JP2016156604A - 冷却装置およびこれを搭載した電子機器 - Google Patents

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Shinitsu Iku
辰乙 郁
村山 拓也
Takuya Murayama
拓也 村山
杉山 誠
Makoto Sugiyama
誠 杉山
若菜 野上
Wakana Nogami
若菜 野上
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Abstract

【課題】本発明は、容易にメンテナンス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】発熱体2を設置する受熱部3と、放熱経路5、放熱部4、帰還経路6、を順に連結して冷媒の循環経路を形成し、放熱部4は、受熱部より上方に配置され、放熱経路5は、放熱部側放熱経路9と、受熱部側放熱経路10と、放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10との間に放熱経路着脱部13と、放熱経路着脱部13近傍の受熱部側放熱経路10に放熱経路開閉弁15とを備え、帰還経路6は、放熱部側帰還経路11と、受熱部側帰還経路12と、放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12との間に帰還経路着脱部14と、帰還経路着脱部14近傍の受熱部側帰還経路12に帰還経路開閉弁16とを備えたことを特徴とする冷却装置とした。
【選択図】図1

Description

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装置およびこれを搭載した電子機器に関するものである。
従来、この種の冷却装置は、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。
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12を参照しながら説明する。
図12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。
ここで、加熱部113に接触させた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。
特開昭61−038396号公報
上記従来例における課題は、冷却装置のメンテナンスが煩雑になることであった。
すなわち、上記従来例の冷却装置において、冷却の対象は受熱部113に接触させた電子部品であり、例えば算処理装置(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、それらの電子部品には頻繁に不具合が生じうる。
そして、電子部品に不具合が生じた場合、不具合が生じた電子部品を交換することとなる。電子部品と冷却装置とは、熱を受け渡しするために密着して接触させて配置されているため、電子部品を交換する際には、電子部品とともに冷却装置も一旦取り外すこととなる。
その際に、冷却用液体管路111が冷却器105の内部に突入しているため、冷却器105の内部から冷却用液体管路111を取り出して、ループ回路103を取り外す必要がある。また、ループ回路103内には、熱媒体112が封入されているが、ループ回路103の密閉状態を開放する際に、熱媒体112が蒸発したりループ回路103から溢れ出ることにより、熱媒体112の一部または全部が消失することがある。従って、電子部品を交換した後に、冷却器105の内部に冷却用液体管路111を配置し、さらに、蒸発したり溢れ出て消失した熱媒体112を補充することが必要となる。このように、冷却装置のメンテナンスが煩雑になるという課題があった。
そこで本発明は、容易にメンテナンス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。
そして、この目的を達成するために、本発明は、冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記放熱部は、前記受熱部より上方に配置され、前記放熱経路は、放熱部側放熱経路と、受熱部側放熱経路と、前記放熱部側放熱経路と前記受熱部側放熱経路との間に放熱経路着脱部と、前記放熱経路着脱部近傍の前記受熱部側放熱経路に放熱経路開閉弁とを備え、前記帰還経路は、放熱部側帰還経路と、受熱部側帰還経路と、前記放熱部側帰還経路と前記受熱部側帰還経路との間に帰還経路着脱部と、前記帰還経路着脱部近傍の前記受熱部側帰還経路に帰還経路開閉弁とを備えたことを特徴とする冷却装置であり、これにより所期の目的を達成するものである。
以上のように本発明は、冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、
前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記放熱部は、前記受熱部より上方に配置され、前記放熱経路は、放熱部側放熱経路と、受熱部側放熱経路と、前記放熱部側放熱経路と前記受熱部側放熱経路との間に放熱経路着脱部と、前記放熱経路着脱部近傍の前記受熱部側放熱経路に放熱経路開閉弁とを備え、前記帰還経路は、放熱部側帰還経路と、受熱部側帰還経路と、前記放熱部側帰還経路と前記受熱部側帰還経路との間に帰還経路着脱部と、前記帰還経路着脱部近傍の前記受熱部側帰還経路に帰還経路開閉弁とを備えたことを特徴とする冷却装置であり、容易にメンテナンスすることができる冷却装置を提供することができるものである。
すなわち、前記放熱経路は、放熱部側放熱経路と、受熱部側放熱経路と、前記放熱部側放熱経路と前記受熱部側放熱経路との間に放熱経路着脱部とを備え、前記帰還経路は、放熱部側帰還経路と、受熱部側帰還経路と、前記放熱部側帰還経路と前記受熱部側帰還経路との間に帰還経路着脱部とを備えているので、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、放熱経路を放熱経路着脱部により放熱部側放熱経路と受熱部側放熱経路に分離し、帰還経路を帰還経路着脱部により放熱部側帰還経路と受熱部側帰還経路に分離することによって、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離することができる。
さらに、前記放熱経路着脱部近傍の前記受熱部側放熱経路に放熱経路開閉弁、前記帰還経路着脱部近傍の前記受熱部側帰還経路に帰還経路開閉弁を備えているので、放熱経路着脱部と帰還経路着脱部を分離する際に、放熱経路開閉弁と帰還経路開閉弁を閉じることにより、受熱部、受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路に存在する冷媒を封じ込めて、放熱経路着脱部および帰還経路着脱部から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。その結果、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離する際に、放熱経路着脱部および帰還経路着脱部から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
さらに、メンテナンスを終えた電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに再度、冷却装置に装着する際においては、放熱経路着脱部により放熱部側放熱経路と受熱部側放熱経路を接続し、帰還経路着脱部により放熱部側帰還経路と受熱部側帰還経路を接続することによって、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置に装着することができる。
このように、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離し、その後、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部3を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置に装着することができる。結果として、冷却装置を容易にメンテナンスすることができるのである。
本発明の実施の形態1の冷却装置を搭載した電子機器の概略図 (a)同発明の放熱経路着脱部の装着状態を示す断面外略図、(b)同発明の放熱経路着脱部の分離状態を示す断面概略図 (a)同発明の帰還経路着脱部の装着状態を示す断面外略図、(b)同発明の帰還経路着脱部の分離状態を示す断面概略図 (a)同発明の放熱経路開閉弁の開状態を示す断面概略図、(b)同発明の放熱経路開閉弁の閉状態を示す断面概略図 (a)同発明の帰還経路開閉弁の開状態を示す断面概略図、(b)同発明の帰還経路開閉弁の閉状態を示す断面概略図 (a)同発明の冷却装置の停止から分離時のメンテナンス操作フロー図、(b)同発明の冷却装置の装着から運転準備時のメンテナンス操作フロー図、(c)同発明の冷却装置の運転開始から通常運転時のメンテナンス操作フロー図 (a)同発明の放熱経路着脱部および帰還経路着脱部の別の構成を示す断面概略図、(b)同発明の放熱経路着脱部および帰還経路着脱部の別の構成を示す断面概略図 本発明の実施の形態2の冷却装置を搭載した電子機器の概略図 本発明の実施の形態3の冷却装置を搭載した電子機器の概略図 (a)同冷却装置の冷媒タンクを示す正面図、(b)同冷却装置の冷媒タンクを示す斜視図 (a)同冷却装置の他の冷媒タンクを示す斜視図、(b)同冷却装置のさらに他の冷媒タンクを示す図、(c)同冷却装置のまたさらに他の冷媒タンクを示す図 従来の冷却装置を示す概略図
本発明の一実施形態に係る冷却装置は、冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、前記放熱部は、前記受熱部より上方に配置され、前記放熱経路は、放熱部側放熱経路と、受熱部側放熱経路と、前記放熱部側放熱経路と前記受熱部側放熱経路との間に放熱経路着脱部と、前記放熱経路着脱部近傍の前記受熱部側放熱経路に放熱経路開閉弁とを備え、前記帰還経路は、放熱部側帰還経路と、受熱部側帰還経路と、前記放熱部側帰還経路と前記受熱部側帰還経路との間に帰還経路着脱部と、前記帰還経路着脱部近傍の前記受熱部側帰還経路に帰還経路開閉弁とを備えた構成とすることにより、容易にメンテナンスすることができる冷却装置を提供することができるものである。
すなわち、前記放熱経路は、放熱部側放熱経路と、受熱部側放熱経路と、前記放熱部側放熱経路と前記受熱部側放熱経路との間に放熱経路着脱部とを備え、前記帰還経路は、放熱部側帰還経路と、受熱部側帰還経路と、前記放熱部側帰還経路と前記受熱部側帰還経路との間に帰還経路着脱部とを備えているので、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、放熱経路を放熱経路着脱部により放熱部側放熱経路と受熱部側放熱経路に分離し、帰還経路を帰還経路着脱部により放熱部側帰還経路と受熱部側帰還経路に分離することによって、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離することができる。
さらに、前記放熱経路着脱部近傍の前記受熱部側放熱経路に放熱経路開閉弁、前記帰還経路着脱部近傍の前記受熱部側帰還経路に帰還経路開閉弁を備えているので、放熱経路着脱部と帰還経路着脱部を分離する際に、放熱経路開閉弁と帰還経路開閉弁を閉じることにより、受熱部、受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路に存在する冷媒を封じ込めて、放熱経路着脱部および帰還経路着脱部から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
その結果、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離する際に、放熱経路着脱部および帰還経路着脱部から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
さらに、メンテナンスを終えた電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに再度、冷却装置に装着する際においては、放熱経路着脱部により放熱部側放熱経路と受熱部側放熱経路を接続し、帰還経路着脱部により放熱部側帰還経路と受熱部側帰還経路を接続することによって、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置に装着することができる。
このように、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離し、その後、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置に装着することができる。結果として、冷却装置を容易にメンテナンスすることができるのである。
また、開放口を備えた、循環経路の内部圧力を減圧する内部圧力調整弁を前記放熱部側放熱経路または前記放熱部側帰還経路の少なくとも一方に設け、前記開放口の開口面は、鉛直方向より上向きである構成にしてもよい。
これにより、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、放熱経路を放熱経路着脱部により放熱部側放熱経路と受熱部側放熱経路に分離し、帰還経路を帰還経路着脱部により放熱部側帰還経路と受熱部側帰還経路に分離する際に、内部圧力調整弁を開くことで、減圧状態の循環経路内に大気が流入し、放熱部、放熱部側放熱経路、および放熱部側帰還経路に存在する冷媒が、下方に配置された受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路および受熱部に滴下しやすくなる。
そして、放熱経路開閉弁と帰還経路開閉弁を閉じることにより、滴下した冷媒も含め、受熱部、受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路に存在する冷媒を封じ込めて、放熱経路着脱部および帰還経路着脱部から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
さらに、内部圧力調整弁の開放口の開口面が鉛直方向より上向きであるため、内部圧力調整弁を開いた際に、冷媒が開放口から漏れるのも防ぐことができる。
その結果、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離する際に、内部圧力調整弁の開放口、放熱経路着脱部および帰還経路着脱部から冷媒が漏れるのを防ぎ、結果として、冷却装置を容易にメンテナンスすることができるのである。
さらに、メンテナンスを終えた電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに再度、冷却装置に装着する際においては、放熱経路着脱部と帰還経路着脱部により放熱経路および帰還経路を接続した後、放熱経路開閉弁と帰還経路開閉弁は閉じた状態で、内部圧力調整弁を開き、真空ポンプを内部圧力調整弁に接続して、放熱部側放熱経路、放熱部側帰還経路および放熱部の内部圧力を十分に減圧する。
受熱部を分離する際に、内部圧力調整弁を開いたため、放熱部側放熱経路、放熱部側帰還経路および放熱部の内部が大気圧状態となったためである。
一方、受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路および受熱部は、放熱経路開閉弁および帰還経路開閉弁を閉じることにより、内部圧力は減圧された状態を維持しているので、放熱部側放熱経路、放熱部側帰還経路および放熱部の内部圧力を減圧した後に、内部圧力調整弁を閉じ、循環経路内の減圧状態を確保した後で、放熱経路開閉弁および帰還経路開閉弁を開き、冷媒の循環経路を確保する。
また、放熱経路開閉弁より受熱部側の受熱部側放熱経路および帰還経路開閉弁より受熱部側の受熱部側帰還経路の少なくともどちらかの経路に冷媒タンクを設けたことにより、冷却装置に封入される冷媒の量が多くなっても、封入した冷媒の液面高さが帰還経路開閉弁および放熱経路開閉弁よりも下方にできる。
このように、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置から分離し、その後、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部を受熱部側放熱経路、受熱部側帰還経路とともに冷却装置に装着することができる。結果として、冷却装置を容易にメンテナンスすることができるのである。
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の形態1の冷却装置を搭載した電子機器の概略図である。
図1に示すように、電子機器50は、ケース51内に発熱体2となる電力用半導体素子と冷却装置1とが備えられている。
冷却装置1は、発熱体2を冷却するための受熱部3と、放熱部4を備えており、放熱経路5と帰還経路6とにより受熱部3と放熱部4が連結されている。この構成により、冷却装置1は内部が密閉空間となり、図1では図示していないが、冷却装置1内は、減圧した上で、冷媒が封入されている。冷媒としては、純水、エタノール、フロン類、フッ素系溶剤類などが用いられるが、これらに限られない。受熱部3および放熱部4の材質は、冷媒が、純水、エタノールの場合は、銅が適しており、冷媒が、フロン類、フッ素系溶剤類の場合は、アルミニウムが適しているが、これらに限られない。
帰還経路6には、冷媒の逆流を防止する逆流防止部8を備えている。
また、冷却装置1は、放熱部4に冷媒により輸送した熱を冷却するための冷却ファン7を備えている。本実施の形態では、空冷式の冷却ファン7としたが、冷却可能であれば、水冷式、その他の方式であってもよい。
次に、上記構成における冷却装置1の基本的な仕組みについて説明する。
冷却装置1は、内部を減圧した後に冷媒を封入したものであり、冷却装置1内は、冷媒の作用により外部温度に応じた冷媒の飽和圧力となる。発熱体2の熱は受熱部3を介して冷媒に伝わり、冷媒が液相から気相へと変化することで、発熱体2が冷却される。受熱部3内にて気化した冷媒は、未沸騰の液相の冷媒との気液二相の混相流となって、受熱部3から放熱経路5を通り放熱部4へと移動し、冷却ファン7により冷やされ再び液化し液相の冷媒となり帰還経路6および逆流防止部8を経て受熱部3に戻る。
逆流防止部8は、帰還経路6中に設けられたものであって、放熱経路5よりも冷媒の流通抵抗を増大させたものであるため、受熱部3内にて気化した冷媒が帰還経路6へ逆流することを防止する。よって、受熱部3内にて冷媒が気化し、気化した冷媒が放熱経路5を通過し放熱部4にて液化し、液化した冷媒が帰還経路6を通過し再び受熱部3内に供給されるサイクルが繰り返されることで、発熱体2を冷却している。
次に、本実施の形態における特徴的な構成について説明する。
放熱経路5は、放熱部4に近い側の放熱部側放熱経路9と、受熱部3に近い側の受熱部側放熱経路10とに分割されている。
放熱部4は、受熱部3より上方に配置されているので、放熱部側放熱経路9は、受熱部側放熱経路10より上方に配置される。
放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10との間には、放熱経路着脱部13を設ける。
放熱経路着脱部13により、放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10とは、接続され、また分離することができる。
帰還経路6は、放熱部4に近い側の放熱部側帰還経路11と、受熱部3に近い側の受熱部側帰還経路12に分割されている。
放熱部4は、受熱部3より上方に配置されているので、放熱部側帰還経路11は、受熱部側帰還経路12より上方に配置される。
放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12との間には、帰還経路着脱部14を設ける。
帰還経路着脱部14により、放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12とは、接続され、また分離することができる。
さらに、放熱経路着脱部13近傍の受熱部側放熱経路10には、放熱経路5を開閉する放熱経路開閉弁15を設ける。
帰還経路着脱部14近傍の受熱部側帰還経路12には、帰還経路6を開閉する帰還経路開閉弁16を設ける。
ここで図2に、放熱経路着脱部13の構成を示し、図3に帰還経路着脱部14の構成を示し、その特徴を説明する。
図2に示すように放熱経路着脱部13は、放熱経路着脱固定部13a、放熱経路着脱締結部13b、放熱経路着脱封止部13c、を備えている。放熱部側放熱経路9の先端には放熱経路着脱固定部13aが例えば溶接されて気密に接続している。受熱部側放熱経路10の先端には放熱経路着脱締結部13bの一面が例えば溶接されて気密に接続し、さらに放熱経路着脱締結部13bの他面には放熱経路着脱封止部13cを備えている。
放熱経路着脱固定部13aは、例えば円盤形状で、放熱部側放熱経路9との接続面の対面側に、放熱経路着脱締結部13bと接触し締結ネジ等で固定される構造を備え、また中央に円筒形状の凹部があり、放熱経路着脱封止部13cを嵌めることができる構造となっている。
放熱経路着脱締結部13bは、例えば円盤形状で、外周側に締結ネジを軸方向に貫通させることができる貫通孔を複数備え、締結ネジにより放熱経路着脱固定部13aに対し固定できるようになっている。
放熱経路着脱封止部13cは、例えば円筒状の凸形状であり、その外周部に放熱経路着脱部13の気密性を保つためのシール部材を備えており、シール部材とは例えば、ゴム製のOリングや、金属製のフェルールやガスケットである。
以上のような構成により、放熱経路着脱封止部13cを放熱経路着脱固定部13aに嵌めこむことで、このシール部材が放熱経路着脱固定部13aの円筒形状の凹部の内側壁に押し付けられ、高い気密性を実現し、減圧状態を維持することができるのである。
図2(a)に示すように、放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10を装着するとは、放熱経路着脱固定部13aへ放熱経路着脱封止部13cを嵌め込み、放熱経路着脱固定部13aと放熱経路着脱締結部13bを締結ネジ等で固定することである。
図2(b)に示すように、放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10を分離するとは、放熱経路着脱固定部13aと放熱経路着脱締結部13bを固定している締結ネジ等を外し、放熱経路着脱固定部13aから放熱経路着脱封止部13cを引き抜くことである。
図2に示すような構成により、放熱経路着脱部13は繰返し装着と分離を実施でき、減圧状態の維持も同時にできるのである。
図3に示すように帰還経路着脱部14は、帰還経路着脱固定部14a、帰還経路着脱締結部14b、帰還経路着脱封止部14c、を備えており、構造や操作は放熱経路着脱部13と同様である。
またここで図4に、放熱経路開閉弁15構成を示し、図5に帰還経路開閉弁16の構成を示し、その特徴を説明する。
図4に示すように、放熱経路開閉弁15は、その本体に、放熱経路開閉弁体15a、放熱経路開閉弁閉止部15b、放熱経路開閉弁座15c、を備えている。
放熱経路開閉弁体15aは例えば略円筒形状であり、放熱経路開閉弁閉止部15bに近い側にシール部材、例えばゴム製のOリングを備え、放熱経路開閉弁座15cに近い側は、先端に向けて断面が細くなるテーパ形状となっている。シール部材とテーパ形状の間の円筒側壁部はネジ構造となっており、放熱経路開閉弁体15aは軸方向に移動可能となっている。
放熱経路開閉弁閉止部15bは、例えば円盤形状の底面中央に円筒状の凸部を備え、その凸部の側壁にシール部材、例えばゴム製のOリングを備えており、その円筒状の凸部を放熱経路開閉弁15本体に対し嵌めこむ。円盤形状の外周側には、外周側に締結ネジを軸方向に貫通させることができる貫通孔を複数備え、締結ネジにより放熱経路開閉弁15本体に対し、放熱経路開閉弁閉止部15bを固定できるようになっている。このとき、放熱経路開閉弁15本体には締結ネジが嵌るネジ穴が設けられている。放熱経路開閉弁閉止部15bを放熱経路開閉弁15本体から取り外すと、放熱経路開閉弁体15aの移動操作ができる状態になり、放熱経路開閉弁閉止部15bを放熱経路開閉弁15本体に固定すると、気密性の確保と放熱経路開閉弁体15aの誤操作防止ができる。
放熱経路開閉弁座15cは、放熱経路開閉弁15本体に設けられた、例えば円筒形状の凹部であり、その内径は、放熱経路開閉弁体15aの先端テーパ部の先端最小径より大きく、テーパ部根元の最大径より小さい。これにより、放熱経路開閉弁体15aを軸方向の放熱経路開閉弁15本体の内奥側に移動操作させて、放熱経路開閉弁体15aの先端テーパ部が放熱経路開閉弁座15cに接触させることにより、放熱経路開閉弁15を閉じることができるのである。
図4(a)に示すように、放熱経路開閉弁15を開くとは、放熱経路開閉弁体15aの先端テーパ部が、放熱経路開閉弁座15cと離れており、放熱経路開閉弁15本体内で受熱部側放熱経路10の流路が繋がっている状態である。
図4(b)に示すように、放熱経路開閉弁15を閉じるとは、放熱経路開閉弁体15aの先端テーパ部が、放熱経路開閉弁座15cと接触しており、放熱経路開閉弁15本体内で受熱部側放熱経路10の流路が分断されている状態である。
図4に示すような構成により、放熱経路開閉弁15は繰返し開閉操作を実施でき、減圧状態の維持も同時にできるのである。
冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、放熱経路5を放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10に分離し、帰還経路6を帰還経路着脱部14により放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12に分離することによって、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1から分離することができる。
図5に示すように、帰還経路開閉弁16は、その本体に、帰還経路開閉弁体16a、帰還経路開閉弁閉止部16b、帰還経路開閉弁座16c、を備えている。構造や操作は放熱経路開閉弁15と同様である。
以上のような構成により、放熱経路着脱部13と帰還経路着脱部14により放熱経路5および帰還経路6を分離する際に、放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16を閉じることにより、受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12に存在する冷媒を封じ込めて、放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
その結果、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1から分離する際に、放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
さらに、メンテナンスを終えた電子部品等を設置した受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに再度、冷却装置1に装着する際においては、放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10を接続し、帰還経路着脱部14により放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12を接続することによって、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1に装着することができる。
最初に、冷却装置1の循環経路に冷媒を注入する際、下方に位置する受熱部3、受熱部側帰還経路12、受熱部側放熱経路10の順に冷媒が貯まることとなるが、冷媒の量は、受熱部側帰還経路12に設けた帰還経路開閉弁16本体内の帰還経路開閉弁体16aと帰還経路開閉弁座16cの接触位置、および受熱部側放熱経路10に設けた放熱経路開閉弁15本体内の放熱経路開閉弁体15aと放熱経路開閉弁座15cの接触位置、これよりも下方に冷媒の水面が位置する量とすることが望ましい。
これは冷媒量を、帰還経路開閉弁体16aと帰還経路開閉弁座16cの接触位置、放熱経路開閉弁体15aと放熱経路開閉弁座15cの接触位置、これよりも上方に冷媒の水面が位置する量まで注入すると、放熱経路着脱部13と帰還経路着脱部14により放熱経路5および帰還経路6を分離する際に、放熱経路開閉弁15および帰還経路開閉弁16を閉じても、冷媒を、受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12に封じ込めることができず、放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14から冷媒が漏れる恐れがあるからである。
放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14を設ける位置は、同じ高さであることが望ましいが、各々を異なる高さに設けてもよい。
放熱経路開閉弁15および帰還経路開閉弁16を設ける位置は、同じ高さであることが望ましいが、各々を異なる高さに設けてもよい。このときは、いずれかの内、低い方に合わせて冷媒量を調整する必要がある。
次に、本実施の形態における他の特徴的な構成について説明する。
図1に示すように、冷却装置1は、開放口18を備えた、循環経路の内部圧力を減圧する内部圧力調整弁17を放熱部側放熱経路9または放熱部側帰還経路11の少なくとも一方に設け、開放口18の開口面19は、鉛直方向より上向きである構成にする。
なお、本実施の形態においては、内部圧力調整弁17は放熱部側放熱経路9に設ける構成で説明する。
すなわち、開放口18の開口面19は、上向きに水平方向に開口していることが望ましいが、鉛直方向より少しでも水平方向に近い角度で上向きに開口していればよい。
これにより、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、放熱経路5を放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10に分離し、帰還経路6を帰還経路着脱部14により放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12に分離する際に、内部圧力調整弁17を開くことにより、減圧状態の循環経路内に大気が流入する。これにより、放熱部4、放熱部側放熱経路9および放熱部側帰還経路11に存在する冷媒が、下方に配置された受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12および受熱部3に滴下しやすい。
これにより、放熱経路着脱部13と帰還経路着脱部14を分離する際に、放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16を閉じることにより、受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12に存在する冷媒を封じ込めて、放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
さらに、内部圧力調整弁17の開放口18の開口面19が鉛直方向より上向きであるため、内部圧力調整弁17を開いた際に、冷媒が開放口18から漏れるのも防ぐことができる。
その結果、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1から分離する際に、内部圧力調整弁17の開放口18、放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
次に本発明の特徴である冷却装置1のメンテナンス操作について説明する。
図6は、冷却装置1のメンテナンス時の操作フロー図であり、放熱経路着脱部13、帰還経路着脱部14、放熱経路開閉弁15、帰還経路開閉弁16、内部圧力調整弁17の各状態、および操作フローを示している。
図6(a)は、冷却装置1の停止から受熱部3の分離までを示している。
冷却対象の電子部品等が故障した場合など電子部品の取り外しや交換が必要な程のメンテナンスを要する場合には、放熱経路5を放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10に分離し、帰還経路6を帰還経路着脱部14により放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12に分離し電子部品を設置した受熱部3とともに、冷却装置1から分離する。
すなわち、故障した電子部品への通電が停止されるに従い、冷却装置1内の冷媒の循環は次第に収まるので、電子部品および受熱部3が十分に設置環境温度同等まで冷えると冷却装置1が停止したとみなす。このとき、内部の冷媒の殆どは受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12に収まっている。その後、内部圧力調整弁17を開く。これにより、減圧状態の循環経路内に大気が流入し、放熱部4および放熱部側放熱経路9、放熱部側帰還経路11に残存する冷媒が、下方に配置された受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12、受熱部3へ滴下する。
次に、放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16を閉じる。これにより、受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12に存在する冷媒を封じ込めて、放熱経路着脱部13および帰還経路着脱部14から冷媒が漏れるのを防ぐことができる。
そして次に、放熱経路着脱部13を分離し、放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10を分離する。同様に、帰還経路着脱部14を分離し、放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12を分離する。
これにより受熱部3を冷却装置1から分離できる。
図6(b)は、冷却装置の装着から運転準備までを示している。
メンテナンスを終えた電子部品等を設置した受熱部3は、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1に接続し、冷却装置1が運転可能な状態に復旧する必要がある。
すなわち、放熱経路着脱部13により放熱部側放熱経路9と受熱部側放熱経路10を接続し、帰還経路着脱部14により放熱部側帰還経路11と受熱部側帰還経路12を接続することによって、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1に装着する。このとき、内部圧力調整弁17は開いた状態であり、放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16は閉じた状態である。
次に、内部圧力調整弁17に真空ポンプ(図示なし)を接続し、放熱部側放熱経路9、放熱部側帰還経路11および放熱部4の内部圧力を十分に減圧したのち、内部圧力調整弁17を閉じ減圧状態を維持した上で、真空ポンプは停止して外す。
そして次に、放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16を開き、冷媒の循環経路を確保する。
これにより、受熱部3を冷却装置1に装着し、冷却装置1の運転準備ができる。
このとき、電子部品のメンテナンス時に、放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16を開いた上で、メンテナンス用の配管経路(図示せず)を接続し、受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12、の内部を減圧した上で、再度放熱経路開閉弁15と帰還経路開閉弁16を閉じておくことが望ましい。受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12、側に空気が入っていると、冷却装置1の冷却性能を低下させるからである。
ここで、メンテナンス用の配管経路とは、一端が放熱経路開閉弁15と気密に接続でき、他端が帰還経路開閉弁16と気密に接続でき、経路の途中に真空ポンプとの接続口を備えた構成であり、受熱部3、受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12、の内部を減圧することができるのである。
図6(c)は、冷却装置の運転開始から通常運転までを示している。
冷却装置1は、発熱体2となる電子部品に通電され、発熱体2の熱が受熱部3を介して冷媒に伝わることで冷媒の循環が開始され、冷媒の循環が安定し通常運転となる。
以上のような操作により冷却装置1のメンテナンスを行うことで、冷却装置1を容易にメンテナンスすることができるのである。
なお、放熱経路着脱封止部13c、帰還経路着脱封止部14c、は電子機器のメンテナンスで冷却装置1から受熱部3とともに分離した際に、シール部材を新品に交換しても良く、これにより、冷却装置1を繰返し着脱したとしても減圧状態の維持が容易になり、メンテナンス性を向上することができる。
なお、図7(a)に示すように、放熱経路着脱封止部13cの円筒凸形状の外径が、帰還経路着脱封止部14cの円筒凸形状の外径よりも大きくてもよく、これにより受熱部3の装着の際に、放熱経路着脱封止部13cを帰還経路着脱固定部14aに誤って装着してしまうことを防ぎ、冷却装置1のメンテナンス性を向上することができる。
なお、図7(b)に示すように、帰還経路着脱封止部14cの円筒凸形状の高さが、放熱経路着脱封止部13cの円筒凸形状の高さよりも大きくてもよく、これにより受熱部3の装着の際に、放熱経路着脱封止部13cを帰還経路着脱固定部14aに誤って装着してしまうことを防ぎ、冷却装置1のメンテナンス性を向上することができる。
なお、図7(b)とは逆で、放熱経路着脱封止部13cの円筒凸形状の高さが、帰還経路着脱封止部14cの円筒凸形状の高さよりも大きくても良い。
なお、放熱経路着脱部13、帰還経路着脱部14、の材質は、内部に封入する冷媒により腐食されない金属が好ましい。
なお、放熱経路開閉弁15、帰還経路開閉弁16として、開閉可能で閉止性能に優れた、例えばミニチュアバルブやグローブバルブ、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ストップバルブ、なども用いることができるが、これらに限らない。
なお、放熱経路開閉弁15、帰還経路開閉弁16、の材質は、内部に封入する冷媒により腐食されない金属が好ましい。
(実施の形態2)
以下、本発明の実施の形態2について、図面を参照しながら説明する。
図8は、本発明の実施の形態2の冷却装置を搭載した電子機器の概略図である。
実施の形態1と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
図8に示すように、本実施の形態においては、内部圧力調整弁17は放熱部側放熱経路9に設ける構成とする。
実施の形態1との違いは、内部圧力調整弁17が放熱部側放熱経路9ではなく放熱部側帰還経路11に設けられた点である。
放熱部側帰還経路11は放熱部4の低部と接続されているため、放熱部側放熱経路9に設けた実施の形態1と比べ、内部圧力調整弁17を手動で操作する場合の作業性が向上する。
他の作用効果は実施の形態1と同じであり、説明は省略する。
(実施の形態3)
以下、本発明の実施の形態3について、図面を参照しながら説明する。実施の形態1、2と同様の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。
実施の形態1、2において、冷却装置1に封入される冷媒の量、すなわち液面高さは、帰還経路開閉弁16および放熱経路開閉弁15よりも上方になる場合がある。
そのため、本実施形態では、図9に示すように、放熱経路開閉弁15より受熱部3側の受熱部側放熱経路10に冷媒タンク20を設けている。これにより封入した冷媒の液面高さが帰還経路開閉弁16および放熱経路開閉弁15よりも下方になっている。
次に、図10を用いて冷媒タンク20の構成を説明する。
図10に示すように、冷媒タンク20は、タンク本体21と入口管22および出口管23で構成されている。タンク本体21は上部がドーム状の上部空間21aと、下部が円筒状の下部空間21bを内部に有し、入口管22の上部先端22aは下部空間21b内に突出している。また、出口管23は上部空間21aの天面に接続されている。
上記構成において、発熱体の発熱により受熱部内の冷媒が加熱されると、冷媒が蒸発し気化冷媒が受熱部から受熱部側放熱経路10へ移動し、受熱部側放熱経路10に溜まっていた液冷媒内を一部の液冷媒とともに混相流となり高速で上昇していく。この上昇してきた混相流が入口管22から冷媒タンク20内へ流入し、冷媒タンク20内に溜まっていた液冷媒と一緒に出口管23から流出する。
すなわち、発熱体の発熱により加熱されて高温高圧となった気相冷媒が受熱部側放熱経路10に溜まっていた液相冷媒の一部とともに混相流となり高速で冷媒タンク20に流入する。
一方、冷媒タンク20において、内部が液相の冷媒に充満されているので、つまり、冷媒タンク20の内部圧力が冷媒タンク20に流入する混相流冷媒の蒸気圧力より低く、この圧力差の作用によって混相流冷媒が高速で冷媒タンク20に流入した瞬間、一気に冷媒タンク20の内部に拡散し、周囲の液相冷媒と混合し合い、最後に冷媒液タンク内の液冷媒とともに混相流となり出口管23から流出する。
しかしながら、高速で冷媒タンク20に流入する混相流冷媒が周囲の液相冷媒と混合し合うとき、混合による流れの乱れや壁面との衝突による圧力損失が生じてしまい、冷却性能が低下する恐れがある。
このとき、入口管22の上部先端22aを下部空間21b内に突出させることによって、入口管22の上部先端22aから出口管23までの距離を短くし、高速で冷媒タンク20に流入する混相流冷媒を出口管23へ流れやすくさせる。
よって混合による流れの乱れや壁面との衝突による圧力損失を抑制し、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。入口管22の上部先端22aが下部空間21b内に突出する長さは、できるだけ冷媒タンク20の中央近傍まで延設した方が望ましい。
また、タンク本体21の上部空間21aがドーム状で、出口管23が上部空間21aの天面に接続されているので、高速で冷媒タンク20に流入する混相流冷媒が周囲の液相冷媒と混合し合うとき、壁面との衝突による圧力損失がドーム状の壁面により緩和し、さらに冷媒がドーム状の壁面に沿って出口管23へ流れることができるため、冷媒が出口管23へ流れやすくなり、結果として、混合による流れの乱れや壁面との衝突による圧力損失を抑制し、冷却性能の高い冷却装置を提供することができる。
また、タンク本体21に接続する入口管22および出口管23の接続方向については、図10に示すような入口管22および出口管23が同一延長線上に配置してもよいが、タンク本体21の下部から流入して側面から流出する構成やタンク本体21の側面から流入して上部から流出する構成などにしてもよい。
また、タンク本体21の外形の大きさについては、放熱経路開閉弁15より受熱部3側の受熱部側放熱経路10の長さに応じて、冷媒貯留量から決めればよいが、設置条件からは、水平方向の断面積をあまり大きくはできず、上下方向の長さをできるだけ長くする方が好ましい。
なお、タンク本体21の内部空間の形状は、図11に示すように、円筒状、四角筒状、球状が使用できるが、冷媒貯留量と冷媒の通過圧損からは、図10で説明した形状が好ましい。
また、本実施形態では、タンク本体21の外形を四角筒状で説明したが、円筒状の大口径の配管を用いてもよく、タンク本体21の外形に対し内部空間を広くでき、冷媒貯留量も確保できる。
また、本実施形態では、放熱経路開閉弁15より受熱部3側の受熱部側放熱経路10に冷媒タンク20を設けたが、10年以上の長期間の使用に耐え得るよう、冷媒を多い目に封入する場合には、帰還経路開閉弁16より受熱部3側の受熱部側帰還経路12に設けてもよい。
なお、冷媒タンク20を受熱部側帰還経路12に設ける場合には、受熱部3に対する水頭圧が低くなるため、冷媒の循環が不安定になる可能性があり、水頭圧高さに余裕のない場合には受熱部側放熱経路10に冷媒タンク20を設けるのが好ましい。
このように、冷却対象の電子部品等が故障した場合などメンテナンスを要する場合、メンテナンスする電子部品等を設置した受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1から分離し、その後、メンテナンスを終えた電子部品等を設置しなおした受熱部3を受熱部側放熱経路10、受熱部側帰還経路12とともに冷却装置1に装着することができる。結果として、冷却装置1を容易にメンテナンスすることができるのである。
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。
1 冷却装置
2 発熱体
3 受熱部
4 放熱部
5 放熱経路
6 帰還経路
7 冷却ファン
8 逆流防止部
9 放熱部側放熱経路
10 受熱部側放熱経路
11 放熱部側帰還経路
12 受熱部側帰還経路
13 放熱経路着脱部
13a 放熱経路着脱固定部
13b 放熱経路着脱締結部
13c 放熱経路着脱封止部
14 帰還経路着脱部
14a 帰還経路着脱固定部
14b 帰還経路着脱締結部
14c 帰還経路着脱封止部
15 放熱経路開閉弁
15a 放熱経路開閉弁体
15b 放熱経路開閉弁閉止部
15c 放熱経路開閉弁座
16 帰還経路開閉弁
16a 帰還経路開閉弁体
16b 帰還経路開閉弁閉止部
16c 帰還経路開閉弁座
17 内部圧力調整弁
18 開放口
19 開口面
20 冷媒タンク
21 タンク本体
21a 上部空間
21b 下部空間
22 入口管
22a 上部先端
23 出口管
50 電子機器
51 ケース

Claims (9)

  1. 冷媒の相変化によって発熱体を冷却する冷却装置において、
    前記発熱体を設置する受熱部と、放熱経路、放熱部、帰還経路、を順に連結して前記冷媒の循環経路を形成し、
    前記放熱部は、前記受熱部より上方に配置され、
    前記放熱経路は、放熱部側放熱経路と、受熱部側放熱経路と、前記放熱部側放熱経路と前記受熱部側放熱経路との間に放熱経路着脱部と、前記放熱経路着脱部近傍の前記受熱部側放熱経路に放熱経路開閉弁とを備え、
    前記帰還経路は、放熱部側帰還経路と、受熱部側帰還経路と、前記放熱部側帰還経路と前記受熱部側帰還経路との間に帰還経路着脱部と、前記帰還経路着脱部近傍の前記受熱部側帰還経路に帰還経路開閉弁とを備えたことを特徴とする冷却装置。
  2. 開放口を備えた、循環経路の内部圧力を減圧する内部圧力調整弁を前記放熱部側放熱経路または前記放熱部側帰還経路の少なくとも一方に設け、
    前記開放口の開口面は、鉛直方向より上向きであることを特徴とする請求項1に記載の冷却装置。
  3. 前記帰還経路に逆流防止部を備えたことを特徴とする請求項1または2に記載の冷却装置。
  4. 前記放熱経路着脱部は、前記放熱部側放熱経路に放熱経路着脱固定部を備え、前記受熱部側放熱経路に放熱経路着脱締結部と放熱経路着脱封止部を備え、
    前記帰還経路着脱部は、前記放熱部側帰還経路に帰還経路着脱固定部を備え、前記受熱部側帰還経路に帰還経路着脱締結部と帰還経路着脱封止部を備えたことを特徴とする請求項1から3のいずれか一つに記載の冷却装置。
  5. 前記放熱経路着脱封止部は、円筒凸形状であり、
    前記帰還経路着脱封止部は、円筒凸形状であり、
    前記放熱経路着脱封止部の円筒外径が、前記帰還経路着脱封止部の円筒外径よりも大きいことを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の冷却装置。
  6. 前記放熱経路着脱封止部は、円筒凸形状であり、
    前記帰還経路着脱封止部は、円筒凸形状であり、
    前記帰還経路着脱封止部の円筒高さが、前記放熱経路着脱封止部の円筒高さよりも大きいことを特徴とする請求項1から4のいずれか一つに記載の冷却装置。
  7. 前記放熱経路開閉弁は、内部に放熱経路開閉弁体と、前記放熱経路開閉弁の側壁に位置し、前記放熱経路開閉弁体を遮蔽できる放熱経路開閉弁閉止部を備え、
    前記帰還経路開閉弁は、内部に帰還経路開閉弁体と、前記帰還経路開閉弁の側壁に位置し、前記帰還経路開閉弁体を遮蔽できる帰還経路開閉弁閉止部を備えたことを特徴とする請求項1から6のいずれか一つに記載の冷却装置。
  8. 放熱経路開閉弁より受熱部側の受熱部側放熱経路および帰還経路開閉弁より受熱部側の受熱部側帰還経路の少なくともどちらかの経路に冷媒タンクを設けたことを特徴とする請求項1から7のいずれか一つに記載の冷却装置。
  9. 請求項1〜8のいずれか一つに記載の冷却装置を搭載した電子機器。
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