(57)【要約】【課題】密閉系循環流路において効率よく液体を循環させること。【解決手段】内部に液体が封入される流路であって、弾性を有する流路と、前記流路の入口と出口と連通するポンプであって、所定の吐出圧力で前記液体を吐出し前記流路内を循環させるポンプと、を備え、前記流路と前記ポンプとで密閉系循環流路を構成し、前記ポンプの非駆動時における前記流路内の圧力が前記ポンプの吐出圧力の１／２以上である、熱交換装置。【選択図】図３
2012160629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に液体が封入され、弾性を有する流路と、
前記流路の入口と出口と連通し、所定の吐出圧力で前記液体を吐出することによって、前記流路の内部に前記液体を循環させるポンプと、
を備え、
前記ポンプの非駆動時における前記流路の内部の圧力が前記所定の吐出圧力の１／２以上である、熱交換装置。
【請求項２】
前記ポンプの非駆動時における前記流路内の圧力は、前記ポンプの吐出圧力の１／２である、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項３】
前記循環流路にシリンジが取り付けられ、
前記シリンジにより前記流路内の圧力が前記ポンプの吐出圧力の１／２以上になるように前記液体が封入される、請求項１に記載の熱交換装置。
【請求項４】
前記流路内の圧力が前記ポンプの吐出圧力の１／２以上になるように、加圧チャンバーの中で前記液体が封入される、請求項１または３に記載の熱交換装置。
【請求項５】
前記ポンプの吐出圧力は、前記ポンプの供給口圧力が大気圧であるときにおける吐出圧力である、請求項１〜４のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項６】
前記ポンプは前記液体の逆流を防止する機構を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の熱交換装置。
【請求項７】
請求項１〜６に記載の熱交換装置を備える電子機器。
【請求項８】
内部に液体が封入され、弾性を有する流路と、
前記流路の入口と出口と連通し、所定の吐出圧力で前記液体を吐出することによって、前記流路の内部に前記液体を循環させるポンプと、
を備え、
前記ポンプの非駆動時における前記流路の内部の圧力が、前記ポンプへの流入圧力に、前記所定の吐出圧力から前記流入圧力を差し引いた圧力の１／２を加えた圧力である、熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換装置、及び、電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
発熱する機器を冷却する冷却機構が用いられている。このような冷却機構の中には、流路の中の冷却水をポンプによって循環させるものがある。そして、循環させた冷却水により発熱する機器を冷却する。
【０００３】
特許文献１には、プロジェクタ装置において、冷却用液体が循環ポンプにより常時循環冷却することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平８−２４２４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
密閉系循環流路においてポンプを駆動した場合、ポンプの吐出側と供給側とでポンプ駆動による圧力差が生ずる。そうすると、冷却水の流路に変形が生じ、ポンプ前後の流路中の流体体積に偏りが生ずる。そして、そのまま駆動を続けると供給側圧力が負圧となり、ポンプの出力特性が低下するという問題がある。よって、密閉系循環流路においてポンプの出力特性を低下させず、効率よく液体を循環させることが望ましい。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、密閉系循環流路において効率よく液体を循環させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するための主たる発明は、
内部に液体が封入され、弾性を有する流路と、
前記流路の入口と出口と連通し、所定の吐出圧力で前記液体を吐出することによって、前記流路の内部に前記液体を循環させるポンプと、
を備え、
前記ポンプの非駆動時における前記流路の内部の圧力が前記所定の吐出圧力の１／２以上である、熱交換装置である。
【０００８】
本発明の他の特徴については、本明細書及び添付図面の記載により明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１Ａは、本実施形態における密閉系循環流路の概略図であり、図１Ｂは、ポンプ１０の概略断面図である。
【図２】密閉系流路の圧力と開放形流路の圧力との違いを説明する図である。
【図３】本実施形態における流路内の圧力分布の説明図である。
【図４】流路内の圧力の上限を説明する図である。
【図５】本実施形態における流路内の予圧の決定方法を説明する第１の図である。
【図６】本実施形態における流路内の予圧の決定方法を説明する第２の図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項が明らかとなる。
内部に液体が封入され、弾性を有する流路と、
前記流路の入口と出口と連通し、所定の吐出圧力で前記液体を吐出することによって、前記流路の内部に前記液体を循環させるポンプと、
を備え、
前記ポンプの非駆動時における前記流路の内部の圧力が前記所定の吐出圧力の１／２以上である、熱交換装置。
このようにすることで、ポンプの非駆動時における流路の内部の圧力が、ポンプの吐出圧力の１／２以上となっており、ポンプの非駆動時において流路の内部に予め圧力がかかっている状態となっている。そのため、ポンプを駆動したときにおいて、液体がポンプに供給される側の流路の内部の圧力が負圧となることを防ぐことができる。その結果、液体を欠乏させることなく、効率的に液体を循環させることができる。
【００１１】
かかる熱交換装置であって、前記ポンプの非駆動時における前記流路内の圧力は、前記ポンプの吐出圧力の１／２であることが望ましい。
このようにすることで、効率よく液体を循環させることができるとともに、流路のレイアウトの自由度が向上し、熱交換装置を小型化できる。
【００１２】
また、前記密閉系循環流路にシリンジが取り付けられ、前記シリンジにより前記流路内の圧力が前記ポンプの吐出圧力の１／２以上になるように前記液体が封入されることが望ましい。
このようにすることで、熱交換装置の製造時において密閉系循環流路にシリンジにより予圧を加えることができる。
【００１３】
また、前記流路内の圧力が前記ポンプの吐出圧力の１／２以上になるように、加圧チャンバーの中で前記液体が封入されることとしてもよい。
このようにすることで、熱交換装置の製造時において密閉系循環流路に加圧チャンバーにより予圧を加えることができる。
【００１４】
また、前記ポンプの吐出圧力は、前記ポンプの供給口圧力が大気圧であるときにおける吐出圧力であることが望ましい。
このようにすることで、大気圧を基準として密閉系循環流路の予圧を適切に加えることができる。
【００１５】
また、前記ポンプは前記液体の逆流を防止する機構を備えることが望ましい。
このように逆流を防止する機構を有し、吐出側と供給側とで圧力差が生じやすいポンプを用いた場合であっても、密閉系循環流路において効率よく液体を循環させることができる。
【００１６】
また、電子機器が前記熱交換装置を備えることが望ましい。
上述した熱交換装置を備えることにより、電子機器が効率よく冷却されるため、所望の動作を継続して行うことができる。
【００１７】
また、本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも、以下の事項も明らかとなる。すなわち、
内部に液体が封入され、弾性を有する流路と、
前記流路の入口と出口と連通し、所定の吐出圧力で前記液体を吐出することによって、前記流路の内部に前記液体を循環させるポンプと、を備え、
前記ポンプの非駆動時における前記流路の内部の圧力が、前記ポンプへの流入圧力に、前記所定の吐出圧力から前記流入圧力を差し引いた圧力の１／２を加えた圧力である、熱交換装置である。
このようにすることで、供給側の圧力を使用環境の大気圧より下げることなく液体をポンプに供給することができるので、密閉系循環流路において効率よく液体を循環させることができる。
【００１８】
＝＝＝実施形態＝＝＝
図１Ａは、本実施形態における熱交換装置１の概略図である。図には、ポンプ１０と、流路２０と、熱交換対象３０が示されている。
【００１９】
流路２０の一方はポンプ１０の吐出側に接続され、流路２０の他方はポンプ１０の供給側に接続される。流路２０とポンプ１０とで構成する密閉系循環流路（以下、密閉系流路とも言う）には、液体が封入されている。封入される液体は、例えば水である。密閉系循環流路において密封される液体の内圧は、ポンプの吐出圧力の１／２以上にされている。この理由については後述する。
【００２０】
図１Ｂは、ポンプ１０の概略断面図である。ポンプ１０は、供給側から流入する液体を吐出側から吐出させるためのものである。図１Ｂに示されるように、ポンプ１０は、供給側流路１０２と、吐出側流路１０４と、バッファ室１０６と、弁１０８と、圧電素子１１０とを備える。供給側流路１０２には、液体が供給される。バッファ室１０６には、供給された液体が一時的に貯留される。圧電素子１１０は、パルス状の駆動信号が供給されることにより、バッファ室１０６の方向に向かって伸縮する。これにより、弁１０８の下部の圧力が変動し、弁１０８が開閉し、液体が吐出側流路１０４に流入する。このようにして、ポンプ１０が作動させられることにより、液体が供給側流路１０２から吐出側流路１０４に送られることになる。
【００２１】
本実施形態において、ポンプ１０は、所定の温度範囲において作動させられることが好ましい。これは、所定の温度範囲をはずれると、液体の収縮または膨張のため流路２０内において適切な内圧が得られなくなるからである。例えば、温度が低すぎた場合には、流路２０内の内圧は低くなりすぎ、後述する理由から効率よく液体を循環させることができない。また、温度が高すぎた場合には、液体の膨張により、後述する内圧上限を上回ってしまう場合がある。本実施形態では、所定の温度範囲を、１０℃から４０℃としている。
【００２２】
流路２０は、樹脂のような弾性変形可能な材質により製造されている。流路２０の一部は、熱交換対象３０にその外側で接することにより、熱交換対象３０と流路２０の液体との熱を交換する。また、流路２０は、弾性変形可能な金属でもよく、弾性変形可能な材質であれば他も起用できる。尚、流路２０は、熱交換の効率を高くするため、熱伝導性が高い材質がより望ましい。
【００２３】
熱交換対象３０は、例えば、コンピュータのＣＰＵなどの熱を発生するものであり、熱を発生する電子機器や機械、機器を熱交換対象とすることができる。尚、不図示ではあるが、流路２０には、放熱板を設けることとしてもよい。
【００２４】
図２は、密閉系流路の圧力と開放系流路の圧力との違いを説明する図である。図には、密閉系流路の場合の圧力分布が点線で示され、開放系流路の場合の圧力分布が実線で示されている。ポンプ１０により液体を循環させると、密閉系流路及び開放系流路ともに、吐出側の圧力は供給側の圧力よりも高くなる。図では、開放形流路においてΔｐだけ圧力が高くなっている様子が示されている。
【００２５】
ここで、開放系流路とは、例えば、ポンプ供給側に接続された流路の少なくとも一部が、大気開放されている箇所を有するような、流路において大気と接触する箇所を有するものである。
【００２６】
開放系流路では、ポンプ供給側に接続された流路の一部が開放されているため、供給口の圧力は使用環境の大気圧にほぼ等しくなる。したがって、ポンプ特性は低下することはなく、ポンプ吐出口の圧力はΔｐだけ圧力が高くなり、ポンプ吐出口に接続された流路内の圧力分布は、ポンプ吐出口をΔｐ、大気開放された一端を使用環境の大気圧基準を０とすれば、図２の実線のように直線的に分布する。
【００２７】
なお、上記のようなポンプ１０を用いた場合、吐出口近傍では脈動流であるが、循環流路を構成する流路が変形するなどの作用で脈動が減衰し定常流とみなすことができる。よって、これらの図では圧力が直線的に分布している様子が示されている。
【００２８】
開放系流路では、図２の実線のように圧力が分布することにより、流路が変形し、流路体積が増加するが、体積の増加分は、例えば供給側に接続された流体容器から流体が補充される。
【００２９】
一方、密閉系流路では、流路からの液体の蒸発がないものとすると、流路内の流体の量は一定であるため、ポンプ吐出側の流路体積が圧力により増加することに起因して、ポンプ供給側の流体が欠乏し、供給側の圧力が使用環境の大気圧より負圧となる。従って、ポンプ１０に液体が供給されづらく、ポンプの特性が低下する。
【００３０】
よって、本実施形態における密閉系流路では、上記のような状況下において供給側の圧力が負圧にならないように、開放系流路の場合の流路の体積増分以上の流体を、あらかじめ流路内に封入しておき、流路内に予圧を加えている。
このようにすれば、密閉系流路においてポンプを駆動させた場合に、ポンプの供給側と吐出側とで流体体積の偏りが生じても、開放系流路と同様に流路内の圧力がポンプ吐出口から供給口まで大気圧以上の分布となるため、流路内のどの位置でも流路内の圧力が、使用環境の大気圧より負圧とならず、ポンプ特性が低下することはない。
【００３１】
図３は、本実施形態における流路内の圧力分布の説明図である。図には、密閉系流路の場合の圧力分布が点線で示され、開放系流路の場合の圧力分布が実線で示されている。本実施形態では、密閉系流路の圧力が全体的にΔｐ／２かさ上げされている。なお、ここでは基準となる圧力を大気圧としている。
【００３２】
また、図中には、参考として一点鎖線で、密閉流路に予圧を加えていない場合の密閉流路内の圧力分布が示されている。（図２の点線で示す圧力分布に相当する）。予圧を加えていない場合、上述したようにポンプの供給側圧力が使用環境の大気圧より負圧となり、ポンプ特性が低下している。
【００３３】
前述の図２に示されていたとおり、Δｐは開放系流路におけるポンプ１０の駆動による圧力である。すなわち、Δｐは、ポンプ１０の吐出圧力である。よって、図３に示す本実施形態では、密閉系流路（密閉系循環流路に相当する）の圧力が全体的にポンプ１０の吐出圧力の１／２以上予圧されていることになる。つまり、ポンプ１０の非駆動時における密閉系流路の内圧がΔｐ／２以上となるように予圧されていることになる。
【００３４】
また、言い換えると、ポンプ１０の非駆動時における流路２０内の圧力が、ポンプ１０の供給側圧力に、ポンプ１０の吐出圧力から供給側圧力を差し引いた圧力の１／２を加えた圧力であるとも言える。
【００３５】
このような熱交換装置１は、シリンジにより圧力を加えて密閉系流路に液体を圧入し、予圧がΔｐ／２だけ高められたときにシーリングすることにより製造されることとしてもよい。また、圧力がΔｐ／２だけ高められた加圧チャンバーの中で密閉系流路に液体を封入することにより、熱交換装置１が製造されることとしてもよい。
【００３６】
このように、ポンプ１０の非駆動時における流路２０内の圧力がポンプ１０の吐出圧力の１／２以上とすることで、ポンプ１０を駆動したときにおいて液体を欠乏させずに供給側に供給することができる。そして、効率的に液体を循環させることができる。
【００３７】
図４は、流路内の圧力の上限を説明する図である。図には、二点鎖線で流路内の圧力の上限が示されている。流路内の圧力は、ポンプ１０の吐出口が最も高いが、この圧力がポンプ１０、流路２０、及び、これらの接続部分の強度を下回るような圧力に設定される。
【００３８】
また、予圧量をΔｐ１(Δｐ１≧Δｐ／２)とすると、ポンプ駆動時のポンプ吐出口の圧力は、ポンプの吐出圧力Δｐの１／２と予圧量Δｐ１を足し合わせた圧力となる。すなわち、流路内の圧力分布の内、もっとも高い圧力はΔｐ１＋Δｐ／２となる。ポンプ１０、流路２０、およびこれらの接続部分のうち、もっとも強度の低い部分の耐圧をΔｐｄとすれば、Δｐ１＋Δｐ／２＜Δｐｄとなる必要がある。
すなわち、予圧量Δｐ１は以下の関係を満たす。
Δｐ／２≦Δｐ１＜Δｐｄ−Δｐ／２
【００３９】
よって、上式においてΔｐｄは少なくともΔｐよりも高くすることにより、ポンプ特性を低下させずに、密閉循環流路内で流体を循環させることができるが、安全率を考慮し、耐圧Δｐｄは想定される最大圧力（Δｐ１＋Δｐ／２）の３倍程度にすることが望ましい。
【００４０】
また、予圧Δｐ１を必要以上に大きくすると、密閉系循環流路に求められる耐圧Δｐｄが大きくなるため、流路であるチューブなどを太くしたり、流路を構成する材質の硬度が高くなり、その結果、流路の柔軟性が低下したり、流路のレイアウトが大きく制限されるため、耐圧Δｐｄはポンプ特性を低下しない範囲で必要最低限に小さいほうがより望ましい。したがって、予圧量Δｐ１は、Δｐ／２以上であって、より望ましくはΔｐ／２である。
【００４１】
次に、上述のように流路内の予圧をポンプの吐出圧力の１／２以上とした理由について説明する。
【００４２】
図５は、本実施形態における流路内の予圧の決定方法を説明する第１の図である。図には、内圧ｐを受けたときの任意半径ｒの位置の半径方向の微少変位ｕが示されている。また、流路の外径はｂで表され、内径はａで表される。また、流路の長手方向の微少長さをΔｌとする。
【００４３】
このとき、半径ｒの位置の半径方向の変位ｕは、
2012160629.tif 000003
となる。ここで、νは流路を構成する物質のポワソン比であり、Ｅは流路を構成する物質のヤング率である。
【００４４】
内壁の変位として、ｒ＝ａとすると
2012160629.tif 000004
が成立する。
【００４５】
なお、ここで、
2012160629.tif 000005
とし、
2012160629.tif 000006
とする。
【００４６】
内径がａからａ＋ｕ（ａ）になったとことによる体積の増加分ΔＶは、
2012160629.tif 000007
となる。上式において、ｕ（ａ）２は、ａに比して極めて小さい微少項のため無視している。
【００４７】
流路の全長をＬとすると、ｘを０からＬまで積分することで流路の体積増分を求めることができる。ここで、開放系流路の場合の圧力分布（図２の実線）をしたときの、流路の体積増分を求める。
2012160629.tif 000008
式（１）で求めた体積Ｖが、開放系流路の場合の流路の体積増分である。この体積Ｖをあらかじめ密閉系流路内に封入しておけば、密閉系流路においてポンプを駆動させた場合に、ポンプの供給側と吐出側とで流体体積の偏りが生じても、開放系流路と同様に流路内の圧力がポンプ吐出口から供給口まで大気圧以上の分布となるため、流路内のどの位置でも流路内の圧力が、使用環境の大気圧より負圧とならず、ポンプ特性が低下することはない。
【００４８】
図６は、本実施形態における流路内の予圧の決定方法を説明する第２の図である。上記の増分Ｖの液体を密閉系流路に封入し、図６のように流路内に均一に内圧Δｐ’が加わった状態を仮定すると、
2012160629.tif 000009
となる。式（１）と式（２）とを比較すると、
2012160629.tif 000010
となる。すなわち、封入すべき圧力は、ポンプ１０の駆動圧力Δｐの１／２であることになる。よって、密閉系流路の内圧が、ポンプ１０の駆動圧力Δｐの１／２以上の圧力となるように液体を封入すればよいことになる。
【００４９】
なお、本実施例は熱交換対象３０が熱を発生するものとし、密閉系循環流路を冷却のために使用する例を述べたが、特に冷却に限らず、熱交換対象３０を加熱するとしてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１  熱交換装置、
１０  ポンプ、
２０  流路、
３０  熱交換対象
【図２】
2012160629.tif 000011
【図３】
2012160629.tif 000012
【図４】
2012160629.tif 000013
【図５】
2012160629.tif 000014
【図６】
2012160629.tif 000015
【図１】
2012160629.tif 000016