(57)【要約】      （修正有）【課題】液冷システムにおいて熱抵抗値を小さくする事。【解決手段】コンピュータプロセッサ等を冷却する液冷システムにおいて、冷却液が冷却液と熱交換器１８の接触面の近くを流れる様にする。また冷却液が冷却液と受熱器１６の接触面の近くを流れる様にする。このために冷媒流路の長さを充分長くして、断面積が小さくても冷却に必要な冷媒の総量が確保できるようにする。【選択図】図８
2005252139.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液冷システムの構成要素である、発熱体から熱を受け取り冷却液に熱を移す受熱器で、冷却液の入り口から冷却開始線まで配置流路が配置され、冷却開始線から冷却終了線まで冷却流路が配置され、冷却終了線から冷却液の出口まで回収流路が配置され、冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が長く、その事によって冷却流路の発熱体に対する厚さが薄くなりかつ冷却液の流れの方向に対して垂直な流路の断面積の合計が確保されている事を特徴としたもの。
【請求項２】
コンピュータープロセッサを冷却する液例システムの構成要素である、発熱体から熱を受け取り冷却液に熱を移す受熱器で、冷却液の入り口から冷却開始線まで配置流路が配置され、冷却開始線から冷却終了線まで冷却流路が配置され、冷却終了線から冷却液の出口まで回収流路が配置され、冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が長く、その事によって冷却流路の発熱体に対する厚さが薄くなりかつ冷却液の流れの方向に対して垂直な流路の断面積の合計が確保されている事を特徴としたもの。
【請求項３】
コンピュータープロセッサを冷却する液冷システムの構成要素である冷却液から熱を受け取り大気中に熱を放出する熱交換器で、板状の基部に流路を複数持ち、そこに冷却液が並列的に通り、その並列な個々の流路の冷却液の流れに垂直な断面積は小さく、並列な流路の数は多く、かつ基部の両面に空気との熱交換のためのフィンもしくはピンが並べられている事を特徴としたもの。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
液冷システムに関するもの。
【背景技術】
【０００２】
受熱器、熱交換器、タンク、ポンプ（往復式ポンプの場合アキュームレーターも含む）、冷却液の循環する経路によって構成された液冷システムはコンピュータープロセッサや自動車エンジンの冷却等に用いられており広く知られている。
【０００３】
現在のパーソナルコンピューターに用いられるＣＰＵを冷却する装置は専らヒートシンクと送風機を組み合わせた強制空冷式のものである。一部に送風機の発する雑音を無くす事ないし低減する事を目的に液冷システムを採用した商品が存在する（日立製作所FLORA 270Wサイレントモデル、NEC  VZ700/6F等）。パソコン用液冷システムの構成が特開平10-213370に、またノートパソコン用水冷システムが  特開2002-189535に記載されている。
【０００４】
従来から在る液冷システムの受熱器として金属製受熱器内に蛇行した冷却液の流路を形成したものが知られている。又発熱体と受熱器を一体化したもの、特にコンピュータープロセッサのパッケージング時に発熱体であるダイと受熱器を一体化する事が知られており特開平6−061391に記載されている。受熱器内の流路に溝、フィンを造ったものが特開2003-047258  特開平10-306989に記載されている。受熱器とポンプを一体構造とした者について特開2002-151638に記載が在る。その他に特表平11-510962に受熱器についての記載が在る。
【０００５】
従来から在る熱交換器として、金属製の管を冷却液の流路として持ち管に多数のフィンを取りつけたもの、金属製ヒートシンクの基部の蛇行した流路に冷却液を通したもの、またそれらに送風機を組み合わせたものなどが知られている。
【特許文献１】特開平10-213370号広報
【特許文献２】特開2002-189535号広報
【特許文献３】特開平6−061391号広報
【特許文献４】特開2003-047258号広報
【特許文献５】特開平10-306989号広報
【特許文献６】特開2002-151638号広報
【特許文献７】特表平11-510962号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
パーソナルコンピューターに用いられるCPUは年々高性能化すると共に発熱量が増大しているが、従来使われている強制空冷装置によっての放熱能力の限界がCPUの発熱量を制限し性能向上の妨げとなっている。そこで本発明は熱抵抗の小さい液冷システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
液冷システムの全体の構成の例として図８を挙げる。１８が冷却液から熱を受け取り空気中に放熱する熱交換器、１９が冷却液を循環させるポンプ、１６が発熱体から熱を受け取り冷却液に移す受熱器、１が発熱体、１７が冷却系の漏れ、蒸発、収縮、膨張に対応する為の内容積変化可能なリザーブタンク。
【０００８】
冷却液に比して金属の熱伝導率は遥かに高いため受熱器又は熱交換器と冷却液の接触面の近くを流れる冷却液ほど効率が良い。熱の移動量は接触面積に比例する。これらのことを利用して受熱器及び熱交換器の効率を高める。
【０００９】
受熱器の構造について
【００１０】
発熱体から熱を受け取り冷却液に熱を移す受熱器で、冷却液の入り口から冷却開始線まで配置流路が配置され、冷却開始線から冷却終了線まで冷却流路が配置され、冷却終了線から出口まで回収流路が配置され、冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が長く、その事によって冷却流路の発熱体に対する厚さが薄くなりかつ冷却液の流れの方向に対して垂直な流路の断面積の合計が確保されている事を特徴としたもの。
【００１１】
冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計は発熱体の長片の長さの２倍以上とする。
【００１２】
受熱器は主として金属製である。発熱体に接しない側に、流路を形成するため合成樹脂を用いる事ができる。
【００１３】
冷却液は発熱体の近くを通るものほど冷却効率が良い。図１において１が発熱体２が冷却液の流路３が冷却液の流れる方向である。冷却液の流れる方向に対して垂直な流路の断面積及び発熱体の面積が一定だとすると、図１a-bで示される冷却開始線の長さ及び図１c-dで示される冷却終了線の長さを長くする事で、図１b-cで示される冷却線の長さが短くなる。またb-eで示される冷却液の流路の発熱体に対する厚み方向の長さが短くなる、すなわち流路が発熱体に対して薄くなる。この様にした場合冷却液はより発熱体の近くを流れる事になり冷却効率が上がる。又冷却線が短くなるため冷却液と受熱器の発熱体側の接触面近くの冷却液の温度上昇が小さくなり、このことも冷却効率を上げる。図１a-bの冷却開始線の長さ掛ける図１b-eの流路の厚さで表される流路の断面積は一定である。たんに図１b-eを短くした場合、流路の断面積が減少し冷却液が流れにくくなる。しかし図１a-bの冷却開始線及び図１c-dの冷却終了線を長くする事で流路を発熱体に対して薄くしつつ流路の断面積を確保できる。図１右図は図１左図を上のように変化させた図である。変化の割合図１Ｎが大きいほど冷却効率が上がる。
【００１４】
図１で示された変化の場合、発熱体の形状の変化を伴う。しかし一定形状の発熱体の上で冷却効率を上げる必要がある。そのために発熱体の上に冷却開始線及び冷却終了線が長くなる様配置する事で、冷却流路の形状を発熱体に対して薄くしつつ流路の流れの方向に垂直な断面積の合計を確保できる。冷却開始線及び冷却終了線は一本である必要は無く、冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が長くなる様に配置されていれば良い。冷却開始線及び冷却終了線の配置の例を図２に挙げる。図２  ４が冷却開始線、５が冷却線、６が冷却終了線である。冷却液は冷却開始線から冷却終了線へ流れる。図２での冷却開始線と冷却終了線は平行な4本ずつの直線であるが、より多数の冷却開始線と冷却終了線の組を配置する事でその長さの合計を増す事が出来また冷却線は短くなる。長さの合計が増せば、冷却液の流れの方向に垂直な流路の断面積の合計を確保しつつ、より冷却流路を発熱体に対して薄く出来る。冷却線が短くなる事で、冷却液と受熱器発熱体側の接触面近くを流れる冷却液の温度上昇が小さくなる。これらの事で冷却効率が上がる。
【００１５】
流路の配置の方法を説明する。図３  １は発熱体である。図３  １０の入り口から図３  ４の冷却開始線までの間に図３  ７の配置流路を冷却開始線の上方に冷却開始線に沿って配置する。冷却開始線から図３  ６の冷却終了線の間に図３  ８の冷却流路を配置する。冷却終了線から図３  １１の出口の間に図３  ９の回収流路を冷却終了線の上方に冷却終了線に沿って配置する。冷却液の入り口からすべての配置流路に分岐する様にし、かつ回収流路側は一つにまとまり冷却液の出口に繋がる様にする。このようにする事で、冷却開始線、冷却終了線の配置に対応した流路を配置形成する事が出来る。
【００１６】
図３の流路の配置の例に対応した受熱気の形状の例を図４に挙げる。図４  １は発熱体であり図４  １２は受熱器の断面図である。入り口の図４  １０から入った冷却液は配置流路の図４  ７を通り冷却開始線の図４  ４へ向かう。冷却液は冷却開始線から冷却終了線の図４  ６の間に在る冷却流路の図４  ８を通り、通るときに熱を受け取る。熱を受け取った冷却液は冷却終了線から回収流路の図４  ９に向かいそこを通って出口の図４  １１から出る。図４  Aの断面図が図５  の受熱器である。配置流路の図５  ７は奥を塞いであり、回収流路の図５  ９のは手前を塞いであるため、入り口の図５  １０から入った冷却液は配置流路−冷却流路−回収流路を経て出口の図５  １１から出て行く。
【００１７】
上に挙げた配置の例にに限らず冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が長くなる様に配置し、それに対応する様流路を配置した受熱器を作ることで、冷却流路を発熱体に対して薄くしつつ冷却液の流れの方向に垂直な断面積の合計を確保する事が出来る。これにより効率が高い受熱器を作ることが出来る。
【００１８】
例に挙げた受熱器は平面の発熱体を冷却するためのものであったが、球面や円筒形等他の曲面、平面を組み合わせた面を冷却する場合も、冷却開始線及び冷却終了線を長く配置し、それに対応する流路を配置した受熱器を作ることで、冷却流路を発熱体に対して薄くしつつ冷却液の流れの方向に垂直な断面積の合計を確保する事が出来る。これにより効率が高い受熱器を作ることが出来る。
【００１９】
本発明受熱器の構造は発熱体受熱器一体型のものにも応用可能である。二つ以上の発熱体を冷却するために、二つ以上の受熱器を冷却液の経路によって並列または直列に繋ぎ合わせて利用する事ができる。受熱器に直接ポンプを取り付ける事ができる。受熱器を構成する部品の接合部は液漏れ防止の為に柔らかい材質のパッキンを利用するか蝋ずけする事が望ましい。受熱器の材料には熱伝導率の高い銅を用いるのが望ましい。銅は腐食し易いが他の金属でメッキする事で腐食を押さえる事が出来る。冷却流路にフィン、ピン、溝等を設け効率を上げることも出来る。
【００２０】
熱交換器の構造について
【００２１】
冷却液から熱を受け取り大気中に熱を放出する熱交換器で、板状の基部に流路を複数持ちそこに冷却液が並列的に通り、その並列な個々の流路の冷却液の流れに垂直な断面積は小さく、並列な流路の数は多く、かつ基部の両面に空気との熱交換のためのフィンもしくはピンが並べられている事を特徴としたもの。
【００２２】
受熱器は主として金属製である。並列な流路に冷却液を分配する又は並列な流路から出た冷却液をまとめる役割を持つハブ部品は合成樹脂で作ることも出来る。
【００２３】
図６は熱交換器の斜視図である。図７は図６  Aで示される断面図でありフィンを省略した図である。入り口の図７  １３から熱交換器に冷却液が流れ込み、冷却液は分岐し図７  １５の複数の並列な流路を並列に流れ、冷却液はまとまり出口の図７  １４から出ていく。
【００２４】
冷却液の流れに垂直な図７  １５の並列な流路の断面積が小さいほど、流路が細い又は薄いほど冷却液は冷却液と熱交換器の接触面の近くを通るので効率が高い。冷却液の流れに垂直な、流路の断面積が小さいと冷却液が流れにくくなるが、並列な流路の数を増す事で断面積の合計を増す事が出来き、それにより冷却液の流れやすさを確保する事が出来る。並列な流路の形状が一定ならば冷却液と熱交換器の接触面積は並列な流路の数に比例する。そのため並列な流路の数を増す事で冷却液と熱交換器の接触面積を増し効率を上げることが出来る。以上の事から並列な流路の、冷却液の流れに垂直な断面積を小さくし、流路の数を増す事で効率が高くかつ冷却液の流れを妨げない熱交換器を作ることが出来る。
【００２５】
並列な流路の、冷却液の流れに垂直な断面積は３平方ミリメートル以下である。また並列な流路の密度は基部の長さ１センチメートルあたり１本以上である。その長さとは、並列な流路の並んでいる方向、図で説明するならば図７の横方向、の熱交換器の長さの事である。
【００２６】
熱交換器のフィンは基部に近い部分ほど効率が良く、並べられたフィン又はピンの占有する空間が同じ形状かつ同じ大きさで、フィン又はピンの総容積も同じならば薄いフィン又は細いピンを数多く立てた方が効率が良い。そのためフィン又はピンの長さが短く、その厚みが薄く、数多く立てた熱交換器を複数組み合わせて用いる事により同容積でより強力な熱交換器を構成できる。複数の熱交換器を用いるために冷却液の経路によって並列または直列に繋ぎ合わせることが出来る。複数の熱交換器を一つのファンで冷却する事が出来る。熱交換器を筐体外に配置する事、熱交換器基部を筐体の内と外を隔てる壁を兼ねるものとしその基部の筐体外側にフィン又はピンを立ることが出来る。熱交換器のフィンの端部を繋ぎ合わせた構造とする事でフィンの変形を防止する事が出来る。フィン−基部−フィン−基部・・と並べた構造に熱交換器を形成する事により複数の熱交換器を組み合わせた物と同様の性能の熱交換器を簡易に得ることができる。
【００２７】
液冷システムの設置
【００２８】
図９  １８は熱交換器１７はリザーブタンク１９はポンプ１６は受熱器である。熱交換器のハブ部品がリザーブタンクを兼ね、かつ熱交換器、リザーブタンク、ポンプがそれぞれ直近に固定され一体化した部品となっている液冷システムによりパーソナルコンピューターの筐体へ収める事が容易になる。又受熱器とポンプを直近に固定し一体の部品とした場合もパーソナルコンピューターの筐体へ収める事が容易になる。
【００２９】
以下にパーソナルコンピューターの筐体への収め方の例を挙げる。図１０の様に熱交換器、リザーブタンク、ポンプが一体である部品と排気及び熱交換器冷却兼用ファンを並べて配置する。図１１の様に熱交換器、リザーブタンク、ポンプが一体である部品と排気及び熱交換器冷却及び電源装置冷却兼用ファンと電源装置が直線状になるよう並べて配置する。
【発明の効果】
【００３０】
熱交換器及び受熱器の効率が上がる。液冷システムの熱抵抗値が小さくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
発熱体より熱を受け取り冷却液に熱を移動する受熱器、冷却液より熱を受け取り大気中に放熱する熱交換器、冷却液を循環させるポンプ、冷却液の膨張、収縮、漏れ蒸発、等に対応するための内容積変化可能なリザーブタンク、それらを結ぶ冷却液の通る経路より成る液冷システムを図１０の様に、熱交換器のハブ部品がリザーブタンクを兼ね、かつ熱交換器、リザーブタンク、ポンプが一体である部品と排気及び熱交換器冷却兼用ファンを並べて配置し受熱器をマザーボード上のプロセッサに密着固定したもの。
【００３２】
受熱器は熱伝導率の高い銅製がよい。銅は腐食し易いがそれを防ぐため他の金属でメッキする事も出来る。また部品の接合部にはパッキンを用い液漏れを防止する必要がある。また冷却開始線及び冷却終了線は強度や耐久性の許す限り長い方が効率が良い。同様に発熱体に接する面は出来るだけ薄くする事が望ましい。
【００３３】
熱交換器は性能上熱伝導率の高い銅製が望ましいが重量や加工性の観点からアルミを用いる事も出来る。基部を通る並列な流路は出来る限り径の小さなものを多数持つ方が良い。冷却液は寒冷地での使用と腐食防止の為に防錆剤の入った不凍液を用いる。軽合金エンジンと銅製ラジエーターを持つ車用のクーラント等を利用できる。
【００３４】
ポンプには遠心ポンプを用い動力にＤＣブラシレスモーターを利用する事が望ましい。
各部品を結ぶ経路には金属管又は合成樹脂管を用いる。合成樹脂管を用いる場合針がねを沿わせることで経路の形状をコントロールする事が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】流路の形状の変化の概念図
【図２】冷却開始線、冷却終了線配置例
【図３】流路の配置例
【図４】受熱器断面
【図５】受熱器断面
【図６】熱交換器
【図７】熱交換器断面
【図８】液冷システム
【図９】液例システム
【図１０】液冷システムのパーソナルコンピュータ筐体内への配置
【図１１】液冷システムのパーソナルコンピュータ筐体内への配置
【符号の説明】
【００３６】
１  発熱体
２  流路
３  冷却液の流れの方向
４  冷却開始線
５  冷却線
６  冷却終了線
７  配置流路
８  冷却流路
９  回収流路
１０  冷却液入り口
１１  冷却液出口
１２  受熱器
１３  冷却液入り口
１４  冷却液出口
１５  並列な流路
１６  受熱器
１７  リザーブタンク
１８  熱交換器
１９  ポンプ
２０  ファン
２１  熱交換器、リザーブタンク、ポンプ一体部品
２２  電源
【図１】
2005252139.tif 000003
【図２】
2005252139.tif 000004
【図３】
2005252139.tif 000005
【図４】
2005252139.tif 000006
【図５】
2005252139.tif 000007
【図６】
2005252139.tif 000008
【図７】
2005252139.tif 000009
【図８】
2005252139.tif 000010
【図９】
2005252139.tif 000011
【図１０】
2005252139.tif 000012
【図１１】
2005252139.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月20日(2004.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
コンピュータープロセッサを冷却する液冷システムの構成要素である、発熱体から熱を受
け取り冷却液に熱を移す受熱器で、冷却液の入り口から冷却開始線まで配置流路が配置さ
れ、冷却開始線から冷却終了線まで冷却流路が配置され、冷却終了線から冷却液の出口ま
で回収流路が配置され、冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が長く、そ
の事によって冷却流路の発熱体に対する厚さが薄くなりかつ冷却液の流れの方向に対して
垂直な流路の断面積の合計が確保されている事を特徴としたもの。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
冷却液は発熱体の近くを通るものほど冷却効率が良い。図１において１が発熱体２が冷却
液の流路３が冷却液の流れる方向である。冷却液の流れる方向に対して垂直な流路の断面
積及び発熱体の面積が一定だとすると、図１a-bで示される冷却開始線の長さ及び図１c-d
で示される冷却終了線の長さを長くする事で、図１b-cで示される冷却線の長さが短くな
る。また図１b-eで示される冷却液の流路の発熱体に対する厚み方向の長さが短くなる、すなわち流路が発熱体に対して薄くなる。この様にした場合冷却液はより発熱体の近くを流れる事になり冷却効率が上がる。又冷却線が短くなるため冷却液と受熱器の発熱体側の接触面近くの冷却液の温度上昇が小さくなり、このことも冷却効率を上げる。図１a-bの冷却開始線の長さ掛ける図１b-eの流路の厚さで表される流路の断面積は一定である。たんに図１b-eを短くした場合、流路の断面積が減少し冷却液が流れにくくなる。しかし図１a-bの冷却開始線及び図１c-dの冷却終了線を長くする事で流路を発熱体に対して薄くしつつ流路の断面積を確保できる。図１右図は図１左図を上のように変化させた図である。変化の割合の図１Ｎが大きいほど冷却効率が上がる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
流路の配置の方法を説明する。図３、図４、図５は簡単の為、冷却開始線と冷却終了線が２組である例が示されているが、本来本発明ではより多くの組を用るもしくは一つ一つの冷却開始線及び冷却終了線を長く取ることで冷却開始線の長さの合計及び冷却終了線の長さの合計が発熱体の長辺の２倍以上に成るように設計する。図３  １は発熱体である。図３  １０の入り口から図３  ４の冷却開始線までの間に図３  ７の配置流路を冷却開始線の上方に冷却開始線に沿って配置する。冷却開始線から図３  ６の冷却終了線の間に図３  ８の冷却流路を配置する。冷却終了線から図３  １１の出口の間に図３  ９の回収流路を冷却終了線の上方に冷却終了線に沿って配置する。冷却液の入り口からすべての配置流路に分岐する様にし、かつ回収流路側は一つにまとまり冷却液の出口に繋がる様にする。このようにする事で、冷却開始線、冷却終了線の配置に対応した流路を配置形成する事が出来る。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２８】
図９  １８は熱交換器１７はリザーブタンク１９はポンプ１６は受熱器である。熱交換器、リザーブタンク、ポンプがそれぞれ直近に固定され一体化した部品となっている液冷システムによりパーソナルコンピューターの筐体へ収める事が容易になる。又受熱器とポンプを直近に固定し一体の部品とした場合もパーソナルコンピューターの筐体へ収める事が容易になる。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
発熱体より熱を受け取り冷却液に熱を移動する受熱器、冷却液より熱を受け取り大気中に
放熱する熱交換器、冷却液を循環させるポンプ、冷却液の膨張、収縮、漏れ蒸発、等に対
応するための内容積変化可能なリザーブタンク、それらを結ぶ冷却液の通る経路より成る
液冷システムを図１０の様に、熱交換器、リザーブタンク、ポンプが一体である部品と排気及び熱交換器冷却兼用ファンを並べて配置し受熱器をマザーボード上のプロセッサに密着固定したもの。
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005252139.tif 000014
【手続補正書】
【提出日】平成16年5月20日(2004.5.20)
【手続補正１】
【補正対象書類名】手続補正書
【補正対象項目名】手続補正６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2005252139.tif 000015