(57)【要約】【課題】本発明は、発熱体の熱の変動に合わせて必要量の冷媒を受熱部に供給することができ安定した冷却性能が得られる冷却装置を提供することを目的とするものである。【解決手段】冷媒の相変化によって発熱体２を冷却する冷却装置１において、前記発熱体２を設置する受熱部３と、放熱経路５、放熱部４、帰還経路６、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記帰還経路は液タンクを備え、前記液タンクは、第一接続部と、第二接続部と、を備え、前記液タンクは前記帰還経路において、前記第一接続部および前記第二接続部により前記帰還経路に着脱可能な状態で接続したことを特徴とする冷却装置１とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動流体の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、
前記発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成し、
前記放熱部は、下部に一時的に作動流体を貯留するヘッダー部を備え、
前記ヘッダー部と前記帰還経路とが接続する構成であって、
前記帰還経路は、液タンクを備え、
前記液タンクは、第一接続部と、第二接続部と、を備え、
前記液タンクは、前記帰還経路において、前記第一接続部および前記第二接続部により前記帰還経路に着脱可能な状態で接続していることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
帰還経路は、逆流防止部を備え、前記逆流防止部は、液タンクと受熱部の間に配置されることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
液タンクは、帰還経路におけるヘッダー部と逆流防止部との間において、第一接続部と前記ヘッダー部とが接続し、第二接続部と前記帰還経路とが接続することを特徴とする請求項１または２に記載の冷却装置。
【請求項４】
液タンクの内容積が、帰還経路の内容積よりも大きいことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項５】
第一接続部が三方弁であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電子部品を搭載した電子機器の冷却装置およびこれを搭載した電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の冷却装置は、以下のような構成となっていた。
【０００３】
すなわち、図３に示すように、発熱体１０１に沿わせて配置された受熱部１０２と、その受熱部１０２の一端部から鉛直上方に延びた蒸気管１０３と、受熱部１０２より高い位置に配置されるとともに冷却媒体となる外気によって冷やされかつ蒸気管１０３が上側から下向きに接続された放熱部１０４と、その放熱部１０４の下端部と受熱部１０２の他端部とを接続した液環流管１０５とからなる全体として密閉環状をなし、外部から熱を受けて蒸発するとともに放熱して凝縮する作動流体１０６を内部に密閉したループ型ヒートパイプにおいて、液環流管１０５から受熱部１０２に至る範囲の所定箇所に、液相の作動流体１０６を貯留したリザーブタンク１０７が接続され、かつそのリザーブタンク１０７には加圧部１０８が備えられ、内部の作動流体１０６を加圧できる構成となっている。
【０００４】
このような構成のループ型ヒートパイプにおいて、作動流体１０６の蒸発は受熱部１０２で生じ、その蒸気は蒸気管１０３を上昇流となって放熱部１０４に向けて流れ、放熱部１０４で蒸気が熱を奪われて凝縮する。そして、凝縮した作動流体１０６は水頭差によって液環流管１０５を通って受熱部１０２に還流し、発熱体１０１は冷却される。
【０００５】
このとき、発熱体１０１の熱負荷が大きくなると、受熱部１０２での作動流体１０６の蒸発および放熱部１０４での作動流体１０６の凝縮が激しくなるため、受熱部１０２では作動流体１０６が不足するためドライアウトが生じやすくなる。
【０００６】
しかしながら本構成では、作動流体１０６がリザーブタンク１０７から液環流管１０５および受熱部１０２に対して追加供給されるので、受熱部１０２では部分的であってもドライアウトが生じることはない。また、リザーブタンク１０７内の作動流体１０６は加圧部１０８により加圧されているので、熱負荷が大きいことに伴って受熱部１０２内の圧力が高い場合であっても作動流体１０６は確実に供給される（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】実開昭６３−１９７９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に示された冷却装置では、加圧部１０８として、バルブ１０９、ガスボンベ１１０、圧力計１１１が示されており、ガスボンベ１１０はバルブ１０９を介してリザーブタンク１０７に接続されている。圧力計１１１はバルブ１０９とリザーブタンク１０７の間に備えられている。また、ガスボンベ１１０には非圧縮性ガス（例えばＡｒやＮ2）が封入され、リザーブタンク１０７とガスボンベ１１０は、弾性膜で隔絶されているので作動流体１０６に非圧縮性ガスが混入しないようになっている。
【０００９】
上記の構成では、熱負荷が大きくなった時にバルブ１０９を開く必要があるが、その制御については記載されておらず、急激な熱負荷増大があった場合に作動流体１０６の追加供給が間に合わなければドライアウトが生じるという課題があった。
【００１０】
また、一度加圧した後には、非圧縮性ガスがガスボンベ１１０へ自然に戻ることはないので、熱負荷が小さくなった時には追加供給された作動流体１０６が余分となり、作動流体１０６の循環を阻害し、冷却性能が低下するという課題があった。作動流体１０６をリザーブタンク１０７に戻すためには、リザーブタンク１０７と液還流管１０５との接続部分が液相の作動流体１０６で満たされている時に、バルブ１０９からガスボンベ１１０を外し非圧縮性ガスを抜くという作業が必要となるが、非常に煩雑な作業となる。
【００１１】
そこで本発明は、上記のような課題を解決するものであり、熱負荷が変動した場合にも必要な作動流体を必要量だけ供給し、安定した冷却性能が得られる冷却装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
そこで、この目的を達成するために本発明は、作動流体の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、前記発熱体を設置する受熱板を備えた受熱部、放熱経路、放熱部、帰還経路を順に連結して前記作動流体の循環経路を形成し、前記放熱部は、下部に一時的に作動流体を貯留するヘッダー部を備え、前記ヘッダー部と前記帰還経路とが接続する構成であって、前記帰還経路は液タンクを備え、前記液タンクは、第一接続部と、第二接続部と、を備え、前記液タンクは前記帰還経路において、前記第一接続部および前記第二接続部により前記帰還経路に着脱可能な状態で接続していることを特徴とする冷却装置であり、これにより初期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明の冷却装置では、帰還経路に液タンクを備えることにより、作動流体を液タンクに一時貯留でき、発熱体の発熱量の最大値を十分に賄うだけの作動流体を封入しておくことで、発熱体の熱が急激に大きくなったとしても、必要な作動流体を受熱部に供給することができるので、ドライアウトを防ぐことができる。
【００１４】
また、液タンクを帰還経路に備えることにより、余分な作動流体が、放熱経路において受熱部で発生した蒸気の循環を阻害し、冷却性能を低下させることがない。
【００１５】
また、第一接続部および第二接続部により液タンクが帰還経路から着脱可能なので、必要に応じて液タンクの取り外しも可能で、容積の異なるタンクへの交換も可能になり、組立や点検、メンテナンスの作業性を損なうことがない。
【００１６】
上記により、熱が変動した場合にも必要量だけ作動流体を供給し、安定した冷却性能が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図
【図２】本発明の実施の形態２の冷却装置を搭載した電子機器の概略図
【図３】従来の冷却装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１９】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置１を搭載した電子機器３０の概略図である。
【００２１】
図１に示すように、電子機器３０は、ケース３１内に発熱体２となる電力用半導体素子と、その発熱体２を冷やす冷却装置１とが備えられている。
【００２２】
冷却装置１は、発熱体２を取り付けられる受熱板（図示せず）を備えた受熱部３と、放熱部４とを備えており、放熱経路５と帰還経路６とにより受熱部３と放熱部４は環状に連結され冷却装置１は内部が密閉空間となっている。
【００２３】
冷却装置１は、内部を減圧した上で、作動流体７が封入され、その蒸発潜熱により発熱体２を冷やすことができる沸騰冷却器となっている。作動流体７は、例えば純水、エタノール、フッ素系溶剤類、フロン系冷媒、などが用いられる。
【００２４】
また冷却装置１は、放熱部４に外気を送風するファン８を備え、作動流体７により輸送した熱を最終的に外気に放熱している。放熱部４の下部には一時的に作動流体７を貯留できるヘッダー部９を備え、帰還経路６は、ヘッダー部９と受熱部３とを接続している。
【００２５】
ここで、放熱部４は例えばアルミ製のラジエータであり、扁平形状で多数の孔を有したマルチチューブの内側を通過する媒体と、コルゲーテッドフィンを多数備え外側を通過する外気との熱交換が効率的に行われるようになっている。
【００２６】
帰還経路６の受熱部３側には、作動流体７が受熱部３から帰還経路６側へと流入する逆流を防止するために逆流防止部１０を備えており、帰還経路６のヘッダー部９側には、液相の作動流体７を十分に貯留することができる液タンク１１を備えている。
【００２７】
また液タンク１１は、第一開口１２と第二開口１３とを備え、第一開口１２と帰還経路６のヘッダー部９側とを接続し開閉および着脱可能な第一接続部１４と、第二開口１３と帰還経路６の受熱部３側とを接続し開閉および着脱可能な第二接続部１５とを備えている。
【００２８】
すなわち液タンク１１は、第一接続部１４と第一開口１２を介して帰還経路６と連通し、また同じく第二接続部１５と第二開口１３を介して帰還経路６と連通している。
【００２９】
第一接続部１４と第二接続部１５には、例えばボールバルブ、ゲートバルブ、ニードルバルブ、グローブバルブ、ストップバルブ、などが用いられ、液タンク１１を帰還経路６から着脱する際に作動流体７の漏れ防止や気密性の確保が可能になっている。
【００３０】
次に冷却装置１の基本動作について説明する。
【００３１】
冷却装置１は、発熱体２の駆動に伴う熱を受熱部３で受熱し、この熱が内部の作動流体７に伝わり沸騰することで蒸気へと相変化し、その蒸発潜熱分だけ発熱体２から熱を奪うことができる。
【００３２】
作動流体７の蒸気は、圧力差の作用により放熱部４へと流入し、ファン８により外気で冷やされた放熱部４内で凝縮して液相へと相変化し、液相の作動流体７はヘッダー部９と接続した帰還経路６および逆流防止部１０を通って再び受熱部３へと供給される。
【００３３】
ここで、圧力差の作用とは、受熱部３内よりも放熱部４内の方が相対的に圧力が小さいため、作動流体７の蒸気は、受熱部３から放熱部４の方へ流れることを意味する。なぜならば、冷却装置１内は限られた内容積で環状に繋がったひとつの密閉空間であることから、作動流体７は飽和圧力状態で存在することになる。発熱体２により暖められた受熱部３内部よりも、外気によって冷やされている放熱部４内部の方が、飽和圧力が小さくなるのである。
【００３４】
また、ここで、作動流体７の循環方向は、逆流防止部１０によって一方向へと規定される。すなわち、逆流防止部１０は、例えば多孔質金属焼結体や、金属繊維焼結体、異径縮小部、細管、曲がり管、弁体、などが用いられ、その構造による流路抵抗により作動流体７の蒸気が放熱経路５の放熱部４側へと循環していくことを促す作用が得られる。受熱部３に作動流体７を供給する作用は、受熱部３と放熱部４との間に生じる圧力差と、逆流防止部１０の流路抵抗と、帰還経路６および液タンク１１に貯留される液相の作動流体７の水頭圧力と、これらのバランスによって得られる。
【００３５】
このように、作動流体７が相変化を伴いながら冷却装置１内を一方向に循環し発熱体２の熱を外気へと放熱することで発熱体２は冷却されるのである。
【００３６】
ここで、発熱体２の熱により作動流体７は蒸発するので、すなわち作動流体７の循環流量は発熱体２の発熱量により決定される。発熱量が安定している状態では、受熱部３にて作動流体７の沸騰に伴って生じる作動流体７の蒸気量と、放熱部４へと流入し凝縮する作動流体７の液量とは等しく、また十分な量の液相の作動流体７が液タンク１１および帰還経路６に貯留されているため、発熱量の大小に因らず作動流体７の循環や冷却性能は安定する。
【００３７】
次に、本実施の形態の特徴である液タンクおよびその作用について説明する。
【００３８】
発熱体２の熱が急激に大きくなると、受熱部３にてより多くの作動流体７が沸騰し、一時的に帰還経路６内の液相の作動流体７が大きく減少する。液タンク１１のように液相の作動流体７の十分な貯留が無ければ、受熱部３に作動流体７を供給する作用の内の、水頭圧力が一時的とは言え大きく減少するため、受熱部３内の作動流体７が不足しドライアウトしやすくなる。
【００３９】
しかしながら、本実施の形態においては、液タンク１１を備え、十分な量の作動流体７を貯留しているため、発熱体２の熱が急激に大きくなったとしても、液タンク１１に貯留している分の作動流体７が帰還経路６へ供給されるため、一時的にも帰還経路６内の冷媒が不足することはなく、受熱部３へ作動流体７を供給するための水頭圧力も十分に得られるので、ドライアウトを防ぐことができる。
【００４０】
本実施の形態における液タンク１１は、第一接続部１４と第二接続部１５とにより帰還経路６に接続している。これにより、液タンク１１内に貯留した気相および液相の作動流体７の流入出がスムーズになる。
【００４１】
すなわち、例えば液相の作動流体７が液タンク１１の内容積の半分程度まで貯留されていたとすると、残りの半分の内容積は気相の作動流体７により満たされ、また液タンク１１より放熱部４側の帰還経路６も気相の作動流体７により満たされている状態になる。このときに、発熱体２の熱が急激に大きくなると、一時的に液タンク１１から第二接続部１５を経由して帰還経路６側に液相の作動流体７が供給され、同時に第一接続部１４側からは気相の作動流体７が流入するので、液タンク１１内は帰還経路６内と同圧になるので、作動流体７の流入出がスムーズなのである。
【００４２】
また、その後徐々に放熱部４にて凝縮した液相の作動流体７がヘッダー部９を経由して帰還経路６へと流入してくるが、この際には作動流体７の殆どが第一接続部１４から液タンク１１に流入する。液タンク１１内の気相の作動流体７は第二接続部１５から帰還経路６側へと流出するので、液タンク１１内に作動流体７が再び貯留されることになる。
【００４３】
なお、液タンク１１の内容積は、帰還経路６の内容積よりも大きいことがのぞましく、発熱体２の熱が変動したとしても、受熱部３へ必要な量の作動流体７を供給でき、かつ液相の作動流体７が液タンク１１から無くなることがないので、受熱部３へ作動流体７を供給するために必要な水頭圧力が安定して得られ、冷却性能をより安定させて冷却装置１の信頼性を向上させることができる。
【００４４】
冷却装置１内には、予め発熱体２の発熱量の最大値を十分に賄うだけの作動流体７を封入してあり、その容量は、帰還経路６と液タンク１１に収まる量で調整され、液相の作動流体７の液面は、液タンク１１内にあるように調整されることが望ましい。
【００４５】
また、本実施の形態においては、液タンク１１が着脱可能な構成となっている。すなわち、第一接続部１４を閉じ、第二接続部１５を閉じ、そして第一開口１２から第一接続部１４を外し、第二開口１３から第二接続部１５を外すことで、液タンク１１を帰還経路６から取り外すことができる。装着時にはその逆の手順を実施することになる。
【００４６】
これにより、冷却装置１の組み立て時や点検、メンテナンスの際の作業が容易になり、また液タンク１１の容量を変更することができるので、冷却装置１の設置後に液タンク１１の容量が不足したとしても交換対応が可能となる。
【００４７】
なお、第一接続部１４を三方弁にしてもよく、その場合には第一接続部１４は、帰還経路６と第一開口１２と接続し、加えてさらに大気開放側に接続口があるので、その接続口に真空ポンプを接続し、帰還経路６と真空ポンプを連通させることにより、冷却装置１内の真空を増し引きすることができる。また、その接続口に冷媒タンクを接続し、液タンク１１と冷媒タンクを連通させることで、作動流体７の追加補充をすることができる。これにより、冷却装置１のメンテナンス作業を容易にすることができる。
【００４８】
本実施の形態では、冷却をファン８による空冷式としたが、水冷式、その他の方式であってもよい。
【００４９】
なお、液タンク１１は耐圧性に優れた円筒形状が好ましい。
【００５０】
なお、液タンク１１にサイトグラス（図示せず）を備えてもよく、この場合、内部の液の有無を目視で確認できる。
【００５１】
なお、放熱経路５にチャージバルブ（図示せず）を備えてもよく、この場合、冷却装置１内を追加で真空排気することが可能になる。
【００５２】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。
【００５３】
図２は、本発明の実施の形態２の冷却装置１を搭載した電子機器３０の概略図である。
【００５４】
実施の形態１と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
本実施の形態では、液タンク１１は、第一接続部１４を介してヘッダー部９と連通し、第二接続部１５を介して帰還経路６と連通している。
【００５６】
この構成では、帰還経路６と液タンク１１のいずれもがヘッダー部９と連通するので、放熱部４で凝縮した液相の作動流体７が帰還経路６および液タンク１１のいずれにも流出できるので、作動流体７の循環がよりスムーズになる。
【００５７】
この他の作用効果は、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。
【産業上の利用可能性】
【００５８】
以上のように本発明にかかる冷却装置は、発熱体の熱の変動に合わせて必要量の冷媒を受熱部に供給することができるので、安定した冷却性能が得られ、信頼性が高く、電子機器等の冷却装置として有用である。
【符号の説明】
【００５９】
１    冷却装置
２    発熱体
３    受熱部
４    放熱部
５    放熱経路
６    帰還経路
７    作動流体
８    ファン
９    ヘッダー部
１０    逆流防止部
１１    液タンク
１２    第一開口
１３    第二開口
１４    第一接続部
１５    第二接続部
３０    電子機器
３１    ケース
【図１】
2016173216.tif 000003
【図２】
2016173216.tif 000004
【図３】
2016173216.tif 000005