JP2007335624A - 電子機器用の液冷装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発熱量の相違する発熱体を搭載する電子機器において、高発熱量の発熱体に対応するため、従来の空冷方式の冷却装置との交換可能な小型の水冷装置を構成する。
【解決手段】 放熱部材１２を冷媒液の循環流路の中心部材に据えて、循環流路の接続長を極力抑制して短く構成するに適する方法として、放熱部材１２と他の部材１１、１３、１４とに各々の流入路及び流出路の1組の流路を設け、放熱部材１２と各部材１１、１３、１４を配管などで接続しているものである。また、この流路の接続により冷媒液を循環する構成に形成するにあたって、放熱部材１２の内部流路を２分割している。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電子機器用の冷却装置に係わり、特に、従来の空冷装置に置き換えて装着可能であり、水をはじめとする液体冷媒を利用して、電子機器内に搭載される発熱体の発熱量に対応して冷却を行なうことが可能な電子機器用の液冷装置に関する。

電子機器に要求されるに性能は、ユーザでの使途によって、種々のものがある。例えば、ユーザのニーズの中には、取り扱う情報の増大等から、情報の処理速度の高速化がある。よって、電子機器は、処理速度の速い製品と、一般的な処理速度でありながら他の機能を有する製品とを、選択的に選定できるように揃えられている。

一方、半導体集積回路は、処理の高速化に対応するために急速に高集積化を歩んでおり、それに伴う発熱量も増大している。しかるに、半導体集積回路は、所定の温度以上になると、半導体が有する性能を十分に発揮できなくなるばかりか、場合によっては、熱による破壊さえ生じてしまうことになる。即ち、電子機器においては、半導体集積回路等で発生する発熱を、その発熱量に対応して冷却することは必須の要件である。

よって、高発熱の半導体集積回路を装置内に搭載する場合に対応するためには、冷却性能を上げる必要があるが、しかしながら、その場合においても、電子機器内の実装構造を変えることなく対応できることが好ましい。そのためには、小型で冷却性能の良い冷却装置の開発が必要であり、例えば、以下の特許文献１によれば、従来の空冷方式による冷却装置に置き換え可能な形状になる構成とした水冷方式の冷却装置が既に知られている。

また、冷却装置を置き換え換えるためには、冷却装置は、その取り扱い性がよい、一体構成されていることが好ましく、そこで、例えば、以下の特許文献２によれば、ラジエータに対向してファンやポンプを一体的に載置した冷却装置も既に知られている。
特開２００５−１０００９１号公報 特開２００５−２２３０２４号公報

ところで、上記特許文献１に開示されている冷却モジュールは、ＣＰＵの消費電力の相違に対応して、強制空冷方式の冷却モジュールと水冷方式の冷却モジュールとの置き換えを可能とするため、水冷モジュールを構成したものであり、冷却ジャケット（受熱部材）の上方にポンプとリザーブタンクを設置し、更にはその上方にラジエータを設置する、所謂、積層構造としためのであり、そして、積層したラジエータの高さを抑制するために、ラジエータの一部を分割して側部に配置し、もって、一体型の水冷モジュールとして構成している。

よって、上記特許文献１に開示されている冷却モジュールは、各部材を積層配置の一体型の水冷モジュールとしながらも、水冷モジュールの高さ寸法を抑制することで高さ方向の限界を有する電子機器に対して、空冷方式の冷却モジュールとの置き換えを可能にし、また、各部材を近接して積層配置しているために各部材間の循環流路を構成する接続配管も短くできるメリットを有しているが、しかしながら、その循環流路は従来のように各構成部材を直列に接続されるものであり、その構成による水冷装置の冷却性能についての特別な配慮は成されていなかった。

また、上記特許文献２に開示されている冷却装置は、ラジエータの放熱部に対向して電動ポンプ及び電動ファンを載置して一体構成とした水冷装置を開示しておいり、かかる構成によれば、各部材間の循環流路を構成する接続配管も短くでき、水冷装置として小型に構成できるため電子機器への装着しやすいというメリットを有しているが、しかしながら、やはり、従来の空冷方式の冷却装置との置き換えに関する工夫も成されておらず、ましてや、その構成による水冷装置の冷却性能についての特別な配慮も成されていなかった。

そこで、本発明では上記の従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、従来の空冷方式の冷却装置の配置領域内でも交換が可能であり、かつ、その冷却性能を向上することが可能であり、即ち、小型で水冷方式の冷却装置を、置き換え搭載可能な構造として構成し、もって、高発熱量に対応した冷却装置を提供することをその目的とするものである。

すなわち、本発明により提供される冷却装置は、発熱体に熱接続される受熱部材と、受熱部材によって受熱した熱を冷媒液によって移送し放熱する放熱部材と、冷媒液を循環駆動するポンプと、冷媒液を滞留するタンクを有する冷却装置であって、発熱量の増加する発熱体に対して、従来の空冷の冷却装置に置き換えて搭載可能にする小型の水冷装置を提供するために、受熱部材と、ポンプと、タンクの各部材には、冷媒液を通流するための第１の流入路口と第１の流出路口を各々1組設けている。放熱部材には、冷媒液を通流するための第２の流入路口と第２の流出路口を複数組設けている。この受熱部、ポンプ、及びタンクの各部材における各々の第１の流入路口は、放熱部材に設けられた複数組のうちの所定の１組の第２の流出路口とを冷媒液が通流するように接続している。同様に、受熱部、ポンプ、及びタンクの各部材における各々の第１の流出路口は、先の放熱部材に設けられた複数個のうちの所定の１組の第２の流入路口とを冷媒液が通流するように接続して、冷媒液の循環流路を構成している。

さらには、本発明では、放熱部材の内部の流路を２分割している。即ち、受熱部材に設けられた第１の流出路口は、放熱部材の２分割された一方の放熱部材の内部流路の側端部の流路端に設けられた第２の流入路口と接続されている。２分割された一方の放熱部材の内部流路の内部側の他端に設けられた第２の流出路口は、ポンプの第１の流入路口と接続されている。ポンプの第１の流出路口は、２分割された他方の放熱部材の側端部の流路端に設けられた第２の流入路口と接続されている。２分割された他方の放熱部材の内部流路の内部側の他端に設けられた第２の流出路口は、受熱部材の第１の流入路口と接続されている。そして、各々の流路口間は配管により接続して、前記冷媒液の循環路を構成している。

さらには、本発明では、放熱部材は、前記受熱部材上に放熱面を受熱部材に対し垂直にして積層して配置し、タンクとポンプのどちらか一方を放熱部材を挟んで放熱部材の一方の放熱側面に対向して配置し、タンクとポンプの他方を放熱部材の他方の放熱側面に対向して配置している。ポンプ、及びタンクに形成された各々の第１の流入路口、及び第１の流出路口を接続する放熱部材に形成された所定の第２の流出路口、及び第２の流入路口の設置位置は、放熱部材においてポンプ、及びタンクの配置される各々の放熱面側に設置される構成とすることで、各流路間の接続の流路長を極力短くなる構成としている。

さらには、本発明では、タンクは放熱部材の一方の放熱面側の上方部に配置して、放熱部材の下方に配置された受熱部材との間の放熱部材の放熱面に対向してファンを配置して設けている。冷却装置保持部材は放熱部材の放熱面に直角な両側面を壁平面を有する構成としている。タンクと受熱部と冷却装置保持部材とで、ファンを囲む構成のためファンの通風流路を形成している。

そして、本発明では、さらに、冷却装置保持部材の両側面の壁平面の形状は、壁平面の中途部より放熱部材の下方に配置した受熱部材に向かって受熱部材の形状にほぼ同程度まで壁平面を小さくしていく構造として、回路基板上の他の部品の実装を阻害しない形状に構成されている。

以上のような本発明になる電子機器用の液冷装置の構成によれば、発熱量の増加する発熱体を搭載した電子機器においても、従来の空冷方式の冷却装置の配置領域内でもその冷却性能を向上させることが可能である、小型で水冷方式の冷却装置を、置き換え搭載可能な構造として構成することが可能となり、もって、高発熱量に対応した電子機器用の液冷装置を提供することが可能となる。

以下、本発明の実施形態について添付の図を参照にして説明する。
まず、添付の図１は、冷却装置１を搭載した電子機器２の概念構成図である。この図において、符号２は電子機器、３は電子機器に搭載された回路基板、４は回路基板３上に載載された発熱体をそれぞれ示している。なお、この図１において電子機器２の内部に登載される冷却装置１は、低発熱量の発熱体の冷却においては空冷の冷却装置が搭載され、他方、高発熱量の発熱体の冷却においては、これに代えて、以下に詳細に説明する本発明の水冷の冷却装置を搭載する。

添付の図２は、上記図１にその概念構成を示した電子機器２の内部に登載された本発明になる冷却装置１の断面を示している。なお、この冷却装置１は、図２からも明らかなように、電子機器２内に搭載された発熱体４（高発熱量の発熱体）の発熱を冷却するための冷却装置である。即ち、この冷却装置１は、上記電子機器２の内部に設けられた回路基板３上に搭載された発熱体４（高発熱量の発熱体）の上面に取り付けられており、その断面からも明らかなように、その内部には、発熱体に熱接続して受熱する受熱部材１１、上記受熱部材１１で受熱した熱を放熱する放熱部材１２、冷媒液を循環するポンプ１３、冷媒液の補充と冷媒液中の気泡抜きを行うタンク１４、上記放熱部材１２に通風するファン１５、そして、各部材間を接続する配管１６を備えて構成されている。

次に、上記冷却装置１の各部材の配置関係について詳細に説明する。即ち、上記の図２にも示されるように、発熱体４に熱的に接続する受熱面を有した略扁平形状の受熱部材１１を最下部に配置している。また、放熱部材１２は、上記略扁平形状の受熱部材１１において、その発熱体４と熱的に接続する面（即ち、受熱面）と対向する面上に、その放熱面を垂直にして積層して載置されている。なお、この受熱部材１１と放熱部材１２とを積層して載置した全体の高さは、上記電子機器２の発熱体４を冷却する冷却装置１として、当該電子機器２の筐体内に収納可能な高さに抑えることにより、空冷方式の冷却装置と置き換えが可能な構成となっている。

また、ポンプ１３とタンク１４は、それぞれ放熱部材１２の放熱面を挟んで、その前後の放熱面に対向して配置されている。その中でも、特に、タンク１４は、上記放熱部材１２の一方の面上において、通風流路を極力遮らない位置に、具体的には、図示のように、当該放熱部材１２の上辺部と略同一の高さ位置において、当該受熱部材１２の上辺部が平面的に（図の横方向に）張り出したと略同じ位置に、且つ、当該上辺部と略等しい大きさで、扁平形状に構成され、設置されている。即ち、放熱部材１２の上辺部のポンプ１３と、放熱部材１２の下辺部の受熱部材１１とで、上記放熱部材１２の上壁部（上突起部）及び下壁部（下突起部）を構成するような構造となっている。なお、上記のポンプ１３は、タンク１４を設置した放熱部材１２の1方の放熱面と異なる他方の放熱面上に対向して、上記放熱部材１２の高さ寸法内において配置されて載置されている。

次に、上記にその構成及び配置を説明した、本発明になる冷却装置１を構成する各部材間における循環流路について説明する。

添付の図３及び図４は、水冷方式の冷却装置における冷媒液の循環流路図である。なお、この図３は、従来の一般的な水冷装置における循環流路として、各部材の接続状態の一実施例を説明したものであり、これに対し、図４は本発明になる電子機器用の液冷装置における循環流路としての各部材の接続状態を示している。

即ち、図３に示す一般的な水冷装置の循環流路においては、装置内を循環する冷媒液は、まず、受熱部材において発熱体より受熱し、放熱部材において受熱した熱を放熱し、そして、これら両熱変換部材（即ち、受熱部材と放熱部材）間をポンプによって循環駆動される。また、タンクは、上記冷媒液の補充のために設けられており、そこで、これらのポンプとタンクは、通常、流路の途中のいずれかの位置に配置されて接続されていれば良い。そのため、各部材を接続するための流入路口と流出路口は、各部材にそれぞれ１組づつ設けられており、互いに１の流路で、直列に接続され、もって、循環流路を構成することが一般的であった。なお、循環流路内での冷媒液の駆動方向は、この図３に示した方向に限定されるものではなく、どちらか一方の方向に設定されればよい。

このように、従来の一般的な構成になる循環流路を有する水冷装置においては、放熱部材内の流路は、例えば、蛇行した流路や、並行な流路で構成とされ放熱部材の一端部から他端部に向かって通流されることから、放熱部材内部における流路の上流路部と下流路部での冷媒液の温度分布が生じることになる。しかしながら、この流路位置における温度分布には関係なく、ファンによる通風が行われる状況にあった。よって、かかる従来の一般的な構成では、折角の通風による冷却効果を有効に引き出せない場合がある。なお、かかる問題に対応した放熱部材として、例えば、流路構成を渦巻き状の流路とし、当該流路の上流側を冷却ファンの風量の多い外部に対向させて配置する等の工夫をした例もあるが、しかしながら、かかる例でも、渦巻き状の形状になる放熱部材のため、それを配置のためのスペースファクターにおいて、なお問題を有している。

上記の従来の構成に対し、図４に示す本発明になる冷却装置の循環流路では、受熱部材１１、ポンプ１３、タンク１４には、各々、１組の第１の流入路口１７１と第１の流出路口１７２を設け、そして、放熱部材１２には、複数組の第２の流入路口１８１と第２の流出路口１８２とを設けている。そして、各部材（１１、１３、１４）の第１の流入路口１７１と、放熱部材１２の所定の第２の流出路口１８２とを接続し、また、各部材（１１、１３、１４）の第１の流出路口１７２と、放熱部材１２の所定の第２の流入路口１８１とを接続して構成されている。

ここで、図４に示すように、例えば、受熱部材１１及びポンプ１３における放熱部材１２との流路の接続は、各部材（１１、１３）の第１の流入路口１７１と流出路口１７２、放熱部材１２の第２の流出路口１８１と流入路口１８２とを、配管１６によって行なわれ、タンク１４と放熱部材１２との流路の接続は、これら双方の流路口（１７１、１７２と１８２、１８１）を一体として接続した構成としている。各流路の接続は、配管１６を双方の流路口の間に設けて接続し、又は、双方の流路口を直接接続する構成としても良く、どちらか一方に限定されるものではない。

さらに、各部材（１３、１４）は、前述のように、放熱部材１２を挟んで双方の放熱面に対向配置していることから、放熱部材１２に設けられる各部材（１３、１４）と接続する流路口は、各部材の配置された放熱面側に形成することにより、接続のための配管１９をより短く設定することが可能となる。

そして、添付の図５は、本発明の冷媒液の通流を説明するための概念図であり、しかしながら、ここでは、放熱部材の流路の一部に接続されたタンク１６は割愛して示している。

この図５によって、本発明の冷却装置の循環流路の構成と冷媒液の流れを以下に説明する。即ち、冷媒液が受熱部材１１において発熱体４より受熱し、その後、放熱部材１２において受熱した熱を放熱し、そして、これら両熱変換部材（受熱部材１１と放熱部材１２）間をポンプ１３によって循環駆動されること、そして、タンク１４は冷媒液の補充のために設けられていることは、上記従来の構成と同様である。

しかしながら、本発明の水冷装置では、放熱部材１２を冷媒液の循環流路の中心部材に据えて循環流路の接続長を極力抑制し、流路接続長を短く構成するに適する方法として、放熱部材１２と他の部材（１１、１３、１４）とには、各々の流入路（１７１，１８１）及び流出路（１７２、１８２）の１組の流路を設け、そして、放熱部材１２と各部材（１１、１３、１４）を配管１９などで接続して構成するものである。また、この流路の接続によって冷媒液を循環する構成を形成するにあたっては、図５に示すように、上記放熱部材１２の内部流路を２分割（１２a、１２ｂ）している。なお、この２分割された放熱部材１２の内部流路は、ファン１５による放熱効果をあげるための構成として採用されている。

上記の図５に示した冷媒液の循環流路における冷媒液の流について、以下に説明する。
まず、受熱部材１１で受熱した冷媒液は、（１）受熱部材１１の第１の流出路口１７２から、放熱部材１２の一方の放熱部材１２１の内部流路の側辺端部に設けられた第２の流入路口１８１を通流して、放熱部材１２１に通流され、（２）放熱部材１２１内の流路で放熱され、（３）放熱部材１２１の内部流路の内側終端部に接続された第２の流出路口１８２からポンプ１３の第１の流入路口１７１に通流される。（４）ポンプ１３内を通流した冷媒液は、ポンプ１３の第１の流出路口１７２に接続された他方の放熱部材１２２の内部流路の側辺端部に設けられた流入路口１８１に通流され、（５）放熱部材１２２内の流路で放熱され、（６）放熱部材１２２の内部流路の内側終端部に接続された流出路口１８２から受熱部材１１に通流する。

すなわち、放熱部材１２を２分割することで、平面的に配置される放熱部材１２の流路を一端部から他端部に片流的に通流することではなく、２分割することで、流路を一旦分断して、極力、通流の上流部に側辺端部を通流させる構成を持ちえるようにしたものである。

図６は本発明の冷却装置の外観展開斜視図である。この図６に示すように、放熱部材１２の流路の冷却には、ファン１５を対向配置して行っている。この冷却ファン１５は、例えば、電動モータ等のファン駆動部材によって、回転駆動される。そのため、このファン１５の風量は、ファン外周部領域の方が内周領域よりも多くなり、そのため、一般的には、外周部に対向した放熱部材１２の内部流路の方がより高い放熱効果が期待できることになる。よって、受熱部材１１で受熱した冷媒液が高温度状態の液として流れる上流部流路を、ファン１５の外周部に対向するように配置する構成とするものである。

また、本発明では、前述のように、放熱部材１２の放熱面に対向してポンプ１３を配置しているために、２分割された放熱部材１２における一方の放熱部材１２１の流路と、他方の放熱部材１２２の流路との途中に、上記ポンプ１３を接続することによって、流路切り替えの橋渡し的な構成物としている。しかし、このポンプ１３の配置位置は、その他、流路内の何処でも良く、特に、限定されるものではない。なお、このように冷媒液が流路内を循環することによって、電子機器２の発熱体４の冷却を行っている。

更に、上記の図６によって、この放熱部材１２における冷媒液のファン１５による冷却について説明する。図６において、符号５は、冷却装置１を保持し、且つ冷却装置１の筐体をなす冷却装置保持部材である。この冷却装置保持部材５は、放熱部材１２の放熱面を除く他の側面を壁面として構成している。ファン１５の外部は通風のためのメッシュ構造のカバー５１で覆われている。よって、ファン１５によってカバー５１より吸入する通風は、筐体側面の壁平面と前述したタンク１４と受熱部材１１とで、筒状を構成し、ファン１５による吸入風を誘導し、放熱部への通風量の拡散を防止して冷却効果を挙げる構成を成している。さらには、側壁平面は、ファン１５部より受熱部材１１の載置部に向けて側壁平面部を縮小していく構成とし、回路基板３に搭載された発熱体４に受熱部材１１の熱接続を阻害しないよう構成にしている。このため、低発熱体の搭載時の空冷装置に対し、高発熱体の搭載時の水冷装置を他の部品交換無く、実装可能とすることができる。

本発明の冷却装置を搭載する電子機器の概念構成図である。 本発明における冷却装置の構成部品の組み立て構成図である。 従来の水冷装置の循環流路図の一実施である。 本発明における冷却装置の循環流路図である。 本発明における冷却装置の通流状態の概念図である。 本発明の冷却装置の外観斜視図である。

符号の説明

１ 冷却装置
２ 電子機器
３ 回路基板
４ 発熱体
５ 冷却装置保持部材
１１ 受熱部材
１２ 放熱部材
１３ ポンプ
１４ タンク
１５ ファン
１６ 配管
１７１ 第１の流入路口
１７２ 第１の流出路口
１８１ 第２の流入路口
１８２ 第２の流出路口

Claims (5)

1. 発熱体を有する電子機器に用いられる電子機器用の液冷装置であって、
   前記発熱体に熱接続される受熱部材と、
   該受熱部材によって受熱した熱を冷媒液によって移送し放熱する放熱部材と、
   前記冷媒液を循環駆動するポンプと、そして
   前記冷媒液を滞留するタンクとを有する液冷装置において、
   前記受熱部材、前記ポンプ、及び前記タンクの各々には、前記冷媒液を通流するための第１の流入路口と第１の流出路口の組を、少なくとも１組設け、
   前記放熱部材には、前記冷媒液を通流するための第２の流入路口と第２の流出路口の組を、複数組設け、
   前記受熱部、前記ポンプ、及び前記タンクの各々に設けられた前記第１の流入路口は、前記放熱部材に設けられた前記複数組の第２の流入路口と第２の流出路口の中の所定の１組の第２の流出路口と、前記冷媒液が通流するように接続されており、更に、
   前記受熱部、前記ポンプ、及び前記タンクの各々に設けられた前記第１の流出路口は、前記放熱部材に設けられた複数組の第２の流入路口と第２の流出路口の中の所定の１組の第２の流入路口と、前記冷媒液が通流するように接続されており、もって、前記冷媒液の循環流路を構成したことを特徴とする電子機器用の液冷装置。
2. 請求項１に記載の電子機器用の液冷装置において、
   前記放熱部材の内部の流路を２分割し、
   前記受熱部材に設けられた前記第１の流出路口は、前記放熱部材の２分割された一方の放熱部材の内部流路の側端部の流路端に設けられた前記第２の流入路口と接続され、
   前記２分割された一方の放熱部材の内部流路の内部側他端に設けられた前記第２の流出路口は、前記ポンプの第１の流入路口と接続され、
   前記ポンプの第１の流出路口は、前記２分割された他方の放熱部材の側端部の流路端に設けられた前記第２の流入路口と接続され、
   前記２分割された他方の放熱部材の内部流路の内部側他端に設けられた前記第２の流出路口は、前記受熱部材の第１の流入路口と接続され、
   各々の流路口間を配管により接続して、前記冷媒液の循環路を構成したことを特徴とする電子機器用の液冷装置。
3. 請求項１、及び請求項２に記載の電子機器用の液冷装置において、
   前記放熱部材は、前記受熱部材上に放熱面を受熱部と垂直にして配置され、
   前記タンクと前記ポンプのどちらか一方が、前記放熱部材を挟んで前記放熱部材の一方の放熱側面に対向して配置され、他方は前記放熱部材の他方の放熱側面に対向して配置されてなり、
   前記ポンプ、及び前記タンクに形成された各々の前記第１の流入路口、及び前記第１の流出路口を接続する前記放熱部材に形成された所定の前記第２の流出路口、及び第２の流入路口の設置位置は、前記放熱部材において前記ポンプ、及び前記タンクの配置される各々の放熱面側に設置される構成となし、各流路間の接続の流路長を極力短く構成されることを特徴とする電子機器用の液冷装置。
4. 請求項３に記載の電子機器用の液冷装置において、
   前記タンクは前記放熱部材の一方の放熱面側の上方部に配置し、前記放熱部材の下方に配置された前記受熱部材との間の前記放熱部材の放熱面に対向して配置されるファンを設け、
   前記放熱部材の放熱面に直角な両側面を壁面で構成する冷却装置保持部材を有して、
   前記タンクと前記受熱部と前記冷却装置保持部材とで、ファンの通風流路を構成したことを特徴とする電子機器用の液冷装置
5. 請求項４に記載の電子機器用の液冷装置において、
   前記冷却装置保持部材の両側面の壁面の形状は、前記壁面の中途部より前記放熱部材の下方に配置した前記受熱部材に向かって前記受熱部材の形状にほぼ同程度まで壁面を小さくしていくように構成されたたことを特徴とする電子機器用の液冷装置。
   

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