JP2007064532A

JP2007064532A - 放熱システム

Info

Publication number: JP2007064532A
Application number: JP2005249223A
Authority: JP
Inventors: Masaru Ishizuka; 勝石塚; Takehiro Koizumi; 雄大小泉
Original assignee: Cosel Co Ltd
Current assignee: Cosel Co Ltd
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】コストアップを抑えながらより一層の放熱効率向上を図ることができる放熱システムを提供する。
【解決手段】電子素子１等の発熱体と連結された蒸発室１３と、蒸発室１３の内部に収容され電子素子１から吸熱して蒸発する冷媒４と、蒸発室１３と内部連結された先細ノズル１５と、先細ノズル１５が内部に開口したタービン容器１６とを有する。先細ノズル１５から噴出する冷媒３の蒸気流によって回転するタービンプロペラ６と、タービンプロペラ６と同心状のインナー磁石８と、タービン容器１６の外部に回転自在に軸支され回転により風を起こすファンプロペラ１２とを備える。ファンプロペラ１２側に一体的に支持されると共に、インナー磁石８と対向して配置されて、インナー磁石８に対し磁気的にカップリングされたアウター磁石１１を備える。タービンプロペラ１２の最大外径が、アウター磁石１１の最大外径の１．４倍以上ある。
【選択図】図１

Description

この発明は、電子機器の主要構成要素である電子素子等の発熱体を強制的に冷却する放熱システムに関する。

従来のこの種の放熱システムとしては、特許文献１等により本願発明者が提案した、例えば図３に示すようなシステムがある。この放熱システムは、半導体素子等の電子素子１が搭載された回路基板２上に、コンテナ状のヒートパイプ容器３が固定され、このヒートパイプ容器３の底部の回路基板２側に、液体の冷媒４が収容されているものである。

この従来例では、電子素子１での発熱は回路基板１を介して冷媒４に吸収される。そして冷煤４は、吸熱によって蒸発する。一方、ヒートパイプ容器３の上側では、蒸発した冷媒が冷却され、凝縮して液滴７となり、ヒートパイプ容器３の内壁を伝って再び底部に落下する。

ここで、ヒートパイプ容器３内には、軸受９により回転軸５ａが回転自在に支持されたタービンプロペラ６が設けられ、冷媒４の蒸気流によってタービンプロペラ６が回転する。タービンプロペラ６の回転軸５ａには、ヒートパイプ容器３内で一体的に回転するインナー磁石８が固定されている。さらに、ヒートパイプ容器３の外部には、回転軸５ａ及び軸受９と同軸に、軸受１０を経てヒートパイプ容器３の外部に突出した別体の回転軸５ｂが設けられている。回転軸５ｂには、インナー磁石８と同軸的に磁気カップリングされているアウター磁石１１が固定されている。そして、アウター磁石１１の外側の回転軸５ｂの端部には、ファンプロペラ１２が固定されている。

この構成により、冷媒４の蒸気流によってタービンプロペラ６が回転し、回転軸５ａ、インナー磁石８、アウター磁石１１、回転軸５ｂを介して、ヒートパイプ容器３の外部に回転自在に軸支されたファンプロペラ１２が回転する。したがって、駆動モータ等の外部駆動源を必要とすることなく、ファンプロペラ１２を回転させることができて、効率の良い放熱を行なわせることができると共に、電子素子１等の発熱状態に応じて冷媒４の蒸気流の発生が制御され、制御装置等を必要とすることなくファンプロペラ１２の自動的な回転制御を行なわせることができ、コストアップを抑えながら放熱効率の向上を図ることができる。

しかしながら、このシステムでは、ヒートパイプ容器３の上部と下部で温度差が運転中に小さくなり、冷媒４がすべて蒸発してしまい、もはや液となってもどる冷媒がなくなるという欠点があった。そこで、図４に示すような改良がなされた放熱システムも提案されている。図４では、図３のヒートパイプ容器３を、冷媒４の蒸発室１３、蒸気通路管１４、先細ノズル１５、タービン容器１６、冷媒液戻り管１７、及び放熱フィン１８により構成したものである。

これによると、ヒートパイプ容器は、蒸発室１３、蒸気通路管１４、タービン容器１６、及び冷媒液戻り管１７に区画されており、放熱フィン１８によって、冷媒蒸気７が冷却されて液滴下し、蒸発室１３に戻る機構である。図４のシステムでは、図３の放熱システムと比べると、蒸発室１３とタービン容器１６との圧力差が生じ、先細ノズル１５から蒸気流５が勢いよく噴出し、タービンプロペラ６を回転させる。さらに、蒸発室１３と冷媒液戻り管１７との温度差も確保され、冷媒４がすべて蒸発してしまうという欠点は解消された。
特公平３−６３８３８号公報

しかし、図４のシステムにおいて、タービンプロペラ６が高速で回転しようとしても、インナー磁石８と磁気カップリングされているアウター磁石１１の抵抗が大きく、ファンプロペラ１２の回転数が十分に得られないという欠点があった。

この発明は、上記従来の技術の問題点に鑑がみて成されたもので、コストアップを抑えながらより一層の放熱効率向上を図ることができる放熱システムを提供することを目的とする。

この発明は、電子素子等の発熱体と接続した蒸発室と、前記蒸発室内部に収容され前記発熱体から吸熱して蒸発する冷媒と、前記蒸発室と連通した先細ノズルと、前記先細ノズルが内部に開口したタービン容器と、前記タービン容器内に回転自在に軸支され前記先細ノズルから噴出する前記冷媒の蒸気流によって回転するタービンプロペラと、このタービンプロペラと一体的に支持され前記タービンプロペラと同心状のインナー磁石と、前記タービン容器の外部に回転自在に軸支されたファンプロペラと、このファンプロペラ側に一体的に支持されると共に前記インナー磁石と対向して配置されて前記インナー磁石に対し磁気的にカップリングされたアウター磁石と、前記タービン容器内と連通し前記冷媒の蒸気流が凝縮して再液化する凝縮部と、前記凝縮部と連通され前記再液化した冷媒が溜まる凝縮冷媒容器とを備え、前記凝縮冷媒容器と前記蒸発室が連通している放熱システムである。そして、前記タービンプロペラの最大外径が、前記アウター磁石の最大外径の１．４倍以上あるものである。

さらに、前記タービンプロペラの最大外径が、前記アウター磁石の最大外径の１．５〜２．５倍であるものであるとなお良い。

この発明の放熱システムは、従来例と比較して放熱の際の熱抵抗が少なく効率よく放熱させることができるとともに、局部的な発熱に対しても支障なく放熱することができる。しかも、外部駆動源を必要とすることなく強制冷却ができ、且つ制御装置等を必要とすることなく、発熱の程度に応じて冷却用のファンプロペラが効率良く自動的に回転制御され、コストアップを押えながら放熱効率の向上を図ることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の一実施形態の放熱システムを示すもので、上記従来の技術と同様の構成は、同一の符号を付して説明する。

この実施形態の放熱システムは、図示しない回路基板に搭載された発熱体である半導体素子等の電子素子１の冷却に用いるもので、例えばフロリナート（商標）等のフッ素系不活性液体を冷媒４とし、冷媒４を収容する蒸発室１３と、蒸発室１３に接続された蒸気通路管１４、及び先細ノズル１５を備えている。先細ノズル１５は、タービンプロペラ６が回転可能に設けられたタービン容器１６内に開口している。さらに、タービン容器１６には、冷媒液戻り管１７が接続され、冷媒液戻り管１７の途中には、冷媒液戻り管１７による凝縮部を冷却するための放熱フィン１８が設けられている。冷媒液戻り管１７の先端部は、凝縮冷媒容器１９に開口し、凝縮冷媒容器１９と蒸発室１３は、冷媒４が流通する連結管２０により接続されている。

タービン容器１６内には、図示しない軸受により回転軸５ａが回転自在に支持されたタービンプロペラ６が設けられ、冷媒４の蒸気流によってタービンプロペラ６が回転可能に位置している。タービンプロペラ６の回転軸５ａには、タービン容器１６内で一体的に回転するインナー磁石８が固定されている。さらに、タービン容器１６の外部には、回転軸５ａと同軸に、図示しない軸受を介して外部に突出した回転軸５ｂが設けられている。回転軸５ｂには、インナー磁石８と同軸的に磁気カップリングされているアウター磁石１１が固定されている。アウター磁石１１の外側の回転軸５ｂの先端部にはファンプロペラ１２が固定されている。

この実施形態のタービンプロペラ６は、その直径Dとアウター磁石１１の直径ｄとの比（Ｄ／ｄ）が１．４以上で３．０以下、回転効率とスペース効率の観点から、好ましくは１．５以上２．５以下に設定される。

この実施形態の放熱システムの動作は、発熱体としての電子素子1からの熱を冷媒４が吸収し、蒸発室１３内で蒸発してその内部に封入された冷媒４が、吸収した熱により蒸発して蒸気流となる。冷媒４の蒸気流は蒸気通路管１４を通り、蒸気通路管１４の先端部に連結された先細ノズル１５から、タービン容器１６内に噴出する。噴出した蒸気はタービン容器１６の中のタービンプロペラ６を回転させ、さらに蒸気は冷媒液戻り管１７を通り放熱フィン１８により放熱されて、温度を下げ液体になりながら、冷媒液戻り管１７と連結した凝縮冷媒容器１９に溜まる。そして、凝縮冷媒容器１９は蒸発室１３と連結管２０で連結されているので、冷媒液４は、蒸発室１３とタービン容器１６、及び凝縮冷媒容器１９間で循環する。

タービン容器１６内では、タービンプロペラ６に蒸気流が当たり、同心状のインナー磁石８を回転させる。インナー磁石８の回転に伴ってアウター磁石１１が磁気的結合により回転し、タービン容器１６外部のファンプロペラ１２を回転させる。ファンプロペラ１２の回転により、蒸発室１３や放熱フィン１８方向に外部の空気流が生じ、蒸発室１３外壁面や放熱フィン１８が冷却される。蒸発室１３の外壁面が強制冷却されると、蒸発室１３からの放熱が促進され、電子素子１の冷却を効果的に行なわせることができる。そして、タービン容器１６の上側で上記のように放熱された蒸気流は凝縮液化されて、冷媒液タンク１９の底部側へ滴下される。

また、電子素子１の発熱が高くなるときには、これに応じて冷媒４の蒸発が促進される。従って、ファンプロペラ１２の回転が速くなり、発熱の大きさに応じてファンプロペラ１２による冷却風が強くなる。また、電子素子１の発熱がそれほど高くないときは冷媒４の蒸発も少なくなり、これに応じてファンプロペラ１２による冷却風が弱くなる。したがって電子素子1の発熱状体に応じて自動的に冷却風の調節が行なわれる。

この実施形態の放熱システムによれば、従来例と比較して放熱の際の熱抵抗が少なく効率よく放熱させることができるとともに、局部的な発熱に対しても支障なく放熱することができる。しかも外部駆動源を必要とすることなく強制冷却ができ、且つ制御装置等を必要とすることなく発熱の程度に応じてファンプロペラが自動的に回転制御され、コストアップを押えながら放熱効率の向上を図ることができる。

さらに、タービンプロペラ６の直径Dとアウター磁石１１の直径ｄとの比（Ｄ／ｄ）を１．４以上とすることにより、図２に示すように、タービンプロペラ６の回転が効率良く行われ回転数が上昇して駆動力が大きくなり、ファンプロペラ１２の回転数も上がる。これにより、ファンプロペラ１２による十分な冷却性能が達成される。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではなく、アウター磁石１１をインナー磁石８の円周外側の、タービン容器１６外周囲に配置することも出来る。その場合インナー磁石１１とアウター磁石８が引き合う力が軸トルクの抵抗になることが少なくなり、より効率の良い回転が得られる。また、放熱フィン１８は適宜設ければ良く、必要ない場合は設けなくても良い。

この発明の一実施形態の放熱システムの概略断面図である。この発明の一実施形態の放熱システムによる、タービンプロペラ羽根車径とアウター磁石径との比と、ファンの回転数の関係を示すグラフである。従来の放熱システムの概略図である。従来の他の放熱システムの概略図である。

符号の説明

１電子素子
４冷媒
６タービンプロペラ
８インナー磁石
１１アウター磁石
１２ファンプロペラ
１３蒸発室
１５先細ノズル
１６タービン容器
１７冷媒液戻り管
１９凝縮冷媒容器

Claims

発熱体と接続した蒸発室と、前記蒸発室内部に収容され前記発熱体から吸熱して蒸発する冷媒と、前記蒸発室と連通した先細ノズルと、前記先細ノズルが内部に開口したタービン容器と、前記タービン容器内に回転自在に軸支され前記先細ノズルから噴出する前記冷媒の蒸気流によって回転するタービンプロペラと、このタービンプロペラと一体的に支持され前記タービンプロペラと同心状のインナー磁石と、前記タービン容器の外部に回転自在に軸支されたファンプロペラと、このファンプロペラ側に一体的に支持されると共に前記インナー磁石と対向して配置されて前記インナー磁石に対し磁気的にカップリングされたアウター磁石と、前記タービン容器内と連通し前記冷媒の蒸気流が凝縮して再液化する凝縮部と、前記凝縮部と連通され前記再液化した冷媒が溜まる凝縮冷媒容器とを備え、前記凝縮冷媒容器と前記蒸発室が連通している放熱システムにおいて、
前記タービンプロペラの最大外径が、前記アウター磁石の最大外径の１．４倍以上あることを特徴とする放熱システム。
前記タービンプロペラの最大外径が、前記アウター磁石の最大外径の１．５〜２．５倍であることを特徴とする請求項１記載の放熱システム。