JP3727647B2 - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＰＵ等の発熱電子部品の冷却機構を有する電子機器に係わり、特にヒートパイプや液冷システム等の熱輸送放熱手段を用いた冷却構造に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータやサーバ等に用いられるデバイスや集積回路、特にＣＰＵは高速化しているが、それに伴い発熱量が増大している。現在、ＣＰＵの冷却は、ＣＰＵにヒートシンクを固定し、それ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直接空冷方式が主流である。しかし、装置の小型化、高密度化に伴いＣＰＵ周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為、おのずと冷却能力に限界が出てくる。

これに対し、ヒートパイプや液冷システム等の熱輸送手段を用いた冷却方式では、放熱部を自由な位置に設けられ、その大きさの制約が少ないため、空冷方式に比べ冷却限界を高くすることができる。そのため、近年電子機器のＣＰＵ等の冷却にこれら熱輸送手段の適用が試みられてきている。

これら熱輸送手段を用いた冷却方式の従来技術として、ヒートパイプを用いた例では特許文献１が挙げられる。この技術では、ヒートパイプによりＣＰＵの熱を装置の開口部まで輸送し、そこでファンにより外部へ放出する構造としている為、ＣＰＵの発熱により他の部品の温度が上昇する恐れが無いとしている。

一方液冷システムを用いた従来技術としては特許文献２が挙げられる。この技術ではＣＰＵやHDD等、装置内部に散在する発熱体の熱を一括して電源の近くまで輸送し、冷却管に多数のフィンを設けた放熱部に電源ファンの吸気風を通過させることで、高効率の冷却が実現できるとしている。

特開平１０−５０９１０号公報 特開平１０−２１３３７０号公報

上述のように熱輸送手段を用いた冷却方式は、直接空冷方式に比べ冷却限界は高い。しかしながら先に挙げた特許文献１の様に放熱部を筐体内部に配置した場合、騒音を抑える為にファンの回転数を低下させた場合には放熱部の熱が筐体内部にこもるという問題がある。また放熱部の大型化は装置の大型化を招き、これにより設置面積が増大するという問題がある。

また特許文献２の技術では、電源ファンの風により放熱部を冷却する構造となっているが、小型の電源を用いた場合は電源ファンも小型になる為、放熱部を通過する風量が減少し、放熱部を十分冷却できなくなるという問題がある。

本発明の目的はこれらの問題を解決し、更に効率の良い冷却構造とする事により、小型筐体への高発熱部品の搭載を可能とし、さらに静音化を図る事を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の電子機器の冷却装置においては、
ＣＰＵ等の発熱部の発生熱を冷却液に吸熱する受熱ヘッダと、
前記冷却液を冷却する放熱部と、
前記冷却液が循環するように前記受熱ヘッダと前記放熱部の間を接続する配管と、
前記配管に連通して設けられ前記冷却液を循環させるポンプとを備え、
前記配管は、金属管を主体とし部分的にゴム製のチューブで接続して水分透過を抑制する構成とし、
前記放熱部は、前記冷却液に吸熱された前記発生熱を伝熱して外気に排熱する放熱フィンと、前記放熱フィンを配置するとともに密閉された内部に前記冷却液と空気を溜めて前記冷却液を通流するベース部と、前記ベース部の上部に設けられ前記配管からの冷却液が前記ベース部に流入する吐出し口と、前記ベース部の下部に設けられ前記冷却液を前記ベース部から前記配管に排出する出口と、外部から前記ベース部に対して冷却液の注入あるいは排出を行うアクセス口とを有することを特徴とする。

本発明によれば、吐出口あるいは入口より出た空気を密閉部に溜めておくことができるので、循環経路中にタンクを設ける必要がなく、設置面積の増大を抑えることができる。

以下本発明の実施例を説明する。ここに示す例は電子機器であるデスクトップ型パーソナルコンピュータ（以下デスクトップＰＣという）に搭載したＣＰＵの冷却に適用した例である。図1は本発明の第１の実施例を示すデスクトップＰＣの斜視図である。本実施例では熱輸送手段にヒートパイプを用いている。

まず全体構成について説明する。筐体１の内部の底面付近にはマザーボード２があり、その上にはＣＰＵ３、チップセット４、メモリ５が搭載されている。この中でＣＰＵ３が高発熱部品である。また外部記憶装置として、ＨＤＤ６、ＦＤＤ７、ＣＤ-ＲＯＭ８が搭載されている。ＣＰＵ３には受熱部材としての受熱ヘッダ１０が取付けられ、受熱ヘッダ１０には熱輸送手段としてのヒートパイプ１１の一端が取付けられている。ヒートパイプ１１の構造を簡単に説明すると、銅製の中空管の内部に、極めて低い気圧で純水を封入し、この純水を熱を伝える作動流体としたものである。

次に受熱ヘッダ１０について説明する。受熱ヘッダ１０は銅あるいはアルミといった伝熱性に優れた金属で出来ている。ＣＰＵ３との接触面はサーマルコンパウンド、もしくは高熱伝導性シリコンゴムなどを挟んで圧着しており、ＣＰＵ３で発生する熱が受熱ヘッダ１０に効率よく伝わる構造になっている。また受熱ヘッダ１０の内部にはヒートパイプ１１の一端が埋め込まれており、受熱ヘッダ１０の熱はヒートパイプ１１に伝わる構造になっている。つまりＣＰＵ３の熱はヒートパイプ１１に効率良く伝わる構造となっている。

筐体１の背面にはファン１３が取付けられている。ファン１３は軸流ファンであり筐体１の内部側が吸気側となっている。筐体背面の外部にはファン１３に対向して放熱部であるヒートシンク１２が取付けられている。ヒートシンク１２の材質は銅あるいはアルミといった伝熱性に優れた金属で出来ており、ベース１２ａとフィン１２ｂから成る。なおフィン１２ｂの形状はピンがマトリクス状に並んだものであるが、千鳥状に並んだもの、あるいは平板体を並べた形状でも良い。またフィン１２ｂは筐体背面側を向く様に配置されている。つまり、フィン１２ｂにファン１３の風が当たる様になっている。ベース１２ａには、ヒートパイプ１１の一端が埋め込まれており、ヒートパイプ１１に伝わったＣＰＵ３の熱が効率良く伝わる構造になっている。

ヒートパイプ１１は、図２に示す様に受熱ヘッダ１０からヒートシンク１２の間は上方に傾斜をもたせており、ベース１２ａ近傍で適宜に上方に折り曲げられ、ベース１２ａと繋がっている。つまり熱源であるＣＰＵ３は、放熱部であるヒートシンク１２に対して低い位置、即ちボトムヒートの状態である為、ヒートパイプ１１内部の作動流体は効率良く熱を運ぶことが出来る。作動液の動きについては後で詳しく説明する。ファン１３の隣には電源９があり、この電源９にはＡＣケーブル１４が外部から接続されている。

本実施例では、ヒートシンク１２を筐体外部に取付けたが、筐体の中に一部が存在し他の部分が背面より突出するように取付けても良い。

次に本実施例の冷却構造について説明する。まずＣＰＵ３が発熱する事により、ＣＰＵ３に取付けられた受熱ヘッダ１０に熱が伝わる。この時、ヒートパイプ１１の外周部が受熱ヘッダ１０により覆われている為、ヒートパイプ１１にＣＰＵ３の熱が効率良く伝達される。従って受熱ヘッダ１０に接したヒートパイプ１１の内部では、伝わった熱により内部の作動流体が蒸発する。即ちこの部分がヒートパイプ１１の蒸発部となる。

蒸気となった作動流体は、温度が低く内部圧力が低いヒートシンク１２に配置されたヒートパイプ１１の端部に向かって流動し、ヒートシンク１２に熱を奪われて凝縮する。従ってヒートパイプ１１のヒートシンク１２側の端部が凝縮部となる。前述の通り、ヒートパイプ１１は勾配を持たせた状態に配置されているので、その動作状態はボトムヒート状態となり、作動流体の蒸発、凝縮のサイクルがスムーズに行われ、その結果、熱輸送能力が高くなる。なお凝縮して液相に戻った作動流体はヒートパイプ１１内部を伝わって蒸発部まで帰還し、そこで再度過熱、蒸発する。ヒートパイプ１１からヒートシンク１２のベース１２ａに伝達されたＣＰＵ３の熱は、ベース１２ａのほぼ全域及びフィン１２ｂに伝達される。

次にファン１３を動作させると、筐体１内の空気が図３の矢印２１の方向に流れる。そしてこの空気はヒートシンク１２のフィン１２ｂを通過してベース１２ａと衝突し、矢印２２、２３、２４、２５の方向に排出される。この空気流によりヒートシンク１２のベース１２ａとフィン１２ｂに伝達された熱は放出される。なお本実施例ではヒートパイプを１本としているが、複数本使用しても良い。また、ヒートシンク１２に外部から直接手が触れない様に、カバーを設けても良い。このカバーは筐体１と一体成形となっていても良い。

以上の第１の実施例によれば、ＣＰＵ３を冷却するヒートシンク１２は筐体１の外部に取付けられるため、発熱量の多いＣＰＵ３を使用する場合、あるいは当初予想しなかった発熱量のＣＰＵ３に対しては、筐体外部のヒートシンク１２を大きくすれば良く、筐体１のサイズを変更する必要がない。また、ＣＰＵ３を冷却するヒートシンク１２の配置を考慮する必要がないので、筐体１（電子機器）のサイズを小型化できる。さらにヒートシンク１２の配置を、外部からのケーブル、例えばＡＣケーブル１４等が接続される筐体背面としてあるために、ヒートシンク１２の設置に必要な面積の拡大を抑えることができる。

図７を用いて具体的に説明すると、図７は電子機器が設置されたときの上面図であるが、電子機器の筐体１と壁４１との距離は、筐体背面のＡＣケーブル１４の湾曲部分４２の分だけ必要となるが、この距離４２よりもヒートシンク１２の奥行き４３が小さければ実質的な設置面積は増大しない。多少ヒートシンク１２の奥行き４３が大きくても、実質的な設置面積の増加は少ない。また、ヒートシンク１２からの排気方向は壁４１と平行であるため、ヒートシンク１２が壁４１と接しても排気が塞がれることはない。

ヒートシンク１２の冷却効率であるが、図３に示す様にヒートシンク１２に当たる風の流れ、即ちファン１３の風２１は、ヒートシンク１２の最も熱い部分であるベース１２ａに対して衝突しながら排出される。即ち衝突噴流となる為冷却効率が良い。

次に本実施例の静音化の効果について説明する。ファン１３を停止させた場合、図３に示す様にファン１３による矢印２１、２２、２３、２４、２５の風の流れは停止するが、ヒートシンク１２の温度は周囲温度よりも高い為、自然対流による矢印２２の方向のゆっくりとした風の流れが生じる。矢印２２の熱は筐体外部に放出される為、この熱により筐体内部の温度が上昇する事はない。このように、ファン１３を停止した場合でも、ある程度の冷却効果が得られる。従ってＣＰＵ３が低負荷状態で発熱量が少ない場合にはファン１３を停止してもＣＰＵ３を冷やす事が出来る。ファン１３を停止させた場合、主たる騒音源は電源９のケースに内蔵されている電源ファンであるので、騒音の低減が可能となる。

次に本発明の第２の実施例として、熱輸送手段に冷却液をポンプにより強制的に循環させる液冷システムを用いたものについて図４を用いて説明する。なお液冷システム以外の構成については前記第１の実施例と同じ構成なので説明および図示を省略する。

ＣＰＵ３に取付けられた受熱ヘッダ３１は、ＣＰＵ３との接触面は第１の実施例と同じであるが、内部には冷却液が流れており、熱が冷却液に伝わる構造になっている。図５は受熱ヘッダ３１の内部構造を示す図であるが、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属板に蛇行状の溝を掘り、カバーにより密閉する構造である。これにより、蛇行状の流路が形成され、冷却液が入口から流入し、蛇行状の流路を通り、出口から流出する。

ポンプ３２は冷却液を受熱ヘッダ３１とヒートシンク３５の間を循環駆動させるものである。なお本実施例ではポンプ３２の位置を受熱ヘッダ３１の上部としたが、他の場所に配置しても良い。チューブ３３及び金属管３４は受熱ヘッダ３１とヒートシンク３５を繋ぎ、内部に冷却液を流すことで受熱ヘッダ３１とヒートシンク３５の熱輸送路となっている。

全体の配管についてであるが、金属管を主体としており、部分的にゴム製のチューブ３３を用いている。このチューブ３３は曲げる事が出来る為、ＣＰＵ３の交換等のメンテナンスが容易になる。つまりファン１３やヒートシンク３５を外す事無く、受熱ヘッダ３１をＣＰＵ３から外す事が可能である。またチューブ３３以外の配管を金属管とする事で水分透過を抑制している。

ヒートシンク３５はベース３５ａ及びフィン３５ｂから成っている。ベース３５ａの内部には冷却液が流れており、冷却液の熱がベース３５ａ全体に伝わる構造になっている。図６はベース３５ａの内部構造を示す図であるが、基本的には前記受熱ヘッダ３１と同じ作りであり、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属板に蛇行状の溝を掘り、カバーにより密閉する構造である。これにより、蛇行状の流路が形成され、冷却液が入口から流入し、蛇行状の流路を通り、出口から流出する。図４に戻るが、ベース３５ａの背面には、前記第１の実施例と同様、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属のピンがマトリクス状に並べられている。またヒートシンク３５の筐体１への配置についても前記第１の実施例と同様である。

金属管３４に連通してリザーブタンク３６が設けられている。リザーブタンク３６は、基本的には冷却液を溜めておくものであるが、この目的以外にも次の２つの機能がある。1つは水分の蒸発による冷却液減少等で空気が混入した際には、タンク内に空気を溜めておく機能と、２つめは外部から液冷システム内部に冷却液を注入、排出する際のアクセス口の機能である。なお本実施例ではリザーブタンク３６の位置をファン１３の上部としたが、他の場所に配置しても良い。

冷却液の流れる順路であるが、ポンプ３２、受熱ヘッダ３１の入口、受熱ヘッダ３１の出口、ヒートシンク３５のベース３５ａの入口、ベース３５ａの出口、リザーブタンク３６、再びポンプ３２という順路である。この様にポンプ３２の冷却液を流す方向はヒートシンク３５を通過後の冷却液を吸い込み、受熱ヘッダ３１に排出する様にしている。これによりポンプ３２には冷却後の冷却液が流れ、ポンプ３２の加熱を防いでいる。

次にヒートシンク３５の他の構成例について図８、図９及び図１０により説明する。図８の例は、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属の薄板に、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属からなる囲いを設け、この囲いの中に冷却液を流す蛇行状のパイプを配置し、囲いをカバーで密閉してベースを構成し、このベースの背面に伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属からなるピンをマトリクス状に配列させた金属板を固定したものである。

図９の例は、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属からなる収納箱に蛇行状のパイプを配置し、収納箱をカバーで密閉してベースを構成し、このベースの背面に伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属からなる薄板（フィン）を平行に複数配置したものである。

図１０の例は、前記第２の実施例のベース３５ａを中空にし、伝熱性に優れた銅やアルミ等の金属からなる薄板（フィン）を複数水平に、フィン同士に隙間ができるように配置し、カバーで密閉したものである。ベースに流入した冷却液は、上部からフィンの表面を伝って、フィンの間を通って下部に流れ落ちる。

これらの構造によれば、水分透過などにより循環経路中に空気が混入した場合でも、吐出口あるいは入口より出た空気はヒートシンクベース内部の上部に溜まることになる。即ち本構造のヒートシンクベースはタンクと同様に循環経路中の空気を溜めておくという機能を備えている。従って、冷却液を注入、排出する際のアクセス口をヒートシンクベースや他の場所に設ければタンクを不要とすることができる。

この第２の実施例も前記第１の実施例と同じ効果を有するが、第２の実施例の場合は受熱ヘッダ及びヒートシンクのベースの内部には蛇行状の流路が設けられているために、第１の実施例よりも冷却効果は大きい。

次に更なる静音効果を発揮する本発明の第３の実施例を図１１、図１２、図１３及び図14を参照して説明する。第３の実施例はファン１３と電源９の配置、接続構成以外は前記第1及び第2の実施例と同じ構成であるので、同じ構成についての図示及び説明は省略する。

図１１の構成は、電源９のケースの吸気口が形成されていない側面に開口部を形成し、この開口部とファン１３の吸気側とをダクト５１で接続し、吸気を電源９を介して行う構成である。筐体内の空気は矢印５２方向に吸い寄せられ電源９のケースの吸気口からケース内に流入し、電源９を通ってダクト５１に排出される。ファン１３に吸い寄せられる排気流で電源９を冷却する事が出来るので電源ファンを省略することができる。したがって更なる静音化が図れる。

図１２の構成は、ファン１３の吸気側に電源９を取付けたものである。電源９はケースに収容されており、ケースのファン１３への取付面には開口あるいは排気口が形成されており、その反対側には吸気口が形成されている。ファン１３の回転により矢印５２の方向に筐体内の空気は流れ、電源９を通ってヒートシンク１２あるいは３５に排気される。この構成によっても排気流で電源９の冷却が出来るので電源ファンを省略することが出来る。したがって、前記第1及び第2の実施例よりもさらに静音化が可能となる。

図１３の構成は図１２に示されるファン１３と電源９の配置を逆にしたものである。図１４の構成は、図13の構成例において、ファン１３を電源９のケースの側面に設けたものである。

以上の第3の実施例の静音化の効果は具体的には、空冷方式に較べて、騒音を約２４ｄＢ低減することができる。

本発明の第1の実施例を示す斜視図である。 本発明の第1の実施例の冷却部の側面図である。 本発明の第1、第2及び第3の実施例の冷却部の斜視図である。 本発明の第2の実施例の冷却部の斜視図である。 本発明の第2の実施例の受熱ヘッダの構成図である。 本発明の第2の実施例のヒートシンクのベースの構成図である。 本発明の第1、第2及び第3の実施例の冷却部の上面図である。 本発明の第2の実施例のヒートシンクの他の構成例の構成図である。 本発明の第2の実施例のヒートシンクの他の構成例の構成図である。 本発明の第2の実施例のヒートシンクの他の構成例の構成図である。 本発明の第3の実施例の冷却部の斜視図である。 本発明の第3の実施例の冷却部の他の構成例の斜視図である。 本発明の第3の実施例の冷却部の他の構成例の斜視図である。 本発明の第3の実施例の冷却部の他の構成例の斜視図である。

符号の説明

１…電子機器の筐体
３…ＣＰＵ
９…電源
１０…ヒートパイプ用受熱ヘッダ
１１…ヒートパイプ
１２…ヒートパイプ用ヒートシンク
１２ａ…ヒートシンクベース
１２ｂ…フィン
１３…ファン
１４…ＡＣケーブル
２１…ファンの吸気
２２〜２５…排気
３１…液冷システム用受熱ヘッダ
３２…ポンプ
３３…ゴムチューブ
３４…金属管
３５…液冷システム用ヒートシンク
３６…タンク
４１…設置背面の壁
５１…ダクト。

Claims (1)

1. ＣＰＵ等の発熱部の発生熱を冷却液に吸熱する受熱ヘッダと、
   前記冷却液を冷却する放熱部と、
   前記冷却液が循環するように前記受熱ヘッダと前記放熱部の間を接続する配管と、
   前記配管に連通して設けられ前記冷却液を循環させるポンプとを備え、
   前記配管は、金属管を主体とし部分的にゴム製のチューブで接続して水分透過を抑制する構成とし、
   前記放熱部は、前記冷却液に吸熱された前記発生熱を伝熱して外気に排熱する放熱フィンと、前記放熱フィンを配置するとともに密閉された内部に前記冷却液と空気を溜めて前記冷却液を通流するベース部と、前記ベース部の上部に設けられ前記配管からの冷却液が前記ベース部に流入する吐出し口と、前記ベース部の下部に設けられ前記冷却液を前記ベース部から前記配管に排出する出口と、外部から前記ベース部に対して冷却液の注入あるいは排出を行うアクセス口とを有することを特徴とする電子機器の冷却装置。

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