JP2003029879A - 液冷システムおよびその冷却液ポンプ制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 プロセッサ等の発熱部と放熱部を冷却液を循
環させて冷却をおこなう液冷方式の冷却システムにおい
て、循環する冷却液の脈動を低減し、低振動および低騒
音の液冷システムを提供する。 【解決手段】 発熱部に装着された冷却ジャケットと放
熱部との間で熱媒体を循環させるポンプを並列に複数個
配置し、前記ポンプの制御をおこなう温度センサコント
ロールＩＣ１２は、発熱部の温度情報３０から適切なポ
ンプ数，位相差を判断してスイッチ制御信号３６，位相
制御信号３２としてポンプ電源スイッチ制御回路１４，
位相変換回路１３にそれぞれ伝達し、ポンプａ１５，ポ
ンプｂ１６，ポンプｃ１７の動作制御を行う。これによ
り、発熱部温度により、稼動ポンプ数を可変にするとと
もに、電圧の位相ずれが３６０度に対し稼働ポンプ数で
除算した角度とした電源を各ポンプに別個に供給し、冷
却液の脈動を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、情報処理装置等の
冷却技術等に適用して有効な技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】情報処理装置等に用いられるマイクロプ
ロセッサ等の半導体は、半導体技術等の進展に伴って、
著しく性能向上している。特に、その動作周波数は日に
日に高速化の一途をたどっている。このような高性能の
マイクロプロセッサ等を実装した情報処理装置を製品化
する場合、マイクロプロセッサ等の半導体の冷却（放
熱）が技術的課題の一つとなっている。

【０００３】従来からマイクロプロセッサ等の近傍や筐
体の一部に冷却ファンを配置して、マイクロプロセッサ
等を通過する気流を強制的に形成することで放熱を行う
ことがよく知られている。高性能マイクロプロセッサ等
では、動作時に多量の熱が放出されるため、従来のファ
ンを用いた空気冷却方法では冷却能力が不十分となる。
このため、冷却効率を高めるのに、大型のファンが必要
となり、ファンや筐体寸法の大型化、消費電力の増大、
騒音の増大等のような、技術的課題が生じる。一般に情
報処理装置等は、小型、低消費電力、静粛性等は重要な
セールスポイントであり、上述のような、筐体寸法の大
型化、消費電力の増大、騒音の増大は情報処理装置等を
製品化する上で大きな技術的課題となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】高冷却能力を提供でき
る技術として、マイクロプロセッサ等の発熱部に装着さ
れた冷却ジャケットと放熱部との間を熱媒体としての液
体（以下、冷却液と称す）を循環させて、効率よく発熱
部の発生熱を外部に輸送・放熱することで、大きな冷却
能力を実現可能な液体冷却式（以下、液冷式と称す）の
冷却方法を採用することが考えられる。

【０００５】しかし、液冷式では、冷却液の循環をおこ
なう冷却液ポンプが必要となり、液体を循環させる際に
発生する振動および騒音が情報処理装置等を製品化する
上で大きな技術的課題となる。

【０００６】さらに、マイクロプロセッサ等の発熱部の
温度により、冷却液ポンプのオン／オフ制御をおこな
い、冷却制御をおこなっているものがある。この制御方
法でもは、冷却ポンプは間欠動作をしているので、液冷
ポンプ動作時の騒音・振動は連続動作時と同様のレベル
となっている。

【０００７】本発明の目的は、情報処理装置等の液冷式
の冷却方式における振動および騒音の低減化の実現と、
消費電力の低減が可能な技術を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、情報処理装置のマイクロプロセッサ等
の発熱部に装着された冷却ジャケットと放熱部との間
で、パイプを通し冷却液を循環させる冷却液ポンプを並
列に複数個配置するようにし、発熱部に対応する温度に
応じて、複数の冷却液ポンプの駆動条件、例えば、稼動
ポンプ数を変えて冷却をおこなうようにした。このと
き、発熱部に対応する温度を、例えば、プロセッサ温度
を代表値として検知し、この検知温度の温度範囲に応じ
て、前記冷却液ポンプの稼動数をかえるようにした。

【０００９】さらに、駆動する冷却液ポンプごとに、印
加する駆動電圧位相を、稼動数に応じて、等しい位相ず
れとなるように、駆動電圧を生成し、冷却液ポンプに供
給するようにした。より具体的には、ダイヤフラム型ポ
ンプ等の容積往復動式ポンプから成る各冷却液ポンプの
電源の電圧位相を、３６０度に対して稼動ポンプ数で除
算した位相角度にて位相制御した駆動電圧を供給し、各
冷却ポンプを別々のタイミングで動作するようにした。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態をポンプ
が３つの場合を例に、図面を参照しながら詳細に説明す
る。図５は、本発明の液冷システムを適用するノート型
パーソナルコンピュータの構成の概要を説明する図であ
る。ノート型パーソナルコンピュータは、プロセッサと
チップセット５１を搭載するマザーボード５２、ハード
ディスク５３、ＣＤ―ＲＯＭ５４、バッテリ５５を備え
たコンピュータの本体部５６と表示部５７が、開閉可能
に接続されている。高発熱部であるプロセッサは、図示
していないが、ウォータジャケット（以下Ｗ／Ｊと称
す）１８の下部に位置し、その発生熱がＷ／Ｊ１８に熱
伝導している。冷却液を満たしたチューブ２１は、ポン
プ部６０とＷ／Ｊ１８に接続し、さらに、本体部５６と
表示部５７に配設されている。チューブ２１の冷却液
は、ポンプ部６０によりチューブ２１を循環し、Ｗ／Ｊ
１８でプロセッサの発生熱を吸熱し、主に表示部５７の
裏面に配設されたチューブ２１で外部に放熱している。
なお、ポンプ部６０は詳細を後述するが、並列接続した
複数のポンプから構成され、また、図示していないが、
ポンプ部６０の動作を制御する制御部を備えている。

【００１１】図６は、図５に示したポンプ６０に適用す
る冷却液ポンプの一例をしめす図であり、ダイヤフラム
型ポンプの概略構成をしめしている。このポンプは、ダ
イヤフラム６１の変形による容積変化を利用したポンプ
であり、ダイヤフラム６１が図の下方向に変形したとき
に、冷却液を吸込口より吸引し、上方向に変形したとき
に、吐出口に排出する。このとき、逆止弁６２と逆止弁
６３により、冷却液は吸込口から吐出口への一方向に流
れる。つまり、ダイヤフラム６１が下方向に変形したと
きには、逆止弁６３により吐出口から冷却液が逆流する
のを防止し、ダイヤフラム６１が上方向に変形したとき
には、逆止弁６２により吸込口に冷却液が逆流するのを
防止する。このように、ダイヤフラム６１の上下方向の
変形により、冷却液の吸込みと吐出しをおこなっている
ので、冷却液の循環は脈動している。より詳しくは、ダ
イヤフラム６１の変形周期に対応して、吐出圧や吐出流
量が周期的に変動するので、振動や騒音の発生源となっ
ている。ダイヤフラム６１は、例えば、薄いピエゾ素子
（圧電素子）を貼り合わせた板であり、これに交流電圧
を印加して、その周波数で上下方向の変形をおこなうも
のである。

【００１２】つぎに図１を用いて、本発明の液冷システ
ムの概略構成を説明する。図１では、図５のポンプ部６
０をポンプａ（１５）、ポンプｂ（１６）、ポンプｃ
（１７）の３つのポンプで構成した実施例について説明
する。ポンプａ（１５）、ポンプｂ（１６）、ポンプｃ
（１７）は、チューブ２１に並列に接続され、冷却液を
循環している。冷却液は、ポンプから吐出され、チュー
ブ２１を経由して、プロセッサ等の発熱部１９の発生熱
を吸熱する冷却ジャケット１８に流入する。冷却液は、
冷却ジャケット１８で発熱部１９の発生熱を吸熱し、チ
ューブ２１を経由して、ポンプａ（１５）、ポンプｂ
（１６）、ポンプｃ（１７）に戻っていく。このとき、
図１には図示されていないが、チューブ２１は図５で示
したように、表示部５７の背面に配設されているので、
冷却液に吸熱された発熱部１９の発生熱は、外部に放熱
される。このようにして、発熱部１９の発生熱は、冷却
ジャケット１８で冷却液に吸熱され、冷却液により熱輸
送され、チューブ２１の一部から外部に放熱されるの
で、発熱部１９の温度上昇を防止することができる。

【００１３】発熱部１９の温度は、外部温度が一定の場
合には、チューブ２１を循環する冷却液の流量に依存す
るので、つぎのようして冷却液の流量制御をおこない、
発熱部の温度管理をおこなう。

【００１４】本発明の液冷システムの制御は、温度セン
サコントロールＩＣ１２により実施され、発熱部１９の
温度を温度センサ２０により検出し、この検出された温
度をもとに、ポンプａ（１５）、ポンプｂ（１６）、ポ
ンプｃ（１７）に供給する駆動電圧を生成する位相変換
回路１３と、ポンプａ（１５）、ポンプｂ（１６）、ポ
ンプｃ（１７）に供給する駆動電圧の入り切りを行うポ
ンプ電源スイッチ制御回路１４をそれぞれ制御する、位
相制御信号３２とスイッチ制御信号３６を制御する。こ
の制御内容については、詳細に後述するが、発熱部１９
の温度範囲により、スイッチ制御信号３６により、ポン
プの供給電力のオン／オフ指定をおこない、稼動ポンプ
数を変える。さらに、位相制御信号３２により稼動して
いる個々のポンプに電圧位相を変えて供給するようにす
る。

【００１５】図１では、発熱部１９に接続した温度セン
サ２０により温度検出をおこない稼動ポンプ数を制御す
る場合について説明したが、温度検出はこの例に限定さ
れたものではなく、発熱部の温度を代表する温度であれ
ば、冷却ジャケット１８の温度や、チューブ２１を循環
する冷却液の液温であってもよい。また、測定個所も１
箇所に限定されたものでなく、複数箇所であってもよ
い。この場合、複数個所の検出温度を平均化等の演算処
理により、代表温度として制御すればよい。

【００１６】本実施例のポンプａ（１５）、ポンプｂ
（１６）、ポンプｃ（１７）は、先に述べたように、ピ
エゾ素子を用いたダイヤフラム型ポンプであり、ポンプ
の駆動には、交流電圧が必要となる。一般に本実施例の
ようなノート型パーソナルコンピュータでは、交流電圧
源を備えていないため、バッテリ等の直流電源を基に、
ポンプ電源用インバータ１１で、ＤＣ／ＡＣ変換をおこ
ない、例えば、１００Ｖ、１００Ｈｚの交流電圧源を生
成する。生成する交流電源の仕様は、ポンプａ（１
５）、ポンプｂ（１６）、ポンプｃ（１７）に依存し、
この例に限ったものではない。

【００１７】つぎに、図２により、温度センサコントロ
ールＩＣ１２の制御内容をより詳細に説明する。図２に
しめすように、温度情報３０の温度範囲に基づき、４つ
のステージ（制御状態）に分類して、ポンプａ（１５）
とポンプｂ（１６）とポンプｃ（１７）の供給電圧の位
相制御とＯＮ／ＯＦＦ制御をおこなう。

【００１８】詳しくは、温度情報３０が、９０℃以上の
場合には、制御状態をステージＡとし、ポンプの供給電
圧の位相差設定値を１２０°に設定し、ポンプａ（１
５）とポンプｂ（１６）とポンプｃ（１７）の３つのポ
ンプを稼動するように電源供給スイッチを全てＯＮにす
る。また、温度情報３０が、９０℃より低く、７０℃以
上の場合には、制御状態をステージＢとし、ポンプの供
給電圧の位相差設定値を１８０°に設定し、ポンプａ
（１５）とポンプｂ（１６）の２つのポンプを稼動する
ように電源供給スイッチをＯＮにする。さらに、温度情
報３０が、７０℃より低く、５０℃以上の場合には、制
御状態をステージＣとし、ポンプの供給電圧の位相差設
定値を０°に設定し、ポンプａ（１５）のみ稼動するよ
うに電源供給スイッチをＯＮにする。

【００１９】つぎに図７により、ポンプの電圧位相制御
内容を説明する。図７（ａ）は、本実施例のポンプａ
（１５）とポンプｂ（１６）とポンプｃ（１７）に供給
する駆動電圧の基本波形をしめした図である。図７
（ｂ）は、図１の位相変換回路１３により、基本波形
（ａ）に対して１２０°位相をずれしたポンプの駆動電
圧波形である。図７（ｃ）と図７（ｄ）は、同様に、基
本波形（ａ）に対して２４０°位相、１８０°位相ずら
したものである。

【００２０】図２に示すように、ステージAでは、ポン
プａ（１５）とポンプｂ（１６）とポンプｃ（１７）の
３つのポンプを稼動するようにする。このとき、ポンプ
ａ（１５）には、基本波形（ａ）の駆動電圧を供給し、
ポンプｂ（１６）には、１２０°位相ずれの波形（ｂ）
を、ポンプｃ（１７）には、２４０°位相ずれの波形
（ｃ）の駆動電圧を供給する。このように、電圧位相を
ずらしてポンプを駆動することにより、各ポンプから吐
出または各ポンプに吸引される冷却液の脈動は、合成さ
れるので、単一の位相で各ポンプを駆動する場合より
も、冷却液の脈動が低減される。

【００２１】また、ステージＢでは、ポンプａ（１５）
とポンプｂ（１６）の２つのポンプを稼動するようにす
る。このとき、ポンプａ（１５）には、基本波形（ａ）
の駆動電圧を供給し、ポンプｂ（１６）には、１８０°
位相ずれの波形（ｄ）を供給する。先と同様に、電圧位
相をずらしてポンプを駆動することにより、各ポンプか
ら吐出または各ポンプに吸引される冷却液の脈動は、合
成されるので、単一の位相で各ポンプを駆動する場合よ
りも、冷却液の脈動が低減される。

【００２２】以上のようにステージＢでは、ポンプｃに
供給される電源が切れたことにより、ポンプｃで消費す
る電力を節電でき、また位相差を１２０°から１８０°
に変更したことから、ポンプが３個から２個に変更とな
っても各ポンプから発生する振動を互いに打ち消し合う
と同時に、熱媒体を途切れることなく流しつづけるた
め、ポンプ２１で発生する振動および騒音を低減する事
が可能である。

【００２３】図４に、図２に示した制御ステージの状態
遷移図をしめす。図４は、各ステージ毎にそのステージ
の制御内容を示し、各ステージの移行条件を記載したも
のである。情報処理装置がパワーオンされると、ステー
ジＤ（４４）に入り、温度情報３０が５０℃以上になる
と、ステージＣ（４３）に移行する。温度情報３０が５
０℃より低い場合には、ステージの移行はおきない。温
度情報３０が７０℃以上になるとステージＢ（４２）に
移行し、さらに、温度情報３０が９０℃以上になるとス
テージＡ（４１）に移行する。このように、プロセッサ
の温度上昇つまり発熱量アップに応じて、ステージが遷
移し、ポンプの稼動数が増加するように制御される。プ
ロセッサの消費電力制御、例えば、アイドル検出による
クロックダウン等により、発熱量が低減した場合には、
プロセッサの温度が低下するので、それにあわせてステ
ージを遷移させる。つまり、ステージＢでポンプの制御
をおこなっていた時に、温度情報３０が、７０℃より低
下すると、ステージＣに遷移し、ポンプの稼動数を１に
する。他のステージの場合も同様に、そのステージの温
度範囲より低い温度情報３０を検出すると、図の下方の
ステージに遷移する。

【００２４】ここで、ポンプ故障等により冷却効率が低
下すると、ステージＡであってもプロセッサの温度上昇
が続き、場合によってはプロセッサの許容温度範囲を超
えてしまうことが考えられる。このため、温度情報３０
が１００℃を超えると、冷却システム異常として、エラ
ー処理をおこなうようにする。

【００２５】図３は、温度センサコントロールＩＣ１２
のポンプ制御を、図４のステージの状態遷移を満足する
ように実施する処理フローの一例を示す図である。ステ
ージの状態遷移は、周期的な温度情報３０の検知と、そ
の検知温度に温度範囲の判定によりおこなう。つぎに詳
しくフローを説明する。

【００２６】温度情報３０の温度情報検知をおこない
（Ｓ１）、この値を基に温度範囲を判定していく。温度
範囲の判定は、まず、９０℃以上かを判定（Ｓ２１）
し、以下の場合には７０℃以上かを判定（Ｓ２２）し、
以下の場合には５０℃以上かを判定（Ｓ２３）する。こ
れらの判定により、温度情報３０からステージの特定が
できる。例えば、温度情報３０が７２℃だった場合、Ｓ
２１でＮＯに移行し、Ｓ２２でＹＥＳに移行するので、
温度範囲は７０℃以上で９０℃より低い範囲であること
が判明し、ステージＢの処理をおこなう。各ステージの
処理のはじめに現在の制御ステージの判定をおこない、
同一のステージの場合には、位相差設定とポンプオン／
オフ設定の処理をおこなわないようにする。例えば、先
の例と同様の場合には、現在のステージがステージＢか
判定（Ｓ３２）し、ステージＢの場合（ＹＥＳ）にはス
テージ設定の処理はおこなわない。ステージＢ以外のス
テージの場合（ＮＯ）には、ステージＢの設定内容に、
つまり、ポンプの供給電圧の位相差設定値を１８０°に
設定し、ポンプａ（１５）とポンプｂ（１６）の２つの
ポンプを稼動するように電源供給スイッチをＯＮにする
（Ｓ４２）。

【００２７】本実施例では、温度情報３０が上昇すると
きと、下降するときのステージ遷移する制御温度を同一
にしたが、下降時の制御温度を上昇時より低くするよう
にしてもよい。この場合には、ステージ遷移が温度ヒス
テリシスをもつので安定した制御をおこなうことができ
る。

【００２８】また、本実施例では、３つのポンプを並列
に接続し、動作させる場合について説明したが、これに
限るものでないことは言うまでもない。特に振動低減の
観点からは、並列に接続するポンプ数を多くすれば、よ
り振動低減に効果がある。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、情報処理装置等の液冷
式の冷却方法における振動および騒音の低減化が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による液冷システムの一実施例構成の概
念図である。

【図２】本発明による液冷システムの制御ステージの一
例をしめす図である。

【図３】本発明による冷却液ポンプの制御フローの一例
をしめす図である。

【図４】本発明による冷却液ポンプの制御ステージの状
態遷移をしめす図である。

【図５】本発明による液冷システムを適用するノート型
コンピュータの構成をしめす図である。

【図６】本発明の冷却液ポンプの一例をしめす図であ
る。

【図７】本発明による液冷システムの冷却液ポンプへ供
給する電圧位相を説明する図である。

【符号の説明】

１１…ポンプ電源用インバータ ＤＣ→ＡＣ変換、 １
２…温度センサコントロールＩＣ、 １３…位相変換回
路、 １４…ポンプ電源スイッチ制御回路、１５…ピエ
ゾ等ポンプａ、 １６…ピエゾ等ポンプｂ、 １７…ピ
エゾ等ポンプｃ、 １８…冷却ジャケット、 １９…発
熱部、 ２０…温度センサ、 ２１…パイプ、 ３０…
温度情報、 ３１…交流電源、 ３２…位相制御用信
号、 ３３…ポンプａ用電源、 ３４…ポンプｂ用電
源、 ３５…ポンプｃ用電源、 ３６…スイッチ制御信
号

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 五十嵐 健志 神奈川県海老名市下今泉810番地 株式会 社日立製作所インターネットプラットフォ ーム事業部内 Ｆターム(参考） 3H045 AA01 AA11 AA21 AA31 BA02 BA12 BA31 BA41 CA24 DA11 DA31 DA43 DA47 EA20 EA26 EA38 EA41 EA49

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 情報処理装置の発熱部と放熱部との間で
   冷却液を循環させる複数の冷却液ポンプを有する情報処
   理装置の冷却液ポンプの制御方法であって、 発熱部温度に対応する温度を検出し、 前記検出温度の温度範囲に応じて、前記冷却液ポンプの
   稼動数をかえて冷却液の流量を制御することを特徴とす
   る冷却液ポンプの制御方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の冷却液ポンプの制御方法
   において、 前記複数の稼動する冷却液ポンプの駆動電圧は、それぞ
   れに印加する駆動電圧位相が、稼動数に応じて等しい位
   相ずれとなるよう制御することを特徴とする冷却液ポン
   プの制御方法。
3. 【請求項３】 情報処理装置の発熱部と放熱部との間で
   冷却液を循環させる冷却液ポンプを有する情報処理装置
   の液冷システムにおいて、 前記冷却液ポンプは、発熱部と放熱部との間で冷却液が
   循環するように、並列に複数設置され、 前記発熱部に対応する温度を検出する温度検出部と、 前記温度検出手段の検出温度に基づき、稼動する冷却液
   ポンプを選択して駆動する冷却液ポンプの制御手段とを
   備えることを特徴とする液冷システム。
4. 【請求項４】 請求項３記載の液冷システムにおいて、
   前記液冷ポンプの制御手段は、 前記検出温度から、駆動する冷却液ポンプの選択信号と
   駆動電圧の位相制御信号を生成する温度制御部と、 駆動する冷却液ポンプごとに、前記位相制御信号で指定
   された位相電圧を生成する駆動電圧生成部と、 前記液冷ポンプの選択信号に基づき、前記駆動電圧生成
   部で生成した駆動電圧を冷却液ポンプに印加する電圧印
   加制御部とを備えることを特徴とする液冷システム。