JP3897024B2

JP3897024B2 - 液循環型冷却装置

Info

Publication number: JP3897024B2
Application number: JP2004033761A
Authority: JP
Inventors: 寛規北嶋; 一志酒寄; 忠高橋
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2024-02-10
Also published as: CN1655666A; JP2005228810A; TWI302980B; CN100559924C; KR20050080722A; KR100605422B1; US20050173097A1; TW200526913A

Description

本発明は、系内で液体を循環させて発熱体から発生する熱を液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置に関し、特に、電子機器に搭載された場合にその電子機器の天地逆転設置を可能とする液循環型冷却装置に関するものである。

近年、電子機器の高性能化が進んでおり、特に、本体内に収容される中央演算処理装置(CPU:Central Processing Unit)等の回路部品や、電源装置の発熱量が増大しており、外部への放熱性向上が望まれている。

発熱体の放熱を促すものとして、熱伝導性に優れる金属製のヒートシンクをＣＰＵ等の発熱体に設け、このヒートシンクを空冷する冷却装置が知られているが、空冷型の冷却装置は放熱量に応じたヒートシンクの放熱面積を必要とするために装置の大型化を招くという不都合がある。また、近年、電子機器に要求される高速演算処理性や多機能性に伴ってＣＰＵの発熱量は増大する傾向にあり、空冷型の冷却装置では放熱性がほぼ限界に達している。

かかる放熱性を改善するものとして、冷却液等の伝熱媒体を用いた液循環型冷却装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図８は、従来の液循環型冷却装置の回路を示す概略図である。この液循環型冷却装置５０は、液体を循環させる循環ポンプ５１、発熱素子等の被冷却物に接続され被冷却物から効率良く熱を液体に伝える受熱体５３、放熱スペースに配置され機器筐体外に熱を放熱する放熱器５２、放熱器５２の上方に設けられ循環する液体を貯蔵するリザーブタンク５６、放熱器５２の下方に設けられるヘッダー５７、各部材間を連結し、フレキシブルチューブまたは固定配管からなる配管５４、及び放熱器５２に風を与え強制空冷を行うファン５５を備えている。

この液循環型冷却装置５０では、循環ポンプ５１を駆動することによって循環回路に液体を循環させることにより、発熱素子等の被冷却物から発生する熱を受熱体５３で受容して液体に伝熱し、循環される液体によって放熱器５２へ移送してファン５５により強制空冷して放熱する。

上記液循環型冷却装置５０において、リザーブタンク５６は、各部材の接続部や部材表面からの透液等を考慮し、系の保有液体量を一定にするために設けられるが、電子機器に近接して設置する場合には液漏れを防ぐために密閉構造とする必要がある。しかし、密閉構造では液体の温度変化により系内に圧力変化が生じる。特に、液体の温度上昇時には圧力が上昇することから、リザーブタンク５６内は、液体５６Ａだけでなく圧力上昇にも対応できるように空気層５６Ｂを設けている。また、循環ポンプ５１や放熱器５２、受熱体５３に空気が混入した場合は著しく性能が低下するため、リザーブタンク５６の位置は、一般に系の最も高い位置に配置される。
特開２００３−２０９２１０号公報（図２）

しかしながら、電子機器において使用時の設置状態が固定されている場合は、リザーブタンク５６の位置を常に機器内の最上位に保つことは可能であるが、ユーザーの使い勝手により設置姿勢が変わる場合すなわち天地が逆転する場合は、リザーブタンク５６が最下位となってしまう。

図９に、図８の液循環型冷却装置５０を天地逆転した場合の回路の概略図を示す。この場合は、放熱器５２の上方にヘッダー５７が位置することになり、放熱器５２からヘッダー５７を経由して循環ポンプ５１方向へ液体が流れる。しかしながら、ヘッダー５７内では液体５７Ａの上部に空気層５７Ｂが存在することになり、液体がヘッダー５７の下流側の配管５４に流れる際に、空気も配管５４内に流入することになる。配管５４に空気が混入すると液体の循環性が低下し、循環機能が著しく低下してしまう。

このように、電子機器の使用時の設置状態が天地逆転するケースとしては、例えば「プロジェクター」があげられる。プロジェクターは、床置きで使用する場合と、天上に取り付ける場合があり、「プロジェクター」に液循環型冷却装置を搭載する場合には、この姿勢の変化（天地逆転）に対応することが要求される。

従って、本発明の目的は、電子機器に搭載された場合にその電子機器の天地逆転設置を可能とする液循環型冷却装置を提供することにある。

前記の目的を達成するため、本発明の液循環型冷却装置は、系内で液体を循環させる液循環系を構成すると共に、発熱体から発生する熱を前記液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置において、前記放熱スペースの上流側と下流側に前記液体を貯えるリザーブタンクをそれぞれ設け、前記装置の運転中に下流側に該当するリザーブタンクの液体排出口を常に前記液体で満たすようにしたことを特徴とする。

また、前記の目的を達成するため、本発明の液循環型冷却装置は、系内で液体を循環させる液循環系を構成すると共に、発熱体から発生する熱を前記液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置において、前記放熱スペースに、コア部と該コア部の垂直方向の上下にそれぞれ設けられたリザーブタンク部とを有する熱交換器を設け、前記装置の運転中に前記コア部の下流側に位置するリザーブタンクの液体排出口を常に前記液体で満たすようにしたことを特徴とする。

前記の液循環型冷却装置において、前記コア部の上流側に位置するリザーブタンクの液体導入口を常に前記液体で満たすようにすることもできる。

更に、前記の目的を達成するため、本発明の液循環型冷却装置は、系内で液体を循環させる液循環系を構成すると共に、発熱体から発生する熱を前記液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置において、前記放熱スペースに、コア部と該コア部の水平方向の左右にそれぞれ設けられたリザーブタンク部とを有する熱交換器を設け、前記装置の運転中に前記コア部の下流側に位置するリザーブタンクの液体排出口を常に前記液体で満たすようにしたことを特徴とする。

前記熱交換器として、チューブ、フィン、及びヘッダーからなる「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器を用い、前記ヘッダーがリザーブタンクを兼ねるようにすることもできる。

前記熱交換器の外部に、該熱交換器を強制冷却するファンを設けることもできる。

本発明の液循環型冷却装置では、放熱スペースの上流側と下流側に液体を貯えるリザーブタンクをそれぞれ設けて、装置の運転中に、少なくとも下流側に該当するリザーブタンクの液体排出口を常に液体で満たすような構成としているので、天地逆転設置においても、空気がリザーブタンク以外の系内に流入することを防止できる。このため、電子機器の天地逆転設置が可能となり、液循環型冷却装置の適用範囲を広げることが可能となる。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る液循環型冷却装置の回路を示す概略図である。この液循環型冷却装置１０は、水等の液体を循環させる循環ポンプ１１、放熱スペースに配置し機器筐体外に熱を放熱する熱交換器１２、発熱素子等の被冷却物に接続し被冷却物から効率良く熱を液体に伝える受熱体１３、各部材間を連結し、フレキシブルチューブまたは固定配管からなる配管１４及び熱交換器１２に風を与え強制空冷を行うファン１５を備えている。

熱交換器１２は、コア部１８、該コア部１８の図中垂直方向上方に形成されるリザーブタンク部１６、及び前記コア部１８の図中下方に形成されるリザーブタンク部１７からなり、これらは一体化して形成されている。リザーブタンク部１６及びリザーブタンク部１７は内部に同容量の空間を有している。リザーブタンク部１７内の全空間には液体が満たされているが、リザーブタンク部１６内には、液体１６Ａ及び空気層１６Ｂを有している。

図２は、熱交換器１２の拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。この熱交換器１２は、「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器を用いており、コア部１８と、コア部１８の図中上側に設けられるリザーブタンク部１６と、コア部１８の下側に設けられるリザーブタンク部１７とからなっている。

コア部１８は、放熱性に優れるアルミニウム等の金属によって形成される襞状のフィン１２１をアルミニウム等の金属からなる扁平状のチューブ１２２にろう付けすることによって一体化された「コルゲーテッドストレートフィンコア」を用いている。

また、リザーブタンク部１６及びリザーブタンク部１７は、「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器における上下ヘッダー両方を用いて、これらを共にリザーブタンクとして必要な容量となるようなサイズに形成されている。

リザーブタンク部１６及びリザーブタンク部１７は、内部に同容積の空間を有している。また、リザーブタンク部１６には、その底面側に、液体が流入、排出可能となる液循環口１２３が設けられ、リザーブタンク部１７にも、その上面側に同様の液循環口１２４が形成されている。これらの液循環口１２３、１２４は、図１で示した配管１４と接続できるようになっている。
更に、リザーブタンク部１６の側方には、液体の注入やエアの圧力調整のための注入・エア抜きノズル１２５が設けられている。

リザーブタンク部１６及びリザーブタンク部１７内部の容積は、系全体の容積と液温度上昇時の体積増加に伴う内圧増加量を吸収するための空気量、および系全体の液体分損失量(液体透過量)により決定する。また、注入・エア抜きノズル１２５は液体の注入時以外には塞がれている。

以下、図１及び図２を参照しつつ、液循環型冷却装置１０の動作を説明する。

まず、図１において、液循環ポンプ１１を駆動すると、液循環系に満たされている液体が圧送される。受熱体１３は、被冷却物となる発熱体から熱伝導する熱を液体に伝熱する。液体は、配管１４を介して熱交換器１２に圧送される。図２（ａ）に示すように、熱交換器１２において、リザーブタンク部１６に設けられた液循環口１２３から液体が流入されると、液体はリザーブタンク部１６を経由してコア部１８を通過する。コア部１８では、図２（ｂ）に示すように、液体がチューブ１２２を通過する際に、チューブ１２２と一体化されているフィン１２１から放熱する。熱交換器１２には、ファン１５（図１参照）によって空気が送り込まれ、フィン１２１からの放熱が促進される。リザーブタンク部１７に送られた液体は、液循環口１２４から流出し、配管１４を介して液循環ポンプ１１に送られる（図１参照）。この一連の流れにおいて、液循環系は、液体が被冷却物の熱を受けて温度上昇することにより内部圧力が増大するが、リザーブタンク部１６内の空気層１６Ｂがバンパーとして圧力上昇分が吸収される。

次に、この液循環型冷却装置１０を天地逆転して配置した場合の動作について、図３を参照しつつ説明する。

図３は、第１の実施の形態に係る液循環型冷却装置１０を天地逆転して配置した場合の回路を示す概略図である。この場合、液循環ポンプ１１を駆動すると、液循環系に満たされている液体が矢印の方向へ圧送され、受熱体１３において、被冷却物となる発熱体から熱伝導する熱が伝熱される。液体は、配管１４を介して熱交換器１２のリザーブタンク部１６に圧送され、コア部１８を通過する際に放熱され、リザーブタンク部１７を介して液循環ポンプ１１に送られる。

このように、図３では、コア部１８の上方にリザーブタンク部１７が位置することになり、コア部１８からリザーブタンク部１７を経由して循環ポンプ１１へ液体が流れることになる。この際、リザーブタンク部１７内では液体１７Ａの上部に空気層１７Ｂが存在しているが、液体の排出口（図２の液循環口１２４）が液体で満たされているので、リザーブタンク部１７の下流側の配管１４に流れる際に、空気が配管１４に流入することがない。このため、液循環型冷却装置１０を天地逆転した場合においても、配管１４に空気が混入することがなく、液体の循環性の低下に伴う流量低下やポンプ停止等を防止することができる。

上述の第１の実施の形態の液循環型冷却装置１０によると、以下の効果が得られる。
（１）リザーブタンク部１６及びリザーブタンク部１７において、それぞれのコア部１８側の面に、液循環口１２３、１２４を設けているので、搭載する電子機器の天地が逆転した場合にも常に液循環口１２３、１２４が液体で満たされることになり、配管１４に空気が混入することがなく、液体の循環性の低下に伴う流量低下やポンプ停止等を防止することができる。
（２）熱交換器１２として、「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器を用い、上下ヘッダー部分がリザーブタンクを兼ねることとしているので、個別にリザーブタンクを複数設けなくてもチューブ１２２を常に冷却液で満たすことができる。このため、液循環回路の構成を簡素化でき、部品増加及び搭載スペースの増加を抑え、良好な放熱性を確保しながら電子機器の小型化、低コスト化を実現できる。
（３）放熱器１２のリザーブタンク部１６、１７に液循環系の圧力上昇分を吸収する空気層１６Ｂ、１７Ｂを設けたため、液循環系中の液体の温度変化に伴う圧力上昇を吸収することができる。

（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る液循環型冷却装置の回路を示す概略図である。この液循環型冷却装置２０は、液体を循環させる循環ポンプ２１、放熱スペースに配置し機器筐体外に熱を放熱する熱交換器２２、発熱素子等の被冷却物に接続し被冷却物から効率良く熱を液体に伝える受熱体２３、各部材間を連結し、フレキシブルチューブまたは固定配管からなる配管２４及び熱交換器２２に風を与え強制空冷を行うファン２５を備えている。

熱交換器２２は、コア部１８、該コア部１８の図中左側に形成されるリザーブタンク部２６、及び前記コア部１８の図中右側に形成されるリザーブタンク部２７からなり、これらは一体化して形成されている。リザーブタンク部２６及びリザーブタンク部２７は内部に同容量の空間を有している。リザーブタンク部２６内には、液体２６Ａ及び空気層２６Ｂを有しており、リザーブタンク部２７内には、液体２７Ａ及び空気層２７Ｂを有している。

図５は、熱交換器２２の拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。この熱交換器２２は、「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器を用いており、コア部１８と、コア部１８の図中左側に設けられるリザーブタンク部２６と、コア部１８の右側に設けられるリザーブタンク部２７とからなっている。

コア部１８は、第１の実施の形態の装置１０と同様に形成されている。

リザーブタンク部２６及びリザーブタンク部２７は、内部に同容積の空間を有している。また、リザーブタンク部２６には、その右側のコア部１８側に、液体が流入、排出可能となる液循環口２２３が設けられ、リザーブタンク部２７には、その左側のコア部１８側に同様の液循環口２２４が形成されている。これらの液循環口２２３、２２４は、図４で示した配管２４と接続できるようになっている。更に、リザーブタンク部２６には、液体の注入やエアの圧力調整のための注入・エア抜きノズル２２５が設けられている。

以下、図４及び図５を参照しつつ、液循環型冷却装置２０の動作を説明する。

まず、図４において、液循環ポンプ２１を駆動すると、液循環系に満たされている液体が圧送される。受熱体２３は、被冷却物となる発熱体から熱伝導する熱を液体に伝熱する。液体は、配管２４を介して熱交換器２２に圧送される。図５（ａ）に示すように、熱交換器２２において、リザーブタンク部２７に設けられた液循環口２２４から液体が流入されると、液体はリザーブタンク部２７を経由してコア部１８を通過する。コア部１８では、図５（ｂ）に示すように、液体がチューブ１２２を通過する際に、チューブ１２２と一体化されているフィン１２１から放熱する。熱交換器２２には、ファン２５（図４参照）によって空気が送り込まれ、フィン１２１からの放熱が促進される。リザーブタンク２６に送られた液体は、液循環口２２４から流出し、配管２４を介して液循環ポンプ２１に送られる（図４参照）。

次に、この液循環型冷却装置２０を天地逆転して配置した場合の動作について、図６を参照しつつ説明する。
図６は、第２の実施の形態に係る液循環型冷却装置２０を天地逆転して配置した場合の回路を示す概略図である。この場合、液循環ポンプ２１を駆動すると、液循環系に満たされている液体が矢印の方向へ圧送され、受熱体２３において、被冷却物となる発熱体から熱伝導する熱が伝熱される。液体は、配管２４を介して熱交換器２２のリザーブタンク部２７に圧送され、コア部１８を通過する際に放熱され、リザーブタンク２６を介して循環ポンプ２１に送られる。

このように、図６では、コア部１８からリザーブタンク部２６を経由して循環ポンプ２１へ液体が流れることになる。この際、リザーブタンク部２６内では液体２６Ａの上部に空気層２６Ｃが存在しているが、液体の排出口（図５の液循環口２２３）が液体で満たされているので、リザーブタンク部２６の下流側の配管２４に流れる際に、空気が配管２４に流入することがない。このため、液循環型冷却装置２０を天地逆転した場合においても、配管２４に空気が混入することがなく、液体の循環性の低下に伴う流量低下やポンプ停止等を防止することができる。

上述の第２の実施の形態の液循環型冷却装置２０においても、第１の実施の形態の液循環型冷却装置１０と同様の効果が得られる。

（第３の実施の形態）
図７は、第３の実施形態の液循環型冷却装置に用いられる熱交換器３２の構成を示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。

この熱交換器３２は、「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器を用いており、コア部１８と、コア部１８の図中左側に設けられるリザーブタンク部３６と、コア部１８の右側に設けられるリザーブタンク部３７とからなっている。

この熱交換器３２では、リザーブタンク部３６の側面側に、液体が流入、排出可能となる液循環口３２３が設けられ、リザーブタンク３７の側面側に、同様の液循環口３２４が形成され、リザーブタンク部３６の上方に、液体の注入やエアの圧力調整のための注入・エア抜きノズル３２５が設けられている以外は、熱交換器２２と同様の構成を有している。この熱交換器３２を図４に示す液循環型冷却装置の熱交換器２２の代わりに用いることによって、第２の実施例の液循環型冷却装置２０と同様の効果を奏することができる。

なお、上記した実施の形態では、熱交換器内にリザーブタンク部を２つ設ける構成としたが、３つ以上設ける構成としても良い。また、コア部１８を空気の通過方向に１層とした構成を説明したが、放熱量に応じて２層あるいは２層以上で形成しても良い。更に、冷却液のリザーブタンクを別個に設けない構成としたが、液循環系に個別に設けることも可能である。

また、リザーブタンク部に液位センサを設けることで、リザーブタンク内の冷却液が減少した場合に警報を出して冷却液の補充ができるようにすることもできる。

本発明の第１の実施の形態に係る液循環型冷却装置の回路を示す概略図である。本発明の第１の実施の形態に係る液循環型冷却装置に用いられる熱交換器の拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。本発明の第１の実施の形態に係る液循環型冷却装置を天地逆転して配置した場合の回路を示す概略図である。本発明の第２の実施の形態に係る液循環型冷却装置の回路を示す概略図である。本発明の第２の実施の形態に係る液循環型冷却装置に用いられる熱交換器の拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図である。本発明の第２の実施の形態に係る液循環型冷却装置を天地逆転して配置した場合の回路を示す概略図である。本発明の第３の実施の形態に係る液循環型冷却装置に用いられる熱交換器の拡大図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。従来の液循環型冷却装置の回路を示す概略図である。従来の液循環型冷却装置を天地逆転した場合の回路を示す概略図である。

符号の説明

１０，２０，５０液循環型冷却装置
１１，２１，５１循環ポンプ
１２，２２熱交換器、５２放熱器
１３，２３，５３受熱体
１４，２４，５４配管
１５，２５，５５ファン
１６，１７，２６，２７リザーブタンク部
１６Ａ，１７Ａ，２６Ａ，２７Ａ，５６Ａ液体
１６Ｂ，１７Ｂ，２６Ｂ，２７Ｂ，５６Ｂ空気層
２６Ｃ，２７Ｃ空気層
１８コア部、
５６リザーブタンク、５７ヘッダー
１２１フィン、１２２チューブ
１２３，２２３，３２３液循環口
１２４，２２４，３２４液循環口
１２５，２２５，３２５注入・エア抜きノズル

Claims

系内で液体を循環させる液循環系を構成すると共に、発熱体から発生する熱を前記液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置において、前記放熱スペースの上流側と下流側に前記液体を貯えるリザーブタンクをそれぞれ設け、前記装置の運転中に下流側に該当するリザーブタンクの液体排出口を常に前記液体で満たすようにしたことを特徴とする液循環型冷却装置。
系内で液体を循環させる液循環系を構成すると共に、発熱体から発生する熱を前記液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置において、前記放熱スペースに、コア部と該コア部の垂直方向の上下にそれぞれ設けられたリザーブタンク部とを有する熱交換器を設け、前記装置の運転中に前記コア部の下流側に位置するリザーブタンクの液体排出口を常に前記液体で満たすようにしたことを特徴とする液循環型冷却装置。
系内で液体を循環させる液循環系を構成すると共に、発熱体から発生する熱を前記液体を介して放熱スペースに移送して放熱する液循環型冷却装置において、前記放熱スペースに、コア部と該コア部の水平方向の左右にそれぞれ設けられたリザーブタンク部とを有する熱交換器を設け、前記装置の運転中に前記コア部の下流側に位置するリザーブタンクの液体排出口を常に前記液体で満たすようにしたことを特徴とする液循環型冷却装置。
前記熱交換器として、チューブ、フィン、及びヘッダーからなる「コルゲーテッドストレートフィンコア」型構造の熱交換器を用い、前記ヘッダーがリザーブタンクを兼ねるようにしたことを特徴とする請求項２又は３記載の液循環型冷却装置。
前記熱交換器の外部に、該熱交換器を強制冷却するファンを設けたことを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の液循環型冷却装置。