JP2009088051A - 電子機器用の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型かつ薄型で高性能な放熱部材を構成することにより、高性能で被冷却対象の拡大の図れる電子機器用の冷却装置を提供する。
【解決手段】電子機器に搭載された発熱体を循環する冷媒の熱移送によって冷却する電子機器用の冷却装置は、前記発熱体からの熱を前記冷媒に受熱する受熱部材と、通風により前記冷媒を冷却するための放熱ファン１６と、前記冷媒に吸熱された熱を冷却する放熱部材７０６と、を備え、放熱部材７０６は、放熱ファン１６の冷却風の通風方向に配設され前記冷媒が流れる複数の扁平形状のコアチューブ１３と、コアチューブ１３の周囲に形成された放熱フィン１１と、コアチューブ１３と放熱ファン１６を挟持するように配設され、コアチューブ１３の両側に接続するタンク１５ａ、１５ｂとから成り、放熱部材７０６と放熱ファン１６を平面状に配置するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、パーソナルコンピュータなど内部に半導体集積回路を搭載した電子機器に係わり、電子機器の高性能化や信頼性の向上のために半導体集積回路の発熱を効率良く冷却する冷却装置に関するものである。

近年の電子機器においては、パーソナルコンピュータのCPUに代表されるように高性能な半導体集積回路が搭載されている。この半導体集積回路は、電子機器の高性能化の要求もあって、急速に高速化、高集積化が図られている。それに伴って、この半導体集積回路の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集積回路が所有する性能を維持できないだけでなく、過度の発熱においては破壊さえなされてしまう。よって、電子機器の半導体集積回路は、何らかの手段で冷却される必要を有している。

電子機器の半導体集積回路の一般的な冷却方法は、半導体集積回路にヒートシンクを熱接続し、ヒートシンクにファンによって冷却風を通風して冷却する空冷方式である。ただ、この空冷方式において、発熱体の発熱温度の上昇に対応して冷却性能を上げるには、大形や高速回転のファンを搭載して通風量を増大させることになる。

一方で、電子機器は使途の多様化もあって可搬型の小型機器の開発が急速である。すなわち、電子機器における半導体集積回路の冷却装置は、小型で、かつ高性能な冷却装置を要求するものであり、空冷方式の冷却装置では、騒音問題も含め解決できない状況にあり、冷媒液の熱移送によって冷却をおこなう液冷の冷却方式が着目されている。

さらには、この液冷方式においても冷却性能を向上しながら小型化にする必要があり、特に放熱部材において、小型化が検討されている。例えばノートPCの様な、特に薄型である事を要求される放熱部材については、２つの扁平型のコアチューブを使い、放熱フィンを前記コアチューブで挟んだ構造とする放熱部材が特許文献１に開示されている。

また、小型化の為には複数の部品の一体化が有効であるが、たとえばタンクと放熱部材の一体化については、放熱部材の一端に空間を設けてタンクとし、前記タンクに接続しているポートのタンク内部の口を前記タンク内の概中央に配置した放熱部材が特許文献２に開示されている。

特開２００５−３１７７９８号公報 特開２００７−１０３６３３号公報

液冷方式における熱交換器の放熱部材において、小型化、特に薄型化を実現するためには、上記のような従来技術においては解決しなければならない技術課題がある。

特許文献１に開示されている放熱部材は、図５に示す様に上下にコアチューブ５２を設けて、その間に放熱フィン５３を設け、側面に接合構造５０を用いて、上下のコアチューブ５２を接合し、冷媒５４をUターンさせる構造である。この構造の問題は以下の２点である。

一点目は、上下にコアチューブ５２を設けたUターン構造である為、片側に２本のポート51が厚み方向で重なってしまう。したがってこの部分の厚みにより、薄型化が困難という問題がある。二つ目は、コアチューブの接合構造５０は、コアチューブの端に被せられる形で接合されるため、放熱面の厚さｂよりも更に厚いａの厚みが必要となる。すなわち、実質的な放熱に必要な厚み以上が必要になるという事である。

以上から、上記発明による放熱部材は、構造上薄型化が困難であり、また放熱に実質的に必要な厚み以上の搭載スペースが必要になってしまうという問題がある。

また、特許文献２に開示されている放熱部材は、図６に示す様にコアチューブ６１内部の液の流れは一方向で、２本のポート６２は、コアチューブ６１両側のタンク６０に設けられており、またポート６２は、タンク６０内の概中央に配置している。この構成における問題は、タンク６０内部に約半分の液が満たされていればポート６２から空気は出てこないが、上部のコアチューブ内部６１ａの液流がなくなる為、放熱性能が著しく低下するという問題がある。

本発明は、上記した従来の冷却装置の放熱部材の課題に鑑み、小型かつ薄型で高性能な放熱部材を構成することにより、高性能で被冷却対象の拡大の図れる電子機器用の冷却装置を提供することを目的とする。

本発明の電子機器に搭載された発熱体を循環する冷媒の熱移送によって冷却する電子機器用の冷却装置は、前記発熱体からの熱を前記冷媒に受熱する受熱部材と、通風により前記冷媒を冷却するための放熱ファンと、前記冷媒に吸熱された熱を冷却する放熱部材と、を備え、前記放熱部材は、前記放熱ファンの冷却風の通風方向に配設され前記冷媒が流れる複数の扁平形状のコアチューブと、前記コアチューブの周囲に形成された放熱フィンと、
前記コアチューブと前記放熱ファンを挟持するように配設され、前記コアチューブの両側に接続するタンクとから成り、前記放熱部材と前記放熱ファンを平面状に配置するようにした。

また、本発明の冷却装置において、前記コアチューブは、扁平した形状であり、その平坦面に放熱フィンが設けられ、前記放熱フィンは、前記複数のコアチューブにまたがって接合するようにした。

本発明によれば薄型かつ小型で高性能な放熱部材を構成することができるので、高性能で被冷却対象の拡大の図れる電子機器用冷却装置を提供することができる。

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７は、本発明の冷却装置を搭載した電子機器の概略構成図である。電子機器７０１には、回路基板７０２、電源７０７、ＨＤＤ７１０等を載置している。この回路基板７０２には半導体素子等の発熱体７０３を有している。

また、電子機器７０１はこの発熱体７０３を冷却する冷却装置７０４を搭載し、冷却装置７０４は以下の部材で構成されている。受熱部材７０５は、発熱体７０３に熱接続させ、内部に通流する冷媒に熱伝達によって吸熱させるものである。詳細を後述する放熱部材７０６は、冷媒の吸熱した熱をコアチューブ及び放熱フィン等に冷却風を通風して熱伝達により電子機器７０１の外部に放熱するものである。

尚本発明においては、冷却装置７０４の冷媒を貯留するタンク機能も放熱部材７０６が具備している。ポンプ７０８は、冷媒を受熱部材７０５と放熱部材７０６との間で循環駆動するものであり、配管７０９は、受熱部材７０５、放熱部材７０６、ポンプ７０８間で冷媒を循環するように接続している。

ここで、電子機器７０１は、特定の機器を想定するものではなく、また、この実施例では半導体素子を発熱体７０３として説明しているが、半導体素子に限定されるものではなく、ＨＤＤなどの発熱に対する冷却装置７０４とすることにも好適な構造である。

本発明の冷却装置７０４の放熱部材７０６について、以下詳細に説明する。図１は、本発明の冷却装置における放熱部材の斜視図、図２は側面図である。

図１、２に示すように、放熱部材７０６は、コアチューブ１３ａ，ｂとその両端にタンク部１５ａ，ｂ、コアチューブ１３ａ，ｂの上下に放熱フィン１１があり、扁平形状のブロワーファン１６を、タンク１５ａ，および１５ｂに挟まれた位置に配置した。また、コアチューブ１３ａ，ｂ、タンク部１５ａ，ｂ、放熱フィン１１、ポート１２ａ，ｂはアルミ製であり、各部品はロウ付けにより接合されている。

次に夫々の部位について詳しく説明する。まず受熱部材に熱せられた冷媒１０ａは、ポート１２ａよりタンク１５ａに入る。ポート１２ａのタンク内部の口１２１ａは、ロウ付けの接合強度が確保できる範囲でタンク１５ａの壁面近くに配置されている。これはタンクに注液口を設ける事を不要にする為であるが、この理由について後で詳しく説明する。

さて、タンク１５ａには２本の扁平形状のコアチューブ１３ａ，ｂが結合している。従ってタンク１５ａ内に流れ込んだ冷媒は、次に各コアチューブへと流れこむ。ここで冷媒の熱は、各コアチューブを通して放熱フィン１１に伝わり、さらにファン１６による冷却風にて、冷やされる。尚ファン１６による風向きは、図１の吸気１８、排気１９に示す通りである。そして冷やされた冷媒は、さらにタンク１５ｂへと流れる。尚フィンカバー１４は、放熱フィン１１を覆い、ファン１６の冷却風を放熱フィン１１に通過させるためのダクト形状を構成している。

ここで タンク１５ａ、１５ｂとコアチューブ１３ａ，ｂの位置関係について説明すると、コアチューブ１３ａ，ｂはファン１６の冷却風の通風方向の前後方向（ｙ方向）に２本並んでおり、高さ方向（Ｚ方向）においては同一であり、その高さ位置はタンク１５ａ，ｂの中央に位置している。また各タンクと接続されているポート１２１ａ，ｂも、夫々タンクに対して中央の高さに位置している。

尚、タンク１５ａ，ｂはファン１６が配置されている方向に拡大された形状となっているが、これはファンとの組み合わせを考えた場合に、放熱部材の両端のエリアを有効に使用するためである。詳しくは、放熱部材の両端にはタンクを配置しているが、ファンは放熱部材のコアチューブの幅で収まる為、ファンと放熱部材を組み合わせた設置エリアの形状はタンクが突起する形状となる。

従って、タンク部をファン方向に延長する事で、放熱部材およびファンの設置エリアは概矩形状となるため収まりが良いし、タンク容量も拡大できる。

ここで複数のコアチューブの高さを一律としている理由であるが、タンク内部の冷媒が減少し、液面２０が低下した場合のコアチューブ内部の冷媒の流れを説明すると、たとえば液面２０がタンクの約概半分までであれば、冷媒は、夫々のコアチューブに均一に流れる。従って放熱能力の低下は起こらない。

また、コアチューブ１３ａ，ｂの扁平面には、放熱フィン１１が設けられているが、このフィン高さは放熱フィンカバー１４を含めて放熱部材７０６の最大高さとなっている。即ち、本発明による放熱部材は、許容される最大高さまでを有効な放熱エリアとして活用する事ができる。

尚、放熱部材を薄型化する為に、単純に高さを低くすると、放熱面積が減少してしまうが、本発明においては、複数個のコアチューブを奥行き方向に増やすことで、放熱面積を確保している。具体的には、図１から図４の放熱部材では、冷却風の通風方向に２つのコアチューブを配設しているが、これを３つにすることで、冷却能力の向上をおこなうことができる。

さらにコアチューブ１３ａ，ｂの扁平面に接合されている放熱フィン１１は、板をコルゲート形状に曲げたものを、複数のコアチューブにまたがってロウ付けされている。従って従来技術の図６の様に個々のコアチューブの間にコルゲートフィンを配置する必要は無い。

またファン１６は、吸気方向と排気方向が９０°異なる扁平型のブロワータイプのファンを用いている。このタイプのファンは、軸流タイプに比べて高い風圧を発生する事が可能な為、本発明のような奥行きのある放熱面をもつ放熱部材に用いることは好ましい構成である。

さて、コアチューブ１３ａ，ｂおよび放熱フィン１１で冷やされた冷媒は、タンク１５ｂに流れ、さらにポート１２１ｂを経てジャケットへと流れる。ここでポートの口１２１ｂは、気液分離のため、タンク１５ｂの概中央に位置している。

尚、先に述べた、タンク１５ａ内部の口１２１ａがタンク１５ａの壁面近くに配置されている理由であるが、通常の冷媒の流れる方向においては、タンク１５ｂの概中央に配置されたポートの口１２１ｂにより、タンク１５ｂ内部の空気が排出されに難い構造となっている。従って通常の冷媒の流れる方向にてタンク１５ｂ内部に冷媒を充填する事は困難である。そこで本発明による放熱部材においては、タンク１５ｂ内部に冷媒を充填する方法としては、通常の冷媒の流れる方法とは逆の方向に冷媒を流す方法より行う。この場合、ポートの口１２１ａがタンク１５ａの壁面近くに配置されていれば、効率良く放熱部材内部の空気を排出する事ができる。これにより、タンクに注液口を設ける事を不要にし、放熱部材の小型化に貢献している。

尚、更なる放熱性能の向上のため、例えば、図３のようにファンケーシングのないブロワーファン３０を用い、タンク壁面に放熱フィン３１を立て、ファン排気側の反対側に壁面３２を設け、また放熱フィンカバー１４を拡大してファンのケーシングを構成しても良い。更に、タンク形状を変形させる事により、壁面３２もタンクの一部とする事も、放熱性能向上につながる。（図示せず。）
また、本実施例においては、放熱部材を水平に配置した場合について、述べてきたが、他の角度、例えば放熱部材の排気側が上向きの垂直方向において使用される場合には、図４の４１ａ、４１ｂに示すようにタンクの大きさを上方向に拡大する事も、姿勢に影響されずに性能を発揮する放熱部材を実現する為に有効な手段である。（ファンは図示せず。）
尚本発明の実施例は、タンク、コアチューブ等の個々の部品をロウ付けにより構成したが、他の方法、たとえば、ロールボンド方式により、タンク、コアチューブに相当する部位を一体成型し、放熱フィンをコアチューブ部位にロウ付けする事で、本発明と同様の機能を実現しても良い。

上記のように、扁平形状のコアチューブを一律の高さで、放熱フィン奥行方向に複数配置し、一律の高さは、タンクの概中央に配置する事で、液面低下による放熱性能の低下を抑え、また無駄なスペースを作らずにファンの高さを高くする事ができ、またブロワータイプの扁平ファンとの組み合わせにおいて、スペースを有効に利用してタンク容量の拡大が図れる為、ノートPCや、ブレードサーバ等、特に薄型が望まれる装置において、高効率な液冷式冷却装置が実現できる。

本発明の実施例による放熱部材の斜視図である。 本発明の実施例による放熱部材の側面図である。 本発明の実施例による放熱部材のケーシングの無いファンを用いた場合の構成図である。 本発明の実施例による放熱部材のタンク形状の異なる例である。 従来技術の放熱部材の構成図である。 他の従来技術の放熱部材の構成図である。 本発明の冷却装置を搭載した電子機器の概略構成図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ…冷媒の流れ、１１…放熱フィン、１２ａ，１２ｂ…ポート、１３ａ，１３ｂ…コアチューブ、１４…放熱フィンカバー、１５ａ，１５ｂ…タンク、１６…ファン、１８…ファンの吸気、１９…ファンの排気、３０…ケーシングの無いファン、３１…タンクに設けた放熱フィン、３２…カバー、４１ａ，４１ｂ…拡大したタンク、１２１ａ，１２１ｂ…ポートのタンク内部の口、
７０１…電子機器、７０２…回路基板、７０３…発熱体、７０４…冷却装置、７０５…受熱部材、７０６…放熱部材、７０７…タンク、７０８…ポンプ、７０９…配管

Claims (6)

1. 電子機器に搭載された発熱体を循環する冷媒の熱移送によって冷却する冷却装置において、
   前記発熱体からの熱を前記冷媒に受熱する受熱部材と、
   通風により前記冷媒を冷却するための放熱ファンと、
   前記冷媒に吸熱された熱を冷却する放熱部材と、を備え、
   前記放熱部材は、前記放熱ファンの冷却風の通風方向に配設され前記冷媒が流れる複数の扁平形状のコアチューブと、前記コアチューブの周囲に形成された放熱フィンと、前記コアチューブと前記放熱ファンを挟持するように配設され、前記コアチューブの両側に接続するタンクとから成り、前記放熱部材と前記放熱ファンを平面状に配置する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、
   前記コアチューブは、一律の高さで、かつ放熱フィンの奥行き方向に複数存在し、前記一律の高さは、前記タンクの概中央の高さに位置する構造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および請求項２に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記コアチューブは、扁平した形状であり、その平坦面に放熱フィンが設けられ、
   前記放熱フィンは、前記複数のコアチューブにまたがって接合していることを特徴とする電子機器用の冷却装置。
4. 請求項１に記載の電子機器用の冷却装置において、
   前記放熱ファンは吸気方向と排気方向が９０°異なる扁平形状のブロワーファンであり、前記排気方向に前記放熱部材が配設されることを特徴とする電子機器用の冷却装置。
5. 請求項１に記載の冷却装置において、
   前記タンクは、前記ファンが配置されている方向に拡大されていることを特徴とする電子機器用の冷却装置。
6. 請求項１および２に記載の冷却装置において、
   前記タンクは、前記冷媒が流通する配管部材を接続するためのポートが配置され、前記ポートのタンク内部の口は前記タンクの概中央に位置していることを特徴とする電子機器用の冷却装置。

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