冷却装置及びそれを備えた電子機器
【課題】基板上の発熱電子部品を高効率に冷却でき、小型で、配管の流路抵抗が小さい冷却装置及びそれを備えた電子機器を提供する。
【解決手段】液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータ３で放熱する冷却装置であって、発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を液流路５でラジエータ３に送る受熱一体ポンプ２を備え、該受熱一体ポンプ２とラジエータ３が対向して配置され、その間にラジエータ３を強制冷却するファン４がそれぞれと対向するように配置されたこと特徴としている。
【解決手段】液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータ３で放熱する冷却装置であって、発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を液流路５でラジエータ３に送る受熱一体ポンプ２を備え、該受熱一体ポンプ２とラジエータ３が対向して配置され、その間にラジエータ３を強制冷却するファン４がそれぞれと対向するように配置されたこと特徴としている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器筐体内部の基板に配設された中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）などの発熱電子部品を冷却する冷却装置及びそれを備えた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータの処理速度は急速に高速化し、ＣＰＵのクロック周波数は以前と比較して飛躍的に大きな値になってきている。この結果、ＣＰＵの発熱量が増大し、従来のコンピュータのようにヒートシンクや放熱フィンを発熱体に接触させて放熱するような消極的な放熱方法では能力不足となり、ヒートシンクや放熱フィンを使いファンで強制冷却したり、あるいは、ヒートパイプ内蔵のヒートシンクモジュールを介在させて放熱体をファンで強制冷却したり、さらには、液体ポンプを使って液体冷媒を強制循環し受熱体と放熱体との間で熱交換をさせて強制冷却したりする、などの強制冷却方法が行われている。そして今後も処理速度の高速化が見込まれることから、冷却能力の更なる向上と小型化に期待が寄せられている。
【０００３】
このような発熱電子部品が実装された基板に取り付ける冷却装置として、例えば、（特許文献１）に開示されているような、発熱部材と金属筐体壁をフレキシブル構造の液流路を有する熱輸送デバイスにより熱接続した冷却装置が知られている。図８は従来の電子機器の冷却装置の固定装置を示す図である。
【０００４】
図８において、電子機器は、複数の半導体素子を搭載した配線基板２０、キーボード２１、ディスク装置２２、表示装置２３などからなり、金属製の筐体２４の中に収容されている。配線基板２０に搭載された半導体素子のうち、発熱量がとくに大きい半導体素子２５は、受熱ヘッダ２６、放熱ヘッダ２７、フレキシブルチューブ２８等で構成される熱輸送デバイスによって冷却される。図８に示すように、半導体素子２５と受熱ヘッダ２６とはサーマルコンパウンド、あるいは、高熱伝導シリコンゴムなどを挟んで接触させ、半導体素子２５で発生する熱を効率よく受熱ヘッダ２６に伝える。
【０００５】
さらに、半導体素子２５に接続された受熱ヘッダ２６はフレキシブルチューブ２８によって、表示装置２３の背面部の筐体壁に設置された放熱ヘッダ２７に接続されている。放熱ヘッダ２７は、サーマルコンパウンド、あるいは、高熱伝導シリコンゴムを介して、もしくは、直接的にねじ２９止めなどの手段によって金属製筐体壁と熱的かつ物理的に取り付けられる。
【０００６】
受熱ヘッダ２６、放熱ヘッダ２７の内部には流路が形成され、液体が封入されている。さらに、放熱ヘッダ２７の内部には液駆動装置が組み込まれており、受熱ヘッダ２６と放熱ヘッダ２７との間で液が往復動あるいは循環することによって熱サイクルとして駆動される。受熱ヘッダ２６と放熱ヘッダ２７間はフレキシブルチューブ２８によって接続されるので、非常に狭い筐体内に多数の部品が実装された状態においても、実装構造に左右されることなく、高発熱半導体素子と放熱部である筐体壁とが容易に接続できるとともに、熱輸送が液の駆動によって行われるので、高発熱半導体素子で発生する熱は、効果的に放熱ヘッダに輸送される。放熱部においては、放熱ヘッダと金属製筐体壁とが熱的に接続されているので、金属製筐体の高い熱伝導率のために熱が広く筐体壁に拡散され高い放熱性能が得られる。したがって、効率的に半導体素子を冷却することができる。
【特許文献１】特開平７−１４２８８６号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、（特許文献１）に記載された従来の冷却装置では、ＣＰＵなどの発熱電子部品である半導体素子２５の表面に受熱ヘッダ２６を設置し、液冷却装置を構成する他の要素、例えば放熱ヘッダ２７、フレキシブルチューブ２８を電子機器筐体内に別々に配置しているため、電子機器筐体の薄型化には対応できるものの、冷却装置の電子機器筐体への取り付け作業が煩雑で、冷却装置自体が占める容積も非常に大きいものとなっていた。
【０００８】
また、それぞれの部品を相互に接続する配管長が必然的に長くなるため、長期使用による冷媒の蒸発量も多くなり、これを補充するための比較的大型のリザーブタンクを液流路の一部に設けざるをえず、結果として冷却装置全体の大型化や配管長が長くなってしまうものであった。これにより従来の冷却装置では、ポンプに対する配管の流路抵抗が増して流量が減り、冷却性能の低下につながっていた。
【０００９】
さらに、放熱性を強化するため、放熱ヘッダ２７やその近傍に金属製のフィンを設けそれらをファンで強制冷却する場合にも、ファンの送風路が障害されないように送風路を電子機器筐体内に確保するためのスペースが必要であったり、電子機器筐体内に冷却装置を設置したりする上で、構成要素のさらなる複雑化とそれに伴う冷却性能の低下が課題であった。
【００１０】
そこで本発明は、基板上の発熱電子部品を高効率に冷却でき、小型で、配管の流路抵抗が小さい冷却装置及びそれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明は、液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータで放熱する冷却装置であって、発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を循環路でラジエータに送る受熱一体ポンプを備え、該受熱一体ポンプと前記ラジエータが対向して配置され、その間にラジエータを強制冷却するファンがそれぞれと対向するように配置されたことを主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷却装置によれば、受熱一体ポンプ、ラジエータ、ファン、及びリザーブタンクなどの構成要素を簡素な構造で一体的に構成できるので、電子機器筐体内の発熱電子部品への実装の作業が容易となるばかりでなく、配管長も短くでき冷媒の水分蒸発量が抑制でき、その分リザーブタンクを小型化することができ、冷却装置全体を小型化するとともに、配管長が短くなることで、ポンプに対する配管の流路抵抗が減少し、これによって流量が増大し、冷却性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の第１の発明は、液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータで放熱する冷却装置であって、発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を循環路でラジエータに送る受熱一体ポンプを備え、該受熱一体ポンプと前記ラジエータが対向して配置され、その間にラジエータを強制冷却するファンがそれぞれと対向するように配置された冷却装置であり、簡素な構造で一体的に構成されているので、電子機器筐体内の発熱電子部品への実装の作業が容易となるばかりでなく、本発明の冷却装置を電子機器筐体内で他の周辺装置や筐体壁に近接して設置したとしても、ラジエータの放熱に必要なファンの送風路は妨げられることがなく、配管長が短く、ポンプに対する配管の流路抵抗が減少し、流量が増大することによって冷却性能も向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、ファンと受熱一体ポンプとの間に風路が設けられた冷却装置であり、第１の発明の効果に加え、本発明の冷却装置を電子機器筐体内で他の周辺装置や筐体壁に近接して設置したとしても、ラジエータの放熱に必要なファンの送風路を十分確保できラジエータに十分な風量の空気を送風できるのでラジエータの放熱性能を向上できる。
【００１５】
本発明の第３の発明は、第１の発明または第２の発明に従属する発明であって、受熱一体ポンプとラジエータとファンをそれぞれ結合して一体にする冷却装置結合部材が設けられた冷却装置であり、第１または第２の発明の効果に加え、冷却装置結合部材により冷却装置の各構成要素を所定の位置に配置、固定する作業が容易に可能となる。
【００１６】
本発明の第４の発明は、第３の発明に従属する発明であって、冷却装置結合部材が受熱一体ポンプとファンの間に配置され、該冷却装置結合部材と受熱一体ポンプとの間に弾性部材が設けられた冷却装置であり、第３の発明の効果に加え、本発明の冷却装置を基板上で着脱する際に、冷却結合部材と冷却装置を基板側に押し付けることで、冷却装置結合部材を基板に係止したり、開放したりする動作に利用でき、これによって冷却装置の着脱作業が容易となり、発熱電子部品の交換作業がより簡単になる。さらに、受熱一体ポンプを発熱電子部品へ均一的に押圧することができ、安定した熱接続状態を維持できるので、放熱性能も向上できる。また、運搬時等における振動も吸収できる。
【００１７】
本発明の第５の発明は、第３または第４の発明に従属する発明であって、冷却装置結合部材が受熱一体ポンプとファンの間に配置され、該冷却装置結合部材には基板に係止するためのフックが設けられた冷却装置であり、例えば基板側に設けられたクランプ部に冷却装置結合部材を係止したり、開放したりする動作に利用でき、これによって冷却装置の着脱作業が容易となり、発熱電子部品の交換作業がより簡単になる。
【００１８】
本発明の第６の発明は、第１〜第５のいずれかの発明に従属する発明であって、受熱一体ポンプ、ラジエータ、またはファンのいずれかの側面に隣接してリザーブタンクが配置された冷却装置であり、第１〜第５のいずれかの発明の効果に加え、長期間使用する際に蒸発する冷媒の補給を必要とすることなく、また側面に隣接することで液流路を短くすることができるため液流路からの冷媒の蒸発量が少なくなり冷却装置の連続使用が可能となる冷却装置を提供できる。
【００１９】
本発明の第７の発明は、第１〜第６のいずれかの発明の冷却装置を備え、冷却装置の受熱一体ポンプが発熱電子部品と熱接続された電子機器であり、小型であり冷媒の水分蒸発量を抑制でき、発熱電子部品の交換などのメンテナンス作業が容易な電子機器を提供できる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態１について図面を用いて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、電子機器としてコンピュータ装置に搭載する液体の冷媒を用いた液冷却方式の冷却装置に関するものである。図１は本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置の装着状態を示す全体側面図、図２は本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の上方斜視図、図３は本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の下方斜視図、図４は本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置との冷却装置装着前の位置関係を示す側面図、図５本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧する直前のクランプ部の説明図、図６は本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧した直後のクランプ部の説明図、図７は本発明の実施の形態１における冷却装置を取り外す際のクランプ部の可動部材の説明図である。
【００２２】
図１〜図３は冷却装置１を実施の形態１の固定装置に装着した状態を示している。冷却装置１は、受熱一体ポンプ２、ラジエータ３、リザーブタンク６を循環路に配し、液体冷媒（以下、冷却液）を使い、受熱一体ポンプ２で受熱した熱をラジエータ３まで運び、ファン４によってラジエータ３を冷却し、放熱後の冷却液を再び受熱一体ポンプ２に戻して循環させる冷却システムを１ブロック化した構造である。なお、液体冷媒は水や不凍液等が好適である。
【００２３】
発熱電子部品であるＣＰＵから発生した熱は受熱一体ポンプ２の底面に形成された受熱面２ａ（本発明の受熱部）を介して内部に循環している冷却液に伝えられ、冷却液の温度が上昇する。熱交換で温度が上昇した冷却液は受熱一体ポンプ２によってラジエータ３へ送られる。ラジエータ３は冷却液が流れる金属性のパイプ３ａとこれと接触している複数の放熱フィン３ｂとで構成され、温度上昇した冷却液の熱が放熱フィン３ｂに効率よく伝わる構造となっている。
【００２４】
ラジエータ３は、図２に示すような蛇行する金属性のパイプ３ａと、これと交差、接触している複数の放熱フィン３ｂとから構成され、パイプ３ａの中を冷却液が流れてその熱が放熱フィン３ｂに伝熱される。さらに、この伝熱された熱を放熱するためファン４が放熱フィン３ｂに風を当て、温度上昇した空気を放出する。熱を奪われ温度が低下した冷却液はリザーブタンク６を通って再び受熱一体ポンプ２へ送られる。
【００２５】
そして、受熱一体ポンプ２とラジエータ３は対向した位置関係に配置され、その間にラジエータ３を強制冷却するファン４が両者と対向するように配置される。このときファン４の吸い込み側が受熱一体ポンプ２と対向して配置されることになり、両者の間はファン４に供給する空気の風路７となる。このようにファン４と受熱一体ポンプ２、ラジエータ３を対向配置させることで、最小のスペースで冷却装置１を構成するとともに、ファン４と受熱一体ポンプ２間の風路７によりラジエータ３に送風する十分な風量の空気を確保することができる。
【００２６】
なお、リザーブタンク６には、冷却液内に混入した空気を分離するための気液分離機構が設けられており、冷却装置１がいかなる姿勢になっても分離した空気が再度受熱一体ポンプ２へ混入することのないように構成されている。そして、長期にわたって使用され冷却液の水分が気化しても冷却性能を維持するために、十分な量の冷却液を内部に貯えている。なお、実施の形態１では受熱一体ポンプ２→ラジエータ３→リザーブタンク６→受熱一体ポンプ２の順序で冷却液が循環するが、冷却液が循環する順は適宜変更できる。
【００２７】
この冷却装置１は、ファン４が図２，図３に示すように冷却装置結合部材８に固定ピン８ａで固定され、その上側にラジエータ３が搭載され、ラジエータ３の側面にリザーブタンク６が固定される。一方、受熱一体ポンプ２は、弾性部材であるコイルバネ８ｃ（図１では圧縮された状態となっている）を介して冷却装置結合部材８の下面に固定ネジ８ｂで固定される。コイルバネ８ｃで固定されるので受熱一体ポンプ２は上下方向に可動であり、振動と押圧力の吸収が可能になる。発熱電子部品であるＣＰＵから発生した熱は受熱一体ポンプ２の底面に位置する受熱面２ａを介して受熱面内部に循環している冷却液に伝えられ冷却液の温度が上昇する。
【００２８】
受熱面２ａを通しての熱交換で温度上昇した冷却液は受熱一体ポンプ２によってラジエータ３へ送られる。ラジエータ３では、パイプ３ａの中を冷却液が流れてその熱が放熱フィン３ｂに伝熱される。さらに、この伝熱された熱はファン４からの風によって放出される。温度低下した冷却液はリザーブタンク６を通って再び受熱一体ポンプ２へ送られる。
【００２９】
ところで、冷却装置結合部材８には受熱一体ポンプ２の両側に図３のようなフック８ｄが設けられており、後述するクランプ部１２と係合する。これにより、コイルバネ８ｃを介して所定の荷重で受熱一体ポンプ２を付勢し、ＣＰＵの上面に押し付けることが可能になり、図３に示す受熱一体ポンプ２下方の円形の受熱面２ａはＣＰＵの中央に密着する。なお、冷却装置結合部材８は金属板等の金属製が望ましいが、この押さえ荷重に耐え得る材料であれば、金属製である必要はなく樹脂でよい。
【００３０】
続いて、図４〜図７に基づいて冷却装置１の装着方法を説明する。図４に示すように、冷却装置結合部材８に取り付けられてブロック化された冷却装置１が、基板９の実装面上のＣＰＵ１０の周囲に設けられたガイド１１とクランプ部１２に対して矢印の方向に挿入される。次に、図５に示すように、冷却装置１の受熱一体ポンプ２をガイド１１内に収めるように基板９の方向に押し込むと、ガイド１１により受熱一体ポンプ２がＣＰＵ１０の中央部分に導かれる。このまま冷却装置１を基板９の方向に押し込むと、図５に示すように液冷却装置結合部材８のフック８ｄがクランプ可動ピン１２ａに接触し、可動部材であるクランプ可動側板１２ｂとクランプ可動ピン１２ａを破線で示したように外側に押し開く。
【００３１】
ここでさらに冷却装置１を押し込むと、図６に示すように、略円柱状のクランプ可動ピン１２ａが冷却装置結合部材８のフック８ｄの屈曲頂部を乗り越え、屈曲頂部に隣接して形成された凹部内に回り込んで安定し、クランプ可動側板１２ｂもトーションバネ（図示しない）のため破線で示した傾斜した位置より元の姿勢（基板９に垂直）に自己復帰し、この状態でクランプ可動ピン１２ａが冷却装置結合部材８のフック８ｄに係止された状態となる。この状態で冷却装置１を押し込む作業をやめると、冷却装置結合部材８がクランプ可動ピン１２ａとフック８ｄでロックされ、弾性部材であるコイルバネ８ｃを介して受熱一体ポンプ２が所定の荷重でＣＰＵ１０の上面に押し付けられた状態となる。
【００３２】
従って、受熱一体ポンプ２をＣＰＵ１０の上面に押し付ける荷重はコイルバネ８ｃのバネ定数を変化させることで、任意に設定、調整することが可能であり、また、冷却装置１の側面がガイド１１のガイド規制面に内接することで、基板９と平行な方向に位置規制された状態で保持固定されているので、位置変動もなく均一な押圧力が得られ、冷却装置１の受熱面２ａとＣＰＵ１０に上面の平行度が保たれ、両者の接触状態が安定し、熱接続状態が良好で、冷却性能も向上する。運搬時等における振動も吸収できる。
【００３３】
次に、以上説明したように冷却装置１を装着した後にそれを取り外す方法について図７を用いて説明する。取り外しは基本的に以上説明した装着の手順と逆の作業をすればよい。まず、クランプ可動ピン１２ａがフック８ｄの係止状態を開放できる位置まで冷却装置１を基板９に押し付け、両側のクランプ可動ピン１２ａとクランプ可動側板１２ｂを図６の破線のように外側に開きながら冷却装置１の押し付けを止めると、図５の状態に戻る。この状態から図７に示すようにさらに片方のクランプ可動側板１２ｂを押し開くと、クランプ可動側板凸部１２ｃが受熱一体ポンプ側面凸部２ｂをクランプ固定ピン１２ｄまわりの梃の原理で押し上げる。このため仮にＣＰＵ１０表面に塗られていたサーマルインターフェースによって冷却装置１がＣＰＵ１０に強固に固着していたとしても簡単に取り外すことができる。なお、受熱一体ポンプ２の底面をクランプ可動側板凸部１２ｃで直接押し上げる場合には、受熱一体ポンプ側面凸部２ｂは不要であり、受熱一体ポンプ側面凸部２ｂの設置は適宜行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は、受熱体と放熱体が別体に構成され、放熱体をファン冷却したり、液体冷媒を循環させながら発熱体からの熱をラジエータ側に放熱したりする冷却装置の装置全体またはその一部の構成要素のみを固定する固定装置として適用できる。
【００３５】
さらに、本発明に係わる冷却装置を保持、固定する側の機構については、本実施の形態１の構成に制限されるものではなく、冷却装置の装着のための作業性やそれ自体の固定保持強度が適正であれば、別の形態でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、液体の冷媒を循環させながら基板上に配設された発熱電子部品を冷却する冷却装置及びそれを備えた電子機器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置の装着状態を示す全体側面図
【図２】本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の上方斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の下方斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置との冷却装置装着前の位置関係を示す側面図
【図５】本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧する直前のクランプ部の説明図
【図６】本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧した直後のクランプ部の説明図
【図７】本発明の実施の形態１における冷却装置を取り外す際のクランプ部の可動部材の説明図
【図８】従来の電子機器の冷却装置の固定装置を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１ 冷却装置
２ 受熱一体ポンプ
２ａ 受熱面
２ｂ 受熱一体ポンプ側面凸部
３ ラジエータ
３ａ パイプ
３ｂ 放熱フィン
４ ファン
５ 液流路
６ リザーブタンク
７ 風路
８ 冷却装置結合部材
８ａ 固定ピン
８ｂ 固定ネジ
８ｃ コイルバネ
８ｄ フック
９ 基板
１０ ＣＰＵ
１１ ガイド
１２ クランプ部
１２ａ クランプ可動ピン
１２ｂ クランプ可動側板
１２ｃ クランプ可動側板凸部
１２ｄ クランプ固定ピン
２０ 配線基板
２１ キーボード
２２ ディスク装置
２３ 表示装置
２４ 金属製の筐体
２５ 半導体素子
２６ 受熱ヘッダ
２７ 放熱ヘッダ
２８ フレキシブルチューブ
２９ ねじ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子機器筐体内部の基板に配設された中央演算処理装置（以下、ＣＰＵ）などの発熱電子部品を冷却する冷却装置及びそれを備えた電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータの処理速度は急速に高速化し、ＣＰＵのクロック周波数は以前と比較して飛躍的に大きな値になってきている。この結果、ＣＰＵの発熱量が増大し、従来のコンピュータのようにヒートシンクや放熱フィンを発熱体に接触させて放熱するような消極的な放熱方法では能力不足となり、ヒートシンクや放熱フィンを使いファンで強制冷却したり、あるいは、ヒートパイプ内蔵のヒートシンクモジュールを介在させて放熱体をファンで強制冷却したり、さらには、液体ポンプを使って液体冷媒を強制循環し受熱体と放熱体との間で熱交換をさせて強制冷却したりする、などの強制冷却方法が行われている。そして今後も処理速度の高速化が見込まれることから、冷却能力の更なる向上と小型化に期待が寄せられている。
【０００３】
このような発熱電子部品が実装された基板に取り付ける冷却装置として、例えば、（特許文献１）に開示されているような、発熱部材と金属筐体壁をフレキシブル構造の液流路を有する熱輸送デバイスにより熱接続した冷却装置が知られている。図８は従来の電子機器の冷却装置の固定装置を示す図である。
【０００４】
図８において、電子機器は、複数の半導体素子を搭載した配線基板２０、キーボード２１、ディスク装置２２、表示装置２３などからなり、金属製の筐体２４の中に収容されている。配線基板２０に搭載された半導体素子のうち、発熱量がとくに大きい半導体素子２５は、受熱ヘッダ２６、放熱ヘッダ２７、フレキシブルチューブ２８等で構成される熱輸送デバイスによって冷却される。図８に示すように、半導体素子２５と受熱ヘッダ２６とはサーマルコンパウンド、あるいは、高熱伝導シリコンゴムなどを挟んで接触させ、半導体素子２５で発生する熱を効率よく受熱ヘッダ２６に伝える。
【０００５】
さらに、半導体素子２５に接続された受熱ヘッダ２６はフレキシブルチューブ２８によって、表示装置２３の背面部の筐体壁に設置された放熱ヘッダ２７に接続されている。放熱ヘッダ２７は、サーマルコンパウンド、あるいは、高熱伝導シリコンゴムを介して、もしくは、直接的にねじ２９止めなどの手段によって金属製筐体壁と熱的かつ物理的に取り付けられる。
【０００６】
受熱ヘッダ２６、放熱ヘッダ２７の内部には流路が形成され、液体が封入されている。さらに、放熱ヘッダ２７の内部には液駆動装置が組み込まれており、受熱ヘッダ２６と放熱ヘッダ２７との間で液が往復動あるいは循環することによって熱サイクルとして駆動される。受熱ヘッダ２６と放熱ヘッダ２７間はフレキシブルチューブ２８によって接続されるので、非常に狭い筐体内に多数の部品が実装された状態においても、実装構造に左右されることなく、高発熱半導体素子と放熱部である筐体壁とが容易に接続できるとともに、熱輸送が液の駆動によって行われるので、高発熱半導体素子で発生する熱は、効果的に放熱ヘッダに輸送される。放熱部においては、放熱ヘッダと金属製筐体壁とが熱的に接続されているので、金属製筐体の高い熱伝導率のために熱が広く筐体壁に拡散され高い放熱性能が得られる。したがって、効率的に半導体素子を冷却することができる。
【特許文献１】特開平７−１４２８８６号公報（第６頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、（特許文献１）に記載された従来の冷却装置では、ＣＰＵなどの発熱電子部品である半導体素子２５の表面に受熱ヘッダ２６を設置し、液冷却装置を構成する他の要素、例えば放熱ヘッダ２７、フレキシブルチューブ２８を電子機器筐体内に別々に配置しているため、電子機器筐体の薄型化には対応できるものの、冷却装置の電子機器筐体への取り付け作業が煩雑で、冷却装置自体が占める容積も非常に大きいものとなっていた。
【０００８】
また、それぞれの部品を相互に接続する配管長が必然的に長くなるため、長期使用による冷媒の蒸発量も多くなり、これを補充するための比較的大型のリザーブタンクを液流路の一部に設けざるをえず、結果として冷却装置全体の大型化や配管長が長くなってしまうものであった。これにより従来の冷却装置では、ポンプに対する配管の流路抵抗が増して流量が減り、冷却性能の低下につながっていた。
【０００９】
さらに、放熱性を強化するため、放熱ヘッダ２７やその近傍に金属製のフィンを設けそれらをファンで強制冷却する場合にも、ファンの送風路が障害されないように送風路を電子機器筐体内に確保するためのスペースが必要であったり、電子機器筐体内に冷却装置を設置したりする上で、構成要素のさらなる複雑化とそれに伴う冷却性能の低下が課題であった。
【００１０】
そこで本発明は、基板上の発熱電子部品を高効率に冷却でき、小型で、配管の流路抵抗が小さい冷却装置及びそれを備えた電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため本発明は、液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータで放熱する冷却装置であって、発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を循環路でラジエータに送る受熱一体ポンプを備え、該受熱一体ポンプと前記ラジエータが対向して配置され、その間にラジエータを強制冷却するファンがそれぞれと対向するように配置されたことを主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の冷却装置によれば、受熱一体ポンプ、ラジエータ、ファン、及びリザーブタンクなどの構成要素を簡素な構造で一体的に構成できるので、電子機器筐体内の発熱電子部品への実装の作業が容易となるばかりでなく、配管長も短くでき冷媒の水分蒸発量が抑制でき、その分リザーブタンクを小型化することができ、冷却装置全体を小型化するとともに、配管長が短くなることで、ポンプに対する配管の流路抵抗が減少し、これによって流量が増大し、冷却性能を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
上記課題を解決するためになされた本発明の第１の発明は、液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータで放熱する冷却装置であって、発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を循環路でラジエータに送る受熱一体ポンプを備え、該受熱一体ポンプと前記ラジエータが対向して配置され、その間にラジエータを強制冷却するファンがそれぞれと対向するように配置された冷却装置であり、簡素な構造で一体的に構成されているので、電子機器筐体内の発熱電子部品への実装の作業が容易となるばかりでなく、本発明の冷却装置を電子機器筐体内で他の周辺装置や筐体壁に近接して設置したとしても、ラジエータの放熱に必要なファンの送風路は妨げられることがなく、配管長が短く、ポンプに対する配管の流路抵抗が減少し、流量が増大することによって冷却性能も向上することができる。
【００１４】
本発明の第２の発明は、第１の発明に従属する発明であって、ファンと受熱一体ポンプとの間に風路が設けられた冷却装置であり、第１の発明の効果に加え、本発明の冷却装置を電子機器筐体内で他の周辺装置や筐体壁に近接して設置したとしても、ラジエータの放熱に必要なファンの送風路を十分確保できラジエータに十分な風量の空気を送風できるのでラジエータの放熱性能を向上できる。
【００１５】
本発明の第３の発明は、第１の発明または第２の発明に従属する発明であって、受熱一体ポンプとラジエータとファンをそれぞれ結合して一体にする冷却装置結合部材が設けられた冷却装置であり、第１または第２の発明の効果に加え、冷却装置結合部材により冷却装置の各構成要素を所定の位置に配置、固定する作業が容易に可能となる。
【００１６】
本発明の第４の発明は、第３の発明に従属する発明であって、冷却装置結合部材が受熱一体ポンプとファンの間に配置され、該冷却装置結合部材と受熱一体ポンプとの間に弾性部材が設けられた冷却装置であり、第３の発明の効果に加え、本発明の冷却装置を基板上で着脱する際に、冷却結合部材と冷却装置を基板側に押し付けることで、冷却装置結合部材を基板に係止したり、開放したりする動作に利用でき、これによって冷却装置の着脱作業が容易となり、発熱電子部品の交換作業がより簡単になる。さらに、受熱一体ポンプを発熱電子部品へ均一的に押圧することができ、安定した熱接続状態を維持できるので、放熱性能も向上できる。また、運搬時等における振動も吸収できる。
【００１７】
本発明の第５の発明は、第３または第４の発明に従属する発明であって、冷却装置結合部材が受熱一体ポンプとファンの間に配置され、該冷却装置結合部材には基板に係止するためのフックが設けられた冷却装置であり、例えば基板側に設けられたクランプ部に冷却装置結合部材を係止したり、開放したりする動作に利用でき、これによって冷却装置の着脱作業が容易となり、発熱電子部品の交換作業がより簡単になる。
【００１８】
本発明の第６の発明は、第１〜第５のいずれかの発明に従属する発明であって、受熱一体ポンプ、ラジエータ、またはファンのいずれかの側面に隣接してリザーブタンクが配置された冷却装置であり、第１〜第５のいずれかの発明の効果に加え、長期間使用する際に蒸発する冷媒の補給を必要とすることなく、また側面に隣接することで液流路を短くすることができるため液流路からの冷媒の蒸発量が少なくなり冷却装置の連続使用が可能となる冷却装置を提供できる。
【００１９】
本発明の第７の発明は、第１〜第６のいずれかの発明の冷却装置を備え、冷却装置の受熱一体ポンプが発熱電子部品と熱接続された電子機器であり、小型であり冷媒の水分蒸発量を抑制でき、発熱電子部品の交換などのメンテナンス作業が容易な電子機器を提供できる。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態１について図面を用いて説明する。
【００２１】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１は、電子機器としてコンピュータ装置に搭載する液体の冷媒を用いた液冷却方式の冷却装置に関するものである。図１は本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置の装着状態を示す全体側面図、図２は本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の上方斜視図、図３は本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の下方斜視図、図４は本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置との冷却装置装着前の位置関係を示す側面図、図５本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧する直前のクランプ部の説明図、図６は本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧した直後のクランプ部の説明図、図７は本発明の実施の形態１における冷却装置を取り外す際のクランプ部の可動部材の説明図である。
【００２２】
図１〜図３は冷却装置１を実施の形態１の固定装置に装着した状態を示している。冷却装置１は、受熱一体ポンプ２、ラジエータ３、リザーブタンク６を循環路に配し、液体冷媒（以下、冷却液）を使い、受熱一体ポンプ２で受熱した熱をラジエータ３まで運び、ファン４によってラジエータ３を冷却し、放熱後の冷却液を再び受熱一体ポンプ２に戻して循環させる冷却システムを１ブロック化した構造である。なお、液体冷媒は水や不凍液等が好適である。
【００２３】
発熱電子部品であるＣＰＵから発生した熱は受熱一体ポンプ２の底面に形成された受熱面２ａ（本発明の受熱部）を介して内部に循環している冷却液に伝えられ、冷却液の温度が上昇する。熱交換で温度が上昇した冷却液は受熱一体ポンプ２によってラジエータ３へ送られる。ラジエータ３は冷却液が流れる金属性のパイプ３ａとこれと接触している複数の放熱フィン３ｂとで構成され、温度上昇した冷却液の熱が放熱フィン３ｂに効率よく伝わる構造となっている。
【００２４】
ラジエータ３は、図２に示すような蛇行する金属性のパイプ３ａと、これと交差、接触している複数の放熱フィン３ｂとから構成され、パイプ３ａの中を冷却液が流れてその熱が放熱フィン３ｂに伝熱される。さらに、この伝熱された熱を放熱するためファン４が放熱フィン３ｂに風を当て、温度上昇した空気を放出する。熱を奪われ温度が低下した冷却液はリザーブタンク６を通って再び受熱一体ポンプ２へ送られる。
【００２５】
そして、受熱一体ポンプ２とラジエータ３は対向した位置関係に配置され、その間にラジエータ３を強制冷却するファン４が両者と対向するように配置される。このときファン４の吸い込み側が受熱一体ポンプ２と対向して配置されることになり、両者の間はファン４に供給する空気の風路７となる。このようにファン４と受熱一体ポンプ２、ラジエータ３を対向配置させることで、最小のスペースで冷却装置１を構成するとともに、ファン４と受熱一体ポンプ２間の風路７によりラジエータ３に送風する十分な風量の空気を確保することができる。
【００２６】
なお、リザーブタンク６には、冷却液内に混入した空気を分離するための気液分離機構が設けられており、冷却装置１がいかなる姿勢になっても分離した空気が再度受熱一体ポンプ２へ混入することのないように構成されている。そして、長期にわたって使用され冷却液の水分が気化しても冷却性能を維持するために、十分な量の冷却液を内部に貯えている。なお、実施の形態１では受熱一体ポンプ２→ラジエータ３→リザーブタンク６→受熱一体ポンプ２の順序で冷却液が循環するが、冷却液が循環する順は適宜変更できる。
【００２７】
この冷却装置１は、ファン４が図２，図３に示すように冷却装置結合部材８に固定ピン８ａで固定され、その上側にラジエータ３が搭載され、ラジエータ３の側面にリザーブタンク６が固定される。一方、受熱一体ポンプ２は、弾性部材であるコイルバネ８ｃ（図１では圧縮された状態となっている）を介して冷却装置結合部材８の下面に固定ネジ８ｂで固定される。コイルバネ８ｃで固定されるので受熱一体ポンプ２は上下方向に可動であり、振動と押圧力の吸収が可能になる。発熱電子部品であるＣＰＵから発生した熱は受熱一体ポンプ２の底面に位置する受熱面２ａを介して受熱面内部に循環している冷却液に伝えられ冷却液の温度が上昇する。
【００２８】
受熱面２ａを通しての熱交換で温度上昇した冷却液は受熱一体ポンプ２によってラジエータ３へ送られる。ラジエータ３では、パイプ３ａの中を冷却液が流れてその熱が放熱フィン３ｂに伝熱される。さらに、この伝熱された熱はファン４からの風によって放出される。温度低下した冷却液はリザーブタンク６を通って再び受熱一体ポンプ２へ送られる。
【００２９】
ところで、冷却装置結合部材８には受熱一体ポンプ２の両側に図３のようなフック８ｄが設けられており、後述するクランプ部１２と係合する。これにより、コイルバネ８ｃを介して所定の荷重で受熱一体ポンプ２を付勢し、ＣＰＵの上面に押し付けることが可能になり、図３に示す受熱一体ポンプ２下方の円形の受熱面２ａはＣＰＵの中央に密着する。なお、冷却装置結合部材８は金属板等の金属製が望ましいが、この押さえ荷重に耐え得る材料であれば、金属製である必要はなく樹脂でよい。
【００３０】
続いて、図４〜図７に基づいて冷却装置１の装着方法を説明する。図４に示すように、冷却装置結合部材８に取り付けられてブロック化された冷却装置１が、基板９の実装面上のＣＰＵ１０の周囲に設けられたガイド１１とクランプ部１２に対して矢印の方向に挿入される。次に、図５に示すように、冷却装置１の受熱一体ポンプ２をガイド１１内に収めるように基板９の方向に押し込むと、ガイド１１により受熱一体ポンプ２がＣＰＵ１０の中央部分に導かれる。このまま冷却装置１を基板９の方向に押し込むと、図５に示すように液冷却装置結合部材８のフック８ｄがクランプ可動ピン１２ａに接触し、可動部材であるクランプ可動側板１２ｂとクランプ可動ピン１２ａを破線で示したように外側に押し開く。
【００３１】
ここでさらに冷却装置１を押し込むと、図６に示すように、略円柱状のクランプ可動ピン１２ａが冷却装置結合部材８のフック８ｄの屈曲頂部を乗り越え、屈曲頂部に隣接して形成された凹部内に回り込んで安定し、クランプ可動側板１２ｂもトーションバネ（図示しない）のため破線で示した傾斜した位置より元の姿勢（基板９に垂直）に自己復帰し、この状態でクランプ可動ピン１２ａが冷却装置結合部材８のフック８ｄに係止された状態となる。この状態で冷却装置１を押し込む作業をやめると、冷却装置結合部材８がクランプ可動ピン１２ａとフック８ｄでロックされ、弾性部材であるコイルバネ８ｃを介して受熱一体ポンプ２が所定の荷重でＣＰＵ１０の上面に押し付けられた状態となる。
【００３２】
従って、受熱一体ポンプ２をＣＰＵ１０の上面に押し付ける荷重はコイルバネ８ｃのバネ定数を変化させることで、任意に設定、調整することが可能であり、また、冷却装置１の側面がガイド１１のガイド規制面に内接することで、基板９と平行な方向に位置規制された状態で保持固定されているので、位置変動もなく均一な押圧力が得られ、冷却装置１の受熱面２ａとＣＰＵ１０に上面の平行度が保たれ、両者の接触状態が安定し、熱接続状態が良好で、冷却性能も向上する。運搬時等における振動も吸収できる。
【００３３】
次に、以上説明したように冷却装置１を装着した後にそれを取り外す方法について図７を用いて説明する。取り外しは基本的に以上説明した装着の手順と逆の作業をすればよい。まず、クランプ可動ピン１２ａがフック８ｄの係止状態を開放できる位置まで冷却装置１を基板９に押し付け、両側のクランプ可動ピン１２ａとクランプ可動側板１２ｂを図６の破線のように外側に開きながら冷却装置１の押し付けを止めると、図５の状態に戻る。この状態から図７に示すようにさらに片方のクランプ可動側板１２ｂを押し開くと、クランプ可動側板凸部１２ｃが受熱一体ポンプ側面凸部２ｂをクランプ固定ピン１２ｄまわりの梃の原理で押し上げる。このため仮にＣＰＵ１０表面に塗られていたサーマルインターフェースによって冷却装置１がＣＰＵ１０に強固に固着していたとしても簡単に取り外すことができる。なお、受熱一体ポンプ２の底面をクランプ可動側板凸部１２ｃで直接押し上げる場合には、受熱一体ポンプ側面凸部２ｂは不要であり、受熱一体ポンプ側面凸部２ｂの設置は適宜行うことができる。
【００３４】
なお、本発明は、受熱体と放熱体が別体に構成され、放熱体をファン冷却したり、液体冷媒を循環させながら発熱体からの熱をラジエータ側に放熱したりする冷却装置の装置全体またはその一部の構成要素のみを固定する固定装置として適用できる。
【００３５】
さらに、本発明に係わる冷却装置を保持、固定する側の機構については、本実施の形態１の構成に制限されるものではなく、冷却装置の装着のための作業性やそれ自体の固定保持強度が適正であれば、別の形態でもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、液体の冷媒を循環させながら基板上に配設された発熱電子部品を冷却する冷却装置及びそれを備えた電子機器に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置の装着状態を示す全体側面図
【図２】本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の上方斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における冷却装置結合部材へ取り付けられた冷却装置の下方斜視図
【図４】本発明の実施の形態１における冷却装置の固定装置との冷却装置装着前の位置関係を示す側面図
【図５】本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧する直前のクランプ部の説明図
【図６】本発明の実施の形態１における冷却装置を基板方向に押圧した直後のクランプ部の説明図
【図７】本発明の実施の形態１における冷却装置を取り外す際のクランプ部の可動部材の説明図
【図８】従来の電子機器の冷却装置の固定装置を示す図
【符号の説明】
【００３８】
１ 冷却装置
２ 受熱一体ポンプ
２ａ 受熱面
２ｂ 受熱一体ポンプ側面凸部
３ ラジエータ
３ａ パイプ
３ｂ 放熱フィン
４ ファン
５ 液流路
６ リザーブタンク
７ 風路
８ 冷却装置結合部材
８ａ 固定ピン
８ｂ 固定ネジ
８ｃ コイルバネ
８ｄ フック
９ 基板
１０ ＣＰＵ
１１ ガイド
１２ クランプ部
１２ａ クランプ可動ピン
１２ｂ クランプ可動側板
１２ｃ クランプ可動側板凸部
１２ｄ クランプ固定ピン
２０ 配線基板
２１ キーボード
２２ ディスク装置
２３ 表示装置
２４ 金属製の筐体
２５ 半導体素子
２６ 受熱ヘッダ
２７ 放熱ヘッダ
２８ フレキシブルチューブ
２９ ねじ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータで放熱する冷却装置であって、前記発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を循環路で前記ラジエータに送る受熱一体ポンプを備え、該受熱一体ポンプと前記ラジエータが対向して配置され、その間に前記ラジエータを強制冷却するファンがそれぞれと対向するように配置されたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記ファンと前記受熱一体ポンプとの間に風路が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記受熱一体ポンプと前記ラジエータと前記ファンをそれぞれ結合して一体にする冷却装置結合部材が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却装置結合部材が前記受熱一体ポンプと前記ファンの間に配置され、該冷却装置結合部材と前記受熱一体ポンプとの間に弾性部材が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却装置結合部材が前記受熱一体ポンプと前記ファンの間に配置され、該冷却装置結合部材には前記基板に係止するためのフックが設けられたことを特徴とする請求項３または４記載の冷却装置。
【請求項６】
前記受熱一体ポンプ、前記ラジエータ、または前記ファンのいずれかの側面に隣接してリザーブタンクが配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置を備え、前記冷却装置の受熱一体ポンプが発熱電子部品と熱接続されたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
液体冷媒を循環し、該液体冷媒との熱交換で基板に実装した発熱電子部品から熱を奪い、奪った熱をラジエータで放熱する冷却装置であって、前記発熱電子部品と内部を流れる液体冷媒を熱交換させるための受熱部が設けられ、熱交換後の液体冷媒を循環路で前記ラジエータに送る受熱一体ポンプを備え、該受熱一体ポンプと前記ラジエータが対向して配置され、その間に前記ラジエータを強制冷却するファンがそれぞれと対向するように配置されたことを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記ファンと前記受熱一体ポンプとの間に風路が設けられたことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記受熱一体ポンプと前記ラジエータと前記ファンをそれぞれ結合して一体にする冷却装置結合部材が設けられたことを特徴とする請求項１または２記載の冷却装置。
【請求項４】
前記冷却装置結合部材が前記受熱一体ポンプと前記ファンの間に配置され、該冷却装置結合部材と前記受熱一体ポンプとの間に弾性部材が設けられたことを特徴とする請求項３に記載の冷却装置。
【請求項５】
前記冷却装置結合部材が前記受熱一体ポンプと前記ファンの間に配置され、該冷却装置結合部材には前記基板に係止するためのフックが設けられたことを特徴とする請求項３または４記載の冷却装置。
【請求項６】
前記受熱一体ポンプ、前記ラジエータ、または前記ファンのいずれかの側面に隣接してリザーブタンクが配置されたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却装置を備え、前記冷却装置の受熱一体ポンプが発熱電子部品と熱接続されたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−１９０７３５（Ｐ２００６−１９０７３５Ａ）
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３８７（Ｐ２００５−３８７）
【出願日】平成１７年１月５日（２００５．１．５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月２０日（２００６．７．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１月５日（２００５．１．５）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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