KR20140147132A - 냉각 장치의 접속 구조, 냉각 장치 및 냉각 장치의 접속 방법 - Google Patents

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KR20140147132A
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미노루 요시까와
히또시 사까모또
아끼라 쇼우지구찌
마사끼 지바
겐이찌 이나바
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닛본 덴끼 가부시끼가이샤
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Abstract

상변화 방식을 사용한 냉각 장치에 있어서는, 높은 열수송 성능을 얻고자 하면 냉각 대상인 발열체와의 사이의 열저항이 증대되어, 충분한 냉각 성능이 얻어지지 않기 때문에, 본 발명의 냉각 장치의 접속 구조는, 개구부를 구비한 접속판과, 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과, 가압판이, 냉각 장치를 구성하는 수열부를 덮어 배치된 상태에서 가압판과 접속판을 고정하는 제1 고착부와, 기판 상에 장착된 발열체와 수열부가 접촉하여 개구부에 배치된 상태에서 접속판과 기판을 고정하는 제2 고착부를 갖는다.

Description

냉각 장치의 접속 구조, 냉각 장치 및 냉각 장치의 접속 방법{STRUCTURE FOR CONNECTING COOLING APPARATUS, COOLING APPARATUS, AND METHOD FOR CONNECTING COOLING APPARATUS}
본 발명은 반도체 장치나 전자 장치 등과 냉각 장치의 접속 구조에 관한 것이며, 특히 냉매의 기화와 응축의 상변화 사이클에 의하여 열의 수송·방열을 행하는 상변화 냉각 방식에 의한 냉각 장치의 접속 구조, 냉각 장치 및 냉각 장치의 접속 방법에 관한 것이다.
최근 들어, 반도체 장치나 전자 장치 등의 고성능화, 고기능화에 수반하여 그들의 발열량도 증대되고 있다. 그 때문에, 열수송 능력이 큰 냉각 장치가 필요해지고 있다. 냉매의 기화와 응축의 상변화 사이클에 의하여 열의 수송·방열을 행하는 상변화 냉각 방식에 의한 냉각 장치는, 히트 싱크 등에 비하여 열수송 능력을 향상시킬 수 있다. 그 때문에, 발열량이 큰 반도체 장치나 전자 장치 등의 냉각 장치로서 기대되고 있다.
이러한 상변화 냉각 방식을 사용한 냉각 장치(이하에서는 「상변화 냉각 장치」라고도 함)의 일례가 특허문헌 1에 기재되어 있다. 특허문헌 1에 기재된 관련한 상변화 냉각 장치는, 회로 기판에 탑재된 중앙 처리 장치(Central Processing Unit: CPU) 등 발열원으로서의 반도체 디바이스를 냉각하기 위하여 사용된다. 관련한 상변화 냉각 장치는, 반도체 디바이스의 표면에 설치된 비등부와 라디에이터를 구비한 응축부를 구비하고, 이들 사이에, 증기관과 액 복귀관을 포함하는 한 쌍의 배관이 설치되어 있다. 여기서 관련한 상변화 냉각 장치는, 그 내부가 대기압의 대략 1/10 정도의 감(저)압 상태로 유지되며, 액체 냉매인 물의 상변화에 의하여, 전동 펌프 등의 외부 동력 없이 냉매액을 순환시킬 수 있는 서모사이펀을 구성하고 있다.
관련한 상변화 냉각 장치에 있어서, 발열원인 반도체 디바이스에서 발생한 열은 비등부로 전달된다. 그 결과, 비등부에서는, 전달된 열에 의하여 액체 냉매인 물이 감압 하에서 비등하여 증발하고, 발생한 증기는 비등부로부터 증기관을 통하여 응축부로 유도된다. 그리고 응축부에서는, 냉매 증기가 냉각 팬 등에 의하여 송풍되는 공기에 의하여 냉각되어 액체(물)로 되고, 그 후, 중력에 의하여 액 복귀관을 통하여 다시 비등부로 환류된다.
한편, 전자 기기의 소형화, 박형화에 수반하여 소형화, 박형화에 대응한 반도체 장치 등과 냉각 장치의 접속 구조가 필요해지고 있다. 이러한 박형화를 도모할 수 있는 전자 기기에 탑재되는 냉각 장치의 접속 구조의 일례가 특허문헌 2에 기재되어 있다.
특허문헌 2에 기재된 관련한 전자 기기에 있어서는, 하우징 내에 회로 기판, 제1 및 제2 발열체, 제1 및 제2 서브 히트 파이프, 메인 히트 파이프, 제1 및 제2 가압 부재, 히트 싱크 및 냉각 팬이 설치되어 있다. 제1 가압 부재는 제1 서브 히트 파이프의 제1 부분을, 제1 발열체를 향하여 가압하여, 제1 서브 히트 파이프와 제1 발열체 사이의 열 접속을 견고하게 한다. 이때, 제1 서브 히트 파이프는 제1 가압 부재에 의하여 제1 발열체를 향하여 가압됨으로써, 제1 발열체의 다이의 기울기나 형상에 추종하여 휠 수 있다. 이 때문에, 제1 서브 히트 파이프는, 제1 발열체의 다이에의 국부 접촉 등이 발생하기 어렵다.
또한 관련한 전자 기기에서는, 비교적 큰 길이를 갖고, 비교적 두껍게 형성되어 높은 열수송 성능이 확보된 메인 히트 파이프를, 발열체로부터 오프셋한 위치에 배치함과 함께, 이 메인 히트 파이프와 발열체 사이에 서브 히트 파이프를 설치하고 있다. 즉, 관련한 전자 기기에서는, 회로 기판 및 발열체에 대하여 얇게 형성된 평판 형상의 서브 히트 파이프를 중첩시킴과 함께, 비교적 두꺼운 메인 히트 파이프를, 발열체에 중첩되지 않는 영역에 배치하고 있다. 이와 같은 구성에 의하여, 방열 구조의 전체를 박형화하는 것이 가능해져, 전자 기기의 박형화를 실현할 수 있다고 하고 있다.
일본 특허 공개 제2011-047616호 공보(단락 「0023」 내지 「0049」, 도 1) 일본 특허 공개 제2011-106793호 공보(단락 「0011」 내지 「0079」, 도 2 내지 도 5)
상술한 특허문헌 2에 기재된 관련한 전자 기기에서는, 서브 히트 파이프를 발열체에 밀착시켰을 때, 발열체의 다이의 기울기나 표면 형상에 따라 서브 히트 파이프가 유연하게 변형되도록 서브 히트 파이프는 얇게 형성하고 있다. 그러나 박형의 히트 파이프에서는 높은 열수송 성능이 얻어지지 않기 때문에, 전자 기기의 냉각 성능이 저하된다는 문제가 있었다.
한편, 특허문헌 1에 기재된 관련한 상변화 냉각 장치에서는, 냉매가 기액 2상류로서 이동하기 때문에, 히트 파이프에 비하여 높은 열수송 성능이 얻어진다. 여기서 관련한 상변화 냉각 장치의 비등부는, 충분한 양의 냉매를 저장하고 기상 냉매의 내압 상승에 의한 변형 등을 방지하기 위하여, 구리 등의, 열전도성이 우수한 금속을 사용하여 견고한 상자 형상으로 구성된다. 그러나 이와 같은 비등부는 기계적인 유연성을 갖지 않기 때문에, 비등부 및 발열체의 형상의 변동에 의하여, 비등부와 발열체 사이에서 국부 접촉이나 하중의 불균일이 발생한다. 그 때문에, 비등부와 발열체의 계면에 있어서의 열저항이 증대되어 충분한 냉각 성능이 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.
이와 같이 관련한 냉각 장치에 있어서는, 높은 열수송 성능을 얻고자 하면 냉각 대상인 발열체와의 사이의 열저항이 증대되어 충분한 냉각 성능이 얻어지지 않는다는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은, 상술한 과제인, 상변화 방식을 사용한 냉각 장치에 있어서는, 높은 열수송 성능을 얻고자 하면 냉각 대상인 발열체와의 사이의 열저항이 증대되어 충분한 냉각 성능이 얻어지지 않는다는 과제를 해결하는 냉각 장치의 접속 구조, 냉각 장치 및 냉각 장치의 접속 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 냉각 장치의 접속 구조는, 개구부를 구비한 접속판과, 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과, 가압판이, 냉각 장치를 구성하는 수열부를 덮어 배치된 상태에서 가압판과 접속판을 고정하는 제1 고착부와, 기판 상에 장착된 발열체와 수열부가 접촉하여 개구부에 배치된 상태에서 접속판과 기판을 고정하는 제2 고착부를 갖는다.
본 발명의 냉각 장치는, 냉매를 저장하고 발열체로부터의 열량을 수열하는 수열부와, 개구부를 구비한 접속판과, 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과, 가압판이 수열부를 덮어 배치된 상태에서 가압판과 접속판을 고정하는 제1 고착부와, 기판 상에 장착된 발열체와 수열부가 접촉하여 개구부에 배치된 상태에서 접속판과 기판을 고정하는 제2 고착부를 갖는다.
본 발명의 냉각 장치를 사용한 전자 기기는, 기판과, 기판 상에 탑재된 발열체와, 냉매를 저장하고 발열체로부터의 열량을 수열하는 수열부와, 개구부를 구비한 접속판과, 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과, 가압판이 수열부를 덮어 배치된 상태에서 가압판과 접속판을 고정하는 제1 고착부와, 발열체와 수열부가 개구부에 배치된 상태에서 접속판과 기판을 고정하는 제2 고착부와, 수열부에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행하는 방열부와, 방열부와 수열부를 접속하는 배관을 갖고, 제1 고착부는, 수열부와 발열체가 접촉 밀착한 상태에서 가압판과 접속판을 고정하고, 제2 고착부는, 수열부와 발열체가 접촉 밀착한 상태에서 접속판과 기판을 고정한다.
본 발명의 냉각 장치 접속 방법은, 개구부를 구비한 접속판을 형성하고, 냉각 장치를 구성하는 수열부를 개구부에 배치하며, 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판을, 수열부를 덮도록 배치하고, 가압판과 접속판을 접속하며, 접속판을, 발열체를 장착한 기판 상에, 발열체가 개구부에 수용되도록 배치한다.
본 발명의 냉각 장치의 접속 구조에 의하면, 상변화 방식을 사용한 냉각 장치에 있어서, 높은 열수송 성능이 얻어지는 구성으로 했을 경우에도 충분한 냉각 성능이 얻어진다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 냉각 장치의 접속 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 냉각 장치의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 냉각 장치의 구성을 도시하는 측면도이다.
도 3a는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 냉각 장치를 사용한 전자 기기의 구성을 도시하는 사시도이다.
도 3b는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 냉각 장치를 사용한 전자 기기의 구성을 도시하는 측면도이다.
도 4는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 냉각 장치를 사용한 전자 기기의 다른 구성의 일부를 도시하는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시 형태에 따른 냉각 장치를 사용한 전자 기기의 또 다른 구성의 일부를 도시하는 사시도이다.
이하에, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.
〔제1 실시 형태〕
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태에 따른 냉각 장치의 접속 구조(100)를 도시하는 단면도이다. 냉각 장치의 접속 구조(100)는, 개구부(111)를 구비한 접속판(110), 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판(120), 제1 고착부(130) 및 제2 고착부(140)를 갖는다. 제1 고착부(130)는, 가압판(120)이 냉각 장치를 구성하는 수열부(210)를 덮어 배치된 상태에서 가압판(120)과 접속판(110)을 고정한다. 제2 고착부(140)는, 기판(310) 위에 장착된 발열체(320)와 수열부(210)가 접촉하여 개구부(111)에 배치된 상태에서 접속판(110)과 기판(310)을 고정한다.
여기서 가압판(120)은, 제1 고착부(130)의 작용에 의하여 일부가 판 스프링 형상으로 탄성 변형된다. 그것에 의하여 수열부(210)의 형상의 변동을 흡수한다. 이때 제2 고착부(140)가, 발열체(320)와 수열부(210)를 접촉한 상태에서 고정함으로써, 발열체(320)와 수열부(210)의 접촉면 전체를 균등한 힘으로 가압하는 것이 가능해진다. 따라서 본 실시 형태의 냉각 장치의 접속 구조(100)에 의하면, 특허문헌 2에 기재된 관련한 전자 기기에 있어서의 경우와는 달리, 발열체와 밀착시키기 위하여 수열부(210)가 기계적인 유연성을 가질 필요는 없다. 즉, 수열부(210)로서, 견고한 용기를 구비한 수열부를 사용하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 본 실시 형태의 냉각 장치의 접속 구조(100)를, 높은 열수송 성능이 얻어지는 상변화 냉각 장치에 사용할 수 있다.
여기서 가압판(120)은, 일부를 절결한 절결부를 구비한 구성으로 할 수 있다. 이것에 의하여, 가압판(120)이 수열부(210)를 덮은 상태에 있어서의 탄성 변형량을 조정하는 것이 가능하다. 또한 제2 고착부(140)는 체결부와 스프링부를 구비한 구성으로 할 수 있다. 스프링을 사용함으로써, 발열체(320)와 수열부(210)의 접촉면 전체를 균등한 힘으로 압박하도록 제어하는 것이 보다 용이해진다.
또한 본 실시 형태에 의한 냉각 장치의 접속 방법에 의하면, 우선 개구부를 구비한 접속판을 형성하고, 냉각 장치를 구성하는 수열부를 개구부에 배치한다. 그리고 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판을, 수열부를 덮도록 배치하고, 가압판과 접속판을 접속한다. 계속해서 접속판을, 발열체를 장착한 기판 상에, 발열체가 개구부에 수용되도록 배치한다. 또한 수열부와 발열체를 접촉 밀착시킨 상태에서 가압판과 접속판을 고정하고, 또한 접속판과 기판을 고정한다.
상술한 구성으로 함으로써, 본 실시 형태의 냉각 장치의 접속 구조(100) 및 냉각 장치의 접속 방법에 의하면, 상변화 방식을 사용한 냉각 장치에 있어서, 높은 열수송 성능이 얻어지는 구성으로 했을 경우에도 충분한 냉각 성능이 얻어진다.
〔제2 실시 형태〕
다음으로 본 발명의 제2 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 2a, 도 2b는, 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 냉각 장치(1000)의 구성을 도시하는 도면이며, 도 2a는 사시도, 도 2b는 측면도이다. 냉각 장치(1000)는, 냉매를 저장하고 발열체로부터의 열량을 수열하는 수열부(210), 개구부를 구비한 접속판(110), 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판(120), 제1 고착부(130) 및 제2 고착부(140)를 갖는다. 여기서 제1 고착부(130)는, 도 1에 도시한 바와 같이 가압판(120)이 수열부(210)를 덮어 배치된 상태에서 가압판(120)과 접속판(110)을 고정한다. 또한 제2 고착부(140)는, 기판 상에 장착된 발열체와 수열부(210)가 접촉하여 개구부에 배치된 상태에서 접속판(110)과 기판(310)을 고정한다.
냉각 장치(1000)는 수열부(210)에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행하는 방열부(220), 및 방열부(220)와 수열부(210)를 접속하는 배관을 더 구비한다. 여기서 방열부(220)가 접속판(110) 상에 배치되어 있는 구성으로 할 수 있다. 또한 배관은, 수열부(210)의 상부와 방열부(220)의 상부를 접속하는 제1 배관(231)과, 수열부(210)의 측면과 방열부(220)의 하부를 접속하는 제2 배관(232)을 포함한다.
냉각 장치(1000)에 있어서는, 냉매에 저비점의 재료를 사용하고, 수열부(210)에 냉매를 주입한 후에 진공 배기함으로써, 수열부(210)의 내부는 항상 냉매의 포화 증기압으로 유지할 수 있다. 냉매로서는, 예를 들어 절연성을 갖고 불활성의 재료인 히드로플루오로카본이나 히드로플루오로에테르 등의 저비점 냉매를 사용할 수 있다. 또한 수열부(210) 및 방열부(220)를 구성하는 재료에는, 열전도 특성이 우수한 금속, 예를 들어 알루미늄, 구리 등을 사용할 수 있다.
냉각 장치(1000)는 수열부(210)의 저면에, 예를 들어 중앙 처리 장치(Central Processing Unit: CPU) 등의 발열체를 배치하고, 수열부(210)와 열적으로 접속하여 사용한다. 발열체로부터의 열량이 수열부(210)를 통하여 냉매에 전달되어 냉매가 기화한다. 이때, 발열체로부터의 열량은 기화열로서 냉매에 빼앗기기 때문에, 발열체의 온도 상승이 억제된다.
수열부(210)에 있어서 기화한 기상 냉매는 제1 배관(231)을 통하여 방열부(220)에 유입된다. 기상 냉매는 방열부(220) 내에서 방열되어 응축 액화한다. 이와 같이 냉각 장치(1000)는, 냉매의 기화와 응축의 사이클에 의하여 열의 수송·방열을 행하는 상변화 냉각 방식을 사용한 구성이다.
상술한 바와 같이 본 실시 형태에 의한 냉각 장치(1000)는, 수열부(210)와 방열부(220)가 배관(231, 232)에 의하여 접속된 상변화형 냉각기가, 개구부를 구비한 접속판(110)에 설치된 구성이다. 여기서 가압판(120)은, 접속판(110)과 접속될 때 제1 고착부(130)의 작용에 의하여, 일부가 판 스프링 형상으로 탄성 변형된다. 그것에 의하여 수열부(210)의 형상의 변동을 흡수한다. 이때 제2 고착부(140)가, 발열체와 수열부(210)를 접촉한 상태에서 고정함으로써, 발열체와 수열부(210)의 접촉면 전체를 균등한 힘으로 가압하는 것이 가능해진다. 그 때문에, 수열부(210)와 발열체의 계면에 있어서의 열저항을 저감시킬 수 있어, 충분한 냉각 성능을 얻을 수 있다.
또한 본 실시 형태의 냉각 장치 접속 방법에 의하면, 우선 개구부를 구비한 접속판(110)을 형성하고, 냉각 장치를 구성하는 수열부(210)를 개구부에 배치한다. 또한 수열부에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행하는 방열부(220)를 접속판(110) 상에 배치하고, 방열부(220)와 수열부(210)를 배관으로 접속한다.
계속해서, 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판(120)을 수열부(210)를 덮도록 배치하고, 가압판(120)과 접속판(110)을 접속한다. 계속해서, 접속판(110)을 발열체를 장착한 기판 상에, 발열체가 개구부에 수용되도록 배치한다. 또한, 수열부(210)와 발열체를 접촉 밀착시킨 상태에서 가압판(120)과 접속판(110)을 고정하고, 또한 접속판(110)과 기판을 고정한다.
상술한 구성으로 함으로써, 본 실시 형태의 냉각 장치(1000) 및 냉각 장치의 접속 방법에 의하면, 상변화 방식을 사용한 냉각 장치에 있어서, 높은 열수송 성능이 얻어지는 구성으로 했을 경우에도 충분한 냉각 성능이 얻어진다.
다음으로 본 실시 형태에 의한 냉각 장치(1000)에 대하여, 더 상세하게 설명한다.
본 실시 형태에 의한 냉각 장치(1000)를 구성하는 상변화 냉각기는, 발열체로부터의 열을 받아, 내부에 저장한 냉매를 기상 상태로 상변화시키는 수열부(210)와, 그 기상 냉매를, 외부에 설치한 팬 등을 사용하여 열을 빼앗아 액상 상태로 상변화시키는 방열부(220)에 의하여 구성된다. 수열부(210)와 방열부(220)는 2개의 배관, 즉 제1 배관(231)과 제2 배관(232)에 의하여 각각 접속되어 있다. 또한 상변화 냉각기에 있어서는, 중력에 의한 작용을 이용하여 냉매를 순환시키기 때문에, 방열부(220)는 수열부(210)보다도 연직 상방으로 배치한 부분을 포함하여 구성되어 있다.
본 실시 형태에 의한 냉각 장치(1000)는 도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상술한 상변화 냉각기, 그것을 설치하는 개구부를 구비한 접속판(110), 및 가압판(120)을 포함하여 구성된다. 여기서 가압판(120)은, 접속판(110)의 개구부에 상변화 냉각기의 수열부(210)를 배치한 상태에서 수열부(210)의 발열체와 접촉하는 면과 반대측의 면을 덮어 배치하고 있다.
접속판(110)은, 제1 고착부(130)의 작용에 의하여 발생하는, 수열부(210)와 발열체를 접촉 밀착시키는 힘에 의해서는, 큰 변형을 발생시키지 않을 정도의 두께를 갖는다. 접속판(110)의 개구부는 수열부(210)를 수용한다. 개구부의 크기는, 수열부(210)가 발열체와 접촉하는 면의 크기와 대략 동일한 정도의 크기로 할 수 있다. 적합하게는, 수열부(210)의 외형으로부터 약 0.05㎜ 내지 0.2㎜ 정도 확장한 크기로 하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로 함으로써, 수열부(210)를 발열체에 적절하게 설치하는 것이 가능해진다. 즉, 수열부(210)의 배치 위치가 접촉하는 면의 면내 방향으로 어긋남이 발생하고, 그 때문에 수열부(210)와 발열체가 접촉 밀착하는 면의 면적이 감소하는 것을 회피할 수 있다.
접속판(110)은, 가압판(120)을 고정하기 위한, 예를 들어 나사 구멍을 개구부의 주변 영역에 구비한다. 이 나사 구멍은 제1 고착부(130)의 일부를 구성한다. 또한 접속판(110)은 외주 근방 영역, 예를 들어 사각 형상의 4코너에, 기판 또는 하우징과의 체결에 필요해지는 체결 부품을 삽입하기 위한 구멍을 구비한다. 이 구멍은 제2 고착부(140)의 일부를 구성한다. 그리고 이 구멍과 나사 등의 체결 부재에 의하여, 상변화 냉각기가 배치된 접속판(110)과 기판을 체결한다.
도 2a, 도 2b에 도시한 바와 같이, 상술한 상변화 냉각기의 방열부(220)는 접속판(110) 위에 배치되어 있다. 이러한 구성으로 함으로써, 방열부(220)에 작용하는 힘을 접속판(110)으로 분산할 수 있다. 그로 인하여, 외부로부터 본 실시 형태에 의한 냉각 장치(1000)에 힘이 작용했을 경우, 기계적 강도가 약한 배관의 접속부에 작용하는 힘을 저감시키는 것이 가능해진다.
그에 비하여 특허문헌 1에 기재된 관련한 상변화 냉각 장치에 있어서는, 비등부(수열부)는 반도체 디바이스의 표면 위에 고정되지만, 응축부(방열부)는 하우징에 고정되지 않고 수열부와 방열부를 접속하는 배관에 의해서만 지지되어 있다. 그 때문에, 방열부에 외부로부터 어떠한 충격이 가해지면, 배관이 손상되기 쉬워 상변화 냉각기의 동작에 지장이 발생하기 쉽다는 문제가 있었다. 그러나 본 실시 형태의 냉각 장치(1000)에 의하면, 상술한 바와 같이 이러한 문제를 회피할 수 있다.
또한 특허문헌 1에 기재된 관련한 상변화 냉각 장치에 있어서는, 비등부(수열부)를 반도체 디바이스의 표면 상에 탑재하는 경우, 수열부와 발열체의 계면에 있어서의 열저항이 상승하여, 냉각 성능이 저하된다는 문제가 있었다. 즉, 특허문헌 1에 기재된 관련한 수열부는, 배관에 의하여 접속되어 있는 방열부의 자체 중량에 의하여, 무게 중심이 중심으로부터 어긋나 있다. 그 때문에, 수열부를 반도체 디바이스의 표면 위에 탑재할 때, 수열부와 발열체의 접촉면을 평행하게 유지하는 것이 곤란하기 때문이다. 그러나 본 실시 형태의 냉각 장치(1000)에 의하면, 상술한 바와 같이 방열부(220)는 접속판(110) 위에 배치하고, 접속판(110)이 방열부(220)를 지지하고 있다. 그로 인하여, 수열부(210)가 방열부(220)의 자체 중량으로부터 받는 영향을 억제할 수 있다. 그로 인하여, 본 실시 형태의 냉각 장치(1000)에 의하면, 방열부의 자체 중량에 의하여 수열부와 발열체의 접촉면이 경사져, 냉각 성능이 저하된다는 문제를 회피할 수 있다.
가압판(120)은 상술한 바와 같이 접속판(110) 위에 설치되고, 수열부(210)의, 발열체와의 접촉면과 반대측의 면을 덮어 설치된다. 가압판(120)은, 적합하게는 박판 형상의 금속을 사용하여 구성되지만, 탄성 변형될 수 있는 재료이면 이것에 한정되지 않는다.
가압판(120)을 박판 형상의 탄성체로 구성함으로써, 수열부(210)와 발열체를 접촉 밀착시킬 때, 수열부(210) 및 발열체의 제조 불균일 등에 의하여 발생한 미소한 요철을 흡수할 수 있다. 그로 인하여 수열부(210)를, 발열체가 접촉하는 면에 균등하게 가압하는 것이 가능해진다. 이때, 미소한 요철의 흡수에 수반하여 수열부(210)의 위치가 변동되는 경우가 발생할 수 있다. 그러나 이 경우에도 배관에 의하여 이 변동이 흡수되므로, 냉각 장치(1000)의 동작에 지장이 발생하는 일은 없다. 즉, 수열부(210)와 방열부(220)를 접속하는 배관은, 굽힘에 대하여 변형되기 쉬운 구성이기 때문에, 배관이 변형됨으로써 수열부(210)의 위치 변동을 흡수하는 것이 가능하다. 또한 가압판(120)이, 일부를 절결한 절결부를 구비하는 구성으로 함으로써, 탄성 변형량을 조정 가능하게 하여, 수열부(210)의 위치 변동을 흡수하는 것으로 해도 된다. 또한 접속판(110) 위에 배치한 방열부(220)의 위치를 조정하는 것에 의해서도, 수열부(210)의 위치 변동을 흡수할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 수열부(210)의 위치 변동에 따라, 방열부(220)를 구성하는 라디에이터를 경사지게 할 수 있다.
다음으로 본 실시 형태의 냉각 장치(1000)에 의한 효과에 대하여 더 설명한다.
본 실시 형태에 의하면, 냉각 장치(1000)를, 기판에 배치된 발열체 위에 탑재하는 작업이 용이해진다. 접속판(110)을 기판 또는 하우징에 고정함으로써, 수열부(210)를 발열체에 탑재할 수 있기 때문이다. 또한 수열부(210)를 가압하는, 스프링성을 갖는 가압판(120)에 의하여, 발열체와 수열부(210)의 접촉면을 균등한 힘으로 가압하는 것이 가능해진다.
또한 방열부(220) 등에 외부로부터 충격력이 가해졌을 경우에도 배관 등이 손상되기 어려워진다. 방열부(220)에 외부로부터 충격이 가해지더라도, 방열부(220)가 고정된 접속판(110)에 충격의 일부가 전달되어, 체결 부재를 통하여 기판 또는 하우징으로 방출된다. 그로 인하여, 배관이 손상될 가능성을 저감시킬 수 있다.
또한 본 실시 형태에 의하면, 상변화 냉각기를 설치할 때의 자유도가 증대되어, 상변화 냉각기를 사용하는 범용성이 확대된다. 그 이유는, 접속판(110)을 기판 또는 하우징에, 체결 부재 등을 사용하여 고정하므로, 가령 기판 또는 하우징에 설치된 고정용 구멍 치수, 구멍 간의 위치가 변경되었을 경우에도 접속판(110)을 변경하는 것만으로 대응할 수 있기 때문이다.
또한 본 실시 형태에 의하면, 상변화 냉각기의 장착 공정을 간략화할 수 있다. 상변화 냉각기는, 내부에 냉매를 봉입하고 밀폐한 상태에서 동작시킬 필요가 있다. 그 때문에, 미리 배관과 수열부 및 방열부를 경납땜 등에 의하여 용착시키고 냉매를 봉입한 후에, 냉매 주입구를 밀폐할 필요가 있다. 밀폐하는 공정에는 코킹, 용접 또는 밸브 등이 일반적으로는 사용된다. 그러나 상변화 냉각기는 형상이 복잡하기 때문에, 상변화 냉각기를 장착하는 공정의 처리에 현저한 곤란이 발생할 가능성이 있다. 즉, 밀폐하는 공정 후에, 수열부 또는 방열부를 기판에 고정하기 위한 구멍을 가공하고자 하더라도, 공구를 원하는 위치에 설치할 수 없는 사태 등이 발생할 가능성이 있다. 그러나 본 실시 형태에 의하면, 상변화 냉각기를 구성하는 수열부(210)를 접속판(110)의 개구부(111)에 설치하고, 그것을 가압판(120)으로 가압하는 공정만으로 설치할 수 있다. 그로 인하여, 상변화 냉각기의 장착을 간이하게 행할 수 있다.
〔제3 실시 형태〕
다음으로 본 발명의 제3 실시 형태에 대하여 설명한다. 도 3a, 도 3b는, 본 발명의 제3 실시 형태에 의한 냉각 장치를 사용한 전자 기기(2000)의 구성을 도시하는 도면이며, 도 3a는 사시도, 도 3b는 측면도이다. 냉각 장치를 사용한 전자 기기(2000)는, 기판(310), 기판(310) 위에 탑재된 발열체(320), 수열부(210), 방열부(220), 및 수열부(210)와 방열부(220)를 접속하는 배관(230)을 갖는다. 수열부(210)는 냉매를 저장하고 발열체(320)로부터의 열량을 수열한다. 방열부(220)는 수열부(210)에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행한다.
냉각 장치를 사용한 전자 기기(2000)는, 개구부(111)를 구비한 접속판(110), 탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판(120), 제1 고착부(130) 및 제2 고착부(140)를 더 갖는다. 제1 고착부(130)는, 가압판(120)이 수열부(210)를 덮어 배치된 상태에서 가압판(120)과 접속판(110)을 고정한다. 이때 제1 고착부(130)는, 수열부(210)와 발열체(320)가 접촉 밀착한 상태에서 가압판(120)과 접속판(110)을 고정한다. 또한 제2 고착부(140)는, 발열체(320)와 수열부(210)가 개구부(111)에 배치된 상태에서 접속판(110)과 기판(310)을 고정한다. 이때 제2 고착부(140)는, 수열부(210)와 발열체(320)가 접촉 밀착한 상태에서 접속판(110)과 기판(310)을 고정한다.
본 실시 형태에 의한 냉각 장치를 사용한 전자 기기(2000)는, 수열부(210)와 방열부(220)를 배관(230)으로 접속한 상변화 냉각기를 구비한 구성이다. 그리고 도 3a, 도 3b에 도시한 바와 같이 본 실시 형태의 냉각 장치를 사용한 전자 기기(2000)에 있어서는, 접속판(110)에 고정된 상변화 냉각기가, 기판(310)에 탑재된 발열체(320) 위에 실장된다. 기판(310)으로서는, CPU 등의 전자 부품을 탑재하는 전자 회로 기판, 예를 들어 마더보드 등을 사용할 수 있다.
상변화 냉각기와 발열체(320)의 고정은, 접속판(110)과 제2 고착부(140)를 개재하여 행해진다. 제2 고착부(140)는 구체적으로는, 예를 들어 접속판(110)에 형성한 구멍과, 그 구멍에 장전되는 체결부를 포함하여 구성된다. 이때 제2 고착부(140)는, 도 4에 도시한 바와 같이 나사 등의 체결부(141)와 스프링부(142)를 구비한 구성으로 할 수 있다. 스프링을 사용함으로써, 발열체(320)와 수열부(210)를 가압하여 밀착시키는 압력의 제어가 보다 용이해진다. 또한 가압판(120)의 작용과 함께, 수열부(210) 및 발열체(320)의 제조 불균일 등에 의한 요철 형상에 의한 영향을 흡수하여, 발열체(320)와 수열부(210)의 접촉면을 보다 균등한 힘으로 가압하는 것이 가능해진다.
또한 도 5에 도시한 바와 같이 방열부(220)를 접속판(110) 위에 배치할 때, 방열부(220)에 L자 형상의 고정판(222)을 설치하고, 체결 부재에 의하여 접속판(110)과 고정하는 것으로 해도 된다. 이때 고정판(222)은, 탄성 변형될 수 있는 금속제의 박판으로 구성하는 것이 바람직하다. 그 이유는 이하와 같다. 즉, 가압판(120)에 의하여 수열부(210)를 발열체를 향하여 가압할 때 접촉면에서 균등한 힘이 작용하기 위해서는, 가압판(120)이 변형되어 수열부(210)의 형상의 변동을 흡수할 필요가 있다. 이때, 수열부(210)와 배관(230)에 의하여 접속되는 방열부(220)가, 가동 영역을 구비하고 있을 것이 필요해지기 때문이다.
이상 서술한 바와 같이 본 실시 형태의 냉각 장치를 사용한 전자 기기(2000)에 의하면, 발열체와 수열부의 접촉면 전체가 균등한 힘으로 가압된 상태에서 밀착 고정되므로, 수열부와 발열체의 계면에 있어서의 열저항을 저감시킬 수 있다. 즉, 수열부와 방열부를 배관으로 접속한 상변화 방식의 냉각 장치를 사용했을 경우에도 충분한 냉각 성능을 갖춘 전자 기기가 얻어진다.
본 발명은 상기 실시 형태에 한정되지 않으며, 특허 청구 범위에 기재한 발명의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하고, 그들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것임은 물론이다.
본 출원은, 2012년 5월 16일에 출원된 일본 특허 출원 제2012-112498호를 기초로 하는 우선권을 주장하며, 그 개시의 전부를 여기에 포함한다.
100: 냉각 장치의 접속 구조
110: 접속판
111: 개구부
120: 가압판
130: 제1 고착부
140: 제2 고착부
141: 체결부
142: 스프링부
210: 수열부
220: 방열부
222: 고정판
230: 배관
231: 제1 배관
232: 제2 배관
310: 기판
320: 발열체
1000: 냉각 장치
2000: 냉각 장치를 사용한 전자 기기

Claims (10)

  1. 개구부를 구비한 접속판과,
    탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과,
    상기 가압판이, 냉각 장치를 구성하는 수열 수단을 덮어 배치된 상태에서 상기 가압판과 상기 접속판을 고정하는 제1 고착 수단과,
    기판 상에 장착된 발열체와 상기 수열 수단이 접촉하여 상기 개구부에 배치된 상태에서 상기 접속판과 상기 기판을 고정하는 제2 고착 수단을 갖는, 냉각 장치의 접속 구조.
  2. 냉매를 저장하고 발열체로부터의 열량을 수열하는 수열 수단과,
    개구부를 구비한 접속판과,
    탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과,
    상기 가압판이, 상기 수열 수단을 덮어 배치된 상태에서 상기 가압판과 상기 접속판을 고정하는 제1 고착 수단과,
    기판 상에 장착된 상기 발열체와 상기 수열 수단이 접촉하여 상기 개구부에 배치된 상태에서 상기 접속판과 상기 기판을 고정하는 제2 고착 수단을 갖는 냉각 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 수열 수단에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행하는 방열 수단과,
    상기 방열 수단과 상기 수열 수단을 접속하는 배관을 더 구비하고,
    상기 방열 수단은 상기 접속판 상에 배치되어 있는 냉각 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 배관은, 상기 수열 수단의 상부와 상기 방열 수단의 상부를 접속하는 제1 배관과, 상기 수열 수단의 측면과 상기 방열 수단의 하부를 접속하는 제2 배관을 포함하는 냉각 장치.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가압판은, 일부를 절결한 절결부를 구비하는 냉각 장치.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 고착 수단은 체결 수단과 스프링부를 구비하는 냉각 장치.
  7. 기판과,
    상기 기판 상에 탑재된 발열체와,
    냉매를 저장하고 상기 발열체로부터의 열량을 수열하는 수열 수단과,
    개구부를 구비한 접속판과,
    탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판과,
    상기 가압판이, 상기 수열 수단을 덮어 배치된 상태에서 상기 가압판과 상기 접속판을 고정하는 제1 고착 수단과,
    상기 발열체와 상기 수열 수단이 상기 개구부에 배치된 상태에서 상기 접속판과 상기 기판을 고정하는 제2 고착 수단과,
    상기 수열 수단에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행하는 방열 수단과,
    상기 방열 수단과 상기 수열 수단을 접속하는 배관을 갖고,
    상기 제1 고착 수단은, 상기 수열 수단과 상기 발열체가 접촉 밀착한 상태에서 상기 가압판과 상기 접속판을 고정하고,
    상기 제2 고착 수단은, 상기 수열 수단과 상기 발열체가 접촉 밀착한 상태에서 상기 접속판과 상기 기판을 고정하는, 냉각 장치를 사용한 전자 기기.
  8. 개구부를 구비한 접속판을 형성하고,
    냉각 장치를 구성하는 수열부를 상기 개구부에 배치하며,
    탄성 변형될 수 있는 박판 형상의 가압판을, 상기 수열부를 덮도록 배치하고,
    상기 가압판과 상기 접속판을 접속하며,
    상기 접속판을, 발열체를 장착한 기판 상에, 상기 발열체가 상기 개구부에 수용되도록 배치하는, 냉각 장치의 접속 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 수열부와 상기 발열체를 접촉 밀착시킨 상태에서 상기 가압판과 상기 접속판을 고정하고, 또한 상기 접속판과 상기 기판을 고정하는, 냉각 장치의 접속 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 수열부에서 기화한 기상 냉매를 응축 액화시켜 방열을 행하는 방열부를 상기 접속판 상에 배치하고,
    상기 방열부와 상기 수열부를 배관으로 접속하는, 냉각 장치의 접속 방법.
KR1020147031727A 2012-05-16 2013-05-10 냉각 장치의 접속 구조, 냉각 장치 및 냉각 장치의 접속 방법 KR20140147132A (ko)

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