JP4682859B2 - 電子機器用の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、小型で高性能な情報処理装置等の電子機器における高発熱電子部品を冷却するための冷却システムに関するものである。

電子機器に使用される半導体集積回路は、電子機器における取り扱い情報量の増大等からその処理速度の高速化を要求されており、高速処理を重点課題として急速に高集積化が進んできた。それに伴って半導体から発生する発熱量も増大している。一方、半導体における発熱は所定の温度以上になると半導体の持つ性能を確保する上で阻害要因となるだけでなく、半導体自体を破損してしまう問題を生じてくるため、電子機器においてこの発熱を冷却することは必須要件である。よって、装置の小型化，高性能化に対応した小型で、高性能な冷却システムの開発が期待されている。

ついては、増大した発熱量の冷却を行うために、冷却方法の開発とともに、各冷却方法における冷却能力の向上を図る工夫が行われている。例えば、ファンで冷却風を送り込む風冷システムにおいては、ファンの形状や、回転速度の制御による冷却風量の増加や、風路の工夫などが取り組まれており、液体によって放熱位置まで熱移送する液冷システムにおいては、熱交換部や熱移送部の高熱伝導性の材質や構造の改良，熱移送の制御などで熱交換効率の向上が図られている。

一方、電子機器は、従来の業務用装置から小形・高性能な携帯用，個人用の装置としても大きく発展してきている。例えば計算機の製品分野に関しても、デスクトップ型のパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと称す）やノート型のＰＣは中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと称す）の演算処理の高速化によって、使い勝手の良い製品を実現されてきたが、反面、発熱量の増大が問題化してきている。

近年、このＰＣの冷却方式としては、冷却能力に対比して小型化，静音化に優位性を持つ液冷システムが好まれて使用されるようになってきた。この液冷システムのノートＰＣの例として特許文献１が挙げられる。また。デスクトップＰＣの液冷システムの例として特許文献２が挙げられる。また、特許文献２には、液冷システムよりもさらに冷却性能の向上を追求できる冷却液の蒸発及び凝縮作用を利用して冷却を行う潜熱冷却システムの例も記載されている。さらには、潜熱冷却システムの循環型として特許文献３が挙げられる。

特開２００４−１３９１８５号公報 特開２００４−１１６８６４号公報 特開２００４−３２６３４３号公報

特許文献１に開示されている冷却システムは、ノートＰＣの薄型の構造に対応した液冷システムの例であり、放熱器として表示部の背面の広い面積にわたって流路を形成した放熱板を配置し、本体側配置の発熱部との間で液を循環する構成としている。よって、放熱板は放熱効果をあげるために放熱性の良い金属材料等で構成する必要があり、携帯用途の機器でありながら軽量化の阻害要因になっている。さらには冷却性能を上げるためには、放熱板を大きくする必要が有るが、放熱板面積の増大には装置の形状から自ずと限界があり、冷却性能の増強には、外付けのヒートシンクやファンの設置等で対応していかざるを得ない状況にある。

特許文献２に開示されている冷却システムは、デスクトップＰＣに搭載された液冷システムである。放熱器はフィンを設けたヒートシンクとした構造であり、ファンによってヒートシンクのフィンに向かって冷却風を吹き付ける構成とされている。デスクトップ型
ＰＣにおいては、冷却システムの配置場所と設置空間に関する制約がノートＰＣよりは小さいことから、放熱器としては従来型の配管と冷却フィン構成で平面状あるいはブロック状に形成したラジエータが用いられる例もある。さらに、放熱効果を挙げるためには、放熱器に吹き付けた冷却風が暖められた後に装置内に循環することなく装置外に排出させるために放熱器を装置の外部にはみ出させて装着している。また、冷却風の流れを制御するために装置内に冷却風路を形成するダクトの設置等も工夫されている。しかし、これらは装置の小型化に対する阻害要因である。

さらに特許文献２には、ヒートパイプ方式による冷却システムについても記載されている。ヒートパイプ方式は、冷媒液によって熱輸送して放熱器で冷却する液冷システムに比べて気化熱による冷却のために冷却性能に優るが、ヒートパイプ内の同一管内で蒸発・凝縮サイクルを繰り返すことからヒートパイプの下部で受熱されて蒸発した気体の上昇流路と上部で冷却されて凝縮して還流される液体の戻り流路とがヒートパイプ内で接触領域を持つことから圧力損失等により蒸発・凝縮サイクルの循環が阻害される問題が生じることがある。

この問題を解決するために、特許文献３に記載されているように、蒸発された気体と凝縮された液体の流路を分離して、ポンプによって一方向に蒸発・凝縮サイクルを行う循環型の潜熱冷却システムが開発されている。しかし、蒸発・凝縮による潜熱冷却システムにおいては冷媒液の蒸気冷媒状態の蒸気圧等によって冷媒液が漏洩しやすく高度の密封性が要求されるという課題を有している。

電子機器における発熱部品の発熱量の増大と、電子機器の小型化要求はますます増してくるものと思われる。しかし、従来の冷却システムにおいては、冷却性能を上げることと冷却装置を小型化することの二律相反の状況にあり、大形のサーバや、デスクトップ型
ＰＣの冷却システムと、ノート型ＰＣの冷却システムでは異なる方式・構造の冷却システムを搭載せざるを得ない状況にある。

本発明の目的は、従来の液冷システムの問題を解決し、デスクトップ型ＰＣからノート型ＰＣとＰＣの形態に係わらず搭載可能とした電子機器用の小型で、高冷却性能な冷却システムを提供することにある。

上記目的は、電子機器における発熱体の冷却システムにおいて、内部に冷媒液の流路を有し前記発熱体に接続して受熱される受熱部材と、該受熱部材によって受熱した気液混合状態の冷媒液を駆動する第１のポンプと、該第１のポンプで駆動される前記冷媒液を冷却し液冷媒に相変化させる放熱部材と、該放熱部材によって相変化した液冷媒を貯留するタンク部と、該タンク部より液冷媒を駆動する第２のポンプとを有し、各部材を配管によって接続して循環流路を形成し、前記放熱部材と前記タンク部は上下の一体構成となし、気液混合状態の冷却液を流入する流入口を前記一体構成の上部の放熱部材に対向して配置し、液冷媒として流出する流出口を前記一体構成の下部のタンク部に対向して配置し、前記放熱部材と前記タンク部を挟んで、気液混合状態の冷媒液を駆動する前記第１のポンプを循環流路の上流側に配置し、液冷媒を駆動する前記第２のポンプを下流側に配置して構成されたことにより達成される。

また上記目的は、前記第１のポンプの駆動力を前記第２のポンプ駆動力より小さくしたことにより達成される。

また上記目的は、前記第１のポンプを容積型のポンプとし、前記第２のポンプを遠心型のポンプとしたことにより達成される。

本発明によれば、デスクトップ型ＰＣからノート型ＰＣとＰＣの形態に係わらず搭載可能とした電子機器用の小型で、高冷却性能な冷却システム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図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態を示す冷却システムの概要構成図である。
図１において、１は電子機器（図示せず）に用いられる発熱体、２はその発熱体１に接触して発熱体１を冷却するために内部に冷媒液の流路を有する受熱部材、３は受熱部材２の下流で放熱部材（後で説明）の上流に配置され、気液混合状態にある冷媒液を吸引し循環する第１のポンプ、４は冷媒液の冷却のために内部に冷媒液を通流する流路を有した放熱部材、５は放熱部材４とともに密封され一体構成としたタンク、６は放熱部材４の下流で受熱部材２の上流に配置され、タンク５より流出する冷媒液を駆動する第２のポンプ、７は各部材を接続して冷媒液の循環経路を形成する配管である。

次に各部材の詳細と、冷却システムの動作状態について以下に説明すると、図示しない電子機器は、サーバ，デスクトップ型ＰＣ、及びノート型ＰＣ等のいずれかの特定された装置に係わるものではない。

図２は本発明の受熱部材２の実施例における概略構成斜視図（一部透視図）である。
図３、及び図４はともに受熱部材２の流路の構成に関して異なる実施形態を示す断面図である。
図２に示されるように、受熱部材２は冷媒液を通流するための空間部を形成して空間部を密封する枠体２１を有し、枠体２１に対向形成されている側辺部の一方には冷媒液の流出口２２ａが設けられ、他方には冷媒液の流入口２２ｂが設けている。各々の流出口22ａ，流入口２２ｂには冷媒液を循環するための配管７が接続されている。枠体２１の内部の空間部には、冷媒液を分流して通流するためのほぼ並行に設置された通流壁片群２３と、通流壁片群２３と流出口２２ａ，流入口２２ｂを設けた側辺部の内壁間に冷媒液を合流あるいは分流するための空間となるヘッダ２４ａ，２４ｂと、を有するように構成された受熱板２５を組み込んで接合され、受熱部材２として密封構成されている。

さらには、図３に示すように、通流壁片群２３は通流する冷媒液との接触面積を広くとるために、ほぼ並行に配した壁平面を受熱部材の厚さ方向に中間部で湾曲した形状に形成している。このことにより冷媒液と通流壁片との熱伝導量を高めることができる。尚、この通流壁片群２３は熱伝導性の良い受熱板２５の板材質を切削加工等によって切り起した同一材質で構成させたものを使用することが好ましいが、他の構造によって流路を形成しても支障ない。

尚、図３にみるように、この切削加工による切り起し通流壁片群２３は、切削加工による切り起しのために自然な湾曲平面をなすものであり、冷媒液との伝熱接触面積を増す方法として大いなるメリットを示す。一方、切削加工による切り起し通流壁片群２３の端部は加工状態によって湾曲状態や、切り起し長がばらつく可能性があり、一方向からの切り起し片では枠体２１の内壁平面との間で隙間が生じて冷媒液の短絡した流路バイパスができることになる場合がある。この隙間の発生を回避するためには切削加工後に高さ位置を揃える作業等が必要になる。この問題を回避する方法として、図４にみるように、枠体
２１の受熱面対向内壁平面に形成した通流壁片群２３ｂと、受熱板２５に形成された通流壁片群２３ａとを上下より、相互に組合せ対向配置させる構成として流路を形成すると短絡した流路バイパスが形成されることがないので、この高さ位置を揃える作業を割愛することができる。

この構造による受熱部材２は、電子機器に搭載された複数の半導体部品の発熱体１に熱的に接続して用いることで、発熱体１の発生熱を受熱部材２内部に通流する冷媒液によって蒸気冷媒への相変化を伴ないながら受熱させる。

受熱部材２において受熱した冷媒液は受熱部材２の下流で、放熱部材４の上流に位置して配置された第１のポンプ３により駆動される。この第１のポンプ３は、液冷媒と蒸気冷媒の混合状態にある冷媒液の場合でも冷媒液を駆動することができる容積型ポンプであることが好ましい。また、冷媒液の循環する力が冷媒液を駆動するポンプに駆動力によって一体的に循環させる物でなく、一旦液冷媒タンクに冷媒液を貯留する方式のため第１のポンプは蒸気冷媒液を駆動するに必要な駆動力だけを考慮すればよい。

受熱部材２において受熱された冷媒液の液冷媒と蒸気冷媒の混合比率は使用される冷媒液によって異なるが、液冷媒の比率が大となる冷媒液とした装置の場合は後述する第２のポンプと同レベルの駆動力を有するポンプとすることによって、冷媒液の駆動力を２つのポンプで分配して循環させるように考慮され、蒸気冷媒の比率が大になる冷媒液とした装置の場合は蒸気冷媒の循環を阻害させない程度の補充的な駆動力を有するポンプとするように考慮されればよい。

受熱した冷媒液は第１のポンプ３で駆動され、気液混合体流入口４３から放熱部材４に流入して、放熱部材４内部に配置された流路を通流しながら冷却されて蒸気冷媒とされた冷却液は液冷媒に相変化される。

図５は放熱部材４と一体のタンク５を示す概略外観斜視図である。
図６は放熱部材の枠体の一部を示す斜視図である。
図において、放熱部材４は、内部に冷却液の通流する通流壁片群４１を有している。また、放熱部材４の外表面の一部には、放熱用のフィン４２を有している。これらの通流壁片群４１、及び放熱用のフィン４２は、受熱部材２において説明した切り起し加工によるものであっても良いし、他の従来方法による放熱管等のものであっても支障ない。ただ、本発明の蒸気冷媒の冷却による液冷媒への相変化を行う放熱部材４の流路としては、放熱効果を有するフィン状の流路で支障ないために熱伝導性の良い放熱板４３の材質を切削加工した切り起し片の通流壁片群４１が最適な構造であるといえる。

さらに放熱部材４の外部表面の一部には、放熱効果をあげるための放熱用フィンを同様に切削加工によって設けることも可能である。放熱部材４の上部とタンク５の下部とは冷却液を通流できる貫通口４３ａを有した仕切り板４３によって分割されているが、液層と蒸気層を分離するための仕切り板である必要はない。また、仕切り板４３の放熱部側の表面には、蒸気冷媒と接触する通流壁片群（フィン）を形成してタンク５の筐体を放熱のための放熱板の作用として利用することも可能である。放熱部材４に外表面に形成された放熱用フィンによる冷却性能を向上するために放熱用フィンに向けてファンによって送風する構成は容易に想定される方法である。

次に、放熱部材と一体構成とされたタンク部の上部に配置された放熱部材４の一側壁面には第１のポンプ３からの冷媒液の流入口４３を設け、下部のタンク５の一側面壁にはタンク５から冷媒液を流出するための流出口５１を設けている。この構成によって放熱部材４により冷却された冷媒液を一旦液冷媒としてタンク５に溜めて流出口５１から循環されるために、タンク５の下流で、受熱部材２の上流に位置して配置された第２のポンプ６には、液冷媒のみが送られる。よって、第２のポンプ６は遠心型のポンプでも良い。

第２のポンプ６により、放熱された冷媒液を受熱部材２に送り受熱部材２によって再び発熱体１の熱が受熱される。これらのサイクルを繰り返すために冷媒液を循環可能なように各部材は配管で密封接続されている。

本発明によれば、容積型のポンプを第１のポンプとして受熱部材の下流に設けることで液冷媒が相変化して蒸気冷媒を含んだ場合にも冷媒液を吸い込んで駆動することで蒸発・凝縮型の冷却システムにおける問題であった受熱部材において蒸発した冷媒液の配管内の圧力損失によって冷媒液の循環を阻害することがなく、また、第２のポンプを放熱部材の下流に配置することによって放熱部材から受熱部材に液体冷媒を確実に駆動することが可能になる。これらの２つのポンプを放熱部とタンク部を挟んで配置することによって、第１のポンプにおいて駆動する蒸気冷媒と、第２のポンプにより駆動する液冷媒と、の間にタンク部の空気層を介在する構成とされている。即ち１つのポンプによる冷媒液の循環方法でないため、冷媒液の減少に対しても圧力損失等で液の循環が滞る問題が無い。さらには冷媒液の漏洩に対してもタンク内に滞留された冷媒液を補充することができるので、冷却システムに高度の密封性を要求する必要性も無い。

気化熱による高性能な冷却方法に対応しながら、気液混合状態の冷媒液と、液体状態の冷媒液を適切な２つのポンプと放熱部材一体のタンクによって、円滑な冷媒液の循環を達成できることから、簡素で小型な冷却システムが実現され、色々な形態の電子機器に搭載可能な冷却システムを提供できる。

本発明の冷却システムを示す構成図である。 本発明における受熱部材の実施例の概略構成斜視図である。 本発明における受熱部材の一実施形態の断面図である。 本発明における受熱部材の他の実施形態の断面図である。 本発明における放熱部材の実施例の概略斜視図である。 本発明における放熱部材に設けられた放熱流路及び放熱用フィンの概略斜視図である。

符号の説明

１…発熱体、２…受熱部材、３…第１のポンプ、４…放熱部材、５…タンク、６…第２のポンプ、７…配管。

Claims (1)

1. 電子機器における発熱体の冷却システムにおいて、
   内部に冷媒液の流路を有し前記発熱体に接続して受熱される受熱部材と、
   該受熱部材によって受熱した気液混合状態の冷媒液を駆動する第１のポンプと、
   該第１のポンプで駆動される前記冷媒液を冷却し液冷媒に相変化させる放熱部材と、
   該放熱部材によって相変化した液冷媒を貯留するタンク部と、
   該タンク部より液冷媒を駆動する第２のポンプとを有し、
   前記受熱部材と前記第１のポンプと前記放熱部材と前記タンク部と前記第２のポンプとを配管によって接続して循環流路を形成し、
   前記放熱部材と前記タンク部は上下の一体構成となし、気液混合状態の冷媒液を流入する流入口を前記一体構成の上部の放熱部材に対向して配置し、液冷媒として流出する流出口を前記一体構成の下部のタンク部に対向して配置し、
   前記放熱部材と前記タンク部を挟んで、気液混合状態の冷媒液を駆動する前記第１のポンプを循環流路の上流側に配置し、液冷媒を駆動する前記第２のポンプを下流側に配置して構成され、
   前記第１のポンプを容積型のポンプとし、前記第２のポンプを遠心型のポンプとしたことを特徴とする電子機器用の冷却システム。

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