JP6329064B2 - 熱拡散装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気流体力学現象により冷却媒体として流動するＥＨＤ流体を用いた熱拡散装置に関する。

従来、電気流体力学（Electrohydrodynamics）現象によって流動するＥＨＤ流体を冷却媒体として発熱体を冷却する熱拡散装置（冷却装置）が知られている。
特許文献１に開示された冷却装置は、ＥＨＤ流体の一種である電気感応作動媒体を冷却媒体として用い、少なくとも一対の電極に電圧を印加することにより、電気感応作動媒体を吸熱部と放熱部との間で移動させるポンプ機構を簡素な構成で実現している。

特開２０００−２２２０７２号公報

特許文献１の冷却装置は、パーソナルコンピュータのＣＰＵ等の冷却効率を向上させ、薄型化に寄与する。しかし、この冷却装置に用いられる電気感応作動媒体は、熱伝達率が低いという課題がある。
本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、発熱体に接する絶縁基板や電極とＥＨＤ流体との間の熱伝達率を向上させる熱拡散装置を提供することにある。

本発明の熱拡散装置は、ＥＨＤ流体と、流路形成部材と、第１電極及び第２電極からなる少なくとも一対の電極対と、交番電圧供給装置と、誘電微粒子とを備える。
ＥＨＤ流体は、電気流体力学現象により冷却媒体として流動可能である。
流路形成部材は、ＥＨＤ流体が流動可能に充填される流路を形成する。
少なくとも一対の電極対は、流路内に流路方向に沿って配置され、流路方向の先端が尖った第１電極、及び流路方向に貫通する隙間を有する第２電極からなる。そして、第１電極及び第２電極に互いに異なる極性の電圧が印加されたとき、第１電極の先端から第２電極の隙間に向かうＥＨＤ流体の流れを生成する。

交番電圧供給装置は、第１電極及び第２電極に対し、時間経過に伴って極性が交互に反転する電圧を印加可能である。交番電圧供給装置は、直流電源と、直流電源の電圧印加方向を反転させる極性反転装置とを組み合わせて構成されてもよいし、交流電源により構成されてもよい。

帯電した誘電微粒子は、ＥＨＤ流体中に浮遊するように添加されている。
例えば誘電微粒子は、樹脂又はセラミックの粒子である。また、誘電微粒子の大きさは、第２電極の隙間の最狭間隔より小さいことが好ましく、誘電微粒子の比重は、ＥＨＤ流体の比重の０．５倍以上、２．０倍以下であることが好ましい。

上記構成により、本発明の熱拡散装置では、第１電極を負極とし第２電極を正極とする第１電圧モードと、第１電極を正極とし第２電極を負極とする第２電圧モードとが交互に繰り返される。そして、ＥＨＤ流体に添加された帯電した誘電微粒子が第１電極及び第２電極への付着とＥＨＤ流への放出を繰り返す。それにより、放熱フィンとしての機能を兼ねる電極対周辺のＥＨＤ流を乱流にすることで、絶縁基板や電極とＥＨＤ流体との間の熱伝達率を向上させることができる。

本発明の一実施形態による熱拡散装置の全体構成図。 熱拡散装置の内部構成を示す図１のＩＩ−ＩＩ線断面図。 熱拡散装置の内部構成を示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図。 図１の熱拡散装置の流路におけるＥＨＤポンプの構成を示す図。 第１電圧モードでのＥＨＤ流体の流れを説明する図４の部分拡大図。 第２電圧モードでのＥＨＤ流体の流れを説明する図４の部分拡大図。 誘電微粒子とＥＨＤ流体との好ましい比重比を示す図。 本発明の一実施形態による熱拡散装置での熱伝達率向上効果を説明する図。

以下、本発明の実施形態による熱拡散装置を図面に基づいて説明する。ここで用いる図は、本発明の特徴を理解しやすくするための模式的な図である。そのため、一部の構成要素の大きさ等を誇張して表しており、実際の製品における寸法比率を正確に反映したものではない。また、本発明の特徴的な構成以外の部分については図示を省略し、或いは簡略化して示している。

（一実施形態）
本発明の一実施形態による熱拡散装置について、最初に図１〜図３を参照して全体構成を説明した後、詳細部の特徴構成や作用効果を、図４〜図８を参照して説明する。この熱拡散装置は、電気流体力学（Electrohydrodynamics）現象によって流動するＥＨＤ流体を冷却媒体として発熱体を冷却する装置であり、例えばパーソナルコンピュータのＣＰＵや車載用の電子制御装置（ＥＣＵ）等に適用される。
本実施形態では、ＥＨＤ流体の一種である電界共役流体（Electro-Conjugate Fluid、ＥＣＦ）を用いることを想定する。ＥＣＦの具体例は、特許文献１（特開２０００−２２２０７２号公報）等に記載されているため、ここでは説明を省略する。

本実施形態の熱拡散装置の外観構成を図１に示す。また、図１のＩＩ−ＩＩ断面の内部構成を図２に、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面の内部構成を図３に示す。
図１に示すように、熱拡散装置３１は、発熱体３６を冷却するための冷却部３２、冷却部３２からＥＨＤ流体を媒体として送られてくる熱を外部に放出するための放熱部３３、及び、冷却部３２と放熱部３３との間を連結する連結部３５を含む。

冷却部３２、放熱部３３及び連結部３５には、それぞれＥＨＤ流体が運ばれる流路が形成されている。以下、ＥＨＤ流体の流路を包括する符号を「１４」とし、各流路について１４１〜１４５の符号を付す（図２、図３参照）。
流路１４内のＥＨＤ流体は、図２、図３に示す電極対１５に電源３８から電圧が印加されることにより、決められた方向に流れる。このことから、電極対１５を一つのポンプ機構とみなし、「ＥＨＤポンプ（又はＥＣＦポンプ）１５」とも呼ぶ。図２、図３に示したＥＨＤポンプ１５の数や配置は一例であり、実際には、ＥＨＤポンプ１５は、流路１４内の適宜の箇所に適宜の数だけ設置される。
また、本実施形態の電源３８は、直流電源１８及び極性反転装置１９を組み合わせて構成されている。電極対１５や電源３８の詳細な構成及び作用については後述する。

図１に示すように、連結部３５の内部には、冷却部３２と放熱部３３との間でＥＨＤ流体が双方向に運ばれる連絡流路１４１、１４２が形成されている。
また、冷却部３２及び放熱部３３は、それぞれ、ＥＨＤ流体が運ばれる流路１４３〜１４５（図２、図３参照）が内部に形成されたケーシング３４を複数有している。冷却部３２の複数のケーシング３４の間には、冷却対象となる発熱体３６が挿入されている。放熱部３３の複数のケーシング３４の間には空冷フィン３７が設置されている。なお、ケーシング３４の数は、発熱体３６や空冷フィン３７の数、発熱量、装置規模等により適宜決めることができる。

ケーシング３４内の流路１４の構成について、図２、図３を参照する。ケーシング３４は、外側を形成する外部板４１と、外部板４１の内部の空間を区画する内部板４２とを用いて構成されている。図２に示すように、ケーシング３４内の流路１４は、縦方向流路１４３、１４５と横方向流路１４４とを含む。

図２において、連結部３５の流路１４２から流入したＥＨＤ流体は、図の左側の縦方向流路１４３内を矢印ｆｕのように上向きに流れ、分流されて複数の横方向流路１４４に流入し矢印ｆｈのように横向きに流れる。複数の横方向流路１４４の流れは合流し、ＥＨＤ流体は、図の右側の縦方向流路１４５内を矢印ｆｄのように下向きに流れて、連結部３５の連絡流路１４１に排出される。

図３に示すように、冷却部３２の複数のケーシング３４の縦方向流路１４５から排出されたＥＨＤ流体は、合流して連絡流路１４１を矢印ｆａの向きに流れる。
こうして、冷却部３２にて発熱体３６から放射された熱は、ＥＨＤ流体により、冷却部３２から連結部３５の一方の連絡流路（往路）１４１を矢印ｆａのように通り、放熱部３３まで運ばれる。

放熱部３３のケーシング３４内の流路１４も、図２に示す冷却部３２の流路１４と同様に構成されている。冷却部３２から運ばれた発熱体３６の熱は、放熱部３３のケーシング３４の間に設置された空冷フィン３７により、空気中に放出される。
冷却されたＥＨＤ流体は、連結部３５の他方の連絡流路（復路）１４２を矢印ｆｂのように通って冷却部３２に運ばれる。熱拡散装置３１は、ＥＨＤ流体がこのような循環動作を行うことにより、冷却部３２のケーシング３４に隣接する発熱体３６を冷却する。

続いて、電極対（ＥＨＤポンプ）１５の詳細な構成について図４を参照して説明する。図４（ａ）は流路１４の上方から視た模式図、図４（ｂ）は流路１４の側方から視た模式断面図である。
図４（ｂ）の下側を重力方向下方とすると、流路１４の底面は、絶縁基板１３によって構成されている。絶縁基板１３は流路１４側で電極対１５に直接接しており、電極対１５に印加された電圧が短絡しないような絶縁性を有している。また、絶縁基板１３は、流路１４と反対側で発熱体３６に接している。絶縁基板１３と発熱体３６との間には、例えばグリス状やシート状の熱伝導材を介在させてもよい。

流路１４の側面及び天井面は、流路壁１２によって構成されている。流路壁１２は、放熱フィンとしての機能を有するので、電極対１５と同様の金属等の熱伝導率が高い材料で形成される。また流路壁１２は、絶縁基板１３を介して電極対１５と電気的に絶縁されている。
ここで、流路壁１２及び絶縁基板１３は、特許請求の範囲に記載の「流路形成部材」に相当し、図１〜図３との関係では、ケーシング３４を構成するものである。流路１４は、流路壁１２及び絶縁基板１３によって幅Ｗｐ及び高さＨｐに区画されている。

一対の電極対１５は、絶縁基板１３上に配置された針状電極１６及びスリット電極１７からなる。「第１電極」としての針状電極１６は、流路方向の先端が尖っている。「第２電極」としてのスリット電極１７は、流路方向に貫通するスリット状の隙間を有している。
スリット電極１７は、隙間を介して対向した２つの柱部１７１、１７２（図４（ａ）の左の電極対１５のみに符号を記載）が分割されていてもよい。或いは、２つの柱部が例えば底部で接続されていてもよい。以下、２つの柱部１７１、１７２の分割又は接続の形態に関しては言及せず、単に「スリット電極１７」として記載する。
また、針状電極１６及びスリット電極１７は、放熱フィンとしての機能を兼ねる。

図４（ｂ）に示すように、針状電極１６及びスリット電極１７は、直流電源１８の電圧が極性反転装置１９を通じて印加される。本実施形態では、直流電源１８及び極性反転装置１９が組み合わされて、特許請求の範囲に記載の「交番電圧供給装置」を構成し、外観構成を示す図１では、電源３８として図示されている。

ここで、直流電源１８の電圧は、例えば数十Ｖ〜数十ｋＶの高電圧である。極性反転装置１９は、直流電源１８側の入力端ＩＡ、ＩＢと電極対１５側の出力端ＯＡ、ＯＢとの接続を切り替えることにより、出力端ＯＡ、ＯＢに出力される電圧極性を反転させる。本実施形態では、熱拡散装置３１の作動中、極性反転装置１９は、定期的（例えば数秒間隔）に電圧極性を反転させる。

複数の電極対１５の針状電極１６は極性反転装置１９の一方の出力端ＯＡに接続され、複数の電極対１５のスリット電極１７は極性反転装置１９の他方の出力端ＯＢに接続されている。これにより、各電極対の針状電極１６及びスリット電極１７には、互いに異なる極性の電圧が印加される。また、複数の電極対１５の針状電極１６同士、及び、スリット電極１７は、それぞれ同じ極性の電圧が印加される。

次に、本実施形態の動作について、図５及び図６を参照して説明する。図５及び図６の各（ａ）は流路１４の上方から視た模式図、各（ｂ）は流路１４の側方から視た模式断面図であり、それぞれ、図４（ａ）及び図４（ｂ）の部分拡大図に相当する。

図５は、極性反転装置１９の切替によって、針状電極１６を負極としスリット電極１７を正極とするように直流電源１８の電圧が印加された状態を示し、この状態を「第１電圧モード」という。図６は、極性反転装置１９の切替によって、針状電極１６を正極としスリット電極１７を負極とするように直流電源１８の電圧が印加された状態を示し、この状態を「第２電圧モード」という。

図５及び図６において共通に、破線矢印ｆはＥＨＤ流体Ｆの流れを示す。ＥＨＤ流体Ｆは、上流側（図の左側）から、針状電極１６の左右両側を通った後、針状電極１６の先端の先細り形状に沿って流路１４の中心に向かい、スリット電極１７の隙間を下流側（図の右側）に向かって通過する。つまり、第１電圧モードでも第２電圧モードでも、ＥＨＤ流体Ｆの流れる方向は一定である。

また、本実施形態では、帯電した誘電微粒子Ｄが予めＥＨＤ流体Ｆに添加されていることを特徴とする。誘電微粒子Ｄは、誘電体の粒子であり、例えばＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸エチル）等の樹脂やセラミックの粒子を用いることができる。誘電微粒子Ｄは、ＥＨＤ流体Ｆ以上の熱伝導率を有していることが好ましい。
図５及び図６において、負に帯電した誘電微粒子Ｄは、流路１４内でＥＨＤ流体Ｆ中に浮遊している。なお、図中の誘電微粒子Ｄの数は、流路内の位置の分布や、図５と図６との相対的な関係を模式的に表すためのものであり、実際の数を反映したものではない。

図５に示す第１電圧モードでは、負に帯電した誘電微粒子Ｄは、負極である針状電極１６には付着せず、正極であるスリット電極１７に付着する。
一方、図６に示す第２電圧モードでは、負に帯電した誘電微粒子Ｄは、正極である針状電極１６に付着する。また、第１電圧モードでスリット電極１７に付着した誘電微粒子Ｄは、負極に転じたスリット電極１７からＥＨＤ流体Ｆ中に放出され、スリット電極１７の隙間を通過して下流側に流れる。
その後、再び第１電圧モードになると、第２電圧モードで針状電極１６に付着した誘電微粒子Ｄは、負極に転じた針状電極１６からＥＨＤ流体Ｆ中に放出される。

このように、極性が交互に反転された電圧が針状電極１６及びスリット電極１７に印加されることにより、帯電した誘電微粒子Ｄは、電極１６、１７への付着と、ＥＨＤ流体Ｆ中への放出が繰り返される。これにより、電極対１５周辺のＥＨＤ流に乱流が生じ、温度境界層が乱される。言い換えれば、温度境界層が破壊されて低減する。その結果、絶縁基板１３や電極１６、１７とＥＨＤ流体Ｆとの間の熱伝達率が向上する。

次に、誘電微粒子Ｄの大きさ及び比重についての好ましい条件について説明する。
誘電微粒子Ｄの大きさは、スリット電極１７の隙間を通過して流れることができるように、スリット電極１７の隙間の最狭間隔Ｗｅ（図５（ａ）、図６（ａ）参照）よりも小さいことが好ましい。例えば、スリット電極１７の製造時に加工可能なスリットの最小寸法が２００μｍであるとすると、誘電微粒子Ｄの大きさ（粒径）は、２００μｍ未満に規定されることが好ましい。

また、誘電微粒子Ｄは、ＥＨＤ流体Ｆの流れの中において重力方向下方に沈降したり、液面に浮上したりせず、液中に浮遊していることが好ましい。そこで、「ＥＨＤ流体Ｆの比重に対する誘電微粒子Ｄの比重」である比重比をパラメータとして好ましい条件を規定する。理想的には比重比が１に近いほど良いことは明らかである。

図７に示すように、想定される流速を考慮した上で、比重比に対する「誘電微粒子Ｄの浮遊継続可能時間」をプロットすると山型の特性図が得られる。つまり、比重比が１より小さいほど液面に浮上しやすくなり、比重比が１より大きいほど重力方向下方に沈降しやすくなるため、いずれも誘電微粒子Ｄの浮遊継続可能時間が短くなる。そして、比重比が「０．５以上、２．０以下」の範囲で、誘電微粒子Ｄの浮遊継続可能時間が、本実施形態において使用可能な最小時間Ｔｍｉｎ以上となることがわかる。よって、誘電微粒子Ｄの比重は、ＥＨＤ流体の比重の０．５倍以上、２．０倍以下に規定されることが好ましい。

ところで、特開２０１３−１８７９８９号公報に開示された本願発明者による先行発明は、ＥＨＤポンプの電極に付着した異物である微粒子を、電極に印加する電圧の極性を反転させることで剥離させるものである。例えば電圧の極性を反転させるという点で、先行発明と本発明とは一見、共通するように思われるかもしれない。そこで、先行発明と本発明との相違点について説明する。

まず、ＥＨＤ流体中の微粒子について、先行発明の微粒子は、ＥＨＤ流体の流動をある時間にわたって行った結果、意図に反して事後的に自然発生した「異物」である。この異物微粒子は、流動中の摩擦によって自然に帯電し、その大きさや比重は成り行きである。もちろん、ＥＨＤ流体に対して熱伝達率が大きいか小さいかということなど未知である。そして、電極に付着して悪影響を及ぼすことを防止するため除去されるべきものである。

これに対し、本発明に用いられる誘電微粒子Ｄは、予め意図的に帯電され、ＥＨＤ流体Ｆに添加される。この誘電微粒子Ｄは、好ましくはＥＨＤ流体に対して熱伝達率が大きく、大きさや比重は、上記のように好ましい範囲に規定される。当然ながら、先行発明の異物微粒子のように積極的に除去されるものではない。

次に電圧の極性反転について、先行発明では、電極から異物微粒子を剥離させるため、一定の時間間隔で短時間だけ電圧極性を反転する（例えば作動中、１時間間隔で３秒反転する）のみであり、それ以外の作動時における電圧極性は一定である。

一方、本発明では、作動中、電極１６、１７に印加する電圧極性を常に反転し続ける。例えば１０秒間隔で周期的に電圧極性を反転する。これにより、電極１６、１７への誘電微粒子Ｄの脱着による乱流発生効果を効果的に持続することができる。
このように、先行発明と本発明とは技術的思想が明らかに異なるものである。

次に、本実施形態の効果について、図８を参照して説明する。ここでは、同じ流速における層流状態と乱流状態とでの熱伝達率を計算により推定する。流速は、０．０７ｍ／ｓとする。
まず、比較例として、「誘電微粒子Ｄの添加」及び「電極への印加電圧の極性反転」を行わず、ＥＨＤ流体のみを層流で流したときの熱伝達率を計算する。レイノルズ数Ｒｅが層流条件（Ｒｅ＝１０６６＜２３００）を満たすように内径１０ｍｍの円管で計算する。層流熱伝達の式から、熱伝達率α＝２３０．１［Ｗ／（ｍ²・Ｋ）］と計算される。

一方、電極対１５の印加電圧を交番させ、誘電微粒子Ｄが電極対１５への着脱を繰り返すことで乱流状態を発生させる本実施形態での熱伝達率を計算する。レイノルズ数Ｒｅが乱流条件（Ｒｅ＝５３３２＞２３００）を満たすように内径５０ｍｍの円管で計算する。乱流熱伝達の式から、熱伝達率α＝５５７．１［Ｗ／（ｍ²・Ｋ）］と計算される。
計算の結果、図８に示すように、同じ流速でも層流か乱流かによって、熱伝達率が２倍以上異なることがわかる。このように本実施形態の熱拡散装置３１は、従来技術に相当する比較例に対し、熱伝達率を顕著に向上させることができる。

（他の実施形態）
（熱拡散装置の全体構成）
上記実施形態にて図１〜図３に示した全体構成は、あくまで一例である。例えば、流路の数や流路の大きさは、ＥＨＤ流体の種類やケーシングの材質、発熱体の発熱量、ＥＨＤポンプの能力など、幾つかの条件により決定され得る。また、流路内に設置されるＥＨＤポンプの数や配置間隔も、これらの条件などを考慮して設定され得る。

（ＥＨＤ流体、誘電微粒子）
本発明の熱拡散装置に用いられるＥＨＤ流体Ｆは、ＥＣＦに限らず、どのようなＥＨＤ流体でもよい。また、誘電微粒子Ｄは、帯電してＥＨＤ流体Ｆ中を浮遊可能であり、好ましくは大きさや比重について上記実施形態で説明した条件を満たすものであれば、材質や種類を問わない。

（第１電極、第２電極）
上記実施形態では、「流路方向の先端が尖った第１電極」として針状電極１６、「流路方向に貫通する隙間を有する第２電極」としてスリット電極１７を例示したが、その他の第１電極及び第２電極の例として、特開２０１３−１８７９８９号公報の図６、図７等に開示された形状の電極を採用してもよい。

（交番電圧供給装置）
「第１電極及び第２電極に対し、時間経過に伴って極性が交互に反転する電圧を印加可能な交番電圧供給装置」としては、上記実施形態のように、直流電源１８と極性反転装置１９とを組み合わせたものに限らず、交流電源を用いてもよい。その場合の交流波形は、矩形波、正弦波、その他いずれの波形でもよい。また、直流電源１８と極性反転装置１９とを組み合わせる構成において、反転周期は一定とは限らず、何らかの変数に基づいて反転周期を可変とするようにしてもよい。

（熱拡散装置の用途）
本発明の熱拡散装置は、パーソナルコンピュータのＣＰＵや車載用の電子制御装置（ＥＣＵ）に限らず、特に小型化や高出力化に伴い、優れた放熱性が要求されるあらゆる機器に適用可能である。
以上、本発明はこのような実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の形態で実施することができる。

１２・・・流路壁（流路形成部材）、
１３・・・絶縁基板（流路形成部材）、
１４（１４１〜１４５）・・・流路、
１５・・・電極対、ＥＨＤポンプ、
１６・・・針状電極（第１電極）、
１７・・・スリット電極（第２電極）、
１８・・・直流電源（交番電圧供給装置）、
１９・・・極性反転装置（交番電圧供給装置）、
３１・・・熱拡散装置、
３４・・・ケーシング、
Ｆ ・・・ＥＨＤ流体、
Ｄ ・・・誘電微粒子。

Claims (4)

1. 電気流体力学現象により冷却媒体として流動可能なＥＨＤ流体（Ｆ）と、
   前記ＥＨＤ流体が流動可能に充填される流路（１４）を形成する流路形成部材（１２、１３）と、
   前記流路内に流路方向に沿って配置され、流路方向の先端が尖った第１電極（１６）、及び流路方向に貫通する隙間を有する第２電極（１７）からなり、前記第１電極及び前記第２電極に互いに異なる極性の電圧が印加されたとき、前記第１電極の先端から前記第２電極の隙間に向かう前記ＥＨＤ流体の流れを生成する少なくとも一対の電極対（１５）と、
   前記第１電極及び前記第２電極に対し、時間経過に伴って極性が交互に反転する電圧を印加可能な交番電圧供給装置（１８、１９）と、
   前記ＥＨＤ流体中に浮遊するように添加された帯電した誘電微粒子（Ｄ）と、
   を備えることを特徴とする熱拡散装置。
2. 前記誘電微粒子は、樹脂又はセラミックの粒子であることを特徴とする請求項１に記載の熱拡散装置。
3. 前記誘電微粒子の大きさは、前記第２電極の隙間の最狭間隔より小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の熱拡散装置
4. 前記誘電微粒子の比重は、前記ＥＨＤ流体の比重の０．５倍以上、２．０倍以下である
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の熱拡散装置。

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