(57)【要約】【課題】冷却性能に優れ、流体の流入配管の遮熱を必要とせず、耐久性に優れるとともに、液漏れ等による電子機器の故障がなく、小型化、防音化を実現した、メンテナンスの必要のない発熱体の冷却装置、及び流体の流路出口付近において吸熱作用が極めて大きく、冷却効果を向上でき、生産性、経済性に優れる冷却方法を提供する。【解決手段】発熱体に熱授受可能に配設される伝熱性を有するヒートシンクと、該ヒートシンク内に配設され一端部から気体を流入させ他端部から圧力の減少した該気体を排出させる流路と、を有することを特徴とする発熱体の冷却装置。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体に熱授受可能に配設される伝熱性を有するヒートシンクと、該ヒートシンク内に配設され一端部から気体を流入させ他端部から圧力の減少した該気体を排出させる流路と、を有することを特徴とする発熱体の冷却装置。
【請求項２】
該流路が該ヒートシンク内に並列して配設されることを特徴とする請求項１に記載の発熱体の冷却装置。
【請求項３】
流路に気体を流入する工程と、流入した気体の圧力が減少するにつれ該気体が膨張する工程と、を有することを特徴とする発熱体の冷却方法。
【請求項４】
流路内で気体の流れがチョーキングを起こすことを特徴とする請求項３に記載の発熱体の冷却方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと略す）、マイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵと略す）、ハードディスク（以下、ＨＤと略す）、集積回路（以下、ＩＣと略す）等の半導体等の発熱体や、その他の発熱部を有する電子部品の冷却に用いられる冷却装置及び冷却方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電子機器においては半導体等の電子部品の高集積化、動作クロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電子部品の正常動作のために、それぞれの電子部品の接点温度を動作温度範囲内にいかに保持するかが大きな問題となっている。
特に、ＭＰＵの高集積化、高周波数化はめざましく、動作の安定性、また動作寿命の確保等の点からも放熱対策が重要な問題となってきている。
【０００３】
一般に、電子機器からの放熱は、放熱面積を広げ、空気等の冷媒と効率よく熱を交換させるためのヒートシンクと、このヒートシンクに空気等の冷媒を強制的に送り込むためのモータ付きファン等とを組み合わせた冷却装置によりなされる。
上記冷却装置の冷却原理は、発熱体で発生した熱が、アルミニウム等の高い伝熱性を有する伝熱性のベースを経て、フィンへと伝わり、熱はフィンの表面で冷却ファンから送られてくる空気へ熱伝達されることで空気中へ放散され冷却される。
しかしながら、上記従来の冷却装置は、電子機器からの発熱量の増加に伴ってヒートシンク、ファンの大型化やファンの高速化、複数化等の熱対策が一般的にとられており、冷却装置が大型になると同時にファンから出る騒音が増大する等の問題がある。
【０００４】
また、ヒートシンクからの熱除去をヒートパイプにより行う装置もある。この冷却装置の冷却原理は、ヒートシンクと放熱用のフィンがヒートパイプで連結されており、ＣＰＵの発熱によってパイプの中の作動液体が蒸発し、圧力差によって放熱用フィン側に移動する。この反作用で放熱用フィン側にある作動液体は、ＣＰＵ側に移動する。放熱用フィンに移動した作動気体はフィンで冷却されると凝縮して元の液体に戻り、ＣＰＵ側に移動した作動液体は熱によって気体になり、再びフィンに戻ってくる。このように、パイプの中で気体・液体の状態が循環することによって冷却される。
しかしながら、ヒートパイプは構造上あまり自由度がないため、パイプを自在に折り曲げて、限られたスペースに自由に設置するということができない。また、高発熱密度でヒートパイプに熱入力すれば、熱入力部でドライアウト現象が起き、吸熱効果が著しく低減するという問題がある。
【０００５】
さらに、冷却液タンク、ポンプ、水冷ジャケット、放熱板より構成され、冷却液の循環により冷却する液体冷却装置が開発されている．上記の液体冷却装置の冷却原理は、冷却液タンクからポンプで送り出された冷却液が、ステンレス製の配管を通ってＣＰＵに装着された純アルミの水冷ジャケットを通過後、アルミ合金の放熱板にて放熱し，冷却液タンクに戻る。この冷却液が循環することで冷却される。
しかしながら、上記の冷却液の循環により冷却する水冷システムを利用した装置は、ファンを省いたことで騒音の問題は解決されたが，経年使用に伴う配管の腐食，冷却液の蒸発に伴うメンテナンスの必要性や結露，液漏れ等が生じる問題を有している。
【０００６】
このように、半導体等の電子部品では、更なる高速化の進展等によって益々加熱が大きくなる傾向にあり、従来の構成を用いた冷却装置では、十分な冷却等を行うことができにくくなっており、特に、高発熱電子部品では、その性能を十分に発揮することができず、熱暴走等を起こし、電子機器に異常が生じる等の問題が生じている。また、発熱量の増加に伴って冷却装置そのものを相対的に大きくして冷却能力を高める方法も考えられるが、電子機器自体の大きさから、自ずと冷却装置の大きさ等に制限を受けるという問題がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、冷却性能に優れ、流体の流入配管の遮熱を必要とせず、耐久性に優れるとともに、液漏れ等による電子機器の故障がなく、小型化、防音化を実現した、メンテナンスの必要のない発熱体の冷却装置、及び流体の流路出口付近において吸熱作用が極めて大きく、冷却効果を向上でき、生産性、経済性に優れる冷却方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の［１］〜［４］に記載した事項により特定される。
［１］発熱体に熱授受可能に配設される伝熱性を有するヒートシンクと、該ヒートシンク内に配設され一端部から気体を流入させ他端部から圧力の減少した該気体を排出させる流路と、を有することを特徴とする発熱体の冷却装置。
これにより、ヒートシンク内に配設された流路において、圧縮性の気体が摩擦と加熱の影響によって膨張し，温度が降下するので、吸熱効果を高めることができる。
また、配管を閉ループ構造にし、流体を循環させれば、窒素やヘリウム等の冷媒ガスを用いることができる。
さらに、ＣＰＵ等の発熱体を複数個近づけて設置することや複数のヒートシンクを近づけて設置することができるので、装置を小型化することができる。
【０００９】
［２］該流路が該ヒートシンク内に並列して配設されることを特徴とする［１］に記載の発熱体の冷却装置。
これにより、同一の流路断面積に対して伝熱面積を増やすことができるので、冷却効果を高めることができる。
また、流路の長さと直径の比が小さい管を配設することによって、チョーキングを起こす条件が得やすくなる。
さらに、流路の本数を変えることによって発熱体の熱量に応じた熱除去ができる。
【００１０】
［３］流路に気体を流入する工程と、流入した気体の圧力が減少するにつれ該気体が膨張する工程と、を有することを特徴とする発熱体の冷却方法。
これにより、圧縮性の気体が摩擦と加熱の影響によって膨張し、温度が降下するので、吸熱効果を高めることができる。
【００１１】
［４］流路内で気体の流れがチョーキングを起こすことを特徴とする［３］に記載の発熱体の冷却方法。
これにより、チョーキングに近い条件では摩擦と加熱の影響による膨張が大きく、温度が急激に降下するため、吸熱効果を高めることができる。
【００１２】
ここで、「チョーキング」とは、管内の流れがマッハ数１の臨界状態に達し、下流の圧力をそれ以上減少させてもその変化の影響が上流まで伝わらず、それ以上の流量を流すことができない現象をいう。摩擦と加熱のある管内の流れにおいては，摩擦と加熱の影響により気体の圧力が減少する過程で、気体が圧縮性効果により膨張し温度が降下するとともに、流れが加速し，管の出口でマッハ数が１に達する。本明細書中、「チョーキング」には、チョーキング近傍領域、すなわち、管の出口でマッハ数が１に達しなくても、気体が圧縮性の効果によって膨張し、温度が降下するマッハ数が０．３以上の領域をも含むものとする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照しながら説明する。
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１における冷却装置の概略構成図である。
図中、１は本発明の実施の形態１における冷却装置、２はＣＰＵ，ＨＤ等の発熱体と熱授受可能に設置され、熱伝達性に優れるアルミニウム製のヒートシンク、３はヒートシンク２内に複数、並列に配設され、内部に気体を通過させる、直径０．１〜２．０ｍｍ、長さと直径の比１０〜１００のアルミニウム製の流路、４は気体を流入させる流路３の一端部側に形成され、高圧状態である気体が存在する高圧部、５は気体が流路３内を長手方向に通過するにつれ、気体の圧力が減少し低圧状態の気体が存在する低圧部、６は圧縮ポンプ（図示せず）から高圧気体を流路３の一端部に流入させる導入管、７は圧力が減少した気体を排出する排出管である。なお、高圧部４と低圧部５に存在する気体の圧力に気体の圧縮性効果および、それによるチョーキング現象が現れる程度の圧力差があれば足り、高圧部４あるいは低圧部５は大気圧であってもよい。また、本実施の形態における冷却装置１は、気体を再利用するため、排出管７を形成したが、排出管７を形成しなくても構わない。
【００１４】
ここで、本実施の形態におけるヒートシンク２の材質は、アルミニウムを用いたが、その他、銅、金、銀、マグネシウム、シリコンやこれらを含む合金等が挙げられ、熱伝達性に優れるものであれば、これらに限定されるものではない。また、ヒートシンク２の形状としては、平板、直方体、台形、溝を有する積層平板等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
流路３の材質としては、アルミニウムを用いたが、その他、銅、金、銀、マグネシウム、シリコンや、これらを含む合金等が用いられる。熱伝達性を有するものであれば、これらに限定されない。また、流路３の形状は、断面形状が円、矩形、半円、楕円、台形等が挙げられ、その断面積が流路に沿って一定、または変化する形状等が好適であるが、これらに限定されない。
【００１５】
流路３の径の大きさは、０．１〜２．０ｍｍが好ましいが、用いる気体の種類、流路の長さと気体の種類に応じて異なるチョーキングを起こすのに必要な高圧部４と低圧部５の圧力比等により、適宜変更可能である。ここで、径の大きさが０．１ｍｍより小さくなるにつれ、冷却に必要な気体流量を流すために流路の本数が多くなり、圧力損失が大きくなるという傾向が見られ、２．０ｍｍより大きくなるにつれ、気体がチョーキングを起こす条件が得難くなるという傾向が見られる。
流路３の長さと直径の比は、１０〜１００が好ましいが、用いる気体の種類、発熱体の大きさ等により、適宜変更可能である。ここで、長さと直径の比が１０より小さくなるにつれ、気体がチョーキングを起こしにくくなり、冷却効果が小さくなるという傾向が見られ、長さと直径の比が１００より大きくなるにつれ、気体を流すために必要な圧縮機または真空ポンプの動力が大きくなるという傾向が見られる。
【００１６】
高圧部４と低圧部５の圧力比は、１．５〜４．０が好ましい。ここで、圧力比が１．５より小さくなるにつれ、気体の圧縮性効果が現れにくくなり、冷却効果が小さくなるという傾向が見られ、４．０より大きくなるにつれ、気体を流すために必要な圧縮機または真空ポンプの動力が大きくなるという傾向が見られる。特に、出口マッハ数が０．３以上の気体は、圧縮性の効果により、摩擦および加熱の影響によって気体が膨張し、温度が降下することにより吸熱効果が大きくなるため好適に用いられる。
本発明に用いる気体としては、空気、二酸化炭素、窒素、ヘリウム、炭化水素、アンモニア、フロン、およびそれらの混合気体等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。また、流入気体の温度はいずれであってもよく、常温においても使用できる。
【００１７】
以上のように構成された冷却装置１について、以下その動作を説明する。
常温、または常温に近い気体が、導入管６を経て高圧部４に導入され、各流路３の一端部から流路３内に流入し、流路３内を長手方向に通過する。気体が細い流路３内を流れるにつれ、摩擦により圧力が減少する過程で、気体が膨張し流路３出口で気体の流れがチョーキング現象を起こす。チョーキング状態、あるいはチョーキング状態の近傍においては、気体の温度降下が著しいので、この領域では吸熱作用が大きく、ヒートシンクに接触している発熱体からの熱が奪われる。一方、気体は流路３出口から低圧部５を経て排出管７から外部へ排出され、再利用される。
【００１８】
以上のように本実施の形態の冷却装置１は構成され動作するので、以下の作用を有する。
１）気体が流路３内を通過する過程において、圧縮性の気体が流路３における摩擦と加熱の影響によって膨張するとともに温度が降下するため、吸熱効果が大きくなる。特に、チョーキング近傍領域では，著しい温度降下が生じ、極めて大きな吸熱作用を引き起こすため、冷却効率を向上させることができる。
２）高圧部４から流路３内に流入される気体を常温のまま用いることができるので、導入管６の遮熱を必要とせず、利便性に優れるとともに、冷却作業性に優れる。
３）ヒートシンク２内に、流路３を複数配設させたため、同一の流路断面積に対して伝熱面積を増やすことができ、冷却効果が大きくなる。さらに、流路の本数を変えることによって、発熱体の熱量に応じた熱除去ができる。
４）装置自体が小型化されているので、持ち運びに便利であるとともに、ノート型パソコン等にも用いることができ、省スペース性にも優れる。
５）ファンを用いないため、排出管７を設け、閉ループ構造にすれば、静音性、防音性に優れる。
６）液体を用いず、常温または常温に近い気体を用いるため、水の結露等を生じることがなく、漏電、ショートによる電子機器の誤動作や破損が生じない。
７）本冷却装置を設置して用いることも、また脱着自在にして用いることも可能であり、汎用性に優れる。
【００１９】
（実施の形態２）
図２は本発明の実施の形態２における冷却装置の系統図である。
図中、１ａは本発明の実施の形態２における冷却装置、２ａはＣＰＵ，ＨＤ等の発熱体と熱授受可能に設置され、熱伝達性に優れるアルミニウム製のヒートシンク、３ａはヒートシンク２ａ内に複数、並列に配設され、内部に気体を通過させる、直径０．１〜２．０ｍｍ、長さと直径の比１０〜１００のアルミニウム製の流路、４ａは気体を流入させる流路３ａの一端部側に形成され、高圧状態である気体が存在する高圧部、５ａは気体が流路３内を流路３ａの長手方向に通過するにつれ、気体の圧力が減少し低圧状態の気体が存在する低圧部、８は４ａの高圧部に供給する気体を圧縮する圧縮機、９は圧縮機８で圧縮され、温度が上昇した気体を常温近くまで冷却する冷却器、１０ａはＣＰＵ，ＨＤ等の発熱体である。本実施の形態における低圧部５ａは、大気圧である。
尚、実施の形態１と同一の符号のものについては、説明を省略する。
【００２０】
以上のように構成された冷却装置１ａについて、以下その動作を説明する。
低圧部５ａが大気圧の場合、圧縮機８で圧縮され、冷却器９で常温近くに冷却された気体が高圧部４ａに供給される。気体が高圧部４ａから流路３ａ内に流入し、流路３ａ内を長手方向に通過するにつれ、摩擦と加熱の影響により圧力が減少する過程で、気体が膨張するとともに温度が降下し、ヒートシンク２ａから熱を奪う。一方、気体は流路３ａ出口から低圧部５ａ、排出管を経て圧縮機８に戻り、再利用もしくは低圧部５ａから外部に放出される．
【００２１】
（実施の形態３）
図３は本発明の実施の形態３における冷却装置の系統図である。
図中、１ｂは本発明の実施の形態２における冷却装置、２ｂはＣＰＵ，ＨＤ等の発熱体と熱授受可能に設置され、熱伝達性に優れるアルミニウム製のヒートシンク、３ｂはヒートシンク２ｂ内に複数、並列に配設され、内部に気体を通過させる、直径０．１〜２．０ｍｍ、長さと直径の比１０〜１００のアルミニウム製の流路、４ｂは気体を流入させる流路３ｂの一端部側に形成され、高圧状態である気体が存在する高圧部、５ｂは気体が流路３ｂ内を流路３ｂの長手方向に通過するにつれ、気体の圧力が減少し低圧状態の気体が存在する低圧部、１０ｂはＣＰＵ，ＨＤ等の発熱体、１１は５ｂの低圧部を真空にする真空ポンプである。本実施の形態における高圧部４ｂは、大気圧である。尚、高圧部が大気圧の場合、圧縮機および冷却機はなくても構わない。
尚、実施の形態１と同一の符号のものについては、説明を省略する。
【００２２】
以上のように本実施の形態の冷却装置１ｂは構成され動作するので、以下の作用を有する。
高圧部４ｂが大気圧の場合、常温近くの気体が高圧部４ｂから流路３ｂ内に流入する。実施の形態の低圧部５ｂが大気圧の場合と同様に、ヒートシンク２ｂから熱を奪った気体は、流路３ｂ出口から低圧部５ｂ、真空ポンプ１１を経て外部に放出される。
以上、本発明の実施の形態を図面により説明したが、本発明は本実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の設計の変更が可能である。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例をもって本発明を更に詳細に説明するが、これらの例は単なる実例であって本発明を限定するものではなく、また本発明の範囲を逸脱しない範囲で変更させてもよい。
本発明の冷却装置の細い流路内において摩擦と加熱によって気体が膨張し、温度が降下する効果によって得られるチョーク近傍領域の吸熱効果を確認した。
【００２４】
（実施例１）
本実施例で用いる実験装置の試験部は、ヒートシンク、カバー板、断熱板、押さえ板からなる。ヒートシンク部に設けられた流路は、断面形状が幅１．０ｍｍ、高さ１．０ｍｍの矩形、長さはカバー板におけるプレナム部の間隔で調整し、１０、２０、５０、１００ｍｍの４種類を用意した。ヒートシンク、カバー板の材質はともに無酸素銅である。
温度コントローラで制御されたヒータを、ヒートシンク底部から押し当て、ヒートシンク、カバー板を７０℃に加熱し，圧縮機から室温の空気を供給した。上流プレナムの圧力は０．１１ＭＰａ〜臨界点以上における圧力まで調圧弁で制御した。下流は大気に開放している。上流、下流におけるプレナムの圧力、温度を測定し、出口に設置する半導体の熱膜式質量流量計で質量流量を測定した。熱電対の測温部は、断熱板におけるプレナム部に挿入した。
【００２５】
実験結果を図４に示す。図中、Ｒａｙｎｏｌｄｓ  Ａｎａｌｏｇｙは、熱伝達係数（ヌセルト数）の理論式を意味する。
プロット範囲における低レイノルズ数領域では、流速が非常に小さく、プレナムのカバー板部における層流熱伝達の影響を本実験装置においては無視することができない。従って、この領域においては、ヒートシンク内に配設された細い流路のみにおける平均ヌセルト数は、もっと小さくなると考えられる。
乱流熱伝達においては分子伝導よりも渦伝導による熱伝達が支配的になるため、温度助走区間が非常に短く無視することができる。従って、局所熱伝達係数は管長に沿って一定であり平均熱伝達係数も同じ値になるため、長さに依存しない。
しかしながら、図４より、レイノルズ数の増加に伴い、ヌセルト数は長さに依存している。これは、気体の圧縮性効果が大きくなるにつれて、温度境界層が発達しなくなることを示す。
すなわち、局所熱伝達係数が変化する領域が存在し、長さが小さくなるほど、平均ヌセルト数が増加していることから局所的に熱伝達係数が増加していることがわかる。よって、気体が圧縮性の効果により膨張し、温度が降下することにより、大きな吸熱効果が得られる。
【００２６】
（実施例２）
本実施例で用いる実験装置および実験方法は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。
実験結果を図５に、計算結果を図６に示す。図中、縦軸のｑ［Ｗ／ｍ２］は平均熱流束（単位面積当たりの受熱量）を表す。
図６の計算結果において、その熱伝達係数は、従来用いられている局所熱伝達係数の変化が含まれていない式を用いているため、平均熱流束の長さに対する変化は小さい。
しかしながら、図５の実験結果において、その平均熱流束は、レイノルズ数が増加するにつれ長さが短くなるほど大きく増加しているのがわかる。実施例１の結果で示したように、平均熱伝達係数が長さが短くなるほど増加するためである。
【００２７】
（実施例３）
本実施例で用いる実験装置および実験方法は、実施例１と同様であるので、説明を省略する。
実験結果を図７に、計算結果を図８に示す。図中、縦軸のＱ［Ｗ］は総受熱量を表す。
実施例２で示したように、長さが短くなるほど、熱流束が増加するので、その結果長さが短い長さ１０、２０ｍｍの流路の受熱量が急激に向上していることがわかる。
すなわち伝熱面積が小さい長さ１０、２０ｍｍの場合の受熱量が急激に向上していることがわかる。チョーキングを起こす点において、その受熱量は流路１本当たりおよそ１５Ｗである。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の冷却装置によれば、冷却性能に優れ、流体流路の遮熱を必要とせず、耐久性に優れるとともに、液漏れ等による電子機器の故障がなく、冷却作業性に優れる。また、流体の流路出口付近において吸熱作用が極めて大きく、冷却効果を向上でき、経済性に優れ、コストの低減を図ることが可能である。
気体が流路内を通過する過程において、流路との摩擦と、加熱によりチョーキング現象を起こし、著しい温度降下を生じさせ、極めて大きな吸熱作用を引き起こすため、冷却効率を向上させ、ＣＰＵや記憶装置などの発熱による使用限界を広げることができる。また、高圧部から流路内に流入される気体を常温のまま用いることができるので、導入管の遮熱を必要とせず、利便性、汎用性に優れる。ＣＰＵ等の発熱体を複数個近づけて設置すること、複数のヒートシンクを近づけて設置することができるので、装置が小型化できる。装置自体が小型化されているので、運搬性、省スペース性に優れるとともに、防音効果を有し、メンテナンスの必要もない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態２における冷却装置の系統図
【図３】本発明の実施の形態３における冷却装置の系統図
【図４】実施例１における冷却装置のＮｕ−Ｒｅ特性図
【図５】実施例２における冷却装置のｑ−Ｒｅ特性図
【図６】実施例２における冷却装置のｑ−Ｒｅ特性図（計算結果）
【図７】実施例３における冷却装置のＱ−Ｒｅ特性図
【図８】実施例３における冷却装置のＱ−Ｒｅ特性図（計算結果）
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ  冷却装置
２，２ａ，２ｂ  ヒートシンク
３，３ａ，３ｂ  流路
４，４ａ，４ｂ  高圧部
５，５ａ，５ｂ  低圧部
６  導入管
７  排出管
８  圧縮機
９  冷却器
１０ａ，１０ｂ  発熱体
１１  真空ポンプ
【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】
2004278831.tif 000007
【図６】
2004278831.tif 000008
【図７】
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【図８】
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