JP2008258340A - 冷却装置、およびそれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】電子機器の高性能化に伴って発熱量が増大している。しかるに電子機器の小型、低価格要求が大きいため、構造の簡単な冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置の受熱部５、および放熱部６の熱交換器を構成する流路管を一体的に、かつ複数本の熱伝導性のよい金属性細管７１で構成する構造とし、複数本の細管７１を発熱体からの受熱量に最適な通流径となるよう異ならして構成し、それぞれの流路管での受熱量に応じた放熱部６を構成して、ヘッダ等不要の小型で、熱交換効率の良い、発熱量の変化に容易に対応できる冷却装置とした。
【選択図】図３

Description

本発明は、小型の電子機器に用いられる冷却装置であって、液体冷媒を循環して熱移送と熱交換する構成における冷却性能の向上と簡素化を図る冷却装置、およびそれを備える電子機器に関する。

パーソナルコンピュータなどの電子機器には、発熱体である半導体集積回路が搭載されており、これらの半導体集積回路は、正常な動作、性能を維持するために、冷却により所定の温度以下に管理して使用されている。しかるに、近年の半導体集積回路は、高性能化、高集積化によって、ますます発熱量を増大させる傾向にあり、半導体集積回路の冷却方法が電子機器にとって重要な課題となっている。半導体集積回路の発熱量の増大に伴って、冷却装置も冷却性能の良い液冷方式が普及し始めている。液冷方式の冷却装置は、液体冷媒を熱変換媒体として受熱部材と放熱部材とを密閉した循環流路として接続し、ポンプで液体冷媒を循環して熱移送するものである。この冷却装置の冷却性能やサイズを決定する大きな要素は、熱交換器性能に依存することから、熱交換器の開発が種々の観点で取り組まれてきている。

熱交換器（受熱部材、放熱部材）の構成において、考慮すべき観点は、冷媒を通流する流路の構造であり、一般的に実施されてきた冷媒の流路は、通流時の冷媒の漏洩等に対する安全性の観点から配管を利用することが多い。

その１つ方法として、一本の金属パイプを蛇行させて受熱ジャケットや放熱板に熱接続させる構造が、特許文献１（特開２００３−７８２７０号公報）に開示されている。

さらには、ポンプにより駆動される液体冷媒をヘッダから分流して熱変換器に通流し、その後に合流して移送する構造において、複数のパイプを並列に配置した受熱ジャケットの技術が特許文献２（特開２００５−２２９０３３号公報）に開示されている。また、複数のパイプを並列に配置したラジエータの技術が、特許文献３（特開２００５−２２９０３２号公報）に開示されている。

一方、電子機器の使途は拡大の一途にあり、性能の向上を図りながらも、小型で廉価な電子機器への要求が強く、小型、低価格の熱交換器の形成方法の技術が、特許文献４（特開２００５−３４５０８５号公報）に開示されている。

特開２００３−７８２７０号公報 特開２００５−２２９０３３号公報 特開２００５−２２９０３２号公報 特開２００５−３４５０８５号公報

本発明の冷却装置の冷却性能の向上と簡素化に関して、上述した背景技術においては、解決しなければならない課題がある。

特許文献１に開示されている熱交換器は、電子機器の発熱素子を液循環によって冷却する構造において、信頼性の高い水冷構造を提供するために、水冷ジャケットを発熱素子に熱的に接続するとともに、ディスプレイ背面に設置した放熱板に放熱パイプを熱的に接続し、液駆動装置によって水冷ジャケットと放熱パイプとの間で液体冷媒を循環させている。１本の金属パイプを蛇行させて放熱板、あるいは受熱ジャケットの金属製のベースに設けた溝に設置して熱接続して接合したものである。各熱交換器は、冷媒流路の金属パイプと放熱板、あるいは受熱ジャケットと熱接続するように接合するだけの簡単な構造によって構成されることから、熱交換器部材の形状や、大きさに比較的自由度を持つメリットを有するが、熱交換器の流路が長くなると、熱交換器の冷媒の流入口側と、流出口側とでの熱交換性能が大きく変わることになり、熱交換器の熱交換性能の有効な利用が行われないことになる。

特許文献２に記載されている冷却ジャケットは、冷却効率が高く、かつ、安価な冷却システムを備える電子機器を提供するために、銅等の熱伝導の優れた部材から形成され、液体冷媒の流入口及び流出口と共に、その内部に「Ｕ」又は「Ｉ」字状の流路を形成した基板部と、蓋部とを備え、「Ｕ」又は「Ｉ」字状の流路の一部には、やはり、銅等の熱伝導の優れた部材からなる細管を複数本、ロー付けして束ねて構成した冷媒分岐部を配置している。金属管の細管を流路とすることによって細管による熱伝達面積が増大することにより冷却性能を向上することが可能であり、また、製造コストを低減できるものとされている。しかし、並列に複数本の配管を束ねる構成のため、冷媒の流入側には各流路に均一な流量を供給するための液溜めとしての流入側ヘッダが必要であり、熱伝達方向に積み上げて並べられる必要から、配管の配列位置によって熱交換性能が異なり、冷媒の流出側には流路管ごとの受熱量の差を平均化するための流出側ヘッダを設ける必要があり、簡素化、小型化への課題を有する。

特許文献３に記載されているラジエータは、筐体内の狭いスペースにも適合して配置が可能であり、最適な冷却性能を得ることが可能な冷却システムを備える電子機器を提供するために、一対のヘッダを互いに並列に配列して構成されており、その外形を容易にかつ自在に変更可能であり、狭いスペースにも容易に設置可能としている。しかし、特許文献２と同様に、液体冷媒の駆動は、熱変換機の流入側、流出側において、ヘッダを配した流路を構成する必要があり、細管ごとの熱交換能力を平均化して活用することになり、最大の熱交換性能を得ることができない課題を有するだけでなく、構成部材が多くなり小型化に対しての阻害要因となる。

特許文献４に記載されている熱交換器は、管内の流体の冷媒あるいは高熱を周りの金属に介して効率よく伝える小型熱交換器の形状と製作法を提供するために、高熱伝導材の中に設けた細孔を流体流路とする熱交換器、細管、細管群及び高熱伝導材とを、鋳ぐるみやＨＩＰ処理等で一体化している。ただ、熱交換器を一体構成とすることから、熱交換器の形状や配置について制約を伴うことになる。

上述した課題に対し、本願は下記の構成によって解決することができるものである。

本願の冷却装置は、電子機器に用いられる冷却装置であって、少なくとも、発熱体に熱接続して冷媒により受熱する受熱部と、受熱部によって受熱した冷媒の熱を放熱する放熱部と、冷媒を循環駆動するポンプとを有し、
受熱部は、内部に冷媒を通流する複数本の細管と、発熱体に熱接続させる受熱部ベース部材とを有し、受熱部ベース部材に複数本の細管の第１の細管部を熱接合させて組み込んだ構造とし、放熱部は、受熱部の複数本の細管の前記第１の細管部の長手方向の延長上に構成された第２の細管部と、複数本の細管の前記第２の細管部に熱接続させて付設した放熱フィンとを有する構成であって、
受熱部における複数本の細管の第１の細管部と放熱部における複数本の細管の第２の細管部との間を通流する冷媒は、少なくとも複数本の各々の細管内で移送される冷却装置としている。

さらには、本発明の電子機器は、発熱体に熱接続して冷媒に受熱させる受熱部と、受熱部材によって受熱した冷媒の熱を放熱する放熱部と、冷媒を循環駆動するポンプとを有する冷却装置を搭載するものであって、
受熱部は、内部に冷媒を通流する複数本の細管と、発熱体に熱接続する受熱部ベース部材とを有して、受熱部ベース部材に複数本の細管の第１の細管部を接合した構成とされ、放熱部は、受熱部の複数本の細管の前記第１の細管部の長手方向の延長上に一体的に構成された第２の細管部と、複数本の細管の第２の細管部に熱接続させて設けられた放熱フィンとを有する構成とし、
受熱部における複数本の細管の第１の細管部と放熱部における第２の細管部との間を通流する冷媒は、少なくとも複数本の各々の細管内で移送して発熱体を冷却する冷却装置を搭載する電子機器としている。

さらには、電子機器は、受熱部ベース部材に組み込まれて発熱体の熱を受熱する複数本の細管は、電子機器に搭載された発熱体に熱接続する受熱ベース部材の発熱源領域からの熱伝導距離に対応して異なる通流断面積を有する細管で構成されている。

さらには、放熱部の第２の細管部に熱接続される放熱フィンは、第１の細管部における受熱状態に応じて、第２の細管部において異なる放熱量を有する放熱フィンを付設されている。

本発明の冷却装置の構成によれば、小型で安価な冷却装置を提供することができ、発熱体の発熱の状態に対応した冷却効率のよい最適な冷却装置とすることにより、電子機器の小型化、高性能化に寄与できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の冷却装置を搭載した電子機器の一実施例を示す概略構成図である。

電子機器１には、回路基板２および半導体集積回路３が載置されており、本発明の冷却装置４における被冷却体を半導体集積回路（以後発熱体と称す）３とした例を示している。

冷却装置４は、冷媒を循環駆動し、冷媒を介して受熱して、熱移送し、放熱する液冷方式であり、以下の構成からなる。発熱体３に冷却装置４の受熱部５を熱接続させて、受熱部５を通流する冷媒によって発熱体３の熱を受熱する。受熱部５で受熱した熱は放熱部６を通流する冷媒の流路において外気中に放熱する。受熱部５と放熱部６を構成する各流路と配管７１は、連続した流路を持つ細管を集合して構成されている。放熱部６で放熱された冷媒は、ヘッダタンク８に移送され、ヘッダタンク８に移送された冷媒はポンプ９により受熱部３の受熱ヘッダ１０に移送される。ヘッダタンク８とポンプ９は配管７２で接続され、ポンプ９と受熱ヘッダ１０は配管７３で接続され、冷媒を循環駆動する冷却装置４として構成されている。配管７１についての構造についての詳細は後述するが、熱伝達率の良い金属製の細管で形成され、複数本で冷媒の流路を構成している。一方、配管７２、および配管７３は、機密性を有する構成であれば材質を限定するものではなく、複数本の配管でなく各々１本で構成されればよい。また、電子機器１は、特定の機器を想定するものでもなく、被冷却体の発熱体３も回路基板２上の半導体集積回路３に特定されるものでもない。

本発明の冷却装置４の詳細について、図２及び図３を用いて説明する。図２は、本発明の冷却装置４の一実施例を示す概略構成斜視図である。図３は、図２に示す本発明の冷却装置４の受熱部５、および放熱部６を構成するための冷媒流路部の概略構成斜視図である。

図２にみるように、本発明の冷却装置４の特徴は、冷却装置４の循環流路の一部である配管７１の流路を複数本の細管で構成していることである。

図３に示される複数本の配管７１は、熱伝導性が良い金属製の材質で、かつシームレスの細管で形成されており、各々の金属製の配管は若干のフレキシブル性を有している。さらに、この金属製の配管（以後、細管と称す）７１は、細管７１自体を冷却装置４の熱交換器の冷媒の流路とするものであり、受熱部５の流路を構成するための第１の細管部７１１、および放熱部６の流路を構成するための第２の細管部７１２を延在して連続の流路管として有している。複数本の細管７１は、発熱体３の発熱量を受熱するに適切な冷媒の通流径と必要本数で構成されるものである。また、変形自在な複数本の細管７１の両端の放熱側の流出口となる一端７１３は、冷媒を貯留可能なヘッダタンク８に接続され、受熱側の流入口となる他端７１４は、受熱部ヘッダ１０に接続されている。細管７１の一部分で受熱部５と放熱部６を構成されることにより冷却装置４の重要部材を一体構成の簡素化されて形成できるメリットを有するものである。

ヘッダタンク８は、放熱部６の複数本の第２の細管部７１２で放熱された冷媒を接続端７１３から流入されて貯留し、受熱部５に所定の冷媒を移送するために冷媒を流出する流出路口８１を有している。

受熱部ヘッダ１０は、冷媒を流入する流入路口１０１を有しポンプ９と配管７３とで接続される。流入された冷媒を複数本の細管７１の接続端７１４からそれぞれ細管７１に均等の圧力で冷媒を流出するための冷媒を貯留する部材である。

次に、複数本の細管７１の一部を熱交換器とするための構造について、図４及び図５を用いて説明する。

図４は、本発明の受熱部５を構成する一実施例の概略構成を示す分解斜視図である。図４にみるように細管７１は複数本を並列に並べて配置されて、受熱ヘッダ１０に端部７１４で接続されている。よって、冷媒は、受熱ヘッダ１０から各細管７１に通流される。受熱ヘッダ１０の近傍の第１の細管部７１１の領域において受熱部５を構成する。受熱部５は、発熱体３に熱接続させて発熱体３の熱を第１の細管部７１１を通流する冷媒に熱伝導するために熱伝導性の良い材質で形成された受熱部ベース部材５１を有している。受熱部ベース部材５１は、第１の細管部７１１を熱接続する保持部５１１を有し、挟持体５２の下面５２１と受熱部ベース部材５１の接合面５１２とで上下より保持している。ベース部材５１の保持部５１１は、第１の細管部７１１との熱接続を強固にするために、細管の形状に合わせた凹部を形成することが好ましい。

すなわち、発熱体３の発熱は、熱接続した受熱部ベース部材５１に熱伝導され、さらに第１の細管部７１１に熱伝導し、第１の細管部７１１内を通流する冷媒に熱伝達されることになる。

また、細管は、内部を通流する冷媒への熱伝達量を均一にするために平面的に１列に配列されることが好ましい。

ここで、第１の細管部７１１は配管７１と連続した流路をもつ一体の構造体であり、受熱部ベース部材５１と挟持体５２によって保持することによって受熱部を構成することから、受熱部第１の細管部７１１の位置が特定されているものではない。また、発熱体３の発熱量や発熱領域に応じて、受熱部５の受熱部ベース５１の大きさを設定することによって最適な受熱部５を任意に構成することができる。

一方、受熱部ベース部材５１の受熱状態は、発熱体３の発熱源の領域が、受熱部ベース部材５１の面積より小さい場合には、発熱体３との熱接領域から熱伝導され、受熱部ベース部材５１内を熱拡散していく。よって、発熱源の領域に近い領域に配置された細管部７１１ほど高熱となることから、受熱部ベース部材５１の発熱体３の発熱源の領域に熱接続した第１の細管部７１１と、発熱源から離れた周辺部に熱接続された第１の細管部７１１では、熱伝導量が異なることになり、細管７１ごとの冷媒における受熱量が異なることになる。

また、冷媒が受熱する熱量は、熱伝達率によって異なることから、通流する冷媒の流速が速く、冷媒との接触表面形状が大きい場合において、大きくなる。冷媒の流量は、ポンプの能力によって決まることから流量がポンプで定められた同量であるとした場合で、細管７１の圧力損失を考えなければ、細管７１の流路径が小さい方が受熱するに好ましいといえる。このことは、図４では、同一流路径の細管７１を並べて示しているが、受熱部ベース部材５１において熱分布を有する状況においては、発熱量の小さい部分においては受熱すべき熱量が小さいため、受熱する熱量に応じて細管７１の通流径を大きくしても良い。通流径が大きくするメリットは、冷媒を通流させる圧力損失を減少することになる。すなわち、受熱部５を構成する細管７１の第１の細管部７１１の径を発熱体３の発熱源の領域からの熱伝導の距離に応じて異ならせることでポンプの冷媒駆動の効率を向上することが出来るので、より小型の冷却装置４が実現できる。

次に、放熱部について説明する。

図５は、本発明の放熱部６を構成する一実施例の概略構成を示す分解斜視図である。

受熱部５の第１の細管部７１１で受熱した冷媒は複数本の細管７１をそのまま通流されて、細管７１の端部７１３で接続されているヘッダタンク９に移送される。ここで、受熱部５で受熱した冷媒は、移送され、放熱部６で放熱されてヘッダタンク９に貯留されて、循環駆動する構成である。

ここで、図５にみるように、放熱部６は、細管７１のヘッダタンク９の近傍の第２の細管部７１２の領域において構成される。放熱部６の構成は、細管７１２を通流する冷媒から熱伝導されて、外気中に熱伝達で放熱するために熱伝導性の良い材質で、空気中との接触面積を大きくとるために複数枚配置された放熱フィン６１を細管部７１２と熱接続状態で備えている。ただ、受熱部５と同様に第２の細管部７１２は配管７１と連続した一体の構造体であるから、放熱部６としての第２の細管部７１２の位置が特定されているものではなく、また、受熱部５における受熱量に応じて、放熱６の領域を設定することによって最適な放熱部６を構成することができる。一方、受熱部５で受熱した冷媒熱を平均化するためのヘッダ部に通流するものではないため、受熱部５において、細管７１ごとにおける受熱量が異なる場合においては、放熱部６における放熱量も細管７１ごとに変えることが好ましいが、受熱量の大きい細管７１においては、第２の細管部７１２で冷却風の通風を増し放熱効果を高めるために細管７１の配置を粗にしたり、放熱フィン６１の設置位置を長くするなどの対応がなされる。逆に受熱量の小さい細管７１においては、必要最適量の放熱フィン６１を設置すればよい。

よって、第２の細管部７１２の放熱部６の構造は、第１の細管部７１１における受熱状態によって異ならせることによって、無駄の少ない、効率の良い放熱部６を構成することができる。

本発明における構成は、複数本の細管７１によって、それぞれの細管７１ごとに受熱、放熱を行ないトータルで電子機器１における発熱体の冷却を行うことから、電子機器１の発熱量に応じて細管７１の本数を増減するだけで最適な冷却装置４を提供できる。

さらには、細管７１のフレキシブル性と、受熱部５および放熱部６の設定の任意性とを有することから電子機器１ごとの発熱体の位置の相違や、最適放熱場所の選定にも容易に対応できるものである。

本発明の冷却装置を搭載した電子機器の一実施例を示す概略構成図である。 本発明の冷却装置の一実施例を示す概略斜視構成図である。 本発明の冷却装置の受熱部５、および放熱部６を構成するための冷媒流路部の概略構成斜視図である。 本発明の受熱部５を構成する一実施例の概略構成を示す分解斜視図である。 本発明の放熱部６を構成する一実施例の概略構成を示す分解斜視図である。

符号の説明

１ 電子機器
２ 回路基板
３ 半導体集積回路（発熱体）
４ 冷却装置
５ 受熱部
５１ 受熱部ベース部材
５２ 挟持体
６ 放熱部
６１ 放熱フィン
７１ 配管（細管）
７１１ 第１の細管部
７１２ 第２の細管部
７１３ 端部
７１４ 端部
７２ 配管
７３ 配管
８ ヘッダタンク
９ ポンプ
１０ 受熱部ヘッダ

Claims (4)

1. 電子機器に用いられる冷却装置において、少なくとも、発熱体に熱接続して冷媒により受熱する受熱部と、前記受熱部によって受熱した冷媒の熱を放熱する放熱部と、前記冷媒を循環駆動するポンプとを有し、
   前記受熱部は、
   内部に冷媒を通流する複数本の細管と、
   前記発熱体に熱接続させる受熱部ベース部材とを有し、
   前記受熱部ベース部材に前記複数本の細管の第１の細管部を熱接合させて組み込んだ構造とし、
   前記放熱部は、
   前記受熱部の複数本の細管の前記第１の細管部の長手方向の延長上に構成された第２の細管部と、
   前記複数本の細管の前記第２の細管部に熱接続させて付設した放熱フィンを有し、
   前記受熱部における前記複数本の細管の第１の細管部と前記放熱部における前記複数本の細管の第２の細管部との間を通流する前記冷媒は、少なくとも前記複数本の各々の細管内で移送されることを特徴とする冷却装置。
2. 発熱体に熱接続して冷媒に受熱させる受熱部と、前記受熱部材によって受熱した冷媒の熱を放熱する放熱部と、冷媒を循環駆動するポンプとを有する冷却装置を搭載した電子機器において、
   前記受熱部は、
   内部に冷媒を通流する複数本の細管と、
   前記発熱体に熱接続する受熱部ベース部材とを有し、
   前記受熱部ベース部材に前記複数本の細管の第１の細管部を接合した構成とされ、
   前記放熱部は、
   前記受熱部の複数本の細管の前記第１の細管部の長手方向の延長上に一体的に構成された第２の細管部と、
   前記複数本の細管の前記第２の細管部に放熱フィンを熱接続させて設けられた構造であって、
   前記受熱部における前記複数本の細管の第１の細管部と前記放熱部における前記第２の細管部との間を通流する前記冷媒は、少なくとも前記複数本の各々の細管内で移送して発熱体を冷却する冷却装置を搭載する電子機器。
3. 請求項２に記載の電子機器において、
   前記受熱部ベース部材に組み込まれて発熱体の熱を受熱する複数本の前記細管は、電子機器に搭載された発熱体に熱接続する受熱ベース部材の発熱源領域からの熱伝導距離に対応して異なる通流断面積を有する細管で構成されたことを特徴とする電子機器。
4. 請求項３に記載の電子機器において、
   前記放熱部の第２の細管部に熱接続される放熱フィンは、前記第１の細管部における受熱状態に応じて、前記第２の細管部において異なる放熱量を有する放熱フィンを付設されたことを特徴とする電子機器。

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