JP2006200796A

JP2006200796A - タンク一体型ラジエータ

Info

Publication number: JP2006200796A
Application number: JP2005012227A
Authority: JP
Inventors: Hironori Oikawa; 洋典及川
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-01-20
Filing date: 2005-01-20
Publication date: 2006-08-03

Abstract

【課題】
液冷システムを小型化するには、ラジエータとタンクを一体化する事が考えられる。しかしながらタンクとラジエータが一体化した場合の問題として、タンク内部の液が減少すると、ラジエータ内部を流れる冷却液も減少し、冷却性能が低下するという問題がある。
【解決手段】
本発明の冷却液を循環して発熱部の発生熱の放熱する液冷システムのラジエータは、補充冷却液の蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有する殻部と、前記殻部内を冷却液の流入口あるいは流出口とすして冷却液を放熱する冷却液流路とを備えるようにし、前記冷却液の流入口は、前記殻部の冷却液液面より下部に位置するようにした。
【選択図】図１

Description

液冷システムにおいて、特に小型化を可能にするタンクとラジエータ構造に関する。

近年、パーソナルコンピュータやサーバ等に用いられるデバイスや集積回路、特にＣＰＵは高速化しているが、それに伴い発熱量が増大している。これに対して、ＣＰＵの冷却は、ＣＰＵにヒートシンクに固定し、それにファンを取り付け、その冷却風をヒートシンクに吹き付ける直接空冷方式が主流である。しかし、装置の高密度化に伴いＣＰＵ周りのスペースには制限が生じ、ヒートシンクサイズが制限される為、おのずと冷却能力の限界も制限される。またファンサイズも制限される為、高風量を得る為には小型ファンを高速で回転させる必要が生じ、騒音が増大している。

そこでより効率の良い大型のヒートシンクや大型のファンを利用するため、液冷システム等による熱輸送手段の適用が試みられてきている。しかしながら一般的に液冷システムは空冷システムよりも部品点数が多い為、小型化が求められている。

この液冷システムの小型化について、特にタンクについては、耐腐食性や、水分透過量等の長期信頼性を確保する為には、ある程度の容量が必要であり、また、冷却液中に混入する気泡を除去するために必要となるが、液冷システム小型化の障害となっている。これを解決するために、タンク容量を減らさずに液冷システムを小型化するには、ラジエータとタンクを一体化する事が考えられている。例えば、特許文献１には、左右にタンクが設けられたラジエータが挙げられている。

特開平９−２５０３４６号公報

しかしながら、前記文献に開示されるようにタンクとラジエータが一体化した場合には、タンク内部の冷却液が減少すると、冷却性能が低下するという問題が発生する。これについて、図２，３を用いて詳しく説明する。尚これらの図において、ハッチング部は冷却液を示している。図２の場合、タンク１１４ａ及び１１４ｂ内部の冷却液２０１が十分存在する為、ラジエータの放熱部１１７全に冷却液が流れる。しかし図３の様に冷却液が減少して空気層３０１が存在すると、ラジエータの放熱部１１７の上部に冷却液が流れなくなる。これにより、冷却性能が低下するという問題が発生する。

本発明は、タンクとラジエータを一体化するときの上記問題を解決し、小型化に最適なタンク一体型のラジエータを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の冷却液を循環して発熱部の発生熱の放熱する液冷システムのラジエータは、補充冷却液の蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有する殻部と、前記殻部内を冷却液の流入口あるいは流出口とする冷却液流路とを備えるようにし、前記冷却液の流入口は、前記殻部の冷却液液面より下部に位置するようにした。

より詳しくは、本発明のタンク一体型ラジエータは、並行配置されかつ前記冷却液が一方向に流液して放熱する冷却液流路と、冷却液の補充蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有して、冷却液が流通するように前記冷却液流路の両端に接続された冷却液タンクとを備えるようにし、前記冷却液タンクの一方のタンクは、当該ラジエータに冷却液が流入する流入口と、当該タンクを前記流入口側と前記複数の冷却液流路の接続部側に分割する仕切りと、前記仕切りの央部に当該タンクの流入口側と冷却液流路の接続部を貫通する液口を有して、前記流入口からタンクに流入した冷却液が前記仕切りの液口から前記冷却液流路に分水され、前記冷却液タンクの他方のタンクは、当該タンクの央部から当該レジエータの外部に冷却液を流出する流出口を有して、前記冷却液流路の冷却液が当該タンクに流入して前記流出口から当該ラジエータ外部に流出されるようにした。

また、本発明のタンク一体型ラジエータは、蛇行配置されかつ前記冷却液が順に流液して放熱する冷却液流路と、冷却液の補充蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有して、前記冷却液流路の端部を覆うように前記冷却液流路の少なくとも一方に設けられた冷却液タンクとを備えるようにし、冷却液タンクに覆われ冷却液流路の端部の一部が分断され、分断された流路の一方から当該タンクに冷却液を流入し、他方から当該タンクから冷却液を前記冷却液流路に流出するようにした。

さらに、本発明のタンク一体型ラジエータは、放熱フィンが接続されるとともに、冷却液の補充蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有する殻部と、前記殻部内部の前記放熱フィンの接続面側に蛇行配置され、かつ、当該ラジエータ外部から前記冷却液が流入する冷却液流路と、前記殻部の央部から冷却液を排水する冷却液流出管とを備えるようにした。

本発明によれば、タンクとラジエータが一体化する為、液冷システムの小型化が図れる。

また、タンク内部の仕切りによりタンクの液量が減少した場合でも、放熱部を流れる液量が減少する事が無く、冷却性能の低下を防止できる。

以下に本発明の実施の形態を説明する。

以下本発明の実施例１を、図を用いて説明する。図１は、本発明が適用される電子機器の斜視図である。電子機器の例としてデスクトップ型パーソナルコンピュータ（以下デスクトップＰＣ）を用いて、液冷構造の概要を説明する。
図１において、筐体１０１の内部の側面にはマザーボード１０３があり、その上にはＣＰＵ１０２、チップセット１０４、メモリ１０５が搭載されている。また外部記憶装置として、ＨＤＤ１０６、ＣＤ-ＲＯＭ１０８が搭載されている。その他電源１０９が筐体１０１の背面側にあり、ＰＣＩボード１０７がその下に位置している。

次に液冷システム１１０の構成を図１により説明する。この液冷システム１１０は、ＣＰＵ１０２の上部に位置している。ジャケット１１１は、ＣＰＵ１０２に取り付けられ、ＣＰＵの熱を吸収する。より詳しくは、このジャケット１１１は銅あるいはアルミといった伝熱性に優れた金属で出来ている。ＣＰＵ１０２との接触面はサーマルコンパウンド、もしくは高熱伝導性シリコンゴムなどを挟んで圧着しており、ＣＰＵ１０２で発生する熱がジャケット１１１に効率よく伝わる構造になっている。またジャケット内部には冷却液が流れており、熱が冷却液に伝わる構造になっている。

冷却液を冷やすラジエータ１１２には、両脇にタンク機能を有するタンク部１１４ａ及び１１４ｂがある。このタンク機能を有するラジエータ１１２は本発明によるものであり、この構造については後に詳しく説明する。またラジエータ１１２にはファン１１３が取り付けてあり、ラジエータ１１２に風を送っている。タンク部１１４ｂの下にはポンプ１１５が配置されており、この作用により冷却液が循環する。

全体の配管についてであるが、チューブ１１６ａはジャケット１１１とラジエータ１１４を繋いでおり、熱の輸送路となっている。またチューブ１１６ｂはタンク１１４とポンプ１１５を、チューブ１１６ｃはポンプ１１５とジャケット１１１を繋いでいる。

また、冷却液の流れる順路であるが、ポンプ１１５-ジャケット１１１-ラジエータ１１２-再びポンプ１１５という順路である。即ち、ポンプ１１５の上流には、本発明によるラジエータ１１２がある。

次に本発明によるラジエータ１１２について説明する。図４はラジエータ１１２の断面図である。ハッチングは冷却液を示している。ここでは、説明の為、水分透過等により液量２０１が少なくなった状態を示している。また放熱部１１７は、複数の並行配置された冷却液流路をもち、流路間に波状のフィン（コルゲートフィン）が設けてある。この様な構造のラジエータはコルゲートフィン型ラジエータと呼ばれ、自動車等のエンジン冷却用ラジエータ等で採用されている。尚図４中の矢印は冷却液の流れを示す。

まずラジエータ112の全体構成について説明する。先に述べたように放熱部117は、複数の並行配置された冷却液流路をもち、その端部は、タンク部114aとタンク部114bに冷却液が流通するように貫通して接続している。そして、ジャケット１１１と接続しているチューブ１１６ａがタンク部114aの上部に接続し、チューブ１１６ａから冷却液４０４がタンク部１１４ａに流れ込んで来る。また、タンク部１１４ａと放熱部１１７の間には、本発明による仕切り４０１が設けられている。

更にこの仕切り４０１には口４０２が設けられている。この口４０２は、タンク部１１４ａの中央部に配置されている。冷却液は、タンク114aの上部から流入してタンク114a内に滞留し、仕切り401の中央部に設けられた口402から仕切り401と放熱部117の流路との間の隙間に流入して、放熱部117の流路に分水される。タンク部１１４ａには、空気層３０１が存在するが、冷却液２０１ａがタンク１１４ａの半分以上であれば、口４０２が液面下になるため、放熱部１１７には空気が流れ込む事はない。

放熱部117の流路に分水された冷却液は、それぞれの流路を流液する間に流路間に波状のフィン（コルゲートフィン）に熱伝達して冷却される。冷却された冷却液は、それぞれの流路を通って、タンク114bに流入する。

また本実施例では、タンク部１１４ｂにおいて、チューブ１１６ｂの口４０３についても、タンク部１１４ｂの中央に配置している。これにより、タンク部１１４ｂも１１４ａと同様に、冷却液２０１ｂがタンク１１４ｂの半分以上であれば、口４０３が液面下になるため、ポンプ１１５に空気が流れ込む事はない。本実施例におけるラジエータの最大許容空気、即ち空気をラジエータ内に止めておける最大量は、（タンク部１１４ａの容量＋タンク部１１４ｂ）／２となる。

尚、ここでは液冷システムの設置姿勢の制限を無くすため、口４０２及び口４０３を各タンク部の中央に配置したが、設置姿勢が決まっている装置、例えばラックマウント型のサーバ等の場合は、口４０２及び口４０３を各タンク部の下部に配置しても良い。

実施例１では、コルゲートフィン型ラジエータへの本発明の適用例を挙げたが、実施例２では、図５、図６によりプレートフィン型ラジエータへの本発明の適用例を示す。プレートフィン型ラジエータとは、複数のチューブに板状のフィンをカシメたものである。これは主にエアコンの熱交換器に採用されている。図５は本実施例の断面図である。ハッチングは冷却液を示している。ここでは、説明の為、水分透過等により液量２０１が少なくなった状態を示している。

まず実施例の全体構成について説明する。放熱部117は、複数の並行配置された冷却液流路をもち、その端部は、タンク部114aとタンク部114bの内部で隣の流路に冷却液が流入するように、Ｕ字パイプ形状の仕切り４０１で接続される。このように冷却液は、一筆書きに接続された冷却液流路を流液し、チューブに設けられたフィンに熱伝達して冷却される構成になっている。

より詳細には、ジャケット１１１と接続しているチューブ１１６ａから、冷却液が放熱部１１７に流れ込んで来る。冷却液は次にタンク部１１４ｂに向かって流れるが、タンク部１１４ｂ内部に設けられたＵ字パイプ形状の仕切り４０１により、タンク部１１４ｂ内部に流れ出す事なく、Ｕターンする。このＵターンは仕切り４０１により、左右のタンク部内部で繰り返されるが、各タンク部の中央部付近では、仕切り４０１は無く、代わりに口４０２及び４０３が設けられている。

ここで、先の実施例１と同様、本実施例においても、冷却液２０１ａ及びｂが、タンク１１４ａ及びｂの半分以上であれば、口４０２及び３が液面下になるため、ポンプ１１５に空気が流れ込む事はない。本実施例におけるラジエータの最大許容空気、即ち空気をラジエータ内に止めておける最大量は、（タンク部１１４ａの容量＋タンク部１１４ｂ）／２となる。

尚これまでタンク部を、放熱部の両脇に配置した例を示したが、図６の様に片側のみに配置しても良い。

本実施例では、ベースを具備するヒートシンクを用いたラジエータへの適用例を示す。図７は本実施例の斜視図である。図8は、図７内部の液の状態を示す図である。このラジエータは、ベース７０１とヒートシンク７０２から成り、これらは、熱伝導性に優れた、例えばシリコングリス等を介して結合される。尚、本実施例においては、ヒートシンク７０２は四角柱がマトリクス状に並んだピンフィンを用いているが、例えば板状のフィンが並んだ、いわゆるプレートフィンタイプでも良い。

ベース７０１内部には、蛇行管７０３があり、これはプレート７０４とロー付けされている。ジャケットの熱を受けた冷却液は、１１６ａから蛇行管７０３に流れ込み、この時冷却液の熱がプレート７０４を経てヒートシンク７０２に伝わり、ファン１１３により冷やされる。

またベース７０１は、プレート７０４及び枠７０５、蓋７０６により、水密構造となっている。蛇行管７０３の終端口７０７は、ベース７０１内部で開放されており、ここから出た冷却液は、ベース７０１内部に溜まる様になっている。即ち、本実施例においてベース７０１がタンクであり、更にその中にある蛇行管７０３が、ラジエータの流路を形成している仕切りである。

尚本実施例においても、液冷システムの設置姿勢の制限を無くすため、口４０３をタンク部の中央に配置したが、設置姿勢が決まっている装置、例えばラックマウント型のサーバ等の場合は、口４０３をタンク下部に配置しても良い。

また、管７０３の形状は、蛇行形状に限ったものではない。例えば図9に示す様に、渦巻形状でも良い。また、図9に示す様に、管７０３のタンク内部の口７０７をタンク中心に配置し、冷却液の流れる方向の吸込み側とする事で、液冷システムの設置姿勢の制限を無くす事ができる。

本発明を用いた電子機器の実施例１（デスクトップＰＣ）の斜視図である。従来のタンクを具備するラジエータを示す図である。従来のタンクを具備するラジエータを示す図（冷却液減少時）である。本発明による実施例１のラジエータを示す断面図（コルゲートフィン型ラジエータ）である。本発明による実施例２のラジエータを示す断面図（プレートフィン型ラジエータ：タンク両側）である。本発明による実施例２のラジエータを示す断面図（プレートフィン型ラジエータ：タンク片側）である。本発明による実施例３のラジエータを示す斜視図（ヒートシンク型ラジエータ）である本発明による実施例３のラジエータを示す断面図（ヒートシンク型ラジエータ）である本発明による実施例３の他ラジエータを示す断面図（ヒートシンク型ラジエータ）である

符号の説明

１０２…ＣＰＵ、１０３…マザーボード、１１１…ジャケット、１１２…ラジエータ、
１１３…ファン、１１５…ポンプ、１１４ａ…ラジエータのタンク部、
１１４ｂ…ラジエータのタンク部、１１６ａ…ジャケットとラジエータを繋ぐパイプ、
１１６ｂ…ラジエータとポンプを繋ぐパイプ、１１７…ラジエータの放熱部、
２０１…タンク内部の冷却液、３０１…タンク内部の空気、
４０１…タンク内部にあるラジエータの流路を形成する仕切り、
４０２…タンク内部にあるラジエータの流路を形成する仕切りの口、
４０３…ラジエータとポンプを繋ぐパイプの口、７０１…ラジエータベース、
７０２…ラジエータヒートシンク、
７０３…タンク内部にあるラジエータの流路を形成するパイプ

Claims

冷却液を循環して発熱部の発生熱の放熱する液冷システムのラジエータにおいて、
補充冷却液の蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有する殻部と、
前記殻部内を冷却液の流入口あるいは流出口とするとともに、冷却液を冷却する冷却液流路とを備え、
前記冷却液の流入口は、前記殻部の冷却液液面より下部に位置することを特徴とするタンク一体型ラジエータ。
冷却液を循環して発熱部の発生熱の放熱する液冷システムのラジエータにおいて、
並行配置されかつ前記冷却液が一方向に流液して放熱する冷却液流路と、
冷却液の補充蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有して、冷却液が流通するように前記冷却液流路の両端に接続された冷却液タンクとを備え、
前記冷却液タンクの一方のタンクは、当該ラジエータに冷却液が流入する流入口と、当該タンクを前記流入口側と前記複数の冷却液流路の接続部側に分割する仕切りと、前記仕切りの央部に当該タンクの流入口側と冷却液流路の接続部を貫通する液口を有して、前記流入口からタンクに流入した冷却液が前記仕切りの液口から前記冷却液流路に分水され、
前記冷却液タンクの他方のタンクは、当該タンクの央部から当該レジエータの外部に冷却液を流出する流出口を有して、前記冷却液流路の冷却液が当該タンクに流入して前記流出口から当該ラジエータ外部に流出されることを特徴とするタンク一体型ラジエータ。
冷却液を循環して発熱部の発生熱の放熱する液冷システムのラジエータにおいて、
蛇行配置されかつ前記冷却液が順に流液して放熱する冷却液流路と、
冷却液の補充蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有して、前記冷却液流路の端部を覆うように前記冷却液流路の少なくとも一方に設けられた冷却液タンクとを備え、
冷却液タンクに覆われ冷却液流路の端部の一部が分断され、分断された流路の一方から当該タンクに冷却液を流入し、他方から当該タンクから冷却液を前記冷却液流路に流出することを特徴とするタンク一体型ラジエータ。
冷却液を循環して発熱部の発生熱の放熱する液冷システムのラジエータにおいて、
放熱フィンが接続されるとともに、冷却液の補充蓄積と冷却液中の気泡抜きをおこなうタンク機能を有する殻部と、
前記殻部内部の前記放熱フィンの接続面側に蛇行配置され、かつ、当該ラジエータ外部から前記冷却液が流入する冷却液流路と、
前記殻部の央部から冷却液を排水する冷却液流出管を備えたことを特徴とするタンク一体型ラジエータ。