JP2009121288A - Ｅｈｄ現象を利用した回転型ポンプ及び冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】省スペースでかつ発熱量の少ない回転型ポンプと、これを用いた省スペースでかつ冷却能力の高い冷却装置を提供する。
【解決手段】回転型ポンプは、回転可能な羽根車２と、羽根車２の外周に設けられた第１の電極４と、羽根車２に固定され、第１の電極４に対して所定の角度傾斜して配置された第２の電極５と、移送流体の吸入口、流路１ｂ及び吐出口を有し、羽根車２、第１及び第２の電極４，５を内部に収容する容器１と、第１及び第２の電極４，５の間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、第１の電極４は羽根車２と流路１ｂの間に配置された移送流体を透過可能な電極である。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＥＨＤ現象（Electro Hydro Dynamics Phenomenon）を利用した回転型ポンプ及び冷却装置に関するものである。ここでＥＨＤ現象とは、キシレン、クロロホルム、シリコーンオイル、機械油等のある種の電気絶縁性流体（電気応答流体）に電極を挿入し、これに高電圧を印加すると、電極間で電気応答流体の拡散、攪拌などの力学的現象が発生する現象のことをいう。

従来、ＭＰＵの冷却方法として、ＭＰＵ表面にヒートシンクを固定し、別に設けたファンで冷却風をヒートシンクに吹き付けることにより強制冷却する方法が一般的である。しかし、ＭＰＵの高性能化に伴い、空冷式の強制冷却では、十分な冷却効果を得られなくなってきている。また、電子機器の小型化に伴い、冷却装置の設置スペースの確保が難しくなってきている。

こうした状況下において、特許文献１に示された冷却装置は、ＭＰＵに固定された熱伝達体と液体−空気熱交換器を経由する経路にポンプを用いて冷却用液体を循環させ、ファンを用いて液体−空気熱交換器に対し送風することで、強制冷却より高い放熱効果を確保した上で、ポンプとファンの駆動用モータを共通にすることで、省スペース化を実現している。

しかし、特許文献１記載の冷却装置では、ポンプ及びファンを回転駆動するためのモータを必要とし、モータの発熱が冷却用液体に伝わることで冷却能力が損なわれるばかりでなく、モータの設置スペースが必要となる。

そこで、本発明者らは先行技術発明としてＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプと、その回転型ポンプを応用した冷却装置を提案している（非特許文献１）。この先行技術に係る回転型ポンプは、渦室内に形成された流路の外周に固定された渦状電極、羽根車に固定された羽根電極、および両電極に電圧を印加するための電圧印加手段で構成されており、両電極への電圧の印加によるＥＨＤ現象を利用して冷却用液体としての電気応答流体を循環させるものである。当該回転型ポンプは、電磁モータなどの駆動源を必要としないため、省スペースでかつ発熱量が少ない特徴を有する。また先行技術に係る冷却装置は、当該回転型ポンプを応用することで、回転型ポンプの発熱による冷却効果の低下を抑え、冷却能力の向上を図るものである。
特開２００１−３２０１８７号公報 「ＥＨＤ現象を応用した回転型ポンプの開発とそのクーラシステムへの応用」、小島他、平成１９年春季フルードパワーシステム講演論文集、Ｐ．１９−２１、２００７年

本発明は、上述した先行技術発明を更に改良し、より印加電圧あたりの流量及び回転数の多い回転型ポンプと、当該回転型ポンプを用いた、より冷却能力の高い冷却装置を提供することを目的としている。

本発明の第１の形態に係る回転型ポンプは、回転可能に設けられた羽根車と、前記羽根車の外周に設けられた第１の電極と、前記羽根車に固定され、前記第１の電極に対して所定の角度傾斜して配置された第２の電極と、前記羽根車の中心に形成された電気応答流体である移送流体の吸入口、前記羽根車の外周に形成された移送流体の流路及び前記流路の一部に形成された移送流体の吐出口を有し、前記羽根車、前記第１及び第２の電極を内部に収容する容器と、前記第１及び第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段とを備え、前記第１の電極は、前記羽根車と前記容器の流路の間に配置されており、前記移送流体を透過可能であることを特徴とする。

本発明の第２の形態に係る冷却装置は、前記回転型ポンプと、前記移送流体の吸入口と排出口を有するラジエータと、前記ＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプの吐出口と前記ラジエータの吸入口を接続し、前記移送流体を流通可能な第１の管と、前記ラジエータの排出口と前記ＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプの吸入口を接続し、前記移送流体を流通可能な第２の管を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、回転型ポンプの流量と、冷却装置の冷却能力を向上させることができる。

［第１の実施形態］
図１は本発明の第１の実施形態に係るＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプの全体構造を示す分解斜視図であり、図２は図１の一部を外した状態の平面図である。

本実施形態に係る回転型ポンプは、一方の面を開放側とした渦巻室１ａが形成された容器１と、この容器１の渦巻室１ａ内に回転可能に収納された羽根車２と、羽根車２が収納された渦巻室１ａの開放側を密閉する蓋体３とを有する。渦巻室１ａの内壁と羽根車２の外周との間には、羽根車２の回転方向に沿って断面積が連続的に増加する流路１ｂが形成される。渦巻室１ａには、羽根車２の外周でかつ流路１ｂの内周に環状に配置された第１の電極である透過電極４が装着されている。透過電極４の形状は、メッシュ形状、ルーバー形状あるいは線形状など、電気応答流体を透過するものであれば良い。羽根車２は、円板部材２ａと、この円板部材２ａの一方の面に、環状に配列されて所定方向に巻く渦に沿った複数の羽根２ｂからなる羽根群２ｃとを絶縁材料によって一体に形成してなる。各羽根２ｂの渦状電極４と対向する側面には、渦状電極４と所定の角度をなす第２の電極である羽根電極５が装着されている。蓋体３の中央部には、外部から渦巻室１ａの中央部、すなわち羽根車２の回転中心部に電気応答流体である移送流体を導入するための吸入口６が設けられている。また、容器１の側面には、流路１ｂの出口１ｃにつながる吐出口７が設けられている。容器１と蓋体３とは、ボルト８及びナット９によって結合されて内部の渦巻室１ａが密閉される。このとき、羽根車２は、容器１及び蓋体３に内側に向けて突設された図示しない回転軸に回転可能に支持される。また、渦状電極４と羽根電極５との間に、数ｋＶから数十ｋＶの直流電圧を適宜印加するための図示しない電圧印加手段が設けられている。

次に、このように構成された回転型ポンプの動作を説明する。

まず、予め渦巻室１ａの内部に電気応答流体を満たしておく。電気応答流体としては、例えば、ハイドロフルオロエーテル（住友スリーエム社製のＨＦＥ−７２００、ＨＦＥ−７３００）、フッ素変成シリコーンオイル、シリコーンオイル及びＤＢＤＮ（ドデカン二酸ジ−ｎ−ブチル）等を使用することができる。この状態で、電圧印加手段により透過電極４と羽根電極５との間に直流電圧を印加すると、透過電極４と羽根電極５との間の電気応答流体から電離したイオンからなるヘテロチャージ層と電極対との間に生じる引力によって電気応答流体が、図２の点線矢印に示すように、羽根車２の外側に向けて移動する。電気応答流体がこのように移動すると、その反作用として羽根車２が図２の実線矢印で示す反時計回りに回転する。そして、この羽根車２の回転とＥＨＤ現象とによって、流体は勢い良く羽根車２の外側に向かって移動する。このため、羽根車２の中心部が負圧になり、吸入口６から渦巻室１ａの内部に電気応答流体が吸入される。また、渦巻室１ａに吸入された電気応答流体は、羽根車２の回転により加圧され流路１ｂを循環して吐出口７から容器１の外部に吐出される。電気応答流体は、移送流体として図示しない循環経路を介して吸入口６に再び戻り循環する。

第１の実施形態に係る回転型ポンプについて、図３に印加電圧と回転数の関係、図４に印加電圧と流量の関係を示す。図３及び図４から明らかなように、第１の実施形態に係る回転型ポンプは、先行技術に係るＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプより、同じ印加電圧における回転数及び流量を共に大きくすることが可能である。これは、先行技術に係るＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプでは、第１の電極に相当する渦状電極が、羽根電極に対して流路を挟んで設けられているのに対し、第１の実施形態に係る回転型ポンプは、第１の電極である透過電極４と第２の電極である羽根電極５が近接し、ヘテロチャージ層と電極対との間に生じる引力がより大きくなり、電気応答流体の移動量が増大するためである。

次に、図５に負荷を与え羽根車の回転を停止させた状態と無負荷状態における電圧と電流の関係を示す。従来の電磁モータを駆動源とした回転型ポンプでは、負荷を与えると電流が増加し、さらに過負荷状態が継続すると発熱を起こし、電磁モータが破壊される虞がある。このため、これを回避するモータ制御が必要となる。これに対し、図５から明らかなように、本実施形態に係る回転型ポンプでは、負荷を与えた場合でも負荷を与えない場合と比べて電流値が大きく変化しない特性を有しているため、過負荷状態が生じても特別な制御が不要となる。この点は、回転型ポンプを用いたシステム設計をする場合に大きな利点になると考えられる。さらに、第１の実施形態に係る回転型ポンプは、先行技術に係るＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプを構成する渦状電極をより表面積の小さい透過電極に置換しているため電流消費の低減を図ることができる。

［第２の実施形態］
図６は本発明の第２の実施形態に係るＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプの全体構造を示す分解斜視図であり、図７及び図８は、本実施形式に係る回転型ポンプの渦巻室の平面図及び羽根車の平面図である。

本実施形態に係る回転型ポンプは、羽根車として二重羽根車２２が設けられている点、第３の電極として内側透過電極２４が設けられている点、及び蓋体３に固定羽根群３ａが形成されている点において、第１の実施形態に係る回転型ポンプと異なる。二重羽根車２２は、円板部材２２ａと、この円板部材２２ａの一方の面の内外周に、環状に配列されて所定方向に巻く渦に沿った複数の羽根からなる内側羽根群２２ｂ及び外側羽根群２２ｃを絶縁材料によって一体に形成してなる。内側透過電極２４と透過電極４は、電気応答流体を透過することができ、それぞれ内側羽根群２２ｂと外側羽根群２２ｃの外周に配置されている。固定羽根群３ａは、環状に配列された二重羽根車２２と逆方向に巻く渦に沿った複数の固定羽根からなり、蓋体３の容器１との嵌合面側に形成されている。これらは、容器１の解放側が蓋体３によって密閉された状態において、二重羽根車２２の回転軸から流路１ｂに向け、内側羽根群２２ｂ、内側透過電極２４、固定羽根群３ａ、外側羽根群２２ｃ、透過電極４の順で、同心円状に配置されている。

第１及び第２の実施形態に係る回転型ポンプについて、図９に印加電圧と流量の関係を示す。図９から明らかなように、第２の実施形態に係る回転型ポンプは、第１の実施形態に係る回転型ポンプより、同じ印加電圧における流量を大きくすることが可能である。これは、内側透過電極２４が設けられたことによる電気応答流体の移動量の増大と、内側羽根群２２ｂから流動した電気応答流体を、固定羽根群３ａにより整流し、外側羽根群２２ｃに導くことにより効率を上げたことによる。

次に、第２の実施形態に係る回転型ポンプ及び従来の電磁モータを駆動源とする回転型ポンプについて、図１０に回転数と流量の関係を示す。図１０から明らかなように、第２の実施形態に係る回転型ポンプは、従来の電磁モータを駆動源とする回転型ポンプより、同じ回転数における流量を大きくすることが可能である。これは、従来の電磁モータを駆動源とする回転型ポンプが、羽根車の回転運動で流体に対する加圧を実現しているのに対し、第２の実施形態に係る回転型ポンプでは、さらにＥＨＤ現象による電気応答流体の流動も加わっていることによる。また、従来の電磁モータを駆動源とする回転型ポンプでは、１００ｒｐｍより回転し、流量の最小値が３４１ｍｌ／ｍｉｎであるのに対し、第３の実施形態に係る回転型ポンプでは、羽根車が回転を開始する以前から、ＥＨＤ現象により電気応答流体の流動があるため、より広い領域での流量調整が可能である。

［第３の実施形態］
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るＥＨＤ現象を利用した冷却装置を示す模式図である。

本実施形態に係る冷却装置は、前記いずれかのＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプ３１、ラジエータ３２、管３３及び管３４で構成されている。ラジエータ３２は、電気応答流体の吸入口３２ａと排出口３２ｂを有している。管３３は、回転型ポンプ３１の吐出口７からラジエータ３２の吸入口３２ａに熱源３５を介して接続されており、管３４は、ラジエータ３２の排出口３２ｂから回転型ポンプ３１の吸入口６に接続されている。

次に、このように構成された冷却装置の動作を説明する。

まず、回転型ポンプ３１の吐出口７から吐出された電気応答流体が、管３３を流通し、熱源３５の熱の一部を取り込み、ラジエータ３２の吸入口３２ａよりラジエータ内に流入する。そして、電気応答流体は、ラジエータ３２で自然冷却された後、排出口３２ｂより排出され、管３４を流通し回転型ポンプ３１の流入口６より回転型ポンプ３１に戻ることになる。以上より、図１１に示す実線矢印のように、電気応答流体を冷却液とする循環が繰り返される。

本実施形態に係る冷却装置によれば、回転型ポンプの駆動源として電磁モータを使用した冷却装置に比べ電磁モータによる発熱がなく、回転型ポンプの発熱量が小さいため、放熱効果をより高くすることが可能である。

［第４の実施形態］
図１２は、本発明の第４の実施形態に係るＥＨＤ現象を利用した冷却装置を示す模式図であり、図１３は、図１２の一部を示す分解斜視図である。

本実施形態に係る冷却装置は、第３の実施形態に係る冷却装置に更に冷却能力を高めるためのファン４２が設けられている。回転型ポンプ４１は、羽根車２の円板部材２ａにマグネット２ｄを固着させている。ファン４２は、ケース４６と、このケース４６の前面に形成された送風口４６ａの中央に設けられた図示しない軸受に回転可能に支持された羽根車４７とから構成されている。ケース４６は、背面が解放されて回転型ポンプ４１と接し、背面を密閉した状態でも空気を取り入れることができるように側面に切り欠き部４６ｂが形成されている。また、羽根車４７は、その回転軸が羽根車２の回転軸と同軸になるように配置されており、マグネット２ｄと羽根車４７のハブ部４７ａに固着させたマグネット４７ｂとのカップリングにより、羽根車２と非接触にファン４２の駆動力を得ている。このファン４２は、切り欠き部４６ｂを介し、図１２に示した白抜き矢印の方向に空気を導入し、送風口４６ａからラジエータ３２に空気を排出して、ラジエータ３２の熱交換を促進するものである。

第３及び第４の実施形態に係る冷却装置において、熱源に温度センサを取り付け、熱源に１０Ｗの電力を投入した後、熱源の温度が安定した時点から印加電圧１６ｋＶで電気応答流体を循環させて熱源の温度を測定した。時間と熱源の温度の関係を図１４に示す。図１４から明らかなように、電圧印加開始当初６６．５℃であった熱源の温度は、第３の実施形態に係る冷却装置の場合で約５分後に４０℃付近まで下がっており、さらに第４の実施形態に係る冷却装置の場合に約１５分後に３５℃付近まで下がっていることが分かる。これは、ラジエータ３２に対するファン４２による送風の有無にかかわらず、本発明に係る冷却装置が２５℃程度の冷却能力を有していることを示すものであり、ファンによるラジエータの送風を行うことで、さらに冷却能力を高めることが可能であることを示すものである。

本発明の第１の実施形態に係る回転型ポンプを示す分解斜視図である。 同回転型ポンプの渦巻室を示す平面図である。 第１の実施形態及び先行技術に係る回転型ポンプの印加電圧と回転数の関係を示すグラフである。 第１の実施形態及び先行技術に係る回転型ポンプの印加電圧と流量の関係を示すグラフである。 第１の実施形態に係る回転型ポンプに負荷を与え羽根車の回転を停止させた状態と無負荷状態における電圧と電流の関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る回転型ポンプを示す分解斜視図である。 同回転型ポンプの渦巻室を示す平面図である。 同回転型ポンプの羽根車を示す平面図である。 第１及び第２の実施形態に係る回転型ポンプの印加電圧と流量の関係を示すグラフである。 第２の実施形態に係る回転型ポンプと電磁モータを駆動源とする回転型ポンプの回転数と流量の関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係る冷却装置を示す模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る冷却装置を示す模式図である。 同冷却装置の回転型ポンプとファンを示す分解斜視図である。 第３及び第４の実施形態に係る冷却装置の時間と熱源の温度の関係を示すグラフである。

符号の説明

１・・・容器、１ａ・・・渦巻室、１ｂ・・・流路、１ｃ・・・出口、２・・・羽根車、２ａ・・・円板部材、２ｂ・・・羽根、２ｃ・・・羽根群、２ｄ・・・マグネット、３・・・蓋体、３ａ・・・固定羽根群、４・・・透過電極、５・・・羽根電極、６・・・吸入口、７・・・吐出口、２２・・・二重羽根車、２２ａ・・・円板部材、２２ｂ・・・内側羽根群、２２ｃ・・・外側羽根群、２４・・・内側透過電極、３１、４１・・・回転型ポンプ、３２・・・ラジエータ、３２ａ・・・吸入口、３２ｂ・・・吐出口、３３、３４・・・管、３５・・・熱源、４２・・・ファン、４６・・・ケース、４６ａ・・・送風口、４６ｂ・・・切り欠き部、４７・・・羽根車、４７ａ・・・ハブ部、４７ｂ・・・マグネット。

Claims (6)

1. 回転可能に設けられた羽根車と、
   前記羽根車の外周に設けられた第１の電極と、
   前記羽根車に固定され、前記第１の電極に対して所定の角度傾斜して配置された第２の電極と、
   前記羽根車の中心に形成された電気応答流体である移送流体の吸入口、前記羽根車の外周に形成された移送流体の流路及び前記流路の一部に形成された移送流体の吐出口を有し、前記羽根車、前記第１及び第２の電極を内部に収容する容器と、
   前記第１及び第２の電極の間に電圧を印加する電圧印加手段と
   を備え、
   前記第１の電極は、前記羽根車と前記容器の流路の間に配置されており、前記移送流体を透過可能である
   ことを特徴とする、ＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプ。
2. 前記羽根車は、環状に配置された所定方向に渦を巻く複数の羽根から構成される羽根群が前記羽根車の中心から外周にかけて所定の間隙を介して多重に配置された多重羽根車である
   ことを特徴とする、請求項１記載のＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプ。
3. 前記容器に固定され、前記多重羽根車の各間隙に前記多重羽根車と逆方向の渦を巻く固定羽根を有する
   ことを特徴とする、請求項２記載のＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプ。
4. 前記多重羽根車の各間隙に配置されており、前記移送流体を透過可能な第３の電極
   を備えた
   ことを特徴とする、請求項２記載のＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプ。
5. 前記移送流体は、請求項１から請求項４のいずれかに記載のＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプと、
   前記移送流体の吸入口と排出口を有するラジエータと、
   前記ＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプの吐出口と前記ラジエータの吸入口を接続し、前記移送流体を流通可能な第１の管と、
   前記ラジエータの排出口と前記ＥＨＤ現象を利用した回転型ポンプの吸入口を接続し、前記移送流体を流通可能な第２の管と
   を備えたことを特徴とする、ＥＨＤ現象を利用した冷却装置。
6. 前記羽根車の回転軸と同軸の回転軸を有し、マグネットカップリングを介して前記羽根車の駆動力が非接触に伝達される、前記ラジエータに送風するファン
   を備えたことを特徴とする、請求項５記載のＥＨＤ現象を利用した冷却装置。
   

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