JP6322930B2

JP6322930B2 - 受熱器、冷却ユニット、電子機器

Info

Publication number: JP6322930B2
Application number: JP2013175622A
Authority: JP
Inventors: 亨匡青木; 鈴木　真純; 真純鈴木; 杰魏; 田和　文博; 文博田和; 賢二篠部
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2013-08-27
Filing date: 2013-08-27
Publication date: 2018-05-16
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: US20150062822A1; JP2015046432A; US9661780B2

Description

本願の開示する技術は、受熱器、冷却ユニット、電子機器に関する。

従来、半導体素子等の発熱体を冷却するヒートシンクなどの冷却装置が知られている。

特開２００６−１３２９６号公報特開平８−２２２６６４号公報特開２０１０−１８２８３１号公報特開２００３−２８２８０１号公報

本願の開示する技術は、発熱体の熱を冷却する冷却性能を向上させることを課題とする。

上記課題を解決するために、本願の開示する技術によれば、第１板部と、第２板部と、第１連結部と、第２連結部と、を備える受熱器が提供される。第１板部は、発熱体からの熱を一方の面で受ける。第２板部は、第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置されている。また、第２板部の板厚は、第１板部の板厚よりも厚い。第１連結部は、第１板部と第２板部とを連結している。第２連結部は、第１板部を挟んで発熱体に対向する位置で第１板部と第２板部とを連結している。また、第２連結部は、第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有している。さらに、第２連結部は、冷媒の通過方向に見て、第１板部の他方の面に沿った幅が第１連結部における当該幅よりも広い。

本願の開示する技術によれば、発熱体の熱を冷却する冷却性能を向上させることができる。

本実施形態に係る電子機器を示す側断面図である。本実施形態に係る電子機器を示す斜視図である。本実施形態に係る電子機器を示すブロック図である。図１の電子機器において発熱体から冷媒までの熱の経路を示す側断面図である。比較例に係る電子機器を示す側断面図である。変形例に係る電子機器を示す側断面図である。変形例に係る電子機器を示す側断面図である。

以下、本願の開示する技術の一実施形態を説明する。

（電子機器１０）
電子機器１０について説明する。図１は、電子機器１０を示す側断面図である。図１は、具体的には、図２のＡ−Ａ線断面図である。図２は、電子機器１０を示す斜視図である。なお、下記の説明で用いるＸ方向、−Ｘ方向、Ｙ方向（上方）、−Ｙ方向（下方）、Ｚ方向及び−Ｚ方向は、図中に示す矢印方向である。また、図中の「○」の中に「×」が記載されたものは、紙面の手前から奥へ向かう矢印を意味し、図中の「○」の中に「・」が記載されたものは、紙面の奥から手前へ向かう矢印を意味する。

本実施形態に係る電子機器１０は、図１に示されるように、筐体１２を有している。筐体１２の内部には、プリント基板１４が設けられている。プリント基板１４上には、図１及び図２に示されるように、パッケージ１８に収容された電子部品１６（発熱体の一例）が設けられている。なお、図２では、筐体１２を省略して図示している。

パッケージ１８は、電子部品１６を包囲する部材である。具体的には、パッケージ１８は、パッケージ用基板２０と、電子部品１６の熱を放散させるスプレッダー２２と、を有している。スプレッダー２２は、パッケージ用基板２０側（−Ｙ方向側）が開放された直方体形の箱状をしている。スプレッダー２２には、熱伝導性に優れた材料が用いられている。具体的には、スプレッダー２２には、例えば、アルミニウム、銅などの金属が用いられている。

電子部品１６は、冷却対象となる部品であり、パッケージ用基板２０上に搭載されている。電子部品１６は、一例として、集積回路である。また、電子部品１６は、一例として、直方体形状（板状）とされている。

電子部品１６の上面１６Ａとスプレッダー２２の内面２２Ａとは、図１に示されるように、接合材２３により接合されている。接合材２３としては、合金（ろう）等の金属材料、グリス、エラストマーなどが用いられる。

さらに、電子機器１０は、電子部品１６を冷却する冷却ユニット５０を有している。冷却ユニット５０は、スプレッダー２２上に設けられた受熱ジャケット３０（受熱器の一例）を有している。

受熱ジャケット３０は、受熱プレート部３２（第１板部の一例）と、天板部３４（第２板部の一例）と、を有している。さらに、受熱ジャケット３０は、放熱部３６（第１連結部の一例）と、伝熱部３８（第２連結部の一例）と、側壁部３７、３９と、を有している。

受熱ジャケット３０では、受熱プレート部３２、天板部３４、放熱部３６、伝熱部３８、及び側壁部３７、３９が一体的に形成されている。受熱ジャケット３０には、熱伝導性に優れた材料が用いられている。具体的には、受熱ジャケット３０には、例えば、アルミニウム、銅などの金属が用いられている。また、受熱ジャケット３０は、一例として、押出成形により形成されている。

受熱プレート部３２は、Ｙ方向に厚みを有する板状とされている。さらに、受熱プレート部３２は、−Ｙ方向視（平面視）にて、四角形状（具体的には長方形状）に形成されている。受熱プレート部３２の下面３２Ａ（一方の面の一例）は、電子部品１６側を向いている。具体的には、受熱プレート部３２の下面３２Ａは、スプレッダー２２の上面２２Ｂと、接合材２５により接合されている。これにより、受熱プレート部３２は、電子部品１６からの熱を、スプレッダー２２を介して下面３２Ａで受ける。そして、受熱プレート部３２では、電子部品１６からの熱が下面３２Ａから上面３２Ｂへ伝わっていく。なお、接合材２５としては、合金（ろう）等の金属材料、グリス、エラストマー、などが用いられる。

天板部３４は、Ｙ方向に厚みを有する板状とされている。さらに、天板部３４は、−Ｙ方向視（平面視）にて、受熱プレート部３２と同じ大きさの四角形状（具体的には長方形状）に形成されている。天板部３４の板厚ｔ２は、受熱プレート部３２の板厚ｔ１よりも厚くされている。天板部３４は、受熱プレート部３２の上面３２Ｂ（他方の面の一例）に対し、間隔をあけて対向配置されている。具体的には、天板部３４と受熱プレート部３２とは、Ｘ方向に沿って平行に配置されている。

側壁部３７は、Ｘ方向に厚みを有する板状とされている。さらに、側壁部３７は、Ｘ方向視にて、Ｚ方向に長さを有する長方形状にされている。この側壁部３７は、天板部３４の−Ｘ方向端部と、受熱プレート部３２の−Ｘ方向端部とを連結している。これにより、受熱プレート部３２から側壁部３７へ熱が伝わる。側壁部３７は、受熱プレート部３２から伝わった熱を、主に、後述の流路４６を流通する冷媒へ伝える。

側壁部３９は、Ｘ方向に厚みを有する板状とされている。さらに、側壁部３９は、Ｘ方向視にて、側壁部３７と同じ大きさの長方形状にされている。この側壁部３９は、天板部３４のＸ方向端部と、受熱プレート部３２のＸ方向端部とを連結している。これにより、受熱プレート部３２から側壁部３９へ熱が伝わる。側壁部３９は、受熱プレート部３２から伝わった熱を、主に、後述の流路４６を流通する冷媒へ伝える。

放熱部３６は、側壁部３７と伝熱部３８との間、及び、伝熱部３８と側壁部３９との間において、Ｘ方向に複数配置されている。各放熱部３６は、受熱プレート部３２と天板部３４とを連結している。これにより、受熱プレート部３２から各放熱部３６へ熱が伝わる。なお、複数の放熱部３６は、具体的には、Ｙ方向に沿って平行に配置されている。

また、各放熱部３６は、Ｘ方向に厚みを有する板状とされている。さらに、各放熱部３６は、Ｘ方向視にて、側壁部３７と同じ大きさの長方形状にされている。すなわち、各放熱部３６は、受熱ジャケット３０における−Ｚ方向端からＺ方向端まで繋がった一枚のプレートで形成されている。なお、各放熱部３６は、Ｚ方向に沿って複数に分割されていてもよい。さらに、各放熱部３６のＸ方向に沿った幅Ｗ１は、側壁部３７、３９のＸ方向に沿った幅Ｗ３よりも狭くされている。

伝熱部３８は、受熱プレート部３２を挟んで電子部品１６に対向する位置で、受熱プレート部３２と天板部３４とを連結している。伝熱部３８のＸ方向に沿った幅Ｗ２は、放熱部３６のＸ方向に沿った幅Ｗ１及び側壁部３７，３９のＸ方向に沿った幅Ｗ３よりも広くされている。すなわち、伝熱部３８は、放熱部３６及び側壁部３７，３９よりも熱容量が大きい部分とされている。

なお、本実施形態では、受熱プレート部３２と天板部３４との間において、放熱部３６と伝熱部３８とをＸ方向に連結する連結部は、設けられていない。さらに、受熱プレート部３２と天板部３４との間において、放熱部３６同士をＸ方向に連結する連結部、及び、放熱部３６と側壁部３７、３９とをＸ方向に連結する連結部は、設けられていない。

各放熱部３６の間には、冷媒が通過可能な流路４２（隙間の一例）が形成されている。また、伝熱部３８と隣り合う放熱部３６のそれぞれと伝熱部３８との間にも、冷媒が通過可能な流路４４（隙間の一例）が形成されている。すなわち、伝熱部３８のＸ方向側及び−Ｘ方向側に流路４４が配置されている。さらに、側壁部３７、３９と隣り合う放熱部３６のそれぞれと側壁部３７、３９との間にも、冷媒が通過可能な流路４６（隙間）が形成されている。この流路４２、４４、４６のＸ方向に沿った幅は、一例として、同じとされている。

流路４２、４４、４６では、冷媒がＺ方向へ流通する。流路４２、４４、４６の上流側端部（Ｚ方向端部）は、後述の供給管５２と連通している。流路４２、４４、４６の下流側端部（−Ｚ方向端部）は、後述の排出管５４と連通している。なお、冷媒としては、水などの液体や、空気などの気体が用いられる。

前述のように、各放熱部３６は、伝熱部３８に比べ、Ｘ方向に沿った幅Ｗ１が狭く熱容量が小さいため、受熱プレート部３２からの熱を保持する量が少ない。すなわち、各放熱部３６は、放熱部３６から天板部３４へ伝える熱量よりも、流路４２、４４、４６を流通する冷媒へ伝える熱量が多い。このように、放熱部３６では、主に、流路４２、４４、４６を流通する冷媒へ放熱している。

また、前述のように、伝熱部３８は、放熱部３６に比べ、Ｘ方向に沿った幅Ｗ２が広く熱容量が大きいため、受熱プレート部３２からの熱を保持して、天板部３４に伝える。すなわち、伝熱部３８は、流路４２、４４、４６を流通する冷媒へ伝える熱量よりも、伝熱部３８から天板部３４へ伝える熱量が多い。このように、伝熱部３８では、主に、天板部３４へ伝熱する。さらに、天板部３４は、伝熱部３８から伝わった熱を、流路４２、４４、４６を流通する冷媒へ、該冷媒のＹ方向側から伝える。

さらに、冷却ユニット５０は、図２及び図３に示されるように、流路４２、４４、４６へ冷媒を供給する供給管５２と、流路４２、４４、４６から冷媒が排出される排出管５４と、排出管５４から供給管５２へ冷媒を流通させる流通管５５と、を有している。従って、冷却ユニット５０では、流路４２、４４、４６、排出管５４、流通管５５及び供給管５２によって、冷媒を循環させる循環路が形成されている。

流通管５５には、冷却部としての熱交換器５６と、貯留部としてのタンク５８と、駆動部としてのポンプ５９（供給部の一例）と、が設けられている。このポンプ５９を駆動することにより、流路４２、４４、４６、排出管５４、流通管５５及び供給管５２による循環路を冷媒が循環する。これにより、流路４２、４４、４６に冷媒が供給される。

熱交換器５６は、温度上昇した冷媒を冷却する。なお、冷却部としては、冷媒を冷却できれば、熱交換器５６に限定されない。タンク５８は、熱交換器５６で冷却された冷媒を一時的に貯留する。なお、タンク５８は、一時的に貯留した冷媒から、気体成分を除去する機能を有していてもよい。

（本実施形態の作用）
本実施形態の作用について説明する。

本実施形態では、電子部品１６で発生した熱は、図４に示されるように、電子部品１６からスプレッダー２２を介して受熱プレート部３２に伝わる。受熱プレート部３２に伝わった熱の一部は、受熱プレート部３２から、直接、流路４２、４４、４６内を流通する冷媒へ伝わる。

受熱プレート部３２に伝わった熱の他の一部は、受熱プレート部３２から、放熱部３６、側壁部３７、３９及び伝熱部３８を介して、冷媒へ伝わる。なお、各放熱部３６から冷媒へ伝わる熱量よりも、各放熱部３６から天板部３４へ伝える熱量が少ない。

受熱プレート部３２から伝熱部３８に伝わった熱のうち、冷媒に伝わらなかった熱は、天板部３４へ伝わる。天板部３４へ伝わった熱は、天板部３４から直接又は放熱部３６を介して、冷媒に伝わる。

このように、本実施形態では、電子部品１６の熱は、受熱プレート部３２から直接又は放熱部３６を介して冷媒へ伝わる経路だけでなく、伝熱部３８及び天板部３４を経由した経路でも冷媒へ熱が伝わる。すなわち、本実施形態では、冷媒に対して、−Ｙ方向側（下側）だけでなく、Ｙ方向側（上側）からも熱が伝わる。

一方、図５に示されるように、天板部３４の板厚が受熱プレート部３２の板厚と同じとされると共に、伝熱部３８を有さない比較例では、以下のように、電子部品１６の熱が冷媒へ伝わる。すなわち、電子部品１６の熱は、主に、受熱プレート部３２から直接又は放熱部３６を介して冷媒へ伝わり、天板部３４を経由して冷媒へはほとんど伝わらない。すなわち、比較例では、冷媒に対して、−Ｙ方向側（下側）から熱が伝わる。

これに対して、本実施形態では、前述のように、冷媒に対して、−Ｙ方向側（下側）だけでなく、Ｙ方向側（上側）からも熱が伝わるので、比較例に比べて、冷媒による冷却効率が向上する。このため、電子部品１６の熱を冷却する冷却性能が向上する。

また、本実施形態では、伝熱部３８のＸ方向側及び−Ｘ方向側に流路４４が配置されている。すなわち、伝熱部３８をＸ方向に挟むように、伝熱部３８の両側に流路４４が配置されている。このため、伝熱部３８の片側にのみ流路４４が配置される場合に比べ、放熱部３６よりも温度が高くなる伝熱部３８において、熱を冷媒へ伝える効果が高い。これにより、電子部品１６の熱を冷却する冷却性能が向上する。

さらに、本実施形態では、受熱プレート部３２と天板部３４との間において、放熱部３６と伝熱部３８とをＸ方向に連結する連結部は、設けられていない。また、受熱プレート部３２と天板部３４との間において、放熱部３６同士をＸ方向に連結する連結部、及び、放熱部３６と側壁部３７、３９とをＸ方向に連結する連結部は、設けられていない。このため、流路４２、４４、４６を流通する冷媒の流路抵抗が増大しない。

（変形例）
本実施形態の変形例について説明する。

前述の実施形態では、流路４２、４４、４６のＸ方向に沿った幅は、同じとされていたがこれに限られない。例えば、図６に示されるように、流路４４のＸ方向に沿った幅Ｗ４を、流路４２のＸ方向に沿った幅Ｗ５よりも広くしてもよい。この変形例によれば、放熱部３６よりも温度が高くなる伝熱部３８において、冷媒の流量が増加されるので、冷却性能が向上する。

また、前述の実施形態では、伝熱部３８は、１つ設けられていたが、図７に示されるように、複数設けられていてもよい。この変形例によれば、電子部品１６の熱を効果的に天板部３４へ熱を伝えられ、冷媒に対して、−Ｙ方向側だけでなく、Ｙ方向側からも熱を効果的に伝わる。なお、複数の伝熱部３８は、Ｘ方向に隣り合って配置されていてもよい。

また、前述の実施形態では、天板部３４が受熱プレート部３２の上方側（Ｙ方向側）に配置されていたが、これに限られない。例えば、天板部３４が受熱プレート部３２に対して側方側（例えば、Ｘ方向）又は−Ｙ方向側（下方側）に配置されていてもよい。すなわち、電子機器１０における各部の配置位置と重力方向との関係は、不問である。

また、前述の実施形態では、冷媒が循環するようになっていたが、冷媒が循環しない構造であってもよい。

また、前述の実施形態では、受熱プレート部３２は、スプレッダー２２を介して電子部品１６からの熱を受けるようになっていたが、これに限られない。受熱プレート部３２が電子部品１６と接触することで、電子部品１６からの熱を受熱プレート部３２が直接、受けてもよい。

上記複数の変形例は、適宜、組み合わされて実施されても良い。

以上、本願の開示する技術の実施形態について説明したが、本願の開示する技術は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

なお、前述の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。

（付記１）
発熱体からの熱を一方の面で受ける第１板部と、
前記第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置され、前記第１板部の板厚よりも板厚が厚い第２板部と、
前記第１板部と前記第２板部とを連結する第１連結部と、
前記第１板部を挟んで前記発熱体に対向する位置で前記第１板部と前記第２板部とを連結すると共に、前記第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有し、該冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿った幅が前記第１連結部における当該幅よりも広い第２連結部と、
を備える受熱器。
（付記２）
前記第１連結部は、前記冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿って複数配置されると共に、互いの間に冷媒が通過可能な隙間を有し、
前記第１連結部同士の前記隙間よりも、前記第２連結部と前記第１連結部との前記隙間が広くされている付記１に記載の受熱器。
（付記３）
前記第２連結部は、複数の前記第１連結部の間に配置され、隣り合う前記第１連結部のそれぞれとの間に冷媒が通過可能な隙間を有している付記２に記載の受熱器。
（付記４）
前記第１板部と前記第２板部との間には、前記第１連結部と前記第２連結部とを連結する連結部が前記他方の面に沿って設けられていない付記１〜３のいずれか１つに記載の受熱器。
（付記５）
前記第２連結部は、複数設けられている付記１〜４のいずれか１つに記載の受熱器。
（付記６）
前記第２連結部は、前記第１板部が前記発熱体から受けた熱を前記第２板部へ伝え、
前記第２板部は、前記第２連結部から伝えられた熱を、前記隙間を通過する冷媒へ伝える付記１〜５のいずれか１つに記載の受熱器。
（付記７）
発熱体からの熱を一方の面で受ける第１板部と、
前記第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置され、前記第１板部の板厚よりも板厚が厚い第２板部と、
前記第１板部と前記第２板部とを連結する第１連結部と、
前記第１板部を挟んで前記発熱体に対向する位置で前記第１板部と前記第２板部とを連結すると共に、前記第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有し、該冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿った幅が前記第１連結部における当該幅よりも広い第２連結部と、
前記隙間に冷媒を供給する供給部と、
を備える冷却ユニット。
（付記８）
電子部品と、
前記電子部品からの熱を一方の面で受ける第１板部と、
前記第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置され、前記第１板部の板厚よりも板厚が厚い第２板部と、
前記第１板部と前記第２板部とを連結する第１連結部と、
前記第１板部を挟んで前記電子部品に対向する位置で前記第１板部と前記第２板部とを連結する共に、前記第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有し、該冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿った幅が前記第１連結部における当該幅よりも広い第２連結部と、
前記隙間に冷媒を供給する供給部と、
を備える電子機器。

１０電子機器
１６Ａ上面
１６電子部品（発熱体の一例）
３０受熱ジャケット（受熱器の一例）
３２Ａ下面（一方の面の一例）
３２受熱プレート部（第１板部の一例）
３２Ｂ上面（他方の面の一例）
３４天板部（第２板部の一例）
３６放熱部（第１連結部の一例）
３８伝熱部（第２連結部の一例）
４２流路（隙間の一例）
４４流路（隙間の一例）
５０冷却ユニット
５９ポンプ（供給部の一例）

Claims

発熱体からの熱を一方の面で受ける第１板部と、
前記第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置され、前記第１板部の板厚よりも板厚が厚い第２板部と、
前記第１板部と前記第２板部とを連結する第１連結部と、
前記第１板部を挟んで前記発熱体に対向する位置で前記第１板部と前記第２板部とを連結すると共に、前記第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有し、該冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿った幅が前記第１連結部における当該幅よりも広く、前記第１板部の熱を前記第２板部へ伝える第２連結部と、
を備え、
前記第１連結部は、前記冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿って複数配置されると共に、互いの間に冷媒が通過可能な隙間を有し、
前記第１連結部同士の前記隙間よりも、前記第２連結部と前記第１連結部との前記隙間が広くされており、
前記第２板部は、第２連結部の熱を前記隙間の冷媒へ伝える受熱器。
発熱体からの熱を一方の面で受ける第１板部と、
前記第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置され、前記第１板部の板厚よりも板厚が厚い第２板部と、
前記第１板部と前記第２板部とを連結する第１連結部と、
前記第１板部を挟んで前記発熱体に対向する位置で前記第１板部と前記第２板部とを連結すると共に、前記第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有し、該冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿った幅が前記第１連結部における当該幅よりも広く、前記第１板部の熱を前記第２板部へ伝える第２連結部と、
前記隙間に冷媒を供給する供給部と、
を備え、
前記第１連結部は、前記冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿って複数配置されると共に、互いの間に冷媒が通過可能な隙間を有し、
前記第１連結部同士の前記隙間よりも、前記第２連結部と前記第１連結部との前記隙間が広くされており、
前記第２板部は、第２連結部の熱を前記隙間の冷媒へ伝える冷却ユニット。
電子部品と、
前記電子部品からの熱を一方の面で受ける第１板部と、
前記第１板部の他方の面に対し間隔をあけて対向配置され、前記第１板部の板厚よりも板厚が厚い第２板部と、
前記第１板部と前記第２板部とを連結する第１連結部と、
前記第１板部を挟んで前記電子部品に対向する位置で前記第１板部と前記第２板部とを連結すると共に、前記第１連結部との間に冷媒が通過可能な隙間を有し、該冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿った幅が前記第１連結部における当該幅よりも広く、前記第１板部の熱を前記第２板部へ伝える第２連結部と、
前記隙間に冷媒を供給する供給部と、
を備え、
前記第１連結部は、前記冷媒の通過方向に見て前記他方の面に沿って複数配置されると共に、互いの間に冷媒が通過可能な隙間を有し、
前記第１連結部同士の前記隙間よりも、前記第２連結部と前記第１連結部との前記隙間が広くされており、
前記第２板部は、第２連結部の熱を前記隙間の冷媒へ伝える電子機器。