| 【発明の名称】 |
熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】デヴィッド エム ベルコウイッツ
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| 【要約】 |
【課題】低コストで省電力並びに低騒音で冷却性能の高いＣＰＵの冷却を可能にする。
【解決手段】ＣＰＵ６０の上面に中空の気化器１を密接させ、ＣＰＵからの発熱を冷媒５の蒸発熱で吸収する。冷媒蒸気５ａは蒸気流路４を上昇し、凝縮器２の上部の流入部２１ａから流入し、放熱して液化する。液化冷媒５ｂは、それ自身の重さにより凝縮器２の下方に移動し、流出部２１ｂから流出して液体流路３を下降する。このようにして冷媒は循環し、気化器１で吸熱し凝縮器２で放熱を繰りかえす。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】ＣＰＵに密接する気化器とこの気化器の上方に位置する凝縮器とからなり、上記気化器は、冷媒入口と冷媒出口とを有する中空容器であり、上記凝縮器は、その上部に位置する冷媒蒸気の流入部とその下部に位置する液化冷媒の流出部とを有し、上記冷媒入口と上記液化冷媒の流出部とは液体流路で連結してあり、上記冷媒出口と上記冷媒蒸気の流入部とは蒸気流路で連結してあり、上記気化器と上記液体流路と上記蒸気流路とからなる流路内には所定の量の冷媒が密閉してあり、上記冷媒は、上記気化器においてＣＰＵから吸熱して蒸発し、上記蒸気流路を上昇して上記凝縮器に流入し、そして、この流入した冷媒の蒸気は、この凝縮器で放熱して液化し、上記蒸気流路を流れ落ちてこの気化器に還流することを特徴とする熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置。
【請求項２】請求項１において、前記凝縮器は、前記冷媒蒸気の流入部から前記液化冷媒の流出部に向けて下方向に連がる流路とこの流路に連設した放熱フィンとからなることを特徴とする熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置。
【請求項３】請求項１又は２のいずれかの１において、前記液体流路の流路面積が前記蒸気流路の流路面積より小さいことを特徴とする熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかの１において、請求項１前記液体流路が前記蒸気流路内に設けてあることを特徴とする熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかの１において、前記冷媒が加圧して密閉してあることを特徴とする熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかの１において、前記凝縮器が前記冷媒蒸気の流入部から液化冷媒の流出部に向けて下方向に連がる流路とスターリング冷凍機とからなり、この流路がこのスターリング冷凍機の一端に設けられた吸熱部に密接するように構成してあることを特徴とする熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特にデスクトップ型コンピュータに使用される中央演算処理装置（以下「ＣＰＵ」という。）を冷却する、熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】今日のコンピュータは、急速に小型化、高速化が進んでおり、ＣＰＵの回路集積度が急速に進みＣＰＵの発熱量も増大している。このため、ＣＰＵの冷却が極めて重要な課題となっている。従来、いわゆるパーソナルコンピュータに使用されているＣＰＵの冷却は、電動ファンで外気を取り入れ、この気流でＣＰＵを強制冷却していた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従来の方法では、回路集積度が急速に増大するＣＰＵに対して次の問題点がある。すなわち、ＣＰＵの単位面積当たりの発熱量が増大するため、この発熱量を吸熱するためには、ＣＰＵに当てる空気流速を増加するか、あるいはＣＰＵに冷却フィンを取り付け熱伝達面積を増加することが必要になる。しかし、空気流速の増加は、電動ファンの使用電力と騒音との増加や、ＣＰＵ周辺の空気通路スペースの増加をもたらす。また、冷却フィンの取り付けは、ＣＰＵ周辺に空気通路を含めたスペースを必要とし、コンピュータの小型化の妨げになる。また、ＣＰＵに低温の空気を当てる手段もあるが、この手段では、空気を冷却するための冷却装置か必要なり、製造コストや作動電力が増加し大きなスペースも必要になる。
【０００４】そこで本発明の目的は、このような問題点を解決すべく、低コストで省電力並びに低騒音で冷却性能の高い熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するために、請求項１に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置は、ＣＰＵに密接する気化器とこの気化器の上方に位置する凝縮器とからなる。この気化器は、冷媒入口と冷媒出口とを有する中空容器である。一方、凝縮器は、その上部に位置する冷媒蒸気の流入部とその下部に位置する液化冷媒の流出部とを有している。また、冷媒入口と液化冷媒の流出部とは液体流路で連結してあり、冷媒出口と冷媒蒸気の流入部とは蒸気流路で連結してある。気化器と液体流路と蒸気流路とからなる流路内には所定の量の冷媒が密閉してある。冷媒は、気化器においてＣＰＵから吸熱して蒸発し、蒸気流路を上昇して上記凝縮器に流入し、そして、この流入した冷媒の蒸気は、この凝縮器で放熱して液化し、蒸気流路を流れ落ちてこの気化器に還流することを特徴とする。
【０００６】ここで凝縮器とは、冷媒の蒸気が流入する凝縮器の上部に位置する流入部と、液化した冷媒が流出する凝縮器の下部に位置する流出部とを有し、この冷媒蒸気の流入部と液化冷媒の流出部間の流路において冷媒の蒸気が外部に放熱して液化し、下方に流出する構造を有する全ての手段を意味する。また、ここで冷媒とは、本発明の流路内において液相と気相の２つの状態で作動し、ＣＰＵの許容温度より低い温度において液体から蒸気に蒸発（気化）する特性を有する冷媒の全てを含む。
【０００７】このように発明を構成することにより、ＣＰＵからの発熱は、空気より高い熱伝達率を有する液化冷媒に気化器内で吸収され、この吸収熱量は冷媒の蒸発熱に変換される。冷媒蒸気は蒸気流路を上昇して上方に位置する流入部から凝縮器に流入し、凝縮器内で放熱して液化する。この液化冷媒は、凝縮器内で次第に流量を増やしながら重力により下方に位置する液化冷媒の流出部に向かい、この流出部から液体流路を落下して下方に位置する気化器に還流する。
【０００８】したがって、ＣＰＵに冷却フィン等を設けることなく、発熱を狭いＣＰＵの表面自体から効率的に吸収できる。また、凝縮器をＣＰＵから離れた位置に設置できるので、ＣＰＵの周りには、冷却空気の流路スペース等を設ける必要がなく、関連部品との配線の集積度を向上させ、ＣＰＵ周りの構造の小型化を進めることができる。そして、ポンプ等の外部動力無しで、冷媒をこれらの流路を継続的に循環させることができ、省電力化と低騒音化をより進めることができる。
【０００９】なお、このようにして、気化器と凝縮器を蒸気流路と液体流路との２本の流路で連結し、冷媒を循環させる熱サイホンの構成を採用したのは、気化器での吸熱効果と凝縮器での放熱効果とを向上させるためである。すなわち、気化器と凝縮器とを１本の太い流路で連結し、対流によりこの流路を上昇した冷媒蒸気を上方に位置する凝縮器で放熱液化させ、この液化冷媒を重力によって流路を下降させ、下方に位置する気化器に戻す構成とすることもできる。
【００１０】しかし、このような構成にすると、上昇する冷媒蒸気は下降する液化冷媒と接触し、相互の熱交換によりＣＰＵからの吸熱が内部循環してしまい、凝縮器に到達する蒸気冷媒が減少し、また気化器に還流する液化冷媒の温度が高くなる。したがって、ＣＰＵからの吸熱も凝縮器からの放熱も減少してしまうことになる。一方、流路を蒸気流路と液体流路とに分けると、全ての蒸気冷媒は凝縮器で放熱して液化され、液化した冷媒は気化器内の冷媒温度を低下させてＣＰＵからの吸熱効果を向上させることができる。
【００１１】請求項２に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置は、請求項１において、凝縮器が冷媒蒸気の流入部から液化冷媒の流出部に向けて下方向に連がる流路と、この流路に連設した放熱フィンとからなることを特徴とする。ここで下方向に連がる流路とは、単に一本の流路に限らず、同一面上で複数回折り返した流路や螺旋状に複数回巻回した形状も含まれる。
【００１２】このように発明を構成することにより、小型で低コストの凝縮器を備えた熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置を提供することができる。
【００１３】請求項３に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置は、請求項１又は２のいずれかの１において、液体流路の流路面積が蒸気流路の流路面積より小さいことを特徴とする。
【００１４】このように発明を構成することにより、冷媒蒸気が液体流路を逆流することを抑制することができるため、冷媒の循環運動を促進してＣＰＵからの吸熱量を増加させることができる。
【００１５】請求項４に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置は、請求項１〜３のいずれかの１における液体流路が前記蒸気流路内に設けてあることを特徴とする。
【００１６】このように発明を構成することにより、気化器と凝縮器とを連結する冷媒の流路が１本となるため、流路を配置するスペースを少なくし、流路の取り回しがより容易になる。
【００１７】請求項５に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置は、請求項１〜４のいずれかの１において、冷媒が加圧して密閉してあることを特徴とする。
【００１８】このように発明を構成することにより、より狭い流路面積で同じ質量の冷媒蒸気を循環することができるため、流路を配置するスペースを少なくし、流路の取り回しがより容易になる。
【００１９】請求項６に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置は、請求項１〜５のいずれかの１において、凝縮器が冷媒蒸気の流入部から液化冷媒の流出部に向けて下方向に連がる流路とスターリング冷凍機とからなる。そして、この流路がこのスターリング冷凍機の一端に設けられた吸熱部に密接するように構成してあることを特徴とする。
【００２０】ここでスターリング冷凍機とは、外燃機関であるスターリングエンジンを、外部から動力を与えて吸熱機能を発揮させる冷凍機としたものをいい、すでに公知技術となっている。このスターリング冷凍機は、小型、軽量、低電力かつ高効率をその特徴とするものである。
【００２１】このように発明を構成することにより、より発熱量が大きいＣＰＵの冷却を効率的に冷却することが可能になる。すなわち、ＣＰＵの発熱量が大きい場合には、蒸気の熱を放熱する凝縮器の熱伝達面積を増加する必要があるが、一方、この熱伝達面積を確保することがスペース上許されない場合も有る。したがって、かかる場合には、小型、軽量、低電力かつ高効率スターリング冷凍機を使用することによって、凝縮器のスペースを小さく抑えることが可能になる。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１に、請求項３に記載の熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置についての１モデルを示す。本装置は、ＣＰＵ６０に密接する気化器１とこの気化器の上方に位置する凝縮器２とからなる。気化器１は、内部に中空部１ｃを有する中空容器であり、上面壁には冷媒入口１ａと冷媒出口１ｂとが設けてある。気化器１は、熱伝導性の大きいアルミ合金又は銅合金の薄板板金構造からなり、底面がＣＰＵ６０の上面のほぼ全面に密接するような形状になっている。そして、気化器１は、両サイドに水平フランジ部１ｅを有し、このフランジ部が基板７０にネジ止めされている。
【００２３】凝縮器２は、Ｕ字形状に複数回折り返した水平パイプ２１と、この水平パイプにハンダ着けした複数の平行な薄板からなる垂直フィン２２とを備えている。そして、水平パイプ２１の上部の左端は冷媒蒸気の流入部２１ａに、そして下部の左端は液化冷媒の流出部２１ｂになっている。なお、水平パイプ２１と垂直フィン２２は、熱伝導性の大きいアルミ合金又は銅合金材で成形してある。また、垂直フィン２２の下方には電動式のファン２３を備えており、垂直フィン２２に外気を送風して放熱効果を向上させている。
【００２４】気化器１の冷媒入口１ａと水平パイプ２１の下部位置にある液化冷媒の流出部２１ｂとは、アルミ合金又は銅合金材の細いパイプからなる液体流路３で連結してある。また、気化器１の冷媒出口１ｂと水平パイプ２１の上部位置にある冷媒蒸気の流入部２１ａとは、アルミ合金又は銅合金材の液体流路３より太いパイプからなる蒸気流路４で連結してある。
【００２５】気化器１と液体流路３と蒸気流路４とからなる流路内には、冷媒５として純水が密閉してある。冷媒５の密閉量は、この冷媒の作動温度が最高になる作動条件においても、少なくとも気化器１の中空部１ｃに液化冷媒が残留するように調整してある。
【００２６】次に、本モデルの作用について説明する。ＣＰＵ６０からの発熱は、このＣＰＵに密接した気化器１の下面を介して、中空部１ｃ内の液化冷媒５ｂに伝達される。温度が上昇した液化冷媒５ｂは、対流により蒸気流路４を上昇するが、温度が蒸発温度に上昇すると、液化冷媒５ｂは蒸発して冷媒蒸気５ａとなる。そして、この蒸発熱により液化冷媒５ｂの温度の上昇を抑えＣＰＵ６０の過熱を防止する。
【００２７】高温で比重の軽い冷媒蒸気５ａの大部分は、直径の大きい蒸気流路４を上方に移動し、凝縮器２の上部に位置する流入部２１ａから水平パイプ２１内に進入する。この進入した冷媒蒸気５ａは、水平パイプ２１内を通過するうちに、この水平パイプの壁で吸熱され液化冷媒５ｂとなる。なお、冷媒蒸気５ａから吸収した熱は、垂直フィン２２の表面を流れるファン２３からの送風に放熱される。液化した液化冷媒５ｂは、重力によって、水平パイプ２１内を次第に量を増加しながら下方に流れ、この水平パイプの下端に位置する流出部２１ｂから液体流路３に流れ込み、下方に位置する気化器１に還流する。このとき、冷媒蒸気５ａは、凝縮器２内で放熱液化して体積が減少するため、次々に蒸気流路４で蒸発する冷媒蒸気５ａがこの凝縮器に送り込まれる。
【００２８】液体流路３内の液化冷媒５ｂは、上方から次々に流れ込む冷却された液化冷媒５ｂによって温度が低下し、液体流路３の水面からの蒸発を抑制する。そして、この温度の低い液体流路３内の液化冷媒５ｂは、上方からの流入力と対流とにより気化器１に還流し、この気化器でＣＰＵ６０からの熱を吸熱しつつ温度が上昇し、対流により蒸気流路４内を上昇する。
【００２９】このようにして、冷媒５は、その比重の変化によって気化器１、蒸気流路４、水平パイプ２１及び液体流路３をこの順に巡回し、気化器１でＣＰＵ６０の発熱を吸熱し凝縮器２で放熱して液化する。すなわち、本装置は、いわゆる熱サイホンとして機能してＣＰＵ６０を冷却する。
【００３０】図２に、請求項４に記載した熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置の１モデルを示す。すなわち、直径の細い液体流路１０３は、直径の太い蒸気流路１０４内に挿入してある。液体流路１０３の上端は、エルボ１０３ａを介して蒸気流路１０４の外に導き出されて水平パイプ１２１の流出部１２１ｂに連結してある。蒸気流路１０４の下端は、気化器１０１の上面壁に開けた冷媒出口１０１ｂに連結してあり、この蒸気流路の下端面のほぼ中央に液体流路１０３の下端が開口している。そして、蒸発した冷媒蒸気１０５ａは、蒸気流路１０４の内側と液体流路１０３の外側の間を上昇し、水平パイプ１２１で液化した液化冷媒１０５ｂは、液体流路１０３の内側を下降する。
【００３１】図３に、請求項５に記載した熱サイホンによるＣＰＵ冷却装置の１モデルを示す。凝縮器２０２は、流路２２１とスターリング冷凍機２２４とからなる。流路２２１は、その上部の左端位置に流入部２２１ａを、その下部の左端位置に流出部２２１ｂを有しており、その中間部分は、スターリング冷凍機２２４の上部一端に設けられた吸熱部２２４ａに密接して複数回下方向に巻回した巻回部２２１ｃとなっている。冷媒は、液化二酸化炭素を用いている。
【００３２】このように発明を構成することにより、蒸気流路２０４を上昇して流入部２２１ａから流路２２１に流入した冷媒蒸気２０５ａは、巻回部２２１ｃで熱を吸熱部２２４ａに放熱して液化冷媒２０５ｂになり、重力により下方に移動して流出部２２１ｂから液体流路２０３に流れ落ちる。
【００３３】なお、スターリング冷凍機２２４は、円柱形状の吸熱部２２４ａと、その下方に連設した本体部２２４ｂと、これらの間にリング状に設置した放熱部２２４ｃとから構成される。また、放熱部２２４ｃと本体部２２４ｂは、容器２２４ｄ内に収納してあり、この容器には空気の出口穴２２４ｅと入口穴２２４ｆとが設けられている。本体部２２４ｂは、リニアモータで駆動するピストンとデスプレサを有し、密閉した圧縮ヘリウムを交互に圧縮膨張させて、吸熱部２２４ａから吸熱し、放熱部２２４ｃから放熱する。そして、放熱部２２４ｃからの放熱は、容器２２４ｄの入口穴２２４ｆから導入した空気を出口穴２２４ｅから流出することにより外部に放出する。
【００３４】なお、本発明による熱サイホンによる冷却装置に使用する冷媒５、１０５、２０５は、水や二酸化炭素に限らず、ＣＰＵ６０の許容温度に応じて、このＣＰＵの許容温度以下で蒸発する冷媒を選択することができる。すなわち、ＣＰＵ６０の発熱は、冷媒５等の蒸発熱により吸収するが、この冷媒の蒸発温度は一定圧力の下では一定に保持される。したがって、ＣＰＵ６０の許容温度が１００度Ｃより高い場合は、１００度Ｃで蒸発する水を密閉して使用してもよいが、ＣＰＵ６０の許容温度が低い場合は、その低い温度以下で蒸発する冷媒、たとえばブタン等を使用する。なお、上述したように冷媒の蒸発温度は一定圧力の下では一定に保持されるため、密閉時の圧力を変えることにより、ＣＰＵの許容温度に見合う蒸発温度に変更することができる。
【００３５】また、気化器１、１０１、２０１、液体流路３、１０３、２０３、蒸気流路４、１０４、２０４または凝縮器２、１０２、２０２の材料は、アルミ合金や銅合金に限らず、ステンレス等の他の金属でも代用可能である。さらに、気化器１、１０１、２０１の形状は、ＣＰＵ６０の上面の全体に密接する形状に限らず、このＣＰＵの側面や、ＣＰＵに連設したフィンに密接する形状であってもよい。
【００３６】さらに、凝縮器２、１０２、２０２の水平パイプ２１、１２１あるいは巻回部２２１ｃの形状は、上部に位置する流入部２１ａ、１２１ａ、２２１ａから、下部に位置する流出部２１ｂ、１２１ｂ、２２１ｂへ液化冷媒５ｂ、１０５ｂ、２０５ｂが重力によって移動する形状であれば、他の形状であってもよい。垂直フィン２２、１２２も、所定の放熱面積を有するものであれば他の構造であってもよい。さらに、電動ファン２３、１２３は、所定の放熱面積を有する垂直フィン２２、１２２のスペースが確保できる場合は、省略することもできる。
【００３７】
【発明の効果】ＣＰＵに密接した気化器を介して、空気より熱伝達性の良い液化冷媒に吸熱させることにより、ＣＰＵからの発熱を限られたスペースから効率的に吸収できる。ＣＰＵの許容温度以下で冷媒を蒸発させ、この蒸発熱により気化器内の冷媒温度をＣＰＵの許容温度以下に保つ。凝縮器内で液化する液化冷媒自体の重さにより冷媒を循回させる。したがって、ポンプ等の巡回させるための外部動力を必要とせず省電力化と低騒音化を達成できる。凝縮器に小型、高効率、省電力を特徴とするスターリング冷凍機を用いることにより、ＣＰＵの許容温度が低い場合やＣＰＵの発熱量が多くかつ凝縮器のスペースが限られている場合に、ＣＰＵを効果的に冷却できる。
【００３８】したがって、ＣＰＵの発熱量の増加や、ＣＰＵの周辺配置構造の密集化が急速に進む今日において、低コストで省電力並びに低騒音で冷却性能の高いＣＰＵの冷却が可能になる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９９０２８０２３
【氏名又は名称】グローバル クーリング ビー ヴイ
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| 【出願日】 |
平成１２年１１月２０日（２０００．１１．２０） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６５７０９
【弁理士】
【氏名又は名称】松田 三夫 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００２−１６８５４７（Ｐ２００２−１６８５４７Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年６月１４日（２００２．６．１４） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−３５３２９２（Ｐ２０００−３５３２９２） |
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