JP4728694B2 - 振動流型冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、発熱体から流体への伝導熱を、流体を振動させることによって拡散する振動流型冷却装置に関する。

従来、電子機器等の発熱体を冷却するための装置としては、ヒートシンク、循環水冷式冷却装置等が広く用いられている。また、ドリームパイプやコスモス式ヒートパイプのような、発熱体から流体への伝導熱を、流体を振動させることによって拡散する振動流型冷却装置も知られている（例えば特許文献１、２参照）。振動流型冷却装置とは、振動流による拡散促進効果を利用したもので、その原理は以下のようなものである。

図７に示すように、円管５１内に流体があり、温度に分布がある場合を考える。いま、簡単のために、流体の振動としては、Ｈ点に半周期滞在し、即座にＬ点に移動し、そこで半周期滞在し、その後に即座にＨ点に戻る矩形波振動を考える。振動がない場合にＣ点にいる流体部分（これを要素と呼ぶ）５２を考えると、この要素５２が振動によりＨ点に移動すると、Ｈ点での円管壁の温度は要素５２より高いので、要素５２は壁から熱をもらう。要素５２が振動によりＬ点に移動すると、Ｌ点での壁の温度は要素５２より低いので要素５２は壁に熱を吐き出す。

すなわち、１回の振動により、熱がＨ点からＬ点に「蛙飛び」のように移動したことになる。こうした「蛙飛び」は振動が無い場合には起こらず、振動により付加的に起こったものである。したがって、振動数が高くなれば単位時間当たりに起こる「蛙飛び」回数が増え、振幅が大きくなると「蛙飛び」距離が増えるので、「蛙飛び」による円管に沿った方向への熱の付加的移動は、振幅や振動数の増加とともに増えることになる。
特開２００２―３６４９９１号公報 特開２００５―６４４１０号公報

ところで、上述したヒートシンクは、周知の通り銅やアルミニウム等による熱伝導を利用しているので、その冷却能力は、フィンを含めたヒートシンクの形状、材料の物性的特性、冷却風の風量等によって決まり、周囲の温度にはあまり左右されない。したがって、冷却風量が一定であれば、低温時には発熱体が過度に冷却されてしまう場合がある。このように発熱体が過度に冷却されることを防ぐために、冷却風を送るファンの回転速度を温度に応じて変化させることもできるが、この方法は温度に応じた制御が必要となり、結果として例各装置の複雑化、高コスト化に繋がってしまう。また、循環水冷式冷却装置の冷却性能も、周囲の温度にはあまり左右されないので、発熱体が過度に冷却されることを防ぐために、周囲の温度に応じた循環水の流量が必要となる場合がある。

本発明は上記点に鑑み、温度に応じた制御の必要なく、低温時に冷却能力を抑えることのできる、新規な構成の冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、振動流型冷却装置において、流体の振幅や振動数が小さくなるほど、熱の拡散機能が低下することに着目したものである。すなわち、請求項１に記載の発明は、流体と、前記流体が充填された第１の流路（２ｆ）を内部に有する熱輸送デバイス本体（２）と、両端において前記第１の流路（２ｆ）と連通して前記第１の流路（２ｆ）内の前記流体を振動させるポンプ（４）と、前記第１の流路（２ｆ）の一端と前記ポンプ（４）の一端を接続して前記第１の流路（２ｆ）と前記ポンプ（４）の内部とを連通させるとともに、前記流体が充填された一方の流路（３ａ）と、前記第１の流路流路（２ｆ）の他端と前記ポンプ（４）の他端を接続して前記第１の流路（２ｆ）と前記ポンプ（４）の内部とを連通させるとともに、前記流体が充填された他方の流路（３ｂ）とを備えた第２の流路（３ａ、３ｂ）とを備え、前記熱輸送デバイス本体（２）において、前記流体の振動によって発熱体（８ａ、８ｂ）から前記流体への伝導熱を拡散させる振動流型冷却装置であって、前記ポンプ（４）は、前記ポンプ（４）の内部の前記流体が前記発熱素子体（８ａ、８ｂ）からの伝導熱を受けない位置に配されており、前記流体は、その温度の低下と共に粘性度が高まるようになっており、ポンプ（４）は、前記流体の一部を第２の流路（３ａ、３ｂ）から自身の内部に引き込んで押し出す作動を繰り返すことで、前記流体を振動させるものであり、引き込んだ前記流体を収容するポンプ（４）の内部の容積は、前記流体が引き込まれた側の第２の流路の容積よりも小さいことを特徴とする振動流型冷却装置である。

このように、振動させる流体の温度が低下してその粘性度が高まると、振動装置から同じ圧力を受けても、その振動の振幅は低下する。したがって、この振動流型冷却装置は、温度に応じた制御の必要なく、自動的に低温時に冷却能力が低くなる。

また、引き込んだ前記流体を収容するポンプ（４）の内部の容積が、前記流体が引き込まれた側の第２の流路（３ｂ）の容積よりも小さいことにより、ポンプ（４）内には発熱体によって熱せられた流体が入ることがないので、ポンプ（４）の温度上昇が抑制される。したがって、その分ポンプ（４）内の流体の粘性度が高まり、ポンプ（４）の作動に対する抵抗が大きくなるので、流体の振幅または振動数が低下する。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の振動流型冷却装置において、第２の流路は、前記第１の流路より太いことを特徴とする。

このようになっているので、第２の流路の太さがが第１の流路の太さと同じであったり小さかったりする場合に比べ、振動装置にかかる負荷が低減される。

なお、上記特許請求の範囲における括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的構成要素等との対応関係を示すものである。

以下、本発明の一実施形態について説明する。図１に、本実施形態に係る対向振動流型熱輸送装置１の外観斜視図を示す。この対向振動流型冷却装置１は、携帯電話基地局内の電子機器等の発熱体の冷却に用いられる。この対向振動流型冷却装置１は、平板状の部材である熱輸送デバイス本体２、接続配管３ａ、接続配管３ｂ、振動装置４、およびヒートシンク５を有している。また、熱輸送デバイス本体２の上面には、素子取付板６が取付ねじ７ａ〜ｄによってねじ止めされており、素子取付板６の上面には発熱素子８ａ、８ｂが図示しないねじにて素子取付板６にねじ止めされている。また、ヒートシンク５は、放熱フィン５ａおよび放熱フィン５ａの根本のシンクプレート５ｂから成り、シンクプレート５ｂが熱輸送デバイス本体２の底面に固定されている。また、対向振動流型冷却装置１の図中右下の方向から左上の方向に向かって、すなわち放熱フィン５ａの溝に沿って通り抜けるように、図示しないファン等によって冷却風が送られるようになっている。

図２に、熱輸送デバイス本体２の構成を示し、図３に、図２の平面断面図を示す。この図に示す通り、熱輸送デバイス本体２は、銅やアルミニウム等の熱伝導率が高い金属材からなる多穴チューブ２ａ、第１プレート２ｂ、第２プレート２ｃ、第３プレート２ｄ、第４プレート２ｅを接合して形成したものである。

多穴チューブ２ａは、押し出し加工又は引き抜き加工にて成形された扁平状の管であり、その内部の、素子取付板６に近い側の半分には、左右方向一端側から他端側まで貫通する複数本の穴２ｆが成形と同時に設けられている。

第１プレート２ｂは、多穴チューブ２ａの隣り合う穴２ｆを連通させるための６つの貫通穴２ｇが設けられた部材である。第２プレート２ｃは、多穴チューブ２ａの両端の２つの穴２ｆに重なる２つの貫通穴２ｍ、および、それら両端の２つの穴２ｆ以外の、隣り合う穴２ｆを連通させるための５つの貫通穴２ｇが設けられた部材である。

第３プレート２ｄおよび第４プレート２ｅは、多穴チューブ２ａの反対側から貫通穴２ｇを閉塞するものである。また第４プレート２ｅは、２つの貫通穴２ｍを外部に連通させる管である接続口２ｈ、２ｋを有している。

そして、多穴チューブ２ａの左右方向両端側にて、第１プレート２ｂを多穴チューブ２ａと第３プレート２ｄとで挟んで接合し、また第２プレート２ｃを多穴チューブ２ａと第４プレート２ｅとで挟んで接合することにより、蛇行した略帯板状の流路２ｆを有する熱輸送デバイス本体２が構成される。

そして、この流路２ｆ内には冷却用の流体が充填される。この流体の粘性は、ある温度範囲（例えば−２０℃〜６０℃）においては、温度が減少すればするほど高くなる。このような流体としては、例えば水にエチレングリコールを６対４の割合で混合した液体がある。

次に、図４に、接続配管３ａ、３ｂ、および振動装置４の断面図を示す。振動装置４は熱輸送デバイス本体２に充填された流体を振動させるためのポンプであり、外気温度により近くなるよう、熱輸送デバイス本体２のヒートシンク５側に設けられている。そして、この振動装置４は、円筒状のケース４ａ、ピストン４ｂ、およびコイル４ｃを有している。

ケース４ａは、円筒の両端において、それぞれ接続配管３ａおよび３ｂと連通している。この接続配管３ａ、３ｂは、それぞれ熱輸送デバイス本体２の接続口２ｈ、２ｋにはめ込まれることで、接続口２ｈおよび２ｋと連通し、熱輸送デバイス本体２内の流体が充填される。なお、接続配管３ａ、接続配管３ｂ内部の穴３ｃ、３ｄの大部分は、穴２ｆよりも太くなっている。

ピストン４ｂは、ケース４ａ内に設けられた可動部材であり、ケース４ａの側部を取り囲むように設けられた円環状のコイル４ｃの電磁力によって、コイル４ｃ内部を（図４中上下に繰り返し）移動する。なお、コイル４ｃは、図示しない制御装置によって制御される。

このピストン４ｂが図中下方に移動すると、接続配管３ａ中の流体がケース４ａ内に引き込まれ、ケース４ａ内の流体が接続配管３ｂに押し出される。また、ピストン４ｂが図中上方に移動すると、接続配管３ｂ中の流体がケース４ａ内に引き込まれ、ケース４ａ内の流体が接続配管３ａに押し出される。振動装置４は、このように、流体の一部を接続配管３ａ、３ｂからケース４ａの内部に引き込んで押し出す作動を繰り返すことで、多穴チューブ２ａ内の流体を振動させる。

なお、ケース４ａ内のピストン４ｂを除く部分の容積は、接続配管３ａ、３ｂのいずれの内部の容積よりも小さくなっている。したがって、ケース４ａが最大に流体を引き込んだときでも、多穴チューブ２ａ内部に元々あった流体がケース４ａ内に流入することはない。したがって、振動装置４が引き込む流体は、接続配管３ａおよび接続配管３ｂの内部にあるものに限られる。そしてこの部分の流体は、発熱素子８ａ、発熱素子８ｂからの伝導熱を受けない部分である。

次に、本実施形態に係る対向振動流型熱輸送装置１の作動について概略的に説明する。

振動装置４により熱輸送デバイス本体２の流路２ｆ内の流体を振動させると、隣り合う流路３に存在する流体間の熱交換や各流路２ｆに沿った熱交換が行われ、発熱素子８ａ、８ｂの熱が、熱輸送デバイス本体２の左右方向（流路２ｆに沿った方向）に向かって輸送され、熱輸送デバイス本体２上に拡散する。そして、熱輸送デバイス本体２に広がった熱は、ヒートシンク５を介して大気中に放出される。

ただし、熱輸送デバイス本体２における熱の拡散能力は、流体の温度によって変化する。周囲の温度が低いときは、流体の温度も低くなる。このとき、上述した通り、流体の粘性度が高くなり、振動の振幅が小さくなる。したがって、低温時においては、対向振動流型冷却装置１の冷却能力が低下する。また、上述した通り、発熱素子８ａ、８ｂによって熱せられた流体が振動装置４のケース４ａ内に入らないので、ケース４ａ内部の温度上昇が抑制される。したがって、その分ポンプ内の流体の粘性度が高まり、ポンプの作動に対する抵抗が大きくなるので、流体の振幅または振動数がさらに低下する。このようになっているので、対向振動流型冷却装置１は、温度に応じた制御の必要なく、自動的に低温時に冷却能力が低くなるので、発熱素子８ａ、８ｂが過度に冷却される恐れが低減する。また、接続配管３ａ、接続配管３ｂ内部の太さは、流路２ｆよりも太いので、ポンプにかかる負荷が少ない。

図５に、本実施形態の対向振動流型冷却装置１の、周囲温度に対する熱抵抗値をグラフで示す。曲線２１が、対向振動流型冷却装置１の熱抵抗値を表し、曲線２２が通常のヒートシンクの典型的な熱抵抗値を表し、曲線２３が通常の循環型水冷装置の典型的な熱抵抗値を表す。このように、本実施形態の対向振動流型冷却装置１は、通常のヒートシンクや循環型水冷装置に比べて、低温時の冷却性能が十分落ちるようになっている。ただし、この−２０℃から５０℃の範囲において、対向振動流型冷却装置１の熱抵抗値は、図中の点線の値を超えて発熱素子８ａおよび発熱素子８ｂを過度に高温にしてしまうこともない。
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の範囲は、上記実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の各発明特定事項の機能を実現し得る種々の形態を包含するものである。

例えば、熱輸送デバイス本体２は、上述したようなものに限らず、例えば、図３に示した熱輸送デバイス本体２に代えて、図６に示すような、左右方向一端側から他端側まで貫通する複数本の穴９ｆが設けられた多穴チューブ９ａにおいて、隣り合う穴９ｆを仕切る仕切壁の左右方向端部を１本置きに切り欠く等して隣り合う穴９ｆの長手方向端部を多穴チューブ９ａ内で連通させるとともに、多穴チューブ９ａの左右方向端部を帯板状のプレート９ｂ、９ｃにて閉塞するものを用いてもよい。

また、ヒートシンク５は、フィンを有するものでなくとも、放熱体ならどのようなものでもよい。

また、その温度の低下と共に粘性度が高まるようになっている流体としては、水を用いてもよいし、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などを用いてもよい。

また、本実施形態においては、振動流型冷却装置の一例として対向振動流型冷却装置１を示したが、振動流型冷却装置は、対向振動流型冷却装置である必要はない。例えば、流路２ｆは蛇行している必要はない。すなわち、振動流型冷却装置は、発熱体から流体への伝導熱を、流体を振動させることによって拡散する装置であれば足りる。

本発明の実施形態に係る対向振動流型冷却装置１の斜視図である。 熱輸送デバイス本体２の構成図である。 熱輸送デバイス本体２の平面断面図である。 振動装置４の断面図である。 本実施形態に係る対向振動流型冷却装置１の熱抵抗を示すグラフである。 熱輸送デバイス本体２の別の例の平面断面図である。 振動流型冷却装置の作動説明図である。

符号の説明

１…対向振動流型冷却装置、２…熱輸送デバイス本体、２ａ…多穴チューブ、
２ｂ〜２ｅ…、２ｆ…流路、２ｇ、２ｍ…貫通穴、２ｈ、２ｋ…接続口、
３ａ、３ｂ…接続配管３ａ、４…振動装置、４ａ…ケース、４ｂ…ピストン、
４ｃ…コイル、５…ヒートシンク、５ａ…放熱フィン、５ｂ…シンクプレート、
６…素子取付板、７ａ〜ｄ…取付ねじ、８ａ、８ｂ…発熱素子、
９…熱輸送デバイス本体、９ａ…多穴チューブ、９ｂ、９ｃ…プレート、
９ｆ…流路、５１…円管、５２…要素。

Claims (2)

1. 流体と、前記流体が充填された第１の流路（２ｆ）を内部に有する熱輸送デバイス本体
   （２）と、両端において前記第１の流路（２ｆ）と連通して前記第１の流路（２ｆ）内の前記流体を振動させるポンプ（４）と、前記第１の流路（２ｆ）の一端と前記ポンプ（４）の一端を接続して前記第１の流路（２ｆ）と前記ポンプ（４）の内部とを連通させるとともに、前記流体が充填された一方の流路（３ａ）と、前記第１の流路流路（２ｆ）の他端と前記ポンプ（４）の他端を接続して前記第１の流路（２ｆ）と前記ポンプ（４）の内部とを連通させるとともに、前記流体が充填された他方の流路（３ｂ）とを備えた第２の流路（３ａ、３ｂ）とを備え、
   前記熱輸送デバイス本体（２）において、前記流体の振動によって発熱体（８ａ、８ｂ）から前記流体への伝導熱を拡散させる振動流型冷却装置であって、
   前記ポンプ（４）は、前記ポンプ（４）の内部の前記流体が前記発熱素子体（８ａ、８ｂ）からの伝導熱を受けない位置に配されており、
   前記流体は、その温度の低下と共に粘性度が高まるようになっており、
   前記ポンプ（４）は、前記流体の一部を前記第２の流路（３ａ、３ｂ）から自身の内部に引き込んで押し出す作動を繰り返すことで、前記流体を振動させるものであり、
   引き込んだ前記流体を収容する前記ポンプ（４）の内部の容積は、前記流体が引き込まれた側の前記第２の流路の容積よりも小さいことを特徴とする振動流型冷却装置。
2. 前記第２の流路は、前記第１の流路より太いことを特徴とする請求項１に記載の振動流型冷却装置。

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