JP6135434B2

JP6135434B2 - 冷却装置、電子機器および冷却装置の取付方法

Info

Publication number: JP6135434B2
Application number: JP2013207602A
Authority: JP
Inventors: 毅志宗; 慶太平井; 良典鵜塚
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-10-02
Filing date: 2013-10-02
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-10-02
Also published as: CN104519721A; KR20150039561A; EP2858108A2; JP2015073004A; EP2858108A3; US20150092347A1

Description

本願は、冷却装置、電子機器および冷却装置の取付方法に関する。

近年、電子機器は高性能化の一途を辿っている。電子機器の高性能化に伴い、発熱する電子部品を冷却する各種の冷却装置が開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００４−３５６３８５号公報

液体または気体の冷却媒体が流通する冷却部材を電子部品に取り付けると、電子部品には、冷却部材に接続されている冷却管からの荷重が加わる。よって、冷却対象の電子部品を挟んだ状態で冷却部材を基板に固定すると、電子部品には、冷却部材を基板に固定する固定機構からの荷重の他、冷却管からの荷重が加わる。したがって、固定機構からの荷重が電子部品へ均等に加わるように設計されていると、冷却管からの荷重が更に加わった場合に、電子部品へ加わる荷重がアンバランスになる。電子部品へ加わる荷重がアンバランスになると、例えば、冷却部材の変形による冷却性能の低下を招いたり、特定の位置に集中する荷重が電子部品の故障を招いたりする可能性がある。

そこで、本願は、電子部品へ加わる荷重がアンバランスになることを抑制する冷却装置、電子機器および冷却装置の取付方法を提供することを課題とする。

本願は、次のような冷却装置を開示する。
冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と、
前記冷却部材のうち何れかの位置に設けられており、前記冷却部材と基板とを冷却対象の電子部品を挟んだ状態で固定するための第１の固定機構部と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定機構部と異なる位置に設けられる第２の固定機構部であり、前記冷却管および前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる前記第２の固定機構部と、を備える、
冷却装置。

また、本願は、次のような電子機器を開示する。
電子部品を搭載する基板と、
前記電子部品を冷却するための冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と、
前記冷却部材のうち何れかの位置に設けられており、前記冷却部材と前記基板とを前記電子部品を挟んだ状態で固定する第１の固定部材と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定部材と異なる位置に設けられる第２の固定部材であり、前記冷却管および前記第１の固定部材が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定部材が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる前記第２の固定部材と、を備える、
電子機器。

また、本願は、次のような冷却装置の取付方法を開示する。
冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と基板とを冷却対象の電子部品を挟んだ状態で固定するための第１の固定機構部を、前記冷却部材のうち何れかの位置に設ける工程と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定機構部と異なる位置に設けられる第２の固定機構部であり、前記冷却管および前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に前記第２の固定機構部を設ける工程と、を備える、
冷却装置の取付方法。

上記冷却装置、電子機器および冷却装置の取付方法は、電子部品へ加わる荷重がアンバランスになることを抑制する。

図１は、実施形態に係る冷却装置を固定した電子機器の構造図の一例である。図２は、各固定機構や冷却管の接続位置を示した図の一例である。図３は、変形例に係る冷却装置を示した図である。図４は、変形例に係る冷却装置を複数並べて配置した状態を示した図である。図５は、冷却装置に接続する冷却管の変形例を示した図である。図６は、従来例に係る冷却装置の各固定機構や冷却管の接続位置を示した図の一例である。

以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。

図１は、実施形態に係る冷却装置を固定した電子機器の構造図の一例である。電子機器Ｅに固定される冷却装置１は、例えば、図１に示すように、冷却対象の電子部品２を挟んだ状態で基板３に固定される。冷却装置１を基板３に固定する固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ（本願でいう「固定部材」の一例である）は、冷却装置１の冷却部材５に設けられている貫通孔６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄに挿通される固定ネジ７と、固定ネジ７が挿通される圧縮バネ８（本願でいう「弾性部材」の一例である）とを各々有している。貫通孔６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄの内径は、固定ネジ７の外径よりも大きい。よって、冷却部材５は、固定ネジ７の長手方向に沿って動くことが可能であるが、圧縮バネ８に押圧されているため、電子部品２を挟んで基板３に固定された状態になっている。固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄが各々有する圧縮バネ８は、何れも同等品であり、冷却部材５を押圧する荷重は何れも概ね同一である。そこで、以下においては、各固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄが冷却部材５を押圧する荷重を何れもＦ１と呼ぶことにする。

冷却部材５には、冷却液を流通させるための冷却管９が接続されている。よって、電子部品２には、冷却部材５を介して冷却管９からの荷重が加わることになる。そこで、以下においては、冷却管９から冷却部材５へ加わる荷重をＦ２と呼ぶことにする。冷却管９は、例えば、図示しないポンプやクーラー等に接続され、或いは各種の支持部材に支持される。したがって、Ｆ２の大きさは、冷却部材５や冷却管９の取付状態に依存することになるが、冷却部材５や冷却管９の設計次第でＦ２の大きさを所定範囲内に収めることは可能である。

図２は、各固定機構や冷却管の接続位置を示した図の一例である。固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄおよび冷却管９は、図２に示すような位置に配置されている。すなわち、固定機構４Ａ，４Ｃは、長方形の板状部材である冷却部材５において互いに向かい合う２つの角にそれぞれ配置されている。これに対し、固定機構４Ａ，４Ｃと概ね同一の荷重を冷却部材５に加える固定機構４Ｂ，４Ｄは、固定機構４Ａ，４Ｃのように冷却部材５の角の部分ではなく、互いに向かい合う２つの辺の途中にそれぞれ配置されている。したがって、各固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄを結ぶ線は、平行四辺形を形成している。

冷却装置１を基板３に取り付ける際は、固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの位置を、例えば、以下のような方法で決定する。すなわち、冷却装置１を基板３に取り付ける際は、まず、固定機構４Ａ，４Ｃを配置するための貫通孔６Ａ，６Ｃ（本願でいう「第１の固定機構部」の一例である）を、冷却部材５のうち何れかの位置に設ける。また、固定機構４Ｂ，４Ｄを配置するための貫通孔６Ｂ，６Ｄ（本願でいう「第２の固定機構部」の一例である）を、冷却部材５のうち、冷却管９および固定機構４Ａ，４Ｃが冷却部材５へ加える荷重（本願でいう「第１の荷重」の一例である）と固定機構４Ｂ，４Ｄが冷却部材５へ加える荷重（本願でいう「第２の荷重」の一例である）とが電子部品２において均衡する位置に設ける。

荷重が均衡する位置は、例えば、次に示すような方法で算出することができる。貫通孔６Ａから電子部品２までの距離をＬ１、貫通孔６Ｂから電子部品２までの距離をＬ２、冷却管９の接続部分から電子部品２までの距離をＬ３とする。この場合、固定機構４Ａの荷重Ｆ１が電子部品２に及ぼす加圧モーメントはＦ１×Ｌ１となる。また、冷却管９の荷重Ｆ２が電子部品２に及ぼす加圧モーメントはＦ２×Ｌ３となる。よって、固定機構４Ｂの荷重を固定機構４Ａの荷重と同じＦ１とし、固定機構４Ａの荷重と固定機構４Ｂの荷重とを電子部品２において均衡させる場合、以下の関係式が成立することになる。
Ｆ１×Ｌ１＝Ｆ１×Ｌ２＋Ｆ２×Ｌ３
固定機構４Ｂを配置するための貫通孔６Ｂを配置すべき電子部品２からの距離Ｌ２の位置は、上記の関係式に基づいて決定することができる。貫通孔６Ｄの位置も貫通孔６Ｂと同様である。

上記の冷却装置１であれば、冷却管９および固定機構４Ａ，４Ｃが冷却部材５へ加える荷重と固定機構４Ｂ，４Ｄが冷却部材５へ加える荷重とが電子部品２において均衡する位置に設けられている。よって、固定機構４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄの何れからも概ね同一の荷重が加わっている冷却部材５に冷却管９が接続されていても、冷却部材５から電子部品２へ加わる荷重がアンバランスになることが抑制される。このため、例えば、冷却部材５の変形による冷却性能の低下を招いたり、特定の位置に集中する荷重が電子部品２の故障を招いたりする可能性を減らすことができる。電子部品２に加わる荷重のアンバランスが抑制されると、例えば、電子部品２と基板３とを接続する多数の半田バンプに加わる荷重がより均等に近づくため、電気的な接続部分の信頼性が向上する。

なお、冷却装置１は、上記のような実施形態に限定されるものではない。例えば、冷却部材５は、長方形ではなく正方形にしてもよい。また、冷却装置１は、例えば、以下のように変形することも可能である。

図３は、変形例に係る冷却装置を示した図である。変形例に係る冷却装置１’は、冷却部材５’が長方形の板状部材ではなく、平行四辺形の板状部材である。そして、固定機構４Ａ，４Ｃは、冷却部材５’が有する鋭角の端部に設けられており、固定機構４Ｂ，４Ｄは、冷却部材５’が有する鈍角の端部に設けられている。

変形例に係る冷却装置１’であれば、冷却部材５’が実施形態に係る冷却部材５より小
型なので、基板３の電子部品の搭載スペースを増やすことができる。

図４は、変形例に係る冷却装置１’を複数並べて配置した状態を示した図である。変形例に係る冷却装置１’は、冷却部材５’が実施形態に係る冷却部材５より小型なので、冷却装置１’同士を接近させて実装密度を高めれば、各冷却装置１’全体が占有するスペースを小さくすることができる。

図５は、冷却装置１に接続する冷却管の変形例を示した図である。冷却装置１の冷却管は、例えば、図５に示すような形状の冷却管９’にすることができる。本変形例に係る冷却管９’は、荷重Ｆ２の大きさを所定範囲内に収めることを意図したものであり、冷却部材５への接続部付近で周回するように形成されている。接続部付近で周回するように形成されている冷却管９’であれば弾性変形しやすいため、Ｆ２の大きさが、冷却部材５や冷却管９’の取付状態に影響されにくい。このため、Ｆ２の大きさを所定範囲内に収めやすい。Ｆ２の大きさの範囲が狭くなると、上記した数式に基づいて決定される各貫通孔６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄの位置関係を高精度に算定することができ、電子部品２に加わる荷重のアンバランスを更に抑制することができる。

図６は、従来例に係る冷却装置の各固定機構や冷却管の接続位置を示した図の一例である。従来例に係る冷却装置１０１では、固定機構１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄおよび冷却管１０９が、図６に示すような位置に配置されている。すなわち、固定機構１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄは、何れも、長方形の板状部材である冷却部材１０５の４つの角にそれぞれ配置されている。

以下、各固定機構１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄが冷却部材１０５を押圧する荷重を何れもＦ１’とし、冷却管１０９から冷却部材１０５へ加わる荷重をＦ２’と呼ぶことにする。また、各固定機構１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄから電子部品１０２までの距離をＬ１’、冷却管１０９の接続部分から電子部品１０２までの距離をＬ２’とする。この場合、固定機構１０４Ａ，１０４Ｃ側から電子部品１０２へ及ぶ加圧モーメントはＦ１’×Ｌ１’となる。また、固定機構１０４Ｂ，１０４Ｄ側から電子部品１０２へ及ぶ加圧モーメントはＦ１’×Ｌ１’＋Ｆ２’×Ｌ２’となる。すなわち、従来例に係る冷却装置１０１の場合、電子部品１０２や冷却部材１０５を捻るような加圧モーメントが発生することになる。

サーバ等の各種電子機器は、高性能化に伴い、電子部品の実装密度や発熱量が年々増加している。このため、冷却装置類の寸法や重量も増大傾向にある。例えば、冷却装置類の重量が増大すると、電子機器の輸送中に加わる振動や衝撃の影響が大きくなるため、冷却装置を構成する各種の部品を支持する部品に加わる荷重も増える。また、例えば、冷却性能を満たすために電子部品と冷却部材との間に用いられる熱接合材料（ＴＩＭ）の加圧に必要な荷重等も増える。

冷却装置の各部の荷重が増大しても、例えば、冷却対象の電子部品に対して荷重が均等に加わっていれば、冷却部品や電子部品へのダメージを問題ないレベルにまで抑制することも可能である。しかし、アンバランスな荷重分布となると、冷却部品や電子部品の特定の箇所に荷重が集中して発生したりすることにより、部品の変形や隙間の発生等を招き、冷却性能が低下する可能性がある。また、電子部品を電気的に接続する半田バンプ等に集中荷重が発生すると、半田バンプの破壊を招いて電子機器の信頼性を低下させる虞がある。よって、従来例に係る冷却装置１０１を用いると、電子部品１０２や冷却部材１０５を捻るような加圧モーメントが発生することになるため、電子機器の輸送中に加わる振動や衝撃の影響を抑制することが困難になりやすい。

この点、上記実施形態や変形例に係る冷却装置であれば、電子部品へ加わる荷重がアンバランスになることが抑制される。このため、例えば、冷却部材の変形による冷却性能の低下を招いたり、特定の位置に集中する荷重が電子部品の故障を招いたりする可能性を減らすことができる。

本願は、以下の付記的事項を含む。
（付記１）
冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と、
前記冷却部材のうち何れかの位置に設けられており、前記冷却部材と基板とを冷却対象の電子部品を挟んだ状態で固定するための第１の固定機構部と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定機構部と異なる位置に設けられる第２の固定機構部であり、前記冷却管および前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる前記第２の固定機構部と、を備える、
冷却装置。
（付記２）
前記冷却部材は、平行四辺形の板状部材であり、
前記第１の固定機構部は、前記冷却部材が有する鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか一方の端部に設けられており、
前記第２の固定機構部は、前記鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか他方の端部に設けられている、
付記１に記載の冷却装置。
（付記３）
前記第２の固定機構部は、前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える荷重とを同等とした場合に、前記第１の荷重と前記第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる、
付記１または２に記載の冷却装置。
（付記４）
前記第１の固定機構部及び前記第２の固定機構部は、前記冷却部材を前記電子部品側へ押圧する弾性部材を前記基板に固定する部材を挿通するための孔である、
付記１から３の何れか一項に記載の冷却装置。
（付記５）
前記冷却管は、前記冷却部材への接続部付近で周回するように形成されている、
付記１から４の何れか一項に記載の冷却装置。
（付記６）
電子部品を搭載する基板と、
前記電子部品を冷却するための冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と、
前記冷却部材のうち何れかの位置に設けられており、前記冷却部材と前記基板とを前記電子部品を挟んだ状態で固定する第１の固定部材と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定部材と異なる位置に設けられる第２の固定部材であり、前記冷却管および前記第１の固定部材が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定部材が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる前記第２の固定部材と、を備える、
電子機器。
（付記７）
前記冷却部材は、平行四辺形の板状部材であり、
前記第１の固定部材は、前記冷却部材が有する鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか一方の端部に設けられており、
前記第２の固定部材は、前記鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか他方の端部に設けられている、
付記６に記載の電子機器。
（付記８）
前記第２の固定部材は、前記第１の固定部材が前記冷却部材へ加える荷重と前記第２の固定部材が前記冷却部材へ加える荷重とを同等とした場合に、前記第１の荷重と前記第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる、
付記６または７に記載の電子機器。
（付記９）
前記第１の固定部材及び前記第２の固定部材は、前記冷却部材を前記電子部品側へ押圧する弾性部材および前記弾性部材を前記基板に固定する部材とを各々有する、
付記６から８の何れか一項に記載の電子機器。
（付記１０）
前記冷却管は、前記冷却部材への接続部付近で周回するように形成されている、
付記６から９の何れか一項に記載の電子機器。
（付記１１）
冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と基板とを冷却対象の電子部品を挟んだ状態で固定するための第１の固定機構部を、前記冷却部材のうち何れかの位置に設ける工程と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定機構部と異なる位置に設けられる第２の固定機構部であり、前記冷却管および前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に前記第２の固定機構部を設ける工程と、を備える、
冷却装置の取付方法。
（付記１２）
前記冷却部材は、平行四辺形の板状部材であり、
前記第１の固定機構部は、前記冷却部材が有する鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか一方の端部に設けられ、
前記第２の固定機構部は、前記鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか他方の端部に設けられる、
付記１１に記載の冷却装置の取付方法。
（付記１３）
前記第２の固定機構部は、前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える荷重とを同等とした場合に、前記第１の荷重と前記第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる、
付記１１または１２に記載の冷却装置の取付方法。
（付記１４）
前記第１の固定機構部及び前記第２の固定機構部は、前記冷却部材を前記電子部品側へ押圧する弾性部材を前記基板に固定する部材を挿通するための孔である、
付記１１から１３の何れか一項に記載の冷却装置の取付方法。
（付記１５）
前記冷却管は、前記冷却部材への接続部付近で周回するように形成されている、
付記１１から１４の何れか一項に記載の取付方法。

Ｅ・・電子機器；１,１’,１０１・・冷却装置；２，１０２・・電子部品；３・・基板；４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ,１０４Ａ，１０４Ｂ，１０４Ｃ，１０４Ｄ・・固定機構；５,５’,１０５・・冷却部材；６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ・・貫通孔；７・・固定ネジ；８・・
圧縮バネ；９,９’,１０９・・冷却管

Claims

冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と、
前記冷却部材のうち何れかの位置に設けられており、前記冷却部材と基板とを冷却対象の電子部品を挟んだ状態で固定するための第１の固定機構部と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定機構部と異なる位置に設けられる第２の固定機構部であり、前記冷却管および前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる前記第２の固定機構部と、を備える、
冷却装置。
前記冷却部材は、平行四辺形の板状部材であり、
前記第１の固定機構部は、前記冷却部材が有する鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか一方の端部に設けられており、
前記第２の固定機構部は、前記鋭角の端部及び鈍角の端部のうち何れか他方の端部に設けられている、
請求項１に記載の冷却装置。
前記第２の固定機構部は、前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える荷重とを同等とした場合に、前記第１の荷重と前記第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる、
請求項１または２に記載の冷却装置。
前記第１の固定機構部及び前記第２の固定機構部は、前記冷却部材を前記電子部品側へ押圧する弾性部材を前記基板に固定する部材を挿通するための孔である、
請求項１から３の何れか一項に記載の冷却装置。
前記冷却管は、前記冷却部材への接続部付近で周回するように形成されている、
請求項１から４の何れか一項に記載の冷却装置。
電子部品を搭載する基板と、
前記電子部品を冷却するための冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と、
前記冷却部材のうち何れかの位置に設けられており、前記冷却部材と前記基板とを前記電子部品を挟んだ状態で固定する第１の固定部材と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定部材と異なる位置に設けられる第２の固定部材であり、前記冷却管および前記第１の固定部材が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定部材が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に設けられる前記第２の固定部材と、を備える、
電子機器。
冷却媒体が流通する冷却管が接続される冷却部材と基板とを冷却対象の電子部品を挟んだ状態で固定するための第１の固定機構部を、前記冷却部材のうち何れかの位置に設ける工程と、
前記冷却部材のうち前記第１の固定機構部と異なる位置に設けられる第２の固定機構部であり、前記冷却管および前記第１の固定機構部が前記冷却部材へ加える第１の荷重と前記第２の固定機構部が前記冷却部材へ加える第２の荷重とが前記電子部品において均衡する位置に前記第２の固定機構部を設ける工程と、を備える、
冷却装置の取付方法。