JP2016054248A - 冷却モジュール、冷却モジュール搭載基板および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】本願は、電子機器内の構成を簡略化可能な相変化式の冷却モジュール、冷却モジュール搭載基板および電子機器を提供する。
【解決手段】冷却モジュールであり、発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を備える。
【選択図】図４

Description

本願は、冷却モジュール、冷却モジュール搭載基板および電子機器に関する。

電子機器は高性能化の一途を辿っている。そこで、近年では、電子機器の高性能化に伴って発熱量が増大している電子部品を効果的に冷却する各種の技術が提案されている（例えば、特許文献１−３を参照）。

特開平１０−２０９３５６号公報 特開２００５−７２５４２号公報 特表２０１１−５３０１９５号公報

物質が相変化を伴う際の潜熱は、顕熱よりも熱エネルギーが大きい。よって、潜熱を利用した冷却技術が電子機器の分野で実用化されれば、電子機器の更なる小型化や高性能化が実現し得る。しかし、潜熱を利用した冷却技術を電子機器に適用する場合、発熱体の熱で蒸発した冷媒蒸気を輸送する管や、冷媒蒸気を凝縮させる放熱器類が電子機器内に配置されることになるので、電子機器の小型化の妨げとなる。

そこで、本願は、電子機器内の構成を簡略化可能な相変化式の冷却モジュール、冷却モジュール搭載基板および電子機器を提供する。

本願は、次のような冷却モジュールを開示する。
発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、
前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を備える、
冷却モジュール。

また、本願は、次のような冷却モジュール搭載基板を開示する。
発熱体を実装したプリント基板と、
前記プリント基板に搭載される冷却モジュールであって、前記発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を有する冷却モジュールと、を備える、
冷却モジュール搭載基板。

また、本願は、次のような電子機器を開示する。
発熱体を実装したプリント基板と、
前記プリント基板に搭載される冷却モジュールであって、前記発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を有する冷却モジュールと、を備える、
電子機器。

上記の相変化式の冷却モジュール、冷却モジュール搭載基板および電子機器であれば、電子機器内の構成を簡略化できる。

図１は、実施形態に係る冷却モジュールの一例を示した図である。 図２は、プリント基板に冷却モジュールを搭載した冷却モジュール搭載基板の一例を示した図である。 図３は、微細構造体や発熱体の構造図の一例である。 図４は、冷却モジュール内の冷媒の循環状態の一例を示した図である。 図５は、比較例に係る冷却モジュールをプリント基板に搭載した冷却モジュール搭載基板の一例を示した図である。 図６は、冷却モジュールを設けた電子機器の一例を示した図である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る冷却モジュールの一例を示した図である。冷却モジュール１は、筐体２を備える。筐体２は、方形の外観を呈する筐体であり、下側が開口している。よって、筐体２は、例えば、ＬＳＩ（Large Scale Integration）等の各種発熱体を実装し
たプリント基板に、発熱体を覆うようにして搭載することができる。

冷却モジュール１は、筐体２の天井面３の裏側に形成された液体流路４を備えている。液体流路４は、発熱体を浸す冷媒の蒸気を凝縮させるための冷却用の液体が流通する流路である。筐体２内の天井面３には、筐体２内の冷媒の蒸気が凝縮しやすいようにフィン５が形成されている。フィン５は、液体流路４を流通する液体の冷熱の伝熱面積を増大させる目的で形成される。なお、図１では、筐体２内の上部に液体流路４を形成した冷却モジュール１が例示されているが、液体流路４は、筐体２の上部で冷媒の蒸気を凝縮できるものであれば如何なる形態であってもよい。例えば、液体流路４が、筐体２に載置された筐体２とは別体の筐体の内部に形成され、或いは、筐体２の上面に固定された管によって形成されていても、筐体２の上部で筐体２内の冷媒の蒸気を凝縮できる。

図２は、プリント基板に冷却モジュールを搭載した冷却モジュール搭載基板の一例を示した図である。冷却モジュール搭載基板６は、各種の発熱体７，８を実装したプリント基板９と、プリント基板９に搭載される冷却モジュール１とを備えている。冷却モジュール１の筐体２には、発熱体７，８および冷媒１０が格納されている。筐体２は、格納している冷媒１０が外部へ漏れ出さないよう、接合材１１でプリント基板９に隙間なく接合される。筐体２は、発熱体７，８を筐体２内の下部に格納している。よって、筐体２内の下部に格納されている発熱体７，８は、図２に示すように、筐体２内に格納された冷媒１０に浸った状態になる。液体流路４の流入口と流出口には、液体流路４に液体１５を流通させるための管１６が接続される。

冷媒１０は、発熱体７，８やプリント基板９、筐体２を侵食しない不活性の液体が好ましい。不活性の液体としては、例えば、フッ素系の不活性液体であるスリーエム社のフロリナートが挙げられる。また、冷媒１０は、発熱体７，８の熱で蒸発し、液体流路４を流通する液体の冷熱で凝縮するものが好ましい。筐体２に格納する冷媒１０は、発熱体７，８が発生する熱量や発熱体７，８の耐熱温度、液体流路４を流通する液体の流量や温度、フィン５の表面積、筐体２の材質、筐体２内の空間の体積、その他各種の要素に基づいて適宜選定される。

２つの発熱体７，８のうち、発熱量の大きい発熱体７には、上面に板状の微細構造体１２が取り付けられている。図３は、微細構造体１２や発熱体７の構造図の一例である。微細構造体１２は、発熱体７の上面よりも大きい板状の部材であり、冷媒１０が含浸する部材である。微細構造体１２は、基板１３および基板１３の上面を覆う微細構造１４を有しており、基板１３の下面に発熱体７が接合されている。微細構造１４には微細な空孔が多数形成されており、冷媒１０を保水することができる。液体を含浸できる一般的な素材としては各種のものが存在するが、冷媒１０の効果的な沸騰や蒸発を図るには、発熱体７の熱が微細構造１４の全域に効果的に伝わることが好ましい。伝熱性に優れ且つ微細な空孔を形成し得る素材としては、例えば、シリコンが挙げられる。シリコンであれば、半導体製造プロセスを応用して各種の微細な構造体を形成することができる。微細構造体１２がシリコン製で発熱体７がＬＳＩの場合、微細構造体１２は、各種の金属接合技術や溶接技術を駆使してＬＳＩの表面に取り付けることができる。冷媒１０が含浸できる微細構造体１２は、発熱体７の表面が乾いて冷却効果が損なわれないよう、発熱体７の表面が冷媒１０に浸された状態を維持する。物質が液体から気体へ相変化する際に要する潜熱は多大なので、発熱体７の表面が冷媒１０に浸されていれば、発熱体７を効果的に冷却することができる。

図４は、冷却モジュール１内の冷媒１０の循環状態の一例を示した図である。発熱体７，８が発熱すると、発熱体７，８を浸している液相の冷媒１０が加熱される。冷媒１０の温度が沸点を超えると、冷媒１０が沸騰し、蒸発する。蒸発した気相の冷媒１０は、筐体２内の天井面３に形成されているフィン５に接触し、液体流路４内を流通する液体１５の冷熱で冷やされる。液体１５の冷熱で冷やされた気相の冷媒１０は、フィン５の表面で凝縮する。フィン５の表面で凝縮した液相の冷媒１０は、フィン５から滴下する。フィン５から滴下した冷媒１０は、発熱体７，８を浸し、再び沸騰して蒸発する。筐体２の内部で冷媒１０が蒸発と凝縮とを繰り返すことにより、発熱体７，８の熱が液体流路４内の液体１５へ効果的に伝わる。物質が相変化を伴う際の潜熱は、顕熱よりも熱エネルギーが大きい。よって、上記冷却モジュール１を使って潜熱を利用した冷却技術を実現することにより、電子機器の更なる小型化や高性能化を実現できる。

図５は、比較例に係る冷却モジュールをプリント基板に搭載した冷却モジュール搭載基板の一例を示した図である。冷却モジュール搭載基板１０６は、各種の発熱体１０７を実装したプリント基板１０９と、プリント基板１０９に搭載される冷却モジュール１０１とを備えている。比較例に係るプリント基板１０９は、方形の外観を呈する筐体１０２を備える。筐体１０２は、プリント基板１０９の発熱体１０７を覆うようにしてプリント基板１０９に接合材１１１で隙間なく接合されている。筐体１０２には、冷媒１１０が格納されている。冷媒１１０は、筐体１０２に接続されている管１１６を通じ、液体の状態で流入口から筐体１０２内に流入し、筐体１０２内で気化して気体の状態で流出口から流出することにより、筐体１０２の内外で循環する。

図６は、冷却モジュールを設けた電子機器の一例を示した図である。実施形態に係る冷却モジュール１を適用した電子機器１７を図６（Ａ）に示し、比較例に係る冷却モジュール１０１を適用した電子機器１１７を図６（Ｂ）に示している。実施形態に係る冷却モジュール１を電子機器１７に適用する場合、例えば、建屋の空調用あるいはその他各種目的の冷却水供給設備の冷却水を電子機器１７内に導き、冷却モジュール１の液体流路４に流すことができる。一方、比較例に係る冷却モジュール１０１を電子機器１１７に適用する場合、建屋の空調用あるいはその他各種目的の冷却水供給設備の冷却水を冷却モジュール１０１内に直接導くことができないので、冷却モジュール搭載基板１０６において気化した冷媒１１０を凝縮させる熱交換器１１８や、凝縮した液体の冷媒１１０を冷却モジュール搭載基板１０６へ送り込む冷媒循環ポンプ１１９を電子機器１１７内に設けることになる。また、熱交換器１１８で凝縮した液相の冷媒１１０を一時的に蓄えるタンク１２０を
、冷媒循環ポンプ１１９の吸込み側に設けることになる。すなわち、図６（Ａ）に示す電子機器１７と図６（Ｂ）に示す電子機器１１７とを見比べると明らかなように、実施形態に係る冷却モジュール１を適用すると、比較例に係る冷却モジュール１０１を適用する場合に比べて、電子機器内の構成を簡略化することができることが判る。

なお、上記実施形態に係る冷却モジュール１は、筐体２が方形のものに限定されるものではない。筐体２の形状や大きさは、搭載するプリント基板９の形状や発熱体７，８の位置、大きさ、形状等に応じて変更可能である。また、上記実施形態に係る冷却モジュール１は、筐体２の内部にフィン５を設けたものに限定されるものではない。筐体２内の天井面３が十分な熱交換面積を有していれば、フィン５が省略されていてもよい。また、上記実施形態に係る冷却モジュール１は、微細構造体１２を取り付けた発熱体７を格納するものに限定されるものではない。冷却モジュール１は、微細構造体１２が取り付けられていない発熱体のみを格納していてもよいし、微細構造体１２が取り付けられた発熱体のみを格納してもよい。

なお、本願は、以下の付記的事項を含む。
（付記１）
発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、
前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を備える、
冷却モジュール。
（付記２）
前記筐体の天井面には、前記液体流路を流通する液体の冷熱で前記冷媒の蒸気を凝縮させるフィンが形成されている、
付記１に記載の冷却モジュール。
（付記３）
前記液体流路は、前記筐体の天井面の裏側に形成される、
付記１または２に記載の冷却モジュール。
（付記４）
前記筐体は、前記発熱体を前記筐体の下部に格納する、
付記１から３の何れか一項に記載の冷却モジュール。
（付記５）
前記筐体は、前記冷媒が含浸する微細構造を表面に設けた前記発熱体を格納する、
付記１から４の何れか一項に記載の冷却モジュール。
（付記６）
発熱体を実装したプリント基板と、
前記プリント基板に搭載される冷却モジュールであって、前記発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を有する冷却モジュールと、を備える、
冷却モジュール搭載基板。
（付記７）
前記筐体の天井面には、前記液体流路を流通する液体の冷熱で前記冷媒の蒸気を凝縮させるフィンが形成されている、
付記６に記載の冷却モジュール搭載基板。
（付記８）
前記液体流路は、前記筐体の天井面の裏側に形成される、
付記６または７に記載の冷却モジュール搭載基板。
（付記９）
前記筐体は、前記発熱体を前記筐体の下部に格納する、
付記６から８の何れか一項に記載の冷却モジュール搭載基板。
（付記１０）
前記筐体は、前記冷媒が含浸する微細構造を表面に設けた前記発熱体を格納する、
付記６から９の何れか一項に記載の冷却モジュール搭載基板。
（付記１１）
発熱体を実装したプリント基板と、
前記プリント基板に搭載される冷却モジュールであって、前記発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を有する冷却モジュールと、を備える、
電子機器。
（付記１２）
前記筐体の天井面には、前記液体流路を流通する液体の冷熱で前記冷媒の蒸気を凝縮させるフィンが形成されている、
付記１１に記載の電子機器。
（付記１３）
前記液体流路は、前記筐体の天井面の裏側に形成される、
付記１１または１２に記載の電子機器。
（付記１４）
前記筐体は、前記発熱体を前記筐体の下部に格納する、
付記１１から１３の何れか一項に記載の電子機器。
（付記１５）
前記筐体は、前記冷媒が含浸する微細構造を表面に設けた前記発熱体を格納する、
付記１１から１４の何れか一項に記載の電子機器。

１，１０１・・冷却モジュール：２，１０２・・筐体：３・・天井面：４・・液体流路：５・・フィン：６，１０６・・冷却モジュール搭載基板：７，８，１０７・・発熱体：９，１０９・・プリント基板：１０，１１０・・冷媒：１１，１１１・・接合材：１２・・微細構造体：１３・・基板：１４・・微細構造：１５・・液体：１６，１１６・・管：１７，１１７・・電子機器：１１８・・熱交換器：１１９・・冷媒循環ポンプ：１２０・・タンク

Claims (7)

1. 発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、
   前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を備える、
   冷却モジュール。
2. 前記筐体内の天井面には、前記液体流路を流通する液体の冷熱で前記冷媒の蒸気を凝縮させるフィンが形成されている、
   請求項１に記載の冷却モジュール。
3. 前記液体流路は、前記筐体内の天井面の裏側に形成される、
   請求項１または２に記載の冷却モジュール。
4. 前記筐体は、前記発熱体を前記筐体内の下部に格納する、
   請求項１から３の何れか一項に記載の冷却モジュール。
5. 前記筐体は、前記冷媒が含浸する微細構造を表面に設けた前記発熱体を格納する、
   請求項１から４の何れか一項に記載の冷却モジュール。
6. 発熱体を実装したプリント基板と、
   前記プリント基板に搭載される冷却モジュールであって、前記発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を有する冷却モジュールと、を備える、
   冷却モジュール搭載基板。
7. 発熱体を実装したプリント基板と、
   前記プリント基板に搭載される冷却モジュールであって、前記発熱体および前記発熱体を浸す冷媒を格納する筐体と、前記筐体の上部で前記冷媒の蒸気を凝縮させる冷却用の液体が流通する液体流路と、を有する冷却モジュールと、を備える、
   電子機器。

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