JPH11193980A - 熱駆動型冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水などの液相冷却媒体によって冷却する装置
であって、発熱や騒音を発生することなく冷却媒体を循
環させることにより、効率よく冷却することのできる冷
却装置を提供する。 【解決手段】 密閉構造の循環管路２の一部に受熱部４
が形成され、その受熱部４から上方に延びる吐出管５が
設けられ、その吐出管５の上部に気液分離部７が設けら
れ、その気液分離部７から液相放熱部１２に液相の冷却
媒体である水１３を導く液流管１１が設けられ、かつ気
液分離部７から気相の第二の冷却媒体であるフレオン１
４を導く気流管８が設けられ、その気流管８がフレオン
１４を放熱させて凝縮させる気相放熱部１０を介して受
熱部４に連通され、その受熱部４でフレオン１４の気泡
１５を生じさせてその気泡１５によって水１３を気液分
離部７に上昇させるように、熱駆動型冷却装置１が構成
されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、密閉構造の循環
管路の内部に封入した液相の冷却媒体を用いることによ
って、顕熱として熱輸送を行う熱駆動型冷却装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】最近では、デスクトップタイプやノート
ブックタイプのパソコン、サーバーやワークステーショ
ン等の普及が著しい。この種のコンピュータにはＣＰＵ
（中央演算処理装置）等のコンピュータ素子が多数搭載
されている。そして、これらのコンピュータ素子が作動
することにより発熱する。そのため、これらのコンピュ
ータ素子に熱が滞留しないように、その熱を放熱しコン
ピュータ素子を冷却する必要がある。

【０００３】この発生した熱を放熱しコンピュータ素子
を冷却する方法として、送風ファンによって空気の冷却
風を発生させ、その冷却風の流路にコンピュータ素子を
設けることにより冷却する方法が従来知られている。こ
の方法は、送風ファンが回転することにより発生する空
気流を、コンピュータ素子やそれに熱伝達可能に取り付
けられている放熱フィン等に吹き付けることにより、コ
ンピュータ素子の熱を空気中に放熱させ、空気流によっ
て輸送し、コンピュータの筐体外部へ排出するものであ
る。

【０００４】また、発生した熱を放熱しコンピュータ素
子を冷却する他の方法として、密閉された循環管路の内
部に水等の比熱の大きい液相の冷却媒体を封入し、その
循環管路の一部を受熱部とし、コンピュータ素子の近傍
に熱伝達可能に設けるとともに、他の一部を発熱部とし
てフィン等を設け、その循環管路内の液相の冷却媒体を
循環ポンプによって循環させることにより、コンピュー
タ素子から発生する熱を空気中に放熱する方法が従来知
られている。この方法は、コンピュータ素子から発生す
る熱を受熱部において顕熱として液相の冷却媒体に吸収
させ、その液相の冷却媒体を循環ポンプによって受熱部
から放熱部に流動させ、放熱部から液相の冷却媒体に吸
収された熱を空気中に放熱させるものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、送風ファンに
よるコンピュータ素子の冷却方法では、放熱能力が比較
的少ないため、充分な放熱を行うことができない可能性
があった。そのため、放熱能力を向上させるために、送
風ファンの外径を大きくしたり、回転数を上昇させるこ
とになる。しかし、そのようにすることによって、騒音
や消費電力の増大を惹起する可能性があった。また、こ
の方法では、所定のコンピュータ素子から放熱された熱
を保持する冷却風を他のコンピュータ素子に吹き付ける
ことにより、他の冷却装置を加熱してしまう可能性があ
った。

【０００６】また、液相の冷却媒体を密閉循環管路内で
流動させる方法では、循環ポンプを新設する必要があっ
た。また、循環ポンプを作動させることによって、騒音
や消費電力の増大を惹起する可能性があった。さらに、
循環ポンプがコンピュータの筐体内部に設けるとすれ
ば、コンピュータの筐体内部に循環ポンプを設置するた
めの空間が必要になるうえに、循環ポンプから発生する
熱を筐体外部に放熱する手段を設けなければならなかっ
た。

【０００７】この発明は、上記の事情を背景にしてなさ
れたものであり、水などの液相冷却媒体によって冷却す
る装置であって、発熱や騒音を発生することなく冷却媒
体を循環させることにより、効率よく冷却することので
きる冷却装置を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段およびその作用】上記の目
的を達成するために、請求項１に記載した発明は、顕熱
として熱輸送をおこなう液相の冷却媒体を、発熱源から
熱を受ける受熱部と熱を外部に放出する放熱部との間で
循環させる熱駆動型冷却装置において、前記冷却媒体に
該冷却媒体の沸点より低くかつ前記受熱部の温度範囲に
沸点をもつ第二の冷却媒体が混入されるとともに、前記
受熱部と前記放熱部との間で前記冷却媒体を循環させる
密閉構造の循環管路の一部に、前記受熱部からその上方
に延びる上昇管路が設けられ、その上昇管路の上部に気
液分離部が設けられ、その気液分離部から前記放熱部に
前記液相の冷却媒体を導く第一の管路が設けられ、かつ
前記気液分離部から気相の前記第二の冷却媒体を導く第
二の管路が設けられ、その第二の管路が前記第二の冷却
媒体を放熱させて凝縮させる第二の放熱部を介して前記
受熱部に連通され、その受熱部で前記第二の冷却媒体の
気泡を生じさせてその気泡によって前記液相の冷却媒体
を前記気液分離部に上昇させるように構成されているこ
とを特徴とするものである。

【０００９】したがって、請求項１に記載した発明で
は、液相の第一の冷却媒体にその冷却媒体とは沸点がよ
り低く、かつ受熱部における温度範囲に沸点をもつ第二
の冷却媒体を混入させることによって、受熱部において
その第二の冷却媒体が気化して気泡を生じる。そして、
その気化した第二の冷却媒体の気泡が上昇管路内を上方
へ流動することによって、液相の冷却媒体を上方へ汲み
上げることができる。そのため、液相の冷却媒体を汲み
上げるための循環ポンプを必要とせず、騒音や発熱が発
生しない。また、コンピュータ素子からの廃熱の一部が
第二の冷却媒体の気化に用いられることにより、液相の
冷却媒体を汲み上げる作用を得ることができるので、新
たな動力を必要とせず、かつエネルギーロスを減少させ
ることができる。

【００１０】

【発明の実施の形態】つぎにこの発明を図面に基づいて
具体的に説明する。図１はこの発明に係る熱駆動型冷却
装置の一例を示している。ここに示す熱駆動型冷却装置
１は、矩形断面状の循環管路２とその循環管路２の二点
間を連通する矩形断面状の曲線状管路３とから構成され
ている。また、循環管路２の一部には受熱部４が形成さ
れている。さらに、その受熱部４から循環管路２の一部
が鉛直上方に延びており、上昇管路である吐出管５を構
成している。さらに、受熱部４から循環管路２の一部が
鉛直下方に延びており、吸引管６を構成している。

【００１１】そして、吐出管５の上端には気液分離部７
が形成されている。また、この気液分離部７から斜め上
方に曲線状管路３が延びており、第二の管路である気流
管８を構成している。そして、この気流管８は途中から
鉛直下方へ延びており、気流管８が鉛直下方に延びてい
る区間には、その表面に平板状フィン９が多数設けられ
た第二の放熱部である気相放熱部１０が形成されてい
る。さらに、気流管８は気相放熱部１０の下端から水平
方向に延び、吸引管６に連通している。

【００１２】また、気液分離部７から斜め下方に循環管
路２の一部が延びており、第一の管路である液流管１１
を構成している。そして、この液流管１１は途中から鉛
直下方へ延びており、液流管１１が鉛直下方に延びてい
る区間には、その表面に平板状フィン９が多数設けられ
た液相放熱部１２が形成されている。さらに、液流管１
１は液相放熱部１２の下端から水平方向に延び、吸引管
６に連通している。

【００１３】なお、受熱部４における循環管路２の内部
には、図２に示すヒートシンク２１が設けられている。
このヒートシンク２１は平板状のベース２２の一つの平
坦面に複数枚の平板状のフィン２３が立設されたもので
ある。そして、図３に示すように、このヒートシンク２
１はそのベース２２が受熱部４における循環管路２の内
部の一つの平坦面に熱伝達可能に接合されるとともに、
フィン２３の厚さ方向が水平方向と一致するように設け
られている。

【００１４】そして、循環管路２と曲線状管路３との内
部には、受熱部４の温度範囲では常時液相を維持する冷
却媒体として水１３と、水１３よりも沸点が低く、かつ
受熱部４の温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体として
フレオン１４が封入されている。なお、フレオン１４の
代わりにベンゼンや四塩化炭素等を用いることができ
る。そして、水１３とフレオン１４とは、受熱部４に設
けられたヒートシンク２１のフィン２３の少なくとも下
半分を浸漬する程度の量が、循環管路２と曲線状管路３
との内部に封入されている。

【００１５】つぎに、上述の熱駆動型冷却装置１をパソ
コンのＣＰＵ（中央演算処理装置）に取り付けた状態を
図４に示す。ここに示すパソコン本体３１の筐体内部に
は、平板状のマザーボード３２が垂直に配置されてい
る。そして、そのマザーボード３２には、発熱源である
ＣＰＵ３３が取り付けられている。さらに、図５に示す
ヒートパイプ４１が、その加熱部４３をＣＰＵ３３に熱
伝達可能に接合することによって取り付けられている。
なお、このヒートパイプ４１は金属製であり中空偏平状
のコンテナ４２から形成されている。そして、このコン
テナ４２が正方形の面を有した加熱部４３と、この加熱
部４３と対向するように離隔し、その加熱部よりも面積
の広い正方形の面を有した放熱部４４と、これら加熱部
４３の四辺と放熱部４４の四辺とをそれぞれ連結する台
形の面を有した四つの傾斜側壁部４５とによって構成さ
れている。さらに、コンテナ４２の内部には、図示しな
い作動流体が封入されている。

【００１６】また、図６は放熱部４４を除いた状態での
ヒートパイプ４１の平面図である。加熱部４３の内面と
四つの傾斜側壁部４５のうちの一つの内面とには、焼結
粉末からなるウィック４６が設けられている。このウィ
ック４６は焼結粉末が溶射されることによって設けられ
ている。また、このウィック４６は毛細管力によって、
図示しない液相の作動流体を放熱部４４から加熱部４３
に還流させる作用をなす。

【００１７】なお、ヒートパイプ４１は、ウィック４６
が設けられた傾斜側壁部４５が底面となるように、ＣＰ
Ｕ３３に取り付けられている。

【００１８】さらに、ヒートパイプ４１の放熱部４４に
は、ヒートシンク２１のベース２２が接合している循環
管路２の平坦面とは裏側（受熱部４の外側）となる平坦
面に接合するように、かつ、受熱部４の鉛直上方に気液
分離部７が位置するように、熱駆動型冷却装置１が取り
付けられている。

【００１９】上記の、パソコン本体３１のＣＰＵ３３に
取り付けた熱駆動型冷却装置１の作用を説明する。パソ
コン本体３１の使用によってＣＰＵ３３が作動し、発熱
すると、発生した熱がヒートパイプ４１の加熱部４３に
伝達される。すると、ヒートパイプ４１の内部に封入さ
れている図示しない作動流体が入熱によって蒸発し、発
生した作動流体の蒸気が放熱部４４側へ流動する。そし
て、作動流体の蒸気が放熱部４４で放熱すると、凝縮し
て液相になり、ウィック４６が設けられた傾斜側壁部４
５に流動する。さらに、図示しない液相の作動流体はウ
ィック４６の毛細管力によって加熱部４３に還流する。
そして、作動流体は同じ動作を繰り返し、それによって
ヒートパイプ４１は熱輸送を行う。

【００２０】さらに、ヒートパイプ４１の放熱部４４に
放熱されたＣＰＵ３３からの熱が、熱駆動型冷却装置１
の受熱部４に接合しているヒートシンク２１に伝達され
る。すると、ヒートシンク２１のフィン２３の間隙に存
在している水１３とフレオン１４とが加熱される。そし
て、受熱部４における温度がフレオン１４の沸点と等し
くなると、フレオン１４が沸騰し、気化し始める。その
結果、一部水蒸気を含んだフレオン１４の気泡１５が発
生する。すると、受熱部４の内部に圧力変化が生じ、そ
れによって液相の水１３が気泡１５とともに吐出管５を
通って気液分離部７へ強制的に流動する。

【００２１】液相の水１３と気泡１５とが気液分離部７
に流入すると、そこで液相の水１３と一部水蒸気を含む
フレオン１４の蒸気１６とに分離される。これは、気流
管８が液流管１１よりも上方に位置するように、気流管
８と液流管１１とが水平面に対して傾斜しているためで
ある。そのため、一部水蒸気を含むフレオン１４の蒸気
１６は気流管８へ流動し、液相の水１３は気液分離部７
から溢れ出て液流管１１へ流動する。

【００２２】液流管１１に流動した液相の水１３は、液
相放熱部１２に設けられた平板状フィン９を介して熱を
空気中に放熱し、液温が低下する。そして、液温の低下
した液相の水１３は吸引管６を通って受熱部４に還流す
る。そして、再度同じサイクルを繰り返す。

【００２３】また、気流管８に流動した一部水蒸気を含
むフレオンの蒸気１６は気相放熱部１０における平板状
フィン９を介して熱を空気中に放熱し、凝縮する。する
と、一部水蒸気を含むフレオンの蒸気１６の凝縮によっ
て気流管８と吸引管６との間で圧力差が生じるので、発
生した一部水を含む液相のフレオン１７は吸引管６を通
って受熱部４に還流する。そして、再度同じサイクルを
繰り返す。

【００２４】上記の具体例のように、液相の冷却媒体で
ある水に、水よりも沸点がより低く、かつ受熱部におけ
る温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体であるフレオン
を混入させることによって、受熱部においてフレオンが
気化し、その気化したフレオンが上方へ流動しようとす
ることによって、水を上方へ汲み上げることができる。
そのため、水を汲み上げるための循環ポンプを必要とせ
ず、騒音の発生や発熱が発生しない。また、コンピュー
タ素子からの廃熱の一部がフレオンの気化に用いられる
ことにより、水を汲み上げる作用を得ることができるの
で、新たな動力を必要とせず、かつエネルギーロスを減
少させることができる。

【００２５】なお、上記の具体例では、熱駆動型冷却装
置の循環管路と曲線状管路とに矩形断面状の管路を用い
たが、この発明は上記の具体例に限定されず、円形断面
状の管路なども用いることができる。

【００２６】また、上記の具体例では、熱駆動型冷却装
置の冷却媒体として水とフレオンとを用いたが、この発
明は上記の具体例に限定されず、発熱源の温度に基づい
て採用すべき冷却媒体の種類を決定することができる。

【００２７】さらに、上記の具体例では、気相放熱部と
液相放熱部とに平板状フィンを設けたが、この発明は上
記の具体例に限定されず、冷却媒体の種類に応じて最適
な熱交換部材を採用すればよい。

【００２８】そして、上記の具体例では、熱駆動型冷却
装置をパソコンのＣＰＵを冷却するために用いたが、こ
の発明は上記の具体例に限定されず、パソコン内部のＣ
ＰＵ以外の発熱体にも使用することができ、さらにワー
クステーションやサーバー等の内部の発熱体にも使用す
ることができる。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
液相の第一の冷却媒体にその冷却媒体とは沸点がより低
く、かつ受熱部における温度範囲に沸点をもつ第二の冷
却媒体を混入させることによって、受熱部においてその
第二の冷却媒体が気化して気泡を生じる。そして、その
気化した第二の冷却媒体の気泡が上昇管路内を上方へ流
動することによって、液相の冷却媒体を上方へ汲み上げ
ることができる。そのため、液相の冷却媒体を汲み上げ
るための循環ポンプを必要とせず、騒音の発生や発熱が
発生しない。また、コンピュータ素子からの廃熱の一部
が第二の冷却媒体の気化に用いられることにより、液相
の冷却媒体を汲み上げる作用を得ることができるので、
新たな動力を必要とせず、かつエネルギーロスを減少さ
せることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の熱駆動型冷却装置の一例を示す概
略図である。

【図２】 ヒートシンクを示す斜視図である。

【図３】 この発明の熱駆動型冷却装置の受熱部におけ
る水平面での断面図である。

【図４】 この発明の熱駆動型冷却装置をパソコンのＣ
ＰＵに熱交換可能に取り付けた状態を示す斜視図であ
る。

【図５】 ヒートパイプを示す斜視図である。

【図６】 放熱部を除いた状態でのヒートパイプの平面
図である。

【図７】 この発明の熱駆動型冷却装置をパソコンのＣ
ＰＵに熱交換可能に取り付けた後の、受熱部における水
平面での断面図である。

【符号の説明】

１…熱駆動型冷却装置、 ２…循環管路、 ３…曲線状
管路、 ４…受熱部、５…吐出管、 ６…吸引管、 ７
…気液分離部、 ８…気流管、 ９…平板状フィン、
１０…気相放熱部、 １１…液流管、 １２…液相放熱
部、 １５…気泡、 ２１…ヒートシンク、 ３１…パ
ソコン本体、 ３３…ＣＰＵ（中央演算処理装置）、
４１…ヒートパイプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 益子 耕一 東京都江東区木場一丁目５番１号 株式会 社フジクラ内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 顕熱として熱輸送をおこなう液相の冷却
   媒体を、発熱源から熱を受ける受熱部と熱を外部に放出
   する放熱部との間で循環させる熱駆動型冷却装置におい
   て、 前記冷却媒体に該冷却媒体の沸点より低くかつ前記受熱
   部の温度範囲に沸点をもつ第二の冷却媒体が混入される
   とともに、前記受熱部と前記放熱部との間で前記冷却媒
   体を循環させる密閉構造の循環管路の一部に、前記受熱
   部からその上方に延びる上昇管路が設けられ、その上昇
   管路の上部に気液分離部が設けられ、その気液分離部か
   ら前記放熱部に前記液相の冷却媒体を導く第一の管路が
   設けられ、かつ前記気液分離部から気相の前記第二の冷
   却媒体を導く第二の管路が設けられ、その第二の管路が
   前記第二の冷却媒体を放熱させて凝縮させる第二の放熱
   部を介して前記受熱部に連通され、その受熱部で前記第
   二の冷却媒体の気泡を生じさせてその気泡によって前記
   液相の冷却媒体を前記気液分離部に上昇させるように構
   成されていることを特徴とする熱駆動型冷却装置。