JP3895322B2 - 電気装置及び電子装置の少なくとも一方のための冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、多くの場合高い熱容量を有する電気装置及び電子装置の少なくとも一方のための冷却装置に関する。

電気装置又は電子装置のための冷却装置は、最新の先端技術において益々要求されている。特にコンピュータ産業の発達においてはより効率の高いプロセッサが開発され、それらは大量の熱を発生するために相当な冷却を必要とする。多くの場合冷却は、望ましくない騒音を生じる積極的なファンにより行われる。ファンが故障すると、冷却されるべき装置のオーバーヒートが直ちに生じ、装置が破壊する。さらに、高感度な電気／電子装置はこれらの冷却システムにおいて、ハウジングに必要な空気入口開口部による塵埃、湿気等の外部環境に曝される。

独国特許公開第１９９４４５５０号明細書

これらの欠点を回避するために、電気／電子装置により生じた熱を、金属製の冷却体を用いて熱伝導により直接的に放散させることが示唆されている。金属製の冷却体は、ハウジングの外壁上の冷却構造体に接続される。この場合の欠点は、熱が不都合に長い距離を伝達し、特に構成要素の電力損失が高いときは熱の安全な放出が確保されず、オーバーヒートの危険性がなお存在することである。

さらに、電気／電子装置により生じた熱を放散させるために、ハウジングの外壁の構造体を冷却するヒートパイプが特許文献１に示唆されている。特に、非常に大きい熱容量を有する極最近開発されたプロセッサにおける欠点は、安全な熱放出を確保するには冷却が不十分であることである。さらに、単一の構成要素（ヒートパイプ、冷却構造体）を多数使用することは、比較的高コストであり、多くのスペースを必要とする。冷却システムの構造は、冷却されるべき装置の種類及び配置に依存して新たに構成されねばならないからである。最終的には、冷却構造体はハウジングの外壁に取付けられ、ハウジングの全体的な審美的印象を得るために多大な付加的労力が必要となる。

従って本発明の目的は、電気装置及び電子装置の少なくとも一方のための一体化された冷却装置を提供することである。この冷却装置により、高い熱容量を有する構成要素を確実に冷却することが可能になる。この冷却装置は、冷却されるべき対象のそれぞれの形状、及び他の一般的幾何学的条件に柔軟に適合可能であり、低コストで作製可能であり、単一の構成要素として供給可能であり、さらに電気／電子装置を囲繞するハウジングの外壁の審美的デザインに関し自由度を与える。

この課題は、請求項１の特徴及び請求項２の特徴により解決される。

本発明によれば、電気装置及び電子装置の少なくとも一方のための冷却装置であって、エンベロープ面を有するとともに冷却されるべき装置に接続されるように構成された熱伝導性の基礎本体と、基礎本体から離れて配置されるとともに基礎本体のエンベロープ面の一部を少なくとも部分的に囲繞する冷却構造体と、基礎本体のエンベロープ面に取付けられるとともに液体を含浸させたフリースとを有し、基礎本体と冷却構造体との間に閉鎖され部分排気された空間が形成される、冷却装置が示される。同様の発明思想は、中空体として形成されるとともに冷却されるべき装置に接続されるように構成された内壁面を備えた熱伝導性基礎本体と、基礎本体から離れて配置されるとともに基礎本体の内壁面の少なくとも一部により少なくとも部分的に囲繞される冷却構造体と、基礎本体の内壁面に取付けられるとともに液体を含浸させたフリースとを有し、基礎本体と冷却構造体との間に閉鎖され部分排気された空間が形成される、冷却装置によっても提供される。

上部及び下部に開口部を備えた少なくとも１つの空気ダクトを冷却構造体の領域内に形成することは、冷却構造体により大気へ放散される熱が電気／電子構成要素を囲繞するハウジングの外に容易に移動できるので、有利である。

冷却構造体上に管状のエンベロープ要素を配置し、冷却構造体内に管状の内側要素を挿入し、冷却構造体と管状エンベロープ要素又は内側要素との間に、冷却構造体及びエンベロープ要素又は内側要素により画定されたいくつかの煙突状の空気ダクトを形成することが有利である。それにより、冷却構造体により放散された熱の大気への放出が大いに促進される。熱い空気が空気ダクト内を上昇し、同時に冷たい空気が底から流れて通気が生じるからである。

熱放散性をさらに向上させるために、冷却構造体は、壁がジグザグ状又は波状の断面形状を有する実質的管として形成可能であることが好ましい。

本発明に係る冷却装置は、冷却構造体と基礎本体との間にプラスチック製の複数の成形部材を有し、それら成形部材は、部分排気された空間を上部及び底部において気密式に閉鎖することが好ましい。熱移動のために非導電性の液体を付加的に使用する場合は、本発明に係る冷却装置は、スイッチングトランジスタ、サイリスタ等のような高電圧要素に直接的に接続することができる。

本発明に係る冷却装置により、プロセッサのような最新の電気／電子装置を冷却するときに、大量の熱量であっても安全に放散することが可能であり、同時に、コスト要因を非常に低く抑えることができ、電気／電子装置を囲繞するハウジングの外壁は冷却装置の構成要素からは自由である。このシステムはまた、柔軟なデザインが可能であり、いかなるメンテナンスも必要としない。

本発明のさらなる詳細、長所及び特徴は、添付図面に関して以下の説明から明らかになる。

図１及び図２は本発明の第１の実施形態を示す。冷却装置は、冷却されるべき電気／電子装置５に接続される基礎本体３を有する。この接続は、直接的に行われてもよいし、さらなるヒートブリッジ（図示せず）を介して行われてもよい。この実施例では基礎本体３は、アルミニウム又は銅のような高い熱伝導性材料からなる中実の円筒として形成され、熱源５と少なくとも同じ基礎表面を熱移動地点において有することが好ましい。しかし基礎本体３は、楕円又は多角形の断面を備えた中実の本体として、又は、概ねいかなる壁形状をも備えた中空体として形成することも可能である。いかなる場合においても、基礎本体３は、基礎本体の外周縁を囲繞するエンベロープ面７を有する。

冷却構造体９は、管として形成され、基礎本体のエンベロープ面７の周りにある距離だけ離れて配置される。冷却構造体の壁は、表面積を大きくするために変形している。この実施例においては、壁は波状の湾曲部により変形している。冷却に十分な表面を供給する星形、ジグザグ形状及び他のさらなる形状の全てもまた使用可能である。冷却構造体９は、理想的な場合においては、例えばアルミニウム又は銅のような好適な熱伝導性材料を有する材料からなり、最大限の表面を有するように構成される。

冷却構造体９と基礎本体３との間には空間１１が形成され、空間１１は既知の真空ポンプによってある程度まで減圧すなわち部分排気される。この空間１１は、上部及び下部において複数の成形部材によって気密式に閉鎖され、成形部材は基礎本体３と冷却構造体９との間に固定される。これらの成形部材１３は、好ましくは硬質のプラスチック材料からなり、例えばガス気密式接着剤によって冷却構造体９及び基礎本体３に接続され、部分真空を長時間にわたり維持する。さらに、当業者には公知のさらなる封着措置をとることもできる。もちろん成形部材１３は他の適当な材料（例えば金属）から作製することもできるが、硬質のプラスチック材料の使用により、高電圧がかかる構成要素５の冷却についてもさらなる措置をとる必要なく冷却装置を使用できるという効果が得られる。成形部材は非常に正確に作製される必要があり、それらの外側部分において冷却構造体９の壁と同じ形状を有し、それらの内側部分において基礎本体３の形状を有する。従って本実施例においては、管状の中央凹部を備えた花のような形状が形成されている。減圧すなわち部分真空は適当なバルブにより生じ、可能な限り高真空がよい。より高真空であるほど液体の沸点がより低くなるからである。部分真空は、電気／電子装置５の全寿命にわたり維持されることが好ましい。しかし、排気操作をある時間間隔にて反復することも考えられる。

管状のエンベロープ要素１５は、好ましくは冷却構造体９の上に配置され、冷却構造体を囲繞し、冷却構造体の外壁の湾曲部に緊密に当接する。この管状エンベロープ要素１５は、ほぼ全ての材料から作製可能であり、好ましくは、可撓性のホースとして形成されて冷却構造体９を覆うように配置される。このことにより、冷却構造体９の２つの湾曲部と管状エンベロープ要素１５との間に複数の煙突状の空気ダクト１７が形成される。これらの空気ダクトは上部及び下部に開口部を有し、これらの開口部は好ましくは、電気／電子装置５を囲繞するハウジング（図示せず）の外側に位置する。管状エンベロープ要素１５は、個々の空気ダクト１７内にて生成される煙突効果がなくても冷却機能が十分であるときは無視することができる。煙突状の空気ダクトの長さ及びそれらダクトの熱移動手段は、概ねいかなる形態にも構成可能であり、基本的には、移動されるべき熱が放出されるハウジングの形状に依存する。

冷却効果自体は、基礎本体３と冷却構造体９との間の部分排気された空間１１内に導入される液体により提供される。この液体は、最初は全て、基礎本体３のエンベロープ７に接着剤により取付けられたフリース１９内に含まれる。高電圧がかかる構成要素５を冷却する場合は、非導電性の液体（好ましくは蒸留水又はアルコール）が使用される。しかし、熱移動に適した他のさらなる液体の全ても使用可能である。

最後に、部分排気された空間１１内の冷却構造体９の内側湾曲部に、ガーゼ２１が直接取付けられる。このガーゼは、凝縮した液体の放散に役立つ。特に冷却装置が傾斜配置にある場合は、凝縮液を冷却装置の下部内すなわちフリース１９上に戻すように移動させるのにガーゼが役立つ。この場合、例えば金属製のガーゼが使用可能であるが、多くの他の材料も使用可能である。さらに、部分排気された空間１１に面する冷却構造体９の面は、フリース層（図示せず）により被覆可能である。フリース層は、毛細管効果によって凝縮蒸気を放出することができる。

図３及び図４は、本発明に係る冷却装置の第２の好適な実施形態を示す。構成要素の材料及び空間的構成に関し、図１及び図２を参照して説明された実施形態についてなされたコメントが適用され、ここでは明示的に言及しない。説明される実施形態は、同じ発明思想に基づくものである。基礎本体１０３は、電気／電子装置１０５に接続される。基礎本体１０３は中空体、好ましくは中空の円筒として形成され、内壁面１０６及び外壁面１０７を有する。フリース１１９は、基礎本体１０３の内壁面１０６に取付けられる。冷却構造体１０９は、小さめの外径を有し、基礎本体１０３の内壁面１０６により少なくとも部分的に囲繞されるように基礎本体１０３の内側に配置される。

部分排気された空間は、第１の実施形態のように、概ね基礎本体１０３と冷却構造体１０９との間に位置するが、基礎本体１０３を冷却構造体に接続する気密式閉鎖に必要な複数の成形部材１１３は、それらの外側エッジにおいて基礎本体１０３の形状に適合され、内側エッジにおいて冷却構造体１０９の形状に適合する。

管状の内側要素１１６は、冷却構造体１０９内に接続又は嵌め込まれ、冷却構造体１０９の内向きの湾曲部に緊密に当接し、それにより煙突状の空気ダクト１１７が冷却構造体１０９の２つの内側湾曲部と管状内側要素１１６との間に形成される。管状内側要素１１６は、冷却構造体１０９の内側への嵌め込みを維持するのに十分な剛性を備えた材料からなる。ガーゼ１２１は、部分排気された空間１１１内で冷却構造体１０９に緊密に当接する。

続いて、本発明に係る冷却工程を説明する。先ず、熱発生要素５及び１０５が加熱し、対流によってそれぞれ基礎本体３及び１０３に熱を放散する。これにより基礎本体が加熱され、フリース１９及び１１９に含まれた液体が、それぞれ部分排気された空間１１及び１１１内で蒸発する。真空により沸点は下がるので、空間１１及び１１１は既に比較的低温である。液体の蒸気はガーゼ２１及び１２１を通って拡散し、それぞれ冷却構造体９及び１０９の壁にて凝縮する。冷却構造体９及び１０９は、それぞれ部分排気された空間１１及び１１１に関連付けられており、熱は冷却構造体に放散される。冷却されて凝縮した液体は、冷却構造体９及び１０９を下方に流れ、それぞれフリース１９及び１１９に再び供給される。この供給は、さらなるフリースのような適当な毛細管構造体を使用することによる直接的方法で実行することもできる。ガーゼ２１及び１２１は、装置が傾斜配置されている場合に、凝縮した液体がそれぞれ部分排気された空間１１及び１１１内に直接落下して戻ることを防止する。蒸発した液体を介するこの熱移動機構は極めて効率的であり、従来のようにシステムを高温にすることなく、非常に大きな熱移動を可能にする。

冷却構造体は蒸気の凝縮により放出される熱により加熱され、その熱を大気に放出する。加熱された空気は煙突状の空気ダクト１７及び１１７内を上昇し、一方冷たい空気は底部から空気ダクト内に流れて強い吸引効果を促す。

最後に、熱放散のさらなる増加のために、複数の冷却装置を使用することも考えられる。

フリースが冷却されるべき本体に（基礎本体を用いずに）直接取付けられている場合は、さらに良好な冷却効果が得られる。熱放散を制限する要因である、基礎本体と冷却されるべき本体との間の熱伝導がないからである。このためには、冷却されるべき本体は適当な形状を有する必要がある。

本発明に係る冷却装置は、気密、防塵及び水密システムにおいても使用可能であり、比較的低コストにて作製可能であり、この装置によれば１５０Ｗ以上の電力損失もなお安全に放散することができる。もちろん、ファンを使用しない一体化された冷却装置のこの原理は、本願明細書に開示された実施形態に限定されるものではない。基礎本体のカバー部分にのみフリースを備えることも可能であるし、基礎本体の少なくとも一部を冷却構造体により囲繞すること又はその逆も可能である。本発明に係る冷却装置を、汚染されたガス及び液体の熱損失の回収、又は生物学的プロセスにおいて生じた熱の回収のために使用することも考えられる。このためには、特に第２の実施形態が適している。第２の実施形態は大きな熱受容面を備えた基礎本体を有するからである。全体的にみて、本発明に係る冷却装置は外部の基本的条件の全てに柔軟に適合可能である。このように、極めて空間を節約しかつメンテナンスフリーであって、環境的に互換性のある方法で作用する統合化された解決方法が構築される。

本発明に係る冷却装置の第１の実施形態の上面図である。 図１の冷却装置のＡ−Ａ線における断面図である。 本発明に係る冷却装置の第２の好適な実施形態の上面図である。 図３の冷却装置のＢ−Ｂ線における断面図である。

符号の説明

３、１０３…基礎本体
５、１０５…電気／電子装置
７…エンベロープ面
９、１０９…冷却構造体
１１、１１１…空間
１３、１１３…成形部材
１５…エンベロープ要素
１７、１１７…空気ダクト
１９、１１９…フリース
２１、１２１…ガーゼ

Claims (8)

1. 電気装置及び電子装置（５）の少なくとも一方のための冷却装置であって、２つの端面及び１つのエンベロープ面（７）を有し、前記２つの端面の一方が冷却されるべき前記装置（５）に接続されるように構成された円柱状の熱伝導性の基礎本体（３）と、前記基礎本体（３）から離れて配置されるとともに前記基礎本体（３）の前記エンベロープ面（７）を半径方向に囲繞する冷却構造体（９）と、前記基礎本体（３）の前記エンベロープ面（７）を覆うように該エンベロープ面（７）に取付けられるとともに液体を含浸させたフリース（１９）とを有し、前記基礎本体（３）の前記エンベロープ面と前記冷却構造体（９）との間に閉鎖され部分排気された空間（１１）が形成され、操作中に、前記フリース（１９）に含まれた前記液体が、前記空間（１１）内で蒸発し、前記冷却構造体（９）の内壁面にて凝縮して前記フリース（１９）に再び供給される、冷却装置。
2. 電気装置及び電子装置（１０５）の少なくとも一方のための冷却装置であって、内壁面（１０６）及び外壁面（１０７）を有するとともに該外壁面（１０７）によって冷却されるべき前記装置（１０５）に接続されるように構成され、中空体として形成された円筒状の熱伝導性の基礎本体（１０３）と、該基礎本体（１０３）の前記内壁面（１０６）により囲繞されるように前記基礎本体（１０３）の内側に該基礎本体（１０３）から離れて配置される冷却構造体（１０９）と、前記基礎本体（１０３）の前記内壁面（１０６）を覆うように該内壁面（１０６）に取付けられるとともに液体を含浸させたフリース（１１９）とを有し、前記基礎本体（１０３）と前記冷却構造体（１０９）との間に気密式に部分排気された空間（１１１）が形成され、操作中に、前記フリース（１１９）に含まれた前記液体が、前記空間（１１１）内で蒸発し、前記冷却構造体（１０９）の外壁面にて凝縮して前記フリース（１１９）に再び供給される、冷却装置。
3. 前記冷却構造体（９）の領域内に少なくとも１つの空気ダクト（１７）が配置され、該空気ダクト（１７）は上部及び下部の開口部を有することを特徴とする、請求項１に記載の冷却装置。
4. 前記冷却構造体（９）の上に管状のエンベロープ要素（１５）が配置され、それにより複数の煙突状の空気ダクト（１７）が、前記冷却構造体（９）及び前記エンベロープ要素（１５）により画定され、前記冷却構造体（９）と前記エンベロープ要素（１５）との間に形成されることを特徴とする、請求項１又は３に記載の冷却装置。
5. 前記冷却構造体（１０９）の領域内に少なくとも１つの空気ダクト（１１７）が配置され、該空気ダクト（１１７）は上部及び下部の開口部を有することを特徴とする、請求項２に記載の冷却装置。
6. 前記冷却構造体（１０９）内に管状の内側要素（１１６）が挿入され、それにより複数の煙突状の空気ダクト（１１７）が、前記冷却構造体（１０９）及び前記管状の内側要素（１１６）により画定され、前記冷却構造体（１０９）と前記管状の内側要素（１１６）との間に形成されることを特徴とする、請求項２又は５に記載の冷却装置。
7. 前記冷却構造体（９、１０９）は実質的管として形成され、該管の壁はジグザグ状又は波状の断面を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置。
8. 前記冷却構造体（９、１０９）と前記基礎本体（３、１０３）との間にプラスチック製の成形部材（１３、１１３）が配置され、該成形部材（１３、１１３）が前記部分排気された空間（１１、１１１）を上部及び底部において気密式に閉鎖することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却装置。

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