JP2009026950A - 液冷システム - Google Patents

Abstract

【課題】発熱源と熱的に接触するウォータジャッケットの受熱流路を、ラジエータに接続し、この受熱流路とラジエータの間に冷媒を循環させるポンプと、ラジエータに冷却風を与える冷却ファンとを設けた水冷システムにおいて、少量の冷媒で効率的に冷却することができる水冷システムを得る。
【解決手段】受熱流路を独立した複数に分割し、分割受熱流路をそれぞれ独立したラジエータに接続し、複数の分割受熱流路を通過した冷媒がそれぞれ別のラジエータを通過するように流路を接続した水冷システム。
【選択図】図１

Description

本発明は、発熱体（特にＰＣの発熱源）を冷却するための液冷システムに関する。

最近のノート型パソコンは、ＣＰＵだけでなく、ＧＰＵ、チップセット等の複数の発熱体を有しており、これら複数の発熱体を如何に効果的に冷却するかが技術課題となっている。部品の収納スペースが限られているノート型パソコンでは、全体として薄型でユニット性の高い液冷システムが求められている。
特開2003-75037号公報 特開2004-6563号公報 特開2004-3816号公報 特開2006-207881号公報

本発明は、特に少量の冷媒で効率的に冷却することができる水冷システムを得ることを目的とする。

本発明は、発熱源と熱的に接触するウォータジャッケットの受熱流路を、ラジエータに接続し、この受熱流路とラジエータの間に冷媒を循環させるポンプと、ラジエータに冷却風を与える冷却ファンとを設けた水冷システムにおいて、受熱流路を独立した複数に分割し、分割受熱流路をそれぞれ独立したラジエータに接続すれば、少量の冷媒で効率的な冷却が可能であるとの着眼に基づいてなされたものである。

すなわち、本発明は、以上の水冷システムにおいて、ウォータジャケットの受熱流路を、該ウォータジャケット内では相互に連通することのない独立した複数に分割する一方、分割された受熱流路の数に対応させてラジエータを設け、複数の分割受熱流路を通過した冷媒がそれぞれ別のラジエータを通過するように流路を接続したことを特徴としている。

分割された受熱流路は、例えばＵ字状とするのがよい。

冷却ファンはシロッコファンとし、複数のラジエータは、このシロッコファンの周囲に配置することができる。

本水冷システムは、発熱源及びウォータジャケットが複数存在する場合、ポンプは、これらの複数のウォータジャケット及び該ウォータジャケットに対応するラジエータに対して、単一とすることができる。

複数の分割受熱流路と対応するラジエータとを接続する流路は、単一の流路板に形成することができる。

本発明の液冷システムは、発熱源と熱的に接触するウォータジャッケットの受熱流路を独立した複数に分割し、分割受熱流路をそれぞれ独立したラジエータに接続したので、少量の冷媒で効率的な冷却が可能である。

図１ないし図６は、本発明による液冷システムの一実施形態を示している。この実施形態は、発熱源と熱的に接触する第１、第２のウォータジャケット１０（１）、１０（２）、複数（図示例では７個）の独立したラジエータ２０（１）〜２０（７）、これら２つのウォータジャケット１０（１）、１０（２）と７つのラジエータ２０（１）〜２０（７）を接続する流路を有する流路板３０、流路板３０上に配置した単一のポンプとしての圧電ポンプ４０とリザーブタンク５０、及び冷却ファンとしてのシロッコファン６０を主たる構成要素としている。図１では、これらの要素を重ね合わせた状態で全ての流路及び要素の輪郭を実線で描いており、図２、図３では第１、第２のウォータジャケット１０（１）、（２）のみを描いており、図４、図５では１つのラジエータ２０のみを描いており、図６、図７では流路板３０、圧電ポンプ４０及びリザーブタンク５０のみを描いている。

流路板３０は、図１、図６に示すように貫通穴３２を有している。そして、この流路板３０の一方の面には、図８に示すように、２つのウォータジャケット１０、圧電ポンプ４０及びリザーブタンク５０が搭載されている。また、他方の面には、貫通穴３２の周囲に沿って７つのラジエータ２０が配置されており、貫通穴３２の中央部にシロッコファン６０が配置されている。シロッコファン６０によって引き起こされる空気流は、図８に矢印で示すように、流路板３０の貫通穴３２から吸引され、各ラジエータ２０を通過して該ラジエータ２０を通過する冷媒を冷却する。単一のシロッコファン６０の周囲には、多数のラジエータ２０を配置することができるため、スペース効率がよい。図８は、主に、流路板３０の貫通穴３２と、該流路板３０の表裏の要素を描くことを目的としたもので、個々の要素の位置は、必ずしも図１とは対応していない。

各ウォータジャケット１０は、図２、図３に示すように、３枚の積層板（ブレージングシート）１０ａ、１０ｂ、１０ｃからなっている。第１のウォータジャケット１０（１）には、真ん中の積層板１０ｂに、該ウォータジャケット１０（１）内では相互に連通することのない４本の分割受熱流路１１ないし１４を形成する貫通穴１１ｔないし１４ｔが形成されている。第２のウォータジャケット１０（２）には、真ん中の積層板１０ｂに、該ウォータジャケット１０（２）内では相互に連通することのない３本の独立した分割受熱流路１５ないし１７を形成する貫通穴１５ｔないし１７ｔが形成されている。すなわち、この実施形態では、分割受熱流路の数とラジエータの数はともに７つである。各分割受熱流路１１ないし１７はそれぞれ、限られた面積内に、高い受熱効率、スペース効率で受熱流路を構成するために、Ｕ字状をなしている。各ウォータジャケット１０上には、ヒートスプレッダ１８を介して発熱源（例えばＣＰＵ、ＧＰＵ、チップセット）１９が搭載され、ウォータジャケット１０と発熱源１９とが熱的に接触している。

ウォータジャケット１０の表裏の積層板１０ａまたは１０ｃには、Ｕ字状をなす分割受熱流路１１ないし１７（貫通穴１１ｔないし１７ｔ）の両端に連通する入口孔１１ａないし１７ａと出口孔１１ｂないし１７ｂが形成されている。

各ラジエータ２０は、図４及び図５に示すように、積層流路板２１を複数段（図示例では４段）積層してなっている。４段の積層流路板２１の間には、該積層流路板２１の間に空間（空気流通隙間）を確保するスペーサ２２が挿入されている。各積層流路板２１は、３枚の積層板（ブレージングシート）２１ａ、２１ｂ、２１ｃからなっている。真ん中の積層板２１ｂには、Ｕ字状のラジエータ流路２３を形成する貫通穴２３ａが形成されており、各積層流路板２１とスペーサ２２には、全てのラジエータ流路２３の両端を入口ポート２４と出口ポート２５に連通させる流路２４ａと２５ａが形成されている。

流路板３０は、図６、図７に示すように、３枚の積層板（ブレージングシート）３０ａ、３０ｂ、３０ｃからなっていて、真ん中の積層板３０ｂに、第１、第２のウォータジャケット１０（１）、１０（２）、第１ないし第７のラジエータ２０（１）〜２０（７）、圧電ポンプ４０及びリザーブタンク５０を次のように連通させる液流路を形成する貫通穴が形成されている。

この液流路（貫通穴）を、図１、図４及び図６を参照して、圧電ポンプ４０から順に追うと、圧電ポンプ４０の吐出孔４１と分割受熱流路１２の入口孔１２ａを連通させる第１流路（第１貫通穴）３１ａ、分割受熱流路１２の出口孔１２ｂを第１ラジエータ２０（１）の入口ポート２４に連通させる第２流路（第２貫通穴）３１ｂ、第１ラジエータ２０（１）の出口ポート２５を分割受熱流路１１の入口孔１１ａに連通させる第３流路（第３貫通穴）３１ｃ、分割受熱流路１１の出口孔１１ｂを第２ラジエータ２０（２）の入口ポート２４に連通させる第４流路（第４貫通穴）３１ｄ、第２ラジエータ２０（２）の出口ポート２５を分割受熱流路１３の入口孔１３ａに連通させる第５流路（第５貫通穴）３１ｅ、分割受熱流路１３の出口孔１３ｂを第３ラジエータ２０（３）の入口ポート２４に連通させる第６流路（第６貫通穴）３１ｆ、第３ラジエータ２０（３）の出口ポート２５を分割受熱流路１４の入口孔１４ａに連通させる第７流路（第７貫通穴）３１ｇ、分割受熱流路１４の出口孔１４ｂを第４ラジエータ２０（４）の入口ポート２４に連通させる第８流路（第８貫通穴）３１ｈ、第４ラジエータ２０（４）の出口ポート２５を第２のウォータジャケット１０（２）の分割受熱流路１５の入口孔１５ａに連通させる第９流路（第９貫通穴）３１ｉ、分割受熱流路１５の出口孔１５ｂを第５ラジエータ２０（５）の入口ポート２４に連通させる第１０流路（第１０貫通穴）３１ｊ、第５ラジエータ２０（５）の出口ポート２５を分割受熱流路１６の入口孔１６ａに連通させる第１１流路（第１１貫通穴）３１ｋ、分割受熱流路１６の出口孔１６ｂを第６ラジエータ２０（６）の入口ポート２４に連通させる第１２流路（第１２貫通穴）３１ｍ、第６ラジエータ２０（６）の出口ポート２５を分割受熱流路１７の入口孔１７ａに連通させる第１３流路（第１３貫通穴）３１ｎ、分割受熱流路１７の出口孔１７ｂを第７ラジエータ２０（７）の入口ポート２４に連通させる第１４流路（第１４貫通穴）３１ｐ、第７ラジエータ２０（７）の出口ポート２５をリザーブタンク５０の入口孔５１に連通させる第１５流路（第１５貫通穴）３１ｑ、及びリザーブタンク５０の出口孔５２を圧電ポンプ４０の吸入口４２に連通させる第１６流路（第１６貫通穴）３１ｒからなっている。

各ラジエータ２０の４段のラジエータ流路２３の合計断面積は、以上の各第１ないし第１６流路３１ａないし３１ｒ（あるいは分割受熱流路１１ないし１７）の流路断面積より大きく設定されていて、各ラジエータ２０に入った冷媒の流速は該ラジエータ２０に入る前の流速より遅くなる。

以上の流路は、分割受熱流路１２を通った冷媒はラジエータ２０（１）の４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過し、分割受熱流路１１を通った冷媒はラジエータ２０（２）の４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過し、分割受熱流路１３を通った冷媒はラジエータ２０（３）の４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過し、分割受熱流路１４を通った冷媒はラジエータ２０（４）を通過し、分割受熱通路１５を通った冷媒はラジエータ２０（５）の４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過し、分割受熱通路１６を通った冷媒はラジエータ２０（６）の４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過し、分割受熱通路１７を通った冷媒はラジエータ２０（７）の４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過することになる。

圧電ポンプ４０は、図７に示すように、下方から順にロアハウジング４０Ｌとアッパハウジング４０Ｕを有している。ロアハウジング４０Ｌには、該ハウジングの板厚平面に直交させて、吐出口４１と吸入口４２が互いに平行に穿設されている。ロアハウジング４０Ｌとアッパハウジング４０Ｕの間には、Ｏリング４３を介して圧電振動子（ダイヤフラム）４４が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子４４とロアハウジング４０Ｌとの間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子４４とアッパハウジング４０Ｕとの間には、大気室Ａが形成される。

圧電振動子４４は、中心部のシム４４ａと、シム４４ａの表裏の一面（図７の上面）に積層形成した圧電体４４ｂとを有するユニモルフタイプである。ポンプ室Ｐには、シム４４ａが臨んで冷媒と接触する。シム４４ａは、導電性の金属薄板材料、例えば厚さ５０〜３００μｍ程度のステンレス、４２アロイ等により形成された金属製の薄板からなる。圧電体４４ｂは、例えば厚さ３００μｍ程度のＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）から構成されるもので、その表裏方向に分極処理が施されている。このような圧電振動子は周知である。

ロアハウジング４０Ｌの吐出口４１と吸入口４２にはそれぞれ、逆止弁（アンブレラ）４５と４６が設けられている。逆止弁４５は、吸入口４２からポンプ室Ｐへの流体流を許してその逆の流体流を許さない吸入側逆止弁であり、逆止弁４６は、ポンプ室Ｐから吐出口４１への流体流を許してその逆の流体流を許さない吐出側逆止弁である。

逆止弁４５、４６は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板４５ａ、４６ａに、弾性材料からなるアンブレラ４５ｂ、４６ｂを装着してなっている。このような逆止弁（アンブレラ）自体は周知である。

以上の圧電ポンプ４０は、圧電振動子４４が正逆に弾性変形（振動）すると、ポンプ室Ｐの容積が拡大する行程では、吸入側逆止弁４５が開いて吐出側逆止弁４６が閉じるため、吐出口４１からポンプ室Ｐ内に冷媒が流入する。一方、ポンプ室Ｐの容積が縮小する行程では、吐出側逆止弁４６が開いて吸入側逆止弁４５が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出口４１に冷媒が流出する。したがって、圧電振動子４４を正逆に連続させて弾性変形させる（振動させる）ことで、ポンプ作用が得られる。

従って、本実施形態の液冷システムは、圧電ポンプ４０を駆動することにより、ウォータジャケット１０（１）、１０（２）、ラジエータ２０（１）から２０（７）、リザーブタンク５０を経て圧電ポンプ４０に戻る冷媒循環が生じる。このときウォータジャケット１０（１）の発熱源１９からの熱は、３つの独立した分割受熱流路１１ないし１３を流れる冷媒に伝熱される。そして、各分割受熱流路１２、１１及び１３を流れた冷媒は直後に個別のラジエータ２０（１）ないし２０（３）を流れる。同様に、ウォータジャケット１０（２）の発熱源１９からの熱は、４つの独立した分割受熱流路１４ないし１７を流れる冷媒に伝熱される。そして、各分割受熱流路１４ないし１７を流れた冷媒は直後に個別のラジエータ２０（４）ないし２０（７）を流れる。また各ラジエータ２０では、流路が４段のラジエータ流路２３に分流されて流速を低下させて通過するため、少ない冷媒の量で効果的な冷却ができる。

以上の実施形態では、２つのウォータジャケット１０（発熱源１９）に対して単一の圧電ポンプ４０を用いたが、単数のウォータジャケットあるいは３個以上のウォータジャケットに対して単一の圧電ポンプ４０を用いる態様も可能である。また、圧電ポンプ４０は、圧力損失が小さいため、この種の用途に有利であるが、他のポンプを用いることを妨げない。

本発明による液冷システムの一実施形態を示す平面図である。 図１からウォータジャケット部分を取り出して描いた平面図である。 図２のIII-III線に沿う断面図である。 図１からラジエータ部分を取り出して描いた斜視図である。 同縦断面図である。 図１から流路板部分を取り出して描いた平面図である。 図６のVII-VII線に沿う断面図である。 図１のVIII-VIII線に沿う断面図である。

符号の説明

１０（１） １０（２） ウォータジャケット
１０ａ １０ｂ １０ｃ 積層板
１１〜１７ 分割受熱流路
１８ ヒートスプレッダ
１９ 発熱源
２０（１）〜２０（７） ラジエータ
２１ 積層流路板
２２ スペーサ
２３ ラジエータ流路
２４ 入口ポート
２５ 出口ポート
３０ 流路板
３１ａ〜３１ｒ 流路
４０ 圧電ポンプ
４１ 吐出口
４２ 吸入口
４４ 圧電振動子
４５ 吸入側逆止弁
４６ 吐出側逆止弁
５０ リザーブタンク
５１ 入口孔
５２ 出口孔
６０ シロッコファン（共通冷却ファン）

Claims (5)

1. 発熱源と熱的に接触するウォータジャッケット；
   このウォータジャケットに形成された受熱流路；
   この受熱流路に接続されたラジエータ；
   この受熱流路とラジエータの間に冷媒を循環させるポンプ；及び
   上記ラジエータに冷却風を与える冷却ファン；
   を備えた水冷システムにおいて、
   上記ウォータジャケットの受熱流路を、該ウォータジャケット内では相互に連通することのない独立した複数に分割する一方、分割された受熱流路の数に対応させて上記ラジエータを設け、
   複数の分割受熱流路を通過した冷媒がそれぞれ別のラジエータを通過するように流路を接続したことを特徴とする水冷システム。
2. 請求項１記載の水冷システムにおいて、分割された受熱流路はＵ字状をなしている水冷システム。
3. 請求項１または２記載の水冷システムにおいて、冷却ファンはシロッコファンであり、複数のラジエータは、このシロッコファンの周囲に配置されている水冷システム。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項記載の水冷システムにおいて、発熱源及びウォータジャケットは複数存在し、ポンプは、複数のウォータジャケット及び該ウォータジャケットに対応するラジエータに対して単一である水冷システム。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項記載の水冷システムにおいて、複数の分割受熱流路と対応するラジエータとを接続する流路は、単一の流路板に形成されている水冷システム。

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