“気泡で冷却”がPCの排熱問題を解決!?（＠IT）

　三菱電機みつびしでんきは1月がつ30日にち、ポンプレス水冷すいれいシステムが抱えかかえていた課題かだいを解決かいけつし、世界せかいで初めてはじめて実用じつよう的てきなシステムを開発かいはつしたと発表はっぴょうした。電力でんりょくなど動力どうりょくが不要ふよう。機械きかい駆動くどう部ぶがなく、メンテナンスも不要ふようで信頼しんらい性せいが高いたかいという。

　試作しさくした冷却れいきゃくシステムは、従来じゅうらいのポンプ式しきの水冷すいれいシステムより20％ぱーせんと程度ていど小さいちいさい50×ばつ100×ばつ25センチで、10kWの冷却れいきゃく性能せいのうを持つもつという。電力でんりょく設備せつび、通信つうしん・情報じょうほう設備せつび、鉄道てつどう・交通こうつうインフラへの適用てきようを皮切りかわきりに、小型こがた軽量けいりょう化かを進めすすめ、パソコンや家電かでん製品せいひんなどにも応用おうようしていく考えかんがえだ。

●ノートPCやPS3で使わつかわれるヒートパイプの原理げんり

　ノートPCや家庭かてい用ようゲーム機きのケースを開けるひらけると、CPUやGPUといった高熱こうねつを発するはっするデバイスに対してにたいして赤銅しゃくどう色いろのパイプが取り付けとりつけられていることがある。素材そざいに銅どうが使わつかわれることが多いおおい“ヒートパイプ”だ。CPUなどで発生はっせいした熱ねつを数すうセンチから十じゅう数すうセンチほどヒートパイプで運びはこび、放熱ほうねつフィンと空冷くうれいファンで熱ねつを外気がいきに逃がすにがす。

　ヒートパイプは中空ちゅうくう構造こうぞうになっており、内部ないぶには液体えきたいが適量てきりょう封入ふうにゅうされている。一般いっぱんに気圧きあつは低くひくく設定せっていされており、封入ふうにゅう液体えきたいは設計せっけい時ときに定めさだめられた温度おんどで沸騰ふっとうし、蒸気じょうきとなって熱ねつを高速こうそくに運ぶはこぶ。吸熱部ぶで蒸発じょうはつした封入ふうにゅう物質ぶっしつは、放熱ほうねつ部ぶ側かわで再びふたたび液体えきたいとなって熱ねつを放出ほうしゅつする。パイプの壁面へきめんには“ウィック”と呼ばよばれる金属きんぞくメッシュが張り巡らさハリメグラサれており、毛細管もうさいかん現象げんしょうにより液体えきたいは再びふたたび吸熱部ぶへと戻るもどる。

　ヒートパイプは、蒸発じょうはつ→蒸気じょうきで熱ねつ輸送ゆそう→凝縮ぎょうしゅく→液体えきたい移動いどうという対流たいりゅうサイクルで熱ねつを効率こうりつよく運ぶはこぶ。同どう程度ていどの直径ちょっけいであれば、熱ねつ伝導でんどう率りつの高いたかい銅どうに比べくらべても数すう百ひゃく倍ばいの性能せいのうを持つもつ。

●熱ねつ輸送ゆそう能力のうりょくに優れるスグレル水冷すいれい方式ほうしきを気泡きほうで駆動くどう

　ヒートパイプは金属きんぞくに比べくらべて効率こうりつの良いよい熱ねつ輸送ゆそうが可能かのうだが、水冷すいれい方式ほうしきに比べるくらべると熱ねつ輸送ゆそう能力のうりょくが小さいちいさい。液体えきたいに比べくらべて蒸気じょうきのような気体きたいは容積ようせき当たりあたりの潜熱せんねつがきわめて小さいちいさいからだ。また、毛細管もうさいかん力りょくは弱いよわい力りきであるため、重力じゅうりょくに逆らっさからって液体えきたいを移動いどうさせるのが難しいむずかしいという問題もんだいもある。水平すいへい方向ほうこうで完結かんけつしたノートPCのようなシステムでは問題もんだいないが、上かみから下しもへ熱ねつ輸送ゆそうを行うおこなうと効率こうりつが悪くわるくなる。

　一方いっぽう、水冷すいれい方式ほうしきでは冷却れいきゃく水みずを循環じゅんかんさせるポンプや動力どうりょく源げんが必要ひつようであるためメンテナンス性せいやエネルギー効率こうりつが悪いわるいという問題もんだいがある。そこで、これまでにもポンプを不要ふようとするポンプレス水冷すいれいシステムが研究けんきゅうされてきた。

　ポンプレス水冷すいれいシステムでは、気泡きほうの浮力ふりょくを駆動くどう力りょくに変えるかえる。具体ぐたい的てきには、吸熱部ぶで沸騰ふっとうした冷却れいきゃく液えき中なかで発生はっせいする気泡きほうを駆動くどう力りょくに使うつかう。沸騰ふっとうする液体えきたい部ぶをスリットのような構造こうぞう体たいで挟み込むはさみこむと、気泡きほうの上昇じょうしょうに合わせあわせて周囲しゅういの液体えきたいにも流れながれができる。こうすることで、ポンプなどの動力どうりょく源げんを使わつかわず、完全かんぜんに閉じとじた系けいだけで熱ねつ輸送ゆそうを行うおこなう水冷すいれいシステムを構成こうせいすることができる。

●ポンプレス水冷すいれいシステムの課題かだいを解決かいけつ

　ポンプレス水冷すいれいシステムは2つの課題かだいを抱えかかえていた。1つは、その原理げんり上じょう、放熱ほうねつ部ぶを必ずかならず上端じょうたんに配置はいちする必要ひつようがあり、設置せっちの自由じゆう度どが低かっひくかったこと。もう1つは高性能こうせいのう化かが難しいむずかしいという点てんだ。

　放熱ほうねつ部ぶには、気泡きほうと冷却れいきゃく液えきが一緒いっしょに流れ込むながれこむ。そのため、放熱ほうねつ部ぶを流れるながれる冷却れいきゃく液えきの流動りゅうどう抵抗ていこうは大きくおおきくなっており、放熱ほうねつ面積めんせきを大きくおおきくするための経路けいろの微細びさい化かが難しいむずかしい。

　三菱電機みつびしでんきは、内部ないぶに熱ねつ交換こうかん器きを設置せっちすることにより、こうした課題かだいを解決かいけつした。蒸気じょうきとなって上昇じょうしょうした気泡きほうは、熱ねつk交換こうかん器きと呼ばよばれる部分ぶぶんで凝縮ぎょうしゅくさせる。液体えきたいと気体きたいが混合こんごうした状態じょうたいの高温こうおん液えきが、液体えきたいのみの高温こうおん液えきとなって放熱ほうねつ器きへと移動いどうする。高温こうおん液えきは放熱ほうねつ器きで冷却れいきゃく風ふうなどによって冷やさひやされ、再びふたたび熱ねつ交換こうかん器きへと循環じゅんかんする。熱ねつ交換こうかん器きに戻っもどった低温ていおん液えきは、主おもに気泡きほうが凝縮ぎょうしゅくする際さいに発生はっせいする熱ねつを吸収きゅうしゅうして、再びふたたび吸熱部ぶへと循環じゅんかんする。

　従来じゅうらいのポンプレス水冷すいれいシステムと異なりことなり、放熱ほうねつ器きには高温こうおん液えきだけが送らおくられるため、細管さいかんを用いもちいた高性能こうせいのうな放熱ほうねつ器きが利用りようできるようになった。また、液体えきたいのみによる熱ねつ輸送ゆそうが行えるおこなえるため、設置せっちの自由じゆう度どが増しましたほか、数すう十じゅうメートルの熱ねつ輸送ゆそうも可能かのうになる。

　こうした特性とくせいのため、ポンプレス水冷すいれいシステムを都会とかいのヒートアイランド現象げんしょう対策たいさくに生かすいかすというアイデアも、研究けんきゅうレベルではあるという。地下ちか7メートル程度ていどまで掘り進むほりすすむと、土壌どじょうの温度おんどが、その土地とちの1年ねんを通しとおした平均へいきん気温きおんとなる。7メートルより浅いあさい部分ぶぶんは季節きせつによる温度おんど変化へんかを繰り返すくりかえすが、それより深いふかいところでは土壌どじょうの温度おんどは一定いっていだ。

　7メートルの地表ちひょう部ぶを断熱だんねつ層そうとして考えかんがえ、それより深いふかい地下ちかにまで熱ねつを運べはこべば、地中ちちゅうに熱ねつを蓄えたくわえられる。夏期かきに高熱こうねつとなった路面ろめんから地中ちちゅうに熱ねつを運びはこび、冬期とうきには凍結とうけつ対策たいさくとして熱ねつを取り出すとりだすというアイデアだ。いったん設置せっちすればメンテナンスが不要ふようで電力でんりょくも使わつかわない。

●電鉄でんてつ系けいを中心ちゅうしんに事業じぎょう化か、小型こがた化かも視野しやに

　三菱電機みつびしでんきでは2、3年ねん後のちの導入どうにゅうを目指しめざし、電力でんりょく設備せつびや交通こうつう設備せつびへの販売はんばいを計画けいかくする。「まずは事業じぎょうとして軌道きどうに乗せるのせることが先決せんけつ。電鉄でんてつ系けいを中心ちゅうしんに販売はんばいしていき、小型こがた化かを進めすすめて適用てきよう範囲はんいを広げひろげていく」（三菱電機みつびしでんき先端せんたん技術ぎじゅつ総合そうごう研究所けんきゅうしょ機械きかいシステム技術ぎじゅつ部ぶ熱ねつ流体りゅうたい・騒音そうおんグループ専任せんにん一いち法師ほうし茂俊しげとし氏し）という。小型こがた化かについては「実際じっさいに研究けんきゅうしていく中じゅうで課題かだいも見つかっみつかっていくものと思うおもう」としながらも、「冷却れいきゃく装置そうちは本来ほんらい誰たれも使いつかいたいものではないため、小さけれちいさければ小さいちいさいほどいい」と話しはなし、ノートPCやモバイル端末たんまつなど小型こがたデバイスへの適用てきようにも意欲いよくを見せみせた。

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