JP2007208154A - 電子機器用の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デスクトップ型ＰＣからノート型ＰＣとＰＣの形態に係わらず搭載可能とした電子機器用の小型で、高冷却性能を呈する冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置の熱交換器において、内部に通流する冷媒液の流路を熱交換基板２５、熱交換器枠体２１の一方、あるいは両方の熱伝導性を有した基材から切り起した同一材質による一体構造の壁片で形成し、壁片の平面を湾曲させて、ほぼ並行に通流壁片群２３ａ、２３ｂとして構成した小型で高冷却性能を有する冷却装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、小型で高性能な情報処理装置等の電子機器における高発熱電子部品を冷却するに適する構造の熱交換器を有する冷却装置に関するものである。

電子機器に使用される半導体集積回路は、電子機器における取り扱い情報量の増大等からその処理速度の高速化を要求されており、高速処理を重点課題として急速に高集積化が進んできた。それに伴って半導体から発生する発熱量も増大している。一方、半導体における発熱は所定の温度以上になると半導体の持つ性能を確保する上で阻害要因となるだけでなく、半導体自体を破損してしまう問題を生じてくるため、電子機器においてこの発熱を冷却することは必須要件である。よって、装置の小型化，高性能化に対応した小型で、高性能な冷却システムの開発が期待されている。

ついては、増大した発熱量の冷却を行うために、冷却方法の開発とともに、各冷却方法における冷却能力の向上を図る工夫が行われている。例えば、ファンで冷却風を送り込む空冷システムにおいては、ファンの形状や、回転速度の制御による冷却風量の増加や、風路の工夫などが取り組まれており、液体によって放熱位置まで熱移送する液冷システムにおいては、熱交換部や熱移送部の高熱伝導性の材質や構造の改良，熱移送の制御などで熱交換効率の向上が図られている。

一方、電子機器は、従来の業務用装置から小形・高性能な携帯用，個人用の装置としても大きく発展してきている。例えば計算機の製品分野に関しても、デスクトップ型のパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣと称す）やノート型のＰＣは中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと称す）の演算処理の高速化によって、使い勝手の良い製品を実現されてきたが、反面、発熱量の増大が問題化してきている。

近年、このＰＣの冷却方式としては、冷却能力に対比して小型化，静音化に優位性を持つ液冷システムが好まれて使用されるようになってきた。この液冷システムのノートＰＣの例として特許文献１が挙げられる。また。デスクトップＰＣの液冷システムの例として特許文献２が挙げられる。また、特許文献２には、液冷システムよりもさらに冷却性能の向上を追求できる冷却液の蒸発及び凝縮作用を利用して冷却を行う潜熱冷却システムの例も記載されている。さらには、潜熱冷却システムの循環型として特許文献３が挙げられる。

特開２００４−１３９１８５号公報 特開２００４−１１６８６４号公報 特開２００４−３２６３４３号公報

特許文献１に開示されている冷却システムは、ノートＰＣの薄型の構造に対応した液冷システムの例であり、放熱器として表示部の背面の広い面積にわたって流路を形成した放熱板を配置し、本体側配置の発熱部との間で液を循環する構成としている。よって、放熱板は放熱効果をあげるために放熱性の良い金属材料等で構成する必要があり、携帯用途の機器でありながら軽量化の阻害要因になっている。さらには冷却性能を上げるためには、放熱板を大きくする必要が有るが、放熱板面積の増大には装置の形状から自ずと限界があり、冷却性能の増強には、外付けのヒートシンクやファンの設置等で対応していかざるを得ない状況にある。

特許文献２に開示されている冷却システムは、デスクトップＰＣに搭載された液冷システムである。放熱器はフィンを設けたヒートシンクとした構造であり、ファンによってヒートシンクのフィンに向かって冷却風を吹き付ける構成とされている。デスクトップ型
ＰＣにおいては、冷却システムの配置場所と設置空間に関する制約がノートＰＣよりは小さいことから、放熱器としては従来型の配管と冷却フィン構成で平面状あるいはブロック状に形成したラジエータが用いられる例もある。さらに、放熱効果を挙げるためには、放熱器に吹き付けた冷却風が暖められた後に装置内に循環することなく装置外に排出させるために放熱器を装置の外部にはみ出して装着している。また、冷却風の流れを制御するために装置内に冷却風路を形成するダクトの設置等の工夫もなされている。しかし、これらは装置の小型化に対する阻害要因である。

さらに特許文献２には、ヒートパイプ方式による冷却システムについても記載されている。ヒートパイプ方式は、冷媒液によって熱輸送して放熱器で冷却する液冷システムに比べて気化熱による冷却のために冷却性能に優るが、ヒートパイプ内の同一管内で蒸発・凝縮サイクルを繰り返すことからヒートパイプの下部で受熱されて蒸発した気体の上昇流路と上部で冷却されて凝縮して還流される液体の戻り流路とがヒートパイプ内で接触領域を持つことから圧力損失等により蒸発・凝縮サイクルの循環が阻害される問題が生じることがある。

この問題を解決するために、特許文献３に記載されているように、蒸発された気体と凝縮された液体の流路を分離して、ポンプによって一方向に蒸発・凝縮サイクルを行う循環型の潜熱冷却システムが開発されている。

電子機器における発熱部品の発熱量の増大と、電子機器の小型化要求はますます増してくるものと思われる。しかし、従来の冷却システムにおいては、冷却性能を上げることと冷却装置を小型化することの二律相反の状況にあり、大形のサーバや、デスクトップ型
ＰＣの冷却システムと、ノート型ＰＣの冷却システムでは異なる方式・構造の冷却システムを搭載せざるを得ない状況にある。

本発明の目的は、従来の液冷システムにおける冷却性能の向上を図る熱変換器の最適化への問題を解決し、デスクトップ型ＰＣからノート型ＰＣとＰＣの形態に係わらず搭載可能とした電子機器用の小型で、高冷却性能な冷却システムを提供することにある。

上記目的は、電子機器における発熱体の冷却に関し、内部に冷媒液の流路を有し前記発熱体に接続して受熱される第１の熱交換器と、該第１の熱交換器によって受熱して気液混合状態になされた冷媒液を冷却して液冷媒に相変化させる第２の熱交換器と、該第２の熱交換器によって相変化した液冷媒を貯留するタンク部と、前記液冷媒を駆動するポンプとを有し、各部材を配管によって接続して循環流路を形成した冷却装置において、前記第１および第２の熱交換器は内部に冷媒液を通流する流路を設け、少なくとも枠体で密封する構成とし、前記第１および第２の熱交換器のいずれか一方或いは両方における冷媒液を通流する前記流路は熱伝導性の良い材質によって構成される受熱或いは放熱を行う熱交換基板に、この熱交換基板の平面部から立ち上げた通流壁片群を前記熱交換基板と一体にほぼ並行に形成し、かつ該通流壁片群の壁平面の各々を湾曲平面に構成したことにより達成される。

また上記目的は、前記通流壁片群を形成した前記熱交換基板と前記枠体の前記熱交換基板に対向した内壁面に第２の通流壁片群を形成し、前記熱交換基板に形成された第１の通流壁片群と前記第２の通流壁片群を互いの通流壁平面が対向するように組み込ませて配置して前記冷媒液を通流する前記流路を構成としたことにより達成される。

また上記目的は、前記熱交換器を構成する前記熱交換基板あるいは前記枠体の外壁面の一部に冷却用のフィンを一体に形成したことにより達成される。

本発明によれば、デスクトップ型ＰＣからノート型ＰＣとＰＣの形態に係わらず搭載可能とした電子機器用の小型で、高冷却性能な冷却システムを提供することができる。

以下本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態を示す冷却装置の概要構成図である。
図１において、１は電子機器（図示せず）に用いられる発熱体、２はその発熱体１に接触して発熱体１を冷却するために内部に冷媒液の流路を有する受熱部材、４は冷媒液の冷却のために内部に冷媒液を通流する流路を有した放熱部材、５は放熱部材４とともに密封され一体構成としたタンク、６は放熱部材４の下流で受熱部材２の上流に配置され、タンク５より流出する冷媒液を駆動するポンプ、７は各部材を接続して冷媒液の循環経路を形成する配管である。

次に各部材の詳細と、冷却装置の動作状態について以下に説明する。
図示しない電子機器は、サーバ，デスクトップ型ＰＣ、及びノート型ＰＣ等のいずれかの特定された装置に係わるものではない。

図２は本発明の受熱部材２の実施例における概略構成斜視図（一部透視図）である。
図３、及び図４はともに受熱部材２の流路の構成に関して異なる実施形態を示す断面図である。
図２に示されるように、受熱部材２は冷媒液を通流するための空間部を形成して空間部を密封する枠体２１と受熱板２５を有し、枠体２１に対向形成されている側辺部の一方には冷媒液の流出口２２ａが設けられ、他方には冷媒液の流入口２２ｂが設けている。各々の流出口２２ａ，流入口２２ｂには冷媒液を循環するための配管７が接続されている。枠体２１の内部の空間部には、冷媒液を分流して通流するためのほぼ並行に設置された通流壁片群２３と、通流壁片群２３と流出口２２ａ，流入口２２ｂを設けた側辺部の内壁間に冷媒液を合流あるいは分流するための空間となるヘッダ２４ａ，２４ｂと、を有するように構成された受熱板２５を組み込んで接合され、受熱部材２として密封構成されている。

さらには、図３に示すように、通流壁片群２３は通流する冷媒液との接触面積を広くとるために、ほぼ並行に配した壁平面を受熱部材２の厚さ方向の中間部で湾曲した形状に形成している。このことは冷媒液と通流壁片群２３との熱伝導量を高めながら薄型の受熱部材２の強度を増す構成と成されている。尚、この通流壁片群２３は一般的に熱伝導性の良い受熱板２５の板材質と同一の材質で構成されることが好ましいことから、切削加工による切り起し構造が最適とされる。しかし、他の構造によって流路を形成しても支障はない。

一方、切削加工による切り起し通流壁片群２３の端部は加工状態によって湾曲状態や、切り起し長にばらつきが生じる可能性があり、一方向からの切り起し片で構成した流路では枠体２１の内壁上平面との間で隙間が生じて冷媒液の短絡した流路バイパスができることになる場合がある。この隙間の発生を回避するためには切削加工後に高さ位置を揃える後処理作業等が必要になる。この問題を回避する方法として、図４にみるように、枠体
２１の受熱面と対向する内壁上平面に形成した通流壁片群２３ｂと、受熱板２５に形成された通流壁片群２３ａとを上下より、相互に組込ませて対向配置する構成として流路を形成すると対向した通流壁片によって、短絡した流路バイパスが形成されることがないので、この高さ位置を揃える作業を割愛することができる。

この構造による受熱部材２は、電子機器に搭載された複数の半導体部品の発熱体１に熱的に接続して用いることで、発熱体１の発生熱を受熱部材２内部に通流する冷媒液によって蒸気冷媒への相変化を伴いながら受熱させる。さらには、発熱体１から受熱した冷媒液が蒸気冷媒となる場合には、受熱部材２の枠体２１の内壁上平面部に蒸気冷媒が上昇するため枠体２１の内壁上平面に形成した通流壁片群２３ｂは冷却フィンとしての作用をも成すことができる。なお、当該壁面外部に放熱手段を形成することにより、さらに通流壁片群２３ｂによる冷却効果が有効になることは言うまでもない。

さらに、通流壁片群２３は、切り起こしにより湾曲形状に構成されると、根本部分において壁面に対し鋭角部が形成され液の表面張力による液保持機能が大きくなる。従って、液の蒸発による液枯れ現象が回避され安定で高性能な冷却が可能となる。

受熱部材２において受熱した冷媒液はポンプ６により駆動され循環される。駆動ポンプ６は、液冷媒と蒸気冷媒の混合状態にある冷媒液を駆動する状態の場合には、容積型ポンプであることが好ましいが、液冷媒を駆動する場合には遠心ポンプでもよい。また、駆動ポンプ６の取り付け位置は、循環される冷媒液の状態から放熱部の下流に配置されることが一般的であるが、駆動ポンプ種類を考慮すれば放熱部の上流に置かれてもよい。

受熱した冷媒液は、気液混合体流入口４３から放熱部材４に流入して、放熱部材４内部に配置された流路を通流しながら冷却されて蒸気冷媒とされた冷却液は液冷媒に相変化される。

図５は放熱部材４と一体のタンク５を示す概略外観斜視図である。
図６は放熱部材の枠体の一部を示す斜視図である。
図において、放熱部材４は、内部に冷却液の通流する通流壁片群４１を有している。また、放熱部材４の外表面の一部には、放熱用のフィン４２を有している。これらの通流壁片群４１、及び放熱用のフィン４２は、受熱部材２において説明した切り起し加工によるものであっても良いし、他の従来方法による放熱管等のものであっても支障ない。ただ、本発明の蒸気冷媒の冷却による液冷媒への相変化を行う放熱部材４の流路としては、放熱効果を有するフィン状の流路で支障ないために熱伝導性の良い放熱板４３の材質を切削加工した切り起し片の通流壁片群４１が最適な構造であるといえる。

さらに放熱部材４の外部表面の一部には、放熱効果をあげるための放熱用フィンを同様に切削加工によって設けることも可能である。放熱部材４の上部とタンク５の下部とは冷却液を通流できる貫通口４３ａを有した仕切り板４３によって分割されているが、液層と蒸気層を分離するための仕切り板である必要はない。また、仕切り板４３の放熱部側の表面には、蒸気冷媒と接触する通流壁片群（フィン）を形成してタンク５の筐体を放熱のための放熱板の作用として利用することも可能である。放熱部材４に外表面に形成された放熱用フィンによる冷却性能を向上するために放熱用フィンに向けてファンによって送風する構成は容易に想定される方法である。

次に、放熱部材と一体構成とされたタンク部の上部に配置された放熱部材４の一側壁面には冷媒液の流入口４３を設け、下部のタンク５の一側面壁にはタンク５から冷媒液を流出するための流出口５１を設けている。この構成によって放熱部材４により冷却された冷媒液を一旦液冷媒としてタンク５に溜めて流出口５１から循環されるために、タンク５の下流で、受熱部材２の上流に位置して配置されたポンプ６によって冷媒液が駆動される。

ポンプ６により、放熱された冷媒液を受熱部材２に送り受熱部材２によって再び発熱体１の熱が受熱される。これらのサイクルを繰り返すために冷媒液を循環可能なように各部材は配管で密封接続されている。

本発明によれば、熱交換器内部に設けられた通流壁片群が伝熱性の良い材質による薄型形状で冷媒液との接触面積を増す形状に構成されることで冷媒の熱伝導性の向上が図られる。また、この通流壁片群の加工方法による形状の不整形についても２つの通流壁片群を相互に組み込ませて対向配置することで流路を形成することによって、バイパスを形成することの流路を構成できる。さらには、伝導性の良い同一材質を利用した冷却用のフィンを形成した熱交換器とすることで冷却性能の向上がより図られる。熱伝導性を考慮した同一材質への加工方法の容易性等を活用した冷媒液の流路や、冷却用のフィンを形成した高性能な熱交換器の実現により気液混合の冷媒液を循環するに好適な冷却装置を小型で簡易に提供できることから、色々な形態の電子機器に搭載可能となる。

本発明の冷却装置を示す構成図である。 本発明における受熱部材の実施例の概略構成斜視図である。 本発明における受熱部材の一実施形態の断面図である。 本発明における受熱部材の他の実施形態の断面図である。 本発明における放熱部材の実施例の概略斜視図である。 本発明における放熱部材に設けられた放熱流路及び放熱用フィンの概略斜視図である。

符号の説明

１…発熱体、２…受熱部材、４…放熱部材、５…タンク、６…ポンプ、７…配管。

Claims (3)

1. 電子機器における発熱体の冷却に関し、内部に冷媒液の流路を有し前記発熱体に接続して受熱される第１の熱交換器と、該第１の熱交換器によって受熱して気液混合状態になされた冷媒液を冷却して液冷媒に相変化させる第２の熱交換器と、該第２の熱交換器によって相変化した液冷媒を貯留するタンク部と、前記液冷媒を駆動するポンプとを有し、各部材を配管によって接続して循環流路を形成した冷却装置において、
   前記第１および第２の熱交換器は内部に冷媒液を通流する流路を設け、少なくとも枠体で密封する構成とし、前記第１および第２の熱交換器のいずれか一方或いは両方における冷媒液を通流する前記流路は熱伝導性の良い材質によって構成される受熱或いは放熱を行う熱交換基板に、この熱交換基板の平面部から立ち上げた通流壁片群を前記熱交換基板と一体にほぼ並行に形成し、かつ該通流壁片群の壁平面の各々を湾曲平面に構成したことを特徴とする電子機器用の冷却装置。
2. 請求項１に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記通流壁片群を形成した前記熱交換基板と前記枠体の前記熱交換基板に対向した内壁面に第２の通流壁片群を形成し、前記熱交換基板に形成された第１の通流壁片群と前記第２の通流壁片群を互いの通流壁平面が対向するように組み込ませて配置して前記冷媒液を通流する前記流路を構成としたことを特徴とする電子機器用の冷却装置。
3. 請求項１乃至請求項２に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記熱交換器を構成する前記熱交換基板あるいは前記枠体の外壁面の一部に冷却用のフィンを一体に形成したことを特徴とする電子機器用の冷却装置。
   

Images