CN1658119A

CN1658119A - 液冷系统及备有该液冷系统的电子设备

Info

Publication number: CN1658119A
Application number: CN2004100077620A
Authority: CN
Inventors: 长绳尚; 南谷林太郎; 大桥繁男; 西原淳夫
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-02-16
Filing date: 2004-03-05
Publication date: 2005-08-24
Also published as: TW200529729A; JP2005229020A; US20050178526A1; KR20050081817A; EP1571533A2

Abstract

本发明提供液冷式的冷却系统，该冷却系统能解决采用离心泵时产生的起动时的问题，能容易地适用于各种电子设备。在箱体(100)内，安装着需要冷却的CPU，冷却该CPU的液冷系统，备有冷却套(50)、散热器(60)和2个循环泵。循环泵由转子(730)、泵室(741)和离心泵构成，转子(730)上形成若干个离心状的叶片。泵室(741)将转子可转动地收容在内部。离心泵与驱动转子的电动马达的磁场线圈(712)形成为一体。泵室配置在电动马达的下方，无论循环泵如何配置，在其停止时，都能在泵室内充填液体制冷剂，消除起动时的空转。

Description

液冷系统及备有该液冷系统的电子设备

技术领域

本发明涉及台式、笔记本式电脑或服务器等的电子设备，特别涉及能利用液体制冷剂有效地将安装在上述电子设备内部的发热元件、即半导体集成电路元件冷却的液冷系统、以及采用该液冷系统的电子设备。

背景技术

台式、笔记本式电脑或服务器等电子设备中的发热体、即半导体集成电路元件，特别是以CPU为代表的发热元件，为了确保其正常动作必须要冷却。为此，已往，是采用与作为散热器的翅片一体成形的传热体、和向该传热体送风的风扇，来实现其冷却。但是，近年来，随着上述发热元件即半导体集成电路元件的小型化及高集成化，发热元件中的发热部位有局部化等的倾向。为此，不采用已往的空冷式冷却系统，而采用水等制冷剂的、冷却效率高的液冷式冷却系统受到关注。

即，上述台式、笔记本式电脑或服务器等中采用的、冷却效率高的液冷式冷却系统，例如在以下的专利文献中已有揭示。即，通常，是在发热体即CPU的表面，直接安装称为受热(冷却)套的部件，同时，在该受热套的内部形成流路，在该流路内流通液状的制冷剂，把CPU发出的热传递给在上述套内流动的制冷剂，这样，可高效率地将发热体冷却。另外，在该液冷式的冷却系统中，通常形成了将上述冷却套作为受热部的热循环，具体地说，该冷却系统中，备有循环泵和散热器，必要时还备有制冷剂槽。循环泵使上述液体制冷剂在上述热循环内循环。散热器把液体制冷剂的热散发到外部。制冷剂槽设在上述循环的一部分上。然后，用金属制的管或橡胶等弹性体构成的管，将它们连接起来，构成冷却系统。

专利文献1：日本特开2003-304086号公报

专利文献2：日本特开2003-22148号公报

专利文献3：日本特开2002-182797号公报

专利文献4：日本特开2002-189536号公报

专利文献5：日本特开2002-188876号公报

上述现有技术中的冷却系统中，特别是上述台式、笔记本式电脑或服务器等中采用的、冷却效率高的液冷式冷却系统中，设在热循环的一部分上用于驱动液体制冷剂的循环泵是采用离心式的泵，因为离心式泵能得到比较多的流量，且滑动部分少，不容易磨耗，同时噪音小。

离心泵虽然有上述优点，但是，由于其构造和原理方面的原因(与容积式泵等不同，自吸力小)，在其起动时，泵室内必须有足够的驱动体即液体制冷剂。即，在起动时，如果在泵室内没有足够的驱动体即液体制冷剂，则离心泵会产生空转，有时驱动该泵旋转的电动马达会被烧毁，或者产生轴吃入等的问题。因此，采用该离心泵时，必须将其配置在液体制冷剂流路的下部。

但是，上述台式、笔记本式电脑或服务器等的电子设备中，随着近年来设备本身的小型化，它采有的冷却系统也要求小型化。为此，从冷却效率考虑，虽然采用水等液体制冷剂的、且采用离心泵的液冷式冷却系统受到关注，但是，由于对其小型化的要求，配置冷却系统的空间还不能满足上述泵的配置要求。

发明内容

为此，本发明是鉴于上述现有技术的问题而作出的，其目的是提供备有冷却系统的电子设备，该冷却系统能解决采用离心泵的液冷式冷却系统中的起动问题。另外，本发明还提供一种能容易地在台式、笔记本式电脑或服务器等电子设备中采用的冷却系统、和备有该冷却系统的电子设备。

为了实现上述目的，本发明提供一种备有液冷系统的电子设备，该电子设备的箱体内安装着发热的半导体元件，该半导体元件是为了确保正常动作而需要冷却的元件，在电子设备箱体内或其一部分上，备有液冷系统，该液冷系统至少备有冷却套、散热器和循环泵；

冷却套与半导体元件热连接，把元件发出的热传递给在冷却套内部流通的液体制冷剂；

散热器把在冷却套传递给液体制冷剂的热散发到设备的外部；

循环泵使上述液体制冷剂在包含上述冷却套和上述散热器的回路内循环；

其特征在于，上述循环泵由转子、泵室和离心泵构成；转子上形成有离心状的若干个叶片；泵室将转子可转动地收容在其内部；离心泵与驱动转子的电动马达形成为一体；同时，上述泵室配置在上述电动马达下方的位置。

另外，根据本发明，上述的备有液冷系统的电子设备中，其特征在于，构成上述液冷系统的循环泵，备有将液体制冷剂导入泵室内的入口通路，该入口通路从泵室的上方延伸到下方，另外，上述入口通路形成在旋转轴的内部，该旋转轴将转子可转动地支承着。另外，来自构成上述液冷系统的循环泵的泵室的液体制冷剂的出口，位于配置在泵室内的转子叶片位置的上方。

根据本发明，上述的备有液冷系统的电子设备中，其特征在于，上述液冷系统备有制冷剂槽，该制冷剂槽无论其配置方向如何，都能常时地供给液体制冷剂，该制冷剂槽的出口与循环泵的入口连接。

另外，为了实现上述目的，本发明的液冷系统，用于冷却发热的半导体元件，由冷却套、散热器和循环泵构成；

根据本发明，上述的液冷系统中，其特征在于，上述循环泵，备有将液体制冷剂导入泵室内的入口通路，该入口通路从泵室的上方延伸到下方。另外，将上述入口通路形成在旋转轴的内部，该旋转轴将转子可转动地支承着。另外，来自上述循环泵的泵室的液体制冷剂的出口，位于配置在泵室内的转子叶片位置的上方。

根据本发明，上述的液冷系统中，其特征在于，上述液冷系统备有制冷剂槽，该制冷剂槽无论其配置方向如何，都能常时地供给液体制冷剂，该制冷剂槽的出口与循环泵的入口连接。

根据本发明的液冷系统和采用它的电子设备，可容易地适用于台式、笔记本式电脑或服务器等，适合于采用要求小型化时的离心泵，冷却效率高。尤其是采用离心泵时，能解决上述起动时的问题。

附图说明

图1表示本发明一实施例的电子装置中的冷却系统，是表示循环泵的详细构造的上面及纵断面图。

图2表示安装着上述冷却系统的一例电子装置，是表示台式电脑内部各部配置的局部展开立体图。

图3表示本发明一实施例电子装置中的电子回路部，是表示其复接系统的冷却系统的立体图。

图4表示上述循环泵的转子的详细构造，是从斜上方及下方看的立体图。

图5是表示上述循环泵之另一实施例构造的纵断面图。

图6是表示上述循环泵之又一实施例构造的纵断面图。

图7是表示本发明另一实施例电子装置中的液冷系统构造的立体图。

图8是表示上述实施例的液冷系统中使用的、储存液体制冷剂的制冷槽的各种配置状态的断面立体图。

图9还是表示上述实施例的液冷系统中使用的、储存液体制冷剂的制冷槽的各种配置状态的断面立体图。

具体实施方式

下面，参照附图，详细说明本发明的实施形态。

图2表示本发明一实施形态的、备有液冷系统的电子设备的整体构造的一例。本例中，将本发明用于台式电脑的本体部分。

如图所示，台式电脑的本体部分备有由金属板形成的立方体形箱体100，在其前面的面板部101上，设有包含电源开关在内的各种开关、连接端子和指示灯等。在其内部，配置着用于驱动软盘、CD、DVD等各种外部信息记录媒体的驱动装置102，该驱动装置102在面板部101上开口。图中的标记103是设在箱体100内的、例如由硬盘装置构成的存储部。图中的标记104，是覆盖在箱体100上的盖。

在箱体100的后部侧，配置着备有本发明液冷系统的电子回路部105。图中的标记106是电源部，该电源部106从商用电源向包含上述驱动装置102、存储部103、电子回路部105的各部供给所需的电源。

图3表示上述构造的电子装置、即台式电脑中的电子回路105，特别是表示安装着其主要构成元件即发热元件、即安装着CPU的受热套50。本例中，作为发热元件的CPU芯片，直接接触地安装在受热套50的下面，因此在图中未示出。

如图所示，该电子回路部105备有受热(冷却)套50、散热器部60和循环泵70。在受热套50上安装着上述CPU。散热器部60把CPU发出的热散发到装置的外部。循环泵70用于形成冷却系统。为了使这些部分构成热循环，用配管81、82、84将它们连接起来，形成把液体制冷剂(例如水、或者以预定比例混合了丙二醇等不冻液的水等)流通到各部的流路。上述配管81、82、84是用例如金属形成的，或者是用橡胶等弹性体形成的，并且其表面覆盖着金属膜等、内部的液体制冷剂不容易泄漏到外部的管。另外，在上述散热器部60的一部分上，安装着若干个平板状风扇62、62...(本例中是3个)，该风扇62、62...向多个翅片61送风，把从受热套50运送来的热强制地发散，这些风扇朝向装置外部地安装着。另外，受热(冷却)套50的构造是，在由例如铜等传热性好的金属构成的板状部分内部形成冷却通路，在该通路内流通上述液体制冷剂，这样，使CPU发出的热移动到外部。

图1(a)和(b)是上述循环泵70的上面图和纵断面图。即，该循环泵70如图所示，在外形为大致正方形的箱体710的内部，配置着构成直流马达的磁场线圈712，该直流马达作为电动机用于驱动泵旋转。该磁场线圈712的周围被绝缘树脂713包围着，整体地模制成形。并且，还形成了包围该磁场线圈712周围的环状沟槽部714，上述直流马达的磁铁磁极(后述)配置在该沟槽部714的内部。在该大致正方形的箱体710的上面，形成朝着中央部延伸的、液体制冷剂的吸入口720。该吸入口720在中央部朝下方弯曲并稍稍延伸。另外，如图所示，在箱体710的中央部，安装着外环轴承715，后述转子的旋转轴插入在该轴承715的内部。

如图1(a)、(b)和图4(a)、(b)所示，转子730是在圆板状部件上(图中是其下面)，形成若干个(本例中是6个)离心状叶片731、731......而形成的。该转子730备有从该圆板状部件的外缘朝上方延伸的环状部732，在该环状部732的内侧壁面上，如图所示那样例如安装着N极和S极交替配置(磁化)的永久磁铁733。另外，在该圆板状部件构成的转子730的中央部，安装着圆筒状的旋转轴734，该旋转轴734是由金属或陶瓷形成的，其贯通圆板状部件。

即，如上述图所示，上述转子730的旋转轴734与上述箱体710的外环轴承715嵌合，并且转子730的环状部732从图中下方插入，位于箱体710的外环环状沟槽部714内。然后，在箱体710的下面，覆盖下部箱体740，将转子730的若干个叶片731、731...收容在内部。即，由该下部箱体740的上面和转子730的下面，构成压缩液体制冷剂的泵室741，该泵室741形成在驱动泵旋转的上述电动机部分的下方位置。图中的标记742是形成在下部箱体740的一部分上的液体制冷剂排出口。

这样，在上述已说明了详细结构的循环泵70中，把液体制冷剂导入其内部的流路形成在旋转轴734的内部，该旋转轴734支承着可旋转的转子730。另外，在该旋转轴734的下部(即叶片731、731...的形成区域)，开设着若干个贯通孔735。因此，在运转时，到达了转子730的旋转轴734内部的液体制冷剂从这些贯通孔735被导入泵室741的内部，在这里被上述若干个叶片731、731...离心压缩后，从排出口742排出。

对于上述循环泵70，当其停止时，转子730停止旋转，随之，导入到了泵室741内的液体制冷剂，其一部分含有气泡，滞留在泵的内部。这时，如图4(a)和(b)所示，在下面形成有离心状叶片731、731...的、转子730的圆板状部件的中心附近，形成气泡排出用的贯通孔736、736...，因此，混入液体制冷剂内的气体即使与液体分离，其一部分也通过旋转轴734往上部移动，同时，通过这些气泡排出用贯通孔736、736...朝泵室741的外部移动，具体地说，朝着形成在箱体710内部的环状沟槽部714的上部移动。换言之，对于上述构造的循环泵70，即使在其停止时，也只有液体制冷剂滞留在泵室741内，混入液体制冷剂内的气体，不残留在泵室741内。

因此，对于上述构造的循环泵70，即使在其暂时停止后再次起动时，在内部收容着叶片731的泵室741内，也总是只充填着足够的冷却液，这样，泵就不会空转，可切实得到液体制冷剂泵的再起动动作。即，上述循环泵70安装在图2所示台式电脑本体部分的一部分上，另外，即使配置在图3所示液冷系统中的任何部位，都能切实地进行所需的泵动作。

图5表示上述循环泵70的另一实施例。该例中，形成液体制冷剂吸入口720’的通路，从箱体710的侧面(图中左侧面)，沿着其上面的中央部，贴着壁面地弯曲形成。即，根据该构造，在循环泵70停止时，循环到那里的液体制冷剂在该弯曲形成的吸入口720′中容易滞留，这时也同样地，液体制冷剂流入转子730的旋转轴734内的同时，混入其一部分内的气体成分移动到吸入口720′的上方侧。即，与上述实施例同样地，在暂时停止后的再次起动时，冷却液充填在内部收容叶片731的泵室741内，泵不会空转，可切实地实现液体制冷剂泵的动作。

图6表示上述循环泵70的又一实施例。该例中，与上述实施例不同，首先，把构成泵室741侧壁的下部箱体740的一部分743往上方延长，即，排出口742的朝着泵室741开口的位置，在转子730的离心状叶片731、731...的位置的上方。

另外，本实施例中，液体制冷剂的吸入口720″，与上述排出口742一起一体地形成在下部箱体740上，该下部箱体740构成循环泵70。即，如图所示，该吸入口720″与上述实施例不同，它安装在循环泵70的侧面。具体地，该吸入口720″如图所示，先朝上方弯曲后，到达下部箱体740的下面，然后，在该下部箱体下面朝中央部延长(下面延长部721)，从转子730中央部附近的下壁面744朝着泵室741内部开口。另外，该例中，不采用上述中空的旋转轴734，而是采用杆状的旋转轴734′，该杆状的旋转轴734′安装在转子730的中央部，另一方面，在下部箱体740侧，安装着圆板状的外环轴承715′，杆状旋转轴734′插入该外环轴承715′的中空部内，这样，将转子730可转动地支承着。

根据上述实施例的构造，从图中可见，循环泵70停止时，转子730停止旋转，随之，导入到了泵室741内的液体制冷剂，其一部分中含有气泡等，滞留在泵的内部。这时，如上所述，由于排出口742的朝向泵室741开口的位置，在转子730的离心状的叶片731、731…位置的上方，另外，上述吸入口720″在泵侧面先朝上方弯曲后，再在泵室741的大致中央部从其下壁面744开口，所以，混入到内部的气体即使从滞留在泵内的液体制冷剂分离出来，该气体也通过配置在转子730的离心状叶片731、731...上方的排出口742的开口部、以及通过吸入口720”的弯曲部，被导向外部，在内部收容着离心状叶片731、731...的泵室741的内部，只有液体制冷剂滞留着。换言之，即使在泵停止时，混入液体制冷剂内的气体也不残留在泵室741内，再起动时泵不会空转。

图7表示本发明实施例的另一液冷系统的构造。该例中，与图3中相同的标记表示与上述实施例中相同的部件。即，如图7所示，该实施例中，在构成冷却系统的散热器60与循环泵70之间，还设有制冷剂槽200。在该制冷剂槽200内部储存着在系统内循环的液体制冷剂即水、或者与丙二醇等不冻液混合的水等。该制冷剂槽200配置在图2所示台式电脑的箱体100内时，由于受到其内部空间的制约等，例如，可以如实线所示那样横卧配置，也可以如虚线所示那样竖立地配置。

该制冷剂槽200，如图8(a)和(b)所示，把断面为大致L字形的分隔壁201、202、203、204组合起来，形成迷宫，把其内的制冷剂储存空间划分为若干空间(本例中是3个空间SP1、SP2、SP3)。图中的标记205是从散热器60流入的液体制冷剂的入口。206是使液体制冷剂流出到循环泵(具体地说是第1泵71)的出口。标记207、208是上述L字形分隔壁202、204的一部分，即，是在靠近槽外壁的位置形成的开口部。

根据该构造的制冷剂槽200，如图8(a)、(b)和图9(a)、(b)所示，液体制冷剂在冷却系统中循环期间，即使其一部分因气化而泄漏出到外部，气泡混入到其一部分内并流入槽的入口205，也只是去除了气泡的液体制冷剂从出口206送入循环泵。因此，在采用液体制冷剂的冷却系统中，作为重要构成部件的循环泵，如上所述，在起动时不会因气体存在于泵室741内而产生空转，所以不会造成循环泵本身的损坏。这样，可得到备有优良冷却能力的冷却系统的电子设备，该冷却系统容易被台式、笔记本式电脑或服务器等采用。

上面的说明中，是将本发明的利用液体制冷剂的冷却系统，用于台式电脑本体部分，但是，并不限定于此，本发明也适用于笔记本式电脑或服务器等。这时，在前者中，其构成要件、尤其是散热器60，不采用上述的散热器，而将金属制配管安装在金属板上，构成无翅片的散热板，安装在盖体侧，具体地说是安装在液晶显示装置的里侧。这样的方案是本领域的普通技术人员能想到的。

Claims

1.一种备有液冷系统的电子设备，该电子设备的箱体内安装着发热的半导体元件，该半导体元件是为了确保正常动作而需要冷却的元件，在电子设备箱体内或其一部分上，备有液冷系统，该液冷系统至少备有冷却套、散热器和循环泵；

其特征在于，上述循环泵由转子、泵室和离心泵构成；转子上离心状地形成有若干个叶片；泵室将上述转子可转动地收容在其内部；离心泵与驱动转子旋转的电动马达形成为一体；同时，上述泵室配置在上述电动马达下方的位置。

2.如权利要求1所述的备有液冷系统的电子设备，其特征在于，构成上述液冷系统的循环泵备有将液体制冷剂导入泵室内的入口通路，该入口通路从泵室的上方延伸到下方。

3.如权利要求2所述的备有液冷系统的电子设备，其特征在于，上述循环泵中，将上述入口通路形成在旋转轴的内部，该旋转轴将上述转子可转动地支承着。

4.如权利要求1所述的备有液冷系统的电子设备，其特征在于，来自构成上述液冷系统的循环泵的上述泵室的液体制冷剂的出口，位于配置在上述泵室内的上述转子叶片位置的上方。

5.如权利要求1所述的备有液冷系统的电子设备，其特征在于，上述液冷系统还备有制冷剂槽，该制冷剂槽无论其配置方向如何，都能常时地供给液体制冷剂，该制冷剂槽的出口与上述循环泵的入口连接。

6.一种液冷系统，用于冷却发热的半导体元件，由冷却套、散热器和循环泵构成；

其特征在于，上述循环泵由转子、泵室和离心泵构成；转子上离心状地形成有若干个叶片；泵室将上述转子可转动地收容在其内部；离心泵与驱动转子转动的电动马达形成为一体；同时，上述泵室配置在上述电动马达下方的位置。

7.如权利要求6所述的液冷系统，其特征在于，上述循环泵备有将液体制冷剂导入上述泵室内的入口通路，该入口通路从上述泵室的上方延伸到下方。

8.如权利要求7所述的液冷系统，其特征在于，上述循环泵中，将上述入口通路形成在旋转轴的内部，该旋转轴将上述转子可转动地支承着。

9.如权利要求6所述的液冷系统，其特征在于，来自上述循环泵的上述泵室的液体制冷剂的出口，位于配置在上述泵室内的转子叶片位置的上方。

10.如权利要求6所述的液冷系统，其特征在于，上述液冷系统还备有制冷剂槽，该制冷剂槽无论其配置方向如何，都能常时地供给液体制冷剂，该制冷剂槽的出口与循环泵的入口连接。