JP3431024B1

JP3431024B1 - 冷却装置

Info

Publication number: JP3431024B1
Application number: JP2003007168A
Authority: JP
Inventors: 愼弥古賀; 敏輔酒井; 恭庭月野; 俊幸久保田
Original assignee: 松下電器産業株式会社
Priority date: 2003-01-15
Filing date: 2003-01-15
Publication date: 2003-07-28
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: JP2004218941A

Abstract

【要約】【課題】本発明は、冷却効率を改善しながら小型化、
薄型化でき、構造が簡単な冷却装置を提供することを目
的とする。【解決手段】本発明の冷却装置は、冷媒を循環するた
めの閉循環路に放熱器と接触熱交換型の遠心ポンプが設
けられ、遠心ポンプが発熱電子部品１に接触されて内部
の冷媒の熱交換作用で該発熱電子部品から熱を奪い、放
熱器から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポンプが、
高熱伝導率の材料で構成されたポンプケーシング１５と
開放型の羽根車１１とを備え、ポンプケーシング１５に
は、内部のポンプ室１５ａに沿った側面に受熱面１５ｂ
が形成され、且つ該受熱面１５ｂが接触位置において発
熱電子部品１の上部表面の３次元的な形状と相補的な形
状に形成されとともに、受熱面１５ｂとポンプ室１５ａ
の内壁面との間に吸込路１９が設けられたことを特徴と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、筐体内部に配設さ
れた中央処理装置（以下、ＣＰＵ）等の発熱電子部品
を、冷媒を循環させて冷却する電子機器の冷却装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近のコンピューターにおける高速化の
動きはきわめて急速であり、ＣＰＵのクロック周波数は
以前と比較して格段に大きなものになってきている。こ
の結果、ＣＰＵの発熱量が増し、従来のようにヒートシ
ンクで空冷するだけでは能力不足で、高効率で高出力の
冷却装置が不可欠になっている。そこでこのような冷却
装置として、発熱電子部品を搭載した基板を、冷媒を循
環させて冷却する冷却装置が提案された（特許文献１参
照）。

【０００３】以下、このような冷媒を循環させて冷却す
る従来の電子機器の冷却装置について説明する。なお、
本明細書において電子機器というのは、ＣＰＵ等にプロ
グラムをロードして処理を行う装置、中でもノート型パ
ソコンのような携行可能な小型の装置を中核とするが、
このほかに通電により発熱する発熱電子部品を搭載した
装置を含むものである。この従来の第１の冷却装置は、
例えば図１４に示すようなものが知られている。

【０００４】図１４は従来の電子機器の第１冷却装置の
構成図である。図１４において、１００は筐体であり、
１０１は発熱電子部品、１０２は発熱電子部品１０１を
実装した基板、１０３は発熱電子部品１０１と冷媒との
間で熱交換を行ない発熱電子部品１０１を冷却する冷却
器、１０４は冷媒から熱を取り除く放熱器、１０５は冷
媒を循環させるポンプ、１０６はこれらを接続する配
管、１０７は放熱器１０４を空冷するファンである。

【０００５】この従来の第１冷却装置の動作を説明する
と、ポンプ１０５から吐出された冷媒は、配管１０６を
通って冷却器１０３に送られる。ここで発熱電子部品１
０１の熱を奪うことでその温度が上昇し、放熱器１０４
に送られる。この放熱器１０４でファン１０７によって
強制空冷されてその温度が降下し、再びポンプ１０５へ
戻ってこれを繰り返す。このように、冷媒を循環させて
発熱電子部品１０１を冷却するものであった。

【０００６】次に、電子機器の従来の第２冷却装置とし
て、図１５に示すものが提案されている（特許文献１参
照）。

【０００７】この第２冷却装置は、発熱部材を狭い筐体
内に搭載したとき、発熱部材の発生熱を放熱部である金
属筐体壁まで効率良く輸送し発熱部材を冷却するもので
ある。

【０００８】図１５は従来の電子機器の第２冷却装置の
構成図である。図１５において、１０８は電子機器の配
線基板、１０９はキーボード、１１０は半導体発熱素
子、１１１はディスク装置、１１２は表示装置、１１３
は半導体発熱素子１１０との間で熱交換する受熱ヘッ
ダ、１１４は放熱のための放熱ヘッダ、１１５はフレキ
シブルチューブ、１１６は電子機器の金属筐体である。

【０００９】この第２冷却装置は、発熱部材である半導
体発熱素子１１０と金属筐体１１６とをフレキシブル構
造の熱輸送デバイスにより熱的に接続するものである。
この熱輸送デバイスは、半導体発熱素子１１０に取り付
けた液流路を有する扁平状の受熱ヘッダ１１３、液流路
を有し金属筐体１１６の壁に接触させた放熱ヘッダ１１
４、さらに両者を接続するフレキシブルチューブ１１５
で構成され、内部に封入した液を放熱ヘッダ１１４に内
蔵した液駆動機構により受熱ヘッダ１１３と放熱ヘッダ
１１４との間で駆動あるいは循環させるものである。こ
れにより、半導体発熱素子１１０と金属筐体１１６とが
部品配列に左右されることなく容易に接続できるととも
に、液の駆動により高効率で熱が輸送される。放熱ヘッ
ダ１１４においては、放熱ヘッダ１１４と金属筐体１１
６とが熱的に接続されているので、金属筐体１１６の高
い熱伝導率のために熱が広く金属筐体１１６に拡散され
るものである。

【００１０】また、本出願人も、冷却効率を改善しなが
ら小型化、薄型化でき、構造が簡単な渦流ポンプを使っ
た冷却装置を既に提案した（特願２００２−１３９５９
８）。

【００１１】

【特許文献１】特開平７−１４２８８６号公報

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
第１冷却装置では、発熱電子部品１０１と冷媒とで熱交
換を行ない発熱電子部品１０１を冷却する冷却器１０
３、冷媒から熱を取り除くための放熱器１０４、冷媒を
循環させるポンプ１０５、図示はしないが冷媒を補充し
なければならず補充用タンクが必要であり、これらを組
み合わせるため装置が大型且つ複雑で小型化が難しく、
コストも高くなるという問題があった。すなわち従来の
第１冷却装置は、本来大型の電子機器の冷却に適したも
のであって、小型、軽量且つ薄型で、様々の姿勢で運ば
れ、使われる最近の高性能携行型のノート型パソコン等
には対応しきれないものであった。

【００１３】また、従来の第２冷却装置はノート型パソ
コン等に使用することが可能であるが、半導体発熱素子
１１０に取り付けた扁平状の受熱ヘッダ１１３も、金属
筐体１１６の壁に接触させた放熱ヘッダ１１４もいずれ
もがボックス状で厚くならざるをえず、ノート型パソコ
ン等の薄型化を妨げるものであった。すなわち従来の第
２冷却装置では、放熱ヘッダ１１４の中に液体駆動装置
として他のポンプより横幅が比較的小さくなる往復動ポ
ンプが設けられており、残念なことに、この往復動ポン
プが放熱ヘッダ１１４の厚さを規定して全体を厚くして
いる。これではノート型パソコンの薄型化はできない。

【００１４】しかし、薄型のノート型パソコンで第２冷
却装置の往復動ポンプを受熱ヘッダ１１３の中に収容す
ることは困難である。すなわちポンプの厚さのほかに半
導体発熱素子１１０等の厚みも加わって、ノート型パソ
コンの高さを増加させ、薄型化に逆行することになるか
らである。その上、往復動ポンプの振動と騒音は、これ
を載置する半導体発熱素子１１０に影響を与えるし、耳
障りになる場合もあり、これらの面からも実現は困難で
ある。

【００１５】さらに、第２冷却装置において、金属筐体
１１６の壁に接触させた放熱ヘッダ１１４は、放熱面積
が小さくて伝熱効率が悪く、冷却力に限界が存在するも
のであった。冷却力を上げるために放熱面積を増すこと
も考えられるが、これ以上面積を増すのでは流路が長く
なって循環量が増し、内蔵した往復動ポンプの出力増加
を招き、これによって放熱ヘッダ１１４の厚みを増すと
いう矛盾があった。そこで、往復動ポンプを独立して金
属筐体１１６内に収納するという手段を講じると、限界
まで無駄なスペースを減少させたノート型パソコン本体
に新たなスペースを割かなければならないし、組み立て
作業も面倒になってしまう。このように、第２冷却装置
はノート型パソコン等の小型化、薄型化に対しては限界
を有するものであった。そして、最近のようにＣＰＵの
能力が向上して益々大きな冷却能力が要求されるとき
に、このような問題を抱えた従来の第２冷却装置では将
来性で疑問が残るものであった。

【００１６】また、従来の熱交換機能付ポンプは、冷媒
を別の冷却水で冷やしているため、ポンプ内に冷却水路
が必要で大型化しポンプ構造が複雑になり、また、冷却
水を循環させる第２のポンプや冷却水から熱を奪う第２
の熱交換器が必要であるため、システムが複雑で小型化
が難しく、部品点数も作業性も悪く、従って熱効率も良
好なものは見込めず、コストも高いという課題があっ
た。

【００１７】また、本出願人の提案した冷却装置は、従
来の第１冷却装置、第２冷却装置の課題を解決できる優
れた冷却装置であったが、渦流ポンプにおいては、ポン
プ室がステータの外周側に位置するため、ＣＰＵの位置
がポンプ中心に位置する場合には吸熱するポンプ室とＣ
ＰＵとの距離が大きくなり、受熱効率の改善の余地があ
った。しかし、この渦流ポンプを単純に他の形式のポン
プで置き換えることには困難があった。すなわち、他の
形式のポンプでは吸込路と吐出路、さらにはステータが
存在するため、ＣＰＵと接触する受熱面をポンプに構成
することが難しいからである。そして、敢えてこれを実
行しても小型化、薄型化することができなくなるもので
あった。

【００１８】そこで、本発明は、冷却効率を改善しなが
ら小型化、薄型化でき、構造が簡単な冷却装置を提供す
ることを目的とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の冷却装置は上記
課題を解決するためになされたものであって、冷媒を循
環するための閉循環路に放熱器と接触熱交換型の遠心ポ
ンプが設けられ、遠心ポンプが発熱電子部品に接触され
て内部の冷媒の熱交換作用で該発熱電子部品から熱を奪
い、放熱器から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポン
プが、高熱伝導率の材料で構成されたポンプケーシング
と開放型の羽根車とを備え、ポンプケーシングには、内
部のポンプ室に沿った側面に受熱面が形成され、且つ該
受熱面が接触位置において発熱電子部品の上部表面の３
次元的な形状と相補的な形状に形成されとともに、受熱
面とポンプ室の内壁面との間に吸込路が設けられたこと
を特徴とする。

【００２０】本発明によれば、冷却効率を改善しながら
小型化、薄型化でき、構造が簡単な冷却装置とすること
ができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】上記課題を解決するためになされ
た請求項１の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に
放熱器と接触熱交換型の遠心ポンプが設けられ、遠心ポ
ンプが発熱電子部品に接触されて内部の冷媒の熱交換作
用で該発熱電子部品から熱を奪い、放熱器から放熱を行
う冷却装置であって、遠心ポンプが、高熱伝導率の材料
で構成されたポンプケーシングと開放型の羽根車とを備
え、ポンプケーシングには、内部のポンプ室に沿った側
面に受熱面が形成され、且つ該受熱面が接触位置におい
て発熱電子部品の上部表面の３次元的な形状と相補的な
形状に形成されとともに、受熱面とポンプ室の内壁面と
の間に吸込路が設けられたことを特徴とする冷却装置で
あり、開放型の羽根車の羽根がポンプ室内部に形成され
る層流境界層を剥ぎ取るため乱流化して伝熱量が増し、
吸込路が受熱面とポンプ室の内壁面との間に設けられて
いるので、これによって吸込路近傍の受熱面の温度を下
げることができ、吸込路が発熱電子部品の側に張り出し
ていないので、受熱面に遠心ポンプの内部構成による形
状の変化を形成する必要がなく、受熱面と発熱電子部品
の上部表面が密着しているので、熱を効果的に受熱する
ことができる。

【００２２】請求項２の発明は、吸込路が、ポンプケー
シングの肉厚方向に短軸をもつ楕円形状の断面を有して
いることを特徴とする請求項１記載の冷却装置であり、
ポンプ室と発熱部品との距離を縮めることができるため
に、その間の熱抵抗を下げることができる。

【００２３】請求項３の発明は、請求項１記載の冷却装
置において、受熱面とポンプ室の内壁面との間に吸込路
が設けられるのに代えて、羽根車の中心に吸水口が形成
され、該吸水口と連通する吸込路が受熱面と対向するポ
ンプケーシング側に設けられたことを特徴とする冷却装
置であり、ポンプ室の受熱面と反対側から吸い込むこと
を可能とし、結果に、ポンプ室と発熱部品との距離を縮
めることができるために、その間の熱抵抗を下げること
ができる。

【００２４】請求項４の発明は、吸水口が、羽根車の軸
中心と一致する軸中心を有していることを特徴とする請
求項３記載の冷却装置であり、羽根車内の流れの対称性
を保てるため流量を最も効率よく送ることができ、熱を
効果的に受熱することができる。

【００２５】請求項５の発明は、羽根車には、該羽根車
の軸中心とずれた位置に貫通孔が形成されていることを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の冷却装置で
あり、ポンプ室の羽根車背面から貫通孔を通って還流さ
せることができ、羽根車中央に滞留し易い気泡やキャビ
ティを排出し、キャビテーションによる騒音をなくし伝
熱速度を向上できる。

【００２６】請求項６の発明は、ポンプ室内壁面には、
羽根の側面が回転する部分に動圧溝が設けられたことを
特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置で
あり、動圧溝が羽根車に円滑な回転をさせ、摩擦で発生
する熱を抑え、受熱面の背面の表面積を増し、熱を効果
的に受熱することができる。

【００２７】請求項７の発明は、ポンプ室内壁には、羽
根の側面がスライドする部分の少なくとも一部に層流境
界層を剥離させる凹部が多数設けられていることを特徴
とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置であ
り、伝熱量が小さい層流境界層を剥離させ、乱流境界層
として伝熱を促進させることができる。

【００２８】請求項８の発明は、ポンプ室内壁には、羽
根の側面がスライドする部分の少なくとも一部に多数の
突起体が設けられたことを特徴とする請求項１〜７のい
ずれかに記載の冷却装置であり、ポンプ室内の冷媒の乱
流発生を促進し、伝熱を促進させることができる。

【００２９】請求項９の発明は、ポンプ室内壁には、吸
込路が対向するする部分の少なくとも一部に複数の突起
体もしくは溝を設けたことを特徴とする請求項３記載の
冷却装置であり、ポンプ室内の冷媒の乱流発生を促進
し、伝熱面積を増加させることができるために伝熱を促
進することができる。

【００３０】請求項１０の発明は、羽根車には、羽根の
入口側もしくは羽根間に攪拌用羽根車突起体が形成され
ていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載
の冷却装置であり、攪拌用羽根車突起体が流路を攪拌す
るため、ポンプ室内の冷媒の乱流発生を促進する。

【００３１】請求項１１の発明は、攪拌用羽根車突起体
が、ポンプ室内壁に形成された突起体と半径方向でずれ
た位置に対向して設けられることを特徴とする請求項１
０記載の冷却装置であり、攪拌用羽根車突起体が突起体
と接触せずに流路を効果的に攪拌し、ポンプ室内の冷媒
の乱流発生を促進し、伝熱面積も増加させ、伝熱効率を
更に向上させることができる。

【００３２】請求項１２の発明は、羽根の側面には、ポ
ンプ室内壁の表面と接触する弾性線状体もしくは弾性板
状体が設けられたことを特徴とする請求項１〜１１のい
ずれかに記載の冷却装置であり、伝熱量が小さい層流境
界層を剥離させ、乱流境界層として伝熱を促進させるこ
とができる。

【００３３】請求項１３の発明は、受熱面のポンプケー
シング厚さが羽根車の軸中心を中心として半径方向に減
少することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記
載の冷却装置であり、電子部品からの熱をポンプ室全体
に拡散しやすくし、伝熱を促進させることができる。

【００３４】請求項１４の発明は、冷媒の循環路と、前
記循環路内の冷媒を循環させるポンプと、前記循環路内
の冷媒の熱を放出する放熱器とを備えた電子部品の冷却
装置であって、前記ポンプは、前記ポンプのハウジング
と前記電子部品が熱的に接触するよう、前記電子部品に
直接連結され、前記ポンプのポンプ室の中央部に吸水口
が設けられたことを特徴とする電子部品の冷却装置であ
り、受熱面と発熱電子部品の上部表面が密着しており、
ポンプ室の中央部から冷媒を吸い込むことを可能とし、
温度の低い冷媒をポンプ室の中央部に供給することがで
き、羽根車内の流れの対称性を保てるため流量を最も効
率よく送ることができ、熱を効果的に受熱することがで
きる。

【００３５】請求項１５の発明は、前記ポンプは遠心ポ
ンプであることを特徴とする請求項１４記載の電子部品
の冷却装置であり、開放型の羽根車の羽根がポンプ室内
部に形成される層流境界層を剥ぎ取るため乱流化して伝
熱量が増し、熱を効果的に受熱することができる。

【００３６】請求項１６の発明は、前記ポンプのポンプ
室内壁には、前記羽根車の側面がスライドする部分の少
なくとも一部に層流境界層を剥離させる剥離手段がけら
れていることを特徴とする請求項１４記載の電子部品の
冷却装置であり、伝熱量が小さい層流境界層を剥離さ
せ、乱流境界層として伝熱を促進させることができる。

【００３７】請求項１７の発明は、前記剥離手段が、少
なくともポンプ室内壁には凹部または突起体が設けられ
ていることを特徴とする請求項１４記載の電子部品の冷
却装置であり、伝熱量が小さい層流境界層を剥離させ、
乱流境界層として伝熱を促進させることができる。

【００３８】請求項１８の発明は、前記剥離手段が、前
記羽根車の側面に前記ポンプ室内壁の表面と接触する弾
性線状体もしくは弾性板状体が設けられたことを特徴と
する請求項１４記載の電子部品の冷却装置であり、伝熱
量が小さい層流境界層を剥離させ、乱流境界層として伝
熱を促進させることができる。

【００３９】以下、本発明の実施の形態について、図１
〜１３を用いて説明する。

【００４０】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における冷却装置の構成図、図２は本発明の実施の
形態１における冷却装置を構成する熱交換型の遠心ポン
プの構成図、図３は本発明の実施の形態１における遠心
ポンプの羽根車正面図、図４は本発明の実施の形態１に
おける遠心ポンプの流体軸受の展開図、図５は本発明の
実施の形態１における遠心ポンプのポンプ室内壁面の外
観図、図６（ａ）は本発明の実施の形態１における遠心
ポンプの羽根車に取り付けたブラシの説明図、図６
（ｂ）は本発明の実施の形態１における遠心ポンプの羽
根車に取り付けたブレードの説明図、図７は図２の遠心
ポンプのＸ−Ｘ断面図である。

【００４１】図１において、１は冷却装置を構成する接
触熱交換型の遠心ポンプ、２はＣＰＵ等の発熱電子部品
であり、通常は表面がフラットなチップ部品である。な
お、実施の形態１の遠心ポンプ１と発熱電子部品２は、
きわめて小型で、ノート型パソコンのように携行可能な
小型の電子機器に搭載されるものである。３は発熱電子
部品２から受熱した冷媒を外部に放熱する放熱器、４は
遠心ポンプ１と放熱器３を接続して冷媒を循環するため
の循環路である。なお、この冷媒としては、食品添加物
などに用いられる無害なプロピレングリコール水溶液が
適当であり、さらに後述するようにケーシング材料とし
てアルミや銅等を使用する場合には、これらに対する防
食性能を向上させるための防食添加剤を添加するのが望
ましい。

【００４２】放熱器３は、熱伝導率が高く放熱性のよい
材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、
内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。ま
た、放熱器３に強制的に空気を当てて冷やし冷却効果を
増やすためファンを設けてもよい。循環路４は、配管レ
イアウトの自由度を確保するため、フレキシブルでガス
透過性の少ないゴム、例えばブチルゴムなどのゴムチュ
ーブで構成されている。これはチューブ内に気泡が混入
するのを防止するためである。

【００４３】次に、遠心ポンプ１の内部構成について説
明する。図２〜図６（ａ），（ｂ）において、１１は遠
心ポンプの開放型の羽根車、１１ａは羽根車１１に設け
られた貫通孔、１２は羽根車１１の開放した羽根、１３
は羽根車１１の外周側方に設けられたマグネットロータ
である。１４はマグネットロータ１３の内周側に設けら
れたステータ、１５は羽根車１１を収容すると同時に羽
根車１１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して
吐出口へと導くポンプケーシング、１５ａは羽根１２で
与えられた運動エネルギーを圧力回復して吐出口へと導
くためのポンプ室、１５ｂはポンプ室１５ａに沿ったポ
ンプケーシング１５の側面に形成され、発熱電子部品に
接触して熱を奪う受熱面、１５ｃはポンプ室１５ａの内
部のポンプ室内壁面、１６は羽根車１１を収納した後ポ
ンプ室１５ｂを密閉するためのケーシングカバー、１７
はポンプケーシング１５に設けられ、羽根車１１を回転
自在に軸支するための固定軸、１８は羽根車１１の中心
に設けられ固定軸１７に装着される軸受、１８ａは流体
軸受の場合の動圧発生溝（図４参照）である。１９は吸
込路、１９ａは吸水口、２０は吐出路である。２１はポ
ンプ室内壁面１５ｃに形成された層流境界層を多数の凹
部、２２は層流境界層を掻き取るブラシ（本発明の弾性
線状体）、２２は層流境界層を掻き取るブレード（本発
明の弾性板状体）である。

【００４４】ケーシングカバー１６はポンプケーシング
１５と組み立てられて全体として遠心ポンプ１のポンプ
ケーシングを構成する。ポンプケーシング１５とケーシ
ングカバー１６のうち少なくともポンプケーシング１５
は、高熱伝導率で放熱性のよい材料、例えば銅、アルミ
ニウム等で構成する。なお、本実施の形態１の遠心ポン
プは回転軸方向の厚さが５〜１０ｍｍ、半径方向の代表
寸法が４０〜５０ｍｍ、回転数は１２００ｒｐｍ、流量
が０．０８〜０．１２Ｌ／分、ヘッドが０．３５〜０．
４５ｍ程度のポンプである。そして、本発明のポンプの
諸元は、本実施の形態１の値を含んで、厚さ３〜２０ｍ
ｍ、半径方向代表寸法１０〜７０ｍｍ、流量が０．０１
〜０．８Ｌ／分、ヘッド０．１〜２ｍ程度のものとな
る。これは比速度でいうと、２４〜２８（単位：ｍ、ｍ
³／分、ｒｐｍ）程度のポンプであって、従来のポンプ
とはまったく隔絶した大きさの小型薄型のポンプであ
る。

【００４５】実施の形態１の遠心ポンプ１においては、
羽根車１１の羽根１２と発熱電子部品２とが対向するよ
うに設置され、発熱電子部品２の上部表面と相補的な形
状となる受熱面１５ｂが形成されており、受熱面１５ｂ
を介してポンプ室１５ａで直接受熱を行なう。ステータ
１４はケーシングカバー１６に圧入され、マグネットロ
ータ１３の内周面とステータ１４の外周部分が対向して
配置される。

【００４６】ステータ１４とマグネットロータ１３の間
にはケーシングカバー１６が両者を仕切る分離板として
配置され、ステータ１４は完全にポンプ室１５ａ内を流
れる冷媒と隔離される。羽根車１１はマグネットロータ
１３と別体構成でもよいが、実施の形態１においては一
体で構成され、マグネットロータ１３となる円筒部に着
磁させた一体型の羽根車１１としている。マグネットロ
ータ１３がステータ１４の回転磁界の作用で回転するこ
とにより、羽根車１１が回転する。羽根車１１が回転す
ると、羽根車１１の中心付近に負圧が発生し、連通して
いる吸込路１９から冷媒が吸い込まれ、羽根車１１によ
って運動量を得て外側に吐き出される。羽根車１１の外
周部分には吐出口（図示しない）が設けられ、吐出路２
０を経て冷媒は循環路４に排出される。

【００４７】羽根車１１の中心には低摩擦で耐磨耗性の
セラミックからなる軸受１８が圧入され、さらにこれと
同様に、その内側にはセラミックからなる固定軸１７が
ポンプケーシング１５とケーシングカバー１６に両端を
固定されて配設される。図２に示すように、軸受１８の
外周面にはＤカットを施し、羽根車１１の軸受圧入孔
（図示しない）との間に隙間ができるように構成され、
羽根車１１の背面側とポンプ室１５ａ側を連通してい
る。この隙間が軸中心からずれた実施の形態１における
貫通孔１１ａである。この貫通孔１１ａにより、羽根車
１１で遠心力を受け押し出された冷媒の一部分は羽根車
１１の背面側に回り込み、貫通孔１１ａを通って負圧状
態の羽根車１１の吸水口１９ａに流出する。すなわち、
遠心ポンプ１の中で一部の冷媒が還流している。還流す
る冷媒は吸水口１９ａ内で混合され、再度還流する冷媒
は入れ替わったものとなる。

【００４８】羽根車１１による遠心力で羽根車１１の中
心付近は負圧となり、この付近はキャビテーションが発
生し易い環境にある。しかし、実施の形態１の遠心ポン
プ１は比速度で２４〜２８（単位：ｍ、ｍ³／分、ｒｐ
ｍ）程度であってキャビテーションは起こり難い上に、
仮に発生しても上述した還流によって混合して排出され
るものである。そして、発生したキャビティが羽根車１
１の中央付近に留まろうとしても、羽根車１１の背面と
吸水口１９ａ側で冷媒が入れ替わりながら循環するの
で、滞留することはない。また、冷却装置のどこかで空
気が混入し、これが遠心ポンプ１に吸い込まれたとして
も、還流によって羽根車１１の中央付近に滞留すること
がなく、気泡は徐々に排出される。従ってキャビテーシ
ョンに原因する騒音は少なく、気層が形成されないし、
流れが乱流化するため伝熱量も大きくなる。

【００４９】また、図４に示すように軸受１８の代わり
に流体軸受を用いてもよい。流体軸受の動圧発生溝１８
ａをスパイラル形状として、循環を促進するようにすれ
ば、気泡の排出性能を向上させることができる。動圧発
生溝１８ａの形状としてはヘリングボーン形状などでも
よい。羽根車１１の背面にも溝を形成し循環量と背圧を
調整することもできる。これによって羽根車１１に対す
るアキシャル方向のスラストを発生することもできる。

【００５０】さらに図５に示すように、ポンプ室内壁面
１５ｃ（受熱面１５ｂの背面側）の羽根１２がスライド
する部分の少なくとも一部に凹部２１を多数形成するこ
とにより、羽根車１１の回転で流動する冷媒がポンプ室
内壁面１５ｃに沿って形成する層流境界層を剥離させ、
乱流化することができる。これによって受熱面１５ｂか
ら冷媒に伝達する熱量を大きくすることができる。同様
に、ポンプ室内壁面１５ｃをショットピーニング加工、
サンドブラスト加工などで凹凸を形成もしくは粗くする
ことにより、効果は多少低いが同様な原理で受熱効率を
上げることが可能となる。さらに、図６に示すように、
羽根１２だけでなく、ポンプ室内壁面１５ｃを軽く擦る
ようなブラシ２２や薄板状のブレード２３を羽根車に取
り付けることにより、羽根車１１の回転力により強制的
に層流境界層を崩し、受熱効率を向上させることができ
る。なお、図示はしないが、ポンプ室内壁面１５ｃにス
パイラル形状の溝を形成しても、乱流化することで伝熱
量を大きくすることができる。

【００５１】発熱量に比べケーシングから冷媒への伝達
係数が充分大きくとれ、大きな熱伝達量が得られる場合
は、熱をポンプ室１５ａに沿って広げる必要がなくなる
ため、ポンプケーシング１５の受熱面１５ｂ部分の肉厚
は薄い方が受熱効率がよくなり、ポンプを薄型にもでき
る。このために図７に示すように吸込路１９を肉厚方向
に短軸をもつ楕円形状の断面とするのが好適である。羽
根車１１の回転を障害しない範囲で伝熱面積を増やすた
めに、ポンプ室内壁面１５ｃの羽根１２の側面がスライ
ドする部分の少なくとも一部に小さな柱状体やリブ等の
突起体を突出させ、伝熱面積が増加させるとともに乱流
化を促進し、受熱量が増加させることができる。これら
の柱状体やリブ等は、発熱電子部品２の中心を置く位置
近傍に設けるのが受熱効率を増加する。そして発熱電子
部品２の中心を羽根車１１の軸中心に配置させるときに
は、羽根車１１の軸中心付近に立設すればよい。

【００５２】以上説明したように、実施の形態１の冷却
装置の遠心ポンプ１には、高熱伝導率の材料で構成され
たポンプケーシング１５と、羽根１２が形成された開放
型の羽根車１１が設けられており、また、受熱面１５ｂ
と発熱電子部品２の上部表面の形状が３次元的に相補的
形状とされ、且つ受熱面１５ｃとポンプ室内壁面１５ｃ
との間（ポンプケーシング１５の肉厚部分）に肉厚方向
に短軸をもつ楕円形状の吸込路１９が配設されているた
め、全体の肉厚も流路近傍の実質の肉厚も薄くすること
ができ、吸込路１９近傍の受熱面１５ｂの温度が下が
り、吸込路１９が発熱電子部品２の側に張り出していな
いので、受熱面１５ｂに遠心ポンプ１の内部事情で形状
変化を加える必要がなく、受熱面１５ｂと発熱電子部品
２の上部表面が密着できるため、効果的に受熱できる。

【００５３】（実施の形態２）実施の形態２の遠心ポン
プは、吸水口が羽根車の背面側に設置されたことを特徴
とするものである。図８は本発明の実施の形態２におけ
る冷却装置を構成する熱交換型の遠心ポンプの構成図、
図９は本発明の実施の形態２における遠心ポンプの羽根
車の正面図、図１０は本発明の実施の形態２における遠
心ポンプが回転短軸を備えた羽根車の構成図、図１１は
本発明の実施の形態２における遠心ポンプのポンプ室内
壁面の正面図、図１２は本発明の実施の形態２における
遠心ポンプのポンプケーシング厚さが半径方向に減少す
る構成図である。なお、実施の形態２の遠心ポンプは実
施の形態１の遠心ポンプと同一の構成部分を有している
ため、同一符号の説明は省略する。

【００５４】図８において、１９ｂは吸込路１９とつな
がった吸水口であり、羽根車１１の中心近傍に設けら
れ、背面側とポンプ室１５ａ側とを貫通するものであ
る。この吸水口１９ｂは、図９に示すように半径方向の
同位置にずれて設けられた３個の貫通孔から構成され
る。吸込路１９はケーシングカバー１６のステータ１４
の中央に設けられており、吸水口１９ｂと連通する。固
定軸１７、軸受１８は実施の形態１と同様に配置され
る。

【００５５】このように、吸込路１９を受熱面１５ｂと
反対側に配置したことにより、ポンプケーシング１５の
受熱面１５ｂ側の肉厚を薄くすることができ、発熱量に
比べケーシングから冷媒への伝達係数が充分大きくと
れ、大きな熱伝達量が得られる場合は、熱をポンプ室１
５ａに沿って広げる必要がなく、受熱効率を増すことが
できる。また、羽根車１１の中心近くに吸水口１９ｂを
設けることにより、羽根車１１の背面から冷媒を吸い込
むことができる。

【００５６】なお、図１０（ａ），（ｂ）に示すよう
に、固定軸を取り除いて、羽根車１１の背面から冷媒を
吸い込む構成としてもよい。図１０（ａ）において、１
６ａはケーシングカバー、１６ｂはケーシングカバー１
６ａの中央に設けられ吸込路１９が内部に設けられる筒
部、１７ａは羽根車１１の中央に設けられた回転短軸、
１８ｂは筒部１６ｂに設けられ回転短軸１７ａが挿入さ
れて軸支する軸受、１９ｃは羽根車１１の軸中心に形成
された貫通孔からなる吸水口である。２４は吸水口１９
ｃと対向するポンプ室内壁面１５ｃ中央に設けられた柱
状体やリブ等の突起体である。なお、実施の形態２の場
合、突起体２４は円柱である。また図１０（ｂ）におい
て、１１ｃは羽根１２の入口側もしくは羽根１２間に設
けられた根車突起体である。

【００５７】このように吸水口１９ｃによって、背面側
の吸込路１９とポンプ室１５ａを連通させ、羽根車１１
の背面側からの吸込みが可能となる。発熱電子部品２と
反対側からの吸い込みにより、受熱面１５ｂのポンプ室
壁面１５ｃに冷媒を直接噴射する噴流効果も加わって、
高効率の受熱が可能となる。

【００５８】また、ポンプ室内壁面１５ｃから突起体２
４が突出されることにより、受熱面積が増加し、受熱量
を大幅に向上させることができる。また突起体２４によ
り、ポンプ室内壁面１５ｃで乱流を発生させ、受熱効率
を向上させることができる。羽根車１１の中央部分には
羽根１２が存在しないため、この部分に突起体２４を設
けるのが容易であり、とくに発熱電子部品２の中心が設
置バランス上、羽根車１１の中央に位置することが多い
ので、この部分に突起体２４を設けることにより局所的
に受熱効率を向上させることができる。すなわち、羽根
車１１の中央で吸水するため、この位置に突起体２４を
設けることは、発熱電子部品２の熱が一番高く冷媒との
温度差を最も大きいため、伝熱量が大きくなる。また、
この部分で突起体２４を設けることにより伝熱面積を増
加させるため、熱抵抗を減少させることができ熱量の移
動を促進できる。さらに、噴流効果による受熱効率向上
が望めるものである。そして突起体２４で乱流が発生
し、これによる受熱効率向上もアップする。なお、突起
体２４に代えて溝を形成するのでも、同様の作用効果が
期待できる。

【００５９】さらに、図１０（ｂ）に示すように、ポン
プ室１５ａの羽根１２の入口側に突起体２４を設け、こ
の突起体２４と半径方向にみていわば噛み合うような配
置で攪拌用羽根車突起体１１ｃを設けるのが好適であ
る。望ましくは攪拌用羽根車突起体１１ｃを螺旋状に配
置させるのがよい。接触を避けるため、突起体２４は攪
拌用羽根車突起体１１ｃと同心円上に位置しないよう
に、半径方向にずれた位置で対向して設ける必要があ
る。攪拌用羽根車突起体１１ｃと突起体２４の攪拌作用
によって羽根１２の入口側で乱流化が促進され、また突
起体２４の存在で放熱面積が増していることもあり、受
熱効率がきわめて向上する。実験によれば、３０００ｒ
ｐｍで、この構成による熱伝導率は６０００Ｗ／ｍ²Ｋ
近傍を示し、受熱面１５ｂから冷媒に最大の熱量を放熱
することができる。

【００６０】また、発熱電子部品２の接触面積が羽根１
２の回転面積より小さく、受熱した熱をポンプ室１５ａ
に沿った側面に広げる必要がある場合には、薄い肉厚の
ポンプケーシングより、図１２に示すように中心部が盛
り上がったポンプ室内壁面１５ｃが受熱効率の向上には
貢献する。図１２において、１５ｄはポンプケーシング
１５の肉厚が羽根車１１の軸中心を中心として半径方向
に減少するように構成したポンプ室内壁面である。熱流
束は通過する断面積が大きかったり、熱伝導率が大きい
などといった熱抵抗が小さい部分を流れ易く、肉厚が半
径方向に減少するポンプ室内壁面１５ｄとすることによ
り、熱をポンプ室１５ａに沿った側面にまで広げること
ができる。

【００６１】ところで、図１０で示した遠心ポンプの構
成においては、マグネットロータ１３の周方向内周面と
外周面、羽根車１１の表面にへリングボーン形状等の溝
を形成して羽根車１１を流体の動圧で保持するととも
に、ケーシングカバー１６ａの筒部１６ｂの軸受１８ｂ
と羽根車１１の中央に設けられた回転短軸１７ａとの間
で軸支するから、簡単な構成で羽根車１１の安定した円
滑な回転を確保し、伝熱を促進させることができる。

【００６２】（実施の形態３）実施の形態３の遠心ポン
プは、羽根車１１を円盤状とし、羽根車１１に着磁した
ものである。図１３は本発明の実施の形態３における冷
却装置を構成する熱交換型の遠心ポンプの構成図であ
る。図１３において、１１ｂは羽根車１１の背面に着磁
されて設けられたマグネットである。マグネット１１ｂ
は、別体の平板状の磁石を羽根車に取り付けることで形
成するのでもよい。さらに実施の形態１，２と同様に、
受熱効率を向上させうるために、ポンプ室壁面１５ｃに
凹部や柱状体、羽根車１１にブラシ、ブレードを設けた
り、中心部の肉厚を増したりもできる。

【００６３】このように実施の形態３の遠心ポンプ１
は、軸方向の厚さを薄型にすることができ、ノート型パ
ソコンのように携行可能な小型の電子機器に搭載するこ
とにより、発熱電子機器２の冷却を効果的に行うことが
できる。

【００６４】

【発明の効果】本発明の冷却装置によれば、開放型の羽
根車の羽根がポンプ室内部に形成される層流境界層を剥
ぎ取るため乱流化して伝熱量が増し、吸込路が受熱面と
ポンプ室の内壁面との間に設けられているので、これに
よって吸込路近傍の受熱面の温度を下げることができ、
吸込路が発熱電子部品の側に張り出していないので、受
熱面に遠心ポンプの内部構成による形状の変化を形成す
る必要がなく、受熱面と発熱電子部品の上部表面が密着
しているので、熱を効果的に受熱することができる。

【００６５】肉厚方向に短軸をもつ楕円形状の断面を有
してため、ポンプ室と発熱部品との距離を縮めることが
できるために、その間の熱抵抗を下げることができる。

【００６６】吸水口と連通する吸込路が受熱面と対向す
るポンプケーシング側に設けられたため、ポンプ室の受
熱面と反対側から吸い込むことを可能とし、結果に、ポ
ンプ室と発熱部品との距離を縮めることができるため
に、その間の熱抵抗を下げることができる。

【００６７】吸水口が、羽根車の軸中心と一致する軸中
心を有してから、羽根車内の流れの対称性を保てるため
流量を最も効率よく送ることができ、熱を効果的に受熱
することができる。

【００６８】羽根車の軸中心とずれた位置に貫通孔が形
成されているから、ポンプ室の羽根車背面から貫通孔を
通って還流させることができ、羽根車中央に滞留し易い
気泡やキャビティを排出し、キャビテーションによる騒
音をなくし伝熱速度を向上できる。

【００６９】ポンプ室内壁面には、羽根の側面が回転す
る部分を含んで動圧溝が設けられているから、動圧溝が
羽根車に円滑な回転をさせ、摩擦で発生する熱を抑え、
受熱面の背面の表面積を増し、熱を効果的に受熱するこ
とができる。羽根の側面がスライドする部分の少なくと
も一部に層流境界層を剥離させる凹部が多数設けられて
いるから、伝熱量が小さい層流境界層を剥離させ、乱流
境界層として伝熱を促進させることができる。羽根の側
面がスライドする部分の少なくとも一部に多数の突起体
が設けられたため、ポンプ室内の冷媒の乱流発生を促進
し、伝熱を促進させることができる。羽根の側面がスラ
イドする部分の少なくとも一部に複数の突起体もしくは
溝を設けたから、ポンプ室内の冷媒の乱流発生を促進
し、伝熱面積を増加させることができるために伝熱を促
進することができる。

【００７０】羽根の入口側もしくは羽根間に攪拌用羽根
車突起体が形成され、攪拌用羽根車突起体が流路を攪拌
するため、ポンプ室内の冷媒の乱流発生を促進すること
ができる。また、攪拌用羽根車突起体が、ポンプ室内壁
に形成された突起体と半径方向でずれた位置に対向して
設けられるため、攪拌用羽根車突起体が突起体と接触せ
ずに流路を効果的に攪拌し、ポンプ室内の冷媒の乱流発
生を促進し、伝熱面積も増加させ、伝熱効率を更に向上
させることができる。

【００７１】羽根の側面には、ポンプ室内壁の表面と接
触する弾性線状体もしくは弾性板状体が設けられたた
め、伝熱量が小さい層流境界層を剥離させ、乱流境界層
として伝熱を促進させることができる。ポンプケーシン
グ厚さが羽根車の軸中心を中心として半径方向に減少す
るため、電子部品からの熱をポンプ室全体に拡散しやす
くし、伝熱を促進させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置の構成
図

【図２】本発明の実施の形態１における冷却装置を構成
する熱交換型の遠心ポンプの構成図

【図３】本発明の実施の形態１における遠心ポンプの羽
根車正面図

【図４】本発明の実施の形態１における遠心ポンプの流
体軸受の展開図

【図５】本発明の実施の形態１における遠心ポンプのポ
ンプ室内壁面の外観図

【図６】（ａ）本発明の実施の形態１における遠心ポン
プの羽根車に取り付けたブラシの説明図（ｂ）本発明の実施の形態１における遠心ポンプの羽根
車に取り付けたブレードの説明図

【図７】図２の遠心ポンプのＸ−Ｘ断面図

【図８】本発明の実施の形態２における冷却装置を構成
する熱交換型の遠心ポンプの構成図

【図９】本発明の実施の形態２における遠心ポンプの羽
根車の正面図

【図１０】本発明の実施の形態２における遠心ポンプが
回転短軸を備えた羽根車の構成図

【図１１】本発明の実施の形態２における遠心ポンプの
ポンプ室内壁面の正面図

【図１２】本発明の実施の形態２における遠心ポンプの
ポンプケーシング厚さが半径方向に減少する構成図

【図１３】本発明の実施の形態３における冷却装置を構
成する熱交換型の遠心ポンプの構成図

【図１４】従来の電子機器の第１冷却装置の構成図

【図１５】従来の電子機器の第２冷却装置の構成図

【符号の説明】１遠心ポンプ２発熱電子部品３放熱器４循環路１１羽根車１１ａ貫通孔１１ｂマグネット１１ｃ攪拌用羽根車突起体１２羽根１３マグネットロータ１４ステータ１５ポンプケーシング１５ａポンプ室１５ｂ受熱面１５ｃ，１５ｄポンプ室内壁面１６，１６ａケーシングカバー１６ｂ筒部１７固定軸１７ａ回転短軸１８，１８ｂ軸受１８ａ動圧発生溝１９吸込路１９ａ，１９ｂ，１９ｃ吸水口２０吐出路２１凹部２２ブラシ２３ブレード２４突起体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者庭月野恭福岡市博多区美野島４丁目１番62号パナソニックコミュニケーションズ株式会社内 (72)発明者久保田俊幸福岡市博多区美野島４丁目１番62号パナソニックコミュニケーションズ株式会社内 (56)参考文献特開2002−151638（ＪＰ，Ａ) 特開2002−94277（ＪＰ，Ａ) 特開2002−374084（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F25D 9/00 G06F 1/20 H05K 7/20

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】冷媒を循環するための閉循環路に放熱器と
接触熱交換型の遠心ポンプが設けられ、前記遠心ポンプ
が発熱電子部品に接触されて内部の冷媒の熱交換作用で
該発熱電子部品から熱を奪い、前記放熱器から放熱を行
う冷却装置であって、前記遠心ポンプが、高熱伝導率の材料で構成されたポン
プケーシングと開放型の羽根車とを備え、前記ポンプケーシングには、内部のポンプ室に沿った側
面に受熱面が形成され、且つ該受熱面が接触位置におい
て前記発熱電子部品の上部表面の３次元的な形状と相補
的な形状に形成されとともに、前記受熱面と前記ポンプ
室の内壁面との間に吸込路が設けられたことを特徴とす
る冷却装置。
【請求項２】前記吸込路が、前記ポンプケーシングの肉
厚方向に短軸をもつ楕円形状の断面を有していることを
特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】請求項１記載の冷却装置において、受熱面
とポンプ室の内壁面との間に吸込路が設けられるのに代
えて、前記羽根車の中心に吸水口が形成され、該吸水口
と連通する吸込路が前記受熱面と対向するポンプケーシ
ング側に設けられたことを特徴とする冷却装置。
【請求項４】前記吸水口が、前記羽根車の軸中心と一致
する軸中心を有していることを特徴とする請求項３記載
の冷却装置。
【請求項５】前記羽根車には、該羽根車の軸中心とずれ
た位置に貫通孔が形成されていることを特徴とする請求
項１〜４のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項６】前記ポンプ室内壁面には、前記羽根の側面
が回転する部分に動圧溝が設けられたことを特徴とする
請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項７】ポンプ室内壁には、前記羽根の側面がスラ
イドする部分の少なくとも一部に層流境界層を剥離させ
る凹部が多数設けられていることを特徴とする請求項１
〜６のいずれかに記載の冷却装置。
【請求項８】ポンプ室内壁には、前記羽根の側面がスラ
イドする部分の少なくとも一部に多数の突起体が設けら
れたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の
冷却装置。
【請求項９】ポンプ室内壁には、前記吸込路が対向する
する部分の少なくとも一部に複数の突起体もしくは溝を
設けたことを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
【請求項１０】前記羽根車には、前記羽根の入口側もし
くは前記羽根間に攪拌用羽根車突起体が形成されている
ことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の冷却
装置。
【請求項１１】前記攪拌用羽根車突起体が、前記ポンプ
室内壁に形成された突起体と半径方向でずれた位置に対
向して設けられることを特徴とする請求項１０記載の冷
却装置。
【請求項１２】前記羽根の側面には、前記ポンプ室内壁
の表面と接触する弾性線状体もしくは弾性板状体が設け
られたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記
載の冷却装置。
【請求項１３】前記受熱面のポンプケーシング厚さが前
記羽根車の軸中心を中心として半径方向に減少すること
を特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載の冷却装
置。
【請求項１４】冷媒の循環路と、前記循環路内の冷媒を循環させるポンプと、前記循環路内の冷媒の熱を放出する放熱器とを備えた電
子部品の冷却装置であって、前記ポンプは、前記ポンプのハウジングと前記電子部品
が熱的に接触するよう、前記電子部品に直接連結され、
前記ポンプのポンプ室の中央部に吸水口が設けられたこ
とを特徴とする電子部品の冷却装置。
【請求項１５】請求項１４記載の電子部品の冷却装置に
おいて、前記ポンプのポンプ室の中央部に吸水口が設け
られたことを特徴とする電子部品の冷却装置。
【請求項１６】前記ポンプのポンプ室内壁には、前記羽
根車の側面がスライドする部分の少なくとも一部に層流
境界層を剥離させる剥離手段がけられていることを特徴
とする請求項１４記載の電子部品の冷却装置。
【請求項１７】前記剥離手段が、少なくともポンプ室内
壁には凹部または突起体が設けられていることを特徴と
する請求項１４記載の電子部品の冷却装置。
【請求項１８】前記剥離手段が、前記羽根車の側面に前
記ポンプ室内壁の表面と接触する弾性線状体もしくは弾
性板状体が設けられたことを特徴とする請求項１４記載
の電子部品の冷却装置。