JP2005229033A - 液冷システムおよびそれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却効率が高く、かつ、安価な冷却システムを備えたデスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等を提供する。
【解決手段】 筐体１００内に、冷却を必要とするＣＰＵ２００を搭載し、このＣＰＵを冷却する液冷システムは、冷却ジャケット５０と、ラジエータ６０と、循環ポンプ７０とを備える。冷却ジャケットは、銅等の熱伝導の優れた部材から形成され、液体冷媒の流入口５４及び流出口５５と共に、その内部に「Ｕ」又は「Ｉ」字状の流路を形成した基板部５１と、蓋部５２とを備え、「Ｕ」又は「Ｉ」字状の流路の一部には、やはり、銅等の熱伝導の優れた部材からなる細管を、複数本、ロー付けして束ねて構成した冷媒分岐部５６、５７を配置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器であって、特に、その内部に搭載した発熱素子である半導体集積回路素子を液体冷媒により効率的に冷却することが可能な液冷システムを備えた電子機器に関する。

デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器における発熱体である半導体集積回路素子、特に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代表される発熱素子の冷却は、通常、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする。そのため、従来、一般的には、ヒートシンクと呼ばれるフィンを一体に形成した伝熱体と、それに冷却風を送るファンとを用いることによってその冷却を実現されていた。しかしながら、近年、上記発熱素子である半導体集積回路素子の小型化及び高集積化は、発熱素子における発熱部位の局所化などを生じており、そのためにも、従来の空冷式の冷却システムに代えて、例えば水等の冷媒を用いた冷却効率の高い液冷式の冷却システムが注目されてきている。

すなわち、上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられる冷却効率の高い液冷式の冷却システムは、例えば、以下の特許文献等によっても知られるように、一般に、発熱体であるＣＰＵの表面に、所謂、受熱（冷却）ジャケットと呼ばれる部材を直接に搭載し、一方、この受熱ジャケットの内部に形成された流路内に液状の冷媒を通流させ、ＣＰＵからの発熱を上記ジャケット内を流れる冷媒に伝達し、もって、発熱体を高効率で冷却するものである。なお、かかる液冷式の冷却システムでは、通常、上記クーラージャケットを受熱部とするヒートサイクルが形成されており、具体的には、上記液体冷媒をサイクル内に循環させるための循環ポンプ、上記液体冷媒の熱を外部に放熱するための放熱部である、所謂、ラジエータ、さらには、必要に応じてサイクルの一部に設けられた冷媒タンクを備えており、そして、これらを金属製のチューブや、例えば、ゴムなどの弾性体からなるチューブを介して接続して構成されている。
特開平6−２６６４７４号公報 特開平７−１４２８８６号公報 特開２００３−７８２７０号公報

ところで、上記の従来技術になる冷却効率の高い液冷式の冷却システムでは、特に、その内部に液体冷媒を循環させながら発熱体であるＣＰＵに直接接触することによって当該熱を外部に排出する受熱（冷却）ジャケットは、例えば、銅等の熱伝導性に優れた部材の内部に、例えば、内径が２ｍｍ前後の微細な通路をジグザグ状に蛇行して形成し、或いは、螺旋状に形成された通路を形成することにより構成されている。そのため、その製造工程が複雑であると共に、その製造コストを低減することが難しく、このことが冷却システムの全体のコストを上昇させる原因の一つともなっていた。なお、このことは、冷却効率の高い液冷式の冷却システムを、特に、その量産効果によりその販売価格が年々低減する傾向にある上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において採用する場合には、特に、大きな問題点となっていた。

そこで、本発明は、上記に述べた従来技術における問題点に鑑みて成されたものであり、すなわち、その製造工程が簡単であり、その製造コストを低減することが容易である受熱（冷却）ジャケットを冷却システムに利用することにより、その量産効果によりその販売価格が年々低減する傾向にある上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータをはじめ、サーバ等への冷却システムとしての採用を可能とする冷却システムを備えた電子機器を提供することを目的とする。

本発明によれば、上述した目的を達成するため、筐体内に、発熱する半導体素子であって、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする素子を搭載した電子機器であって、当該筐体内又はその一部に、少なくとも以下のものを備えた液冷システムを備えており：半導体素子に熱的に接続され、その発熱を内部に通流する液体冷媒に伝達するための冷却ジャケットと；前記冷却ジャケットにおいて液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出するラジエータと；そして、前記冷却ジャケットと前記ラジエータとを含むループに前記液体冷媒を循環するための循環ポンプと；かかる構成において、前記冷却ジャケットを、熱伝導の優れた部材からなり、前記液体冷媒の流入口及び流出口と共に、その内部に、前記流入口から前記流出口へ向かう流路を形成した、上面側が開放された外形略平板状の基板部と、熱伝導の優れた部材からなる細管を複数本束ねて構成してなり、それぞれの細管の内部を前記液体冷媒が分岐して流れる冷媒分岐部と、そして、前記冷媒分岐部を前記基板部内の流路の一部に配置した後に、上記基板部の開放面側に取り付ける蓋部とによって構成した液冷システムを備えた電子機器が提供される。

なお、本発明によれば、前記した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する基板部における前記流入口から前記流出口へ向かう前記流路を、「Ｕ」字状に形成してもよく、或いは、これを「Ｉ」字状に形成してもよい。また、前記した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する冷媒分岐部は、前記細管を複数本、一段に並べて連結しても、或いは、複数段に並べて連結してもよい。なお、本発明によれば、前記冷却ジャケットを構成する冷媒分岐部の前記細管は、０．５〜１．５ｍｍの内径を有していることが好ましい。

すなわち、上述の本発明によれば、その製造工程が簡単であり、かつ、その製造コストを低減することが容易である受熱（冷却）ジャケットを冷却システムに採用することにより、その量産効果によりその販売価格が年々低減する傾向にある上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータをはじめ、サーバ等への冷却システムとしての採用を可能とする冷却システムを備えた電子機器を提供することが可能となり、それと同時に、かかる電子機器の冷却システムとして冷却効率に優れた液冷方式の採用を可能にすることにより、その全体構成を更に小型化することを可能にするという優れた効果を発揮する。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、添付の図２は、本発明の一実施の形態になる、液冷システムを備えた電子機器の全体構成の一例が示されている。なお、本例では、例えば、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの本体部分に本発明を適用した場合について示している。

まず、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの本体部分は、図示のように、例えば、金属板を立方形状に形成してなる筐体１００を備えており、その前面パネル部１０１には、電源スイッチを含む各種のスイッチや接続端子やインジケータランプなどが設けられており、また、その内部には、ディスクやＣＤ、ＤＶＤ等の外部情報記録媒体を駆動する各種のドライバ装置１０２が、上記前面パネル部１０１に開口するように配置されている。また、図中の符号１０３は、上記筐体１００内に設けられた、例えば、ハードディスク装置からなる記憶部を示している。また、図中の参照符号１０４は、上記筐体１００の上に被せられる蓋を示している。

一方、上記筐体１００の背面側には、本発明になる液冷システムを備えた電子回路部１０５が配置されており、また、図中の符号１０６は、商用電源から上記ドライバ装置１０２、記憶部１０３、電子回路部１０５を含む各部に所望の電源を供給するための電源部を示している。

次に、添付の図３には、上記にその概略構成を説明した電子装置、すなわち、デスクトップ型のパーソナルコンピュータにおける電子回路部１０５が、特に、その主要な構成部である発熱素子、即ち、ＣＰＵを搭載する受熱ジャケット５０を中心として示されている。なお、本例では、上記発熱素子であるＣＰＵのチップ２００は、上記受熱ジャケット５０の下面側に直接接触されて搭載されており、そのため、ここでは図示されていない。

そして、この電子回路部１０５は、図からも明らかなように、上記ＣＰＵを搭載する受熱（冷却）ジャケット５０と、上記ＣＰＵからの発熱を装置の外部へ放熱するラジエータ部６０と、循環ポンプ７０と、これらにより熱サイクルを構成する各部に液体冷媒（例えば、水、又は、プロピレングリコール等、所謂、不凍液を所定の割合で混合した水など）を通流するための流路が、例えば、金属、又は、例えばゴム等の弾性体から形成されたチューブ（配管）８１、８２…によって接続されている。また、上記ラジエータ部６０の一部には、その構成要素である多数のフィン６１に送風し、もって、上記受熱ジャケット５０から搬送された熱を強制的に放熱するための平板状のファン６２、６２…（本例では、複数、例えば３個）が、装置の外部に向かって取り付けられている。なお、この受熱（冷却）ジャケット５０とは、例えば、銅等の伝熱性の高い金属からなる板状部材の内部に冷却通路を形成し、その通路内に上記の液体冷媒を通流し、もって、ＣＰＵからの発熱を外部へ取り除く（移動）させるものである。

続いて、添付の図１には、上記受熱（冷却）ジャケット５０の内部構造の詳細が示されている。図からも明らかなように、外形が略平板状（例えば、４０ｍｍ□〜６０ｍｍ□程度）の基板部５１と、その上面を覆うように取り付けられる蓋体５２とにより構成されている。なお、これら基板部５１と蓋体５２とは、例えば、銅等、熱伝導性に優れた材質により形成されている。そして、上記外形略平板状の基板部５１の内部には、例えば、プレス加工などにより形成した凹部により、流路５３を形成している。なお、この図１に示す例では、この凹部により形成される流路は略「Ｕ」字状に形成されており、そのため、液体冷媒の流入口５４と流出口５５とは、上記基板部５１の４つの側面の同一側面に形成される。また、後にも説明するが、図４に示す例では、この凹部は対向する一方の端面から他方の端面へ向かう単なる凹部として、即ち、「Ｉ」字状の流路として形成されている。なお、この場合、液体冷媒の流入口５４と流出口５５は、上記基板部５１の同一側面ではなく、対向する２つの側面に形成されることとなる。

そして、この凹部により形成された流路の一部には、特に、この図１に示した例では、上記「Ｕ」字状に形成された流路５３のそれぞれには、その内部を流れる液体冷媒をより細かな流路に分岐するための、所謂、冷媒分岐流路（部分）５６、５７が設けられている。なお、この冷媒分岐流路（部分）５６、５７は、図からも明らかなように、やはり、上記基板部５１や蓋体５２と同様に、熱伝導性に優れた材質である、例えば、銅等からなる細管を複数本束ねて（連結して）構成されたものである。より具体的には、その内径０．５〜１．５ｍｍ程度、外径１．０〜２ｍｍ程度の銅細管を、その間をロー付などによって接合した形成されている。ところで、細管の内径が０．５〜１．５ｍｍ程度において細くなれば、流路抵抗が増大し作動流量が低下するが、冷却性能向上の方が勝ることが実験により確認されている。
なお、この図１では、既に、下流側の冷媒分岐流路５７が上記「Ｕ」字状流路５３の一方に取り付けられており、他方の上流側の冷媒分岐流路５６が、白抜きの矢印で示すように、上記「Ｕ」字状流路５３の他の一部（図に破線Ａで示す部分）に取り付けられる状態を示している。なお、その後、冷媒分岐流路５６、５７がその内部の流路５３に取り付けられた上記基板部５１の上面には、その表面全体を覆うように、上記蓋体５２が被せられ、それらの間を図示しないパッキングやネジ、或いは、ロー付などによって接合して両者の間を液密に封止する。

このように、この図１に示した例になる上記受熱（冷却）ジャケット５０は、上述したように、上記基板部５１において、例えば、プレス加工などによりその内部に形成した流路（凹部）５３の一部に、予め細管を複数本束ねて（連結して）構成した冷媒分岐流路５６、５７を挿入して固定（例えば、ロー付けによって接合）し、その後、その上面開口部に上記蓋体５２を取り付けるだけの簡単な工程によって製造することが出来ることから、その製造コストを従来受熱（冷却）ジャケットに比較して、大幅に低下することが可能となる。

そして、上記に詳述した受熱（冷却）ジャケット５０を備えた電子機器の液冷システムによれば、上記図１において矢印で示すように、上記循環ポンプ７０から送出された液体冷媒は、流入口５４からジャケット５０の内部に流入する。その後、この液体冷媒は、ジャケット内部に形成された「Ｕ」字状流路５３の上流側に挿入・固定された分岐流路５６内の複数の細管内を通り、更には、その下流側に挿入・固定された分岐流路５７内の複数の細管内を通って、その流出口５５から出て、例えば、上記図３の例では、液体冷媒の熱を外部に放熱するための上記ラジエータ部６０へ導かれている。

さらに、上述した受熱（冷却）ジャケット５０の構造によれば、内部に流入した液体冷媒は、その分岐流路５６及び５７において、多数の細管内を通ること、加えて、これら細管は、熱的には、上記ジャケット５０を構成する基板部５１や蓋部５２と接続されていることから、より多くの表面積でジャケット５０と接触して熱交換することが可能となる。即ち、受熱（冷却）ジャケット５０は、その下面に面接触される発熱素子であるＣＰＵ２００における発熱を、その内部に流れる上記液体冷媒へ、効率良く伝達することにより、ＣＰＵをその正常な動作を確保するに必要な温度範囲に維持することとなる。なお、図における符号２１０は、上記ＣＰＵ２００をその一部に搭載した回路基板である。

続いて、添付の図４には、ジャケット内部にプレス加工などにより形成した凹部を、上記した「Ｕ」字状の流路とは異なり、「Ｉ」字状の流路を形成してなる受熱（冷却）ジャケット５０の内部構造の詳細を示す。なお、この場合、図からも明らかなように、液体冷媒の流入口５４と流出口５５は、上記基板部５１の対向する２つの側面に形成される。そして、この凹部により形成された「Ｉ」字状の流路の一部、具体的には、その中央部に、やはり銅等からなる細管を複数本、ロー付けなどで束ねて（連結して）構成した冷媒分岐流路（部分）５６が取り付けられる。その後、その表面全体を覆うように、上記蓋体５２が被せられ、両者の間を接合して液密に封止することは上記と同様である。
なお、受熱（冷却）ジャケット５０の他の製造方法として、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、細管を複数本束ねて構成した冷媒分岐流路（部分）５６及び液体冷媒の流入口５４と流出口５５に相当する部分に凹部を形成した板で基板部５１及び蓋体５２を構成（基板部５１及び蓋体５２は同一形状でよい）し、基板部５１、蓋体５２、冷媒分岐流路（部分）５６、液体冷媒の流入口５４となるポート及び流出口５５となるポートを一括して同時に接合しても良い。本方法によれば、きわめて簡単な工程でかつ低コストで製造できる。

なお、かかる構成の受熱（冷却）ジャケット５０の構造によっても、やはり、上記と同様、その内部に流入する液体冷媒は、その分岐流路５６の多数の細管内を通ること、そして、これら細管は熱的に上記ジャケット５０を構成する基板部５１や蓋部５２と接続されていることから、より多くの表面積でジャケット５０と接触して熱交換することが可能となる。即ち、受熱（冷却）ジャケット５０は、上記と同様に、その下面に面接触される発熱素子であるＣＰＵ２００における発熱を、その内部に流れる上記液体冷媒へ、効率良く伝達することにより、ＣＰＵをその正常な動作を確保するに必要な温度範囲に維持することとなる。
また、図７に示すように、細管５６又は５７を適当な間隔をとって配列することによって、細管内だけでなく細管と細管の間も液体冷媒の流路とすることができる。細管の内外両壁から液体冷媒への熱伝達が可能となり、少ない細管本数でも効率の良い熱交換ができる。また、たとえば、細管の内半径、外半径を、それぞれ、ｒ１、ｒ２とし、細管の間隙ａを、
ａ＝π・（ｒ１^２＋ｒ２^２）／（２・ｒ２）とすると、細管間断面積と、細管の断面積が等しくなり、両者を流れる液体冷媒の液流量の均一化が図れる。

また、添付の図５には、更に他の実施例として、ジャケット内部にプレス加工などにより形成した凹部である「Ｕ」字状又は「Ｉ」字状の流路内に挿入する上記冷媒分岐流路（部分）５６又は５７を、銅等からなる複数本の細管を、上述したように１段だけではなく、これに代えて、これを複数段（本例では２段）に積層して束ねて（連結して）構成した例を示している。なお、この図中では、「Ｉ」字状の流路に対応した構成を実線で示しているが、上述した「Ｕ」字状の流路に対応する流入口５４等については破線で示す。

なお、上記の更に他の実施例の構造によって、上記と同様の動作及び効果が得られることは、当業者であれば明らかであろう。また、ここでは図示しないが、その他の変形も適宜可能であることは、当業者であれば明らかであろう。

本発明の一実施例になる電子装置における冷却システムの、特に、受熱（冷却）ジャケットの詳細構造を示す一部拡大展開斜視図である。 上記に示した冷却システムを搭載した電子装置、例えば、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの内部における、各部の配置の一例を示す一部展開斜視図である。 上記に示した電子装置における冷却システムの全体構成を示す斜視図である。 上記受熱（冷却）ジャケットの他の実施例になる詳細構造を示すための一部拡大展開斜視図である。 上記受熱（冷却）ジャケットの更に他の実施例になる詳細構造を示すための一部拡大展開斜視図である。 上記受熱（冷却）ジャケットの他の製造方法を示す図で、（ａ）は蓋を取り除いた平面図であり、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 上記受熱（冷却）ジャケットにおいて、細管を適当な間隔をとって配列した場合の実施例を示す断面図である。

符号の説明

５０…受熱（冷却）ジャケット、
５１…基板部、
５２…蓋体、
５３…流路（凹部）、
５４…流入口、
５５…流出口、
５６、５７…冷媒分岐流路、
２００…ＣＰＵチップ。

Claims (6)

1. 筐体内に、発熱する半導体素子であって、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする素子を搭載した電子機器であって、当該筐体内又はその一部に、少なくとも以下のものを備えた液冷システムを備えており、
   半導体素子に熱的に接続され、その発熱を内部に通流する液体冷媒に伝達するための冷却ジャケットと、
   前記冷却ジャケットにおいて液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出するラジエータと、そして、
   前記冷却ジャケットと前記ラジエータとを含むループに前記液体冷媒を循環するための循環ポンプと、
   かかる構成において、前記冷却ジャケットを、
   熱伝導の優れた部材からなり、前記液体冷媒の流入口及び流出口と共に、その内部に、前記流入口から前記流出口へ向かう流路を形成した、上面側が開放された外形略平板状の基板部と、
   熱伝導の優れた部材からなる細管を複数本束ねて構成してなり、それぞれの細管の内部を前記液体冷媒が分岐して流れる冷媒分岐部と、そして、
   前記冷媒分岐部を前記基板部内の流路の一部に配置した後に、上記基板部の開放面側に取り付ける蓋部とにより構成したことを特徴とする液冷システムを備えた電子機器。
2. 前記請求項１に記載した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する基板部における前記流入口から前記流出口へ向かう前記流路を、「Ｕ」字状に形成したことを特徴とする液冷システムを備えた電子機器。
3. 前記請求項１に記載した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する基板部における前記流入口から前記流出口へ向かう前記流路を、「Ｉ」字状に形成したことを特徴とする液冷システムを備えた電子機器。
4. 前記請求項１に記載した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する冷媒分岐部は、前記細管を複数本、一段に並べて連結されたことを特徴とする液冷システムを備えた電子機器。
5. 前記請求項１に記載した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する冷媒分岐部は、前記細管を複数本、複数段に並べて連結されたことを特徴とする液冷システムを備えた電子機器。
6. 前記請求項１に記載した電子機器において、前記冷却ジャケットを構成する冷媒分岐部の前記細管は、０．５〜１．５ｍｍの内径を有していることを特徴とする液冷システムを備えた電子機器。
   

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