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【発明の名称】 熱輸送デバイス
【発明者】 【氏名】大橋 繁男
【住所又は居所】茨城県土浦市神立町５０２番地 株式会社日立製作所機械研究所内

【氏名】畑田 敏夫
【住所又は居所】茨城県土浦市神立町５０２番地 株式会社日立製作所機械研究所内

【氏名】田中 伸司
【住所又は居所】茨城県土浦市神立町５０２番地 株式会社日立製作所機械研究所内
【要約】 【課題】発熱する電子部品が他の部材とともに狭い空間内に搭載された電子機器であっても、部品配列に左右されずに、発熱部品で発生する熱を放熱部である筐体壁まで効果的に輸送する。

【解決手段】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部の液流路によって冷却対象の電子部品の熱を伝える受熱部と、内部に液流路を有する放熱部と、前記受熱部と前記放熱部とを連結する循環経路に備えられた液駆動装置とを備え、前記放熱部と前記液駆動装置とが基材上の予め設定された位置に搭載され、前記基材の外部に前記循環経路を介して前記受熱部が接続されていることを特徴とする電子機器用の熱輸送デバイス。
【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱輸送デバイスに係り、特に電子機器を構成する電子部品を冷却し所定の温度に保つのに好適な電子機器の冷却技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電子装置は、特許文献１〜３に記載のように、独立の金属板、もしくは、筐体の一部を構成する金属板を、発熱部材と金属筐体壁との間に介在させ、発熱部材で発生する熱を放熱部である金属筐体壁まで熱伝導により輸送して放熱している。また、特許文献４に記載のように、金属筐体壁面にヒ−トパイプを形成し、発熱部材を熱的に金属筐体壁と接続することによって、発熱部材で発生する熱を金属筐体壁で放熱している。
【０００３】
【特許文献１】特開昭６３−２５０９００号公報
【特許文献２】特開平３−２５５６９７号公報
【特許文献３】実開平５−２９１５３号公報
【特許文献４】特開昭５５−７１０９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１〜３の例では、発熱部材から金属筐体壁までの伝熱経路が、筐体壁の厚さ１ｍｍ前後の薄い断面でしかないので効率よく熱伝導されない。したがって、発熱量の増大に十分対応することができなかった。また、部品配列によっては、必ずしも、金属筐体壁までが短い伝導距離にあるとは限らない。そのため、発熱部材を筐体近辺に配置するなど、部品配列あるいは筐体構造が制限されていた。一方、高性能が要求される電子機器などにおいて、発熱部材を含む部品配列は、電子回路の高速化に起因する配線長さなどの関係で、性能に大きな影響を及ぼす。したがって、従来例では、電子機器のコンパクト化、高性能化が妨げられていた。また、特許文献４の例においても同様に、発熱部材を直接、金属筐体壁に接続しなければならず、発熱部材を含む部品配列あるいは筐体構造が制限されていた。そのため、最適な部品配列を得ることを優先させた場合、発熱部材に個別に放熱フィンを設置する等の方策が必要となり、筐体が大きくならざるを得なかった。
【０００５】
本発明は、発熱する電子部品が他の部材とともに狭い空間内に搭載された電子機器であっても、部品配列に左右されずに、発熱部品で発生する熱を放熱部である筐体壁まで効果的に輸送することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の電子機器用の熱輸送デバイスは、内部の液流路によって冷却対象の電子部品の熱を伝える受熱部と、内部に液流路を有する放熱部と、受熱部と放熱部とを連結する循環経路に備えられた液駆動装置とを備え、放熱部と液駆動装置とが基材上の予め設定された位置に搭載され、基材の外部に循環経路を介して受熱部が接続されていることを特徴とする。
【０００７】
すなわち、本発明の熱輸送デバイスによれば、受熱部と放熱部とを液循環流路で連結して冷却液を循環させるようにしているから、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、部品配列に左右されることなく、電子部品と放熱部とを容易に連結できるとともに、冷却液を循環させることにより高効率で受熱部の熱を放熱部に輸送することができる。この場合において、放熱部を電子機器の筐体壁に熱的に接続すれば、受熱部から輸送された熱が広く筐体壁に拡散して高い放熱性能が得られる。その結果、効率的に発熱電子部品を冷却することができる。ここで、筐体を金属製にすれば高い熱伝導率を実現できるので好ましい。また、電子部品と放熱部とが循環経路で熱的に接続されるので、複数の発熱電子部品に取り付けられた複数の発熱部材間に高さのばらつきがあっても、各々の発熱部材と放熱部材とを容易に熱的に接続できるから、効果的に発熱電子部品を冷却することができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、発熱する電子部品が他の部材とともに狭い空間内に搭載された電子機器であっても、部品配列に左右されずに、発熱部品で発生する熱を放熱部である筐体壁まで効果的に輸送することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明のいくつかの実施例を、図面を参照して説明する。図１に、本発明の第１の実施例を示す。図示のように、電子機器は、複数の半導体素子を搭載した配線基板２、キ−ボード４、ディスク装置６、表示装置８などからなり、金属製の筐体１０の中に収容されている。配線基板２に搭載された半導体素子のうち、発熱量の特に大きい半導体素子１２は、受熱部である受熱ヘッダ１４、放熱部である放熱ヘッダ１６、循環経路であるフレキシブルチューブ１８等で構成される熱輸送デバイスによって冷却される。図示したように、半導体素子１２と受熱ヘッダ１４とはサ−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１２で発生する熱を効率よく受熱ヘッダ１４に伝える。さらに、半導体素子１２に接続された受熱ヘッダ１４はフレキシブルチューブ１８によって、表示装置８の背面部の筐体壁に設置された放熱ヘッダ１６に接続されている。放熱ヘッダ１６は、サ−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、直接ねじ２０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。
【００１０】
受熱ヘッダ１４、放熱ヘッダ１６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１６の内部には液駆動装置が組み込まれており、受熱ヘッダ１４と放熱ヘッダ１６との間で液が駆動される。液体の駆動は、両者間での往復動、あるいは、循環による。受熱ヘッダ１４と放熱ヘッダ１６間はフレキシブルチュ−ブ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。
【００１１】
図２に、図１で用いている熱輸送デバイスの詳細を示す。受熱ヘッダ１４、放熱ヘッダ１６の内部にはフィンが設けられており、液流路を形成するとともにヘッダ壁より内部の液体に効率よく熱を伝える。さらに、放熱ヘッダ１６は、内部に液駆動機構を内蔵している。受熱ヘッダ１４は、半導体素子１２などの発熱部材（発熱部材１ともいう）の大きさに応じて任意の大きさに設定でき、発熱部材１に接触などの手段によって熱的に接続される。また、金属板（銅、アルミなど）に金属パイプを溶接した構造であってもよい。一方、放熱ヘッダ内部の液駆動機構は、一例として、流路の一部をシリンダ２２としピストン２４をモータ２６及びリンク機構２８によって往復駆動させる機構を示した。放熱ヘッダ１６は、金属製の筐体１０の壁に取り付けられるが、取付け構造として筐体壁にネジ止め用のボス３０をダイカスト成型時に一体で形成してもよい。また、受熱ヘッダ１４と放熱ヘッダ１６を接続するフレキシブルチューブ１８は、樹脂製でよく内径２ｍｍ前後のものを用いる。したがって、受熱ヘッダ１４、放熱ヘッダ１６とも薄型化が可能で、狭い空間に実装された高発熱半導体素子であっても効果的に冷却できる。
【００１２】
図３に本発明の第２の実施例を示す。本実施例においては、放熱ヘッダ１６の取付けられる金属製筐体１０のうち表示部側の筐体の内側にフィン３２ａ，３２ｂが一体成型で設けられている。フィン３２ａの高さは、放熱ヘッダ１６の厚さと同程度で、表示器の取り付けに支障をきたさないようにする。また、互いに直角方向にフィンを設けることによって筐体に高い剛性を持たせることができる。ただし、機器使用時において、水平方向になるフィン３２ｂは、鉛直方向のフィン３２ａよりも高さを低くし、自然対流による上昇空気の流動を妨げないようにしている。さらに、筐体に空気孔３４を設け自然対流放熱を促進している。
【００１３】
図４に本発明の第３の実施例を示す。本実施例においては、熱輸送デバイスを構成する放熱ヘッダの流路３６が、金属製筐体１０の壁面に金属筐体成型時にダイカストによる一体成型で直接形成されている。放熱ヘッダの流路３６は、フレキシブルチューブ１８と接続されたフタ３８によって密閉され、発熱半導体素子に取り付けられる受熱ヘッダ１４と放熱ヘッダの流路３６との間で、フレキシブルチューブ１８を介して別途設けられる液駆動装置４０によって液体が駆動される。液体の駆動は、小型ポンプによる液循環、もしくは、図２で一例として示した液駆動機構が用いられる。本実施例によれば、放熱ヘッダと放熱面である金属製筐体壁面との接触熱抵抗がなくなるので効果的な放熱ができるとともに、放熱ヘッダの流路が金属筐体成型時にダイカストによる一体成型で形成されるため複雑な流路構造の形成も可能である。
【００１４】
図５に本発明の第４の実施例を示す。本実施例においては、熱輸送デバイスを構成する放熱部が金属製のパイプ４２であって、金属製筐体１０に直接取付けられる。金属製パイプ４２は、フレキシブルチューブ１８にコネクタ４４ａ，４４ｂによって接続され、発熱半導体素子に取り付けられる受熱ヘッダと金属製パイプ４２との間で、フレキシブルチューブ１８を介して別途設けられる液駆動装置によって液体が駆動される。なお、金属製パイプは、フレキシブルチュ−ブと同程度の内径（２ｍｍ前後）のものをもちいる。一方、筐体壁には、Ｕ字状の溝部４６が一体成型で設けられており、金属製パイプをこのＵ字状の溝部４６に嵌め込むことによって、特に、溶接などの手段によらなくても効率良く熱的に接続することが可能である。本実施例によれば、放熱部と金属製筐体とが金属製パイプによる線状の接触であっても、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るとともに、簡単な構造で筐体壁全面に液流路を構成する金属製パイプを設置することも可能で、筐体壁の広い面積を有効に放熱面として利用できる。このため、高い放熱性能が得られる。
【００１５】
図６に本発明の第５の実施例を示す。電子機器は、複数の半導体素子を搭載した配線基板２、キ−ボード４、ディスク装置６、表示装置８などからなり、金属製の筐体１０の中に収容されている。配線基板２に搭載された半導体素子のうち、発熱量の特に大きい半導体素子１２は、受熱ヘッダ１４、放熱ヘッダ１６、フレキシブルチューブ１８等で構成される熱輸送デバイスによって冷却される。半導体素子１２と受熱ヘッダ１４とはサ−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１２で発生する熱を効率よく受熱ヘッダ１４に伝える。さらに、半導体素子１２に接続された受熱ヘッダ１４はフレキシブルチューブ１８によって、配線基板等が搭載された本体側の筐体壁に設置された放熱ヘッダ１６に接続されている。放熱ヘッダ１６は、サ−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、直接ねじ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。受熱ヘッダ１４、放熱ヘッダ１６の内部には流路が形成され、液体が封入されている。熱輸送デバイスの詳細は、図２で示したものと同様である。ただし、図２で示した放熱ヘッダにおいては、液駆動機構が放熱ヘッダ全体の厚さを規定している。したがって、極めて狭い実装空間しか得られないような装置においては、液駆動装置を放熱ヘッダから分離して設置してもよい。
【００１６】
図７に本発明の第６の実施例を示す。本実施例では、電子機器は図６と同様な構成になっており、熱輸送デバイスとして直径２ｍｍ前後の細径ヒ−トパイプ５０を用いている。ヒ−トパイプ５０は、１本、又は、複数本で発熱量の特に大きい半導体素子１２を冷却する。ヒ−トパイプの端部は、半導体素子面が一様な温度に冷却されるようにアルミあるいは銅の受熱板４８を介して半導体素子で発生する熱がヒ−トパイプに伝熱される。ヒ−トパイプと受熱板とは溶接あるいは嵌合によって小さい接触熱抵抗で接続される。一方、放熱側は、ヒ−トパイプが放熱面である金属製筐体１０の壁面に直接取付けられる。筐体壁には、Ｕ字状の溝部５２が一体成型で設けられており、ヒ−トパイプをこのＵ字状の溝部５２に嵌め込むことによって、特に、溶接などの手段によらなくても効率良く熱的に接続することが可能である。なお、本実施例では細径のヒ−トパイプを用いているので、部品配列に応じて折り曲げて配置し、それぞれのヒートパイプをそれぞれ任意の場所に配置することができる。従って、本実施例によれば、部品の配列状態にかかわらず半導体素子で発生する熱を効率良く放熱部に輸送することができるとともに、放熱部と金属製筐体とがヒ−トパイプによる線状の接触であっても、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るため筐体壁の広い面積を有効に放熱面として利用できる。このため、極めて少ない空間であっても細長部のみの設置スペ−スでよく、かつ、高い放熱性能が得られる。
【００１７】
図８および図９に、それぞれ本発明の第７および第８の実施例を示す。本実施例の電子機器は、配線基板２等が収納される筐体１０の上部に表示装置８が設置されており、実装空間が極めて制限されている。
【００１８】
図８では、配線基板２に搭載された半導体素子のうち、発熱量の特に大きい半導体素子１２は、受熱ヘッダ１４、放熱ヘッダ１６、フレキシブルチューブ１８等で構成される熱輸送デバイスによって冷却される。半導体素子１２と受熱ヘッダ１４とはサ−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１２で発生する熱を効率よく受熱ヘッダ１４に伝える。さらに、半導体素子１２に接続された受熱ヘッダ１４はフレキシブルチューブ１８によって、配線基板等を搭載した筐体１０の壁面に設置された放熱ヘッダ１６に接続されている。放熱ヘッダ１６は、サ−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、直接ねじ止めなどの手段によって金属製筐体１０の壁と熱的かつ物理的に取り付けられる。取り付け位置は、筐体側面など比較的スペ−スに余裕のある場所であるが、特に、制限されることはない。なぜなら、放熱部において、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、筐体壁の広い面積を有効に放熱面として利用できるとともに、フレキシブルチューブ１８によって受熱ヘッダ１４と放熱ヘッダ１６が部品配列に左右されずに接続できるためである。
【００１９】
一方、図９では、電子機器は図８と同様な構成になっており、熱輸送デバイスとしてヒ−トパイプ５０を用いている。ヒ−トパイプ５０は、１本、又は、複数本で発熱量の特に大きい半導体素子１２を冷却する。ヒ−トパイプ５０の端部は、図７に示した例と同様、金属製の受熱板４８を介して半導体素子で発生する熱がヒ−トパイプ５０に伝熱される。一方、放熱側は、ヒ−トパイプが放熱面である金属製筐体１０の壁面（本体側面など）に直接取付けられる。筐体１０の壁には、Ｕ字状の溝部５２が一体成型で設けられており、ヒ−トパイプ５０をこのＵ字状の溝部５２に嵌め込むことによって、特に、溶接などの手段によらなくても効率良く熱的に接続することが可能である。本実施例によれば、ヒ−トパイプと金属製筐体とは細長部のみの設置スペ−スでよく、筐体内で放熱のために使用できる空間が極めて少ない電子機器あっても、効率の良い放熱ができる。
【００２０】
図１０に本発明の第９の実施例を示す。本実施例においては、電子機器を構成する配線基板２のうち、発熱量の特に大きい半導体素子１２ａ，１２ｂを含む基板を別の電子回路基板５４として分離し、両者をコネクタ５６で電気的に接続している。分離する電子回路部は、回路の動作速度を考慮して複数の半導体素子を含むことができる。高発熱部を含む基板５４は、発熱量の特に大きい半導体素子面を金属筐体１０に対向させて設置し、半導体素子面と金属筐体との間に柔軟性を有しかつ熱伝導性に優れた部材である高熱伝導柔軟部材５８（たとえば、Ｓｉゲル、もしくは、袋状に形成したフィルム中に熱伝導性グリスを封入したもの等）をはさみこんでいる。図１０では、筐体底面部を放熱面とした例を示したが、本実施例によれば、スペ−スが許せば、筐体上面部あるいは側面部を放熱面としてもよい。本実施例によれば、複数の発熱部材と金属筐体壁との間が柔軟な部材で接続されるので、発熱部材間に高さのばらつきがあっても各々の発熱部材と金属製筐体壁とが効率良く熱的に接続されるとともに、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とともに、筐体壁が部分的に高い温度になることがない。
【００２１】
図１１に本発明の第１０の実施例を示す。本実施例は図１０と同様な構造で、電子機器を構成する配線基板２を、発熱量の特に大きい半導体素子１２ａ，１２ｂを含む面を金属筐体１０に対向させて設置し、半導体素子面と金属筐体との間に高熱伝導柔軟部材５８をはさみこんでいる。図１１では、図１０と同様、筐体底面部を放熱面とした例を示したが、たとえば、キ−ボード４を支持している金属板６０を放熱面として、図中に点線で示すように、配線基板２及び高熱伝導柔軟部材５８を設置しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の第１の実施例の斜視図。
【図２】図１の実施例の詳細斜視図。
【図３】本発明の第２の実施例の斜視図。
【図４】本発明の第３の実施例の構成説明図。
【図５】本発明の第４の実施例の斜視図。
【図６】本発明の第５の実施例の斜視図。
【図７】本発明の第６の実施例の斜視図。
【図８】本発明の第７の実施例の斜視図。
【図９】本発明の第８の実施例の斜視図。
【図１０】本発明の第９の実施例の斜視図。
【図１１】本発明の第１０の実施例の断面図。
【符号の説明】
【００２３】
２ 配線基板
４ キ−ボード
６ ディスク装置
８ 表示装置
１０ 金属製筐体
１２ 半導体素子発熱部材
１４ 受熱ヘッダ
１６ 放熱ヘッダ
１８ フレキシブルチューブ
２０ ねじ
２２ シリンダ
２４ ピストン
２６ モータ
２８ リンク機構
３０ ボス
３２ａ，３２ｂ フィン
３４ 空気孔
３６ 流路
３８ フタ
４０ 液駆動装置
４２ 金属製パイプ
４４ａ，４４ｂ コネクタ
４６ Ｕ字状の溝部
４８ 受熱板
５０ ヒ−トパイプ
５２ Ｕ字状の溝部
５４ 電子回路基板
５６ コネクタ
５８ 高熱伝導柔軟部材
６０ 金属板
【出願人】 【識別番号】０００００５１０８
【氏名又は名称】株式会社日立製作所
【住所又は居所】東京都千代田区丸の内一丁目６番６号
【出願日】 平成１６年８月３１日（２００４．８．３１）
【代理人】 【識別番号】１０００９８０１７
【弁理士】
【氏名又は名称】吉岡 宏嗣
【公開番号】 特開２００５−５１２５８（Ｐ２００５−５１２５８Ａ）
【公開日】 平成１７年２月２４日（２００５．２．２４）
【出願番号】 特願２００４−２５３３５０（Ｐ２００４−２５３３５０）