(57)【要約】【課題】本発明の目的は、冷却性能が高く、構造が単純で、小型化が容易なヒートシンクを備えた冷却装置を提供する。【解決手段】ヒートシンク１は第一の流路が内部に形成された下部基板５とポンプ６と第一のフィン群７と第三の流路が内部に形成された第二のフィン群８と第二の流路が内部に形成された上部基板９とから構成されている。冷却用ファン３の回転出力でポンプ６を駆動し、冷却液は、下部基板５と第二のフィン群８と上部基板９の内部を循環して流れる。【選択図】　　　　図１
2004087741.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱源からの熱を消散するヒートシンクを備えた冷却装置であって、
表面と熱源が接触する裏面とを備え、前記表面に複数の吸入口と複数の排出口をもつ第一の流路が内部に形成された熱伝導性の良い下部基板と、
前記下部基板から離れて対向する位置に配置され、表面と裏面とを備え、前記裏面に複数の吸入口と複数の排出口をもつ第二の流路が内部に形成され、中央に開口部を持つ熱伝導性の良い上部基板と、
前記下部基板の前記表面に対して熱伝達可能に取り付けられ、複数の放熱フィンが配列された第一のフィン群と、
前記下部基板の前記表面と前記上部基板の前記裏面との間に取り付けられ、複数の吸入口と複数の排出口をもつ第三の流路が内部に形成され、複数のプレート状フィンが前記下部基板および前記上部基板と平行に配列された第二のフィン群と、
前記第一の流路と前記第二の流路および前記第三の流路を満たす冷却液と、
前記下部基板の前記表面中央部に配置され、外部入力により回転可能な羽根車を有するポンプとを具備するヒートシンクと、
複数枚のブレードを有しモータによって回転させられるインペラを備え、前記ヒートシンクの前記第一のフィン群の上方に前記インペラが位置するように前記ヒートシンクに対して取り付けられた冷却用ファンとを具備し、
前記冷却ファンは前記第一のフィン群と前記第二のフィン群に冷却用空気を吹き付け、
前記冷却液が前記ポンプにより前記下部基板の前記第一の流路と前記第二のフィン群の前記第三の流路と前記上部基板の前記第二の流路との間を還流することを特徴とするヒートシンクを備えた冷却装置。
【請求項２】
前記上部基板の前記開口部内に前記冷却ファンが配置されることを特徴とする請求項１記載のヒートシンクを備えた冷却装置。
【請求項３】
前記ポンプの前期羽根車の回転軸は前記冷却ファンの前記インペラの回転軸の軸線上に位置し、前記インペラの回転出力を前期羽根車へ伝達させることによって前記ポンプが駆動することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のヒートシンクを備えた冷却装置。
【請求項４】
前記インペラの回転出力はマグネットカップリングを用いて前記羽根車へ伝達されていることを特徴とする請求項３に記載のヒートシンクを備えた冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、熱源からの熱を消散するヒートシンクを備えた冷却装置に関するものであり、特にＣＰＵ等の電子部品を冷却するのに好適な冷却装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンピューターに用いられるＣＰＵ等の電子部品から発生する熱量は、その高性能化に伴って益々増大する傾向にある。このような高発熱量の電子部品に対応した冷却装置として特開２００１−２９８１４０号公報には複数枚のプレート状フィンを基板表面に対して所定の傾斜角を形成して放射状に配置したヒートシンクを用いる冷却装置が示されている。米国特許第５３１６０７７号にはヒートシンクの基板内部に冷却液の流路を形成し、基板上のポンプにより基板内部に冷却液を循環させる冷却装置が示されている。また米国特許第６０１９１６５号にはポンプを基板の内部に配置し、冷却液用の小型熱交換器を用い、冷却液を循環させる冷却装置が示されている。また米国特許第６２６３９５７号には基板内部の冷却液を一本の金属管を用いて外部に引き出し、放熱機能を持たせるため、基板と対向する位置で金属管を蛇行させ、ポンプで冷却液を循環させる冷却装置が示されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一番目の冷却装置のヒートシンクは、今のところ、最近の高発熱量のＣＰＵを冷却するのに適している。しかしながら、さらに冷却性能を向上させるためには装置を大型化しなければならない。二番目の冷却装置のヒートシンクは、冷却液が基板内部を循環するだけなので冷却性能が低い。またポンプと放熱フィンの位置関係が基板の表面側と裏面側に分かれて位置しているためＣＰＵの冷却には不向きである。三番目の冷却装置は、ポンプが基板内部に配置されているので冷却液の流路が複雑で基板の高さ方向の大きさが増大してしまう。また冷却液用の熱交換器を基板内部に形成する必要があるので製造コストが大きくなってしまう。また基板内部のポンプを駆動するのに基板上部に位置する冷却ファンの軸出力を使用しているが、ファンからの距離が大きいためファンのインペラに出力伝達用の長いシャフトを装着する必要があり、コストが増大するとともにファンにシャフトを駆動する負荷が生じ装置の寿命が低下する問題が発生する。また基板表面に放熱フィンが配置されているが、熱源からの熱の大部分が冷却液を介して放熱フィンに伝達される構造となっており、ポンプが故障した時，冷却ファンが正常に動作している場合でもただちに装置の機能が停止してしまう問題がある。四番目の冷却装置では基板から引き出された放熱部が基板と対向した位置にあるため、冷却ファンの吸気経路の障害となりヒートシンクに十分な冷却用空気を吹き付けることが困難である。また一本の管を蛇行させているため圧損が大きくポンプの負荷が増大し、ポンプの寿命が短くなってしまう問題がある。また放熱部を２箇所のみで支持しているため、構造的に脆いという問題がある。またポンプの駆動用に専用のモータを基板上に配置しているため装置の小型化が困難である。
【０００４】
本発明の目的は、冷却性能が高く、構造が単純で、小型化が容易なヒートシンクを備えた冷却装置を提供することにある。
【０００５】
本発明の別の目的は、製造コストが小さく、構造が堅牢で、寿命が長いヒートシンクを備えた冷却装置を提供することにある。
【０００６】
本発明の更なる別の目的は、故障が発生しても、直ちに冷却機能が停止することのない信頼性の高いヒートシンクを備えた冷却装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、熱源からの熱を消散するヒートシンクを備えた冷却装置を改良の対象とする。ヒートシンクは、表面と熱源が接触する裏面とを備え、表面に複数の吸入口と複数の排出口をもつ第一の流路が内部に形成された熱伝導性の良い下部基板と、下部基板から離れて対向する位置に配置され、表面と裏面とを備え、裏面に複数の吸入口と複数の排出口をもつ第二の流路が内部に形成され、中央に開口部を持つ熱伝導性の良い上部基板と、下部基板の表面に対して熱伝達可能に取り付けられ、複数の放熱フィンが配列された第一のフィン群と、下部基板の表面と上部基板の裏面との間に取り付けられ、複数の吸入口と複数の排出口をもつ第三の流路が内部に形成され、複数のプレート状フィンが下部基板および上部基板と平行に配列された第二のフィン群と、第一の流路と第二の流路および第三の流路を満たす冷却液と、下部基板の表面中央部に配置され、外部入力により回転可能な羽根車を有するポンプとを具備する。冷却用ファンは複数枚のブレードを有しモータによって回転させられるインペラを備え、ヒートシンクの第一のフィン群の上方にインペラが位置するようにヒートシンクに対して取り付けられる。冷却ファンは第一のフィン群と第二のフィン群に冷却用空気を吹き付け、冷却液はポンプにより下部基板の第一の流路と第二のフィン群の第三の流路と上部基板の第二の流路との間を還流する。
【０００９】
本発明で用いる冷却ファンは上部基板の開口部内に配置される。またポンプの羽根車の回転軸は、インペラの回転軸の軸線上に位置し、インペラの回転出力は羽根車へ伝達されてポンプが駆動する。またインペラの回転出力はマグネットカップリングを用いて羽根車に伝達される。
【００１０】
下部基板の裏面に熱源が接触して裏面から表面へ熱が基板内部を伝導し基板表面に配置された放熱フィンに伝わる過程において、一般に基板内部に形成された流路つまり基板内部の空洞は冷却液が存在しない状態あるいは冷却液が移動していない状態では大きな熱抵抗となり、熱源近傍に配置された放熱フィンによる冷却性能は低下する。本発明で用いるヒートシンクの下部基板の第一の流路は、基板表面に配置された第一のフィン群の放熱フィンの熱伝達面と平行になるように形成されているので、熱源からの熱流を妨げることなく放熱フィンへ伝達することが可能で、流路に冷却液が存在しない状態あるいは冷却液が移動していない状態でも第一のフィン群による冷却性能はほとんど低下しない。下部基板の第一の流路は複数の吸入口と複数の排出口を持ち、吸入側と排出側それぞれが複数の流路で構成されているので、単一の流路の場合と比較して冷却液の圧損が小さくポンプの負荷も小さい。
【００１１】
第二のフィン群は、第一のフィン群を取り囲むように下部基板に取り付けられるが、下部基板の基板面と垂直で下部基板の中心を貫く仮想中心線に対して１８０度対称の形状となっている。第二のフィン群内部に形成された第三の流路は、すべてこの仮想中心線と平行で、１８０度対称に２つのグループからなり、一方のグループは下部基板側から上部基板側へ冷却水が流れ、もう一方は上部基板側から下部基板側へ冷却水が流れる。２つのグループはそれぞれ複数の流路で構成され、一つの管状構造物の内部が一つの流路となっている。つまり第二のフィン群は複数の管状構造物と複数のプレート状フィンで構成され、各々の管状構造物が複数のプレート状フィンを貫いた構造となっており、管状構造物の下端が下部基板表面に形成された吸入口と排出口に対応するように取り付けられる。この管状構造物は銅もしくはアルミ合金などの熱伝導の良い材料で形成されており、プレート状フィンと熱伝達可能に接合されている。プレート状フィンは中央部に開口部を持ち、この内部に第一のフィン群が内包される。
【００１２】
上部基板は第二のフィン群の上方に配置され、上部基板裏面には複数の吸入口と複数の排出口があり、第二のフィン群の管状構造物の上端と対応して取り付けられる。上部基板内部には第二の流路が形成されており、第二のフィン群の流路の一方のグループから流れ込んだ冷却液がこの第二の流路を通って第二のフィン群のもう一方のグループの流路へ流れ込むようになっている。この上部基板の中央部には開口部があり、開口部内に冷却ファンを配置する。また、上部基板上に冷却ファンを配置し、この開口部をファンの排出口としてもよい。
【００１３】
下部基板表面中央部には吸入口と排出口が一つずつ形成されており、ポンプはこの上部に配置され、ポンプの吸排水はこの２つの吸入、排出口を使用して行われる。ポンプは遠心ポンプが望ましく、外部入力により回転可能な羽根車を備えている。羽根車が回転するとポンプは下部基板表面の吸入口から基板表面と垂直方向に冷却水を吸い上げ、向きを変えて再び基板表面と垂直方向に排出するように動作する。ポンプの駆動は外部モータ等を使用しても良いが、冷却ファンのインペラの回転出力を使用するとコスト、信頼性、小型化の点で有利である。本発明においては、ポンプの羽根車の回転軸がインペラの回転軸の軸線上に位置しており、羽根車に取り付けられた磁石とインペラの回転軸に取り付けられた磁石によってマグネットカップリングを形成し、回転出力を伝達する。したがって、ポンプはヒートシンクと一体成形することができ駆動部からの冷却液漏れを完全に防ぐことができるので装置の小型化が容易になり、ポンプの信頼性も向上する。また冷却ファンを容易に脱着することが可能である。
【００１４】
ＣＰＵ等の熱源からの熱は下部基板を経て一部は下部基板表面の放熱フィンへ直接伝導し、冷却ファンからの空気で放熱される。残りの熱は冷却液へ伝達されるが、ポンプからの冷却液は下部基板面に対して垂直方向に排出されるので熱流密度が最も大きい下部基板中心部での冷却液への熱伝達が促進される。中心部で熱を受け取った冷却液は基板内部の第一の流路をさらに基板から吸熱を行いながら流れ、第二のフィン群の一方のグループの第三の流路へ入る。第三の流路で冷却液の熱は管状構造物を経て放熱フィンへ移動し冷却ファンからの空気で外部へ放熱される。冷却液は続いて上部基板の第二の流路へ流れ込み、上部基板へ熱を放出する。上部基板へ放出された熱は、冷却ファンからの空気で外部へ放熱される。また上部基板裏面または表面にヒートシンクを備えるとさらに放熱性能が向上する。上部基板から排出された冷却液は引き続いて第二のフィン群のもう一方のグループの第三の流路を流れ、さらに熱を外部に放熱する。これら三回の放熱過程を経て、冷却液は再び下部基板へ流れ込み、再度熱の吸収を行う。
【００１５】
このように本発明によれば、熱源からの熱を下部基板内部の熱伝導により直接第一のフィン群で放熱し、さらに冷却液を用いて第二のフィン群と上部基板とで放熱することによって、従来より装置の冷却性能を大幅に向上させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るヒートシンクを備えた冷却装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の第１の実施の形態のヒートシンクを備えた冷却装置の概略斜視図である。
【００１７】
図１に示されるように、この冷却装置は、ヒートシンク１と冷却用ファン３とから構成されている。ヒートシンク１は下部基板５とポンプ６と第一のフィン群７と第二のフィン群８と上部基板９とから構成されている。下部基板５は熱伝導性にすぐれ加工が容易な例えばアルミニウム合金または銅金属に代表される金属材、あるいは炭素材料や熱伝導性高分子材料などの非金属材により構成される。第一のフィン群７は熱伝導性にすぐれた金属薄板を所定の取り付け角度で放射状に配列した構成となっており、中心部には逆円錐台形状の空間がある。ポンプ６は第一のフィン群７の中心部の空間内に固定されている。第二のフィン群８は熱伝導性にすぐれた金属管と金属薄板より構成され、金属管と金属薄板は溶接、ろう付け、はんだ付け等により接合されている。上部基板９は熱伝導性にすぐれ加工が容易な例えばアルミニウム合金または銅金属に代表される金属材、あるいは炭素材料や熱伝導性高分子材料などの非金属材により構成される。冷却ファン３はブレード１０を備えたインペラ１１の一部が上部基板９の開口部に内包されている。
【００１８】
図２は下部基板２１と第一のフィン群２５とポンプ２６と冷却ファン２７の配置関係を示す概略斜視図である。図２に示すように下部基板２１は基板表面２１ａと裏面２１ｂから構成され、吸入口２２と排出口２３を備える。第一のフィン群２５の中央部にポンプ２６が位置し、その上に冷却ファン２７が配置される。吸入口２２から基板内部に流れ込んだ冷却液はポンプ２６を経て排出口２３より排出される。
【００１９】
図３は下部基板内部に形成された流路の概略斜視図である。図３の矢印は冷却液の流れの方向を表している。流路は中央部で２つに分離しており、この分離部分がポンプの吸入口と排出口に接続され、図の矢印の向きに冷却液を流すように駆動する。
【００２０】
図４は第二のフィン群の概略斜視図である。図の矢印は冷却液の流れの方向を示している。図２の２３から排出された冷却液は金属管を通って図４の４１から排出され、図に示していない上部基板を経て吸入口４２へ流れ込む。
【００２１】
図５はヒートシンク全体の冷却液の流路と冷却液の流れの方向を示す概略斜視図である。図に示すように冷却液は基板面に対して９０度づつ方向を変えながら循環する。
【００２２】
図６は本発明による第２の実施の形態の概略斜視図である。冷却ファン６３はケーシング６５を備え上部基板６７上に配置されている。本実施の形態によれば、第一の実施の形態の場合よりも容易に冷却ファン６３を脱着することができる。
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば、装置を大型化することなく、単純な構造で、高い冷却性能を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の冷却装置の第１の実施の形態の概略斜視図である。
【図２】第１の実施の形態で用いる下部基板と第一のフィン群とポンプと冷却ファンの配置関係の概略斜視図である。
【図３】第１の実施の形態で用いる下部基板内部の流路の概略斜視図である。
【図４】第１の実施の形態で用いる第二のフィン群の概略斜視図である。
【図５】第１の実施の形態で用いるヒートシンク全体の流路と冷却液の流れの方向を示す概略斜視図である。
【図６】本発明による第２の実施の形態の概略斜視図である。
【符号の説明】
１　　ヒートシンク
３　　冷却用ファン
５　　下部基板
６　　ポンプ
７　　第一のフィン群
８　　第二のフィン群
９　　上部基板
１０　ブレード
１１　インペラ
【図１】
2004087741.tif 000003
【図２】
2004087741.tif 000004
【図３】
2004087741.tif 000005
【図４】
2004087741.tif 000006
【図５】
2004087741.tif 000007
【図６】
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