TW200401600A - Cooling device of electronic apparatus - Google Patents

Description

200401600 (1) 玖、發明說明 發明所屬之技術領域 本發明係關於一種發熱構件的冷卻手段，爲以液體爲 冷卻媒體的電子機器之冷卻裝置。 先前技術 代表電子機器之電腦等半導體裝置，在動作時會發熱 〇 特別是近年來的高集成半導體發熱量增加。半導體如 超過某溫度，有損及其機能，所以需要進行有效的冷卻。 冷卻電子裝置之半導體的手段，以藉由熱傳導的自然 冷卻，和藉由風扇等強制空冷者，或者利用導熱管之液體 冷卻者等爲所周知。 藉由熱傳導的自然冷卻是在由半導體裝置至電子機器 外部的散熱路徑使用熱傳導率大的材料予以冷卻。 此方法適合在半導體裝置的發熱量比較小，而且如筆 記型個人電腦之緻密的電子機器。 藉由風扇等之強制空冷則是在電子機器內部設置送風 裝置，使空氣強制對流予以冷卻半導體裝置。 此方法由於適合有某種程度發熱量之半導體裝置的冷 卻，所以一般廣被使用，使送風裝置小型、薄型化’也適 合於個人電腦。 使用熱導管之冷卻則是藉由被密封在熱導管內之冷媒 以將半導體元件的熱運送於電子機器外部。 (2) (2)200401600 利用熱導管之習知技術，例如有曰本專利特開平1 -84699號公報、特開平2-244748號公報。 這些習知技術不若送風裝置使用消耗電力之構件，所 以省電效果極高，但是相反地，可以輸送之熱有其限度。 且說，以泵等使液體媒體-所謂之水循環在發熱之半 導體予以冷卻半導體之技術，是以往以來便被利用之技術 。此冷卻手段被使用在銀行和企業等處理大量資料的大型 電腦。 藉由此液體循環之冷卻方法的習知技術，例如可舉日 本專利特開平5- 3 3 545 4號公報、特開平6-9733 8號公報、 特開平6- 1 25 1 88號公報。 這些習知技術的用途被限定在大型電腦 其理由爲：液體冷卻系統需要泵、配管系統、熱交換 器等很多的冷卻專用構件，所以裝置變得大型化，以及使 用液體於冷卻，所以在安全性之可靠性確保上難於與其他 方向相比。 另外，需要液體冷卻之發熱大的半導體裝置在大型電 腦以外並未被使用，也是其理由之一。 將大型電腦的水冷技術應用在小型的電子機器（筆記 型個人電腦），在以往例如有日本專利特開平6-266474 號公報、特開平7 - 1 42886號公報等。 發明內容 [發明所欲解決之課題] (3) (3)200401600 在上述之習知技術、日本專利特開平7- 1 42886號公 報、特開平6-266474號公報中，係藉由採用受熱水套、 散熱管、金屬熱交換器，以提升熱傳導性、對於漏水之可 靠度。另外，在這些習知技術中，受熱水套、散熱管考慮 熱傳導性，爲金屬製。 可是，冷卻半導體裝置的受熱水套，如考慮熱傳導性 ，最好爲平板型，所以在平板型受熱水套形成由微細鰭片 構成所形成的流路，是不可缺的。受熱水套的微細鰭片可 以比較容易製作。 因此，由傳熱性能以及成本和加工性之觀點而言，平 板型受熱鰭片以鋁材料較爲適當，另一方面，由傳熱性能 以及成本和加工性之觀點而言，散熱管以及熱交換器則以 銅管較適當。 可是，由傳熱性能以及成本和加工性的觀點而採用鋁 製受熱水套、銅製散熱管以及熱交換器之組合時，存在有 由於由銅所溶解釋出的銅離子，顯著促進鋁的孔腐蝕之問 題。 另外，由作爲連接管而所採用的有機系管溶解釋出含 有鹵素離子之孔腐蝕性離子，顯著促進鋁之孔腐蝕。 本發明之目的在於提供：在搭載組合銅和鋁之冷卻裝 置時’提商其可靠度的電子裝置。 [解決課題用手段] 上述目的是藉由一種具備：設置在框體內之發熱元件 -9- (4) (4)200401600 ，和連接在此發熱元件的受熱水套，和與外界進行熱交換 的第1熱交換器，和對上述受熱水套供應液體媒體的液體 驅動手段，上述受熱手段、上述第1熱交換器、連接液體 驅動手段之配管的一部份爲樹脂製的撓性管之電子機器之 冷卻裝置’在上述配管的一部份設置第2熱交換器和離子 交換器而達成。 另外，上述目的是藉由：上述離子交換器爲一種預先 吸附腐蝕抑制劑者，上述液體媒體爲添加有腐蝕抑制劑而 達成。 另外’上述目的是藉由：上述受熱水套爲鋁系材料、 上述第2熱交換器爲銅系材料、上述液體媒體爲不凍液體 或者純水’在此液體媒體添加有銅系材料用之腐蝕抑制劑 而達成。 另外，上述目的是藉由具備：設置在第1框體內之發 熱元件’和連接在此發熱元件，而設置在上述第1框體內 的受熱水套，和由上述第1框體所旋轉支持的第2框體， 和安裝在此第2框體內’與外界進行熱交換的第1熱交換 器，和對上述受熱水套供應液體媒體的液體驅動手段，上 述受熱手段、上述第1熱交換器、連接液體驅動手段之配 管的一部份爲樹脂製的撓性管之電子機器之冷卻裝置，在 上述配管的一部份設置第2熱交換器和離子交換器，上述 第2框體被收容在上述第2框體內，上述離子交換器被收 容在上述第2框體內而達成。 另外’上述目的是藉由：上述第2熱交換器是由風扇 -10- (5) (5)200401600 所冷卻而達成。 另外，上述目的是藉由：上述離子交換器爲一種預先 吸附腐蝕抑制劑者，上述液體媒體爲添加有腐蝕抑制劑而 達成。 另外，上述目的是藉由：在上述第2框體設置由液晶 面板形成的顯示裝置，上述離子交換器係設置在上述液晶 面板的背面而達成。 實施方式 [發明之實施形態] 近年來，個人電腦、伺服器、工作站外，電漿顯示器 (PDP )、電視、液晶顯示器等電子機器，伴隨大容量化 和大型化，半導體裝置的發熱量也快速變大8 要以先前敘述之熱傳導、空冷、導熱管等冷卻手段來 冷卻如此高發熱化之半導體裝置，由於冷卻能力不足，所 以檢討將上述之循環液體媒體之冷卻裝置搭載在這些電子 機器。 特別是爲了適用在如筆記型個人電腦之要求超小型、 薄型化的電子機器時，需要更進一步的技術革新。因此， 本發明的發明者等硏究將電子機器的框體以熱傳導性良好 之金屬製做成等，使得可以將液體冷卻系統搭載在筆記型 電子機器。

且說，例如在現行的筆記型電子機器（A4尺寸、30W 等級）搭載液體冷卻系統時，可以獲得良好的散熱效果。 -11 - (6) (6)200401600 但是，將來開發超過30W之電子機器的可能性極高，如 此便需要倂用液體冷卻系統和風扇冷卻（所請之混合型） 。在該情形時，在散熱管之外，需要第2散熱用熱交換器 〇 熱交換器一般使用銅管，所以如倂用鋁的受熱構件和 銅的熱交換器，知道會產生以下之弊病。 即爲了在超小型、薄型化之電子機器採用習知上用於 大型電腦的液體冷卻系統時，必須使得液體冷卻系統本身 超小型、薄型化。因此，在超小型、薄型電子機器用液體 冷卻系統中，冷卻液與大小電腦的冷卻液相比，約爲 i / 1 0 0 0 0，極爲少，即使只有少量的腐蝕性離子的溶解釋 出’液質也會顯著惡化。液質惡化的液體如循環在受熱水 套和散熱管、熱交換器時，會促進金屬部份的腐蝕，由腐 蝕部份產生漏水，而有引起電氣事故之虞。因此，關於液 體會接觸之構件的材料，需要採取防腐蝕對策。 因此’本發明就防腐蝕對策進行種種之檢討，獲得以 下之實施例。 以下，利用第1圖、第2圖來說明本發明之一實施例 〇 第1圖係本實施例之電子裝置的斜視圖。 第2圖係組裝在電子機器內之冷卻系統的模型圖。 在第1圖、第2圖中，電子裝置係由：本體外殼1和 具備液晶面板顯示器之顯示器外殻2所構成。此顯示器外 殼2係以絞鍵（未圖示出）而可以旋轉自如地連接在本體 -12- (7) (7)200401600 外殼1。 在本體外殼1設置：鍵盤3、搭載多數元件之配線基 板4、硬碟機5、輔助記憶裝置（例如，軟碟機、光碟機 等）6 '電池1 3等。在配線基板4上搭載有中央運算處理 單元7等之發熱量特別大的元件（以下，記載爲CPU )。 在CPU7安裝有受熱水套8。CPU7和受熱水套8係以柔軟 熱傳導構件（例如，在S i橡膠混入氧化鋁等之熱傳導性 的塡充物者）連接。 在顯示器外殼2之背面（外殼內側）設置連接有與外 界進行熱交換之散熱管9的金屬散熱板1 〇 °在顯示器外 殼2的背面上部設置連接於散熱管9之冷媒桶丨4。冷媒 桶14具有即使冷媒由於透過構件材料以及密封材料漏出 而減少，也可以確保循環流路內之冷卻所必要的冷媒量之 容積。 另外，液體驅動手段之泵11、與外界進行熱交換之 熱交換器15則設置在本體外殼1內。熱交換器15與散熱 管9相同，雖係與外界進行熱交換，但是藉由倂用空冷風 散17，可以顯著提升散熱性能，所以也可以對應高發熱 之半導體裝置。 離子交換器1 6適合在顯示器外殼2內溫度最低之位 置。在此情形下，認爲以散熱管9而被冷卻之液體流出的 冷媒桶14的出口部份，而且接近液晶面板之部份最爲符 合。其係液晶面板的發熱遠比散熱管9的發熱低之故。水 冷水套8、散熱管9、離子交換器16、泵1 1以金屬散熱 -13- 499 (8) (8)200401600 板1 0連接，密封在冷卻系統內之冷媒則藉泵1 [而循環。 此連接管1 2爲可以極力抑制水分透過之丁基橡膠等撓性 管。使用丁基橡膠等之理由當然是抑制水分透過’也是由 於在將連接管在本體外殼丨內引繞之際’具有可撓性者容 易在狹小空間內引繞之故。 另外，於經常開關之筆記型個人電腦的情形’至少鉸 鏈部份必須以有可撓性之配管連接，所以可撓性管爲其必 要條件。 另外，被密封在此冷卻系統內之冷媒’可以使用純水 ，另外在曝露於冰點以下之環境時，使用不凍液。 離子交換器丨6內之離子交換樹脂，由於在高溫會氧 化劣化，所以以設置在系統內最低溫的泵前段爲佳。 另外，也可以使熱交換器15和冷媒桶10或者泵11 做成一體。使離子交換樹脂預先吸附對於銅系材料之腐蝕 抑制劑（例如苯基疊氮、甲苯基三唑），又在冷媒添加對 於銅系材料之腐蝕抑制劑。使離子交換樹脂平衡吸附腐蝕 抑制劑。如不使離子交換樹脂吸附腐蝕抑制劑，而只在冷 媒添加比設定値還高濃度的腐鈾抑制劑時，則添加在冷媒 之腐蝕抑制劑的一部份吸附在離子交換樹脂，冷媒變成和 添加設定濃度的腐蝕抑制劑時相同之環境。反之，如不在 冷媒添加腐蝕抑制劑，而只使離子交換樹脂吸附比設定値 還高濃度的腐蝕抑制劑，也可以獲得相同之環境。 在高發熱CPU7中，要求冷卻性能高的受熱水套以及 熱交換器。受熱水套如形成微細鰭片構造，可以增加傳熱 -14- (9) (9)200401600 面積，能夠提升冷卻性能。 在形成此種鰭片構造上，由性能、成本、生產性之方 面而言，以模鑄（die cast )爲適當’材料使用鋁。另一 方面，散熱管以及熱交換器則以在傳熱管之外側安裝散熱 鰭片（鋁）可以提升傳熱性能。由成本、生產性之點，傳 熱管和散熱鰭片之接合以擴管接合爲適當，材料使用銅。 另外，耐腐蝕性優異的不銹鋼和銅比’傳熱性能差之外， 剛性高，也不易擴管。因此，在發熱量大的冷卻系統中， 鋁製的受熱水套、銅製的散熱管以及熱交換器爲不可避免 的材料構造。 如此在使鋁和銅共存時，由銅溶解釋出的銅離子會顯 著促進鋁的孔腐蝕。 第3圖爲顯示鋁的孔腐蝕發生電位和冷媒中的鹵素離 子濃度（氯、溴離子等）之關係。 在第3圖中，鋁在浸漬電位（將鋁浸漬在冷媒中時的 電位）高於（正電位側）孔腐蝕發生電位時，發生孔腐蝕 。在冷媒中銅離子共存之系統中，銅離子在鋁表面還原， 所以鋁的電位移往高側（正電位側），鋁容易發生孔腐蝕 。特別是爲了實現冷卻系統之小型化，或者爲了使組裝容 易化，在採用有機系之連接管時，鹵素離子（氯、溴離子 等）由連接管溶解釋出。如第3圖所示般地，鋁的孔腐蝕 發生電位隨著冷媒中的鹵素離子濃度變高而移往低側（負 電位側）。鹵素離子之溶解釋出顯著促進鋁的孔腐鈾。 在使用鋁製受熱水套、銅製散熱管以及熱交換器爲不 -15- (10) (10)200401600 可缺之高發熱的半導體裝置中，爲了抑制鋁製受熱水套之 孔腐触’以抑制由銅製散熱管以及熱交換器之銅離子的溶 解釋出’和去除由有機系連接管來之鹵素離子爲有效。 習知上’藉由在冷卻液添加鋁以及銅的腐蝕抑制劑， 以銅的腐蝕抑制劑來抑制銅離子的溶解釋出，又藉由鋁的 腐餓抑制劑來抑制鋁的孔腐蝕。但是，在不須維護而要冷 卻系統長期稼動時，由於腐蝕抑制劑的消耗，耐腐蝕性有 降低之虞。因此’要求橫跨長期可以確保耐腐蝕性之冷卻 系統。 本發明之冷卻系統係著重在鋁之主要孔腐蝕因子之銅 離子和鹵素離子，爲設置使離子交換樹脂吸附銅系材料的 腐蝕抑制劑之離子交換器，具有可以捕獲不使銅離子溶解 釋出於鹵素離子之手段。 在銘之腐餓抑制劑不存在決定性者 > 另外在銅之腐貪虫 抑制劑存在確認有極佳效果者，由此即使不使用鋁之腐蝕 抑制劑也能有效而長期抑制鋁之孔腐蝕，此爲其特長》另 外，由銅製散熱管以及熱交換器所溶解釋出的銅離子由離 子交換器所捕獲，所以鋁製受熱水套之耐腐蝕性更爲提升 〇 銅之腐蝕抑制劑，以苯基疊氮、甲苯基三唑等苯基疊 氮衍生物爲有效。 第4圖係顯示銅之腐蝕量和冷媒中的苯基疊氮濃度之 關係。 第4圖中，如添加苯基疊氮在1 〇 P P m以上’得知銅之 -16- (11) (11)200401600 腐触被抑制爲ί / 5 0，銅離子的溶解釋出也被抑制爲1 / 5 0。 以下，估計安全率，就添加苯基叠氮5 0 p p m之情形加以敘 述。 第5圖係顯示離子交換樹脂中的苯基疊氮濃度和冷媒 中的苯基疊氮濃度之關係。 在第5圖中，苯基疊氮梢微電離而產生H-基，所以 顯示弱酸性，主要吸附在陰離子交換樹脂。在苯基疊氮濃 度5Oppm附近，對陰離子樹脂之吸附（可逆吸附）急遽增 加’所以即使冷媒中的苯基疊氮被消耗，藉由離子交換樹 脂中的苯基疊氮被釋出，冷媒中的苯基疊氮濃度也能維持 —定。 第6圖係顯示離子交換容量（吸附離子之能力）和離 子交換樹脂中的苯基疊氮濃度之關係。 在第6圖中，在冷媒中存在苯基疊氮爲設定濃度 50ppm時，由第5圖，離子交換樹脂中的苯基疊氮濃度在 陰離子交換樹脂爲80mg/mg樹脂（每lmg之離子交換樹 脂的苯基疊氮濃度）、在陽離子交換樹脂爲10mg/mg樹脂 。上述之苯基疊氮吸附在離子交換樹脂時，由第6圖，陰 離子交換樹脂降低60%交換容量，陽離子交換樹脂降低 10%交換容量。即使使吸附苯基疊氮，也能充分捕獲陰離 子之鹵素離子。另外，藉由預先使陽離子交換樹脂的比率 大於陰離子交換樹脂，也可以充分捕獲銅離子。另外，爲 了銅離子也能充分捕獲，也可以預先使離子交換樹脂之容 量比率大於陽離子交換樹脂之容量比率。 -17- (12) (12)200401600 由以上，如依據本實施例，藉由將充分吸附由有機系 連接管所溶解釋出的鹵素離子、由銅製散熱管以及熱交換 器所溶解釋出的銅離子的離子交換樹脂，而且充分吸附將 冷媒中之苯基疊氮濃度維持在設定値用之苯基疊氮的離子 交換樹脂密封在離子交換器中，可以長期確保液體冷卻系 統的耐腐蝕性。 [發明之效果] 如依據本發明，可以提供防止由於重金屬離子，特別 是銅離子溶解釋出，另外，由有機系管溶解釋出腐蝕性離 子，導致在受熱水套發生孔腐蝕而漏水之電子機器之冷卻 裝置。 [解決手段] 在此系統中，設置由預先吸附腐鈾抑制劑之離子交換 樹脂所形成之離子交換器，而且在冷卻液中添加腐蝕抑制 劑。 圖式簡單說明 第1圖係本發明之第i實施例之斜視圖。 第2圖係本發明之第1實施例之模型圖。 第3圖係顯示鋁之孔腐蝕產生電位和鹵素離子濃度之 關係的曲線圖。 第4圖係顯示銅之腐蝕量和冷媒中之苯基疊氮濃度之 -18 - (13) (13)200401600 關係的曲線圖。 第5圖係顯示離子交換樹脂中的苯基疊氮濃度和冷媒 中的苯基疊氮濃度之關係的曲線圖。 第6圖係顯示離子交換容量和離子交換樹脂中的苯基 疊氮濃度之關係的曲線圖。 [圖號說明] 1 :本體外殻，2 :顯示器外殼，3 :鍵盤，4 :配線基 板，5 :硬碟機，6 :輔助記憶裝置，7 :中央運算處理單 元，8 :受熱水套，9 :散熱管，i 0 :金屬散熱板，1 1 :泵 ，12:連接管，13:電池，14:冷媒桶，15:熱交換器， 1 6 :離子交換器

Claims (1)

1. (1) (1)200401600 拾、申請專利範圍 1 . 一種電子機器之冷卻裝置，具備：設置在框體內 之發熱元件；連接在此發熱元件的受熱水套；與外界進行 熱交換的第i熱交換器；及對上述受熱水套供應液體媒體 的液體驅動手段，連接上述受熱手段、上述第1熱交換器 及液體驅動手段之配管的一部份爲樹脂製撓管的電子機器 之冷卻裝置，其特徵爲： 在上述配管的一部份設置第2熱交換器和離子交換器 〇 2 .如申請專利範圍第1項記載之電子機器之冷卻裝 置，其中，上述離子交換器爲預先吸附腐蝕抑制劑，於上 述液體媒體內添加腐蝕抑制劑。 3 ·如申請專利範圍第1項記載之電子機器之冷卻裝 置，其中’上述受熱水套爲鋁系材料，上述第2熱交換器 爲銅系材料’上述液體媒體爲不凍液體或者純水，在此液 體媒體內添加銅系材料用之腐蝕抑制劑。 4. 一種電子機器之冷卻裝置，具備：安裝在第1框 體內之發熱元件；連接在此發熱元件，而安裝在上述第1 框體內的受熱水套；和由上述第1框體所旋轉支持的第2 框體；安裝在此第2框體內，與外界進行熱交換的第1熱 交換器；及對上述受熱水套供應液體媒體的液體驅動手段 ，連接上述受熱手段、上述第1熱交換器及液體驅動手段 之配管的一部份爲樹脂製撓管的電子機器之冷卻裝置，其 特徵爲： -20- (2) 、 (2) 、200401600 在上述配管的一部份設置第2熱交換器和離子交換器 ‘ 1上述第2框體被收容在上述第2框體內，上述離子交換 器被收容在上述第2框體內。 5 _如申請專利範圍第4項記載之電子機器之冷卻裝 置，其中，上述第2熱交換器是藉由風扇冷卻。 6 .如申請專利範圍第4項記載之電子機器之冷卻裝 置，其中，上述離子交換器爲預先吸附腐蝕抑制劑，於上 述液體媒體內添加腐蝕抑制劑。 Φ 7 ·如申請專利範圍第4項記載之電子機器之冷卻裝 置，其中，在上述第2框體設置由液晶面板形成的顯示裝 置，上述離子交換器係設置於上述液晶面板的背面。 -21 -