ポンプ、その製造方法および冷却装置
【課題】沸騰冷却方式を用いた場合であっても長期間にわたり冷却性能を維持することができるポンプ、その製造方法および冷却装置を提供する。
【解決手段】本発明におけるポンプは、流体の流入口および流出口を備えた筺体と、筺体内に設けられた軸方向に摺動可能な可動体と、流入口および流出口に接続した流路とを備え、流路は流体と接する面が金属層である。
【解決手段】本発明におけるポンプは、流体の流入口および流出口を備えた筺体と、筺体内に設けられた軸方向に摺動可能な可動体と、流入口および流出口に接続した流路とを備え、流路は流体と接する面が金属層である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
液体を循環させるポンプ、その製造方法および冷却装置に関し、特に低沸点の冷媒を循環させるポンプ、その製造方法および冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータをはじめとして、電子機器の情報処理速度の向上は著しく、これを実現するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やその他の半導体素子の処理クロック数は大幅な高速化が図られている。
【０００３】
このＣＰＵや半導体素子の高速化に伴い、ＣＰＵや半導体素子が発する発熱量も増大してきている。そのためＣＰＵ等の発熱体に対して熱的に接続したヒートシンクを空冷で冷却する方式では、十分に冷却を行うことができない半導体素子も現れてきている。
【０００４】
そこで近年では、空気よりも比熱の高い液体を冷媒として用いることで、冷却効率をさらに向上させた液冷方式の冷却装置の開発が進んでいる。
【０００５】
液冷方式の冷却装置は、冷媒を閉循環経路に循環させるポンプを備えており、そのポンプは冷媒を循環させて放熱部に運ぶ。ポンプの構造は、シリンダの内部に往復動自在なピストンを配置しており、吸排弁を介してシリンダ室と外部とを連通している。そしてシリンダ内でピストンを往復動させるポンプ作用により冷媒の吸排を行う。
【０００６】
特許文献１には、このようなポンプを冷媒の相変化を用いた沸騰冷却システムに適用した例が記載されている。上記文献に開示された沸騰冷却システムにおいては、蒸発器と凝縮器とを連通する上部連通管において気化冷媒の流量を圧力調整弁で制御する。そしてポンプを制御することにより、蒸発器の液面レベルを一定に保っている。上記構造により、冷媒の飽和温度を可変させて、発熱体の温度を一定に保つことで安定的に冷却を行うこととしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冷媒の相変化を用いる沸騰冷却装置では、冷媒の沸点を低くするために冷却装置内の内圧を大気圧より低い状態に保つ必要がある。そのため冷媒の循環経路の全てにおいて、密閉性を有した構造が求められる。
【０００９】
しかし特許文献１のように冷媒の循環系路内にポンプが配置されている場合、外部の空気がポンプの流路を形成している樹脂などから浸透して入り込んでしまう可能性がある。従って、長時間にわたり気密性を維持することは難しい。ポンプ内に空気が流入すると、内圧が上がってしまう。その結果、冷媒の沸点が上昇し冷却性能が低下してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した課題である、ポンプを沸騰冷却に用いると、冷却性能が経時的に低下するという課題を解決するポンプ、その製造方法および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】
【００１１】
本発明におけるポンプは、流体の流入口および流出口を備えた筺体と、筺体内に設けられた軸方向に摺動可能な可動体と、流入口および流出口に接続した流路とを備え、流路は流体と接する面が金属層である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明におけるポンプ、その製造方法および冷却装置によれば、沸騰冷却方式を用いた場合であっても長期間にわたり冷却性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態におけるポンプ１を示す断面図である。
【図２】第１実施形態におけるポンプ１の動きを示す断面図である。
【図３】第１実施形態におけるポンプ１の動きを示す断面図である。
【図４】第２実施形態におけるポンプ１を示す断面図である。
【図５】第３実施形態における冷却装置１０を示す断面図である。
【図６】第３実施形態における流路を示す斜視図である。
【図７】第４実施形態におけるポンプ１の製造方法を示す図である。
【図８】第４実施形態におけるポンプ１の製造方法を示す図である。
【図９】第４実施形態におけるポンプ１の製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
【００１５】
〔第１の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態におけるポンプ１の断面図である。
【００１６】
〔構造の説明〕図１に示すように本実施形態におけるポンプ１は、流路２と、筺体５と、可動体６と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えている。
【００１７】
本実施形態におけるポンプ１は鉛直方向に延在する円筒形状であり、図１はポンプ１の鉛直方向における断面図を示す。図１に示すようにポンプ１は、ポンプ１内を流動する流体の流入口３と、流出口４とをそれぞれ２つずつ有する筺体５を備えている。筺体５は、図１における上下方向である鉛直軸方向に延在する形状であれば上記に限定されない。なお筺体５は、流入口３と流出口４とをそれぞれ１つずつ設けた構造でもよい。
【００１８】
流入口３および流出口４には、それぞれ流路２が接続している。流路２の材質は、長期間、安定に冷媒を送出するため、冷媒と反応性の低い樹脂を用いることが望ましい。例えば、本実施形態におけるポンプ１は、ポリフェニレンスルファイド樹脂で流路２を構成している。しかしこれに限らず耐熱温度が１００℃以上で長期間使用でき、また冷媒に対して高い耐性を有するスーパーエンジニアリングプラスチックのような樹脂であれば特に限定されない。
【００１９】
また流路２は、樹脂層の内層である流体と接する面に金属層１１を設けている。例えば金属層１１は、アルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛などの材料で構成される。
【００２０】
なお、流入口３および流出口４を介する流路２と筺体５との接続構造、および流路２、筺体５はそれぞれ密閉性を有した構造である。そしてポンプ１内部の気圧は、大気圧に比べて低い状態となるように、真空引きされている。
【００２１】
可動体６は筺体５の内部に設けられており、筺体５の内部において筺体５の鉛直軸方向に摺動可能な形状である。なお可動体６は、内部に磁性体９を備えており、磁性体９は筺体５の鉛直軸方向にＮ極またはＳ極を有するように配置されている。本実施形態では、磁性体９は鉛直軸方向の上方向にＳ極を、下方向にＮ極を有しているとした。
【００２２】
電磁コイル７は、筺体５の外周において鉛直軸方向に対して垂直方向に環状に巻きつけられている。従って、電磁コイル７は、電流が流れると筺体５の内部に鉛直軸方向に平行な磁力を発生する。そして電磁コイル７から発生した磁力線は、磁性体９を貫通する。なお電磁コイル７が筺体５に巻かれている巻き数を多くすることで筺体５の内部に発生する磁力を大きくすることができる。
【００２３】
バルブ８は、筺体５の流入口３と流出口４にそれぞれ設けられており、冷媒の流れに沿ってバルブ８が動くことでバルブ８の弁１２が流入口３、流出口４を開閉し、流体の流れを制御する。つまりバルブ８の弁１２が流入口３を閉じると、ポンプ１内に冷媒は流入されず、弁１２が流出口４を閉じるとポンプ１内の冷媒は、流出されない。
【００２４】
ここで、バルブ８の詳細な構造について説明を行う。本実施形態におけるバルブ８は、鉛直軸方向の両端部に上部開口部と下部開口部を有しており、鉛直軸方向（図１における上下方向）に摺動可能な形状である。またバルブ８は、上部開口部または下部開口部のいずれか一方に、弁１２を有している。つまり、バルブ８が鉛直軸方向に動くと、バルブ８の弁１２も同時に動く。
【００２５】
ここで第１バルブ８ａは、上部開口部に弁１２を有する構造であり、流入口３Ａおよび流出口４Ａに設けられている。つまり図２に示すように、第１バルブ８ａは流入口３Ａおよび流出口４Ａの鉛直方向の上部に弁１２を設けている。
【００２６】
上記構造により、可動体６が鉛直方向の上向きに動くと、冷媒の流動により第１バルブ８ａも上方向に動く。このとき、第１バルブ８ａの弁１２は、流入口３Ａおよび流出口４Ａと接触しないため、冷媒の吸排を行うことができる。
【００２７】
一方、図３に示すように、第１バルブ８ａは、可動体６が鉛直方向の下方向に動くと、冷媒の流動により第１バルブ８ａも下方向に動く。このとき、第１バルブ８ａの弁１２は、流入口３Ａおよび流出口４Ａを封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００２８】
また第２バルブ８ｂは、下部開口部に弁１２を有する構造であり、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂに設けられている。つまり図２に示すように、第２バルブ８ｂは流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの鉛直方向の下部に弁１２を設けている。
【００２９】
上記構造により、可動体６が鉛直方向の上向きに動くと、冷媒の流動により第２バルブ８ｂも上方向に動く。このとき、第２バルブ８ｂの弁１２は、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂを封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００３０】
一方、図３に示すように、第２バルブ８ｂは、可動体６が鉛直方向の下向きに動くと、冷媒の流動により第２バルブ８ｂも下方向に動く。このとき、第２バルブ８ｂの弁１２は、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂと接触しないため、冷媒の吸排を行うことができる。
【００３１】
なお図１に示す本実施形態では、第１バルブ８ａを設けている流入口３Ａおよび流出口４Ａと、第２バルブ８ｂを設けている流入口３Ｂおよび流出口４Ｂとがそれぞれ対角線方向に設けられている。
【００３２】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について図２を用いて説明を行う。
【００３３】
まず電磁コイル７に通電を行ない電流を流す。すると電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の磁力線が発生する。鉛直軸方向に発生した電磁力により、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向（図１における上下方向）に移動を行う。
【００３４】
まず図２に示すように、可導体６が上方向に移動している場合を考える。所定の方向で電磁コイル７に電流を流すと、上向き方向に磁力線が発生する。このとき可導体６は、軸線方向の上部にＳ極を、下部にＮ極を有した磁性体９を内部に設けているため、可導体６は上方向に動く。
【００３５】
図２に示すように、可動体６が鉛直方向の上向きに動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も鉛直方向の上向きに動くため、弁１２は上方向に移動する。第1バルブ8ａは、弁１２が流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に設けられているので、弁１２は流入口３Ａおよび流出口４Ａと接触せず、冷媒を通過させる。
【００３６】
一方、弁１２が流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に設けられている第２バルブ８ｂは、弁１２が鉛直方向の上向きに移動することで流入口３Ｂ及び流出口４Ｂと接触して封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００３７】
つまり、可動体６を鉛直方向の上向きに動かすと、第１バルブ８aを備えた流入口３Ａおよび流出口４Ａは、冷媒の吸排を行うことができるが、第２バルブ８ｂを備えた流入口３Ｂおよび流出口４Ｂは冷媒の吸排を行うことができない。
【００３８】
一方、電磁コイル７に反対向きの電流を流すと、電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の下向きに磁力線が発生する。なお電磁コイル７に電流を流す向きは、回路などにより制御してもよい。
【００３９】
図３に示すように、可動体６が鉛直方向の下向きに動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も鉛直方向の下向きに動くため、弁１２は鉛直軸方向の下向きに移動する。第２バルブ８ｂは、弁１２が流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に設けられているので、弁１２は流入口３Ｂおよび流出口４Ｂと接触せず、冷媒を通過させる。
【００４０】
一方、弁１２が流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に設けられている第１バルブ８ａは、弁１２が下向きに移動することで流入口３Ａ及び流出口４Ａと接触して封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００４１】
上記のように、電磁コイル７に通電を行う向きにより、発生する磁力線の向きを変えることで、第１バルブ８ａ、または第２バルブ８ｂを備えた流入口３、流出口４に対しての冷媒の移動を制御することができる。
【００４２】
ここでポンプ１における可動体６と流体の運動について説明を行う。電磁コイル７に通電することで、電磁コイル７の内部に設けられた筺体５に鉛直軸方向の磁力線を発生させると、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向に移動を行う。
【００４３】
まず図２に示すように、可導体６が鉛直方向の上向きに移動している場合、筺体５の下面と可動体６の下面とで挟まれた領域Ａの体積が増加する。このとき下方の流入口３Ａは第１バルブ８ａの弁１２により開放されており、下方の流出口４Ｂは第２バルブ８ｂにより塞がれているため、流入口３Ａから筺体５の領域Ａに冷媒が流入して蓄積する。
【００４４】
次に図３に示すように、可動体６が鉛直方向の下向きに移動している場合、筺体５の下面と可動体６の下面とで挟まれた領域Ａの体積が減少する。このとき下方の流入口３Ａは第１バルブ８ａの弁１２により塞がれており、下方の流出口４Ｂは第２バルブ８ｂにより開放されているため、筺体５の領域Ａに蓄積された冷媒は下方の流出口４Ｂから流路２に排出される。
【００４５】
上記のように、可動体６が筺体５内で鉛直軸方向に動くことで、筺体５内に蓄積する冷媒の領域Ａの体積が増減する。それと同時に第１バルブ８ａと第２バルブ８ｂとが、それぞれ流入口３Ａと流出口４Ｂの開閉状態を制御するため、冷媒がポンプ１を介して流動する。なお、筺体５の上面と可動体６の上面とで挟まれる領域Ｂについても同様の作用を行う。
【００４６】
ここで流入口３および流出口４に接続している流路２が樹脂のみで構成されている場合を考える。ポンプ１に接続する流路２は、例えばポリフェニレンスルファイドなどの反応に対する耐性が高いスーパーエンジニアリングプラスチックのような樹脂を用いているため、樹脂が高温の冷媒により腐食することを防ぐことができる。
【００４７】
しかし相変化冷却に用いるポンプは、冷媒の沸点を低くするために密閉性を有した構造で、かつポンプ内の内圧を大気圧に比べて低い状態で使用する必要がある。そのため関連するポンプでは、流路２の材料には反応性の低い樹脂を使用しているが、外部から樹脂を介して浸透する空気の流入を完全に防ぐことは難しい。
【００４８】
そして、関連するポンプおいては、ポンプ内に空気が流入すると、大気圧より低くした内圧が増加することで冷媒の沸点が上昇し、冷却性能が低下してしまうという問題があった。
【００４９】
しかし、本実施形態におけるポンプ１は、流路２の内層である流体と接する面に金属層１１を設けた構造としている。そのため、樹脂を介して外部から流路２に空気が浸透してきたとしても、金属層１１において空気がポンプ１内に流入することを防ぐことができる。
【００５０】
その結果、ポンプ１内に空気が流入することを防ぐことで、内圧が上がることを防ぐことができる。つまり内圧があがることによる冷媒の沸点が上昇することを抑えることができるため、本実施形態によるポンプ１を用いた冷却装置の冷却性能の低下を抑制することができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕次に第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本実施形態におけるポンプ１の断面図である。
【００５２】
〔構造の説明〕本実施形態におけるポンプ１は、金属層１１が流路２の内層だけでなく、可動体６の表面にも設けられている点である。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様であり、流路２と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えている。
【００５３】
筺体５は、図４に示すように円筒形状であり、流入口３と、流出口４とをそれぞれ２つ設けている。流入口３および流出口４には、それぞれ流路２が接続している。
【００５４】
流路２の材質は、長期間、安定に冷媒を送出するため、反応性の低い樹脂を用いることが望ましい。例えば、本実施形態におけるポンプ１は、ポリフェニレンスルファイド樹脂で流路２を構成している。しかし、これに限らず耐熱温度は１００℃以上で長期間使用でき、また冷媒に対して高い耐性を有するスーパーエンジニアリングプラスチックのような樹脂であればよい。
【００５５】
また流路２の樹脂層の内層である流体と接する面には、金属層１１が設けられている。金属層１１は、例えばアルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛などを用いることができる。
【００５６】
なお本実施形態では、流路２の内層だけでなく、可動体６の外表面にもメッキ処理により金属保護層１１ａを形成している。つまり可動体６が流体と接する面に金属保護層１１ａを設けている。以下、ニッケルめっき処理を行った場合を記載するが、特にこれに限定されない。例えば、ニッケルめっき処理を行う場合、ニッケルめっきの厚さは、１０μｍ程度以上、好ましくは２０μｍ以上あることが望ましい。
【００５７】
なお、流入口３および流出口４を介した流路２と筺体５との接続構造、および流路２と筺体５の構造は密閉性を有している。そしてポンプ１内部の気圧は、大気圧に比べて低くい状態となるように、真空引きされている。
【００５８】
可動体６は、筺体５の内部に設けられており、筺体５の内部で筺体５の鉛直軸方向に摺動可能な形状である。なお可動体６は、内部に磁性体９を設けており、磁性体９は筺体５の鉛直軸方向にＮ極またはＳ極を有するように配置されている。本実施形態では、磁性体９は鉛直軸方向の上向きにＳ極を、下向きにＮ極を有している。
【００５９】
電磁コイル７は、筺体５の外周において鉛直軸方向に対して垂直方向に環状に巻きつけられている。従って、電磁コイル７は、電流が流れると筺体５の内部に鉛直軸方向に平行な磁力を発生する。そして電磁コイル７から発生した磁力線は、磁性体９を貫通する。なお電磁コイル７が筺体５に巻かられている巻き数を多くすることで筺体５の内部に発生する磁力を大きくすることができる。
【００６０】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００６１】
まず電磁コイル７に通電することで電流を流す。電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の磁力線が発生する。鉛直軸方向に発生した電磁力により、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向に移動を行う。
【００６２】
ここで図２に示すように、可導体６が鉛直方向の上向きに移動している場合を考える。所定の方向で電磁コイル７に電流を流すと、上向き方向に磁力線が発生するため、可導体６は上方向に動く。可動体６が上方向に動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も上方向に動き、弁１２は鉛直軸方向の上向きに移動する。
【００６３】
第１バルブ８ａは、流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ａおよび流出口４Ａと接触せず、冷媒が流動する。一方、第２バルブ８ｂは、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ｂ及び流出口４Ｂと接触して封止することで冷媒の流れを遮断する。
【００６４】
つまり、可動体６を鉛直方向の上向きに動かすと、第１バルブ８aを備えた流入口３Ａおよび流出口４Ａは、冷媒の吸排を行うことができるが、第２バルブ８ｂを備えた流入口３Ｂおよび流出口４Ｂでは冷媒の吸排を行うことができない。
【００６５】
一方、図３に示すように、電磁コイル７に対して反対向きに電流を流すと、電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の下向きに磁力線が発生するため、可導体６は下方向に動く。可動体６が下方向に動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も下方向に動き、弁１２は鉛直軸方向の下向きに移動する。
【００６６】
第２バルブ８ｂは、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ｂおよび流出口４Ｂと接触せず、冷媒の流れを開放する。一方、第１バルブ８ａは、流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ａ及び流出口４Ａと接触して封止することで冷媒の流れを遮断する。
【００６７】
上記のように、電磁コイル７に通電を行う向きにより、磁力線の向きを変えることで、第１バルブ８ａ、または第２バルブ８ｂを備えた流入口３、流出口４に対しての冷媒の移動を制御することができる。
【００６８】
ここで相変化を用いた冷却装置は、発熱体が発生する熱量によって冷媒は沸騰して気化し、気化した冷媒の蒸気を、気液密度の差による浮力により、凝縮部に運ぶ。凝縮部に運ばれた冷媒の蒸気は、放熱部により冷却されることによって凝縮し液化する。凝縮した冷媒は重力により降下し、気液界面に還流する。
【００６９】
上記の相変化冷却を用いた冷却装置に本実施形態のポンプ１を用いた場合、流路２および筺体５に、高温の冷媒が流れる。そのため、高温の冷媒が可動体６と接触して反応すると、腐食などにより不凝縮性ガスを発生してしまう。不凝縮ガスが発生すると冷却器内部の内圧が上昇し、冷却性能が低下してしまう。
【００７０】
そこで本実施形態では図４に示すように、可動体６の外表面である流体と接する面にメッキ処理により金属保護層１１ａを形成している。そのため、高温の冷媒やその蒸気が、流路２を介して筺体５の内部に流れ込んだとしても、冷媒が可動体６と反応して不凝縮性ガスを発生させることを防ぐことができる。その結果、冷却装置内の内圧が上昇することを防ぐことができるため、冷却性能の低下を防ぐことができる。
【００７１】
なおメッキ処理により形成される金属保護層１１ａは、可動体６に限らず筺体５の内壁面や、筺体５と流路２との継ぎ目の接続面などの流体と接する面に設けてもよい。上記のように、流路２を含めてポンプ１内の冷媒が流動する際に、流体と接する箇所にメッキ処理をして金属保護層１１ａを形成することで、不凝縮ガスが発生することによる冷却効率の低下を防ぐことができる。
【００７２】
また金属保護層１１ａは、可動体６と筺体５との摺動面（外周面）を被覆するように設けられた被膜であればよく、樹脂と金属とを複合した材料も適用することができる。例えば、ポリフェニレンスルファイド樹脂の微粉末をニッケルめっき中に分散させた金属保護層１１ａを用いることができる。
【００７３】
上記の場合、金属保護層１１ａはニッケルめっき被膜を下地として施されているもので、可動体６と筺体５との摺動面では、この金属層１１が露出する。可動体６は、筺体５との接触面に金属層１１を設けることで摺動性、耐摩耗性を向上させることが出来る。また金属保護層１１ａは潤滑塗装などと比較して、可動子５の密着性が良好で、優れた摺動性を得ることができる。
【００７４】
このように、図４に示す可動体６は、筺体５と接する外表面がニッケルめっきなどを含む金属保護層１１ａによって被覆されていることにより、高温の冷媒などに対しても十分な耐蝕性、耐久性を備えることができる。
【００７５】
〔第３の実施形態〕次に第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図５は、本実施形態における冷却装置１０の断面図である。
【００７６】
〔構造の説明〕本実施形態における冷却装置１０は、蒸発部２０と凝縮部３０と液相流路４０と気相流路５０とを有し、液相流路４０内にポンプ１を備える。なおポンプ１の構造、接続関係は、第１の実施形態、または第２の実施形態と同様であり、流路２と、筺体５と、可動体６と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えている。
【００７７】
図５に示すように冷却装置１０は、蒸発部２０と凝縮部３０とを備えており、気相流路５０は蒸発部２０の上部と凝縮部３０の上部とを接続している。一方、液相流路４０は、蒸発部２０の側面部と、凝縮部３０の下部とを接続している。
【００７８】
蒸発部２０は、箱型形状であり内部に冷媒を貯蔵している。具体的な冷媒としてＨＦＣ（hydro fluorocarbon：ハイドロフルオロカーボン）や、ＨＦＥ（hydro fluor ether：ハイドロフルオロエーテル）を用いているが、低沸点の材料であればこれに限定されない。蒸発部２０は、下面部において発熱体（図示しない）と熱的に接触しており、発熱体が発生する熱により冷媒は沸騰する。
【００７９】
蒸発部２０の上面と接続する気相流路５０は、凝縮部３０の上部と接続しており、蒸発部２０の側部と接続する液相流路４０は、凝縮部３０の下部と接続している。上記構造とすることで、蒸発部２０において蒸気となった冷媒は凝縮部３０に運ばれ、そして凝縮部３０において凝縮された冷媒は蒸発部２０に運ばれるという熱サイクルを維持することができる。
【００８０】
凝縮部３０は箱型形状であり、気相流路５０から凝縮部３０の上部に冷媒が流入されると、冷媒は凝縮部３０内部を上部から下部に流れる。凝縮部３０が外気により冷却されることで、凝縮部３０に流入した冷媒の蒸気は凝縮され液化する。液化した冷媒は、凝縮部３０の下部に接続した液相流路４０を介して、側面から蒸発部２０に流れこむ。
【００８１】
ここで本実施形態では、第１および第２の実施形態において説明したポンプ１を蒸発部２０と凝縮部３０とをつなぐ液相流路４０内に設けている。なおポンプ１は、流路２だけでなく可動体６や筺体５の内壁など流体と接する面に金属層１１がメッキ処理されていることが望ましい。
【００８２】
ここで蒸発部２０と凝縮部３０とを接続する気相流路５０、液相流路４０は樹脂製の接続管により構成した。接続管の内層には金属層１１を設け、金属層１１の膜厚は、０．５ｍｍであり、主にアルミニウムやスズなどの柔軟性を有した材料を用いた。
【００８３】
気相流路５０、液相流路４０は、内層に薄い金属層１１を設けた樹脂製の接続管であるため、柔軟性を有している。その結果、気相流路５０、液相流路４０を任意の方向に湾曲させることが可能であり、蒸発部２０と凝縮部３０を自由に配置することができる。
【００８４】
ここで金属層１１は、図６に示すように、少なくとも一部を重ね合わせて接合する接合部６０を設けてもよい。気相流路５０、液相流路４０を湾曲させる場合、図６に示すように、気相流路５０および液相流路４０を湾曲させた場合、接合部６０は湾曲部の曲率中心側に配置される。
【００８５】
〔作用・効果の説明〕次に本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００８６】
蒸発部２０は、発熱体と熱的に接触している。そのため、蒸発部２０の内部に設けられた冷媒は、発熱体が発する熱を受熱することで沸騰する。
【００８７】
蒸発部２０内部の冷媒が沸騰することにより発生した蒸気は、気液の密度差による浮力によって、蒸発部２０に接続している気相流路５０を介して凝縮部３０に運ばれる。
【００８８】
凝縮部３０に運ばれた冷媒の蒸気は、凝縮部３０を上端部から下端部に流れるあいだ、外気と熱交換を行う。蒸発した冷媒は凝縮部３０において冷却され、気体から液体に凝縮することによって、発熱体で発生した熱を外気へ放熱することができる。なお、凝縮部３０の下端部において液化した冷媒は、下端部に接続した液相流路４０を介して蒸発部２０に運ばれる。
【００８９】
ここで発熱体が発する熱を蒸発部２０で受熱して沸騰した冷媒の蒸気を、凝縮部３０において冷却することによって、冷媒を凝縮させ、再び液化させる、という沸騰冷却のサイクルを、流路を通して円滑に循環させる必要がある。
【００９０】
例えば、蒸発して気化した冷媒が凝縮部３０で凝縮され、凝縮された冷媒が蒸発部２０に還流するサイクルが滞ると、蒸発部２０内の冷媒が全て蒸発してしまう可能性がある。このとき、沸騰した冷媒の蒸気を、凝縮部３０を介して冷却することで、冷媒を再び液化するという冷却サイクルを継続することが困難になり、冷却性能が低下してしまう。
【００９１】
そこで本実施形態では、凝縮部３０で凝縮された冷媒を蒸発部２０に還流する液相流路４０内にポンプ１を設けている。ポンプ１を設けることで、凝縮部３０で凝縮した冷媒を効率よく蒸発部２０に還流することができる。
【００９２】
その結果、蒸発部２０おいて冷媒全てが蒸発してしまうと言う事態を防ぐことができ、冷却サイクルを継続することができる。そのため、冷却装置１０の冷却性能を維持することができる。
【００９３】
また液相流路４０は、内層の金属層１１を重ね合わせて接合させた接合部６０を設けることで金属層１１が薄い構造であっても強い接続構造を有することができる。
【００９４】
しかし気相流路５０および液相流路４０は、蒸発部２０と凝縮部３０とを接続するため湾曲部分を設ける必要がある。そこで本実施形態では、液相流路４０を湾曲させた場合、接合部６０を湾曲部の曲率中心側に設けている。
【００９５】
液相流路４０の接合部６０を湾曲部の外側に設けた場合、接合部６０に対して力が外側に集中してかかることで、金属層１１の接合部６０が分離してしまう可能性があった。接合部６０において金属層１１が分離すると、その隙間から冷媒が侵入し、冷媒と樹脂層とが反応して不凝縮ガスを発生し、冷却性能を低下させてしまうなどの問題があった。
【００９６】
そこで本実施形態では、液相流路４０を湾曲させた場合、接合部６０を湾曲部の曲率中心側に設けることで、接合部６０に対して力が外側にかかることを防ぐことができる。その結果、金属層１１の分離を回避することができ、冷媒の蒸気と樹脂層３とが反応して不凝縮性ガスが発生することによる冷却性能の低下を抑制することができる。
【００９７】
〔第４の実施形態〕次に第４の実施形態について図面を用いて説明する。図７〜図９は、本実施形態によるポンプ１の製造方法を接飯するための工程図である。以下、同図を参照して工程順に説明する。
【００９８】
本実施形態によるポンプ１の製造方法では、流路２と、筺体５と、可動体６と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えたポンプ１を用いる。このときポンプ１の流路２、可動体６などの冷媒に接する面は、樹脂または耐腐食性の弱い金属層１１により構成されている。
【００９９】
まず図７に示すように、ポンプ１の流入口３、および流出口４の流路２に、それぞれチューブ１２を接続する。そして流入口３および流出口４の流路２にそれぞれ接続したチューブ１２を、金属メッキ溶液１３が設けられた容器１４に挿入する。
【０１００】
そしてステップ１として、ポンプ１の電磁コイル７に通電することで電流を流す。すると電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の磁力線が発生する。鉛直軸方向に発生した電磁力により、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向に移動を行う。
【０１０１】
図８に示すように、筺体５内を可動体６が軸線方向にピストン運動を行うことで、金属メッキ容液１３は流入口３を介して筺体５内に流入する。次にステップ２に進む。
【０１０２】
次に図９に示すように、ステップ２として、ポンプ１の電磁コイル７にステップ１とは反対方向に電流を流す。すると電磁コイル７の内部に設けられた可動体６は、筺体５内においてステップ１の時とは反対の軸線方向にピストン運動を行う。その結果、筺体５内の金属メッキ溶液１３は流出口４を介して、容器１４に排出する。
【０１０３】
〔効果の説明〕静止した冷媒にポンプ１の部品を浸漬させてメッキ処理を行う場合、メッキ加工を行うための反応層速度が大きくなり、時間を要してしまうという問題があった。
【０１０４】
本実施形態においては、ポンプ１を駆動することによってポンプ１内に金属メッキ溶液１３を流入し、排出するという循環を行う。それによって静止冷媒にメッキ対象を浸漬させるよりも、反応速度が大きくなり時間の短縮が可能となる。
【０１０５】
さらにポンプ１を駆動しながら、メッキ処理を行うので、可動部同士がメッキ処理により付着し、動作に支障が生じることを回避できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１ ポンプ
２ 流路
３ 流入口
４ 流出口
５ 筺体
６ 可動体
７ 電磁コイル
８ バルブ
８ａ 第１バルブ
８ｂ 第２バルブ
９ 磁性体
１０ 冷却装置
１１ 金属層
１１ａ 金属保護層
１２ チューブ
１３ 金属メッキ溶液
１４ 容器
２０ 蒸発部
３０ 凝縮部
４０ 液相流路
５０ 気相流路
６０ 接合部
【技術分野】
【０００１】
液体を循環させるポンプ、その製造方法および冷却装置に関し、特に低沸点の冷媒を循環させるポンプ、その製造方法および冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
パーソナルコンピュータをはじめとして、電子機器の情報処理速度の向上は著しく、これを実現するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）やその他の半導体素子の処理クロック数は大幅な高速化が図られている。
【０００３】
このＣＰＵや半導体素子の高速化に伴い、ＣＰＵや半導体素子が発する発熱量も増大してきている。そのためＣＰＵ等の発熱体に対して熱的に接続したヒートシンクを空冷で冷却する方式では、十分に冷却を行うことができない半導体素子も現れてきている。
【０００４】
そこで近年では、空気よりも比熱の高い液体を冷媒として用いることで、冷却効率をさらに向上させた液冷方式の冷却装置の開発が進んでいる。
【０００５】
液冷方式の冷却装置は、冷媒を閉循環経路に循環させるポンプを備えており、そのポンプは冷媒を循環させて放熱部に運ぶ。ポンプの構造は、シリンダの内部に往復動自在なピストンを配置しており、吸排弁を介してシリンダ室と外部とを連通している。そしてシリンダ内でピストンを往復動させるポンプ作用により冷媒の吸排を行う。
【０００６】
特許文献１には、このようなポンプを冷媒の相変化を用いた沸騰冷却システムに適用した例が記載されている。上記文献に開示された沸騰冷却システムにおいては、蒸発器と凝縮器とを連通する上部連通管において気化冷媒の流量を圧力調整弁で制御する。そしてポンプを制御することにより、蒸発器の液面レベルを一定に保っている。上記構造により、冷媒の飽和温度を可変させて、発熱体の温度を一定に保つことで安定的に冷却を行うこととしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−３４９６８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
冷媒の相変化を用いる沸騰冷却装置では、冷媒の沸点を低くするために冷却装置内の内圧を大気圧より低い状態に保つ必要がある。そのため冷媒の循環経路の全てにおいて、密閉性を有した構造が求められる。
【０００９】
しかし特許文献１のように冷媒の循環系路内にポンプが配置されている場合、外部の空気がポンプの流路を形成している樹脂などから浸透して入り込んでしまう可能性がある。従って、長時間にわたり気密性を維持することは難しい。ポンプ内に空気が流入すると、内圧が上がってしまう。その結果、冷媒の沸点が上昇し冷却性能が低下してしまうという問題があった。
【００１０】
本発明は、上述した課題である、ポンプを沸騰冷却に用いると、冷却性能が経時的に低下するという課題を解決するポンプ、その製造方法および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】
【００１１】
本発明におけるポンプは、流体の流入口および流出口を備えた筺体と、筺体内に設けられた軸方向に摺動可能な可動体と、流入口および流出口に接続した流路とを備え、流路は流体と接する面が金属層である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明におけるポンプ、その製造方法および冷却装置によれば、沸騰冷却方式を用いた場合であっても長期間にわたり冷却性能を維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１実施形態におけるポンプ１を示す断面図である。
【図２】第１実施形態におけるポンプ１の動きを示す断面図である。
【図３】第１実施形態におけるポンプ１の動きを示す断面図である。
【図４】第２実施形態におけるポンプ１を示す断面図である。
【図５】第３実施形態における冷却装置１０を示す断面図である。
【図６】第３実施形態における流路を示す斜視図である。
【図７】第４実施形態におけるポンプ１の製造方法を示す図である。
【図８】第４実施形態におけるポンプ１の製造方法を示す図である。
【図９】第４実施形態におけるポンプ１の製造方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための好ましい形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
【００１５】
〔第１の実施形態〕本実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態におけるポンプ１の断面図である。
【００１６】
〔構造の説明〕図１に示すように本実施形態におけるポンプ１は、流路２と、筺体５と、可動体６と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えている。
【００１７】
本実施形態におけるポンプ１は鉛直方向に延在する円筒形状であり、図１はポンプ１の鉛直方向における断面図を示す。図１に示すようにポンプ１は、ポンプ１内を流動する流体の流入口３と、流出口４とをそれぞれ２つずつ有する筺体５を備えている。筺体５は、図１における上下方向である鉛直軸方向に延在する形状であれば上記に限定されない。なお筺体５は、流入口３と流出口４とをそれぞれ１つずつ設けた構造でもよい。
【００１８】
流入口３および流出口４には、それぞれ流路２が接続している。流路２の材質は、長期間、安定に冷媒を送出するため、冷媒と反応性の低い樹脂を用いることが望ましい。例えば、本実施形態におけるポンプ１は、ポリフェニレンスルファイド樹脂で流路２を構成している。しかしこれに限らず耐熱温度が１００℃以上で長期間使用でき、また冷媒に対して高い耐性を有するスーパーエンジニアリングプラスチックのような樹脂であれば特に限定されない。
【００１９】
また流路２は、樹脂層の内層である流体と接する面に金属層１１を設けている。例えば金属層１１は、アルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛などの材料で構成される。
【００２０】
なお、流入口３および流出口４を介する流路２と筺体５との接続構造、および流路２、筺体５はそれぞれ密閉性を有した構造である。そしてポンプ１内部の気圧は、大気圧に比べて低い状態となるように、真空引きされている。
【００２１】
可動体６は筺体５の内部に設けられており、筺体５の内部において筺体５の鉛直軸方向に摺動可能な形状である。なお可動体６は、内部に磁性体９を備えており、磁性体９は筺体５の鉛直軸方向にＮ極またはＳ極を有するように配置されている。本実施形態では、磁性体９は鉛直軸方向の上方向にＳ極を、下方向にＮ極を有しているとした。
【００２２】
電磁コイル７は、筺体５の外周において鉛直軸方向に対して垂直方向に環状に巻きつけられている。従って、電磁コイル７は、電流が流れると筺体５の内部に鉛直軸方向に平行な磁力を発生する。そして電磁コイル７から発生した磁力線は、磁性体９を貫通する。なお電磁コイル７が筺体５に巻かれている巻き数を多くすることで筺体５の内部に発生する磁力を大きくすることができる。
【００２３】
バルブ８は、筺体５の流入口３と流出口４にそれぞれ設けられており、冷媒の流れに沿ってバルブ８が動くことでバルブ８の弁１２が流入口３、流出口４を開閉し、流体の流れを制御する。つまりバルブ８の弁１２が流入口３を閉じると、ポンプ１内に冷媒は流入されず、弁１２が流出口４を閉じるとポンプ１内の冷媒は、流出されない。
【００２４】
ここで、バルブ８の詳細な構造について説明を行う。本実施形態におけるバルブ８は、鉛直軸方向の両端部に上部開口部と下部開口部を有しており、鉛直軸方向（図１における上下方向）に摺動可能な形状である。またバルブ８は、上部開口部または下部開口部のいずれか一方に、弁１２を有している。つまり、バルブ８が鉛直軸方向に動くと、バルブ８の弁１２も同時に動く。
【００２５】
ここで第１バルブ８ａは、上部開口部に弁１２を有する構造であり、流入口３Ａおよび流出口４Ａに設けられている。つまり図２に示すように、第１バルブ８ａは流入口３Ａおよび流出口４Ａの鉛直方向の上部に弁１２を設けている。
【００２６】
上記構造により、可動体６が鉛直方向の上向きに動くと、冷媒の流動により第１バルブ８ａも上方向に動く。このとき、第１バルブ８ａの弁１２は、流入口３Ａおよび流出口４Ａと接触しないため、冷媒の吸排を行うことができる。
【００２７】
一方、図３に示すように、第１バルブ８ａは、可動体６が鉛直方向の下方向に動くと、冷媒の流動により第１バルブ８ａも下方向に動く。このとき、第１バルブ８ａの弁１２は、流入口３Ａおよび流出口４Ａを封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００２８】
また第２バルブ８ｂは、下部開口部に弁１２を有する構造であり、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂに設けられている。つまり図２に示すように、第２バルブ８ｂは流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの鉛直方向の下部に弁１２を設けている。
【００２９】
上記構造により、可動体６が鉛直方向の上向きに動くと、冷媒の流動により第２バルブ８ｂも上方向に動く。このとき、第２バルブ８ｂの弁１２は、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂを封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００３０】
一方、図３に示すように、第２バルブ８ｂは、可動体６が鉛直方向の下向きに動くと、冷媒の流動により第２バルブ８ｂも下方向に動く。このとき、第２バルブ８ｂの弁１２は、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂと接触しないため、冷媒の吸排を行うことができる。
【００３１】
なお図１に示す本実施形態では、第１バルブ８ａを設けている流入口３Ａおよび流出口４Ａと、第２バルブ８ｂを設けている流入口３Ｂおよび流出口４Ｂとがそれぞれ対角線方向に設けられている。
【００３２】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について図２を用いて説明を行う。
【００３３】
まず電磁コイル７に通電を行ない電流を流す。すると電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の磁力線が発生する。鉛直軸方向に発生した電磁力により、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向（図１における上下方向）に移動を行う。
【００３４】
まず図２に示すように、可導体６が上方向に移動している場合を考える。所定の方向で電磁コイル７に電流を流すと、上向き方向に磁力線が発生する。このとき可導体６は、軸線方向の上部にＳ極を、下部にＮ極を有した磁性体９を内部に設けているため、可導体６は上方向に動く。
【００３５】
図２に示すように、可動体６が鉛直方向の上向きに動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も鉛直方向の上向きに動くため、弁１２は上方向に移動する。第1バルブ8ａは、弁１２が流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に設けられているので、弁１２は流入口３Ａおよび流出口４Ａと接触せず、冷媒を通過させる。
【００３６】
一方、弁１２が流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に設けられている第２バルブ８ｂは、弁１２が鉛直方向の上向きに移動することで流入口３Ｂ及び流出口４Ｂと接触して封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００３７】
つまり、可動体６を鉛直方向の上向きに動かすと、第１バルブ８aを備えた流入口３Ａおよび流出口４Ａは、冷媒の吸排を行うことができるが、第２バルブ８ｂを備えた流入口３Ｂおよび流出口４Ｂは冷媒の吸排を行うことができない。
【００３８】
一方、電磁コイル７に反対向きの電流を流すと、電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の下向きに磁力線が発生する。なお電磁コイル７に電流を流す向きは、回路などにより制御してもよい。
【００３９】
図３に示すように、可動体６が鉛直方向の下向きに動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も鉛直方向の下向きに動くため、弁１２は鉛直軸方向の下向きに移動する。第２バルブ８ｂは、弁１２が流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に設けられているので、弁１２は流入口３Ｂおよび流出口４Ｂと接触せず、冷媒を通過させる。
【００４０】
一方、弁１２が流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に設けられている第１バルブ８ａは、弁１２が下向きに移動することで流入口３Ａ及び流出口４Ａと接触して封止するため、冷媒の流れを遮断する。
【００４１】
上記のように、電磁コイル７に通電を行う向きにより、発生する磁力線の向きを変えることで、第１バルブ８ａ、または第２バルブ８ｂを備えた流入口３、流出口４に対しての冷媒の移動を制御することができる。
【００４２】
ここでポンプ１における可動体６と流体の運動について説明を行う。電磁コイル７に通電することで、電磁コイル７の内部に設けられた筺体５に鉛直軸方向の磁力線を発生させると、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向に移動を行う。
【００４３】
まず図２に示すように、可導体６が鉛直方向の上向きに移動している場合、筺体５の下面と可動体６の下面とで挟まれた領域Ａの体積が増加する。このとき下方の流入口３Ａは第１バルブ８ａの弁１２により開放されており、下方の流出口４Ｂは第２バルブ８ｂにより塞がれているため、流入口３Ａから筺体５の領域Ａに冷媒が流入して蓄積する。
【００４４】
次に図３に示すように、可動体６が鉛直方向の下向きに移動している場合、筺体５の下面と可動体６の下面とで挟まれた領域Ａの体積が減少する。このとき下方の流入口３Ａは第１バルブ８ａの弁１２により塞がれており、下方の流出口４Ｂは第２バルブ８ｂにより開放されているため、筺体５の領域Ａに蓄積された冷媒は下方の流出口４Ｂから流路２に排出される。
【００４５】
上記のように、可動体６が筺体５内で鉛直軸方向に動くことで、筺体５内に蓄積する冷媒の領域Ａの体積が増減する。それと同時に第１バルブ８ａと第２バルブ８ｂとが、それぞれ流入口３Ａと流出口４Ｂの開閉状態を制御するため、冷媒がポンプ１を介して流動する。なお、筺体５の上面と可動体６の上面とで挟まれる領域Ｂについても同様の作用を行う。
【００４６】
ここで流入口３および流出口４に接続している流路２が樹脂のみで構成されている場合を考える。ポンプ１に接続する流路２は、例えばポリフェニレンスルファイドなどの反応に対する耐性が高いスーパーエンジニアリングプラスチックのような樹脂を用いているため、樹脂が高温の冷媒により腐食することを防ぐことができる。
【００４７】
しかし相変化冷却に用いるポンプは、冷媒の沸点を低くするために密閉性を有した構造で、かつポンプ内の内圧を大気圧に比べて低い状態で使用する必要がある。そのため関連するポンプでは、流路２の材料には反応性の低い樹脂を使用しているが、外部から樹脂を介して浸透する空気の流入を完全に防ぐことは難しい。
【００４８】
そして、関連するポンプおいては、ポンプ内に空気が流入すると、大気圧より低くした内圧が増加することで冷媒の沸点が上昇し、冷却性能が低下してしまうという問題があった。
【００４９】
しかし、本実施形態におけるポンプ１は、流路２の内層である流体と接する面に金属層１１を設けた構造としている。そのため、樹脂を介して外部から流路２に空気が浸透してきたとしても、金属層１１において空気がポンプ１内に流入することを防ぐことができる。
【００５０】
その結果、ポンプ１内に空気が流入することを防ぐことで、内圧が上がることを防ぐことができる。つまり内圧があがることによる冷媒の沸点が上昇することを抑えることができるため、本実施形態によるポンプ１を用いた冷却装置の冷却性能の低下を抑制することができる。
【００５１】
〔第２の実施形態〕次に第２の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図４は、本実施形態におけるポンプ１の断面図である。
【００５２】
〔構造の説明〕本実施形態におけるポンプ１は、金属層１１が流路２の内層だけでなく、可動体６の表面にも設けられている点である。それ以外の構造、接続関係は、第１の実施形態と同様であり、流路２と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えている。
【００５３】
筺体５は、図４に示すように円筒形状であり、流入口３と、流出口４とをそれぞれ２つ設けている。流入口３および流出口４には、それぞれ流路２が接続している。
【００５４】
流路２の材質は、長期間、安定に冷媒を送出するため、反応性の低い樹脂を用いることが望ましい。例えば、本実施形態におけるポンプ１は、ポリフェニレンスルファイド樹脂で流路２を構成している。しかし、これに限らず耐熱温度は１００℃以上で長期間使用でき、また冷媒に対して高い耐性を有するスーパーエンジニアリングプラスチックのような樹脂であればよい。
【００５５】
また流路２の樹脂層の内層である流体と接する面には、金属層１１が設けられている。金属層１１は、例えばアルミニウム、スズ、ステンレス、銅、真鍮、亜鉛などを用いることができる。
【００５６】
なお本実施形態では、流路２の内層だけでなく、可動体６の外表面にもメッキ処理により金属保護層１１ａを形成している。つまり可動体６が流体と接する面に金属保護層１１ａを設けている。以下、ニッケルめっき処理を行った場合を記載するが、特にこれに限定されない。例えば、ニッケルめっき処理を行う場合、ニッケルめっきの厚さは、１０μｍ程度以上、好ましくは２０μｍ以上あることが望ましい。
【００５７】
なお、流入口３および流出口４を介した流路２と筺体５との接続構造、および流路２と筺体５の構造は密閉性を有している。そしてポンプ１内部の気圧は、大気圧に比べて低くい状態となるように、真空引きされている。
【００５８】
可動体６は、筺体５の内部に設けられており、筺体５の内部で筺体５の鉛直軸方向に摺動可能な形状である。なお可動体６は、内部に磁性体９を設けており、磁性体９は筺体５の鉛直軸方向にＮ極またはＳ極を有するように配置されている。本実施形態では、磁性体９は鉛直軸方向の上向きにＳ極を、下向きにＮ極を有している。
【００５９】
電磁コイル７は、筺体５の外周において鉛直軸方向に対して垂直方向に環状に巻きつけられている。従って、電磁コイル７は、電流が流れると筺体５の内部に鉛直軸方向に平行な磁力を発生する。そして電磁コイル７から発生した磁力線は、磁性体９を貫通する。なお電磁コイル７が筺体５に巻かられている巻き数を多くすることで筺体５の内部に発生する磁力を大きくすることができる。
【００６０】
〔作用・効果の説明〕次に、本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００６１】
まず電磁コイル７に通電することで電流を流す。電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の磁力線が発生する。鉛直軸方向に発生した電磁力により、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向に移動を行う。
【００６２】
ここで図２に示すように、可導体６が鉛直方向の上向きに移動している場合を考える。所定の方向で電磁コイル７に電流を流すと、上向き方向に磁力線が発生するため、可導体６は上方向に動く。可動体６が上方向に動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も上方向に動き、弁１２は鉛直軸方向の上向きに移動する。
【００６３】
第１バルブ８ａは、流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ａおよび流出口４Ａと接触せず、冷媒が流動する。一方、第２バルブ８ｂは、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ｂ及び流出口４Ｂと接触して封止することで冷媒の流れを遮断する。
【００６４】
つまり、可動体６を鉛直方向の上向きに動かすと、第１バルブ８aを備えた流入口３Ａおよび流出口４Ａは、冷媒の吸排を行うことができるが、第２バルブ８ｂを備えた流入口３Ｂおよび流出口４Ｂでは冷媒の吸排を行うことができない。
【００６５】
一方、図３に示すように、電磁コイル７に対して反対向きに電流を流すと、電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の下向きに磁力線が発生するため、可導体６は下方向に動く。可動体６が下方向に動くと、筺体５の内部に充填されている冷媒も下方向に動き、弁１２は鉛直軸方向の下向きに移動する。
【００６６】
第２バルブ８ｂは、流入口３Ｂおよび流出口４Ｂの下部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ｂおよび流出口４Ｂと接触せず、冷媒の流れを開放する。一方、第１バルブ８ａは、流入口３Ａおよび流出口４Ａの上部に弁１２を設けているため、弁１２が流入口３Ａ及び流出口４Ａと接触して封止することで冷媒の流れを遮断する。
【００６７】
上記のように、電磁コイル７に通電を行う向きにより、磁力線の向きを変えることで、第１バルブ８ａ、または第２バルブ８ｂを備えた流入口３、流出口４に対しての冷媒の移動を制御することができる。
【００６８】
ここで相変化を用いた冷却装置は、発熱体が発生する熱量によって冷媒は沸騰して気化し、気化した冷媒の蒸気を、気液密度の差による浮力により、凝縮部に運ぶ。凝縮部に運ばれた冷媒の蒸気は、放熱部により冷却されることによって凝縮し液化する。凝縮した冷媒は重力により降下し、気液界面に還流する。
【００６９】
上記の相変化冷却を用いた冷却装置に本実施形態のポンプ１を用いた場合、流路２および筺体５に、高温の冷媒が流れる。そのため、高温の冷媒が可動体６と接触して反応すると、腐食などにより不凝縮性ガスを発生してしまう。不凝縮ガスが発生すると冷却器内部の内圧が上昇し、冷却性能が低下してしまう。
【００７０】
そこで本実施形態では図４に示すように、可動体６の外表面である流体と接する面にメッキ処理により金属保護層１１ａを形成している。そのため、高温の冷媒やその蒸気が、流路２を介して筺体５の内部に流れ込んだとしても、冷媒が可動体６と反応して不凝縮性ガスを発生させることを防ぐことができる。その結果、冷却装置内の内圧が上昇することを防ぐことができるため、冷却性能の低下を防ぐことができる。
【００７１】
なおメッキ処理により形成される金属保護層１１ａは、可動体６に限らず筺体５の内壁面や、筺体５と流路２との継ぎ目の接続面などの流体と接する面に設けてもよい。上記のように、流路２を含めてポンプ１内の冷媒が流動する際に、流体と接する箇所にメッキ処理をして金属保護層１１ａを形成することで、不凝縮ガスが発生することによる冷却効率の低下を防ぐことができる。
【００７２】
また金属保護層１１ａは、可動体６と筺体５との摺動面（外周面）を被覆するように設けられた被膜であればよく、樹脂と金属とを複合した材料も適用することができる。例えば、ポリフェニレンスルファイド樹脂の微粉末をニッケルめっき中に分散させた金属保護層１１ａを用いることができる。
【００７３】
上記の場合、金属保護層１１ａはニッケルめっき被膜を下地として施されているもので、可動体６と筺体５との摺動面では、この金属層１１が露出する。可動体６は、筺体５との接触面に金属層１１を設けることで摺動性、耐摩耗性を向上させることが出来る。また金属保護層１１ａは潤滑塗装などと比較して、可動子５の密着性が良好で、優れた摺動性を得ることができる。
【００７４】
このように、図４に示す可動体６は、筺体５と接する外表面がニッケルめっきなどを含む金属保護層１１ａによって被覆されていることにより、高温の冷媒などに対しても十分な耐蝕性、耐久性を備えることができる。
【００７５】
〔第３の実施形態〕次に第３の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。図５は、本実施形態における冷却装置１０の断面図である。
【００７６】
〔構造の説明〕本実施形態における冷却装置１０は、蒸発部２０と凝縮部３０と液相流路４０と気相流路５０とを有し、液相流路４０内にポンプ１を備える。なおポンプ１の構造、接続関係は、第１の実施形態、または第２の実施形態と同様であり、流路２と、筺体５と、可動体６と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えている。
【００７７】
図５に示すように冷却装置１０は、蒸発部２０と凝縮部３０とを備えており、気相流路５０は蒸発部２０の上部と凝縮部３０の上部とを接続している。一方、液相流路４０は、蒸発部２０の側面部と、凝縮部３０の下部とを接続している。
【００７８】
蒸発部２０は、箱型形状であり内部に冷媒を貯蔵している。具体的な冷媒としてＨＦＣ（hydro fluorocarbon：ハイドロフルオロカーボン）や、ＨＦＥ（hydro fluor ether：ハイドロフルオロエーテル）を用いているが、低沸点の材料であればこれに限定されない。蒸発部２０は、下面部において発熱体（図示しない）と熱的に接触しており、発熱体が発生する熱により冷媒は沸騰する。
【００７９】
蒸発部２０の上面と接続する気相流路５０は、凝縮部３０の上部と接続しており、蒸発部２０の側部と接続する液相流路４０は、凝縮部３０の下部と接続している。上記構造とすることで、蒸発部２０において蒸気となった冷媒は凝縮部３０に運ばれ、そして凝縮部３０において凝縮された冷媒は蒸発部２０に運ばれるという熱サイクルを維持することができる。
【００８０】
凝縮部３０は箱型形状であり、気相流路５０から凝縮部３０の上部に冷媒が流入されると、冷媒は凝縮部３０内部を上部から下部に流れる。凝縮部３０が外気により冷却されることで、凝縮部３０に流入した冷媒の蒸気は凝縮され液化する。液化した冷媒は、凝縮部３０の下部に接続した液相流路４０を介して、側面から蒸発部２０に流れこむ。
【００８１】
ここで本実施形態では、第１および第２の実施形態において説明したポンプ１を蒸発部２０と凝縮部３０とをつなぐ液相流路４０内に設けている。なおポンプ１は、流路２だけでなく可動体６や筺体５の内壁など流体と接する面に金属層１１がメッキ処理されていることが望ましい。
【００８２】
ここで蒸発部２０と凝縮部３０とを接続する気相流路５０、液相流路４０は樹脂製の接続管により構成した。接続管の内層には金属層１１を設け、金属層１１の膜厚は、０．５ｍｍであり、主にアルミニウムやスズなどの柔軟性を有した材料を用いた。
【００８３】
気相流路５０、液相流路４０は、内層に薄い金属層１１を設けた樹脂製の接続管であるため、柔軟性を有している。その結果、気相流路５０、液相流路４０を任意の方向に湾曲させることが可能であり、蒸発部２０と凝縮部３０を自由に配置することができる。
【００８４】
ここで金属層１１は、図６に示すように、少なくとも一部を重ね合わせて接合する接合部６０を設けてもよい。気相流路５０、液相流路４０を湾曲させる場合、図６に示すように、気相流路５０および液相流路４０を湾曲させた場合、接合部６０は湾曲部の曲率中心側に配置される。
【００８５】
〔作用・効果の説明〕次に本実施形態における作用・効果について説明を行う。
【００８６】
蒸発部２０は、発熱体と熱的に接触している。そのため、蒸発部２０の内部に設けられた冷媒は、発熱体が発する熱を受熱することで沸騰する。
【００８７】
蒸発部２０内部の冷媒が沸騰することにより発生した蒸気は、気液の密度差による浮力によって、蒸発部２０に接続している気相流路５０を介して凝縮部３０に運ばれる。
【００８８】
凝縮部３０に運ばれた冷媒の蒸気は、凝縮部３０を上端部から下端部に流れるあいだ、外気と熱交換を行う。蒸発した冷媒は凝縮部３０において冷却され、気体から液体に凝縮することによって、発熱体で発生した熱を外気へ放熱することができる。なお、凝縮部３０の下端部において液化した冷媒は、下端部に接続した液相流路４０を介して蒸発部２０に運ばれる。
【００８９】
ここで発熱体が発する熱を蒸発部２０で受熱して沸騰した冷媒の蒸気を、凝縮部３０において冷却することによって、冷媒を凝縮させ、再び液化させる、という沸騰冷却のサイクルを、流路を通して円滑に循環させる必要がある。
【００９０】
例えば、蒸発して気化した冷媒が凝縮部３０で凝縮され、凝縮された冷媒が蒸発部２０に還流するサイクルが滞ると、蒸発部２０内の冷媒が全て蒸発してしまう可能性がある。このとき、沸騰した冷媒の蒸気を、凝縮部３０を介して冷却することで、冷媒を再び液化するという冷却サイクルを継続することが困難になり、冷却性能が低下してしまう。
【００９１】
そこで本実施形態では、凝縮部３０で凝縮された冷媒を蒸発部２０に還流する液相流路４０内にポンプ１を設けている。ポンプ１を設けることで、凝縮部３０で凝縮した冷媒を効率よく蒸発部２０に還流することができる。
【００９２】
その結果、蒸発部２０おいて冷媒全てが蒸発してしまうと言う事態を防ぐことができ、冷却サイクルを継続することができる。そのため、冷却装置１０の冷却性能を維持することができる。
【００９３】
また液相流路４０は、内層の金属層１１を重ね合わせて接合させた接合部６０を設けることで金属層１１が薄い構造であっても強い接続構造を有することができる。
【００９４】
しかし気相流路５０および液相流路４０は、蒸発部２０と凝縮部３０とを接続するため湾曲部分を設ける必要がある。そこで本実施形態では、液相流路４０を湾曲させた場合、接合部６０を湾曲部の曲率中心側に設けている。
【００９５】
液相流路４０の接合部６０を湾曲部の外側に設けた場合、接合部６０に対して力が外側に集中してかかることで、金属層１１の接合部６０が分離してしまう可能性があった。接合部６０において金属層１１が分離すると、その隙間から冷媒が侵入し、冷媒と樹脂層とが反応して不凝縮ガスを発生し、冷却性能を低下させてしまうなどの問題があった。
【００９６】
そこで本実施形態では、液相流路４０を湾曲させた場合、接合部６０を湾曲部の曲率中心側に設けることで、接合部６０に対して力が外側にかかることを防ぐことができる。その結果、金属層１１の分離を回避することができ、冷媒の蒸気と樹脂層３とが反応して不凝縮性ガスが発生することによる冷却性能の低下を抑制することができる。
【００９７】
〔第４の実施形態〕次に第４の実施形態について図面を用いて説明する。図７〜図９は、本実施形態によるポンプ１の製造方法を接飯するための工程図である。以下、同図を参照して工程順に説明する。
【００９８】
本実施形態によるポンプ１の製造方法では、流路２と、筺体５と、可動体６と、電磁コイル７と、バルブ８とを備えたポンプ１を用いる。このときポンプ１の流路２、可動体６などの冷媒に接する面は、樹脂または耐腐食性の弱い金属層１１により構成されている。
【００９９】
まず図７に示すように、ポンプ１の流入口３、および流出口４の流路２に、それぞれチューブ１２を接続する。そして流入口３および流出口４の流路２にそれぞれ接続したチューブ１２を、金属メッキ溶液１３が設けられた容器１４に挿入する。
【０１００】
そしてステップ１として、ポンプ１の電磁コイル７に通電することで電流を流す。すると電磁コイル７の内部に設けられた筺体５には鉛直軸方向の磁力線が発生する。鉛直軸方向に発生した電磁力により、内部に磁性体９を設けている可導体６は、鉛直軸方向に移動を行う。
【０１０１】
図８に示すように、筺体５内を可動体６が軸線方向にピストン運動を行うことで、金属メッキ容液１３は流入口３を介して筺体５内に流入する。次にステップ２に進む。
【０１０２】
次に図９に示すように、ステップ２として、ポンプ１の電磁コイル７にステップ１とは反対方向に電流を流す。すると電磁コイル７の内部に設けられた可動体６は、筺体５内においてステップ１の時とは反対の軸線方向にピストン運動を行う。その結果、筺体５内の金属メッキ溶液１３は流出口４を介して、容器１４に排出する。
【０１０３】
〔効果の説明〕静止した冷媒にポンプ１の部品を浸漬させてメッキ処理を行う場合、メッキ加工を行うための反応層速度が大きくなり、時間を要してしまうという問題があった。
【０１０４】
本実施形態においては、ポンプ１を駆動することによってポンプ１内に金属メッキ溶液１３を流入し、排出するという循環を行う。それによって静止冷媒にメッキ対象を浸漬させるよりも、反応速度が大きくなり時間の短縮が可能となる。
【０１０５】
さらにポンプ１を駆動しながら、メッキ処理を行うので、可動部同士がメッキ処理により付着し、動作に支障が生じることを回避できる。
【符号の説明】
【０１０６】
１ ポンプ
２ 流路
３ 流入口
４ 流出口
５ 筺体
６ 可動体
７ 電磁コイル
８ バルブ
８ａ 第１バルブ
８ｂ 第２バルブ
９ 磁性体
１０ 冷却装置
１１ 金属層
１１ａ 金属保護層
１２ チューブ
１３ 金属メッキ溶液
１４ 容器
２０ 蒸発部
３０ 凝縮部
４０ 液相流路
５０ 気相流路
６０ 接合部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流入口および流出口を備えた筺体と、
前記筺体内に設けられた軸方向に摺動可能な可動体と、
前記流入口および前記流出口に接続した流路とを備え、
前記流路は前記流体と接する面が金属層であるポンプ。
【請求項２】
前記可動体は磁性体を有し、
前記磁性体を貫通し、前記軸方向に平行な磁力線を発生する電磁コイルを備える請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記筺体は、
前記流出口および前記流入口に、前記軸方向に摺動可能な弁を備えたバルブを有する請求項１または２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記バルブは、前記軸方向の両端部に上部開口部と下部開口部を有し、
前記上部開口部に前記弁を備える第１バルブと
前記下部開口部に前記弁を備える第２バルブを含む請求項３に記載のポンプ。
【請求項５】
前記可動体は、表面に金属層を備える請求項１から４のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項６】
前記筺体は、前記流体と接する面が金属層である請求項１から５のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項７】
前記流路は、樹脂で構成される部分を含む請求項１から６のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項８】
前記金属層は、アルミニウムとスズとステンレスと銅と真鍮と亜鉛のうち少なくとも１つを含む請求項１から７いずれか一項に記載のポンプ。
【請求項９】
前記流体は、沸点が水よりも低い低沸点の冷媒である請求項１から８のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項１０】
発熱体と熱的に接続し、内部に前記流体としての冷媒を備える蒸発部と
前記発熱体が発する熱により蒸発した前記冷媒を凝縮する凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部を接続し、気相状態の前記冷媒が流動する気相流路と、
前記凝縮部と前記蒸発部を接続し、液相状態の前記冷媒が流動する液相流路とを備え、
前記液相流路の一部に請求項１から９のいずれか一項に記載のポンプを備える冷却装置。
【請求項１１】
前記液相流路の前記冷媒と接する面は、金属層である請求項１０に記載の冷却装置。
【請求項１２】
前記液相流路は、前記金属層の少なくとも一部を重ね合わせた接続部を備え、
前記接続部が、曲率中心側に配置した湾曲構造である請求項１０に記載の冷却装置。
【請求項１３】
筺体に流体の流入口と流出口を形成し、
前記筺体内に軸方向に摺動可能な可動体を配置し、
前記流入口と前記流出口にそれぞれ流路を接続し、
前記流入口と前記流出口の間に前記流路を通して金属粒子を含む金属流体を循環させることによって、前記流路に前記金属粒子を含む金属層を形成するポンプの製造方法。
【請求項１】
流体の流入口および流出口を備えた筺体と、
前記筺体内に設けられた軸方向に摺動可能な可動体と、
前記流入口および前記流出口に接続した流路とを備え、
前記流路は前記流体と接する面が金属層であるポンプ。
【請求項２】
前記可動体は磁性体を有し、
前記磁性体を貫通し、前記軸方向に平行な磁力線を発生する電磁コイルを備える請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
前記筺体は、
前記流出口および前記流入口に、前記軸方向に摺動可能な弁を備えたバルブを有する請求項１または２に記載のポンプ。
【請求項４】
前記バルブは、前記軸方向の両端部に上部開口部と下部開口部を有し、
前記上部開口部に前記弁を備える第１バルブと
前記下部開口部に前記弁を備える第２バルブを含む請求項３に記載のポンプ。
【請求項５】
前記可動体は、表面に金属層を備える請求項１から４のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項６】
前記筺体は、前記流体と接する面が金属層である請求項１から５のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項７】
前記流路は、樹脂で構成される部分を含む請求項１から６のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項８】
前記金属層は、アルミニウムとスズとステンレスと銅と真鍮と亜鉛のうち少なくとも１つを含む請求項１から７いずれか一項に記載のポンプ。
【請求項９】
前記流体は、沸点が水よりも低い低沸点の冷媒である請求項１から８のいずれか一項に記載のポンプ。
【請求項１０】
発熱体と熱的に接続し、内部に前記流体としての冷媒を備える蒸発部と
前記発熱体が発する熱により蒸発した前記冷媒を凝縮する凝縮部と、
前記蒸発部と前記凝縮部を接続し、気相状態の前記冷媒が流動する気相流路と、
前記凝縮部と前記蒸発部を接続し、液相状態の前記冷媒が流動する液相流路とを備え、
前記液相流路の一部に請求項１から９のいずれか一項に記載のポンプを備える冷却装置。
【請求項１１】
前記液相流路の前記冷媒と接する面は、金属層である請求項１０に記載の冷却装置。
【請求項１２】
前記液相流路は、前記金属層の少なくとも一部を重ね合わせた接続部を備え、
前記接続部が、曲率中心側に配置した湾曲構造である請求項１０に記載の冷却装置。
【請求項１３】
筺体に流体の流入口と流出口を形成し、
前記筺体内に軸方向に摺動可能な可動体を配置し、
前記流入口と前記流出口にそれぞれ流路を接続し、
前記流入口と前記流出口の間に前記流路を通して金属粒子を含む金属流体を循環させることによって、前記流路に前記金属粒子を含む金属層を形成するポンプの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−６８３３５（Ｐ２０１３−６８３３５Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５５１７（Ｐ２０１１−２０５５１７）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の共同研究の成果に係る特許出願（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト（グリーンＩＴプロジェクト）／エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発／最適抜熱方式の検討とシステム構成の開発／集熱沸騰冷却システムの開発」共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）国等の共同研究の成果に係る特許出願（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「グリーンネットワーク・システム技術研究開発プロジェクト（グリーンＩＴプロジェクト）／エネルギー利用最適化データセンタ基盤技術の研究開発／最適抜熱方式の検討とシステム構成の開発／集熱沸騰冷却システムの開発」共同研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
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