棚橋高成↑ Development of High Performance Cooling Modules in Notebook PC’s Kosei TANAHASHI
Abstract
The CPU power consumption in Notebook PCs is increasing every year. Video chips and HDDs are also continually using larger power for higher performance. In addition, since miniaturization is desired, the mounting of components is becoming more and more dense. Accordingly, the cooling mechanisms are increasingly important. The cooling modules have to dissipate larger amounts of heat in the same environmental conditions. Therefore, high capacity cooling capabilities is needed, while low costs and high reliability must be retained. Available cooling methods include air or water cooling systems and the heat conduction method. The air cooling system is to transmit heat by a cooling fan often using a heat pipe. The water cooling one employs the water to carry heat to the back of the display, which offers a comparatively large cooling area. The heat conduction method is to transfer the heat by thermal conduction to the case. This article describes the development of new and comparatively efficient cooling devices offering low cost and high reliability for air cooling system. As one of the development techniques, the heat resistance and performance are measured for various parts and layouts. Each cooling system is evaluated in the same measurement environment. With regards to the fans, an optimal shape of the fan blades to maximize air flow is found by using CFD simulation, and prototypes were built and tested. Key Words:  Notebook PC, Cooling module, TIM, fan, Heat pipe, CFD simulation
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格 言
ノートプックPC (Personal Computer)のCPU (Central Processing Unit)の消費電力は，年々増加の一途をたどっている．それに加え，ビデオチップやHDD (Hard Disk Drive)も高性能化のため消費電力も増え続けている．また，コンパクト化が望まれているため，ますますの高密度化が進んでいる．このような要件を満足しつつ放熱問題を解決することは,大変重要な問題である．つまり，発熱量は増大しているが、冷却モジュールに割り当てられる容積は、現状と同等以下であることが望まれている．そのためには，コスト，信頼性を維持しつつ，冷却能力を高める方策が必要となる.ノートプックPCの冷却装置として, 1) ファンによるきょう体内の熱拡散, 2) CPUの熱を熱伝導にて筐体に伝え放熱する方法, 3) 水冷方式によって熱を比較的放熱面積の大きく取れるディスプレイ裏面に運び放熱する方法, 4)ヒートパイプなどの熱輸送部品を用いて放熱フィンに熱を運びファンにより放数する空冷による方法などがある.最初に1)の方法は，CPUにヒートシンクを付け，ファンにより放熱を促進するものであり，ノートプックPCの初期に採用された[1]. 構造が単純で低コストである．低発熱のCPUのみ有効である．2)は，高熱伝導グラファイトシートなどを使ってCPUの熱をきょう体に伝えるものがあげられる．比較的低発熱の場合，無騒音にて冷却が実現できるが，高性能CPUの冷却には不向きである．また，きょう体に熱を伝えるため,人体に触れる箇所に不快感がある.また，安全上低温やけどを発生させない温度までしか放熱できないなどの問題がある．3)の方法は，水により効率的に熱を放熱しやすい場所に輸送する方法であり,高発熱CPUに十分対応できる能力を持つ.放熱場所は，ディスプレイ裏面に設けることにより比較的大きな放熱エリアが得られ，ファンレスが可能となり低騒音が実現できる[2].一方,パイプつまりや水漏れなどの信頼性問題を克服しなくてはならないなどの問題がある．ディスプレイは開閉動作を必要とするため，本体とディスプレイ結合部分に水輸送パイプを通すための工夫を要する。また，他の方式に比べ，冷却装置の容積が増える傾向にあり，またコストも高めであるなどの点を克服する必要がある．4)は，比較的効率が良く，コスト，信頼性に優れていて，現在主流の冷却方式である．しかし，高性能CPUの冷却に対し，冷却スペースの増大，風量増加のためファン回転数を上げるために引き起こされる騒音などの問題が起こる．この方式では，低容積で熱輸送能力の高い薄型ヒートパイプを用いることにより，きょう体の薄型化に寄与している[3].また，高熱伝導ヒンジを用いてディスプレイ側で放数する方法も紹介されている[4].主にノートプックPCに使われているディスプレイは,液晶ディスプレイを用いている．液晶ディスプレイは，薄型化を達成するためにサイドライト型バックライトを使っている。これは，アクリルなどの導光板で平面に均一な照明を得るものであり，この導光板に熱によるひずみが出た場合，表示輝度むらが発生することがある.したがって,ディスプレイ側で放熱する場合は,このような熱による不具合が出ないように対策を採る必要がある.本稿では，4)の空冷方式について，より効率的な冷却装置を開発することについて述べる．開発手法として，現状の熱抵抗値を測定し，同様の測定環境において，各冷却部品のレイアウト，部品の性能評価を行う．採用するファンについては，風量増大を意図とした，ファンプレードの最適形状を得るために，CFDシミュレーションによる最適形状の導出,実機モデルでの評価を併用した．この結果，最適な冷却部品レイアウトを導き出し，熱抵抗が低く，コスト，信頼性に優れたTIM (Thermal Interface Materials)が選定できた．また，ファン形状は，今までに無い独特な形状を導き出し，同じ大きさ，回転数において風量の増大が達成でき，冷却効果を上げることが可能となった.
２　現状の冷却装置の評価
図1に空冷装置の構成を示す。まず，CPUにて発熱した熱は，TIM（主に熱伝導グリース）を介して銅板に伝えられる．銅板には，熱輸送部品であるヒートパイプが設置されており，これにて熱は，放熱フィンに運ばれる[5] .この放熱フィン部には,ファンが取り付けられていて，外部に放熱される.ノートプックPCに用いる冷却装置は(図. 2参照),薄型化が要求されるので，ファンは，上方および下方の両方向吸い込みの遠心ファンを用いている．また，ヒートパイプは，通常断面が円形であるが，厚みを薄くするため,扁平ヒートパイプを用いている.ファン回転数は，3600 rpmとする.現状把握として,図２の構造を持つノートプック(Top view) Fig. 2 Cooling module (Fan size 50mm in diameter, 10mm thickness) © 2006 The Heat Transfer Society of Japan P Cにおいて，各測定ポイントに熱電対を設置し，熱抵抗を測定した.熱抵抗(K/W)は，次式で求めることが出来る.
T 1 : Heat sink temperature just above CPU T 2 : Fin temperature T 3 : Ambient temperature T CPU : CPU temperature
測定結果は，表１のようになり，(1)~(4)式から計算した結果が表２である.
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高性能冷却装置の開発
開発の目的として，現状の冷却装置と同等のスペースで，発熱量が現状の倍である40  Wを冷やすことが出来ることとした．目標の総熱抵抗値は，使用環境および安全率を加味して，25℃環境にて1.15 K/Wとした.表２より，TIMの熱抵抗を減らすために，現在販売されていて，信頼性の高い放熱グリースを選定したところ，0.13  K/WまでTIM熱抵抗が減少した．また，HP (Heat Pipe)は，入手できるものの中で，より扁平率が高く，設計上許される中で最大のものを用いることによって，0.13 K/WのHP熱抵抗率となった．これらの改良のみでは，まだ，1.0 K/W近くもの熱抵抗を下げなければならないために，放熱フィンとファンについて大幅な改良を試みることとした.まず，冷却装置の容積を保ちつつフィン容積を増大するために２方向吹き出しレイアウトとした．ただし，このレイアウトにすると，ノートプックＰＣ内の冷却装置設置場所が限定されてしまう問題がある。排気される温風が使用者に吹きかからない位置で，しかもコーナー部のみとなる．そのために各部品レイアウトをするうえで冷却装置を優先して行わなければならない.ファンは，現状と同じ直径50 mmを用いた．ファンケースは，１方向吹き出しのものをカットして２方向吹き出し用とした．ファンからの風向きを想定して２つのプロトタイプを作成した．フィンは，厚さ0.2 mmの銅板である．一番目のサンプルでは，図３のように側面フィンの片側の風量が大きく,一部逆流が認められた．ファン回転は，写真から見て右回りである．２番目のサンプルでは，逆流は無い© 2006 The Heat Transfer Society of Japanが，前面フィンに比べ側面フィンの排気量が大幅に大きいことが判明した.これらを考察して，ファンケースの内壁形状が一方向吹き出し用のものを流用したため，写真右下端に最大風量が発生し，フィン方向も風向きに沿って配置していることが問題であると考えた.そのため,図４のようにファンケース形状を変更Fig. 4 Third sample of 2-directional outlet cooling module Apply the TIM CPU Heater Video Chip Heater Cooling Module Test vehicle Fig. 5 Test vehicleした．この形状は，フィン設置体積を増大することが出来，また側面フィンを垂直に配置することによりフィン枚数を増やすことが出来た．これらの改良は，すべてのフィン流入部付近の内圧を等しくすることにつながり，すべてのフィンからの排気量均一化に大きく寄与した.この冷却装置を性能評価するための評価装置を作成した(図 5). 装置は，ノートプックPCの筐体を見立て，排気口反対方向に空気流入口を設けてある．発熱部は，CPUおよびビデオチップに見立てたセラミックヒーターを用いた．冷却装置の各測定ポイントに熱電対を設置し，PCにてモニタリングした．ファン回転数は現行と同様の3600 rpm, CPU発熱量は40 Wに設定した．環境温度25  ℃で，定常状態でのCPU温度は，74.9 ℃であり，(1)式より総熱抵抗値は，1.25となった．ノートプックＰＣの実機と同条件とするためにビデオチップには15  Wの発熱と設定し，総熱抵抗値は，CPU温度と外気温度の間の値とした.この結果から,目標とする総熱抵抗値1.15 K/Wを上回っているため，更なる改良が必要である．フィンレイアウトは，これ以上改良が難しいと判断したため，ファンに焦点を絞った．
4　ファンブレードの最適化設計
ファンは，両方向吸い込みで半径方向吐き出しの遠心ファンである．このファンは，ノートプックP Cの薄型化にとても寄与している。我々が用いるものは，直径50mm高さ8mmのファンプレードである。このファンプレードの形状を最適化することにより，同じ回転数で，風量を増加させ，冷却装置の総熱抵抗値を下げることを試みた.手法として, CFDシミュレーションにより各種プレード形状を設定しファンの風量計算を行う．次に試作を作成し，実機試験を行い，総熱抵抗値比較を行うことにした. CFD計算システムとして，市販の非構造格子系熟流体解析システムを使用した[6].解析モデルは,図６のように上下２方向吸い込み,側面２方向吐き出しのモデルであり，通風抵抗を考廊するために放熱フィンも加えた．放熱フィンは,解析要素数を抑えるために厚みの無いWall要素として解析モデルを作成した.ファンは3600 rpmの回転を与える.そのために静止物体と回転物体の間に不連続接合条件を与える. © 2006 The Heat Transfer Society of Japan解析条件を以下にまとめる.解くべき方程式1)運動量保存式2)質量保存式（圧力補正式） 3) k- ε方程式物性値空気(25 ℃)境界条件ファンプレード:壁面応力条件，回転壁ケース内壁，フィン：壁面応力条件，静止壁不連続接合条件：回転領域と静止領域を円筒で分け，その境界の面に不連続接合条件を与える.を与える(3600 rpm) .要素数およそ100万要素求める解は，定常解とし，圧力分布，速度ベクトルを求める．また，フィン２方向の風量の和を総風量とする.まず，現状のファンを解析した．このファンは,外径50 mm高さ8 mmであり,直径20 mmの中心ハプから取り付け角度80°で羽が取り付けられている。羽根枚数は15枚，羽根の厚みは1 mmであるFLow Fig. 8 Optimization of fan blade angle (Number of blade= 15) (Bladeangle=45゜) © 2006 The Heat Transfer Society of Japan (図７参照) .まず,現状ファンと同じストレート羽根において,取り付け角度と羽根の枚数を最適化すべく，解析計算を行った.図8が解析結果である．横軸に羽根の取り付け角度，縦軸に風量を表している．現状の80°よりも取り付け角度が45°でピークとなることがわかった.図9では，各羽根取り付け角度において，羽根の枚数を変えることにより，風量の増減を解析した.羽根取り付け角度が45°の場合，12枚まで大きく風量が増加するが,それ以降は, 17枚まで微増する.それ以降は,徐々に風量が減少することがわかった.これらの解析の結果，この冷却装置において，現状のファンの風量は3.08 l/secとなり,ストレート羽根の取り付け角度は45° ，羽根枚数は17枚の時が最Fig. 10 Current fan    (Thermal resistance 1.242 K/W)大で3.39 l/secとなった.解析結果の検証を行うためにファンを試作した.現状ファンを図 10に試作ファンを図 11に示す.このファンを図 4,図 5の冷却装置測定装置に組み込み熱抵抗を測定した．測定の結果，現状ファンを組み込んだ冷却装置の熱抵抗が1.24  K/Wに対し,羽根の取り付け角度と枚数を最適化した試作ファンの熱抵抗が1.21 K/W となった.今回採用しているファンは,直径50 mm厚み8 mmの両方向吸い込み横方向吹き出しの薄型遠心ファンである．このファンの風量を増大するためには，上下方向から吸い込んだ空気を速やかに横方向に方向を転換させる必要がある．ストレート羽根では，上方向から吸い込んだ空気が方向を転換できず下方へ抜けてしまう損失が発生することをシミュレーション上確認し，この損失を小さくすることが，風量の増大につながると考えた.そのために,羽根に突起,溝,カープをつけたモデルをその数,形状,大きさ,位置をそれぞれ決めて約80種類作成し,シミュレーションモデル上で風量解析を行った．その中の一部の形状を図12に示す.羽根は，すべて右回転である．図12(a)の形状は，空気の吸い込み角があり，損失が少ないように思えたが，あまり良い結果が出なかった．これは，ファン厚みが薄いので，吸い込み角をつけると吸い込んだ後空気を横方向に運ぶための容積が減少してしまうことが原因である.これらの検証の結果，図 12(d)の羽根形状において風量が一番増加した．この羽根形状の特徴的なところは，羽根の負圧側つまり回転方向の裏面の両側に突起を設けたものである.それでは，なぜ，羽根の正圧側が平面で負圧側の両脇に突起を設けると風量が増加するかということについて詳細モデルを作成しCFD解析することで解明を試みた.詳細解析では，羽根近傍で起こる渦流なども捉えることが出来るように要素を細かく設定しなければならない。しかし解析コンピュータ性能の制約から要素数の制限があるので，今まで行ってきたような全体モデルでは，解析が出来ない．したがって，解析対象の一部分のみを作り，境界条件を設定することにより詳細モデルを作成した.また,フィンや吹き出し口は,非対称形状なので,モデル化はせずに,羽根とケースのみの解析とした.このケースは，２方向吹き出しではなく，全方向吹き出しとしている．これは，周期境界条件を使うためである．しかし，今回の解析目的は，負圧側両側突起の影響で流入空気がどのように方向を変えるかということであるので，問題が無いこととした.詳細モデルでは，ファン軸を中心に周期的に同じ形状をしているので，空気流入部分と一つの羽根の間の空間，そして吹き出し部分のみをモデル化し，境界条件にて中心軸，周期性を設定する．また，ファンは，上下も対称形であるので，モデルも上半分Fig. 12 Optimization of blade shapeのみを作成し，境界条件にて対称性を設定した．要素数は，約200万要素である．図13,図 14に解析結果を示す.図13はストレート羽根，図 14 は負圧側突起をつけた羽根である.羽根は，左回りに回転している．図13(b)，図14(b)では，左から右に移動している．空間部分のみのモデル化であるので，図13(b)，図14(b)の両側下部分が羽根である．図 14(b) 右側には，羽根突起部分が確認できる。コンターは，圧力を示し，空気の流れは流線で表している．図13(a)，図 14(a)では，上から空気が吸い込まれ横方向に吐き出されていることが確認できる.図13(b)，図14(b)を見ると上から吸い込まれた空気が右羽根に吸い寄せられているが,図14(b)で確認できるように，突起部に吸い寄せられている．図13(c)，図14(c)では，ファン半径方向の断面であるが，上から吸い寄せられた空気が吹き出し方向に向かって方向を転換しているところが確認できる．この結果を詳しく見ると，突起があるほうが，無いものにくらべ，方向転換が急激に起こっている.これらの解析より，両方吸い込みの薄型遠心ファンの羽根の負圧側突起が存在することにより，吸い込んだ空気を速やかに吹き出し方向に方向を転換し,風量増大につながることがわかった.解析結果の検証を行うために負圧側突起ファンを試作した.試作ファンを図15に示す.このファンを図 4,図 5の冷却装置測定装置に組み込み熱抵抗を測定した．測定の結果，現状ファンを組み込んだ冷却装置の熱抵抗が1.242  K/Wに対し，試作ファンの熱抵抗が1.192  K/Wとなり効果が確認できた.いままで，羽根は，ストレート形状のみで最適化を行ってきたが，羽根の曲線形状や切り欠きなどさまざまな形状を試みた．それぞれの形状についてCFD解析による風量解析を行ったところサイクロイド曲線を用いた羽根形状が優れていることがわかった. x = aθ − a sin θ = a(θ − sin θ) y = a − a cos θ = a(1 − cos θ)サイクロイド曲線は，(5)式で表される．羽根取り付け位置をθ ＝ π/2としθ ＝ 0までの軌跡を羽根とする場合が効率の良いファンであった(図16). (5)式の係数’a’の最適値を求めるために, CFD風量解析を行った．結果を図 17に示す．最大の風量が得られるのは，a=5のときであった．また，羽根の枚数の最適化も同様に行い，20枚のときに最大風量が得られた．このサイクロイド形状確認できた．この場合風量は，4.24 l/secとなり現状ファンと比べると38 %もの風量増大につながった.いままでと同様に解析結果の検証を行うためにサFig. 13 Flow analysis of straight blades Fig. 14 Flow analysis of opposite side blades © 2006 The Heat Transfer Society of Japanファンを図19に示す.このファンを図4,図5の冷却装置測定装置に組み込み熱抵抗を測定した．測定の結果，現状ファンを組み込んだ冷却装置の熱抵抗が1.242 K/W に対し，試作ファンの熱抵抗が1.15 K/W となり当初の開発目標である熱抵抗値を達成することが出来た.このサイクロイド曲線負圧側突起ファンは，各々の羽根に対し，両側に突起を設ける構造であるために，製造上単一型で成型が出来ないので，ファンの上下二つに分け成型し，成型後張り合わせるなどの工程が必要となり，コスト的に問題がある.そのために突起部を一つの羽根に対し片側だけとして，交互に配置する図20のようなファンを考案し解析を試みた.解析の結果，吹き出し風量は，4.14 l/secとなり図18の場合と比べ，2.4 ％の風量減にとどまった．この形状であれば，単一型成型も可能であるので，コスト的にも有利なファンを導き出すことが出来た.サイクロイド曲線負圧側突起ファンを導き出すことが出来たが，ノイズに関して従来ファンと比べて© 2006 The Heat Transfer Society of Japan
みた．評価用ケースにそれぞれのファンを搭載した冷却装置を入れ，ケースから10cm離した位置にマイクロフォンを設置し，ノイズ測定を行った．ファン回転数は，通常使う3600 rpmと3000 rpmについて測定を行った.表３に測定結果を示す. 3600 rpmでは騒音レベルは同じであったが，3000 rpmでは従来ファンより大きくなった．これは，サイクロイドファンは従来ファンに比べて羽根枚数が多いことが原因と推測できる
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おわりに
ノートプックＰＣ用冷却装置の高性能化のために2方向吹き出しレイアウトを用い，薄型両方向吸い込み遠心ファンの風量アップのため，CFDシミュレーションと試作品評価を行うことにより,いままで,経験と勘で作られていたファンプレードの最適な形状を導き出すことが出来た．今後さらに騒音低減について研究を進めていく予定である.