JP2008225731A - 液冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体が複数存在する場合に、効率的に放熱ができる液冷システムであって、全体としてチューブ体を必要としないユニット性に優れ、各発熱体平面の熱的結合を容易にし、各発熱体への形状的追従を良好とした液冷システムを提供する。
【解決手段】重ね合わせた一対の伝熱性金属板１０Ｕ、１０Ｌを有し、該一対の伝熱性金属板の間に循環流路を有する放熱シート、放熱シート１０上に区画設定された複数の受熱エリア、各受熱エリア上にそれぞれ伝熱材料からなるヒートスプレッダ１０１Ｈ、１０２Ｈ、１０３Ｈを介して設置された複数の発熱体、この放熱シート表面に開口させた、循環流路の両端部に位置する入口孔１２と出口孔１３、この入口孔と出口孔に連通する吐出ポートと吸入ポートを有し、該放熱シート上に設置されたポンプ２０及び放熱シート１０の上記循環流路に連続するラジエータ４０を有する液冷システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、薄型の液冷（水冷）システムに関し、特に複数の発熱体（発熱源）を有するノート型パソコンに用いて好適な液冷システムに関する。

最近のノート型パソコンは、ＣＰＵだけでなく、ＧＰＵ、チップセット等の複数の発熱体を有しており、これら複数の発熱体を如何に効果的に冷却するかが技術課題となっている。部品の収納スペースが限られているノート型パソコンでは、全体として薄型でユニット性の高い液冷システムが求められている。
特開2005-166030号公報 特開2004-211932号公報 特開2003-324174号公報 特開2003-124670号公報 特開2002-94277号公報 特開2002-94276号公報 特願2006-285842号公報

しかし従来品は、ポンプ、吸熱部、放熱部（ラジエータ）等が別々に備えられていて各要素間を接続するためにチューブを必要としており、このため、一体性（ユニット性）に乏しく、冷却液の蒸発量が多く、組付性にも問題があった。また、発熱体が複数存在するノートパソコンでは、一層効率的に放熱できる放熱構造が望まれる。

従って本発明は、発熱体が複数存在する場合に、効率的に放熱ができるユニット性の高い液冷システムを得ることを目的とする。また本発明は、システム全体としてチューブ体を必要としないユニット性に優れ、冷却液の蒸発量を抑えることができる液冷システムを得ることを目的とする。

本発明による液冷システムは、重ね合わせた一対の伝熱性金属板を有し、該一対の伝熱性金属板の間に循環流路を有する放熱シート；放熱シート上に区画設定された複数の受熱エリア；各受熱エリア上にそれぞれ伝熱材料からなるヒートスプレッダを介して設置された複数の発熱体；この放熱シート表面に開口させた、上記循環流路の両端部に位置する入口孔と出口孔；この入口孔と出口孔に連通する吐出ポートと吸入ポートを有し、該放熱シート上に設置されたポンプ；及び放熱シートの上記循環流路に連続するラジエータ；を有することを特徴としている。

複数の受熱エリアは、放熱シートに形成した変形容易部を介して区画設定することが好ましい。変形容易部は、その一態様では、放熱シートを構成する一対の伝熱性金属板の少なくとも一方に形成したスリットとすることができる。

放熱シートとラジエータは、その一態様では平面コ字状とし、該コ字状の空間に、ラジエータに対して冷却空気を与えるファンを配置することができる。

ヒートシンクと発熱体は、放熱シートの表裏の一面に位置させ、ポンプは他面に位置させることができる。

循環流路の入口孔と出口孔は、放熱シートに筒状突起として形成し、ポンプの吐出ポートと吸入ポートは、この入口孔筒状突起に連通する吐出流路孔と出口孔筒状突起に連通する吸入ポート孔として形成するのがよい。

ポンプは圧電ポンプとすると薄型の液冷システムが得られる。

本発明の液冷システムは、発熱体がノートパソコンのＣＰＵ及びＧＰＵを含むとき、有用である。

ラジエータは、その一態様では、積層された複数の流路ユニットを有し、各流路ユニットは、入口孔と出口孔及び該入口孔と出口孔を結ぶ冷却流路を備えている。

各流路ユニットは、より具体的には例えば、少なくとも１回Ｕ字状に曲折された液流路を形成する一対の流路板を積層結合して構成し、この一対の流路板に、入口孔と出口孔を穿設する。

さらに具体的には、各流路ユニットを構成する一対の流路板は、重ね合わせ面に関して対称な面対称形状とし、平面Ｕ字状をなす流路凹部と、この流路凹部の一端部と他端部に形成された上記入口孔と出口孔とを形成するとよい。

本発明の液冷システムは、放熱シート上に区画設定された複数の受熱エリアにそれぞれヒートスプレッダを介して複数の発熱体を設置し、この放熱シート上にポンプを設置し、ラジエータを接続しているので、高いユニット性を有し、一つのポンプとラジエータで複数の発熱体を効率的に冷却することができる。また、冷却液の蒸発量を抑えることができ、メンテナンス性に優れた冷却システムを提供することができる。

本実施形態の液冷システムユニット１００は、図１ないし図３に示すように、放熱シート１０、圧電ポンプ２０、ラジエータ４０及び冷却ファン（シロッコファン）５０を主たる構成要素としており、ＣＰＵ１０１、ＧＰＵ１０２及びチップセット１０３の３つの発熱源を冷却する。

放熱シート１０は、一対の重ね合わせた伝熱性金属板１０Ｕと１０Ｌからなるもので、該シート１０上に、対向スリット（変形容易部）１０ａを介して（により）３つの平面矩形の受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃが設定されている。下方伝熱性金属板１０Ｌの上方伝熱性基板１０Ｕと反対側の面には、受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃ上に位置させてそれぞれ、ヒートスプレッダ１０１Ｈ、１０２Ｈ及び１０３Ｈを介してＣＰＵ１０１、ＧＰＵ１０２及びチップセット１０３が搭載（接触）している。

放熱シート１０の伝熱性金属板１０Ｕ、１０Ｌはそれぞれ、ＳＵＳ、銅あるいはアルミニウムを主成分とする金属材料から構成されており、下方伝熱性金属板１０Ｕには、循環流路１１を構成する流路凹部１１ａが形成されている。流路凹部１１ａの深さは例えば０．５ｍｍ前後である。

流路凹部１１ａ（循環流路１１）内には、流路遮断突部１１ｂが形成されており、この流路遮断突部１１ｂの前後が流路始端１１ｃと流路終端１１ｄを構成している。流路始端１１ｃは、受熱エリアＣ、Ｂ、Ａの順に流れる吸熱往流路１１ｅ、吸熱折返流路１１ｆ及び受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃを順に流れる吸熱復流路１１ｇに連通し、ラジエータ４０に対する流入端１１ｈに至った後、ラジエータ４０からの吐出端１１ｉから流路終端１１ｄに連なっている。流路は簡略に描いているが、流路長を長くすべく、適宜蛇行させることができる。

伝熱性金属板１０Ｕには、流路始端１１ｃと流路終端１１ｄに対応させて、循環流路１１に連通する入口突起（入口孔）１２と出口突起（出口孔）１３が突出形成されており、ラジエータ流入端１１ｈとラジエータ吐出端１１ｉに対応させて、出口突起（出口孔）１４と入口突起（入口孔）１５が形成されている。入口突起１２と出口突起１３は、圧電ポンプ２０の吐出ポート（孔）３４と吸入ポート（孔）３５にそれぞれ連通（嵌合）している。

圧電ポンプ２０は、放熱シート１０の上方伝熱性基板１０Ｕ上に設置されている。つまり、放熱シート１０の表裏の一面に圧電ポンプ２０が位置し、他面にＣＰＵ１０１、ＧＰＵ１０２及びチップセット１０３が位置している。この配置によれば、冷却ファンとの平面的な重なりが許容され、冷却効率が向上し、液冷システムユニット１００全体の平面的な大きさを抑制することができる。また、圧電ポンプ２０及びラジエータ４０を図１において下側に配置すればポンプを熱源と同一面に構成できるため、液冷システムユニット１００の上面をフラットにでき、例えばノート型パソコンのキーボードの下側に効率よく液冷システムユニット１００を配置することが可能となる。

本発明は、ポンプ（圧電ポンプ）２０自体の構成を問うものではないが、実施形態の圧電ポンプ２０を、図５及び図６について説明する。この圧電ポンプ２０は、下方から順にロアハウジング２１とアッパハウジング２２を有している。

ロアハウジング２１には、該ハウジングの板厚平面に直交させて、上記吐出ポート３４と吸入ポート３５が互いに平行に穿設されている。ロアハウジング２１とアッパハウジング２２の間には、Ｏリング２９を介して圧電振動子（ダイヤフラム）２８が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子２８とロアハウジング２１との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子２８とアッパハウジング２２との間には、大気室Ａが形成される。

圧電振動子２８は、中心部のシム２８ａと、シム２８ａの表裏の一面（図６の上面）に積層形成した圧電体２８ｂとを有するユニモルフタイプである。ポンプ室Ｐには、シム２８ａが臨んで液体と接触する。シム２８ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のステンレス、４２アロイ等により形成された金属製の薄板からなる。圧電体２８ｂは、例えば厚さ３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。

ロアハウジング２１の吐出ポート３４と吸入ポート３５にはそれぞれ、逆止弁（アンブレラ）３２と３３が設けられている。逆止弁３２は、吸入ポート３５からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁３３は、ポンプ室Ｐから吐出ポート３４への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。

逆止弁３２、３３は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板３２ａ、３３ａに、弾性材料からなるアンブレラ３２ｂ、３３ｂを装着してなっている。このような逆止弁（アンブレラ）自体は周知である。

以上の圧電ポンプ２０は、圧電振動子２８が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁３２が開いて吐出側逆止弁３３が閉じるため、吸入ポート３５（放熱シート１０の出口突起１３）からポンプ室Ｐ内に液体が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁３３が開いて吸入側逆止弁３２が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート３４（放熱シート１０の入口突起１２）に液体が流出する。したがって、圧電振動子２８を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られ、液体は、放熱シート１０の循環流路１１の流路始端１１ｃから、受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃの吸熱往流路１１ｅ、吸熱折返流路１１ｆ及び吸熱復流路１１ｇを流れて吸熱した後、ラジエータ流入端１１ｈに至りラジエータ４０に入る。ラジエータ４０を循環して放熱した液体は、ラジエータ吐出端１１ｉに放出され、流路終端１１ｄに戻る。

ラジエータ４０は、放熱シート１０の出口突起（出口孔）１４と入口突起（入口孔）１５に直接（チューブ体を介することなく）接続されるものである。この実施形態のラジエータ４０は、図７ないし図９に示すように、複数段積層された流路ユニット４１からなっている。各流路ユニット４１は、最上段の流路ユニット４１を除き同一構造である。

各流路ユニット４１は、重ね合わせて結合される一対の流路板４２Ｕと４２Ｌによって構成されている。流路板４２Ｕと４２Ｌは、例えば伝熱性に優れた金属材料（ブレージングシート）のプレス成形品から構成するもので、重ね合わせ面（積層面）に関して対称な形状（同一の単体形状）をしている。図１０は、流路板４２Ｕ（４２Ｌ）の単体形状を示している。流路板４２Ｕ（４２Ｌ）は細長形状をなしており、平面Ｕ字状の流路凹部４６の周縁に平坦な接合面４５を有している。Ｕ字状流路凹部４６の両端部（Ｕ字状折返部の反対側の端部）には、該Ｕ字状流路凹部４６部分より外方に突出させてスペーサ部４７Ｓと４８Ｓが形成されており、このスペーサ部４７Ｓと４８Ｓに、入口孔４７と出口孔４８が穿設されている。

以上の流路板４２Ｕと４２Ｌは、流路凹部３６が外側に向くように向きを反対にして重ね合わされ、接合面４５どうしを例えばロウ付けによって接合される。すると、上下の互いに反対方向に突出するＵ字状流路凹部４６により偏平なＵ字状の冷却液流路１１Ｘが形成される。また、上下の流路ユニット４１のスペーサ部４７Ｓ（４８Ｓ）どうしが当接して上下の流路ユニット４１の入口孔４７どうし、出口孔４７どうしがそれぞれ連通する。重ね合わされた流路ユニット４１の間には、冷却空気通過空間Ｓ（図９）が形成されている。最上段の流路ユニット４１の上方の流路板４２Ｕのスペーサ部４７Ｓ（４８Ｓ）には、入口孔４７（出口孔４８）が穿設されていない。

伝熱性金属板１０Ｕに形成した出口突起（出口孔）１４と入口突起（入口孔）１５は、最下方の流路ユニット４１の入口孔４７と出口孔４８にそれぞれ嵌まり、ラジエータ流入端１１ｈからラジエータ吐出端１１ｉに至る複数層のラジエータ流路が形成される。

放熱シート１０とラジエータ４０は、全体として平面コ字状をなしており、冷却ファン（シロッコファン）５０は、このコ字状の空間内に配置されている。冷却ファン（シロッコファン）５０の冷却風の吹出方向Ｗ（図１、図３）は、ラジエータ４０方向に向いており、冷却風は流路ユニット４１の間の空間Ｓを通過して流路ユニット４１内を流れる液体を冷却する。このような平面配置によると、冷却ファン５０から発生する風を効率よく冷却システムユニット１００に当てることができるため、省スペース化を図ることができる。

上記構成の本液冷システムユニット１００は、単一の（連続した金属材料からなる）放熱シート１０上に受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃが画成され、これら受熱エリア上にそれぞれ、ＣＰＵ１０１（ヒートシンク１０１Ｈ）、ＧＰＵ１０２（ヒートシンク１０２Ｈ）及びチップセット１０３（ヒートシンク１０３Ｈ）が搭載されている。また、放熱シート１０には、圧電ポンプ２０及びラジエータ４０が結合されていて、フレキシブルなチューブ体を用いることなく、全ての循環流路が形成されている。受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃは、対向スリット（変形容易部）１０ａによって区画されているため、ＣＰＵ１０１（ヒートシンク１０１Ｈ）、ＧＰＵ１０２（ヒートシンク１０２Ｈ）及びチップセット１０３（ヒートシンク１０３Ｈ）間に段差があっても、各受熱エリアが柔軟に変形し、その段差に追従することができ、各発熱体平面への熱的結合を容易にすることができる。

圧電ポンプ２０の吐出ポート３４から吐出された液体は、伝熱性金属板１０Ｕの入口突起１２から循環流路１１（流路始端１１ｃ）に入り、受熱エリアＡ、Ｂ、Ｃ内の吸熱流路１１ｅ、１１ｆ、１１ｇを流れてＣＰＵ１０１、ＧＰＵ１０２、チップセット１０３から吸熱した後、ラジエータ流入端１１ｈに放熱シート１０の出口突起１４に至る。出口突起１４に至った液体は、ラジエータ４０の各流路ユニット４１の入口孔４７から冷却流路１１Ｘに入り、出口孔４８から出た後、入口突起１５からラジエータ吐出端１１ｉに放出され、流路終端１１ｄに戻る。流路終端１１ｄに達した液体は、入口突起１２から再び圧電ポンプ２０内に戻り、以下同じ循環を繰り返す。ラジエータ４０内の冷却流路１１Ｘを通過する液体は、冷却ファン（シロッコファン）５０からの冷却風により十分冷却される。

以上の実施形態では、対向スリット（変形容易部）１０ａによって放熱シート１０に変形容易部を形成したが、薄肉部によって変形容易部を形成してもよい。また、図示例では、伝熱性金属板１０Ｕと１０Ｌの双方に対向スリット（変形容易部）１０ａを形成したが一方のみに対向スリット（変形容易部）１０ａを形成してもよい。

本発明による液冷システムの一実施形態を示す分解斜視図である。 図１の放熱シートの分解斜視図である。 同平面図である。 図３の側面図である。 圧電ポンプ単体の平面図である。 図５のVI-VI線に沿う断面図である。 ラジエータ単体の斜視図である。 図７のVIII-VIII線に沿う断面図である。 図７IX-IX線に沿う断面図である。 ラジエータの各流路ユニットを構成する流路板単体の平面図である。

符号の説明

１００ 液冷システムユニット
１０１ ＣＰＵ
１０２ ＧＰＵ
１０３ チップセット
１０１Ｈ １０２Ｈ １０３Ｈ ヒートスプレッダ
１０ 放熱シート
１０ａ 対向スリット（変形容易部）
１０Ｕ １０Ｌ 伝熱性金属板
１１ 循環流路
１１ａ 流路凹部
１１ｂ 流路遮断突部
１１ｃ 流路始端
１１ｄ 流路終端
１１ｅ １１ｆ １１ｇ 吸熱流路
１１ｈ ラジエータ流入端
１１ｉ ラジエータ吐出端
１１Ｘ 冷却流路
１２ 入口突起（入口孔）
１３ 出口突起（出口孔）
１４ 出口突起（出口孔）
１５ 入口突起（入口孔）
２０ 圧電ポンプ（ポンプ）
２１ ロアハウジング
２２ アッパハウジング
２８ 圧電振動子（ダイヤフラム）
２８ａ シム
２８ｂ 圧電体
２９ Ｏリング
３２ 逆止弁
３２ａ 穴あき基板
３２ｂ アンブレラ
３３ 逆支弁（アンブレラ）
３３ａ 穴あき基盤
３３ｂ アンブレラ
３４ 吐出ポート
３５ 吸入ポート
Ｐ ポンプ室
Ａ 大気室
４０ ラジエータ
４１ 流路ユニット
４２Ｌ 流路板
４２Ｕ 流路板
４５ 接合面
４６ Ｕ字状流路凹部
４７ 入口孔
４７Ｓ ４８Ｓ スペーサ部
４８ 出口孔
５０ 冷却ファン（シロッコファン）

Claims (11)

1. 重ね合わせた一対の伝熱性金属板を有し、該一対の伝熱性金属板の間に循環流路を有する放熱シート；
   上記放熱シート上に区画設定された複数の受熱エリア；
   各受熱エリア上にそれぞれ伝熱材料からなるヒートスプレッダを介して設置された複数の発熱体；
   この放熱シート表面に開口させた、上記循環流路の両端部に位置する入口孔と出口孔；
   この入口孔と出口孔に連通する吐出ポートと吸入ポートを有し、該放熱シート上に設置されたポンプ；
   及び
   上記放熱シートの上記循環流路に連続するラジエータ；
   を有することを特徴とする液冷システム。
2. 請求項１記載の液冷システムにおいて、上記複数の受熱エリアは、放熱シートに形成した変形容易部を介して区画設定されている液冷システム。
3. 請求項２記載の液冷システムにおいて、上記変形容易部は、放熱シートを構成する一対の伝熱性金属板の少なくとも一方に形成したスリットである液冷システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記放熱シートとラジエータは平面コ字状をなしており、該コ字状の空間に、ラジエータに対して冷却空気を与えるファンが配置されている液冷システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記ヒートシンクと発熱体は、放熱シートの表裏の一面に位置し、ポンプは他面に位置している液冷システム。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、循環流路の上記入口孔と出口孔は、放熱シートに筒状突起として形成されており、上記ポンプの吐出ポートと吸入ポートは、この入口孔筒状突起に連通する吐出流路孔と出口孔筒状突起に連通する吸入ポート孔として形成されている液冷システム。
7. 請求項１ないし６のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記ポンプは圧電ポンプである液冷システム。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記発熱体は、ノートパソコンのＣＰＵ及びＧＰＵを含んでいる液冷システム。
9. 請求項１ないし８のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記ラジエータは、積層された複数の流路ユニットを有し、各流路ユニットは、入口孔と出口孔及び該入口孔と出口孔を結ぶ冷却流路を備えている液冷システム。
10. 請求項９記載の液冷システムにおいて、各流路ユニットは、少なくとも１回Ｕ字状に曲折された液流路を形成する一対の流路板を積層結合してなり、この一対の流路板に、上記入口孔と出口孔が穿設されている液冷システム。
11. 請求項９または１０記載のラジエータにおいて、各流路ユニットを構成する一対の流路板は、重ね合わせ面に関して対称な面対称形状をなしており、平面Ｕ字状をなす流路凹部と、この流路凹部の一端部と他端部に形成された上記入口孔と出口孔とを有する液冷システム。