JP2005045031A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 経済性及び信頼性が高く、汎用性や拡張性に富んだ冷却装置を提供する。
【解決手段】 本発明の冷却装置１００は、冷媒を冷却する放熱構造を有する放熱部１１０と、冷却対象から熱を奪う吸熱部１２０と、放熱部から吸熱部を経て再び放熱部に戻る冷媒循環経路１３０と、冷媒を循環させるポンプ１４０とを有し、放熱部は、冷媒循環経路の流通断面積よりも大きな流通断面積を備えた冷媒通路及び上記放熱構造を備えた冷媒容器１１０Ａを含み、ポンプは冷媒容器に接続され、冷媒通路がポンプのポンプ室に直接連通していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は冷却装置に係り、特に、パーソナルコンピュータなどの小型コンピュータ装置や携帯型電子機器に内蔵される冷却装置として好適な冷却装置の構成に関する。

一般に、パーソナルコンピュータのＣＰＵ（中央処理ユニット）などを冷却する冷却装置としては、空冷ファンが用いられている。しかしながら、近年のクロックの高周波数化などに伴ってＣＰＵなどにおいて発生する熱量は急増しており、空冷ファンの消費電力の増大や騒音の増大などを回避するために、水冷方式の冷却装置が一部使用され始めている。

従来の水冷方式の冷却装置としては、半導体素子に熱的に接触した受熱部材（吸熱部）と、ラジエター構造を有する放熱部材（放熱部）と、受熱部材と放熱部材との間で液媒体（水）を駆動させる液駆動手段（ポンプ）と、液媒体を貯留するリザーバタンクとをチューブで接続したものが知られている（例えば、以下の特許文献１参照）。
特開２００３−７８２７１号公報

しかしながら、上記従来の冷却装置においては、チューブの接続箇所が多く、部品の点数や種類が多いため、組立作業が煩雑になるとともに漏水の危険性が高いことから、経済性や信頼性に欠けるという問題点がある。

また、上記の冷却装置は、ノート型パーソナルコンピュータなどの搭載機器に合わせた専用部品によって構成されているため、汎用性や拡張性に欠け、実装部の寸法などに大きな制約があり、廃熱容量が増加した場合には、装置全体を設計し直す必要があるなど、対応が難しいといった問題点もある。

そこで、本発明は斯かる実情に鑑み、経済性及び信頼性の高い冷却装置を提供することを目的とする。また、他の目的は、汎用性や拡張性に富んだ冷却装置を実現することにある。

本発明の冷却装置は、冷媒を冷却する放熱構造を有する放熱部と、冷却対象から熱を奪う吸熱部と、前記放熱部から前記吸熱部を経て再び前記放熱部に戻る冷媒循環経路と、前記冷媒を循環させるポンプとを有する冷却装置において、前記放熱部は、前記冷媒循環経路の流通断面積よりも大きな流通断面積を備えた冷媒通路及び前記放熱構造を備えた冷媒容器を含み、前記ポンプは前記冷媒容器に接続され、前記冷媒通路が前記ポンプのポンプ室に直接連通していることを特徴とする。

この発明によれば、放熱部に設けた冷媒容器の流通断面積を冷媒循環経路のそれよりも大きくすることによって、放熱部の冷媒容器にリザーバタンクと同様の機能を持たせることができると同時に、ポンプを冷媒容器に接続し、冷媒通路がポンプ室に直接連通していることによって、ポンプと放熱部とをコンパクトな態様で一体化することができる。この結果、本発明の冷却装置では、従来の放熱部、ポンプ及びリザーバタンクを一体に構成することが可能となり、チューブ接続箇所が削減されるため、経済性及び信頼性を向上できる。また、一体化された放熱部とポンプ以外の構成要素としては、冷却対象に熱的に接触した吸熱部を設けるとともに、必要に応じて冷媒循環経路を構成するためのチューブなどの配管部材を設けるだけでよいため、設置場所に対する制約が少なくなり、汎用性を高めることができる。さらに、冷媒通路が冷媒循環経路よりも大きな流通断面積を有することにより、冷媒通路とポンプ室とを大きな流通断面積を介して直接連通させることができるようになるため、放熱部とポンプとを大きな流通断面積により機能的に一体化できることから、効率的に冷媒を循環させることが可能になる。

なお、冷媒通路がポンプ室と直接連通しているとは、チューブその他の配管などのように冷媒通路の流通断面積を実質的に縮減した流路を介することなく冷媒通路とポンプ室とが直接相互に連通していることを言う。また、冷媒通路の流通断面積は、冷媒循環経路の流通断面積の５倍以上であることが好ましく、特に１０倍以上であることが望ましい。冷却装置の容積をも勘案すると、通常の使用態様では５〜５０倍の範囲内であることが好ましい。この範囲を越えると放熱効率が低下して冷却性能が悪化し、放熱量を確保すると放熱部が大型化する。逆に、上記範囲を下回ると放熱効率は良好であるが、冷媒の貯留量が減少してリザーバタンクとしての機能を果たしにくくなり、冷媒の貯留量を確保すると放熱部が大型化する。この観点から見ると上記流通断面積の比は特に１０〜３５倍程度であることが望ましい。

本発明において、前記冷媒通路の内部に前記ポンプの少なくとも一部が配置されていることが好ましい。冷媒通路の内部にポンプの少なくとも一部、特にインペラやスクリュウなどのポンプ作用部分、が配置されることによって、放熱部とポンプの一体性をさらに高めることができ、全体をさらにコンパクトに構成できる。この場合、冷媒通路は冷媒循環経路の流通断面積よりも大きな冷媒流通断面積を備えているので、ポンプ構造の一部を無理なく収容することができる。

本発明において、前記冷媒容器は、前記放熱構造と前記冷媒通路とを備えた一体のユニット容器を含んで構成されていることが好ましい。これによれば、放熱構造と冷媒通路とが一体に構成されていることにより、部品点数を削減することができるとともに冷媒漏れなどの不具合を低減できるため、経済性及び信頼性をさらに向上させることができる。

本発明において、前記冷媒容器は、前記放熱構造と前記冷媒通路とを備えた複数の前記ユニット容器が連結されることにより構成されていることが好ましい。これによれば、ユニット容器を連結することによって冷媒容器が構成されるため、廃熱容量や設置場所に応じて冷媒容器のサイズを増減することができるため、汎用性及び拡張性を高めることができる。

本発明において、前記冷媒容器は、複数の前記ユニット容器が相互に隙間を有する態様で並列に配置されてなることが好ましい。これによれば、複数のユニット容器をコンパクトに配列させることができると同時に、相互に隙間を有することによって各ユニット容器の放熱性能を確保することができる。ここで、複数のユニット容器が並列に配置されてなるとは、冷媒通路が並列に配列されていること、すなわち、冷媒通路の伸びる方向と略直交する方向に配列されていることを言う。この場合、各ユニット容器間の連結によって冷媒通路が蛇行状に構成されることが好ましい。ここで、各ユニット容器において冷媒通路は直線状に構成されていることが好ましい。

本発明において、前記ユニット容器は、前記冷媒通路の延長方向に押し出し成形若しくは引き抜き成形により構成されて成ることが好ましい。これによれば、比較的複雑な断面構造であっても容易に成形できるため、良好な放熱性を有する放熱構造を冷媒通路とともに一体に構成できる。また、放熱構造と冷媒通路を備えた一体のユニット容器を構成できるため、部品点数の削減と冷媒漏れの防止を図ることができることから、経済性及び信頼性を向上できる。本発明のユニット容器としては、アルミニウム、銅、或いはそれらを主体とする合金などのように熱伝導性の良好な素材で構成することが望ましい。

本発明において、前記冷媒容器には、前記冷媒通路を外部に開放可能に構成された開放口が設けられていることが好ましい。これによれば、冷媒容器に設けられた開放口を介して、冷媒の補充を行うことが可能になるとともに、冷媒容器の内圧の増減に応じた空気の出入りを可能にするなど、冷媒容器をリザーバタンクと完全に同様の機能を有するように構成できる。

以下、本発明の実施形態を図示例と共に説明する。図１は本実施形態の全体構成を示す概略斜視図、図２は本実施形態の冷却ユニットの分解斜視図、図３は同冷却ユニットのポンプ構造を示す分解斜視図、図４は同冷却ユニットの平面図（ａ）及び縦側面断面図（ｂ）、図５は同冷却ユニットの正面図（ａ）及び縦正面断面図（ｂ）である。

以下に示す実施形態は、パーソナルコンピュータの内部に構成する冷却装置に関するものであるが、本発明は、このような態様に限定されるものではなく、種々の用途に対して冷媒を用いて冷却作用をなす装置を広く包含するものである。ただし、本発明は特に、デスクトップ型のパーソナルコンピュータ、携帯型情報端末、プロジェクタ、携帯型薬剤投与装置などの携帯型医療機器など、携帯型電子機器を含む種々の小型電子機器に用いる場合に特に有効である。

図１に示すように、本実施形態の冷却装置１００は、図示しない冷媒から熱を奪って放熱する放熱部（ラジエター）１１０と、冷媒によって図示しない冷却対象を冷却する吸熱部（冷却ジャケット）１２０と、放熱部１１０と吸熱部１２０との間に構成された冷媒循環経路（配管部分）１３０とを有し、放熱部１１０、吸熱部１２０及び冷媒循環経路１３０において冷媒を循環させるためのポンプ１４０とを有する。本実施形態で用いる冷媒としては水や各種のクーラントなどの液体が挙げられるが、気体であってもよく、また、放熱によって液体となり、吸熱によって気体と成るものであってもよい。

放熱部１１０は冷媒を貯留する冷媒容器１１０Ａを含む。この冷媒容器１１０Ａは、複数のユニット容器１１１と、これらの各ユニット容器１１１の間を連結する連結部材１１２とを有する。そして、複数のユニット容器１１１のうち他のユニット容器１１１に連結されていない一方の端部に配置されたユニット容器１１１の端部には端末部材１１３が接続され、同様のもう一方の端部に配置されたユニット容器１１１の端部にはポンプ１４０が接続されている。

各ユニット容器１１１には、図２、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すようにユニット容器の長手方向に貫通する冷媒通路１１１ａが設けられている。また、各ユニット容器１１１の外面には、放熱構造を構成する多数のフィン１１１ｂが形成されている。フィン１１１ｂは、ユニット容器１１１の配列方向にある面（図示例では側面）上では突出量が小さく、他の方向にある面（図示例では上面）上では突出量が大きくなっている。

各ユニット容器１１１では、上記冷媒通路１１１ａと、フィン１１１ｂを有する放熱構造とが一体に構成されている。より具体的には、冷媒通路１１１ａは直線状に貫通形成されている。そして、ユニット容器１１１は、冷媒通路１１１ａの軸線と直交する平面で切断した断面形状が当該軸線の方向に変化しない構造を有している。ユニット容器１１１は、アルミニウム、銅、或いはこれらを主体とする合金などの熱伝導性の良好な素材で構成される。ユニット容器１１１の製法としては、上記構造を有することによってダイスを用いた引き抜き加工や押し出し加工などの成形法を用いることができる。また、ダイキャスト法で成形することも可能である。

本実施形態では複数のユニット容器１１１が連結されて冷媒容器１１０Ａが構成されているが、冷媒容器１１０Ａは、単一のユニット容器１１１の両端に端末部材１１３とポンプ１４０をそれぞれ接続することによっても構成できる。本実施形態の構成では、冷媒容器１１０Ａを構成するユニット容器１１１の数を増減することによって、要求される廃熱容量などに柔軟に対応することができ、状況に応じた冷却性能を持たせることができ、必要な冷却性能に対応して極力コンパクトに構成できるという利点がある。複数のユニット容器１１１の連結態様は本来任意であり、冷媒通路１１１ａを縦列接続する態様であっても、並列接続する態様であってもよい。また、複数のユニット容器１１１を冷媒通路１１１ａの長手方向に配列するように配置してもよいが、本実施形態では、複数のユニット容器１１１が冷媒通路１１１ａの軸線方向と直交する方向に並列に配置されている。このとき、並列した各ユニット容器１１１は、相互に隙間を有するように配置されている。これによって、上記フィン１１１ｂを有する放熱構造による放熱効果の低下を抑制している。

連結部材１１２は、隣接するユニット容器１１１の端部に共に接続されて冷媒通路１１１ａ同士を接続するように構成されている。また、端末部材１１３は、ユニット容器１１１の冷媒通路１１１ａの端部を閉塞する。この端末部材１１３は、冷媒通路１１１ａに連通する接続口１１３ａ及び開放口１１３ｂを有する。接続口１１３ａは、上記冷媒循環経路１３０の冷媒帰還部分を構成するチューブなどの管路１３２に接続されている。開放口１１３ｂは、冷媒通路１１１ａ内に冷媒を補充するための冷媒補充口、或いは、冷媒通路１１１ａを外部に開放された状態とする通気口として機能するものである。もちろん、冷媒補充口と通気口の双方として機能するものであってもよい。開放口１１３ｂには、必要に応じて開閉可能な蓋或いは開閉操作可能な弁を装着してもよい。本実施形態では、接続口１１３ａ及び開放口１１３ｂは共に端末部材１１３において斜め上方に向けて開口している。

ポンプ１４０は、冷媒容器１１０Ａの一端部に接続されている。より具体的には、ポンプ１４０は、一つのユニット容器１１１の端部においてその冷媒通路１１１ａに直接連通するように接続されている。その結果、冷媒通路１１１ａの少なくとも一部がポンプ１４０のポンプ室を構成するようになっている。本実施形態では、ポンプ１４０の一部が冷媒通路１１１ａの内部に配置され、ポンプ１４０が冷媒容器１１０Ａ、すなわちユニット容器１１１、と一体的に構成されている。

ポンプ１４０は、図３に示すように、ケーシング１４１と端板１４２の内部に、端板１４２に固定された電磁石構造或いはモータ構造を有する駆動体１４３、隔壁１４４、インペラ１４５が順次に配置されている。インペラ１４５は、駆動体１４３によって生ずる回転磁界により回転駆動されるマグネット１４５ａと、羽根車１４５ｂとを有する。そして、インペラ１４５が駆動体１４３によって回転駆動されることによって、ポンプ１４０は遠心ポンプとして機能するようになっている。また、インペラ１４５は、スクリュウ１４６に対して回転方向に接続され、これによってスクリュウ１４６がインペラ１４５とともに回転するようになっている。スクリュウ１４６は必ずしも設ける必要はないが、スクリュウ１４６を設けることによりコンパクト性を維持したままポンプ１４０の揚程を高めることができる。ケーシング１４１には、上記インペラ１４５の収容部分において吐出口１４７を備えている。

インペラ１４５は、上記ポンプ１４０の内部のうちの冷媒通路１１１ａに直接連通するポンプ室内部に配置されている。また、スクリュウ１４６は冷媒通路１１１ａの内部に配置されている。すなわち、ポンプ１４０のポンプ作用部分（インペラ１４５及びスクリュウ１４６に相当する。）の少なくとも一部が冷媒通路１１１ａの内部に配置されている。駆動体１４３によってインペラ１４５及びスクリュウ１４６が回転すると、スクリュウ１４６によって冷媒通路１１１ａの内部の冷媒がインペラ１４５側に押し出される。また、インペラ１４５は冷媒に遠心方向の圧力を加え、上記吐出口１４７から冷媒を吐出させる。

本実施形態においては、ポンプ１４０を稼動させることによって冷媒容器１１０Ａから冷媒が吐出され、冷媒循環経路１３０の冷媒送出部分を構成する管路１３１を介して吸熱部１２０へ送られる。吸熱部１２０は、例えばＣＰＵ（中央処理ユニット）を構成する半導体素子などの冷却対象（図示せず）に対して熱的に接触し、冷却対象（例えば、ＣＰＵチップやパワートランジスタなどの半導体素子、モータなどの駆動ユニットなど）を冷却する。吸熱部１２０で冷却対象から熱を受けた冷媒は、管路１３２を介して再び冷媒容器１１０Ａに帰還し、冷媒容器１１０Ａの内部の冷媒通路１１１ａを通過していく間に徐々に冷却される。

図１に示す例では、放熱部１１０及びポンプ１４０の一体化部分は、パーソナルコンピュータの内部のベイシャーシ１５１上などに設置される。このとき、ユニット容器１１１の軸線方向前方若しくは後方に配置された冷却ファン（図示せず）によって発生させられた気流が放熱部を流れるように構成することが好ましい。これは、ユニット容器１１１の放熱構造を構成するフィン１１１ｂは上記のように軸ユニット容器１１１が軸線方向に断面形状の変化しない構造を有することからユニット容器１１１の軸線方向に伸びる態様で形成されているので、気流の方向も当該軸線方向に形成することによって効率的にフィン１１１ｂを介して放熱を行うことができるからである。

本実施形態では、放熱部１１０の冷媒容器１１０Ａは、チューブなどの管路１３１，１３２で構成される冷媒循環経路１３０の流通断面積よりも大きな流通断面積を有する冷媒通路１１１ａを有するように構成されている。これによって、冷媒容器１１０Ａは、フィン１１１ｂなどの放熱構造によって放熱する放熱容器として機能すると同時に、冷媒を貯留するリザーバタンクとしても機能する。また、このように大きな流通断面積を備えた冷媒通路１１１ａに対してポンプ室が直接連通する態様で冷媒容器１１０Ａにポンプ１４０が接続されているので、放熱部１１０とポンプ１４０とを一体化してコンパクトに構成できるとともに、ポンプ１４０の導入側を広く開口することができるため、冷媒を効率的に送出することができる。冷媒の効率的な送出は、ポンプの消費電力の低減やポンプの小型化などに結びつく。本実施形態では、ポンプ１４０のスクリュウ１４６が冷媒通路１１１ａの内部に配置されているため、冷媒通路１１１ａ自体がポンプ室を構成する構造となっており、これによってさらにポンプ１４０をコンパクトに接続することに成功している。

ここで、冷媒通路１１１ａの流通断面積は、冷媒循環経路１３０の流通断面積の５倍以上であることが好ましく、特に１０倍以上であることが望ましい。冷却装置１００の容積をも勘案すると、通常の使用態様では５〜５０倍の範囲内であることが好ましい。この範囲を越えると冷媒通路１１１ａの中心部にある冷媒からの放熱が困難になるなど、冷媒容器１１０Ａの放熱効率が低下して冷却性能が悪化し、放熱量を確保しようとすると放熱部１１０を大型化する必要が生ずる。逆に、上記範囲を下回ると冷媒容器１１０Ａの放熱効率を良好にすることができるが、冷媒の貯留量が減少して冷媒容器１１０Ａがリザーバタンクとしての機能を果たしにくくなり、冷媒の貯留量を確保しようとすると放熱部を大型化する必要が生ずる。この観点から見ると上記流通断面積の比は特に１０〜３５倍程度であることが望ましい。

本実施形態では、上述のように、一体化された放熱部１１０及びポンプ１４０によって従来の放熱部、ポンプ及びリザーバタンクの機能が実現されるため、これ以外には、吸熱部１２０と冷媒循環経路１３０を構成するだけでよい。したがって、種々の機器の内部における設置場所の制約が低減され、容易に設置することができるようになる。また、配管（チューブ）の接続箇所が削減されるため、組立作業が容易になるとともに冷媒漏れの恐れも低減されるため、経済性及び信頼性を向上させることができる。

冷媒容器１１０Ａはユニット容器１１１が構成単位となるように構成されているため、冷却対象の発生する熱量に応じて、必要な数のユニット容器１１１を連結して廃熱容量の要求を満たすように構成することができる。ユニット容器１１１は直線状の冷媒通路１１１ａを有し、これによって構造を簡易なものとすることができるとともに、放熱効率を向上させることができる。また、ユニット容器１１１はフィン１１１ｂを備えた放熱構造を一体に有しているので、放熱効率を高めることができる。さらに、ユニット容器１１１は、その放熱構造を含めて、直線状の冷媒通路１１１ａの軸線方向に断面形状が変化しない形状を有しているため、引き抜き成形や押し出し成形などによって比較的容易に製造することができる。

尚、本発明の冷却装置は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態では、ポンプ１４０は放熱部の下流端に接続されているが、上流端や中間部分（例えば、ユニット容器の連結部分など）にポンプ１４０を接続してもよい。また、冷媒容器は、複数のユニット容器を縦続接続して構成してもよく、単一のユニット容器のみを用いて構成しても構わない。さらに、冷媒容器に複数のポンプを接続しても構わない。例えば、ユニット容器にポンプを接続した構造を単位構造として、この単位構造を連結（例えば並列接続）することによって、放熱部と吸熱部の間の高低差が大きいときにも対応できる。

実施形態の冷却装置の全体構成を示す斜視図。 冷却装置の放熱部の分解斜視図。 冷却装置のポンプの分解斜視図。 放熱部の平面図（ａ）及び図４（ａ）の４ｂ−４ｂ線に沿って切断した様子を示す側面断面図（ｂ）。 放熱部の正面図（ａ）及び図４（ａ）の５ｂ−５ｂ線に沿って切断した様子を示す正面断面図（ｃ）。

符号の説明

１００…冷却装置、１１０…放熱部、１１０Ａ…冷媒容器、１１１…ユニット容器、１１１ａ…冷媒通路、１１１ｂ…フィン、１１２…連結部材、１１３…端末部材、１１３ａ…接続口、１１３ｂ…開放口、１２０…吸熱部、１３０…冷媒循環経路、１３１，１３２…管路、１４０…ポンプ、１４１…ケーシング、１４２…端板、１４３…駆動体、１４４…隔壁、１４５…インペラ、１４６…スクリュウ、１５１…ベイシャーシ

Claims (7)

1. 冷媒を冷却する放熱構造を有する放熱部と、冷却対象から熱を奪う吸熱部と、前記放熱部から前記吸熱部を経て再び前記放熱部に戻る冷媒循環経路と、前記冷媒を循環させるポンプとを有する冷却装置において、
   前記放熱部は、前記冷媒循環経路の流通断面積よりも大きな流通断面積を備えた冷媒通路及び前記放熱構造を備えた冷媒容器を含み、前記ポンプは前記冷媒容器に接続され、前記冷媒通路が前記ポンプのポンプ室に直接連通していることを特徴とする冷却装置。
2. 前記冷媒通路の内部に前記ポンプの少なくとも一部が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記冷媒容器は、前記放熱構造と前記冷媒通路とを備えた一体のユニット容器を含んで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 前記冷媒容器は、前記放熱構造と前記冷媒通路とを備えた複数の前記ユニット容器が連結されることにより構成されていることを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記冷媒容器は、複数の前記ユニット容器が相互に隙間を有する態様で並列に配置されてなることを特徴とする請求項４に記載の冷却装置。
6. 前記ユニット容器は、前記冷媒通路の延長方向に押し出し成形若しくは引き抜き成形により構成されて成ることを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載の冷却装置。
7. 前記冷媒容器には、前記冷媒通路を外部に開放可能に構成された開放口が設けられていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の冷却装置。
   

Images