JP4381998B2 - 液冷システム - Google Patents

Description

本発明は、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器であって、特に、その内部に搭載した発熱素子である半導体集積回路素子を液体冷媒により効率的に冷却することが可能な液冷システムに関する。

デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器における発熱体である半導体集積回路素子、特に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代表される発熱素子は、通常、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする。そのため、従来、一般的には、ヒートシンクと呼ばれるフィンを一体に形成した伝熱体と、それに冷却風を送るファンとを用いることによってその冷却を実現されていた。しかしながら、近年、上記発熱素子である半導体集積回路素子の小型化及び高集積化は、発熱素子における発熱部位の局所化などを生じており、そのため、従来の空冷式の冷却システムに代えて、例えば水等の冷媒を用いた冷却効率の高い液冷式の冷却システムが注目されてきている。

すなわち、パーソナルコンピュータやサーバ等において用いられる冷却効率の高い液冷式の冷却システムは、例えば、以下の特許文献等によっても知られるように、一般に、発熱体であるＣＰＵの表面に、所謂、受熱（冷却）ジャケットと呼ばれる部材を直接に搭載し、一方、この受熱ジャケットの内部に形成された流路内に液状の冷媒を通流させ、ＣＰＵからの発熱を上記ジャケット内を流れる冷媒に伝達し、もって、発熱体を高効率で冷却するものである。なお、かかる液冷式の冷却システムでは、通常、上記受熱ジャケットを受熱部とするヒートサイクルが形成されており、具体的には、上記液体冷媒をサイクル内に循環させるための循環ポンプ、上記液体冷媒の熱を外部に放熱するための放熱部である、所謂、ラジエータ、さらには、必要に応じてサイクルの一部に設けられた冷媒タンクを備えており、そして、これらを金属製のチューブや、例えば、ゴムなどの弾性体からなるチューブを介して接続して構成されている。

特開２００３−３０４０８６号公報 特開２００３−０２２１４８号公報 特開２００２−１８２７９７号公報 特開２００２−１８９５３５号公報 特開２００２−１８９５３６号公報 特開２００２−１８８８７６号公報

ところで、上記従来技術になる冷却システムでは、一般的に、その熱サイクルの一部に設けられて液体冷媒を駆動するための循環ポンプとしては、通常、比較的多量の流量が得られ、接触による騒音が少ない等の理由により、所謂、遠心ポンプが広く利用されている。なお、かかる遠心ポンプを利用した循環ポンプでは、その他の形式のポンプを利用した場合においても同様であるが、かかるポンプを回転駆動するための電動機を、別途、設ける必要があり、そのため、循環ポンプ全体の大きさが比較的大きなものとなってしまっていた。

その一方において、近年では、デスクトップ型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等を含めた電子機器は勿論のこと、その可搬性を向上するため、特に、ノート型パーソナルコンピュータでは、益々、その小型化に対する要求が高まっており、そのため、上述した従来技術になる循環ポンプでは、必ずしもかかる要求に対応することは困難な情況となって来ている。加えて、更には、かかる電子機器の動作時における低騒音化に対する要求も高まっている。

そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑み、その小型化が可能であり、機器の動作時における低騒音化にも有効な、新たな形式の駆動手段を備え、上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられるに適した冷却システムを提供することを目的とする。

本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、筐体内に発熱素子を備えた電子機器の液冷システムであって：当該発熱素子の発熱をその内部の液体冷媒に伝達して気化する受熱ジャケットと；前記受熱ジャケットから供給される気化した液体冷媒を内部に導いて冷却して液化するラジエータと；内部の液体冷媒の通流方向を一方向に規定し、かつ、前記ラジエータからの液化した液体冷媒の一部に加熱と冷却とを繰り返すことにより、前記液体冷媒を循環する駆動力を与える駆動手段とを備え、もって、前記液体冷媒を前記受熱ジャケット、前記ラジエータ、及び、前記駆動手段を含む循環ループ内で循環する液冷システムが提供される。

また、本発明では、前記した液冷システムにおいて、前記受熱ジャケットの内部表面には、液体冷媒の気化を促進する処理が施されていることが好ましく、又は、前記駆動手段は、その内部に前記ラジエータからの液化した液体冷媒の一部を貯留する部分を有しており、かつ、当該貯留部分の内部表面には液体冷媒の気化を促進するための処理が施されていることが好ましい。

更に、本発明では、前記した液冷システムにおいて、前記駆動手段は、その内部に前記ラジエータからの液化した液体冷媒の一部をその内部に貯留する部分に、電気ヒータを取り付けることが好ましく、又は、前記駆動手段は、その内部の液体冷媒の通流方向を一方向に規定するためにチェックバルブを備えていることが好ましい。

以上に述べた本発明によれば、所謂、熱サイフォンを利用して冷媒の輸送機構を構成することにより、小型化が可能であり、機器の動作時における低騒音化にも有効であり、受熱ジャケットやラジエータの設置位置にもかかわらず、確実に、冷却効果を得ることが可能な液冷システムを提供することが可能になるという、優れた効果を発揮する。

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ており、基本的には、受熱ジャケット１００と、ラジエータ２００と、そして、当該液冷システム内において液体冷媒（純水など）を循環する液体駆動装置３００が設けられ、かつ、これらの間には金属等から形成される配管５０が接続され、もって、閉ループを形成している。

より詳細に説明すると、図において、受熱ジャケット１００は、矩形の板状の外形を有しており、例えば、銅、アルミニウム等の熱伝導性に優れた金属から形成されている。この受熱ジャケット１００の内部構造が、添付の図２において断面で示されており、この図２からも明らかなように、この受熱ジャケット１００の内側の底面は、その略中央部が盛り上がるように形成されており、かつ、その表面には、冷媒液の液膜を保持し、気化しやすくするための細かな溝１０１が多数、交互に交差して形成されている。また、この受熱ジャケット１００の内部は、仕切り板１０２が取り付けられており、これにより、液体冷媒が流入する部分（図２の右側の室）と、気化された冷媒だけが流入する部分（図２の左側の室）とに分離されている。

なお、この液体冷媒が流入する部分（図２の右側の室）には、後にも説明する液体駆動装置３００から駆動・供給される液体冷媒が流れ込むための金属管（液送管）１０３が、その中央部まで伸びて配置されている。一方、気化された冷媒だけが流入する部分（図２の左側の室）の内部には、気化された冷媒を上記ラジエータ２００へ導くための金属管（蒸気送管）１０４が配置されている。また、この図中において、符号Ｗは、その内部の冷媒液を、そして、符号６００は、この受熱ジャケット１００によって冷却される発熱素子を示している。

また、ラジエータ２００は、例えば、銅等の金属製のパイプの表面に冷却フィン２０２を形成したもので、パイプ内面に溝加工を施すことによって、気化した冷媒の凝縮を促進することができる。上記の図１からも明らかなように、上記受熱ジャケット１００から供給される気化された冷媒を、その上部に設けた入口２０１から内部に導入し、その壁面に多数取り付けた冷却フィン２０２の働きにより冷却、凝縮する。即ち、上記受熱ジャケット１００から供給される気化された冷媒は、このラジエータ２００内において、液体に戻り、その底部に貯留されることとなる。

そして、当該液冷システム内において液体冷媒を循環する液体駆動装置３００は、図１に明らかなように、第１のチェックバルブ（逆止弁）３０１と、第２のチェックバルブ（逆止弁）３０２とを備え、かつ、例えば、円筒状の外形を有する液体駆動部（輸送チャンバ）３０３を有している。なお、この液体駆動部３０３の内壁面には、その表面を粗面にして表面張力を発生される、所謂、ウィック加工（図の破線で示す）が施されている。そして、この液体駆動部３０３は、その底壁と側壁に開口部３０４、３０５が形成されており、それぞれ、図示の方向に、上記第１の逆止弁３０１と第２の逆止弁３０２とが取り付けられている。更に、上記円筒状の外形を有する液体駆動部３０３の上部には、例えば、ニクロム線などをその周囲に巻き付けて、所謂、ヒータ３０６が取り付けられている。なお、図中の符号４００は、この液体駆動装置３００のヒータ３０６に加熱用の駆動電力を供給するための駆動回路を示している。

続いて、上記にその構造を説明した液冷システムにおける動作について、以下に、添付の図３及び図４を参照しながら、詳細に説明する。なお、この液冷システムでは、その動作の際には、上記図１に示すように、駆動回路４００からパルス状のヒータ電流がヒータ３０６に供給される。

図３にも示すように、パルス状のヒータ電流を供給すると、上記液体駆動装置３００のヒータ３０６が加熱し、もって、液体駆動部（輸送チャンバ）３０３を加熱する。そのため、この液体駆動部３０３の内部では、その液体冷媒が加熱により気化し、その内部圧力を上昇させる（Ｐ１→Ｐ２）。この時、液体駆動部３０３の内部の圧力が受熱ジャケット１００内の圧力より高くなると、図４（ａ）に示すように、第１の逆止弁３０１が開く一方で第２の逆止弁３０２が閉じることから、液体冷媒は、第１の逆止弁３０１を通って、矢印方向へ、即ち、上記受熱ジャケット１００へ向かって流れる。

その後、パルス状のヒータ電流の供給を停止すると、ヒータ３０６の加熱も停止し、液体駆動部（輸送チャンバ）３０３はむしろ冷却されることとなる。そのため、この液体駆動部３０３の内部では、液の蒸発量の減少、気化した冷媒の凝縮により、その内部圧力を降下させる（Ｐ２→Ｐ１）。即ち、この時には、液体駆動部３０３の内部の圧力がラジエータ２００内の圧力より低くなると、図４（ｂ）に示すように、第２の逆止弁３０２が開く一方で第１の逆止弁３０１が閉じることから、液体冷媒は、第２の逆止弁３０２を通って、矢印方向へ、即ち、上記液体駆動部３０３の内部に流れ込む。すなわち、上記の動作を繰り返すことにより、上記受熱ジャケット１００から供給されて凝縮して液体に戻り、ラジエータ２００内の底部に貯留されている冷媒は駆動され、上記液冷システム内を、順次、移動することとなる。ヒータ３０６の加熱量およびＯＮ−ＯＦＦのサイクルは、熱輸送量（発熱素子６００の発熱量）、液体冷媒の種類、逆止弁３０１、３０２の動作差圧により決定される。なお、ヒータ３０６の加熱量は、液の蒸発により液体駆動部３０３の内部の圧力上昇のみが起きればよいので、輸送熱量に比べはるかに小さな熱量でよい。

なお、上記の説明において、液体駆動部３０３（輸送チャンバ）の内壁面にはウィック加工が施されており、そのため、この液体駆動部３０３内部では、液体冷媒がその表面の表面張力により、内壁面全体に広がることから、ヒータ３０６による加熱によって、容易に、気化されることとなる。また、上記受熱ジャケット１００の内側の底面に多数形成された交差する溝１０１によっても、同様にして、その内部の液体冷媒が気化され易く、そのため、上記図２に示すように、上記受熱ジャケット１００を、電子機器の筐体内に配置された、例えば、ＣＰＵで代表される発熱素子６００の表面に接触して取り付けた場合、その冷却効率が向上されることとなる。また、受熱ジャケットに接続される液送管１０３は、口を蒸発面の中心近傍まで延材させ蒸発面全体に液が供給されやすくする。一方、受熱ジャケットに接続される蒸気送管１０４は、受熱ジャケット１００内の液体冷媒が蒸気とともに蒸気送管１０４から送出されないようにすることが望ましい。そのため、蒸気送管１０４の口を受熱ジャケット１００内部の側壁に沿ってコーナ部まで延材させ、口と側壁面との間に蒸気が通過する隙間を残して配置するようにする。さらに、前述の通り、仕切り板１０２により液体冷媒が流入する部分（図２の右側の室）と、気化された冷媒だけが流入する部分（図２の左側の室）が分離され、液体冷媒Ｗが蒸気送管１０４の口に達しないようにする。なお、液体冷媒が流入する部分（図２の右側の室）で発生した蒸気が、気化された冷媒だけが流入する部分（図２の左側の室）へ移動できるよう、たとえば、仕切り板１０２と受熱ジャケット１００の天面との間には蒸気が通過する隙間が設けられる。なお、この受熱ジャケット１００内で気化した冷媒は、その圧力及び上記第１の逆止弁３０１の働きにより、ラジエータ２００内に導かれることは、上述した通りである。

以上に述べたように、上述した液冷システムによれば、所謂、熱サイフォンを利用して冷媒の輸送機構を構成することにより、小型化が可能であり、機器の動作時における低騒音化にも有効であり、受熱ジャケットやラジエータの設置位置にもかかわらず、確実に、冷却効果を得ることが可能となる。

また、以上の実施の形態によれば、上記液体駆動装置３００の液体駆動部３０３を加熱するため、ヒータ３０５を用いた例について説明したが、しかしながら、本発明は、かかる構成にのみ限定されるものではなく、その他の実施の形態としては、例えば、上記ヒータ３０５に代えて、例えば、添付の図５に示すように、ペルチェ素子７００を利用することも可能である。なお、その場合、図にも示すように、当該ペルチェ素子７００に対して交流電力を印加することによれば、このペルチェ素子７００を能動的に加熱／冷却（温度上昇／降下）を切り替えることが可能となり、好ましい効果を発揮することが出来る。

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す図である。 上記液冷システムの受熱ジャケットの内部の詳細構造を説明する断面図である。 上記液冷システムにおける冷媒の輸送動作を説明するための動作波形図である。 上記液冷システムにおける冷媒の輸送動作を説明する液体駆動部の動作を説明する図である。 本発明の他の実施の形態を説明するペルチェ素子を利用した液体駆動部を示す図である。

符号の説明

５０ 配管
１００ 受熱ジャケット
１０１ 溝
１０２ 仕切り板
１０３ 金属管（液送管）
１０４ 金属管（蒸気送管）
２００ ラジエータ
２０１ 入口
２０２ 冷却フィン
３００ 液体駆動装置
３０１ 第１のチェックバルブ（逆止弁）
３０２ 第２のチェックバルブ（逆止弁）
３０３ 液体駆動部（輸送チャンバ）
３０４、３０５ 開口部
３０６ ヒータ
４００ 駆動回路
６００ 発熱素子
７００ ペルチェ素子。

Claims (4)

1. 筐体内に発熱素子を備えた電子機器の液冷システムであって：
   当該発熱素子の発熱をその内部の液体冷媒に伝達して気化する受熱ジャケットと；
   当該受熱ジャケットから供給される気化した液体冷媒を第１の配管を通して内部に導いて冷却して液化するラジエータと；
   当該ラジエータと接続の第２の配管と通じる流入側開口部および前記受熱ジャケットと接続の第３の配管と通じる流出側開口部を備え且つ前記流入側開口部が前記流出側開口部より上側に位置する一つの輸送チャンバと、
   当該第３の配管および第２の配管の各々に有する第１のチェックバルブおよび第２のチェックバルブと、
   前記一つの輸送チャンバにおいて、前記流入側開口部から入る前記ラジエータからの液化した液体冷媒の一部に加熱と冷却とを繰り返すことにより、前記第１のチェックバルブおよび第２のチェックバルブの開閉を繰り返させ、前記一つの輸送チャンバの内部の液体冷媒を、前記流出側開口部から前記受熱ジャケットへ移動する駆動力を与える駆動手段とを備え、
   もって、前記液体冷媒は前記受熱ジャケット、前記第１の配管、前記ラジエータ、前記第２の配管、前記一つの輸送チャンバ、及び、前記第３の配管から前記受熱ジャケットへの循環ループ内で循環することを特徴とする液冷システム。
2. 前記請求項１に記載した液冷システムにおいて、前記一つの輸送チャンバは、その内部に前記ラジエータからの液化した液体冷媒の一部を貯留する部分を有しており、かつ、当該貯留部分の内部表面には液体冷媒の気化を促進するための処理が施されていることを特徴とする液冷システム。
3. 前記請求項１に記載した液冷システムにおいて、前記一つの輸送チャンバは、前記ラジエータからの液化した液体冷媒の一部をその内部に貯留する部分に、電気ヒータを備えていることを特徴とする液冷システム。
4. 前記請求項１に記載した液冷システムにおいて、前記受熱ジャケットの内部表面には、液体冷媒の気化を促進する処理が施されていることを特徴とする液冷システム。

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