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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024021149
(43)【公開日】2024-02-16
(54)【発明の名称】冷却装置，コンピュータ及び電気自動車
(51)【国際特許分類】
G06F 1/20 20060101AFI20240208BHJP
F25B 9/14 20060101ALI20240208BHJP
B60K 11/06 20060101ALI20240208BHJP
H05K 7/20 20060101ALI20240208BHJP
H01M 10/613 20140101ALI20240208BHJP
H01M 10/625 20140101ALI20240208BHJP
B60L 50/60 20190101ALI20240208BHJP
B60L 58/26 20190101ALI20240208BHJP
H01M 10/66 20140101ALI20240208BHJP
【ＦＩ】
G06F1/20 B
F25B9/14 520Z
B60K11/06
H05K7/20 H
H01M10/613
H01M10/625
H05K7/20 F
B60L50/60
B60L58/26
H01M10/66
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022123782
(22)【出願日】2022-08-03
(71)【出願人】
【識別番号】507092573
【氏名又は名称】Ａ・Ｔコミュニケーションズ株式会社
(71)【出願人】
【識別番号】522310236
【氏名又は名称】スターリング エンジン ジャパン 株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100116850
【弁理士】
【氏名又は名称】廣瀬 隆行
(74)【代理人】
【識別番号】100165847
【弁理士】
【氏名又は名称】関 大祐
(72)【発明者】
【氏名】豊泉 博
(72)【発明者】
【氏名】山田 耕士
(72)【発明者】
【氏名】正木 則久
(72)【発明者】
【氏名】東 陽一
【テーマコード（参考）】
3D038
5E322
5H031
5H125
【Ｆターム（参考）】
3D038AA09
3D038AB01
3D038AC22
5E322AA01
5E322AA03
5E322AA06
5E322BA03
5E322BB03
5E322EA10
5E322FA01
5E322FA04
5H031KK08
5H125AA01
5H125AC12
5H125BC19
5H125FF24
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ＣＰＵなどを効果的に冷却できる冷却装置，コンピュータ及び電気自動車を提供する。
【解決手段】電気自動車は，スターリング冷却器３と，スターリング冷却器３と接触して，演算処理装置５を冷却する第１の冷却媒体７と、を含む冷却装置１，演算処理装置５と，冷却装置１と，送風部と，を含むコンピュータ１１及びスターリング冷却器３と接触し，コンピュータ１１と電気自動車のバッテリーを冷却するための第２の冷却媒体を有する。
【選択図】図１
【解決手段】電気自動車は，スターリング冷却器３と，スターリング冷却器３と接触して，演算処理装置５を冷却する第１の冷却媒体７と、を含む冷却装置１，演算処理装置５と，冷却装置１と，送風部と，を含むコンピュータ１１及びスターリング冷却器３と接触し，コンピュータ１１と電気自動車のバッテリーを冷却するための第２の冷却媒体を有する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
スターリング冷却器（３）と，
前記スターリング冷却器（３）と接触した冷却媒体であって，演算処理装置（５）を冷却するためのものである第１の冷却媒体（７）とを含む，
冷却装置（１）。
前記スターリング冷却器（３）と接触した冷却媒体であって，演算処理装置（５）を冷却するためのものである第１の冷却媒体（７）とを含む，
冷却装置（１）。
【請求項2】
請求項１に記載の冷却装置（１）と，
前記冷却装置（１）の冷却対象である演算処理装置（５）と，を含む，コンピュータ（１１）（１１）。
前記冷却装置（１）の冷却対象である演算処理装置（５）と，を含む，コンピュータ（１１）（１１）。
【請求項3】
請求項２に記載のコンピュータ（１１）であって，
前記演算処理装置（５）は，中央演算処理装置（ＣＰＵ）又はグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）である，コンピュータ（１１）。
前記演算処理装置（５）は，中央演算処理装置（ＣＰＵ）又はグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）である，コンピュータ（１１）。
【請求項4】
請求項２に記載のコンピュータ（１１）であって，
前記演算処理装置（５）に風を送るための送風部（９）をさらに有し，
前記冷却装置（１）は，前記送風部（９）が前記演算処理装置（５）に送る風を冷却する，
コンピュータ（１１）。
前記演算処理装置（５）に風を送るための送風部（９）をさらに有し，
前記冷却装置（１）は，前記送風部（９）が前記演算処理装置（５）に送る風を冷却する，
コンピュータ（１１）。
【請求項5】
請求項２に記載のコンピュータ（１１）を含む電気自動車（２１）。
【請求項6】
請求項５に記載の電気自動車（２１）であって，
前記スターリング冷却器（３）と接触した冷却媒体であって，前記電気自動車（２１）のバッテリー（２３）を冷却するためのものである第２の冷却媒体（２５）をさらに含む，電気自動車（２１）。
前記スターリング冷却器（３）と接触した冷却媒体であって，前記電気自動車（２１）のバッテリー（２３）を冷却するためのものである第２の冷却媒体（２５）をさらに含む，電気自動車（２１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
この発明は，スターリング冷却器を用いたＣＰＵの冷却装置，コンピュータ及び電気自動車などに関する。
【背景技術】
【0002】
近年，暗号資産や電気自動車の普及により，コンピュータの演算装置の冷却が急務とされている。コンピュータの演算装置の冷却には，風冷や水冷などが用いられている。
【0003】
一方，特開２０２０－１６５６１５号公報には，スターリングクーラー（スターリング冷却器）が記載されている。スターリングクーラーは，スターリング機構を駆動させることで低温部を形成する冷却器である。スターリング機構は，比較的装置が大きいため，小さな部品を冷却するための用途は考えられていなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０２０－１６５６１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
この発明は，ＣＰＵなどを効果的に冷却できる冷却装置，コンピュータ及び電気自動車などを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この発明は，基本的には，冷却媒体を介することで，スターリング冷却器を用いて演算処理装置を冷却できるという知見に基づく。
【0007】
この発明の冷却装置１は，スターリング冷却器３と，演算処理装置５を冷却するため第１の冷却媒体７とを含む。演算処理装置５の例は，中央演算処理装置（ＣＰＵ）又はグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）である。第１の冷却媒体７は，スターリング冷却器３と接触した冷却媒体であって，演算処理装置５を冷却するためのものである。
【0008】
この発明のコンピュータ１１は，上記した冷却装置１と，冷却装置１の冷却対象である演算処理装置５と，を含む。
このコンピュータ１１は，演算処理装置５に風を送るための送風部９をさらに有するものが好ましい。そして，冷却装置１は，送風部９が演算処理装置５に送る風を冷却するものであってもよい。
このコンピュータ１１は，演算処理装置５に風を送るための送風部９をさらに有するものが好ましい。そして，冷却装置１は，送風部９が演算処理装置５に送る風を冷却するものであってもよい。
【0009】
この発明の電気自動車２１は，上記した冷却装置１を含む。この発明の電気自動車２１は，上記したコンピュータ１１を含んでもよい。そして，この電気自動車２１の好ましいものは，スターリング冷却器３と接触した冷却媒体であって，電気自動車２１のバッテリーを冷却するためのものである第２の冷却媒体をさらに含む。
【発明の効果】
【0010】
この発明は，ＣＰＵなどを効果的に冷却できる冷却装置，コンピュータ及び電気自動車などを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下，図面を用いて本発明を実施するための形態について説明する。本発明は，以下に説明する形態に限定されるものではなく，以下の形態から当業者が自明な範囲で適宜修正したものも含む。
【0013】
図１は，冷却装置を説明するための概念図である。図２は，冷却装置の展開図であるである。図１に示されるように，この発明の冷却装置１は，スターリング冷却器３と，演算処理装置５を冷却するため第１の冷却媒体７とを含む。冷却装置１は，スターリング冷却器３を利用して，演算処理装置５を冷却するための装置である。この冷却装置１を用いることで，演算処理装置５を冷却できる。具体的に説明すると，この冷却装置１は，演算処理装置５を駆動したことにより発生する熱を，第１の冷却媒体７を介してスターリング冷却器３へ伝えることで，演算処理装置５を冷却できる。
【0014】
スターリング冷却器
スターリング冷却器３は，外燃機関であるスターリング機構を駆動させることで低温部を形成する冷却器である。スターリング冷却器は，特開２０２０－１６５６１５号公報や特許第６９５３８５８号公報に記載される通り公知である。具体的なスターリング冷却器の例は，スターリング エンジン ジャパン 株式会社製クライオ Ｍや，同社製クライオ Ｓ シリーズ（Ｓ５０，Ｓ１００）である。例えばクライオ Ｍは，冷却部を摂氏－１９６度まで低温にできる。このためスターリング冷却器を用いることで，効果的に演算処理装置を冷却できることとなる。スターリング冷却器は，スターリングエンジンを利用する。スターリングエンジンは一般的に大掛かりであるため，利用しにくかった。また，スターリング冷却器は，ごく低温となるため，用途が限られていた。この発明では，そのようなスターリング冷却器をあえて用いることで，迅速かつ有効に演算処理装置５を冷却できるという知見に基づく。
スターリング冷却器３は，外燃機関であるスターリング機構を駆動させることで低温部を形成する冷却器である。スターリング冷却器は，特開２０２０－１６５６１５号公報や特許第６９５３８５８号公報に記載される通り公知である。具体的なスターリング冷却器の例は，スターリング エンジン ジャパン 株式会社製クライオ Ｍや，同社製クライオ Ｓ シリーズ（Ｓ５０，Ｓ１００）である。例えばクライオ Ｍは，冷却部を摂氏－１９６度まで低温にできる。このためスターリング冷却器を用いることで，効果的に演算処理装置を冷却できることとなる。スターリング冷却器は，スターリングエンジンを利用する。スターリングエンジンは一般的に大掛かりであるため，利用しにくかった。また，スターリング冷却器は，ごく低温となるため，用途が限られていた。この発明では，そのようなスターリング冷却器をあえて用いることで，迅速かつ有効に演算処理装置５を冷却できるという知見に基づく。
【0015】
スターリング冷却器３が，第１の冷却媒体７を介して演算処理装置５と一体となる場合，スターリング冷却器３の大きさは，演算処理装置５の筐体と同程度の大きさであればよい。また，送風部９が演算処理装置５に送る風を冷却するものである場合，スターリング冷却器３の大きさは，送風部９と演算処理装置５との大きさを考慮したものであればよい。スターリング冷却器３が，コンピュータ内に設置される場合，具体的なスターリング冷却器３の大きさの例は，０．１ｃｍ２以上５００ｃｍ２以下であり，１ｃｍ２以上１００ｃｍ２以下でもよく，２ｃｍ２以上５０ｃｍ２以下でもよく，４ｃｍ２以上３０ｃｍ２以下でもよい。スターリング冷却器３の厚みは，スターリング冷却器３として機能を確保できる厚みであればよく，０．１ｃｍ以上５０ｃｍ以下であり，０．１ｃｍ以上１０ｃｍ以下でもよく，０．５ｃｍ以上５ｃｍ以下でもよく，０．５ｃｍ以上２ｃｍ以下でもよい。
【0016】
スターリング冷却器３は，コンピュータの筐体の外部や，マザーボードの外部に設けられてもよい。マザーボードの一要素としてスターリング冷却器３が設置されてもよい。その場合，演算処理装置５は，第１の冷却媒体７と接触する。そして，スターリング冷却器３は，第１の冷却媒体７を介して，演算処理装置５を冷却する。そのような用途であれば，スターリング冷却器３の大きさが比較的大掛かりでも構わない。特に，冷却装置を用いて，サーバシステムの演算処理装置５を冷却する場合，冷却装置自体が大掛かりでも構わない。例えば，コンピュータラックに複数のサーバコンピュータが搭載され，ラックの一部に冷却装置が設置されていてもよい。
【0017】
演算処理装置
演算処理装置５の例は，中央演算処理装置（ＣＰＵ）又はグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）である。これらは大規模集積回路（ＬＳＩ）であり，プロセッサとして機能する。演算処理装置５は，コンピュータを構成する要素（部品）のひとつである。なお，この例では，演算処理装置５を中心に説明している。しかし，演算処理装置５以外のものを冷却する場合は，演算処理装置５を冷却対象と読み替えればよい。そのように任意の冷却対象を冷却するものは，この明細書に記載されている発明である。なお，後述するように，演算処理装置５を箱内に収容してもよい。演算処理装置５を含む部位（例えば基板）は，箱内に存在する液体に浸漬されてもよいし，箱内が真空状態とされてもよい。箱内を真空状態とするためには，箱と接続されたポンプがあればよい。箱内が真空となるので，演算処理装置５をさらに冷却できる。ポンプを用いて箱内を真空にする場合であっても，箱内の真空度はそれほど高い必要はなく，１気圧よりも低い状態であればよい。
演算処理装置５の例は，中央演算処理装置（ＣＰＵ）又はグラフィックス・プロセシング・ユニット（ＧＰＵ）である。これらは大規模集積回路（ＬＳＩ）であり，プロセッサとして機能する。演算処理装置５は，コンピュータを構成する要素（部品）のひとつである。なお，この例では，演算処理装置５を中心に説明している。しかし，演算処理装置５以外のものを冷却する場合は，演算処理装置５を冷却対象と読み替えればよい。そのように任意の冷却対象を冷却するものは，この明細書に記載されている発明である。なお，後述するように，演算処理装置５を箱内に収容してもよい。演算処理装置５を含む部位（例えば基板）は，箱内に存在する液体に浸漬されてもよいし，箱内が真空状態とされてもよい。箱内を真空状態とするためには，箱と接続されたポンプがあればよい。箱内が真空となるので，演算処理装置５をさらに冷却できる。ポンプを用いて箱内を真空にする場合であっても，箱内の真空度はそれほど高い必要はなく，１気圧よりも低い状態であればよい。
【0018】
第１の冷却媒体
第１の冷却媒体７は，スターリング冷却器３と接触した冷却媒体であって，演算処理装置５を冷却するためのものである。スターリング冷却器３が演算処理装置５の筐体表面と接触する表面を有する場合，スターリング冷却器３の筐体表面が第１の冷却媒体７として機能してもよい。そのような筐体表面は，熱を伝えやすい材質（例えば下記の金属）でできていることが好ましい。スターリング冷却器３が冷却部（突起部）を有する場合，第１の冷却媒体７の例は，その冷却部を取り囲むとともに，演算処理装置５の筐体と接触するものである。第１の冷却媒体は，袋や筐体に収容された液体であってもよいし，金属であってもよい。液体の例は，水，シリコーン油，トランス油，エチレングリコール，不凍液，パーフルオロポリエーテルフッ素系流体（例えば，ガルデン（登録商標）），及びフッ素系不活性液体（例えば，フロリナート（登録商標））である。金属の例は，アルミニウム，銅，ステンレス，及び合金である。金属を用いる場合，例えば，スターリング冷却器３が冷却部（突起部）とフィットする凹部と，演算処理装置５の筐体の表面とフィットする平面とを有する形状のものが好ましい。このような形状とすることで，演算処理装置５とスターリング冷却器３との熱交換を容易に行うこととができることとなる。また，第１の冷却媒体７として金属を用いる場合，結露を防止するために，演算処理装置５やスターリング冷却器３と接触しない部分を覆うカバー層を有することが好ましい。カバー層は，熱絶縁機能を有するものが好ましい。カバー層の例は，セラミックス層や樹脂層（ゴム層）である。第１の冷却媒体７は，例えば，放熱板等で囲まれてもよい。また，第１の冷却媒体７は，演算処理装置５の一表面のみならず，演算処理装置５の表面と裏面とを含む面を取り囲むような形状であることが好ましい。この場合，第１の冷却媒体７は，演算処理装置５の表面と接する第１の表面と，演算処理装置５の裏面（又は演算処理装置５の裏側に位置する基板の面）と接する第２の表面と，第１の表面及び第２の表面を接続するための接続部とを有するものが好ましい。接続部は基板を貫いて存在してもよい。
第１の冷却媒体７は，スターリング冷却器３と接触した冷却媒体であって，演算処理装置５を冷却するためのものである。スターリング冷却器３が演算処理装置５の筐体表面と接触する表面を有する場合，スターリング冷却器３の筐体表面が第１の冷却媒体７として機能してもよい。そのような筐体表面は，熱を伝えやすい材質（例えば下記の金属）でできていることが好ましい。スターリング冷却器３が冷却部（突起部）を有する場合，第１の冷却媒体７の例は，その冷却部を取り囲むとともに，演算処理装置５の筐体と接触するものである。第１の冷却媒体は，袋や筐体に収容された液体であってもよいし，金属であってもよい。液体の例は，水，シリコーン油，トランス油，エチレングリコール，不凍液，パーフルオロポリエーテルフッ素系流体（例えば，ガルデン（登録商標）），及びフッ素系不活性液体（例えば，フロリナート（登録商標））である。金属の例は，アルミニウム，銅，ステンレス，及び合金である。金属を用いる場合，例えば，スターリング冷却器３が冷却部（突起部）とフィットする凹部と，演算処理装置５の筐体の表面とフィットする平面とを有する形状のものが好ましい。このような形状とすることで，演算処理装置５とスターリング冷却器３との熱交換を容易に行うこととができることとなる。また，第１の冷却媒体７として金属を用いる場合，結露を防止するために，演算処理装置５やスターリング冷却器３と接触しない部分を覆うカバー層を有することが好ましい。カバー層は，熱絶縁機能を有するものが好ましい。カバー層の例は，セラミックス層や樹脂層（ゴム層）である。第１の冷却媒体７は，例えば，放熱板等で囲まれてもよい。また，第１の冷却媒体７は，演算処理装置５の一表面のみならず，演算処理装置５の表面と裏面とを含む面を取り囲むような形状であることが好ましい。この場合，第１の冷却媒体７は，演算処理装置５の表面と接する第１の表面と，演算処理装置５の裏面（又は演算処理装置５の裏側に位置する基板の面）と接する第２の表面と，第１の表面及び第２の表面を接続するための接続部とを有するものが好ましい。接続部は基板を貫いて存在してもよい。
【0019】
スターリング冷却器３と演算処理装置５とが物理的に離れている場合，第１の冷却媒体７を介して，演算処理装置５の熱をスターリング冷却器３に伝えればよい。そのような第１の冷却媒体７の例は，上記と同様のものである。この場合，演算処理装置５の筐体表面は，放熱板などで覆われた部分を有することが好ましい。放熱板で囲まれた箱に，演算処理装置５を含む基板を収容し，放熱板で囲まれた箱と第１の冷却媒体７とを接触させることで，スターリング冷却器３と演算処理装置５との熱交換を行ってもよい。さらに，箱に液体の冷却媒体を収容し，演算処理装置５を含む基板を浸漬し，スターリング冷却器３と演算処理装置５との熱交換を行ってもよい。この場合，液体の冷却媒体を収容した箱が第１の冷却媒体７として機能してもよい。さらに，液体の冷却媒体を収容した箱と第１の冷却媒体７とを接触させ，第１の冷却媒体７及び箱を介して，演算処理装置５の熱をスターリング冷却器３に伝えてもよい。
【0020】
図３は，冷却装置が，演算処理装置に送る風を冷却する構成例を示す概念図である。冷却装置が，演算処理装置５に送る風を冷却するものである場合，送風部９から演算処理装置５に向けて送られる空気が第１の冷却媒体７として機能してもよい。図３（Ａ）の例では，送風部９に入る気体を冷却装置が冷却する。すると，冷却された空気が，送風部９により，演算処理装置５に向けて送られる。もっとも，図３（Ｂ）に示されるように，送風部９から出力された空気を，冷却装置１（スターリング冷却器３）で冷却することで，演算処理装置５に到達する空気を冷却してもよい。このように，送風部９から演算処理装置５に向けて送られる空気が，スターリング冷却器３の冷却部と接するようにスターリング冷却器を設置してもよい。図３（Ｂ）の例では，演算処理装置５を箱に収容し，箱内の空気（第１の冷却媒体７）を冷却装置１（スターリング冷却器３）で冷却している。図３（Ｂ）の例では，さらに送風部９で空気の循環を行っている。もっとも，送風部９がなくても構わない。
【0021】
この発明のコンピュータ１１は，上記した冷却装置１と，冷却装置１の冷却対象である演算処理装置５と，を含む。コンピュータ１１は，スタンドアロンコンピュータであってもよいし，サーバであってもよいし，ラップトップ型のコンピュータであってもよいし，スマートフォンなどの携帯端末であってもよい。さらに，コンピュータは，商業用コンピュータであってもよいし，ゲーム端末であってもよい。コンピュータは，制御部，演算部，記憶部及び入出力部を有し，情報の授受を行うことができるようにバスなどで接続されている。演算処理装置５やプロセッサは，これらの機能を適宜有する部位である。
このコンピュータ１１は，演算処理装置５に風を送るための送風部９をさらに有するものが好ましい。そして，冷却装置１は，送風部９が演算処理装置５に送る風を冷却するものであってもよい。送風部９の例は，冷却ファンである。このような送風部は，ＣＰＵ冷却ファンやＣＰＵクーラーなどとして市販されている。
このコンピュータ１１は，演算処理装置５に風を送るための送風部９をさらに有するものが好ましい。そして，冷却装置１は，送風部９が演算処理装置５に送る風を冷却するものであってもよい。送風部９の例は，冷却ファンである。このような送風部は，ＣＰＵ冷却ファンやＣＰＵクーラーなどとして市販されている。
【0022】
コンピュータを組み立てる際に，演算処理装置をマザーボードに設置する。その際に，演算処理装置を冷却できるように，この発明の冷却装置を設置すればよい。例えば，第１の冷却媒体が，演算処理装置の筐体と接触するようにする。また，第１の冷却媒体が，スターリング冷却器の冷却部と接触するようにする。このようにして，冷却装置を製造できる。すると，冷却装置に電気を供給することで，スターリング冷却器の冷却部が冷える。そして，冷えた冷却部の温度が，第１の冷却媒体を通じて，演算処理装置の熱を奪うこととなる。
【0023】
図４は，電気自動車の概念図である。この発明の電気自動車２１は，上記した冷却装置１を含む。この発明の電気自動車２１は，上記したコンピュータ１１を含んでもよい。この場合のコンピュータは，車載コンピュータである。車載コンピュータは，自動運転制御，空調，及び換気など，電気自動車に関する様々な制御を行う。そして，この電気自動車２１の好ましいものは，スターリング冷却器３と接触した冷却媒体であって，電気自動車２１のバッテリー２３を冷却するためのものである第２の冷却媒体２５をさらに含む。電気自動車は，複数のスターリング冷却器３を搭載してもよい。また，ひとつのスターリング冷却器が第１の冷却媒体を介して演算処理装置５を冷却し，第２の冷却媒体２５を介して，電気自動車のバッテリーを冷却してもよい。バッテリーの例は電池である。この場合，第２の冷却媒体２５は，バッテリーの表面と接触する接触部を有していることが好ましい。電気自動車の構成は公知である。電気自動車は公知である。例えば，特許第５４９１３８５号には，電気自動車のエネルギー蓄積システムを冷却するシステムが記載されている。このため，公知の電気自動車の構成を適宜採用できる。第２の冷却媒体は，第１の冷却媒体と同様のものを同様のコンセプトで適宜利用できる。
【産業上の利用可能性】
【0024】
この発明は，演算処理装置を冷却できるので，コンピュータを利用するあらゆる産業において利用されうる。
【符号の説明】
【0025】
１ 冷却装置
３ スターリング冷却器
５ 演算処理装置
７ 第１の冷却媒体
９ 送風部
１１ コンピュータ
２１ 電気自動車
２３ バッテリー
２５ 第２の冷却媒体
３ スターリング冷却器
５ 演算処理装置
７ 第１の冷却媒体
９ 送風部
１１ コンピュータ
２１ 電気自動車
２３ バッテリー
２５ 第２の冷却媒体
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】