JP2002151638A - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

電子機器の冷却装置

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JP2002151638A JP2000345470A JP2000345470A JP2002151638A JP 2002151638 A JP2002151638 A JP 2002151638A JP 2000345470 A JP2000345470 A JP 2000345470A JP 2000345470 A JP2000345470 A JP 2000345470A JP 2002151638 A JP2002151638 A JP 2002151638A
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2250/00Arrangements for modifying the flow of the heat exchange media, e.g. flow guiding means; Particular flow patterns
    • F28F2250/08Fluid driving means, e.g. pumps, fans

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  • Cooling Or The Like Of Electrical Apparatus (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【課題】液体冷却ヒートシンクとポンプとを筐体内にコ
ンパクトに実装するための冷却構造。 【解決手段】ポンプ5が液体冷却ヒートシンク4の上部
に搭載され、ポンプ5と液体冷却ヒートシンク4とを一
体構造として取扱える構造にし、液体冷却システムを電
子機器筐体内にコンパクトに搭載でき、現状の空冷方式
の電子機器筐体構造を大きく変えることなく、冷却性能
が高く、かつ低騒音で、信頼性の高い液体冷却システム
を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、配線基板上に搭載
されたLSI等の発熱電子回路部品を、液体冷却するた
めの冷却構造に係り、特に液体冷却ヒートシンクとポン
プとをコンパクトに実装するための冷却構造に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、コンピュータや通信機器、マルチ
メディア機器等に代表される電子機器の発熱量は著しく
増加する傾向にあり、特に演算処理を集中して行うCP
Uや、画像処理用LSI、パワーアンプ等の冷却は非常
に重要な課題となってきた。
【0003】また、冷却方式としては、従来から、空冷
フィンとファンを組合せた空冷方式が数多く用いられて
きた。しかしながら、空冷方式は、液冷方式に比較して
冷却限界が低いため、最近、CPU等の高発熱LSIの
みを水等の液体冷媒により液冷する方式が検討されてい
る。
【0004】例えば、特開平8−32262号公報には、図4
に示すような液冷方式が開示されている。発熱量の大き
くない空冷可能なLSI51と、発熱量が大きいため水
冷ヒートシンク40で冷却されるLSIとが、同じ配線
基板50上に搭載されている。空冷可能なLSI51は
2つのファン47により空冷される。冷却空気は48に
示すように外部から供給され、49に示すように排気さ
れる。発熱量の大きいLSIに搭載された水冷ヒートシ
ンク40はホース41でを介して出口配管42に連結さ
れ、40で温められた冷却水は熱交換器43においてフ
ァン47の空気により冷却される。冷却された冷却水は
冷媒配管44を経由してポンプ45に流れ、加圧された
後に入口配管46を通って再び水冷ヒートシンク40に
供給される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】特開平8−32262号公報
に開示された冷却構造では、ポンプ45が配線基板50
や水冷ヒートシンク40と離れて設置されているため、
ポンプ45を実装するスペースとポンプ45に接続する
配管スペースが筐体内に別途必要となり、電子機器筐体
をコンパクトにすることができないという問題点があっ
た。
【0006】本発明の目的は、コンパクトで、低騒音
で、冷却性能に優れ、かつ信頼性の高い電子機器の冷却
構造を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、配線基板と、配線基板上に搭載された
LSI等の電子回路部品を含む発熱体と、発熱体上に熱
的に接触して搭載された液体冷却ヒートシンクと、液体
冷媒を加圧して循環させるポンプとからなる電子機器の
冷却装置を前提とし、ポンプが液体冷却ヒートシンクの
上部に搭載される構造とした。
【0008】また、ポンプが液体冷却ヒートシンクの上
部に固定され、さらにポンプと液体冷却ヒートシンクと
を一体構造として取扱える構造とした。
【0009】また、ポンプの液体冷媒吐出し部が液体冷
却ヒートシンクに配管等で直接連結された構造とした。
【0010】さらに、ポンプが直流電源で動作する構成
とした。
【0011】さらに、ポンプが振動吸収部材等を介して
液体冷却ヒートシンクに固定される構造とした。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明の第一の実施例について図
1を用いて説明する。LSI等の電子回路部品を含む発
熱体1は、配線基板2上に配線用ピン3や半田ボール等
を介して電気的に接続されて搭載されている。発熱体1
は、例えばコンピュータ用のCPUや、画像処理用LS
I、FETパワーアンプ等である。発熱体1上には、発
熱体1を液冷するための液体冷却ヒートシンク4が、熱
伝導コンパウンド21や熱伝導グリース、または熱伝導
シート等を介して熱的に接続されて搭載されている。さ
らに、液体冷却ヒートシンク4の上部には、液体冷媒を
加圧して循環させるポンプ5が搭載されている。
【0013】本実施例では、ポンプ5が振動吸収部材1
9を介して液体冷却ヒートシンク4に固定される構造を
採っている。そのためポンプ5の振動が直接CPU等の
電子部品に影響を及ぼし難い構造となっている。ポンプ
5はフレキシブルなホース6により液体冷却ヒートシン
ク4と接続されている。ホース6は一端がポンプ5の冷
媒吐出し部カプラ7に接続され、他端が液体冷却ヒート
シンク4の給水カプラ9に接続されており、加圧された
液体冷媒は8のように流れた後に10のように直接液体
冷却ヒートシンク4に流入する。液体冷媒は、液体冷却
ヒートシンク4内に流入した後に、ヒートシンク内に構
成された複数の流路に別れて蛇行状に流れ、発熱体1の
熱を吸収する。加熱された液体冷媒は排水カプラ17、
ホース16を経て、液体冷媒を冷却する熱交換部(図示
せず)に18に示すように流れる。熱交換部で冷却され
た液体冷媒は、15のように戻ってきて、ホース13、
冷媒吸込み部カプラ14を介してポンプ5に吸込まれ、
再び加圧されて液体冷却ヒートシンク4に供給される。
【0014】なお、前述したカプラ7,9,14,17
によってホース6,13,16は脱着が容易になってい
るため、組立て性やメンテナンス性が良い構造を実現し
ている。
【0015】上記のように、ポンプ5が液体冷却ヒート
シンク4の上部に搭載される構造とすることにより、ポ
ンプ5を別途設置するスペースを電子機器筐体内に用意
する必要が無くなり、またポンプから液体冷却ヒートシ
ンク4までのホースを短くできるので、液体冷却システ
ムを電子機器筐体内にコンパクトに搭載できる。そのた
め、現状の空冷方式の電子機器筐体構造を大きく変える
ことなく、冷却性能が高く、かつ低騒音の液体冷却シス
テムを搭載することが可能となる。
【0016】また、ポンプ5が液体冷却ヒートシンク4
の上部に固定され、ポンプと液冷ヒートシンクとを一体
構造として取扱えるようにすると、組立て時の部品点数
が低減し、さらに、現状パソコン等で多用されているフ
ァン付き空冷ヒートシンクの代わりに、このポンプと液
冷ヒートシンクの一体部品キットを組付けることができ
るため、液体冷却システムを無理なく電子機器に導入可
能である。
【0017】また、ポンプ5の冷媒吐出し部7が液体冷
却ヒートシンク4の給水カプラ9に配管等で直接連結さ
れた構造とした。そのため、ポンプ5から液体冷却ヒー
トシンク4までのホースを非常に短くできるので、ホー
スでの液体冷媒の流動損失を小さくでき、その結果ポン
プ5の揚程能力を小さくでき、最終的にモータの能力を
より小さくし、ポンプを小型化することができる。
【0018】ポンプ5は羽根車ケース11とモータ12
から構成される。本実施例において、ポンプ5は羽根車
ケース11内に設置された羽根車を回転させて液体冷媒
を加圧する遠心型の例を示したが、ダイヤフラムなどを
用いて機械的容積変化により液体冷媒を加圧する容積型
ポンプであっても良い。また、本実施例においては、モ
ータと羽根車の軸が液体冷却ヒートシンク4の上面にほ
ぼ垂直になるように搭載されており、よって、モータの
底面が液体冷却ヒートシンク4の上面に振動吸収部材1
9を介して面同士で接合されるため、モータの座りが良
い構造を実現できる。
【0019】モータ12は直流電源で駆動するDCモー
タである。DCモータとすることにより、DC電圧を変
化させて容易にモータの回転数を変えられるので、冷却
能力の制御も可能になる。さらに、モータをDCブラシ
レスモータとすることにより、低騒音でかつ高寿命のポ
ンプを実現することができる。
【0020】液体冷媒の流量が 0.1(リットル/分)
のオーダーのように比較的小さい場合には、駆動電圧を
例えば 1〜1.5(V)程度の乾電池でも駆動可能なも
のとすれば、ポンプのバッテリー駆動が可能となり、信
頼性の高い液体冷却システムを構築できる。また、液体
冷媒の流量が1(リットル/分)のオーダーのように比
較的大きい場合には、駆動電圧を例えば2〜12(V)
程度の電子機器のDC電源で供給可能な電圧とすると、
ポンプ用の専用電源を用意する必要がないためコンパク
トで安価に液体冷却システムを構築できる。だだし、本
発明は、モータ12を必ずしもDCモータに限定するも
のではなく、例えば100(V)や 200(V)の交流電
源で駆動するACモータであっても構わない。
【0021】液体冷媒は入手が容易な水が良く、特に純
水であると熱容量が大きいので冷却性能を高くでき、さ
らに腐食に強く、不純物が流路内に堆積し難いので信頼
性の高い液体冷却システムを実現することができる。ま
た、液体冷媒として、水にエチレングリコール等を添加
した不凍液を使えば、寒冷時の液体冷媒凍結による流路
部破損を防止できる。また、液体冷媒にパーフルオロカ
ーボン等の非電導性冷媒を使えば、万一の液漏れ時にも
電子回路のショート等の事故を防ぐことができる。
【0022】本発明の第二の実施例について図2を用い
て説明する。本実施例においては、モータ5と羽根車の
軸が液体冷却ヒートシンク4の上面にほぼ平行になるよ
うに搭載されている。それにより、モータ出力が高く、
そのためモータの軸方向長さが長い高出力ポンプでも、
液体冷却ヒートシンク4上にコンパクトに搭載できる。
本実施例では、ポンプ5は液体冷却ヒートシンク4上に
ブラケット20で固定されている。ブラケット20は、
材質が振動吸収部材であるか、その一部に振動吸収部材
を用いることにより、ポンプ5の振動が直接CPU等の
電子部品に影響を及ぼし難い構造とすることができる。
第二の実施例は、上記以外は第一の実施例と同様であ
る。
【0023】本発明の第三の実施例について図3を用い
て説明する。本実施例は、第一の実施例で示したポンプ
と液冷ヒートシンク一体型の液体冷却システムを、実際
の電子機器筐体内に搭載した例を示している。
【0024】LSI等の発熱体1は、マザーボードであ
る配線基板2上に搭載されている。発熱体1上には、発
熱体1を液冷するための液体冷却ヒートシンク4が搭載
されている。さらに、液体冷却ヒートシンク4の上部に
は、ポンプ5が搭載されている。配線基板2上には、発
熱体1以外に、メモリLSIやドライバLSIなどの空
冷で冷却可能な発熱体22a,22b,22cや、IO
カード、メモリカード、ハードディスク等のカード実装
基板23等が搭載されている。配線基板2は、電子機器
筐体のケース24内に収められている。ケース24には
空冷用のファン34が取付けられており、前記多数の空
冷部品を冷却風25で空冷している。
【0025】液体冷却ヒートシンク4で加熱された液体
冷媒は、ホース16で18に示すように流れ、筐体ケー
スの側板32に取付けられた熱交換器27に接続カプラ
26を介して接続される。本実施例では、熱交換器27
の配管が側板32に熱的に接触して取付けられており、
液体冷媒は熱交換器内で28や29のように蛇行しなが
ら上方へ流れる。液体冷媒の熱は側板32全体に熱伝導
により広げられた後に、電子機器筐体周囲の自然対流に
よる空気流33やファン34による冷却風25により放
熱される。
【0026】冷却された液体冷媒は、30のように流
れ、接続カプラ31を介して戻り側のホース13に接続
され、15のようにポンプ5に戻り、再び加圧されて液
体冷却ヒートシンク4に供給される。
【0027】側板32と熱交換器27の構成方法の一例
として、側板32をアルミニウムやマグネシウムや銅等
の金属材料で構成し、さらに熱交換器の配管を金属材料
で構成し、両者をろう付けや半田付け等の金属接合や熱
伝導性接着剤等で接続する方法がある。この場合、熱伝
導を良好にできるので、液体冷却システムの冷却性能を
向上させることができる。また、2枚の金属板を熱交換
器の蛇行流路を空けた状態で接合させて、側板と熱交換
器を一体成形するロールボンド等の製法を用いれば、よ
り安価に熱交換器を製造できる。ただし、側板32が樹
脂製等の非金属材料であったり、熱交換器27の配管が
非金属材料であっても、本発明の効果は実現できるもの
である。
【0028】以上から、本実施例の構成とすることによ
り、ポンプ5を別途設置するスペースを電子機器筐体内
に用意する必要が無くなり、またポンプから液体冷却ヒ
ートシンク4までのホースを短くできるので、液体冷却
システムを電子機器筐体内にコンパクトに搭載できる。
【0029】さらに、現状の空冷方式の電子機器筐体構
造を大きく変えることなく、熱交換器27を備えた側板
32と、ポンプ一体型液冷ヒートシンクと、2本の接続
ホース13,16を追加するだけで、冷却性能が高く、
かつ低騒音の液体冷却システムを実現することが可能と
なる。
【0030】また、現状パソコン等で多用されているフ
ァン付き空冷ヒートシンクの代わりに、このポンプと液
冷ヒートシンクの一体部品キットを組付けることができ
るため、液体冷却システムを無理なく電子機器に導入可
能である。ポンプの電源がファン付き空冷ヒートシンク
のファン用電源と互換性があれば、さらに導入が容易と
なることは言うまでもない。
【0031】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第一に、液体冷却システムを電子機器筐体内にコンパク
トに搭載できる。
【0032】第二に、現状の空冷方式の電子機器筐体構
造を大きく変えることなく、冷却性能が高く、かつ低騒
音で、信頼性の高い液体冷却システムを搭載することが
できる。
【0033】第三に、組立て時の部品点数が低減し、か
つ、ファン付き空冷ヒートシンクの代わりに、ポンプと
液冷ヒートシンクの一体部品キットを組付けることがで
きるため、液体冷却システムを無理なく電子機器に導入
できる。
【0034】第四に、ポンプの揚程能力を小さくでき、
モータの能力をより小さくし、小型化できる。
【0035】第五に、ポンプの回転数を変化させて冷却
能力を制御可能な液体冷却システムとすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例である電子機器の冷却装
置の斜視図。
【図2】本発明の第二の実施例である電子機器の冷却装
置の斜視図。
【図3】本発明の第三の実施例である電子機器の冷却装
置の斜視図。
【図4】従来例の電子機器の冷却装置を示す斜視図。
【符号の説明】
1…発熱体、2…配線基板、3…配線用ピン、4…液体
冷却ヒートシンク、5…ポンプ、6…ホース、7…冷媒
吐出し部カプラ、8…液体冷媒の流れ、9…給水カプ
ラ、10…液体冷媒の流れ、11…羽根車ケース、12
…モータ、13…ホース、14…冷媒吸込み部カプラ、
15…液体冷媒の流れ、16…ホース、17…排水カプ
ラ、18…液体冷媒の流れ、19…振動吸収部材、20
…ブラケット、21…熱伝導性コンパウンド、22a…
空冷で冷却可能な発熱体、22b…空冷で冷却可能な発
熱体、22c…空冷で冷却可能な発熱体、23…カード
実装基板、24…電子機器筐体のケース、25…冷却
風、26…接続カプラ、27…熱交換器、28…蛇行す
る液体冷媒の流れ、29…蛇行する液体冷媒の流れ、3
0…液体冷媒の流れ、31…接続カプラ、32…側板、
33…空気流、34…ファン、40…水冷ヒートシン
ク、41…ホース、42…出口配管、43…熱交換器、
44…冷媒配管、45…ポンプ、46…入口配管、47
…ファン、48…冷却空気、49…冷却空気、50…配
線基板、51…空冷可能なLSI。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】配線基板と、該配線基板上に搭載されたL
    SI等の電子回路部品を含む発熱体と、該発熱体上に熱
    的に接触して搭載された液体冷却ヒートシンクと、液体
    冷媒を加圧して循環させるポンプとからなる電子機器の
    冷却装置であって、該ポンプが該液体冷却ヒートシンク
    の上部に搭載されることを特徴とする電子機器の冷却装
    置。
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