たとえば、ろう付けや低温はんだにより接合して取り付ける。なお、上記ソケット６０は、下面側に上記冷却装置Ｉを配置できるように、脚部の長いソケット６０としてある。

更に、上記本発明の冷却装置Ｉが取り付けてあるソケット６０上に、上記冷却装置Ｉ付きの電子部品４３を載置して装着する。これにより、上記電子部品４３の下面側にも、本発明の冷却装置Ｉにおけるペルチェ素子４４の吸熱部４５を、ソケット６０を介在させて取り付けるようにする。

本実施の形態によれば、電子部品４３の上下両側に配されている各冷却装置Ｉを、共に図１の実施の形態で述べたと同様に作動させることにより、上記電子部品４３を、上下両側より冷却することができる。

なお、上記においては、本発明の冷却装置Ｉを、予め電子部品４３の上面と、ソケット６０の下面にそれぞれ取り付けた状態としてから、上記冷却装置Ｉ付きの電子部品４３を、冷却装置Ｉ付きのソケット６０に装着するものとして示したが、ソケット６０に電子部品４３を取り付けてから、上記電子部品４３の上面とソケット６０の下面に、本発明の冷却装置Ｉにおけるペルチェ素子４４の吸熱部４５をそれぞれ接合するようにしてもよい。この場合は、電子部品４３の上側に取り付ける冷却装置Ｉの凝縮器４９と、ソケット６０の下側に取り付ける冷却装置Ｉの凝縮器４９に取り付ける放熱器を、共通の１つのヒートシンク５７とするようにしてもよい。

次に、本発明の冷却装置の制御系について説明する。

本発明の冷却装置Ｉの制御系は図４に示す如く、たとえば、図１に示したと同様の構成におけるペルチェ素子４４の吸熱部４５に、該吸熱部４５に接合する冷却対象物としての電子部品４３の温度を検出するための対象物温度センサ６３を設ける。又、ペルチェ素子４４の放熱部４６とマイクロチャネル蒸発器４７のとの間に、マイクロチャネル蒸発器４７の温度を検出するための蒸発器温度センサ６４を設ける。更に、上記対象物温度センサ６３からの信号に基いて上記ペルチェ素子４４に接続してある電源６５へ指令を与えて該電源６５より上記ペルチェ素子４４へ供給する電力負荷を制御するための電力負荷制御部６７と、上記蒸発器温度センサ６４からの信号に基いて作動液供給配管５４上に設けたポンプ５５へ指令を与えて、上記マイクロチャネル蒸発器４７への作動液５６の供給量を制御するための作動液供給量制御部６８と有してなる制御器６６を備える。

詳述すると、上記制御器６６における電力負荷制御部６７は、対象物温度センサ６３より入力される電子部品４３の温度検出信号を監視して、電子部品４３の温度ｔが或る設定上限温度Ａ１に達すると、電源６５よりペルチェ素子４４へ電力を供給して、該ペルチェ素子４４を作動させることにより、電子部品４３の放熱をペルチェ素子４４の吸熱部４５より吸熱させて、上記電子部品４３の温度ｔを上記設定上限温度Ａ１以下に保持させるようにする。更に、上記電子部品４３の発熱量が増加すると、電源６５より上記ペルチェ素子４４へ印加する電力を増加させることにより、該ペルチェ素子４４における吸熱部４５における吸熱量を増加させて、上記電子部品４３の温度ｔを、上記設定上限温度Ａ１以下に保持させるようにする機能を有するものとしてある。

一方、上記制御器６６における作動液供給量制御部６８は、基本的には、マイクロチャネル蒸発器４７の微細な蒸発溝（図１３及び図１４参照）に、常に作動液５６が充填されて蒸発可能な状態に保持されるように、ポンプ５５の運転を制御して、作動液供給配管５４を通してマイクロチャネル蒸発器４７へ供給する作動液５６の供給液量を制御する機能を有するものとしてある。

すなわち、上記作動液供給量制御部６８は、ペルチェ素子４４の放熱部４６の温度と等しくなるマイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅを常時監視するようにしてあり、上記のようにペルチェ素子４４へ電力供給を行なって電子部品４３の放熱を該ペルチェ素子４４の吸熱部４５によって吸収するときに、放熱部４６の温度上昇に伴って上記マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅが上昇して、作動液５６の飽和温度（蒸発温度）Ｔ_ｓａｔに達すると、該マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅが、常に上記飽和温度Ｔ_ｓａｔ以上の温度に維持されるように、ポンプ５５へ運転指令を与えて、該ポンプ５５の運転により凝縮器４９より作動液供給配管５４を経てマイクロチャネル蒸発器４７へ送液する作動液５６の送液量を制御できるようにしてある。この送液量の制御は、図５（イ）（ロ）に示す如きポンプ５５のＯＮ−ＯＦＦ制御や、図６に示す如きＰＩＤ制御によって行うようにしてある。

上記ポンプ５５のＯＮ−ＯＦＦ制御は、図５（イ）に示す如く、蒸発器温度センサ６４にて検出されるマイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅが、上記作動液５６の飽和温度Ｔ_ｓａｔよりも高くなるよう設定してある所要の設定最高温度Ｔ_ＨＩに達すると、図５（ロ）に示す如く、上記ポンプ５５の運転を開始（ＯＮ）させ、その後、このポンプ５５の運転により作動液５６が供給されるマイクロチャネル蒸発器４７にて作動液５６の蒸発熱により熱が奪われて、上記マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅが、上記作動液５６の飽和温度Ｔ_ｓａｔをやや上回る温度に設定してある設定最低温度Ｔ_ＬＯまで低下すると、ポンプ５５の運転を停止（ＯＦＦ）させるようにし、このマイクロチャネル蒸発器４７の温度変化に応じて上記ポンプ５５の運転を制御することにより、マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅを、上記設定最高温度Ｔ_ＨＩと設定最低温度Ｔ_ＬＯとの間に維持できるようにしてある。

一方、上記ポンプ５５のＰＩＤ制御は、図６に示す如く、マイクロチャネル蒸発器４７を維持すべき作動液５６の飽和温度Ｔ_ｓａｔよりも高い所要の設定温度Ｔ_ｓｅｔと、蒸発器温度センサ６４にて検出されるマイクロチャネル蒸発器４７の計測温度（実測温度）ｔｅとの差（偏差）ｅを最小にするような制御則、たとえば、現代制御理論を用いたＰＩＤ制御則（ｆ（ｅ））を用いて、ポンプ５５の出力（Ｖ＝ｆ（ｅ））をコントロールすることにより、該ポンプ５５の運転により上記マイクロチャネル蒸発器４７へ供給される作動液５６の供給量を制御し、これにより、上記マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅを、上記設定温度Ｔ_ｓｅｔ付近に維持できるようにしてある。なお、上記ＰＩＤ制御の場合における比例帯の範囲は、上記マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅを維持すべき所要温度より、電子部品４３の設定上限温度Ａ１を差し引いた温度以下の範囲となるようにする。

したがって、上記のようなポンプ５５の運転制御によりマイクロチャネル蒸発器４７への作動液５６の供給量が制御されるため、上記マイクロチャネル蒸発器４７の温度は上記したような所要の温度範囲に維持される。

このように、マイクロチャネル蒸発器４７の温度が所要の温度範囲に維持されている状態になると、上記電力負荷制御部６７はペルチェ素子４４への電力負荷を増加させるようにして、該ペルチェ素子４４の吸熱部４５による吸熱量を増加させて電子部品４３の温度ｔを低下させ、電子部品４３の温度ｔが設定下限温度Ａ２まで低下すると、制御器６６は電力負荷制御部６７と作動液供給量制御部６８の働きにより、電子部品４３の温度ｔを上記設定下限温度Ａ２に、又、上記マイクロチャネル蒸発器４７の温度ｔｅを上記所要の温度範囲に保持させるようにしてある。

この状態にて、電子部品４３に急激な熱負荷が加わり、該電子部品４３の温度ｔが上昇しそうになると、上記電子部品４３の温度ｔが上記設定下限温度Ａ２に維持されるように、ペルチェ素子４４への電力供給が制御されて該ペルチェ素子４４の吸熱部４５による吸熱量が高められる。このような電力供給の制御の際には、上記ペルチェ素子４４の放熱部４６における放熱量が増加して、マイクロチャネル蒸発器４７の温度が上昇されるようになるが、このようなマイクロチャネル蒸発器４７の温度変化に対しては、上記したようなＯＮ−ＯＦＦ制御あるいはＰＩＤ制御によるポンプ５５の運転制御が行われて、マイクロチャネル蒸発器４７への作動液５６の供給量が増加され、該マイクロチャネル蒸発器４７における作動液５６の蒸発量が増加させられるため、蒸発熱による熱吸収量が増大され、これにより、マイクロチャネル蒸発器４７の温度は上記所要の温度範囲に維持される。

なお、本発明は上記実施の形態のみに限定されるものではなく、以下に示すような構成としてもよい。すなわち、本発明の冷却装置Ｉの凝縮器４９に取り付ける放熱器としては、ファン５８付きのヒートシンク５７及び水冷チラー６１を示したが、上記凝縮器４９にて作動液の蒸気５６ａを凝縮させるときに放出される凝縮熱を、雰囲気中に放散させたり各種の冷媒と熱交換させることで除冷できれば、自然対流する雰囲気への輻射及び伝熱により放熱する形式のファンのない形式のヒートシンクや、その他いかなる形式の放熱器を採用してもよい。

又、上記各実施の形態においては、ペルチェ素子４４の放熱部４６より吸熱させるためのマイクロ蒸発器として、マイクロチャネル蒸発器４７を使用するものとして説明したが、ポンプ５５の運転により作動液供給管５４を通して供給される作動液５６を、微細構造の蒸発部分より効率よく蒸発させることができるようにしてあれば、マイクロチャネル蒸発器４７に代えて図１５に示す如き多孔質材を蒸発部とする所謂マイクロ蒸発器や、その他、多孔質材や狭幅の蒸発溝以外にも、蒸発部に粉を充填する等、強制的に供給される作動液５６を微細構造の蒸発部より効率よく蒸発させることができるようにしてあれば、いかなる形式のマイクロ蒸発器を採用するようにしてもよい。

更に、図４では、ペルチェ素子４４へ電力供給を行う電源６５を、独立の電源として示したが、図７に示す如く、冷却対象物としてのＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品４３へ電力供給を行う電源と共用の電源６５ａとしてもよいこと、又、上記各実施の形態において、たとえば、図７に示すと同様に、蒸気輸送配管５１に、断熱材６９を巻き付けた構成として、マイクロチャネル蒸発器５７より上記蒸気輸送配管５１を経て凝縮器４９へ導かれる作動液の蒸気５６ａが途中で温度低下することを抑制できるようにしてもよいこと、図２の実施の形態、及び、図３の実施の形態の冷却装置の制御系としては、図４乃至図６で説明したと同様の本発明の冷却装置の制御系を適用できること、更に又、本発明の冷却方法及び装置は、ＭＰＵやＣＰＵ等の電子部品４３以外にも、コイル等の電子部品、マイクロマシン、集積回路、発光素子、パーソナルコンピュータやサーバー等の高性能電子計算機の電子機器、その他各種の冷却対象物の冷却にも適用でき、この場合、図８に概要を示すように、ＭＰＵ、ＣＤ、ＭＤ、電池、トランス、メモリー、ハードディスク等、使用時に放熱が生じるため冷却が必要となる各種機器を冷却対象物４３（冷却対象物としての電子部品４３と同じ符号で示す）とする場合に、上記各冷却対象物４３に対してそれぞれペルチェ素子４４とマイクロチャネル蒸発器４７とを順に取り付け、該各冷却対象物４３ごとのマイクロチャネル蒸発器４７より作動液の蒸気５６ａを導くための蒸気輸送配管５１を、共通の凝縮器４９に取り付けて、上記各冷却対象物４７よりそれぞれ対応するペルチェ素子４４を経てマイクロチャネル蒸発器４７にて作動液の蒸気５６ａを発生させる際の蒸発熱の形で吸収させた熱を、共通の凝縮器４９にて凝縮熱として放出させることができるようにしてもよい。なお、図８では凝縮器４９にて凝縮させた作動液５６をそれぞれの冷却対象物４３ごとに設けてあるマイクロチャネル蒸発器４７へ再び供給するためのポンプ５５付きの作動液供給配管５４の記載は省略してある。その他本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明の冷却方法及び装置の実施の一形態を示す概略側面図である。本発明の実施の他の形態を示す概略側面図である。本発明の実施の更に他の形態を示す概略側面図である。本発明の冷却装置の制御系を示す概要図である。図４の制御系におけるマイクロチャネル蒸発器の温度に基づいたポンプの運転制御の一例を示すもので、（イ）はマイクロチャネル蒸発器の温度変化を、又、（ロ）はポンプ運転状態を、それぞれ時間軸を揃えて示した図である。図４の制御系におけるマイクロチャネル蒸発器の温度に基づいたポンプの運転制御の他の例を示す図である。本発明の実施の更に別の形態を示す図である。本発明を多数の冷却対象物の冷却に適用する場合の一例を示す図である。従来のＣＰＵを冷却するために提案されている冷却手法の一例を示す概略側面図である。従来のＣＰＵの発熱部を冷却するために提案されている冷却手法の他の例を示す概略側面図である。従来提案されているヒートパイプを熱輸送手段として採用した冷却装置の一例を示す概略切断側面図である本出願人が先の出願にて提案している冷却装置を示す概要図である。図１２の冷却装置における蒸発器部分を示す概略斜視図である。図１３の蒸発器の概略切断側面図である。本出願人が先の出願にて提案している蒸気発生装置を示す概略斜視図である。

符号の説明

Ｉ冷却装置
４３電子部品（放熱対象物）
４４ペルチェ素子
４５吸熱部
４６放熱部
４７マイクロチャネル蒸発器（マイクロ蒸発器）
４８蒸気取出口
４９凝縮器
５１蒸気輸送配管
５２液供給口
５３液体出口
５４作動液供給配管
５５ポンプ
５６作動液
５６ａ作動液の蒸気
６４蒸発器温度センサ
６６制御器
６８作動液供給量制御部

Claims

冷却対象物の熱をペルチェ素子の吸熱部にて吸熱させ、該ペルチェ素子の放熱部より放出される熱を、マイクロ蒸発器における作動液の蒸発熱として吸収させ、このとき、上記マイクロ蒸発器の温度を検出し、該検出したマイクロ蒸発器の温度に基づいて作動液供給配管上のポンプの運転を制御して、凝縮器で凝縮されて上記作動液供給配管を経て上記マイクロ蒸発器へ供給する作動液の供給量を制御し、上記マイクロ蒸発器の温度が、上記作動液の飽和温度以上の温度範囲に維持できるようにし、上記マイクロ蒸発器にて作動液の蒸発により発生する蒸気を、蒸気輸送配管を通して上記冷却対象物より離隔する上記凝縮器まで導いて、該凝縮器にて、上記作動液の蒸気の保有する熱を凝縮熱として放熱させることを特徴とする冷却方法。
冷却対象物の上面と下面に、吸熱部を取り付けることができるようにしてある各ペルチェ素子の放熱部に、マイクロ蒸発器をそれぞれ接合し、該各マイクロ蒸発器における蒸気取出口に、上記冷却対象物より離隔した個所に設けた凝縮器を蒸気輸送配管にてそれぞれ接続し、且つ上記各マイクロ蒸発器における液供給口に、上記凝縮器の液体出口を、ポンプを備えた作動液供給配管を介してそれぞれ接続し、更に、上記各マイクロ蒸発器の温度を検出するための蒸発器温度センサと、該蒸発器温度センサの検出信号を基に上記作動液供給配管上のポンプに指令を与えて上記各マイクロ蒸発器への作動液の供給量を制御する制御器を備えた構成を有することを特徴とする冷却装置。