JP2009075801A - Liquid cooling system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の発熱体(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。 The present invention relates to a liquid cooling system for cooling a plurality of heating elements (particularly, a heat generation source of a PC).
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。
本発明は、発熱量が大小に異なる発熱体が複数存在するとき、効率的に放熱ができる、小型の液冷システムを得ることを目的とする。 An object of the present invention is to obtain a small liquid cooling system capable of efficiently radiating heat when there are a plurality of heating elements with different amounts of heat generation.
本発明は、発熱量がより大きい発熱源から受熱した比較的高温の冷媒が通る高温側ラジエータ流路の数を、発熱量がより小さい発熱源から受熱した比較的低温の冷媒が通る低温側ラジエータ流路の数より多くし、かつ、これら高温側と低温側のラジエータ流路を冷却風流路に交わる方向に積層すれば、大型化することなく、効率的な冷却ができるという着眼に基づいてなされたものである。 The present invention relates to the number of high-temperature side radiator passages through which a relatively high-temperature refrigerant received from a heat source having a larger calorific value passes, and the low-temperature side radiator through which a relatively low-temperature refrigerant received from a heat source having a smaller calorific value passes. It is based on the viewpoint that efficient cooling can be achieved without increasing the size by increasing the number of flow paths and stacking these high-temperature and low-temperature radiator flow paths in a direction crossing the cooling air flow path. It is a thing.
すなわち、本発明は、発熱量が大小に異なる複数の発熱源;これらの発熱源から受熱した冷媒を冷却するための複数のラジエータ流路;これら複数の発熱源と複数のラジエータ流路の間で冷媒を循環させるポンプ;及び複数のラジエータ流路に対して冷却風を与える共通冷却ファン;を備えた液冷システムにおいて、発熱量がより大きい発熱源から受熱した比較的高温の冷媒が通る高温側ラジエータ流路の数を、発熱量がより小さい発熱源から受熱した比較的低温の冷媒が通る低温側ラジエータ流路の数より多く設定し、かつ、これら高温側と低温側のラジエータ流路を共通冷却ファンによる冷却風流路に交わる方向に積層して配置したことを特徴としている。 That is, the present invention provides a plurality of heat generation sources having different calorific values; a plurality of radiator flow paths for cooling the refrigerant received from these heat generation sources; between the plurality of heat generation sources and the plurality of radiator flow paths. In a liquid cooling system including a pump for circulating a refrigerant; and a common cooling fan for supplying cooling air to a plurality of radiator flow paths, a high temperature side through which a relatively high temperature refrigerant received from a heat source having a larger calorific value passes The number of radiator channels is set to be larger than the number of low-temperature side radiator channels through which a relatively low-temperature refrigerant received from a heat source with a smaller calorific value passes, and the high-temperature side and low-temperature side radiator channels are shared. It is characterized by being stacked in a direction crossing the cooling air flow path by the cooling fan.
共通冷却ファンは、軸線に対して放射状に冷却風を出すシロッコファンとするのが好ましく、高温側と低温側のラジエータ流路は、該シロッコファンの軸芯に対して同心状に積層配置するのがよい。 The common cooling fan is preferably a sirocco fan that emits cooling air radially with respect to the axis, and the radiator flow paths on the high temperature side and the low temperature side are stacked concentrically with respect to the axis of the sirocco fan. Is good.
大発熱量発熱源は具体的には例えばCPUであり、小発熱量発熱源はチップセットである。 Specifically, the large heat generation amount heat source is, for example, a CPU, and the small heat generation amount heat source is a chip set.
高温側と低温側のラジエータ流路は、単一のラジエータユニットに設けることが可能である。 The high-temperature side and low-temperature side radiator flow paths can be provided in a single radiator unit.
ラジエータユニットは、例えば、高温側ラジエータ流路を構成する少なくとも2層の高温側積層流路板と、低温側ラジエータ流路を構成する少なくとも1層の低温側積層流路板とをスペーサを介して間隔を空けて積層して構成することができる。 The radiator unit includes, for example, at least two high-temperature side laminated flow path plates constituting the high-temperature side radiator flow path and at least one low-temperature side laminated flow path board constituting the low-temperature side radiator flow path via a spacer. It can be configured by laminating at intervals.
この高温側積層流路板と低温側積層流路板の平面流路形状、及び(又は)流路断面積は、入口ポート部と出口ポート部を除き同一とすると、ラジエータユニットの構成が容易になる。また、このようなラジエータ構造とすると、複数のラジエータに用いる積層流路板を同一位置に積層し、この複数のラジエータに対して単一の冷却ファンを容易に配置することができる。 When the flat channel shape and / or the channel cross-sectional area of the high temperature side laminated channel plate and the low temperature side laminated channel plate are the same except for the inlet port portion and the outlet port portion, the configuration of the radiator unit is easy. Become. Further, with such a radiator structure, the laminated flow path plates used for a plurality of radiators can be laminated at the same position, and a single cooling fan can be easily arranged with respect to the plurality of radiators.
本発明の液冷システムは、発熱量がより大きい発熱源から受熱した比較的高温の冷媒が通る高温側ラジエータ流路の数を、発熱量がより小さい発熱源から受熱した比較的低温の冷媒が通る低温側ラジエータ流路の数より多くし、かつ、これら高温側と低温側のラジエータ流路を冷却風流路に交わる方向に積層したので、大型化することなく、発熱量が大小に異なる複数の発熱源を効率的に冷却することができる。 In the liquid cooling system of the present invention, the number of the high-temperature side radiator passages through which the relatively high-temperature refrigerant received from the heat generation source having a larger calorific value passes is determined by the relatively low-temperature refrigerant received from the heat generation source having a smaller calorific value. More than the number of low-temperature side radiator passages that pass through, and these high-temperature side and low-temperature side radiator passages are stacked in the direction crossing the cooling air flow passage, so that a plurality of heat generation amounts differing in size from one size to another without increasing in size. The heat source can be efficiently cooled.
図1ないし図9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、発熱量が大小に異なる2つの発熱源として、大発熱量(例えば発熱量が30W程度)のノートPCのCPU100と小発熱量(例えば発熱量が10W程度)のチップセット200を冷却する水冷システムである。図1は、その全体の平面的な流路構造を示しており、図の右方の第一流路板10上に、チップセット200、タンク20及び圧電ポンプ30が配置され、下方の第二流路板40上にCPU100が配置されている。第一流路板10と第二流路板40は、ラジエータユニット50に結合されており、ラジエータユニット50に形成された円形の空間61にシロッコファン(共通冷却ファン)60が配置されている。
1 to 9 show an embodiment of a liquid cooling system according to the present invention. In this embodiment, a
ラジエータユニット50は、図3から図7に示すように、シロッコファン60の周囲に位置させて、1層の低温側ラジエータ流路52(低温側積層流路板57L)と2層の高温側ラジエータ流路55(高温側積層流路板57H)とをスペーサ58を介して積層してなっている。積層方向は、シロッコファン60の軸線方向(シロッコファン60からの冷却風の方向と直交する方向)であり、各積層流路板の間には、冷却風の通る隙間Sが形成されている。1層の低温側ラジエータ流路52(低温側積層流路板57L)の両端部には、低温側入口ポート51と低温側出口ポート53が形成され、2層の高温側ラジエータ流路55(高温側積層流路板57H)の両端部にはそれぞれ、高温側入口ポート54と高温側出口ポート56が形成されている。低温側ラジエータ流路52と高温側ラジエータ流路55の平面形状及び流路断面積は、入口ポート51と出口ポート56の位置、及び出口ポート53と入口ポート54の位置が若干異なるだけで、その他は同一である。
As shown in FIGS. 3 to 7, the
図3は、低温側積層流路板57Lと高温側積層流路板57Hを重ねた状態を描いたものであり、図4は高温側積層流路板57H単体を描いたものであり、図5は低温側積層流路板57L単体を描いたものである。これらの図では、低温側ラジエータ流路52の形状を一点鎖線で描き、高温側ラジエータ流路55の形状を破線で描いている。また冷媒の流れ方向を矢印で示している。
3 illustrates a state in which the low temperature side laminated
各要素の詳細を説明する前に、全体の流路を説明すると、圧電ポンプ30の吐出口31から出た冷媒は、第一流路板10の液流路(受熱流路)11を流れてチップセット200から熱を奪い、ラジエータユニット50の低温側入口ポート51から、1層のみ備えられている低温側ラジエータ流路52(低温側積層流路板57L)に入って、シロッコファン60の周囲を円弧状に流れ、低温側出口ポート53に至る。低温側出口ポート53に至った冷媒は、第二流路板40の液流路41を流れてCPU100から熱を奪い、ラジエータユニット50の高温側入口ポート54から、2層設けられている高温側ラジエータ流路55(高温側積層流路板57H)に入って、シロッコファン60の周囲を円弧状に流れ、高温側出口ポート56に至る。2層の高温側ラジエータ流路57Hの高温側出口ポート56に至った冷媒は、第一流路板10の液流路12に合流して入口孔21からタンク20内に入り、該タンク20の出口孔22から液流路13を通って圧電ポンプ30の吸入口32に至る。
Before describing the details of each element, the entire flow path will be described. The refrigerant that has flowed out from the
以上の冷媒の流路を見ると、圧電ポンプ30を出た冷媒は、第一流路板10の液流路11を通って小発熱量のチップセット200から熱を奪い、1層の低温側ラジエータ流路52を流れてシロッコファン60からの冷却風により冷却される。次に第二流路板40の液流路41を通って大熱量のCPU100から熱を奪い、2層の高温側ラジエータ流路55を流れて、シロッコファン60の冷却風により冷却され、タンク20から圧電ポンプ30に戻る。つまり、小発熱量のチップセット200から熱を奪った冷媒が通る低温側ラジエータ流路52は1段(1層)だけであるのに対し、大発熱量のCPU100から熱を奪った冷媒が通る高温側ラジエータ流路55は2段(2層)配置されているために、大発熱量のCPU100と小発熱量のチップセット200の双方を効率的に冷却することができる。
Looking at the refrigerant flow path described above, the refrigerant that has exited the
次に各要素を詳細に説明する。第一流路板10は、図8に明らかなように、3枚の積層板(ブレージングシート)10a、10b、10cからなっていて、真ん中の積層板10bに、液流路11、12、13を形成する貫通穴11a、12a、13aが形成されている。タンク20と圧電ポンプ30側の積層板10aには、入口孔21、出口孔22、吐出口31、吸入口32にそれぞれ嵌まる連通突起21a、22a、31a、32aが形成されている。また、第一流路板10の液流路12のラジエータユニット50側の端部は、2層の高温側ラジエータ流路55(高温側積層流路板57H)の高温側出口ポート56に連通している。スペーサ58にはこれらの流路を作る連通穴が形成されている(図7参照)。液流路12は、低温側ラジエータ流路52には連通していない。
Next, each element will be described in detail. As is apparent from FIG. 8, the first
圧電ポンプ30は、図8に示すように、下方から順にロアハウジング30Lとアッパハウジング30Uを有している。ロアハウジング30Lには、該ハウジングの板厚平面に直交させて、吐出口31と吸入口32が互いに平行に穿設されている。ロアハウジング30Lとアッパハウジング30Uの間には、Oリング33を介して圧電振動子(ダイヤフラム)34が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子34とロアハウジング30Lとの間にポンプ室Pを構成している。圧電振動子34とアッパハウジング30Uとの間には、大気室Aが形成される。
As shown in FIG. 8, the
圧電振動子34は、中心部のシム34aと、シム34aの表裏の一面(図8の上面)に積層形成した圧電体34b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34aが臨んで冷媒と接触する。シム34a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34b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。
The
ロアハウジング30Lの吐出口31と吸入口32にはそれぞれ、逆止弁(アンブレラ)35と36が設けられている。逆止弁35は、吸入口32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36は、ポンプ室Pから吐出口31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。
The
逆止弁35、36は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板35a、36aに、弾性材料からなるアンブレラ35b、36b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。
The
以上の圧電ポンプ30は、圧電振動子34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35が開いて吐出側逆止弁36が閉じるため、吐出口31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36が開いて吸入側逆止弁35が閉じるため、ポンプ室Pから吐出口31に冷媒が流出する。したがって、圧電振動子34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。
In the
第二流路板40は、図9に示すように、第一流路板10と同様の3枚の積層板(ブレージングシート)40a、40b、40cからなっていて、真ん中の積層板40bに、液流路41を形成する貫通穴41aが形成されている。第二流路板40の液流路41の一方の端部は、図6に示すように、1層の低温側ラジエータ流路52(低温側積層流路板57L)の低温側出口ポート53に連通し、他方の端部は、図7に示すように、2層の高温側ラジエータ流路55(高温側積層流路板57H)の高温側入口ポート54に連通している。スペーサ58にはこれらの流路を作る連通穴が形成されている。CPU100は、チップセット200と同様に、積層板40a上にヒートスプレッダ201を介して載置(接触)している。
As shown in FIG. 9, the second
CPU100(チップセット200)は、図9に示すように、第一流路板10(第二流路板40)の積層板10a(40a)上にヒートスプレッダ101(201)を介して載置(接触)しており、液流路11(41)を冷媒が流れることにより、CPU100(チップセット200)から熱を奪って昇温する。
As shown in FIG. 9, the CPU 100 (chip set 200) is placed (contacted) on the
ラジエータユニット50の低温側積層流路板57Lと高温側積層流路板57Hはそれぞれ、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)57a、57b、57cからなっている。真ん中の積層板57bには、低温側ラジエータ流路52と高温側ラジエータ流路55を形成する貫通穴52aと55aが形成されている。貫通穴52aの両端部は低温側入口ポート51と低温側出口穴53に連通し、貫通穴55aの両端部は、高温側入口ポート54と高温側出口ポート56に連通している。なお、積層板57H、57Lは、例えば図11に示すように、積層板57aと57cをプレス加工して所定の位置にスペーサ突起58’を形成し、これらスペーサ突起58’を突き合わせて、冷却風の通る隙間Sを形成することで、スペーサ58及び積層板57bを省略してすることも可能である。
The low temperature side laminated flow path plate 57L and the high temperature side laminated
従って、以上のラジエータユニット50は、第一流路板10の液流路11を流れて低温側入口ポート51に至った冷媒が、低温側ラジエータ流路52に流れ、低温側出口ポート53から第二流路板40の液流路41に至る。次に、液流路41を流れて2段の高温側ラジエータ流路55の高温側入口ポート54に至った冷媒が、同2段の高温側ラジエータ流路55に分流して流れた後、高温側出口ポート56から第一流路板10の液流路12に合流する。
Therefore, in the
次に、本発明による液冷システムを用い、チップセット200の発熱量を10W(一定)とし、CPU100の発熱量を15W、20W、25W、30Wと異ならせたときの実際の冷却能を実験結果によって説明する。実験は、CPU100とチップセット200の表面温度S1とS2を熱電対により測定し、冷媒の流れ順に、液流路11、41、12を形成している第一流路板10と第二流路板40上の温度T1、T2、T3及びT4を測定し、シロッコファン60の出口の空気温度A1とA2を測定したものである。これらの測定点は、図1上に表した。具体的には、T1はチップセット200を出た直後、T2はCPU100に入る直前(低温側積層流路板57Lを出た直後)、T3はCPU100を出た直後、T4は2段の高温側積層流路板57Hを出た直後の温度である。
Next, using the liquid cooling system according to the present invention, the actual cooling capacity when the heat generation amount of the chip set 200 is 10 W (constant) and the heat generation amount of the
表1に、測定結果を示す(測定温度単位;℃)。図10は、以上の実験結果をグラフ化したものである。
(表1)
実験1 実験2 実験3 実験4
低温-高温 10W-15W 10W-20W 10W-25W 10W-30W
外気温 26.3 25.7 27.2 26.3
S2 35.7 42.9 50.8 50.1
T1 39.4 41.6 47.6 50.3
T2 40.0 43.3 49.0 52.1
S1 51.1 52.2 65.6 69.6
T3 42.2 45.1 51.4 54.6
T4 40.3 43.0 49.1 52.0
A1 31.6 34.6 39.0 40.3
A2 33.0 28.4 29.7 31.4
Table 1 shows the measurement results (measurement temperature unit; ° C). FIG. 10 is a graph of the above experimental results.
(Table 1)
Low temperature-
Outside temperature 26.3 25.7 27.2 26.3
S2 35.7 42.9 50.8 50.1
T1 39.4 41.6 47.6 50.3
T2 40.0 43.3 49.0 52.1
S1 51.1 52.2 65.6 69.6
T3 42.2 45.1 51.4 54.6
T4 40.3 43.0 49.1 52.0
A1 31.6 34.6 39.0 40.3
A2 33.0 28.4 29.7 31.4
この実験から、本発明の液冷システムを具体化した装置によれば、チップセット200の発熱量10Wで、CPU100の発熱量が15Wから30W程度までばらついても、最も高温になりやすいCPU100の温度を70℃程度に保持できることが分かった。
From this experiment, according to the apparatus embodying the liquid cooling system of the present invention, even if the heat generation amount of the chip set 200 is 10 W and the heat generation amount of the
以上の実施形態では、低温側ラジエータ流路52と高温側ラジエータ流路55の平面形状及び流路断面積を実質的に同一としているため、ラジエータユニット50の形成が容易であるが、これらは互いに異ならせてもよい。
In the above embodiment, since the planar shape and the cross-sectional area of the low-temperature side
また、以上の実施形態では、発熱源として、CPU100とチップセット200を例示したが、本発明は、発熱量が異なる複数の発熱源一般の冷却システムとして用いることができる。発熱源が3つ以上ある場合には、発熱量がより大きい発熱源から受熱した比較的高温の冷媒が通る高温側ラジエータ流路の数を、発熱量がより小さい発熱源から受熱した比較的低温の冷媒が通る低温側ラジエータ流路の数より多く設定し、これら複数のラジエータ流路を共通冷却ファンによる冷却風流路に交わる方向に積層して配置すればよい。また、圧電ポンプ30は、圧力損失による流量低下が小さいため、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。
In the above embodiment, the
100 CPU(大発熱量発熱源)
200 チップセット(小発熱量発熱源)
101 201 ヒートスプレッダ
10 第一流路板
10a 10b 10c 積層板
11 12 13 液流路
20 タンク
21 入口孔
22 出口孔
30 圧電ポンプ
31 吐出口
32 吸入口
34 圧電振動子
35 吸入側逆止弁
36 吐出側逆止弁
40 第二流路板
40a 40b 40c 積層板
41 液流路
50 ラジエータユニット
51 低温側入口ポート
52 低温側ラジエータ流路
53 低温側出口ポート
54 高温側入口ポート
55 高温側ラジエータ流路
56 高温側出口ポート
57L 低温側積層流路板
57H 高温側積層流路板
57a 57b 57c 積層板
58 スペーサ
60 シロッコファン(共通冷却ファン)
100 CPU (large heat generation heat source)
200 chipsets (small heat generation heat source)
101 201
Claims (7)
これらの発熱源から受熱した冷媒を冷却するための複数のラジエータ流路;
これら複数の発熱源と複数のラジエータ流路の間で冷媒を循環させるポンプ;及び
上記複数のラジエータ流路に対して冷却風を与える共通冷却ファン;を備えた液冷システムにおいて、
発熱量がより大きい発熱源から受熱した比較的高温の冷媒が通る高温側ラジエータ流路の数を、発熱量がより小さい発熱源から受熱した比較的低温の冷媒が通る低温側ラジエータ流路の数より多く設定し、
かつ、これら高温側と低温側のラジエータ流路を上記共通冷却ファンによる冷却風流路に交わる方向に積層して配置したことを特徴とする液冷システム。 Multiple heat sources with different calorific values;
A plurality of radiator passages for cooling the refrigerant received from these heat sources;
A liquid cooling system comprising: a pump that circulates a refrigerant between the plurality of heat generation sources and the plurality of radiator channels; and a common cooling fan that supplies cooling air to the plurality of radiator channels.
The number of high-temperature side radiator passages through which a relatively high-temperature refrigerant received from a heat source having a larger calorific value passes, and the number of low-temperature side radiator passages through which a relatively low-temperature refrigerant received from a heat source having a smaller calorific value passes. Set more,
The liquid cooling system is characterized in that the high-temperature side and low-temperature side radiator flow paths are stacked in a direction crossing the cooling air flow path by the common cooling fan.
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