(57)【要約】【課題】冷却対象物の表面に液体冷媒を直接接触させて効果的に熱を回収することができ、回収した熱を所定の場所に搬送してから放熱し、機器を設置した室内への熱の拡散を防止することが可能な液冷式冷却装置を提供する。【解決手段】冷却対象物２の熱を液体冷媒３０で回収する液冷式冷却装置１であって、開口部を有する中空のカップ状となっており、中空内に液体冷媒３０の流入口１４及び流出口１５を連通させたカップ状受熱部１０と、カップ状受熱部１０の流入口１４及び流出口１５に接続され、中空内に液体冷媒３０を循環させる循環路２０と、を備え、カップ状受熱部１０の開口部周縁１１ｂを冷却対象物２の表面に密着させた状態で、中空内に液体冷媒３０を循環させ、該液体冷媒３０を冷却対象物２の表面に直接接触させて熱の回収を行う構成としてある。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象物の熱を液体冷媒で回収する液冷式冷却装置であって、
開口部を有する中空のカップ状となっており、前記中空内に前記液体冷媒の流入口及び流出口を連通させたカップ状受熱部と、
前記カップ状受熱部の流入口及び流出口に接続され、前記中空内に前記液体冷媒を循環させる循環路と、を備え、
前記カップ状受熱部の開口部周縁を前記冷却対象物の表面に密着させた状態で、前記中空内に前記液体冷媒を循環させ、該液体冷媒を前記冷却対象物の表面に直接接触させて熱の回収を行うことを特徴とする液冷式冷却装置。
【請求項２】
前記液体冷媒として、蒸気圧が大気圧よりも負圧である物質を用い、前記カップ状受熱部の開口部周縁を前記冷却対象物の表面に密着させた請求項１記載の液冷式冷却装置。
【請求項３】
前記循環路内を大気圧よりも負圧に保つ減圧手段を設け、前記カップ状受熱部の開口部周縁を前記冷却対象物の表面に密着させた請求項１又は２記載の液冷式冷却装置。
【請求項４】
前記カップ状受熱部の中空内にノズルを設け、前記流入口から供給された前記液体冷媒を、前記ノズルから前記冷却対象物の表面に噴射させる請求項１〜３いずれか１項に記載の液冷式冷却装置。
【請求項５】
前記カップ状受熱部を前記冷却対象物の表面に押圧する保持部材を備えた請求項１〜４いずれか１項に記載の液冷式冷却装置。
【請求項６】
前記液体冷媒が回収した熱を放出させる排熱手段を前記循環路に接続するとともに、該排熱手段を前記冷却対象物が設置された空間外に配置した請求項１〜５いずれか１項に記載の液冷式冷却装置。
【請求項７】
複数の前記冷却対象物の表面に複数の前記カップ状受熱部をそれぞれ密着させ、各冷却対象物から回収した熱を、少なくとも一の前記排熱手段によって放出させる請求項８に記載の液冷式冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、パーソナルコンピュータ、ディスプレイパネル、サーバー装置等の電子機器、内燃機関などの冷却対象物に広く適用することが可能な液冷式冷却装置に関し、特に、冷却対象物の表面に液体冷媒を直接接触させて効果的に熱を回収することが可能な液冷式冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）パッケージ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）パッケージ等の高発熱素子、又はパーソナルコンピュータ、ディスプレイパネル、サーバー装置等の高発熱機器を冷却するための手段として、水冷式冷却装置が知られている。
【０００３】
従来の水冷式冷却装置として、例えば、特許文献１には、内部に熱輸送流体が流れるジャケット本体を備え、熱拡散シートを介してジャケット本体をＣＰＵに接触させる構成の液冷ジャケットが提案されている（特許文献１の図３及び図４参照）。
【０００４】
特許文献２には、内部に液体冷媒が流れる流路を設けた受熱ジャケットを備え、この受熱ジャケットをＣＰＵの表面に接触させ、受熱ジャケット内を流れる冷媒にＣＰＵの熱を伝達して搬送する構成の液冷システムが提案されている（特許文献２の図１参照）。
【０００５】
特許文献３には、コンピュータの筐体内において、ＣＰＵなどの発熱体に熱的に接触させた水冷用ヒートシンク（受熱板）に、液体用ポンプ及びパイプを介して、ラジエータを相互に通水可能に接続したコンピュータの冷却装置が提案されている（特許文献３の図２参照）。
【０００６】
特許文献４には、受熱部材を電子機器の筐体内のＣＰＵに接触させるとともに、放熱部材をディスプレイパネルの内面に接触させ、これら受熱部材及び放熱部材をチューブで接続し、チューブ内に液媒体を流通させた構成の電子機器が提案されている（特許文献４の図１参照）
【特許文献１】特開２００８−１３５７５７号公報
【特許文献２】特開２００６−２３５９１４号公報
【特許文献３】特開２００５−１２２３９７号公報
【特許文献４】特開２００４−３１２０３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した特許文献１〜４の水冷式冷却装置では、いずれも液体冷媒が流れる受熱部材（ジャケット又は受熱板）をＣＰＵなどの発熱体に当接させ、受熱部材の壁部の固体内熱伝導を介して、発熱体の熱を液体冷媒へ伝達させていた。しかし、受熱部材の壁部は熱抵抗が大きく、この箇所が熱流束の律速となっていた。このため、従来の水冷式冷却装置では、発熱体を効率よく冷却することができないという問題があった。この問題は、受熱部材の壁部の固体内熱伝導に起因するものであり、たとえ、受熱部材の壁部を熱伝導率の高い金属製とし、受熱部材の壁部と発熱体との間に高伝熱性のシートやグリスを介在させたとしても、発熱体から液体冷媒への熱伝達のロスを解消することはできなかった。
【０００８】
また、上述した特許文献１〜４の水冷式冷却装置では、いずれも発熱体から回収した熱を、液体冷媒の潜熱として搬送し、最終的にラジエータや放熱パイプなどの排熱手段によって電子機器の筐体外（通常は電子機器が設置された室内）へ放出していた。しかし、パーソナルコンピュータ、ディスプレイパネル又はサーバー装置等の機器の発熱量が大きい場合や機器の台数が多い場合は、これら機器から放出される熱によって室内の温度が上昇してしまい、室内温度と機器温度との間の熱の移動におけるエントロピーが増加してしまうという問題もあった。上述した発熱体から液体冷媒への熱伝達のロスに加え、室内に放出された熱が冷却効率を更に低下させてしまい、従来の水冷式冷却装置では、発熱量の大きいサーバー装置などを効果的に冷却することができなかった。これに加え、室内の温度上昇は、エアーコンディショナーの消費電力量を増大させ、省エネルギーの阻害という問題をも招来する。
【０００９】
なお、近年、スーパーコンピュータ等の技術分野では、回路全体を電気絶縁性の極低温の液体冷媒中に浸漬させ、発熱体に液体冷媒を直接接触させて冷却する方法が採用されている。しかし、この冷却方法は、回路全体を収容可能な大きさの断熱容器、及び液体冷媒を冷却するための冷凍機を必要とし、冷却装置全体が大規模かつ高価となるため、特殊な用途に限定されてしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、冷却対象物の表面に液体冷媒を直接接触させて効果的に熱を回収することができ、回収した熱を所定の場所に搬送してから放熱し、機器を設置した室内への熱の拡散を防止することが可能な液冷式冷却装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の液冷式冷却装置は、冷却対象物の熱を液体冷媒で回収する液冷式冷却装置であって、開口部を有する中空のカップ状となっており、前記中空内に前記液体冷媒の流入口及び流出口を連通させたカップ状受熱部と、前記カップ状受熱部の流入口及び流出口に接続され、前記中空内に前記液体冷媒を循環させる循環路と、を備え、前記カップ状受熱部の開口部周縁を前記冷却対象物の表面に密着させた状態で、前記中空内に前記液体冷媒を循環させ、該液体冷媒を前記冷却対象物の表面に直接接触させて熱の回収を行う構成としてある。
【００１２】
上記構成によれば、カップ状受熱部によって冷却対象物の表面に液体冷媒を直接接触させて冷却することが可能となる。これにより、冷却対象物と液体冷媒との間の熱抵抗を無くすことができ、冷却対象物から液体冷媒への熱伝達が良好となり、冷却効率を大幅に向上させることができる。
【００１３】
ここで、本発明における「冷却対象物」には、ＣＰＵなどのそれ自体が熱を生じさせる発熱体、発熱体を実装した基板、発熱体を内蔵した機器、該機器を収容するラックなどが広く含まれる。
【００１４】
好ましくは、前記液体冷媒として、蒸気圧が大気圧よりも負圧である物質を用い、前記カップ状受熱部の開口部周縁を前記冷却対象物の表面に密着させた構成とする。このような構成によれば、冷却対象物の性質を利用し、大気圧の下でカップ状受熱部を冷却対象物に密着させることができ、カップ状受熱部の中空内に冷却対象物を封止することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、前記循環路内を大気圧よりも負圧に保つ減圧手段を設け、前記カップ状受熱部の開口部周縁を前記冷却対象物の表面に密着させた構成とする。このような構成によれば、減圧手段によってカップ状受熱部と冷却対象物との密着を維持することができ、上記液体冷媒の蒸気圧を負圧とした構成と相俟って、カップ状受熱部の中空内における冷却対象物の封止をより確実なものとすることが可能となる。
【００１６】
好ましくは、前記カップ状受熱部の中空内にノズルを設け、前記流入口から供給された前記液体冷媒を、前記ノズルから前記冷却対象物の表面に噴射させる構成とする。
【００１７】
上記構成によれば、液体冷媒をノズルから冷却対象物の表面に噴射させることで、液体冷媒と冷却対象物との温度境界層を薄くすることができ、冷却対象物から液体冷媒への熱伝達を促進することが可能となる。
【００１８】
好ましくは、前記カップ状受熱部を前記冷却対象物の表面に押圧する保持部材を備えた構成とする。
【００１９】
上述のとおり本発明の冷却装置では、液体冷媒の蒸気圧を負圧とすること、及び／又は循環路内を負圧とすることにより、カップ状受熱部を冷却対象物の表面に密着させているが、両者を保持部材によって機械的に密着させることで、液体冷媒の漏洩のより確実に防止することができる。なお、保持部材のみによってカップ状受熱部と冷却対象物との密着を維持する構成とした場合、液体冷媒の蒸気圧は負圧のものに限定されず、また、循環路内を負圧にしなくてもよい。このような構成とした場合でも、カップ状受熱部の中空内において、液体冷媒を冷却対象物の表面に直接接触させて効率よく冷却することが可能である。
【００２０】
好ましくは、前記液体冷媒が回収した熱を放出させる排熱手段を前記循環路に接続するとともに、該排熱手段を前記冷却対象物が設置された空間外に配置した構成としてある。
【００２１】
上記構成によれば、液体冷媒によって回収した熱が冷却対象物の周囲に拡散することを防止し、室内温度と機器温度との間の熱の移動におけるエントロピーの増加を抑えることが可能となる。これにより、液体冷媒を冷却対象物の表面に直接接触させる本発明の冷却がより効果的に行われるとともに、冷却対象物を設置した室内の空調を管理するエアーコンディショナーの消費電力量を削減することができる。上記構成からなる本発明の冷却装置は、特に、サーバー装置のような発熱量の大きい機器の冷却に有効である。
【００２２】
好ましくは、前述した本発明の冷却装置において、複数の前記冷却対象物の表面に複数の前記カップ状受熱部をそれぞれ密着させ、各冷却対象物から回収した熱を、少なくとも一の前記排熱手段によって放出させる構成を採用してもよい。
【００２３】
上記構成によれば、複数の冷却対象物から回収した熱を少なくとも一の排熱手段に集めて、各冷却対象物が設置された空間外に放出させることができる。これにより、複数台の高発熱機器をそれぞれ効率よく冷却することができるとともに、各機器から回収した大量の熱を、これら機器に影響のない場所で処理することが可能となる。
【発明の効果】
【００２４】
以上のように、本発明の液冷式冷却装置によれば、冷却対象物の表面に液体冷媒を直接接触させて効果的に熱を回収することができ、回収した熱を所定の場所に搬送してから放熱し、機器を設置した室内への熱の拡散を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態に係る液冷式冷却装置の全体を示す概略回路図である。
【図２】上記冷却装置を構成するカップ状受熱部の一実施形態を示すものであり、同図（ａ）は断面図、同図（ｂ）は裏面図である。
【図３】上記冷却装置を構成する密閉式膨張タンク（減圧手段）を示す断面図である。
【図４】上記冷却装置をパーソナルコンピュータのＣＰＵに適用した場合の実施形態を示すものであり、同図（ａ）は全体の概略回路図、同図（ｂ）はカップ状受熱部の断面図である。
【図５】上記冷却装置を複数台のサーバー装置に適用した場合の実施形態を示すものであり、同図（ａ）は全体の概略回路図、同図（ｂ）はカップ状受熱部の断面図である。
【図６】上記カップ状受熱部を保持部材によってＣＰＵの表面に密着させた実施形態を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態に係る液冷式冷却装置について図面を参照しつつ説明する。
【００２７】
［液冷式冷却装置の構成］
まず、本実施形態に係る液冷式冷却装置の全体構成について、図１を参照しつつ説明する。同図において、液冷式冷却装置１は、カップ状受熱部１０、循環路２０、液体冷媒３０、密閉式膨張タンク（減圧手段）４０、ポンプ５０、ラジエータ（排熱手段）６０及び冷却ファン７０を備えた構成となっている。
【００２８】
カップ状受熱部１０は、冷却対象物（本実施形態ではＣＰＵ）２の表面に密着しており、ＣＰＵ２の表面に液体冷媒３０を直接接触させて熱の回収を行う。循環路２０は、カップ状受熱部１０の流入口１４及び流出口１５に接続してあり、カップ状受熱部１０内の中空１２に液体冷媒３０を流入出させる。密閉式膨張タンク４０は、循環路２０におけるラジエータ６０の出口と、カップ状受熱部１０の流入口１４との間に接続してあり、循環路２０内を大気圧よりも負圧に保っている。ポンプ５０は、液体冷媒３０を吸引送出して循環路２０内を循環させる。ラジエータ６０は、液体冷媒３０が回収した熱を放出させる。
【００２９】
＜カップ状受熱部＞
本発明の一実施形態に係るカップ状受熱部１０の構成について、図２（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ説明する。同図（ａ）において、カップ状受熱部１０は、例えば、合成樹脂製の成形品であり、内部が中空１２となったカップ状の本体１１を有する。この本体１１の大きさ、開口部の寸法及び開口部周縁１１ｂの形状等は、冷却対象物であるＣＰＵ２の大きさ、発熱量及び表面形状等に応じて決定する。
【００３０】
本体１１内の中空１２は、仕切壁１１ａによって貯留室１２Ａと冷却室１２Ｂとに分割されている。上部の貯留室１２Ａには流入口１４が連通しており、下部の冷却室１２Ｂには流出口１５が連通している。また、本実施形態のカップ状受熱部１０では、仕切壁１１ａの下面から冷却室１２Ｂ内に突出する４本のノズル１３、１３、１３、１３（図２（ｂ）を参照）を設けた構成を採用している。各ノズル１３は、貯留室１２Ａに送り込まれた液体冷媒３０を本体１１の開口部に向けて噴出する。
【００３１】
本実施形態では、本体１１の開口部を、ＣＰＵ２の上面の形状及び面積に対応する略四角形状としてあり、開口部周縁１１ｂには、これより若干幅の狭い相似形のガスケット１６が取り付けてある。このガスケット１６は、ＣＰＵ２の表面に密着して液体冷媒３０の漏洩を防止するためのものである。
【００３２】
後に詳述するが、本実施形態では、液体冷媒３０として所定の導電率と蒸気圧とを備えた物質（例えば、エチルアルコール）を用いているので、ガスケット１６は、気密性及び耐熱性に優れ、長年使用しても容易に変形しない材料であって、液体冷媒３０の種類に応じた耐薬品性を有する材料を選定する。例えば、液体冷媒３０としてエチルアルコールを用いるならば、ガスケット１６の材料として、エチルアルコールに良好な耐薬品性を有するフッ素樹脂であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）等が好ましい。その他、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＡ（ポリアミド）等の樹脂材料を用いることができる。
【００３３】
＜液体冷媒＞
上述したように、本実施形態では、液体冷媒３０として、所定の導電率と蒸気圧とを備えた物質を用いている。液体冷媒３０の導電率は、液冷式冷却装置１をパーソナルコンピュータ等の電子機器に適用した場合の漏洩を考慮したものである。
【００３４】
すなわち、カップ状受熱部１０とＣＰＵ２との密着は、後述する液体冷媒３０の蒸気圧、密閉式膨張タンク４０による減圧、又は図６に示す保持部材９０によって十分に確保することが可能であり、液冷式冷却装置１に用いられる液体冷媒３０の導電率は、特に限定されない。しかし、カップ状受熱部１０とＣＰＵ２との密着性を万全としても、あらゆる状況（例えば、メンテナンスや修理を行う場合など）で液体冷媒３０が１００％漏洩しないとは限らない。そこで、液体冷媒３０として、導電率の低い物質を用いることとしている。
【００３５】
次いで、液体冷媒３０の蒸気圧は、大気圧よりも負圧である物質を用いることが好ましい。液体冷媒３０の蒸気圧を負圧とすることにより、この液体冷媒３０が流通するカップ状受熱部１０の中空１２内を負圧とすることができ、大気圧の下でカップ状受熱部１０をＣＰＵ２の表面に密着させることが可能となる。
【００３６】
このような液体冷媒３０として、例えば、水道水（導電率約１００μＳ／ｃｍ）よりも導電率の低い物質を広く用いることができ、好ましくは、プリント配線基板の洗浄液として用いられているエチルアルコール、フッ素系溶媒、超純水又は純水などを適用することで、万が一、液体冷媒３０が漏洩した場合でもショートの問題は生じない。
【００３７】
＜密閉式膨張タンク＞
図１において、密閉式膨張タンク４０は、循環路２０内を大気圧よりも負圧に保つ減圧手段である。この密閉式膨張タンク４０の構成を図３に示す。同図において、密閉式膨張タンク４０は、主として、循環路２０に接続されたタンク本体４１を有し、このタンク本体４１の内部を弾性変形可能な仕切膜４２で分割し、下部の液体室４１Ａと、上部の空気室４１Ｂとを形成した構成となっている。
【００３８】
空気室４１Ｂには、エア抜き口４３が連成してあり、エア抜き口４３の出口には、逆止弁４４を介して吸引バルブ４５が取り付けてある。逆止弁４４は、空気室４１Ｂ内から外へ空気が抜ける方向のみ開く構成となっている。吸引バルブ４５には、図示しないピストン等の吸引手段が接続してある。
【００３９】
このような密閉式膨張タンク４０では、吸引バルブ４５及び逆止弁４４を介して空気室４１Ｂ内の空気を吸引すると、吸引された空気量に応じて仕切膜４２が空気室４１Ｂ側に膨張し、液体冷媒３０を液体室４１Ａに吸い上げて循環路２０内を負圧にする。その後、循環路２０内の圧力変化に応じて仕切膜４２が膨張又は収縮し、循環路２０内を所定の負圧状態に保持する。これにより、大気圧の下でカップ状受熱部１０をＣＰＵ２の表面に密着させることが可能となる。
【００４０】
＜ポンプ＞
図１において、ポンプ５０は、液体冷媒３０を十分な圧力で循環させることが可能であれば、遠心ポンプ、ダイヤフラムポンプ、プランジャーポンプ、ピストンポンプ、ベーンポンプ、ローラーポンプ等の方式は限定されない。
【００４１】
＜ラジエータ＞
液体冷媒３０の排熱手段であるラジエータ６０は、図１に示すように、循環路２０に接続され、液体冷媒３０が循環する蛇行状のパイプ６１を備え、このパイプ６１の外側に多数の放熱フィン６２を設けた構成となっている。ラジエータ６０の近傍には、モータ７１で駆動される冷却ファン７０が設置してあり、この冷却ファン７０で放熱フィン６２を空冷することで、液体冷媒３０の熱を外部に放出させている。なお、液体冷媒３０の排熱手段はラジエータ６０に限定されるものではない。液体冷媒３０を冷却することが可能な周知の冷却手段を広く適用することができる。
【００４２】
［第１実施形態］
次に、上述した液冷式冷却装置１の第１実施形態として、パーソナルコンピュータのＣＰＵに適用した場合について、図４（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ説明する。なお、以下に説明する第１〜３実施形態は、パーソナルコンピュータやサーバー装置などに上述した液冷式冷却装置１を適用する場合の好ましい構成を例示するものである。したがって、本発明の液冷式冷却装置を現実に実施する場合は、必要に応じて種々の態様を選択することができ、以下に説明する各実施形態の内容に限定されるものではない。
【００４３】
＜コンセプト＞
図４（ａ）において、液冷式冷却装置１をパーソナルコンピュータ３のＣＰＵ２に適用する場合は、液冷式冷却装置１の構成要素全てをパーソナルコンピュータ３の筐体３ａ内に収納することが好ましい。
【００４４】
ノートブック型又はデスクトップ型などのパーソナルコンピュータ３は、簡素化、設置スペースの削減、持ち運びや取り扱いの繁雑さをなくすといった観点から、必要な構成要素を全て筐体内に収納した一体型が要望される。また、ノートブック型又はデスクトップ型などのパーソナルコンピュータ３では、ＣＰＵ２が小型であり、その発熱量も比較的に小さい（アイドル時〜フルロード時のコア温度＝約４０℃〜７５℃前後）。
【００４５】
したがって、このようなＣＰＵ２を冷却する場合は、図４（ａ）に示すカップ状受熱部１０、密閉式膨張タンク４０、ポンプ５０、ラジエータ６０及び冷却ファン７０を全て小型化することができ、パーソナルコンピュータ３の筐体３ａ内に容易に収納することができる。一方、ノートブック型又はデスクトップ型などのパーソナルコンピュータ３では、ＣＰＵ２の発熱量が比較的に小さいので、ラジエータ６０を筐体３ａに配設し、液体冷媒３０の熱をパーソナルコンピュータ３の周囲環境（例えば室内）に放出しても冷却効率にほとんど影響はない。
【００４６】
＜カップ状受熱部の構成＞
図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、カップ状受熱部１０の仕切壁１１ａにノズル１３（図２を参照）を設けず、その貯留室１２Ａと冷却室１２Ｂとを複数の連通孔１１ｃ、１１ｃ…を介して連通させた構成としてある。このような構成とした場合は、貯留室１２Ａの液体冷媒３０が液体のまま冷却室１２Ｂに供給され、冷却室１２Ｂ内に満たされた液体冷媒３０がＣＰＵ２の表面に直接接触して熱の回収を行う。
【００４７】
＜液体冷媒の蒸気圧及び沸点＞
液体冷媒３０としては、蒸気圧が大気圧よりも負圧である物質、例えば、エチルアルコールを用い、大気圧の下でカップ状受熱部１０をＣＰＵ２の表面に密着させる。また、密閉式膨張タンク４０によって循環路２０内を負圧に保ち、カップ状受熱部１０とＣＰＵ２との密着をより確実なものとする。
【００４８】
＜冷却動作＞
図４（ａ）において、循環路２０を流れる液体冷媒３０は、流入口１４を介して、カップ状受熱部１０の貯留室１２Ａ内に流入し、仕切壁１１ａの各連通孔１１Ｃを通って冷却室１２Ｂ内に液体のまま供給される。同図（ｂ）に示すように、冷却室１２Ｂ内に満たされた液体冷媒３０は、ＣＰＵ２の表面に直接接触し、何ら熱抵抗を介在させずに該ＣＰＵ２の熱を回収する。このとき、ＣＰＵ２が液体冷媒３０の沸点（エタノールの沸点は、大気圧下で７８．４℃であるが、本実施形態では、循環路２０内を減圧しているので７８．４℃よりも低い）よりも発熱している場合は、冷却室１２Ｂ内の液体冷媒３０が一部蒸発する。
【００４９】
冷却室１２Ｂ内で熱を回収した液体冷媒３０は、その後、蒸発した分の気体を含んだ状態で、流出口１５からポンプ５０側へ吸引され、該ポンプ５０からラジエータ６０側へ送出される。熱を回収した液体冷媒３０は、ラジエータ６０の蛇行するパイプ６１を通過する過程で放熱フィン６２及び冷却ファン７０に冷却され、液体冷媒３０が回収した熱は、冷却ファン７０によって筐体３ａの外部へ放出される。ラジエータ６０を通過した液体冷媒３０は、循環路２０を通り、再びカップ状受熱部１０の貯留室１２Ａ内に供給される。
【００５０】
以上のような経路で循環する液体冷媒３０は、その過程の温度変化によって膨張又は収縮するが、このような場合は、密閉式膨張タンク４０の仕切膜４２が膨張又は収縮して、循環路２０内の圧力を一定の負圧に保持する。
【００５１】
＜作用効果＞
パーソナルコンピュータ３のＣＰＵ２を冷却する場合は、ＣＰＵ２の発熱量が比較的小さいので、液冷式冷却装置１の各構成要素も小型となり、これら構成要素の全てをパーソナルコンピュータ３の筐体３ａ内に収納することができる。そして、カップ状受熱部１０の冷却室１２Ｂ内に満たされた液体冷媒３０をＣＰＵ２の表面に直接接触させて、該ＣＰＵ２の熱を効率よく回収することが可能である。
【００５２】
［第２実施形態］
次に、上述した液冷式冷却装置１の第２実施形態として、複数台のサーバー装置に適用した場合について、図５（ａ）及び（ｂ）を参照しつつ説明する。なお、上述した第１実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００５３】
＜コンセプト＞
従来からサーバー装置は発熱量が大きく、深刻な熱問題を抱えている。特に、ラックマウント型又はブレード型のサーバー装置は、これを構成する１ユニットごとにＣＰＵやハードディスクなどの発熱部品を備え、複数のユニットをラック又は筐体に収納した構成となっているので、大量の熱を発生する。さらに、複数台のサーバー装置を一室に集結させたサーバールームでは、ＣＰＵ単位の冷却、ユニット単位の冷却、ラック単位の冷却が必要であり、さらに、サーバールームの室温を常時管理しなければならなかった。
【００５４】
そこで、本実施形態では、複数の液冷式冷却装置１を用いて、複数台のサーバー装置を効果的に冷却し、各サーバー装置から回収した大量の熱を、サーバールーム以外の所定の場所まで搬送し放出する構成を例示する。
【００５５】
＜全体構成＞
図５（ａ）において、４はサーバールームであり、複数台のサーバー装置４Ａ〜４Ｎが設置してある。各サーバー装置４Ａ〜４Ｎを構成する１ユニットには、それぞれ液冷式冷却装置１のカップ状受熱部１０及びＩＮ／ＯＵＴの循環路２０が内蔵してあり、複数のユニットのＣＰＵ２、２、２…のそれぞれにカップ状受熱部１０、１０、１０…が密着してある。すなわち、同図（ａ）は、各サーバー装置４Ａ〜４ＮをＣＰＵ単位の冷却する構成を例示しているのである。
【００５６】
各サーバー装置４Ａ〜４Ｎ内のＩＮ／ＯＵＴの循環路２０、２０、２０…は、サーバールーム４と隣の排熱室５とを隔てる壁に埋め込まれたＩＮポート６Ａ及びＯＵＴポート６Ｂにそれぞれ接続してあり、これらＩＮポート６Ａ及びＯＵＴポート６Ｂを介して、排熱室５内に設置したラジエータ６０に接続してある。また、ラジエータ６０の出口とＩＮポート６Ａとを接続する循環路２０には、密閉式膨張タンク４０が接続してあり、一方、ラジエータ６０の入口とＯＵＴポート６Ｂとを接続する循環路２０には、ポンプ５０が接続してある。さらに、ラジエータ６０の近傍には、冷却ファン７０が配設してあり、ラジエータ６０から放出された熱は冷却ファン７０によって排熱室５の外部へ排熱されるようになっている。
【００５７】
第１実施形態と異なり、本実施形態の液冷式冷却装置１では、複数のカップ状受熱部１０、１０、１０…に対して、共通の密閉式膨張タンク４０、ポンプ５０、ラジエータ６０及び冷却ファン７０が設けてあり、これらが液冷式冷却装置１全体における循環路２０内の減圧管理、冷却媒体３０の循環、及び冷却媒体３０からの熱回収を行う。また、本実施形態の液冷式冷却装置１は、発熱量の大きい複数台のサーバー装置４Ａ〜４Ｎを冷却するものであるから、これら密閉式膨張タンク４０、ポンプ５０、ラジエータ６０及び冷却ファン７０は、第１実施形態と比較して大型になるが、サーバールーム４及び排熱室５として専用の部屋を確保すれば、騒音の問題は生じない。さらに、排熱室５を設けずに、密閉式膨張タンク４０、ポンプ５０、ラジエータ６０及び冷却ファン７０を屋外に設置する構成としてもよい。本実施形態の液冷式冷却装置１は、サーバー装置４Ａ〜４Ｎが発生する大量の熱を、サーバールーム以外の場所で排熱する点に特徴がある。
【００５８】
＜カップ状受熱部の構成＞
図５（ｂ）に示すように、本実施形態では、カップ状受熱部１０の仕切壁１１ａに４本のノズル１３が突設してあり、液体冷媒３０を各ノズル１３からＣＰＵ２の表面に噴射させて冷却する構成となっている。
【００５９】
＜冷却動作＞
図５（ａ）において、循環路２０を流れる液体冷媒３０は、流入口１４を介して、カップ状受熱部１０の貯留室１２Ａ内に流入し、仕切壁１１ａの各ノズル１３からＣＰＵ２の表面に噴射される。図５（ｂ）に示すように、ＣＰＵ２の表面に液体冷媒３０が噴射されることで、液体冷媒３０とＣＰＵ２との温度境界層が薄くなり、ＣＰＵ２から液体冷媒３０への熱伝達を促進することが可能となる。
【００６０】
冷却室１２Ｂ内の液体冷媒３０は、流出口１５からポンプ５０側へ吸引され、該ポンプ５０からラジエータ６０側へ送られる。その後、液体冷媒３０は、ラジエータ６０の蛇行するパイプ６１を通過する過程で、放熱フィン６２及び冷却ファン７０によって冷却される。このとき、液体冷媒３０が回収した熱は、冷却ファン７０によって排熱室５の外部に排熱される。そして、冷却された液体冷媒３０は、循環路２０を通って、再びカップ状受熱部１０の貯留室１２Ａ内に供給される。
【００６１】
＜変更例＞
上述した実施形態では、各サーバー装置４Ａ〜４ＮをＣＰＵ単位の冷却する構成を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、各サーバー装置４Ａ〜４Ｎを構成する１ユニットの表面の形状及び面積に対応するカップ状受熱部１０を設けることで、各サーバー装置４Ａ〜４Ｎをユニット単位で冷却することができる。また、各ユニットを収納するラックの背面や側面の形状及び面積に対応するカップ状受熱部１０を設けることで、各サーバー装置４Ａ〜４Ｎをラック単位で冷却することが可能である。
【００６２】
＜作用効果＞
複数台のサーバー装置４Ａ〜４Ｎを冷却する場合は、ＣＰＵ２等の発熱部品が極めて大きい熱を生じさせるので、より効果的な冷却が必要である。本実施形態の液冷式冷却装置１によれば、カップ状受熱部１０の各ノズル１３から液体冷媒３０を噴射させることで、液体冷媒３０と冷却対象物との温度境界層を薄くすることができ、冷却対象物から液体冷媒３０への熱伝達を促進することが可能となる。
【００６３】
また、排熱手段であるラジエータ６０及び冷却ファン７０を、サーバールーム４と隔絶された排熱室５に設置し、液体冷媒３０が回収した熱を排熱室５まで搬送して排熱する構成としたことにより、回収した熱がサーバールーム４に拡散することを防止し、サーバールーム４の室内温度と、各サーバー装置４Ａ〜４Ｎの機器温度との間の熱の移動におけるエントロピーの増加を抑えることが可能となる。この結果、液冷式冷却装置１による冷却がより効果的に行われるとともに、サーバールーム４の空調を管理するエアーコンディショナーの消費電力量を削減することができる。
【００６４】
［第３実施形態］
図６は、上述した液冷式冷却装置１の第３実施形態を示すものであり、以下、図６を参照しつつ、液冷式冷却装置１の第３実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態において、上述した第１及び第２実施形態と同様の部分については、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
【００６５】
＜カップ状受熱部と保持部材との構成＞
同図において、本実施形態の液冷式冷却装置１では、カップ状受熱部８０をＣＰＵ２の表面に押圧する保持部材９０を備えた構成となっている。まず、カップ状受熱部８０の構成について説明すると、該カップ状受熱部８０の開口部周縁８１ｂには、鍔状のフランジ部８１ａが連成してあり、このフランジ部８１ａの下面には、カップ状受熱部８０の開口部を取り囲むガスケット８２が取り付けてある。また、カップ状受熱部８０の本体８１を保持部材９０に挿通させるため、液体冷媒３０の流入口８３及び流出口８４は、本体８１の上部に突設してある。
【００６６】
一方、保持部材９０は、ブラケット９１とプレート９２とからなっている。ブラケット９１の中央には保持孔９１ａが開設してあり、該保持孔９１ａは、カップ状受熱部８０の本体８１とほぼ同じ形状及び寸法となっている。また、ブラケット９１には、略Ｌ字型に曲折した４つの脚部９１ｂ、９１ｂ、９１ｂ、９１ｂが連成してあり、各脚部９１ｂには、貫通孔９１ｃ、９１ｃ、９１ｃ、９１ｃがそれぞれ穿設してある。一方、プレート９２には、各脚部９１ｂの貫通孔９１ｃにそれぞれ対応する４つの貫通孔９２ａが穿設してある。
【００６７】
＜保持構造＞
まず、ＣＰＵ２の表面にカップ状受熱部８０を載置する。この状態で、カップ状受熱部８０の本体８１を、ブラケット９１の保持孔９１ａに挿通させ、ブラケット９１をカップ状受熱部８０のフランジ部８１ａに当接させる。次いで、ＣＰＵ２が実装されたプリント基板７の裏側にプレート９２を重ね合わせ、ブラケット９１の各貫通孔９１ｃ、プリント基板７の各貫通孔７ａ、及びプレート９２の各貫通孔９２ａを互いに一致させる。この状態で、互いに連通する貫通孔９１ｃ、７ａ及び９２ａにねじ９３を挿通し、ブラケット９１とプレート９２とを締結させる。これにより、ブラケット９１がカップ状受熱部８０のフランジ部８１ａを押圧し、カップ状受熱部８０の開口部周縁８１ｂがＣＰＵ２の表面に強固に密着される。
【００６８】
＜作用効果＞
上記第１及び第２実施形態のように、本実施形態でも、液体冷媒３０の蒸気圧を負圧とすること、及び循環路２０内を負圧とすることにより、カップ状受熱部８０をＣＰＵ２の表面に密着させているが、両者を保持部材９０によって機械的に密着させることで、液体冷媒３０の漏洩のより確実に防止することができる。なお、保持部材９０のみによってカップ状受熱部８０とＣＰＵ２との密着を維持する構成とした場合、液体冷媒３０の蒸気圧は負圧のものに限定されず、また、循環路２０内を負圧にしなくてもよい。このような構成とした場合でも、カップ状受熱部８０の中空内において、液体冷媒８０をＣＰＵ２の表面に直接接触させて効率よく冷却することが可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１  液冷式冷却装置
２  ＣＰＵ（冷却対象物）
３  パーソナルコンピュータ
３ａ  筐体
４  サーバー室
４Ａ，４Ｂ  サーバー
５  排熱室
６Ａ  ＩＮポート
６Ｂ  ＯＵＴポート
７  プリント基板
７ａ  貫通孔
１０  カップ状受熱部
１１  本体
１１ａ  仕切壁
１１ｂ  開口部周縁
１１ｃ  連通孔
１２  中空
１２Ａ  貯留室
１２Ｂ  冷却室
１３  ノズル
１４  流入口
１５  流出口
１６  ガスケット
２０  循環路
３０  液体冷媒
４０  密閉式膨張タンク（減圧手段）
４１  タンク本体
４１Ａ  液体室
４１Ｂ  空気室
４２  仕切膜
４３  エア抜き口
４４  逆止弁
４５  吸引バルブ
５０  ポンプ
６０  ラジエータ（排熱手段）
６１  パイプ
６２  放熱フィン
７０  冷却ファン
７１  モータ
８０  カップ状受熱部
８１  本体
８１ａ  フランジ部
８１ｂ  開口部周縁
８２  ガスケット
８３  流入口
８４  流出口
９０  保持部材
９１  ブラケット
９１ａ  保持孔
９１ｂ  脚部
９１ｃ  貫通孔
９２  プレート
９２ａ  貫通孔
９３  ねじ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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