JP2011022808A

JP2011022808A - 冷却装置及びその冷却方法

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Publication number: JP2011022808A
Application number: JP2009167447A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Ito; 裕生伊藤; Shinya Hirata; 真也平田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-07-16
Filing date: 2009-07-16
Publication date: 2011-02-03

Abstract

【課題】冷却対象物を効率的に冷却できる冷却装置及びその冷却方法を提供すること。
【解決手段】冷却装置１０は、冷却用流体１が外部から流入する吸入用ダクト１１と、冷却用流体１を外部から吸入用ダクト１１内へ流入させる吸入手段と、冷却用流体１が吸入用ダクト１１からその内部に配置された冷却対象物２に対して流入する中間部１２と、中間部１２からの冷却用流体１を外部へ流出させる排出用ダクト１３と、冷却用流体１を排出用ダクト１３内から外部へ流出させる排出手段と、吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度を検出する第１温度センサ１６と、排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度を検出する第２温度センサ１７と、第１温度センサ１６により検出された第１温度と、第２温度センサ１７により検出された第２温度と、に基づいて、吸入手段及び排出手段を制御する制御手段１８と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電子基板上に配置されたＬＳＩ等の電子部品を効率的に冷却することができる冷却装置及びその冷却方法に関するものである。

近年、高速に動作し、多数のピンを有するＬＳＩを搭載したＬＳＩパッケージ／カード等の電子部品において、その消費電力は年々増大し、発熱量も増大する傾向にある。したがって、その電子部品を冷却し安定的に動作させるための、冷却装置の重要度が増している。

例えば、マザーボードの半導体装置と対向する領域に開口部が設けられ、この開口部に対して空気を冷却ファンにより送風する半導体装置の実装構造が知られている（特許文献１参照）。また、ダクトの流入口と流出口との間において、冷却用空気をファンにより送風することで、流入口と流出口との間に配置された空冷対象を冷却する空冷ファン装置が知られている（特許文献２参照）。

特開２０００−２２３６１７号公報特開２００４−１５２０４４号公報

しかしながら、上記特許文献１に示す半導体装置の実装構造においては、単に、開口部を介して、空気を半導体装置に送風するだけであるため、冷却後の空気が半導体装置周辺に拡散し、適切に排出されない可能性がある。また、上記特許文献２に示す空冷ファン装置においては、ダクト内に配置された空冷対象をファンにより送風された空気により冷却するだけであるため、例えば、空冷対象に急激な温度変化等が生じた場合、空冷対象を適切に冷却できない可能性がある。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、冷却対象物を効率的に冷却できる冷却装置及びその冷却方法を提供することを主たる目的とする。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、冷却用流体が外部から流入する吸入用ダクトと、前記吸入用ダクトに設けられ、冷却用流体を外部から吸入用ダクト内へ流入させる吸入手段と、前記吸入用ダクトが接続され、冷却用流体が前記吸入用ダクトからその内部に配置された冷却対象物に対して流入する中間部と、前記中間部に接続され、該中間部からの冷却用流体を外部へ流出させる排出用ダクトと、前記排出用ダクトに設けられ、冷却用流体を前記排出用ダクト内から外部へ流出させる排出手段と、前記吸入用ダクトに設けられ、該吸入用ダクト内の冷却用流体の第１温度を検出する第１温度センサと、前記排出用ダクトに設けられ、該排出用ダクト内の冷却用流体の第２温度を検出する第２温度センサと、前記第１温度センサにより検出された第１温度と、前記第２温度センサにより検出された第２温度と、に基づいて、前記吸入手段及び前記排出手段を制御する制御手段と、を備える、ことを特徴とする冷却装置である。

他方、上記目的を達成するための本発明の一態様は、吸入手段を用いて、冷却用流体を外部から吸入用ダクトを介して、中間部内の冷却対象物に対して流入させ、前記吸入用ダクト内の冷却用流体の第１温度を検出し、排出手段を用いて、冷却対象物を冷却した後の冷却用流体を前記中間部内から排出用ダクトを介して、外部へ流出させ、前記排出用ダクト内の冷却用流体の第２温度を検出し、前記検出された第１温度と、前記検出された第２温度と、に基づいて、前記吸入手段及び前記排出手段を制御する、ことを特徴とする冷却方法であってもよい。

本発明によれば、冷却対象物を効率的に冷却できる冷却装置及びその冷却方法を提供することができる。

本発明の実施形態１に係る冷却装置の概略的な構成を示す図である。冷却用流体が中間部内のＬＳＩに対して垂直方向に流入し、直接的かつ局所的に空冷する状態の一例を示す図である。本発明の実施形態２に係る冷却装置の概略的な構成を示す図である。冷却用流体がＬＳＩの上面に沿って流動し、ＬＳＩ表面を冷却する状態の一例を示す図である。

本発明の実施形態１．
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る冷却装置の概略的な構成を示す図である。本実施形態１に係る冷却装置１０は、冷却対象物２、例えば、基板３上に配置されたＬＳＩ等の電子部品２を効率的に冷却することができるものである。

冷却装置１０は、冷却用流体１を吸入する吸入用ダクト１１と、吸入用ダクト１１が接続され、内部に冷却対象物２が配置された中間部１２と、中間部１２が接続され、冷却用流体１を排出するための排出用ダクト１３と、冷却用流体１を外部から吸入用ダクト１１内へ流入させる吸入用ファン１４と、冷却用流体１を排出用ダクト１３から外部へ流出させる排出用ファン１５と、吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度Ｔ１を検出する第１温度センサ１６と、排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度Ｔ２を検出する第２温度センサ１７と、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動を制御する制御装置１８と、を備えている。

吸入用ダクト１１は、筒状に形成されたダクトであり、上下方向へ延在している。また、吸入用ダクト１１は、例えば、冷却対象物２に対して垂直方向に配置されている。冷却用流体１は、吸入用ダクト１１の上端に形成された入口部１１ａから流入し、下端に形成された出口部１１ｂから中間部１２内へ流出する。

なお、吸入用ダクト１１の下端は、下方に行くに従ってその内径が増加するような末広がり状に、形成されていてもよい（図２）。また、冷却用流体１として、例えば、空気等の気体が用いられているが、これに限らず、冷却液等の液体が用いられてもよい。例えば、冷却対象物２の発熱密度が非常に大きく、気体による熱交換が困難となる場合は、冷却液等を用いて冷却対象物２を冷却することができる。吸入用ダクト１１の下端には、中間部１２が接続されている。

中間部１２の内部には、例えば、ＰＷＢ（プリント配線板）等の基板３上に配置された、冷却対象物２であるＬＳＩ等が配置されている。中間部１２の下面は開口しており、中間部１２の開口は、冷却対象物２であるＬＳＩ２のみを上方から覆うようにして、その内部にＬＳＩ２を収納している。これにより、基板３上の冷却対象物２のみを集中的かつ効率的に冷却することができる。

また、中間部１２の下面は、基板３上に着脱可能に取付けられており、例えば、ヒートシンク取付け前（製造途中）のＬＳＩ２等を局所的に冷却することができる。これにより、パッケージ／カード等の中間検査工程にも適用することができる。この場合、ヒートシンクの取付け前でも、ＬＳＩ２等を安定的に動作させることができるため、安定した中間検査を行うことができる。さらに、例えば、この中間検査の過程で不良と判断された場合、このＬＳＩ２等を容易に修復することができる。

中間部１２には、吸入用ダクト１１の出口部１１ｂが接続されており、この出口部１１ｂを介して冷却用流体１が中間部１２内へ流入する。中間部１２内へ流入する冷却用流体１は、中間部１２内のＬＳＩ２に対して垂直方向に流入し、このＬＳＩ２を直接的かつ局所的に空冷する（図２）。このように、冷却対象物２であるＬＳＩ２に対して、冷却用流体１を直接的かつ局所的に噴射することで、ＬＳＩ２表面で集中的に熱交換を行うことができる。したがって、熱交換部分の面積が小さいにもかかわらず、高効率の熱交換が可能となり、さらに、冷却構造の簡素化も可能となる。

中間部１２には、排出用ダクト１３の入口部１３ａが接続されている。排出用ダクト１３の入口部１３ａから流入した冷却用流体１は、出口部１３ｂを介して外部へ流出する。このようにして、冷却対象物２である基板３上のＬＳＩ２のみを集中的かつ効率的に冷却することができる。

排出用ダクト１３は、その一端が中間部１２の両側に接続され、上下方向へ延在する一対の第１ダクト部１３１と、各第１ダクト部１３１の他端に接続され、水平方向へ延在する第２ダクト部１３２と、を有している。

排出用ダクト１３の第１ダクト部１３１と、吸入用ダクト１１とは、略平行に設けられている。また、これら第１ダクト部１３１と吸入用ダクト１１とを画成する隔壁１３ｃは、断熱材料若しくは熱伝導率の低い部材で構成されている。これにより、吸入用ダクト１１内を通る冷却用流体１は、低温状態で維持されてＬＳＩ２に供給され、逆に排出用ダクト１３内を通る冷却後の冷却用流体１は、高温状態で維持されて外部へ放出することができる。これにより、冷却効率を向上させることができる。

なお、排出用ダクト１３の断面積は、吸入用ダクト１１の断面積よりも大きくなるように構成されているのが好ましい。これにより、中間部１２内に配置されたＬＳＩ２上における冷却用流体１の滞留時間を短くし、より効率的な冷却が可能となる。また、吸入用ダクト１１、中間部１２、及び排出用ダクト１３は、一体で形成されているが、別体で形成されていてもよい。

吸入用ファン１４は、吸入用ダクト１１の入口部１１ａに設けられており、冷却用流体１を外部から吸入用ダクト１１の入口部１１ａ内へ、効率的に流入させ、吸入することができる。なお、吸入手段として、吸入用ファン１４が用いられているが、これに限らず、例えば、吸入用ポンプが用いられてもよい。

また、吸入用ファン１４により、吸入された冷却用流体１は吸入用ダクト１１内で、ある程度圧縮され、この圧縮された冷却用流体１は、中間部１２内へ断熱膨張しつつ流出する。この冷却用流体１である空気の断熱膨張効果により、冷却用流体１の温度を更に低下させることができるため、ＬＳＩ２の冷却効率をより向上させることができる。なお、吸入用ファン１４により吸入する冷却用流体１の温度調節を行う温度調節機構が更に設けられていてもよい。

排出用ファン１５は、排出用ダクト１３の出口部１３ｂに設けられており、ＬＳＩ２を冷却した後の冷却用流体１を、排出用ダクト１３の出口部１３ｂから外部へ、効率的に排出することができる。なお、排出手段として、排出用ファン１５が用いられているが、これに限らず、例えば、排出用ポンプが用いられてもよい。このように、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５を用いて冷却用流体１の吸入及び排出を行うことで、例えば、冷却対象物２が大量に発熱した場合でも、より迅速かつ確実にこの冷却対象物２を冷却することができる。

第１温度センサ１６は、吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度Ｔ１を検出することができる。なお、第１温度センサ１６は、吸入用ダクト１１の入口部１１ａに設けられているが、これに限らず、吸入用ダクト１１の任意の位置に設けることができる。第１温度センサ１６は、制御装置１８に接続されており、検出した吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度Ｔ１を、制御装置１８に対して出力する。

第２温度センサ１７は、排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度Ｔ２を検出することができる。なお、第２温度センサ１７は、排出用ダクト１３の出口部１３ｂに設けられているが、これに限らず、排出用ダクト１３の任意の位置に設けることができる。第２温度センサ１７は、制御装置１８に接続されており、検出した排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度Ｔ２を、制御装置１８に対して出力する。

なお、第１及び第２温度センサ１６、１８として、例えば、サーミスタ、測温抵抗体、ＩＣ温度センサ、赤外線センサ等が用いられている。

制御装置１８は、第１温度センサ１６により検出された吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、第２温度センサ１７により検出された排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、に基づいて、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動を制御することで、冷却対象物２であるＬＳＩ２の温度を制御する。また、制御装置１８は、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５に対して、駆動回路を介して制御信号を送信することで、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動トルクを制御する。

また、制御装置１８は、例えば、第１温度センサ１６により検出された吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、第２温度センサ１７により検出された排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、温度マップ情報と、に基づいて、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５を制御してもよい。ここで、温度マップ情報には、例えば、吸入用ダクト１１の入口部１１ａ内における冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、排出用ダクト１３の出口部１３ｂ内における冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動トルクと、の関係が予め設定されている。より具体的には、第２温度Ｔ２と第１温度Ｔ１との差が増加するに従って、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動トルクが増加するように、温度マップ情報は設定されていてもよい。また、この温度マップ情報は、後述のＲＡＭ等に予め記憶されていてもよい。

このように、制御装置１８は、第１温度センサ１６により検出された吸入用ダクト１１の入口部１１ａ内における冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、第２温度センサ１７により検出された排出用ダクト１３の出口部１３ｂ内における冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、を用いて、ＬＳＩ２の温度を制御することで、例えば、ＬＳＩ２の急激な温度変化に対しても、高精度かつ迅速に追従でき、ＬＳＩ２を効率的に冷却することができる。また、冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、排出用ダクト１３の出口部１３ｂ内における冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、を用いることで、ＬＳＩ２の発熱量をより正確に推測し、ＬＳＩ２をより効率的に冷却することができる。

さらに、上述した吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の制御方法は一例であり、上記制御方法に限られるわけではない。例えば、制御装置１８は、第１温度センサ１６により検出された吸入用ダクト１１の入口部１１ａ内における冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、第２温度センサ１７により検出された排出用ダクト１３の出口部１３ｂ内における冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、の平均値と、温度マップ情報とを用いて、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５を制御してもよい。

この場合、温度マップ情報には、例えば、吸入用ダクト１１の入口部１１ａ内における冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、排出用ダクト１３の出口部１３ｂ内における冷却用流体１の第２温度Ｔ２との平均値と、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動トルクと、の関係が予め設定されている。

なお、冷却対象物２であるＬＳＩ２の温度上昇ΔＴは、下記（１）式により算出することができる。ここで、下記（１）式において、Ｑ：ＬＳＩ２の発熱量、Ｃ：冷却用流体１の比熱、Ａ：中間部１２の流路における熱交換部分の面積、Ｖ：冷却用流体１の流速、Ｄ：冷却用流体１の密度、とする。
ΔＴ＝Ｑ／（Ｃ・Ａ・Ｖ・Ｄ）（１）式

上記（１）式によれば、ＬＳＩ２の温度上昇を抑え、冷却能力を上げる為には、中間部１２の流路における熱交換部分の面積Ａを大きくするか、又は、冷却用流体１の流速Ｖを増加させる必要がある。従来技術では、例えば、ヒートシンクを用いて熱交換部分の面積Ａを十分に大きくすることで冷却効率を向上させている。一方で、本実施形態１に係る冷却装置１０においては、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動力を増加させる制御を行うことで、ＬＳＩ２に対する冷却用流体１の流速Ｖを増加させ、ＬＳＩ２の冷却効率を向上させている。

制御装置１８は、例えば、制御処理、演算処理等と行うＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵによって実行される制御プログラム、演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）と、処理データ等を一時的に記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）と、を有するマイクロコンピュータを中心にしてハードウェア構成されている。また、上記ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭは、バスを介して相互に接続されている。

次に、本実施形態１に係る冷却装置１０の冷却方法について、詳細に説明する。

吸入用ファン１４が駆動するとその吸入力により、外部から吸入用ダクト１１の入口部１１ａ内に冷却用流体１が流入し、吸入用ダクト１１内を通過し、出口部１１ｂから中間部１２に配置されたＬＳＩ２に対して略垂直方向に流出する。流出した冷却用流体１は、ＬＳＩ２に直接的かつ局所的に当たり、このときＬＳＩ２の発熱を集中的に奪い、ＬＳＩ２を効率的に冷却することができる。そして、冷却後の冷却用流体１は、左右側に分岐して、中間部１２内から排出用ダクト１３の一対の第１ダクト１３１の入口部１３ａに夫々流入する。その後、冷却用流体１は、排出用ファン１５の排出力により、排出用ダクト１３の第１ダクト１３１及び第２ダクト１３２内を通過し、出口部１３ｂから外部へ流出する。

また、例えば、ＬＳＩ２の温度が上昇すると、第２温度センサ１７により検出される排出用ダクト１３の出口部１３ｂ内における冷却用流体１の第２温度Ｔ２が上昇する。そして、制御装置１８は、第１温度センサ１６により検出された吸入用ダクト１１内の冷却用流体１の第１温度Ｔ１と、第２温度センサ１７により検出された排出用ダクト１３内の冷却用流体１の第２温度Ｔ２と、温度マップ情報と、に基づいて、吸入用ファン１４及び排出用ファン１５の駆動トルクを増加させる制御を行う。このようにＬＳＩ２の温度上昇に的確に追従して、ＬＳＩ２に対する冷却用流体１の流速Ｖを増加させることができる。これにより、ＬＳＩ２に対する冷却効率を向上させることができ、ＬＳＩ２の温度上昇を抑制することができる。すなわち、冷却対象物２であるＬＳＩ２を効率的に冷却することができる。

本発明の実施形態２．
図３は、本発明の実施形態２に係る冷却装置２０の概略的な構成を示す図である。本実施形態２に係る冷却装置２０は、主として、中間部２３内に配置された冷却対象物２であるＬＳＩ等に対して、冷却用流体１を略水平方向に噴射する点で、上記実施形態１に係る冷却装置１０と相違する。これにより、図４に示すように、冷却用流体１はＬＳＩ２の表面に沿って流動するため、ＬＳＩ２表面と冷却用流体１との接触面積を大きく確保することができ、ＬＳＩ２を効率的に冷却することができる。本実施形態２に係る冷却装置２０において、上下方向へ延在する吸入用ダクト２１及び排出用ダクト２３が中間部２２の両端に夫々接続されている。

吸入用ファン１４が駆動するとその吸入力により、外部から吸入用ダクト２１の入口部２１ａ内に冷却用流体１が流入し、吸入用ダクト２１内を通過し、出口部２１ｂから中間部２２内に配置されたＬＳＩ２に対して略平行方向に流出する。流出した冷却用流体１は、ＬＳＩ２の表面に沿って流れ、このときＬＳＩ２の発熱を奪い、ＬＳＩ２を冷却する。そして、冷却後の冷却用流体１は、中間部２２内から排出用ダクト２３の入口部２３ａに流入する。その後、冷却用流体１は、排出用ファン１５の排出力により、排出用ダクト２３を通過し、出口部２３ｂから外部へ流出する。

本実施形態２に係る冷却装置２０において、他の構成は上記実施形態１に係る冷却装置１０と略同一である。したがって、同一部分には同一符号を付して詳細な説明は省略する。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１冷却用流体
２ＬＳＩ（冷却対象物）
３基板
１０冷却装置
１１吸入用ダクト
１１ａ入口部
１１ｂ出口部
１２中間部
１３排出用ダクト
１３ａ入口部
１３ｂ出口部
１４吸入用ファン
１５排出用ファン
１６第１温度センサ
１７第２温度センサ
１８制御装置
１３１第１ダクト部
１３２第２ダクト部

Claims

冷却用流体が外部から流入する吸入用ダクトと、
前記吸入用ダクトに設けられ、冷却用流体を外部から吸入用ダクト内へ流入させる吸入手段と、
前記吸入用ダクトが接続され、冷却用流体が前記吸入用ダクトからその内部に配置された冷却対象物に対して流入する中間部と、
前記中間部に接続され、該中間部からの冷却用流体を外部へ流出させる排出用ダクトと、
前記排出用ダクトに設けられ、冷却用流体を前記排出用ダクト内から外部へ流出させる排出手段と、
前記吸入用ダクトに設けられ、該吸入用ダクト内の冷却用流体の第１温度を検出する第１温度センサと、
前記排出用ダクトに設けられ、該排出用ダクト内の冷却用流体の第２温度を検出する第２温度センサと、
前記第１温度センサにより検出された第１温度と、前記第２温度センサにより検出された第２温度と、に基づいて、前記吸入手段及び前記排出手段を制御する制御手段と、を備える、ことを特徴とする冷却装置。
請求項１記載の冷却装置であって、
前記吸入手段は、前記冷却用流体を吸入用ダクト内へ吸入させるための吸入用ファンであり、
前記排出手段は、前記冷却用流体を排出用ダクト内から排出させるための排出用ファンであり、
前記制御手段は、前記吸入用ファン及び前記排出用ファンの駆動を制御する、ことを特徴とする冷却装置。
請求項１又は２記載の冷却装置であって、
前記排出用ダクトの断面積は、吸入用ダクトの断面積よりも大きくなるように構成されている、ことを特徴とする冷却装置。
請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の冷却装置であって、
前記吸入用ダクトと前記排出用ダクトとを画成する隔壁は、断熱材料又は熱伝導率の低い部材で構成されている、ことを特徴とする冷却装置。
請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の冷却装置であって、
前記制御手段は、前記第１温度センサにより検出された第１温度と、前記第２温度センサにより検出された第２温度と、前記第１温度、前記第２温度、前記吸入用ファン及び前記排出用ファンにおける駆動トルクの関係を示す温度マップ情報と、に基づいて、吸入用ファン及び排出用ファンを制御する、ことを特徴とする冷却装置。
請求項１乃至５のうちいずれか１項記載の冷却装置であって、
前記冷却対象物は、基板上に配置された電子部品であり、
前記中間部の下面は開口しており、
前記中間部は、その内部に前記電子部品を覆うようにして、前記基板に着脱可能に取り付けられる、ことを特徴とする冷却装置。
吸入手段を用いて、冷却用流体を外部から吸入用ダクトを介して、中間部内の冷却対象物に対して流入させ、
前記吸入用ダクト内の冷却用流体の第１温度を検出し、
排出手段を用いて、冷却対象物を冷却した後の冷却用流体を前記中間部内から排出用ダクトを介して、外部へ流出させ、
前記排出用ダクト内の冷却用流体の第２温度を検出し、
前記検出された第１温度と、前記検出された第２温度と、に基づいて、前記吸入手段及び前記排出手段を制御する、ことを特徴とする冷却方法。