JP6733246B2 - 電子部品冷却装置、及び冷却装置を備えた電子部品 - Google Patents

Description

本発明は、効率的な冷却が可能な電子部品冷却装置、冷却装置を備えた電子部品及び電子部品冷却方法に関する。

電子部品等の対象物を冷却する技術として特許文献１に示されるラジエータが知られている。
この特許文献１に示されるラジエータでは、隣接する放熱フィンのいずれか一方に、温度変化により変形される形状記憶合金からなる遮蔽板の一端を支持した構成とされる。
この遮蔽板は、設定温度よりも高いときに、支持された放熱フィンに沿った真直状態とされることで放熱を促進する一方で、設定温度よりも低いときに、その先端を隣接するフィンの表面に近接ないし接触させて該隣接するフィンとの間隙を密閉する。
そして、このような遮蔽板によるフィンの間隙封鎖により、対象部品が動作を開始してから所定の使用環境温度に上昇するまで冷却を抑止する。

実開平０２−１１４９９１号公報

ところで、特許文献１に示される技術は、冷却媒体として空気を用いているために、熱伝達効率が悪く、最適な温度で遮蔽板を作動させることが難しいという問題があった。
また、特許文献１では、隣接するフィンの間という開放された空間に遮蔽板が設置されているので、ヒートパイプのような閉空間に収容される低沸点の作動液を冷却媒体として流通させることはできず、この点において改善が期待されていた。

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、熱伝達効率の高い冷却媒体を使用することができ、対象部品が動作を開始して所定の使用環境温度に上昇した際に適切なタイミングで冷却を開始することができる、電子部品冷却装置、冷却装置を備えた電子部品及び電子部品冷却方法を提供する。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明は、動作に伴って熱を発生する発熱部品に設けられ、該発熱部品から熱を受ける冷却媒体が収容された冷却媒体タンクと、この冷却媒体タンクの冷媒収容部に接続されて前記発熱部品から熱を受け取った冷却媒体を受け入れて放熱させる放熱部と、これら冷却媒体タンクと放熱部との間で冷却媒体を流通させる通路と、この通路を開閉する弁と、該弁を前記冷却媒体が所定温度以上となることにより開放させる弁機構とを具備することを特徴とする。

本発明では、発熱部品が動作を開始して所定の使用環境温度に上昇した際、適切なタイミングで冷却を開始することが可能となる。

本発明に係る電子部品冷却装置を示す概略構成図である。 本発明の第１実施形態に係る電子部品冷却装置の概略構成図である。 弁機構の動作を示す図であって、（Ａ）は弁が閉状態、（Ｂ）は弁が開状態にある場合の動作図である。 図２の変形例を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る電子部品冷却装置の概略構成図である。 本発明の第３実施形態に係る電子部品冷却装置の概略構成図である。

本発明に係る電子部品冷却装置１００について図１を参照して説明する。
図１に符号１で示すものは動作に伴って熱を発生する発熱部品であって、例えばＣＰＵなどの電子部品で構成されている。

発熱部品１には冷却媒体タンク２が接触して配置されている。
この冷却媒体タンク２は、発熱部品１から熱を受ける冷却媒体Ｓが収容された冷媒収容部３を有するものであって、該冷媒収容部３は閉空間となるように形成されている。また、この冷却冷媒タンク２の冷媒収容部３には、発熱部品１から熱を受け取った冷却媒体Ｓを受け入れて放熱させる放熱部４が接続されている。

これら冷却媒体タンク２と放熱部４との間には冷却媒体Ｓを流通させる通路５が設けられており、この通路５には弁機構６が設けられている。
この弁機構６は、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放させる開閉弁７を有している。なお所定温度とは、例えば、前記発熱部品１が実際に動作することができる、あるいは、製造者が所定の性能を保証することができる温度領域の最低温度をいう。

そして、以上のように構成された電子部品冷却装置１００では、動作に伴い発熱部品１から熱が発生した場合に、この熱が、冷却媒体タンク２の冷却媒体Ｓに伝達され、その後、該冷却媒体Ｓを通じて放熱部４から放出される。ここで、冷却媒体タンク２の冷媒収容部３は閉空間に形成されているので、該冷媒収容部３内にて熱伝達効率の高い冷却媒体Ｓを使用することができる。
また、冷却媒体タンク２と放熱部４との間で冷却媒体Ｓを流通させる通路５の途中には弁機構６の開閉弁７が設けられており、この開閉弁７が、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放されるように設定されている。
すなわち、本発明の電子部品冷却装置１００では、冷却媒体タンク２の閉空間となる冷媒収容部３内に熱伝達効率の高い冷却媒体Ｓを使用でき、かつ通路５の途中に、該冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放される弁機構６を設けることで、発熱部品１が使用環境温度に上昇した後、発熱部品１を適切に冷却して使用環境温度の上限を越えないようにすることが可能となる。

（第１実施形態）
図１をさらに具体化した本発明の第１実施形態に係る電子部品冷却装置１０１について、図２及び図３を参照して説明する。
図２に符号１１で示されるのはＣＰＵなどの電子部品で構成される発熱部品であって、キャリア２１を介して台座２２上に固定されている。

発熱部品１１の上面には冷却媒体タンク１２が接触配置されている。
冷却媒体タンク１２は、発熱部品１１から熱を受ける冷却媒体Ｓが収容された冷媒収容部１３を内部に有するものであって、該冷媒収容部１３は閉空間となるように形成されている。また、この冷却冷媒タンク１２の上部には、発熱部品１１から熱を受け取った冷却媒体Ｓを受け入れて放熱させる放熱部１４が接続されている。
この放熱部１４は、ヒートシンク２３と、該ヒートシンク２３の上部に設けられた放熱フィン２４とから構成されたものであって、これらヒートシンク２３及び放熱フィン２４を介して冷媒収容部１３内の冷却媒体Ｓの熱が放出される。

これら冷却媒体タンク１２と放熱部１４との間には冷却媒体Ｓを流通させる２本の通路１５が設けられている。
これら通路１５は、下方に位置する冷却媒体タンク１２と上方に位置する放熱部１４とを接続するように上下方向に配置されたものであって、互いが並列するように配置されている。また、これら通路１５内には、冷却媒体タンク１２から放熱部１４に至る閉空間の冷媒収容部１３が形成されている。

また、これら通路１５には弁機構１６が設けられている。
この弁機構１６は各通路１５の下部でかつ冷却媒体タンク１２側の開口部に位置する開閉弁１７を有するものである。
また、各開閉弁１７は、図３に示されるように、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放させる構造、例えば、形状記憶合金又はバイメタルが温度変化にともなって変形することにより弁体を機械的に開閉するアクチュエータが内蔵されている。なお開閉弁に設けられて流路を開閉する弁体自体をバイメタルあるいは形状記憶合金により構成して流路を開く形状または閉じる形状に機械的に変形させることにより、流路を開閉するようにしても良い。

そして、上記開閉弁１７では、図３（Ａ）に示されるように、冷却媒体Ｓの温度が上昇しない停止時又は起動から所定時間経過するまでの間、通路１５を閉状態として、冷却媒体Ｓの循環及び熱移動を防止する。
また、上記開閉弁１７では、図３（Ｂ）に示されるように、冷却媒体Ｓの温度が上昇した定常運転時において通路１５を開状態として、冷却媒体Ｓの循環及び熱移動を行わせ、放熱部１４を介して発熱部品１１の放熱（冷却）を行わせる。
このとき、冷媒収容部１３では、内部にて冷却溶媒Ｓの気化及び液化が繰り返されることで、発熱部品１１で生じた熱が、冷却媒体タンク１２、通路１５及び放熱部１４の放熱フィン２４を経由して外部に放出される。

そして、以上のように構成された電子部品冷却装置１０１では、動作に伴い発熱部品１１から発生した熱が、冷却媒体タンク１２の冷却媒体Ｓに伝達され、その後、該冷却媒体Ｓを通じて放熱部１４から放出される。
また、冷却媒体タンク１２と放熱部１４との間で冷却媒体Ｓを流通させる通路１５の途中には、弁機構１６の開閉弁１７が設けられており、この開閉弁１７が、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放されるように設定されている。
すなわち、本発明の電子部品冷却装置１０１では、冷却媒体タンク１２の冷媒収容部１３内に、相変化を伴う高い熱伝達効率を有する冷却媒体Ｓを使用することができ、かつ通路１５の途中に、該冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放される弁機構１６を設けたことで、発熱部品１１が動作を開始してから所定の使用環境温度に上昇した際に迅速に弁を開放することが可能となる。

また、上記電子部品冷却装置１０１では、弁機構１６として、冷却媒体Ｓが所定温度以上となった場合に変形して開閉弁１７を機械的に開閉動作させる形状記憶合金又はバイメタルが、弁体を開閉させるアクチュエータとして設けられているので、温度変化に伴うこれら形状記憶合金又はバイメタルの形状変化により、通路１５の開閉を円滑に行うことができる。

なお、上記実施形態では、弁機構１６の開閉弁１７のアクチュエータに形状記憶合金又はバイメタルを使用したが、これに限定されず、図４に示されるように該開閉弁として電磁弁１７´を使用し、該電磁弁１７´を起動制御部２５からの制御信号により開閉動作させるようにしても良い。なお電磁弁に限らず、空圧弁、電動弁等の他の方式の自動弁を用いても良い。

この起動制御部２５では、発熱部品１１の温度を計測する温度センサ２６または発熱部品１１の内部に有する温度センサでの検出値を取り込み、温度センサの検出値に基づき発熱部品１１が所定温度となったことが検出された場合に、発熱部品１１へ起動信号（例えば、ＣＰＵにおけるリセット信号、イネーブル信号）を出力する。この起動信号を開閉弁１７の開動作の命令として利用することにより、発熱部品１１の温度上昇を、開閉弁１７の開動作に直接反映させることができ、正常に性能を発揮することができる温度範囲（最低温度）に達した後の発熱部品１１の効率的な冷却が可能となる。
また、この起動制御部２５では、温度センサの検出値に基づき開閉弁１７の開閉動作を行っても良いが、これに限定されず、電源ＯＮから所定時間経過した場合に、開閉弁１７を開動作させるとともに、発熱部品１１へ起動信号（例えば、リセット信号、イネーブル信号）を出力しても良い。

なお、上記実施形態では、電子部品冷却装置１０１について説明したが、構成要素となる冷却媒体タンク１２、放熱部１４、これらを連結する通路１５、弁機構１６からなる冷却装置を備えた電子部品１１として構成しても良い。

また、上記実施形態に示される電子部品冷却装置１０１では、動作に伴って発熱部品１１から発生する熱を、冷却媒体タンク１２の閉空間に収容された冷却媒体Ｓに受け取らせる工程と、発熱部品１１からの熱を受け取った冷却媒体タンク１２の冷却媒体Ｓを、冷却媒体タンク１２に接続された放熱部１４で放熱させる工程と、放熱部１４と冷却媒体タンク１２との間の通路１５を通じて冷却媒体Ｓを流通させる工程と、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより放熱部１４と冷却媒体タンク１２との間の通路１５を開放させる工程と、からなる「電子部品冷却方法」が適用されている。

（第２実施形態）
図１を具体化した本発明の第２実施形態に係る電子部品冷却装置１０２について、図５を参照して説明する。
第２実施形態に係る電子部品冷却装置１０２が、第１実施形態に係る電子部品冷却装置１０１と構成を異にする点は、発熱部品、冷却媒体タンク、放熱部が配置される向きである。すなわち、第２実施形態に係る電子部品冷却装置１０２では、発熱部品、冷却媒体タンク、放熱部が全体として縦向きに配置されている。

図５に符号３１で示されるのはＣＰＵなどの電子部品で構成される発熱部品であって、キャリア４１を介して台座４２上に固定されている。

発熱部品３１の側方に位置する表面には冷却媒体タンク３２が接触して配置されている。冷却媒体タンク３２は、発熱部品３１から熱を受ける冷却媒体Ｓが収容された冷媒収容部３３を内部に有するものであって、該冷媒収容部３３は閉空間となるように形成されている。また、この冷却冷媒タンク３２の側部には、発熱部品３１から熱を受け取った冷却媒体Ｓを受け入れて放熱させる放熱部３４が接続されている。
この放熱部３４は、ヒートシンク４３と、該ヒートシンク４３の上部位置に設けられた放熱フィン４４とから構成されたものであって、これらヒートシンク４３及び放熱フィン４４を介して冷却媒体Ｓの熱が放出される。

これら冷却媒体タンク３２と放熱部３４との間には冷却媒体Ｓを流通させる２本の通路３５Ａ，３５Ｂが設けられている。
これら通路３５Ａ，３５Ｂは、冷却媒体タンク３２と放熱部３４とを接続するように水平方向に配置されたものであって、上下に並列するように配置されている。また、これら通路３５Ａ，３５Ｂ内には、冷却媒体タンク３２から放熱部３４に至る閉空間の冷媒収容部３３が形成されており、この冷媒収容部３３にて冷却溶媒Ｓの気化及び液化が繰り返される。
また、これら通路３５Ａ，３５Ｂの中で、上側に位置する通路３５Ａは、冷却媒体タンク３２と放熱部３４との間で気体を流通させる第１の通路を形成し、また、下側に位置する通路３５Ｂは、冷却媒体タンク３２と放熱部３４との間で液体を流通させる第２の通路を形成している。

これら通路３５Ａ，３５Ｂの中で、上側に位置する通路３５Ａには弁機構３６が設けられている。
この弁機構３６は、通路３５Ａの開口部に位置する開閉弁３７を有するものであって、該通路３５Ａを開放した場合に、気体又は液体状態の冷却媒体Ｓを内部空間内で循環させることができる。
また、この開閉弁３７は、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより機械的に変形して開放させる構造、例えば、形状記憶合金又はバイメタルを用いて開閉する機構が採用されている。

そして、上記開閉弁３７では、冷却媒体Ｓの温度が上昇しない停止時又は起動時において通路３５Ａを閉状態として、冷却媒体Ｓの循環による熱移動を防止する。
また、上記開閉弁３７では、冷却媒体Ｓの温度が上昇した定常運転時において通路３５Ａを開状態として、冷却媒体Ｓの循環及び熱移動を行わせ、放熱部３４を介した発熱部品３１の発熱を行わせる。
このとき、冷媒収容部３３では、冷媒収容部３３内で気化した冷却溶媒Ｓが上側の通路３５Ａを通じて放熱部３４に移動し、放熱部３４にて放熱されることにより該冷却冷媒Ｓの液化がなされる。その後、液化した冷却溶媒Ｓは下側の通路３５Ｂを通じて冷却媒体タンク３２に戻る。
すなわち、通路３５Ａに設けられた開閉弁３７が開状態となった場合に、冷却媒体タンク３２、通路３５Ａ，３５Ｂ及び放熱部３４を経由して冷却溶媒Ｓを循環させつつ、該冷却溶媒Ｓの気化及び液化を繰り返すことにより、発熱部品３１の強制的な放熱を行わせる。

そして、以上のように構成された電子部品冷却装置１０２では、動作に伴い発熱部品３１から熱が発生した場合に、この熱が、冷却媒体タンク３２の冷却媒体Ｓに伝達され、その後、該冷却媒体Ｓを通じて放熱部３４から放出される。
また、冷却媒体タンク３２と放熱部３４との間で冷却媒体Ｓを流通させる通路３５Ａの途中には弁機構３６の開閉弁３７が設けられており、この開閉弁３７が、冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放されるように設定されている。
すなわち、本発明の電子部品冷却装置１０２では、冷却媒体タンク３２の冷媒収容部３３内に熱伝達効率の高い冷却媒体Ｓを使用でき、かつ通路３５Ａの途中に、該冷却媒体Ｓが所定温度以上となることにより開放される弁機構３６を設けたことで、発熱部品３１が動作を開始してから所定の使用環境温度に上昇した際の弁開放のレスポンス性能を高めことが可能となる。

図６は第３実施形態を示すものである。
この第３実施形態は、第２実施形態における冷却媒体タンク３２の冷媒収容部３３が上方に延長されて、ほぼ、発熱部品３１と接触する範囲の全体に冷却媒体Ｓが収容されている。
これら第２、第３実施形態の電子部品冷却装置１０２では、放熱部３４が冷却媒体タンク３２の上方に設けられることにより、発熱部品３１から熱を受けて気化した冷却媒体Ｓが、放熱部３４側に移動し、これによって該放熱部３４を介した発熱部品３１の効率的な放熱が可能となる。
なお、第２、第３実施形態では、通路３５Ａ，３５Ｂの中で、上側に位置する通路３５Ａに弁機構３６を設けたが、これに限定されず、下側に位置する通路３５Ｂ又は上側、下側の通路３５Ａ，３５Ｂの双方に設けても良い。
また、各実施形態における部材間の接触部、例えば発熱部品と冷却媒体タンクとの間、あるいは冷却フィンと冷却媒体タンクとを別部材で構成した場合、これらの接触面の間には、熱伝導グリース（オイル）、熱伝導コンパウンド、部材間変形可能な熱伝導シートなど、接触面において変形して隙間を埋めることにより熱抵抗を低減して熱伝導効率を高める物質を介在させることが望ましい。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本発明は、効率的な冷却が可能な電子部品冷却装置、冷却装置を備えた電子部品及び電子部品冷却方法に関する。

１ 発熱部品
２ 冷却媒体タンク
３ 冷媒収容部
４ 放熱部
５ 通路
６ 弁機構
７ 開閉弁
１１ 発熱部品
１２ 冷却媒体タンク
１３ 冷媒収容部
１４ 放熱部
１５ 通路
１６ 弁機構
１７ 開閉弁
２６ 温度センサ
３１ 発熱部品
３２ 冷却媒体タンク
３３ 冷媒収容部
３４ 放熱部
３５（３５Ａ，３５Ｂ） 通路
３６ 弁機構
３７ 開閉弁
１００ 電子部品冷却装置
１０１ 電子部品冷却装置
１０２ 電子部品冷却装置
Ｓ 冷却溶媒

Claims (4)

1. 動作に伴って熱を発生する発熱部品に設けられ、該発熱部品から熱を受け取ることにより液体から気体となる冷却媒体が所定の液面高さで収容された第一の冷却媒体タンクと、
   この第一の冷却媒体タンクの前記液面より下の位置と、前記液面より上の位置との両方で接続されていて、所定の液面高さで冷却媒体を収容し、前記発熱部品から熱を受け取った冷却媒体を受け入れて放熱させる放熱部を有する第二の冷却媒体タンクと、
   これら第一および第二の冷却媒体タンクの間で冷却媒体を流通させるものであって、前記液面より上に設けられた第一の通路、および、前記液面より下に設けられた第二の通路と、
   前記第一の通路を開閉する弁と、
   該弁を前記冷却媒体が所定温度以上となることにより開放させる弁機構と、
   を具備することを特徴とする電子部品冷却装置。
2. 前記弁機構は、前記冷却媒体が所定温度以上となることにより変形して前記弁の開閉動作をさせるバイメタルが内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品冷却装置。
3. 前記弁機構は、前記冷却媒体が所定温度以上となることにより変形して前記弁の開閉動作をさせる形状記憶合金が内蔵されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品冷却装置。
4. 動作に伴って熱を発生する発熱部品と、
   この発熱部品が取り付けられ、該発熱部品から熱を受け取る冷却媒体が所定の液面高さで収容された第一の冷却媒体タンクと、
   この第一の冷却媒体タンクの冷媒収容部に前記液面より下の位置と、前記液面より上の位置との両方で接続されていて、所定の液面高さで冷却媒体を収容し、前記発熱部品から熱を受け取った冷却媒体を受け入れて放熱させる放熱部を有する第二の冷却媒体タンクと、
   これら第一および第二の冷却媒体タンクの間で冷却媒体を流通させるものであって、前記液面より上に設けられた第一の通路、および、前記液面より下に設けられた第二の通路と、
   前記第一の通路を開閉する弁と、
   該弁を前記冷却媒体が所定温度以上となることにより開放させる弁機構と、
   を具備することを特徴とする冷却装置を備えた電子部品。

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