JP2009076561A - 冷却装置、受熱器、熱交換器、およびタンク - Google Patents

Abstract

【課題】 冷媒のノンストップ循環が可能な冷却装置、受熱器、熱交換器、およびタンクを提供することを目的とする。
【解決手段】 互いに独立した２つの冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器１０１と、受熱器１０１の２つの冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した２系統の冷媒循環路１０５ａ，１０５ｂと、それぞれの冷媒循環路に接続された熱交換器１０２ａ，１０２ｂと、タンク１０３ａ，１０３ｂと、ポンプ１０４ａ、１０４ｂとを有している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、情報処理装置、表示装置、通信装置、機械制御装置、電力変換装置などの電子機器に搭載された発熱体を冷却する冷却装置、受熱器、熱交換器、およびタンクに関する。

従来、情報処理装置、表示装置、通信装置、機械制御装置、電力変換装置などの電子機器に搭載された発熱体を冷却する冷却装置として、冷媒循環式の冷却装置が広く用いられている。この冷媒循環式の冷却装置は、例えば、発熱体の熱を受熱する受熱器、受熱した熱を外部に放出する熱交換器、冷媒の貯留及び冷媒や内部空気の膨張を吸収するためのタンク、冷媒を循環させるポンプなどを冷媒循環路で直列に接続することにより構成されている。

例えば、特許文献１には、パーソナルコンピュータのハードディスクドライブからの熱を除去する熱交換器を備えた電子機器が開示されている。また、特許文献２には、ノート型のパーソナルコンピュータの本体部筐体に、発熱体であるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を冷却する冷媒を循環させるポンプを設け、蓋部筐体に、冷媒を循環させる蛇行流路を設けた液冷システムが開示されている。

図２７、図２８、図２９は、従来の冷媒循環式の冷却装置の基本構成例を示す図である。

図２７には、発熱体の熱を受熱する受熱器１１、受熱した熱を外部に放出する熱交換器１２、冷媒の貯留及び冷媒や内部空気の膨張を吸収するためのタンク１３、冷媒を矢印方向に循環させるためのポンプ１４などが直列に接続された冷却装置１０が示されている。

図２８、図２９には、ポンプを冗長に備えることにより冷媒循環路の信頼性の向上を図った冷却装置が示されている。すなわち、図２８には、図２７に示した冷却装置１０の変型例として、直列に配置された２台のポンプ１４ａおよびポンプ１４ｂを有する冷却装置１０’が示されており、図２９には、図２７に示した冷却装置１０の変型例として、並列に配置された２台のポンプ１４ａおよびポンプ１４ｂを有するた冷却装置１０”が示されている。

図３０は、従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられる受熱器の外観図である。

図３０に示すように、この受熱器１１には、受熱器内部の冷媒流路に冷媒を流入させる冷媒流入口１１ａと、冷媒流路から冷媒を流出させる冷媒流出口１１ｂとが設けられている。

図３１は、従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられる放熱器（熱交換器）の外観図である。

図３１に示すように、この放熱器１６には、放熱器内部の冷媒流路に冷媒を流入させる冷媒流入口１６ａと、冷媒流路から冷媒を流出させる冷媒流出口１６ｂと、放熱用のフィン１６ｃとが設けられている。熱交換器もこの放熱器と同様の構造を有している。

図３２は、図３０に示す受熱器の内部構造を示す図である。

図３２に示すように、この受熱器１１の内部には、流路仕切り１１ｄによって仕切られた複数列の冷媒流路１１ｅが形成されており、各冷媒流路１１ｅを冷媒が流れるようになっている。放熱器の場合も同様の構造を有している。

図３３は、図３２に示す受熱器内部の冷媒の流れの方向を示す図である。

図３３に示すように、冷媒流入口１１ａから流れ込んだ冷媒が、複数列の冷媒流路１１ｅ内を矢印方向に流れて冷媒流出口１１ｂから流れ出るようになっている。

以上は、比較的小型の電子機器の冷却装置の例であるが、大型コンピュータなどの大型の電子機器では、次に示すように、受熱器が実装された電子機器と、熱交換器、タンク、およびポンプからなる冷媒供給装置とを独立させた構成としているものが多い。

図３４は、従来の大型冷却システムにおけるシステム構成例を示す図である。

図３４に示すように、この冷却システム２０は、電子機器２５に搭載された受熱器２１、受熱器２１が受熱した熱を外部に放出する熱交換器２２、冷媒の貯留及び冷媒や内部空気の膨張を吸収するためのタンク２３、冷媒を矢印方向に循環させるためのポンプ２４が直列に接続されて構成されている。

この冷却システム２０では、電子機器２５に実装された受熱器２１を、熱交換器２２、タンク２３、およびポンプ２４からなる冷媒供給装置２６とは独立した構成とすることにより、信頼性の向上を図っている。

図３５は、図３４に示す大型冷却システムの発展型の一例を示す図である。

図３５に示すように、この冷却システム３０では、並列に配置された２台のポンプ３４ａ，３４ｂを有しており、このようにポンプを冗長とすることにより、システムの信頼性の向上が図られている。

また、２台の受熱器と２系統の冷媒循環路とを備えることによって信頼性の向上を図った大型冷却システムが開示されている（例えば、特許文献３参照）。

図３６は、２台の受熱器と２系統の冷媒循環路とを備えた大型冷却システムの一例を示す図である。

この大型冷却システム４０は、図３４に示した大型冷却システムの発展型の他の例ともいうべきものであり、図３６に示すように、この冷却システム４０には、電子機器４５には２台の受熱器４１ａ，４１ｂに冷媒を循環させる２系統の冷媒循環路が設けられている。

このように、電子機器を冷却する受熱器に冷媒を循環させる冷媒循環路を２系統とし、タンクと熱交換器を共有させることにより、システムの信頼性の向上が図られている。

図３７は、２台の受熱器と２系統の冷媒循環路とを備えた、さらに大型の冷却システムの例を示す図である。

図３７に示すように、この冷却システム５０では、一つの電子機器５５に、それぞれ受熱器５１、熱交換器５２、タンク５３、ポンプ５４が直列に接続されてなる冷媒循環路が複数系統設けられており、システムの信頼性の一層の向上が図られている。

このように、図３４に示した基本的な構成に対して、冗長ポンプを並列に設けたり、複数の冷媒循環路で一つのタンクで共有させたり、タンクにバイパス経路を設けたり、複数系統の冷媒循環路を設けたりするなど、システムの信頼性を向上させる各種の技術が考案されている。
特開平１０−２１３３７０号公報 特開２００６−２３５９１４号公報 特開平８−２１９６１５号公報

しかし、最近、電子デバイスの高性能化が進み、デバイスの発熱量、発熱密度の上昇が著しいため、冷却性能のさらなる向上が求められている。

また、近年の情報化社会の発展に伴い、電子機器、特にサーバなどの情報処理システムにおいては常時稼働が求められており、冷却装置のノンストップ運転が必須要件となっている。

また、化石燃料の枯渇、地球温暖化といった環境問題がクローズアップされている昨今、冷却装置においても、省エネルギの観点からエネルギを無駄に消費する無駄な動作を抑制することのできる制御系が望まれている。

しかし、上記の従来技術は、必ずしもこれらの課題を充分に満足させるものではない。

先ず、冷却装置のノンストップ運転については、冷媒のノンストップ循環が最低限必要な条件となるが、特許文献１や特許文献２の技術では、ポンプが故障すれば冷媒の循環が停止してしまう。また、特許文献３の技術では、電子機器を冷却する受熱系統を複数系統とすることにより１系統が故障した場合に対処しているが、このように受熱系統を冗長にしただけでは、ポンプや熱交換器の故障には対応できず、冷媒のノンストップ循環を実現するには不十分である。例えば、冷媒に配合された防食材が配管壁に析出して流路が塞がれると冷媒の循環不良が発生してしまう。また、冷媒循環路の接続不良、配管壁の腐食貫通・熱膨張亀裂などによる冷媒の漏液や樹脂系・ゴム系材料の表面からの冷媒の透過・蒸発などにより冷媒量が著しく減少してしまった場合にもやはり循環流を維持することができなくなる。さらに、冷媒循環路の保守の際、特に冷媒を交換する際には、循環流を停止せざるを得ないという問題もある。このように、従来技術では冷媒のノンストップ循環は難しく、従って、電子機器の常時稼動に対するニーズには応えられない。

また、制御系については、上述のように無駄な動作を抑制できる制御系を構築することが省エネの観点から重要であるが、ＣＰＵなどの電子デバイスでは、デバイスにかかる負荷が常に激しく変動しており、負荷変動に伴い発熱量も激しく変動している。このように発熱量の変動が激しい電子デバイスを冷却するためには、発熱量の変動に応じて受熱器の受熱能力を制御する必要がある。

ところで、従来技術における受熱器の受熱能力を制御する手段としては、ポンプによる冷媒流量の制御があるのみである。従って、受熱器の制御性はポンプの制御性で決まってしまう。そのため、制御性の悪いポンプを採用すると受熱器の受熱能力を緻密に制御できないため、デバイスの発熱量が低いときなどには必要以上のポンプ駆動が行われてエネルギーを無駄に消費することになる。一方、制御性の高いポンプを採用すると部材費（設備費）を高騰させることになる。

また、電子デバイスの発熱エリアに回路構成や負荷状況に応じてホットスポットが生じることがある。このようなときに、従来技術ではホットスポットエリアの必要受熱能力を基準としてポンプの駆動レベルを決めることとなるため、それ以外のエリアにおける受熱能力は過剰となりエネルギーを無駄に消費することになってしまう。

本発明は、上記事情に鑑み、冷媒のノンストップ循環が可能な冷却装置、受熱器、熱交換器、およびタンクを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の冷却装置は、互いに独立した複数の冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器と、前記受熱器の複数の冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した複数の冷媒循環路とを有することを特徴とする。

本発明の冷却装置によれば、互いに独立した複数の冷媒流路を有する受熱器と、その複数の冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した複数の冷媒循環路とを有しているので、一つの冷媒循環路に障害が発生しても冷媒のノンストップ循環が可能である。

ここで、上記冷却装置は、複数の冷媒循環路それぞれに接続される互いに独立した複数の冷媒流路を有し該冷媒流路を流れる冷媒の熱を放熱する熱交換器を備えたものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、一つの熱交換器を複数の冷媒循環路で共用することができるので、設備費を低減させることができる。

また、上記冷却装置は、複数の冷媒循環路ごとに冷媒を貯留するタンクを備えたものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、一つのタンクを複数の冷媒循環路で共用することができるので、設備費を低減させることができる。

また、上記冷却装置は、前記複数の冷媒循環路それぞれに配備され各冷媒循環路に冷媒を循環させる、各冷媒循環路ごとに特性が異なる複数のポンプを備えたものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、例えば、圧力損失の高い冷媒循環路には流量は少ないが揚程が大きいポンプを、また、圧力損失の低い冷媒循環路には流量は多いが揚程が小さいポンプを採用することにより各冷媒循環路に適した冷却装置を得ることができる。

また、前記複数の冷媒循環路は、冷媒を、前記受熱器に互いに同一の方向から流入させ該受熱器から互いに同一の方向に流出させるものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、冷媒は、受熱器の複数の冷媒流路を平行循環流となって流れるので、平行循環流で冷却することが好ましい発熱体に適した冷却装置を構成することができる。

また、前記複数の冷媒循環路は、冷媒を、前記受熱器に互いに異なる方向から流入させ該受熱器から互いに異なる方向に流出させるものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、冷媒は、受熱器の複数の冷媒流路を反平行循環流となって流れるので、反平行循環流で冷却することが好ましい発熱体に適した冷却装置を構成することができる。

また、前記複数の冷媒循環路は、冷媒を、前記熱交換器に、互いに同一な方向から流入させ該熱交換器から互いに同一な方向に流出させるものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、冷媒は、熱交換器の複数の冷媒流路を平行循環流となって流れるので、平行循環流で熱交換することが好ましい発熱体に適した冷却装置を構成することができる。

また、上記冷却装置は、前記複数の冷媒循環路それぞれに配備され各冷媒循環路に冷媒を循環させる、複数のポンプと、前記複数のポンプを個別に制御するポンプ制御部とを備えたものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、複数の冷媒循環路を流れる冷媒の流れを個別に制御することができるので、複数の冷媒循環路に配備された複数のポンプを一括して制御する構成と比べてきめ細かな制御が可能となる。

また、上記冷却装置は、前記複数の冷媒循環路に、これら複数の冷媒循環路に共通の受熱器と、これら複数の冷媒循環路に共通又は個別に配備された熱交換器およびタンクと、これら複数の冷媒循環路に個別に配備されたポンプとが、該冷媒循環路を流れる冷媒が、ポンプ、受熱器、熱交換器、タンクの順に循環するように配備されているものであってもよい。

本発明の冷却装置を上記のように構成した場合は、ポンプから吐出された冷媒は、受熱器に入り暖められ、暖まった冷媒は熱交換器に入り冷やされ、冷えた冷媒はタンクに溜まりポンプに引き込まれる。従って、ポンプには冷えた冷媒が入るので、冷媒が、ポンプ、熱交換器、受熱器、タンクの順に循環するように構成した場合に比較して、ポンプが劣化する恐れが少なく、冷却装置の信頼性を向上させることができる。

また、上記目的を達成する本発明の受熱器は、発熱体の熱を受熱して冷媒に伝熱する受熱器であって、互いに独立した複数の冷媒流路を有することを特徴とする。

本発明の受熱器によれば、受熱器が有する、互いに独立した複数の冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した複数の冷媒循環路を構成することにより、複数の冷媒循環路を持ち、一つの冷媒循環路に障害が発生しても冷媒のノンストップ循環が可能な冷却装置に好適に適用することができる。

また、上記目的を達成する本発明の熱交換器は、冷媒の熱を放熱する熱交換器であって、互いに独立した複数の冷媒流路を有することを特徴とする。

本発明の熱交換器によれば、熱交換器が有する、互いに独立した複数の冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した複数の冷媒循環路を構成することにより、複数の冷媒循環路を持ち、一つの冷媒循環路に障害が発生しても冷媒のノンストップ循環が可能な冷却装置に好適に適用することができる。

また、上記目的を達成する本発明のタンクは、冷媒循環路の途中に配備された該冷媒循環路を流れる冷媒を貯留するタンクであって、複数の冷媒循環路の途中に該複数の冷媒循環路に共通に配備され該複数の冷媒循環路ごとに冷媒を貯蔵することを特徴とする。

本発明のタンクによれば、複数の冷媒循環路それぞれを流れる冷媒どうしの混入を避ける区切りを有しているので、複数の冷媒循環路に共通な１基だけのタンクで済ますことができる。

また、上記目的を達成する本発明の冷却装置を採用した電子機器は、上記の各冷却装置のうちのいずれか一つの冷却装置と、その冷却装置により冷却される発熱電子部品とを備えたことを特徴とする。

この電子機器によれば、互いに独立した複数の冷媒循環路を有する冷却装置により冷却されるので、一つの冷媒循環路に障害が発生しても冷媒のノンストップ循環が可能であり、従って、電子機器の常時稼動を実現することができる。

本発明によれば、一つの冷媒循環路に障害が発生しても冷媒のノンストップ循環が可能な冷却装置、受熱器、熱交換器、タンクを実現することができる。

また、本発明によれば、受熱器の受熱能力の緻密な制御を行うことができるので、信頼性（可用性・保守性）が高く、環境にやさしく、高い冷却性能を有する冷媒循環式の冷却装置及びその冷却装置を搭載した常時稼動が可能な電子機器を実現することができる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

図１は、第１の実施形態の冷却装置の概略構成図である。

図１に示すように、この冷却装置１００は、互いに独立した２つの冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器１０１と、受熱器１０１の２つの冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した２系統の冷媒循環路１０５ａ，１０５ｂと、それぞれの冷媒循環路に接続された熱交換器１０２ａ，１０２ｂと、タンク１０３ａ，１０３ｂと、ポンプ１０４ａ、１０４ｂとを有している。

上記のように、この冷却装置１００は２つの冷媒循環路を有しているので、一方の冷媒循環路が異物、例えば、冷媒に配合された防食材が析出して配管壁に付着する付着物などで閉塞されて冷媒の循環不良が発生しても、他方の冷媒循環路も同時に閉塞することはないので循環流を維持することができる。

また、冷媒循環路の接続不良、循環経路壁の腐食貫通・熱膨張亀裂などによる冷媒の漏液や、樹脂・ゴム系材料表面からの冷媒の透過・蒸発などにより一方の冷媒循環路の冷媒量が著しく減少してしまった場合でも、他方の冷媒循環路の循環流を維持することができる。

また、冷媒循環路の保守、特に冷媒を交換する際には循環流を停止せざるを得ないが、複数の冷媒循環路を有するため、複数の冷媒循環路で交互に冷媒を交換することができ、冷媒のノンストップ循環を維持することが可能である。

図２は、第１の実施形態の冷却装置に用いられる受熱器の製造手順を示す図である。

先ず、図２（ａ）に示すように、受熱器１０１の本体１０１０の内部に、冷媒が矢印Ａ方向に複数の流れとなって流れる複数の流路ｐを形成するための複数の隔壁１０１１を設ける。この複数の隔壁１０１１の矢印Ａ方向の長さは、受熱器本体１０１０の矢印Ａ方向の内法よりも短く、隔壁１０１１の両側の端部と受熱器本体１０１０との間には所定の大きさの間隙ｇがそれぞれ設けられている。

次に、図２（ｂ）に示すように、受熱器１０１の本体内部に、本体の矢印Ａ方向の両側の内壁から中央に向かって延びる、長さが上記間隙ｇと同じ長さの、隔壁１０１１とほぼ直角をなす２枚の仕切り板Ａ１０１４ａ，１０１４ｂを設ける。

そして、仕切り板Ａ１０１４ａによって仕切られた２つの区画のうちの一方の区画１０１５ａに冷媒を流入させる冷媒流入口１０１２ａを、仕切り板Ａ１０１４ｂによって仕切られた２つの区画のうちの一方の区画１０１５ｂに冷媒を流入させる冷媒流入口１０１２ｂをそれぞれ設けるとともに、仕切り板Ａ１０１４ｂによって仕切られた２つの区画のうちの一方の区画１０１６ａに冷媒を流出させる冷媒流出口１０１３ａを、仕切り板Ａ１０１４ａによって仕切られた２つの区画のうちの一方の区画１０１６ｂに冷媒を流出させる冷媒流出口１０１３ｂをそれぞれ設ける。

次に、図２（ｃ）に示すように、複数の隔壁１０１１の両側の端部と２枚の仕切り板Ａ１０１４とが交わる部分それぞれを、図示のように互い違いに、仕切り板Ｂ１０１６ａ，１０１６ｂで塞ぐ。

このようにして、冷媒流入口１０１２ａから流入した冷媒が複数の流路ｐを通って冷媒流出口１０１３ａから流出する第１の冷媒流路と、冷媒流入口１０１２ｂから流入した冷媒が複数の流路ｐを通って冷媒流出口１０１３ｂから流出する第２の冷媒流路との、互いに独立した２つの冷媒流路が形成される。なお、ここで、説明の都合上、第１の冷媒流路、第２の冷媒流路と区別して呼んでいるが、この両者は同一の構成を有しており、同様の動作を行う。

図３は、第１の実施形態における２つの冷媒流路のうちの第１の冷媒流路内の冷媒の流れの方向を示す図である。

図３に示すように、この第１の冷媒流路１０１７ａは、冷媒流入口１０１２ａから流入した冷媒を矢印方向に導き冷媒流出口１０１３ａから流出させるようになっている。

図４は、第１の実施形態における２つの冷媒流路のうちの第２の冷媒流路内の冷媒の流れの方向を示す図である。

図４に示すように、この第２の冷媒流路１０１７ｂは、冷媒流入口１０１２ｂから流入した冷媒を矢印方向に導き冷媒流出口１０１３ｂから流出させるようになっている。

図５は、第１の実施形態の冷却装置における２つの冷媒流路内の冷媒の流れの方向が互いに異なる方向である態様を示す図である。

図５に示すように、この受熱器では、２つの冷媒流路１０１７ａ，１０１７ｂは、冷媒を、受熱器に互いに異なる方向から流入させ、受熱器から互いに異なる方向に流出させるように構成されている。

すなわち、冷媒流路１０１７ａは、冷媒流入口１０１２ａから流入した冷媒を矢印Ａ方向に流して冷媒流出口１０１３ａから流出させ、一方、冷媒流路１０１７ｂは、冷媒流入口１０１２ｂから流入した冷媒を矢印Ｂ方向に流して冷媒流出口１０１３ｂから流出させる。つまり、この態様では、図１に示した冷却装置１００における２つの冷媒循環路１０５ａ，１０５ｂと同様、冷媒は、２つの冷媒流路１０１７ａ，１０１７ｂ内を互いに反平行循環流として、すなわち冷媒は互いに異なる方向に流れる。

図６は、図５に示す受熱器の２つの冷媒流路内の冷媒の流れの模式図である。

図６に示すように、この受熱器では、冷媒は、２つの冷媒流路１０１７ａ，１０１７ｂ内を互いに反平行循環流として流れるので、この受熱器の受熱対象である発熱体が、図示のように、流入側から流出側に向かって高温となるような発熱特性を有する発熱体である場合の受熱器に適している。

図７は、図４に示す第２の冷媒流路内の冷媒の流れを逆向きにした場合の冷媒の流れの方向を示す図である。

図７に示すように、この第２の冷媒流路１０１７ｂは、冷媒流入口１０１２ｂから流入した冷媒を矢印方向に導き冷媒流出口１０１３ｂから流出させるようになっている。

図８は、第１の実施形態の冷却装置における２つの冷媒流路内の冷媒の流れの方向が互いに同一の方向である態様を示す図である。

図８に示すように、この受熱器では、２つの冷媒流路１０１７ａ，１０１７ｂは、冷媒を、受熱器に互いに同一の方向から流入させ、受熱器から互いに同一の方向に流出させるように構成されている。

すなわち、冷媒流路１０１７ａは、冷媒流入口１０１２ａから流入した冷媒を矢印Ａ方向に流して冷媒流出口１０１３ａから流出させ、一方、冷媒流路１０１７ｂは、冷媒流入口１０１２ｂから流入した冷媒を矢印Ｂ方向に流して冷媒流出口１０１３ｂから流出させる。つまり、この態様では、図１に示した冷却装置１００における２つの冷媒循環路１０５ａ，１０５ｂとは異なり、冷媒は、２つの冷媒流路１０１７ａ，１０１７ｂ内を互いに平行循環流として流れる。

図９は、図８に示す受熱器の２つの冷媒流路内の冷媒の流れを模式的に示す図である。

図９に示すように、この受熱器では、冷媒は、２つの冷媒流路１０１７ａ，１０１７ｂ内を互いに平行循環流として流れるので、この受熱器の受熱対象である発熱体が、図示のように、流入側と流出側との間の温度差が少ない発熱特性を有する発熱体である場合の受熱器に適している。

次に、第１の実施形態の冷却装置の変型例について説明する。

図１０は、冷媒循環式の冷却装置の受熱器でホットスポットが発生した状態を示す図である。

図１０には、冷媒循環式の冷却装置の受熱器１０１の特定のエリアにホットスポットＨが発生した状態が示されている。このようにホットスポットＨが発生したとき、この受熱器１０１に冷媒流路が１つしかない場合には、その冷媒流路１０７を流れる冷媒の流量を増加して対処するほかはない。

しかし、本実施形態の冷却装置では、互いに独立した複数の冷媒流路を有する発熱体を備えているので、次のようにして複数の冷媒流路を流れる冷媒の流量を制御することによりホットスポットの発生に対処することができる。

図１１は、本実施形態の冷却装置における冷媒流量の制御方式を示す図である。

図１１には、２つの冷媒循環路１０５ａ，１０５ｂそれぞれに配備され、各冷媒循環路に冷媒を循環させる２つのポンプ１０４ａ，１０４ｂと、これら２つのポンプを個別に制御するポンプ制御部１０８とを有する冷却装置の受熱器１０１の特定のエリアにホットスポットＨが発生した状態が示されている。

図示のようにホットスポットが発生したとき、従来技術では、ホットスポットエリアの必要受熱能力を基準としてポンプの駆動レベルを決めることになるので、それ以外のエリアにおける受熱能力は過剰となり、無駄なエネルギを消費することになる。

しかし、本実施形態の冷却装置では、ポンプ制御部１０８で２つのポンプ１０４ａ，１０４ｂを個別に制御することにより、ホットスポットＨが発生したエリアに対応する側の冷媒流路１０７ａの冷媒流量を、冷媒流路１０７ｂを流れる冷媒流量よりも増加させてホットスポットを消失させることができるのでエネルギを浪費することがない。

図１２は、本実施形態の冷却装置の受熱器でホットスポットが発生した状態を示す図である。

図１２には、この冷却装置の受熱器１０１の特定のエリアにホットスポットＨが発生する様子が示されている。

このような、ホットスポットＨが発生する場合には、この受熱器１０１の２つの冷媒流路１０７ａ，１０７ｂのうちのホットスポットＨが発生しやすい側の冷媒流路１０７ａを流れる冷媒の流量を増加してホットスポットの発生を防止することができるが、それとともに、他方の冷媒流路１０７ｂを、図示のように、冷媒流路１０７ａの流路よりも短い長さの冷媒流路１０７ｂを有する受熱器とすることにより、冷媒循環路１０５ｂの圧力損失を下げてコストを低減させることができる。

次に、第２の実施形態の冷却装置について説明する。

冷却装置の熱交換器についても、上記受熱器と同様に、互いに独立した複数の冷媒流路を有する熱交換器を用いることができる。そのように構成した熱交換器を用いることにより、複数の冷媒循環路を、冷媒を、熱交換器に、互いに同一な方向から流入させ該熱交換器から互いに同一な方向に流出させるものとすることができる。

図１３は、本発明の第２の実施形態の冷却装置の概略構成図である。

図１３に示すように、この冷却装置２００は、互いに独立した２つの冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器２０１と、受熱器２０１の２つの冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した２系統の冷媒循環路２０５ａ，２０５ｂと、該２系統の冷媒循環路２０５ａ，２０５ｂそれぞれに接続される互いに独立した２つの冷媒流路を有し該冷媒流路を流れる冷媒の熱を放熱する熱交換器２０２と、タンク２０３ａ，２０３ｂと、ポンプ２０４ａ、２０４ｂとを有している。このように、この冷却装置２００は、受熱器２０１および熱交換器２０２が２系統の冷媒循環路２０５ａ，２０５ｂで共用されている。

この熱交換器２０２としては、図２〜図８を参照して説明した受熱器と同様、２つの冷媒流路を有する熱交換器が用いられる。

次に、上記第２の実施形態の冷却装置の変形例について説明する。

図１４は、第２の実施形態の冷却装置の一変形例を示す図である。

図１４に示すように、この冷却装置２００’は、図１３に示す冷却装置２００を大型化した一変形例である。この冷却装置２００’の冷却装置２００との相違点は、冷却装置２００における２つのタンク２０３ａ，２０３ｂを２系統の冷媒循環路２０５ａ，２０５ｂそれぞれに共通に接続された１つのタンク２０３とした点、および電子機器２０６に実装された受熱器２０１を、熱交換器２０２、タンク２０３、およびポンプ２０４ａ，２０４ｂからなる冷媒供給装置２０６とは独立した構成とした点であり、他は冷却装置２００と同様である。このように構成したことにより、大型の電子機器に適した冷却装置とすることができる。

図１５は、図１３に示す冷却装置の他の変形例を示す図である。

図１５に示すように、この冷却装置２００”は、図１３に示す冷却装置２００を大型化した一変形例である。この冷却装置２００”の冷却装置２００’との相違点は、冷却装置２００’における受熱器２０１を、２系統の冷媒循環路２０５ａ，２０５ｂそれぞれに個別に接続された２つの受熱器２０１ａ，２０１ｂとした点であり、他は冷却装置２００’と同様である。このように構成したことにより、大型の電子機器に適した冷却装置を形成することができる。

図１６は、図１４に示す冷却装置のさらに他の変形例を示す図である。

図１６に示すように、この冷却装置５００は、図１４に示す冷却装置２００’の変形例である。この冷却装置５００の冷却装置２００’との相違点は、冷却装置２００’における受熱器２０１を、複数系統の冷媒循環路５０５ａ，５０５ｂ，…，５０５ｎそれぞれに個別に接続されたｎ個のの受熱器５０１ａ，５０１ｂ，…，５０１ｎとした点であり、他は冷却装置２００’と同様である。このように構成したことにより、さらに大型の電子機器に適した冷却装置を形成することができる。

図１７は、図１４に示す冷却装置のさらに他の変形例を示す図である。

図１７に示すように、この冷却装置６００は、図１５に示す冷却装置２００”の変形例である。この冷却装置６００では、電子機器６０６に搭載された、それぞれ２つの受熱器からなる複数組の受熱器群６０１ａ，６０１ｂ，…，６０１ｎと、これら複数組の受熱器群が受熱した熱を外部に放出する、それぞれ２つの熱交換器からなる複数組の熱交換器群６０２ａ，６０２ｂ，…，６０２ｎと、冷媒の貯留及び冷媒や内部空気の膨張を吸収するためのタンク６０３、冷媒を矢印方向に循環させるためのポンプ６０４とが複数系統の冷媒循環路によって接続されて構成されている。

この冷却装置６００では、複数組の受熱器群を実装した電子機器６０６と、熱交換器群６０２ａ，６０２ｂ，…，６０２ｎ、タンク６０３、およびポンプ６０４からなる冷媒供給装置６０７とを、独立した構成としたので、冷却装置の信頼性を向上させることができる。

図１８は、図１７に示す冷却装置の他の変形例を示す図である。

図１８に示すように、この冷却装置７００は、図１７に示す冷却装置６００の変形例である。この冷却装置７００では、電子機器７０６に搭載された、複数の受熱器７０１と、これら６つの受熱器７０１が受熱した熱を外部に放出する、複数の熱交換器７０２と、冷媒の貯留及び冷媒や内部空気の膨張を吸収するための複数のタンク７０３、冷媒を矢印方向に循環させるための複数のポンプ７０４とが複数系統の冷媒循環路７０５によって接続されて構成されている。

この冷却装置７００では、複数の受熱器７０１を実装した電子機器７０６と、熱交換器７０２、タンク７０３、およびポンプ７０４からなる冷媒供給装置７０７とを、独立した構成としたので、冷却装置の信頼性を向上させることができる。

次に、第３の実施形態の冷却装置について説明する。

図１９は、本発明の第３の実施形態の冷却装置の概略構成図である。

図１９に示すように、この冷却装置３００は、互いに独立した２つの冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器３０１と、受熱器３０１の２つの冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した２系統の冷媒循環路３０５ａ，３０５ｂと、それぞれの冷媒循環路に接続された熱交換器３０２ａ，３０２ｂと、タンク３０３と、ポンプ３０４ａ，３０４ｂとを有している。このように、この冷却装置３００は、受熱器３０１およびタンク３０３が２系統の冷媒循環路３０５ａ，３０５ｂで共用されている。

このタンク３０３は、２系統の冷媒循環路３０５ａ，３０５ｂそれぞれを循環する冷媒を、各冷媒循環路を流れる冷媒どうしの混入を避けて貯留するタンクとして構成されている。

従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられるタンクは、通常次のような構造を有している。

図２０は、従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられるタンクの概要図である。

図２０に示すように、従来のタンク１３は、冷媒を流入させる冷媒流入口１３ａおよび冷媒を流出させる冷媒流出口１３ｂを備え、冷媒の貯留及び冷媒や内部空気の膨張を吸収する機能を有している。

図２１は、図１９に示す冷却装置に用いられるタンクの概要図である。

図２１に示すように、このタンク３０３は、冷媒を流入させる冷媒流入口３０３ａ，３０３ｂ、冷媒を流出させる冷媒流出口３０３ｃ，３０３ｄ、および内部を２つに区切る区切り部材３０３ｅを備えている。このように構成したことにより、図１９に示す２系統の冷媒循環路３０５ａ，３０５ｂそれぞれを循環する冷媒を、各冷媒循環路を流れる冷媒どうしの混入を避けて貯留することができる。

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。以上説明した各実施形態において、２つの冷媒循環路それぞれに配備される２つのポンプは、同型のポンプであってもよいが、各冷媒循環路に要求される冷却機能の差違に応じて各冷媒循環路ごとに特性を異にするポンプであってもよい。

図２２は、本発明の冷却装置に用いられる、特性が異なる２種類のポンプの特性の差違を示す図である。

図２２には、ピエゾポンプと遠心ポンプの流量−揚程曲線が示されている。図２２に示すように、ピエゾポンプは、流量は少ないが揚程（吐出力）が大きいので圧力損失の高い冷媒循環路に適している。遠心ポンプは、流量は多いが揚程（吐出力）が小さいので圧力損失の低い冷媒循環路に適している。

本発明の第４の実施形態の冷却装置は、例えば、パーソナルコンピュータなどのような、発熱電子部品が実装された電子機器の冷却装置として好適である。

図２３は、本発明の第４の実施形態の冷却装置が適用されたノート型パーソナルコンピュータの概要図である。

図２３に示すように、このノート型パーソナルコンピュータ４００の本体部４００ａには、発熱電子部品であるＣＰＵ４０１を冷却する受熱器４０２、ＣＰＵ４０１が実装されたマザーボード４０４を含むコンピュータ内部を冷却する第２熱交換器４０３およびファン４０５、ピエゾポンプ４０６、遠心ポンプ４０７、および第２タンク４０８が配備され、蓋部４００ｂには、第１熱交換器４０９および第１タンク４１０が配備されている。

そして、受熱器４０２と第１熱交換器４０９と第１タンク４１０とピエゾポンプ４０６とを接続し冷媒を循環させる第１冷媒循環路４１１、および受熱器４０２と第２熱交換器４０３と第２タンク４０８と遠心ポンプ４０７とを接続し冷媒を循環させる第２冷媒循環路４１２が配備されている。

このノート型パーソナルコンピュータ４００では、第１冷媒循環路４１１は自然空冷により蓋部４００ｂを冷却し、第２冷媒循環路４１２は強制空冷により本体部４００ａを冷却するように構成されている。第１冷媒循環路４１１は圧力損失が高いが流量は少ないので、流量は少ないが揚程（吐出力）が大きいピエゾポンプが用いられ、一方、第２冷媒循環路４１２は圧力損失は低いが流量が多いので、揚程（吐出力）が小さいが流量の多い遠心ポンプが用いられている。

これらの、受熱器４０２、第２熱交換器４０３、ファン４０５、ピエゾポンプ４０６、遠心ポンプ４０７、第２タンク４０８、第１熱交換器４０９、第１タンク４１０、第１冷媒循環路４１１、および第２冷媒循環路４１２により、このノート型パーソナルコンピュータ４００の冷却装置が構成されている。

この冷却装置は、図１に示す冷却装置１００と同様の構成を有している。すなわち、互いに独立した複数の冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器４０２と、受熱器４０２の複数の冷媒流路（図５参照）それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した２系統の冷媒循環路４１１，４１２とを有している。

なお、このノート型パーソナルコンピュータ４００では、ＣＰＵ４０１は、ＣＰＵ４０１自身、受熱器４０２、第１熱交換器４０９、第２熱交換器４０３の温度をそれぞれ監視し、ファン４０５、ピエゾポンプ４０６、遠心ポンプ４０７の回転数を制御することにより、コンピュータの熱暴走を防止するとともに騒音レベルを制御している。

また、この冷却装置は、２系統の冷媒循環路４１１，４１２それぞれに配備され各冷媒循環路に冷媒を循環させる、２台ののポンプ４０６，４０７と、これらのポンプを個別に制御するＣＰＵ４０１内に形成されたポンプ制御部とを備えている。

このポンプ制御部を備えたことにより、複数の冷媒循環路の発熱特性に応じた制御が可能となるので、無駄な冷却動作を抑制することができる。従って、省エネルギの観点からも有利であり、製品の差別化を図ることができる。特に、ＣＰＵなどの電子デバイスの負荷は常に一定ではなく負荷変動が激しく、発熱量も負荷変動に伴い常に変動しているが、このような発熱量変動の激しいデバイスを無駄なく冷却するために、上記のポンプ制御部は極めて有効であり、発熱量の変動に合わせて受熱器の受熱能力を最適に制御することができる。

そもそも、ＣＰＵなどの電子デバイスを冷却する目的は、電子デバイスの熱故障や熱暴走の防止、あるいは低温稼動による演算スピードアップや漏れ電流量の抑制にあり、従って、電子デバイスの温度が高温側の保障温度や設定温度を超えないように維持されている必要がある。しかし、従来技術では、受熱器の受熱能力を制御する手段はポンプによる冷媒流量の制御のみであり、受熱器の制御性はポンプの制御性で決まってしまう。従って、制御性の悪いポンプを採用すると受熱器の受熱能力を緻密に制御できないため、発熱量の低いときなどは必要以上にポンプが駆動されており、エネルギーを無駄に消費される。その問題を回避するために制御性の高いポンプを採用すると設備費の上昇を招いてしまう。このような問題を本実施形態のノート型パーソナルコンピュータ４００では解消することができる。

次に、本発明の冷却装置における冷媒循環路に配備される受熱器、熱交換器、タンク、およびポンプの冷媒の流れる順序について説明する。

先ず、タンクとポンプの関係について考える。

図２４は、タンクの下流側にポンプを配置した例を示す図である。

一般に、ポンプにエアが入ると冷媒の流量や吐出力が低下する。従ってポンプの引き込み側にタンクを配置するのがベストである。こうするとエアはタンクにトラップされるのでタンク出口からエアが出てくることはない。そこで、図２４に示すように、タンク１０３の下流側にポンプ１０４を配置することが望ましい。

次に、受熱器と熱交換器の関係について考える。

図２５は、各実施形態における冷媒の冷媒循環路を流れる順序を示す図である。

図２５に示すように、この冷却装置では、冷媒循環路１０５に、受熱器１０１と、熱交換器１０２と、タンク１０３と、ポンプ１０４とが、冷媒循環路１０５を流れる冷媒が、ポンプ１０４、受熱器１０１、熱交換器１０２、タンク１０３の順に循環するように配備されている。

この順に配備することにより、ポンプ１０４から吐出された冷媒は、受熱器１０１に入り暖められる。暖まった冷媒は熱交換器１０２に入り冷やされる。冷えた冷媒はタンク１０３に溜まり、ポンプ１０４に引き込まれる。従って、ポンプ１０４には冷えた冷媒が入るのでポンプが劣化する恐れは少なく、冷却装置の信頼性の上から好ましい。

この順序と異なり、熱交換器の下流側に受熱器を配備することも考えられる。

図２６は、図２５に示す順とは異なる冷媒の冷媒循環路を示す図である。

図２６に示すように、この冷却装置では、冷媒循環路１０５に、熱交換器１０２と、受熱器１０１と、タンク１０３と、ポンプ１０４とが、冷媒循環路１０５を流れる冷媒が、ポンプ１０４、熱交換器１０２、受熱器１０１、タンク１０３の順に循環するように配備されている。

このように、配備した場合は、ポンプ１０４から吐出された冷媒は、熱交換器１０２に入り冷やされる。冷えた冷媒は受熱器で暖められてタンク１０３に溜まる。タンク１０３では基本的に放熱しないため、冷媒は高い温度のままポンプ１０４に入ることになる。このようにポンプ１０４に高温の冷媒が入ることはポンプの劣化を招く恐れがあるので、図２６に示すような順に冷媒を循環させることは冷却装置の信頼性の上から好ましくない。

第１の実施形態の冷却装置の概略構成図である。 第１の実施形態の冷却装置に用いられる受熱器の製造手順を示す図である。 第１の実施形態における２つの冷媒流路のうちの第１の冷媒流路内の冷媒の流れの方向を示す図である。 第１の実施形態における２つの冷媒流路のうちの第２の冷媒流路内の冷媒の流れの方向を示す図である。 第１の実施形態の冷却装置における２つの冷媒流路内の冷媒の流れの方向が互いに異なる方向である態様を示す図である。 図５に示す受熱器の２つの冷媒流路内の冷媒の流れの模式図である。 図４に示す第２の冷媒流路内の冷媒の流れを逆向きにした場合の冷媒の流れの方向を示す図である。 第１の実施形態の冷却装置における２つの冷媒流路内の冷媒の流れの方向が互いに同一の方向である態様を示す図である。 図８に示す受熱器の２つの冷媒流路内の冷媒の流れを模式的に示す図である。 冷媒循環式の冷却装置の受熱器でホットスポットが発生した状態を示す図である。 本実施形態の冷却装置における冷媒流量の制御方式を示す図である。 本実施形態の冷却装置の受熱器でホットスポットが発生した状態を示す図である。 本発明の第２の実施形態の冷却装置の概略構成図である。 第２の実施形態の冷却装置の一変形例を示す図である。 図１３に示す冷却装置の他の変形例を示す図である。 図１４に示す冷却装置のさらに他の変形例を示す図である。 図１４に示す冷却装置のさらに他の変形例を示す図である。 図１７に示す冷却装置の他の変形例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の冷却装置の概略構成図である。 従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられるタンクの概要図である。 図１９に示す冷却装置に用いられるタンクの概要図である。 本発明の冷却装置に用いられる、特性が異なる２種類のポンプの特性の差違を示す図である。 本発明の第４の実施形態の冷却装置が適用されたノート型パーソナルコンピュータの概要図である。 タンクの下流側にポンプを配置した例を示す図である。 各実施形態における冷媒の冷媒循環路を流れる順序を示す図である。 図２５に示す順とは異なる冷媒の冷媒循環路を示す図である。 従来の冷媒循環式の冷却装置の基本構成例を示す図である。 従来の冷媒循環式の冷却装置の基本構成例を示す図である。 従来の冷媒循環式の冷却装置の基本構成例を示す図である。 従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられる受熱器の外観図である。 従来の冷媒循環式の冷却装置に用いられる放熱器（熱交換器）の外観図である。 図３０に示す受熱器の内部構造を示す図である。 図３２に示す受熱器内部の冷媒の流れの方向を示す図である。 従来の大型冷却システムにおけるシステム構成例を示す図である。 図３４に示す大型冷却システムの発展型の一例を示す図である。 ２台の受熱器と２系統の冷媒循環路とを備えた大型冷却システムの一例を示す図である。 ２台の受熱器と２系統の冷媒循環路とを備えた、さらに大型の冷却システムの例を示す図である。

符号の説明

１０，１０’，１０” 冷却装置
１１ 受熱器
１１ａ 冷媒流入口
１１ｂ 冷媒流出口
１１ｄ 流路仕切り
１１ｅ 冷媒流路
１２ 熱交換器
１３ タンク
１３ａ，１６ａ 冷媒流入口
１３ｂ，１６ｂ 冷媒流出口
１４，１４ａ，１４ｂ ポンプ
１６ 放熱器
１６ｃ フィン
２０，３０，４０，５０ 冷却システム
２１，４１ａ，４１ｂ，５１ 受熱器
２２，５２ 熱交換器
２３，５３ タンク
２４，３４ａ，３４ｂ，５４ ポンプ
２５，４５ 電子機器
２６ 冷媒供給装置
１００，２００，２００’，２００”，３００，５００，６００，７００ 冷却装置
１０１，２０１，５０１ａ，５０１ｂ，…，５０１ｎ，７０１ 受熱器
１０２ａ，１０２ｂ，２０２，３０２，７０２ 熱交換器
１０３ａ，１０３ｂ，２０３，２０３ａ，２０３ｂ，３０３，７０３ タンク
１０４ａ、１０４ｂ，２０４ａ、２０４ｂ，３０４ａ，３０４ｂ，７０４ ポンプ
１０５ａ，１０５ｂ，２０５ａ，２０５ｂ，３０５ａ，３０５ｂ，５０５ａ，５０５ｂ，…，５０５ｎ，７０５ 冷媒循環路
１０７，１０７ａ，１０７ｂ，７０７ 冷媒流路
１０８ ポンプ制御部
３０３ａ，３０３ｂ 冷媒流入口
３０３ｃ，３０３ｄ 冷媒流出口
３０３ｅ 区切り部材
４００ ノート型パーソナルコンピュータ
４００ａ 本体部
４００ｂ 蓋部
４０１ ＣＰＵ
４０２ 受熱器
４０３，４０９ 熱交換器
４０４ マザーボード
４０５ ファン
４０６ ピエゾポンプ
４０７ 遠心ポンプ
４０８，４１０，６０３ タンク
４１１ 第１冷媒循環路
４１２ 第２冷媒循環路
６０１ａ，６０１ｂ，…，６０１ｎ 受熱器群
６０２ａ，６０２ｂ，…，６０２ｎ 熱交換器群
６０４ ポンプ
６０６，７０６ 電子機器
１０１０ 受熱器本体
１０１１ 隔壁
１０１２ａ 冷媒流入口
１０１３ｂ 冷媒流出口
１０１４ａ，１０１４ｂ 仕切り板Ａ
１０１５ａ，１０１５ｂ，１０１６ａ，１０１６ｂ 区画
１０１７ａ，１０１７ｂ 冷媒流路

Claims (8)

1. 互いに独立した複数の冷媒流路を有し発熱体の熱を受熱して該冷媒流路を流れる冷媒に伝熱する受熱器と、
   前記受熱器の複数の冷媒流路それぞれを経由して冷媒を循環させる、互いに独立した複数の冷媒循環路とを有することを特徴とする冷却装置。
2. 前記複数の冷媒循環路それぞれに接続される互いに独立した複数の冷媒流路を有し該冷媒流路を流れる冷媒の熱を放熱する熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記複数の冷媒循環路ごとに冷媒を貯留するタンクを備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
4. 前記複数の冷媒循環路それぞれに配備され各冷媒循環路に冷媒を循環させる、各冷媒循環路ごとに特性が異なる複数のポンプを備えたことを特徴とする請求項１から３までのうちのいずれか１項記載の冷却装置。
5. 前記複数の冷媒循環路に、これら複数の冷媒循環路に共通の受熱器と、これら複数の冷媒循環路に共通又は個別に配備された熱交換器およびタンクと、これら複数の冷媒循環路に個別に配備されたポンプとが、該冷媒循環路を流れる冷媒が、ポンプ、受熱器、熱交換器、タンクの順に循環するように配備されていることを特徴とする請求項１から４までのうちのいずれか１項記載の冷却装置。
6. 発熱体の熱を受熱して冷媒に伝熱する受熱器であって、互いに独立した複数の冷媒流路を有することを特徴とする受熱器。
7. 冷媒の熱を放熱する熱交換器であって、
   互いに独立した複数の冷媒流路を有することを特徴とする熱交換器。
8. 冷媒循環路の途中に配備された該冷媒循環路を流れる冷媒を貯留するタンクであって、
   複数の冷媒循環路の途中に該複数の冷媒循環路に共通に配備され該複数の冷媒循環路ごとに冷媒を貯蔵することを特徴とするタンク。

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