JP5556897B2 - ループ型ヒートパイプ及びこれを用いた電子機器 - Google Patents
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Description
本発明はループ型ヒートパイプとこれを用いた電子機器に関する。
各種発熱体を冷却するためのデバイスとして、図1Aに示すループ型ヒートパイプが知られている(たとえば特許文献1及び2参照)。ループ型ヒートパイプは、蒸発器110と凝縮器130を、液管112及び蒸気管113によりループ状に接続して作動流体を循環させる冷却機構である。図1Bに示すように、CPU等の発熱体120に蒸発器110を接触させ、発熱体120からの熱で蒸発器110内の作動液105を気化させることによって発熱体120を冷却する。蒸発器110で発生した作動流体の蒸気103は、蒸気管113により凝縮器130へ送られ、凝縮器130で液化される。液体状態になった作動流体はリザーバタンク125に収容され、蒸発器110に供給される。
電子部品等の発熱体120は、LSIパッケージに代表されるように平面型の形状をしていることが多いことから、受熱部である蒸発器110も発熱体120と密着しやすい平面型であるほうが好ましい。また、ループ型ヒートパイプの冷却性能を高めるためには、蒸発器110の内部容積を大きくすることが有効であるが、電子機器の小型化、軽量化を考えると、蒸発器110の形状をできるだけコンパクトにする必要がある。この相反する要請に答えて、外形がコンパクトでありながら内部容積を大きくできる形状は平面型であり、この点でも平板型蒸発器が望ましい。
平板型蒸発器110の蒸発器ケース111の内部には、多孔質体のウィック115が熱的に密着配置され、ウィック115の毛細管力によって作動液105を駆動する。ウィック115に含浸された作動液105を効率よく気化させるために、平板型の蒸発器ケース111の内部に複数のウィック115を並列に並べ、ウィック115と蒸発器ケース111との接触面積を増大させる構成も提案されている(たとえば、特許文献3参照)。
しかし、蒸発器110に流れ込む作動液105に発熱体120からの熱が伝わりやすくなると、図1Bのサークルで示すように、作動液105がウィック115に到達する前に沸騰して気泡101が生じてしまう。特に小型化、薄型化した平板型蒸発器の場合、発熱体120と作動液105との距離が近くなるため、気泡101が生じやすくなる。気泡101は蒸発器110への作動液105の流入を阻害するとともに、図1Cに示すように、ウィック115の毛細管力を阻害する。作動液105側に蒸気泡101がない場合は、ウィック115を構成する多孔質体に蒸気側に向かう毛細管力が働き(矢印116参照)、作動液105が適正に蒸気側に吸い上げられる。しかし、作動液105中に気泡101が生じた場合、図中の上向きの矢印と下向きの矢印で示すように、ウィック115の蒸気側と液側で表面張力が打ち消され、毛細管力が働かなくなる。その結果、作動液105の循環が弱まり、あるいは循環が停止して、ループ型ヒートパイプの冷却性能が低下する。
一般に平板型の蒸発器は、円筒型蒸発器と比較して作動液の流入口が狭く、内部に蒸気泡が溜まりやすい構造である。発明者らは、平板型蒸発器110を垂直に用いる場合や、マルチCPUの冷却にループ型ヒートパイプを用いる場合に、ヒートリークによる気泡の問題がいっそう顕著化することを見出した。
そこで、本発明は、蒸発器に流れ込む作動液からヒートリークによる蒸気泡を除去し、作動液を効率よく蒸発器内に供給して気泡詰まりを防止することのできるループ型ヒートパイプを提供することを課題とする。
上記の目的を達成するために、本発明のひとつの側面では、発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器と、気化された作動流体を凝縮させる凝縮器とを蒸気管及び液管でループ状に接続したループ型ヒートパイプにおいて、
前記凝縮器で凝縮された作動液を循環させる前記液管上に配置されて前記作動液を収容するタンクと、
前記タンクと前記蒸発器とを接続して前記作動液を前記蒸発器へ供給する接続管と、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとをつなぐバイパス管と、
を有し、前記バイパス管は、前記ループ型ヒートパイプの動作時に前記蒸気器内に発生する蒸気泡を前記タンクへと排出する。
前記凝縮器で凝縮された作動液を循環させる前記液管上に配置されて前記作動液を収容するタンクと、
前記タンクと前記蒸発器とを接続して前記作動液を前記蒸発器へ供給する接続管と、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとをつなぐバイパス管と、
を有し、前記バイパス管は、前記ループ型ヒートパイプの動作時に前記蒸気器内に発生する蒸気泡を前記タンクへと排出する。
別の側面では、ループ型ヒートパイプを用いた電子機器を提供する。このような電子機器は、
重力方向に沿って配置される基板と、
前記基板上に配置される電子部品と、
前記電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品との接触面が前記重力方向と平行になるように前記電子部品に接する蒸発器と、
前記蒸発器と接続管で接続され、前記接続管を介して前記蒸発器に液相の作動流体を供給するタンクと、
前記接続管よりも前記重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとを接続するバイパス管と、
を有し、前記ループ型ヒートパイプの動作時に前記蒸発器で発生する蒸気が前記バイパス管により前記タンクに排出される。
重力方向に沿って配置される基板と、
前記基板上に配置される電子部品と、
前記電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品との接触面が前記重力方向と平行になるように前記電子部品に接する蒸発器と、
前記蒸発器と接続管で接続され、前記接続管を介して前記蒸発器に液相の作動流体を供給するタンクと、
前記接続管よりも前記重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとを接続するバイパス管と、
を有し、前記ループ型ヒートパイプの動作時に前記蒸発器で発生する蒸気が前記バイパス管により前記タンクに排出される。
さらに別の側面では、電子機器は、
複数の電子部品が配置される基板と、
前記複数の電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、前記複数の電子部品の各々に対して配置される複数の蒸発器と、
前記複数の蒸発器の各々と、それぞれ対応する接続管で接続され、前記各蒸発器に液相の作動流体を供給する共通タンクと、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記複数の蒸発器の各々と前記共通タンクとを接続するバイパス管と
を有し、前記ループ型ヒートパイプの動作時に、前記各蒸発器で発生する蒸気が前記対応するバイパス管により前記共通タンクに排出される。
複数の電子部品が配置される基板と、
前記複数の電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、前記複数の電子部品の各々に対して配置される複数の蒸発器と、
前記複数の蒸発器の各々と、それぞれ対応する接続管で接続され、前記各蒸発器に液相の作動流体を供給する共通タンクと、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記複数の蒸発器の各々と前記共通タンクとを接続するバイパス管と
を有し、前記ループ型ヒートパイプの動作時に、前記各蒸発器で発生する蒸気が前記対応するバイパス管により前記共通タンクに排出される。
上述した構成により、ループ型ヒートパイプの作動時にヒートリークにより発生する蒸気泡を除去して気泡詰まりの問題を解消し、作動液を効率よく蒸発器内に供給することが可能になる。その結果、ループ型ヒートパイプの動作が安定し、冷却性能が向上する。このようなループ型ヒートパイプを用いた電子機器も安定して冷却されるため、安定して機能する。
実施例1では、基本形として、ループ型ヒートパイプで単一の発熱体を冷却する場合、すなわちループ型ヒートパイプの循環路に単一の蒸発器を接続する場合を説明する。ループ型ヒートパイプは、垂直の配置構成に適用されてもよい。図2Aは一般的なループ型ヒートパイプをそのまま垂直配置に適用した場合の構成例を示す。ブレードサーバや縦置きディスクトップパソコン等では、筐体内でプリント板40を垂直(重力方向Gと平行)に実装するケースが多い。この場合、プリント板40上のCPU(発熱体)20を冷却するために、平板型蒸発器10も垂直に配置される。リザーバタンク25をプリント板40上でCPU20に隣接して配置するのは困難なので、蒸発器10とリザーバタンク25との間は接続管14で接続されることになる。
このように一般的なループ型ヒートパイプをそのまま垂直に配置した場合、図2Bのように、平板型蒸発器10の内部に蒸発面積を増やすために2つのウィック115a、115bが配置されているとする。CPU20からの発熱量が増大すると、ウィック15a、15bの蒸発面(ウィック15a、15bと蒸発器10の内壁との接触面)だけではなく、蒸発器10の液側でもヒートリークによる蒸気(又は気泡)103が発生する。この場合、蒸気泡103の行き場がなく、上側のウィック15bの内側に蒸気が滞留する(矢印A参照)。
図2Cに示すように上記の滞留がさらに進むと、蒸気器10の上側に作動液5が供給されず、上側のウィック15bがドライアウトしやすくなる。また、蒸発器10内に溜まった蒸気泡101は接続管14を逆流しようとするため、蒸発器10への作動液5の流入が阻害される。
円筒型の蒸発器の場合は、蒸発器の近傍に円筒形のリザーバタンクを配置して、蒸発器とリザーバタンクを大径の接続管で接続することによって、作動液105の流れを阻害することなく気泡をリザーバタンク側に排出することができる。しかし、薄い平板型蒸発器10の場合は、リザーバタンク25との接続に大径の接続管を用いることができない。また、図2Aのように蒸発器10とリザーバタンク25が離れて配置される場合は、接続管14の設計はさらに制限され、接続管14に詰まった蒸気泡を除去するのが困難になる。
このように、ループ型ヒートパイプが垂直方向に配置される場合や、蒸発器とリザーバタンクが離れて位置する場合に、ヒートリークによる蒸気の問題が深刻になる。そこで、実施例では、蒸気詰まりの問題を解消するために図3〜図5に示す構成を採用する。図3は、実施例1のループ型ヒートパイプの主要部を示す概略断面図、図4A〜図4Cは図3の主要部の動作を説明する図、図5は図3の構成を適用したループ型ヒートパイプの全体構成図である。
ループ型ヒートパイプ1(図5参照)は、CPU等の発熱体20からの熱で作動流体を気化させる蒸発器10と、気化された作動流体を凝縮させる凝縮器30を含み、これらが液管12及び蒸気管13でループ状に接続されている。凝縮器30で凝縮された液相の作動流体(作動液)を蒸発器10へ供給する液管12上に、リザーバタンク25が設置されている。リザーバタンク25から接続管14を介して蒸発器10に作動液が供給される。蒸発器10は平板型蒸発器であり、垂直配置されたプリント板40に実装されたCPU20を冷却するために、蒸発器10も垂直に配置されている。
ループ型ヒートパイプ1には、重力方向Gにみて接続管14よりも上方に、蒸発器10とリザーバタンク25をつなぐバイパス管18が設けられている。バイパス管18は、ループ型ヒートパイプ1の動作時に、蒸発器10内部に滞留する蒸気泡を、リザーバタンク25に排出するための管である。接続管の上方に配置したバイパス管18により、蒸発器10の内部に発生した高温の蒸気を低温側のリザーバタンク25へ逃がす。これにより、接続管14から蒸発器10への作動液の流れを適正に維持し、2分割されたウィック15a、15bの片側(上側)のウィック15bがドライアウトするのを防止する。
図4A〜図4Cを参照して、バイパス管18を用いた蒸気泡の排出動作を説明する。図4Aに示すように蒸気泡が発生する以前、たとえばCPU20(図5参照)から蒸発器10に伝わる熱が、いまだ蒸発器10内に供給される作動液5を直接蒸発させる程度に至っていない間は、蒸発器10の内壁に密着するウィック15に浸透した作動液5が、蒸発器10の内壁でCPU20から伝わった熱を吸収し、気化する。気化した作動液の蒸気は、図示しないグルーブから蒸気管13へと排出される。このとき、バイパス管18の内部では作動液5は静止しているか、又は蒸発器10に向かう方向に流動する。
その後、図4Bに示すようにCPU20からの発熱が増大すると、蒸発器10の内壁でウィック15に浸透した作動液5を蒸発させるだけではなく、接続管14から蒸発器10内に供給された作動液5にも熱が漏れ伝わる。このヒートリークにより、蒸発器10の内部(ウィック15の内側)の作動液5中に高温の蒸気103が発生する。この蒸気103は、図4Cに示すように、接続管14の上方に設けたバイパス管18を通って、低温側のリザーバタンク25へと向かう。リザーバタンク25に排出された蒸気は、リザーバタンク25の液面で凝集して液相に戻る。この間、接続管14を通る作動液5の流れは阻害されることなく、蒸発器10に供給される。また、蒸発器10内に滞留する気泡が排出されるので、蒸発器10内部に滞留する気泡に起因するウィック15の毛細管力の阻害も回避できる。したがって、ウィック15を二分割して配置した場合でも、上側のウィック15bへの作動液の浸透が確保され、ドライアウトを防止することができる。
バイパス管18は、接続管14から蒸発器10への作動液の正常な流入を確保するために蒸発器10内の蒸気(気泡)を排出するための管なので、その径は蒸気の流路を形成できる範囲で、なるべくスペースをとらないサイズであるのが望ましい。また、蒸発器10内で発生した高温の蒸気がリザーバタンク25に到達するまでの間に、ある程度温度が下がっていることが望ましい。これらの観点から、バイパス管18の内径は接続管14の内径よりも小さく設定されている。
図3〜図5の例では、垂直配置のループ型ヒートパイプ1を例にとって蒸気詰まりの解消を説明したが、水平に配置する場合、すなわち、水平に置かれたCPU等の発熱体の上に平板型の蒸発器を配置する場合でも、リザーバタンクと蒸発器を細い接続管で接続する場合には同じ気泡詰まりの問題(ウィックの毛細管力の阻害や接続管への気泡の逆流の問題)が生じる。この場合も、接続管の上方にバイパス管を設けることで、気泡詰まりの問題を解決することができる。
次に、図5、図6A及び図6Bを参照して、実施例1におけるループ型ヒートパイプ1の具体的な構成例を説明する。図6Aは蒸発器10の作動流体の流れる方向に沿った縦断面図、図6Bは、図6AのD−D'断面でみたときの蒸発器10の配置構成を示す図である。蒸発器10の本体ケース11は無酸素銅で作製されている。本体ケース11の平面形状は、外寸で一辺が40mmの正方形、本体ケース11の厚さ(t)は8mmである。このような小型、薄型の形状は、サーバーやパソコン等、高密度実装されたコンピューター内の発熱体(CPU)20上への実装に適している。
本体ケース11の内側には、オーバル(楕円)形の開口孔11Aが二つ、並んで形成されている。開口孔11Aの長半径は18mm、短半径は6mmである。二つの開口孔11Aの内部に、それぞれ樹脂製のウィック(多孔質体)15a、15bが挿入されている。ウィック15a、15bの寸法は、短半径方向のサイズ、長半径方向のサイズともに、開口孔11Aの寸法よりも100〜200μm大きく作製してある。ウィック15a、15bの長さ(L)は約30mmである。ウィック15a、15bをPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)製の多孔質体で構成して弾力性をもたせることで、本体ケース11の開口孔11Aよりもウィック寸法をわずかに大きく設定して、ウィック15a、15bを本体ケース11の内壁に密着させることができる。樹脂ウィック15a、15bの平均ポーラス径は約2μm、空孔率は約40%である。樹脂ウィック15a、15bは楕円型のコップのような形状をしており、ウィック15a、15bの内側に、高さ2mm、幅14mmの断面がオーバル形の空間17a、17bが形成されている。この空間17a、17bが作動液の通路となり、液相の作動流体5が接続管14から樹脂製のマニフォールド19を介して蒸発器10内に流入する。ウィック15a、15bがそれぞれ金属の本体ケース11と接触する接触面には、複数の溝(深さ1mm×幅1mm)で構成されるグルーブ16a、16bが形成されている。各溝の表面で蒸気が発生し、発生した蒸気は溝を通過して蒸発器10から排出され、蒸気管13に至る。
樹脂製のマニフォールド19は、樹脂製ウィック15a、15bとの間に隙間ができないようにして、金属製の本体ケース11の内部に設置されている。樹脂製マニフォールド19は、たとえばMCナイロン製である。マニフォールド19は接続管14から流れ込んできた液相の作動流体5を、マニフォールド19から外に漏らさずに樹脂製ウィック15a、15bに振り分ける。樹脂製マニフォールド19を設置することにより、蒸発器10に流れ込んだ液相の作動流体5に熱が伝わりにくくなるという断熱効果が期待できる。
リザーバタンク25は、高さ20mm、幅30mm(垂直方向)、長さが60mm、肉厚1mmの箱型であり銅製である。このリザーバタンク25を蒸発器10から100mm離れた液管12上に設置した。蒸発器10とリザーバタンク25を結ぶ接続管14、リザーバタンク25と凝縮器30を結ぶ液管12、蒸気管13、及び凝縮器30の配管はすべて外径φ4mm、内径φ3mmの銅管を用いた。
バイパス管18は、蒸発器10の液側(マニフォールド19を挿入してある位置)とリザーバタンク25とが連通するように取り付けられている。バイパス管18と接続管14の位置関係は、ループ型ヒートパイプ1を電子機器に実装した際に、バイパス管18が重力方向に対して接続管14よりも上方に位置する関係にある。バイパス管18は外径φ2mm、内径φ1mmの銅製細管とした。これにより、気泡詰まりの問題を解消することに加え、バイパス管18を通過する蒸発器10からの高温の蒸気が、リザーバタンク25に至るまでに温度が低下して、リザーバタンク25内の作動液5の温度上昇を防止する効果も期待できる。
上述のようにして蒸発器10とリザーバタンク25を組み立てた後、蒸気管13、放熱フィンを設置した凝縮器30、及び液管12を溶接にて環状に接続し、内部に作動流体を封入した。蒸気管13から凝縮器30、液管13、リザーバタンク25までの全長は約900mmである。実施例1では、作動流体としてn-ペンタンを用いるが、水やエタノール、R141B、アセトン、ブタン、アンモニアなどを作動流体として封止してもよい。
蒸発器10を電子機器内の発熱部品(CPU)20に取り付けるには、サーマルグリース(例えば、コスモ石油製W4500など)21を介して、押さえつけ金具(図示しない)などをネジ止めすることにより取り付ける。図5の例では、ループ型ヒートパイプ1が適用される電子機器はタワー型ディスクトップパソコンであり、筐体(不図示)内部にプリント板40が垂直に実装されている。
実施例1の効果を確認するため、図5の配置構成でプリント板40上に実装された最大発熱量100WのCPU20を、ループ型ヒートパイプ1により冷却し、熱輸送抵抗の変化を測定した。ループ型ヒートパイプ1の動作中、凝縮器30の放熱フィンに送風ファン(図示しない)から空気を送って冷却を促進した。送風ファンにより、放熱フィンを通過した熱い空気はそのまま筐体外に放出される。比較例として、蒸発器10とリザーバタンク25との間にバイパス管18を設けないことを除いて、実施例1と同一の構成のループ型ヒートパイプを試作し、同様の冷却方法により冷却機能を測定した。
図7は、実施例1のループ型ヒートパイプ1と従来構成のループ型ヒートパイプの冷却機能を比較するグラフである。グラフの横軸はCPU20の発熱量[W]、縦軸は熱輸送抵抗[℃/W]である。熱輸送抵抗は、CPU20の発熱量の変化ごとに蒸発器10と凝縮器30の平均温度を測定し、両者の温度差を発熱量で除した値である。バイパス管18を設置しない従来構成のループ型ヒートパイプの場合、CPU20の発熱量が30Wで熱抵抗が上昇し始め、58Wで蒸発器10がドライアウトしてCPU20の温度が急激に上昇した。他方、実施例1のバイパス管18を設けたループ型ヒートパイプ1の場合、CPU20の発熱量が90Wになるまで熱抵抗の急激な上昇は発生せず、CPU20を安定して冷却できることが確認された。
このように、実施例1の構成を採用することにより、平板形状の蒸発器10を垂直配置で用いた場合でも、ループ型ヒートパイプ1を正常に作動させ、高い冷却性能を維持することができる。また、実施例1のループ型ヒートパイプ1は、電子機器を安定して冷却することができるので、電子機器の安定動作が実現される。さらに、ループ型ヒートパイプ1で蒸発器10を小型・薄型化しても、作動液の循環を妨げることがないので、高密度実装コンピューターに実装される高発熱の電子部品を冷却する際にも、設計自由度を高く維持することができる。
なお、実施例1では、平板型蒸発器の発熱体との接触面を重力方向Gに沿って配置する垂直型配置を例にとって説明したが、図1Bのように水平に置かれた発熱体上に平板型蒸発器を配置して冷却する構成にも適用可能である。この場合も、リザーバタンクから蒸発器に作動液を供給する接続管よりも重力方向で上方にバイパス管を設け、動作時に蒸発器内に発生する蒸気泡を効率良くリザーバタンクへと排出する。この構成により、水平に置かれた蒸発器内部での気泡詰まりや、毛細管力の阻害を防止することができる。
実施例1では、凝縮器30の放熱フィンへ送風することで冷却を促進したが、凝縮器部30を室温以下に冷却した液体に浸すなどの液冷方式により冷却してもよい。また、バイパス管は銅製に限らず、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金など導伝導率の高い材料で構成してもよい。
次に、実施例2のループ型ヒートパイプを説明する。実施例2では、ループ型ヒートパイプをマルチCPU基板の冷却に適用する。大型コンピューターの場合、高性能化のため複数のCPUを設置することが主流となっている。ループ型ヒートパイプで複数の電子部品を冷却する場合、図8Aに示すように電子部品20の数に応じて複数の蒸発器10を配置し、蒸発器10ごとにリザーバタンク25を設ける構成が考えられる。しかし、発熱体20の数だけ近傍にリザーバタンク25を設けるとなると、設計自由度が著しく阻害される。特に、小型・高密度実装が要求される電子機器内の素子を冷却する上では、リザーバタンク25用のスペースの確保はボトルネックとなる。一般にコンピューター内で最も発熱量が大きい電子部品はCPUであり、CPUの周囲は、電気信号の遅延を回避して高性能を維持するために最も高密度実装が要求される箇所だからである。
そこで、図8Bのループ型ヒートパイプ2のように、CPU等の発熱体から離れた位置に共通のリザーバタンク25を配置し、接続管14で各蒸発器10に作動液を供給する配置構成を採用する。従来のループ型ヒートパイプをそのままマルチCPUに拡張した場合、電子機器内部のレイアウトの関係で、各蒸発器10と、離れて位置するリザーバタンク25とを径の小さな接続管14で接続することになるため、蒸気泡による冷却性能阻害の問題が顕著化する。蒸発器10内で発生する気泡により、リザーバタンク25から蒸発器10に作動液がスムースに供給されず、ウィックがドライアウトするという問題が、各蒸発器10で発生するからである。これに対し、実施例2では、各蒸発器10を接続管14で共通のリザーバタンク25に接続するとともに、重力方向にみて接続管14の上方にバイパス管18を設け、各蒸発器10から蒸気をリザーバタンク25へと排出する。この構成により、各蒸発器10で蒸気詰まりの問題が解消され、蒸発器10への作動液の供給を適正に維持できる。
図9は、実施例2のループ型ヒートパイプ2の主要部を示す概略構成図である。図9では、リザーバタンク25に接続されている複数の蒸発器10のうちの一つを示している。水平方向(すなわち重力方向と直交する方向)に置かれたCPU等の発熱体20の上面に蒸発器10が配置され、蒸発器10の底面がCPU20との接触面となっている。接続管14よりも重力方向Gに対して上側に、バイパス管18が設けられている。バイパス管18は、たとえば蒸発器10のCPU20との接触面と反対側の面(上面)に接続されている。バイパス管18の内径は、実施例1と同様に、高温の蒸気がリザーバタンク25に到達するまでの間にある程度温度が下がっているように、接続管14の内径よりも小さく設定されている。
図10A〜図10Cは、ループ型ヒートパイプ2の動作時のリザーバタンク25への蒸気の排出を説明する図である。まず、図10Aに示すように、蒸気泡が発生する以前、たとえばCPU20から蒸発器10に伝わる熱が、いまだ蒸発器10内に供給される作動液5を直接蒸発させる程度に至っていない間は、蒸発器10の内壁に密着するウィック15に浸透した作動液5が、CPU20からの熱を吸収し気化して、図示しないグルーブを通って蒸気管13へと排出される。このとき、バイパス管18の内部では作動液5が静止しているか、又は蒸発器10に向かう方向に流動する。
その後、図10Bに示すようにCPU20からの発熱が増大すると、蒸発器10の内壁でウィック15に浸透した作動液5を蒸発させるだけではなく、接続管14から蒸発器10内に供給された作動液5にも熱が漏れ伝わる。このヒートリークにより、蒸発器10の内部(ウィック15の内側)の作動液5中に気泡が生じ、蒸発器10の内部に蒸気103が発生する。
図4Cに示すように、蒸発器10内に発生した高温の蒸気103は、バイパス管18を通って低温側のリザーバタンク25へと向かう。リザーバタンク25に排出された蒸気はリザーバタンク25の液面で凝集して液相に戻る。このような蒸気の排出により、接続管14から蒸発器10へ向かう作動液5の流れは阻害されない。また、蒸発器10内に滞留する気泡に起因するウィック15の毛細管力の阻害も回避できる。
図11は、実施例2のループ型ヒートパイプ2の全体構成図である。冷却対象のコンピューターは平置き型のラックマウントサーバーであり、筐体(図示せず)の内部にプリント配線板40が水平に実装されている。プリント配線板40上に実装された4つのCPU20(CPU当たりの最大発熱量100W)を、実施例2のループ型ヒートパイプ2を用いて冷却する。
CPU20の各々に蒸発器10を接触させて配置し、対応するCPU20を冷却する。図11の例では、複数の蒸発器10は循環系の中で並列に配置され、各蒸発器10の蒸気出口はCu製の蒸気管(外径6mm、内径5mm)13により集合され、凝縮器30の入口に至る。凝縮器30は、Cu製の凝縮管にアルミ製フィン(厚さ0.1mm、ピッチ1.5mm)がカシメ取り付けされている。凝縮器30の出口とリザーバタンク25との間はCu製の液管(外径3mm、内径2mm)により接続されている。リザーバタンク25と各蒸発器10は、作動液の供給用に接続管14で接続されるとともに、蒸発器10内の蒸気を排出するためのバイパス管18により連通している。各蒸発器10の内部構造は、図6A及び図6Bを参照して実施例1で説明したとおりであり、ここでは説明を省略する。
リザーバタンク25は、高さ25mm、幅120mm、長さが50mm、肉厚0.5mmの箱型でありSUS製である。このリザーバタンク25と4つの蒸発器10の各々を、長さ100〜150mmの接続管14(外径5mm、内径4mm)、及びバイパス管18で接続した。バイパス管18は、各蒸発器10の液側(作動液の流入側)とリザーバタンク25が連通するように取り付けられている。バイパス管18と接続管14の位置関係は、実施例1と同様に、ループ型ヒートパイプ2を電子機器に実装した際にバイパス管18が重力方向で接続管14よりも上方に位置する関係に設置されている。バイパス管18は外径φ2mm、内径φ1mmの銅製細管としたが、銅合金、アルミニウム、アルミニウム合金などで構成してもよい。これによりバイパス管18を通過する蒸発器からの高温の蒸気が、リザーバタンク25に至るまでに温度が低下し、不必要にリザーバタンク25内の作動液5の温度を上昇させることを防止する効果が期待できる。
上述のようにして複数の蒸発器10とリザーバタンク25を組立てた後、蒸気管13、放熱フィンを設置した凝縮器30、液管12を環状に溶接にて接続し、内部に作動流体を封入する。蒸気管13から凝縮器30、液管12、リザーバタンク25の全長は約900mmである。実施例2では、作動流体5としてn-ペンタンを用いたが、水やエタノール、R141B、アセトン、ブタン、アンモニアなどを作動流体として封止してもよい。
各CPU20への蒸発器10の取り付けは、サーマルグリース(例えば、コスモ石油製W4500など)を介して、押さえつけ金具を用いてネジ止め(バネ付き)により取り付ける。ループ型ヒートパイプ2の凝縮器30は、放熱フィンに送風ファン35からの空気を送ることで冷却する。送風ファンにより放熱フィンを通過した熱が筐体(図示せず)の外部に放出される。あるいは、凝縮器30を室温以下に冷却した液中に浸すなどの液冷方式により冷却してもよい。
上記の方法により作製したループ型ヒートパイプ2の冷却効果を検証するために、ループ型ヒートパイプ2を冷却対象であるラックマウントサーバーに実装し、各CPUの内部温度を測定した。比較例として、各蒸発器10とリザーバタンク25との間にバイパス管18を設けないことを除いて、同一の構成でマルチCPUに拡張したループ型ヒートパイプを試作して、同様の測定を行った。
図12は実施例2のループ型ヒートパイプ2の冷却効果を示すグラフである。サーバーを動作させ、ループ型ヒートパイプ2を作動して、4つのCPUの温度を時間の関数として実測した結果を示す。比較例としてのバイパス管18を設置しないループ型ヒートパイプの場合、作動流体の循環が開始されず、CPU温度は4つとも60℃を超えて上昇し続けたので、実験を中止した。他方、実施例2のループ型ヒートパイプ2の場合、CPUは4つとも異常な温度上昇を生ずることはなく、安定した温度で動作を継続することができた。これは、ループ型ヒートパイプ2内で作動流体5が安定して循環していることを裏付ける。4つのCPU温度が異なるのは、各CPUの作動状態が異なるためであり、いずれのCPUもほぼ一定温度で安定して動作している。
このように、実施例2のループ型ヒートパイプ2によれば、蒸発器10から離れた場所にリザーバタンクを設置した場合でも、ループ型ヒートパイプ2の正常な動作が維持される。また、各蒸発器10から離れた位置にリザーバタンク25を設置できるため、電子機器内のプリント配線板のレイアウト設計が容易になり、電子機器を高性能化できる。さらに、複数の発熱体10を蒸気詰まりを生じさせることなく同時に冷却することが可能である。このように実施例2のループ型ヒートパイプ2は、マルチCPU化が進むコンピューターの冷却に適している。
なお、実施例2では水平に配置したCPUを冷却する平板型蒸発器を例にとって説明したが、マルチCPUを実施例1のように垂直配置した構成にも適用可能である。その場合は、各蒸発器10を共通リザーバタンク25と同じ高さ位置又はそれよりも低い位置に配置し、各蒸発器10とリザーバタンク25との間をつなぐバイパス管がリザーバタンク25よりも高い位置に配置する。さらに、実施例2のループ型ヒートパイプ2を、円筒型蒸発器を用いてマルチCPUを冷却する場合に適用することも可能である。この場合、円筒型蒸発器の各々を、離れて位置する共通のリザーバタンクに接続することになるので、実装密度とレイアウトの関係から径の小さな接続管での接続が要請される場合に、効果的に蒸気詰まりの問題を解消することができる。
函体の中にマルチCPUを実装したプリント配線板を収容し、図11に示すようにループ型ヒートパイプ2を実装した場合は、平置き型のラックマウントサーバー等の電子機器が提供される。また、図示はしないが、図11に示すマルチCPU対応のループ型ヒートパイプにおいて、各蒸発器10の内部に2以上に分割された多孔質体のウィックが水平に並べられた構成としてもよい。
本発明にかかるループ型ヒートパイプは、電子機器等、種々の発熱体の冷却装置に適用可能である。
1、2 ループ型ヒートパイプ
5 作動流体
10 蒸発器
11 蒸発器本体ケース
12 液管
13 蒸気管
14 接続管
15、15a、15b ウィック
18 バイパス管
20 発熱体(電子機器)
25 リザーバタンク
40 プリント配線板
5 作動流体
10 蒸発器
11 蒸発器本体ケース
12 液管
13 蒸気管
14 接続管
15、15a、15b ウィック
18 バイパス管
20 発熱体(電子機器)
25 リザーバタンク
40 プリント配線板
Claims (10)
- 発熱体からの熱で作動流体を気化させる蒸発器であって、内部に多孔質体が配置された平板型の蒸発器と、
前記気化された前記作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記気化された前記作動流体を前記蒸発器から前記凝縮器へ供給する蒸気管と、
前記凝縮器で凝縮された作動液を前記蒸発器へ供給する液管と、
前記液管上に配置されて前記作動液を収容するタンクと、
前記液管の一部として前記タンクと前記蒸発器とを接続して前記作動液を前記蒸発器へ供給する接続管と、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクを直接つないで常時連通させるバイパス管と、
を有し、前記バイパス管は、前記蒸発器内に発生する蒸気泡を前記タンクへと排出することを特徴とするループ型ヒートパイプ。 - 前記蒸発器は、前記発熱体と接触する前記蒸発器の接触面が前記重力方向と平行に配置されることを特徴とする請求項1に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記蒸発器は、内部に2以上に分割された多孔質体が、前記重力方向と垂直に延設されていることを特徴とする請求項2に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記バイパス管の内径が前記接続管の内径よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記蒸発器は複数配置され、前記複数の蒸発器の各々は、それぞれ対応する前記接続管によって前記タンクと接続されるとともに、それぞれ対応する前記バイパス管で前記タンクと直接接続されていることを特徴とする請求項1に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記各バイパス管の内径は、対応する蒸発器に接続される接続管の内径よりも小さいことを特徴とする請求項5に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記複数の蒸発器の各々は、前記発熱体と接触する接触面が前記重力方向と垂直になるように配置されていることを特徴とする請求項5に記載のループ型ヒートパイプ。
- 前記蒸発器の各々は、内部に2以上に分割された多孔質体が並行に並べられていることを特徴とする請求項5に記載のループ型ヒートパイプ。
- 重力方向に沿って配置される基板と、
前記基板上に配置される電子部品と、
前記電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記電子部品との接触面が前記重力方向と平行になるように前記電子部品に接して配置され、内部に多孔質体が配置された平板型の蒸発器と、
前記蒸発器と接続管で接続され、前記接続管を介して前記蒸発器に液相の作動流体を供給するタンクと、
前記接続管よりも前記重力方向で上方に位置し、前記蒸発器と前記タンクとを直接接続して常時連通させるバイパス管と、
を有し、前記蒸発器で発生する蒸気が前記バイパス管により前記タンクに排出されることを特徴とする電子機器。 - 複数の電子部品が配置される基板と、
前記複数の電子部品を冷却するためのループ型ヒートパイプと
を備え、
前記ループ型ヒートパイプは、
前記複数の電子部品の各々に対して配置され、各々が内部に多孔質体が配置された平板型の複数の蒸発器と、
前記複数の蒸発器の各々と、それぞれ対応する接続管で接続され、前記各蒸発器に液相の作動流体を供給する共通タンクと、
前記接続管よりも重力方向で上方に位置し、前記複数の蒸発器の各々を直接前記共通タンクに接続して常時連通させるバイパス管と
を有し、前記各蒸発器で発生する蒸気が前記対応するバイパス管により前記共通タンクに排出されることを特徴とする電子機器。
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