JP2017116150A - 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、冷却性能の高い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冷却する冷却装置１において、受熱部３は、前面または後面の少なくとも一方に発熱体を設置する受熱板を備え、上部に放熱内部経路２５と、下部に帰還内部経路２４と、フィン部２とを備え、フィン部２には平板状のフィンを、フィン間の冷媒の流路が上下方向となるように設け、流入口３０と流出口３１とを受熱部３の同一の側面に設け、受熱板Ａ１５は、前記仕切壁３４は、前記受熱板を介して設置された発熱体と前記発熱体と隣り合う前記発熱体との間に設けることを特徴とする冷却装置１とした。【選択図】図３

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）、ダイオード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６に示すように、筐体１１２内の管路部１３０に、発熱体であるインバータ１０８の熱によって冷媒が沸騰する蒸発器部１３２と、管路部１３０において蒸発器部１３２に隣接して設けられ、冷媒が流入口１１４から直接流出口１１６に向かって流通する流通部１３４とを備える。蒸発器部１３２には、底壁部１２０から流通部１３４の側に向かって突出する複数のフィン１４０が設けられ、複数のフィン１４０の間の隙間を冷媒が流通する構成となっていた（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−０１６５８９号公報

特許文献１に示された冷却装置は、基本的には、１つの冷却装置が１つの発熱体を冷却するものである。従って、電子機器が複数の発熱体を有する場合は、複数の冷却装置を備える必要があるが、限られた電子機器のスペースにおいて複数の冷却装置を備えることは困難である。

仮に、特許文献１に示された冷却装置を用いて、１つの冷却装置で複数の発熱体を冷却しようとすると、次のような課題がある。

電子機器が複数の発熱体を有する場合、すなわち、発熱体となる電子部品が複数ある場合、隣り合う発熱体と発熱体の間に隙間ができる。この場合、発熱体と発熱体との間に発熱体と接触していない領域が受熱板に存在することとなる。

１つの受熱部で複数の発熱体を効率的に冷却するためには、受熱部の受熱板が発熱体と接触する高温の領域に冷媒を集中的に流入させることが必要となるが、複数の発熱体となる電子部品を特許文献１に示された１つの冷却装置で冷却しようとすると、受熱部の受熱板において、隣り合う電子部品と電子部品の間の電子部品が接触していない低温の領域にも冷媒が流入してしまう。受熱空間内において、発熱体である電子部品に接触する受熱板の高温の領域の周辺の圧力は、低温の領域の周辺と比較して高くなる。これにより、受熱部に流入した冷媒は、発熱体である電子部品に接触していない圧力の低い低温の領域に流入しやすくなり、電子部品に接触している圧力の高い高温領域に流入しにくくなる。すなわち、冷媒を集中的に流入して冷却する必要のある高温領域に冷媒が流入しにくくなるため、受熱部の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトを生じ、熱伝達率が低下した結果、冷却装置の冷却性能が低下してしまうのである。

そこで本発明は、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、１つの冷却装置で効率的に冷却できる冷却装置を提供することを目的とする。

冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、
受熱部、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、
前記受熱部は、
前面および後面が最大面積の横長の直方体形状で、前記前面または前記後面の少なくとも一方に複数の発熱体を設置する受熱板と、
前記受熱部内の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路との間にフィン部と、
前記放熱経路と前記放熱内部経路とを接続する流出口と、前記帰還経路と前記帰還内部経路とを接続する流入口とを有し、
前記フィン部には前記受熱板から内部に突出する複数の平板状のフィンを、フィン間の隙間により構成される冷媒の流路が上下方向となるように設け、
前記受熱部の前記前面と前記後面との間に、前記フィンと平行方向に１または複数の仕切壁を設け、
前記仕切壁は、前記放熱内部経路を貫通させる放熱内部経路開口と、前記帰還内部経路を貫通させる帰還内部経路開口を設け、
前記仕切壁は、前記受熱板を介して設置された前記発熱体と前記発熱体と隣り合う発熱体との間に設けることを特徴とする冷却装置であり、これにより所期の目的を達成するものである。

以上のように本発明は、冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、受熱部、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、前記受熱部は、前面および後面が最大面積の横長の直方体形状で、前記前面または前記後面の少なくとも一方に複数の発熱体を設置する受熱板と、前記受熱部内の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路との間にフィン部と前記放熱経路と前記放熱内部経路とを接続する流出口と、前記帰還経路と前記帰還内部経路とを接続する流入口とを有し、前記フィン部には前記受熱板から内部に突出する複数の平板状のフィンを、フィン間の隙間により構成される冷媒の流路が上下方向となるように設け、前記受熱部の前記前面と前記後面との間に、前記フィンと平行方向に１または複数の仕切壁を設け、前記仕切壁は、前記放熱内部経路を貫通させる放熱内部経路開口と、前記帰還内部経路を貫通させる帰還内部経路開口を設け、前記仕切壁は、前記受熱板を介して設置された前記発熱体と前記発熱体と隣り合う発熱体との間に設けることを特徴とする冷却装置であり、この構成により、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、１つの冷却装置で効率的に冷却できる冷却装置を提供することができるものである。

すなわち、発熱体と発熱体の間の発熱体が接触していない低温かつ圧力の低い受熱部内空間に中実の仕切壁を設けることにより、冷媒が流入する空間をなくしているため、冷媒を集中的に流入して冷却する必要のある発熱体に接触している高温領域に冷媒が流入し易くなり、受熱部の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトの状態が発生することを抑制することができる。

結果として、仕切壁を、受熱板を介して設置された発熱体と隣り合う発熱体との間に設けることにより、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトの状態を防ぎ、冷却性能の高い冷却装置を提供することができるものである。

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 同冷却装置の受熱部の外観を示す図 同冷却装置の受熱部の分解斜視図 同冷却装置の受熱部の分解斜視図 同冷却装置の受熱部のＹ−Ｙ´断面を示す図 従来の冷却装置を示す概略図

冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、受熱部、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、前記受熱部は、前面および後面が最大面積の横長の直方体形状で、前記前面または前記後面の少なくとも一方に複数の発熱体を設置する受熱板と、前記受熱部内の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路との間にフィン部と前記放熱経路と前記放熱内部経路とを接続する流出口と、前記帰還経路と前記帰還内部経路とを接続する流入口とを有し、前記フィン部には前記受熱板から内部に突出する複数の平板状のフィンを、フィン間の隙間により構成される冷媒の流路が上下方向となるように設け、前記受熱部の前記前面と前記後面との間に、前記フィンと平行方向に１または複数の仕切壁を設け、前記仕切壁は、前記放熱内部経路を貫通させる放熱内部経路開口と、前記帰還内部経路を貫通させる帰還内部経路開口を設け、前記仕切壁は、前記受熱板を介して設置された前記発熱体と前記発熱体と隣り合う発熱体との間に設けることを特徴とする冷却装置であり、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、１つの冷却装置で効率的に冷却できる冷却装置を提供することできるものである。すなわち、発熱体と発熱体の間の発熱体が接触していない低温かつ圧力の低い受熱部内空間に中実の仕切壁を設けることにより、冷媒が流入する空間をなくしているため、冷媒を集中的に流入して冷却する必要のある発熱体に接触している高温領域に冷媒が流入し易くなり、受熱部の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトの状態が発生することを抑制することができる。

結果として、仕切壁を、受熱板を介して設置された発熱体と隣り合う発熱体との間に設けることにより、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトの状態を防ぎ、冷却性能の高い冷却装置を提供することができるものである。

また、前記仕切壁の厚みは前記フィンより厚い構成としてもよい。

これにより、受熱部の受熱板を介して設置された発熱体と隣り合う発熱体との間の発熱体が接触していない領域が中実である仕切壁に占められ、仕切壁がフィンより厚いことで、冷媒が、受熱部の受熱板を介して設置された発熱体と隣り合う発熱体との間の発熱体が接触していない領域に流入できなくなる。すなわち、冷媒が受熱部の受熱板を介して設置された発熱体と接触する領域だけに流入することとなり、電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部内の局所ドライアウトを防ぎ、冷却性能の高い冷却装置を提供することができるものである。

また、本発明の冷却装置を搭載した電子機器にしてもよい。電子機器が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部内の局所ドライアウトを防ぎ、冷却性能の高い冷却装置を有した電子機器を提供することができる。

（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の冷却装置を搭載した電子機器５０の概略図である。

図１に示すように、電子機器５０は、ケース５１内に複数の発熱体である発熱体群Ａ４７、発熱体群Ｂ４８となる電力用半導体素子と冷却装置１とが備えられている。

冷却装置１は、発熱体群Ａ４７、発熱体群Ｂ４８を冷却するための受熱部３、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、冷媒が封入されている。冷媒としては、フロン類、フッ素系溶剤類などが用いられるが、これらに限られない。受熱部３、放熱部４および後述するフィンであるフィンＡ２２、フィンＢ２３の材質は、アルミニウムが適しているが、これらに限られない。

冷却装置１の放熱部４は、冷媒により輸送した熱を冷却するための水冷チラー（図示なし）に接続されている。水冷チラーで冷却された冷却水を冷却水供給経路７から放熱部４に供給し、放熱部４において冷媒により輸送した熱を冷却水と熱交換することにより冷媒が冷却されて液相冷媒となる。受熱した冷却水は冷却水戻り経路８を経て水冷チラーに戻り水冷チラーにおいて冷却される。

本実施の形態では、水冷チラーによる水冷式としたが、冷却ファンによる空冷式や、その他の方式であってもよい。

次に、上記構成における冷却装置１の基本的な仕組みについて説明する。

冷却装置１は、内部を減圧した後に冷媒を封入したものであり、冷却装置１内は、冷媒の作用により外部温度に応じた冷媒の飽和圧力となる。発熱体群Ａ４７、発熱体群Ｂ４８の熱は受熱部３を介して冷媒に伝わり、冷媒が液相から気相へと変化することで、発熱体群Ａ４７、発熱体群Ｂ４８が冷却される。受熱部３内にて気化した冷媒は、未沸騰の液相の冷媒との気液二相の混相流となって、受熱部３から放熱経路５を通り放熱部４へと移動し、冷却水供給経路７より供給された冷却水により冷やされ再び液化し液相の冷媒となり帰還経路６を経て受熱部３に戻る。

よって、受熱部３内にて冷媒が気化し、気化した冷媒が放熱経路５を通過し放熱部４にて液化し、液化した冷媒が帰還経路６を通過し再び受熱部３内に供給されるサイクルが繰り返されることで、発熱体群Ａ４７、発熱体群Ｂ４８を冷却している。

なお、帰還経路６は、放熱経路５より、経路の径を小さくするものとする。これにより、帰還経路６の流路圧損が、放熱経路５の流路圧損より高くなるので、冷媒が受熱部３から帰還経路６に逆流するのを抑制することができる。

図２は、本実施の形態の冷却装置１の受熱部３の外観を示す図である。

図３および図４は、本実施の形態の冷却装置１の受熱部３の分解斜視図である。

図５は、本実施の形態の冷却装置の受熱部のＹ−Ｙ´断面を示す図である。

図２、図３、図４に示すように、受熱部３は、前面および後面が最大面積の横長の直方体形状とする。

受熱部３は、前面および後面が垂直方向となるように設置する。
前面には、発熱体群Ａ４７を設置する受熱板Ａ１５を設け、後面には、発熱体群Ｂ４８を設置する受熱板Ｂ１６を設ける。

なお、発熱体、受熱板、フィン他をそれぞれＡ，Ｂに分けているが、これは、各々が２つあることを意味し、特に記載がないかぎりＡ，Ｂに違いはなく、ＡとＢは同様に扱うものとする。

また、本実施の形態では、発熱体群Ａ４７、発熱体群Ｂ４８と受熱板Ａ１５、受熱板Ｂ１６とを受熱部３の前面および後面の両方に設けているが、前面または後面のいずれか一方に発熱体群Ａ４７と受熱板Ａ１５とを設ける構成としてもよい（図示せず）。図５に示すように、一点破線で示す発熱体群Ｂ４８を、受熱板Ｂ１６に接触させて熱的に接続する。図示しないが、発熱体群Ａ４７を、受熱板Ａ１５に接触させて熱的に接続するものとする。受熱板Ａ１５と受熱板Ｂ１６には、発熱体を固定するための固定用ネジ孔１９を適宜設けて、受熱板Ａ１５に発熱体群Ａ４７を、受熱板Ｂ１６に発熱体群Ｂ４８をネジで固定する。２つの発熱体群Ａ４７と隣り合う発熱体群Ｂ４８との間に、受熱部３が挟まれるように垂直方向に設置する。

横長の直方体形状である受熱部３内の上部には放熱内部経路２５として空間を設け、下部には帰還内部経路２４として空間を設ける。

受熱部３内の放熱内部経路２５と帰還内部経路２４との間の中央部にフィン部２を設けている。
受熱部３には、放熱経路５と放熱内部経路２５とを接続する流出口３１と、帰還経路６と帰還内部経路２４とを接続する流入口３０とを設ける。

流出口３１と流入口３０とは、受熱部３の同一の側面に設ける。流出口３１と流入口３０とを設ける側面は、受熱板Ａ１５、受熱板Ｂ１６を設ける前面、後面をつなぐ側面である。

フィン部２には受熱板Ａ１５から、受熱部３の内部に突出する複数の平板状のフィンＡ２２を平行に並べて設け、受熱板Ｂ１６から、受熱部３の内部に突出する複数の平板状のフィンＢ２３を並行に並べて設ける。フィン間の冷媒の流路が上下方向となるようにフィンＡ２２およびフィンＢ２３を配置する。

次に、本実施の形態における特徴的な構成について説明する。

受熱部３の内部を複数のブロックである受熱器１１に分割するため、仕切壁３４を、受熱板Ｂ１６を介して設置された発熱体Ｂａ４３、発熱体Ｂｂ４４と発隣り合う熱体Ｂｃ４５との間に設ける構成とする。仕切壁３４と受熱部３の内壁とで囲まれた複数の受熱器１１が形成される。仕切壁３４には、放熱内部経路２５を貫通させる放熱内部経路開口３５と、帰還内部経路２４を貫通させる帰還内部経路開口３６を設ける。

図３、４、５に示すように、受熱部３内の受熱空間を仕切壁３４により仕切ることにより、仕切られた空間である受熱器１１内に供給された冷媒は、その受熱器１１内のフィン部２を流れ、フィンＢ２３と熱交換した後に放熱内部経路２５および仕切壁３４に設けた放熱内部経路開口３５（図３に記載）を通って放熱経路５側に流れる。すなわち、受熱部３の受熱板Ｂ１６を介して設置された発熱体Ｂａ４３、発熱体Ｂｂ４４、および発熱体Ｂｃ４５と接触する領域は高温となり、発熱体Ｂａ４３と隣り合う発熱体Ｂｂ４４との間の領域、および、発熱体Ｂｂ４４と隣り合う発熱体Ｂｃ４５との間の領域は、発熱体に接触していないため、低温となる。

受熱空間内において、受熱部３の高温の領域の周辺の圧力は、低温の領域の周辺と比較して高くなる。これにより、受熱部３に流入した冷媒は、圧力の低い低温の領域に流入しやすくなり、圧力の高い高温領域に流入しにくくなるが、発熱体Ｂａ４３と隣り合う発熱体Ｂｂ４４との間、および、発熱体Ｂｂ４４と隣り合う発熱体Ｂｃ４５との間の発熱体に接触していない低温かつ圧力の低い領域に、中実の仕切壁３４を設けることにより、冷媒が流入する空間をなくしているため、冷媒を流入して冷却する必要のある熱体Ｂａ４３、発熱体Ｂｂ４４、発熱体Ｂｃ４５に接触する高温領域に冷媒が流入し易くなる。そのため、受熱部３の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトの状態が発生することを抑制することができる。

結果として、仕切壁３４を、受熱板Ｂ１６を介して設置された発熱体Ｂａ４３と隣り合う発熱体Ｂｂ４４との間、および、発熱体Ｂｂ４４と隣り合う発熱体Ｂｃ４５との間の発熱体に接触していない領域に設けることにより、電子機器５０が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部３の一部において冷媒が不足する状態、いわゆるドライアウトの状態を防ぎ、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができるものである。

また、仕切壁３４の厚みはフィンＢ２３より厚い構成としてもよい。

これにより、受熱部３の受熱板Ｂ１６を介して設置された発熱体Ｂａ４３と隣り合う発熱体Ｂｂ４４との間、および、発熱体Ｂｂ４４と隣り合う発熱体Ｂｃ４５との間の発熱体に接触していない低温かつ圧力の低い領域が中実である仕切壁３４に占められ、仕切壁３４がフィンＢ２３より厚いことで、冷媒が受熱部３の受熱板Ｂ１６を介して設置された発熱体Ｂａ４３と隣り合う発熱体Ｂｂ４４との間、および、発熱体Ｂｂ４４と隣り合う発熱体Ｂｃ４５との間の発熱体に接触していない低温かつ圧力の低い領域に流入できなくなる。すなわち、冷媒が受熱部３の受熱板Ｂ１６を介して設置された発熱体Ｂａ４３、発熱体Ｂｂ４４、発熱体Ｂｃ４５と接触する領域だけに流入することにより、電子機器５０が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部３内の局所ドライアウトを防ぎ、冷却性能の高い冷却装置１を提供することができるものである。 また、本発明の冷却装置１を搭載した電子機器５０にしてもよい。電子機器５０が複数の発熱体を有する場合においても、受熱部３内の局所ドライアウトを防ぎ、冷却性能の高い冷却装置１を有した電子機器５０を提供することができる。

以上のように本発明にかかる冷却装置は、冷却性能が高いので、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）、ダイオード等の電子部品を搭載した電子機器等の冷却装置として有用である。

１ 冷却装置
２ フィン部
３ 受熱部
４ 放熱部
５ 放熱経路
６ 帰還経路
７ 冷却水供給経路
８ 冷却水戻り経路
１１ 受熱器
１５ 受熱板Ａ
１６ 受熱板Ｂ
１９ 固定用ネジ孔
２２ フィンＡ
２３ フィンＢ
２４ 帰還内部経路
２５ 放熱内部経路
３０ 流入口
３１ 流出口
３４ 仕切壁
３５ 放熱内部経路開口
３６ 帰還内部経路開口
４３ 発熱体Ｂａ
４４ 発熱体Ｂｂ
４５ 発熱体Ｂｃ
４７ 発熱体群Ａ
４８ 発熱体群Ｂ
５０ 電子機器
５１ ケース

Claims (3)

1. 冷媒の相変化によって冷却する冷却装置において、
   受熱部、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、
   前記受熱部は、
   前面および後面が最大面積の横長の直方体形状で、前記前面または前記後面の少なくとも一方に複数の発熱体を設置する受熱板と、
   前記受熱部内の上部に放熱内部経路と、下部に帰還内部経路と、前記放熱内部経路と前記帰還内部経路との間にフィン部と、
   前記放熱経路と前記放熱内部経路とを接続する流出口と、前記帰還経路と前記帰還内部経路とを接続する流入口とを有し、
   前記フィン部には前記受熱板から内部に突出する複数の平板状のフィンを、フィン間の隙間により構成される冷媒の流路が上下方向となるように設け、
   前記受熱部の前記前面と前記後面との間に、前記フィンと平行方向に１または複数の仕切壁を設け、
   前記仕切壁は、前記放熱内部経路を貫通させる放熱内部経路開口と、前記帰還内部経路を貫通させる帰還内部経路開口を設け、
   前記仕切壁は、前記受熱板を介して設置された前記発熱体と前記発熱体と隣り合う発熱体との間に設けることを特徴とする冷却装置。
2. 前記仕切壁の厚みは前記フィンより厚いことを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 請求項１または２に記載の冷却装置を搭載した電子機器。