JP4439441B2 - 熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、冷却液を流動させる強制冷却に用いる液冷用の熱交換器に関する。

自然放熱では過熱する電子部品をもった電子機器は強制冷却を必要とする。例えば、パーソナルコンピュータは、搭載されたＣＰＵを適切な範囲内の温度に保つように冷却しなければ正常に動作しない。一般に、電子機器では空冷式の強制冷却が行われている。

近年、電子機器における強制冷却の方式として、空冷式と比べて冷却能力に優れる液冷式が注目されている。ここでいう液冷式は、発熱体から熱を受ける受熱部と熱を発散させる放熱部とを通る循環流路を設け、ポンプによって冷却液を強制的に循環させる方式である。

電子機器における液冷式の強制冷却に関して、可撓性シートからなる放熱器が特開２００１−２３７５８２号公報よって開示されている。この放熱器は、平面状の袋体であって、対向する内面どうしを局部的に接合することによって形成された渦巻きやつづら折りなどの所定パターンの流路を有する。流路は、冷媒が充填されない状態では面状である。流路に冷媒が流れ込むと、可撓性シートが撓んで流路が膨らむ。
特開２００１−２３７５８２号公報

上記の可撓性シートからなる放熱器は容易に変形するので、これを電子機器に安定に組み付けるのが難しい。電子機器との熱的接続が不確実であり、接続不良による放熱性の低下が起こり易い。熱的接続を確実にするために電子機器に放熱器を押し付け場合には、流路が押し潰されないように押し付けの圧力を選定しなければならない。

また、放熱器が作製された後では流路パターンおよび寸法の変更が事実上不可能であって、より発熱量の大きい部品を用いたり循環用ポンプの能力を変更したりといった電子機器の仕様の変更に応じて、流路パターンを修正することができなかった。

本発明は、流路の安定性に優れた薄型の熱交換器を提供することを目的としている。

本発明の目的を達成する熱交換器は、冷却液が内部を流れる液冷用の熱交換器であって、冷却液の流入口および流出口をもった耐水性シートからなる袋と、前記袋と重なり合う熱交換板と、前記袋を前記熱交換板に押さえ付ける押さえ板とを備え、前記熱交換板および押さえ板の少なくともどちらか片方の内側に、前記流入口と流出口とを結ぶ所定パターンの流路を画定する凹凸が形成されたものである。

袋は熱交換板と押さえ板とによって挟まれかつ押さえ付けられる。熱交換板、袋、および押さえ板からなる積層体において、熱交換板と押さえ板との間には流路に対応したパターンの間隙が存在する。その間隙の範囲内で袋は変形することができる。袋に冷却液が充填されると、冷却液の圧力によって袋は間隙の壁面に沿うように変形し、袋の内部空間が膨らむ。この状態において、間隙は冷却液の流路となる。

冷却液の圧力によって袋は常に内側から熱交換板に押し付けられるので、熱交換板と袋との接触状態が一定に保たれ、それによって安定した冷却性能を実現することができる。

より好ましい熱交換器は、前記熱交換板の内側に、前記流入口と流出口とを結ぶ流路を画定する凹凸が形成され、前記押さえ板の内側に、前記熱交換板の凹凸と同じパターンの凹凸が形成されたものである。

熱交換板および押さえ板の両方にそれぞれ凹凸を形成しておくことにより、袋の表裏両面が撓んで流路が形成されるので、表裏の片面のみが撓む場合と比べて、所定断面積の流路の形成における袋の撓み量が少なくなる。すなわち、袋に対する可撓性の要求が緩和され、袋の材質の自由度が高まる。

さらに好ましい熱交換器は、前記熱交換板または押さえ板が前記凹凸として、凹部と凸部との高低差が緩やかに変化する起伏をもつものである。

凹部と凸部との高低差が緩やかに変化する傾斜面構造では、急激に変化する段差面構造と比べて、熱交換板および押さえ板と袋との間に空隙が生じにくく、熱接続性が良好である。

請求項１ないし請求項４の発明によれば、流路の安定性に優れた薄型の熱交換器を実現することができる。

図１は本発明に係る熱交換器の構成を示す。図１（Ａ）は全体構成を示す分解斜視図、図１（Ｂ）は流路をもつ袋の斜視図である。

熱交換器１は、袋１０、熱交換板２０、および押さえ板３０から構成され、熱交換板２０と押さえ板３０とが袋１０を挟む積層構造をもつ。熱交換器１は、冷却液を流動させる液冷式の強制冷却に用いられる。

袋１０は、流入口１０１および流出口１０２をもつ面状の可撓性容器であり、冷却液を漏らさない耐水性シートからなる。袋１０の内部に仕切りはなく、冷却液を収容する空間の平面形状は袋１０の外形とほぼ相似する。例示においては、袋１０の平面形状は略長方形であり、一対の対角位置に流入口１０１および流出口１０２が配置されている。

袋１０の構成において、平面形状、開口の位置、および開口の数は任意である。ただし、開口の位置については、容器の薄型化、開口の形成の容易性、および開口と配管と接続の容易性を勘案すると、袋の周縁に開口を設けるのが好ましい。また、図示のように周縁を部分的に突出させて、その突出部に開口を形成することにより、配管との接続がさらに容易になる。

熱交換板２０は、放熱または吸熱に適した熱伝導性の良好な材料からなり、袋１０とほぼ同程度の大きさをもつ。熱交換板２０における袋１０と対向する内側の面には、冷却液の流路を画定する凹凸が形成されている。

図示の熱交換板２０は、平らな基板２０１とその片面に取り付けられた板状のスペーサ２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，２０７からなる。これらの厚さは等しい。スペーサ２０２，２０３は袋１０の周縁部と当接する。基板２０１の中央領域に配列されたスペーサ２０４〜２０７は、袋１０の中央部と当接する。

押さえ板３０は、熱交換板２０と同じ大きさをもち、熱交換板２０の全体と重なる。押さえ板３０における袋１０と対向する内側の面には、冷却液の流路を画定する凹凸が形成されている。

図示の押さえ板３０は、平らな基板３０１とその片面に取り付けられた板状のスペーサ３０２，３０３，３０４，３０５，３０６，３０７からなる。これらの厚さは等しい。スペーサ３０２，３０３は袋１０の周縁部を熱交換板２０のスペーサ２０２，２０３に押さえ付け、袋１０の位置ずれを防ぐ。基板３０１の中央領域に配列されたスペーサ３０４〜３０７は、袋１０の中央部を熱交換板２０のスペーサ２０４〜２０７に押さえ付け、袋１０の内部空間を区画する。

押さえ板３０は、袋１０を挟んだ状態で熱交換板２０に固定される。固定には、ねじ止め、接着、リベット、挟持部材の装着などの種々の手法の１つまたは複数を採用することができる。また、あらかじめ熱交換板２０および押さえ板３０の一方または双方に引っ掛け爪のような係合部を形成しておき、係合によって熱交換板２０と押さえ板３０とを一体化してもよい。この手法は、とくに熱交換板２０または押さえ板３０を成型により作製する場合に好適である。

図１（Ｂ）は熱交換板２０と押さえ板３０とで挟まれた状態の袋１０を示す。図１（Ｂ）において、斜線の付された領域が、スペーサ２０２〜２０７（つまり、熱交換板２０の内面の凸部）とスペーサ３０２〜３０７（つまり、押さえ板３０の内面の凸部）とで押さえ付けられる領域であり、斜線の付されていない領域が流路１０３を構成する領域である。流路１０３は、流入口１０１と流出口１０２とに繋がっている。例示では、袋１０の中に４つの直線状仕切りが形成されており、各仕切りの両端は袋１０の周縁と離れている。流入口１０１から流入した冷却液は、仕切りと袋の周縁との間および隣り合う仕切りの間に分岐して流れ、流出口１０２に向かう。

以上の構成の熱交換器１では、熱交換板２０および押さえ板３０のそれぞれにおける内面の凹凸がスペーサの取り付けによって形成されているので、スペーサの増減や他のスペーサとの交換によって流路１０３のパターンおよび寸法をある程度変更することができる。したがって、熱交換器１は、袋の内部に仕切りをもつ構造のものと比べて、多様な液冷装置に適用することができる。

ただし、凹凸を形成する手法はスペーサの取り付けに限らない。例えば、型による成型、基板表面の切削など他の方法によって凹凸を有した熱交換板２０および凹凸を有した押さえ板３０を作製することができる。その場合にもスペーサの追加による流路パターンの変更を行うことができる。

熱交換器１は、冷却液から熱を受けて発散させる放熱器として、または発熱体から熱を受けて冷却液に伝える吸熱器として利用することができる。

図２は本発明に係る放熱器の応用例を示す。

図２において、ノート型パーソナルコンピュータ８は、本体８Ａ、液晶ディスプレイに代表されるフラットパネルディスプレイ５０、および放熱器２を備える。図示は省略したが、本体８Ａには、典型的なヒートソースであるＣＰＵを含む種々の電子部品が内蔵され、キーボードおよびポインティングデバイスが配置されている。フラットパネルディスプレイ５０は、本体８Ａの端部に回動可能に取り付けられている。放熱器２はフラットパネルディスプレイ５０の背面（表示面の裏側の面）を覆うように配置され、フラットパネルディスプレイ５０と一体に回動する。放熱器２の構成は次のとおりである。

放熱器１は、ラミネートパック１１、放熱板２１、および押さえ板３１から構成され、ラミネートパック１１を放熱板２１と押さえ板３１とが挟む積層構造をもつ。放熱器１の配置の向きは、押さえ板３１がフラットパネルディスプレイ５０と対向する向きである。

ラミネートパック１１は、流入口および流出口をもつ面状の可撓性容器である。ラミネートパック１１の内部に仕切りはない。ラミネートパック１１の材質の例としては、ポリエチレン層をベースとする厚さ数十μｍの積層フィルムがある。ラミネートパック１１の平面サイズは、フラットパネルディスプレイ５０の外形サイズ（例えば対角１７インチ）より若干小さいサイズに選定されており、これによって放熱面の最大化が図られている。必然的にラミネートパック１１の平面形状はフラットパネルディスプレイ５０に対応した略長方形である。

ラミネートパック１１の流入口および流出口は、ラミネートパック１１の下端、すなわちフラットパネルディスプレイ５０の回動軸に近い位置に配置されている。そして、流入口および流出口は、パーソナルコンピュータ８の本体８Ａ内の受熱部６０および電動ポンプ７０を含む流路と、所定の配管によって接続される。これにより、パーソナルコンピュータ８において、受熱部６０からラミネートパック１１および電動ポンプ７０を経て受熱部６０へ戻る循環流路が構成される。

放熱板２１は、パーソナルコンピュータ８の筐体の一部となる上面カバーである。放熱板２１におけるラミネートパック１１と対向する内側の面には、冷却液の流路を画定する凹凸が形成されている。量産性に優れる放熱板２１の作製方法は、型を用いて凹凸部分を含めて全体を一体成形する手法である。放熱板２１の好適な材質はマグネシウム合金である。

押さえ板３１は、ラミネートパック１１を放熱板２１に押し付けるとともに、ラミネートパック１１とフラットパネルディスプレイ５０との間の熱抵抗を設定する役割をもつ。例えば、押さえ板３１は断熱板として機能する。この場合、放熱器２は専ら受熱部６０で受けた熱を放熱する。また、本体８Ａ内のヒートソースの発熱量に対して循環流路の冷却能力が十分に大きい場合には、押さえ板３１をヒートスプレッダとすることができる。この場合、放熱器２は受熱部６０からの熱およびフラットパネルディスプレイ５０からの熱を放熱する。

図３は図２のａ−ａ矢視断面図であり、放熱器の断面構造を示す。図３（Ａ）では分解した状態の放熱器２が描かれ、図３（Ｂ）では使用状態の放熱器２が描かれている。

図３（Ａ）のように、放熱板２１の内面は高さ０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の凸部２１１，２１２，２１３，２１４，２１５を有した凹凸面である。また、押さえ板３１の内面（ラミネートパック１１と対向する面）も、高さ０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の凸部３１１，３１２，３１３，３１４，３１５を有した凹凸面である。これら凸部２１１〜２１５と凸部３１１〜３１５とによってラミネートパック１１が部分的に挟持され、図３（Ｂ）のようにラミネートパック１１の内部が仕切られる。ラミネートパック１１は放熱板２１と押さえ板３１との間の間隙の範囲内で厚さ方向に拡がることができる。冷却液が充填された使用状態において、冷却液の圧力によって拡がったラミネートパック１１の内部空間が流路１１３となる。

流路１１３の平面パターンは放熱板２１および押さえ板３１の凹凸パターンに依存する。少なくとも１つの分岐をもつストライプパターン、スパイラルパターン、蛇行パターン、またはこれらの組み合わせなど、任意のパターンの流路を形成することができる。ただし、放熱板２１とラミネートパック１１との接触面積が過小にならないように、ラミネートパック１１の可撓性および伸縮性を勘案して、放熱板２１および押さえ板３１の凹凸の高低差を選定する必要がある。

放熱板２１および押さえ板３１の両方にそれぞれ凹凸を形成しておくことにより、ラミネートパック１１の表裏両面が変形して流路１１３が形成されるので、表裏の片面のみが変形する場合と比べて、所定断面積の流路１１３の形成におけるラミネートパック１１の片面の変形量が少なくなる。すなわち、袋に対する可撓性および伸縮性の要求が緩和され、ラミネートパック１１の材質の選択肢が増える。

図４は放熱器の構造の変形例を示す。図４において図３と同一の構成要素には同一の符合が付されている。記述の重複を避けるため、これら構成要素の説明を省略する。

図４（Ａ）の放熱器２ｂは放熱板２１ｂを備える。放熱板２１ｂの内面はほぼ平坦である。放熱器２ｂにおいて、流路１１３ｂは凹凸面をもつ押さえ板３１によって画定される。

放熱器２ｂでは、ラミネートパック１１の放熱板側の面については変形の必要がない。したがって、放熱板側の面と押さえ板側の面とを材質の異なるシートによって構成することができる。すなわち、放熱板側のシートについては、可撓性および伸縮性を不問とし、熱伝導性に重点をおいて材質を選定することができる。

図４（Ｂ）の放熱器２ｃは放熱板２１ｃを備える。放熱板２１ｃの内面は凹部２１６，２１７，２１８，２１９を有し、凹部と凸部との高低差が緩やかに変化する凹凸面である。このような凹凸面は、凹部と凸部との高低差が急激に変化する段差構造の凹凸面と比べて、放熱板２１ｃとラミネートパック１１とを無理なく接触させるのに有利である。放熱器２ｃでは、放熱板２１ｃとラミネートパック１１との接触面積を大きくし、それによって放熱板２１ｃとラミネートパック１１との熱的接続を良好にするのが容易である。

図４（Ｃ）の放熱器２ｄは放熱板２１ｄおよび押さえ板３１ｂを備える。放熱板２１ｄの内面は、凹部２１６ｂ，２１７ｂ，２１８ｂ，２１９ｂを有し、凹部と凸部との高低差が緩やかに変化する凹凸面である。一方、押さえ板３１ｂは平板であり、その内面は平坦である。放熱器２ｄにおいて、流路１１３ｄは凹凸面をもつ放熱板２１ｄによって画定される。

図５は本発明に係る吸熱器の断面構造を示す。

図５（Ａ）において、吸熱器３は、ラミネートパック１３、受熱板２３、および押さえ板３３から構成され、受熱板２３と押さえ板３３とがラミネートパック１３を挟む積層構造をもつ。ラミネートパック１３は、放熱器２のラミネートパック１１と同様の面状の可撓性容器であり、流入口および流出口をもつ。ラミネートパック１３の内部に仕切りはない。受熱板２３の内側の面には、ラミネートパック１３における冷却液の流路を画定する凹凸が形成されている。そして、押さえ板３３の内面には、受熱板２３と同じパターンの凹凸が形成されている。すなわち、吸熱器３の基本構造は図１の熱交換器１と同様である。

吸熱器３は、配線基板６０に実装された回路部品６１，６２，６３，６４の冷却に用いられる。そのため、吸熱器３の平面サイズは、配線基板６０における回路部品６１，６２，６３，６４の配置された領域の全体と重なるように選定されている。

使用に際して、吸熱器３は受熱板２３が回路部品６１〜６４と対向するように配線基板６０に重ねられる。例示では、受熱板２３の外面が平坦であり、かつ回路部品６１，６２，６３，６４の高さが一様ではないので、回路部品６１，６２，６３，６４のそれぞれと受熱板２３との間にサーマルシート７１，７２，７３，７４が配置されている。サーマルシート７１〜７４は、熱伝導性の良好な弾性体である。サーマルシート７１〜７４の配置によって、回路部品６１，６２，６３，６４と受熱板２３との間の空隙が無くなる。

図５（Ｂ）における吸熱器３ｂは、図５（Ａ）の吸熱器３の受熱板２３を受熱板２３ｂに替えたものである。受熱板２３ｂの内面は受熱板２３の内面と同様の凹凸面である。受熱板２３ｂでは、外面が平坦でなく、回路部品６１，６２，６３，６４の高さに応じた凸部２３１，２３２，２３３をもつ段差面である。段差面とすることによって、回路部品６１，６２，６３，６４が同様に受熱板２３ｂと対向する。実際には、熱伝導とより良好とするために、回路部品６１，６２，６３，６４と受熱板２３ｂとの間にサーマルグリスを介在させるのが望ましい。

図６は流路パターンの例を示す。

図６（Ａ）の例では、回路基板６０ａにおける領域６０１の発熱量は比較的に多く、領域６０２の発熱量は比較的に少ない。ラミネートパック１３の流路１１４において、領域６０１と重なる部分１１４Ａは、流速を高めるために微細な蛇行パターンとされている。これに対して、流路１１４における領域６０２と重なる部分１１４Ｂは、圧力損失を低減するために複数の平行な分岐路をもつストライプパターンとされている。

図６（Ｂ）の例では、回路基板６０ｂにおける領域６０５の発熱量は比較的に少なく、領域６０６および領域６０７の発熱量は比較的に多い。ラミネートパック１２の流路１１５において、領域６０５と重なる部分１１５Ａは、圧力損失を低減するために流路幅の太い蛇行パターンとされている。これに対して、流路１１５における領域６０６と重なる部分１１５Ｂおよび領域６０７と重なる部分１１５ｃは、流速を高めるために圧力損失を低減するために微細な蛇行パターンとされている。

以上の実施形態によれば、ラミネートパック１１，１３の内部に仕切りの無いので、必要とされる流路のパターンが異なる冷却対象機器の冷却に、仕様が共通のラミネートパック１１，１３を使用することができる。仕切りの無いラミネートパック１１，１３は、仕切りのあるものと比べて安価であるので、多様な機器の冷却を行う場合に好適である。ただし、複数の流路パターンに共通する仕切りのみを設けておき、各流路パターンに特有の仕切りを熱交換板２０または押さえ板３０に設ける凹凸に代用させることができる。

また、上述の実施形態によれば、冷却液が袋の内部を流れ、その袋が熱交換板と押さえ板とによって機械的に保護されるので、液漏れが生じにくい。

上述の実施形態において、熱交換器１、放熱器２、および吸熱器２の構成は、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。構成要素の材質および形状は例示に限らない。コンピュータを含む電子機器の冷却に限らず、他の発熱体を冷却に本発明を適用することができる。

本発明は、液冷式の強制冷却に利用することができ、特にパーソナルコンピュータ、サーバー用コンピュータなどの情報処理装置をはじめとする液漏れ防止が重要視される電気機器に組み込む熱交換部品に好適である。

本発明に係る熱交換器の構成を示す図である。 本発明に係る放熱器の応用例を示す図である。 放熱器の断面構造を示す図である。 放熱器の構造の変形例を示す図である。 本発明に係る吸熱器の断面構造を示す図である。 流路パターンの例を示す図である。

符号の説明

１ 熱交換器
１０ 袋
１０１ 流入口
１０２ 流出口
２０ 熱交換板
３０，３１，３１ｂ，３３ 押さえ板
２ 放熱器
１１，１３ ラミネートパック
２１，２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ 放熱板
３，３ｂ 吸熱器

Claims (4)

1. 冷却液が内部を流れる熱交換器であって、
   冷却液の流入口および流出口をもつ袋と、
   前記袋と重なり合う熱交換板と、
   前記袋を前記熱交換板に押さえ付ける押さえ板と、
   前記押さえ板の内面に設けられ、前記流入口と流出口とを結ぶ流路を画定する複数の凹凸と、を備え、
   前記熱交換板は、前記袋に対向する部分に、前記複数の凹凸にわたり形成された平面部を含み、
   前記袋は、前記熱交換板の側に位置する第１のシートと、前記押さえ板の側に位置する、可撓性を有しかつ材質が前記第１のシートとは異なる第２のシートとを含む
   ことを特徴とする熱交換器。
2. 前記押さえ板に設けられた凹凸は、凹部と凸部との高低差が緩やかに変化する起伏である
   請求項１記載の熱交換器。
3. 前記第１のシートは、前記第２のシートよりも熱伝導性が良好である
   請求項１または請求項２記載の熱交換器。
4. 冷却液が内部を流れる放熱器であって、
   冷却液の流入口および流出口をもつ袋と、
   前記袋と重なり合う放熱板と、
   前記袋を前記放熱板に押さえ付ける押さえ板と、
   前記押さえ板の内面に設けられ、前記流入口と流出口とを結ぶ流路を画定する複数の凹凸と、を備え、
   前記放熱板は、前記袋に対向する部分に、前記複数の凹凸にわたり形成された平面部を含み、
   前記袋は、前記放熱板の側に位置する第１のシートと、前記押さえ板の側に位置する、可撓性を有しかつ材質が前記第１のシートとは異なる第２のシートとを含む
   ことを特徴とする放熱器。