WO2016103655A1 - 冷却装置 - Google Patents

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WO2016103655A1
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air tank
valve
cooling device
air
heat
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若菜 野上
杉山　誠
辰乙 郁
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D15/00—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies
    • F28D15/02—Heat-exchange apparatus with the intermediate heat-transfer medium in closed tubes passing into or through the conduit walls ; Heat-exchange apparatus employing intermediate heat-transfer medium or bodies in which the medium condenses and evaporates, e.g. heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L23/00—Details of semiconductor or other solid state devices
    • H01L23/34—Arrangements for cooling, heating, ventilating or temperature compensation ; Temperature sensing arrangements
    • H01L23/42—Fillings or auxiliary members in containers or encapsulations selected or arranged to facilitate heating or cooling
    • H01L23/427—Cooling by change of state, e.g. use of heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05K—PRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K7/00—Constructional details common to different types of electric apparatus
    • H05K7/20—Modifications to facilitate cooling, ventilating, or heating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
    • H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
    • H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00

Definitions

  • the present invention relates to a cooling device for cooling a device that generates heat, such as an electronic device.
  • the conventional cooling device has the following configuration.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional cooling device.
  • the conventional cooling device shown in FIG. 6 when the thyristor element 101 is in an operating state, power loss occurs.
  • the heat generated by the power loss is transferred from the heat transfer surface of the evaporator 102 to the refrigerant liquid 107 and is dissipated by the boiling heat transfer changing in phase to the refrigerant vapor 109.
  • the refrigerant vapor 109 is filled in the condenser 106.
  • the refrigerant vapor 109 is condensed and liquefied, and the phase changes to the refrigerant liquid 107.
  • the refrigerant liquid 107 flows into the lower part of the first header 104 and is supplied to the evaporator 102 again through the liquid return pipe 108.
  • the thyristor element 101 is cooled by repeating this operation (see, for example, Patent Document 1).
  • the conventional cooling device uses water or an ethylene glycol aqueous solution as the refrigerant liquid 107.
  • the operating temperature of the refrigerant liquid 107 is around 60 ° C., and the vapor pressure at this temperature is about 0.2 [kg / cm 2 ] abs. Since this vapor pressure is lower than the atmosphere, there is a concern that air 140, which is a non-condensable gas, leaks into the cooling device.
  • the air 140 which is a non-condensable gas
  • the air 140 leaks into the cooling device
  • the air 140 accumulates in the upper part of the condenser 106 in the middle of the circulation path of the refrigerant vapor 109 and inhibits the circulation of the refrigerant vapor 109.
  • the cooling performance of the condenser 106 is lowered, the operating temperature of the refrigerant liquid 107 is increased, and there is a concern that the junction temperature of the thyristor element 101 exceeds the design allowable value.
  • the heat radiating portion 106 includes the first header 104 and the second header 105, and the surface includes a plurality of temperature sensors 130.
  • the output of the temperature sensor 130 is processed by the calculator 134 via the thermometer 132.
  • a decrease in cooling performance is calculated from the temperature difference generated between the upper part and the lower part of the condenser 106 by the air 140, and the alarm 136 is sounded to notify the abnormality.
  • the cooling performance is reduced due to the leakage of the air 140. Further, no mention is made of the maintenance of the cooling device whose cooling performance has deteriorated. Therefore, in order to regain the initial cooling performance, there is a problem that it is necessary to perform complicated work such as removing the thyristor element 101 after stopping the thyristor element 101 and all peripheral devices.
  • the measured value of the temperature sensor 130 and the calculated value of the calculator 134 are affected by the outside air temperature condition, the heat capacity of the condenser 106 itself, and the output of the thyristor element 101. For this reason, it is necessary to accumulate a lot of basic data in determining the condition for calculating the output to the alarm device 136. In addition, there is a problem that the basic data needs to be accumulated every time the structure and specifications of the cooling device are changed.
  • the present invention solves the above-described problems, and prevents deterioration in cooling performance even if air leaks, and recovers cooling performance by eliminating air by vacuum exhaust maintenance of the leaked air. it can. This provides a highly reliable cooling device that provides stable cooling performance.
  • a cooling device includes a heat receiving unit in which a heating element is installed, a heat dissipation path, a heat dissipation unit, a refrigerant circulation path in which a return path is connected in order, and an air tank provided with a suction port and an exhaust port.
  • the suction port is provided with a first valve that communicates with either the heat radiating portion or the return path.
  • a second valve is provided at the exhaust port.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electronic device on which the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention is mounted.
  • FIG. 2 is a partially enlarged schematic view of the heat dissipating part and the air tank of the cooling device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 3 is a graph showing the saturation pressure of the refrigerant in the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a partially enlarged schematic view of the heat dissipating part and the air tank of the cooling device according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a partially enlarged schematic view of the heat radiating portion and the air tank of the cooling device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional cooling device.
  • a cooling device includes a heat receiving unit in which a heating element is installed, a heat dissipation path, a heat dissipation unit, a refrigerant circulation path in which a return path is connected in order, and an air tank provided with a suction port and an exhaust port. .
  • the suction port is provided with a first valve that communicates with either the heat radiating portion or the return path.
  • a second valve is provided at the exhaust port. Since the air leaked into the cooling device has a density lower than that of the refrigerant vapor, it accumulates in the heat dissipating portion located in the upper portion and the vicinity thereof in the cooling device. Therefore, the leaked air can be stored in the air tank that communicates with either the heat radiating portion or the return path connected to the heat radiating portion.
  • the first valve and the air tank are outside the main circulation path of the refrigerant, it is possible to prevent the leaked air from inhibiting the circulation of the refrigerant and reducing the cooling performance. As a result, a cooling device capable of obtaining stable cooling performance can be provided.
  • the heat radiating portion includes an upper header, the upper header communicates with the air tank via the first valve and the suction port, and the air tank is above the upper header. You may make it the structure installed. Since the air leaking into the cooling device has a density lower than that of the refrigerant vapor, it accumulates in the upper header provided at the upper portion of the heat dissipating unit located at the upper portion in the cooling device. Therefore, the leaked air can be stored in the air tank that communicates with the upper header of the heat radiating section via the first valve.
  • the heat radiating portion includes a lower header
  • the lower header communicates with the air tank via the first valve and the suction port
  • the air tank includes a third valve.
  • a discharge port is provided below the suction port.
  • the air tank may be configured to communicate with the return path through the third valve and the discharge port, and the air tank is installed below the lower header. Since the air leaking into the cooling device has a density lower than that of the refrigerant vapor, it accumulates in the lower header provided at the lower portion of the heat dissipating portion located at the upper portion in the cooling device. Therefore, the leaked air can be stored in the air tank that communicates with the lower header of the heat radiating portion via the first valve.
  • the air tank communicates with the upper header of the heat radiating section, and the air tank leaks more easily if it is installed above the heat radiating section.
  • the air tank may be communicated with the lower header of the heat radiating unit and installed below the heat radiating unit.
  • a discharge port provided with a third valve in the air tank is provided below the suction port, and the air tank is communicated with the return path via the third valve and the discharge port.
  • the lower header hits the downstream side of the heat radiating portion, the temperature is low and the pressure is also low. Therefore, the leaked air flows into the lower header having a low pressure. And the air which leaked with the flow of the refrigerant liquid flows into the air tank from the lower header and is stored in the air tank.
  • the air tank may be provided with a pressure detection unit.
  • the pressure change in a cooling device can be observed and recorded quantitatively.
  • the air tank is not a refrigerant circulation path, the contact between the pressure detection unit and the refrigerant liquid can be minimized, so that the risk of failure of the pressure detection unit can be minimized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an electronic device 30 on which the cooling device 1 according to the first embodiment of the present invention is mounted
  • FIG. 2 is a partially enlarged schematic diagram of the heat radiation unit 4 and the air tank 12.
  • the electronic device 30 includes a power semiconductor element that serves as a heating element 2 and a cooling device 1 in a case 31.
  • the cooling device 1 includes a heat receiving part 3 for cooling the heating element 2 and a heat radiating part 4, and the heat receiving part 3 and the heat radiating part 4 are connected by a heat radiating path 5 and a return path 6. With this configuration, the inside of the cooling device 1 becomes a sealed space.
  • the cooling device 1 is decompressed and filled with a coolant such as pure water, ethanol, fluorine-based solvents, and the like.
  • the cooling device 1 includes a fan 7 and a backflow prevention unit 8.
  • the fan 7 finally radiates the heat transported to the heat radiating unit 4 by the refrigerant to the outside air.
  • the backflow prevention unit 8 is provided on the heat receiving unit 3 side of the return path 6 and prevents the backflow of the refrigerant.
  • the air cooling method using the fan 7 is used.
  • a water cooling method or other methods may be used.
  • the heat radiating section 4 includes an upper header 9 connected to the heat radiating path 5 and a lower header 10 connected to the feedback path 6.
  • the upper header 9 includes an opening 32.
  • the air tank 12 is provided with a suction port 33 and an exhaust port 13.
  • the first valve 11 is provided between the opening 32 of the upper header 9 of the heat radiating unit 4 and the suction port 33 of the air tank 12.
  • the opening 32 of the upper header 9 of the heat radiating unit 4 and the suction port 33 of the air tank 12 communicate with each other via the first valve 11. That is, the heat radiating part 4 and the air tank 12 communicate with each other via the first valve 11.
  • the exhaust port 13 of the air tank 12 is provided on the side surface side of the air tank 12.
  • a second valve 14 is provided at the exhaust port 13.
  • the air tank 12 is installed so as to be positioned above the upper header 9, and a cylindrical shape with excellent pressure resistance is desirable.
  • the first valve 11 and the second valve 14 can be opened and closed and have excellent closing performance.
  • a miniature valve, a globe valve, a needle valve, a bellows valve, a stop valve, and the like may be used, but are not particularly limited.
  • the air tank 12 is provided with a pressure detection unit 15 so that the pressure change in the cooling device 1 can be observed and recorded quantitatively. Further, since the air tank 12 is not a refrigerant circulation path, the contact between the pressure detector 15 and the refrigerant liquid can be minimized. Thereby, the failure risk of the pressure detector 15 can be minimized.
  • the cooling device 1 heat generated by driving the heating element 2 is received by the heat receiving unit 3, and this heat is transmitted to the internal refrigerant liquid, and the heating element 2 is generated by boiling heat transfer in which the refrigerant liquid changes into refrigerant vapor. Cooling is performed.
  • This refrigerant vapor flows into the heat radiating section 4 due to the effect of the pressure difference, is condensed in the heat radiating section 4 cooled by the outside air by the fan 7, and changes into a refrigerant liquid.
  • the condensed refrigerant liquid is supplied again to the heat receiving unit 3 through the return path 6 connected to the lower header 10 and the backflow prevention unit 8.
  • the circulation direction of the refrigerant is defined in one direction by the backflow prevention unit 8.
  • the material of the backflow prevention unit 8 is preferably a sintered body such as a porous metal sintered body or a metal fiber sintered body.
  • the shape of the backflow prevention unit 8 preferably has a different diameter reduction part, a narrow tube, a bent tube, and a valve body, and the refrigerant vapor circulates toward the heat radiation path 5 due to the flow path resistance due to the structure of the backflow prevention unit 8. There is no particular limitation as long as the action of urging the user to perform is obtained.
  • FIG. 3 is a graph showing the saturation pressure of the refrigerant in the cooling device according to the first embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 shows the saturation pressure of pure water and ethanol as an example.
  • the refrigerant is driven in the range of 20 to 70 ° C. during normal operation of the heating element 2.
  • the saturation pressure of the refrigerant at this time is not more than atmospheric pressure (0.1 MPa) in any case. For this reason, air that is a non-condensable gas in the atmosphere leaks into the cooling device 1 from a slight gap in the structure of the cooling device 1.
  • the cooling device 1 is basically made of a metal material, and each member is connected in an airtight manner.
  • the heat receiving part 3 itself, the connection between the heat receiving part 3 and the heat radiation path 5, the connection between the heat receiving part 3 and the feedback path 6, the connection between the heat radiation part 4 and the heat radiation path 5, and the heat radiation part 4 and the feedback path 6 Connected with, brazed or welded.
  • connection between the first valve 11 and the second valve 14 and the air tank 12 are, for example, screwed joints. And metal pipe joints are used.
  • valve bodies of the first valve 11 and the second valve 14 are kept airtight by a seal structure of the valve shaft (for example, O-ring flat packing, metal seal, etc.).
  • the air leaking from the airtight connection performed under the normal manufacturing process and manufacturing control has a lower density than the refrigerant vapor. For this reason, while being mixed with the refrigerant in the refrigerant circulation path, the refrigerant gradually accumulates in the upper header 9 of the heat radiating section 4 located in the upper part in the cooling device 1 as well. At this time, if the first valve 11 is opened and the second valve 14 is closed, the leaked air flows into the air tank 12 installed above the upper header 9 and is stored. Thereby, the leaked air is held in the air tank 12 positioned outside the main path of the refrigerant circulation path. For this reason, even if air leaks, the cooling performance of the cooling device 1 is unlikely to be reduced, and the cooling device 1 that can obtain stable cooling performance can be provided.
  • the air tank 12 has a sufficient capacity to store air leaking over a period of several years. However, it is possible to prevent the cooling performance of the cooling device 1 from being lowered and to provide a highly reliable cooling device 1 by performing evacuation maintenance when periodically inspecting the cooling device 1.
  • a vacuum pump (not shown) is connected to the second valve 14 and is in a driving state.
  • the second valve 14 is opened after the first valve 11 is closed, the air stored in the air tank 12 is evacuated together with the refrigerant vapor by a vacuum pump. At this time, by closing the first valve 11, the excessive refrigerant is not discharged.
  • the pressure detector 15 it can be confirmed by the pressure detector 15 whether the vacuum is sufficiently exhausted. If the vacuum is sufficiently exhausted, the second valve 14 may be closed and the vacuum pump may be stopped and removed. After that, by opening the first valve 11, the air leaking again can be stored in the air tank 12.
  • the cooling performance of the cooling device 1 can be maintained by a simple vacuum exhaust maintenance work without performing a complicated operation of replacing the main body of the cooling device 1.
  • the shape of the air tank 12 is preferably a cylindrical shape, but is not limited thereto.
  • the whole or part of the bottom of the air tank 12 may be a drain reservoir, and may have an inverted triangular pyramid shape or a shape with a recess.
  • it is desirable that the upper end of the inverted triangular pyramid shape or the shape having the concave portion is disposed at a position lower than the first valve 11, and it is further desirable to connect the second valve 14 to the drain reservoir.
  • water can be stored in the drain reservoir, and can be drained during vacuum exhaust maintenance.
  • an alarm device that works in conjunction with the pressure detector 15 may be provided. In this case, when an abnormality occurs in the cooling device 1 and the internal pressure rises, an alarm can be generated or the heating element 2 can be stopped.
  • a heat transfer section that thermally connects the air tank 12 and the case 31 may be provided.
  • heat can be radiated from the air tank 12 to the case 31 and the air tank 12 can be kept at a temperature equivalent to the outside air temperature.
  • the inside of the case 31 is heated by the waste heat from the electronic device 30, and the pressure in the air tank 12 rises to prevent the air stored in the air tank 12 from flowing back to the upper header 9 side. be able to.
  • FIG. 4 is a partially enlarged schematic view of the heat dissipating section 4 and the air tank 12 of the cooling device according to the second embodiment of the present invention.
  • the first valve 11 is provided between the opening 32 of the lower header 10 of the heat radiating unit 4 and the suction port 33 of the air tank 12.
  • the opening 32 of the lower header 10 and the suction port 33 of the air tank 12 are arranged so as to communicate with each other via the first valve 11.
  • the air tank 12 is installed below the lower header 10 of the heat radiating section 4.
  • the air tank 12 is provided with an exhaust port 13 and an exhaust port 35 below the suction port 33.
  • the exhaust port 13 is provided closer to the case 31 than the discharge port 35.
  • a second valve 14 is provided at the exhaust port 13.
  • the discharge port 35 is provided with a third valve 34, and the air tank 12 communicates with the return path 6 through the third valve 34 and the discharge port 35.
  • the air tank 12 When the air tank 12 communicates with the upper header 9 of the heat radiating unit 4 and the air tank 12 is installed above the heat radiating unit 4, leaked air is likely to be stored in the air tank 12. However, the air tank 12 may be communicated with the lower header 10 of the heat radiating unit 4 and installed below the heat radiating unit 4. At this time, a discharge port 35 in which a third valve 34 is further provided in the air tank 12 is provided below the suction port 33, and the air tank 12 communicates with the return path 6 via the third valve 34 and the discharge port 35. I am letting.
  • the refrigerant liquid collected in the lower header 10 of the heat radiating section 4 flows into the air tank 12 via the first valve 11 and the suction port 33 of the air tank 12, and the discharge port 35 and the third valve of the air tank 12. It flows out to the return path 6 via 34. Since the lower header 10 is provided on the downstream side of the heat radiating portion 4, the temperature is low and the pressure is also low. Therefore, the leaked air flows into the lower header 10 having a low pressure. The air leaked together with the flow of the refrigerant liquid flows into the air tank 12 from the lower header 10 and is stored in the air tank 12.
  • FIG. 5 is a partially enlarged schematic view of the heat dissipating section 4 and the air tank 12 of the cooling device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the air tank 12 is not directly connected to the heat radiating unit 4 but communicates with the return path 6 through the first valve 11 and the suction port 33.
  • the air tank 12 is installed below the lower header 10 of the heat radiating section 4.
  • the air tank 12 is provided with a discharge port 35 below the suction port 33.
  • the discharge port 35 is provided with a third valve, and the air tank 12 communicates with the return path 6 via the third valve 34 and the discharge port 35.
  • both the suction port 33 of the air tank 12 and the discharge port 35 provided therebelow communicate with the return path 6.
  • the air tank 12 When the air tank 12 communicates with the upper header 9 of the heat radiating unit 4 and the air tank 12 is installed above the heat radiating unit 4, leaked air is likely to be stored in the air tank 12. However, the air tank 12 may be communicated with the return path 6 and installed below the heat radiating unit 4. At this time, a discharge port 35 provided with a third valve 34 in the air tank 12 is provided below the suction port 33, and the air tank 12 is communicated with the return path 6 through the third valve 34 and the discharge port 35. ing. As a result, the refrigerant liquid accumulated in the lower header 10 of the heat radiating section 4 flows out to the return path 6 downstream of the heat radiating section 4, and further to the air tank 12 communicated with the return path 6, the first valve 11 and the air tank 12.
  • the refrigerant liquid that has flowed into the air tank 12 flows out to the return path 6 via the discharge port 35 and the third valve 34 of the air tank 12. Since the return path 6 is provided on the downstream side of the heat radiating section 4, the temperature is low and the pressure is low. Therefore, the leaked air flows into the return path 6 having a low pressure. The air leaked along with the flow of the refrigerant liquid also flows from the return path 6 into the air tank 12 and is stored in the air tank 12.
  • the cooling device of the present invention stores air outside the main route of the refrigerant circulation route even when air that is a non-condensable gas leaks into the cooling device. Further, the stored air can be subjected to vacuum exhaust maintenance. As a result, the cooling performance is stably obtained and the reliability is high, so that heat is generated from electronic devices such as a central processing unit (CPU), a large scale integrated circuit (LSI), and an insulated gate bipolar transistor (IGBT). It is useful as a cooling device for cooling equipment.
  • CPU central processing unit
  • LSI large scale integrated circuit
  • IGBT insulated gate bipolar transistor

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Abstract

　本発明の冷却装置は、発熱体を設置する受熱部と、放熱経路（５）と、放熱部（４）と、帰還経路（６）と、を順に連結した冷媒の循環経路と、吸込口（３３）と、排気口（１３）とを設けた空気タンク（１２）と、を備える。吸込口（３３）には放熱部（４）または帰還経路（６）のいずれか一方を連通する第一弁を設ける。排気口には第二弁を設ける。

Description

冷却装置
　本発明は、例えば電子機器等の発熱する機器を冷却するための冷却装置に関する。
　従来の冷却装置は、以下のような構成となっていた。
　図６は、従来の冷却装置の構成図である。図６に示す従来の冷却装置の内部では、サイリスタ素子１０１が動作状態になると、電力損失が生じる。電力損失によって発生した熱は、蒸発器１０２の伝熱面から冷媒液１０７へ伝わり、冷媒蒸気１０９へと相変化する沸騰伝熱によって放熱される。冷媒蒸気１０９は凝縮器１０６内に充満している。このため、凝縮器１０６が外気によって冷やされると同時に、冷媒蒸気１０９は凝縮されて液化し、冷媒液１０７へと相変化する。冷媒液１０７は、第一のヘッダ１０４の下部に流れ込み、液戻り管１０８を通って再び蒸発器１０２に供給される。
　この動作が繰り返されることによって、サイリスタ素子１０１は冷却される（例えば特許文献１参照）。
特開平４－２８５４７０号公報
　従来の冷却装置は、冷媒液１０７に水やエチレングリコール水溶液を使用している。サイリスタ素子１０１の通常動作では、冷媒液１０７の動作温度は６０℃前後であり、この温度における蒸気圧力は約０．２［ｋｇ／ｃｍ2］ａｂｓとなる。この蒸気圧力は大気よりも低い圧力であることから、非凝縮性ガスである空気１４０が冷却装置内にリークする懸念がある。
　そして、冷却装置内に非凝縮性ガスである空気１４０がリークした場合には、空気１４０は、冷媒蒸気１０９の循環経路途中にあたる凝縮器１０６の上部に溜まり、冷媒蒸気１０９の循環を阻害する。このため、凝縮器１０６の冷却性能が低下し、冷媒液１０７の動作温度が高くなり、更にはサイリスタ素子１０１のジャンクション温度が設計許容値を超える懸念がある。
　そこで、従来の冷却装置では、放熱部１０６に第一のヘッダ１０４および第二のヘッダ１０５を備え、その表面に複数の温度センサ１３０を備えている。また、温度センサ１３０の出力は、温度計１３２を介して演算器１３４で処理している。すなわち、空気１４０により凝縮器１０６の上部と下部で生じる温度差から冷却性能の低下を演算し、警報器１３６を鳴らして異常を知らせる構成となっている。
　しかしながら、上記の構成では、空気１４０がリークすることにより冷却性能が低下する。また、冷却性能が低下した冷却装置のメンテナンスまでは言及されていない。そのため、初期の冷却性能を取り戻すためには、サイリスタ素子１０１および周辺機器全てを停止させた上で、サイリスタ素子１０１を取り外す等の煩雑な作業をする必要があるという課題があった。
　また、従来の冷却装置では、温度センサ１３０の計測値および演算器１３４の演算値に関しては、外気温度条件や凝縮器１０６自体の熱容量、サイリスタ素子１０１の出力の影響を受ける。このため、警報器１３６への出力を演算する条件決めに多くの基礎データを蓄積する必要がある。また、この基礎データは冷却装置の構造や仕様が変わる度に蓄積し直す必要があるという課題があった。
　本発明は、上記のような課題を解決するものであり、空気がリークしたとしても冷却性能の低下を防ぎ、またリークした空気の真空排気メンテナンスにより空気を排除して冷却性能を回復することができる。これにより、安定した冷却性能が得られる信頼性の高い冷却装置を提供する。
　本発明の冷却装置は、発熱体を設置する受熱部と、放熱経路と、放熱部と、帰還経路と、を順に連結した冷媒の循環経路と、吸込口と排気口とを設けた空気タンクと、を備える。吸込口には放熱部または帰還経路のいずれか一方と連通する第一弁を設ける。排気口には第二弁を設ける。
図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置を搭載した電子機器の概略図である。 図２は、本発明の実施の形態１における冷却装置の放熱部および空気タンクの部分拡大概略図である。 図３は、本発明の実施の形態１の冷却装置の冷媒の飽和圧力を示すグラフである。 図４は、本発明の実施の形態２における冷却装置の放熱部および空気タンクの部分拡大概略図である。 図５は、本発明の実施の形態３の同冷却装置の放熱部および空気タンクの部分拡大概略図である。 図６は、従来の冷却装置の構成図である。
　本発明の冷却装置は、発熱体を設置する受熱部と、放熱経路と、放熱部と、帰還経路と、を順に連結した冷媒の循環経路と、吸込口と排気口とを設けた空気タンクと、を備える。吸込口には放熱部または帰還経路のいずれか一方と連通する第一弁を設ける。排気口には第二弁を設ける。冷却装置内にリークした空気は、冷媒蒸気よりも密度が小さいため、冷却装置内でも上部に位置する放熱部およびその近傍に溜まる。したがって、放熱部または放熱部に接続された帰還経路のいずれか一方に連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができる。
　そして、第一弁と空気タンクは冷媒の循環経路の主経路外となるため、リークした空気が冷媒の循環を阻害し冷却性能が低下することを防ぐことができる。その結果、安定した冷却性能が得られる冷却装置を提供できる。
　また、第二弁に真空ポンプを接続し、第一弁を閉止した後に第二弁を開放することで、空気タンク内に貯留した空気を含む冷媒蒸気のみを真空排気できる。これにより、真空排気に伴い冷媒が過分に排出されてしまうことを防ぎ、また空気タンクの容量が不足して冷却性能が低下することを防ぐことができる。その結果、安定した冷却性能が得られる信頼性の高い冷却装置を提供できる。
　また、本発明の一様態に係る冷却装置において、放熱部は、上部ヘッダを備え、上部ヘッダは、第一弁および吸込口を介して空気タンクと連通し、空気タンクが上部ヘッダよりも上に設置される構成にしてもよい。冷却装置内に漏れ入った空気は、冷媒蒸気よりも密度が小さいため、冷却装置内でも上部に位置する放熱部の上部に設けられた上部ヘッダに溜まる。したがって、第一弁を介して放熱部の上部ヘッダと連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができる。
　また、本発明の一様態に係る冷却装置において、放熱部は、下部ヘッダを備え、下部ヘッダは、第一弁および吸込口を介して空気タンクと連通し、空気タンクは第三弁を設けた排出口を吸込口よりも下に備える。さらに、空気タンクは、第三弁および排出口を介して帰還経路と連通し、空気タンクが下部ヘッダよりも下に設置される構成にしてもよい。冷却装置内に漏れ入った空気は、冷媒蒸気よりも密度が小さいため、冷却装置内でも上部に位置する放熱部の下部に設けられた下部ヘッダに溜まる。したがって、第一弁を介して放熱部の下部ヘッダと連通する空気タンクにリークした空気を貯留することができる。
　なお、空気タンクは、放熱部の上部ヘッダに連通させ、放熱部よりも上に設置する方がリークした空気が空気タンクに貯留しやすい。しかし、空気タンクを放熱部の下部ヘッダに連通させ、放熱部より下に設置してもよい。このとき、空気タンクにさらに第三弁を設けた排出口を吸込口よりも下に設け、空気タンクをこの第三弁と排出口を介して帰還経路と連通させる。これにより、放熱部の下部ヘッダに溜まった冷媒液は、第一弁および空気タンクの吸込口を介して空気タンクに流入し、空気タンクの排出口および第三弁を介して帰還経路に流出する。下部ヘッダは放熱部のうちの下流にあたるため温度が低く圧力も低い。そのため、リークした空気が圧力の低い下部ヘッダに流入する。そして、冷媒液の流れとともにリークした空気も下部ヘッダから空気タンクに流れ込み空気タンクに貯留される。
　また、空気タンクに圧力検知部を備えた構成にしてもよい。これにより、冷却装置内の圧力変化を定量的に観察、記録できる。また、空気タンク内は冷媒の循環経路ではないことから、圧力検知部と冷媒液との接触を最小限にできるので、圧力検知部の故障リスクを最小限に抑えることができる。
　以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態１について、図面を参照しながら説明する。
　図１は、本発明の実施の形態１の冷却装置１を搭載した電子機器３０の概略図であり、図２は、放熱部４および空気タンク１２の部分拡大概略図である。
　図１に示すように、電子機器３０は、ケース３１内に発熱体２となる電力用半導体素子と冷却装置１が備えられている。
　冷却装置１は、発熱体２を冷却するための受熱部３と、放熱部４を備えており、放熱経路５と帰還経路６とにより受熱部３と放熱部４が連結されている。この構成により、冷却装置１は内部が密閉空間となる。冷却装置１内は、減圧した上で、例えば純水、エタノール、フッ素系溶剤類、などの冷媒が封入されている。
　また冷却装置１は、ファン７と逆流防止部８を備えている。ファン７は、冷媒により放熱部４に輸送した熱を最終的に外気に放熱する。逆流防止部８は、帰還経路６の受熱部３側に設けられ、冷媒の逆流を防止する。なお、本実施の形態では、ファン７による空冷式としたが、例えば水冷式、その他の方式であってもよい。
　また図２に示すように、放熱部４は、放熱経路５と接続された上部ヘッダ９と、帰還経路６と接続された下部ヘッダ１０とを備えている。上部ヘッダ９は、開口部３２を備えている。空気タンク１２には、吸込口３３と排気口１３が設けられている。放熱部４の上部ヘッダ９の開口部３２と、空気タンク１２の吸込口３３との間には、第一弁１１が設けられている。放熱部４の上部ヘッダ９の開口部３２と、空気タンク１２の吸込口３３とは第一弁１１を介して連通している。すなわち、放熱部４と空気タンク１２は、第一弁１１を介して連通している。
　空気タンク１２の排気口１３は、空気タンク１２の側面側に設けられている。排気口１３には第二弁１４が設けられている。空気タンク１２は、上部ヘッダ９の上方に位置するように設置され、耐圧性に優れた円筒形状が望ましい。
　また、第一弁１１および第二弁１４は、開閉可能で閉止性能に優れた、例えばミニチュアバルブやグローブバルブ、ニードルバルブ、ベローズバルブ、ストップバルブ、などを用いてよいが、特に限定しない。
　また、空気タンク１２には圧力検知部１５が備えられており、冷却装置１内の圧力変化を定量的に観察、記録できる。また、空気タンク１２内は、冷媒の循環経路ではないことから、圧力検知部１５と冷媒液との接触を最小限にできる。これにより、圧力検知部１５の故障リスクを最小限に抑えることができる。
　次に冷却装置１の基本動作について説明する。
　冷却装置１においては、発熱体２の駆動に伴い発生する熱を受熱部３で受け、この熱が内部の冷媒液に伝わり、冷媒液が冷媒蒸気へと相変化する沸騰伝熱によって発熱体２の冷却が行われる。この冷媒蒸気は、圧力差の作用により放熱部４へと流入し、ファン７により外気で冷やされた放熱部４内で凝縮されて冷媒液へと相変化する。凝縮した冷媒液は、下部ヘッダ１０と接続した帰還経路６および逆流防止部８を通って、再び受熱部３へと供給される。
　ここで、冷媒の循環方向は、逆流防止部８によって一方方向へと規定される。逆流防止部８の材料は、例えば多孔質金属焼結体や、金属繊維焼結体などの焼結体であることが好ましい。また、逆流防止部８の形状は、異径縮小部、細管、曲がり管、弁体を有するものが好ましく、逆流防止部８の構造による流路抵抗により、冷媒蒸気が放熱経路５側へと循環していくことを促す作用が得られれば特に限定しない。
　次に、従来の冷却装置で課題にあげた空気のリークと本発明の特徴について説明する。
　図３は、本発明の実施の形態１の冷却装置の冷媒の飽和圧力を示すグラフである。
　図３に、純水とエタノールの飽和圧力を例として示す。本実施の形態の冷却装置１では、発熱体２の通常動作時に冷媒は２０～７０℃の範囲で駆動する。図５に示すように、この時の冷媒の飽和圧力はいずれの場合でも大気圧力（０．１ＭＰａ）以下である。このため、冷却装置１の構造の僅かな隙間から大気中の非凝縮性ガスである空気が冷却装置１内に漏れ入ってくる。
　さらに、冷却装置１は基本的に金属材質で構成されており、各部材は気密に接続されている。
　具体的には、受熱部３自体、受熱部３と放熱経路５との接続、受熱部３と帰還経路６との接続、放熱部４と放熱経路５との接続および放熱部４と帰還経路６との接続、はロウ付けや溶接されている。
　また例えば、第一弁１１および第二弁１４と空気タンク１２との接続、第一弁１１と上部ヘッダ９との接続、圧力検知部１５と空気タンク１２との接続には、例えばネジ込み継ぎ手や金属配管継ぎ手が用いられる。
　また例えば、第一弁１１や第二弁１４の弁体は、弁軸のシール構造（例えば、Ｏリング平パッキン、金属シール、など）により密閉性が保持されている。
　上記のような気密な接続が通常の製造工程、製造管理の下で実施されていたとしても、空気のリークが数年や数十年の長期間で生じると、冷却性能を低下させる懸念がある。すなわち、ロウ付けや溶接された箇所に生じる微細な気泡が、偶然または経年劣化で繋がることで微少な隙間が形成される。具体的には、ネジ込みネジ部の微少な隙間、配管継ぎ手シール部材と配管の間の微少な隙間により生じるスローリークである。さらには弁軸のシール性能より生じるスローリークもあり、これらを現実的には完全に除去できない。
　上記のように通常の製造工程、製造管理の下で実施された気密な接続部からリークした空気は、冷媒蒸気よりも密度が小さい。このため、冷媒の循環経路で冷媒と混合されながらも、徐々に冷却装置１内でも上部に位置する放熱部４の上部ヘッダ９に溜まることになる。この時に、第一弁１１を開放し、第二弁１４を閉止しておくと、リークした空気は上部ヘッダ９よりもより上部に設置されている空気タンク１２へと流入し、貯留される。これにより、リークした空気が冷媒の循環経路の主経路外に位置する空気タンク１２内に保持される。このため、空気がリークしたとしても、冷却装置１の冷却性能が低下しにくく、安定した冷却性能が得られる冷却装置１を提供できる。
　次に、本発明のもう一つの特徴であるリークした空気の真空排気メンテナンスについて説明する。
　空気タンク１２には、数年の期間でリークしてくる空気を貯留するには十分な容量がある。しかし、冷却装置１を定期点検する際に真空排気メンテナンスを実施することで冷却装置１の冷却性能の低下を防ぎ、さらに信頼性の高い冷却装置１を提供できる。
　この貯留空気を真空排気メンテナンスするためには、真空ポンプ（図示せず）を第二弁１４に接続した上で駆動状態とする。そして、第一弁１１を閉止した後に第二弁１４を開放すると、空気タンク１２内に貯留された空気が冷媒蒸気とともに真空ポンプによって真空排気される。このとき、第一弁１１を閉止しておくことで、過分な冷媒までを排出させることはない。
　また、十分に真空排気されているかは、圧力検知部１５により確認ができる。十分に真空排気されれば、第二弁１４を閉止し、真空ポンプを停止させて取り外して良い。その後に第一弁１１を開放することで、再びリークしてくる空気を空気タンク１２に貯留することができる。
　これにより、冷却装置１の本体を交換するという煩雑な作業を実施することなく、簡易な真空排気メンテナンス作業で冷却装置１の冷却性能を維持できる。
　なお、空気タンク１２の形状は円筒形状が望ましいとしたがこれに限らない。例えば、空気タンク１２の底部の全体または一部をドレン溜として、逆三角錐形状や、凹部を備えた形状としてもよい。このとき、逆三角錐形状または凹部を備えた形状の上端は、第一弁１１よりも低い位置に配置されることが望ましく、更にはドレン溜に第二弁１４を接続することが望ましい。この場合には、リークしてきた空気中の水分が冷えて液体状になったとしてもドレン溜に水を貯留することができ、真空排気メンテナンスの際に排水することができる。
　また、圧力検知部１５と連動する警報器を備えてもよい。この場合には、冷却装置１に異常が発生し内圧が上昇した際に、警報を発生させる、または発熱体２を停止させることができる。
　さらに、空気タンク１２とケース３１を熱的に接続する伝熱部を備えてもよい。この場合には、空気タンク１２からケース３１側に放熱でき、空気タンク１２を外気温度と同等の温度に保つことができる。このため、ケース３１内が電子機器３０からの廃熱で加熱されて空気タンク１２内の圧力が上昇し、空気タンク１２内に貯留された空気が上部ヘッダ９側へ逆流してしまうことを防ぐことができる。
　（実施の形態２）
　以下、本発明の実施の形態２について、図面を参照しながら説明する。
　なお、実施の形態１と同等の構成及び同じ作用となる部分については説明を省略する。
　図４は、本発明の実施の形態２における冷却装置の放熱部４および空気タンク１２の部分拡大概略図である。
　放熱部４の下部ヘッダ１０の開口部３２と空気タンク１２の吸込口３３との間には第一弁１１が設けられている。下部ヘッダ１０の開口部３２と空気タンク１２の吸込口３３とは第一弁１１を介して連通するように配置されている。
　空気タンク１２は、放熱部４の下部ヘッダ１０よりも下に設置されている。
　空気タンク１２には、吸込口３３よりも下方に排気口１３と排出口３５が設けられている。排気口１３は、排出口３５よりもケース３１の近傍に設けられている。排気口１３には第二弁１４が設けられている。排出口３５には第三弁３４が設けられ、空気タンク１２は、第三弁３４および排出口３５を介して帰還経路６と連通している。
　空気タンク１２は、放熱部４の上部ヘッダ９に連通させるとともに放熱部４よりも上に空気タンク１２を設置する方がリークした空気が空気タンク１２に貯留しやすい。しかし、空気タンク１２を放熱部４の下部ヘッダ１０に連通させ、放熱部４より下に設置してもよい。このとき、空気タンク１２にさらに第三弁３４を設けた排出口３５を、吸込口３３よりも下に設け、空気タンク１２をこの第三弁３４と排出口３５を介して帰還経路６と連通させている。これにより、放熱部４の下部ヘッダ１０に溜まった冷媒液は、第一弁１１および空気タンク１２の吸込口３３を介して空気タンク１２に流入し、空気タンク１２の排出口３５および第三弁３４を介して帰還経路６に流出する。下部ヘッダ１０は、放熱部４の下流側に設けられているため温度が低く圧力も低い。そのため、リークした空気が圧力の低い下部ヘッダ１０に流入する。そして、冷媒液の流れとともにリークした空気も下部ヘッダ１０から空気タンク１２に流れ込み、空気タンク１２に貯留される。
　（実施の形態３）
　以下、本発明の実施の形態３について、図面を参照しながら説明する。
　なお、実施の形態１および実施の形態２と同等の構成及び同じ作用となる部分については説明を省略する。
　図５は、本発明の実施の形態３における冷却装置の放熱部４および空気タンク１２の部分拡大概略図である。
　空気タンク１２は、放熱部４と直接接続せず、帰還経路６と第一弁１１および吸込口３３を介して連通している。
　空気タンク１２は、放熱部４の下部ヘッダ１０よりも下に設置されている。
　空気タンク１２には、吸込口３３よりも下方に排出口３５が設けられている。排出口３５には第三弁が設けられ、空気タンク１２は、第三弁３４および排出口３５を介して帰還経路６と連通している。
　すなわち、空気タンク１２の吸込口３３とその下方に設けた排出口３５の両方が帰還経路６に連通している。
　空気タンク１２は、放熱部４の上部ヘッダ９に連通させるとともに放熱部４よりも上に空気タンク１２を設置する方がリークした空気が空気タンク１２に貯留しやすい。しかし、空気タンク１２を帰還経路６に連通させ、放熱部４より下に設置してもよい。このとき、空気タンク１２にさらに第三弁３４を設けた排出口３５を吸込口３３よりも下に設け、空気タンク１２をこの第三弁３４と排出口３５を介して帰還経路６と連通させている。これにより、放熱部４の下部ヘッダ１０に溜まった冷媒液は放熱部４の下流である帰還経路６に流出し、さらに帰還経路６に連通させた空気タンク１２に第一弁１１および空気タンク１２の吸込口３３を介して流入する。そして、空気タンク１２に流入した冷媒液は、空気タンク１２の排出口３５および第三弁３４を介して帰還経路６に流出する。帰還経路６は、放熱部４の下流側に設けられているため温度が低く圧力も低い。そのため、リークした空気が圧力の低い帰還経路６に流入する。そして、冷媒液の流れとともにリークした空気も帰還経路６から空気タンク１２に流れ込み、空気タンク１２に貯留される。
　以上のように本発明の冷却装置は、非凝縮性ガスである空気が冷却装置内にリークしてきた場合にも、冷媒の循環経路の主経路外に空気を貯留する。また、貯留した空気を真空排気メンテナンスすることができる。これにより、安定して冷却性能が得られ、信頼性が高いため、例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）、大規模集積回路（ＬＳＩ）、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等の電子機器等の発熱する機器を冷却する冷却装置として有用である。
１　　冷却装置
２　　発熱体
３　　受熱部
４　　放熱部
５　　放熱経路
６　　帰還経路
７　　ファン
８　　逆流防止部
９　　上部ヘッダ
１０　　下部ヘッダ
１１　　第一弁
１２　　空気タンク
１３　　排気口
１４　　第二弁
１５　　圧力検知部
３０　　電子機器
３１　　ケース
３２　　開口部
３３　　吸込口
３４　　第三弁
３５　　排出口

Claims (4)

  1. 発熱体を設置する受熱部と、放熱経路と、放熱部と、帰還経路と、を順に連結した冷媒の循環経路と、
    吸込口と、排気口とを設けた空気タンクと、を備え、
    前記吸込口には前記放熱部または前記帰還経路のいずれか一方を連通する第一弁を設け、
    前記排気口には第二弁を設けた冷却装置。
  2. 前記放熱部は、上部ヘッダを備え、前記上部ヘッダは、前記第一弁および前記吸込口を介して前記空気タンクと連通し、
    前記空気タンクが前記上部ヘッダよりも上に設置される請求項１に記載の冷却装置。
  3. 前記放熱部は、下部ヘッダを備え、前記下部ヘッダは、前記第一弁および前記吸込口を介して前記空気タンクと連通し、
    前記空気タンクは第三弁を設けた排出口を前記吸込口よりも下に備え、前記空気タンクは、前記第三弁および前記排出口を介して前記帰還経路と連通し、
    前記空気タンクが前記下部ヘッダよりも下に設置される請求項１に記載の冷却装置。
  4. 前記空気タンクに圧力検知部を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の冷却装置。
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