(57)【要約】【課題】冷却効率が高く、冷媒の流量を増加させることができ、安価に発熱電子部品及び駆動回路からの発熱を抑えることができる冷却装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、冷媒を循環するための循環路に放熱器と遠心ポンプが設けられ、遠心ポンプが発熱電子部品に接触されることにより、冷媒との熱交換によって発熱電子部品から熱を奪い、放熱器から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポンプには、ステータ１３とコイル１４及び回路基板１５とから構成された磁界発生手段が、羽根車を磁界で回転させるために上部ケーシング１６の外側に設けられ、回路基板１５がステータ１３と上部ケーシング１６の間に配設されるとともに、その駆動回路１５ａが上部ケーシング１６に外部から熱的に接続されたことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を循環するための閉循環路に放熱装置と遠心ポンプが設けられ、前記遠心ポンプが発熱電子部品に接触されることにより、前記冷媒との熱交換によって該発熱電子部品から熱を奪い、前記放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、前記遠心ポンプには、ステータとこれに巻線されたコイル及び該コイルに電流を流す電気回路とから構成された磁界発生手段が、羽根車を磁界で回転させるためにポンプケーシングの外側に設けられ、前記電気回路が前記ステータと前記ポンプケーシングの間に配設されるとともに、該電気回路の発熱部品が前記ポンプケーシングに外部から熱的に接続されたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記発熱部品が樹脂のポッティングによって前記ポンプケーシングと熱的に接続されたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記発熱部品が高熱伝導性グリースによって前記ポンプケーシングと熱的に接続されたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記羽根車の中央付近に貫通小孔を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載された冷却装置。
【請求項５】
前記発熱部品近傍のポンプケーシングの内面に冷媒をより多く流すための溝が設けられたことを特徴とする請求項４記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パーソナルコンピュータ等に使われるマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵと略す）等の半導体またはその他の発熱電子部品を冷媒の循環により冷却する冷却装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器においては電子部品が高集積化され、動作クロックも高周波数化しており、これに伴って電子部品からの発熱量が増大している。このため各電子部品の接点温度が動作温度範囲を越えてしまい、電子部品が誤動作することが少なからず発生している。従って各電子部品を動作温度範囲内に保つことは、各電子部品を正常動作させる重要な課題となってきている。
【０００３】
しかし、従来のようにヒートシンクで空冷するだけではこのような発熱電子部品に対しては能力不足で、より能力の高い、高効率の冷却装置が不可欠になっている。そこでこのような冷却装置として、本出願人は、発熱した電子部品を冷媒の循環により高効率に冷却する冷却装置を提案した（特許文献１参照）。
【０００４】
以下、このような冷媒を循環させて冷却する従来の冷却装置について説明する。図３は従来の冷却装置の遠心ポンプの断面図、図４は冷却装置を備えた電子機器の構成図である。
【０００５】
まず、ノート型パソコンを例にとって電子機器の冷却装置の構成について説明する。図４において、１は冷却装置を搭載したノート型パソコンの筐体、２はノート型パソコンのキーボード、３は冷却装置を構成するため発熱体に接触して熱交換する遠心ポンプ、４はＭＰＵ等の発熱電子部品である。５は発熱電子部品４を実装した基板、６は熱を運搬する冷媒（図示せず）、７はノート型パソコンのディスプレイの背面（裏側）に設けられ発熱電子部品４から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、８は遠心ポンプ３と放熱器７を接続して冷媒を循環するための閉じた循環路である。
【０００６】
なお、この冷媒６としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液が適当であり、さらに後述するようにケーシング材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。放熱器７は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で構成され、内部に冷媒通路とリザーブタンクが形成されている。また、放熱器７に強制的に空気を当てて冷やし冷却効果を増やすためファンを設けてもよい。循環路８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。このようなノート型パソコン用の冷却装置の遠心ポンプ３は、駆動が容易なブラシレスＤＣモータ方式が適しており、図４に示したノート型パソコンにおいても、ブラシレスＤＣモータ方式が採用されている。
【０００７】
次に、図３に基づいて遠心ポンプ３の内部構成について説明する。図３において、１１は遠心ポンプ３の開放型の羽根車、１１ａは羽根車１１の羽根、１２は羽根車１１の外周側方に設けられたマグネットロータ、１３はマグネットロータ１２の内周側に設けられたステータ、１４はステータ１３に巻かれたコイル、１５はコイル１４に電流を流す電気回路が実装された回路基板、１５ａは回路基板１５上に実装された駆動回路、１６は羽根車１１を収容すると同時に羽根車１１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して吐出口へと導くための上部ケーシング、１６ａは上部ケーシング１６に形成された吐出路、１７はオープン羽根である羽根１１ａによって与えられた運動エネルギーを圧力回復して吐出路へと導くためのポンプ室、１８は上部ケーシング１５と嵌合し発熱電子部品４と接触させる受熱ケーシングである下部ケーシング、１８ａは下部ケーシングに形成された吸込路、１８ｂは発熱電子部品４から受け取った熱を冷媒に伝える放熱フィン、１９は羽根車の回転軸であり上部ケーシング１６に固定されたシャフトである。
【０００８】
ここで従来の冷却装置の遠心ポンプの作用について説明する。冷媒６は吸込路１８ａを通ってポンプ室１７の中央部分に向って流入する。その際冷媒６は、発熱電子部品４の熱を受け取り高温になった放熱フィン１８ｂから受熱する。その後冷媒６は羽根１１ａにより吐出路１６ａへと導かれる。
【０００９】
そして、駆動回路１５ａはコイル１４に流す電流の向きを交番的にスイッチングする働きをしており、バイポーラ型トラジンスタ等により構成されている。
【特許文献１】特開２００４−２８５８８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここで、発熱電子部品４の熱をより高効率に冷媒６に伝える方法を考えると、冷媒６の流量を増やすことが考えられる。冷媒６の流量が増えると冷媒６の流速が増大するので、温度境界層がより薄い乱流となり、冷媒６と放熱フィン１８ｂとの熱伝達係数が増加するためである。同様に、冷媒６の流量が増えると、放熱器７においても伝熱効率が上昇するので、総合的に見て冷媒６の流量増大は冷却効率上昇に大きく寄与する。
【００１１】
そこで冷媒６の流量を増大させる方法を検討すると、最も簡単な方法として羽根車１１の回転させる駆動力を上げる方法が考えられる。これにより羽根車１１の回転数が上がり、冷媒６の流量を増やすことができる。このほかスペース的な余裕がある場合には、羽根車１１の直径を大きくする方法も考えられる。羽根車１１の回転させる駆動力が十分確保できれば、羽根車１１の直径を大きくしてもこれによって羽根車１１の回転数は落ちず、冷媒６の流量を増やすことが可能になる。
【００１２】
ところで、羽根車１１の回転させる駆動力を上げるにはコイル１４に流す電流を増やせばよい。しかし、コイル１４に流す電流を増やすと、駆動回路１５ａが発熱し、駆動回路１５ａが高温となって、最悪の場合駆動回路１５ａが破壊されるので、コイル１４に流す電流にも限界がある。ここで駆動回路１５ａが発熱する理由は、駆動回路１５ａがコイル１４に流す電流の向きを交番的にスイッチングする際、使用しているバイポーラ型トラジンスタに損失があるためである。電流切り替え素子として、バイポーラ型トランジスタの代わりに損失の少ない電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を使う方法もあるが、一般に電界効果型トランジスタはバイポーラ型トランジスタよりはるかに高価であるため、冷却装置自体も高価なものとなってしまう。
【００１３】
そこで本発明は上記の課題を解決するもので、冷却効率が高く、冷媒の流量を増加させることができ、安価に発熱電子部品及び駆動回路からの発熱を抑えることができる冷却装置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】
【００１４】
本発明は、冷媒を循環するための閉循環路に放熱装置と遠心ポンプが設けられ、遠心ポンプが発熱電子部品に接触されることにより、冷媒との熱交換によって該発熱電子部品から熱を奪い、放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポンプには、ステータとこれに巻線されたコイル及び該コイルに電流を流す電気回路とから構成された磁界発生手段が、羽根車を磁界で回転させるためにポンプケーシングの外側に設けられ、電気回路がステータとポンプケーシングの間に配設されるとともに、該電気回路の発熱部品がポンプケーシングに外部から熱的に接続されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
これら本発明の冷却装置によれば、安価に羽根車を回転させる駆動力を上げることができ、これによって冷媒の流量を増加させ、冷却効率を向上させることができ、発熱電子部品の温度を低く保つことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
上記の課題を解決するために本発明の第１の発明は、冷媒を循環するための閉循環路に放熱装置と遠心ポンプが設けられ、遠心ポンプが発熱電子部品に接触されることにより、冷媒との熱交換によって該発熱電子部品から熱を奪い、放熱装置から放熱を行う冷却装置であって、遠心ポンプには、ステータとこれに巻線されたコイル及び該コイルに電流を流す電気回路とから構成された磁界発生手段が、羽根車を磁界で回転させるためにポンプケーシングの外側に設けられ、電気回路がステータとポンプケーシングの間に配設されるとともに、該電気回路の発熱部品がポンプケーシングに外部から熱的に接続された冷却装置であり、電気回路上の発熱部品で発生した熱がポンプケーシングに伝わるので、発熱部品の温度が低く保てるという作用を有する。
【００１７】
本発明の第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、発熱部品が樹脂のポッティングによってポンプケーシングと熱的に接続された冷却装置であり、ポッティングされた樹脂により発熱部品とポンプケーシングが空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良くケーシングに伝わるという作用を有する。
【００１８】
本発明の第３の発明は、第１の発明に従属する発明であって、発熱部品が高熱伝導性グリースによってポンプケーシングと熱的に接続された冷却装置であり、高熱伝導性グリースにより発熱部品とポンプケーシングが空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良くケーシングに伝わるという作用を有する。
【００１９】
本発明の第４の発明は、第１〜３のいずれかの発明に従属する発明であって、羽根車の中央付近に貫通小孔を設けた冷却装置であって、羽根車外周部の冷媒が羽根車の裏側を通り貫通小孔へと流れるようになるため、ポンプケーシングを伝わってきた熱が効率良く冷媒へと伝わるというという作用を有する。
【００２０】
本発明の第５の発明は、第４の発明に従属する発明であって、発熱部品近傍のポンプケーシングの内面に冷媒をより多く流すための溝が設けられた冷却装置であって、冷媒が溝の部分を通り羽根車の貫通小孔へとスムーズに流れるため、多くの冷媒が溝部分を流れるので、ポンプケーシングを伝わってきた熱が効率良く冷媒へと伝わるというという作用を有する。
【００２１】
以下、本発明の実施例について、図１、図２、図４を用いて説明する。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
本発明の実施例１における冷却装置の遠心ポンプについて説明する。図４は冷却装置を備えた電子機器の構成図、図１は本発明の実施例１における冷却装置の遠心ポンプの断面図、図２は本発明の実施例１における上部ケーシングの単品斜視図である。
【００２３】
なお、実施例１の冷却装置が電子機器で使われる全体構成は、従来の冷却装置の説明において図４を基に説明したので重複するから説明を省略する。
【００２４】
次に、図１、図２に基づいて遠心ポンプ３の内部構成について説明する。図１、図２において、１１は遠心ポンプ３の開放型の羽根車、１１ａはオープン羽根にされた羽根、１１ｂは羽根車１１の中心部近傍（本発明の中央付近）に設けられた小孔、１２は羽根車１１の外周側方に設けられたマグネットロータである。
【００２５】
羽根車１１はマグネットロータ１２と別体構成でもよいが、マグネットロータ１３となる部分に着磁させた一体型の羽根車１１とするのがよい。羽根車１１が回転しているとき、羽根１１ａの外周部の冷媒６の圧力は羽根１１ａの裏側の中心部近傍（図１のＫで示す部分）より高圧になるため、小孔１１ｂを通って冷媒６は少量還流する。これにより羽根車１１への過度なスラスト力が軽減され羽根車１１の回転がスムーズになるともに、後述する上部ケーシングを冷媒６により冷却する効果が得られる。なお、実施例１のポンプの諸元は、厚さ３ｍｍ〜５０ｍｍ、半径方向代表寸法１０ｍｍ〜１００ｍｍの超小型で、回転数は１０００ｒｐｍ〜８０００ｒｐｍ、ヘッド０．５ｍ〜１０ｍ程度のものである。
【００２６】
続いて、図１において、１３はマグネットロータ１３の内周側に設けられたステータ、１４はステータ１３に磁界を発生させるステータ１３に巻線されたコイル、１５はコイル１４に電流を流す電気回路が実装された回路基板、１５ａは回路基板１５上に実装された駆動回路である。ステータ１３は渦電流損失を少なくするため珪素鋼板を複数枚積層して構成されることが望ましい。コイル１４としては絶縁皮膜のついた銅線が適しており、コイル１４の線径と巻数は使用される電源電圧、線積率を考慮して最適化される。回路基板１５上に実装された駆動回路１５ａには、マグネットロータ１２の回転位置を検出するホール素子、電流方向切り替え用のトランジスタやダイオードが含まれる。実施例１においては、トランジスタとして、損失により発熱を伴うが低価格で入手可能なバイポーラ型トランジスタを採用している。これによって本実施例１の冷却装置を電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を使う場合と比較して安価なものにすることができる。また電流方向切り替え用の部分は集積されたドライバＩＣを用いることもできる。
【００２７】
次に、１６は羽根車１１を収容すると同時に羽根車１１が流体に与えた運動エネルギーを圧力回復して吐出口へと導くための上部ケーシング、１６ａは上部ケーシング１６に形成された吐出路、１６ｂは上部ケーシング１６の内面に設けられた溝部であり、上部ケーシング１６の壁に対し駆動回路１５ａの略反対位置に設けられている。溝部１６ｂを設けることで、前述した羽根車１１裏面の冷媒６の還流がこの溝部１６ｂを案内され集中するので、溝部１６ｂの近距離にある駆動回路１５ａが効率よく冷却される。上部ケーシング１６は形状が複雑であることとある程度の耐熱性が要求されることから、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）等の樹脂成形での製作が好適である。上部ケーシング１６を金属で製作することは、ステータ１３等の磁気回路が発生する磁束変動により渦電流損失を発生させるので好ましくない。
【００２８】
また、１７は羽根１１ａによって与えられた運動エネルギーを圧力回復して吐出路へと導くためのポンプ室である。１８は発熱電子部品４と接触させる受熱ケーシングである下部ケーシングであり、高熱伝導率で放熱性のよい銅、アルミニウム等の金属材料で、鋳造、鍛造、機械加工やこれらの組み合わせの加工方法により構成される。なお、上部ケーシング１６と下部ケーシング１８が本発明のポンプケーシングを構成する。１８ａは冷媒６の入口である吸込路、１８ｂは冷媒６との放熱面積を大きくするための放熱フィン、１８ｃはポンプ室１６の側面を形成するすり鉢状の凹状錐面が形成されたコーン状肉厚部、１８ｄは発熱電子部品４と接触させるための接触面、１８ｅは羽根車１１のスラスト力を受け止めるスラスト受け部である。
【００２９】
そして、１９は上部ケーシング１６に設けられ、羽根車１１を回転自在に軸支するためのシャフトであり、上部ケーシング１６に樹脂で一体に固定される。２０は充填材であり、駆動回路１５ａと上部ケーシング１６との間の空隙を無くし、駆動回路１５ａで発生した熱を効率よく上部ケーシングに伝える働きをする。充填材２０の材質としては、高熱伝導性と電気回路と接触するため電気絶縁性が求められるが、エポキシ系ポッティング材や熱伝導性グリースが好適である。
【００３０】
以上説明した遠心ポンプ３を組み立てるときは、まず、上部ケーシング１６と一体成形されたシャフト１９に羽根車１１を挿入する。次いで、上部ケーシング１６に下部ケーシング１８を嵌合し、ねじ等（図示せず）を用いて固定する。一方、別工程でステータ１３にコイル１４を巻線し、この巻線したステータ１３に駆動回路１５ａを実装した回路基板１５を取り付ける。なお、以下、この組み立て体を磁気回路組み立て体という。
【００３１】
駆動回路１５ａと上部ケーシング１６の空隙を無くすため充填材２０をポッティングするが、充填材２０としてエポキシ系ポッティング材を用いる場合は、磁気回路組み立て体を上部ケーシング１６の窪みの中に挿入した後、充填材２０を流し込み、その後恒温槽等を用いてポッティング材を硬化させる。これにより、駆動回路１５ａの発熱部品と上部ケーシング１６が空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良く上部ケーシング１６に伝熱できる。
【００３２】
また、充填材２０として熱伝導性グリースを用いる場合は、予め磁気回路組み立て体の駆動回路１５ａ、上部ケーシング１６の該当部の両方あるいはどちらか一方に熱伝導性グリースを塗布しておき、その後磁気回路組み立て体を上部ケーシング１６の窪みの中に挿入する。これにより、ポッティング材と同様、駆動回路１５ａの発熱部品と上部ケーシング１６が空隙なく接続され、発熱部品で発生した熱が効率良く上部ケーシング１６に伝熱することが可能なる。
【００３３】
次に、実施例１における冷却装置の遠心ポンプ３の作用について説明する。まず、駆動回路１５ａに電圧を印加し、ステータ１３に交番磁界を発生させると、この磁界により羽根車１１が回転し、遠心ポンプ３がポンプとして動作するようになる。すると、冷媒６は吸込路１８ａを通ってポンプ室１７の中央部分に吸引されるようになり、冷媒６の循環が継続して行われるようになる。
【００３４】
このとき、下部ケーシング１８は接触面１８ｄで発熱電子部品４と接触しているため発熱電子部品４で発生した熱が伝達される。冷媒６がポンプ室１７に流入する際、低温の冷媒６が放熱フィン１８ｂに高い流速で接触するので、主流が低温で薄い乱流の温度境界層が形成され、温度差が大きく層流の場合より熱伝達率が大きいため、効率よく下部ケーシング１８の熱が伝熱される。その後、温度上昇した冷媒６は羽根１１ａの外周部へと導かれ、吐出路１６ａへと流れ、吐出される。このとき、羽根１１ａの外周部へと導かれた冷媒６は圧力がポンプ室１７の中央部より高いため、一部は羽根車１１の裏面に回り込んで、羽根車１１中央部へ向って流れ、羽根車１１に設けられた小孔１１ｂから流出される。この羽根車１１の裏面を流れる冷媒６は、流路抵抗の小さい上部ケーシング１６に設けられた溝部１６ｂに沿って多くが流れるが、この溝部１６ｂを通る流速の高い冷媒６が効率よく上部ケーシング１６の熱（駆動回路１５ａの発熱を受け取った熱）を奪いとる。仮に羽根車１１に小孔１１ｂを設けていなかったとしたら、上述したような羽根車１１裏面での冷媒６の還流は発生しないが、この場合でも羽根車１１の回転や熱により羽根車１１裏面に冷媒６による循環流を含む複雑な流れを形成し、淀むことはないので、駆動回路１５ａの発熱を受け取った上部ケーシング１６の熱を冷媒６が奪い取ることができ、発熱電子部品４と駆動回路１５ａの温度上昇を抑えることができる。
【００３５】
このように実施例１の冷却装置によれば、低価格のバイポーラ型トランジスタを使って容易に冷媒の流量を増加させることができ、冷却効率が高く、発熱電子部品４と駆動回路１５ａからの発熱を抑えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、発熱電子部品を冷媒の循環により冷却する電子部品の冷却装置に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１における冷却装置の遠心ポンプの断面図
【図２】本発明の実施例１における上部ケーシングの単品斜視図
【図３】従来の冷却装置の遠心ポンプの断面図
【図４】冷却装置を備えた電子機器の構成図
【符号の説明】
【００３８】
１    筐体
２    キーボード
３    遠心ポンプ
４    発熱電子部品
５    基板
６    冷媒
７    放熱器
８    循環路
１１    羽根車
１１ａ    羽根
１１ｂ    小孔
１２    マグネットロータ
１３    ステータ
１４    コイル
１５    回路基板
１５ａ    駆動回路
１６    上部ケーシング
１６ａ    吐出路
１６ｂ    溝部
１７    ポンプ室
１８    下部ケーシング
１８ａ    吸水路
１８ｂ    放熱フィン
１８ｃ    コーン状肉厚部
１８ｄ    接触面
１８ｅ    スラスト受け部
１９    シャフト
２０    充填材
【図１】
2006173511.tif 000003
【図２】
2006173511.tif 000004
【図３】
2006173511.tif 000005
【図４】
2006173511.tif 000006