JP2005191207A - 放熱装置およびこれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる放熱装置と、それを搭載した電子機器を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、冷媒を流して該冷媒の熱を受熱する屈曲パイプ２１と、屈曲パイプ２１の外側面に固定され屈曲パイプ２１の熱を大気中の空気と熱交換する複数のフィン２２を備えた放熱装置とそれを搭載した電子機器であって、膨出部２５を形成し、屈曲パイプ２１の内径が管軸方向に増減することを主要な特徴とする。
【選択図】図５

Description

本発明は、半導体集積回路で構成された中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）等の発熱部品を、冷媒を循環させて冷却する冷却装置の放熱装置、及びそれを搭載した電子機器に関するものである。

最近のコンピュータ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、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）。

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、中でもデスクトップ型やノート型パソコンのようなコンピュータ装置を中核とするが、ほかにも通電により発熱する発熱部品を搭載した電子部品で構成された装置を含むものである。この従来の冷却装置は、例えば図８に示すようなものが知られている。図８は従来の電子機器の冷却装置の構成図である。

図８において、１００は筐体であり、１０１は発熱部品、１０２は発熱部品１０１を実装した基板、１０３は発熱部品１０１と冷媒との間で熱交換を行ない、発熱部品１０１を冷却する受熱部、１０４は冷媒から熱を取り除く放熱装置、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は放熱装置１０４を空冷するファンである。

この従来の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を通って受熱部１０３に送られる。ここで発熱部品１０１の熱を奪うことでその温度が上昇し、放熱装置１０４に送られる。この放熱装置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部品１０１から熱を奪って冷却するものであった。

そしてこの従来の放熱装置１０４の構成は、冷媒液の流路を伝熱性の高い金属管等によって形成し、この金属管等の表面積を増大させるように、フィンを設けている。このため、金属管を加熱された冷媒液が通過すると金属管内表面から外表面に伝播し、外表面からフィンに熱が伝わる。このフィンにファンによって空気を当てることによって、大気中に放熱するように構成されている。
特開平７−１４２８８６号公報

しかしながら、従来の冷却装置では、放熱装置からの放熱量は伝熱のための伝熱面積と金属管の材料に依存するため、放熱能力には限界があった。

そこで、本発明は、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる放熱装置と、それを搭載した電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、冷媒を流して該冷媒の熱を受熱する伝熱管と、伝熱管の外側面に固定され該伝熱管の熱を大気中の空気と熱交換する複数の放熱フィンを備えた放熱装置であって、伝熱管の内径が管軸方向に増減することを主要な特徴とする。

本発明によれば、放熱装置での冷媒の温度が下がり、冷却装置全体として冷却効率を向上させることができる。

上記課題を解決するためになされた第１の発明は、冷媒を流して該冷媒の熱を受熱する伝熱管と、伝熱管の外側面に固定され該伝熱管の熱を大気中の空気と熱交換する複数の放熱フィンを備えた放熱装置であって、伝熱管の内径が管軸方向に増減する放熱装置であり、内径の増減により冷媒の流れが乱され、層流から乱流化して乱流境界層を介しての熱伝達となり、またこの増減により伝熱面積が増え、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる。

本発明の第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、伝熱管の内径が、各放熱フィンが固定された位置で小さく、該放熱フィン間の位置では大きく形成されている放熱装置であり、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる。

本発明の第３の発明は、第２の発明に従属する発明であって、伝熱管の内径が、各放熱フィンが固定された位置において、一定の半径で放熱フィン間より小さく形成されている放熱装置であり、過度に不規則な流れとならないため流路抵抗が小さく、各放熱フィンが固定された位置の内径が小さく、これにより伝熱に寄与する部分で流れが乱され、放熱能力が高くなる。また、組み立て後に高圧流体を加えるだけで製造でき、製造が容易である。

本発明の第４の発明は、第２の発明に従属する発明であって、伝熱管の内径が、各放熱フィンが固定された位置において、周方向で放熱フィン間より部分的に小さく形成されている放熱装置であり、各放熱フィンを固定するため伝熱管をプレスして圧潰すればよく、製造が容易である。

本発明の第５の発明は、第１〜４のいずれかの発明に従属する発明であって、伝熱管の内径が管軸方向に周期的に増減する放熱装置であり、過度に不規則な流れとならないため流路抵抗が小さく、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる。

本発明の第６の発明は、第１の発明に従属する発明であって、伝熱管の内径が、放熱フィンが複数固定された範囲では管軸方向に小さく、放熱フィンが形成されていない範囲ではこれより大きく形成されている放熱装置であり、放熱フィンの枚数が多く、放熱能力が高くなる。

本発明の第７の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に受熱部とポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンク、第１〜６のいずれかの発明の放熱装置がそれぞれ設けられ、ポンプが冷媒を循環し、冷却器が冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を放熱装置が放熱する電子機器であり、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる。

本発明の第８の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に受熱部一体型ポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンク、請求項１〜６の放熱装置がそれぞれ設けられ、ポンプが前記冷媒を循環し、構成部品が少なく、受熱部が冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を放熱装置が放熱する電子機器であり、放熱能力が高く、冷媒を循環して冷却する冷却装置の冷却効率を全体として向上させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例１は、電子機器としてコンピュータ装置に関するものであり、このコンピュータ装置に搭載する冷却装置の放熱装置に関するものである。図１は本発明の実施例１における放熱装置を搭載した受熱部とポンプが別体のデスクトップ型コンピュータ装置の構成図、図２は本発明の実施例１における放熱装置を搭載した受熱部とポンプ一体型のデスクトップ型コンピュータ装置の構成図、図３は本発明の実施例１における放熱装置を搭載した折り畳み式コンピュータ装置の一部破砕斜視図、図４は本発明の実施例１における放熱装置の斜視図、図５は本発明の実施例１における放熱装置のフィンと屈曲パイプの拡大部分断面図である。

図１に示すコンピュータ装置は、発熱部品に接触させる受熱部とポンプが別体に構成されたコンピュータ装置である。図１において、１はデスクトップ型のコンピュータ装置の筐体であり、２はこのコンピュータ装置の演算処理を行う発熱部品であるＣＰＵ、３はＣＰＵ２を実装した基板である。このコンピュータ装置に搭載されたＣＰＵ２は、動作のためのクロック周波数に比例して発熱する。４はＣＰＵ２と冷媒との間で熱交換してＣＰＵ２を冷却する受熱部、５はアルミニウムや銅等の熱伝導性の良好な金属板で形成され冷媒から熱を取り除く放熱装置、６は冷媒を循環させるポンプ、７は冷媒液の減少時に冷媒液を補充するためにこれを保持しておくリザーブタンク、８はこれらを接続し循環路を形成するフレキシブルな配管、９は放熱装置５に設けられた強制冷却用のファン、１０ａは光ディスク装置、１０ｂはフレキシブルディスク装置である。受熱部４内部には冷媒通路が形成されており、ＣＰＵ２で発生した熱をＣＰＵ２に面接触された受熱部４から低温の冷媒に伝熱する。放熱装置５は筐体１の背面側に設けられ、背面の窓から放熱する。冷媒は、寒冷地や冬場の凍結により冷却装置が故障しないように不凍液とするのが好ましい。なお、ポンプ６は、デスクトップ型であるため比較的スペースに余裕があり、以下説明する図２の受熱部一体型ポンプ１１と同程度のサイズもしくはやや大きいサイズのポンプである。

次に、図２に示すコンピュータ装置は、発熱部品に接触させる受熱部がポンプと一体に構成されたコンピュータ装置である。図１と同一符号は同一の機能を有すから、説明は省略する。図２において、１は筐体、２はＣＰＵ、３は基板、５は放熱装置、７はリザーブタンク、８は配管、９はファン、１０ａは光ディスク装置、１０ｂはフレキシブルディスク装置である。１１は受熱部が側面に設けられてＣＰＵ２から熱を吸収し冷媒との間で熱交換して冷媒を循環させ、ポンプを駆動するモータが内蔵されている受熱部一体型ポンプである。羽根車となるマグネットロータを内周側のステータで駆動する。この受熱部一体型ポンプ１１は、図示はしないが遠心型ポンプや渦流ポンプ等のポンプであり、ＣＰＵ２に載るように、ポンプの諸元は、厚さ３ｍｍ〜３０ｍｍ、半径方向代表寸法１０ｍｍ〜７０ｍｍ、回転数は６００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍ、流量が０．０１Ｌ／分〜１．５Ｌ／分、ヘッド０．１ｍ〜２ｍ、比速度でいうと、１２〜２００（単位：ｍ、ｍ³／分、ｒｐｍ）程度のきわめて小型のものである。また、高効率の伝熱が可能な受熱部を形成するため、受熱部一体型ポンプ１１のモータとは反対側の側面が発熱部品と相補形状に形成されている。図２に示す冷却装置においては、受熱部一体型ポンプ１１は６００ｒｐｍ〜４０００ｒｐｍの間で設定された所定の設定回転数で駆動され、受熱部一体型ポンプ１１の受熱部４でＣＰＵ２の熱を奪い、温度が上昇して放熱装置５に送られる。放熱装置５では放熱されてその温度が降下し、再び受熱部一体型ポンプ１１へ戻って循環を繰り返すものであ
る。

図３に示すコンピュータ装置は、発熱部品に接触させる受熱部がポンプと一体に構成された折り畳み型のコンピュータ装置、いわゆるノート型パソコンである。図２と同一符号は同一の機能を有すから、説明は省略する。図３において、１は筐体、１ａは液晶ディスプレイ、１ｂは液晶ディスプレイ１ａが設けられたカバー、１ｃは本体に設けたキーボードを覆う本体、２はＣＰＵ、３は基板、５は放熱装置、７はリザーブタンク、８は配管、９はファン、１１は上述した受熱部一体型ポンプである。放熱装置５が液晶ディスプレイ１ａの背面側に設けられてカバー１ｂ外面から放熱する点と、カバー１ｂに配設される構造のため、放熱装置５とリザーブタンク７が頻繁に開閉される点、ノート型と呼ばれるほどコンパクトな点が図２のデスクトップ型のコンピュータ装置と異なる。

次に、本発明の実施例１の放熱装置について図４、５に基づいて説明する。図４において、２１は配管８に接続され冷媒が循環する循環流路の一部を構成し蛇行されたアルミニウムや銅等の高熱伝導率の屈曲パイプ（本発明の伝熱管）、２２は屈曲パイプ２１が貫通し接触して屈曲パイプ２１の外表面の熱を吸収するフィン（本発明の放熱フィン）である。フィン２２は複数枚の放熱板から構成される。また図５において、２３はフィン２２に開けられた貫通穴、２４はフィン２２の貫通穴２３に形成され屈曲パイプ２１との接触面積を増大させて固定する折り曲げ縁部である。２５は屈曲パイプ２１に形成された膨出部である。屈曲パイプ２１は多数の膨出部２５で管軸方向に内径が増減し、折り曲げ縁部２４が接触する部分は内径が小さく、その他の部分では大きな内径となっている。

フィン２２はコ字状の放熱板を多数積層され、その貫通穴２３に屈曲パイプ２１が挿通されて固定される。ファン９を駆動することにより、フィン２２と屈曲パイプ２１表面上で温度が上昇した空気を流動させ、これによって強制的に冷却し、フィン２２と屈曲パイプ２１の熱を空気中に放出する。

屈曲パイプ２１には多数の膨出部２５が形成され、内径が周期的に増減することによって、屈曲パイプ２１を通る冷媒の流れが乱され、層流から乱流化して乱流境界層を介しての熱伝達となり、パイプ内壁表面での伝熱効率が向上する。過度に不規則な流れとならないため流路抵抗を小さくすることができる。また、膨出部２５が形成されるため、伝熱面積が大きくなる。

屈曲パイプ２１の内径に周期的に増減を設ける方法としては、内径の半径一定の屈曲パイプ２１を通して固定位置を位置決めしたのち、パイプ内に高圧流体を加えることによって、内径を拡大させ、折り曲げ縁部２４があるところはその拡大を抑制して密着させ、折り曲げ縁部２４がないところはそのまま拡大させて膨出部２５を形成する。これにより、パイプの管軸方向（長手方向）に正弦波のように内径が変化する屈曲パイプ２１が形成される。高圧流体を使うので製造が容易である。

（実施例２）
次に、本発明の実施例２の放熱装置について図６に基づいて説明する。図１〜図３は実施例２においても参照する。図６（ａ）は本発明の実施例２における放熱装置のフィンと屈曲パイプの拡大部分断面図、図６（ｂ）は（ａ）の放熱装置のフィンと屈曲パイプの説明図である。

図６において、３１は配管８に接続され冷媒が循環する循環流路の一部を構成し蛇行されたアルミニウムや銅等の高熱伝導率の屈曲パイプ、３２は屈曲パイプ３１が貫通し接触して屈曲パイプ３１の表面の熱を吸収するフィンである。フィン３２は複数枚の放熱板から構成される。３３はフィン３２に開けられた切り欠き部、３４はフィン３２の切り欠き
部３３に形成され屈曲パイプ３１との接触面積を増大させて固定する折り曲げ縁部である。３５は屈曲パイプ３１に形成された周方向に部分的に圧潰された圧潰部である。屈曲パイプ３１は多数の圧潰部３５で内径が増減し、折り曲げ縁部３４が接触する部分は内径が小さく、その他の部分では大きな内径となっている。

フィン３２は放熱板の切り欠き部３３に屈曲パイプ３１が挿通されて２枚の放熱板が突き合わされ、この状態のフィン３２が多数積層されて固定される。ファン９を駆動することにより、フィン３２と屈曲パイプ３１表面上の温度が上昇した空気を流動させ、これによって強制的に冷却し、フィン３２と屈曲パイプ３１の熱を空気中に放出する。

屈曲パイプ３１の内径に周期的に増減を設ける方法としては、内径一定の屈曲パイプ３１をプレス機で周期的に潰し、フィン３２の切り欠き部３３に位置決めして多数積層したのち、パイプ内に高圧を加えることによって、内径を拡大させ、折り曲げ縁部３４があるところは密着させ、折り曲げ縁部３４がないところはそのまま拡大させる。これにより、パイプの管軸方向に矩形波のように内径が変化する屈曲パイプ３１が形成される。伝熱管をプレスして圧潰すればよく、製造が容易である。フィンの圧入でもよい。

（実施例３）
本発明の実施例３の放熱装置について図７に基づいて説明する。図１〜図３は実施例３においても参照する。図７は本発明の実施例３における放熱装置のフィンと屈曲パイプの拡大部分断面図である。

４１は配管８に接続され冷媒が循環する循環流路の一部を構成し蛇行されたアルミニウムや銅等の高熱伝導率の屈曲パイプ、４２は屈曲パイプ４１が貫通し接触して屈曲パイプ４１の表面の熱を吸収するフィンである。フィン４２は複数枚の放熱板から構成される。４３はフィン２２に開けられた貫通穴、４４はフィン４２の貫通穴４３に形成され屈曲パイプ２１との接触面積を増大させて固定する折り曲げ縁部である。４５は屈曲パイプ４１に形成された膨出部である。屈曲パイプ４１は膨出部４５で内径が拡大し、積層された複数のフィン４２の折り曲げ縁部４４が接触する部分は内径が小さく、その他の部分では大きな内径となっている。

複数枚のフィン４２群（本発明の放熱フィンが複数固定された範囲）が積層され、折り曲げ縁部４４が積み重なってパイプ状となり、その貫通穴４３に屈曲パイプ２１が挿通されて固定される。内径一定の屈曲パイプ４１をフィン４２群の折り曲げ縁部４４に通して固定位置を位置決めしたのち、パイプ内に高圧を加えることによって、内径を拡大させ、折り曲げ縁部４４がフィン４２群のところはその拡大を抑制して密着させ、折り曲げ縁部４４がないところはそのまま拡大して膨出部４５を形成する。

屈曲パイプ２１にフィン４２群ごとに膨出部２５が形成され、内径が増減することによって、屈曲パイプ２１を通る冷媒の流れが乱され、層流から乱流となり、パイプ内壁表面での伝熱効率が向上する。折り曲げ縁部４４が長く、確実に固定される。フィン４２の数が多く伝熱面積が大きくなり、冷却能力に優れる。

本発明は、放熱能力が高く冷媒を循環して冷却する冷却装置の全体として冷却効率を向上させることができる放熱装置とそれを搭載した電子機器に適用することができる。

本発明の実施例１における放熱装置を搭載した受熱部とポンプが別体のデスクトップ型コンピュータ装置の構成図 発明の実施例１における放熱装置を搭載した受熱部とポンプ一体型のデスクトップ型コンピュータ装置の構成図 本発明の実施例１における放熱装置を搭載した折り畳み式コンピュータ装置の一部破砕斜視図 本発明の実施例１における放熱装置の斜視図 本発明の実施例１における放熱装置のフィンと屈曲パイプの拡大部分断面図 （ａ）本発明の実施例２における放熱装置のフィンと屈曲パイプの拡大部分断面図、（ｂ）（ａ）の放熱装置のフィンと屈曲パイプの説明図 本発明の実施例３における放熱装置のフィンと屈曲パイプの拡大部分断面図 従来の電子機器の冷却装置の構成図

符号の説明

１ 筐体
１ａ 液晶ディスプレイ
１ｂ カバー
１ｃ 本体
２ ＣＰＵ
３ 基板
４ 受熱部
５ 放熱装置
６ ポンプ
７ リザーブタンク
８ 配管
９ ファン
１１ 受熱部一体型ポンプ
２１，３１，４１ 屈曲パイプ
２２，３２，４２ フィン
２３，４３ 貫通穴
２４，４４ 折り曲げ縁部
２５，４５ 膨出部
３４ 折り曲げ縁部
３５ 圧潰部

Claims (8)

1. 冷媒を流して該冷媒の熱を受熱する伝熱管と、前記伝熱管の外側面に固定され該伝熱管の熱を大気中の空気と熱交換する複数の放熱フィンを備えた放熱装置であって、前記伝熱管の内径が管軸方向に増減することを特徴とする放熱装置。
2. 前記伝熱管の内径が、各放熱フィンが固定された位置で小さく、該放熱フィン間の位置では大きく形成されていることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
3. 前記伝熱管の内径が、各放熱フィンが固定された位置において、一定の半径で放熱フィン間より小さく形成されていることを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
4. 前記伝熱管の内径が、各放熱フィンが固定された位置において、周方向で放熱フィン間より部分的に小さく形成されていることを特徴とする請求項２記載の放熱装置。
5. 前記伝熱管の内径が管軸方向に周期的に増減することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の放熱装置。
6. 前記伝熱管の内径が、前記放熱フィンが複数固定された範囲では管軸方向に小さく、前記放熱フィンが形成されていない範囲ではこれより大きく形成されていることを特徴とする請求項１記載の放熱装置。
7. 冷媒を循環するための閉循環路に受熱部とポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンク、請求項１〜６の放熱装置がそれぞれ設けられ、前記ポンプが前記冷媒を循環し、前記受熱部が前記冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を前記放熱装置が放熱することを特徴とする電子機器。
8. 冷媒を循環するための閉循環路に受熱一体ポンプ，冷媒を貯めるためのリザーブタンク、請求項１〜６の放熱装置がそれぞれ設けられ、前記ポンプが前記冷媒を循環し、前記受熱部が前記冷媒を使って発熱部品から熱を奪い、奪った熱を前記放熱装置が放熱することを特徴とする電子機器。

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