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技術 電子機器用の冷却装置

出願人 株式会社日立製作所
発明者 荻路憲治中西正人藤田浩司
出願日 2008年10月20日 (11年8ヶ月経過) 出願番号 2008-269314
公開日 2010年4月30日 (10年1ヶ月経過) 公開番号 2010-098203
状態 未査定
技術分野 計算機・ガイダンスオペレータ 電気装置の冷却等 半導体または固体装置の冷却等
主要キーワード 蓋状体 加工刃物 通流抵抗 熱放射層 熱伝導抵抗 受熱効率 通流空間 対向平面
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2010年4月30日)のものです。
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図面 (5)

課題

電子機器発熱体を冷却するための装置であって、小型で簡素な構造において冷却性能の向上を図れる冷却装置を提供する。

解決手段

電子機器に搭載された発熱体の冷却を行う液冷方式の冷却装置であって、冷却装置1の受熱部材51は、熱伝導性の良い金属性材質によって形成され、内部に冷媒液通流可能とした密閉空間513の構造を有する扁平形状とし、発熱体4と熱的に接続する平面に対向する密閉空間513の内壁平面において遠赤外線受部材516、517を付設した構成とする。

概要

背景

パーソナルコンピュータ等の電子機器においては、CPU(Central Processing Unit)や、HDD(Hard Disc Drive)等の発熱する素子や装置を有している。これらの素子や装置は、発熱の状態によって性能や特性が変化することから、所定の性能を維持するためには冷却装置によって温度管理される必要がある。近年、空冷方式より冷却能力の優れるとされる液冷方式の冷却装置が、発熱体の発熱量の増大に対応するために注目されている。

この液冷方式における冷却装置の受熱部材は、電子機器の筐体内に高密度実装により、搭載された発熱体に熱的に接続させることから、特に、小型、薄型の必要性が大きい。その受熱部材において液冷媒への熱変換効率を向上させるための構造が、例えば、特許文献1乃至5に開示されている。

特開2007−12955号公報
特開2007−127398号公報
特開2007−250701号公報
特開2008−53348号公報
特解2003−31572号公報

概要

電子機器の発熱体を冷却するための装置であって、小型で簡素な構造において冷却性能の向上をれる冷却装置を提供する。 電子機器に搭載された発熱体の冷却を行う液冷方式の冷却装置であって、冷却装置1の受熱部材51は、熱伝導性の良い金属性材質によって形成され、内部に冷媒液通流可能とした密閉空間513の構造を有する扁平形状とし、発熱体4と熱的に接続する平面に対向する密閉空間513の内壁平面において遠赤外線受部材516、517を付設した構成とする。

目的

特許文献3に記載の電子機器用冷却装置熱交換器は、冷媒液を通流するための複数の通流壁片ベース部材から切り越し加工によって形成する構造としている。微細流路の形成を切削加工によって形成された形状を利用して枠体に組み合わせて接合することから特許文献2の課題である製作上の工数の低減が図れる。しかし、特許文献3に記載の技術においては、微細流路が切削加工によって切り起こされることから、流路壁の幅が加工刃物の大きさに制約されてしまう懸念がある。また、発熱体から熱交換器内を通流する冷媒液への熱伝達部が、複数個の部材を介在して行われることになるので、熱伝達効率の低下が懸念される。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

電子機器に搭載された発熱体の冷却を行う冷却装置において、前記発熱体に熱的に接続して該発熱体からの熱を受熱する受熱部材と、前記電子機器の筐体外部に放熱する放熱部材と、前記受熱部材と前記放熱部との間で冷媒液循環させるように、前記受熱部材と前記放熱部とに接続された複数の配管と、を有し、前記冷却装置の受熱部材は、金属性材質によって形成され、内部に冷媒液を通流可能とした密閉空間を有する扁平形状とし、前記受熱部材の外部平面が前記発熱体と熱的に接続されており、該外部平面に対向する前記密閉空間の内壁平面に遠赤外線受部材付設したことを特徴とする電子機器用の冷却装置。

請求項2

請求項1に記載の電子機器用の冷却装置において、前記遠赤外線授受部材は、前記発熱体と熱的に接続されている前記受熱部部材の外部平面に対向する密閉空間内の互いに対向する内壁平面にそれぞれ付設したことを特徴とする電子機器用の冷却装置。

請求項3

請求項1乃至2のいずれかに記載の電子機器用の冷却装置において、前記遠赤外線授受部材が付設されている前記密閉空間の対向平面の間隔は、1mm以下としたことを特徴とする電子機器用の冷却装置。

技術分野

0001

本発明は、電子機器発熱体の冷却に係わり、小型で簡素な構造において冷却性能の向上を図れる冷却装置に関する。

背景技術

0002

パーソナルコンピュータ等の電子機器においては、CPU(Central Processing Unit)や、HDD(Hard Disc Drive)等の発熱する素子や装置を有している。これらの素子や装置は、発熱の状態によって性能や特性が変化することから、所定の性能を維持するためには冷却装置によって温度管理される必要がある。近年、空冷方式より冷却能力の優れるとされる液冷方式の冷却装置が、発熱体の発熱量の増大に対応するために注目されている。

0003

この液冷方式における冷却装置の受熱部材は、電子機器の筐体内に高密度実装により、搭載された発熱体に熱的に接続させることから、特に、小型、薄型の必要性が大きい。その受熱部材において液冷媒への熱変換効率を向上させるための構造が、例えば、特許文献1乃至5に開示されている。

0004

特開2007−12955号公報
特開2007−127398号公報
特開2007−250701号公報
特開2008−53348号公報
特解2003−31572号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかし、上記した従来技術には、電子機器における発熱体の冷却において解決しなければならない技術課題がある。

0006

特許文献1に記載の受熱器は、複数層流路積み上げた形状とすることにより、流路壁液体接触面積を増大させて受熱効率を高め、かつ流路における液体の通流抵抗を抑制する構造としている。しかし、特許文献1に記載の技術においては、受熱器の受熱体における熱伝導抵抗量が、受熱面からの距離によって異なることから、積層構造が受熱器の大型化となる割には、積層部の各流路において十分な受熱量を得ることが出来ないと想定される。

0007

特許文献2に記載の熱交換器は、熱伝導性のよい材質による薄板を複数、積層して配置し、加圧、加熱することで熱交換器の側壁拡散接合して微細流路を形成する構造としている。微細流路の形成によって熱交換性能の向上が可能であるとしている。しかし、特許文献2に記載の技術においては、微細流路を構成するための薄板の形成における材料と加工工数が増大し、さらには接合作業が煩雑となるため、熱交換器の製作上の問題を有する。

0008

特許文献3に記載の電子機器用冷却装置の熱交換器は、冷媒液通流するための複数の通流壁片ベース部材から切り越し加工によって形成する構造としている。微細流路の形成を切削加工によって形成された形状を利用して枠体に組み合わせて接合することから特許文献2の課題である製作上の工数の低減が図れる。しかし、特許文献3に記載の技術においては、微細流路が切削加工によって切り起こされることから、流路壁の幅が加工刃物の大きさに制約されてしまう懸念がある。また、発熱体から熱交換器内を通流する冷媒液への熱伝達部が、複数個の部材を介在して行われることになるので、熱伝達効率の低下が懸念される。

0009

特許文献4に記載の水冷ヒートシンクは、内部に冷却水流路が形成された扁平な箱状のタンク構造とすることで、タンクの両方の平面を受熱面とする構成としている。しかし、特許文献4に記載の技術においては、装着ガイドにより両平面を受熱面として利用して、受熱効率を向上する構成であるが、冷却水への熱交換に関しては、何らの工夫もなされていない。

0010

特許文献5に記載の電子部品は、能動素子チップを収容するカバー体の内部空間の全面を絶縁性放熱性を有するセラミック膜で覆い、セラミック膜からの遠赤外線放射により放熱体に熱伝達する構成により、電子部品に放熱機能を有するものとしている。しかし、特許文献5に記載の技術においては、遠赤外線放射を放熱体への熱伝達手段とし、電子部品の上下カバー体における放熱効果隔たりを解消させるに過ぎず、電子部品の冷却の向上や、冷却装置の小型化の観点は対応されていない。

課題を解決するための手段

0011

上記課題を解決するために、本発明の電子機器に搭載された発熱体の冷却を行う冷却装置は、前記発熱体に熱的に接続して該発熱体からの熱を受熱する受熱部材と、前記電子機器の筐体外部に放熱する放熱部材と、前記受熱部材と前記放熱部との間で冷媒液を循環させるように、前記受熱部材と前記放熱部とに接続された複数の配管と、を有し、前記冷却装置の受熱部材は、金属性材質によって形成され、内部に冷媒液を通流可能とした密閉空間を有する扁平形状とし、前記受熱部材の外部平面が前記発熱体と熱的に接続されており、該外部平面に対向する前記密閉空間の内壁平面に遠赤外線授受部材付設した構成としている。

発明の効果

0012

上記構成による本発明によれば、筐体内の限られたスペースに配置される冷却装置の受熱部材を小型で簡素な構成によって形成され、しかも冷却性能の向上を図れる冷却装置を提供できる。

発明を実施するための最良の形態

0013

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。

0014

図1は、本実施形態に係る電子機器の構成を模式的に示した概念図である。

0015

図1に示されるように、電子機器1は、発熱体である半導体デバイス(例えばCPU)4を載置した回路基板3を筐体2内に搭載している。さらには、筐体2の内部には、発熱体4を冷却するための冷却装置5を搭載している。冷却装置5は、発熱体4と熱的に接続され、内部空間に冷媒液を通流可能とした受熱部材51と、受熱部材51において受熱した熱を冷媒液から大気中に放熱する放熱部材52と、受熱部材51と放熱部材52とを複数の配管55で接続して冷媒液を循環可能とし、冷媒液を循環駆動するポンプ54、および冷媒液を貯留するタンク53を循環流路内に接続した構成としている。

0016

ここで、冷却装置5の被冷却体としての発熱体4は、半導体デバイスに限定されず、HDD等の電子機器であってもよい。

0017

図2は、本実施例における受熱部材の構成を示す分解斜視図である。図3は、本実施例における受熱部材の構造を概念的に示す断面図である。図2、および図3は、共に構造を概念的に示しており、形状、および大きさの関係は図に示される形態に限られるものではない。

0018

図2、および図3に示されるように、本実施形態に係る冷却装置における受熱部材51は、下ジャケット511と上ジャケット512との接合によって、内部に密閉空間513を構成する構造としている。例えば、下ジャケット511は箱状体をなし、上ジャケット512は蓋状体をなすことで内部空間513を構成することができるが、上ジャケット512と下ジャケット511の構造が逆であってもよい。また、箱状体を成すジャケットの対向する1組の側辺部には、冷媒液の流入口514、及び流出口515を設けている。さらには、発熱体4と熱的に接続された平面と対向する下ジャケット511、あるいは、下ジャケット511および上ジャケット512の内壁平面には、詳細は後述するが遠赤外線部材516(517)を熱的に接続して付設されている。

0019

受熱部材51は、例えば下ジャケット511の外部平面51Aにおいて、熱伝導性シートや、熱伝導性グリースを介在させて発熱体4と熱的に接続させている。これにより、受熱部材51は、発熱体4と熱的に接続された下ジャケット511において発熱体4の熱を熱伝達している。このような構成によって、従来と同様に、下ジャケット511における熱は、流入口514から受熱部材51に流入されてきた冷媒液に受熱させ、受熱した冷媒液を流出口515から放熱部材52へ移送して、放熱部材52において大気中に放熱し、発熱体4を冷却する。本実施形態では、受熱部材51に、冷媒液が通流される内壁平面に遠赤外線授受部材516(517)を設けている。

0020

ここで、遠赤外線授受部材516(517)について説明する。遠赤外線授受部材516(517)は、加熱されると遠赤外線を放射する例えばセラミック主体にした熱放射層を有するものである。また、遠赤外線授受部材516(517)は、この熱放射層と、熱伝導層と、受熱部材51との微小接触を回避するに好都合接着層とを有する積層構造とした部材である。すなわち、遠赤外線授受部材516は、受熱部材51の下ジャケット511の内壁平面に接着層を介して熱伝導層で熱的な接続を行うように付設されている。

0021

かかる構成によって、発熱体4の熱は、下ジャケット511に熱伝達され、さらに遠赤外線授受部材516の熱伝導層に熱伝達されることになる。

0022

つづいて、遠赤外線授受部材516(517)の熱放射層について説明する。遠赤外線(電磁波)を放射し易い物質は、電磁波を吸収し易い。一般的に、樹脂鉱物放射率が大きく、金属類は放射率が小さい特徴を有している。

0023

前述したように、受熱部材51の内壁平面に熱的に接続された遠赤外線授受部材516は、発熱体4の発熱を受熱部材51に熱伝達された後に熱伝導層によって熱伝導され受熱する。この熱伝導層で受熱した熱によって遠赤外線授受部材516の熱放射層が、温度上昇して、遠赤外線の電磁波に変換され、発熱体の熱を放射エネルギーとして熱放射する。

0024

この遠赤外線授受部材の単位面積あたりの放射エネルギーは下記の数1で示される。
(数1)E=σ・T4
(σ=5.6697×10-8)
ただし、 E(放射エネルギー) :〔W/m2〕
σ(ステファン:ボルツマン定数):〔Wm-2K-4〕
T(絶対温度) :〔K〕
一方、一般的の物質間の熱伝達は、下記の数2で示される。
(数2) Q=α・T
ただし、 Q(熱伝達エネルギー) :〔W/m2〕
α(熱伝達率) :〔Wm-2K-1〕
T(絶対温度) :〔K〕
一般的な受熱部材において構成されている冷媒液の流路フィン等における冷媒液への熱伝達よる熱変換量は、数2から明らかなように、受熱部材51の温度と冷媒液の温度との差に基づいて比例する。一方、遠赤外線の放射による放射エネルギーは、数1か明らかなように、受熱部材51の受熱側のジャケット511から熱伝達された遠赤外線授受部材516の温度と冷媒液の温度との差の4乗に比例する。この放射エネルギーが冷媒液に向けて放射される。

0025

つまり、本実施例によれば、遠赤外線授受部材516の放射側と冷媒液との間の温度差がわずかであっても、従来に比べ、多くの熱を遠赤外線授受部材516から冷媒液に熱移送でき、受熱部材51での発熱体4の温度低下が図れ、冷却装置5の冷却性能の向上が可能となる。

0026

次に、繰り返しの説明になる部分も有るが、本実施例おける熱変換の様子を説明する。図4は、本実施例における冷却装置の熱変換状態を説明した図である。

0027

図4において、発熱体4が発熱によって上昇する温度をT0として、その発熱を受熱部材に通流する冷媒液によって受熱させ、発熱体の温度をT1に冷却する例を示す。この状態において、受熱部材で受熱し流出口より移送される冷媒液の温度はT1である。冷媒液は、その後配管を通流して放熱部材まで移送され、放熱部材において外気(温度:Ta)との熱変換によって放熱される。放熱部材において外気(Ta)によって放熱された冷媒液の温度がT2となるとすると、外気は、冷媒液から熱変換によって生じた温度差ta=(T2−Ta)だけ温度上昇することになる。この放熱部材によって放熱された冷媒液は、温度T2において配管を通流し受熱部材に循環される。受熱部材に循環された冷媒液は、発熱体(T0)から再び吸熱して、発熱体の温度T0をT1に冷却する。

0028

ここで、冷却装置は、受熱部材と放熱部材の熱変換量がバランスの取れた状態となって冷媒液の循環を繰り返しながら発熱体を冷却し続けることになる。すなわち、冷媒液における熱変換量(Q1)、及び空気における熱変換量(Q2)を同じ量とするためには、上記の数2に示すように各々の熱伝達係数(α1、α2)を調整して、熱変換量が同じ値になるような条件を設定することになる。一般的に冷媒液の熱伝達率(約250〜5000w・m-2・K-1)は、空気の熱伝達率(約10〜250w・m-2・K-1)に比べて約20倍程度大きい。このため、従来においては、冷媒液と空気の熱変換量を互いに等しくするために、例えば受熱部材に通流する冷媒液の流量に比べて放熱部材に通風される冷却風の流量を大幅に増大させたり、受熱部材の形状に比べ、放熱部材の形状を大きくして空気との熱的な接触面積を拡大させたりしている。

0029

これに対し本実施例では、前述したように、受熱部材51の密閉空間の内壁平面に遠赤外線授受部材516を設け、この遠赤外線授受部材516による熱放射によって、冷媒液に熱伝達を図るものである。数1に示されるように、この遠赤外線の放射によって、受熱部材51に流入される冷媒の温度(T2)と発熱体の温度(T0)との差を小さくしても、発熱体4の温度をT1に下げるのに必要な熱伝達エネルギーを得ることができる。すなわち、本実施例によれば、放熱部材の冷却性能を上げるために、放熱部材への空気の流量を大きくしたり放熱部材を大型化したりせずとも、発熱体の冷却性能を向上させることができる。よって、本実施例に係る冷却装置は簡略化、小型化、更には低コスト化に好適である。

0030

また、遠赤外線授受部材516から放射される遠赤外線の放射エネルギーは、照射された物質の数100μm程度の深さにおいてほとんど吸収されて熱エネルギーとして変換される。この物質は液体であっても例外ではなく、遠赤外線が放射された冷媒液は、受熱部材52内を通流する冷媒液内の数100μm層においても同様に吸収され、熱変換されることになる。冷媒液の表層部で熱変換されて受熱した熱は、冷媒液のさらに深部へ冷媒液の熱伝導により熱移送されることから、受熱部材51を通流する冷媒液は、約1mm程度の厚さとすることが、熱変換の効率の上で好ましい。

0031

すなわち、受熱部材51の冷媒液の通流空間は、大きくしても効果が薄く、約1mmの間隙があればよい。

0032

受熱部材51のジャケットは熱伝導性の良い金属材料で構成されていることから、下ジャケット511で受熱した熱の一部は、上ジャケット512にも熱伝導される。このため、遠赤外線授受部材517を上ジャケット512の内壁平面にも付設すれば、互いに対向配置された遠赤外線授受部材516、517によって遠赤外線が放射され、冷媒液への熱伝達がより好適に為されるため好ましい。遠赤外線を放射しやすい物質は遠赤外線を吸収しやすいため、2つの遠赤外線授受部材を互いに対向配置した場合は、一方の部材から放射された遠赤外線の一部は他方の部材で吸収され、他方の部材はこの吸収した遠赤外線を放射する。すなわち、2つの遠赤外線授受部材516と517との間で、互いに、遠赤外線の放射と吸収を繰り返すことができることとなり、受熱部材51で受けた熱をより効率よく冷媒液へ伝達できる。かかる作用効果を奏するために、遠赤外線授受部材516、517は、同一のセラミックを主体にしているものを用いることが好ましい。また、本実施例では、遠赤外線授受部材516、517がシート状の部材としているが、ジャケット511、512の内壁面に直接、セラミック薄膜等を形成してもよい。

0033

このように、本実施例に係る冷却装置よれば、受熱部材51における冷媒液への熱変換を遠赤外線の放射エネルギーによって行うことにより、発熱体の冷媒液への熱変換性能を向上させることができる。また、受熱部材の冷媒空間を1mm以下とすることが可能であり、受熱部材の薄型が図られる。さらには、熱伝達のための冷媒流路を形成するフィンなどの加工が不要であり製作上の簡素化が図れるだけでなく、冷媒液の通流抵抗を増大させることが無いため冷媒液を循環駆動するポンプの能力を抑制できる。

0034

さらには、発熱体4と冷媒液との温度差が小さくても、熱変換性能を確保できることから、放熱部材52の小型化が図れる。そして本実施例によれば、薄型、小型化が可能で低コストな電子機器も提供できる。

図面の簡単な説明

0035

本実施例に係る電子機器の構成を模式的に示した概念図である。
本実施例に係る受熱部材の構成を示す分解斜視図である。
本実施例に係る受熱部材の構造を概念的に示す断面図である。
本実施例に係る冷却装置の熱変換状態を説明した図である。

符号の説明

0036

1電子機器、 2筐体、 3回路基板、 4発熱体、 5冷却装置、
51受熱部材、 52放熱部材、 53配管、 511 下ジャケット、
512 上ジャケット、 513密閉空間、 514 流入口、
515 流出口、 516遠赤外線授受部材、 517 遠赤外線授受部材、

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