(57)【要約】  液冷式の冷却方法は、発熱体（６１）に対して、当該発熱体（６１）から熱を受ける受熱部（１１）と受けた熱を発散させる放熱部（１２）とを有した循環流路（１０）を配置すること、および前記発熱体（６１）が発熱している間は常に、前記循環流路（１０）において潜熱蓄熱物質（４１Ａ，４１Ｂ）を循環させて前記受熱部（１１）の熱を前記放熱部（１２）に移送させることを含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
潜熱蓄熱物質を含んだ冷却液を用いて発熱体を冷却する液冷式の冷却方法であって、
前記発熱体に対して、当該発熱体から熱を受ける受熱部と受けた熱を発散させる放熱部とを有した循環流路を配置し、
前記発熱体が発熱している間は常に、前記循環流路において前記潜熱蓄熱物質を循環させて、前記受熱部の熱を前記放熱部に移送させる
ことを特徴とする冷却方法。
【請求項２】
前記潜熱蓄熱物質の融点は前記発熱体の動作環境温度の許容範囲の上限であり、且つ前記発熱体の発熱量が最大であるときの前記冷却液の温度と前記潜熱蓄熱物質の融点との差が、±１０℃よりも小さい
請求項１に記載の冷却方法。
【請求項３】
前記潜熱蓄熱物質を含む前記冷却液の循環速度が定速である
請求項１または請求項２に記載の冷却方法。
【請求項４】
潜熱蓄熱物質を含んだ冷却液を用いて発熱体を冷却する液冷式の冷却装置であって、
受熱部および放熱部を含んで構成される循環流路と、
前記循環流路の中に前記受熱部の熱を蓄熱して前記放熱部に熱を移送する潜熱蓄熱物質を含んだ冷却液と、を有する
ことを特徴とする冷却装置。
【請求項５】
前記冷却液は、潜熱蓄熱物質を樹脂で被覆したカプセル状潜熱材を含む液体である
請求項４に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、潜熱材を含んだ冷却液を循環させる液冷式の冷却方法および冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自然放熱では過熱する電子部品をもった電子機器は強制冷却を必要とする。例えば、パーソナルコンピュータは、搭載されたＣＰＵを適切な範囲内の温度に保つように冷却しなければ正常に動作しない。一般に、電子機器では空冷式の強制冷却が行われている。【０００３】
近年、電子機器における強制冷却の方式として、空冷式と比べて冷却能力に優れる液冷式が注目されている。ここでいう液冷式は、発熱体から熱を受ける受熱部と熱を発散させる放熱部とを通る循環流路を設け、ポンプによって冷却液を強制的に循環させる方式である。【０００４】
電子機器における液冷式の強制冷却に関して、潜熱蓄熱物質を含んだ冷却液を使用する冷却方法が特開２００３−３１４９３６号公報よって開示されている。潜熱蓄熱物質を含むことによって冷却液の蓄熱容量が増大し、冷却液の温度上昇が緩慢になる。上記公報で開示された冷却方法は、この作用を利用してポンプの稼動を最小限にする。すなわち、発熱部の温度ＴＪを監視し、発熱部の温度ＴＪが設定温度Ｔ１よりも高いときだけポンプを稼動する。設定温度Ｔ１は、部品の許容温度範囲の上限よりも低くかつ潜熱蓄熱物質の融点Ｔｍよりも高い。この冷却方法によれば、ポンプの消費エネルギーを低減することができる。
【特許文献１】特開２００３−３１４９３６号公報
【発明の開示】
【０００５】
しかし、ポンプをオンオフ制御する上記冷却方法では、発熱部の温度ＴＪが潜熱蓄熱物質の融点Ｔｍよりも高いけれどもポンプはオフであるというときには、すなわち冷却液の温度ＴＦが潜熱蓄熱物質の融点Ｔｍよりも高くかつ設定温度Ｔ１よりも低いときには、潜熱蓄熱物質の固相から液相への相変化が起こるのみで逆の相変化は起こらない。そして、全ての潜熱蓄熱物質が液相になって冷却液の温度ＴＦが設定温度Ｔ１を超えなければ、ポンプはオンにされない。つまり、強制冷却を開始する時点では冷却液の温度ＴＦが潜熱蓄熱物質の融点Ｔｍよりも高く、潜熱蓄熱物質の蓄熱作用は利用できない。このことは、たとえ発熱量が急増したとしても十分に対応し得るような高い放熱能力をもつ放熱部が必要であることを意味する。
【０００６】
また、上記冷却方法では、発熱部の温度ＴＪを検出するセンサが必要である。さらに、使用者の中にはポンプの稼動音がしたりしなかったりするのを常に稼動音がするのよりも不快に感じる人がいるという配慮すべき点がある。
【０００７】
本発明の目的は、潜熱材を含んだ冷却液を用いる液冷式の強制冷却において、冷却液が流動する循環流路の放熱設計の自由度を高めることである。
【０００８】
本発明の目的を達成する冷却方法は、潜熱蓄熱物質を含んだ冷却液を用いて発熱体を冷却する液冷式の冷却方法であって、前記発熱体に対して、当該発熱体から熱を受ける受熱部と受けた熱を発散させる放熱部とを有した循環流路を配置すること、および前記循環流路において前記潜熱蓄熱物質を循環させて前記受熱部の熱を前記放熱部に移送させることを含む。より好ましい冷却方法は、さらに前記潜熱蓄熱物質の融点が前記発熱体の動作環境温度の許容範囲の上限であること、および前記発熱体の発熱量が最大であるときの前記冷却液の温度と前記潜熱蓄熱物質の融点との差が±１０℃よりも小さいことを含む。
【０００９】
発熱体の動作環境の温度が許容範囲の上限でありかつ前記発熱体の発熱量が最大であるときは、発熱体の動作の上で最大の冷却能力が必要なときである。本発明の冷却方法においては、このときの冷却液における受熱と放熱の効率を最大にすることができる。
【００１０】
動作環境の温度をＴＡ、冷却液の温度をＴＦ、発熱体から受ける熱量をＱとすると、放熱部の熱抵抗Ｒｈは次式で表される。
【００１１】
Ｒｈ＝（ＴＦ−ＴＡ）／Ｑ
この式を変形すると、ＴＦ＝Ｒｈ×Ｑ＋ＴＡとなる。すなわち、冷却液の温度ＴＦは、熱抵抗Ｒｈ、熱量Ｑ、および動作環境の温度ＴＡから求めることができる。熱抵抗Ｒｈは、冷却液から放熱部への熱伝導の熱抵抗Ｒ２と、放熱部から大気への熱伝導の熱抵抗Ｒ３との和であって、冷却装置の構成によって決まる固有値である。熱量Ｑは発熱体の構成によって決まる固有値である。動作環境の温度ＴＡは不定であるが、上記計算においては発熱体の動作を保証する温度範囲の上限とすべきである。
【００１２】
計算で求められた冷却液の推定温度ＴＦと等しいかそれに近い融点Ｔｍをもつ潜熱蓄熱物質を冷却液の要素として選択することによって、受熱部での固相から液相への相変化と放熱部での液相から固相への相変化とが均等に生じる効率的な熱交換を実現することができる。冷却液の温度ＴＦと融点Ｔｍとが等しいのが最も望ましいが、実際上は厳密に等しくする必要はなく、多少の差異は容認されるべきである。具体的には、計算で求められた冷却液の温度ＴＦに対する±１０℃の範囲内の融点Ｔｍをもつ潜熱蓄熱物質を使用することは本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る冷却装置の構成を示す図である。
【図２】受熱部および放熱部における潜熱蓄熱物質の相変化を模式的に示す図である。
【図３】冷却に係る複数の温度と潜熱蓄熱物質の融点との関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、マイクロプロセッサに代表される集積回路チップ、パワートランジスタ、レーザダイオード、トランス、ランプなどの発熱量の多い電気回路部品の強制冷却に適用することができる。【００１５】
第１図は本発明に係る冷却装置１の構成を示す。冷却装置１は、循環流路１０、送風ファン２０、および電源回路３０を備える液冷式の強制冷却手段である。冷却装置１は、電気回路基板６０をもつ機器に組み付けられ、電気回路基板６０に実装された回路部品６１を冷却する。例えば、冷却装置１はノート型またはデスクトップ型のパーソナルコンピュータに内蔵され、マイクロプロセッサを含むＣＰＵ、演算プロセッサ、高速メモリなどのヒートソースと呼称される回路部品の過熱を防ぐ。【００１６】
循環流路１０は、受熱部１１、放熱部１２、リザーブタンク１３、ポンプ１４、および配管１５，１６，１７，１８から構成される。冷却装置１において、循環流路１０に収容される冷却液４０は潜熱蓄熱機能をもつ。【００１７】
受熱部１１は、内部に所定長さの流路をもつ金属製の熱交換ユニットからなり、熱抵抗を低減するためのシリコングリスなどの熱伝導材を介して回路部品６１と熱的に接続される。受熱部１１において、回路部品６１から冷却液４６へ熱が伝わる。【００１８】
放熱部１２は、金属製のフィン１２１を備えた熱交換ユニットからなる。放熱部１２において、冷却液４０から大気へ熱が発散する。【００１９】
リザーブタンク１３は、受熱部１１および放熱部１２の内部を冷却液４０で満たし、かつ冷却液４０の体積変化による循環流路１０の破損を防止する役割を担う。【００２０】
ポンプ１４は、直流モータを内蔵した遠心式マイクロポンプであり、冷却液４０を強制的に流動させる。【００２１】
配管１５は受熱部１１と放熱部１２とを連結し、配管１６は放熱部１２とリザーブタンク１３とを連結し、配管１７はリザーブタンク１３とポンプ１４とを連結し、配管１８はポンプ１４と受熱部１１とを連結する。これらとして、ゴムまたは他の樹脂からなるフレキシブルチューブ、または銅菅に代表される硬質の菅を用いることができる。【００２２】
送風ファン２０は、放熱部１２の放熱性を高めるために、フィン１２１の周囲の大気を強制的に対流させる。なお、自然放熱で所望の放熱能力が得られる場合には、送風ファン２０を省略し、冷却装置１を静寂性に優れるファンレス構成にすることができる。【００２３】
電源回路３０は、ポンプ１４および送風ファン２０のそれぞれに所定の駆動電力を供給する。供給される駆動電力の値は固定であり、ポンプ１４および送風ファン２０は供給電力量に応じた一定の動作をする。電源回路３０による電力供給は、回路部品６１に電力を供給する電源回路６５と連動し、回路部品６１に電力が供給されている間は常にポンプ１４および送風ファン２０を稼動させる。つまり、回路部品６１が動作している間はその発熱量（消費電力に対応する）に係わらず、ポンプ１４は冷却液４０を一定の速度で流動させ、送風ファン２０はフィン１２１に向けて一定流量の空気流を生じさせる。【００２４】
以上の構成の冷却装置１において、冷却液４０は、受熱部１１、放熱部１２、リザーブタンク１３、およびポンプ量１４を記述の順に通って受熱部１１に戻る循環流動を続け、回路部品６１の熱を放熱部１２へ運ぶ。【００２５】
熱の運搬を効率化するため、冷却液４０には潜熱材として潜熱マイクロカプセルが混合されている。すなわち、冷却液４０は水または不凍液に潜熱マイクロカプセルが分散した混合液である。潜熱マイクロカプセルは、潜熱蓄熱物質を耐熱性の合成樹脂で被覆した粒径２μ以下の微粒子である。市販品としては、パラフィンをメラミン樹脂で被覆した潜熱マイクロカプセルがある。カプセル状の潜熱材を用いることにより、単純に潜熱蓄熱物質を混合するのと比べて、潜熱蓄熱物質が劣化しにくくなるとともに、分散媒体の材質についての制約が小さくなる。【００２６】
第２図は受熱部および放熱部における潜熱材の相変化を模式的に示す。【００２７】
循環流路１０内で循環する冷却液４０は、状態の異なる２種の潜熱マイクロカプセル４１Ａ，４１Ｂを含む。一方の潜熱マイクロカプセル４１Ａは、固相の潜熱蓄熱物質４３Ａとそれを被覆する樹脂膜４２とで構成される。他方の潜熱マイクロカプセル４１Ｂは、液相の潜熱蓄熱物質４３Ｂとそれを被覆する樹脂膜４２とで構成される。【００２８】
受熱部１１には配管１８から潜熱マイクロカプセル４１Ａが流入する。この潜熱マイクロカプセル４１Ａは、分散媒体から熱を吸収して潜熱マイクロカプセル４１Ｂに変わる。すなわち、固相の潜熱蓄熱物質４３Ａが溶融して液相の潜熱蓄熱物質４３Ｂになる。その過程で潜熱が潜熱蓄熱物質によって蓄えられる。【００２９】
蓄熱した潜熱マイクロカプセル４１Ｂは受熱部１１から放熱部１２へ流動する。放熱部１２では潜熱マイクロカプセル４１Ｂが潜熱マイクロカプセル４１Ａに戻る。すなわち、潜熱蓄熱物質４３Ｂに蓄えられた熱が分散媒体を介して大気中へ放出され、固相の潜熱蓄熱物質４３Ｂが固相の潜熱蓄熱物質４３Ａへ相変化する。熱を放出した潜熱マイクロカプセル４１Ａは再び受熱部１１へ送られる。【００３０】
第２図では１つの潜熱マイクロカプセルにおける潜熱蓄熱物質の全体が相変化する場合が示されている。しかし、実際には、潜熱蓄熱物質の一部が相変化する場合もあり、多数の潜熱マイクロカプセルの間で相の変わる部分の割合にばらつきがある。【００３１】
このような潜熱を利用する液冷式の強制冷却においては、受熱部１１に流入する時点では全ての潜熱マイクロカプセルにおける潜熱蓄熱物質が固相であって、かつ受熱部１１から流出する時点では全ての潜熱マイクロカプセルにおける潜熱蓄熱物質が液相であるときに、冷却効率が最大となる。すなわち、循環流量が一定という条件化での最大限の蓄熱が行われ、かつ蓄熱に相応する放熱が行われる。このとき、冷却液４０の温度は潜熱蓄熱物質の融点とほぼ等しい。【００３２】
冷却装置１は、使用における最も過酷な状況において冷却効率が最大となるように構成されている。詳しくは、最適の融点をもつ潜熱蓄熱物質が冷却液４０に混合されている。潜熱蓄熱物質の選定の手順は次のとおりである。潜熱蓄熱物質を含まない冷却液を用いると仮定して、循環流路１０を所定速度で流れる冷却液の温度が最も過酷な状況において何度であるかを、循環流路１０を構成する部品の熱特性データに基づく計算によってまたは実験によって求める。こうして求まった温度と等しいか近い融点をもつ潜熱蓄熱物質を使用する。例えば、４０℃から６０℃まで５℃刻みで融点を選択することができる潜熱蓄熱物質のラインナップから選択する場合において、求まった温度と一致する融点をもつものがあればそれを選択し、なければ最も近い融点をもつものを選択する。実際上は、常温から１００℃程度までの温度域の制御であれば、求まった温度に対して±１０℃程度の差は許容される。【００３３】
ここで、最も過酷な状況とは、環境温度が回路部品６１を備える機器の仕様で決まる環境温度範囲の上限であり、かつ回路部品６１の発熱量が最大であるとという状況である。例えば、機器がコンピュータで、環境温度範囲が−１０℃〜４０℃で、回路部品６１がＣＰＵである場合では、環境温度が４０℃でＣＰＵの稼働率が１００％であるという状況が最も過酷である。【００３４】
第３図は冷却に係る複数の温度と潜熱蓄熱物質の融点との関係を示す。【００３５】
上記の最も過酷な状況において、回路部品６１が発する熱（熱量Ｑｍａｘ）は、冷却液４０および放熱部１２を経て大気（温度ＴＡｍａｘ）へ伝わる。それにおいて、回路部品６１と冷却液４０との間の熱抵抗Ｒ１、冷却液４０と放熱部１２との間の熱抵抗Ｒ２、および放熱部１２と大気との間の熱抵抗Ｒ３が存在するので、回路部品６１の表面温度ＴＪｍａｘと冷却液４０の温度ＴＦと放熱部１２の温度ＴＨと大気の温度ＴＡｍａｘとについて、図のとおりＴＪｍａｘ＞ＴＦ＞ＴＨ＞ＴＡｍａｘの関係が生じる。【００３６】
上述のとおり、冷却装置１では最も過酷な状況で冷却効率が最大になるように潜熱蓄熱物質の融点Ｔｍが選定されており、融点Ｔｍは冷却液４０の温度ＴＦ（厳密にはその推定値）と等しい。【００３７】
以上の実施形態において、冷却装置１の構成は、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。循環流路１０の構成要素について、材質、形状、熱容量および熱特性に限定はない。ヒートソースは単一でも複数でもよい。ポンプ１４の形式および能力も用途に応じて選定することができる。能力可変のポンプを用いる場合は、発熱体の発熱量および循環流路の熱特性に応じて、適切な流速で冷却液が循環するようにポンプに対する供給電力を増減することもできる。送風ファン２０の送風出力を可変としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、発熱体の強制冷却に利用することができ、特にパーソナルコンピュータ、サーバー用コンピュータなどの情報処理装置をはじめとする常温域で使用される機器における局所的冷却に好適である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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