JP2007294655A - 冷却装置及びこれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱量の増加する電子機器においても、効率良く冷却を行うことのできる小型の冷却装置及びこれを用いた電子機器を提供すること。
【解決手段】受熱部２は、冷媒が気化する際の気化熱を利用する潜熱冷却モードと、冷媒が液体状態で熱移送する水冷冷却モードの２つの冷却モードが可能であり、放熱部３は、受熱部で気化した冷媒を凝縮して液化する放熱機能と、受熱部で受熱した液体冷媒から放熱する放熱機能とを有する。制御部８は、ポンプ５の駆動する冷媒の流量を制御することによって、受熱部２における冷却モードを切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器に搭載される高発熱体の冷却装置に係わり、冷媒の気化・凝縮の相変化を利用し、小型で効率の良い冷却装置及びこれを用いた電子機器を提供するものである。

近年の電子機器は、ＣＰＵに代表される半導体集積回路を備えている。この半導体集積回路は、処理の高速化に対応するために急速に高集積化を歩んでおり、それに伴う発熱量も増大してきている。しかるに、半導体集積回路は、所定の温度以上になると半導体が所有する性能を発揮できなくなるばかりか、破壊することさえ生じる。即ち、電子機器において半導体集積回路等で発生する発熱を冷却することは必須の要件である。

従来の電子機器における半導体集積回路等の冷却は、例えば、発熱体である半導体集積回路にヒートシンクを固定して、ファンによる通風で冷却する空冷方式が一般的に行われている。しかし、この空冷方式によると、電子機器の高発熱化に対応するために大形ファンの搭載が必要になるが、電子機器の高密度実装化に伴い半導体集積回路を搭載している周辺スペースの縮小もあって、高発熱体の冷却に対応する大形ファンの搭載が困難な状況にある。よって、搭載可能な小型ファンで冷却することになるが、この場合には、風量を増加するためファンを高速回転させるためファンの高速回転に伴う騒音が増大する問題がある。

空冷方式における騒音の問題を解決するために、近年、新たな冷却方式として液体冷媒による水冷方式が注目されている。例えば特許文献１には、ノートＰＣのごとき薄型構造の電子機器に搭載する水冷方式の冷却装置の例が開示される。この冷却装置は、発熱部の熱を受熱ヘッダで冷媒液に受熱させる。受熱した冷媒液を配管で接続された流路を移送させ、表示装置の背面等の筐体壁面に設置され配管に接続された放熱ヘッダで冷媒液から放熱させる。放熱された冷媒液を、ポンプによって受熱ヘッダに循環させる構成である。水冷方式では、フレキシブルな配管等によって接続された受熱部と放熱部間で冷媒液を循環し熱移送して冷却するものであるから、受熱部と放熱部との配置関係を比較的自由に設定でき、放熱部の形状や大きさの制約も比較的少なく、冷却性能の向上が図りやすい。また、放熱部の冷却構造の工夫によってファンの小型化も可能であり、冷却時の騒音も軽減できる。

さらには、熱移送による水冷方式よりも冷却能力が優れる冷却方式として、冷媒の相変化（気化、凝縮）による潜熱を利用する方式（以下、潜熱方式）があり、特許文献２及び特許文献３には、これを用いた冷却装置が開示されている。この冷却装置は、半導体素子等の発熱を冷却板で受熱し、冷却板内の流路で冷媒を気化させて、その気化熱によって発熱体を冷却する。気化によって体積膨張した冷媒は、配管によってコンデンサ部に移送し、凝縮（液化）して放熱させる。液化した冷媒は、ポンプで配管を移送して冷却板に循環させる構成である。なお、特許文献２では、冷却板からコンデンサ部までの配管径を大きくして、配管内の圧力損失を緩和させている。また特許文献３では、冷媒ポンプを２台設けて、一方のポンプが故障しても他方のポンプにて冷媒の移送を継続できるようにしている。

特開平７−１４２８８６号公報 特開２００５−５３６６号公報 特開２００５−１９９０７号公報

上記した従来の冷却方式においては、以下の技術課題がある。
電子機器に搭載された発熱体の発熱量はさらに増大する状況にある。上記特許文献１に記載される熱移送による水冷方式は、その冷却性能を向上するためには、冷媒液の流量を増加させ冷媒への受熱量を増すと共に、放熱部を設置している筐体壁面を放熱性の良い大面積の金属材料等にて構成して、放熱量を大きくする必要がある。あるいは、放熱ヘッダを大形のラジエータとして構成し、またファンの追加により放熱ヘッダへの通風を促進する必要である。しかし、これらの対策は、空冷方式よりも構成部品が大形化・複雑化してコスト高になり、携帯用の電子機器の小型、軽量化を図る上で阻害要因となる。

また、通常の水冷方式において、受熱部で受熱した後の冷媒の相状態は完全な液体状態ではなく、気液混合の二相流として移送されると想定される（気液混合の比率は、発熱体の熱量によって変化する）。この場合には、フレキシブルチューブ等のような気密性に劣る配管で構成した場合、気化した冷媒が外部に漏洩する恐れがある。これを防止するため水冷方式においては、大容量のポンプを搭載し大量の冷媒液を循環させ、受熱部での冷媒の気化を抑制するようにしている。これも、電子機器の小型、軽量化を阻害している。

一方、上記特許文献２、３に記載される冷媒の相変化を利用する潜熱方式は、気化熱により大きな吸熱量が期待でき、高温の発熱体の冷却に対し有効である。そのためには、通流する冷媒を完全に気化させねばならない。しかしながら、冷媒の気化による体積膨張と圧力増加のために、循環流路の構成部材には十分な機械強度と冷媒漏れに対する気密性が要求され、例えば特許文献２、３に記載されるような対策を要する。その結果、冷却装置の構造の簡素化を困難にしている。

また、冷媒の気化による潜熱方式では、気化により得られる冷却温度は沸点温度が限界となる。よって、一般的な半導体の冷却仕様温度とされる６０℃〜７０℃を得る場合には、純水に代えて沸点の低い冷媒液を選定したり、沸点を下げるために循環流路内の圧力を大気圧以下に減圧して気化を促すなどの対策が必要となる。流路を減圧する場合にも、気密性を保つ構造が必要となる。

ここで、上記潜熱方式において冷媒を完全に気化させ冷却効率を向上させるために、種々の工夫が必要である。なぜなら、発熱体から受熱した冷媒の相状態は、発熱体の発熱温度、冷媒の蒸発温度、冷媒の流量等による熱伝達状態により決定されるからである。すなわち、通流する冷媒は、受熱部との接触表面部分から熱伝達されて受熱し、冷媒の中央部分へと熱伝導するため、通流する冷媒の受熱部との接触表面部分とこれから離れた中央部分とでは受熱量が異なる。また熱伝達は、冷媒の流速によって異なるため、冷媒の気化量は流速に依存することになる。

よって、潜熱方式においても、発熱体の温度上昇状況や冷媒の受熱状況によっては通流する冷媒が十分に気化されない場合があり、冷媒が気液混合の状態や、液体の状態で移送し、循環させることも想定して冷却装置を構成しておく必要がある。その対応として、気化した冷媒を凝縮して液化するコンデンサを水冷方式の放熱機能を有する放熱部として構成しておくことになる。ただしこの場合には、冷却性能が低下することになる。よって潜熱方式の冷却装置では、冷媒が完全に気化するように冷媒の流速などの冷却条件を考慮して設定することが肝要となる。

逆に発熱体の温度上昇が激しい状況においては、冷媒の気化が活発化されて、循環流路内部の体積膨張や圧力増加を吸収する構造が必要とされる。これが十分でないと、気化状態の冷媒がポンプに流入しポンプは冷媒を正常に循環できなくなる。その結果、受熱部において新たな冷媒が供給されず発熱体温度が上昇する問題を生じる。この対策として、特許文献３ではポンプを２台搭載するなどの冗長度を持たせることで対応しているが、根本的な解決法とは言い難い。これらの問題に対応するために、潜熱を利用した冷却装置では、ヒートパイプを多数個束ねて使用するなどが実用的な方法とされている。

本発明は、上記した従来の冷却方式の課題に鑑み、発熱量の増加する電子機器においても、効率良く冷却を行うことのできる小型の冷却装置及びこれを用いた電子機器を提供することを目的とする。

本発明では、電子機器に搭載された高発熱体を冷却するに際し、潜熱冷却方式と水冷冷却方式とを併用して冷却効率の良い冷却装置及びそれを用いた電子機器を実現する。

本発明の冷却装置は、冷却対象となる発熱体の発生する熱を冷媒に受熱する受熱部と、冷媒の受熱した熱を外部に放熱する放熱部と、受熱部と放熱部との間で冷媒を循環させる配管と、冷媒を貯留するタンクと、冷媒を駆動するポンプと、ポンプの駆動する冷媒の流量を制御する制御部とを備える。上記受熱部は、冷媒が気化する際の気化熱を利用する潜熱冷却モードと、冷媒が液体状態で熱移送する水冷冷却モードの２つの冷却モードが可能であり、上記放熱部は、受熱部で気化した冷媒を凝縮して液化する放熱機能と、受熱部で受熱した液体冷媒から放熱する放熱機能とを有する。上記制御部は、ポンプの駆動する冷媒の流量を制御することによって、受熱部における冷却モードを切り替える構成とする。

その際前記制御部は、前記ポンプの駆動する冷媒の流量を小さくすることによって、前記冷却モードを前記潜熱冷却モードに切り替え、冷媒の流量を大きくすることによって、前記水冷冷却モードに切り替える。

さらに本発明では、前記配管のうち、受熱部から放熱部へ向かう循環流路は少なくとも密閉性の高い金属配管とする。前記タンクは、受熱部から放熱部へ向かう循環流路の冷媒通流容積よりも大きい容積を有し、冷媒とともに空気層を貯留し、冷媒の気化による循環流路内の圧力増加を空気層により緩和する構造とする。

さらに本発明では、前記ポンプとして２台のポンプを有し、第１のポンプは、受熱部において潜熱冷却モードにて動作させるための流量の冷媒を駆動し、第２のポンプは、受熱部において水冷冷却モードにて動作させるための流量の冷媒を駆動する。前記制御部は、第１のポンプ及び第２のポンプのいずれか一方を駆動させ、あるいは両方同時に駆動させる。

本発明の電子機器は、内蔵する発熱体の発生する熱を冷媒に受熱する受熱部と、冷媒の受熱した熱を外部に放熱する放熱部と、受熱部と上記放熱部との間で上記冷媒を循環させる配管と、冷媒を貯留するタンクと、冷媒を駆動するポンプと、ポンプの駆動する冷媒の流量を制御する制御部と、発熱体の温度、あるいは受熱部における冷媒の温度を検出する温度検出部とを備える。上記受熱部は、冷媒が気化する際の気化熱を利用する潜熱冷却モードと、冷媒が液体状態で熱移送する水冷冷却モードの２つの冷却モードが可能であり、上記放熱部は、受熱部で気化した冷媒を凝縮して液化する放熱機能と、受熱部で受熱した液体冷媒から放熱する放熱機能とを有する。上記制御部は、上記温度検出部の検出した温度に基づいてポンプの駆動する冷媒の流量を制御することによって、受熱部における冷却モードを切り替える。

本発明によれば、電子機器の発熱量が増加しても、これを効率良く冷却を行うことのできる小型の冷却装置を提供することができ、また電子機器の小形化に寄与する。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の冷却装置を搭載した電子機器の一実施例を示す概念構成図である。電子機器１０には、回路基板９およびその発熱体（発熱部）１を有し、これを冷却の対象とする。冷却装置は、以下の構成からなる。受熱部２は発熱体１に熱接続して、内部に通流する冷媒によって吸熱、受熱する。本実施例での冷媒には純水（すなわち沸点１００℃）を用いて、発熱体１の温度を、例えば１３０℃から７０℃まで冷却する場合を想定する。放熱部３は冷媒の吸熱した熱を放熱管により放熱するが、その際、ファンで送風し放熱を促進させる。タンク４は、冷媒と空気とを貯留するが、その容積は、受熱部２から放熱部３に向かう循環流路の冷媒通流容積よりも大きい容積とする。ポンプ５は、タンク４の冷媒を受熱部２へ循環駆動させる。配管６は、上記各部材間を冷媒が循環するように接続されている。そのうち配管６１は、受熱部２から放熱部３へ向かう循環流路であり気密性の高い金属配管で構成する。配管６２は、放熱部３から受熱部２へ向かう循環流路である。温度検出部７は、発熱体１、または受熱部２における冷媒の温度を検出し、制御部８は、温度検出部７によって検出した温度に基づき、ポンプ５の駆動する冷媒の流量を制御する。

ここに電子機器１０は、特定の装置に限定するのものではなく、冷却対象の発熱体１も特定の回路基板９に限定するものではない。また、冷媒は純水に限定せず、適宜変更可能であることは言うまでもない。

本実施例の冷却装置は、閉循環流路内で冷媒を移送し、発熱体１で発生した熱を受熱部２内を通流する冷媒にて吸熱させる。発熱体１からの吸熱にあたっては、冷媒が液体状態で熱移送する場合と、冷媒を液体から気体に相変化させ、気化熱として吸熱する場合とが可能であり、これらを併用して冷却効率を増大させたことに特徴がある。すなわち、受熱部２においては、冷媒が液体状態のままで温度上昇することで吸熱する水冷冷却モード（水冷方式、水冷モード）と、冷媒が気化することで吸熱する潜熱冷却モード（潜熱方式、潜熱モード）の２つの冷却モードが可能である。同様に、放熱部３においては、高温の液体状態の冷媒を放熱するモードと、気化した冷媒を凝縮して液化するモードの２つのモードが存在する。そしてこれらのモードは、ポンプ５から受熱部２へ供給する冷媒の流量を制御することで、水冷モードと潜熱モードとを切り替える。具体的には、冷媒の流量を小さくすることによって冷却モードを潜熱モードに切り替え、冷媒の流量を大きくすることによって水冷モードに切り替える。さらに、温度検出部７によって検出した発熱体１（または冷媒）の温度によって冷媒の流量を制御することで、温度に応じて効率の良い冷却モードを選択するものである。

すなわち、本実施例の冷却方式は、従来の水冷方式あるいは潜熱方式のいずれか一方のみに固定するものではなく、同一装置において、発熱体の温度状況に応じて両者の方式を切り替えることで、所望の冷却仕様温度を実現する。その際、循環閉流路内を低圧力状態にしたり、低沸点温度の特殊な冷媒を使用することなく、通常の冷媒（純水）を常圧に近い状態で用いることができ、小型で効率の良い冷却装置を実現するものである。

以下、本実施例の冷却装置の動作を詳細に説明する。

図２は、受熱部２における通流する冷媒の流量と吸熱量の関係（吸熱特性）を示す図である。受熱部２における２つの冷却モードを比較したもので、曲線（イ）は、冷媒の気化による吸熱量（潜熱モード）を、曲線（ロ）は、冷媒への熱移送による吸熱量（水冷モード）を概念的に示したものである。いずれも、冷媒による吸熱量Ｗは冷媒の流量Ｑに比例するが、潜熱モードの曲線（イ）は、水冷モードの曲線（ロ）よりもその勾配が急峻であって、流量あたりの吸熱量が大きい。この勾配の差は、冷媒の持つ比熱と気化熱の物性値の差に基づく（ただし、図示した両者の曲線の勾配は、定量的な意味を持たない）。

理論的には、冷媒の密度をρ、比熱をＣ、気化熱をＶとし、冷媒における受熱時の温度変化をΔＴ、受熱させる冷媒の流量をＱとすると、受熱部２における吸熱量Ｗは、次式に示される。
Ｗ（潜熱モード）＝ρ・Ｖ・Ｑ ・・・（１）
Ｗ（水冷モード）＝ρ・Ｃ・ΔＴ・Ｑ ・・・（２）
まず、水冷方式の冷却動作とその問題点を説明する。
発熱体１の温度Ｔ１を所望の仕様冷却温度Ｔ２に冷却する場合、その吸熱すべき熱量をＷ１とする。Ｗ１は温度差（Ｔ１−Ｔ２）に比例する。曲線（ロ）に従って、吸熱量Ｗ１の得られる冷媒の流量Ｑ１を求め、これを通流して発熱体１を冷却すればよい（動作点を符号Ａで示す）。ここで発熱体が、Ｔ１より高い温度Ｔ１’で発熱する高発熱体１’の場合、これを仕様冷却温度Ｔ２まで冷却するためには、吸熱すべき熱量はＷ１’に増大する。Ｗ１’は温度差（Ｔ１’−Ｔ２）に比例する。この場合には、曲線（ロ）に従って、冷媒の流量をＱ２まで増加しなければならない（動作点をＡ’で示す）。そのためには、冷媒を駆動するポンプの能力を高めなければならず、冷却装置が大形化する。

さらに水冷方式は、一旦冷媒に受熱した熱を外気温度により放熱する熱移送によるものであるから、移送できる熱量は、冷媒液の沸騰温度（純水なら１００℃）と放熱のための外気温度（例えば２０℃）とにより制限される。つまり、冷媒の受熱時の温度上昇ΔＴに自ずと限界を有する（ΔＴが減少する）ために、流量Ｑを上げてもこれに比例して吸熱することができない飽和冷却状態（動作点をＡｓａｔで示す）が存在する。これは電子機器へ搭載する発熱体の冷却において、仕様冷却温度Ｔ２に限界値（下限値）が存在することを意味する。

一方潜熱方式は、気化熱を利用するため曲線（イ）のように吸熱特性が優れる。しかしながら、冷却可能温度が冷媒の沸点で制約されることから冷却温度を自由に変更できない。また、後述するように多量の冷媒を完全に気化させることは困難であり、冷媒の気化により体積膨張と圧力増加が伴うことから、これに対して流路配管の十分な強度対策を必要とする。よって、潜熱方式のみの冷却方式では装置の小型化は困難である。

これに対し、本実施例における潜熱方式と水冷方式とを併用する冷却動作について説明する。本実施例の併用方式では、冷媒の最大流量をＱ１としながら、高発熱体１’（温度Ｔ１’）の発熱量の増大によって、冷媒の一部分の流量Ｑ３が気化されて気化熱により吸熱する潜熱方式を利用する。すると吸熱特性は曲線（イ）に移行し、吸熱量はＢ点まで増加する。そして残りの吸熱を水冷方式である曲線（ロ）の吸熱特性に従い、流量をＱ１まで増加することでＢ点からＣ点まで吸熱させる。その結果、トータルとして所望の吸熱量Ｗ１’を効率よく達成することができる。この場合、潜熱方式による吸熱量がＢ点より少ないと、冷媒流量Ｑ１だけでは必要な吸熱量Ｗ１’を得ることができず、仕様冷却温度Ｔ２まで冷却できない。よって、潜熱方式による吸熱量と、水冷方式による吸熱量を的確に配分することが重要であり、本実施例では、冷媒の流量にて制御することで両者の配分を最適化し、効率的な冷却特性を実現するものである。

本実施例の併用冷却方式では、気化状態の冷媒と液体状態（受熱後）の冷媒の通流を１つの冷却装置で構成し、潜熱方式と水冷方式を冷媒流量により意図的に切り替える制御を行う。冷媒を駆動するポンプ５の容量（流量能力）は、双方の方式を利用することで、小容量・小型化が図れる。言い換えれば、ポンプ５の容量が一定であっても、より大きな冷却性能が得られる。また、発熱体の発熱量が変動しても、ポンプ５の最大流量を一定としながら、潜熱方式の流量配分を制御することで対応することができる。

ここで、従来の冷却装置においても、冷媒が気液混合状態で駆動される場合があり得たが、本実施例の動作とは基本的に相違することを述べる。例えば、水冷方式の装置でありながら、発熱体の発熱により冷媒の一部が気化している場合、あるいは逆に潜熱方式の装置でありながら、冷媒の一部が気化されずに液体のままで駆動される場合がある。これらは、現象として気液混合の状態で使用されていることになるが、いずれも意図しないものであり、また好ましくない現象である。なぜなら、冷媒が気液混合状態で移送される場合、水冷方式においては、混入する気体によりポンプの駆動不能や、循環流路より冷媒漏れが生じる等の問題を生じる。一方潜熱方式においては、液体の逆流や、気化量の不足による冷却能力の低下の問題を生じる。よって、正常な冷却動作を維持し冷却能力の低下を防止するため、それぞれの方式において冷媒の気液混合状態の発生を極力排除する工夫が必要とされる。

これに対し本実施例は、この潜熱方式と水冷方式の双方を利用するために、通常の圧力環境で冷媒を気体と液体の２つの相状態で循環駆動を可能とさせ、上記した従来技術の問題を回避している。そのために、後述するように、冷媒流路である配管６やタンク４の構造を工夫している。

本実施例では２つの冷却方式を併用することで、冷却性能が向上させるだけでなく、発熱体の冷却温度の設定が自由となる。例えば冷媒として純水を大気圧環境で使用する場合、冷媒の沸点は約１００℃である。よって、沸点を利用する潜熱方式の場合には、冷却温度は沸点（約１００℃）以下にはならない。一般の電子機器に要求される仕様冷却温度を約７０℃程度とすると、この要求を実現できないことになる。水冷方式との併用方式とすることで、沸点（約１００℃）から、要求される冷却温度（約７０℃）までさらに冷却することが可能となる。すなわち、沸点の低い冷媒に変えたり、流路内の圧力を大気圧以下に減圧したりすることなく、要求された冷却温度を実現できるので、使い勝手が大きく向上する。

本実施例の併用方式においては、潜熱方式と水冷方式とを冷媒の流量を制御することで切り替えるものである。そこで、受熱部２における冷媒の流量と吸熱動作（気化動作）との関係について説明する。

冷媒の吸熱量は、発熱体１からの熱伝達によって行われる。この熱伝達される熱量Ｍは、熱伝達率をｈとし、物質間の温度差をΔｔとすると、（３）式に示される。
Ｍ＝ｈ（Ｑ）・Δｔ ・・・（３）
ここに熱伝達率ｈは物性値ではなく、表面形状、流量、圧力などによって定まる値である。受熱部２は、発熱体１からの熱を冷媒に伝達して冷媒を気化しやすくするため、冷媒との接触面積の増大を図るように精細な流路で構成して、熱伝達率ｈを大きくしている。

また、熱伝達率ｈは、冷媒の流量Ｑによっても影響を受ける。図２で説明したように、流量Ｑが大きくすると吸熱量Ｗは増大し、基本的には冷却能力向上のために好ましい。しかし流量Ｑが大きいことは、冷媒の流速と流路の断面積を大きくすることになる。よって、流量Ｑが過剰に大きい場合、発熱体１からの熱を冷媒内部まで十分熱伝達することができず、潜熱冷却方式において冷媒内部は気化できない状態となる。その結果、流量Ｑを増加させたのにもかかわらず、流量Ｑに見合う冷却能力が得られない現象に陥る。つまり、通流する冷媒の気化をより活発に行わせるためには、真夏の道路への打ち水を行う如く、受熱部２において発熱体１からの受熱面と冷媒との熱接触面積を最大化させることが肝要となる。

このように本実施例の冷却装置は、電子機器に発熱体の発熱量が増加する半導体回路等が搭載されても、冷却装置のポンプ性能等を変更することなく、小型で効率良い冷却を実現することができる。このことは、電子機器の顧客の要求による機種の多様化に容易に対応でき、ひいては生産性の向上にも寄与する。

図３は、本実施例の冷却装置における冷却動作（受熱と放熱）を概念的に説明する図である。図３では、従来の水冷方式と本実施例の冷却併用方式とを比較している。

電子機器の発熱体１は発熱温度Ｔ１を有し、冷却装置はこれを仕様冷却温度Ｔ２まで冷却するものとする。これを実現するために冷却装置は、受熱部において、発熱体から冷媒へ熱量Ｗ１を受熱し、受熱した熱量は、放熱部において冷媒から外部へ熱量Ｗ２を放熱する。この際、受熱時の熱量Ｗ１と放熱時の熱量Ｗ２は等しく、放熱時は、冷媒の温度を受熱時の温度Ｔ２から放熱時の温度Ｔ３へ下げる必要がある。

従来の水冷方式においては、図３の左側に示すように、発熱体の発熱温度Ｔ１がより高い温度Ｔ１’である場合、同一の仕様冷却温度Ｔ２とするためには、受熱部にて受熱すべき熱量はＷ１’へ増加する。同様に放熱部にて放熱すべき熱量はＷ２’へ増加し、放熱時の温度をさらに低いＴ３’まで下げなければならない。このことは、冷媒の通流する流量をＱ１（Ｑ２）からＱ１’（Ｑ２’）へ多くするため駆動力の大きなポンプを搭載し、高発熱体に対応した大形、高性能な受熱部、放熱部とすることが必要になる。

これに対し、本実施例の潜熱方式と水冷方式との併用方式における冷却動作を説明する。図３の右側に示すように、高温の発熱体１の発熱温度Ｔ１’に対し、蒸発（気化）熱によって受熱して冷却を行うことで、冷媒の沸点温度（Ｔ４＝１００℃）まで下げることができる（潜熱方式）。さらに、一旦沸点まで下がった発熱体１の温度を、液体状態の冷媒にて受熱して仕様冷却温度Ｔ２まで下げる（水冷方式）。この場合の水冷方式による受熱温度差は（Ｔ４−Ｔ２）と狭くなることから、放熱温度差も（Ｔ２−Ｔ５）も狭くすることができる。その結果、小型の受熱部２と小型の放熱部３とした水冷装置で良いことになる。一方気化した冷媒を凝縮して液化するには、沸点を境にして温度をある程度下げれば液化し放熱が可能である。その際、この液化速度を速めるために、図１に示すように、タンク４内の冷媒液に放熱部３の放熱管の一部を熱接続させる構造とすることが有効である。

以上のように併用方式とすることで、高温の発熱体に対する冷却効率を向上させ、装置の小形化を図ることができる。また、所定の流量を駆動するポンプ５を搭載した冷却装置において、高発熱体１’が搭載された場合にも潜熱冷却を最適に行わせることで、ポンプ５の駆動流量を増大することなく、所望の冷却特性を実現できる。

すなわち、ポンプ５の流量（最大能力）が所定の流量Ｑ１とされた冷却装置を搭載した電子機器において、半導体回路Ａを高発熱の半導体回路Ｂに置き換えた製品とする場合、従来は、水冷装置の仕様をより高性能（流量大）のものに変更する必要があった。本実施例の冷却装置においては、ポンプの最大流量Ｑ１を変えず、発熱体の発熱温度Ｔ１’、仕様冷却温度Ｔ２に基づき、流量を最適に切り替えることで対応する。まず受熱温度差（Ｔ１’−Ｔ２）から吸熱すべき熱量Ｗ１’を求め、前記図２の吸熱特性（併用方式）において吸熱量Ｗ１’となる動作点Ｃ点を決定する。そして、水冷方式と潜熱方式を切り替えるべき動作点をＢ点とし、潜熱方式時のポンプの冷媒の流量をＢ点に相当するＱ３と設定する。そして、まず流量Ｑ３を供給して全量Ｑ３を気化させ、その後流量をＱ１に切り替えて残りの熱量を吸熱する。このように、ポンプ５の駆動流量をＱ１とＱ３の間で切り替えるように制御することで、所望の温度Ｔ２まで冷却することができる。

図１に示す本実施例の制御部８は、ポンプ５の流量をＱ１とＱ３との間で切り替える制御を行うものである。もしも、この流量切り替えを行わないで一定の流量（例えばＱ１）を通流した場合、発熱体の発熱量の増加によって一部の冷媒が気化されるものの、目標とする流量Ｑ３について十分な気化を行うことはできない。よって上記のような本実施例の動作を実現することはできない。またこの切り替え流量Ｑ３の値は、発熱体の発熱量Ｗ１によって異なる値を設定する。この流量の切り替えは、発熱体１あるいは受熱部２についての温度検出部７による温度検出結果に基づいて切り替えるようにする。

図４は、本発明による冷却装置の他の実施例を示す概念構成図である。この実施例では、双方の冷却方式に最適な流量を供給する専用のポンプを設けて、冷媒の駆動を切り替える構成としたものである。これは、潜熱方式と水冷方式における冷媒の通流する流量の差が大きい場合に有効である。すなわち、ポンプとして潜熱冷却用の小容量の冷媒流量Ｑ３を供給するポンプ５１と、水冷冷却用の大容量の冷媒流量Ｑ１を供給するポンプ５２をそれぞれ専用に設ける。その際受熱部２は、後述するように、潜熱冷却用の流路と水冷冷却用の流路を、上下あるいは並行に専用に配置して、冷媒の通流Ｑ１，Ｑ３を同時に行う構成とすれば、より冷却性能を向上させることができる。勿論、この構成においても、温度検出部７による温度検出結果に応じて流量Ｑ３を変化させるようにすれば、よりきめ細かな冷却制御が可能となる。

図５は、図４の冷却装置における受熱部２の概略構成を示す斜視図である。この例では気化による潜熱冷却と熱移送による水冷冷却とを同時に行わせるために、受熱部２の流路を２系統設けた。まず、冷媒の気化を行わせる流路２１を発熱体側に構成し、その上部あるいは隣部において液体の冷媒で熱移送する流路２２を分離して構成する。これにより、潜熱冷却と水冷冷却とを独立に同時に実行できる。

さらには本実施例の冷却装置において、冷媒は気化した状態、液体の状態、あるいは両者の混合された状態で循環通流することになる。このような冷媒を安定して循環させるために、図１または図４において次のような構成とした。

通流された冷媒の体積Ｖについてみると、受熱部２に通流される液体としての冷媒の体積Ｖ１は、受熱部２で気化されて瞬間的には数倍〜１０数倍に膨張した体積Ｖ２となって配管６１へ移送される。よって、この配管６１は、冷媒の膨張による圧力増加に対応できる強度を有する必要があり、金属管等で構成する。配管６１を通流した気化冷媒は、放熱部３に移送されて、例えばファン等で冷却されて凝縮し液化される。この液化された冷媒は、この放熱部３に接続された大容量の空気層を貯留するタンク４に流出される。このタンク４は、受熱部２から放熱部３までの区間で気化している状態の冷媒が占める配管容積Ｖ３の、数倍〜１０数倍の空気層容積Ｖ４を貯留可能なアキュムレータ構造としている。よって、配管６１で瞬間的に体積膨張Ｖ２によって圧力が増加しても、貯留されている空気層容積Ｖ４によって圧力分散され、流路全体の圧力は緩和される。その結果、冷却装置の全流路の圧力は、常圧に近い圧力状態に保持することができる。なお、空気層を貯留するアキュムレータは、放熱部３の手前の配管６１の部分に設けてもよい。

さらには、放熱部３で凝縮された冷媒は、放熱部３の放熱能力により多少の温度差はあるにしても、沸点温度Ｔ４より低い液体冷媒となってタンク４に流入するように構成する。ここで、タンク４に貯留されている液体の冷媒量は、受熱部２に通流された冷媒量Ｖ１よりも、数倍〜数１０倍の大きな冷媒量を貯留している。よってタンク４に流入する液化したばかりのやや高温の液体冷媒は、このタンク４内の液体冷媒によってさらに冷却される。その後、タンク４内の液体冷媒は、流出口からポンプ５によって受熱部２へ循環駆動される。

この際、ポンプ５は受熱部２に通流する冷媒の量を制御する。すなわち、前記図２で説明したように、冷媒の通流量Ｑを、潜熱方式に適した流量Ｑ３と、水冷方式に適した流量Ｑ１とを切り替えて供給する。または前記図４で説明したように、２台のポンプ５１，５２は、それぞれ潜熱方式に適した流量Ｑ３と水冷方式に適した流量Ｑ１とを専用に供給する。

このように本実施例によれば、冷媒を２つの相状態で循環駆動するにもかかわらず、冷却装置の全流路の圧力は常圧に近い圧力状態に保持することができる。よって、ポンプの駆動不能や、循環流路からの冷媒漏れ等の問題がなく、正常な冷却動作を安定に維持することができる。

本発明の冷却装置を搭載した電子機器の一実施例を示す概念構成図である。 受熱部２における通流する冷媒の流量と吸熱量の関係（吸熱特性）を示す図である。 本実施例の冷却装置における冷却動作（受熱と放熱）を概念的に説明する図である。 本発明による冷却装置の他の実施例を示す概念構成図である。 図４の冷却装置における受熱部２の概略構成を示す斜視図である。

符号の説明

１…発熱体、
２…受熱部、
３…放熱部、
４…タンク、
５，５１，５２…ポンプ、
６，６１，６２…配管、
７…温度検出部、
８…制御部、
１０…電子機器。

Claims (5)

1. 冷却対象となる発熱体の発生する熱を冷媒に受熱する受熱部と、
   上記冷媒の受熱した熱を外部に放熱する放熱部と、
   上記受熱部と上記放熱部との間で上記冷媒を循環させる配管と、
   上記冷媒を貯留するタンクと、
   上記冷媒を駆動するポンプと、
   上記ポンプの駆動する冷媒の流量を制御する制御部とを備える冷却装置であって、
   上記受熱部は、上記冷媒が気化する際の気化熱を利用する潜熱冷却モードと、上記冷媒が液体状態で熱移送する水冷冷却モードの２つの冷却モードが可能であり、
   上記放熱部は、上記受熱部で気化した冷媒を凝縮して液化する放熱機能と、上記受熱部で受熱した液体冷媒から放熱する放熱機能とを有し、
   上記制御部は、上記ポンプの駆動する冷媒の流量を制御することによって、上記受熱部における冷却モードを切り替えることを特徴とする冷却装置。
2. 請求項１記載の冷却装置において、
   前記制御部は、前記ポンプの駆動する冷媒の流量を小さくすることによって、前記冷却モードを前記潜熱冷却モードに切り替え、前記ポンプの駆動する冷媒の流量を大きくすることによって、前記冷却モードを前記水冷冷却モードに切り替えることを特徴とする冷却装置。
3. 請求項１または２記載の冷却装置において、
   前記配管のうち、前記受熱部から前記放熱部へ向かう循環流路は少なくとも密閉性の高い金属配管とし、
   前記タンクは、前記受熱部から前記放熱部へ向かう循環流路の冷媒通流容積よりも大きい容積を有し、前記冷媒とともに空気層を貯留し、前記冷媒の気化による循環流路内の圧力増加を該空気層により緩和する構造としたことを特徴とする冷却装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冷却装置において、
   前記ポンプとして２台のポンプを有し、
   第１のポンプは、前記受熱部において潜熱冷却モードにて動作させるための流量の冷媒を駆動し、第２のポンプは、前記受熱部において水冷冷却モードにて動作させるための流量の冷媒を駆動するものであって、
   前記制御部は、上記第１のポンプ及び上記第２のポンプのいずれか一方を駆動させ、あるいは両方同時に駆動させることを特徴とする冷却装置。
5. 内蔵する発熱体を冷却する機能を有する電子機器において、
   上記発熱体の発生する熱を冷媒に受熱する受熱部と、
   上記冷媒の受熱した熱を外部に放熱する放熱部と、
   上記受熱部と上記放熱部との間で上記冷媒を循環させる配管と、
   上記冷媒を貯留するタンクと、
   上記冷媒を駆動するポンプと、
   上記ポンプの駆動する冷媒の流量を制御する制御部と、
   上記発熱体の温度、あるいは上記受熱部における冷媒の温度を検出する温度検出部とを備え、
   上記受熱部は、上記冷媒が気化する際の気化熱を利用する潜熱冷却モードと、上記冷媒が液体状態で熱移送する水冷冷却モードの２つの冷却モードが可能であり、
   上記放熱部は、上記受熱部で気化した冷媒を凝縮して液化する放熱機能と、上記受熱部で受熱した液体冷媒から放熱する放熱機能とを有し、
   上記制御部は、上記温度検出部の検出した温度に基づいて上記ポンプの駆動する冷媒の流量を制御することによって、上記受熱部における冷却モードを切り替えることを特徴とする電子機器。

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