JP2004047921A - 冷却装置とそれを備えた電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、冷却効率を改善しながら小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの冷却装置とそれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明の冷却装置とそれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプ７が発熱電子部品３に接触されて内部の冷媒の熱交換作用で発熱電子部品３から熱を奪い、放熱器８から放熱を行う冷却装置であって、接触熱交換型ポンプ７のポンプケーシング１５が高熱伝導率の材料で形成されるとともに、ポンプケーシング１５には、内部のポンプ室１５ｂに沿った側面に受熱面１５ａが形成され、該受熱面１５ａが接触位置において発熱電子部品３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ていることを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】本発明の冷却装置とそれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプ７が発熱電子部品３に接触されて内部の冷媒の熱交換作用で発熱電子部品３から熱を奪い、放熱器８から放熱を行う冷却装置であって、接触熱交換型ポンプ７のポンプケーシング１５が高熱伝導率の材料で形成されるとともに、ポンプケーシング１５には、内部のポンプ室１５ｂに沿った側面に受熱面１５ａが形成され、該受熱面１５ａが接触位置において発熱電子部品３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ていることを特徴とする。
【選択図】 図１
Description
【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と、それを備えた電子機器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、特許文献２参照）。
【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１０に示すようなものが知られている。図１０は従来の電子機器の第１冷却装置の構成図である。図１０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。
【０００４】
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１０１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。
【０００５】
次に、電子機器の従来の第２冷却装置として、図１１に示すものが提案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
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。図１１は従来の電子機器の第２冷却装置の構成図である。図１１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。
【０００７】
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１１４、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１１６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。
【０００８】
また、内部的に熱交換を行える熱交換機能付ポンプも従来提案されている（例えば特許文献４参照）。
【０００９】
図１２は従来の熱交換機能付ポンプの一部破砕斜視図である。図１２において、１２０はモーター、１２１は熱交換器、１２２は冷却水路、１２２ａは吐出口、１２２ｂは吸込口、１２３は遠心ポンプ、１２４はケーシング、１２５はインペラである。
【００１０】
遠心ポンプ１２３は、ボリュート形のケーシング１２４の中央に吸込口１２４ｂ、外側接線方向に吐出口１２４ａが設けられている。ケーシング１２４内部にはインペラ１２５が設けられ、このインペラ１２５の軸がモーター１２０に連結されている。インペラ１２５の外側全周に、熱交換器１２１の冷却水路１２２がジグザグ状にして収容されている。
【００１１】
このような従来の熱交換機能付ポンプの動作を説明すると、インペラ１２５がモーター１２０により回転すると、機器側で熱せられた冷媒Ａが吸込口１２４ｂからケーシング１２４内部に入り、ケーシング１２４の内部を旋回して外側の吐出口１２４ａから吐出される。このとき、ケーシング１２４の内部外方は高圧で乱流状態となっているから、冷媒Ａが冷却水路１２２に激しく触れて冷却水路１２２内を流れる冷却水Ｂにより冷却される。こうして、冷媒Ａを遠心ポンプ１２３の部分で冷却しながらがら機器側に圧送させるものであった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−２６４１３９号公報
【特許文献２】
特開平８−３２２６３号公報
【特許文献３】
特開平７−１４２８８６号公報
【特許文献４】
実開平２−１４７９００号公報
【００１３】
【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１０３、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
そこで、本発明は、冷却効率を改善しながら小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの冷却装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は、小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの電子機器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の冷却装置は、接触熱交換型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、接触熱交換型ポンプのポンプケーシングが高熱伝導率の材料で形成されるとともに、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、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ていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、冷却効率を改善しながら小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの冷却装置を実現できる。
【００２２】
また本発明の電子機器は、中央処理装置を含む電子回路と記憶装置を収納して上面にキーボードが設けられた第一筐体と、表示装置を備えた第二筐体とを備え、第二筐体が第一筐体に回転可能に取り付けられ、中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために上述の冷却装置が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの電子機器を提供することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、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ポンプが設けられ、接触熱交換型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、接触熱交換型ポンプのポンプケーシングが高熱伝導率の材料で形成されるとともに、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、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ていることを特徴とする冷却装置であるから、接触熱交換型ポンプが冷却器を兼ねることができ、冷却装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００２５】
本発明の請求項２に記載の発明は、受熱面に補助熱伝導部材が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置であるから、ポンプケーシングより高い熱伝導率の材料の補助熱伝導部材を介すことによって熱伝達を促進できる。
【００２６】
本発明の請求項３に記載の発明は、補助熱伝導部材が、接触位置において発熱部材の上部表面形状と下面が合致し、受熱面の形状と上面が合致した板状体であることを特徴とする請求項２記載の冷却装置であるから、ポンプケーシングより高い熱伝導率の板状体の補助熱伝導部材を介すことによって熱伝達を促進できる。
【００２７】
本発明の請求項４に記載の発明は、補助熱伝導部材が、ポンプケーシングのポンプ室に沿った側面に設けられたヒートパイプであることを特徴とする請求項２記載の冷却装置であるから、ヒートパイプによって熱伝達を促進できる。
【００２８】
本発明の請求項５に記載の発明は、接触熱交換型ポンプが渦流ポンプであることを特徴とする請求項１〜４に記載の冷却装置であるから、羽根車の厚さが薄く、ポンプ流れに沿った側面に受熱面を形成して、発熱電子部品を中心に外方に伝熱される熱を羽根車外周の流れで乱流熱交換して効果的に冷却でき、冷却効率を改善しながら冷却装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００２９】
本発明の請求項６に記載の発明は、接触熱交換型ポンプが、外周に多数の溝状の羽根が形成され、内周にローターマグネットが設けられたリング状羽根車と、ローターマグネットの内周側に設けられたモーターステーターと、該モーターステーターとローターマグネットの間に配設する円筒部が形成されるとともに、羽根車を内部に収容し吸込口と吐出口を有するポンプケーシングとを備え、円筒部がリング状羽根車を回転自在に軸支した渦流ポンプであることを特徴とする請求項５記載の冷却装置であるから、接触熱交換型ポンプのモーター部分が受熱面に対して突出部分をつくることがなく、超薄型ポンプとすることができ、伝熱される熱が羽根車外周で冷媒と激しく乱流熱交換されるので、冷却効率を改善しながら冷却装置のさらなる薄型化、低コスト化が可能になる。
【００３０】
本発明の請求項７に記載の発明は、受熱面がポンプケーシングの側面全体から構成さ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るから、受熱面がポンプケーシングを最大に活かして大きく採ることができる。
【００３１】
本発明の請求項８に記載の発明は、受熱面が平面であることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置であるから、受熱面を上面がフラットな基板に装着することができる。
【００３２】
本発明の請求項９に記載の発明は、円筒部の内側に設けられたモーターステーターを熱伝導率の高いモールド材でモールドしたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の冷却装置であるから、モールド材でモールドすることにより、熱伝達を促進するとともに、モーターステーターを完全に防水することができる。
【００３３】
本発明の請求項１０に記載の発明は、ポンプ室内の表面粗さを粗面にしたことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の冷却装置であるから、乱流熱交換することにより、熱伝達を促進することができる。
【００３４】
本発明の請求項１１に記載の発明は、円筒部には、リング状羽根車に作用する半径方向スラストの方向と軸心に対して反対側表面にラジアル動圧発生手段が設けられたことを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の冷却装置であるから、リング状羽根車が円滑に回転することができる。
【００３５】
本発明の請求項１２に記載の発明は、中央処理装置を含む電子回路と記憶装置を収納して上面にキーボードが設けられた第一筐体と、中央処理装置による処理結果を表示することができる表示装置を備えた第二筐体とを備え、第二筐体が第一筐体に回転可能に取り付けられた電子装置であって、中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために請求項１〜１１に記載の冷却装置が設けられたことを特徴とする電子機器であるから、キーボードを搭載した第一筐体と表示装置を有する第二筐体とを有する電子装置を冷却させることで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【００３６】
本発明の請求項１３に記載の発明は、接触熱交換型ポンプが中央処理装置上面に受熱面を接触させて設置され、放熱器が第二筐体内の表示装置裏面に配設されたことを特徴とする請求項１２に記載の電子機器であるから、第一筐体内に接触熱交換型ポンプを配設し、第二筐体内に放熱器を配設することで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００３８】
（実施の形態１）
実施の形態１における冷却装置とそれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプと放熱器を第二筐体と第一筐体の回転を許容するフレキシブルな配管で接続したものである。電子機器はノート型パソコン等の折り畳み可能な機器である。図１は本発明の実施の形態１における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図、図２は本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの断面図、図３は本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの分解斜視図、図４は本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図である。
【００３９】
図１において、１はノート型パソコン等の第一筐体、２は第一筐体１の上面に設けられたキーボード、３は第一筐体１内に収められたＣＰＵ等の発熱電子部品、４は発熱電子部品３を実装した基板、５は第一筐体１の蓋となる第二筐体、６は第二筐体５の内面側に設けられたＣＰＵによる演算処理結果を表示する表示装置、７は発熱電子部品３に密着し発熱電子部品３と冷媒Ｘとで熱交換を行ない発熱電子部品３を冷却するとともに冷媒Ｘを循環させる接触熱交換型ポンプ、８は表示装置６の裏面に配設され冷媒Ｘから熱を取り除く放熱器、８ａは繰り返し蛇行した冷媒通路、８ｂは冷媒Ｘを補充するためのリザーブタンク、９はこれらを接続する配管である。なお、冷媒Ｘ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。
【００４０】
放熱器８は、表示装置６の裏面の幅の狭く広い空間で冷媒Ｘから熱を取り除く必要があるため、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウムなどの薄板材で構成され、図１に示すように、内部に冷媒通路８ａとリザーブタンク８ｂが形成されている。また、放熱器８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。配管９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。
【００４１】
続いて接触熱交換型ポンプ７の構成の説明を行う。本実施の形態１の接触熱交換型ポンプ７は渦流ポンプ（ウエスコ型ポンプ、再生ポンプ、摩擦ポンプとも呼称される）を用いている。図２，３において、１１は渦流ポンプのリング状羽根車、１２は外周に多数形成されたリング状羽根車１１の溝状の羽根、１３はリング状羽根車１１の内周に設けられたローターマグネットである。１４はローターマグネット１３の内周側に設けられたモーターステーター、１５はリング状羽根車１１を収容すると同時にリング状羽根車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は発熱電子部品３に接触して熱を奪う受熱面、１５ｂ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、１６はポンプケーシング１５の一部をなしリング状羽根車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、リング状羽根車１１を回転自在に軸支するための円筒部である。なお、本実施の形態１の接触熱交換型ポンプ７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３〜１５ｍｍ、半径方向代表寸法１０〜７０ｍｍ、流量が０．０１〜０．５Ｌ／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、ｍ３／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。
【００４２】
そして、従来、側面を接触させて熱交換するポンプは、伝熱効率が悪いものとして、その熱交換機能が検討の対象にされることはなかった。また、ポンプで側面をフラットに構成することの困難さから、薄型でフラットな受熱面をもつポンプの実用化は無理と考えられていた。しかし本発明者らは渦流ポンプに着目し、以下詳述する改良を加えることで、発熱電子部品３から伝熱される熱を渦流ポンプ外周で乱流熱交換すれば熱交換機能は十分なものとなり、フラットな受熱面という点も駆動部の一部を羽根車と一体化して全体を平板状に配置することにより実現可能になる、という知見に到達したものである。さらにこのとき、流量に対する受熱面の面積、流量に対する伝熱量を考えたとき、通常の大きさのポンプと異なってこの小型薄型のポンプは冷却に十分な値を持ち得るからである。
【００４３】
すなわち、接触熱交換型ポンプ７のポンプケーシング１５内の流れは、羽根１２の攪拌による過流型特有のスパイラル状の流れであり、巨視的にはリング状のポンプ室１５ｂに沿って流れる。この流れによって熱源から外方へ伝熱される熱をリング状羽根車１１の外周部分で（微視的には図４のように伝熱方向と部分的に向流しながら）奪うため、冷却器を別に設けなくとも熱交換器として機能させることが可能になる。但し、冷却力を増強するため補助の冷却器を併設することは可能である。またローターマグネット１３がリング状羽根車１１と一体化されてリング状となり、円筒部１７で軸支されるため、リング状羽根車１１の慣性質量を小さくすることができ、これにより駆動部の発熱量を抑え、接触熱交換型ポンプ７を小型且つ薄型で軽量化することができる。そして、熱伝達を促すためにポンプケーシング１５とケーシングカバー１６は、熱伝導率が高い銅，アルミニウム等の材料を選択する必要がある。そして基本的には銅やアルミニウム等の熱伝導率の良い金属材料を用いるのが適当であるが、熱伝導に対する影響が少ないところでは熱伝導率の高い樹脂等を使用するのでも差し支えない。重量軽減のため等にポンプケーシング１５の材料としてアルミニウムを選択した場合には、アルミニウムよりも更に熱伝導率の高い銅板をポンプケーシング１５の下面に取り付けるのがよい。また、さらにヒートパイプをポンプケーシング１５の下面（受熱面側１５ａ）に取り付けるか、もしくはその一部に埋め込めば、受熱した熱をより効率的にポンプケーシング１５のリング状羽根車１１の外周部分にまで伝達することができる。この銅板，ヒートパイプが本発明の補助熱伝導部材である。板材を取り付けるだけでなく、棒状の銅材を摩擦圧接により溶かし不要部分を切削することで補助熱伝導部材をつくるのもよい。また、ポンプケーシング１５，ケーシングカバー１６には、外側表面にフィン状の凹凸をつけて外気との熱交換を積極的に行わせるのも好適である。
【００４４】
さらに、この接触熱交換型ポンプ７は、ポンプケーシング１５の受熱面１５ａを完全にフラットにすることが可能となる。すなわち、ポンプケーシング１５の側面をポンプ室１５ｂ側面及びモーターステーター１４側面との間で一致させ、モーターステーター１４は円筒部１７内の窪みに収容することにより、接触熱交換型ポンプ７の受熱面１５ａを平面化し、発熱電子部品３（通常上部はフラットに構成されている）にぴったり接触させることができる。発熱電子部品３の上部形状に凹凸があるときなどには、肉厚を変化させるなどすれば形状を合致させ隙間なく接触させることができる。受熱面１５ａと発熱電子部品３の上部形状との間に上述の銅板と同様に高熱伝導率の接着用樹脂やゴムを介在させ、できる限り伝熱効率を下げずに固定するのがよい。なお、ここで発熱電子部品３の上部形状に合致させるというのは、発熱電子部品３の上部表面の３次元的な形状と相補的な形状を受熱面１５ａに与えることであり、発熱電子部品３に載置可能な状態で曲面が合致していることである。そしてＣＰＵ等の発熱電子部品３の大きさ及び形状と受熱面１５ａの大きさ及び形状には差があることが多いが（本発明の接触熱交換型ポンプ７は非常に小さく、通常発熱電子部品３の方が大きさが大きいし、形状も本発明の接触熱交換型ポンプ７が様々な形状を採用できるのに対し、通常は四角形である。）、少なくともその取付け位置（接触位置）においては曲面が合致していることを意味する。また熱伝達を効果的に行うためには受熱面１５ａと発熱電子部品３との間に空気の層を形成しないようにする必要があり、以下は決して好ましいことではないが、例えば、一方に小さな凹みを形成するような場合を包含するものである。
【００４５】
そして本発明の実施の形態１の場合、モーターステーター１４はポンプケーシング１５の円筒部１７によって形成された中央の窪み部分に収容されて伝熱し、他方の側は大気に開放されて外気に放熱される。従って駆動部から発生する熱はもともと小さい上に、外気にも放熱されるため、接触熱交換型ポンプ７はもっぱら発熱電子部品３を冷却することが可能になる。しかし、発熱電子部品３の冷却のためには、発熱するモーターステーター１４付近にＣＰＵ等の発熱電子部品３を位置するのは避けた方がよい。すなわち、発熱電子部品３の大きさと受熱面１５ａの大きさにもよるが、発熱電子部品３の配置をどこにするかで伝熱速度に差が出てくる。モーターの発熱があるため、受熱面１５ａの中でもポンプ室１５ｂの壁を挟んだ側面またはその近傍、あるいは受熱面１５ａの中でも吸込口１９、吐出口２０に近い部分の方が、受熱効率が高くなる。とくに、受熱面１５ａの中でも吸込口１９、吐出口２０、ポンプ室１５ｂで囲まれる領域に発熱電子部品３の中心を配置するのがもっとも放熱に効果的である。
【００４６】
さらに、モーターステーター１４が収容された窪み部分を熱伝導率の高いシリコン樹脂やウレタン樹脂等でモールドすれば、モーターステーター１４で発熱があっても、このモールド部を通してポンプ室１５ｂへ熱伝達が起こりる。また、受熱面１５ａから受熱した発熱電子部品３の熱をこのモールド部からポンプ室１５ｂ内の冷媒Ｘへ伝達することができる。これにより、さらに伝熱速度を上げることができる。なお、このように巻き線を含むモーターステーター１４をモールド材でモールドすると、発熱電子部品３からの放熱の促進だけでなく、電気が通る巻き線部分が完全に防水されるため、モーターステーター１４の漏水対策を万全なものにすることができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態１の接触熱交換型ポンプ７は、円滑な運転を長時間継続するために流体力学的に発生する軸方向、半径方向のスラストを抑え、非接触で回転させることができる。図２，図３において、１８はスラスト板、１９は吸込口、２０は吐出口である。２２はリング状羽根車１１の両側面に形成されたスパイラル状溝パターンを有するスラスト動圧発生溝、２３は同様にリング状羽根車１１の内周面に形成されたへリングボーン状溝パターンを有するラジアル動圧発生溝である。
【００４８】
渦流ポンプにおいては吐出口２０付近の圧力の方が吸込口１９付近の圧力より大きいため半径方向のスラストのバランスが崩れてしまう。そこで、スラスト動圧発生溝２２のスパイラル状溝パターンは、リング状羽根車１１の回転に伴い当該溝の内周側に流体を押し出すポンプ作用をなす形状とし、リング状羽根車１１の両側面に液膜を形成し、軸方向のスラストを動圧で支えている。また、ラジアル動圧発生溝２３のへリングボーン状溝パターンはリング状羽根車１１の回転に伴い当該溝の軸方向中央側に流体を押し出すポンプ作用をなす形状としており、これにより液膜を形成し、リング状羽根車１１にかかる半径方向のスラストを動圧で支えている。スラスト動圧発生溝２２はリング状羽根車１１側でなく、ポンプケーシング１５やケーシングカバー１６のスラスト板１８側に形成してもよいし、ラジアル動圧発生溝２３はポンプケーシング１５の円筒部１７側に形成してもよい。
【００４９】
図５（ａ）は本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの生成テーブル図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの説明図である。図５（ｂ）に示すように、渦流ポンプにおいては吐出口２０付近の圧力の方が吸込口１９付近の圧力より大きいため、半径方向のスラストは吐出口２０の反対側となるθ方向に作用する。従って、ラジアル動圧発生溝２３を吐出口２０近くの円筒部１７のＡ部分（ポンプケーシング１５の円筒部１７の太線部分）だけに形成したり、全周に形成した場合でもＡ部分の溝深さを動圧が高くなる深さにして流体の押し出す作用を強化させれば、半径方向のスラストがリング状羽根車１１を円筒部１７に接触させるのを防止することができ、ポンプの運転を安定して行なうことができる。なお、図５（ａ）のデータが示すように、Ａ部分は吐出口２０と吸込口１９の圧力差の大きさによってリング状羽根車１１に作用する力の方向が変化するために、使用する領域によってＡ部の範囲を決定することができる。
【００５０】
このように接触熱交換型ポンプ７によれば、第１に、渦流ポンプの駆動部をローターマグネット１３とモーターステーター１４に分離し、ローターマグネット１３をリング状羽根車１１と一体化してモーターステーター１４とともに全体構成を平板状に配置できる。これによってフラットで大きな受熱面１５ａがポンプ側面に形成可能になる。第２に、発熱電子部品３から伝熱される熱は受熱面１５ａを伝わって、スパイラル流れで伝熱方向と部分的に向流しながらポンプ外周で乱流熱交換されるため、接触熱交換型ポンプ７は冷却器として十分に機能する。第３に、円筒部１７を設けることでリング状羽根車１１を完全に水封でき、ポンプケーシング１５内で非接触で浮上させることで負荷を最小限にすることができ、駆動部からの発熱を抑えて冷却機能を向上させることができる。第４に、この接触熱交換型ポンプ７は、冷却器を兼ねるため従来の冷却器が不要になるばかりでなく、冷却器を組み立てる作業も不要となる。加えて、この接触熱交換型ポンプ７自体を発熱電子部品３に装着するときに、別途煩わしい組み立てや特殊の構造が必要でなく、ただ受熱面１５ａを接触させて固定するだけで十分であり、冷却装置の組み立てやコストの面でもきわめて有効である。
【００５１】
次に本発明の実施の形態１における冷却装置と、それを備えた電子機器の動作について説明する。外部電源から電力を供給されると、接触熱交換型ポンプ７に設けられた半導体スイッチング回路により制御された電流がモーターステーター１４のコイルに流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がローターマグネット１３に作用するとローターマグネット１３に物理力が発生する。このときローターマグネット１３はリング状羽根車１１と一体化されており、リング状羽根車１１はポンプケーシング１５の円筒部１７に回転自在に軸支されているため、リング状羽根車１１に回転トルクが作用し、この回転トルクによりリング状羽根車１１が回転を始める。リング状羽根車１１の外周に設けられた羽根１２はリング状羽根車１１の回転によって吸込口１９から流入した流体に運動エネルギーを与え、その運動エネルギーによりポンプケーシング１５内の流体の圧力が徐々に高められ吐出口２０から吐き出される。
【００５２】
ここで、リング状羽根車１１の回転に伴うスラスト動圧発生溝２２のポンプ作用により、スラスト動圧発生溝２２の内周側に流体を押し出してリング状羽根車１１の両側面とスラスト板１８との間にスラスト動圧が発生する。このためリング状羽根車１１は液膜によりスラスト板１８と接触することなく円滑に回転する。また、リング状羽根車１１の回転に伴うラジアル動圧発生溝２３のポンプ作用により、ラジアル動圧発生溝２３の軸方向中央側に流体を押し出してリング状羽根車１１の内周面と円筒部１７との間にラジアル動圧が発生する。このためリング状羽根車１１は円筒部１７と接触することなく浮上して円滑に回転する。リング状羽根車１１は慣性モーメントが小さく、応答性がきわめて良好となる。また、これによりポンプ自体の重量もきわめて軽量となる。
【００５３】
この状態で接触熱交換型ポンプ７は円滑に冷媒Ｘを吸い込む。吸い込まれた冷媒Ｘは、図４に示すようにポンプケーシング１５とケーシングカバー１６に囲まれた空間でリング状羽根車１１によって攪拌され、渦流ポンプ特有のポンプ室１５ｂ内の流れを形成して、昇圧されながら吐出される。このとき冷媒Ｘは、発熱電子部品３からの伝熱で高温になったポンプケーシング１５やケーシングカバー１６と激しく乱流熱交換を行う。この乱流熱交換は、ポンプ室１５ｂ内壁面の表面粗さをショットブラスト、ショットピーニング加工等により粗くすることによって促進させることができる。これは、表面粗さが粗くなることによって伝熱面積が大きくなるとともに、乱流が激しくなって熱伝達が大きくなったからと考えられる。同様に、図６に示すように、ポンプ室１５ｂ内壁面からリング状羽根車１１に向けて突出するフィン１５Ｃを設けると、ポンプ室１５ｂ内の流れを円滑にするとともに、ポンプケーシング１５から冷媒Ｘへの伝達面積が増加するため、熱交換量を増加させることができる。図６は本発明の実施の形態１におけるフィンを設けた接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図である。
【００５４】
このように乱流熱交換により発熱電子部品３の熱を奪って昇温した冷媒Ｘは、配管９を通って放熱器８に送られ、放熱器８で冷却されて、温度降下した後に再度配管９を通って接触熱交換型ポンプ７へ戻り、これを繰り返す。
【００５５】
放熱器８から放出された熱は第二筐体５の外部へ排出され、第一筐体１内部の温度は一定に保たれるため、使用者が触れる機会の多い第一筐体１の表面温度が上昇して使用者に不快感を与えることはない。このように、接触熱交換型ポンプ７は冷媒Ｘを循環させて発熱電子部品３から熱を奪い、発熱電子部品３をその許容温度に保つことができる。
【００５６】
本発明の実施の形態１の冷却装置とこれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプ７によりポンプと冷却器を兼ねることで、ポンプと冷却器を別々に設置する必要がなく、またポンプと冷却器を接続する配管も不要となり、冷却装置の小型化、低コスト化が実現できる。冷却器の組み立て作業も不要となる。加えて、この接触熱交換型ポンプ７自体を発熱電子部品３に装着するときに、別途煩わしい組み立てや特殊の構造が必要とならず、ただ単純に載置して接触させるだけで十分であり、冷却装置の組み立てやコストの面でもきわめて有用である。
【００５７】
また、接触熱交換型ポンプ７のポンプを、羽根１２とローターマグネット１３および回転軸とを一体化してリング状羽根車１１を形成し、その中にモーターステーター１４を挿入する超薄型の渦流ポンプとすることで、ポンプの内部で冷媒が激しく乱流熱交換されるので、冷却器での冷却効率を改善しながら冷却装置のさらなる薄型化、低コスト化が可能になる。
【００５８】
さらに、配管９をガス透過性の少ないゴムチューブにすることで、配管レイアウトの自由度を確保しながら、長期にわたって冷却装置内の冷媒Ｘが外部に蒸発して多量のガスが冷却装置内混入するのを防止できる。また、第一筐体１内に接触熱交換型ポンプ７を配設し、第二筐体５内に放熱器８を配設することで、ノート型パソコン等本体の小型化がさらに可能になる。
【００５９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における冷却装置とそれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプと放熱器を配管と第二筐体と第一筐体の回転を許容する回動部材で接続したものである。電子機器はノート型パソコン等の折り畳み可能な機器である。そして実施の形態１と比較して接触熱交換型ポンプの構成には違いはない。図７は本発明の実施の形態２における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図、図８は本発明の実施の形態２における回動部材の断面図、図９は本発明の実施の形態２における回動部材をワンタッチ着脱可能なコネクターと一体化した場合の断面図である。
【００６０】
図７において、１は第一筐体、２はキーボード、３は発熱電子部品、４は基板、５は第二筐体、６は表示装置、７は接触熱交換型ポンプ、８は放熱器、８ａは冷媒通路、８ｂはリザーブタンク、９ａは接触熱交換型ポンプ７側の配管、９ｂは放熱器８側の配管である。３０は第一筐体１と第二筐体５の接続部内に設けられ、第二筐体５の回転に伴って回動可能な構造を有する回動部材であり、接触熱交換型ポンプ７側の配管９ａと放熱器８側の配管９ｂに接続されている。
【００６１】
次に、この回動部材３０の説明を行う。図８において、３１は一端が配管と接続され他端が後述の内筒３２と接続される中空の外筒、３１ａは抜け落ち防止用の切り欠き、３２は外筒３１に挿入されて接続される中空の内筒、３２ｂは抜け落ち防止用の切り欠き３１ａに挿入される突起である。中空部分が冷媒Ｘの通路となる。３２ａは内筒３２の外周に設けられた溝、３３は外筒３１と内筒３２の間に設けられ溝３２ａに嵌め込まれるＯリング状弾性部材である。Ｏリング状弾性部材３３は外筒３１と内筒３２とを回動可能に支持し、外筒３１と内筒３２の各通路と外部との間をシールして、通路内の冷媒Ｘが外部に漏れるのを防ぐ。さらにＯリング状弾性部材３３を二列に配置することで、長期にわたって冷却装置内の冷媒Ｘが外部に蒸発して多量のガスが冷却装置内に混入するのを防止している。なお、外筒３１と内筒３２が抜けるのを防ぐ目的で、内筒３２側に突起３２ｂ、外筒３１側に切り欠き３１ａが設けられている。
【００６２】
また、図９において、３１ｂは回動部材３０の外筒３１内に設けられた弁、３１ｃは弁３１ｂを付勢するスプリング、３２ｃは内筒３２内に設けられた弁、３２ｄは弁３２ｃを付勢するスプリングである。弁３１ｂと弁３２ｃは、外筒３１と内筒３２を分離して取り外した状態でそれぞれの内部の通路を外部と封止するもので、外筒３１と内筒３２を接続した場合には各通路がつながるようになっている。
【００６３】
接触熱交換型ポンプ７の構成および動作は本発明の実施の形態１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００６４】
次に本発明の実施の形態２における冷却装置と、それを備えた電子機器の動作について説明する。接触熱交換型ポンプ７に吸い込まれた冷媒Ｘは、接触熱交換型ポンプ７内でリング状羽根車１１によって攪拌され、発熱電子部品３からの伝熱で高温になったポンプケーシング１５やケーシングカバー１６と激しく乱流熱交換を行い、その結果、温度上昇して配管９と回動部材３０内の流路を通って放熱器８に送られ、放熱器８で冷却され、温度降下して配管９と回動部材３０内の流路を通って接触熱交換型ポンプ７へ戻ってこれを繰り返す。このように、冷媒Ｘを循環させて発熱電子部品３を冷却して、発熱電子部品３をその許容温度に保つ。
【００６５】
使用者がノート型パソコン等の電子機器において第二筐体５を開け閉めした場合、第二筐体５が第一筐体１のヒンジ回りに回転するが、その回転に伴って回動部材３０の外筒３１と内筒３２がそれぞれに対して回動するため、第二筐体５の回転がスムーズに行え、且つ、第一筐体１内の接触熱交換型ポンプ７側の配管９ａと第二筐体５内の放熱器８側の配管９ｂは回動部材３０で接続されているので変形することがなく、内部の冷媒の流れを妨げることを防止できる。
【００６６】
また、図９に示すように回動部材をコネクターと一体化した場合、接触熱交換型ポンプ側と放熱器側とを別々に組み立てることが可能となり、それぞれを第一筐体１内および第二筐体５内に組み込んで第一筐体１および第二筐体５をサブアッセンブリした後で第一筐体１と第二筐体５を接続できるので、製造コストを低減できる。
【００６７】
以上説明したように本発明の実施の形態２によれば、第一筐体１と第二筐体の間の配管に回動部材３０を設けることで、第二筐体５の回転がスムーズに行え、且つ、配管が変形して内部の冷媒の流れを妨げることを防止できる。また、接触熱交換型ポンプ７と放熱器８とを接続する配管にワンタッチ接続可能なコネクターを設けることで、接触熱交換型ポンプ７側と放熱器８側とを別々に組み立てることが可能となり製造コストを低減できる。さらに、回動部材３０とコネクターを一体化することで、さらなるノート型パソコン等の本体の小型化、低コスト化が可能になる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように本発明の冷却装置によれば、接触熱交換型ポンプが冷却器を兼ねることで、ポンプと冷却器を別々に設置する必要がなく、またポンプと冷却器を接続する配管も不要となり、冷却装置の小型化、低コスト化が可能となる。組み立ても容易となる。
【００６９】
また、接触熱交換型ポンプが渦流ポンプであるから、羽根車の厚さが薄く、ポンプ流れに沿った側面に受熱面を形成して、発熱電子部品を中心に外方に伝熱される熱を羽根車外周の流れで乱流熱交換して効果的に冷却でき、冷却効率を改善しながら冷却装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００７０】
接触熱交換型ポンプが、内周にローターマグネットが設けられたリング状羽根車と、モーターステーターとローターマグネットの間に配設された円筒部を有するポンプケーシングとを備え、円筒部がリング状羽根車を回転自在に軸支した渦流ポンプであるから、接触熱交換型ポンプのモーター部分が受熱面に対して突出部分をつくることがなく、超薄型ポンプとすることができ、伝熱される熱が羽根車外周で冷媒と激しく乱流熱交換されるので、冷却効率を改善しながら冷却装置のさらなる薄型化、低コスト化が可能になる。
【００７１】
受熱面がポンプケーシングの側面全体から構成されているから、受熱面がポンプケーシングを最大に活かして大きく採ることができる。受熱面が平面であるため、受熱面を上面がフラットな基板に装着することができる。モールド材でモールドすることにより、熱伝達を促進するとともに、モーターステーターを完全に防水することができる。
【００７２】
本発明の電子装置によれば、第二筐体が第一筐体に回転可能に取り付けられ、中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために冷却装置が設けられたから、キーボードを搭載した第一筐体と表示装置を有する第二筐体とを有する電子装置を冷却させることで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【００７３】
接触熱交換型ポンプが中央処理装置上面に受熱面を接触させて設置され、放熱器が第二筐体内の表示装置裏面に配設されたから、第一筐体内に接触熱交換型ポンプを配設し、第二筐体内に放熱器を配設することで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図
【図２】本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの断面図
【図３】本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの分解斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの生成テーブル図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの説明図
【図６】本発明の実施の形態１におけるフィンを設けた接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図
【図７】本発明の実施の形態２における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図
【図８】本発明の実施の形態２における回動部材の断面図
【図９】本発明の実施の形態２における回動部材をワンタッチ着脱可能なコネクターと一体化した場合の断面図
【図１０】従来の電子機器の第１冷却装置の構成図
【図１１】従来の電子機器の第２冷却装置の構成図
【図１２】従来の熱交換機能付ポンプの一部破砕斜視図
【符号の説明】
１ 第一筐体
２，１０９ キーボード
３，１０１ 発熱電子部品
４，１０２ 基板
５ 第二筐体
６ 表示装置
７ 接触熱交換型ポンプ
８，１０４ 放熱器
８ａ 冷媒通路
８ｂ リザーブタンク
９，９ａ，９ｂ，１０６ 配管
１１ リング状羽根車
１２ 羽根
１３ ローターマグネット
１４ モーターステーター
１５ ポンプケーシング
１５ａ 受熱面
１５ｂ ポンプ室
１６ ケーシングカバー
１７ 円筒部
１８ スラスト板
１９ 吸込口
２０ 吐出口
２２ スラスト動圧発生溝
２３ ラジアル動圧発生溝
３０ 回動部材
３１ 外筒
３１ａ 切り欠き
３２ 内筒
３２ａ 溝
３２ｂ 突起
３３ Ｏリング状弾性部材
１００ 筐体
１０３ 冷却器
１０５ ポンプ
１０７ ファン
１０８ 配線基板
１１０ 半導体発熱素子
１１１ ディスク装置
１１２ 表示装置
１１３ 受熱ヘッダ
１１４ 放熱ヘッダ
１１５ フレキシブルチューブ
１１６ 金属筐体
１２０ モーター
１２１ 熱交換器
１２２ 冷却水路
１２２ａ 吐出口
１２２ｂ 吸込口
１２３ 遠心ポンプ
１２４ ケーシング
１２５ インペラ
【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と、それを備えた電子機器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、特許文献２参照）。
【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１０に示すようなものが知られている。図１０は従来の電子機器の第１冷却装置の構成図である。図１０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。
【０００４】
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１０１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。
【０００５】
次に、電子機器の従来の第２冷却装置として、図１１に示すものが提案されている（特許文献３参照）。
【０００６】
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。図１１は従来の電子機器の第２冷却装置の構成図である。図１１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。
【０００７】
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１１４、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１１６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。
【０００８】
また、内部的に熱交換を行える熱交換機能付ポンプも従来提案されている（例えば特許文献４参照）。
【０００９】
図１２は従来の熱交換機能付ポンプの一部破砕斜視図である。図１２において、１２０はモーター、１２１は熱交換器、１２２は冷却水路、１２２ａは吐出口、１２２ｂは吸込口、１２３は遠心ポンプ、１２４はケーシング、１２５はインペラである。
【００１０】
遠心ポンプ１２３は、ボリュート形のケーシング１２４の中央に吸込口１２４ｂ、外側接線方向に吐出口１２４ａが設けられている。ケーシング１２４内部にはインペラ１２５が設けられ、このインペラ１２５の軸がモーター１２０に連結されている。インペラ１２５の外側全周に、熱交換器１２１の冷却水路１２２がジグザグ状にして収容されている。
【００１１】
このような従来の熱交換機能付ポンプの動作を説明すると、インペラ１２５がモーター１２０により回転すると、機器側で熱せられた冷媒Ａが吸込口１２４ｂからケーシング１２４内部に入り、ケーシング１２４の内部を旋回して外側の吐出口１２４ａから吐出される。このとき、ケーシング１２４の内部外方は高圧で乱流状態となっているから、冷媒Ａが冷却水路１２２に激しく触れて冷却水路１２２内を流れる冷却水Ｂにより冷却される。こうして、冷媒Ａを遠心ポンプ１２３の部分で冷却しながらがら機器側に圧送させるものであった。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−２６４１３９号公報
【特許文献２】
特開平８−３２２６３号公報
【特許文献３】
特開平７−１４２８８６号公報
【特許文献４】
実開平２−１４７９００号公報
【００１３】
【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１０３、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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
そこで、本発明は、冷却効率を改善しながら小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの冷却装置を提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は、小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの電子機器を提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本発明の冷却装置は、接触熱交換型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、接触熱交換型ポンプのポンプケーシングが高熱伝導率の材料で形成されるとともに、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、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ていることを特徴とする。
【００２１】
これにより、冷却効率を改善しながら小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの冷却装置を実現できる。
【００２２】
また本発明の電子機器は、中央処理装置を含む電子回路と記憶装置を収納して上面にキーボードが設けられた第一筐体と、表示装置を備えた第二筐体とを備え、第二筐体が第一筐体に回転可能に取り付けられ、中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために上述の冷却装置が設けられていることを特徴とする。
【００２３】
これにより、小型化、薄型化することができ、構造が簡単で低コストの電子機器を提供することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、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ポンプが設けられ、接触熱交換型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、接触熱交換型ポンプのポンプケーシングが高熱伝導率の材料で形成されるとともに、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、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ていることを特徴とする冷却装置であるから、接触熱交換型ポンプが冷却器を兼ねることができ、冷却装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００２５】
本発明の請求項２に記載の発明は、受熱面に補助熱伝導部材が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置であるから、ポンプケーシングより高い熱伝導率の材料の補助熱伝導部材を介すことによって熱伝達を促進できる。
【００２６】
本発明の請求項３に記載の発明は、補助熱伝導部材が、接触位置において発熱部材の上部表面形状と下面が合致し、受熱面の形状と上面が合致した板状体であることを特徴とする請求項２記載の冷却装置であるから、ポンプケーシングより高い熱伝導率の板状体の補助熱伝導部材を介すことによって熱伝達を促進できる。
【００２７】
本発明の請求項４に記載の発明は、補助熱伝導部材が、ポンプケーシングのポンプ室に沿った側面に設けられたヒートパイプであることを特徴とする請求項２記載の冷却装置であるから、ヒートパイプによって熱伝達を促進できる。
【００２８】
本発明の請求項５に記載の発明は、接触熱交換型ポンプが渦流ポンプであることを特徴とする請求項１〜４に記載の冷却装置であるから、羽根車の厚さが薄く、ポンプ流れに沿った側面に受熱面を形成して、発熱電子部品を中心に外方に伝熱される熱を羽根車外周の流れで乱流熱交換して効果的に冷却でき、冷却効率を改善しながら冷却装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００２９】
本発明の請求項６に記載の発明は、接触熱交換型ポンプが、外周に多数の溝状の羽根が形成され、内周にローターマグネットが設けられたリング状羽根車と、ローターマグネットの内周側に設けられたモーターステーターと、該モーターステーターとローターマグネットの間に配設する円筒部が形成されるとともに、羽根車を内部に収容し吸込口と吐出口を有するポンプケーシングとを備え、円筒部がリング状羽根車を回転自在に軸支した渦流ポンプであることを特徴とする請求項５記載の冷却装置であるから、接触熱交換型ポンプのモーター部分が受熱面に対して突出部分をつくることがなく、超薄型ポンプとすることができ、伝熱される熱が羽根車外周で冷媒と激しく乱流熱交換されるので、冷却効率を改善しながら冷却装置のさらなる薄型化、低コスト化が可能になる。
【００３０】
本発明の請求項７に記載の発明は、受熱面がポンプケーシングの側面全体から構成さ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るから、受熱面がポンプケーシングを最大に活かして大きく採ることができる。
【００３１】
本発明の請求項８に記載の発明は、受熱面が平面であることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置であるから、受熱面を上面がフラットな基板に装着することができる。
【００３２】
本発明の請求項９に記載の発明は、円筒部の内側に設けられたモーターステーターを熱伝導率の高いモールド材でモールドしたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の冷却装置であるから、モールド材でモールドすることにより、熱伝達を促進するとともに、モーターステーターを完全に防水することができる。
【００３３】
本発明の請求項１０に記載の発明は、ポンプ室内の表面粗さを粗面にしたことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の冷却装置であるから、乱流熱交換することにより、熱伝達を促進することができる。
【００３４】
本発明の請求項１１に記載の発明は、円筒部には、リング状羽根車に作用する半径方向スラストの方向と軸心に対して反対側表面にラジアル動圧発生手段が設けられたことを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の冷却装置であるから、リング状羽根車が円滑に回転することができる。
【００３５】
本発明の請求項１２に記載の発明は、中央処理装置を含む電子回路と記憶装置を収納して上面にキーボードが設けられた第一筐体と、中央処理装置による処理結果を表示することができる表示装置を備えた第二筐体とを備え、第二筐体が第一筐体に回転可能に取り付けられた電子装置であって、中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために請求項１〜１１に記載の冷却装置が設けられたことを特徴とする電子機器であるから、キーボードを搭載した第一筐体と表示装置を有する第二筐体とを有する電子装置を冷却させることで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【００３６】
本発明の請求項１３に記載の発明は、接触熱交換型ポンプが中央処理装置上面に受熱面を接触させて設置され、放熱器が第二筐体内の表示装置裏面に配設されたことを特徴とする請求項１２に記載の電子機器であるから、第一筐体内に接触熱交換型ポンプを配設し、第二筐体内に放熱器を配設することで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図９を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００３８】
（実施の形態１）
実施の形態１における冷却装置とそれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプと放熱器を第二筐体と第一筐体の回転を許容するフレキシブルな配管で接続したものである。電子機器はノート型パソコン等の折り畳み可能な機器である。図１は本発明の実施の形態１における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図、図２は本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの断面図、図３は本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの分解斜視図、図４は本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図である。
【００３９】
図１において、１はノート型パソコン等の第一筐体、２は第一筐体１の上面に設けられたキーボード、３は第一筐体１内に収められたＣＰＵ等の発熱電子部品、４は発熱電子部品３を実装した基板、５は第一筐体１の蓋となる第二筐体、６は第二筐体５の内面側に設けられたＣＰＵによる演算処理結果を表示する表示装置、７は発熱電子部品３に密着し発熱電子部品３と冷媒Ｘとで熱交換を行ない発熱電子部品３を冷却するとともに冷媒Ｘを循環させる接触熱交換型ポンプ、８は表示装置６の裏面に配設され冷媒Ｘから熱を取り除く放熱器、８ａは繰り返し蛇行した冷媒通路、８ｂは冷媒Ｘを補充するためのリザーブタンク、９はこれらを接続する配管である。なお、冷媒Ｘ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。
【００４０】
放熱器８は、表示装置６の裏面の幅の狭く広い空間で冷媒Ｘから熱を取り除く必要があるため、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウムなどの薄板材で構成され、図１に示すように、内部に冷媒通路８ａとリザーブタンク８ｂが形成されている。また、放熱器８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。配管９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。
【００４１】
続いて接触熱交換型ポンプ７の構成の説明を行う。本実施の形態１の接触熱交換型ポンプ７は渦流ポンプ（ウエスコ型ポンプ、再生ポンプ、摩擦ポンプとも呼称される）を用いている。図２，３において、１１は渦流ポンプのリング状羽根車、１２は外周に多数形成されたリング状羽根車１１の溝状の羽根、１３はリング状羽根車１１の内周に設けられたローターマグネットである。１４はローターマグネット１３の内周側に設けられたモーターステーター、１５はリング状羽根車１１を収容すると同時にリング状羽根車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は発熱電子部品３に接触して熱を奪う受熱面、１５ｂ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、１６はポンプケーシング１５の一部をなしリング状羽根車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、リング状羽根車１１を回転自在に軸支するための円筒部である。なお、本実施の形態１の接触熱交換型ポンプ７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３〜１５ｍｍ、半径方向代表寸法１０〜７０ｍｍ、流量が０．０１〜０．５Ｌ／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、ｍ３／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。
【００４２】
そして、従来、側面を接触させて熱交換するポンプは、伝熱効率が悪いものとして、その熱交換機能が検討の対象にされることはなかった。また、ポンプで側面をフラットに構成することの困難さから、薄型でフラットな受熱面をもつポンプの実用化は無理と考えられていた。しかし本発明者らは渦流ポンプに着目し、以下詳述する改良を加えることで、発熱電子部品３から伝熱される熱を渦流ポンプ外周で乱流熱交換すれば熱交換機能は十分なものとなり、フラットな受熱面という点も駆動部の一部を羽根車と一体化して全体を平板状に配置することにより実現可能になる、という知見に到達したものである。さらにこのとき、流量に対する受熱面の面積、流量に対する伝熱量を考えたとき、通常の大きさのポンプと異なってこの小型薄型のポンプは冷却に十分な値を持ち得るからである。
【００４３】
すなわち、接触熱交換型ポンプ７のポンプケーシング１５内の流れは、羽根１２の攪拌による過流型特有のスパイラル状の流れであり、巨視的にはリング状のポンプ室１５ｂに沿って流れる。この流れによって熱源から外方へ伝熱される熱をリング状羽根車１１の外周部分で（微視的には図４のように伝熱方向と部分的に向流しながら）奪うため、冷却器を別に設けなくとも熱交換器として機能させることが可能になる。但し、冷却力を増強するため補助の冷却器を併設することは可能である。またローターマグネット１３がリング状羽根車１１と一体化されてリング状となり、円筒部１７で軸支されるため、リング状羽根車１１の慣性質量を小さくすることができ、これにより駆動部の発熱量を抑え、接触熱交換型ポンプ７を小型且つ薄型で軽量化することができる。そして、熱伝達を促すためにポンプケーシング１５とケーシングカバー１６は、熱伝導率が高い銅，アルミニウム等の材料を選択する必要がある。そして基本的には銅やアルミニウム等の熱伝導率の良い金属材料を用いるのが適当であるが、熱伝導に対する影響が少ないところでは熱伝導率の高い樹脂等を使用するのでも差し支えない。重量軽減のため等にポンプケーシング１５の材料としてアルミニウムを選択した場合には、アルミニウムよりも更に熱伝導率の高い銅板をポンプケーシング１５の下面に取り付けるのがよい。また、さらにヒートパイプをポンプケーシング１５の下面（受熱面側１５ａ）に取り付けるか、もしくはその一部に埋め込めば、受熱した熱をより効率的にポンプケーシング１５のリング状羽根車１１の外周部分にまで伝達することができる。この銅板，ヒートパイプが本発明の補助熱伝導部材である。板材を取り付けるだけでなく、棒状の銅材を摩擦圧接により溶かし不要部分を切削することで補助熱伝導部材をつくるのもよい。また、ポンプケーシング１５，ケーシングカバー１６には、外側表面にフィン状の凹凸をつけて外気との熱交換を積極的に行わせるのも好適である。
【００４４】
さらに、この接触熱交換型ポンプ７は、ポンプケーシング１５の受熱面１５ａを完全にフラットにすることが可能となる。すなわち、ポンプケーシング１５の側面をポンプ室１５ｂ側面及びモーターステーター１４側面との間で一致させ、モーターステーター１４は円筒部１７内の窪みに収容することにより、接触熱交換型ポンプ７の受熱面１５ａを平面化し、発熱電子部品３（通常上部はフラットに構成されている）にぴったり接触させることができる。発熱電子部品３の上部形状に凹凸があるときなどには、肉厚を変化させるなどすれば形状を合致させ隙間なく接触させることができる。受熱面１５ａと発熱電子部品３の上部形状との間に上述の銅板と同様に高熱伝導率の接着用樹脂やゴムを介在させ、できる限り伝熱効率を下げずに固定するのがよい。なお、ここで発熱電子部品３の上部形状に合致させるというのは、発熱電子部品３の上部表面の３次元的な形状と相補的な形状を受熱面１５ａに与えることであり、発熱電子部品３に載置可能な状態で曲面が合致していることである。そしてＣＰＵ等の発熱電子部品３の大きさ及び形状と受熱面１５ａの大きさ及び形状には差があることが多いが（本発明の接触熱交換型ポンプ７は非常に小さく、通常発熱電子部品３の方が大きさが大きいし、形状も本発明の接触熱交換型ポンプ７が様々な形状を採用できるのに対し、通常は四角形である。）、少なくともその取付け位置（接触位置）においては曲面が合致していることを意味する。また熱伝達を効果的に行うためには受熱面１５ａと発熱電子部品３との間に空気の層を形成しないようにする必要があり、以下は決して好ましいことではないが、例えば、一方に小さな凹みを形成するような場合を包含するものである。
【００４５】
そして本発明の実施の形態１の場合、モーターステーター１４はポンプケーシング１５の円筒部１７によって形成された中央の窪み部分に収容されて伝熱し、他方の側は大気に開放されて外気に放熱される。従って駆動部から発生する熱はもともと小さい上に、外気にも放熱されるため、接触熱交換型ポンプ７はもっぱら発熱電子部品３を冷却することが可能になる。しかし、発熱電子部品３の冷却のためには、発熱するモーターステーター１４付近にＣＰＵ等の発熱電子部品３を位置するのは避けた方がよい。すなわち、発熱電子部品３の大きさと受熱面１５ａの大きさにもよるが、発熱電子部品３の配置をどこにするかで伝熱速度に差が出てくる。モーターの発熱があるため、受熱面１５ａの中でもポンプ室１５ｂの壁を挟んだ側面またはその近傍、あるいは受熱面１５ａの中でも吸込口１９、吐出口２０に近い部分の方が、受熱効率が高くなる。とくに、受熱面１５ａの中でも吸込口１９、吐出口２０、ポンプ室１５ｂで囲まれる領域に発熱電子部品３の中心を配置するのがもっとも放熱に効果的である。
【００４６】
さらに、モーターステーター１４が収容された窪み部分を熱伝導率の高いシリコン樹脂やウレタン樹脂等でモールドすれば、モーターステーター１４で発熱があっても、このモールド部を通してポンプ室１５ｂへ熱伝達が起こりる。また、受熱面１５ａから受熱した発熱電子部品３の熱をこのモールド部からポンプ室１５ｂ内の冷媒Ｘへ伝達することができる。これにより、さらに伝熱速度を上げることができる。なお、このように巻き線を含むモーターステーター１４をモールド材でモールドすると、発熱電子部品３からの放熱の促進だけでなく、電気が通る巻き線部分が完全に防水されるため、モーターステーター１４の漏水対策を万全なものにすることができる。
【００４７】
さらに、本実施の形態１の接触熱交換型ポンプ７は、円滑な運転を長時間継続するために流体力学的に発生する軸方向、半径方向のスラストを抑え、非接触で回転させることができる。図２，図３において、１８はスラスト板、１９は吸込口、２０は吐出口である。２２はリング状羽根車１１の両側面に形成されたスパイラル状溝パターンを有するスラスト動圧発生溝、２３は同様にリング状羽根車１１の内周面に形成されたへリングボーン状溝パターンを有するラジアル動圧発生溝である。
【００４８】
渦流ポンプにおいては吐出口２０付近の圧力の方が吸込口１９付近の圧力より大きいため半径方向のスラストのバランスが崩れてしまう。そこで、スラスト動圧発生溝２２のスパイラル状溝パターンは、リング状羽根車１１の回転に伴い当該溝の内周側に流体を押し出すポンプ作用をなす形状とし、リング状羽根車１１の両側面に液膜を形成し、軸方向のスラストを動圧で支えている。また、ラジアル動圧発生溝２３のへリングボーン状溝パターンはリング状羽根車１１の回転に伴い当該溝の軸方向中央側に流体を押し出すポンプ作用をなす形状としており、これにより液膜を形成し、リング状羽根車１１にかかる半径方向のスラストを動圧で支えている。スラスト動圧発生溝２２はリング状羽根車１１側でなく、ポンプケーシング１５やケーシングカバー１６のスラスト板１８側に形成してもよいし、ラジアル動圧発生溝２３はポンプケーシング１５の円筒部１７側に形成してもよい。
【００４９】
図５（ａ）は本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの生成テーブル図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの説明図である。図５（ｂ）に示すように、渦流ポンプにおいては吐出口２０付近の圧力の方が吸込口１９付近の圧力より大きいため、半径方向のスラストは吐出口２０の反対側となるθ方向に作用する。従って、ラジアル動圧発生溝２３を吐出口２０近くの円筒部１７のＡ部分（ポンプケーシング１５の円筒部１７の太線部分）だけに形成したり、全周に形成した場合でもＡ部分の溝深さを動圧が高くなる深さにして流体の押し出す作用を強化させれば、半径方向のスラストがリング状羽根車１１を円筒部１７に接触させるのを防止することができ、ポンプの運転を安定して行なうことができる。なお、図５（ａ）のデータが示すように、Ａ部分は吐出口２０と吸込口１９の圧力差の大きさによってリング状羽根車１１に作用する力の方向が変化するために、使用する領域によってＡ部の範囲を決定することができる。
【００５０】
このように接触熱交換型ポンプ７によれば、第１に、渦流ポンプの駆動部をローターマグネット１３とモーターステーター１４に分離し、ローターマグネット１３をリング状羽根車１１と一体化してモーターステーター１４とともに全体構成を平板状に配置できる。これによってフラットで大きな受熱面１５ａがポンプ側面に形成可能になる。第２に、発熱電子部品３から伝熱される熱は受熱面１５ａを伝わって、スパイラル流れで伝熱方向と部分的に向流しながらポンプ外周で乱流熱交換されるため、接触熱交換型ポンプ７は冷却器として十分に機能する。第３に、円筒部１７を設けることでリング状羽根車１１を完全に水封でき、ポンプケーシング１５内で非接触で浮上させることで負荷を最小限にすることができ、駆動部からの発熱を抑えて冷却機能を向上させることができる。第４に、この接触熱交換型ポンプ７は、冷却器を兼ねるため従来の冷却器が不要になるばかりでなく、冷却器を組み立てる作業も不要となる。加えて、この接触熱交換型ポンプ７自体を発熱電子部品３に装着するときに、別途煩わしい組み立てや特殊の構造が必要でなく、ただ受熱面１５ａを接触させて固定するだけで十分であり、冷却装置の組み立てやコストの面でもきわめて有効である。
【００５１】
次に本発明の実施の形態１における冷却装置と、それを備えた電子機器の動作について説明する。外部電源から電力を供給されると、接触熱交換型ポンプ７に設けられた半導体スイッチング回路により制御された電流がモーターステーター１４のコイルに流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がローターマグネット１３に作用するとローターマグネット１３に物理力が発生する。このときローターマグネット１３はリング状羽根車１１と一体化されており、リング状羽根車１１はポンプケーシング１５の円筒部１７に回転自在に軸支されているため、リング状羽根車１１に回転トルクが作用し、この回転トルクによりリング状羽根車１１が回転を始める。リング状羽根車１１の外周に設けられた羽根１２はリング状羽根車１１の回転によって吸込口１９から流入した流体に運動エネルギーを与え、その運動エネルギーによりポンプケーシング１５内の流体の圧力が徐々に高められ吐出口２０から吐き出される。
【００５２】
ここで、リング状羽根車１１の回転に伴うスラスト動圧発生溝２２のポンプ作用により、スラスト動圧発生溝２２の内周側に流体を押し出してリング状羽根車１１の両側面とスラスト板１８との間にスラスト動圧が発生する。このためリング状羽根車１１は液膜によりスラスト板１８と接触することなく円滑に回転する。また、リング状羽根車１１の回転に伴うラジアル動圧発生溝２３のポンプ作用により、ラジアル動圧発生溝２３の軸方向中央側に流体を押し出してリング状羽根車１１の内周面と円筒部１７との間にラジアル動圧が発生する。このためリング状羽根車１１は円筒部１７と接触することなく浮上して円滑に回転する。リング状羽根車１１は慣性モーメントが小さく、応答性がきわめて良好となる。また、これによりポンプ自体の重量もきわめて軽量となる。
【００５３】
この状態で接触熱交換型ポンプ７は円滑に冷媒Ｘを吸い込む。吸い込まれた冷媒Ｘは、図４に示すようにポンプケーシング１５とケーシングカバー１６に囲まれた空間でリング状羽根車１１によって攪拌され、渦流ポンプ特有のポンプ室１５ｂ内の流れを形成して、昇圧されながら吐出される。このとき冷媒Ｘは、発熱電子部品３からの伝熱で高温になったポンプケーシング１５やケーシングカバー１６と激しく乱流熱交換を行う。この乱流熱交換は、ポンプ室１５ｂ内壁面の表面粗さをショットブラスト、ショットピーニング加工等により粗くすることによって促進させることができる。これは、表面粗さが粗くなることによって伝熱面積が大きくなるとともに、乱流が激しくなって熱伝達が大きくなったからと考えられる。同様に、図６に示すように、ポンプ室１５ｂ内壁面からリング状羽根車１１に向けて突出するフィン１５Ｃを設けると、ポンプ室１５ｂ内の流れを円滑にするとともに、ポンプケーシング１５から冷媒Ｘへの伝達面積が増加するため、熱交換量を増加させることができる。図６は本発明の実施の形態１におけるフィンを設けた接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図である。
【００５４】
このように乱流熱交換により発熱電子部品３の熱を奪って昇温した冷媒Ｘは、配管９を通って放熱器８に送られ、放熱器８で冷却されて、温度降下した後に再度配管９を通って接触熱交換型ポンプ７へ戻り、これを繰り返す。
【００５５】
放熱器８から放出された熱は第二筐体５の外部へ排出され、第一筐体１内部の温度は一定に保たれるため、使用者が触れる機会の多い第一筐体１の表面温度が上昇して使用者に不快感を与えることはない。このように、接触熱交換型ポンプ７は冷媒Ｘを循環させて発熱電子部品３から熱を奪い、発熱電子部品３をその許容温度に保つことができる。
【００５６】
本発明の実施の形態１の冷却装置とこれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプ７によりポンプと冷却器を兼ねることで、ポンプと冷却器を別々に設置する必要がなく、またポンプと冷却器を接続する配管も不要となり、冷却装置の小型化、低コスト化が実現できる。冷却器の組み立て作業も不要となる。加えて、この接触熱交換型ポンプ７自体を発熱電子部品３に装着するときに、別途煩わしい組み立てや特殊の構造が必要とならず、ただ単純に載置して接触させるだけで十分であり、冷却装置の組み立てやコストの面でもきわめて有用である。
【００５７】
また、接触熱交換型ポンプ７のポンプを、羽根１２とローターマグネット１３および回転軸とを一体化してリング状羽根車１１を形成し、その中にモーターステーター１４を挿入する超薄型の渦流ポンプとすることで、ポンプの内部で冷媒が激しく乱流熱交換されるので、冷却器での冷却効率を改善しながら冷却装置のさらなる薄型化、低コスト化が可能になる。
【００５８】
さらに、配管９をガス透過性の少ないゴムチューブにすることで、配管レイアウトの自由度を確保しながら、長期にわたって冷却装置内の冷媒Ｘが外部に蒸発して多量のガスが冷却装置内混入するのを防止できる。また、第一筐体１内に接触熱交換型ポンプ７を配設し、第二筐体５内に放熱器８を配設することで、ノート型パソコン等本体の小型化がさらに可能になる。
【００５９】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における冷却装置とそれを備えた電子機器は、接触熱交換型ポンプと放熱器を配管と第二筐体と第一筐体の回転を許容する回動部材で接続したものである。電子機器はノート型パソコン等の折り畳み可能な機器である。そして実施の形態１と比較して接触熱交換型ポンプの構成には違いはない。図７は本発明の実施の形態２における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図、図８は本発明の実施の形態２における回動部材の断面図、図９は本発明の実施の形態２における回動部材をワンタッチ着脱可能なコネクターと一体化した場合の断面図である。
【００６０】
図７において、１は第一筐体、２はキーボード、３は発熱電子部品、４は基板、５は第二筐体、６は表示装置、７は接触熱交換型ポンプ、８は放熱器、８ａは冷媒通路、８ｂはリザーブタンク、９ａは接触熱交換型ポンプ７側の配管、９ｂは放熱器８側の配管である。３０は第一筐体１と第二筐体５の接続部内に設けられ、第二筐体５の回転に伴って回動可能な構造を有する回動部材であり、接触熱交換型ポンプ７側の配管９ａと放熱器８側の配管９ｂに接続されている。
【００６１】
次に、この回動部材３０の説明を行う。図８において、３１は一端が配管と接続され他端が後述の内筒３２と接続される中空の外筒、３１ａは抜け落ち防止用の切り欠き、３２は外筒３１に挿入されて接続される中空の内筒、３２ｂは抜け落ち防止用の切り欠き３１ａに挿入される突起である。中空部分が冷媒Ｘの通路となる。３２ａは内筒３２の外周に設けられた溝、３３は外筒３１と内筒３２の間に設けられ溝３２ａに嵌め込まれるＯリング状弾性部材である。Ｏリング状弾性部材３３は外筒３１と内筒３２とを回動可能に支持し、外筒３１と内筒３２の各通路と外部との間をシールして、通路内の冷媒Ｘが外部に漏れるのを防ぐ。さらにＯリング状弾性部材３３を二列に配置することで、長期にわたって冷却装置内の冷媒Ｘが外部に蒸発して多量のガスが冷却装置内に混入するのを防止している。なお、外筒３１と内筒３２が抜けるのを防ぐ目的で、内筒３２側に突起３２ｂ、外筒３１側に切り欠き３１ａが設けられている。
【００６２】
また、図９において、３１ｂは回動部材３０の外筒３１内に設けられた弁、３１ｃは弁３１ｂを付勢するスプリング、３２ｃは内筒３２内に設けられた弁、３２ｄは弁３２ｃを付勢するスプリングである。弁３１ｂと弁３２ｃは、外筒３１と内筒３２を分離して取り外した状態でそれぞれの内部の通路を外部と封止するもので、外筒３１と内筒３２を接続した場合には各通路がつながるようになっている。
【００６３】
接触熱交換型ポンプ７の構成および動作は本発明の実施の形態１と同じであるので、ここでは説明を省略する。
【００６４】
次に本発明の実施の形態２における冷却装置と、それを備えた電子機器の動作について説明する。接触熱交換型ポンプ７に吸い込まれた冷媒Ｘは、接触熱交換型ポンプ７内でリング状羽根車１１によって攪拌され、発熱電子部品３からの伝熱で高温になったポンプケーシング１５やケーシングカバー１６と激しく乱流熱交換を行い、その結果、温度上昇して配管９と回動部材３０内の流路を通って放熱器８に送られ、放熱器８で冷却され、温度降下して配管９と回動部材３０内の流路を通って接触熱交換型ポンプ７へ戻ってこれを繰り返す。このように、冷媒Ｘを循環させて発熱電子部品３を冷却して、発熱電子部品３をその許容温度に保つ。
【００６５】
使用者がノート型パソコン等の電子機器において第二筐体５を開け閉めした場合、第二筐体５が第一筐体１のヒンジ回りに回転するが、その回転に伴って回動部材３０の外筒３１と内筒３２がそれぞれに対して回動するため、第二筐体５の回転がスムーズに行え、且つ、第一筐体１内の接触熱交換型ポンプ７側の配管９ａと第二筐体５内の放熱器８側の配管９ｂは回動部材３０で接続されているので変形することがなく、内部の冷媒の流れを妨げることを防止できる。
【００６６】
また、図９に示すように回動部材をコネクターと一体化した場合、接触熱交換型ポンプ側と放熱器側とを別々に組み立てることが可能となり、それぞれを第一筐体１内および第二筐体５内に組み込んで第一筐体１および第二筐体５をサブアッセンブリした後で第一筐体１と第二筐体５を接続できるので、製造コストを低減できる。
【００６７】
以上説明したように本発明の実施の形態２によれば、第一筐体１と第二筐体の間の配管に回動部材３０を設けることで、第二筐体５の回転がスムーズに行え、且つ、配管が変形して内部の冷媒の流れを妨げることを防止できる。また、接触熱交換型ポンプ７と放熱器８とを接続する配管にワンタッチ接続可能なコネクターを設けることで、接触熱交換型ポンプ７側と放熱器８側とを別々に組み立てることが可能となり製造コストを低減できる。さらに、回動部材３０とコネクターを一体化することで、さらなるノート型パソコン等の本体の小型化、低コスト化が可能になる。
【００６８】
【発明の効果】
以上のように本発明の冷却装置によれば、接触熱交換型ポンプが冷却器を兼ねることで、ポンプと冷却器を別々に設置する必要がなく、またポンプと冷却器を接続する配管も不要となり、冷却装置の小型化、低コスト化が可能となる。組み立ても容易となる。
【００６９】
また、接触熱交換型ポンプが渦流ポンプであるから、羽根車の厚さが薄く、ポンプ流れに沿った側面に受熱面を形成して、発熱電子部品を中心に外方に伝熱される熱を羽根車外周の流れで乱流熱交換して効果的に冷却でき、冷却効率を改善しながら冷却装置の小型化、低コスト化が可能になる。
【００７０】
接触熱交換型ポンプが、内周にローターマグネットが設けられたリング状羽根車と、モーターステーターとローターマグネットの間に配設された円筒部を有するポンプケーシングとを備え、円筒部がリング状羽根車を回転自在に軸支した渦流ポンプであるから、接触熱交換型ポンプのモーター部分が受熱面に対して突出部分をつくることがなく、超薄型ポンプとすることができ、伝熱される熱が羽根車外周で冷媒と激しく乱流熱交換されるので、冷却効率を改善しながら冷却装置のさらなる薄型化、低コスト化が可能になる。
【００７１】
受熱面がポンプケーシングの側面全体から構成されているから、受熱面がポンプケーシングを最大に活かして大きく採ることができる。受熱面が平面であるため、受熱面を上面がフラットな基板に装着することができる。モールド材でモールドすることにより、熱伝達を促進するとともに、モーターステーターを完全に防水することができる。
【００７２】
本発明の電子装置によれば、第二筐体が第一筐体に回転可能に取り付けられ、中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために冷却装置が設けられたから、キーボードを搭載した第一筐体と表示装置を有する第二筐体とを有する電子装置を冷却させることで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【００７３】
接触熱交換型ポンプが中央処理装置上面に受熱面を接触させて設置され、放熱器が第二筐体内の表示装置裏面に配設されたから、第一筐体内に接触熱交換型ポンプを配設し、第二筐体内に放熱器を配設することで、電子機器本体の小型化がさらに可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図
【図２】本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの断面図
【図３】本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプの分解斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの生成テーブル図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるリング状羽根車にかかる半径方向のスラストの説明図
【図６】本発明の実施の形態１におけるフィンを設けた接触熱交換型ポンプ内の冷媒の流れを示す要部断面図
【図７】本発明の実施の形態２における冷却装置を組み込んだ電子機器の全体構成図
【図８】本発明の実施の形態２における回動部材の断面図
【図９】本発明の実施の形態２における回動部材をワンタッチ着脱可能なコネクターと一体化した場合の断面図
【図１０】従来の電子機器の第１冷却装置の構成図
【図１１】従来の電子機器の第２冷却装置の構成図
【図１２】従来の熱交換機能付ポンプの一部破砕斜視図
【符号の説明】
１ 第一筐体
２，１０９ キーボード
３，１０１ 発熱電子部品
４，１０２ 基板
５ 第二筐体
６ 表示装置
７ 接触熱交換型ポンプ
８，１０４ 放熱器
８ａ 冷媒通路
８ｂ リザーブタンク
９，９ａ，９ｂ，１０６ 配管
１１ リング状羽根車
１２ 羽根
１３ ローターマグネット
１４ モーターステーター
１５ ポンプケーシング
１５ａ 受熱面
１５ｂ ポンプ室
１６ ケーシングカバー
１７ 円筒部
１８ スラスト板
１９ 吸込口
２０ 吐出口
２２ スラスト動圧発生溝
２３ ラジアル動圧発生溝
３０ 回動部材
３１ 外筒
３１ａ 切り欠き
３２ 内筒
３２ａ 溝
３２ｂ 突起
３３ Ｏリング状弾性部材
１００ 筐体
１０３ 冷却器
１０５ ポンプ
１０７ ファン
１０８ 配線基板
１１０ 半導体発熱素子
１１１ ディスク装置
１１２ 表示装置
１１３ 受熱ヘッダ
１１４ 放熱ヘッダ
１１５ フレキシブルチューブ
１１６ 金属筐体
１２０ モーター
１２１ 熱交換器
１２２ 冷却水路
１２２ａ 吐出口
１２２ｂ 吸込口
１２３ 遠心ポンプ
１２４ ケーシング
１２５ インペラ
Claims (13)
- 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ポンプが設けられ、前記接触熱交換型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、
前記接触熱交換型ポンプのポンプケーシングが高熱伝導率の材料で形成されるとともに、
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、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ていることを特徴とする冷却装置。 - 前記受熱面に補助熱伝導部材が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
- 前記補助熱伝導部材が、接触位置において前記発熱部材の上部表面形状と下面が合致し、前記受熱面の形状と上面が合致した板状体であることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
- 前記補助熱伝導部材が、前記ポンプケーシングの前記ポンプ室に沿った側面に設けられたヒートパイプであることを特徴とする請求項２記載の冷却装置。
- 前記接触熱交換型ポンプが渦流ポンプであることを特徴とする請求項１〜４に記載の冷却装置。
- 前記接触熱交換型ポンプが、外周に多数の溝状の羽根が形成され、内周にローターマグネットが設けられたリング状羽根車と、前記ローターマグネットの内周側に設けられたモーターステーターと、該モーターステーターと前記ローターマグネットの間に配設する円筒部が形成されるとともに、前記羽根車を内部に収容し吸込口と吐出口を有するポンプケーシングとを備え、前記円筒部が前記リング状羽根車を回転自在に軸支した渦流ポンプであることを特徴とする請求項５記載の冷却装置。
- 前記受熱面が前記ポンプケーシングの側面全体から構成さ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。
- 前記受熱面が平面であることを特徴とする請求項７に記載の冷却装置。
- 前記円筒部の内側に設けられたモーターステーターを熱伝導率の高いモールド材でモールドしたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の冷却装置。
- 前記ポンプ室内の表面粗さを粗面にしたことを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の冷却装置。
- 前記円筒部には、前記リング状羽根車に作用する半径方向スラストの方向と軸心に対して反対側表面にラジアル動圧発生手段が設けられたことを特徴とする請求項６〜１０のいずれかに記載の冷却装置。
- 中央処理装置を含む電子回路と記憶装置を収納して上面にキーボードが設けられた第一筐体と、前記中央処理装置による処理結果を表示することができる表示装置を備えた第二筐体とを備え、前記第二筐体が前記第一筐体に回転可能に取り付けられた電子装置であって、前記中央処理装置を含む発熱電子部品を冷却するために請求項１〜１１に記載の冷却装置が設けられたことを特徴とする電子機器。
- 前記接触熱交換型ポンプが前記中央処理装置上面に受熱面を接触させて設置され、前記放熱器が前記第二筐体内の表示装置裏面に配設されたことを特徴とする請求項１２に記載の電子機器。
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