JP2010206098A

JP2010206098A - 冷却装置

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Publication number: JP2010206098A
Application number: JP2009052372A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Takahashi; 武志高橋
Original assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Current assignee: Furukawa Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-05
Filing date: 2009-03-05
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2029-03-05
Also published as: JP5193099B2

Abstract

【課題】小型化された密閉筐体内の放熱、冷却を効率的に行うことができる、コンパクトで熱効率に優れた熱交換器を備えた冷却装置を提供する。
【解決手段】発熱素子を内部に備えた密閉された筐体の内部の熱を外部に放散するための冷却装置であって、筐体の外側に全体が配置された、筐体内の空気が循環する内気側空間部および内気側空間部に水平方向に隣接して設けられた、外気が循環する外気側空間部と、内気側空間部と外気側空間部を気密に仕切る仕切板と、仕切板を貫通して、内気側空間部から外気側空間部にわたって配置される少なくとも１本のヒートパイプと、ヒートパイプに熱的に接続される複数の放熱フィンと、内気側空間部の空気を循環する第１のファンと、外気側空間部の空気を循環する第２のファンとを備えていることを特徴とする冷却装置。
【選択図】図１

Description

この発明は、通信器材等の密閉筐体を冷却する冷却装置、特に小型化された密閉筐体の熱を効率的に放熱する熱交換器に関する。

従来、冷媒（流体Ａ）と水（流体Ｂ）との間で熱交換する熱交換器、筐体内の昇温した空気と、筐体外の外気との間で熱交換する熱交換器等が広く用いられている。筐体内の昇温した空気と、筐体外の外気との間で熱交換する熱交換器の例として、特許文献１に密閉筐体の放熱機構が開示されている。図４は、特許文献１に開示された密閉筐体の放熱機構を説明する図である。図４に示すように、密閉筐体１０２内に、ＬＳＩ、ＩＣ等が実装された電子機器１０１が配置されている。放熱フィン１０４を備えたヒートパイプ１０３が筐体１０２の内部および外部にわたって配置されている。

即ち、概ねＵ字形に曲げられた棒状のヒートパイプ１０３の一方の側が、蒸発器として機能して筐体内に配置され、他方の側が、凝縮器として機能して筐体外に配置されている。誘導板１０８が密閉筐体１０２内のヒートパイプ１０３の蒸発器下部に斜めに取り付けられている。この放熱機構１００によると、電子機器１０１のＬＳＩ、ＩＣ等が動作することにより、密閉筐体１０２内部のＬＳＩ、ＩＣのジャンクション温度および筐体内部の空気温度が上昇する。その結果、浮力によって上昇空気が発生する。上昇空気は誘導板１０８により、ヒートパイプ１０３と放熱フィン１０４によって構成される自然空冷方式ヒートパイプ熱交換器の蒸発器サイドおよび上部に誘導される。

次に、上昇空気は、ヒートパイプ１０３の蒸発器と放熱フィン１０４に接触して、熱交換される。その結果、熱交換された空気は密度が高く重くなり下降空気となり誘導板１０８により、下方に誘導される。このようにして下降した冷却空気によって電子機器が冷却され、熱交換によって昇温した空気が上述したように上昇空気となってヒートパイプ１０３および放熱フィン１０４に向かって進む。この繰り返しによって、密閉された筐体内の冷却が行われる。

筐体内の昇温した空気と、筐体外の外気との間で熱交換する熱交換器の他の例として、特許文献２に密閉筐体内冷却装置が開示されている。図５は、文献２に開示された密閉筐体内冷却装置を説明する図である。図５に示すように、密閉筐体内冷却装置２００は、内部に携帯電話の無線中継装置が収納された密閉筐体２０１と、筐体内に設けられて筐体内の空気と筐体外の空気とを熱交換させる熱交換装置２０２と、筐体上に配置された太陽光発電パネル２０３と、太陽光発電パネルで得られた電力を利用して筐体内を冷却する冷却手段２０４とを備えている。

筐体２０１内が所定以上の温度になると、筐体内空気送風機２０７および筐体外空気送風機２０８が駆動される。筐体２０１内の高温空気は、フード２１６に導かれて筐体内空気入口２０９からケーシング２０５内に入り、熱交換器２０６の筐体内空気通路２１７を通過して筐体内空気出口２１０から筐体内に戻される。一方、筐体外の低温空気は、開口２１２および筐体外空気入口２１３からケーシング２０５内に入り、熱交換器２０６の筐体外空気通路２１８を通過して筐体外空気出口２１５および開口２１４から筐体外に排出される。このようにして、熱交換器２０６において筐体内空気と筐体外空気とが熱交換をし、筐体内空気が冷却される。このとき、筐体内空気は筐体内空気通路２１７を下向きに流れ、筐体外空気は筐体外空気通路２１８を上向きに流れるので両者は対向流となり、熱交換効率が向上する。

これと同時に、太陽光発電パネル２０３により得られた電力を用いてポンプ２３１および送風機２３４も駆動され、冷却流体が冷却流体循環管２３０内で循環されるとともに、放熱フィン２３３に風が送られる。筐体内空気は、ケーシング２０５内に入る前に、冷却流体循環管２３０の受熱部２３０ａの受熱フィン２３２間を通過し、冷却流体循環管２３０を流れる冷却流体に熱を奪われて冷却される。従って、筐体内空気は、熱交換装置２０２で冷却される前に、冷却手段２０４によって冷却されることになり、筐体内空気の冷却効率が向上する。筐体内空気から熱を奪った冷却流体は、放熱部２３０ｂに至り、送風機２３４により放熱フィン２３３に送られている風に放熱する。このようにして、筐体内の冷却が行われる。

特開２００１−２４４６８３号公報特開２００５−２１００８８号公報

上述したような熱交換器によると、密閉された筐体内の熱を効率的に筐体外に移動して、筐体内の冷却を行うことが可能である。しかし、特許文献１に開示された密閉筐体の放熱機構および特許文献２に開示された密閉筐体内冷却装置は、何れも筐体内に冷却装置の主要な一部が配置されている。密閉筐体が十分に大きい場合には、放熱、冷却装置の主要な部分を筐体内に配置して、筐体内の冷却を行うことができる。

しかし、一方で、通信機器や表示盤などの発熱を伴う密閉筐体の小型化が強く要求され、進められている。従って、小型化された密閉筐体内には使用可能なスペースに限りがあり、放熱、冷却装置の筐体内への配置が制限されてきている。このように、密閉筐体の小型化に伴い、密閉筐体内に放熱冷却装置の主要な部分を配置して、密閉筐体内の熱を効率的に筐体外に移動することができないという問題点がある。

従って、この発明の目的は、小型化された密閉筐体内の放熱、冷却を効率的に行うことができる、コンパクトで熱効率に優れた熱交換器を備えた冷却装置を提供することにある。

本発明者は、上述した従来の問題点を解決すべく鋭意研究を重ねた。その結果、以下のことが判明した。
即ち、従来のようにヒートパイプを縦方向に配置して、密閉筐体内部に主要な部分を突出して配置するのではなく、ヒートパイプの全体を密閉筐体の外部に配置し、密閉筐体内から取り入れた昇温した内気をヒートパイプの一方の端部に接続させて熱をヒートパイプに移動し、ヒートパイプの一方の端部から他方の端部に移動し、仕切板で気密に仕切られた他方の端部において外気に接続させて冷却する。このようにヒートパイプの作動液の液相、気相による相変化によって、密閉筐体外に全体を配置して、コンパクトで熱効率に優れた熱交換器を備えた冷却装置を得ることができることが判明した。

更に、内気が循環する空間部と外気が循環する空間部を気密に仕切る仕切板を斜めに配置し、ヒートパイプの内気側の端部が下方に位置するように、傾斜して配置することによって、他方の端部において凝縮した作動液が内気側の端部へ移動しやすく、より熱効率を高めることができることが判明した。

この発明は、上記研究結果に基づいてなされたものであって、この発明の冷却装置の第１の態様は、発熱素子を内部に備えた筐体の内部の熱を外部に放散するための冷却装置であって、前記筐体の外壁に配置された、前記筐体内の空気が循環する内気側空間部および前記内気側空間部に水平方向に隣接して設けられた、外気が循環する外気側空間部と、前記内気側空間部と前記外気側空間部を気密に仕切る仕切板と、前記仕切板を貫通して、前記内気側空間部から前記外気側空間部にわたって配置される少なくとも１本のヒートパイプと、前記ヒートパイプに熱的に接続される複数の放熱フィンと、前記内気側空間部の空気を循環する第１のファンと、前記外気側空間部の空気を循環する第２のファンとを備えていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第２の態様は、前記ヒートパイプが前記筐体の前記外壁に対して水平または、内気側空間部側を下にして傾斜して設けられていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第３の態様は、前記内気側空間部は、前記筐体内部から内気を取り出す内気吸入口と前記筐体内部に戻す内気戻し口とを備え、前記第１のファンは、内気の循環に対して、前記放熱フィンよりも前記内気吸入口側に配置されていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第４の態様は、前記第１のファンが、前記ヒートパイプの長軸方向と平行に放熱フィンに面して配置されていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第５の態様は、前記外気側空間部は、外気吸入口および外気排出口を備え、前記第２のファンが前記外気吸入口に配置されていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第６の態様は、前記外気排出口は、前記外気側空間部の上部以外の面に形成されていることを特徴とする冷却装置である。

この発明の冷却装置の第７の態様は、前記内気側空間部は、液戻り防止構造を有したことを特徴とする冷却装置である。

この発明によると、ヒートパイプを縦方向に配置して、密閉筐体内部に主要な部分を突出して配置するのではなく、ヒートパイプの全体を密閉筐体の外部に配置し、密閉筐体内から取り入れた昇温した内気をヒートパイプの一方の端部に接続させて熱をヒートパイプに移動し、ヒートパイプの一方の端部から他方の端部に移動し、仕切板で気密に仕切られた他方の端部において外気に接続させて冷却する。このようにヒートパイプの作動液の液相、気相による相変化によって、密閉筐体外に配置して、コンパクトで熱効率に優れた熱交換器を備えた冷却装置を得ることができる。

更に、内気側空間部において生じた液状物が筐体内に戻るのを防止する防止装置を備えているので、内気側空間部に、内気の冷却によって液化した液状物が筐体内に戻ることを防止して、筐体内の汚染、および、精密機器部分の作動に及ぼす影響を除去することができる。

図１は、図１は、この発明の冷却装置の１つの態様を説明する概略断面図である。図２は、図１を参照して説明した冷却装置の斜視図である。図３は、この発明の冷却装置の他の１つの態様を説明する概略断面図である。図４は、特許文献１に開示された密閉筐体の放熱機構を説明する図である。図５は、文献２に開示された密閉筐体内冷却装置を説明する図である。

この発明の冷却装置の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
この発明の冷却装置の１つの態様は、発熱素子を内部に備えた筐体の内部の熱を外部に放散するための冷却装置であって、前記筐体の外壁に配置された、前記筐体内の空気が循環する内気側空間部および前記内気側空間部に水平方向に隣接して設けられた、外気が循環する外気側空間部と、前記内気側空間部と前記外気側空間部を気密に仕切る仕切板と、前記仕切板を貫通して、前記内気側空間部から前記外気側空間部にわたって配置される少なくとも１本のヒートパイプと、前記ヒートパイプに熱的に接続される複数の放熱フィンと、前記内気側空間部の空気を循環する第１のファンと、前記外気側空間部の空気を循環する第２のファンとを備えていることを特徴とする冷却装置である。

図１は、この発明の冷却装置の１つの態様を説明する概略断面図である。本発明の冷却装置は、通信器材等が内蔵された筐体の例えば天井側に配置される冷却装置１である。即ちこの態様の冷却装置１は、筐体の外側即ち外壁に全体が配置されて、発熱素子を内部に備えた密閉された筐体の内部の熱を外部に放散する。

図１に示すように、冷却装置１は、筐体内の空気が循環する内気側空間部２と、内気側空間部２に水平方向に隣接して設けられた、外気が循環する外気側空間部３とを備えている。上述した内気側空間部２と外気側空間部３とを気密に仕切る仕切板４を更に備えている。即ち、内気側空間部２と外気側空間部３とが仕切板によって仕切られ、それぞれ別々に内気、外気が循環し、内気および外気が混合することはない。

仕切板を貫通して、内気側空間部２から外気側空間部３にわたって少なくとも１本のヒートパイプ５が配置されている。図１に示す態様では、ヒートパイプの上側に位置する端部が外気側空間部内に位置し、下側に位置する端部が内気側空間部内に位置している。このように、冷却装置１は、仕切板によってそれぞれ気密に分離された状態で、ヒートパイプ５によって内気側空間部２と外気側空間部３との間を熱が移動する機能を備えている。内気側空間部２および外気側空間部３に位置するヒートパイプ５の部分には、それぞれ複数の薄板状の放熱フィン６が熱的に接続されて取り付けられている。

内気側空間部２には、内気を吸入する内気吸入口１０および吸入された内気を、筐体内に戻す内気戻し口１１が備えられており、外気側空間部３には、外気を吸入する外気吸入口１２および吸入された外気を、外気側に戻す外気排出口９が備えられている。

上述した内気側空間部２において、内気を吸入し、筐体内に内気を戻すために、内気側空間部２内に第１のファン８が取り付けられている。この発明の冷却装置１の１つの態様においては、図１に示すように、ヒートパイプ５に熱的に接続され、並列に配置された複数の放熱フィン６の側方から放熱フィン６間を通って内気が流れるように第１のファン８が取り付けられている。内気側空間部２内に配置される内気吸入口１０および内気戻し口１１は、第１のファン８によって、内気が内気吸入口１０から第１のファン８を通り、放熱フィン６間を通って内気戻し口１１を通って密閉された筐体内に流れる循環経路を形成するような位置にそれぞれ配置される。

同様に、上述した外気側空間部３において、外気を吸入し、外気側に戻すために外気側空間部３内に第２のファン７が取り付けられている。この発明の冷却装置１の１つの態様においては、図１に示すように、冷却装置１の長手方向の一方の端部に第２のファン７が取り付けられている。

外気側空間部３においては、外気排出口９が、ヒートパイプ５に熱的に接続された放熱フィン６の上方側面側に設けられている。即ち、第２のファン７によって、外気吸入口１２から外気側空間部３に取り入れられた外気が、ヒートパイプ５に熱的に接続され、並列に配置された複数の放熱フィン６間を通って、外気排出口９から外気側に戻るように、外気の循環経路が形成される。

上述したように、発熱素子が内蔵され密閉された筐体内において発熱素子の熱で昇温した内気を、内気吸入口１０から内気側空間部２に取り込み、第１のファン８によって、昇温した内気がヒートパイプ５に熱的に接続され並列に配置された放熱フィン６に吹き付けられる。この際、昇温した内気の熱が放熱フィン６を介してヒートパイプ５の吸熱部に移動して、ヒートパイプ５に内蔵された作動液が蒸発する。蒸発した作動液は、ヒートパイプ５内を、外気側空間部３に位置する放熱部に移動する。

外気側空間部３においては、外気吸入口１２から外気側空間部３に取り入れられた冷たい外気が、第２のファン７によって、ヒートパイプ５に熱的に接続され並列に配置された放熱フィン６に吹き付けられる。上述したように、ヒートパイプ５に内蔵された作動液が内気側空間部２に位置する吸熱部において蒸発し、蒸発した作動液は、ヒートパイプ５内を、外気側空間部３に位置する放熱部に移動する。

このように外気側空間部３に位置する放熱部に冷たい外気が吹き付けられて、ヒートパイプ５内を移動してきた蒸発した作動液が凝縮する。その際、熱を放熱フィン６との間において交換して、外気側空間部３内の空気の温度が上昇する。

ヒートパイプ５内の作動液は液状に戻り、重力によって、内気側空間部２に位置する吸熱部に戻り、上述したような蒸発・凝縮を繰り返し、大量の熱を内気側空間部２から外気側空間部３に移動する。

図２は、図１を参照して説明した冷却装置の斜視図である。説明を容易にするために、冷却装置の上面に位置する上板を取り除いた状態で示している。図２に示すように、冷却装置１の側面１３には、上述した外気排出口９が設けられている。図２においては、上板が取り除かれているが、作動状態においては上板によって上側面が塞がれて、冷却装置１の側面１３に向かって熱交換によって温度が上昇した外気が排出される。

更に、内気側空間部２には、図１を参照して説明したように、ヒートパイプ５に熱的に接続され、並列に配置された複数の放熱フィン６の側方から放熱フィン６間を通って内気が流れるように第１のファン８が取り付けられている。その一部が図２に示されている。外気側空間部３には、外気側空間部３に位置する端部が上に位置し、斜めに配置された複数のヒートパイプ６およびヒートパイプ６に熱的に接続された放熱フィン５が並列配置されている。

図３は、この発明の冷却装置の他の１つの態様を説明する概略断面図である。この態様においては、仕切板４によって気密に分離された内気側空間部２および外気側空間部３を貫通して設けられたヒートパイプ５が水平に近い傾斜で配置されている。この態様においても、図１を参照して説明したように、内気側空間部２には、内気を吸入する内気吸入口１０および吸入された内気を、筐体内に戻す内気戻し口１１が備えられており、外気側空間部３には、外気を吸入する外気吸入口１２および吸入された外気を、外気側に戻す外気排出口９が備えられている。

この態様においては、配置されるヒートパイプ５が水平、または水平に近い傾斜であるので、冷却装置１の高さが制限された状態での配置に適している。なお、水平、または水平に近い傾斜でヒートパイプ５が配置されているので、放熱部から吸熱部への作動液の戻りを容易にするために、ヒートパイプ５の内部にグルーブ等を設けたり、ウイックを設けて、毛細管力を強化して、重力による作動液の移動を毛細管力で補い、所謂、作動液のドライアウトを防止する処置が必要である。

上述した態様においては、外気側空間部３における外気排出口９は冷却装置１の両側に設けられているが、一方の側面にだけ設けられてもよい。
なお、発熱素子が内蔵され密閉された筐体の中で、発熱素子の熱によって温度が上昇した内気が内気側空間部２に取り込まれて、ヒートパイプ５によって熱が外気側空間部３に移動される際に、内気側空間部２に、内気の冷却によって液化した液状物が生じることがある。このような液状物には、油類が含まれていることがあり、そのまま筐体内に戻されると、筐体内を汚染したり、精密機器部分の作動に影響を及ぼすことがある。冷却装置１は、このように内気側空間部２において生じた液状物が筐体内に戻るのを防止する液戻り防止構造を備えていてもよい。

防止構造として、例えば、図１に示すように、内気戻し口１１が、放熱フィンの直下を避けて外気側空間部に張り出した部分に設けられている。これと連携して、図１に示す斜めに配置された仕切板は、下部に段差を設けて外気側空間部側に突き出た形状にして、内気戻し口を放熱フィンの直下を避けた配置にしている。このように配置によって液状物が直接筐体内に戻るのを防止する防止装置がある。

更に、上述した防止構造が、内気戻し口の周囲を囲むように設けられた所定の高さの堰からなっていてもよい。このように所定の高さの堰を設けることによって、液状物の筐体内への戻りを確実に防止することができる。更に、上述した防止装置が、放熱フィン６の直下に設けられた（図示しない）ドレインパンからなっており、ドレインパンには（図示しない）ドレン抜き機構が備えられていてもよい。この態様では、ドレインパンによって液状物を積極的に回収し、ドレン抜き機構によって内気側空間部から外部に排出することができる。

仕切板４の気密性を向上させるために、仕切板４としてシリコン・エポキシ樹脂などを充填した板を使用してもよい。なお、図１から３を参照して説明したこの発明の冷却装置１においては、筐体の天井側に全体が配置されているが、筐体の側方に全体を配置してもよい。

その際、筐体に、内気側空間部２が接続され、内気側空間部２と水平に外気側空間部３が配置される。この態様の冷却装置においても、内気取り入れ口１０から昇温した内気を取り込みヒートパイプ５によって熱移動して冷却された空気を筐体の中に戻して、筐体内を冷却する。

上述したように、この発明によると、小型化された密閉筐体内の放熱、冷却を効率的に行うことができる、コンパクトで熱効率に優れた熱交換器を備えた冷却装置を提供するができる。

１冷却装置
２内気側空間部
３外気側空間部
４仕切板
５ヒートパイプ
６放熱フィン
７第２のファン
８第１のファン
９外気排気口
１０内気吸入口
１１内気戻し口
１２外気吸入口
１３冷却装置の側面
１００従来の放熱機構
１０１電子機器
１０２密閉筐体
１０３ヒートパイプ
１０４放熱フィン
１０８誘導板
２００従来の密閉筐体内冷却装置
２０１密閉筐体
２０２熱交換装置
２０３太陽光発電パネル
２０４冷却手段

Claims

発熱素子を内部に備えた筐体の内部の熱を外部に放散するための冷却装置であって、
前記筐体の外壁に配置された、前記筐体内の空気が循環する内気側空間部、および前記内気側空間部に水平方向に隣接して設けられた、外気が循環する外気側空間部と、
前記内気側空間部と前記外気側空間部を気密に仕切る仕切板と、
前記仕切板を貫通して、前記内気側空間部から前記外気側空間部にわたって配置される少なくとも１本のヒートパイプと、
前記ヒートパイプに熱的に接続される複数の放熱フィンと、
前記内気側空間部の空気を循環する第１のファンと、
前記外気側空間部の空気を循環する第２のファンとを備えていることを特徴とする冷却装置。
前記ヒートパイプが前記筐体の前記外壁に対して水平または、内気側空間部側を下にして傾斜して設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
前記内気側空間部は、前記筐体内部から内気を取り出す内気吸入口と、前記筐体内部に戻す内気戻し口とを備え、前記第１のファンは、内気の循環に対して、前記放熱フィンよりも前記内気吸入口側に配置されてい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。
前記第１のファンが、前記ヒートパイプの長軸方向と垂直に形成された複数の放熱フィン間に内気を流すように配置されていることを特徴とする、請求項３に記載の冷却装置。
前記外気側空間部は、外気吸入口および外気排出口を備え、前記第２のファンが前記外気吸入口に配置されていることを特徴とする、請求項１から４の何れか１項に記載の冷却装置。
前記外気排出口は、前記外気側空間部の上部以外の面に形成されていることを特徴とする請求項１から５の何れか1項に記載の冷却装置。
前記内気側空間部は、内気の冷却によって生じる液状物が前記筐体内に戻ることを防止する液戻り防止構造を有していることを特徴とする、請求項１から６の何れか１項に記載の冷却装置。