CN1581366B - 备有冷却系统的电子设备 - Google Patents

Abstract

备有冷却系统的电子设备，具有液冷系统与冷却风扇的冷却方式，能有效地进行液冷系统的冷却和减少噪声。它具有将发热部的热由液体输送到放热部冷却的液冷系统和将输送到放热部的热强制空冷的系统，设有使液体在发热部与放热部之间循环的泵、使放热部的热强制外排的泵、检测出发热部温度的传感器、存储预先规定发热部的温度与泵电压和风扇电压关系的信息。当检测出温度超过第一温度只升高泵电压，超过比第一温度高的第二温度时还增高风扇电压。

Description

备有冷却系统的电子设备

技术领域

本发明涉及备有以液体为工质进行发热部冷却的液冷系统和将发热部输送的热由风扇排出到外部的强制空冷系统的，电子设备的冷却系统。

背景技术

电子设备用的半导体，特别是信息处理装置中以CPU为代表的半导体的发展惊人，当前是在高发热量与高密度化的路径中摸索前进，而这是周知的事实。与此相对应，冷却方式也有于热沉等之中将热传递而通过热传递向空气中放热的自然空冷方式、应用风扇的强制空冷方式，以及通过于发热部中安装吸热套以循环液体为工质而将热输送到放热部进行放热的液冷方式等，冷却方式同样也在探索着发展的途径。

近年来，与节点型个人计算机相比，作为使机壳空间有余裕而装载高发热量的CPU的台式个人计算机与高密度服务器的冷却方式，已提出有采用上述液冷系统，进而用风扇将输送的热强制释放到放热部以改进冷却性能的混合方式(例如参考特许文献1)。

特许文献1：特开2002-353668

但是，液冷系统除了它有很大的热传递能力之外，看来还有不使用风扇而可实现低噪声的优点。混合型的冷却方式由于使用了风扇则会增加系统噪声。此外，当风扇与液体驱动用的能力不能适当地平衡时，即使是在由泵增大流体流量而中止冷却时，但风扇会作不必要的运转，由于这种风扇的运转，有时会增大噪声和降低风扇寿命。

发明内容

本发明的目的是为装备有以液冷系统与风扇冷却系统的为冷却系统的电子设备，提供能高效地利用液冷系统，控制风扇噪声、延长风扇与泵的寿命等的泵与风扇控制方式。

为了实现上述目的，本发明主要采用了下述结构。

备有以液体为工质将发热部发生的热输送到放热部冷却的液冷系统和将输送到上述放热部中的热强制空冷的冷却系统的电子设备，它构成为：

设有使上述液体在上述发热部与放热部之间循环的泵，同时设有将上述放热部的热强制排出到外部的风扇；

设有检测上述发热部温度的温度传感器；

具备有规定上述发热部的温度与前述泵的电压和风扇的电压的关系的存储信息；

设有控制装置，根据上述温度传感器检测出的温度与上述存储信息，进行控制以决定上述泵的与上述风扇的电压。

此外，在具有上述冷却系统的电子设备中取下述结构：

在上述电子设备的负荷低时，按预定电压使上述泵与风扇起动；

当上述温度传感器检测出的温度超过第一温度时，不改变风扇电压而提高泵的电压以加大冷却能力；

当上述温度传感器检测出的温度超过比上述第一温度高的第二温度时，增高风扇电压以进一步增强冷却能力。

此外，在具有上述冷却系统的电子设备中取这样的结构：上述第二温度是只由上述泵形成的冷却能力的极限温度。

通过采用上述的结构，本发明能高效地应用液冷系统，抑制因风扇增大的噪声。

根据本发明，对于只由液冷系统难以冷却而有必要兼用风扇的电子设备，能将噪声抑制到最低限度。

此外，由于是在考虑了于系统内循环的液体的粘度变化进行控制，就能在高水平下有效地利用液冷系统。再有，由于能抑制风扇与泵同时出现过大的操作量也可取得延长这些装置寿命的效果。

本发明的其他目的，特征与优点当可由下面参照附图所作本发明实施例的描述中获得理解。

附图说明

图1是框图，示明本发明实施形式的装备有液冷系统与风扇空冷系统的冷却系统的结构。

图2是曲线图，示明本发明实施形式的液冷系统中所用循环液体的粘度特性。

图3是曲线图，示明有关本发明实施形式的控制装置中存储的发热部温度与泵和风扇的电压的关系。

图4例示本实施形式有关的或是发热部温度下的风扇电压与泵电压的控制数值。

图5示明本实施形式有关的发热量与发热部温度Tcase，液体温度Tq和热阻所致温度上升部分ΔT的关系。

图6是框图，示明本发明实施形式的有关控制装置的结构。

图7示明本实施形式有关的控制装置的控制步骤。

图8是透视图，示明本发明实施形式的冷却系统适用于台式PC的情形。

具体实施方式

下面参看图1-8，详细说明本发明实施形式的装备有冷却系统的电子设备。本实施形式以将冷却系统应用于台式个人计算机(以下简作台式PC)为例进行说明。

图1是示明本发明实施形式的装备有液冷系统与风冷系统的冷却系统结构的框图。图2是示明本发明实施形式的冷却系统中所用循环液体粘度特性的曲线图。图3是曲线图，示明有关本发明实施形式的控制装置中存储的发热部温度和风扇的电压的关系。图4例示本实施形式有关的或是发热部温度下的风扇电压与泵电压的控制数值。图5示明本实施形式有关的发热量与发热部温度Tcase、液体温度Tq和热阻所致温度上升部分ΔT的关系。图6是示明本发明实施例形式的有关控制装置结构的框图。图7示明本实施形式有关的控制装置的控制步骤。图8是示明将本发明实施形式的冷却系统应用于台式PC情形的透视图。

首先就本发明实施形式的冷却系统例示其适用例台式PC，说明其概要。图8中，在组装于机壳1内的母板7上装设着CPU4，芯片组5与存储器6。CPU4的最大发热量为75W，额定温度为75℃，此外，还装设有HDD8、FDD9、CD-ROM10作为外部存储装置，另外还有图8中未示明的在发热部CPU4中安装的温度传感器21(参看图1)，按一定时间间隔或不断地将温度信息传递给控制装置12。

CPU4上与形成液体流路的吸热套2作热接触，通过此吸热套2将发热部发生的热由液体吸收。液体由泵3加压，于管道14内循环，经放热部即热沉15放热，经存储槽13返回泵3。11为电源，16为给热沉15送风的风扇。

液体中采用了防冻的不冻液。不冻液的粘度约为水的2倍，粘度因温度而异120℃时的约为60℃时的3倍。图2示明本实施形式中所用不冻液因粘度不同导致的冷却性能不同以及对系统流量的影响。图2中以横轴表示加入了不冻液的液体(水)的粘度，纵轴表示发热部温度Tcase与液体流量(以水为60℃、粘度为0.48时的流量作为基准值1)，表明了液体粘度越高则流量越上而温度越高，在最大发热量(这里是80W)下进行的风扇与泵共同以一定电压起动的状态。随着粘度的上升，循环路径内的压力损失增大，导致流量降低，吸热套与发热部的热阻升高，从而不能充分冷却。

下面首先参考图1与3概略地说明本发明的实施形式的冷却系统的原理。本发明中主要设有用于获取发热部4(例如计算机的CPU)的温度的温度传感器21，而将温度传感器21取得的温度发送给控制装置12。控制装置12按一定时间间隔或经常性地接收温度传感器21发送的温度信息，根据接收的温度与预存的信息，如图3所示，决定泵3与风扇16的电压。这样，在本实施形式中，将预先由试验等所确认的风扇16与泵3的电压变化点作为表存储于控制装置12内，参考所取得的温度信息与表来决定泵的与风扇的电压。

在液冷系统中，发热部的温度Tcase由液体的温度Tq与液体-吸热套之间的热阻所致的温度上升部分ΔT(相当于储留在吸热套与液体之间的热)的和表示：Tcase＝Tq+ΔT。这里的因吸热套-发热部之间热电阻所致的温度上升部分由于吸热套的关系成为一定的值而包含于ΔT中。液体温度Tq，主要与放热板的能力相当，也就是说可以通过提高风扇的电压而下降。此外，ΔT可通过降低吸热套的热阻而下降。换言之，通过提高吸热套——循环液体的热导率可使ΔT下降。

为了提高吸热套——液体间的热导率，可以增大流体的流量。循环液体的流量主要取决于泵的能力，但也受到循环液体的粘度与流道内压力损耗的影响。液体的粘度一般是温度越高粘度越低，可由此抑制流量的降低。

于是，为了减小ΔT，可升高泵的电压而加大液体流量，而为了抑制循环液体的温度降低(即为了避免液体温度降低致粘度升高)，也可抑制风扇的致冷。Tq与ΔT有相反的关系，为了保持Tcase不变，可以降低Tq(ΔT增大)或减小ΔT(Tq增大)。

下面以具体例子示明以上所述，参看图5，将Tcase保持为55℃的常值。作为例子有Tq为50℃而ΔT为5℃的情形以及Tq为52℃而ΔT为3℃的情形，在此，Tq的温度取决于风扇的运转状况，ΔT取决于因泵的电压所致液体流量的大小。由于装置的噪声在风扇附近处大，可以不降低Tq，通过降低ΔT来抑制伴随发热量增加所致的Tcase的温度上升。

换言之，本发明中，依随发热量的增加(＝发热部温度的上升)，首先使风扇保持一定电压而升高泵的电压(降低液体——吸热套的热阻)，由此来改进冷却性能，然后在泵的电压升高而冷却性能迄未改进的时刻(因热阻降低致ΔT的减少量与Tq的温度升高相比为小的时刻)，使风扇电压升高(参照图3)。此外，当发热量最大时可同时满负荷地运转风扇与泵。

由此可以抑制于系统内循环的液体的温度下降即抑制其粘度上升，而能全面地有效地利用液冷系统的冷却性能，同时将噪声的增加抑制到最低限度。

为了实现上述的本发明的技术思想，本发明的实施形式中，基于预先由试验等确认最佳风扇电压与泵电压的数据表(图3所示的曲线)，由控制装置根据发热部的温度控制风扇电压与泵电压。此外，在发生故障控制装置成为不能从传感器接收温度信息的状态时，为了安全，可同时满负荷地开动泵与风扇进行冷却(图3所示C点处的控制方式)。

以下参考图3，用具体例子说明本发明实施形式的冷却系统。装载于本实施形式的结构例的台式PC中的泵3与风扇16，同时能在7V-12V的电压范围内工作。在发热部的发热量低的状态下即在装置的负荷小的状态下时，泵3与风扇16都于7V下工作。

控制装置12根据温度传感器21发送的温度信息与图3所示的信息，决定泵3与风扇16的电压。当装置(台式PC)处于闲置状态等的低负荷时，泵3与风扇16都在7V电压下运行(图3的点A处)。当装置有了负荷，随着发热量增加而温度上升时，可首先升高泵的电压进行冷却。这时发热部的温度为50℃。此时由于风扇的电压一定，系统的液体温度上升。随着发热量的增加，吸热套的ΔT也上升，由于泵的流量加大，热阻减小，ΔT的上升缓慢。

当泵的电压为9V时，由于泵电压增加而达到冷却极限，为了提高放热板的放热本领，将风扇16的电压升高(图3中B点)。此时发热部的温度为55℃。在C点即装置的负荷最大时，风扇与泵分别以12V，9V工作，将发热部的温度冷却到额定温度以下。

图4是本实施形式中Tcase＝55℃时泵与风扇的电压例。发热部温度Tcase能由液体温度Tq与吸热套——液体间的热阻ΔT的和即Tcase＝Tq+ΔT计算。为此，在把Tcase保持为55℃时，如图3所示，设定成风扇与泵同时以8V工作时(图4(a))以及风扇与泵分别以7V，9V工作时(图4(b))。

在图4(a)时，Tq、ΔT分别为49℃、60℃。在图4(b)时，Tq、ΔT分别为51℃、4℃。图4(a)的情形与图4(b)相比。除因泵的电压低致流量降低外，还由于风扇电压高致液体温度降低，使循环液体的粘度升高，由此使流量进一步降低。在图4(b)的情形，由于液体温度致tcase的比例高时，由于这部分液体的粘度下降，流量增大，可将ΔT抑制得很低。图4(a)、(b)各情形下的噪声值分别为24.2dB、22.5dB，即便是把Tcase保持于同一温度的(b)情形的控制方式下，也能把噪声抑制到1.7dB。

于是在本实施形式中，到Tcase超过55℃时，可以进行不升高风扇电压的控制，当Tcase超过55℃时，只靠增大泵的电压是难以冷却的，也即如图5所示，对于因发热量增加致液体温度上升，而因液体温度上升而致热阻减小的效果低的阶段，最初要升高风扇电压。

图6示明控制装置12的框图。由温度传感器21获得的温度(图7的S1)经振荡电路31变换为振荡频率(图7的S2)。此振荡电路31对于20℃-100℃的温度范围，能够以1KHz-50KHz的数率振荡。频率计数器32检测出此频率(图7的S3)，对应此频率，PWM控制部33发生PWM信号(图7的S4)，接收此信号后，由电压控制装置起动风扇15与泵3(图7的S5)。在此是由将频率计数器32与PWM控制33相组合形成的软件进行控制的情形为例作说明。

频率计数器程序测定由振荡电路31发送来的信号在1msec中从低到高上升的次数。在此将从低到高的上升进行一次检查的处理时间设定为11μsec，对这种检查返复进行91次合计1msec中的上升次数计数。于是，采样频率为100KHz，根据采样定理能正确计数到50KHz的波形，于振荡电路31中可计测到约100℃。

PWM控制部33接收频率计数器32测定的频率，据此信息确定电压，起动风扇16与泵3。为了在进行此PWM控制期间给风扇16与泵3供电，在频率计数处理中中止PWM控制，实际上由于给泵3与风扇16中止供电只是1/1000秒的一瞬间，不会完全中止风扇16与泵3的工作，PWM控制由于它的特性需要高速处理，每1次的处理时间设为0.5msec。从发热部的温度变更到决定相对于变更温度的电压的时间设定为5秒。

此外，由于是把液体作为冷却发热部的热的工质，在5秒之内不会快速上升到危险温度。这是由于液体的热容高所致。于是，按PWM控制10000次中1次的比例取得频率计数器32的值，据此进行决定供给电压的控制。

在上述实施形式说明的情形中是把一种代表性的发热部作为冷却对象，为了冷却此发热部而去求得此温度信息，基于此温度考虑因液体粘度不同所致的冷却性能差别，由此来决定泵与风扇的工作电压，但是并不限于这种情形，也可以是温度信息、泵与风扇分别有多种的情形。例如在以高档计算机为代表的装备有许多CPU的电子设备中，可以获取各个CPU的温度信息来决定电压，此外也可以通过冷却结构取得包括其他发热部例如HDD与电源等的温度信息，进行与此相应的电压控制。

如上所述，本发明的实施形式的特征是，在电子设备的负荷低的状态下，于液冷系统中使对热输送工质的液体加压的泵与风扇低速运转，而随着电子设备的负荷增大，则根据考虑到了安装于发热部4上的温度传感器12的温度信息以及预先考虑到的由于系统循环液体粘度影响到冷却能力变化的温度信息(图3中所示的表)，首先只升高泵的电压，而在达到了放热部冷却能力极限的阶段升高风扇电压。

通过将风扇的工作时刻设定于泵的运行之后，可以减少风扇工作所致的噪声增大，再通过抑制液体的粘度上升可以改进液冷系统的冷却性能。此外，通过减少不需要的工作还能有效地延长风扇的寿命。

上面的描述虽然是就实施例进行的，但本发明并不局限于此实施例。内行人显然可以在本发明的精神与后附权利要求的范围内进行种种变更与修正。

Claims (4)

1.一种备有冷却系统的电子设备，它是配备有以液体为工质将发热部发生的热输送到放热部冷却的液冷系统和将输送到上述放热部中的热强制空冷的空冷系统的电子设备，其特征在于，它

设有使上述液体在上述发热部与放热部之间循环的泵，同时设有将上述放热部的热强制排出到外部的风扇，

设有检测上述发热部温度的温度传感器；

具备规定上述发热部的温度与前述泵的电压和风扇的电压的关系的存储信息；

设有控制装置，根据上述温度传感器检测出的温度与上述存储信息，进行控制以决定上述泵的和上述风扇的电压，

在上述电子设备的负荷低时，按预定电压使上述泵与风扇起动；

当上述温度传感器检测出的温度超过第一温度时，不改变风扇电压而提高泵的电压以增强冷却能力，

当上述温度传感器检测出的温度超过比上述第一温度高的第二温度时，则增高风扇电压以进一步增强冷却能力。

2.根据权利要求1所述的备有冷却系统的电子设备，其特征在于：上述第二温度是只由上述泵形成的冷却能力的极限温度。

3.根据权利要求1或2所述的备有冷却系统的电子设备，其特征在于：在上述温度传感器未能检测上述发热部的温度时，进行控制以使上述发热部的温度为最大时的泵与风扇的电压为同一电压。

4.一种电子设备的冷却控制方法，它是配备有以液体为工质将发热部发生的热输送到放热部冷却的液冷系统和将输送到上述放热部中的热强制空冷的空冷系统的电子设备的冷却控制方法，其特征在于：

设有使上述液体在上述发热部与放热部之间循环的泵，同时设有将上述放热部的热强制排出到外部的风扇，

设有检测上述发热部温度的温度传感器，

具备规定上述发热部的温度与前述泵的电压和风扇的电压的关系的存储信息，

在上述电子设备的负荷低时，按预定电压使上述泵与风扇起动；

当上述温度传感器检测出的温度超过第一温度时，不改变风扇电压而提高泵的电压以加大冷却能力；

当上述温度传感器检测出的温度超过比上述第一温度高的第二温度时，则增高风扇电压以进一步增强冷却能力。

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