JP4386165B2 - 液体循環装置および該液体循環装置を備えた電子機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子機器において発熱する部品の冷却に用いられる液体循環装置、およびそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の高性能化や処理速度の高速化などに伴い、ＣＰＵ等の電子部品の消費電力はますます増大している。その結果、電子部品の発熱量も大きくなり、こうした電子部品から発生し電子機器内に滞留する熱を効率よく放熱することは、電子機器の動作保証の観点から不可欠な技術になっている。
【０００３】
パーソナルコンピュータにおける冷却装置の例として、電磁モータで駆動されるファンによる強制空冷システムが一般的である。今後もさらに冷却能力の向上が予想され、このような状況ではファンによる冷却では限界がある。そこで、最近では、冷却能力の向上のため、ポンプによって液体を循環させることによって冷却効果を向上させるなど、液体を媒介とした水冷式の冷却機構が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２等参照。）。
【０００４】
図１１に、電子部品などの熱源の冷却に用いられる従来の液体循環装置の概念図を示す。図１１において、液体循環装置１０１は、閉路構造の液路１１４を構成する液路ユニット１１０と、液体を循環させる駆動源となるポンプ１２０とを有する。液路１１４は、１本の流路で構成され、液路ユニット１１０の内部に所定の経路を通って形成されている。液路ユニット１１０は、液路１１４の経路に従った溝が形成された液路板１１２を、上板１１１と下板１１３とで挟んで構成される。液路ユニット１１０の側面には、液路１１４の一端および他端が開口しており、これらにそれぞれポンプ１２０の排出口１２０ａおよび流入口１２０ｂが接続されている。液路１１４およびポンプ１２０の内部は冷却用の液体で満たされており、ポンプ１２０を駆動することによって、液体が液路１１４内を白抜き矢印方向に循環する。
【０００５】
上板１１１または下板１１３には、熱源となる部品１３０が配置される。部品１３０から発生した熱は、液路ユニット１１０に伝達する。液路ユニット１１０の内部では液体が循環しているので、液路ユニット１１０に伝達した熱は、液体の熱伝達作用を通じて液体循環装置全体に均一に拡散し、結果的に、部品１３０の熱は効率よく放熱される。
【０００６】
特に携帯型の電子機器においては、液路内に液体の流れを発生させるポンプとして、特許文献２にも開示されているように、小型で高い吐出力を発生することができる圧電ポンプが用いられることが多い。圧電ポンプは、内部に圧力室を有するケーシングと、圧力室の一壁を構成する振動子と、それぞれ液路に接続する流入口および排出口と、圧力室と流入口とを連結する流入路と、圧力室と排出口とを連結する排出路とを有する。振動子は、金属などからなる弾性板に圧電素子を貼り合わせたもので、圧電素子を駆動して弾性板を振動させることで、液体に作用させる圧力を圧力室内に発生させる。流入路には、流入路内での液体の流れ方向を、流入口側から圧力室側のみに規制するための流入チェック弁が設けられている。同様に、排出路にも、排出路内での液体の流れ方向を、圧力室側から排出口側のみに規制するための排出チェック弁が設けられている。
【０００７】
圧電ポンプによる液体の循環は、以下のようにして行われる。振動子を変位させて圧力室内の容積を拡大すると、圧力室内の圧力が負圧となり、それに伴って流入チェック弁が開いて流入路から圧力室内へ液体が供給される。このとき、排出チェック弁の作用により、排出路からの液体の供給はない。次いで、振動子を逆向きに変位させ、圧力室内の容積を縮小させる。これにより、圧力室内の圧力が上昇し、それに伴って排出チェック弁が開き、圧力室内の液体が排出路から吐出される。このとき、流入チェック弁の作用により、流入路からの液体の吐出はない。以上の動作を繰り返すことで、液路内の液体が一方向に流れ、結果的に、液路内を循環する。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−９９３５６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３２１７４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように閉路構造の液路に対して圧電ポンプを用いて液体を循環させた場合、以下に述べるような問題点があった。
【００１０】
圧電ポンプは、上述したように、振動子の動作により圧力室内に圧力波を発生させて液体の移動を誘起させるとともに、流入チェック弁および排出チェック弁を交互に開閉することにより液体の流れ方向を規制している。したがって、排出チェック弁が開いているときには流入チェック弁は閉じており、このとき、圧電ポンプの流入口近傍では液路内の液体の流れが制限される。また、流入チェック弁の動作は極めて短時間で行われ、これにより液体の流れが急激に変化するため、圧電ポンプの流入口近傍では液路内に乱流が発生する。
【００１１】
以上のことから圧力室への液体の供給が効率よく行われず、液路を単位時間あたりに移動する液体の体積量すなわち流量が小さくなってしまい、結果的に、ポンプ効率が低下してしまう。ポンプ効率の低下は冷却効率の低下を意味する。
【００１２】
そこで本発明は、ポンプを用いた液体循環装置において、液路内での液体の循環を効率よく行わせ、液体の流量を増大させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の液体循環装置は、液体の流入口および排出口を備えるとともに、チェック弁を内部に有し、前記流入口から流入した液体を前記排出口から排出することで液体の流れを発生させるポンプ手段と、
前記ポンプ手段の排出口から排出された液体を循環させて前記流入口へ戻す閉路構造の液路とを有し、
前記液路は、閉じた液路を構成する主液路と、該主液路から分岐して前記流入口と接続される分岐液路と、前記排出口と接続されて前記主液路と合流する合流液路とを有し、
前記合流液路の、前記主液路への合流角度は、合流によって前記主液路の流れを停止させないような角度であることを特徴とする。
【００１４】
このように、液路を、主液路、分岐液路、および合流液路に分けることにより、ポンプ手段のチェック弁の作用によりポンプ手段への液体の流入が一時的に停止した場合であっても、液体は主液路を流れ続けることができるので、液体の循環効率が向上し、液体の流量が増大する。ここで、合流液路の主液路への合流角度を適切に設定することによって、主液路の流れが妨げられることはなくなる。
【００１５】
本発明の液体循環装置において、分岐液路に、分岐液路よりも断面積が大きい液溜めを設けることが好ましい。これにより、ポンプ手段の動作により分岐液路に発生する液流の乱れが防止される。この効果をより効果的に発揮させるには、液溜めはポンプ手段の流入口との接続部に設けることが好ましい。また、液溜めを、液溜め内の圧力変動によって容積が可変となるように構成することで、上記効果がより効果的に発揮されるとともに、急激な温度変化に伴う液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動が抑制される。
【００１６】
さらに、本発明の液体循環装置は、連絡路を介して主液路に連絡した第２の液溜めを有していてもよい。このような第２の液溜めを設けることで、液体中に発生した気泡を第２の液溜めに滞留させることが可能となり、液路での圧力損失が低減する。また、連絡路の断面積を主液路の断面積よりも小さくすれば、第２の液溜めを流れる液体の流量が抑制されるので、主液路での液体の流れが確保される。
【００１７】
本発明によれば、上述のように液体の循環効率が向上するので、本発明は、発熱する電子部品を備えた電子機器において、電子部品を冷却するための装置として好適に用いられる。本発明の電子機器は、上述した本発明の液体循環装置を有し、電子部品がこの液体循環装置に接触または近接して配置されている。このように、本発明の液体循環装置を電子機器に用いることにより、電子部品が効率よく冷却される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による液体循環装置の分解斜視図である。また図２は、図１に示す液体循環装置における液路の平面図である。
【００２０】
本実施形態の液体循環装置１は、例えば、電子機器における電子部品の冷却装置として好適に用いることができるものであり、大きく分けて、液路が設けられた液路ユニット１０と、液路ユニット１０に接続されて、液路内の液体を循環させる圧電ポンプ２０とを有する。これら液路ユニット１０と圧電ポンプ２０とにより、閉路構造の液路が構成され、この液路内には循環すべき液体が充填されている。
【００２１】
液路ユニット１０は、液路の経路に従った所定のパターンで溝が形成された液路板１２の上下面をそれぞれ上板１１および下板１３で挟んで構成したもので、これにより、液路ユニット１０内に液路が形成される。液路ユニット１０内に形成される液路は、圧電ポンプ２０を経由しない経路を通りそれ自身で閉じた液路を構成する主液路１４と、主液路１４から分岐して、圧電ポンプ２０の流入口２０ｂに対応する位置で液路ユニット１０の側面に開口する分岐液路１５と、圧電ポンプ２０の排出口２０ａに対応する位置で液路ユニット１０の側面に開口し、主液路１４と合流する合流液路１６とを有する。したがって、分岐液路１５は圧電ポンプ２０の流入口２０ｂに接続し、合流液路１６は圧電ポンプ２０の排出口２０ａに接続し、液路内の液体は図１の白抜き矢印で示す方向に流れ、液路内を循環する。主液路１４での液体の流れは、圧電ポンプ２０の動作による、分岐液路１５からの液体の吸引と、合流液路１６への液体の排出によって作り出される。
【００２２】
次に、圧電ポンプ２０について、図３を参照して説明する。なお、本実施形態では以下に説明する図３に示す構成の圧電ポンプ２０を用いているが、圧電ポンプの構成はこれに限定されるものではなく、チェック弁の動作により液体を流入口から吸引し排出口から吐出する構成を有する一般的な圧電ポンプを用いることができる。
【００２３】
圧電ポンプ２０は、２枚の圧電板２１が貼り合わされた振動板２２を有する。圧電板２１には交流電圧が印加され、圧電板２１は、印加される電圧の極性の変化に伴って、振動板２２とともに板厚方向に屈曲振動する。圧電板２１の両面には、圧電板２１に電圧を印加するための電極が形成される。電極としては、金、ニッケル、クロム、銅、銀、銀・パラジウム合金、白金などを用いることができる。圧電板２１への電極の形成は、焼成法、スパッタ法、メッキ法、蒸着法、化学気相法など、任意の方法を適用することができる。圧電板２１と振動板２２との貼り合わせには、エポキシ系、アクリル系、あるいはポリイミド系などの接着剤を用いることができる。
【００２４】
振動板２２の圧電板２１が貼り合わされた面と反対側の面には、各圧電板２１の位置と対応する位置がくり抜かれた圧力室板２３が接合され、さらにその裏面には上部チェック弁板２４が接合され、これによって、圧力室２３ａが形成される。
【００２５】
上部チェック弁板２４には、各圧力室２３ａに対応する位置にそれぞれ、流入チェック弁２４ａおよび排出孔２４ｂが形成されている。流入チェック弁２４ａは、上部チェック弁板２４に片持ち梁状に支持された部分として形成される。上部チェック弁板２４の裏面には、中間チェック弁板２５が接合されている。中間チェック弁板２５には、流入チェック弁２４ａに対応する位置に流入孔２５ａが形成されるとともに、排出孔２４ｂに対応する位置には排出孔２５ｂが形成されている。これにより、流入チェック弁２４ａは、圧力室２３ａに圧力が作用しない状態では流入孔２５ａを塞ぎ、中間チェック弁板２５側へは変位できないように構成されている。
【００２６】
中間チェック弁板２５の裏面には、下部チェック弁板２６が接合されている。下部チェック弁板２６には、流入孔２５ａに対応する位置に流入孔２６ａが形成されるとともに、排出孔２５ｂに対応する位置に排出チェック弁２６ｂが形成されている。排出チェック弁２６ｂも、流入チェック弁２４ａと同様に、下部チェック弁板２６に片持ち梁状に支持された部分として形成される。流入チェック弁２４ａは、圧力室２３ａに圧力が作用しない状態では排出孔２５ｂを塞ぎ、中間チェック弁板２５側へは変位できないように構成されている。
【００２７】
下部チェック弁板２６の裏面には流入排出板２７が接合されている。流入排出板２７には、流入口２０ｂと連通する流入路２７ｂ、流入路２７ｂから流入した液体を一時的に貯える補助室２７ｃ、および排出口２０ａと連通する排出路２７ａが形成されている。補助室２７ｃは、流入孔２６ａ、２５ａ、および流入チェック弁２４ａを介して圧力室２３ａと連通している。排出路２７ａは、排出チェック弁２６ｂ、および排出孔２５ｂ、２４ｂを介して圧力室２３ａと連通している。また、排出路２７ａの一部は、流入排出板２７側への排出チェック弁２６ｂの変位を許容する形状となっている。
【００２８】
流入排出板２７の裏面には弾性板２８が接合されている。さらに弾性板２８の裏面には、補助室２７ｃに対応する位置に補助室２７ｃとほぼ同形状に形成された中抜き部２９ａを有する剛性板２９が接合されている。
【００２９】
以上の構成において、振動板２２、圧力室板２３、上部チェック弁板２４、中間チェック弁板２５、下部チェック弁板２６、流入排出板２７、弾性板２８および剛性板２９には、それぞれアルミニウムを用い、拡散接合法によりこれらを接合することができる。また、これらの材質として他の金属や樹脂を用いることもできるし、各部材をそれぞれの機能に応じて互いに異なる材質で構成することもできる。圧電板２１としては、例えば、ジルコン酸・チタン酸鉛系セラミックス材料を用いることができる。また、圧電板２１と振動板２２との貼り合せに接着剤を利用可能であることは前述したとおりであるが、振動板２２としてジルコニアセラミックスやシリコンを用いれば、圧電板２１を印刷焼成法、スパッタ法、ゾルゲル法、化学気相法などにより振動板２２に一体形成することも可能である。
【００３０】
上述した圧電ポンプ２０は、以下のように作動する。
【００３１】
まず、圧電板２１に所定の極性で電圧を印加し、図示上向きに凸となるように変形させると、それに伴って振動板２２も上向きに変形し、圧力室２３ａの容積が拡大する。これにより流入チェック弁２４ａが上向きに変位し流入孔２５ａが開くので、液体は、流入口２０ｂ、流入路２７ｂ、補助室２７ｃ、および流入孔２６ａ,２５ａを順次通って、圧力室２３ａ内に流入する。このとき、排出チェック弁２６ｂは排出孔２５ｂを塞いだ状態となっているので、排出口２０ａ側からの液体の流入および排出はない。
【００３２】
次いで、圧電板２１に、上記とは逆極性の電圧を印加し、図示下向きに凸となるように変形させると、それに伴って振動板２２も下向きに変形し、圧力室２３ａの容積が縮小する。これにより排出チェック弁２６ｂが下向きに変位し排出孔２４ｂ、２４ｂが開くので、圧力室２３ａ内の液体は、排出路２７ａを通って排出口２０ａから排出される。それと同時に、流入チェック弁２４ａは流入孔２４ｂを塞ぐので、流入口２０ｂ側からの液体の流入および排出はない。
【００３３】
以上の動作を交互に繰り返すことで、流入口２０ｂからの液体の吸引と排出口２０ａからの液体の吐出が交互に繰り返され、その結果、図１に示す液路ユニット１０の液路内を、液体は白抜き矢印のように循環する。
【００３４】
上記の液体の循環動作において、圧電ポンプ２０による液体の排出過程中は、極めて短時間ではあるが、流入口２０ｂからの液体の吸引は停止する。ここで、本実施形態では、主液路１４から分岐した分岐液路１５を有し、この分岐液路１５が圧電ポンプ２０の流入口２０ｂと接続されているので、流入口２０ｂからの液体の吸引が停止しても、分岐液路１５への液体の流入が減少するだけであり、分岐液路１５に流入しなかった液体は、主液路１４をそのまま流れ続け、合流液路１６との合流部で、圧電ポンプ２０の排出口２０ａから排出されて合流液路１６を流れている液体と合流する。
【００３５】
そのため、従来のように液路内を流れる液体の全てが圧電ポンプ２０へ流入する場合と比較して、圧電ポンプ２０がどのような動作過程にあるかに拘らず、液路内の液体の流れを妨げることなく、効率よく液体を循環させ、液体の流量を増大させることができる。その結果、液体循環装置１を電子機器の冷却装置として適用した場合は、液路ユニット１０に直接、または液路ユニット１０の近傍に、発熱する電子部品を配置すれば、その部品の発する熱を効率よく放熱することができる。本実施形態によれば、圧電ポンプ２０の能力を十分に発揮できるので、圧電ポンプ２０も小型のものでよく、電子機器の中でも特に、携帯型の電子機器、例えばノートブック型のパーソナルコンピュータにも好ましく適用できる。
【００３６】
液体循環装置をコンピュータの冷却装置として用いた場合、発熱する電子部品として、代表的にはＣＰＵが挙げられる。つまり、液路ユニット１０にＣＰＵを接触させるか、または液路ユニット１０をＣＰＵの近傍に配置して液体循環装置１をコンピュータに搭載すれば、ＣＰＵの熱を効果的に放熱させることができる。
【００３７】
なお、主液路１４と合流液路１６とが合流する際、図４に示す両者の合流角度θが大きすぎると、合流部での主液路１４の流れが妨げられることもあり得る。したがって、より効率のよい流れを確保するためには、主液路１４と合流液路１６との合流角度θは、合流液路１６を流れてきた液体が主液路１４に合流することによって少なくとも主液路１４での流れを停止させないような角度であることが望ましい。
【００３８】
以下に、本実施形態についての具体的な例を説明する。
【００３９】
圧電ポンプ２０は、以下のように作製した。圧電板２１は、ジルコン酸・チタン酸鉛系セラミック材料で構成し、これを長さ１５ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍに加工し、その両面に銀電極を焼成法により形成した。圧電ポンプ２０を構成する圧電板２１以外の各部材は、アルミニウム板で形成し、これらを以下に示す寸法に加工し、拡散接合法により一体化した。圧電板２１と振動板２２との接合は、エポキシ系接着剤によって行った。
【００４０】
振動板２２の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍとした。圧力室板２３の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとし、これに、長さ１５ｍｍ、幅１５ｍｍの圧力室２３ａを形成した。上部チェック弁板２４の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍとし、これに、長さ１０ｍｍ、幅６ｍｍの流入チェック弁２４ａおよび直径５ｍｍの排出孔２４ｂを形成した。中間チェック弁板２５の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとし、これにそれぞれ直径５ｍｍの流入孔２５ａおよび排出孔２５ｂを形成した。下部チェック弁板２６の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとし、これに、直径０．５ｍｍの流入孔２６ａ、および長さ１０ｍｍ、幅６ｍｍの排出チェック弁２６ｂを形成した。流入排出板２７の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍとし、これに所定のパターンで排出路２７ａ、流入路２７ｂ、および補助室２７ｃを形成した。弾性板２８の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとした。剛性板２９の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ１ｍｍとした。以上の各部材を接合し、総厚２．５５ｍｍの薄型の圧電ポンプ２０とした。
【００４１】
一方、液路ユニット１０は、以下のように構成した。上板１１には、長さ２００ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金を用いた。液路板１２には、上板１１と同寸法のアルミニウム合金を用い、これにプレス加工によって主液路１４、分岐液路１５および合流液路１６を形成した。主液路１４は、液路幅を１０ｍｍ、液路全長を２００ｍｍとした。分岐液路１５および合流液路１６はそれぞれ、液路幅を１０ｍｍ、長さを３０ｍｍとした。上板１１と液路板１２とを、シリカガラス系ろう材を用いて接合した。下板１３としては、液路内での液体の流れを目視で観察できるようにするために、上板１１と同寸法の透明のアクリル板を用い、エポキシ系接着剤によって液路板１２と接合した。なお、液路内での液体の流れの状態を確認する必要がない場合は、下板１３を上板１１と同じ材質で構成しても、流れの特性には影響はない。
【００４２】
そして、液路ユニット１０の液路に不凍液を充填し、さらに、圧電ポンプ２０を、アルミ合金製コネクタを用いて液路ユニット１０に接合した。
【００４３】
以上のようにして液体循環装置を構成し、圧電板２１に、５０Ｖ、２００Ｈｚの交流電圧を印加して圧電ポンプ２０を駆動し、液路ユニット１０内の液体を循環させた。液路ユニット１０内の液体の流量を測定したところ、３０ｍｌ／ｍｉｎであった。また、下板１３側から液体の流れを観察したところ、図１、２に示す白抜き矢印の方向に液体が流れるのが確認できた。
【００４４】
本実施形態の効果を確認するため、比較例として、図１１に示した従来の構成の液体循環装置を作製し、その流量を測定した。この比較例の液体循環装置は、液路ユニット中の液路を、液路幅１０ｍｍ、液路全長を２００ｍｍとしたこと以外は、上述した本例の液体循環装置と同じであり、また、駆動条件も同じにした。比較例における流量は、１０ｍｌ／ｍｉｎであった。すなわち、本実施形態により、従来と比較して３倍の流量が得られた。
【００４５】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。本実施形態でも、液路ユニット３０内での液体の循環は圧電ポンプ（不図示）によって行われるが、圧電ポンプは第１の実施形態で説明したものと同様のものを使用できるので、ここでは圧電ポンプについての説明は省略し、液路ユニット３０の構成を中心に説明する。
【００４６】
本実施形態の液路ユニット３０も、第１の実施形態と同様に、液路の経路に従った所定のパターンで溝が形成された液路板３２の上下面をそれぞれ上板３１および下板３３で挟むことによって、液路を形成している。
【００４７】
液路は、第１の実施形態と同様に、それ自身で閉液路を構成する主液路３４と、主液路３４から分岐して不図示の圧電ポンプの流入口に対応する位置で液路ユニット３０の側面に開口する分岐液路３５と、圧電ポンプの排出口に対応する位置で液路ユニット３０の側面に開口し、主液路３４と合流する合流液路３６とを有する。
【００４８】
本実施形態ではさらに、分岐液路３５の、圧電ポンプの流入口との接続部に、分岐液路３５よりも断面積の大きい領域として形成された貯液部３７を有する。これにより、分岐液路３５に流入した液体は、貯液部３７に一旦保持された後、圧電ポンプに吸引される。液体が貯液部３７に保持されることによって、液体の流れが静流化する。その結果、圧電ポンプの液体排出過程における、分岐液路３５からの液体の流入が停止されることによる分岐液路３５での液体の流れの乱れといった、圧電ポンプへの液体の流入を妨げる圧力変動を防止することができる。したがって、効率よく圧電ポンプへ液体を流入させ、ポンプ効率を向上させることができる。
【００４９】
本実施形態の具体的な例を以下に示す。
【００５０】
ここでは、貯液部３７の寸法を、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、深さ１ｍｍとして分岐液路３５に形成したこと以外は第１の実施形態と同様に液体循環装置を作製し、第１の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。流量を測定したところ、５０ｍｌ／ｍｉｎであった。すなわち、前述した比較例と比べて５倍の流量が得られた。
【００５１】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。本実施形態は、上述した第２の実施形態をさらに発展させ、貯液部４７にバッファ的な機能を持たせたものである。すなわち、本実施形態では、貯液部４７に対応する上板４１の部分を、貯液部４７内の圧力変動によって変形可能な程度に剛性を低くした薄肉部４１ａとして形成し、この薄肉部４１ａにおいて、上板４１を変形可能な構造とている。より詳しくは、図７の断面図に示すように、上板４１の上面を、貯液部４７の上方の領域で部分的に除去することで薄肉部４１ａを形成している。その他、液路ユニット４０が上板４１、液路板４２および下板４３で構成されること、液路が主液路４４、分岐液路４５および合流液路４６を有することなどは第２の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００５２】
このように、変形可能な薄肉部４１ａを形成することによって、貯液部４７内の圧力変動に伴って貯液部４７の容積が変化し、その結果、貯液部４７における液体の流れの静流効果をより向上させることができる。また、変形可能な薄肉部４１ａを形成することによって、液路ユニット４０の急激な温度変化に伴う液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動をも抑制することができ、結果的に、急激な温度変化による液路ユニット４０の破壊、さらには圧電ポンプ（不図示）も含めた液体循環装置全体の破壊を防止することができる。
【００５３】
図６および図７では、上板４１の一部を、貯液部４７の形状に合致させて薄肉部４１ａとした例を示したが、その他にも、例えば図８および図９に示すように、貯液部５７の輪郭に沿って上板５１に薄肉部５１ａを形成し、薄肉部５１ａで囲まれた領域全体が変位する構成とすることによって、貯液部５７にバッファ的機能を持たせることもできる。この場合は、薄肉部５１ａで囲まれた上板５１の部分の重量が貯液部５７に作用するので、より安定した流れを形成することができる。
【００５４】
なお本実施形態では、上板の一部に薄肉部を設けることによって貯液部の容積を可変とする構造を示したが、上板にではなく下板に対して薄肉部を設けた構成としてもよいし、上板および下板の両方に薄肉部を設けた構成としてもよい。また、構造的にではなく、上板および下板のうち変形させたい部材または部分の材質を、他の部材または部分よりも剛性が低く、貯液部内の圧力変動によって変形可能な材質で構成してもよい。
【００５５】
本実施形態の具体的な例を以下に示す。
【００５６】
ここでは、図６に示すような薄肉部４１ａを、化学的エッチング法により、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの寸法で、上板４１の貯液部４７と対応する位置に形成したこと以外は第２の実施形態と同様にして液体循環装置を作製し、第２の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。流量を測定したところ、６０ｍｌ／ｍｉｎであった。これは、前述した比較例に対して６倍の流量である。
【００５７】
さらに、図８に示すような薄肉部５１ａを、貯液部５７の輪郭に沿って、幅２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの寸法で形成したこと以外は第２の実施形態と同様にして液体循環装置を作製し、第２の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。流量を測定したところ、５５ｍｌ／ｍｉｎであった。これは前述した比較例に対して５．５倍の流量である。
【００５８】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。本実施形態でも、液路ユニット６０内での液体の循環は圧電ポンプ（不図示）によって行われるが、圧電ポンプは第１の実施形態で説明したものと同様のものを使用できるので、ここでは圧電ポンプについての説明は省略し、液路ユニット６０の構成を中心に説明する。
【００５９】
本実施形態の液路ユニット６０も、第１の実施形態と同様に、液路の経路に従った所定のパターンで溝が形成された液路板６２の上下面をそれぞれ上板６１および下板６３で挟むことによって、液路を形成している。本実施形態と第１の実施形態との違いは、２つの連絡路６９を介して主液路６４に連絡する貯液部６８が設けられている点である。その他は第１の実施形態と同様に構成することができる。
【００６０】
このように、主液路６４を流れる液体を保持する貯液部６８を設けることによって、急激な温度変化による液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動を低減することができる。この効果は、貯液部６８を、連絡路６９を介して主液路６４と連絡するのではなく、主液路６４の断面積を部分的に大きくした部分として形成しても得ることができる。なお、本実施形態の貯液部６８に対しても、第３の実施形態と同様に、貯液部６８の容積を可変とすることのできる構成を適用すれば、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
また、貯液部６８は、連絡路６９を介して主液路６４と連通しているので、貯液部６８を流れる液体の流量を、主液路６４を流れる液体の流量よりも少なくすることができる。このことにより、液体中に発生する気泡を貯液部６８に滞留させることが可能となるため、液路での圧力損失を低減し、結果的に、ポンプの圧力伝達効率を向上させることができる。さらに、貯液部６８に滞留した気泡は、温度変化による液体の体積収縮に対するダンパーとして利用することもできる。これにより、液路ユニット６０の構造強度を保つことができ、耐久性が向上する。
【００６２】
ここで、連絡路６９の断面積を主液路６４の断面積よりも小さくし、貯液部６８での音響インピーダンスを高めることによって、貯液部６８を流れる液体の流量を極小にすることができる。これにより、主液路６４の液体の流れを妨げることなく主液路６４での液体の流れを確保することができる。
【００６３】
本実施形態では一つの貯液部６８を設けた例を示したが、主液路６４に複数の貯液部６８を設けてもよい。また、第２の実施形態で示した構成、すなわち分岐液路に対して貯液部を設けた構成を付加したり、さらにその貯液部に対して、第３の実施形態で示した構成を付加した構成としてもよく、これにより、それぞれの構成の相乗効果が得られる。
【００６４】
本実施形態の具体的な例を以下に示す。
【００６５】
ここでは、図６に示したのと同様に液路板６２に貯液部を形成するとともに上板６１に薄肉部を形成し、さらに、図１０に示す貯液部６８および連絡路６９を液路板６２に形成したこと以外は第１の実施形態と同様にして液体循環装置を作製し、第１の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。分岐液路に設ける貯液部の寸法は、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、深さ１ｍｍとした。上板６１に設ける薄肉部の寸法は、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍとした。主液路６４に連絡する貯液部６８の寸法は、幅２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、深さ１ｍｍとした。連絡路６９の寸法は、幅１ｍｍとした。
【００６６】
流量を測定したところ、７０ｍｌ／ｍｉｎであった。これは、前述した比較例に対して７倍の流量である。また、アクリル板で構成した下板６３側から液体の流れを観察したところ、貯液部６８に気泡が滞留していることが確認できた。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施形態について幾つかの例を挙げて説明した。上述した各実施形態では液路を３枚の板部材を積層した構造体中に形成したが、液路は、これに限らず配管（チューブ）で構成してもよい。また、液路の経路についても前述した各実施形態で示した経路に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更することができる。さらに、液路に付加的に設けられる各種構造（貯液部など）の配置や形状なども、必要に応じて自由に変更することができる。
【００６８】
液路中に液体の流れを生じさせる駆動源として、上述した各実施形態では圧電ポンプを例に挙げたが、駆動源は圧電ポンプに限定されるものではなく、チェック弁により液体の流れの方向を規制する構成を有する種々のポンプであっても同様の効果が得られる。ただし、圧電ポンプは、非常に小型に構成できるので、小型の液体循環装置とするためには圧電ポンプを用いるのが好ましい。
【００６９】
さらに、本発明は電子機器における冷却装置として好適に用いられるものであるが、本発明は、液体を循環させる種々の装置に広く適用することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、主液路から分岐してポンプに接続する分岐液路を設けることで、液体を効率よく循環させ、液体の流量を増大させることができる。また、分岐液路に液溜めを設けることで、分岐液路に発生する液流の乱れを防止することができ、より効果的に液体の循環効率を向上させることができるし、この液溜めを容積が可変となるように構成することで、急激な温度変化に伴う液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動を抑制することができる。さらに、連絡路を介して主液路に連絡する第２の液溜めを設けることで、液体中に発生した気泡を第２の液溜め内に滞留させることができる。これにより、液路での圧力損失を低減し、結果的に、ポンプの圧力伝達効率を向上させることができる。
【００７１】
以上のことにより、本発明の液体循環装置を電子機器の冷却装置として用いることにより、発熱する電子部品を効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による液体循環装置の分解斜視図である。
【図２】図１に示す液体循環装置における液路の平面図である。
【図３】図１に示す圧電ポンプの分解斜視図である。
【図４】図２に示す液路の、主液路と合流液路との合流部を拡大して示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による液路ユニットの一例の分解斜視図である。
【図７】図６に示す上板の、薄肉部での断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による液路ユニットの他の例の分解斜視図である。
【図９】図８に示す上板の、薄肉部での断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。
【図１１】電子部品などの熱源の冷却に用いられる従来の液体循環装置の概念図である。
【符号の説明】
１ 液体循環装置
１０，３０，４０，６０ 液路ユニット
１１，３１，４１，５１，６１ 上板
１２，３２，４２，６２ 流路板
１３，３３，４３，６３ 下板
１４，３４，４４，６４ 主液路
１５，３５，４５ 分岐液路
１６，３６，４６ 合流液路
２０ 圧電ポンプ
２０ａ 排出口
２０ｂ 流入口
２１ 圧電板
２２ 振動板
２３ 圧力室板
２４ 上部チェック弁板
２４ａ 流入チェック弁
２５ 中間チェック弁板
２６ 下部チェック弁板
２６ｂ 排出チェック弁
２７ 流入排出板
２８ 弾性板
２９ 剛性板
３７，４７，５７，６８ 貯液部
４１ａ，５１ａ 薄肉部
６９ 連絡路
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば電子機器において発熱する部品の冷却に用いられる液体循環装置、およびそれを用いた電子機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の高性能化や処理速度の高速化などに伴い、ＣＰＵ等の電子部品の消費電力はますます増大している。その結果、電子部品の発熱量も大きくなり、こうした電子部品から発生し電子機器内に滞留する熱を効率よく放熱することは、電子機器の動作保証の観点から不可欠な技術になっている。
【０００３】
パーソナルコンピュータにおける冷却装置の例として、電磁モータで駆動されるファンによる強制空冷システムが一般的である。今後もさらに冷却能力の向上が予想され、このような状況ではファンによる冷却では限界がある。そこで、最近では、冷却能力の向上のため、ポンプによって液体を循環させることによって冷却効果を向上させるなど、液体を媒介とした水冷式の冷却機構が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２等参照。）。
【０００４】
図１１に、電子部品などの熱源の冷却に用いられる従来の液体循環装置の概念図を示す。図１１において、液体循環装置１０１は、閉路構造の液路１１４を構成する液路ユニット１１０と、液体を循環させる駆動源となるポンプ１２０とを有する。液路１１４は、１本の流路で構成され、液路ユニット１１０の内部に所定の経路を通って形成されている。液路ユニット１１０は、液路１１４の経路に従った溝が形成された液路板１１２を、上板１１１と下板１１３とで挟んで構成される。液路ユニット１１０の側面には、液路１１４の一端および他端が開口しており、これらにそれぞれポンプ１２０の排出口１２０ａおよび流入口１２０ｂが接続されている。液路１１４およびポンプ１２０の内部は冷却用の液体で満たされており、ポンプ１２０を駆動することによって、液体が液路１１４内を白抜き矢印方向に循環する。
【０００５】
上板１１１または下板１１３には、熱源となる部品１３０が配置される。部品１３０から発生した熱は、液路ユニット１１０に伝達する。液路ユニット１１０の内部では液体が循環しているので、液路ユニット１１０に伝達した熱は、液体の熱伝達作用を通じて液体循環装置全体に均一に拡散し、結果的に、部品１３０の熱は効率よく放熱される。
【０００６】
特に携帯型の電子機器においては、液路内に液体の流れを発生させるポンプとして、特許文献２にも開示されているように、小型で高い吐出力を発生することができる圧電ポンプが用いられることが多い。圧電ポンプは、内部に圧力室を有するケーシングと、圧力室の一壁を構成する振動子と、それぞれ液路に接続する流入口および排出口と、圧力室と流入口とを連結する流入路と、圧力室と排出口とを連結する排出路とを有する。振動子は、金属などからなる弾性板に圧電素子を貼り合わせたもので、圧電素子を駆動して弾性板を振動させることで、液体に作用させる圧力を圧力室内に発生させる。流入路には、流入路内での液体の流れ方向を、流入口側から圧力室側のみに規制するための流入チェック弁が設けられている。同様に、排出路にも、排出路内での液体の流れ方向を、圧力室側から排出口側のみに規制するための排出チェック弁が設けられている。
【０００７】
圧電ポンプによる液体の循環は、以下のようにして行われる。振動子を変位させて圧力室内の容積を拡大すると、圧力室内の圧力が負圧となり、それに伴って流入チェック弁が開いて流入路から圧力室内へ液体が供給される。このとき、排出チェック弁の作用により、排出路からの液体の供給はない。次いで、振動子を逆向きに変位させ、圧力室内の容積を縮小させる。これにより、圧力室内の圧力が上昇し、それに伴って排出チェック弁が開き、圧力室内の液体が排出路から吐出される。このとき、流入チェック弁の作用により、流入路からの液体の吐出はない。以上の動作を繰り返すことで、液路内の液体が一方向に流れ、結果的に、液路内を循環する。
【０００８】
【特許文献１】
特開２００２−９９３５６号公報
【特許文献２】
特開２００２−２３２１７４号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したように閉路構造の液路に対して圧電ポンプを用いて液体を循環させた場合、以下に述べるような問題点があった。
【００１０】
圧電ポンプは、上述したように、振動子の動作により圧力室内に圧力波を発生させて液体の移動を誘起させるとともに、流入チェック弁および排出チェック弁を交互に開閉することにより液体の流れ方向を規制している。したがって、排出チェック弁が開いているときには流入チェック弁は閉じており、このとき、圧電ポンプの流入口近傍では液路内の液体の流れが制限される。また、流入チェック弁の動作は極めて短時間で行われ、これにより液体の流れが急激に変化するため、圧電ポンプの流入口近傍では液路内に乱流が発生する。
【００１１】
以上のことから圧力室への液体の供給が効率よく行われず、液路を単位時間あたりに移動する液体の体積量すなわち流量が小さくなってしまい、結果的に、ポンプ効率が低下してしまう。ポンプ効率の低下は冷却効率の低下を意味する。
【００１２】
そこで本発明は、ポンプを用いた液体循環装置において、液路内での液体の循環を効率よく行わせ、液体の流量を増大させることを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明の液体循環装置は、液体の流入口および排出口を備えるとともに、チェック弁を内部に有し、前記流入口から流入した液体を前記排出口から排出することで液体の流れを発生させるポンプ手段と、
前記ポンプ手段の排出口から排出された液体を循環させて前記流入口へ戻す閉路構造の液路とを有し、
前記液路は、閉じた液路を構成する主液路と、該主液路から分岐して前記流入口と接続される分岐液路と、前記排出口と接続されて前記主液路と合流する合流液路とを有し、
前記合流液路の、前記主液路への合流角度は、合流によって前記主液路の流れを停止させないような角度であることを特徴とする。
【００１４】
このように、液路を、主液路、分岐液路、および合流液路に分けることにより、ポンプ手段のチェック弁の作用によりポンプ手段への液体の流入が一時的に停止した場合であっても、液体は主液路を流れ続けることができるので、液体の循環効率が向上し、液体の流量が増大する。ここで、合流液路の主液路への合流角度を適切に設定することによって、主液路の流れが妨げられることはなくなる。
【００１５】
本発明の液体循環装置において、分岐液路に、分岐液路よりも断面積が大きい液溜めを設けることが好ましい。これにより、ポンプ手段の動作により分岐液路に発生する液流の乱れが防止される。この効果をより効果的に発揮させるには、液溜めはポンプ手段の流入口との接続部に設けることが好ましい。また、液溜めを、液溜め内の圧力変動によって容積が可変となるように構成することで、上記効果がより効果的に発揮されるとともに、急激な温度変化に伴う液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動が抑制される。
【００１６】
さらに、本発明の液体循環装置は、連絡路を介して主液路に連絡した第２の液溜めを有していてもよい。このような第２の液溜めを設けることで、液体中に発生した気泡を第２の液溜めに滞留させることが可能となり、液路での圧力損失が低減する。また、連絡路の断面積を主液路の断面積よりも小さくすれば、第２の液溜めを流れる液体の流量が抑制されるので、主液路での液体の流れが確保される。
【００１７】
本発明によれば、上述のように液体の循環効率が向上するので、本発明は、発熱する電子部品を備えた電子機器において、電子部品を冷却するための装置として好適に用いられる。本発明の電子機器は、上述した本発明の液体循環装置を有し、電子部品がこの液体循環装置に接触または近接して配置されている。このように、本発明の液体循環装置を電子機器に用いることにより、電子部品が効率よく冷却される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による液体循環装置の分解斜視図である。また図２は、図１に示す液体循環装置における液路の平面図である。
【００２０】
本実施形態の液体循環装置１は、例えば、電子機器における電子部品の冷却装置として好適に用いることができるものであり、大きく分けて、液路が設けられた液路ユニット１０と、液路ユニット１０に接続されて、液路内の液体を循環させる圧電ポンプ２０とを有する。これら液路ユニット１０と圧電ポンプ２０とにより、閉路構造の液路が構成され、この液路内には循環すべき液体が充填されている。
【００２１】
液路ユニット１０は、液路の経路に従った所定のパターンで溝が形成された液路板１２の上下面をそれぞれ上板１１および下板１３で挟んで構成したもので、これにより、液路ユニット１０内に液路が形成される。液路ユニット１０内に形成される液路は、圧電ポンプ２０を経由しない経路を通りそれ自身で閉じた液路を構成する主液路１４と、主液路１４から分岐して、圧電ポンプ２０の流入口２０ｂに対応する位置で液路ユニット１０の側面に開口する分岐液路１５と、圧電ポンプ２０の排出口２０ａに対応する位置で液路ユニット１０の側面に開口し、主液路１４と合流する合流液路１６とを有する。したがって、分岐液路１５は圧電ポンプ２０の流入口２０ｂに接続し、合流液路１６は圧電ポンプ２０の排出口２０ａに接続し、液路内の液体は図１の白抜き矢印で示す方向に流れ、液路内を循環する。主液路１４での液体の流れは、圧電ポンプ２０の動作による、分岐液路１５からの液体の吸引と、合流液路１６への液体の排出によって作り出される。
【００２２】
次に、圧電ポンプ２０について、図３を参照して説明する。なお、本実施形態では以下に説明する図３に示す構成の圧電ポンプ２０を用いているが、圧電ポンプの構成はこれに限定されるものではなく、チェック弁の動作により液体を流入口から吸引し排出口から吐出する構成を有する一般的な圧電ポンプを用いることができる。
【００２３】
圧電ポンプ２０は、２枚の圧電板２１が貼り合わされた振動板２２を有する。圧電板２１には交流電圧が印加され、圧電板２１は、印加される電圧の極性の変化に伴って、振動板２２とともに板厚方向に屈曲振動する。圧電板２１の両面には、圧電板２１に電圧を印加するための電極が形成される。電極としては、金、ニッケル、クロム、銅、銀、銀・パラジウム合金、白金などを用いることができる。圧電板２１への電極の形成は、焼成法、スパッタ法、メッキ法、蒸着法、化学気相法など、任意の方法を適用することができる。圧電板２１と振動板２２との貼り合わせには、エポキシ系、アクリル系、あるいはポリイミド系などの接着剤を用いることができる。
【００２４】
振動板２２の圧電板２１が貼り合わされた面と反対側の面には、各圧電板２１の位置と対応する位置がくり抜かれた圧力室板２３が接合され、さらにその裏面には上部チェック弁板２４が接合され、これによって、圧力室２３ａが形成される。
【００２５】
上部チェック弁板２４には、各圧力室２３ａに対応する位置にそれぞれ、流入チェック弁２４ａおよび排出孔２４ｂが形成されている。流入チェック弁２４ａは、上部チェック弁板２４に片持ち梁状に支持された部分として形成される。上部チェック弁板２４の裏面には、中間チェック弁板２５が接合されている。中間チェック弁板２５には、流入チェック弁２４ａに対応する位置に流入孔２５ａが形成されるとともに、排出孔２４ｂに対応する位置には排出孔２５ｂが形成されている。これにより、流入チェック弁２４ａは、圧力室２３ａに圧力が作用しない状態では流入孔２５ａを塞ぎ、中間チェック弁板２５側へは変位できないように構成されている。
【００２６】
中間チェック弁板２５の裏面には、下部チェック弁板２６が接合されている。下部チェック弁板２６には、流入孔２５ａに対応する位置に流入孔２６ａが形成されるとともに、排出孔２５ｂに対応する位置に排出チェック弁２６ｂが形成されている。排出チェック弁２６ｂも、流入チェック弁２４ａと同様に、下部チェック弁板２６に片持ち梁状に支持された部分として形成される。流入チェック弁２４ａは、圧力室２３ａに圧力が作用しない状態では排出孔２５ｂを塞ぎ、中間チェック弁板２５側へは変位できないように構成されている。
【００２７】
下部チェック弁板２６の裏面には流入排出板２７が接合されている。流入排出板２７には、流入口２０ｂと連通する流入路２７ｂ、流入路２７ｂから流入した液体を一時的に貯える補助室２７ｃ、および排出口２０ａと連通する排出路２７ａが形成されている。補助室２７ｃは、流入孔２６ａ、２５ａ、および流入チェック弁２４ａを介して圧力室２３ａと連通している。排出路２７ａは、排出チェック弁２６ｂ、および排出孔２５ｂ、２４ｂを介して圧力室２３ａと連通している。また、排出路２７ａの一部は、流入排出板２７側への排出チェック弁２６ｂの変位を許容する形状となっている。
【００２８】
流入排出板２７の裏面には弾性板２８が接合されている。さらに弾性板２８の裏面には、補助室２７ｃに対応する位置に補助室２７ｃとほぼ同形状に形成された中抜き部２９ａを有する剛性板２９が接合されている。
【００２９】
以上の構成において、振動板２２、圧力室板２３、上部チェック弁板２４、中間チェック弁板２５、下部チェック弁板２６、流入排出板２７、弾性板２８および剛性板２９には、それぞれアルミニウムを用い、拡散接合法によりこれらを接合することができる。また、これらの材質として他の金属や樹脂を用いることもできるし、各部材をそれぞれの機能に応じて互いに異なる材質で構成することもできる。圧電板２１としては、例えば、ジルコン酸・チタン酸鉛系セラミックス材料を用いることができる。また、圧電板２１と振動板２２との貼り合せに接着剤を利用可能であることは前述したとおりであるが、振動板２２としてジルコニアセラミックスやシリコンを用いれば、圧電板２１を印刷焼成法、スパッタ法、ゾルゲル法、化学気相法などにより振動板２２に一体形成することも可能である。
【００３０】
上述した圧電ポンプ２０は、以下のように作動する。
【００３１】
まず、圧電板２１に所定の極性で電圧を印加し、図示上向きに凸となるように変形させると、それに伴って振動板２２も上向きに変形し、圧力室２３ａの容積が拡大する。これにより流入チェック弁２４ａが上向きに変位し流入孔２５ａが開くので、液体は、流入口２０ｂ、流入路２７ｂ、補助室２７ｃ、および流入孔２６ａ,２５ａを順次通って、圧力室２３ａ内に流入する。このとき、排出チェック弁２６ｂは排出孔２５ｂを塞いだ状態となっているので、排出口２０ａ側からの液体の流入および排出はない。
【００３２】
次いで、圧電板２１に、上記とは逆極性の電圧を印加し、図示下向きに凸となるように変形させると、それに伴って振動板２２も下向きに変形し、圧力室２３ａの容積が縮小する。これにより排出チェック弁２６ｂが下向きに変位し排出孔２４ｂ、２４ｂが開くので、圧力室２３ａ内の液体は、排出路２７ａを通って排出口２０ａから排出される。それと同時に、流入チェック弁２４ａは流入孔２４ｂを塞ぐので、流入口２０ｂ側からの液体の流入および排出はない。
【００３３】
以上の動作を交互に繰り返すことで、流入口２０ｂからの液体の吸引と排出口２０ａからの液体の吐出が交互に繰り返され、その結果、図１に示す液路ユニット１０の液路内を、液体は白抜き矢印のように循環する。
【００３４】
上記の液体の循環動作において、圧電ポンプ２０による液体の排出過程中は、極めて短時間ではあるが、流入口２０ｂからの液体の吸引は停止する。ここで、本実施形態では、主液路１４から分岐した分岐液路１５を有し、この分岐液路１５が圧電ポンプ２０の流入口２０ｂと接続されているので、流入口２０ｂからの液体の吸引が停止しても、分岐液路１５への液体の流入が減少するだけであり、分岐液路１５に流入しなかった液体は、主液路１４をそのまま流れ続け、合流液路１６との合流部で、圧電ポンプ２０の排出口２０ａから排出されて合流液路１６を流れている液体と合流する。
【００３５】
そのため、従来のように液路内を流れる液体の全てが圧電ポンプ２０へ流入する場合と比較して、圧電ポンプ２０がどのような動作過程にあるかに拘らず、液路内の液体の流れを妨げることなく、効率よく液体を循環させ、液体の流量を増大させることができる。その結果、液体循環装置１を電子機器の冷却装置として適用した場合は、液路ユニット１０に直接、または液路ユニット１０の近傍に、発熱する電子部品を配置すれば、その部品の発する熱を効率よく放熱することができる。本実施形態によれば、圧電ポンプ２０の能力を十分に発揮できるので、圧電ポンプ２０も小型のものでよく、電子機器の中でも特に、携帯型の電子機器、例えばノートブック型のパーソナルコンピュータにも好ましく適用できる。
【００３６】
液体循環装置をコンピュータの冷却装置として用いた場合、発熱する電子部品として、代表的にはＣＰＵが挙げられる。つまり、液路ユニット１０にＣＰＵを接触させるか、または液路ユニット１０をＣＰＵの近傍に配置して液体循環装置１をコンピュータに搭載すれば、ＣＰＵの熱を効果的に放熱させることができる。
【００３７】
なお、主液路１４と合流液路１６とが合流する際、図４に示す両者の合流角度θが大きすぎると、合流部での主液路１４の流れが妨げられることもあり得る。したがって、より効率のよい流れを確保するためには、主液路１４と合流液路１６との合流角度θは、合流液路１６を流れてきた液体が主液路１４に合流することによって少なくとも主液路１４での流れを停止させないような角度であることが望ましい。
【００３８】
以下に、本実施形態についての具体的な例を説明する。
【００３９】
圧電ポンプ２０は、以下のように作製した。圧電板２１は、ジルコン酸・チタン酸鉛系セラミック材料で構成し、これを長さ１５ｍｍ、幅１５ｍｍ、厚さ０．１ｍｍに加工し、その両面に銀電極を焼成法により形成した。圧電ポンプ２０を構成する圧電板２１以外の各部材は、アルミニウム板で形成し、これらを以下に示す寸法に加工し、拡散接合法により一体化した。圧電板２１と振動板２２との接合は、エポキシ系接着剤によって行った。
【００４０】
振動板２２の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍとした。圧力室板２３の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとし、これに、長さ１５ｍｍ、幅１５ｍｍの圧力室２３ａを形成した。上部チェック弁板２４の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍとし、これに、長さ１０ｍｍ、幅６ｍｍの流入チェック弁２４ａおよび直径５ｍｍの排出孔２４ｂを形成した。中間チェック弁板２５の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍとし、これにそれぞれ直径５ｍｍの流入孔２５ａおよび排出孔２５ｂを形成した。下部チェック弁板２６の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとし、これに、直径０．５ｍｍの流入孔２６ａ、および長さ１０ｍｍ、幅６ｍｍの排出チェック弁２６ｂを形成した。流入排出板２７の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．４ｍｍとし、これに所定のパターンで排出路２７ａ、流入路２７ｂ、および補助室２７ｃを形成した。弾性板２８の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍとした。剛性板２９の寸法は、長さ５０ｍｍ、幅５０ｍｍ、厚さ１ｍｍとした。以上の各部材を接合し、総厚２．５５ｍｍの薄型の圧電ポンプ２０とした。
【００４１】
一方、液路ユニット１０は、以下のように構成した。上板１１には、長さ２００ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍのアルミニウム合金を用いた。液路板１２には、上板１１と同寸法のアルミニウム合金を用い、これにプレス加工によって主液路１４、分岐液路１５および合流液路１６を形成した。主液路１４は、液路幅を１０ｍｍ、液路全長を２００ｍｍとした。分岐液路１５および合流液路１６はそれぞれ、液路幅を１０ｍｍ、長さを３０ｍｍとした。上板１１と液路板１２とを、シリカガラス系ろう材を用いて接合した。下板１３としては、液路内での液体の流れを目視で観察できるようにするために、上板１１と同寸法の透明のアクリル板を用い、エポキシ系接着剤によって液路板１２と接合した。なお、液路内での液体の流れの状態を確認する必要がない場合は、下板１３を上板１１と同じ材質で構成しても、流れの特性には影響はない。
【００４２】
そして、液路ユニット１０の液路に不凍液を充填し、さらに、圧電ポンプ２０を、アルミ合金製コネクタを用いて液路ユニット１０に接合した。
【００４３】
以上のようにして液体循環装置を構成し、圧電板２１に、５０Ｖ、２００Ｈｚの交流電圧を印加して圧電ポンプ２０を駆動し、液路ユニット１０内の液体を循環させた。液路ユニット１０内の液体の流量を測定したところ、３０ｍｌ／ｍｉｎであった。また、下板１３側から液体の流れを観察したところ、図１、２に示す白抜き矢印の方向に液体が流れるのが確認できた。
【００４４】
本実施形態の効果を確認するため、比較例として、図１１に示した従来の構成の液体循環装置を作製し、その流量を測定した。この比較例の液体循環装置は、液路ユニット中の液路を、液路幅１０ｍｍ、液路全長を２００ｍｍとしたこと以外は、上述した本例の液体循環装置と同じであり、また、駆動条件も同じにした。比較例における流量は、１０ｍｌ／ｍｉｎであった。すなわち、本実施形態により、従来と比較して３倍の流量が得られた。
【００４５】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。本実施形態でも、液路ユニット３０内での液体の循環は圧電ポンプ（不図示）によって行われるが、圧電ポンプは第１の実施形態で説明したものと同様のものを使用できるので、ここでは圧電ポンプについての説明は省略し、液路ユニット３０の構成を中心に説明する。
【００４６】
本実施形態の液路ユニット３０も、第１の実施形態と同様に、液路の経路に従った所定のパターンで溝が形成された液路板３２の上下面をそれぞれ上板３１および下板３３で挟むことによって、液路を形成している。
【００４７】
液路は、第１の実施形態と同様に、それ自身で閉液路を構成する主液路３４と、主液路３４から分岐して不図示の圧電ポンプの流入口に対応する位置で液路ユニット３０の側面に開口する分岐液路３５と、圧電ポンプの排出口に対応する位置で液路ユニット３０の側面に開口し、主液路３４と合流する合流液路３６とを有する。
【００４８】
本実施形態ではさらに、分岐液路３５の、圧電ポンプの流入口との接続部に、分岐液路３５よりも断面積の大きい領域として形成された貯液部３７を有する。これにより、分岐液路３５に流入した液体は、貯液部３７に一旦保持された後、圧電ポンプに吸引される。液体が貯液部３７に保持されることによって、液体の流れが静流化する。その結果、圧電ポンプの液体排出過程における、分岐液路３５からの液体の流入が停止されることによる分岐液路３５での液体の流れの乱れといった、圧電ポンプへの液体の流入を妨げる圧力変動を防止することができる。したがって、効率よく圧電ポンプへ液体を流入させ、ポンプ効率を向上させることができる。
【００４９】
本実施形態の具体的な例を以下に示す。
【００５０】
ここでは、貯液部３７の寸法を、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、深さ１ｍｍとして分岐液路３５に形成したこと以外は第１の実施形態と同様に液体循環装置を作製し、第１の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。流量を測定したところ、５０ｍｌ／ｍｉｎであった。すなわち、前述した比較例と比べて５倍の流量が得られた。
【００５１】
（第３の実施形態）
図６は、本発明の第３の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。本実施形態は、上述した第２の実施形態をさらに発展させ、貯液部４７にバッファ的な機能を持たせたものである。すなわち、本実施形態では、貯液部４７に対応する上板４１の部分を、貯液部４７内の圧力変動によって変形可能な程度に剛性を低くした薄肉部４１ａとして形成し、この薄肉部４１ａにおいて、上板４１を変形可能な構造とている。より詳しくは、図７の断面図に示すように、上板４１の上面を、貯液部４７の上方の領域で部分的に除去することで薄肉部４１ａを形成している。その他、液路ユニット４０が上板４１、液路板４２および下板４３で構成されること、液路が主液路４４、分岐液路４５および合流液路４６を有することなどは第２の実施形態と同様であるので、その説明は省略する。
【００５２】
このように、変形可能な薄肉部４１ａを形成することによって、貯液部４７内の圧力変動に伴って貯液部４７の容積が変化し、その結果、貯液部４７における液体の流れの静流効果をより向上させることができる。また、変形可能な薄肉部４１ａを形成することによって、液路ユニット４０の急激な温度変化に伴う液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動をも抑制することができ、結果的に、急激な温度変化による液路ユニット４０の破壊、さらには圧電ポンプ（不図示）も含めた液体循環装置全体の破壊を防止することができる。
【００５３】
図６および図７では、上板４１の一部を、貯液部４７の形状に合致させて薄肉部４１ａとした例を示したが、その他にも、例えば図８および図９に示すように、貯液部５７の輪郭に沿って上板５１に薄肉部５１ａを形成し、薄肉部５１ａで囲まれた領域全体が変位する構成とすることによって、貯液部５７にバッファ的機能を持たせることもできる。この場合は、薄肉部５１ａで囲まれた上板５１の部分の重量が貯液部５７に作用するので、より安定した流れを形成することができる。
【００５４】
なお本実施形態では、上板の一部に薄肉部を設けることによって貯液部の容積を可変とする構造を示したが、上板にではなく下板に対して薄肉部を設けた構成としてもよいし、上板および下板の両方に薄肉部を設けた構成としてもよい。また、構造的にではなく、上板および下板のうち変形させたい部材または部分の材質を、他の部材または部分よりも剛性が低く、貯液部内の圧力変動によって変形可能な材質で構成してもよい。
【００５５】
本実施形態の具体的な例を以下に示す。
【００５６】
ここでは、図６に示すような薄肉部４１ａを、化学的エッチング法により、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの寸法で、上板４１の貯液部４７と対応する位置に形成したこと以外は第２の実施形態と同様にして液体循環装置を作製し、第２の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。流量を測定したところ、６０ｍｌ／ｍｉｎであった。これは、前述した比較例に対して６倍の流量である。
【００５７】
さらに、図８に示すような薄肉部５１ａを、貯液部５７の輪郭に沿って、幅２ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの寸法で形成したこと以外は第２の実施形態と同様にして液体循環装置を作製し、第２の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。流量を測定したところ、５５ｍｌ／ｍｉｎであった。これは前述した比較例に対して５．５倍の流量である。
【００５８】
（第４の実施形態）
図１０は、本発明の第４の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。本実施形態でも、液路ユニット６０内での液体の循環は圧電ポンプ（不図示）によって行われるが、圧電ポンプは第１の実施形態で説明したものと同様のものを使用できるので、ここでは圧電ポンプについての説明は省略し、液路ユニット６０の構成を中心に説明する。
【００５９】
本実施形態の液路ユニット６０も、第１の実施形態と同様に、液路の経路に従った所定のパターンで溝が形成された液路板６２の上下面をそれぞれ上板６１および下板６３で挟むことによって、液路を形成している。本実施形態と第１の実施形態との違いは、２つの連絡路６９を介して主液路６４に連絡する貯液部６８が設けられている点である。その他は第１の実施形態と同様に構成することができる。
【００６０】
このように、主液路６４を流れる液体を保持する貯液部６８を設けることによって、急激な温度変化による液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動を低減することができる。この効果は、貯液部６８を、連絡路６９を介して主液路６４と連絡するのではなく、主液路６４の断面積を部分的に大きくした部分として形成しても得ることができる。なお、本実施形態の貯液部６８に対しても、第３の実施形態と同様に、貯液部６８の容積を可変とすることのできる構成を適用すれば、第３の実施形態と同様の効果が得られる。
【００６１】
また、貯液部６８は、連絡路６９を介して主液路６４と連通しているので、貯液部６８を流れる液体の流量を、主液路６４を流れる液体の流量よりも少なくすることができる。このことにより、液体中に発生する気泡を貯液部６８に滞留させることが可能となるため、液路での圧力損失を低減し、結果的に、ポンプの圧力伝達効率を向上させることができる。さらに、貯液部６８に滞留した気泡は、温度変化による液体の体積収縮に対するダンパーとして利用することもできる。これにより、液路ユニット６０の構造強度を保つことができ、耐久性が向上する。
【００６２】
ここで、連絡路６９の断面積を主液路６４の断面積よりも小さくし、貯液部６８での音響インピーダンスを高めることによって、貯液部６８を流れる液体の流量を極小にすることができる。これにより、主液路６４の液体の流れを妨げることなく主液路６４での液体の流れを確保することができる。
【００６３】
本実施形態では一つの貯液部６８を設けた例を示したが、主液路６４に複数の貯液部６８を設けてもよい。また、第２の実施形態で示した構成、すなわち分岐液路に対して貯液部を設けた構成を付加したり、さらにその貯液部に対して、第３の実施形態で示した構成を付加した構成としてもよく、これにより、それぞれの構成の相乗効果が得られる。
【００６４】
本実施形態の具体的な例を以下に示す。
【００６５】
ここでは、図６に示したのと同様に液路板６２に貯液部を形成するとともに上板６１に薄肉部を形成し、さらに、図１０に示す貯液部６８および連絡路６９を液路板６２に形成したこと以外は第１の実施形態と同様にして液体循環装置を作製し、第１の実施形態と同じ条件で液体を循環させた。分岐液路に設ける貯液部の寸法は、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、深さ１ｍｍとした。上板６１に設ける薄肉部の寸法は、幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍとした。主液路６４に連絡する貯液部６８の寸法は、幅２０ｍｍ、長さ２０ｍｍ、深さ１ｍｍとした。連絡路６９の寸法は、幅１ｍｍとした。
【００６６】
流量を測定したところ、７０ｍｌ／ｍｉｎであった。これは、前述した比較例に対して７倍の流量である。また、アクリル板で構成した下板６３側から液体の流れを観察したところ、貯液部６８に気泡が滞留していることが確認できた。
【００６７】
以上、本発明の好ましい実施形態について幾つかの例を挙げて説明した。上述した各実施形態では液路を３枚の板部材を積層した構造体中に形成したが、液路は、これに限らず配管（チューブ）で構成してもよい。また、液路の経路についても前述した各実施形態で示した経路に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更することができる。さらに、液路に付加的に設けられる各種構造（貯液部など）の配置や形状なども、必要に応じて自由に変更することができる。
【００６８】
液路中に液体の流れを生じさせる駆動源として、上述した各実施形態では圧電ポンプを例に挙げたが、駆動源は圧電ポンプに限定されるものではなく、チェック弁により液体の流れの方向を規制する構成を有する種々のポンプであっても同様の効果が得られる。ただし、圧電ポンプは、非常に小型に構成できるので、小型の液体循環装置とするためには圧電ポンプを用いるのが好ましい。
【００６９】
さらに、本発明は電子機器における冷却装置として好適に用いられるものであるが、本発明は、液体を循環させる種々の装置に広く適用することができる。
【００７０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、主液路から分岐してポンプに接続する分岐液路を設けることで、液体を効率よく循環させ、液体の流量を増大させることができる。また、分岐液路に液溜めを設けることで、分岐液路に発生する液流の乱れを防止することができ、より効果的に液体の循環効率を向上させることができるし、この液溜めを容積が可変となるように構成することで、急激な温度変化に伴う液体の膨張および収縮による液路内の圧力変動を抑制することができる。さらに、連絡路を介して主液路に連絡する第２の液溜めを設けることで、液体中に発生した気泡を第２の液溜め内に滞留させることができる。これにより、液路での圧力損失を低減し、結果的に、ポンプの圧力伝達効率を向上させることができる。
【００７１】
以上のことにより、本発明の液体循環装置を電子機器の冷却装置として用いることにより、発熱する電子部品を効率よく冷却することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による液体循環装置の分解斜視図である。
【図２】図１に示す液体循環装置における液路の平面図である。
【図３】図１に示す圧電ポンプの分解斜視図である。
【図４】図２に示す液路の、主液路と合流液路との合流部を拡大して示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。
【図６】本発明の第３の実施形態による液路ユニットの一例の分解斜視図である。
【図７】図６に示す上板の、薄肉部での断面図である。
【図８】本発明の第３の実施形態による液路ユニットの他の例の分解斜視図である。
【図９】図８に示す上板の、薄肉部での断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施形態による液路ユニットの分解斜視図である。
【図１１】電子部品などの熱源の冷却に用いられる従来の液体循環装置の概念図である。
【符号の説明】
１ 液体循環装置
１０，３０，４０，６０ 液路ユニット
１１，３１，４１，５１，６１ 上板
１２，３２，４２，６２ 流路板
１３，３３，４３，６３ 下板
１４，３４，４４，６４ 主液路
１５，３５，４５ 分岐液路
１６，３６，４６ 合流液路
２０ 圧電ポンプ
２０ａ 排出口
２０ｂ 流入口
２１ 圧電板
２２ 振動板
２３ 圧力室板
２４ 上部チェック弁板
２４ａ 流入チェック弁
２５ 中間チェック弁板
２６ 下部チェック弁板
２６ｂ 排出チェック弁
２７ 流入排出板
２８ 弾性板
２９ 剛性板
３７，４７，５７，６８ 貯液部
４１ａ，５１ａ 薄肉部
６９ 連絡路
Claims (8)
- 液体の流入口および排出口を備えるとともに、チェック弁を内部に有し、前記流入口から流入した液体を前記排出口から排出することで液体の流れを発生させるポンプ手段と、
前記ポンプ手段の排出口から排出された液体を循環させて前記流入口へ戻す閉路構造の液路とを有し、
前記液路は、閉じた液路を構成する主液路と、該主液路から分岐して前記流入口と接続される分岐液路と、前記排出口と接続されて前記主液路と合流する合流液路とを有し、
前記合流液路の、前記主液路への合流角度は、合流によって前記主液路の流れを停止させないような角度である、液体循環装置。 - 前記分岐液路に、前記分岐液路よりも断面積が大きい液溜めが設けられている、請求項１に記載の液体循環装置。
- 前記液溜めは前記流入口との接続部に設けられている請求項２に記載の液体循環装置。
- 前記液溜めは、前記液溜め内の圧力変動によって容積が可変に設けられている請求項２または３に記載の液体循環装置。
- 少なくとも一つの連絡路を介して前記主液路に連絡した第２の液溜めを有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液体循環装置。
- 前記連絡路の断面積は前記主液路の断面積よりも小さい、請求項５に記載の液体循環装置。
- 前記ポンプ手段は圧電ポンプである請求項１ないし６のいずれか１項に記載の液体循環装置。
- 発熱する電子部品を備えた電子機器であって、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の液体循環装置を有し、
前記電子部品が前記液体循環装置に接触または近接して配置されている電子機器。
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