JP5850161B2 - 受熱装置、冷却装置、及び電子装置 - Google Patents
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Description
本発明は、受熱装置、冷却装置、及び電子装置に関する。
電子装置等が内蔵するプリント基板上に実装された発熱部品等から受熱して冷却する受熱器が知られている。受熱器内には冷媒が流通する流路が形成されている。受熱器の受熱効率を向上させるために、冷媒の流速を増大させることが考えられる。例えば、発熱部品の高温箇所に対応した流路上の一部分での断面積を縮小するように流路を設計することにより、その部分での冷媒の流速を増大させて部分的に受熱効率を向上させることができる。特許文献1、2は、このような受熱器に関連する技術が開示されている。
発熱部品の温度分布は、発熱部品の使用の経過時間や使用状況等に応じて変化する。例えば、発熱部品が全体的に低温となる場合や部分的に高温となる場合がある。発熱部品が全体的に低温の場合には、冷媒が流路を流れる際の圧力損失を低減するために流路の断面積はある程度大きいほうがよい。一方、発熱部品が部分的に高温の場合には、発熱部品からの受熱効率を向上させるために発熱部品の高温箇所に対応した流路上の一部分での断面積はある程度小さいほうがよい。しかしながら従来の受熱器は、発熱部品の温度分布の経時的変化に応じて流路の断面積を変化させることはできなかった。
本発明は、発熱部品の温度分布の変化に対応可能な受熱装置、冷却装置、及び電子装置を提供することを目的とする。
本明細書に開示の受熱装置は、冷媒が流通する流路を内部に有し外部に配置された発熱部品からの熱を伝導するケース、前記流路に前記冷媒が流通した状態で前記流路の一部分での断面積を変更可能な弁、を含む受熱器と、前記発熱部品の温度を検出する温度センサと、前記温度センサからの出力値が所定の閾値を超えた場合に前記弁により前記断面積を縮小させる制御部と、を備え、前記弁は、前記冷媒の流れる方向で異なる位置に設けられた第1及び第2弁を含み、前記温度センサは、前記第1及び第2弁のそれぞれの近くに設けられた第1及び第2温度センサを含み、前記第1及び第2温度センサは、同一の前記発熱部品での異なる箇所の温度を検出し、前記制御部は、前記第1温度センサの出力値が第1閾値を超えた場合に前記第1弁により前記断面積を縮小させ、前記第2温度センサの出力値が第2閾値を超えた場合に前記第2弁により前記断面積を縮小させる。また、本明細書に開示の受熱装置は、冷媒が流通する流路を内部に有し外部に配置された発熱部品からの熱を伝導するケース、前記流路に前記冷媒が流通した状態で前記流路の一部分での断面積を変更可能な弁、を含む受熱器と、前記発熱部品の温度を検出する温度センサと、前記温度センサからの出力値が所定の閾値を超えた場合に前記弁により前記断面積を縮小させる制御部と、を備え、前記制御部は、前記弁が前記断面積を縮小している時に前記流路に前記冷媒を流通させるポンプの出力を増大させる。
本明細書に開示の冷却装置は、前記受熱装置と、前記発熱部品と、前記発熱部品が実装されたプリント基板と、を備えている。
本明細書に開示の電子装置は、前記冷却装置と、前記冷却装置を収納した筐体と、を備えている。
発熱部品の温度分布の変化に対応可能な受熱装置、冷却装置、及び電子装置を提供できる。
図1は、電子装置1のブロック図である。電子装置1は、例えば、スーパーコンピュータ、サーバ、ネットワーク装置、デスクトップ型コンピュータ、ノート型コンピュータ等の情報処理装置である。電子装置1は、発熱部品6を冷却する冷却装置C、冷却装置Cを収納した筐体9、を含む。発熱部品6は、例えばLSIやCPU等の電子部品である。発熱部品6は、単一のパッケージ内に複数の電子部品が内蔵されているものであってもよいし、単体の半導体チップであってもよい。発熱部品6は、電力が供給されることにより発熱する部品であればよい。発熱部品6はプリント基板Pに実装されている。
冷却装置Cは、受熱器2、ポンプ3、熱交換器4、を含む。冷媒はこの冷却装置C内を循環する。受熱器2は、発熱部品6に接触するように設けられ、発熱部品6から熱を受け取り冷媒に伝える。ポンプ3は、冷媒を循環させる。熱交換器4は、冷媒の熱を外部に放熱する。熱交換器4は、空冷式、水冷式の何れでもよい。熱交換器4が空冷式の場合には、熱交換器4を冷却するファンが設けられていてもよい。各装置間は、金属製の配管やフレキシブルなホースにより接続されている。冷媒は、例えば、プロピレングリコール系の不凍液が使用されるがこれに限定されない。冷却装置Cは、後述する受熱装置Lを備えている。
図2は、受熱器2の説明図である。受熱器2は受熱装置Lに含まれる。受熱器2は、アルミ又は銅等の金属製のケース21を有している。ケース21は、冷媒が流通する流路25を内部に有し外部に配置された発熱部品6からの熱を伝導するケースの一例である。流路25は、図2に示すように蛇行しているがこのような形状に限定されない。ノズル22a、22bはケース21から外側に突出している。ノズル22a、22bがケース21内の流路25と連通している。ノズル22aにはチューブの一端が接続されて他端がポンプ3側に接続される。ノズル22bにはチューブの一端が接続されて他端が熱交換器4側に接続される。
流路25内には、上流側から下流側に順に仕切壁261〜269、電磁弁271〜279が設けられている。即ち、仕切壁261〜269、電磁弁271〜279は、冷媒の流れる方向で異なる位置に設けられている。電磁弁271〜279は、後述する制御回路Uにより開閉状態が制御される。電磁弁271〜279は、それぞれモータにより駆動する電動式の弁である。電磁弁271〜279のそれぞれは、流路25に冷媒が流通した状態で流路25の一部分での断面積を変更可能な弁の一例である。また、ケース21の外部には流路25に沿って上流側から下流側に順に温度センサT1〜T9が設けられている。
図3は、図2のA−A断面図である。図3には、あわせて制御回路Uやポンプ3も示している。制御回路Uは受熱装置Lに含まれる。ケース21の受熱壁23aは発熱部品6に対向して接触している。ケース21の壁23bは発熱部品6には接触せずに受熱壁23aに対向している。受熱壁23aは第1壁の一例である。壁23bは第2壁の一例である。仕切壁264は、冷媒が流れる方向にある程度の長さを有している。仕切壁264は、流路25を流通する冷媒を受熱壁23a側と壁23b側とに仕切るように設けられている。仕切壁264により流路は受熱壁23a側の領域254a、壁23b側の領域254bに分離される。その他の仕切壁も同様の構造を有している。従って、領域254a〜256aは、第1領域の一例である。領域254b〜256bは、第2領域の一例である。尚、隣接する仕切壁264、265同士、仕切り壁265、266同士は互いに分離している。
電磁弁274は、流路25内の壁23b側に設けられている。電磁弁274は、壁23b側で固定された軸と、軸を中心として所定の範囲を揺動可能な板とを含む。その他の電磁弁についても同様の構造を有している。
温度センサT1〜T9は、ケース21の受熱壁23aの外側に設けられており、発熱部品6と受熱器2との間に挟まれるようにして設けられている。尚、図3においては温度センサT4〜T6を簡略化して示しているが、例えば、温度センサT4〜T6をそれぞれ収納可能な凹部を受熱壁23aの外側に設ける。凹部から部分的に露出した温度センサT4〜T6が発熱部品6の温度を検出する。その他の温度センサについても同様に設けられている。温度センサT1〜T9が発熱部品に接触することにより発熱部品6の温度を検出する。尚、温度センサT1〜T9の位置は、図2に示すように流路25の真下の受熱壁23aの部分に位置するがこれに限定されない。例えば、流路25の隣接する通路の間の部分、即ち流路25が形成されていない部分に温度センサを設けてもよい。温度センサT1〜T9はそれぞれ発熱部品6の一部分の温度を検出する。温度センサT1〜T9は、例えばサーミスタであるがこれに限定されない。
制御回路Uは、温度センサT1〜T9の出力値のそれぞれに基づいて電磁弁271〜279を開状態又は閉状態に制御する。即ち、温度センサT1〜T9と電磁弁271〜279とがそれぞれ対応付けられている。具体的には、電磁弁271には、温度センサT1〜T9のうち電磁弁271に最も近い温度センサT1が対応付けられている。同様に、電磁弁271には、温度センサT1〜T9のうち電磁弁272に最も近い温度センサT2が対応付けられている。その他の電磁弁と温度センサについても同様である。尚、電磁弁271〜279のそれぞれには、開状態、閉状態に応じて出力信号が変化するセンサが設けられている。これらセンサからの出力信号に基づいて制御回路Uは電磁弁271〜279のそれぞれの状態を把握できる。制御回路Uは、例えばROM、RAM、CPU等を備えている。尚、制御回路Uは、発熱部品6が実装されているプリント基板Pに実装されていてもよいし、その他のプリント基板に実装されていてもよい。
例えば、図3に示すように、発熱部品6が全体的に比較的低温の場合には、温度センサT4〜T6の各出力値は所定の閾値未満となる。このため、制御回路Uは電磁弁274〜276を開状態に制御する。これにより、領域254a〜256a、領域254b〜256b全体に冷媒が流れる。これにより流路25の断面積が確保される。これにより、流路25を通過する冷媒の圧力損失を抑制することができる。
図4は流路25の一部分の断面積が縮小される場合の説明図である。図4は、発熱部品6の中心付近が高温となっている場合を例に示している。発熱部品6の中心付近のみが高温となり温度センサT5の出力値のみが所定の閾値以上の場合、制御回路Uは電磁弁275のみを閉状態にしその他の電磁弁は開状態に維持する。閉状態にある電磁弁275は、電磁弁275の先端が仕切壁265に接触する。これにより、領域255bの断面積が縮小されて領域255bでの冷媒の流通が規制される。一方、領域255aに冷媒が流通する。このように電磁弁275が閉状態の場合には、流路25内の領域255bでの断面積を縮小する。従って、仕切壁265付近での流路25の断面積が縮小される。このため、領域255a、255bの双方を流れる冷媒の流速よりも、領域255aのみを流れる冷媒の流速のほうが大きくなる。これにより、この冷媒の流速が増大した部分での受熱器2の受熱効率が向上する。換言すれば冷媒の流速が増大して部分近傍での発熱部品6の冷却効率が向上する。また、電磁弁275以外の電磁弁は開状態となっているため、流路25の断面積が確保される。従って、受熱器2の受熱効率を部分的に向上させつつ、冷媒の圧力損失が抑制される。
図5は流路25の一部分の断面積が縮小される場合の説明図である。図5は、発熱部品6の端部付近が高温となっている場合を例に示している。温度センサT6の出力値のみが所定の閾値以上の場合、制御回路Uは電磁弁276のみを閉状態にしその他の電磁弁は開状態に維持する。電磁弁276が閉状態となるので、領域256bの断面積が縮小されて領域256bでの冷媒の流通が規制される。一方、領域256aに冷媒が流通する。このように電磁弁276が閉状態の場合には、流路25内の領域256bでの断面積を縮小する。これにより、領域256a、256bの双方を流れる冷媒の流速よりも、領域256aのみを流れる冷媒の流速が増大する。これにより、領域256a付近での受熱器2の受熱効率が向上させつつ、冷媒の圧力損失が抑制される。尚、詳しくは後述するが制御回路Uは、閉状態にある電磁弁の数に応じてポンプ3の出力を制御する。
また、図示はしていないが、発熱部品6が全体的に高温であり温度センサT2、T4〜T6、T8の出力値が所定の閾値以上の場合には、制御回路Uは電磁弁272、274〜276、278を閉状態にしその他の電磁弁を開状態にする。また、例えば発熱部品6の2箇所の部分で高温であり温度センサT3、T9の出力値が所定の閾値以上の場合には、制御回路Uは電磁弁273、279を閉状態にしその他の電磁弁を開状態にする。このように、受熱器2は、冷媒が流れている状態においても、受熱効率が向上した箇所を変更することができる。
ここで、発熱部品6の温度分布は、使用の経過時間や使用状況、使用負荷等に応じて変化する。本実施例の受熱器2は、経時的に変化する発熱部品6の温度分布に対応して、部分的に受熱効率を向上させることができる。これにより、発熱部品6を効率的に冷却することができる。また、本実施例の受熱器2は、発熱部品6が全体的に低温の場合には、冷媒の圧力損失の増大を抑制するために、流路25の断面積を確保できる。これにより、冷媒の適切な流通を確保している。
また、発熱部品の種類によっては、比較的高温となりやすい部分が異なっている。このような種類に異なる発熱部品に対しても、共通の受熱器2を採用することができる。従って、発熱部品毎に異なる受熱器を用意しなくてもよい。
単一の受熱器2により複数の発熱部品を冷却するものであってもよい。この場合においても、受熱器2は受熱効率が高い箇所を変更することができるので、各発熱部品の温度分布を考慮して効率的に受熱できる。
図6は、制御回路Uが実行する制御の一例を示したフローチャートである。制御回路Uは、閉状態にある電磁弁271〜279の個数を確認する(ステップS1)。次に制御回路Uは、ポンプ3の出力を制御する(ステップS2)。図7は、閉状態の電磁弁の個数とポンプ3の出力との関係を規定したマップである。このマップは、制御回路U内に設けられたメモリ等に予め記録されている。図7に示すように、閉状態の電磁弁の個数が多いほど、ポンプ3の出力が大きくなるように制御される。ここで、閉状態の電磁弁の個数が多いほど、流路25上での断面積が縮小されている箇所が多いことを意味する。このため、閉状態の電磁弁の個数が多いほど、流路25を流通する冷媒の圧力損失が大きくなるおそれがある。制御回路Uは、このような冷媒の圧力損失の増大を考慮してポンプ3の出力を増大させることにより、流路25内での冷媒の流通を確保している。また、閉状態の電磁弁の個数が少ないほどポンプ3の出力が低減されるため、ポンプ3の消費電力を抑制することができる。
次に、制御回路Uは、温度センサT1〜T9の出力値が所定の閾値以上であるか否かを判定する。(ステップS3)。肯定判定の場合、制御回路Uは、出力値が所定の閾値以上の温度センサに対応する電磁弁が開状態であるか否かを判定する(ステップS4)。対応する電磁弁が開状態の場合には、制御回路Uはその電磁弁を閉状態にする(ステップS5)。対応する電磁弁が既に閉状態にある場合には、制御回路Uは再度ステップS1の処理を実行する。
ステップS3において、否定判定の場合、即ち、温度センサT1〜T9の出力値の全てが閾値未満の場合、制御回路Uは全ての電磁弁が開状態であるか否かを判定する(ステップS6)。否定判定の場合には制御回路Uは閉状態にある電磁弁を開状態にする(ステップS7)。肯定判定の場合には、制御回路Uは再度ステップS1の処理を実行する。
図8は、変形例の受熱装置L´の説明図である。受熱装置L´の受熱器2´では、電磁弁とは駆動方式が異なる調整弁274´〜276´が設けられている。各調整弁274´〜276´の少なくとも一部分は、冷媒の温度に応じて形状が変化する物質、例えばバイメタルにより形成されている。このバイメタルは、板状に形成され、低温環境下では巻かれた状態となり、高温環境下では延びた状態となる。例えばこの調整弁274´は、一端がケース21内の壁23b側に固定されたバイメタルと、バイメタルの他端に固定された板状部材とを含む。冷媒が低温の場合には、バイメタルが巻かれた状態となって板状部材が領域254bから退避した状態となる。冷媒が高温の場合には、バイメタルが延びて、板状部材が領域254bに突出して領域254bの断面積を縮小させる。このような受熱器2´によっても発熱部品6を効率的に冷却することができる。尚、制御回路U´は調整弁274´〜276´の駆動を制御しないため、簡易な構造になっている。
以上本発明の好ましい一実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
複数の電磁弁の駆動をそれぞれ制御するために使用される閾値は、複数の電磁弁毎に異なる値であってもよい。電磁弁の開度を段階的に制御してもよい。温度センサの出力値が閾値よりも大きくかつ出力値と閾値との差が大きいほど、断面積が小さくなるように電磁弁の開度を段階的に制御してもよい。
また、電磁弁の数と温度センサとの数は一致していなくてもよい。例えば、電磁弁の数が温度センサの数よりも多い場合、単一の温度センサの出力値に応じて複数の電磁弁の駆動を制御してもよい。また、電磁弁の数が温度センサの数よりも少ない場合には、複数の温度センサのうち隣接する2以上の温度センサの出力値に基づいて単一の電磁弁の駆動を制御してもよい。
温度センサが設けられている位置は、流路25内の受熱壁23a側であってもよい。温度センサは発熱部品に直接接触していなくてもよい。受熱器は発熱部品に直接接触していなくてもよい。例えば受熱器2と発熱部品6との間に熱伝導性に優れた金属部材が介在していてもよい。
流路内に仕切壁は設けられていなくてもよい。即ち、弁のみによって第2領域側の断面積を縮小することにより第1領域を流れる冷媒の流速が増大できればよい。仕切壁により仕切られる流路の第1及び第2領域のそれぞれの断面積は等しくなくてもよい。即ち、仕切壁は流路の断面の中心以外に位置してもよい。
1 電子装置
2 受熱器
3 ポンプ
4 熱交換器
6 発熱部品
9 筐体
21 ケース
23a 受熱壁
23b 壁
261〜269 仕切壁
271〜279 電磁弁
274´〜276´ 調整弁
T1〜T9 温度センサ
254a〜256a、254b〜256b 領域
P プリント基板
C 冷却装置
L、L´ 受熱装置
U、U´ 制御回路
2 受熱器
3 ポンプ
4 熱交換器
6 発熱部品
9 筐体
21 ケース
23a 受熱壁
23b 壁
261〜269 仕切壁
271〜279 電磁弁
274´〜276´ 調整弁
T1〜T9 温度センサ
254a〜256a、254b〜256b 領域
P プリント基板
C 冷却装置
L、L´ 受熱装置
U、U´ 制御回路
Claims (9)
- 冷媒が流通する流路を内部に有し外部に配置された発熱部品からの熱を伝導するケース、前記流路に前記冷媒が流通した状態で前記流路の一部分での断面積を変更可能な弁、を含む受熱器と、
前記発熱部品の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサからの出力値が所定の閾値を超えた場合に前記弁により前記断面積を縮小させる制御部と、を備え、
前記弁は、前記冷媒の流れる方向で異なる位置に設けられた第1及び第2弁を含み、
前記温度センサは、前記第1及び第2弁のそれぞれの近くに設けられた第1及び第2温度センサを含み、
前記第1及び第2温度センサは、同一の前記発熱部品での異なる箇所の温度を検出し、
前記制御部は、前記第1温度センサの出力値が第1閾値を超えた場合に前記第1弁により前記断面積を縮小させ、前記第2温度センサの出力値が第2閾値を超えた場合に前記第2弁により前記断面積を縮小させる、受熱装置。 - 冷媒が流通する流路を内部に有し外部に配置された発熱部品からの熱を伝導するケース、前記流路に前記冷媒が流通した状態で前記流路の一部分での断面積を変更可能な弁、を含む受熱器と、
前記発熱部品の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサからの出力値が所定の閾値を超えた場合に前記弁により前記断面積を縮小させる制御部と、を備え、
前記制御部は、前記弁が前記断面積を縮小している時に前記流路に前記冷媒を流通させるポンプの出力を増大させる、受熱装置。 - 前記ケースは、前記発熱部品に対向する第1壁、前記第1壁に対向する第2壁、を含み、
前記流路は、前記第1壁側の第1領域、前記第2壁側の第2領域、を含み、
前記弁は、前記第2領域の断面積を変更可能である、請求項1又は2の受熱装置。 - 前記制御部は、前記弁が前記断面積を縮小している時に前記流路に前記冷媒を流通させるポンプの出力を増大させる、請求項1の受熱装置。
- 前記制御部は、前記断面積を縮小している前記弁の数に応じて前記ポンプの出力を変更する、請求項2又は4の受熱装置。
- 前記弁は、電動式である、請求項1乃至5の何れかの受熱装置。
- 請求項1乃至6の何れかの受熱装置と、
前記発熱部品と、
前記発熱部品が実装されたプリント基板と、を備えた冷却装置。 - 前記冷媒から熱を奪う熱交換器と、
前記冷媒を循環させるポンプと、を備えた請求項7の冷却装置。 - 請求項7又は8の冷却装置と、
前記冷却装置を収納した筐体と、を備えた電子装置。
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