JPH0650357U - 熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電子デバイスを冷却するための熱伝達装置に
関し、小型で高度な冷却効果が得られる熱伝達装置を提
供することを目的とする。 【構成】 熱伝達流体を流通させるためのチャネル14を
有するフレーム12と、フレーム面上に配置され可撓性材
料で作られチャネル毎に穴26を設けたシート24と、穴を
経て外方向に延び第１及び第２の部分30,40 を有し、第
１の部分は冷却時には熱発生要素36との間で熱伝達を行
うためにチャネルに対して外方向に延び、第２の部分は
熱伝達流体と接するようにチャネル内に位置する熱ビア
28と、フレームとシートを介して配置され、チャネルに
対応する位置に凹み部分60を備え、凹みにより熱伝達流
体がチャネルを経て流通するときにシートの外方向の膨
らみを制限するようになっているカバー要素52と、熱ビ
アの第２の部分上に配置され熱ビアの上下動作による接
触からシートを防ぐためにシート方向に延びる少なくと
も一つのピン62とにより構成される。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は熱伝達装置に関し、特に電子デバイスを冷却するときに有効な熱伝達 装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

集積回路のような電子部品を含む電子デバイスの冷却は、ファンや受動的な冷 却用放熱器又はその両方を使用することにより達成される。ファンは強制的な空 気対流冷却が可能であるが、一方、容認し難いレベルのノイズを発生する。冷却 用放熱器は熱伝導により各構成要素からの熱エネルギを放射することできるが、 一方、この冷却用放熱器は所定の体積が必要であり、この体積を小型化され高密 度の電子装置内に設けるのは非常に難しい。

【０００３】 近年、小型化された電子装置内において熱を効率的に伝達する一つの方法とし て熱伝達袋（バッグ）がある。例えば、本考案の出願人である米国３Ｍ社から液 体冷却用放熱バッグとして提案されている。このバッグは可撓性シート材で作ら れ、その内部には密閉した仕切りがあり、この仕切りには熱伝達性があり化学的 に不活性で実質的にはフロロケミカ液体のガスで満たされている。バッグは熱を 発生している熱発生素子と冷却用放熱器の熱放射表面の間に配置され、密閉され たバッグ内における流体とその対流を経て熱は熱発生要素から冷却用放熱器に伝 達される。

【０００４】 上述の熱伝達バッグは、熱伝達の経路を確立する上で、その可撓性材料が熱発 生要素と冷却用放熱器の間の空洞の形状に追従するという点で有利であり、かつ 容易に熱発生要素及び熱放射表面との密接な接触が可能である点で有利である。 いくつかの提案がなされているが、所定の物質で内部を満たしたバッグの有する 固有の衝撃吸収の性質は、物理的な衝撃による損傷から構成要素を保護するため のパッキング又はクッションとて機能する。熱伝達バッグは素子の修理等に際し て容易に移動し置き換えることができ、また特定の場所に熱伝達バッグを保持す るように接着剤で固定してもよい。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、ある電子デバイス、例えば比較的熱量の大きな素子を有するデ バイスについては、このような熱伝達バッグを有する冷却用放熱器のために充分 なスペースは得られないことがあり、特に熱を発生する複数の素子が互いに接近 して配置されている場合には困難が多い。このような環境では、能動的な液体流 通冷却システムが考慮されており、この場合、流通する流体は冷却用放熱器に熱 を伝達するために使用される。熱源から離れた冷却用放熱器には、例えば冷却水 源、冷却システム、液体─空気熱交換機のようなものをいう。

【０００６】 集積回路用の流体流通装置の一例がＩＢＭ Technical Disclosure Bulletin, Vol. 28, No. 3 (August 1985) に開示されている。この文献は可撓性の壁を持 った冷却液仕切りを開示しており、その壁に付着した金属板はマルチ・チップ・ モヂュールに接触し、フィン（ひれ）として作用するように壁を経て冷却液内に 伸長する複数のスタッドを含んでいる。この形式の装置は受動的な熱伝達デバイ スを越える利点を有しているので、電子デバイス用の能動的な熱伝達装置の熱伝 達効率を改善するための絶え間ないニーズがあるが、この装置は繰り返しの取扱 にも耐えるためにはまだ充分に洗練されず、種々の電子デバイスにおける使用に まだ適応していない。

【０００７】 本考案の目的は小型で高度な冷却効果が得られる熱伝達装置を提供することに ある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】

本考案は、電子装置を冷却するための熱伝達装置であって、入口と出口を備え 冷却対象物を冷却する熱伝達流体を流通させるためのチャネル１４を有するフレ ーム１２と、該フレーム面上に配置され可撓性材料で作られたシート２４であっ て、該シートには該チャネル毎に穴２６を設けたものと、該穴を経て外方向に延 び第１及び第２の部分３０，４０を有する熱ビア２８であって、該熱ビアは該シ ートの上下動とともに上下動作するように配置され、該第１の部分３０は冷却時 には熱発生要素３６との間で熱伝達を行うために該チャネルに対して外方向に延 び、該第２の部分４０は該熱伝達流体と接するように該チャネル内に位置すよう になっているものと、該フレームと該シートを介して配置されるカバー要素５２ であって、該チャネルに対応する位置に凹み部分６２を備え、該凹みにより該熱 伝達流体が該チャネルを経て流通するときに該シートの外方向の膨らみを制限す るようになっているものと、該熱ビアの該第２の部分上に配置され、該熱ビアの 上下動作による接触から該シートを防ぐために該シート方向に延びる少なくとも 一つのピン６２とを具備することを特徴とする。

【０００９】

【作用】

実際の使用時において、チャネルを経て流れる熱伝達液体の圧力により可撓性 材料は撓み（膨らみ）、この膨らみにより熱ビアは外方向に移行し、その結果、 熱を発生する要素に接触し、熱伝導率の高い熱ビアにより熱発生要素からの熱を チャネルを通流する熱伝達流体、即ち、冷却液により効果的に冷却することがで きる。

【００１０】

【実施例】

以下、図面に沿って本考案の実施例を詳細に説明する。図１は本考案による流 体流通熱伝達装置の平面図である。図２は図１の装置のフレームの平面図であり 、可撓性カバーシートの一部分に沿って、フレーム内に形成された曲折した流通 チャネルを示す。図３は図１の装置の部分的に拡大した側面断面図であり、装置 の熱ビアは回路基板上に取付けられた集積回路部分との接触のために外方向に移 動した状態を示している。図４は図１の装置の部分的に拡大した端部断面図であ り、熱ビアは図３の状態とは異なり外方向に移動していない状態を示している。 そして図５は図４の５─５線に沿って部分的に拡大した底面図である。

【００１１】 図１〜５において、参照番号１０は本考案の流体流通熱伝達装置であり、熱伝 達流体の流通のためのチャネル１４を形成する固定フレーム１２を有する。図２ において、チャネル１４は入口１６と出口１８を有し、フレーム１２に沿って曲 折したフレーム１２の一方の側（入口側）から反対側（出口側）に通じている。 チャネル１４は９個の円筒状のチャンバ２０を有し、これらのチャンバ２０は矩 形の通路２２を経て互いに直列につながっている。フレーム１２は固体のブロッ ク材で作られ、チャネル１４はこのブロック１２の片方の面に形成され、チャン バ２０とその通路２２は他の構成要素がフレーム１２に組立てられるまでの間は 開放状態にある。

【００１２】 シート２４はプラスチックフィルムのような可撓性材料で作られ、チャンバ２ ０と通路２２の開放側、即ち、フレーム１２面上のチャンバ２０と通路２２のあ る側、にてフレーム１２面上に接して設けられている。シート２４は図１，２に 示すようにフレーム１２の面と略同一サイズであり、その結果、シート２４がフ レーム１２面上に置かれると、入口１６と出口１８の範囲を除いてチャネル１４ の全体を覆うことになる。入口１６と出口１８はいずれもフレーム１２の淵に穴 をあけて形成される。

【００１３】 シート２４は図２に部分的に示すように９個の円形穴２６を有し、この穴２６ はチャンバ２０と同心円上に設けられている。熱ビア２８は図３，４に示すよう に穴２６を経て上方に延びており、９個のチャネル１４の全てに同様に設けられ ている。

【００１４】 各熱ビア２８の詳細を図３〜５に示す。図示のように熱ビア２８は第１の円筒 部３０を有し、この円筒部３０はチャネル１４とシート２４を経て外方向に穴２ ６を経て上方に延びており、平坦な頂部３２を有し、この頂部３２は熱発生要素 ３６（即ち、冷却すべき集積回路）の平坦外面３４に接している。この場合、こ の熱発生要素３６は回路基板３８上に取り付けられた冷却すべき集積回路チップ である。

【００１５】 熱ビア２８はさらに上記の第１の部分３０からは離れた位置に第２の部分４０ を有する。この第２の部分４０はその中を流通する熱伝達流体に接触するように チャネル１４のチャンバ２０に配置される。第２の部分４０の底部は複数の整列 した小さなスタブ（切り株）もしくはフィン（ひれ）４２を有し、このような突 起により冷却液との間で広範囲で緊密な接触面が得られ、チャネル１４中を流れ る熱伝達流体との間で効果的な熱交換を行うことができる。

【００１６】 熱ビア２８はさらに第１の部分３０と第２の部分４０の間に中間部分４４を有 する。中間部分４４は第１及び第２の部分と同軸であり、第１の部分３０よりは 大きく第２の部分４０よりは小さい径を有する。溝４６は中間部分４４の頂部に 形成されＯ−リング４８を収容する。

【００１７】 環状ロックリング５０はＯ−リング４８と共に穴２６の周辺でシート２４と熱 ビア２８を密閉して結合する手段である。環状ロックリング５０は第１の部分３ ０の外径よりも僅かに小さい内径を有し、これによりロックリング５０が第１の 部分３０上で押されたときに篏合する関係にありリング自身で支持することがで きる。組立て段階では、ロックリング５０はシート２４と熱ビア２８を接続する ためにＯ−リング４８に抗してシート２４を押す。図示していないが、ロックリ ング５０は、ロックリング５０をプレス工具に結合するためのねじ穴を有し、プ レス工具で装置１０の保守や修理が必要なときにロックリング５０をビア２８か ら引き離すことができる。

【００１８】 ビア２８の第２の部分４０は第１の部分３０の露出した表面領域よりも大きな 露出した表面面積を有し、第２の部分４０は熱ビア２８を経て熱発生要素３６の 表面３４から頂部３２に伝わる熱エネルギを迅速に散逸させるための熱放射体と して機能する。一方、前述のように中間部分４４は第２の部分４０よりも小さい 径を有し、シート２４の下面と第２の部分４０の間に空間を設けるスペーサとし て機能し、この空間により、第２の部分４０の頂部面５１に熱伝達液体がフィン ４２の表面と同様に接触できるようになる。

【００１９】 平坦なカバー要素５２はねじ５４によりフレーム１２に結合される。カバー要 素５２は９個の穴５６を有し、各々はチャンバ２０と熱ビア２８と位置的に整合 している。図２及び図３に示すように、Ｏ−リング５８はフレーム１２の周辺で ねじ５４の内側に設けられた溝に収容され、カバー要素５２がフレーム１２にね じ５４により結合されるときにシート２４をフレーム１２に実質的にリークフリ ー関係で結合するシールを担う。

【００２０】 図３に示すように、スタッド５９はフレーム１２にねじ込まれ、平坦なカバー 要素５２の内側領域の保持を容易にしシート２４との接触を確保する。スタッド ５９はカバー要素５２の穴を経て伸びナット６１により固定される。なお、Ｏ− リング６３はスタッド５９の周囲からの液体の漏れを防止する。

【００２１】 カバー要素５２は熱ビア２８の部分を除いてフレーム１２の全面を覆っている 。図３及び図４に示すように、カバー要素５２は近似的にチャンバ２０と同じ径 の面取りした凹み６０を有し、この凹み６０により可撓性のシート２４は流体の 圧力がチャネル１４にかかったときに、フレーム１２から外方向に膨らむための 空間となる。流体の圧力は熱ビア２８と凹み６０に近接するシート２４の一部に 及ぼし、熱ビア２８はシート２４の一部と共に図４に示す収縮位置から外方向に 、頂部３２が熱発生要素３６の表面３４に接するまで図３に示す撓んだ又は膨ら んだ位置に移動する。

【００２２】 可撓性シート２４は、各熱ビア２８がその対応する熱発生要素３６の表面３４ と個々に当接できるように独立に移動する、ことができるように可撓性になって いる。この場合、各表面３４は正確に同一面に位置する必要はない。しかし、カ バー要素５２は熱伝達流体がチャネル１４を経て流れるときのシート２４の外方 向の動きを限定する。これは、熱ビア２８を囲む周囲のシート２４の一部は凹み ６０上のカバー要素５２の部分によって異常な撓みから守られるからである。

【００２３】 熱ビア２８は比較的高い熱伝導率を有する例えばアルミニュウムのような金属 材料で作られており、シート２４の熱伝導率よりも著しく高い。シート２４は弾 力性のあるプラスチック・フィルムの何れかから選択すればよく、このプラスチ ック・フィルムは適当な難燃性と充分な可撓性と強度とを有しており、かつ液体 及び空気に対して不浸透性があればよい。そして、現時点で適切なフィルムはポ リエステルである。シート２４は熱ビア２８の外方向の動作を可能にするような 充分な可撓性を有しているが、しかし外方向の動きに対して直角な方向の動きで は、熱ビア２８が異常な動きしないように充分な強度をもっている。

【００２４】 熱ビア２８の第２の部分４０には４本のピン６２が設けられており、第２の部 分４０の表面上に等間隔で配置されている。ピン６２は中間部分４４の高さより も低く、図４に示すようにチャネル１４に流体圧が存在しないときにシート２４ との間に僅かに空間がある。通常の動作では、ピン６２は熱ビア２８が外方向に 変位するときにシート２４と接触する。図３に示すように、熱ビア２８は凹み６ ０に近接するカバー要素５２に接するように少なくとも１つのピン６２を充分に 変位させ、ピン６２は第２の部分６２から離れた位置でシート２４を保持する。 これは、シート部分５５と壁１の間の空間に熱伝達流体を連続的に流通させるた めであり、これによりビア２８から流体への熱エネルギの効率的な散逸を可能に する。さらに、ピン６２は平坦な頂部３４が構成素子３６の表面３４と平行な関 係を維持するための補助となる。

【００２５】 チャンバ２０の構造はチャネル１４内において熱ビア２８の一部分、即ち、第 ２の部分４０、相似的構成であり、その結果、チャンバ２０を流れる流体の速度 を効果的に高めることができ、第２の部分４０の付近において熱ビア２８から流 体への熱の伝達を高めることができる。

【００２６】 熱ビア２８と熱発生要素３６の間の接触力は図２に示すバルブ６４により制御 される。バルブ６４は図２のように下流側の出口１８の付近に配置される。入口 側の上流に図示しないポンプがあり、チャネル１４内に圧力を供給し、必要に応 じてバルブ６４の開閉を制御することにより圧力を調整することができ、ポンプ ６４の動作を停止すると熱ビア２８は図４のように収縮動作となる。

【００２７】 一度、熱伝達流体が入口１６からチャンル１４を経て出口１８に流れると、通 常、流体は回路基板３８を含む電子装置から離れた外部の熱冷却器に向かう。熱 伝達流体は熱伝導性があり、化学的に不活性で、熱的に安定しているフルオロケ ミカルが適切である。液体は何らかの理由により装置１０から液体が漏れて電子 回路が短絡するのを防止するために不導電性のもの使用する。さらに、液体３２ の不活性な性質によって電子デバイスの損傷や装置のハウジング等の損傷を防止 する。

【００２８】 熱伝達バッグに使用される熱伝導性の液体は以下の代表的な物質、即ち、弗素 化された直鎖的、分枝的、又は周期的なアルカリ、エーテル、第三アミン、及び アミノ・エーテル、とこれらの混合物である。適切には一部に弗素化化合物を使 用した過弗素化化合物が使用されている。過弗素化化合物は直線的な鎖、分枝し た鎖、又は周期的、又はこれらの組合せたもの、例えば、アルキル脂環式化合物 であり、エチレン、アセチル、及び芳香不飽和物質である。骨組み鎖はカテナリ ・オキシゲン、又は安定なリンクをもたらす三価のニトロゲン複素原子であり弗 化炭素群に含まれ、化合物も不活性で安定している。上記の冷却液体の例として 、CFCL₂CFCL₂, C₈F_18, C₈F₁₇Br, C₅F₁₁OC₆F₁₃, (C₄F₉)₃N _, がある。

【００２９】

【考案の効果】

以上説明したように、本考案によれば電子デバイスの冷却に際して小型で高度 な冷却効果が得られる熱伝達装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による熱伝達装置の平面図である。

【図２】図１の装置のフレーム平面図である。

【図３】図１の装置の部分拡大側面断面図である。

【図４】図１の装置の部分拡大端部断面図である。

【図５】図４の５─５線に沿った部分拡大底面図であ
る。

【符号の説明】

１０…熱伝達装置 １２…フレーム １４…チャネル １６…入口 １８…出口 ２０…チャンバ ２２…通路 ２４…シート ２６…穴 ２８…熱ビア ３０…第１の部分 ３４…接触面 ３６…熱発生要素 ４０…第２の部分 ４２…フィン ５２…カバー要素

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 電子デバイスを冷却するための熱伝達装
   置において、 入口と出口を備え冷却対象物を冷却する熱伝達流体を流
   通させるためのチャネル（１４）を有するフレーム（１
   ２）と、 該フレーム面上に配置され可撓性材料で作られたシート
   （２４）であって、該シートには該チャネル毎に穴（２
   ６）を設けたものと、 該穴を経て外方向に延び第１及び第２の部分（３０，４
   ０）を有する熱ビア（２８）であって、該熱ビアは該シ
   ートの上下動とともに上下動作するように配置され、該
   第１の部分（３０）は冷却時には熱発生要素（３６）と
   の間で熱伝達を行うために該チャネルに対して外方向に
   延び、該第２の部分（４０）は該熱伝達流体と接するよ
   うに該チャネル内に位置するようになっているものと、 該フレームと該シートを介して配置されるカバー要素
   （５２）であって、該チャネルに対応する位置に凹み部
   分（６０）を備え、該凹みにより該熱伝達流体が該チャ
   ネルを経て流通するときに該シートの外方向の膨らみを
   制限するようになっているものと、 該熱ビアの該第２の部分上に配置され、該熱ビアの上下
   動作による接触から該シートを防ぐために該シート方向
   に延びる少なくとも一つのピン（６２）と、 を具備することを特徴とする熱伝達装置。