JPH06300407A - 冷却風の送風装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 冷却装置を一体構成にした新規な構造の送風
装置に関し、冷却温度を安定でき、冷却効率が高く、し
かも冷却システムを小型化することの可能な冷却風の送
風装置を提供することを目的とする。 【構成】 気体冷媒を圧縮する機能を持つ電動圧縮機１
０と、前記電動圧縮機１０とともに冷凍サイクルを構成
し、冷凍を発生するための冷却部材と、前記冷却部材に
熱接触を形成して固定され、回転することにより接触し
た流体を送出する機能を持つ回転ファン１８と、前記電
動圧縮機１０、冷却部材、回転ファン１８を回転駆動す
る電動機と、前記電動圧縮機１０と前記電動機の可動部
とを一体構造として回転可能に格納する容器とを有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、冷却風を送風するため
の送風装置に関し、特に冷却装置を一体構成にした新規
な構造の送風装置に係わる。

【０００２】

【従来の技術】高度情報化社会の今日、コンピュータ装
置を代表とする電子機器の冷却装置が必要とされてい
る。コンピュータ回路を構成する素子には高速度、高集
積化が強く要求されている。コンピュータ回路の半導体
素子に電流を流すと発熱するが、半導体素子の高速度、
高密度化によって発熱量が増大し、その熱の処理方法が
実装上の問題となっている。

【０００３】例えば、スーパーコンピュータを設置した
場所では、コンピュータの発熱を放熱するとともに超Ｌ
ＳＩの動作温度を安定化させるためにエアコンを設置す
ることが常識となっている。大電力用半導体素子の場合
では、１ｃｍ² 当たり数百Ｗにも及ぶ熱流束となること
が多く、この放熱対策が不可欠である。

【０００４】超ＬＳＩを適用したスーパーコンピュータ
などでは冷却システムが複雑化すると同時に、冷却シス
テムのコストダウンとコンパクト化などの技術的課題が
与えられている。

【０００５】半導体素子の冷却方式としては、風冷（空
冷）、水冷、油冷および沸騰冷却、ヒートパイプなどの
種々の方式が知られている。これら冷却方式の内、空冷
による強制対流方式は、ファンを利用して外気を装置内
に循環させる。比較的簡単な方式であるので広く用いら
れている。しかし、この冷却方式は外気温に依存してい
るために、半導体素子を一定の動作温度に保持させるこ
とはむづかしい。

【０００６】動作温度条件は、超ＬＳＩやＩＣなどの素
子の仕様によって異なるが、一般的に５０°Ｃ以下に抑
えないと素子の性能や周辺機器に影響を及ぼすと言われ
ている。

【０００７】さらに、ラジオやテレビあるいは電力変換
装置になどに広く用いられているパワートランジスタで
は、冷却の促進のために多数のフィンを備えた種々の形
状の放熱器を取り付けることが行われる。

【０００８】また、放熱のために熱伝導の良いアルミ板
を大きな面積にわたって必要とする場合もある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従って、放熱器や大面
積のアルミ板などによって冷却装置が占める領域が大き
く、冷却装置が半導体素子を使用する装置の小型化を阻
害する要因となるという問題がある。

【００１０】また従来、コンピュータ装置の冷却には主
として単なる送風ファンによる強制空冷の方式が取られ
ていた。外気の送風による空冷では冷却能力が低く、外
気温に左右されやすいことは先に述べた通りである。

【００１１】半導体素子の高速度化や高密度化に対応
し、より冷却能力を増大するために冷凍機を用いる方法
がある。図３に従来の冷蔵庫型の冷凍機を用いる冷却シ
ステムを示す。図３において、半導体装置等を内部に格
納する筐体３０の壁は断熱構造となっている。筐体３０
の内部にはさらに送風ファン３１が配置され、壁には冷
凍機が取り付けられる。

【００１２】冷凍機は筐体３０の外部にある冷媒の圧縮
機３２と、筐体３０の内部に配置され冷却部となるコー
ルドヘッド３３と、コールドヘッド３３の先端部に取り
付けた熱交換フィン（ラジエータ）３４と、コールドヘ
ッド３３と圧縮機３２とをつなぎ冷媒の通路となる配管
３５と、冷凍機を筐体３０の壁に取り付けるフランジ３
６から構成される。

【００１３】送風ファン３１はモータ等で回転駆動さ
れ、筐体３０内の空気を対流させる。送風ファン３１の
前方には冷凍機の熱交換フィン３４が配置される。この
方法では、熱交換フィン３４の他に冷却風を送り、筐体
内の空気を循環させるために送風ファンが別途必要とな
り、冷却システムは大型化してしまう。

【００１４】本発明の目的は、冷却温度を安定でき、冷
却効率が高く、しかも冷却システムを小型化することの
可能な冷却風の送風装置を提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の冷却風の送風装
置は、気体冷媒を圧縮する機能を持つ電動圧縮機と、前
記電動圧縮機とともに冷凍サイクルを構成し、冷凍を発
生するための冷却部材と、前記冷却部材に熱接触を形成
して固定され、回転することにより接触した流体を送出
する機能を持つ回転ファンと、前記電動圧縮機、冷却部
材、回転ファンを回転駆動する電動機と、前記電動圧縮
機と前記電動機の可動部とを一体構造として回転可能に
格納する容器とを有する。

【００１６】

【作用】回転ファン自体が冷却部材と熱接触しているの
で、回転ファンが冷却される。回転ファンが回転する
と、回転ファンによって冷却された流体が送り出され
る。

【００１７】積極的冷却を行なっているので、安定した
冷却能力が得られる。回転ファンが熱交換器の機能を兼
用するので、構成が簡単化する。

【００１８】

【実施例】図２に本発明の実施例による冷却風の送風装
置の断面構造を示す。この実施例では冷凍機として対向
型圧縮機を使用するスターリング冷凍機が採用される。

【００１９】図１において、圧縮機１０は、円筒状の容
器１の中に、ステータ側を構成し磁界を発生する永久磁
石部材２Ａ、２Ｂと、永久磁石部材２Ａ、２Ｂの発生す
る固定磁界中にそれぞれ配置される可動コイル３Ａ、３
Ｂと、先端部に可動コイル３Ａ、３Ｂをそれぞれ固定し
ている一対のピストン４Ａ、４Ｂと、可動コイル３Ａ、
３Ｂに電流を供給するための内部配線５Ａ、５Ｂとを格
納している。また、内部配線５Ａ、５Ｂはそれぞれ円筒
容器１の一方の先端軸６Ａに設けた慴動接触端子７に接
続され、スリップカップリングを介して電力の供給を受
ける。

【００２０】圧縮機１０の円筒容器１はその両端の軸６
Ａ、６Ｂの周囲に嵌合された回転ベアリング１１Ａ、１
１Ｂで支持されてその軸６Ａ、６Ｂを中心に回転可能で
ある。

【００２１】図１は断面図であるので説明を加えると、
永久磁石部材２Ａ、２Ｂは円筒状である。対向するヨー
クも円筒状であり、永久磁石部材との間に円筒状の間隙
を形成する。ヨークは、ピストン用のシリンダも構成し
ている。

【００２２】ピストン４Ａ、４Ｂも永久磁石部材とヨー
クの凹凸部と相補的に凹凸部を有する２重円筒状であ
る。可動コイル３Ａ、３Ｂは永久磁石部材２Ａ、２Ｂの
形状にそって円筒状に巻かれている。ヨークの構成する
シリンダ内にはピストン４Ａ、４Ｂが慴動可能に配置さ
れる。ピストンとシリンダが構成する圧縮室９には、ヘ
リウム、窒素、アルゴン等の気体冷媒が収容される。

【００２３】容器１は、冷媒が外部に漏れたり、外部の
ゴミなどが内部に侵入しないように密閉封止されてい
る。８は圧縮機１０からコールドヘッド１６内のディス
プレーサに冷媒を流出あるいはディスプレーサより冷媒
が流入する通路である。

【００２４】ここで、永久磁石部材２Ａが発生する磁界
中の可動コイル３Ａに接触端子７から内部配線５Ａを介
して交流電流を流す。フレミングの左手の法則によって
可動コイルに力が作用し、磁界中を可動コイル３Ａが電
流の向きに応じて図の左右方向に往復直線運動する。可
動コイル３Ｂに接触端子７から内部配線５Ｂを介して交
流電流を流すと同様な動作が他方の永久磁石部材２Ｂと
可動コイル３Ｂとの組み合わせでも行われる。

【００２５】可動コイル３Ａはピストン４Ａを駆動し、
可動コイル３Ｂはピストン４Ｂを駆動して両ピストン４
Ａ、４Ｂを直線往復運動させる。この一対のピストン４
Ａ、４Ｂは図示のように直線運動の軸方向にそって対向
して配置されているので、電流の向き（位相）と大きさ
を適当に設定あるいは制御することによって両ピストン
４Ａ、４Ｂの往復運動を対向して同期させ圧縮室９の冷
媒を圧縮することができる。

【００２６】一方、圧縮機１０の回転軸６Ｂには冷凍機
のコールドヘッド１６が直結されている。コールドヘッ
ド１６内にはディスプレーサ１７が配置されている。配
管８を介してディスプレーサ１７と圧縮機１０とが結ば
れている。周期的に変化する冷媒ガス圧と位相をずらせ
たディスプレーサの動作により、冷媒の等温圧縮、等容
移送、等温膨張、等容移送のスターリング冷凍サイクル
を繰り返してコールドヘッド１６が低温に冷却される。

【００２７】コールドヘッド１６の先端部にはプロペラ
型のファン１８が装着されている。ファン１８はコール
ドヘッド１６と熱的に接触し、コールドヘッド１６によ
って冷却される。圧縮機１０の回転軸６Ａ、６Ｂの回転
とともにファン１８も回転して送風する機能を有する。

【００２８】圧縮機１０の円筒容器１の外周にはコイル
１２Ａ、１２Ｂが固定され、容器１は回転電動機のロー
タを構成している。圧縮機１０はさらに別の円筒容器１
３に収納されている。円筒容器１３の内側に永久磁石部
材１４Ａ、１４Ｂを固定し、回転電動機のステータを構
成している。

【００２９】ロータ側のコイル１２Ａ、１２Ｂは、慴動
接触端子７に接続された内部配線１５を介して電力の供
給を受ける。慴動接触端子７はステータ側の円筒容器１
３に支持されるもう一方の慴動接触端子１９と回転可能
に接触して外部の電源から電力を供給される。

【００３０】コールドヘッド１６の回転軸と電動機の回
転軸６Ａ、６Ｂとピストンの運動方向の中心軸とが同一
軸上に配置される。回転ファン１８の回転軸がコールド
ヘッド１６であるので、コールドヘッド１６ならびにフ
ァン１８自体により周囲の空気が冷却されるとすぐに、
冷却風は回転ファン１８により効率よく送風される。

【００３１】なお、対向型圧縮機を利用したので圧縮機
の振動は、互いに相殺し、問題にならない。図２に、以
上説明したような送風機を半導体素子の冷却に使用した
例を示す。

【００３２】図２において、２０は多数のＬＳＩパッケ
ージ２１を搭載する基板である。基板２０は断熱材の壁
を有する恒温容器２２に格納される。恒温容器２２の壁
面に穴があけられ、上述のスターリング冷凍機を使用し
た送風機のコールドヘッド１６と回転ファン１８が内部
に挿入される。

【００３３】恒温容器２２の内部に温度センサ２３を設
け、温度測定器２４により内部温度をモニタしつつ、冷
凍機制御装置２５によりスターリング冷凍機の動作を制
御することにより恒温容器２２内の温度を制御すること
ができる。

【００３４】以上のように冷凍機を動作しつつ、回転フ
ァン１８を回転させることにより、ファン１８自体が熱
交換器としての役目をするために、従来のように熱交換
器をファンとは個別に用意する必要がなく、熱交換効率
もよくなるので冷却装置としての小型化が可能となる。

【００３５】なお、対向式スターリング冷凍機を用いる
場合を説明したが、他の冷凍機を用いてもよい。冷凍機
のコールドヘッドに回転ファンを結合し、冷凍機ごと回
転ファンを回転できるものであればよい。

【００３６】本発明は以上説明した実施例に限るもので
はなく、当業者であれば、以上の開示から様々な改良や
変更が可能であることはいうまでもない。

【００３７】

【発明の効果】本発明によると、回転ファンの回転によ
って周囲の流体が冷却される。冷凍機の使用により冷却
温度を安定化できる。冷却効率が高くしかも冷却システ
ムを小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による冷却風の送風装置の断面
図である。

【図２】冷却風の送風装置を半導体素子の冷却システム
に適用した例を示す図である。

【図３】従来の技術による冷却システムを示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 円筒容器 ２Ａ、２Ｂ 可動コイル ３Ａ、３Ｂ 永久磁石部材 ４Ａ、４Ｂ ピストン ５Ａ、５Ｂ 内部配線 ６Ａ、６Ｂ 回転軸 ７、１９ 慴動接触端子 ８ 冷媒通路 ９ 圧縮室 １０ 圧縮器 １１Ａ、１１Ｂ 回転ベアリング １２Ａ、１２Ｂ コイル １３ 外部円筒容器 １４Ａ、１４Ｂ 永久磁石部材 １５ 内部配線 １６ コールドヘッド １７ ディスプレーサ １８ 回転ファン

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 気体冷媒を圧縮する機能を持つ電動圧縮
   機と、 前記電動圧縮機とともに冷凍サイクルを構成し、冷凍を
   発生するための冷却部材と、 前記冷却部材に熱接触を形成して固定され、回転するこ
   とにより接触した流体を送出する機能を持つ回転ファン
   と、 前記電動圧縮機、冷却部材、回転ファンを回転駆動する
   電動機と、 前記電動圧縮機と前記電動機の可動部とを一体構造とし
   て回転可能に格納する容器とを有する冷却風の送風装
   置。
2. 【請求項２】 前記電動圧縮機は磁界と該磁界中に配置
   されたコイルの電流とにより発生する駆動力によって、
   対向して配置される一対のピストンを往復運動させて冷
   媒を圧縮する対向型圧縮機であって、前記冷凍サイクル
   がスターリングサイクルであり、前記冷却部材がディス
   プレーサを含むコールドヘッドを構成する請求項１記載
   の冷却風の送風装置。
3. 【請求項３】 前記冷却部材の中心軸と前記電動機の回
   転軸と前記ピストンの中心軸とが同一軸上に配置される
   請求項２記載の冷却風の送風装置。
4. 【請求項４】 さらに、半導体集積回路装置を内部に複
   数配置した筐体を有し、前記筐体の該内部を流通する気
   体の通路に前記回転ファンを配置した請求項３記載の冷
   却風の送風装置。