JP2005228926A - 放熱装置およびこれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、コンパクトで放熱能力が高く、冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる放熱装置およびこれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の放熱装置は、冷媒液によって冷却対象物の熱を受熱部２で受熱し放熱部３に送って放熱する放熱装置であって、放熱部３には冷媒液を流す放熱管が設けられ、気化熱を奪うことによって放熱管の表面を冷却して放熱することを主要な特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を循環させながら半導体集積回路等の発熱部品を気化熱によって放熱する放熱装置、及びそれを備えた電子機器に関するものである。

最近のコンピュータにおける高速化の動きはきわめて急速である。このため、中央演算処理装置（ＣＰＵ）の発熱量が増し、従来のようにヒートシンクで空冷するだけでは能力不足で、高効率で高出力の冷却装置が不可欠になっている。そこで従来、発熱部品を冷却するための装置として、受熱部と放熱部との間で冷媒液が循環する流路を設け、受熱部において、発熱部品からの熱を冷媒液に吸収させて、温度の高くなった冷媒液を放熱部に搬送し、放熱部において、冷媒液の熱を放出することで、冷媒液の温度を下げ、再び冷媒液を発熱部品に搬送して、冷却を繰り返す循環式の放熱装置が提案された（例えば特許文献１参照）。

この従来の放熱装置においては、放熱部では冷媒液の熱を表面に伝達し、その表面に空気を流し、大気中に放熱していた。放熱部での大気への放熱の構造としては、冷媒液の通るパイプに多数の板状のフィンを設け、ファンによって送風する構成になっていた。
特開平７−１４２８８６号公報

しかしながら、板状のフィンに対して送風するとフィンの表面において気流は層流となり、効率的に放熱することができなかった。すなわち、フィンの表面の熱はフィン表面を流れる層流の薄い境界層部分の空気にのみ伝達され、フィン表面から離れた主流の流れは単に通過するだけで熱を受け取らず、放熱に寄与しない。従って、フィン表面の薄い空気の層での熱交換が限度となって放熱効率の更なる向上は望めなかった。

そこで、本発明は、コンパクトで放熱能力が高く、冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる放熱装置と、それを搭載した電子機器を提供することを目的とする。

本発明の放熱装置は、冷媒液によって冷却対象物の熱を受熱部で受熱し放熱部に送って放熱する放熱装置であって、放熱部には冷媒液を流す放熱管が設けられ、気化熱を奪うことによって該放熱管の表面を冷却して放熱することを主要な特徴とする。

本発明によれば、コンパクトで放熱能力が高く、放熱装置の冷却効率を全体として冷却効率を向上させることができる。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、冷媒液によって冷却対象物の熱を受熱部で受熱し放熱部に送って放熱する放熱装置であって、放熱部には冷媒液を流す放熱管が設けられ、気化熱を奪うことによって該放熱管の表面を冷却して放熱する放熱装置であり、熱伝達と比較し、大きな熱交換が行える気化を利用して放熱するので、コンパクトで放熱能力が高く、高い冷却効率を実現できる。

本発明の第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、放熱管が多孔質材料から形成され、該放熱管内から冷媒液が滲み出て気化し冷却する放熱装置であり、冷媒液自身が放熱管から滲み出た気化熱を利用するので、放熱装置の構成を簡単且つコンパクトにすることができる。

本発明の第３の発明は、第１または２の発明に従属する発明であって、放熱管の周囲に空気を送るためのファンが設けられた放熱装置であり、外気の温度を高くしないので熱交換を促進できる。

本発明の第４の発明は、冷媒液によって冷却対象物の熱を受熱部で受熱し放熱部に送って放熱する放熱装置であって、放熱部には、冷媒液を流す放熱管と該放熱管の表面に二次冷却水を散水するための散水口が設けられ、熱伝達と気化熱を奪うことによって放熱管の表面を冷却する放熱装置であり、放熱管の表面に二次冷却水を散水するため、熱伝達と気化熱のいずれの作用も利用して効果的な放熱が行える。コンパクトで放熱能力が高く、高い冷却効率を実現できる。

本発明の第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明に従属する発明であって、熱交換後の気化しなかった冷媒液または熱交換後の二次冷却水を受け入れる排水タンクが設けられた放熱装置であり、気化しなかった冷媒液または熱交換後の二次冷却水を再度りようすることができる。

本発明の第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に従属する発明であって、前記冷媒液または前記二次冷却水を蓄えたタンクを備え、該タンク内の冷媒液が減少したことを検出すると、制御部が冷媒液または二次冷却水の補充を促す報知を行う放熱装置であり、冷媒液または二次冷却水が減っても、放熱装置が補充を促す報知を行うので信頼性の高い放熱装置にすることができる。

本発明の第７の発明は、第１〜６のいずれかの放熱装置を搭載するとともに、冷媒液または二次冷却水の補充を促す報知手段を備え、冷媒液または二次冷却水が減少したとき報知手段により報知する電子機器であり、電子機器に報知手段を設けているので、電子機器の扱うときに冷媒液または二次冷却水を補充する旨の報知が行われ、信頼性の高い電子機器にすることができる。

（実施例１）
本発明の実施例1は、電子機器としてコンピュータ装置に関するものであり、またこのコンピュータ装置に搭載する放熱装置に関するものである。図１は本発明の実施例１における放熱装置を搭載したコンピュータ装置の構成図である。

図１において、１はコンピュータ装置の発熱部品であるＣＰＵであり、種々の演算処理を行う際に発熱するものである。この発熱量は動作周波数の増大に伴い、また回路パターンの微細化に伴って増大する。最近では１ＧＨｚ〜３ＧＨｚクラスの高い周波数で動作するＣＰＵ１が出現し、回路パターンは微細で発熱量は非常に大きくなってきている。そしてコンピュータ装置の筐体自体も小型化し、熱がこもり易い構造となってきている。２はＣＰＵ１に接触して設けられる受熱部である。受熱部２はＣＰＵ１から熱を奪い、その内部を流れる冷媒液を熱交換で加熱する。３はラジエター等の放熱部であり、受熱部２で加熱された冷媒液が有する熱を放出し、冷媒液の温度を下げる。

４はリザーブタンクで、冷媒液の減少に対応するために、冷媒液を備蓄しておき、冷媒液の減少に伴い、冷却装置に冷媒液を補充するものである。５は冷媒液を循環させるためのポンプ、６は冷媒液を流すパイプである。ポンプ５は、パイプ６によって接続された受
熱部２、放熱部３、リザーブタンク４を冷媒液が循環するように機能する。７は、冷媒液の循環可能状態と不可能状態とを切り替える弁であり、８は放熱部３に空気を送るファンである。なお、ポンプ５の諸元は、厚さ３ｍｍ〜２０ｍｍ、半径方向代表寸法１０ｍｍ〜７０ｍｍ、回転数は６００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ、流量が０．０１Ｌ／分〜１.５Ｌ／分、ヘッド０．１ｍ〜２ｍ、比速度でいうと、１２〜２００（単位：ｍ、ｍ³／分、ｒｐｍ）程度のきわめて小型のものである。

続いて、実施例１の放熱装置の内部構成について説明する。図２は本発明の実施例１における放熱装置の放熱部の詳細を示す説明図である。図２において、３１は放熱部３に複数本整列して設けられ、隣接端部間に後述の接続管３５が装着されることにより冷媒液が往復しながら流れる放熱管、３２は各放熱管３１の一端で冷媒液が流入する側となる流入端、３３は各放熱管３１の他端で冷媒液が流出する側となる流出端である。また、３４は放熱管３１が貫通し複数枚並べて配設される放熱フィン、３５は隣接する放熱管３１の流入端３２と流出端３３とを接続するＵ字状のゴムチューブまたは金属管等の接続管であり、図２に示すように複数の放熱管３３の端部を接続管３５によって結合する。

ところで、実施例１の放熱管３１はセラミックまたは発泡金属などからなる多孔質材で構成されている。従って、冷媒液は内外の圧力差と浸透力で放熱管３１の内壁内に染み込み、多孔質材の微細な通路を通って外壁表面から滲み出る。表面に滲み出た冷媒液はファン８によって送られてくる空気中で蒸発し、このとき気化熱として放熱管３１外表面の熱を奪う。この蒸発がさらなる物質移動を誘引し、気化による物質移動を継続して発生させることができる。この気化熱の熱量は冷媒液の材料と放熱管３１の空隙率をコントロールすることにより容易に調整することができる。なお、気化熱は表面積が大きい方が気化し易いため、放熱管３１の表面からの放熱作用を促すように表面を凸凹形状とするのが好適である。

次に、３６は排水トレイであり、放熱管３１の表面から滲み出た冷媒液のうち気化しきれずに、液体のまま放熱管３１から落下する冷媒液を受け止めるためのものである。運転中コンピュータ装置の筐体内が高温になったときは、この排水トレイ３６からの気化熱も冷却に寄与する。排水トレイ３６は、洗浄のため放熱部からの脱着可能であり、さらに、排水タンク及び排水タンク満水センサーを備えている。

このように、実施例１のコンピュータ装置では、パイプ６で冷媒液を循環し、受熱部２では熱を奪い、高温になった冷媒液を放熱部３に導き、放熱部３内では並んで設けられた放熱管３１を往復しながら冷媒液の熱を放熱フィン３４に熱伝達する。この放熱フィン３４上をファン８が吐出した空気が流れ、放熱フィン３４の熱が大気中に放熱される。さらに、放熱管３１は多孔質材で構成されており、冷媒液は多孔質材内部に浸透して外壁表面から滲み出て、表面に滲み出た冷媒液が空気中で蒸発し、放熱管３１外表面の熱を奪うことにより放熱する。

図３は本発明の実施例１におけるリザーブタンクの詳細を示す説明図である。図３に示すように、４１はリザーブタンク本体、４２は冷媒液である。リザーブタンク本体４１は放熱管３１から気化して減少する冷媒液４２を補充するため備蓄しておく容器である。なお、パイプ６として樹脂製パイプを採用するのが好適であるが、放熱管３１だけでなく、僅かではあるが樹脂パイプからも冷媒液４２が漏れ、外部の空気が冷媒液４２に混入する。この空気もリザーブタンク内の冷媒液４２と置換する。

リザーブタンク本体４１の底面には、入口継手４３と出口継手４４とが設けられている。入口継手４３と出口継手４４とはともにパイプによって構成されて、入口継手４３の方が出口継手４４よりも長く作られており、リザーブタンク本体４１底部から挿入すると、
挿入部分に長短が形成される。従って、入口継手４３はリザーブタンク本体４１内の高い位置に開放端を有し、出口継手４４はリザーブタンク本体４１内の低い位置に開放端を有する。入口継手４３及び出口継手４４にはOリング４９が嵌合されており、放熱管等に接続するパイプに接続されるようになっている。

４５はリザーブタンク本体４１内の冷媒液４２の液量を検出する水位センサー、４６はフロート、４７は止め具、４８は水位確認窓、４９はＯリングである。水位確認窓４８は透明な樹脂またはガラス板で構成され、リザーブタンク本体４１内の冷媒液４２の液量が外部から確認することができる。水位センサー４５は、フロート４６と止め具４７、スライド棒から構成され、止め具４７の範囲で液面の上下に応じてフロート４６がスライド棒を上下動し、下がった場合に水位センサーリード線５０にその旨の信号が出るようになっている。この信号が出力され、冷媒液４２の減少が検出されると、報知手段を使って報知するのがよい。実施例１においては、コンピュータ装置を立ち上げたとき、そのＬＣＤ等の表示画面あるいは別途設けられたランプ等によって、冷媒液４２の補充を促す表示を行う。

５１はリザーブタンク本体４１に冷媒液４２を補充するための補充口であり、５２はその蓋である。冷媒液４２の補充時には蓋５２を取り、補充口５１から補充し、蓋５２で補充口５１を塞ぐ。

続いて、図４に基づいてリザーブタンク本体４１に設けられた入口継手４３と放熱管等に接続するパイプとの接続部について説明する。図４は本発明の実施例１におけるリザーブタンクに設けられた入口継手とパイプとの接続部の断面図である。

まず、入口継手４３、出口継手４４側の接続部を説明すると、５３は弁体となる漏水防止板、５４は漏水防止板５３を一方へ付勢するスプリング、５５は入口継手４３内に固定された弁座としてのスリット板、５９はスリット板５５に形成された冷媒液４２が通過するスリット、６０はスリット板５５に設けられたスプリング支持棒である。

漏水防止板５３は、スプリング５４によりスリット５９を塞いだり、開放したりする。スプリング支持棒６０はスプリング５４の作用で付勢されており、リザーブタンクをパイプから外すと、漏水防止板５３がスリット板５５のスリット５９を塞ぎ、内部の冷媒液４２が洩れないようになっている。

次に、放熱部３、ポンプ５に接続されるパイプ６側の接続部について説明する。５６は入口継手４３，出口継手４４を挿入したときスプリング支持棒６０を押し上げる突起、５７は突起５６を設けたスリット板、５８は入口継手４３，出口継手４４の端部が挿入されるパイプ６のＰＣ側受口、６１は入口継手４３，出口継手４４と同様に冷媒液４２が通過するスリットである。

ＰＣ側受口５８に入口継手４３，出口継手４４を挿入すると、スプリング支持棒６０が突起５６に当接し、持ち上げられる。その結果、漏水防止板５３が弁座であるスリット板５５から離れることになり、ＰＣ側受口５８と入口継手４３，出口継手４４間が連通する。逆に、ＰＣ側受口５８から入口継手４３を外すと、スプリング支持棒６０を押し上げていた突起５６の作用がなくなるので、スプリング支持棒６０はスプリング５４の力で下向きの力が作用し、漏水防止板５３が弁座であるスリット板５５に密着し、リザーブタンク本体４１内の冷媒液４２が洩れない状態となる。

以上説明した構成によって、リザーブタンク本体４１は脱着可能な構造となり、コンピュータ装置の電源ＯＦＦ時（弁閉時）にコンピュータ装置から取り外して蓋５２を外し、
指定位置まで冷媒液４２を補充することができる。冷媒液４２としては、気化熱が大きく、気化したガスが空気に混ざっても問題のない水が適当である。一般に使用される水道水でかまわない。そして、漏水防止板５３によりリザーブタンク本体４１から冷媒液４２が漏れるのを防止できる。

続いて、実施例1のリザーブタンク本体４１内の冷媒液４２の変化に応じて行われる制御について説明する。図５（ａ）は本発明の実施例1のリザーブタンク内の冷媒液の変化に対する制御手順を示すフローチャート、図５（ｂ）は（ａ）の制御手順の異常処理のフローチャートである。

図５（ａ）において、弁７を開き（ステップＳ１）、水位センサー４５が正常な水位を示しているか判断し（ステップＳ２）、水位の低下を検出した場合には、ステップＳ９に移行し、給水すべき旨のランプを点灯し、弁７を閉じる（ステップＳ１０）。

ステップＳ２において水位の低下がなく正常である場合は、給水すべき旨のランプを点灯しないまま（ステップＳ３）、ポンプ５に電力を供給し（ステップＳ４）、冷媒液４２の循環を開始する。

次いで、ポンプ５の回転速度が正常か否かを判断し（ステップＳ５）、異常の場合はステップＳ８に移行して、異常時の処理を行う。ステップ５においてポンプ５の回転が正常な場合は、ファン８に電力を供給して（ステップＳ６）、送風を開始する。ファン８の回転速度が正常かどうかを判断し（ステップＳ７）、異常の場合はステップＳ８に移行して異常時の処理を行う。

続いて図５（ｂ）に基づいて、ステップＳ８の異常時の処理の詳細なフローチャートについて説明する。異常時の処理として、ファン８の電源のＯＦＦし（ステップＳ１１）、ポンプ５の電源のＯＦＦし（ステップＳ１２）、弁７を閉じる動作を行う（ステップＳ１３）。ここで、最後に弁７を閉じるのは、リザーブタンクへ給水中にポンプ５の電源が仮にＯＮした場合に、その圧力で冷媒液４２がコンピュータ装置内に溢れるのを防止するためである。このため、ポンプ５の電源をＯＦＦしてから弁７を閉止する。運転を停止するとき徐々に放熱量を低下させる必要から、ファン８の運転を停止しても冷媒液４２が循環しているときは放熱作用があるため、先にファン８の電源をＯＦＦし、次にポンプ５の電源をＯＦＦする。

このように実施例１の放熱装置は、通常の熱交換のように伝熱を利用するのではなく気化熱を利用することができ、コンパクトで放熱能力が高い放熱装置にすることができ、高い冷却効率を実現できる。

（実施例２）
本発明の実施例２の放熱装置について説明する。実施例２の放熱装置は、温度の上昇した冷媒液４２の放熱のために、二次冷却を行う構成を設けたものである。図６は本発明の実施例２における放熱装置を用いたコンピュータ装置の構成図である。実施例1と同一符号は同一の構成であるから、実施例1に説明を譲って説明を省略する。

図６において、６９は実施例２における放熱部で、実施例１のように複数の放熱フィン３４に冷媒液４２が通るパイプを貫通させた構造であるが、冷媒液４２が滲み出るものではなく、密閉されたパイプ内を通過する冷媒液４２の熱がフィンに伝達されて放熱する構造である。７０は二次冷却用の冷却水を保持する冷却水用タンク、７１は冷却用タンク７０の下流に設けられた微細な孔が多数形成された冷却水散水口である。７２は二次冷却用の冷却水を循環させるための冷却水用ポンプ、７３は冷却水散水口７１から出た冷却水が
放熱部３内で熱を奪った後に溜まる冷却水排水タンクである。冷却水排水タンク７３に溜まった冷却水は、冷却水用ポンプ７２によって冷却水用タンクに送られる。

この構成によって、放熱部６９で冷媒液４２の熱はフィンから大気中に放熱されると同時に、冷却水によっても熱を奪われて温度が下げられる。冷媒液４２は、実施例１と異なって密閉された流路を通ることになる。なお、放熱部６９の流路は二次冷却するだけでなく冷媒液４２が滲み出る材料を避けるものではないが、染み出る量が微量であるから効果はあまり期待できない。冷却水は放熱部３において冷媒液４２の熱をもらって徐々に温度が上昇するが、放熱装置全体の熱容量が大きく、大気中に放熱されるとともに、一部冷却水の気化も利用できるので冷却能力は確保できる。

この実施例２の放熱部の詳細な構造を説明する。図７は本発明の実施例２における放熱装置の放熱部の詳細を示す説明図である。

図７において、６９は放熱部、７０は冷却水用タンク、７１は冷却水散水口、７２は冷却水用ポンプ、７３は冷却水排水タンクである。７４は冷却水排水タンク７３へ冷媒液４２としての水を補給する給水口、７５は放熱部６９外部の複数箇所で屈曲されるとともに放熱部６９の内部では複数本整列して設けられ、冷媒液４２が交互に往復して流れる金属パイプ等の放熱管である。

図７に示すように、放熱部６９へは受熱部２で加熱された冷媒液４２が流入し、複数回往復する放熱管７５を経てリザーブタンク４へ流入する。往復する放熱管７５は、この実施例２では冷媒液４２が漏れたり、滲んだりしないアルミニウムや銅等の金属パイプ等で構成されている。また、放熱部６９の上部には冷却水用タンク７０が設けられており、その下面には冷却水散水口７１が設けられている。この冷却水散水口７１には多数の孔が開けられており、この孔から冷却水の液滴が少しずつ落下する。落下した冷却水は、放熱部６９のフィンを伝わり、もしくは直接冷媒液４２の通る放熱管７５に付着して、その表面の熱を奪いながらさらに下方の冷却水排水タンク７３に溜まる。この冷却水排水タンク７３に溜まった冷却水は冷却水用ポンプ７２によって再び冷却水用タンク７０に戻る。徐々に冷却水は減少するので、冷却水用タンク７０の上部の給水口７４から冷却水を補充する。ところで、冷却水用タンク７０には散水口が設けられているため、運転を停止すると冷却水は最終的には冷却水排水タンク７３側に溜まることになる。しかし、これにより冷却水用ポンプ７２がターボ型ポンプであっても自給させることができる。

このように実施例２の放熱装置は、放熱管７５の表面に冷却水を散水するため、伝熱と気化熱のいずれも利用して効果的な放熱が行える。放熱能力が高く、高い冷却効率を実現できる。

本発明は、コンパクトで放熱能力が高く、冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる放熱装置とそれを搭載した電子機器に適用することができる。

本発明の実施例１における放熱装置を搭載したコンピュータ装置の構成図 本発明の実施例１における放熱装置の放熱部の詳細を示す説明図 本発明の実施例１におけるリザーブタンクの詳細を示す説明図 本発明の実施例１におけるリザーブタンクに設けられた入口継手とパイプとの接続部の断面図 （ａ）本発明の実施例１のリザーブタンク内の冷媒液の変化に対する制御手順を示すフローチャート、（ｂ）（ａ）の制御手順の異常処理のフローチャート 本発明の実施例２における放熱装置を用いたコンピュータ装置の構成図 本発明の実施例２における放熱装置の放熱部の詳細を示す説明図

符号の説明

１ ＣＰＵ
２ 受熱部
３，６９ 放熱部
４ リザーブタンク
５ ポンプ
６ パイプ
７ 弁
８ ファン
３１，７５ 放熱管
３２ 流入端
３３ 流出端
３４ 放熱フィン
３５ 接続管
３６ 排水トレイ
４１ リザーブタンク本体
４２ 冷媒液
４３ 入口継手
４４ 出口継手
４５ 水位センサー
４６ フロート
４７ 止め具
４８ 水位確認窓
４９ Ｏリング
５１ 補充口
５２ 蓋
５３ 漏水防止板
５４ スプリング
５６ 突起
５５ スリット板
５７ スリット板
５８ ＰＣ側受口
５９，６１ スリット
６０ スプリング支持棒
７０ 冷却水用タンク
７１ 冷却水散水口
７２ 冷却水用ポンプ
７３ 冷却水排水タンク
７４ 給水口

Claims (7)

1. 冷媒液によって冷却対象物の熱を受熱部で受熱し放熱部に送って放熱する放熱装置であって、前記放熱部には前記冷媒液を流す放熱管が設けられ、気化熱を奪うことによって該放熱管の表面を冷却して放熱することを特徴とする放熱装置。
2. 前記放熱管が多孔質材料から形成され、該放熱管内から前記冷媒液が滲み出て気化し冷却することを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
3. 前記放熱管の周囲に空気を送るためのファンが設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の放熱装置。
4. 冷媒液によって冷却対象物の熱を受熱部で受熱し放熱部に送って放熱する放熱装置であって、前記放熱部には、前記冷媒液を流す放熱管と該放熱管の表面に二次冷却水を散水するための散水口が設けられ、熱伝達と気化熱を奪うことによって前記放熱管の表面を冷却することを特徴とする放熱装置。
5. 熱交換後の気化しなかった冷媒液または熱交換後の二次冷却水を受け入れる排水タンクが設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放熱装置。
6. 前記冷媒液または前記二次冷却水を蓄えたタンクを備え、該タンク内の冷媒液が減少したことを検出すると、制御部が前記冷媒液または前記二次冷却水の補充を促す報知を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかの記載の放熱装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の放熱装置を搭載するとともに、前記冷媒液または前記二次冷却水の補充を促す報知手段を備え、前記冷媒液または前記二次冷却水が減少したとき前記報知手段により報知することを特徴とする電子機器。

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