JP4929130B2 - 電子機器用の冷却システム - Google Patents

Description

本発明は、発熱体を搭載した電子機器に係わり、発熱量の異なる発熱体に対する冷却システムの共用化、及び冷却性能の最適化を図るための技術に関するものである。

近年、電子計算機に代表される電子機器において搭載されている中央処理装置（ＣＰＵ）等の半導体デバイスは、高集積化、及び処理能力の高速、高機能化によって発熱量を増大している。一方、半導体デバイスは、所定の温度を超えると、性能の維持を図れないだけでなく、破損することもある。このため、発熱量の増大する半導体デバイスは、冷却等による温度管理を必要とされる。

また、電子機器は、要求される性能、機能、及び形態にいたるまで、ユーザの使途によって種々の製品を有している。さらには、ユーザのニーズによって、発熱体の異なる半導体デバイスを選択的に選定して構成される状況にある。

このような状況において、半導体デバイスの性能の違いに対応して、冷却システムの性能も異なるものとなる。しかし、冷却システムの性能が異なることによって、冷却システムの形状が異なってしまうと、電子機器の実装構造まで変更する必要が生じることになり、最適な冷却システムを実装することは困難となる。よって、半導体デバイスの発熱量に対応して、電子機器の実装構造を変えることなく、最適な冷却装置に置き換えられるニーズは大きい状況にある。

従来の空冷方式の電子機器筐体を大きく変えることなく冷却性能の高い水冷方式の冷却装置を搭載可能とする技術として特許文献１（特開２００２−１５１６３８号公報）が開示されている。また、空冷方式の冷却モジュールとの共通化を図った水冷方式の冷却モジュールの技術が特許文献２（特開２００５−１０００９１号公報）に開示されている。

さらには、電子機器装置の発熱量や、形態に影響を及ぼすことなく液冷以外の冷却システムから液冷システムに置き換えることを可能にする技術が特許文献３（特開２００７−７２６３５号公報）に開示されている。

また、ヒートカプラを設けて、電子装置の後部に設けた液冷ブロックと熱的に接続する技術が特許文献４（特開平３−２４６９９７号公報）に開示されている。
特開２００２−１５１６３８号公報 特開２００５−１０００９１号公報 特開２００７−７２６３５号公報 特開平３−２４６９９７号公報

特許文献１に記載されている電子機器の冷却装置は、ポンプを液体ヒートシンクの上部に搭載し、一体構造として取扱えることにより電子機器筐体内にコンパクトに搭載できるとしているが、冷却装置の形状を大きく決めるラジエータの取り扱いには何らの配慮もされていない。

特許文献２に記載されている冷却モジュールは、冷却ジャケットと、ポンプと、リザーブタンクと、ラジエータとを積層構造に配置することで、ＣＰＵと受熱部との熱的な接続を空冷方式から容易に置き換え可能としているが、冷却モジュール全体の小形化に関する技術的な対応の記載は無く、置き換え搭載可能な空間が十分に有する場合のことであり、いかなる形態の製品間において対応できるものではない。

特許文献３に記載されている液冷システムは、電子機器内の発熱素子に受熱ジャケットを取り付け、冷媒を循環する配管を引き出し、ラックの背面にポンプとタンクとラジエータとを配置している。ただ、受熱ジャケットと液冷システムとの接続は、バルブ付き継ぎ手によるため、冷却装置の切り替え時における接続ミス等において液漏れの懸念を有するものである。

特許文献４に記載されている冷却構造は、内部発熱をヒートパイプに吸引させ、ヒートパイプの冷却端にヒートカプラを配置し、冷却用液体を流通させた液冷ブロックを後部に設けて、伝熱結合するものである。しかし、吸熱した液体を排出し冷却用液体を常時供給しつづける必要があり、民生用の電子機器や、可搬型の電子機器においては対応できないものである。

上記のような従来技術には、発熱量の異なる発熱体の冷却に対し、電子機器の実装構造に関係なく、最適な冷却を行うための冷却システムとして、解決しなければならない課題を有している。

上記の課題を解決するために、本発明における電子機器用の冷却システムは、熱移送部材と、熱冷却部材とを有し、熱移送部材は、電子機器の本体側の筐体内に載置され、熱冷却部材は、本体側の筐体の外部から熱移送部材に着脱可能な構造によって熱的な接続を行い、熱移送部材は、第１の熱交換部材と、第２の熱交換部材とが同一の熱交換性能を有し、冷媒を循環駆動するポンプと、冷媒を貯留するタンクと、配管とを用いて冷媒を循環可能に接続してなり、第１の熱交換部材において発熱体の熱を受熱して第２の熱交換部材に熱移送し、熱冷却部材は、熱移送部材の第２の熱交換部材に移送された熱を第３の熱交換部材において熱伝達し、伝達された熱を外気中に放熱し、電子機器に載置された熱移送部材の第２の熱交換部材は、熱交換平面を電子機器の本体側筐体の壁面から露出させて保持している構成としている。

上記構成によって、実装構造の異なる種々の電子機器における発熱体の冷却に対し、冷却装置の一部を共通化することができ、かつ最適な冷却を可能とする電子機器用の冷却システムを提供できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明における発熱体を冷却するための冷却システムと、それを搭載した電子機器の概略構成図である。図１に示されるように、電子機器１は、筐体２内にＣＰＵで代表される半導体デバイス（発熱体）３を載置した回路基板４と、発熱体３を冷却する冷却システムにおける熱移送部材５を搭載している。ここで、本発明の冷却システムは、熱移送部材５と熱冷却部材６（詳細は後述する）とを着脱自在な構造により構成されたものであり、図１では、熱冷却部材６を離脱させた電子機器１の状態を示している。

電子機器１に搭載される熱移送部材５は、発熱体３と熱的に接続して、発熱体３の熱を熱移送部材５の内部で通流する冷媒によって受熱する受熱部材（第１の熱交換部材）５１と、第１の熱交換部材５１によって受熱した冷媒の熱を電子機器１の筐体２の外部に設ける熱冷却部材６によって放熱するために、電子機器１の筐体２に取り付けられる第２の熱交換部材５２とを有し、第１の変換部材５１と第２の変換部材５２との間で冷媒を循環駆動するポンプ５３と、冷媒を貯留するタンク５４とを配管５５群で接続した構成である。

次に、電子機器１に搭載される熱移送部材５１の詳細を図２によって説明する。

図２は、本発明における冷却システムの熱移送部材の一実施形態を示す構成斜視図である。図２に示す第１の熱交換部材５１、及び第２の熱交換部材５２は、内部に図示しない冷媒の流路を設け、発熱体３、あるいは熱冷却部材６と熱的に接続する熱交換平面部５１３、及び５２３を熱伝導性の良い金属材料で形成し、熱交換平面部５１３、及び５２３の対向平面５１４、及び５２４に冷媒の流入口５１１、５２１、及び流出口５１２、５２２とを設けている。

第１の熱交換部材５１と第２の熱交換部材５２とは、熱的に接続する対象物が異なるので、取り付け部材の構造は、異なる部分を有する。一方、熱的な変換部材の形状、構造は同一の構成とするものである。前述したように、第１の熱交換部材５１と第２の熱交換部材５２との間には、冷媒を循環駆動するポンプ５３と、冷媒を貯留しているタンク５４とを配置して、各部材間は、冷媒を循環駆動可能に配管５５１、５５２、５５３、および５５４により接続している。

ここで、図２において、配管群５５を二点鎖線で記述しているが、これは、各部材のいずれかをそれぞれの組み合わせによって一体に構成し、配管群５５のいずれかを割愛しても良いことを示唆するものであり、もちろん、配管群５５の各々は、電子機器１の構造によって所定の適切な長さを有して構成されるものである。また、第１の熱交換部材５１、及び第２の熱交換部材５２における冷媒の流入口５１１、５２１、及び流出口５１２、５２２を熱交換平面５１３、５２３の対向平面５１４、５２４に設けているのは、各々の熱交換部材５１、５２が、発熱体３、あるいは熱冷却部材６との熱的な接続を遣り易くするための構造としての一実施形態であり、各流入口５１１、５２１、および流出口５１２、５２２を各々の部材における側平面に設けた実施形態であっても良い。

次に、熱移送部材５における熱交換状態について説明する。

図３は、本発明における熱移送部材の熱交換状態を示す説明図である。図３において、第１の熱交換部材５１は、熱交換平面５１３において発熱体３と熱的に接続しており、発熱体３の一部の熱を第１の熱交換部材５１の熱交換平面５１３に熱伝達し、さらに内部を通流する冷媒に熱伝達する。第１の熱交換部材５１において熱交換された冷媒は、熱交換分上昇した温度となってタンク５４を経由して、第２の熱交換部材５２に移送される。

ここで、実際には、第２の熱交換部材５２の熱交換平面５２３に移送される冷媒は、タンク５４に貯留されている常温の冷媒と混合されることによりやや低温度となるが、説明を解かり易くするために、まず、タンク５４の冷媒量が影響を及ぼすほど大きくないとして説明する。

すなわち、第２の熱交換部材５２の熱交換平面５２３が熱伝達される熱は、第１の熱交換部材５１から移送されてくる冷媒の熱を熱伝達する。さらに、詳細を後述する熱冷却部材６は、第２の熱交換部材５２の熱交換平面５２３と熱的に接続していることから、第２の熱交換部材５２の熱の一部の熱は、電子機器１の外部に設けられる熱冷却部材６に熱伝達される。すなわち、熱冷却部材６の温度は第２の熱交換部材５２からの熱伝達分が増加した温度となるものである。

また、第１の熱交換部材５１と、第２の熱交換部材５２との熱交換構造を同一の構造としていることから、第２の熱交換部材５２から熱冷却部材６への熱伝達特性は、第１の熱交換部材５１における発熱体３からの熱伝達特性と同様になる。よって、第２の熱交換部材５２より移送される冷媒は、熱冷却部材６の熱交換によって、温度低下した冷媒となり、ポンプ５４から、第１の熱交換部材５１に移送される冷媒は、循環駆動される。

よって、電子機器１の発熱体３から受熱分を筐体２の外部に設けた熱冷却部材６によって外部に放熱し、発熱体３を、冷却している。

先に、説明を解かり易くするために、タンク５４の冷媒における温度変化を割愛して説明したが、実際には、タンク５４から流出され第２の熱交換部材５２に流入される冷媒の温度は、タンク５４に貯留されている冷媒量（Ｑ２）とその温度と、循環駆動されタンク５４に流入される冷媒量（Ｑ１）とその温度によって異なるものである。すなわち、タンク５４内の冷媒と、タンク５４に通流により流入される冷媒とが混合された冷媒をタンク５４より第２の熱交換部材５２に流出するため、タンク５４内に残留する冷媒、及びタンク５４より第２の熱交換部材５２に移送される冷媒は、第１の熱交換部材５１で受熱したときより、低下した温度となる。このことは、第２の熱交換部材５２の熱交換特性が十分に発揮されると、第１の熱交換部材５１に循環移送される冷媒は、より低下した温度に冷却されて循環されて来ることになり、第１の熱交換部材５１における冷媒は、発熱体３から受熱する吸熱量の増加が期待できることになるが、しかし、一方で、タンク５４に滞留する冷媒の温度は、温度上昇しているので、循環してくる冷媒へのタンク５４内の冷媒による影響が緩和されることになり、トータル的な熱交換量が変わらないことになって、タンク５４における温度変化の状態を割愛して説明することに大きな問題が無いものといえる。

ただ、これは、本発明における発熱体３と第１の熱交換部材５１における熱交換特性と、第２の熱交換部材５２と熱冷却部材６における熱交換特性とが同様である場合においてであって、熱冷却部材６の放熱量が小さいと、第２の熱交換部材５２の熱交換量が劣化して、タンク５４内の冷媒の温度が上昇して冷却性能が発揮できなくなる。

よって、ここに、熱冷却部材６の放熱性能について説明する。

図４は、本発明における熱冷却部材の一実施形態を示す構成斜視図である。図４に示す冷却システムの熱冷却部材６は、熱移送部材５の第２の熱交換部材５２の熱交換平面５２３と熱的に接続し、内部を通流する冷媒に熱交換する第３の熱交換部材６１と、冷媒によって熱交換された熱を大気中に放熱する第４の熱交換部材６２とを有し、第３の熱交換部材６１と、第４の熱交換部材６２との間で冷媒を循環駆動するポンプ６３と、冷媒を貯留するタンク６４とを配管６５群で接続した構成である。

第３の熱交換部材６１、及び第４の熱交換部材６２は、内部に図示しない冷媒の流路を設けている。第２の熱交換部材５２と熱的に接続される第３の熱交換部材６１は、少なくとも、熱交換平面６１３を熱伝導性の良い金属材料で形成している。また、その側平面には、冷媒の流入口６１１と、流出口６１２を設けている。同様に、第４の熱交換部材６２は、外部空気を送風することによって送風空気と熱交換するために、冷媒の流路を含めて熱伝導性の良い金属材料で形成され、外部空気との接触面の拡大を図るために、平面的な形状として、電子機器の外形に約等しい大きさの枠体６６に保持されている。

さらには、熱冷却部材６は、熱移送部材５と同様に、第３の熱交換部材６１と第４の熱交換部材６２との間に冷媒を循環駆動するポンプ６３と、冷媒を貯留しているタンク６４とを配置して、各部材間は、冷媒を循環駆動可能に配管群６５により接続されている。

図４に示す実施形態においては、タンク６４と第４の熱交換部材６２とを一体構造としているので、両部材間を接続する配管群６５の１つは割愛されている。また、第３の熱交換部材６１、第４の熱交換部材６２、ポンプ６３、及びタンク６４の形状を平面形状として、同一平面上に配置することで、各部材の冷媒の流入口、流出口を近接して配置することができることから各部材の流出口と流入口とを直接的に接続することも可能であり、配管群６５の一部、あるいは大半を縮小、あるいは割愛できるものである。

さらには、熱冷却部材６の各部材を保持する枠体６６を電子機器１の外形形状に合わせて電子機器１の背面側に別構造体で配置することで、電子機器１の発熱体３の発熱量に対応した熱冷却部材６を設けることができる。すなわち、発熱量が小さい場合には、第３の熱交換部材６１と第４の熱交換部材６２とを一体構造として熱伝達ベース体と放熱フィン体としたヒートシンク部材とする構成としても良い。発熱量が大きい場合には、第４の熱交換部材６２の面積を枠体６６と同一形状に拡大して、枠体６６自体を第４の熱交換部材６２と一体化しても良い。

次に、本発明の冷却システムによる発熱体の冷却について説明する。

図５は、本発明における電子機器用の冷却システムの冷却状態を示す構成図である。

図５に示すように、電子機器１に搭載された発熱体３を冷却するために、電子機器１に載置された冷却システムの熱移送部材５は、第１の熱交換部材５１を発熱体３に熱的に接続している。この際、発熱体３を搭載した回路基板４の近傍には第１の熱交換部材５１のみを配置すればよいため、電子機器の回路基板４等の実装状態に係わることがない。また、第２の熱交換部材５２は、電子機器１の背面側の筐体２に熱交換平面５２３を筐体２より突出して設置している。両部材は、フレキシブルチューブ等による配管５５により接続されることによって、電子機器１の実装状態に影響することがないため、いかなる電子機器１にも搭載可能である。熱移送部材５の第１の熱交換部材５１と第２の熱交換部材５２とを共用の構造とすることができるため、生産上の管理、部材の調達方法において大きな優位点を有するものである。

また、タンク５４を第２の熱交換部材５２と一体構成にする。または、ポンプ５３を第１の熱交換部材５１と一体構成にする。これらの部材の一体構成とした構成の一方、あるいは両方を実施することは、製品の形態や、製品の生産において、一層好ましい状況を得ることができることについて言及するまでもないものである。

電子機器１の発熱体３の冷却を行うに当たって、冷却システムを熱移送部材５と熱冷却部材６に分離可能な構造として、電子機器１に冷却システムの熱移送部材５のみを搭載することは、電子機器１の実装構成を簡素化すると共に、熱移送部材５によって発熱体３の発熱位置に係わらず、冷却に都合の良い領域に移動することを実現するものである。第２の熱伝達部材５２が筐体２の外部に突出して設置されているため、発熱体３の発熱が僅かな場合には、外部より扇風機７等によって送風することによって、第２の熱交換部材５２から送風空気に熱交換して冷却することも可能である。ただ、より大きな冷却性能を得るためには、第２の熱交換部材５２にヒートシンクを熱的に接続して、扇風機７等によって送風する空気に熱交換することがより好ましい。もちろん、本発明における熱冷却部材６を熱移送部材５の第２の熱交換部材５２に熱的に接続し、熱冷却部材６の第４の熱交換部材６２に送風することによって、発熱体３の大きな発熱量においても冷却が可能となる。

上記説明では、冷却システム専用のファンを設けることなく、扇風機７等によって送風することを説明したが、冷却システムに冷却用のファン７として設けることでも良い。

また、熱移送部材５の第２の熱交換部材５２と、熱冷却部材６の第３の熱交換部材６１の熱的な接続は、熱伝導シート等を介在させて、熱伝達の効率を上げることは、従来方法によって対応することができるものであり、冷却システムを冷却能力の良い液冷方式によって熱移送部材５と熱冷却部材６とに分離しながら、それぞれの部材において冷媒を密閉空間に封入していることから、冷却システムの交換時における液漏れの懸念も無い。

上記のような構成によって、製品の製造過程において所定の最適な熱冷却部材６を選定して搭載する場合にも、ユーザが、発熱量の増大に対応すべく最適な熱冷却部材６を追加して載置する場合にも、製品の実装状態に関係なく搭載できるものである。

本発明における発熱体を冷却するための冷却システムと、それを搭載した電 子機器の概略構成図である。 本発明における冷却システムの熱移送部材の一実施形態を示す構成斜視図で ある。 本発明における熱移送部材の熱交換状態を示す説明図である。 本発明における熱冷却部材の一実施形態を示す構成斜視図である。 本発明における電子機器用の冷却システムの冷却状態を示す構成図である。

１・・・電子機器
２・・・本体筐体、
３・・・発熱体、 ４・・・回路基板
５・・・熱移送部材、 ５１・・・第１の熱交換部材、
５２・・・第２の熱交換部材、５３・・・ポンプ、 ５４・・・タンク、
５５・・・配管
６・・・熱冷却部材、 ６１・・・第３の熱交換部材、
６２・・・第４の熱交換部材、６３・・・ポンプ、 ６４・・・タンク、
６５・・・配管、 ７・・・ファン

Claims (4)

1. 電子機器に搭載された発熱体を冷却する電子機器用の冷却システムにおいて、
   前記冷却システムは、熱移送部材と、熱冷却部材とを有し、
   前記熱移送部材は、前記電子機器の本体側の筐体内に載置され、前記熱冷却部材は、前記本体側の筐体の外部から前記熱移送部材に着脱可能な構造によって熱的な接続を行い、
   前記熱移送部材は、第１の熱交換部材と、第２の熱交換部材とが同一の熱交換性能を有し、冷媒を循環駆動するポンプと、冷媒を貯留するタンクと、配管とを用いて冷媒を循環可能に接続してなり、前記第１の熱交換部材において発熱体の熱を受熱して前記第２の熱交換部材に熱移送し、
   前記熱冷却部材は、前記熱移送部材の第２の熱交換部材に移送された熱を第３の熱交換部材において熱伝達し、伝達された熱を外気中に放熱し、
   前記電子機器に載置された前記熱移送部材の前記第２の熱交換部材は、熱交換平面を前記電子機器の本体側筐体の壁面から露出させて保持している
   ことを特徴とする電子機器の冷却システム。
2. 請求項１に記載の電子機器用の冷却システムにおいて、
   前記熱冷却部材は、第３の熱交換部材と、第４の熱交換部材とで、冷媒を循環可能に接続された構造とし、前記第３の熱交換部材に伝達された熱は、前記第４の熱交換部材に熱移送され、前記第４の熱交換部材によって外気中に放熱される構成とした
   ことを特徴とする電子機器用の冷却システム。
3. 請求項２に記載の電子機器用の冷却システムにおいて、
   前記熱冷却部材は、第３の熱交換部材と、第４の熱交換部材とを平面状に配置した
   ことを特徴とする電子機器用の冷却システム。
4. 請求項２又は請求項３に記載の電子機器用の冷却システムにおいて、
   第４の熱交換部材における外気との熱交換は、外部の通風装置による強制送風によって行われる
   ことを特徴とする電子機器用の冷却システム。

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