JP5286751B2 - 流体貯蔵槽 - Google Patents

Description

本発明は、冷却装置に冷媒として用いられる流体を貯蔵するための流体貯蔵槽に関する。

近年、発熱量や発熱密度の大きい電子部品を搭載した電子機器の冷却に、液冷システムが使用される場面が見られる。液冷システムは、一般に、密閉された循環経路であり、受熱部、ポンプ、貯水層及び放熱部をゴムチューブ等で接続することにより構成されている。液冷システムは、このように多くの部品から構成されているため装置が大きくなるので、空冷装置に比べて広い空間を必要とする欠点がある。この欠点は、装置の小型化が求められている電子機器の分野において特に問題となっている。

この問題を解消する手段として、構成部位を一体化して接続部位やチューブの量を減らすことが挙げられる。接続部位を減らすことは、装置の小型化のみならず、冷媒の透水量の減少及びコストの削減にもつながる。
現在、貯水槽と駆動部とが一体化された液冷モジュールが市場に見られるが（例えば、松下電器産業（株）製、３Ｒ ＳＹＳＴＥＭ社製）、駆動部に遠心式ポンプを使用しているため、駆動部の内部に空気が混入すると、駆動部の空転を引き起こし、流量が低下し、冷却効果が著しく低下する。また、発熱体の冷却が十分に行えなくなるため、装置自体の故障を引き起こすおそれがある。そのため、貯水槽と駆動部とが一体化された液冷モジュールは、空気が駆動部に混入しないように、設置の向きが限定されるという問題がある。

また、液体を送出するポンプとしては、遠心式ポンプの他に、空気の混入に強いピストン式ポンプも多数使用されている。
特許文献１には、弁を用いて流体の逆流を防止し、流体をピストンの往復運動のうち一方の向きにピストンで押し出すポンプが記載されている。このポンプでは、流体の流れる向きが単一であるので、ポンプ室につなぐ流入口の位置の決定が容易に行える。例えば、特許文献２に記載されているように、貯水槽の流出端とポンプ室とをつなげてしまえば、あらゆる向きに装置を設置しても、流体が貯水槽の容積の半分以上を満たしている限り、流体を送出可能な貯水槽になる。
また、特許文献３及び４には、ピストンの往復運動方向の両端のそれぞれに流入口及び送出口を有するポンプ室を設けることによって、可動子がいずれの方向に運動しても一定の流量を確保することができるポンプが記載されている。

特開平６−２００８６９号公報（図１） 特開２００４−８４９５８号公報（図４） 特開平７−２７０４１号公報（図１） 特開２００４−１２４７２４号公報（図１）

しかしながら、本発明者が上記各特許文献に記載された従来の手法について検討した結果、以下に示すような問題があることが分かった。
すなわち、特許文献１に記載されているポンプは、流体を送出することができるのが、ピストンの往復運動のうち一方の向きの運動の時のみであるため、流量を一定に維持することが困難である。
また、特許文献３及び４に記載のポンプは、ポンプ室につながる二つの流路が必要となるため、構成上、必然的に貯水槽の周囲に取り付けられることになるので、設置の向きが限定される。

そこで、本発明は、液冷システムに用いることができる冷却装置に冷媒として用いられる流体を貯蔵するための流体貯蔵槽であって、動力源内に気体が混入した場合のポンプの空転による流量の減少及び故障を防ぐことができ、流量を一定に維持することができ、小型化が可能であり、設置の向きが限定されない流体貯蔵槽を提供することを目的とする。

本発明は、以下の（１）及び（２）を提供する。
（１）冷媒の循環によって発熱部位から発生する熱を輸送させて冷却する冷却装置に前記冷媒として用いられる流体を貯蔵するための流体貯蔵槽であって、
前記流体を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部の内部に存在する、両端面が閉止された筒状のシリンダと、
前記シリンダの内部に、摺動可能に存在する、磁性体を内蔵する可動子と、
前記シリンダの両端部に存在する送出弁と、
前記シリンダの外周を囲む電磁コイルと
を具備し、
前記シリンダの内部において、前記シリンダの両端部の内面と前記可動子の両端部の外面とが２個のポンプ室を形成し、
前記電磁コイルに通電することにより発生する電磁力により、前記可動子が前記シリンダの内部で往復運動することができ、
前記可動子がいずれの向きに移動しても前記ポンプ室に存在する前記流体を外に送出することができる流体貯蔵槽。
（２）前記シリンダの中央部の内面と前記可動子の中央部の外面との間に空間があり、
前記シリンダの前記中央部に、前記貯蔵部の内部と前記空間とを連通する開口が設けられており、
前記可動子が前記ポンプ室と前記空間とを連通しうる弁を有し、
前記流体を、前記開口を通じて前記貯蔵部の前記内部から前記空間に移動させることができ、更に、前記弁を通じて前記空間から前記ポンプ室に移動させることができる、上記（１）に記載の流体貯蔵槽。

本発明の流体貯蔵槽は、動力源内に気体が混入した場合のポンプの空転による流量の減少及び故障を防ぐことができ、小型化が可能であり、流量を一定に維持することができ、設置の向きが限定されない。

以下、本発明の流体貯蔵槽を添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、各図においては、各部位の説明を容易にするため、実際とは縮尺を異なったものとしている場合がある。

図１は、本発明の流体貯蔵槽の例の模式的な断面図である。
図１に示される流体貯蔵槽１００は、冷媒の循環によって発熱部位から発生する熱を輸送させて冷却する冷却装置に前記冷媒として用いられる流体を貯蔵するための流体貯蔵槽であって、基本的に、流体６を貯蔵する貯蔵部１と、貯蔵部１の内部に存在する、両端面が閉止された筒状のシリンダ２と、シリンダ２の内部に、摺動可能に存在する、磁性体を内蔵する可動子４と、シリンダ２の両端部に存在する送出弁１４ａ及び１４ｂと、シリンダ２の外周を囲む電磁コイル１５ａ及び１５ｂとを具備する。

貯蔵部１は、冷媒として用いられる流体６を貯蔵するために用いられる。冷媒として用いられる流体６は、特に限定されず、例えば、従来公知の流体を用いることができる。具体的には、例えば、水、不凍液が挙げられる。

貯蔵部１の内部には、シリンダ２が存在する。
シリンダ２は、形状が筒状、好ましくは円筒状である。シリンダ２の両端面は、閉止されている。
流体貯蔵槽１００においては、図１に示されるように、貯蔵部１の内壁とシリンダ２の内壁とが同一の材料により連続的に形成されている。なお、本発明は、これに限定されず、貯蔵部の内壁とシリンダの内壁とが同一の材料により連続的に形成されていてもよく、別の材料により形成されていてもよい。

シリンダ２の内部には、磁性体を内蔵する可動子４が摺動可能に存在する。
磁性体は、電磁力の作用を受けるものであれば特に限定されず、例えば、磁石が挙げられる。
可動子は、シリンダの内部で摺動可能であれば、その形状、構造等を特に限定されない。

図１に示される可動子４は、円柱状の磁石１０を被覆する円筒１２の両端を円盤７で封止した形状である。
円筒１２は、例えば、非磁性体により形成することができる。非磁性体は、特に限定されないが、例えば、プラスチックが挙げられる。
円筒１２の内部には、磁性体として、円柱状の磁石１０が設けられている。磁石１０は、一方の端をＮ極、他方の端をＳ極として軸方向に磁化されている永久磁石である。

図２は、図１に示される流体貯蔵槽のシリンダの端部に設けられた円盤の模式的な正面図である。
図２に示される円盤７は、外周がシリンダ２の内径より若干小さいドーナツ状であり、中心に円盤状のヨーク１１が設けられており、磁石１０の両端がヨーク１１で挟まれるようになっている。
円盤７は、例えば、非磁性体により形成することができる。非磁性体は、特に限定されないが、例えば、プラスチックが挙げられる。
ヨーク１１は、例えば、軟磁性材料により形成することができる。軟磁性材料としては、例えば、鉄、ケイ素鋼、パーマロイ、ソフトフェライトが挙げられる。

シリンダ２の内部においては、シリンダ２の両端部の内面と可動子４の両端部の外面とが２個のポンプ室５ａ及び５ｂを形成している。より具体的には、シリンダ２の両端部の内面と可動子４の両端部に設けられた２枚の円盤７ａ及び７ｂの外面とが２個のポンプ室５ａ及び５ｂを形成している。

シリンダ２の両端部には、送出弁１４ａ及び１４ｂが存在する。送出弁１４ａ及び１４ｂは、外側にのみ開くようになっている。

シリンダ２の外周は、電磁コイル１５ａ及び１５ｂにより囲まれている。より具体的には、中空の電磁コイル１５ａ及び１５ｂが中心軸をシリンダ２の中心軸と重なるように配置されている。
電磁コイル１５ａ及び１５ｂは、互いに逆向きに巻かれており、同一の電源によって通電した場合、電流が逆向きに流れるように設置されている。

電磁コイル１５ａ及び１５ｂに通電することにより発生する電磁力により、可動子４がシリンダ２の内部で往復運動して、ポンプ室５ａ及び５ｂに存在する流体６を外に送出することができる。
より具体的には、電磁コイル１５ａ及び１５ｂに電流の向きを交互に変えて通電すると、電磁力が発生して可動子４に内蔵された磁性体に作用し、可動子４がシリンダ２の内部でシリンダ２の軸方向に往復運動して、円盤７ａ及び７ｂの外面がポンプ室５ａ及び５ｂに存在する流体６を送出弁１４ａ及び１４ｂを通じて外に送出する。
電磁コイル１５ａ及び１５ｂによる電磁力の向きは、電磁コイル１５の通電される電流の向きによって決まるため、制御装置により、通電の時間及び向き並びに電流の強さを制御することにより、可動子４を所望の移動距離、向き及び速度で往復運動させることができる。
このように、可動子４がシリンダ２の軸方向のいずれの向きに移動してもポンプ室５ａ及び５ｂに存在する流体６を外に送出することができる。すなわち、可動子４が図１中左向きに移動した場合には、ポンプ室５ａに存在する流体６を送出弁１４ａを通じて外に送出することができ、可動子４が図１中右向きに移動した場合には、ポンプ室５ｂに存在する流体６を送出弁１４ｂを通じて外に送出することができるのである。
したがって、流体貯蔵槽１００は、ポンプ機能を有し、流量を一定に維持することができる。

本発明においては、流体をポンプ室に供給する手段は、特に限定されないが、例えば、前記シリンダの中央部の内面と前記可動子の中央部の外面との間に空間があり、前記シリンダの前記中央部に、前記貯蔵部の内部と前記空間とを連通する開口が設けられており、前記可動子が前記ポンプ室と前記空間とを連通しうる弁を有し、前記流体を、前記開口を通じて前記貯蔵部の前記内部から前記空間に移動させることができ、更に、前記弁を通じて前記空間から前記ポンプ室に移動させることができるのが好ましい態様の一つである。

図３は、図１に示される流体貯蔵槽の例の模式的な部分断面図である。
流体貯蔵槽１００においては、シリンダ２の中央部の内面と可動子４の中央部の外面との間に空間１３がある。
シリンダ２の前記中央部には、貯蔵部１の内部と空間１３とを連通する開口１６が設けられている。開口１６は、可動子４が移動中にその一端が落ちない程度の大きさとする。

可動子４は、ポンプ室５ａ及び５ｂと空間１３とを連通しうる弁３を有する。具体的には、２個の円盤７に、それぞれポンプ室５ａ又は５ｂに向かって開く弁３が２個ずつ設けられている（図２参照。）。弁３が開いた場合に生じる孔は、円盤７の内側においては、空間１３に開口するようにされている。

このような構成により、流体貯蔵槽１００は、流体６を、開口１６を通じて貯蔵部１の前記内部から空間１３に移動させることができ、更に、弁３を通じて空間１３からポンプ室５ａ及び５ｂに移動させることができるようになっている。したがって、開口１６及び弁３を通じて流体６をポンプ室５ａ及び５ｂに補給することができる。

図３においては、可動子４が図３中左向きに移動しており、左側のポンプ室５ａに存在する流体６が、弁３が閉じている円盤７ａにより押され、送出弁１４ａを押し開いて外に送出されている。
一方、右側のポンプ室５ｂは、可動子４の移動により容積が大きくなっているところ、弁３が開き、流体６が、弁３を通じて空間１３からポンプ室５ｂに流入している。また、これに伴い、流体６が、開口１６を通じて貯蔵部１の内部から空間１３に流入している。

図１に示される流体貯蔵槽１００においては、貯蔵部１の内部に存在する流体６は、送出弁１４ａ及び１４ｂを通じて流体貯蔵槽１００の外に送出され、流出口８を介して冷却装置に供給される。その後、冷却装置で使用された流体６は、貯蔵部１に設けられた流入口９を介して、貯蔵部１の内部に流入する。

以下、本発明の流体貯蔵槽の動作を説明する。
図４は、図１に示される流体貯蔵槽の例の模式的な部分断面図により示される動作の説明図である。
まず、図４中のａの状態において、電磁コイル１５ａ及び１５ｂに一定の向きの電流を通電すると、電磁力が発生して可動子４に内蔵された磁性体に作用し、可動子４がシリンダ２の内部で図４中左向きに移動する。
その結果、弁３が閉じている円盤７ａの外面がポンプ室５ａに存在する流体６を左向きに押し、送出弁１４ａが押し開かれて、流体６が流体貯蔵槽１００の外に送出される。
同時に、右側のポンプ室５ｂは、可動子４の移動により容積が大きくなっているところ、弁３が開き、流体６が、弁３を通じて空間１３からポンプ室５ｂに流入する。また、これに伴い、流体６が、開口１６を通じて貯蔵部１の内部から空間１３に流入する。なお、送出弁１４ｂは閉じられる。

図４中のｂに示されるように、可動子４がシリンダ２の内部において、所望の位置（図４中のｂにおいては、左端）まで移動したら、電磁コイル１５ａ及び１５ｂに通電する電流の向きを変える。
これにより、図４中のｃに示されるように、これまでとは逆向きの電磁力が発生して可動子４に内蔵された磁性体に作用し、可動子４がシリンダ２の内部で図４中右向きに移動する。
その結果、弁３が閉じている円盤７ｂの外面がポンプ室５ｂに存在する流体６を右向きに押し、送出弁１４ｂが押し開かれて、流体６が流体貯蔵槽１００の外に送出される。
同時に、左側のポンプ室５ａは、可動子４の移動により容積が大きくなっているところ、弁３が開き、流体６が、弁３を通じて空間１３からポンプ室５ａに流入する。また、これに伴い、流体６が、開口１６を通じて貯蔵部１の内部から空間１３に流入する。なお、送出弁１４ａは閉じられる。

図４中のｄに示されるように、可動子４がシリンダ２の内部において、所望の位置（図４中のｄにおいては、右端）まで移動したら、電磁コイル１５ａ及び１５ｂに通電する電流の向きを再度変える。
これにより、図４中のａに示されるように、これまでとは逆向きの電磁力が発生して可動子４に内蔵された磁性体に作用し、可動子４がシリンダ２の内部で図４中左向きに移動する。
以後、上述した図４中のａ、ｂ、ｃ及びｄで示されるサイクルを繰り返す。
このように、流体貯蔵槽１００においては、可動子４がシリンダ２の内部で往復運動して、可動子４がいずれの向きに移動しても流体６を外へ送出することができる。したがって、流体６の流量を一定に維持することができ、また、効率的な流体６の輸送が可能である。

以上説明したように、本発明の流体貯蔵槽は、空気が駆動部に混入しても問題が生じにくい可動子式のポンプ機構を内蔵する。これにより、従来必要とされてきた貯水槽とポンプとの間の接続を省略することができるため、システム構成にかかる接続部の数を減らして体積の小型化をすることができる。また、一時的に空気が駆動部に混入しても安定な流量を確保することができ、ポンプの空転による故障を防ぐことができる。
また、可動子がいずれの向きに移動しても流体を外に送出することができるため、流量を一定に維持することができる。
さらに、ポンプ機構を流体貯蔵槽の任意の部分に設置することができるため、機器の移動、設置向きの変更等に伴う流体貯蔵槽のあらゆる回転に対してもポンプ機能を維持することができる設計をすることが可能である。

本発明の流体貯蔵槽は、冷媒の循環によって発熱部位から発生する熱を輸送させて冷却する冷却装置に好適に用いられる。冷却装置の種類は、特に限定されず、例えば、電子機器の冷却装置、光学機器の冷却装置が挙げられる。

以上、本発明の流体貯蔵槽を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、例えば、各部の構成は、同様の機能を発揮しうる任意の構成と置換することができる。

本発明の流体貯蔵槽の例の模式的な断面図である。 図１に示される流体貯蔵槽のシリンダの端部に設けられた円盤の模式的な正面図である。 図１に示される流体貯蔵槽の例の模式的な部分断面図である。 図１に示される流体貯蔵槽の例の模式的な部分断面図により示される動作の説明図である。

符号の説明

１ 貯蔵部
２ シリンダ
３ 弁
４ 可動子
５ａ、５ｂ ポンプ室
６ 流体
７ａ、７ｂ 円盤
８ 流出口
９ 流入口
１０ 磁石
１１ ヨーク
１２ 円筒
１３ 空間
１４ａ、１４ｂ 送出弁
１５ａ、１５ｂ 電磁コイル
１６ 開口
１００ 流体貯蔵槽

Claims (2)

1. 冷媒の循環によって発熱部位から発生する熱を輸送させて冷却する冷却装置に前記冷媒として用いられる液体からなる流体を貯蔵するための流体貯蔵槽であって、
   前記流体を貯蔵する貯蔵部と、
   前記貯蔵部の内部に存在する、両端面が閉止された筒状のシリンダと、
   前記シリンダの内部に、摺動可能に存在する、磁性体を内蔵する可動子と、
   前記シリンダの両端部に存在し、前記貯蔵部の周壁よりも外側にのみ開く送出弁と、
   前記シリンダの外周を囲む電磁コイルと、
   を具備し、
   前記シリンダと、前記貯蔵部の相互に対向する前記周壁とが、連続的に形成され、
   前記シリンダの内部において、前記シリンダの両端部の内面と前記可動子の両端部の外面とが２個のポンプ室を形成し、
   前記電磁コイルに通電することにより発生する電磁力により、前記可動子が前記シリンダの内部で往復運動することができ、
   前記可動子がいずれの向きに移動しても前記ポンプ室に存在する前記流体を前記貯蔵部の外に送出することができる流体貯蔵槽。
2. 前記シリンダの中央部の内面と前記可動子の中央部の外面との間に空間があり、
   前記シリンダの前記中央部に、前記貯蔵部の内部と前記空間とを連通する開口が設けられており、
   前記可動子が前記ポンプ室と前記空間とを連通しうる弁を有し、
   前記流体を、前記開口を通じて前記貯蔵部の前記内部から前記空間に移動させることができ、更に、前記弁を通じて前記空間から前記ポンプ室に移動させることができる、請求項１に記載の流体貯蔵槽。

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