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JP2544497B2 - コンピュ―タ冷却装置 - Google Patents

コンピュ―タ冷却装置

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JP2544497B2
JP2544497B2 JP2045413A JP4541390A JP2544497B2 JP 2544497 B2 JP2544497 B2 JP 2544497B2 JP 2045413 A JP2045413 A JP 2045413A JP 4541390 A JP4541390 A JP 4541390A JP 2544497 B2 JP2544497 B2 JP 2544497B2
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滉 井上
寛治 大塚
優之 白井
隆夫 大場
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Hitachi Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 コンピユータシステムを代表とする電子機器に用いら
れる各種構造のLSIの冷却装置に係わり、特に発熱密度
の高いLSIの冷却に好適なLSI冷却装置に関する。
〔従来の技術〕
従来LSIの冷却（空冷）は、発熱密度が高々数W/cm2以
下であるため、平板を主体とした簡単な構造で冷却が可
能であつた。近年、LSIの発熱量が増加するに伴い、冷
却性能に優れたヒートシンク構造の追求が必要になつて
きた。その中で、実装上の利点と放熱性能の向上の両面
を考えた場合に好ましい構造としてピンフイン状のヒー
トシンク構造が考えられる。その構造を利用した実施例
として、ニツケイ エレクトロニクス1989.10.30の第87
頁に記載のものがある。このピンフイン構造体そのもの
は、旧知の技術であるが、冷却性能を大幅に向上させる
には、個々のピンの寸法仕様の選択が極めて重要にな
る。しかるに従来の技術の範囲では、製造上の制約や、
冷却性能の究明が十分でないなどの背景から、1mmφ径
のピンを用いているものが大半であり、冷却空気の流れ
まで考慮していないものであつた。
〔発明が解決しようとする課題〕
ピンフイン形ヒートシンク構造の利点は、冷却風の方
向に制約がないという点と、一般に伝熱性能が高い（平
板形に比較すると）という点である。しかしながら、そ
れらの利点を最大限に利用しようとする場合には、ピン
フイン形ヒートシンク特有の伝熱現象をもとにした最適
な構造設計が要求される。すなわち、ピンフイン構造体
は、ピン径と冷却風の風速によつて流れの状態が変化す
るとともに、伝熱特性も変化する。これらの現象から本
発明の対象であるLSI冷却用に好適な寸法仕様の範囲が
存在する。しかるには従来技術は、上記点に関する配慮
は成されていなかつた。
本発明の目的は、冷却性能もよく、低騒音なコンピユ
ータの冷却装置を得ることにある。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明のLSI冷却用ヒー
トシンクは、レイノズル数が40以下となるように線径を
設定した細線フインにより構成し、例えば冷却空気の流
速がほぼ1m/sの場合は線径を0.6mm以下、好ましくは0.3
mmとしたコルゲート状の細線フインにより構成し、本発
明のコンピユータ冷却装置は、上記ヒートシンクをLSI
パツケージに設けるとともにフアンによりレイノズル約
40以下でLSIパツケージに対して上方から冷却空気を流
すようにしたものである。
〔作用〕
本発明は細線状ヒートシンクの基本的な伝熱特性の認
識にもとづいている。すなわち、細線一本を採り出し
て、その回りに流れに注目すると、第11図から第13図に
示すパターンになる。この流れのパターンは、流速Ｖと
細線径Ｄによつて規定される無次元数であるRe（レイノ
ズル線）によつて支配される。ここで、Reの定義は下記
に示すものである。
Re＝Ｖ・D/ν （ν：流体の動粘性係数） 第13図は、Re＞40になると、剥離流15が非常に大きい
割合を占めるようになり、第12図に示すように、Re30
では剥離流15は存在するが領域が限定され、又、第11図
に示すようにRe１では、ほとんど流れは剥離しないこ
とを示している。このことは、流れの圧力損失（通気抵
抗）はRe＞40では飛躍的に増大することを意味し、Re＜
40とすることが一つの選定条件として大きな意味をも
つ。ところで、LSI冷却に際して、フアンによつて送風
する場合の風速Ｖは、低騒音化，フアンの小形化などの
観点から、極力小さくする方が良いが、あまり小さくし
過ぎると、風温上昇が著しくなり、限度がある。このよ
うな観点から実状ではＶ＝1m/s程度が最低になるケース
が多い。そこで、Ｖ＝1m/s時にRe＜40を実現する細線径
ＤとしてはＤ＜0.6mmということになる。第14図はＶ＝1
m/s程度において、細線径（代表直径）Ｄが、圧力損失
と、細線の熱伝達率に与える影響を示したものである。
ここでは、従来技術として、Ｄ＝1mmの場合を例にと
り、これを基準として示してある。まず圧力損失につい
てみると、上述したように、Ｄ＞0.6mmの場合、Re＞40
となるので、圧力損失の増加が著しくなり、Ｄ＜0.6mm
ではRe＜40となるので、剥離流割合が漸次小さくなつ
て、圧力損失は徐々に変化しなくなる傾向になる。一
方、熱伝達率についてみると、これは従来現象的に把握
されており、第14図に示すように、Ｄに逆比例して変化
するという知見が得られている。Ｄ＜0.6mmにおいて、
特に増加割合が大きくなる。
本発明は、以上記述した基本的な伝熱特性に対する現
象究明と、LSI冷却用ヒートシンクとしての制約条件を
もとに考え出された案であり、従来技術に対して大幅な
冷却性能の向上が実現できる。すなわち、本発明の要点
は、ヒートシンクを構成する主要な要素となる線状体と
代表径Ｄをレイノルズ数が40以下となる例えばＤ＜0.6m
mとするものである。
又、細線群に適切な間隔で幅広い洗浄体を設けること
により、支柱の役割をし剛性を向上できる。
又、上記ヒートシンクをLSIパツケージに設けるとと
もに、フアンによりレイノルズ数を40以下となるように
送風することにより、あらゆる方向から送風でき、渦の
発生を小さく抑えられるので、騒音の小さいコンピユー
タ冷却装置が提供できる。
〔実施例〕
第１図は、ヒートシンクを具備するLSIを搭載したボ
ード（基板）と、該LSIを空冷する手段を内蔵したコン
ピユータの実装状態を示したもので、その斜視図であ
る。
コンピユータ30は、エンクロージヤ23内に複数枚のボ
ード21が実装されており、互いに配線されている。各ボ
ード21にはメモリ22,LSIパツケージ１等が装着されてお
り、各LSIパツケージ１にはヒートシンクである細線フ
イン３が具備されている。エンクロージヤ23の上面（但
し上面でなくても良い）にはLSIパツケージ１を流体に
流して冷却するためのフアン28が取り付けられている。
以下、流体として空気を例にとり説明する。
フアン28による冷却風の送風方法は、例えば第２図，
第３図の例を示した方法がとられる。第２図に示す送風
方法は並行流を利用したものであり、第３図に示す送風
方法は本発明の一実施例である衝突流を利用したもので
ある。
第２図に示す送風方法は、フアン28により送風された
冷却空気を各ボート21をガイドとして、空気流24として
ボード21間に通風させる。通風された冷却空気は、メモ
リ22を冷却し、後に詳細に述べるが、ヒートシンクであ
る細線フイン３の間を通過し、LSIパツケージ１から熱
を奪い、後段のLSIパツケージ１を冷却した後、26で示
すように排気される。
第３図に示す送風方法では、ボード21間にLSIパツケ
ージ１の上方から冷却空気を導びくようにスリツトを設
けたガイド板27が設けられており、冷却空気を主流24a
とバイパス流24bとに分けて、LSIパツケージ１に送風さ
れるようになつている。そのため、フアン22により送風
された冷却空気のうち、バイパス流2bはメモリ22を冷却
する。一方、主流24aはガイド板27に設けられたスリツ
トを通過してLSIパツケージ１の上方から衝突流として
細線フイン３およびLSIパツケージ１に衝突して冷却
し、バイパス流24bと混合しながら26に示すように排気
される。
次に、第４図から第14図により、LSIパツケージ１の
ヒートシンクの詳細な構造を説明する。
第４図に、１つのLSIパツケージに冷却用ヒートシン
クを搭載した例を示す。本実施例は、LSIパツケージ１
の上に、空冷用ヒートシンクである、0.3mmφ径の細線
フイン３が取り付けられた構造である。細線フイン３は
これを伸ばすと長い連続状のものとなる平行状の細線を
コルゲート状に折り曲げられた構造のものである。LSI
パツケージ１の下面からは、内部の配線基盤に通じる多
数のピン２が突出している。上記LSIパツケージを冷却
するための冷却風の方向は４〜６で示すように、このヒ
ートシンクに対しては、いずれの方向からも冷却が可能
である。細線フイン３の取付けなど詳細な構造は、第４
図のＡ−Ａ断面で示した第５図に示すように、細線フイ
ン３は前記パツケージの上面に位置する熱拡散板８に直
接接合される。ヒートシンク構造が細線群であることか
ら、熱拡散板８と細線フイン３は直接接合（金属接合な
ど）が可能で、間に伸縮部材をはさむ必要はない。該パ
ツケージは、LSIチツプ7,配線基板9,ワイヤ11,キヤツプ
10などより構成されている。これらの間の接合にはSiゴ
ムなどの適当な接着部材を用いる。LSIチツプ７とピン
２はワイヤ11によつて電気的に接続されており、キヤツ
プ10によつて保護されている。又、熱拡散板、８はLSI
チツプ７の発熱を細線フイン３に熱伝達する役割をす
る。又、細線フイン３の配列は第４図のＢ−Ｂ断面を示
す第６図のように正面並行流５の方向に対し、細線列が
傾斜した構成になつている。
ここで、細線の断面形状は、第７図，第８図，第９図
にそれぞれ示す様に円形断面に限らず、楕円形断面，矩
形断面などの形状でも良く、代表長さ〔２×最短径×最
長径／（最短径＋最長径）〕が、0.6mm以下であるよう
に設定されていることが重要である。
本実施例では、細線径Ｄ＝0.3mmとしている。
なお、断面形状の異なるものを組み合せて空気の流れ
る方向を制御できることはいうまでもない。
次に本実施例を作用効果について説明する。本実施例
になる細線フインは、前記のように、細線径Ｄ＝0.3mm
としているので、いは、風速Ｖ＝1m/sとした場合、レイ
ノルズ数ReはRe＝20となり、第11図に示すように、細線
の後流すなわち、流れの剥離部15の形成される領域は比
較的小さいものにとどまる。この結果、細線群間の空気
流のパターンは第10図に示す様に、滑らかな状況を呈
し、第14図に示す伝熱流動特性から明らかなように、ま
ず第一に圧力損失が非常に小さく抑えられる。又、本実
施例の場合、正面並行流５に対して、細線列が傾斜して
いるため、第10図に示す様に、この流れの方向に対して
は特に、細線の後流（剥離流15）の影響が後列の細線は
及ばない。この点は個々の細線の熱伝達率（すなわち冷
却性能）を最大限に発揮させる上で極めて好ましく、第
14図の特性からも、明らかなように熱伝達率が大きく向
上する。なお、細線列が前記のように傾斜している場合
は最良の状態であり、列配置のバリエーシヨンとしては
他に、千鳥状，碁盤目状などがある。以上述べたように
本実施例になる細線状ヒートシンクを用いると、従来技
術に比較して、冷却風の圧力損失を小さく抑えた状態で
大幅に冷却性能を向上させることができる。
本発明の他の実施例を第15図，第16図に示す。
本実施例においても、主眼は前記の如く、主要な要素
は、Ｄ＜0.6mmの細線群を有することであるが、実施に
当つては別の構成要素を付加することによつて、新しい
機能を追加することができる。その一つは、ヒートシン
クの剛性の強化を追加することができる。すなわち、細
線群の適宜箇所に、幅広の線状体17,18を挿入するもの
で、これにより、線状ヒートシンクの縦方向，横方向の
強度が大きく向上できる。第16図に示すように、幅広の
線状体17,18のうち、直交幅広線状体18は、コルゲート
状に折り曲げられた細線フイン３の熱拡散板８との接合
部と上端部に位置するように設定されている。又、並行
幅広線状体17は適宜な間隔で設けて良い。こうすること
により、通風抵抗はわずかに増すが、強度上丈夫なヒー
トシンクを得ることができる。
本発明の他の実施例を第17図，第18図に示す。
本実施例の構造のヒートシンクは、ヒートシンクの大
きさの自由度及びハンドリング性の向上を目的としたも
のである。本実施例では、第18図に示すように任意の大
きさの支柱20に細線集合体19を固着したものを一要素と
し、これを複数用いることにより、第17図に示すように
全体のヒートシンクを構成したものである。
支柱20と細線集合体19とは、前記したと同様に金属接
合などにより支柱20に直接接合している。こうすること
により、冷却空気の流す方向は規制されるが、ヒートシ
ンクの強度を大幅に向上することができる。
又、冷却空気の流れる方向の自由度を得たい場合に
は、支柱20に適切な数の通風穴を設けると良い。なお、
以上は細線フインと熱拡散板８あるいは支柱20とは直接
接合している実施例を述べたが、間接的であつてもよ
い。
又、LSI冷却用ヒートシンクとしては、トレードマー
ク等の刻印を施すための側板を具備することがあり、本
発明においても適宜それらの付加部材を追加することを
含むことは言うまでもない。
〔発明の効果〕
本発明によれば、第１に、ヒートシンクをレイノルズ
数が40以下となるように設定した細線フインにより構成
しているので、圧力損失が小さく、冷却性能に優れたヒ
ートシンクが構成できる。その結果、高発熱LSIの冷却
が可能になる。第２に、細線群に幅広の線状体を設ける
か、支柱を用いることにより剛性のあるヒートシンクを
得ることができる。第３に本発明によりヒートシンクを
具備するLSIを搭載したコンピユータにおいて、各種冷
却風送風方法に対応できるとともに、低騒音冷却が可能
になる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示しコンピユータに適用し
た場合の実装状態を示す斜視図、第２図，第３図はそれ
ぞれ冷却空気の流れを示すボード部の縦断面図、第４図
は１つのLSIパツケージのヒートシンクの構造を示す斜
視図、第５図は第４図のＡ−Ａ断面図、第６図は第４図
のＢ−Ｂ断面図、第７図から第９図はそれぞれ細線フイ
ンの形状を示す斜視図、第10図から第13図はそれぞれ空
気の流れる状態を示す図、第14図は本発明の効果を説明
する図、第15図は本発明の他の実施例を示す平面図、第
16図はその１つのLSIパツケージのヒートシンクの構造
を示す斜視図、第17図は本発明の他の実施例を示すヒー
トシンクの構造を示す斜視図、第18図はその一部拡大図
である。 １……LSIパツケージ、３……細線フイン、７……LSI、
８……熱拡散板、９……配線基板、10……キヤツプ、11
……ワイヤ、13……細線群、21……ボード、22……メモ
リ、28……フアン、30……コンピユータ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井上 滉 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 (72)発明者 大塚 寛治 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日 立製作所コンピュータ事業部デバイス開 発センタ内 (72)発明者 白井 優之 東京都青梅市今井2326番地 株式会社日 立製作所コンピュータ事業部デバイス開 発センタ内 (72)発明者 大場 隆夫 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社 日立製作所神奈川工場内 (72)発明者 山際 明 神奈川県秦野市堀山下１番地 株式会社 日立製作所神奈川工場内 (56)参考文献 特開 昭59−215755（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−7550（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ヒートシンクを具備したLSIパッケージを
    搭載した基板と、前記LSIパッケージを冷却するために
    空気を送風する空気流路に空気を送る手段を備え、各ヒ
    ートシンクが細線フィンからなり該細線フィンの細線の
    直径と空気送風量がレイノルズ数が40以下となるように
    設定され、前記空気流路が主流路とバイパス流路とを分
    けるためのガイド板を具備し、前記主流路が前記ガイド
    板に形成されたスリットによって案内されて、主流が前
    記LSIパッケージの上方から衝突する一方、ぜんきLSIパ
    ッケージの残りの部分が前記バイパス流によって冷却さ
    れるように構成されていることを特徴とするコンピュー
    タ冷却装置。
  2. 【請求項２】前記空気の通路は、主流とバイパス流とに
    分離するガイド板を有するものであって、前記主流を前
    記ガイド板に設けたスリットにより前記LSIパッケージ
    の上部から衝突させるように導くとともに、それ以外の
    部品を前記バイパス流によって冷却するように構成され
    ている請求項１に記載のコンピュータ冷却装置。
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