JP2006170119A - 冷媒ポンプ及びその使用方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高さ制限の厳しいユニットにも採用でき、かつ冷却システムに冷却板を必要としない安価で薄型の冷媒ポンプを提供すること。
【解決手段】 冷媒ポンプに、互いに接合した上容器２と下容器４とを有する密閉容器と、密閉容器に収容したポンプ機構部６と、ポンプ機構部６に隣接配置された固定子８と回転子１０とを有する電動機とを設けた。また、上容器２の外側に環状凹部２ａを形成して固定子８を固定し、回転子１０を固定子８に対向させて固定子８の径方向外方の上容器２内に配置した。さらに、回転子１０と一体的に回転する軸受端板１２と、下容器４に固定され軸受端板１２を支承するシャフトシリンダ１４との間に形成された空間１６にポンプ機構部６を収容し、回転子１０と軸受端板１２の回転に連動してポンプ機構部６を駆動して、ポンプ機構部６で圧縮された液冷媒を下容器４とシャフトシリンダ１４との間に形成された下部空間１４ｊを介して外部に吐出するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を用いて高発熱の半導体素子を冷却する冷却装置に設けられた冷媒ポンプ及びその使用方法に関する。

図４は、空気調和機等に使用されている従来の冷媒ポンプの断面図を示しており、密閉容器４０の内部にはポンプ機構部４２が収容され、ポンプ機構部４２を駆動する電動機４４はポンプ機構部４２に隣接して配置されている。また、電動機４４は、密閉容器４０の外側に固定された固定子４６と、密閉容器４０の内部に回転自在に取り付けられた回転子４８とにより構成されたインナーロータ方式を採用している（例えば、特許文献１参照。）。

この冷媒ポンプは、固定子４６を密閉容器４０の外側に配置したことで、ポンプ機構部と電動機とを１つの密閉容器に収容した構成に比べ、密閉容器の外径を小さくすることができる。

特開平２−２８３８８７号公報（図１）

しかしながら、ノートパソコンや１Ｕサーバ等の高さ制限の厳しいユニットには薄型の冷媒ポンプが必要とされるばかりでなく、この用途には上述した特許文献１に記載の冷媒ポンプは高さの点でまだまだ改善の余地があり、さらに薄型の冷媒ポンプが要望されていた。また、従来の冷媒ポンプを使用して冷却システムを構成する場合、半導体素子からの熱を吸収するための冷却板が必要となり、冷媒ポンプの薄型化を妨げるばかりでなく、コストアップの要因となっていた。

本発明は、従来技術の有するこのような問題点に鑑みてなされたものであり、高さ制限の厳しいユニットにも採用でき、かつ冷却システムに冷却板を必要としない安価で薄型の冷媒ポンプを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のうちで請求項１に記載の発明は、ポンプ機構部と該ポンプ機構部を駆動する電動機とを備えた冷媒ポンプであって、互いに接合した上容器と下容器とを有する密閉容器と、該密閉容器に収容したポンプ機構部と、該ポンプ機構部に隣接配置され固定子と回転子とを有する電動機とを備え、前記上容器の外側に環状凹部を形成して該環状凹部に前記固定子を固定し、前記回転子を前記固定子に対向させて前記固定子の径方向外方の前記上容器内に配置するとともに、前記回転子と一体的に回転する軸受端板と、前記下容器に固定され前記軸受端板を支承するシャフトシリンダとの間に形成された空間に前記ポンプ機構部を収容し、前記回転子と前記軸受端板の回転に連動して前記ポンプ機構部を駆動して、前記ポンプ機構部で圧縮された液冷媒を前記下容器と前記シャフトシリンダとの間に形成された下部空間を介して外部に吐出するようにしたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記シャフトシリンダに冷媒通路を穿設し、該冷媒通路を介して前記ポンプ機構部から吐出された冷媒を前記軸受端板側に吐出し、前記ポンプ機構部からの吐出圧力と吸入圧力の差圧により前記軸受端板を前記シャフトシリンダに押しつけるようにしたことを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記軸受端板に対向する前記シャフトシリンダの摺接面にリング状溝を形成し、該リング状溝にシール材と該シール材を前記軸受端板に向かって付勢する弾性部材を挿入したことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記下容器に熱伝導率が高い材料を用い、前記上容器との接合部の先端部を鋭角に形成したことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、前記上容器に非磁性体材料を用い、前記固定子と前記回転子との間に位置する前記上容器の肉厚を他の部分の肉厚よりも薄く設定したことを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、前記下容器の端面を平坦状に形成したことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の冷媒ポンプの下容器の端面を半導体素子に熱的に密着させ、前記半導体素子を冷却することを特徴とする冷媒ポンプの使用方法である。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
本発明によれば、回転子を固定子の径方向外方に配置したアウターロータ方式の電動機を採用したことで、薄型の冷媒ポンプを提供することができる。

また、シャフトシリンダに形成された冷媒通路を介してポンプ機構部から吐出された冷媒を軸受端板側に吐出し、ポンプ機構部からの吐出圧力と吸入圧力の差圧により軸受端板をシャフトシリンダに押しつけるようにしたので、軸受端板からの冷媒の漏れが減少する。また、軸受端板が固定端板の役割を担うことで固定端板が不要となり、ポンプ機構部を薄く構成することができるとともに安価な冷媒ポンプを提供することができる。

さらに、シャフトシリンダの摺接面に形成されたリング状溝にシール材及び弾性部材を挿入したので、軸受端板からの冷媒の漏れがさらに減少する。また、シール材として自己潤滑性シールを採用するとさらに信頼性が向上する。

また、下容器に熱伝導率が高い材料を用い、上容器との接合部の先端部を鋭角に形成し、さらに下容器の端面を平坦状に形成したので、レーザ溶接が容易にできるばかりでなく、半導体素子を下容器の端面に熱的に密着させて熱を吸収することができ、冷却効率が向上する。

また、上容器に非磁性体材料を用い、固定子と回転子との間に位置する上容器の肉厚を他の部分の肉厚よりも薄く設定したので、エアーギャップが小さくなり、渦電流損失を低減でき、効率の良い電動機を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明にかかる冷媒ポンプの断面図を示している。
図１に示されるように、本発明にかかる冷媒ポンプは、開口側端部が互いに接合された上容器２と下容器４からなる密閉容器と、下容器４に回転自在に取り付けられたポンプ機構部６と、ポンプ機構部６に隣接して上容器２に取り付けられた電動機とで構成されており、電動機は、上容器２の外側に配置された固定子８と、固定子８に対向して上容器２の内部に配置された回転子１０とで構成されている。また、下容器４には、液冷媒が吸入される吸入管１１が連結される一方、上容器２には、ポンプ機構部６で圧縮された冷媒が吐出される吐出管１３が連結されている。

上容器２の材質は、ステンレス等の非磁性体で、厚みは約１．５ｍｍに設定されているが、固定子８と回転子１０の間に位置する部分の肉厚は他の部分の肉厚より薄く、例えば０．６ｍｍに設定されている。また、下容器４としては、例えば銅等の熱伝導率の高い材料が使用され、上容器２との接合部の先端部は鋭角に形成されている。このように上容器２との接合部において、上容器２に向かって肉厚を徐々に薄く設定することで、レーザ溶接等を行なう場合には熱容量が小さく溶けやすい。

上容器２は、その外側に環状凹部２ａが形成されており、この環状凹部２ａに固定子８が圧入固定されている。一方、回転子１０は、固定子８に対向するように固定子８の径方向外方の上容器２の内部に配置されている。また、回転子１０と一体的に回転する軸受端板１２が上容器２の内部に取り付けられており、軸受端板１２を回転自在に支承するシャフトシリンダ１４が下容器４の内部に圧入固定されている。

なお、シャフトシリンダ１４の下部で下容器４との間には下部空間１４ｊが形成されており、ポンプ機構部６で圧縮された液冷媒は下部空間１４ｊを介して吐出管１３より吐出される。

軸受端板１２の回転に伴い、軸受端板１２はシャフトシリンダ１４の端面と摺接するが、軸受端板１２とシャフトシリンダ１４との間に形成された空間（ポンプ機構部収容室）１６内にポンプ機構部６は配置されており、軸受端板１２の回転に連動して駆動される。

また、軸受端板１２と摺接するシャフトシリンダ１４の端面にはリング状溝１４ａが形成され、リング状溝１４ａには軸受端板１２と摺接する自己潤滑性シール１８及びこの自己潤滑性シール１８を軸受端板１２に向かって付勢する波板状バネ（弾性部材）１９が挿入されており、ポンプ機構部６からの冷媒の漏れを抑える構成になっている。さらに、軸受端板１２の周囲の空間にはポンプ機構部６により圧縮され吐出された冷媒の圧力が作用しているので、軸受端板１２をシャフトシリンダ１４側に押しつける冷媒の吐出圧力と吸入圧力との差圧力が作用している。

図２は、ポンプ機構部８の断面図を示しており、図２に示されるように、ポンプ機構部収容室１６内には、ポンプ機構部６を構成するインナーロータ２０とアウターロータ２２が回転自在に取り付けられており、インナーロータ２０とアウターロータ２２との間にはポンプ室２４が形成されている。

シャフトシリンダ１４は、ポンプ機構部収容室１６が形成された基部１４ｂと、基部１４ｂの中心から軸受端板１２に向かって突出し軸受端板１２を回転自在に支承する中心軸１４ｃとを有し、軸受端板１２には、シャフトシリンダ１４の中心軸１４ｃが遊挿されるシリンダ挿入ボス１２ａが形成され、このシリンダ挿入ボス１２ａにインナーロータ２０は嵌合固定されている。したがって、シャフトシリンダ１４の中心軸１４ｃと軸受端板１２のシリンダ挿入ボス１２ａとインナーロータ２０は同心状に配置されているのに対し、ポンプ機構部収容室１６は偏心して形成されており、アウターロータ２２はポンプ機構部収容室１６に同心状に配置されている。なお、軸受端板１２の上容器２との対向面は上容器２の内面と相補形状を呈しており、その径方向外側はリング状に形成されている。

また、シャフトシリンダ１４の中心軸１４ｃの側面は窒化処理が施されており、中心軸１４ｃの摩耗を極力低減している。

ポンプ機構部収容室１６内に収容され互いに噛み合うインナーロータ２０とアウターロータ２２は相補形状の凸部と凹部をそれぞれ有し、インナーロータ２０の凸部（歯部）の数は、アウターロータ２２の凹部より少なく設定されている。したがって、回転子１０とともに軸受端板１２が矢印Ａの方向に回転すると、インナーロータ２０も一体的に回転し、インナーロータ２０と噛み合うアウターロータ２２も連動して矢印Ａの方向に回転するので、ポンプ室２４は、その体積を変化させながら矢印Ａの方向に回転してポンプ作用を発揮する。

図３は、シャフトシリンダ１４をポンプ機構部６から見た図である。
図３に示されるように、シャフトシリンダ１４には、ポンプ室２４と連通する三日月状の吸入溝１４ｄが形成されており、吸入溝１４ｄと吸入管１１とは径方向に延びる吸入孔１４ｅを介して連通している。また、吸入孔１４ｅの近傍には、シャフトシリンダ１４と下容器４との間の空間と、軸受端板１２と上容器２との間の空間を連通する複数の連通孔１４ｆが穿設されており、吸入溝１４ｄの反対側には、シャフトシリンダ１４と下容器４との間の空間とポンプ室２４とを連通する三日月状の吐出孔１４ｇが形成されている。シャフトシリンダ１４にはまた、吐出孔１４ｇから径方向内方に延びる第１の連通溝１４ｈが形成されており、第１の連通溝１４ｈは、シャフトシリンダ１４の中心軸１４ｃ表面の長手方向に形成された第２の連通溝１４ｉと連通している。

一方、軸受端板１２の外側リング部には、径方向に延びリング部の外側と内側を連通する複数の連通孔１２ｂが穿設されている。

上記構成の本発明にかかる冷媒ポンプにおいて、ポンプ機構部６でポンプ作用が発生すると、液冷媒が吸入管１１から吸入され、吸入孔１４ｅ及び吸入溝１４ｄを介してポンプ機構部６のポンプ室２４に吸入される。ポンプ室２４に吸入された液冷媒はポンプ機構部６で圧縮された後、シャフトシリンダ１４の基部１４ｂに形成された吐出孔１４ｇを介してシャフトシリンダ１４と下容器４との間の下部空間１４ｊに吐出され、連通孔１４ｆを介して軸受端板１２と上容器２との間の空間を通過して吐出管１３より吐出される。

ポンプ機構部６で圧縮された冷媒はさらに、第１及び第２の連通溝１４ｈ，１４ｉを介してシャフトシリンダ１４の中心軸１４ｃと軸受端板１２のシリンダ挿入ボス１２ａ間の摺接部に導入されるとともに、軸受端板１２と上容器２との間の空間に吐出された冷媒は、連通孔１２ｂを介して軸受端板１２のリング部と上容器２との間の摺接部に導入されるので、摺接部がすべり軸受として作用する。

また、下容器４の端面は平坦状に形成されているので、半導体素子（図示せず）を下容器４の端面に熱的に密着して取り付けることができ、半導体素子で発生した熱は、下容器４の端面を介して下部空間１４ｊを流れる液冷媒に伝達され、液冷媒から蒸気冷媒に相変化を起こした後、吐出管１３より吐出される。

上述したように、本発明にかかる冷媒ポンプは、上容器２の環状凹部２ａに固定子８を取り付け、固定子８に対向する回転子１０を径方向外側に設けたアウターロータ方式の電動機を採用したので、高さ制限の厳しいノートパソコン、１Ｕサーバ、ブレードサーバ等の冷却用冷媒ポンプの用途にも適用できる。

本発明にかかる冷媒ポンプの縦断面図である。 図１の線II−IIに沿った断面図である。 図１の冷媒ポンプに設けられたシャフトシリンダをポンプ機構部から見た図である。 従来の冷媒ポンプの縦断面図である。

符号の説明

２ 上容器、 ２ａ 環状凹部、 ４ 下容器、 ６ ポンプ機構部、 ８ 固定子、
１０ 回転子、 １１ 吸入管、 １２ 軸受端板、 １２ａ シリンダ挿入ボス、
１２ｂ 連通孔、 １３ 吐出管、 １４ シャフトシリンダ、
１４ａ リング状溝、 １４ｂ 基部、 １４ｃ 中心軸、 １４ｄ 吸入溝、
１４ｅ 吸入孔、 １４ｆ 連通孔、 １４ｇ 吐出孔、 １４ｈ 第１の連通溝、
１４ｉ 第２の連通溝、 １４ｊ 下部空間、 １６ ポンプ機構部収容室、
１８ 自己潤滑性シール、 １９ 波板状バネ、 ２０ インナーロータ、
２２ アウターロータ、 ２４ ポンプ室。

Claims (7)

1. ポンプ機構部と該ポンプ機構部を駆動する電動機とを備えた冷媒ポンプであって、
   互いに接合した上容器と下容器とを有する密閉容器と、該密閉容器に収容したポンプ機構部と、該ポンプ機構部に隣接配置され固定子と回転子とを有する電動機とを備え、前記上容器の外側に環状凹部を形成して該環状凹部に前記固定子を固定し、前記回転子を前記固定子に対向させて前記固定子の径方向外方の前記上容器内に配置するとともに、前記回転子と一体的に回転する軸受端板と、前記下容器に固定され前記軸受端板を支承するシャフトシリンダとの間に形成された空間に前記ポンプ機構部を収容し、前記回転子と前記軸受端板の回転に連動して前記ポンプ機構部を駆動して、前記ポンプ機構部で圧縮された液冷媒を前記下容器と前記シャフトシリンダとの間に形成された下部空間を介して外部に吐出するようにしたことを特徴とする冷媒ポンプ。
2. 前記シャフトシリンダに冷媒通路を穿設し、該冷媒通路を介して前記ポンプ機構部から吐出された冷媒を前記軸受端板側に吐出し、前記ポンプ機構部からの吐出圧力と吸入圧力の差圧により前記軸受端板を前記シャフトシリンダに押しつけるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の冷媒ポンプ。
3. 前記軸受端板に対向する前記シャフトシリンダの摺接面にリング状溝を形成し、該リング状溝にシール材と該シール材を前記軸受端板に向かって付勢する弾性部材を挿入したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の冷媒ポンプ。
4. 前記下容器に熱伝導率が高い材料を用い、前記上容器との接合部の先端部を鋭角に形成したことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の冷媒ポンプ。
5. 前記上容器に非磁性体材料を用い、前記固定子と前記回転子との間に位置する前記上容器の肉厚を他の部分の肉厚よりも薄く設定したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の冷媒ポンプ。
6. 前記下容器の端面を平坦状に形成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の冷媒ポンプ。
7. 請求項６に記載の冷媒ポンプの下容器の端面を半導体素子に熱的に密着させ、前記半導体素子を冷却することを特徴とする冷媒ポンプの使用方法。

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