JP2010080564A - 液冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】単位時間当たりの発熱量が大小に異なる複数の発熱源；これら複数の発熱源と熱的に接触する、受熱流路を有する流路板；この受熱流路に接続された少なくとも一つのラジエータ；及びこの受熱流路とラジエータの間に冷媒を循環させるポンプ；を備えた液冷システムにおいて、流路の長距離化複雑化又は（及び）ポンプの負荷能力の増大に頼ることなく、特に最大発熱量熱源を効率的に冷却することができる液冷システムを得る。
【解決手段】流路板の受熱流路を、特定のラジエータを基準にして、該ラジエータより流体流れ方向前方に位置する前方受熱流路と、該ラジエータより流体流れ方向後方に位置する後方受熱流路とに分割し、最大発熱量熱源を、この前方受熱流路と後方受熱流路の双方に熱接触させた液冷システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体（特にＰＣの発熱源）を冷却するための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。
特開平5-283571号公報 特開2003-75037号公報 特開2005-222443号公報 特開2005-228216号公報 特開2007-103702号公報 特開2007-272294号公報

このような液冷システムでは、理論的には、冷媒（冷却液）の流量を一定としたとき、発熱源から受熱する受熱流路及び放熱するための放熱流路を長くとることで冷却能力を高めることができるが、ノートＰＣのような小型の機器では、流路を長くとることは困難で圧力損が大きく発生し、ポンプの負荷が大きくなる。

本発明は、流路の長距離化複雑化又は（及び）ポンプの負荷能力の増大に頼ることなく、特に複数の発熱源のうち最も発熱量の多い発熱源を効率的に冷却することができる液冷システムを得ることを目的とする。

本発明は、複数の発熱源のうち、最も発熱量の多い発熱源に着目し、この最大発熱量発熱源に対し、ラジエータに入る前の流路とラジエータを出た後の流路によって受熱すれば、効率的な受熱（冷却）ができるとの着眼に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、単位時間当たりの発熱量が大小に異なる複数の発熱源；これら複数の発熱源と熱的に接触する、受熱流路を有する流路板；この受熱流路に接続された少なくとも一つのラジエータ；及びこの受熱流路とラジエータの間に冷媒を循環させるポンプ；を備えた液冷システムにおいて、受熱流路を、特定のラジエータを基準にして、該ラジエータより流体流れ方向前方に位置する前方受熱流路と、該ラジエータより流体流れ方向後方に位置する後方受熱流路とに分割し、複数の発熱源のうち最も発熱量の大きい発熱源を、この前方受熱流路と後方受熱流路の双方に熱接触させたことを特徴としている。

前方受熱流路と後方受熱流路の最大発熱量熱源からの受熱量は、他の発熱源からの受熱量を勘案し、互いに異ならせるのが実際的である。

複数の発熱源のうち、最大発熱量熱源以外の発熱源は、前方受熱流路と後方受熱流路の一方のみと熱接触させることができる。

より具体的に、発熱源が３個であるとき、最大発熱量熱源以外の２つの発熱源は、前方受熱流路と後方受熱流路にそれぞれ熱接触させることができる。

本発明の液冷システムでは、ラジエータに冷却風を与える冷却ファンを設けることが好ましい。

発熱源は、具体例をあげると、ＣＰＵ、ＧＰＵ及びチップセットである。

ノートＰＣのような小型の機器への搭載を可能とするため、ポンプは圧電ポンプとすることができる。

本発明の対象は、別の態様では、以上の液冷システムを搭載した電気機器（ＰＣ、映像機器、撮像機器、照明装置等）に及ぶ。

本発明の液冷システムは、流路板の受熱流路を、特定のラジエータを基準にして、該ラジエータより流体流れ方向前方に位置する前方受熱流路と、該ラジエータより流体流れ方向後方に位置する後方受熱流路とに分割し、複数の発熱源のうち最も発熱量の大きい発熱源を、この前方受熱流路と後方受熱流路の双方に熱接触させたので、特に最大発熱量熱源を効率的に冷却することができる。

図１ないし図５は、本発明による液冷システムの一実施形態を示している。この実施形態は、単一の流路板（平面流路板）１０上に、３つの発熱源ＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３を載置し、流路板１０内に、これらのＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３の下部（または上部）を流れる冷媒（冷却液）の受熱流路を形成した実施形態である。ＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３の単位時間当たりの発熱量は、例えば、１５Ｗ、３０Ｗ及び５Ｗであり、ＧＰＵ２２が最大発熱量熱源である。ＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３と流路板１０との間にはそれぞれ、これら発熱源の熱を流路板１０に伝熱するヒートスプレッダ２１Ｓ、ヒートスプレッダ２２Ｓ及びヒートスプレッダ２３Ｓが介在している。

流路板１０は、平面流路１１を有している。図３は、３枚の積層金属板（例えばブレージングシート）１０ａ、１０ｂ、１０ｃからなる流路板１０の構造例を示しており、真ん中の積層板１０ｂに、表裏の積層板１０ａと１０ｃによって閉塞され、平面流路１１を構成する貫通穴１１ｔが形成されている。流路板１０は、２枚または４枚以上の金属板から構成することもできる。

流路板１０は、図１の略右半分のＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３を有する受熱エリアと、略左半分の放熱駆動エリアとに別れており、放熱駆動エリアには、第一のラジエータ３１、第二のラジエータ３２、冷却ファン（シロッコファン）３３及び圧電ポンプ４０が搭載されている。第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２は、互いに直交する位置関係で流路板１０の隅部に配置されており、冷却ファン３３は、この第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２に囲まれた空間に配置されていて、第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２に冷却風を与える。流路板１０には、冷却ファン３３による冷却風を通過させる貫通穴１２（図１）が形成されている。なお、第一のラジエータ３１と第２のラジエータ３２は本実施形態においては分割されているが一体で形成されていても良い。

流路板１０の平面流路１１は、圧電ポンプ４０の吐出口４１から出てチップセット２３の上方及びＧＰＵ２２の上方を流れた後、ＧＰＵ２２の下面において折り返され、再びＧＰＵ２２の上方及びチップセット２３の上方を流れて第一のラジエータ３１及び第二のラジエータ３２に入る。圧電ポンプ４０の吐出口４１から第一のラジエータ３１に入る流路は、第一のラジエータ３１及び第二のラジエータ３２の流れ方向前方に位置する前方受熱流路１１Ｆであり、この前方受熱流路１１Ｆを冷媒が流れる間に、チップセット２３の熱及びＧＰＵ２２の一部（概ね１／３）の熱を受熱する。

第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２はそれぞれ、複数段に分岐した外側流路３１ａ、３２ａと内側流路３１ｂ、３２ｂを有しており、前方受熱流路１１Ｆは、外側流路３１ａ、３２ａを流れて冷却された後、ＣＰＵ２１の上方及びＧＰＵ２２の上方を流れて該ＧＰＵ２２の上方において折り返され、再びＧＰＵ２２の上方及びＣＰＵ２１の上方を流れた後、第二のラジエータ３２の内側流路３２ｂと第一のラジエータ３１の内側流路３１ｂを流れ、圧電ポンプ４０の吸入口４２に戻る。第二のラジエータ３２の外側流路３２ａから内側流路３２ｂに至る流路は、第一のラジエータ３１及び第二のラジエータ３２の流れ方向後方に位置する後方受熱流路１１Ｒであり、この後方受熱流路１１Ｒを冷媒が流れる間に、ＣＰＵ２１の熱及びＧＰＵ２２の一部（概ね２／３）の熱を受熱する。前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒは、この実施形態では、第一のラジエータ３１の外側流路３１ａまたは第二のラジエータ３２の外側流路３２ａを特定のラジエータとして、その前方と後方に位置する受熱流路である。

図１では、図示の便宜上、前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒ（及び第一、第二のラジエータ３１、３２を結ぶ流路）を実線で描き、ラジエータ３１、３２内の流路３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂを破線で描いている。

このように、流路板１０の平面流路１１は、第一のラジエータ３１及び第二のラジエータ３２の前後を流れる前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒに分けられていて、その前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒが最大発熱量熱源であるＧＰＵ２２の熱を奪うため、ＧＰＵ２２を効率的に冷却することができる。つまり、前方受熱流路１１Ｆを流れる冷媒は、第二のラジエータ３２の内側流路３２ｂと第一のラジエータ３１の内側流路３１ｂを通るときに冷却されているため、チップセット２３とＧＰＵ２２の一部を冷却することができる。そして、その結果昇温した冷媒は、第一のラジエータ３１の外側流路３１ａと第二のラジエータ３２の外側流路３２ａを通るときに冷却された後、後方受熱流路１１Ｒを流れて、ＣＰＵ２１とＧＰＵ２２の残部を冷却することができるため、最大発熱量熱源であるＧＰＵ２２を効率的に冷却することができるのである。

本実施形態は、圧電ポンプ４０の具体的構成を問うものではないが、図４に示す圧電ポンプ４０の構成を説明する。図４は、図２とは上下関係を逆にして描いたものである。この圧電ポンプ４０は、対をなす分割ハウジング４０Ｌとアッパハウジング４０Ｕを有している。分割ハウジング４０Ｌには、該ハウジングの板厚平面に直交させて、吐出口４１と吸入口４２が互いに平行に穿設されている。分割ハウジング４０Ｌとアッパハウジング４０Ｕの間には、Ｏリング４３を介して圧電振動子（ダイヤフラム）４４が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子４４と分割ハウジング４０Ｌとの間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子４４とアッパハウジング４０Ｕとの間には、大気室Ａが形成される。

圧電振動子４４は、中心部のシム４４ａと、シム４４ａの表裏の一面（図４の上面）に積層形成した圧電体４４ｂ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４４ａが臨んで冷媒と接触する。シム４４ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ３０〜３００μｍ程度のステンレスや４２アロイ等のばね性金属材料（導電性金属薄板）から構成されている。圧電体４４ｂは、例えば厚さ５０〜６００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）等の圧電材料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。

分割ハウジング４０Ｌの吐出口４１と吸入口４２にはそれぞれ、逆止弁（アンブレラ）４５と４６が設けられている。逆止弁４５は、ポンプ室Ｐから吐出口４１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り、逆止弁４６は、吸入口４２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る。

逆止弁４５、４６は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板４５ａ、４６ａに、弾性材料からなるアンブレラ４５ｂ、４６ｂ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４０は、圧電振動子４４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４６が開いて吐出側逆止弁４５が閉じるため、吸入口４２からポンプ室Ｐ内に冷媒が流入する。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４５が開いて吸入側逆止弁４６が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出口４１に冷媒が流出する。したがって、圧電振動子４４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る。

第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２は、通過する冷媒を冷却することができるものであればよく、一体となっていても良い。また、第一、第二のラジエータ３１、３２の外側流路３１ａ、３２ａと、内側流路３１ｂ、３２ｂは、機能的にはそれぞれ独立したラジエータであり、従ってこれらをそれぞれ、別々のラジエータとして構成してもよい。図示実施形態の第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２は実質的に同一構造であり、図５にその構造例を示す。このラジエータ３１（３２）は、積層流路板３３を複数段（図示例では４段）積層してなっている。４段の積層流路板３３の間には、該積層流路板３３の間に空間（空気流通隙間）を確保するスペーサ３４が挿入されている。各積層流路板３３は、３枚の積層板（ブレージングシート）３３ａ、３３ｂ、３３ｃからなっている。真ん中の積層板３３ｂには、外側流路３１ａ（３２ａ）と内側流路３１ｂ（３２ｂ）を形成する貫通穴３３ｄが形成されており、全ての貫通穴３３ｄの両端部は、連通路３５を介して平面流路１１に連通している。なお、図示していないが、平面流路１１に連通させて適宜冷媒のリザーブタンクを設けることができる。

図６は、比較例の液冷システムの流路板の平面流路例を示している。この比較例では、圧電ポンプ４０の吐出口４１を出て第一、第二のラジエータ３１、３２に入る前の前方受熱流路１１Ｒだけが、ＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３の順に、その上方を通過している。

図７は、ＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３の単位時間当たりの発熱量を、それぞれ、１５Ｗ、３０Ｗ及び５Ｗとし、圧電ポンプ４０の吐出量は、３０ｍｌ／分としたとき、本発明による図１の液冷システムと図６の比較例における冷却性能を調べたグラフである。図７の実線は、図１の液冷システムにおける圧電ポンプ４０の吐出口４１から第一ラジエータ３２の内側流路３１ｂの出口に至る平面流路１１（前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒ）内の冷媒の液温（及び各発熱源のジャンクション温度（ｊ温度））をプロットしたもので、最大発熱量熱源のＧＰＵ２２における最高温度は約６５℃に抑制されている。なお、図７では便宜上、第一のラジエータ３１と第二のラジエータ３２を一つのラジエータと見なしており、図７中、Ｒａｄ１ ｉｎ液温は第一のラジエータ３１の外側流路３１ａの入り口の液温であり、Ｒａｄ１ ｏｕｔ液温は第二のラジエータ３２の外側流路３２ａの出口の液温を示している。同様に、図７中、Ｒａｄ２ ｉｎ液温は第二のラジエータ３２の内側流路３２ｂの入り口の液温を示し、Ｒａｄ２ ｏｕｔ液温は第一のラジエータ３１の内側流路３１ｂの出口の液温を示している。

これに対し、図７の破線は、図６の比較例をプロットしたもので、最大発熱量熱源のＧＰＵ２２における最高温度は約８０℃に達している。すなわち、本実施形態のように、流路板１０の平面流路１１を、第一のラジエータ３１及び第二のラジエータ３２の前後を流れる前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒに分割し、その前方受熱流路１１Ｆと後方受熱流路１１Ｒによって最大発熱量熱源であるＧＰＵ２２を冷却すると、ＧＰＵ２２を効率的に冷却することができる。

以上の実施形態では、ラジエータを第一、第二のラジエータ３１、３２に分割したが、１つとしあるいは３つ以上としてもよい。また、以上の実施形態では、発熱源をＣＰＵ２１、ＧＰＵ２２及びチップセット２３の３つとし、そのうち、ＧＰＵ２２の発熱量が最大であるとしたが、本発明は、発熱量が大小に異なる複数の熱源の冷却システム一般に用いることができる。

本発明による液冷システムの一実施形態を示す平面図である。 図１の正面図である。 図２の流路板の流路構造を示す断面図である。 図１のIV-IV線に沿う断面図である。 図１のV-V線に沿う断面図である。 比較例の液冷システムを示す、図１に対応する流路図である。 本発明による液冷システムの冷却性能の具体例を示すグラフ図である。

符号の説明

１０ 流路板
１０ａ １０ｂ １０ｃ 積層板
１１ 平面流路
１１Ｆ 前方受熱流路
１１Ｒ 後方受熱流路
１１ｔ 貫通穴
２１ ＣＰＵ（発熱源）
２２ ＧＰＵ（最大発熱量熱源）
２３ チップセット（発熱源）
２１Ｓ ２２Ｓ ２３Ｓ ヒートスプレッダ
３１ 第一のラジエータ
３２ 第二のラジエータ
３１ａ ３２ａ 外側流路
３１ｂ ３２ｂ 内側流路
３３ 冷却ファン
４０ 圧電ポンプ
４１ 吐出口
４２ 吸入口
４４ 圧電振動子
４５ 吸入側逆止弁
４６ 吐出側逆止弁

Claims (8)

1. 単位時間当たりの発熱量が大小に異なる複数の発熱源；
   これら複数の発熱源と熱的に接触する、受熱流路を有する流路板；
   この受熱流路に接続された少なくとも一つのラジエータ；及び
   この受熱流路とラジエータの間に冷媒を循環させるポンプ；
   を備えた液冷システムにおいて、
   上記受熱流路を、特定のラジエータを基準にして、該ラジエータより流体流れ方向前方に位置する前方受熱流路と、該ラジエータより流体流れ方向後方に位置する後方受熱流路とに分割し、
   上記複数の発熱源のうち最も発熱量の大きい発熱源を、この前方受熱流路と後方受熱流路の双方に熱接触させた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、前方受熱流路と後方受熱流路の最も発熱量の大きい発熱源からの受熱量は、互いに異なっている液冷システム。
3. 請求項１または２記載の液冷システムにおいて、複数の発熱源のうち、最も発熱量の大きい発熱源以外の発熱源は、前方受熱流路と後方受熱流路の一方のみと熱接触している液冷システム。
4. 請求項３記載の液冷システムにおいて、発熱源は３個であり、最も発熱量の大きい発熱源以外の２つの発熱源は、前方受熱流路と後方受熱流路にそれぞれ熱接触し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、上記ラジエータに冷却風を与える冷却ファンが備えられ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、上記発熱源は、ＣＰＵ、ＧＰＵ及びチップセットを含んでいる液冷システム。
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を搭載した電気機器。

Images