JP2005229047A - 電子機器の冷却システム、及び、それを使用した電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 冷却効率が高い冷却システムを備えたデスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等を提供する。
【解決手段】 筐体１００内に、冷却を必要とするＣＰＵ２００を搭載し、このＣＰＵを冷却する液冷システムは、受熱（冷却）ジャケット５０と、ラジエータ６０と、循環ポンプ７０とを備え、発熱素子であるＣＰＵから熱を内部に流れる液体冷媒に伝達する受熱（冷却）ジャケット５０は、その下面に取り付けられた拡散板９０を有する。この拡散板は、その内部に形成された密閉空間内に水等の作動流体９４を封入すると共に、その一部に接触して設けられたヒータエレメント９５を備え、このヒータエレメント９５には、パルス状の電力が供給される。これにより、その一部が発泡・消滅を繰り返して作動流体へ振動を与え、拡散板全体に熱を拡散した後、受熱（冷却）ジャケットに伝達される。あるいは、直接、放熱フィン３００に接続してもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器であって、特に、その内部に搭載した発熱素子である半導体集積回路素子を効率的に冷却することが可能な電子機器の冷却システム、及び、それを利用した電子機器に関する。

デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器における発熱体である半導体集積回路素子、特に、ＣＰＵ（Central Processing Unit）に代表される発熱素子の冷却は、通常、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする。そのため、従来、一般的には、ヒートシンクと呼ばれるフィンを一体に形成した伝熱体と、それに冷却風を送るファンとを用いることによってその冷却が実現されていた。しかしながら、近年、上記発熱素子である半導体集積回路素子の益々の小型化及び高集積化は、発熱素子における発熱部位の局所化などを生じており、そのためにも、従来の空冷式の冷却システムに代えて、例えば水等の冷媒を用いた、冷却効率の高い液冷式の冷却システムが注目されてきている。

すなわち、上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられる冷却効率の高い液冷式の冷却システムは、例えば、以下の特許文献１〜５によっても知られるように、一般に、発熱体であるＣＰＵの表面に、所謂、受熱（冷却）ジャケットと呼ばれる部材を直接に搭載し、一方、この受熱ジャケットの内部に形成された流路内に液状の冷媒を通流させ、ＣＰＵからの発熱を上記ジャケット内を流れる冷媒に伝達し、もって、発熱体を高効率で冷却するものである。なお、かかる液冷式の冷却システムでは、通常、上記冷却ジャケットを受熱部とするヒートサイクルが形成されており、具体的には、上記液体冷媒をサイクル内に循環させるための循環ポンプ、上記液体冷媒の熱を外部に放熱するための放熱部である、所謂、ラジエータ、さらには、必要に応じてサイクルの一部に設けられた冷媒タンクを備えており、そして、これらを金属製のチューブや、又は、ゴムなどの弾性体からなるチューブを介して接続して構成されている。

一方、従来、電子機器に搭載される半導体素子等の発熱体からの熱を拡散（伝達）するための装置として、例えば、高熱伝導材からなる上板と下板との接合面にループ状の溝を形成し、これら両板を当該ループ状溝が対向するように重ね合わせて接合し、もって、その内部にヒートパイプを形成する熱拡散板は、既に、例えば、以下の特許文献６により知られている。

加えて、一般に、発熱体からの熱を輸送する熱輸送素子としては、例えば、内部に封入した流体を駆動させることによって熱を輸送することが既に知られている。例えば、以下の特許文献７に開示された装置においては、その上に複数の半導体素子（発熱体）が搭載された配線基板から熱を輸送するため、形成された液流路の一部に、毛細管から構成され、かつ、その一部に電気的な加熱手段を備えることにより、毛細管内部の液をパルス的に加熱、突沸させ、この突沸時の気化に伴う急激な圧力上昇によって上記液を駆動する。なお、液体の振動を利用して熱を伝達する原理については、例えば、以下の非特許文献１に詳しい。また、ヒートパイプや液体の振動を利用して熱を伝達する装置を内蔵した容器を用いて、消費電力の大きな半導体チップの発熱を分散するための構造が、以下の非特許文献のFigure１０に開示されている。
特開２００３−３０４０８６号公報 特開２００３−２２１４８号公報 特開２００２−１８２７９７号公報 特開２００２−１８９５３６号公報 特開２００２−１８８８７６号公報 特開２００２−１３０９６４号公報 特開平７−２８６７８８号公報 小澤 守、外５名、"液体振動による熱伝達の促進"（第２２８〜２３５頁）、５０巻５３０号（１９９０−１０）、日本械学会論文集（Ｂ編） Z. J. Zuo、L. R. Hoover and A. L. Phillips、"An integrated thermal architecture for thermal management of high power electronics"、第３１７〜３３６頁、Thermal Challenges in Next Generation Electronic System（、PROCEEDINGS OF INTERNATIONAL CONFERENCE THERMES 2002）、 SANTA FE、 NEW MEXICO、 USA、、 13-16 JANUARY 2002

ところで、上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられる従来技術になる液冷式の冷却システムでは、ＣＰＵのような発熱素子の冷却を、上記した冷却効果の高い受熱（冷却）ジャケットに直接に搭載して実現しているが、しかしながら、通常、発熱素子であるＣＰＵは、特に、近年における半導体素子の高集積度化に伴って、その表面積も小さくなってきている。これに対し、受熱（冷却）ジャケットは、その内部の流路に液体冷媒を通流する構成からも、その表面積は大きく、そのため、この受熱（冷却）ジャケットの表面積に対し、発熱素子であるＣＰＵが接触する面積は非常に小さいものとなっている。

このように、この受熱（冷却）ジャケットに対して発熱素子であるＣＰＵが接触する面積が非常に小さい場合、ＣＰＵ内で発生した熱は、上記受熱（冷却）ジャケットとの接触面及びその周辺部に拡散し、その後、ジャケット内を流れる液体冷媒に伝達されて外部に排出されることとなるが、しかしながら、その接触面積が小さい場合には、熱がその周辺部へも多少は拡散したとしても、ジャケットの全体に拡散されることはなく、そのため、受熱（冷却）ジャケットによる発熱素子の冷却効率は低下してしまう。すなわち、ＣＰＵとの接触位置から比較的離れた位置では、ジャケット内を流れる液体冷媒への発熱の伝達は十分には行なわれず、そのため、受熱（冷却）ジャケットによる冷却能力を十分に生かすことなく、その一部の能力だけを利用していることとなっていた。

そこで、本発明では、かかる従来技術における問題点に鑑みて、すなわち、上記デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられるに適しており、伝熱性の部材の内部に充填した熱伝導性の液体を振動させて熱輸送・拡散を促進する熱輸送・拡散素子を利用することによって冷却効率を高めた冷却システムと、そして、かかる冷却システムを備えた電子機器を提供することを目的とするものである。

すなわち、本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、筐体内に、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする発熱する半導体素子を搭載した電子機器の冷却システムであって、当該筐体内又はその一部に、前記半導体素子に熱的に接続された熱拡散素子を備えており、当該熱拡散素子は、伝熱性部材からなる板状部材の内部に潜熱の大きな作動流体を封入すると共に、その一部には当該熱伝導性の液体を振動させるアクチュエータを備えており、前記熱拡散素子は、その一方の表面に前記発熱半導体素子を搭載し、前記発熱半導体素子からの熱を当該熱拡散素子の他方の表面に輸送し、もって、前記他方の表面から伝熱する電子機器の冷却システムが提供されている。

なお、本発明によれば、前記に記載した電子機器の冷却システムにおいて、前記熱拡散素子の他方の表面には、放熱板を取り付けてもよく、又は、前記半導体素子に熱的に接続されて、その発熱を内部で振動する液体冷媒に伝達して冷却する冷却ジャケットを取り付けてもよい。また、前記熱拡散素子内に充填された前記熱伝導性の液体を振動させるアクチュエータを、２本の支持体の周囲に巻装したヒータ線により構成することが好ましく、特に、前記ヒータ線をニクロム線とすることが好ましい。更に、本発明によれば、前記２本の支持体の周囲に巻装したヒータ線から構成されたアクチュエータを、前記板状部材の内部において、前記他方の面に近づけ、充填された前記駆動流体内に浸漬して配置することが好ましく、又は、前記板状部材における前記一方の表面の内側壁面であって、前記アクチュエータに近接した部分に、親水処理を施することが好ましい。

次に、本発明によれば、やはり上述した目的を達成するため、筐体内に、発熱する半導体素子であって、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする素子を搭載した電子機器であって、当該筐体内又はその一部に、少なくとも以下のものを備えた液冷システムを備えており：半導体素子に熱的に接続され、その発熱を内部に通流する液体冷媒に伝達するための冷却ジャケットと；前記冷却ジャケットにおいて液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出するラジエータと；そして、前記冷却ジャケットと前記ラジエータとを含むループに前記液体冷媒を循環するための循環ポンプ、そして、かかる構成において、更に、前記冷却ジャケットは、前記発熱半導体素子からの熱を拡散するための熱拡散手段を介して、前記発熱半導体素子の表面に接触されている電子機器が提供される。

そして、本発明によれば、前記に記載した電子機器において、前記発熱半導体素子からの熱を前記冷却ジャケットに輸送するための前記熱拡散手段は、その内部に振動する潜熱の大きな作動流体を封入する密閉空間を備え、かつ、前記冷却ジャケットの表面とほぼ同様の表面形状を有する、伝熱性に優れた板状部材により構成され、その一部において、当該作動流体に浸漬して、当該作動流体を振動するためのアクチュエータが設けられている。また、本発明によれば、その内部に振動する潜熱の大きな作動流体を封入した前記熱拡散手段の前記密閉空間は、その一部に、内部に気体を封入したバッファ部を形成している。更には、前記内部に振動する潜熱の大きな作動流体を封入する前記密閉空間は、前記熱拡散手段の内部に複数、並列に形成され、かつ、その一端を前記バッファ部により接続して、櫛歯状に形成されている。そして、前記に記載した電子機器において、前記熱拡散手段は、前記密閉空間内に封入された作動流体の一部に接触して設けられた加熱手段を備えており、前記加熱手段にはパルス状の電力を供給して前記作動流体に振動を与える。

更に、本発明によれば、やはり上述した目的を達成するため、筐体内に、発熱する半導体素子であって、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする素子を搭載した電子機器であって、当該筐体内又はその一部に、前記半導体素子に熱的に接続された熱拡散素子と、放熱板とを備えており、当該熱拡散素子は、伝熱性部材からなる板状部材の内部に熱伝導性の液体を充填すると共に、その一部には当該熱伝導性の液体を振動させるアクチュエータを備えており、かつ、前記熱拡散素子は、その一方の表面に前記発熱半導体素子を搭載し、前記発熱半導体素子からの熱を拡散して当該熱拡散素子の他方の表面に輸送し、前記放熱板は、前記熱拡散素子の他方の表面に取り付けられており、当該熱拡散素子を介して輸送された前記発熱半導体素子からの熱をその表面から外部へ伝熱する電子機器が提供されている。

すなわち、上述の本発明によれば、例えば、ＣＰＵ等、素子の小型化、高集積化によりその面積の小さい発熱素子で発生した熱を、上述した熱拡散素子・手段を利用することによって、放熱板又は冷却ジャケットへ高効率で伝達することが可能となることから、発熱素子の冷却効率を向上することが出来る。

また、特に、熱拡散素子・手段を放熱板、又は、冷却ジャケットへ取り付け、発熱素子からの発熱を、熱拡散素子・手段を介して放熱板、又は、冷却ジャケットへ伝達することによれば、当該熱拡散素子・手段によって熱が、放熱板、又は、冷却ジャケットの十分な領域に亘って広範に輸送・拡散された後、接触する気体又は液体の冷媒に伝達されて外部へ排出されることとなる。このように、上記熱拡散素子・手段の働きによれば、上記発熱素子で発生した熱の放熱板、又は、冷却ジャケットへの伝達面積が著しく増大することにより、発熱素子の冷却効率が向上する。

特に、熱拡散素子を、その内部に液体冷媒が流れる冷却ジャケットへ取り付けた場合、ＣＰＵとの接触位置から比較的離れた位置でも、上記冷却ジャケット内を流れる液体冷媒への熱の伝達が確実に行なわれ、そのため、冷却ジャケットによる冷却能力を十分に生かすことが可能となる。そして、かかる冷却システムは、特に、デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等の電子機器において用いられるに適している。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
まず、添付の図２は、本発明の一実施の形態になる、液冷システムを備えた電子機器の全体構成の一例が示されている。なお、本例では、例えば、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの本体部分に本発明を適用した場合について示している。

まず、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの本体部分は、図示のように、例えば、金属板を立方形状に形成してなる筐体１００を備えており、その前面パネル部１０１には、電源スイッチを含む各種のスイッチや接続端子やインジケータランプなどが設けられており、また、その内部には、フロッピー（登録商標）ディスクやＣＤ、ＤＶＤ等の各種の外部情報記録媒体を駆動するドライバ装置１０２が、上記前面パネル部１０１に開口するように配置されている。また、図中の符号１０３は、上記筐体１００内に設けられた、例えば、ハードディスク装置からなる記憶部を示している。またう、図中の参照符号１０４は、上記筐体１００の上に被せられる蓋を示している。

一方、上記筐体１００の背面側には、本発明になる液冷システムを備えた電子回路部１０５が配置されており、また、図中の符号１０６は、商用電源から上記ドライバ装置１０２、記憶部１０３、電子回路部１０５を含む各部に所望の電源を供給するための電源部を示している。

次に、添付の図３には、上記にその概略構成を説明した電子装置、すなわち、デスクトップ型のパーソナルコンピュータにおける電子回路部１０５が、特に、その主要な構成部である発熱素子、即ち、ＣＰＵを搭載する受熱ジャケット５０を中心として示されている。なお、本例では、上記発熱素子であるＣＰＵのチップ２００は、上記受熱ジャケット５０の下面側に直接接触されて搭載されており、そのため、ここでは図示されていない。

そして、この電子回路部１０５は、図からも明らかなように、上記ＣＰＵを搭載する受熱（冷却）ジャケット５０と、上記ＣＰＵからの発熱を装置の外部へ放熱するラジエータ部６０と、冷却システムを形成するための循環ポンプ７０とを備えており、さらに、これらにより熱サイクルを構成する各部に液体冷媒（例えば、水、又は、プロピレングリコール等、所謂、不凍液を所定の割合で混合した水など）を通流するための流路が、例えば、金属から形成され、又は、ゴム等の弾性体から形成され、かつ、その表面に金属被膜等を施してなる、内部の液体冷媒が外部へ漏洩し難いチューブ（配管）８１、８２…を接続することによって形成されている。また、上記ラジエータ部６０の一部には、その構成要素である多数のフィン６１に送風し、もって、上記受熱ジャケット５０から搬送された熱を強制的に放熱するための平板状のファン６２、６２…（本例では、複数、例えば３個）が、装置の外部に向かって取り付けられている。

すなわち、図からも明らかなように、上記ラジエータ部６０は、チューブ（配管）８１により循環ポンプ７０に接続され、更に、チューブ（配管）８２を介して受熱ジャケット５０へ接続され、その後、チューブ（配管）８４を介して、再び、上記ラジエータ部６０へ戻るループを構成している。すなわち、循環ポンプ７０の働きにより、上述した液体回路内には、上述した水、又は、不凍液との混合液が液体冷媒として循環する。

そして、添付の図１には、上記した受熱ジャケット５０と共に、その下面側に取り付けられる熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０の詳細な構造が示されている。この図からも明らかなように、受熱ジャケット５０は、例えば、銅やアルミニウムを含む金属等、熱伝導率の高い物質からなる板状部材から形成されており、その内部には、その全体に亘って上記の液体冷媒が流れるように、例えば、本例では蛇行して、流路５１が形成されている。また、図中の符号５２、５３は、それぞれ、この受熱ジャケット５０へ液体冷媒を導入又は排出するための入口と出口を示している。

一方、上記の熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０は、やはり、熱伝導率の高い金属等の板状の部材から形成され、図からも明らかなように、上記受熱ジャケット５０の下面に接触するため、その表面をジャケット５０の表面と同じ形状・寸法としている。そして、この熱拡散板９０には、例えば、図示の例では、受熱ジャケット５０との接触面上において、断面形状が円形、又は、矩形である、微細な断面積（数ｍｍ^２程度）の溝９１、９１…が、その一辺に平行に、複数本が形成されており、更に、これら複数の溝９１は、それぞれ、一方の端部（図の左下部分）において、所謂、バッファ部として形成された共通の溝９２に接続されている。すなわち、この熱拡散板９０を上記受熱ジャケット５０の下面に取り付けて固定することにより、上記した複数の通路９１、９１…とバッファ部９２とにより、櫛歯状の密閉された空間が内部に形成される。なお、その際、受熱ジャケット５０の下面側にも、上記と同様の溝９１、９２が形成されて、これらが対向して接合されてもよい。また、これら閉止空間のうち、各々の通路９１、９１…の内部には、以下にも詳細に説明するが、例えば、水（純水）等に代表される、潜熱の大きな流体（作動流体９４）が封入される。

また、その他方の端部（図の右上部分）には、それぞれ、以下にもその詳細に述べる加熱部材である、所謂、ヒータエレメント９５、９５…が配置されている。また、図には、これらヒータエレメント９５、９５…にパルス状の加熱電力を供給するための導電線９６とパルス電力発生回路９７が示されている。そして、上記のようにして、熱拡散板９０と一体に組み立てて形成された上記受熱ジャケット５０は、この図にも示すように、例えば、配線基板２１０上に搭載された発熱素子であるＣＰＵ２００の表面に面接触するようにして取り付けられる。

添付の図４には、上記熱拡散板９０の内部に形成された複数の通路９１、９１…の他方の端部に取り付けられるヒータエレメント９５について、これを拡大して示す。すなわち、このヒータエレメント９５は、例えば、セラミック等の無機材料からなる筒状の部材（ボビン）９５１の周囲に、例えば、ニクロム線又はステンレス等の細線９５２（例えば、線径０．１ｍｍ程度）を螺旋状に巻き付け、その後、その表面にコーティング等を施して固定したものである。或いは、この支持体である筒状の部材（ボビン）９５１を、例えば、金属やその他の導電性の材料で形成する場合には、まず、その表面には、電気絶縁性の無機部材を被覆することが好ましい。これは、その内部に形成される通路内に充填される作動流体９４である、水やその他の有機材料（例えば、不凍液であるプロピレングリコール等）との接触によって変化するのを防止するためである。

また、上記作動流体９４の封入は、例えば、上述した熱拡散板９０を上記受熱ジャケット５０と一体に接合する際、上記複数の通路９１の内部に作動流体９４である水等の液体冷媒を注入することにより行なう。または、ここでは図示しないが、通路９１と受熱ジャケット５０の表面との間に連通するポートを設けておき、ここから作動流体９４を封入してもよい。なお、この作動流体９４の封入に当っては、作動流体の特性に応じて封入圧力を変更し、あるいは、封入時に不凝縮ガスの気相部（例えば、空気）を混入する。

次に、添付の図５は、上記した熱拡散板９０の一部であって、上記作動流体９４の駆動手段を構成するヒータエレメント９５がその内部に形成された通路９１内に取り付けられた、所謂、上記他方の端部を拡大して示す断面図である。なお、上記にも示したが、このニクロム線等の細線９５２から構成されるヒータエレメント９５には、発熱電力を供給するための配線が形成されており、それらの配線を介して、パルス電力発生回路９７からの電力が、上記ヒータエレメント９５に対して、間欠的に、かつ、パルス状に供給される。なお、この時の、パルス周波数は、例えば、上記作動流体９４の種類や通路９１の寸法にも依存するが、概ね数十Ｈｚから数百Ｈｚ程度である。また、かかるパルス電力供給手段としては、例えば、上記熱拡散板９０の一部に電子回路として形成したり、或いは、上記配線基板２１０上に形成し、更には、上記配線基板２１０上に搭載されるＣＰＵ２００の一部を利用することなどによって構成することも可能であろう。なお、ここでは図示しないが、上記ＣＰＵ２００に対して駆動電力を供給する電源から、その一部を利用することも可能であり、かかる構成は、回路の簡素化の面から有利であろう。

続いて、上記にその構成を説明した熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０における熱の伝達（拡散）作用について、上記図５を参照しながら説明する。

まず、上述したパルス電力発生回路９７からパルス状に電力が供給されると、上記図５に示した上記ヒータエレメント９５のニクロム細線９５２において熱に変換される。このパルス状の熱により、上記通路９１内の作動流体９４（例えば、本例では水）は急激（パルス状）に加熱され、これにより気化（突沸）して、上記ヒータエレメント９５の内部やその近傍、すなわち、作動流体９４内の一部に、その蒸気による気泡Ｓを発生する。その後、このパルス状電力の供給が停止すると、上記ニクロム細線９５２による加熱は停止し、上記で発生した作動流体の蒸気４ａは消滅する。

このように、上記ヒータエレメント９５を構成するニクロム細線９５２に対して、上述のパルス状の電力を連続的に供給することによれば、上記通路９１の端部（即ち、ヒータエレメント９５を設けた位置）では、その内部に封入された作動流体９４が、その蒸気の発生・消滅によって気泡９４ａの発生と消滅とを繰り返す。そして、この突沸時、その気化に伴う急激な圧力上昇、及びそれに伴う気泡の膨張により、作動流体９４には振動が発生し（図中の矢印を参照）、そして、この発生した振動によって作動流体９４が振動されることとなる。すなわち、通路９１内の作動流体９４の振動に伴って、上記ＣＰＵ２００からの熱は、まず、この熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０の働きにより、その平面上で伝達・拡散されることとなる。

すなわち、添付の図６にも示すように、発熱素子であるＣＰＵ２００で発生した熱は、上記熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０により、少なくとも、上記ＣＰＵ２００の表面に比較しても十分な領域に亘って、平面的に伝達・拡散され、その後、上記受熱ジャケット５０へ伝達し、その内部の流路５１に流れる液体冷媒に伝達されて外部へ排出される。そして、この時、上述したように、上記熱拡散板９０の働きによって、上記ＣＰＵ２００で発生した熱の受熱ジャケット５０への伝達面積が著しく増大することとなり、すなわち、受熱ジャケット５０の全体に亘って広く拡散されることとなり、そのため、受熱（冷却）ジャケットによる発熱素子の冷却効率が向上する。すなわち、ＣＰＵとの接触位置から比較的離れた位置でも、上記受熱ジャケット内を流れる液体冷媒への発熱の伝達が行なわれ、そのため、受熱（冷却）ジャケットによる冷却能力を十分に生かすことが可能となる。そして、かかる冷却システムは、特に、デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられるに適しており、そのため、熱拡散板（ヒートスプレッダ）を取り付けることによって受熱（冷却）ジャケットを十分に利用することにより、更に、冷却効率を高めた冷却システムを備えた電子機器を提供することが可能となる。

なお、上記の実施例では、特に、熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０においては、そのヒータエレメント９５を構成する細線９５２としては、パルス状の電力の供給による加熱によって、作動流体９４内に気泡を発生させる際の特性の良好さから、特に、ニクロム細線として説明したが、しかしながら、上記の構成に代えて、例えば、上記ヒータエレメント９５を、絶縁膜（例えば、ＳｉＯ_２層）を介して、例えば、ポリシリコン、タンタル化合物（ＴａＮ）の層などを積層することにより、即ち、抵抗膜として形成することも可能であろう。

続いて、添付の図７には、本発明になる冷却システムを備えた電子機器において、特に、その熱拡散板（ヒートスプレッダ）の他の実施例になる構造が示されている。すなわち、この図からも明らかなように、この他の実施例では、上記熱拡散板９０を構成する通路９１やバッファ部９２やヒータエレメント９５を、上下二層に積層する（通路９１’やバッファ部９２’やヒータエレメント９５’）と共に、その通路９１、９１’を形成する方向を、互いに直交するように形成されている。なお、かかる構成によれば、図中に矢印で示すように、上記発熱素子であるＣＰＵ２００で発生した熱は、互いに直交しながら平面状に、全方向に拡散され、もって、上記受熱ジャケット５０の全体に伝達されることとなる。すなわち、やはり、デスクトップ型やノート型と呼ばれるパーソナルコンピュータやサーバ等において用いられる受熱（冷却）ジャケットをより十分に利用することによって、その冷却効率を更に高めた冷却システムとして、より効率的な冷却を実現することとなる。

次に、添付の図８（ａ）及び（ｂ）には、本発明の更に他の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０の構造が示されている。すなわち、この更に他の実施例では、上記熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０の下面９９の近傍には、複数の温度センサ９８、９８…が設けられており、そして、上記熱拡散板９０を構成する各通路９１の作動流体９４は、それぞれ、個別に駆動・動作されるように構成されている。

すなわち、この更に他の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）では、パルス電力供給回路９７は、上記熱拡散板９０の基板内に配置した温度センサ９８からの温度検出信号を利用して、熱拡散板９０の下面９９における局所的温度上昇位置を検出し、そして、各通路９１に設けられたヒータエレメント９５に供給する駆動電力を選択的に制御する。すなわち、熱拡散板９０において、局所的温度上昇が発生した部分に対応する通路９１のヒータエレメント９５に対してだけ、そのパルス状の電力を供給する（駆動する）。これにより、熱拡散板全体ではなく、必要な部分においてのみ熱伝達（拡散）の促進を実現ことが可能となり、より効率の高い熱拡散板（ヒートスプレッダ）を実現することが可能となる。

次に、添付の図９及び図１０には、本発明の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０の、更に他の構造が示されている。すなわち、図９に示された熱拡散板９０では、上記通路９１を複数本ではなく、ただ１本の溝により形成し、かつ、その溝を熱拡散板の表面全体に亘ってジグザグ状に這いまわして形成された例を示している。なお、図示のように、本例では、通路９１内の作動流体９４を駆動するための手段（即ち、アクチュエータ）であるヒータエレメント９５は、図の上方の左側に設けられており、これに対して、その内部に不凝縮ガスである空気を封入したバッファ部９２は、このヒータエレメント９５が形成された位置とは反対側（図の下側）に形成されている。

また、図１０の例では、やはり、形成される通路９１は１本の溝で構成されており、熱拡散板の表面全体に渡ってジグザグ状に這いまわして形成されているが、その両端部が互いに接続されて、全体として円環状になっている。なお、この図の例では、駆動手段を構成するヒータエレメント９５は、図の右側中央部に設けられており、また、バッファ部９２は、このヒータエレメント９５が形成された位置とは反対（図の左側）に形成されている。

すなわち、熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０に形成される通路９１についての上記他の例では、通路９１を形成する溝は１本であり、また、その駆動手段を構成するヒータエレメント９５もただ１個であることから、その製造が容易であり、特に、比較的小型で安価な熱拡散板（ヒートスプレッダ）に適している。

次に、添付の図１１及び図１２には、本発明の他の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）、特に、そのヒータエレメントが配置された部分の拡大断面図が示されている。すなわち、この他の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０では、例えば、ヒータエレメント９９０を、線径０．１ｍｍ程度のニクロム又はステンレスの細線９９１を、図１２（ａ）及び（ｂ）にも明らかなように、セラミック等の無機材料からなる、一対の平行に並べた支持体の９９２、９９２の周囲に巻き回し、その外形が略板状に形成したものである。すなわち、ヒータエレメント９９０は、その伝熱面積（表面積）が大きく、かつ、その熱容量が小さくなるように構成することが好ましい。一方、上記支持体９９２の材質は、熱伝導率が小さく、かつ、熱容量の小さいもので望ましい。また、図中の符号９９３は、上記一対の支持体の９９２、９９２をその両端部で支持すると共に、上記ヒータエレメント９９０を、熱拡散板９０内に形成された溝９１の内部において、所定の位置に取り付けるための支持体であり、符号９９４は電極を示している。なお、上記のヒータエレメント９９０からの熱漏洩を小さくするため、上記の支持体９９３は、出来るだけその断面が小さく、かつ、熱伝導率の小さい部材で構成することが好ましい。

また、上記の図１１にも明らかなように、略板状に形成したヒータエレメント９９０は、上記溝９１の内部において、図の下面（即ち、熱を外部に輸送・排出する側の面）からの距離が、図の上面（即ち、発熱素子が接触する側の面）からの距離よりも大きくなる位置に、かつ、これらの面と平行に配置されている。更に、溝９１の壁面の一部、特に、上記ヒータエレメント９９０に対向する部分は、例えば、粗しなどによって、所謂、親水加工が施されている。なお、図中の符号９４も、上記と同様に、上記溝９１の内部に充填された作動流体９４を示しており、この図にも明らかなように、このヒータエレメント９９０も、また、上記溝９１の内部に充填された作動流体９４内に浸漬して配置されている。

次に、添付の図１３には、上述したヒータエレメント９９０にパルス状の電力を供給して駆動した時の状態が示されている。
まず、図１３（ａ）は、上記ヒータエレメント９９０が通電している時の状態を示しており、この通電によるヒータエレメント９９０の発熱によって、これに接触する作動流体９４である水の一部が突沸し、発生した気体（水蒸気）Ｓによる圧力によって、上記溝９１の内部に充填された作動流体９４を図に矢印で示す方向に移動する（押し出す）。

一方、図１３（ｂ）は、上記ヒータエレメント９９０が非通電となっている時の状態を示しており、この非通電に伴って、ヒータエレメント９９０の温度は急低下しする。この時、上記で発生した蒸気Ｓは、少なくとも上記ヒータエレメント９９０の温度よりも低い温度レベルで定常的に熱を奪う冷却部、即ち、溝９１の内部において、図の下面（即ち、熱を外部に輸送・排出する側の面）の内壁面で凝縮されて液体（Ｗ）に戻る。この時、水蒸気Ｓの消滅によって、溝９１の内部に充填された作動流体９４が、図に矢印で示す方向に移動される（戻される）。すなわち、上記の動作を繰り返すことにより、作動流体９４を振動させる。

なお、この時、作動流体９４である水が、一旦、蒸気Ｓになった後、完全に液体（Ｗ）に戻らず、これが気泡としてヒータエレメント９９０の近傍に残ることも考慮さる。そのため、上記ヒータエレメント９９０の位置は、その加熱表面が確実に凝縮されて液体（Ｗ）と接触する位置に、適宜、実験等により確認して設定することが望ましい。また、上述したように、溝９１の壁面の一部に、粗しなどによって親水加工が施されていると、その部分に液体（Ｗ）が凝縮し易くなる。そのため、上記ヒータエレメント９９０（特に、ヒータ線）の表面にも、かかる親水加工を施すことも望ましい。

次に、添付の図１４には、上記ヒータエレメント９９０の変形例（他の構造）を示している。即ち、この例では、図からも明らかな様に、支持体９９２を３本を利用したものであり、ヒータ線９９１を、両側の一対の支持体９９２、９９２の間に、複数回、巻き回し、その後、残りの支持体９９２により、中央部のヒータ線９９１を図の下方に押し下げて形成されている。かかる構成によれば、上記ヒータエレメント９９０の加熱表面の多くを、出来る限り、冷却部（即ち、溝９１の内部において、図の下側の内壁面）に近づけることが可能となり、ヒータエレメント９９０と凝縮した液体（Ｗ）との接触面積を増大することが出来る。換言すれば、ヒータエレメント９９０による作動流体９４の駆動（振動）を、より確実に、実現することが可能になる。

また、添付の図１５には、上記のヒータエレメント９９０’を熱容量が小さく、かつ、熱伝導率の高い材料からなる部材の内部に収納した構造が、更に、添付の図１６には、ヒータエレメント９９０”を、棒状の支持体９９２の周囲に、やはり、ニクロム又はステンレスの細線９９１からなるヒータ線を巻き回した構成が示されている。なお、図１６に示した構成のヒータエレメント９９０”は、上記熱拡散板９０の側壁に形成した開口部から挿入される。

続いて、添付の図１７には、本発明の他の実施例になる電子装置の冷却システムが示されており、この例では、上述した液冷システムを利用せず、上記にその詳細構造を説明した熱拡散板９０の一方の面には、上記発熱素子であるＣＰＵ２００を、他方の面に放熱板（放熱フィン）３００を取り付けている。かかる構成によっても、ＣＰＵ２００で発生した熱は、上記熱拡散板９０の働きによって放熱フィン３００まで輸送され、その後、この放熱フィン３００を介して機器の外部へ放熱されることとなる。なお、かかる構成によれば、例えば、発熱素子であるＣＰＵ２００を取り付ける位置と、放熱フィン３００を取り付けることが出来る位置とが離れている場合に有利である。

更に、添付の図１８には、上記の構成において、放熱フィン３００を、上記熱拡散板９０の他方の面全体に取り付けた例が示されている。なお、かかる構成によれば、発熱素子であるＣＰＵ２００の面積が小さいにも拘わらず、面積の大きな放熱フィン３００全体を有効に利用することが出来ることとなる。なお、図１９は、上記の図１８に示した熱拡散板９０を、上方（図１８でｃ方向として矢印で示す）から見た全体の図を示している。

なお、上記の種々の実施例では、熱拡散板（ヒートスプレッダ）９０における熱の伝達（拡散）を行なうため、その内部に形成した複数の通路（溝）９１内に封入された作動流体９４を振動するための手段であるアクチュエータとしては、主に、上記のヒータエレメントによって作動流体９４を加熱し、もって、気泡（バブル）を発生するものとして説明したが、しかしながら、本発明は、上述した実施例にのみ限定されるものではない。例えば、上記の熱駆動方式としては、上述の実施例に加えて、更に、（１）上記作動流体として、上記の液体に代えて、気体を採用し、この気体を加熱・冷却により膨張・収縮を繰り返して、振動をさせることも可能である。なお、その場合にも、上記と同様、熱拡散板内に封入される気体は潜熱の大きな流体が採用される。又は、（２）例えば、バイメタルを加熱手段と組み合わせて利用することにより、上記作動流体に振動を与えることも可能である。更には、（３）その一部に、記憶形状合金を利用することによっても、同様に、上記作動流体に振動を与えることも可能であろう。また、上記の熱駆動方式とは異なるが、例えば、ピエゾ素子等の圧電素子を利用することにより、上記作動流体に振動を与えることも可能である。

本発明の一実施例になる電子装置の冷却システムにおける、特に、受熱ジャケットと熱拡拡散板との具体的構成の一例を示すための、一部展開斜視図である。 本発明の一実施例になる電子装置における、特に、その電子回路部の冷却システムを示すための斜視図である。 上記に示した冷却システムを搭載した、例えば、デスクトップ型のパーソナルコンピュータの内部における、各部の配置の一例を示す一部展開斜視図である。 上記熱拡拡散板に形成される複数の溝の内部にそれぞれ設けられるヒータエレメントの一例を示す一部拡大斜視図である。 上記熱拡拡散板における熱拡散動作の原理を示すための、上記溝とその内部のヒータエレメントを示す一部拡大斜断面図である。 上記熱拡拡散板における熱拡散動作の原理を示すための、上記熱拡拡散板と受熱ジャケットとＣＰＵとを示す断面図である。 本発明になる電子装置の冷却システムにおける、特に、上記熱拡拡散板の他の実施例になる構造を示す、一部断面を含む斜視図である。 本発明になる電子装置の冷却システムにおける、上記熱拡拡散板の更に他の実施例になる構造を示すための断面図と上面図である。 本発明になる電子装置の冷却システムにおける、上記熱拡拡散板の更に他の構造を示す上面図である。 やはり、本発明になる電子装置の冷却システムにおける、上記熱拡拡散板の更に他の構造を示す上面図である。 本発明の他の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）のヒータエレメントが配置された部分の拡大断面図である。 上記のヒータエレメントの具体的な構造を示す上面及び側面図である。 上記の他の実施例になる熱拡散板（ヒートスプレッダ）の動作を説明するための部分拡大断面図である。 上記したヒータエレメントの変形例を示すための側面図と斜視図である。 上記したヒータエレメントの更に変形例を示す部分拡大断面図である。 やはり、上記したヒータエレメントの更に変形例を示す部分拡大断面図である。 本発明の他の実施例になる、熱拡散板を利用した電子装置の冷却システムを示す側面断面図である。 やはり、本発明の更に他の実施例になる、熱拡散板を利用した電子装置の冷却システムを示す側面断面図である。 上記図１８におけるｃ方向から見た熱拡散板を利用した電子装置の冷却システムの上面図である。

符号の説明

５０ 受熱（冷却）ジャケット
６０ ラジエータ部
６２、６２… ファン
７０ 循環ポンプ
８１、８２… チューブ（配管）
９０ 熱拡散板（ヒートスプレッダ）
９１ 溝（通路）
９２ 溝（バッファ部）
９５ ヒータエレメント
２００ ＣＰＵチップ
Ｓ 駆動液の蒸気

Claims (13)

1. 筐体内に、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする発熱する半導体素子を搭載した電子機器の冷却システムであって、当該筐体内又はその一部に、前記半導体素子に熱的に接続された熱拡散素子を備えており、当該熱拡散素子は、伝熱性部材からなる板状部材の内部に潜熱の大きな作動流体を封入すると共に、その一部には当該熱伝導性の液体を振動させるアクチュエータを備えており、前記熱拡散素子は、その一方の表面に前記発熱半導体素子を搭載し、前記発熱半導体素子からの熱を当該熱拡散素子の他方の表面に輸送し、もって、前記他方の表面から伝熱することを特徴とする電子機器の冷却システム。
2. 前記請求項１に記載した電子機器の冷却システムにおいて、前記熱拡散素子の他方の表面には、放熱板を取り付けたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
3. 前記請求項１に記載した電子機器の冷却システムにおいて、前記熱拡散素子の他方の表面には、前記半導体素子に熱的に接続されて、その発熱を内部で振動する液体冷媒に伝達して冷却する冷却ジャケットを取り付けたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
4. 前記請求項１に記載した冷却システムにおいて、前記熱拡散素子内に充填された前記熱伝導性の液体を振動させるアクチュエータを、２本の支持体の周囲に巻装したヒータ線により構成したことを特徴とする電子機器の冷却システム。
5. 前記請求項４に記載した冷却システムにおいて、前記ヒータ線をニクロム線としたことを特徴とする電子機器の冷却システム。
6. 前記請求項４に記載した冷却システムにおいて、前記２本の支持体の周囲に巻装したヒータ線から構成されたアクチュエータを、前記板状部材の内部において、前記他方の面に近づけ、充填された前記駆動流体内に浸漬して配置したことを特徴とする電子機器の冷却システム。
7. 前記請求項４に記載した冷却システムにおいて、前記板状部材における前記一方の表面の内側壁面であって、前記アクチュエータに近接した部分に、親水処理を施したことを特徴とする電子機器の冷却システム。
8. 筐体内に、発熱する半導体素子であって、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする素子を搭載した電子機器であって、当該筐体内又はその一部に、少なくとも以下のものを備えた液冷システムを備えており、
   半導体素子に熱的に接続され、その発熱を内部に通流する液体冷媒に伝達するための冷却ジャケットと、
   前記冷却ジャケットにおいて液体冷媒に伝達された熱を機器の外部へ放出するラジエータと、そして、
   前記冷却ジャケットと前記ラジエータとを含むループに前記液体冷媒を循環するための循環ポンプ、
   そして、かかる構成において、更に、
   前記冷却ジャケットは、前記発熱半導体素子からの熱を拡散するための熱拡散手段を介して、前記発熱半導体素子の表面に接触されていることを特徴とする電子機器。
9. 前記請求項９に記載した電子機器において、前記発熱半導体素子からの熱を前記冷却ジャケットに拡散するための前記熱拡散手段は、その内部に振動する潜熱の大きな作動流体を封入する密閉空間を備え、かつ、前記冷却ジャケットの表面とほぼ同様の表面形状を有する、伝熱性に優れた板状部材により構成され、その一部において、当該作動流体に浸漬して、当該作動流体を振動するためのアクチュエータが設けられていることを特徴とする電子機器。
10. 前記請求項１０に記載した電子機器において、における
    その内部に振動する潜熱の大きな作動流体を封入した前記熱拡散手段の前記密閉空間は、その一部に、内部に気体を封入したバッファ部を形成していることを特徴とする電子機器。
11. 前記請求項１１に記載した電子機器において、前記内部に振動する潜熱の大きな作動流体を封入する前記密閉空間は、前記熱拡散手段の内部に複数、並列に形成され、かつ、その一端を前記バッファ部により接続して、櫛歯状に形成されていることを特徴とする電子機器。
12. 前記請求項１０に記載した電子機器において、前記熱拡散手段は、前記密閉空間内に封入された作動流体の一部に接触して設けられた加熱手段を備えており、前記加熱手段にはパルス状の電力を供給して前記作動流体に振動を与えることを特徴とする電子機器。
13. 筐体内に、発熱する半導体素子であって、その正常な動作を確保するために冷却を必要とする素子を搭載した電子機器であって、当該筐体内又はその一部に、前記半導体素子に熱的に接続された熱拡散素子と、放熱板とを備えており、
    当該熱拡散素子は、伝熱性部材からなる板状部材の内部に熱伝導性の液体を封入すると共に、その一部には当該熱伝導性の液体を振動させるアクチュエータを備えており、かつ、前記熱拡散素子は、その一方の表面に前記発熱半導体素子を搭載し、前記発熱半導体素子からの熱を拡散して当該熱拡散素子の他方の表面に輸送し、
    前記放熱板は、前記熱拡散素子の他方の表面に取り付けられており、当該熱拡散素子を介して輸送された前記発熱半導体素子からの熱をその表面から外部へ伝熱することを特徴とする電子機器。
    

Images