JP6701753B2 - 冷却モジュール及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷却モジュール及び装置に関し、特に、発熱体から発生する熱を放熱する冷却モジュール及び装置に関する。

近年、パーソナルコンピュータ等の電子装置（装置）においては、高性能化が進んでいる。これに伴い、電子機器に実装されているＣＰＵ、このＣＰＵの周辺の集積回路、及び電源回路等の発熱体の発熱量が増大傾向にある。このため、発熱体から発生する熱を効率的にヒートシンク等の放熱体に逃がす技術が求められている。なお、「ＣＰＵ」とは「Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ」の略である。

発熱体から発生する熱を効率的に放熱体に逃がす技術として、例えば、特許文献１及び２には、ヒートパイプに関する技術が開示されている。この特許文献１記載の技術は、ヒートパイプにて二つのヒートシンクを熱的に接続している。また、特許文献２記載の技術も、特許文献１記載の技術と同様に、ヒートパイプにて二つのヒートシンクを熱的に接続している。これにより、特許文献１及び２記載の技術は、複数の放熱体の全体で各発熱体から発生する熱を放熱している。

特開２００１−２０３３０７号公報 国際公開第２０１５／０１２７９７号

ところで、ヒートパイプは、一般的に、銅等の金属を用いて構成されており、剛性が高く、容易に曲げたりすることができない特性を持っている。このため、上記特許文献１及び２記載の技術は、チップの個体差、実装誤差により各放熱体と各発熱体との距離が異なる場合、基板、熱伝導性部材等の経年劣化により、ある放熱体と発熱体の距離が変化した場合等において、放熱体を発熱体に向かって押そうとしても、ヒートパイプの剛性により放熱体を発熱体に近づけることが困難である。このように、上記特許文献１及び２記載の技術では、ヒートパイプを容易に曲げることができないため、容易に各放熱体を発熱体に密着させることができない。なお、各放熱体と各発熱体との距離の差が生じる要因としては、上述したように、二つの発熱体の個体差、実装誤差等による高さバラつきがある。一例として、発熱体の高さの許容誤差が±０．２ｍｍとすると、一方の発熱体が＋０．２ｍｍに振れ、他方の発熱体が−０．２ｍｍに振れると、０．４ｍｍの差分が生じる。このような場合も、上述したように、ヒートパイプを容易に曲げることができないため、容易に各放熱体を発熱体に密着させることができない。

そこで、本発明の目的は、容易に各放熱体を発熱体に密着させることが可能な冷却モジュール及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る冷却モジュールは、発熱体から発生する熱を放熱する複数のヒートシンクと、これら複数のヒートシンクを熱的に接続するヒートパイプと、を備え、上記ヒートパイプは、上記ヒートシンクの間のずれを吸収する吸収部を含むこと、を特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る装置は、上記冷却モジュールと、複数の発熱体と、を具備して構成される。

本発明によれば、容易に各放熱体を発熱体に密着させることができる。

本発明の一実施形態（第１の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す平面図であり、電子装置の第１の状態を示す図である。 本発明の一実施形態（第１の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す断面図であり、電子装置の第１の状態を示す図である。 本発明の一実施形態（第１の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す平面図であり、電子装置の第２の状態を示す図である。 本発明の一実施形態（第１の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す断面図であり、電子装置の第２の状態を示す図である。 本発明の他の実施形態（第２の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す平面図である。 本発明の他の実施形態（第２の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す断面図であり、電子装置の第１の状態を示す図である。 本発明の他の実施形態（第２の実施形態）に係る電子装置（装置）の構成を示す断面図であり、電子装置の第２の状態を示す図である。 ヒートパイプの第１の吸収部及び第２の吸収部の構成を示す断面図であり、（ａ）は、第１の吸収部の第１例を示す図であり、（ｂ）は、第１の吸収部の第２例を示す図であり、（ｃ）は、第２の吸収部の第１例を示す図であり、（ｄ）は、第２の吸収部の第２例を示す図である。

以下、図面を用いて、本発明の実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１乃至図４を用いて、本発明の一実施形態（第１の実施形態）について説明する。図１及び図２は、本実施形態（第１の実施形態）に係る電子装置（装置）１００の構成を示す平面図及び断面図であり、電子装置１００の第１の状態を示す図である。また、図３及び図４は、本実施形態（第１の実施形態）に係る電子装置（装置）１００の構成を示す平面図及び断面図であり、電子装置１００の第２の状態を示す図である。なお、第１の状態では、経年劣化、実装誤差等により発熱体１１２とヒートシンク１３２とが離れた状態を示している。第２の状態では、ヒートシンク１３２を発熱体１１２側に向けて押して、ヒートシンク１３２と発熱体１１２とを密着させた状態を示している。

電子装置１００は、複数の発熱体１１１，１１２と、冷却モジュール１２０と、を備えている。これら複数の発熱体１１１，１１２は、例えば、複数の集積回路素子からなるＣＰＵ、ＬＳＩ、ＭＰＵ等である。発熱体１１１，１１２は、作動時に熱を発する。このため、発熱体１１１，１１２には、これら発熱体１１１，１１２により発生する熱を放熱するために、冷却モジュール１２０が熱的に接続されている。ここで、「ＬＳＩ」は「Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」の略である。「ＭＰＵ」は「Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ」の略である。

冷却モジュール１２０は、複数のヒートシンク１３１，１３２と、ヒートパイプ１４１とを備えている。これら複数のヒートシンク１３１，１３２の夫々は、発熱体１１１，１１２から発生した熱を放熱するためのものであり、熱伝導性の良い、アルミニウム、金又は銅等の金属を用いて形成されている。なお、本実施形態では、各ヒートシンク１３１，１３２が各発熱体１１１，１１２から発生した熱を放熱しているが、これに限定されず、ヒートシンク１３１が複数の発熱体（例えば、発熱体１１１と図示しない他の発熱体）から発生した熱を放熱するようにしても良い。

ヒートパイプ１４１は、複数のヒートシンク１３１，１３２を熱的に接続している。また、ヒートパイプ１４１は、複数のヒートシンク１３１，１３２の間のずれを吸収する吸収部１４５を有している。なお、複数のヒートシンク１３１，１３２の間のずれとは、各発熱体１１１，１１２に各ヒートシンク１３１，１３２を搭載した際に生じる隙間、間隙、位置ずれ等のことである。この隙間、間隙等は、距離の差によって生じる。この距離の差は発熱体１１１，１１２の個体差等によって生じる。図２を用いて例示すると、距離の差は、各ヒートシンク１３１，１３２の各発熱体１１１，１１２との距離の差（Ｈ１−Ｈ２）をいう。すなわち、距離の差は、ヒートシンク１３１と発熱体１１１との距離と、ヒートシンク１３２と発熱体１１２との距離と、の差である。位置ずれは、実装誤差によって生じる。図１を用いて例示すると、位置ずれは、発熱体１１２に対しヒートシンク１３２が積層方向に対する直交方向でずれている距離の差をいう（図１では、ヒートシンク１３２が下方側にずれている）。また、ずれを吸収するとは、各ヒートシンク１３１，１３２と各発熱体１１１，１１２との隙間を埋め、各ヒートシンク１３１，１３２の各発熱体１１１，１１２との距離の差を無くすことをいう。また、本実施形態では、一つの吸収部１４５からなるが、これに限定されず、複数の吸収部を用いることも可能である。

ここで、ヒートパイプ１４１は、一般的に銅等の金属を用いて構成されており、剛性が高く、容易に曲げたりすることができない特性を持っている。このような剛性の高いヒートパイプ１４１を用いる場合、チップの個体差、実装誤差により各放熱体と各発熱体との距離が異なる場合、基板、熱伝導性部材等の経年劣化により、ある放熱体と発熱体の距離が変化した場合等において、以下のような問題が生じる。その問題とは、ばねネジ等の押圧部材を用いて、ヒートシンク１３２を発熱体１１２に向かって押したとしても、ヒートパイプ１４１の剛性によりヒートシンク１３２を発熱体１１２に近づけることが困難である。このため、ヒートシンク１３２を押すために、強い力が必要であったり、ヒートシンク１３２を強く押しすぎると破損させてしまったりする可能性がある。なお、各ヒートシンク１３１，１３２と各発熱体１１１，１１２との距離の差が生じる要因としては、上述したように、二つの発熱体の個体差、実装誤差等による高さバラつきがある。一例として、各発熱体１１１，１１２の高さの許容誤差が±０．２ｍｍとすると、一方の発熱体１１１が＋０．２ｍｍに振れ、他方の発熱体１１２が−０．２ｍｍに振れると、０．４ｍｍの差分が生じる。このような場合も、上述したように、ヒートパイプを容易に曲げることができないため、ヒートシンク１３２を発熱体１１２に近づけることが困難である。

これに対し、本実施形態のヒートパイプ１４１は、上述したように、複数のヒートシンク１３１，１３２の間のずれを吸収する吸収部１４５を有している。このため、押圧部材を用いて、ヒートシンク１３２を発熱体１１２に向かって押すと、吸収部１４５を基点として、ヒートパイプ１４１を容易に撓ませることが可能となる。よって、冷却モジュール１２０及びこの冷却モジュール１２０を具備する電子装置１００を用いて、容易に各ヒートシンク１３１，１３２を各発熱体１１１，１１２に密着させることができる。

（第２の実施形態）
図５乃至図８を用いて、本発明の他の実施形態（第２の実施形態）について説明する。まず、図５乃至図７を用いて、電子装置２００の構成について説明する。図５は、本実施形態（第２の実施形態）に係る電子装置（装置）２００の構成を示す平面図である。図６及び図７は、本発明の他の実施形態（第２の実施形態）に係る電子装置（装置）２００の構成を示す断面図であり、電子装置２００の第１及び第２の状態を示す図である。なお、図５において左右方向をＸ方向として、上下方向をＹ方向とする。また、図５において示している面を平面とする。また、図６における第１の状態では、経年劣化、実装誤差等により発熱体２１２，２１３とヒートシンク２３２，２３３とが離れた状態を示している。図７における第２の状態では、ヒートシンク２３２，２３３を発熱体２１２，２１３側に向けて押して、ヒートシンク２３２，２３３と発熱体２１２，２１３とを密着させた状態を示している。

電子装置２００は、基板２０１、フレーム２０２、複数の発熱体２１１，２１２，２１３及び冷却モジュールを具備している。基板２０１は、周知の技術であるため、簡易的な説明に留め、具体的な説明を省略するが、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等を用いて板状をなして形成される。そして、板状をなして形成された基板２０１の面上には、フレーム２０２及び複数の発熱体２１１，２１２，２１３が配設される。

フレーム２０２も、周知の技術であるため、簡易的な説明に留め、具体的な説明を省略するが、天板及び側板からなり、基板２０１を覆うように配設されている。そして、基板２０１及びフレーム２０２により覆われた空間に、複数の発熱体２１１，２１２，２１３が配設されている。

各発熱体２１１，２１２，２１３も、周知の技術であるため、具体的な説明を省略するが、例えば、複数の集積回路素子からなるＣＰＵ、ＬＳＩ、ＭＰＵ等である。これら各発熱体２１１，２１２，２１３は、作動時に熱を発する。このため、これら各発熱体２１１，２１２，２１３には、これら各発熱体２１１，２１２，２１３により発生する熱を放熱するために、冷却モジュールが熱的に接続されている。

冷却モジュールは、複数のヒートシンク２３１，２３２，２３３，２３４，２３５、熱伝導性部材２５１，２５２，２５３、第１の保持機構、第２の保持機構、第３の保持機構及び複数のヒートパイプ２４１，２４２，２４３，２４４を具備している。この冷却モジュールは、各発熱体２１１，２１２，２１３から発生する熱を各ヒートシンク２３１，２３２，２３３，２３４，２３５にて放熱している。

なお、これらヒートシンク２３１，２３２，２３３，２３４，２３５は、同じ構成であるため、ヒートシンク２３１について説明し、他のヒートシンク２３２，２３３，２３４，２３５については説明を省略する。同様に、熱伝導性部材２５１，２５２，２５３についても、同じ構成であるため、熱伝導性部材２５１について説明し、他の熱伝導性部材２５２，２５３については説明を省略する。また、第１の保持機構乃至第３の保持機構についても、同じ構成であるため、第１の保持機構について説明し、第２の保持機構及び第３の保持機構については説明を省略する。また、ヒートパイプ２４１，２４２，２４３，２４４についても、同じ構成であるため、ヒートパイプ２４１について説明し、他のヒートパイプ２４２，２４３，２４４については説明を省略する。

ヒートシンク２３１は、周知の技術であるため、具体的な説明を省略するが、各発熱体２１１，２１２，２１３から発生した熱を放熱するためのものであり、熱伝導性の良い、アルミニウム、金又は銅等の金属を用いて形成されている。このヒートシンク２３１は、一例として、プレートフィンタイプが挙げられる。このプレートフィンタイプのヒートシンク２３１は、ベースと複数のプレートフィンとからなる。そして、このベースに複数のプレートフィンが立設されてなる。このため、各プレートフィンの間を風が通過し、ヒートシンク２３１の全体を冷やすことが可能となる。発熱体２１１とヒートシンク２３１との間には、熱伝導性部材２５１が配設されている。

熱伝導性部材２５１は、周知の技術であるため、具体的な説明を省略するが、例えば、シート状熱伝導ゲル、高性能放熱グリース、放熱ゴム、放熱用ギャップ充填材を用いて構成される。そして、熱伝導性部材２５１は、上述したように、発熱体２１１とヒートシンク２３１の間に配設されており、発熱体２１１とヒートシンク２３１と密着性を高めている。

第１の保持機構も、周知の技術であるため、具体的な説明を省略するが、複数の保持具２６１，２６２，２６３，２６４を有している。これら複数の保持具２６１，２６２，２６３，２６４の各々は、ピン及び圧縮コイルばねを有している。これら複数の保持具２６１，２６２，２６３，２６４は、ピンの軸部に圧縮コイルばねを嵌め込み、ヒートシンク２３１に形成された孔にピンを挿通させ、ヒートシンク２３１をフレーム２０２に固定させる。そして、これら複数の保持具２６１，２６２，２６３，２６４は、ピンを回動させ、ヒートシンク２３１を発熱体２１１側に近づけたり、遠ざけたりし、発熱体２１１とヒートシンク２３１との距離を調整している。

ヒートパイプ２４１は、銅等の金属を用いて構成されている。ヒートパイプ２４１は、ヒートシンク２３１，２３２を接続している。そして、ヒートパイプ２４１は、中空状をなして形成され、内部に冷媒としての水を通過させ、ヒートシンク２３１，２３２の間で水を循環させている。ヒートパイプ２４１は、ヒートシンク２３１，２３２との間で熱交換している。したがって、ヒートパイプ２４１において、冷媒は、ヒートシンク２３１，２３２の一方の側である高温側で内部液体が蒸発して他方の側である低温側に移動し、他方の側である低温側で凝縮液化してヒートパイプ２４１の内壁を伝って一方の側である高温側に移動することにより、循環している。

ここで、各発熱体２１２とヒートシンク２３２との間の距離は、基板２０１、熱伝導性部材２５２等の経年劣化により、変化が生じる場合がある。この場合、発熱体２１２とヒートシンク２３２との密着性を低減させてしまう可能性がある。そして、関連するヒートパイプの形状が円筒状をなして形成されているとする。このような場合、例えば、保持機構２６２によりヒートシンク２３２を発熱体２１２に移動させようとしても、関連するヒートパイプでは、このヒートパイプの剛性により移動させることが困難である。なぜなら、保持機構２６２の押圧力よりもヒートパイプの剛性が高く、ヒートパイプを容易に曲げることができないからである。なお、各ヒートシンク２３１，２３２と各発熱体２１１，２１１との距離の差が生じる要因としては、二つの発熱体２１１，２１２の実装誤差による高さバラつきがある。一例として、各発熱体２１１，２１２の高さの許容誤差が±０．２ｍｍとすると、一方の発熱体２１１が＋０．２ｍｍに振れ、他方の発熱体２１２が−０．２ｍｍに振れると、０．４ｍｍの差分が生じる。このような場合も、上述したように、ヒートパイプを容易に曲げることができないため、容易に各ヒートシンク２３１，２３２を各発熱体２１１，２１２に密着させることができない。

これに対し、本実施形態のヒートパイプ２４１は、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６を有している。ここで、図８を用いて、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６の形状について説明する。図８は、ヒートパイプ２４１の第１の吸収部２４５第２吸収部２４６の構成を示す断面図であり、（ａ）及び（ｂ）は、第１の吸収部２４５の第１例及び第２例を示す図であり、（ｃ）及び（ｄ）は、第２の吸収部２４６の第１例及び第２例を示す図である。これら第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６は、ヒートパイプ２４１の一部の形状を異ならせてなる。具体的には、これら第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６は、ヒートシンク２３１，２３２のずれの方向に合わせて細く形成されてなる。本実施形態では、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６は、くびれるように形成されてなったり、つぶして形成されてなったりと種々の形態で実現することが可能となる。また、その際、図８（ａ）及び図８（ｃ）に例示されるように、両面からつぶして細くしたり、図８（ｂ）及び図８（ｄ）に例示されるように、片方の面から細くしたりしてなる。なお、細くする方向については、図８（ａ）及び図８（ｂ）に例示されるように、積層方向に細く形成したり、図８（ｃ）及び図８（ｄ）に例示されるように、積層方向に対する直交方向に細く形成したり等、種々の形態で実現することが可能となる。ここで、ずれとは、各ヒートシンク２３１，２３２の各発熱体２１１，２１２との距離の差をいう。また、ヒートシンク２３１，２３２のずれの方向とは、上述したように、発熱体２１２とヒートシンク２３２との積層方向及び積層方向に対する直交方向である。なお、第１の吸収部２４６及び第２の吸収部２４６の何れも積層方向に細く形成したり、何れも積層方向に対する直交方向に細く形成しても良い。また、第１の吸収部２４５を積層方向に細く形成し、第２の吸収部２４６を積層方向に対する直交方向に細く形成しても良い。このように、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６は、ヒートパイプ２４１の一部を細くし、ヒートパイプ２４１の他の部分よりも剛性を低くしている。これにより、保持機構２６２によりヒートシンク２３２への押圧力が印加された際、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６を基点としてヒートパイプ２４１を曲げ易くしている。

また、第１の吸収部２４５は、第１の保持機構，第２の保持機構を用いて各ヒートシンク２３１，２３２を発熱体２１１，２１２に向けて押すと、電子装置２００を正面視すると、山状をなして曲がる。一方、第２の吸収部２４６は、第１の保持機構，第２の保持機構を用いてヒートシンク２３１，２３２を発熱体２１１，２１２に向けて押すと、谷状をなして曲がる。すなわち、ヒートパイプ２４１は、電子装置２００を正面視すると、クランク状をなして曲がる。このように、本実施形態では、ヒートパイプ２４１をクランク状に曲げているため、ヒートシンク２３２を押した際に、ヒートシンク２３１を傾かせることなく、平行に保つことが可能となる。

また、ヒートパイプ２４１は、電子装置２００のＹ方向（図５における上下方向）に延びる第１の延設部２４７、第１の延設部２４７の一端からＸ方向（図５における左右方向）に延びる第２の延設部２４８、第２の延設部２４８からＹ方向に延びる第３の延設部２４９からなる。すなわち、ヒートパイプ２４１は、ヒートシンク２３１，２３２間をその最短距離で繋がず、Ｙ方向に延び、そこから曲げてＸ方向に延び、さらに、曲げてＹ方向に延びて接続されている。そして、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６は、ヒートパイプ２４１の第２の延設部２４８の一部に配設されている。このように、同じ方向に第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６を有することで、ヒートシンク２３２を押した際に、より確実にヒートシンク２３１を傾かせることなく、平行に保つことが可能となる。

以上のように、本実施形態の冷却モジュール及びこの冷却モジュールを具備する電子装置２００によれば、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６を基点として、ヒートパイプ２４１を容易に撓ませることが可能となる。よって、本実施形態の冷却モジュール及びこの冷却モジュールを具備する電子装置２００を用いて、容易に各ヒートシンク２２１，２２２，２２３，２２４，２２５を各発熱体２０２，２０３，２０４に密着させることができる。

なお、本実施形態では、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６の一例として、ヒートパイプ２４１の一部を細くしているが、ヒートパイプ２４１の一部を容易に曲げ易くするものであれば、これに限定されない。例えば、第１の吸収部２４５及び第２の吸収部２４６を剛性の低い部材を用いても良い。

１００ 電子装置
１１１，１１２ 発熱体
１２０ 冷却モジュール
１３１，１３２ ヒートシンク
１４１ ヒートパイプ
１４５ 吸収部

Claims (10)

1. 発熱体から発生する熱を放熱する複数のヒートシンクと、
   これら複数のヒートシンクを熱的に接続するヒートパイプと、を備え、
   前記ヒートパイプは、前記ヒートシンクの間のずれを吸収する吸収部を含み、
   前記吸収部は、前記ヒートパイプの延在方向に対して垂直方向で切断した切断面において、凹部を有すること、を特徴とする冷却モジュール。
   
   
2. 前記吸収部は、前記ヒートパイプの一部の形状を異ならせてなること、
   を特徴とする請求項１記載の冷却モジュール。
3. 前記吸収部は、前記ずれの方向に合わせて細く形成されてなること、
   を特徴とする請求項１又は２記載の冷却モジュール。
4. 前記吸収部は、前記発熱体と前記ヒートシンクとの積層方向に対して細く形成されてなること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の冷却モジュール。
5. 前記吸収部は、少なくとも二か所に配設された第１及び第２の吸収部からなること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の冷却モジュール。
6. 前記ヒートパイプは、前記第１及び第２の吸収部を基点として曲がり、曲がった際にクランク状をなすこと、
   を特徴とする請求項５記載の冷却モジュール。
7. 前記ヒートパイプは、互いに異なる方向に延びる第１及び第２の延設部をさらに有し、
   前記第１及び第２の吸収部は、前記第１又は第２の延設部の何れか一方に配設されること、
   を特徴とする請求項５又は６記載の冷却モジュール。
8. 前記ヒートシンクを発熱体に向かって押圧する押圧部材をさらに備え、
   前記吸収部は、前記押圧部材による押圧に起因して前記ずれを吸収すること、
   を特徴とする請求項１乃至７の何れか一項に記載の冷却モジュール。
9. 前記発熱体と前記ヒートシンクとの間に、熱伝導性部材をさらに備えること、
   を特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の冷却モジュール。
10. 請求項１乃至９の何れか一項に記載の冷却モジュールと、
    複数の発熱体と、を具備すること、
    を特徴とする装置。

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