JP5344847B2 - 冷却装置 - Google Patents

Description

本件は、ループヒートパイプを備えた冷却装置に関する。

今日の社会では、工業技術の進歩に伴い多種多様な電子機器が開発されており、複雑な構成を有する電子機器も数多く存在している。特に近年では、情報化社会の進展とともに、コンピュータをはじめ情報処理を行う電子機器に関する技術が急速に発展しており、複雑な構成を有する高性能の電子機器が次々と開発されている。

電子機器では、電子機器内部に複雑な電子回路が備えられていることが一般的であり、電子機器として動作する際には、こうした電子回路が発熱することが多い。例えば、コンピュータでは、コンピュータの動作制御の中枢を担うＣＰＵが、コンピュータの動作に伴って発熱する。電子回路が発熱すると、その熱により、その電子回路やその周囲にある他の電子部品に不具合が生じることがあるため、発生した熱を電子回路から他の場所に逃がすための熱輸送の機構が必要になることが少なくない。

熱輸送の機構としては、従来から、ループヒートパイプと呼ばれる熱輸送デバイスが知られている。ループヒートパイプは、パイプなどの容器の内部に作動流体が封入された構成を備えており、熱を吸収した作動流体がヒートパイプ内を移動することにより熱の輸送が行われる（例えば、特許文献１参照）。ここで、ループヒートパイプの構成と作動原理とについて説明する。

図１は、ループヒートパイプの構成と作動原理とを表した模式構成図である。

図１に示すループヒートパイプは、液相の作動流体１００が発熱体（不図示）からの熱を吸収して気化する蒸発器１０１と、気相の作動流体１００が熱を放出して液化する凝縮器１０５とを有している。このループヒートパイプでは、蒸発器１０１で気化した作動流体１００が蒸気管１０４中を通って図の上向き矢印方向に移動して凝縮器１０５において液化し、その液化した作動流体１００が液管１０２中を通って図の下向き矢印方向に移動して蒸発器１０１に戻る。このような作動流体１００の移動により熱の輸送が行われる。ここで、蒸発器１０１の内部には、多孔質の材料で構成されたウィック１００３が設けられており、蒸発器１０１に戻ってきた液相の作動流体１００は、毛細管力によりウィック１０３内部に浸透しながら周囲からの熱を受けて気化し、その気化した作動流体１００は、蒸気管１０４を介して凝縮器１０５に向かう。

図２は、作動流体１００がウィック１０３中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。

実際には、液相の作動流体１００が浸透するウィック３’中の通過路（空洞部分）は曲がりくねって複雑なものであるが、この図では、ウィック３’中の複数の通過路は、左右方向に互いに平行に延びた円柱状の通過路として模式的に表されている。この図では、液相の作動流体１００は、毛細管力によりウィック１０３内部を右方向に進み、周囲からの熱を受けて気化する。ここで、作動流体１００が液相となっている側（液側）と、作動流体１００が気相となっている側（蒸気側）との境界面は、図に示すように、蒸気側から液側に向かって凸の形状となっており、毛細管力ΔＰｃは、下記の式で表される。
ΔＰｃ ＝ （２×ρ×ｃｏｓθｃ）／ｒｃ ・・・（１）
上記の（１）において、「ρ」は、作動流体１００の表面張力であり、「θｃ」は、円柱状の通過路の壁面と境界面とがなす接触角（図２参照）、「ｒｃ」は、円柱状の通過路の半径である。

次に、図１に作動原理を示したループヒートパイプを用いて、コンピュータのＣＰＵの冷却を行う従来の冷却装置について説明する。

図３は、コンピュータ１０００’に設けられた従来の冷却装置２００’を示す図である。

図３に示す従来の冷却装置２００’は、コンピュータ１０００’のＣＰＵ２０から熱を吸収してコンピュータ１０００’外部にその熱を放出するこことでＣＰＵ２０の冷却を行う冷却装置２００’であり、この冷却装置２００’は、この熱の輸送のために、図１に作動原理を示したループヒートパイプを用いている。具体的には、冷却装置２００’には、液相の作動流体１００（図３では不図示）がＣＰＵ２０からの熱を吸収して気化する蒸発器１’と、気相の作動流体１００が熱を放出して液化する凝縮器５’とが備えられており、蒸発器１’で気化した作動流体１００は蒸気管４’中を通って図の上方向に移動して凝縮器５’において液化する。ここで、この冷却装置２００’には、凝縮器５’に向かって送風するファン６’が設けられており、このファン６’の送風を受けて凝縮器５’を通過する作動流体１００が熱を放出して液化する。なお、この熱を含んで温風となった風は、コンピュータ１０００’外部に放出される。凝縮器５’で液化した作動流体１００は、液管２’中を通って図の下向き矢印方向に移動してリザーバタンク７’を介して蒸発器１’に戻る。ここで、蒸発器１’の内部には、多孔質の材料で構成されたウィック（図３では不図示）が設けられており、蒸発器１’に戻ってきた液相の作動流体１００は、図１で説明したのと同様に、ウィックによる毛細管力によってウィック中に浸透して液相から気相に変化する。

図３の従来の冷却装置では、以上のような作動流体１００による熱の運搬が繰り返され、これによりＣＰＵ２０が冷却される。
米国特許４７６５３９６号公報

一般に、ループヒートパイプを用いた冷却装置では、蒸発器中のウィックによる毛細管力は、発熱体から蒸発器に供給される熱量が少ないほど小さくなり、作動流体の循環速度が低下する傾向がある。

図４は、発熱体の発熱量に応じた、液側と蒸気側との境界面の様子を表した図である。

ここで、図４のパート（ａ）には、発熱体の発熱量が大きい状況における、作動流体の液側と蒸気側との境界面の様子が表されている。また、図４のパート（ｂ）には、発熱体の発熱量が小さい状況における、作動流体の液側と蒸気側との境界面の様子が表されている。

円柱状の通過路の壁面と境界面とがなす接触角θｃは、発熱体から蒸発器に供給される熱量が小さい図４のパート（ｂ）の状況では、発熱体から蒸発器に供給される熱量が大きい図４のパート（ａ）の状況と比べて大きくなっており、毛細管力ΔＰｃは小さくなっている。このように毛細管力ΔＰｃが小さい状況では作動流体の循環速度が低下するため、発熱量が小さいといえども発熱体周囲の温度が徐々に上昇して発熱体周囲の電子部品に不具合が生じるおそれがある。特に、作動流体の循環速度が完全にゼロになってしまった状況では、蒸発器に供給される作動流体が不足する、いわゆるドライアウトが発生し、発熱体周囲の温度上昇が深刻なものとなる。

上記事情に鑑み、ループヒートパイプを用いて発熱体の冷却を行う際に、発熱体の発熱量が小さい状況下でも作動流体の循環速度の低下を抑えることができる冷却装置を提供する。

上記目的を達成する冷却装置の基本形態は、
多孔質の材料で構成されたウィックを有し、該ウィックを通過中の液相の作動流体を、発熱体から受け取った熱によって蒸発させる蒸発器と、
気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から上記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から上記蒸発器まで移動させる液管とを有し、それぞれの蒸発器が共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数のループヒートパイプと、
上記発熱体の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
上記発熱量検出手段により検出された発熱量に応じて、上記複数のループヒートパイプの作動と停止とを切替制御する切替制御部を備えている。

この基本形態によれば、発熱体の発熱量に応じて、複数のループヒートパイプの作動と停止が切替制御されることで、発熱体の発熱量が小さいときには、例えば、その小さい発熱量に応じたループヒートパイプだけを作動させることができる。この結果、上記の冷却装置の基本形態によれば、発熱体の発熱量が小さい状況下でも、作動流体の循環速度の低下を抑えることが可能となる。

ここで、このような冷却装置を備え、良好に動作する電子機器の基本形態は、
動作により発熱する発熱電子部品を備えた電子機器であって、
多孔質の材料で構成されたウィックを有し、該ウィックを通過中の液相の作動流体を、上記発熱電子部品から受け取った熱によって蒸発させる蒸発器と、
気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から上記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
上記蒸発器と上記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から上記蒸発器まで移動させる液管とを有し、それぞれの蒸発器が共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数のループヒートパイプと、
上記発熱電子部品の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
上記発熱量検出手段により検出された発熱量に応じて、上記複数のループヒートパイプの作動と停止とを切替制御する切替制御部を備えている。

上記の電子機器の基本形態は、上述した冷却装置の基本形態を備えているため、発熱体の発熱量が小さい状況下でも作動流体の循環速度の低下が抑えられる。この結果、良好に動作する電子機器が実現する。

以上説明したように、冷却装置の基本形態によれば、ループヒートパイプを用いて発熱体の冷却を行う際に、発熱体の発熱量が小さい状況下でも作動流体の循環速度の低下を抑えることができる。

以下、基本形態について上述した冷却装置および電子機器に対する具体的な実施形態を説明する。ここで説明する電子機器の実施形態は、ＣＰＵを有するコンピュータであり、このコンピュータは、コンピュータの動作に伴って発熱したＣＰＵを冷却するために、冷却装置を備えている。この冷却装置が、基本形態について上述した冷却装置の一実施形態に相当する。

図５は、電子機器の実施形態であるコンピュータ１０００と、このコンピュータ１０００に備えられている冷却装置２００とを示す図である。

このコンピュータ１０００はＣＰＵ２０の制御の下で動作し、ＣＰＵ２０は、コンピュータの動作に伴って発熱する。ＣＰＵ２０は、一辺の長さが５０ｍｍの正方形の形状を有しており、ＣＰＵ２０の発熱量は、１０Ｗ〜１２０Ｗの間である。

冷却装置２００は、ＣＰＵ２０から熱を吸収してコンピュータ１０００外部にその熱を放出するこことでＣＰＵ２０の冷却を行う役割を担っており、このときの熱の輸送のために、この冷却装置２００には、図１に作動原理を示したループヒートパイプが２つ備えてられている。ここで、この２つのループヒートパイプのうちの１つは、第１蒸発器１ａと、第１凝縮器５ａと、第１液管２ａと、第１蒸気管４ａとを有する図の左側のループヒートパイプであり、もう１つのループヒートパイプは、第２蒸発器１ｂと、第２凝縮器５ｂと、第２液管２ｂと、第２蒸気管４ｂとを有する図の右側のループヒートパイプである。

第１蒸発器１ａおよび第２蒸発器１ｂには、発熱したＣＰＵ２１１の熱が伝導して、この熱により、第１蒸発器１ａおよび第２蒸発器１ｂ内の液相の作動流体１００（図１参照・図５では不図示）が気化する。作動流体１００としては、具体的には水が採用されている。また、第１蒸発器１ａおよび第２蒸発器１ｂの外郭部分はφ１５ｍｍ×５０ｍｍの円筒状の銅材料で構成されており、その円筒の内側には、多孔質のステンレス焼結材で構成されたウィック（この図では不図示）が設けられている。第１蒸発器１ａおよび第２蒸発器１ｂ内のそれぞれのウィックでは、このステンレス焼結材の表面の平均的な孔の半径と、このステンレス焼結材の表面の開口率と、水の蒸発潜熱量とに基づき、それぞれの蒸発器に供給されるＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗのときに、図２に示す接触角θが最も小さく毛細管力ΔＰが最も大きくなるように、ウィックの表面積が調節されている。

図の左側のループヒートパイプの第１蒸発器１ａには、内部が空洞の管であって、第１蒸発器１ａから出て第１蒸発器１に戻るループ状の銅製の管が接続しており、この管の内部を熱輸送材となる作動流体が移動できる構成が実現されている。この管の途中の部分は、φ６０ｍｍの第１ファン６ａからの送風を受ける箇所となっており、この箇所の管の内部には銅製の放熱フィンが設置されている。このように、第１ファン６ａからの送風を受ける箇所の管が第１凝縮器５ａであり、第１蒸発器１ａで気化し上記の管の一部である第１蒸発管４ａを通って第１凝縮器５ａまで移動してきた作動流体１００は、第１ファン６ａからの送風で冷却されて液化する。なお、冷却に使用されて温風となった第１ファン６ａからの風は、コンピュータ１０００の外部に放出される。ここで、作動流体１００が流れる方向に沿った第１凝縮器５ａの長さは８０ｍｍであり、第１蒸発器１ａと第１凝縮器５ａとの間の距離は、約３００ｍｍである。第１凝縮器５ａで液化した作動流体１００は、上記の管の一部である第１液管２ａを通って第１蒸発器１ａに戻る。そして、第１蒸発器１ａのウィックにおいて、図２で上述したのと同様にして再び気化する。ここで、第１蒸発管４ａの途中には、銅製の第１熱伝導ブロック９ａが設けられており、第１液管２ａの途中には、第１リザーバタンク７ａが設けられている。さらに、第１熱伝導ブロック９ａと第１リザーバタンク７ａとの間には、第１ぺルチェモジュール８ａが設けられている。

図６は、図５の左側のループヒートパイプに備えられている第１ぺルチェモジュール８ａを表した図である。

第１ぺルチェモジュール８ａは、平面形状の電気素子モジュールであって、電流が流れると一方の面から熱を吸収して他方の面から放熱するぺルチェ素子を備えている。一般に、ぺルチェ素子では、熱を吸収する熱吸収面と、熱を放出する熱放出面とは、ぺルチェ素子に流される電流の向きに応じて決定され、電流の向きを変えることで熱吸収面と熱放出面とが入れ替わる。図６の第１ぺルチェモジュール８ａでは、第１ぺルチェモジュール８ａの２つの面のうちの蒸気管側を向いた面（蒸気管側面）８１ａが、熱伝導ブロック９ａに接しており、２つの面のうちの液管側を向いた面（液管側面）８２ａが、リザーバタンク７ａに接しており、これら蒸気管側面８１ａと液管側面８２ａとが、熱吸収面、あるいは熱放出面として機能する。蒸気管側面８１ａが熱放出面となり液管側面８２ａが熱吸収面となっている状況では、熱伝導ブロック９ａを介して第１蒸気管４ａが加熱されるとともに、リザーバタンク７ａを介して第１液管２ａが冷却される。一方、蒸気管側面８１ａが熱吸収面となり液管側面８２ａが熱放出面となっている状況では、熱伝導ブロック９ａを介して第１蒸気管４ａが冷却されるとともに、リザーバタンク７ａを介して第１液管２ａが加熱される。

図５に戻って説明を続ける。

図５の右側のループヒートパイプにも、上述した左側のループヒートパイプと同じ構成が備えられている。すなわち、右側のループヒートパイプの第２蒸発器１ｂにも、第１蒸発器１ａから出て第１蒸発器１に戻る、上述した左側のループヒートパイプの管と同じ管が備えられており、この管が、第１蒸発器１ａで気化した作動流体１００が移動する第２蒸気管４ｂ、第２ファン６ｂからの送風を受けて作動流体１００が気相から液相に変化する第２凝縮器５ｂ、第２蒸発器５ｂで液化した作動流体１００が移動する第２液管２ｂとして機能する。図５の右側のループヒートパイプにも、第２蒸発管４ｂの途中に第２熱伝導ブロック９ｂが設けられ、第２液管２ｂの途中に第２リザーバタンク７ｂが設けられており、第２熱伝導ブロック９ｂと第２リザーバタンク７ｂとの間には、第２ぺルチェモジュール８ｂが設けられている。これら第２熱伝導ブロック９ｂ、第２リザーバタンク７ｂ、および第２ぺルチェモジュール８ｂは、上述した左側のループヒートパイプの、第１熱伝導ブロック９ａ、第１リザーバタンク７ａ、および第１ぺルチェモジュール８ａと同じものである。

次に、図５の冷却装置２００で行われる２つのループヒートパイプの制御について説明する。

この冷却装置２００には、ＣＰＵ２０の発熱量を検知するワットメータ１１と、２つのループヒートパイプの作動と停止を制御する制御回路１０とが備えられている。ワットメータ１１は、ＣＰＵ２０に供給される電圧と、動作時におけるＣＰＵ２０のクロック数とを取得し、これらの情報に基づきＣＰＵ２０の発熱量（単位はＷ（ワット））を求める電子回路である。制御回路１０は、ワットメータ１１の検知結果に応じて第１ぺルチェモジュール８ａおよび第２ぺルチェモジュール８ｂに流される電流の向きを制御することで、２つのループヒートパイプの作動と停止を実現させる。具体的には、制御回路１０は、ワットメータ１１の検知結果が、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗを超えていることを示している場合には、図５の左側のループヒートパイプと図５の右側のループヒートパイプの両方を作動させ、ワットメータ１１の検知結果が、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗ以下であることを示している場合には、図５の左側のループヒートパイプの作動を停止させて右側のループヒートパイプのみを作動させる。

ここで、図５の左側のループヒートパイプの作動を停止させる際には、制御回路１０は、図６の蒸気管側面８１ａが熱吸収面となり液管側面８２ａが熱放出面となるように、第１ペルチェモジュール８ａに流れる電流を制御する。この状況では、熱伝導ブロック９ａを介して第１蒸気管４ａが冷却されることで、第１蒸気管４ａ中を通過する気相の作動流体１００の一部は第１凝縮器５ａに到達する前に液相に変わるようになる。さらにこの状況では、リザーバタンク７ａを介して第１液管２ａが加熱されることで、第１液管１ａ中を通過する液相の作動流体１００の一部は第１蒸発器５ａに到達する前に気相に変わるようになる。この結果、作動流体１００が一方向に流れにくくなり、やがて作動流体１００の循環が停止する。

また、左側のループヒートパイプを作動させる際には、制御回路１０は、図６に示す蒸気管側面８１ａが熱放出面となり液管側面８２ａが熱吸収面となるように、第１ペルチェモジュール８ａに流れる電流を制御する。この状況では、熱伝導ブロック９ａを介して第１蒸気管４ａが加熱されることで第１蒸気管４ａを気相の作動流体１００が流れやすくなるとともに、リザーバタンク７ａを介して第１液管２ａが冷却されることで第１液管２ａを液相の作動流体１００が流れやすくなる。この結果、図１に示すような、作動流体１００が一方向に流れる状況が実現する。

次に、ＣＰＵ２０の発熱量に応じて行われる上述の制御の下での、第１蒸発器５ａおよび第２蒸発器５ｂ中のウィックにおける、気相の作動流体１００と液相の作動流体１００との間の境界面の様子について説明する。

図７は、ＣＰＵ２０の発熱量に応じて行われる上述の制御の下で、作動流体１００がウィック３中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。

図７のパート（ａ）には、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗを超えている、発熱量が大きい状況での、気相の作動流体１００と液相の作動流体１００との間の境界面の様子が示されており、図７のパート（ｂ）には、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗ以下となっている、発熱量が小さい状況での、気相の作動流体１００と液相の作動流体１００との間の境界面の様子が示されている。なお、実際には、液相の作動流体１００が浸透するウィック３中の通過路（空洞部分）は曲がりくねって複雑なものであるが、図７では、ウィック３’中の複数の通過路は、左右方向に互いに平行に延びた円柱状の通過路として模式的に表されており、この図では、液相の作動流体１００は、毛細管力によりウィック３内部を右方向に進み、周囲からの熱を受けて気化する。ここで、毛細管力ΔＰｃと、円柱状の通過路の壁面と境界面とがなす接触角θとの間には、上述した式（１）の関係が成立する。

ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗを超えている、発熱量が大きい状況では、第１蒸発器１ａおよび第２蒸発器１ｂに供給される熱量が大きく、各蒸発器内のウィック３においては、図７のパート（ａ）に示すように、接触角θは小さく、毛細管力ΔＰｃは充分に大きくなっている。

一方、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗ以下の、発熱量が小さい状況では、第１蒸発器１ａを有する図５の左側のループヒートパイプは作動を停止しており、左側のループヒートパイプでは熱量の運搬は行われない。このため、ＣＰＵ２０から供給される熱量は、ほぼ全て図５の右側のループヒートパイプが有する第２蒸発器１ｂに供給されることとなる。この結果、ＣＰＵ２０からの小さい発熱量を、第１蒸発器１ａと第２蒸発器１ｂとで分配したときに比べ、第２蒸発器１ｂ内のウィック３では、図７のパート（ｂ）に示すように、接触角θが小さく毛細管力ΔＰｃが大きい状態が実現されることとなる。

仮に、ＣＰＵ２０からの小さい発熱量を、第１蒸発器１ａと第２蒸発器１ｂとで分配したとすると、両方の蒸発器のウィック３で、接触角θが大きく毛細管力ΔＰｃが小さい状態となり、ウィック３付近で作動流体１００が移動しにくく作動流体１００の循環速度が低下する。このような状態では、ＣＰＵ２０の発熱量が小さいといえどもＣＰＵ２０周囲の温度が徐々に上昇してＣＰＵ２０周囲の電子部品に不具合が生じるおそれがある。特に、２つのループヒートパイプの両方で作動流体の循環速度が完全にゼロになってしまった状況では、各蒸発器に供給される作動流体が不足する、いわゆるドライアウトが発生し、ＣＰＵ２０周囲の温度上昇が深刻なものとなる。

そこで、上述したように、図５の右側のループヒートパイプの作動を停止させて、図５の右側のループヒートパイプが有する第２蒸発器１ｂにＣＰＵ２０からの小さい発熱量を集中させることで、図５の右側のループヒートパイプに関しては、ウィック３付近での作動流体１００の移動性低下が回避され、作動流体の循環速度の低下が抑えられる。このとき、右側のループヒートパイプの作動により、ＣＰＵ２０からの熱は、コンピュータ１０００外部に効率よく運び出され、コンピュータ１０００の動作は、良好な状態に維持される。

ここで、図５の右側のループヒートパイプを集中して使用すると、図５の左側のループヒートパイプに比べ、右側のループヒートパイプの磨耗が進むことがある。このため、右側のループヒートパイプの役割と左側のループヒートパイプの役割を入れ替えて使用することで、こうした磨耗の進行を弱めることができる。図５に示すように、冷却装置２００には、図５の左側のループヒートパイプと右側のループヒートパイプの両方に、ペルチェモジュールが備えられているので、上記の入れ替えは、制御回路１０の制御対象となるペルチェモジュールを入れ替えることで実現する。なお、ループヒートパイプの磨耗が充分遅い場合には、上述したように図５の左側のループヒートパイプの第１ペルチェモジュール８ａを制御対象とし、図５の右側のループヒートパイプから第２ペルチェモジュール８ｂが取り外された状態で冷却装置２００が使用されてもよい。

次に、以上説明してきた実施形態とは別の実施形態について説明する。

図８は、電子機器の別の実施形態であるコンピュータ２０００と、このコンピュータ２０００に設けられた冷却装置３００とを示す図である。

図８の冷却装置３００では、図５に示す冷却装置２００の構成要素と同じ構成要素については同じ符号が付されており、その構成要素についての重複説明は省略する。ここで、図８の冷却装置３００が、基本形態について上述した冷却装置の別の一実施形態に相当する。

図８のコンピュータ２０００と冷却装置３００が、図５のコンピュータ１０００と冷却装置２００と異なる点は、図８のコンピュータ２０００と冷却装置３００では、図５の第１ペルチェモジュール８ａおよび第２ペルチェモジュール８ｂが備えられておらず、制御回路１０が、第１ペルチェモジュール８ａ（および第２ペルチェモジュール８ｂ）の制御に代えて、第１ファン６ａ（および第２ファン６ｂ）の制御を行う点である。この点を除けば、図５のコンピュータ１０００と冷却装置２００は、図８のコンピュータ２０００と冷却装置３００と同じであり、以下では、異なる点に焦点を絞って説明を行う。

図８の冷却装置３００では、制御回路１０は、ワットメータ１１の検知結果が、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗを超えていることを示している場合には、図８の第１ファン６ａおよび第２ファン６ｂの両方を回転させ、ワットメータ１１の検知結果が、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗ以下であることを示している場合には、第１ファン６ａの回転を停止させて第２ファン６ｂのみを回転させる。

第１ファン６ａの回転が停止した状況では、図８の左側のルートヒートパイプの第１凝縮器５ａにおいて気相の作動流体１００が充分に冷却されないために第１凝縮器５ａで液化しない作動流体１００が存在するようになり、液相の作動流体１００の不足によりやがて作動流体１００の循環が停止する。この結果、図８の右側のルートヒートパイプだけが作動している状況が実現する。

また、図８の左側のループヒートパイプを作動させる際には、制御回路１０は、図８の第１ファン６ａを回転させて第１凝縮器５ａの冷却を行う。こうすることで、第１凝縮器５ａにおいて気相の作動流体１００の冷却が進んで作動流体１００が一方向に流れやすくなり、左側のループヒートパイプが作動する。

ここで、図８の冷却装置３００では、各ファンの回転時の風量は、ＣＰＵ２０の発熱量に応じて変化するよう制御される。

図９は、ＣＰＵ２０の発熱量に応じた各ファンの風量の変化を表した図である。

この図に示すように、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗ以下である場合には、第２ファン６ｂのみが回転し、その風量は、ＣＰＵ２０の発熱量に比例して増加する。ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗを超えている場合には、第２ファン６ｂの風量は、ＣＰＵ２０の発熱量が６０Ｗのときの風量に維持され、一方、第１ファン６ａの風量は、ＣＰＵ２０の全発熱量から６０Ｗを引いた差分の熱量に比例して増加する。

このように、制御回路１０が、ＣＰＵ２０の発熱量に応じて第１ファン６ａおよび第２ファン６ｂの風量を制御することで、図８の冷却装置３００では、その発熱量に応じた循環速度でＣＰＵ２０の冷却が行われる。また、この制御では、ＣＰＵ２０の発熱量が小さいときでも、ウィック３付近での作動流体１００の移動性低下が回避されて作動流体の循環速度の低下が抑えられる。この結果、コンピュータ２０００の動作は、良好な状態に維持される。

次に、以上説明した図５の冷却装置２００と図８の冷却装置３００の冷却効果を、具体的な実験結果に基づき説明する。

この実験では、図２の従来の冷却装置２００’、図５の冷却装置２００、および、図８の冷却装置３００を用いて、ＣＰＵ５０の発熱量の増加に対する蒸発器の温度上昇の割合（熱抵抗）を、ＣＰＵ５０の発熱量を変えながら測定した。なお、この実験では、図２の従来の冷却装置２００’の蒸発器中のウィックの表面積は、図５の冷却装置２００や図８の冷却装置３００の２つの蒸発器中のウィックの表面積を合わせた表面積とし、従来の冷却装置２００’の液管、蒸気管、凝縮器としては、図５の冷却装置２００や図８の冷却装置３００の液管、蒸気管、凝縮器と同じ材質で同じ大きさのものを採用した。

図１０は、実験結果を表す図である。

この図に示すように、図５の冷却装置２００や図８の冷却装置３００では、ＣＰＵ５０の発熱量が増加しても、熱抵抗の値はほぼ一定の低い値に保たれているのに対し、図２の従来の冷却装置２００’では、ＣＰＵ５０の発熱量が６０Ｗ以下では、熱抵抗の値が急上昇している。この熱抵抗の急上昇は、従来の冷却装置２００’では蒸発器でドライアウトが生じていることに対応している。この実験結果より、ＣＰＵ５０の発熱量が低いときには、図５の冷却装置２００や図８の冷却装置３００のように、一部のヒートループパイプの作動を停止して残りのヒートループパイプのみを作動させることで、ドライアウトが回避されることがわかる。

以上が実施形態の説明である。

以上の説明では、２つのヒートループパイプを備えた冷却装置について説明したが、基本形態で上述した冷却装置および電子機器は、３つ以上のヒートループパイプを備えた冷却装置および電子機器であってもよい。

以下、本件の種々の形態について付記する。

（付記１）
多孔質の材料で構成されたウィックを有し、該ウィックを通過中の液相の作動流体を、発熱体から受け取った熱によって蒸発させる蒸発器と、
気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から前記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から前記蒸発器まで移動させる液管とを有し、それぞれの蒸発器が共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数のループヒートパイプと、
前記発熱体の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
前記発熱量検出手段により検出された発熱量に応じて、前記複数のループヒートパイプの作動と停止とを切替制御する切替制御部を備えたことを特徴とする冷却装置。

（付記２）
前記複数のループヒートパイプのうちの少なくとも１つのループヒートパイプが、当該ループヒートパイプの蒸気管の加熱と冷却、および／または、当該ループヒートパイプの液管の加熱と冷却を行う温度調節部を備えたものであり、
前記切替制御部は、前記温度調節部を制御して、該温度調節部を備えたループヒートパイプの蒸気管の冷却、および／または、当該ループヒートパイプの液管の加熱を行わせることで当該ループヒートパイプの作動を停止させ、当該ループヒートパイプの蒸気管の加熱、および／または、当該ループヒートパイプの液管の冷却を行わせることで当該ループヒートパイプを作動させるものであることを特徴とする付記１記載の冷却装置。

（付記３）
前記温度調節部が、ペルチェ素子を備えたことを特徴とする付記２記載の冷却装置。

（付記４）
前記ペルチェ素子は、熱を吸収する吸熱面と、熱を放出する熱放出面との２面を有し、該ペルチェ素子に流される電流の向きに応じてこれら吸熱面と熱放出面とが切り替わるものであって、該ペルチェ素子の一方の面は、前記温度調節部を備えたループヒートパイプの蒸気管に接し、該ペルチェ素子の他方の面が、前記温度調節部を備えたループヒートパイプの液管に接しているものであり、
前記切替制御部は、該ペルチェ素子に流す電流の向きを制御することにより、前記温度調節部を備えたループヒートパイプの作動と停止を切替制御するものであることを特徴とする付記３記載の冷却装置。

（付記５）
前記切替制御部は、前記発熱量検出手段により検出された発熱量が少ないほど、少ない数のループヒートパイプのみ作動させることを特徴とする付記１記載の冷却装置。

（付記６）
前記複数のループヒートパイプのうちの少なくとも１つのループヒートパイプが、当該ループヒートパイプの凝縮器に向かって送風する送風器を備えたものであり、
前記切替制御部は、前記送風器の風量を制御することにより、該送風器を備えたループヒートパイプの作動と停止を切替制御するものであることを特徴とする付記１記載の冷却装置。

（付記７）
前記切替制御部は、前記発熱量検出手段により検出された発熱量が少ないほど、少ない数のループヒートパイプのみ作動させることを特徴とする付記６記載の冷却装置。

（付記８）
動作により発熱する発熱電子部品を備えた電子機器であって、
多孔質の材料で構成されたウィックを有し、該ウィックを通過中の液相の作動流体を、前記発熱電子部品から受け取った熱によって蒸発させる蒸発器と、
気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から前記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から前記蒸発器まで移動させる液管とを有し、それぞれの蒸発器が共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数のループヒートパイプと、
前記発熱電子部品の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
前記発熱量検出手段により検出された発熱量に応じて、前記複数のループヒートパイプの作動と停止とを切替制御する切替制御部を備えたことを特徴とする電子機器。

ループヒートパイプの構成と作動原理とを表した模式構成図である。 作動流体がウィック中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。 コンピュータに設けられた従来の冷却装置を示す図である。 発熱体の発熱量に応じた、液側と蒸気側との境界面の様子を表した図である。 電子機器の実施形態であるコンピュータと、このコンピュータに備えられている冷却装置とを示す図である。 図５の左側のループヒートパイプに備えられている第１ぺルチェモジュールを表した図である。 ＣＰＵの発熱量に応じて行われる上述の制御の下で、作動流体がウィック中を進んで液相から気相に変化する様子を模式的に表した図である。 電子機器の別の実施形態であるコンピュータと、このコンピュータに設けられた冷却装置とを示す図である。 ＣＰＵの発熱量に応じた各ファンの風量の変化を表した図である。 実験結果を表す図である。

符号の説明

１０１，１’ 蒸発器
１ａ 第１蒸発器
１ｂ 第２蒸発器
１０２，２’ 液管
２ａ 第１液管
２ｂ 第２液管
１０３，３’，３ ウィック
１０４，４’ 蒸気管
４ａ 第１蒸気管
４ｂ 第２蒸気管
１０５，５’ 凝縮器
５ａ 第１凝縮器
５ｂ 第２凝縮器
６’ ファン
６ａ 第１ファン
６ｂ 第２ファン
７’ リザーバタンク
７ａ 第１リザーバタンク
７ｂ 第２リザーバタンク
８ａ 第１ペルチェモジュール
８１ａ 蒸気管側面
８２ａ 液管側面
８ｂ 第２ペルチェモジュール
９ａ 第１熱伝導ブロック
９ｂ 第２熱伝導ブロック
１０ 制御回路
１１ ワットメータ
２０ ＣＰＵ
２００’，２００，３００ 冷却装置
１０００’，１０００，２０００ コンピュータ

Claims (1)

1. 多孔質の材料で構成されたウィックを有し、該ウィックを通過中の液相の作動流体を、発熱体から受け取った熱によって蒸発させる蒸発器と、
   気相の作動流体の熱を放出させて該作動流体を凝縮させる凝縮器と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該蒸発器で蒸発した気相の作動流体を該蒸発器から前記凝縮器まで移動させる蒸気管と、
   前記蒸発器と前記凝縮器を連結し、該凝縮器で凝縮した液相の作動流体を該凝縮器から前記蒸発器まで移動させる液管とを有し、それぞれの蒸発器が共通の発熱体に熱的に結合されてなる複数のループヒートパイプと、
   前記発熱体の発熱量を検出する発熱量検出手段と、
   前記複数のループヒートパイプのうちの少なくとも１つのループヒートパイプの凝縮器に向かって送風する送風器と、
   前記発熱量検出手段により検出された発熱量に応じて前記送風器の風量を制御することにより、該送風器により送風される凝縮器を備えたループヒートパイプの動作と停止とを切替制御する切替制御部を備えたことを特徴とする冷却装置。

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