JP2006322386A - 冷却液注入方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
水路の内容積が未知であり、かつ容積変化がおこらない固形の構造をもつ冷却装置内に、簡便に冷却液と気体の比率を厳密に制御した冷却液の注入方法および注入装置を提供するものである。
【解決手段】
冷却液を満たす水路１と、この水路の一端に取り付けられた減圧ポンプ２と、水路の他端に取り付けられた冷却液供給タンク３とを備え、減圧ポンプ２で水路内を一定圧力まで減圧した後に大気圧により冷却液供給タンク３から水路１に冷却液を注入することで達成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液冷システムにおいて液冷装置の水路内に対して空気と冷却液を注入する冷却液注入方法および冷却液注入装置に関する。

冷却液を循環させることによって発熱部品を冷却する冷却装置において、発熱体から熱を吸熱した冷却液は温度が上昇し、体積が膨張することによって、装置内の内圧上昇をひきおこしてしまう問題があった。そこで、通常は冷却液の体積に応じた適切量の空気を残留させておくことによって、冷却液の温度上昇による体積膨張を緩和させている。

特に、水路全体が、例えば金属のような、容積変化がほとんどおこらない固形の構造の場合では、冷却液と空気の体積比率を厳密に制御する必要がある。冷却液に対して空気の比率が小さすぎれば、内圧が上昇して、液を循環させる駆動装置の破損、接合部からの液漏れ、水路部の変形・破損などの危険性が高まり、逆に空気の比率が大きすぎれば、冷却性能が低下してしまう。

そこで、冷却液と空気の比率を制御するために、あらかじめ冷却液が循環する水路の内容積を導出しておいて、所定量の冷却液を注入する方法が考えられていた。容積変化がおこらない固形の構造をもつ容器へ所定量の液体を注入する方法としては、特許文献１で提案されているが、非常に大掛かりであり、所定量の液が注入されるまでの工程も多いという問題点があった
特開平０５−２６３６４３号公報

ところが、冷却装置の製造上生じる水路の内容積のバラツキがあるために、所定量の冷却液を注入するだけでは、十分とは言えない。また、すべての冷却装置の内容積を測定して、それぞれの冷却装置に対応した冷却液を注入する方法も考えられるが、量産性が著しく劣る。

そこで本発明は、前述した問題点を鑑みてなされたものであり、水路の内容積が未知であり、かつ容積変化がおこらない固形の構造をもつ冷却装置内に、簡便に冷却液と空気の比率を厳密に制御した冷却液の注入方法および注入装置を提供するものである。

本発明の液冷装置の水路内への空気と冷却液の注入方法において、容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ前記水路には流体の出入り口を少なくとも２箇所以上有する連続的に連なる水路への冷却液の液注入方法であって、前記出入り口の少なくとも１箇所には減圧ポンプを取り付け、残りの出入り口の少なくとも１箇所には冷却液供給用タンクを取り付け、出入り口が余剰の場合は密閉に閉じた後、前記減圧ポンプで一定圧力まで減圧した後、液注入口に取り付けられた冷却液供給用タンク側との通路を開放することによって冷却液を注入することを特徴とする。

本発明の液冷装置の水路内への空気と冷却液の注入方法において、容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ流体の出入り口を１つ有する連続的に連なる水路への冷却液の液注入方法であって、前記出入り口に三方コック弁を介して減圧ポンプと冷却液供給用タンクを取り付け、前記三方コック弁で前記減圧ポンプと前記水路間を開通した状態で、前記減圧ポンプで一定圧力まで減圧した後、前記三方コックで冷却液供給用タンクと前記水路間を開放することによって冷却液を注入することを特徴とする。

本発明の液冷装置の水路内への空気と冷却液の注入方法において、冷却液供給用タンク内の圧力は制御されていることがなお望ましい。

本発明の液冷装置の水路内への空気と冷却液の注入装置において、容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ前記水路には流体の出入り口を少なくとも２箇所以上有する連続的に連なる水路に対し、前記水路の出入り口の少なくとも１箇所には開閉バルブを介して圧力を定量的に制御できる減圧ポンプを接続させることができ、残りの出入り口の少なくとも１箇所には開閉バルブを介して冷却液供給用タンクを接続させることができることを特徴とする。

本発明の液冷装置の水路内への空気と冷却液の注入装置において、容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ前記水路には流体の出入り口を少なくとも２箇所以上有する連続的に連なる水路に対し、前記水路の出入り口の少なくとも１箇所には開閉バルブを介して圧力を定量的に制御できる減圧ポンプを接続させることができ、残りの出入り口の少なくとも１箇所には開閉バルブを介して冷却液供給用タンクを接続させることができることを特徴とする。

本発明の液冷装置の水路内への空気と冷却液の注入装置において、前記冷却液供給用タンクに圧力制御装置がとりつけられていることが望ましい。

本発明によれば、容積変化がおこらない固形な構造を有し、かつ製造上のバラツキなどにより内容積が未知の水路への冷却液の注入に対して、冷却液の量と残留する空気量の比を厳密に制御し、さらに簡便な装置でかつ短時間に冷却液を注入することが出来る。

図１は、本発明の第１の実施例としての冷却液の液注入装置の平面図である。図１は水路１内の減圧前の定常状態、図２は減圧ポンプ２により水路１内を一定の圧力まで減圧した状態、図３は減圧した水路１内に冷却液４を大気圧により注入した後の定常状態を示す。水路１の一端に水路１内の空気を吸引するための減圧ポンプ２が取り付けられており、減圧ポンプ２にはバルブ８が備えられている。また、水路１の残る一端にバルブ５を備え冷却液４の入ったタンク３が取り付けられている。

図１の状態から、図２に示すように減圧ポンプ２により水路１内の圧力を設定圧Ｐまで減圧した後、バルブ８を閉鎖する。これにより、水路１内は設定圧Ｐに保たれる。次に図３に示すように、タンク３のバルブ５を開放することで、大気圧７より水路１内に冷却液４が注入される。この際、後述する数式をもとに、減圧した設定圧Ｐに応じた冷却液４と残留空気６の比率分を制御した形で、空気６を水路内に残すことが出来る。

以上説明した方法により、水路１の容積が変化しない固形な構造でかつ量産製造上のバラツキにより内容積が一定とならない場合においても、図２における減圧時の設定圧Ｐを一定に保つことにより、冷却液４の量と水路１内に残す空気６の量の比率を常に一定に保つことが出来る。

以下に数式を用いて、注入される冷却液４と水路１に残る空気６の体積の比率が一定になることを示す。

水路１の容積をＶｃ、図３における水路１内に注入された冷却液４の体積をＶｌｉｑｕｉｄ、図３における水路１内に残る空気の体積をＶａｉｒとおく。ここで、Ｖｃが部品製造上バラツクために不定値であるから、Ｖｌｉｑｕｉｄ、Ｖａｉｒも不定値となる。

ここで、図２における水路１内の減圧時の理想気体の状態方程式は、図２における空気の絶対温度をＴ、気体定数をＲ、空気の物質量をｎ、図２における水路１内の空気の圧力をＰとすると、

［式１］

ＰＶｃ＝ｎＲＴ・・・（１） と表せる。

また、図３における水路内に残留する理想気体の状態方程式は、図３における水路１内の空気の温度をＴ’、図３における水路１内の空気の圧力つまり大気圧をＰ’とすると、

［式２］

Ｐ’Ｖａｉｒ＝ｎＲＴ’・・・（２） となる。

ここで、図２から図３へ移行する際に等温変化であること、つまりＴ＝Ｔ’であることを条件として、式（１）、式（２）より、

［式３］

ＰＶｃ＝Ｐ’Ｖａｉｒ・・・（３） と表せる。ここで、

［式４］

Ｖｃ＝Ｖａｉｒ＋Ｖｌｉｑｕｉｄ・・・（４） であることから、式（４）を式（３）に代入して、

［式５］

Ｐ（Ｖａｉｒ＋Ｖｌｉｑｕｉｄ）＝Ｐ’Ｖａｉｒ・・・（５） となり、さらに変形して、

［式６］

Ｖｌｉｑｕｉｄ／Ｖａｉｒ＝（Ｐ’／Ｐ）−１・・・（６） となる。

式（６）より、大気圧Ｐ’は一定であり、図２における水路１内減圧時の設定圧Ｐを一定に保てば、水路１の量産製造バラツキにより個々の内容積Ｖｃが定まらない場合においても注入される冷却液４の量（Ｖｌｉｑｕｉｄ）と残留する空気６の量（Ｖａｉｒ）の比を一定に保つことが出来ると言える。

本実施の形態の具体的な例を下記に示す。第１の実施例は、図１に示したのと同様の構造とし、注入液量の測定を容易にするため、また水路内の容積の変更を容易にするため、水路１は外形４ｍｍ、内径２．５ｍｍのポリウレタンチューブとした。

はじめに、水路の内容積がばらついた際にも、水路１内減圧時の設定圧Ｐが一定であれば、残存空気と水路の内容積の比が一定であることを確認した結果を図５、図６にしめす。図５は水路の内容積を３５．３０ｃｃにした際に、設定圧Ｐをそれぞれ１６０ｍｍＨｇ、２６０ｍｍＨｇ、３６０ｍｍＨｇにした時の残存空気比を示した表である。各設定圧Ｐに対して３度の試験を行ったが、バラツキはほとんど無い結果が得られた。

また、図６は水路の内容積を４５．２４ｃｃにした際の結果であるが、図５同様、各設定圧Ｐに対して、残存空気比のバラツキはなかった。図５、図６の結果より、設定圧Ｐを一定にすれば、水路の内容積によらず、水路内容積と残存空気量の比率が一定に保てることを実証した。

次に、同一条件で冷却液を注入した際の残存空気量のバラツキを評価した。全容積を４８．７２ｃｃ、水路内気圧を１６０ｍｍＨｇとしたときに計１２回試験を行った際の結果を図７に示しているが、ほとんどバラツキはないことが確認された。

次に、［式６］の妥当性を確認した結果を図８に示した。図８は、設定圧Ｐに対して、Ｖｌｉｑｕｉｄ／Ｖａｉｒと（Ｐ’／Ｐ）−１を導出した表である。真空度が高い場合には、Ｖｌｉｑｕｉｄ／Ｖａｉｒと（Ｐ’／Ｐ）−１の値は食い違うが、設定圧Ｐが２６０ｍｍＨｇの時は、ほぼ一致している。これは、真空度が高くなると、ポリウレタンチューブが変形するからである。実際には水路１は金属で構成されるために、設定圧の真空度が高くても変形されることはない。さらに、水路１が金属であれば真空度が６０ｍｍＨｇであってもＶｌｉｑｕｉｄ／Ｖａｉｒと（Ｐ’／Ｐ）−１はほぼ一致することは確認した。

本発明の第１の実施例として、基本的な構成は上記に示す通りであるが、本発明は水路１内を減圧する際に一定の圧力に保つことにより、冷却液４の注入後の冷却液４と空気６の比率を一定に保つ方法であるため、水路１の形状や内容積に影響を受けない。従って、図４のように更なる冷却性能を求めるために、水路１の途中にフィン９等のように、より複雑な内容積をもつ構造体を設けた場合においても、減圧時の圧力を一定に保てば、冷却液４注入後の冷却液４と空気６の比率を一定に保つことができる。

本発明の第２の実施例を図９に示す。この実施例は、流体の出入り口があわせて１つしかない場合に適用され、その１つの出入り口に三方コック１０を取り付けて分岐させた２つの開通口に、それぞれ減圧ポンプ２と冷却液供給用タンク３を取り付ける。

この実施例における冷却液の注入原理は第１の実施例と同様である。操作方法は、はじめに三方コック１０を水路１と減圧ポンプ２間のみが開通された状態にしておき、減圧ポンプ２で設定圧Ｐに減圧した後、三方コック１０を水路１と冷却液供給用タンク３間のみが開通するように回せば良い。本実施例では、１つのコック操作で冷却液の注入が可能であるために、第１の実施例と比較して、製造現場での操作ミスが減るという利点がある。

本発明の第３の実施例として、冷却液供給タンク３を変形したものを図１０に示す。この変形例は、冷却液の注入量をさらに高精度に調節する時に有効であり、冷却液供給用タンク３は、圧力制御装置１１を備えている。

［式６］で示したように冷却液の注入量と空気の量の比は設定圧Ｐと大気圧Ｐ’のみで決まるが、日々の天候により、低気圧の日もあれば高気圧の日もあるために、大気圧Ｐ’は厳密には常に一定にはならない。そのために冷却液の注入量と空気の量の比を特に厳密に制御する必要がある場合には、１日毎もしくは１日に数回大気圧計をチェックし、その都度設定圧を変更させる必要性がある。そこで、圧力制御装置によりタンク内の圧力を常に一定に保つことにより、その手間を省き、冷却液の注入の単純化をはかることが出来る。

本発明の第１の実施例に係る冷却液の液注入装置の平面図であり、水路１内が減圧する前の定常状態の図である。 図１から減圧ポンプにより水路１内を一定の圧力まで減圧した状態を示した図である。 図２から減圧した水路１内に冷却液を大気圧により注入した後の定常状態を示す図である。 図１の水路の途中にフィンを設けた場合の図である。 水路内容積が３５．３０ｃｃの時の設定圧Ｐに対する残存空気比を示した表である。 水路内容積が４５．２４ｃｃの時の設定圧Ｐに対する残存空気比を示した表である。 冷却液を注入した際の残存空気量のバラツキを評価した結果を示す表である。 ［式６］の妥当性を確認した結果を示す表である。 第２の実施例を示した図である。 第３の実施例を示し、圧力制御装置が取り付けられたタンクを示した図である。

符号の説明

１ 水路
２ 減圧ポンプ
３ タンク
４ 冷却液
５ バルブ
６ 残留空気
７ 大気圧
８ バルブ
９ フィン
１０ 三方コック
１１ 圧力制御装置

Claims (6)

1. 容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ前記水路には流体の出入り口を少なくとも２箇所以上有する連続的に連なる水路への冷却液の液注入方法であって、前記出入り口の少なくとも１箇所には減圧ポンプを取り付け、残りの出入り口の少なくとも１箇所には冷却液供給用タンクを取り付け、出入り口が余剰の場合は密閉に閉じた後、前記減圧ポンプで一定圧力まで減圧した後、液注入口に取り付けられた冷却液供給用タンク側との通路を開放することによって冷却液を注入することを特徴とする冷却液注入方法。
2. 容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ流体の出入り口を１つ有する連続的に連なる水路への冷却液の液注入方法であって、前記出入り口に三方コック弁を介して減圧ポンプと冷却液供給用タンクを取り付け、前記三方コック弁で前記減圧ポンプと前記水路間を開通した状態で、前記減圧ポンプで一定圧力まで減圧した後、前記三方コックで冷却液供給用タンクと前記水路間を開放することによって冷却液を注入することを特徴とする冷却液注入方法。
3. 請求項１または請求項２記載の冷却液注入方法において、前記冷却液供給用タンク内の圧力も制御して冷却液を注入することを特徴とする冷却液注入方法。
4. 容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、かつ前記水路には流体の出入り口を少なくとも２箇所以上有する連続的に連なる水路に対し、前記水路の出入り口の少なくとも１箇所には開閉バルブを介して圧力を定量的に制御できる減圧ポンプを接続させることができ、残りの出入り口の少なくとも１箇所には開閉バルブを介して冷却液供給用タンクを接続させることができることを特徴とする冷却液注入装置。
5. 容積変化をおこさない固形な構造を有する内容積が未知の水路であって、流体の出入り口を１つ有する連続的に連なる水路に対し、前記出入り口に三方コック弁を介して圧力を定量的に制御できる減圧ポンプと冷却液供給用タンクを接続することができることを特徴とする冷却液注入装置。
6. 請求項４または請求項５記載の冷却液注入装置において、前記冷却液供給用タンクにタンク内の圧力を制御できる圧力制御装置をとりつけることを特徴とする冷却液注入装置。
   

Images