(57)【要約】【課題】電子デバイスの性能向上に貢献する環境にやさしい電子デバイスの冷却システムを提供する。【解決手段】電子デバイスの発熱体に近接した蒸発器と、凝縮器と、冷媒の気化膨張を体積変化で振動的に運動するベローズを持ち、ベローズに生じた振動エネルギを電気エネルギに変換する発電／アクチェータと備えている。システムの電力消費を最適にししかも冷却発電が機能するように構成した。【効果】簡単な構造で、電子デバイスを冷却しつつ装置全体の消費電力を抑制した電子デバイスの冷却システムが得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子デバイスの発熱体に近接配置され、冷媒を蒸発させて気化熱により発熱体を冷却する蒸発器と、
蒸発器の下流側に接続されて蒸発器内の冷媒の気化膨張による体積変化に応じて振動運動するベローズと、
蒸発器の上流側に接続されて冷媒を液化させて蒸発器に冷媒を投入する凝縮器と、
ベローズで生じた振動エネルギを電気エネルギに変換する発電／アクチェータとを備えたことを特徴とする電子デバイスの冷却システム。
【請求項２】
蒸発器の上流側および下流側に逆止弁を配置し、蒸発器に流入した液体の冷媒の一部が蒸発して生じる気相流または気液二相流が、下流側のベローズにのみ流入し、上流側の凝縮器には流れないように構成したことを特徴とする請求項１記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項３】
逆止弁が、蒸発器の下流側に向かっては管路抵抗が低く、上流側に向かっては管路抵抗が高くなるような渦巻き型またはノズル型の純流体ダイオード素子であることを特徴とする請求項１あるいは２記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項４】
管路系において冷媒の膨張／収縮の周期とほぼ同一の共振周波数を有するベローズを配置し、系全体が自励振動を行って大きな圧力脈動が発生するように構成したことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項５】
発熱体を含む電子パッケージにおいて、上記蒸発器、逆止弁、管路系、ベローズ、発電／アクチェータ、凝縮器のうちの少なくとも1つ以上が同一のパッケージに組み込まれている構造としたことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項６】
発電／アクチュエータからの電力を回収する電力制御部を備えたことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項７】
電力制御部は、発生する脈動電流を一旦二次電池またはコンデンサに保存する電力バッファ部と、電力をシステムとして使用しやすい電圧に変換する電力変換部と、システムへ還流する電力の量を制御する制御演算部を有することを特徴とする請求項６記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項８】
電力制御部は、電子デバイスの起動時または、系全体が熱平衡状態の場合には、発電／アクチェータからの起電力が発生しないことを検知し、自励振動系を励起させるように発電／アクチェータに電圧を印加してベローズを振動させる起動運転を行うように構成されていることを特徴とする請求項６あるいは７記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項９】
電力制御部は、管路系に圧力センサを設け、あらかじめ指定した圧力脈動となるようにベローズの運動を発電／アクチェータにフィードバック制御するように構成されていることを特徴とする請求項６から８のいずれか一項記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項１０】
電力制御部は、蒸発器に発熱体が異常に温度上昇した場合を検出できる温度センサを備えたことを特徴とする請求項６から９のいずれか一項記載の電子デバイスの冷却システム。
【請求項１１】
蒸発器または発熱体付近に温度センサを配置し、電力制御部で発熱体を指定した温度となるように発電／アクチェータへの印加電圧をフィードバック制御することにより、ベローズの振動振幅を増減させて冷媒の脈動流量を制御し、電力制御部で自励振動系を励起させる起動運転を行うことを特徴とする請求項６から１０のいずれか一項記載の電子デバイスの冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電子デバイスの冷却システムに関し、特にエネルギー密度の高い発熱体を持つ電子デバイスの冷却システムに関するものである。
【０００２】
今後の電子機器デバイスの高周波数化、高密度化、高出力化に対応し、発熱源のエネルギ密度が増加し冷却システムに破綻が生じる可能性がある。本発明はこれを解決する基本特許に類するものでこの特許を取得できれば、冷却システムとして圧倒的な優位性を確保できる。
【背景技術】
【０００３】
近年の電子デバイスの高性能化に伴う電子部品からの発熱量の増大が問題となっており、放熱の問題解決が装置性能を左右する状況になりつつある。そのため、電子デバイスの冷却または放熱方式に対して空冷や液冷など従来から様々な方法が取られている。例えば、発熱体にアルミなどの金属でなる放熱用のフィン（ヒートシンク）を接触させて放熱させる方法が取られている。また、ファンを用いることにより、例えばＰＣの筐体内の温まった空気を強制的に排除し、周囲の低温の空気を発熱体の周辺に導入することで放熱する方法もある。さらに進んだ方式としては、液体を冷媒として循環させて冷却する方式も取られている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３１０７４２号公報
【特許文献２】特開２００６−２２９１４２号公報
【非特許文献１】IEEE  Transaction on device and materials reliability, Vol. 4, No. 4, (2004),pp. 568-585非特公昭５４−５３６号公報
【非特許文献２】尾崎  省太郎、原  美明、純流体素子、日刊工業新聞社、(1967)、P.98
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、これらの方法は発熱体からの熱を拡散させることが目的であり、例えばPC筐体内の空気を周囲へ放出しても、そのために周囲の温度が上昇するほど大きな発熱量が発生する電子部品には冷却に限界が生じる。または、放熱するためにより大出力のファンを用意して放熱を促進させる必要がある。このため電子デバイスの冷却に要する消費電力はますます増加の一途をたどり、装置全体の消費電力のうち冷却に要する比率も増大する傾向がある。さらに電子デバイスの発熱量は指数関数的に増加する傾向があり、従来の熱拡散による冷却には限界があり、装置そのものの性能が冷却性能によって限界が生じるといっても過言ではない。
【０００６】
すなわち、要約すれば、（１）電子デバイスの高性能化に伴い、発熱密度がより一層高くなった場合の冷却装置の構成に限界が生じ、装置全体の性能を左右すること、（２）そのため多段階での熱拡散を行う構成にする必要があり、より複雑な装置を構成する必要が発生すること、および（３）従って装置が大型化し、また冷却システム自体での消費電力が増加し装置全体として大型化、大消費電力化が進み、環境にも厳しい装置となることが問題である。
【０００７】
従って、この発明の目的は、電子デバイスの冷却に関し、発熱体から熱拡散を行うのではなく、発熱体をエネルギ密度の高い熱源と捉えてこれを電気エネルギに変換することで、電子デバイスを冷却しつつ装置全体の消費電力を抑制し、これにより、電子デバイスの性能向上に貢献するのみならず、消費電力を抑制し環境にやさしい電子デバイスの冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の電子デバイスの冷却システムは、高いエネルギ密度の発熱体（１）を有する電子デバイスの冷却システムにおいて、
発熱体（１）に近接し冷媒を蒸発させて気化熱により発熱体を冷却させる蒸発器（２）と、
その上流側に配置し冷媒を液化させて蒸発器に冷媒を投入する凝縮器（７）、下流に蒸発器（２）に流入した液体の冷媒の一部が蒸発して気相流または気液二相流となり、冷媒の気化膨張を体積変化で振動的に運動するベローズ（５）を配置し、ベローズ（５）で生じた振動エネルギを電気エネルギに変換する発電／アクチェータ（６）を備えたことを特徴とする電子デバイスの冷却システムである。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、電子デバイスの性能向上に貢献するだけでなく、消費電力が抑制され、環境にやさしい電子デバイスの冷却システムが提供できるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１．
以下本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、電子デバイスにおける冷却システムの構成の一例を示している。電子デバイスにおいて、大きな発熱をおこす電子機器発熱体１は、蒸発器２と熱伝導がよく接続されている。蒸発器２は熱伝導性のよい材料で作成され、冷媒流入部２ａ、蒸発部２ｂ、冷媒流出部２ｃより構成される。
【００１１】
蒸発器の前後には逆止弁３と逆止弁４が配置され、冷媒の流れが図中矢印Ｂの方向にのみ流れるように構成されている。逆止弁３および４はボール型あるいはディスク型のもので良いが、後に説明するように純流体素子のノズル型ダイオード素子または渦巻き型ダイオード素子の片方または両方を適用したものとしても良い。
【００１２】
冷媒は、水、アンモニア、アルコール、炭素化合物、フッ素系炭素化合物のいずれかまたはこれらの混合物などが使用される。特に電子部品の耐熱温度よりも沸点が低い材料を用いる必要がある。
【００１３】
ベローズ５は、冷媒の体積膨張を吸収するバッファとしての役割を持つもので、矢印Ａの方向に一定のばね定数で伸縮自在に変位可能な構成となっている。冷媒は冷媒流入部５ａからベローズ５に入り、冷媒流出部５ｂから流出するようになっている。
【００１４】
発電／アクチュエータ６は、マグネット６ａ、電磁コイル６ｂ、磁気回路６ｃとからなり、例えばマグネット６ａが、ベローズ５に空間に変位可能な状態で取り付けられ、電磁コイル６ｂ、磁気回路６ｃが空間に固定された状態で配置される。これによりマグネット６ａの動きに応じて、電磁コイル６ｂから起電力が発生する構成となっている。
【００１５】
なお、本実施例では、電磁コイル６ｂを空間に固定した場合を示したが、電磁コイル６ｂ、とマグネット６ａとの間で相対変位が発生すればよいので、これらを入れ替えた場合でも同様の機能が得られる。
【００１６】
冷媒流出部５ｂから流出した冷媒は、凝縮器７を通って、蒸発器２の冷媒流入部２ａに流入する構成となっている。
【００１７】
次に、本発明に関わる冷却システムの動作について説明する。
【００１８】
電子機器発熱体１の熱エネルギは、蒸発器２に熱伝達され冷媒の沸点以上の温度となる。このとき、凝縮器７にて冷却され液化された冷媒は、蒸発器２の冷媒流入部２ａを通って蒸発部２ｂに流入し、一部または全部が沸騰して気化する。この際に、蒸発器２は気化熱を奪われ電子機器発熱体１と共に冷却される。
【００１９】
一方、急激な体積膨張を伴なって一部が気化した冷媒は、逆止弁３および４の効果によって、図中矢印Ｂの方向に流れベローズ５内に圧力を伝播させて膨張する。
【００２０】
ベローズ５は膨張過程で加振され、その応答として振動的な挙動となり、マグネット６ａと電磁コイル６ｂとの間で振動的な相対運動が生じて、交流起電力が発生する。
【００２１】
この電磁コイル６ｂからの交流起電力は、電力制御部１０へと伝達され電子システムとしての消費電力低減に寄与する。
【００２２】
ベローズ５の振動的な相対運動は、逆止弁４の作用によりポンピング効果となり、冷媒を凝縮器７へと導く。
【００２３】
凝縮器７において、冷媒は冷却され完全に液化されて再び蒸発器２に投入される。
【００２４】
なお、冷媒の液体から気化、そして液化の全過程での体積変化に要する時間が本冷却システムの固有な振動周期であり、ベローズ５と電磁マグネット６ａからなる機械共振周波数とその体積変化を一致させることで、全体の系が自励振動的になり大きな振動エネルギが得られることとなる。この振動エネルギは、電子機器発熱体１から発した熱エネルギの一部が機械エネルギに変換されたものであることは明らかである。しかも自励振動を構成することで最も変換効率の高い系が構築されることとなる。
【００２５】
自励振動が発生した振動エネルギは、増大するが、発電／アクチュエータ６により、電気エネルギに変換されるため振動レベルとして一定の範囲で落ち着き交流起電力として、電気エネルギにまで変換がなされることとなる。
【００２６】
以上のように、本発明によれば、自励振動系を構成することにより冷媒を効率的に自動循環させることができ、しかもその間で熱エネルギを運動エネルギとして消費するため、効率的な冷却システムを構築でき、ポンプ等の機構部品を用いる必要がないため、安価で低消費電力しかも軽量な装置を提供することができる。
【００２７】
次に蒸発器２の詳細について、図２から図５に基づき説明する。図２は、蒸発器２の構成例を示す見取り図、図３はその部品配置図、図４は逆止弁として用いるノズル型流体素子ダイオードの特性図、図５は逆止弁として用いる渦巻型流体素子ダイオードの特性図である。図において蒸発器２は、例えばＣＰＵなどの電子モジュールのパッケージに組み込まれた電子機器発熱体１と熱的に結合されている形態を示したものである。図３において、蒸発器２には、多数の溝が構成され液体冷媒との接触面積が大きくなるよう構成されている。
【００２８】
図３において、蒸発器２の形状は一方向の溝を示したが、格子状の溝、同心円状の溝などでも同一の効果が得られる。また、多孔質状の形状など表面積が大きいほど冷媒の沸騰冷却の効果が高いことは明らかである。
【００２９】
逆止弁３、および逆止弁４は、図１では具体的な形状が示されていないが、通常はボール型やディスク型が一般的である。本実施例では、非特許文献２に記載された純流体素子のノズル型ダイオード素子または渦巻き型ダイオード素子の片方または両方を適用したものである。図４および図５にはこれらの特性を示すが、蒸発器２の下流側は管路抵抗が低く、上流側は管路抵抗が高くなるように構成できるため、冷媒の逆流を防ぎ一方向に循環させることができる。
【００３０】
流体素子保持部材１２は、これらのダイオード素子を構成する板状の材料で、管路保持部材１３は、管路１４および管路１５を保持する板状の材料である。管路１４は、液化された冷媒が矢印Ｃの方向へ流入し、逆止弁３を経由して、蒸発器２に滴下される。蒸発器２から一部が気化した冷媒は、逆止弁４を経由して管路１５に流入し矢印Dの方向に放出される。これらの蒸発器２、流体素子保持部材１２、管路保持部材１３は、ロウ付け、はんだ、接着、融着などの接合方法により、一体構造となり、電子機器発熱体１と接続される構成となる。なお、後述するが管路保持部材１３には、管路１４に流入した冷媒の圧力を検知するための圧力センサ８が合わせて装着されている。
【００３１】
さらに、蒸発器の下流側は管路抵抗が低く、上流側は管路抵抗が高くなるように、それぞれの管路径を下流側は大きく、上流側は小さく構成することにより、冷媒の逆流を防ぎ冷媒を一方向に循環させる構成とすれば、より効果的である。
【００３２】
以上のような構成にすれば、ボール型やディスク型などの構成部品を用いずにエッチングなどによる板部品の加工と接合により構成でき、しかも可動部のない構成で信頼性の高い装置が提供できる利点がある。
【００３３】
図６には、発電／アクチュエータ６の構成例を概略斜視図で示してある。ベローズ保持部材１６および電磁コイル６ｂは、ベローズ５の部分が見えるように一部カットして表示してある。
【００３４】
図において、冷媒流入部５ａ、冷媒流出部５ｂは、ベローズ保持部材１６を介してベローズに連結されている。後述するがベローズ保持部材１６には、冷媒流出部５ｂでの冷媒の圧力を検知するために圧力センサ９が装着されている。
【００３５】
ベローズ保持部材１６は、ベローズ５を囲むように孔があいており、その上に電磁コイル６ｂを配置して、ベローズ５の上に接続されたマグネット６ａとの位置を起電力が最大となるように配置している。
【００３６】
ベローズ保持部材１６は、このような構成となっており、一部磁気回路としての機能も要求されているため、磁性材料を用いても良い。
【００３７】
また、系が自励振動を構成するようにするため、ベローズ５の破壊に繋がるような過大な振動が発生しないように一定の振動振幅以上では減衰効果が生じるように減衰器を設けた構成にしてもよい。
【００３８】
以上のような構成の発電／アクチュエータ６によれば、小型で簡潔な管路系からなる発電／アクチュエータ６を構成することができる。更に図２に示す例では、電子機器発熱体１と蒸発器２とがパッケージに一体となって構成されているが、図２における管路１５と冷媒流入部５ａとを結合し、管路保持部材１３とベローズ保持部材１６とを一体構造にすることもできる。
【００３９】
更には、凝縮器７をも一体に組み込んだ構造も可能であり、発熱体１を含む電子パッケージにおいて、蒸発器２、逆止弁３および４、管路系、ベローズ５、発電／アクチェータ６および凝縮器７のうちの少なくとも1つ以上または全部の部分が同一のパッケージに組み込まれた構造にすることができる。これらの構成は、電子デバイスの大きさ、発熱量、発熱体の配置等、種々の設計要因によって自由に構成することができる。
【００４０】
次に図７により、本発明の電子デバイスの冷却システムの電力制御部１０の制御方法について述べる。図７は、発電システムの構成図である。図において、網掛け矢印は熱エネルギの流れを示したもので、白抜き矢印は電気エネルギの流れを示したものである。更に黒矢印は、装置の各種センサからの信号の流れを示したものである。
【００４１】
電力制御部１０は、発電／アクチュエータ６で発生した起電力を蓄積しやすい形に整流する機能を備えた電力変換部１０ａ、変換した電力を蓄積する二次電池からなる電力バッファ部１０ｂ、システム全体の電力をセンサからの出力に応じて制御する制御演算部１０ｃからなる。
【００４２】
まず、制御演算部１０ｃにおける制御内容について述べる。制御演算部１０ｃには、圧力センサ８、圧力センサ９、さらには温度センサ２ｄにおいて検出された信号が入力される。本システムのポイントは発熱体１からの熱エネルギを利用して、自励振動を発生させることで電気エネルギに変換することであるが、このような状態を阻害する要因がある。
【００４３】
例えば、熱平衡状態となって冷媒全体の圧力が均一となった場合は、ベローズ５は変位せず静止した状態となる。また、蒸発器２に冷媒がないドライアウト状態となった場合などである。装置の起動時などはこのような状態となることが多い。
【００４４】
このような状態は、蒸発器２の上流と下流に備えられた圧力センサ８と圧力センサ９で検出された圧力差がない場合であり、制御演算部１０ｃでこれを検出して、強制的に冷媒が管路を循環するように発電／アクチュエータ６に電力を投入してベローズ５を振動的に動作させる機能を備えるように構成した（図中破線の白抜き矢印）。
【００４５】
また、温度センサ２ｄでは、蒸発器２の温度を検出し、発熱体１の温度を推定して電子デバイスでの過大な温度上昇を検出する機能を有したものである。温度が異常に高い場合は系全体の自励振動を促進するように発電／アクチュエータ６に電力を投入するようにした。また、最悪の事態として発熱体が異常温度に達した場合は、システムの機能を低下させて発熱体の温度上昇を抑制するように作用させるように動作させる機能も有している。
【００４６】
なお、温度センサ２ｄは、電子デバイス側に温度検出機能を有している場合は必ずしも必要ではなく検出信号を制御演算部１０ｃに入力させればよい。近年のＣＰＵにおいては、パッケージ内の素子温度を容易にモニタできる機能が付与されていることが多い。
【００４７】
次に、制御演算部１０ｃにおける電力マネジメント機能について述べる。系が正常に動作している場合は、発電／アクチュエータ６から電力変換部１０ａを経由して電力バッファ部１０ｂへ電力が蓄積される。電力バッファ部１０ｂに蓄積された電力が一定以上になった場合は、システム全体の電力として還流して全体の消費電力を低減させるように構成される。
【００４８】
一方、電力制御部１０や、前述の異常事態に際しての発電アクチュエータ６への電力消費は、まずは電力バッファ部１０ｂに蓄積された電力から賄われるが、所定の蓄積量に満たない場合は、システム電源から供給されるように構成した。
【００４９】
また、本特許では詳細に記載していないが、凝縮器７においてより冷却を促進するためにファンを用いて空冷を行う場合は、電力供給を電力バッファ部１０ｂから行うこともできる（図中破線の白抜き矢印）。この際のファンの回転数の制御は、温度センサ２ｄに出力に応じて制御演算部１０ｃでフィードバックして構成することができる。
【００５０】
図８はこの発明の電子デバイスの冷却システムのエネルギ収支図を示した図で、図９は、従来の冷却システムのエネルギ収支図である。
【００５１】
図によれば、図９に示すように、装置全体の実質消費エネルギが、電子デバイスの消費エネルギと冷却装置に費やすエネルギの和総和として機能していた従来の冷却システムに対して、本発明では、図８に示すように、電子デバイスで消費するエネルギのうち熱エネルギの一部を発電してシステムの消費エネルギを低減させる効果がある。よって、本発明によれば、従来システムに比べて電子デバイスでの消費エネルギに対して、プラスとマイナスの相乗効果をもって低減効果を有する機能がある。
【００５２】
以上のように、本発明による電子デバイスの冷却システムは、発熱体１からの熱を自励振動による機械エネルギに変換した後に電気エネルギに変換して、電子デバイスの冷却をエネルギ吸収の形で達成させると共に電力をシステムに循環するため、装置の性能向上に大きく寄与するのみならず、熱を拡散せずに消費電力を低減させる環境にやさしいシステムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の電子デバイスの冷却システムの構成の一例を示す概略図である。
【図２】蒸発器の構成例を示す斜視図である。
【図３】蒸発器の構成例を示す分解斜視図である。
【図４】逆止弁として用いるノズル型流体素子ダイオードの特性図である。
【図５】逆止弁として用いる渦巻型流体素子ダイオードの特性図である。
【図６】発電／アクチュエータの構成例を示す部分破断斜視図である。
【図７】発電システムの構成図である。
【図８】本発明に関わる冷却システムのエネルギ収支図である。
【図９】従来の冷却システムのエネルギ収支図である。
【符号の説明】
【００５４】
１  電子機器発熱体、２  蒸発器、２ｄ  温度センサ、３、４  逆止弁、５  ベローズ、６  発電／アクチュエータ、７  凝縮器、１０  電力制御部、１０ａ  電力変換部、１０ｂ  電力バッファ部、１０ｃ  制御演算部。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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