JP2007180438A - 冷却媒体、冷却装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却性能を飛躍的に向上することができる冷却媒体、その冷却媒体を用いた冷却装置、及びその冷却装置を使用した電子機器を提供する。
【解決手段】冷却装置は、電子部品２１からの熱を受ける受熱板１と、放熱フィン７が取り付けられて熱を外部へ放散する放熱板２と、タンク３と、ポンプ４とを、配管５を介して環状に接続させた構成を有し、ポンプ４の駆動により配管５内を冷却媒体６が循環する。冷却媒体６は、ベース液となる水などの液体１１と炭素繊維（カーボンファイバ）１２との流動性混合物（ａ）、または、ベース液となる水などの液体１１と金属またはセラミックの粉末粒子１３との流動性混合物（ｂ）である。熱伝導率が高い炭素繊維１２または粉末粒子１３を含有しているため、冷却媒体６は熱伝導率が高く、優れた冷却性能を発揮する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電子部品などの発熱体を冷却するための冷却媒体、冷却媒体を循環させて発熱体を冷却する冷却装置、及び、冷却装置を使用した電子機器に関する。

デスクトップ型のコンピュータ、ノート型のコンピュータ、移動体通信機器などの電子機器は、ＣＰＵ素子、コイル素子、コンデンサなどの複数の電子部品がプリント基板上に設けられている。近年、電子機器における処理の高速化、高機能化、高性能化に伴って、これらの電子部品の動作中の発熱量が増加する傾向にある。電子機器の安定した動作を持続させるためには、電子部品から発生した熱を迅速に外部へ放出して放熱性を高める必要がある。

そこで、空気に比べて高い比熱を有する水などの液体を冷却媒体として利用する液冷式の冷却装置が提案されている（例えば、特許文献１，２，３参照）。これらの冷却装置では、電子部品（発熱体）からの熱を受ける受熱板（受熱部）と、熱を外部へ放散する放熱板（放熱部）と、ポンプとを、配管にて環状に連結し、ポンプの作用によりこの配管内に冷却媒体を循環させて、発熱体から受熱部で受けた熱を、配管内を流れる冷却媒体を介して放熱部へ伝導させ、放熱部から熱を放散させて発熱体を冷却している。
特開２００４−１１１８２９号公報 特開２００１−２３７５８２号公報 特開２００４−９５８９１号公報

上述したような従来の冷却装置では、循環する冷却媒体として、水、不凍液などの液体を使用しているが、電子部品の発熱量は、今後とも更に増加していくと考えられるため、より効率良く電子部品の冷却を行える技術の開発が望まれている。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、冷却性能を飛躍的に向上することができる冷却媒体、その冷却媒体を用いた冷却装置、及びその冷却装置を使用した電子機器を提供することを目的とする。

本発明の他の目的は、冷却性能の向上に伴って大きさのコンパクト化を図れる冷却装置及び電子機器を提供することにある。

本発明に係る冷却媒体は、発熱体を冷却するための冷却媒体において、液体と、該液体より熱伝導率が高い固体との混合物であることを特徴とする。

本発明の冷却媒体は、水、不凍液などの液体に、熱伝導率がこの液体より高い固体を混合させた流動性媒体である。よって、水または不凍液を用いた場合（従来例）に比べて、熱伝導率が高くなり、優れた冷却性能が期待される。

本発明に係る冷却媒体は、前記固体が、炭素繊維、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の何れかの金属、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の元素を１種類以上含む合金、または、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣの中の何れかのセラミックであることを特徴とする。

本発明の冷却媒体は、熱伝導率が高い固体として上述したような材料を含んでいる。これらの材料は熱伝導率が高いため、これらを１または複数種類含む冷却媒体は熱伝導率が高くなる。また、炭素繊維は比重が水に近いため、水への均一な分散が可能である。

本発明に係る冷却装置は、発熱体の熱を受ける受熱部と、外部へ熱を放散する放熱部とを配管にて接続させ、前記配管内に冷却媒体を循環させて前記発熱体を冷却する冷却装置において、前記冷却媒体は、液体と、該液体より熱伝導率が高い固体との混合物であることを特徴とする。

本発明の冷却装置では、水、不凍液などの液体に熱伝導率がこの液体より高い固体を混合させた流動性媒体を冷却媒体として使用する。よって、水または不凍液を用いた場合（従来例）に比べて、冷却媒体の熱伝導率が高くなり、冷却性能が向上する。また、冷却性能が向上するために、受熱部、放熱部などのサイズを小さくしても十分な冷却効果が得られるようになり、装置構成の小型化を図れる。

本発明に係る冷却装置は、前記固体が、炭素繊維、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の何れかの金属、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の元素を１種類以上含む合金、または、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣの中の何れかのセラミックであることを特徴とする。

本発明の冷却装置では、冷却媒体に含まれる熱伝導率が高い固体として上述したような材料を使用する。これらの材料は熱伝導率が高いため、優れた冷却性能が得られる。また、炭素繊維は比重が水に近いため、水への均一な分散が可能である。

本発明に係る電子機器は、上記のような冷却装置を使用したことを特徴とする。

本発明の電子機器では、冷却性能が優れた冷却装置を使用しているため、電子部品から発生した熱が迅速に外部へ放出されて放熱性が向上し、安定した動作を行える。また、小型の冷却装置でも冷却性能が高いため、構成の小型化を図れる。

本発明では、冷却媒体を、液体とこの液体より熱伝導率が高い固体との混合物にて構成するので、水または不凍液を用いる従来例に比べて、冷却媒体の熱伝導率を高めることができて、冷却性能を飛躍的に向上することが可能となる。

また、本発明では、装置構成を大きくすることなく冷却性能を向上することができるため、受熱部、放熱部などのサイズを小さくして冷却装置の小型化を図ることができる。

以下、本発明について図面を参照して具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る冷却装置の構成を示す図である。図１において、冷却装置は、受熱部としての受熱板１と、放熱部としての放熱板２と、タンク３と、ポンプ４とを、配管５を介して環状に接続させた構成を有しており、ポンプ４の駆動により配管５内を冷却媒体６が矢符で示す方向に循環するようになっている。

受熱板１は、発熱体としての電子部品２１に接続されている。放熱板２には、熱を放散する放熱フィン７が取り付けられており、放熱フィン７の近傍には空気を放熱フィン７に向けて送出する送風ファン８が設けられている。タンク３は、配管５内を循環する冷却媒体６を貯留する。

冷却媒体６は、図１（ａ）または（ｂ）に示すような組成を有している。図１（ａ）の例では、冷却媒体６が、ベース液となる液体１１と炭素繊維（カーボンファイバ）１２との混合物であって、流動性を有している。液体１１として、水，不凍液，エチレングリコール，プロピレングリコールなどの液体を使用できる。炭素繊維１２は、例えば直径：約１０μｍ，長さ：５０μｍ程度の円柱状をなしており、冷却媒体６内に１０〜２０重量％程度含有されている。炭素繊維１２はその比重（約２．１）が水に近いため、液体１１に均一に分散させることが可能である。

一方、図１（ｂ）の例では、冷却媒体６が、ベース液となる液体１１と金属またはセラミックの粉末粒子１３との混合物であって、流動性を有している。液体１１として、水，不凍液，エチレングリコール，プロピレングリコールなどの液体を使用できる。粉末粒子１３の金属としては、熱伝導率が高いＣｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇなどの金属、または、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇなどの元素を１種類以上含む合金を使用できる。これらの金属の粉末粒子１３は、直径：３〜５μｍ程度の球状をなしており、冷却媒体６内に１０〜２０重量％程度含有されている。なお、凝縮を防いで液体１１への分散性を高めるために、金属の粉末粒子１３の表面にシリカ粉末を付着させておくことが好ましい。粉末粒子１３のセラミックとしては、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣなどのセラミックを使用できる。これらのセラミックの粉末粒子１３は、直径：３０〜５０ｎｍ程度の球状をなしており、冷却媒体６内に１０〜２０重量％程度含有されている。

上述したような液体と固体との混合物スラリである冷却媒体６を冷却装置に用いた発熱体２１の冷却処理について説明する。ポンプ４の駆動により、冷却媒体６を配管５内に循環させる。発熱体２１からの熱が受熱板１内部の配管５内を流れる冷却媒体６に伝導され（図１の白抜矢符）、温度上昇した冷却媒体６は配管５内を流れて、冷却媒体６からの熱が放熱板２及び放熱フィン７を介して外部へ放散される。この際、送風ファン８から、放熱フィン７に向けて空気を送出して、より大きな放熱効果を得る。放熱して温度が下降した冷却媒体６は、タンク３を介して配管５内を流れて、再び受熱板１へと循環される。このようなことにより、発熱体２１が冷却される。

以上のように、本発明では、液体と熱伝導率が高い固体との混合物であるスラリを冷却媒体６に用いているため、冷却媒体６の熱伝導率を高めることが可能であり、水または不凍液からなる冷却媒体を用いた従来例と比較して、冷却性能を飛躍的に高めることができる。また、冷却性能が向上するため、水または不凍液のみを用いた場合と同等レベルの冷却性能を保持するのであれば、本発明の冷却媒体６を使用することにより、受熱板１，放熱板２などの部材のサイズを小さくして、冷却装置をコンパクトに構成することが可能となる。また、上述したような冷却装置を使用した本発明の電子機器にあっては、使用する冷却装置の冷却性能が優れているので、機器内の電子部品から発生した熱を迅速に外部へ放散することができて高い放熱性を得ることができる。また、コンパクトな構成であっても冷却性能が高い冷却装置を使用した本発明の電子機器では、その構成の小型化を図ることができる。

以下、本発明の冷却媒体６の具体的な実施例とその熱特性とについて説明する。三菱化学産資製の２種類の炭素繊維（ＣＦ１とＣＦ２）をそれぞれ水に１０重量％、２０重量％ずつ含有させて冷却媒体を作成した。炭素繊維ＣＦ１及びＣＦ２のサイズは、何れも直径：１０μｍ，長さ：約５０μｍである。また、軸方向の熱伝導率は、ＣＦ１が１４０Ｗ／ｍＫ、ＣＦ２が４００Ｗ／ｍＫである。作成した４種類の冷却媒体と対照例としての水とについて熱伝達係数を計算した。その計算結果を他の物性と併せて下記表１に示す。

熱伝達係数ｈは、下記の数式に従って計算した。なお、図２は、冷却媒体が流れて熱伝達がなされる部分（図１の例では受熱板１、放熱板２に相当）の模式図である。
ｈ＝（Ｎｕｋ）／Ｌ
実験式：Ｎｕ＝３．６６＋［０．０６６８（ｄ／Ｌ）ＲｅＰｒ］
／｛１＋０．０４［（ｄ／Ｌ）ＲｅＰｒ］^2/3 ｝
ＲｅＰｒ＝（ｖｄρＣｐ）／ｋ
但し、
ｈ：熱伝達係数 Ｎｕ：ヌセルト数
ｋ：冷却媒体の熱伝導率 Ｌ：流路の長さ（図２参照）
Ｒｅ：レイノルズ数＝（ｖｄρ）／μ
Ｐｒ：プラントル数＝（μＣｐ）／ｋ
ｄ：流路の幅（図２参照） μ：流体温度における粘度
ｖ：流速（図２参照） ρ：冷却媒体の密度
Ｃｐ：冷却媒体の比熱
なお、伝達される熱量Ｑは、比例定数をＤ、冷却媒体と接触する表面積をＡ、温度差をΔＴとした場合に、Ｑ＝ＤＡΔＴで与えられる。

炭素繊維を１０重量％、２０重量％だけ水に含有させた冷却媒体では、熱伝導率が２．９〜１３．９Ｗ／ｍＫであり、水の熱伝導率に比べて４．５〜２１倍になっている。また、熱伝達係数についても、３．８〜１７．１倍と向上している。

このように、水と炭素繊維との混合物である冷却媒体は、高い熱伝達係数を呈し、優れた冷却性能を発揮できることが分かる。炭素繊維を水に添加することによって冷却媒体の見かけ上の粘度が上昇して流量及びレイノルズ数は低下するが、冷却媒体の熱伝導率が高くなるため、結果として熱伝達係数は向上する。

次に、上述した計算結果を確認するために、図１のような構成の冷却装置を用いて、複数種類の冷却媒体について熱抵抗を測定した。使用した冷却媒体は、対照例としての水、上述したような炭素繊維ＣＦ１、ＣＦ２をそれぞれ１０重量％、２０重量％ずつ水に添加した冷却媒体、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇの粉末（粒径：３〜５μｍ）をそれぞれ２０重量％ずつと凝縮防止用のシリカ粉末を約１重量％とを水に添加して作成した冷却媒体、ＮａｎｏＴｅｋ製のＡｌ₂ Ｏ₃ ，ＣｕＯ，ＺｎＯの粉末（粒径：３０〜５０ｎｍ）をそれぞれ２０重量％ずつ水に添加して作成した冷却媒体である。

また、熱抵抗を測定した冷却装置の稼動条件は以下の通りであった。
ポンプ：５Ｖ駆動 流量：１５０ミリリットル／分 流路径：５ｍｍ
流路長：５００ｍｍ 発熱体の発熱量：５０Ｗ
送風ファン：５Ｖ駆動、直径５０ｍｍ、風量１００リットル／分

上記の１１種類の冷却媒体を用いた場合の室温（約２５℃）と発熱体との熱抵抗を測定した結果を図３に示す。本発明の１０種類の冷却媒体は何れも、水より熱抵抗が低下しており、本発明の冷却媒体を使用することによって、優れた冷却効果が実現可能であることが理解される。

以上の実施の形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１） 発熱体を冷却するための冷却媒体において、液体と、該液体より熱伝導率が高い固体との混合物であることを特徴とする冷却媒体。
（付記２） 前記固体は、炭素繊維、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の何れかの金属、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の元素を１種類以上含む合金、または、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣの中の何れかのセラミックであることを特徴とする付記１記載の冷却媒体。
（付記３） 前記液体は、水，不凍液，エチレングリコール，プロピレングリコールの中の何れかであることを特徴とする付記１または２記載の冷却媒体。
（付記４） 発熱体の熱を受ける受熱部と、外部へ熱を放散する放熱部とを配管にて接続させ、前記配管内に冷却媒体を循環させて前記発熱体を冷却する冷却装置において、前記冷却媒体は、液体と、該液体より熱伝導率が高い固体との混合物であることを特徴とする冷却装置。
（付記５） 前記固体は、炭素繊維、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の何れかの金属、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の元素を１種類以上含む合金、または、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣの中の何れかのセラミックであることを特徴とする付記４記載の冷却装置。
（付記６） 前記液体は、水，不凍液，エチレングリコール，プロピレングリコールの中の何れかであることを特徴とする付記４または５記載の冷却装置。
（付記７） 付記４〜６の何れかに記載の冷却装置を使用したことを特徴とする電子機器。

本発明に係る冷却装置の構成を示す図である。 冷却媒体が流れて熱伝達がなされる部分の模式図である。 熱抵抗の測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 受熱板（受熱部）
２ 放熱板（放熱部）
３ タンク
４ ポンプ
５ 配管
６ 冷却媒体
７ 放熱フィン
８ 送風ファン
１１ 液体
１２ 炭素繊維（固体）
１３ 粉末粒子（固体）
２１ 電子部品（発熱体）

Claims (5)

1. 発熱体を冷却するための冷却媒体において、液体と、該液体より熱伝導率が高い固体との混合物であることを特徴とする冷却媒体。
2. 前記固体は、炭素繊維、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の何れかの金属、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の元素を１種類以上含む合金、または、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣの中の何れかのセラミックであることを特徴とする請求項１記載の冷却媒体。
3. 発熱体の熱を受ける受熱部と、外部へ熱を放散する放熱部とを配管にて接続させ、前記配管内に冷却媒体を循環させて前記発熱体を冷却する冷却装置において、前記冷却媒体は、液体と、該液体より熱伝導率が高い固体との混合物であることを特徴とする冷却装置。
4. 前記固体は、炭素繊維、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の何れかの金属、Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ，Ａｕ，Ｍｇの中の元素を１種類以上含む合金、または、Ａｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＣｕＯ，ＺｎＯ，ＢｅＯ，ＭｇＯ，ＺｒＯ₂ ，ＳｉＣの中の何れかのセラミックであることを特徴とする請求項３記載の冷却装置。
5. 請求項３または４記載の冷却装置を使用したことを特徴とする電子機器。

Images