JP3711032B2

JP3711032B2 - 発熱性の電子部品の冷却構造

Info

Publication number: JP3711032B2
Application number: JP2001060181A
Authority: JP
Inventors: 均史青木; 順一久保田; 健夫小松原; 淳一茂木; 雅也松岡
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP2002261478A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、発熱性の電子部品の冷却構造に関し、特に、発熱部品に接する冷却シンクに冷却液を循環させることにより、電子部品を冷却する液冷式の冷却構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の電子部品の冷却構造としては、特開平５−２６７８７１号公報、特開平６−６０６３号公報、特開平７−３３５７９８号公報に開示されるものが知られている。
特開平５−２６７８７１号公報に開示される構造では、搭載フレーム(ベース)に電気的な接続用のコネクタと、冷却液を循環させるホースに接続されたカプラとが設けられている。発熱部品を含む電子部品は基板に実装され、基板の一方側の面には、接続ピンが突出して設けられており、他方の面には冷却モジュール(冷却シンク)が取り付けられている。電子部品の接続ピンをコネクタに接続し、冷却モジュールのカプラを搭載フレームに固定されたカプラに接続することにより、電子部品、冷却モジュールが搭載フレームに固定される。
【０００３】
また、特開平６−６０６３号公報に開示される構造では、プリント基板に搭載された複数のコンバータモジュール(電子部品)のそれぞれの上面にコールドプレート部(冷却シンク)が一体に形成され、コールドプレート部同士は連結パイプにより接続されて冷却液が循環するようになっている。
【０００４】
さらに、特開平７−３３５７９８号公報に開示される構造では、ＬＳＩ(電子部品)の放熱面にコールドプレート(冷却シンク)をねじ止めし、このコールドプレート内に冷却液を循環させてＬＳＩを直接冷却液で冷却するようになっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平５−２６７８７１号公報の構成では、電気的な接続と同時に循環路を接続するために接続用のカプラやストッパーが必要となって部品点数が増加するという問題がある。また、特開平６−６０６３号公報、あるいは特開平７−３３５７９８号公報の構成では、電気的な接続の後に冷却液の循環路を形成するため、ホースの取り回しが難しく、かつ、弾性のあるホースを用いる必要があるため耐久性に欠ける等の問題がある。
【０００６】
さらに、特開平６−６０６３号公報の構造では、電子部品が実装された基板と冷却シンクとを一体形成しているため、汎用の電子部品を用いることができず、特開平７−３３５７９８号公報の構成では、電子部品に対して冷却シンクをねじ止めしているため、組み立て作業が繁雑である上、熱膨張による変形を吸収できずに冷却シンクが破損するおそれもある。
【０００７】
この発明は、上述した従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、部品点数を増やしたり、弾性のあるパイプを用いなくとも循環路を形成することができ、しかも、汎用の電子部品に適用することができ、組み立て作業が繁雑でない電子部品の冷却構造の提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる発熱性の電子部品の冷却構造は、上記の目的を達成させるため、冷却シンクをベースに固定して冷媒の循環路を形成し、この冷却シンクに基板に実装された電子部品をクリップばねを用いて固定するようにしたことを特徴とする。
すなわち、この発明にかかる発熱性の電子部品の冷却構造は、発熱性の電子部品に対向させて冷却シンクを配置し、この冷却シンクに冷媒を循環させる構造において、冷却シンクをベースに固定し、電子部品を、この電子部品が電気的に接続される基板に固定し、電子部品の放熱面を冷却シンクの冷却面に対向させた状態で、電子部品を冷却シンクにクリップばねで固定したことを特徴とする。
この場合、ベースは、本体ケースの一面であってもよいし、本体ケース内に配置された基板であってもよい。
【０００９】
上記の構造によれば、冷却シンクや配管を含む冷却用の装置を先に組み立てることができるため、接続のためのカプラ等の部品を用いる必要がなく、また、金属製のパイプを利用することもできる。
さらに、クリップばねにより電子部品の実装された基板をワンタッチで冷却シンクに取り付けることができるため、固定のための構造が簡単で取付作業も容易である。
【００１０】
クリップばねとしては、冷却シンクを両側から挟み込む一対の腕部と、この腕部の基端を接続する山型の接続部とから成る一体の部品を用いることができる。また、冷却シンクは、冷却面が、ベースの取付面に対してほぼ平行になるよう固定されてもよいし、表裏の両面に備えられた冷却面が、ベースの取付面に対してほぼ垂直になるよう固定されてもよい。
前者の場合には、冷却面に１枚の基板がベースの取付面とほぼ平行になるよう固定される。
後者の場合、表裏の各冷却面に基板が１枚ずつ、ベースの取付面とほぼ垂直になるよう固定される。
なお、この場合において、ベースの取付面は水平のほか、垂直に配置するように構成してもよい。
【００１１】
本発明の冷却構造の冷却対象となる発熱性の電子部品は、ＣＰＵ（中央演算処理装置）やメモリ等のＬＳＩ等の半導体素子を含む発熱性の電子部品である。
また、この発明の冷却構造は、独立して機能するコンピュータユニットを複数積み重ねて使用する業務用サーバーに適用することができる。
この場合、各コンピュータユニット毎にベースが備えられ、各ベースに冷却シンクが固定される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる電子部品の冷却構造の実施の形態を図面に基づいて説明する。実施の形態の冷却構造は、独立して機能するコンピュータユニットを複数積み重ねて使用する業務用サーバーに適用される。
【００１３】
第１の実施の形態：
図１乃至図５は、第１の実施の形態にかかる電子部品の冷却構造を示す。最初に、図１乃至図４に基づいて全体構成を説明する。図１は冷却システム全体を示す平面図、図２は図１の冷却システムをコンピュータユニットの本体ケースに組み込み、電子部品が実装されたプリント基板を取り付けた状態を示す平面図、図３は図２のコンピュータユニットの斜視図、図４は図２のコンピュータユニットを１０段積み重ねた状態を示す斜視図である。
【００１４】
図１において、符号１は冷却シンクであり、この例では３つの冷却シンク１が所定間隔で直線上に並んで配置されている。各冷却シンク１は、例えば、アルミニウム製の板状の部材であり、内部に冷媒としての冷却液を循環させるためのパイプ孔が形成され、上面である冷却面１ａに発熱性の電子部品が配置される。
【００１５】
冷却シンク１に冷却液を循環させる流路は、アルミニウム製や銅製のパイプ２と、このパイプ間を接続する直線コネクタ３ａ、直角コネクタ３ｂ、Ｕ字コネクタ３ｃとにより形成されている。流路の一箇所に、ポンプ４が設けられており、このポンプ４を作動させることにより、流路内の冷却液を図中の破線で示した矢印の方向に循環させる。
【００１６】
水冷シンク１を循環して熱せられた冷却液は、ラジエータ５により冷却される。ラジエータ５は、平行に配置された多数の金属板である放熱フィン５ａと、この放熱フィン５ａに形成された開口を貫通して蛇行状に巡らされたパイプ５ｂと、空冷ファン（クロスフローファンなど）５ｃとから構成される。
空冷ファン５ｃを作動させると、図中の矢印Ａで示す方向から取り込まれた冷却用の空気が、放熱フィン５ａの間を通り、矢印Ｂで示す方向に排出される。冷却用の空気を通すことにより、パイプ５ｂから冷却フィン５ａに伝達された冷却液の熱が奪われ、冷却液が冷却される。なお、図示のものでは、空冷ファン５ｃのファンケーシングは省略している。
【００１７】
冷媒としての冷却液には、水、あるいは−１０℃の不凍液等を用いることができる。この冷却液は、システム設定又は変更のときに、レシーバタンク６の蓋を外して流路に注入される。レシーバタンク６は、冷却液の注入のほか、流路からのエア抜きのためにも利用され、冷却システムの作動時には冷却液の熱膨張を吸収するためのリザーブタンクとして機能する。
【００１８】
図１に示した冷却システムは、図２及び図３に示すように、コンピュータユニット１０の金属製の本体ケース１１内に組み込まれる。本体ケース１１内には、図２中上側となる一方の端部に、電源箱１２が配置され、中央には板状のベース１３が取り付けられている。ベース１３の図２中上側の端部には、外部との信号の入出力をするための入出力インターフェース１４が設けられている。
【００１９】
３つの冷却シンク１は、ベース１３に固定され、ポンプ４、ラジエータ５、及びレシーバタンク６は、ベース１３より図２中下側の部分で本体ケース１１に固定されている。各冷却シンク１上には、プリント基板２０が固定されている。
プリント基板２０には、発熱性の電子部品、この例ではＣＰＵ２１が電気的に接続されており、このＣＰＵ２１の放熱面を冷却シンク１の冷却面１ａに対向させた状態でプリント基板２０及びＣＰＵ２１が一体として冷却シンク１に固定されている。
ＣＰＵ２１の放熱面と冷却シンク１の冷却面１ａとは、直接接するようにしてもよいが、熱伝導性のグリースを塗布したり、熱伝導性シートを介在させる等して面間に空気層が形成されないように固定する方が冷却効率を高める上で望ましい。なお、冷却シンク１もベース１３との間に熱伝導シートを挟むことが望ましい。
【００２０】
コンピュータユニット１０の作動時には、ポンプ４、空冷ファン５ｃを作動させて冷却シンク１に冷却液を循環させ、発熱するＣＰＵ２１を冷却する。
本体ケース１１には、図中の上下方向の両側の側面に通風口１１ａ、１１ｂが形成されており、空冷ファン５ｃの作用により、通風口１１ａから取り込まれた冷却用の空気が矢印Ａで示す方向に流れ、放熱フィン５ａの間を通り、矢印Ｂで示す方向に流れて通風口１１ｂから排出される。
【００２１】
上記のコンピュータユニット１０は、図４に示すように同一構成のユニットを複数積み重ねて使用される。この例では、キャリア１５上に１０段のコンピュータユニット１０が積み重ねられており、イーコマンス用サーバー等の業務用サーバーとして利用される。なお、１６は移動用キャスタである。
【００２２】
続いて、図５に基づいて冷却シンク１の取付構造について詳細に説明する。冷却シンク１の上面は、平坦な冷却面１ａであり、内部にはパイプ２に接続されて冷却液を循環させるためのパイプ孔１ｂが２箇所に形成されている。冷却シンク１は、両サイドにフランジ状に形成された取付座を取付ねじ１ｃにより固定することによりベース１３に固定されている。取付ねじ１ｃは、冷却シンク１の四隅に取り付けられている。冷却シンク１は、冷却面１ａが、ベース１３の取付面に対してほぼ平行になるよう固定されている。
【００２３】
一方、プリント基板２０には、ソケット２２が取り付けられており、このソケット２２にＣＰＵ２１のピンを差し込むことにより、ＣＰＵ２１がプリント基板２０に固定されている。そして、一体となったプリント基板２０とＣＰＵ２１とが、冷却シンク１に対してクリップばね２５で固定されている。この例では、冷却面１ａに１枚のプリント基板２０がベース１３の取付面とほぼ平行になるよう固定されている。
【００２４】
クリップばね２５は、冷却シンク１を両側から挟み込む一対の腕部２５ａ、２５ａと、この腕部の基端を接続する山型の接続部２５ｂとから成る一体の部品である。クリップばね２５は、幅５ミリ程度の薄板状のばね材で形成され、各腕部２５ａの先端が内側にやや斜め上方向に折り曲げられている。プリント基板２０には、クリップばね２５の腕部２５ａを貫通させるための孔２０ａが２箇所に形成されており、冷却シンク１の両側面には、クリップばね２５の先端の折り曲げ部分に係合する斜面部を有する溝１ｄが形成されている。
【００２５】
冷却シンク１へのプリント基板２０の取付は、以下の手順で行われる。
まず、ベース１３に固定された冷却シンク１の冷却面１ａにおけるＣＰＵ２１の設置部にグリースを塗布する。
続いて、ＣＰＵ２１をソケット２２に差し込んだ状態で、ＣＰＵ２１の放熱面が冷却面１ａに対向するようにしてプリント基板２０を冷却シンク１の上に載せる。
次に、クリップばね２５の腕部２５ａを外側に広げながらプリント基板２０の図５中上側から孔２０ａに腕部２５ａを挿入する。クリップばね２５を押し込んでゆき、先端の折り曲げ部分を溝１ｄに係合させる。
腕部２５ａの直線部分の長さは、プリント基板２０から溝１ｄまでの距離に等しく設定されており、溝１ｄに係合させることによりクリップばね２５のちじみ力でＣＰＵ２１が冷却シンク１に押し当てられた状態でプリント基板２０が冷却シンク１に固定される。
【００２６】
第１の実施の形態によれば、冷却シンクや配管を含む冷却システムを電子部品の組付けより先に組み立てることができるため、接続のためのカプラ等の部品を用いる必要がなく、金属製のパイプを利用することもできる。また、クリップばね２５によりＣＰＵ２１の実装されたプリント基板２０をワンタッチで冷却シンク１に取り付けることができるため、固定のための構造が簡単で取付作業も容易である。さらに、クリップばね２５による固定は弾性的であり、熱膨張による変形も吸収することができる。なお、第１の実施の形態によれば、ベース１３とプリント基板２０とがほぼ平行になるため、全体の厚さを大きくすることなく、コンピュータユニット１０を薄型化する上で有利である。
【００２７】
第２の実施の形態：
次に、図６及び図７に基づき、この発明にかかる冷却構造の第２の実施の形態を説明する。図６は一部を破断して示す平面図、図７は図６に示す冷却構造の側面図である。なお、第２の実施の形態においても、冷却シンク以外の冷却システムの全体構成は第１の実施の形態と同様であるため、これらについての説明は省略する。
【００２８】
第２の実施の形態では、冷却シンク３０の両面に平坦な冷却面３０ａが形成され、冷却シンク３０は、図７に示すようにベース１３に対して冷却面３０ａがほぼ垂直になるよう配置されている。冷却シンク３０には、パイプ２に接続されて冷却液を循環させるためのパイプ孔３０ｂが２箇所に形成され、図７中の下端に形成されたフランジ状の取付座を取付ねじ３０ｃにより固定することによりベース１３に固定されている。
【００２９】
第１の実施の形態と同様に、プリント基板２０には、ソケット２２が固定され、このソケット２２に発熱電子部品であるＣＰＵ２１が装着されている。このようにＣＰＵ２１と一体化されたプリント基板２０が２組、冷却シンク３０の両面にそれぞれクリップばね２５により固定されている。プリント基板２０は、表裏の各冷却面に１枚ずつ、ベース１３とほぼ垂直になるよう固定される。クリップばね２５は、第１の実施の形態と同様、一対の腕部２５ａと接続部２５ｂとを有し、腕部２５ａの先端に形成された折り曲げ部分を冷却シンク３０の側面に形成された溝３０ｄに係合させることにより、プリント基板２０を冷却シンク３０に対して固定している。
【００３０】
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果に加え、１つの冷却シンクで２つのＣＰＵを冷却することができ、かつ、プリント基板２０をベースに対してほぼ垂直に配置することにより、限られた面積の中でより多くのプリント基板の配置が可能である。
【００３１】
本発明は上記の各実施の形態のものに限定されない。
例えば、上述した２つの実施の形態では、冷却対象となる発熱性の電子部品をＣＰＵとしたが、ＬＳＩ等の半導体素子を含む発熱性の電子部品に適用可能である。また、上記の各実施の形態では、冷却シンクには、パイプ孔を形成しておき、パイプ２を連通装着する場合で説明したが、冷却シンクに冷却用パイプを内蔵しておき、この冷却用パイプに冷媒循環用のパイプ２をコネクタで連結する構成としてもよい。
さらに、上記実施の形態では、冷却シンクをソケットを介して印刷基板に電気的に接続される構成の場合で説明したが、最近は、ソケット付きのＣＰＵ（ＣＰＵソケット）が市販されており、本発明のようなクリップばねを取り付けの場合は、ソケットの形を崩さないで使用可能であるため、便利である。
即ち、このようなＣＰＵソケットに本発明を適用することを考えると、冷却シンクは別体としてのソケットを介さず印刷基板に直接、電気的に接続されているとも考えることができる。
従って、本発明は、ソケットの介在の有無を問わず、冷却シンクが電子回路を形成する基板に電気的に接続されている構成において冷却シンクを冷却する構成に対して、本発明が適用できるものと広義に把握することが可能である。
なお、図６、図７に示した第２の実施の形態のものでは、ベースの取付面１３が本体ケース１１に平行に配置される場合を示したが、これに代え、ベースの取付面１３を本体ケース１１の内面に対して垂直に立てて配置した状態、即ち、図７を丁度９０度回転した状態で構成してもよい。
【００３２】
【発明の効果】
本発明は上記のように構成されるから、次に示すような優れた効果を有する。
（１）まず、請求項１に記載の基本構成のものでは、次のような優れた効果がある。
▲１▼冷却シンクや配管を含む冷却システムを電子部品の組付けより先に組み立てることができるため、接続のためのカプラ等の部品を用いる必要がなく、部品点数を削減することができる。
▲２▼金属製のパイプの利用も可能であり、耐久性を高めることができる。
▲３▼冷却シンクと電子部品とは別部材であるため、汎用の電子部品に適用することができる。
▲４▼クリップばねにより電子部品の実装された基板をワンタッチで冷却シンクに取り付けることができるため、固定のための構造が簡単で取付作業も容易である。
▲５▼クリップばねによる固定は弾性的であり、熱膨張による変形も吸収することができ、部品の破損を防ぐことができる。
▲６▼また、ソケット付きのＣＰＵ（ＣＰＵソケット）に対して本発明を適用し、クリップばねにより冷却シンクを取り付けの場合は、ソケットの形を崩さないで使用可能であるため、便利である。
（２）また、請求項２の構成によれば、クリップばねを単一の部品として構成できるため、取付作業が容易で、かつ、部品点数の増加を抑えることができる。
（３）請求項３の構成によれば、ベースと基板とがほぼ平行になるため、全体の厚さを大きくすることなく、コンピュータユニットを薄型化する上で有利である。
（４）請求項４の構成によれば、ベースと基板とを垂直にして冷却シンクの両面にそれぞれ基板を固定することができるため、限られた面積の中でより多くの基板を配置することが可能となる。
（５）請求項５に記載のように発熱性の電子部品が中央演算処理装置（ＣＰＵ）やＬＳＩの場合には、コンピュータの中枢機構であるＣＰＵや各種電子回路に用いられるＬＳＩ素子を有効、適切に冷却するための冷却シンクの取付を簡単、的確に行うことができる。
（６）また、請求項６記載のように、独立して機能するコンピュータユニットを複数積み重ねて使用する業務用サーバーに適用され、前記各コンピュータユニット毎に前記ベースを備え、前記各ベースに、前記冷却シンクが固定される構成とすると、各コンピュータユニットの上下のケースの底面が放熱面として機能するので、高い冷却効果が発揮されるから、適用される業務用サーバに対する冷却が有効、適切に行われる。
（７）さらに、請求項７に記載のように、前記ベースの取付面を水平又は垂直に配置するようにすると、水平に配置した場合には、上記（４）に述べた効果が得られ、また垂直に配置した場合には、上記（３）に述べた場合と同様、コンピュータユニットを薄型化する上で有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は第１の実施の形態に適用される冷却システム全体を示す平面図である。
【図２】図１の冷却システムをコンピュータユニットの本体ケースに組み込み、電子部品が実装されたプリント基板を取り付けた状態を示す平面図である。
【図３】図２のコンピュータユニットの斜視図である。
【図４】図２のコンピュータユニットを１０段積み重ねた状態を示す斜視図である。
【図５】第１の実施の形態にかかる冷却構造の詳細を要部を切断して示す正面図である。
【図６】第２の実施の形態にかかる冷却構造の詳細を要部を切断して示す平面図である。
【図７】図６に示す冷却構造の側面図である。
【符号の説明】
１：冷却シンク
１ａ：冷却面
１ｂ：パイプ孔
１ｃ：取付ねじ
１ｄ：溝
２：パイプ
３ａ、３ｂ、３ｃ：コネクタ
４：ポンプ
５：ラジエータ
６：レシーバタンク
１０：コンピュータユニット
１１：本体ケース
１３：ベース
２０：プリント基板
２１：ＣＰＵ
２２：ソケット
３０：冷却シンク
３０ａ：冷却面
３０ｂ：パイプ孔
３０ｃ：取付ねじ

Claims

発熱性の電子部品に対向させて冷却シンクを配置し、この冷却シンクに冷媒を循環させることにより、前記電子部品を冷却する発熱性の電子部品の冷却構造において、
前記冷却シンクは、ベースに固定され、前記電子部品は、当該電子部品が電気的に接続される基板に固定され、前記電子部品の放熱面を前記冷却シンクの冷却面に対向させた状態で、前記電子部品を前記冷却シンクにクリップばねで固定したことを特徴とする発熱性の電子部品の冷却構造。
前記クリップばねは、前記冷却シンクを両側から挟み込む一対の腕部と、当該腕部の基端を接続する山型の接続部とから成る一体の部品であることを特徴とする請求項１に記載の発熱性の電子部品の冷却構造。
前記冷却シンクは、前記冷却面が、前記ベースの取付面に対してほぼ平行になるよう固定され、前記冷却面に１枚の前記基板が前記取付面とほぼ平行になるよう固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱性の電子部品の冷却構造。
前記冷却シンクは、表裏の両面に前記冷却面を備え、該冷却面が、前記ベースの取付面に対してほぼ垂直になるよう固定され、前記各冷却面に前記基板が１枚ずつ前記取付面とほぼ垂直になるよう固定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱性の電子部品の冷却構造。
前記電子部品は、中央演算処理装置又はＬＳＩ等の半導体素子を含む発熱性の電子部品であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の発熱性の電子部品の冷却構造。
独立して機能するコンピュータユニットを複数積み重ねて使用する業務用サーバーに適用され、前記各コンピュータユニット毎に前記ベースを備え、前記各ベースに、前記冷却シンクが固定されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の発熱性の電子部品の冷却構造。
前記ベースの取付面を水平又は垂直に配置するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の発熱性の電子部品の冷却構造。