JP2004295718A - 情報処理装置の液例システム - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、情報処理装置のＣＰＵ等の局所発熱部品に適用して有用な液冷技術を提供し、従来技術にない特有な受熱効果が得られる構成を提案することにある。
【解決手段】複数配管を有する受熱ヘッドのそれぞれの冷媒流路に流量制御手段を備えることによって達成される。流量制御手段はそれぞれの流路断面積を変えることや流路に流れを妨げる抵抗体を設けることで達成できる。また、感温流量制御手段は、流路の抵抗体に温度によって大きく形状が変化する物質（例えばバイメタル）で構成することで達成できる。
【選択図】 図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デスクトップ型もしくはノート型パーソナルコンピュータやサーバ等の小型情報処理装置の液体冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器の冷却装置についての従来技術は、電子機器内の発熱部材と金属筐体壁との間に金属板又はヒートパイプを介在させて発熱部材を熱的に金属筐体壁と接続することによって、発熱部材で発熱する熱を金属筐体壁で放熱するものであった。
【０００３】
また、特許文献１には電子機器の発熱部材を液冷する技術が開示されており、これによると、電子機器内の半導体素子発熱部材で発生した熱を受熱ヘッドで受け取り、受熱ヘッド内の冷却液がフレキシブルチューブを通って表示装置の金属製筐体に設けられた放熱ヘッドに輸送されて、半導体素子発熱部材で発生した熱を冷却液を介して放熱ヘッドを通し金属筐体から効率的に放熱する構造となっている。更に、放熱面である金属製筐体の壁面に直接取り付けられたヒートパイプに伝達され、更に、放熱面である金属製筐体の壁面に直接取り付けられたヒートパイプの他端に熱接続されて放熱される構造が開示されている。
【０００４】
特許文献２や特許文献３には蛇行した流路を形成した受熱ヘッドについて開示されている。
【０００５】
また、特許文献４には同一な流路断面積の複数配管を持った受熱ヘッドについて開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平７−１４２８８６号公報
【特許文献２】
特開平６−２６６４７４号公報
【特許文献３】
特開２００１−１３３１７４号公報
【特許文献４】
特開２００１−１０２８３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
パソコンやサーバは、本体部に内臓されたＣＰＵ、ＭＰＵ等（以下、ＣＰＵと云う）から熱を発生するが、発生熱によって回路動作が不安定になったり、機構類の熱変形を引き起こす虞がある。特に、最近ではＣＰＵの動作周波数が一層高くなるのに伴って発熱量の増大を来しており、更なる冷却機能の向上が望まれている。
【０００８】
従来技術では、蛇行配管や複数配管による液冷システムの受熱方式により受熱面の全領域でほぼ一定の冷却機能を得る技術が開示されている。しかしながら、一般にＣＰＵ等は発熱する１０ｍｍ角程度の半導体素子が有機（もしくはセラミック）の中継基板に実装されている構造になっており、それがマザーボードにはんだ付けもしくはマザーボードに実装されたソケットに装着される。受熱ヘッドは流路を形成するため半導体素子より大きな構造となる。また、受熱ヘッドをＣＰＵに取り付けた状態での受熱ヘッドの温度分布はＣＰＵの中心部から同心円状に遠くなるほど低くなる。すなわちＣＰＵ等を効率よく冷却するシステムには受熱ヘッドの均一化を図る必要は無く熱いところをより冷やすという分布を持たせた冷却のほうが効果的である。
【０００９】
また、冷却には受熱ヘッドの中を流れる冷媒との接水面積を多くする、冷媒の流量を多くする、冷媒と受熱ヘッドの温度差を大きくすることが効果的であることが知られている。流量を多くするには冷媒の輸送手段（一般にポンプ）の性能を上げる必要がある。性能を上げるにはポンプを大きくするかパワーをあげることになるが、近年の電子機器の高密度化や省電力化に伴い実装するエリアを確保できないのでポンプを大きくできないし消費電力もあげられない。また、騒音の面からもポンプの能力は極力抑えたい要求がある。
【００１０】
蛇行配管で接水面積を多くするには受熱ヘッド全面に流路を形成することが考えられるが、その場合冷媒が流路を通る過程で受熱ヘッドから熱を受取るため肝心のＣＰＵ中心部に到達するころには冷媒の温度は上昇しＣＰＵ中心部と冷媒の温度差が大きくとれず効果的な冷却が行えない。
【００１１】
同一な流路断面積を持った複数配管を受熱ヘッドに配置した場合、各配管の流量は同一であるためＣＰＵ中心部を冷却する能力の流量が受熱ヘッド周辺に位置した配管にも流れることになり冷やさなくても良いところを一生懸命冷やしている無駄な冷却を行うことになることと総流量が各配管の本数倍になるのでポンプ性能を大きくする必要がある。
【００１２】
本発明の目的は、情報処理装置のＣＰＵ等の局所発熱部品に適用して有用な液冷技術を提供し、従来技術にない特有な受熱効果が得られる構成を提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための第１の手段は、複数配管を有する受熱ヘッドのそれぞれの冷媒流路に流量制御手段を備えることによって達成される。流量制御手段はそれぞれの流路断面積を変えることや流路に流れを妨げる抵抗体を設けることで達成できる。前記目的を達成するための第２の手段は、流れを妨げる抵抗体を温度によって大きく形状が変化する物質（例えばバイメタル）で構成し冷媒の温度が高い場合は抵抗体に流路を開放させ流路抵抗を小さくし流量を増やし、冷媒の温度が低い場合には抵抗体に流路を遮断させ流路抵抗を大きくし流量を制限し、高温度部に冷媒を集中して流すことで達成できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
本発明の実施形態に係るノート型パソコンの液冷技術について、図面を用いて以下説明する。図１は、本発明の実施形態に係るノート型パソコンの液冷に関する全体構成を示すものである。図１によると、ノート型パソコンは、操作釦群を有するパソコン本体部１と、前記本体部１に回動支持される液晶表示部を有する表示部２と、から構成され、パソコン本体部１は、メインシャーシに支持されたマザーボード（制御回路基板）３が配置され、マザーボード３にはコンピュータを動作させるのに必要な各種電気・電子素子、集積回路、電子回路群等が搭載され、コンピュータの動作時に発熱源となるＣＰＵ４等もこのマザーボード３上に配置されている。図１において、ＣＰＵ４はＷ／Ｊ（受熱ヘッドとしてのウォータージャケット）の下に配されていて、ＣＰＵ４から発生する熱を受熱ヘッドに熱伝達している。
【００１５】
本発明の実施形態に関する液冷の基本的な構成は、パソコン本体部内に収容された最大の発熱源であるＣＰＵ４上に受熱ヘッド（Ｗ／Ｊ）９を固定して、ＣＰＵ発生熱を受熱ヘッド９内の冷却熱で回収し、受熱ヘッド９に接続され且つ冷却液を充填したチューブ１０が液晶表示板と表面カバー間に持ち来されて表面カバー又は筐体を通して熱放散されるものである。
【００１６】
上記構成による冷却液循環方式の冷却システムにおいて以下に本発明の特徴となる受熱ヘッドの詳細について説明する。
図２は本発明の一実施例の上断面図で矢印は各流路２１に流れる冷媒の流量の大きさと向き２２を示している。図３（ｂ）は図２のＡＡ線上の横断面図である。図３（ａ）は（ｂ）における受熱ヘッドのベース２３の温度分布２４を実線で各流路の流量特性２５を棒グラフで示している。
【００１７】
図２に示すように受熱ヘッドは冷媒が流れる流路とその流路を形成する仕切り板２６と外枠２７と発熱体に接するベース２３と天板２８と感温流量制限手段の一実施例であるバイメタル２９で構成されている。ベースと外枠と仕切り板は一体整形されたものでもかまわないしそれぞれ独立に形成し後に接着等で構成してもかまわない。また、それらは熱伝導の良い金属で構成するのが好ましい。さらに受熱ヘッドには冷媒が受熱ヘッドに流れこむ流入口３０とその反対側に受熱ヘッドから熱を奪った冷媒が流れ出る流出口３１を備える。バイメタルは温度差による膨張収縮の量が大きい高膨張金属の板３２と温度差による膨張収縮の量が小さい低膨張金属の板３３を貼り合わせて構成されている。温度上昇することで高膨張金属側の延び量が大きくなるので高膨張金属側に凸の状態に曲がる。
バイメタルは各流路の流出口側に高膨張金属側を各流路の流入口側に向け外枠もしくは仕切り板に取り付ける。バイメタルはベースもしくは天板に取付けても良い。
【００１８】
以下に本発明の受熱ヘッドの動作について説明する。ＣＰＵが起動するとＣＰＵに熱的に接続されたベースの温度上昇が始まる。温度分布は図２（ａ）に示したようにＣＰＵの真上をピークとし周辺に行くにしたがって低くなる。受熱ヘッドや受熱ヘッド内の冷媒の温度上昇にしたがって取付けられたバイメタルが温度上昇し流出口側に変形をはじめる。ＣＰＵ真上の温度の高い流路に取付けられたバイメタルの変形が大きく周囲に行くほど変形は小さくなる。それに伴い変形の大きなバイメタルを有する流路の流路抵抗は小さくなるため温度の高くなるＣＰＵに近い流路ほど流量を多くする制御が可能になる。それにより各流路の流量を図２（ａ）の棒グラフのように制御可能になり、制御しない場合よりもハッチング部３４の流量分を削減可能となる。これにより必要以上の流量を流す必要が無くなるのでポンプの能力を低く抑えることができる。以上によりポンプの小型化や省電力化が可能になる。
【００１９】
あらかじめ必要流量がわかっている場合には感温流量制限手段を使わずとも図４のように等しい厚さの仕切り板を不等ピッチで各流路に必要流量が流れるように配置することで可能である。また、厚さの異なる仕切り板を等ピッチに配置する図５の形態でも実現可能である。
【００２０】
流路断面積の異なる受熱ヘッドの別の製造方法として図６乃至図８に示すように、円形又は楕円形又は四角形のそれぞれ異なる太さのパイプ３５をベース上に横一列に配置し熱伝導接着剤もしくははんだ付け３６により形成する方法もある。この製造方法によれば流路がパイプの内径になり流路として閉じているので天板は不要とすることが可能。また、四角形のパイプを使って形成する場合はＣＰＵとの接触面をフラットに形成することが可能となるのでベースも不要とすることが可能である。なお、図６乃至図８は本実施形態における図２でのＡＡ部断面を示している。
【００２１】
図９はモジュール化された発熱体３７へ適用した場合の実施例である。このように各流路にバイメタルを備えた受熱ヘッドを用いることで、発熱体３８が受熱ヘッド中心に存在しない場合やモジュール内で発熱に分布がある場合でも必要最低限の流量で冷却が可能になる。またモジュールなどは使う機能により発熱する部品が異なる場合がある。ある機能を使っている場合にはＡの部品が発熱し、また、別の機能を使った場合にはＢの部品が発熱するような場合でも、その時々で選択的に自動で流量を集中できるので、発熱に柔軟に対応できる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、パソコンやサーバのようにＣＰＵ等の局所発熱体を配置する情報処理装置の液体冷却システムに用いられ、前記局所発熱体から効率的に熱を奪い放熱部へ輸送することが可能になる。必要最小限の流量での冷却が可能となるためポンプの能力を低く抑えることができる。これにより、ポンプの小型化や省電力化が期待でき、より小型の情報処理装置への適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るノート型パソコンの液冷システムに関する全体構成を示す図である。
【図２】本発明の第一の実施形態をしめす図である。
【図３】本発明の第一の実施形態における流量制御動作をしめす図である。
【図４】本発明の第二の実施形態をしめす図である。
【図５】本発明の第三の実施形態しめす図である。
【図６】本発明の第四の実施形態しめす図である。
【図７】本発明の第五の実施形態しめす図である。
【図８】本発明の第六の実施形態しめす図である。
【図９】本発明の第七の実施形態しめす図である。
【符号の説明】
１：本体部、２：表示部、３：マザーボード、４：ＣＰＵ、９：受熱ヘッド、１０：チューブ、２１：流路、２２：流量の大きさと向き、２３：ベース、２４：温度分布、２５：各流路の流量特性、２６：仕切り板、２７：外枠、２８：天板、２９：バイメタル、３０：流入口、３１：流出口、３２：高膨張金属の板、３３：低膨張金属の板、３４：削減可能な流量、３５：パイプ、３６：熱伝導接着剤もしくははんだ付け、３７：モジュール、３８：発熱体、

Claims (4)

1. ＣＰＵを含む少なくとも１つの発熱部に冷却液が出入りする受熱ヘッドを固定し、前記冷却液に発熱部の発生熱を伝達して放熱をおこなう情報処理装置の液冷システムにおいて、
   前記受熱ヘッドは複数の流路を有し、それぞれの流路の冷却液の流量制御手段を備えたことを特徴とする情報処理装置の液冷システム。
2. 請求項１記載の情報処理装置の液冷システムにおいて、
   前記流量制御手段は、冷却液温度あるいは受熱ヘッド温度を検出し流量制御をおこなうことを特徴とする情報処理装置の液冷システム。
3. 請求項２記載の情報処理装置の液冷システムにおいて、
   前記流量制御手段は、バイメタルあるいは形状記憶合金から成ることを特徴とする情報処理装置の液冷システム。
4. 請求項２記載の情報処理装置の液冷システムにおいて、
   前記流量制御手段は、円形又は楕円形又は四角形のそれぞれ異なる太さのパイプを組合せて形成されるか、異なる厚さの仕切り板を同一のピッチで形成されるか、
   同一の厚さの仕切り板を異なるピッチで形成されるか、のいずれかの構造を有することを特徴とする情報処理装置の液冷システム。

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