JPH062959A - 冷却システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気負荷がシステムの設計限度内にある限
り、負荷の大小にかかわらず、当該デバイスなどの温度
を周囲空気の局所露点以上であるが、制御最低値のある
温度に維持できる情報処理機能の有する冷却システムの
提供。 【構成】 蒸気圧縮サイクル冷却器を有し冷媒にて被冷
却体を液冷するシステムにおいて、低沸点冷媒の蒸気圧
を基準圧として周囲温度より一定の高い温度で作動可能
にしたガス定流量装置、例えば、所定の密閉容器内に基
準圧における低沸点冷媒蒸気または気体を封入して、凝
縮器の冷却ファンの空気取り入れ口に置く。 【効果】 低沸点冷媒圧力を周囲温度に応じて基準圧力
に保持でき、通過する冷却時に被冷却体の電子部品等に
結露が付着することを防止し、安全な液冷を可能にす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、コンピュータチッ
プ、回路板、電子部品、光学系等の冷却のための冷却シ
ステムに係り、蒸気圧縮サイクル冷却器を有し冷媒にて
被冷却体を液冷するシステムにおいて、低沸点冷媒の蒸
気圧を基準圧として周囲温度より一定の高い温度で作動
可能にしたガス定流量装置を用いて、冷却時に被冷却体
の電子部品等に結露が付着することを防止し、安全な液
冷を可能にした冷却システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】大抵の電子装置、特にコンピュータ、電
力増幅器および電源に使用されるチップを冷却すること
は必要である。このチップなどの冷却は、通常マフィン
型ブリキ製ファンまたはより一層大型の空気力学的に設
計した羽根を有するファンを使って行われてきた。

【０００３】デバイスすなわちチップが小さい場合は、
種々の形のヒートシンクが電子装置に取り付けられるの
が通例であり、このヒートシンクは大きな表面積を有す
るフィン付き金属成形体であることが多く、これらヒー
トシンクは当該装置に配設されるファンが起こす気流に
よって冷却され、チップの熱がヒートシンクを介して流
気中に消散させるものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】各種装置の高機能化や
高速化の要求から、使用するデバイスが増すにつれて一
層多量の電力がチップ内で消費され、これにつれて一層
多量の発熱が起こるため、より効率のよい冷却システム
が必要とされる。しかし、現状は発熱に伴いチップおよ
びヒートシンクの温度上昇が余儀なくされるか、あるい
は温度を同じに保つために、よりファンの気流速度を上
げねばならぬかの何れかである。気流速度を増すことは
容易であるが、これが騒音レベルを上げており、現在多
くの場合、この騒音は許容できない程の高いレベルに達
している。また、チップの温度上昇は、チップの動作速
度を落とし、故障の可能性を増すことになるため、これ
らの制限を受けない代替の冷却システムが必要となる。

【０００５】代替計画の一つは、ヒートシンク、回路板
または容器の水冷である。しかしこれは漏れという危険
があるため多くの場合許容できない。大抵の電子技術者
は、電子回路上またはその近くに水の存在することを極
端に嫌うものである。というのも水が部品を短絡させ、
公称上は分離されている導体間で漏電を発生させ、かつ
内部接続部、リード線、基板等の腐食を発生させる可能
性があるからである。

【０００６】第２の代替計画は、代替えフロンまたは非
ＣＦＣ（クロロフルオロカーボン）系冷媒を使用して冷
却を行うことである。これらが漏れても漏れたものは腐
食を起こすことなく直ちに蒸発し、漏電またはその他の
悪影響を与えることがない。しかし、このシステムに
は、不適切な温度制御からくる別の危険が存在し、例え
ば電気負荷は低下するが、冷却能力が大きいままだと、
ヒートシンクの温度は低下し、万一周囲空気の露点以下
に下がると、水蒸気が回路上に凝縮し、漏れやすい液冷
システムの持つあらゆる問題を引き起こすことになる。
他方、もし電気負荷および環境のいかんにかかわらず、
ヒートシンクと回路板の温度制御が厳密に維持されると
き、露点が回路板温度を越えて水蒸気凝縮と水冷システ
ムのために上記したすべての問題が起こるようなレベル
まで、周囲温度および湿度は上昇することがあり得るこ
とになる。

【０００７】この発明は、電気負荷がシステムの設計限
度内にある限り、負荷の大小にかかわらず、当該デバイ
スなどの温度を周囲空気の局所露点以上であるが、制御
最低値のある温度に維持できる高い制御機能を有する冷
却システムの提供を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明は、蒸気圧縮サ
イクル冷却器を有し、被冷却体を直接あるいは間接に冷
媒液で冷却する手段からなる冷却システムにおいて、低
沸点冷媒の蒸気圧を基準圧として周囲温度より一定の高
い温度で作動可能にしたガス定流量装置を当該冷却器の
帰還ラインに配設して、被冷却体に作用する冷媒温度を
制御するすることを特徴とする冷却システムである。

【０００９】この発明は、上記の構成において、ガス定
流量装置が、低沸点冷媒が設定した温度で蒸発するよう
に、所定圧力の不活性ガスを満たした容積部の圧力ある
いは所定圧力の低沸点冷媒蒸気と液体低沸点冷媒を収納
した容積部の圧力がダイヤフラムを介して冷媒ガス通路
断面積を変化させ冷媒ガス圧力を基準圧力と同等に保持
することを特徴とする冷却システムである。

【００１０】この発明において、対象とする冷却システ
ムは、コンピュータチップ、回路板、電子部品、光学系
等の冷却に使用し、蒸気圧縮サイクル冷却器を有し、被
冷却体を直接あるいは間接に冷媒液で冷却する手段であ
れば、公知の何れの構成にも適用できる。

【００１１】この発明において、ガス定流量装置には実
施例に示す如きダイヤフラム型構成をはじめ低沸点冷媒
の蒸気圧を基準圧として周囲温度より一定の高い温度で
作動可能にした構成であれば、公知の何れの構成にも適
用できる。

【００１２】この発明において、低沸点冷媒には所謂代
替えフロン、例えば１３４ａ（ＣＨ₂ＦＣＦ₃）、ＨＣＦ
Ｃ−１２３、ＨＣＦＣ−１４１ｂ、などを使用すること
ができる。

【００１３】

【作用】この発明は、コンピュータチップ、回路板、電
子部品、光学系等の冷却のための冷却システム、特に、
蒸気圧縮サイクル冷却器を有し冷媒にて被冷却体を液冷
するシステムにおいて、低沸点冷媒の蒸気圧を基準圧と
して周囲温度より一定の高い温度で作動可能にしたガス
定流量装置、例えば、所定の密閉容器内に基準圧におけ
る低沸点冷媒蒸気または気体を封入して、凝縮器の冷却
ファンの空気取り入れ口に置くことにより、低沸点冷媒
圧力を周囲温度に応じて基準圧力に保持でき、通過する
冷却時に被冷却体の電子部品等に結露が付着することを
防止し、安全な液冷を可能にする。

【００１４】

【実施例】実施例では、従来公知の図１に示す蒸気−圧
縮−サイクル冷却機を使用しており、その帰還ラインに
この発明によるガス定流量装置を追加することが、従来
の冷却サイクルとは異なっている。このガス定流量装置
の構成は図２に示されている。

【００１５】密閉されているコンプレッサ１は、低沸点
冷媒を４．９〜１４ｋｇ／ｃｍ²（毎平方インチ当たり
７０〜２００ポンド絶対値）まで圧縮し、熱い蒸気は次
に凝縮して凝縮器２内で液体になり、フィルタ３を通っ
て回路板４を載置した冷却器５まで流れる。この凝縮器
２は、通常ここを出る液体温度が２５°Ｃから３５°Ｃ
程度となるように小型ファン等で空冷される。この後、
液体は細い毛細管を通して計量され、ガス定流量装置に
より決まる制御圧力に達するまで圧力が低下する。

【００１６】冷却板５は被冷却体に応じて適宜の構成が
採用されるが、ここでは図３に示すごとく、用途に応じ
て選定する金属やプラスチック等の板に、例えば所要の
パターンで曲がりくねった導管部を平削りすることによ
り作製した冷却パッド５ａの上にはカバー板５ｂが接着
されて構成されている。冷却板５の入口管にはフィルタ
３からの導管、および出口管にはガス定流量装置１０へ
の導管を接続してある。

【００１７】図２に示すガス定流量装置１０は、次のよ
うに動作する。ガス定流量装置１０は通路部１１と容積
部１６から構成され、通路部１１は低沸点冷媒が上流通
路１２から金属またはネオプレンのようなゴムからでき
た可とう性で不透過性の膜１３により分割されている通
路室１４に入り、膜１３に接触しながら下流通路１５か
ら導管へと出る構造である。従って、気体または液体の
低沸点冷媒は、その圧力が通路室１４で容積部１６内の
圧力により膜１３を介して制御されることになる。容積
部１６は、基準圧における蒸気または気体を含んでい
る。もし上流通路１２における圧力が基準圧以下に低下
すると、隔板の膜１３は上昇して通路室１４を通って下
流通路１５に行く流れを制限し、その結果圧力を再度上
昇させる。このように通路部１１における圧力は、容積
部１６による基準の圧力に極めて類似した圧力に維持さ
れる。

【００１８】回路板４を冷却するためガス定流量装置１
０は、２つの方法の内の１つの方法で動作させることが
できる。容積部１６は、低沸点冷媒が所望の温度におい
てこの圧力で蒸発するように、ある圧力における窒素の
ような気体で満たすことができる。この状況は、低沸点
冷媒の蒸気圧表から読み取ることができる。１例として
基準圧を毎平方インチ当たり７２ポンド絶対値に設定す
れば、約１５．５℃（６０°Ｆ）で代替えフロンを沸騰
させる。この方式で冷却板５は、熱負荷の大小にかかわ
らず、それがガス定流量装置１０と冷却機の設計限界内
にある限り温度制御される。

【００１９】冷却板５上の負荷が増すにつれて、一層多
量の液体低沸点冷媒が蒸発し、任意にできる圧力は上昇
し始め、これにより通路室１４の膜１３が、室を通る流
量を少なくするように制限し、その結果圧力を一定値に
維持し、従って冷却板５の温度を低沸点冷媒の蒸気圧に
より決まる一定値に維持する。用いた低沸点冷媒の蒸気
圧表から、ガス定流量装置の圧力を別の値に設定するこ
とにより、周囲温度の上下に広い動作温度範囲を得るこ
とができる。

【００２０】この冷却システムにおいて、ある気候にお
ける周囲温度が設定温度以上に上昇するかもしれず、最
後には露点がこの温度以上に上がり、回路板上に水蒸気
を凝縮させる結果となる可能性がある。しかし、かかる
問題はガス定流量装置と第２の方式で動作させることに
より防止できる。

【００２１】この方式では、容積部１６内は気化した低
沸点冷媒と少量の液体低沸点冷媒で満たしておき、この
容積部１６を必要な周囲温度に晒す。例えば、容積部１
６を凝縮器２の冷却ファンの空気取り入れ口に置くこと
により、都合よく行うことができる。さてもし温度が上
昇すれば、冷却板５内の沸騰低沸点冷媒の設定点を決め
る容積部１６内の低沸点冷媒蒸気圧もまた上昇する。冷
却板５はその後常に周囲温度より僅かに高い（２〜３
度）温度になり、従って、水蒸気の凝縮は、周囲温度が
大きく変動するときでさえも常に起こらない。

【００２２】

【発明の効果】この発明による冷却システムは、他の電
子機器冷却方法に対して、次のような利点を有してい
る。 （ａ）周囲温度と湿度の変化にかかわらず、水蒸気の凝
縮が冷却した表面上で起こりえない。 （ｂ）システムには水が使用されない。そのため給排水
系統の偶発的故障の場合、水による損害の心配はない。

【００２３】冷媒により除去される熱は、凝縮器を空冷
することにより環境中に放出される。この凝縮器は２
６．６℃〜５７．２℃（８０°Ｆ〜１３５°Ｆ）で動作
し、大きな表面積を有している。従って凝縮器は、低速
で動く大量の空気を使って冷却できる。これから発生す
る騒音は、空冷しなければならぬ個々のチップを使うシ
ステムから発生するものに比べ、本質的に低くすること
ができる。通常これらのチップを冷却するには、比較的
小さな面積を冷却するために高速の空気流を必要とし、
これが空気流中の乱流、従って高い騒音レベルを発生さ
せる結果となる。従って、 （ｃ）この発明の一つの利点は、はるかに小さい騒音で
冷却できることである。

【００２４】多量の電力を消散するレーザダイオードの
ような小さい装置のためには、流体の核沸騰による冷却
は、熱暴走を防ぐには十分でないかも知れない。小さい
表面からより多量の熱を吸収するためには、ジェット衝
撃冷却を使用せねばならぬかも知れない。しかし、もし
低沸点冷媒ジェットが、従来の簡単な冷却機システム内
で使用されるとき、装置の温度は負荷が減っているとき
は著しく低下し、水蒸気が装置上で凝縮し、光学系は場
合は水による損害、すなわち霧の付着を起こす結果にな
る。 （ｄ）この発明は、かかる状況においても、前述したよ
うにガス定流量装置を使って帰還圧力を制御することに
より、装置の温度を制御することを可能にするものであ
る。

【００２５】低温パッド上の負荷の大小にかかわらず、
事実上すべての液体冷媒は、ガス定流量装置通過後に起
こる圧力低下の後蒸発されるので、一見したところ提案
したこの発明は、低効率の冷却システムを生ぜしめるよ
うに思われる。しかし、小負荷では少量の液体が低温パ
ッド内で蒸発され、その他のすべては、ガス定流量装置
を離れると同時に蒸発され、そのため圧縮機は、毎サイ
クル冷媒の全付加（しかし負荷は小さい）を液化するに
必要な運転を続行しなければならない。 （ｅ）この効率の損失は、ガス定流量装置を圧縮機に直
ぐ隣接して取り付けることにより本質的に減らすことが
でき、次にガス定流量装置を離れ蒸発している液体は、
圧縮機を冷却して圧縮機モータはこれら領域における損
失を低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による冷却システムの構成を示す回路
説明図である。

【図２】この発明によるガス定流量装置の構成を示す縦
断説明図である。

【図３】冷却板の一例を示す上面説明図である。

【符号の説明】

１ コンプレッサ ２ 凝縮器 ３ フィルタ ４ 回路板 ５ 冷却器 ５ａ 冷却パッド ５ｂ カバー板 １０ ガス定流量装置 １１ 通路部 １２ 上流通路 １３ 膜 １４ 通路室 １５ 下流通路 １６ 容積部

フロントページの続き (72)発明者 ウイリアム エイ リトル アメリカ合衆国 カルフォルニア州 94301 パロアルト クレセントドライブ 15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 蒸気圧縮サイクル冷却器を有し、被冷却
   体を直接あるいは間接に冷媒液で冷却する手段からなる
   冷却システムにおいて、低沸点冷媒の蒸気圧を基準圧と
   して周囲温度より一定の高い温度で作動可能にしたガス
   定流量装置を当該冷却器の帰還ラインに配設して、被冷
   却体に作用する冷媒温度を制御することを特徴とする冷
   却システム。
2. 【請求項２】 ガス定流量装置が、低沸点冷媒が設定し
   た温度で蒸発するように、所定圧力の不活性ガスを満た
   した容積部の圧力がダイヤフラムを介して冷媒ガス通路
   断面積を変化させ冷媒ガス圧力を基準圧力と同等に保持
   することを特徴とする請求項１記載の冷却システム。
3. 【請求項３】 ガス定流量装置が、低沸点冷媒が設定し
   た温度で蒸発するように、所定圧力の低沸点冷媒蒸気と
   液体低沸点冷媒を収納した容積部の圧力がダイヤフラム
   を介して冷媒ガス通路断面積を変化させ冷媒ガス圧力を
   基準圧力と同等に保持することを特徴とする請求項１記
   載の冷却システム。