JP2005072216A - 液冷システムおよびこれを用いた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】超小型・薄型化した高発熱量の半導体素子などの発熱部品に好適な長期耐食性を確保した液冷システムあるいはそのシステムを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】冷却液を供給するポンプ１と、前記冷却液が供給され発熱体６から熱を受ける受熱ジャケット２と、前記受熱ジャケット２を経た冷却液が供給され熱を放熱するラジエータ４と、前記ラジエータ４を経た冷却液が前記ポンプ１に循環する流路とを有する液冷システムにおいて、液冷システムの構成部品にイオン交換樹脂とそれを封入した袋とからなるイオン交換バック９を設置し、さらにそれを取替え可能とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体素子素子を液冷システムで冷却する電子機器に関するものである。

コンピュータ等の電子装置に用いられる半導体素子は、動作時に発熱する。
特に近年の半導体素子素子は高速処理、高容量の要求から益々発熱量が増大している。一般的に半導体素子素子はある所定温度を超えると半導体素子素子としての機能が著しく損なわれるため、発熱量の大きい半導体素子素子は積極的に冷却する必要がある。
電子装置の半導体素子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、液冷によるものなどが知られている。

このうち、発熱量が大きい半導体素子に対しては、液冷による冷却が最も効果的である。
液冷による具体的な冷却方法としては、例えば特開平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公報などがあげられる。

しかしこれらの従来技術は、大型コンピュータにその用途が限れていた。
これは、液冷システムがポンプや配管系、ラジエータなど多くの液冷専用の部品を必要とするので液冷装置が大型になることと、液体を冷却に使用することに対する信頼性の確保が他の冷却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量の大きい半導体素子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、半導体素子に取り付けた受熱ジャケットとこれと離れたところに位置するラジエータ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公報 特開平６−２６６４７４号公報 特開２００３−１８５３２１号公報

ところが、前述したようにパーソナルコンピュータ、ホームサーバ、サーバ、プロジェクタ、メディアストレージなどの電子機器に用いられる半導体素子などの発熱部品の発熱量が年々増大し熱伝導による自然空冷やファンによる強制空冷やヒートパイプによる冷却では間に合わなくなっている。
そこで、上記特開平６２６６４７４号公報に記載の技術が注目され、パーソナルコンピュータのケースを熱伝導性の良い金属材料としてケースそのものを放熱板に利用することで液冷システムをコンピュータのケース内に収納することが可能となったものである。

ところが、液冷システムをコンピュータ内に搭載することによって新たな問題が発生してきた。

それは、液冷システム内の保有液量が少ない上に、使用温度が比較的高いことなどから、液体に接触する部品、特に有機材料部品（合成樹脂製部品）からの腐食性イオンが僅かでも溶出すると腐食性イオンによって冷却液の液質が悪化して、受熱ジャケットやラジエータなど金属材料からなる部品の腐食が促進されてしまう。

腐食によって水漏れが発生してしまった場合には、電子機器の機能を停止させる重大な問題となってしまうため、冷却液と接触する部品に対して防食対策を施すことが不可欠である。

尚、液体の腐食防止対策として例えば、特開２００３−１８５３２１号公報がある。

本発明の目的は、長期（例えば５〜１０年）に亘る耐食性を確保できる液冷システムをあるいはそのシステムを用いた電子機器を提供することにある。

上記目的は、冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され電子部品からの熱を受ける受熱ジャケットと、この受熱ジャケットを経た前記冷却液が供給され熱を放熱するラジエータと、このラジエータを経た前記冷却液が前記ポンプに循環する流路とを有する液冷システムにおいて、前記経路の一部にイオン交換樹脂を封入した袋を備えたイオン交換バックを設置したことにより達成される。

また、上記目的は、前記イオン交換樹脂を封入した袋を備えたイオン交換バックを容器に保持し、前記イオン交換バックを取り替え可能なイオン交換ホルダを前記容器に設けたことにより達成される。

また、上記目的は、前記イオン交換バック又は前記イオン交換ホルダを前記ラジエータの中または下流、かつ受熱ジャケットの上流の液冷システムの構成部品に設置したことにより達成される。

また、上記目的は、基板上に搭載された発熱素子と、この発熱素子と熱的に接続された受熱ジャケットと、この受熱ジャケットからの加熱液体を放熱するための放熱ジャケットと、これらのジャケットに液体を循環させるためのポンプと、このポンプと両ジャケットを接続する配管を備えた電子機器において、前記配管の途中にイオン交換樹脂を封入した袋を備えたイオン交換バックを設置したことにより達成される。

本発明によれば、超小型・薄型化した高発熱量の半導体素子などの発熱体を有する電子機器に好適な長期（５〜１０年）に亘る耐食性を確保した液冷システムあるいはそのシステムを用いた電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。
図１は、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の斜視図である。
尚、本実施例は最も身近なノート型パーソナルコンピュータで説明したが本発明は、ノート型パーソナルコンピュータに限定されることなく、ディスクトップ型やサーバに至る電子機器に応用が可能である。

図１において、本体筐体７に実装された半導体素子素子６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７にはポンプ１も設けられている。表示装置筐体８の表示パネル背面には放熱パイプ４とタンク５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、タンク５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、これらの内部には冷却液１０（図２に記載）が充填されている。タンク５内にイオン交換パック９が設けられている。本体筐体７と表示装置筐体８の間は、配管としてフレキシブルチューブ３´で接続されている。

図２は、図１に示したノート型パーソナルコンピュータの液冷システムの第１実施例を模式的に示した図である。
図２において、イオン交換バック９は、イオン交換樹脂とこのイオン交換樹脂を内在すると共に棒状に形成された透水性バックからなる。イオン交換樹脂の熱劣化を最小限に抑えるため、イオン交換バックは、液温の低いラジエータの中または下流、かつ受熱ジャケットの上流で、液冷システムの構成部品に設置するのが好ましい。

従来のイオン交換器は、筒状の容器内にイオン交換樹脂を充填してあり、冷却液がイオン交換樹脂を通過することで効率良くイオン交換が行われ、冷却液の液質を改善する。この構造は、例えば大型コンピュータの液冷システムで採用されている。小型の液冷システムでは、小型ポンプを採用するため、圧力損失の大きい通水型イオン交換器を使用することが困難である。
本発明では、浸せき型イオン交換バック９を採用して、拡散により冷却液中のイオンを捕獲する。腐食性イオンは、ポンプ１、タンク５、フレキシブルチューブ３´で使用されている有機材料から溶出する。

図３は、小型液冷システムにおけるイオン交換バックのイオン吸着量の経時変化を示すグラフである。
図３において、試験した１ｃｃのイオン交換パックは、１００ｈで冷却液５０ｃｃ中の塩素イオン３００ｐｐｍを全て吸着することができる。この液冷システムでは、５年間で溶出する塩素イオンは３００ｐｐｍ以下である。
これより、イオン交換パックの拡散による吸着速度は、イオン溶出速度に対して充分に早いことがわかる。したがって、浸せき型イオン交換バックは、小型液冷システムの腐食抑制に有効な手段となる。

図４は、イオン交換バック９の一実施例を示す図である。
図４において、イオン交換バック９は、陽イオンを吸着する陽イオン交換樹脂と陰イオンを吸着する陰イオン交換樹脂の混在したイオン交換樹脂１１と、このイオン交換樹脂を内在すると共に棒状に形成された透水性バック１２とで構成されている。
換言すると、例えば緑茶や紅茶のティーパックのようにお茶の葉を透水性の布或いは紙で包み込み周囲を接着或いは熱溶着（図４では、イオン交換樹脂１１の周囲を取り囲む白抜き部分）させたものである。

このイオン交換バック９を例えばタンク内に投入しておけば、循環する冷却液の大半がイオン交換バック９を通過するので冷却液中のイオン捕獲に有効である。
ただし、イオン交換バック９を単にタンク内に投入しただけでは、イオン交換バック９がタンク内を浮遊してしまうのでタンク内の所定部分に固定しておくことが望ましい。

尚、溶出するイオンが金属イオンなど陽イオンのみの場合は陽イオン交換樹脂のみでイオン交換バックを構成してもよい。また溶出するイオンがハロゲンイオンなど陰イオンのみの場合は陰イオン交換樹脂のみでイオン交換バックを構成してもよい。
液量１リットル以下の小型液冷システムでは、イオン交換バックは１０ｃｃ以下のイオン交換樹脂を有するものが好ましい。透水性バックは熱溶着などにより密閉する。透水性バックは、透水性処理を施したメッシュまたは不織布で構成されており、速やかに冷却液がバック内部に侵入するため、バック内に気層ができて浮くことなく沈降する。

これにより、冷却液中の腐食性イオンは、冷却液と共に透水性バックを透過して、バック内のイオン交換樹脂で捕獲できる。透水性バックに充填するイオン交換樹脂の量は、液体の凍結時の膨脹を考慮した量とする。また、透水性バックのメッシュまたは不織布の細孔寸法は、破砕したイオン交換樹脂が通過しない寸法とする。この破砕したイオン交換樹脂は、例えばポンプの可動部に到達した場合、ポンプの故障の原因となる。

図５は、イオン交換バックをタンク内の所定位置に設定した場合の情況を示す図である。
図５において、イオン交換バック９の周りには仕切り板１３を設けている。
これにより、イオン交換バック９内に気層ができても浮くことがなく、冷却液中の腐食性イオンを捕獲することができる。また、仕切り板１３をタンク５中央部に設置することにより、冷却システムがいかなる姿勢で使用されても、イオン交換バック９は冷却液中に保持できる。このため、冷却液中の腐食性イオンは、冷却液と共に透水性バックを透過して、バック内のイオン交換樹脂で捕獲できる。

図６は、イオン交換バックの他の実施例を示す図である。
図６において、固定用孔１４を有する透水性バック１２は、透水性が低くバック内に気層ができても浮くことなく、液中に保持することができる。このため、冷却液中の腐食性イオンは、冷却液と共に透水性バックを透過して、バック内のイオン交換樹脂で捕獲できる。

図７は、イオン交換バックの別の実施例を示す図である。
図７において、浮き防止用錘１５を有する透水性バック１２は、透水性が低くバック内に気層ができても浮くことなく、液中に保持することができる。浮き防止用錘１５を使用した場合、冷却システムがいかなる姿勢で使用されても、イオン交換バックは冷却液中に保持できる。このため、冷却液中の腐食性イオンは、冷却液と共に透水性バックを透過して、バック内のイオン交換樹脂で捕獲できる。タンクが金属製であった場合には上記の錘１５を永久磁石にしておけば簡単に取付けることができる。

図８は、イオン交換ホルダ１６の一実施例を示す図である。
図８において、イオン交換ホルダ１６は、イオン交換バック９と、そのイオン交換バック９を保持する部品１７と、冷却部品（例えばタンク）に固定する部品１８を有したものである。イオン交換バック９を保持する部品１７は、例えば金属性メッシュであり、冷却部品に固定する部品１８は、例えばフランジである。
なお、フランジは、パッキン、Ｏリングで封止する機能を有している。イオン交換ホルダ１６は、イオン交換樹脂が劣化して腐食性イオンの捕獲能力が低下した場合、容易にイオン交換バックを交換できる利点がある。また、冷却液の給水孔を兼ねることにより、冷却液の低下時に容易に給水できる利点がある。

図９は、タンク５にイオン交換ホルダ１６を実装した例を示す図である。
図９において、なお、イオン交換ホルダ１６は、タンク中央付近に設置すれば、冷却システムがいかなる姿勢で使用されても、イオン交換バックは冷却液中に保持できる。このため、冷却液中の腐食性イオンは、冷却液と共に透水性バックを透過して、バック内のイオン交換樹脂で捕獲できる。

図１０は、イオン交換ホルダ１６の別の実施例を示す図である。

図１０において、浮き防止用錘１５をつけた透水性バック１２は、固定用孔１４を用いてフランジなどの固定部品１８に固定されている。イオン交換バック９は柔軟であり、冷却システムがいかなる姿勢で使用されても、イオン交換バックは冷却液中に保持できる。このため、冷却液中の腐食性イオンは、冷却液と共に透水性バックを透過して、バック内のイオン交換樹脂で捕獲できる。

図１１は、イオン交換ホルダ１６の別の実施例を示す図である。

図１１において、細いイオン交換バック９を複数本用いることにより、イオン交換樹脂と冷却液の接液面積が増えるため、腐食性イオンを早期に捕獲できる。このように、冷却液中の腐食性イオンを早期に捕獲する必要がある場合は、複数本のイオン交換バックや、蛇腹のイオン交換バックを使用して、イオン交換樹脂と冷却液の接液面積を増やす構造が有効である。

図１２は、イオン交換ホルダ１６を接続口を有する容器に挿入した実施例を示す図である。
図１２において、イオン交換ホルダ１５は、配管３との接続口を有する容器１９に取り付ける。イオン交換樹脂ホルダ１６は、冷却液の流路を妨げておらず、イオン交換ホルダ１６での圧力損失はほとんどない。イオン交換ホルダ１６は、イオン交換樹脂が劣化して腐食性イオンの捕獲能力が低下した場合、容易にイオン交換バック９を交換できる。

図１３は、イオン交換ホルダ１６と配管との接続口を有する容器１９を一体した実施例を説明する図である。
図１３において、イオン交換バック９の交換が不要の場合は、本実施例のように、イオン交換ホルダ１６と配管との接続口を有する容器１９を一体にしてもよい。これらのイオン交換ホルダ１６は、腐食を抑制する必要がある部材、例えば受熱ジャケットの上流側に設置すると容易にイオンを捕獲できるため効果が大きい。

図１４は、一部に細孔を有する配管２０とカバー２１を用いて容器１９を構成して例である。この容器は、絞り加工で容易に製造でき、低コスト化を図ることができる。

図１５は、タンク内に設置したイオン交換バック９またはイオン交換ホルダ１６を示す図である。
図１５において、イオン交換バック９の周りには仕切り板１３を設けている。冷却液は吐出し５ｂからタンク内に流入し、仕切り板内に溜められる。仕切り板内に溜められた冷却液は、開口している仕切り板の滴下孔１３ａから徐々に滴下する。滴下する冷却液の流れにより、冷却液中の腐食性イオンは、イオン交換バック９またはイオン交換ホルダ１６内のイオン交換樹脂により効率良く捕獲される。循環流量が大きい場合は、タンク５内に流入した冷却液は仕切り板のオーバーフロー孔１３ｂからオーバーフローする。

図１６は、仕切り板の滴下孔１３ａとイオン交換バック９またはイオン交換ホルダ１６を直列に配置した例である。
図１６において、これにより、仕切り板１３内に溜められた冷却液の楊抵を利用して、冷却液をイオン交換バック９またはイオン交換ホルダ１６内を透過させることが可能となり、さらに効率良く冷却水中の腐食性イオンを捕獲することができる。これは、いわゆるドリップ方式は、冷却液の楊抵が高い程効果がある。

以上のイオン交換バック、イオン交換ホルダの実施例は、ノート型パーソナルコンピュータを例として記載したが、本発明は、他にプロジェクタ、メディアストレージ、サーバ等の電子機器で用いられる液冷システムに適用可能である。

図１は、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の斜視図である。 図２は、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の模式図である。 図３は、イオン交換バックによるイオン吸着量の経時変化を表わす図である。 図４は、本発明のイオン交換バックの一実施例を示す図である。 図５は、本発明のイオン交換バックを用いたタンク構造図である。 図６は、本発明の一実施例を備えたイオン交換バックの図である。 図７は、本発明の他の実施例を備えたイオン交換バックの図である。 図８は、本発明の一実施例を備えたイオン交換ホルダの図である。 図９は、図８に示したイオン交換ホルダを用いたタンク構造の図である。 図１０は、本発明の他の実施例を備えたイオン交換ホルダの図である。 図１１は、本発明の他の実施例を備えたイオン交換ホルダの図である。 図１２は、本発明の一実施例を備えたイオン交換ホルダを用いた配管構造図である。 図１３は、本発明の一実施例を備えたイオン交換バックを用いた配管構造図である。 図１４は、本発明の一実施例を備えたイオン交換バックを用いた配管構造図である。 図１５は、本発明の一実施例を備えたイオン交換バックまたはイオン交換ホルダを用いたタンク構造図である。 図１６は、本発明の一実施例を備えたイオン交換バックまたはイオン交換ホルダを用いたタンク構造図である。

符号の説明

１…ポンプ、２…受熱ジャケット、３…配管、３´…フレキシブルチューブ、４…ラジエータ、５…タンク、５ａ…吸込みポート、５ｂ…吐出しポート、６…半導体素子素子、７…本体筐体、８…表示装置筐体、９…イオン交換バック、１０…冷却液、１１…イオン交換樹脂、１２…透水性バック、１３…仕切り板、１３ａ…滴下孔、１３ｂ…オーバーフロー孔、１４…固定用孔、１５…浮き防止用錘、１６…イオン交換ホルダ、１７…イオン交換バック保持部品、１８…固定部品、１９…配管との接続口を有する容器、２０…一部に細孔を有する配管、２１…カバー。

Claims (4)

1. 冷却液を供給するポンプと、前記冷却液が供給され電子部品からの熱を受ける受熱ジャケットと、この受熱ジャケットを経た前記冷却液が供給され熱を放熱するラジエータと、このラジエータを経た前記冷却液が前記ポンプに循環する流路とを有する液冷システムにおいて、
   前記経路の一部にイオン交換樹脂を封入した袋を備えたイオン交換バックを設置したことを特徴とする液冷システム。
2. 請求項１記載の液冷システムにおいて、
   前記イオン交換樹脂を封入した袋を備えたイオン交換バックを容器に保持し、前記イオン交換バックを取り替え可能なイオン交換ホルダを前記容器に設けたことを特徴とする液冷システム。
3. 請求項１若しくは２のいずれか１項に記載の液冷システムにおいて、
   前記イオン交換バック又は前記イオン交換ホルダを前記ラジエータの中または下流、かつ受熱ジャケットの上流の液冷システムの構成部品に設置したことを特徴とする液冷システム。
4. 基板上に搭載された発熱素子と、この発熱素子と熱的に接続された受熱ジャケットと、この受熱ジャケットからの加熱液体を放熱するための放熱ジャケットと、これらのジャケットに液体を循環させるためのポンプと、このポンプと両ジャケットを接続する配管を備えた電子機器において、
   前記配管の途中にイオン交換樹脂を封入した袋を備えたイオン交換バックを設置したことを特徴とする電子機器。

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