JP4737117B2 - 電子機器用冷却装置および受熱部材 - Google Patents

Description

本発明は、パーソナルコンピュータなど内部に半導体集積回路を搭載した電子機器に係わり、電子機器の高性能化や信頼性の向上のために半導体集積回路の発熱を効率良く冷却する冷却装置の特に熱交換構造に関するものである。

近年の電子機器においては、パーソナルコンピュータのCPUに代表されるように高性能な半導体集積回路が搭載されている。この半導体集積回路は、電子機器の高性能化の要求もあって、急速に高速化、高集積化が図られており、それに伴って発熱量も増大している。しかるに、半導体集積回路は、所定の温度以上になると半導体集積回路が所有する性能を維持できないだけでなく、過度の発熱においては破壊さえなされてしまう。よって、電子機器の半導体集積回路は、何らかの手段で冷却される必要を有している。

電子機器の半導体集積回路の一般的な冷却方法は、半導体集積回路にヒートシンクを熱接続し、ヒートシンクにファンによって冷却風を通風して冷却する空冷方式である。ただ、この空冷方式において、高発熱体の発熱温度の上昇に対応して冷却性能を上げるには、大形や高速回転のファンを搭載して通風量を増大させることになる。一方で、電子機器は使途の多様化もあって可搬型の小型機器の開発が急速である。すなわち、電子機器における半導体集積回路の冷却装置は、小型で、かつ高性能な冷却装置を要求するものであり、空冷方式の冷却装置では、騒音問題も含め解決できない状況にあり、冷媒液の熱移送によって冷却性能を上げる液冷の冷却方式が着目されている。

さらには、この液冷方式においても冷却性能を向上しながら小型化にする必要があり、これは、冷媒による熱交換性能を上げることである。すなわち、発熱体からの熱を冷媒液に受熱させる量を拡大し、冷媒液に受熱した熱から放熱する量を拡大することにある。

この熱交換性能に関し、熱交換器における冷媒との熱伝達効率を上げるには、冷媒との接触面積を増やすことが重要であり、フィンに関する技術が開発されている。液冷方式において、受熱部材の冷媒液流路として微細加工のマイクロフィンで構成する技術が特許文献１に開示されている。

また、半導体デバイスの冷却に特定されるが、半導体デバイスの基板にエッシング加工などによってマイクロチャネルを形成し受熱効率を上げ、受熱部材によって冷媒液の循環冷却装置の簡素化を図るために冷媒液を受熱部材で気化させている技術が特許文献２に開示されている。

さらには、半導体の基板と同一材料であるセラミックによって受熱部材の流路を多彩な形状のマイクロチャネルを安価に形成し構成する技術が特許文献３に開示されている。
特開２００５−３３８７１５号公報 特開２００３−２４３５９０号公報 特開２００５−１６６７５１号公報

上記のような従来技術においては、液冷方式における冷却性能をあげ、さらに冷媒液との熱交換性能の良い受熱部材を安価に且つ小型に実現するために、解決しなければならないいくつかの技術課題がある。

特許文献１に開示されている冷却装置は、液晶プロジェクタなどの投写型光学装置における光源からの光を反射するための半導体素子でスイッチング操作される小型ミラーを冷却する液冷装置であって、小型ミラーの熱を受熱する受熱ジャケットの冷媒液の通流空洞に冷媒接触面積を拡大確保するためにエッチング加工等により微細ピッチのマイクロフィンが取り付けている。ただ、冷媒の流入、流出の流路と対向する面に設けられており、マイクロフィンと冷媒の接触は、受熱部材の通流空洞内で冷媒の対流等による接触で行われることを期待しているに過ぎず、マイクロフィンへの積極的な通流による接触については考慮されていなく、マイクロフィンの効果を発揮させられないものと想定される。

特許文献２に開示されている冷却装置は、半導体デバイスの基板にエッチング加工によってマイクロチャネルを形成し、半導体デバイスと受熱部材との熱接続の信頼性を図ったものである。ただ、本胴体デバイスのシリコン材料にエッチング加工を施しているためにフィンピッチ等の微細加工は可能であるが、冷媒との接触面積を拡大するためのフィンの高さを増すなどの形成は困難であり、エッチングの加工上のコスト高になるという問題を有している。

特許文献３に開示されている冷却装置は、半導体部品の冷却のために半導体部品の基板と同一の材質、あるいは半導体基板そのものに冷却装置の受熱部の流路を窯業的手法によって形成することで、熱変換効率を上げるために多彩な流路パターンを安価に対応するものである。しかし、窯業的な流路の形成は、特許文献２の課題と逆に微細なフィン形状の形成が困難であり、熱交換効率を上げるには、積層構造等によって対応することになり、それにともなう加工工数、組み立て工数等のコスト的な課題を有する。

本発明は、上記した従来の冷却装置の受熱部材の課題に鑑み、微細フィンを安価に形成して液冷方式の受熱部材の熱変換効率を高めることのできる受熱部材を構成することにより高性能で、被冷却対象の拡大の図れる電子機器用冷却装置を提供することを目的とする。

本発明は、従来の課題を解決するために下記の構成としている。電子機器に搭載された発熱体を冷媒の熱移送によって冷却する冷却装置は、内部に冷媒を通流する流路を有し、発熱体からの熱を受熱する受熱部材と、冷媒によって受熱した熱を放熱する放熱部材と、受熱部材と放熱部材の間において冷媒を循環させるために配設した配管部材とを備え、受熱部材は、高熱伝導性の材料において一体形成した微細フィンを設けた第１の部材と、第１の部材との嵌合及び接合に適した材料において凹部を形成し凹部と外壁部とを貫通した冷媒の流入口、及び流出口を設けた第２の部材を構成部材とした。そして、第１の部材の微細フィンを第２の部材の凹部に嵌合配置して組み合わせ、係合時に、第１の部材の平面枠部の平面端部と第２の部材の内側壁の上端部との対向する隙間を接合して密封構造として構成している。

さらには、第１の部材の微細フィンと第２の部材の凹部の嵌合は、第２の部材の凹部の４隅にて第１の部材の微細フィンの高さ方向（Ｚ方向）、及び微細フィンの流路の通流方向（Ｘ方向）を保持するフィン保持部材によって保持され、第１の部材の微細フィンの高さ長（Ｈ）を第２の部材の凹部の深さ長（ｈ）より長くして、微細フィンを凹部底面に弾性変形して高さ方向（Ｚ方向）に押圧接触させ、第１の部材の微細フィンの積層方向（Ｙ方向）長さ（Ｄ）を第２の部材の凹部の第１の対向する内側壁面に突出させた冷媒制止部材間の距離（ｄ）よりも長くして、微細フィンを凹部の冷媒制止部材により弾性変形して積層方向（Ｙ方向）に押圧接触させて、微細フィンを凹部にて遊間なく位置決めされている。

さらに、前記第１の部材と前記第２の部材の接合はロウ付けとし、第２の部材に設けたフィンの保持部材は、ロウを流導し、および係留するための傾斜面及び曲率面を設け、第１の部材と第２の部材との係合隙間におけるロウ付け時において、ロウ付けのロウを保持部材に導き、第２の部材の凹部の第２の対向する内側壁面と第１の部材のフィンの流路端部とで密閉ヘッダ室を構成している。

本発明によれば、受熱部材を生産性に優れる構造により形成し、発熱体の発熱量が増加しても効率よく冷却できる電子機器用冷却装置を提供することができ、かつ電子機器の被冷却対象物の拡大にも容易に対応できる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の冷却装置を搭載した電子機器の概略構成図である。電子機器１には、回路基板２、電源、ＨＤＤ等を載置している。この回路基板２には半導体素子等の発熱体３を有している。

さらには、この発熱体３を冷却する冷却装置４を搭載し、冷却装置４は以下の部材で構成されている。受熱部材５は、発熱体に熱接続させ、内部に通流する冷媒に熱伝達によって吸熱させるものである。放熱部材６は、冷媒の吸熱した熱を放熱管等に冷却風を通風して熱伝達により電子機器１の外部に放熱するものである。タンク７は、冷却装置１の冷媒を貯留し、ポンプ８は、冷媒を受熱部材５と放熱部材６との間で循環駆動するものであり、配管９は、受熱部材５、放熱部材６、タンク７、ポンプ８間で冷媒を循環するように接続している。

ここで、電子機器１は、特定の機器を想定するものではなく、この実施例は半導体素子を発熱体３として説明しているが、半導体素子に限定されるものではなく、ＨＤＤなどの発熱に対する冷却装置４とすることにも好適な構造である。

つぎに、本発明の冷却装置４の受熱部材５について、以下詳細に説明する。
図２は、本発明の冷却装置４における受熱部材５の構造を示したものである。一部は断面図を示す。図２に示されるように、受熱部材５は、第１の部材５１と第２の部材５２の２つの部材を嵌合し、組み合わせて構成される構造としている。ここで、受熱部材５の２つの部材を分解し、図３において、本発明における第１の部材５１を示し、図４において、本発明における第２の部材５２を示した。まず、第１の部材５１と、第２の部材５２の構造を個別に説明し、次いで受熱部材５の全体構成を説明する。

図３にみるように第１の部材５１は、熱伝導性に優れる金属材質（例えば、銅など）を基材として、表面部を微細なピッチで剃り起こし（スカイブ）加工によって所定の高さ（Ｈ）を有する微細フィン群５１１を形成したものである。微細フィン群５１１は、後述する第２の部材５２の凹部と嵌合するために凹部に略等しいサイズで基材の中部に形成され、第１の部材５１のフィン５１１の周辺部は、フランジ状の平面枠部５１２が形成されている。

ここで、この機械加工によって形成される約０.１〜１.０ｍｍピッチで隣り合うフィン５１１の壁面によって冷媒の流路が構成されることになる。よって、フィン５１１には、発熱体３と熱接続した受熱部材５の基材によって熱伝導され、フィン５１１間の流路において通流する冷媒に熱伝達して受熱させるために適する薄目の約０．数ｍｍのフィン厚さ（ｔ）、大き目のフィン高さ（Ｈ）が望まれる。この要望において構成されたフィン形状は、Ｚ方向への座屈変形、及びＹ方向への曲げ変形に要する応力を過度に強める必要が無いことを示している。

次に、図４にみるように第２の部材５２は、第１の部材５１のフィン５１１を包含する凹部５２１を形成している。この凹部の深さはｈｍｍで構成されている。さらに、この凹部５２１の内周には、第１の部材５１の平面枠部５１２と当接する棚状枠部５２２を有し、棚状枠部の一対の対向する第１の内壁面には、第１の部材５１の最外端フィン５１１のフィン平面と高さ方向でフィン５１１の全高と当接する凸状の冷媒制止部材５２３を設けている。この一対の凸部間の距離は、ｄｍｍで設定されている。

また、凹部５２１の４隅には、第１の部材５１のフィン５１１の高さ方向（Ｚ方向）及び流路の通流方向（Ｘ方向）を保持するフィン保持部材５２４を有している。この保持部材５２４には、詳細は後述するが、フィン５１１で構成される流路のみをを冷媒の流路とし、第１の部材５１と第２の部材５２との嵌合における内部隙間を冷媒のバイパス流路となすことのないように構成するための接合剤であるロウ等を係留する構造を形成されている。

また、第２の部材５２の一側平面には、冷媒を受熱部材５に流入する流入口５２５と、流入した冷媒を受熱部材５より流出させる流出口５２６を凹部５２１と外壁とで貫通させた孔を有している。本発明の実施例では、この流入口５２５と、流出口５２６は、第２の部材の同一即壁面に設けているが、異なる側壁面に設けても良いことは言及するまでもない。

ここで、第１の部材５１と第２の部材５２は、密閉の流路を構成するためにロウ付けなどで接合される。よって、この第２の部材５２の材質は、第１の部材５１と嵌合され、密閉構造とするために、第１の部材の平面枠部５１２の平面端部と第２の部材５２の側壁上端の係合隙間をロウ付け等による接合に適するもので構成され、第１の部材５１と同材質の高熱伝導材である銅が熱伝導の観点などで好ましいが、他の材料を排除するものではなく、密閉性が確保できるロウ付け以外の接合方法において、耐高温性あるプラスチック材料であっても良い。

以下、図２に戻って、本発明の受熱部材の係合状態について詳細に説明する。
図２の一部は、破断面で示している。図２に示すように、受熱部材５１は、第１の部材５１と第２の部材５２を嵌合されて構成されている。第１の部材５１と第２の部材５２の嵌合において、Ｘ方向（矢印方向）が冷媒の通流方向である。このフィン５１１に冷媒を平均的に通流し循環するために、凹部５２１とフィン５１１の端部と形成するヘッダ室５２７、５２８をフィン５１１流路の両端部に構成している。このヘッダ室５２７、及び５２８には、外部と貫通された流入口５２５、及び流出口５２６を配置している。

ここで、前述したフィン５１１の積層方向の列長さ寸法（Ｄ）は、同じく前述した第２の部材５２の冷媒制止部材間距離寸法（ｄ）よりわずかに大きな寸法として形成されている（Ｄ＞ｄ）。このことより、第１の部材５１のフィン５１１は、薄肉形状を弾性体梁構造として機能させながら、第２の部材５２の冷媒制止部材５２３において弾性変形させられ、フィン５１１弾性変形の反力により第２の部材５２の凹部５２１内で第１の部材５１のＹ方向を挟持されて位置決め保持されている。

ここで、第１の部材５１のフィン５１１の長手方向（Ｘ方向）は、冷媒の流路として形成されているため、第２の部材５２の凹部５２１とのＸ方向の位置決めは４隅の保持部材５２４とのわずかな当接部によって定められることになる。この際、第１の部材５１の薄肉のフィン５１１がフィン保持部材５２４の当接部で変形等により、第１の部材５１と第２の部材５２の間に隙間を生じることがある。これは、冷媒のバイパス流路を形成してしまうことになる。よって、仮に、ヘッダ５２７に通流された冷媒が、フィン保持部材５２４とフィン５１１の間に隙間を有し、冷媒がこの隙間に流れ込んだ場合には、冷媒は、冷媒制止部材５２３で冷媒を制止し、バイパス流路化の阻止の役目を果たすことになる。

また、前述した第１の部材５１のフィン５１１の高さ寸法（Ｈ）は、同様に前述した第２の部材５２の凹部の深さ寸法（ｈ）に対し、わずかに大きな寸法として形成されている（Ｈ＞ｈ）。よって、第１の部材５１と第２の部材５２を嵌合し密閉構造を構成するためのロウ付けを行う際に、第１の部材５１を第２の部材５２のＺ方向に押圧し、保持部材５２４に当接させた状態で接合することになる。その際、第１の部材５１のフィン５１１は、第２の部材５２の凹部５２１の底面の反力によって弾性座屈して第２の部材５２の凹部５２１内で位置決め保持される。これにより、フィン５１１の加工による寸法ばらつき等があっても凹部５２１の底面でフィン５１１の高さ位置を揃えられ、隙間のない流路を設定される。

上記の構造とされた第１の部材５１と第２の部材５２との嵌合を基にして、冷媒を通流する密閉構造の受熱部材５を構成する係合は、第１の部材５１の平面枠部５１２の平面端部と前記第２の部材５２の内壁面の上端部との対向する隙間からロウ付けによって両部材を接合している(図２の太線部)。

このロウ付けについての詳細を図５により説明する。
図５は、第１の部材５１と、第２の部材５２のフィン保持部材５２４の当接部分を拡大して示したものである。図５に示すように、第２の部材５２には、フィン保持部材５２４が設けられている。図２の太線部で示したように第１の部材５１と第２の部材５２の隙間よりロウ付けを行うが、ロウ付け剤は、第１の部材と第２の部材の隙間から、毛管現象によって各部材間の隙間に沿って受熱部材５の内部に侵入していき、フィン保持部材５２４に到達される。

このフィン保持部材５２４には、第１の部材５１の第２の部材５２への位置決めのなされていない第１の部材５１のＸ方向を定めるために、ロウ付け剤が係留されやすいようにフィンに対向して曲率部を設けたり、曲率部にロウ付け剤を導くための傾斜面を設けたりしている。

図５にみるようにフィン保持部材５２４と、フィン５１１との曲率部にロウ付け部材が係留されることにより、密閉したヘッダ室５２８（５２７）が形成されることになり、フィン５１１のＸ方向の位置決めがなされると伴に、流路のバイパス形成を回避できる。

上記のように、項熱伝導材により一体に切り起こした微細フィンによって流路を形成することによって、冷媒との接触面積を大幅に増加することが可能であり、発熱体から冷媒への熱伝達が効率よく行われることから高性能の熱変換機を実現できる。しかも、切り起こし加工によるフィンの形成のため、フィンの長さや高さの変更も容易であるため、薄型で、発熱部が広い領域を被冷却対象としたい場合の受熱部材の対応も可能であることから、ＨＤＤ等の冷却にも好適な冷却装置である。

本発明の冷却装置を搭載した電子機器の概略構成図である。 本発明の冷却装置の受熱部材の構成図である。 本発明の受熱部材の構造部品詳細図（１）である。 本発明の受熱部材の構造部品詳細図（２）である。 本発明の受熱部材の拡大構成図である。

符号の説明

１…電子機器、２…回路基板、３…発熱体、４…冷却装置、５…受熱部材、
６…放熱部材、７…タンク、８…ポンプ、９…配管、５１…第１の部材、
５２…第２の部材、５１１…フィン、５１２…平面枠部、
５２１…凹部、５２２…棚状枠部、５２３…冷媒制止部材、５２４…フィン保持部材

Claims (4)

1. 電子機器に搭載された発熱体を冷媒の熱移送によって冷却する冷却装置において、
   内部に該冷媒を通流する流路を有し発熱体からの熱を受熱する受熱部材と、
   該冷媒によって受熱した熱を放熱する放熱部材と、
   前記受熱部材と前記放熱部材の間において前記冷媒を循環させるために配設した配管部材とを備え、
   前記受熱部材は、高熱伝導性の材料で一体形成したフィンを設けた第１の部材と、第１の部材との嵌合及び接合に適した材料で凹部を形成し、前記凹部の４隅にて前記第１の部材の前記フィンの高さ方向（Ｚ方向）、及び前記フィンの流路の通流方向（Ｘ方向）を保持するフィン保持部材と、該凹部と外壁部とを貫通した冷媒の流入口、及び流出口を設けた第２の部材とを構成部材となし、
   前記第１の部材の前記フィンと前記第２の部材の前記凹部の嵌合は、
   前記第１の部材の前記フィンの高さ長（Ｈ）を前記第２の部材の前記凹部の深さ長（ｈ）より長くして、前記フィンを前記凹部底面に弾性変形して高さ方向（Ｚ方向）に押圧接触させ、
   前記第１の部材の前記フィンの積層方向（Ｙ方向）長さ（Ｄ）を前記第２の部材の前記凹部の第１の対向する内側壁面に突出させた冷媒制止部材間の距離（ｄ）よりも長くして、前記フィンを前記凹部の前記冷媒制止部材により弾性変形して積層方向（Ｙ方向）に押圧接触させて、前記フィンを前記凹部にて遊間なく位置決めされることを特徴とする電子機器用冷却装置。
2. 請求項１に記載の電子機器において、
   前記第１の部材と前記第２の部材の接合はロウ付けとし、
   前記第２の部材に設けた前記フィン保持部材は、該ロウを流導、および係留するための傾斜面及び曲率面を設け、前記第１の部材と前記第２の部材との係合隙間におけるロウ付け時に、該ロウ付けのロウを前記保持部材に導いて、前記第２の部材の前記凹部の第２の対向する内側壁面と前記第１の部材の前記フィンの流路端部とで、密閉ヘッダ室を構成する構造としたことを特徴とする電子機器用冷却装置。
3. 内部に冷媒を通流する流路を有し発熱体からの熱を受熱する受熱部材において、
   前記受熱部材は、高熱伝導性の材料で一体形成したフィンを設けた第１の部材と、第１の部材との嵌合及び接合に適した材料で凹部を形成し、前記凹部の４隅にて前記第１の部材の前記フィンの高さ方向（Ｚ方向）、及び前記フィンの流路の通流方向（Ｘ方向）を保持するフィン保持部材と、該凹部と外壁部とを貫通した冷媒の流入口、及び流出口を設けた第２の部材とを構成部材となし、
   前記第１の部材の前記フィンと前記第２の部材の前記凹部の嵌合は、
   前記第１の部材の前記フィンの高さ長（Ｈ）を前記第２の部材の前記凹部の深さ長（ｈ）より長くして、前記フィンを前記凹部底面に弾性変形して高さ方向（Ｚ方向）に押圧接触させ、
   前記第１の部材の前記フィンの積層方向（Ｙ方向）長さ（Ｄ）を前記第２の部材の前記凹部の第１の対向する内側壁面に突出させた冷媒制止部材間の距離（ｄ）よりも長くして、前記フィンを前記凹部の前記冷媒制止部材により弾性変形して積層方向（Ｙ方向）に押圧接触させて、前記フィンを前記凹部にて遊間なく位置決めされることを特徴とする受熱部材。
4. 請求項３に記載の受熱部材において、
   前記第１の部材と前記第２の部材の接合はロウ付けとし、
   前記第２の部材に設けた前記フィン保持部材は、該ロウを流導、および係留するための傾斜面及び曲率面を設け、前記第１の部材と前記第２の部材との係合隙間におけるロウ付け時に、該ロウ付けのロウを前記保持部材に導いて、前記第２の部材の前記凹部の第２の対向する内側壁面と前記第１の部材の前記フィンの流路端部とで、密閉ヘッダ室を構成する構造としたことを特徴とする受熱部材。

Images