JP2004232900A

JP2004232900A - 発熱性部品の冷却構造

Info

Publication number: JP2004232900A
Application number: JP2003019373A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Inagaki; 充晴稲垣
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】発熱性部品からの熱を外部に逃がすことなく液体冷媒により確実に集めることができる冷却構造を提供する。
【解決手段】電子機器１は、比較的高い発熱性を有する電子部品である第１発熱体３と、比較的低い発熱性を有する電子部品である第２発熱体４とを備えている。第２発熱体４は、ヒートシンク５上に取り付けられており、冷却用ファン１０からの冷却風により冷却（空冷）される。第１発熱体３は冷却器７内を循環する液体冷媒により冷却（液冷）される。第１発熱体３および冷却器７は、ケース８内に収められており、これにより周囲から熱的および電磁的に遮断されている。冷却器７内において第１発熱体３からの熱を集めた液体冷媒は、ケース８外部において吸着式冷凍装置により冷却されて、再び冷却器７に供給される。電子機器１内において、空冷される部分２０と液冷される部分３０は、冷却風の風向に関して並列に配置されている。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子機器あるいは電気機器を構成する発熱性部品の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、電子機器あるいは電気機器を構成する発熱性部品の冷却構造として、冷却用ファンによる冷却風を用いたもの（空冷）と液体冷媒を用いたもの（液冷）とが知られている。液冷は空冷に比較して冷却性能が高いため、特に発熱量の大きい発熱体を有する機器においては、液冷による冷却を行うことが提案されている。ただし、機器によっては、機器内のすべての発熱体の冷却を液冷により行おうとすると、冷却器が複雑化および大型化し、さらに液体冷媒を冷却するための装置も大型化するため、図４に示すように、発熱量が大きい発熱体９０は液冷、発熱量が小さい発熱体９１は空冷というように、発熱体の発熱量に応じて液冷と空冷を使い分けることにより、冷却構造を簡素化することも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２８３９５８号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の液冷による冷却構造においては、発熱体からの熱が外に逃げて液体冷媒によって確実に熱を集められず、特に上記従来技術のように、発熱体９０を液冷により冷却する部分（液冷部）９４と発熱体９１を空冷により冷却する部分（空冷部）９５が混在している場合には、空冷のための冷却風が液冷部９４を通ることにより発熱体９０からの熱が多く外に逃げて、このように高発熱の発熱体９０から逃げた熱により高温になった風が風下にある空冷部９５の発熱体９１にあたることにより、空冷部９５の発熱体９１の温度が上昇するという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記点に鑑みなされたものであり、発熱性部品において発生した熱を外部に逃がすことなく液体冷媒により確実に集めることができる冷却構造を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発熱性部品の冷却構造は、第１発熱体からの熱を受け取り可能に配置された冷却器を備えており、冷却器外部において冷却された第１冷媒を冷却器内に循環させることにより第１発熱体を冷却する冷却構造であり、さらに、第１発熱体と冷却器とを１つの密閉空間内に収めて周囲から熱的に遮断するケースを備えており、第１冷媒はケース外部において冷却されるように構成されていることを特徴としている。
【０００７】
このような構成によると、第１発熱体と冷却器はケースにより周囲から熱的に遮断されているため、第１発熱体において発生した熱を外部に逃がすことなく、冷却器内の第１冷媒により確実に集めることができる。
【０００８】
請求項２記載のように、ケースの周囲に、発熱量が第１発熱体より小さく、冷却用ファンからの冷却風により冷却される第２発熱体を備えた空冷部が配置されている場合には、請求項１記載のように、第１発熱体がケースによって周囲から熱的に遮断されていると、第１発熱体からの熱が第２発熱体に影響を与えることがなく、これにより第２発熱体の信頼性を向上することができる。この場合、請求項３記載のように、ケースと空冷部が冷却用ファンの風向に関して並列に配置されていると、冷却用ファンからの冷却風がケースにあたることがないため、第１発熱体からの熱をケース外に逃がすことなく冷却器によってより確実に集めることができ、また第１発熱体からの熱が第２発熱体に影響することをより確実に防ぐことができる。
【０００９】
また、請求項４記載のように、ケースとして、熱的なシールドだけでなく、電磁的なシールドを兼ね備えたものを用いると、簡単な構造により、第１発熱体および冷却器を周囲から熱的にシールドすると共に、第１発熱体を電磁的にシールドすることが可能である。
【００１０】
さらに、請求項５記載のように、第１冷媒は、ケース外部に配置された吸着器に循環させられて、吸着器内において第２冷媒を蒸発させ、蒸発した第２冷媒を吸着器内部の吸着剤に吸着することにより冷却されるように構成されているとよい。このように、ケース外において吸着式冷凍装置により第１冷媒を冷却するように構成されていると、第１冷媒を外気温度以下に冷却することが可能であるため、単にケース外部において第１冷媒から空気中へ放熱させることにより冷却する場合に比較して、外気温度に拘わりなく適切に冷却することが可能である。また、吸着式冷凍装置を用いると、他の冷凍装置に比較して、省電力での冷却が可能である。
【００１１】
吸着式冷凍装置においては、請求項６記載のように、吸着剤から第２冷媒を脱離させるための熱源として、ケース外部に配置されている第３発熱体において生じる熱を利用するようにするとよい。このようにして、吸着式冷凍装置を作動させる際の熱源として、例えば第１発熱体と同じ機器内にある別の適当な発熱体などからの熱を利用すると、第１冷媒の冷却をより省電力で行うことができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第１実施形態に係る冷却構造が適用された電子機器１を示している。電子機器１は例えばワークステーションなどであり、比較的高い発熱性を有する電子部品である複数の第１発熱体３と、比較的低い発熱性を有する電子部品である第２発熱体４とを備えている。第１発熱体３は、例えばパワートランジスタなどであり、第２発熱体４は、第１発熱体３より発熱量が小さいＤＣ／ＤＣコンバータなどである。
【００１３】
第２発熱体４は、金属製のヒートシンク５の上に取り付けられて、上部からケース６によって覆われており、これら全体によって空冷部２０を形成している。ヒートシンク５は複数の放熱フィンを備えており、この放熱フィンには、冷却用ファン１０から冷却風が吹きつけられるようになっている。第２発熱体４で発生した熱は、ヒートシンク５に伝わり、ここから冷却用ファン１０からの冷却風に伝わり、このようにして第２発熱体４が冷却される。
【００１４】
一方、第１発熱体３はプリント基板２上に形成されており、これらの第１発熱体３には、プリント基板２と反対側に金属製の冷却器７が取り付けられている。また、これらの第１発熱体３は、冷却器７と共にケース８内に収められており、これら全体によって液冷部３０を形成している。液冷部３０と空冷部２０は、冷却用ファン１０からの冷風の風向きに関して並列になるように配置されている。
【００１５】
冷却器７は、ケース８内において、樹脂製の支持部材９により支持されており、これによりケース８から間隔をおいて配置されている。また、プリント基板２もケース８から間隔をおいて配置されており、このようにして、第１発熱体３および冷却器７はケース８と直接接触しないようにケース８内の密閉空間に収められている。ケース８は樹脂製で表面に金属メッキが施されており、これにより、第１発熱体３および冷却器７を、周囲（例えば第２発熱体４など）から熱的に遮断すると共に、電磁的にも遮断している。
【００１６】
冷却器７は、図１（Ａ）に示すように、３つの第１発熱体３の下を順に通るように配設されており、内部には液体冷媒が通るための通路が形成されている。通路の両端には、ケース８の外部から、入口配管１４および出口配管１５がそれぞれ接続されており、冷却器７内の通路に入口配管１４から第１冷媒が供給され、出口配管１５から放出されることにより、冷却器７内に第１冷媒が循環するようになっている。第１冷媒としては、水、アンモニアなどの自然冷媒、エチレングリコール系の不凍液が混入した水、フロリナートなどのフッ化炭素系冷媒、ＨＣＦＣ１２３、ＨＦＣ１３４ａ等のフロン系冷媒、メタノール、アルコールなどのアルコール系冷媒、アセトンなどのケトン系冷媒を用いることができるが、本実施形態では水を用いている。
【００１７】
第１発熱体３で発生した熱は、冷却器７内の第１冷媒に伝わり、これにより第１発熱体３は冷却される。入口配管１４および出口配管１５は、図２に示すように、電子機器１外部の吸着式冷凍装置５０に接続されており、出口配管１５から放出された水は吸着式冷凍装置５０の吸着器５１ａ、５１ｂにおいて冷却されて、再び入口配管１４から冷却器７に供給される。
【００１８】
吸着式冷凍装置５０は、吸着剤による冷媒の吸着・脱離を利用して冷却を行うもので、第１吸着器５１ａと第２吸着器５１ｂを有している。これらの吸着器５１ａ５１ｂは同じ構成のもので、吸着コア５４ａ、５４ｂと蒸発／凝縮コア５５ａ、５５ｂとを備えている。吸着器５１ａ、５１ｂの内部には、第２冷媒が封入されており、吸着コア５４ａ、５４ｂには吸着剤が充填されている。
【００１９】
吸着剤としては、シリカゲル、ゼオライト、活性炭、活性アルミナなどを用いることができるが、本実施形態ではシリカゲルやゼオライト等の固体吸着剤を用いている。第２冷媒としては、吸着剤に吸着可能であり、圧力を変えることで相変化し熱の出入りがある水、フロン、アセトンなどを用いることができるが、本実施形態では水を用いている。
【００２０】
この冷凍装置５０は、第１吸着器５１ａにおいて冷却器７からの第１冷媒を冷却する第１モードと、第２吸着器５１ｂにおいて冷却器７からの第１冷媒を冷却する第２モードで切り替えて作動する。
【００２１】
図２は第１モードにおける状態を示している。第１モード開始時には、第１吸着器５１ａ内の吸着剤は脱離が完了した状態にあり、第２吸着器５１ｂの吸着剤は吸着が完了した状態にある。第１モードにおいては、蒸発コア５５ａにおいて第１吸着器５１ａ内部の第２冷媒を蒸発させることにより、冷却器７からの第１冷媒を冷却する。蒸発した第２冷媒（水蒸気）は、第１吸着器５１ａ内の吸着コア５４ａに拡散して、吸着剤により吸着される。吸着剤は水蒸気を吸着する際に発熱して吸着能力が低下するので、放熱器５６において外気との熱交換により冷却された第３冷媒を吸着コア５４ａ内に循環させることにより、吸着剤を冷却する。
【００２２】
一方、第２吸着器５１ｂにおいては、吸着コア５４ｂ内の吸着剤を加熱することにより、吸着剤に吸着していた第２冷媒を脱離させ、さらに凝縮コア５５ｂに放熱器５６からの第３冷媒を循環させることにより、脱離した気相冷媒（水蒸気）を冷却して凝縮させる。吸着剤を加熱するための加熱手段としては、電気ヒータなどを用いることもできるが、本実施形態では、図２に示すように、第１発熱体３と同じ電子機器１内に搭載されている別の発熱体（第３発熱体）４０において生じる熱を利用している。ただし、この場合、第３発熱体４０は、第１発熱体３の発熱量以上の発熱があることが条件となる。
【００２３】
第２モードは、第２吸着器５１ｂ内の吸着剤は脱離が完了し、第１吸着器５１ａ内の吸着剤は吸着が完了した状態において開始され、第１モードとは逆に、第２吸着器５１ｂにおいて冷却器７からの第１冷媒を冷却し、第１吸着器５１ａにおいて第２冷媒の脱離および凝縮を行う。
【００２４】
放熱器５６においては、熱交換部５７に対してファン５８により冷却風が送られ、これにより，第３冷媒から周囲に放熱させることにより第３冷媒を冷却する。
【００２５】
本実施形態の構成によると、液冷部３０において、発熱体３と冷却器７がケース８内の密閉空間に収められて周囲から熱的に遮断されているため、発熱体３において発生した熱を冷却器７内の冷媒により確実に集めることができる。また、液冷部３０がケース８で覆われており、空冷部２０と液冷部３０が並列に配置されていることから、液冷部３０の発熱体３からの熱が空冷部２０に影響を与えることがなく、これにより空冷部２０の発熱体４の信頼性を向上することができ、また、機器１全体の冷却を効率的に行うことができる。さらに、液冷部３０のケース８が電磁的シールドと熱的シールドを兼ねていることにより、簡単な構造により、第１発熱体３および冷却器７を周囲から熱的にシールドすると共に、第１発熱体３を電磁的にシールドすることを可能にしている。
【００２６】
（他の実施形態）
本発明は上記実施形態に限定されることなく、つぎのように種々の変形が可能である。
【００２７】
上記実施形態においては、ケース８は樹脂製の本体に金属メッキを施したものであったが、全体が金属により形成されているものであってもよい。
【００２８】
上記実施形態においては、吸着式冷凍装置５０において吸着剤を加熱するための加熱手段として、電子機器１内に搭載されている第３発熱体４０からの熱を利用したが、電子機器がより大きな装置内に組み込まれている場合などには、この装置に搭載されている他の機器からの発熱を加熱手段として用いてもよい。例えば、車両に搭載されている電子機器の場合には、エンジンの冷却水などを吸着剤の加熱に用いることができる。
【００２９】
また、図３に示すように、冷却器７において第１発熱体３からの熱を集めた第１冷媒を吸着器５１ａ、５１ｂの吸着コア５４ａ、５４ｂに循環させることにより、吸着剤から第２冷媒を脱離させるための加熱手段として第１発熱体３の熱を利用し、吸着器５１ａ、５１ｂの蒸発コア５５ａ、５５ｂには電子機器１内に搭載されている第４発熱体４１からの熱を集めた第４冷媒を循環させて、蒸発コア５５ａ、５５ｂ内で第２冷媒を蒸発させることにより第４冷媒を冷却するような構成にしてもよい。ただし、この場合、第１発熱体３からの発熱量を合わせたものが第４発熱体４１の発熱量以上であることが条件となる。図３は、第１吸着器５１ａにおいて第４冷媒を冷却し、第２吸着器５１ｂにおいて第２冷媒の脱離および凝縮を行うモードでの動作状態を示している。
【００３０】
また、上記実施形態においては、冷却器７からの冷媒を吸着式冷凍装置５０の吸着器５１へ循環させることにより冷却する構成であったが、吸着式冷凍装置５０を用いることなく、冷却器７からの冷媒を、図２に示す放熱器５６と同様の外部の放熱器に直接循環させて、空気中への放熱のみにより冷却するように構成されていてもよい。
【００３１】
上記実施形態においては、電子機器内の発熱性部品の冷却に本発明を適用したが、例えば電気変換器や蓄電池など電気機器内の発熱性部品の冷却に本発明を適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る冷却構造が適用された電子機器を示す平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線Ｉ−Ｉにおける断面図である。
【図２】冷却構造の全体構成を示す模式図である。
【図３】冷却構造の全体構成の変形例を示す模式図である。
【図４】従来の冷却構造が適用された電子機器を示す平面図である。
【符号の説明】
３第１発熱体
４第２発熱体
７冷却器
８液冷部のケース
１０冷却用ファン
２０空冷部
４０第３発熱体
５１ａ、５１ｂ吸着器

Claims

第１発熱体（３）からの熱を受け取り可能に配置された冷却器（７）を備え、前記冷却器（７）外部において冷却された第１冷媒を前記冷却器（７）内に循環させることにより前記第１発熱体（３）を冷却する発熱性部品の冷却構造において、
前記第１発熱体（３）と前記冷却器（７）とを１つの密閉空間内に収めて周囲から熱的に遮断するケース（８）を備え、
前記第１冷媒は前記ケース（８）外部において冷却されることを特徴とする発熱性部品の冷却構造。
前記ケース（８）の前記周囲には、発熱量が前記第１発熱体（３）より小さく、冷却用ファン（１０）からの冷却風により冷却される第２発熱体（４）を備えた空冷部（２０）が配置されていることを特徴とする請求項１記載の発熱性部品の冷却構造。
前記ケース（８）と前記空冷部（２０）は、前記冷却用ファン（１０）の風向に関して並列に配置されていることを特徴とする請求項２記載の発熱性部品の冷却構造。
前記ケース（８）は、前記第１発熱体（３）および前記冷却器（７）を、前記周囲から電磁的に遮断していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の発熱性部品の冷却構造。
前記第１冷媒は、前記ケース（８）外部に配置された吸着器（５１ａ、５１ｂ）に循環させられて、前記吸着器（５１ａ、５１ｂ）内において第２冷媒を蒸発させ、蒸発した前記第２冷媒を前記吸着器（５１ａ、５１ｂ）内部の吸着剤に吸着することにより冷却されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の発熱性部品の冷却構造。
前記吸着器（５１ａ、５１ｂ）において、前記吸着剤から前記第２冷媒を脱離させるための熱源として、前記ケース（８）外部に配置されている第３発熱体（４０）において生じる熱を利用することを特徴とする請求項５記載の発熱性部品の冷却構造。