(57)【要約】【課題】  モジュールの小型化及び低騒音化を可能とする冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】  冷却対象物を冷却する受熱部と、冷媒を冷却するための放熱部と、受熱部と放熱部を接続し、冷媒が移動するための流路と、流路内の冷媒を移動させる冷媒駆動部と、受熱部と放熱部の間の流路に設けられ、冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと、冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを切り替える蓄熱ユニットとを具備する。【選択図】  図１
2007155269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象物を冷却する受熱部と、
冷媒を冷却するための放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部を接続し、前記冷媒が移動するための流路と、
前記流路内の冷媒を移動させる冷媒駆動部と、
前記受熱部と前記放熱部の間の前記流路に設けられ、前記冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと、前記冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを切り替える蓄熱ユニットとを具備することを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記冷媒駆動手段により前記流路内を前記冷媒が往復運動するように駆動させ、前記蓄熱ユニットが、前記冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと、前記冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを、前記冷媒の往復運動に同期するように切り替える制御装置とをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記冷媒駆動手段により前記流路内を前記冷媒が間欠的に移動するように駆動させ、前記蓄熱ユニットが、前記冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと、前記冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを、前記冷媒の間欠的な移動に同期するように切り替える制御装置とをさらに具備することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記流路の端部に前記冷媒を溜めるための冷媒溜めとをさらに具備することを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
【請求項５】
前記流路が閉じた回路を構成することを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項６】
前記蓄熱ユニットが、磁場の印加により温度が上昇し磁場の除去により温度が降下する磁気熱量効果を示す磁性材料及び磁場の印加により温度が降下し磁場の除去により温度が上昇する磁気熱量効果を示す磁性材料のいずれか一方或いは両方の磁気材料と前記磁性材料に磁場を付加及び除去するための電磁石或いは永久磁石とをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至５記載の冷却装置。
【請求項７】
前記蓄熱ユニットが、ペルチェ素子と、前記ペルチェ素子に熱的に接続された蓄熱材とをさらに具備することを特徴とする請求項１乃至５記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱素子を冷却するための冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ノートパソコンなどに備えられた電子部品などを冷却するための冷却装置として、例えばファンとフィンが一体になった強制空冷モジュールがある。この強制空冷モジュールは、ＣＰＵに冷却部が取り付けられたフィンに空気をファンを用いて流すことで強制的に発熱部品を冷却する。
【０００３】
このようなフィンとファンを用いた強制空冷モジュールは、ＣＰＵなど半導体素子の発熱量が上昇すると、ファンにより筐体内部に流す空気の流量を増やすか、フィンを大きくして放熱容量を増やすなどの対応が行われる。このような方法では冷却モジュール自体が大型化したり、ファンの負荷が上昇することによって騒音が大きくなったりするという問題がある。
【０００４】
このような問題を解決するために、特許文献１には、受熱部及び放熱部をフレキシブルな配管によって接続し、この配管中を冷媒がポンプにより駆動することによって、半導体素子からの熱をディスプレイ部に輸送して放熱する液冷装置が記載されている。
【特許文献１】特開平７−１４２８８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の冷却装置では、発熱量がますます増大した電子装置を冷却する場合モジュールの大型化や騒音の増大という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものでモジュールの小型化及び低騒音化を可能とする冷却装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明は、冷却対象物を冷却する受熱部と、
冷媒を冷却するための放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部を接続し、前記冷媒が移動するための流路と、
前記流路内の冷媒を移動させる冷媒駆動部と、
前記受熱部と前記放熱部の間の前記流路に設けられ、前記冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと、前記冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを切り替える蓄熱ユニットとを具備することを特徴とする冷却装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、受熱部と放熱部と間に、冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを切り替える蓄熱ユニットを設けることで、高い冷却効率を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して発明の詳細な実施形態について説明する。なお、本発明は以下に説明する実施形態に限定されることはなくその趣旨を逸脱しない範囲で種々工夫して用いることができる。
【００１０】
実施形態１：冷媒が往復運動し、磁性体を利用
図１は本発明の実施形態に係わる冷却装置の模式図である。
【００１１】
図１に示すように、この冷却装置は、受熱部７、蓄熱ユニット６、放熱部３及びポンプがループ状に管路１により接続されている。冷媒駆動部であるポンプにより管路１内に封入された不凍液、フロロカーボン、水などの冷媒は管路１内を往復運動するように制御装置２によって制御されている。冷媒の往復運動は少なくとも放熱部３と受熱部７の両者を通過するだけのストローク（移動幅）を有している。
【００１２】
蓄積ユニットは、冷媒の往復運動に同期して、冷媒から熱を奪う向きの熱の流れと冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを切り替えるように制御装置２にて制御されている。
【００１３】
図１では、冷媒が管路１内を左矢印方向に移動している間は冷媒から熱を奪う向きの熱の流れを与え、冷媒が右矢印方向に移動している間は冷媒に熱を放出する向きの熱の流れを与えるように制御されている。
【００１４】
図２は、磁気熱量効果を利用した蓄熱ユニット２の模式図である。
【００１５】
図２に示すように、蓄熱ユニット２は、管状に成形された外囲器１４の中に粒状のガドリニウム系合金など磁気熱量効果を示す磁性材料１１が充填されている。磁性材料１１は、外囲器１４中に設けられた網１２で保持され、磁性材料１１のすきまを冷媒が通過することで磁性材料１１と冷媒の間で熱交換が行われるようになっている。磁性材料１１を保持している網１２は、磁性材料１１が流れださないように磁性材料の粒よりも目の細かく成形されている。
【００１６】
外囲器１４の周囲には電磁石１０が設けられ、磁性材料１１に磁場を印加するように制御装置２にて制御されている。
【００１７】
ここで磁気熱量効果は、物質内部の磁場の変化が磁気スピン系（磁気を担う電子系）のエントロピーを変化させ、これにより電子系と格子系との間でエネルギーの移動が起こる現象である。この蓄熱ユニット６で使用されている磁性材料１１は、磁場を与えると熱を放出し磁場を除去すると吸熱する性質を持つ。
【００１８】
例えば、制御装置２によって、冷媒が受熱部７から蓄熱ユニット６を経由して放熱部３に流れるとき（図１中右の矢印方向に冷媒が流れるとき）に電磁石１０を作動させて磁場を印加し、逆方向（図１中左の矢印方向に冷媒が流れるとき）に電磁石１０を停止して磁場を除く。この場合、放熱部３には磁気熱量効果により温度の上昇した磁性材料と熱交換することにより温度が上昇した冷媒が送り込まれ、受熱部７には温度が低下した磁性材料と熱交換することにより温度が低下した冷媒を送り込むことができ冷却効率を向上させることができる。
【００１９】
図３に、本実施形態の冷却装置における冷媒の流れる向きと熱量の流れる向きを説明するためのグラフを示す。横軸に時間軸、縦軸に冷媒の流れる向き及び熱の流れる向きを示す。また、実践が冷媒の流れる向きを示し、破線は熱の流れる向きを示す。
【００２０】
図３に示すように、冷媒が放熱部３を出て、蓄熱ユニット６を経由して受熱部７に向うとき（図１中左矢印の向き）には、熱は冷媒から蓄熱ユニット６に流れる。すなわち冷媒は冷却される。また、冷媒の流れが逆方向（図１中右矢印の向き）であるときには、熱は蓄熱ユニット６から冷媒に流れる。すなわち冷媒は暖められる。
【００２１】
このような動作によって、放熱部３により冷却された冷媒は磁気熱量効果により蓄熱ユニット６で冷却されさらに温度が低下した状態で受熱部７を流れる。また、放熱部３に流れ込む冷媒は磁気熱量効果により蓄熱ユニット６で暖められ受熱部７から流出した状態よりもさらに温度が上昇している。受熱部７での放熱性能は、
Ｑ  ＝  （Ｔｊ−Ｔ１）／Ｒ１
Ｑ：受熱部での熱の吸収量，Ｗ
Ｔｊ：発熱する半導体素子の温度，℃
Ｔ１：受熱部に流れ込む冷媒の温度，℃
Ｒ１：半導体素子から受熱部を流れる冷媒までの熱抵抗，℃／Ｗ
のように表される。
【００２２】
熱抵抗Ｒ１は、冷媒の気化などが起こらない対流熱伝達が支配的な場合には、冷媒の流速及び受熱部７や発熱部である（冷却対象である）半導体パッケージの形状により決まり、通常、温度や移動熱量に依存しない。そのため、発熱量Ｑの半導体素子を冷却するとき、Ｔ１が低くなれば低下分だけ素子の温度Ｔｊを低下させることができる。
【００２３】
また、受熱部で冷媒が気化する場合には、熱抵抗は温度や移動熱量に影響されるため対流熱伝達のようにＴ１の低下分とＴｊの低下分は必ずしも等しくはないが、Ｔ１が低下すればＴｊも低下する．
放熱部３についても、同様な理由により放熱部３に流れる冷媒の温度が高くなれば放熱性能が向上することは明らかである。
【００２４】
すなわち、図１に示すように、磁性材料１１と冷媒とが熱交換を行うための蓄熱ユニット６を、受熱部７と放熱部３の間に設けることにより、受熱部７と放熱部３の両方の性能を向上させることができる。これは放熱部３でのファン４の流量を増加させたり放熱部３の寸法を大きくしたりすることなしに向上させることができる。
【００２５】
図２に示すように、磁気熱量効果を示す磁性材料１１には磁場の印加により熱を放出して温度が上昇し磁場を除去することにより熱を吸収して温度が降下する材料や、磁場の印加により熱を吸収し磁場を除去すると熱を放出する材料を用いることができる。
【００２６】
実施形態２：ペルチェ素子を用いた蓄熱ユニット
次に、蓄熱ユニットとしてペルチェ素子を用いた冷却装置について説明する。基本的な構造は図１と変わらないので、図１及び図４を用いて説明する。
【００２７】
図４は、ペルチェ素子を用いた蓄熱ユニットの上面図及び断面図である。
【００２８】
図４に示すように、冷媒が流れる流路にペルチェ素子１９を介して蓄熱材２１が充填された金属など熱伝導性の高い容器が接続されている。蓄熱材料２１とペルチェ素子１９の間の熱の授受を促進するために、蓄熱ユニット２２は内部にフィン２０を備えている。
【００２９】
蓄熱材料としては、ポリエチレングリコール、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３・５Ｈ２Ｏ、ＮａＣＨ３ＣＯＯ・３Ｈ２Ｏなどが用いられる。蓄熱材料は顕熱或いは潜熱として熱を蓄えている。潜熱として熱を蓄えるとき、例えば固体から液体に変化するときには体積が変化する。このため蓄熱ユニット２２の内部のフィン２０はペルチェ素子１９とは反対側の壁には固定されておらず、蓄熱ユニット２２の壁面が変形しやすい。すなわち蓄熱材料２１の体積変化を吸収しやすい構造となっている。
【００３０】
ペルチェ素子１９に流す電流の向きにより、蓄熱材料２１と冷媒の間のどちらの方向に熱を流すかを制御する。
【００３１】
図１に示すように、冷媒が放熱部３から受熱部７に向かって流れるときには、冷媒を冷却して蓄熱材料２１を熱する方向にペルチェ素子１９を作動させる。逆に冷媒が受熱部７から放熱部３に流れるときには蓄熱材料２１を冷却して冷媒を熱する方向にペルチェ素子１９を作動させる。このような冷媒の流れる方向と連動したペルチェ素子１９の動作によって蓄熱材料２１に熱を蓄えたり放出したりすることにより、受熱部７には温度の低い冷媒を放熱部３には温度の高い冷媒を流すことができる。こうすることにより冷却装置の性能を高めることができる。
【００３２】
ここで蓄熱ユニットとして、ペルチェ素子と磁性材料を用いた場合の相違点について説明する。
【００３３】
ペルチェ素子は磁気熱量効果を示す磁性材料よりも大きな温度差を得やすいため、蓄熱ユニットの内面の伝熱面積を、磁性材料を用いる場合よりも小さくすることができる。一方ペルチェ素子の損失は磁気熱量効果よりも大きく移動させる熱量に加えて、ペルチェ素子の損失に伴う発熱を放熱部で負担することになる。磁性材料は、磁場の印加と除去により熱の授受を行うため、磁性材料自体に電線などとりつけなくても非接触で動作させることができるという特徴があり粒状の磁性材料を冷媒に直接に接触させるという図２のような構成をとることができる。
【００３４】
実施形態３：冷媒が間欠的に一方向に流れる場合
次に、冷媒が管内を間欠的に一方向に流れる場合の冷却装置について説明する。
【００３５】
図５は、本実施形態における冷却装置の模式図である。
【００３６】
図５に示すように、ポンプ２８により冷媒を一方向に流したり静止させたりと振動的な流れを発生させる。蓄熱ユニット２６に磁気熱量効果を示す磁性材料を用いる場合、冷媒が静止しているときには蓄熱ユニット２６の内部に収納された磁性材料に磁場が印加され熱を放出し温度が上昇する。放出した熱は放熱部３２に取り付けられたファン３１による空気の流れにより冷却される。放熱部３２は冷却効果を高めるためにフィン３０が取り付けられている。蓄熱ユニット２６において、磁場が除去されると磁性材料は熱を吸収して温度が低下し、このときポンプ２８によって管路２３内の冷媒が駆動されることにより低温の冷媒が受熱部に送り込まれる。
【００３７】
ペルチェ素子を蓄熱ユニット２６に用いるときにも冷媒から蓄熱材料に熱を流し蓄熱ユニット２６周囲の空気の流れにより蓄熱材料を冷却する動作により同様な効果を得ることができる。
【００３８】
この実施形態では、蓄積ユニット２６と放熱部３２は風洞で連結されファン３１が駆動すると符号２５に示すように空気の流れが生じている。こうすることでより冷却効果を向上させることができる。
【００３９】
実施形態４：Ｉ型の流路
図６は、本実施形態におけるＩ型流路を用いた冷却装置の模式図である。
【００４０】
図６に示すように、管路４０は閉じた回路ではなく一端に冷媒を往復運動させるためのポンプ４１、もう一端に冷媒を溜める容量が可変の冷媒溜め３３が設けられている。他の構成は図１で説明したものと同様なので説明を省略する。
【００４１】
このような構成により冷媒の行きと戻りの二本の管路ではなく一本の管路４０で冷却装置を構成できる。例えばノートパソコンにおいて受熱部３４をＣＰＵに取り付け放熱部３８をディスプレイが収納される筐体に配置する場合、ディスプレイと本体を連結するヒンジ部を通過させる管路が一本で済むという利点がある。
【００４２】
実施形態５：平面的な構成
図７は、半導体チップなど板状の構造物の中に設けられた冷却構造を示す上面図及び断面図である。
【００４３】
図７に示すように、冷媒の出入口のついた部屋がダイヤフラム４２により区切られ、片側の冷媒出入口は磁気熱量効果を示す磁性材料４３が配置された部屋を通じて発熱するエリア４５付近に設けられた冷却側流路４４につながっている。また、もう片側の冷媒出入口は、冷却構造が設けられた板状の構造体のなかを引き回されている。ダイヤフラム４２及び磁性材料４３が位置する付近には平面的なコイルによる電磁石４６が設けられている。ダイヤフラム４２は磁石に引き寄せられる性質の材料から作られており、電磁石４６により磁場を加えると、ダイヤフラム４２は電磁石４６に引き寄せられて撓み、内部に充填されている冷媒を図７の右側から左側へ流す。
【００４４】
磁性材料４３は磁場が印加されて発熱し、冷媒は温められてダイヤフラム４２に流れ込み、磁性材料４３は冷やされる。ダイヤフラム４２や磁性材料４３付近に溜まっている温められた冷媒は板状の構造物の底面に設けられた放熱器４８などの伝熱手段を経由して逃がされる。磁場を除去するとダイヤフラム４２は弾性で元にもどり、磁性材料４３の温度は低下するため、冷媒は冷やされて受熱部流路４４に至り、受熱部流路４４付近の発熱するエリアを冷却する。
【００４５】
このような構成により、発熱するエリア４５を選択的に冷却する構造を半導体チップの中に作りこむことができる。
【００４６】
以上、本発明の実施形態を説明したが、冷媒は水、不凍液、油、フロロカーボンなど常温、常圧で液体であってもよいし、受熱部あるいは蓄熱ユニットで加熱されることにより液相から気相へ相変化するものでもよい。
【００４７】
また、空気や窒素ガス、二酸化炭素を気体のまま管路を流して冷媒として使用してもよい。特に、空気を冷媒として用いる場合には、図６の冷媒溜めの代わりに管路の端面を大気に開放し環境を冷媒の体積変化を吸収するために使うこともできる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の実施の形態に係る冷却装置の模式図
【図２】本発明の実施の形態に係る冷却装置の蓄熱ユニットの断面図
【図３】本発明の実施の形態に係る冷却装置の冷媒の流れる向きと熱の流れる向きの関係を示したグラフ
【図４】本発明の実施の形態に係る冷却装置の蓄熱ユニットの断面図
【図５】本発明の実施の形態に係る冷却装置の模式図
【図６】本発明の実施の形態に係る冷却装置の模式図
【図７】本発明の実施の形態に係る冷却装置の蓄熱ユニットの断面図
【符号の説明】
【００４９】
１・・・管路
２・・・制御装置
３・・・放熱部
４・・・ファン
５・・・フィン
６・・・放熱ユニット
７・・・受熱部
８・・・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】
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【図６】
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【図７】
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