JP2009187074A - 電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、電子機器における複数の発熱体や形状の異なる発熱体に対し、簡素な構造で効率よい冷却装置を提供する。
【解決手段】
本発明に係る電子機器は、発熱体(4)と、発熱体を冷却する冷却装置(6)を備え、冷却装置(6)は、熱移送部材としての熱伝導性シート(61)と、熱冷却部材(621、622)とを有している。この熱伝導性シート(61)の所定の一領域(611)が発熱体(4)に熱的に接続して発熱体(4)の熱を受熱し、それを他の複数の領域(612、613)に熱移送し、他の複数の領域(612、613)において熱的に接続された熱冷却部材(621、622)により放熱する。
【選択図】図２

Description

本発明は、発熱体を有し、発熱体を冷却する電子機器に係わり、発熱体の電子機器内の設置場所や、発熱体の形態に影響されることのない小型化で組み立て性の良い電子機器に関する。

近年、パーソナルコンピュータに代表される電子機器は、情報の処理速度の高速化を促進させている。例えば、中央演算処理装置（以下、ＣＰＵと称する）においては、クロック周波数が格段に高められており、ハードディスクドライブ装置（以下、ＨＤＤと称す）や光ディスクドライブ装置（以下、ディスク装置と称す）は、記録情報量の大容量化、転送速度の高速化が図られている。これら電子機器に搭載される各装置は、この情報の処理速度の高速化に伴って発熱量が増大する状況にある。また、電子機器は、映像処理のビデオプロセッサや、表示パネル、表示パネルドライブＩＣ等、発熱する電子部品を複数個搭載している状況にある。

一方、電子機器は、使途の多様化もあって小型化への要望も強く、電子機器内の各装置、及び各々の駆動、操作のための電子部品等を含む実装を非常に高密度になされている。

従来、これら電子機器における発熱体には、各々にヒートシンクを設け、さらには、各々のヒートシンクに向けて冷却ファンによって送風する等の空冷によって冷却されている。しかし、空冷方式は、冷却能力を増強するためにはファンの大型化となることから、また電子機器の小型化を阻害する。上記の状況において、冷媒液の循環による液冷方式の冷却装置が設置場所の柔軟性や冷却効率の向上を図る観点から実用化されている。

ただ、電子機器内に搭載される種々の発熱体は、一般的に電子機器毎においてその形状や、搭載場所を異にするものである。よって、液冷方式の冷却装置は、発熱体の熱を吸熱する受熱部材を各々の被冷却体に対応して異なる形状として形成される必要がある。また、複数の発熱体の冷却においては、受熱部、及び冷媒液を循環させる配管等が煩雑になり、大きなスペースを要することになる。

上記のような課題に対応するために、冷媒液の循環による熱移送手段にかえて、熱伝導性シートによる熱移送技術が、例えば特許文献１、２及び３に開示されている。

特開２００５−１５９３１３号公報 特開２００７−２８１２１４号公報 特開２００７−２８１２７９号公報

ただ、上記の特許文献の熱伝導性シートの熱移送による冷却方式の技術においては、解決しなければならない課題がある。

特許文献１に記載されている電子装置用のサーマルソリューションは、発熱体と放熱装置をグラファイトシートの主面上の離間した位置に配置して、熱的に接続させてグラファイトシートの異方性の熱伝導特性により熱源からの熱を放散するとともに、他主面側に隣接配置されている他の部品に及ぼす熱影響を軽減するとしている。しかしながら、特許文献１に記載の技術には、発熱体を所望の温度に冷却するための熱移送量、および放熱性能の向上に関しては何らの対応もなされていない。

特許文献２に記載の冷却装置は、発熱電子部品と受熱部の間に熱伝導性シートを配置し、熱伝導性シートによって、ファンケーシング内の送風路へ熱移送し送風ファンによって放熱する構成である。しかしながら、特許文献２に記載の技術では、熱伝導性シートにより複数の発熱体の熱をファンの設置場所まで熱移送することはできても、電子部品の発熱量に対する放熱性能は送風ファンにより行われることから、従来の空冷により発熱体に送風する冷却性能と何ら変わるものではないだけでなく、熱伝導性シートの形状における熱移送特性の課題を有する。

特許文献３に記載の冷却装置は、ＣＰＵの発熱を水冷方式の受熱体と熱伝導性シートによって受熱し、さらに、熱伝導性シートは、シートの柔軟性によって高さの異なる複数の発熱部を覆った形で熱的に接触させ、熱伝導性シートに受熱した熱を水冷方式の冷媒配管に熱的に接続して受熱体の熱と共に放熱部材で放熱する冷却装置である。しかしながら、特許文献３に記載の技術では、ＣＰＵの発熱を熱伝導性シートによって熱移送することはできても、他の発熱部に熱移送してしまう懸念を有している。さらには、水冷方式の配管部における冷媒液に熱伝達するための熱的な接触面積を確保できない懸念がある。

上記のように、従来技術は、実装密度が高く、複数の発熱体を搭載した電子機器において、各発熱体の冷却を図る上で解決すべき課題を有している。

本発明は、電子機器における複数の発熱体や形状の異なる発熱体に対し、簡素な構造で効率よい冷却装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するために下記の構成としている。

すなわち本発明の電子機器は、発熱体と、発熱体を冷却する冷却装置を搭載した電子機器であって、冷却装置は、熱移送部材と、熱冷却部材とを有し、熱移送部材は、複数の熱伝達領域を形成した熱伝導性シートであって、熱伝導性シートの所定の一領域において発熱体に熱的に接続して発熱体の熱を受熱し、他の複数の領域に熱移送され、他の複数の領域において熱的に接続された熱冷却部材により放熱される構成としている。

上記構成により、実装密度の高い電子機器に搭載される発熱体や、冷却装置の搭載し難い実装状態にある発熱体、及び複数の発熱体などの冷却に対しても、共通の冷却装置によって冷却を可能とする。また、電子機器において、異なる発熱量を有する発熱体に変更されて搭載する場合に対しても、電子機器の他の部品や装置の実装状態を変えることなく、容易に冷却を可能とする電子機器を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明における電子機器の一実施の形態を示す構成概略図である。図１において、電子機器１の筐体２の内部には、回路基板３上に載置された半導体電子部品（例えば、ＣＰＵ）４を有している。さらには、ディスクドライブ装置（例えば、ＨＤＤ）５、及び電源（図示せず）等が搭載されている。ここで、電子機器１は、これらの電子部品や電子装置が前述したように発熱することから、冷却のための冷却装置６を搭載している。

本実施例の電子機器１は、ＣＰＵ４、及びＨＤＤ５の複数の発熱体を冷却するものとして説明するが、ＣＰＵ4、あるいはＨＤＤ５の単独を冷却するものであっても、ＣＰＵ４、及びＨＤＤ５以外の発熱体を冷却するものであっても、ＣＰＵ４、及びＨＤＤ５以外に他の発熱体を含んで冷却するものであっても良い。

また、ＨＤＤ５は、ハードディスクの回転時における騒音を抑制するために密閉体５１に包含されて電子機器１内に載置されている構成であっても良い。

すなわち、本実施例は、発熱体の形状や配置状態の条件によらず冷却を容易に行うものである。

よって、本実施例に係る冷却装置６は、発熱体からの発熱を移送する熱移送部６１と、熱移送された熱を冷却する熱冷却部６２とによって構成されている。熱移送部６１は、高熱伝導特性を有する熱伝導性シート（例えば、カーボングラファイトシート）６１が好適である。また、熱冷却部６２は、受熱部材６２１と放熱部材６２２との間で冷媒液をポンプ６２３で循環する液冷方式の冷却機構である。尚、熱冷却部６２の循環路には冷媒液を貯留するタンク６２４を有している。

発熱体４、５は、熱移送部である熱伝導性シート６１の一端部において熱的に接続されている。熱伝導性シート６１は、所定の弾性力を有するシートであることから、ＣＰＵ４、あるいはＨＤＤ５において、図示しない押圧部材によって押圧支持されて、発熱体４、５の熱を受熱する。受熱した熱は、熱伝導性シート６１の熱伝導性特性（詳細は後述する）によって熱伝導性シート６１の同一平面上を熱移送される。熱伝導性シート６１の他端部には発熱体４、５と熱的に接続している面と同一平面において熱冷却部６２を熱的に接続している。よって、熱伝導性シート６１において移送された熱は、熱冷却部６２において熱変換して空気中に放熱して、発熱体４、５を冷却する。

発熱体４、５の熱を熱冷却部６２の冷却機構で直接受熱して放熱する構成ではなく、熱移送部６１により受熱して、電子機器１の内部、あるいは外部の任意の所定位置に移送して、熱冷却部６２の冷却機構によって冷却する構成とすることにより、初熱体４、５を冷却装置６によって制約や特定されることがない。このため、電子機器１の小形化や生産性の向上が図られる。

ここで、本実施例における熱移送部６１、および熱冷却部６２の構造について順に説明する。

熱移送部６１は、熱伝導特性として異方性を有している熱伝導性シート６１である。すなわち、熱伝導性シート６１の同一平面方向の熱伝導率（800〜1500Ｗ／ｍ・Ｋ）は銅の熱伝導率（350〜400Ｗ／ｍ・Ｋ）に対して約２倍以上優れるが、厚さ方向への熱伝導率（５〜８Ｗ／ｍ・Ｋ）は銅の熱伝導率に対して約数十分の１程度であるため、厚さ方向への熱伝導は熱抵抗として作用することになる。

熱伝導性シート６１における熱移送量（q１）は、下記の数１で表される。
（数１）ｑ1∝λ×S／L
但し、
ｑ1（熱移送量） 〔W／K〕
λ(熱伝導率) 〔W／ｍ・K〕
S（熱移送断面積） 〔ｍ²〕
L（熱移送距離） 〔ｍ〕
すなわち、熱移送量（ｑ1）は、熱伝導性シートの熱伝導率（λ）と形状（Ｓ／Ｌ）によって定まることを示している。

ここで、熱伝導性シート６１の熱移送の構成について説明する。

図２は、本実施例における発熱体と冷却装置の熱移送部、及び熱冷却部の熱的な接続状態の構成概念を示す分解斜視図である。図２は、本実施例の各部材の形状や大きさの一例を示しており、本発明は、図に示されるものに限定されないことは言うまでもない。

本実施例は、前述したように発熱体の数は限定されるものではないが、図２においては、２つの発熱体（例えば、ＣＰＵ４、及びＨＤＤ５）の発熱を冷却する例を示す。熱伝導性シート６１ａ、６１ｂ（以降、６１と総称して説明する）は、発熱体（４、５）に熱伝導性シート６１の一平面６１１ａ、６１１ｂ（以降、６１１と称す）を熱的に接続している。平面６１１において発熱体４、５から受熱した熱は、熱伝導性シート６１の平面６１１の延長上、および平面６１１より分岐して設けられた各々の同一平面６１２a、６１２ｂ（以降、６１２と称す）上で矢印方向に熱拡散される。熱拡散された熱は、矢印で示すように熱冷却部６２の受熱部材６２１、および放熱部材６２２に対向する平面６１３a、６１３ｂ（以降、６１３と称す）、および６１４a、６１４ｂ（以降、６１４と称す）まで熱伝導性シート６１の同一平面上で熱移送される。

ここで、平面６１３は、熱冷却部６２の受熱部材（詳細構造は後述する）６２１の両平面で熱的に接続している。さらに平面６１４は、熱冷却部６２の放熱部材６２２に熱的に接続するか、放熱部材６２２を通流する冷媒液から大気中に熱伝達によって放熱するための送風ファン（図示せず）による通風路に対向して配置されている。

すなわち、熱伝導性シート６１は、発熱体４、５から熱を受熱して、熱冷却部６２において熱変換する所定の位置まで熱移送する一連の熱処理を熱伝導性シート６１の熱伝導性の異方特性によって同一平面で行う構成としている。

ここで、発熱体４，５の各々の発熱は、一部を熱冷却部６２の受熱部材６２１において冷媒液に受熱させて、冷媒液を循環し放熱部材６２２における放熱し、一部を熱冷却部６２の放熱部材６２２における送風に熱伝達して冷却している。このことは、熱伝導性シートの熱移送断面積を拡大させて熱移送量を増加させることにある。

一方、複数の発熱体４、５の冷却において、高温の発熱状態にある発熱体（例えば、ＣＰＵ）４の熱と、低温の発熱状態にある発熱体（例えば、ＨＤＤ）５の熱とを熱冷却部６２の受熱部材６２１内を通流する冷媒液や、放熱部材への通風に対して複数の発熱体を並列に熱的な接続によって熱変換している。これにより、複数の発熱体４、５を直列に熱的に接続する場合に生じる冷媒液の通流位置における冷媒液の通流の下流側に配置される発熱体の熱変換性能への影響を回避することができる。

上記のような冷却構造によって、２つの異なる形状や構成の発熱体の冷却を簡素な構成により効率の良い冷却を容易に対応できるものである。

図２においては、熱伝導性シートは、平面６１３、および６１４の２つの熱拡散路に分岐されているが、熱移送量を増大し、冷却性能を増強するためには、前述の（１）式に示されるように熱移送断面積を拡大すればよい。つまり冷却性能をより向上するために、熱伝導性シートが３つ、あるいはさらに複数の熱拡散路（図示せず）に分岐されてもよく、それぞれの熱拡散路を可能な限り大きくすることが好ましい。また、図２に示される熱伝導性シート６１の熱拡散路６１３、および６１４は、冷却部６２の受熱部材６２１、および放熱部材６２２に熱的に接続させているが、さらに増加して設ける熱拡散路は、熱冷却部６２の受熱部材６２１、放熱部材６２２、あるいは冷媒液を貯留するタンク６２４、または電子機器１の筐体２等のいずれかに熱的に接続されていても良い。尚、熱伝導性シート６１において形成される各々の熱拡散路の断面積は、各々の熱拡散路内において熱移送を効率良く行うために熱抵抗の変化のない同一断面積で構成されることが好ましい。

ここで、本実施例における冷却性能について説明するために、まず、熱冷却部６２の受熱部材６２１の構造について説明する。

図３は、本実施例における熱冷却部の受熱部材の概念を示す構造断面図である。受熱部材６２１は、少なくとも第１の受熱ベース体６２１ａと第２の受熱ベース体６２１ｂとに上下に分割された略対称形状に形成された2つの部材により構成されている。また、第１の受熱ベース体６２１ａ、および第２の受熱ベース体６２１ｂは、熱伝導性の良い例えば銅材等の金属材料で形成され、熱伝導性シート６１と熱的に接続する受熱ベース平面６２１１を各々有している。各受熱ベース体６２１の受熱ベース平面６２１１の対向平面６２１２には、スカイブ加工等によって切り起こされたフィン６２１３を一体に構成している。さらには、第１の受熱ベース体６２１ａ、および第２の受熱ベース体６２１ｂは、上下より組み合わせの接合により内部に冷媒液を通流する密閉空間を形成するための枠体部６２１４を各々有している。また、接合された枠体部６２１４の対向平面部の各々には、冷媒液の流入口６２１５、流出口６２１６を設けている。

ここで、第１の受熱ベース体６２１ａと、第２の受熱ベース体６２１ｂに形成された各々のフィン６２１３は、上下より相互に組込ませて対向配置して冷媒液の流路を構成する。この構成は、スカイブ加工によるフィン６２１３の高さ位置のばらつきに係わらず冷媒液の流路が短絡することがなく、冷媒液の均一な通流を図ることができる。

また、第１の受熱ベース体６２１ａ、および第２の受熱ベース体６２１ｂにおいて受熱された両受熱ベース平面６２１１の熱は、流入口６２１５から受熱部材６２１の密閉空間に流入する冷媒液に各々のフィン６２１３を介して熱的に接続していることから、冷媒液に均等に熱伝達されることになる。この受熱部材６２１において冷媒液に熱伝達された熱は、液冷方式の冷却機構により循環駆動され放熱部材６２２において放熱される。

次に、図3に示す受熱部材６２１の冷媒液の熱移送性能について説明する。

冷媒液の熱移送量（ｑ2）は、下記の数２で表される。
（数２）ｑ2∝ρ×Ｃ×Ｑ
但し、
ｑ2（熱移送量） 〔Ｗ／Ｋ〕
ρ(冷媒液密度) 〔kg／ｍ^３〕
Ｃ(冷媒液比熱) 〔Ｊ／kg・Ｋ〕
Q（冷媒液流量） 〔ｍ^３／sec〕
冷媒液による熱移送能力は、例えば冷媒液流量（Q）を５００ml／min.（8.3×10^―6 ｍ³／sec）と仮定すると、冷媒液密度（ρ）は約１０００kg／ｍ³であり、冷媒液比熱（Ｃ）は約４２００Ｊ／kg・Kであるので、熱移送量(q2)約３５W／Kを示すことになる。しかし、これは、冷媒液に熱伝達することの限界値であって、実際には、ＣＰＵ４と受熱部材６２１の間に熱的な接続をはかるための熱伝導性グリース、あるいは熱伝導性シートを介在させていることから、この介在物における熱抵抗があり、熱伝達特性自体が低下している。

ここで、従来の熱伝導性シート、あるいは熱伝導性グリースの厚さ方向における受熱部材への熱伝達と、本実施例に係る熱伝導性シートの平面方向の熱伝導性による受熱部材６２１１への熱伝達の特性を比較してみる。

前者の熱伝導性シートの厚さ方向への熱伝達性能は、仮に、熱伝導性シートの厚み（Ｌ）を0.0003ｍ（厚さ３ｍｍ）、断面面積（Ｓ）を0.0002ｍ²（発熱体面積１０ｍｍ×２０ｍｍ）とすると、熱伝導率（ρ）が約５Ｗ／ｍ・Ｋと仮定しても、前述の（１）式より、熱伝達量は約３.３Ｗ／Ｋである。

よって、これにより後者における本実施例に係る熱伝導性シートの熱移送構造において、上記の熱移送量（ｑ2）約３.３Ｗ／Ｋを得るための熱伝導性シートの形状を算出する。仮に熱伝導性シート６１の熱伝導率（ρ）を約１５００Ｗ／Ｍ・Ｋの熱伝導異方特性と有するものとし、熱移送断面（Ｓ）を０．０００１５ｍ²（厚さ3ｍｍ×幅50ｍｍ）として、熱拡散路４つを設けた場合の熱移送を想定すると、上記（１）式より移送距離（Ｌ）,すなわち熱伝導性シートの長さは、約０．２７ｍとして算出される。

以上のように、熱伝導性シート６１によって、所定の位置に熱移送した後に液冷方式の冷却機構によって発熱体を冷却することが可能なため、実装密度の高い状態に配置された発熱体や、形状の異なる発熱体等の冷却を容易に行うことができる。また、冷却装置６の熱冷却部６２を別構造体として電子機器１と別の筐体内に搭載することも可能であり、電子機器１本体側に冷媒液の漏洩等の問題を及ぼすことの無い構成とすることもできる。

本発明における電子機器の一実施の形態を示す構成概略図である。 本発明における発熱体と冷却装置の熱移送部、及び熱冷却部の熱的な接続状態の構成概念を示す分解斜視図である。 本発明における熱冷却部の受熱部材の概念を示す構造断面図である。

符号の説明

１・・・電子機器、 ２・・・筐体、 ３・・・回路基板
４・・・ＣＰＵ、 ５・・・ＨＤＤ， ６・・・冷却装置
６１・・・熱移送部、 ６２・・・熱冷却部、
６２１・・・受熱部材、 ６２２・・・放熱部材、
６２３・・・ポンプ、 ６２４・・・タンク

Claims (5)

1. 発熱体と、前記発熱体を冷却する冷却装置を搭載した電子機器において、
   前記冷却装置は、熱移送部材と、熱冷却部材とを有し、
   前記熱移送部材は、複数の熱伝達領域を形成した熱伝導性シートであって、
   前記熱伝導性シートの所定の一領域において前記発熱体に熱的に接続して前記発熱体の熱を受熱し、他の複数の前記熱伝達領域において熱移送され、前記他の複数の熱伝達領域において熱的に接続された前記熱冷却部材により放熱される
   ことを特徴とする電子機器。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   前記熱冷却部材の少なくとも１つは、前記熱移送部材の所定の領域において前記熱移送部材と熱的に接続する受熱部と、前記受熱部によって受熱した熱を放熱する放熱部と、の間で冷媒液を循環する液冷方式の冷却機構である
   ことを特徴とする電子機器。
3. 請求項１または２に記載の電子機器において、
   前記発熱体は、複数の発熱体を搭載し、
   前記冷却装置は、前記複数の発熱体を冷却する
   ことを特徴とする電子機器。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電子機器において、
   前記冷却装置の前記熱冷却部材は、前記電子機器の筐体とは別体の筐体内に載置され、前記電子機器の筐体の外部より前記電子機器内に載置された前記冷却装置の前記熱移送部材と熱的に接続される
   ことを特徴とする電子機器。
5. 複数の発熱体と、前記複数の発熱体を冷却する冷却装置を搭載した電子機器において、
   前記冷却装置は、熱移送部材と、熱冷却部材とを有し、
   前記熱移送部材は、前記熱移送部材の所定の一領域において前記発熱体に熱的に接続して前記発熱体の熱を受熱し、前記熱移送部材内の他の所定の領域に熱移送される熱伝導性シートであって、
   前記熱伝導性シートは、複数の熱伝達領域を形成され、前記複数の熱伝達領域の所定の位置において、前記熱冷却部材によって放熱される構成であって、
   前記熱冷却部材の少なくとも１つは、前記熱移送部材の所定の領域において前記熱移送部材と熱的に接続する受熱部と、前記受熱部によって受熱した熱を放熱する放熱部と、の間で冷媒液を循環する液冷方式の冷却機構であって、
   前記受熱部は、前記複数の熱移送部材と熱的に接続可能な複数の受熱平面を有し、前記複数の発熱体からの熱を受熱する
   ことを特徴とする電子機器。

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