JP2006332148A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発熱体に対する押圧装置の押付力を大きくせずに、熱伝導膜の厚さを薄くして熱抵抗を小さくした発熱体の冷却装置を得ること。
【解決手段】発熱体４に熱伝導膜９を介して吸熱器３を当接させ、前記発熱体４を冷却する冷却装置において、前記発熱体４に前記吸熱器３を押付けながら前記発熱体４と前記吸熱器３とを前記熱伝導膜９に沿って相対摺動させた後に固定する押圧摺動装置２０を備え、前記押圧摺動装置２０が、押付力を漸増させながら前記発熱体４と前記吸熱器３とを相対摺動させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、パーソナルコンピュータ等に使われるマイクロプロセッシングユニット（以下、ＭＰＵという。）等の発熱する半導体や、その他の発熱する電子部品等を冷却する冷却装置に関するものである。

近年、電子機器においては、半導体等の電子部品の高集積化や、動作クロックの高周波数化等に伴う発熱量の増大に対して、電子部品を正常に動作させるために、それぞれの電子部品の温度を如何に動作保証温度範囲内に保つかが大きな問題となってきている。従来のような、ヒートシンクによる空冷だけでは能力が不足し、冷却能力が大きい水冷式の冷却装置が用いられる事例もでてきている。

上記のような水冷式の冷却装置として、本出願人は、発熱する電子部品を冷媒の循環により高効率に冷却する吸熱部と冷媒を吸熱部に循環させるポンプ部とを一体化した電子部品の冷却装置を提案している（例えば、特許文献１参照）。

以下、上記の従来の冷却装置の詳細について、図を参照して説明する。図１は、冷却装置を備えた電子機器の概略斜視図であり、図６は、従来の冷却装置の分解斜視図であり、図７は、従来の冷却装置の断面図である。

図１において、１は冷却装置を搭載した電子機器としてのパーソナルコンピュータの筐体であり、４はＭＰＵ等の発熱電子部品であり、３は発熱電子部品４に接触して熱交換するポンプ内臓の吸熱器である。５は発熱電子部品４を設置した基板であり、７は、筐体１の側面内側に設置され発熱電子部品４から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器、８は吸熱器３と放熱器７とを接続して冷媒を循環させるための閉じた循環路である。また、発熱電子部品４と吸熱器３との接触面には熱伝導性グリース９（図７参照）が塗布されており、接触面での接触熱抵抗を低減させている。

次に、図６及び図７を参照して、吸熱器３を発熱電子部品４に押付ける押圧装置について説明する。５ａは基板５に設けられた取付孔であり、１１はコイルばね１２を装着するプランジャであり、１１ａはプランジャ１１の底面に形成されたねじ穴であり、１１ｂはプランジャ１１の頭部に形成されたばね押し部である。

１２はプランジャ１１に装着されるコイルばねであり、１３は取付孔５ａを通してねじ穴１１ａにねじ込まれる取付ねじであり、３ａは、吸熱器３の四隅に形成されコイルばね１２を装着したプランジャ１１が挿入されるスリーブ穴であり、３ｂは、スリーブ穴３ａの底部に環状に形成されコイルばね１２の押付け力を受けるばね受け部である。コイルばね１２は自由長さより圧縮されて組付けられ、圧縮されたコイルばね１２の反力で吸熱器３が発熱電子部品４に押付けられる。
特開２００４―２８５８８８号公報

一般的に、上記したような水冷式の冷却装置は、発熱電子部品上にヒートシンクを取り付けファン等で空冷する空冷式の冷却装置に比べ、冷却能力が非常に大きく、冷却系全体の熱抵抗に占める熱伝導性グリース９の熱抵抗の割合が大きくなっている。熱伝導性グリース９の熱抵抗は、その熱伝導率と厚さと接触面積により決まる。

熱伝導性グリース９の厚さが薄いほど熱抵抗を小さくすることができるため、上記のような従来の冷却装置においては、コイルばね１２の圧縮反力を大きくすることが、熱伝導性グリース９の熱抵抗を小さくするために有効となる。しかしながら、あまりにコイルばね１２の圧縮反力を大きく設定すると、押圧装置の組立作業が困難となったり、基板５の変形を招いたりするという問題がある。

また、発熱電子部品４が、シリコンのような脆性材料製である場合、発熱電子部品４が破損してしまうという問題がある。また、実際には、単にコイルばね１２の圧縮反力をある程度以上大きくしても、熱伝導性グリース９の熱抵抗が、比例的には小さくならないことが実験により確認されている。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、発熱体としての発熱電子部品に対する押圧装置の押付力を大きくせずに、熱伝導膜としての熱伝導グリースの厚さを薄くして熱抵抗を小さくした発熱体の冷却装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、発熱体に熱伝導膜を介して吸熱器を当接させ、前記発熱体を冷却する冷却装置において、前記発熱体に前記吸熱器を押付けながら前記発熱体と前記吸熱器とを前記熱伝導膜に沿って相対摺動させた後に固定する押圧摺動装置を備えたものである。この構成により、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の一部が、発熱体と吸熱器との間から周辺に排出され、熱伝導膜の厚さが薄くなる。

本発明の請求項１記載の冷却装置によれば、発熱体と吸熱器との間の熱伝導性膜の厚さが薄くなり、熱抵抗が小さい冷却装置が得られるという効果がある。

請求項１記載の発明は、発熱体に熱伝導膜を介して吸熱器を当接させ、発熱体を冷却する冷却装置において、発熱体に吸熱器を押付けながら発熱体と吸熱器とを熱伝導膜に沿って相対摺動させた後に固定する押圧摺動装置を備えたことを特徴とする冷却装置であり、発熱体と吸熱器との相対摺動により、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の一部が、発熱体と吸熱器との間から周辺に排出され、熱伝導膜の厚さが薄くなる。

請求項２記載の発明は、押圧摺動装置が、押付力を漸増させながら発熱体と吸熱器とを相対摺動させることを特徴とする請求項１記載の冷却装置であり、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の厚さが一層薄くなる。

請求項３記載の発明は、相対摺動が、相対回転摺動であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置であり、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の一部の周辺への排出が、スムースに行なわれる。

請求項４記載の発明は、押圧摺動装置が、発熱体を設置する基板と、発熱体を囲むように基板に立設された３本以上のガイドシャフトと、吸熱器の側部に設けられたカムピンに係合するカム溝が形成されたカム板を側部に有し、ガイドシャフトに嵌合され、吸熱器上に配置される押圧板と、ガイドシャフトに装着され撓み反力により押圧板を押圧するコイルばねと、押圧板にねじ込まれ、吸熱器に反力をとってねじ込みによりコイルばねを撓ませる押付けねじと、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置であり、押付けねじを回す小さな力で、ねじのくさび作用により大きな押付力を発生させ、冷却器を発熱体に押付けることができ、また、冷却器を発熱体に押付ける押付け速度が小さく冷却器の回転を妨げないので、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の一部の周辺への排出が、スムースに行なわれる。また、カム機構であるので、冷却器を意図した量だけ確実に回転動させることができる。

請求項５記載の発明は、押圧摺動装置が、発熱体を設置する基板と、発熱体を囲むように基板に立設された３本以上のガイドシャフトと、吸熱器の側部に形成されたカム溝に係合するカムピンを側部に有し、ガイドシャフトに嵌合され、吸熱器上に配置される押圧板と、ガイドシャフトに装着され撓み反力により押圧板を押圧するコイルばねと、押圧板にねじ込まれ、吸熱器に反力をとってねじ込みによりコイルばねを撓ませる押付けねじと、を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置であり、押付けねじを回す小さな力で、ねじのくさび作用により大きな力を発生させ、冷却器を発熱体に押付けることができ、また、冷却器を発熱体に押付ける押付け速度が小さく冷却器の回転を妨げないので、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の一部の周辺への排出が、スムースに行なわれる。また、カム機構であるので、冷却器を意図した量だけ確実に回転動させることができる。

請求項６記載の発明は、熱伝導膜が、熱伝導グリースであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置であり、発熱体と吸熱器との間にある熱伝導膜の一部の周辺への排出が、スムースに行なわれる。

請求項７記載の発明は、発熱体が、発熱電子部品であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置であり、熱抵抗を小さくした発熱電子部品の冷却装置が得られる。

以下に本発明の実施例について、図を用いて説明する。図１は冷却装置を備えた電子機器の概略斜視図であり、図２は本発明の冷却装置の一実施例を示す分解斜視図であり、図３〜図５は冷却装置の組立工程を示す斜視図である。

図１において、１は冷却装置を搭載した電子機器としてのパーソナルコンピュータの筐体であり、３は発熱電子部品４に押付けられて熱交換するポンプ内臓の吸熱器である。ポンプ型式としては、遠心ポンプ型、渦流ポンプ型等が採用可能である。４は発熱体としてのＭＰＵ等の発熱電子部品であり、５は発熱電子部品４を設置する基板であり、７は、筐体１の側面内側に設置され発熱電子部品４から受熱した冷媒の熱を外部に放熱する放熱器であり、８は吸熱器３と放熱器７とを接続して冷媒を循環させるための閉じた循環路である。

冷媒としては、エチレングリコール水溶液やプロピレングリコール水溶液等の不凍液を用いるのが適当であり、さらに、後述するように、下部ケーシング材料として銅等を使用するため、防食添加剤を添加するのが望ましい。放熱器７は、熱伝導率が高く放熱性のよい材料、例えば銅、アルミニウム等の薄板材で製作され、内部に冷媒の通路及びリザーブタンクが設けられている。また、放熱器７に強制的に空気を当てて放熱効果を増すために、ファンを設けるのが望ましい。

循環路８は、配管レイアウトの自由度を確保するため、フレキシブルでガス透過性の小さいゴム、例えば、ブチルゴム等のゴムチューブで構成されている。また、発熱電子部品４と吸熱器３との接触面には、熱伝導膜としての熱伝導性グリース（図示せず）が塗布されており、接触面での接触熱抵抗を低減させている。

熱伝導性グリースの代わりに相変化型熱伝導性シートを用いることもできるが、素材の熱伝導率が高い熱伝導性グリースを用いたほうが熱抵抗が小さくなり、また、熱伝導性グリースのほうが粘性が低いため、後述するように、さらに熱抵抗を小さくするための、吸熱器３の回転動作をスムースに行うことができる。

次に、図２〜図５を参照して、実施例の冷却装置の構成と、吸熱器３を発熱電子部品４に押圧して冷却装置を組み立てる組立方法について説明する。図２〜図５において、１２はコイルばねであり、１４は、発熱電子部品４を囲むように基板５に略垂直に立設され、コイルばね１２が装着される４本のガイドシャフトであり、１４ａは、ガイドシャフト１４の基板５側の反対側の端部に設けられた、Ｅリング１５を装着するためのＥリング溝である。ガイドシャフト１４は３本以上とすればよい。

１５は、Ｅリング溝１４ａに装着されコイルばね１２の圧縮反力を受けるＥリングであり、１６はガイドシャフト１４に嵌合されて吸熱器３上に配置され、コイルばね１２の圧縮反力を受けて吸熱器３を押圧する押圧板であり、１６ａは押圧板１６の四隅に設けられたガイドシャフト１４を挿通させるシャフト孔であり、１６ｂは押圧板１６の中央部に設けられたねじ孔であり、１６ｃは押圧板１６の側部を折り曲げて形成されたカム板１６ｄに設けられたカム溝である。カム溝１６ｃは、「く」字形に形成されている。

３ｃは吸熱器３の両側面に設けられカム溝１６ｃに挿通されるカムピンである。カム溝１６ｃ及びカムピン３ｃは、後述する押付けねじ１７の軸に対して軸対称に、吸熱器３の両側部にそれぞれ配置される。このようにすると、後述する吸熱器３の回転がスムースになる。１７は、押圧板１６のねじ孔１６ｂにねじ込まれ、先細の先端で吸熱器３の中央部を押圧する押付けねじである。押付けねじ１７の先端を先細形状とすることにより、後述する吸熱器３の回転がスムースになる。

上記の基板５、ガイドシャフト１４、コイルばね１２、押圧板１６及び押付けねじ１７が、押圧摺動装置２０を構成している。

次に、図２〜図５を参照して、本実施例の冷却装置の組立手順を説明する。まず、基板５の４本のガイドシャフト１４で囲まれた部分の中央部に設置された発熱電子部品４の上面４ａ（図２参照：吸熱器３との接触面）に熱伝導膜としての熱伝導性グリース９を塗布する。この場合、吸熱器３の下面に熱伝導性グリース９を塗布しておいてもよいし、両方に塗布してもよい。

次に、熱伝導性グリース９を塗布した発熱電子部品４の上に吸熱器３を当接させ、予め基板５に取り付けておいたガイドシャフト１４に、押圧板１６のシャフト孔１６ａを嵌合させる。押圧板１６を嵌合させるときに、カムピン３ｃをカム溝１６ｃに嵌合させる。次に、ガイドシャフト１４の開放端にコイルばね１２を装着し、Ｅリング１５をＥリング溝１４ａに装着しコイルばね１２が脱落しないようにする。

続いて、図３に示すように、押付けねじ１７をねじ孔１６ｂにねじ込み、ドライバー等で、押付けねじ１７の先端が吸熱器３に接触するまでねじ込む。さらに、押付けねじ１７をねじ込むと、吸熱器３に反力をとって押圧板１６が持上げられてコイルばね１２が圧縮されて撓み、圧縮反力により吸熱器３が発熱電子部品４に押付けられる。同時に、押圧板１６の上昇により、カムピン３ｃがカム溝１６ｃの「く」字形の傾斜によって押付けねじ１７の軸回りの力を受け、吸熱器３が押付けねじ１７の軸心を中心として図４の矢印Ｘ方向に回転する。

さらに押付けねじ１７をねじ込むと、吸熱器３の押付け力が漸増しつつ、図５に示すように、案内溝１６ｃの逆傾斜により、吸熱器３が押付けねじ１７の軸心回りに図５の矢印Ｙ方向に回転する。このように、吸熱器３を発熱電子部品４に対して押圧しながら熱伝導膜（熱伝導性グリース９）に沿って摺動回転させてから吸熱器３と発熱電子部品４とを押圧摺動装置２０により固定することにより、発熱電子部品４と吸熱器３との接触面の間に存在する熱伝導性グリース９の一部が周辺に排出され、熱伝導性グリース９の厚さが薄くなって熱抵抗が小さくなる。

以上説明したように、本実施例によれば、吸熱器３の押圧・回転により、発熱電子部品４と吸熱器３との接触面の間に存在する熱伝導性グリース９の一部を周辺に排出することができるため、熱伝導性グリース９の厚さを薄くすることができ、熱伝導性グリース９の熱抵抗が小さくなるので、発熱電子部品４からの受熱効率を高くすることができる。

押付けねじ１７を回すための小さな力で、ねじのくさび作用による大きな力で吸熱器３を発熱電子部品４に押し付けることができる。また、吸熱器３を発熱電子部品４に押付ける押付け速度が小さいので、吸熱器３の回転が妨げられない。また、カムピン３ｃとカム溝１６ｃとの嵌合による単純なカム機構であるため、確実に意図した量だけ吸熱器３を回転させることができる。

なお、本実施例では、カム溝１６ｃを押圧板１６の側部に、カムピン３ｃを吸熱器３の側部に設けたが、カム溝１６ｃを吸熱器３の側部に、カムピン３ｃを押圧板１６の側部に設けてもよい。また、カム溝１６ｃを押付けねじ１７の軸に対して左右に軸対称に設け、発熱電子部品４と吸熱器３とを相対回転摺動させたが、カム溝１６ｃを押付けねじ１７に対して左右に線対称に設け、電子部品４と吸熱器３とを相対平行摺動させてもよい。また、コイルばね１２をガイドシャフト１４の基板５と押圧板１６の間に装着し、コイルばね１２のそれぞれの端部を基板５と押圧板１６とに係止し、コイルばね１２の伸長反力を押圧板１６の押付力とするようにしてもよい。

また、水冷式の冷却装置の例を説明したが、本発明は、水冷式の冷却装置に限定されるものではなく、発熱体に、熱伝導性膜を介してヒートシンク（吸熱器）を接合した空冷式の冷却装置にも適用可能である。また、発熱体は、冷却を必要とするものであればよく、発熱電子部品４に限定されない。熱伝導性膜は、熱伝導性を有する物質であればよく、熱伝導性グリース９に限定されない。

本発明の冷却装置は、パーソナルコンピュータ等のマイクロプロセッシングユニットの冷却装置として有用である。

冷却装置を備えた電子機器の概略斜視図 本発明の冷却装置の一実施例を示す分解斜視図 冷却装置の組立工程を示す斜視図 冷却装置の組立工程を示す斜視図 冷却装置の組立工程を示す斜視図 従来の冷却装置の分解斜視図 従来の冷却装置の断面図

符号の説明

１ 筐体
３ 吸熱器
３ｃ カムピン
４ 発熱電子部品（発熱体）
５ 基板
７ 放熱器
８ 循環路
９ 熱伝導性グリース（熱伝導膜）
１２ コイルばね
１４ ガイドシャフト
１５ Ｅリング
１６ 押圧板
１６ｃ カム溝
１６ｄ カム板
１７ 押付けねじ

Claims (7)

1. 発熱体に熱伝導膜を介して吸熱器を当接させ、前記発熱体を冷却する冷却装置において、
   前記発熱体に前記吸熱器を押付けながら前記発熱体と前記吸熱器とを前記熱伝導膜に沿って相対摺動させた後に固定する押圧摺動装置を備えたことを特徴とする冷却装置。
2. 前記押圧摺動装置が、押付力を漸増させながら前記発熱体と前記吸熱器とを相対摺動させることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
3. 前記相対摺動が、相対回転摺動であることを特徴とする請求項１又は２記載の冷却装置。
4. 前記押圧摺動装置が、
   前記発熱体を設置する基板と、
   前記発熱体を囲むように前記基板に立設された３本以上のガイドシャフトと、
   前記吸熱器の側部に設けられたカムピンに係合するカム溝が形成されたカム板を側部に有し、前記ガイドシャフトに嵌合され、前記吸熱器上に配置される押圧板と、
   前記ガイドシャフトに装着され撓み反力により前記押圧板を押圧するコイルばねと、
   前記押圧板にねじ込まれ、前記吸熱器に反力をとってねじ込みにより前記コイルばねを撓ませる押付けねじと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 前記押圧摺動装置が、
   前記発熱体を設置する基板と、
   前記発熱体を囲むように前記基板に立設された３本以上のガイドシャフトと、
   前記吸熱器の側部に形成されたカム溝に係合するカムピンを側部に有し、前記ガイドシャフトに嵌合され、前記吸熱器上に配置される押圧板と、
   前記ガイドシャフトに装着され撓み反力により前記押圧板を押圧するコイルばねと、
   前記押圧板にねじ込まれ、前記吸熱器に反力をとってねじ込みにより前記コイルばねを撓ませる押付けねじと、
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の冷却装置。
6. 前記熱伝導膜が、熱伝導グリースであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の冷却装置。
7. 前記発熱体が、発熱電子部品であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の冷却装置。

Images