JP4223628B2 - 電子機器冷却装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源回路用のトランジスタ等の電子機器を冷却する装置に関する。特には、プレートフィンタイプ放熱器等からなる放熱部と電子機器との間の距離が長くても十分な冷却能力を有し、設計の自由度の高い電子機器冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、電子機器の集積度や搭載密度はますます上がっており、電子機器冷却の効率アップは重要なテーマである。特に、ＩＧＢＴ（インシュレーティッド・ゲート型バイポーラ・トランジスタ）等のいわゆるパワーＩＣは、単なる信号伝達だけのものでなく他の機器に駆動電源をも供給するものであるので発熱量が大である。したがって、その冷却は容易なことではない。
【０００３】
図１０は、従来の空冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す斜視図である。
この例では電子機器（素子等、図示されず）を搭載するプリント基板５１９が４枚平行に並べられている。基板５１９の上下端には、プレートフィンタイプ放熱器（放熱部）５１１、５１５が配置されている。各プレートフィンタイプ放熱器５１１、５１５はハニカム状の通風孔５１１ａ、５１５ａを有し、図の矢印のように風が送られている。基板５１９上の素子の発する熱の大部分は、基板５１９を伝わり、プレートフィンタイプ放熱器５１１、５１５に伝わり放熱される。なお、基板５１９内の熱伝導を高くするために、アルミニウム材を基板中に埋め込んでいるものもある。
【０００４】
図１０の従来の電子機器冷却装置にあっては、プレートフィンタイプ放熱器を基板の周りに接して配置しなければならない。そのため、設計の自由度に乏しいとともに、プレートフィンタイプ放熱器の体積が大で装置全体が大型化する。
また、冷却能力を増大させたいときには、冷却装置全体のサイズに制限がある場合、ほとんどの場合機体システム側に放熱器入口空気温度を下げることを要求できる可能性が少なく、さらに放熱器単体効率の向上には限界があるため、空気流量を増大する（ファンの大型化または回転数の増大等）対処が必要になる。空気流量増大が見込めない条件下では、放熱器の体積が増加せざるを得ず、装置全体が大型化する。すなわち、以上３例のように、設計の自由度が乏しいことになる。
【０００５】
図１１は、従来の水冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面断面図である。
この例では、基板６１９の周りに水冷熱交換器６１１が配置されている。水冷熱交換器６１１内には、ハニカム状の通水路６１１ａが設けられており冷却水（液）が流れる。
【０００６】
図１１の水冷式の電子機器冷却装置は、図１０の空冷式の電子機器冷却装置よりも熱交換器の伝熱量が大きく冷却性能が高い。しかしながら、この水冷式の電子機器冷却装置は、冷却水の循環管路や熱交換器等の水冷設備が必要である。そのため、空冷式に比較して装置が複雑化・大型化し、システム構成要素もより多くなるため、冷却装置を含めた水冷設備全体システムが複雑になる等の問題が生じる。
また、冷却能力を増大させたい時には、冷却装置全体のサイズに制限がある場合、殆どの場合放熱器入口冷却水温度を下げることを機体システム側に要求できる可能性が少なく、更に放熱器単体効率の向上には限界があるため、冷媒循環流量を増大する（循環ポンプの大型化または回転数増大等）対処が必要になる。また、冷媒循環流量増大が見込めない条件下では、熱交換器の体積が増加せざるを得ず。装置全体が大型化する。即ち、空冷同様に設計の自由度が乏しいことになる。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、プレートフィンタイプ放熱器等の放熱部と電子機器の間の距離が長くても十分な冷却能力を有し、設計の自由度を高めることのできる電子機器冷却装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
上記課題を解決するため、本発明のベースとなる電子機器冷却装置は、 電子機器又は該電子機器を搭載する基板を冷却する装置であって、 空冷又は液冷の放熱部と、上記電子機器又は基板と放熱部との間で熱輸送を行う蛇行細管ヒートパイプと、 を具備することを特徴とする。
【０００９】
蛇行細管ヒートパイプの熱輸送量はきわめて大きく、かつ熱を遠くまで低熱抵抗で送ることができるので、電子機器又はそれを搭載する基板と放熱部との距離が長くなっても、電子機器等の温度上昇を抑制できる。そのため、基板と放熱部とを離すことも可能となるので、電子機器の配置及び放熱部の配置の自由度が上がり、さまざまな形態の装置を設計・製作できる。また、より高密度の電子機器（素子等）の実装を行うことができ、装置の小型化を達成できる。
【００１０】
ここで、蛇行細管ヒートパイプとは、以下の特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１９００９０号参照）。
（１）細管の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（２）細管のある部分は受熱部、他のある部分は放熱部となっている。
（３）受熱部と放熱部が交互に配設されており、両部の間を細管が蛇行している。
（４）細管内には２相凝縮性作動流体が封入されている。
（５）細管の内壁は、上記作動流体が常に管内を閉塞した状態のままで循環又は移動することが出来る最大直径以下の直径である。
【００１１】
このような蛇行細管ヒートパイプの例は、特開平４−１９００９０号、特開平７−６３４８７号、特開平９−４９６９２号に開示されている。このうち、後者２件は、蛇行細管が比較的薄い平板の中に作り込まれており（プレート型ヒートパイプという）、基板及び放熱部（プレートフィンタイプ放熱器等）との接続部の設計・組立が楽である。さらに、特開平９−４９６９２号に開示されているプレート型ヒートパイプは、素材として多数の小孔を有するアウミニウム押し出し材を使用するので、材料費・加工費が低減できる特質がある。
【００１２】
本発明の電子機器冷却装置においては、 上記放熱部が、外形が平板状の外形を有する放熱フィンの集合体（プレートフィンタイプ放熱器）からなり、 上記蛇行細管ヒートパイプが、平板状の外形を有するプレート型ヒートパイプであり、 上記放熱部に対して上記蛇行細管ヒートパイプが沿うように接続されていることが好ましい。
【００１３】
放熱部に対して蛇行細管ヒートパイプが沿うように接続されているので、ヒートパイプと放熱部との接触面積を広くとれ、両者の接触部における熱抵抗を低減できる。
なお、プレートフィンタイプ放熱器の替わりに、ティーエスヒートロニクス社製の剣山形ヒートシンク（特開平５−３１５４８２）を用いてもよい。
【００１４】
本発明の電子機器冷却装置は、 並んで配列されている複数の電子機器搭載基板を冷却する装置であって、 空冷又は液冷のプレートフィンタイプ放熱器と、 上記基板の端面と放熱部との間で熱輸送を行うプレート型の蛇行細管ヒートパイプと、 を具備し、 全体として四角い箱の形をしており、 上記蛇行細管ヒートパイプが、電子機器冷却装置の左右の側壁を構成する部分、及び、該側壁の一端から折れ曲がった部分であって上記放熱部に沿うように接続される部分、を有し、 上記側壁を構成するプレート型蛇行細管ヒートパイプ側壁の内側に、上記基板を固定するブラケットが取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
この態様の電子機器冷却装置では、電子機器を搭載する基板と放熱部との距離が長くなっても、電子機器の温度上昇を抑制できるため、電子機器等の搭載密度を向上しつつ十分に冷却できる。
【００１６】
本発明の電子機器冷却装置においては、上記放熱部と蛇行細管ヒートパイプとの接続部（接触面）における熱抵抗が０．００１℃/W〜３．００℃/Wであり、同部の熱流束が０．０１W/cm2 〜３０W/cm2 であることが好ましい。
このような範囲において、ヒートパイプと放熱部との接触部における温度上昇を一定以下としつつ、かつ十分な熱輸送を実現できる。同部におけるより好ましい熱抵抗の範囲は、０．０１℃/W〜０．５０℃/Wであり、熱流束の範囲は０．０１W/cm2 〜１０W/cm2 である。
【００１７】
本発明の電子機器冷却装置においては、上記基板の端面と蛇行細管ヒートパイプの接触面における熱抵抗が０．００１℃/W〜３．００℃/Wであり、同部の熱流束が０．０１W/cm2 〜３０W/cm2 であることが好ましい。
このような範囲において、基板の端面と蛇行細管ヒートパイプの接触面における温度上昇を一定以下としつつ、かつ十分な熱輸送を実現できる。同部におけるより好ましい熱抵抗の範囲は、０．０１℃/W〜０．５０℃/Wであり、熱流束の範囲は０．０１W/cm2 〜１０W/cm2 である。
【００１８】
本発明の電子機器冷却装置においては、上記基板の端面とプレート型蛇行細管ヒートパイプとの間に基板を固定するブラケットが設けられており、このブラケットがヒートパイプに対してビス及び半田付けにより固定されていることが好ましい。
基板のヒートパイプに対する取り付け強度を十分に確保しつつ基板からヒートパイプの熱伝導を良くすることができる。
【００１９】
本発明の電子機器冷却装置においては、 上記蛇行細管ヒートパイプと
プレートフィンタイプ放熱器とがネジ締結により固定されており、 上記プレートフィンタイプ放熱器にネジ孔（メネジ）が形成されており、 このメネジが、同熱交換器に挿入されたロックインサート中に形成されていることが好ましい。
【００２０】
この種の冷却装置の材料として、熱伝導率及び加工性が良くかつ軽いアルミニウム（及びその合金）が用いられることが多い。しかし通常のアルミニウムは比較的軟らかく、メネジを切ったときにそのメネジが損傷しやすい。その場合、他部品との組み立て部を強固に締め合わせることができなくなる。そうすると、両部品間の熱伝導が悪くなって有害な熱抵抗を生むこととなる。そこで、プレートフィンタイプ放熱器にロックインサートを挿入してそこにメネジを形成することにより強固にネジ締結を行い、蛇行細管ヒートパイプとプレートフィンタイプ放熱器とをしっかりと接触させるようにして有害な熱抵抗を極力排除するのである。
【００２１】
本発明に関連する電子機器冷却装置は、 空冷又は液冷の放熱部と、 上記基板と上記放熱部との間で熱輸送を行うプレート型の蛇行細管ヒートパイプと、を具備し、 上記蛇行細管ヒートパイプが、基板の面に沿うように貼り付けられていることを特徴とする。
この場合、基板の熱をすぐ裏にあるヒートパイプが取り去るので、基板内を長い距離に渡って熱輸送する必要がない。そのため、特に冷却機能に優れる。
【００２２】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は全体の斜視図であり、（Ｂ）はブラケットとヒートパイプとの詳細を拡大して示す断面図である。
この電子機器冷却装置１は、全体として四角い箱の形をしており、フタ１１、プレート型ヒートパイプ１３、プレートフィンタイプ放熱器２１等の主要な部分を有する。図１（Ａ）の高さ（Ｈ）方向を上下と呼び、幅（Ｂ）方向を左右といい、奥行き（Ｌ）方向を前後という。
【００２３】
フタ１１は、アルミ材等からなる平板で、図の左右のヒートパイプ１３（側壁１３ｂ）の上端部の間に掛け渡されている。このフタ１１は内部機器保護のためのものである。
【００２４】
ヒートパイプ１３は、電子機器冷却装置１の左右の側壁を構成している。ヒートパイプ１３は、アルミニウム等からなる比較的薄い平板であって、ループをなす蛇行細管１３ｃが内部に形成されている。この蛇行細管１３ｃ内には、フロン（ＨＣＦＣ−１２３、ＨＦＣ−１３４ａ等）、水、ブタン等の熱媒体が封入されている。このようなプレート型ヒートパイプの詳細例は、特開平７−６３４８７号や特開平９−４９６９２号に開示されている。
【００２５】
ヒートパイプ１３は、側面形状がＬ字形をしている。すなわち、ヒートパイプ１３は、電子機器冷却装置１の側壁をなす側辺（側壁１３ｂ）と、同辺に対して直角につながる底辺（接続部１３ａ）とを有する。接続部１３ａの下面は、プレートフィンタイプ放熱器２１の上面に沿って接している。蛇行細管１３ｃは、側壁１３ｂ及び接続部１３ａ内に、両者の間を行ったり来たりするように蛇行している。
【００２６】
ヒートパイプ側壁１３ｂの内側には、図１（Ｂ）に拡大して示すようにブラケット１５が取り付けられている。ブラケット１５は、横方向に口の開いたコの字状断面を有する部材である。ブラケット１５は、ヒートパイプ１３の奥行き（Ｌ）方向に延びており、その長さはＬとほぼ同じである。
【００２７】
ブラケット１５は、ヒートパイプ１３に対してビス３１及びハンダ３３で止まっている。ビス３１はブラケット１５のコの字状の底面を貫通してヒートパイプ１３にネジ込まれている。なお、ヒートパイプ１３のネジ穴は蛇行細管１３ｃから外れた位置に形成されている。ハンダ３３は、ブラケット１５の両側面の隅に付けられている。このような固定方法により、ブラケット１５の位置決めと高熱伝導を確保している。なお、ハンダ３３の材質は、例えばヒートパイプ母材アルミ（Ａ１１００）の場合は、アルミ半田である。
【００２８】
図１（Ａ）に示すように、ブラケット１５の内部には、基板１９の端部が入り込んでおり、同端部の上にはウェッジクランプ１７が配置されている。基板１９上には、図示省略されているがパワートンラジスタや抵抗器等の素子が配置されている。この図では４枚基板１９が、左右のヒートパイプ側壁１３ｂ間を掛け渡すように、並列に配置されている。
ウェッジクランプ１７は、くさびとそれを動かすネジ（いずれも図示されず）からなり、基板１９端部をブラケット１５の内面に押し付けるものである。ウェッジクランプ１７はこの種の電子機器冷却装置では一般的なものであって、例えば、ＥＧ＆Ｇ社製のＷｅｄｇｅ−ＬＯＫ等を使用できる。
【００２９】
基板１９を取り付けるときはウェッジクランプ１７を緩めて図の手前から奥方向に基板１９を差し込む。その後ウェッジクランプ１７を締めて基板１９の端部をブラケット１５の内面に押し付ける。これにより、基板１９の端部とブラケット１５間の良好な熱伝導を確保できる。
【００３０】
プレートフィンタイプ放熱器（放熱部）２１は、内部にハニカム状の多数の通気孔２１ａを有する。この通気孔２１ａは図の左右方向に延びており、左右端面に開口している。通気孔２１ａに風を通してこの電子機器冷却装置を冷却する。プレートフィンタイプ放熱器２１は、通常、アルミの薄肉シート材（Ａ３００３等）を波状に折り連ねて熱交換フィンとして用いる。
【００３１】
図２は、プレートフィンタイプ放熱器とヒートパイプとの接続部の詳細を拡大して示す正面断面図である。ヒートパイプ１３のＬ字形の底辺である接続部１３ａは、熱交換器２１の上面に接している。そして両者はボルト３５で締め付けられている。
【００３２】
熱交換器２１側のメネジ３７ａは、ロックインサート３７の中に形成されている。ロックインサート３７は、ステンレス鋼等の比較的硬い材料からなり、内面にメネジ３７ａを有する中空円筒状のものである。ロックインサート３７は、熱交換器２１中の穴に、自身のスプリング力とオネジ部との摩擦等により固定されている。このロックインサート３７があるため、メネジ３７ａの強度を高めることができ、ボルト３５を強固に締め付けることができる。その結果、ヒートパイプ接続部１３ａと熱交換器２１との接触が密となって両者間の熱抵抗を下げることができる。なお、ヒートパイプ接続部１３ａと熱交換器２１の上面の間には、高熱伝導グリース（例えば、Ｅｍｅｒｓｏｎ＆Ｃｕｍｉｎｇ社製ＳＴＹＣＡＳＴ９１０−５０−４０）や高熱伝導シート（例えば、Ｃｏｍｅｒｉｃｓ社製ＴＨＥＲＭＡＴＴＡＣＨ ＴＡＰＥ）を挟むこともできる。また、高熱伝導ゲル（例えば、鈴木操業のＳｉゲル）を挟んで、接合面の凸凹から空気層を無くし密着性を高めることもできる。
【００３３】
図１の電子機器冷却装置では、基板１９上の素子（図示されず）から出る熱が基板１９に伝わり、その熱は基板１９を左右方向に伝わってブラケット１５に伝わる。さらに熱はブラケット１５からヒートパイプ側壁１３ｂに伝わり、ヒートパイプ１３中を経て、ヒートパイプ接続部１３ａから熱交換器２１に伝わる。熱交換器２１は空冷されており、熱を大気中に放熱する。
【００３４】
このとき、ヒートパイプ１３中では熱媒体が側壁１３ｂで蒸発し、接続部１３ａで凝縮する。熱媒体は、ヒートパイプ１３中の蛇行細管を循環する。この熱媒体の蒸発・凝縮に伴う熱輸送はきわめて効率的であり、ヒートパイプ１３内を低い熱抵抗で長い距離に渡って熱を輸送できる。なお、通常、ヒートパイプ１３の厚さは０．５〜１５mm、蛇行細管の径は０．２〜１０mm、蛇行細管のピッチは０．３〜２０mm、熱抵抗は０．０１〜２．００℃/W程度である。
【００３５】
図３は、本実施例の電子機器冷却装置の基本設計のフローチャートである。まず客先仕様が与えられる（Ｓ１）。客先仕様は、基板の発熱量、基板の寸法・枚数、電子機器冷却装置の寸法、放熱部の寸法、通風（水）量、気温・水温等を含む。
【００３６】
これに基づいて、電子機器冷却装置の形状（一次）を決定する（Ｓ２）。また熱負荷を算出する（Ｓ３）。次に、各部の熱流束を算出する（Ｓ４）とともに放熱部の形状等を設計する（Ｓ５）。
熱流束については、判定１（Ｓ６）において、好ましい範囲（前述）となっているか否かを判定する。この判定がＮＯの場合、Ｓ２に戻って電子機器冷却装置の形状を修正する。放熱部の設計についても判定２（Ｓ７）において、 か否かを判定する。この判定がＮＯの場合、Ｓ５に戻って放熱部の諸元、形状を修正する。
【００３７】
Ｓ６、Ｓ７の判定がいずれもＹＥＳの場合、次に電子機器冷却装置の詳細部分の検討を行い（Ｓ８）、次いで各部の熱抵抗を算出する（Ｓ９）。次にこの熱抵抗が好ましい範囲（前述）に入っているか否かを判定する（Ｓ１０）。この判定がＮＯの場合、Ｓ２に戻って設計をやり直す。判定がＹＥＳの場合はこれで本設計修了である（Ｓ１１）。
【００３８】
図４は、本実施例の電子機器冷却装置の熱伝導モデル（各部の熱抵抗）を示す図である。図中の記号は以下の意味である。
Ｒ１−２：基板の中央から端部までの間の熱抵抗
Ｒ２−３：基板端部及びウェッジクランプとブラケット間の熱抵抗
Ｒ３−４：ブラケットとヒートパイプ側壁の間の熱抵抗
Ｒ４−５：ヒートパイプ側壁内の熱抵抗
Ｒ５−５：ヒートパイプ側壁内の熱抵抗
Ｒ５−６：ヒートパイプ接続部内の熱抵抗
Ｒ６−７：ヒートパイプ接続部とプレートフィンタイプ放熱器間の熱抵抗
Ｒ７−８：プレートフィンタイプ放熱器内の熱抵抗
Ｒ０−８：冷却空気流の熱抵抗
【００３９】
図５は、本実施例の電子機器冷却装置における熱抵抗の計算例を示すグラフである。横軸は熱抵抗〔℃/W〕を示し、縦軸は温度上昇を示す。破線は本実施例の電子機器冷却装置の特性を表し、実線は比較例の特性を示す。比較例は、実施例のヒートパイプを同じ寸法のアルミニウムの板で置き換えたものである。
【００４０】
図に示すように、本実施例ではトータルの熱抵抗が小さく（約１．１℃/W）、基板の温度上昇も低い（約４０℃→１５４℃、１１４℃上昇）。一方、比較例ではトータルの熱抵抗が大きく（約２．１℃/W）、基板の温度上昇も高い（約４０℃→２９５℃、２５５℃上昇）。この原因は、ヒートパイプ内の熱抵抗が約０．１℃/Wときわめて低いのに対して、アルミニウム板内の熱抵抗が約０．９℃/Wと大きいためである。このように、本実施例の電子機器冷却装置は、高効率の熱輸送を行うことができ、基板や素子を有効に冷却することができる。
【００４１】
図６は、本発明の他の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面図である。この電子機器冷却装置１０１では、ヒートパイプ１１３の接続部１１３ａを、熱交換器１２１の幅の全面に渡って設けている。これにより、両者の間の熱抵抗をさらに下げることができる。なお、符号１１９はプリント基板である。
【００４２】
図７は、本発明の変形例を模式的に示す図である。
この例では、素子２２０を搭載する基板２１９の下面全面にプレート型ヒートパイプ２１４を沿わせるように貼っている。
この場合、基板２１９の熱をすぐ裏にあるヒートパイプ２１４が取り去るので、基板２１９内を長い距離に渡って熱輸送する必要がない。そのため、特に冷却機能に優れる。
【００４３】
図８は、図７の変形例を模式的に示す図である。
この例では基板３１４そのものをヒートパイプで構成している。この場合には、基板とヒートパイプ間の熱抵抗もなくなるのでさらに熱抵抗が下がる。
【００４４】
図９は、図８のヒートパイプ製基板を有する電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。
この例では、基板４１４を全てヒートパイプ製としている。そして、ヒートパイプ側壁４１３を介してプレートフィンタイプ放熱器（放熱部）４２１に熱を伝えている。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、プレートフィンタイプ放熱器等の放熱部と電子機器との間の距離が長くても十分な冷却能力を有し、設計の自由度を高めることができる電子機器冷却装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は全体の斜視図であり、（Ｂ）はブラケットとヒートパイプとの接続部の詳細を拡大して示す断面図である。
【図２】プレートフィンタイプ放熱器とヒートパイプとの接続部の詳細を拡大して示す正面断面図である。
【図３】本実施例の電子機器冷却装置の基本設計のフローチャートである。
【図４】本実施例の電子機器冷却装置の熱伝導モデル（各部の熱抵抗）を示す図である。
【図５】本実施例の電子機器冷却装置における熱抵抗の計算例を示すグラフである。
【図６】本発明の他の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図７】本発明の変形例を模式的に示す図である。
【図８】図７の変形例を模式的に示す図である。
【図９】図８のヒートパイプ製基板を有する電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。
【図１０】従来の空冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】従来の水冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面断面図である。
【符号の説明】
１ 電子機器冷却装置 １１ フタ
１３ プレート型ヒートパイプ １３ａ 接続部
１３ｂ 側壁 １３ｃ 蛇行細管
１５ ブラケット １７ ウェッジクランプ
１９ プリント基板
２１ プレートフィンタイプ放熱器 ２１ａ 通気孔
３１ ビス ３３ ハンダ
３５ ボルト ３５ａ オネジ
３７ ロックインサート ３７ａ メネジ
１１３ ヒートパイプ １１３ａ 接続部
１１９ プリント基板 １２１ 熱交換器
２１４ プレート型ヒートパイプ ２１９ 基板
２２０ 素子 ３１４ 基板
４１３ ヒートパイプ側壁 ４１４ 基板
４２１ プレートフィンタイプ放熱器
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源回路用のトランジスタ等の電子機器を冷却する装置に関する。特には、プレートフィンタイプ放熱器等からなる放熱部と電子機器との間の距離が長くても十分な冷却能力を有し、設計の自由度の高い電子機器冷却装置に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、電子機器の集積度や搭載密度はますます上がっており、電子機器冷却の効率アップは重要なテーマである。特に、ＩＧＢＴ（インシュレーティッド・ゲート型バイポーラ・トランジスタ）等のいわゆるパワーＩＣは、単なる信号伝達だけのものでなく他の機器に駆動電源をも供給するものであるので発熱量が大である。したがって、その冷却は容易なことではない。
【０００３】
図１０は、従来の空冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す斜視図である。
この例では電子機器（素子等、図示されず）を搭載するプリント基板５１９が４枚平行に並べられている。基板５１９の上下端には、プレートフィンタイプ放熱器（放熱部）５１１、５１５が配置されている。各プレートフィンタイプ放熱器５１１、５１５はハニカム状の通風孔５１１ａ、５１５ａを有し、図の矢印のように風が送られている。基板５１９上の素子の発する熱の大部分は、基板５１９を伝わり、プレートフィンタイプ放熱器５１１、５１５に伝わり放熱される。なお、基板５１９内の熱伝導を高くするために、アルミニウム材を基板中に埋め込んでいるものもある。
【０００４】
図１０の従来の電子機器冷却装置にあっては、プレートフィンタイプ放熱器を基板の周りに接して配置しなければならない。そのため、設計の自由度に乏しいとともに、プレートフィンタイプ放熱器の体積が大で装置全体が大型化する。
また、冷却能力を増大させたいときには、冷却装置全体のサイズに制限がある場合、ほとんどの場合機体システム側に放熱器入口空気温度を下げることを要求できる可能性が少なく、さらに放熱器単体効率の向上には限界があるため、空気流量を増大する（ファンの大型化または回転数の増大等）対処が必要になる。空気流量増大が見込めない条件下では、放熱器の体積が増加せざるを得ず、装置全体が大型化する。すなわち、以上３例のように、設計の自由度が乏しいことになる。
【０００５】
図１１は、従来の水冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面断面図である。
この例では、基板６１９の周りに水冷熱交換器６１１が配置されている。水冷熱交換器６１１内には、ハニカム状の通水路６１１ａが設けられており冷却水（液）が流れる。
【０００６】
図１１の水冷式の電子機器冷却装置は、図１０の空冷式の電子機器冷却装置よりも熱交換器の伝熱量が大きく冷却性能が高い。しかしながら、この水冷式の電子機器冷却装置は、冷却水の循環管路や熱交換器等の水冷設備が必要である。そのため、空冷式に比較して装置が複雑化・大型化し、システム構成要素もより多くなるため、冷却装置を含めた水冷設備全体システムが複雑になる等の問題が生じる。
また、冷却能力を増大させたい時には、冷却装置全体のサイズに制限がある場合、殆どの場合放熱器入口冷却水温度を下げることを機体システム側に要求できる可能性が少なく、更に放熱器単体効率の向上には限界があるため、冷媒循環流量を増大する（循環ポンプの大型化または回転数増大等）対処が必要になる。また、冷媒循環流量増大が見込めない条件下では、熱交換器の体積が増加せざるを得ず。装置全体が大型化する。即ち、空冷同様に設計の自由度が乏しいことになる。
【０００７】
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたもので、プレートフィンタイプ放熱器等の放熱部と電子機器の間の距離が長くても十分な冷却能力を有し、設計の自由度を高めることのできる電子機器冷却装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び発明の実施の形態】
上記課題を解決するため、本発明のベースとなる電子機器冷却装置は、 電子機器又は該電子機器を搭載する基板を冷却する装置であって、 空冷又は液冷の放熱部と、上記電子機器又は基板と放熱部との間で熱輸送を行う蛇行細管ヒートパイプと、 を具備することを特徴とする。
【０００９】
蛇行細管ヒートパイプの熱輸送量はきわめて大きく、かつ熱を遠くまで低熱抵抗で送ることができるので、電子機器又はそれを搭載する基板と放熱部との距離が長くなっても、電子機器等の温度上昇を抑制できる。そのため、基板と放熱部とを離すことも可能となるので、電子機器の配置及び放熱部の配置の自由度が上がり、さまざまな形態の装置を設計・製作できる。また、より高密度の電子機器（素子等）の実装を行うことができ、装置の小型化を達成できる。
【００１０】
ここで、蛇行細管ヒートパイプとは、以下の特性を有するヒートパイプのことである（特開平４−１９００９０号参照）。
（１）細管の両端末が相互に流通自在に連結されて密閉されている。
（２）細管のある部分は受熱部、他のある部分は放熱部となっている。
（３）受熱部と放熱部が交互に配設されており、両部の間を細管が蛇行している。
（４）細管内には２相凝縮性作動流体が封入されている。
（５）細管の内壁は、上記作動流体が常に管内を閉塞した状態のままで循環又は移動することが出来る最大直径以下の直径である。
【００１１】
このような蛇行細管ヒートパイプの例は、特開平４−１９００９０号、特開平７−６３４８７号、特開平９−４９６９２号に開示されている。このうち、後者２件は、蛇行細管が比較的薄い平板の中に作り込まれており（プレート型ヒートパイプという）、基板及び放熱部（プレートフィンタイプ放熱器等）との接続部の設計・組立が楽である。さらに、特開平９−４９６９２号に開示されているプレート型ヒートパイプは、素材として多数の小孔を有するアウミニウム押し出し材を使用するので、材料費・加工費が低減できる特質がある。
【００１２】
本発明の電子機器冷却装置においては、 上記放熱部が、外形が平板状の外形を有する放熱フィンの集合体（プレートフィンタイプ放熱器）からなり、 上記蛇行細管ヒートパイプが、平板状の外形を有するプレート型ヒートパイプであり、 上記放熱部に対して上記蛇行細管ヒートパイプが沿うように接続されていることが好ましい。
【００１３】
放熱部に対して蛇行細管ヒートパイプが沿うように接続されているので、ヒートパイプと放熱部との接触面積を広くとれ、両者の接触部における熱抵抗を低減できる。
なお、プレートフィンタイプ放熱器の替わりに、ティーエスヒートロニクス社製の剣山形ヒートシンク（特開平５−３１５４８２）を用いてもよい。
【００１４】
本発明の電子機器冷却装置は、 並んで配列されている複数の電子機器搭載基板を冷却する装置であって、 空冷又は液冷のプレートフィンタイプ放熱器と、 上記基板の端面と放熱部との間で熱輸送を行うプレート型の蛇行細管ヒートパイプと、 を具備し、 全体として四角い箱の形をしており、 上記蛇行細管ヒートパイプが、電子機器冷却装置の左右の側壁を構成する部分、及び、該側壁の一端から折れ曲がった部分であって上記放熱部に沿うように接続される部分、を有し、 上記側壁を構成するプレート型蛇行細管ヒートパイプ側壁の内側に、上記基板を固定するブラケットが取り付けられていることを特徴とする。
【００１５】
この態様の電子機器冷却装置では、電子機器を搭載する基板と放熱部との距離が長くなっても、電子機器の温度上昇を抑制できるため、電子機器等の搭載密度を向上しつつ十分に冷却できる。
【００１６】
本発明の電子機器冷却装置においては、上記放熱部と蛇行細管ヒートパイプとの接続部（接触面）における熱抵抗が０．００１℃/W〜３．００℃/Wであり、同部の熱流束が０．０１W/cm2 〜３０W/cm2 であることが好ましい。
このような範囲において、ヒートパイプと放熱部との接触部における温度上昇を一定以下としつつ、かつ十分な熱輸送を実現できる。同部におけるより好ましい熱抵抗の範囲は、０．０１℃/W〜０．５０℃/Wであり、熱流束の範囲は０．０１W/cm2 〜１０W/cm2 である。
【００１７】
本発明の電子機器冷却装置においては、上記基板の端面と蛇行細管ヒートパイプの接触面における熱抵抗が０．００１℃/W〜３．００℃/Wであり、同部の熱流束が０．０１W/cm2 〜３０W/cm2 であることが好ましい。
このような範囲において、基板の端面と蛇行細管ヒートパイプの接触面における温度上昇を一定以下としつつ、かつ十分な熱輸送を実現できる。同部におけるより好ましい熱抵抗の範囲は、０．０１℃/W〜０．５０℃/Wであり、熱流束の範囲は０．０１W/cm2 〜１０W/cm2 である。
【００１８】
本発明の電子機器冷却装置においては、上記基板の端面とプレート型蛇行細管ヒートパイプとの間に基板を固定するブラケットが設けられており、このブラケットがヒートパイプに対してビス及び半田付けにより固定されていることが好ましい。
基板のヒートパイプに対する取り付け強度を十分に確保しつつ基板からヒートパイプの熱伝導を良くすることができる。
【００１９】
本発明の電子機器冷却装置においては、 上記蛇行細管ヒートパイプと
プレートフィンタイプ放熱器とがネジ締結により固定されており、 上記プレートフィンタイプ放熱器にネジ孔（メネジ）が形成されており、 このメネジが、同熱交換器に挿入されたロックインサート中に形成されていることが好ましい。
【００２０】
この種の冷却装置の材料として、熱伝導率及び加工性が良くかつ軽いアルミニウム（及びその合金）が用いられることが多い。しかし通常のアルミニウムは比較的軟らかく、メネジを切ったときにそのメネジが損傷しやすい。その場合、他部品との組み立て部を強固に締め合わせることができなくなる。そうすると、両部品間の熱伝導が悪くなって有害な熱抵抗を生むこととなる。そこで、プレートフィンタイプ放熱器にロックインサートを挿入してそこにメネジを形成することにより強固にネジ締結を行い、蛇行細管ヒートパイプとプレートフィンタイプ放熱器とをしっかりと接触させるようにして有害な熱抵抗を極力排除するのである。
【００２１】
本発明に関連する電子機器冷却装置は、 空冷又は液冷の放熱部と、 上記基板と上記放熱部との間で熱輸送を行うプレート型の蛇行細管ヒートパイプと、を具備し、 上記蛇行細管ヒートパイプが、基板の面に沿うように貼り付けられていることを特徴とする。
この場合、基板の熱をすぐ裏にあるヒートパイプが取り去るので、基板内を長い距離に渡って熱輸送する必要がない。そのため、特に冷却機能に優れる。
【００２２】
以下、図面を参照しつつ説明する。
図１は本発明の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は全体の斜視図であり、（Ｂ）はブラケットとヒートパイプとの詳細を拡大して示す断面図である。
この電子機器冷却装置１は、全体として四角い箱の形をしており、フタ１１、プレート型ヒートパイプ１３、プレートフィンタイプ放熱器２１等の主要な部分を有する。図１（Ａ）の高さ（Ｈ）方向を上下と呼び、幅（Ｂ）方向を左右といい、奥行き（Ｌ）方向を前後という。
【００２３】
フタ１１は、アルミ材等からなる平板で、図の左右のヒートパイプ１３（側壁１３ｂ）の上端部の間に掛け渡されている。このフタ１１は内部機器保護のためのものである。
【００２４】
ヒートパイプ１３は、電子機器冷却装置１の左右の側壁を構成している。ヒートパイプ１３は、アルミニウム等からなる比較的薄い平板であって、ループをなす蛇行細管１３ｃが内部に形成されている。この蛇行細管１３ｃ内には、フロン（ＨＣＦＣ−１２３、ＨＦＣ−１３４ａ等）、水、ブタン等の熱媒体が封入されている。このようなプレート型ヒートパイプの詳細例は、特開平７−６３４８７号や特開平９−４９６９２号に開示されている。
【００２５】
ヒートパイプ１３は、側面形状がＬ字形をしている。すなわち、ヒートパイプ１３は、電子機器冷却装置１の側壁をなす側辺（側壁１３ｂ）と、同辺に対して直角につながる底辺（接続部１３ａ）とを有する。接続部１３ａの下面は、プレートフィンタイプ放熱器２１の上面に沿って接している。蛇行細管１３ｃは、側壁１３ｂ及び接続部１３ａ内に、両者の間を行ったり来たりするように蛇行している。
【００２６】
ヒートパイプ側壁１３ｂの内側には、図１（Ｂ）に拡大して示すようにブラケット１５が取り付けられている。ブラケット１５は、横方向に口の開いたコの字状断面を有する部材である。ブラケット１５は、ヒートパイプ１３の奥行き（Ｌ）方向に延びており、その長さはＬとほぼ同じである。
【００２７】
ブラケット１５は、ヒートパイプ１３に対してビス３１及びハンダ３３で止まっている。ビス３１はブラケット１５のコの字状の底面を貫通してヒートパイプ１３にネジ込まれている。なお、ヒートパイプ１３のネジ穴は蛇行細管１３ｃから外れた位置に形成されている。ハンダ３３は、ブラケット１５の両側面の隅に付けられている。このような固定方法により、ブラケット１５の位置決めと高熱伝導を確保している。なお、ハンダ３３の材質は、例えばヒートパイプ母材アルミ（Ａ１１００）の場合は、アルミ半田である。
【００２８】
図１（Ａ）に示すように、ブラケット１５の内部には、基板１９の端部が入り込んでおり、同端部の上にはウェッジクランプ１７が配置されている。基板１９上には、図示省略されているがパワートンラジスタや抵抗器等の素子が配置されている。この図では４枚基板１９が、左右のヒートパイプ側壁１３ｂ間を掛け渡すように、並列に配置されている。
ウェッジクランプ１７は、くさびとそれを動かすネジ（いずれも図示されず）からなり、基板１９端部をブラケット１５の内面に押し付けるものである。ウェッジクランプ１７はこの種の電子機器冷却装置では一般的なものであって、例えば、ＥＧ＆Ｇ社製のＷｅｄｇｅ−ＬＯＫ等を使用できる。
【００２９】
基板１９を取り付けるときはウェッジクランプ１７を緩めて図の手前から奥方向に基板１９を差し込む。その後ウェッジクランプ１７を締めて基板１９の端部をブラケット１５の内面に押し付ける。これにより、基板１９の端部とブラケット１５間の良好な熱伝導を確保できる。
【００３０】
プレートフィンタイプ放熱器（放熱部）２１は、内部にハニカム状の多数の通気孔２１ａを有する。この通気孔２１ａは図の左右方向に延びており、左右端面に開口している。通気孔２１ａに風を通してこの電子機器冷却装置を冷却する。プレートフィンタイプ放熱器２１は、通常、アルミの薄肉シート材（Ａ３００３等）を波状に折り連ねて熱交換フィンとして用いる。
【００３１】
図２は、プレートフィンタイプ放熱器とヒートパイプとの接続部の詳細を拡大して示す正面断面図である。ヒートパイプ１３のＬ字形の底辺である接続部１３ａは、熱交換器２１の上面に接している。そして両者はボルト３５で締め付けられている。
【００３２】
熱交換器２１側のメネジ３７ａは、ロックインサート３７の中に形成されている。ロックインサート３７は、ステンレス鋼等の比較的硬い材料からなり、内面にメネジ３７ａを有する中空円筒状のものである。ロックインサート３７は、熱交換器２１中の穴に、自身のスプリング力とオネジ部との摩擦等により固定されている。このロックインサート３７があるため、メネジ３７ａの強度を高めることができ、ボルト３５を強固に締め付けることができる。その結果、ヒートパイプ接続部１３ａと熱交換器２１との接触が密となって両者間の熱抵抗を下げることができる。なお、ヒートパイプ接続部１３ａと熱交換器２１の上面の間には、高熱伝導グリース（例えば、Ｅｍｅｒｓｏｎ＆Ｃｕｍｉｎｇ社製ＳＴＹＣＡＳＴ９１０−５０−４０）や高熱伝導シート（例えば、Ｃｏｍｅｒｉｃｓ社製ＴＨＥＲＭＡＴＴＡＣＨ ＴＡＰＥ）を挟むこともできる。また、高熱伝導ゲル（例えば、鈴木操業のＳｉゲル）を挟んで、接合面の凸凹から空気層を無くし密着性を高めることもできる。
【００３３】
図１の電子機器冷却装置では、基板１９上の素子（図示されず）から出る熱が基板１９に伝わり、その熱は基板１９を左右方向に伝わってブラケット１５に伝わる。さらに熱はブラケット１５からヒートパイプ側壁１３ｂに伝わり、ヒートパイプ１３中を経て、ヒートパイプ接続部１３ａから熱交換器２１に伝わる。熱交換器２１は空冷されており、熱を大気中に放熱する。
【００３４】
このとき、ヒートパイプ１３中では熱媒体が側壁１３ｂで蒸発し、接続部１３ａで凝縮する。熱媒体は、ヒートパイプ１３中の蛇行細管を循環する。この熱媒体の蒸発・凝縮に伴う熱輸送はきわめて効率的であり、ヒートパイプ１３内を低い熱抵抗で長い距離に渡って熱を輸送できる。なお、通常、ヒートパイプ１３の厚さは０．５〜１５mm、蛇行細管の径は０．２〜１０mm、蛇行細管のピッチは０．３〜２０mm、熱抵抗は０．０１〜２．００℃/W程度である。
【００３５】
図３は、本実施例の電子機器冷却装置の基本設計のフローチャートである。まず客先仕様が与えられる（Ｓ１）。客先仕様は、基板の発熱量、基板の寸法・枚数、電子機器冷却装置の寸法、放熱部の寸法、通風（水）量、気温・水温等を含む。
【００３６】
これに基づいて、電子機器冷却装置の形状（一次）を決定する（Ｓ２）。また熱負荷を算出する（Ｓ３）。次に、各部の熱流束を算出する（Ｓ４）とともに放熱部の形状等を設計する（Ｓ５）。
熱流束については、判定１（Ｓ６）において、好ましい範囲（前述）となっているか否かを判定する。この判定がＮＯの場合、Ｓ２に戻って電子機器冷却装置の形状を修正する。放熱部の設計についても判定２（Ｓ７）において、 か否かを判定する。この判定がＮＯの場合、Ｓ５に戻って放熱部の諸元、形状を修正する。
【００３７】
Ｓ６、Ｓ７の判定がいずれもＹＥＳの場合、次に電子機器冷却装置の詳細部分の検討を行い（Ｓ８）、次いで各部の熱抵抗を算出する（Ｓ９）。次にこの熱抵抗が好ましい範囲（前述）に入っているか否かを判定する（Ｓ１０）。この判定がＮＯの場合、Ｓ２に戻って設計をやり直す。判定がＹＥＳの場合はこれで本設計修了である（Ｓ１１）。
【００３８】
図４は、本実施例の電子機器冷却装置の熱伝導モデル（各部の熱抵抗）を示す図である。図中の記号は以下の意味である。
Ｒ１−２：基板の中央から端部までの間の熱抵抗
Ｒ２−３：基板端部及びウェッジクランプとブラケット間の熱抵抗
Ｒ３−４：ブラケットとヒートパイプ側壁の間の熱抵抗
Ｒ４−５：ヒートパイプ側壁内の熱抵抗
Ｒ５−５：ヒートパイプ側壁内の熱抵抗
Ｒ５−６：ヒートパイプ接続部内の熱抵抗
Ｒ６−７：ヒートパイプ接続部とプレートフィンタイプ放熱器間の熱抵抗
Ｒ７−８：プレートフィンタイプ放熱器内の熱抵抗
Ｒ０−８：冷却空気流の熱抵抗
【００３９】
図５は、本実施例の電子機器冷却装置における熱抵抗の計算例を示すグラフである。横軸は熱抵抗〔℃/W〕を示し、縦軸は温度上昇を示す。破線は本実施例の電子機器冷却装置の特性を表し、実線は比較例の特性を示す。比較例は、実施例のヒートパイプを同じ寸法のアルミニウムの板で置き換えたものである。
【００４０】
図に示すように、本実施例ではトータルの熱抵抗が小さく（約１．１℃/W）、基板の温度上昇も低い（約４０℃→１５４℃、１１４℃上昇）。一方、比較例ではトータルの熱抵抗が大きく（約２．１℃/W）、基板の温度上昇も高い（約４０℃→２９５℃、２５５℃上昇）。この原因は、ヒートパイプ内の熱抵抗が約０．１℃/Wときわめて低いのに対して、アルミニウム板内の熱抵抗が約０．９℃/Wと大きいためである。このように、本実施例の電子機器冷却装置は、高効率の熱輸送を行うことができ、基板や素子を有効に冷却することができる。
【００４１】
図６は、本発明の他の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面図である。この電子機器冷却装置１０１では、ヒートパイプ１１３の接続部１１３ａを、熱交換器１２１の幅の全面に渡って設けている。これにより、両者の間の熱抵抗をさらに下げることができる。なお、符号１１９はプリント基板である。
【００４２】
図７は、本発明の変形例を模式的に示す図である。
この例では、素子２２０を搭載する基板２１９の下面全面にプレート型ヒートパイプ２１４を沿わせるように貼っている。
この場合、基板２１９の熱をすぐ裏にあるヒートパイプ２１４が取り去るので、基板２１９内を長い距離に渡って熱輸送する必要がない。そのため、特に冷却機能に優れる。
【００４３】
図８は、図７の変形例を模式的に示す図である。
この例では基板３１４そのものをヒートパイプで構成している。この場合には、基板とヒートパイプ間の熱抵抗もなくなるのでさらに熱抵抗が下がる。
【００４４】
図９は、図８のヒートパイプ製基板を有する電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。
この例では、基板４１４を全てヒートパイプ製としている。そして、ヒートパイプ側壁４１３を介してプレートフィンタイプ放熱器（放熱部）４２１に熱を伝えている。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、プレートフィンタイプ放熱器等の放熱部と電子機器との間の距離が長くても十分な冷却能力を有し、設計の自由度を高めることができる電子機器冷却装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。（Ａ）は全体の斜視図であり、（Ｂ）はブラケットとヒートパイプとの接続部の詳細を拡大して示す断面図である。
【図２】プレートフィンタイプ放熱器とヒートパイプとの接続部の詳細を拡大して示す正面断面図である。
【図３】本実施例の電子機器冷却装置の基本設計のフローチャートである。
【図４】本実施例の電子機器冷却装置の熱伝導モデル（各部の熱抵抗）を示す図である。
【図５】本実施例の電子機器冷却装置における熱抵抗の計算例を示すグラフである。
【図６】本発明の他の１実施例に係る電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面図である。
【図７】本発明の変形例を模式的に示す図である。
【図８】図７の変形例を模式的に示す図である。
【図９】図８のヒートパイプ製基板を有する電子機器冷却装置の構成を模式的に示す図である。
【図１０】従来の空冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す斜視図である。
【図１１】従来の水冷式の電子機器冷却装置の構成を模式的に示す側面断面図である。
【符号の説明】
１ 電子機器冷却装置 １１ フタ
１３ プレート型ヒートパイプ １３ａ 接続部
１３ｂ 側壁 １３ｃ 蛇行細管
１５ ブラケット １７ ウェッジクランプ
１９ プリント基板
２１ プレートフィンタイプ放熱器 ２１ａ 通気孔
３１ ビス ３３ ハンダ
３５ ボルト ３５ａ オネジ
３７ ロックインサート ３７ａ メネジ
１１３ ヒートパイプ １１３ａ 接続部
１１９ プリント基板 １２１ 熱交換器
２１４ プレート型ヒートパイプ ２１９ 基板
２２０ 素子 ３１４ 基板
４１３ ヒートパイプ側壁 ４１４ 基板
４２１ プレートフィンタイプ放熱器
Claims (3)
- 並んで配列されている複数の電子機器搭載基板を冷却する装置であって、
空冷又は液冷のプレートフィンタイプ放熱器と、
上記基板の端面と放熱部との間で熱輸送を行うプレート型の蛇行細管ヒートパイプと、
を具備し、
全体として四角い箱の形をしており、
上記蛇行細管ヒートパイプが、電子機器冷却装置の左右の側壁を構成する部分、及び、該側壁の一端から折れ曲がった部分であって上記放熱部に沿うように接続される部分、を有し、
上記側壁を構成するプレート型蛇行細管ヒートパイプ側壁の内側に、上記基板を固定するブラケットが取り付けられていることを特徴とする電子機器冷却装置。 - 上記ブラケットが上記ヒートパイプに対してビス及び半田付けにより固定されていることを特徴とする請求項１記載の電子機器冷却装置。
- 上記蛇行細管ヒートパイプと上記プレートフィンタイプ放熱器とがネジ締結により固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の電子機器冷却装置。
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