JP2005190091A - 冷却装置およびこれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却装置の冷媒の液量不足を検知し、冷却能力の低下による発熱物の過熱状態を回避する冷却装置とそれを搭載した電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、冷媒を循環するための閉循環路に冷却器４と放熱器５，ポンプ６，冷媒を貯めるためのリザーブタンク７がそれぞれ設けられ、ポンプ６が設定回転数で冷媒を循環し、冷却器４が冷媒を使ってＣＰＵ２から熱を奪い、奪った熱を放熱器５が放熱するコンピュータ装置のための冷却装置であって、ポンプ６の回転数が設定回転数以下の場合には運転を継続する旨の判断を行い、ポンプ６の回転数が設定回転数を越えた場合には、冷媒の液量が不足していると判断する判断手段が設けられたことを主要な特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体集積回路で構成された中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）等の発熱部品を、冷媒を循環させて冷却する冷却装置、及びそれを搭載した電子機器に関するものである。

最近のコンピュータにおける高速化の動きはきわめて急速であり、ＣＰＵのクロック周波数は以前と比較して格段に大きなものになってきている。この結果、ＣＰＵの発熱量が増し、従来のようにヒートシンクで空冷するだけでは能力不足で、高効率で高出力の冷却装置が不可欠になっている。そこでこのような冷却装置として、発熱部品を搭載した基板を、冷媒を循環させて冷却する冷却装置が提案された（特許文献１参照）。

以下、このような冷媒を循環させて冷却する従来の電子機器の冷却装置について説明する。なお、本明細書において電子機器というのは、ＣＰＵ等にプログラムをロードして処理を行う装置、中でもノート型パソコンのような携行可能な小型のコンピュータ装置を中核とするが、このほかに通電により発熱する発熱部品を搭載した電子部品で構成された装置を含むものである。この従来の冷却装置は、例えば図５に示すようなものが知られている。

図６は従来の電子機器の冷却装置の構成図である。図６において、１０１は筐体であり、１０２は発熱部品、１０３は発熱部品１０２を実装した基板、１０４は発熱部品１０２と冷媒との間で熱交換を行い発熱部品１０２を冷却する冷却器、１０５は冷媒から熱を取り除く放熱器、１０６は冷媒を循環させるポンプ、１０７は冷媒を補充するためのリザーブタンク、１０８はこれらを接続する配管、１０９は放熱器１０５を空冷するファンである。

この従来の冷却装置の動作を説明すると、ポンプ１０６から吐出された冷媒は、配管１０８を通って冷却器１０４に送られる。ここで発熱部品１０２の熱を奪うことでその温度が上昇し、放熱器１０５に送られる。この放熱器１０５でファン１０９によって強制空冷されてその温度が降下し、再びポンプ１０６へ戻ってこれを繰り返す。このように、冷媒を循環させて発熱部品１０２を冷却するものであった。
特開平８−３２２６３号公報

しかしながら、従来の冷却装置では、長期間経過すると循環路を形成する壁面や配管の接続部から冷媒が徐々に抜けていく。その結果リザーブタンク内の冷媒が減少し、リザーブタンクから液を循環路内に補充できなくなると循環路に空気が混じる状態になってくる。冷媒に空気が混じると、熱容量の低下を招き、その結果冷却能力の低下を招くし、空気が多量に混じるとポンプがエアロックして冷媒の循環ができなくなり冷却不能に陥る。

そこで、本発明は、冷却装置の冷媒の液量不足を検知し、冷却能力の低下による発熱物の過熱状態を回避する冷却装置とそれを搭載した電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、冷媒を循環するための閉循環路に冷却器と放熱器，ポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンクがそれぞれ設けられ、ポンプが設定回転数で冷媒を循環し、冷却器が
冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を放熱器が放熱する電子機器のための冷却装置であって、ポンプの回転数が設定回転数以下の場合には運転を継続する旨の判断を行い、ポンプの回転数が設定回転数を越えた場合には、冷媒の液量が不足していると判断する判断手段が設けられたことを主要な特徴とする。

本発明の冷却装置によれば、冷媒の液量が不足していると判断でき、空気の混入による冷却能力の低下、発熱部品の過熱状態を回避することができる。

本発明の冷却装置とこれを搭載した電子機器は、ポンプの回転数が設定回転数を越えた場合には、冷媒の液量が不足していると判断する判断手段が設けられたため、冷媒の液量が不足していると判断でき、空気の混入による冷却能力の低下、発熱部品の過熱状態を回避することができる。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に冷却器と放熱器，ポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンクがそれぞれ設けられ、ポンプが設定回転数で冷媒を循環し、冷却器が冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を放熱器が放熱する電子機器のための冷却装置であって、ポンプの回転数が設定回転数以下の場合には運転を継続する旨の判断を行い、ポンプの回転数が設定回転数を越えた場合には、冷媒の液量が不足していると判断する判断手段が設けられたことを特徴とする冷却装置であり、判断手段によって冷却装置の冷媒の液量が不足していると判断でき、空気の混入による冷却能力の低下、発熱部品の過熱状態を回避することができる。

本発明の第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、ポンプの回転数が、設定回転数を越え且つエアロックを発生する回転数より小さい所定の回転数の範囲に含まれる場合に、判断手段が冷媒の液量が不足していると判断する冷却装置であり、発熱部品の過熱状態の回避をより確実に行うことができる。

本発明の第３の発明は、第１または２の発明に従属する発明であって、判断手段が冷媒の液量が不足していると判断したとき、警告処理を実行する警告実行手段が設けられた冷却装置であり、判断手段によって冷却装置の冷媒の液量が不足していると判断したときは、警告処理を行うので過熱状態を確実に回避できる。

本発明の第４の発明は、第３の発明の冷却装置を備えるとともに表示装置で表示を行える電子機器であって、判断手段が冷媒の液量が不足していると判断したとき、警告実行手段が表示装置に警告表示をさせる電子機器であり、判断手段によって冷却装置の冷媒の液量が不足していると判断したときは、電子機器に警告表示を行うので過熱状態を確実に回避できる。

本発明の第５の発明は、第１または２の発明の冷却装置を備えた電子機器であって、判断手段が冷媒の液量が不足していると判断した場合、警告実行手段が発熱部品の発熱量を低下させるための制御を指令し、運転モードを変更させる電子機器であり、判断手段によって冷却装置の冷媒の液量が不足していると判断したときは、電子機器に発熱部品の発熱量を抑えるように制御させるので過熱状態を確実に回避できる。

本発明の第６の発明は、第５の発明に従属する発明であって、発熱部品が半導体集積回路であって、発熱量を低下させるための制御が該半導体回路の動作周波数を低下させる制御である電子機器であり、半導体回路の動作周波数を低下させるので、発熱量を抑えることができ、半導体回路の過熱状態を確実に回避できる。

本発明の第７の発明は、第１または２の発明の冷却装置を備えた電子機器であって、判断手段が冷媒の液量が不足していると判断したとき、電源を切断する電子機器であり、半導体回路の動作周波数を低下させるので、電子機器の電源を切断することができ、過熱状態を確実に回避できる。

（実施例１）
本発明の実施例１は、電子機器としてコンピュータ装置、とくに折り畳み可能なノート型のコンピュータ装置に関するものであり、さらに、このコンピュータ装置に搭載する冷却装置である。図１は本発明の実施例１における冷却装置を設けたコンピュータ装置の一部破砕した斜視図、図２は本発明の実施例１における冷却装置の放熱器の側面図、図３は本発明の実施例１における冷却装置内部に入った空気量とポンプの回転数との関係を示すグラフ、図４は本発明の実施例１における冷却装置の制御部の構成図、図５は本発明の実施例１における冷却装置の冷媒液の減少時に行う処理手順を示すフローチャートである。

図１において、１は折り畳み可能なノート型のコンピュータ装置の筐体であり、１ａは液晶ディスプレイ、１ｂは液晶ディスプレイ１ａが設けられたカバー、１ｃは本体に設けたキーボードを覆う本体、２はこのコンピュータ装置の発熱部品であるＣＰＵ、３はＣＰＵ２を実装した基板である。このコンピュータ装置に搭載されたＣＰＵ２は、動作のためのクロック周波数に比例して発熱する。最近では１ＧＨｚ〜３ＧＨｚクラスの高い周波数で動作するコンピュータ装置が出現し、発熱量はきわめて大きい上に、携行するため筐体１はコンパクトにならざるを得ず、熱がこもり易い構造となっている。

４はＣＰＵ２と冷媒との間で熱交換してＣＰＵ２を冷却する冷却器、５はアルミニウムやステンレス等の熱伝導性の良好な金属板で形成された冷媒から熱を取り除く放熱器、６は冷媒を循環させるポンプ、７は冷媒を貯めておくとともに後述の放熱用蛇行路１０中に気泡が混入しても気泡の流入は許すが流出はさせないリザーブタンク、７ａはリザーブタンク７で放熱用蛇行路１０を周囲から取り囲む第１延長リザーブタンク、７ｂはリザーブタンク７で放熱用蛇行路１０を周囲から取り囲む第２延長リザーブタンク、８はこれらを接続し循環路を形成するフレキシブルな配管である。冷却器４内部には冷媒通路が形成されており、ＣＰＵ２で発生した熱をＣＰＵ２に面接触された冷却器４から低温の冷媒に伝熱する。放熱器５は液晶ディスプレイ１ａの背面側に設けられ、カバー１ｂ外面から放熱する。冷媒は、寒冷地や冬場の凍結により冷却装置が故障しないようにプロピレングリコール水溶液、エチレングリコール水溶液などの不凍液とするのが好ましい。

なお、実施例１のポンプ６は、図示はしないが遠心型ポンプや渦流ポンプ等のターボ型ポンプであり、ポンプの諸元は、厚さ３ｍｍ〜５０ｍｍ、半径方向代表寸法１０ｍｍ〜７０ｍｍ、回転数は６００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ、流量が０．０１Ｌ／分〜１．５Ｌ／分、ヘッド０．１ｍ〜２ｍ、比速度でいうと、１２〜２００（単位：ｍ、ｍ³／分、ｒｐｍ）程度のきわめて小型のものである。実施例１の冷却装置においては、ポンプ６は６００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍの間で設定された所定の設定回転数で駆動され、ポンプ６から吐出された所定の流量の冷媒は、配管８を通って冷却器４に送られる。ここでＣＰＵ２の熱を奪うことでその温度が上昇し、放熱器５に送られる。この放熱器５では広い面積のカバー１ｂ外面から放熱されてその温度が降下し、再びポンプ６へ戻って循環を繰り返すものである。

続いて、実施例１の放熱器５について図２に基づいて説明する。図２において、１０は放熱面積を大きくするために蛇行させて幅広に形成された放熱器５を構成する放熱用蛇行路である。冷媒は放熱用蛇行路１０を通過しながらその流路壁面に熱を与え大気中に放熱
する。１０ａは放熱用蛇行路１０と配管８とを接続する冷媒の流入する流入口、１０ｂは放熱用蛇行路１０と配管８とを接続する冷媒の流出する流出口、１０ｃは放熱用蛇行路１０とリザーブタンク７を接続し、気泡のリザーブタンク７側への進入は許すが逆方向への移動は流体力学的作用で許さない接続口、１１は冷媒充填用の継手、１２は気泡である。継手１１は、通常運転時は閉状態にされるが、冷媒充填時は開状態にされる。冷媒充填後はゴムキャップ等で栓をしてもよいし、予め逆止弁を設けておくのもよい。

本実施例１では、以上説明した放熱器５と冷却器４、ポンプ６が配管８によって直列に接続され、放熱器５の放熱用蛇行路１０が配管８と接続されて全体として閉循環路を構成している。そして従来の冷却装置であれば冷媒中の空気を完全に排出しなければエアロックを起こすが、実施例１の場合はリザーブタンク７に空気が残っていても問題がない。これは、ノート型のコンピュータ装置の姿勢がいろいろと変化するため、封入した空気がリザーブタンク７内で移動するとき分散した微細気泡を１つに集合させ、接続口１０ｃを使って空気と閉循環路とを隔絶しているからである。しかもこのとき、熱膨張によって冷媒の体積が増加しても、封入された空気がクッションとなり、循環路からの液漏れや循環路の破裂を防止することもできる。

ところで、冷媒は配管８の流路内壁から外表面に拡散して大気中に放散されるので長期間のうちに徐々に減少する。すなわち、時間経過に伴い冷媒の一部がガス化し、材質により多寡はあるが配管２５を介して大気と置換され、冷媒内に空気の気泡１２が混入するようになる。冷媒に混入した気泡１２は冷媒とともに循環され、放熱器５内の放熱用蛇行路１０に移送されると、頂上の拡大部において浮力によりテーパ壁に沿って接続口１０ｃに達し、接続口１０ｃからリザーブタンク７内へ浮上し、気液分離される。そしてこの接続口１０ｃは、リザーブタンク７側に流入した気泡１２が放熱用蛇行路１０側に流出するのを抑えることができるものである。すなわち、リザーブタンク７内で大きく成長した気泡１２が接続口１０ｃから流出するには、表面張力を保ちながら接続口１０ｃ内を移動する必要があるため、狭い接続口１０ｃを空気で閉塞してしまうし、微細な気泡１２は浮力や接続口１０ｃ付近の流路形状によって向きによって流体抵抗に差が生じ、流出できないからである。なお、接続口１０ｃは１箇所が好適である。

さて、このような空気の混入に関して、本発明者らは混入した空気の量とポンプ６の回転数の間に次のような特徴的な関係が現れるという知見を得た。図３は冷却装置内部に入った空気量とポンプ６の回転数との関係を示すものである。

図３によれば、混入空気量が２２ｃｃではポンプ６の回転数は２７００ｒｐｍであるが、混入空気量がこの２２ｃｃを越えると回転数は上昇し、２４ｃｃで回転数は４２００ｒｐｍを示し、この状態でエアロックされる。すなわち、ポンプ６の羽根車が空回りして冷媒の排出、循環ができない状態が出現する。言い換えれば、このエアロック状態が出現すると、ポンプ６の回転数が急激に上昇して空回りし、冷媒は流れず、冷却装置による冷却効果がなくなり、発熱部品であるＣＰＵ２が過熱状態となる。長時間この状態が続くとポンプ６からの発熱も加わりＣＰＵ２はさらに高温となる。

言い換えれば実施例１の冷却装置は、空気が混入していない通常の状態では負荷が一定であるため、設定回転数でポンプ６を運転させれば一定の冷却能力をもっている。しかし、空気が混入すると負荷が変動し、回転数に変化が生じ、エアロックしたときには冷却能力に不足を来たすものである。

これらを図３の空気量と回転数の関係でみると、気泡の少ない状態の設定回転数２７００ｒｐｍから、２３ｃｃ程度の空気が混入した回転数Ｎ１を越えた場合、運転は続けてもよいが、警戒を要す状態である。また、２４ｃｃではエアロックして過熱状態が発生する
ので、空気量２３．７ｃｃ程度の空気が混入した回転数Ｎ２でＣＰＵ２に対する通電を止めるのがコンピュータ装置の安全を保つために望ましいことが分かる。

以上の処理を実行する冷却装置の制御部のブロック構成について説明する。図４において、２１は図示しないＣＰＵ２とメモリ部から構成される冷却装置の制御を行う機能実現手段としての制御部、２１ａは後述のＤＣモータ２３から出力されるＦＧ信号のパルスをカウントすることにより回転数を算出する回転数検出手段、２１ｂは回転数検出手段２１ａが検出した回転数Ｎと所定の回転数Ｎ１，Ｎ２を比較して処理を決定する判断手段、２１ｃは判断手段２１ｂの判断に基づいて警告した方がよい場合に報知または回避する警告実行手段である。

２２は発熱部品としてのＣＰＵ２を搭載したコンピュータ装置、２２ａはＣＰＵ２を動作させるための動作周波数のクロックを発振する発振器、２２ｂはＣＰＵ２にロードされるプログラムが記憶された記憶部である。また、２３はホール素子を使って極性を切り換えて駆動するＤＣモータ、２４はＤＣモータ２３を駆動させるためのモータ駆動部、２５は液晶ディスプレイ１ａを動作させるための表示部、２６はコンピュータ装置２２をシャットダウンするスイッチ回路である。このほかコンピュータ装置２２には、図示はしないが、キーボードやマウス等の入力手段や外部記憶装置とのインターフェースが設けられている。

以上説明した混入空気と回転数の関係を基に、この制御部２１においては、回転数検出手段２１ａによってＤＣモータ２３の回転数Ｎを検出し、判断手段２１ｂが、所定の回転数Ｎ１（発熱部品が過熱状態となる回転数よりも低く、警戒を必要とするがまだ余裕のある所定の回転数）と比較し、Ｎ＜Ｎ１なら運転を続け、Ｎ≧Ｎ１なら警告実行手段２１ｃが、メモリされている方法で表示またはクロック数変更という運転モード変更のための制御を表示部２５とコンピュータ装置２２に行わせ、次いで、回転数Ｎ２（発熱部品が過熱状態となる回転数よりも低く、電子機器を停止する所定の回転数）と比較し、Ｎ≧Ｎ２になるとコンピュータ装置２２の電源をシャットダウンする。

なお、図４のように制御部２１とコンピュータ装置２２のＣＰＵ２を独立の構成にするのでなく、制御部２１のＣＰＵを動作させるためのプログラムをコンピュータ装置２２の記憶部２２ｂに記憶し、コンピュータ装置２２のＣＰＵ２を使って制御部２１を構成するのでもよい。このとき、コンピュータ装置２２のＣＰＵ２のみで制御が可能になる。

続いて、電子機器の冷却装置の冷媒が減少したときに、冷却装置の制御部２１が行う処理手順を図５のフローチャートに従って詳細に説明する。図５において、まず、モータの所定角度回転するごとに出力される信号を取得し、その間隔時間から回転数を検出する（ｓｔｅｐ１）。ポンプがＤＣモータ２３で駆動される場合には、ＦＧ信号が所定角度回転するごとに出力される信号であり、このＦＧ信号を検出することにより、ポンプの回転数Ｎを算出する。

次に、この回転数Ｎを回転数Ｎ１と比較し（ｓｔｅｐ２）、Ｎ＜Ｎ１であればｓｔｅｐ１に戻って運転を継続し、Ｎ≧Ｎ１の場合には、（Ｉ）電子機器の液晶ディスプレイに次の（１）（２）（３）のいずれかの表示を行うか、電子発熱部品がＣＰＵ２の場合にはさらに、（ＩＩ）発熱量を軽減するためＣＰＵ２のクロックを低減する、という処理のいずれかを実行する（ｓｔｅｐ３）。なお、（Ｉ）の表示としては、（１）「冷却液の補充をして下さい」と補充を促すコメント、（２）故障の報知、（３）寿命（使用可能期間）の報知、の表示を行う。また、発熱部品がＣＰＵ２の場合は、（Ｉ）（ＩＩ）を同時に実行することができる。さらに、電子機器がコンピュータ装置２２の場合、コンピュータ装置２２の表示部２５と液晶ディスプレイ１ａを警告のための表示に使用できる。

続いて、回転数Ｎを回転数Ｎ２と比較し（ｓｔｅｐ４）、Ｎ＜Ｎ１であればｓｔｅｐ１に戻って運転を継続し、Ｎ≧Ｎ２の場合には、電子機器の電源をシャットダウンする（ｓｔｅｐ５）。

このように、本実施例１の冷却装置とそれを搭載した電子機器は、冷却装置の冷媒の液量が不足しているのを検知することができ、空気の混入によって冷却能力が低下し、発熱部品の過熱状態を回避することができる。

本発明は、筐体内部に配設されたＣＰＵ等の発熱部品を冷却する電子機器のための冷却装置、またその冷却装置を搭載した電子機器に適用することができる。

本発明の実施例１における冷却装置を設けたコンピュータ装置の一部破砕した斜視図 本発明の実施例１における冷却装置の放熱器の側面図 本発明の実施例１における冷却装置内部に入った空気量とポンプの回転数との関係を示すグラフ 本発明の実施例１における冷却装置の制御部の構成図 本発明の実施例１における冷却装置の冷媒液の減少時に行う処理手順を示すフローチャート 従来の電子機器の冷却装置の構成図

符号の説明

１ 筐体
１ａ 液晶ディスプレイ
１ｂ カバー
１ｃ 本体
２ ＣＰＵ
３ 基板
４ 冷却器
５ 放熱器
６ ポンプ
７ リザーブタンク
７ａ 第１延長リザーブタンク
７ｂ 第２延長リザーブタンク
８ 配管
１０ 放熱用蛇行路
１０ａ 流入口
１０ｂ 流出口
１０ｃ 接続口
１１ 継手
１２ 気泡
２１ 制御部
２１ａ 回転数検出手段
２１ｂ 判断手段
２１ｃ 警告実行手段
２２ コンピュータ装置
２２ａ 発振器
２２ｂ 記憶部
２３ ＤＣモータ
２４ モータ駆動部
２５ 表示部

Claims (7)

1. 冷媒を循環するための閉循環路に冷却器と放熱器，ポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンクがそれぞれ設けられ、前記ポンプが設定回転数で前記冷媒を循環し、前記冷却器が前記冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を前記放熱器が放熱する電子機器のための冷却装置であって、前記ポンプの回転数が前記設定回転数以下の場合には運転を継続する旨の判断を行い、前記ポンプの回転数が前記設定回転数を越えた場合には、冷媒の液量が不足していると判断する判断手段が設けられたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記ポンプの回転数が、前記設定回転数を越え且つエアロックを発生する回転数より小さい所定の回転数の範囲に含まれる場合に、前記判断手段が冷媒の液量が不足していると判断することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記判断手段が冷媒の液量が不足していると判断したとき、警告処理を実行する警告実行手段が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
4. 請求項３記載の冷却装置を備えるとともに表示装置で表示を行える電子機器であって、前記判断手段が冷媒の液量が不足していると判断したとき、前記警告実行手段が前記表示装置に警告表示をさせることを特徴とする電子機器。
5. 請求項１または２記載の冷却装置を備えた電子機器であって、前記判断手段が冷媒の液量が不足していると判断した場合、前記警告実行手段が前記発熱部品の発熱量を低下させるための制御を指令し、運転モードを変更させることを特徴とする電子機器。
6. 前記発熱部品が半導体集積回路であって、前記発熱量を低下させるための制御が該半導体回路の動作周波数を低下させる制御であることを特徴とする請求項５記載の電子機器。
7. 請求項１または２記載の冷却装置を備えた電子機器であって、前記判断手段が冷媒の液量が不足していると判断したとき、電源を切断することを特徴とする電子機器。

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