JP3908369B2

JP3908369B2 - 熱駆動型冷却装置

Info

Publication number: JP3908369B2
Application number: JP36776597A
Authority: JP
Inventors: ニューエンタン; 正孝望月; 祐士斎藤; 耕一益子
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1997-12-29
Filing date: 1997-12-29
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2017-12-29
Also published as: JPH11193980A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、密閉構造の循環管路の内部に封入した液相の冷却媒体を用いることによって、顕熱として熱輸送を行う熱駆動型冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近では、デスクトップタイプやノートブックタイプのパソコン、サーバーやワークステーション等の普及が著しい。この種のコンピュータにはＣＰＵ（中央演算処理装置）等のコンピュータ素子が多数搭載されている。そして、これらのコンピュータ素子が作動することにより発熱する。そのため、これらのコンピュータ素子に熱が滞留しないように、その熱を放熱しコンピュータ素子を冷却する必要がある。
【０００３】
この発生した熱を放熱しコンピュータ素子を冷却する方法として、送風ファンによって空気の冷却風を発生させ、その冷却風の流路にコンピュータ素子を設けることにより冷却する方法が従来知られている。この方法は、送風ファンが回転することにより発生する空気流を、コンピュータ素子やそれに熱伝達可能に取り付けられている放熱フィン等に吹き付けることにより、コンピュータ素子の熱を空気中に放熱させ、空気流によって輸送し、コンピュータの筐体外部へ排出するものである。
【０００４】
また、発生した熱を放熱しコンピュータ素子を冷却する他の方法として、密閉された循環管路の内部に水等の比熱の大きい液相の冷却媒体を封入し、その循環管路の一部を受熱部とし、コンピュータ素子の近傍に熱伝達可能に設けるとともに、他の一部を発熱部としてフィン等を設け、その循環管路内の液相の冷却媒体を循環ポンプによって循環させることにより、コンピュータ素子から発生する熱を空気中に放熱する方法が従来知られている。この方法は、コンピュータ素子から発生する熱を受熱部において顕熱として液相の冷却媒体に吸収させ、その液相の冷却媒体を循環ポンプによって受熱部から放熱部に流動させ、放熱部から液相の冷却媒体に吸収された熱を空気中に放熱させるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、送風ファンによるコンピュータ素子の冷却方法では、放熱能力が比較的少ないため、充分な放熱を行うことができない可能性があった。そのため、放熱能力を向上させるために、送風ファンの外径を大きくしたり、回転数を上昇させることになる。しかし、そのようにすることによって、騒音や消費電力の増大を惹起する可能性があった。また、この方法では、所定のコンピュータ素子から放熱された熱を保持する冷却風を他のコンピュータ素子に吹き付けることにより、他の冷却装置を加熱してしまう可能性があった。
【０００６】
また、液相の冷却媒体を密閉循環管路内で流動させる方法では、循環ポンプを新設する必要があった。また、循環ポンプを作動させることによって、騒音や消費電力の増大を惹起する可能性があった。さらに、循環ポンプがコンピュータの筐体内部に設けるとすれば、コンピュータの筐体内部に循環ポンプを設置するための空間が必要になるうえに、循環ポンプから発生する熱を筐体外部に放熱する手段を設けなければならなかった。
【０００７】
この発明は、上記の事情を背景にしてなされたものであり、水などの液相冷却媒体によって冷却する装置であって、発熱や騒音を発生することなく冷却媒体を循環させることにより、効率よく冷却することのできる冷却装置を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載した発明は、顕熱として熱輸送をおこなう液相の冷却媒体を、発熱源から熱を受ける受熱部と熱を外部に放出する放熱部との間で循環させる熱駆動型冷却装置において、前記冷却媒体に該冷却媒体の沸点より低くかつ前記受熱部の温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体が混入されるとともに、前記受熱部からその上方に延びる上昇管路が設けられ、その上昇管路の上部に気液分離部が設けられ、その気液分離部から更に斜め下方に延びる第一の管路と前記気液分離部から斜め上方に延びる第二の管路とが設けられ、前記第一の管路が液相の前記第一の冷却媒体を放熱させる第一の放熱部に連通されるとともに、前記第二の管路が気相の前記冷却媒体を放熱させる第二の放熱部に連通され、さらに第一および第二の放熱部が吸引管に連通させられていることを特徴とするものである。また、請求項２に記載した発明は、請求項１の発明において、前記受熱部の外側の平坦面にヒートパイプが接合されていることを特徴とするものである。さらに、請求項３に記載した発明は、請求項２の発明において、前記ヒートパイプには発熱源の取り付けられている加熱部とこの加熱部と対向するように隔離されて前記加熱部よりも面積の広い放熱部とが設けられ、この放熱部と前記受熱部の外側の平坦面とが接合されていることを特徴とするものである。そしてまた、請求項４に記載した発明は、請求項１から３のいずれかに記載の発明において、前記平坦面の内側の面にヒートシンクが取り付けられていることを特徴とするものである。
【０００９】
したがって、請求項１に記載した発明では、液相の第一の冷却媒体にその冷却媒体とは沸点がより低く、かつ受熱部における温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体を混入させることによって、受熱部においてその第二の冷却媒体が気化して気泡を生じる。そして、その気化した第二の冷却媒体の気泡が上昇管路内を上方へ流動することによって、液相の冷却媒体を上方へ汲み上げることができる。そのため、液相の冷却媒体を汲み上げるための循環ポンプを必要とせず、騒音や発熱が発生しない。また、コンピュータ素子からの廃熱の一部が第二の冷却媒体の気化に用いられることにより、液相の冷却媒体を汲み上げる作用を得ることができるので、新たな動力を必要とせず、かつエネルギーロスを減少させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
つぎにこの発明を図面に基づいて具体的に説明する。図１はこの発明に係る熱駆動型冷却装置の一例を示している。ここに示す熱駆動型冷却装置１は、矩形断面状の循環管路２とその循環管路２の二点間を連通する矩形断面状の曲線状管路３とから構成されている。また、循環管路２の一部には受熱部４が形成されている。さらに、その受熱部４から循環管路２の一部が鉛直上方に延びており、上昇管路である吐出管５を構成している。さらに、受熱部４から循環管路２の一部が鉛直下方に延びており、吸引管６を構成している。
【００１１】
そして、吐出管５の上端には気液分離部７が形成されている。また、この気液分離部７から斜め上方に曲線状管路３が延びており、第二の管路である気流管８を構成している。そして、この気流管８は途中から鉛直下方へ延びており、気流管８が鉛直下方に延びている区間には、その表面に平板状フィン９が多数設けられた第二の放熱部である気相放熱部１０が形成されている。さらに、気流管８は気相放熱部１０の下端から水平方向に延び、吸引管６に連通している。
【００１２】
また、気液分離部７から斜め下方に循環管路２の一部が延びており、第一の管路である液流管１１を構成している。そして、この液流管１１は途中から鉛直下方へ延びており、液流管１１が鉛直下方に延びている区間には、その表面に平板状フィン９が多数設けられた液相放熱部１２が形成されている。さらに、液流管１１は液相放熱部１２の下端から水平方向に延び、吸引管６に連通している。
【００１３】
なお、受熱部４における循環管路２の内部には、図２に示すヒートシンク２１が設けられている。このヒートシンク２１は平板状のベース２２の一つの平坦面に複数枚の平板状のフィン２３が立設されたものである。そして、図３に示すように、このヒートシンク２１はそのベース２２が受熱部４における循環管路２の内部の一つの平坦面に熱伝達可能に接合されるとともに、フィン２３の厚さ方向が水平方向と一致するように設けられている。
【００１４】
そして、循環管路２と曲線状管路３との内部には、受熱部４の温度範囲では常時液相を維持する冷却媒体として水１３と、水１３よりも沸点が低く、かつ受熱部４の温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体としてフレオン１４が封入されている。なお、フレオン１４の代わりにベンゼンや四塩化炭素等を用いることができる。そして、水１３とフレオン１４とは、受熱部４に設けられたヒートシンク２１のフィン２３の少なくとも下半分を浸漬する程度の量が、循環管路２と曲線状管路３との内部に封入されている。
【００１５】
つぎに、上述の熱駆動型冷却装置１をパソコンのＣＰＵ（中央演算処理装置）に取り付けた状態を図４に示す。ここに示すパソコン本体３１の筐体内部には、平板状のマザーボード３２が垂直に配置されている。そして、そのマザーボード３２には、発熱源であるＣＰＵ３３が取り付けられている。さらに、図５に示すヒートパイプ４１が、その加熱部４３をＣＰＵ３３に熱伝達可能に接合することによって取り付けられている。なお、このヒートパイプ４１は金属製であり中空偏平状のコンテナ４２から形成されている。そして、このコンテナ４２が正方形の面を有した加熱部４３と、この加熱部４３と対向するように離隔し、その加熱部よりも面積の広い正方形の面を有した放熱部４４と、これら加熱部４３の四辺と放熱部４４の四辺とをそれぞれ連結する台形の面を有した四つの傾斜側壁部４５とによって構成されている。さらに、コンテナ４２の内部には、図示しない作動流体が封入されている。
【００１６】
また、図６は放熱部４４を除いた状態でのヒートパイプ４１の平面図である。加熱部４３の内面と四つの傾斜側壁部４５のうちの一つの内面とには、焼結粉末からなるウィック４６が設けられている。このウィック４６は焼結粉末が溶射されることによって設けられている。また、このウィック４６は毛細管力によって、図示しない液相の作動流体を放熱部４４から加熱部４３に還流させる作用をなす。
【００１７】
なお、ヒートパイプ４１は、ウィック４６が設けられた傾斜側壁部４５が底面となるように、ＣＰＵ３３に取り付けられている。
【００１８】
さらに、ヒートパイプ４１の放熱部４４には、ヒートシンク２１のベース２２が接合している循環管路２の平坦面とは裏側（受熱部４の外側）となる平坦面に接合するように、かつ、受熱部４の鉛直上方に気液分離部７が位置するように、熱駆動型冷却装置１が取り付けられている。
【００１９】
上記の、パソコン本体３１のＣＰＵ３３に取り付けた熱駆動型冷却装置１の作用を説明する。パソコン本体３１の使用によってＣＰＵ３３が作動し、発熱すると、発生した熱がヒートパイプ４１の加熱部４３に伝達される。すると、ヒートパイプ４１の内部に封入されている図示しない作動流体が入熱によって蒸発し、発生した作動流体の蒸気が放熱部４４側へ流動する。そして、作動流体の蒸気が放熱部４４で放熱すると、凝縮して液相になり、ウィック４６が設けられた傾斜側壁部４５に流動する。さらに、図示しない液相の作動流体はウィック４６の毛細管力によって加熱部４３に還流する。そして、作動流体は同じ動作を繰り返し、それによってヒートパイプ４１は熱輸送を行う。
【００２０】
さらに、ヒートパイプ４１の放熱部４４に放熱されたＣＰＵ３３からの熱が、熱駆動型冷却装置１の受熱部４に接合しているヒートシンク２１に伝達される。すると、ヒートシンク２１のフィン２３の間隙に存在している水１３とフレオン１４とが加熱される。そして、受熱部４における温度がフレオン１４の沸点と等しくなると、フレオン１４が沸騰し、気化し始める。その結果、一部水蒸気を含んだフレオン１４の気泡１５が発生する。すると、受熱部４の内部に圧力変化が生じ、それによって液相の水１３が気泡１５とともに吐出管５を通って気液分離部７へ強制的に流動する。
【００２１】
液相の水１３と気泡１５とが気液分離部７に流入すると、そこで液相の水１３と一部水蒸気を含むフレオン１４の蒸気１６とに分離される。これは、気流管８が液流管１１よりも上方に位置するように、気流管８と液流管１１とが水平面に対して傾斜しているためである。そのため、一部水蒸気を含むフレオン１４の蒸気１６は気流管８へ流動し、液相の水１３は気液分離部７から溢れ出て液流管１１へ流動する。
【００２２】
液流管１１に流動した液相の水１３は、液相放熱部１２に設けられた平板状フィン９を介して熱を空気中に放熱し、液温が低下する。そして、液温の低下した液相の水１３は吸引管６を通って受熱部４に還流する。そして、再度同じサイクルを繰り返す。
【００２３】
また、気流管８に流動した一部水蒸気を含むフレオンの蒸気１６は気相放熱部１０における平板状フィン９を介して熱を空気中に放熱し、凝縮する。すると、一部水蒸気を含むフレオンの蒸気１６の凝縮によって気流管８と吸引管６との間で圧力差が生じるので、発生した一部水を含む液相のフレオン１７は吸引管６を通って受熱部４に還流する。そして、再度同じサイクルを繰り返す。
【００２４】
上記の具体例のように、液相の冷却媒体である水に、水よりも沸点がより低く、かつ受熱部における温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体であるフレオンを混入させることによって、受熱部においてフレオンが気化し、その気化したフレオンが上方へ流動しようとすることによって、水を上方へ汲み上げることができる。そのため、水を汲み上げるための循環ポンプを必要とせず、騒音の発生や発熱が発生しない。また、コンピュータ素子からの廃熱の一部がフレオンの気化に用いられることにより、水を汲み上げる作用を得ることができるので、新たな動力を必要とせず、かつエネルギーロスを減少させることができる。
【００２５】
なお、上記の具体例では、熱駆動型冷却装置の循環管路と曲線状管路とに矩形断面状の管路を用いたが、この発明は上記の具体例に限定されず、円形断面状の管路なども用いることができる。
【００２６】
また、上記の具体例では、熱駆動型冷却装置の冷却媒体として水とフレオンとを用いたが、この発明は上記の具体例に限定されず、発熱源の温度に基づいて採用すべき冷却媒体の種類を決定することができる。
【００２７】
さらに、上記の具体例では、気相放熱部と液相放熱部とに平板状フィンを設けたが、この発明は上記の具体例に限定されず、冷却媒体の種類に応じて最適な熱交換部材を採用すればよい。
【００２８】
そして、上記の具体例では、熱駆動型冷却装置をパソコンのＣＰＵを冷却するために用いたが、この発明は上記の具体例に限定されず、パソコン内部のＣＰＵ以外の発熱体にも使用することができ、さらにワークステーションやサーバー等の内部の発熱体にも使用することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明によれば、液相の第一の冷却媒体にその冷却媒体とは沸点がより低く、かつ受熱部における温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体を混入させることによって、受熱部においてその第二の冷却媒体が気化して気泡を生じる。そして、その気化した第二の冷却媒体の気泡が上昇管路内を上方へ流動することによって、液相の冷却媒体を上方へ汲み上げることができる。そのため、液相の冷却媒体を汲み上げるための循環ポンプを必要とせず、騒音の発生や発熱が発生しない。また、コンピュータ素子からの廃熱の一部が第二の冷却媒体の気化に用いられることにより、液相の冷却媒体を汲み上げる作用を得ることができるので、新たな動力を必要とせず、かつエネルギーロスを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の熱駆動型冷却装置の一例を示す概略図である。
【図２】ヒートシンクを示す斜視図である。
【図３】この発明の熱駆動型冷却装置の受熱部における水平面での断面図である。
【図４】この発明の熱駆動型冷却装置をパソコンのＣＰＵに熱交換可能に取り付けた状態を示す斜視図である。
【図５】ヒートパイプを示す斜視図である。
【図６】放熱部を除いた状態でのヒートパイプの平面図である。
【図７】この発明の熱駆動型冷却装置をパソコンのＣＰＵに熱交換可能に取り付けた後の、受熱部における水平面での断面図である。
【符号の説明】
１…熱駆動型冷却装置、２…循環管路、３…曲線状管路、４…受熱部、５…吐出管、６…吸引管、７…気液分離部、８…気流管、９…平板状フィン、１０…気相放熱部、１１…液流管、１２…液相放熱部、１５…気泡、２１…ヒートシンク、３１…パソコン本体、３３…ＣＰＵ（中央演算処理装置）、４１…ヒートパイプ。

Claims

顕熱として熱輸送をおこなう液相の冷却媒体を、発熱源から熱を受ける受熱部と熱を外部に放出する放熱部との間で循環させる熱駆動型冷却装置において、
前記冷却媒体に該冷却媒体の沸点より低くかつ前記受熱部の温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体が混入されるとともに、前記受熱部からその上方に延びる上昇管路が設けられ、その上昇管路の上部に気液分離部が設けられ、その気液分離部から更に斜め下方に延びる第一の管路と前記気液分離部から斜め上方に延びる第二の管路とが設けられ、前記第一の管路が液相の前記第一の冷却媒体を放熱させる第一の放熱部に連通されるとともに、前記第二の管路が気相の前記冷却媒体を放熱させる第二の放熱部に連通され、さらに第一および第二の放熱部が吸引管に連通させられていることを特徴とする熱駆動型冷却装置。
前記受熱部の外側の平坦面にヒートパイプが接合されていることを特徴とする請求項１に記載の熱駆動型冷却装置。
前記ヒートパイプには発熱源の取り付けられている加熱部とこの加熱部と対向するように隔離されて前記加熱部よりも面積の広い放熱部とが設けられ、この放熱部と前記受熱部の外側の平坦面とが接合されていることを特徴とする請求項２に記載の熱駆動型冷却装置。
前記平坦面の内側の面にヒートシンクが取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の熱駆動型冷却装置。