JP2007240075A - 熱搬送デバイスと、それを用いた液冷システム - Google Patents

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Abstract

【課題】通風抵抗が高い条件でも小型で大風量と高い冷却能力を発揮し、かつ騒音が低い発熱電子部品の冷却用の熱輸送手段に用いる熱搬送デバイスを提供する。
【解決手段】羽根車4から吐出した気流を、円弧状の静翼6もつディフューザ8内でスムーズに減速させることで、動圧が効率良く静圧に変換させ送風機としての性能低下を少なくかつ剥離の小さい流れとなり空気側の熱伝達が促進され、かつ静翼6を偏平型の円弧状として第二の流路9と第一の流路7の間の厚みを薄くすることで、冷却水の熱を高いフィン効率で空気に放熱することができる。また、静翼6の前縁6a部分で吐出気流が極力衝突しないのでディフューザ8内での衝突流に伴う騒音の増加が抑えられ、所定の送風性能を得るために、羽根車4の大きさを極力小さくでき、熱搬送デバイス1から放出される騒音は低く抑えることができる。
【選択図】図2

Description

本発明は、電子機器においてヒートパイプや液冷システム等の熱輸送手段を用いたCPU等の発熱電子部品の冷却方式において、特に冷却液の熱を放熱する熱搬送部分の構造に関するものである。
近年、パーソナルコンピュータ、サーバ、ゲーム機等に用いられるCPU等の集積回路は高速化が進み、それに伴い発熱量が増大している。従来、CPUの冷却はCPUにヒートシンクを固定し、それにファンを取り付け、その冷却風をヒートシンクに吹き付ける直接空冷方式が主流であったが、電子機器の小型化、高密度化に伴いCPU周りのスペースに制限が生じ、ヒートシンクサイズが制限される為、冷却能力に限界が出てきた。そのため放熱部を自由な位置に設けられ、その大きさの制約が少なく空冷方式に比べ冷却限界を高くすることができるヒートパイプや液冷システム等の熱輸送手段を用いた冷却方式がパーソナルコンピュータのCPU等の冷却に適用され始めている。
ヒートパイプや、液冷システムの熱輸送手段を用いたCPU等の発熱電子部品の冷却方式の従来技術として、特許文献1に記載されたものがある。
図12、図13は、特許文献1に記載のデスクトップ型パーソナルコンピュータに熱輸送手段としてヒートパイプを、図14は液冷システムを適用したものである。
まず、図12、図13において、筐体1の中に設置されたCPU103に受熱ヘッド110を取り付け、筐体101の壁面の一部に筐体内の空気を筐体外へ排気するためのファン113を取り付け、ベース112aとベースに配列されたフィン112bとを有するヒートシンク112をファン113に対向して筐体101の壁面の外側に若しくは当該壁面から外部に突出してフィン112bを筐体側に向けて取付け、ヒートシンク112と受熱ヘッド110とをヒートパイプ111で接続する。
また、図14においてCPU103に取付けられた受熱ヘッダ131は、CPU103との接触面は図13のヒートパイプと同じであるが、内部には冷却液が流れており、熱が冷却液に伝わる構造になっている。ポンプ132は冷却液を受熱ヘッダ131とヒートシンク135の間を循環駆動させるものである。チューブ133及び金属管134は受熱ヘッダ131とヒートシンク135を繋ぎ、内部に冷却液を流すことで受熱ヘッダ131とヒートシンク35の熱輸送路となっている。ヒートシンク135はベース135a及びフィン135bから成っている。ベース135aの内部には冷却液が流れており、冷却液の熱がベース135a全体に伝わる構造になっている。さらに金属管134に連通してリザーブタンク136が設けられている。
ここで、特許文献1に記載の熱輸送手段を用いた冷却方式の作用を図14の液冷システムを用いて説明する。
まずCPU103が発熱することにより、CPU103に取付けられた受熱ヘッダ131に熱が伝わる。この時、受熱ヘッダ131内を流れる冷却液に熱が伝達され、ポンプ132により冷却液が受熱ヘッダ131からヒートシンク135のベース135aに搬送され、ヒートシンク135のベース135a及びフィン135bから放熱される。そして、冷却後の冷却液がリザーブタンク136を通過後再びポンプ132に戻る。
次にファン113を動作させると、筐体101内の空気がファン113の方向に流れる。そしてこの空気はヒートシンク135のフィン135bを通過してベース135aと衝突し、筐体101外に排出される。この空気流によりヒートシンク135のベース135aとフィン135bに伝達された熱は放出される。ここで、ヒートシンク135に当たる風の流れ、即ちファン113の風は、ヒートシンク135の最も熱い部分であるベース135aに対して衝突しながら排出される。即ち衝突噴流となる為放熱効率が良い。
特開2004−116864号公報
しかしながら、上記のような従来の構成では、ファンの吐出気流がヒートシンクのベースに近接するため、通風抵抗が増大し送風性能が大幅に低下する。さらに通風抵抗が増大するため、ファンからの吐出気流は吐出方向成分が非常に小さく、ほとんど半径方向成分となり、ベースへの衝突噴流とならないため、放熱効率が低下する。
また、通風抵抗が増加するため、ファン内部で発生する騒音が増加し、さらに衝突流に伴う騒音と重なり合い大きな騒音となって、筐体外にあるヒートシンク部分から直接放出されるため騒音が高くなる。
よって、特許文献1の熱輸送手段を用いたCPU等の発熱電子部品の冷却方式は、ファンの大型化が必須となり、モータ等のトルクアップなども含めコスト高になってしまう。
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、通風抵抗が高い条件でも小型で大風量と高い放熱能力を発揮しかつ騒音が低い、液冷システム等の熱輸送手段を用いたCPU等の発熱電子部品の冷却方式用の熱搬送デバイスを提供することを目的とする。
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱搬送デバイスは、ハブと、前記ハブの周囲に設けた複数の動翼で構成された羽根車と、前記羽根車の周囲に円形状に配設された複数の静翼を有し前記静翼間に前記羽根車から吐出された空気が流動する第一の流路が形成されたディフューザで構成され、前記静翼の内部に流体Aが流動する少なくとも1つ以上の第二の流路が形成されたものである。
この構成によって、羽根車から吐出した気流はディフューザ内の静翼間にて構成される第一の流路でスムーズに減速し、羽根車から吐出する気流の動圧(運動エネルギ)が効率良く静圧に変換され、通風抵抗が高くても風量の低下を抑えることができる。
また、ディフューザ内の第一の流路でスムーズに減速することで、静翼の表面近傍では剥離の小さい流れとなり、空気側の熱伝達が促進され静翼の表面全体から静翼内部の第二の流路を流れる流体Aの熱を放熱することができる。
さらに、また、静翼の前縁部分で羽根車から吐出した気流が極力衝突しないのでディフューザ内で衝突流に伴う騒音の増加が抑えられ、熱搬送デバイスから放出される騒音は低く抑えることができる。
本発明の熱搬送デバイスは、液冷システム等の熱輸送手段を用いたCPU等の発熱電子部品の冷却方式において、羽根車の周囲に設けたディフューザ内の静翼内部に冷却液である流体Aが流動する流路を設けることで、極力小さな外寸で送風機としての大きな送風性能と放熱器としての高い放熱量を両立できる。
また、羽根車から吐出する気流の静翼への衝突に伴う騒音の増加を小さく抑えられる。さらに、ディフューザの部分で動圧から静圧に効率良く変換できるため、所定の送風性能を得るために、羽根車の部分の大きさを極力小さくでき、送風騒音とモータトルクと低く抑えることができる。従って、熱搬送デバイスから放出される騒音は低く抑えることができる。また、モータ等の構成部品のコストも低く抑えることができる。
請求項1に記載の発明は、ハブと、前記ハブの周囲に設けた複数の動翼で構成された羽根車と、前記羽根車の周囲に円形状に配設された複数の静翼を有し、前記静翼間に前記羽根車から吐出された空気が流動する第一の流路が形成されたディフューザで構成され、前記静翼の内部に流体Aが流動する少なくとも1つ以上の第二の流路が形成されたことにより、羽根車から吐出した気流はディフューザ内の第一の流路でスムーズに減速し、動圧が効率良く静圧に変換され、通風抵抗が高くても風量の低下を抑えることができる。また、第一の流路内の静翼の表面近傍では剥離の小さい流れとなり、空気側の熱伝達が促進され静翼の表面全体から静翼内部の第二の流路を流れる流体Aの熱を放熱することができる。
さらに、また、静翼の前縁部分で、羽根車から吐出した気流が極力衝突しないのでディフューザ内での衝突流に伴う騒音の増加が抑えられ、所定の送風性能を得るために、羽根車の部分の大きさを極力小さくでき、熱搬送デバイスから放出される騒音は低く抑えることができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明の構成において、前記静翼は前記羽根車の回転軸に略垂直な断面形状が偏平でかつ円弧状に湾曲し、内部に前記流体Aが流動する第二の流路を複数並列に設けたことにより、静翼の前縁側から後縁側まで流体Aが流動する第二の流路と空気が流動する第一の流路の間の厚みを薄くすることで静翼の熱抵抗を小さくなり、流体Aの熱をより高いファン効率で放熱することができると共に、静翼を円弧状にすることでディフューザの外径を小さく抑えつつ静翼が動圧を効率よく静圧に変換することができる。
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の発明の構成において、前記静翼は前記羽根車の回転軸に略垂直な断面形状が翼型翼形状であり、内部に前記流体Aが流動する第二の流路を複数設け、前記第二の流路の相当直径が前記翼型翼形状の静翼の前縁側ほど大きいことにより、翼型翼形状により静翼としての揚力特性が向上し、動圧をさらに効率よく静圧に変換し、熱搬送デバイスの送風機としての空力性能が向上する。また、第一の流路内を流動する空気が静翼前縁部付近で一端流速が増加し空気側の熱伝達が促進され、さらに前縁ほどの第二の流路の相当直径大きくすることで流体Aの流動量を増加させ、静翼前縁側での流体Aの熱の放熱を促進することができる。
請求項4に記載の発明は、請求項1から3のいずれか一項に記載の発明の構成において、前記静翼は前記羽根車の回転軸に略垂直な断面形状が翼型翼形状であり、内部に前記流体Aの流動する第二の流路を複数設け、前記複数の第二の流路の一部が前記翼型翼形状の静翼の前縁側の少なくとも圧力面側、負圧面側どちらか一方に配設されたことにより、翼型翼形状により静翼としての揚力特性が向上し、動圧をさらに効率よく静圧に変換し、熱搬送デバイスの送風機としての空力性能が向上する。また、第一の流路内を流動する空気が静翼の前縁部付近の圧力面側、負圧面側の両面で一端流速が増加し空気側の熱伝達が促進され、そして前縁の圧力面側、負圧面側の少なくともどちらか一方に第二の流路を設けたため静翼の前縁での熱通過量が増加し、静翼の前縁での流体Aの熱の放熱をより促進することができる。
請求項5に記載の発明は、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の発明の構成において、前記静翼が前記ディフューザの半径方向に複数列分割されて設けられたことにより、ディフューザの第一の流路内で減速されることで、特に静翼の負圧面側で気流の剥離が発生し、第一の流路の出口側ほど剥離域が増加するのを防止し、ディフューザのスムーズな減速が第一の流路の出口まで継続すると共に、複数に分割された静翼の前縁毎に温度境界層も分割され、静翼内の第二の流路を流動する流体Aからの放熱も第一の流路の出口まで効率よく継続する。
請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の発明の構成において、前記静翼は前記流体Aが流動する複数の管を前記ディフューザの半径方向に略円弧状もしくは略翼型翼状に密接して配設された管群で形成することにより、羽根車から吐出した気流の主流は、略円弧状もしくは略翼型翼状に密接して配設された管群で形成された静翼により、ディフューザ内の第一の流路でスムーズに減速して動圧が効率良く静圧に変換し、風量低下が抑えられる。また、静翼を形成する管群近傍では、個々の管表面全体で管内を流れる流体Aの熱を高いフィン効率で放熱することができる。
請求項7に記載の発明は、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の発明の構成において、前記ディフューザが前記静翼が接合された底板と側板を有し、前記底板と側板の少なくともどちらか一方の第一の流路側の面近傍に前記静翼の第二の流路、あるいは管と連結した少なくとも1つ以上の第三の流路を設けられたことにより、ディフューザの底板あるいは側板の少なくともどちらか一方に設けた第一の流路の面が放熱面となり、第一の流路の放熱面積が大幅に増加し、流体Aからの放熱を大幅に増える。
請求項8に記載の発明は、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の発明の構成の熱搬送デバイスと、受熱部と、流体Aの輸送装置を用いて液冷システムを構成することにより、液冷システムを用いたCPU等の発熱電子部品の冷却方式において、放熱部が小型でかつ大きな放熱能力を発揮し、さらに騒音を低く抑えることができる。
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。なお、この実施の形態によってこの発明が限定されるものではない。
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における熱搬送デバイスの側面断面図である。図2は、図1のA−A線断面図である。図3は、図2の要部拡大図である。図4は、本発明の実施の形態1における熱搬送デバイスを用いた液冷システムの構成図である。
図1から図3において、熱搬送デバイス1は、ハブ2と、ハブ2の周囲に設けた複数の動翼3で構成された斜流型の羽根車4と、底板5aと側板5bと、羽根車4の周囲に円形状に配設された複数の静翼6を有し、個々の静翼6の間に羽根車4から吐出された空気が流動する第一の流路7が形成されたディフューザ8で構成されている。静翼6は羽根車4の回転軸(図示せず)に略垂直な断面形状が偏平でかつ円弧状に湾曲して形成されており、内部に冷却液が流動する第二の流路9を複数並列に配設されている。
また、図4において、熱搬送デバイス1は、CPU10に取り付けられた受熱ヘッド11と、ポンプ12と、リザーブタンク13を、チューブ14で連結して液冷システム15を構成している。
以上のように構成された熱搬送デバイス1と液冷システム15について、以下その動作を説明する。
まず、熱搬送デバイス1の動作について説明する。ハブ2の回転軸上に取り付けらえたモータ(図示せず)により羽根車4回転し、ハブ2の周囲に設けられた動翼3により、羽根車4の吸込み側から吸い込まれた空気に動圧と静圧が付加され、羽根車4の吐出側から気流が吐出し送風作用を成す。
ここで、羽根車4から吐出した気流は、静翼6を円弧状にすることでディフューザ8の外径を小さく抑えつつディフューザ8内の第一の流路7でスムーズに減速され、動圧が効率良く静圧に変換され、送風機として通風抵抗が高くても風量の低下を抑えることができる。
また、第一の流路7内の静翼6表面近傍ではディフューザ8の作用で気流がスムーズに減速されることで剥離の小さい流れとなり空気側の熱伝達が促進される。さらに、静翼6の前縁6a側から後縁6b側まで冷却液が流動する第二の流路9と空気が流動する第一の流路7の間の厚みを薄くすることで、静翼6表面全体から静翼6内部の第二の流路9を流れる冷却水の熱を高いフィン効率で放熱することができる。
さらに、また、静翼6の前縁6a部分で羽根車4から吐出した気流が極力衝突しないのでディフューザ8内での衝突流に伴う騒音の増加が抑えられ、所定の送風性能を得るために、羽根車4の部分の大きさを極力小さくでき、熱搬送デバイス1から放出される騒音が低く抑えることができる。
次に、液冷システム15について説明する。CPU10に取付けられた受熱ヘッダ11に熱が伝わる。この時、受熱ヘッダ11内を流れる冷却液に熱が伝達され、ポンプ12により冷却液が受熱ヘッダ11から熱搬送デバイス1に輸送され放熱される。そして、冷却された冷却液がリザーブタンク13を通過後再びポンプ12に戻る。
ここで、熱搬送デバイス1により液冷システム15を用いたCPU10の冷却方式において、放熱部が小型でかつ大きな放熱能力を発揮し、さらに騒音を低く抑えることができる。
尚、本発明の実施の形態1では、羽根車4を斜流型としたが、軸流型でも同様な効果を得ることができる。
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における熱搬送デバイスの平面断面の要部拡大図である。図6は、本発明の実施の形態2における他の熱搬送デバイスの平面断面の要部拡大図である。なお、実施の形態1と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図5において、静翼16は羽根車4の回転軸に略垂直な断面形状が翼型翼形状であり、静翼16の内部に冷却液が流動する第二の流路17を複数設け、第二の流路17の相当直径が翼型翼形状の静翼16の前縁16a側ほど大きくしている。
ここで、静翼16を翼型翼形状にすることで、揚力特性が向上し動圧をさらに効率よく静圧に変換し熱搬送デバイス1の送風機としての空力性能が向上する。また、第一の流路7内を流動する空気が静翼16の前縁16a付近で一端流速が増加し空気側の熱伝達が促進され、さらに静翼16の前縁16aほどの第二の流路17の相当直径大きくすることで冷却水の流動量を増加させ、静翼16の前縁16a側での冷却水の熱の放熱を促進することができる。
また、ここで図6のように、複数の第二の流路17の一部が翼型翼形状の静翼16の前縁16a側の少なくとも圧力面16a1側、負圧面16a2側の両側に配設することにより、静翼16の前縁16aでの熱通過量が増加し、静翼16の前縁16aでの冷却液の熱の放熱をより促進することができる。
尚、実施の形態2の第二の流路17は円形としたが、楕円形、その他矩形等でも同様な効果を得ることができる。
(実施の形態3)
図7は、本発明の実施の形態3における熱搬送デバイスの側面断面図である。図8は、図7のB−B線断面図である。図9は、本発明の実施の形態3における他の熱搬送デバイスの側面断面図である。図10は、図9のC−C線断面図である。なお、実施の形態1と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図7、図8において、静翼18は羽根車4の回転軸(図示せず)に略垂直な断面形状が偏平でかつ円弧状に湾曲し、さらにディフューザ8の半径方向に複数列分割されて設けられている。
ここで、ディフューザ8の第一の流路7内で減速されることで、特に静翼18の負圧面側で気流の剥離が発生し第一の流路7の出口7b側ほど剥離域が増加するのを防止し、ディフューザ8のスムーズな減速が第一の流路7の出口7b側まで継続すると共に、複数に分割された静翼18の前縁18a毎に温度境界層も分割され、静翼18内の第二の流路19内を流動する冷却水からの放熱も第一の流路7の出口7bまで効率よく継続する。
また、ここで図9、図10のように、静翼20は、冷却水が流動する複数の管21をディフューザ8の半径方向に略円弧状に密接して配設された管群で形成することにより、羽根車4から吐出した気流の主流は、略円弧状に密接して配設された管群で形成された静翼19により、ディフューザ8内の第一の流路7でスムーズに減速して動圧が効率良く静圧に変換し、風量低下が抑えられる。また、静翼20を形成する管群近傍では、個々の管21表面全体で管21内を流れる冷却水の熱を高いフィン効率で放熱することができる。
尚、実施の形態3の第二の流路19、管21は円形、円管としたが、楕円形、惰円管あるいはその他矩形等でも同様な効果を得ることができる。
(実施の形態4)
図11は、本発明の実施の形態4における熱搬送デバイスの平面断面図である。なお、実施の形態1と同一構成については、同一符号を付して詳細な説明を省略する。
図11において、ディフューザ8の底板5aの第一の流路7側の面近傍に、静翼6の第二の流路9と連結した、複数の第三の流路22を設けられている。
このことにより、底板5aの第三の流路22を設けた面が放熱面となり、放熱面積が大幅に増加し、冷却液からの放熱を大幅に増加させることができる。
尚、本発明の実施の形態4では、第三の流路を底板側のみに設けたが、側板側のみに設けても同様な効果であり、さらに底板、側板両側に設けると放熱面が底板のみより倍増して放熱面積をさらに増加させることができる。
以上のように、本発明にかかる熱搬送デバイスは、極力小さな外寸で送風機としての大きな送風性能と放熱器としての高い放熱量を両立でき、さらに低騒音化が可能となるので、発熱電子部品を有する電子機器のみならず、AV機器、さらに、家庭用冷凍冷蔵庫や自動販売機等の冷凍冷蔵機器、家庭用、業務用等エアコンの空調機器、給湯機や洗濯乾燥機等のヒートポンプ機器、さらに廃熱回収機器などの空気と強制的に熱交換する熱交換ユニットの用途にも適用できる。
本発明の実施の形態1における熱搬送デバイスの側面断面図 図1のA−A線断面図 図2の要部拡大図 本発明の実施の形態1における熱搬送デバイスを用いた液冷システムの構成図 本発明の実施の形態2における熱搬送デバイスの平面断面の要部拡大図 本発明の実施の形態2における他の熱搬送デバイスの平面断面の要部拡大図 本発明の実施の形態3における熱搬送デバイスの側面断面図 図7のB−B線断面図 本発明の実施の形態3における他の熱搬送デバイスの側面断面図 図9のC−C線断面図 本発明の実施の形態4における熱搬送デバイスの平面断面図 従来のヒートパイプを用いたデスクトップ型パーソナルコンピュータの冷却方式を示す斜視図 図12の冷却部を示す斜視図 従来の液冷システムを示す斜視図
符号の説明
1 熱搬送デバイス
2 ハブ
3 動翼
4 羽根車
6,16,18,20 静翼
7 第一の流路
8 ディフューザ
9,17,19 第二の流路
11 受熱ヘッド
12 ポンプ
15 液冷システム
16a,18a 前縁
16a1 圧力面側
16a2 負圧面側
21 管
22 第三の流路

Claims (8)

  1. ハブと、前記ハブの周囲に設けた複数の動翼で構成された羽根車と、前記羽根車の周囲に円形状に配設された複数の静翼を有し、前記静翼間に前記羽根車から吐出された空気が流動する第一の流路が形成されたディフューザで構成され、前記静翼の内部に流体Aが流動する少なくとも1つ以上の第二の流路が形成されたことを特徴とする熱搬送デバイス。
  2. 前記静翼は、前記羽根車の回転軸に略垂直な断面形状が偏平でかつ円弧状に湾曲し、内部に前記流体Aが流動する第二の流路を複数並列に設けたことを特徴とした請求項1に記載の熱搬送デバイス。
  3. 前記静翼は前記羽根車の回転軸に略垂直な断面形状が翼型翼形状であり、内部に前記流体Aが流動する第二の流路を複数設け、前記第二の流路の相当直径が、前記翼型翼形状の静翼の前縁側ほど大きいことを特徴とした請求項1に記載の熱搬送デバイス。
  4. 前記静翼は前記羽根車の回転軸に略垂直な断面形状が翼型翼形状であり、内部に前記流体Aの流動する第二の流路を複数設け、前記複数の第二の流路の一部が前記翼型翼形状の静翼の前縁側の少なくとも圧力面側、負圧面側どちらか一方に配設されたことを特徴とした請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の熱搬送デバイス。
  5. 前記静翼は、前記ディフューザの半径方向に複数列分割されて設けられたことを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の熱搬送デバイス。
  6. 前記静翼は、前記流体Aが流動する複数の管を前記ディフューザの半径方向に略円弧状もしくは略翼型翼状に密接して配設された管群で形成されたことを特徴とした請求項1に記載の熱搬送デバイス。
  7. 前記ディフューザは、前記静翼が接合された底板と側板を有し、前記底板と側板の少なくともどちらか一方の第一の流路側の面近傍に前記静翼の第二の流路、あるいは管と連結した少なくとも1つ以上の第三の流路を設けられたことを特徴とした請求項1から6のいずれか一項に記載の熱搬送デバイス。
  8. 受熱部と、流体Rの輸送装置と、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の熱搬送デバイスを用いた液冷システム。
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