ラジエータ装置
【課題】送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させる技術を提供する。
【解決手段】送風ファン１８の回転軸と同一軸上を含むその近傍に設けられる内部流体の入口１１と、入口１１から送風ファン１８の回転軸と交わる面において放射状に延伸される放熱管路１３と、放熱管路１３及び内部流体の出口１６を接続する排出管路１５と、管路に設けられる熱交換フィン１４と、を備えるラジエータ装置である。
【解決手段】送風ファン１８の回転軸と同一軸上を含むその近傍に設けられる内部流体の入口１１と、入口１１から送風ファン１８の回転軸と交わる面において放射状に延伸される放熱管路１３と、放熱管路１３及び内部流体の出口１６を接続する排出管路１５と、管路に設けられる熱交換フィン１４と、を備えるラジエータ装置である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送風ファンを有するラジエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種半導体装置は、高性能化により消費電力が加速度的に上昇しており、これに伴って発熱量が増えている。
【０００３】
上述のようなＬＥＤを含む各種半導体装置に対する放熱手段の一つとして、高い冷却性能を有する液冷システムを用いることがある。
【０００４】
一般的に液冷システムとは、流体が半導体装置などの発熱体からの熱を受熱した後、この流体が受けた熱をラジエータ（熱交換器）で放熱して、冷却した流体を発熱体に循環するサイクルを繰り返すことで発熱体の冷却を促す。
【０００５】
なお、液冷システムで用いるファンからの送風を有効利用することに鑑みたラジエータを提案する先行例として、送風ファンの翼部回転軌道にマッチングするように外周が円形のラジエータコアにより熱交換の効率を向上するという技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２１４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、液冷システムにおける熱の伝わりにくさ(熱抵抗)について、一般的にシステム全体の熱抵抗値に占める受熱部（ジャケット）、熱輸送部（配管）、放熱部（ラジエータ）の各部位の熱抵抗値の比率で考えると、受熱部が３０％、熱輸送部が９％、放熱部が６１％となり、放熱部であるラジエータの熱抵抗値の比率が最も高い。つまり、液冷システムにおいて、ラジエータの性能がシステム全体の放熱性能に大きく影響している。
【０００８】
ここで、一般的なラジエータは、並列に配置された複数の細管(チューブ)とその間にある多数のフィンで構成されたコアとで形成されている。ラジエータの細管内部には冷却液が満たされており、ポンプなどの外部動力を用いて細管内を循環している。発熱体から冷却水により移送された熱は、ラジエータ内で冷却液から平板状フィンに移動して、このフィンから周辺空気に放熱する。
【０００９】
以上のような放熱体から周辺空気への熱の移動経路に鑑みれば、ラジエータの放熱性能を向上させるには、移送液からコア、及び、コアから周囲空気への熱伝達を向上させることが必要である。
【００１０】
熱伝達率を向上させる方策としては、理論的には、流速、流体の熱伝導率、密度、比熱、粘度という、５つのパラメータの値を高めることが挙げられる。ここで、流体の熱伝導率、密度、比熱、粘度は流体の物性値により定まるため、ラジエータの構造により熱伝達率を向上させるには、流路内の冷却水の流速を高めることが考えられる。
【００１１】
また、液冷システムにおいて、ラジエータと周辺空気との熱交換を促すために、電動ファンなどを用いて周辺空気にラジエータに向かう流れを与えることもある。この場合には、ラジエータのフィンに向かう空気の流速（フィン通過流速）を高めることが、ラジエータの性能向上に貢献すると考えられる。
【００１２】
そこで、本発明者らは、実験により管内移送液流速とフィン通過風速が放熱性能に与える影響について確認した。ここで、通常、管内移送液流速は、管内移送液の体積流量として検出される。
【００１３】
表１，２は、１２０［ｍｍ］角ラジエータで１００［Ｗ］の発熱体を放熱したとき、移送液流量とフィン風速について、一方のパラメータを変化させて他方のパラメータを固定して実験し、そのときの発熱体の外気に対する上昇温度を測定した結果を示す。
【表１】
【００１４】
表１を参照すれば、管路の移送液流量を変化させた場合には、今回実験した範囲では発熱体に与える影響は小さい。このことから、管路の移送液流量に関しては、所定の流速で管路内を循環していればラジエータの放熱性能には大きく影響しないと考えられる。
【表２】
【００１５】
一方、表２を参照すれば、フィン通過風速を変化させた場合には、今回実験した範囲でも最大約１１［℃］の温度差があった。
【００１６】
従って、以上の実験結果から、ラジエータの性能向上には、フィン通過流速を高めることが有効であると考えられる。
【００１７】
しかしながら、従来のラジエータでは、フィン通過流速を高めて性能を向上するという点に鑑みられているとは言い難かった。
【００１８】
すなわち、従来のラジエータでは、冷却用電動ファンの回転速度を上げる、あるいは外部からの空気の導入量を増加させるなどの方法でフィン通過流速を高めていたが、ラジエータ本体の構造や形状を変更することによりフィン通過流速を高めることは鑑みられていなかった。
【００１９】
特に、従来のラジエータでは、矩形状の平面に細管とフィンを並列に多数配置し、これの正面に電動ファンを取り付けてフィン通過流速を高めていたが、このような構造の場合、ラジエータ本体の放熱性能を有効に利用できているとは言い難かった。
【００２０】
また、特許文献１の技術は、冷却水（内部流体）の循環流路が偏平チューブを平面内で螺旋状や蛇行状に曲折した一つの流路である。一般に、流路抵抗は流路長に比例して増大するため、このような流路では流量低下の原因となる恐れがある。
【００２１】
すなわち、特許文献１の技術では、このような流路を有する結果としてラジエータの放熱性能が低下するおそれがあるという問題があった。
【００２２】
さらなる課題として、発光ダイオードを用いた照明装置など、液冷システムにより冷却する発熱体の応用製品一般に対する要求として、低消費電力化が近年挙げられている。
【００２３】
しかしながら、ラジエータ冷却用のファン駆動にはモータなど外部動力が必要であるため、消費電力を含めた総合的なラジエータ装置の放熱性能向上には限界があった。
【００２４】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させる技術を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、送風ファンの回転軸と同一軸上を含むその近傍に設けられる内部流体の入口と、入口から送風ファンの回転軸と交わる面において放射状に延伸される放熱管路と、放熱管路及び内部流体の出口を接続する排出管路と、管路に設けられる熱交換フィンと、を備えるラジエータ装置である。
【００２６】
本発明は、送風ファンを有する強制冷却式ラジエータ装置であり、発熱体から受熱する冷却液（内部流体）が周辺空気と熱交換を行う放熱管路を、送風ファンの回転軸とその周囲を含まない領域に設けることとした。すなわち、本発明は、内部流体の入口を送風ファンの回転軸と同軸またはその周囲の領域に設け、この回転軸周囲から放射状に放熱管路を設ける。そして、本発明は、このような構造の放熱管路に熱交換を促すフィンを設ける。
【００２７】
以上のように構成することで、本発明によれば、送風ファンからの風を受けない送風ファンの回転軸周囲を除いた領域を熱交換部として有効に利用することができる。
【００２８】
また、本発明は、上記入口から放射状に伸びる放熱管路とその周囲に設けられる排出管路とにより、管路を従来のラジエータより短くすることができるため、管路による内部流体の圧力損失を低減して、管路における内部流体の流量（流速）を向上することができる。
【００２９】
従って、本発明によれば、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させることができる。
【００３０】
また、本発明は、放熱管路が、複数設けられ、排出管路が、複数の放熱管路のそれぞれと接続してもよい。
【００３１】
以上のように構成すれば、本発明は、送風ファンの回転軸と同軸から放射状に配管された複数の放熱管路からの循環経路を構築して、より放熱性能を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明は、入口と放熱管路との間に入口から流入した内部流体を貯留するタンクをさらに備えてもよい。
【００３３】
以上のように構成すれば、本発明は、フィン通過流速を妨げない場所に内部流体の温度や圧力が変化しても安定的に流量を確保するために設けるタンクを設けることによって、ひいてはラジエータ装置の放熱性能を向上させることができる。
【００３４】
さらに、本発明は、タンク内に設けられ前記送風ファンの回転軸と同軸位置に回転軸を有する水車を、さらに備え、送風ファンの回転軸と水車の回転軸とが動力伝達可能に接続してもよい。
【００３５】
以上のように構成すれば、ラジエータ装置の内部流体の流量により送風ファンの動力を得ることができるため、液冷システムの消費電力を含めた総合的な放熱性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上のように、本発明によれば、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図本発明の第一の実施の形態にかかるラジエータ装置の斜視図である。
【図２】ラジエータ装置の正面図である。
【図３】本実施の形態にかかるラジエータ本体の他の一例を示す正面図である。
【図４】ラジエータ本体の放熱フィンのフィン通過流速を示す。
【図５】ラジエータ本体の放熱フィンのフィン通過流速を示す。
【図６】ラジエータ本体の放熱フィンの形状を放熱管路及び排出管路と平行に形成した一例のフィン通過流速を示す。
【図７】ラジエータ本体の放熱フィンの形状を中心から放射状に延伸するように形成した一例のフィン通過流速を示す。
【図８】従来のラジエータに電動ファンを取り付けて強制冷却したものについて、フィン通過流速を模式的に表した図である。
【図９】第二の実施の形態にかかるラジエータ装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
まず、本発明の概要について説明する。
本発明は、発光ダイオードを含む各種半導体装置などの発熱体を冷却する液冷システムのラジエータ装置に関し、特に送風ファンにより強制的にラジエータに送風するいわゆる強制冷却式ラジエータに関する。そして、本発明は、このようなラジエータ内を循環する液体（内部流体）とラジエータフィンを通過する気体（周辺空気）の熱伝達率を向上させる構造を提供する。
【００３９】
以上の目的のために、本発明は、送風ファンの回転軸とラジエータの内部流体の入口（中心）が同一軸上またはその周囲に配置され、発熱体から受熱した内部流体が流れて周辺空気との間で熱交換を行う放熱管路が、上記入口から一本または複数本放射状（もしくは十字形あるいは星形など）に配置されている。そして、本発明は、この放熱管路から延伸されるフィンが周辺空気への放熱を促す。以上のような構成を、本発明の第一の要旨とする。
【００４０】
また、本発明は、上記構成に加え、ラジエータ中央部にファン回転軸周囲にリザーブタンクを有する構成を第二の要旨とする。
【００４１】
また、本発明は、内部流体入口付近に送風ファンの回転軸に動力伝達可能な水車を有し、内部流体の流速により送風ファンを回転させてラジエータの冷却を促す構成を第三の要旨とする。
【００４２】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態にかかるラジエータ装置１の斜視図である。また、図２は、ラジエータ装置１の正面図である。
【００４３】
ラジエータ装置１は、内部流体の入口１１、タンク１２、放熱管路１３（移送管路）、放熱フィン１４、排出管路１５（フレーム）、及び内部流体の出口１６を有するラジエータ本体１０と、回転翼１７及び回転軸（不図示）を有する送風ファン１８とからなる。
【００４４】
ラジエータ本体１０の構成について説明する。
【００４５】
放熱管路１３は、入口１１を中心として放射状に延伸された管路であり、例えばアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い各種材料で形成される。放熱管路１３は、入口１１から導入された発熱体から受熱した高温の冷却液（内部流体）が流れる。
【００４６】
図３は、本実施の形態にかかるラジエータ本体の他の一例を示す正面図である。図２のラジエータ本体１０の放熱管路１３は、正面視ほぼ十字型に４本設けられている。図３のラジエータ本体２０の放熱管路２３は、ラジエータ本体１０の放熱管路１３を４５度回転させて２つ重ねたように８本設けられている。このように、本発明のラジエータ装置において、放熱管路の数は特に限定されない。
【００４７】
タンク１２は、放熱管路１３及び排出管路１５内の冷却液が温度上昇により蒸発したときに不足する冷却液を貯留する。
【００４８】
放熱フィン１４は、放熱管路１３の表面に、平板状やコルゲート状の形状をなして設けられ、放熱管路１３と同じく熱伝導率の高い各種材料で形成される。放熱フィン１４は、放熱管路１３が冷却液から受け取った熱を周辺空気へと放出（熱交換）する際に、より広い面積で放熱を行い、放熱性能を高める作用がある。
【００４９】
本発明の放熱フィンの形状についてさらに説明すると、図２のラジエータ本体１０及び図３のラジエータ本体２０ともに、送風ファン１８の回転翼１７の外周と略一致する範囲まで複数枚の放熱フィン１４が所定間隔で配列されている。
【００５０】
図２，３において、放熱フィン１４は、タンク１２から排出管路１５に向かって同心円状に形成されている。なお、本発明において、放熱フィンの形状は、送風ファンの回転軸を中心に放射状に形成されていてもよく、あるいは方型でもよい。
【００５１】
以上のように形成した放熱フィンにより、ラジエータ本体は、高い放熱性能を得ることができる。
【００５２】
そして、ラジエータ装置１は、上述のラジエータ本体と送風ファン１８とが組み合わされることにより、送風ファン１８からの冷却風によるフィン通過流速をラジエータ本体が有効に利用できるため、以下に示すように優れた放熱効果を得ることができる。
【００５３】
［第一の実施の形態にかかるラジエータ本体の効果］
以下、第一の実施の形態にかかるラジエータ装置について、従来のラジエータと比較して効果を検証する。
【００５４】
以下の実験は、超高輝度発光ダイオード照明と称される、発熱量１００〜２００［Ｗ］の発熱体に対する放熱システムを想定し、外形サイズ１２０［ｍｍ］角のラジエータとそれに対応するファンを基準として実験を行なった。
【００５５】
なお、以下の実験において、第一の実施の形態にかかるラジエータ装置も従来のラジエータもラジエータ入口流量：０．４［ｌ／ｍｉｎ］、ファン風速１［ｍ／ｓ］は共通である。
【００５６】
図４から７は、ラジエータ本体の放熱フィンを通過する送風ファンからの風の流速（フィン通過流速）を模式的に示す図である。図４は、ラジエータ本体１０の放熱フィン１４のフィン通過流速を示す。図５は、ラジエータ本体２０の放熱フィン１４のフィン通過流速を示す。図６は、ラジエータ本体の放熱フィンの形状を放熱管路及び排出管路と平行に形成した一例のフィン通過流速を示す。図７は、ラジエータ本体の放熱フィンの形状を中心から放射状に延伸するように形成した一例のフィン通過流速を示す。
【００５７】
図４から７において、濃色の部分ほど高い流速であることを示す。また、図８は、従来のラジエータに電動ファンを取り付けて強制冷却したものについて、フィン通過流速を模式的に表した図である。
【００５８】
ここで、図４から８において、送風ファン１８の回転翼１７の外周円と高い流速の領域とはほぼ一致している。
【００５９】
図８によれば、ファンからの送風を直接受ける領域ではフィン通過流速が高いものの、他の領域、特に、モータを含む電動ファンの回転軸周辺領域については、外部からの自然風による通過流速も期待できないため、低いフィン通過流速となってしまっている。
【００６０】
従って、従来のラジエータでは、電動ファンなど送風手段を用いて強制冷却する場合に、ラジエータ本体の放熱性能を有効に利用できているとは言い難かった。
【００６１】
これに対して、図４，５によれば、ラジエータ本体１０及びラジエータ本体２０は、上記回転翼の外周円とほぼ一致する範囲で高いフィン通過流速を得ることができる。ここで、従来のラジエータのフィン通過流速を示す図８と比較すれば、第一の実施の形態にかかるラジエータ本体の放熱管路全体に占める高いフィン通過流速を得られる面積が広い（ラジエータの放熱面積を有効に利用する）ことが理解できる。
【００６２】
従って、第一の実施の形態のラジエータ本体によれば、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させることができる。
【００６３】
また、放熱フィンの形状を変更した図６及び図７の変形例によれば、図４，５の放熱フィンよりも長い空気流路を得られるため、上記領域Ａよりも広い範囲で高いフィン通過流速を得ることができる。
【００６４】
なお、図４から７のラジエータ本体におけるフィン通過流速の最大値を表３に示す。
【表３】
【００６５】
次に、第一の実施の形態にかかるラジエータ本体の放熱管路及び排出管路の流速を従来のラジエータの流速と比較する。
【００６６】
表４は、ラジエータ本体１０、ラジエータ本体２０、従来のラジエータの管路内の平均流速を示す。
【表４】
【００６７】
上述の通り、ラジエータ装置において冷却液は、所定の流量が確保できていれば、放熱性能への影響は無視できる。第一の実施の形態にかかるラジエータ本体は、従来のラジエータと比較してほぼ同一流量(流速で比較)であるため、冷却液の流速という観点では大きな放熱性能の低下は見られないことがわかる。
【００６８】
ここで、本実施の形態にかかるラジエータ装置１のラジエータ本体の管路（放熱管路１３及び排出管路１５の利点について、配管抵抗（ニュートン流体／層流）の観点から説明する。
【００６９】
一般に、配管抵抗：Ｐ［Ｐａ］の計算式は、次式で求めることができる。
【数１】
【００７０】
ここで、λ：管摩擦係数、Ｌ：配管長さ［ｍ］、ρ：密度［ｋｇ／ｍ３］、Ｖａ：配管内の流速［ｍ／ｓ］、ｄ：配管直径［ｍ］である。
【００７１】
上式より、配管抵抗Ｐの数値は、（１）管摩擦係数、（２）管路長、（３）管路径、（４）密度、（５）流速のいずれかの値の変化により変化し、特に流速についてはその値の２乗に比例して配管抵抗を変化させる。
【００７２】
つまり、圧力損失に影響を及ぼす管路抵抗は、管路の径については大きく、管路長については短くした方が低減できる。また、管路抵抗は、複数の管路に分岐した方が軽減される。
【００７３】
すなわち、本実施の形態のラジエータ本体の管路は、従来のラジエータと比較して管路径を大きく管路長を短くすることができるため、配管抵抗が低減することができる。また、管路抵抗は、複数の管路に分岐した方が軽減される。
【００７４】
以上の点からも、本実施の形態にかかるラジエータ装置のラジエータ本体は、優れた放熱効果を得られることがわかる。
【００７５】
［第二の実施の形態］
以下、本発明の第二の実施の形態について説明する。
第二の実施の形態にかかる発明であるラジエータ装置２は、第一の実施の形態で説明したラジエータ装置１における送風ファン１８に換えて、冷却液（内部流体）の流動により動作する送風ファン２８を用いたことが、ラジエータ装置１との相違点である。そのため、以下の説明では、ラジエータ装置１との共通点については同一符号を付し説明を省略する。
【００７６】
図９は、第二の実施の形態にかかるラジエータ装置２の正面図である。ラジエータ装置２は、ラジエータ装置１と共通の、内部流体の入口１１、放熱管路１３、放熱フィン１４、排出管路１５、内部流体の出口１６を有する。ここで、ラジエータ装置２は、入口１１付近に設けられるタンク２２内に、送風ファン２８の回転軸と同軸の水車（水流タービン）２９を備える。
【００７７】
タンク２２は、ラジエータ装置１のタンク１２と異なり、内部に水車２９を納めることができるような形状を有する。
【００７８】
水車２９は、回転軸にブレード３０が取り付けられ、入口１１からタンク２２内に流入した内部流体の力により回転軸を中心に回転する。この回転力は、水車２９の回転軸と動力伝達可能に接続された送風ファン２８の回転軸に伝達され、送風ファン２８を回転させる。
【００７９】
以上のような第二の実施の形態にかかるラジエータ装置２によれば、第一の実施の形態にかかるラジエータ装置１と比較して送風ファン１８のモータ用電力を要しないため、当該電力分の消費電力を削減することが可能となり、ひいては液冷システム全体の冷却性能を向上させることが可能となる。
【００８０】
なお、ラジエータ装置２のラジエータ本体の内部流体の圧力損失について、水車２９の回転数に送風ファン２８の風速が影響されるため、ラジエータ内の圧力損失は小さい方がよい。
【００８１】
従って、本発明の管路構造は、第二の実施の形態にかかる水車２９の回転にも適した形状である。
【００８２】
［実施の形態の効果］
以下、本実施の形態にかかるラジエータ装置について、上記以外の効果を記載する。本実施の形態にかかるラジエータ装置によれば、従来のラジエータ装置の構造であれば、一般的に１２０ｍｍ角のラジエータであっても、その数値はコアサイズを示しており通常従来のラジエータでは両側面にタンクを持つため、実際の外寸は２０〜３０ｍｍ大きい。
【００８３】
これに対して、本実施の形態にかかるラジエータ装置は、上述の通り送風ファンの回転軸と同一軸にタンクを配置する。つまり、本実施の形態のラジエータ装置は、熱交換部として機能していないラジエータの中央部をタンクとすることで、ラジエータ外形サイズの小型化が実現できる。
【００８４】
［その他の実施の形態］
以上説明した実施の形態にかかるラジエータ装置以外に、本発明のラジエータ装置は、例えば以下のような構成を取ることも可能である。
【００８５】
本発明のラジエータ装置は、ラジエータ・ファンのサイズに関わらず適応できるものである。
【００８６】
本発明のラジエータ装置は、冷却液の流路が交錯しないように整流するために、タンク内に少なくとも一つ仕切りを有していてもよい。
【００８７】
また、本発明のラジエータ装置は、放熱フィンの形状が第一の実施の形態及び第二の実施の形態に限定されず、例えば図６や図７の変形例のように放熱フィンが同心円状に所定間隔で複数配置されているものや放射状に延伸されたフィン形状であってもよい。
【００８８】
さらに、本発明のラジエータ装置は、流路の交差をさけるために、タンク内や流路内に仕切りや逆支弁を取りつけて流れを誘導することもできる。
【符号の説明】
【００８９】
１ ラジエータ装置
１０ ラジエータ本体
１１ 入口
１２ タンク
１３ 放熱管路
１４ 放熱フィン
１５ 排出管路
１６ 出口
１７ 回転翼
１８ 送風ファン
２８ 送風ファン
２９ 水車
３０ ブレード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、送風ファンを有するラジエータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、各種半導体装置は、高性能化により消費電力が加速度的に上昇しており、これに伴って発熱量が増えている。
【０００３】
上述のようなＬＥＤを含む各種半導体装置に対する放熱手段の一つとして、高い冷却性能を有する液冷システムを用いることがある。
【０００４】
一般的に液冷システムとは、流体が半導体装置などの発熱体からの熱を受熱した後、この流体が受けた熱をラジエータ（熱交換器）で放熱して、冷却した流体を発熱体に循環するサイクルを繰り返すことで発熱体の冷却を促す。
【０００５】
なお、液冷システムで用いるファンからの送風を有効利用することに鑑みたラジエータを提案する先行例として、送風ファンの翼部回転軌道にマッチングするように外周が円形のラジエータコアにより熱交換の効率を向上するという技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−２１４５４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、液冷システムにおける熱の伝わりにくさ(熱抵抗)について、一般的にシステム全体の熱抵抗値に占める受熱部（ジャケット）、熱輸送部（配管）、放熱部（ラジエータ）の各部位の熱抵抗値の比率で考えると、受熱部が３０％、熱輸送部が９％、放熱部が６１％となり、放熱部であるラジエータの熱抵抗値の比率が最も高い。つまり、液冷システムにおいて、ラジエータの性能がシステム全体の放熱性能に大きく影響している。
【０００８】
ここで、一般的なラジエータは、並列に配置された複数の細管(チューブ)とその間にある多数のフィンで構成されたコアとで形成されている。ラジエータの細管内部には冷却液が満たされており、ポンプなどの外部動力を用いて細管内を循環している。発熱体から冷却水により移送された熱は、ラジエータ内で冷却液から平板状フィンに移動して、このフィンから周辺空気に放熱する。
【０００９】
以上のような放熱体から周辺空気への熱の移動経路に鑑みれば、ラジエータの放熱性能を向上させるには、移送液からコア、及び、コアから周囲空気への熱伝達を向上させることが必要である。
【００１０】
熱伝達率を向上させる方策としては、理論的には、流速、流体の熱伝導率、密度、比熱、粘度という、５つのパラメータの値を高めることが挙げられる。ここで、流体の熱伝導率、密度、比熱、粘度は流体の物性値により定まるため、ラジエータの構造により熱伝達率を向上させるには、流路内の冷却水の流速を高めることが考えられる。
【００１１】
また、液冷システムにおいて、ラジエータと周辺空気との熱交換を促すために、電動ファンなどを用いて周辺空気にラジエータに向かう流れを与えることもある。この場合には、ラジエータのフィンに向かう空気の流速（フィン通過流速）を高めることが、ラジエータの性能向上に貢献すると考えられる。
【００１２】
そこで、本発明者らは、実験により管内移送液流速とフィン通過風速が放熱性能に与える影響について確認した。ここで、通常、管内移送液流速は、管内移送液の体積流量として検出される。
【００１３】
表１，２は、１２０［ｍｍ］角ラジエータで１００［Ｗ］の発熱体を放熱したとき、移送液流量とフィン風速について、一方のパラメータを変化させて他方のパラメータを固定して実験し、そのときの発熱体の外気に対する上昇温度を測定した結果を示す。
【表１】
【００１４】
表１を参照すれば、管路の移送液流量を変化させた場合には、今回実験した範囲では発熱体に与える影響は小さい。このことから、管路の移送液流量に関しては、所定の流速で管路内を循環していればラジエータの放熱性能には大きく影響しないと考えられる。
【表２】
【００１５】
一方、表２を参照すれば、フィン通過風速を変化させた場合には、今回実験した範囲でも最大約１１［℃］の温度差があった。
【００１６】
従って、以上の実験結果から、ラジエータの性能向上には、フィン通過流速を高めることが有効であると考えられる。
【００１７】
しかしながら、従来のラジエータでは、フィン通過流速を高めて性能を向上するという点に鑑みられているとは言い難かった。
【００１８】
すなわち、従来のラジエータでは、冷却用電動ファンの回転速度を上げる、あるいは外部からの空気の導入量を増加させるなどの方法でフィン通過流速を高めていたが、ラジエータ本体の構造や形状を変更することによりフィン通過流速を高めることは鑑みられていなかった。
【００１９】
特に、従来のラジエータでは、矩形状の平面に細管とフィンを並列に多数配置し、これの正面に電動ファンを取り付けてフィン通過流速を高めていたが、このような構造の場合、ラジエータ本体の放熱性能を有効に利用できているとは言い難かった。
【００２０】
また、特許文献１の技術は、冷却水（内部流体）の循環流路が偏平チューブを平面内で螺旋状や蛇行状に曲折した一つの流路である。一般に、流路抵抗は流路長に比例して増大するため、このような流路では流量低下の原因となる恐れがある。
【００２１】
すなわち、特許文献１の技術では、このような流路を有する結果としてラジエータの放熱性能が低下するおそれがあるという問題があった。
【００２２】
さらなる課題として、発光ダイオードを用いた照明装置など、液冷システムにより冷却する発熱体の応用製品一般に対する要求として、低消費電力化が近年挙げられている。
【００２３】
しかしながら、ラジエータ冷却用のファン駆動にはモータなど外部動力が必要であるため、消費電力を含めた総合的なラジエータ装置の放熱性能向上には限界があった。
【００２４】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の課題は、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させる技術を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段とした。
すなわち、本発明は、送風ファンの回転軸と同一軸上を含むその近傍に設けられる内部流体の入口と、入口から送風ファンの回転軸と交わる面において放射状に延伸される放熱管路と、放熱管路及び内部流体の出口を接続する排出管路と、管路に設けられる熱交換フィンと、を備えるラジエータ装置である。
【００２６】
本発明は、送風ファンを有する強制冷却式ラジエータ装置であり、発熱体から受熱する冷却液（内部流体）が周辺空気と熱交換を行う放熱管路を、送風ファンの回転軸とその周囲を含まない領域に設けることとした。すなわち、本発明は、内部流体の入口を送風ファンの回転軸と同軸またはその周囲の領域に設け、この回転軸周囲から放射状に放熱管路を設ける。そして、本発明は、このような構造の放熱管路に熱交換を促すフィンを設ける。
【００２７】
以上のように構成することで、本発明によれば、送風ファンからの風を受けない送風ファンの回転軸周囲を除いた領域を熱交換部として有効に利用することができる。
【００２８】
また、本発明は、上記入口から放射状に伸びる放熱管路とその周囲に設けられる排出管路とにより、管路を従来のラジエータより短くすることができるため、管路による内部流体の圧力損失を低減して、管路における内部流体の流量（流速）を向上することができる。
【００２９】
従って、本発明によれば、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させることができる。
【００３０】
また、本発明は、放熱管路が、複数設けられ、排出管路が、複数の放熱管路のそれぞれと接続してもよい。
【００３１】
以上のように構成すれば、本発明は、送風ファンの回転軸と同軸から放射状に配管された複数の放熱管路からの循環経路を構築して、より放熱性能を向上させることができる。
【００３２】
また、本発明は、入口と放熱管路との間に入口から流入した内部流体を貯留するタンクをさらに備えてもよい。
【００３３】
以上のように構成すれば、本発明は、フィン通過流速を妨げない場所に内部流体の温度や圧力が変化しても安定的に流量を確保するために設けるタンクを設けることによって、ひいてはラジエータ装置の放熱性能を向上させることができる。
【００３４】
さらに、本発明は、タンク内に設けられ前記送風ファンの回転軸と同軸位置に回転軸を有する水車を、さらに備え、送風ファンの回転軸と水車の回転軸とが動力伝達可能に接続してもよい。
【００３５】
以上のように構成すれば、ラジエータ装置の内部流体の流量により送風ファンの動力を得ることができるため、液冷システムの消費電力を含めた総合的な放熱性能を向上させることができる。
【発明の効果】
【００３６】
以上のように、本発明によれば、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させる技術を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】図本発明の第一の実施の形態にかかるラジエータ装置の斜視図である。
【図２】ラジエータ装置の正面図である。
【図３】本実施の形態にかかるラジエータ本体の他の一例を示す正面図である。
【図４】ラジエータ本体の放熱フィンのフィン通過流速を示す。
【図５】ラジエータ本体の放熱フィンのフィン通過流速を示す。
【図６】ラジエータ本体の放熱フィンの形状を放熱管路及び排出管路と平行に形成した一例のフィン通過流速を示す。
【図７】ラジエータ本体の放熱フィンの形状を中心から放射状に延伸するように形成した一例のフィン通過流速を示す。
【図８】従来のラジエータに電動ファンを取り付けて強制冷却したものについて、フィン通過流速を模式的に表した図である。
【図９】第二の実施の形態にかかるラジエータ装置の正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
まず、本発明の概要について説明する。
本発明は、発光ダイオードを含む各種半導体装置などの発熱体を冷却する液冷システムのラジエータ装置に関し、特に送風ファンにより強制的にラジエータに送風するいわゆる強制冷却式ラジエータに関する。そして、本発明は、このようなラジエータ内を循環する液体（内部流体）とラジエータフィンを通過する気体（周辺空気）の熱伝達率を向上させる構造を提供する。
【００３９】
以上の目的のために、本発明は、送風ファンの回転軸とラジエータの内部流体の入口（中心）が同一軸上またはその周囲に配置され、発熱体から受熱した内部流体が流れて周辺空気との間で熱交換を行う放熱管路が、上記入口から一本または複数本放射状（もしくは十字形あるいは星形など）に配置されている。そして、本発明は、この放熱管路から延伸されるフィンが周辺空気への放熱を促す。以上のような構成を、本発明の第一の要旨とする。
【００４０】
また、本発明は、上記構成に加え、ラジエータ中央部にファン回転軸周囲にリザーブタンクを有する構成を第二の要旨とする。
【００４１】
また、本発明は、内部流体入口付近に送風ファンの回転軸に動力伝達可能な水車を有し、内部流体の流速により送風ファンを回転させてラジエータの冷却を促す構成を第三の要旨とする。
【００４２】
［第一の実施の形態］
本発明の第一の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第一の実施の形態にかかるラジエータ装置１の斜視図である。また、図２は、ラジエータ装置１の正面図である。
【００４３】
ラジエータ装置１は、内部流体の入口１１、タンク１２、放熱管路１３（移送管路）、放熱フィン１４、排出管路１５（フレーム）、及び内部流体の出口１６を有するラジエータ本体１０と、回転翼１７及び回転軸（不図示）を有する送風ファン１８とからなる。
【００４４】
ラジエータ本体１０の構成について説明する。
【００４５】
放熱管路１３は、入口１１を中心として放射状に延伸された管路であり、例えばアルミニウムや銅などの熱伝導率の高い各種材料で形成される。放熱管路１３は、入口１１から導入された発熱体から受熱した高温の冷却液（内部流体）が流れる。
【００４６】
図３は、本実施の形態にかかるラジエータ本体の他の一例を示す正面図である。図２のラジエータ本体１０の放熱管路１３は、正面視ほぼ十字型に４本設けられている。図３のラジエータ本体２０の放熱管路２３は、ラジエータ本体１０の放熱管路１３を４５度回転させて２つ重ねたように８本設けられている。このように、本発明のラジエータ装置において、放熱管路の数は特に限定されない。
【００４７】
タンク１２は、放熱管路１３及び排出管路１５内の冷却液が温度上昇により蒸発したときに不足する冷却液を貯留する。
【００４８】
放熱フィン１４は、放熱管路１３の表面に、平板状やコルゲート状の形状をなして設けられ、放熱管路１３と同じく熱伝導率の高い各種材料で形成される。放熱フィン１４は、放熱管路１３が冷却液から受け取った熱を周辺空気へと放出（熱交換）する際に、より広い面積で放熱を行い、放熱性能を高める作用がある。
【００４９】
本発明の放熱フィンの形状についてさらに説明すると、図２のラジエータ本体１０及び図３のラジエータ本体２０ともに、送風ファン１８の回転翼１７の外周と略一致する範囲まで複数枚の放熱フィン１４が所定間隔で配列されている。
【００５０】
図２，３において、放熱フィン１４は、タンク１２から排出管路１５に向かって同心円状に形成されている。なお、本発明において、放熱フィンの形状は、送風ファンの回転軸を中心に放射状に形成されていてもよく、あるいは方型でもよい。
【００５１】
以上のように形成した放熱フィンにより、ラジエータ本体は、高い放熱性能を得ることができる。
【００５２】
そして、ラジエータ装置１は、上述のラジエータ本体と送風ファン１８とが組み合わされることにより、送風ファン１８からの冷却風によるフィン通過流速をラジエータ本体が有効に利用できるため、以下に示すように優れた放熱効果を得ることができる。
【００５３】
［第一の実施の形態にかかるラジエータ本体の効果］
以下、第一の実施の形態にかかるラジエータ装置について、従来のラジエータと比較して効果を検証する。
【００５４】
以下の実験は、超高輝度発光ダイオード照明と称される、発熱量１００〜２００［Ｗ］の発熱体に対する放熱システムを想定し、外形サイズ１２０［ｍｍ］角のラジエータとそれに対応するファンを基準として実験を行なった。
【００５５】
なお、以下の実験において、第一の実施の形態にかかるラジエータ装置も従来のラジエータもラジエータ入口流量：０．４［ｌ／ｍｉｎ］、ファン風速１［ｍ／ｓ］は共通である。
【００５６】
図４から７は、ラジエータ本体の放熱フィンを通過する送風ファンからの風の流速（フィン通過流速）を模式的に示す図である。図４は、ラジエータ本体１０の放熱フィン１４のフィン通過流速を示す。図５は、ラジエータ本体２０の放熱フィン１４のフィン通過流速を示す。図６は、ラジエータ本体の放熱フィンの形状を放熱管路及び排出管路と平行に形成した一例のフィン通過流速を示す。図７は、ラジエータ本体の放熱フィンの形状を中心から放射状に延伸するように形成した一例のフィン通過流速を示す。
【００５７】
図４から７において、濃色の部分ほど高い流速であることを示す。また、図８は、従来のラジエータに電動ファンを取り付けて強制冷却したものについて、フィン通過流速を模式的に表した図である。
【００５８】
ここで、図４から８において、送風ファン１８の回転翼１７の外周円と高い流速の領域とはほぼ一致している。
【００５９】
図８によれば、ファンからの送風を直接受ける領域ではフィン通過流速が高いものの、他の領域、特に、モータを含む電動ファンの回転軸周辺領域については、外部からの自然風による通過流速も期待できないため、低いフィン通過流速となってしまっている。
【００６０】
従って、従来のラジエータでは、電動ファンなど送風手段を用いて強制冷却する場合に、ラジエータ本体の放熱性能を有効に利用できているとは言い難かった。
【００６１】
これに対して、図４，５によれば、ラジエータ本体１０及びラジエータ本体２０は、上記回転翼の外周円とほぼ一致する範囲で高いフィン通過流速を得ることができる。ここで、従来のラジエータのフィン通過流速を示す図８と比較すれば、第一の実施の形態にかかるラジエータ本体の放熱管路全体に占める高いフィン通過流速を得られる面積が広い（ラジエータの放熱面積を有効に利用する）ことが理解できる。
【００６２】
従って、第一の実施の形態のラジエータ本体によれば、送風ファンを有するラジエータ装置において、放熱性能を向上させることができる。
【００６３】
また、放熱フィンの形状を変更した図６及び図７の変形例によれば、図４，５の放熱フィンよりも長い空気流路を得られるため、上記領域Ａよりも広い範囲で高いフィン通過流速を得ることができる。
【００６４】
なお、図４から７のラジエータ本体におけるフィン通過流速の最大値を表３に示す。
【表３】
【００６５】
次に、第一の実施の形態にかかるラジエータ本体の放熱管路及び排出管路の流速を従来のラジエータの流速と比較する。
【００６６】
表４は、ラジエータ本体１０、ラジエータ本体２０、従来のラジエータの管路内の平均流速を示す。
【表４】
【００６７】
上述の通り、ラジエータ装置において冷却液は、所定の流量が確保できていれば、放熱性能への影響は無視できる。第一の実施の形態にかかるラジエータ本体は、従来のラジエータと比較してほぼ同一流量(流速で比較)であるため、冷却液の流速という観点では大きな放熱性能の低下は見られないことがわかる。
【００６８】
ここで、本実施の形態にかかるラジエータ装置１のラジエータ本体の管路（放熱管路１３及び排出管路１５の利点について、配管抵抗（ニュートン流体／層流）の観点から説明する。
【００６９】
一般に、配管抵抗：Ｐ［Ｐａ］の計算式は、次式で求めることができる。
【数１】
【００７０】
ここで、λ：管摩擦係数、Ｌ：配管長さ［ｍ］、ρ：密度［ｋｇ／ｍ３］、Ｖａ：配管内の流速［ｍ／ｓ］、ｄ：配管直径［ｍ］である。
【００７１】
上式より、配管抵抗Ｐの数値は、（１）管摩擦係数、（２）管路長、（３）管路径、（４）密度、（５）流速のいずれかの値の変化により変化し、特に流速についてはその値の２乗に比例して配管抵抗を変化させる。
【００７２】
つまり、圧力損失に影響を及ぼす管路抵抗は、管路の径については大きく、管路長については短くした方が低減できる。また、管路抵抗は、複数の管路に分岐した方が軽減される。
【００７３】
すなわち、本実施の形態のラジエータ本体の管路は、従来のラジエータと比較して管路径を大きく管路長を短くすることができるため、配管抵抗が低減することができる。また、管路抵抗は、複数の管路に分岐した方が軽減される。
【００７４】
以上の点からも、本実施の形態にかかるラジエータ装置のラジエータ本体は、優れた放熱効果を得られることがわかる。
【００７５】
［第二の実施の形態］
以下、本発明の第二の実施の形態について説明する。
第二の実施の形態にかかる発明であるラジエータ装置２は、第一の実施の形態で説明したラジエータ装置１における送風ファン１８に換えて、冷却液（内部流体）の流動により動作する送風ファン２８を用いたことが、ラジエータ装置１との相違点である。そのため、以下の説明では、ラジエータ装置１との共通点については同一符号を付し説明を省略する。
【００７６】
図９は、第二の実施の形態にかかるラジエータ装置２の正面図である。ラジエータ装置２は、ラジエータ装置１と共通の、内部流体の入口１１、放熱管路１３、放熱フィン１４、排出管路１５、内部流体の出口１６を有する。ここで、ラジエータ装置２は、入口１１付近に設けられるタンク２２内に、送風ファン２８の回転軸と同軸の水車（水流タービン）２９を備える。
【００７７】
タンク２２は、ラジエータ装置１のタンク１２と異なり、内部に水車２９を納めることができるような形状を有する。
【００７８】
水車２９は、回転軸にブレード３０が取り付けられ、入口１１からタンク２２内に流入した内部流体の力により回転軸を中心に回転する。この回転力は、水車２９の回転軸と動力伝達可能に接続された送風ファン２８の回転軸に伝達され、送風ファン２８を回転させる。
【００７９】
以上のような第二の実施の形態にかかるラジエータ装置２によれば、第一の実施の形態にかかるラジエータ装置１と比較して送風ファン１８のモータ用電力を要しないため、当該電力分の消費電力を削減することが可能となり、ひいては液冷システム全体の冷却性能を向上させることが可能となる。
【００８０】
なお、ラジエータ装置２のラジエータ本体の内部流体の圧力損失について、水車２９の回転数に送風ファン２８の風速が影響されるため、ラジエータ内の圧力損失は小さい方がよい。
【００８１】
従って、本発明の管路構造は、第二の実施の形態にかかる水車２９の回転にも適した形状である。
【００８２】
［実施の形態の効果］
以下、本実施の形態にかかるラジエータ装置について、上記以外の効果を記載する。本実施の形態にかかるラジエータ装置によれば、従来のラジエータ装置の構造であれば、一般的に１２０ｍｍ角のラジエータであっても、その数値はコアサイズを示しており通常従来のラジエータでは両側面にタンクを持つため、実際の外寸は２０〜３０ｍｍ大きい。
【００８３】
これに対して、本実施の形態にかかるラジエータ装置は、上述の通り送風ファンの回転軸と同一軸にタンクを配置する。つまり、本実施の形態のラジエータ装置は、熱交換部として機能していないラジエータの中央部をタンクとすることで、ラジエータ外形サイズの小型化が実現できる。
【００８４】
［その他の実施の形態］
以上説明した実施の形態にかかるラジエータ装置以外に、本発明のラジエータ装置は、例えば以下のような構成を取ることも可能である。
【００８５】
本発明のラジエータ装置は、ラジエータ・ファンのサイズに関わらず適応できるものである。
【００８６】
本発明のラジエータ装置は、冷却液の流路が交錯しないように整流するために、タンク内に少なくとも一つ仕切りを有していてもよい。
【００８７】
また、本発明のラジエータ装置は、放熱フィンの形状が第一の実施の形態及び第二の実施の形態に限定されず、例えば図６や図７の変形例のように放熱フィンが同心円状に所定間隔で複数配置されているものや放射状に延伸されたフィン形状であってもよい。
【００８８】
さらに、本発明のラジエータ装置は、流路の交差をさけるために、タンク内や流路内に仕切りや逆支弁を取りつけて流れを誘導することもできる。
【符号の説明】
【００８９】
１ ラジエータ装置
１０ ラジエータ本体
１１ 入口
１２ タンク
１３ 放熱管路
１４ 放熱フィン
１５ 排出管路
１６ 出口
１７ 回転翼
１８ 送風ファン
２８ 送風ファン
２９ 水車
３０ ブレード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送風ファンの回転軸と同一軸上を含むその近傍に設けられる内部流体の入口と、
前記入口から前記送風ファンの回転軸と交わる面において放射状に延伸される放熱管路と、
前記放熱管路及び前記内部流体の出口を接続する排出管路と、
前記管路に設けられる熱交換フィンと、を備えるラジエータ装置。
【請求項２】
前記放熱管路が、複数設けられ、
前記排出管路が、前記複数の放熱管路のそれぞれと接続する、請求項１に記載のラジエータ装置。
【請求項３】
前記入口と前記放熱管路との間に前記入口から流入した内部流体を貯留するタンクをさらに備える、請求項１または２に記載のラジエータ装置。
【請求項４】
前記タンク内に設けられ前記送風ファンの回転軸と同軸位置に回転軸を有する水車を、さらに備え、
前記送風ファンの回転軸と前記水車の回転軸とが動力伝達可能に接続する、請求項３に記載のラジエータ装置。
【請求項１】
送風ファンの回転軸と同一軸上を含むその近傍に設けられる内部流体の入口と、
前記入口から前記送風ファンの回転軸と交わる面において放射状に延伸される放熱管路と、
前記放熱管路及び前記内部流体の出口を接続する排出管路と、
前記管路に設けられる熱交換フィンと、を備えるラジエータ装置。
【請求項２】
前記放熱管路が、複数設けられ、
前記排出管路が、前記複数の放熱管路のそれぞれと接続する、請求項１に記載のラジエータ装置。
【請求項３】
前記入口と前記放熱管路との間に前記入口から流入した内部流体を貯留するタンクをさらに備える、請求項１または２に記載のラジエータ装置。
【請求項４】
前記タンク内に設けられ前記送風ファンの回転軸と同軸位置に回転軸を有する水車を、さらに備え、
前記送風ファンの回転軸と前記水車の回転軸とが動力伝達可能に接続する、請求項３に記載のラジエータ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図９】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−２４９３８０（Ｐ２０１０−２４９３８０Ａ）
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−９８２２７（Ｐ２００９−９８２２７）
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月４日（２０１０．１１．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月１４日（２００９．４．１４）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]