JP6627327B2 - 冷却装置および冷却方法 - Google Patents

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

国際公開第２０１１／１２２３３２号

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の第１の実施形態の構成の概要を示す図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態の構成の概要を示す正面図である。 本発明の第２の実施形態の装置の構成の一部を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態の装置内における冷媒の状態の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態の構成の概要を示す正面図である。

（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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (10)

1. 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１の受熱手段と、
   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、
   前記第１の冷媒保持手段および前記第２の冷媒保持手段が前記冷媒を保持している部分の面積は、前記第１の受熱手段および前記第２の受熱手段が前記冷媒を保持している部分よりも大きいことを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷媒量調整手段は、前記第１の冷媒保持手段または前記第２の冷媒保持手段の少なくとも一方が保持している冷媒の液面が所定の高さを超えたときに、保持している前記冷媒の量が多い方から少ない方へ前記冷媒を供給することを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷却手段は、前記冷媒の蒸気を液体に相変化させて前記第１の冷媒保持手段に供給する第１の冷却手段と、前記冷媒の蒸気を液体に相変化させて前記第２の冷媒保持手段に供給する第２の冷却手段とを備えることを特徴とする請求項１または２いずれかに記載の冷却装置。
4. 前記第１の冷却手段および前記第２の冷却手段の前記冷媒の蒸気を送風によって冷やす送風手段をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記送風手段は、前記第１の冷却手段において前記冷媒の蒸気を送風によって冷やす第１の送風手段と、前記第２の冷却手段において前記冷媒の蒸気を送風によって冷やす第２の送風手段とを備えることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記第１の発熱体の発熱量に基づいて前記第１の送風手段を制御し、前記第２の発熱体の発熱量に基づいて前記第２の送風手段を制御する制御手段をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の冷却装置。
7. 第１の電子部品と、
   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。
8. 第１の受熱部に保持されている冷媒を第１の発熱体の熱によって液体から蒸気へと相変化させ、
   第２の受熱部に保持されている前記冷媒を第２の発熱体の熱によって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前記第１の受熱部より前記冷媒を保持する部分の面積が大きい第１の冷媒室および前記第１の受熱部より前記冷媒を保持する部分の面積が大きい面積が大きい第２の冷媒室においてそれぞれ保持し、
   前記第１の冷媒室と、前記第２の冷媒室との間で保持している冷媒の量を調整し、
   前記第１の冷媒室から前記第１の受熱部に前記冷媒を供給し、
   前記第２の冷媒室から前記第２の受熱部に前記冷媒を供給することを特徴とする冷却方法。
9. 前記冷媒の蒸気に第１の風を送風することによって液体に相変化させて前記冷媒を前記第１の冷媒室に滴下し、
   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冷媒を前記第２の冷媒室に滴下することを特徴とする請求項８に記載の冷却方法。
10. 前記第１の発熱体の発熱量に基づいて前記第１の風の送風量を制御し、前記第２の発熱体の発熱量に基づいて前記第２の風の送風量を制御することを特徴とする請求項９に記載の冷却方法。

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