JP2006031574A

JP2006031574A - 電子機器

Info

Publication number: JP2006031574A
Application number: JP2004212453A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Murakawa; 淳村川; Hironori Oikawa; 洋典及川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2006-02-02

Abstract

【課題】高発熱デバイスを内蔵する小型・薄型筐体への高効率液冷システムの適用を可能とする冷却構造を提供する。
【解決手段】冷却液によりＣＰＵ７の発生熱を吸熱する冷却ジャケット１１と、冷却液配管により冷却ジャケット１１と接続され、冷却液が循環して該冷却液の放熱をおこなうラジエータ１４と、ラジエータ１４に冷却風を送風する冷却ファン１６と、マザーボード８に対向するケース側面に設けられ冷却ファン１６の冷却風を機器外部に排気する排気口３５とを備え、ラジエータ１４と冷却ファン１６と排気口３５は、冷却ジャケット１１の鉛直上方部に配設されるとともに、冷却ファン１６の排気側に、冷却風の流路に沿ってラジエータ１４と排気口３５を配置して、機器内部の空気がラジエータ１４を通風して排気口３５から機器外部に排気するようにした。
【選択図】図８

Description

本発明は、CPU等の高発熱部品を搭載するパーソナルコンピュータの液冷システムに係り、省スペース化や低騒音化に好適な部品や液冷デバイスの構成に関する。

近年、パーソナルコンピュータ・サーバ等の電子機器では、搭載される電子デバイスの動作速度向上に伴い、それらの発熱量は増大しており、電子機器の冷却が重要な開発課題となっている。特にＣＰＵの発熱量増加は大きく、その除熱は厳しい課題である。

上記電子機器における主なＣＰＵの冷却方式としては、ＣＰＵにヒートシンクを接触させ、これに直接冷却風を当てることによって冷却を行う強制空冷方式が挙げられる。この冷却方式には、排熱の筐体内への拡散による全体の冷却効率の低下や、デバイスの高密度実装化とヒートシンクの大型化に伴う冷却システム設置の問題、ファンによる騒音の問題があり、冷却能力の限界が懸念されている。このような問題を解決するために、例えば、特許文献１に開示されるような様々な工夫が取られているが、問題を解決するにいたっていない。

上記強制空冷方式以外に、冷却液によりCPU等の発生熱を熱移送して冷却をおこなう液冷方式の冷却システムがある。この液冷システムによれば、発熱体から離れた位置での排熱器の設置が可能となるため、冷却システムの設置に関する問題が緩和される。また、熱を直接筐体外部に放出するため、高冷却効率が期待される。例えば、特許文献２に開示されている液冷システムでは、冷却液を循環させ、各々の発熱体で熱を回収し、電源部ファンの吸気部分に配置したラジエータでまとめて放熱する。この場合、筐体内部における各発熱体の熱を筐体内部に拡散させずに、一括して直接外部へと放出するため、システム全体の、より効率的な冷却が可能であるとされている。

特開２００３−１０８２６９号公報特開平１０−２１３３７０号広報

前述の液冷システムは、強制空冷より冷却能力が高く騒音が少ない特徴があり、近年の高発熱CPUの冷却に有効な方法として注目されている。しかし、特許文献2に開示されているように、液冷システムにも、システム全体のサイズが大型化する問題がある。例えば、冷却液を各発熱体に循環させた場合、全体としての流路長が非常に長く複雑になるので、冷却液を循環させるポンプ圧力の確保のためシステムが大型化してしまう。

また、冷却液を冷却するラジエータを電源ユニットの吸気によって冷却する場合、熱交換によって暖められた冷却風が電源内部を通過するため、電源の冷却効率が落ちる問題がある。さらに、ラジエータの配置による電源ファンの圧力損失による風量の低下が発生し、電源の高出力、高密度化が困難となるとともに、システム全体のサイズが大型化する問題がある。

本発明は、上記液冷システムの課題を解決し、高発熱デバイスを内蔵する小型・薄型筐体への高効率液冷システムの適用を可能とする冷却構造の提供と、液冷システムの導入に際して大きな設計変更の必要のない冷却構造の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のＣＰＵ等の発熱部を有する電子機器は、冷却液によりＣＰＵの発生熱を吸熱する冷却ジャケットと、冷却液配管により前記冷却ジャケットと接続され、前記冷却液が循環して該冷却液の放熱をおこなうラジエータと、前記ラジエータに冷却風を送風する冷却ファンを備えるとともに、前記ＣＰＵが搭載されるマザーボードに対向するケース側面に、前記冷却ファンの冷却風を機器外部に排気する排気口を設けるようにした。さらに、前記ラジエータと前記冷却ファンと前記排気口は、前記冷却ジャケットの鉛直上方部に配設されるとともに、前記冷却ファンの排気側に、冷却風の流路に沿ってラジエータと排気口を配置して、当該電子機器内部の空気がラジエータを通風して排気口から機器外部に排気されるようにした。

また、本発明のＣＰＵ等の発熱部を有する電子機器は、冷却液によりＣＰＵの発生熱を吸熱する冷却ジャケットと、冷却液配管により前記冷却ジャケットと接続され、前記冷却液が循環して該冷却液の放熱をおこなうラジエータと、前記ラジエータに冷却風を送風する冷却ファンを備えるとともに、前記ＣＰＵが搭載されるマザーボードに対向するケース側面に前記マザーボードと重ならないように設けられ、前記冷却ファンの冷却風を機器外部に排気する排気口とを備えるようにした。さらに、前記ラジエータと前記冷却ファンを前記排気口に対向して配置するとともに、前記冷却ファンの吸気側に、冷却風の流路に沿ってラジエータを配置して、当該電子機器内部の空気がラジエータを通風して排気口から機器外部に排気されるようにした。

上記構造を採用することにより、冷却ファンの流路に冷却液を冷却するラジエータが配置され、ラジエータを冷却した冷却風が機器外部に直接排気することができる。

本発明によれば、強制空冷でヒートシンクに使用していたＣＰＵ直上の空間を使用して液冷モジュールを実装できるので、小型で、空冷からの移行に大きな設計変更の必要が無い液冷システムを搭載した電子機器を提供することができる。

また、冷却液の循環路が他のデバイスと干渉をしないため、組立性、保守性に優れ、さらに、デバイスの高発熱化に対しても、ラジエータ等の冷却能力の改良により対応可能になり、システム全体の再設計の工数の抑制効果がある。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

以下に本発明をスリムデスクトップ型パーソナルコンピュータ（以下スリムデスクトップＰＣ）に適用した実施例を示す。図1は、本発明のスリムデスクトップＰＣ筐体内部に実装されるデバイスの構成を示す概略斜視図であり、マザーボード3に対向する方向から見た斜視図であるる。図2は、図1のデバイス構造における冷却風の流路を示す図である（冷却風は黒矢印で示す）。

図2に示すように、スリムデスクトップＰＣの筐体側面には、マザーボード８が取り付けられ、マザーボード8には、ＣＰＵ７、液冷ジャケット１１、メモリ３、チップセット４が実装される。また、スリムデスクトップＰＣの筐体内部には、外部記憶装置としてはＨＤＤ１、ＤＶＤ−ＲＯＭ２が配置される。また、その他のコンポーネントとして、ＰＣＩボード５、電源６が存在する。

図3に、図1のラジエータ１４にその上部が見える液冷モジュールの構成をしめす図である。図3は、図1の逆にマザーボード3から液冷モジュールをみた斜視図になっている。
液冷モジュールは、ポンプ１２、タンク１３、ラジエータ１４、及びこれらを接続する配管１５、ファン１６、ダクト１７から構成される。ここでダクト１７は、ラジエータ１４とファン１６を接続し、ファン16による冷却風をラジエータ14に案内している。マザーボード3に実装されるＣＰＵ7には、液冷ジャケット11が、ＣＰＵ7の発生熱が熱伝導するように接続されている。

液冷モジュールは、図3にしめすように、ＣＰＵ７の直上の空間に配置され、ポンプ１２、タンク１３は、筐体の前面ベゼル内に配置する。液冷ジャケット１１、タンク１３、ラジエータ14、ポンプ12は、配管15により、冷却液が循環するように接続される。配管１５には、本実施例においては銅を用いるが、配管の一部に組立性、保守性を向上させるためにフレキシブルチューブを採用した。ＣＰＵ７と液冷ジャケット１１は、サーマルコンパウンド、もしくは高熱伝導性シリコングリスを挟んで圧着させ、効率よく熱を伝える。ラジエータ１４にはアルミニウムや銅などの高熱伝導性金属を使用し、平板フィンを多数平行に並べたものや、多数のピンを千鳥状、もしくはマトリクス状に並べたものを使用する。本実施例では、平板フィンを並べた構造体に冷却液用配管を通した構造とした。

なお、図１、図２、図３、図４に示される矢印は、筐体内外の主な冷却風の流れ方向を示す。

つぎに、本発明の冷却構造をより詳細に説明する。まず、液冷モジュール構造を説明する。液冷モジュールの拡大斜視図を図３、図４に示す。図３はマザーボード８側から見たもの、図４はマザーボード８の向かいから見たものである。ファン１６とラジエータ１４の間は、ダクト１７にて接続されている。なお、本実施例においてはポンプ１２、及びタンク１３はモールド２０の前面ベゼル内部に設置したが、内部デバイスと干渉しなければ、他の場所に配置しても良い。

液冷モジュール内部に流れる冷却液は、ポンプ１２によって液冷ジャケット１１に送り出される。ここでＣＰＵ７の発生熱を吸熱してＣＰＵ7を冷却する。高温となった冷却液がラジエータ１４に流れこみ、ファン１６からの冷却風により冷却される。冷却風は、ファン14により送風されて、ダクト17によりラジエータ１４に案内され、ここで、冷却液から熱を奪い、筐体外部へと排気される。冷却された冷却液はタンク１３を経由した後、ポンプ１２へと戻る。

図4からも明らかなように、ファン16は、マザーボード8に搭載されたＣＰＵ7の上部空間に、マザーボード8の鉛直方向に冷却風を送風し、冷却風の流路の配置されたラジエーダ14を冷却して、筐体外部に排気されるように、配置される。これにより、冷却風が直進して排気されるので、流れを妨げることなく、風量を効率よく確保することができる。

ここで、タンク１３には大きく２つの役割がある。１つはシステムに空気が混入した際にこれを溜めておくことであり、もう１つは凍結による冷却液の膨張に対してクッションとなる空気を溜めておくことである。

本実施例では、液冷システムでの冷却を行うのはＣＰＵ７のみであり、その熱の大半は直接筐体外部へと排出されるが、その他の発熱体の冷却は電源ファン、及びラジエータ用ファン１６による空冷である。詳しくは、マザーボード８上に存在するＣＰＵ７以外の発熱体としてメモリ３、チップセット４が挙げられる。その他、ＰＣＩボード５、ＨＤＤ１、ＤＶＤ−ＲＯＭ２が存在する。これらの発熱体の冷却は、電源ファン、及びラジエータ用ファン１６の吸気によって、外気を取り込むことで効果的な冷却を行う。

次に、本実施例における筐体構造について図５、及び図６を用いて説明する。ここで、図5は、電子機器の筐体モールド20の構造をしめす図であり、図6は、筐体モールド20の内部に配設され、マザーボード8や、ＨＤＤ1、ＤＶＤ−ＲＯＭ2等の外部記憶装置が懸架されるシャーシ30の構造をしめす図である。筐体に使用されるモールド２０や、シャーシ３０には、冷却風の入気、及び排気用の開口を設ける。

モールド２０には、冷却風入気用開口２１−２５が存在し、排気用開口２６が存在する。なお、右手前方向を前面とすると、モールド後面は全開口となっている。これは、多数のインターフェイスを後面から接続させるためである。また、排気用開口２６は筐体側面からわずかに突出した位置で存在する。これはラジエータサイズの確保のためであるが、凸型の形状にしなくても良い。

本実施例のように、排気用開口26を筐体側面から突出した構造とした場合に、排気用開口26の排気方向を筐体側面の鉛直方向でなく、筐体側面に沿った面に排気するようにしてもよい。本実施例のようなスリムタイプデスクトップＰＣは、側面を密接して配置されて使用されることがあり、本実施例のように筐体側面から排気をおこなう場合には、排気が妨げられることがある。上記のように、排気用開口26を筐体側面から突出した構造とし、その排気を筐体側面に沿った面に排気することで、実施例のＰＣの側面を密接して配置することができる。

シャーシ３０には、冷却風入気用の開口が３１−３４であり、排気用開口が３５，３６である。開口３５はモールドと同様、ラジエータ１４からの排気用である。開口３６は電源用開口であり、電源ファンによる排気に使用される。開口３７は、液冷ジャケット１１とポンプ１２を繋ぐ配管を通すためのものである。筐体形状や開口については、冷却風の効率的な入気、排気が可能であればその他の構造でも良い。

以上の構造における利点を説明する。筐体背面にラジエータを配置し、排熱を行う構造の場合、ＣＰＵ発熱量の増加と共にラジエータの大型化が進み、筐体の厚みが増加してしまう。したがって、予想しないＣＰＵ発熱量に対しては、システム全体の再設計が必要となる。しかし、本実施例においては、筐体側面におけるラジエータの大型化、液冷ジャケット性能の向上、ポンプ流量向上等による、液冷システム周辺の再設計のみでの対応が可能となる。

また、本実施例においては、構造的利点として図７のように、液冷モジュール取り付けは矢印４０の方向に設置するだけであり、その他のデバイスの干渉が無い取り付けが可能であるため、組立性に優れる。また、空冷において使用していた空間を液冷モジュールに使用するため、空冷方式からの切り替えが容易となる。

次に、静音性について説明する。従来空冷の場合、ＣＰＵ等の発熱体に接触したヒートシンクに冷却風を当てるが、高い発熱量を持つＣＰＵの冷却には、より強い冷却風を当てる必要がある。したがって、ファンの風切音等による騒音が問題となる。本実施例においては、高い発熱量のＣＰＵに対し、ラジエータ面積の十分な確保が可能であるため、ファンの大型化が可能となる。したがって、ファンの回転数を低減できるため、低騒音の実現が可能となる。また、筐体内部にファン16を配置することにより、ファン16の風きり音が外部に漏洩しづらくなる効果もある。

上記実施例では、図8の断面構造図（装置前面からみた断面）にしめすように、マザーボード8に実装されたＣＰＵ７の直上部に液冷モジュールを配置する構造とした。これにより、ＣＰＵ8の直上部のスペースを利用して高実装密度で高効率の冷却が可能となる。液冷モジュールの放熱量を増加しようとした場合、ラジエータ14の容積を増加する方法があるが、この場合には図9の断面構造図にしめすように、液冷モジュールとＨＤＤ１やＤＶＤ−ＲＯＭ２の外部記憶装置の入れ替えてもよい。つまり、ＣＰＵ8の直上部に外部記憶装置を配置し、マザーボード8の外側に、液冷モジュールを配置するようにする。

液冷ジャケット11をＣＰＵ7に熱接続してその発生熱を冷却液に吸熱し、配管15によりラジエータ14等に接続する。ここで、配管15は、液冷モジュールと液冷ジャケット11との組立て性を容易にするために、フレキシブルケーブルに接続するとよい。図9にしめすように、液冷モジュールをマザーボード8の外に配置することにより、筐体の側壁間の空間（装置の幅方向）を使用してラジエータ14の冷却がおこなえる。

図9では、ファン16の吸気側にラジエータ14を配置し、装置内部から吸気してラジエータ14を冷却し、装置外部に排気する構造としている。これにより、実施例1と同様に、筐体内に配置された記憶装置の冷却が可能となる。ラジエータ14の放熱容量アップをおこなうために、ラジエータ14を冷却するための吸気を、排気口41に対向するモールド30の上面に設けても良い。この場合には、外部から吸気された空気により、ラジエータ14が冷却され、排気口41を経由して装置外部に排気される。このため、冷却風の給排気が一直線となり、冷却風の損失が小さくなるので、ファン16の清音化が期待できる。

本発明の実施例１の、筐体を透過した斜視図である。本発明の実施例１の、筐体、ラジエータ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＰＣＩを透過した斜視図である。本発明の実施例１における液冷モジュールのマザーボード側からの斜視図である。本発明の実施例１における液冷モジュールのラジエータ側からの斜視図である。本発明の実施例１におけるモールドの斜視図である。本発明の実施例１におけるシャーシの斜視図である。本発明の実施例１において、液冷モジュールをわずかに浮かせた状態の斜視図である。実施例1の装置断面をしめす図である。実施例2の装置断面をしめす図である。

符号の説明

１…ＨＤＤ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、２…メモリ、３…チップセット、
４…ＰＣＩボード、５…電源ボックス、７…ＣＰＵ、８…マザーボード、
１１…液冷ジャケット、１２…ポンプ、１３…リザーブタンク、
１４…ラジエータ、１５…冷却液用配管、１６…ラジエータファン、
１７…ダクト、２０…モールド、
２１、２２、２３、２４、２５…吸気開口、２６…排気開口、
３０…シャーシ、３１、３２、３３、３４…吸気開口、
３５、３６…排気開口、３７…液冷モジュール組み込み用開口、
４０…液冷ジャケット取り付け方向、４１…吸気開口

Claims

ＣＰＵ等の発熱部を有する電子機器において、
冷却液によりＣＰＵの発生熱を吸熱する冷却ジャケットと、冷却液配管により前記冷却ジャケットと接続され、前記冷却液が循環して該冷却液の放熱をおこなうラジエータと、前記ラジエータに冷却風を送風する冷却ファンと、前記ＣＰＵが搭載されるマザーボードに対向するケース側面に設けられ、前記冷却ファンの冷却風を機器外部に排気する排気口とを備え、
前記ラジエータと前記冷却ファンと前記排気口は、前記冷却ジャケットの鉛直上方部に配設されるとともに、前記冷却ファンの排気側に、冷却風の流路に沿ってラジエータと排気口を配置して、当該電子機器内部の空気がラジエータを通風して排気口から機器外部に排気されることを特徴とする電子機器。
ＣＰＵ等の発熱部を有する電子機器において、
冷却液によりＣＰＵの発生熱を吸熱する冷却ジャケットと、冷却液配管により前記冷却ジャケットと接続され、前記冷却液が循環して該冷却液の放熱をおこなうラジエータと、前記ラジエータに冷却風を送風する冷却ファンと、前記ＣＰＵが搭載されるマザーボードに対向するケース側面に前記マザーボードと重ならないように設けられ、前記冷却ファンの冷却風を機器外部に排気する排気口とを備え、
前記ラジエータと前記冷却ファンを前記排気口に対向して配置するとともに、前記冷却ファンの吸気側に、冷却風の流路に沿ってラジエータを配置して、当該電子機器内部の空気がラジエータを通風して排気口から機器外部に排気されることを特徴とする電子機器。