JP2016200104A - ポンプ、冷却装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の小型化に対応でき、且つ１台のポンプが故障しても受熱部に十分な量の冷却水を供給し続けることができる冷却装置用のポンプを提供する。【解決手段】ポンプ２１ａは、回転軸２７ａと該回転軸２７ａから放射状に延びる複数の羽根２７ｂとを備えた羽根車２７と、羽根車２７を収納するケーシング２６と、ケーシング２６に設けられて熱媒体が流入する流入口２６ａと、ケーシング２６に設けられて熱媒体を吐出する吐出口２６ｂとを有する。羽根２７ｂには、切り欠き（又は孔）２８が設けられている。【選択図】図４

Description

本発明は、ポンプ、冷却装置及び電子機器に関する。

近年、コンピュータを初めとする種々の電子機器のより一層の小型化及び高性能化が促進されている。それらの電子機器に搭載されるＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子部品は、稼働にともなって多量の熱を発生する。電子部品の温度が許容上限温度を超えると、処理能力の低下や、誤動作又は故障の原因となる。そのため、電子部品の温度が許容上限温度を超えないように、電子部品を冷却することが重要になる。

ＣＰＵ等の電子部品を冷却する冷却装置には空冷方式と水冷方式とがあるが、発熱量の多い電子部品の冷却には水冷方式の冷却装置が使用されることが多い。以下、発熱量の多い電子部品を、発熱部品と呼ぶ。

水冷方式の冷却装置は、発熱部品に取り付ける受熱部と、受熱部から離れた場所に配置される放熱部と、受熱部と放熱部との間に冷却水を循環させるポンプとを有する。

一般的に、受熱部は熱伝導率が高い金属により形成されており、内部には冷却水が通流する流路が設けられている。また、放熱部には、例えば放熱用のフィンや送風機が設けられている。

発熱部品で発生した熱は、受熱部を通る冷却水により放熱部に輸送され、放熱部から大気中に放散される。なお、本願では、受熱部から放熱部に熱を輸送するために使用する水又はその他の熱媒体を、冷却水と呼んでいる。

冷却装置のポンプには、遠心ポンプが使用される。遠心ポンプは、流入口及び吐出口が設けられたケーシングと、ケーシング内に配置されてモータにより回転する羽根車とを有する。また、羽根車は、シュラウドと呼ばれる円盤状の部材と、シュラウドの面上に放射状に配置された複数の羽根とを有する（例えば、特許文献１〜３参照）。シュラウドの中心軸が、モータに接続される。

実開昭６２−２４０１４号公報 実開平６−２２１５９号公報 特開平９−７９１７１号公報

水冷方式の冷却装置において、電子機器の稼働中にポンプが故障すると、発熱部品で発生した熱を放熱部に輸送できなくなるため、発熱部品は短時間で高温になる。これにより、電子機器の処理能力が低下したり、システムダウン等の大きな損害を引き起こしたりすることがある。

そのような不具合を回避するために、例えば複数のポンプと複数の電磁弁とを用いて、１台のポンプが故障しても他のポンプにより冷却水の循環を続けるように、冷却水の流路を自動的に切り替えるようにすることが考えられる。しかし、その場合は部品数や配管数が多くなり、電子機器の小型化が阻害されるという問題がある。

開示の技術は、電子機器の小型化に対応でき、且つ１台のポンプが故障しても受熱部に十分な量の冷却水を供給し続けることができる冷却装置用のポンプ、そのポンプを備えた冷却装置及び電子機器を提供することを目的とする。

開示の技術の一観点によれば、回転軸と該回転軸から放射状に延びる複数の羽根とを備えた羽根車と、前記羽根車を収納するケーシングと、前記ケーシングに設けられて熱媒体が流入する流入口と、前記ケーシングに設けられて前記熱媒体を吐出する吐出口とを有し、前記羽根に切り欠き又は孔が設けられているポンプが提供される。

開示の技術の他の一観点によれば、発熱部品と熱的に接続される受熱部と、放熱部と、直列に接続されて前記受熱部と前記放熱部との間に熱媒体を循環させる第１のポンプ及び第２のポンプとを有する冷却装置であって、前記第１のポンプ及び前記第２のポンプの少なくとも一方が、回転軸と該回転軸から放射状に延びる複数の羽根とを備えた羽根車と、前記羽根車を収納するケーシングと、前記ケーシングに設けられて熱媒体が流入する流入口と、前記ケーシングに設けられて前記熱媒体を吐出する吐出口とを有し、前記羽根に切り欠き又は孔が設けられている冷却装置が提供される。

上記の一観点に係るポンプ及び冷却装置によれば、電子機器の小型化に対応でき、１台のポンプが故障しても受熱部に十分な量の熱媒体を供給し続けることができる。

図１（ａ），（ｂ）は、シュラウドのない遠心ポンプの一例を示す模式図である。 図２（ａ），（ｂ）は、遠心ポンプを２台使用した冷却装置の例を示す図である。 図３は、実施形態に係る冷却装置を示す概略図である。 図４（ａ），（ｂ）は、遠心ポンプの構造を示す模式図である。 図５は、羽根車の斜視図である。 図６は、変形例１に係るポンプの羽根車を示す斜視図である。 図７は、変形例２に係るポンプの羽根車を示す斜視図である。 図８は、冷却装置を有する電子機器の一例を示す模式図である。

以下、実施形態について説明する前に、実施形態の理解を容易にするための予備的事項について説明する。

前述したように、一般的な遠心ポンプの羽根車にはシュラウドが設けられている。しかし、電子機器のより一層の小型化に対応するために、電子機器の冷却装置に、シュラウドのない遠心ポンプを使用することが検討されている。

図１（ａ），（ｂ）は、シュラウドのない遠心ポンプの一例を示す模式図である。図１（ａ）は遠心ポンプを上から見たときの概略断面を示しており、図１（ｂ）は遠心ポンプを側方から見たときの概略断面を示している。

図１（ａ），（ｂ）に示す遠心ポンプ１０は、ケーシング１３と、ケーシング１３内に配置された羽根車１２とを有する。

ケーシング１３には、冷却水をケーシング１３内に取り入れるための流入口１３ａと、冷却水を吐出する吐出口１３ｂとが設けられている。また、羽根車１２は、回転軸１２ａと、回転軸１２ａから放射状に延びる複数の羽根１２ｂとを有している。

回転軸１２ａは軸受け（図示せず）を介してケーシング１３に回転可能な状態で支持されており、モータ（図示せず）に連結される。また、流入口１３ａはケーシング１３の側面中央、すなわち回転軸１２ａに対応する位置に設けられており、吐出口１３ｂはケーシング１３の周面に設けられている。

羽根車１２が回転すると、ケーシング１３内の冷却水には羽根車１２の半径方向に遠心力が働くため、吐出口１３ｂから冷却水が吐出される。また、吐出口１３ｂから吐出された分の冷却水が、流入口１３ａからケーシング１３内に流入する。

上述の遠心ポンプ１０において、羽根車１２（羽根１２ｂ）とケーシング１３との間に大きな隙間があると、羽根車１２により押し出された冷却水の一部が羽根車１２とケーシング１３との隙間を通って流入口側に戻ってしまう。その結果、所望の吐水量を確保しようとするとモータの回転数を上げることが必要になり、電力消費量が多くなる。そのような不具合を回避するために、羽根車１２（羽根１２ｂ）とケーシング１３との間の隙間はできるだけ狭く設定される。

ところで、ポンプが１台しかない冷却装置では、そのポンプが故障してしまうと、受熱部から放熱部に熱を輸送することができなくなる。そこで、複数のポンプを使用して冗長性を確保することが考えられる。

図２（ａ）は、冗長性を確保するために、遠心ポンプを２台使用した冷却装置の一例を示す図である。

図２（ａ）に示す例では、遠心ポンプ１０ａ，１０ｂが、受熱部（図示せず）に接続した配管１５ａと、放熱部（図示せず）に接続した配管１５ｃとの間に直列に接続されている。すなわち、遠心ポンプ１０ａの流入口は配管１５ａに接続し、吐出口は配管１５ｂに接続している。また、遠心ポンプ１０ｂの流入口は配管１５ｂに接続し、吐出口は配管１５ｃに接続している。

遠心ポンプ１０ａの羽根車はモータ１８ａにより回転し、遠心ポンプ１０ｂの羽根車はモータ１８ｂにより回転する。

このような冷却装置では、一方の遠心ポンプ（１０ａ又は１０ｂ）が故障しても、他方の遠心ポンプ（１０ｂ又は１０ａ）により冷却水を受熱部と放熱部との間に循環させることができる。しかし、前述したように、遠心ポンプ１０ａ，１０ｂでは羽根車１２とケーシング１３との間の隙間が狭く設定されているため、一方の遠心ポンプの羽根車１２の回転が停止すると、流路抵抗が急激に上昇する。そのため、他方の遠心ポンプから吐出される冷却水の流量は著しく減少する。

図２（ｂ）は、冗長性を確保するために、遠心ポンプを２台使用した冷却装置の他の例を示す図である。

図２（ｂ）に示す例では、図２（ａ）に示す例と同様に、配管１５ａと配管１５ｃとの間に遠心ポンプ１０ａ，１０ｂが直列に接続されている。

配管１５ａと配管１５ｂとの間にはバイパス配管１６ａが設けられている。このバイパス配管１６ａには電磁弁１７ａが接続されている。また、配管１５ｂと配管１５ｃとの間にはバイパス配管１６ｂが設けられている。このバイパス配管１６ｂには電磁弁１７ｂが接続されている。遠心ポンプ１０ａ，１０ｂが正常な場合、これらの電磁弁１７ａ，１７ｂはいずれも閉状態である。

遠心ポンプ１０ａの羽根車はモータ１８ａにより回転し、遠心ポンプ１０ｂの羽根車はモータ１８ｂにより回転する。制御装置１９は、モータ１８ａ，１８ｂの回転を監視して、遠心ポンプ１０ａ，１０ｂのうちのいずれか一方が故障したときに、故障したほうの遠心ポンプのバイパス配管の電磁弁を開状態にする。

例えば、遠心ポンプ１０ａ（モータ１８ａ）が故障した場合、制御装置１９は電磁弁１７ａを開状態とする。これにより、遠心ポンプ１０ａをバイパスして遠心ポンプ１０ｂに冷却水が流れ、遠心ポンプ１０ｂにより受熱部に所望の流量の冷却水を供給することができる。

しかし、図２（ｂ）に示す冷却装置では、部品数や配管数が多くなり、電子機器の小型化が阻害されるという問題がある。

（実施形態）
図３は、実施形態に係る冷却装置を示す概略図である。なお、図３中の矢印は冷却水の流れ方向を示している。

この図３に示すように、本実施形態に係る冷却装置２０は、２台の遠心ポンプ２１ａ，２１ｂと、受熱部２２と、放熱部２３とを有する。遠心ポンプ２１ａはモータ２４ａにより駆動され、遠心ポンプ２１ｂはモータ２４ｂにより駆動される。

受熱部２２は熱伝導率が高い金属により形成されており、ＣＰＵ等の発熱部品（電子部品）２９と熱的に接続される。受熱部２２内には、冷却水が通流する流路が設けられている。

受熱部２２の出水口と遠心ポンプ２１ａの流入口との間は配管２５ａにより接続されている。また、遠心ポンプ２１ａの吐出口と遠心ポンプ２１ｂの流入口との間は配管２５ｂにより接続されている。更に、遠心ポンプ２１ｂの吐出口と放熱部２３の入水口との間は配管２５ｃにより接続されている。更にまた、放熱部２３の出水口と受熱部２２の入水口との間は、配管２５ｄにより接続されている。

放熱部２３の冷却水流路の周囲には多数のフィン２３ａが設けられている。また、フィン２３ａの近傍には、フィン２３ａ間にエアーを通流させるための送風機２３ｂが設けられている。冷却水からフィン２３ａを介してフィン２３ａ間を通るエアーに熱が移動することで、放熱部２３内を通る冷却水の温度が低下する。

図４（ａ），（ｂ）は、遠心ポンプ２１ａの構造を示す模式図である。図４（ａ）は遠心ポンプ２１ａを上から見たときの概略断面を示しており、図４（ｂ）は遠心ポンプ２１ａを側方から見たときの概略断面を示している。なお、遠心ポンプ２１ｂの構造も遠心ポンプ２１ａと同様であるので、ここではその説明を省略する。

遠心ポンプ２１ａは、ケーシング２６と、ケーシング２６内に配置された羽根車２７とを有する。ケーシング２６には、冷却水をケーシング２６内に取り入れるための流入口２６ａと、冷却水を吐出する吐出口２６ｂとが設けられている。また、羽根車２７は、回転軸２７ａと、回転軸２７ａから放射状に延びる複数の羽根２７ｂとを有している。

回転軸２７ａは円柱状の部材であり、軸受け（図示せず）を介してケーシング２６に回転可能な状態で支持されている。そして、回転軸２７ａは、モータ２４ａ（図３参照）により回転する。

流入口２６ａはケーシング２６の側面中央、すなわち回転軸２７ａに対応する位置に設けられている。また、吐出口２６ｂは、ケーシング２６の周面に設けられている。遠心ポンプ２１ａの流入口２６ａは配管２５ａに接続され、吐出口２６ｂは配管２５ｂに接続される。

図５は、羽根車２７の斜視図である。本実施形態では、図５に示すように、羽根２７ｂに切り欠き２８が設けられている。それらの切り欠き２８は流入口２６ａに対応する位置に設けられており、流入口２６ａからケーシング２１内に流入した冷却水が切り欠き２８を介して回転軸２７ａの周方向に移動できるようになっている。

羽根車２７が回転すると、ケーシング２６内の冷却水には羽根車２７の半径方向に遠心力が働くため、吐出口２６ｂから冷却水が吐出される。また、吐出口２６ｂから吐出された分の冷却水が、流入口２６ａからケーシング２６内に流入する。

以下、図３を参照して、本実施形態に係る冷却装置２０の動作について説明する。

遠心ポンプ２１ａ，２１ｂが稼働すると、受熱部２２から配管２５ａ、遠心ポンプ２１ａ、配管２５ｂ、遠心ポンプ２１ｂ、配管２５ｃ、放熱部２３、配管２５ｄ、受熱部２２の順に冷却水が循環する。

前述したように、受熱部２２は発熱部品２９と熱的に接続されているため、受熱部２２内を通る冷却水により発熱部品２９が冷却される。また、受熱部２２内を通る冷却水は、発熱部品２９を冷却することで温度が上昇する。

受熱部２２で温度上昇した冷却水は、配管２５ａ、遠心ポンプ２１ａ、配管２５ｂ、遠心ポンプ２１ｂ及び配管２５ｃを通って、放熱部２３の入水口に送られる。そして、冷却水は、放熱部２３を通る際に、送風機２３ｂから送られてくるエアーにより冷却されて温度が低下する。この放熱部２３を通って温度が低下した冷却水は、配管２５ｄを通って受熱部２２に送られる。

このようにして、本実施形態に係る冷却装置２０では、受熱部２２、遠心ポンプ２１ａ，２１ｂ、放熱部２３の順に冷却水が循環し、受熱部２２から放熱部２３に熱が輸送されて、発熱部品２９の温度上昇が回避される。

この場合、２台の遠心ポンプ２１ａ，２１ｂにより冷却水を循環させるので、各遠心ポンプ２１ａ，２１ｂの負荷は比較的小さい。

ここで、遠心ポンプ２１ａ，２１ｂのいずれか一方が故障したとする。ここでは、遠心ポンプ２１ａ（モータ２４ａ）が故障し、羽根車２７の回転が停止したとする。

本実施形態では、図４（ａ），（ｂ）及び図５に示すように、羽根２７ｂの一部に切り欠き２８が設けられている。そのため、羽根車２７が回転していなくても、流入口２６ａから切り欠き２８を通って吐出口２６ｂに冷却水が移動可能であり、流入口２６ａと吐出口２６ｂとの間の流路抵抗が小さい。

従って、遠心ポンプ２１ａが停止しても、遠心ポンプ２１ｂの負荷はそれほど増加せず、遠心ポンプ２１ｂのみで受熱部２２と放熱部２３との間に所望の流量の冷却水を循環させることができる。

図２（ｂ）に示す冷却装置ではバイパス配管１６ａ，１６ｂ及び電磁弁１７ａ，１７ｂが必要であるのに対し、本実施形態ではそのようなバイパス配管及び電磁弁が不要である。そのため、部品コストや設置コストが削減できるとともに、冷却装置の小型化に容易に対応できるという利点がある。

なお、羽根２７ｂの切り欠き２８は、ケーシング２６内の冷却水流路の任意の位置における断面積が、流入口２６ａの断面積以上となるような大きさにすることが好ましい。ケーシング２６内の冷却水流路に流入口２６ａの断面積よりも小さい部分があると、その部分で冷却水の流量が規制されて、流路抵抗が増大するためである。

上述の実施形態では羽根２７ｂに切り欠き２８が設けられている場合について説明したが、切り欠き２８に替えて孔を設けても、同様の効果を得ることができる。

（変形例１）
図６は、変形例１に係るポンプの羽根車を示す斜視図である。

変形例１のポンプが前述の実施形態のポンプ２１ａ，２１ｂと異なる点は羽根車の形状が異なることにあり、その他の構造は基本的に実施形態のポンプと同一である。そのため、ここでは重複する部分の説明は省略する。

前述の実施形態では羽根車２７の羽根２７ｂの内側部分、すなわち流入口２６ａに対応する部分に切り欠き２８が設けられた例について説明した。しかし、図６に示すように、羽根２７ｂの先端側部分に切り欠き２８を設けても、前述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

（変形例２）
図７は、変形例２に係るポンプの羽根車を示す斜視図である。

変形例２のポンプが前述の実施形態のポンプ２１ａ，２１ｂと異なる点は羽根車の形状が異なることにあり、その他の構造は基本的に実施形態のポンプと同一である。そのため、ここでは重複する部分の説明は省略する。

変形例２のポンプの羽根車３７では、先端側に孔３３が設けられた羽根３２ａと、回転軸３７ａ側に孔３３が設けられた羽根３２ｂとが、回転軸３７ａの回転方向に沿って交互に配置されている。

このような羽根車３７を有するポンプにおいても、停止時における流入口と吐出口との間の流路抵抗を小さくできて、前述の第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、図６のように切り欠き２８がいずれも羽根２７ｂの先端側に設けられている場合は、羽根車２７が回転しても切り欠き２８の位置の冷却水には羽根２７がぶつからないため、冷却水に働く遠心力が弱く、ポンプの吐水量が低下する。これに対し、図７のように隣接する羽根３２ａで孔３３の位置が異なる場合は、１つの羽根３２ａの孔３３を通過した冷却水は次の羽根３３にぶつかって遠心力が付与される。これにより、ポンプの吐出流量の低下が抑制される。

（電子機器）
図８は、上述の冷却装置を有する電子機器の一例を示す模式図である。

図８に例示する電子機器４０は、筐体４１と、筐体４１内に収納された回路基板４２及び冷却装置２０を有する。

回路基板４２にはＣＰＵ等の発熱部品（電子部品）２９が搭載されている。また、冷却装置２０は、図３に示すように遠心ポンプ２１ａ，２１ｂ、受熱部２２、放熱部２３、及び配管２５ａ〜２５ｄを有する。そして、受熱部２２は、発熱部品２９と熱的に接続されている。

冷却部２３には多数のフィン２３ａが設けられており、筐体４１の端部には送風機２３ｂが配置されている。

本実施形態に係る電子機器４０は、図５のように切り欠き２８が設けられた羽根２７ｂを有する２台の遠心ポンプ２１ａ，２１ｂにより、受熱部２２と放熱部２３との間に冷却水を循環させる。このため、２台のポンプ２１ａ，２１ｂのうちのいずれか一方が故障しても、受熱部２２に十分な量の冷却水を供給し続けることができ、電子機器４０の動作を停止することがなく継続使用が可能である。そのため、本実施形態に係る電子機器４０は、発熱部品２９の冷却不足に起因する処理能力の低下やシステムダウンを回避でき、信頼性が高い。

なお、ここでは図８を参照して液冷方式の冷却装置について説明したが、開示の技術は気液二相流方式の冷却装置に適用することもできる。気液二相流方式の冷却装置では、一部の液体（熱媒体）が蒸発し、気化熱を利用して電子部品等を冷却する。

１０，１０ａ，１０ｂ，２１ａ，２１ｂ…遠心ポンプ、１２，２７…羽根車、１２ａ，２７ａ…回転軸、１２ｂ，２７ｂ…羽根、１３，２６…ケーシング、１３ａ，２６ａ…流入口、１３ｂ，２６ｂ…吐出口、１６ａ，１６ｂ…バイパス配管、１７ａ，１７ｂ…電磁弁、１８ａ，１８ｂ，２４ａ，２４ｂ…モータ、１９…制御装置、２０…冷却装置、２２…受熱部、２３…放熱部、２３ａ…フィン、２３ｂ…送風機、２８…切り欠き、２９…発熱部品。

Claims (7)

1. 回転軸と該回転軸から放射状に延びる複数の羽根とを備えた羽根車と、
   前記羽根車を収納するケーシングと、
   前記ケーシングに設けられて熱媒体が流入する流入口と、
   前記ケーシングに設けられて前記熱媒体を吐出する吐出口とを有し、
   前記羽根に切り欠き又は孔が設けられていることを特徴とするポンプ。
2. 前記切り欠き又は孔が、前記流入口に対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
3. 前記切り欠き又は孔が、前記羽根の先端側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
4. 前記羽根車の回転方向に隣接する前記羽根の切り欠き又は孔の位置が、前記羽根車の半径方向でずれていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
5. 前記ケーシング内の前記熱媒体の流路の任意の位置における断面積が、前記流入口の断面積以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のポンプ。
6. 発熱部品と熱的に接続される受熱部と、
   放熱部と、
   直列に接続されて前記受熱部と前記放熱部との間に熱媒体を循環させる第１のポンプ及び第２のポンプとを有する冷却装置であって、
   前記第１のポンプ及び前記第２のポンプの少なくとも一方が、
   回転軸と該回転軸から放射状に延びる複数の羽根とを備えた羽根車と、前記羽根車を収納するケーシングと、前記ケーシングに設けられて熱媒体が流入する流入口と、前記ケーシングに設けられて前記熱媒体を吐出する吐出口とを有し、前記羽根に切り欠き又は孔が設けられている
   ことを特徴とする冷却装置。
7. 筐体と、
   前記筐体内に配置された電子部品と、
   前記電子部品と熱的に接続された受熱部と、
   放熱部と、
   直列に接続されて前記受熱部と前記放熱部との間に熱媒体を循環させる第１のポンプ及び第２のポンプとを有する電子機器であって、
   前記第１のポンプ及び前記第２のポンプの少なくとも一方が、
   回転軸と該回転軸から放射状に延びる複数の羽根とを備えた羽根車と、前記羽根車を収納するケーシングと、前記ケーシングに設けられて熱媒体が流入する流入口と、前記ケーシングに設けられて前記熱媒体を吐出する吐出口とを有し、前記羽根２７ｂに切り欠き又は孔が設けられている
   ことを特徴とする電子機器。

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