JP2008082694A - 冷却方法及びそれによる冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機を使用せずに、冷媒、エタノールなどの作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて冷却対象を冷却する冷却方法及び冷却装置を提供する。
【解決手段】圧縮機を使用せずに、気相−液相の相変化を利用して作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却方法であって、
前記凝縮ユニットにより凝縮させた液体の作動流体を自重で前記冷却対象に送り、前記冷却対象の熱で蒸発した気体の作動流体を、前記凝縮ユニットでの凝縮及び前記冷却対象での蒸発により生じた圧力差で前記凝縮ユニットに送る。
【選択図】図３

Description

この発明は、冷却方法及びそれによる冷却装置に関し、特に圧縮機によらずに気相−液相の相変化を利用して冷媒、エタノールなどの作動流体を、凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却方法及びそれによる冷却装置に関する。

従来、気相−液相の相変化を利用して冷媒を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて冷却対象を冷却する冷却方法及びそれによる冷却装置は、冷却対象から熱を奪って蒸発した気体の冷媒を圧縮機により圧縮してから、凝縮ユニットにより凝縮させることにより、冷媒を相変化させながら凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させる。

このような冷却方法及び冷却装置は、各方面によく利用されているが、圧縮機が割合に膨大であるので、コンピュータのメインフレーム、特にその集積回路の冷却には利用されにくい、という欠点がある。

ところで、電圧の印加に制御されてその一端面から熱を排出し、他端面が冷却面になって冷却対象から熱を吸収する熱電冷却チップは従来公知である。そして、このような熱電冷却チップを利用する冷却方法及び冷却装置が既に台湾実用新案第２９５４２４号公報により提案されているが、この提案の冷却装置には、図８に示すように、熱電冷却チップ１２が凝縮ユニット１１から独立し、且つ前記従来の冷却装置と同様に圧縮機１３が設けられているので、やはり体積が膨大で集積回路の冷却には利用されにくい、という欠点がある。
台湾実用新案第２９５４２４号

本発明は、上記に鑑み提案されたものであって、圧縮機を使用せずに、冷媒、エタノールなどの作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却方法及びそれによる冷却装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１の発明は、圧縮機を使用せずに、気相−液相の相変化を利用して作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却方法であって、前記凝縮ユニットにより凝縮させた液体の作動流体を自重で前記冷却対象に送り、前記冷却対象の熱で蒸発した気体の作動流体を、前記凝縮ユニットでの凝縮及び前記冷却対象での蒸発により生じた圧力差で前記凝縮ユニットに送ることを特徴とし、また請求項２の発明は、請求項１の特徴に加えて、前記凝縮ユニットで前記作動流体を凝縮させるために、空冷および熱電冷却の少なくとも一方を使用することにより、前記凝縮及び前記循環を速めることを特徴とする。

また請求項３の発明は、気相−液相の相変化を利用して作動流体を、凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却装置であって、前記凝縮ユニットは前記冷却対象より高く置かれて、該凝縮ユニットにより冷却した液体の作動流体を自重で前記冷却対象に送ることができ、且つ前記冷却対象の熱で蒸発して気体になった作動流体を、前記凝縮ユニットでの凝縮及び前記冷却対象での蒸発により生じた圧力差で前記凝縮ユニットに送ることができるように構成されていることを特徴とし、また請求項４の発明は、請求項３の前記特徴に加えて、前記凝縮ユニットは、熱電冷却チップを備えている空冷式のものであり、それにより、空冷の他に熱電冷却で、前記冷却対象から熱を奪って気体になった作動流体を強力的に凝縮させてから再び前記冷却対象へ流すことができることを特徴とし、更に請求項５の発明は、請求項４の特徴に加えて、前記凝縮ユニットは、上部に位置する気相室と、下部に位置する液相室と、それら気相室と液相室との中間位置に在って、その両室間を連通している空冷式の熱交換手段とを備えており、前記熱電冷却チップは、上面が冷却面であり且つ下面が放熱面である平板状に形成されていて、該冷却面が前記液相室の下面に接合されることを特徴とする。

さらに請求項６の発明は、請求項５の特徴に加えて、前記凝縮ユニットと前記冷却対象との間は、前記作動流体が前記液相室から出て前記冷却対象を通過した後、前記気相室に帰る、という循環系統になっており、前記冷却対象は、前記循環系統を流れる前記作動流体が内部を通過することで該冷却対象の熱を前記作動流体に吸収させる冷却手段を一体に備えることを特徴とし、また請求項７の発明は、請求項６の特徴に加えて、前記冷却手段は平面的なものであることを特徴とし、また請求項８の発明は、請求項６の特徴に加えて、前記循環系統は複数の循環回路からなっており、各循環回路にはそれぞれ前記冷却手段が設けられていて異なる冷却対象に取り付けられてそれを冷却することができることを特徴とし、また請求項９の発明は、請求項６〜８の何れかの特徴に加えて、前記循環系統には、前記凝縮ユニットの液相室からの液体の作動流体を分流させて前記各冷却手段に流す分流器と、前記各冷却手段からの気体の作動流体を収集して前記凝縮手段の気相室に送る収集器とが設置してあることを特徴とし、また請求項１０の発明は、請求項８の特徴に加えて、前記複数の循環回路における冷却手段は互いに並列になっていることを特徴とし、また請求項１１の発明は、請求項６〜１０の特徴に加えて、前記循環系統は、複数の冷却手段を直列に連通する循環回路になっており、前記複数の冷却手段により、異なる冷却対象を冷却することができることを特徴とし、また請求項１２は、請求項６〜１１の特徴に加えて、前記作動流体は、減圧状態において前記循環系統内に充填されているものであることを特徴とする。

そして、本発明は、前記凝縮ユニットでの凝縮として、空冷の他にも熱電冷却を使用して前記凝縮及び前記循環を速めることにより、前記圧縮機の使用しない冷却方法をさらに実用的なものとすることができる。即ち、本発明は、前記冷却装置において、前記凝縮ユニットを、熱電冷却チップを備えている空冷式のものとし、それにより、空冷の他に熱電冷却で、前記冷却対象から熱を奪って気体になった作動流体を強力的に凝縮させてから再び前記冷却対象へ流すことができるので、前記凝縮及び前記循環を速めることができる。

なお、本発明は、前記凝縮ユニットと前記冷却対象との間に、配管などにより、前記凝縮ユニットから出て前記冷却対象を通過した後、前記凝縮ユニットに帰る、という循環系統を形成し、且つ該循環系統の前記冷却対象を通過する途端に、前記冷却対象と密着することができる冷却手段を設ける、という構成方法を考え出して、前記配管などによってなる循環系統の延伸によって前記凝縮ユニットを使用時に前記冷却対象より高く置くことができるようにしている。

本発明によれば、圧縮機を使用せずに、冷媒、エタノールなどの作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却することができる。

また特に請求項３の発明に係る冷却装置は、凝縮ユニットが冷却対象よりも高位置に置かれるので、前記凝縮ユニットにより凝縮させた液体の作動流体は自重により前記冷却対象に流れ、また、前記冷却対象に蒸発してなる気体の作動流体は、その蒸発による圧力増と前記凝縮ユニットでの凝縮による圧力減とにより前記凝縮ユニットに流れ、即ち、前記作動流体は、自ずと前記凝縮ユニットと前記冷却対象との間に循環できるようになる。

また特に請求項４又は５の発明に係る冷却装置は、前記のように液体に凝縮した作動流体の自重をよく利用する上、前記凝縮ユニットでの凝縮として、空冷の他にも熱電冷却を使用するので、前記凝縮及び前記循環を速めることができる。

以上のように本発明方法及び装置によれば、圧縮機を使用せずに（従って装置の大型化を伴うことなく）冷却対象を有効に冷却することができるので、電子工業、例えばコンピューターのメインフレーム、特にその集積回路の冷却に適用して効果的である。

なお、作動流体として、普通のフレオン冷媒ではなく、エタノールなどを使用すれば、環境の負担を低減することができる。

本発明にかかる冷却方法は、概して言えば、圧縮機を使用せずに、気相−液相の相変化を利用して作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却するものである。

本発明にかかる冷却方法は、もっと詳しく言えば、前記凝縮ユニットにより凝縮させた液体の作動流体を自重で前記冷却対象に送り、前記冷却対象により蒸発させた気体の作動流体を前記凝縮ユニットでの凝縮及び前記冷却対象での蒸発により凝縮ユニットと冷却対象間に生じた圧力差で前記凝縮ユニットに送るものであって、特に、前記凝縮ユニットでの凝縮として、空冷の他にも熱電冷却を使用して前記凝縮を速めるものである。

以下、図面に基づいて、前記のような冷却方法によってなされていて該冷却方法をコンピューターのメインフレームに実施することができる冷却装置の例を参照しながら該冷却方法を説明する。

図１は、本発明の冷却装置の一実施形態例の分解斜視図である。図２は、図１の冷却装置における凝縮ユニットの部分断面図である。図３は、図１の冷却装置がコンピューターに適用された場合の側面配置図である。図４は、図３の前面図である。図５は、前記冷却装置での放熱動作を説明するフローチャートである。図６は、図１の冷却装置の第１変形例の模式図である。図７は、図１の冷却装置の第２変形例の模式図である。

図１と図２に示すように、この冷却装置は、凝縮ユニット４と、配管などから構成される流路５と、冷却手段６とを備えている上、コンピューターのメインフレーム３の内部に、気相−液相の相変化を利用して作動流体を凝縮ユニット４と、例えばコンピューターの集積回路などにおけるチップモジュールである冷却対象３５との間に循環させて冷却対象３５を冷却することができるように配置構成されているものである。前記作動流体としては、常温では気体である液化フレオン冷媒が使用され、且つ減圧状態において流路５内に充填されているが、これに限定されず、例えばその伝熱効果をもっと上げるために例えばエアコン用フロンが使用されても良く、また環境にやさしくするためにエタノールなどが使用されてもよい。

凝縮ユニット４は、図２と図３に示すように、コンピューターのメインフレーム３内に冷却対象３５より高く置かれており、且つ気相室４１と、液相室４２と、熱交換手段４３と、熱電冷却チップ４４と、ヒートシンク４５と、ファン４６とからなっている。

気相室４１と液相室４２は、それぞれ凝縮ユニット４の上下にあり、熱交換手段４３は、板式のものであり、即ち、相互間に隙間を空けて対面する一対の伝熱板から構成してなる板管４３１が、気相室４１と液相室４２との間において、該気相室４１と該液相室４２とを連通させるように複数並列に配置されて構成されるものであり、これにより、各板管４３１の中には作動流体が流れて、それらの外にある外気と熱の授受を行うことができる。

熱電冷却チップ４４は、冷却面４４１と放熱面４４２とをそれぞれ反対向きに配した平面的なものであって、その上面側の冷却面４４１が液相室４２の下面に接合され、またその放熱面４４２が下向きに置かれる。

ヒートシンク４５は、図１のように、熱交換手段４３の複数の板管４３１の並列方向と平行する一側にも広がっているが、その一部が熱電冷却チップ４４の放熱面４４２に接合されて液相室４２との間で熱電冷却チップ４４を上下から挟んでおり、熱電冷却チップ４４の放熱面４４２から受けた熱を、その外面に並べられている多数のフィン４５１から大気に放出することができる。

ファン４６は、ヒートシンク４５の反対側において、熱交換手段４３に向けて送風することができるように配置されている。それにより、ファン４６の送風は熱交換手段４３の複数の板管４３１の間の各隙間を通過することができるので、熱交換手段４３のあらゆる板管４３１だけでなく、ヒートシンク４５も熱交換手段４３の一側に広がっている部分によりファン４６の強制送風で有効に熱交換することができる。

流路５は、複数の配管からなっているものであって、凝縮ユニット４と冷却対象３５とを繋げて、液相室４２から出て冷却対象３５を通過した後、気相室４１に帰る、という循環系統５Ａになっている。

冷却手段６は、作動流体が循環系統５Ａの複数の冷却対象３５を通過する際に、異なる冷却対象３５を順次冷却するために、相互に直列に連通するように複数設けられている。そして、冷却手段６は、図示例では冷却対象３５の平面形態に対応させた平面的な形態に形成されて冷却対象３５の本体部分と十分な伝熱面積を以て一体的に密着、接合しており、その冷却手段６の内部には、作動流体が該冷却手段６の全域に亘り流通可能な空間が形成される。

冷却手段６の外形は、これに限定されず、冷却対象と密着することができるように形成されればよい。

次に、図５を参照しながら前記冷却装置において行われる放熱の動作について説明する。

まず、液体の作動流体が凝縮ユニット４の液相室４２から自重で最初の冷却対象３５に設けられている冷却手段６に流れ、そこで冷却対象３５の発熱を吸収して部分的に蒸発する（図５のステップ（ａ）参照）。

前記部分的に蒸発した作動流体は、その部分的な蒸発に伴う圧力上昇により、次の２の冷却対象３５に設けられている冷却手段６を順序的に通過し、前記と同じ作用をした後、ほぼ完全な気体状態になって凝縮ユニット４の気相室４１に回流する。（図５のステップ（ｂ）参照）。

そして、凝縮ユニット４の気相室４１に回流した気体の作動流体は熱交換手段４３を通過するうちに、ファン４６による空冷の他にも熱電冷却チップ４４を介して強力的に凝縮させられて液体になって液相室４２（図５のステップ（ｃ）参照）、そして再び冷却対象３５に流れ、循環になる（図５のステップ（ｄ）参照）。この時、凝縮ユニット４での凝縮に伴なう圧力降下及び冷却対象３５（冷却手段６）での前記蒸発に伴う圧力上昇により凝縮ユニット４と冷却対象３５（冷却手段６）間で生じた圧力差で前記循環を行わせた上で、熱電冷却チップ４４による強力的な凝縮で、前記循環を更に速めることができる。

このようにして、冷却対象３５の熱は、外部へ放出され、冷却対象３５を効果的に冷却することができる。

もちろん、本発明にかかる冷却方法を実施することができる冷却装置は、前記のような冷却装置の構成に限らず、ほかに例えば図６、図７に示すようなものがある。図６は、図１の冷却装置の第１変形例の模式図である。図７は、図１の冷却装置の第２変形例の模式図である。

図６に示すように、第１変形例の冷却装置の構成は、図１の冷却装置のと同じだが、その相違点は、循環系統５Ｂは三つの循環回路５１Ｂからなっており、各循環回路５１Ｂにはそれぞれ冷却手段６Ｂが設けられていて異なる冷却対象３５Ｂに取り付けられてそれを冷却することができ、また、凝縮ユニット４Ｂの液相室４２Ｂからの液体の作動流体を分流させて各冷却手段６Ｂに流す分流器５２Ｂと、各冷却手段６Ｂからの気体の作動流体を収集して凝縮手段４Ｂの気相室４１Ｂに送る収集器５３Ｂとが設置してあることにある。

図７に示すように、第２変形例の冷却装置の構成は、第１変形例の冷却装置のと同じだが、その相違点は、循環系統５Ｃは五つの循環回路５１Ｃからなっており、各循環回路５１Ｃにはそれぞれ冷却手段６Ｃが設けられている上、あらゆる冷却手段６Ｃが互いに並列になっていることにある。

次に、同じく図５を参照しながら前記図６及び図７の冷却装置において行われる放熱の動作について説明する。

まず、液体の作動流体が凝縮ユニット４Ｂ（４Ｃ）の液相室４２Ｂ（４２Ｃ）から自重で各冷却対象３５Ｂ（３５Ｃ）に設けられている冷却手段６Ｂ（６Ｃ）に流れ、そこらで冷却対象３５Ｂ（３５Ｃ）の発熱を吸収して蒸発する（図５（ａ）参照）。

前記蒸発した作動流体は、その蒸発に伴う圧力上昇により、凝縮ユニット４Ｂ（４Ｃ）の気相室４１Ｂ（４１Ｃ）に回流する。（図５（ｂ）参照）。

そして、凝縮ユニット４Ｂ（４Ｃ）の気相室４１Ｂ（４１Ｃ）に回流した気体の作動流体は熱交換手段４３Ｂ（４３Ｃ）を通過するうちに、ファン４６Ｂ（４６Ｃ）による空冷の他にも熱電冷却チップ４４Ｂ（４４Ｃ）を介して強力的に凝縮させられて液体になって液相室４２Ｂ（４２Ｃ）（図５（ｃ）参照）、そして再び冷却対象３５Ｂ（３５Ｃ）に流れ、循環になる（図５（ｄ）参照）。

このようにして、冷却対象３５Ｂ（３５Ｃ）の熱も、外部へ放出させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定して狭義に解釈されるものではなく、本発明の思想の範囲内において種々の変形や変更が可能である。

例えば、前記実施例では、冷却対象３５，３５Ｂ，３５Ｃとは別々に形成され内部に作動流体が流通可能な所定形態の冷却手段６，６Ｂ，６Ｃを冷却対象３５，３５Ｂ，３５Ｃに一体的に密着させて、冷却対象３５，３５Ｂ，３５Ｃの熱を、冷却手段６，６Ｂ，６Ｃを通過する作動流体により吸収させる（即ち冷却対象３５，３５Ｂ，３５Ｃを冷却する）ようにしたものを示したが、本発明では、冷却対象自体に作動流体の流通路を直接設けるようにしてもよく、その場合は、その流通路が冷却手段となる。

本発明の冷却装置の一実施形態例の分解斜視図。 図１の冷却装置における凝縮ユニットの部分断面図。 図１の冷却装置がコンピューターに適用された場合の側面配置図。 図３の前面図。 前記冷却装置での放熱動作を説明するフローチャート。 図１の冷却装置の第１変形例の模式図。 図１の冷却装置の第２変形例の模式図。 従来の冷却装置の一例の分解斜視図。

符号の説明

３ コンピューターのメインフレーム
３５、３５Ｂ、３５Ｃ 冷却対象
４、４Ｂ、４Ｃ 凝縮ユニット
４１、４１Ｂ、４１Ｃ 気相室
４２、４２Ｂ、４２Ｃ 液相室
４３ 熱交換手段
４３１ 板管
４４、４４Ｂ、４４Ｃ 熱電冷却チップ
４４１、４４１Ｃ 冷却面
４４２、４４２Ｃ 放熱面
４５ ヒートシンク
４６ ファン
５ 流路
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ 循環系統
５１Ｂ、５１Ｃ 循環回路
５２Ｂ 分流器
５３Ｂ 収集器
６、６Ｂ、６Ｃ 冷却手段

Claims (12)

1. 圧縮機を使用せずに、気相−液相の相変化を利用して作動流体を凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却方法であって、
   前記凝縮ユニットにより凝縮させた液体の作動流体を自重で前記冷却対象に送り、
   前記冷却対象の熱で蒸発した気体の作動流体を、前記凝縮ユニットでの凝縮及び前記冷却対象での蒸発により生じた圧力差で前記凝縮ユニットに送ることを特徴とする冷却方法。
2. 前記凝縮ユニットで前記作動流体を凝縮させるために、空冷および熱電冷却の少なくとも一方を使用することにより、前記凝縮及び前記循環を速めることを特徴とする、請求項１に記載の冷却方法。
3. 気相−液相の相変化を利用して作動流体を、凝縮ユニットと冷却対象との間に循環させて前記冷却対象を冷却する冷却装置であって、
   前記凝縮ユニットは前記冷却対象より高く置かれて、該凝縮ユニットにより冷却した液体の作動流体を自重で前記冷却対象に送ることができ、且つ前記冷却対象の熱で蒸発して気体になった作動流体を、前記凝縮ユニットでの凝縮及び前記冷却対象での蒸発により生じた圧力差で前記凝縮ユニットに送ることができるように構成されていることを特徴とする冷却装置。
4. 前記凝縮ユニットは、熱電冷却チップを備えている空冷式のものであり、それにより、空冷の他に熱電冷却で、前記冷却対象から熱を奪って気体になった作動流体を強力的に凝縮させてから再び前記冷却対象へ流すことができることを特徴とする、請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記凝縮ユニットは、上部に位置する気相室と、下部に位置する液相室と、それら気相室と液相室との中間位置に在って、その両室間を連通している空冷式の熱交換手段とを備えており、
   前記熱電冷却チップは、上面が冷却面であり且つ下面が放熱面である平板状に形成されていて、該冷却面が前記液相室の下面に接合されることを特徴とする、請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記凝縮ユニットと前記冷却対象との間は、前記作動流体が前記液相室から出て前記冷却対象を通過した後、前記気相室に帰る、という循環系統になっており、
   前記冷却対象は、前記循環系統を流れる前記作動流体が内部を通過することで該冷却対象の熱を前記作動流体に吸収させる冷却手段を一体に備えることを特徴とする、請求項５に記載の冷却装置。
7. 前記冷却手段は平面的なものであることを特徴とする、請求項６に記載の冷却装置。
8. 前記循環系統は複数の循環回路からなっており、各循環回路にはそれぞれ前記冷却手段が設けられていて異なる冷却対象に取り付けられてそれを冷却することができることを特徴とする、請求項６又は７に記載の冷却装置。
9. 前記循環系統には、前記凝縮ユニットの液相室からの液体の作動流体を分流させて前記各冷却手段に流す分流器と、前記各冷却手段からの気体の作動流体を収集して前記凝縮手段の気相室に送る収集器とが設置してあることを特徴とする、請求項６〜８の何れかに記載の冷却装置。
10. 前記複数の循環回路における冷却手段は互いに並列になっていることを特徴とする、請求項８に記載の冷却装置。
11. 前記循環系統は、複数の冷却手段を直列に連通する循環回路になっており、前記複数の冷却手段により、異なる冷却対象を冷却することができることを特徴とする、請求項６〜１０の何れかに記載の冷却装置。
12. 前記作動流体は、減圧状態において前記循環系統内に充填されているものであることを特徴とする、請求項６〜１１の何れかに記載の冷却装置。

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