JP2004214503A - 受熱体及びそれを用いた冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】耐食性を有し、液漏れや液透過を生じることなく、安価で熱効率の高い受熱体、及びこれを用いた冷却装置を提供する。
【解決手段】半導体素子等の発熱体に装着される受熱体１０は、ダイキャスト製の本体１と冷却液が流通する金属管２とを備える。金属管２は予め所定の配管形状に加工された後、ダイキャスト製法により本体１に鋳込み成形されることにより、本体１と金属管２が一体化されるので、２次加工の削減及び組立加工費の低減が図れる。更に、金属管２は本体１との間に隙間等を有しないので、冷却液の液漏れや透過を生じることなく、耐腐食性が向上する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、受熱体及びそれを用いた冷却装置に関し、特に、発熱体（電子機器の半導体素子等）の冷却を行うための冷却装置に用いられる受熱体及び、この受熱体を用いた冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電子機器等の発熱体（ＬＳＩ、電力トランジスタ等）を冷却するための冷却装置として液循環型冷却装置があり、この液循環型冷却装置は、発熱体の発熱部に接触させて配置される受熱体と、この受熱体より伝達された熱を放熱する放熱部材と、この放熱部材と前記受熱体との間に冷却液を循環させる駆動手段と、及び前記冷却用液体を貯留するタンクとを備えて構成されている。受熱体は発熱体に接続され、この発熱体から効率良く熱を冷却液に伝える機能を有している。
【０００３】
上記構成の液循環型冷却装置において、例えば電子機器が動作すると、発熱体に通電が行われ、電子機器内の発熱体（半導体素子）が発熱する。この発熱体の熱は受熱体へ熱伝導する。受熱体には、ポンプによって冷却用液体が供給されており、冷却用液体の循環により受熱体は冷却され、熱交換によって温度上昇した冷却用液体は放熱部材に流入し、放熱部材により大気への放熱が行われる。放熱部材は、自然空冷、あるいは電動ファンにより強制空冷されている。
【０００４】
図６及び図７は、従来の受熱体１００の第１の構成例を示す。
ダイキャスト製の本体１０１は、外部からの配管（図示せず）を接続するための一対の接続ポート１０１ａ，１０１ｂと、電子機器の筐体や発熱体にビス（図示せず）を介して固定するためのねじ穴部１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄとを備えている。本体１０１の内部には、冷却用液体を循環させる流路溝１０３（例えば、半円形、角形等の断面形状を有する）が形成されている。流路溝１０３は複数回蛇行させた構造を有し、両端は接続ポート１０１ａ，１０１ｂに接続されている。
【０００５】
流路溝１０３の上面（紙面手前側）は開口されており、この開口部１０４の周囲にはＯリング１０５が配設されている。このＯリング１０５に接するようにして、図７に示すように開口部１０４には蓋１０６が装着される。蓋１０６は、複数のビス１０７によって本体１０１に固定される。蓋１０６を開口部１０４に固定すると流路溝１０３の上面に蓋１０６の下面が密着し、流路溝１０３は配管状になるので、流路溝１０３には、接続ポート１０１ａ，１０１ｂを介してポンプ（図示せず）により冷却用液体を流すことができる。
【０００６】
図８は、従来の受熱体２００の第２の構成例を示す。
図８は、ＣＰＵ、ＬＳＩ等の半導体装置用の冷却装置に用いられる受熱体１００であり、所定の大きさ及び厚みを有する金属板２０１と、管体の一部が金属板２０１にロウ付け部２０３によりロウ付けされた複数の金属配管２０２とを備えて構成されている。この構成では、金属板２０１と金属配管２０２の接触面積が大きいほど伝熱効率が高くなる。そして、構造が簡単であるため、液漏れに対する信頼性が高く、ローコスト化も可能になる。
【０００７】
図８の構成において、例えば、ＣＰＵを冷却する場合、金属配管２０２が設けられていない面がＣＰＵの放熱面に接触するようにして、金属板２０１を直接、あるいはコンパウンド等を介して装着する。次に、ポンプ（図示せず）を稼働させて金属配管２０２に冷却液を供給すると、ＣＰＵからの熱伝導によって温度上昇した金属板２０１は、配管２０２内を循環する冷却液によって冷却され、これによりＣＰＵが冷却される。
【０００８】
以上は、発熱体がＣＰＵ、ＬＳＩ、電力トランジスタ等の比較的小さい場合であったが、ビデオプロジェクタの液冷型陰極線管等のように大型のデバイスを冷却する冷却装置もある。例えば、陰極線管の投影面と投射レンズとの間に密閉空間を形成し、この密閉空間に連通するように注入口及びベロフラム（圧力調整弁）を設けた構成が提案されている（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１１−４００７０公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の受熱体及び冷却装置によると、図６、図７の構成の場合、Ｏリング１０５を介して蓋により封止する構造であるため、Ｏリング１０５からの水分透過（長期間の間に冷却液が極わずかづつ減少する現象）、組立作業のバラツキによる液漏れ、Ｏリング１０５の劣化による漏れ、Ｏリング部の隙間で発生する腐食等を生じることがあり、信頼性に問題がある。更に、蓋１０６を固定するためのビス１０７のネジ穴加工が必要になるため、その加工費、組立作業コストもかかり、コストアップになる。
【００１１】
また、図８の構成の場合、伝熱面は金属配管２０２と金属板２０１のロウ付け部に限定されることから、熱効率が低いという問題がある。
【００１２】
従って、本発明の目的は、耐食性を有し、液漏れや液透過を生じることなく、安価で熱効率の高い受熱体を提供することにある。
【００１３】
また、本発明の他の目的は、耐食性を有し、液漏れや液透過を生じることなく、安価で熱効率の高い受熱体を用いて高効率及び高信頼性が得られる冷却装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、第１の特徴として、発熱体に装着され、前記発熱体から熱伝導する熱を受熱し、その冷却を外部から供給される冷却液を用いて行う受熱体において、
前記冷却液を循環させる管路と、
前記発熱体からの熱伝導に基づいて受熱する受熱面を有し、前記管路の外周全体に接するように鋳込み成形された本体とを備えることを特徴とする受熱体を提供する。
【００１５】
この構成によれば、冷却液は密封構造の管路を流れ、この管路が本体に一体化されていることにより、管路の全体が受熱面となるために効率良く熱伝達が行えるようになる。更に、冷却液の漏れや透過が防止されると共に、耐腐食性の向上、２次加工の削減、及び組立加工費の低減が可能になる。
【００１６】
また、本発明は、上記の目的を達成するため、第２の特徴として、冷却液が流通する管路と、発熱体からの熱伝導に基づいて受熱する受熱面を有して前記管路の外周全体に接するように鋳込み成形した本体とを備えて構成され、前記発熱体から熱伝導する熱を前記管路に循環される冷却液に熱伝導させる受熱体と、
前記受熱体から前記冷却液に熱伝導する熱を放熱する放熱部と、
前記受熱体と前記放熱部との間に接続され、前記冷却液を循環させる一対の管路と、
前記一対の管路の途中に設けられ、前記冷却液を循環させるポンプとを備えることを特徴とする冷却装置を提供する。
【００１７】
この構成によれば、管路と本体とが一体化されていることにより、受熱体に液漏れ等を生じる個所を有しないので、耐腐食性に優れ、冷却装置の信頼性が向上する。また、受熱体と放熱部との間には冷却液がポンプの稼働に基づいて循環し、発熱体の熱は受熱体に熱伝導した後、冷却液によって放熱部へ運ばれ、放熱部により熱交換が行われるので、発熱体の冷却が効率良く行われる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る受熱体１０を示し、図２は図１の受熱体１０の配管敷設構造を示す。受熱体１０は、本体１と金属管２とをダイキャスト加工により一体化した構成を有し、背面側に発熱体と面接触する受熱面１ａを有している。
【００２０】
本体１は、熱伝導性に優れる純アルミニウムを用いたダイキャスト製であり、その内部に金属管２を所定の配管形状により鋳込み成形している。なお、本体１は、アルミニウム以外にマグネシウムや銅合金等の熱伝導性の良好な他の金属によって形成されても良く、鋳込み以外に鍛造、あるいは熱接続によって組み込んでも良い。
【００２１】
本体１の周囲には、電子機器の筐体や発熱体にビス（図示せず）を介して固定するためのねじ穴部３ａ，３ｂ，３ｃ，および３ｄが設けられている。
【００２２】
金属管２は、不凍液等の冷却液に対して耐腐食性を有するステンレス等の金属材料を用いて作製され、流入部と流出部とが本体１の面１Ａから所定長が突出している。本体１の内部において、金属管２は、充分な長さの管路長が収容されるようにうず巻き状に収容されており、金属管２の管路長が長くなる配管敷設構造とすることで熱交換性が向上する。なお、金属管２は、ステンレス以外に耐腐食性に優れる他の金属や、熱伝導性の良好な銅あるいは銅合金等の金属によって形成されても良い。
【００２３】
また、上記した構成では金属管２の流入部と流出部とを面１Ａから本体１の外部に露出させる構成としたが、流入部および流出部を本体１の別々の場所（対向位置、直交位置、対称位置等）に配置するようにしてもよい。
【００２４】
次に、受熱体１０の作製方法について説明する。まず、図２に示すような配管敷設構造を成すように金属管２に曲げ成型を施す。次に、ダイキャスト法によりアルミニウム製の本体１に金属管２を一体成型し、受熱体１０を作製する。
【００２５】
第１の実施の形態の受熱体１０は、本体１が温度上昇した状態で金属管２の一方から冷却液を流入すると、本体１の熱が冷却液に熱伝導することによって冷却液の温度を上昇させる。温度上昇した冷却液は金属管２の他方から流出する。
【００２６】
上記した第１の実施の形態の受熱体１０によると、以下の効果が得られる。
（１）本体１と金属管２とを鋳込み成形によって一体化したことで、従来構成で必要としたＯリング及び蓋が不要になり、冷却液の漏れや腐食の発生を防止できる。また、金属管２と本体１の間に隙間が存在しないので、隙間に起因する腐食も発生しない。
（２）また、金属管２の全体がアルミダイキャストで包囲されるので、金属管２の周面全体が受熱面になり、本体１が受熱した熱を効率良く冷却液に熱伝導させることができる。
（３）更に、蓋による封止を必要としないので、ネジ穴加工や流路溝加工等の２次加工が不要になるほか、蓋の組み付け加工が不要になる。
【００２７】
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る受熱体１０を示す。図３において、図１及び図２に示したものと同一構成を有する部分については同一符号を用いたので、ここでは重複する説明を省略する。
【００２８】
第２の実施の形態の受熱体１０の特徴は、金属管２を紙面垂直方向に蛇行させる配管構造とした構成において第１の実施の形態と相違している。
【００２９】
上記した第２の実施の形態の受熱体１０によると、金属管２の一部に過度の曲げを与えることなく本体１に収容することが可能になるので、熱交換性を損なうことなく信頼性に優れる受熱体が得られる。
【００３０】
図４は、本発明の第３の実施の形態に係る受熱体１０を示す。図４において、図１、図２、及び図３に示したものと同一構成を有する部分については同一符号を用いたので、ここでは重複する説明を省略する。
【００３１】
第３の実施の形態の受熱体１０の特徴は、金属管２を紙面水平方向に蛇行させる配管構造とした構成において第２の実施の形態と相違している。
【００３２】
上記した第３の実施の形態の受熱体１０によると、第２の実施の形態と同様に金属管２の一部に過度の曲げを与えることなく本体１に収容することが可能になるので、熱交換性を損なうことなく信頼性に優れる受熱体が得られる。
【００３３】
図５は、本発明の第４の実施の形態に係る受熱体１０を用いた冷却装置２０の構成を示し、受熱体１０をデスクトップ型パーソナルコンピュータ（以下、パソコンという）の冷却装置に適用したものである。パソコン２０は、筐体２１（側面パネルを外した状態）と、この筐体２１に内蔵される電源装置２２と、ＣＤ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ）−ＲＯＭドライブと、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｉｄｅｏ Ｄｉｓｃ）ドライブ等の５インチ規格の周辺装置を装着するためのアングル２３と、フロッピーディスクドライブや３．５インチ規格の周辺装置を装着するためのアングル２４と、電源装置２２から電源供給を受けて動作するマザーボード（Ｍｏｔｈｅｒｂｏａｒｄ ）２５と、このマザーボード２５のＡＧＰ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｏｒｔ ）スロットやＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ）スロットに装着されたボード２６（グラフィックボード、キャプチャーボード等）とを備えて構成されている。
【００３４】
マザーボード２５にはＣＰＵが搭載されている。このＣＰＵには、ネジ止め又は接着剤による接着等の手段を用いて受熱体１０が装着される。受熱体１０の金属管２には一対の配管チューブ２７ａ，２７ｂが接続され、配管チューブ２７ａの途中には液循環ポンプ２８が挿入されている。配管チューブ２７ａ，２７ｂの端部には、放熱器２９が取り付けられる。更に、必要に応じて配管チューブ２７ａ，２７ｂに冷却液を補充するためのタンク（図示せず）が、配管チューブ２７ａ又は２７ｂに接続される。
【００３５】
放熱器２９は、自動車のラジエータと同様の原理による放熱構造を有するものとし、これに軸流ファン（図示せず）を組み合わせて構成され、筐体２１のパネル面に取り付けられている。配管チューブ２７ａ，２７ｂには冷却液が透水して漏れ出ない難透水性の素材が用いられ、例えば、可撓性が要求される用途ではブチルゴムチューブ、可撓性を要しない用途では銅管（又は銅合金による管）、ステンレス管等の金属チューブが用いられる。
【００３６】
図５において、液循環ポンプ２８はパソコン２０の電源オンと同時、あるいはＣＰＵが所定温度に達したときに稼働する。液循環ポンプ２８が稼働することにより、冷却液は、液循環ポンプ２８，配管チューブ２７ａ，受熱体１０，放熱器２９，配管チューブ２７ｂ，液循環ポンプ２８の経路で循環する。ＣＰＵが発した熱は、受熱体１０の本体１に伝熱され、更に、金属管２に伝熱される。金属管２の熱は内部を流れる冷却液に伝熱され、加熱された冷却液は受熱体１０から排出され、更に配管チューブ２７ｂを通して放熱器２９に搬入される。放熱器２９では大気に対する放熱が行われ、この放熱により冷却された冷却液は配管チューブ２７ａ及び液循環ポンプ２８を通して受熱体１０に供給される。
【００３７】
上記した第４の実施の形態によると、冷却液が受熱体１０と放熱器２９の間を循環することにより、受熱体１０の温度、すなわちＣＰＵの温度は所定温度以下に維持され、ＣＰＵの過熱を防止することができる。受熱体１０は、アルミダイキャスト製の本体１に金属管２を鋳込み成形した構成であるため、熱効率が高くなり、ＣＰＵ等の発熱体を効率的に冷却することができる。また、同じ熱効率であれば、従来構成の受熱体よりも受熱体１０の容積を小さくできるため、受熱体がＣＰＵ上で占めるスペースを小さくでき、したがって筐体２１のサイズが小さい場合でも、筐体内が窮屈になることはない。また、受熱体１０が本体１と金属管２を一体化した構造であるため、液漏れ等を発生する恐れはなく、信頼性及び高寿命化が可能になる。
【００３８】
なお、上記した第４の実施の形態においては、ＣＰＵ等の発熱体に受熱体１０を直接的に設けるものとしたが、半導体素子の放熱器の取り付けで一般に行われている熱伝導性の良い金属（例えば、シート状の金属板を発熱体との接触面に鋳込み、又は鍛造して設ける）や樹脂（例えば、粘着シート等）、あるいはコンパウンド（例えば、シリコングリース）を介して受熱体１０を取り付けることも可能である。これにより、発熱体から受熱体１０への熱伝達性を高めることができる。
【００３９】
また、受熱体１０は本体１にアルミダイキャストを用いるものとしたが、アルミニウム以外の金属を用いることもできる。例えば、アルミニウム合金、マグネシウム、マグネシウム合金、銅、銅合金等のダイキャストを利用することも可能である。更に、製法はダイキャスト法に限定するものではなく、鋳型に溶湯を流し込む方法により製造することも可能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の受熱体によれば、冷却液が流通する金属管と本体をダイキャスト製法により一体化したことにより、金属管の全体を受熱面にすることが可能になり、効率向上が図れ、更に、冷却液の液漏れや透過を防止でき、耐腐食性の向上が図れるほか、２次加工の削減や組立加工費の低減が可能になる。
【００４１】
また、本発明の受熱体を用いた冷却装置によれば、金属管と本体とがダイキャスト製法により一体化された受熱体を用いることで、液漏れや液透過の発生を防止でき、耐腐食性に優れ、２次加工や組立加工費の低減を実現する。また、同じ熱効率であれば、従来構成の受熱体よりも受熱体の容積を小さくできるため、小型で冷却性に優れる冷却装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る受熱体の平面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る受熱体の平面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態に係る受熱体の平面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る受熱体の平面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る冷却装置の構成を示す斜視図である。
【図６】従来の受熱体の第１の構成例の示す平面図である。
【図７】図６の受熱体に蓋を装着した状態を示す平面図である。
【図８】従来の受熱体の第２の構成例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 本体
１Ａ 面
２ 金属管
３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ ねじ穴部
１０ 受熱体
２０ パソコン
２１ 筐体
２２ 電源装置
２３，２４ アングル
２５ マザーボード
２６ ボード
２７ 配管チューブ
２８ 液循環ポンプ
２９ 放熱器
１００ 受熱体
１０１ 本体
１０１ａ，１０１ｂ 接続ポート
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄ ねじ穴部
１０３ 流路溝
１０４ 開口部
１０５ Ｏリング
１０６ 蓋
１０７ ビス
２０１ 金属板
２０２ 金属配管
２０３ ロウ付け部

Claims (9)

1. 発熱体に装着され、前記発熱体から熱伝導する熱を受熱し、その冷却を外部から供給される冷却液を用いて行う受熱体において、
   前記冷却液を循環させる管路と、
   前記発熱体からの熱伝導に基づいて受熱する受熱面を有し、前記管路の外周全体に接するように鋳込み成形された本体とを備えることを特徴とする受熱体。
2. 前記管路は、ステンレス又は銅により作製されていることを特徴とする請求項１記載の受熱体。
3. 前記管路は、蛇行形、渦巻き形、又はＳ字形の形状を有することを特徴とする請求項１記載の受熱体。
4. 前記本体は、アルミニウム、マグネシウム、又はこれらの合金によりダイキャスト作製されることを特徴とする請求項１記載の受熱体。
5. 前記本体は、熱伝導性を高める材料が前記発熱体との接触面に鋳込まれ、鍛造され、あるいは介在していることを特徴とする請求項１記載の受熱体。
6. 前記熱伝導性を高める材料は、高熱伝導率を有する金属材、樹脂材、又はコンパウンドであることを特徴とする請求項５記載の受熱体。
7. 冷却液が流通する管路と、発熱体からの熱伝導に基づいて受熱する受熱面を有して前記管路の外周全体に接するように鋳込み成形した本体とを備えて構成され、前記発熱体から熱伝導する熱を前記管路に循環される冷却液に熱伝導させる受熱体と、
   前記受熱体から前記冷却液に熱伝導する熱を放熱する放熱部と、
   前記受熱体と前記放熱部との間に接続され、前記冷却液を循環させる一対の管路と、
   前記一対の管路の途中に設けられ、前記冷却液を循環させるポンプとを備えることを特徴とする冷却装置。
8. 前記管路は、ステンレス、銅、又はこれらの合金によって蛇行形、渦巻き形、又はＳ字形に形成されていることを特徴とする請求項７記載の冷却装置。
9. 前記本体は、アルミニウム、マグネシウム、又はこれらの合金によりダイキャスト作製されていることを特徴とする請求項７記載の冷却装置。

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