JP2010156467A

JP2010156467A - 液冷システム

Info

Publication number: JP2010156467A
Application number: JP2007112196A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Onishi; 人司大西
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2010-07-15
Also published as: TW200850137A; WO2008133101A1

Abstract

【課題】発熱源と熱的に接触し、該発熱源の熱を奪う受熱プレートと、ラジエータと、この受熱プレートとラジエータとの間で冷媒を循環させるポンプと、ラジエータに対して冷却風を与える冷却ファンとを有する液冷システムにおいて、発熱体が複数存在するとき、あるいは発熱体が単独で発熱量が大きいとき、効率的に放熱ができる、小型の液冷システムを得る。
【解決手段】ラジエータ３１，３２は発熱源１１，１２の数と同数以上設けることが好ましいのに対し、冷却ファン４１は必ずしもラジエータ３１，３２に対応させて設ける必要はなく、ラジエータ３１，３２の数より少数にすれば、小型で効率的な液冷システムができるとの着眼に基づき、流路１３ａ、１４ａが独立したラジエータ３１，３２を複数設け、これらラジエータ３１，３２に対して冷却風を与える冷却ファン４１を、該ラジエータ３１，３２の数より少数設けた液冷システムとした。
【選択図】図１

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。

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2002-261223号公報特開2004-3816号公報特開2004-266247号公報

しかし従来品は、発熱源毎に、ポンプ、吸熱部、放熱部（ラジエータ）、冷却ファンを設けており、特にラジエータと冷却ファンはセットで設けられていた。このため、発熱源の数が増える程、大型化するという問題があった。また、発熱源が単独であってもその発熱量が大きいときには、大型のラジエータと冷却ファンを必要とした。

本発明は、発熱体が複数存在するとき、あるいは発熱体が単独で発熱量が大きいとき、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。

本発明は、ラジエータは発熱源の数と同数以上設けることが好ましいのに対し、冷却ファンは必ずしもラジエータに対応させて設ける必要はなく、ラジエータの数より少数にすれば、小型で効率的な液冷システムができ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、発熱源と熱的に接触し、該発熱源の熱を奪う受熱プレートと、ラジエータと、この受熱プレートとラジエータとの間で冷媒を循環させるポンプと、ラジエータに対して冷却風を与える冷却ファンとを有する液冷システムにおいて、流路が独立したラジエータを複数設け、これらラジエータに対して冷却風を与える冷却ファンを、該ラジエータの数より少数設けたことを特徴としている。

ラジエータは、一般的には、各発熱源及び受熱プレートに対応させて設けるのがよい。

また、発熱源が単一でその発生熱量が大きいときには、該発熱源の受熱プレートに対して、複数のラジエータを接続することもできる。

冷却ファンは、シロッコファンとすると、その周囲に複数のラジエータを容易に配置することができる。

一方、ラジエータが複数であっても、ポンプは単一とすることができる。ポンプとしては、圧力損失による流量減少の小さい圧電ポンプを用いるのがよい。

ラジエータには、単一の入口ポートと出口ポートと、この入口ポートと出口ポートに両端部が連通する複数の積層流路板とを設けることが好ましい。各積層流路板の間に形成される空気流通隙間に冷却ファンからの冷却風を通過させることで、冷媒を冷却することができる。積層流路板の数は、発熱源の発生熱量（各ラジエータの負担冷却熱量）に応じて増減することができる。

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。

各積層流路板には、少なくとも１回Ｕ字状に曲折された液流路を設けるのがよい。

本発明の液冷システムは、発熱源の熱を放出するラジエータの数よりも、該ラジエータに冷却風を与える冷却ファンの数を少なくしたので、小型の液冷システムを得ることができる。

図１ないし図４はそれぞれ、本発明による液冷システムの実施形態を示す配置概念図である。図１の実施形態は、２つの発熱源（例えばノートＰＣのＣＰＵとＧＰＵ）１１と１２を冷却する水冷システムである。単一のポンプ２０を出た冷媒は、最初に発熱源１１と熱的に接触している受熱シート１３の液流路１３ａを通って該発熱源１１の熱を奪った後、第１のラジエータ３１に達する。該３１の液流路３１ｆを流れた冷媒は、発熱源１２と熱的に接触している受熱シート１４の液流路１４ａを通って該発熱源１２の熱を奪った後、第２のラジエータ３２に達する。該ラジエータ３２の液流路３２ｆを流れた冷媒は、ポンプ２０に戻る。受熱シート１３、１４は、伝熱性に優れた金属材料（例えばアルミニウム合金）から構成されており、発熱源１１、１２で発生した熱を、液流路１３ａ、１４ａを流れる冷媒に伝達する。このような受熱シートは周知である。

２つのラジエータ３１と３２は並立されており、この２つのラジエータ３１と３２に対して共通の（単一の）冷却ファン４１が設けられている。冷却ファン４１とラジエータ３１、３２の距離は同一である。

図２の実施形態は、ラジエータ３１と３２の配置位置が異なっている。図では、ラジエータ３１と３２を、冷却ファン４１の送風方向に対して前後に位置をずらせて描いているが、ラジエータ３１と３２は上下に位置をずらせ（図２の紙面に垂直な方向に位置を異ならせ）、冷却ファン４１とラジエータ３１、３２の距離を同一にするのがよい。いずれの実施形態も、２つのラジエータ３１、３２に対して１つの冷却ファン４１が用いられている点では共通である。

図３の実施形態は、３つの発熱源（例えばノートＰＣのＣＰＵとＧＰＵとチップセット）発熱源１１、１２、１５に対して、３つのラジエータ３１、３２、３３を用い、ラジエータ３１、３２に対して共通に１つの冷却ファン４１を用い、ラジエータ３３に対して独立した冷却ファン４２を用いている。発熱源１５と熱的に接触する受熱シート１６には他の受熱シートと同様に液流路１６ａが設けられて、ラジエータ３３には他のラジエータと同様に液流路３３ｆが設けられている。

図４の実施形態は、１つの発熱源１１に対して、３つのラジエータ３１、３２、３３を接続する態様に本発明を適用したものである。発熱源１１と熱的に接触する受熱シート１７には、３つの独立した液流路１７ａ、１７ｂ、１７ｃが形成されている。ポンプ２０からの冷媒は、受熱シート１７の液流路１７ａを通ってラジエータ３１の液流路３１ｆに達し、液流路３１ｆを出た冷媒は、液流路１７ｂを通った後ラジエータ３２の液流路３２ｆに達する。さらに、液流路３２ｆを出た冷媒は、受熱シート１７の液流路１７ｃを通ってラジエータ３３の液流路３３ｆに至り、ポンプ２０に戻る。２つのラジエータ３１、３２に１つの冷却ファン４１が用いられ。１つのラジエータ３３に１つの冷却ファン４２が用いられている点は、図３の実施形態と同一である。

図５は、１つの冷却ファンに複数のラジエータを配置する好ましい配置例を示している。冷却ファン４１は、軸部から吸収した空気を周囲３６０゜に渡って排出可能なシロッコファン４１Ｓからなっており、このシロッコファン４１Ｓの周囲に、ラジエータ３１、３２、３３が配置されている。さらに多数のラジエータを配置することもできる。

以上の実施形態のように、単一のポンプ２０から出た冷媒を受熱シート（１３、１４、１６、１７）の液流路（１３ａ、１４ａ、１６ａ、１７ａないし１７ｃ）と、ラジエータ（３１ないし３３）の液流路（３１ｆないし３３ｆ）で循環させた後、再びポンプ２０に戻せば、限られた流量で多くの熱量を運ぶことができ、効率的な冷却ができる。そして、本実施形態ではさらに、ラジエータ（３１ないし３３）の数よりも冷却ファン（４１、４２）の数が少ないので、小型化を図ることができる。

ポンプ２０は、どのタイプでも使用可能であるが、本実施形態の液冷システムは、１つのポンプ２０によって、受熱シートの複数の液流路１３ａ、１４ａ、１６ａ、１７ａないし１７ｃに冷媒を流すため、圧力損失による流量低下の少ない圧電ポンプを用いることが好ましい。図６、図７は、圧電ポンプ２０Ｐの一実施形態を示している。

この圧電ポンプ２０Ｐは、下方から順にロアハウジング２１とアッパハウジング２２を有している。ロアハウジング２１には、該ハウジングの板厚平面に直交させて、吐出ポート２１Ａと吸入ポート２１Ｂが互いに平行に穿設されている。ロアハウジング２１とアッパハウジング２２の間には、Ｏリング２３を介して圧電振動子（ダイヤフラム）２４が液密に挟着支持されていて、該圧電振動子２４とロアハウジング２１との間にポンプ室Ｐを構成している。圧電振動子２４とアッパハウジング２２との間には、大気室Ａが形成される。

圧電振動子２４は、中心部のシム２４ａと、シム２４ａの表裏の一面（図７の上面）に積層形成した圧電体２４ｂ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２４ａが臨んで液体と接触する。シム２４ａ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２４ｂ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２１の吐出ポート２１Ａと吸入ポート２１Ｂにはそれぞれ、逆止弁（アンブレラ）２５と２６が設けられている。逆止弁２５は、吸入ポート２１Ａ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２６は、ポンプ室Ｐから吐出ポート２１Ｂ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２５、２６は、同一の形態であり、流路に接着固定される穴あき基板２５ａ、２６ａに、弾性材料からなるアンブレラ２５ｂ、２６ｂ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２０Ｐは、圧電振動子２４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２５が開いて吐出側逆止弁２６が閉じるため、吸入ポート２１Ａからポンプ室Ｐ内に液体が流入する。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２６が開いて吸入側逆止弁２５が閉じるため、ポンプ室Ｐから吐出ポート２１Ｂに液体が流出する。したがって、圧電振動子２４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。

図８ないし図１０は、ラジエータ３１ないし３３として好ましい実施形態である。特に、流路が独立した複数のラジエータを単一ユニットして形成し、単一の冷却ファンで冷却するのによい。図示実施形態は、上下に２段のラジエータラジエータ３１と３２を有するタンデムラジエータ３０である。このタンデムラジエータ３０は、伝熱性のよい金属材料（例えばアルミニウム合金）からなるもので、上方にラジエータ３１用の入口ポート３１ａ、出口ポート３１ｂ及び複数（図示例では７枚）の積層流路板３１ｃを有し、下方にラジエータ３２用の入口ポート３２ａ、出口ポート３２ｂ及び複数（図示例では７枚）の積層流路板３２ｃを有している。ラジエータ３１と３２は、図８、図９に描いた区画線Ｄで分割したものを結合しても、最初から一体ものとして形成してもよい。

図９、図１０に示すように、入口ポート３１ａ（３２ａ）は、入口側共通縦通路３１ｄ（３２ｄ）に連通し、出口ポート３１ｂ（３２ｂ）は、出口側共通縦通路３１ｅ（３２ｅ）に連通している。各積層流路板３１ｃ（３２ｃ）内には、その両端部が、入口側共通縦通路３１ｄ（３２ｄ）と出口側共通縦通路３１ｅ（３２ｅ）に連通するＵ字状の液流路３１ｆ（３２ｆ）が形成されている。また、各積層流路板３１ｃ（３２ｃ）の間には、空気流通隙間３１ｇ（３２ｇ）が形成されている。冷却ファン４１は、このタンデムラジエータ３０に対して１つが配置され、冷却ファン４１からの冷却風は、空気流通隙間３１ｇ（３２ｇ）を流れる。

従って、入口ポート３１ａ（３２ａ）から入った冷媒は、入口側共通縦通路３１ｄ（３２ｄ）に入って各積層流路板３１ｃ（３２ｃ）の液流路３１ｆ（３２ｆ）を流れる。各積層流路板３１ｃ（３２ｃ）の間には、冷却ファン４１による冷却風が流れる空気流通隙間３１ｇ（３２ｇ）が形成されているので、液流路３１ｆ（３２ｆ）を流れる間に冷媒は冷却される。そして、出口側共通縦通路３１ｅ（３２ｅ）に戻った冷媒は、出口ポート３１ｂ（３２ｂ）から排出されて、次の受熱プレートの液流路またはポンプ２０に至る。

本発明による液冷システムの一実施形態を示す系統接続図である。同別の実施形態を示す系統接続図である。同さらに別の実施形態を示す系統接続図である。同別の実施形態を示す系統接続図である。シロッコファンとラジエータの配置形態の例を示す平面図である。圧電ポンプ単体の平面図である。図６のVII-VII線に沿う断面図である。タンデムラジエータ単体の斜視図である。図８の正面図である。図９のX-X線に沿う断面図である。

符号の説明

１１１２１５発熱源
１３１４１６１７受熱シート
１３ａ１４ａ１６ａ１７ａ１７ｂ１７ｃ液流路
２０圧電ポンプ（ポンプ）
２１ロアハウジング
２２アッパハウジング
２４圧電振動子（ダイヤフラム）
２４ａシム
２４ｂ圧電体
３１３２３３ラジエータ
３１ｆ３２ｆ３３ｆ液流路
４１４２４３冷却ファン
４１Ｓシロッコファン

Claims

発熱源と熱的に接触し、該発熱源の熱を奪う受熱プレートと、ラジエータと、この受熱プレートとラジエータとの間で冷媒を循環させるポンプと、上記ラジエータに対して冷却風を与える冷却ファンとを有する液冷システムにおいて、
流路が独立した上記ラジエータを複数設け、これらラジエータに対して冷却風を与える冷却ファンを、該ラジエータの数より少数設けたことを特徴とする液冷システム。
請求項１記載の液冷システムにおいて、上記ラジエータは、各発熱源及び受熱プレートに対応させて設けられている液冷システム。
請求項１記載の液冷システムにおいて、上記発熱源は単一であり、該発熱源の受熱プレートに対して、複数の上記ラジエータが接続されている液冷システム。
請求項１ないし３のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記冷却ファンはシロッコファンであり、複数の上記ラジエータが一つのシロッコファンの周囲に配置されている液冷システム。
請求項１ないし４のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記ポンプは、単一である液冷システム。
請求項１ないし５のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記ポンプは圧電ポンプである液冷システム。
請求項１ないし６のいずれか１項記載の液冷システムにおいて、上記ラジエータは、入口ポートと出口ポート、及び両端部がこの入口ポートと出口ポートに連通する流路を有し、互いの間に空気流通隙間を与えて積層された複数の積層流路板とを有している液冷システム。
請求項７記載の液冷システムにおいて、複数の上記ラジエータに用いる上記積層流路板は同一位置に積層されていて、この複数のラジエータに対して単一の冷却ファンが配置されている液冷システム。
請求項７または８記載の液冷システムにおいて、各積層流路板は、少なくとも１回Ｕ字状に曲折された液流路を備えている液冷システム。