JP2004342118A - 液冷システムおよびこれを用いたパーソナルコンピュータ - Google Patents

Abstract

【課題】
高発熱の半導体装置等に好適な、腐食に伴う機器への影響を抑制してシステム全体の健全性を確保することができる液冷システムまた、それを用いたパーソナルコンピュータを提供する。
【解決手段】
冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され、発熱体から熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有する液冷システムであって、前記放熱パイプを前記受熱ジャケットより耐食性の高い材料で構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液冷却システムに係わり、特に超小型・薄型構造に好適な液冷システムとに関する。

コンピュータ等の電子装置に用いられる半導体装置は、動作時に発熱する。特に近年の高集積半導体は発熱量が増大している。半導体はある温度を超えると半導体としての機能が失われるため、発熱量の大きい半導体装置はこれを冷却する必要がある。

電子装置の半導体装置を冷却する方法としては、熱伝導によるもの、空冷によるもの、ヒートパイプを用いるもの、液冷によるものが知られている。

熱伝導による冷却は、半導体装置から電子機器外部に至る放熱経路に熱伝導率の大きい材料を用いることにより達成される。この方法は半導体装置の発熱量が比較的小さく、またノート型パーソナルコンピュータのようにコンパクトな電子機器に適している。

空冷による冷却は、送風装置を電子機器内部に設け、半導体装置を強制対流冷却することにより達成される。この方法はある程度の発熱量がある半導体装置の冷却に広く用いられており、送風装置を小型・薄型化することにより、パーソナルコンピュータにも適用されている。

ヒートパイプを用いた冷却は、パイプ内に封入した冷媒により熱を電子装置外部に運ぶもので、特開平１−８４６９９号公報、特開平２−２４４７４８号公報に記載されている。この方法は、送風装置のように電力を消費する部品を用いないため効率がよく、熱伝導による冷却をさらに高効率化したものである。しかしこの方法は輸送できる熱に限界があった。

液冷による冷却は発熱量の大きい半導体装置の冷却に適しており、具体的な方法が特開平５−３３５４５４号公報、特開平６−９７３３８号公報、特開平６−１２５１８８号公報、特開平１０−２１３３７０号公報に記載されている。しかし従来の液冷システムは大型コンピュータにその用途が限られていた。これは、液冷システムがポンプや配管系、放熱フィンなど多くの冷却専用の部品を必要とするので装置が大型になることと液体を冷却に用いることに対する信頼性確保が他の方法に比べて難しいことによる。また、液冷を必要とするほど発熱の大きい半導体装置は大型コンピュータ以外では用いられていなかったこともその理由の一つである。

小型の電子機器に液冷を適用する技術が特開平６−２６６４７４号公報に記載されている。この公知例では、半導体装置に取り付けたヘッダとこれと離れたところに位置する放熱パイプをフレキシブルチューブで連結し、その中を流れる液体で冷却するものである。

特開平１−８４６９９号公報

特開平２−２４４７４８号公報 特開平５−３３５４５４号公報 特開平６−９７３３８号公報 特開平６−１２５１８８号公報 特開平１０−２１３３７０号公報

ところが近年はパーソナルコンピュータ、サーバ、ワークステーションなどの電子機器に用いられる半導体装置の発熱量が飛躍的に大きくなっており、近年の電子機器、特にノート型パーソナルコンピュータのように超小型・薄型化が求められる。これらの機器に用いられる半導体装置の冷却には、先に述べた熱伝導、空冷、ヒートパイプを用いる冷却方法が用いられているが、冷却能力が不十分になりつつある。

また、従来の大型コンピュータに用いられてきた液冷システムを超小型・薄型化した電子機器に適用するためには、液冷システム自体が超小型・薄型であることが必要条件である。このシステムでは、保有液量が大型コンピュータの１／１００００程度と著しく少ない。液量が少ないため、接液材料からのわずかな腐食性イオンの溶出でも液質が著しく低下して、金属で構成されている受熱ジャケットや放熱パイプの腐食は促進される。水漏れは装置機能を停止させるため、これを抑制することが望まれるが、従来技術ではこの点の対策が充分でない。

そこで、本発明は、超小型・薄型化した電子機器に用いられる高発熱の半導体装置等に好適な、腐食に伴う機器への影響を抑制してシステム全体の健全性を確保することができる液冷システムまた、それを用いたパーソナルコンピュータを提供することにある。

前記課題を解決するために、腐食傾向を制御して、小型・薄型構造のコンピュータであっても効果的に腐食防止を図れるシステムを備える。

具体的に例えば、前記冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され、発熱体から熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有する液冷システムであって、前記放熱パイプを前記受熱ジャケットより耐食性の高い材料で構成する。

なお、更に受熱ジャケットを防水シートで囲うよう構成して信頼性を向上させることができる。前記耐食性は、冷却液中に溶け出したイオン(特にゴム・プラスチック等の有機物に接触する領域から溶け出すフッ素、塩素等のハロゲン系のイオンに対する孔食性に注目した。)
例えば、前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはステンレス材料を構成要素とする。なお、他に耐食性は前記より低下するかもしれないが熱伝導性を重視すれば、例えば、受熱ジャケットに銅を主成分とする材料を構成要素とし、放熱パイプにステンレス材料を構成要素とするようにすることも考えられる。また、耐食性は落ちる可能性があるが、上記観点では、他に受熱ジャケットにアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、放熱パイプに銅を主成分とする材料を構成要素とすることも考えられる。しかし、この場合には、耐食性の観点から銅の腐食防止腐食抑制剤を添加等の対策ととることが望ましい。

また、前記放熱パイプを前記受熱ジャケットより耐食性の高い材料で構成し、前記受熱ジャケットにおける前記冷却液流路から前記ジャケットの表面までの厚さは、前記放熱パイプにおける前記冷却流路から前記放熱パイプ表面までの厚さより厚く構成されている。

または、前記受熱ジャケットは銅を主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプは銅を主成分とする材料を構成要素とすることも考えられる。なお、この場合は、銅系材料の腐食抑制材を併せて添加することが腐食抑制効果を高める観点から望ましい。

または、前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とすることも考えられる。なお、この場合は、アルミニウム系材料の腐食抑制剤を添加することが腐食抑制効果を高める観点では好ましい。

前記特徴を備えた、半導体素子と、信号入力部と、表示装置と、を備え、冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータを提供することが好ましい。

ノート型パーソナルコンピュータの具体例としては、半導体素子と、信号入力部とを備える本体と、前記本体と可動部機構を介して連絡する表示部を備えた表示装置と、冷却液を吐出するポンプと、前記本体に配置され、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記表示装置の前記表示部の背面に前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータであって、前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記受熱ジャケットにおける前記冷却液流路から前記ジャケットの表面までの厚さは、前記放熱パイプにおける前記冷却流路から前記放熱パイプ表面までの厚さより厚く構成されているものである。

本発明により高発熱の半導体装置等に好適な、腐食に伴う機器への影響を抑制してシステム全体の健全性を確保することができる液冷システムまた、それを用いたパーソナルコンピュータを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を以下に説明する。

図１に本発明の冷却システムを用いたノート型パーソナルコンピュータを示す。本体筐体６に実装された半導体素子５には、内部に冷却液の流路を設けた受熱ジャケット２が接続されている。本体筐体６にはポンプ１も設けられている。表示装置筐体７の表示パネル背面には放熱パイプ４が設けられている。ポンプ１、受熱ジャケット２、放熱パイプ４は接続パイプ３で図のように閉ループ状に接続されており、これらの内部において冷却液を循環する。前記冷却液は、例えば純水系の冷媒を用いることができる。基本的には水を使用することができる。場合によっては、腐食抑制剤等を添加することも考えられる。

また、冷却液量は対象となる装置の大きさにもよるが、一例として、ノート型パーソナルコンピュータであれば、５ｃｃ〜１０ｃｃ程度、デスクトップ型パーソナルコンピュータであれば、５ｃｃ〜２００ｃｃ程度を用いることも考えられる。

図１に示したノート型パーソナルコンピュータの冷却システムの第１実施例を模式的に示したのが図２である。放熱パイプ４は受熱ジャケット２より耐食性の良い材料で構成している。本実施例では、更に受熱ジャケット２を防水シート８で囲った状態を示す。

これにより、受熱ジャケット２腐食量を放熱パイプ４より高めて、冷却液と接するゴムやプラスチック等の部材から冷却液中に溶解したイオンと反応させて、放熱パイプ４の腐食を抑制する。面積の大きい放熱パイプ４での孔食による液漏れ等を抑制することができるので、面積の小さい受熱ジャケット２での腐食対策を図ればすむので、効率良く全体システムの腐食効果を得ることができる。

また、更に受熱ジャケット２を防水シート８で囲うことにより、受熱ジャケットの腐食の促進により部材を貫通して腐食孔が形成されても水漏れを防止することができる。

ここでは、受熱ジャケット２の材質をアルミニウム（ＡＤＣ材料(例えばＡＤＣ１２)を用いた鋳造のジャケット）として、放熱パイプをステンレス管（ＳＵＳ３０４を使用）にした場合について述べる。アルミニウムは、熱伝導性、加工性、軽量の観点から、受熱ジャケットの材質として適している。アルミニウムはｐＨ中性域で表面にＡｌ２Ｏ３の酸化皮膜を形成して耐食性を確保している。一方、ステンレス鋼はその不働態皮膜により淡水環境では優れた耐食性を示す。Ｆｅイオンの溶出量はわずかである。異種金属を併存させると腐食の観点から好ましくない場合が多いが、アルミニウムから解け出したイオンは、ステンレスの表面皮膜により影響を抑制できる。加えて、前述のように冷却液に接するゴムやプラスチックから溶け出した塩化物他のイオンを受熱ジャケット２で反応させて前記イオンにより放熱パイプ４での腐食を抑制できる。

また、放熱パイプ４より受熱ジャケット２の液部から表面までの厚さを厚くすることにより、受熱ジャケット２の半導体素子等の高発熱体からの熱拡散を効率良く行えると共に、腐食による孔食が生じても孔食部が表面まで貫通することを併せて抑制することができる。

他に、受熱ジャケット２を銅とし、放熱パイプ４をステンレスとする場合は、半導体素子等の発熱体の熱伝導を重視すれば当該構成を採用することもできる。材質を銅とした場合、銅は表面酸化皮膜によりステンレス同様淡水環境では優れた耐食性を示すが、ステンレス鋼に比べて多量のＣｕイオンが溶出する。そこで、Ｃｕイオンによるアルミニウムの腐食が進行した場合には、防水シートにより水漏れを防止する構造を備えておくことが好ましい。また、予め冷媒中に銅系材料用の腐食抑制剤（例えば、ベンゾトリアゾール、メルカプベンゾチアゾール、トリルトリアゾールなど）を添加しておいて、Ｃｕイオンの溶出を抑制することも有効である。

また、他に、受熱ジャケットにアルミニウムを用いて、放熱パイプに銅を用いることも考えられる。しかし、この場合には、耐食性の観点から銅の腐食防止腐食抑制剤を添加等の対策ととることが望ましい。

図１に示したノート型パーソナルコンピュータの冷却システムの他の例を模式的に示したのが図３である。図３に示すように受熱ジャケット２と半導体素子５との間に防水性の熱伝導性シート９を備えるよう構成することができる。

例えば、受熱ジャケットの熱伝導シート面以外の肉厚は厚くして、そこでの水漏れが起こらないようにしておくこともでき。

なお、適応する装置としては、特に３０Wをこえる発熱量の半導体装置の液冷システムに用いるのが効果的である。

その他の例を以下に示す。何れも腐食の大きい部位を特定して対応を容易化して全体としての信頼性を向上させるものである。その一例模式的に示したのが図４である。受熱ジャケット２は放熱パイプ４より耐食性の良い材料で構成する。本図は更に、放熱パイプ４は防水シート８で囲う構成にしたものである。

この実施例では、腐食による対策に注力する材質を放熱パイプ４に絞ることができる。このため、放熱パイプ４を防水シート８で囲うことにより、放熱パイプ４の腐食の促進により部材を貫通して腐食孔が形成されても他の部位への水漏れを防止することができる。

ここでは、放熱パイプの材質をアルミニウム、受熱ジャケットの材質をステンレスにした場合について述べる。放熱パイプ４と受熱ジャケット２配置関係によっては、放熱パイプ４の方が腐食対策を施し易い場合を考慮したものである。系中のゴムなどから出たイオンは前記放熱パイプ４で多く反応して受熱ジャケット２の腐食を抑制することが考えられる。

また、代わりに放熱パイプの材質をステンレス鋼、受熱ジャケットの材質を銅とした場合は、腐食抑制剤や防水シートで被覆する等の手段を併せて講じることが好ましい。

その他の実施例として、受熱ジャケットと放熱パイプを同種の材料で構成することが考えられる。その際、肉厚の薄い方の部材は防水シート８で囲うことが好ましい。

受熱ジャケット２が本体筐体６に、放熱パイプが表示装置筐体７に設置されている場合、放熱パイプ４の許容寸法は受熱ジャケット２に比べて小さくすることが好ましい。また、発熱体の熱を受熱ジャケット２に有効に伝えるためには、熱が拡散するための厚さが必要であることから、放熱パイプ４の肉厚は受熱ジャケット２に比べて薄くすることが好ましい。

受熱ジャケット２と放熱パイプ４の共に腐食が進行する。しかしながら、異種金属で組み合わせた場合に比べて、一方から溶け出した金属イオンが他方の腐食を悪影響を与えることを抑制することができる。

例えば、受熱ジャケット２と放熱パイプ４を銅で構成することが考えられる。冷却液に水を用いた場合製造工程で微生物が混入することがありうる。その場合であっても、冷却液が銅と接触する面積を多くとった構造にして微生物に伴う冷却液接触部位の腐食等を抑制して、システム全体としての信頼性を向上させることができる。

また、他に、受熱ジャケットと放熱パイプを同種の材料で構成することが考えられる。この場合、大きさを極力小型化・軽量化を図ることができるので小型・軽量のパーソナルコンピュータに適応するには好適である。その際、肉厚の薄い方の部材は防水シート８で囲うことが好ましい。
放熱パイプ４、受熱ジャケット２の材質を銅／アルミニウムとした場合に予め冷媒中に銅／アルミニウム系材料用の腐食抑制剤を添加しておけば腐食量を抑制することが可能である。

本発明の一実施例の斜視図 本発明の一実施例の模式図 本発明の一実施例の別の模式図 本発明の一実施例の模式図

符号の説明

１…ポンプ、２…受熱ジャケット、３…接続パイプ、４…放熱パイプ、５…半導体素子、６…本体筐体、７…表示装置筐体、８…防水シート、９…熱伝導シート、１１…プリント基板。

Claims (11)

1. 冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され、発熱体から熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有する液冷システムであって、
   前記放熱パイプを前記受熱ジャケットより耐食性の高い材料で構成することを特徴とする液冷システム。
2. 請求項１において、前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはステンレス材料を構成要素とすることを特徴とする液冷システム。
3. 冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され、発熱体から熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有する液冷システムであって、
   前記放熱パイプを前記受熱ジャケットより耐食性の高い材料で構成し、前記受熱ジャケットにおける前記冷却液流路から前記ジャケットの表面までの厚さは、前記放熱パイプにおける前記冷却流路から前記放熱パイプ表面までの厚さより厚く構成されていることを特徴とする液冷システム。
4. 冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され、発熱体から熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有する液冷システムであって、
   前記受熱ジャケットは銅を主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプは銅を主成分とする材料を構成要素とすることを特徴とする液冷システム。
5. 冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され、発熱体から熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有する液冷システムであって、
   前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とすることを特徴とする液冷システム。
6. 半導体素子と、信号入力部と、表示装置と、を備え、冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータであって、
   前記放熱パイプを前記受熱ジャケットより耐食性の高い材料で構成することを特徴とするパーソナルコンピュータ。
7. 請求項６において、前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはステンレス材料を構成要素とすることを特徴とするパーソナルコンピュータ。
8. 半導体素子と、信号入力部と、表示装置と、を備え、冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータであって、
   前記受熱ジャケットは銅を主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプは銅を主成分とする材料を構成要素とすることを特徴とするパーソナルコンピュータ。
9. 半導体素子と、信号入力部と、表示装置と、を備え、冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータであって、
   前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とすることを特徴とするパーソナルコンピュータ。
10. 半導体素子と、信号入力部と、表示装置と、を備え、冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータであって、
    前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とすることを特徴とするパーソナルコンピュータ。
11. 半導体素子と、信号入力部とを備える本体と、前記本体と可動機構を介して連絡する表示部を備えた表示装置と、冷却液を吐出するポンプと、前記本体に配置され、前記冷却液が供給され前記半導体素子で生じる熱を受ける受熱ジャケットと、前記表示装置の前記表示部の背面に前記受熱ジャケットを経た冷却液が供給され熱を放熱する放熱パイプと、前記放熱パイプを経た冷却液が前記ポンプに循環する経路と、を有するパーソナルコンピュータであって、
    前記受熱ジャケットはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記放熱パイプはアルミニウムを主成分とする材料を構成要素とし、前記受熱ジャケットにおける前記冷却液流路から前記ジャケットの表面までの厚さは、前記放熱パイプにおける前記冷却流路から前記放熱パイプ表面までの厚さより厚く構成されていることを特徴とするパーソナルコンピュータ。
    

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