JP2005317796A - ポンプ、冷却装置および電子機器 - Google Patents

ポンプ、冷却装置および電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】CPU等の発熱体を冷却能力の高い液冷方式によって冷却することができる冷却用ポンプを提供する。
【解決手段】本発明に係る冷却用ポンプ17は、回転軸に固定された円盤形状体に液状冷媒を加圧するインペラ35が固定されるとともに、円盤形状体に複数の永久磁石がリング状に配列されかつ固定されたロータ39と、ロータを回転自在に収容するとともに液状冷媒の吸込口と吐出口を備えたポンプ室28を形成し、ポンプ室を形成する側壁の一部25が受熱部であるケース22と、ポンプハウジング本体を液密に密閉するとともに凹部を備えたカバー23と、凹部に収容されるとともに、複数の電磁石により回転磁界を発生させ、ロータに前記回転軸まわりのトルクを付与する環状の固定子38と、を具備し、ポンプ室の内面は、親水性の表面処理50が施されたことを特徴とする。
【選択図】 図8

Description

本発明は、ポンプ、冷却装置および電子機器に係り、特に発熱体を冷却する液冷型の冷却装置に用いられるポンプ、冷却装置および電子機器に関する。
近年、パーソナルコンピュータをはじめとして、電子機器の情報処理速度の向上は著しく、これを実現するCPU(Central Processing Unit)や周辺半導体素子の処理クロック数も従来に比べて大幅な高周波化が図られている。
これにともなって、CPUやその他の半導体素子の発熱量も増大してきている。従来のようにCPU等の発熱体にヒートシンクを熱的に接続し、ヒートシンクを空冷で冷却する方式では必ずしも対応しきれない半導体素子も現れてきている。
これに対して、空気よりも比熱の高い液体を冷媒として用いることによって、より冷却効率の高い液冷方式の冷却装置を、パーソナルコンピュータのような小型の電子機器に適用する技術が開発されている。
例えば、特許文献1および2には、冷媒を循環させる閉循環経路と、冷媒を放熱させる放熱器と、閉循環経路を循環させるために冷媒を加圧するとともに発熱半導体に熱的に接触させて冷媒の熱交換により冷却する接触熱交換型ポンプとを備えた冷却装置が開示されている。また、特許文献3には、上記接触熱交換型ポンプの薄型化技術が開示されている。
また、液冷方式においては、発熱体の熱を受熱する受熱面から液状冷媒の流路に接する面までの熱伝導性を高めることが重要となる。特許文献4には、燃料電池のセパレータを冷却するための冷却流路の表面加工に関する技術として、冷却流路の表面を粗面とすることによって伝熱面積を増加させることにより熱伝導性を高める技術が開示されている。なお、同文献には親水性塗料の塗布についても言及されているが、親水性塗料の目的は、冷媒の凍結防止を目的としたものであり、冷却効率の向上とは直接的な関係は無い。
特許第3431024号公報 特許第3452059号公報 特開2003−172286号公報 特開2003−68317号公報
ところで、冷媒を循環させてCPU等の発熱体を高い冷却効率で冷却するためには、冷媒の流速を高速化し、冷媒の流量を増大させることが極めて重要となる。
特に、冷媒を加圧し冷媒を循環させるためのポンプにおいて、冷媒の流速を高め、冷媒流量を増大させることは冷却効率の向上に大きく寄与する。
例えば、超薄型の接触熱交換型のポンプとして開示されている特許文献3には、ポンプ室内面の表面処理についての言及はない。
しかしながら、ポンプ内面の表面状態が、プレス、射出成形、或いはダイキャスト等によって成形された表面状態では、受熱体たるポンプハウジングから冷媒への熱伝達性能が十分発揮できない場合も考えられる。
また、特許文献4で開示されている流体経路の表面処理技術は、粗面の算術平均荒さが最大で3.5μmとされており、また技術分野も燃料電池に関するものである。CPU等の発熱半導体の冷却を目的とする本発明とは技術分野が異なり、またかかる技術では十分な冷却性能が期待できない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、CPU等の発熱体を効率よく冷却することが出来るポンプ、冷却装置および電子機器を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、請求項1に係るポンプは、放熱器との間で循環経路を介して液状冷媒を強制循環させるポンプであって、ポンプ室を有するハウジングと、ポンプ室に位置するとともに液状冷媒を循環経路内に押し出すインペラと、インペラを回転させる固定子と、を具備し、ポンプ室の内面は、親水性の表面処理が施されたことを特徴とする。
また、請求項8に係る電子機器は、筐体と、前記筐体に収容される基板と、前記基板に実装される発熱体と、前記発熱体に熱的に接続されるとともに、前記発熱体からの熱を放熱する放熱器とこの放熱器に液状冷媒を循環する循環経路と、この循環経路を介して前記液状冷媒を強制循環させるポンプとを有した冷却装置と、を具備し、前記ポンプはポンプ室を有するハウジングと、前記ポンプ室に位置するとともに前記液状冷媒を前記循環経路内に押し出すインペラと、前記インペラを回転させる固定子と、を具備し、前記ポンプ室の内面は、親水性の表面処理が施されたことを特徴とする。
請求項15に係る冷却装置は、発熱体に熱的に接続されるとともに、発熱体からの熱を放熱する放熱器とこの放熱器に液状冷媒を循環する循環経路と、この循環経路を介して液状冷媒を強制循環させるポンプとを有した冷却装置であって、ポンプは、ポンプ室を有するハウジングと、ポンプ室に位置するとともに液状冷媒を循環経路内に押し出すインペラと、インペラを回転させる固定子と、を具備し、ポンプ室の内面は、親水性の表面処理が施されたことを特徴とする。
本発明に係るポンプ、冷却装置および電子機器によれば、CPU等の発熱体から発熱される熱を効率よく冷却することができる。
本発明に係る冷却用ポンプ(ポンプ)、冷却装置および電子機器の実施の形態について添付図面を参照して説明する。
図1および2は、本発明に係る電子機器の一実施形態であるパーソナルコンピュータ1の外観を示す図である。
パーソナルコンピュータ1は、コンピュータ本体2と、パネル部3を備える。
コンピュータ本体2は、薄型の箱形形状をした本体筐体4を有している。本体筐体4は、底壁4a、上壁4b、前壁4c、左右の側壁4dおよび後壁4eを備えている。
後壁4eには、冷却風を放出するための複数の排気口6が設けられる。
本体筐体4の上壁4bは、キーボード5を支持する。
パネル部3は、パネル部筐体8と表示部9を備える。表示部9は、パネル部筐体8に収容され、表示パネル9aを備える。表示パネル9aは、パネル部筐体8の前面に形成された開口部10から露出している。
パネル部筐体8は、本体筐体4の後端部に設けられたヒンジを介して開閉自在に支持される。
図1は、パネル部3を開いた時の外観を示しており、図2はパネル部3を閉じた時の外観を示したものである。
図3は、本体筐体4に収容されるプリント基板12と、プリント基板12に装着された発熱体である半導体素子、例えばCPU13およびCPU13に熱的に接続される冷却ポンプ16の断面を示した図である。
プリント基板12は、例えば本体筐体4の底壁4aと並行に配設される。プリント基板の12の一面、例えば上面にCPU13が装着される。
CPU13は、ベース基板14とベース基板14の上面中央部に設けられるICチップ15を有している。ICチップ15を効率よく冷却することがCPU13の動作を維持するために必要不可欠である。
冷却ポンプ17の底壁25の外面は受熱面26となり、ICチップ15の表面と例えば伝熱性のグリスや伝熱性のシートを介して熱的に接続される。
図4は、コンピュータ本体2に収容される冷却装置16の構造の一例を示したものである。
冷却装置16は、冷却ポンプ17、放熱部18,循環経路19および電動ファン20を備える。
冷却ポンプ17は、プリント基板12に装着されたCPU13を覆うように配設される。また冷却ポンプ17の四隅はねじ47で貫通される。ねじ47は、プリント基板12をさらに貫通して、本体筐体4の底壁4aに固定される4つのボス部46にねじ込まれる。
このねじ込みによって、冷却ポンプ17はプリント基板12および本体筐体4の底壁4aに固定されるとともに、CPU13と熱的に接続される。
冷却ポンプ17は、液状冷媒を吸い込む吸込管32と液状冷媒を吐き出す吐出管33が一体に形成されている。
放熱部18は、液状冷媒が流れる第1の通路部50,第2の通路部51および第3の通路部52を備える。
図5は放熱部18の細部構造を示した斜視図である。図5に示すように、第1および第2の通路部50,51は、それぞれ断面扁平なパイプ53、54を備える。パイプ53、54は、各々の断面の長軸方向が本体筐体4の底壁4aに並行となるように配設される。
第1の通路部50の上流端ではパイプ53の断面形状が円形に変化し、液状冷媒が流入する冷媒入口56となる。一方、第1の通路部50の下流端は、扁平な断面形状のまま第3の通路部52の上流端に接続される。
第2の通路部51の下流端ではパイプ54の断面形状が円形に変化し、液状冷媒が流出する冷媒出口57となる。一方、第2の通路部51の上流端は、扁平な断面形状のまま第3の通路部52の下流端に接続される。
パイプ53の支持面53aとパイプ54の支持面54aの間には複数の冷却フィン63が配設される。冷却フィン63は支持面53a、54aに例えば半田付けで固定され、冷却フィン63とパイプ53,54とが熱的に接続される。
冷却フィン63の相互の間隙は、複数の冷却風通路62を構成する。
循環経路19は、図4に示したように、上流管部70と下流管部71を備える。
上流管部70の両端は、冷却ポンプ17の吐出管33と第1の通路部50の冷媒入口56とに接続される。
一方、下流管部71の両端は、冷却ポンプ17の吸込管32と第2の通路部51の冷媒出口57とに接続される。
電動ファン20は、放熱部18に冷却風を送風するためのものである。
電動ファン20は、ファンケーシング73と、ファンケーシング73に収容されるファン用インペラ74を備える。
ファンケーシング73は、冷却風を吐き出す冷却風吐出口75と、吐き出された冷却風を放熱部へ導く風導ダクト76を有している。
次に冷却ポンプ17の細部構造について説明する。
図6および図7は、本発明に係る冷却ポンプ17の一実施形態の構造を説明する図である。
冷却ポンプ17は、受熱部として機能するポンプハウジング21を有する。ポンプハウジング21は、ケース22とカバー23を備える。
ケース22は、例えば銅、アルミニウムのような熱伝導率の高い金属材料で作られる。カバー23は樹脂材料にて形成される。ケース22とカバー23とはO−リング22aを介して結合される。ケース22は、図7において上向きに開放された凹部24を有しており、凹部24の底壁25は、CPU13と対向する。底壁25の下面はCPU13と熱的に接続される受熱面26となっている。
凹部24は、隔壁27で仕切られており、ポンプ室28とリザーブ室29を備える。リザーブ室29は、液状冷媒を蓄えるためのものである。
隔壁27は、吸込口30と吐出口31を備える。吸込口30には吸込管32が接続され、液状冷媒をポンプ室28に吸い込む。吐出口31には吐出管33が接続され、ポンプ室28から液状冷媒を吐き出す。
ポンプ室28には、ロータ39が収容される。
ロータ39は、円盤形状を成し、その中心に回転軸36が固定される。回転軸36は一端がポンプ室28の中央部に、他端がカバー23の中央部に回転自在に支持される。
ロータ39は、液状冷媒を加圧するインペラ35を備える。また、ロータ39の円環状の側壁41には、複数の永久磁石が埋め込まれている。インペラ35と複数の永久磁石は一体となって回転軸36を中心として回転する。
カバー23は、ロータ39が収容されたポンプ室28およびリザーブ室29を液密に密閉する。
固定子38は、カバー23の図7における上面に形成された凹部23aに収容される。固定子38は、複数の電磁石40を備える。
複数の電磁石40に所定の電流を印加することによって、固定子38は回転磁界を発生する。この回転磁界とロータ39に設けられた永久磁石の磁界との反発力によって、固定子38は、ロータ39にトルクを発生させロータ39を回転させるとともに、ロータ39に設けられたインペラ35によって液状冷媒を加圧循環させる。
カバー23には電磁石40への印加電流を制御する制御回路基板42も収容される。
蓋44は、固定子38および制御回路基板42を覆い保護するためのもので、ねじ43によってポンプハウジング21に固定される。
図8は、冷却ポンプ17の断面を模式的に示した図である。
ケース22とカバー23によってポンプ室28が形成される。ポンプ室28の内面には、液状冷媒の流速を増大させ冷却性能を高めるために、親水性を向上させる表面処理50が施される。
親水性を向上させる表面処理50の第1の実施例は、酸化チタン、例えば二酸化ケイ素(SiO)による被膜をポンプ室28の内面(受熱面26とは反対側にある底面25a、底面25aに連なる側面25b)および吸込管32の内面32a、吐出管33の内面33aに形成するものである。二酸化ケイ素(SiO)被膜は、例えば二酸化ケイ素(SiO)の溶液にケース22を侵漬させた後乾燥させることによって形成できる。
二酸化ケイ素(SiO)被膜の厚みは、冷却性能の観点から、例えば0.1〜0.6μmである。
親水性を向上させる表面処理50の第2の実施例は、酸化チタン、例えば二酸化チタン(TiO)による被膜をポンプ室28の内面および吸込管32の内面32a、吐出管33の内面33aに形成するものである。二酸化チタン(TiO)被膜は同様に、例えば二酸化チタン(TiO)の溶液にケース22を侵漬させた後乾燥させることによって形成できる。
二酸化チタン(TiO)被膜の厚みは、冷却性能の観点から、例えば0.1〜0.6μmである。
親水性を向上させる表面処理50の第3の実施例は、ポンプ室28の内面および吸込管32の内面32a、吐出管33の内面33aに粗面を形成する処理を施すものである。内面の表面粗さは、冷却性能の点から例えば、算術平均粗さ(Ra)で0.5〜100μmとする。
粗面を形成する方法は、特に限定しないが、例えばホーニング加工によって粗面を形成できる。
図9は、冷却ポンプ17の内面が親水性を向上する表面処理50が施されている効果を定性的に説明する図である。
図9(a)は、親水性向上の表面処理50が施されていない場合のものである。表面の親水性が低い場合は例えば水滴は表面上に広がらない。ポンプ室28を流れる液状冷媒はポンプ室28の内面から抵抗を受け、流速・流量は制限を受ける。
これに対して、図9(b)は、ポンプ室28の内面に本発明に係る親水性向上の表面処理50が施されている場合である。表面の親水性が高いと例えば水滴は表面上に広がる。ポンプ室28内面の抵抗も低減するため、流速・流量も、親水性向上の表面処理50が施されていない場合に比べて向上する。
図9下部の模式的なグラフに示したように、一般に受熱面26から奪う熱量は、受熱面或いはこれと熱的に接続された面上を流れる流体の流速或いは流量と正の相関関係を持つ。この結果、ポンプ室28の内面に親水性向上の表面処理50を施すことによって、受熱面26から奪う熱量が増大し、冷却性能が向上する。
次に、図4および図8を用いて、本発明に係る冷却ポンプ17および冷却ポンプ17を備えた冷却装置16の動作について説明する。
発熱体であるCPU13は、図8に示すケース22の受熱面26と伝熱性グリス或いは伝熱性シート(図示していない。)を介して熱的に接続される。
CPU13で発生した熱は、受熱面26からケース22の底壁25を通って、親水性の表面処理50が施されているポンプ室28の内面に伝達される。
ポンプ室28には吸込管32から吸込口30を通って、冷却された液状冷媒が流入されている。ポンプ室28の内面に伝達されたCPU13の熱は、この冷却された液状冷媒に伝達される。この結果液状冷媒は受熱する。
一方、ポンプ室では、ロータ39が固定子38の発生する回転磁界によってトルクを受け、回転している。ロータ39に設けられたインペラ35の回転によって、受熱した液状冷媒は加圧され、吐出口31を通って吐出管33から吐き出される。
ポンプ室28の内面は、親水性を向上させる表面処理50が施されている。このため、表面処理50が施されていない場合に比べて、ポンプ室28を循環する液状冷媒が受ける抵抗は減衰される。
この結果、ポンプ室28を循環する液状冷媒の流速は増大し、また単位時間あたりの液状冷媒の流量も増大する。
ポンプ室28を循環する液状冷媒の流速或いは流量が増大することによって、CPUから奪う熱量は増大し、冷却性能は向上する。
また、ポンプ室28の表面処理50を、第3の実施例のように粗面処理することは、ポンプ室28の内面の受熱面積を増大させることにもなり、さらに冷却性能が向上する。
図4に示したように、受熱した液状冷媒は冷却ポンプ17で加圧された後、吐出管33から吐き出され、循環経路19の上流管部70を通って放熱部18に流入する。
放熱部18において、液状冷媒は、第1の通路部50,第3の通路部52および第2の通路部51を循環する。この循環の間に、受熱した液状冷媒の熱は第1の通路部50、第2の通路部51および両者と熱的に接続されている放熱フィン62に伝達される。
一方、電動ファン20のファン用インペラ74の回転によって発生する冷却風は、第1、2の通路部50,51および放熱フィン62に当たり、これらの熱を奪った後、本体筐体4の後壁4eに設けられた複数の排気口6から放出される。
受熱した液状冷媒は、上述のように放熱部18を循環する間に冷却される。冷却された液状冷媒は、循環経路19の下流管部71を通った後、冷却ポンプ17の吸込管32からポンプ室28に戻る。
このサイクルを繰り返すことで、CPU13で発生した熱は、順次電動ファン20で発生した冷却風によって本体筐体4の外部へ放出される。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、リザーブ室29を含む凹部24の内面全てに表面処理50を施しても良い。この場合ポンプ17全体での受熱効率をさらに向上させることが可能である。また、上述した実施の形態に於いてはポンプがCPUに熱的に熱的に接続される受熱部を構成していたが、CPUに熱的に接続する受熱部とポンプとを別構成とし、このポンプを循環経路の中間に配置する構成としても良い。
本発明に係る電子機器の一実施形態における第1の外観図。 本発明に係る電子機器の一実施形態における第2の外観図。 本発明に係る冷却ポンプの実装状態の一例を説明する図。 本発明に係る電子機器に設けられた冷却装置の一実施例の構造を示す図。 上記冷却装置の放熱部の構造を示す図。 本発明に係る冷却ポンプの一実施例の構造を示す第1の図。 本発明に係る冷却ポンプの一実施例の構造を示す第2の図。 本発明に係る冷却ポンプの構造を説明する断面図。 本発明に係る冷却ポンプの表面処理の効果を説明する図。
符号の説明
1 パーソナルコンピュータ(電子機器)
2 コンピュータ本体
3 パネル部
4 本体筐体
4a 底壁
4e 後壁
12 プリント基板
13 CPU(発熱体)
16 冷却装置
17 冷却ポンプ
18 放熱部
19 循環経路
20 電動ファン
21 ポンプハウジング
22 ケース
23 カバー
25 ポンプ底壁
28 ポンプ
30 吸込口
31 吐出口
32 吸込管
33 吐出管
35 インペラ
36 回転軸
38 固定子
39 ロータ
40 電磁石
50 表面処理

Claims (20)

  1. 放熱器との間で循環経路を介して液状冷媒を強制循環させるポンプであって、
    ポンプ室を有するハウジングと、
    前記ポンプ室に位置するとともに前記液状冷媒を前記循環経路内に押し出すインペラと、
    前記インペラを回転させる固定子と、を具備し、
    前記ポンプ室の内面は、親水性の表面処理が施されたことを特徴とするポンプ。
  2. 前記親水性の表面処理は、酸化ケイ素を主成分とする被膜を形成する処理であることを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  3. 前記親水性の表面処理は、酸化チタンを主成分とする被膜を形成する処理であることを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  4. 前記親水性の表面処理は、粗面を形成する処理であることを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  5. 前記ハウジングは、金属製のケースと、このケースに結合される樹脂製のカバーとを有し、前記表面処理は前記ケース内面に施されたことを特徴とする請求項1に記載のポンプ。
  6. 前記ケースは、前記循環経路に前記液状冷媒を送り出す吐出管と前記循環経路より前記液状冷媒を吸い込む吸入管とを有し、これら吐出管と吸入管との内面に前記表面処理が施されることを特徴とする請求項5記載のポンプ。
  7. 前記ケースには前記ポンプ室と並んでタンク室が設けられ、このタンク室内面に前記表面処理が施されることを特徴とする請求項6記載のポンプ。
  8. 筐体と、
    前記筐体に収容される基板と、
    前記基板に実装される発熱体と、
    前記発熱体に熱的に接続されるとともに、前記発熱体からの熱を放熱する放熱器とこの放熱器に液状冷媒を循環する循環経路と、この循環経路を介して前記液状冷媒を強制循環させるポンプとを有した冷却装置と、を具備し、
    前記ポンプは
    ポンプ室を有するハウジングと、
    前記ポンプ室に位置するとともに前記液状冷媒を前記循環経路内に押し出すインペラと、
    前記インペラを回転させる固定子と、を具備し、
    前記ポンプ室の内面は、親水性の表面処理が施されたことを特徴とする電子機器。
  9. 前記親水性の表面処理は、酸化ケイ素を主成分とする被膜を形成する処理であることを特徴とする請求項8に記載の電子機器。
  10. 前記親水性の表面処理は、酸化チタンを主成分とする被膜を形成する処理であることを特徴とする請求項8に記載の電子機器。
  11. 前記親水性の表面処理は、粗面を形成する処理であることを特徴とする請求項8に記載の電子機器。
  12. 前記ハウジングは、金属製のケースと、このケースに結合される樹脂製のカバーとを有し、前記表面処理は前記ケース内面に施されたことを特徴とする請求項8に記載の電子機器。
  13. 前記ケースは、前記循環経路に前記液状冷媒を送り出す吐出管と前記循環経路より前記液状冷媒を吸い込む吸入管とを有し、これら吐出管と吸入管との内面に前記表面処理が施されることを特徴とする請求項12記載の電子機器。
  14. 前記ケースには前記ポンプ室と並んでタンク室が設けられ、このタンク室内面に前記表面処理が施されることを特徴とする請求項13記載の電子機器。
  15. 前記発熱体に熱的に接続されるとともに、前記発熱体からの熱を放熱する放熱器とこの放熱器に液状冷媒を循環する循環経路と、この循環経路を介して前記液状冷媒を強制循環させるポンプとを有した冷却装置であって、
    前記ポンプは、
    ポンプ室を有するハウジングと、
    前記ポンプ室に位置するとともに前記液状冷媒を前記循環経路内に押し出すインペラと、
    前記インペラを回転させる固定子と、を具備し、
    前記ポンプ室の内面は、親水性の表面処理が施されたことを特徴とする冷却装置。
  16. 前記親水性の表面処理は、酸化ケイ素を主成分とする被膜を形成する処理であることを特徴とする請求項15に記載の冷却装置。
  17. 前記親水性の表面処理は、酸化チタンを主成分とする被膜を形成する処理であることを特徴とする請求項15に記載の冷却装置。
  18. 前記親水性の表面処理は、粗面を形成する処理であることを特徴とする請求項15に記載の冷却装置。
  19. 前記ハウジングは、金属製のケースと、このケースに結合される樹脂製のカバーとを有し、前記表面処理は前記ケース内面に施されたことを特徴とする請求項15に記載の冷却装置。
  20. 前記ケースは、前記循環経路に前記液状冷媒を送り出す吐出管と前記循環経路より前記液状冷媒を吸い込む吸入管とを有し、これら吐出管と吸入管との内面に前記表面処理が施されることを特徴とする請求項19記載の冷却装置。
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