JP3996575B2 - 電気吸着冷却装置：ミクロ電子工学から一般的な空調にまで応用される小型化冷却サイクル - Google Patents

Description

１．発明の技術分野
〔０００１〕 本発明は、吸着および熱電冷却サイクルの共生効果を用いて、蒸発器で有用な冷却効果をもたらす、電動冷却サイクルに関する。

２．背景技術の説明
〔０００２〕 今日、冷却科学において中心をなす挑戦は、特にパソコンのようなミクロ電子工学機器のための、小型化冷却装置の開発である。全般的な目標は、（１）コンパクトで；（２）可動部分が実質的になくかつ信頼性があり；（３）入力の冷却力への変換が効率的（すなわち、高い性能率（性能率は以後ＣＯＰと省略する））であり；（４）平方センチメートル当たりのワット（Ｗ／ｃｍ²）で一般に測定される高い冷却密度が可能であり；そして（５）供給可能である、装置を開発することである（ＣＯＰは、有用な冷却能力対入力比と定義される）。

〔０００３〕 これまで、様々なタイプの冷却装置が上記の目的で提案または市販化されてきた。最も簡単なものは、熱交換のための熱源表面積を効果的に増加させる拡張放熱子のオプションが付いたおよび／または熱がよりよく消散されるようにリブまたはバリヤーを冷却すべき表面に導入して空気の乱れを増加させる可能性のある強制空気対流である。この方法は、現在のミクロ電子工学冷却機器の多くのタイプには適している；しかしながら、現在の方法では、今日求められているものより少なくとも１桁高い冷却密度を必要とする次世代ミクロ電子工学冷却機器の小型の制約を満たせなくなるはずである。

〔０００４〕 熱電冷却装置も使用されているが、本来、ＣＯＰは低く（多くのミクロ電子工学機器の温度範囲特性に対して、一般に０．１〜０．５の範囲である）、そして高コストである。低いＣＯＰとは、冷却密度を大きく増加させるのに、小型パッケージでは満足し難い許容されないほど高レベルの電気入力および環境への熱排出量を高いコストで必要とすることを意味する。

〔０００５〕 受動熱サイホンが提案されている。これらの装置は、凝縮器に１つ以上の冷却ファンがある可能性以外は、実質的に可動部分を含まない。しかしながら、そのような装置は、重力に頼って凝縮液をより高い位置にある凝縮器から供給し、それによって、液体をより低い位置にある蒸発器へフラッシュバックさせるので、配列が非常に関係してくる。

〔０００６〕 １つ以上のミニポンプを備えた熱サイホンも提案されている［１］。重力に頼る代わりに、凝縮液は凝縮器から蒸発器へポンプで戻される。このスキームは配列に無関係であり、さらに、蒸発器での強制対流沸騰、凝縮液の噴霧または凝縮液のジェット衝突を可能にし、これらは沸騰特性、従って、冷却能性を効果的に高める。

〔０００７〕 ヒートパイプ［２，３］を並べたものは、特にラップトップコンピューターにおける利用が見出されている。ヒートパイプの蒸発端はＣＰＵ上に慎重に配列され、一方、ヒートパイプの凝縮端は放熱子の表面積を効果的に増加するように配列されている。

〔０００８〕 ミニ蒸気圧縮冷却装置［４］も用いられている。ある設計では、蒸発器は熱源表面上に配列され、一方、ミニ凝縮装置は熱源から離れて配置されている。そのようなシステムの利点はそのＣＯＰがより高いことにある。しかしながら、多くの可動部分は圧縮機内にあり、それらは高度に信頼できるものでなければならない。小型化冷却機器の圧縮機のさらなる縮小は技術的挑戦でもあり、そしてこれは、流れの漏れが大きい、つまり冷却装置のＣＯＰが低いために、圧縮機効率のかなり大きなロスにつながる。

〔０００９〕 熱電冷却装置［５］はコンパクトさ、１つ以上の冷却ファンがある可能性以外は可動部分が不在、および規模に影響されない（エネルギー伝達は電子の流れに由来するので）という要件を満たす。一般に、市販されている熱電装置は半導体、最も一般的にはテルル化ビスマスを含む。半導体はドープされて、一方の素子には電子の過剰を（ｎ型）、他方の素子には電子の不足を（ｐ型）もたらす。電気を入力すると電子は装置全体を動く。冷端では、電子がｐ型半導体の低エネルギーレベルからｎ型素子のより高いエネルギーレベルへ移動するにつれて、電子は熱を吸収する。熱い側では、電子はｎ型素子の高エネルギーレベルからｐ型素材のより低いエネルギーレベルへ移動し、熱は貯蔵部に排除される。

〔００１０〕 熱電装置は、規模の小さな冷却に適していることが分かった。相当な温度差が必要なとき、熱電装置は本質的にＣＯＰが低く、電力投入量が比較的高いという欠点を伴い、さらに多量の熱の排除に応じることになり、冷却能力のワット当たりのコストはかなりなものとなる。

〔００１１〕 吸着冷却装置は宇宙カプセルの電子装置の冷却に提案されてきた［１］。そのような装置の利点は、反応器を蒸発器および凝縮器に別々に接続する開閉バルブの場合以外は、それらが可動部分を実質的に含まないことである（従って、これらの装置は高度に信頼できるものである）。固体吸着剤への冷媒の吸着および固体吸着剤からの冷媒の脱着は内部処理というよりは主に表面的なものであるので［７−１３］、吸着冷却装置は小型化することもできる［６］。水のような冷媒は、良好な熱伝達特性を有する反応器に通常詰められる、多孔質吸着剤に発熱吸着され、そしてそれから吸熱脱着される。

〔００１２〕 吸着剤−吸着質の多くの対は入手可能であり、例えばシリカゲル−水、シリカゲル−メタノール、ゼオライト−水、活性炭−窒素、活性炭−メタノール等である。シリカゲル−水は、（ａ）水に対するシリカゲルの比較的大きな捕捉能力；（ｂ）水の高い蒸発潜熱；（ｃ）脱着の場合の比較的低い温度；および（ｄ）化学物質の無害性による、プロセス冷却または空調をターゲットとする市販の吸着冷却装置開発における好ましい対である。

〔００１３〕 しかしながら、低温排熱（一般に、８５℃未満）で動く市販の吸着冷却装置のＣＯＰは低く、典型的な空調およびプロセス冷却に用いた場合は一般に０．１〜０．６である。本質的に低いＣＯＰは、（ｉ）貯蔵部の中での小さい温度差；および（ｉｉ）バッチ式システム操作特性に関係している。

〔００１４〕 熱電装置（ペルチエ装置と呼ばれることもある）を吸着器および脱着器に結びつける技術は現在新しいものである［１４］。それは給湿、除湿、ガス精製、およびガス検出に一般に適用される。上述の長所を実現するために一体冷却装置システム（すなわち、熱力学的冷却サイクルをつくりだす）にそれを適用することは提案されていない。

〔００１５〕 １つの変更形では、熱電装置は１つの反応器［１５；１６；１７］に接続される。熱電装置の１つの接点は、単に直流の方向を切り換える手段によって、冷却端（他の接点は加熱端として同時に作用する）または加熱端（他の接点は冷却端として同時に作用する）のいずれかとして作用することができるので、同じ接点は熱伝達性であるが非導電性であるように反応器に取り付けられる。反応器を吸着器または吸収器とするならば、接点が冷却端として作用し、その結果、吸着器または吸収器によって生じた熱が熱電装置によって環境に放たれるように、直流は熱電装置に供給される。逆に、反応器を脱着器または発生器とするならば、接点が加熱端として作用しそして熱を脱着器に供給して蒸気の脱着または発生を維持するように、熱電装置を流れる直流の方向を逆にする。このような適用は、除湿、ガス精製、ガス検出等に関係する用途に一般に見られる。

〔００１６〕 本発明により関係のある別の変更形では、熱電装置の２つの接点が熱伝達性ではあるが非導電性であるように２つの反応器［１４；１８］に別々に取り付けられている。直流を熱電装置に流すとき、冷接点に取り付けられた反応器は吸着器または吸収器のいずれかとして働くが、熱接点に取り付けられた第２の反応器は脱着器として働く。熱電装置を直流が流れる方向が逆のとき、本来の冷接点は熱接点に切り換えられ、これはまた反応器を吸着器または吸収器から脱着器に切り換える。同時に、本来の熱接点は冷接点に切り換えられ、これはまた反応器を脱着器から吸着器または吸収器に切り換える。そのような適用はガス精製において一般に見られる。

〔００１７〕 吸着と熱電冷却装置との独特の結合（電気吸着冷却装置）が、以下の目的を同時に満たす装置を如何に提供することができるのかについて以下に説明する：（ａ）規模に無関係であり、従って、冷却装置の小型化およびシステムの圧縮が随意である；（ｂ）可動部分がない；（ｃ）冷媒循環回路の不在が随意；（ｄ）ＣＯＰが比較的高い；（ｅ）冷却密度を加減することができる；（ｆ）現在の技術で製造される（すなわち、実現が新素材または一般的でない成分の開発を条件としない）；（ｇ）モジュール性である（多くの小型化冷却ユニットを組み立てて冷却度を大きく（キロワット台）することができる可能性がある）；および（ｈ）非毒性の環境にやさしい材料から製造される。

〔００１８〕 本発明では、１対以上の反応器を備えた吸着冷却装置を、１つ以上の熱電冷却装置と組み合わせる。用いられる熱電冷却装置の数は、吸着冷却装置に備わった反応器の対の数に等しい。各電熱冷却装置は、その２つの接点が２つの反応器に、熱伝達性であるが非導電性であるように別々に取り付けられるように配置されており、２つの反応器は、同様にその熱電冷却装置にのみ接しており、他の熱電冷却装置には接していない。従って、各対の反応器および各熱電冷却装置は吸着冷却装置において１つのモジュールを形成している。

〔００１９〕 コンパクトであるために、電気吸着冷却装置はモジュール配列されており、冷却装置の対の反応器は、バルブピストンの一端または両端に位置するばね押しのおよび電気活性化圧電変換器によって操作される真空型スプールバルブにつながっている。バルブ室からの出口はそれぞれ、バルブハウジングを経て凝縮器および蒸発器に（気密封止の状態で）内部接続されている。

〔００２０〕 本発明の１つの側面では、次のものを含む電気吸着冷却装置を提供する：

〔００２１〕 凝縮器、ここでは、冷媒は強制空気対流、輻射、並べられたヒートパイプによって、液体冷媒および／または本技術分野における当業者によって行われるそのような他の手段によって冷却することができる；

〔００２２〕 有用な冷却をもたらす蒸発器、これは、冷媒循環路を提供するように、電磁、空気圧、油圧、ソリッドステートまたは他の原理によって操作される簡単な開閉減圧バルブによって上記凝縮器に接続されている；あるいは電磁、空気圧、油圧、ソリッドステートまたは他の原理によって操作される簡単な開閉バルブによって上記凝縮器に接続されている有用な冷却をもたらす蒸発器、および蒸発器沸騰特性が著しく高まった冷媒回路を提供するために、冷媒を蒸発器熱交換器表面に吹き付けることまたは冷媒をジェット衝突技術により蒸発器熱交換器表面にまき散らすことができる順次接続された気密または半気密ポンプ；

〔００２３〕 冷媒循環回路を提供し、それによって各反応器が吸着および脱着モードで働くことができるように、電磁、圧電、空気圧、油圧、ソリッドステートまたは他の原理によって操作される簡単な開閉またはスプールバルブによって共に凝縮器および蒸発器に接続されている１対以上の反応器；

〔００２４〕 各熱電冷却装置がただ１対の反応器にもっぱらかかわるように反応器の対の数に合った数の１つ以上の熱電冷却装置、熱電冷却装置の２つの接点のそれぞれは、セラミックプレートのような手段によって得られる熱伝達性であるが非導電性の状態で、２つの反応器に別々に接続され、そしてそれは、各接点が加熱端および冷却端として働くことができ、そして変動電力を各熱電冷却装置へ任意に供給することができるように、電圧極性を切り換えることができるＤＣ電源に接続されている；および

〔００２５〕 処理時間間隔、開閉制御バルブ、ＤＣ電源の電圧極性；ＤＣ電源によって各熱電冷却装置へ供給される電力を制御するための制御手段、ここで、２つの接点の１つは冷却端として働き、冷却端に取り付けられた反応器は、それが凝縮器および蒸発器から分離されている間は冷却され、その後、蒸発器に順次接続されて蒸気冷媒を蒸発器から吸着する吸着器として相当な時間働き、他の接点は同時に加熱端として働き、加熱端に取り付けられた反応器は、それが凝縮器および蒸発器から分離されている間は加熱され、その後、凝縮器に順次接続され、蒸気冷媒を凝縮器へ脱着する脱着器として実質的に同じ時間働く。

〔００２６〕 好ましい態様では、冷媒は水であり、吸着剤はシリカゲルである。しかしながら、メタノール、アンモニア等のような他の極性液体、または極性誘電冷媒を用いてもよい。同様に、ゼオライトまたは活性炭のような他の吸着剤を用いてもよい。

〔００２７〕 反応器はすぐれた熱交換材料からできているのが好ましく、そして所定量の吸着剤を含む。吸着剤は、好ましくは周囲温度より低い熱電装置の冷接点温度によって指示される温度で、物理吸着および／または化学吸着により水蒸気、アンモニア、メタノール等のような冷媒を吸着することができ（その下限は吸着剤の吸着力を著しく増加することができるように冷媒の熱力学的性質によって決められる）、そして一般には１００℃未満の熱電装置の熱接点温度によって指示される温度で冷媒を脱着する、シリカゲルのようなどのような材料でもよい。

〔００２８〕 必要とされる冷却出力密度（単位面積当たりのワット）および配列独立性の求めに基づき、蒸発器の設計にいくつかの公知のオプションを利用できる。

〔００２９〕 １つの側面では、蒸発器は、一般的な空調および冷却システムに一般に見られるような通常のプール−沸騰方式に設計してもよい。そのような設計では、凝縮器と蒸発器との間の圧力差を維持するために一般的な溢れ（flooded）Ｕ管ベンドを取り付ける追加のオプションで、凝縮器および蒸発器を開閉減圧制御バルブと単につなぐことで十分である。しかしながら、この設計は、配列独立性の制約ばかりでなく、１０Ｗ／ｃｍ²以上の冷却密度の要件も満たすことができない。

〔００３０〕 第２の側面では、蒸発器は、冷媒のプールにハニカム状構造で微小溝または積層微小溝を追加取り付けした通常のプール−沸騰方式に設計してもよく、これらは表面とすぐれた熱的接触およびおそらくすぐれた機械的接触状態にあり、表面を通して熱出力は冷媒のプールによって受け取られ、その結果、熱伝達表面積対体積の比率を効果的に高めることにより冷却密度が増加する。しかしながら、この設計はやはり配列独立性の制約を満足させることはできない。

〔００３１〕 第３の側面では、冷媒は分配器により蒸発器の熱伝達表面に機械吹き付けされ、熱伝達表面は、蒸発器の熱伝達表面との熱的および機械的接触が良好な微小溝が取り付けられているのが好ましい。この設計では、開閉制御バルブおよび下流の気密または半気密ポンプは、凝縮冷媒がポンプによって加圧され、そして分配器に送り届けられるように、凝縮器と蒸発器との間に取り付けられていなければならない。この設計は、配列独立性の制約並びに高冷却密度を満たすことができる。

〔００３２〕 第４の側面では、冷媒はノズル配列による高速ジェット衝突法によって熱伝達表面に送られ、熱伝達表面には好ましくは、熱伝達表面との熱的および機械的接触が良好な微小溝が取り付けられている。この設計では、開閉制御バルブおよび下流の気密または半気密ポンプは、凝縮冷媒がポンプによって加圧され、そしてずらりと並んだノズルに送り届けられるように、凝縮器と蒸発器との間に取り付けられていなければならない。この設計は、配列独立性の制約並びに高冷却密度を満たすことができる。インジェクターによって作り出される液滴の半径が小さいため、液滴は液体の高度の過熱に耐えることができ、従って、衝突が熱伝達表面で生じるまで液体（液滴発射体）のままでいられる。

〔００３３〕 好ましい態様では、凝縮器はファンで冷却されるフィン付き管の束でできており、ここで、コンパクトなシステムにするために管の中の冷媒は強制空気対流によって冷却される。あるいは、凝縮器は公知のシェル・アンド・チューブ設計で設計してもよく、冷媒はシェルの中に収容され、冷却液はポンプによってチューブの中に送られ、そして強制空気対流によって冷却される。さらに別の公知の設計では、凝縮器はやはり公知のシェル・アンド・チューブ設計で設計され、ここで、冷媒はシェルの中に収容され、チューブは、熱が熱パイプを通って凝縮器から環境に消散するように並べられたパイプ集合体の一部である。さらなる凝縮器の設計には、微小溝熱伝達表面および／または熱伝導性の高い積層多孔質マトリックスが含まれる。

〔００３４〕 各対の反応器において、一方の反応器が冷却され、結果として吸着器として働くとき、他方の反応器は同時に加熱され、結果として実質的に同じ時間、脱着器として働く。１対以上の反応器が電気吸着冷却装置に取り付けられるとき、各対の反応器の操作は都合よくずらされて、蒸発器内の温度分布は１対のみの反応器が冷却装置に取り付けられるときよりも滑らかになる。

〔００３５〕 本発明の適用できるさらなる範囲は、以後の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、本発明の精神および範囲内での様々な変更は本技術分野における当業者にとってこの詳細な説明から明らかであるので、本発明の好ましい態様を示す詳細な説明および具体的な実施例は、説明のために示すものにすぎないことを理解すべきである。

〔００３６〕 本発明は、以後の詳細な説明および添付図面からさらに十分に理解されるであろう。これらは単に説明のために示すものであり、本発明を制限するものではない。

〔００４４〕 図を参照する。図１は、本発明の１つの側面を構成する、溢れ（flooded）−圧膨張バルブを備えた電気吸着冷却装置の１つの態様についての略図である。蒸発器１から、熱は、冷却すべき面と直接接触しているヒートスプレダーまたは基体１ａから伝達される。十分な熱伝達がもたらされた後、冷媒の沸騰（例えば、水蒸気）は蒸発器１内で生じ、生じた蒸気はパイプ２および開閉バルブ３（これは、吸着モードの際に働く）を経て反応器５に流れる。蒸発器１および反応器５を横切る正圧勾配の存在が冷媒の流れに影響を及ぼす。

〔００４５〕 従って、反応器５の他方の端はバルブ７によって凝縮器９に対して閉じられる。反応器５は所定量の吸着剤５ａを含み、吸着剤は一方の端のフィン付き表面４と他方の端の穴あきステンレス鋼メッシュ５ｂとの内側に封じられている。吸着剤は冷媒を吸着し、発熱プロセスで生じた熱はフィン付き表面４を経て排除される。フィン付き表面４の温度は、電源または電池２０からの電流（ＤＣ）によって動く熱電装置６の冷接点によって周囲環境の温度より下に維持される。電流は電導線１９および２１を通って熱電装置６へ流れる。バッチ操作サイクルにおける反応器５の操作モードにより、ＤＣ電流の方向を逆にすると反応器５は脱着器として働くことができる。

〔００４６〕 従って、別の操作モード（図１参照）では、凝縮器９はパイプ１０および開閉バルブ１１（これは、脱着モードの際に働く）により反応器１２に対して開かれる。蒸気は正圧勾配の効果の下で反応器１２から凝縮器９へ流れる。このモードでは、反応器１２の他方の端はバルブ１４により蒸発器１に対して閉じられている。反応器１２は所定量の吸着剤１２ａを含み、吸着剤は一方の端のフィン付き表面１３と他方の端の穴あきステンレス鋼メッシュ１２ｂとの内側に封じられている。冷媒は吸着剤から脱着され、熱はフィン付き表面１３を経て受け取られる。フィン付き表面１３の高い温度は、電源または電池２０からの電流（ＤＣ）によって動く熱電装置６の熱接点によって維持される。電流は電導線１９および２１を通って流れる。反応器１２の操作モードにより、電流方向を逆にすると反応器１２は吸着器として働くことができる。

〔００４７〕 熱電装置６が確実に正しく働くようにするために、２つの接点のそれぞれは熱伝導性ではあるが非導電性に別々に接続される。これは、２つの反応器５および１２間のセラミックプレートによって得られる。ＤＣ電源が電圧極性の切り換えを行うことができて、２つの接点のそれぞれがいつでも加熱端および冷却端として働くことができるように、熱電装置は電池２０に接続される。

〔００４８〕 全体のシステムは、様々な部品のそれぞれに接続される制御装置の制御の下で操作される。制御装置は、システムの処理時間間隔、開閉バルブ３、７、１１および１４、ＤＣ電源の電圧極性、並びに熱電装置６へのＤＣ電源による電力供給を制御する。従って、熱電装置６の２つの接点のそれぞれは冷却端または加熱端として働くことができる。冷却端として働くとき、冷却端に取り付けられた反応器５または１２は、それが凝縮器９および蒸発器１から分離されている間、冷やされ、その後、蒸発器１に順次接続されて吸着器として働き、蒸発器１からの蒸気冷媒を相当な時間、吸着する。加熱端として働くとき、加熱端に取り付けられた反応器５または１２は、それが凝縮器９および蒸発器１から分離されている間、冷やされ、その後、蒸発器１に順次接続されて脱着器として働き、蒸発器からの蒸気冷媒を相当な時間、脱着する。

〔００４９〕 凝縮器９および蒸発器１の役割は従来の冷却装置に見られるものと機能的に似ている。すなわち、凝縮器９は空気冷却フィン付き表面９ａまたはコイル管により周囲環境に熱を排除し、一方、蒸発器１は熱源表面から熱を取り出す。凝縮器９と蒸発器１は小さな管１６および１８並びに膨張バルブ１７を経てつながれている。ここに示す配置は従来の溢れＵ管配列であり、従って、制御戦略はバルブ１７の操作に現されていない。

〔００５０〕 別の図面、図２は、蒸発器１内に電気機械吹き付けノズル２３およびハウジングを備えた別の態様の冷却装置についての略図である。全体的に、それらは本発明の別の側面を構成する。電動ポンプまたはインジェクター２２は液体冷媒を適当な圧力で吹き付けノズル２３に注入する。蒸発器１内で、熱は、冷却すべき表面と直接接している熱スプレダー基体１ａから伝達される。冷媒の沸騰（例えば、水蒸気）は蒸発器１内で生じ、生じた蒸気は、正圧勾配の存在によって、パイプ２および開閉バルブ３（吸着モードの際に働いて開く）を経て反応器５に流れる。この時、反応器５の他方の端はバルブ７によって凝縮器９に対して閉じられている。反応器５は所定量の吸着剤５ａを含み、吸着剤は一方の端のフィン付き表面４と他方の端の穴あきステンレス鋼メッシュ５ｂとの内側に封じられている。冷媒（水蒸気）は吸着剤によって吸着され、発熱プロセスで生じた熱はフィン付き表面４を経て排除される。フィン付き表面４の温度は、電源または電池２０からの電流（ＤＣ）によって動く熱電装置６の冷接点によって低く維持される。電流は電導線１９および２１を通って流れる。反応器５の操作モードにより、電流の方向を逆にすると反応器５は脱着器として働くことができる。

〔００５１〕 従って、別の操作モード（図２参照）では、凝縮器９はパイプ１０および開閉バルブ１１（これは、脱着モードの際に働いて開く）により反応器１２に対して開かれる。蒸気は正圧勾配の効果の下で反応器１２から凝縮器９へ流れる。このモードでは、反応器１２の他方の端は蒸発器１に対して閉じられている。反応器１２は所定量の吸着剤１２ａを含み、吸着剤は一方の端のフィン付き表面１３と他方の端の穴あきステンレス鋼メッシュ１２ｂとの内側に封じられている。冷媒（水蒸気）は吸着剤から脱着され、熱はフィン付き表面１３を経て受け取られる。フィン付き表面１３の高い温度は、電源または電池２０からの電流（ＤＣ）によって動く熱電装置６の熱接点によって高く維持される。電流は電導線１９および２１を通って流れる。反応器１２の操作モードにより、電流方向を逆にすると反応器１２は吸着器として働くことができる。

〔００５２〕 凝縮器９および蒸発器１の役割は従来の冷却装置に見られるものと機能的に似ている。すなわち、凝縮器９は空気冷却フィン付き表面またはコイル管により周囲環境に熱を排除し、一方、蒸発器１は熱源表面から熱を取り出す。吹き付けノズル２３を、微小液滴（発射体のように行動する数十または数百ミクロン以下の液滴）の放出流が蒸気に気化する前に熱スプレダーの加熱表面に着地するように組み込んでもよい。液滴放出速度は、蒸発器１の冷却要求に従うフィードバック信号によりコンピューター化システムによってデジタル変更することができる。凝縮器９と蒸発器１（反応器以外）は小さな管１６および１８並びに膨張バルブ１７を経てつながれる。

〔００５３〕 圧電活性化スプールバルブは上記の全ての態様に用いることができ、本発明の別の側面を構成する。図３は、気密封止された圧電活性化スプールバルブ２４を有する電気吸着冷却装置の略図である。スプールバルブ２４の機能は、（ｉ）所定サイクル時間にわたって吸着器および脱着器ベッドとして変えるときの反応器５および１２の切り換え制御の容易さ、および（ｉｉ）反応器を凝縮器９および蒸発器１につなぐ場合のコンパクトさを提供することである。

〔００５４〕 熱電装置６における反応器の対（５および１２）の数により、図４（ａ）に示すように、スプールバルブをコンパクトに配列して凝縮器９および蒸発器１への通路結合体を提供してもよい。また図４（ａ）では、反応器５（吸着器として働くとき）および反応器１２（脱着器として働くとき）は蒸発器１および凝縮器９へそれぞれつながれている。スプールバルブの別の操作モード（ここでは図４（ｂ）に示す）では、各対の電気吸着冷却装置における反応器５および反応器１２の役割を、吸着器および脱着器モードにそれぞれ切り換えることができる。これは、圧電作動器への電源の電流方向の変化によって行うことができる。従って、コンパクトなスプールバルブのスプールピストンは、反応器（脱着器として働く）が凝縮器９および蒸発器１へ切り換えられるように置くことができる。

〔００５５〕 図４（ｃ）では、スプールバルブ２４のピストンの位置を、各対の電気吸着冷却装置における反応器（５および１２）が凝縮器９および蒸発器１から分離されるゼロ位置に移動させることができる。この切り換えモードは電気吸着サイクルのバッチ操作の要件である。

〔００５６〕 内部については、スプールバルブ２４はピストン２４ｂ上の溝２４ａで気密封止されている。室間を流れる冷媒の封止（部分真空下）は「ｏ」−リング２４ｃによって行われる。特別に設計された区分は反応器をバルブ本体内の細い流路でつなぎ、バッチサイクルの適当な部分で凝縮器９および蒸発器１にそれらをつなぐ。上記操作モード間のピストン２４ｂの動きはできるだけ少なく保って、「ｏ」−リング２４ｃにおける過剰の磨耗が生じるのを避ける。図５は、多数の対の反応器およびスプールバルブ２４を有する装置のコンパクト設計を示す。反応器およびスプールバルブ２４は本発明の部分である。電気吸着冷却装置の提案された平衡配置は、蒸発器１によって見られる総冷却能力を引き上げ、さらに本発明は依然としてコンパクト設計のままである。

〔００５７〕 スプールバルブ２４を本発明に組み込む別の目的は、反応器（５および１２）、熱電装置６、凝縮器９およびスプールバルブ２４を含む「アウトドア」装置の、膨張バルブ１７および蒸発器１からなる「インドア」装置からの遠隔設置を可能にすることである。図５に示すように、「アウトドア」および「インドア」装置は、冷媒を輸送する適当な管またはパイプ２および１０によって接続される。この設計の特徴は、単純、コンパクトさおよびＣＰＵまたはＰＣＢ上のゼロ振動の点から、コンパクトマイクロチップおよびプリント基板（ＰＣＢ）の冷却に多くの利点を有する。

〔００５８〕 説明した電気吸着冷却装置では、ベッド切り換えは単に、熱電装置６に対する電池２０の極性を単に逆にすることによって行われる。図６（ａ）に示すように、もとは冷接点であったものが熱接点になり、逆に、熱接点であったものが冷接点になる。

〔００５９〕 図６（ｂ）に示すように、理想的な吸着サイクルＡＢＣＤを、吸着された吸着剤の量（ｑ）対蒸気圧（Ｐ）のプロットで表す。脱着プロセスは、ＢＣを切り換え間隔として、Ｂから始まりＤに至り、ＣＤはサイクル間隔である。同様に、吸着は、ＤＡおよびＡＢを切り換えおよび吸着間隔として、Ｄから開始してＢに至る。理想的なサイクルに伴う等温線はＴ₁およびＴ₅であり、これらはそれぞれ吸着器および脱着器ベッド温度に相当する。サイクルはそのとき終わる。凝縮器９、蒸発器１、吸着器および脱着器へのおよびそれらからの冷媒の流れと共に、２つのベッド５および１２の加熱および冷却は繰り返す。

〔００６０〕 蒸発器１の設計は、以下の理由から、目的の用途にとって明らかに重要である。第１に、高冷却密度が求められる。第２に、装置は配列独立性であり、ポンプ２２および吹き付けノズル２３を組み入れることで、蒸発器１を様々な配列で機能させることができる。ノズル２３は微小液滴を加熱基体１ａに噴射する。

〔００６１〕 電気吸着冷却装置のＣＯＰは、全体のエネルギーの流れ（全体のエネルギーの流れはプラスと定義する）を考慮することによって、個々の吸着（下付き「ａｄｓ」）および熱電（下付き「ＴＥ」）冷却装置のＣＯＰで表すことができる。図１または２および６において、個々の部品のＣＯＰは特定の（電気的または熱的）入力に対して生じる呼称冷却量として定義する：

〔００６２〕 ＣＯＰ_TE＝Ｑ_L／Ｐ_in （１）
〔００６３〕 ＣＯＰ_ADS＝Ｑ_evap／Ｑ_H （２）
〔００６４〕 熱力学の第一法則から
〔００６５〕 Ｐ_in＝Ｑ_H−Ｑ_L （３）
〔００６６〕 全体または正味ＣＯＰは
〔００６７〕 ＣＯＰ_net＝Ｑ_evap／Ｐ_in （４）
〔００６８〕 これは、方程式（１）および（３）から次のように表すことができる：
ＣＯＰ_net＝ＣＯＰ_ads（１＋ＣＯＰ_TE） （５）

〔００６９〕 両システムが共に組み合わさって直列で働くとき、方程式５は正味ＣＯＰの増幅を証明する。

〔００７０〕 上記方程式１〜５は単一冷却モジュールに関する。ずっと大きな冷却負荷は、図５に示すような多くの個別モジュールの集合体で受け入れることができる。単一の凝縮器９および蒸発器１は、通例のスプールバルブ２４を経て、近くにまたは離れてモジュールに結びつけられる。

〔００７１〕 ２−ベッド、４−ベッドおよび多数ベッド電気吸着冷却装置の場合の詳細な操作スケジュールを表１〜３に示す。１つ以上の対の凝縮器−蒸発器で働く複数の吸着剤ベッドは、本発明の一部を形成する。スケジュールに示す各ボックスの水平の幅は、全サイクル時間について必要な時間間隔を示す。例として、２−ベッド電気吸着冷却装置を表４に示す設計明細書を用いてシミュレートした。これら記載のパラメーターについて、図７はこれらの共役微分方程式に対する数的解のサンプルを示す。それは、電気吸着冷却装置を４つの完全サイクルで操作した場合の吸着器５、脱着器１２、凝縮器９および蒸発器１の動的温度の予測を示す。これらの結果から分かるように、冷却装置におけるサイクルの定常状態は３つの完全サイクルにおいて達成することができる。特定の冷却速度では、この特定状態における単一電気吸着冷却装置の正味ＣＯＰは約１．２であり、これは熱電または吸着冷却装置の個々のＣＯＰよりも高い。

〔００７２〕 本発明を説明してきたが、本発明を様々に変更しうることは明らかであろう。そのような変更は本発明の精神および範囲から逸脱すると考えるべきではなく、そのような変更の全ては本技術分野における当業者にとって明らかなことであり、特許請求の範囲に含まれるものである。

〔００７３〕 以下の引例は明細書の脚注番号が示すものであり、参照することによってここに記載されたものとする：

[1] Drost M. Kevin, Michele Friedrich, Miniature heat pumps for portable and distributed space conditioning applications, AIChE Spring national meeting, New Orleans, March 1998.
[2] Lee, D. Y. and K. Vafai. Comparative analysis of jet impingement and micro channel cooling for high heat flux application, Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 42, pp. 1555-1568, (1999).
[3] Yeh, L. T. Review of heat transfer technologies in electronic equipment, J. Electronic Packaging, Vol. 117, pp.333-339, (1995).
[4] Schmidt, Roger. Electronics cooling, IBM Corporation, Mailstation P932, (2000).
[5] CRC Handbook of Thermoelectrics (1995). ed by. D. M. Rowe. CRC Press LLC, Boca Raton, FL.
[6] Viswanathan, Vish V., Robert Wegeng. and Kevin Drost. Microscale Adsorption for Energy and Chemical Systems, Pacific Northwest National Laboratory.
[7] Boelman, E.C. B.B. Saha. and T. Kashiwagi. Parametric study of a silica gel-water adsorption refrigeration cycle --- the influence of thermal capacitance and heat exchanger UA-values on cooling capacity, power density, and COP, ASHRAE Trans. Vol. 103. Part 1. pp. 139-148, (1997).
[8] Cho, S.H. and J.N. Kim. Modelling of silica gel/water adsorption-cooling system, Energy, vol.17, no.9, pp. 829-839 (1992).
[9] Chua, H.T., K.C. Ng, A. Malek, T. Kashiwagi, A. Akisawa, and B.B. Saha. Modeling the performance of two-bed, silica gel/water adsorption chillers, Int. J. Refrig., Vol. 22, pp.194-204, (1998).
[10] Chua, H.T., K.C. Ng., A. Malek, T. Kashiwagi, A. Akisawa, and B.B. Saha, Multireactor regenerative adsorption chiller, submitted to INTRO --- National University of Singapore patent handling office, patent pending in Singapore, (1998b).
[11] Jones, J.A. Regenerative adsorbent heat pump, US Patent no. 5046319, (October 16, 1990).
[12] Jones, J.A. Heat cascading regenerative sorption heat pump, US Patent no. 5463879, (January 04, 1994)
[13] Jones, J.A. Three stage sorption type Cryogenic refrigeration systems and employing heat generation, US Paent no. 5157398, (October 22, 1991).
[14] Edward G. Thermoelectric adsorber, US Patent no. 03734293, (March 04, 1970).
[15] Joji, K. Oxygen enriched air generator, JP patent no. 11319463, (May 14, 1998).
[16] Nario, H. and Hayashi Hidechuka. Column thermostatic chamber, Japan patent no.039428, (July 21, 1998).
[17] Kasuyuki, Iguchi, Mitani Toshikazu, and Takeuchi Kazuyos. Dehumidifier of Steam permeable membrane type, JP patent no.06154543, (November 18,1992).
[18] Takiya, K. Negishi Nariaki. Absorbing apparatus, JP patent no. 07185248, (December 28,1993).

〔００３７〕 図１は、本発明の１つの態様による、溢れ−圧膨張バルブを備えた電気吸着冷却装置の略図である。 〔００３８〕 図２は、本発明の１つの態様による、機械吹き付けバルブを備えた電気吸着冷却装置の略図である。 〔００３９〕 図３は、本発明の１つの態様による、熱電対／反応器ベッドと凝縮器および蒸発器との間に置かれたスプールバルブを備えた電気吸着冷却装置の略図である。 〔００４０〕 図４は、適当な「ｏ−リング」およびピストンを備えたスプールバルブの略図であり、図４（ａ）は操作モードを説明するものであり、反応器５および１２は蒸発器１および凝縮器９にそれぞれつながれている。図４（ｂ）は図４（ａ）と逆の操作モードを説明するものである。図４（ｃ）は反応器５および１２が凝縮器９および蒸発器１から分離されている操作モードを説明するものである。 〔００４１〕 図５は、コンパクトなスプールバルブ配列を有する多数の対の電気吸着冷却装置についての略図である。 〔００４２〕 図６は、２−反応器電気吸着冷却装置の操作原理を説明する略図である。 〔００４３〕 図７は、２−反応器電気吸着冷却装置中の各種モジュールの一般的な温度分布である。

Claims (19)

1. 冷媒を冷却するための少なくとも１つの凝縮器；
   冷却すべき位置を冷却するための少なくとも１つの蒸発器、該少なくとも１つの蒸発器は圧力分離装置によって上記の少なくとも１つの凝縮器に接続されていて冷媒循環路を提供する；
   冷媒循環路を提供し、それによって各反応器が吸着および脱着モードで働くことが可能なように、少なくとも１つのバルブを通して該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器に接続された少なくとも１対の反応器；
   少なくとも１つの熱電冷却装置、該少なくとも１つの熱電冷却装置の１つは該少なくとも１対の反応器のそれぞれに設けられ、該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれは熱伝導性ではあるが非導電性に別々に接続された２つの接点を有し、該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれは、該２つの接点のそれぞれが加熱端および冷却端として働くことが可能なように電圧極性の切り換えを行うことができるＤＣ電源に接続されており、該ＤＣ電源は該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれに変動電力を供給することが可能である；および
   処理時間間隔、該圧力分離装置、少なくとも１対の反応器と該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器との間の少なくとも１つのバルブ、ＤＣ電源の電圧極性、ならびにＤＣ電源によって該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれに供給される電力を制御するための制御装置、ここで、該２つの接点の１つは冷却端として働き、該冷却端に取り付けられた該少なくとも１対の反応器の１つは、それが該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器から分離されている間は冷却され、そしてその後、該少なくとも１つの蒸発器に順次接続されて、相当な時間、該少なくとも１つの蒸発器から蒸気冷媒を吸着する吸着器として働き、該２つの接点の２番目の接点は加熱端として同時に働き、加熱端に取り付けられた該少なくとも１対の反応器のもう一方は、それが該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器から分離されている間は加熱され、そしてその後、該少なくとも１つの凝縮器に順次接続されて、実質的に同じ時間間隔の間、該少なくとも１つの凝縮器へ蒸気冷媒を脱着する脱着器として働く
   を含む電気吸着冷却装置集合体。
2. 該圧力分離装置が、電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作される開閉減圧バルブである、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
3. 該圧力分離装置が溢れＵ−ベンドである、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
4. 該圧力分離装置が、電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作され、該冷却装置集合体が、冷媒を該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に吹き付けるための少なくとも１つの順次接続された気密または半気密ポンプをさらに含む、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
5. 該圧力分離装置が、電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作され、該冷却装置集合体が、冷媒をジェット衝突技術で該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に分散するための少なくとも１つの順次接続された気密または半気密ポンプをさらに含む、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
6. 該圧力分離装置が溢れＵ−ベンドであり、該冷却装置集合体が、冷媒を該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に吹き付けるための少なくとも１つの順次接続されたポンプをさらに含む、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
7. 該圧力分離装置が溢れＵ−ベンドであり、該冷却装置集合体が、冷媒をジェット衝突技術で少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に分散するための少なくとも１つの順次接続されたポンプをさらに含む、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
8. 該少なくとも１つのバルブが、電磁または圧電、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作されるスプールバルブである、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
9. 該少なくとも１対の反応器のそれぞれにおける該反応器のそれぞれが、一方の側のフィン付き表面と他方の側のメッシュ材料との内側に封じられた吸着剤を含み、該フィン付き表面が、該少なくとも１つの熱電冷却装置に隣接する該反応器のそれぞれの側に設置され、該メッシュ材料が、該少なくとも１つの熱電冷却装置から離れた該各反応器のそれぞれの側に設置されている、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
10. スプールバルブによって該少なくとも１つの蒸発器および該少なくとも１つの凝縮器に互いに平行に接続された多数の対の反応器がある、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
11. 互いに平行に接続された多数の対の該反応器があり、各対の該反応器が少なくとも１つのバルブによって該少なくとも１つの蒸発器に接続されており、そして別の少なくとも１つのバルブによって該少なくとも１つの凝縮器に別々に接続されている、請求項１に記載の電気吸着冷却装置集合体。
12. 電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法であって、
    冷媒を冷却するための少なくとも１つの凝縮器を準備すること；
    冷却すべき位置を冷却するための少なくとも１つの蒸発器を準備すること、該少なくとも１つの蒸発器は圧力分離装置によって上記の少なくとも１つの凝縮器に接続されていて冷媒循環路を提供する；
    冷媒循環路を提供し、それによって各反応器が吸着および脱着モードで働くことが可能なように、少なくとも１つのバルブを通して該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器に接続された少なくとも１対の反応器を準備すること；
    少なくとも１つの熱電冷却装置を準備すること、該少なくとも１つの熱電冷却装置の１つは、該少なくとも１対の反応器のそれぞれに設けられ、該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれは熱伝達性であるが非導電性に別々に接続された２つの接点を有する；
    該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれを、該２つの接点のそれぞれが加熱端および冷却端として働くことが可能なように電圧極性の切り換えを行うことができるＤＣ電源に接続すること、該ＤＣ電源は該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれに変動電力を供給することが可能である；そして
    処理時間間隔、該圧力分離装置、少なくとも１対の反応器と該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器との間の少なくとも１つのバルブ、ＤＣ電源の電圧極性、ならびにＤＣ電源によって該少なくとも１つの熱電冷却装置のそれぞれに供給される電力を制御するための制御装置を準備すること；
    該２つの接点の１つを冷却端として操作すること、該冷却端に取り付けられた該少なくとも１対の反応器の１つは冷却され、同時に、それは該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器から分離され、そしてその後、該少なくとも１つの蒸発器に順次接続されて、相当な時間、該少なくとも１つの蒸発器から蒸気冷媒を吸着する吸着器として働く；そして
    該２つの接点の２番目の接点を加熱端として同時に操作すること、加熱端に取り付けられた該少なくとも１対の反応器のもう一方は加熱され、同時に、それは該少なくとも１つの凝縮器および該少なくとも１つの蒸発器から分離され、そしてその後、該少なくとも１つの凝縮器に順次接続されて、実質的に同じ時間間隔の間、該少なくとも１つの凝縮器へ蒸気冷媒を脱着する脱着器として働く
    の各工程を含む方法。
13. 該圧力分離装置が開閉減圧バルブであり、該方法が電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって該開閉減圧バルブを操作する工程をさらに含む、請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法。
14. 該圧力分離装置が溢れＵ−ベンドである、請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法。
15. 請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法であって、
    該圧力分離装置を電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作すること；
    少なくとも１つのポンプを順次接続すること；および
    冷媒を該順次接続されたポンプで該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に吹き付けること
    の工程をさらに含む方法。
16. 請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法であって、
    該圧力分離装置を電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作すること；
    ポンプを順次接続すること；および
    冷媒をジェット衝突技術で該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に分散すること
    の工程をさらに含む方法。
17. 請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法であって、圧力分離装置が溢れＵ−ベンドであり、該方法が、
    少なくとも１つのポンプを順次接続すること；および
    冷媒を順次接続されたポンプで該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に吹き付けること
    の工程をさらに含む方法。
18. 請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法であって、圧力分離装置が溢れＵ−ベンドであり、該方法が、
    少なくとも１つのポンプを順次接続すること；および
    冷媒をジェット衝突技術で該少なくとも１つの蒸発器の熱交換表面に分散すること
    の工程をさらに含む方法。
19. 請求項１２に記載の電気吸着冷却装置集合体で冷却する方法であって、該少なくとも１つのバルブがスプールバルブであり、該方法が、該スプールバルブを電磁、空気圧、油圧、およびソリッドステート出力よりなる群の１つによって操作する工程をさらに含む方法。

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