JP2006173511A - Cooling device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パーソナルコンピュータ等に使われるマイクロプロセッシングユニット(以下、MPUと略す)等の半導体またはその他の発熱電子部品を冷媒の循環により冷却する冷却装置に関するものである。 The present invention relates to a cooling device that cools a semiconductor or other heat generating electronic components such as a microprocessing unit (hereinafter abbreviated as MPU) used in a personal computer or the like by circulating a refrigerant.
近年、電子機器においては電子部品が高集積化され、動作クロックも高周波数化しており、これに伴って電子部品からの発熱量が増大している。このため各電子部品の接点温度が動作温度範囲を越えてしまい、電子部品が誤動作することが少なからず発生している。従って各電子部品を動作温度範囲内に保つことは、各電子部品を正常動作させる重要な課題となってきている。 In recent years, electronic components have been highly integrated in electronic devices, and operation clocks have also been increased in frequency, and accordingly, the amount of heat generated from the electronic components has increased. For this reason, the contact temperature of each electronic component exceeds the operating temperature range, and the electronic component malfunctions frequently. Therefore, keeping each electronic component within the operating temperature range has become an important issue for normal operation of each electronic component.
しかし、従来のようにヒートシンクで空冷するだけではこのような発熱電子部品に対しては能力不足で、より能力の高い、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、本出願人は、発熱した電子部品を冷媒の循環により高効率に冷却する冷却装置を提案した(特許文献1参照)。 However, simply by air-cooling with a heat sink as in the prior art, such heat-generating electronic components are insufficient in capacity, and a more efficient and highly efficient cooling device is indispensable. Therefore, as such a cooling device, the present applicant has proposed a cooling device that cools the generated electronic components with high efficiency by circulating the refrigerant (see Patent Document 1).
以下、このような冷媒を循環させて冷却する従来の冷却装置について説明する。図3は従来の冷却装置の遠心ポンプの断面図、図4は冷却装置を備えた電子機器の構成図である。 Hereinafter, a conventional cooling device that circulates and cools such a refrigerant will be described. FIG. 3 is a sectional view of a centrifugal pump of a conventional cooling device, and FIG. 4 is a configuration diagram of an electronic apparatus provided with the cooling device.
まず、ノート型パソコンを例にとって電子機器の冷却装置の構成について説明する。図4において、1は冷却装置を搭載したノート型パソコンの筐体、2はノート型パソコンのキーボード、3は冷却装置を構成するため発熱体に接触して熱交換する遠心ポンプ、4はMPU等の発熱電子部品である。5は発熱電子部品4を実装した基板、6は熱を運搬する冷媒(図示せず)、7はノート型パソコンのディスプレイの背面(裏側)に設けられ発熱電子部品4から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、8は遠心ポンプ3と放熱器7を接続して冷媒を循環するための閉じた循環路である。
First, a configuration of a cooling device for an electronic device will be described taking a notebook personal computer as an example. In FIG. 4, 1 is a casing of a notebook computer equipped with a cooling device, 2 is a keyboard of the notebook computer, 3 is a centrifugal pump that contacts the heating element to form a cooling device, and 4 is an MPU. It is a heat generating electronic component. 5 is a substrate on which the heat generating
なお、この冷媒6としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液が適当であり、さらに後述するようにケーシング材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。放熱器7は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。また、放熱器7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。循環路8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。このようなノート型パソコン用の冷却装置の遠心ポンプ3は、駆動が容易なブラシレスDCモータ方式が適しており、図4に示したノート型パソコンにおいても、ブラシレスDCモータ方式が採用されている。
In addition, as this refrigerant | coolant 6, antifreezing liquids, such as ethylene glycol aqueous solution and propylene glycol aqueous solution, are suitable, and since it uses copper etc. as a casing material so that it may mention later, it is desirable to add an anticorrosive additive. The
次に、図3に基づいて遠心ポンプ3の内部構成について説明する。図3において、11は遠心ポンプ3の開放型の羽根車、11aは羽根車11の羽根、12は羽根車11の外周側方に設けられたマグネットロータ、13はマグネットロータ12の内周側に設けられたステータ、14はステータ13に巻かれたコイル、15はコイル14に電流を流す電気回路が実装された回路基板、15aは回路基板15上に実装された駆動回路、16は羽根車11を収容すると同時に羽根車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ための上部ケーシング、16aは上部ケーシング16に形成された吐出路、17はオープン羽根である羽根11aによって与えられた運動エネルギーを圧力回復して吐出路へと導くためのポンプ室、18は上部ケーシング15と嵌合し発熱電子部品4と接触させる受熱ケーシングである下部ケーシング、18aは下部ケーシングに形成された吸込路、18bは発熱電子部品4から受け取った熱を冷媒に伝える放熱フィン、19は羽根車の回転軸であり上部ケーシング16に固定されたシャフトである。
Next, the internal configuration of the
ここで従来の冷却装置の遠心ポンプの作用について説明する。冷媒6は吸込路18aを通ってポンプ室17の中央部分に向って流入する。その際冷媒6は、発熱電子部品4の熱を受け取り高温になった放熱フィン18bから受熱する。その後冷媒6は羽根11aにより吐出路16aへと導かれる。
Here, the operation of the centrifugal pump of the conventional cooling device will be described. The refrigerant 6 flows toward the central portion of the
そして、駆動回路15aはコイル14に流す電流の向きを交番的にスイッチングする働きをしており、バイポーラ型トラジンスタ等により構成されている。
ここで、発熱電子部品4の熱をより高効率に冷媒6に伝える方法を考えると、冷媒6の流量を増やすことが考えられる。冷媒6の流量が増えると冷媒6の流速が増大するので、温度境界層がより薄い乱流となり、冷媒6と放熱フィン18bとの熱伝達係数が増加するためである。同様に、冷媒6の流量が増えると、放熱器7においても伝熱効率が上昇するので、総合的に見て冷媒6の流量増大は冷却効率上昇に大きく寄与する。
Here, considering a method of transferring the heat of the heat generating
そこで冷媒6の流量を増大させる方法を検討すると、最も簡単な方法として羽根車11の回転させる駆動力を上げる方法が考えられる。これにより羽根車11の回転数が上がり、冷媒6の流量を増やすことができる。このほかスペース的な余裕がある場合には、羽根車11の直径を大きくする方法も考えられる。羽根車11の回転させる駆動力が十分確保できれば、羽根車11の直径を大きくしてもこれによって羽根車11の回転数は落ちず、冷媒6の流量を増やすことが可能になる。
Therefore, when a method of increasing the flow rate of the refrigerant 6 is studied, a method of increasing the driving force for rotating the
ところで、羽根車11の回転させる駆動力を上げるにはコイル14に流す電流を増やせばよい。しかし、コイル14に流す電流を増やすと、駆動回路15aが発熱し、駆動回路15aが高温となって、最悪の場合駆動回路15aが破壊されるので、コイル14に流す電流にも限界がある。ここで駆動回路15aが発熱する理由は、駆動回路15aがコイル14に流す電流の向きを交番的にスイッチングする際、使用しているバイポーラ型トラジンスタに損失があるためである。電流切り替え素子として、バイポーラ型トランジスタの代わりに損失の少ない電界効果型トランジスタ(FET)を使う方法もあるが、一般に電界効果型トランジスタはバイポーラ型トランジスタよりはるかに高価であるため、冷却装置自体も高価なものとなってしまう。
By the way, in order to increase the driving force for rotating the
そこで本発明は上記の課題を解決するもので、冷却効率が高く、冷媒の流量を増加させることができ、安価に発熱電子部品及び駆動回路からの発熱を抑えることができる冷却装置を提供することを目的とする。 Therefore, the present invention solves the above-described problems, and provides a cooling device that has high cooling efficiency, can increase the flow rate of refrigerant, and can suppress heat generation from heat-generating electronic components and drive circuits at low cost. With the goal.
本発明は、冷媒を循環するための閉循環路に放熱装置と遠心ポンプが設けられ、遠心ポンプが発熱電子部品に接触されることにより、冷媒との熱交換によって該発熱電子部品から熱を奪い、放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポンプには、ステータとこれに巻線されたコイル及び該コイルに電流を流す電気回路とから構成された磁界発生手段が、羽根車を磁界で回転させるためにポンプケーシングの外側に設けられ、電気回路がステータとポンプケーシングの間に配設されるとともに、該電気回路の発熱部品がポンプケーシングに外部から熱的に接続されたことを特徴とする。 In the present invention, a heat dissipation device and a centrifugal pump are provided in a closed circuit for circulating a refrigerant, and the centrifugal pump is brought into contact with the heat generating electronic component, so that heat is removed from the heat generating electronic component by heat exchange with the refrigerant. A cooling device for radiating heat from a heat radiating device, wherein the centrifugal pump has a magnetic field generating means comprising a stator, a coil wound around the stator, and an electric circuit for supplying a current to the coil. The electric circuit is disposed between the stator and the pump casing, and the heat generating component of the electric circuit is thermally connected to the pump casing from the outside. And
これら本発明の冷却装置によれば、安価に羽根車を回転させる駆動力を上げることができ、これによって冷媒の流量を増加させ、冷却効率を向上させることができ、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能となる。 According to these cooling devices of the present invention, it is possible to increase the driving force for rotating the impeller at low cost, thereby increasing the flow rate of the refrigerant, improving the cooling efficiency, and reducing the temperature of the heat generating electronic component. It becomes possible to keep.
上記の課題を解決するために本発明の第1の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に放熱装置と遠心ポンプが設けられ、遠心ポンプが発熱電子部品に接触されることにより、冷媒との熱交換によって該発熱電子部品から熱を奪い、放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポンプには、ステータとこれに巻線されたコイル及び該コイルに電流を流す電気回路とから構成された磁界発生手段が、羽根車を磁界で回転させるためにポンプケーシングの外側に設けられ、電気回路がステータとポンプケーシングの間に配設されるとともに、該電気回路の発熱部品がポンプケーシングに外部から熱的に接続された冷却装置であり、電気回路上の発熱部品で発生した熱がポンプケーシングに伝わるので、発熱部品の温度が低く保てるという作用を有する。 In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention is that a heat dissipation device and a centrifugal pump are provided in a closed circuit for circulating a refrigerant, and the centrifugal pump is brought into contact with a heat generating electronic component, whereby the refrigerant A cooling device that removes heat from the heat-generating electronic component by heat exchange with the heat dissipation device and dissipates heat from the heat dissipation device. The centrifugal pump includes a stator, a coil wound around the stator, and an electric circuit for supplying current to the coil. A magnetic field generating means configured to be provided outside the pump casing for rotating the impeller with a magnetic field, an electric circuit is disposed between the stator and the pump casing, and a heat generating component of the electric circuit is a pump This is a cooling device that is thermally connected to the casing from the outside, and heat generated by the heat generating parts on the electric circuit is transmitted to the pump casing, so that the temperature of the heat generating parts can be kept low. A.
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、発熱部品が樹脂のポッティングによってポンプケーシングと熱的に接続された冷却装置であり、ポッティングされた樹脂により発熱部品とポンプケーシングが空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良くケーシングに伝わるという作用を有する。 A second invention of the present invention is an invention subordinate to the first invention, wherein the heat generating component is a cooling device thermally connected to the pump casing by resin potting, and the heat generating component is made of the potted resin. The pump casing is connected without a gap, and heat generated by the heat-generating component is efficiently transmitted to the casing.
本発明の第3の発明は、第1の発明に従属する発明であって、発熱部品が高熱伝導性グリースによってポンプケーシングと熱的に接続された冷却装置であり、高熱伝導性グリースにより発熱部品とポンプケーシングが空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良くケーシングに伝わるという作用を有する。 A third invention of the present invention is an invention subordinate to the first invention, wherein the heat generating component is a cooling device thermally connected to the pump casing by a high heat conductive grease, and the heat generating component is formed by the high heat conductive grease. The pump casing is connected without a gap, and the heat generated by the heat generating component is efficiently transmitted to the casing.
本発明の第4の発明は、第1〜3のいずれかの発明に従属する発明であって、羽根車の中央付近に貫通小孔を設けた冷却装置であって、羽根車外周部の冷媒が羽根車の裏側を通り貫通小孔へと流れるようになるため、ポンプケーシングを伝わってきた熱が効率良く冷媒へと伝わるというという作用を有する。 A fourth invention of the present invention is an invention dependent on any one of the first to third inventions, and is a cooling device provided with a through small hole in the vicinity of the center of the impeller, wherein the refrigerant in the outer peripheral portion of the impeller Flows through the rear side of the impeller into the small through hole, so that the heat transmitted through the pump casing is efficiently transmitted to the refrigerant.
本発明の第5の発明は、第4の発明に従属する発明であって、発熱部品近傍のポンプケーシングの内面に冷媒をより多く流すための溝が設けられた冷却装置であって、冷媒が溝の部分を通り羽根車の貫通小孔へとスムーズに流れるため、多くの冷媒が溝部分を流れるので、ポンプケーシングを伝わってきた熱が効率良く冷媒へと伝わるというという作用を有する。 A fifth invention of the present invention is an invention subordinate to the fourth invention, wherein the cooling device is provided with a groove for allowing more refrigerant to flow on the inner surface of the pump casing in the vicinity of the heat generating component. Since the refrigerant flows smoothly through the groove portion and into the through hole of the impeller, a large amount of refrigerant flows through the groove portion, so that the heat transmitted through the pump casing is efficiently transmitted to the refrigerant.
以下、本発明の実施例について、図1、図2、図4を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 4.
(実施例1)
本発明の実施例1における冷却装置の遠心ポンプについて説明する。図4は冷却装置を備えた電子機器の構成図、図1は本発明の実施例1における冷却装置の遠心ポンプの断面図、図2は本発明の実施例1における上部ケーシングの単品斜視図である。
Example 1
The centrifugal pump of the cooling device according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a configuration diagram of an electronic device provided with a cooling device, FIG. 1 is a cross-sectional view of a centrifugal pump of the cooling device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. is there.
なお、実施例1の冷却装置が電子機器で使われる全体構成は、従来の冷却装置の説明において図4を基に説明したので重複するから説明を省略する。 In addition, since the whole structure by which the cooling device of Example 1 is used with an electronic device was demonstrated based on FIG. 4 in description of the conventional cooling device, description is abbreviate | omitted.
次に、図1、図2に基づいて遠心ポンプ3の内部構成について説明する。図1、図2において、11は遠心ポンプ3の開放型の羽根車、11aはオープン羽根にされた羽根、11bは羽根車11の中心部近傍(本発明の中央付近)に設けられた小孔、12は羽根車11の外周側方に設けられたマグネットロータである。
Next, the internal configuration of the
羽根車11はマグネットロータ12と別体構成でもよいが、マグネットロータ13となる部分に着磁させた一体型の羽根車11とするのがよい。羽根車11が回転しているとき、羽根11aの外周部の冷媒6の圧力は羽根11aの裏側の中心部近傍(図1のKで示す部分)より高圧になるため、小孔11bを通って冷媒6は少量還流する。これにより羽根車11への過度なスラスト力が軽減され羽根車11の回転がスムーズになるともに、後述する上部ケーシングを冷媒6により冷却する効果が得られる。なお、実施例1のポンプの諸元は、厚さ3mm〜50mm、半径方向代表寸法10mm〜100mmの超小型で、回転数は1000rpm〜8000rpm、ヘッド0.5m〜10m程度のものである。
The
続いて、図1において、13はマグネットロータ13の内周側に設けられたステータ、14はステータ13に磁界を発生させるステータ13に巻線されたコイル、15はコイル14に電流を流す電気回路が実装された回路基板、15aは回路基板15上に実装された駆動回路である。ステータ13は渦電流損失を少なくするため珪素鋼板を複数枚積層して構成されることが望ましい。コイル14としては絶縁皮膜のついた銅線が適しており、コイル14の線径と巻数は使用される電源電圧、線積率を考慮して最適化される。回路基板15上に実装された駆動回路15aには、マグネットロータ12の回転位置を検出するホール素子、電流方向切り替え用のトランジスタやダイオードが含まれる。実施例1においては、トランジスタとして、損失により発熱を伴うが低価格で入手可能なバイポーラ型トランジスタを採用している。これによって本実施例1の冷却装置を電界効果型トランジスタ(FET)を使う場合と比較して安価なものにすることができる。また電流方向切り替え用の部分は集積されたドライバICを用いることもできる。
1, 13 is a stator provided on the inner peripheral side of the
次に、16は羽根車11を収容すると同時に羽根車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ための上部ケーシング、16aは上部ケーシング16に形成された吐出路、16bは上部ケーシング16の内面に設けられた溝部であり、上部ケーシング16の壁に対し駆動回路15aの略反対位置に設けられている。溝部16bを設けることで、前述した羽根車11裏面の冷媒6の還流がこの溝部16bを案内され集中するので、溝部16bの近距離にある駆動回路15aが効率よく冷却される。上部ケーシング16は形状が複雑であることとある程度の耐熱性が要求されることから、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリフェニレンエーテル(PPE)等の樹脂成形での製作が好適である。上部ケーシング16を金属で製作することは、ステータ13等の磁気回路が発生する磁束変動により渦電流損失を発生させるので好ましくない。
Next, 16 is an upper casing for accommodating the
また、17は羽根11aによって与えられた運動エネルギーを圧力回復して吐出路へと導くためのポンプ室である。18は発熱電子部品4と接触させる受熱ケーシングである下部ケーシングであり、高熱伝導率で放熱性のよい銅、アルミニウム等の金属材料で、鋳造、鍛造、機械加工やこれらの組み合わせの加工方法により構成される。なお、上部ケーシング16と下部ケーシング18が本発明のポンプケーシングを構成する。18aは冷媒6の入口である吸込路、18bは冷媒6との放熱面積を大きくするための放熱フィン、18cはポンプ室16の側面を形成するすり鉢状の凹状錐面が形成されたコーン状肉厚部、18dは発熱電子部品4と接触させるための接触面、18eは羽根車11のスラスト力を受け止めるスラスト受け部である。
そして、19は上部ケーシング16に設けられ、羽根車11を回転自在に軸支するためのシャフトであり、上部ケーシング16に樹脂で一体に固定される。20は充填材であり、駆動回路15aと上部ケーシング16との間の空隙を無くし、駆動回路15aで発生した熱を効率よく上部ケーシングに伝える働きをする。充填材20の材質としては、高熱伝導性と電気回路と接触するため電気絶縁性が求められるが、エポキシ系ポッティング材や熱伝導性グリースが好適である。
以上説明した遠心ポンプ3を組み立てるときは、まず、上部ケーシング16と一体成形されたシャフト19に羽根車11を挿入する。次いで、上部ケーシング16に下部ケーシング18を嵌合し、ねじ等(図示せず)を用いて固定する。一方、別工程でステータ13にコイル14を巻線し、この巻線したステータ13に駆動回路15aを実装した回路基板15を取り付ける。なお、以下、この組み立て体を磁気回路組み立て体という。
When assembling the
駆動回路15aと上部ケーシング16の空隙を無くすため充填材20をポッティングするが、充填材20としてエポキシ系ポッティング材を用いる場合は、磁気回路組み立て体を上部ケーシング16の窪みの中に挿入した後、充填材20を流し込み、その後恒温槽等を用いてポッティング材を硬化させる。これにより、駆動回路15aの発熱部品と上部ケーシング16が空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良く上部ケーシング16に伝熱できる。
In order to eliminate the gap between the
また、充填材20として熱伝導性グリースを用いる場合は、予め磁気回路組み立て体の駆動回路15a、上部ケーシング16の該当部の両方あるいはどちらか一方に熱伝導性グリースを塗布しておき、その後磁気回路組み立て体を上部ケーシング16の窪みの中に挿入する。これにより、ポッティング材と同様、駆動回路15aの発熱部品と上部ケーシング16が空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良く上部ケーシング16に伝熱することが可能なる。
In addition, when thermally conductive grease is used as the
次に、実施例1における冷却装置の遠心ポンプ3の作用について説明する。まず、駆動回路15aに電圧を印加し、ステータ13に交番磁界を発生させると、この磁界により羽根車11が回転し、遠心ポンプ3がポンプとして動作するようになる。すると、冷媒6は吸込路18aを通ってポンプ室17の中央部分に吸引されるようになり、冷媒6の循環が継続して行われるようになる。
Next, the operation of the
このとき、下部ケーシング18は接触面18dで発熱電子部品4と接触しているため発熱電子部品4で発生した熱が伝達される。冷媒6がポンプ室17に流入する際、低温の冷媒6が放熱フィン18bに高い流速で接触するので、主流が低温で薄い乱流の温度境界層が形成され、温度差が大きく層流の場合より熱伝達率が大きいため、効率よく下部ケーシング18の熱が伝熱される。その後、温度上昇した冷媒6は羽根11aの外周部へと導かれ、吐出路16aへと流れ、吐出される。このとき、羽根11aの外周部へと導かれた冷媒6は圧力がポンプ室17の中央部より高いため、一部は羽根車11の裏面に回り込んで、羽根車11中央部へ向って流れ、羽根車11に設けられた小孔11bから流出される。この羽根車11の裏面を流れる冷媒6は、流路抵抗の小さい上部ケーシング16に設けられた溝部16bに沿って多くが流れるが、この溝部16bを通る流速の高い冷媒6が効率よく上部ケーシング16の熱(駆動回路15aの発熱を受け取った熱)を奪いとる。仮に羽根車11に小孔11bを設けていなかったとしたら、上述したような羽根車11裏面での冷媒6の還流は発生しないが、この場合でも羽根車11の回転や熱により羽根車11裏面に冷媒6による循環流を含む複雑な流れを形成し、淀むことはないので、駆動回路15aの発熱を受け取った上部ケーシング16の熱を冷媒6が奪い取ることができ、発熱電子部品4と駆動回路15aの温度上昇を抑えることができる。
At this time, since the
このように実施例1の冷却装置によれば、低価格のバイポーラ型トランジスタを使って容易に冷媒の流量を増加させることができ、冷却効率が高く、発熱電子部品4と駆動回路15aからの発熱を抑えることができる。
As described above, according to the cooling apparatus of the first embodiment, the flow rate of the refrigerant can be easily increased by using a low-cost bipolar transistor, the cooling efficiency is high, and the heat generation from the heat generating
本発明は、発熱電子部品を冷媒の循環により冷却する電子部品の冷却装置に適用することができる。 The present invention can be applied to a cooling device for electronic components that cools heat-generating electronic components by circulating a refrigerant.
1 筐体
2 キーボード
3 遠心ポンプ
4 発熱電子部品
5 基板
6 冷媒
7 放熱器
8 循環路
11 羽根車
11a 羽根
11b 小孔
12 マグネットロータ
13 ステータ
14 コイル
15 回路基板
15a 駆動回路
16 上部ケーシング
16a 吐出路
16b 溝部
17 ポンプ室
18 下部ケーシング
18a 吸水路
18b 放熱フィン
18c コーン状肉厚部
18d 接触面
18e スラスト受け部
19 シャフト
20 充填材
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