JPH0794648A - 集積回路の冷却装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】狭い空間に配列された発熱密度の高い複数の集
積回路を冷却する好適な集積回路冷却装置を提供する。 【構成】各集積回路冷却装置は、集積回路と接した伝熱
板６，放熱フィン，ポンプ８からなり、管内を循環する
液で集積回路の熱を伝熱板，放熱フィンに伝える。垂直
ダクトで各冷却装置ごとに冷却空気を与え、流れに沿っ
て曲げたフィン形状，通風面積を大きく、かつ奥行きＬ
を小さくした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、局部的に加熱された固
体の冷却方法に係り、特に、コンピュータの集積回路お
よび電子機器の回路基板に生じる熱を大気に放熱する
際、回路基板と放熱器の間に液循環回路を設けた集積回
路冷却装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータの高速度演算が求められる
に伴い、実装密度及び発熱量は増大している。これに対
応して集積回路の放熱方法は、単純な空冷方式から、よ
り冷却能力の高い液循環方式，沸騰凝縮冷却方式と変遷
しつつある。発熱密度が低い場合、特開平2−211656 号
公報のように多数のリード付きの基板と一体で回路基板
を構成した集積回路で生じた熱を、接触面の熱伝導を良
好にするヒートシンクを介して放熱フィンに移動して、
通風により大気に放出する空冷方式が用いられてきた。
しかし、空冷方式では発熱密度が高い場合、通風抵抗の
関係で、狭い空間に置かれた集積回路に大量の冷却空気
を流すことが難しく、また、集積回路から放熱フィンま
での熱伝導抵抗が大きく、放熱が不十分となる。そこで
特開昭62−217647号公報のように、集積回路の置かれた
狭い空間に直接冷却液を流し、広い空間に熱を移動して
放熱する液循環方式が考案された。水などの液体は空気
と比べ熱容量が大きいため、体積流量当たりの熱の移動
量を大きくすることができる。冷媒の潜熱を利用すれ
ば、さらに体積流量当たりの熱の移動量を大きくするこ
とができ、特開昭55−96660 号公報のようにヒートシン
ク側で沸騰した冷媒を、放熱フィン側で凝縮させ、熱を
移動する沸騰凝縮冷却方式も考案された。この例では、
放熱フィンが集積回路の上に単体で置かれている。しか
し、液循環及び沸騰凝縮冷却のいずれの方式でも、複数
の集積回路を冷却する場合、広い空間に一つの空冷熱交
換器を配置して放熱フィンを共用し、熱交換器とそれぞ
れの集積回路を連絡する配管を設け、液及び冷媒を循環
するのが通例である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来の液循環方
式で狭い空間に置かれた多数の集積回路を冷却する場
合、各集積回路と空冷熱交換器とを連絡する配管が、互
いに交差するので組立作業が容易でない。また液循環系
に故障が生じた場合の部品交換も容易で無い。この欠点
を取り除くには、特開昭55−96660 号公報のように各集
積回路ごとに独立した放熱フィン，沸騰凝縮部を設ける
冷却方式を採用することで解決できる可能性がある。し
かし、集積回路ごとに冷媒装置を取り付けると真空引
き、冷媒封入が必要など作業性が低下するので、多数の
集積回路の冷却には不向きである。この問題点を解決す
る一有力手段として、各集積回路ごとに独立した放熱フ
ィン，液循環部を設ける液循環形冷却装置が考えられ
る。しかし、もともと狭い空間に集積回路が置かれてい
る場合、冷却装置を設けた分だけ、さらに通風路を縮め
ることになり、冷却空気流量を如何に確保するかが課題
になる。

【０００４】本発明の目的は、狭い空間に配列された発
熱密度の高い複数の集積回路を生産性の高い簡単な構造
で冷却する好適な冷却装置を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】三つの手段を併用する。
第一の手段は、密集した全ての放熱フィンに新鮮な空気
を供給することで風温度の上昇を防ぎ、必要な冷却空気
流量を極力少なくする。平面状に林立した放熱フィン
に、新鮮な空気を供給するには入口空気は、リードと平
行かつ集積回路面に対して垂直方向から吹き込む。した
がって放熱フィンの出口空気は、図１のように集積回路
面に対して平行方向に流す基本的流れ構成とした。第二
の手段は、通風路の形状および風速を工夫して抵抗を減
らし、ファン動力当たりの風量を増した。第三の手段
は、集積回路と放熱フィンが離れ過ぎて、熱が十分伝わ
らないフィン効率の低下を防ぐため、集積回路と接して
放熱板，放熱フィンを積層し、ポンプで液循環する回路
を設け、放熱板と放熱フィンの双方に熱が隈無く行き渡
る冷却装置とした。

【０００６】

【作用】集積回路面に対して垂直方向から吹き込まれ入
口空気（図１）は、放熱板により９０度曲げられ（図
４）、集積回路面と平行な流れとなる。放熱フィンの出
口空気は、フィン出口端で多数の集積回路面が密集して
置かれているので、さらに９０度曲げられ外部に放出さ
れる（図１）。本発明の一つは、図４のように放熱フィ
ンの形状を上記の流れに沿うように局部的に曲げて、剥
離渦を生じさせないようにした。もう一つは、図１０の
放熱フィン高さＨを高く通風面積を大きくして風速を下
げ、かつ奥行き寸法を小さくすることで通風抵抗を小さ
くした。また通風抵抗が小さ過ぎ流れが偏るのを防止す
るため、図４のように放熱フィンのフィンピッチを局部
的に変え、一様な流れを形成した。以上の手段により狭
い通風路で多くの冷却空気流量を得ることが可能にな
る。しかし実現しょうとすると、放熱フィンが部分的に
集積回路と離れ過ぎて、熱が十分伝わらないフィン効率
の低下が問題になる。そこで本発明では、集積回路と接
して放熱板，放熱フィンを積層し、ポンプで液循環する
回路を設け、放熱板と放熱フィンの双方に熱が隈無く行
き渡る冷却装置とすることで、フィン効率の低下を防止
した。

【０００７】

【実施例】以下、図面に示した実施例に基づいて本発明
を詳細に説明する。図１ないし図５は本発明の一実施例
における集積回路冷却装置の構成を表す。図１は、集積
回路冷却装置と冷却空気ダクトの関係を示す模式図であ
る。多数の集積回路冷却装置１は、平板状の基板２に密
集して取り付け、ダクト３は、基板２と平行に集積回路
冷却装置１と向い合って置かれる。集積回路冷却装置１
の入口空気は、ダクト３底面に開けたスリット状孔３ａ
から各集積回路冷却装置ごとに個別に供給され、出口空
気は、各集積回路冷却装置から出たものが合流して、基
板２と平行に流れ、外部に放出される（この場合、出口
空気は、通路抵抗が小さい基板の端２ａ側に流れると仮
定する）スリット状孔３ａは、矢印で示す出口空気の空
気の流れ方向と平行に細長く開けられている。図１の一
つの集積回路冷却装置１を拡大した斜視図である図２に
おいて、集積回路冷却装置１は、該基板２にリード１６
で固定された集積回路４と、ダクト３の間に取り付け
る。また集積回路冷却装置１は、吸気管５，集積回路と
少なくとも接触した伝熱板６ａ，伝熱板６ａと平行な少
なくとももう一つの伝熱板６ｂを該伝熱板の外側（高さ
方向）に配置して、側板７ａ，ｂ，ポンプ８，伝熱フィ
ン１１で構成する。ポンプ８の吐出管９と、伝熱板６
ａ，６ｂ及び側板７に開けた複数の孔と吸入管１０は、
それぞれ連結して、液循環回路を構成する。なおポンプ
８は、収納性の面から、図３のように圧電素子８ａを利
用するなど箱状のもの二個を用い、側板７ａに内蔵して
いるが、液循環回路を構成できるものであれば、必ずし
も形式は問わない。ここで図３は、図２のＡ−Ａ矢視断
面図である。伝熱フィン１１は、図４のように平行に向
き合う二つの伝熱板６ａと伝熱板６ｂの間に置き、冷却
空気の出入口端を除く放熱フィンの両端面で伝熱板と放
熱フィンを一体もしくは接触して固定する。ここで図４
は、図２のＢ−Ｂ矢視断面図で、１枚のフィンの正面形
状を示す。吸気管５側のフィンの一部は、フィン先端風
速を低くして、通風抵抗を少なくするため、切り欠いて
いる。なお図５において、該伝熱板の長手方向の側面で
見た伝熱板および放熱フィンの寸法（奥行き方向）は集
積回路の辺長より短く、外側の伝熱板の中央に開けた中
空部から集積回路に接する放熱フィンに冷却空気を吹き
付け、伝熱板の長手方向の側面で見た放熱フィンの両端
で集積回路冷却装置から放出された冷却空気が伝熱板の
長手方向の下流（白抜きの矢印方向）に流れるように基
板、複数の集積回路冷却装置を覆うダクト構成としてお
り、伝熱板と平行な断面で見た放熱フィンの形状は、フ
ィン出口での流れの向きが急激に曲がるのを緩和する方
向にフィン全体または一部を湾曲させている。ここで図
５は、図２のＣ−Ｃ矢視で示す伝熱板と平行な断面図で
ある。これにより、フィンの間で流れの向きが変化する
際生じる剥離渦を小さくすることを期待している。また
伝熱板６ａと平行な断面で見た放熱フィン１１の長さ
は、下流側のフィンほど短い。これにより伝熱板６ａの
全面に取り付ける場合より、図８のＤ−Ｄ断面の隣接す
る集積回路冷却装置間の通風面積を大きくでき、通風抵
抗を小さくできる。これよりファン動力当たりの風量を
増すことができる。なおフィン形状にすると必然的にフ
ィン長さは、伝熱板６ａ長手方向で比較して、矢印で示
す空気下流側の方が上流側より短く、流れが偏り易くな
る。偏流を防止するため、下流側の方が上流側よりフィ
ンピッチを小さくして、通風抵抗を均一化するのが望ま
しい。

【０００８】上記の構成の作用を述べる。コンピュータ
が稼働すると、集積回路は、回路抵抗によるジュール熱
で加熱される。図２においてジュール熱は、集積回路４
と接する伝熱板６ａ，伝熱板６ａ近傍のフィン１１に熱
伝導により伝わる。なおポンプ８により伝熱板６ａ，側
板７ｂ，伝熱板６ｂの管内に液が循環して流れている。
したがって、ジュール熱の一部は、循環する液で伝熱板
６ｂ側に移動し、伝熱板６ｂ近傍のフィン１１にも熱伝
導により伝わる。一方、冷却空気は、吸気管５で集積回
路面に対して垂直方向から吹き込まれ、フィン１１の間
で放熱板６ａにより９０度曲げられ（図４）、さらにフ
ィン１１を出ると複数の集積回路冷却装置１が密集して
林立するため、９０度曲げられ（図１）、集積回路面と
平行に流れる三次元的な流路を経て、外部に放出されて
いる。したがってジュール熱は、フィン面で熱伝達で冷
却空気に伝わり外部に放出され、集積回路の温度を低く
することができる。以上この実施例は、該集積回路から
の熱を伝熱板６ａから放熱フィン１１に熱伝導で直接伝
えると同時に、二つの伝熱板の内面に設けたそれぞれの
液通路６ｃを連結した回路を循環する液で、集積回路か
ら伝熱板６ａに伝導した熱の一部を他の伝熱板６ｂに伝
え、さらに放熱フィン１１間を流れる冷却空気に放熱す
る熱輸送回路を付加したことを特徴である。

【０００９】次に本発明の別の実施例を、図６及び図７
を参照して述べる。ここで図６及び図７は、図２のＣ−
Ｃ矢視の伝熱板６と平行な断面図を示す。これらの実施
例は、発熱密度が高い集積回路を対象にしたもので、フ
ィン１１の形状が異なり、フィンの伝熱面積を大きくし
ている点を除き、上述の実施例とほぼ同じである。図６
の実施例では、実施例でフィン空気下流側に曲げたフィ
ンの先端１１ａ(図５)の先に、さらに直線状に伸ばした
追加フィン１１ｂ（図６）を設けている。すなわちＦ矢
視側板７ｂの投影断面積のほぼ全体の伝熱板６ａにフィ
ンを設け、伝熱面積を大きくしている。また図７の実施
例では、投影断面積のほぼ全体の伝熱板６ａにフィンを
設け、伝熱面積を大きくしているのは同じであるが、フ
ィン１１及び側板７ｂは、いずれも一様に曲げ、側板７
ａは、半円弧形状にして、フィン間の流れの向きを滑ら
かに曲げている。また下流側のフィンピッチを小さくし
ている。これらの実施例は、フィン形状が複雑で加工性
が落ちる難点がある。しかし発熱密度が著しく高い集積
回路の場合、大風量が必要でフィン間風速が高く、フィ
ン形状で通風抵抗が大幅に減り、ファン動力当たりの風
量を増す効果が期待できる。

【００１０】次に本発明の第三の実施例を、図８から図
１１を参照して述べる。ここで図８は、図１の一つの集
積回路冷却装置１を拡大した斜視図である。液循環回路
は、伝熱板６ａ，クロスフィン熱交換器，ポンプ８で構
成する。図９は、図８のＤ−Ｄ断面で見たポンプ８の形
状、図１０は、図８のポンプ８取付け前の組立状態を、
図１１は、図１０のクロスフィン熱交換器１２のフィン
形状を拡大した図を、それぞれ示す。この実施例は、平
板面に集積回路が密に置かれているが、高さ方向の空間
に余裕がある場合の適用例を示す。図８において高さ方
向の空間に余裕がある場合、集積回路面に対して垂直方
向から吹き込まれ冷却空気は、吸気管５とフィン１１に
より約１８０度反転して外部に放出される二次元的流路
内に流す。平行に並べた複数の伝熱管１４に、薄板に切
り込みを入れた多数のルーバフィン１１ｂなどを挿入し
てなるクロスフィン熱交換器１２を、伝熱管を該伝熱板
６ａと垂直方向に立てて取付け、伝熱管がフィンから露
出する一つの端部を該伝熱板の二個所に開けた孔で連結
し、他の露出端部でポンプ８と連結し、伝熱板６ａ及び
クロスフィン熱交換器１２の隅々まで液が行き渡るよう
に、液循環回路を構成した。図１０のようにあらかじめ
管内に仕切り板１３で液流路（破線）を構成した冷却板
６ａと、クロスフィン熱交換器１２は、液流路と連絡す
る位置に開けられた孔に伝熱管１４の一端を挿入して固
定する。その組立後にポンプ８は、図１０のように伝熱
管１４の他端にＯリング１５などを用い取付けるなどの
手順で組み立てる。この実施例は、図１０のフィン高さ
Ｈを高く通風面積を大きくして風速を下げ、かつ奥行き
Ｌを小さくすることで通風抵抗を小さくしている。

【００１１】次に本発明の第四の実施例を、図１２を参
照して述べる。上述の実施例では、クロスフィン熱交換
器の伝熱管が三本以上で液循環回路の構成方法を提示し
ていなかった（図８）。放熱量が大きい、熱交換器の幅
と高さの関係などで三本以上の多くの伝熱管を用いた場
合、液循環回路の構成例を、提示する。図１２は、液循
環回路を示す図８のＥ矢視の模式図である。伝熱板６と
クロスフィン熱交換器１２は、伝熱板６の両端に開けた
通路１４ａ，１４ｂで連絡する。またクロスフィン熱交
換器１２とポンプ８は、クロスフィン熱交換器１２の片
方の端部の二本の伝熱管１４ｃ，１４ｄで連絡する。

【００１２】

【発明の効果】三つの手段を併用した効果を述べる。第
一の手段は、密集した全ての放熱フィンに新鮮な空気を
供給する集積回路冷却構造とした。これにより、風温度
の上昇による影響を除外でき、必要な冷却空気流量を極
力少なくできる。第二の手段は、流れに沿って曲げたフ
ィン形状を用い、フィン間の通風路内に剥離渦を生じさ
せ無い、フィン高さＨを高く通風面積を大きくしてフィ
ン間風速を下げ、かつ奥行きＬを小さくすることで通風
抵抗を小さくして、ファン動力当たりの風量を増した。
上記の手段により狭い通風路で多くの冷却空気流量を得
ることが可能になる。しかし実現しょうとすると、放熱
フィンが部分的に集積回路と離れ過ぎて、熱が十分伝わ
らないフィン効率の低下が問題になる。第三の手段は、
上記の問題を解決するため、集積回路と接して放熱板，
放熱フィンを積層し、ポンプで液循環する回路を設け、
放熱板と放熱フィンの双方に熱が隈無く行き渡る冷却装
置とした。以上の手段を併用した冷却構造により、密集
した発熱密度が高い集積回路の温度を、所定値以下に冷
却でき、コンピュータが誤動作しない効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の集積回路冷却装置の全体構
成を示す斜視図。

【図２】単一の集積回路冷却装置の構成を示す斜視図。

【図３】ポンプの詳細な構成を示す図２のＡ−Ａ断面
図。

【図４】正面から見たフィン形状を示す図２のＢ−Ｂ断
面図。

【図５】側面から見たフィン形状を示す図２のＣ−Ｃ断
面図。

【図６】側面から見た他の実施例におけるフィン形状を
示す図２のＣ−Ｃ断面図。

【図７】側面から見た他の実施例におけるフィン形状を
示す図２のＣ−Ｃ断面図。

【図８】第三の実施例における単一の集積回路冷却装置
の構成を示す斜視図。

【図９】第三の実施例におけるポンプの詳細な構成を示
す図８のＤ−Ｄ断面図。

【図１０】ポンプを除く単一の集積回路冷却装置の組立
途中の構成を示す斜視図。

【図１１】第三の実施例におけるクロスフィン熱交換器
のフィン形状を示す斜視図。

【図１２】第四の実施例における液循環回路を示す図８
のＥ矢視の説明図。

【符号の説明】

１…集積回路冷却装置、２…基板、３…ダクト、３ａ…
スリット孔、４…集積回路、５…吸気管、６…伝熱板、
７…側板、８…ポンプ、８ａ…圧電素子、９…吐出管、
１０…吸入管、１１…フィン、１２…クロスフィン熱交
換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平板状の基板に複数の集積回路を密集して
   取り付け、前記集積回路と接触した伝熱板，多数の薄い
   板でなる放熱フィン，前記伝熱板内の液通路と前記放熱
   フィン内の液通路を連結した液循環回路を設け、前記集
   積回路に生じた熱を循環液で前記放熱フィンに伝え、前
   記放熱フィン間を流れる冷却空気に放熱する集積回路の
   冷却装置において、 前記伝熱板と平行な他の伝熱板を前記伝熱板の外側に配
   置して、前記二つの伝熱板の間に前記放熱フィンを置
   き、冷却空気の出入口端を除く前記放熱フィンの両端面
   で前記伝熱板と前記放熱フィンを一体もしくは接触して
   固定して、前記集積回路からの熱を前記伝熱板から前記
   放熱フィンに熱伝導で伝え、前記二つの伝熱板の内面に
   設けたそれぞれの液通路を連結した回路を循環する液
   で、前記集積回路から前記一方の伝熱板に伝導した熱の
   一部を前記他方の伝熱板に伝え、前記放熱フィン間を流
   れる冷却空気に放熱する熱輸送回路を付加したことを特
   徴とする集積回路の冷却装置。