JP2016121865A - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、空気がリークしても冷却性能が維持できる冷却装置を提供することを目的とするものである。
【解決手段】冷媒の相変化によって発熱体２を冷却する冷却装置１において、発熱体２を設置する受熱部３と、放熱経路５、放熱部４、帰還経路６、を順に連結して冷媒の循環経路を形成し、吸込口３３と、排出口３５とを設けた空気タンク１２を備え、空気タンク１２は、吸込口３３を介して放熱部４または帰還経路６のいずれか一方に連通し、連通した空気タンク１２と放熱部４または帰還経路６との間に第一弁１１を設け、排気口１３には第二弁１４を設けたことを特徴とする冷却装置１とした。
【選択図】図２

Description

本発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電子部品を搭載した電子機器の冷却装置およびこれを搭載した電子機器に関するものである。

従来、この種の冷却装置は、以下のような構成となっていた。

すなわち、図４に示すように、サイリスタ素子１０１が動作状態になると内部で電力損失が生じ、この発熱が蒸発器１０２の伝熱面から冷媒液１０７へ伝わり冷媒蒸気１０９へと相変化する沸騰伝熱によって放熱が行われる。この冷媒蒸気１０９は凝縮器１０６内に充満し、この凝縮器１０６が外気によって冷やされると同時に冷媒蒸気１０９は凝縮されて液化し、冷媒液１０７へと相変化するのである。この冷媒液１０７は、第一のヘッダ１０４の下部に流れ込み、液戻り管１０８を通って再び蒸発器１０２に供給される。

この動作が繰り返されることによって、サイリスタ素子１０１は冷却されることになる。（例えば特許文献１参照）。

特開平４−２８５４７０号公報

特許文献１に示された冷却装置は、冷媒液１０７に水やエチレングリコール水溶液を使用している。このサイリスタ素子１０１の通常動作では、冷媒液１０７の動作温度は６０℃前後であり、この温度における蒸気圧力は約０．２［ｋｇ／ｃｍ²］ａｂｓとなるため、大気よりも低い圧力であることから、非凝縮性ガスである空気１４０が冷却装置内にリークして漏れ入る懸念がある。

冷却装置内に非凝縮性ガスである空気１４０がリークした場合には、空気１４０は冷媒蒸気１０９の循環経路途中にあたる凝縮器１０６の上部に溜まり、冷媒蒸気１０９の循環を阻害するために凝縮器１０６の冷却性能が低下し、冷媒液１０７の動作温度が高くなり、更にはサイリスタ素子１０１のジャンクション温度が設計許容値を超える懸念が生じる。

そこで、特許文献１の冷却装置では、放熱部１０６に第一のヘッダ１０４および第二のヘッダ１０５を備え、その表面に複数の温度センサ１３０を備え、また温度センサ１３０の出力は温度計１３２を介して演算器１３４で処理し、すなわち空気１４０により凝縮器１０６の上部と下部で生じる温度差から冷却性能の低下を演算し、警報１３６を鳴らして異常を知らせる構成となっている。

しかしながら、上記の構成では、空気１４０がリークすると冷却性能の低下は確実であり、また空気１４０がリークし冷却性能の低下した冷却装置のメンテナンスまでは言及されておらず、初期の冷却性能を取り戻すためには交換しかないので、サイリスタ素子１０１および周辺機器全てを停止させた上で、サイリスタ素子１０１を取り外す等の作業と、冷却装置ごと交換という煩雑な作業を実施する必要があるという課題があった。

また、温度センサ１３０の故障診断に関する記載はあるが、温度センサ１３０の計測値および演算に関しては、外気温度条件や凝縮器１０６自体の熱容量、サイリスタ素子１０１の出力を受けるため、警報器１３６への出力を演算する条件決めに多くの基礎データを蓄積する必要があり、またこの基礎データは冷却装置構造や仕様が変わる度に蓄積し直す必要があるという課題があった。

そこで本発明は、上記のような課題を解決するものであり、空気がリークしたとしても、冷却性能の低下を防ぎ、またリークした空気の真空排気メンテナンスにより冷却性能の回復ができることで、安定した冷却性能が得られる信頼性の高い冷却装置の提供を目的とするものである。

そこで、この目的を達成するために本発明は、冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、吸込口と、排気口とを設けた空気タンクを備え、前記空気タンクは、前記吸込口を介して前記放熱部または前記帰還経路のいずれか一方に連通し、連通した前記空気タンクと前記放熱部または前記帰還経路との間に第一弁を設け、前記排気口には第二弁を設けたことを特徴とする冷却装置であり、これにより初期の目的を達成するものである。

以上のように本発明の冷却装置では、冷却装置内に漏れ入った空気が冷媒蒸気よりも密度が小さいために冷却装置内でも上部に位置する放熱部およびその近傍に溜まるので、放熱部または放熱部に接続された帰還経路のいずれか一方に連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができる。

そして、この第一弁と空気タンクは冷媒の循環経路の主経路外となるため、リークした空気が冷媒の循環を阻害し冷却性能が低下することを防ぐことができるので、安定した冷却性能が得られる冷却装置を提供できる。

また、第二弁に真空ポンプを接続し、第一弁を閉止した後に第二弁を開放することで、空気タンク内に貯留した空気を含む冷媒蒸気のみを真空排気でき、これにより真空排気に伴い冷媒を過分に排出させることを防ぎ、また空気タンクの容量が不足して冷却性能が低下することを防ぐことができるので、安定した冷却性能が得られる信頼性の高い冷却装置を提供できる。

本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図 同冷却装置の放熱部および空気タンクの部分拡大概略図 本発明の実施の形態２の同冷却装置の放熱部および空気タンクの部分拡大概略図 本発明の実施の形態３の同冷却装置の放熱部および空気タンクの部分拡大概略図 同冷却装置の冷媒の飽和圧力を示すグラフ 従来の冷却装置の構成図

本発明の冷却装置は、冷冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、吸込口と、排気口とを設けた空気タンクを備え、前記空気タンクは、前記吸込口を介して前記放熱部または前記帰還経路のいずれか一方に連通し、連通した前記空気タンクと前記放熱部または前記帰還経路との間に第一弁を設け、前記排気口には第二弁を設ける構成とすることにより、冷却装置内に漏れ入った空気が冷媒蒸気よりも密度が小さいために冷却装置内でも上部に位置する放熱部およびその近傍に溜まるので、放熱部または放熱部に接続された帰還経路のいずれか一方に連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができる。

そして、この第一弁と空気タンクは冷媒の循環経路の主経路外となるため、リークした空気が冷媒の循環を阻害し冷却性能が低下することを防ぐことができるので、安定した冷却性能が得られる冷却装置を提供できる。

また、第二弁に真空ポンプを接続し、第一弁を閉止した後に第二弁を開放することで、空気タンク内に貯留した空気を含む冷媒蒸気のみを真空排気でき、これにより真空排気に伴い冷媒を過分に排出させることを防ぎ、また空気タンクの容量が不足して冷却性能が低下することを防ぐことができるので、安定した冷却性能が得られる信頼性の高い冷却装置を提供できるという効果を奏する。

また、前記放熱部は、上部ヘッダを備え、前記上部ヘッダは、前記第一弁および前記吸込口を介して前記空気タンクと連通し、前記空気タンクが前記上部ヘッダよりも上に設置される構成にしてもよい。これにより、冷却装置内に漏れ入った空気が冷媒蒸気よりも密度が小さいために冷却装置内でも上部に位置する放熱部の上部ヘッダに溜まり、さらに第一弁を介して放熱部の上部ヘッダと連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができるという効果を奏する。

また、前記放熱部は、下部ヘッダを備え、前記下部ヘッダは、前記第一弁および前記吸込口を介して前記空気タンクと連通し、前記空気タンクは第三弁を設けた排出口を前記吸込口よりも下に備え、前記空気タンクは、前記第三弁および前記排出口を介して前記帰還経路と連通し、前記空気タンクが前記下部ヘッダよりも下に設置される構成にしてもよい。これにより、冷却装置内に漏れ入った空気が冷媒蒸気よりも密度が小さいために冷却装置内でも上部に位置する放熱部の下部ヘッダに溜まり、さらに第一弁を介して放熱部の下部ヘッダと連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができるという効果を奏する。

なお、空気タンクは、放熱部の上部ヘッダに連通させ、放熱部よりも上に設置する方がリークした空気が空気タンクに貯留しやすいが、空気タンクを放熱部の下部ヘッダに連通させ、放熱部より下に設置しても、空気タンクにさらに第三弁を設けた排出口を吸込口よりも下に設け、空気タンクをこの第三弁と排出口を介して帰還経路と連通させることにより、放熱部の下部ヘッダに溜まった冷媒液は第一弁および空気タンクの吸込口を介して空気タンクに流入し、空気タンクの排出口および第三弁を介して帰還経路に流出する。下部ヘッダは放熱部のうちの下流にあたるため温度が低く圧力も低い。そのため、リークした空気が圧力の低い下部ヘッダに流入する。そして、冷媒液の流れとともにリークした空気も下部ヘッダから空気タンクに流れ込み空気タンクに貯留される。

また、前記空気タンクに圧力検知手段を備えた構成にしてもよい。これにより、冷却装置内の圧力変化を定量的に観察、記録できると同時に、空気タンク内は冷媒の循環経路ではないことから、圧力検知手段と冷媒液との接触を最小限にできるので、圧力検知手段の故障リスクを最小限に抑えることができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置１を搭載した電子機器３０の概略図であり、図２は、放熱部４および空気タンク１２の部分拡大概略図である。

図１に示すように、電子機器３０は、ケース３１内に発熱体２となる電力用半導体素子と冷却装置１が備えられている。

冷却装置１は、発熱体２を冷却するための受熱部３と、放熱部４を備えており、放熱経路５と帰還経路６とにより受熱部３と放熱部４が連結されている。この構成により、冷却装置１は内部が密閉空間となり、図１では図示していないが、冷却装置１内は、減圧した上で、作動流体である冷媒が封入されている。冷媒としては、純水、エタノール、フッ素系溶剤類、などが用いられる。

また冷却装置１は、放熱部４に冷媒により輸送した熱を最終的に外気に放熱するためのファン７を、帰還経路６の受熱部３側には冷媒の逆流を防止する逆流防止部８を備えている。本実施の形態では、ファン７による空冷式としたが、水冷式、その他の方式であってもよい。

また図２に示すように、放熱部４には、放熱経路５と接続する上部ヘッダ９と、帰還経路６と接続する下部ヘッダ１０と、を備えている。上部ヘッダ９は開口部３２を備えている。空気タンク１２は、吸込口３３と排気口１３を備えている。放熱部４の上部ヘッダ９の開口部３２と、空気タンク１２の吸込口３３とを連通するように配置する。放熱部４の上部ヘッダ９の開口部３２と空気タンク１２の吸込口３３との間には、第一弁１１を設ける。放熱部４の上部ヘッダ９は、第一弁１１および吸込口３３を介して空気タンク１２と連通している。すなわち、放熱部４と空気タンク１２は、第一弁１１を介して連通している。

空気タンク１２の排気口１３は、空気タンク１２の側面側に設け、排気口１３には第二弁１４を設ける構成とする。空気タンク１２は、上部ヘッダ９の上方に位置するように設置され、耐圧性に優れた円筒形状が望ましい。

ここで、第一弁１１および第二弁１４は、開閉可能で閉止性能に優れた、例えばミニチュアバルブやグローブバルブ、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ストップバルブ、などが用いられるが、これらに限らない。

また、空気タンク１２には圧力検知手段１５が備えられており、冷却装置１内の圧力変化を定量的に観察、記録できると同時に、空気タンク１２内は冷媒の循環経路ではないことから、圧力検知手段１５と冷媒液との接触を最小限にできるので、圧力検知手段１５の故障リスクを最小限に抑えることができる。

次に冷却装置１の基本動作について説明する。

冷却装置１は、発熱体２の駆動に伴う発熱を受熱部３で受け、この発熱が内部の冷媒液に伝わり、冷媒蒸気へと相変化する沸騰伝熱によって発熱体２の冷却が行われる。この冷媒蒸気は、圧力差の作用により放熱部４へと流入し、ファン７により外気で冷やされた放熱部４内で凝縮して冷媒蒸気へと相変化し、冷媒液は下部ヘッダ１０と接続した帰還経路６および逆流防止部８を通って再び受熱部３へと供給されるのである。

ここで、冷媒の循環方向は、逆流防止部８によって一方方向へと規定される。逆流防止部８は、例えば多孔質金属焼結体や、金属繊維焼結体、異径縮小部、細管、曲がり管、弁体、などが用いられ、その構造による流路抵抗により冷媒蒸気が放熱経路５側へと循環していくことを促す作用が得られるのである。

次に、本発明で課題にあげた空気のリークと本発明の特徴について説明する。

図５に、純水とエタノールの飽和圧力を例として示す。本実施の形態の冷却装置１では、発熱体２の通常動作時に冷媒は２０〜７０℃の範囲で駆動する。図３より、この時の冷媒の飽和圧力はいずれの場合でも大気圧力（０．１ＭＰａ）以下であるため、冷却装置１の構造の僅かな隙間から大気中の非凝縮性ガスである空気が冷却装置１内に漏れ入ってくることになる。

さらに詳細に説明すると、冷却装置１は基本的に金属材質で構成されており、各部材は気密に接続されている。

例えば、受熱部３自体、および受熱部３と放熱経路５との接続、受熱部３と帰還経路６との接続、放熱部４と放熱経路５との接続、また放熱部４と帰還経路６との接続、はロー付けや溶接になる。

また例えば、第一弁１１や第二弁１４、圧力検知手段１５の上部ヘッダ９や空気タンク１２への接続は、例えばネジ込み継ぎ手や金属配管継ぎ手が用いられる。

また例えば、第一弁１１や第二弁１４の弁体外部漏れは、弁軸のシール構造（例えば、Ｏリング平パッキン、金属シール、など）により保持される。

上記のような気密な接続が通常の製造工程、製造管理の下で実施された上で生じる空気のリークでは冷却装置１の冷却性能を数時間〜数ヶ月の内に低下させることにはならない。

しかしながら、上記のような空気のリークも数年や数十年の長期間で考慮すると冷却性能を低下させる懸念がある。すなわち、溶接箇所のロー材や母材溶融部に生じる微細な気泡が偶然または経年劣化で繋がり形成される微少な隙間や、ネジ込みネジ部の微少な隙間、配管継ぎ手シール部材と配管の間の微少な隙間、弁軸シール性能、により生じるスローリークを現実的には完全に除去できないためである。

上記のように通常の製造工程、製造管理の下で実施された気密な接続部からリークした空気は、冷媒蒸気よりも密度が小さいため、冷媒の循環経路で冷媒と混合しながらも、徐々に冷却装置１内でも上部に位置する放熱部４の上部ヘッダ９に溜まることになる。この時に、第一弁１１を開放し、第二弁１４を閉止しておくと、リークした空気は上部ヘッダ９よりもより上部に設置されている空気タンク１２へと流入し、貯留されるのである。これによりリークした空気が冷媒の循環経路の主経路外に位置する空気タンク１２保持されるために、空気がリークしたとしても、冷却装置１の性能低下させにくく、安定した冷却性能が得られる冷却装置１を提供できるのである。

次に、本発明のもう一つの特徴であるリークした空気の真空排気メンテナンスについて説明する。

空気タンク１２の内容量は、数年の期間でリークしてくる空気を貯留するには十分な容量があるが、冷却装置１を定期点検する際に真空排気メンテナンスを実施することで冷却装置１の冷却性能の低下を防ぎ、さらに信頼性の高い冷却装置１の提供が可能となる。

この貯留空気を真空排気メンテナンスするためには、真空ポンプ（図示せず）を第二弁１４に接続した上で駆動状態とし、第一弁１１を閉止した後に第二弁１４を開放することで、空気タンク１２内に貯留された空気が冷媒蒸気とともに真空ポンプによって真空排気される。第一弁１１を閉止しておくことで、過分な冷媒までを排出させることはない。

また、十分に真空排気されているかは、圧力検知手段１５により確認ができる。十分に真空排気がなされれば、第二弁１４を閉止し、真空ポンプを停止させて取り外して良い。その後に第一弁１１を開放することで、再びリークしてくる空気を空気タンク１２に貯留することができる。

これにより、冷却装置１の本体交換という煩雑な作業を実施することなく、簡易な真空排気メンテナンス作業で冷却装置１の冷却性能を維持できるのである。

尚、空気タンク１２の底部の全体または一部をドレン溜として、逆三角錐形状や、凹部を備えても良く、この逆三角錐形状または凹部の上端は第一弁１１よりも低い位置に配置されることを望ましく、更にはドレン溜に第二弁１４が接続することが望ましく、この場合にはリークしてきた空気中の水分が冷えて液体状になったとしてもドレン溜に水を貯留することができ、真空排気メンテナンスの際に水も排水することができる。

尚、圧力検知手段１５と連動する警報器を備えても良く、この場合には冷却装置１に異常発生し、内圧が上昇した際に警報を発生させ、または発熱体２を停止させることができる。

尚、空気タンク１２とケース３１を熱的に接続する伝熱手段を備えても良く、この場合には空気タンク１２からケース３１側に放熱でき、空気タンク１２を外気温度同等に保つことができるので、ケース３１内が電子機器３０からの廃熱で加熱されて空気タンク１２内圧が上昇し、空気タンク１２内に貯留された空気が上部ヘッダ９側へ逆流してしまうことを防ぐことができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。

なお、実施の形態１と同等の構成及び同じ作用となる部分については説明を省略する。

図３は、放熱部４および空気タンク１２の部分拡大概略図である。

放熱部４は、下部ヘッダ１０を備え、この下部ヘッダ１０は、第一弁１１および吸込口３３を介して空気タンク１２と連通している。
空気タンク１２は、放熱部４の下部ヘッダ１０よりも下に設置する。
空気タンク１２には、さらに排出口３５を吸込口３３よりも下方に設ける。この排出口３５には第三弁３４を設け、空気タンク１２は、第三弁３４および排出口３５を介して帰還経路６と連通する構成とする。

空気タンク１２は、放熱部４の上部ヘッダ９に連通させるとともに放熱部４よりも上に空気タンク１２を設置する方がリークした空気が空気タンク１２に貯留しやすいが、空気タンク１２を放熱部４の下部ヘッダ１０に連通させ、放熱部４より下に設置しても、空気タンク１２にさらに第三弁３４を設けた排出口３５を吸込口３３よりも下に設け、空気タンク１２をこの第三弁３４と排出口３５を介して帰還経路６と連通させることにより、放熱部４の下部ヘッダ１０に溜まった冷媒液は第一弁１１および空気タンク１２の吸込口３３を介して空気タンク１２に流入し、空気タンク１２の排出口３５および第三弁３４を介して帰還経路６に流出する。下部ヘッダ１０は放熱部４のうちの下流にあたるため温度が低く圧力も低い。そのため、リークした空気が圧力の低い下部ヘッダ１０に流入する。そして、冷媒液の流れとともにリークした空気も下部ヘッダ１０から空気タンク１２に流れ込み空気タンク１２に貯留される。

（実施の形態３）
以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。

なお、実施の形態１および実施の形態２と同等の構成及び同じ作用となる部分については説明を省略する。

図４は、放熱部４および空気タンク１２の部分拡大概略図である。

空気タンク１２は、放熱部４には直接連通させず、帰還経路６と第一弁１１および吸込口３３を介してと連通する構成とする。
空気タンク１２は、放熱部４の下部ヘッダ１０よりも下に設置する。
空気タンク１２には、さらに排出口３５を吸込口３３よりも下方に設ける。この排出口３５には第三弁を設け、空気タンク１２は、第三弁３４および排出口３５を介して帰還経路６と連通させる。

すなわち、空気タンク１２の吸込口３３とその下方に設けた排出口３５の両方が帰還経路６に連通する。

空気タンク１２は、放熱部４の上部ヘッダ９に連通させるとともに放熱部４よりも上に空気タンク１２を設置する方がリークした空気が空気タンク１２に貯留しやすいが、空気タンク１２を帰還経路６に連通させ、放熱部４より下に設置しても、空気タンク１２にさらに第三弁３４を設けた排出口３５を吸込口３３よりも下に設け、空気タンク１２をこの第三弁３４と排出口３５を介して帰還経路６と連通させることにより、放熱部４の下部ヘッダ１０に溜まった冷媒液は放熱部４の下流である帰還経路６に流出し、さらに帰還経路６に連通させた空気タンク１２に第一弁１１および空気タンク１２の吸込口３３を介して流入する。そして、空気タンク１２に流入した冷媒液は、空気タンク１２の排出口３５および第三弁３４を介して帰還経路６に流出する。帰還経路６は放熱部４の下流にあたるため温度が低く圧力も低い。そのため、リークした空気が圧力の低い帰還経路６に流入する。そして、冷媒液の流れとともにリークした空気も帰還経路６から空気タンク１２に流れ込み空気タンク１２に貯留される。

以上のように本発明にかかる冷却装置は、非凝縮性ガスである空気が冷却装置内にリークしてきた場合にも、冷媒の循環経路の主経路外に空気を貯留し、またその空気を真空排気メンテナンスすることができるので、安定して冷却性能が得られ、信頼性の高いため、電子機器等の冷却装置として有用である。

１ 冷却装置
２ 発熱体
３ 受熱部
４ 放熱部
５ 放熱経路
６ 帰還経路
７ ファン
８ 逆流防止部
９ 上部ヘッダ
１０ 下部ヘッダ
１１ 第一弁
１２ 空気タンク
１３ 排気口
１４ 第二弁
１５ 圧力検知手段
３０ 電子機器
３１ ケース
３２ 開口部
３３ 吸込口
３４ 第三弁
３５ 排出口

Claims (4)

1. 冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、
   前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、
   吸込口と、排気口とを設けた空気タンクを備え、
   前記空気タンクは、前記吸込口を介して前記放熱部または前記帰還経路のいずれか一方に連通し、
   連通した前記空気タンクと前記放熱部または前記帰還経路との間に第一弁を設け、
   前記排気口には第二弁を設けたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記放熱部は、上部ヘッダを備え、前記上部ヘッダは、前記第一弁および前記吸込口を介して前記空気タンクと連通し、
   前記空気タンクが前記上部ヘッダよりも上に設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記放熱部は、下部ヘッダを備え、前記下部ヘッダは、前記第一弁および前記吸込口を介して前記空気タンクと連通し、
   前記空気タンクは第三弁を設けた排出口を前記吸込口よりも下に備え、前記空気タンクは、前記第三弁および前記排出口を介して前記帰還経路と連通し、
   前記空気タンクが前記下部ヘッダよりも下に設置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記空気タンクに圧力検知手段を備えたことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。

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