(57)【要約】冷却システムでは、ポンプから吸熱装置に液体冷媒は供給される。吸熱装置では、供給された液体冷媒は高圧室（４８）から蒸発室（４９）に導入される。このとき、液体冷媒はノズル（５３）を通過する。蒸発室（４９）にはノズル（５３）から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィン（５１）の表面に一様に薄い液膜を形成する。発熱体すなわちＣＰＵ（３３）からフィン（５１）に伝わる熱はフィン（５１）の表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はフィン（５１）から大量の熱を奪い取る。こうした気化の働きでＣＰＵ（３３）は効率的に冷却される。
2002046677.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されるハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の冷却システムにおいて、前記ポンプの上流は大気圧に維持されることを特徴とする冷却システム。
【請求項３】
請求の範囲第１項に記載の冷却システムにおいて、前記噴霧器は、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との２相流れを生成することを特徴とする冷却システム。
【請求項４】
請求の範囲第１項に記載の冷却システムにおいて、前記ハウジング内には、前記蒸発室で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されることを特徴とする冷却システム。
【請求項５】
循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置される吸熱装置と、吸熱装置のハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システム。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載の冷却システムにおいて、前記ポンプの上流は大気圧に維持されることを特徴とする冷却システム。
【請求項７】
請求の範囲第５項に記載の冷却システムにおいて、前記噴霧器は、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との２相流れを生成することを特徴とする冷却システム。
【請求項８】
請求の範囲第５項に記載の冷却システムにおいて、前記ハウジング内には、前記冷媒通路内で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されることを特徴とする冷却システム。
【請求項９】
ハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１０】
ハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１１】
ハウジング内に区画されて、液体冷媒を受け入れる高圧室と、ハウジング内に区画されて、隔壁で高圧室から隔てられる蒸発室と、隔壁に埋め込まれて、蒸発室に噴出口を臨ませるノズルとを備えることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１２】
天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１３】
請求の範囲第１２項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面には空冷フィンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１４】
請求の範囲第１２項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面にはサーモサイホンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１５】
天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間で区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、冷媒通路から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１６】
請求の範囲第１５項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面には空冷フィンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
【請求項１７】
請求の範囲第１５項に記載の吸熱装置において、前記天井板の外面にはサーモサイホンが取り付けられることを特徴とする吸熱装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、例えば高密度デバイスといった発熱体を冷却する冷却システムに関し、特に、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されて、ポンプから送り込まれる液体冷媒を受け入れる吸熱装置とを備える冷却システムに関する。
背景技術
閉ループの循環経路で構成される冷却システムは例えば冷凍システムに代表される。この冷凍システムでは、いわゆるコンプレッサの働きで冷媒は循環する。コンプレッサは例えば１５ａｔｍといった高圧の吐出圧で冷媒を吐き出すことから、循環経路には高圧に耐えうる高強度の配管構造が必要とされる。
こういった冷凍システムに代えて、循環経路に沿って液体冷媒を循環させる冷却システムは広く知られる。この冷却システムでは、冷媒の強制循環にあたって前述のコンプレッサに代えてポンプが用いられればよい。ポンプの吐出圧は一般に２ａｔｍ〜３ａｔｍ程度に設定されることから、こういった冷却システムでは、前述の冷凍システムに比べて配管構造は簡素化されることができる。
しかしながら、この冷却システムでは、液体冷媒への熱伝達だけで冷却対象物は冷却されなければならない。冷媒の潜熱を利用する冷凍システムに比べて冷却効率は著しく劣ってしまう。
発明の開示
本発明は、上記実状に鑑みてなされたもので、配管構造の簡素化を維持しつつ効率的な冷却を実現することができる冷却システムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、第１発明によれば、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置されるハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システムが提供される。
こういった冷却システムでは、ポンプから吐き出される液体冷媒は蒸発室に導入される。この導入時に液体冷媒は噴霧器を通過する。したがって、蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。例えば発熱体すなわち冷却対象物からフィンに伝わる熱はフィンの表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はフィンから大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
このとき、噴霧器にはいわゆる噴射器が用いられることが望まれる。こういった噴射器の働きによれば、液体冷媒は、圧力低下を伴いながら高速流れで蒸発室内に導入されることができる。その結果、冷媒の気化は促進される。冷却システムの冷却能力は確実に高められることができる。
また、第２発明によれば、循環経路と、循環経路中に配置されて、循環経路に沿って冷媒を循環させるポンプと、ポンプの下流で循環経路中に配置される吸熱装置と、吸熱装置のハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする冷却システムが提供される。
こういった冷却システムでは、ポンプから吐き出される液体冷媒はハウジング内の各冷媒通路に導入される。この導入時に液体冷媒は噴霧器を通過する。したがって、各冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。例えば発熱体すなわち冷却対象物からハウジングに伝わる熱は冷媒通路の内面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒はハウジングから大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
ここで、冷媒通路は例えばマイクロチャネルに構成されることが望まれる。こういったマイクロチャネル内でマイクロジェットが実現されれば、マイクロチャネル内には一様に薄い冷媒の液膜は形成され続けることができる。効率的な冷却は確実に達成されることができる。マイクロジェットの実現には前述の噴射器が用いられればよい。
以上のような冷却システムでは、ポンプの上流は大気圧に維持されることができる。その上、ポンプの吐出圧は比較的に低圧に設定されることができる。その結果、一般の冷凍システムに比べて、循環経路を構成する配管構造は著しく簡素化されることができる。しかも、この冷却システムでは、既存方式の冷却システムに比べて小さな流量で十分に冷却性能を発揮することができる。ポンプの容量は縮小されることができる。
ハウジング内には、蒸発室や冷媒通路内で気化された冷媒を受け入れ、冷媒を液化する凝縮室がさらに区画されてもよい。こうして単一のハウジング内に併せて凝縮室が区画されれば、循環経路に挿入されるべき凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。したがって、冷却システムの全体構成は簡素化されることができる。
さらに、第３発明によれば、ハウジング内に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、蒸発室内に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。
さらにまた、第４発明によれば、ハウジング内に区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、各冷媒通路に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。このとき、冷媒通路は例えばマイクロチャネルに構成されることが望まれる。こういったマイクロチャネル内でマイクロジェットが実現されれば、前述と同様に、効率的な冷却は確実に達成されることができる。ただし、噴出口の口数は必ずしも冷媒通路の本数に一致する必要はない。
さらにまた、第５発明によれば、ハウジング内に区画されて、液体冷媒を受け入れる高圧室と、ハウジング内に区画されて、隔壁で高圧室から隔てられる蒸発室と、隔壁に埋め込まれて、蒸発室に噴出口を臨ませるノズルとを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、高圧室に流入する液体冷媒はノズルの噴出口から勢いよく噴き出す。蒸発室では、液体冷媒の微小滴と気体冷媒との２相流れが生成される。こういった２相流れの働きで、蒸発室の内壁面には一様に薄い液膜が形成されることができる。例えば発熱体すなわち冷却対象物からハウジングに伝わる熱は蒸発室の内壁面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒は蒸発室の内壁面から大量の熱を奪い取る。冷却対象物は効率的に冷却される。
さらにまた、第６発明によれば、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間に区画される蒸発室と、蒸発室内でハウジングの壁面から立ち上がるフィンと、蒸発室に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、蒸発室から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
かかる吸熱装置によれば、蒸発室内に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。蒸発室には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴はフィンの表面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。しかも、単一のハウジング内に蒸発室および凝縮室が区画されることができる。したがって、吸熱装置の下流で別体の凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。こういった吸熱装置が組み込まれる冷却システムでは全体構成は簡素化されることができる。
さらにまた、第７発明によれば、天井板および底板で密閉空間を挟み込み、底板で冷却対象物に接触するハウジングと、天井板および底板の間で密閉空間に配置されて、ハウジングの内壁面に連結される中板と、中板および底板の間で区画されて、相互に並列に配置される複数本の冷媒通路と、各冷媒通路の入り口に噴出口を臨ませる噴霧器と、天井板および中板の間に区画されて、冷媒通路から送られてくる気体冷媒を受け入れる凝縮室とを備えることを特徴とする吸熱装置が提供される。
こういった吸熱装置では、各冷媒通路に冷媒を導入するにあたって冷媒は噴霧器を通過する。冷媒通路には噴出口から霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴が噴き出される。こうした微小滴は冷媒通路の内面に一様に薄い液膜を形成する。前述と同様に、冷媒の気化に応じて冷却対象物は効率的に冷却されることができる。しかも、単一のハウジング内に冷媒通路および凝縮室が区画されることができる。したがって、吸熱装置の下流で別体の凝縮器すなわち熱交換器は省略されることができる。こういった吸熱装置が組み込まれる冷却システムでは全体構成は簡素化されることができる。
こうして吸熱装置内に併せて凝縮室が区画される場合には、天井板の外面に空冷フィンが取り付けられてもよい。こういった空冷フィンは凝縮室からの放熱を促進することができる。したがって、吸熱装置から吐き出される冷媒は確実に液化されることができる。その他、こういった吸熱装置では、天井板の外面にサーモサイホンが取り付けられてもよい。こういったサーモサイホンは、同様に、凝縮室からの放熱を促進することができる。
発明を実施するための最良の形態
以下、添付図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。
図１はラックマウント型コンピュータ装置１１の一具体例を概略的に示す。このコンピュータ装置１１は、例えばラック（図示せず）に受け止められて、平たい直方体の内部空間を区画する筐体１２を備える。筐体１２の前側壁１４には、内部空間に外気を送り込む吸気ユニット１５が組み込まれる。この吸気ユニット１５は例えば水平方向に配列される２列の送風ファン１６で構成されればよい。同様に、筐体１２の後側壁１７には、内部空間内で漂う空気を内部空間外すなわち筐体１２外に送り出す排気ユニット１８が組み込まれる。排気ユニット１８は、例えば水平方向に配列される２列の送風ファン１９で構成されればよい。こういった吸気および排気ユニット１５、１８の協働によれば、前方から後方に向かって内部空間を横切る気流は生み出される。前側壁１４や後側壁１７は、例えば蝶番（図示せず）の働きを通じて開閉自在に構成されてもよい。ラックの横幅は例えば周知の通りに１９インチに設定される。
筐体１２内には、例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２１が配置される。バックパネル２１には、バックパネル２１の表面から立ち上がって相互に平行に広がる複数枚のプリント配線基板すなわちマザーボード２２が接続される。各マザーボード２２の表面には、ＣＰＵ（中央演算処理装置）や主記憶装置（メモリ）といったデバイス素子が実装される。
その他、バックパネル２１には、電源ユニット２３や入出力（Ｉ／Ｏ）用プリント配線基板２４が接続される。バックパネル２１上に形成される導電配線パターンは、電源ユニット２３やＩ／Ｏ用プリント配線基板２４と、対応するマザーボード２２とを相互に接続する。各マザーボード２２上のＣＰＵは、電源ユニット２３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２４を通じて、例えばラック内のディスクアレイユニット（図示せず）やスイッチングルータ（図示せず）といった外部機器に接続されることができる。
同時に、筐体１２内には大容量記憶装置すなわちハードディスク駆動装置（ＨＤＤ）２５が組み込まれてもよい。周知の通り、こういったＨＤＤ２５には、ＣＰＵで利用されるＯＳ（オペレーティングシステム）やアプリケーションソフトウェアといったソフトウェアプログラムが格納される。ＨＤＤ２５は、例えばバックパネル２１に実装されるコネクタ（図示せず）の働きでバックパネル２１上のＣＰＵに電気的に接続されればよい。
筐体１２内には本発明に係る冷却システム２７が組み込まれる。この冷却システム２７は、図２から明らかなように、例えば閉ループの（密閉された）循環経路２８を備える。こういった循環経路２８は、例えば図１に示されるように、ビニルパイプ２９といった簡易な配管構造で実現されればよい。
循環経路２８には、循環経路２８に沿って冷媒を循環させるポンプ３１が組み込まれる。このポンプ３１は例えば２ａｔｍ〜３ａｔｍといった吐出圧で液体冷媒を吐き出す。冷媒には例えばＦＣ−７２といったフッ素系不活性液体が用いられればよい。冷媒の気化温度すなわち沸点は例えば４０℃〜６０℃に設定されることが望まれる。ポンプ３１の入り口圧は例えば１ａｔｍに維持されればよい。
ポンプ３１の下流で循環経路２８には第１実施形態に係る吸熱装置３２が組み込まれる。吸熱装置３２はマザーボード２２上の各ＣＰＵ３３に個別に覆い被さる。ポンプ３１から吐き出される液体冷媒は吸熱装置３２で気化することができる。この気化に基づきＣＰＵ３３の冷却は実現される。吸熱装置３２は、気化した冷媒すなわち気体冷媒を吐き出す。ただし、吐き出される気体冷媒には液体冷媒が混入してもよい。吸熱装置３２の詳細は後述される。
吸熱装置３２の下流で循環経路２８には凝縮器すなわち熱交換器３４および受液タンク３５が順番に組み込まれる。熱交換器３４は、吸熱装置３２から吐き出される気体冷媒から熱を奪い取る。熱交換器３４で気体冷媒は液化する。図１から明らかなように、この液化にあたって熱交換器３４の放熱は、例えば送風ファン１６から向けられる気流の働きで促進されてもよい。液化された冷媒すなわち液体冷媒は受液タンク３５に流れ込む。ポンプ３１は受液タンク３５から液体冷媒を吸い上げる。
図２から明らかなように、循環経路２８は１対のバルブ３６すなわちコネクタの働きで分割されることができる。こういったバルブ３６によれば、吸熱装置３２はポンプ３１や熱交換器３４、受液タンク３５から比較的に簡単に分離されることができる。
図３Ａおよび図３Ｂは吸熱装置３２の構造を詳細に示す。この吸熱装置３２は、天井板４１および底板４２で密閉空間４３を挟み込み、底板４２で冷却対象物すなわちＣＰＵ３３に接触するハウジング４４を備える。ハウジング４４の密閉空間４３は、ポンプ３１の吐き出し口に接続される冷媒入り口４５から、熱交換器３４に接続される冷媒出口４６に向かって広がる。ハウジング４４は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材から成形されればよい。
ハウジング４４内で密閉空間４３には、天井板４１および底板４２を相互に接続する隔壁４７が配置される。この隔壁４７は、冷媒入り口４５側の冷媒導入室４８と、冷媒出口４６側の蒸発室４９とに密閉空間４３を分割する。すなわち、蒸発室４７は冷媒導入室４８から隔壁４７で隔てられる。蒸発室４９の伝熱面はＣＰＵ３３に接触する底板４２の表面で規定される。
蒸発室４９には、ハウジング４４の壁面すなわち底板４２の表面から立ち上がる複数枚のフィン５１すなわちフィン群が配置される。フィン５１は、隔壁４７から冷媒出口４６に向かって並列に延びる。隣接するフィン５１同士の間には、隔壁４７から冷媒出口４６に向かって延びる冷媒通路すなわちマイクロチャネル５２が区画される。すなわち、マイクロチャネル５２は相互に並列に配置される。マイクロチャネル５２の流路幅は例えば５０μｍ〜５００μｍ程度に設定されればよい。フィン５１は、例えばアルミニウムといった高熱伝導素材で底板４２に一体に成形されればよい。ただし、各フィン５１の上端は必ずしも天井板４１に接続される必要はない。
隔壁４７には噴霧器すなわち複数のノズル５３が埋め込まれる。ノズル５３は、例えば図４に示されるように、蒸発室４９内すなわち各マイクロチャネル５２の入り口に向かって噴出口５４を臨ませる。流通路断面の急激な減少すなわち絞り部５５の働きで冷媒導入室４８内の液体冷媒は大気よりも高圧（例えば２ａｔｍ〜３ａｔｍ程度）に維持されることができる。こうして冷媒導入室４８は高圧室として機能する。しかも、ノズル５３は蒸発室４９に向かって噴出口５４から霧状の液体冷媒を噴き出すことができる。噴き出される液体冷媒の微小滴には１０重量％〜２０重量％程度の気体冷媒が混入する。こうして蒸発室４９では冷媒の２相流れは確立される。ノズル５３は、例えば図５に示されるように、個々のマイクロチャネル５２ごとに噴出口５４を向き合わせる円形断面で形成されてもよく、例えば図６に示されるように、複数本のマイクロチャネル５２にわたって共通の噴出口５４を向き合わせる幅広のスリットに形成されてもよい。噴出口５４の直径やスリットの高さは例えば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍ程度に設定されればよい。
ポンプ３１が作動すると、液体冷媒は循環経路２８を循環する。吐き出された液体冷媒は各吸熱装置３２の冷媒導入室４８に受け入れられる。冷媒導入室４８では、ポンプ３１の吐出圧の作用で液体冷媒は大気圧よりも高圧に維持される。液体冷媒は、流通路の断面の急激な減少にも拘わらず、ノズル５３から蒸発室４９に向かって押し出される。
ノズル５３から噴き出される霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴は各マイクロチャネル５２を伝って冷媒出口４６に誘導される。このとき、各マイクロチャネル５２内では一様にマイクロジェットが確立される。マイクロジェットは、マイクロチャネル５２の壁面すなわち各フィン５１の表面に膜厚２０μｍ〜１００μｍ程度の薄い液膜を形成し続けることができる。底板４２に伝達されるＣＰＵ３３の熱は底板４２の伝熱面やフィン５１の表面で冷媒を蒸発させる。すなわち冷媒は気化する。こうした気化にあたって冷媒は底板４２やフィン５１から大量の熱を奪い取る。こうして冷媒の潜熱が利用されれば、液体冷媒への熱伝達だけでＣＰＵ３３が冷却される場合に比べて、ＣＰＵ３３の冷却は著しく効率化されることができる。ＣＰＵ３３の過度の温度上昇は確実に防止されることができる。しかも、一般の冷凍システムに比べて循環経路２８内の圧力は比較的に低圧に維持されることから、循環経路２８を構成する配管構造は冷凍システムに比べて著しく簡素化されることができる。
以上のような冷却システム２７では、吸熱装置３２に供給される冷媒の流量や冷却対象物すなわちＣＰＵ３３の発熱量に基づき吸熱装置３２の冷却性能は調整されることができる。冷却性能は、吸熱装置３２から吐き出される冷媒に１０重量％程度の液体冷媒が残存する程度に設定されることが望まれる。ただし、本冷却システム２７では、既存方式の冷却システムに比べて小さな流量で十分に冷却性能を発揮することができる。したがって、ポンプ３１の容量は縮小されることができる。
図７は第２実施形態に係る吸熱装置６１の構造を詳細に示す。この吸熱装置６１は、前述と同様に、天井板６２および底板６３の間で密閉空間６４を挟み込み、底板６３で冷却対象物すなわちＣＰＵ３３に接触するハウジング６５を備える。ハウジング６５内には、天井板６２および底板６３の間で第１隔壁すなわち中板６６が配置される。中板６６の周縁はハウジング６５の内壁すなわち周壁に連結される。こうして中板６６および底板６３の間には蒸発室６７が区画される。蒸発室６７では、前述と同様に、ＣＰＵ３３に接触する底板６３の表面で伝熱面は規定される。こういったハウジング６５では底板６３は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材から成形されればよい。
天井板６２および中板６６の間には、中板６６から立ち上がって上端で天井板６２に接続される第２隔壁すなわち囲い壁６８が配置される。この囲い壁６８は、図８から明らかなように、天井板６２および中板６６と協働して、中板６６の中心線６９に沿って延びる冷媒導入室７１を区画する。この冷媒導入室７１には冷媒入り口７２が開口する。冷媒入り口７２は例えばポンプ３１の吐き出し口に接続されればよい。
同時に囲い壁６８は、中板６６上で両側から冷媒導入室７１を挟み込む冷媒回収室７３を区画する。この冷媒回収室７３に冷媒出口７４は開口する。この冷媒出口７４は前述の熱交換器３４に接続されればよい。
中板６６には、囲い壁６８から最も離隔した位置で流通口７５が形成される。この流通口７５は下側の蒸発室６７と上側の冷媒回収室７３とを相互に接続する。後述されるように、蒸発室６７で気化された冷媒すなわち気体冷媒や液体冷媒は流通口７５から冷媒回収室７３に導入される。
図９から明らかなように、蒸発室６７には、ハウジング６５の壁面すなわち底板６３の表面から立ち上がる複数枚のフィン７６すなわち第１および第２フィン群７６ａ、７６ｂが配置される。各フィン７６は、中板６６の中心線６９から流通口７５に向かって並列に延びる。隣接するフィン７６同士の間には、同様に中心線６９から流通口７５に向かって延びる冷媒通路すなわちマイクロチャネル７７が区画される。すなわち、マイクロチャネル７７は相互に並列に配置される。前述と同様に、マイクロチャネル７７の流路幅は例えば５０μｍ〜５００μｍ程度に設定されればよい。前述と同様に、フィン７６は例えばアルミニウムといった高熱伝導素材で底板６３に一体に成形されればよい。ただし、各フィン７６の上端は必ずしも中板６６に接続される必要はない。
再び図７および図８を参照し、第１隔壁すなわち中板６６には噴霧器すなわち複数のノズル７８が埋め込まれる。各ノズル７８は、蒸発室６７内すなわち各マイクロチャネル７７の入り口に向かって噴出口７９を臨ませる。こういったノズル７８の働きで、前述と同様に、マイクロチャネル７７に沿ってマイクロジェットは実現されることができる。
以上のような吸熱装置６１では、ノズル７８から噴き出される霧状の冷媒すなわち液体冷媒の微小滴は各マイクロチャネル７７を伝って冷媒出口７４に誘導される。このとき、マイクロチャネル７７の壁面すなわち各フィン７６の表面には、前述のマイクロジェットの働きで膜厚２０μｍ〜１００μｍ程度の薄い液膜が形成されることができる。底板６３に伝達されるＣＰＵ３３の熱は底板６３の伝熱面やフィン７６の表面で冷媒を蒸発させる。冷媒は底板６３やフィン７６から大量の熱を奪い取る。前述と同様に、ＣＰＵ３３の冷却は著しく効率化されることができる。ＣＰＵ３３の過度の温度上昇は確実に防止されることができる。
しかも、吸熱装置６１では、中板６６の中心線６９から外縁に向かってマイクロチャネル７７は延びる。したがって、外縁同士の間で継ぎ目なくマイクロチャネルが延びる場合に比べて、マイクロチャネル７７の長さは短縮されることができる。したがって、マイクロチャネル７７内ではフィン７６の表面に確実に薄い液膜が一様に形成されることができる。その結果、冷却性能は向上する。
前述の冷媒回収室７３は、例えば図１０に示されるように、凝縮室８１として利用されてもよい。この場合には、例えば天井板６２からの放熱などを通じて気体冷媒の熱が十分に外気に解き放たれればよい。天井板６２からの放熱にあたっては、例えば凝縮室８１内に複数枚のフィン８２が配置されればよい。各フィン８２は例えば天井板６２から立ち上がって下端で中板６６に接続されればよい。フィン８２は、前述と同様に、例えばアルミニウムといった高熱伝導素材でハウジング６５に一体に成形されればよい。こういったフィン８２の働きで気体冷媒の熱は効率的に天井板６２に伝達されることができる。こうして凝縮室８１内で気体冷媒の液化は促進されることができる。液化された冷媒すなわち液体冷媒は冷媒出口７４から吐き出されることができる。吸熱装置６１から完全な液体冷媒が吐き出されれば、前述のように循環経路２８に組み込まれるべき熱交換器３４は省略されることができる。
こういった場合には、図１０から明らかなように、凝縮室８１に隣接する天井板６２の外面にいわゆるヒートシンク８３が構成されてもよい。こういったヒートシンク８３は例えば天井板６２の外面から立ち上がる複数枚の空冷フィン８４を備えればよい。こういったヒートシンク８３によれば、凝縮室８１の放熱は一層促進されることができる。
その他、凝縮室８１の形成にあたって、例えば図１１に示されるように、凝縮室８１に隣接する天井板６２の外面にはいわゆるサーモサイホン８５が取り付けられてもよい。このサーモサイホン８５は例えば天井板６２から直立する。サーモサイホン８５の外壁には多数枚の空冷フィン８６が形成される。凝縮室８１に進入した気体冷媒はサーモサイホン８５中で冷却される。冷却の結果、気体冷媒は液化される。こういったサーモサイホン８５の採用によれば、凝縮室８１の放熱は一層確実に促進されることができる。
以上のような吸熱装置３２、６１が組み込まれた冷却システム２７は、前述のようなＣＰＵ３３といったＬＳＩ（大規模集積回路）パッケージのほか、ＬＳＩチップ単体やＭＣＭ（マルチチップモジュール）といった高密度高発熱デバイスの冷却に用いられることができる。その他、こういった冷却システム２７は、様々な発熱体の冷却にあたって使用されることができる。こういった冷却システム２７では、前述のＦＣ−７２のほか、冷却システム２７の設置環境下で液相を維持し、冷却対象物すなわち発熱体から伝達する熱で十分に蒸発することができる冷媒が用いられればよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、ラックマウント型コンピュータ装置の一具体例を概略的に示す斜視図である。
図２は、本発明に係る冷却システムの全体構成を概略的に示す模式図である。
図３Ａは、冷却システムに組み込まれた第１実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す垂直断面図である。
図３Ｂは、第１実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す底板の平面図である。
図４は、ノズルの形状を概略的に示す拡大垂直断面図である。
図５は、一具体例に係るノズルの形状を概略的に示す正面図である。
図６は、他の具体例に係るノズルの形状を概略的に示す正面図である。
図７は、第２実施形態に係る吸熱装置の構造を概略的に示す垂直断面図である。
図８は、図７の８−８線に沿った断面図である。
図９は、図７の９−９線に沿った断面図である。
図１０は、第２実施形態に係る吸熱装置の一変形例を示す垂直断面図である。
図１１は、第２実施形態に係る吸熱装置の他の変形例を示す垂直断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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