(57)【要約】【課題】パソコンの高速化による電子部品の発熱量の増加に伴い、冷却効率の高い液冷循環システムが検討されている。液冷循環システムの吸熱ユニットと放熱ユニットの熱交換効率を改良し、小型、コンパクトな液冷循環システムを提供することを目的とする。【解決手段】吸熱ユニット１の内部に仕切り板４を設け、並列流路１２、１３、１４、１５を形成する。高温度部の中央部の流路１３、１４の流量は、低温度部の端部の流路１２，１５の流量より大きい。これによって良好な熱交換率を達成することができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱電子部品と、
前記発熱電子部品と対向接触して設けられ、供給孔と排出孔とを有する金属製の扁平箱よりなる吸熱部ユニットと、
放熱部ユニットと、
ポンプ手段と、
前記吸熱部ユニットと前記放熱部ユニットと前記ポンプ手段とを連結するパイプ材と、
前記パイプ材中に充填された液体冷媒とで構成され、
前記扁平箱は金属製の複数の仕切り板で区切られた複数の流路を有し、前記供給孔は前記扁平箱の底面に沿って前記液体冷媒を案内するように構成されたことを特徴とする液冷循環システム。
【請求項２】
高温度部の底面に設けられた流路甲に流れる液体冷媒の流量を、低温度部の底面に設けられた流路乙の流量より大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の液冷循環システム。
【請求項３】
供給孔と排出孔とが扁平箱の対向する側面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の液冷循環システム。
【請求項４】
供給孔と排出孔とが非対称の位置に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の液冷循環システム。
【請求項５】
発熱電子部品と、
前記発熱電子部品と対向接触して設けられ、供給孔と排出孔とを有する金属製の扁平箱よりなる吸熱部ユニットと、
放熱部ユニットと、
ポンプ手段と、
前記吸熱部ユニットと前記放熱部ユニットと前記ポンプ手段とを連結するパイプ材と、
前記パイプ材中に充填された液体冷媒とで構成され、
前記供給孔が前記扁平箱の上部に設けられ、前記供給孔から供給された前記液体冷媒が前記発熱電子部品の高温度領域に対向接触する前記扁平箱の底面に垂直方向より供給するように構成されたことを特徴とする液冷循環システム。
【請求項６】
排出孔が扁平箱の側面に複数個設けられていることを特徴とする請求項５に記載の液冷システム。
【請求項７】
金属製の扁平箱に仕切り板で区切られた流路を設けたことを特徴とする請求項５に記載の液冷循環システム。
【請求項８】
供給孔近辺の仕切り板の背の高さが、前記仕切り板の平均高さより小さいことを特徴とする請求項７に記載の液冷システム。
【請求項９】
供給孔近辺の仕切り板に貫通孔を設けたことを特徴とする請求項７に記載の液冷システム。
【請求項１０】
供給孔近辺の流路の幅が、前記流路の平均幅よりも小さいことを特徴とする請求項７乃至請求項９に記載の液冷システム。
【請求項１１】
発熱電子部品と、
前記発熱電子部品と対向接触して設けられ、供給孔と排出孔とを有する金属製の扁平箱よりなる吸熱部ユニットと、
放熱部ユニットと、
ポンプ手段と、
前記吸熱部ユニットと前記放熱部ユニットと前記ポンプ手段とを連結するパイプ材と、
前記パイプ材中に充填された液体冷媒とで構成され、
前記放熱部ユニットが、金属パイプの外周面に複数枚の放熱板を圧着した放熱器と、前記放熱器を冷却するファンとより構成されることを特徴とする液冷循環システム。
【請求項１２】
複数個の放熱器がフレキシブルチューブによって連結されていることを特徴とする請求項１１に記載の液冷循環システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノート型パソコン等の可搬性の電子機器の冷却システムに関し、詳しくは液体を循環させることによって冷却を行う液冷循環システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来ノート型パソコン等の可搬性の電子機器に使用される発熱電子部品（たとえば、ＣＰＵ、ＭＰＵなど）の冷却は、ファンを使用した空冷式が主流であった。ところがパソコンの高速化による電子部品の発熱量の増加に伴い、小型・コンパクトを維持しながら空冷方式により発熱電子部品を所定の温度まで冷却することが困難であることから液冷循環システムが検討されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
液冷循環システムの構成の概念図を図７に示す。液冷循環システムは吸熱部ユニット５１、放熱部ユニット５２、ポンプ６１とこれらを連結するパイプ材５３とで構成されており、パイプ材５３を循環する液体冷媒５４によって循環流路５５が形成されている。吸熱部ユニット５１には発熱電子部品（図には示していない）が搭載されており、パソコン稼動中は他の部分より高温である。発熱電子部品から発生した熱は吸熱部ユニット５１に伝導し、流路５５を介して液体冷媒５４に伝導後、放熱部ユニット５２に到達する。放熱部ユニット５２に伝導した熱は、放熱部ユニット５２の周辺を流れる空気対流に乗りパソコン内部より外部に放熱される。
【０００４】
図８に従来の吸熱部ユニット５１の断面図を示す。吸熱部ユニット５１は金属製の扁平箱であり、内部に流路５５を形成する複数枚の金属製の仕切り板５６ａ、５６ｂ、５６ｃとを有する。吸熱部ユニット５１の端部には供給孔５７と排出孔５８とが設けられ、パイプ材５３に連結されて循環流路５５を形成している。発熱電子部品５９から発生した熱は、熱伝導性グリス６０を介して吸熱部ユニット５１に伝わり、そこから流路５５を流れる液体冷媒５４に伝熱される。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−１４２８８６号公報（図１〜図６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
吸熱部ユニット５１から液体冷媒５４への熱伝導効率は、液体冷媒５４と吸熱部ユニット５１との接触面積と流路５５を流れる液体冷媒５４の流量に依存している。液体冷媒５４と吸熱部ユニット５１との接触面積を大きくするために、吸熱部ユニット５１の底面積を発熱電子部品５９の底面積よりも大きくしているが、実装面積が限定されるために限度がある。このため、仕切り板５６の密度を大きくして液体冷媒５４と吸熱部ユニット５１との接触面積を大きくすることが行われている。単純に仕切り板５６の密度を大きくするだけでは逆に熱伝導効率が低下する現象が発生する。仕切り板５６の密度を大きくすると、流路の幅が狭まりしかも距離が長くなるため、流路５５の流体抵抗が急激に増加する。このため流量が低下し、逆に吸熱部ユニット５１の吸熱効率が低下するのである。
【０００７】
液冷循環システムに使用されるパイプ材５３は内径２〜３ｍｍ前後の樹脂パイプである。従来の流路５５は図８に示すように折りたたまれた一本の流路であるため、流路５５の幅を小さくすると流路５５の流体抵抗が非常に大きくなる。このために、流路５の幅を３ｍｍ以下にすることは困難であった。
【０００８】
また図８の流路５５は、供給孔５７のある比較的低温の周辺部から高温の発熱電子部品５９の直下を経て、再び低温の周辺部にある排出孔５８に抜けるため吸熱効率が悪かった。
【０００９】
さらに図８の流路５５において、吸熱部ユニット５１の底面に接触している液体冷媒５４の移動速度が最も遅く、下層を流れる液体冷媒５４と上層を流れる液体冷媒５４との混合の少ない、所謂層流を形成するため吸熱効率が悪かった。
【００１０】
またさらに上記課題を解決して吸熱部ユニット１の熱伝導率を向上させると、放熱部ユニット２における放熱が不十分となり、液冷循環システム全体としてバランスが悪くなる課題があった。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第一の発明は、発熱電子部品と、前記発熱電子部品と対向接触して設けられ、供給孔と排出孔を有する金属製の扁平箱よりなる吸熱部ユニットと、放熱部ユニットと、ポンプ手段と、前記吸熱部ユニットと前記放熱部ユニットと前記ポンプ手段とを連結するパイプ材と、前記パイプ材中に充填された液体冷媒とで構成され、前記扁平箱は金属製の複数の仕切り板で区切られた複数の流路を有し、前記供給孔は前記扁平箱の底面に沿って前記液体冷媒を案内するように構成されたことを特徴とするものであり、複数の仕切り板で区切られた複数の流路を有するため、前記仕切り板の密度を大きくして前記液体冷媒と前記仕切り板との接触面積を増加しても、一本の流路よりなる従来の流体抵抗より顕著に流体抵抗を小さくすることができる。
【００１２】
本発明の第二の発明は、高温度部の底面に設けられた流路甲に流れる液体冷媒の流量を、低温度部の底面に設けられた流路乙の流量より大きくしたことを特徴とするものであり、高温度部の流量を大きくすることにより、吸熱効率を向上させることができる。
【００１３】
本発明の第三の発明は、発熱電子部品と、前記発熱電子部品と対向接触して設けられ、供給孔と排出孔とを有する金属製の扁平箱よりなる吸熱部ユニットと、放熱部ユニットと、ポンプ手段と、前記吸熱部ユニットと前記放熱部ユニットと前記ポンプ手段とを連結するパイプ材と、前記パイプ材中に充填された液体冷媒とで構成され、前記供給孔が前記扁平箱の上部に設けられ、前記供給孔から供給された前記液体冷媒が前記発熱電子部品の高温度領域に対向接触する前記扁平箱の底面に垂直方向より供給するように構成されたことを特徴とするものであり、高温度部の供給孔近辺での液体冷媒の流れが噴流（乱流）となるために、吸熱効率を向上させることができる。
【００１４】
本発明の第四の発明は、発熱電子部品と、前記発熱電子部品と対向接触して設けられ、供給孔と排出孔とを有する金属製の扁平箱よりなる吸熱部ユニットと、放熱部ユニットと、ポンプ手段と、前記吸熱部ユニットと前記放熱部ユニットと前記ポンプ手段とを連結するパイプ材と、前記パイプ材中に充填された液体冷媒とで構成され、前記放熱部ユニットが、金属パイプの外周面に複数枚の放熱板を圧着した放熱器と、前記放熱器を冷却するファンとより構成されることを特徴とするものであり、放熱板をファンで強制空冷することにより、小さいスペースで大きな放熱量を確保することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について、図１〜図６を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の第１の実施の形態の液冷循環システムにおける吸熱部ユニット１の断面投影図であり、図１（ａ）は、平面方向、図１（ｂ）および図１（ｃ）は側面方向を示す。また、図２は液冷循環システムを示す概念図である。図１において、吸熱部ユニット１は扁平金属箱２と蓋３と仕切り板４と供給孔５と排出孔６とを備える。供給孔５と排出孔６とにはパイプ材７が取り付けられ、液体冷媒８が図１の左から右方向に流れている。扁平金属箱２の底面１１の外側中央部には発熱電子部品９が熱伝導グリス１０を介して当接している。扁平金属箱２の底面１１の内側には金属製の複数の仕切り板４が溶接されている。扁平金属箱２と蓋３とはビス止め、溶接、あるいは接着剤によって係合密閉されている。
【００１７】
発熱電子部品９で発生した熱は、熱伝導グリス１０を介して扁平金属箱２に伝わり、底面１１を経て各仕切り板４に熱伝導する。したがって、発熱電子部品９と対向する底面１１付近の温度が高く、周囲に行くほど温度が低くなる。仕切り板４は流路１２、１３、１４、１５を形成する隔壁として作用するとともに、発熱電子部品９からの熱を放出する放熱板としての作用をする。
【００１８】
以上のように構成された液冷循環システムについて、その動作を説明する。供給孔５から供給された液体冷媒８は扁平金属箱２の中に入ると、仕切り板４によって流路１２から流路１５の四つの流路に分割される。図１の例では供給孔５と排出孔６とは対向する側壁の中央部に設けられているので、中央部の流路１３、流路１４を流れる液体冷媒８の流量は、端部の流路１２、流路１５を流れる流量より大きくなる。
【００１９】
つまり、本実施の形態の図１に示す吸熱部ユニット１は高温度の中央部ほど液体冷媒８の流量が多く、低温度の周辺部では流量が少ないという合理的な設定がされているので、吸熱効率がよい。流路１２、１３、１４、１５を流れる液体冷媒の温度上昇が等しくなるように、各流路の流量を設定すれば吸熱効率は最大になる。
【００２０】
複数の仕切り板４によって形成される複数の流路に流れる流量は、以下の要因によって決定される。供給孔５と排出孔６との位置関係、一つの仕切り板とそれに隣接する仕切り板との幅、仕切り板端部と供給孔５または排出孔６が設けられている扁平金属箱２の側壁との距離等である。吸熱部ユニット１の温度分布を考慮して、これ等の数値を適切に設計すれば吸熱効率のよい吸熱部ユニットを設計することができる。
【００２１】
本実施の形態の図１の構成の吸熱部ユニットを下記仕様で試作した。
【００２２】
扁平金属箱の材質；銅
扁平金属箱の材質の内寸；３６＊３６＊２．５ｍｍ
供給孔の内径；２．５ｍｍ
仕切り板（１８枚を等間隔に設けた）；１７＊２．５＊０．８ｍｍ
仕切り板間隔；１．２ｍｍ
液体冷媒；グリコール系不凍液
ＣＰＵの寸法；２５＊２５ｍｍ
パイプ材；内径２．５ｍｍのフレキシブルチューブ
ポンプ；ＤＣポンプ
放熱部ユニット；実施の形態３で後述する
上記ユニットを図２のように接続し液冷循環システムを構成して、このシステムをノートパソコンに搭載した。これを２５℃の室温で連続動作させて、ＣＰＵ（２０Ｗ）の温度上昇を記録した。
【００２３】
比較のために従来構造（図７に示す）の一本の直列流路（仕切り板間隔１．２ｍｍ）を持つ吸熱部ユニットを試作し、同様の液冷システムを構成して温度上昇を測定した。
【００２４】
本発明の吸熱部ユニットを搭載したＣＰＵ表面の温度上昇が６５℃であったのに対して、従来型の直列流路を持つ吸熱部ユニットでは温度上昇は７０℃であった。本実施の形態の吸熱部ユニットの冷却効率が従来型の吸熱部ユニットよりよいのは、パイプ材７を流れる流量の低下が少ないこと、吸熱部ユニットにおいて高温度部の流路の流量が低温度部の流量より大きいことによることであることは言うまでもない。
【００２５】
（実施の形態２）
図３に本発明の第２の実施の形態における液冷循環システムの吸熱部ユニットの断面投影図を示し、図３（ａ）は、上方向、図３（ｂ）は側面方向から見た断面図である。本実施の形態の吸熱部ユニット１は、液体冷媒８の供給孔５が蓋３の中央部に、二つの排出孔（排出孔６と排出孔１６）が扁平金属箱２の側面に設けられている。
【００２６】
実施の形態１と本実施の形態との相違点は、液体冷媒８の供給孔５の位置である。実施の形態１の吸熱部ユニット１では供給孔５が扁平金属箱２の側面に設けられているのに対して、図３では供給孔５を蓋３に設けた点である。これにより、図３の吸熱部ユニット１では液体冷媒８を発熱源に最も近い場所に供給でき、しかも液体冷媒８を底面１１に対して垂直方向から噴流として注入する点にある。
【００２７】
実施の形態１の吸熱部ユニット１では供給孔５の導入方向が底面１１と平行であるため、流路を流れる液体冷媒８は底面１１と平行な層流となる。これに対して、図３の供給孔５の導入方向は底面１１と直交しているため導入孔付近の液体冷媒の流れは、噴流（乱流）となる。層流状態の液体冷媒では、底面１１と接触している冷媒の入れ替わりが少ないが、乱流状態の液体冷媒では、底面１１と接触している冷媒は絶えず入れ替わるため層流状態に比べ吸熱効率がよい。しかも、図３の供給孔５の直下の底面１１は発熱電子部品９の中央部であるため高温であり、より効果的である。
【００２８】
本実施の形態における図３の吸熱ユニット１の扁平金属箱２は空洞であり仕切り板を省略してあるが、放熱効果の点では仕切り板（放熱板）を設けることが有効である。図３の吸熱部ユニットに適した仕切り板の構造例を図４に示す。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はいずれも蓋３を開けたときの平面図である。
【００２９】
図４（ａ）は供給孔５の直下付近の仕切り板４を切り欠き、液体冷媒が中心より左右方向に流れるようにしたものである。これに対して、図４（ｂ）は排出孔を６、１６、１７、１８の四つ設けて、左右上下方向への均等な流路を形成したものである。なお、図４（ａ）、図４（ｂ）では供給孔５の直下に仕切り板４を設けていないが、この部分の仕切り板４の背の高さを低くして、仕切り板４をオーバーフローした液体冷媒が各流路に分岐するようにしてもよい。あるいは供給孔５の直下の仕切り板４に貫通孔を設け、貫通孔を通して液体冷媒が流れ出るようにしてもよい。このようにすると、高温度領域の放熱板の表面積を大きくすることができるだけでなく、噴流（乱流）を形成している部分での放熱板の表面積を増加することができるので効果的である。
【００３０】
図４（ｃ）は仕切り板４を渦巻状に設けたもので、従来例における図８の直列配置の流路と同様であるが、高温度領域の中心部に供給孔５を設けてある点、供給孔５の直下では噴流としている点、中心部の仕切り板４の幅を周辺部より狭くして、効率のよい吸熱効果を実現している点で従来の吸熱ユニットより優れている。この場合においても、中心周辺の仕切り板４の背の高さを低くして液体冷媒が仕切り板４をオーバーフローする、あるいは中心周辺の仕切り板４に貫通孔を設け液体冷媒が仕切り板４を通り抜けるようにしてもよい。
【００３１】
（実施の形態３）
図５に本発明の第３の実施の形態による液冷循環システムがノート型パソコンに組み込まれた状態の概略図を示す。図において、放熱部ユニット２１は金属パイプ２２の外周に複数の金属製の放熱板２３を圧着したものであり、金属パイプ２２の両端にはフレキシブルチューブ３０が連結されている。フレキシブルチューブ３０の一端は吸熱部ユニット１に、他の端はポンプ２５に連結され、ポンプ２５は吸熱部ユニットに連結され、液冷循環システムを構成している。放熱部ユニット２１の近傍にはファン２４と排気口２８が設けられている。
【００３２】
放熱部ユニット２１はパソコンの表示部２７に、吸熱部ユニット１とポンプ２５はパソコンの本体部２６に取り付けられている。本体部２６にある発熱部品９が発生した熱を吸熱部ユニット１内の液体冷媒が吸熱し、フレキシブルチューブ３０を通って金属パイプ２２、放熱板２３に伝熱される。放熱板２３はファン２４で冷却され、暖められた空気が排気孔２８より外部に排気される。
【００３３】
本実施の形態の放熱部ユニット２１は小型、コンパクトと強制空冷による大量放熱に特徴があり、特に実施の形態１および実施の形態２に述べた吸熱効率を向上させた吸熱部ユニット１に適合するものである。
【００３４】
この放熱部ユニット２１はフレキシブルチューブ３０と略同サイズの金属パイプ２２と放熱板２３より構成されているので、配置が容易である。即ち図６に示すように、狭い空間に合わせて放熱部ユニット２１を分割して配置することができる。図６（ａ）は、複数の金属パイプ２２をフレキシブルチューブ３０で折り畳んで連結しコンパクト化を実現している例、また図６（ｂ）は、表示部２７のコーナ部に配置することによって省スペース化を実現している例である。
【００３５】
【発明の効果】
以上のように本発明は、吸熱部ユニットの吸熱効率と放熱ユニットの放熱効率とを向上させ、吸熱部ユニット、放熱ユニットの小型化、コンパクト化を実現するものである。これによりノートパソコン等の可搬性電子機器において、高性能・高発熱の部品を搭載した高性能機器の設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における液冷循環システムの吸熱部ユニットを示す断面投影図
【図２】本発明の第１の実施の形態における液冷循環システムの構成を示す概念図
【図３】本発明の第２の実施の形態における液冷循環システムの吸熱部ユニットを示す断面投影図
【図４】本発明の第２の実施の形態の吸熱部ユニットにおける排出孔と仕切り板との配置例を示す平面図
【図５】本発明の第３の実施の形態における液冷循環システムの放熱部ユニットと液冷循環システム全体を示す概念図
【図６】本発明の第３の実施の形態における放熱部ユニットの配置例を示す平面図
【図７】従来の液冷循環システムを示す概念図
【図８】従来の液冷循環システムの吸熱部ユニットを示す断面投影図
【符号の説明】
１  吸熱部ユニット
２  扁平金属箱
４  仕切り板
５  供給孔
６，１６，１７，１８，１９  排出孔
７  パイプ材
８  液体冷媒
９  発熱電子部品
１１  底面
１２，１３，１４，１５  流路
２１  放熱部ユニット
２２  金属パイプ
２３  放熱板
２４  ファン
２５  ポンプ
３０  フレキシブルチューブ
【図１】
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【図２】
2005011928.tif 000004
【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】
2005011928.tif 000009
【図８】
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