(57)【要約】【課題】本発明は、複数の冷却装置で水頭差の差異による冷却能力の差異を小さくすることができ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】複数の電子部品を備える電子機器に搭載される冷却装置において、発熱体となる電子部品からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、作動流体の熱を放出する放熱部と、受熱部と放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備えた冷却装置であって、電子部品に合わせて冷却装置を複数備え、複数の受熱部は、複数の電子部品に合わせてそれぞれ配置され、複数の放熱部は、複数の受熱部の上方に水平横方向へ並べて配置し、受熱部と連通する放熱経路および帰還経路は、受熱部の下方に配置される他の受熱部と連通する放熱経路および帰還経路より短くなるように放熱部と接続することを特徴とする冷却装置とした。【選択図】図１
2017116213.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の電子部品を備える電子機器に搭載される冷却システムにおいて、
前記冷却システムは、複数の電子部品を冷却する複数の冷却装置を備え、
前記冷却装置は、
発熱体となる前記電子部品からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、
前記作動流体の熱を放出する放熱部と、
前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、
前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて、前記作動流体の相変化により前記電子部品を冷却し、
前記冷却システムの複数の前記受熱部は、複数の前記電子部品に接触してそれぞれ配置され、
複数の前記放熱部は、複数の前記受熱部の上方に水平横方向へ並べて配置し、
前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路は、前記受熱部の下方に配置される他の前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路より短くなるように前記放熱部と接続することを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
前記受熱部と、前記受熱部の下方に配置された他の前記受熱部とは、水平方向に揃えて配置したことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記受熱部と、前記受熱部の下方に配置された他の前記受熱部とは、水平方向に分散して配置したことを特徴とする請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の冷却システムを備えた電子機器。
【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システム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、この種の冷却システムに用いられる冷却装置は、例えば特許文献１のようなループ型ヒートパイプを用いた冷却装置で、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）等の電子部品の冷却を行っていた。
【０００３】
以下、特許文献１に示すループ型ヒートパイプについて、図３を参照しながら説明する。
【０００４】
図３に示すように、ループ型ヒートパイプは上昇管１０１と下降管１０２とを別個に含むループ回路１０３と、ループ回路１０３に真空下において封入された冷媒である熱媒体１１２と、ループ回路１０３の一部を構成し、かつループ回路１０３の上方に位置する冷却器１０５と、上昇管１０１の下部に位置する加熱部１１３と、ループ回路１０３内の下部に介装しループ回路１０３内の熱媒体１１２の循環方向を限定する逆止弁１０７とを備えている。
【０００５】
ここで、加熱部１１３に接触させた電子部品である半導体スイッチング素子に熱が発生すると、発生した熱は加熱部１１３へ伝わり、加熱部１１３を循環する熱媒体１１２に熱が加えられ気化する。逆止弁１０７によりその循環方向が制限され、気化した熱媒体１１２は上昇管１０１を上昇し冷却器１０５に導かれて冷却され、ここで、加熱部１１３で加えられた熱を放出する。冷却器１０５で熱を放出した熱媒体１１２は、下降管１０２を下降し、逆止弁１０７を介して再び加熱部１１３へと循環する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６１−０３８３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記従来例における課題は、上記従来例のような冷却装置を複数備えた冷却システムとする場合における冷却装置を複数配置する際のレイアウトであった。
【０００８】
すなわち、上記従来例の冷却装置において、冷却の対象は加熱部１１３に接触させた電子部品であり、例えば中央演算処理装置（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）等で、これら電子部品は複数で一つの電子回路を構成するため、冷却装置も複数必要になり、複数の冷却装置を備えた冷却システムとする必要がある場合がある。
【０００９】
そしてこの場合、冷却システムにおいて冷却装置を複数レイアウトするにあたり、加熱部１１３は電子部品の位置に合わせて配置され、冷却器１０５は加熱部１１３の上方に配置されることとなるが、冷却器１０５は重量が大きいため、複数をバラバラに配置すると固定が煩雑になるため、例えば水平横方に並べるなど、まとめて設置し固定することになる。
【００１０】
このとき、冷却装置の冷却能力が、加熱部１１３と冷却器１０５との鉛直距離となる水頭差が大きいと熱媒体１１２の循環駆動力となる水頭圧力が大きくなり冷却能力を得やすい。また、上昇管１０１と下降管１０２の配管の曲がり部が多いなど配管の取り回しが複雑になると熱媒体１１２の管内圧損が大きくなり熱媒体１１２の循環が妨げられるため冷却能力が得にくい。
【００１１】
しかしながら、特許文献１では、冷却装置の複数レイアウトに関する詳細な記述がなく、電子部品の配置に合わせて冷却装置を配置すると冷却器１０５の配置が困難になる、または冷却能力を損なう懸念があるという課題があった。
【００１２】
そこで本発明では、冷却装置を複数レイアウトする際に、冷却装置の冷却能力を損なうことなく冷却器１０５の配置および固定を容易にする冷却システム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】
【００１３】
そして、この目的を達成するために、本発明は、複数の電子部品を備える電子機器に搭載される冷却システムにおいて、前記冷却システムは、複数の電子部品を冷却する複数の冷却装置を備え、前記冷却装置は、発熱体となる前記電子部品からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて、前記作動流体の相変化により前記電子部品を冷却し、前記冷却システムの複数の前記受熱部は、複数の前記電子部品に接触してそれぞれ配置され、複数の前記放熱部は、複数の前記受熱部の上方に水平横方向へ並べて配置し、前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路は、前記受熱部の下方に配置される他の前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路より短くなるように前記放熱部と接続することにより初期の目的を達成するものである。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明は、複数の電子部品を備える電子機器に搭載される冷却システムにおいて、前記冷却システムは、複数の電子部品を冷却する複数の冷却装置を備え、前記冷却装置は、発熱体となる前記電子部品からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて、前記作動流体の相変化により前記電子部品を冷却し、前記冷却システムの複数の前記受熱部は、複数の前記電子部品に接触してそれぞれ配置され、複数の前記放熱部は、複数の前記受熱部の上方に水平横方向へ並べて配置し、前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路は、前記受熱部の下方に配置される他の前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路より短くなるように前記放熱部と接続することを特徴とする冷却システムであり、冷却能力を損なうことなく冷却装置を複数配置し、その設置および固定も容易に実施できる冷却システムを提供することができるものである。
【００１５】
すなわち、冷却システムが備える複数の冷却装置の内、前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路は、前記受熱部の下方に配置される他の前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路より短くなるように前記放熱部と接続し、複数の前記放熱部は、その水平横方向に並べて配置する。これにより、上位に前記受熱部が配置される前記冷却装置は、下位より、前記放熱部と前記受熱部との高低差が小さくなるため水頭圧力を得にくく冷却能力を得にくい。
【００１６】
一方、上位に前記受熱部が配置される前記冷却装置は、下位より、前記放熱経路および前記帰還経路を短くなるように前記放熱部と接続することにより、前記作動流体の管内圧損を小さくできるので、冷却能力が得やすい構成になる。
【００１７】
すなわち、上位に前記受熱部が配置される前記冷却装置は、下位より、水頭圧力による冷却能力を得にくい分、管内圧損を小さくして冷却能力を得やすい構成としている。
このように、上下に配置した複数の前記受熱部の水頭差による冷却装置の冷却能力の差異の小さい冷却システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１の電子機器を示す概略図
【図２】本発明の実施の形態１の冷却システムを示す概略図
【図３】従来の冷却装置を示す概略図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
複数の電子部品を備える電子機器に搭載される冷却システムにおいて、前記冷却システムは、複数の電子部品を冷却する複数の冷却装置を備え、前記冷却装置は、発熱体となる前記電子部品からの熱を作動流体に伝える受熱板を備えた受熱部と、前記作動流体の熱を放出する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを接続する放熱経路と帰還経路とを備え、前記作動流体を、前記受熱部、前記放熱経路、前記放熱部、前記帰還経路、前記受熱部へと循環させて、前記作動流体の相変化により前記電子部品を冷却し、前記冷却システムの複数の前記受熱部は、複数の前記電子部品に接触してそれぞれ配置され、複数の前記放熱部は、複数の前記受熱部の上方に水平横方向へ並べて配置し、前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路は、前記受熱部の下方に配置される他の前記受熱部と連通する前記放熱経路および前記帰還経路より短くなるように前記放熱部と接続する構成とする。
【００２０】
これにより、前記冷却装置を複数備える前記冷却システムにおいて、複数の前記放熱部は前記電子機器内に鉛直位置を同じく水平横方向へ並べて配置されるため、上位に前記受熱部が配置される前記冷却装置は、下位よりも水頭高さが小さくなり前記作動流体の循環推進力となる水頭圧力が得にくいが、前記放熱経路および前記帰還経路も短いため、前記作動流体の循環を妨げる管内圧損も小さくなる。また、下位に前記受熱部が配置される前記冷却装置は、上位よりも水頭高さが大きくなるが、前記放熱経路および前記帰還経路は長くなるため、管内圧損が大きくなる。これら関係により、上下に配置した複数の前記受熱部を備えた前記冷却装置には、水頭差の差異により冷却能力の差異が生じるが、複数の前記放熱部の配置により前記放熱経路および前記帰還経路の長さが、上位を短く、下位を長くすることで、上位に前記受熱部が配置される前記冷却装置の冷却能力が下位よりも得やすくなることで、冷却能力の差異を小さくすることができる冷却装置を備えた冷却システムを提供できる。
【００２１】
また、前記受熱部と、前記受熱部の下方に配置された他の前記受熱部とは、水平方向に揃えて配置する構成としてもよい。
【００２２】
また、前記受熱部と、前記受熱部の下方に配置された他の前記受熱部とは、水平方向に揃えて配置する構成としてもよい。
また、本発明の冷却システムを備えた電子機器としてもよい。これにより、冷却能力の差異を小さくすることができる冷却装置を備えた冷却システムを備えた電子機器を提供することができる。
（実施の形態１）
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。
【００２３】
図１に電子機器の構成を示す。
【００２４】
図１に示すように、電子機器１には、二つの電子部品２、二つの冷却装置３ａ、３ｂを設けた冷却システム３を備える。
【００２５】
電子部品２とは、例えば駆動に伴い発熱を生じる中央演算処理装置（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）等であり、その冷却が電子部品２の処理能力や部品寿命にとって重要であるので、電子部品２は、冷却装置３ａ、３ｂに密接して取り付けられ、電子部品２の駆動に伴う発熱は冷却装置３ａ、３ｂにより冷却されている。
【００２６】
冷却装置３ａ、３ｂは、受熱部４と、放熱部５と、受熱部４および放熱部５に気密に接続している放熱経路６および帰還経路７とで構成され、その内部に作動流体８を封入している。
【００２７】
ここで、冷却装置３ａ、３ｂの構成および動作について説明する。
【００２８】
受熱部４は、例えば電子部品２の四隅に締結ネジを通し、放熱グリス９を介して受熱部４の一部を形成する受熱板１０に対し密接して取り付けられ、電子部品２の発熱は受熱板１０を介して作動流体８に伝えられ、作動流体８が液相から気相へと相変化することで電子部品２の発熱を吸収するのである。
【００２９】
放熱経路６は、例えばパイプ形状で、受熱部４の上方に接続し、受熱部４内で気相に変化した作動流体８が放熱経路６へと流入する。
【００３０】
放熱部５は、例えば複数の細孔を備える扁平管とコルゲーテッドフィンを交互に複数積層したラジエータ１１と、送風ファン１２とにより構成され、放熱経路６がラジエータ１１の上方と接続しており、放熱経路６を経由して気相の作動流体８がラジエータ１１内へ流入する。気相の作動流体８の熱は扁平管の管壁へ伝えられ、ラジエータ１１は送風ファン１２により外気が送風され、扁平管の管外を外気で冷却することで作動流体８の熱を外気へと放出するとともに作動流体８は液相へと相変化する。コルゲーテッドフィンは扁平管の外表面積拡大する効果があり、扁平管に伝えられた熱を外気へ効率的に放出することができる。
【００３１】
帰還経路７は、例えばパイプ形状で、ラジエータ１１の下方と接続しており、ラジエータ１１内で液相となった作動流体８が帰還経路７へ流入する。帰還経路７は、受熱部４の下方とも接続しており、液相の作動流体８は、帰還経路７を経由して受熱部４へと再び流入する。
【００３２】
このとき、作動流体８は予め十分に封入されており、電子部品２の駆動前は冷却装置３ａ、３ｂ内で受熱部４の方へ滞留している。ひとたび電子部品２が駆動し発熱が生じると、その発熱により内部の作動流体８が気相へと相変化するが、液相に比べ気相は体積が大きく、また放熱部５は外気により冷却されているので内圧が低くなっており、気相の作動流体８は放熱部５へと吸い込まれるように移動するのである。
【００３３】
ここで、放熱経路６は受熱部４の上方に接続し、帰還経路７は受熱部４の下方に接続することから、帰還経路７は液相の作動流体８で塞がっており、また放熱経路６が帰還経路７よりも内径が大きくなるように構成することで、気相の作動流体８は必ず放熱経路６を経由して放熱部５へと移動する。
【００３４】
以上のように、冷却装置３ａ、３ｂは作動流体８の循環により電子部品２の発熱を冷却している。
【００３５】
次に、本発明で重要な水頭圧力の作用について説明する。
【００３６】
冷却装置３ａ、３ｂ内における作動流体８の循環は、受熱部４の内圧、および帰還経路７内に滞留した作動流体８が自重により得られる水頭圧力、このバランスにより決定される。
【００３７】
すなわち、受熱部４は電子部品２の発熱を受けて温度が高く、作動流体８が気相へと相変化するため内圧が大きくなっている。受熱部４内での作動流体８の相変化は殆ど断続的であるが、細かな時間刻みで現象を考慮すると、気相の作動流体８が受熱部４から放熱経路６へと流出した瞬間に僅かに受熱部４内の圧力が小さくなるので、帰還経路７内の液相の作動流体８は、その自重により得られる水頭圧力の作用で受熱部４内に流入できるのである。ただし、作動流体８が相変化する瞬間には、受熱部４内の圧力が大きくなるため液相の作動流体８は流入できないが、次に気相の作動流体８が放熱経路６へと流出した瞬間には再び液相の作動流体８が受熱部４へと流入できる。このように、受熱部４での作動流体８の流出と流入が繰り返されることで作動流体８の循環が正しく保たれ、冷却装置３ａ、３ｂの冷却能力が維持されるのである。
【００３８】
つまり、帰還経路７内に滞留した作動流体８が自重により得られる水頭圧力は、受熱部４への作動流体８の流入を促進する推進力として作用する。
【００３９】
この帰還経路７内に滞留した液相の作動流体８とは、放熱部５内で相変化した液相の作動流体８が扁平管内壁を伝い凝集してきたものであり、細かな時間刻みで現象を考慮すると、作動流体８が受熱部４内へ流入する瞬間に小さくなり、放熱部５内で相変化した作動流体８が凝集した瞬間に大きくなるので、水頭圧力は常に一定ではない。
【００４０】
このため、水頭圧力が小さい場合には、特に冷却能力の余力が少ない発熱領域において、十分な作動流体８が受熱部４内に流入できなければ、電子部品２の発熱を吸収しきれずに、受熱部４内の温度が上昇するとともに内圧も上昇し作動流体８が更に流入しにくくなるため、作動流体８の循環不良により冷却装置３ａ、３ｂの冷却能力が損なわれるのである。例えば電子部品２の発熱のバラつきや、外気温度の変化により受熱部４内の圧力が大きくなったとしても、十分な水頭圧力があれば作動流体８の循環は正しく保つことができるので、水頭圧力が大きい方が冷却能力を得やすいのである。
【００４１】
この水頭圧力は、冷却装置３ａ、３ｂの構成において、受熱部４と放熱部５の鉛直距離が大きい方が得やすい。
【００４２】
次に、本発明でもう一つ重要な管内圧損の作用について説明する。
【００４３】
この管内圧損とは、放熱経路６および帰還経路７内を作動流体８が通る際の流通抵抗のことである。つまり管内では管内壁上にて作動流体８の速度はゼロとなるため、これが内部を通る作動流体８が流通する際に抵抗となって、作動流体８の循環を妨げる要因となるのである。
【００４４】
特に放熱経路６内では気相の作動流体８が通るため、液相の作動流体が通る放熱経路６内よりも、作動流体８の体積速度が大きくなるため管内圧損がより大きくなる。
【００４５】
また放熱経路６の断熱が不十分であると、放熱経路６内の管内壁上で気相の作動流体８が冷却されて液相になるために、更に管内圧損が大きくなる。
【００４６】
このように、作動流体８の循環が妨げられると、特に冷却能力の余力が少ない発熱領域において、細かな時間刻みで現象を考慮すると、受熱部４内での作動流体８の相変化に対し、作動流体８の循環が間に合わず、放熱部５内で相変化した作動流体８の凝集が不十分で帰還経路７内に十分な液相の作動流体８が滞留できずに、作動流体８が受熱部４に流入するために必要な水頭圧力を安定して得にくくなるため、作動流体８の循環を正しく保つことが困難になるので、管内圧損が大きいと冷却能力は得にくい。
【００４７】
この管内圧損は管内径を大きく、管長を短く、することで小さくできる。
【００４８】
次に、本実施の形態の電子機器１内における冷却システム３に設けた二つの冷却装置３ａ、３ｂのレイアウトについて説明する。
【００４９】
図２に示すように、冷却システム３は、上位に位置する受熱部４ａに接続された冷却装置３ａと下位に位置する受熱部４ｂに接続された冷却装置３ｂにより構成される。
【００５０】
冷却装置３ａは、受熱部４ａ、放熱部５ａ、放熱経路６ａ、帰還経路７ａ、を備える。
【００５１】
冷却装置３ｂは、受熱部４ｂ、放熱部５ｂ、放熱経路６ｂ、帰還経路７ｂ、を備える。
【００５２】
受熱部４ａは、受熱部４ｂよりも上方に配置し、放熱部５ａと放熱部５ｂは受熱部４ａよりも上方で水平横方向に並べて配置し固定する。本実施例においては、受熱部４ａと受熱部４ｂとを水平方向に揃えて、すなわち、上下方向に縦１列に並べて配置しているが、受熱部４ａが上方であれば、図示しないが、受熱部４ａと受熱部４ｂとを縦一列ではなく水平方向に分散して配置しても作用・効果に違いはない。
【００５３】
これは、受熱部４ａおよび受熱部４ｂは、電子部品２の位置に合わせて配置する必要があるが、放熱部５の配置は受熱部４ａ、４ｂより上方であれば、電子機器１内で任意に決めることができる。放熱部５ａおよび放熱部５ｂは、例えば材質がアルミで重量があり、同位置に配置したほうが製造や組み立てがしやすく、また送風ファン１２からの送風を考慮すると、同位置にあった方が送風もしやすいのである。放熱部５ａと放熱部５ｂの位置が離れると送風ファンも複数必要となるため、コストが増し、製造や組み立ても煩雑になる。
【００５４】
このとき、放熱部５ａは、放熱経路６ａおよび帰還経路７ａが放熱経路６ｂおよび帰還経路７ｂよりも短くなるように配置され、放熱部５ｂは放熱部５ａの水平横方向に並べて配置される。
【００５５】
すなわち、上方に配置された受熱部４ａは、受熱部４ａ、４ｂから水平距離の近い放熱部５ａに接続され、下方に配置された受熱部４ｂは、受熱部４ａ、４ｂから水平距離の遠い放熱部５ｂに接続される。放熱経路６ａおよび帰還経路７ａの長さは、放熱部５ａ、５ｂと受熱部４ａ、４ｂとの垂直距離および水平距離の長さの合計に比例するが、上位の受熱部４ａを備えた冷却装置３ａは、放熱部５ａと受熱部４ａとの垂直距離および水平距離の両方が、下位の受熱部４ｂを備えた冷却装置３ｂより短くなるため、放熱経路６ａおよび帰還経路７ａの長さも短くなる。
【００５６】
これにより、冷却装置３ａは、冷却装置３ｂよりも水頭高さが小さいが、放熱経路６ａおよび帰還経路７ａにおける管内圧損が冷却装置３ｂよりも小さいので、冷却装置３ａの冷却能力と冷却装置３ｂの冷却能力の差異を小さくすることができるのである。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
以上のように本発明にかかる冷却装置は、容易にメンテナンスすることができるので、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等の冷却装置として有用である。
【符号の説明】
【００５８】
１    電子機器
２    電子部品
３    冷却システム
３ａ，３ｂ    冷却装置
４，４ａ，４ｂ    受熱部
５，５ａ，５ｂ    放熱部
６，６ａ，６ｂ    放熱経路
７，７ａ，７ｂ    帰還経路
８    作動流体
９    放熱グリス
１０    受熱板
１１    ラジエータ
１２    送風ファン
【図１】
2017116213.tif 000003
【図２】
2017116213.tif 000004
【図３】
2017116213.tif 000005