JP5850161B2

JP5850161B2 - 受熱装置、冷却装置、及び電子装置

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Publication number: JP5850161B2
Application number: JP2014529209A
Authority: JP
Inventors: 潤平久保田
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2012-08-09
Filing date: 2012-08-09
Publication date: 2016-02-03
Anticipated expiration: 2032-08-09
Also published as: US20150138730A1; WO2014024291A1; JPWO2014024291A1; US9545031B2

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。

特開２００４−１３４７４２号公報特開２０１２−２８７２０号公報

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、電子装置のブロック図である。図２は、受熱器の説明図である。図３は、図２のＡ−Ａ断面図である。図４は、流路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、流路の一部分の断面積が縮小される場合の説明図である。図６は、制御回路が実行する制御の一例を示したフローチャートである。図７は、閉状態の電磁弁の個数とポンプの出力との関係を規定したマップである。図８は、変形例の受熱装置の説明図である。

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

Claims

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。