JP2005353887A

JP2005353887A - 平面形ポンプ

Info

Publication number: JP2005353887A
Application number: JP2004173834A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Yokota; 眞一横田; Kazuya Edamura; 一弥枝村
Original assignee: New Technology Management Co Ltd
Current assignee: New Technology Management Co Ltd
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2005-12-22

Abstract

【課題】パーソナルコンピューターのメインプロセッサ（CPU）等の冷却装置などとして好適に用いられる、超小型・超薄型・超軽量の平面形ポンプを提供する。
【解決手段】電界共役流体と、該電界共役流体を密封して収容する薄型形状の流体収容部とを備え、該流体収容部の底面ないし上面には電圧印加によって該電界共役流体のジェット噴流を形成する少なくとも１対の電極が設けられていることを特徴とする平面形ポンプ。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界共役流体（Electro-Conjugate Fluid = ECF）を用いた平面形ポンプに関し、本発明の平面形ポンプは、パーソナルコンピューターのメインプロセッサ（CPU）等の冷却装置などとして好適に用いられる。

パーソナルコンピュータ(PC)は、日々高速化されており、メインプロセッサ（CPU）には、既に3.20GHz Pentium 4（登録商標）プロセッサを使用した高速駆動型が発表されている。しかしながら、こうしたCPUの高速駆動に伴って、CPUの発熱量は増大する。高温下のCPUは駆動速度が減少するばかりか、誤作動や作動停止を引き起こすこともある。よって、PCの駆動能力を維持するためには、CPUから発熱する熱を吸収し、CPUが適正に駆動する温度領域まで、発熱するCPUを冷却することが必要になる。

このため、高速CPUを搭載したデスクトップ形PC等の大型電子機器では、CPUに大型のヒートシンクを敷設したり、また、筐体自体に大型のファンを設置して、CPUから発生する熱を筐体外に排出するなどの方法が採用されている。しかしながら、この方法は、ヒートシンクを設けることで放熱面積を大きくしてCPUを冷却しているため、デスクトップ形PC等の大型電子機器ではある程度有効な冷却手段であるが、例えばノート形PCのような小型PCには採用できない。さらに、ファンを駆動させる際の騒音も問題となっており、PCは熱くてうるさい存在となっている。

また、こうしたヒートシンクの他には、ヒートパイプも使用されている。このヒートパイプは、水等の熱移送媒体を、内周壁面にウイック（毛管力の大きい構造体）が配置されたパイプ等に密封し、このヒートパイプの一端を発熱体であるCPUなどに当接し、他端を放熱部に配置して、CPUなどからの熱によって熱移動媒体を加熱して、ヒートパイプ内の熱移動媒体を気化させて発熱体からの熱を気化としてヒートパイプ内を移動させ、放熱部で熱移動媒体が凝集することにより、発熱体で発生した熱を放熱部で放出し、凝集した熱移動媒体をウイックの毛細管で発熱部に移動される放熱装置である。しかしながら、このヒートパイプ内において熱移動媒体は、加熱されることにより熱対流によって移動するため、吸熱部と放熱部との温度差が小さいと、有効な熱対流が形成されない。従って、放熱部に多数のフィンを設けるなどして、放熱部を強制的に冷却する必要がある。また、ヒートパイプ内における熱移動媒体は、気化および毛細管現象によって移動し、このヒートパイプは、媒体を移動させるための強制的な媒体移動手段を有していないので、上述のようにヒートパイプ内における媒体の温度差が小さいと熱移送に充分に移動しないことがあり、また熱を有効に放出させるためにはヒートパイプの形状およびヒートパイプの設置条件等種々の制約がある。

従来、PCは、デスクトップ形PC等の大型機とノート形PCのような小型機とで、異なる方向に展開していた。即ち、大型機は高速化に主眼点が置かれ高速化のためには大きなスペースを必要としていた。一方、小型機は、軽量化に主眼点が置かれ、より薄く、より軽くするために、高速化はある程度犠牲にされていた。

ところが、近時、大型機がより高速で駆動することから小型機にも大型機と同程度の高速化の要請が高くなってきており、高速CPUを搭載した小型高速PCの開発が強く望まれている。しかしながら、小型高速PCでは、大型機で採用されているようなヒートシンク、ヒートパイプ等の熱移送手段をCPUに配置するだけのスペース的余裕がない。即ち、市販されている最も軽量で薄型のノート形PCの本体部の厚さは9.7mm程度であり、この厚さは、大型機に搭載されている例えばヒートシンクを備えたPentium 4(登録商標)プロセッサ自体の厚さよりも薄いのである。

従って、より薄く、より軽量な小型高速PCを製造するためには、従来から使用されていた冷却装置よりもさらに冷却効率がよく、さらに薄型化することが可能な新たな冷却装置の開発が必要である。

最近は、ポンプとタンク、放熱板およびパイプ等で構成され、ポンプにより冷却液を循環させて高温のCPUを冷却させた後、放熱板を通じて熱を放出する水冷方式も提案されているが、この方式では別途のポンプおよび比較的大きい容量のタンクが必要であるという短所により、サブノート形PC等のような小型ノート形PCへの装着は困難である。

ところで、絶縁性の液体に電圧を印加することにより液体の特性が変動することが知られており、本発明者は、特定の液体に電圧を印加することにより、この特定の流体が移動するという新たな電界共役流体効果を見い出し、この特定の液体（電界共役流体）およびその関連技術について既に種々の出願をしている（特許文献１等）。

また、ノート形PC用の冷却装置として、吸熱部と放熱部との間を電界共役流体を移動させる方式を提案した（特許文献２）。
特開平１１−１２５１７３号公報特開２０００−２２２０７２号公報

特許文献２に記載の冷却装置は、従来提案されている水冷式装置に比べるとはるかに効率が良く優れたものではあるが、近年ますます高速化、小型化、薄型化、軽量化が求められているノート形PC用の冷却装置としては、改善の余地があった。

本発明者は、上記従来技術の欠点を改善し、高速化、小型化、薄型化、軽量化の要求に応え得るノート形PC用の冷却装置の開発について検討した結果、本発明を完成したものである。

即ち、本発明は、電界共役流体と、該電界共役流体を密封して収容する薄型形状の流体収容部とを備え、該流体収容部の底面ないし上面には電圧印加によって該電界共役流体のジェット噴流を形成する少なくとも１対の電極が設けられていることを特徴とする平面形ポンプである。

本発明では、電子プリント基板製造技術を応用して電極を敷設した電子基板を用いて、電界共役流体を流動させるポンプ機構を形成した。電極として電子基板を用いることから、電極製造は容易となり、かつ超小型・超薄型・超軽量の平面形ポンプが可能となる。即ち、平面上に電子基板技術を用いて、微細且つ精密なポンプ用電極を、多数・同時に作製することができ、また、小面積中に多数の電極を集積することで、小型であるが強力なポンプ機能を有する小型・薄型（数mm厚以下）・軽量な平面形ポンプの提供が可能となった。また、これらの基板を複数枚組み合わせることにより、さらに強力なポンプが容易に製作可能である。

本発明の平面形ポンプにおいて、電界共役流体を作動媒体とともに、熱搬送媒体として用いることにより、駆動部のない完全に閉鎖系の熱輸送システムが可能となる。この熱輸送システムにより、超小型・超薄型超軽量の冷却装置や加温装置が可能となる。

また、電界共役流体を作動媒体とともに、搬送媒体として用いることで、コンビナトリアルケミストリーに用いる微量化学反応物質の搬送・撹拌・分離も可能となるばかりか、DNAチップ上での各種微量反応物質の移送・撹拌・分離も可能となる。この場合には、化学反応物質は電界共役流体に不溶なミセルの中に格納することにより、チューブ内を前後の電界共役流体に挟まれたミセルが移動することで、複数の反応室へ複数のミセルを区別しながら搬送することも可能である。

本発明で用いる電界共役流体は、印加電圧（例えば50Ｖ〜15KV）に応じて電極間に移動流を形成可能な液体である。ここで使用される電界共役流体は、印加電圧に応じて電極間に移動流を形成することができる使用温度において液体の有機化合物であり、この有機化合物は実質的に絶縁性である。より具体的には、特許第３１７９０３５号に詳細に説明されている、ジブチルアジペート、トリアセチン等に代表される、導電率＝４×１０^-10S/m,粘度＝１×１０⁰Pa・sで表される点Ｐ、導電率＝４×１０^-10S/m,粘度＝1×１０^-4Pa・sで表される点Ｑ、導電率＝５×１０^-6S/m,粘度＝１×１０^-4Pa・sで表される点Ｒを頂点とする直角三角形の内部に位置する導電率および粘度を有する化合物、または、該三角形の内部に位置する導電率および粘度を有するように調製された二種類以上の化合物の混合物からなる流体や、特許第３１５７８０４号に詳細に説明されている、エチルパーフルオロブチルエーテル等に代表される、導電率が４×１０^-10〜５×１０^-6S/mの範囲内にあり、表面張力が２２dyn/cm以下の含フッ素系流体が用いられる。

以下、本発明の平面形ポンプの構造・機構を詳細に説明する。

図１は本発明の平面形ポンプの動作原理を示す図であり、基板上に、それぞれが櫛形の形状を有する一対の電極を用意し、基板上に、その線状電極対が交互になるように、流路と垂直に配置し、この基板を挿入したポンプ室内部を電界共役流体で満たす。ポンプ室内の電極対に直流高電圧を印加すると、電極周りの電界によるECF効果により，高電位側の電極からグラウンド電極の方向にジェットが生じる。このECFジェットの発生メカニズムは今のところ明らかではないが、ECF効果により発生するジェットの流速は印加電圧にほぼ比例することが知られている。

本発明においては、上記櫛形形状の電極に代えて、図２に示すような、突起様電極１と、それと対をなす対向電極２とを組み合わせた電極を用いることも可能であり、これらと櫛形形状を組み合わせた図３に示すような電極を用いることも可能である。この対向電極の形状には特に限定は無いが、突起様電極の突起先端から等距離にある対向電極部位が、突起先端を取り囲むように受口状に配置されている電極構造が好適である。この場合、ECFは、突起先端から対向電極の方向へと流動する。

これらの電極は、小型化が可能であり、且つ高出力であり、本発明の平面形ポンプに好適に用いられる。これらの電極は、周知の電子基板技術を用いて、電子プリント回路基板上に容易に設置することが可能であり、例えば銅張プリント基板からエッチング工程を経て形成することができる。

以下、図１に示す櫛形電極を用いた場合について、本発明の平面形ポンプの作用を説明する。

印加電界により発生されたECFジェット流の運動量は、流体の粘性を通じて流れない状態にある電極上部の流体に伝達される。まず、電極周りの流体が移動される局所流動を発生させ、この局所流動の発達により流路内の流動が形成されることになる。本発明のポンプは、可動部がないシンプルでコンパクトな平面構造であり、流路幅を大きくすることにより吐出流量の増大が期待できる。機械的可動部がないため、騒音、振動の発生も抑えられる。さらに、この平面形ポンプは、ノート形PCのLCDパネル背面などに実装できる。CPUから発生される熱は、ポンプの作動流体であるECFによりLCDパネルの背面まで移動され、ここで大面積から放熱できると考えられる。この場合、平面形ポンプは、液冷システムのパワー源とともに、放熱板の役割も果たしていることになる。このような特長をもつ平面形ECFポンプは、次世代ノート形PCの液冷システムのパワー源に適すると考えられる。

本発明の平面形ECFポンプの概略図を図４に示す。試作ポンプは、今後ノート形PCの液冷システムのパワー源として、LCDパネルの背面に実装されることを考慮し、ポンプ室内の寸法は、A4サイズ(297×210mm)を基準とし設計した。ポンプ室内で印加電界によりECFジェットを発生させる電極基板は、長さ280mm、幅190mm、厚さ1mmのガラスエポキシ基板を用いている。ポンプ室の流路の高さは、電極基板と外部上板の間に挿入されている４本のスペーサの厚さにより維持される。スペーサ一つの幅は５mmである。また、ポンプ室から作動流体であるECFの漏れを防ぐため、厚さ0.5mmのゴムシートを用いている。これらにより、電界共役流体を密封して収容する薄型形状の流体収容部が形成される。

本発明の平面形ポンプにおけるポンプ室内のパラメータを図５に示す。本発明の平面形ECFポンプにおいては、印加電界により電極間に生じるECFジェットがポンプの駆動源として使用されているため、電極の寸法は、ECFポンプの性能における重要な設計因子の一つである。

電極寸法のパラメータは、図５に示すように，電極厚さｈ_ｅ、電極幅Ｂ_ｅ、電位側の電極とグラウンド電極間の間隔Ｌ_ｅ、および一組の電極対間の間隔Ｌ_ｐが考えられる。また、電極の寸法とともに、ポンプ室の流路高さＨ_ｃの影響によるポンプ出力特性の変化も予想できる。

本発明では、図５に示すように、ｈ_ｅ：35μm、Ｂ_ｅ：100μm、Ｌ_ｅ：200μm、Ｌ_ｐ：900μmと電極パラメータを設定し、流路高さＨ_ｃを200μm、300μm、500μmと変化させながら、ECFポンプの出力特性における実験的な検討を行った。

本発明の平面形ECFポンプにおいて、印加電圧に対する吐出流量を測定するための実験装置の概略図を図６に示す．高電圧電源から平面形ECFポンプの電極部には０〜３kVの範囲の直流高電圧を印加した。

吐出流量測定には、メスシリンダと電子天びん（最小分解能：0.02g）を用い、単位時間あたりに吐出されたECFの質量を密度で除すことで求めた。

マイクロモータやマイクロアクチュエータなどでは、デカン二酸ジブチル(Dibutyl decane-dioate：DBD)が標準的なECFとして使用されているが、本発明では平面形ECFポンプの作動流体として，DBDより強力なジェット流を発生させることが知られているFF-1EHA2（ペルフルオロノネニルオキシベンゼンを主成分としたECF）を使用した。

印加電圧に対する平面形ECFポンプの吐出流量実験の結果を表７に示す。その結果から，印加電圧を上昇させることにより、吐出流量は増加し、また流路高さが増加することにより、吐出流量は増加する傾向が見られる。印加電圧2.6kVの場合、流路高さ200μm、300μm、500μmにおける吐出流量は、それぞれ540mm³/s，1,060mm³/s，4,030mm³/sであり、いずれも実用的なポンプ特性が得られた。

本発明の平面形ポンプ（櫛形電極型）の駆動原理の概要を示す図で、(a) は平面図、(b) は(a) 中央部分の側面図である。突起様電極と対向電極の電極構造の例であり、(a) は１列型、(b) は複数列（３列）型のものを示す。突起様電極と対向電極の電極対と、櫛形電極対を組合わせた複合構造の電極例を示す図である。平面形ポンプの概略図である。平面形ポンプ（櫛形電極型）のポンプ室内のパラメータを示す図である。実験装置の概略図である。平面形ポンプの吐出流量実験結果を示すグラフである。

符号の説明

１…突起様電極
２…対向電極

Claims

電界共役流体と、該電界共役流体を密封して収容する薄型形状の流体収容部とを備え、該流体収容部の底面ないし上面には電圧印加によって該電界共役流体のジェット噴流を形成する少なくとも１対の電極が設けられていることを特徴とする平面形ポンプ。
電極が、電子プリント回路基板上に設置されている請求項１記載の平面形ポンプ。
電極が、銅張プリント基板からエッチング工程を経て形成される請求項２記載の平面形ポンプ。
電極が、櫛形形状のものである請求項１〜３の何れか１項記載の平面形ポンプ。
電極が、突起様電極と、それと対をなす対向電極との組合せからなる請求項１〜３の何れか１項記載の平面形ポンプ。
電界共役流体を熱搬送媒体として用いる請求項１〜５の何れか１項記載の平面形ポンプ。
請求項６記載の平面形ポンプであって、平面形ポンプ部が放熱板機能あるいは吸熱板機能を兼ね備えた熱交換機能を有することを特徴とする平面形ポンプ。