(57)【要約】　　　（修正有）【課題】希望する温度に沸点を調節できる閉ループ循環冷却用冷媒とこの冷媒を使用したコンピュータ用閉ループ循環冷却システムを提供する。【解決手段】第１の媒体と第２の媒体とを含む混合物であって、第１の媒体がパーフルオロカーボン（ＰＦＣ）であり、第２の媒体が、第１の媒体の沸点を上昇させる物質である冷媒を使用し、冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却し、交換器により冷媒を液化冷却する。【選択図】図１
2004028369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）を第１の媒体とし、当該第１の媒体の沸点を上昇させる物質を第２の媒体として含む冷媒であって、
当該冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却するステップと気化した冷媒を液化するステップとを含む閉ループ循環冷却方法に使用できる
冷媒。
【請求項２】
前記第２の媒体がＰＦＣである請求項１に記載の冷媒。
【請求項３】
前記第１の媒体の常圧単独状態における沸点が、３０±５℃以内にある請求項１または２に記載の冷媒。
【請求項４】
前記混合物中の第１の媒体の常圧における沸点が、４０±５℃以内にある請求項１〜３に記載の冷媒。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の冷媒を使用し、冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却する冷却モジュールと気化した冷媒を液化する熱交換器とを備える閉ループ循環冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低圧で使用できる閉ループ循環冷却システムの冷媒に関する。特に本発明は、集積回路チップをパッケージに収容した半導体装置やプリント板等の高密度高発熱デバイスの冷却が必要なコンピュータ用閉ループ循環冷却システムに使用できる冷却システムの冷媒に関する。
【０００２】
【従来の技術】
閉ループの循環経路で構成される冷却方法（閉ループ循環冷却方法）には、冷媒を液体のままで使用し、発熱体から冷媒への熱伝達だけで発熱体の熱を奪う方法がある。
【０００３】
これに対し、液体の冷媒を噴霧等して、その蒸発潜熱で発熱体の熱を奪い、気化した冷媒を液化する方法がある。
【０００４】
両者を比較すると、前者は、冷媒の循環にポンプを使用でき、その吐出圧も、せいぜい０．２〜０．３ＭＰａで済むため、循環経路の構造が簡素化できる。しかしながら、蒸発潜熱を使用する方法に比べ冷却効率が劣り、その分、発熱体との熱交換に要する構造が大型化したり、複雑化したりする。なお、本明細書における圧力は絶対圧を意味する。
【０００５】
一方、後者では、蒸発潜熱を利用するため冷却効率に優れる。しかしこの方法は、気化した冷媒の液化のために、たとえば１．５ＭＰａといった高い吐出圧のコンプレッサを使用する必要があり、このため、循環経路が高圧に耐えるような構造を採用する必要がある。このことは、冷却システムに使用する金属材料を選択する際、熱伝導率よりも機械的強度により配慮した設計をせざるを得なくなることを意味する場合もある。
【０００６】
そこで、後者の方法において蒸発潜熱を利用しつつ、比較的低沸点でかつ液化し易い冷媒を使用し、循環経路を低圧に保つ方法が考えられる。この目的にはフレオン（商品名）が優れた物性を有しており、液化が容易である場合には、コンプレッサの使用も避けることができる。
【０００７】
しかしながら、フロンに関する環境問題によって冷媒に対する要件が厳しくなり、安全性、衛生性、取扱性や、粘性等の循環輸送性に関わる物性の各視点からの要求を満足させつつ、低沸点で使用できる冷媒として単独で使用できる冷媒としては、満足できるものが見つかっていないのが現状である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記の各視点からの要求をある程度満足させる冷媒として、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）が知られている。しかしながら、ＰＦＣについては、沸点が低いものは液化しがたい。たとえば、沸点約３０℃のＰＦＣを室温で液化するには高圧が必要となり、設備が大型化または複雑化する。また、高沸点のものは、使用環境では気化しがたいものが多く、蒸発潜熱を利用するという所期の目的を達成するには構造が複雑になる。さらに粘度が高くなり、循環輸送性の点で支障が出てくる場合がある。
【０００９】
本発明は、この問題を解決し、希望する温度に沸点を調節できる閉ループ循環冷却システム用の冷媒とこの冷媒を使用した閉ループ循環冷却システムとを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の一態様によれば、パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）を第１の媒体とし、当該第１の媒体の沸点を上昇させる物質を第２の媒体として含む冷媒であって、当該冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却するステップと気化した冷媒を液化するステップとを含む閉ループ循環冷却方法に使用できる冷媒が提供される。
【００１１】
第２の媒体がＰＦＣであることや、第１の媒体の常圧単独状態における沸点が、３０±５℃以内にあること、混合物中の第１の媒体の常圧における沸点が、４０±５℃以内にあること、混合物中の第１の媒体の沸点が４０℃となる蒸気圧が０．１０〜０．１３ＭＰａの範囲内にあることが好ましい。合理的に低圧の冷却システムを実現することができるからである。
【００１２】
なお、本発明の他の一態様によれば、上記のいずれかに記載の冷媒を使用し、冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却する冷却モジュールと気化した冷媒を液化する熱交換器とを備える閉ループ循環冷却システムが提供される。
【００１３】
この冷却システムは、コンピュータの部品の冷却用に使用されることが好ましい。低圧の実現により、高い冷却効率の小型化されたシステムを実現できるからである。
【００１４】
なお、以下に説明する発明の実施の形態や図面の中で、本発明の更なる特徴が明らかにされる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を図，表等を使用して説明する。なお、これらの図，表等および説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。図中、同一の要素については同一の記号を使用するものとする。
【００１６】
冷却システムでは、冷媒の冷却能力が大きい方が好ましいが、通常、液化に要する負担が同一であれば、低沸点冷媒の方が能力が大きくなる。
【００１７】
しかし、低沸点冷媒は、同じ温度において高沸点冷媒よりも蒸気圧が高いため、コンプレッサによる液化が必要となったり、全体の圧力が高くなり、耐圧能力の高い冷却システムが必要となったりしてくる。また、室温より冷媒の沸点が低い場合には、ガスとなって逃散しやすく、充填時や回収時の取り扱いにも注意が必要である。
【００１８】
特殊な冷媒を使用せず、しかも低圧の冷却システムを実現するには、天候の変動、室温の変動等を考慮すると、冷媒に必要な沸点として、４０℃程度が好ましい。しかしながらＰＦＣでは、沸点４０℃程度のものが存在しない。
【００１９】
本発明は、この問題を解決し、まず一般的に、希望する温度に沸点を調節できる冷媒混合物を提供する。
【００２０】
具体的には、少なくとも２種類以上の媒体を使用し、その中の一つの媒体（第１の媒体）がＰＦＣであり、他の一つの媒体（第２の媒体）が第１の媒体の沸点を上昇させる物質であるような冷媒である。
【００２１】
これによって、第２の媒体の添加量を調節することにより、第１の媒体の沸点を上昇させ、所望の沸点にすることができる。
【００２２】
第２の媒体としては、第１の媒体の沸点を上昇させる物質であって、本発明の趣旨に反しない限り、どのようなものでもよいが、第１の媒体との相溶性、変質のし難さ、冷媒全体の粘度への影響、化学的安定性等を考慮するとＰＦＣであることが好ましい。
【００２３】
第１の媒体と第２の媒体とを含む混合物としての冷媒全体中における第１の媒体の沸点としては、常圧において４０±５℃以内にあることが好ましい。液化に高圧を要せず、冷却システムをコンパクトに構成できるからである。別の言い方をすれば、冷媒混合物中の第１の媒体の沸点が４０℃となる蒸気圧が０．１０〜０．１３ＭＰａの範囲内にあるようにすることが好ましい。上記沸点が３５℃未満であったり、上記蒸気圧が０．１３を超えると、液化する際に加圧が必要になる場合が多くなる。上記沸点が４５℃を超えたり、上記蒸気圧が０．１０未満であると、液体の冷媒を噴霧等して気化させる場合、冷媒の気化が起こりにくくなる傾向が現れる。
【００２４】
そして、このような温度範囲を達成するには、第１の媒体の常圧単独状態における沸点としては、３０±５℃以内にあるものが好ましい。２５℃未満であると、沸点上昇に要する第２の媒体の濃度が高くなり、その分冷却効率が低下する問題が顕著になる。３５℃を超えると、第２の媒体が存在する意義が少なくなる。
【００２５】
このような冷媒は、たとえば、常圧での沸点が３０℃であるＰＦＣと、常圧での沸点が５６℃であるＰＦＣとを混ぜ合わすことによって実現できる。
【００２６】
冷媒中における第１の媒体の沸点の調整は、具体的に第１の媒体と第２の媒体とを混ぜ合わせ、その常圧における沸点を測定すること等によって、実験的に容易に定めることができる。
【００２７】
なお、実験の結果、第２の媒体がＰＦＣの場合には、ラウールの法則が適用できることが判明した。
【００２８】
表１は、第１の媒体として常圧での沸点が３０℃のＰＦＣを使用し、第２の媒体として常圧での種々の沸点を有するＰＦＣを使用した場合に、冷媒混合物の常圧での沸点が４０℃を示す組成を示す。また、図１は、第１の媒体として常圧での沸点が３０℃のＰＦＣを使用し、第２の媒体として常圧での沸点が５６℃のＰＦＣを使用した場合に、その組成比により、冷媒混合物の常圧での沸点が変化する様子を示す。図１には、ラウールの法則から求めた理論値も示されており、実測値とよく一致している。なお、図１の点Ａにおける冷媒混合物の動粘度は２５℃で０．４ｃｓｔであり、第１の媒体のみの動粘度である０．４ｃｓｔ（２５℃）に比べ遜色ないことが示された。
【００２９】
【表１】
2004028369.tif 000003
本発明では、上記のような冷媒の構成により、沸点を所望の値に調節することが可能となる。しかも、第１の媒体と第２の媒体とにＰＦＣを使用すると、冷媒全体としての粘度も低く抑えられ、第１の媒体のみを使用した場合より低圧力で小型の冷却システムを実現できることが判明した。
【００３０】
なお、このような低圧の冷却システムでは、使用する金属として、機械的強度の低いものを使用することが可能になり、銅，アルミニウム，バリウムやこれらの合金を使用することが容易になる。従って熱伝導率の高いアルミニウム等を使用することができ、発熱体の冷却や冷媒自身の冷却をより効率的に行うこともできる。
【００３１】
本発明に係る冷媒は、閉ループ循環冷却システム、とりわけコンピュータ用閉ループ循環冷却システムの冷媒として使用できる。ここで、閉ループ循環システムとは、空冷システムのように冷媒が循環しないシステムではなく、発熱体を冷却する部分と気化した冷媒を液化冷却する液化装置や熱交換器との間が閉ループを形成しているシステムを意味する。本発明に係る冷媒が使用される閉ループ循環システムではコンプレッサ等の液化装置を省略することが可能であるが、場合によっては設置してもよい。
【００３２】
コンピュータ用閉ループ循環冷却システムでは、通常、冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却する冷却モジュールと気化した冷媒を液化する熱交換器とを備え、コンプレッサ等の液化装置を省略することが好ましい。
【００３３】
この冷却システムについて、図２を使用してさらに詳細に説明する。図２は、このようなシステムの１例を示す模式図である。
【００３４】
図２において、本発明に係る冷却システム１は、液状および気体状の冷媒を循環させるための循環経路２と、循環経路中に配置された、液状の冷媒を循環させるためのポンプ３と、ポンプ３の出側の循環経路２中に配置される冷却モジュール４と、冷却モジュール４からの戻り側の循環経路２中に配置される熱交換器５と、熱交換器５で冷却された冷媒を貯留し、上記ポンプでの循環に備えるための貯槽６とから形成されている。冷媒は、マニフォールド８，９によって冷却モジュール４に分配され、冷却モジュール４から集められる。ポンプ３の出側には、冷媒中の異物を捕捉するためフィルタ７が設置されている。
【００３５】
この場合、本発明に係る冷媒混合物を使用すれば、気化した冷媒を液化するためにコンプレッサを使用する必要はない。図２の熱交換器５では、冷却ファン１０による空冷で冷媒が冷却され液化する。
【００３６】
冷却モジュール４は、図２に示すように１以上の冷却ユニット１１よりなる。冷却ユニット１１としては、図３，５，６に示すような、発熱体の上に設けた箱状の吸熱装置を例示することができる。
【００３７】
図３では、マザーボード３１に設けられた発熱体であるＣＰＵ（中央演算処理装置）３２の上に吸熱装置１１が設置されている。吸熱装置１１の底板３３としては熱伝導率の高い金属が使用される。冷媒は、図３中左側にある冷媒入り口３４から噴霧され、図３中右側にある冷媒出口３５から排出される。
【００３８】
第２の媒体は吸熱装置１１内でミストとなるが、このミストは蒸発してもよいし、液体のままにとどまってもよい。液体にとどまる場合には、冷媒出口３５から熱交換器５に至る循環経路中には、気体と液体とが存在することになる。
【００３９】
図５では、マザーボード３１に設けられた発熱体であるＣＰＵ（中央演算処理装置）３２の上に吸熱装置１１が設置されている。吸熱装置１１の底板３３としては熱伝導率の高い金属が使用される。冷媒は、図５中上側にある冷媒入り口５１から注入され、マルチチャネル５２を通る間に一部が気化して、気体と液体とが入り交じった状態になり、図５中上側にある冷媒出口５３から排出される。なお、図６はマルチチャネル５２中を冷媒が移動する様子を示す。矢印は冷媒が移動する様子を表す。
【００４０】
本発明に係る冷却システムを組み込んだコンピュータ装置は、図４に示すように構成することができる。図４は、本発明に係る冷却システムを組み込んだラックマウント型コンピュータ装置の一例を示す模式図である。
【００４１】
図４において、筐体４０１はコンピュータ内にあって直方体の内部空間を持つ。筐体４０１の前側壁４０２には、内部空間に外気を送り込むための吸気ユニット４０３が組み込まれている。この吸気ユニット４０３は、たとえば水平方向に配列される２列の送風ファン４０４で構成されればよい。
【００４２】
同様に、筐体４０１の後側壁４０５には、内部空間にある空気を筐体４０１の外へ送り出す排気ユニット４０６が組み込まれる。排気ユニット４０６は、たとえば水平方向に配列される２列の送風ファン４０７で構成されればよい。このような吸気ユニット４０３と排気ユニット４０６との協働作用により、筐体４０１の前方から後方に向かって内部空間を横切る気流が生じる。
【００４３】
筐体４０１には、たとえば底板から立ち上がる１枚のプリント配線基板すなわちバックパネル４０８が配置される。バックパネル４０８には、その表面から垂直方向に立ち上がる複数枚のプリント配線基板であるマザーボード３１が接続される。各マザーボード３１の表面には、ＣＰＵや主記憶装置（メモリ）といった、高密度高発熱の素子が実装されている。
【００４４】
その他、バックパネル４０８には、電源ユニット４０９や入出力（Ｉ／Ｏ）用プリント配線基板４１０が接続される。バックパネル４０８上に形成される導電配線パターンは、電源ユニット４０９やＩ／Ｏ用プリント配線基板４１０と、対応するマザーボード３１とを相互に接続する。各マザーボード３１上のＣＰＵは、電源ユニット４０９から供給される電力に基づき動作する。ＣＰＵは、Ｉ／Ｏ用プリント配線基板４１０を通じて、たとえばラック内の図示されていないディスクアレイユニットやスイッチングルータといった外部機器に接続される。
【００４５】
筐体４０１には、大容量記憶装置であるハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）４１１が組み込まれてもよい。ＨＤＤ４１１にはＣＰＵで使用するオペレーティングシステム（ＯＳ）やアプリケーションのためのプログラムを格納できる。ＨＤＤ４１１は、たとえばバックパネル４０８に実装されるコネクタを介してバックパネル４０８上のＣＰＵに電気的に接続される。
【００４６】
筐体４０１には、本発明に係る冷却システム１が組み込まれる。冷却システム１は、図２から明らかなように、閉ループの循環経路２を備える。
【００４７】
循環経路２には、冷媒を循環させるためのポンプ３が組み込まれる。このポンプ３は、たとえば０．２〜０．３ＭＰａの低吐出圧で液体の冷媒を吐出できるもので十分である。
【００４８】
ポンプ３の出側にある循環経路２には、吸熱装置４が組み込まれる。吸熱装置４はマザーボード３１上の各ＣＰＵ３２に個別に覆い被さる。ポンプ３から吐出される液状の冷媒はこの吸熱装置４で少なくとも一部が気化し、吸熱する。
【００４９】
吸熱装置４の出側には熱交換器５および冷媒の貯槽６（図示されず）がこの順に組み込まれる。熱交換器５は吸熱装置４から出た冷媒から熱を奪う役割を果たし、吸熱装置４から出た際に気化した冷媒はここで液化する。熱交換器５では、ファンによる空冷方式で冷媒を液化できるのでコンプレッサは不要である。熱交換器５で液化した冷媒は一旦貯槽６に貯留され、その後再びポンプ３から吐出される。
【００５０】
本発明に係る冷媒を使用すると、容易に、その沸点を所望の値に調節できるため、上記のように簡素な閉ループ循環冷却システムを実現することができる。また、ガスとなって逃散し難くなり、充填時や回収時の取り扱いが容易になる。また、低圧で操作が可能となるため、使用する材料に熱伝導率の高いものを採用でき、冷却効率を向上でき、システムをより小型化できる。
【００５１】
このため、本発明に係る冷却システムは、ＣＰＵに代表される大規模集積回路（ＬＳＩ）、ＬＳＩパッケージ、マルチチップモジュール（ＭＣＭ）等の高密度高発熱デバイスやこれらのデバイスを組み込んだシステム、たとえはコンピュータに好ましく使用することができる。
【００５２】
なお、上記に開示した内容から、下記の付記に示した発明が導き出せる。
【００５３】
（付記１）　パーフルオロカーボン（ＰＦＣ）を第１の媒体とし、当該第１の媒体の沸点を上昇させる物質を第２の媒体として含む冷媒であって、
当該冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却するステップと気化した冷媒を液化するステップとを含む閉ループ循環冷却方法に使用できる
冷媒。
【００５４】
（付記２）　前記第２の媒体がＰＦＣである付記１に記載の冷媒。
【００５５】
（付記３）　前記第１の媒体の常圧単独状態における沸点が、３０±５℃以内にある付記１または２に記載の冷媒。
【００５６】
（付記４）　前記混合物中の第１の媒体の常圧における沸点が、４０±５℃以内にある付記１〜３に記載の冷媒。
【００５７】
（付記５）　前記混合物中の第１の媒体の沸点が４０℃となる蒸気圧が０．１０〜０．１３ＭＰａの範囲内にある付記１〜４に記載の冷媒。
【００５８】
（付記６）　前記閉ループ循環冷却方法がコンピュータの部品の冷却用に使用される付記１〜５のいずれかに記載の冷媒。
【００５９】
（付記７）　付記１〜５のいずれかに記載の冷媒を使用し、冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却する冷却モジュールと気化した冷媒を液化する熱交換器とを備える閉ループ循環冷却システム。
【００６０】
（付記８）　コンピュータの部品の冷却用に使用される付記７に記載の閉ループ循環冷却システム。
【００６１】
【発明の効果】
冷媒の蒸発潜熱により発熱体を冷却するステップと気化した冷媒を液化するステップとを含む閉ループ循環冷却方法に使用できる冷媒であって、希望する温度に沸点を調節できる冷媒とこの冷媒を使用した閉ループ循環冷却システムとを実現できる。
【００６２】
この冷媒は、ガスとなって逃散し難くなり、充填時や回収時の取り扱いが容易になる。
【００６３】
また、この閉ループ循環冷却システムは、冷却効率の高い小型化したものとすることができるためコンピュータの部品の冷却に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の媒体と第２の媒体との組成比と冷媒混合物の沸点との関係を示すグラフである。
【図２】本発明に係る冷却システムの１例を示す模式図である。
【図３】本発明に係る冷却システムの吸熱装置を例示する模式図である。
【図４】本発明に係る冷却システムを組み込んだコンピュータ装置の一例を示す模式図である。
【図５】本発明に係る冷却システムの吸熱装置を例示する他の模式図である。
【図６】図５の吸熱装置における冷媒の流れを示す模式図である。
【符号の説明】
１　　　冷却システム
２　　　循環経路
３　　　ポンプ
４　　　冷却モジュール
５　　　熱交換器
６　　　貯槽
７　　　フィルタ
８，９　マニフォールド
１０　　冷却ファン
１１　　冷却ユニット（吸熱装置）
３１　　マザーボード
３２　　ＣＰＵ
３３　　底板
３４　　冷媒入り口
３５　　冷媒出口
４０１　筐体
４０２　前側壁
４０３　吸気ユニット
４０４　送風ファン
４０５　後側壁
４０６　排気ユニット
４０７　送風ファン
４０８　バックパネル
４０９　電源ユニット
４１０　Ｉ／Ｏ用プリント配線基板
４１１　ＨＤＤ
５１　　冷媒入り口
５２　　マルチチャネル
５３　　冷媒出口
【図１】
2004028369.tif 000004
【図２】
2004028369.tif 000005
【図３】
2004028369.tif 000006
【図４】
2004028369.tif 000007
【図５】
2004028369.tif 000008
【図６】
2004028369.tif 000009