JPWO2009017078A1 - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Abstract

冷媒の循環によって発熱部位を冷却する電子機器の冷却装置において、一度取り込んだ空気を貯水槽で再び取り込むことのないようにする。貯水槽本体１は二つの側面部１ａ、１ｂと円筒形の円筒部１ｃを有する。側面部１ａの中央には流入口２が、側面部１ｂの中央には流出口３が取り付けられる。流出口３に柔軟性のある材料からなる可撓性管６を取り付け、その先端部に重り７を取り付ける。

Description

本発明は、液体を冷媒に用いて電子機器の発熱部材の冷却を行なう電子機器の冷却装置に関し、特に気泡など空気を流出させないようにした液冷装置の貯水槽の構造に関するものである。

近年、電子機器の冷却に液冷システムが適用される例が増加してきている。水冷システムは一般に密閉された循環経路で構成されているが、樹脂製の部品やゴムチューブ等から冷媒が透過、あるいは蒸発し、冷媒の減少と並んで空気の混入が確認される。循環経路内に溜まった空気は駆動部に混入すると、駆動部の空転を引き起こし流量の減少あるいは故障の原因となる。すると冷却効率が低下し、発熱体の冷却が十分に行えないため、装置自体の故障を引き起こしかねない。そのため液冷システムでは、その系の中で発生する気泡を駆動部の手前でトラップすると同時に、冷媒を余分に貯蔵する空間（以下、貯水槽）が必要であり、一度トラップした空気が再び流路に混入しないことが望ましい。そこで、従来より空気の混入した冷媒を流出させないようにした構造の貯水槽が提案されてきた（例えば、特許文献１、２参照）。

特許文献１には、冷媒の吸引口を貯水槽の中心に固定することにより、吸引口から流出する冷媒に空気が混入することないようにする方式が開示されている。この構造によると、冷媒の残量が貯水槽の半分以上を満たしている限り、対象となる電子装置があらゆる方向で使用されても常に吸引口が液面下にあるので、空気が貯水槽の外に流出することがないとされる。
また、特許文献２には、貯水槽の内部の最上部以外の部分に気体溜り部を形成するようにして、貯水槽から流出する冷媒に空気が混入することのないようにする構造が提案されている。
特開２００３−７８２７１号公報 特開２００５−２８５９４７号公報

しかしながら、この特許文献１、２に開示された方法では、長期間の使用が難しいという問題がある。液冷システムにおいては液冷システムに利用されるチューブ等において冷媒の透過・蒸発が発生するため、冷媒の目減りをなくすことは難しいが、特許文献１に開示された冷却装置では、流出口を貯水槽中央に固定しているので、貯水槽に貯蔵されている冷媒の半分程度までしか利用できず、また、特許文献２に開示された冷却装置では、比較的小容積の気体溜り部の容積を越えて空気を溜めることができないからである。これについては、貯水槽の体積を増加させることによる解決案が考えられるが、これでは装置の大型化につながってしまう。

また、特許文献１に開示された貯水槽では、冷媒流入口が流出口より下に位置した場合には、流入口から吐出された気泡が再び流出口から取り込まれる可能性が高くなる。また、冷媒流入口が貯水槽上部に位置して、冷媒が流入口より空気中に吐出される状態にある場合には、冷媒が水面上に落下・衝突した際に発生する気泡が流出口より吸い込まれることになる。また、特許文献２に開示された従来例においては、貯水槽での流出口が流入口近くに開口している実施例では、流入口から吐出された気泡が再び流出口から取り込まれる可能性が高くなる。

本発明の課題は上述した従来技術の問題点を解決することであって、その目的は、長期間の使用が可能（あるいは小型化が可能）で、かつ、気泡が貯水槽外に漏れにくい構造の冷却装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本発明によれば、冷媒を駆動する駆動機構と、冷媒が流入する流入口と流出する流出口とが設けられた、冷媒を貯蔵する冷媒槽と、前記駆動機構と前記冷媒槽とをリング状に接続する管体と、を備え、冷媒を循環させて電子機器の発熱部位の冷却を行なう電子機器の冷却装置において、前記冷媒槽は前記流出口と反対側に一側面を有し、前記冷媒槽内には、一端が前記一側面近くに位置すると共に重力の作用により重力の作用方向の最深部付近に位置し、他端が前記流出口に接続された、冷媒を前記冷媒槽内から前記流出口へ導入する冷媒案内管が設置されていることを特徴とする電子機器の冷却装置、が提供される。

本発明によれば、機器の移動、あるいは設置向きの変更に伴う貯水槽の流出口軸方向のあらゆる回転に対しても冷媒の吸引口が重力方向に向かうため、吸引口を貯水槽の底付近にもってくることができ、利用できる冷媒の量を増大させて使用期間の長期化が可能となる。あるいは貯水槽の縮小化が可能になる。また、吸引口が貯水槽の底付近にあるため、貯水槽に流入した気泡、あるいは流入液が液面に衝突したことにより発生した気泡を吸引口と遠ざかる方向に流すことができる。そのため、気泡を貯水槽外へ排出する可能性を低くすることができる。

本発明の第１の実施の形態における貯水槽の構造を示す断面図。 本発明の第１の実施の形態の吸引口付近の拡大断面図。 図１のＡ-Ａ'線に沿った断面図。 本発明の第１の実施の形態における貯水槽の回転に対応する吸引口の移動を示す図。 本発明の第１の実施の形態における貯水槽の回転に対応する吸引口の移動を示す図。 本発明の第１の実施の形態における貯水槽の回転に対応する吸引口の移動を示す図。 本発明の第２の実施の形態における貯水槽の構造を示す断面図。 本発明の第２の実施の形態の可撓性管の先端を示す図。 本発明の第２の実施の形態の可撓性管の先端が塞がった状態を示す図。 本発明の第２の実施の形態の変更例を示す図。 本発明の第２の実施の形態の変更例を示す図。 本発明の第３の実施の形態における貯水槽の構造を示す断面図。 本発明の第４の実施の形態における貯水槽の構造を示す断面図。 本発明の第５の実施の形態における貯水槽の構造を示す断面図である。

符号の説明

１・・・貯水槽本体
１ａ、１ｂ・・・側面部
１ｃ・・・筒状部
１ｄ・・・ドーム状側面部
１ｅ・・・円錐状壁部
２・・・流入口
３・・・流出口
４・・・冷媒
５・・・空気
６・・・可撓性管
６ａ・・・開口
６ｂ・・・突起
７・・・重り
７ａ・・・突起
８・・・冷媒の吸引口
９・・・貯水槽内壁
１０・・・重力管
１１・・・接続部
１２・・・接続部
１３・・・ドーム状の壁面
１４・・・円錐型の壁面
１５・・・給水口
１６・・・蓋
１７・・・投影機器の投影方向
１００・・・貯水槽

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態の冷却装置の貯水槽を示す断面図である。図中、矢印は冷媒の流れ方向を示す。貯水槽１００は、冷媒（水、不凍液等）の追加を可能とするため、貯水槽本体１を含む未接着の複数の部品から構成されている。貯水槽本体１は、対向する二つの側面部１ａ、１ｂと円筒形の筒状部１ｃとを有する。側面部１ａと１ｂの中央にはそれぞれ流入口２と流出口３が設けられている。流入口２と流出口３は、それぞれ管体を介して駆動部（ポンプ）に接続されて密閉された冷却装置が構成されており、駆動部により冷媒は冷却装置内を循環する。流入口２から貯水槽内部に流入した冷媒４は、一旦貯水槽内部に滞留した後、流出口３より貯水槽外に流出する。貯水槽下部には冷媒４が溜まり、上部には空気５が溜まっている。

貯水槽１００内部には、柔軟でかつ適度な剛性を有する材料からなる可撓性管６が、一端が流出口３に接続されて配置されており、可撓性管６の他方の先端には重り７が取り付けられている。これにより、可撓性管６の先端部の吸引口８は、貯水槽が流入口と流出口の中心を通る直線を軸としてどのように回転されても、常に貯水槽の最深部に位置することになり、貯水槽に流入した気泡、あるいは貯水槽において発生した気泡は上方に向かって移動するので、吸引口８が気泡を吸い出してしまう可能性は小さくなる。なお、図１には、冷媒４が貯水槽容積の半分以下に目減りした状態が示されている。冷媒４は当初貯水槽内に満タンに近い状態に充填されるが、透過・蒸発などにより減量する。本発明によると、冷媒４が図示された状態に減量してもなお冷却装置は十分にその機能を果たすことができる。

可撓性管６は、柔軟性を有すると共に狭窄されて流路を塞ぐことのない剛性を有し、かつ、冷媒４に長期間浸かっても溶解することのない安定性を有する樹脂材料により形成されることが望ましい。可撓性管６の長さは取り付けられる流出口３からもっとも離れた貯水槽内壁の端までの距離よりも短いものとし、かつ、貯水槽本体１の側面１ａ（１ｂ）の半径以上の長さをもつ。

重り７は冷媒が通る穴が開いており、可撓性管６にぶら下がった状態で冷媒４に浸漬されている。重り７は、冷媒４に長期間浸かっても、溶解・腐食が起こりにくく、貯水槽壁面と衝突しても破砕されることない材料（金属または金属化合物もしくは樹脂化合物）により形成されることが望ましい。図２は、重り７の断面拡大図である。重り７の形状は円錐状または球状または円筒状のように角が少なく回転対称の形状であることが好ましい。また、円錐状のように可撓性管６の先端に近づくにつれ断面積が小さくなっていることがより好ましい。これにより、重り７は貯水槽内壁を滑らかにすべり、かつ、吸引口８を貯水槽内壁方向へ傾けることができる。

これら可撓性管６と重り７を組み合わせることで、重力作用によって可撓性管６を流出口３付近で曲げ、吸引口８を常に冷媒４の底付近に沈ませることが可能となる。また、可撓性管６のもつ剛性によって、冷媒の流路が狭窄されることが抑制されるので、大流量で冷媒が貯水槽内を流入・流出し続ける冷却装置を実現することが可能となる。

図３は、図１のＡ-Ａ'線に沿った断面図である。貯水槽内壁９は凹凸が少なく、流出口の軸方向に対して回転対称性を有している。これにより流出口方向の軸回転に対する異方性がなくなるため、内壁のどの部分が重力方向を向いても吸引口８の移動が妨げられることがなく、吸引口８を常に冷媒４の底に沈ませることが可能となる。図４Ａ〜Ｃは、この動作を説明する図である。貯水槽が流出口３の中心を中心軸とする回転運動をし（図４Ａ）、その回転に伴い、貯水槽内に貯蔵されていた冷媒４が回転後の重力方向に移動しても（図４Ｂ）、吸引口８も重りの作用により重力方向へ移動することができる（図４Ｃ）。その結果、冷媒が減量した状況下にあっても常に吸引口8を冷媒４内に沈め、気泡を含まない冷媒４のみを貯水槽外へ排出することが可能となり、良好な冷却性能を維持することができる。

本実施の形態の貯水槽は、円筒形状を有するものであったが、必ずしもこの形状でなくとも、流入口/流出口の中心を軸とする回転対称の形状であればよく、多角柱の形状であってもよい。また、本実施の形態においては、流入口と流出口とがそれぞれ対向する側面部に取り付けられていたが、同じ側の側面部の中央部に両者を取り付けるようにしてもよい。これらのことは以下の実施の形態についても同様である。

（第２の実施の形態）
図５は、本発明の第２の実施の形態における貯水槽を示す断面図である。第２の実施の形態以降の実施の形態を示す図において、図１に示した第１の実施の形態の部分と同等の部品には同一の参照符号を付し、重複する説明は適宜省略する。本実施の形態の図１に示した第１の実施の形態の貯水槽と異なる点は、可撓性管６と重り７の形態のみであるので、以下この点について説明する。本実施の形態の貯水槽１００にあっては、可撓性管６の先端部を一部突出させるようにして、円環状の重り７が可撓性管６に取り付けられている。そして、可撓性管６の先端部の側面には、可撓性管６の拡大側面図である図６に示すように、冷媒を取り込むことができる開口６ａが開けられている。従って、冷媒は、先端の吸引口８のみならず側面の開口６ａからも取り込まれ可撓性管６内を輸送される。

貯水槽での取水が、可撓性管６の最先端に設けられた吸引口８のみから行なわれる場合には、貯水槽が急激に回転された際に、可撓性管６がその吸引力によって、図７に示されるように、貯水槽内壁に吸い付いてしまう可能性がある。本実施の形態によると、このような事態が発生した場合にも、可撓性管６の側面に開設された開口６ａにより冷媒４を吸引することができ、良好な冷却性能を維持することができる。また、仮に、図７に示される状態となっても、可撓性管６の貯水槽内壁面への吸着力は開口６ａがない場合に比較して弱いため、貯水槽に（電子機器に）振動を与えることにより、可撓性管６のもつ剛性によって、図５に示す状態に復帰させることができる。

図８Ａ、Ｂは、第２の実施の形態の変更例を示す側面図である。図８Ａに示す例では、可撓性管６の一部が重り７から突出しており、可撓性管６は、その先端部に突起６ｂを持つように先端部が凹凸に加工されている。図８Ｂに示す例では、可撓性管６の先端部は重り７内に納められており、重り７は、その先端部に突起７ａを持つように先端部が凹凸に加工されている。いずれの変更例においても先端の吸引口以外の側面部からも冷媒を吸引することができ、第２の実施の形態と同様の効果を享受することができる。

（第３の実施の形態）
図９は本発明の第３の実施の形態における貯水槽の概略を示す断面図である。本実施の形態の図１に示した第１の実施の形態の貯水槽と異なる点は、冷媒を取水するための管として可撓性管に代えて重力管１０が用いられており、これが接続部１１によって流水口３に取り付けられている点であるので、以下この点について説明する。重力管１０は、比重が１以上の剛性の高い材料で形成されている。そして接続部１１は、柔軟性のある樹脂材料により形成されており、重力管１０が流出口３に対し折れ曲がることができるようにして流出口３に保持している。従って、重力管１０の先端（吸引口）８は自重により重力方向へ傾いており、そのため、吸引口８は常に冷媒４の底付近に位置することになる。

重力管１０は冷媒４に長期間浸かっても、腐食の起こらない金属材料により形成されることが好ましい。重力管１０の長さは流出口３からもっとも離れた貯水槽内壁までの距離よりも短いものとする。接続部１１も、冷媒４に長期間浸かっても、溶解・腐食が起こりにくい材料により形成されることが好ましい。

重力管１０の吸引口８のある先端部は、角部が面取りされていることが好ましい。図３に示した第１の実施の形態の場合と同じく、貯水槽内壁９は凹凸が少なく、流出口の軸方向に対して回転対称性を有している。これにより流出口方向の軸回転に対する異方性がなくなるため、内壁のどの部分が重力方向を向いても吸引口８の移動が妨げられることがなく、吸引口８を常に冷媒の底に沈ませることが可能となる。よって、本実施の形態においても、気泡の吸引口８からの吸引を防止して冷媒のみを貯水槽外へ排出することが可能になり、長期にわたって良好な冷却性能を維持することができる。

（第４の実施の形態）
図１０は、本発明の第４の実施の形態における貯水槽の概略を示す断面図である。本実施の形態の図９に示した第３の実施の形態の貯水槽と異なる点は、貯水槽本体１の円錐形形状をしていることであって、それ以外は第３の実施の形態と同様であるので、以下貯水槽本体１について説明する。貯水槽本体１は、球面形状のドーム状壁面部１ｄとこれに接着された、円錐形状の円錐状壁部１ｅとを有する。そして、ドーム壁部１ｄの中央には流入口２が取り付けられ、円錐状壁部１ｅの頂点には流出口３が取り付けられている。

本実施の形態においても、重力管１０の吸引口８を常に冷媒の底に沈ませることが可能となるので、気泡の吸引口８からの吸引を防止して冷媒のみを貯水槽外へ排出することが可能になり、長期にわたって良好な冷却性能を維持することができる。また、本実施の形態によると、より少ない冷媒、より小容積の貯水槽によって他の実施の形態と同様の期間の運転が可能となり、電子機器の小型化に資することができる。

本実施の形態の貯水槽本体は、ドーム形状の側面部を有するものであったがこれに代えて垂直な側面部としてもよい。また、円錐形状の壁部に代え、角錐形状の物を用いてもよい。また、本実施の形態の貯水槽本体と、第１、第２の実施の形態の可撓性管とを組み合わせることも可能である。

（第５の実施の形態）
図１１は、本発明の第５の実施の形態である冷却装置の貯水槽１である。本冷却装置は投影機器に組み込まれており、流出口の方向軸は投影方向１７の中心と一致している。流入口２は液冷システムから接続され、動力源により液冷システムを循環した冷媒４が貯水槽１内に流入する。同じく、流出口３も液冷システムへ接続され、貯水槽1内に溜まっている冷媒４を貯水槽外に流出する。貯水槽１の流出口３を通る直線上に流出口３を上下に挟む位置に、給水口１５が設けられており、取り外し可能な蓋１６で封をされている。上記構成をとることで、投影機器が床置き、天吊り状態での使用状態であっても、貯水層１を装置から取り外すことなく、冷媒４の追加補給が可能となる。

本発明は、液体を冷媒に用いて電子機器の発熱部材の冷却を行なう電子機器の冷却装置に適用することができる。

特許文献１には、冷媒の吸引口を貯水槽の中心に固定することにより、吸引口から流出する冷媒に空気が混入することがないようにする方式が開示されている。この構造によると、冷媒の残量が貯水槽の半分以上を満たしている限り、対象となる電子装置があらゆる方向で使用されても常に吸引口が液面下にあるので、空気が貯水槽の外に流出することがないとされる。
また、特許文献２には、貯水槽の内部の最上部以外の部分に気体溜り部を形成するようにして、貯水槽から流出する冷媒に空気が混入することのないようにする構造が提案されている。
特開２００３−７８２７１号公報 特開２００５−２８５９４７号公報

Claims (16)

1. 冷媒を駆動する駆動機構と、冷媒が流入する流入口と流出する流出口とが設けられた、冷媒を貯蔵する冷媒槽と、前記駆動機構と前記冷媒槽とをリング状に接続する管体と、を備え、
   前記冷媒槽は前記流出口と反対側に一側面を有し、前記冷媒槽内には、一端が前記一側面近くに位置すると共に重力の作用により重力の作用方向の最深部付近に位置し、他端が前記流出口に接続された、冷媒を前記冷媒槽内から前記流出口へ導出する冷媒案内管が設置されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。
2. 前記冷媒槽は、冷媒が流入・流出する方向と垂直な二つの側面と、該二つの側面を連結する円筒状若しくは多角筒状の外壁とを有することを特徴とする請求項１に記載の電子機器の冷却装置。
3. 前記二つの側面には、それぞれ前記流入口と前記流出口が設置されていることを特徴とする請求項２に記載の電子機器の冷却装置。
4. 前記流入口と前記流出口とは、それぞれ前記側面の中央に設置されていることを特徴とする請求項３に記載の電子機器の冷却装置。
5. 前記冷媒槽は、前記流出口の設置位置を頂点とする円錐状あるいは多角錐状の外壁と、該外壁の円錐形状あるいは多角錐形状を閉じる側面とを有することを特徴とする請求項１に記載の電子機器の冷却装置。
6. 前記側面には、前記流入口が設置されていることを特徴とする請求項５に記載の電子機器の冷却装置。
7. 前記流入口は、前記側面の中央に設置されていることを特徴とする請求項６に記載の電子機器の冷却装置。
8. 前記冷媒案内管は、可撓性の案内管本体と該案内管本体の先端部に取り付けられた重りとを有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子機器の冷却装置。
9. 前記案内管本体の先端部は前記重りから突出しており、その突出部の側面には開口が形成されていることを特徴とする請求項８に記載の電子機器の冷却装置。
10. 前記案内管本体の先端部あるいは前記重り先端部には前記案内管本体の長手方向に突出する突起部を有することを特徴とする請求項８に記載の電子機器の冷却装置。
11. 前記冷媒案内管は、比重が１以上の材料で形成された案内管本体と、該案内管本体をダングリング状態に前記流出口に連結する、可撓性材料からなる接続部材とを有することを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の電子機器の冷却装置。
12. 前記案内管本体は、金属により形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電子機器の冷却装置。
13. 前記流出口を有する面あるいは前記流入口を有する面の中心を通る直線上で中心を挟む位置に複数の給水口を有することを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の電子機器の冷却装置。
14. 前記流出口を有する面と前記流入口を有する面をつなぐ直線の軸方向が水平面に対してのなす角が３０度以下で設置することを特徴とする請求項１３に記載の電子機器の冷却装置。
15. 前記流出口を有する面と前記流入口を有する面をつなぐ直線の軸方向が投影方向の中心に対してなす角が３０度以下であることを特徴とする請求項１３に記載の電子機器の冷却装置。
16. 貯水層の材質が可視光の波長を透過する材質で形成されていることを特徴とする請求項１から１５のいずれかに記載の電子機器の冷却装置。

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