JP4972615B2 - 電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、内部に半導体集積回路を搭載したパーソナルコンピュータなどの電子機器に関わり、半導体集積回路の発熱を冷却する冷却装置を備えた電子機器に関するものである。

近年の電子機器には、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り、急速に高速化と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。

しかし、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、過度の発熱により破壊される可能性もある。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がある。また、上記電子機器には、ＣＰＵのような高発熱の半導体集積回路と共に、チップセットのような低発熱の種々の大きさを有する半導体集積回路が複数個搭載されている。

このような電子機器内の複数個の半導体集積回路に対する一般的な冷却方法としては、例えば高発熱の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る冷却風を通風して冷却する空冷方式が知られている。かかる空冷方式において、複数の発熱体における発熱温度の上昇に対応して冷却性能を得るには、大形または高速回転のファンを搭載して通風量を増大させることや、複数の各々の発熱体に適切な風量が分配されるために冷却風の流路設計を行う必要がある。この流路設計は、冷却風を導くガイドの設計、電子機器外の空気を取り入れるための吸入口の位置や大きさ、電子機器内の空気を排出するための排出口の位置や大きさといった設計項目を、電子機器全体の熱設計により求めることになる。

一方で、電子機器には小型化の要求があり、このような電子機器にあっては、複数の半導体集積回路が狭小の空間に搭載されることになる。よって、これらの半導体集積回路を冷却するには、小型で高性能な冷却能力を有する冷却装置が必要であるが、空冷の冷却装置では、複雑な流路設計や騒音問題も含め解決できない状況にあるため、冷却液による熱輸送を用いた液冷方式が注目されている。とくにノートＰＣや、もしくは１Ｕのブレードサーバといった電子機器は、筐体の厚みが薄いため、それに搭載される冷却装置も小型・薄型でなければならない。

上記液冷による薄型の冷却装置を実現する技術として、例えば溝のある２枚の薄板を板厚方向に貼り合せて形成する技術が有効であり、それらに関わる技術が特許文献１〜６に開示されている。

特開２００４−３１９５８２号公報 特開２００４−３１６９５５号公報 特開２００５−２９４６６５号公報 特開２００７−２３４７４４号公報 特開２００７−２６６４０３号公報 WO2005/001674

液冷方式において、複数の発熱体を冷却でき、かつ薄型の冷却装置を実現するためには、上記のような従来技術において解決しなければならない技術的課題がある。
特許文献１、２に開示されている薄型流路形成体では、薄板を接合して薄型流路を形成するものであるが、受熱部を構成することの記述がなく、放熱体としての構造だけに関するものである。

特許文献３に開示されている熱拡散装置では、平板形状に形成して、平板の平面を受熱面、および放熱面とする構成であるが、発熱体と流路との位置関係や、高さが不均一な複数の半導体集積回路に取り付ける場合に対応するための技術的な配慮がなされていない。

特許文献４に開示されている冷却装置では、特許文献３に記載の冷却装置と同様の２枚のプレートによって挟まれた流路を構成している。さらに、複数の発熱体に対応させた受熱部と放熱部の流路位置関係を示しているが、受熱部を流路の一部により構成していることから、受熱性能の低下が予想される。また、プレートの形状において、高さが不均一な複数の半導体集積回路に対する構成についての記載は無い。

特許文献５、６に開示されている電子機器用冷却装置では、流路内に設けられたマイクロチャネルの受熱構造を持った受熱部について記載されているが、冷却パネルの形状において、高さが不均一な複数の半導体集積回路に対する構成についての記載は無い。

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。すなわち、本発明の電子機器は、発熱体と熱的に接続され、内部を通流する冷媒液によって受熱する受熱部と、冷媒液の熱を放熱する放熱部とを有し、前記受熱部と前記放熱部とを配管によって接続し、前記冷媒液を液駆動部材によって循環駆動するように構成された冷却装置であって、前記配管の一部は、金属製の２枚の板状部材を互いに対向して配置することにより形成された空間によって構成され、前記各板状部材の対向面は、それぞれ塑性加工されており、前記受熱部への冷媒液の流入ポートおよび流出ポートは、前記板状部材により形成された配管の流路方向に延在して設けられ、該受熱部は、前記２枚の板状部材で形成された冷媒液の注入ヘッダ部と、前記注入ヘッダ部の下端側に対向配置される受熱ベース体とで構成され、前記受熱ベース体は、平板部材であって、前記平板部材の一平面内部の所定の領域に切り込み加工により流路を形成され、前記流路が、前記受熱ベース体の前記流路の形成されていない前記一平面の外部と等しい高さであって、前記受熱ベース体の外部平面と前記板状部材とを接合して密閉空間によって受熱部を構成して、前記注入ヘッダ部から前記流路の上部より冷媒を通流することを特徴とする。
または、本発明は、第１及び第２の発熱体と、前記第１及び第２の発熱体を冷却する冷却装置とを有する電子機器において、前記冷却装置は、前記第１の発熱体と熱的に接続され、内部を通流する冷媒液によって受熱する第１の受熱部と、前記第２の発熱体と熱的に接続され、内部を通流する冷媒液によって受熱する第２の受熱部と、冷媒液の熱を放熱する放熱部とを有し、前記第１及び第２の受熱部と前記放熱部とを配管によって接続し、前記冷媒液を液駆動部材によって循環駆動するように構成されており、前記第２の受熱部と前記配管の一部は、金属製の２枚の板状部材を互いに対向して配置することにより形成された空間によって構成され、前記各板状部材の対向面は、それぞれ塑性加工されており、前記第１の受熱部への冷媒液の流入ポートおよび流出ポートは、前記板状部材により形成された配管の流路方向に延在して設けられ、該第１の受熱部は、前記板状部材によって形成される前記第２の受熱部の、前記発熱体と熱接続される平面と、前記流路を形成する配管との間隔内において設置されていることを特徴としている。

ここで、第１の受熱部は高い冷却性能が必要な受熱部で、第２の受熱部は第１の受熱部に比べて低い冷却性能でよい受熱部である。また、第２の受熱部に段差を設け、高さが不均一な複数の半導体集積回路に取り付ける場合に対応するための配慮がなされている。

本発明によれば、配置状態や形状の異なる複数の発熱体を冷却可能とする一体構造の小型・薄型で低コストの冷却装置を備えた電子機器を提供することができる。

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６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３０１には、回路基板３０２があり、この回路基板３０２は複数の半導体集積回路等の発熱体３０３、３０４を有している。また、これらの発熱体３０３、３０４を冷却する装置は以下の部材で構成されている。板状冷却装置３０５は、発熱体３０３、３０４に熱接続され、内部に通流する冷媒への熱伝達によって吸熱効果をもたらすものである。放熱部３０７は、冷媒が吸熱した熱を放熱フィン等に冷却風を通風して熱伝達により電子機器３０１の外部に放熱するものである。また、ポンプ部３０６は冷媒を循環駆動させるものである。タンク部３０８は、装置内の冷媒を貯留する。配管３０９により、ポンプ部３０６、タンク部３０８、放熱部３０７、板状冷却装置３０５が繋がっている。

ここで電子機器３０１は、特定の機器を想定するものではなく、また、この実施例ではタンク部３０８は独立して配置されているが、放熱部３０７との一体形状になっていてもよい。本実施例に係る板状冷却装置３０５について、以下詳細に説明する。

図１は、本発明の冷却装置の一実施例を示す分解斜視図である。図２は、本実施例に係る複数の受熱部を持つ薄型の板状冷却装置と第２の受熱部の詳細を拡大して示した斜視図である。図３は、本実施例に係る複数の受熱部を持つ薄型の板状冷却装置における第１の受熱部への冷媒液の注入ヘッダ部を示す斜視図である。図４は、本実施例に係る小型・薄型の高性能な受熱部の概念断面図である。図５は、本実施例に係る複数の受熱部を持つ薄型の板状冷却装置の斜視図および側面図である。また、図３と図５は図１に示す冷却装置を上下逆方向から見たものである。

図１に示すように、本実施例における複数の受熱部を持った薄型の板状冷却装置は、液流路を構成する溝１１１を有するジャケット上カバー１と、液流路を構成する溝１１２と複数の第２の受熱部１０−１、１０−２（受熱構造は例えばフィン構造、図２参照）を有したジャケット下カバー２からなり、ジャケット上カバー１とジャケット下カバー２は例えばロウ付けにより貼り合わされる。また、第２の受熱部１０−１、１０−２の受熱構造は、低発熱の半導体集積回路に適用されるものであるので、高い受熱性能を必要としないため、山折りにしたアルミの薄板を、ジャケット下カバー２に設置した粗いフィン構造でよい。

ジャケット上カバー１は高い熱伝導性を持ったアルミニウムなどの金属であり、流路を構成する溝１１１は、絞りによって紙面の上方に向けて凸状に形成される。また冷媒液の流れを導く流出ポート１２と流入ポート１７の向きはジャケット上カバー１の平面方向で流路に延在して形成されている。さらには、冷媒液流入口１４１と冷媒液流出口１５１とを溝１１１の平面方向で流路に延在して形成している。これにより、ジャケット上カバー１の薄型化が実現できる。また、ジャケット上カバー１には発熱体の高さ位置にあわせて段差１３−１、１３−２が形成されており、高さの不均一な複数の発熱体への熱的な接続を可能とする構造に形成されている。同様に、ジャケット下カバー２は、高い熱伝導性を持つアルミニウムなどの金属であり、流路を形成する溝１１２は絞りによって紙面上の下方に向けて凸状に形成される。ジャケット下カバー２が有する複数の第２の受熱部１０−１、１０−２は例えば、図２に示されるように、フィン構造によって形成されている。さらには、冷媒液流入口１４２と冷媒液流出口１５２とを溝１１２の平面方向で流路に延在して形成している。また、ジャケット下カバー２には発熱体の高さ位置にあわせて段差１３−１、１３−２が形成されており、高さの不均一な複数の発熱体への熱的な接続を可能としている。

ここで、ジャケット上カバー１とジャケット下カバー２との張り合わせによって、溝１１１、溝１１２とが対向して配置されて流路を構成し、冷媒液流入口１４１、１４２、および冷媒液流出口１５１、１５２が対向して配置されて冷媒液流入口１４、冷媒液流出口１５を形成している。

また、図５の（１）および（２）に、第１の受熱部の受熱面２０２と第２の受熱部の受熱面２０１−１、２０１−２の位置関係を示す。ジャケット上カバー１とジャケット下カバー２に段差１３−１、１３−２を設けることにより、高さの不均一な半導体集積回路に対して熱的に接続を図る構成としている。高発熱の半導体集積回路には第１の受熱部を装着し、低発熱の半導体集積回路には第２の受熱部を装着する。そして、図５の（２）に示すように、第１の受熱部は、Ｚ方向において、第２の受熱部の受熱面２０１−１及び２０１−２のうち上方に位置する受熱面（ここでは２０１−２）と前記流路を形成する配管の下端面との間隔（ｈ）内において設置されている。すなわち、内部流路を形成した前記第１の受熱部は、Z方向において、第２の受熱部の、第２の前記発熱体と熱接続する平面の最下端平面と、流路を形成する配管の最上端部との間隔内において設置されている構成とされている。

また図１に示すように、ジャケット下カバー２には複数のねじ穴１６により、第１の受熱部が装着される。ここで、第１の受熱部は、第２の発熱体よりも発熱が高い第１の発熱体を効率よく冷却するために、第２の受熱部よりも熱伝導率が高く（すなわち冷却効率が高い）されており、小型で薄型に構成される。そのために、該第１の受熱部は、ゲルシート３、O−リング４、ジャケットフィン５から構成されており、ゲルシート３は、ジャケット下カバー２とジャケットフィン５の間に挟まれて組み付けられ、薄型の板状冷却装置の流出ポート１２から、ジャケットフィン５への冷媒液の流れを制御する。

さらには、ジャケット上カバー１の流出ポート１２、流入ポート１７と流路を接続するようにポンプ（図示しない）が載置されている。

ここで、図１、図３、図５を用いて冷媒液の通流について説明する。ポンプによって循環駆動される冷媒液は、図１に示す冷媒液流入口１４から、配管内を通り、複数の受熱部を持つ薄型の板状冷却装置に入り、溝１１により導通され、受熱面２０１−１を持つ第２の受熱部を通過し、再び溝１１により導通され、受熱面２０１−２を持つ第２の受熱部を通過し、ジャケット上カバー１の流出ポート１２より図３に示すジャケット下カバー２の流出穴２２に通流される。そして、図１に示すゲルシート３の中央部にある開口部１８を通り、ジャケットフィン５のフィン部６において拡散し、フィン部６間を通過し、図３に示すジャケット下カバー２の流入穴２１より、再び複数の受熱部を持つ薄型の板状冷却装置の溝１１に流入し、冷媒液流出口１５へと流れる。ゲルシート３の材質は所定の弾性力を有する樹脂が適当である。なぜなら、ゲルシート３はジャケットフィン５に設けられたフィン部６のフィン上端に設置され、ジャケットフィン５とジャケット下カバー２によって狭持されるが、フィン部６はフィン高さにおいてばらつきがあるため、ゲルシート３の弾性変形が、フィン部６のフィン先端を密着して保護する。また、仮に本実施例の冷却装置が電子機器に実装された場合、冷媒液温は約７０℃程度と予想されるので、上記温度でも耐久性を維持されるシリコン樹脂等が適当である。O−リング４はジャケットフィン５に設けられたO−リング溝１９に嵌合して設置され、ジャケットフィン５とジャケット下カバー２の間に挟まれて、冷媒液のシーリングをする。O−リングの材質は、冷媒液との相性及び複数の受熱部を持つ板状冷却装置及びジャケットフィン５の材質であるアルミに対する腐食の影響を考慮してEPDM（エチレンプロピレンジエンゴム）が適当である。ジャケットフィン５には、スカイブによる微細フィン部（マイクロフィン）６が一体で形成されている。

ここで、フィン部６について説明する。図４に示すように、フィン部６のフィン先端部と、ジャケットフィン５のフィンベース部３１とは同一平面上位置となるように設けられている。この構造によって、小型かつ薄型のジャケットフィン５が実現できる。

また、ジャケットフィン５の構造では、ゲルシート３の中央部の開口部１８は、フィン部６の最端部まで広げることができる。これにより、フィン部６のすべてのフィン間に冷媒液が流れるので、ジャケットフィン５における受熱能力を増加させることができる。ただし、フィン部６のフィン先端部とジャケットフィン５のフィンベース部３１が同一平面上位置にある微細形状のジャケットフィン５を使って受熱能力を高性能にするには、フィン部６のフィン間流速を大きくすることが効果的あり、高圧力タイプのポンプ（例えば、圧電ポンプ）を用いることが望ましい。また、ジャケットフィン５のフィン部６のフィンピッチとフィン間距離は、ジャケット下カバー２に設けられた第２の受熱部における受熱構造のフィンピッチとフィン間距離に比べて十分小さく（微細）形成されていることが好ましく、各々の受熱部の受熱能力は、第１の受熱部であるジャケットフィン５の方を大きくしている。

複数の第２の受熱部１０−１、１０−２を有する薄型の板状冷却装置と、冷却効率が高い第１の受熱部５（ジャケットフィン）を一体に形成することにより、ＣＰＵのような高発熱の半導体集積回路とチップセットのような低発熱の半導体集積回路を同時に冷却しうる薄型の冷却装置を構成することができる。複数の第２の受熱部１０−１、１０−２を持つ薄型の板状冷却装置と、小型・薄型の高性能な第１の受熱部５を一体にしたときの、冷媒液の流れは、次のようになる。

すなわち、冷媒液は、冷媒液流入口１４から、複数の第２の受熱部１０−１、１０−２（本実施例では受熱面２０１−１を持つ受熱部から受熱面２０２−２を持つ受熱部へと流れる）を経由し、図１に示す流出ポート１２、図３に示すジャケット下カバー２の流出穴２２、図１に示すゲルシート３中央部の開口部１８、ジャケットフィン５のフィン部６、図３に示すジャケット下カバー２の流入穴２１から図１に示す流入ポート１７、冷媒液流出口１５を経てポンプへ流れる。

また、複数の第２の受熱部１０−１、１０−２を薄型の板状冷却装置の流路中に設け、冷却効率が高い第１の受熱部５（ジャケットフィン）を薄型の板状冷却装置における流路の終端部に一体に設置することにより、低発熱の半導体集積回路から先に冷却し、最後に、高発熱の半導体集積回路の冷却が出来るので、互いの半導体集積回路の冷却を損なうことがない。もし、第１の受熱部が、板状冷却装置に装着されず、かつ板状冷却装置の冷媒液流路が、単純に一筆書きの場合は、第２の受熱部の受熱性能が低いため、下流の半導体集積回路の冷却が損なわれる可能性が生じる。それを防ぐために、流路の途中に支流を設けて、複数の半導体集積回路を冷却するようにしても良い。

本発明の冷却装置における受熱部の一実施例を示す分解斜視図である。 本実施例に係る板状冷却装置おける第２の受熱部を示す斜視図である。 本実施例に係る薄型の板状冷却装置と、第１の冷媒液の注入ヘッダ部の詳細を拡大して示す斜視図である。 本実施例に係る受熱部の概念断面図である。 本実施例に係る薄型の板状冷却装置の斜視図と側面図である。 本実施例に係る薄型の板状冷却装置を搭載した電子機器の概略構成図である。

符号の説明

１…ジャケット上カバー、２…ジャケット下カバー、３…ゲルシート、４…O−リング、
５…ジャケットフィン（第１の受熱部）、１０−１、１０−２…第２の受熱部、
１１（１１１，１１２）…溝、１２…流出ポート、１３−１、１３−２…段差、
１４（１４１，１４２）…冷媒液流入口、１５（１５１、１５２）…冷媒液流出口、１６…ねじ穴
１７…流入ポート、１８…開口部、１９…O−リング溝、２１…流入穴、２２…流出穴、
３０…マイクロフィン、３１…フィンベース部、２０１−１、２０１−２…第２の受熱部の受熱面
３０１…電子機器、３０２…回路基板、３０３、３０４…発熱体、
３０５…板状冷却装置、３０６…ポンプ部、３０７…放熱部、３０８…タンク部、３０９…配管

Claims (6)

1. 発熱体と熱的に接続され、内部を通流する冷媒液によって受熱する受熱部と、冷媒液の熱を放熱する放熱部とを有し、前記受熱部と前記放熱部とを配管によって接続し、前記冷媒液を液駆動部材によって循環駆動するように構成された冷却装置であって、
   前記配管の一部は、金属製の２枚の板状部材を互いに対向して配置することにより形成された空間によって構成され、前記各板状部材の対向面は、それぞれ塑性加工されており、
   前記受熱部への冷媒液の流入ポートおよび流出ポートは、前記板状部材により形成された配管の流路方向に延在して設けられ、該受熱部は、前記２枚の板状部材で形成された冷媒液の注入ヘッダ部と、前記注入ヘッダ部の下端側に対向配置される受熱ベース体とで構成され、前記受熱ベース体は、平板部材であって、前記平板部材の一平面内部の所定の領域に切り込み加工により流路を形成され、前記流路が、前記受熱ベース体の前記流路の形成されていない前記一平面の外部と等しい高さであって、前記受熱ベース体の外部平面と前記板状部材とを接合して密閉空間によって受熱部を構成して、前記注入ヘッダ部から前記流路の上部より冷媒を通流することを特徴とする電子機器。
2. 第１及び第２の発熱体と、前記第１及び第２の発熱体を冷却する冷却装置とを有する電子機器において、
   前記冷却装置は、
   前記第１の発熱体と熱的に接続され、内部を通流する冷媒液によって受熱する第１の受熱部と、前記第２の発熱体と熱的に接続され、内部を通流する冷媒液によって受熱する第２の受熱部と、冷媒液の熱を放熱する放熱部とを有し、前記第１及び第２の受熱部と前記放熱部とを配管によって接続し、前記冷媒液を液駆動部材によって循環駆動するように構成されており、
   前記第２の受熱部と前記配管の一部は、金属製の２枚の板状部材を互いに対向して配置することにより形成された空間によって構成され、前記各板状部材の対向面は、それぞれ塑性加工されており、
   前記第１の受熱部への冷媒液の流入ポートおよび流出ポートは、前記板状部材により形成された配管の流路方向に延在して設けられ、該第１の受熱部は、前記２枚の板状部材で形成された冷媒液の注入ヘッダ部と、前記注入ヘッダ部の下端側に対向配置される受熱ベース体とで構成され、前記受熱ベース体は、平板部材であって、前記平板部材の一平面内部の所定の領域に切り込み加工により流路を形成され、前記流路が、前記受熱ベース体の前記流路の形成されていない前記一平面の外部と等しい高さであって、前記受熱ベース体の外部平面と前記板状部材とを接合して密閉空間によって第１の受熱部を構成して、前記注入ヘッダ部から前記流路の上部より冷媒を通流することを特徴とする電子機器。
3. 請求項２に記載の電子機器において、
   前記第２の受熱部と前記配管の一部は、金属製の２枚の板状部材を互いに対向して配置することにより形成された空間によって構成され、前記各板状部材の対向面は、それぞれ塑性加工されており、
   前記第１の受熱部は、前記板状部材によって形成される前記第２の受熱部の、前記発熱体と熱接続される平面と、前記流路を形成する配管との間隔内において設置されていることを特徴とする電子機器。
4. 請求項２または３に記載の電子機器において、
   前記第２の受熱部に段差が形成されることを特徴とする電子機器。
5. 請求項２から４のいずれかに記載の電子機器において、
   前記第１の発熱体は前記第２の発熱体よりも発熱が大きいことを特徴とする電子機器。
6. 請求項２から５のいずれかに記載の電子機器において、
   前記第１の受熱部は、前記第２の受熱部よりも熱伝導率が高いことを特徴とする電子機器。

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