JP4867411B2 - 電子機器用冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばパーソナルコンピュータやサーバ等に代表されるように、その内部に発熱体である半導体集積回路素子を搭載した各種の電子機器において、当該発熱体の冷却に適した液冷装置に関する。

パーソナルコンピュータやサーバ等に代表される電子機器では、その筐体の内部に、発熱体である、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代表される半導体集積回路素子を備えており、そのため、通常、当該発熱素子の正常な動作を確保するため、冷却が必要とされている。近年、ＣＰＵは、演算処理速度が高速化しているため、それに伴い発熱量が益々増大している。

従来、ＣＰＵの冷却は、ＣＰＵにヒートシンクを固定し、ヒートシンクもしくは装置筐体にファンを取り付け、その冷却風をヒートシンクに吹き付ける空冷方式が主流であった。しかし、装置の高密度実装化に伴い、ＣＰＵ回りのスペースには制限が生じ、ヒートシンクサイズが制限されるため、おのずと冷却能力も制限される。また、ファンサイズも制限されるため、高風量を得るためには小型ファンを高速で回転させる必要が生じ、騒音が増大する。

これに対し、特許文献１などで開示される液冷方式では、熱交換器を比較的自由な位置に設けることができるため、その大きさにも制約が少なくなり空冷方式に比べ冷却限界が高く、かつ低騒音化できる。そのため、近年、電子機器のＣＰＵ等の冷却に液冷方式が採用され始めている。パーソナルコンピュータやサーバなどの電子機器において、液冷方式を適用する場合、ＣＰＵ等の発熱素子に接続され、その発熱を液媒体に伝える熱交換器（ジャケット）の高性能化が、特に、重要である。ジャケットに関する従来技術として、たとえば、特許文献２において開示されている。特許文献２では、金属配管をループ状に構成したものを金属製のベース板上に接合してジャケットの液流路構成している。また、特許文献３では、スリットを形成した金属板を複数枚積層、接合してスリット部を流路として構成した例が開示されている。

特開平６−２６６４７４号公報 特開２００３−１５２３７６号公報 特開２００５−１６６８５５号公報

近年、パーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器は、演算処理速度の高速化、高性能化に伴い、ＣＰＵ等の発熱体の発熱量が益々増加している。高性能の電子機器を長期間信頼性良く稼動させるためには、これらのＣＰＵ等の発熱体の温度上昇を小さくする必要がある。そのためには、前記従来技術では、次のような問題点があった。

熱交換器（ジャケット）の高性能化においては、液流路の表面積をできるだけ大きくすることが望ましい。このため、金属管でジャケットの流路を構成する例において、流路の表面積を大きくするため、金属管をループ上に構成することにより管長を長くする必要がある。しかし、管長を長くすると流路抵抗が増大し、能力の大きいポンプが必要となる。

また、スリット板を積層する例においては、表面積を大きくするため、薄板に微細なスリットを多数形成し、それらの薄板をすべて接合する必要があり、製造コストが非常にかかってしまうという欠点があった。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて成されたものであり、高発熱化するＣＰＵが搭載された電子機器に対し、ＣＰＵ等発熱体の温度上昇を小さくし、高性能で、かつコストに優れたジャケットを有する電子機器用冷却装置を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明の電子機器用冷却装置は、発熱体の発生熱を受熱する第１の熱交換器と、受熱した熱を移送する冷媒液と、冷媒液により移送された熱を放熱する第２の熱交換器と、前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間において、前記冷媒液を循環させるために配設される配管部材とで構成され、前記第１の熱交換器、および前記第２の熱交換器のどちらか一方あるいは両方の熱交換器は、前記冷媒液を通流するための密封される枠体と、該枠体内において前記冷媒液を分流して通流するための並行に配置された複数の通流壁片による通流部材で構成され、該熱交換器の側壁には、前記冷媒液が流入される流入口と前記冷媒液が流出する流出口が設けられ、前記配管部材によって接続され、前記枠体内には、前記流入口、および前記流出口と前記通流部材間に前記冷媒液を分流あるいは合流するための空間となるヘッダ部分が設けられ、前記通流部材の前記通流壁片が、前記冷媒液との接触面積を広くするために並行に配した壁平面の各々を湾曲した面に形成されて配置されるようにした。

さらに、前記並行に配置された複数の通流壁片が配列された通流壁片列の間口が、前記枠体内に設けられた冷媒液を分流するための空間となるヘッダ部分の幅より大きくなるようにした。

また、本発明では、前記の電子機器用冷却装置は、前記通流部材を、通流壁片とベース部材で構成し、通流壁片を、ベース部材を切り込んだ切り起し加工によって形成し、ベース部材と一体構造とした。

上記のように構成することにより、高発熱化するＣＰＵが搭載された電子機器に対し、ＣＰＵ等発熱体の温度上昇を小さくし、高性能で、かつコストに優れた熱交換器（ジャケット）を有する電子機器用冷却装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、添付の図１、図２は、本発明の一実施の形態になるジャケットの構成を示したもの、および、そのジャケットを用いた液冷モジュールを電子機器の冷却に適用した例を示したものである。

図1に示すように、ジャケット１は、銅などの熱伝導の優れた金属板（フィンベース部）２に多数の並行したフィン３を形成したフィンピース４をフィンピース４の高さに合わせて形成したくぼみ部５を形成したジャケットケース６にはめ込みフタ７をかぶせたものである。フィンピース４は、たとえば、金属板２の表面を端部から微細なピッチで連続的に切り込み、切り起こして形成する。本加工法は、微細なピッチで液流路を形成するのに有効な方法であるとともに、フィン面が高さ方向に湾曲するため、通常の直線的なフィンより高さ方向のフィン長を長く取れるため表面積を大きくできるという利点がある。ジャケットケース６には、液冷媒の入口および出口ポート８，９が形成されている。ジャケットケース６とフィンピース４のフィンベース部２、および、ジャケットケース６とフタ７は、それぞれロウ付けなどにより接合される。

図２に、本ジャケットを用いた液冷モジュールを電子機器の冷却に適用した例を示す。なお、本例では、例えば、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの本体部分に本発明を適用した場合について示している。まず、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの本体部分は、図示のように、例えば、金属板を立方形状に形成してなる筐体１００を備えており、その内部には、ディスクやＣＤ、ＤＶＤ等の外部情報記録媒体を駆動する各種のドライバ装置１０１や、ハードディスク装置からなる記憶部装置などを備えている。一方、上記筐体１００の背面側には、本発明になる液冷システムを備えた電子回路部１０２が配置されている。

また、図中の符号１０３は、商用電源から上記ドライバ装置１０１、電子回路部１０２を含む各部に所望の電源を供給するための電源部を示している。電子回路部１０２には、その主要な構成部である発熱素子、即ち、ＣＰＵを搭載している。なお、本例では、上記発熱素子であるＣＰＵのチップは、上記ジャケット１の下面側に直接接触されて搭載されており、そのため、ここでは図示されていない。

そして、この電子回路部１０２は、図からも明らかなように、上記ＣＰＵに接続されＣＰＵで発生する熱を受熱するジャケット１と、上記ＣＰＵからの発熱を装置の外部へ放熱するラジエータ部２０と、循環ポンプ２１と、これらにより熱サイクルを構成する各部に液体冷媒（例えば、水、又は、プロピレングリコール等、所謂、不凍液を所定の割合で混合した水など）を通流するための流路が、例えば、金属、又は、例えばゴム等の弾性体から形成されたチューブ（配管）２２、２３…によって接続されている。また、上記ラジエータ部２０には、その構成要素である多数のフィンに送風し、もって、上記ジャケット１から搬送された熱を強制的に放熱するための平板状のファン２４…（本例では、複数、例えば３個）が、取り付けられている。

ジャケットの詳細について以下、図３、図４を用いて説明する。図１のように構成されたジャケットの断面図を図３に示す。フィンピース４は、図３に示されるように、冷媒液がフィン３の間以外の部分をバイパスすることの無いよう、フィン３の先端とフタ７との隙間、および、フィンベース２の両端のフィン３０とジャケットケース６の内側面１０との隙間が、流路幅すなわちフィン間隔以下になるよう寸法管理されている。ＣＰＵ１１は、ジャケットケース６の外面に熱伝導性のグリースなどを介して接触する。フィン３の間の流路を流れる液冷媒にＣＰＵ１１で発生する熱を効率よく伝えるため、ジャケットケース６とフィンピース４のフィンベース部２とはロウ付けなどにより金属的に、かつ、このロウ付け接合面が完全に密着して接合されることが望ましい。

また、ジャケット内部の上面断面図を図４に示す。液冷媒の入口および出口ポート８，９は、たとえば、ジャケットケース６の１側面に２本のパイプなどを貫通させることにより形成される。フィンピース４の上流側および下流側には、入口および出口ポート８，９につながる空間部（ヘッダ部）１２，１３を有する。ヘッダ部１２，１３は、入口ポート８から流入した液冷媒が、フィンピース４に形成されるフィン間（液流路）へ均一に分配されるように形成されたバッファ領域である。また、さらに、ジャケットケース６の内側面に凹部１４，１５を形成し、フィンベース部２の端部がこれらの凹部１４，１５に入り込むようにする。すなわち、並行に配列されたフィン列の間口が、ヘッダ部１２の幅（フィン間液流路の長手方向に垂直で紙面と平行な方向の幅）より大きくなっている。フィン列の間口が、液冷媒が流入する側のヘッダ部のフィン間流入部の幅より大きくなってさえいれば、ジャケットケース６の内側面に凸部を形成した構造でもよい。
本構成にすることにより、フィンベース部２１の最外端に形成されたフィン３０とジャケットケース６の内側面に形成される隙間に液冷媒がバイパスして流れるのを防ぐことができるとともに、ジャケットケース６にフィンピース４を接合する場合の位置決めも容易になる。切り起し加工による微細フィンの成形においてはフィン面が湾曲するため、フィンベース部２１の最外端に形成されたフィンとジャケットケース６の内側面に形成される隙間が大きくならざるを得ない。したがって、上記にあるようなジャケットケース６内側面に設けた凹部とフィンベース２の嵌めあいによる成形は、フィン間の流路以外の液流のバイパスを防ぐのに特に大きい効果を表す。

同様に、フィン先端部とフタの内面との間にも隙間が無いのが望ましい。各々のフィン先端部の高さにばらつきがあると、高さの高いフィンによりフタの高さ位置が決まってしまうため高さの低いフィン部に隙間が生じ、液がバイパスしてしまう可能性がある。このため、フィン先端部をフタで押さえ、すべてのフィンがフタと接するよう荷重をかけた状態でフタをロウ付けすることが考えられる。フィンが湾曲形状のため、個々のフィンは容易にフィン高さ方向に変形できる。したがって、フィンを湾曲形状にしたことによって、すべてのフィンの先端をフタと接するようにするのが容易にでき、フィン先端とフタとの間の液流のバイパスを防ぐのに特に大きい効果が得られる。

また、図５に示すように、フィン３の先端部３１を倒したり、または、フィン先端部３１の湾曲を大きくして、フィン先端部で隣接するフィン同士が接触するようにする。本形状で成形したフィンピース４とジャケットケース６とフタ７とを接合することでフィン先端部とフタとの間にできる隙間を低減できる。さらに、フィン先端部とフタとの間にもロウ材を介在させ、より確実に隙間をなくすこともできる。

以下に、本発明のジャケットの他の実施例を示すが、上記で説明したような、フィンとジャケットケースとの間、ならびに、フィンとフタとの間での液流のバイパスを回避する構造を組み合わせることができる。

図６に本発明のジャケットの他の実施例を示す。図１に示したジャケットの実施例では、ＣＰＵなどの発熱素子の熱をフィン間に流れる冷媒液に効率よく伝えるためには、ジャケットケースの底面とフィンピースのフィンベース部とが、両者の接合面が完全に密着するようにロウ付けされなければならない。しかし、この接合面は、面積が大きくなるほど、未接合部が生じやすくなり、熱抵抗を増大させることになる。この点を考慮し、ＣＰＵとフィンベース部が直接接触する構造とした例が図６である。本実施例のジャケットは、周囲にフィンを形成しないフランジ部１６を残してフィンベース２に切り起こし加工で形成した湾曲状のフィン３有するフィンピース４と、液の流入、流出用ポート８，９を備え、フィン３の高さに合わせ中央に凹部１７を形成したフタ１８とで構成され、フィンピース４のフランジ部１６とフタ１８とがロウ付けなどにより接合される。フランジ部１６の形成方法として、フィン３をフィンベース２全面に形成した後、周囲を削除する方法、フィン３を形成する中央部にあらかじめ凸部を有するフィンベース２を準備し、凸部に切り起こし加工を施して湾曲状のフィン３を形成するなどの方法がある。図７の断面図に示すように、フタ１８の周囲とフィンピースのフランジ部１６とが接合され、湾曲したフィン３とフタ１８の凹部１７との間で液流路を形成する。本実施例では、フタ１８とフィンピース４のフランジ部１６との接合部が気密に保たれていさえすればよく、ＣＰＵからフィンベース２への熱的接続が確実にかつ小さい熱抵抗で出来る。なお、フタ１８とフィンピースのフランジ部１６とは、気密な接合が出来ればよいため、ロー付けなどの方法の他に、Ｏリング等を用いたシール構造を用いてもよい。

また、同様な方法として、図８,９に示す構成としてもよい。本実施例は、先の図６,７に示した前実施例において、フィンピースにフランジ部を形成せず、同様な効果を得るものである。図８に示すように、前実施例（図６,７）とほぼ同様な構成であるが、ＣＰＵ１１の外形より大きい開口部を有する枠３１を準備し、枠３１にフィンピース４のフランジ部１６（図６,７）と同様の機能を持たせるものである。図９の断面図に示すように、枠３１によってフタ１８とフィンベース２の周囲（フィン３を形成しない面）を同時に気密に接合することにより、前実施例（図６,７）におけるフィンピースのフランジ部１６と同様な機能を枠体３１によって機能させ、フィンピース４にフランジ部を設けることなく、ＣＰＵ１１からフィンベース２への熱的接続を確実にかつ小さい熱抵抗で行うものである。フィンピース４は、図１に示した実施例と同一のものでよい。前実施例（図６,７）にあるような、フィンベース全面にフィンを形成した後、周囲のフィンを削除する方法の場合、フィン部の切削工程の際、バリ、かえりなどでフィン間が塞がれないようにする必要がある。これに対し、本実施例では、フィン部の切削後工程を含まないため、上記のフィン間が塞がれる点に配慮する必要がないなど、フィンピース４の作成に当たり製造上の制約条件を少なくすることができる。

図１０に流路の構成についての他の実施例を示す。切り起こし加工により湾曲状のフィンを形成したフィンピースを複数個（たとえば、図１０では２個）用意し、フィンピース４１，４２の高さに合わせジャケットケース６０内に形成した部分的に仕切られたくぼみ部５０にフィンピース４１，４２を、各々のフィンピースで形成される流路が直列になるように配置（液冷媒の流れ方向を矢印で示した）、接合したものである。本実施例では、先の実施例にあるような１個のフィンピースを用いる場合とフィン枚数、フィン面積、全体液流量が同じ条件において比較して、フィン間の流速が上げられること、フィン間での流量のばらつきを低減できる等により冷却効果をより高めることができるという特徴をもつ。

図１１、１２に他の実施例を示す。本実施例は、先の実施例（たとえば、図１）において、ジャケット内部を厚さ方向に区切る仕切り板を有した構造で、フィンピース４を収容するジャケットケース６と、くぼみ部を有するフタ３５と、開口３４を有し両者の間に設けられる仕切り板３１からなる。図１２の断面図に示すように、仕切り板３１は、ジャケット内部を、フィンピース４を設けた領域３２と液を貯留する領域３３とに区切り、仕切り板３１に設けた開口３４により両領域が連通する。液貯留領域３３は、フタ３５に設けたくぼみ部３６で形成される。各領域には、液流入用ポート８と液流出用ポート９がそれぞれジャケットケース６およびフタ３５に取付けられる。液貯留領域３３の内容積は、たとえば製品寿命の長期間にわたり、液の透過等による減少分を補える量に相当する大きさで、いわゆる、リザーブタンクと同機能を有する。すなわち、ジャケットとリザーブタンクとを一体化構造としたものである。

なお、上記各実施例では、切り起こし加工により形成した湾曲状の微細フィンをＣＰＵで発生する熱を受熱する側のジャケットに適用した場合を示したが、さらに、受熱した液冷媒から外気へ放熱する放熱部（ラジエータ）側の液流路部に適用してもよい。すなわち、たとえば、図１などで示したジャケットと同様な構成で放熱部側の液流路部を形成し、フタの外面にさらに空気との熱交換を行うためのフィンなどを設ける。

本発明の一実施の形態になる、電子機器用冷却装置を構成するジャケットの展開斜視図である。 上記電子機器用冷却装置を電子機器の冷却に適用した全体構成を表す斜視図である。 上記冷却装置を構成するジャケットの側断面図である。 上記ジャケットの上面断面図である。 上記ジャケットを構成するフィンピースの側断面図である。 本発明の他の実施形態になる、電子機器用冷却装置を構成するジャケットの展開斜視図である。 上記ジャケットの側断面図である。 本発明の他の実施形態になる、電子機器用冷却装置を構成するジャケットの展開斜視図である。 上記ジャケットの側断面図である。 本発明の他の実施形態になる、電子機器用冷却装置を構成するジャケットの上面断面図である。 本発明の他の実施形態になる、電子機器用冷却装置を構成するジャケットの展開斜視図である。 上記ジャケットの側断面図である。

符号の説明

１…ジャケット、２…フィンベース、３…フィン、４…フィンピース、
６…ジャケットケース、７…フタ、１１…ＣＰＵ

Claims (2)

1. 電子機器に使用される発熱体の発生熱を移送し放熱する液冷の冷却装置において、
   前記冷却装置は、
   発熱体の発生熱を受熱する第１の熱交換器と、
   該受熱した熱を移送する冷媒液と、
   該冷媒液により移送された熱を放熱する第２の熱交換器と、
   前記第１の熱交換器と前記第２の熱交換器との間において、前記冷媒液を循環させるために配設される配管部材とを有し、
   前記第１の熱交換器、および前記第２の熱交換器のどちらか一方あるいは両方の熱交換器は、受熱面あるいは放熱面を有し前記冷媒液を通流するための密封されるケース体と、蓋体と、該ケース体内に載置され前記冷媒液を分流して通流するための並行に配置された複数の通流壁片による通流部材と、該熱交換器の側壁に設けられ、前記冷媒液が流入される流入口と前記冷媒液が流出する流出口と、前記枠体内に設けられ、前記流入口および前記流出口と前記通流部材間に前記冷媒液を分流あるいは合流するための空間となるヘッダ部分とで構成されて、
   前記第１の熱交換器で受熱した前記発熱部の発生熱を、前記冷媒液の循環により、前記第２の熱交換器で放熱する装置であって、
   前記通流部材は、前記通流壁片とベース部材とが一体構造であり、
   前記通流壁片は、前記冷媒液との接触面積を広くするためにベース部材を切り込んだ切り起し加工によって形成されて、並行に配した壁平面の各々を湾曲した面に形成されて配置され、
   前記通流部材のベース部材が前記ケース体の受熱面側あるいは放熱面側に載置され、
   前記通流部材のベースと通流壁片の高さ寸法が、前記熱交換器のケース体の前記通流部材を収納載置する凹部の深さと前記蓋体で覆うことにより形成される空間高さ寸法よりも大きく構成され、
   前記熱交換器として組みつけられたときに前記通流部材の通流壁片を押圧して、前記ベース部材をケース体に接触保持するとともに前記通流壁片を前記蓋体に密着している
   ことを特徴とする電子機器用冷却装置。
2. 請求項１に記載の電子機器用冷却装置において、
   前記ケース体内は、冷媒液を分流するためのヘッダ部分の空間と、前記通流部材を載置するための空間とを有し、該通流部材を載置するための空間の幅寸法は、前記ヘッダ部分の空間の幅寸法より大きく形成してなり、前記通流部材の複数の通流壁片が並行に配列された該配列方向の長さ寸法は、前記通流部材を載置する空間の幅寸法に略等しき寸法として構成され、該通流部材を載置する空間に収納載置されて組み立てられたことを特徴とする電子機器用冷却装置。

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