JP4151328B2 - 電子機器の冷却装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発熱部品の冷却手段として液体を冷却媒体とする電子機器の冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電子機器に代表されるコンピュータ等の半導体装置は、動作時に発熱する。
特に、近年の高集積半導体は発熱量が増大している。半導体はある温度を超えると半導体としての機能が損なわれるため、効果的な冷却を行う必要がある。
【０００３】
電子装置の半導体を冷却する手段としては、熱伝導による自然冷却や、ファンなどによる強制空冷によるもの、或いはヒートパイプを用いた液冷却によるものなどが知られている。
【０００４】
熱伝導による自然冷却は、半導体装置から電子機器外部に至る放熱経路に熱伝導率の大きい材料を用いて冷却している。
この方法は半導体装置の発熱量が比較的小さく、またノート型パーソナルコンピュータのようにコンパクトな電子機器に適している。
【０００５】
ファンなどによる強制空冷は、送風装置を電子機器内部に設け、半導体装置を強制対流させて冷却している。
この方法はある程度の発熱量がある半導体装置の冷却に適しているため、一般的に広く用いられ、送風装置を小型・薄型化してパーソナルコンピュータにも適用されている。
【０００６】
ヒートパイプを用いた冷却は、パイプ内に封入された冷媒により半導体素子の熱を電子装置外部に運ぶものである。
ヒートパイプを用いた従来技術としては、例えば特開平１―８４６９９号公報、特開平２―２４４７４８号公報がある。
これら従来技術は、送風装置のように電力を消費する部品を用いないため省電力の効果が極めて高い反面、輸送できる熱に限界がある。
【０００７】
さて、液媒体、いわゆる水をポンプ等で発熱する半導体に循環させて半導体を冷却する技術は従来から行われている。この冷却手段は銀行や企業など、大量のデータを取り扱う大型コンピュータで使用されている。
この液循環による冷却方法の従来技術としては、例えば特開平５―３３５４５４号公報、特開平６―９７３３８号公報、特開平６―１２５１８８号公報があげられる。
これらの従来技術は、大型コンピュータにその用途が限られている。
その理由は、液冷システムがポンプ、配管系、熱交換器など多くの冷却専用の部品を必要とするので装置が大型になること、液体を冷却に用いることから安全性に対する信頼性確保が他の方法に比べて難しいことによる。
【０００８】
また、液冷を必要とするほど発熱の大きい半導体装置は大型コンピュータ以外では用いられていなかったこともその理由の一つである。
【０００９】
大型コンピュータの水冷技術を小型の電子機器（ノート型パーソナルコンピュータ）に応用した従来としては、例えば特開平６―２６６４７４号公報、特開平７―１４２８８６号公報などがあげられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来技術、特開平７―１４２８８６号公報、特開平６―２６６４７４号公報においては、受熱ジャケット、放熱チューブ、金属の熱交換器を採用することにより、熱伝導性、漏水に対する信頼性を向上させている。尚、これらの従来技術では、受熱ジャケット、放熱チューブは熱伝導性を考慮して金属製である。
【００１１】
ところで、半導体装置を冷却する受熱ジャケットは、熱伝導性を考慮すると平板型が好ましいため、平板型受熱ジャケットには微細なフィン構造からなる流路を形成することが不可欠である。受熱ジャケットの微細フィンは比較的容易に製作できる。
したがって、平板型受熱ジャケットは伝熱性能及びコスト及び加工性の観点からアルミニウムが好適である一方、放熱パイプ及び熱交換器は、伝熱性能及びコスト及び加工性の観点から銅パイプが好適である。
【００１２】
ところが、伝熱性能及びコスト及び加工性の観点から好適であるアルミニウム製受熱ジャケット、銅製放熱パイプ及び熱交換器の組み合わせを採用した場合、銅から溶出する銅イオンによりアルミニウムの孔食が著しく促進されてしまうという問題がある。
また接続チューブとして採用される有機系チューブからはハロゲンイオンを含む腐食性イオンが溶出して、アルミニウムの孔食が著しく促進されてしまう。
【００１３】
本発明の目的は、銅とアルミニウムを組み合わせた冷却装置を搭載した場合の信頼性を向上させた電子装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、筐体内に取付けられた発熱素子と、この発熱素子に接続された受熱ジャケットと、外気との熱交換を行う第１の熱交換器と、前記受熱ジャケットに液媒体を供給する液駆動手段とを備え、前記受熱ジャケット、前記第１の熱交換器、液駆動手段を接続する配管の一部が樹脂製のフレキシブルチューブとなった電子機器の冷却装置において、前記配管の一部に第２の熱交換器と、陽イオン交換樹脂とで構成されたイオン交換器を備え、前記第１の熱交換器から液媒体が流出する側に前記イオン交換器を設置するとともに、前記陽イオン交換樹脂に予め腐食抑制剤を吸着させて前記液媒体中に腐食抑制剤を添加したことにより達成される。
【００１５】
また、上記目的は、前記受熱ジャケットがアルミニウム系材料、前記第２の熱交換器が銅系材料、前記液媒体が不凍液若しくは純水であって、この液媒体に銅系材料用の腐食抑制剤が添加されていることにより達成される。
【００１６】
また、上記目的は、前記イオン交換器は予め腐食抑制剤を吸着させたものであって、前記液媒体は腐食抑制剤が添加されていることにより達成される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
ところで、近年、パーソナルコンピュータ、サーバ、ワークステーションその他、プラズマディスプレイ（ＰＤＰ）、テレビジョン、液晶ディスプレイなどの電子機器は、大容量化や大型化にともない半導体装置の発熱量が飛躍的に高くなっている。
こうにように高発熱化した半導体装置を先に述べた熱伝導、空冷、ヒートパイプなどの冷却手段で冷却するには冷却能力が不十分であることから、上述したような液媒体を循環する冷却装置をこれらの電子機器に搭載することを検討している。
【００２２】
特に、ノート型パーソナルコンピュータのように超小型・薄型化が求められる電子機器に適用するには、さらなる技術革新が必要である。従って、本発明の発明者らは、電子機器の筐体を熱伝導性が良好な金属製にするなどして、ノート型電子機器への液冷システムの搭載を可能とした。
【００２３】
さて、例えば現状のノート型電子機器（Ａ４サイズ、３０Ｗクラス）に液冷システムを搭載したところ、良好な放熱効果を得ることができた。しかしながら、将来は３０Ｗを越える電子機器が開発される可能性が極めて高く、液冷システムとファン冷却の併用（いわゆる、ハイブリット）が必要になってくる。その場合には、放熱パイプの他に第２の放熱用熱交換器が必要になって来る。
一般的に、熱交換器は銅パイプ等を使用することから、アルミニウムの受熱部材と銅の熱交換器を併用すると以下のような弊害生じることが知られている。
【００２４】
即ち、従来の大型コンピュータに用いられてきた液冷システムを超小型・薄型化した電子機器に採用するためには、液冷システム自体を超小型・薄型にするが必要条件である。このことから、超小型・薄型電子機器用の液冷システムでは、冷却液が大型コンピュータの冷却液に比べて約１／１００００と著しく少ないため、少量の腐食性イオンの溶出であっても液質が著しく悪化してしまう。液質が悪化した液が受熱ジャケットや放熱パイプ、熱交換器を循環してしまうと金属部分の腐食が促進し腐食部分から水漏れが発生し電気事故を起こしてしまう恐れがある。従って、液が接触する部材の材料について防食対策を施す必要がある。
【００２５】
そこで、本発明は防食対策について種々検討した結果、以下のような実施例を得た。
【００２６】
以下、本発明の一実施例を図１、図２を用いて説明する。
図１は、本実施例の電子装置の斜視図である。
図２は、電子装置内に組み込まれた冷却システムの模式図である。
図１、図２において、電子装置は、本体ケース１と液晶パネルによるディスプレイを備えたディスプレイケース２とからなっている。このディスプレイケース２は本体ケース１に対してヒンジ（図示せず）で回転自在に接続されている。
本体ケース１に設置されるキーボード３、複数の素子を搭載した配線基板４、ハードディスクドライブ５、補助記憶装置(たとえば、フロッピーディスクドライブ、ＣＤドライブ等)６、バッテリー１３等が設置される。配線基板４上には、中央演算処理ユニット７などの特に発熱量の大きい素子（以下、ＣＰＵと記載）が搭載される。ＣＰＵ７には、受熱ジャケット８が取り付けられる。ＣＰＵ７と受熱ジャケット８とは、柔軟熱伝導部材（たとえばＳｉゴムに酸化アルミなどの熱伝導性のフィラーを混入したもの）を介して接続される。
【００２７】
ディスプレイケース２の背面(ケース内側)には、外界との熱交換を行う放熱パイプ９が接続された金属放熱板１０が設置される。ディスプレイケース２の背面上部に放熱パイプ９に接続されたタンク１４が設置される。タンク１４は構造材料及びシール材料からの液透過により冷媒が減少しても循環流路内の冷却に必要な冷媒量を確保できるだけの容積を有している。
また、液駆動手段であるポンプ１１、外界との熱交換を行う熱交換器１５が本体ケース１内に設置されている。熱交換器１５は、放熱パイプ９と同様に外界との熱交換を行うが、空冷ファン１７を併用することにより著しく放熱性能を向上させることができるので、高発熱の半導体装置にも対応可能となる。
【００２８】
イオン交換器１６はディスプレイケース２内で最も温度が低い位置が適している。その場合、放熱パイプ９で冷却された液体が流出するタンク１４の出口部分で、かつ液晶パネルに近接する部分がもっとも相応しいと考えられる。それは、液晶パネルの発熱は放熱パイプ９の発熱よりもはるかに低いからである。水冷ジャケット８、放熱パイプ９、イオン交換器１６、ポンプ１１は、接続チューブ１２で接続され、ポンプ１１によって冷却系内に封入した冷媒が循環する。この接続チューブ１２は水分透過を極力抑えることができるブチルゴム等のフレキシブルチューブとなっている。ブチルゴム等を用いたのは、水分透過を抑えることは勿論のこと、接続チューブを本体ケース１内で引き回す際に可撓性があったほうが狭い空間内での引き回しが容易となるからである。
また、常に開閉されるノート型パソコンの場合は、少なくともヒンジ部分は可撓性のある配管で接続しなくてはならないため、フレキシブチューブであることは必須の条件である。
尚、この冷却システム内に封入される冷媒としては、純水、または氷点下以下の環境に晒される場合には不凍液を用いる。
【００２９】
イオン交換器１６内のイオン交換樹脂は、高温で酸化劣化するため系内で最も温度の低いポンプ前段に設置されるのが好ましい。
なお、イオン交換器１５は、タンク１０またはポンプ１１と一体化させてもよい。イオン交換樹脂には、予め銅系材料に対する腐食抑制剤（例えばベンゾトリアゾール、トリルトリアゾール）を吸着させ、さらに冷媒にも銅系材料に対する腐食抑制剤を添加する。イオン交換樹脂には腐食抑制剤が平衡吸着する。イオン交換樹脂には腐食抑制剤を吸着させずに冷媒にのみ設定値より高濃度の腐食抑制剤を添加すれば、冷媒に添加した腐食抑制剤の一部がイオン交換樹脂に吸着して冷媒は設定濃度の腐食抑制剤を添加した場合と同じ環境になる。逆に冷媒には腐食抑制剤を添加せずイオン交換樹脂のみ設定値より高濃度の腐食抑制剤を吸着させても同様の環境が得られる。
【００３０】
高発熱ＣＰＵ７では、冷却性能の高い受熱ジャケット及び熱交換器が要求される。受熱ジャケットは微細フィン構造を形成すれば、伝熱面積を大きくとることができ冷却性能を向上できる。
このようなフィン構造を形成するのは、ダイキャストが性能、コスト、生産性の点から好適であり、材料はアルミニウムが用いられる。一方放熱パイプ及び熱交換器は伝熱パイプの外側に放熱フィン（アルミニウム）を取り付けることで伝熱性能を向上させる。伝熱パイプと放熱フィンとの接合はコスト、生産性の点から拡管による接合が好適であり、材料は銅が用いられる。なお耐食性に優れたステンレス鋼は銅に比べて伝熱性能で劣る上に剛性が高く拡管も困難である。従って発熱量の大きい冷却系ではアルミニウム製の受熱ジャケット、銅製の放熱パイプ及び熱交換器は不可避な材料構成である。
この様にアルミニウムと銅を共存させた場合、銅から溶出した銅イオンはアルミニウムの孔食を著しく促進させる。
【００３１】
図３にアルミニウムの孔食発生電位と冷媒中のハロゲンイオン濃度（塩素、臭素イオンなど）の関係を示す。
図３において、アルミニウムは、浸せき電位（アルミニウムを冷媒中に浸せきしたときの電位）が孔食発生電位より貴（プラス電位側）になったときに孔食が発生する。冷媒中に銅イオンが共存した系ではアルミニウム表面で銅イオンが還元するためアルミニウムの電位が貴側（プラス電位側）にシフトするため、アルミニウムは孔食が発生し易くなる。特に冷却系の小型化を実現するため、または組み立てを容易にするために有機系の接続チューブを採用している場合は、接続チューブからハロゲンイオン（塩素、臭素イオンなど）が溶出する。図３に示すようにアルミニウムの孔食発生電位は冷媒中のハロゲンイオン濃度が高くなるに従い卑側（マイナス電位側）にシフトする。ハロゲンイオンの溶出はアルミニウムの孔食を著しく促進させる。
【００３２】
アルミニウム製受熱ジャケット、銅製放熱パイプ及び熱交換器を用いることが不可欠である高発熱の半導体装置では、アルミニウム製受熱ジャケットの孔食を抑制するために銅製放熱パイプ及び熱交換器からの銅イオンの溶出を抑制すること、有機系接続パイプからのハロゲンイオンを除去することが有効である。
【００３３】
従来はアルミニウム及び銅の腐食抑制剤を冷却液に添加することで、銅の腐食抑制剤で銅イオンの溶出を抑制、さらにアルミニウムの腐食抑制剤によりアルミニウムの孔食を抑制していた。しかしながら、メンテナンスフリーで長期に亘り冷却系を稼動させた場合、腐食抑制剤の消耗により耐食性が低下する恐れがある。そこで長期に亘り耐食性を確保できる冷却系が要求された。
【００３４】
本発明の冷却系は銅系材料の腐食抑制剤をイオン交換樹脂に吸着させたイオン交換器を設置しており、アルミニウムの主要な孔食因子である銅イオンとハロゲンイオンに注目して銅イオンを冷却液に溶出させないハロゲンイオンを捕獲できる手段を有している。
【００３５】
アルミニウムの腐食抑制剤には決定的なものが存在しないこと、また銅の腐食抑制剤には絶大な効果が認められているものが存在することから、アルミニウムの腐食抑制剤を使用することなくアルミニウムの孔食を効率良く長期に亘り抑制できる点が特長である。また、銅製放熱パイプ及び熱交換器から溶出した銅イオンはイオン交換器で捕獲されるため、アルミニウム製受熱ジャケットの耐食性はさらに向上される。
銅の腐食抑制剤としては、ベンゾトリアゾール、トリルトリアゾールなどベンゾトリアゾール誘導体が有効である。
【００３６】
図４に銅の腐食量と冷媒中のベンゾトリアゾール濃度との関係を示す。
図４において、ベンゾトリアゾールを１０ｐｐｍ以上添加していれば、銅の腐食は１／５０に抑制され、銅イオンの溶出も１／５０に抑制されることがわかる。以下、安全率を見込んでベンゾトリアゾールを５０ｐｐｍ添加した場合について述べる。
【００３７】
図５に、イオン交換樹脂中のベンゾトリアゾール濃度と冷媒中のベンゾトリアゾール濃度の関係を示す。
図５において、ベンゾトリアゾールはわずかに電離してＨ−基を生じるため弱酸性を示すため、主として陰イオン交換樹脂に吸着している。ベンゾトリアゾール濃度５０ｐｐｍ付近では陰イオン交換樹脂への吸着（可逆吸着）が急激に増加していることから、冷媒中のベンゾトリアゾールが消費されてもイオン交換樹脂中のベンゾトリアゾールが放出されることで冷媒中のベンゾトリアゾール濃度は一定に維持される。
図６にイオン交換容量（イオンを吸着する能力）とイオン交換樹脂中のベンゾトリアゾール濃度の関係を示す。
図６において、冷媒中にベンゾトリアゾールが設定濃度５０ｐｐｍ存在している場合、図５よりイオン交換樹脂中のベンゾトリアゾール濃度は陰イオン交換樹脂で８０ｍｇ／ｍｇ樹脂（１ｍｇのイオン交換樹脂あたりのベンゾトリアゾール濃度）、陽イオン交換樹脂で１０ｍｇ／ｍｇ樹脂である。上記のベンゾトリアゾールがイオン交換樹脂に吸着した場合、図６より陰イオン交換樹脂は６０％、陽イオン交換樹脂は１０％交換容量が低下する。ベンゾトリアゾールを吸着させても、陰イオンであるハロゲンイオンを十分に捕獲できる。また、予め陽イオン交換樹脂の比率を陰イオン交換樹脂に比べて大きくすることにより銅イオンも十分に捕獲できる。また、銅イオンも十分に捕獲できるように、あらかじめイオン交換樹脂の容量比率を陽イオン交換樹脂に比べて大きくしても良い。
【００３８】
以上より、本実施例によれば有機系接続チューブから溶出されるハロゲンイオン、銅製放熱パイプ及び熱交換器から溶出する銅イオンを吸着するのに十分で、かつ冷媒中のベンゾトリアゾール濃度を設定値に維持するためのベンゾトリアゾールを吸着するのに十分なイオン交換樹脂をイオン交換器に封入することにより、長期に亘り液冷システムにおける耐食性を確保することができる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、重金属イオン、特に銅イオンが溶出し、また有機系チューブから腐食性イオンが溶出して受熱ジャケットに孔食が発生して漏水することを防止した電子機器の冷却装置をできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の第１実施例の斜視図である。
【図２】図２は、本発明の第１実施例の模式図である。
【図３】図３は、アルミニウムの孔食発生電位とハロゲンイオン濃度の関係を示すグラフである。
【図４】図４は、銅の腐食量と冷媒中のベンゾトリアゾール濃度の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、イオン交換樹脂中のベンゾトリアゾール濃度と冷媒中のベンゾトリアゾール濃度の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、イオン交換容量とイオン交換樹脂中のベンゾトリアゾール濃度の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…本体ホース、２…ディスプレイケース、３…キーボード、４…配線基板、５…ハードディスクドライブ、６…補助記憶装置、７…中央演算処理ユニット、８…受熱ジャケット、９…放熱パイプ、１０…金属放熱板、１１…ポンプ、１２…接続チューブ、１３…バッテリー、１４…タンク、１５…熱交換器、１６…イオン交換器。

Claims (3)

1. 筐体内に取付けられた発熱素子と、この発熱素子に接続された受熱ジャケットと、外気との熱交換を行う第１の熱交換器と、前記受熱ジャケットに液媒体を供給する液駆動手段とを備え、前記受熱ジャケット、前記第１の熱交換器、液駆動手段を接続する配管の一部が樹脂製のフレキシブルチューブとなった電子機器の冷却装置において、
   前記配管の一部に第２の熱交換器と、陽イオン交換樹脂とで構成されたイオン交換器を備え、前記第１の熱交換器から液媒体が流出する側に前記イオン交換器を設置するとともに、前記陽イオン交換樹脂に予め腐食抑制剤を吸着させて前記液媒体中に腐食抑制剤を添加したことを特徴とする電子機器の冷却装置。
2. 請求項１記載の電子機器の冷却装置において、
   前記受熱ジャケットがアルミニウム系材料、前記第２の熱交換器が銅系材料、前記液媒体が不凍液若しくは純水であって、この液媒体に銅系材料用の腐食抑制剤が添加されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。
3. 請求項１記載の電子機器の冷却装置において、
   前記イオン交換器は予め腐食抑制剤を吸着させたものであって、前記液媒体は腐食抑制剤が添加されていることを特徴とする電子機器の冷却装置。

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