(57)【要約】【課題】  非自吸式ポンプは、内部に空気が混入すると、プロペラが空回り状態になり、循環能力が著しく低下したり、循環が停止することがある。このため、空気混入の恐れがある液冷システムでは、非自吸式ポンプの使用が困難だった。【解決手段】  本発明の液冷システムは、冷却液中の空気を分離するリザーブタンクと、CPU等の発熱部の発生熱を放熱する冷却液を循環させる非自給式ポンプとを有して、前記リザーブタンクは、前記自給式ポンプの上部に配置するようにし、さらに、前記リザーブタンクの液流入口は、該リザーブタンクの気液境界面の上部に位置するようにし、前記気液境界面と前記液流入口の落差に相当する循環路中の冷却液を、前記非自給式ポンプに還流するようにした。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却液中の空気を分離するリザーブタンクを有し、非自給式ポンプにより冷却液を循環させてCPU等の発熱部の発生熱を放熱する液冷システムであって、
前記リザーブタンクは、前記非自給式ポンプの上部に配置されるとともに、
前記リザーブタンクの液流入口は、該リザーブタンクの気液境界面の上部に位置し、
前記気液境界面と前記液流入口の落差に相当する循環路中の冷却液を、前記非自給式ポンプに還流することを特徴とする液冷システム。
【請求項２】
冷却液中の空気を分離するリザーブタンクを有し、非自給式ポンプにより冷却液を循環させてCPU等の発熱部の発生熱を放熱する液冷システムであって、
前記リザーブタンクは、前記自給式ポンプの上部に配置されるとともに、
前記リザーブタンクの液流入口と該リザーブタンクの気液境界面との高さに対応する液循環路の液容積が、液の空気混入により前記非自給式ポンプの揚水が停止する混入空気量と、前記リザーブタンクの液流出口から前記非自給式ポンプまでの液循環路の液容積の和より大きいことを特徴とする液冷システム。
【請求項３】
冷却液中の空気を分離するリザーブタンクを有し、非自給式ポンプにより冷却液を循環させてCPU等の発熱部の発生熱を放熱する液冷システムであって、
前記リザーブタンクは、前記自給式ポンプの上部に配置されるとともに、
前記冷却液の流量が所定値以下になったときに、前記非自給式ポンプの駆動を停止し、前記気液境界面と前記液流入口の落差に相当する循環路中の冷却液を、前記非自給式ポンプに還流するようにしたことを特徴とする液冷システム。
【請求項４】
前記非自給式ポンプの液流量の検出は、当該ポンプの回転数によりおこなうことを特徴とする請求項３に記載の液冷システム。
【請求項５】
ディスプレイ背面に冷却液の放熱部と冷却液中の空気を分離するリザーブタンクを有し、本体に設置された非自給式ポンプにより冷却液を循環させてCPU等の発熱部の発生熱を放熱するノートPCの液冷システムであって、
前記ディスプレイが展開されているときに、前記リザーブタンクの液流入口は、該リザーブタンクの気液境界面の上部に位置し、前記気液境界面と前記液流入口の落差に相当する循環路中の冷却液が、前記非自給式ポンプに還流されることを特徴とする液冷システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、情報処理装置の液冷システムに係り、冷却液を循環する非自吸式のポンプの呼び水に最適な冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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、このＣＰＵの冷却は、ＣＰＵにヒートシンクに固定し、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ている。このため、直接冷却方式では、冷却能力の限界も制限されつつある。また、ファンサイズも制限される為、高風量を得る為には小型ファンを高速で回転させる必要が生じ、騒音が増大している。
【０００３】
そこでより効率の良い大型のヒートシンクや大型のファンを利用するため、液冷システム等による熱輸送手段の適用が試みられてきている。これら液冷システムでは、空冷システムよりも部品点数が多い為、部品に対して小型化が求められている。例えば、小型ポンプには、圧電素子用いた弁式や磁気駆動によるピストン式やプロペラを回転させる遠心式が用いられている。
【０００４】
先に述べた小型ポンプには、それぞれ長所と短所がある。圧電素子用いた弁式や磁気駆動によるピストン式は、液体に限らず、気体もしくは液体と気体の混合体でも循環させることが可能である。ただしこれらのポンプは弁やピストンの反復運動により液体を循環させる為、振動や騒音が大きいという問題がある。また遠心式ポンプに比べ効率が悪く、特に低圧損時の流量が少ないという傾向にある。
【０００５】
一方遠心ポンプは、プロペラを回転運動させるために振動も少なく効率が良い。しかし、ポンプ内部に空気が混入すると、プロペラが空回り状態になり、循環能力が著しく低下したり、循環が停止する恐れがある。この遠心ポンプの問題を改善するため、特許文献１や特許文献２に、プロペラ形状の工夫により空気の排出能力を向上させる技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−１１０６９６号公報
【特許文献２】特開平１１−２１８０９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これら文献に開示される技術では、液体の循環が停止するまでの空気混入量の限界値を向上させてはいるが、この限界値を超えた場合には、やはり液体の循環が停止するという問題がある。従って遠心ポンプの様な非自吸式ポンプを用いる場合は、ポンプへの空気混入を防止する手段が必要である。この手段は一般的にタンクが担っているが、例えば強い衝撃を受けた場合には、タンク内部の液体と空気が混合して循環路に空気が入り込み、循環が停止する恐れがある。
【０００８】
本発明は、上記非自給式ポンプの問題を解決し、ポンプへの空気混入が発生しても、冷却液の循環が停止することのない冷却システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の液冷システムは、冷却液中の空気を分離するリザーブタンクと、CPU等の発熱部の発生熱を放熱する冷却液を循環させる非自給式ポンプとを有して、前記リザーブタンクは、前記自給式ポンプの上部に配置するようにし、さらに、前記リザーブタンクの液流入口は、該リザーブタンクの気液境界面の上部に位置するようにし、前記気液境界面と前記液流入口の落差に相当する循環路中の冷却液を、前記非自給式ポンプに還流するようにした。
【００１０】
また、本発明の液冷システムは、冷却液中の空気を分離するリザーブタンクと、CPU等の発熱部の発生熱を放熱する冷却液を循環させる非自給式ポンプとを有して、前記リザーブタンクは、前記自給式ポンプの上部に配置されるとともに、前記リザーブタンクの液流入口と該リザーブタンクの気液境界面との高さに対応する液循環路の液容積が、液の空気混入により前記非自給式ポンプの揚水が停止する混入空気量と、前記リザーブタンクの液流出口から前記非自給式ポンプまでの液循環路の液容積の和より大きくなるようにした。
【００１１】
また、本発明の液冷システムは、冷却液中の空気を分離するリザーブタンクと、CPU等の発熱部の発生熱を放熱する冷却液を循環させる非自給式ポンプとを有して、前記リザーブタンクは、前記自給式ポンプの上部に配置されるとともに、前記冷却液の流量が所定値以下になったときに、前記非自給式ポンプの駆動を停止し、前記気液境界面と前記液流入口の落差に相当する循環路中の冷却液を、前記非自給式ポンプに還流するようにした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、空気混入の恐れがある液冷システムにおいても、非自吸式ポンプの使用が可能になるとともに、空気混入によるポンプの揚水性能低下を防止でき、安定した冷却システムを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
液冷システムの遠心ポンプ等の非自給式ポンプに、空気流入して冷却液が揚水不能になる問題を、当該非自給式ポンプと冷却液循環経路の大気開放部の設置位置を規定することにより解決した。
【実施例１】
【００１４】
以下本発明の実施例を図を用いて説明する。
図１は、本発明が適用される電子機器の斜視図である。電子機器の例として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）を用いて、液冷構造の概要を説明する。図１において、筐体１０１の内部の側面にはマザーボード１０３があり、その上にはＣＰＵ１０２、チップセット１０４、メモリ１０５が搭載されている。また外部記憶装置として、ＨＤＤ１０６、ＣＤ-ＲＯＭ１０８が搭載されている。その他電源１０９が筐体１０１の背面側にあり、ＰＣＩボード１０７がその下に位置している。
【００１５】
次に液冷システム１１０の構成を説明する。この液冷システム１１０は、ＣＰＵ１０２の上部に位置している。ジャケット１１１は、ＣＰＵ１０２に取り付けられてＣＰＵの発生熱を吸収する。より詳しくは、このジャケット１１１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。ＣＰＵ１０２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、ＣＰＵ１０２で発生した熱が、ジャケット１１１に効率よく伝わる構造になっている。またジャケット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。
【００１６】
ＣＰＵ（102）の発生熱を吸熱した冷却液を冷やすラジエータ１１２は、パイプ１１２ａ及びフィン１１２ｂから成っている。パイプ１１２ａの内部には冷却液が流れており、熱がフィン１１２ｂに伝わる構造になっている。またラジエータ１１２にはファン１１３が取り付けてあり、ラジエータ１１２に風を送って、ラジエータ１１２のフィン１１２ｂを冷却する。
【００１７】
ラジエータ１１２の脇にはタンク１１４がある。タンク１１４では、冷却液に含まれた空気を冷却液から分離しており、空気を含んだ冷却液が循環し続けないようにしている。
【００１８】
タンク１１４の下にはポンプ１１５が配置されており、これにより冷却液が循環する。また、ポンプ１１５はケーブル１１７によりマザーボード１０３と接続している。マザーボード１０３では、ケーブル１１７により、ポンプ１１５への給電とポンプ１１５内部の羽根車の回転数を検知している。ここで、ポンプ１１５は、非自吸式の遠心ポンプである。遠心ポンプでは、ポンプ内部に空気が混入すると、プロペラが空回り状態になり、循環能力が著しく低下したり、循環が停止する場合がある。
【００１９】
つぎに、全体の配管について説明する。チューブ１１６ａは、ジャケット１１１とラジエータ１１２を繋いでおり、チューブ１１６ａに流れる冷却液により、熱の輸送路となっている。また、チューブ１１６ｂは、ラジエータ１１２とタンク１１４を繋いでおり、また、チューブ１１６ｂはタンク１１４の高い位置で接続している。またチューブ１１６ｃは、タンク１１４とポンプ１１５を短い距離で繋げている。チューブ１１６ｄは、ポンプ１１５とジャケット１１１を繋いでいる。尚、チューブ１１６ｂとタンク１１４の接続位置やチューブ１１６ｃの長さについては、本発明によるものであり、これについては後に詳しく説明する。
【００２０】
また、つぎに冷却液の流れる順路について説明する。冷却液は、ポンプ１１５からジャケット１１１、ラジエータ１１２、タンク１１４の順にチューブを介して循環し、再びポンプ１１５に戻ってくる。このように、空気と液を分離するタンク１１４は、ポンプ１１５の上流に配置される。
【００２１】
次に本発明による、非自吸式ポンプ１１５に空気が混入して冷却液の循環が停止した場合の復帰手段について、詳細に説明する。
まず、図２を用いて通常運転時の各部の状態について説明する。先に説明したとおり、チューブ１１６ｂは、ラジエータ１１２とタンク１１４を冷却液が還流するように接続されている。そして、このチューブ１１６ｂにより、タンク内部の冷却液の液面２０１よりも上部の部分２０２から、冷却液がタンク１１４に流入している。このように、チューブ１１６ｂには、液面２０１よりも上部に位置している部分２０２を設けるように構成した。さらに、この上部部分２０２内部の容積は、チューブ１１６ｃ内部の容積とポンプ１１５の液流停止空気量の和より大きくしている。ここで液流停止空気量とは、液流が停止に陥るポンプ内部の空気量である。特に本実施例の場合は、チューブ１１６ｃ内部の容積は１．２５ｍｌ、ポンプ１１５の液流停止空気量は１．５ｍｌであり、上部部分２０２内部の容積は３ｍｌとしている。
【００２２】
通常運転時は、ラジエータ１１２からタンク１１４へ冷却液が流れているため、上部部分２０２は冷却液で満たされている。尚図２、３、４、７において、ハッチング部分は冷却液を示している。チューブ１１６ｃはタンク１１４とポンプ１１５を接続しており、この口２０４はタンク１１４の中央部に位置している。これは、タンク１１４内部に半分以上の冷却液があれば、静置状態において如何なる姿勢においても口２０４が液面２０１下になる様にする為である。即ち、装置の運転姿勢に制約を持たせない様にしている。
【００２３】
次に、ポンプ内部に空気が混入した状態について、図３を用いて説明する。ここではタンク１１４に強い衝撃を受けたものとする。液面２０１は強い衝撃により波立ち、これにより口２０４が一瞬空気にさらされ、チューブ１１６ｃ内部とポンプ１１５内部に空気が吸い込まれる。ここでポンプ１１５内部に吸い込まれた空気が、ポンプ１１５の液流停止空気量に達すれば、ポンプ１１５の揚水能力がなくなり、液流量が低下あるいは液流が停止することになる。
【００２４】
次に図4により、ポンプ１１５内部の空気を排出して揚水能力を復帰について説明する。まず、液流量が低下あるいは液流の停止を、後に述べるポンプ制御手段により検知する。すると、ポンプ１１５への給電を停止して、ポンプ動作を一旦停止する。すると、上部部分２０２の液は、それ自身の自重により、ラジエータ１１２の方向に、液面２０１と等しい高さまで逆流する。この冷却液の逆流により、ポンプ１１５の内部やチューブ１１６ｃ内部の空気が、タンク１１４に排気される。このときの逆流液量は上部部分２０２内部に溜まっていた液量であり、これは先に述べた様に、チューブ１１６ｃ内部の容積＋ポンプ１１５の液流停止空気量以上としているので、ポンプ１１５とチューブ１１６ｃ内部が再び液で満たされ、これらの中に入っていた空気がタンク１１４に排出されることになる。逆流完了後は、ポンプを動作させれば、再び液を循環させることが出来る。
【００２５】
つぎに、液流停止の検知手段について説明する。本実施例ではポンプの羽根車の回転数を検知することで液流停止を判断する。詳しくは、ポンプ内部に空気が混入した場合、羽根車が冷却液と接触する面積が減少する為、羽根車の負荷が軽くなる。従って羽根車の回転数が上昇する。図５に本実施例における羽根車回転数と液流の状態の一例を関係を示す。図５のように、通常時と空気混入時では、羽根車の回転数に１０００ｒｐｍ以上の明らかな違いがあるため、十分液流停止を判断する事ができる。尚ポンプの復帰動作に入るためには、液流が完全に停止している必要は無い為、本実施例の場合、ポンプの復帰動作（ポンプ一時停止）に入る回転数を４０００ｒｐｍとしている。以降この回転数の事を復帰回転数と呼ぶことにする。液流の停止検知は、羽根車の回転数以外に、消費電流も少なくなる為、このポンプ電流を検知することでも液流停止を判断することが可能である。
【００２６】
次にポンプの制御方法について図６のフローを用いて説明する。まず装置全体の電源を投入して、ステップ６０１にてポンプの駆動が開始される。つぎのステップ６０２では、羽根車の回転数が安定するまでのウエートを掛ける。この時間は循環経路の長さにもよるが、通常は数秒で良く、本実施例の場合は３秒としている。次のステップ６０３では羽根車の回転数を検知し、次のステップ６０４で、先に検知した羽根車の回転数が、復帰回転数（本実施例の場合は４０００ｒｐｍ）以上であるか、確認する。羽根車の回転数が復帰回転数以下の場合は、液流が正常に流れているため、再びステップ６０３へ戻り、羽根車の回転数の検知を行なう。
【００２７】
一方、ステップ６０４で、羽根車の回転数が復帰回転数以上の場合は、ステップ６０５にてポンプの駆動が停止する。この時、図４に示した構造により、冷却液の逆流が始まる。次のステップ６０６では、この液の逆流が完了するまで、即ち図４のチューブ１１６ｂ内部の液の高さが、液面２０１と同じ高さになるまでの時間のウエートを掛ける。この時間は、循環系全体の圧損や、図４の上部部分２０２の容積によるが、本実施例の場合は８秒である。その後ステップ６０１に戻り、ポンプの駆動が開始される。以上に述べたフローにより、非自吸式ポンプに空気が混入して循環が停止した場合でも、ポンプ内部の空気を排出でき、ポンプの揚水能力を復帰する事が可能となる。
【００２８】
尚、上部部分２０２は、図７に示す様な形状、即ち口２０３よりも高い部分があっても良い。要するに口２０３が液面２０１よりも上部であれば、上部部分２０２の形状は任意であり、その上部部分２０２の容積は、チューブ１１６ｃ内部の容積とポンプ１１５の液流停止空気量の和より大きくすればよい。
【００２９】
また、本実施例では、一度の逆流動作でポンプ内部の空気を排出する為、上部部分２０２の容積をチューブ１１６ｃ内部の容積＋ポンプ１１５の液流停止空気量以上としているが、複数回の逆流動作を行なっても良い場合は、上部部分２０２の容積はチューブ１１６ｃ内部の容積以上あれば良い。
また、これまでチューブの一部である上部部分２０２の容積を逆流時の液量としてきたが、チューブだけでは無く、ラジエータ自体を液面２０１よりも高い位置に配置する事で、ラジエータ内部の容積を、逆流時の液量として使用する事が出来る。
【００３０】
また、本実施例では、冷却液の自重により液の循環を逆流させたが、ポンプが遠心ポンプでは無く、軸流タイプの羽根車を持つポンプであれば、羽根車を逆回転させる事により、液の循環を逆流させる事も出来る。この場合は上部部分２０２は不用となる。
【００３１】
尚、ポンプの制御についてであるが、ポンプをＯＮ・ＯＦＦするだけでは無く、電圧制御により流量を変化させる場合、即ち羽根車の回転数を制御する場合は、その電圧値に応じた復帰回転数をあらかじめ調査し、この結果をデータとして保持する事で、各電圧駆動時においても液流停止の判断が可能となる。またこの様な羽根車の回転数検知及び電圧駆動は、現行のＰＣで一般的に行われているファン制御と同じであるため、本発明の適用は容易である。
【実施例２】
【００３２】
本実施例は、本発明のノート型パーソナルコンピュータ（以下ノートＰＣ）へ本発明を適用した例を示す。尚本実施例の説明においては、実施例１とは異なる部分を中心に説明する。
図８に本実施例を示す。ノートＰＣは、実施例１で示したデスクトップＰＣとは異なり、本体部８０１とディスプレイ部８０２があり、これらはヒンジ８０３により結合している。この為、ヒンジ８０３の内部を通るチューブ８０４は柔軟性のあるゴムチューブを使用している。ディスプレイ部８０２の背面側には、放熱パイプ８０６及びこれとロー付けもしくはカシメにて接続された放熱板８０５が配置され、ＣＰＵの熱が自然放熱により冷やされる。
【００３３】
タンク１１４の内部は実施例１の図２から図４に示した構造と同じである、即ち、タンク１１４の内部は、ポンプ１１５と接続するチューブの口２０４が、タンクの中心に配置されている。この為、タンク１１４内部に半分以上の冷却液があれば、静置状態において、如何なる姿勢においても口２０４が液面２０１下になる様にしている。
【００３４】
また放熱部と接続するチューブの口２０３が液面２０１よりも上部に配置されている。そして上部部分２０２は放熱パイプ８０６の大半を占めるようになっている。また、ポンプ１１５の制御については、実施例２の場合と同様に、マザーボード１０３により、液流の検知及び制御がなされる。冷却液の流れる順番は、ポンプ１１５-ジャケット１１１-放熱パイプ８０６-タンク１１４-再びポンプ１１５という順路である。即ち、ポンプ１１５の上流には、空気と液を分離する、タンク１１４がある。
【００３５】
以上の構成、即ち、ポンプ１１５の上流に位置する空気と液体を分離する手段を持つタンク１１４と、液の循環を逆流させる手段である上部部分２０２を設けた。そしてポンプ１１５内部に空気が混入した場合、マザーボード１０３の制御によりポンプ１１５を一時的に停止する事で液の循環を逆流させ、ポンプ内部の空気をタンク１１４に排出する様にした。以上に述べた構造により、非自吸式ポンプに空気が混入して循環が停止した場合、自動的に復帰する事が可能となる。
【００３６】
なお、本実施例では、放熱パイプ８０６と放熱板８０５で構成される放熱手段と、タンク１１４を個々に用意しているが、これらをロールボンド方式で一体成形しても良い。ロールボンド方式とは、２枚の薄い金属板を張り合わせ、一部分を膨らませて流路等を成形するものである。この例を図９に示す。ハッチング部分は接着された部分であり、空白部分は膨らませて空洞状に形成された部分である。
【００３７】
また、実施例１及び２において、装置運転中の姿勢に制約を持たせない為、タンク１１４内部の口２０４をタンクの中心に配置したが、設置姿勢が決っている装置、例えばラックマウント型のサーバ等では不要である。想定される設置姿勢において、口２０４がタンク内部の液面２０１下にあれば良い。
【００３８】
実施例１や実施例２に説明したように、装置電源をオフすると、ポンプが停止すると冷却液の逆流がおき、ポンプ内部の冷却液が排出されるのでポンプ内部の空気が排出される。これにより、つぎの起動時には、空気の混入によるポンプの揚水能力が復帰するので、安定した冷却性能を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明を用いた電子機器の実施例１（デスクトップＰＣ）の斜視図である。
【図２】本発明の原理を示す図（定常運転状態）である。
【図３】本発明の原理を示す図（ポンプ内部に空気混入状態）である。
【図４】本発明の原理を示す図（液が逆流し、ポンプ内部の空気が排出された状態）である。
【図５】液流の状態とポンプの羽根車の回転数の関係を示した表である。
【図６】本発明による実施例におけるポンプ制御のフローである。
【図７】本発明の原理を示す図（図２から４に示したものとは別の上部パイプ形状）である。
【図８】本発明を用いた電子機器の実施例２（ノートＰＣ）の斜視図である。
【図９】ロールボンド方式により一体形成した、本発明による上部チューブ及びタンクの図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０２…ＣＰＵ、１０３…マザーボード、１１１…ジャケット、１１２…ラジエータ、
１１３…ファン、１１５…ポンプ、１１４…タンク、
１１６ｂ…ラジエータとタンクを繋ぐパイプ、１１６ｃ…タンクとポンプを繋ぐパイプ、
２０１…タンク内部の液面、２０２…ラジエータとタンクを繋ぐパイプの液面より上部の部分、
２０３…ラジエータとタンクを繋ぐパイプの口、２０４…ポタンクとポンプを繋ぐパイプの口、
８０３…ヒンジ部分、８０４…ヒンジ部分を通るフレキシブルチューブ、８０６…放熱パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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