JP2017041577A - Cooler and cooling method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、冷却装置に関するものであり、特に、冷媒の相変化を用いた冷却装置に関するものである。 The present invention relates to a cooling device, and more particularly, to a cooling device using a phase change of a refrigerant.
半導体装置や電子機器等は高密度化や高性能化によって、動作時の発熱量が増大している。一方で、発熱は動作不良の要因となるため、半導体装置や電子機器等を安定的に動作させるためには適切に冷却された状態で動作させる必要がある。そのため、半導体装置や電子機器等を安定して稼働させるために様々な冷却技術の開発が行われている。 2. Description of the Related Art Semiconductor devices, electronic devices, and the like have increased heat generation during operation due to higher density and higher performance. On the other hand, since heat generation causes a malfunction, it is necessary to operate the semiconductor device or the electronic device in a properly cooled state in order to stably operate the semiconductor device or the electronic device. For this reason, various cooling techniques have been developed in order to stably operate semiconductor devices and electronic devices.
半導体装置等の冷却では、例えば、高い熱伝導率を有する材料で形成された熱伝導器を半導体装置に接するように配置し、内部に冷媒を流すことで冷却する方法が用いられる。冷媒を用いて冷却する方法では、冷媒は吸熱を行う受熱部と放熱部の間で循環される。冷媒の循環には、例えば、ポンプが用いられる。 In cooling a semiconductor device or the like, for example, a method is used in which a heat conductor formed of a material having high thermal conductivity is disposed so as to be in contact with the semiconductor device and cooled by flowing a coolant therein. In the method of cooling using a refrigerant, the refrigerant is circulated between a heat receiving part that absorbs heat and a heat radiating part. For example, a pump is used for circulating the refrigerant.
また、冷媒の循環にポンプ等を用いない、サーマルサイフォン方式の冷却装置が用いられることもある。サーマルサイフォン方式は、沸騰冷却によって発生する冷媒の蒸気と液体の密度差によって蒸気が重力方向に対して上部に集まる原理を利用した冷却方法である。サーマルサイフォン方式では、冷却装置の下部に受熱部、上部に放熱部を配置することで、ポンプ等を必要とせずに冷却を行うことができる。また、冷媒を循環させるこのような冷却方式は、発熱体と接する受熱部において冷媒が液体から蒸気へと相変化する際の蒸発熱を発熱体の冷却に利用し、冷媒の蒸気を再び液体に相変化させて循環させるので相変化冷却とも呼ばれる。 Also, a thermal siphon type cooling device that does not use a pump or the like for circulating the refrigerant may be used. The thermal siphon method is a cooling method that uses the principle that vapor collects in the upper part with respect to the direction of gravity due to the density difference between the vapor and liquid of the refrigerant generated by boiling cooling. In the thermal siphon system, cooling can be performed without the need for a pump or the like by disposing a heat receiving part at the lower part of the cooling device and a heat radiating part at the upper part. In addition, such a cooling system for circulating the refrigerant uses the heat of evaporation generated when the refrigerant changes phase from liquid to vapor in the heat receiving portion in contact with the heat generator to cool the heat generator, and the refrigerant vapor is made liquid again. It is also called phase change cooling because the phase is changed and circulated.
情報処理装置等の小型化や、高性能化によって使用される半導体装置等の数が増大する傾向にあるため、冷却機構は出来るだけ大きさが抑制されていることが望ましい。そのため、複数の発熱体を1台の装置で冷却する相変化冷却装置が用いられることがある。しかし、そのような複数の発熱体を1台の装置で冷却する相変化冷却装置において、個々の発熱体に対応する受熱部ごとに最大の発熱量に対応させようとすると、保持する溶媒の量が増大し装置の小型化等の効果が得られない。そのため、複数の発熱体を1台の冷却装置で冷却する場合において、発熱体ごとの発熱量が異なっていても冷媒の保持量等を抑制して効率的に冷却できることが望ましい。 Since the number of semiconductor devices and the like used for downsizing and high performance of information processing devices tends to increase, it is desirable that the size of the cooling mechanism is suppressed as much as possible. For this reason, a phase change cooling device that cools a plurality of heating elements with a single device may be used. However, in such a phase change cooling device that cools a plurality of heating elements with a single device, the amount of solvent to be retained when trying to correspond to the maximum heating value for each heat receiving part corresponding to each heating element And the effect of downsizing the device cannot be obtained. For this reason, when cooling a plurality of heating elements with a single cooling device, it is desirable that the refrigerant can be efficiently cooled while suppressing the amount of refrigerant retained, even if the heating value of each heating element is different.
そのような背景から、複数の受熱部を有し、複数の発熱体を効率的に冷却することができる相変化冷却装置の検討が行われている。そのような、相変化冷却装置において、複数の発熱体を効率的に冷却するための技術としては、例えば、特許文献1のような技術が開示されている。 From such a background, a phase change cooling device having a plurality of heat receiving portions and capable of efficiently cooling a plurality of heating elements has been studied. In such a phase change cooling device, as a technique for efficiently cooling a plurality of heating elements, for example, a technique as disclosed in Patent Document 1 is disclosed.
特許文献1は、複数の受熱部を有する相変化冷却装置に関するものである。特許文献1の相変化冷却装置は、発熱体から受ける熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させる複数の受熱部と、放熱によって冷媒を蒸気から液体へ相変化させる放熱部と、それらをつなぐ蒸気管および液体管を備えている。また、特許文献1の相変化冷却装置は、受熱部を互いに接続するバイパス管をさらに備えている。特許文献1では、稼働率が高い発熱体がある場合に、放熱部と接続されている液体管に加えて、バイパス管を介して隣接する受熱部からも稼働率が高い発熱体に対応する受熱部に冷媒の供給が行われる。特許文献1では、そのような構成を備えることで、冷媒の供給性能が向上し、急な発熱量の変化時にも良好な冷却性能を維持できるとしている。 Patent Document 1 relates to a phase change cooling device having a plurality of heat receiving portions. The phase change cooling device of Patent Document 1 connects a plurality of heat receiving units that change the phase of a refrigerant from a liquid to a vapor by heat received from a heating element, and a heat dissipation unit that changes the phase of a refrigerant from a vapor to a liquid by heat dissipation. It has a vapor pipe and a liquid pipe. In addition, the phase change cooling device of Patent Document 1 further includes a bypass pipe that connects the heat receiving units to each other. In patent document 1, when there exists a heat generating body with a high operation rate, in addition to the liquid pipe connected to the heat radiating part, the heat receiving unit corresponding to the heat generating element with a high operation rate from the heat receiving part adjacent through the bypass pipe The refrigerant is supplied to the section. According to Patent Document 1, by providing such a configuration, the refrigerant supply performance is improved, and good cooling performance can be maintained even when the amount of heat generated suddenly changes.
しかしながら、特許文献1の技術は次のような点で十分ではない。特許文献1の相変化冷却装置は、受熱部間をバイパス管で接続し、受熱部間での冷媒の供給を行っている。そのため、特許文献1の相変化冷却装置は、発熱体に接している箇所に備えられている受熱部間にバイパス管を備える必要がある。冷媒の受熱部間で冷媒を相互に供給する際に、十分な供給速度を得るためには、バイパス管は管の長さに対して十分な断面積を有する必要がある。しかし、発熱体の配置によっては、バイパス管が長くなりそれに対する十分な断面積を確保できない恐れがある。また、発熱体の構成によっては、受熱部間にバイパス管を配置できないことも起こりうる。そのような場合には、高い発熱量の発熱体に対応する受熱部に十分な量の冷媒を供給できずに、発熱体の冷却を効率的に行うことができない恐れがある。よって、特許文献1の技術は、発熱体ごとの発熱量が変動するような場合においても、発熱体を効率的に冷却するための技術としては十分ではない。 However, the technique of Patent Document 1 is not sufficient in the following points. In the phase change cooling device of Patent Document 1, the heat receiving portions are connected by a bypass pipe, and the refrigerant is supplied between the heat receiving portions. For this reason, the phase change cooling device of Patent Document 1 needs to include a bypass pipe between the heat receiving portions provided in a portion in contact with the heating element. In order to obtain a sufficient supply speed when the refrigerant is supplied between the heat receiving portions of the refrigerant, the bypass pipe needs to have a sufficient cross-sectional area with respect to the length of the pipe. However, depending on the arrangement of the heating elements, there is a possibility that the bypass pipe becomes long and a sufficient cross-sectional area cannot be secured. Further, depending on the configuration of the heating element, it may happen that the bypass pipe cannot be disposed between the heat receiving portions. In such a case, there is a possibility that a sufficient amount of refrigerant cannot be supplied to the heat receiving unit corresponding to the heat generating element having a high heat generation amount, and the heat generating element cannot be efficiently cooled. Therefore, the technique of Patent Document 1 is not sufficient as a technique for efficiently cooling the heating element even when the amount of heat generation for each heating element varies.
本発明は、上記の課題を解決するため、発熱体ごとの発熱量が変動するような場合においても、複数の発熱体を効率的に冷却することができる冷却装置を得ることを目的としている。 In order to solve the above-described problems, an object of the present invention is to provide a cooling device that can efficiently cool a plurality of heating elements even when the amount of heat generation for each heating element varies.
上記の課題を解決するため、本発明の冷却装置は、第1の受熱手段と、第2の受熱手段と、冷却手段と、第1の冷媒保持手段と、第2の冷媒保持手段と、冷媒量調整手段を備えている。第1の受熱手段は、第1の発熱体の熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させる。第2の発熱手段は、第2の発熱体の熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させる。冷却手段は、第1の受熱手段および第2の受熱手段で蒸気へと相変化させた冷媒を冷却して液体に相変化させる。第1の冷媒保持手段は、液体に相変化させた冷媒を保持し、第1の受熱手段に冷媒を供給する。第2の冷媒保持手段は、液体に相変化させた冷媒を保持し、第2の受熱手段に冷媒を供給する。冷媒量調整手段は、第1の冷媒保持手段と第2の冷媒保持手段との間で保持している冷媒の量を調整する。 In order to solve the above problems, the cooling device of the present invention includes a first heat receiving means, a second heat receiving means, a cooling means, a first refrigerant holding means, a second refrigerant holding means, and a refrigerant. A quantity adjusting means is provided. The first heat receiving means changes the phase of the refrigerant from liquid to vapor by the heat of the first heating element. The second heating means changes the phase of the refrigerant from liquid to vapor by the heat of the second heating element. The cooling means cools the refrigerant whose phase has been changed to vapor by the first heat receiving means and the second heat receiving means and changes the phase to liquid. The first refrigerant holding means holds the refrigerant whose phase has been changed to a liquid and supplies the refrigerant to the first heat receiving means. The second refrigerant holding means holds the refrigerant whose phase has been changed to a liquid and supplies the refrigerant to the second heat receiving means. The refrigerant amount adjusting means adjusts the amount of the refrigerant held between the first refrigerant holding means and the second refrigerant holding means.
また、本発明の冷却方法は、第1の発熱体の熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させ、第2の発熱体の熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させる。本発明の冷却方法は、それぞれ蒸気に相変化させた冷媒を冷却して液体に相変化させ、液体に相変化させた冷媒を第1の冷媒および第2の冷媒としてそれぞれ保持する。本発明の冷却方法は、第1の冷媒と、第2の冷媒との間で保持している冷媒の量を調整する。本発明の冷却方法は、第1の冷媒を第1の発熱体を冷却する冷媒として供給し、第2の冷媒を第2の発熱体を冷却する冷媒として供給する。 In the cooling method of the present invention, the phase of the refrigerant is changed from liquid to vapor by the heat of the first heating element, and the phase of the refrigerant is changed from liquid to vapor by the heat of the second heating element. The cooling method of the present invention cools the refrigerant that has been phase-changed to vapor and changes the phase to liquid, and holds the refrigerant that has been phase-changed to liquid as the first refrigerant and the second refrigerant, respectively. The cooling method of the present invention adjusts the amount of the refrigerant retained between the first refrigerant and the second refrigerant. In the cooling method of the present invention, the first refrigerant is supplied as a refrigerant for cooling the first heating element, and the second refrigerant is supplied as a refrigerant for cooling the second heating element.
本発明によると、発熱体ごとの発熱量が変動するような場合においても、複数の発熱体を効率的に冷却することができる。 According to the present invention, even when the amount of heat generated for each heating element varies, a plurality of heating elements can be efficiently cooled.
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図1は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示した図である。本実施形態の冷却装置は、第1の受熱手段1と、第2の受熱手段2と、冷却手段3と、第1の冷媒保持手段4と、第2の冷媒保持手段5と、冷媒量調整手段6を備えている。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment. The cooling device of the present embodiment includes a first heat receiving means 1, a second heat receiving means 2, a cooling means 3, a first refrigerant holding means 4, a second refrigerant holding means 5, and a refrigerant amount adjustment.
第1の受熱手段1は、第1の発熱体の熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させる。第2の発熱手段2は、第2の発熱体の熱によって冷媒を液体から蒸気へと相変化させる。冷却手段3は、第1の受熱手段1および第2の受熱手段2で蒸気へと相変化させた冷媒を冷却して液体に相変化させる。第1の冷媒保持手段4は、液体に相変化させた冷媒を保持し、第1の受熱手段1に冷媒を供給する。第2の冷媒保持手段5は、液体に相変化させた冷媒を保持し、第2の受熱手段2に冷媒を供給する。冷媒量調整手段6は、第1の冷媒保持手段4と第2の冷媒保持手段5との間で保持している冷媒の量を調整する。
The first heat receiving means 1 changes the phase of the refrigerant from liquid to vapor by the heat of the first heating element. The second heat generating means 2 changes the phase of the refrigerant from liquid to vapor by the heat of the second heat generating element. The cooling means 3 cools the refrigerant whose phase has been changed to steam by the first heat receiving means 1 and the second heat receiving means 2 and changes the phase to liquid. The first refrigerant holding unit 4 holds the refrigerant whose phase has been changed to a liquid and supplies the refrigerant to the first heat receiving unit 1. The second refrigerant holding unit 5 holds the refrigerant whose phase has been changed to a liquid and supplies the refrigerant to the second heat receiving unit 2. The refrigerant
本実施形態の冷却装置では、冷媒量調整手段6が、第1の冷媒保持手段4と第2の冷媒保持手段5の間で保持している冷媒の量を調整している。また、第1の冷媒保持手段4と第2の冷媒保持手段5の間で量が調整された冷媒は、第1の受熱手段1と第2の受熱手段2にそれぞれ供給することで第1の発熱体と第2の発熱体の冷却が行われている。このような構成とすることで、第1の発熱体と第2の発熱体のいずれかの発熱量が急に変動したような場合にも、冷媒の保持量が多い側から少ない側にを冷媒を供給することで効率的に冷却を行うことができる。また、本実施形態の冷却装置では、発熱体の近傍に冷媒量調整手段6を配置する必要がないので、設計の自由度が高く、冷媒の量を調整する際の供給速度を十分に確保すること容易になる。その結果、本実施形態の冷却装置では、発熱体ごとの発熱量が変動するような場合においても、複数の発熱体を効率的に冷却することができる。 In the cooling device of the present embodiment, the refrigerant amount adjusting means 6 adjusts the amount of refrigerant held between the first refrigerant holding means 4 and the second refrigerant holding means 5. Further, the refrigerant whose amount is adjusted between the first refrigerant holding means 4 and the second refrigerant holding means 5 is supplied to the first heat receiving means 1 and the second heat receiving means 2, respectively, so that the first The heating element and the second heating element are cooled. By adopting such a configuration, even when the amount of heat generated by either the first heating element or the second heating element suddenly fluctuates, the refrigerant is moved from the side with the larger amount of refrigerant to the side with the smaller amount of refrigerant. Can be efficiently cooled. Further, in the cooling device of the present embodiment, it is not necessary to arrange the refrigerant amount adjusting means 6 in the vicinity of the heating element, so that the degree of freedom in design is high and a supply speed when adjusting the amount of refrigerant is sufficiently ensured. It becomes easy. As a result, the cooling device of the present embodiment can efficiently cool a plurality of heating elements even when the amount of heat generation for each heating element varies.
(第2の実施形態)
本発明の第2の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図2は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示した斜視図である。また、図3は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示す平面図である。図3は、本実施形態の冷却装置を上側から見た場合の図である。図4は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示す正面図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 2 is a perspective view showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment. FIG. 3 is a plan view showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment. FIG. 3 is a view of the cooling device according to the present embodiment as viewed from above. FIG. 4 is a front view showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment.
本実施形態の冷却装置は、冷媒を沸騰および液化させて循環させることで電子部品等の発熱体を冷却する相変化冷却システムの冷却装置として用いられる。電子部品としては、例えば、半導体装置が用いられる。 The cooling device of this embodiment is used as a cooling device of a phase change cooling system that cools a heating element such as an electronic component by boiling and liquefying a refrigerant and circulating the refrigerant. For example, a semiconductor device is used as the electronic component.
本実施形態の相変化方式の冷却装置は、受熱部11と、放熱部12と、蒸気混合室13と、冷媒室14と、蒸気管15と、液体管16と、軸流ファン17と、放熱フィン18を備えている。また、受熱部11は、蒸気流出口21、液流入口22をさらに備えている。冷媒室14は、冷媒交換孔23と、液流出口24をさらに備えている。受熱部11と冷媒室14は、複数、備えられている。また、冷媒室14は、受熱部11に対応して備えられている。冷媒室14と受熱部11の間は、それぞれ独立した液体管16で接続されている。本実施形態の冷却装置は、2つの受熱部11と、それぞれの受熱部11に対応する2つの冷媒室14を備えている。受熱部11および冷媒室14は、3つ以上、備えられていてもよい。
The phase change type cooling device of the present embodiment includes a
受熱部11は、冷媒が蒸発する際の吸熱によって電子部品を冷却する機能を有する。受熱部11は、銅やアルミニウム等の熱伝導性の高い金属で形成された中空のチャンバーである。受熱部11は、上面に蒸気流出口21を備えている。受熱部11の中空の部分は、蒸気流出口21を介して蒸気管15と接続されている。また、受熱部11は、側面の下側に液流入口22を備えている。受熱部11の内部への冷媒の導入に、重力を利用するため液流入口は、受熱部11の側面の低い位置に備えられている。受熱部11は、液流入口22を介して液体管16と接続されている。
The
受熱部11は、発熱体である電子部品と底面で接するように備えられている。受熱部11は、低い熱抵抗のグリースや受熱シート等を介して電子部品と接している。
The
受熱部11の内部には液流入口22から液体の冷媒が導入される。液体の冷媒は電子部品の熱によって蒸発し蒸気となって蒸気流出口21から排出される。受熱部11は、液体の冷媒が相変化して蒸気になる際の吸熱、すなわち蒸発熱によって、電子部品を冷却する。蒸気になった冷媒は、蒸気管15を通って蒸気混合室13へと送られる。
A liquid refrigerant is introduced from the
本実施形態の2つの受熱部11は、第1の実施形態の第1の受熱手段1および第2の受熱手段2にそれぞれ相当する。
The two
放熱部12は、蒸気すなわち気体状態の冷媒を冷却し液化させる機能を有する。放熱部12は、内部に放熱フィン18を備えている。放熱部12には、蒸気混合室13から冷媒の蒸気が導入される。放熱部12に導入された冷媒の蒸気は、放熱フィン18の間を流れる空気によって熱を奪われることで液化する。放熱部12の内部で液化した冷媒は、放熱部12の下部に備えられている冷媒室14に滴下する。放熱部12は、受熱部11および冷媒室14に対応するようにそれぞれ備えられている。本実施形態の冷却装置では受熱部11および冷媒室14は2つずつ備えられているので、放熱部12は、2つ備えられている。本実施形態の放熱部12は、第1の実施形態の冷却手段3に相当する。
The
蒸気混合室13は、各受熱部11から蒸気管15を介して送られてくる気体状態の冷媒を混合する機能を有する。蒸気混合室13は、各受熱部11と接続されている蒸気管15とそれぞれ接続されている。すなわち、蒸気混合室13は、共通の1つの空間として備えられている。各蒸気管15から送られてくる気体状態の冷媒、すなわち、冷媒の蒸気は、蒸気混合室13の内部で、互いに混ざり合う。蒸気混合室13の内部に存在する冷媒の蒸気は、放熱部12に導入される。冷媒が液化する相変化によって放熱部12内の圧力が下がることによって、冷媒の蒸気は蒸気混合室13から放熱部12へと流れる。
The
蒸気混合室13において各受熱部11から送られてくる蒸気を混合し各放熱部12で冷却することで、冷媒を液化する効率が向上する。混合した蒸気を各放熱部12で液化し、冷媒室14で相互に冷媒を供給することで、発熱体の発熱量が変動した場合にも効率的に冷却を行うことが可能となる。
The efficiency of liquefying the refrigerant is improved by mixing the steam sent from each
冷媒室14は、放熱部12から滴下してくる液体状態の冷媒を保持する機能を有する。また、冷媒室14は、隣接する冷媒室14との間で保持している冷媒の量を調整する機能を有する。冷媒室14は、放熱部12で液化して滴下してくる液体状態の冷媒を受け止めて保持する。冷媒室14は、液流出口24を底面または側面の下部に備えている。冷媒室14で保持された冷媒の液体は、液流出口24および液体管16を介して受熱部11に供給される。冷媒室14は、液体の冷媒の供給先となる受熱部11ごとに備えられている。
The
本実施形態の2つの冷媒室14は、第1の実施形態の第1の冷媒保持手段4および第2の冷媒保持手段5にそれぞれ相当する。
The two
図5は、本実施形態の受熱部11と冷媒室14の位置関係を模式的に示したものである。受熱部11は、冷媒室14よりも低い位置に設置されている。受熱部11の方が低い位置にあるので、重力によって液体状態の冷媒が冷媒室14から液体管16を介して受熱部11に供給される。受熱部11と冷媒室14の高低差は、定常状態において、液化した冷媒が受熱部11と冷媒室14の両方に保持される範囲で設定されている。
FIG. 5 schematically shows the positional relationship between the
受熱部11と冷媒室14に保持される冷媒の量は、気圧が同一であれば冷媒の水面が受熱部11と冷媒室14で同じ高さとなる量である。電子部品の冷却を行っている際は、受熱部11で冷媒が沸騰している状態となるので、受熱部11の気圧は冷媒室14より高くなる。気圧の差の影響を小さくするためには、受熱部11の面積を冷媒室14の面積より小さくすることが望ましい。
The amount of the refrigerant held in the
また、冷媒室14は、隣接する冷媒室14との側面に冷媒交換孔23を備えている。冷媒室14間では冷媒交換孔23を介して、保持している冷媒の液面の高さが揃うように冷媒の量の調整が行われる。また、冷媒交換孔23は、冷媒室14の底面から所定の高さの位置に開口されている。そのため、冷媒交換孔23が形成されている所定の高さよりも冷媒の液面が低い場合には、冷媒は他の冷媒室14に移動しない。
The
冷媒室14に保持された冷媒の量が一定以上になって冷媒の液面が所定の高さを超えた場合には、冷媒室14にある冷媒交換孔23を介して、冷媒が隣接する冷媒室14に供給される。このため、一方の系統の電子部品の稼働率が上がって発熱量が増加した際に、もう一方の系統の受熱部11と冷媒室14の冷媒量に余裕が有る場合は、冷媒交換孔23を介して供給された冷媒により効率的に冷却を行うことができる。
When the amount of the refrigerant held in the
冷媒交換孔23が形成されている所定の高さは、一方の系統の受熱部11が接している電子部品を、もう一方の系統からの冷媒の供給が無くても冷却することが可能な冷媒の量を満たすように設定される。所定の高さは、例えば、一方の系統の受熱部11、冷媒室14および液体管16に存在する冷媒の量が、全冷媒量の3分の1程度となる高さに設定される。
The predetermined height at which the
冷媒交換孔23は、複数、備えられていてもよい。また、冷媒交換孔23に代えて、所定の高さ以上の領域に冷媒室14間の仕切りを形成しないことで相互の冷媒供給を行う構成としてもよい。また、本実施形態の冷媒交換孔23は、第1の実施形態の冷媒調整手段6に相当する。
A plurality of refrigerant exchange holes 23 may be provided. Further, instead of the
3つ以上の受熱部11および冷媒室14を備える場合には、冷媒交換孔23は、隣接する冷媒室14間にそれぞれ備える構成とすることもできる。例えば、1つの冷媒室14が左右の冷媒室14と冷媒交換孔23を介してそれぞれ接続されている構成とすることができる。また、左右の両端の冷媒室14が配管等で接続されている構成としてもよい。4つ以上の受熱部11および冷媒室14を備える場合には、隣接する冷媒室14との間に冷媒交換孔23が形成されていない箇所があってもよい。例えば、4つの冷媒室14を備える構成において、いずれか1つの冷媒室14のみと冷媒交換孔23を介して接続されている冷媒室14の組が2つある構成としてもよい。
When three or more
蒸気管15は、受熱部11から蒸気混合室13に気体状態の冷媒を送る配管としての機能を有する。蒸気管15は、受熱部11の上部と蒸気混合部13の側面とをそれぞれ接続している。すなわち、蒸気管15は受熱部11ごとに備えられている。蒸気管15は、傾斜構造を有し、途中で液化した冷媒によって蒸気の流れに影響が出ないように形成されている。
The
液体管16は、冷媒室14と受熱部11との間で液体状態の冷媒を送る配管としての機能を有する。液体管16は、受熱部11の側面下部の液流入口22と、冷媒室14の底面の液流出口24を接続している。液体管16は、緩やかな傾斜を有するように冷媒室14の底面および受熱部11にそれぞれ接続されている。冷媒室14に保持されている冷媒は、重力を利用して受熱部11に供給される。液体管16は、冷媒室14と受熱部11の組み合わせごとに備えられている。
The
軸流ファン17は、放熱部12の放熱フィン18に空気を送る機能を有する。軸流ファン17は、ファンの回転によって放熱フィン18に空気を送る。軸流ファン17の回転速度は、受熱部11の温度に応じて制御される。例えば、発熱量が大きいときは、軸流ファン17のファンの回転速度は高く設定される。ファンの回転速度を高くすることで、放熱フィン18を流れる空気の量が増加し、冷媒の液化の速度が向上する。そのため、効率的に冷却を行うことができるようになる。
The
軸流ファン17の回転速度が受熱部11の温度に応じて制御される構成とする場合には、受熱部11に温度センサーを設置し、温度センターによって計測された温度に基づいて回転速度を制御する制御部を備える。軸流ファン17の回転速度は、電子部品が稼働している間、常時、一定としてもよい。また、温度センサーを備える構成に代えて、電子部品の負荷等が軸流ファン17の制御部に入力される構成としてもよい。
When the rotational speed of the
放熱フィン18は、放熱部12に備えられ、放熱部12内を冷却する機能を有する。放熱フィン18は、軸流ファン17から送られてくる空気によって冷却されることで、取り付けられている放熱部12内を冷却する。
The
本実施形態の相変化方式の冷却装置の動作について説明する。電子部品が稼働を始めると、徐々に電子部品の温度が上昇する。電子部品の温度が上昇すると、発熱体である電子部品に接しているそれぞれの受熱部11内の冷媒が気化、すなわち、蒸発を始める。電子部品は、冷媒が蒸発する際の蒸発熱で冷却される。
The operation of the phase change cooling device of the present embodiment will be described. When the electronic component starts operation, the temperature of the electronic component gradually increases. When the temperature of the electronic component rises, the refrigerant in each
蒸発して気化した冷媒の蒸気は、比重が小さいため、受熱部11の上部に備えられている蒸気流出口21から蒸気管15へと進む。蒸気管15に入った冷媒の蒸気は、緩やかな傾斜を有する蒸気管15の中を通り、蒸気混合室13に入る。
Since the vapor of the evaporated and vaporized refrigerant has a small specific gravity, it proceeds from the
各蒸気管15を通って蒸気混合室13に入った冷媒の蒸気は、他の受熱部11から蒸気混合室13に入ってきた冷媒の蒸気と互いに混ざり合う。混合した冷媒の蒸気は、各放熱部12に供給される。放熱部12に供給された冷媒の蒸気は、放熱フィン18の間を流れる空気によって熱を奪われ液化する。放熱フィン18の間を流れる空気は、軸流ファン17によって生成されている。冷媒が蒸気から液体に戻るとことで体積が減少し、放熱部12内の圧力が低下する。放熱部12内の圧力が低下すると、蒸気混合室13から冷媒の蒸気がさらに供給される。
The refrigerant vapor that has entered the
蒸気混合室13から放熱部12への蒸気の供給速度は、放熱部12内の圧力低下の大きさによって変化する。そのため、軸流ファン17の回転速度を変化させることで、冷媒の蒸気の供給および液化速度を変化させることができる。電子部品ごとに発熱量に差がある場合には、対応する軸流ファン17の回転速度に差をつけることで、冷媒室14に滴下する冷媒の量に差をつけることができる。例えば、発熱量が大きい電子部品に対応する軸流ファン17の回転速度を上げることで、液化されて冷媒室14に滴下する冷媒の量を増やし、受熱部11への冷媒の供給量を増やすことができる。
The supply speed of the steam from the
放熱部12で液化した冷媒は、放熱部12の下部にそれぞれ備えられた冷媒室14に滴下する。冷媒室14に滴下した冷媒の液体は、冷媒室14で保持される。冷媒室14間で保持している冷媒の量に差がある場合には、冷媒室14間に備えられている冷媒交換孔23を介して冷媒の量が調整される。
The refrigerant liquefied by the
冷媒交換孔23を介しての冷媒の量の調整が行われる際の動作の例について説明する。受熱部11の冷媒が沸騰して気化して受熱部11内の冷媒の量が減ると、冷媒室14に保持されていた冷媒は、受熱部11へ流出する。冷媒が冷媒室14から受熱部11へ移動するよりも早い速度で放熱部12および冷媒交換孔23から冷媒室14への冷媒の供給がおこなわれ続けると、冷媒室14で保持される冷媒の液面は上昇する。冷媒の液面が、冷媒交換孔23の高さまで達すると、隣接する冷媒室14との間で冷媒交換孔23を介して冷媒の流出入が起こる。
An example of the operation when adjusting the amount of refrigerant through the
隣接する冷媒室14、すなわち、相手側の冷媒室14の液面が冷媒交換孔23より低い場合は、冷媒が相手側の冷媒室14へ流出する。相手側の冷媒室14の液面が冷媒交換孔23より高い場合は、それぞれの冷媒量の均衡が取れるまで冷媒交換孔23を介して冷媒の流出入がおこなわれる。
When the liquid level of the adjacent
冷媒室14に保持された液体状態の冷媒は、液体管16を介して受熱部11に供給される。受熱部11に供給された冷媒は、電子部品の発熱によって気化し、上記で説明した冷媒の循環の動作が繰り返される。
The liquid refrigerant held in the
冷媒室14で保持される冷媒の量は、隣接する冷媒室14に保持された冷媒の量および受熱部11に保持された冷媒の量との関係によって変化する。図6は、受熱部11に保持されている冷媒の量が冷媒室14に保持されている量と均衡している状態を模式的に示したものである。図6の状態では、冷媒室14と受熱部11との間で冷媒の移動は生じない。
The amount of refrigerant held in the
図7は、受熱部11に保持されている冷媒の量が、受熱部11と冷媒室14に保持されている冷媒量が均衡している図6の状態のときよりも少ない状態を示している。図7の状態では、主に冷媒が液体管16を介して、冷媒室14から受熱部11へ移動する。冷媒室14から受熱部11への冷媒の移動は、例えば、受熱部11と冷媒室14に保持されている冷媒の量が均衡するまで続く。
FIG. 7 shows a state in which the amount of refrigerant held in the
図8は、受熱部11に保持されている冷媒の量が、受熱部11と冷媒室14に保持されている冷媒量が均衡している図6の状態のときより多い状態を示している。図8の状態では、主に冷媒が液体管16を介して受熱部11から冷媒室14へ移動する。この状態は、例えば、冷媒交換孔23を介して隣接する冷媒室14へ流出したことによる冷媒室14の冷媒量の減少によって生じる。冷媒交換孔23から隣接する冷媒室14へ冷媒が流出するのは、受熱部11および冷媒室14に保持される冷媒の量が、隣接する系統で保持されている冷媒の量より多く、十分に保持されているときである。流出する冷媒は、冷媒交換孔23より上に位置する余剰分であり、受熱部11から冷媒室14への冷媒の移動が発生しても受熱部11で冷媒不足が発生することは無い。
FIG. 8 shows a state where the amount of refrigerant held in the
図9は、冷媒室14と隣接する冷媒室14に保持されている冷媒の量が共に冷媒交換孔23の位置まで達していない状態を示している。図9の状態では、冷媒交換孔23を介した冷媒の流出入は発生しない。
FIG. 9 shows a state in which the amount of refrigerant held in the
図10は、冷媒室14と隣接する冷媒室14のうち片方の冷媒の量が冷媒交換孔23の位置を超えている状態を示す。図10の状態では、主に冷媒交換孔23を介して冷媒の量が多い冷媒室14から量の少ない冷媒室14へ冷媒が移動する。
FIG. 10 shows a state where the amount of one of the
図11は、冷媒室14と隣接する冷媒室14に保持されている冷媒の量が、ともに冷媒交換孔23の位置を超えていて、かつ、冷媒量が互いに均衡している状態を示す。隣接する冷媒室14間は冷媒交換孔23および放熱部12上部の蒸気混合室13で接続されているため、気圧の差はほぼ生じない。そのため、均衡時には冷媒室14の冷媒の水面の高さはほぼ一致する。図11の状態では、冷媒交換孔23を介しての冷媒の流出入は発生しない。
FIG. 11 shows a state in which the amount of refrigerant held in the
図12は、冷媒室14と隣接する冷媒室14に保持されている冷媒の量がともに冷媒交換孔23の位置を超えてかつ、冷媒量が均衡していない状態を示している。図12の状態では、主に冷媒交換孔23を介して冷媒の量が多い冷媒室14から冷媒の量の少ない冷媒室14へ冷媒が移動する。
FIG. 12 shows a state where the amount of refrigerant held in the
以上のようにそれぞれの受熱部11と冷媒室14で保持されている冷媒の量、および、冷媒室14間の冷媒の量の差によって、冷媒交換孔23を介して冷媒の量が調整されることで、電子部品の発熱量が変化しても十分に冷却することができる。また、冷媒室14間で冷媒の量を調整することで、電子部品の発熱量の増大を想定した分の冷媒の量を抑制することができるので、効率的に冷却を行うことが可能となる。
As described above, the amount of refrigerant is adjusted through the
本実施形態の冷却装置では、電子部品の発熱によって受熱部11の冷媒の蒸発量が増加して冷媒室14の冷媒の量が減少した際に、もう一方の冷媒室14の冷媒が所定の量より多い場合に、冷媒交換孔23を介して冷媒の供給が行われる。このように冷媒の量を調整することで、いずれかの発熱体11が対応している電子部品の発熱量が急に変動したような場合にも、冷媒を保持量の多い側から少ない側に供給することで効率的に冷却を行うことができる。
In the cooling device of the present embodiment, when the amount of refrigerant evaporated in the
また、本実施形態の冷却装置では、電子部品等の発熱体の近傍ではなく、隣接している冷媒室14間で冷媒の量を調整しているので、電子部品の配置や冷却装置に関する設計の自由度が高い。例えば、本実施形態の冷却装置では、冷媒交換孔23の高さや開口径を適切に設計することで冷媒室14間の冷媒の量を十分な速度で調整することができる。また、本実施形態の冷却装置では、バイパス管等を用いていないので、発熱体である電子部品間に他の部品があるような場合においても、冷媒の量を冷媒室14間で十分な速度で調整して受熱部11に冷媒を供給することができる。そのため、本実施形態の冷却装置では、電子部品の配置等によらず受熱部11および冷媒室14に冷媒が無くなるような状態を避けることができ、安定した冷却を行うことができる。以上より、本実施形態の冷却装置では、電子部品等の発熱体ごとの発熱量が変動するような場合においても、複数の発熱体を効率的に冷却することができる。
Further, in the cooling device of the present embodiment, the amount of refrigerant is adjusted between the adjacent
(第3の実施形態)
本発明の第3の実施形態について図を参照して詳細に説明する。図13は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示した斜視図である。また、図14は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示す平面図である。図14は、本実施形態の冷却装置を上側から見た場合の図である。図15は、本実施形態の冷却装置の構成の概要を示す正面図である。
(Third embodiment)
A third embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 13 is a perspective view showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment. FIG. 14 is a plan view showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment. FIG. 14 is a view of the cooling device according to the present embodiment as viewed from above. FIG. 15 is a front view showing an outline of the configuration of the cooling device of the present embodiment.
第2の実施形態の冷却装置では、放熱部12ごとに軸流ファンを備えていたが、本実施形態の冷却装置は、放熱部12ごとではなく共通の軸流ファンを備えることを特徴とする。本実施形態の冷却装置は、第2の実施形態の冷却装置と同様の相変化方式の冷却装置である。
In the cooling device of the second embodiment, the axial flow fan is provided for each
本実施形態の冷却装置は、受熱部11と、放熱部12と、蒸気混合室13と、冷媒室14と、蒸気管15と、液体管16と、放熱フィン18と、軸流ファン19を備えている。また、受熱部11は、蒸気流出口21、液流入口22をさらに備えている。冷媒室14は、冷媒交換孔23と、液流出口24をさらに備えている。本実施形態の受熱部11、放熱部12、蒸気混合室13、冷媒室14、蒸気管15、液体管16、放熱フィン18、蒸気流出口21、液流入口22、冷媒交換孔23および液流出口24の構成と機能は第2の実施形態の同名称の部位と同様である。
The cooling device of the present embodiment includes a
軸流ファン19は、放熱部12にそれぞれ備えられた放熱フィン18に空気を送る機能を有する。本実施形態の冷却装置では、1台の軸流ファン19から送られてくる空気によって、各放熱部12の放熱フィン18の間を流れる冷媒の蒸気が冷却されて液化する。
The
本実施形態の冷却装置の動作は、第2の実施形態の冷却装置と同様である。軸流ファン19は、装置が稼働している間、同じ速度で回転して放熱フィン18に空気を送る。また、軸流ファン19の回転速度は、常時、同じ速度で回転するのではなく、受熱部11の温度を温度センサーで監視し、最大の温度または平均の温度に応じた回転速度になるように制御される構成としてもよい。
The operation of the cooling device of this embodiment is the same as that of the cooling device of the second embodiment. The
本実施形態の冷却装置は、第2の実施形態の冷却装置と同様の効果を有する。また、本実施形態の冷却装置は、軸流ファン19を放熱部12ごとに備えるのではなく、共通して備えているので装置構成を簡略化することができる。
The cooling device of this embodiment has the same effect as the cooling device of the second embodiment. Moreover, since the cooling device of this embodiment is not provided with the
第2および第3の実施形態では、電子部品として半導体装置等を冷却する例について説明した。第2および第3の実施形態の相変化方式の冷却装置は、半導体装置等の電子部品だけでなく、情報処理装置、通信装置、プロジェクター、ディスプレイ等の機器の冷却に用いることもできる。 In the second and third embodiments, examples of cooling a semiconductor device or the like as an electronic component have been described. The phase change cooling devices of the second and third embodiments can be used not only for cooling electronic components such as semiconductor devices but also for devices such as information processing devices, communication devices, projectors, and displays.
第2および第3の実施形態の冷却装置は、複数の電子部品を複数の受熱部で冷却していた。そのような構成に代えて、1つの電子部品や電子機器の複数の箇所を、各受熱部で冷却する構成としてもよい。 In the cooling devices of the second and third embodiments, a plurality of electronic components are cooled by a plurality of heat receiving units. Instead of such a configuration, a plurality of locations of one electronic component or electronic device may be cooled by each heat receiving unit.
第2および第3の実施形態の冷却装置は、蒸気混合室を備え、各受熱部から送られてきた冷媒の蒸気を混合した後に、各放熱部で冷却して液化していた。そのような構成に代えて、蒸気混合室を備えずに各蒸気管が各放熱部に接続されている構成としてもよい。蒸気混合室を備えない構成とすることで、冷却装置の構成を簡略化することが可能となる。 The cooling devices of the second and third embodiments are provided with a steam mixing chamber, and after the refrigerant vapor sent from each heat receiving part is mixed, it is cooled and liquefied by each heat radiating part. Instead of such a configuration, each steam pipe may be connected to each heat radiating section without providing a steam mixing chamber. By adopting a configuration without the steam mixing chamber, the configuration of the cooling device can be simplified.
第2および第3の実施形態の冷却装置は、軸流ファンを用いて放熱部の放熱フィンの冷却を行っていた。そのような構成に代えて、軸流ファン以外の送風方式を用いて放熱部の冷却を行ってもよい。また、放熱部は、さらに他の冷媒を用いて冷却が行われてもよく、送風等を行わずに自然冷却による冷却が行われてもよい。 The cooling devices of the second and third embodiments cool the radiating fins of the radiating unit using an axial fan. It may replace with such a structure and may cool a thermal radiation part using ventilation systems other than an axial flow fan. Further, the heat radiating unit may be cooled using another refrigerant, or may be cooled by natural cooling without blowing air or the like.
1 第1の受熱手段
2 第2の受熱手段
3 冷却手段
4 第1の冷媒保持手段
5 第2の冷媒保持手段
6 冷媒量調整手段
11 受熱部
12 放熱部
13 蒸気混合室
14 冷媒室
15 蒸気管
16 液体管
17 軸流ファン
18 放熱フィン
19 軸流ファン
21 蒸気流出口
22 液流入口
23 冷媒交換孔
24 液流出口
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st heat receiving means 2 2nd heat receiving means 3 Cooling means 4 1st refrigerant | coolant holding means 5 2nd refrigerant | coolant holding means 6 Refrigerant amount adjustment means 11
Claims (10)
第2の発熱体の熱によって前記冷媒を液体から蒸気へと相変化させる第2の受熱手段と、
前記第1の受熱手段および前記第2の受熱手段で蒸気へと相変化させた前記冷媒を冷却して液体に相変化させる冷却手段と、
液体に相変化させた前記冷媒を保持し、前記第1の受熱手段に前記冷媒を供給する第1の冷媒保持手段と、
液体に相変化させた前記冷媒を保持し、前記第2の受熱手段に前記冷媒を供給する第2の冷媒保持手段と、
前記第1の冷媒保持手段と前記第2の冷媒保持手段との間で保持している前記冷媒の量を調整する冷媒量調整手段と、
を備えることを特徴とする冷却装置。 First heat receiving means for changing the phase of the refrigerant from a liquid to a vapor by the heat of the first heating element;
A second heat receiving means for changing the phase of the refrigerant from a liquid to a vapor by the heat of the second heating element;
Cooling means for cooling the refrigerant phase-changed to vapor by the first heat-receiving means and the second heat-receiving means to change the phase to a liquid;
First refrigerant holding means for holding the refrigerant phase-changed to a liquid and supplying the refrigerant to the first heat receiving means;
Second refrigerant holding means for holding the refrigerant whose phase has been changed to a liquid and supplying the refrigerant to the second heat receiving means;
A refrigerant amount adjusting means for adjusting an amount of the refrigerant held between the first refrigerant holding means and the second refrigerant holding means;
A cooling device comprising:
第2の電子部品と、
請求項1から6いずれかに記載の冷却装置と、
を備え、
前記冷却装置は、前記第1の発熱体として前記第1の電子部品を冷却し、前記第2の発熱体として前記第2の電子部品を冷却することを特徴とする冷却システム。
A first electronic component;
A second electronic component;
The cooling device according to any one of claims 1 to 6,
With
The cooling system cools the first electronic component as the first heating element and cools the second electronic component as the second heating element.
第2の発熱体の熱によって前記冷媒を液体から蒸気へと相変化させ、
それぞれ蒸気に相変化させた前記冷媒を冷却して液体に相変化させ、
液体に相変化させた前記冷媒を第1の冷媒および前記第2の冷媒としてそれぞれ保持し、
前記第1の冷媒と、前記第2の冷媒との間で保持している冷媒の量を調整し、
前記第1の冷媒を前記第1の発熱体を冷却する前記冷媒として供給し、
前記第2の冷媒を前記第2の発熱体を冷却する前記冷媒として供給することを特徴とする冷却方法。 The phase of the refrigerant is changed from liquid to vapor by the heat of the first heating element,
Phase change of the refrigerant from liquid to vapor by the heat of the second heating element;
Each of the refrigerants phase-changed to vapor is cooled and phase-changed to liquid,
Holding the refrigerant phase-changed into a liquid as the first refrigerant and the second refrigerant,
Adjusting the amount of refrigerant held between the first refrigerant and the second refrigerant;
Supplying the first refrigerant as the refrigerant for cooling the first heating element;
A cooling method, wherein the second refrigerant is supplied as the refrigerant for cooling the second heating element.
前記冷媒の蒸気に第2の風を送風することによって液体に相変化させて前記第2の冷媒とすることを特徴とする請求項8に記載の送風方法。 The first refrigerant is changed to a liquid phase by blowing a first wind to the refrigerant vapor,
The blowing method according to claim 8, wherein the second refrigerant is made to change into a liquid phase by blowing a second wind to the refrigerant vapor.
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