JP4517962B2 - 電子機器用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばパーソナルコンピュータやサーバ等に代表されるように、その内部に発熱素子である半導体集積回路素子を搭載した各種の電子機器において、当該発熱素子の冷却に適した液冷装置に関する。

パーソナルコンピュータやサーバ等に代表される電子機器では、その筐体の内部に、発熱体である、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代表される半導体集積回路素子を備えており、そのため、通常、当該発熱素子の正常な動作を確保するため、冷却が必要とされている。近年、ＣＰＵは、演算処理速度が高速化しているため、それに伴い発熱量が益々増大している。

従来のＣＰＵの冷却方法は、ＣＰＵにヒートシンクを固定し、ヒートシンクもしくは装置筐体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空冷方式が主流であった。しかし、装置の高密度実装化に伴い、ＣＰＵ回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ため、おのずと冷却能力も制限される。また、ファンサイズも制限されるため、高風量を得るためには小型ファンを高速で回転させる必要が生じ、騒音が増大する。

上記の冷却方法のほかに、冷媒液によりＣＰＵを冷却する液冷方式がある。この液冷方式では、熱交換器を比較的自由な位置に設けることができるため、その大きさにも制約が少なくなり空冷方式に比べ冷却限界が高く、かつ低騒音化できる。そのため、近年、電子機器のＣＰＵ等の冷却に液冷方式が採用され始めている。

一方、パーソナルコンピュータやサーバなどの電子機器は、さらなる高性能化およびＣＰＵ故障時にも稼動を維持するための対応として、一台の電子機器装置内に、２個以上のＣＰＵが搭載される場合がある。このような、ＣＰＵが２個以上搭載された電子機器の液冷方式に関する従来技術として、たとえば、特許文献１において開示されている。特許文献１では、ポンプで輸送される冷媒液が冷媒液を溜める容器を通過後、配管を介して上流側のＣＰＵに接続されているジャケット内部を通過して集積回路の熱を吸収し、上流側のジャケットを通過した冷媒液体は、次に、下流側の別の集積回路に接続されたジャケットに流入している。冷媒液は、下流側のジャケット内部を通過して集積回路の熱を吸収した後、熱交換器にて熱を外気へ放出する。放熱され温度の低下した冷媒液は、ポンプに再び戻り、冷却装置内を循環して複数の集積回路を冷却する。

また、たとえば、特許文献２では、ポンプで輸送される冷媒液が、二つに分岐したチューブを介して二つのジャケットに分配され並列に流入し、それぞれのジャケットに接続されたＣＰＵの熱を吸収した後、ジャケットの流出口で合流してラジエータで熱を外気へ放出する例が開示されている。

他の例として、特許文献３に開示されるように、ジャケット、ポンプ、タンク、ラジエータで構成された液冷装置をひとつの単位としてＣＰＵに接続してＣＰＵを個別に冷却する構造が知られている。

特開平５−３１５４８８号公報 特開２００２−３７２３６０号公報 特開２００５−１０００９１号公報

近年、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器は、演算処理速度の高速化や高性能化に伴い、ＣＰＵ等の半導体素子の発熱量が益々増加している。高性能の電子機器を長期間信頼性良く稼動させるためには、これらＣＰＵ等の半導体素子の温度上昇を小さくする必要がある。しかし、前記従来技術を適用したときには、次のような問題点がある。

第１点は、前記、上流側のジャケットと下流側のジャケットに連続して冷媒液を流す例において、上流側のジャケットに吸収された熱により温度上昇した冷媒液が、引き続き下流側のＣＰＵに搭載されたジャケットに流入するため、下流側のＣＰＵの温度が冷媒液の温度上昇分だけ高くなってしまう点である。

第２点は、２つのジャケットに分配し並列に冷媒液を流す例において、ジャケットあたりの冷媒液の流量が減少してしまうため、ＣＰＵの温度上昇が大きくなってしまう点である。さらに、分岐した後の各ジャケットの流路系において、各チューブ長さの差異など、圧力損失のバランスから、各々のジャケットに流量配分に偏りが生じることにより、一方のＣＰＵの温度上昇が大きくなってしまう点である。

第３点は、ＣＰＵ個別に液冷装置を搭載する例で、複数のＣＰＵの冷却に対応する場合、ポンプ、タンク、ラジエータ等の部品がＣＰＵと同数必要となりコストが大きくなってしまう点である。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて成されたものであり、高発熱化する複数のＣＰＵが搭載された電子機器に対し、ＣＰＵ等半導体素子の温度上昇を小さくし、長期間信頼性良く電子機器を稼動でき、かつ部品点数が少なくコストに優れた電子機器用冷却装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の電子機器用冷却装置は、内部に液流路を有し前記発熱部材の熱を受熱する複数のジャケットと、冷媒液を駆動するポンプと、内部に液流路を有し冷媒液からの熱を放熱するラジエータと、前記ジャケット、前記ポンプ、および前記ラジエータの間を接続し閉循環流路を形成する配管部材からなり、前記ラジエータは、互いに独立した複数の液流路を有し、これらの複数の互いに独立した液流路に前記冷媒液の入口と出口を各々有し、前記複数のジャケットは、前記内部の液流路に接続された前記冷媒液の入口と出口を各々有し、前記閉循環流路は、前記複数のジャケットの内部液流路と前記ラジエータの複数の液流路とを交互に直列に接続されて形成され、前記ポンプが前記閉循環流路に設けられるようにした。

また、本発明では、前記の電子機器用冷却装置は、第１のジャケットと第２のジャケットからなる２つのジャケットを備え、前記ラジエータが、互いに独立した２つの液流路を有して一体に構成されるようにした。

また、本発明では、前記の電子機器用冷却装置は、さらに、ラジエータに対向して軸流ファンを設置し、ラジエータの分割された液流路の冷媒液入口につながるそれぞれの液流路がラジエータの端側に位置するように構成される。

また、本発明の電子機器用冷却装置は、内部に液流路を有し、電子機器に搭載された複数の半導体素子のそれぞれに接続される複数のジャケットと、冷媒液を駆動するポンプと、内部に液流路を有し冷媒液からの熱を放熱するラジエータ部と、ジャケット、ポンプ、およびラジエータ部を接続した配管部材で構成され、ラジエータ部を内部の液流路が互いに独立した複数のラジエータで構成し、各々のラジエータの液流路に冷媒液の入口と出口を設け、各々のラジエータ液流路と個別のジャケットとを交互にかつ直列に接続し閉循環流路を形成し、閉循環流路中に備えたポンプによって冷媒液を循環するようにした。

本発明によれば、高発熱化する複数のＣＰＵが搭載された電子機器に対し、ＣＰＵ等半導体素子の温度上昇を小さくできるので、長期間信頼性良く電子機器を稼動でき、また、部品点数が少なくコストに優れた電子機器用冷却装置を提供することができる。

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、図２は、本発明の一実施の形態になる液冷システムの全体構成を示したものである。なお、本実施例は、例えばパーソナルコンピュータやサーバ等のように、筐体の内部に２個の発熱する発熱素子（例えば、ＣＰＵ等）を備えた電子機器において、液体冷媒を循環することにより当該発熱素子の冷却を効率よく行うものである。図１、図２は、液冷システムが電子機器内に搭載された状態の正面図および側面図を示す。

液冷システムは、配線基板１上に搭載された２個のＣＰＵ２，３のそれぞれに接続された第１、第２ジャケット４，５、ラジエータ６、循環ポンプ７、冷媒タンク８で構成され、循環ポンプ７によって液冷システム内に封入された液体冷媒をジャケット４，５とラジエータ６の間で循環させ、ジャケット４，５で受熱したＣＰＵ２，３の熱をラジエータで放熱する。なお、図１、図２では、各構成部品を接続する配管類は省略した。配管経路などの詳細については、図６を用い後述する。

このラジエータは、図からも明らかなように、上下に対向・離隔して配置された一対のヘッダ１０１、１０１の間に、例えば、銅やアルミニウム等の金属のように、熱伝導性の高い部材からなる配管１０２を、複数本、互いに平行に、等間隔に並べて配置して接続し、そして、これら配管１０２の間には、やはり、銅やアルミニウム等の金属のように、熱伝導性の高い部材からなる、例えばコルゲート状のフィン１０３を取り付けて構成されている。また、このラジエータ６は、図２に示すように、ラジエータ６の一方の面に、所謂、軸流ファン２００を備えている。なお、ラジエータ６と軸流ファン２００との間には、両者の外周部を接続するダクト２０１が設けられる。

本発明では、上記液冷システムの一部を構成する、液体冷媒の循環ポンプ７、及び冷媒タンク８を有している。なお、この循環ポンプ７は、上記液冷システム内の液体冷媒を駆動してループ内を循環させるための液体駆動用の循環ポンプである。一方、冷媒タンク８は、例えば、５年間の製品保障期間に亘り、液体冷媒の外部への漏出をも考慮し、液冷システムが必要な冷却能力を維持するために十分な量の、液体冷媒（例えば、水、又は、プロピレングリコール等、所謂、不凍液を所定の割合で混合した水など）を保持するための冷媒貯留用のタンクである。

図３に本実施例で用いるジャケットの例を示す。ジャケットは、銅などの熱伝導の優れた金属板（フィンベース部）２１に多数のフィン２２を形成したフィンピース２３をフィンピース２３の高に合わせて形成したくぼみ部３２を形成したジャケットケース３１にはめ込みフタ４１をかぶせたものである。フィンピース２３は、たとえば、金属板２１の表面を端部から微細なピッチで連続的にすき起こして形成する。本加工法は、微細なピッチで液流路を形成するのに有効な方法である。ジャケットケース３１には、液冷媒の入口および出口ポート３３，３４が形成されている。ジャケットケース３２とフィンピース２３のベース部２１、および、ジャケットケース３１とフタ４１は、それぞれロウ付けなどにより接合される。

こうして構成された、ジャケットの断面図を図４に示す。フィンピース２３は、図４に示されるように、冷媒液がフィン間以外の部部をバイパスすることの無いよう、フィン先端とフタ４１との隙間、および、フィン２２の両端部とジャケットケース３１の内側面３５との隙間が、流路幅すなわちフィン間隔以下になるよう寸法管理されている。

また、ジャケット内部の上面断面図を図５に示す。液冷媒の入口および出口ポート３３，３４は、たとえば、ジャケットケース３１の１側面に２本のパイプなどを貫通させることにより形成される。フィンピース２３の上流側および下流側には、入口および出口ポート３３，３４につながる空間部３６，３７を有する。空間部３６，３７は、入口ポートから流入した液冷媒が、フィンピース２３に形成されるフィン間（液流路）へ均一に分配されるように形成されたバッファ領域部である。また、ジャケットケース３１の内側面に凹部３８，３９を形成し、フィンベース部２１の端部がこれらの凹部３８，３９に入り込むようにする。本構成にすることにより、フィンベース部２１の最外端に形成されたフィンとジャケットケース３１の内側面に形成される隙間を小さく抑えることができるとともに、ジャケットケース３１にフィンピース２３を接合する場合の位置決めも容易になる。

ここで、すき起しによる微細フィンの成型においてはフィンが湾曲するため、フィンベース部２１の最外端に形成されたフィンとジャケットケース３１の内側面に形成される隙間が大きくならざるを得ない。したがって、上記にあるようなフィンベース部２１側面に設けた凹部とフィンベースの嵌めあいによる成形は、フィン間の流路以外の液流のバイパスを防ぐのに特に大きい効果を表す。

図６にラジエータの詳細および配管経路について示す。図６中の矢印は、液冷媒の流れる方向を示している。ラジエータは、冷媒液が流れる液流路が中央で２分割され、２分割された各々のラジエータ領域に液冷媒の入口１１０，１１３と出口１１１，１１２がそれぞれ設けられている。分割された液の流路は、２本の配管１０２を並列してヘッダ１０１の間で構成したものを単位として、これが直列に接続されるようにヘッダ１０１内部が隔壁１０４で複数の部屋に分割されている。

循環ポンプ７で輸送される液冷媒は、液冷システムの各構成部品を接続している配管チューブを介して循環する。配管チューブとしては、一般的には、金属製のチューブが採用されるが、特に、その可動部分（たとえば、２個のＣＰＵを冷却する場合、ＣＰＵ間の高さばらつき、実装作業性の点でＣＰＵに接続されるジャケット同士は、可動関係にあることが望ましい）には、ブチルゴムなど、壁面からの冷媒の透過の少ない弾性体からなるチューブが採用されている。

循環ポンプ７で送出された液冷媒は、ＣＰＵ２に接続された第１のジャケット４内部を通過してＣＰＵ２の熱を吸収し、ラジエータ６の第１の領域（図６紙面右側）のラジエータ端部側に設けられた入口１１０から流入し、ラジエータ６の第１の領域から熱を放熱する。放熱され、温度の低下した液冷媒は、出口１１１からＣＰＵ３に接続された第２のジャケット５に流入する。

ジャケット５の内部を通過し、ＣＰＵ３の熱を吸収した液冷媒は、ラジエータ６の第２の領域（図６紙面左側）のラジエータ端部側に設けられた入口１１３から流入し、ラジエータ６の第２の領域から熱を放熱する。第２の領域で放熱され、温度の低下した液冷媒は、出口１１２から冷媒タンク８を通過して循環ポンプ７に再び戻り、冷却システム内を循環して２つのＣＰＵを冷却する。軸流ファン２００は、ラジエータ６の中心に配置され、ラジエータ６の液流入口１１０，１１３につながる液流路（温度の最も高い冷媒液が流れる流路）の配置された位置と風速の最も早いファン外周領域とが一致するようラジエータ６の液流入口１１０，１１３につながる液流路は、ラジエータの最外端に設けられ、液温の下がった液が流れる液流出口１１１，１１２につながる液流路とは隔離された配置になっている。

上記のように構成することにより、第１のジャケット４でＣＰＵ２の熱を吸収した液冷媒は、一旦、ラジエータ６で放熱された後に第２のジャケット５に流入する。このため、ＣＰＵ２の熱による冷媒温度の上昇分は、ラジエータでの放熱により第１のジャケットに流入したときの温度まで低下する。したがって、第１、第２のジャケットに流入する液温度は同じであり、上流側に位置するＣＰＵ２の温度の影響が下流側に位置するＣＰＵ３の温度に影響することは無い。

上記の温度の関係を図７に示す。すなわち、本発明では、従来技術にあるようなジャケット同士を直接直列に接続する場合と比較し、ジャケット４とジャケット５は、ジャケットを通過する液冷媒の温度の関係が同じで、それに接続されるＣＰＵ２，３は、均一にかつ効率よく冷却される。また、同様に図７に図示されるように、本発明によれば、液冷媒の最高温度を低減することができる。このことは、配管部材からの液冷媒の透過、腐食の進行などシステムの長期信頼性に影響を及ぼす要因に大きくかかわる。すなわち、配管部材からの液冷媒の透過、腐食の進行は、液温が高いほど顕著であるため、本発明のように、液冷媒の最高温度を低減できることは、長期間にわたり高い信頼性を得るのに非常に有効である。

また、冷却システムの各構成部品は冷媒流路に関しすべて直列に接続され、２つのジャケットに分岐する流路でないため、分配によるジャケット当たりの冷媒流量の減少、およびジャケット間の流量の偏りが生じない。これにより、２つのＣＰＵの温度上昇を小さくかつ均一にすることができる。

さらに、分割されたそれぞれのラジエータの液流路で、高温の液冷媒が流れる流路と放熱され温度の下がった液冷媒が流れる流路が隔離して配置されているので、温度の下がった液冷媒が高温の液冷媒の影響を受けることが無い。従って、ジャケットへ流入する液温度を上昇させジャケットの受熱能力を低下させることが無い。特に、温度の最も高い液が流れる液流路をラジエータの最外端に配置し、軸流ファンを用いると、風速の最も早いファン冷却風が供給領域と、液温度の高い液が流れる領域が一致するので、冷媒液と冷却風との効率のよりよい熱交換ができる。

また、ラジエータの液流路を複数の領域に分割し、それぞれの流路に接続されるジャケットを直列に接続したことにより、循環ポンプと冷媒タンクがそれぞれ１つで済み、コストを低減することができる。

本実施例では、２つのＣＰＵを冷却する例を示したが、さらにＣＰＵの数が多い場合においても同様な構成とすることができる。すなわち、ＣＰＵと同数の領域に液流路を分割したラジエータと、ＣＰＵと同数のジャケットを用意し、分割した各々のラジエータの液流路と個々のジャケットとを交互に直列に接続して循環流路を形成し、ひとつもしくは複数のポンプで液冷媒を循環すればよい。

なお、本実施例では、１つのラジエータの液流路を複数に分割した例を示したが、1つの液流路からなる複数のラジエータを用意し、上記と同様、各々のラジエータの液流路と個々のジャケットとを交互に直列に接続して循環流路を形成しても同様の効果が得られる。

本発明の一実施の形態になる、電子装置用冷却システムの全体構成を表す正面図である。 上記電子装置用冷却システムの全体構成を表す側面図である。 上記冷却システムを構成するジャケットの展開斜視図である。 上記ジャケットの側断面図である。 上記ジャケットの上面断面図である。 上記本発明の冷却システムの配管経路の構成図である。 上記本発明の効果を説明する図である。

符号の説明

２，３ ＣＰＵ、４，５ ジャケット、６ ラジエータ、７ 循環ポンプ、８ 冷媒タンク、２３ フィンピース、３１ ジャケットケース、１０６ 吸入ポート、２００ 電動ファン

Claims (3)

1. 電子機器に搭載された複数の発熱部材にそれぞれ接続され、内部に液流路を有し前記発熱部材の熱を受熱する複数のジャケットと、冷媒液を駆動するポンプと、内部に液流路を有し冷媒液からの熱を放熱するラジエータと、前記ジャケット、前記ポンプ、および前記ラジエータの間を接続し閉循環流路を形成する配管部材からなる電子機器用冷却装置において、前記ラジエータは、互いに独立した複数の液流路を有し、該複数の互いに独立した液流路に前記冷媒液の入口と出口を各々設け、前記複数のジャケットは、前記内部の液流路に接続された前記冷媒液の入口と出口を各々設けた構造をなし、前記閉循環流路は、前記複数のジャケットの内部液流路と前記ラジエータの複数の液流路とを交互に直列に接続して形成され、前記ポンプが前記閉循環流路に備えられたことを特徴とする電子機器用冷却装置。
2. 前記請求項１に記載した電子機器用冷却装置において、前記複数のジャケットは、第１のジャケットと第２のジャケットからなる２つのジャケットを備え、
   前記ラジエータは、互いに独立した２つの液流路を有して一体に構成されたことを特徴とする電子機器用冷却装置。
3. 前記請求項２に記載した電子機器用冷却装置において、前記ラジエータに対向して軸流ファンを設置し、前記ラジエータの分割された液流路の冷媒液入口につながるそれぞれの液流路がラジエータの端側に位置するように構成されたことを特徴とする電子機器用冷却装置。
   

Images