JP2006235915A - 液冷システム、及び、そのための放熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱素子を効率的に冷却することが可能であると共に、静音化の効果も著しい液冷システム、及び、そのための放熱装置を提供する。
【解決手段】 筐体内に発熱素子を備えた電子機器ための液冷システムは、半導体素子に熱的に接続されてその内部に液体冷媒を通流する受熱ジャケット１２０と、液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出する放熱部４００と、そして、受熱ジャケットと放熱部とを含むループに液体冷媒を循環するための循環ポンプ３００とを備え、放熱部は、その内部に液体冷媒を通流する複数の配管４１１と、配管の間に取り付けられた放熱フィン４１４を含み、略矩形で平板状のラジエータ部４１０と共に、矩形のラジエータ部の短辺とほぼ等しい直径の円板５００を備えており、円板をラジエータ部に隣接して回転することにより冷却風を発生させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、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、及び、そのための放熱装置に関する。

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、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、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、上記受熱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２００２−１８９５３５号公報 特開平８−２８８６８１号公報 米国特許第６，０９７，５９７号 米国特許第６，５１０，０５２号

ところで、上記他の特許文献２〜４に知られる冷却システムでは、ヒートパイプ又はサーモサイフォンと呼ばれる現象を利用し、これを蓋側の筐体内、特に、液晶ディスプレイの裏側に取り付けたものであるが、しかしながら、冷却システム内に液体冷媒を積極的に循環する冷却方式に比較し、その冷却能力が低く、特に、近年の高機能化に伴って発熱量が高いＣＰＵを冷却するには不十分であった。

一方、上記の従来技術、特に、特許文献１に開示された冷却システムでは、冷却システム内に循環する液体冷媒と受熱ジャケットの働きにより、高い発熱量のＣＰＵを効率的に冷却することが可能ではある。しかしながら、当該熱を外部に放熱するために蓋側の筐体内に配置された放熱部として、金属の平板上に金属パイプを這い回して構成される放熱プレートを採用するものであり、その放熱構造は、必ずしも、十分な放熱効果を得ることが出来るものとは言い難かった。

なお、十分な放熱効果を得るためには、一般には、放熱部に送風ファンを取り付けて強制的に冷却風を供給することも考えられる。しかし、その場合、放熱部の体積（容積）が大きくなり，ノート型パーソナルコンピュータの表示部背面に放熱部を設けた場合、表示部が厚くなり、実用的ではない。また、送風ファンによる風切り音による騒音の発生等が問題となってしまう。なお、近年においては、特に、オフィス等での長期間の使用を理由として、パーソナルコンピュータやサーバ等には、静音化の要求も著しい。

そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、即ち、高い発熱を伴うＣＰＵ等の発熱素子を効率的に冷却することが可能であると共に、静音化の効果も著しい液冷システム、及び、そのための薄型で扁平放熱装置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、まず、筐体内に発熱する半導体素子を備えた電子機器のための液冷システムであって、前記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受熱ジャケットと、前記液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出する放熱部と、前記受熱ジャケットと前記放熱部との間で前記液体冷媒を循環するための循環ポンプとを備えており、前記放熱部は、その内部に液体冷媒を通流する配管を有した平板状のラジエータ部と、前記ラジエータ部の配管と対向して設けられた平面円板と、当該平面円板を回転する駆動部材とを備えた液冷システムが提供される。

また、本発明では、前記液冷システムであって、前記放熱部は、その内部に液体冷媒を通流する複数の配管と、当該配管の間に取り付けられた放熱フィンとで構成された略矩形で平板状のラジエータを含み、略矩形で平板状のラジエータと共に、当該矩形のラジエータの短辺とほぼ等しい直径の円板を備えており、当該円板を前記ラジエータに隣接して回転することにより前記ラジエータへの冷却風を生成することが好ましい。また、前記液冷システムであって、ノート型パーソナルコンピュータに適用したものにおいて、前記ラジエータと円板を含む前記放熱部を、前記パーソナルコンピュータの表示部の裏側に配置することが、あるいは、前記ラジエータと円板を含む前記放熱部を、前記パーソナルコンピュータの表示部とは個別に、かつ、前記表示部の裏側に配置することが好ましい。

また、本発明では、前記液冷システムであって、デスクトップ型パーソナルコンピュータに適用したものにおいて、前記ラジエータ部と円板を含む前記放熱部を、縦方向に配置して使用することが好ましい。また、本発明では、前記液冷システムにおいて、前記円板を回転駆動するための電動モータを備えており、当該円板は、前記電動モータによって２０００〜４０００ｒｐｍの回転数で回転駆動されることが好ましい。

更に、本発明によれば、やはり、上記の目的を達成するため、筐体内に発熱素子を備えた電子機器の液冷システムを構成する放熱装置において、前記放熱装置は、その内部に液体冷媒を通流する複数の配管と、当該配管の間に取り付けられた放熱フィンとで構成された略矩形で平板状のラジエータ部と、当該矩形のラジエータ部に隣接して回転する前記矩形のラジエータ部の短辺とほぼ等しい直径の円板とを備えた放熱装置が提供されている。

そして、本発明では、前記放熱装置において、更に、前記円板を回転駆動するための電動モータを備えており、当該円板は、前記電動モータによって２０００〜４０００ｒｐｍの回転数で回転駆動することが好ましい。

以上に述べた本発明によれば、筐体内に発熱する半導体素子を備えた電子機器ための液冷システムにおいて、特に、その放熱部は、ラジエータ部と共に、当該矩形のラジエータ部の短辺とほぼ等しい直径の円板を隣接して回転することにより冷却風を生じるが、その構造から、風切り音を生じることなく、静音化の効果も著しい液冷システム、及び、そのための薄型で扁平な放熱装置を提供することを可能にするという、実用的にも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１は、本発明の一実施の形態になる液冷システムを、電子機器として、その筐体内部に発熱体である半導体集積回路素子（ＣＰＵ）を備えた電子機器の一例として、ノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータに適用した例を示している。

かかるノート型パーソナルコンピュータでは、一般的に、その本体１００側では、例えばキーボード１１０の下方の位置に、発熱体であるＣＰＵ１２０が配置されている。そして、このＣＰＵ１２０を効率的に冷却するための液冷システムの全体構成が示されている。この液冷システムは、基本的には、受熱ジャケット２００と、液体冷媒を循環駆動するための循環ポンプ３００と、そして、この図には示されていないが、放熱部とを備えている。なお、この放熱部は、後に詳細に説明するが、上記本体１００に対して回動可能に取り付けられた蓋体１５０側の液晶パネル１６０の裏側に配置されている。また、図中の符号５１、５１は、上記液冷システムの各構成部品の間に液体冷媒を液密に接続するための金属又は弾性体の配管を示している。

より詳細に説明すると、図において、受熱ジャケット２００は、矩形の板状の外形を有しており、例えば、銅、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から形成されている。また、この受熱ジャケット２００は、発熱体であるＣＰＵ１２０の表面に、熱的に接続して（例えば、伝熱性のグリースを介して）取り付けられている。なお、受熱ジャケット２００の内部には、例えば、流路が内部を蛇行して形成されており、その流路内に液体冷媒を通流させる。これにより、上記発熱体１２０からの発熱を、ジャケット内を流れる液体冷媒に伝達し、もって、発熱体を高効率で冷却している。

次に、図２（ａ）には、上記本体１００に回動可能に取り付けられた蓋体１５０側において、液晶パネル１６０の裏側に配置された放熱部が、その正面（即ち、液晶パネル１６０の反対側）より、示されている。この図からも明らかなように、放熱部４００は、外形が略矩形で平板状のラジエータ部４１０を、上記蓋体１５０の表面に取り付けている。即ち、このラジエータ部４１０は、例えば銅、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から形成された複数の配管４１１、４１１を、蓋体１５０の上下に設けたヘッダ４１２、４１３との間に、多数、接続すると共に、配管４１１、４１１の間には、コルゲート（蛇腹）状の熱伝導性に優れた部材からなる冷却フィン４１４を取り付けている。なお、この図中において、符号４１５は、液体冷媒の出口を、４１６は、液体冷媒の入口を、そして、４１７は、ヘッダ４１２の中央部に形成された仕切板を示している。即ち、このラジエータ部４１０では、液体冷媒は入口４１６からヘッダ４１２内に入り、配管４１１を通って下方ヘッダ４１３を通過し、再び、配管４１１を通って上方ヘッダ４１２へ戻り、出口４１５から排出される。

そして、図２（ｂ）、更には、図３により明らかなように、上記したラジエータ部４１０と液晶パネル１６０との間には、円板５００が回転可能に設けられている。なお、この円板５００は、例えば、１ｍｍ程度の厚さの、比較的軽量のプラスチックの平板を円形に切り抜いたものであり、その直径「Ｄ」は、上記外形が略矩形のラジエータ部４１０の短辺とほぼ同様の寸法を備えている。即ち、図からも明らかなように、この円板５００は、上記ラジエータ部４１０の表面をほぼ覆うようにして、隣接して、回転可能に配置されている。

また、図にも示すように、更に、上記の円板５００を回転駆動するための扁平な電動モータ５１０が設けられており、これにより、円板５００を前記ラジエータ部に隣接して、例えば、２０００〜４０００ｒｐｍの回転数で回転駆動する。即ち、この円板５００の回転に伴って、当該円板５００の片側の表面には、以下の式で示す量の空気が誘起されることとなる。（「Boundary-Layer Theory」Herrmann Schlichting・Klaus Gersten, 8^th Revised and Enlarged Edition, １２３頁を参照）

ここで、
ｒ：円板半径（ｍ）、
ν：空気の動粘性係数（ｍ^２／ｓ）
ω：円板の回転角速度（１／ｓ）

更に、より具体的には、以下に示すような空気流量を得ることが出来る。
＜例１＞
円板直径：０．２ｍ
回転数：４０００ｒｐｍ
空気の動粘性係数：０．１５×１０^−４ｍ^２／ｓ
ｑ＝０．００２１ｍ^３／ｓ＝０．１３ｍ^３／ｍｉｎ
＜例２＞
円板直径：０．２５ｍ
回転数：２０００ｒｐｍ
空気の動粘性係数：０．１５×１０^−４ｍ^２／ｓ
ｑ＝０．００２３８ｍ^３／ｓ＝０．１４３ｍ^３／ｍｉｎ

なお、上記の円板５００を回転駆動することにより、その表面に空気流を得る方式によれば、従来の送風ファンによる送風方式に比較して、（１）円板の回転軸方向の長さが短い（薄い）ためパーソナルコンピュータなどの表示部の厚さを薄くできる，（２）風切り音による騒音の発生等がなく、静謐であり、特に、パーソナルコンピュータやサーバ等を長期間、連続して使用しても問題となることはない。即ち、静音化において、著しい効果を発揮することが可能であった。

また、添付の図４には、上記液冷システムの他の実施の形態を示す。即ち、これらの図からも明らかなように、この他の実施の形態になる液冷システムは、上述したノート型パーソナルコンピュータとは異なり、デスクトップ型パーソナルコンピュータやサーバ等に適用するに好適な構造を備えたものである。

この図からも明らかなように、この他の実施の形態では、上記図２や図３の例とはことなり、液晶パネル１６０はなく、そのため、放熱部４００は、その両面側に、外形が略矩形で平板状のラジエータ４１０部を形成している。このように、両面にラジエータ部を形成することが出来ることから、より効率の高い液体冷媒の冷却が可能となる。なお、この他の実施の形態では、上記のこのラジエータ部４１０を、図２及び図３の例とは異なり、これを縦方向に配置したものであり、その使用方法も、図示のように、例えば、机の上に立てて利用するものである。しかしながら、この他の実施の形態でも、上記と同様に、その円板５００を回転により、その表面に空気流を得ることが出来、かつ、従来の送風ファンに比較しも、風切り音がなく、長期間、連続して使用しても問題となく、静音化において、著しい効果を発揮することは同様である。更に，円板の回転軸方向の長さが短い（薄い）ため，放熱部体積を小さくでき，放熱部を薄型で扁平な構造にできる。また，図４に開示した放熱器を、たとえば、デスクトップ型パーソナルコンピュータの筐体内壁面に沿って設置して使用することもできる。

更に、添付の図５には、上記にその詳細を説明した上記液冷システムを、特に、ノート型パーソナルコンピュータに適用した場合における、特に、上記した円板５００やラジエータ部４１０を含む、所謂、放熱部４００の取り付け位置を示したものである。即ち、図５（ａ）及び（ｂ）には、上記放熱部４００を、ノート型パーソナルコンピュータの表示部が搭載されている蓋体部分１５０の裏側に取り付けた例を示している。更に、図５（ｃ）及び（ｄ）には、上記放熱部４００を、蓋体部分１５０とは分離して、個別に、更に、蓋体部分１５０の裏側に、放熱部４００として取り付けた例を示している。この場合、当該放熱部４００も、上記蓋体部分１５０と同様に、本体１００に対して回動可能であり、それぞれ、本体１００に対して適当な角度で傾斜して使用することになる。なお、このように、当該放熱部４００を蓋体部分１５０とは個別に設けることによれば、その両面にラジエータ部を形成することが出来ることから、より効率の高い液体冷媒の冷却が可能となる。

本発明の一実施の形態になる液冷システムをノート型パーソナルコンピュータに適用した場合の全体構成を示す一部展開斜視図である。 上記液冷システムにおける放熱部の内部詳細構造を説明する正面及び断面図である。 上記液冷システムにおける放熱部の構造を説明する斜視図である。 本発明の他の実施の形態になる液冷システムの放熱部の内部詳細構造を説明する正面及び断面図である。 上記液冷システムをノート型パーソナルコンピュータに適用した場合の構成を説明する図である。

符号の説明

１００ 本体
１５０ 蓋体
１６０ 液晶パネル
１２０ ＣＰＵ（発熱素子）
２００ 受熱ジャケット
４００ 放熱部
４１０ ラジエータ部
４１１ 配管
４１２、４１３ ヘッダ
４１４ 冷却フィン
４１５、４１６ 液体冷媒出入口
５００ 円板
５１０ 電動モータ

Claims (8)

1. 筐体内に発熱する半導体素子を備えた電子機器のための液冷システムであって、前記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受熱ジャケットと、前記液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出する放熱部と、前記受熱ジャケットと前記放熱部との間で前記液体冷媒を循環するための循環ポンプとを備えており、
   前記放熱部は、その内部に液体冷媒を通流する配管を有した平板状のラジエータ部と、前記ラジエータ部の配管と対向して設けられた平面円板と、当該平面円板を回転する駆動部材とを備えたことを特徴とする液冷システム。
2. 前記請求項１に記載した液冷システムであって、
   前記放熱部は、その内部に液体冷媒を通流する複数の配管と、当該配管の間に取り付けられた放熱フィンとで構成された略矩形で平板状のラジエータを含み、略矩形で平板状のラジエータと共に、当該矩形のラジエータの短辺とほぼ等しい直径の円板を備えており、当該円板を前記ラジエータに隣接して回転することにより前記ラジエータへの冷却風を生成することを特徴とする液冷システム。
3. 前記請求項１に記載した液冷システムであって、ノート型パーソナルコンピュータに適用したものにおいて、前記ラジエータと円板を含む前記放熱部を、前記パーソナルコンピュータの表示部の裏側に配置したことを特徴とする液冷システム。
4. 前記請求項１に記載した液冷システムであって、ノート型パーソナルコンピュータに適用したものにおいて、前記ラジエータと円板を含む前記放熱部を、前記パーソナルコンピュータの表示部とは個別に、かつ、前記表示部の裏側に配置したことを特徴とする液冷システム。
5. 前記請求項１に記載した液冷システムであって、デスクトップ型パーソナルコンピュータに適用したものにおいて、前記ラジエータ部と円板を含む前記放熱部を、縦方向に配置して使用することを特徴とする液冷システム。
6. 前記請求項１に記載した液冷システムにおいて、前記円板を回転駆動するための電動モータを備えており、当該円板は、前記電動モータによって２０００〜４０００ｒｐｍの回転数で回転駆動されることを特徴とする液冷システム。
7. 筐体内に発熱素子を備えた電子機器の液冷システムを構成する放熱装置において、前記放熱装置は、その内部に液体冷媒を通流する複数の配管と、当該配管の間に取り付けられた放熱フィンとで構成された略矩形で平板状のラジエータ部と、当該矩形のラジエータ部に隣接して回転する前記矩形のラジエータ部の短辺とほぼ等しい直径の円板とを備えたことを特徴とする放熱装置。
8. 前記請求項７に記載した放熱装置において、更に、前記円板を回転駆動するための電動モータを備えており、当該円板は、前記電動モータによって２０００〜４０００ｒｐｍの回転数で回転駆動されることを特徴とする放熱装置。

Images