(57)【要約】【課題】冷媒を用いた冷却システムの熱伝達部に、高熱伝導性金属やセラミックスを併用することで大幅に効率を向上させる。【解決手段】発熱部品から発生する熱を冷媒に移動し、冷媒をポンプで循環することによって放熱部より大気中に放熱させる冷却システムにおいて、冷媒中に高熱伝導性微粒子７を混在させ、あるいは高熱伝導性の線８の束を発熱部品に直接接触する冷媒収納金属ケースの内側の一部に一端を固定し、冷媒を移送するチューブ３内に配設し、もう一端を放熱部の一部に固定した構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱部品から発生する熱を冷媒に移動し、冷媒をポンプで循環することによって放熱部より大気中に放熱させる冷却システムにおいて、冷媒中に高熱伝導性微粒子を混在させたことを特徴とする冷却システム。
【請求項２】
発熱部品から発生する熱を冷媒に移動する受熱部と、冷媒をポンプで循環することによって放熱部より大気中に放熱させる冷却システムにおいて、高熱伝導性の線の束を受熱部のケースの内側に一端を固定し、他端を放熱部のケースの内側に固定したことを特徴とする冷却システム。
【請求項３】
冷媒中に混在させる高熱伝導性微粒子は、金、銀、銅、アルミニウム、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化アルミニウムの一つ以上からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
チューブ内に配設する線の束の材料が金、銀、銅、アルミニウム、炭素繊維の中の一つ以上からなることを特徴とする請求項２に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ポンプにより液体を循環させて熱を移動し、主に冷却を行う冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＣＰＵの処理速度の高速化に伴い発熱量も増大してきている。従来のようにヒートシンクを取り付けてファンにより冷却するシステムは限界に近づきつつある。このため、ＣＰＵ及びその他の電子部品を効率良く冷却する冷却システムが望まれており、これに対応する冷却方法として冷媒を循環させて冷却する冷媒式冷却システムが提案された（例えば特許文献１参照）。以下、このような冷媒を循環させて冷却する従来の冷却システムについて説明する。この従来の冷却システムは、例えば図３に示すものが知られている。図３は従来の冷却システムの構成図である。図３において、１００は筐体であり、１０１はＣＰＵ、１０２はＣＰＵ１０１を実装した基板、１０３はＣＰＵ１０１と冷媒との間で熱交換を行いＣＰＵ１０１を冷却する冷却器、１０４は冷媒から熱を取り除く放熱器、１０５は冷媒を循環させるポンプ、１０６はこれらを接続する配管、１０７は放熱器１０４を空冷するファンである。
【０００３】
この従来の第１の冷却システムの動作を説明すると、ポンプ１０５から吐出された冷媒は、配管１０６を通って冷却器１０３に送られる。ここでＣＰＵ１０１からの熱を奪うことでその温度が上昇し、放熱器１０４に送られる。この放熱器１０４でファン１０７によって強制空冷されてその温度が降下し、再びポンプ１０５へ戻ってこれを繰り返す。このように冷媒を循環させてＣＰＵ１０１を冷却するものであった。
【０００４】
次にＣＰＵの第１の冷却システムの効率を大幅に改善したものとして、従来の第２の冷却システムとして、図２に示すものが提案されている（例えば特許文献２参照）。この従来の第２の冷却システムの動作を図２及び、受熱部と放熱部の関係は本発明と同じ構成であるため図１も使って説明する。図２は本発明のポンプをケーシング側から見た分解斜視図で、この第２の冷却システムは、接触熱交換型ポンプがＣＰＵに接触されて内部の冷媒の熱交換作用でＣＰＵ４から熱を奪い、放熱部から放熱を行う冷却システムであって、接触熱交換型ポンプのポンプケーシングが高熱伝導率の材料で形成されるとともに、ポンプケーシングには、内部のポンプ室に沿った側面に受熱面が形成され、受熱面が接触位置においてＣＰＵの上部表面の３次元的な形状と相補的な形状に形成されている。ポンプのステーター６に制御された電流を与えるとローター（羽根車）５が回転を始める、ローター６と一体化した羽根車１１は吸込口１５から流入した冷媒に運動エネルギーを与え吐出口１６に送り出す。この時、ポンプケーシング９とケーシングカバー１０に囲まれた領域では乱流が発生し、高温となったポンプケーシング９の熱を冷媒に与える。ＣＰＵからの熱を奪って昇温した冷媒は配管（チューブ）３を通って放熱器２に送られ、放熱器２で冷却されて、温度降下した後に再度配管（チューブ）３を通って接触熱交換ポンプに戻り、これを繰り返すことによってＣＰＵ４を冷却するものであった。
【特許文献１】特開平５−２６４１３９号公報
【特許文献２】特開２００４−４７９２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の第１冷却システムでは、ＣＰＵ１０１と冷媒とで熱交換を行いＣＰＵ１０１を冷却する冷却器１０３、冷媒から熱を取り除くための放熱器１０４、冷媒を循環させるポンプ１０５と構成部品が多くなり小型化が難しくコストも高くなると言う問
題があった。また、従来の第２冷却システムはコンパクトに収納でき、熱交換特性にも優れるシステムではあるが、ＣＰＵ４の発熱を吸収するには限界があった。
【０００６】
そこで、本発明は、冷却効果を大幅に改善することが出来、かつ小型、薄型化に対応できる冷却システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この課題を解決するために本発明の冷却システムは、熱を移送する冷媒中に金、銀、銅、アルミニウム、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化アルミニウム等の高熱伝導性微粒子を混在させたことを特徴とする。
【０００８】
これにより、構造が簡単で低コストでありながら冷却効率を改善出来る冷却装置を実現できる。
【０００９】
また、本発明の冷却システムは、高熱伝導性の線の束を発熱部品に直接接触する冷媒収納金属ケースの内側の一部に一端を固定し、冷媒を移送するチューブ内に配設し、もう一端を放熱部の一部に固定したことを特徴とする。
【００１０】
これにより、構造が簡単で低コストでありながら冷却効率を改善出来る冷却装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように、本発明によれば、熱の受熱部から放熱部への移動を、熱伝導率の小さい冷媒（水）だけでなく、高熱伝導性金属あるいは高熱伝導性セラミックスの微粒子や高熱伝導性の金属線や炭素繊維の線の束に肩代わりすることにより、より効率的な冷却システムを提供するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の請求項１に記載の発明は、発熱部品から発生する熱を冷媒に移動する受熱部と、冷媒をポンプで循環することによって放熱部より大気中に放熱させる冷却システムにおいて、冷媒中に高熱伝導性微粒子を混在させた事を特徴とする冷却システムであるから、冷媒による熱移送の効率化が図れ、システムを複雑化することなく冷却効率を改善できる。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の発明は、発熱部品から発生する熱を冷媒に移動し、冷媒をポンプで循環することによって放熱部より大気中に放熱させる冷却システムにおいて、高熱伝導性の線の束を受熱部のケースの内側に一端を固定し、他端を放熱部のケースの内側に固定したことを特徴とする冷却システムであるから、冷媒の移送速度を速めなくても熱移送の効率化が図れ、冷却効率を改善できる。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の発明は、冷媒中に混在させる高熱伝導性微粒子は、銀、銅、アルミニウム、ダイヤモンド、炭化ケイ素、窒化アルミニウムの一つ以上からなることを特徴とする、請求項１に記載の冷却システムであるから、ポンプの性能に応じて最適な、種類とサイズ、充填量を選ぶことが出来る。
【００１５】
本発明の請求項４に記載の発明は、チューブ内に配設する線の束の材料が金、銀、銅、アルミニウム、炭素繊維の中の一つ以上からなることを特徴とする請求項２に記載の冷却システムであるから、配設する空間の複雑さやチューブの剛性に応じて最適な組み合わせを得ることが出来る。
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図１、図２を用いて説明する。なお、これらの図面において同一の部材には同一の符号を付しており、また、重複した説明は省略されている。
【００１７】
（実施の形態１）
図１（ａ）は本発明の実施の形態１における冷却システムの概要を示す図、（ｂ）は本発明の実施の形態１におけるア部の断面透視を示す図、（ｃ）本発明の実施の形態１の別の適用例におけるア部の断面透視を示す図である。図１において、１はＣＰＵ４からの熱を冷媒に伝えるための受熱部、２は暖められた冷媒の熱を空気中に排出する放熱部、３は受熱部１から放熱部２、あるいは放熱部２から受熱部１へと冷媒が循環する配管（チューブ）、４は熱を放出するＣＰＵ、５は冷媒を攪拌しかつ冷媒の循環を促すポンプのロータ（羽根車）、６はローター５と磁気的に結合されローター５に回転を与えるためのステータ、９は冷媒を密封し、かつＣＰＵの熱を冷媒に伝えるための金属製のポンプケーシング、１２はローター５の回転の軸となるシャフト、７は冷媒中に添加された高熱伝導性微粒子、８はパイプ中に配設された高熱伝導性の線の束である。なお冷媒としては、水を主体とし、食品添加物などに用いられる無害なプロピレングリコールを添加したものが適当であり、さらに後述するようにケーシング材料としてアルミや銅等を使用する場合には、これらに対する防食性能を向上させるための防食添加剤を添加するのが望ましい。
【００１８】
放熱部２は、ノート型パソコンの表示装置の裏面の幅の狭く広い空間で冷媒から熱を取り除く必要があるため、熱伝導率が高く放熱性の良い材料、例えば銅、アルミニウムなどの薄板材で構成され、内部に冷媒通路が形成されている。また、放熱部２に強制的に空気を当てて冷やすためのファンを設けてもよい。配管（チューブ）３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。これはチューブ３内に気泡が混入するのを防止するためである。
【００１９】
続いて実施の形態1における冷却システムの動作について説明する。外部電源から電力を供給されると、ポンプに設けられた半導体スイッチング回路により制御された電流がステーター６のコイルに流れ、回転磁界が発生する。この回転磁界がローターマグネットに作用することにより、このローターマグネットと一体成型されている羽根車１１がシャフト１２を軸に回転する。そして、羽根車１１に設けられた羽根は吸込口１５から流入した冷媒に運動エネルギーを与え、その運動エネルギーによりケーシング内の冷媒の圧力が高められ吐出口１６から吐き出される。次に熱の移動に関して説明する。発熱源であるＣＰＵ４は熱伝導グリスを介してケーシングに押し付けられた状態で固定されている。ＣＰＵ４から発生した熱はこのグリスを通してポンプケーシング９に伝えられる。ポンプケーシング９は熱伝導性の高い金属で構成されているため、直ちに反対側の冷媒と接触する面に伝えられる。ポンプケーシング９の材料としては、熱伝導率の高いアルミニウム（２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）や銅（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ）が好適である。しかしながら、発熱源であるＣＰＵ４の表面積は一辺１０ｍｍないしは７ｍｍの正方形であるため、熱を如何に拡散するかが大きな課題となる。このため、反対側の冷媒と接触する面には凹凸を設けたり、表面を粗くすることにより、表面積を大きくとる工夫がされている。次に、ポンプケーシング９の反対面（冷媒と接触する面）に到達した熱は、冷媒に熱伝達される。冷媒としては液体中で、熱伝導率の最も高い水（０．５６Ｗ／ｍ・Ｋ）を主要冷媒として用いる。実際の使用においては、凍結による機器破壊を防ぐためにエチレングリコールやプロピレングリコールなどの物質を混入させて凝固点を下げて用いられる。このため、熱伝導に関しては若干下がる方向にならざるを得ない。液体（水）は気体（空気;熱伝導率＝０．０２４１Ｗ／ｍ・Ｋ）に比べて２０倍近く熱伝導率が高いので空冷に比べ圧倒的に有利ではあるが、金属中の熱伝導に比べたら１／２００以下しかない。そこで、液体中に高熱伝導物質である、金属、その中でも熱伝導率の高い、金（３１９Ｗ／ｍ・Ｋ）、銀（４２８Ｗ／ｍ・Ｋ
）、銅（４０３Ｗ／ｍ・Ｋ）、アルミニウム（２３６Ｗ／ｍ・Ｋ）、あるいは、無機物であるダイヤモンド（約２０００Ｗ／ｍ・Ｋ）、炭化ケイ素（約２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）、窒化アルミニウム（約２５０Ｗ／ｍ・Ｋ）等の高熱伝導性微粒子７を混在させることにより、熱伝達・熱伝導の一部を受け持つようにする。ただし、この高熱伝導性微粒子７はポンプの軸と軸受けの隙間に入り込むほど小さくあってはならない。大きさとしては、径１００μｍ〜径５００μｍくらいが適切である。また、羽根車１１とポンプケーシング９の隙間よりも小さくすべきである。さらにこの高熱伝導性微粒子７はチューブを通って放熱部へ流入して放熱板との接触により熱交換をすることが出来る。また、別の使い方として、比重の大きい金属微粒子を受熱部のケーシング内に留まらせ、羽根車の回転によりケーシング内を動き回ることにより、冷媒に熱を伝えるための補助手段として使うことも可能である。他方、冷媒の熱伝導率を改善する手段として、ケーシングの一部に、金、銀、銅、アルミニウム、炭素繊維（熱伝導率５００Ｗ／ｍ・Ｋ以上）の一つないしは組み合わせてなる高熱伝導性線の束８をねじ止めあるいは溶接等により固定し、その高熱伝導性線の束８を配管（チューブ）３内に配設し、他方を放熱板にねじ止め、ないしは溶接により固定することにより、ケーシングの熱の移動を冷媒を介して行うとともに、直接的にも行なえるようにする。この線の束は配管（チューブ）３と同じようにノートパソコンの場合のディスプレイ部の開閉にも、あるいは、受熱部１と放熱器２の取り付けに際しても自由に動かせるようにフレキシブルな構成であることとする。また、配管（チューブ）３内に配設する場合も冷媒の流れを邪魔しないような体積を占めるように設定する。高熱伝導性線の１本の直径としては１００μｍ前後が適当である。この線を１０本から５０本程度束ねたものを高熱伝導性線の束８として用いることが好適である。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の冷却システムは、冷媒を循環して冷却を行う冷却装置を用いる電子機器の冷却に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における冷却システムの概要を示す図、（ｂ）本発明の実施の形態１におけるア部の断面透視を示す図、（ｃ）本発明の実施の形態１の別の適用例におけるア部の断面透視を示す図
【図２】本発明のポンプをケーシング側から見た分解斜視図
【図３】従来の冷却システムの構成図
【符号の説明】
【００２２】
１    受熱部
２    放熱器
３    配管（チューブ）
４    ＣＰＵ
５    ローター
６    ステータ−
７    高熱伝導微粒子
８    高熱伝導線の束
９    ポンプケーシング
１０    ケーシングカバー
１１    羽根車
１２    シャフト
１３    仕切りリング
１４    Ｏリング
１５    吸込口
１６    吐出口
１７    ねじ
１００    筐体
１０１    ＣＰＵ
１０２    ＣＰＵ基板
１０３    冷却器
１０４    放熱器
１０５    ポンプ
１０６    配管
１０７    ファン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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